Sie haben gut zu tun. Unter Hitze, Hochdruck, Reibung – und dabei manchmal auch noch schlecht geschmiert. Natürlich möglichst lange und zuverlässig. Und dabei sollen sie von Motorengeneration zu Motorengeneration immer leichter werden. Kurz: Ventile haben einen harten Job. Entsprechend groß ist die Herausforderung für die Konstrukteure. Überzeugende Lösungen bieten Hightech-Materialien … und konstruktive Ideen.

Das System des Ventiltriebs unterliegt, je nach Bauteil, unterschiedlichen Ein-flüssen. Den höchsten mechanischen, thermischen und sich daraus ergebenden tribologischen Widrigkeiten ist dabei das Ventil ausgesetzt. Und als bewegte Masse beeinflusst es direkt die mechanische Belastung des Ventiltriebs und die dort entstehende Reibleistung.

Die Basis des Ventilbaus: Metalllegierungen
Je nach Einsatzgebiet der Ventile (Applikation auf der Ein- oder Auslass-Seite, im Turbo- oder im Saugmotor) werden diese aus unterschiedlichen Materialien hergestellt. Die Standardlegierung ist eine Chrom-Silizium-Legierung (X 45 Cr Si 9-3). Für hoch belastete Auslass-Ventile kommt die von MAHLE entwickelte Nickel-Superlegierung Nimonic 80A^© zum Einsatz, die auch in Bereichen wie Umform-barkeit, Schweißbarkeit und Temperaturbeständigkeit neue Maßstäbe setzt.

		Das Schliffbild der von MAHLE entwickelten Superlegierung Nimonic 80A© für hoch belastete Auslass-Ventile.
		MAHLE Ventilsitz mit Panzerung.

Mono, bi oder hohl?
Unterschiedliche Beanspruchungen erfordern unterschiedliche Ventileigenschaften – und damit unterschiedliche Bauarten: Die Monometallventile bestehen aus einem einzigen Werkstoff bzw. einer Legierung, zumeist der oben erwähnten Chrom-Silizium-Legierung oder der Nickel-Superlegierung. Bimetallventile werden, wie der Name schon sagt, aus zwei unterschiedlichen Stahlsorten hergestellt. Durch Reibschweißen wird der Schaft des Ventils mit dem Teller verbunden. Der Teller besteht aus einem hochlegierten und hochwarmfesten Stahl, während der Schaft aus einem anders legierten Stahl gefertigt ist, der gehärtet werden kann.

Die Reibschweißnaht verbindet den Ventilschaft mit dem Ventilteller.

Eine innovative Bauart ist das Hohlventil mit optimalen Kühleigenschaften: Der Ventil-Hohlraum ist teilweise mit Natrium gefüllt, das bei 97,5 °C flüssig wird und dadurch die Temperatur besser vom heißen Teller in den Schaft ableitet.

Das Hohlventil: wärmeregulierend durch die Natriumfüllung.

Gut geschützt mit Stellit
Um den extremen Beanspruchungen – wie hohen Temperaturen und chemischer Korrosion – gerecht zu werden, werden hoch belastete Ventile überdies mit einer Stellitschicht „gepanzert“. Diese Schicht auf Kobalt-Chrom-Basis wird zunächst aufgeschweißt und danach bearbeitet.

		Der Ventilteller – für die Sitzpanzerung vorbereitet … und mit aufgeschweißter Stellitschicht.
		Die einzelnen Fertigungsstufen eines Bimetallventils.

Die Zukunft der Ventilkonstruktion: Ein Leichtes?
Die Zukunft des Motorenteilebaus ist von weiterer Gewichtsreduktion bestimmt. Ein großes Potenzial bieten dabei die Ventile: Weisen diese eine geringere Masse auf, können auch die antreibenden Teile wie Nockenwelle & Co. deutlich leichter konstruiert werden. Bei konventionellen Ventilstählen sind jedoch der angestrebten Gewichtsoptimierung durch die erforderliche Bauteilfestigkeit Grenzen gesetzt. Neue Werkstoffe mit einem sehr günstigen Verhältnis von Festigkeit und Dichte befinden sich noch in der Erprobungsphase. Alternativ verfolgt MAHLE, Impulsgeber in der Motorenteileentwicklung, einen innovativen Konstruktionsansatz: das MAHLE Leichtbauventil, bei dem verschiedene Umformteile und ein massives Ventilschaftende durch Präzisionsschweißen in Laser- und Reibtechnik miteinander verbunden werden.

Eine heisse Sache: Blick in die Ventilproduktion

		Durch Elektro-Stauchen wird eine kugelförmige Verdickung erzeugt.
		Beim sogenannten Reibschweißen verbinden sich Ventilschaft und Ventilteller.
		Zum Härten wird das Ventil induktiv erwärmt und dann kalt abgeschreckt.
		Laserkennzeichnung eines MAHLE Ventils.