DE1817321B2

DE1817321B2 - Pulvermischung zur Erzeugung einer, aus einer mittels eines Plasmastrahles aufgebrachten Schicht gebildeten Arbeitsfläche eines Kolbenringes

Info

Publication number: DE1817321B2
Application number: DE1817321A
Authority: DE
Inventors: Herbert Frederick Missouri Mo. Prasse (V.St.A.)
Original assignee: Ramsey Corp Manchester Mo (vsta)
Current assignee: TRW Automotive Products Inc
Priority date: 1968-01-09
Filing date: 1968-12-28
Publication date: 1974-01-17
Also published as: DE1817321C3; ES161954Y; DE1817321A1; FR1597320A; JPS5316044B1; US3539192A; ES161954U; GB1214197A

Description

Es wurde bereits ein durch ein Flammensprüh- Bei dieser Pulvermischung bildet das Aluminium

verfahren aufgebrachtes, Molybdän enthaltendes 45 im Plasmastrahl mit dem in der Matrix enthaltenen

hartes Oberflächenmaterial bei Kolbenringen mit Nickel Nickelaluminide. Bei dieser Reaktion wird

guten Ergebnissen verwendet. Bei der Herstellung Wärme frei, die zu einer Temperaturerhöhung der

von Brennkraftmaschinen werden fortlaufend die Pulvermischung und dadurch zur Lösung der Karbide

Kompressionsverhältnisse, die Betriebstemperatur- im Kobalt führt.

bereiche und die Drehzahlen erhöht. Dies führt dazu, 50 Das erfindungsgemäße Karbidbeschichtungsmatedaß von Kolbenringen eine größere Perfektion ver- rial weist im Gegensatz zu den bisher geprüften langt wird. Es ist bekannt, daß eine Erhöhung der Karbidbeschichtungsmaterialien für Kolbenringe Härte des Oberflächenmetalls an Kolbenringen die überraschenderweise die Eigenschaft auf, daß die Verschleißfestigkeit der Ringe erhöht. Metalle oder bisher auftretenden Schwierigkeiten ausgeschaltet Legierungen, die wärmebeständiger als Molybdän 55 werden. Die Zylinderauskleidung wird nicht versind, erzeugen einen Verschleiß des Zylinders der schlissen, und zwar auch nicht unter Betriebsbedin-Brennkraftmaschine und weisen ferner ungenügende gungen, bei denen die bisher bekannten mit Karbid mechanische Festigkeit auf, um dem Betrieb mit beschichteten Kolbenringe zerstört wurden und in hohen Kompressionsverhältnissen und hohen Dreh- nachteiliger Weise die Zylinderauskleidung beschäzahlen widerstehen zu können. Die besten bisher 60 digt haben. Die erfindungsgemäß mittels eines Plasmabekannten thermisch aufgebrachten Molydän-Kol- Strahles aufgebrachten Karbidbeschichtungen enthalbenringoberflächen weisen eine Zugfestigkeit von ten die Karbide in der Legierung gelöst. So werden etwa 633 kg/cm² auf. die bisher auftretenden Probleme ausgeschaltet, daß

Versuche, Kolbenringe mit hitzebeständigen Ober- Karbidteilchen aus der Beschichtung herausgerissen

flächen zu versehen, die aus hitzebeständigen Metall- 65 werden, wodurch Beschädigungen und Verschleiß

karbiden, wie beispielsweise Chromkarbid, Wolfram- auftreten. Von Bedeutung ist, daß sich die Karbide in

karbid und Siliziumkarbid bestehen, waren nicht er- Lösung in Kobalt befinden. Es wurde gefunden, daß,

folgreich, da die Karbide scharfe Kanten oder Teil- falls kein Matrixmetall vorhanden ist, die Karbide

¹ 4

• μ erheizen und sich nicht mit Kobalt lösen. Sie Die zweite Ringnut 17 nimmt einen gespaltenen KoI-Än kdHich in Kobalt eingebettet, weisen scharfe beruhig 21 auf, der etwas breiter ist als der Ring,^w- £ £n und°Kanten auf, werden im Betrieb heraus- Die Ringnut 18 trägt einen zweiteiligen Olabstreit • sen und beschädigen Kolbenringe und Zylinder- ring 22, und die vierte Ringnut 19 tragt einen arei- ™nun<> Durch die Verwendung des Matrixmate- 5 teiligen Ölabstreifring 23. .

