Die Erfindung betrifft ein Gaswechselventil, ein tribologisches System mit einem- solchen Gaswechselventil und eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Ventil sitzring oder einem solchen tribologischen System. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Beschichten eines Gaswechselventils.

Aus der DE 10 2014 225 741 A1 ist ein gattungsgemäßes Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine mit einem Ventilteller und einem Ventilschaft bekannt. Hierbei ist am Ventilschaft zumindest bereichsweise eine Nickel-Phosphor-Schicht aufge- bracht. Hierdurch soll insbesondere ein übermäßiger Verschleiß des Gaswechsel- ventils im Betrieb verhindert werden.

Generell sind Gaswechselventile in Brennkraftmaschinen hohen thermischen und/oder mechanischen Belastungen ausgesetzt. Auch die Ventilführung, an wel- cher der Ventilschaft während des Betriebs der Brennkraftmaschine reibt, ist ei- nem Verschleiß ausgesetzt. Die kann dazu führen, dass das Ventil nicht mehr zentrisch auf den Ventilsitz zurückkehrt und nicht gut abdichtet. Neben mechani- schen Belastungen spielen auch thermische und chemische Belastungen, bei- spielsweise durch Öle, Schmiermittel oder andere Stoffe, eine entscheidende Rol- le, da sich diese oftmals negativ auf die Korrosions- und damit die Verschleißbe- ständigkeit auswirken können.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für ein Gas- wechselventil der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine al- ternative Ausführungsform anzugeben, welche sich insbesondere durch eine er höhte Verschleißbeständigkeit auszeichnet.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Au sfü h ru ng sform en sind Gegenstand der abhän- gigen Ansprüche.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein an sich be- kanntes Gaswechselventil mit einem Ventilteller und einem Ventilschaft, zumin- dest am Ventilschaft zumindest bereichsweise mit einer aufgebrachten Nickel- Phosphor-Borcarbid Schicht zu versehen. Eine derartig ausgebildete Nickel- Phosphor-Borcarbid Schicht hat sich besonders gut gegenüber einem Verschleiß des Gaswechselventils und der Ventilführung, welche das Gaswechselventil im Betrieb des Gaswechselventils führt, erwiesen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Ein erfindungsgemäßes Gaswechselventil umfasst einen Ventilschaft und einen Ventilteller, wobei auf dem Ventilschaft zumindest bereichsweise eine Nickel- Phosphor-Borcarbid-Schicht angeordnet ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Nickel-Phosphor- Borcarbid-Schicht 0,5 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise 1 ,5 bis 3 Gew.-%, Phosphor. Ein derartiger Phosphoranteil der Schicht gewährleistet eine hohe Verschleißbe- ständigkeit für das Gaswechselventil und für eine Ventilführung und einen deutlich erhöhten Korrosionsschutz für das Gaswechselventil, welches insbesondere bei einem Einsatz als Einlass- oder Auslassventil nicht nur hohen thermischen und mechanischen, sondern auch nasschemischer Korrosion (Kondensatkorrosion) ausgesetzt ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält die Nickel-Phosphor- Borcarbid-Schicht 2 bis 7 Gew.-%, vorzugsweise 3 bis 5 Gew.-%, Borcarbid. Ein derartiger Borcarbidanteil der Schicht gewährleistet ebenfalls eine hohe Ver- schleißbeständigkeit für das Gaswechselventil und für die Ventilführung und einen deutlich erhöhten Korrosionsschutz für das Gaswechselventil.

Vorteilhaft weist die Nickel-Phosphor-Borcarbid-Schicht eine Mischhärte zwischen 350 HV und 1500 HV, vorzugsweise zwischen 400 HV und 800 HV, auf. Diese Ausführungsform erweist sich als besonders Verschleiß- und Korrosionsbeständig und reduziert den Verschleiß an der Ventilführung besonders gut.

