Die DE 199 12 889 A1 beschreibt ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzes. 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 Ventil- teller vorzugsweise aus einer Nickel-bzw. Kobaltba- sis-Superlegierung bestehendes Panzermaterial einge- bracht wird.

Ein Verfahren zur Beschichtung der Oberfläche von me- tallenen Werkstücken mit einem pulver-oder drahtför- mig vorliegenden Zusatzwerkstoff beschreibt die DE 199 12 894 AI.

Ein weiteres derartiges Verfahren ist aus der EP 00 92 683 B1 bekannt. Das Basismaterial des Zylinderkopfes besteht dabei im wesentlichen aus Aluminium und als Zusatzmaterial zur Bildung des Ventilsitzes wird ent- weder 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 bestehende Zylinderkopf aufweisen. Dies kann dazu füh- ren, daß bei der Beaufschlagung mit einem Laserstrahl der Zylinderkopf bereits geschmolzen sein kann, wenn das Zusatzmaterial erst zu schmelzen beginnt. Außerdem kann es passieren, daß das zuvor flüssige Eisen be- reits erstarrt ist, während das Aluminium noch als Schmelze vorliegt. Dies führt zur Bildung von interme- tallischen Phasen im Grenzbereich zwischen Eisen-und Aluminiumwerkstoff, was ein sehr sprödes Gefüge zur Folge haben kann. Deshalb ist es schwierig, eine homo- gene Verbindung zwischen dem zu schaffenden Ventilsitz und dem Basismaterial des Zylinderkopfes zu erreichen, wobei hier auch die unterschiedlichen Oberflächenspan- nungen der Materialien eine große Rolle spielen.

Einen aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Zylin- derkopf beschreibt die EP 02 28 282 B1. Die Ventilsit- ze dieses Zylinderkopfes sind aus einer aufplattierten Kupferlegierungsschicht ausgebildet.

Wenn Kupfer als Material für Ventilsitze verwendet wird, entsteht jedoch insbesondere bei Dieselbrenn- kraftmaschinen der Nachteil, daß der im Dieselkraft- stoff enthaltene Schwefel das Kupfer angreift, wodurch Probleme hinsichtlich Abgasentwicklung und Korrosion entstehen. Die Verwendung von Kupfer für Ventilsitze ist somit nur für Ottobrennkraftmaschinen sinnvoll und kann daher nicht in wirtschaftlicher Art und Weise eingesetzt werden.

In der DE 196 39 480 Al ist ein Verfahren zur Innenbe- schichtung von Zylinderlaufflächen mittels pulverför- miger Zusatzstoffe, die durch Laserstrahlung aufle- giert werden, beschrieben.

Ein Verfahren zur Oberflächenvergütung von Leichtme- tallbauteilen, insbesondere von Leichtmetallkolben von Brennkraftmaschinen, mit einem festigkeitssteigernden und/oder verschleißfesten Zusatzwerkstoff geht aus der DE 22 00 003 A1 hervor.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, alternative Verfahren zur Herstellung von Ventilsitzen für den Zy- linderkopf einer Brennkraftmaschine zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß als Zusatzmaterial eine Legierung oder ein Gemisch aus einer Aluminium-Eisen-Legierung sowie wenigstens einem weiteren Bestandteil verwendet wird.

Bei entsprechender Ausführung des Zylinderkopfes han- delt es sich bei einer derartigen Legierung um eine zum Grundwerkstoff des Zylinderkopfes, der häufig aus einer Aluminium-Silizium-Legierung besteht, arteigene Legierung. Dies ermöglicht eine sehr gute metallurgi- sche Anbindung ohne die Bildung spröder intermetalli- scher Phasen an der Grenzfläche zwischen der Beschich- tung bzw. dem Zusatzmaterial und dem Grundwerkstoff.

Hierdurch ergibt sich eine geringe Neigung zur Rißbil- dung. Der Eisengehalt in der erfindungsgemäß für den Zusatzmaterial verwendeten Legierung steigert vorteil- hafterweise die Härte derselben.

