DE2008753B2 - Kolbenring für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

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Schicht kann eine weniger poröse und hitzeheständigere Schicht aus Wolframkarbid in Lösung mit Kobalt in einer Matrix aus hauptsächlich Nickel und Chrom sein.

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

F i g· 1 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Kolbenring, bei der ein Teil fortgebrochen ist, um den Innenaufbau zu zeigen,

F i g. 2 eine Endansicht des in F i g. 1 dargestellten Ringes,

F i g. 2 eine stark vergrößerte Schnittansicht, die den in den F i g. 1 und 2 darge- eilten Ring in einem Kolben mit der dazugehörigen Zylinderwandung darstellt.

F i g. 4 eine schematische Ansicht der Arbeitsweise der Aufbringung der ersten Schicht aus hitzebeständigem Material auf die Kolbenringe,

F i g. 5 eine ähnliche Ansicht wie F ^; g. 4, die die Aufbringung der zweiten Schicht aus warmfestem Material zeigt,

F i 2. 6 eine vergrößerte Schnittansicht, weiche zwei benachbarte, mit Nuten versehene Ringe zeigt, die für die Aufnahme der ersten Schicht vorbereitet sind,

F i g. 7 eine der F i g. 6 entsprechende Schicht, in der die erste aufgebrachte Schicht dargestellt ist,

F i g. 8 eine der F i g. 7 entsprechende Schicht, in der die zweite aufgebrachte Schicht dargestellt ist,

F i g. 9 eine vergrößerte Teilschnittansicht eines Ringes mit einer abgeänderten Nutenform, wobei der Aufbau der abgeschiedenen Schichten in der Nut dargestellt ist, und

F i g . 10 eine stark vergrößerte Schnittansicht eines Rinaes, die die miteinander verbundenen Schichten zeigt.

Der in ''en F i g. 1 bis 3 dargestellte Kolbenring 10 besteht aus einem Spaltring 11 aus modularcm Gußeisen, der die Querschnittsform eines Gewölbeschlußsteines hat, mit einem schmalen, zylindrischen Innenumfang 12 und einem breiteren, faßförmigen äußeren Umfang 13, und der flache, geneigte obere und untere Seitenflächen 14 und 15 hat, die vom äußeren Umfang 13 zum i nneren Umfang 12 hin konvergieren. Der äußere Umfang 13 des Ringes 11 weist eine Ringnut 16 auf, die sich um diesen herum erstreckt. Diese Nut hat einen flachen Boden 16a und gewölbte Flanken 16b. Stege 17 sind am Umfang 13 zwischen den Flanken 16 b und den Ober- und Unterseiten 14 und 15 des Ringes vorgesehen.

Die Nut 16 üt mit einer ersten Schicht 18 und einer zweiten Schicht 19 aus verschiedenen hochwarmfesten oder hitzebeständigen Metallen gefüllt. Die erste Schicht 18 folgt der Kontur der Nut 16 und läßt eine Aussparung frei, die die zweite Schicht 19 aufnimmt.

Wie in den F i g. 4 und 5 dargestellt, werden die Ringe 11 auf einen Kern 20 aufgesteckt, wobei deren Seitenflächen dicht gegeneinander festgezogen werden und deren Umfangsnuten 16 um den Kern herum vollständig freiliegen.

