DE10319141A1

DE10319141A1 - Kolben für einen Großmotor sowie Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzschicht bei einem derartigen Kolben

Info

Publication number: DE10319141A1
Application number: DE10319141A
Authority: DE
Inventors: Michael Eis Benzon; Jesper Vejloe Carstensen; Steen Krogh Jensen; Lech Moczulski
Original assignee: MAN B&W Diesel AS
Current assignee: MAN B&W Diesel AS
Priority date: 2003-04-28
Filing date: 2003-04-28
Publication date: 2004-11-25
Also published as: EP1618323B1; DE502004001170D1; NO20055060L; KR20060007410A; JP2006522886A; CN1780997A; RU2005136884A; ATE335944T1; NO333333B1; RU2310089C2; KR100689957B1; WO2004097272A1; PL1618323T3; HRP20050931A2; EP1618323A1; ES2270368T3; HRP20050931B1; CN100408891C; JP4171042B2

Abstract

Bei einem Kolben für einen Großmotor mit einer aus einem Eisenwerkstoff bestehenden Kolbenkrone (1), die mit umlaufenden Kolbenringnuten (4) zur Aufnahme jeweils eines Kolbenrings (3) versehen ist, wobei zumindest die oberste, brennraumnächste Kolbenringnut (4) im Bereich ihrer brennraumfernen Seitenfläche mit einer Verschleißschutzschicht (5) versehen ist, lassen sich dadurch eine hohe Tragfähigkeit und Lebensdauer der Verschleißschutzschicht (5) erreichen, dass die Verschleißschutzschicht (5) eine metallische Matrix (7) aufweist, in die Tragteilchen (6) eingebettet sind, die eine größere Härte als Chrom aufweisen. Die Verschleißschutzschicht (5) kann aufgesprüht, aufgeschmolzen oder aufgelötet werden.

Description

Die Erfindung betrifft gemäß einem ersten Erfindungsgedanken einen Kolben für einen Großmotor, insbesondere einen Zweitakt-Großdieselmotor, mit einer aus einem Eisenwerkstoff bestehenden Kolbenkrone, die mit umlaufenden Kolbenringnuten zur Aufnahme jeweils eines Kolbenrings versehen ist, wobei zumindest die oberste, brennraumnächste Kolbenringnut im Bereich ihrer brennraumfernen Seitenfläche mit einer Verschleißschutzschicht versehen ist.
Die Erfindung betrifft gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken ein Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzschicht bei einem derartigen Kolben, wobei die Verschleißschutzschicht im Bereich der brennraumfernen Seitenfläche der Kolbenringnut auf den Eisenwerkstoff der zugeordneten Kolbenkrone aufgebracht wird.

Bei den bekannten Anordnungen dieser Art ist die Verschleißschutzschicht als aus Hartchrom bestehende Plattierung ausgebildet, die in der Regel elektrogalvanisch aufgetragen wird. Diese bisher verwendete Verschleißschutzschicht erweist sich jedoch bei hohen Belastungen in Form hoher Drücke und hoher Temperaturen und/oder einer hohen Konzentration von abrasiven Partikeln in der Ladeluft etc. als nicht widerstandsfähig genug. Die Folge ist eine vergleichsweise kurze Lebensdauer.

Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolben eingangs erwähnter Art mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, dass auch bei hohen Belastungen eine vergleichsweise lange Standzeit der Verschleißschutzschicht erreicht wird, sowie ein einfaches Verfahren zum Anbringen einer erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht bereitzustellen.

Der erste Teil der vorstehend genannten Aufgabe wird in Verbindung mit dem gattungsgemäßen Kolben dadurch gelöst, dass die Verschleißschutzschicht eine metallische Matrix aufweist, in die Tragteilchen eingebettet sind, wobei zumindest die Tragteilchen eine größere Härte als Chrom aufweisen.

