DE2008753C3 - Kolbenring für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

z. B. Molybdän, als Einlaufschicht dient, d a- kraftmaschine, die mit derartigen Kolbenringen aus-

durch 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- Meullkarbid-Legjerung, ausgewählt aus der Gruppe,

tal, Columbiura, 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 ao zweite Schicht eine Dicke von etwa 0,02ä 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- «5 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 diere erste Schicht gesättigt ist. Das Molybdän, welches diese poröse

(18) neben den 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- 3° Durch die Erfindung werden hartbeschichtete KoI-durch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (19) benringe geschaffen, die eine äußere Schicht aufweisen, aus porösem Molybdän besteht, welches eine Ge- die hart, feuerbeständig und verschleißfest ist und sehr samtporosität von 15 bis 25 % aufw. Ist, 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 "ußere 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 Grunumetali aufgetragene die nicht die Oberflächenoxydationseigenschaften der Schicht aus einem harten, verschleißfesten Werkstoff 5° 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. 6o 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 Gelauffläche verhindert werden, ohne daß C bei die be- samtporosität von 15 bis 25% aufweist, und die erste

Schichtkanneroewemgerporöseundhiizebestandigere der Kathode 24 verbunden und mit ihrem

Schicht aus Wolfromkarbid in Lösung mit Kobalt in Anschluß mit der Anode 25 Em üas, wie

einer Matrix aus hauptsächlich Nickel und Chrom weise Wasserstoff, Stickstoff oder AW«"«

sein. Kammer 27 im Gehäuse von einer Speiseteitung^

Die Erfindung soll in der folgenden Beschreibung 5 zugeführt, und ein Pulver aus einem nocnw

unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung er- Metall wird dem Dösenauslaß der Anode,»

läutert werden. Es zeigt Leitung 29 zugeführt. Ein Lichtbogen 30 ι

F i g. 1 eiae Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Stromdichte wandelt die Gasatome u»

Kolbenring, bei der ein Teil fortgebrochen ist, um den tisches Plasma um, welches eine groBei

Innenaufb?» zu zeigen, io keit aufweist, und dieses Plasma geU durch die Anode

F i g. 2 eine Endansicht des in F i g. I dargestellten hindurch und bildet einen AusstoßstraM 31, der das ,

Ringes, Metallpulver aus der Leitung 29 aufnimmt und der die-

Fi g. 2 eine stark vergrößerte Schnittansicht, die ses auf die Umfange der Kolbenringe auf demι Kern den in den F i & 1 und 2 dargestellten Ring in einem treibt Der Kern wird gedreht, bis die gesamten 'UmKolben mit der dazußehörigen Zylinderwandung dar- 15 fangsoberflächen der Ringe bfschichtet^sind wie aie stem F i g. 7 zeigt, nimmt die Beschichtung 21 eine weiien

F ί g. 4 eine schematische Ansicht der Arbeitsweise form an, um den Konturen der Umfange der Ringe , si der Aufbringung der ersten Schicht aus hitzebeständi- folgen, und die Beschichtung bedeckt^°en «oaen gern Materill auf die Kolbenringe, 16a und die Seiten der Nut Ib sowie die Stege 17 neben

F i g. 5 eine ähnliche Ansicht wie F i g. 4, die die ao den Nuten. ·„„„„« Her

Aufbringung der zweiten Schicht aus warmfestem Ma- Das Plasmastrahlverfahrt-n fur die Ai^nngungder

terial zeigt Karbidbeschichtungen urof-üt die Zufuhrung eines

F i g. 6 eine vergrößerte SchnittansicU, welche zwei hochenergetischen elektrischen Stromes; durcn ein benachbarte, mit Nuten versehene Ringe zeigt, die für zweiatomiges Gas wie beispielswe/seS tickstoff oder die Aufnahme der ersten Schicht vorbereitet sind, >s Wasserstoff, oder durch ein einatomiges Gas, wie ca

F i g. 7 eine der F i g. 6 entsprichende Schicht, in spielsweise Argon oder Helium, um das Oas zuihmu der die erste aufgebrachte Schicht dargestellt ist, sieren, wodurch ein hochenergetisches Plasma erzeugt

F i g. 8 eine der F i g. 7 entsprechende Schicht, in wird, welches Wärmeenergie an J^^ÄS der die weite aufgebrachte Schicht dargestellt ist, aus den Legierungsbestandteil^ besteht, to ^amgt

F ig. 9 eine vergrößerte Teilschnittansicht eines 30 und in der Ringnut niedergeschlagen »nc,undzwaraJs Ringet mit einer abgeänderten Nutenform, wobei der eine in situ ausgebildete h.tzebestand.ge Karbid!egie Aufbau der abgeschiedenen Schichten in der Nut dar- rung, wobei sich die Karbide w' ^Los"^ ™_m?_asJ_n e-stHlt ist und vorzugte hitzebeständige Karbidlegierungen umfassen

