DE1817321C3 - Pulvermischung zur Erzeugung einer, aus einer mittels eines Plasmastrahles aufgebrachten Schicht gebildeten Arbeitsfläche eines Kolbenringes - Google Patents

Description

2. Pulvermischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese die folgende Zusammensetzung hat:

40 Gewichtsprozent Wolframkarbid,

6 Gewichtsprozent Kobalt,
36,5 Gewichtsprozent Nickel,
6 Gewichtsprozent Chrom,
1 Gewichtsprozent Bor,
3 Gewichtsprozent Aluminium,
Rest Eisen mit geringen Mengen an Silizium
und Kohlenstoff.

Die Erfindung betrifft eine Pulvermischung zur Erzeugung einer aus einer mittels eines Plasmastrahles aufgebrachten Schicht gebildeten Arbeitsfläche eines Kolbenringes, die ein Karbid und Nickel, Chrom und Bor enthält.

Es wurde bereits ein durch ein Flammensprühverfahren aufgebrachtes, Molybdän enthaltendes hartes Oberflächenmaterial bei Kolbenringen mit guten Ergebnissen verwendet. Bei der Herstellung von Brennkraftmaschinen werden fortlaufend die Konipressionsverhältnisse, die Betriebstemperaturbereiche und die Drehzahlen erhöht. Dies führt dazu, daß von Kolbenringen eine größere Perfektion verlangt wird. Es ist bekannt, daß eine Erhöhung der Härte des Oberflächenmetalls an Kolbenringen die Verschleißfestigkeit der Ringe erhöht. Metalle oder Legierungen, die wärmebeständiger als Molybdän sind, erzeugen einen Verschleiß des Zylinders der Brennkraftmaschine und weisen ferner ungenügende mechanische Festigkeit auf, um dem Betrieb mit hohen Kompressionsverhältnissen und hohen Drehzahlen widerstehen zu können. Die besten bisher bekannten thermisch aufgebrachten Molydän-Kolbenringoberflächen weisen eine Zugfestigkeit von etwa 633 kg/cm² auf.

Versuche, Kolbenringe mit hitzebeständigen Oberflächen zu versehen, die aus hitzebeständigen Metallkarbiden, wie beispielsweise Chromkarbid, Wolframkarbid und Siliziumkarbid bestehen, waren nicht erfolgreich, da die Karbide scharfe Kanten oder Teilchen aufweisen, die aus der Beschichtung im Betrieb herausgezogen werden, wobei diese Teilchen oder Kanten einen hohen Verschleiß am Kolbenring und am Zylinder erzeugen.

Aus der britischen Patentschrift 1 069 875 ist eine Kolbenringbeschichtung bekannt, die a^aus einer Nickel-, Chrom- oder Eisenlegierung besteht, die verschleißfeste Karbide enthält. Es ist hier eine Metallmatrix vorhanden, die weicher ist als die Karbide

ίο in der Legierung. Bei hohen Belastungen können sich die scharfkantigen Karbide aus der Matrix herauslösen und einen Verschleiß erzeugen.

Aus der Patentschrift Nr. 55 875 des Amtes für Erfindungs- und Patentwesen in Ost-Berlin ist eine

Lauffläche für eine Brennkraftmaschine bekannt, die mittels eines Plasmastrahlverfahrens aufgebracht ist und aus Wolframkarbid mit 10 bis 20% Kobalt besteht. Es hat sich gezeigt, daß eine derartige Beschichtung nicht zufriedenstellend für eine Kolben-

ringbeschichtung bei hohen Anforderungen ist, da scharfkantige Karbide gebildet werden, die hohen Belastungen nicht gewachsen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Pulvermischung so einzustellen, daß ein Halten des

Metallcarbide in Lösung mit Kobalt sichergestellt ist und daß eine Legierung von ausreichender Festigkeit erzielt wird, die aber durch Schleifen bearbeitbar ist.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Pulvermischung die folgende Zusammensetzung hat:

25 bis 55 Gewichtsprozent eines Karbides aus der Gruppe der Karbide von Wolfram, Titan, Tantal, Niob, Molybdän, Vanadium, Chrom, Zirkonium, Hafnium, Silizium und Bor,

4 bis 8 Gewichtsprozent Kobalt,
25 bis 45 Gewichtsprozent Nickel,
3 bis 7 Gewichtsprozent Chrom,
1 bis 7 Gewichtsprozent Aluminium,
0 bis 3 Gewichtsprozent Bor,
der Rest im wesentlichen Eisen.

