In modernen Hochleistungsmotoren werden immer höhere Ansprü- che an die hoch thermisch belasteten Auslassventile gestellt.

Insbesondere der Ventilteller wird sehr hohen mechanischen und thermischen Belastungen unterzogen. Es wurde deshalb ver- schiedentlich bereits vorgeschlagen, den Ventilschaft und den Ventilteller aus unterschiedlichen Materialien herzustellen und beide zusammenzufügen. Hierbei kann der Ventilschaft aus einem duktilen Werkstoff hergestellt werden und der Ventil- teller aus einem hochtemperaturbeständigen und verschleißfes- ten Werkstoff dargestellt werden.

Aus der US 881191 sind Ventile aus Metall bekannt, die aus geschmiedetem Metallschaft und gegossenem Ventilteller beste- hen. Eine Ausführung sieht vor, den Schaft mit dem Teller einzugießen.

In der DE 100 29 299 C2 ist ein mehrteiliges zusammengesetz- tes Ventil für eine Brennkraftmaschine beschrieben, das wie bereits dargelegt, durch Fügen eines Ventilschaftes und eines Ventiltellers hergestellt ist. Diese Erfindung ist jedoch insbesondere darauf ausgerichtet, einen hohlen Ventilschaft zu verwenden, der beispielsweise durch Natrium kühlbar ist.

Ventilschaft und Ventilteller sind bei dieser Anordnung be- vorzugt durch Laserschweißen oder durch Hartlöten aneinander gefügt. Bei diesem Verfahren müssen jedoch alle Einzelteile separat hergestellt werden und anschließend durch eine teil- weise aufwändige Fügeeinrichtung aneinandergefügt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein mehrteiliges zu- sammengesetztes Ventil für eine Brennkraftmaschine bereitzu- stellen, das gegenüber dem Stand der Technik weniger Produk- tionsschritte und eine weniger aufwändige Produktionsanlage erfordert.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Ventil für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Das mehrteilige zusammengesetzte Ventil für eine Brennkraft- maschine nach Patentanspruch 1 weist ein Ventilschaft und ei- nen Ventilteller auf. Beide sind getrennt ausgestaltet und in einem Überdeckungsbereich aneinandergefügt. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Ventilschaft im Überde- ckungsbereich zumindest teilweise mit mindestens einer Zwi- schenschicht versehen ist, diese sowohl mit dem Ventilschaft als auch mit dem Ventilteller stoffschlüssig in Form einer chemischen Verbindung verbunden ist. Ferner ist der Ventil- teller an den Ventilschaft angegossen.

Unter chemischer Verbindung wird hierbei eine stoffschlüssige Verbindung verstanden, wobei die Stoffe der verbundenen Schichten entweder durch Reaktion, durch Legierung oder durch Diffusion miteinander verbunden sind. Eine derartige stoff- schlüssige Verbindung kann auch durch reines Angießen des Ventiltellers an den Schaft erreicht werden. Das Anbindungs- verhalten ist bei dieser Methode jedoch abhängig von den ver- wendeten Werkstoffen bisweilen unzureichend. Die erfindungs-

gemäße eingesetzte Zwischenschicht ist so ausgestaltet, dass sie sowohl mit dem Material des Ventilschaftes als auch mit dem Material des Ventiltellers stoffschlüssig in Verbindung steht. Somit ist eine feste Verbindung zwischen dem Ventil- schaft und dem Ventilteller gewährleistet. Dadurch, dass der Ventilteller angegossen wird, ist ein aufwändiges Schweiß- und Lötverfahren nicht mehr nötig.

Je nach Beschaffenheit der Materialien von Ventilschaft und Ventilteller kann es bisweilen zweckmäßig sein, dass die Zwi- schenschicht in Form einer Gradientenschicht oder einer Mehr- fachschicht ausgestaltet ist. Auf diese Weise werden die me- chanischen Eigenschaften (z. B. Härte, E-Modul), die physika- lischen Eigenschaften (z. B. Ausdehnungskoeffizient, Wärme- leitfähigkeit) und die chemischen Eigenschaften der einzelnen Teilbereiche, dem Ventilteller und dem Ventilschaft Rechnung getragen.

Zur Unterstützung der stoffschlüssigen Verbindung kann es zweckmäßig sein, dass zusätzlich eine formschlüssige Verbin- dung zwischen dem Ventilschaft und dem Ventilteller vorgese- hen ist. Diese formschlüssige Verbindung kann beispielsweise in Form von makroskopischen Hinterschneidungen im Überde- ckungsbereich ausgestaltet sein.