Die Härte und damit die Widerstandsfähigkeit der Verschleißschutzschicht wird in erster Linie durch die Eigenschaften der Tragteilchen beeinflusst. Da diese eine größere Härte als Chrom bzw. Chromoxyd aufweisen, ergeben die erfindungsgemäßen Maßnahmen daher auch eine gegenüber der bekannten Chrom-Schutzschicht gesteigerte Verschleißfestigkeit. Da die harten Tragteilchen in eine weichere Matrix eingebettet sind, wird dennoch eine ausreichende Duktilität der Verschleißschutzschicht gewährleistet. Dadurch, dass die Tragteilchen in eine Matrix eingebettet sind, können zur Bildung der Tragteilchen in vorteilhafter Weise auch solche Materialien Verwendung finden, die in der gewünschten Dicke nicht als Festkörper in situ herstellbar sind. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen ermöglichen daher die Herstellung einer Verschleißschutzschicht in jeder gewünschten Dicke und mit der gewünschten hohen Tragfähigkeit, was in vorteilhafter Weise zu einer langen Lebensdauer führt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben. So können die Tragteilchen zweckmäßig eine abgerundete Konfiguration aufweisen. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Tragteilchen nicht nach Art von Schleifkörnern wirken, wodurch ein unerwünschter Verschleiß des zugeordneten Kolbenrings vermieden wird. Gleichzeitig ist eine zuverlässige Abstützung und Verankerung in der Matrix gewährleistet.

Eine weitere zweckmäßige Maßnahme kann darin bestehen, dass die Tragteilchen einen Durchmesser von 20 – 60 u aufwiesen. Dies ermöglicht einen vergleichsweise hohen Anteil sowie eine homogene Verteilung der Tragteilchen. Zweckmäßig kann die Verschleißschutzschicht zu 50 Vol% aus Tragteilchen bestehen.

Eine weitere Fortbildung der übergeordneten Maßnahmen kann darin bestehen, dass die Matrix aus einer die Bestandteile Ni, Cr, B und Si enthaltenden Legierung besteht. Eine derartige Legierung ergibt in vorteilhafter Weise eine vergleichsweise große Härte der Matrix. Außerdem besitzt das genannte Material auch gute Fließeigenschaften, was eine einfache Verarbeitung im Sprühverfahren gewährleistet und die Erzielung einer gleichmäßigen Dicke der Verschleißschutzschicht erleichtert.

Vorteilhaft können die Tragteilchen aus keramischem Material, vorzugsweise WC bestehen. Diese Maßnahmen ergeben in besonders kostengünstiger Weise sehr harte Tragteilchen.

Zweckmäßig beträgt die Dicke der Verschleißschutzschicht 0,3-0,5mm. Hierdurch wird sichergestellt, dass das Spiel in der Kolbenringnut im Laufe des Verschleißes der Verschleißschutzschicht nicht zu groß wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der übergeordneten Maßnahmen kann darin bestehen, dass die Dichte der Verschleißschutzschicht von radial innen nach radial außen zunimmt. Im radial äußeren Bereich der Kolbenringnut ist die Belastung am höchsten, so dass dort auch die höchste Tragfähigkeit vorliegen muss, was mit der Zunahme der Dichte nach radial außen erreicht wird. Die genannten Maßnahmen stellen daher sicher, dass die Dichte-Verteilung über der radialen Breite der Kolbenringnut in etwa der Belastung entspricht, so dass ein vergleichsweise gleichmäßiger Verschleiß über der ganzen Breite zu erwarten ist. Hierdurch wird einem unerwünschten Verkanten des Kolbenrings vorgebeugt.

Eine weitere vorteilhafte Maßnahme kann darin bestehen, dass der Eisenwerkstoff der Kolbenkrone zumindest im der Verschleißschutzschicht benachbarten Bereich gehärtet ist. Hierdurch wird einem Einsinken der Verschleißschutzschicht in das Grundmaterial entgegengewirkt und gleichzeitig ein zu großer Härteunterschied zwischen der Verschleißschutzschicht und dem diese aufnehmenden Grundmaterial vermieden, was sich ebenfalls vorteilhaft auf die Haltbarkeit auswirkt.

Der zweite Teil der eingangs erwähnten Aufgabe wird in Verbindung mit dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass das die Verschleißschutzschicht bildende Material, das aus einer Aggregation mit einer eine Matrix bildenden, metallischen Legierung und in dieser aufgenommenen, eine größere Härte als Chrom, vorzugsweise eine größere Härte als 1600 HV, aufweisenden Tragteilchen besteht, auf die vorbereitete Seitenfläche der Kolbenringnut aufgesprüht wird, wobei die die Matrix bildende Metalllegierung in einem geschmolzenen Aggregatzustand vorliegt, und dass anschließend oder gleichzeitig eine Wärmebehandlung des aufgesprühten Materials durchgeführt wird.