Besonders vorteilhaft weist die Nickel-Phosphor-Borcarbid-Schicht einen mittleren Korndurchmesser d ₅ o von weniger als 1 ,5 miti, vorzugsweise weniger als 0,8 miti, auf. Bei einem solchen Partikeldurchmesser wird der Gegenlaufpartner, also die Ventilführung, poliert und nicht abrasiv angegriffen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Nickel-Phosphor-Borcarbid- Schicht eine Schichtdicke zwischen 5 bis 20 miti, vorzugweise zwischen 8 bis 12 miti, auf. Auf diese Weise wird einerseits Verschleiß an einer besonders großen Oberfläche des Ventilschafts und der Ventilführung reduziert und andererseits er- möglicht diese Ausführungsform eine besonders kostengünstige Herstellung des Gaswechselventils.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Nickel-Phosphor- Borcarbid-Schicht entlang einer axialen Richtung des Ventilschafts eine Länge zwischen 60 mm und 140 mm auf. Auch auf diese Weise wird einerseits Ver- schleiß an einer besonders großen Oberfläche des Ventilschafts und der Ventil führung reduziert und andererseits ermöglicht diese Ausführungsform eine beson- ders kostengünstige Herstellung des Gaswechselventils.

Zweckmäßig ist die Nickel-Phosphor-Borcarbid-Schicht auf dem Ventilschaft aus- schließlich im Bereich einer Ventilführung angeordnet. Dies ermöglicht eine be- sonders kosteneffiziente Herstellung des Gaswechselventils. Besonders zweckmäßig ist die Nickel-Phosphor-Borcarbid-Schicht auf dem Ventil schaft vollständig umlaufend angeordnet. Auch diese Ausführungsform erweist sich als besonders Verschleiß- und Korrosionsbeständig und reduziert den Ver- schleiß an der Ventilführung besonders gut.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Ventilschaft einen Durchmesser zwischen 5 mm und 10 mm auf.

Gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausführungsform enthält das Gaswechselven- til die martensitischen Stähle X45 und/oder X85 und/oder die austenitischen Stäh- le X50 und/oder Nickelbasiswerkstoffe NCF 3015 und/oder Nimonic80A. Ein der- artiges Gaswechselventil erweist sich als besonders verschleiß- und korrosions- beständig.

Besonders bevorzugt ist zwischen dem Ventilschaft und der Nickel-Phosphor- Borcarbid-Schicht eine Haftschicht mit einer Schichtdicke von weniger als 1 pm angeordnet. Eine solche Haftschicht ermöglicht eine äußerst feste Verbindung der Nickel-Phosphor-Borcarbid Schicht mit dem Gaswechselventil.

Ebenfalls bevorzugt enthält die Haftschicht zwischen dem Ventilschaft und der Nickel-Phosphor-Borcarbid-Schicht Nickel. Eine derartige Haftschicht gewährleis- tet eine besonders feste Verbindung der Nickel-Phosphor-Borcarbid Schicht mit dem Gaswechselventil.

Die Erfindung betrifft auch ein tribologisches System, welches ein vorangehend vorgestelltes Gaswechselventil und eine Ventilführung umfasst. Die vorangehend erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Gaswechselventils übertragen sich somit auch auf das erfindungsgemäße tribologische System.

Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug. Die Brennkraftmaschine umfasst ein vorangehend vorgestelltes Gaswechselventil o- der ein vorangehend vorgestelltes tribologisches System. Die vorangehend erläu- terten Vorteile des erfindungsgemäßen Gaswechselventils beziehungsweise des erfindungsgemäßen tribologischen Systems übertragen sich daher auch auf die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine.

Noch ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Beschichten eines Gaswech- selventils, welches einen Ventilschaft und einen Ventilteller umfasst. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf dem Ventilschaft zumindest bereichsweise eine Nickel-Phosphor-Borcarbid-Schicht galvanisch aufgebracht.

Besonders vorteilhaft wird die Nickel-Phosphor-Borcarbid-Schicht galvanisch mit- tels Stromdichten zwischen 30 A/dm ² und 200 A/dm ² , insbesondere zwischen 90 A/dm ² und 120 A/dm ² , aufgebracht. Dieser Stromdichtebereich ermöglicht einen optimalen Anteil an Nickel, Phosphor und Borcarbid in der aufgebrachten Schicht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält die aufgebrachte Nickel- Phosphor-Borcarbid-Schicht 0,5 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise 1 ,5 bis 3 Gew.-%, Phosphor. Ein derartiger Nickelanteil der aufgebrachten Schicht gewährleistet eine hohe Verschleißbeständigkeit für das Gaswechselventil und für die Ventilführung und einen deutlich erhöhten Korrosionsschutz für das Gaswechselventil.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält die aufgebrachte Nickel-Phosphor-Borcarbid-Schicht 2 bis 7 Gew.-%, vorzugsweise 3 bis 5 Gew.-%, Borcarbid. Ein derartiger Borcarbidanteil der aufgebrachten Schicht gewährleistet ebenfalls eine hohe Verschleißbeständigkeit für das Gaswechselventil und für die Ventilführung und einen deutlich erhöhten Korrosionsschutz für das Gaswechsel- ventil.