Ebenfalls kann es zweckmäßig sein, den Ventilschaft im Über- deckungsbereich zur Bildung von mikroskopischen Hinterschnei- dungen mechanisch oder chemisch aufzurauen. Unter mikroskopi- schen Hinterschneidungen werden hierbei mikroskopische Ober- flächenvertiefungen die beispielsweise durch Materialabtrag- oder Materialverdrängung eingebracht sind, verstanden. Das flüssige Material des angegossenen Ventiltellers setzt sich in diesem mikroskopischen Oberflächenvertiefungen ein, er-

starrt und bildet eine feste, verklammernde formschlüssige bzw. stoffschlüssige Verbindung.

In zweckmäßiger Weise wird die Zwischenschicht oder eine che- mische Vorläuferschicht vor dem Angießen des Ventiltellers auf den Überdeckungsbereich des Ventilschaftes aufgebracht.

Unter chemischer Vorläuferschicht wird hierbei eine Schicht verstanden, die während des Anschmelzens des Ventiltellers oder durch eine nachträgliche Wärmebehandlung ihre chemische Zusammensetzung mindestens teilweise verändert.

In einer Ausgestaltungsform der Erfindung besteht der Ventil- teller aus einer Aluminium-Titanverbindung. Hierbei bietet sich in der Regel das stöchiometrische Titanaluminid (TiAl) an. Dieses Material besteht aus einer intermetallischen Ver- bindung aus Titan und Aluminium. Es ist ausgesprochen hoch- temperaturbeständig und weist dabei eine hohe mechanische und tribologische Festigkeit auf.

Der Ventilschaft ist hingegen in vorteilhafter Weise aus ei- nem Stahlwerkstoff hergestellt. Stahlwerkstoffe sind bekannt- lich günstig und weisen eine vergleichsweise hohe Duktilität auf.

Die Zwischenschicht oder zumindest eine Lage der Zwischen- schicht besteht in zweckmäßigerweise aus einer Legierung auf Silberbasis, Nickelbasis, Titanbasis, und/oder Kupferbasis.

Derartige Legierungen eignen sich beispielsweise als Hartlo- te, sie können mit gängigen Beschichtungsverfahren auf den Ventilschaft leicht aufgebracht werden und bilden mit diesen an der Oberfläche eine Legierung, die nach dieser Erfindung als chemische Verbindung betrachtet wird.

Die mindestens eine Zwischenschicht oder die chemische Vor- läuferschicht kann ebenfalls in zweckmäßigerweise auf der Ba- sis eines Metalloxides bestehen. Dieses Metalloxid kann mit den Legierungselementen des Ventiltellers bei dessen Anschmelzung eine Reaktion insbesondere eine Reduktionsreak- tion eingehen, die zu einer festen chemischen Verbindung zwi- schen dem Ventilteller und dem Metalloxid der Zwischenschicht führen.

Es kann zweckmäßig sein, dass die Zwischenschicht oder die chemische Vorläuferschicht vor dem Angießen des Ventiltellers eine offene Porosität aufweist. Diese offene Porosität be- trägt zwischen 1% und 75%. Bevorzugt beträgt diese Porosität zwischen 5 % und 25 % und zwischen 30% und 60%. Hierbei kann in vorteilhafter Weise das flüssige Metall, das später den Ventilteller bildet, in die Porosität der Zwischenschicht eindringen und mit dieser oberflächennah reagieren. Durch die Einbringung der Porosität wird die Oberfläche, die zur Ver- bindung zwischen dem Ventilteller und der Zwischenschicht zur Verfügung steht, erhöht. Gleichzeitig kann es zweckmäßig sein, die Oberfläche der Zwischenschicht analog der Oberflä- che des Ventilschaftes mit mikroskopischen Hinterschneidungen durch mechanische oder chemische Bearbeitung zu versehen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.

Dabei zeigen : Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Ventil mit einem Ven- tilschaft und einem angegossenen Ventilteller, die im Überdeckungsbereich eine Zwischenschicht aufwei- sen,

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Ventil mit einem Ven- tilschaft und einem angegossenen Ventilteller, die im Überdeckungsbereich eine Zwischenschicht aufwei- sen, Fig. 3 eine Vergrößerung des Details III aus Figur 1 mit der schematischen Darstellung einer Zwischenschicht in Form einer Gradientenschicht und Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung des Details IV aus Fi- gur 2, eine schematische Darstellung einer Zwi- schenschicht in Form einer Mehrfachschicht.

