DE2030556A1

DE2030556A1 - Kolbenring

Info

Publication number: DE2030556A1
Application number: DE19702030556
Authority: DE
Inventors: Herbert Frederick Missouri Mo. Prasse (V.St.A.)
Original assignee: Ramsey Corp
Current assignee: TRW Automotive Products Inc
Priority date: 1969-10-20
Filing date: 1970-06-20
Publication date: 1971-04-29
Also published as: GB1291294A; US3617349A; CA921726A; DE2030556C3; FR2065826A5; DE2030556B2

Description

£i'.-jng. Egon Prinz βσοο München 60, ^o !('"i

br. Gertrud Mauser ■■ &..b_Ug.r.«r._M.i| . iüUUil

^i.-:.«.g. Goitfried Leiser

Patentanwälte '

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Telefon.ω-isle ■ Manchester and Weidmen Roads

l'uitschcckkonlo ι München 117078

St. Louis, Missouri 63 166 /YStA

Unser Zeichen: R 747

Kolbenring.

Die Erfindung bezieht sich auf Zylinderdichtungs- oder Kolbenringe und auf die Schaffung von lauf- oder Gleitflächen an Kolbenringen. :·

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Beschichtungen an Kolbenringen, die außerordentlich gute Antifriktionseigenschaften aufweisen, die insbesondere beim Einlauf en einer Brennkraftmaschine von Wert sind* ..

Eine der kritischsten Betriebszeiten der Zylinder-Kol-. benbaugrupp'e einer Brennkraftmaschine isrt die Einlauf-Periode. Während dieses Einlaufbetriebes treten eine Anzahl von physikalischen und vielleicht auch chemischen Änderungen der Laufoberflächen der.Kolbenringe und der Zylinderlaufbuchse auf. Nach dieser Einlaufoder Einfahrperiode, die etwa, eine Strecke von tausend Meilen umfassen kann,, haben sich die Eigenschaften der Oberflächen der Kolbenringe und der Zylinderlaufbüchse geändert und diese Änderungen sollten zu optimalen leistungsGharakteristiken führen. Während dieser Einlaufzeit sollte ein Kolbenring und zwar sowohl ein Kompressionsring als auch ein Ölabstreifring maximale

Antifriktionseigensohaften

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Antifriktionseigenschaften oder eine minimale .Ipreaa,- ..... neigung aufweisen. .. . _: ..,. , ■ . .:.--.

Um einen dichten Sitz mit den Korbenringen zu erzielen, sind die Zylinderlaufflächen normalerweise gehont,oder poliert. Es wurde jedoch gefunden, daß eine.derartige Bearbeitung den Nachteil aufweist, daß die Graphittaschen im Zylinder, die normalerweise zu den Oberflächen führen, geschlossen wurden. Die natürliche Antifriktionseigenschaft des Zylinders wurde dadurch wesentlich herabgesetzt. ".

Um diesen Nachteil zu überwinden, wurde vorgeschlagen, daß die Laufoberfläche eines Kolbenringes mit einem trockenen Schmiermittelfilm überzogen wird, beispielsweise aus Graphit. Die Oberflächenschicht wird jedoch sehr schnell nach einer verhältnismäßig kurzen Betriebszeit verwischt und die gewünschte Antifriktionseigen-

schaft geht verloren. Die Iressneigung wird dadurch wesentlich erhöht.

Es wäre deshalb ein wesentlicher Fortschritt in der Technik, wenn man einen Kolbenring zur Verfügung hätte, der eine harte Arbeitaoberfläche aufweist und dennoch die gewünschten Antifriktionseigenschaften hat und zwar insbesondere während des Einlaufens der Brennkraftmaschine und auch nach diesem Einlauf betrieb. Durch die Erfindung werden Kolbenringe mit harten,Oberflächen geschaffen, die lang anhaltende .Antifriktionseigenschaften.. von speziellem. Wert während des Einlaufens einer Brennkraftmaschine aufweisen. Diese Antifriktionseigenschaft der Kolbenringe verbleibt noch nach' der.kritischen Einlaufperiode. ^: .',. ■■·.-. .. ■