Besonders bevorzugt ist zwischen dem Ventilschaft und der Nickel-Phosphor- Borcarbid-Schicht eine Haftschicht galvanisch aufgebracht. Eine solche Haft- Schicht ermöglicht eine äußerst feste Verbindung der Nickel-Phosphor-Borcarbid Schicht mit dem Gaswechselventil.

Ebenfalls vorteilhaft wird die Haftschicht zwischen dem Ventilschaft und der Ni- ckel-Phosphor-Borcarbid-Schicht galvanisch mittels Stromdichten zwischen 4 A/dm ² und 40 A/dm ² , insbesondere zwischen 25 A/dm ² und 35 A/dm ² , aufge- bracht. Dieser Stromdichtebereich ermöglicht eine besonders feste Verbindung der Haftschicht mit dem Gaswechselventil und eine besonders feste Verbindung der Nickel-Phosphor-Borcarbid Schicht mit dem Gaswechselventil mittels der Haftschicht.

Ebenfalls bevorzugt enthält die aufgebrachte Haftschicht zwischen dem Ventil- schaft und der Nickel-Phosphor-Borcarbid-Schicht Nickel. Eine derartige aufge- brachte Haftschicht gewährleistet eine besonders feste Verbindung der Nickel- Phosphor-Borcarbid Schicht mit dem Gaswechselventil.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Un- teransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, son- dern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Die einzige Figur 1 illustriert ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Gaswechsel- ventils 1 einer im Übrigen nicht gezeigten Brennkraftmaschine, welche einen Ven- tilteller 2 sowie einen Ventilschaft 3 umfasst. Das Gaswechselventil 1 ist dabei üblicherweise als Einlass- oder Auslassventil ausgebildet.

Auf dem Ventilschaft 3 ist zumindest bereichsweise eine Nickel-Phosphor- Borcarbid-Schicht 4 (vgl. auch die Detaildarstellung in Fig. 1 ) angeordnet. Diese kann beispielsweise galvanisch unter Verwendung von Stromdichten zwischen 30 A/dm ² und 200 A/dm ² , insbesondere zwischen 90 A/dm ² und 120 A/dm ² , aufge- bracht sein.

Die Nickel-Phosphor-Borcarbid-Schicht 4 enthält 0,5 bis 5 Gew.-% Phosphor. Vor- zugsweise enthält sie 1 ,5 bis 3 Gew.-% Phosphor. Die Nickel-Phosphor-Borcarbid- Schicht 4 enthält zudem 2 bis 7 Gew.-% Borcarbid. Vorzugsweise enthält sie 3 bis 5 Gew.-% Borcarbid. Die Nickel-Phosphor-Borcarbid-Schicht 4 weist dabei eine Mischhärte zwischen 350 HV und 1500 HV oder vorzugsweise zwischen 400 HV und 800 HV und einen mittleren Korndurchmesser d ₅ o von weniger als 1 ,5 miti, vorzugsweise von 0,8 miti, auf.

Außerdem weist die Nickel-Phosphor-Borcarbid-Schicht 4 eine Schichtdicke dnp zwischen 5 bis 20 miti, vorzugweise zwischen 8 bis 12 miti, und eine Länge entlang einer axialen Richtung A des Ventilschafts 3 zwischen 60 mm und 140 mm auf.

Die Nickel-Phosphor-Borcarbid-Schicht 4 ist auf dem Ventilschaft 3 ausschließlich im Bereich 6 einer nicht in Figur 1 gezeigten Ventilführung angeordnet und ist au- ßerdem auf dem Ventilschaft 3 vollständig umlaufend angeordnet.