Die äußeren Umfange der Ringe, die auf den Kern20 aufgesteckt sind, werden mit einer Beschichtung 21 bedeckt, die mittels einer Plasmastrahlpistole 22 aufgetragen wird. Die Plasmastrahlpistole 22 weist ein isoliertes Gehäuse 23 auf, welches eine Kathode 24 am hinteren Ende trägt. Ferner weist diese Pistole eine Anodendüse 25 am vorderen Ende auf. Eine Gleichstromquelle 26 ist mit ihrem negativen Anschluß mit der Kathode 24 verbunden und mit ihrem positiven Anschluß mit der Anode 25. Ein Gas, wie beispielsweise Wasserstoff, Stickstoff oder Argon, wird der Kammer 27 im Gehäuse von einer Speiseleitung 28 zugeführt, und ein Pulver aus einem hochwarmfesten Metall wird dem Düsenauslaß der Anode 25 über eine Leitung 29 zugeführt. Ein Lichtbogen 30 mit hoher Stromdichte wandelt die Gasatome in ein hochenergetisches Plasma um, welches eine größere Geschwindigkeit aufweist, und diese- Plasma geht durch die Anode hindurch und bildet einen Ausstoßstrahl 31, der das Metallpulver aus der Leitung 29 aufnimmt und der dieses auf die Umfange der Kolbenringe auf dem Kern treibt. Der Kern wird gedreht, bis die gesamten Lmfangsoberflächen der Ringe beschichtet sind. Wie die F i g. 7 zeigt, nimmt die Beschichtung 21 eine Wellenform an, um den Konturen der Umfange der Ringe zu folgen, und die Beschichtung bedeckt den Boden 16a und die Seiten der Nut 16 ^jwie die Stege 17 neben den Nuten.

Das Plasmastrahlverfahren für die Aufbringung der Karbidbeschichtungen umfaßt die Zuführung eines hochenergetischen elektrischen Stromes durch ein zweiatomiges Gas, wie beispielsweise Stickstoff oder Wasserstoff, oder durch ein einatomiges Gas, wie beispielsweise Argon oder Helium, um das Gas zu ionisieren, wodurch ein hochenergefisches Plasma erzeugt wird, welches Wärmeenergie an ein Pulver abgibt, das aus den Legierungsbestandteilen besteht, die verdampft und in der Ringnut niedergeschlagen sind, und zwar als eine in situ ausgebildete hitzebeständige Karbidlegierung, wobei sich die Karbide in Lösung befinden. Bevorzugte hitzebeständige Karbidlegierungen umfassen die Karbide von Wolfram, Titan, Tantal, Columbium, Molybdän, Vanadium, Chrom, Circonium, Hafnium, Silizium und Bor. Metalle, wie beispielsweise Kobalt, Nickel, Chrom, Aluminium und Bor, sind in der Legierung vorgesehen, um eine Dreiphasenbeschichtung zu erzeugen, mit einer harten Phase, die aus den Karbiden in Lösung in einem anderen Metall besteht, einer zweiten Phase, die ebenfalls aus Karbiden in Lösung besteht, jedoch weniger hart ist als die erste Phase, und mit einer dritten Phase die aus einer Matrix des Basismetalls mit erheblich geringerer Härte als die erste und zweite Phase besteht.

Eine typische Pulverzusammensetzung zur Zuführung in den Plasmastrahlstrom ist die folgende:

25 bis 55 Gewichtsprozent Wolframkarbid,
4 bis 8 Gewichtsprozent Kobalt,

25 bis 4b Gewichtsprozent Nickel,
3 bis 7 Gewichtsprozent Chrom,
0 bis 1 Gewichtsprozent Aluminium,

0 bis 3 Gewichtsprozent Bor,
Rest Eisen.

Der Wolframkarbidgehalt des Pulvers kann mit anderen Karbiden gemischt werden oder durch andere Karbide ersetzt werden, wie beispielsweise mit oder durch die Karbide von Metallen und Metalloiden aus der Gruppe, die Titan, Tantal, Columbium, Molybdän, Vanadium, Chrom, Circonium, Hafnium, Silizium und Bor umfaßt.

Ein bevorzugtes Pulvergemisch, welches der Leitung 29 der Pistole 22 zugeführt wird, hat die folgende Zu-

40°/o	Wolframkarbid,
5%	Kobalt,
36,5%	Nickel,
6%	Chrom,
l°/o	Bor,
0,5%	Aluminium

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sammensetzung in Gewichtsprozenten: Härte von etwa 1000 DPN auf und eine totale offene

und geschlossene Zellporosität von 15 bis 25%. Andererseits ist die darunterliegende Schicht 21 wesentlich dichter und weist eine totale offene und geschlossene 5 Zellporosität von etwa 10% auf.