Dadurch, dass das die Verschleißschutzschicht bildende Material direkt auf die zugeordnete Seitenfläche der Kolbenringnut aufgesprüht wird, wird eine gute Verbindung mit dem Grundmaterial erreicht. Die anschließende Wärmebehandlung stellt sicher, dass Dickenunterschiede, die sich aufgrund des Sprühwinkels ergeben können, zuverlässig ausgeglichen werden. Gleichzeitig wird mit Hilfe der Wärmebehandlung auch die erwünschte Härtung des Grundmaterials erreicht.

Zweckmäßig kann der Sprühwinkel über der Breite der Kolbenringnut verändert werden, wobei der Sprühwinkel im radial äußeren Bereich steiler als im radial inneren Bereich ist. Auf diese Weise wird in vorteilhafter Weise im radial äußeren Bereich die erwünschte größere Dichte erreicht.

Eine andere Lösung der genannten Aufgabe kann in Verbindung mit dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch erreicht werden, dass das die Verschleißschutzschicht bildende Material, das aus einer Aggregation mit einer eine Matrix bildenden, metallischen Legierung und in dieser aufgenommenen, eine größere Härte als Chrom, vorzugsweise eine größere Härte als 1600 HV, aufweisenden Tragteilchen besteht, in einer mittels eines Binders gebundenen Form auf die vorbereitete Seitenfläche der Kolbenringnut aufgelegt wird und dass anschließend eine Wärmebehandlung stattfindet, bei der die die Matrix bildende Metalllegierung geschmolzen und der Binder verbrannt werden. Hierdurch werden die im Zusammenhang mit einem Sprühverfahren vorhandenen Schwierigkeiten, die insbesondere bei vergleichsweise tiefen, engen Kolbenringnuten auftreten, vermieden.

Zweckmäßig kann dabei so vorgegangen werden, dass aus dem die Verschleißschutzschicht bildenden Material unter Verwendung des Binders die Form eines Segments der ringförmigen Verschleißschutzschicht aufweisende Grünlinge erzeugt werden, die auf das Grundmaterial aufgelegt und dann der Wärmebehandlung unterzogen werden. Die Herstellung von Grünlingen erleichtert die Handhabung.

Eine weitere, in jedem Fall vorteilhafte Maßnahme kann darin bestehen, dass die Wärmebehandlung unter Zufuhr von Schutzgas durchgeführt wird. Hierdurch wird eine Oxydation insbesondere in der Verbindungszone mit dem Grundmaterial verhindert, was die Erzielung einer guten Haftung der Verschleißschutzschicht auf dem Grundmaterial gewährleistet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher entnehmbar.

