DE19720627A1 - Bschichteter Kolbenring und Herstellungsverfahren hierfür - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Ausführung und Herstellung be­ schichteter Dichtungen für Verbrennungskraftmaschinen und Kompressoren, insbesondere Kolbenringe mit einer verschleiß­ festen Beschichtung auf ihrer Außenumfangsfläche. Obwohl ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für Verbrennungsmotoren und Kompressoren entwickelt worden ist, können bestimmte Anwen­ dungen außerhalb dieses Anwendungsbereichs liegen.

Es ist hinreichend bekannt, daß die Kombination aus Kolben und Kolbenring für einen effizienten Kompressions-/Verbren­ nungsprozeß in einem Verbrennungsmotor oder einem Kompressor von ausschlaggebender Bedeutung ist. Typischerweise enthält ein Verbrennungsmotor oder ein Verdichter zwei allgemeine Ty­ pen Kolbenringe: einen Verdichtungsring und einen Ölabstreif­ ring. Eine Funktion des Verdichtungsrings besteht darin, eine gasdichte Abdichtung zwischen dem Kolben und der Zylinderwand herzustellen. Eine unwirksame Verdichtungsringdichtung ge­ stattet ein Austreten von Gas, das allgemein als "Durchbla­ sen" zwischen Kolben und Zylinderwand bezeichnet wird, wo­ durch Wirkungsgrad und Lebensdauer des Motors verringert wer­ den. Ein typischer Ölabstreifring verhindert den nennenswer­ ten Durchtritt von Öl in den Bereich oberhalb der Dichtringe, indem er einen erheblichen Druck gegen die Zylinderwand aus­ übt.

Die fortschreitende Industrialisierung der modernen Gesell­ schaft zwingt die Konstrukteure von Verbrennungsmotoren und Kompressoren, nach höherer Leistung und Geschwindigkeit zu streben. Die erhöhten Leistungs- und Geschwindigkeitsanforde­ rungen haben zahlreiche Hersteller von Kolbenringen veran­ laßt, die Gleitfläche des Kolbenrings mit einer verschleißfe­ sten Beschichtung zu versehen. Seit Jahren werden die Gleit­ flächen von Kolbenringen mit einer Vielzahl metallischer und keramischer verschleißfester Beschichtungen versehen. Insbe­ sondere werden seit über zwei Jahrzehnten plasmagespritzte Beschichtungen aus Metall und Keramik für die Gleitfläche der Kolbenringe verwendet. Des weiteren wird seit vielen Jahren die Außenfläche von Kolbenringen mit einem verschleißfesten Überzug wie z. B. Chrom plattiert.

Die früheren plasmagespritzten Beschichtungen haben den inhä­ renten Nachteil, daß sie häufig hohe Porosität, geringe Dich­ te, schlechte Oberflächengüte und die Tendenz zur Rißbildung aufweisen. Die zusätzlichen Fertigungsschritte in Zusammen­ hang mit der Fertigbearbeitung eines plasmagespritzten Kol­ benrings enthalten Schleifen, Läppen und Entgraten der Um­ fangsfläche des Rings, um die gewünschten Parameter wie Be­ schichtungsdicke und Oberflächengüte zu erzielen. Die Nachbe­ arbeitung der Beschichtung kann die Produktion beschichteter Kolbenringe erheblich verteuern.

Ein zweiter Nachteil in Zusammenhang mit den früheren plas­ magespritzten beschichteten Ringen ist die Schwierigkeit bzw. Unmöglichkeit, eine scharfkantige Unterseite des Rings zu er­ zielen, wie sie von den Konstrukteuren häufig für die Berüh­ rung mit der Zylinderwand gewünscht wird. Bei zahlreichen früheren Konstrukteuren ergaben sich Ringausführungen, die durch Mängel der Sprühbeschichtung eingeschränkt brauchbar waren, wie z. B.: Sägezahnrand der Beschichtung, Vorhandensein von Fehlstellen in der Oberfläche aufgrund der Entfernung großer nicht geschmolzener Partikel und starke Porosität des Oberflächenüberzugs. Zusätzlich zu den erheblichen Ferti­ gungsproblemen in Zusammenhang mit dem Ausformen einer schar­ fen Ringkante wird in vielen Fällen die Häufigkeit von Feh­ lern in den früheren Beschichtungen die Ausführung einer scharfkantigen Unterseite des Kolbenrings verhindern. In vie­ len Fällen kann die durch das Entfernen der großen nicht ge­ schmolzenen Partikel in der Beschichtung entstehende Porosi­ tät durch den Fertigungsprozeß nicht beseitigt werden.

Obwohl die Verchromung der Gleitflächen von Kolbenringen seit vielen Jahren üblich ist, um die Lebensdauer der Ringe zu verlängern, sind diese Ringe verschleißanfällig, wenn mangel­ hafte Schmierung und hohe Temperaturen vorliegen. Außerdem ist die Chrombeschichtung ein umweltschädliches Material.

Ein weiterer Nachteil in Zusammenhang mit zahlreichen frühe­ ren beschichteten Kolbenringausführungen und deren Herstel­ lungsverfahren sind die für die Fertigbearbeitung des Rings erforderlichen zusätzlichen Fertigungsschritte. Ein typisches Beschichtungsverfahren für Kolbenringe beinhaltet das Drehen eines Kolbenringstapels, während auf die Oberfläche der Ringe eine dicke verschleißfeste Beschichtung aufgespritzt wird. Die dicke Beschichtung fließt über die Kolbenringe und bildet Brücken zu den benachbarten Ringen, wodurch sie miteinander verbunden werden. Um die beschichteten Ringe voneinander zu trennen, müssen sie einem Schleif- oder Schneidarbeitsgang unterworfen werden. Des weiteren enthalten zahlreiche frühere Ringausführungen eine Umfangsnut im Ringrohling, die mit dem Plasmaüberzug oder der Beschichtung ausgefüllt wird. Die Ringoberfläche wird dann geschliffen, um das Ringmaterial freizulegen, während die verschleißfeste Beschichtung in der Nut verbleibt. Zur Weiterbearbeitung dieser Ringe sind im allgemeinen zusätzliche Fertigungsschritte mit erheblichen Kosten erforderlich.