Der Ventilschaft 3 weist einen Durchmesser zwischen 5 mm und 10 mm auf und das Gaswechselventil 1 enthält die martensitischen Stähle X45 und, alternativ o- der zusätzlich, X85 und/oder die austenitischen Stähle X50 und, alternativ oder zusätzlich, Nickelbasiswerkstoffe NCF 3015 und, alternativ oder zusätzlich, Nimo- nic80A. Zwischen dem Ventilschaft 3 und der Nickel-Phosphor-Borcarbid-Schicht 4 ist eine Haftschicht 5 mit einer Schichtdicke von weniger als 1 miti angeordnet. Die Haft- schicht 5 zwischen dem Ventilschaft 3 und der Nickel-Phosphor-Borcarbid-Schicht 4 enthält dabei Nickel. Die Haftschicht kann dabei im Bereich 6 einer Ventilführung des Ventilschaftes 3 und mittels Stromdichten zwischen 4 A/dm ² und 40 A/dm ² , insbesondere zwischen 25 A/dm ² und 35 A/dm ² , aufgebracht sein.

Im Folgenden wird anhand der Figur 1 das erfindungsgemäße Verfahren zum Be- schichten des Gaswechselventils beispielhaft erläutert:

Gemäß dem Verfahren zum Beschichten des Gaswechselventils 1 , welches den Ventilschaft 3 und den Ventilteller 2 umfasst, wir auf dem Ventilschaft 3 zumindest bereichsweise die Nickel-Phosphor-Borcarbid-Schicht 4 galvanisch mittels Strom- dichten zwischen 30 A/dm ² und 200 A/dm ² , insbesondere zwischen 90 A/dm ² und 120 A/dm ² , aufgebracht. Die aufgebrachte Nickel-Phosphor-Borcarbid-Schicht 4 enthält dabei 0,5 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise 1 ,5 bis 3 Gew.-%, Phosphor und 2 bis 7 Gew.-%, vorzugsweise 3 bis 5 Gew.-%, Borcarbid.

Zuvor wird zwischen dem Ventilschaft 3 und der Nickel-Phosphor-Borcarbid- Schicht 4 eine Haftschicht 5 galvanisch mittels Stromdichten zwischen 4 A/dm ² und 40 A/dm ² , insbesondere zwischen 25 A/dm ² und 35 A/dm ² , aufgebracht. Die aufgebrachte Haftschicht 5 enthält dabei Nickel.

Das Aufbringen der Nickel-Phosphor-Borcarbid-Schicht 4 mittels eines Galvanik- bads (nicht in Figur 1 gezeigt) kann mit einer Galvanikflüssigkeit und mit einer da- rin angeordneten Anode erfolgen. Die Anode besitzt eine Aufnahme, in welcher das zu beschichtende Gaswechselventil 1 mit einem Ende des Ventilschafts 3 aufgenommen ist. Durch die Verwendung einer Formanode kann dabei eine äu- ßerst homogene und gleichmäßige Schichtdickenverteilung erreicht werden.

Ebenfalls vorgesehen ist eine Kathode über die Strom mittels einer Stromquelle in das Gaswechselventil 1 einleitbar ist. In diesem Fall ist somit das Gaswechselven- til 1 die eigentliche Kathode, über welche Strom zur Anode fließt. Ebenfalls vorge- sehen sein kann eine Mischeinrichtung, mittels welcher die Galvanikflüssigkeit während des galvanischen Beschichtens gut durchmischt wird, so dass ein stets ausreichend hoher Anteil an Phosphor und, alternativ oder zusätzlich, Borcarbid und, alternativ oder zusätzlich, Nickel zum Herstellen der Nickel-Phosphor- Borcarbid-Schicht 4 an die Oberfläche des Ventilschaftes 3 gelangen kann. Zu- sätzlich wird hierdurch auch eine unerwünschte Ablagerung von Wasserstoff ver- hindert, welche die Abscheidung von Phosphor behindern würde. Die Anode ist dabei in der Regel eine sog. Mixed Metal Oxide (MMO) Anode. Selbstverständlich ist es denkbar, dass nicht nur der Ventilschaft 3, sondern zusätzlich zumindest die Ventilkehle mit der erfindungsgemäßen Nickel-Phosphor-Borcarbid-Schicht 4 zur verbesserten Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit überzogen ist.

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