In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen:
1 einen Ausschnitt aus einem Kolben eines Zweitakt-Großdieselmotors,
2 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts der Verschleißschutzschicht der Anordnung gemäß 1,
3 eine vergrößerte Darstellung einer Kolbenringnut der Anordnung gemäß 1 mit einer teilweise aufgesprühter Verschleißschutzschicht,
4 eine vergrößerte Darstellung einer Kolbenringnut der Anordnung gemäß 1 während der Wärmebehandlung der Verschleißschutzschicht und
5 eine Draufsicht auf in die Kolbenringnut eingelegte, segmentförmige, Verschleißschutzschicht-Grünlinge.
Hauptanwendungsgebiet der Erfindung sind Zweitakt-Großdieselmotoren und ähnliche Großmotoren. Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise derartiger Motoren sind an sich bekannt.
In 1 ist der obere Teil, das heißt die sogenannte Kolbenkrone 1, eines Kolbens 2 eines Zweitakt-Großdieselmotors dargestellt. Bei Großmotoren hier vorliegender Art besteht die Kolbenkrone 1 aus einem Eisen-Werkstoff, wie Grauguß oder Stahlguß. Die Kolbenkrone 1 jedes Kolbens 2 ist mit einem aus mehreren, untereinander angeordneten Kolbenringen 3 bestehenden Kolbenringpaket versehen, durch das der Spalt zwischen der Mantelfläche der Kolbenkrone 1 und der Lauffläche einer den Kolben 2 aufnehmenden Laufbüchse abgedichtet wird. Die Kolbenringe 3 sind jeweils in einer zugeordneten Kolbenringnut 4 der Kolbenkrone 1 aufgenommen.
Zumindest die oberste Kolbenringnut 4, das heißt die dem vom Kolben 2 begrenzten Brennraum am nächsten liegende Kolbenringnut 4 ist im Bereich ihrer unteren, das heißt ihrer brennraumfernen Seitenfläche mit einer Verschleißschutzschicht 5 versehen, auf der der zugeordnete Kolbenring 3 aufliegt. Zweckmäßig sind mehrere, einander benachbarte, obere Kolbenringnuten 4 mit einer derartigen Verschleißschutzschicht 5 versehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind alle Kolbenringnuten 4 mit einer derartigen Verschleißschutzschicht 5 versehen.
Die Verschleißschutzshit 5 enthält, wie am besten aus der vergrößerten Darstellung in 2 entnehmbar ist, eine große Härte aufweisende Tragteilchen 6, die in eine metallische Matrix 7 eingebettet sind, die mit dem durch einen Eisenwerkstoff gebildeten Grundmaterial der Kolbenkrone 1 verbunden ist. Die Härte der Tragteilchen 6 ist größer als die Härte von Chrom bzw. von an der Oberfläche von Chrom entstehendem Chromoxyd. Hierzu finden Tragteilchen 6 Verwendung, deren Härte mehr als 1600 HV beträgt. Das die Matrix 7 bildende Material besitzt eine geringere Härte als die Tragteilchen 6, was eine ausreichende Duktilität der Verschleißschutzschicht 5 gewährleistet. Ein geeignetes Material zur Bildung der Matrix 7 stellt eine Ni-Cr-Si-Fe-B-C-Legierung dar. Diese enthält zweckmäßig 74% Ni, 15% Cr 4% Si, 3,5% Fe, 3%B und 0,5 %C.
Die Tragteilchen 6 bestehen zweckmäßig aus keramischem Material, was eine kostengünstige Bereitstellung ermöglicht. Mit aus WC (Wolframkarbit) bestehenden Tragteilchen 6 wurden bei Versuchen gute Ergebnisse erreicht.
Die Tragteilchen 6 besitzen zweckmäßig, wie in 2 angedeutet ist, eine abgerundete bis kugelförmige Gestalt. Der Durchmesser der Tragteilchen 6 beträgt 20 – 60 u. Zweckmäßig sind die Tragteilchen 6 gleichmäßig über die Matrix 7 verteilt. Der Anteil der Tragteilchen 6 an der gesamten Verschleißschutzschicht 5 kann bis zu 80 Vol% betragen. Mit einem Anteil von 50 % wurden bei Versuchen gute Ergebnisse erreicht.