Eine alternative Lösung der Aufgabe ergibt sich da- durch, daß als Zusatzmaterial eine Legierung oder ein Gemisch aus Aluminium und Titan verwendet wird.

Auch hierbei gelten die bereits oben im Bezug auf die Verwendung einer arteigenen Legierung angegebenen Vor- teile bezüglich einer geringen Neigung zur Rißbildung.

Es entsteht vorteilhafterweise eine intermetallische Phase aus Titan und Aluminium, die Vorteile bezüglich der Härte, der Verschleißfestigkeit und der Tempera- turstabilität dieser Legierung mit sich bringt.

Eine weitere alternative Lösung der Aufgabe ergibt sich dadurch, daß als Zusatzmaterial eine Legierung o- der ein Gemisch aus einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung sowie wenigstens einem weiteren Bestandteil verwendet wird.

Diese Zusammensetzung basiert im Prinzip auf bewährten Materialien von als separaten Teilen montierten Ven- tilsitzringen, sie kann jedoch ebenfalls durch das er- findungsgemäße Schmelzverfahren aufgebracht werden und weist eine hohe Härte und sehr gute Verschleißeigen- schaften auf.

Eine weitere alternative Lösung der Aufgabe ergibt sich dadurch, daß als Zusatzmaterial eine Legierung o- der ein Gemisch aus einer Nickel-Chrom-Legierung sowie wenigstens einem weiteren Bestandteil verwendet wird.

Eine derartige Legierung ermöglicht hohe Temperatur- und Verschleißfestigkeiten und besitzt, bei entspre- chender Auswahl des weiteren Bestandteils, sehr gute tribologische Eigenschaften.

Sämtlichen der genannten Lösungen ist gemein, daß die Verbindung des Ventilsitzes mit dem Zylinderkopf sehr dauerhaft ist und somit in der Praxis äußerst gut ein- gesetzt werden kann. Des weiteren tragen die beschrie- benen Gemische und Legierungen zu einer erheblichen Erhöhung der Prozeßsicherheit bei.

Eine Ventilsitzanordnung für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine ist in Anspruch 46 beschrieben.

Durch die erfindungsgemäßen, die Ventilsitze erwei- ternden, ringförmigen Bereiche, die sich teilweise ü- berlappen, bestehen die Bereiche zwischen den eigent- lichen Ventilsitzen, die sogenannten Ventilstege, auch aus dem hochwertigeren Werkstoff für die Ventilsitze.

Hierdurch wird vorteilhafterweise die Rißanfälligkeit dieser Ventilstege und des zugehörigen Bereich des je- weiligen Brennraumes des Zylinderkopfes erheblich ver- ringert. Dadurch ist in diesem Bereich eine höhere thermische und mechanische Belastung des Zylinderkop- fes möglich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus den nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispielen.

Es zeigt : Fig. 1 ein in einem Zylinderkopf einer Brennkraftma- schine angeordnetes Ventil mit einem Ventil- sitz ; Fig. 2 eine alternative Ausführungsform des Ventil- sitzes in einer vergrößerten Darstellung ; Fig. 3 eine weitere alternative Ausführungsform des Ventilsitzes in einer vergrößerten Darstel- lung ; Fig. 4 eine weitere alternative Ausführungsform des Ventilsitzes in einer vergrößerten Darstel- lung ; Fig. 5 eine weitere alternative Ausführungsform des Ventilsitzes in einer vergrößerten Darstel- lung ; Fig. 6 eine weitere alternative Ausführungsform des Ventilsitzes in einer vergrößerten Darstel- lung ; Fig. 7 das erfindungsgemäße Verfahren als einstufiger Prozeß ; und Fig. 8 das erfindungsgemäße Verfahren als zweistufi- ger Prozeß.