*'!f_s wird reicht, daß sich die Karbide beim Er- Wie Fig.2 zeigt, weist der kolbenring :ZO emen

vten enve=chen und mit Kobalt lösen. Körper 24 auf, der aus Gußeisen Gesteht und war

^toS£cbichtung weist in vorteilhafter Weise einen vorzugsweise aus Gußeisen mit etwa 3,5!·/. Kohlen Sen ich höhen Schmelzpunkt auf und hat die stoff. Der äußere Umfang 25 dieses Ring« g mit Sffache verschleißfestigkeit der bisher verwendeten χα einer Karbidlegierungsbeschichtung 26 bedeckt, SK₁ oder Chrom enthaltenden harten Be- mittels eines Plasmastrahles aufgebracht ist Wchtt-metalle. Der Verschleiß der Zylinderboh- Wie F i g. 3 zeigt, weist der ^^| g *"£

ttind^edS Neigung zum Fressen ist weit geringer Körper 27 auf, der aus dem S^kichen °"^β™£_ε Totesten Ergebnisse, die mit den bisher be- steht wie der Körper 24 des Ringes 20. Der äußere ^Ston^initHarttoWdoberflicheieT- ,₅ Mantel 28 des ^»^ϊίΑ- -T^mL Die Legierung weist eine ausgezeichnete kante des Ringes geneigt. Um diesen geneigten ι SKÄ pStigkeit und Stoßfestigkeit innerhalb tel herum ist ^e Umfangsnut ausgebddet. Die Nut

Zusammensetzung: den Ring 30 auszudehnen. .. ..

40 Gewichtsprozent Wolframkarbid m fester _{Der einteilige} Abstreifring 30 weist zwei in axialem

Lösung mit . Abstand voneinander angeordnete radial vorspnn-

6 Gewichtsprozent Kobalt in einer Matrix, _{de Ränder 32} auf. Die Umfange dieser Kanaer

bestehend aus _{32 s}i_nd mit dem Beschichtungsmatenal 26 bescnicn-

36 5 Gewichtsprozent Nickel, _tet

6'Gewichtsprozent Chrom, _{3O Der} in Fig. 5 dargestellte ölabstreifring 23 weist 1 Gewichtsprozent Bor, _{einen e}i_asti_schen Abstands- und Dehnungsring JJ 3 Gewichtsprozent Aluminium, _{auf der} Spaltringabschnitte 34 trägt und diese^ ausRest Eisen mit geringen Mengen an Silizium _{dehnt Die äußeren} Umfange der Ringe 34 sind mn und Kohlenstoff. dem Beschichtungsmaterial 26 beschichtet.

Die Erfindung soll in der folgenden Beschreibung 35 ^.™^^^Α Κο^ΐΓοη^ unter Bezugnahme auf die Figuren der Ze.chnung er- daß g^rto±ea«n«. g ^ ^ P _hUze.

^lä%Tinⁿe "Sse geschnittene Seitenansicht beständigen ™ffi^£g%£^ auf eines Kolbens und eines Zylinders einer Brennkraft- Wie Fi g. 6 wagt, J^eraen _auigebracht, daß mit maschine, wobei der Kolben Ringnuten aufweist, in 4o die Ringe beispielgje«e de ran ag ZWessionsringe und ölabstreifring^> eingesem Nu en ver ehene^Rmge 21 aufbin _{zusamm ßt} sind, die eine Lageroberflache aufweisen, die im Ein- steckt werden w _Enden gegeneingriff mit dem Zylinder steht, werdn, so d.Bin k _{dem Ringstapel kann} Fig. 2 eine vergrößerte Tei Schnittansicht des obe- f_n ^nd _e™^Lk montiert und dann bearbeitetwerren Kompressionsringes des m Fig. 1 dargestellten 45 ^¹"^™^ _{um die} Ringe herum auszu-

^K^^e _g ^nS3 eine Teilschnittansicht des zweiten Korn- f ^^12^11 SAfU^

pressionsringes des in F i g. 1 dargeste^teilKolbens ^^^^SSSSrahlpistole 36.

