Die DE 199 12 889 A1 beschreibt einen gattungsgemäßen Ventilsitz und ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstel- lung desselben. Dabei wird ein Zusatzmaterial, nämlich eine Legierung oder ein Gemisch aus einer Aluminium- Silizium-Legierung und Nickel, durch einen Laserstrahl mit dem Basismaterial des Zylinderkopfes verschmolzen.

Aus der DE 35 17 077 Cl ist ein Verfahren zum Panzern der Ventilsitzfläche eines Gaswechselventils bekannt, bei welchem in eine umlaufende Vertiefung am Ventilteller vorzugsweise aus einer Nickel-bzw. Kobaltbasis- Superlegierung bestehendes Panzermaterial eingebracht wird.

Ein Verfahren zur Beschichtung der Oberfläche von metal- lenen Werkstücken mit einem pulver-oder drahtförmig vor- liegenden Zusatzwerkstoff beschreibt die DE 199 12 894 A1.

Ein weiteres derartiges Verfahren ist aus der EP 00 92 683 B1 bekannt. Das Basismaterial des Zylinderkopfes be- steht dabei im wesentlichen aus Aluminium und als Zusatz- material zur Bildung des Ventilsitzes wird entweder Eisen oder Nickel bzw. eine Legierung mit einem dieser beiden Metalle als Hauptbestandteil verwendet.

Hierbei ist nachteilig, dass Eisen und Nickel einen we- sentlich höheren Schmelzpunkt als der aus Aluminium be- stehende Zylinderkopf aufweisen. Dies kann dazu führen, dass bei der Beaufschlagung mit einem Laserstrahl der Zy- linderkopf bereits geschmolzen sein kann, wenn das Zu- satzmaterial erst zu schmelzen beginnt. Außerdem kann es passieren, dass das zuvor flüssige Eisen bereits erstarrt ist, während das Aluminium noch als Schmelze vorliegt.

Dies führt zur Bildung von intermetallischen Phasen im Grenzbereich zwischen Eisen-und Aluminiumwerkstoff, was ein sehr sprödes Gefüge zur Folge haben kann. Deshalb ist es schwierig, eine homogene Verbindung zwischen dem zu schaffenden Ventilsitz und dem Basismaterial des Zylin- derkopfes zu erreichen, wobei hier auch die unterschied- lichen Oberflächenspannungen der Materialien eine große Rolle spielen.

Einen aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Zylinder- kopf beschreibt die EP 02 28 282 B1. Die Ventilsitze die- ses Zylinderkopfes sind aus einer aufplattierten Kupfer- legierungsschicht ausgebildet.

Wenn Kupfer als Material für Ventilsitze verwendet wird, entsteht jedoch insbesondere bei Dieselbrennkraftmaschi- nen der Nachteil, dass der im Dieselkraftstoff enthaltene Schwefel das Kupfer angreift, wodurch Probleme hinsicht- lich Abgasentwicklung und Korrosion entstehen. Die Ver- wendung von Kupfer für Ventilsitze ist somit nur für Ot- tobrennkraftmaschinen sinnvoll und kann daher nicht in wirtschaftlicher Art und Weise eingesetzt werden.

In der DE 196 39 480 AI ist ein Verfahren zur Innenbe- schichtung von Zylinderlaufflächen mittels pulverförmiger Zusatzstoffe, die durch Laserstrahlung auflegiert werden, beschrieben.

Ein Verfahren zur Oberflächenvergütung von Leichtmetall- bauteilen, insbesondere von Leichtmetallkolben von Brenn- kraftmaschinen, mit einem festigkeitssteigernden und/oder verschleißfesten Zusatzwerkstoff geht aus der DE 22 00 003 Al hervor.

Zum weiteren Stand der Technik bezüglich Ventilsitzen für Brennkraftmaschinen und Verfahren zu deren Herstellung wird außerdem auf die folgenden Schriften verwiesen : US 4,059, 876, JP 05256190 A, JP 07284970 A, JP 08047787 A, JP 08224680 A, JP 08224681 A, JP 08224682 A, JP 08224683 A, JP 10141132 A, JP 10176511 A, JP 11002154 A, EP 02 09 366 Al, US 4,723, 518, JP 02196117 A, JP 04123885 A, JP 06042320 A und JP 08174245 A.