In Fig. 1 ist ein Teil eines Zylinderkopfes 1 einer in ihrer Gesamtheit nicht dargestellten Brennkraftmaschi- ne gezeigt. In an sich bekannter Weise weist der Zy- linderkopf 1 einen Einlaßkanal 2 auf, welcher im vor- liegenden Fall selbstverständlich auch als Auslaßkanal ausgebildet sein könnte. Der Einlaßkanal 2 wird durch ein Gaswechselventil 3, im folgenden der Einfachheit halber als Ventil 3 bezeichnet, verschlossen bzw. ge- öffnet, so daß ein Kraftstoff/Luft-Gemisch aus dem Einlaßkanal 2 in einen Brennraum 4 des Zylinderkopfes 1 eintreten kann.

Der Zylinderkopf 1 ist mit einem Ventilsitz 5 verse- hen, an welchem das Ventil 3 in seinem geschlossenen Zustand anliegt und so den Einlaßkanal 2 von dem Brennraum 4 trennt.

In den Figuren 2 bis 6 sind verschiedene Ausführungs- formen des Ventilsitzes 5 dargestellt, wobei das Ver- fahren zur Herstellung des jeweiligen Ventilsitzes 5 zu einem späteren Zeitpunkt unter Bezugnahme auf die Figuren 7 und 8 beschrieben wird.

Der in einer umlaufenden Nut 6 des Zylinderkopfes 1 untergebrachte Ventilsitz 5 gemäß Fig. 2 weist eine Dicke von ca. d = 1-6 mm auf, ist an demjenigen Eck- punkt, der sich vollständig innerhalb des Zylinderkop- fes 1 befindet, mit einem Radius r versehen und der Winkel a, den die Verbindungsfläche des Ventilsitzes 5 mit dem Zylinderkopf 1 gegenüber der Längsachse des Ventils 3 aufweist, beträgt ca. a = 0°-45°. Durch den beschriebenen Aufbau, insbesondere durch die ge- nannte Dicke d, ergibt sich eine ausreichende Ver- schleißreserve für eine eventuelle Nachbearbeitung, beispielsweise im Falle einer erforderlichen Repara- tur.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform des Ventil- sitzes 5 dargestellt, welche ähnlich zu derjenigen ge- mäß Fig. 2 ist. Im Unterschied zu Fig. 2 ist jedoch der Winkel a gegenüber der Längsachse des Ventils 3 negativ, d. h. der Ventilsitz 5 weist eine Hinter- schneidung mit einem Winkel von ca. a = 2-15° gegen- über der Nut 6 in dem Zylinderkopf 1 auf, die eine Verkeilung der Beschichtung bzw. des Ventilsitzes 5 gegen Herausfallen aus der Nut 6 bildet.

Die Dicke d des Ventilsitzes 5 gemäß Fig. 4 beträgt ca. d = 0,5-5 mm und der Winkel a der in diesem Fall gerade ausgeführten Verbindungsfläche des Ventilsitzes 5 mit dem Zylinderkopf 1 gegenüber der Längsachse des Ventils 3 beträgt ca. a = 45°, wobei selbstverständ- lich geringe Abweichungen möglich sind.

Bei sämtlichen Ausführungsformen gemäß der Figuren 2, 3 und 4 sind geometrische Platzeinsparungen gegenüber herkömmlichen Sitzringgeometrien möglich.

Eine weitere Ausführungsform des Ventilsitzes 5 zeigen die Figuren 5 und 6, wobei hier der Ventilsitz 5 einen weitaus größeren Bereich als bei den oben beschriebe- nen Ausführungsformen einnimmt. Mit anderen Worten, die Ventilsitze 5 sind um einen ringförmigen Bereich 5a erweitert. Die einzelnen Bereiche 5a überlappen sich teilweise, so daß die Bereiche zwischen den ei- gentlichen Ventilsitzen 5, nämlich die sogenannten Ventilstege, auch aus dem hochwertigeren Werkstoff für die Ventilsitze 5 bestehen. Dies führt zu einer erheb- lichen Verringerung der Rißanfälligkeit der Ventilste- ge und dem zugehörigen Bereich des jeweiligen Brenn- raumes 4 des Zylinderkopfes 1, so daß in diesem Be- reich eine höhere thermische und mechanische Belastung des Zylinderkopfes 1 möglich ist. Die Dicke d des Ven- tilsitzes 5 beträgt d = 1-10 mm.