Obwohl frühere beschichtete Kolbenringe und deren Fertigungs­ verfahren Schritte in die richtige Richtung zur Verbesserung der Leistung von Verbrennungsmotoren und Kompressoren dar­ stellen, besteht nach wie vor das Bedürfnis nach weiteren Verbesserungen. Die vorliegende Erfindung befriedigt dieses Bedürfnis auf eine neuartige und nicht naheliegende Weise.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Kolben­ ring mit einer verschleißfesten Beschichtung darauf bereitzu­ stellen.

Eine Form der vorliegenden Erfindung betrifft eine Dichtung für einen Verbrennungsmotor oder einen Kompressor mit: einem Kolbenring mit einer Außenumfangsfläche und einer dünnen ver­ schleißfesten aufgespritzten Deckbeschichtung, die die Außen­ umfangsfläche bedeckt.

Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft einen Satz von Kolbenringen zur Verminderung der Strömung von Fluiden zwi­ schen Kolben und Zylinderwand in einem Verbrennungsmotor oder einem Kompressor, mit: einem ersten Kolbenring mit einer Au­ ßenumfangsfläche; einer dünnen verschleißfesten aufgespritz­ ten Deckbeschichtung auf der Oberfläche, die mit einem Ab­ schnitt der Zylinderwand in Berührung steht, wobei die Be­ schichtung eine verschleißfeste dichte Beschichtung ist, die mittels einer Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff-/Brennstoffdüse aufgebracht wird, um ein gleitendes, abdichtendes Anliegen an der Zylinderwand zu erzielen; einem zweiten Kolbenring, der eine Außenfläche mit einem oberen und einem unteren Abschnitt aufweist, wobei der zweite Kolbenring die dünne verschleißfe­ ste aufgespritzte Deckbeschichtung auf der Außenfläche trägt; und einer scharfen Ringkante am unteren Abschnitt der Außen­ fläche zur Berührung mit der Zylinderwand.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbenrings mit einer dünnen dichten verschleißfesten Beschichtung. Das Verfahren umfaßt Drehen mehrerer Kolben­ ringe um eine Mittelachse; Aufspritzen eines geschmolzenen Materials auf die Außenfläche der Kolbenringe, so daß durch das Spritzen eine Deckbeschichtung auf ihnen erzeugt wird; und Verhindern von Brückenbildung des geschmolzenen Materials über benachbarte Kolbenringe der mehreren Kolbenringe während des Spritzschrittes.

Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnun­ gen; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Fertigungszelle für die Herstellung eines erfindungsgemäßen beschich­ teten Kolbenrings;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen beschichteten Kolbenrings, der zwi­ schen einem Kolben und der Zylinderwand angeordnet ist;

Fig. 3 eine vergrößerte Teilansicht des Ringsatzes von Fig. 2;

Fig. 4 eine fragmentarische perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels des Kolbenrings der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5a einen Teilschnitt des Kolbenringsatzes von Fig. 1, bestehend aus einem Stapel Kolbenringe;

Fig. 5b eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbei­ spiels des Kolbenringsatzes, bestehend aus einem Sta­ pel Kolbenringe;

Fig. 5c eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbei­ spiels des Kolbenringsatzes, bestehend aus einem Sta­ pel symmetrischer Kolbenringe;

Fig. 5d eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbei­ spiels des Kolbenringsatzes, bestehend aus einem Sta­ pel asymmetrischer Kolbenringe;

Fig. 6 einen Teilschnitt eines Kolbenrings gemäß der vorlie­ genden Erfindung mit einer scharfen Kante an seiner Unterseite;

Fig. 7 einen Teilschnitt eines Kolbenrings gemäß der vorlie­ genden Erfindung mit einer Fase an seiner Unterseite.

Zum besseren Verständnis der Grundlagen der Erfindung wird nunmehr auf das in den Zeichnungen dargestellte Ausführungs­ beispiel verwiesen, für das entsprechende Fachbegriffe ver­ wendet werden.

Fig. 1 zeigt eine Fertigungszelle 10 zum Herstellen einer Vielzahl beschichteter Dichtungen. Bei dem bevorzugten Aus­ führungsbeispiel handelt es sich bei diesen Dichtungen um Kolbenringe für einen Verbrennungsmotor oder einen Kompressor bzw. Verdichter. Es sind hierin jedoch auch andere Typen im wesentliche steifer Dichtungen denkbar. Des weiteren ist hierin die Produktion anderer beschichteter Bauteile wie Ven­ tilschäfte, Komponenten der Kraftstoffeinspritzdüse, Nadeln und Zapfen denkbar. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Vielzahl von Kolbenringen 11 um einen Dorn 12 so an­ geordnet, daß ihre Ringspalte 26 nicht aufeinander ausgerich­ tet sind. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel sind die Kolbenringe so angeordnet, daß ihre Ringspalte aufeinander ausgerichtet sind.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Kolbenringe 11 aufeinander und aneinander anliegend angeordnet und werden als ein Los bearbeitet, wobei die Größe eines Loses 100 Ringe beträgt. Es versteht sich von selbst, daß die vorliegende Er­ findung auch auf andere Losgrößen anwendbar ist, insbesondere auf Losgrößen von etwa einem Kolbenring bis zu unendlich vie­ len.