Wenn der Ventilsitz als Zusatzmaterial mit dem Basismate- rial des Zylinderkopfes verschmolzen werden soll, so be- steht regelmäßig das Problem, dass dieses Zusatzmaterial sowohl die Haftung zum Basismaterial des Zylinderkopfes als auch die Festigkeitseigenschaften zur Aufnahme der durch das Gaswechselventil eingeleiteten Kräfte und die tribologischen Eigenschaften zur Minimierung des Ver- schleißes an der Oberfläche des Ventilsitzes sicherstel- len muss. Dies legt sehr komplexe Randbedingungen für die Auswahl der Werkstoffe fest, was sich im Stand der Tech- nik durch die unterschiedlichsten Vorschläge zur Verwen- dung bestimmter Werkstoffe niederschlägt. Bisher war je- doch keine Lösung derart überzeugend, dass sie das seit langem in der Praxis verwendete Einpressen der Ventil- sitzringe ersetzen konnte.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ventilsitz für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschi- ne sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, der sowohl eine gute Haftung zum Basismaterial des Zylin- derkopfes als auch gute Festigkeits-und Verschleißeigen- schaften aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch die erfindungsgemäßen zwei übereinander liegenden Schichten kann vorteilhafterweise eine Aufteilung der sehr unterschiedlichen Aufgaben, die der Ventilsitz zu erfüllen hat, vorgenommen werden. So kann erfindungsgemäß die innere, dem Zylinderkopf zugewandte Schicht die Auf- gabe der Verbindung des Ventilsitzes mit dem Basismateri- al des Zylinderkopfes übernehmen und die äußere, dem Zy- linderkopf abgewandte Schicht kann so ausgeführt werden, dass sie gute Festigkeits-und Verschleißeigenschaften für den Ventilsitz aufweist.

Damit wird vorteilhafterweise die Haftung des Ventilsit- zes an dem Zylinderkopf verbessert, was ein Ablösen des gesamten Ventilsitzes von dem Zylinderkopf verhindert.

Dennoch sind aufgrund der Ausgestaltung der äußeren Schicht höhere Belastungen bei geringeren Verschleißraten am erfindungsgemäßen Ventilsitz möglich. Insgesamt ergibt sich auf diese Weise ein erheblich erweitertes Werkstoff- spektrum, insbesondere auch im Hinblick auf die unter- schiedlichen Anforderungen von Otto-und Diesel- Brennkraftmaschinen.

Wenn in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die innere Schicht gute Wärmeleitungseigenschaften auf- weist, so wird vorteilhafterweise die Wärmeableitung aus der Ventilsitzoberfläche in den Zylinderkopf verbessert, indem durch die schmelzmetallurgische Anbindung der Luft- spalt zwischen dem Ventilsitz und dem Zylinderkopf ver- mieden wird.

Insbesondere bei Zylinderköpfen aus Aluminium hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die innere Schicht Kupfer oder eine Kupferlegierung aufweist, da sich gerade ein solcher Werkstoff mit dem Aluminiummaterial des Zylinder- kopfes verbindet. Durch die äußere Schicht wird in diesem Zusammenhang verhindert, dass das Kupfermaterial der in- neren Schicht mit schwefelhaltigen Kraftstoff-bzw. Ab- gasbestandteilen in Verbindung kommen und so die Emissi- onswerte verschlechtern kann.

Des weiteren kann vorgesehen sein, dass die äußere Schicht Nickel, Eisen und/oder Kobalt oder eine Legierung mit wenigstens einem dieser Materialien aufweist. Diese Werkstoffe haben sich als besonders hart und verschleiß- fest herausgestellt und weisen dabei eine sehr hohe Fes- tigkeit auf. Ein weiterer Vorteil dieser Werkstoffe ist die gute Verbindbarkeit mit dem gegebenenfalls verwende- ten Kupfermaterial der inneren Schicht.