In Fig. 7 und Fig. 8 sind zwei unterschiedliche Ver- fahren zur Herstellung des Ventilsitzes 5 aufgezeigt.

Auf das Basismaterial des Zylinderkopfes 1, beispiels- weise einer Leichtmetall-Legierung, wie z. B. einer A- luminium-Silizium-Legierung, wird ein Zusatzmaterial 7 in Form eines Pulvers aufgebracht. Auf die Bestandtei- le des Zusatzmaterials 7 wird zu einem späteren Zeit- punkt näher eingegangen. Alternativ zu einer Alumini- um-Silizium-Legierung als Basismaterial des Zylinder- kopfes 1 sind selbstverständlich auch andere Leichtme- tall-Legierungen und gegebenenfalls auch Grauguß-oder sonstige Legierungen denkbar.

Zum Aufbringen des Zusatzmaterials 7 ist im Bereich des zu bildenden Ventilsitzes 5 eine Düse 8 angeord- net, welche das Zusatzmaterial 7 in Richtung des Zy- linderkopfes 1 ausgibt. Wenn das Zusatzmaterial 7 auf den Zylinderkopf 1 auftrifft, so wird es bei der Aus- führungsform gemäß Fig. 7 prozeßsimultan von einem La- serstrahl 9 zusammen mit der äußeren Schicht des Ba- sismaterials des Zylinderkopfes 1 aufgeschmolzen, um an dem Zylinderkopf 1 eine Schmelze 10 zu erzeugen.

Statt des Laserstrahls 9 ist als Energiequelle auch der Einsatz eines nicht dargestellten Elektronen- strahls möglich, um aus dem Zusatzmaterial 7 durch Einbringung von Energie die Schmelze 10 zu erzeugen.

Um einen fortschreitenden Prozeß zu erreichen, werden die Düse 8 und der Laserstrahl 9 ständig in einer Kreisbewegung weiterbewegt. Wenn sich der Laser-oder Elektronenstrahl 9 in Vorschubrichtung gemäß dem Pfeil A von der Schmelze 10 entfernt hat, erstarrt diese zu einer Schicht 11, die den Ventilsitz 5 bildet.

Fig. 8 zeigt ein alternatives Verfahren zur Herstel- lung des Ventilsitzes 5, bei welchem das Zusatzmateri- al 7 beispielsweise in Form einer Paste, eines Drah- tes, eines Sinterkörpers oder eines Pulverpreformlings auf den Zylinderkopf 1 aufgebracht bzw. in die Nut 6 eingebracht und anschließend mit dem Laserstrahl 9 o- der auch mit einem Elektronenstrahl zu der Schmelze 10 aufgeschmolzen wird. Auch hier entsteht wiederum aus der Schmelze 10 nach Entfernung des Laserstrahls 9 in Pfeilrichtung A die Schicht 11, die den Ventilsitz 5 bildet. Dieses Verfahren wird als zweistufiger Prozeß bezeichnet.

Wenn das Zusatzmaterial 7 durch Aufnahme von Energie bereits vor dem Auftreffen auf die Oberfläche des Zy- linderkopfes 1 erwärmt bzw. teilweise oder vollständig aufgeschmolzen wird, so kann die durch die primäre Energiequelle, also den Laserstrahl 9 oder den Elekt- ronenstrahl, eingebrachte Energie verringert werden.

