Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bimetallventils mit einem den Schaftteil enthaltenden Teilventilrohling aus einer ersten Legierung und einem den Ventilteller bildenden Verbundteil aus einer zweiten Legierung höherer Güte.

Bimetallventile werden hauptsächlich als Auslassventile in hoch belasteten Verbrennungsmotoren eingesetzt. Der Ventilteller besteht dabei üblicherweise aus einer hochtemperaturfesten und korrosionsbeständigen Nickelbasislegierung. Derartige Bimetallventile eignen sich insbesondere zum Einsatz in Schwerölmotoren auf Schiffen. Nicht zuletzt aus Kostengründen wird für den Schaftteil des Ventils üblicherweise eine - verglichen mit der Nickelbasislegierung - wesentlich kostengünstigere Eisenbasislegierung als martensitischer oder austenitischer Ventilstahl verwendet. Ventilteller und Schaftteil werden dabei separat aus den jeweiligen Legierungen hergestellt und an einer gemeinsamen Verbindungsfläche im Schaftbereich miteinander verschweißt.

Ein derartiges Bimetallventil, bei welchem Ventilschaft und Ventilteller aus verschiedenen Legierungen bestehen ist aus der DE 10209346 Al bekannt. Dabei wird ein Schaftende des aus einer ersten Legierung hergestellten Schaftteils mit einer zweiten Legierung zur Ausbildung des Ventiltellers umgössen. Für eine solide metallurgische Verbindung zwischen den beiden Legierungen wird ein aufwendiges Gussverfahren mit hohem Fülldruck vor ^¬ geschlagen, wobei zur Verbesserung der Stabilität der Verbindung ggfs. ein Formschluss mittels zusätzlich vorzusehender Kerben oder Nuten vorgesehen ist.

Ferner ist aus der DE 3205183 Al ein Verfahren zur Herstellung eines Tellerventils bekannt, bei welchem auf den Formrohling eines Tellerventils ein Hochtemperaturwerkstoff auf Basis einer (Kobalt-) Nickelchrom Superle- gierung durch Schweißen, insbesondere Reibschweißen, aufgebracht wird, und anschließend der Rohling zum Fertigprodukt verformt wird. Dabei bildet die Superlegie- rung bevorzugt den Ventilboden; zusätzlich wird vorgeschlagen, die HochtemperaturwerkstoffSchicht an den Rändern des Ventilbodens in Richtung zum Umfang des Ventiltellers hoch zu ziehen. Zur Vergütung des Ventils im Bereich des Ventilsitzes soll dort ggfs. eine Panzerung aus mechanisch hochwertigem Stahl aufgebracht werden. Insgesamt erweist sich das bekannte Herstellungsverfahren fertigungstechnisch als äußerst komplex.

Bei einem nach DE 3614185 Al bekannten Verfahren wird ein Stangenabschnitt mit einer Nickellegierung durch Explosivplatieren oder Aufschrumpfen zu einer Birnenform verbunden und im Gesank zu einem Verbundventilrohling ausgeschmiedet, der anschließend spanend bearbeitet wird.

Aus DE 522326 A ist es bekannt, einen Verbundventilrohling durch Reibschweißen herzustellen. Ausgehend von dem vorbeschriebenen Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bimetallventil mit hoher Güte der metallurgischen Verbindung im Übergangsbereich beider Legierungen möglichst einfach und mit niedrigen Herstellungskosten zu fertigen .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Herstellungsverfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 gelöst.

Nach den erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird ein Verbundventilrohling mit einem Schaftteil aus einer ersten Legierung und einem Ventilteller aus einer zweiten Legierung durch Verbundgießen oder Verschweißen hergestellt, der anschließend zu einem Bimetallventilrohling geschmiedet wird. Nach dem Schmieden kann noch ein Wärmebehandlungsschritt folgen. Als erste Legierung wird bevorzugt eine Eisenbasislegierung, z.B. X45CrNiW189 oder 26 CrNiW2010 verwendet. Die zweite Legierung ist bevorzugt eine Nickelbasislegierung, die hinsichtlich ihrer Temperatur-, Korrosions- und Verschleißfestigkeit eine deutlich höhere Güte als auste- nitischer Stahl aufweist.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist vorgesehen, dass zuerst ein aus der ersten Legierung gefertigter Teilventilrohling durch Gießen, Extrudieren oder Schmieden hergestellt wird. Mit diesem Teilventilrohling wird dann ein Verbundteil aus der zweiten Legierung verbunden. Dazu kann der Teilventil- rohling in eine Gussform eingebracht werden, wonach die Form mit der schmelzflüssigen zweiten Legierung zur Bildung eines Verbundventilrohlings gefüllt wird. Alternativ kann der Teilventilrohling durch Aufschweißen, z.B. Reibschweißen, mit einem geschmiedeten oder gegossenen Verbundteil aus der zweiten Legierung verbunden werden. Danach schließt sich der Schmiedeschritt zur Ausformung des Bimetallventilrohlings an, aus dem das fertige Bimetallventil durch spanende Bearbeitung hergestellt wird.

