Einlaß-und Auslaßventile für Verbrennungsmotoren müssen hohen Anforderun- gen an die Temperaturbeständigkeit und Verschleißfestigkeit genügen. Insbe- sondere bei hochverdichteten modernen Motoren mit Mehrventiltechnik und elektronischer Steuerung ist es zunehmend zum Problem geworden, Materialien zu finden, die den am Auslaß herrschenden hohen Temperaturen auf Dauer ge- recht werden. Ventile sind entsprechend in der Fertigung immer aufwendiger geworden, was sich auf die Material-und Verarbeitungskosten niedergeschlagen hat.

Für die Fertigung von Ventilkörpern bzw. ganzen Ventilen sind verschiedentlich pulvermetallurgische Verfahren vorgeschlagen worden. Solche pulvermetallur- gischen Verfahren haben in die Fertigung der Ventilsitzringe vielfach Eingang gefunden, aber sich bei Ventilkörpern oder Ventilen bislang nicht durchsetzen können. Gründe hierfür waren nicht ausreichende Standfestigkeit der Materia- lien und ein nicht ausreichendes Temperaturverhalten.

Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit herkömmlich gefertigter Ventile wurden besonders belastete Bereiche-insbesondere der Ventilsitz-mit einer induktiven Sitzhärtung oder einer Sitzpanzerung versehen. Hierdurch soll der Verschieb in akzeptablen Grenzen gehalten werden, wobei zu berücksichtigen ist, daß auch

bei dieser Technik Ventiltemperaturen von 800 C°-900 C° nicht überschritten werden sollten. Dies ist aber bei modernen Motoren zunehmend schwerer einzuhalten.

Die konventionelle Herstellung von Ventilen und Ventilkörpern ist insbesondere bei Durchführung einer Sitzpanzerung außerordentlich kompliziert geworden.

Ausgehend von einem Stangenabschnitt wird durch Erwärmen, Stauchen, Kalibrieren und Drehen zunächst der Ventilkörper gefertigt, an den durch Reib- schweißen ein Stangenabschnitt angefügt wird. Weitere Arbeitsschritte um- fassen das Richten, Drehen, Schleifen und die Auftragsschweißung, Schleifung und Wärmebehandlung zum fertigen Ventil mit Sitzpanzerung. Insbesondere im Bereich der Sitzpanzerung kann es durch die Auftragsschweißung zu Fehlern kommen, mit der Folge einer unerwünscht hohen Ausschußquote.

Lösungen, eine geeignete Sitzpanzerung mit Hilfe pulvermetallurgisch herge- stellter Panzerungen durchzuführen, haben keinen Serienstatus erlangt. Die Aufbringung der Sitzpanzerung führte nicht zu einer Verminderung der Fehlerquote. Vielmehr erwies sich die pulvermetallurgisch hergestellte Panzerung bei den nachfolgenden Verfahrensschritten als anfällig für Rißbildungen.

Die für eine Sitzpanzerung oder-härtung benötigten Materialien und zusätz- lichen Verfahrensschritte lassen es wünschenswert erscheinen, Ventilkörper aus einem einheitlichen Material in möglichst wenigen Schritten herzustellen, wobei das Material die notwendige Verschleißfestigkeit, Standzeit und Wärmeabfuhr gewährleistet, und mit einer Stange zu einem Ventil zu verbinden.

Verfahren zum Herstellen zumindest der Verschleißschicht hochbelastbarer Sinterteile in Zusammenhang mit der Ventilsteuerung einer Verbrennungskraft- maschine sind aus der DE 41 04 909 A1 bekannt. Die dort pulvermetallurgisch hergestellten Sinterteile zeichnen sich durch einen hohen Chrom-und Kohlen- stoffgehalt aus und werden für Nocken zur Ventilsteuerung eingesetzt. Die Ver- wendung solcher Sinterteile für Ventilkörper ist nicht vorgesehen.

Bei der Herstellung aufwendiger Formteile hat die Pulvermetallurgie gegenüber konventionellen Techniken häufig den Vorteil, daß die Materialeigenschaften optimiert und die Zahl der Bearbeitungsschritte vermindert werden kann.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Ventilkörper für Ventile pulvermetallurgisch aus einem dafür geeigneten Material herzustellen, insbesondere unter Berücksichtigung auch des Fertigungsaufwandes. Dabei soll eine Sitzpanzerung verzichtbar sein und das Ventil bzw. der Ventilkörper eine zur Temperatursteuerung ausreichende Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Der Ventilkörper soll mit einer konventionell gefertigten Ventilstange stumpf zu einem funktionsfähigen und dauerhaften Ventil verbunden werden können.