Der erfindungsgemäße "Kolbenring- weist eine Lauffläche

oder

. 10 9818/2064 ^; 'V

oder eine Gleitfläche auf, die mit einem harten porösen Metall oder mit einer Metallegierung "beschichtet ist. Um das gewünschte Ziel der Antifriktionseigenschaften zu erreichen, sind die Poren des Metalls oder der Metallegierung mit einem festenAntifriktions-mittel, wie beispielsweise Graphit, imprägniert. Das Konzept der Imprägnation ist insbesondere von Bedeutung, um eine lang anhaltende Schmierperiode zu erreichen und zwar insbesondere während der Einlaufzeit der Brennkraftmaschine. Lediglich eine Schmiermittelbeschichtung' der metallbeschichteten Gleit- oder Laufoberfläche ist unwirksam, weil diese Beschichtung verbraucht ist, ehe das Einlaufen der Brennkraftmaschine beendet ist.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung dieser Kolbenringe. Dieses Verfahren umfaßt die Stufen der Beschichtung der Gleit- oder Laiffläche eines Kolbenringes mit einem harten porösen Metall oder einer harten porösen Metallegierung. Der beschichtete Hing wird dann erhitzt, um die Luft aus den Poren der Beschichtung herauszutreiben. Der noch heiße Kolbenring wird dann mit einem Antifriktionsmittel in Berührung gebracht, welches in einem flüssigen Lösungsmittel gelöst oder dispergiert ist, wobei dieses flüssige Lösungsmittel als Träger wirkt. Nach der Berührung des Ringes wird das Antifriktionsmittel in die Poren der BeSchichtungen hineingezogen und verbleibt in diesen Poren als Imprägnierung der Beschichtung. Der flüssige Träger, der die heiße Oberfläche des Kolbenringes berührt, wird von diesem Ring verdampft.

Es ist ein Ziel der Erfindung, einen verbesserten Kolbenring zu schaffen.

Ein spezielles Ziel der Erfindung ist ea, einen Kolbenring

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ring zu schaffen, dessen lauf- oder G-leitoberfläche derart behandelt ist, daß diese sowohl eine lange Verschleißfestigkeit im Betrieb aufweist als auch eine ausgezeichnete Schmierung und zwar insbesondere während des Einlaufens der Brennkraftmaschine, wobei ganz erheblich die Neigung zum Festfressen im Zylinder ausgeschaltet wird, was zu einem Ausfall der Brennkraftmaschine" führen kann.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen Antifriktionskolbenring zu schaffen, mit welchem das abbrechende Drehmoment der Brennkraftmaschine wesentlich verringert werden kann und zwar verglichen mit Brennkraftmaschinen, bei denen bekannte beschichtete Kolbenringe verwendet werden.

Weiterhin ist es Ziel der Erfindung, ein einfaches Verfahren zur Herstellung der im vorstehenden beschriebenen Kolbenringe zu schaffen, bei welchem keine mehrstufige, teure und komplizierte Arbeitsweise verwendet wird.

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

Fig. 1 ist eine mikrofotographische Darstellung der Oberfläche eines Zylinders nach dem Honen vor dem Betrieb,

Fig. 2 ist eine mikrofotographische Darstellung einer Zylinderoberfläche nach einer Betriebsperiode,

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Reibungsleistung als Funktion der Drehzahl eines erfindungagemäßen Kolbenringes verglichen mit einem bisher verwendeten Kolbenring, . ·

" ■'■'■; "' ^: ' 'Fig.4

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Fig. 4 is,t eine graphische Darstellung in der abbrechende Drehmomente miteinander verglichen werden und zwar bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Kolbenringes im Vergleich mit bisher bekannten Kolbenringen,

Fig. 5 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Brennkraftmaschinenzylinders und eines Kolbens, wobei der Kolben Hingnuten aufweist, die mit Kompressionsringen und Ölabstreifringen ausgestattet sind, wobei jeder Ring eine Laufoberfläche aufweist, die gegen den Zylinder anliegt und die aus einer in situ mittels eines Plasmastrahls aufgebrachten Beschichtung besteht, '

Fig. 6 ist eine vergrößerte Teilschnittansicht des oberen Kolbenringes des in Fig. 5 dargestellten Kolbens ,

Fig. 7 ist eine ähnliche Ansicht wie Fig. 6, welche den zweiten Kompressionsring des in Fig. 5 gezeigten Kolbens darstellt,

Fig. 8 ist eine ähnliche Darstellung wie Fig. 6, die den Ölabstreifring in der dritten Ringnut zeigt,

Fig. 9 ist eine Ansicht wie Fig. 6, die den Ölabstreifring in der vierten Ringnut zeigt und

Fig.10 ist eine schematisehe Ansicht einer Kolbenringanordnung, die mittels eines Plasmastrahls beschichtet wird.