Bei dieser Pulvermischung bildet das Aluminium

4.5 im Plasmastrahl mit dem in der Matrix enthaltenen Nickel Nickelaluminide. Bei dieser Reaktion wird Wärme frei, die zu einer Temperaturerhöhung der Pulvermischung und dadurch zur Lösung der Karbide im Kobalt führt.

Das erfindungsgemäße Karbidbeschichtungsmaterial weist im Gegensatz zu den bisher geprüften Karbidbeschichtungsmaterialien für Kolbenringe überraschenderweise die Eigenschaft auf, daß die bisher auftretenden Schwierigkeiten ausgeschaltet werden. Die Zylinderauskleidung wird nicht verschlissen, und zwar auch nicht unter Betriebsbedingungen, bei denen die bisher bekannten mit Karbid beschichteten Kolbenringe zerstört wurden und in nachteiliger Weise die Zylinderauskleidung beschädigt haben. Die erfindungsgemäß mittels eines Plasmastrahles aufgebrachten Karbidbeschichtungen enthalten die Karbide in der Legierung gelöst. So werden die bisher auftretenden Probleme ausgeschaltet, daß Karbidteilchen aus der Beschichtung herausgerissen werden, wodurch Beschädigungen und Verschleiß auftreten. Von Bedeutung ist, daß sich die Karbide in Lösung in Kobalt befinden. Es wurde gefunden, daß, falls kein Matrixmetall vorhanden ist. die

nicht schmelzen und sich nicht mit Kobalt lösen. Sie bleiben lediglich in Kobalt eingebettet, weisen scharfe Ecken und Kanten auf, werden im Betrieb herausgerissen und beschädigen Kolbenringe und Zylinderwandung. Durch die Verwendung des Matrixmaterials wird ereicht, daß sich die Karbide beim Erhitzen erweichen und mit Kobalt lösen.

Die Beschichtung weist in vorteilhafter Weise ei.ien außerordentlich hohen Schmelzpunkt auf und hat die fünffache Verschleißfestigkeit der bisher verwendeten Molybdän oder Chrom enthaltenden harten Beschichtungsmetalle. Der Verschleiß der Zylinderbohrung und die Neigung zum Fressen ist weit geringer als die besten Ergebnisse, die mit den bisher bekannten Kolbenringen mit Hartkarbidoberflächen erzielt wurden. Die Legierung weist eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit und Stoßfestigkeit innerhalb eines großen Bereichs von hohen Betriebstemperaturen auf. Zugfestigkeiten von über 900 kg/cm² wurden erreicht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform haben die Bestandteile, die die Schicht bilden, die folgende Zusammensetzung:

40 Gewichtsprozent Wolframkarbid in fester

Lösung mit
6 Gewichtsprozent Kobalt in einer Matrix,

bestehend aus

36,5 Gewichtsprozent Nickel,
6 Gewichtsprozent Chrom,
1 Gewichtsprozent Bor,
3 Gewichtsprozent Aluminium,

Rest Eisen mit geringen Mengen an Silizium

und Kohlenstoff.

Die Erfindung soll in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Kolbens und eines Zylinders einer Brennkraftmaschine, wobei der Kolben Ringnuten aufweist, in die Kompressionsringe und ölabstreifringe eingesetzt sind, die eine Lageroberfläche aufweisen, die im Eingriff mit dem Zylinder steht,

F i g. 2 eine vergrößerte Teilschnittansicht des oberen Kompressionsringes des in Fig. 1 dargestellten Kolbens,

F i g. 3 eine Teilschnittansicht des zweiten Kompressionsringes des in Fig. 1 dargestellten Kolbens,

F i g. 4 eine Teilschnittansicht des ölabstreifringes in der dritten Ringnut des in Fig. 1 gezeigten Kolbens,

Fig. 5 eine Teilschnittansicht des Ölabstreifringes in der vierten Ringnut des in Fig. 1 dargestellten Kolbens,