Eine verfahrensgemäße Lösung ergibt sich aus den Merkma- len des Anspruches 10.

Mittels dieses sequentiellen Verfahrens lassen sich die erfindungsgemäß wenigstens zwei Schichten besonders ein- fach und prozesssicher mit dem Basismaterial des Zylin- derkopfes verbinden, wobei die oben erläuterten vorteil- haften Eigenschaften des Ventilsitzes erhalten bleiben.

Ein fertigungstechnisch besonders rationelles Verfahren ergibt sich, wenn die innere Schicht in Form eines festen Ringes auf den Zylinderkopf aufgelegt wird, und die äuße- re Schicht in Pulverform auf die innere Schicht aufge- bracht wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteran- sprüchen sowie aus den nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispielen.

Dabei zeigen : Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Ven- tilsitz für einen Zylinderkopf einer Brennkraftma- schine ; Fig. 2 eine Ausführungsform zur Durchführung des erfin- dungsgemäßen Verfahrens ; Fig. 3 eine weitere Ausführungsform zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ; und Fig. 4 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt einen Teil eines Zylinderkopfes 1 einer in ihrer Gesamtheit nicht dargestellten Brennkraftmaschine.

Der Zylinderkopf 1 weist in an sich bekannter Weise einen Einlasskanal 2 auf, welcher durch ein Gaswechselventil 3 verschlossen bzw. geöffnet werden kann. Bei geöffnetem Gaswechselventil 3 kann in an sich bekannter Weise ein Kraftstoff/Luft-Gemisch aus dem Einlasskanal 2 in einen Brennraum 4 eintreten, der sich unterhalb des Zylinder- kopfes 1 befindet. Der Zylinderkopf 1 weist des weiteren einen Ventilsitz 5 auf, an dem das Gaswechselventil 3 in seinem geschlossenen Zustand anliegt und auf diese Weise den Einlasskanal 2 von dem Brennraum 4 trennt.

Wie ebenfalls aus Fig. 1 erkennbar, weist der Ventilsitz 5 zwei aus jeweiligen Zusatzmaterialien gebildete Schich- ten 6 und 7 auf, nämlich eine untere bzw. innere, dem Zy- linderkopf 1 zugewandte Schicht 6 und eine obere bzw. äu- ßere, dem Zylinderkopf 1 abgewandte und dem Gaswechsel- ventil 3 zugewandte Schicht 7. Die innere Schicht 6 dient dabei zum Verbinden des Ventilsitzes 5 mit dem Zylinder- kopf 1 und weist daher gute Verbindungseigenschaften zu dem Basismaterial des Zylinderkopfes 1 auf. Die äußere Schicht 7 dagegen besitzt gute Festigkeits-und Ver- schleißeigenschaften, um die durch das Gaswechselventil 3 auf den Ventilsitz 5 einwirkenden Kräfte aufnehmen zu können.

Da der Zylinderkopf 1 im vorliegenden Fall aus einem Leichtmetall, insbesondere aus Aluminium, besteht, wird für die innere Schicht 6 Kupfer oder eine Kupferlegierung verwendet, da dieses Material eine besonders gute Affini- tät zu Aluminium aufweist. Hierbei ergibt sich insbeson- dere bei der Verwendung der Legierung CuAllo, also einer Kupferlegierung mit 10 Gewichtsprozent Aluminium, eine gute Anbindung der inneren Schicht 6 an das Material des Zylinderkopfes 1. Als weiterer Legierungsbestandteil für die innere Schicht hat sich außerdem Eisen als gut geeig- net erwiesen. Jedoch kann auch reines Kupfer für die in- nere Schicht 6 verwendet werden.