Dadurch wird das Basismaterial des Zylinderkopfes 1 nur geringfügig angeschmolzen, wodurch das Auftreten spröder Phasen und die Rißbildung in der Grenzfläche zwischen dem Zylinderkopf 1 und dem Ventilsitz 5 ver- ringert wird. Auf diese Weise lassen sich auch ansons- ten weniger geeignete Werkstoffe als Zusatzmaterial 7 verwenden. Diese Vorgehensweise ist besonders für den oben beschriebenen, zweistufigen Prozeß gut geeignet.

In nicht dargestellter Weise kann im Bereich des Ven- tilsitzes 5 ein Magnetfeld vorgesehen sein, welches das Zusatzmaterial 7 bzw. die aus dem Zusatzmaterial 7 entstehende Schmelze 10 konturiert und/oder durch- mischt, was zu einer homogeneren Verteilung der Stoffe innerhalb der Schmelze 10 führt. Des weiteren können auf diese Weise eventuell in der Schmelze 10 sich be- findliche Poren ausgasen.

Sowohl bei dem Verfahren gemäß Fig. 7 als auch bei dem Verfahren gemäß Fig. 8 können für das Zusatzmaterial 7 verschiedenartige Gemische und Legierungen verwendet werden, die im folgenden angegeben sind : Als Zusatzmaterial 7 kann zunächst eine Legierung oder ein Gemisch aus einer Aluminium-Eisen-Legierung sowie wenigstens einem weiteren Bestandteil verwendet wer- den. Dabei kann die Aluminium-Eisen-Legierung 6-13 Gewichts-% Eisen und 87-94 Gewichts-% Aluminium ent- halten.

Als weiteren Legierungsbestandteil kann das Zusatzma- terial 7 1-3 Gewichts-% Vanadium und/oder 1-3 Ge- wichts-% Silizium enthalten.

Des weiteren ist es denkbar, daß das Zusatzmaterial 7 30-55 Gewichts-% Nickel und dann gegebenenfalls 3- 15 Gewichts-% Kupfer enthält.

Alternativ hierzu kann das Zusatzmaterial 7 auch 5- 20 Gewichts-% Nickel und dann gegebenenfalls 35-45 Gewichts-% Kupfer enthalten.

Durch die Verwendung von Nickel und Kupfer entstehen Nickel-Aluminium-bzw. Kupfer-Aluminium-Phasen, welche die Härte des Ventilsitzes 5 erhöhen.

Ein weiterer Bestandteil des Zusatzmaterials 7 kann 0, 2-1 Gewichts-% Magnesium sowie 0,2-2 Gewichts-% Bor, Titan und/oder Scandium sein. Dies bewirkt eine feinere Ausbildung von intermetallischen Phasen und eine verbesserte Homogenität des Gefüges.

Gegebenenfalls ist es außerdem denkbar, daß das Zu- satzmaterial 7 Hartstoffkomponenten enthält, welche aus einer Verbindung eines Metalls mit Kohlenstoff, Sauerstoff oder Stickstoff bestehen. Derartige Hart- stoffe erhöhen die Verschleißbeständigkeit des Ventil- sitzes 5 erheblich.

Wahlweise können die Hartstoffkomponenten homogen über das Volumen des Ventilsitzes 5 verteilt sein oder es ist möglich, daß die Hartstoffkomponenten inhomogen ü- ber das Volumen des Ventilsitzes 5 verteilt sind, wo- bei der Gehalt der Hartstoffkomponenten von dem Zylin- derkopf 1 zu der Oberfläche des Ventilsitzes 5 hin zu- nehmen. Die letztgenannte Alternative, also eine soge- nannte Gradientenschicht, führt zu einer zunehmenden Konzentration von harten Bestandteilen zur Oberfläche des Ventilsitzes 5 hin, wodurch sich die Härte-und somit die Verschleißeigenschaften des Ventilsitzes 5 erhöhen. Gleichzeitig wird hierdurch aber die Rißan- fälligkeit in der Anbindungszone, also an der Verbin- dungsfläche des Ventilsitzes 5 mit dem Zylinderkopf 1, reduziert.