¥ie im vorstehenden ausgeführt, sind die erfindungsgemäßen Kolbenringe solche, die eine Lauffläche aufweisen, die mit einem harten porösen Metall oder einer harten porösen Metellegierung beschichtet ist. In diese Poren des Metalls hinein ist ein Antifriktionsmittel imprägniert.

Der Kolbenring kann zuerst mit dem Metall oder mit der

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Metallegierung in üblicher Weise "beschichtet werden, obwohl es bevorzugt ist, daß die Kolbenringe unter Verwendung einer Plasmastrahltechnik beschichtet werden, wie es im einzelnen noch erläutert werden soll. Die Beschichtung selbst kann aus einer Anzahl von Metallen oder Metallegierungen gewonnen werden, wobei das einzige Erfordernis das ist, daß das Metall bzw. die Legierung eine ausreichende Porösität hat, um eine wesentliche Menge des Antifriktionsmittels aufnehmen zu können. Grundbeschichtungen, die verwendet werden können, umfassen Beschichtungen wie beispielsweise aus Molybdän, Molybdänlegierungen, Wolframkarbidlegierungen, Chromkarbidlegierungen, Aluminiumoxyd-Titanoxyd-Zirkoniumoxjdund dergleichen. Zur Erzielung bester Ergebisse sollte das poröse Metall oder die poröse Metallegierung eine offene » Porösität im Bereich von etwa 7 Volumenprozent bis zu etwa 30 Volumenprozent der äußeren Oberfläche der' beschichteten Lauffläche aufweisen. Inabesondere soll die Porösität im Bereich von etwa 7 Volumenprozent bis zu etwa 20 Volumenprozent liegen. Weiterhin sollten die Porenöffnungen ausreichend groß sein, damit ein ausreichender Einschluß des Antifriktionsmittels erfolgen kann. Normalerweise sollten die Abmessungen der Porenöffnungen im Bereich zwischen etwa 0,2 Mikron bis zu etwa 10 Mikron liegen. Bevorzugte Beschichtungen weisen Molybdän, Molybdänlegierungen und Wolframkarbidlegierungen auf.

Wie bereits ausgeführt, wird die Basisbeschichtung vorzugsweise mittels eines Plasmastrahlverfahrens aufgebracht, wobei die Beschichtung in situ auf der Laufoberfläche des Ringes ausgebildet wird. Die Beschichtung wird üblicherweise unter Verwendung eines Pulvers aufgebracht, das die verschiedenen Metalle oder*Metallegierungen als Pulverbestandteile enthält.

Eine 109818/206/*

— V

Eine typische Beschichtung kann aus einem Pulver hergestellt /werden, das Wolframkarbid und andere Metalle wie folgt enthält:

25 bis 55 Gewichtsprozent Wolframkarbid

4 bis 8 Gewichtsprozent Kobalt

25 bis 45 Gewichtsprozent Kickel

3 bis 7 Gewichtsprozent Chrom

O bis 7 Gewichtsprozent Aluminium

0 bis 3 Gewichtsprozent Bor . ■-.. Best im "wesentlichen Eisen.

Der Wolframkarbidgehalt des vorstehenden Pulvers kann mit anderen Karbiden gemischt sein oder durch andere Karbide ersetzt sein, wie beispielsweise durch Karbide der Metalle oder der Metalloide aus der Gruppe, die Titan, Tantal, Columbium, Molybdän, Vanadium, Chrom, Zirkonium, Hafnium, Silizium und Bor umfaßt.