Die innere Schicht 6 weist zusätzlich zu den guten Ver- bindungseigenschaften zu dem Basismaterial des Zylinder- kopfes 1 des weiteren gute Wärmeleitungseigenschaften auf, um eine Verbesserung der Wärmeableitung aus der 0- berfläche des Ventilsitzes 5 in den Zylinderkopf 1 zu er- reichen. Durch die schmelzmetallurgische Anbindung wird nämlich der Luftspalt zwischen dem Ventilsitz 5 und dem Zylinderkopf 1 vermieden. In diesem Zusammenhang beträgt die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer bei 20 °C ca. 350-400 W/m-K, diejenige von Aluminium bei 20 °C ca. 200-250 W/m'K und diejenige der für die innere Schicht 6 verwen- deten Legierung bei 20 °C ca. 200-400 W/m-K.

Um die notwendigen Festigkeits-und Verschleiß-bzw. Här- teeigenschaften der äußeren Schicht 7 zu erreichen, wird für dieselbe vorzugsweise Nickel, Eisen und/oder Kobalt bzw. eine Legierung mit wenigstens einer dieser Materia- lien verwendet. Ein derartiges Material würde zwar bei seiner Verbindung mit dem Aluminium des Zylinderkopfes 1 unter Umständen zur Bildung von intermetallischen Phasen neigen, die zu Rissbildungen führen könnten, aufgrund des Vorhandenseins der inneren Schicht 6 wird die äußere Schicht 7 jedoch nicht mit dem Zylinderkopf 1 verbunden, so dass derartige intermetallische Phasen nicht auftre- ten.

Als weitere Legierungsbestandteile für das Material der äußeren Schicht 7 haben sich insbesondere Chrom, Silizium und Molybdän als besonders gut geeignet erwiesen. Nach- folgend sind beispielhaft einige Legierungen angegeben, die für die äußere Schicht 7 verwendet werden können, wo- bei außer den drei oben genannten Elementen auch noch weitere Elemente als weitere Legierungsbestandteile ver- wendet werden : Co25CrlONi7W0. 5C, Co28Mo8Cr2Si, Co28Mol7Cr3Si, Nil7Cr6A10. 5Y, Ni22CrlOA11. 0Y, Ni25Cr6A10. 4Y, Ni31Cr11A10. 6Y, Ni23Co20Cr8. 5A14Ta0. 6Y, Nil5Cr4Si3Fe3B0. 75C, Ni21.5Cr8. 5Mo3Fe0. 5Co, Nil9Crl8Fe3MolColTi oder Ni8. 5Cr7A15Mo2Si2B2Fe3Ti02.

Selbstverständlich erhebt diese Auflistung keinerlei An- spruch auf Vollständigkeit und es können bei handelsübli- chen Ventilsitzringen verwendete Werkstoffe eingesetzt werden. Die Werkstoffauswahl hängt unter anderem auch da- von ab, ob der Zylinderkopf 1 bei einer Otto-oder einer Dieselbrennkraftmaschine eingesetzt wird.

Falls für den Zylinderkopf 1 andere Materialien zum Ein- satz kommen, können selbstverständlich auch die beiden Schichten 6 und 7 aus anderen Materialien bestehen, die sicherstellen, dass die innere Schicht 6 gute Verbin- dungseigenschaften zu dem Basismaterial des Zylinderkop- fes 1 und die äußere Schicht 7 gute Festigkeits-und Ver- schleißeigenschaften aufweist.

Fig. 2 und Fig. 3 zeigen zwei unterschiedliche Verfahren zur Herstellung des Ventilsitzes 5 durch Verschmelzen der oben angegebenen Zusatzmaterialien mit dem Zylinderkopf 1, wobei jeweils lediglich das Anbringen der inneren Schicht 6 auf dem Zylinderkopf 1 dargestellt ist.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist im Bereich des zu bildenden Ventilsitzes 5 eine Düse 8 angeordnet, wel- che das Zusatzmaterial zur Bildung der inneren Schicht 6 in Richtung des Zylinderkopfs 1 ausgibt. Sobald das Zu- satzmaterial auf dem Zylinderkopf 1 bzw. in einer in dem- selben gebildeten Nut auftrifft, wird es prozesssimultan von einem Laserstrahl 9 zusammen mit der äußeren Schicht des Basismaterials des Zylinderkopfs 1 aufgeschmolzen, um an dem Zylinderkopf 1 eine Schmelze 10 zu erzeugen. Bei der Herstellung der Nut wird die zerspanende Vorbearbei- tung auf den Beschichtungsprozess abgestimmt. Statt des beschriebenen Laserstrahls 9 ist als Energiequelle auch der Einsatz eines nicht dargestellten Elektronenstrahls oder einer geeigneten Einrichtung möglich, um aus dem Zu- satzmaterial 7 durch Auf-bzw. Einbringen von Energie die Schmelze 10 zu erzeugen. Das Zusatzmaterial 7 wird hier- bei in Pulverform aufgebracht, wobei auch eine Aufbrin- gung als Band möglich ist.