Die Dicke der Verschleißschutzschicht 5 ist so bemessen, dass bei abgearbeiteter Verschleißschutzschicht 5 das zulässige Spiel zwischen Kolbenring 3 und Kolbenringnut 4 nicht überschritten wird. Zweckmäßig besitzt die Verschleißschutzschicht 5 daher eine Dicke von höchstens 1mm, vorzugsweise von 0,3 – 0,5 mm. Bei besonders großen Anordnungen liegt die genannte Dicke der Verschleißschutzschicht 5 mehr an der oberen Grenze und umgekehrt.
Die Verschleißschutzschicht 5 kann über ihrer ganzen Breite eine einheitliche Dichte aufweisen. Zweckmäßig entspricht der Verlauf der Dichte über der Breite jedoch in etwa dem Verlauf der Belastung über der Breite. Dementsprechend nimmt die Dichte von radial innen nach radial außen zu und ist im Bereich des äußeren Rands der zugeordneten Kolbenringnut 4 am höchsten. Hierdurch wird erreicht, dass sich über der Breite der Kolbenringnut ein im Wesentlichen gleichmäßiger Verschleiß ergibt, so dass der zugeordnete Kolbenring 3 nicht kippt und ein Verkanten verhindert wird.
Die Verschleißschutzschicht 5 ist, wie 1 weiter erkennen lässt, als Füllung einer durch eine in das Grundmaterial der Kolbenkrone 1 eingearbeitete Abstufung 8 gebildeten Tasche ausgebildet, die nach oben offen ist und sich in radialer Richtung von einem inneren Steg 9 bis zum äußeren Rand der zugeordneten Kolbenringnut 4 erstreckt. Die der Abstufung 8 zugewandte Flanke des Stegs 9 ist schräg geneigt, so dass die Abstufung 8 und die diese ausfüllende Verschleißschutzschicht 5 radial innen spitz auslaufen. Zwischen dem Steg 9 und der radial inneren Begrenzung der Kolbenringnut 4 ist eine umlaufende Nut 10 vorgesehen, die Kerbspannungen und Wärmebruch verhindern kann.
Die Verschleißschutzschicht 5 kann, wie in 3 angedeutet ist, auf das Grundmaterial aufgesprüht werden, z.B. im Plasma-Sprühverfahren oder HVOF-Sprühverfahren. Hierzu findet eine in der Zeichnung durch einen Sprühkopf 11 angedeutete Sprühvorrichtung Verwendung, durch die das die Verschleißschutzschicht 5 bildende Material in die durch die Abstufung 8 gebildete Tasche hineingesprüht wird, wie durch Sprühstrahlen 12 angedeutet ist. Der Sprühwinkel kann dabei, wie in 3 durch einen Schwenkpfeil 13 angedeutet ist, so variiert werden, dass im Bereich des äußeren Rands der Kolbenringnut 4 ein steilerer Sprühwinkel vorliegt, als im Bereich des inneren Rands der Verschleißschutzschicht 5. Auf diese Weise wird im Bereich des äußeren Rands der Verschleißschutzschicht 5 eine größere Dichte der Verschleißschutzschicht 5 erzielt als im Bereich des inneren Rands.
Das die Matrix 7 bildende Material liegt während des Sprühvorgangs in flüssiger, das heißt geschmolzener Form vor und verbindet sich beim Erstarren mit dem Grundmaterial. Die Tragteilchen 6 sind in das flüssige Matrix-Material eingestreut und werden mit diesem aufgesprüht. Beim Erstarren des Matrix-Materials werden die Tragteilchen in der Matrix fixiert.