Ein spezielles Wolframkarbidpulver ist ein Gemisch von der folgenden Zusammensetzung:'

40 Gewichtsprozent Wolframkarbid,

6 Gewichtsprozent Kobalt,

36,5 Gewichtsprozent Nickel,

6 Gewichtsprozent Chrom,

1 Gewichtsprozent Bor,

0,7 Gewichtsprozent Aluminium Rest im -wesentlichen Eisen mit geringen Mengen von Silizium und Kohlenstoff.

Andere bevorzugte Beschichtungen sind sogenannte MolybdänbeSchichtungen und zwar entweder mit Molybdän selbst oder mit einer Molybdänlegierung. Ein Molybdänpulver hat die folgende Zusammensetzung:

(Aufstellung) 109818/2064

65 bis go Gewichtsprozent Molybdän, 7 "bis 25 Gewichtsprozent nickel,

1 "bis 6 Gewichtsprozent Chrom, 0,3 "bis 1,5 Gewichtsprozent Bor, 0,2 "bis 1,5 Gewichtsprozent Silizium, Rest Eisen mit geringen Mengen an Kohlenstoff und Kobalt.

Ein "bevorzugtes Molybdänpulver hat die folgende Zusammens e tzung:

65 bis ^90 Gewichtsprozent Molybdän,

7 bis 24,5 Gewichtsprozent Nickel,

1,6 bis 5,8 Gewichtsprozent Chrom,

0,4- bis 1,3 Gewichtsprozent Bor,

0,3 'bis 1,4 Gewichtsprozent Silizium, Rest Eisen mit geringen Mengen an Kohlenstoff und Kobalt.

Ein weiteres bevorzugtes Pulvergemisch hat die folgende Zusammensetzung:

75 Gewichtsprozent Molybdän, 17,5 Gewichtsprozent Mekel, 4,12 Gewichtsprozent Chrom, 0,94 Gewichtsprozent Bor, 1,00 Gewichtsprozent Silizium, Rest Eisen, mit geringen Mengen an Kohlenstoff und Kobalt. ■

Ein weiteres bevorzugtes Pulver hat die folgende Zusammensetzung: -

65 bis 90 Gewichtsprozent Molybdän, 3,5 bis 12 Gewichtsprozent Nickel,

(Ports:) 1098 18/2064

3 bis 10 Gewichtsprozent Chrom, 1,5 bis 5 Gewichtsprozent Wolfram, *

1 bis 3 Gewichtsprozent Kobalt, • 0,8 bis 3 Gewichtsprozent Eisen, 0,2 bis 1 Gewichtsprozent Kohlenstoff, Rest Silizium und Mangan.

Ein spezielles Pulver, welches in den Bereich des vorste· henden Pulvers fällt, hat folgende Zusammensetzung:

80 Gewichtsprozent Molybdän,

. 7 Gewichtsprozent Nickel

6 Gewichtsprozent Chrom,

3 Gewichtsprozent Wolfram,

2 Gewichtsprozent Kobalt, 0,8 Gewichtsprozent Eisen,

0,4 Gewichtsprozent Kohlenstoff, Rest Silizium und Mangan.

Eine weitere bevorzugte Pulvermischung hat die folgende Zusammensetzung:

65 bis 90 Gewichtsprozent Molybdän,

6,5 bis 25 Gewichtsprozent Nickel,

1,3 bis 7 Gewichtsprozent Chrom

0,3 bis 1,7 Gewichtsprozent Silizium, '

0,2 bis 1,7 Gewichtsprozent Bor,

0,3 bis 1,7 Gewichtsprozent Eisen,

0,1 bis 0,4 Gewichtsprozent Kobalt, Rest Kohlenstoff und Mangan.

Ein weiteres spezielles Pulvergemisch, welches in den Bereich des vorstehend aufgeführten Pulvergemischea fällt, hat die folgende Zusammensetzung:

(Aufstellung) 1098 1 8/20 6 4

80 Gewichtsprozent Molybdän, 14,6 Gewichtsprozent Nickel, 2,8 Gewichtsprozent Chrom, 0,8 Gewichtsprozent Silizium, 0,6 Gewichtsprozent Bor,
0,7 Gewichtsprozent Eisen, 0,2 Gewichtsprozent Kobalt, Rest Kohlenstoff und Mangan.