⁸ Vi g. W eine stark vergrößerte Schnittansicht eines die Karbide von Wolfram Titan/?***< ^⁰¹™^™' Ringes, die die miteinander verbundenen Schichten 35 Molybdän, Vanadium, Chrom, Circonium Hafnium ' : Jr Silizium und Bor. Metalle, wie beispielsweise Kobalt,

Der in den F i g. 1 bis 3 dargestellte Kolbenring 10 Nickel, Chrom, Aluminium und,Bor; ^J ^dJ^{r 1}^ besteht aus einem Spaltring 11 aus modularem Guß- rung vorgesehen, um «^M DieipoaKnbe^chtung^n eisen, d r die Querschnittsform eines Gewölbeschluß- erzeugen, nut einer härten Phase dJ"£f» £j^£ steines hat, mit einem schmalen, zylindrischen Innen- 40 in Lösung in einem anderen Metall besteht eine:zwa umfang 12 und einem breiteren, faßförmigen äußeren ten Phase, die ebenfalls aus Karbidenι in Losung be Umfang 13, und der flache, geneigte obere und untere steht, jedoch weniger hart ist ah ^ enteFha* Seitenflächen 14 und 15 hat, die vom äußeren Umfang und mit e.ner dritten Phase die aus einer_Mlatex des 13zuminnerenUmfangl2hinkonvergieren.Deräußere Basismetalls mit erheblich geringerer Harte als die ümfan« 13 des Ringes 11 weist eine Ringnut 16 auf, die 45 erste und zweite Phase ^Destem; _{z füh}.

sich um diesen herum erstreckt. Diese Nut hat einen Eine W^^™^™*™*^^^.

flachen Boden 16a und gewölbte Flanken 166. rung in den Plasmastrahlstrom ist die folgende. Stege 17 sind am Umfang 13 zwischen den Flanken
16 b und den Obei und Unterseiten 14 und 15 des 25 bis 55 Gewichtsprozent Wolframkarbid,

Ringes vorgesehen. 5<> Gewichtsprozent Kobalt,

Die Nut 16 ist mit einer ersten Schicht 13 und einer ^{4 D1S} ° »Jewiwuspi

zweiten Schicht 19 aus verschiedenen hochwarmfesten 25 bis 45 Gewichtsprozent Nickel,

oder hitzebeständigen Metallen gefüllt. Die erste _{3 bi}„ _? Gewichtsprozent Chrom,

Schicht 18 folgt der Kontur der Nut 16 und läßt eine . Aluminium

Aussparung frei, die die zweite Schicht 19 aufnimmt. 55 0 bis 7 Gewichtsprozent Aluminium,

Wie in den F i g. 4 und 5 dargestellt, werden die 0 bis 3 Gewichtsprozent Bor,

Ringe 11 auf einen Kern 20 aufgesteckt, wobei deren Rest Eisen. Seitenflächen dicht gegeneinander festgezogen werden

60 Der Wolframkarbidgehalt des Pulvers kann mit ande-

^ndtfremetn *> Der Wolframkarg

^aW äSnümfänge der Ringe, die auf den Kern20 ren Karbiden gemischt

aufgesteckt sind, werden mit einer Beschichtung 21 be- Karbide ersetzt werde η

dk di ittl i Plstrahlpistole 22 aufge durch die ^T^^

aufgesteckt sind, werden mit einer Beschichtung 2 be

deckt, die mittels einer Plasmastrahlpistole 22 aufge- durch die ^T^

tragen wird. Die Plasmastrahlpistole 22 weist ein iso- der Gruppe die Titan,^T^" ^· ^"Ä

liertes Gehäuse 23 auf, welches eine Kathode 24 am 65 Vanadium, Chrom, Circonium, Hafnium,

und und

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

und ({eschlossene Zellporosität von 15 bis 25%. Andern o/ vj if w WA rerseits ist die darunterliegende Schicht 21 wesentlich W I₀ wonramKaroia, _{djchter und wejst ejne t<jtale offene un(J gesch]ossene}

5% Kobalt, 5 Zellporosität von etwa 10% auf.