Den F i g. 7 und 8 ist zu entnehmen, daß der Abschnitt der Beschichtung 21, der die Stegbereiche 17 bedeckt, sehr dünn ist, wobei die Hauptmasse der Beschichtung in den Nuten 16 liegt. Hierdurch wird nicht ίο nur Beschichtungsmetall gespart; es wird auch, wie ..... ...!'wesentlichen Eisen mit genügen ⁿ°^ch beschrieben werden soll die Fertigbearbeitung

Mengen Silizium und Kohlenstoff. erletrfjtert. Die Beschichtung 32 folgt der Kontur der

Beschichtung 21, wie es in F ι g. 8 gezeigt ist, und ist ebenfalls an den Bereichen dünner, die über den Ste-Die bevorzugte Beschichtung 21 ist eine Wolfram- 15 gen 17 liegen.

karbidlegierung, die eine hexagonale, dichte, kristal- Wie F i g. 9 zeigt, weisi ein Ring 11 eine konturierte

line Packungsstruktur in einer Matrix aufweist, die Nut 38 auf, um weiterhin hartes Beschichtungsmetall hauptsächlich aus Nickel und Chrom zusammenge- zu sparen. Die Nut 38 weist einen erhabenen mittleren setzt ist. Diese Legierung weist drei Hauptphasen auf. Bodenabschnitt 38a auf, so daß die Nut einen flachen Die härteste Phase besteht aus Wolframkarbid in ao Mittelabschnitt mit tiefer gewölbten Endabschnitten Lösung mit dem Kobalt und weist eine Vickers-1iärte 38A hat. Dies ermöglicht es, daß die Beschichtung 21 von 2900 bis 4000 DPN auf. In dieser Phase sind die im Hauptkörper der Nut dünner sein kann, ohne daß Karbide gut gelöst und nicht scharf. Die zweite Phase dadurch die gewölbten Konturen der Nutenenden bebesteht ebenfalls aus Wolframkarbid und Kobalt, wo- vinträchtigt werden, was wesentlich ist, um Fehler bei sich die Karbide in Lösung befinden. Diese Phase 45 während des Aufsprühens zu vermeiden. Die Bcschichhat eine Teilchenhärte im Bereich von 2100 bis 3200 rung 21 folgt der Kontur der modifizierten Nut 38, und Vickers DPN. Die dritte Phase ist eine Matrix, die die Beschichtung 32 folgt dann der modifizierten Konhaupisächiich aus Nicke! und Chrom hesteht, wobei tür der Beschichtung 21. Auch hier sind wiederum die Bor gleichförmig verteilt ist, und diese Phase weist eine Querschnitte der Beschichtungen über den Stegabschnit-Vickers-Härte im Bereich von 900 bis 1200 auf. Eine 30 ten 17 des Ringes sehr dünn.

vierte Phase, die einen geringen Volumanteil umfaßt, Es sei bemerkt, daß die Ringe im Stapel am Kern 20,

enthält Aluminium und ist weicher als die dritte Phase. der in den F i g. 4 und 5 gezeigt ist, sehr fest zusammen-Die Wolframkarbide bestehen in der bevorzugten Le- gezogen sind, so daß das aufgesprühte Beschichtungsgierung hauptsächlich aus W₂C und (WCo)₂C. material nicht die gespaltenen Enden der Ringe be-

Es ist wünschenswert, in den Nuten der zusammen- 35 deckt.

gesetzten Ringe eine Temperatur aufrechtzuerhalten, Wie in den F i g. 8 und 9 dargestellt, werden die mit