F i g. 6 eine Seitenansicht eines Domes mit Kolbenringen, die mittels eines Plasmastrahles beschichtet werden,

F i g. 7 eine stark vergrößerte Teilschnittansicht eines Konipressionsringes, der ein Lagerflächenband aus einer Karbidlegierung aufweist, die in einer Umfangsnut des Ringes ausgebildet ist.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung 10 weist einen Kolben 11 und einen Zylinder 12 mit einer Bohrung 13 auf, die den Kolben 11 aufnimmt. Der Kolben 11 hat einen Kopf 14, der einen Ringrand 15 aufweist. Dieser Ringrand hat vier Umfangsringnuten 16, 17, 18 und 19. Die oberste Ringnut 16 nimmt einen gespaltenen gußeisernen Kolbenring 20 auf.

Die zweite Ringnut 17 nimmt einen gespaltenen Kolbenring 21 auf, der etwas breiter ist als der Ring 20. Die Ringnut 18 trägt einen zweiteiligen ölabstreifring 22, und die vierte Ringnut 19 trägt einen dreiteiligen Ölabstreifring 23.

Wie F i g. 2 zeigt, weist der Kolbenring 20 einen Körper 24 auf, der aus Gußeisen besteht, und zwar vorzugsweise aus Gußeisen mit etwa 3,5 %> Kohlenstoff. Der äußere Umfang 25 dieses Ringes ist mit

ίο einer Karbidlegierungsbeschichtung 26 bedeckt, die mittels eines Plasmastrahles aufgebracht ist.

Wie F i g. 3 zeigt, weist der Kolbenring 21 einen Körper 27 auf, der aus dem gleichen Gußeisen besteht wie der Körper 24 des Ringes 20. Der äußere

Mantel 28 des Körpers 27 ist gegenüber der Bodenkante des Ringes geneigt. Um diesen geneigten Mantel herum ist eine Umfangsnut ausgebildet. Die Nut 29 ist mit der Karbidlegierung 26 gefüllt.
Wie F i g. 4 zeigt, besteht der ölabstreifring 22 in

ao der dritten Ringnut 18 aus einem einstückigen, flexiblen Profilring 30 und aus einem aus einem Metallblech bestehenden Dehnungsring 31, der Schenkel aufweist, die sich in das Profil hinein erstrecken, um den Ring 30 auszudehnen.

Der einteilige Abstreifring 30 weist zwei in axialem Abstand voneinander angeordnete radial vorspringende Ränder 32 auf. Die Umfange dieser Ränder 32 sind mit dem Beschichtungsmaterial 26 beschichtet.

Der in F i g. 5 dargestellte Ölabstreifring 23 weist einen elastischen Abstands- und Dehnungsring 33 auf, der Spaltringabschnitte 34 trägt und diese ausdehnt. Die äußeren Umfange der Ringe 34 sind mit dem Beschichtungsmaterial 26 beschichtet.

Der vorstehenden Beschreibung ist zu entnehmen, daß die Lagerflächen eines jeden der Kompressionsund ölabstreifringe 20, 21, 22 und 23 mit der hitzebeständigen Karbidlcgierung beschichtet sind.
Wie F i g. 6 zeigt, werden die Beschichtungen auf

die Ringe beispielsweise derart aufgebracht, daß mit Nuten versehene Ringe 21 auf einen Dorn 35 aufgesteckt werden, wobei die Ringe zusammengepreßt werden, so daß ihre geschlitzten Enden gegeneinander anliegen. Der Dorn mit dem Ringstapel kann in einer Drehbank montiert und dann bearbeitet werden, um die Nuten 29 um die Ringe herum auszubilden. Die äußeren Umfange der Ringe 21 werden dann mit der Beschichtung 26 beschichtet, und zwar mittels einer Plasmasprühstrahlpistole 36.

so Das vordere Ende der Elektrode 40 bildet einen Düsenauslaß 44 für die Plasmaflamme. Die Bestandteile, die zur Herstellung der Legierung der Beschichtung 26 dienen, werden dieser Düse durch einen Pulvereinlaß 45 zugeführt, wobei dieser Pulvereinlaß 45 kurz vor dem Auslaß der Düse liegt.