Die Vielzahl der Kolbenringe ist zwischen einer unteren Plat­ te 14 und einer oberen Platte 13 angeordnet, und die Anord­ nung wird durch einen Sicherungsbund 15 zusammengehalten. Die gestapelte Vielzahl der Kolbenringe 11 ist um eine vom Dorn 12 gebildete Mittellängsachse W drehbar, der in einer La­ geranordnung aufgenommen ist und von einem Antriebsmechanis­ mus gedreht wird, die dem Fachmann im allgemeinen bekannt sind. Vorzugsweise liegt die Drehzahl des Dorns im Bereich zwischen ca. 150 bis 400 Umdrehungen pro Minute, wobei es am günstigsten ist, wenn sie ca. 400 U/min beträgt. Die vorlie­ gende Erfindung läßt jedoch auch andere Drehzahlen zu.

Die Kolbenringe 11 sind im wesentlichen steife Elemente und sind auf dem Dorn 12 in normalerweise offenem Zustand ange­ ordnet, so daß sich ein normaler Ringspalt 26 zwischen den jeweiligen Enden 25a und 25b des Kolbenringrohlings befindet. Der Kolbenring ist aus einem Kolbenringrohling aus Metall, Metallegierungen und Superlegierungen geformt, die dem Durch­ schnittsfachmann im allgemeinen bekannt sind. Bei einem al­ ternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden die Kolbenringe 11 in einem geschlossenen Zustand be­ arbeitet, d. h. zwischen den jeweiligen Enden der Kolbenringe ist kein nennenswerter Spalt vorhanden. Die vorliegende Er­ findung ist außerdem auf Kolbenringe ohne Ringspalt anwend­ bar.

Eine Vorrichtung 16 zum thermischen Spritzen ist relativ zum Stapel der Kolbenringe 11 angeordnet, um darauf eine ver­ schleißfeste Beschichtung 110 anzubringen. Bei dem bevorzug­ ten Ausführungsbeispiel ist die Spritzvorrichtung 16 eine Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff-/Brennstoffpistole. Eine Spritzvorrichtung dieses Typs wird in U.S.-Patent Nr. 4,999,225, das Rotolico erteilt wurde, beschrieben und ist von der Perkin Elmer Corporation in Norfolk, Connecticut, er­ hältlich. Andere Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff-/Brenn­ stoff-Spritzvorrichtungen dieses allgemeinen Typs werden auf dem Markt angeboten und sind dem Durchschnittsfachmann bekannt. Bei dem mit Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff-/Brenn­ stoffpistolen erfolgenden thermischen Spritzprozeß wird Kera­ mik- oder Metall-Ausgangsmaterial oder -Pulver geschmolzen. Das Pulver oder Ausgangsmaterial wird dann durch die Mitte der Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff-/Brennstoffpistole zuge­ führt, und das geschmolzene Beschichtungsmaterial wird dann vom Hochgeschwindigkeits-Fluidstrom zum Aufbringen auf den Kolbenring mitgerissen. Der Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff- /Brennstoffprozeß liefert das Beschichtungsmaterial mit Über­ schallgeschwindigkeit an die Außenumfangsfläche 27 des Rings. Die Zufuhr des geschmolzenen Beschichtungsmaterials mit Über­ schallgeschwindigkeit auf die Kolbenringoberfläche schafft eine mechanische Verhakung zwischen dem Ringrohling und dem Beschichtungsmaterial. Das geschmolzene Material wird vor­ zugsweise mit Geschwindigkeiten im Bereich von ca. Mach 2 bis Mach 3 aufgebracht.

Eine Plenumkammer 18 ist im Abstand und parallel zur Außenum­ fangsfläche 27 der Kolbenringe 11 angeordnet. Die Plenumkam­ mer 18 ist so steuerbar, daß sie einen Kühlmittelstrom über die Außenfläche 27 der Kolbenringe schickt. Bei dem bevorzug­ ten Ausführungsbeispiel ist eine Kühlmittelquelle 20 über ei­ nen Kanal 19 mit der Plenumkammer 18 verbunden. Das Kühlmit­ tel dient dazu, die Kolbenringe 11 nach dem Auftragen der Be­ schichtung abzukühlen. Bei dem meistbevorzugten Ausführungs­ beispiel ist die Quelle 20 ein Luftverdichter, und das Kühl­ mittel ist Luft. Es versteht sich von selbst, daß auch andere Verfahren zum Abkühlen der Kolbenringe möglich sind, ein­ schließlich, jedoch nicht beschränkt auf, Abkühlung durch Wärmeleitung oder durch Flüssigkeit.

Die Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff-/Brennstoff-Spritzvor­ richtung 16 ist mit einem Roboterarm 17 verbunden. Die Spritzvorrichtung 16 hat Bewegungsfreiheit in drei Dimensio­ nen, die durch ein X-, Y-, Z-Koordinatensystem dargestellt sind. Insbesondere weist die Spritzvorrichtung 16 einen Spritzkopf 16a auf, der relativ zur Außenumfangsfläche 27 der Kolbenringe unter einem Neigungswinkel zwischen ca. 0 bis 90° positionierbar ist. Für den Durchschnittsfachmann versteht es sich von selbst, daß der Neigungswinkel und der Abstand zwi­ schen dem Spritzpistolenkopf 16a und der Außenumfangsfläche 27 der Kolbenringe 11 die Parameter des Sprühkegels und der zugehörigen Beschichtung 110 beeinflußt. Bei einem Ausfüh­ rungsbeispiel wird ein Ring mit einem 2°-Kegel unter einem Neigungswinkel von 15° beschichtet. Die Pistolenausrichtung relativ zur Außenumfangsfläche 27 basiert außerdem auf der Teilgeometrie, um Brückenbildung des geschmolzenen Materials zwischen benachbarten Kolbenringen zu vermeiden. Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der Spritzpistolenkopf 16a im Abstand von etwa 9 Zoll (23 cm) zur Außenumfangsfläche 27 der Kolbenringe gehalten. Es versteht sich von selbst, daß andere Abstände von der Oberfläche 27 möglich sind, vorausgesetzt, sie ergeben die erforderlichen Spritzparameter.