Diese Aufgabe wird mit einem pulvermetallurgisch hergestellten Ventilkörper gelost, der die folgende Zusammensetzung nach Gewicht aufweist : 0,5 % bis 2,0 % C ; 5,0 % bis 16 % Mo ; 0,2 % bis 1,0 % P ; 0,1 % bis 1,4% mu ; 0 % bis 5 % Cr ; 0 % bis 5 % S ; 0 % bis 7 % W ; 0 % bis 3 % V ; < 2 % andere Elemente und Rest Fe.

Die Erfindung betrifft ferner mit diesem Ventilkörpern gefertigte Ventile.

Das erfindungsgemäß zum Einsatz kommende Metallpulver zeichnet sich ins- besondere durch einen recht hohen Kohlenstoff-, Molybdän-und Phosphorgehalt aus.

Der Kohlenstoff-und Phosphorgehalt bewirken die Ausbildung von temperaturbeständigen und verschleißmindernden Carbid-und Phosphidphasen, die dem Werkstoff die nötige Lebensdauer verleihen. Chrom, Vanadium und Wolfram können zur Variation des Eigenschaftsspektrums hinzugesetzt werden, sind aber insbesondere zur Herstellung von Ventilen und Ventilteilen nicht unbedingt erforderlich. Ein nennenswerter Schwefelgehalt kann, insbesondere bei Vorliegen als MoS2, als interner Schmierstoff dienen, ist aber bei Ventilen und den Teilen in der Regel nicht erforderlich.

Die erfindungsgemäßen pulvermetallurgisch hergestellten Ventilkörper können nach herkömmlichen Preß-Sinter-Verfahren hergestellt werden. Dazu gehört auch das heiß-isostatische Pressen, obwohl dies nicht unbedingt erforderlich ist.

Im Allgemeinen ist eine Verdichtung auf 7,5 g/cm3 ausreichend, wenn auch für zahlreiche Zwecke eine höhere Dichte, insbesondere etwa 7,7 g/cm3 oder mehr sehr vorteilhaft ist. Durch eine Erhöhung der Dichte und die damit einhergehende Verminderung des Porenvolumens ergibt sich auch eine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit und damit des Temperaturverhaltens.

Weiterhin wird dadurch die Standfestigkeit erhöht.

Die erfindungsgemäßen Ventilkörper können aus den entsprechenden Element- pulvern hergestellt werden. Zumeist ist es allerdings zweckmäßig, fertiglegierte Bestandteile für die Herstellung zu verwenden, beispielsweise eine fertiglegierte Stahikomponente, einen Phosphor-Molybdän-Stahl, gegebenenfalls MoS2 und, falls zusätzlich erforderlich, Graphit, jeweils in Pulverform. Besonders bevorzugt ist der Einsatz von durch Atomisierungsverfahren hergestellten Metallpulvern unregelmäßiger Form, die den daraus hergestellten Preßteil durch Verzahnung einen gewissen inneren Zusammenhalt verleihen können. Zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit, Verminderung des Verschleißes in den Pressen und zur Verbesserung des Zusammenhaltes können übliche Hilfsstoffe zugesetzt werden, beispielsweise Wachs, in einer Menge von bis zu 1 Gew.-%, bezogen auf die Legierungspulver.

Vorzugsweise werden dendritische bzw. spratzige Pulver eines mittleren Durchmessers von weniger als 150 um eingesetzt, vorzugsweise weniger als 50 um. Kohlenstoff wird zweckmäßigerweise als Graphit mit einer mittleren Konrgröße von 10 um oder weniger zugemischt, wenn nicht bereits ausreichend im fertiglegierten Pulver vertreten. Das PMoFe-Stahlpulver, wie es hier eingesetzt werden kann, ist in der WO-A-91/18123 beschrieben.

Besonders bevorzugt für die Herstellung von Ventilkörpern ist eine Pulverzusammensetzung mit 0,5 bis 2,0 % Kohlenstoff, 5,0 bis 14 % Molybdän, 0,2 bis 1,0 % Phosphor, 0,1 bis 1,2 % Mangan, maximal 0,50 % Chrom und maximal 0,40 % Schwefel. Andere Elemente sind in diesem Fall mit weniger als

2 % vertreten, der Rest ist Eisen. Die Zusammensetzung bemißt sich nach Gewichtsprozent.

Für die erfindungsgemäßen Ventilkörper empfiehlt es sich, das Flüssigphasen- Sinterverfahren anzuwenden. Der fertige Ventilkörper sollte eine Dichte von wenigstens 7,7 g/cm3 aufweisen.

