Wenn Sie ein Teilehändler, ein Motoreninstandsetzer oder der Leiter einer großen Autowerkstatt sind, erscheinen Ihnen Motorventile wahrscheinlich wie unglaublich einfache Stahlteile. Sie sind dazu da, ein Loch zu verschließen und Luft ein- und auszulassen. Wie kompliziert kann die Metallurgie schon sein?
Die Antwort: erschreckend komplex. Ein modernes Auslassventil ist den extremsten und widersprüchlichsten Bedingungen auf unserem Planeten ausgesetzt. Die untere Hälfte des Ventils wird von der 800 °C heißen Überschallhitze der Motorexplosion getroffen. Die obere Hälfte hingegen befindet sich außerhalb dieser Hitze und wird dort tausendfach pro Minute vom schweren Stahlkipphebel brutal zusammengeschlagen.
Es gibt weltweit keine einzige bezahlbare Stahllegierung, die sowohl dem extremen Hitzeeinfall als auch der brutalen mechanischen Reibung an der Oberfläche standhält. Die geniale technische Lösung, die die gesamte moderne Automobilindustrie antreibt? Bimetall-Motorventile .
Der Fehler der „einteiligen“ Ventile
Um zu verstehen, warum ein Bimetallventil genial ist, muss man verstehen, warum herkömmliche einteilige Ventile in Hochleistungs- oder Schwerlastumgebungen versagen.
Wenn ein Billighersteller ein Auslassventil vollständig aus hitzebeständigem Stahl (wie austenitischem 21-4N oder SUH35) fertigt, übersteht der Ventilkopf die intensive Hitze von 800 °C problemlos. Austenitischer Stahl ist jedoch von Natur aus sehr weich und lässt sich nicht härten. Nach wenigen tausend Kilometern zerkleinert der Ventilstößel , der aggressiv auf den weichen Ventilschaft schlägt, das Metall zu Pulver und zerstört so den Ventiltrieb.
Wird das Ventil hingegen komplett aus extrem hartem, reibungsarmem martensitischem Stahl gefertigt, bleibt der obere Teil des Ventilschafts unbeschädigt. Der untere Teil des Ventils kann dem extremen Temperaturschock jedoch nicht standhalten. Das 800 °C heiße Feuer schmilzt die Ventilfläche, verformt sie dauerhaft und verursacht eine sofortige, heftige Fehlzündung.
Was ist ein Bimetall-Auslassventil?
Hochkarätige Autoteilehersteller lösen dieses physikalische Problem durch die Entwicklung eines sogenannten „Frankenstein“-Bauteils. Ein Bimetall-Auspuffventil besteht buchstäblich aus zwei völlig unterschiedlichen Stahlteilen, die physisch zerdrückt und miteinander verschmolzen werden, um ein einziges, perfektes Bauteil zu erzeugen.
Die Fabrik verwendet eine Stange aus extrem zähem, hochhartem martensitischem Stahl (für den oberen Ventilschaft). Anschließend verwendet sie eine Stange aus extrem teurem, hochhitzebeständigem austenitischem 21-4N-Superstahl (für den unteren Ventilkopf).
Durch die Kombination dieser beiden Metalle vereint das Ventil die besten Eigenschaften beider Materialien. Der untere Teil widersteht mühelos der heftigen Verbrennungshitze, während der obere Schaft reibungslos durch die Ventilführung gleitet, ohne zu verschleißen, und die Belastung durch die starken Ventilfedern maximal aushält.
Die Magie des Reibschweißens von Motorteilen
Wie verbindet man zwei völlig unterschiedliche Stahllegierungen so fest miteinander, dass sie selbst bei 7000 U/min nicht brechen? Ein Schweißbrenner oder Lichtbogenschweißgerät reichen dafür nicht aus. Man muss robotergestütztes Reibschweißen einsetzen.
Reibschweißen ist einer der aufwändigsten und optisch beeindruckendsten Prozesse in einer OEM-Fabrik. Die Roboteranlage hält den harten Stahlschaft in einem massiven Spannfutter und lässt ihn mit Tausenden von Umdrehungen pro Minute rotieren. Blitzschnell presst ein gewaltiger Hydraulikzylinder den rotierenden Schaft mit voller Wucht gegen den stationären, hitzebeständigen Ventilkopf.
Die intensive, geräuschvolle Reibung zwischen dem rotierenden und dem ruhenden Metall erzeugt so viel Hitze, dass beide Teile augenblicklich schmelzen. Da kein externes Gas oder Schweißdraht verwendet wird, verhaken sich die Moleküle der beiden Stähle physikalisch und verschmelzen dauerhaft miteinander. Die so entstehende Schweißnaht ist häufig sogar fester als der ursprüngliche Rohstahl.
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Billige Auslassventile aus einem einzigen Metall für hochbelastete Turbo- oder Nutzfahrzeug-Dieselmotoren zu lagern, führt unweigerlich zu schwerwiegenden Garantieausfällen. Ihre Kunden fordern Teile, die für extreme Belastungen ausgelegt sind.
TOPU ist ein nach IATF 16949 zertifizierter Premium-Hersteller von Ventiltrieben, der sich auf bimetallische Motorenventile in Erstausrüsterqualität spezialisiert hat. Mit unseren eigenen, vollautomatisierten Roboter-Reibschweißanlagen verbinden wir hochfeste Ventilschäfte makellos mit extrem hitzebeständigen Ventilköpfen aus 21-4N und Inconel.
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