Fig. 2 zeigt einen Teilschnitt eines Kolbens 21, der inner­ halb eines Zylinders 105 mit einer Zylinderwand 22 angeordnet ist. Es versteht sich von selbst, daß die Zylinderwand 22 in­ tegral innerhalb des Zylinderblocks gegossen werden kann, oder daß es sich um eine Einsatz-Zylinderwandbuchse handeln kann, die in einen Motorblock eingesetzt wird. Die Außenflä­ che des Kolbens 21 ist im Abstand zur Zylinderwand 22 ange­ ordnet, um einen Zwischenraum zu schaffen. Ein Ringsatz, der einen oberen Verdichtungsring 11 und einen mittleren Verdich­ tungsring 23 enthält, ist zwischen dem Kolben 21 und der Zy­ linderwand 22 angeordnet. Eine Aufgabe der Kolbenringe 11 und 23 besteht darin, die Strömung von Fluiden zwischen dem Kol­ ben 21 und der Zylinderwand 22 einzuschränken. Andere Ausge­ staltungen des Ringsatzes, einschließlich verschiedener Stückzahlen und Typen von Verdichtungskolbenringen und Ölab­ streifringen sind im Rahmen der Erfindung denkbar.

Nunmehr sei auf Fig. 3 verwiesen, die einen fragmentarischen Teilschnitt des Ringsatzes gemäß Fig. 2 darstellt. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat der Kolbenring 23 eine dünne, gleichmäßige, verschleißfeste Deckbeschichtung, die seine Außenumfangsfläche bedeckt, während bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Kolbenring 11 mit einer dünnen, gleichmäßigen, verschleißfesten Deckbeschichtung versehen ist, die trommelgeläppt worden ist, um eine höhere Oberflä­ chengüte zu erzeugen. Der Kolbenring 11 wird trommelgeläppt, um die Oberflächengüte des obersten Rings zu verbessern, des­ sen Aufgabe das Abdichten gegen Verbrennungsgase ist. Die aufgespritzte verschleißfeste Beschichtung 110 weist außerdem eine extrem niedrige Anzahl nicht geschmolzener Partikel und eine gute Oberflächengüte mit geringer Porosität auf. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Beschichtung mittels einer Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff-/Brennstoffpistole 16 aufgebracht. Bei einem Ausführungsbeispiel hat die Deckbe­ schichtung 110 im aufgespritzten Zustand eine Oberflächenrau­ heit im Bereich von ca. 40 bis 120 µZoll (0,001-0,003 mm). Bei einem anderen Ausführungsbeispiel beträgt die Oberflä­ chenrauheit der Beschichtung 110 weniger als 120 µZoll (0,003 mm). Bei einem Ausführungsbeispiel macht die Porosität der aufgespritzten Deckbeschichtung 110 weniger als 5% der Querschnittsfläche der Kolbenringbeschichtung aus. Die vor­ liegende Erfindung gestattet auch gefüllte Kolbenringe, bei denen die Beschichtung in eine in den Kolbenringrohling ein­ geformte Nut gespritzt wird.

Vorzugsweise hat die verschleißfeste Beschichtung 110 bei Kolbenringen mit einem Ringspalt eine Dicke im Bereich von ca. 0,002 bis 0,006 Zoll (0,05-0,15 mm). Für geschlossene Ringe (kein Ringspalt) ist eine Dicke unter ca. 0,015 Zoll (0,38 mm) erwünscht. Des weiteren ist die Dicke der Beschich­ tung im aufgespritzten Zustand innerhalb eines Bereichs von ca. ± 0,001 Zoll (0,0254 mm) konstant. Die Außenumfangsfläche 27 der Kolbenringe ist in einer gleitenden abdichtenden Anla­ ge an der Zylinderwand 22 positionierbar, um eine im wesent­ lichen fluiddichte Abdichtung zu erzielen.

Fig. 4 zeigt eine perspektivische Teilansicht des beschichte­ ten Kolbenrings 11 der vorliegenden Erfindung. Der Kolbenring 11 weist eine dünne, gleichmäßige, verschleißfeste Deckbe­ schichtung 110 auf, die mittels einer Hochgeschwindigkeits- Sauerstoff-/Brennstoffdüse aufgebracht wird. Die hohe Ge­ schwindigkeit der auf die Außenumfangsfläche 27 des Kolben­ rings aufprallenden Partikel 115 erzeugt hochdichte und gleichmäßige Beschichtungen 110. Die für einen Kolbenring ge­ eigneten Beschichtungen umfassen eine breite Vielfalt kerami­ scher und metallischer Materialien, wobei jedoch festgestellt wurde, daß die nachfolgend beschriebenen Beschichtungen die besten Ergebnisse liefern.

Eine erste Beschichtung besteht im wesentlichen aus Molybdän (Mo) und Molybdänoxid. Vorzugsweise liegt der prozentuale Ge­ wichtsanteil des Molybdänoxids der Beschichtung im Bereich von ca. 20 bis 40%. Eine zweite Beschichtung mit guten Eigen­ schaften besteht im wesentlichen aus Molybdäncarbid (Mo₂C). Eine dritte Beschichtung ist ein Gemisch aus Molybdäncarbid (Mo₂C) und Molybdän (Mo). Bei dieser dritten Beschichtungszu­ sammensetzung liegt der prozentuale Gewichtsanteil des Mo­ lybdäncarbids (Mo₂C) vorzugsweise bei ca. 20%, der Rest ist Molybdän (Mo). Bei alternativen Ausführungsbeispielen der dritten Beschichtung sieht die Zusammensetzung einen prozen­ tualen Gewichtsanteil des Molybdäncarbids (Mo₂C) von ca. 40% vor, während der Rest Molybdän (Mo) ist. Eine vierte Be­ schichtung ist eine Zusammensetzung aus Molybdäncarbid (Mo₂C), Nickelchrom (NiCr) und Molybdän (Mo). Eine Form der vierten Beschichtung enthält etwa 20 Gew.-% Molybdäncarbid (Mo₂C), 20% Nickelchrom (NiCr), und der Rest ist Molybdän (Mo). Bei einer alternativen Form der vierten Beschichtung beträgt der prozentuale Gewichtsanteil des Molybdäncarbids (Mo₂C) 40%, der des Nickelchroms (NiCr) 20%, und der Rest ist Molybdän (Mo). Diese Beschichtungen sind Beispiele für bevor­ zugte Beschichtungen, sie sind jedoch nicht als Einschränkung für die hierin auf die Kolbenringe aufzubringenden Beschich­ tungen beabsichtigt.