Gegenüber dem eingangs beschriebenen konventionellen Fertigungsverfahren für komplette Ventile ergibt sich für die erfindungsgemäßen pulvermetallurgisch hergestellten Ventilkörper und damit gefertigten Ventile eine deutliche Verminderung der Verarbeitungsschritte. Bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Ventiles aus einem separat gefertigten Ventilkörper und einem Stangenabschnitt stellen sich die Schritte wie folgt dar : Zunächst Pressen, Sintern und Anlassen des Ventilkörpers, danach Bereitstellen des Stangenabschnittes, Fügen von Ventilkörper und Stangenabschnitt, etwa in einem Reibschweißverfahren, Richten, Drehen, Schleifen und Wärmebehandeln des fertigen Ventils. Die deutliche Verminderung der Zahl der Produktionsschritte erhöht die Fertigungsgenauigkeit und vermindert die Fehlerwahrscheinlichkeit. Des weiteren läßt sich durch die verminderte Anzahl von Fertigungsschritten flexibler auf sich verändernde Systemanforderungen reagieren.

Die erfindungsgemäßen Ventile bzw. Ventilkörper zeigen eine hohe Ver- schleißfestigkeit auch bei den hohen Temperaturen und Belastungen im Ventil- trieb insbesondere für Auslaßventile.

Was die Ventile selbst anbetrifft, besteht der Ventilkörper aus den vorstehend beschriebenen Werkstoffen. Der Schaft wird konventionell, d. h. ohne pulvermetallurgische Techniken, aus einem konventionellen Werkstoff gefertigt.

Ventilkörper und Ventilstange werden stumpf miteinander verbunden. Bei der stumpfen Passung ist die Verbindung durch ein Reibschweißverfahren bevorzugt, wenn auch andere Fügeverfahren zum Einsatz kommen können.

Soweit die Erfindung Ventilkörper betrifft, haben diese gegenüber herkömm- lichen Ventilkörpern den Vorteil, daß sie aus einem einheitlichen Material be- stehen, d. h. nicht einer lokalen Modifizierung bedürfen, um sie den besonderen Gegebenheiten eines Kolbenauslasses eines Verbrennungsmotors anzupassen.

Dies bringt neben produktionstechnischen Vorteilen eine geringere Stör-und Schadensanfälligkeit des Produktes sowohl in der Herstellungs-als auch in der Betriebsphase.

Die erfindungsgemäßen Ventilkörper werden aus dem vorgemischten bzw. fertiglegierten Pulver wie folgt hergestellt. Zunächst wird der Rohling aus dem Pulver unter Zuhilfenahme eines üblichen Wachses als Gleitmittel unter üblichen Preßdrücken zu Formlingen mit einer ausreichenden Dichte verpreßt. Der Preßdruck liegt dabei zweckmäßigerweise zwischen 500 und 900 MPa. Nach dem Pressen wird das Produkt zunächst unter einer Wasserstoff-Stickstoff- Schutzgasatmosphäre bei einer Temperatur von 500 bis 750°C entwachst und anschließend in einem Ofen bei einer Temperatur von mehr als 900°C, vorzugsweise mehr als 1000°C, bis zu 1150°C, gesintert. Drücke und Temperaturen hängen dabei im wesentlichen von der gewünschten Dichte des Formteils und von der Zusammensetzung des Metallpulvers ab. Nach dem Abkühlen werden die Teile angelassen und den erforderlichen Nachbehandlungsschritten unterworfen.

Wie erwähnt, werden für die Herstellung von erfindungsgemäßen Ventilen für Verbrennungsmotoren, Ventilkörper und Ventilschaft in getrennten Arbeitsschritten herzgestellt und anschließend gefügt. Der Ventilkörper wird dabei pulvermetallurgisch hergestellt, der Schaftstumpf konventionell. Bei dieser Konstellation können Körper und Schaft durch Reibschweißen miteinander verbunden werden. Nach dem Fügeschritt wird das Ventil nachbearbeitet.

Fig. 1 zeigt einen Ventilkörper 1, der pulvermetallurgisch gefertigt ist und zur stumpfen Verbindung mit einem Schaft 2 vorgesehen ist.

Beispiel : Für einen erfindungsgemäßen Ventilkörper wurde Metallpulver der folgenden chemischen Zusammensetzung nach Gewicht verwandt : 0,9 % Kohlenstoff, 8,2 % Molybdän, 4,8 % Wolfram, 1,4 % Vanadium, 0,42 % Phosphor, 3,2 % Chrom und 1,2 % Schwefel.

Andere Elemente waren zu etwa 1,9 % vertreten, der Rest war Eisen.

Es wurde ein Sinterkörper aus gesintertem Molybdän-Phosphor-Stahl einer Dichte von 6,9 g/cm3 erhalten. Der Formkörper zeigte bei hoher Oberflächenbelastung eine gute Verschleißbeständigkeit und im Gefüge feinverteilte, verschiedene Carbide in einer angelassenen martensitischen Matrix mit eingelagertem Festschmierstoff.