die ausreichend niedrig ist, um ein übermäßiges Schmel- mehreren Schichten bedeckten Ringe bis auf eine zen und Ausbrennen des Ringmetalls 11 zu verhindern. Tiefe geschliffen, die im allgemeinen durch die Strecke/1 Zu diesem Zweck ist der Kern der Ringe vorzugsweise gekennzeichnet ist, und dadurch wird das gesamte Bemittels eines äußeren Inert-Gasstrahles gekühlt, der zu 4° Schichtungsmetall über den Stegbereichen 17 entfernt, beiden Seiten der Strahlfiamme auf trifft. Es ist wün- Das Ringmetall 11 wird an diesen Stegbereichen freisehenswert, die Temperaturen der Ringe im Kern auf gelegt, und ferner wird die Beschichtung 21 an den etwa 205⁰C oder niedriger zu halten. Es ist nicht er- Enden der Nuten unmittelbar neben diesen Stegen freiforderlich, irgendeine anschließende Wärmebehand- gelegt. Das Schleifen wird erleichtert, da es hauptsächlung für die plasmastrahlbeschichteten Ringe vorzuse- 45 lieh erforderlich ist, die weichere äußere Schicht 22 zu hen, und es ist lediglich erforderlich, die Ringe in Luft entfernen und lediglich verhältnisnü 3ig dünne Beabzukühlen, reiche der härteren Schicht 21, die über den Stegen 17

Nachdem die Beschichtung 21 aufgebracht ist, neh- liegen.

men die Ringe, die auf den Kern aufgesteckt sind, die Der fertige Ring weist, wie in den F i g. 3 und 10 darnächste Beschichtung 32 auf, wie es in den F i g. 5 und 50 gestellt, eine untere harte Schicht 18 auf, die fest mit 8 gezeigt ist. Die Beschichtung 32 wird von einer oder dem Ring 11 in der Nut 16 verbunden ist, wie es längs von mehreren Flammensprühpistolen 33 aufgebracht, der Grenzfläche 39 schematisch veranschaulicht ist. wobei diese Pistolen mit einem reinen Molybdän- Die äußere harte Schicht 19 ist in den Mittelabschnitt Draht 34 gespeist werden und mit einem Oxy-Azetylen- der Schicht 18 eingebettet und an dieser längs einer Brennstoff oder mit einem Methyl-Azetylen-Propedien- 55 Grenzfläche gebunden, die mit 40 gekennzeichnet ist. Brennstoff gas, und zwar über Speiseleitungen 35. Die Die Schicht 18 liegt lediglich bei 18 a neben den Stegen Flammensprühstrahlen 36 treffen auf die Beschichtung 17 frei. Wie F i g. 3 zeigt, berühren diese frei liegenden 21 und folgen der Kontur dieser Beschichtung, um die Abschnitte jedoch nicht die Zylinderwandung C, wenn Beschichtung 32 aufzubringen, und die in F i g. 8 dar- der Kolbenring in der Ringnut G des Kolbens P mongestellte Wellenform folgt der Kontur der Beschichtung 60 tiert ist, und zwar wegen der tonnenartigen äußeren 21. Die Beschichtung 32 ist wesentlich dünner als die Kontur des Ringumfangs 13.

Beschichtung 21, jedoch bedeckt die Beschichtung 32 Im Betrieb wird der Ring 10 in Umfangsrichtung im

die gesamte Beschichtung 21. Zylinder C zusammengedrückt, um den freien Spalt an

Aus F i g. 8 ist zu erkennen, daß die Beschichtung 32 seinen Enden zu schließen, wie es in den F i g. 1 und 2 das Basismetall 11 nicht berührt und immer von diesem 65 gezeigt ist, so daß der äußere Umfang des Rings gegen Metall durch die darunterliegende Schicht 21 getrennt die Zylinderwandung am Hauptdurchmesser der tonist, nenförmigen Oberfläche anliegt. Dadurch liegt die Die Molybdänbeschichtung 32 weist eine Vickers- äußere Schicht 19 gegen die Zylinderwandung an, um

eine Abdichtung zu schaffen, während die Unterseite 15 des Rings gegen die Bodenfläche der Ringnut G anliegt, um die Abdichtung zwischen dem Ring und dem Kolben zu erzeugen.

Im fertigen Ring 10, der in den F i g. 3 und 10 dargestellt isi, weist die innere Schicht eine radiale Dicke von etwa 0,01 bis 0,02 cm auf, während die äußere Schicht 19 wesentlich dünner ist und eine Dicke von etwa 0,0025 bis 0,01 cm hat.

Während der Einlaufperiode oder Einfahrperiode eines Motors, der mit den erfindungsgemäßen Ringen 10 ausgerüstet ist, ist die poröse Schicht 19 mit öl gesättigt.