Eine bevorzugtere Beschichtung ist eine Zusammensetzung aus entweder einer plattierten Chromcarbid-/Nickelchrom- (Cr₃C₂- NiCr)-Beschichtung oder aus gesintertem Chromcarbid-/Nickel­ chrom (Cr₃C₂-NiCr). Bei einem ersten Ausführungsbeispiel ent­ spricht die chemische Zusammensetzung in Gew.-% 80% Cr₃C₂ und 20% NiCr. Die Zusammensetzung bei einem zweiten Ausführungs­ beispiel ist 75% Cr₃C₂ und 25% NiCr, und ein weiteres Ausfüh­ rungsbeispiel hat eine Zusammensetzung aus 50% Chromcarbid (Cr₃C₂) und 50% Nickelchrom (NiCr). Eine am stärksten bevor­ zugte Beschichtung ist ein Gemisch aus den Chromcarbid- /Nickelchrom- (Cr₃C₂-NiCr)-Beschichtungen und Molybdän (Mo). In der nachstehenden Tabelle 1 sind die chemischen Zusammen­ setzungen der Beschichtungen aufgeführt.

Tabelle 1

Chemische Zusammensetzung (Gew.-%) der Beschichtungen

Beschichtungen (chemische Zusammensetzung in Gew.-%)

Fig. 5a zeigt eine Schnittansicht einer Vielzahl mittlerer Kolbenringe 30 (30e, 30f, 30g, 30h) eines Ausführungsbei­ spiels der vorliegenden Erfindung in gestapelter Anordnung. Die Kolbenringe 30 sind im wesentlichen den Kolbenringen 11 und 23 ähnlich. Die Kolbenringe 30 haben eine obere Schulter 31, die in einem oberen Abschnitt 30a ausgeformt ist, und ei­ ne untere Schulter 32, die in einem unteren Abschnitt 30b ausgeformt ist. Beide Schultern 31 und 32 verlaufen ohne Un­ terbrechung um den Kolbenring 30. Die Schulter 31 eines er­ sten Kolbenrings 30 stimmt an einer Verbindungsstelle 35 mit der Schulter 32 eines zweiten Kolbenrings 30 überein, um eine Sperrstruktur 70 zu bilden.

Die Sperrstruktur 70 begrenzt eine im wesentlichen ringförmi­ ge Nut 71, die zwischen zwei benachbarten Kolbenringen ver­ läuft, um die aufgespritzte Beschichtung daran zu hindern, die Verbindungsstelle 35 zu erreichen. Die Sperrstruktur 70 verhindert eine Brückenbildung der Spritzbeschichtung 110 zwischen zwei benachbarten Kolbenringen. Die Spritzbeschich­ tung, die in die Nut 71 eindringt, trifft auf Oberflächen 80 und 81 benachbarter Kolbenringe auf, und deshalb gelangt kei­ ne nennenswerte Materialmenge zur Verbindungsstelle 35. Nach Abschluß des Beschichtungsprozesses können die Kolbenringe problemlos getrennt werden, da eine Verbindung benachbarter Kolbenringe durch die Beschichtungen im wesentlichen ausge­ schlossen worden ist. Der Trennprozeß erfordert daher weder Schneiden noch Schleifen, um einen Kolbenring vom anderen zu trennen, und führt nicht zum Abplatzen der Beschichtung.

Fig. 5b zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel des mitt­ leren Kolbenrings 36 der vorliegenden Erfindung, bei dem die Vielzahl von Kolbenringen 36 ähnlich der Vielzahl der Kolben­ ring 30 gestapelt ist. Die Kolbenringe 36 sind im wesentli­ chen den Kolbenringen 11 und 23 ähnlich. Die Kolbenringe 36 enthalten einen oberen Abschnitt 36a mit einer darum herum ausgeformten Hinterdrehung 37 sowie einen unteren Abschnitt 36b. Beim Anordnen der Kolbenringe 36 zu einem Stapel für das Spritzbeschichten kommt die Hinterdrehung 37 neben der Ober­ fläche 91 eines benachbarten Kolbenrings 36 zu liegen. Die Oberfläche 91 ragt über die Hinterdrehung 37 in einer solchen Weise hinaus, daß sie ein Hindernis für den Materialfluß in eine Nut 92 darstellt. Die Geometrie der Hinterdrehung 37 und der Oberfläche 71 zweier benachbarter Kolbenringe dient dazu, einen wesentlichen Anteil der Spritzbeschichtung daran zu hindern, zu einer Verbindung 38 zu gelangen. Die Verbindung 38 ist die natürliche Trennfläche zwischen zwei benachbarten Kolbenringen 36. Die durch die Oberfläche 91, die Hinterdre­ hung 37 und die Nut 92 gebildete Sperrstruktur verhindert das Aufbringen von Beschichtungsmaterial über benachbarte Kolben­ ringe 36 bzw. verringert dies in erheblichem Umfang.