^V Fig. 4 eine Teilschnittansicht des ölabstreifringes mittels ™ ^^{as p} _{der Elek} ^F _trode40 bildet einen

in der dritten Ringnut des in Fig. 1 gezeigten KoI- so ^Das^rdere^Ljja^ _{plasmaflamme Die BeS}tend-

^benF^Si_g. 5 eine Teilschnittansicht des ölabstreifringes JjJj «-£ÖS in der vierten Ringnut des in Fig. 1 dargestellten ^ng^imen, werd^ ^. ^ _{pulvereinlaß}

^Kt™6 eine Seitenansicht eines Domes mitKolben 55 kurz vor dem Auslaß der^j^ _{und kann} ringen, die mittels eines Plasmastrahles beschuhtet ^.^^^1^ _mitStickstoff, Argon oder

^We£T.'7 eine stark vergrößerte Teilschnittansid, ™%^£^ %$SST^$i

^r^fdÄirAn-ordn^ 10 w^t £$&£% *^ cCn^ÄS einen Kolben 11 und einen Zylinder 12 mit einer ^"pteachl.cli au _{hasen auf}. _Die härteste

Bohrung 13 auf, die den Kolben 11 aufnimmt. Der Leg^ierunS wei ζ _;d -_{n Lösung mit} Kobalt

^■J!^-ä£Z"22S*J?% ""'■'"^{dterphasetadensichdie}

gut in Lösung und sind nicht scharfkantig. Die zweite die Lageroberfläche selbstverständlich viel höheren Phase besteht ebenfalls aus Wolframkarbid und Ko- Temperaturen widerstehen als die bisher bekannten bait, wobei sich die Karbide in Lösungen befinden, Kolbenringbeschichtungsmaterialien.
wobei jedoch eine, Teilchenhärte im Bereich von Die Legierung der Beschichtung 26 weist die fünf-2100 bis 3200 HV auftritt. Die dritte Phase ist eine 5 fache Verschleißfestigkeit des bisher verwendeten Matrixphase mit einer Härte im Bereich von 900 bis Molybdän- und Chrom-Haftflächenmaterials auf, und 1200 HV. Diese Phase besteht hauptsächlich aus deshalb können viel dünnere Beschichtungen verwen-Nickel und Chrom mit Bor, falls dieses vorhanden det werden. Es wurde gefunden, daß Beschichtungsist, wobei diese Teile gleichförmig in der Matrix ver- stärken von 0,005 cm in ölabstreifringbaugruppen teilt sind. Eine vierte Phase umfaßt lediglich etwa io und von 0,005 bis zu 0,010 cm in Kompressionsrin-4 Volumprozent der fertigen Beschichtung und be- gen zu zufriedenstellenden Ergebnissen führen. Hiersteht im wesentlichen aus Aluminium mit einer Härte durch werden die Herstellungskosten der Ringe vervon etwa 500 HV. ringert.

Während der Sprühstrahlbeschichtung ist es er- Die Ringe wurden unter schweren Bedingungen wünscht, eine derartige Temperatur in der Nut 29 is sowohl in Hochleistungsdieselmotoren untersucht als aufrechtzuerhalten, daß ein übermäßiges Schmelzen auch Wärmespannungsuntersuchungen und Oxyda- und Abbrennen des Körpermetalls 24 verhindert tionsfestigkeitsuntersuchungen unterzogen. Die Wolfwird. Zu diesem Zweck wird der Ringsatz Vorzugs- ramkarbidlegierungsbeschichtungen widerstehen therweise gekühlt, und zwar dadurch, daß von außen ein mischen Spannungsbeanspruchungen, wobei die Kolinertes Gas angeblasen wird, welches zu beiden Sei- *o benringe mit der Beschichtung im gespannten Zuten der Plasmastrahlflamme auftrifft. Es ist wün- stand 100 Stunden lang auf 982° C erhitzt wurden, sehenswert, die Temperaturen der Ringe 21 auf etwa Nach dei Untersuchung durchgeführte photomikro-204° C oder weniger zu halten. Es ist nicht erforder- skopische Prüfungen zeigen, daß die Beschichtung lieh, irgendeine anschließende Wärmebehandlung für dieser Untersuchung widerstanden hat, wohingegen die mit dem Plasmastrahl beschichteten Ringe vorzu- »5 vorher verwendete Molybdänbeschichtungen dieser sehen, außer der Abkühlung an Luft. Untersuchung bei einer Temperatur von 339° C nicht