In Figur 1 ist schematisch ein Querschnitt durch ein Ventil 1 dargestellt, wobei das Ventil 1 einen Ventilschaft 2 und ei- nen Ventilteller 4 aufweist. In einem Überdeckungsbereich 6 des Ventilschaftes 2 und des Ventiltellers 4 ist der Ventil- schaft 2 mit ringförmigen Hinterschneidungen 14 versehen. Zu- dem weist der Ventilschaft 2 im Überdeckungsbereich 6 eine Zwischenschicht 8 auf.

Der Ventilteller 4 ist an dem Ventilschaft 2 angegossen. Im Übergangsbereich 6 sind der Ventilteller 4 und der Ventil- schaft 2 über die Zwischenschicht 8 stoffschlüssig miteinan- der verbunden. Zur Unterstützung der stoffschlüssigen Verbin- dung über die Zwischenschicht 8 sind der Ventilteller 4 und der Ventilschaft 2 zudem formschlüssig durch die Hinter- schneidungen 14 miteinander verbunden und somit zusätzlich gesichert.

In Figur 2 ist eine analoge Darstellung eines Ventils 1 mit einem Ventilschaft 2 und einem Ventilteller 4 dargestellt.

Begrifflich gleiche Teile werden grundsätzlich mit denselben

Bezugszeichen versehen. Auch das Ventil 1 in Figur 2 weist eine Hinterschneidung 14 in Form einer Kugel oder eines Trop- fens auf, die im Überdeckungsbereich 6 an den Ventilschaft 2 angebracht ist. Ebenfalls ist in dieser Ausgestaltungsform eine Zwischenschicht 8 vorgesehen, die den Ventilteller 4 und den Ventilschaft 2 stoffschlüssig über chemische Verbindungen miteinander verbindet.

Das Einbringen von Hinterschneidungen 14, wie es in den Figu- ren 1 und 2 dargestellt ist, ist zur Gewährleistung einer op- timalen Verbindung zwischen dem Ventilschaft 2 und dem Ven- tilteller 4 nicht unbedingt erforderlich jedoch bisweilen zweckmäßig. Bei den Hinterschneidungen 14 in den Figuren 1 und 2 handelt es sich lediglich um zwei willkürliche Beispie- le. Es ist zudem denkbar, dass die Hinterschneidungen 14 bei- spielsweise in Form eines Gewindes in den Überdeckungsbereich 6 des Ventilschaftes 2 eingebracht werden. Hierbei sind alle Verfahren zweckmäßig, die gängigerweise zur Herstellung eines Gewindes angewendet werden. Weitere Formen der Hinterschnei- dungen 14 im Überdeckungsbereich 6 können Nuten, Riefen, Ril- len, Kanäle oder Bohrungen sein.

Weiterhin ist es zweckmäßig, dass der Ventilschaft 2 im Über- deckungsbereich 6 mechanisch beispielsweise durch Sandstrah- len oder durch Kugelstrahlen behandelt wird. Dadurch wird die Oberflächenrauhigkeit im Überdeckungsbereich 6 erhöht, was das Aufbringen und das Haften der Zwischenschicht 8 verbes- sert.

Die Zwischenschicht 8 kann grundsätzlich aus einer oder meh- reren Funktionsschichten bestehen. Dabei können wiederum grundsätzlich ein oder mehrere Aufbringungsverfahren für die einzelnen Lagen der Zwischenschicht 8 angewendet werden. Ty- pische Aufbringungsverfahren sind beispielsweise thermische

Spritzverfahren wie Plasmaspritzen, Flammspritzen, Lichtbo- gendrahtspritzen oder kinetisches Kaltgaskompaktieren. Ferner können Dünnschichttechniken wie CVD, PVD oder Sputtern, La- ckier-und Sprühverfahren oder galvanische Verfahren angewen- det werden. Ferner ist das Aufbringen beispielsweise einer Metalllegierung durch ein Tauchbad oder durch eine Lötfolie, die weiter in einem Lötofen aufgeschmolzen wird, denkbar.

Als Materialien für die Beschichtung kommen zum einen hoch- temperaturbeständige Metalllegierungen, insbesondere auf Sil- berbasis, Nickelbasis, Titanbasis, oder Kupferbasis in Frage.

Derartige Legierungen können auch als Hartlote verwendet wer- den, werden jedoch in diesem Fall beispielsweise durch eine Dünnschichttechnik oder galvanische Technik oder durch ein Tauchbad beziehungsweise durch eine später aufgeschmolzene Folienbeschichtung auf den Überdeckungsbereich 6 aufgebracht.