Nachdem der Kolbenring mit der porösen Beschichtung beschichtet ist, wird- dieser mit einem Antifriktionsmittel imprägniert. Dies wird in der Weise durchgeführt, daß der beschichtete Kolbenring auf etwa 300 bis 40O⁰P erhitzt wird, um die luft aus den Pulvern der Beschichtung herauszutreiben. Unmittelbar danach wird, während der Ring noch heiß ist, dieser mit einer lösung oder Dispersion des Antifriktionsmittels in Kontakt gebracht. Das Antifriktionsmittel wird dann in die Poren der Beschichtung eingezogen und verbleibt in diesen Poren als Imprägnierung, während der flüssige Träger bei einer Berührung mit dem heißen Kolbenring verdampft wird.

Die Berührungsstufe des Ringes mit dem Antifriktionsmittel kann gemäß -einer Vielzahl von Techniken erfolgen, beispielsweise dadurch, daß das Antifriktionsmittel auf den heißen Ring aufgesprüht wird oder daß der Ring in einer Lösung oder Dispersion eingetaucht wird, die das Antifriktionsmittel enthält.

Das Antifriktionsmittel kann aus einer großen Menge von Materialien ausgesucht werden, die Schmiermittel enthalten, wie beispielsweise Graphit, Zinkstearat, Glimmer, fasriges Talkum, Magnesiumoleat, Kalziumpalmitat, Bariumstearat, Molybdänsulfid, Aluminiumsulfid, Teflon und Kombinationen dieser Stoffe. Ein bevorzugtes. Antifriktionsmittel ist Graphit.

Das

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Das Lösungsmittel oder Dispergiermedium für Irgend eines oder mehrere der im vorstehenden genannten Antifriktionsmittel kann aus einer großen Anzahl von Flüssigkeiten ausgewählt werden, wie beispielsweise Alkohole, Benzole, Toluole, Xylole, Aliphaten, Ester, Äther, halogenierte Kohlenwasserstoffe, Kero3ine, substituierte Benzole und so weiter. Beispielsweise ist ein typisches Lösungsmittel für Graphit Testbenzin.

Nachdem die im vorstehenden "beschriebenen Verfahrönsstu— fen durchgeführt sind, ist die so imprägnierte Ringbeschichtung fertig für den Gebrauch. Eine ausreichende Menge an Antifriktionsmittel ist in der Beschichtung vorhanden, die wenigstens für die Einfahrdauer der Brennkraftmaschine ausreicht. Der Reibungspegel wird gering gehalten und Temperaturprobleme werden ausgeschaltet. Kolbenringe, die den Trockenschmierfilm oder ein Antifriktionsmittel enthalten, können in Dieselbrennkraftmaschinen und Benzinbrennkraftmaschinen verwendet werden, wobei in beiden Fällen eine gute Schutzwirkung erzielt wird. Nachdem das Einlaufen durchgeführt ist, was beispielsweise nach etwa 1,6.00 km der Fall ist, wird der Graphit in der Zylinderbohrung selbst freigelegt. Bis zu dieser Zeit dient das Antifriktionsmittel wie beispielsweise Graphit, das im.Ring vorhanden ist, für einen Schutz. . · ■

Die erfindungsgemäßen Antifriktionsringe sind insbesondere von Bedeutung für Brennkraftmaschinen, die eine geringe Abstrahlung haben. Bei Brennkraftmaschinen dieser Art, die nach dem Abstoppen heiß bleiben, ist es von Bedeutung, eine relativ hohe Andrehdrehzahl zu haben. Man benötigt Ringe mit geringer Reibung, um die Brennkraftmaschine schnell genug anzudrehen und' zwar mit den gewöhnlichen Kraftfahrzeugbatterien.