Das Plasmagas ist nicht oxydierend und kann aus Stickstoff und Wasserstoff mit Stickstoff, Argon oder Helium als Träger bestehen. Der Plasmastrahl trägt die Legierung in den Boden der Nut 29 eines jeden Kolbenringes und füllt diese Nut.

Die Legierung 26 weist eine dichtgepackte, hexagonale, kristalline Struktur in einer Matrix auf, die hauptsächlich aus Nickel und Chrom besteht. Diese Legierung weist drei Hauptphasen auf. Die härteste

Phase ist aus Wolframkabrid in Lösung mit Kobalt zusammengesetzt, wobei diese Phase eine Vickers-Härte von 2900 bis 4000 mit einer 40-Gramm-Belastung hat. In dieser Phase finden sich die Karbide

gut in Lösung und sind nicht scharfkantig. Die zweite Phase besteht ebenfalls aus Wolframkarbid und Kobait, wobei sich die Karbide in Lösungen befinden, wobei jedoch eine Teilchenhärte im Bereich von 2100 bis 3200 HV auftritt. Die dritte Phase ist eine Matrixphase mit einer Härte im Bereich von 900 bis 1200 HV. Diese Phase besteht hauptsächlich aus Nickel und Chrom mit Bor, falls dieses vorhanden ist, wobei diese Teile gleichförmig in der Matrix verteilt sind. Eine vierte Phase umfaßt lediglich etwa 4 Volumprozent der fertigen Beschichtung und besteht im wesentlichen aus Aluminium mit einer Härte von etwa 500 HV.

Während der Sprühstrahlbeschichtung ist es erwünscht, eine derartige Temperatur in der Nut 29 aufrechtzuerhalten, daß ein übermäßiges Schmelzen und Abbrennen des Körpermetalls 24 verhindert wird. Zu diesem Zweck wird der Ringsatz Vorzugsweise gekühlt, und zwar dadurch, daß von außen ein inertes Gas angeblasen wird, welches zu beiden Seiten der Plasmastrahlflamme auftrifft. Es ist wünsehenswert, die Temperaturen der Ringe 2i auf etwa 204° C oder weniger zu halten. Es ist nicht erforder-Hch, irgendeine anschließende Wärmebehandlung für die mit dem Plasmastrahl beschichteten Ringe vorzusehen, außer der Abkühlung an Luft.

Um die Karbide in Lösung mit dem Kobalt zu erhalten, ist es nicht nur wesentlich, sehr hohe Temperaturen zu verwenden, die im Plasmastrahl zur Verfügung stehen, sondern es sind auch sogenannte Sprühparameter des Pulvers, welches dem Plasmastrahl zugeführt wird, von Bedeutung: falls nämlich der Wolframkarbidgehalt des Pulvers beträchtlich über 55 Gewichtsprozent liegt, ist es sehr schwierig, die Karbide in Lösung zu halten. Eine Legierung,die einen Wolframkarbidgehalt von G6% und einen Nickel-, Chrom- und Borgehalt von 18 % und einen Nickel-Aluminium-Legierungsgehalt von 7 % hat, bewirkt einen übermäßigen Zylinderverschleiß und führt zu einem Fressen des Zylinders. Das Material war während der Untersuchungen sehr brüchig und führte zu Flockenbildungen. Eine Legierung mit einem Wolframbarbidgehalt von 88% konnte an einem üblichen Schleifrad nicht fertig bearbeitet werden. Es wurde gefunden, daß eine Legierung mit einem Wolframkarbidgehalt von 22 %> schnell zum Fressen führt. Der Verschleiß der Bohrung bei Mengen unterhalb derjenigen, die bei der erfindungsgemäßen Legierung angegeben ist, tritt sehr schnell auf.

Die Beschichtungen 26 sind weniger porös als die bisher bekannten flammgesprühten Molybdänbeschichtungen. Wenn beispielsweise die flammgesprühten Molybdänbeschichtungen eine Porosität im Bereich von 15 bis zu 3O°/o haben, so haben die Beschichtungen 26 lediglich eine Porosität von etwa 7%. Dies führt zu viel größeren Korrosionsbeständigkeiten in der Lageroberfläche.