Derartige Legierungen bringen bei Aufbringung einer externen Energie mit der Oberfläche des Ventilschaftes 2 eine Legie- rung ein. Sie legieren demnach, was definitionsgemäß als che- mische Verbindung betrachtet wird. Beim Anschmelzen des Ven- tiltellers 4 legieren diese Materialien wiederum mit dem Ven- tiltellermaterial, das in geschmolzener, zumindest jedoch in erweichter Form vorliegt und bilden somit wiederum eine che- mische Verbindung in Form einer Legierung oder in Form inter- metallischer Phasen.

Eine weitere Variante von Schichtmaterialien besteht in der Aufbringung von reaktiven Metallverbindungen beispielsweise Metalloxiden. Derartige Metalloxide können beispielsweise durch ein thermisches Spritzverfahren oder durch Lasersintern eines aufgebrachten keramischen Schlickers erzeugt werden.

Derartige thermische Spritzverfahren sind produktionstech- nisch besonders kostengünstig. Als Beispiel für ein geeigne- tes Metalloxid sei hierbei das Titanoxid (TiO2) genannt. Bei

der Verwendung eines Ventiltellermaterials auf der Basis von TiAl geht das Ti02 eine exotherme chemische Reaktion mit dem Aluminium der TiAl-Schmelze ein. Die chemische Reaktion läuft nach folgendem Schema ab : x Ti02 + y Al + z Ti-> A1203 + TiaAlb Die angegebene Reaktionsgleichung ist stöchiometrisch nicht ausgeglichen. Es sei jedoch angemerkt, dass durch die chemi- sche Reaktion der Schmelze Aluminium zur Bildung des Alumini- umoxides herangezogen wird. Zur Gewährleistung einer stöchio- metrischen Zusammensetzung des Ventiltellers 4 auf der Basis Ti : AL = 1 : 1, ist es zweckmäßig der Schmelze überstöchio- metrisch Aluminium zuzufügen.

Die Reaktionsprodukte Aluminiumoxid und TiaAlb, die die Zwi- schenschicht 8 nach dieser Reaktion bilden, bilden eine homo- gene dichte Schicht, die chemisch mit dem Ventilteller 4 ver- bunden ist. Durch die exotherme Energie, die bei der genann- ten Reaktion frei wird, findet auch eine Oberflächenreaktion mit der Oberfläche des Ventilschaftes 2 statt. Das thermisch gespritzte bzw. lasergesinterte Metalloxid kann als chemische Vorläuferschicht zur Zwischenschicht 8 angesehen werden.

Die vorangegangenen Erläuterungen sollen lediglich ein Bei- spiel für ein Reaktionssystem darstellen, durch das eine che- misch gebundene Übergangsschicht 8 herstellbar ist. Grund- sätzlich können alle weiteren Reaktionssysteme, die mit dem Schmelzmaterial des Ventiltellers 4 eine exotherme Reaktion eingehen, als Grundmaterial und chemische Vorläuferschicht der Übergangsschicht 8 angewendet werden. Hierzu zählen bei- spielsweise auch die Karbide, Nitride und Boride der Neben- gruppenmetalle.

Grundsätzlich kann nach dem Angießen des Ventiltellers 4 an den Ventilschaft 2 eine weitere Wärmebehandlung folgen, die zur Unterstützung der Ausbildung einer chemischen Verbindung zwischen der Zwischenschicht 8 einerseits und dem Ventiltel- ler 4 bzw. dem Ventilschaft 2 dienen kann.

Zur Gewährleistung eines Ausgleiches der unterschiedlichen physikalischen Werkstoffeigenschaften der Ventilschaftmateri- alien und der Ventiltellermaterialien, kann es zweckmäßig sein, eine Mehrfachschicht 12 (Fig. 4) oder eine Gradienten- schicht 10 (Fig. 3) als Übergangsschicht 6 anzuwenden. Hier- bei kann auf die bereits beschriebenen Grundprinzipien der Aufbringungsart der Schichtmaterialien und ihrer Reaktions- weisen beliebig zurückgegriffen werden. In den Figuren 3 und 4 sind exemplarische Beispiele für eine Gradientenschicht 10 beziehungsweise für eine Mehrfachschicht 12 angegeben.