Fig. 5c zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines obersten Kolbenrings 200 der vorliegenden Erfindung, bei dem die Vielzahl von Kolbenringen 200 ähnlich der Vielzahl der Kolbenringe 30 gestapelt ist. Die Kolbenringe 200 sind im we­ sentlichen den obenbeschriebenen Kolbenringen ähnlich. Der Stapel der Kolbenringe 200 hat eine Geometrie, wie sie für die Kolbenringe 30, 36 beschrieben worden ist, um eine Brüc­ kenbildung des Beschichtungsmaterials über benachbarte Kol­ benringe zu unterbinden. Der Kolbenring 200 hat eine symme­ trische Wölbung 201 (hervorgehoben dargestellt) zur Anlage an einer Zylinderwand eines Verbrennungsmotors oder eines Kom­ pressors. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Wölbung etwa zwischen 0,0002 und 0,0008 Zoll (0,005-0,018 mm).

Fig. 5d zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines obersten Kolbenrings 210 der vorliegenden Erfindung, bei dem die Vielzahl von Kolbenringen 210 ähnlich der Vielzahl der Kolbenringe 200 gestapelt ist. Die Kolbenringe 210 sind im we­ sentlichen den obenbeschriebenen Kolbenringen ähnlich. Der Stapel der Kolbenringe 210 hat eine Geometrie, wie sie für die Kolbenringe 30, 36 beschrieben worden ist, um einen we­ sentlichen Anteil der Spritzbeschichtung daran zu hindern, zur Verbindung zwischen benachbarten Kolbenringen zu gelan­ gen. Der Kolbenring 210 ist asymmetrisch gewölbt und weist einen Abschnitt 211 mit einer Länge Y und einen Abschnitt mit einer Länge Y′ auf. Die Länge Y ist größer als Y′, und bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt Y ca. 0,07 Zoll (1,78 mm) und Y′ ca. 0,03 Zoll (0,76 mm). Es versteht sich von selbst, daß andere Verhältnisse zwischen Y und Y′ möglich sind, um asymmetrische Kolbenringe zu erhalten.

Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungs­ beispiels der vorliegenden Erfindung. Ein Kolbenring 100 hat an der Unterseite eine um diese herum verlaufende scharfe Kante 40. Der Kolbenring 100 ist im wesentlichen ähnlich den Kolbenringen 11 und 23. Die Außenfläche 41a mit der scharf­ kantigen Unterseite 40 ist mit der gleichen Beschichtung 110 beschichtet wie die Außenumfangsfläche 41a des Kolbenrings 100. Das Merkmal 40 bildet eine scharfe ringförmige Kante, um an der Zylinderwand eines Verbrennungsmotors oder eines Kom­ pressors zu gleiten. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel bleibt die Oberfläche 202 unbeschichtet.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungs­ gemäßen beschichteten Kolbenrings. Der Kolbenring 50 weist an seiner Unterseite eine scharfkantige Fase 51 auf. Der Kolben­ ring 50 ist im wesentlich ähnlich dem Kolbenring 11 und 23. Die scharfkantige Fase 51 an der Unterseite ist mit demselben Beschichtungsmaterial 110 wie die Außenumfangsfläche des Kol­ benrings beschichtet. Die Fase 51 an der Unterseite steht mit einem Abschnitt der Zylinderwand des Verbrennungsmotors oder des Kompressors in Berührung.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 7 wird nunmehr ein Beispiel eines Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff-/Brennstoffprozesses zum Spritzen einer verschleißfesten Beschichtung auf einen Kolbenring beschrieben. Eine Vielzahl von Kolbenringrohlingen wird aufeinander gestapelt auf einem Dorn zwischen einer un­ teren Halteplatte und einer oberen Halteplatte angeordnet. Die gestapelte Vielzahl der Kolbenringe Anordnung wird von einer Sicherungsstruktur mit einem Sicherungsbund in ihrer Lage gehalten. Die Vielzahl der gestapelten Kolbenringrohlin­ ge wird um eine Längsachse W gedreht. Eine Hochgeschwindig­ keits-Sauerstoff-/Brennstoff-Spritzvorrichtung wird im Ab­ stand zur Außenumfangsfläche der Kolbenringe gehalten. Die Spritzvorrichtung ist während des Spritzprozesses in einer zur Längsmittellinie parallelen Ebene in Längsrichtung be­ weglich.

Die Flamme der Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff-/Brennstoff-Spritz­ pistole ist auf die Außenumfangsfläche der sich drehen­ den Vielzahl von Kolbenringrohlingen gerichtet, um sie vorzu­ wärmen. Mit Erreichen einer zum Aufbringen des gewählten Ma­ terials geeigneten Temperatur wird das Beschichtungsmaterial durch die Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff-/Brennstoff-Spritzpistole zugeführt. Die Längsbewegung der Spritzvorrich­ tung bzw. Flamme wird auf eine Geschwindigkeit von 1 Zoll/s (25,4 mm/s) verlangsamt, so daß die Temperatur des Ringroh­ lings auf ca. 150°F bis 400°F (ca. 66-205°C) ansteigt. Eine bevorzugte Vorwärmdauer liegt im Bereich von etwa fünf bis zehn Minuten. Nach der Vorwärmphase werden die Kolbenringe mit einer Beschichtung versehen. Es versteht sich von selbst, daß die Verwendung der Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff- /Brennstoff-Spritzpistole nur eine Technik zum Vorwärmen der Kolbenringrohlinge darstellt, daß jedoch auch andere Vorwärm­ techniken denkbar sind.