Um die Karbide in Lösung mit dem Kobalt zu er- widerstehen konnten.

halten, ist es nicht nur wesentlich, sehr hohe Tempe- Die Legierungen der Beschichtungen 26 können

raturen zu verwenden, die im Piasmastrahl zur Ver- mit Standard-Schleifrädern geschliffen werden, ob-

fügung stehen, sondern es sind auch sogenannte 3° wohl sie eine Härte haben, die wesentlich größer ist

Sprühparameter des Pulvers, welches dem Plasma- als die Härte des bisher bekannten Hartflächenmate-

strahl zugeführt wird, von Bedeutung: falls nämlich rials, welches für Kolbenringe verwendet wurde. Die

der Wolframkarbidgehalt des Pulvers beträchtlich Legierungen der Beschichtungen 26 haben eine Härte

über 55 Gewichtsprozent liegt, ist es sehr schwierig, von mehr als 1500 kg/mm² der Vickers-Skala, wo-

die Karbide in Lösung zu halten. Eine Legierung, die 35 hingegen die besten bisher bekannten Hartflächenma-

einen Wolframkarbidgehalt von 66% und einen terialien für Kolbenringe eine Vickershärte von etwa

Nickel-, Chrom- und Borgehalt von 18% und einen 1000 kg/mm² haben.

Nickel-Aluminium-Legierungsgehalt von 7% hat, be- Obwohl Wolframkarbid das bevorzugte hitzebewirkt einen übermäßigen Zylinderverschleiß und ständige Metallkarbid ist, sei bemerkt, daß dieses führt zu einem Fressen des Zylinders. Das Material 4° ganz oder teilweise durch eines oder mehrere dervorwar während der Untersuchungen sehr brüchig und genannten hitzebeständigen Metallkarbide ersetzt führte zu Flockenbildungen. Eine Legierung mit werden kann. Der Gehalt an hitzebeständigem Meeinem Wolframbarbidgehalt von 88% konnte an tallkarbid kann sich beträchtlich verändern, solange einem üblichen Schleifrad nicht fertig bearbeitetwer- die Karbide in der Legierung in Lösung sind und von den. Es wurde gefunden, daß eine Legierung mit 45 verhältnismäßig scharfen Kanten frei sind und soeinem Wolframkarbidgehalt von 22% schnell zum lange sich keine Körner während des Betriebes lö-Fressen führt. Der Verschleiß der Bohrung bei Men- sen. Für praktische Zwecke kann der Gehalt an hitzegen unterhalb derjenigen, die bei der erfindungsge- beständigem Metallkarbid zwischen 25 bis zu etw? mäßen Legierung angegeben ist, tritt sehr schnell auf. 55 Gewichtsprozent des Pulvers liegen, welches den

Die Beschichtungen 26 sind weniger porös als die 50 Plasmastrahl zugeführt wird, da diese Parameter ein<

bisher bekannten flammgesprühten Molybdänbe- Festigkeit gegen Fressen sicherstellen, und eine me

Schichtungen. Wenn beispielsweise, die flammgesprüh- chanische Festigkeit ermöglichen und es ferner er

ten Molybdänbeschichtungen eine Porosität im Be- möglichen, daß die Legierung später fertig bearbeite

reich von 15 bis zu 30% haben, so haben die Be- werden kann. In dem Ausgangspvilver sind die Kai

Schichtungen 26 lediglich eine Porosität von etwa 55 bide als einzelne Körner vorhanden, die mit dem Ko

7 %. Dies führt zu viel größeren Korrosionsbestän- bait gesintert sind, so daß bei einer bevorzugten Aus

digkeiten in der Lageroberfläche. führungsform das Ausgangspulver gesinterte Körne

Da der Erweichungspunkt der in situ gebildeten aufweist, die 40 Gewichtsprozent Wolframkarbid un

Legierungsbeschichtungen 26 über 103 8° C liegt, kann 6 Gewichtsprozent Kobalt haben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

chen aufweisen, die aus der Beschichtung im Betrieb Patentansprüche: herausgezogen werden, wobei diese Teilchen oder Kanten einen hohen Verschleiß am Kolbenring und