Während dieser Einfahr- oder Einlaufperiode kann

das Molybdän oxydieren und abgenutzt werden. Jedoch können diese Oxyde leicht aus dem Motor abgeführt werden, und zwar ohne Beschädigung irgendeines Motorteils. Wenn dann die dünne Molybdänbeschichtung allmählich abgenutzt ist, gelangt die Karbidbeschichtung in Anlage gegen die Oberfläche und dichtet gegen die Zylinderwandung ab. Zu diesem Zeitpunkt ist eine große Schmiermittelkapazität nicht mehr erforderlich, und die aneinander angepaßten ίο Oberflächen sind frei von erhöhten Stellen, die sonst lokalisierte hohe Temperaturen erzeugen könnten, so daß nunmehr die härtere, hochwarmfestere Karbidbeschichtung einen besseren Verschleißschutz für die Restzeit der Lebensdauer bildet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

sondere Verschleißfestigkeit der verchromten Kolben-Patentansprüche: ringe verlorengeht. Es wird auf diesen Kolbenring ein verschleißfester poröser Werkstoff aufgesprüht. } lierbei

1. Kolbenring für Brennkraftmaschinen, der aus treten Verankerungsschwierigkeiten auf, und um diese einem Eisenmetall besteht und auf seiner Lauf- 5 zu beheben, sind Verankerungsnuten in den Kolbenfläche zwei nacheinander im Metallspritzverfahren ring eingeschnitten. Das Einschneiden derartiger Nuten aufgebrachte Beschichtungen aufweist, von denen in einen sehr schmalen Kolbenring ist außerordentlich die erste auf das Grundmetall aufgetragene Schicht schwierig.

aus einem harten, verschleißfesten Werkstoff be- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen

steht und die zweite darauf aufgetragene Schicht io Kolbenring zu schaffen, der sehr gute Einlaufeigenaus einem porösen und verschleißfesten Werkstoff. schäften aufweist, so daß die Lebensdauer einer Brennz. B. Molybdän, als Einlaufschicht dient, da- kraftmaschine, die mit derartigen Kolbenringen ausdurch gekennzeichnet, daß die erste gerüstet ist, wesentlich verlängert wird.
Schicht (18) aus einer porösen, hitzebeständigen Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß die

Metallkarbid-Legierung, ausgewählt aus der 15 erste Schicht aus einer porösen, hitzebeständigen Gruppe, die die Karbide von Wolfram, Titan, Tan- Metallkarbid-Legierung, ausgewählt aus der Gruppe, tal, Columbium, Molybdän, Vanadium, Chrom, die die Karbide von Wolfram, Titan, Tantal, Colum-Circonium, Hafnium, Silizium und Bor umfaßt, be- bium. Molybdän, Vanadium, Chrom, Circonium, steht, daß die zweite Schicht (19) eine Dicke von Hafnium, Silizium und Bor umfaßt, besteht, daß die etwa 0,025 bis 0,1 mm hat und daß beide Schichten 2° zweite Schicht eine Dicke von etwa 0,025 bis 0,1 mm in einer umlaufenden Nut des Grundringes derart hat und daß beide Schichten in einer umlaufenden Nut angeordnet sind, daß nach völligem Verschleiß der des Grundringes derart angeordnet sind, daß nach zweiten Schicht die erste Schicht trägt. völligem Verschleiß der zweiten Schicht die erste

2. Dichtungsring nach Anspruch 1, dadurch ge- Schicht trägt.

kennzeichnet, daß die erste Schicht (18) eine mitt- 25 In vorteilhafter Weise ist während des Einlaufens lere Nut aufweist, die die darüberliegende zweite die zweite Schicht wirksam, die sehr porös und mit Öl Schicht (19) aufnimmt, und daß diese erste Schicht gesättigt ist. Das Molybdän, welches diese poröse (18) neben d'.n Seiten der Nut im Dichtungsring Schicht bildet, weist den besten Verschleißwiderstand frei (bei 18a) liegt. eines Einlaufmaterials auf.