Nach dem Sprühvorgang findet eine in 4 angedeutete Wärmebehandlung statt. Hierzu ist im dargestellten Beispiel eine Heizeinrichtung 14 vorgesehen, die in die Kolbenringnut 4 eingeführt ist und durch die die frisch eingesprühte Verschleißschutzschicht 5 beheizbar ist. Die Heizeinrichtung 14 besteht aus wenigstens einem vergleichsweise kurzen, in die Kolbenringnut 4 eingeführten Heizsegment, das induktiv beheizbar ist, das heißt mit wenigstens einer mit elektrischem Strom beaufschlagbaren Spule versehen ist. Während der Wärmebehandlung wird die die Kolbenringnuten 4 enthaltende Kolbenkrone so rotiert, dass der ganze Umfang behandelt wird. Eine Umdrehung genügt in der Regel. Dieser Vorgang wird zweckmäßig für jede mit einer Verschleißschutzschicht 5 versehene Kolbenringnut 4 wiederholt. Es wäre aber auch denkbar, die Wärmebehandlung für mehrere oder alle mit einer Verschleißschutzschicht versehenen Kolbenringnuten 4 gleichzeitig durchzuführen. Ebenso können auch mehrere, über den Umfang verteilte Heizsegmente vorgesehen sein, wodurch sich der Umdrehungswinkel reduziert. Anstelle einer induktiv beheizbaren Heizeinrichtung könnte selbstverständlich auch eine mit einem oder mehreren Brennern versehene Heizeinrichtung oder eine Laser-Heizeinrichtung vorgesehen sein.
Die mittels der Heizeinrichtung 14 erzielbare Temperatur ist höher als die Schmelztemperatur des die Matrix 7 bildenden Materials. Im dargestellten Beispiel soll diese Temperatur 1000 bis 1200C° betragen. Durch diese Wärmebehandlung werden leichte Dickenunterschiede, die beim Sprühvorgang nicht vermeidbar sind, ausgeglichen. Gleichzeitig erfolgt dabei eine Härtung des der Verschleißschutzschicht 5 benachbarten Bereichs 15 des Grundmaterials, wie in 4 durch eine unterbrochene Linie angedeutet ist. Zweckmäßig können die Heizeinrichtung 14 so ausgebildet sein bzw. die Wärmebehandlung so durchgeführt werden, dass nicht nur im Bereich 15 an der unteren Seitenflanke der Kolbenringnut 4 eine Härtung erfolgt, sondern auch im Bereich an der oberen Seitenflanke, wie in 4 ebenfalls durch eine unterbrochene Linie 16 angedeutet ist.
Im dargestellten Beispiel findet die Wärmebehandlung im Anschluss an den Sprühvorgang statt. Es wäre aber auch möglich, die Wärmebehandlung bereits während des Sprühvorgangs durchzuführen. In jedem Fall werden der Sprühvorgang und die Wärmebehandlung in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt, so dass keine Oxydation stattfinden kann. Das Schutzgas, beispielsweise Argon, kann durch in den 3 und 4 angedeutete, dem Sprühkopf 11 bzw. der Heizeinrichtung 14 zugeordnete Düsen 17 bzw. 18 zugeführt werden, die mit einer nicht näher dargestellten Schutzgasquelle verbunden sind.
Um beim Aufsprühen der Verschleißschutzschicht eine unerwünschte Beschichtung des Stegs 9 und der Nut 10 sowie der radial inneren Wand der Kolbenringnut 4 zu vermeiden, kann, wie 3 zeigt, eine geeignete Abdeckung 21 vorgesehen sein. Dabei kann es sich um einen in die Kolbenringnut 4 eingebrachten, aus mehreren Segmenten bestehenden Ring handeln, der die gewünschte Abdeckung bewirkt. Die Abdeckung ist umfangsseitig so behandelt oder besteht aus solchem Material, z. B. Messing, dass keine Abbindung mit der Verschleißschicht 5 erfolgt. Durch die Abdeckung wird der Aufsprühvorgang stark vereinfacht.
Eine andere Möglichkeit zum Aufbringen der Verschleißschutzschicht 5 kann darin bestehen, dass das die Verschleißschutzschicht 5 bildende Material, das heißt das Matrix-Material mit darin aufgenommenen Tragteilchen 6, in einer mittels eines Bindemittels gebundenen bzw. vorgesinterten Form auf die vorbereitete, untere Seitenflanke der zugeordneten Kolbenringnut 4 aufgelegt wird und dass anschließend eine Wärmebehandlung stattfindet, bei der die die Matrix 7 bildende Metalllegierung geschmolzen und das Bindemittel verbrannt werden. Bei einem derartigen Verfahren lassen sich die Schwierigkeiten, die beim Sprühverfahren insbesondere bei sehr tiefen und engen Kolbenringnuten, wo mit vergleichsweise kleinen Sprühwinkeln gearbeitet werden müsste, zu erwarten wären, vermeiden.