Wie nachfolgend näher erläutert kann es sich bei dem Teilventilrohling in vorteilhafter Weise um eine mit in einer Gussform hergestellte Stauchbirne handeln; dieser kann alternativ auch aus einem einseitig konduktiv angestauchten Schaft gebildet sein. Denkbar ist auch, dass ein Teilventilrohling als Schmiedeteil mit Stauchbirne oder durch spanende Bearbeitung hergestellt wird. Ein derartiger Teilventilrohling kann dann auf der den späteren Ventilteller bildenden Seite mit der zweiten Legierung umgössen werden, wonach in einem nachfolgenden Schmiedeschritt ein erfindungsgemäßer Bimetallventilrohling gefertigt wird.

Dadurch dass auf den mittels gängiger Gießverfahren auszuführenden Verbundguss des Verbundventilrohlings ein Formgebungsschritt mittels Schmieden erfolgt, ergibt sich eine besonders innige und homogene Verbindung der beiden den erfindungsgemäßen Bimetallventilrohling bildenden Legierungen. Bei nach den erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bimetallventilen besteht der Ventilteller aus einer zweiten Legierung hoher Güte, insbesondere aus der bereits genannten hochwärmefesten Nickelbasislegierung, so dass insbesondere der Ventiltellerboden, der Um- fangsbereich des Ventiltellers und der Ventilsitz bei hoher Temperaturfestigkeit entsprechend korrosions-, temperatur- und verschleißbeständig sind. Der Übergangsbereich zwischen Nickelbasislegierung und Eisenbasislegierung stellt eine Verbundstelle mit hoher Güte dar, die bisher nicht auf so einfache Weise erzielbar war; es bildet sich nämlich im Übergangsbereich - durch die nacheinander ausgeführten Verfahrensschritte des Gießens und des Schmiedens - ein besonders feinkörniges Gefüge, welches dem Bimetallventil eine hohe Lebendauer verleiht .

Bisher waren bei der Herstellung von gattungsgemäßen Bimetallventilen Gieß- und Schmiedeverfahren stets nur als alternative Herstellungsverfahren bekannt; erst deren erfindungsgemäße Kombination bringt die genannten Vorteile mit sich. Der das Herstellungsverfahren ggfs. abschließende Wärmebehandlungsschritt sorgt zusätzlich für eine hochbelastbare Oberflächenstruktur und verbessert dabei gleichzeitig nochmals die metallurgische Verbindung der beiden verwendeten Legierungen.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die gesamte Verbindungsfläche des Teilventilrohlings bzw. der Stauchbirne, an welche die zweite Legierung in dem Verbundgussschritt angegossen wird, im wesentlichen innerhalb einer senkrecht zur Langsachse des Schaftteils des Teilventilrohlings orientierten Ebene verlauft. Dadurch, dass bei dem auf das Verbundgießen folgenden Schmiedeschritt die Schmiedekraft bzw. der Schmiededruck in gewohnter Weise koaxial zum Schaftteil des Ventils aufgebracht wird, ergibt sich eine maximale Krafteinwirkung im gesamten Verbindungsbereich und damit eine besonders feste Verbindung zwischen erster und zweiter Legierung.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass vor dem Angießen der zweiten Legierung die Verbindungsflache des

Teilventilrohlings zur Erzielung einer insgesamt besseren metallurgischen Verbindung erhitzt wird. Im Fall von austenitischem Stahl als erster Legierung kann es zweckmäßig sein, wenn die Verbindungsflache unmittelbar vor dem Verbundgussschritt und ggfs. noch wahrend des Verbundgussschrittes auf eine erhöhte Temperatur gebracht wird, z.B. auf eine Temperatur im Bereich zwischen 900 ⁰ C und 1100 ⁰ C erhitzt wird. Dies geschieht zweckmäßig mittels eines den Teilventilrohling in unmittelbarer Umgebung der Verbindungsflache umgebenden Ringinduktors .

Zweckmäßig wird der Teilventilrohling bzw. die Stauchbirne mindestens im Bereich der Verbindungsflache mit einer Schutzschicht zur Vermeidung von Oxidation versehen. Hierfür eignet sich insbesondere eine metallische Schutzschicht, wie z.B. eine Nickel- oder Goldschicht, deren Schichtdicke bevorzugt im Bereich zwischen 5 - 20 μm liegt.

Im Rahmen der Erfindung ist vorstellbar, dass das Bimetallventil noch lokal begrenzt mit weiteren Metallabschnitten versehen ist, z.B. mit einem Schaftende aus härtbarer martensitischer Eisenbasis oder mit einer Cobaltbasislegierung im Sitzbereich.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei betreffen die Fig. 1 bis 8 die Herstellung einer ersten, Fig. 9 bis 11 eine zweite Ausführungsform eines Bimetallventilrohlings .