Das für die Hartstoffkomponenten bezüglich der Vortei- le Ausgesagte gilt auch für die Bestandteile an Nickel und Kupfer, die einerseits homogen über das Volumen des Ventilsitzes 5 oder andererseits inhomogen über das Volumen des Ventilsitzes 5 verteilt sein können, wobei der Gehalt der Bestandteile an Nickel und Kupfer von dem Zylinderkopf 1 zu. der Oberfläche des Ventil- sitzes 5 hin zunehmen.

Alternativ zu der Ausführung mit einer Aluminium- Eisen-Legierung bzw. einem Gemisch aus diesen Metallen kann als Zusatzmaterial 7 auch eine Legierung oder ein Gemisch aus Aluminium und Titan verwendet werden. In diesem Fall kann das Zusatzmaterial 7 beispielsweise 30-40 Gewichts-% Aluminium und 60-70 Gewichts-% Titan enthalten. Alternativ hierzu kann auch vorgese- hen sein, daß das Zusatzmaterial 7 13-17 Gewichts-% Aluminium und 83-87 Gewichts-% Titan enthält.

Das Zusatzmaterial 7 kann in diesem Fall wenigstens einen weiteren Bestandteil enthalten, und zwar 0,5-5 Gewichts-% oder 17-50 Gewichts-% Niob, was zur Ver- minderung der Versprödungsneigung sehr gut geeignet ist. Möglich ist auch, daß das Zusatzmaterial 7 0,5- 5 Gewichts-% Chrom, Vanadium, Mangan, Molybdän und/oder Tantal enthält.

Eine dritte Möglichkeit zur Bildung des Zusatzmateri- als 7 kann darin bestehen, daß für dasselbe eine Le- gierung oder ein Gemisch aus einer Eisen-Kohlenstoff- Legierung sowie wenigstens einem weiteren Bestandteil verwendet wird.

Als weiterer Bestandteil kann in dieser Ausführungs- form des Verfahrens 0,5-4 Gewichts-% Nickel und/oder 0,5-4 Gewichts-% Chrom und/oder 0,5-4 Gewichts-% Mangan und/oder 5-15 Gewichts-% Molybdän und/oder Kobalt enthält. Durch die Verwendung von Nickel und/oder Chrom können Carbide entstehen, die die Härte des Ventilsitzes 5 steigern. Des weiteren kann in die- sem Zusammenhang vorgesehen sein, daß das Zusatzmate- rial 7 10-25 Gewichts-% Kupfer enthält. Kobalt, Kup- fer und Molybdän verbessern die Schmiereigenschaften, Kupfer die thermische Leitfähigkeit.

Eine vierte Möglichkeit zur Ausführung des Verfahrens besteht darin, daß als Zusatzmaterial 7 eine Legierung oder ein Gemisch aus einer Nickel-Chrom-Legierung so- wie wenigstens einem weiteren Bestandteil verwendet wird, wobei dann die Nickel-Chrom-Legierung 10-30 Gewichts-% Chrom und 70-90 Gewichts-% Nickel enthal- ten kann.

Für diese Ausführungsform kann als weiterer Legie- rungsbestandteil 3-5 Gewichts-% Silizium verwendet werden. Weitere mögliche Legierungsbestandteile beste- hen in 3-5 Gewichts-% Bor sowie in 3-5 Gewichts-% Eisen.

Gegebenenfalls kann in dem Zusatzmaterial 7 10-40 Gewichts-% Molybdän enthalten sein. Des weiteren ist es möglich, daß das Zusatzmaterial 7 5-10 Gewichts-% Kupfer und/oder Kobalt enthält. Außerdem ist möglich, daß das Zusatzmaterial 7 5-12 Gewichts-% Aluminium sowie 0,1-2 Gewichts-% Kohlenstoff und/oder Yttrium enthält.