Das Bindemittel kann so ausgebildet sein, dass sich zusammen mit dem die Verschleißschutzschicht 5 bildenden Material eine Paste ergibt, die auf die zugeordnete Seitenflanke einer Kolbenringnut aufgestrichen werden kann. Denkbar ist aber auch die Herstellung eines Zwischenprodukts in Form massiver, plattenförmiger oder bandförmiger Grünlinge, die in die zugeordnete Kolbenringnut 4 eingelegt werden. In jedem Fall findet anschließend eine Wärmebehandlung zum Schmelzen des Matrix-Materials und zum Verbrennen des Bindemittels statt. Dieses kann z.B. verdünnter PVA (Polyvinylalkohol), Silikon oder Latex sein.
Die oben genannten Grünlinge können zweckmäßig, wie aus 5 erkennbar ist, in der Form von Segmenten 19 der ringförmigen Verschleißschutzschicht 5 erzeugt werden. Aus mehreren, aneinander anstoßenden Segmenten 19 kann dementsprechend ein in die Kolbenringnut 4 eingelegter Ring gebildet werden. Der Steg 9 bildet dabei eine zuverlässige, innere Anschlagkante für die Grünlinge 19. Die radial innerhalb des Stegs 9 sich befindende Nut 10 ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Beschränkung der Wärmebehandlung auf den Bereich der durch die Abstufung 8 gebildeten Tasche. Die Nut 10 bildet so praktisch einen unbehandelten Bereich, wodurch einem Wärmebruch vorgebeugt werden kann.
Die Wärmebehandlung kann, wie beim obigen Beispiel, mittels einer elektrischen Heizeinrichtung oder mittels einer mit Brennern versehenen Heizeinrichtung oder mittels einer Lasereinrichtung durchgeführt werden und findet zweckmäßig ebenfalls in einer Schutzgasatmosphäre statt. Die erzeugbare Temperatur muss in jedem Fall oberhalb der Schmelztemperatur des Matrix-Materials, also oberhalb von 1000 – 1200C° liegen. Zur Gewährleistung einer guten, gleichmäßigen Verteilung des Matrix-Materials soll dieses gute Fließeigenschaften besitzen, was bei einer die Bestandteile Ni, Cr, B und Si enthaltenden Metalllegierung der Fall ist. Die Anteile der einzelnen Elemente können dem weiter oben bereits erwähnten Beispiel entsprechen. Zur Verbesserung der Fließeigenschaften kann es in manchen Fällen zweckmäßig sein, ein sogenanntes Flussmittel zuzusetzen.
Um beim Aufsprühen bzw. beim Aufschmelzen der Verschleißschutzschicht 5 ein Abtropfen des flüssigen Materials über den radial äußeren Rand der betroffenen Kolbenringnut 4 zu verhindern, kann die durch die Abstufung 8 gebildete Tasche radial außen durch ein während des Aufbringvorgangs vorgesehenes, danach, d.h. nach der Erstarrung der Verschleißschutzschicht 5, abnehmbares, um-laufendes Verschlussorgan 20 begrenzt sein, wie in den 3 – 5 angedeutet ist. Dabei kann es sich beispielsweise um einen mehreren Segmenten bestehenden Ring handeln, der auf der Innenseite so behandelt ist oder aus solchem Material besteht, dass keine Abbindung mit der Verschleißschutzschicht 5 erfolgt.
Alternativ wäre es auch denkbar, die Verschleißschutzschicht 5 durch aufgelötete Segmente zu bilden die vorher bereits aus geschmolzenem Matrix-Material und in dieses eingelagerten Tragteilchen gebildet werden.