36 5 ⁰J Nickel ^^en F' 8· ? und 8 ist zu entnehmen, daß der Ab-

' ' schnitt der Beschichtung 21, der die Stegbereiche 17

6% Chrom, bedeckt, sehr dünn ist, wobei die Hauptmasse der Be-

1 % Bor, schichtung in den Nuten 16 liegt. Hierdurch wird nicht

η so μ · ■ m ¹⁰ n^ur Beschichtungsmetall gespart; es wird auch, wie

' '· ResHm wTsentlichen Eisen mit geringen ««* **f ™^be" ^w'^rd™ "⁰¹I₁^₁JfW"^T

Mengen Silizium und Kohlenstoff. "¹^T, ⁰^*¹¹¹⁰¹¹!¹¹¹¹! ³² ™# ^d" Kontur der

⁶ 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- »5 gen 1.7 liegen.

karbidlegierung, die eine hexagonale, dichte, kristal- Wie F i g. 9 zeigt, weist ein Ring U eine konturierte line Packungsstruktur in einer Matrix aufweist, die Nut .38 auf, um weiterhin hartes BeschichUingumetall hauptsächlich aus Nickel und Chrom zusammenge- zu sparen. Die Nut 38 weist einen erhabenen mittleren setzt ist. Diese Legierung weist drei Hauptphasen auf. Botknabschnitt 38a auf, so daß die Nut einen Ilachen Die härteste Phase besteht aus Wolframkarbid in »o Mittelabschnitt mit tiefer gewölbten Endabschnitten Lösung mit dem Kobalt und weist eine Vickers-Härte 3Sb 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 ka.in, ohne daß Karbide gut gelöst und nicht scharf. Die zweite Phase dadurch die gewölbten Konturen der Nutenenden bebesteht ebenfalls aus Wolframkarbid und Kobalt, wo- einträchtigt werden, was wesentlich ist, um Fehler bei sich die Karbide in Lösung befinden. Diese Phase as während des Aufsprühens zu vermeiden. Die Beschichhat eine Teilchenhärte im Bereich von 2100 bis 3200 tung 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 Konhauptsächlich aus Nickel und Chrom besteht, wobei tür der Beschichtung 21. Auch hier sind wiederum die Bor gleichförmig verteilt ist, und diese Phase weist eine Querschnitte der Beschichtungen überdenStegabschnit-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 Beschichtungs-

gierung hauptsächlich aus W,C und (WCo)_sC. 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 Ausbrennendes Ringmetalls 11 zu verhindern. Tiefe geschliffen, die im allgemeinen durch die Strecket Zu diesem Zweck ist der Kern der Ringe vorzugsweise gekennzeichnet ist, und dadurch wird das gesamte Bemittels eines äußeren Inert-Gasslrahles gekühlt, der zu 40 Schichtungsmetall über den Stegbereichen 17 entfernt. beiden Seiten der Strahlflamme auftrifft. 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- Endi:n der Nuten unmittelbar neben diesen Stegen freiforderlich, irgendeine anschließende Wärmebehand- gelegt. Das Schleifen wird erleichtert, da es hauptsächlung für die plasmastrahlbeschichteten Ringe vorzuse- 45 Hch erforderlich ist, die weichere äußere Schicht 22 zu hen, und es ist lediglich erforderlich, die Ringe in Luft entfernen und lediglich verhältnismäßig dünne Beabzukühlen, reiche der härteren Schicht 21, die über den Stefc/n 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 gestallt, eine untere harte Schiebt 18 auf, die fest mit 8 gezeigt ist Die Beschichtimg 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. Brennstoffgas, und zwar über Speiseleitungen 35. Die Die Schicht 18 liegt lediglich bei 18a 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 mongcstertte Wellenform folgt der Kontur der Beschichtung 60 ttert 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 d&s 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 en, um

eine Abdichtung zu schaffen während die Unterseite 15 des Rines gegen die Bodenflache der Ringnut ο anliegt, um^Sdie⁸ Abdichtung zwischen dem Ring und

Ä£"r «n den F i * 3 und 10 darge-

eines Motors, der mit den erfindungsgemaßen Rmgen 10 ausgerüstet ist, ist die poröse Schicht 19 mit Ol

^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 Zehpunkt ist eine große Schmiermittelkapazität nicht mehr erforderlich, und die aneinander angepaßten 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

409624/3"

Claims (1)

ί * ι sondere VersohleiOfestigkeit der verchromten Kolben- .'- Patentansprüche: ringe verlorengeht. 6s wird auf diesen Kolbenring ein verschleißfester poröser Werkstoff aufgesprüht. Hierbei

1. Kolbenring for Brennkraftmaschinen, der aus . treten Verankerungsschwierigkeiten auf, und um diese einem Eisenmetall besteht und auf seiner Lauf- 5 zu beheben, sind Verankerungsnuten in den KolbenflSche 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 "> Kolbenring zu schaffen, der sehr gute Einiaufeigen-

aus einem porösen und verschleißfesten Werkstoff, schäften aufweist, so daß die Lebensdauer einer Brenn-