Die Spritzvorrichtung verfährt parallel zur Längsachse des sich drehenden Stapels von Kolbenringen, während die ge­ schmolzene Beschichtung auf die Außenumfangsfläche der Ringe gespritzt wird. Bei einem Ausführungsbeispiel wird eine Be­ schichtung mit einer Dicke von ca. 0,003 Zoll (0,076 mm) mit etwa 20 Gängen der Spritzvorrichtung erzielt. Die Spritzbe­ schichtung ist eine Deckbeschichtung für die mittleren Kol­ benringe und im wesentlichen eine Deckbeschichtung für die obersten Kolbenringe. Nach der Beschichtung der Kolbenringe auf eine gewünschte Dicke, wird die Spritzvorrichtung abge­ schaltet und Kühlluft auf die Außenumfangsfläche geleitet, um zur Abkühlung der Oberflächentemperatur der Kolbenringe bei­ zutragen. Durch die anhaltende Drehung und die Zufuhr von Kühlluft über die Kolbenringe wird die Temperatur gesenkt. Bei zahlreichen Anwendungen auf Kolbenringen ist die Herstel­ lung einer scharfen Kante am Kolbenring erwünscht. Die Viel­ zahl der Kolbenringe wird deshalb vom Dorn genommen, und eine scharfe Kante oder Fase wird an ihnen durch Läppen ausge­ formt. Die obersten Kolbenringe werden dann trommelgeläppt, um ihre Oberflächengüte zu verbessern. Des weiteren wird eventuell an den Kolbenringen verbliebener Grat in einem Ent­ gratungsprozeß entfernt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Entgratungsprozeß ein hochenergetisches Entgraten.

Claims (29)

1. Dichtung für einen Verbrennungsmotor oder einen Kompres­ sor, mit
einem Kolbenring (11) mit einer Außenumfangsfläche (27) und
einer dünnen verschleißfesten Deckbeschichtung (110), die die Außenumfangsfläche (27) bedeckt.

2. Dichtung zum Einschränken der Strömung von Fluiden zwi­ schen einem Kolben (21) und einer Zylinderwand (22) eines Verbrennungsmotors oder eines Kompressors, mit:
einem im wesentlichen steifen Ringelement mit einer Außenum­ fangsfläche (27); und
einer Deckbeschichtung (110) auf der Fläche zur Berührung mit einem Abschnitt der Zylinderwand (22), wobei die Beschichtung (110) eine harte, dichte, gleichmäßige, verschleißfeste Be­ schichtung ist, um eine gleitende abdichtende Anlage an der Zylinderwand (22) zu erzielen.

3. Dichtung zwischen einem Kolben (21) und einer Zylinder­ wand (22) eines Verbrennungsmotors oder eines Kompressors, mit:
einem ersten Kolbenring mit einer Außenfläche, die einen obe­ ren und einen unteren Abschnitt aufweist;
einer Umfangsfase an diesem unteren Abschnitt, wobei die Fase zur Berührung eines Abschnitts der Zylinderwand vorgesehen ist; und
einer aufgespritzten Deckbeschichtung auf der Außenfläche, wobei die Beschichtung hart, dicht, gleichmäßig und ver­ schleißfest ist.

4. Satz Kolbenringe zum Vermindern der Strömung von Fluiden zwischen einem Kolben (21) und einer Zylinderwand (22) eines Verbrennungsmotors oder eines Kompressors, mit:
einem ersten Kolbenring mit einer Außenumfangsfläche;
einer dünnen aufgespritzten, verschließfesten Deckbeschich­ tung auf der Oberfläche, die mit einem Abschnitt der Zylin­ derwand (22) in Berührung steht, die mittels einer Hochge­ schwindigkeits-Sauerstoff-/Brennstoffdüse aufgebracht wird, um ein gleitendes, abdichtendes Anliegen an der Zylinderwand zu erzielen;
einem zweiten Kolbenring, der eine Außenfläche mit einem obe­ ren und einem unteren Abschnitt aufweist, der eine dünne ver­ schleißfeste aufgespritzte Deckbeschichtung auf der Außenflä­ che trägt;
wobei die Außenumfangsfläche des ersten Kolbenrings eine Spritzbeschichtung aufweist und diese Beschichtung zur Ver­ besserung ihres Oberflächenfinish geläppt wird;
und einem scharfkantigen Ring am unteren Abschnitt der Außen­ fläche zur Berührung mit der Zylinderwand.

5. Verfahren zum Herstellen eines Kolbenrings mit einer dünnen, dichten, verschleißfesten Beschichtung, das folgendes umfaßt:
Drehen einer Mehrzahl von Kolbenringen (11) um eine Mittel­ achse (W);
Aufspritzen eines geschmolzenen Materials auf die Außenfläche (27) der Kolbenringe (11), das eine Deckschicht (110) auf den Kolbenringen (11) erzeugt; und
Verhindern der Brückenbildung des geschmolzenen Materials über benachbarte Kolbenringe der Mehrzahl der Kolbenringe (11) während dieses Spritzens.

6. Verfahren zum Beschichten von Kolbenringen mit einer dünnen, dichten, im wesentlichen gleichmäßigen, verschleißfe­ sten Beschichtung (110), das folgendes umfaßt:
Positionieren einer Mehrzahl von Kolbenringen (11) in einer aufeinandergestapelten Anordnung;
Drehen der Mehrzahl der Kolbenringe (11) um eine Mittelachse (W);
Aufspritzen eines Materialstroms mit Überschallgeschwindig­ keit auf die Außenfläche der Kolbenringe; und
Verhindern einer Verbindung zwischen benachbarten gestapelten Kolbenringen (11).

7. Verfahren zum Beschichten von Kolbenringen mit einer verschleißfesten Beschichtung, das folgendes umfaßt:
Bereitstellen einer Mehrzahl von Kolbenringen mit einem er­ sten oberen Abschnitt und einem zweiten unteren Abschnitt;
Positionieren der Mehrzahl der Kolbenringe in einer aufeinan­ dergestapelten Anordnung, so daß der erste Abschnitt eines Rings der Ringe am zweiten Abschnitt eines anderen Rings der Ringe anliegt;
Drehen der Mehrzahl der Kolbenringe;
Aufspritzen eines eine verschleißfeste Beschichtung enthal­ tenden Materialstroms mit Überschallgeschwindigkeit auf die Außenfläche der Mehrzahl der Kolbenringe; wobei
durch den Positionierschritt ein Hindernis geschaffen wird, um zu verhindern, daß das Beschichtungsmaterial unter Brüc­ kenbildung über benachbarte Kolbenringe aufgebracht wird.