In Figur 3 ist eine gradientenförmige Übergangsschicht 6 an- gegeben, die beispielsweise auf der Basis eines Hochtempera- turlotes AgCu 13 basiert. Das Lotmaterial AgCu 13 wird in Form eines Tauchbades auf dem Überdeckungsbereich 6 des Ven- tilschaftes 2 aufgebracht. Durch die Energie, die die flüssi- ge Schmelze aufweist, kommt es zu einer chemischen Reaktion in Form einer Legierung im Bereich 16. Es handelt sich hier- bei um eine oberflächennahe Legierung des Stahles des Ventil- schaftes 2 und des AgCu 13 Legierung. In Figur 3 ist dieser Bereich 16 durch zwei gestrichelte Linien eingegrenzt und schematisch durch einen abnehmenden Graubereich gekennzeich- net. Während des Anschmelzens des Ventiltellers 4 wird wie- derum so viel Schmelzenergie aufgebracht, dass das AgCu 13 Schichtmaterial wiederum einer Legierung mit den TiAL Materi- al des Ventiltellers 4 eingeht. Auch hier entsteht ein gra- dientenförmiger Übergangsbereich 16 in dem die einzelnen Le- gierungsbestandteile in Form von intermetallischen Phasen o-

der in Form von Legierung vorliegen. Als weiterer Schichtab- lauf folgt dann das Material des Ventiltellers 4 in Reinform.

Ein weiteres zweckmäßiges Legierungssystem besteht auf der Basis von Nickel und weist beispielsweise eine folgende Zu- sammensetzung auf : 7 Gew. % Cr, 3 Gew. % Fe, 4,5 Gew. % Si, 3,2 Gew. % B sowie als Rest Nickel.

Der Chromgehalt dieser Legierung kann zwischen 7 Gew. % und 19 Gew. %, der Siliziumanteil kann zwischen 4,5 Gew. % und 7,5 Gew. % variieren.

Das Material wird bevorzugt in Form einer Folie aufgebracht und im Überdeckungsbereich 6 des Ventilschaftes 2 aufge- schmolzen.

Sollte eine chemische Verbindung des Schaftmaterials und des Tellermaterials durch eine Verbindungslegierung, wie sie bei- spielsweise in der Form AgCu 13 gegeben ist, nicht gewähr- leistet sein, so kann es zweckmäßig sein, analog der Figur 4 eine weitere Zusatzschicht 18 in Form einer thermischen Spritzschicht eines Titanoxides aufzubringen.

Die Zwischenschicht 8 aus Figur 4 ist in Form einer Mehrfach- schicht 12 ausgestaltet. Hierbei wird analog der Figur 3 zu- nächst im Überdeckungsbereich 6 des Ventilschaftes 2 eine me- tallische Legierung, in diesem Fall durch galvanische Be- schichtung aufgebracht, auf die weiterhin durch ein thermi- sches Spritzverfahren, in diesem Fall durch ein Lichtbogen- drahtspritzen eine Titanoxidschicht aufgebracht wird. Durch die galvanische Aufbringungsmethode bildet sich zwischen dem Material des Ventilschaftes 2 und dem galvanisch aufgebrach-

ten Legierungsmaterial 17 eine Legierung in Form einer festen chemischen Verbindung. Die thermische Spritzschicht 18, die im Wesentlichen aus einem Titanoxid besteht, weist eine Poro- sität auf, die eingestellt durch die Verfahrensparameter, 55% beträgt. Beim Anschmelzen des Ventiltellers 4 wird das flüs- sige TiAl Material durch Kapillarkräfte in die Poren der po- rösen Schicht 18 eingesaugt, wobei es zu einer exothermen Re- aktion nach der oben angegebenen Reaktionsgleichung kommt. Im Bereich der Schicht 18 bildet sich reaktionsbedingt ein Alu- miniumoxid/TiAl Material aus, das in fester chemischer Ver- bindung mit dem TiAl Material des Ventiltellers 4 steht.

Die in Figur 4 dargestellte Zwischenschicht 8 stellt somit eine Kombination aus einer Mehrfachschicht 12 und einer Gra- dientenschicht 10 dar. Dieser komplexere Aufbau ist dazu ge- eignet, physikalische und mechanische Eigenschaften zwischen dem Ventilschaftmaterial und dem Ventiltellermaterial aus- zugleichen. Hierbei ist insbesondere der thermische Ausdeh- nungskoeffizient genannt. Aber auch elektro-chemische Eigen- schaften können die Verwendung von mehreren Schichten notwen- dig machen. Durch das Aufbringen einer thermischen Spritz- schicht kann zum Beispiel auch auf die Oberflächenstruktur der Schicht eingegangen werden. Durch Einstellen der Spritz- parameter kann beispielsweise eine für das Anschmelzen des Ventiltellers 4 geeignete raue Oberfläche eingestellt werden.