Da der Erweichungspunkt der in situ gebildeten Legierungsbeschichtungen 26 über 1038° C liegt, kann die Lageroberfiäche selbstverständlich viel höheren Temperaturen widerstehen als die bisher bekannten Kolbenringbeschichtungsmaterialicn.

Die Legierung der Beschichtung 26 weist die fünffache Verschleißfestigkeit des bisher verwendeten Molybdän- und Chrom-Haftfläclienmaterials auf, und deshalb können viel dünnere Beschichtungen verwendet werden. Es wurde gefunden, daß Bcschichtungsstärken von 0,005 cm in ölabstreifringbaugruppen und von 0,005 bis zu 0,010 cm in Kompressionsringen zu zufriedenstellenden Ergebnissen führen. Hierdurch werden die Herstellungskosten der Ringe verringert.

Die Ringe wurden unter schweren Bedingungen sowohl in Hochleistungsdieselmotoren untersucht als auch Wärmespannungsuntersuchungen und Oxydationsfestigkeitsuntersuchungen unterzogen. Die Wolframkarbidlegierungsbeschichtungen widerstehen thermischen Spannungsbeanspruchungen, wobei die Kolao benringe mit der Beschichtung im gespannten Zustand 100 Stunden lang auf 982° C erhitzt wurden. Nach der Untersuchung durchgeführte photomikroskopische Prüfungen zeigen, daß die Beschichtung dieser Untersuchung widerstanden hat, wohingegen »5 vorher verwendete Molybdänbeschichtungen dieser Untersuchung bei einer Temperatur von 339° C nicht widerstehen konnten.

Die Legierungen der Beschichtungen 26 können

mit Standard-Schleifrädern geschliffen werden, obwohl sie eine Härte haben, die wesentlich größer ist als die Härte des bisher bekannten Hartflächenmaterials, welches für Kolbenringe verwendet wurde Die Legierungen der Beschichtungen 26 haben eine Härte von mehr als 1500 kg/mm² der Vickers-Skala, wohingegen die besten bisher bekannten Hartflächenmaterialien für Kolbenringe eine Vickershärte von etwa 1000 kg/mm² haben.

Obwohl Wolframkarbid das bevorzugte hitzebeständige Metallkarbid ist, sei bemerkt, daß dieses ganz oder teilweise durch eines oder mehrere der vorgenannten hitzebeständigen Metallkarbide ersetzt werden kann. Der Gehalt an hitzebeständigem Metallkarbid kann sich beträchtlich verändern, solange die Karbide in der Legierung in Lösung sind und von verhältnismäßig scharfen Kanten frei sind und solange sich keine Körner während des Betriebes lösen. Für praktische Zwecke kann der Gehalt an hitzebeständigem Metallkarbid zwischen 25 bis zu etwa 55 Gewichtsprozent des Pulvers liegen, welches dem Plasmastrahl zugeführt wird, da diese Parameter eine Festigkeit gegen Fressen sicherstellen, und eine mechanische Festigkeit ermöglichen und es ferner ermöglichen, daß die Legierung später fertig bearbeitet werden kann. In dem Ausgangspulver sind die Karbide als einzelne Kömer vorhanden, die mit dem Kobait gesintert sind, so daß bei einer bevorzugten Ausführungsform das Ausgangspulver gesinterte Körner aufweist, die 40 Gewichtsprozent Wolframkarbid und 6 Gewichtsprozent Kobalt haben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Pulvermischung zur Erzeugung einer aus einer mittels eines Plasmastrahles aufgebrachten Schicht gebildeten Arbeitsfläche eines Kolbenringes, die ein Karbid und Nickel, Chrom und Bor enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulvermischung die folgende Zusammensetzung hat:

25 bis 55 Gewichtsprozent eines Karbides aus der Gruppe der Karbide von Wolfram, Titan, Tantal, Niob, Molybdän, Vanadium, Chrom, Zirkonium, Hafnium, Silizium und Bor,

4 bis 8 Gewichtsprozent Kobalt,
25 bis 45 Gewichtsprozent Nickel,
3 bis 7 Gewichtsprozent Chrom,
1 bis 7 Gewichtsprozent Aluminium,
0 bis 3 Gewichtsprozent Bor,
der Rest im wesentlichen Eisen.