8. Verfahren zum Beschichten von Kolbenringen mit einer dünnen, dichten, im wesentlichen gleichmäßigen, verschleißfe­ sten Beschichtung, das folgendes umfaßt:
Positionieren einer Mehrzahl von Kolbenringen mit einer obe­ ren und einer unteren Kante in einer aufeinandergestapelten Anordnung;
Drehen der Mehrzahl der Kolbenringe um eine Mittelachse (W);
Aufspritzen einer Deckbeschichtung mit Überschallgeschwindig­ keit auf eine Umfangsfläche jedes Kolbenrings einer Mehrzahl von Kolbenringen, wobei dieses Spritzen eine harte gleichmä­ ßige Beschichtung hoher Dichte mit extrem wenigen nicht ge­ schmolzenen Partikeln erzeugt; und
Fertigbearbeiten der oberen oder der unteren Kante zu einem scharfkantigen Ring.

9. Kolbenring mit:
einem im wesentlichen steifen Ringkörper mit einer Außenum­ fangs-Gleitfläche; und
einer mittels Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff-/Brennstoffdüse auf der Gleitfläche aufgebrachten Beschichtung, wobei die Be­ schichtung im gespritzten Zustand eine verschleißfeste Deck­ beschichtung ist.

10. Dichtung nach Anspruch 1 bis 3, bei der der Kolbenring im wesentlichen starr ist und bei dem eine mechanische Ver­ zahnung zwischen dem Ring und der Beschichtung besteht.

11. Dichtung oder Kolbenring nach einem der Ansprüche 2, 4 oder 9, bei der eine mechanische Verbindung zwischen dem Ring und der Beschichtung besteht.

12. Dichtung oder Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 9, bei der die Beschichtung eine gleichmäßige Stärke hat.

13. Dichtung oder Kolbenring nach Anspruch 12, bei der die Beschichtung eine geringe Menge ungeschmolzener Teilchen hat und ein Oberflächenfinish geringer Porosität.

14. Dichtung oder Kolbenring nach Anspruch 13, bei der die Ringe einen Ringspalt haben und bei der die Beschichtung eine Stärke im Bereich von 0,05 bis 0,15 mm hat.

15. Dichtung oder Kolbenring nach Anspruch 14, bei der die Beschichtung ein Oberflächenfinish im Bereich von 0,001 bis 0,003 mm hat.

16. Dichtung oder Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 9, bei der der Ring einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt hat, eine an dem oberen Abschnitt angeform­ te Schulter und eine an den unteren Abschnitt angeformte Schulter, wobei, wenn ein Paar solcher Ringe übereinander an­ geordnet sind, die obere Schulter des einen der beiden Ringe mit der unteren Schulter des anderen der beiden Ringe zusam­ menpaßt, um einen Sperraufbau zur Verhinderung des Durchlas­ ses einer Spritzbeschichtung in einen Übergang zwischen die­ sen zu verhindern.

17. Dichtung oder Kolbenring nach einem der Ansprüche 4 oder 9, bei der der Ring einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt hat und der obere Abschnitt eine Entlastung um die­ sen herum hat und der untere Abschnitt eine über die Entla­ stung hinausreichende Fläche hat, wobei, wenn zwei solcher Ringe einer über dem anderen angeordnet sind, die Fläche über einen der beiden Ringe hinausreicht und mit der Entlastung des anderen Rings der beiden Ringe zusammenwirkt und ein Hin­ dernis für den Durchlaß einer Spritzbeschichtung an die Stel­ le, wo die Ringe aneinander anstoßen, bildet.

18. Dichtung oder Kolbenring nach Anspruch 1, 2 oder 9, bei der der Ring eine symmetrische Bombierung für die Anlage an der Zylinderwand des Verbrennungsmotors oder Kompressors hat.

19. Dichtung oder Kolbenring nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der der Ring eine asymmetrische Bombierung für die Anlage an der Zylinderwand des Verbrennungsmotors oder Kompressors hat.

20. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Verhindern das Vorsehen mehrerer Kolbenringe mit solchem Aufbau umfaßt, daß beim Anordnen zweier Ringe aufeinander ein Sperraufbau gebil­ det ist zur Verhinderung des Durchlasses von Spritzbeschich­ tung zu einem Übergang zwischen den aneinanderstoßenden Rin­ gen.

21. Verfahren nach Anspruch 20, 6, 7 oder 8, bei dem das Aufspritzen mittels mit Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff/ Brennstoffdüse erfolgt.

22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem das Aufspritzen der Beschichtung mit Geschwindigkeiten im Bereich von Mach 2 bis Mach 3 erfolgt und eine mechanische Verbindung oder Verhakung zwischen der Beschichtung und dem Ring erzeugt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem ferner ein Vorerwär­ men des Kolbenrings auf eine für die Ablagerung der Beschich­ tung geeignete Temperatur erfolgt.

24. Verfahren nach Anspruch 23, bei dem das Vorerwärmen mit­ tels einer Flamme der Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff-/Brenn­ stoffdüse erfolgt.

25. Verfahren nach Anspruch 24, bei dem die Spritzvorrich­ tung längs der Mehrzahl von Kolbenringen parallel zur Mittel­ achse der Kolbenringe verfahren wird.

26. Verfahren nach Anspruch 25, bei dem das Drehen einen Be­ schichtungsschritt und einen Vorerwärmungsschritt umfaßt, bei dem die Drehgeschwindigkeit während der Beschichtung größer als beim Vorerwärmen ist.

27. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, bei dem das Drehen das Drehen von wenigstens hundert Kolbenringen auf einmal um­ faßt und mit einer Drehzahl von 150 bis 400 Umdrehungen je Minute erfolgt.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, bei dem die Kolbenringe nach dem Aufbringen der Beschichtung abge­ kühlt werden.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem nach dem Aufbringen der Beschichtung die Kolbenringe voneinander getrennt werden, wobei dieses Trennen kein Trennschleifen um­ faßt und kein Abplatzen der Beschichtung bewirkt.