3. Dichtungsring nach Anspruch 1 oder 2, da- 30 Durch die Erfindung werden hartbeschichtete KoI-durch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (19) benringe geschaffen, die eine äußere Schicht aufweisen, aus porösem Molybdän bestehi, welches eine Ge- die hart, feuerbeständig und verschleißfest ist und sehr samtporosität von 15 bis 25 % aufweist, und daß die porös, so daß diese Schicht während des Einlaufens des erste Schicht (18) eine weniger poröse und hitzebe- Motors sehr wirksam ist. Bei hohen Reibgeschwindigständigere Schicht aus Wolframkarbid in Lösung 35 keiten erzeugen lokalisierte, hoch gelegene Stellen in mit Kobalt in einer Matrix aus hauptsächlich den miteinander in Berührung stehenden Oberflächen Nickel und Chrom ist. zwischen dem Kolbenring und dem Zylinder des

Motors Temperaturen in der Ringoberfläche, die

etwa 540⁰C und mehr erreichen. Das äußere Beschich-

40 tungsmaterial der erfindungsgemäßen Ringe kann bei

diesen Temperaturen oxydieren. Dies führt jedoch

nicht zu einem gefährlichen Ausfall wie bei Chrombeschichtungsmaterialien und anderen harten Kolbenringbeschichtungsmaterialien, und diese Oxyde sind

Die Erfindung betrifft einen Kolbenring für Brenn- 45 weich und gehen aus dem Motor heraus und erzeugen kraftmaschinen, der aus einem Eisenmetall besteht und keine Beschädigung. Die poröse äußere Schicht auf seiner Lauffläche zwei nacheinander im Metall- wird allmählich abgenutzt, um die darunterliegende, spritzverfahren aufgebrachte Beschichtungen aufweist, weniger poröse und feuerfestere Schicht freizugeben, von denen die erste auf das Grundmetall aufgetragene die nicht die Oberflächenoxydationseigenschaften der Schicht aus einem harten, verschleißfesten Werkstoff 50 äußeren Schicht aufweist. Zu der Zeit jedoch, zu der besteht und die zweite darauf aufgetragene Schicht aus die untere Schicht in Betrieb genommen wird, haben einem porösen und verschleißfesten Werkstoff, z. B. sich die Ring- und Zylinderoberflächen zu zueinander Molybdän, als Einlaufschicht dient. passenden Laufoberflächen abgeschliffen, und die ört-

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster 1 977 646 ist liehen hohen Stellen sind ebenfalls abgeschliffen. Wenn ein Kolbenring bekannt, dessen Lauffläche zunächst 55 also die darunterliegende Schicht in Betrieb genommen verchromt und anschließend mit einer Vanadium- wird, ist kein weiterer Bedarf für die extrem poröse Chrom-Schicht überzogen ist, die auf galvanischem äußere Schicht vorhanden, und die feuerfestere, weni-Wege aufgetragen wurde. Die galvanisch abgeschiedene ger poröse Materialschicht kann in wirksamer Weise Schicht ist nicht porös und eignet sich nicht besonders über längere Betriebszeiten eine Abdichtung erzielen, gut als Einlaufschicht. 60 _um dadurch die Betriebsdauer des Motors vor einer

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster 1 953 020 ist Überholung zu erhöhen.

ein Kolbenring für Brennkraftmaschinen mit einem Mit Vorteil kann die erste Schicht eine mittlere Nut

verschleißfesten Laufflächenüberzug aus Chrom be- aufweisen, die die darüberliegende zweite Schicht aufkannt, wobei eine oder mehrere in die Laufflächen ein- nimmt, und diese erste Schicht kann neben den Seiten gearbeitete Nuten vorgesehen sind, die mindestens bis 65 der Nut im Dichtungsring frei liegen,
an den Grundwerkstoff reichen. Durch diesen Ring Mit besonderem Vorteil kann die zweite Schicht

soll die Bildung von Brandspuren in der Kolbenring- aus porösem Molybdän bestehen, welches eine Ge-'"»ufflächc verhindert werden, ohne daß dabei die be- samtporosität von 15 bis 25% aufweist, und die erste