Der in Fig. 1 dargestellte zylindrische Schaft 1 aus austenitischem Stahl wie beispielsweise der marktüblichen Zusammensetzung 26CrNiW2010 oder X45CrNiW189 wird in einem ersten Verfahrensschritt durch einseitige Stauchung - unter gleichzeitiger konduktiver Erwärmung - zu dem in Fig. 2 dargestellten Teilventilrohling 3 in Form einer Stauchbirne umgeformt, die einen Schaftteil 2 und ein - infolge der Stauchung - demgegenüber im Durchmesser verbreitertes Ende 4 aufweist. Alternativ kann der Teilventilrohling 3 auch durch Gießen in einer entsprechenden Gussform hergestellt werden. Die stirnseitige und senkrecht auf der Längsachse L des Schaftteils 2 stehende Verbindungsfläche 5 am verbreiterten Ende 4 des Teilventilrohlings 3 wird in einem nächsten Verfahrensschritt mit einer ca. 10 μm dünnen metallischen Schutzschicht 6 aus Gold oder Nickel versehen, die in Fig. 3 mit überzeichneter Dicke dargestellt ist.

Dann wird der Teilventilrohling 3 gemäß Pfeil A in eine Gussform 7 eingebracht, was in Fig. 4 schematisch gezeigt ist, wobei die mit der Schutzschicht 6 (Fig. 3) bedeckte stirnseitige Verbindungsflache 5 des Teilventilrohlings 3 vor dem Verbundgießen mittels eines ebenfalls nur schematisch dargestellten Ringinduktors 8 auf eine Temperatur von ca. 1000 ⁰ C erhitzt wird.

Daran schließt sich, wie in Fig. 5, 5a dargestellt, unmittelbar der Verbundguss des Teilventilrohlings an, wobei durch Füllen der Gussform 7 mit einer schmelzflussigen Nickelbasislegierung ein Angussteil bzw. Ver- bundteil 12 an die Verbindungsflache 5 des Teilventilrohlings 3 erzeugt wird. Der fertige Verbundventilrohling 11 (Fig. 6) besteht damit aus dem Teilventilrohling 3 aus austenitischem Stahl, an welchen sich axial der Verbundteil 12 aus einer Nickelbasisle- gierung anschließt. Der Verbundteil 12 besteht beispielsweise aus unter den Bezeichnungen Nimomic 80a oder In625 im Handel erhaltlichen Superlegierungen .

Der Verbundventilrohling 11 wird dann in das eine Negativform 13 für den erfindungsgemaßen Bimetallventilrohling darstellende Schmiedegesenk 14 eingebracht (vgl. Fig. 7) und in einem nachfolgenden Schmiedeschritt mittels einer längs der Richtung gemäß Pfeil F, also ko- axial zur Längsachse L des Schaftes wirkenden Kraft, zu dem in Fig. 8 dargestellten, erfindungsgemäßen Bimetallventilrohling 15 umgeformt, welcher nach dem Schmieden noch einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Der erfindungsgemäße Bimetallventilrohling besteht somit aus einem Schaft 16 aus austenitischem Stahl und einem Ventilteller 17 aus einer Nickelbasislegierung, wobei der ungefähre Übergangsbereich zwischen der Stahllegierung und der Nickelbasislegierung durch die gestrichelte Linie 18 dargestellt ist. Im (nicht dargestellten) Inneren des Bimetallventilrohlings 15 ergibt sich - anders als dies noch bei dem Verbundventilrohling der Fall war - ein in Folge der Umformung beim Schmieden nicht mehr vollständig ebener Verbindungsbereich zwischen austenitischem Stahl und Nickelbasislegierung. Letztere erstreckt sich vom Ventiltellerboden 19 bis einschließlich den Sitzbereich 20 des Ventiltellers 17.

Eine zweite Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist - teilweise - in den Fig. 9 bis 11 veranschaulicht.

Gemäß Fig. 9 wird zunächst ein nur aus austenitischem Stahl bestehender Teilventilrohling 21 mittels Schmieden in einem Gesenk 22 oder durch Gießen in einer (nicht gezeigten) Gussform hergestellt. Anschließend wird dieser Teilventilrohling 21 im Bereich des Ventiltellers 23 bis zu einer Drehkante 24, wie in Fig. 10 dargestellt, abgedreht. In Fig. 11 ist diese Drehkante 24 genauer dargestellt; sie begrenzt einen an den Ventilsitz und den Ventiltellerboden angrenzenden Bereich des Teilventilrohlings 21 unter Bildung einer Angussfläche 25 für den folgenden Verbundguss. Die Angussfläche 25 kann ggf. mit einer - nicht dargestellten - metallischen Schutzschicht versehen sein. Es ergibt sich der in Fig. 11 dargestellte Teilventilrohling 21, der in einer Gussform 27 im Bereich des Ventiltellers mit einer Nickelbasislegierung 28 (schraffiert dargestellt) unter Ausbildung eines Verbundventilrohlings 26 umgössen wird. Anschließend wird dieser zur Bildung des erfindungsgemäßen Bimetallventilrohlings fertig geschmiedet und einer Wärmebehandlung unterzogen.