Um einen fortschreitenden Prozess zu erreichen, werden die Düse 8 und der Laserstrahl 9 ständig in einer der Kontur des Ventilsitzes 5 entsprechenden Kreisbewegung weiterbewegt. Wenn sich der Laserstrahl 9 in Vorschub- richtung gemäß dem Pfeil A von der Schmelze 10 entfernt hat, erstarrt diese zu der inneren Schicht 6. Hierbei handelt es sich um einen sogenannten einstufigen Prozess.

Fig. 3 zeigt ein alternatives Verfahren zur Herstellung des Ventilsitzes 5, bei welchem das Zusatzmaterial bei- spielsweise in Form einer Paste, eines Drahtes, eines Sinterkörpers oder eines Pulverpreformlings vorzugsweise in Ringform in eine Nut des Zylinderkopfes 1 eingelegt bzw. auf denselben aufgebracht und anschließend mit dem Laserstrahl 9 bzw. einem Elektronenstrahl zu der Schmelze 10 aufgeschmolzen wird. Auch in diesem Fall entsteht aus der Schmelze 10 nach der Entfernung des Laserstrahls 9 in Pfeilrichtung A die innere Schicht 6 des Ventilsitzes 5.

Dieses Verfahren wird als zweistufiger Prozess bezeich- net.

Die äußere Schicht 7 kann bei beiden Verfahren in sehr ähnlicher Weise aufgebracht werden, wobei diese selbst- verständlich nicht mit dem Zylinderkopf 1 sondern mit der inneren Schicht 6 verschmolzen wird. Auch eine Kombinati- on dieser beiden Verfahren ist möglich, bei welcher bei- spielsweise die innere Schicht 6 in Form eines Ringes auf den Zylinderkopf 1 aufgelegt und anschließend die äußere Schicht 7 in Pulverform mit der inneren Schicht 6 verbun- den werden kann.

Fig. 4 zeigt in sehr schematischer Darstellung eine wei- tere Möglichkeit zur Durchführung des Verfahrens zur Her- stellung des Ventilsitzes 5. Hierbei sind zwei Laser- bzw. Elektronenstrahlen 9 und 9'vorgesehen, von denen der erste Laserstrahl 9 für die Verbindung der inneren Schicht 6 mit dem Zylinderkopf 1 sorgt und der zweite La- serstrahl 9'für die Verbindung der äußeren Schicht 7 mit der inneren Schicht 6 zuständig ist. Da die Schmelze 10 der inneren Schicht 6 bereits nach wenigen Millimetern der Entfernung des Laserstrahls 9 in Richtung des Pfeils A erstarrt ist, kann der zweite Laserstrahl 9'dem ersten Laserstrahl 9 in einem relativ geringen Abstand nachfol- gen, so dass das gesamte Verfahren zur Herstellung des Ventilsitzes 5 nur geringfügig mehr Zeit in Anspruch nimmt, als wenn der Ventilsitz 5 lediglich aus einer Schicht bestehen würde. Dieses Verfahren lässt sich vor- teilhaft durchführen, wenn die äußere Schicht 7 in Pul- verform aufgebracht wird, wobei das Material für die in- nere Schicht 6 in einer Weise wie oben beschrieben aufge- bracht werden kann.