Claims

Kolben für einen Großmotor, insbesondere einen Zweitakt-Großdieselmotor, mit einer aus Eisenwerkstoff bestehenden Kolbenkrone (1), die mit umlaufenden Kolbenringnuten (4) zur Aufnahme jeweils eines Kolbenrings (3) versehen ist, wobei zumindest die oberste, brennraumnächste Kolbenringnut (4) im Bereich ihrer brennraumfernen Seitenfläche mit einer Verschleißschutzschicht (5) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (5) eine metallische Matrix (7) aufweist, in die Tragteilchen (6) eingebettet sind, wobei zumindest die Tragteilchen (6) eine größere Härte als Chrom aufweisen.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragteilchen (6) eine größere Härte als 1600 HV aufweisen.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragteilchen (6) eine abgerundete Gestalt aufweisen.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragteilchen (6) einen Durchmesser von 20 – 60 u aufweisen.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine homogene Verteilung der Tragteilchen (6) in der Matrix (7) vorgesehen ist.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Tragteilchen (6) an der Verschleißschutzschicht (5) bis zu 80 Vol% beträgt.
Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Tragteilchen (6) an der Verschleißschutzschicht (5) Vol 50 % ist.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (7) aus einer die Bestandteile Ni, Cr, B, Si enthaltenden Legierung besteht.
Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die die Matrix (7) bildende Metalllegierung 74% Ni, 15% Cr, 4% Si, 3,5% Fe, 3% B und 0,5% C enthält.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragteilchen (6) aus keramischem Material bestehen.
Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragteilchen (6) aus Wolframkarbit (WC) bestehen.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Verschleißschutzschicht (5) bis zu 1 mm beträgt.
Kolben nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Verschleißschutzschicht (5) 0,3 – 0,5 mm beträgt.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Verschleißschutzschicht (5) von radial innen nach radial außen zunimmt.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Verschleißschutzschicht (5) aufnehmende Grundmaterial zumindest im der Verschleißschutzschicht (5) benachbarten Bereich gehärtet ist.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial im Bereich beider Seitenflanken der Kolbenringnut (4) gehärtet ist.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (5) als Füllung einer in das Grundmaterial der Kolbenkrone (1) eingearbeiteten Abstufung (8) ausgebildet ist.
Kolben nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstufung (8) radial innen durch einen umlaufenden Steg (9) begrenzt ist, der durch eine umlaufende Nut (10) von der radial inneren Fläche der Kolbenringnut (4) getrennt ist.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, obere Kolbenringnuten (4) eines Kolbenringpaketes mit einer Verschleißschutzschicht (5) versehen sind.
Kolben nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass alle Kolbenringnuten (4) mit einer Verschleißschutzschicht (5) versehen sind.
Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzschicht bei einem Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verschleißschutzschicht (5) im Bereich der brennraumfernen Seitenfläche der zugeordneten Kolbenringnut (4) auf den Eisenwerkstoff der Kolbenkrone (1) aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das die Verschleißschutzschicht (5) bildende Material, das aus einer eine Matrix (7) bildenden, metallischen Legierung und aus in dieser aufgenommenen, eine größere Härte als Chrom aufweisenden Tragteilchen (6) besteht, auf die vorbereitete Seitenfläche der Kolbenringnut (4) aufgesprüht wird, wobei die die Matrix (7) bildende Metalllegierung in einem geschmolzenen Aggregatzustand vorliegt, und dass anschließend oder gleichzeitig eine Wärmebehandlung des aufgesprühten Materials durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Sprühwinkel über der Breite der Verschleißschutzschicht (5) verändert wird, wobei der Sprühwinkel im radial äußeren Bereich steiler als im radial inneren Bereich ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die dem radial inneren Rand der Verschleißschutzschicht (5) benachbarten Bereiche der Kolbenringnut (4) während des Sprühvorgangs mittels einer Abdeckung (21) abgedeckt werden.
Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzschicht bei einem Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 – 20, wobei die Verschleißschutzschicht (5) im Bereich der brennraumfernen Seitenfläche der zugeordneten Kolbenringnut (4) auf den Eisenwerkstoff der Kolbenkrone (1) aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das die Verschleißschutzschicht (5) bildende Material, das aus einer eine Matrix (7) bildenden metallischen Legierung und aus in dieser aufgenommenen, eine größere Härte als Chrom aufweisenden Tragteilchen (6) besteht, in einer mittels eines Bindemittels gebundenen Form auf die vorbereitete Seitenfläche der Kolbenringnut (4) aufgelegt wird und dass anschließend eine Wärmebehandlung stattfindet, bei der die die Matrix (7) bildende Metalllegierung geschmolzen und das Bindemittel verbrannt werden.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem die Verschleißschutzschicht (5) bildenden Material unter Verwendung des Bindemittels die Form jeweils eines Segments (19) der ringförmigen Verschleißschutzschicht (5) aufweisende Grünlinge erzeugt werden, die auf die zugeordnete Seitenfläche der Kolbenringnut (4) aufgelegt und dann der Wärmebehandlung unterzogen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 21 – 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung unter Zufuhr von Schutzgas durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 21 – 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des die Matrix (7) bildenden Materials durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 21 – 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung unter Verwendung eines induktiv beheizbaren Heizeinrichtung (14) erfolgt, die sich über einen Teil des Umfangs der Kolbenringnut (4) erstreckt und an der die Verschleißschutzschicht (5) durch Drehen der Kolbenkrone (1) vorbeibewegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 21 – 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung unter Verwendung wenigstens eines Brenners und/oder Lasereinrichtung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 21 – 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (5) in eine in das Grundmaterial eingearbeitete Abstufung (8) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstufung (8) bis zur Erstarrung der Verschleißschutzschicht (5) radial außen durch einen umlaufenden Ring (20) begrenzt wird.