1. Pulvermischung zur Erzeugung einer aus am Zylinder erzeugen.

einer mittels eines Plasmastrahles aufgebrachten S Aus der britischen Patentschrift 1 069 875 ist eine

Schicht gebildeten Arbeitsfläche eines Kolbenrin- Kolbcnringbeschichtung bekannt, die aus einer

ges, die ein Karbid und Nickel, Chrom und Bor Nickel-, Chrom- oder Eisenlegierung besteht, die

enthält, dadurch gekennzeichnet, daß verschleißfeste Karbide enthält. Es ist hier eine Me-

die Pulvermischung die folgende Zusammen- tallmatrix vorhanden, die weicher ist als die Karbide

setzung hat: io in der Legierung. Bei hohen Belastungen können sich

25 bis 55 Gewichtsprozent eines Karbides aus der ^d!^e scharfkantigen Karbide aus der Matrix heraus-

Gruppe der Karbide von Wolfram, Ti- ^!osf ^und ™ ^Vf ™^hl?l?^IZ™f £ . . _t ...

tan,Tantal, Niob, Molybdän, Vanadium, „^ ^der Patentschrift Nr. 55 875 des Amtes fur

Chrom, Zirkonium, Hafnium. Silizium Erfindungs- und Patentwesen in Ost-Berlin ist eine

und Bor ' ¹⁵ Laufflache fur eine Brennkraftmaschine bekannt, die

4 bis 8 Gewichtsprozent Kobalt, ^⁵ ^^^^^^^ίΤΐ^

25 bis 45 Gewichtsprozent Nickel, ^ ^au* Wolframkarbid mit 10 bis 20 ·/. Kobalt be-

3 bis 7 Gewichtsprozent Chrom ^{steht Es hat sich} 8^ezeig¹' ^{daß eme derartl}g^{e Be}"

1 bis 7 Gewichtsprozent Aluminium, schichtung nicht zufriedenstellend für eine Kolben-

Obis 3 Gewichtsprozent Bor, ²° ^beschichtung bei hohen Anforderungen ist da

der Rest im wesentlichen Eisen. scharfkantige Karbide gebildet werden, die hohen

Belastungen nicht gewachsen sind.

2. Pulvermischung nach Anspruch 1, dadurch Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gekennzeichnet, daß diese die folgende Zusam- Pulvermischung so einzustellen, daß ein Halten des mensetzung hat: 25 Metallkarbids in Lösung mit Kobalt sichergestellt

40 Gewichtsprozent Wolframkarbid, j^st.^{und daß} ^e'™ Legierung von ausreichender Festig-

6 Gewichtsprozent Kobalt, keit erzielt wird, die aber durch Schleifen bearbeit-

36,5 Gewichtsprozent Nickel, I,¹^' , ..„ . , ,. , , , . ,. , „

6 Gewichtsprozent Chrom, .. Erfindungsgemaß wird dies dadurch erreicht, daß

1 Gewichtsprozent Bor, ³° die Pulvermischung die folgende Zusammensetzung

3 Gewichtsprozent Aluminium,

Rest Eisen mit geringen Mengen an Silizium 25 bis 55 Gewichtsprozent eines Karbides aus der

und Kohlenstoff. Gruppe der Karbide von Wolfram, Ti

tan, Tantal, Niob, Molybdän, Vanadium,

³⁵ Chrom, Zirkonium, Hafnium, Silizium

und Bor,
4 bis 8 Gewichtsprozent Kobalt,

t^· T*_c j ι. χ -rr-L · τ. 1 -i 25 bis 45 Gewichtsprozent Nickel,

Die Erfindung betrifft eine Pu Vermischung zur 7 Gewichtsprozent Chrom

Erzeugung einer aus einer mittels eines Plasma- ₄o _{1 bi ? Gewichts}£_rozent Aluminium,

Strahles aufgebrachten Schicht gebildeten Arbeits- 3 Gewichtsprozent Bor,

flache eines Kolbenringes, die em Karbid und Nickel, , _ . . ... / _c.

Chrom und Bor enthält. ^{der Rest im} wesentlichen Eisen.