Es

109818/206/;

Es sei nunmehr auf die Figuren der Zeichnung "bezug genommen. Pig» 1 ist eine mikrofotographische Darstellung der Oberfläche eines Zylinders, nachdem diese gehont ist. Das 75Ofach vergrößerte Bild zeigt, daß die Graphittaschen in der Nähe der Oberfläche durch das Honen geschlossen sind. In diesem Zusammenhang ist es von Interesse zu bemerken, daß bis zu einer Fahrstrecke von etwa 1,600 km die Zylinderbohrungen keine Graphittaschen freilegen und zwar auch nicht am Umkehrpunkt des Ringes, -wobei an diesem Punkt der größte Verschleiß auftritt. Während der kritischen Einlaufzeit und sogar noch einige Zeit später steht das Graphit im Zylinder als Antifriktionsmittel nicht zur Verfügung. Es ist klar, daß die erfindungsgemäßen, imprägnierten KolbenringbeSchichtungen für diese Betriebsperiode von außerordentlich großer Bedeutung sind.

Die Fig. 2 ist eine mikrofotographische Darstellung, eines Teiles einer Zylinderoberfläche nach einer Betriebszeit, die etwa 1,600 km entspricht. Die Vergrößerung ist hier wieder 750fach. Es ist nun klar, daß Graphittaschen an der Oberfläche des Zylinders zur Verfügung stehen und daß dieses Graphit dann als Trockenschmiermittel verfügbar ist. Wie bereits dargelegt, steht bis zu einer" Betriebszeit von etwa 5-00 Stunden das Graphit nicht zur Verfügung und zwar durch das Honen des Zylinders.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, d,ie die verminder~ te Reibung bei verschiedenen Brennkraftmasehinendrerzählen veranschaulicht, wobei mit Graphit imprägnierte, mit Molybdän beschichtete Kolbenringe mit nichtimprägnierten Molybdänkolbenringen verglichen werden. Beim feat 1, der sich auf einen Molybdän-beschichteten Ring bezieht, wurde die Reibungsleistung als Funktion der verschiedenen Drehzahlen als 'gestrichelte Linie aufgezeichnet. 1098 18/206/,

gezeichnet. Eine ähnliche Aufzeichnung ist als ausgezogene Linie dargestellt und hierbei handelt es sich um den Test 2 mit dem graphitimprägnierten Molybdänring. Ea ist klar ersichtlich, dais die Graphitimprägnierung gana wesentlich die Reibung herabsetzt und zwar duroh, den Druck des Antifriktionamittels, wobei es sich hier um Graphit handelt.

Pig. 4 zeigt wieder eine verbesserte Brennkraftmaschinenleistung durch Benutzung eines graphitimprägnierten Ringes. In Pig. 4 ist das statische, abbrechende Drehmoment dargestellt, wobei drei Ringe verglichen wurden. Der erste Ring ist ein Chromkompreasionsring mit Zylinderfläche und dieser ist in der Darstellung mit I bezeichnet. Der zweite Ring ist ein Molybdänkompressionsring mit' Zylinderfläche und dieser ist mit II bezeichnet und der dritte Ring ist der erfindungsgemäße Ring, nämlich ein graphitimprägnierter Molybdänkompressionsring und dieser Ring ist mit III bezeichnet. Aus der Darstellung in Fig.4 geht hervor, daß ein hundertprozentiger Anstieg des relativen Drehmomentes bei einer Brennkraftmaschine erforderlich ist, bei der ein Chromkompressionsring verwendet wird und zwar verglichen mit einer gleichen Brennkraftmaschine, bei der ein mit Graphit imprägnierter molybdänbeschichteter Ring verwendet wird. Es ist ferner ein größerer als 50^iger Anatieg des relativen Drehmomentes · zu verzeichnen, wenn man einen molybdänbeschichteten Kompressionsring verwendet und diese Anwendung mit der Verwendung des erfindungsgemäßen Kompressionsringes vergleicht. Die Antifriktionseigenschaften des erfindungsgemäßen Ringes wird deutlich durch diese Vergleiche veranschaulicht.

In den verbleibenden Pig. 5 bis 10 sind typische Kolbenringe dargeateilt, die beschichtet werden können und es

· sind

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sind beschichtete Ringe dargestellt und zwar ist ein bevorzugtes Beschichtungsverfahren für diese Ringe veranschaulicht, wobei bei diesem Verfahren ein Plasmas trahlverfahren angewendet wird.

Die in Fig. 5 dargestellte Zylinderanordnung 10 umfaßt einen Kolben mit vier Ringnuten für eine Brennkraftmaschine, wobei der Kolben in einem Zylinder/arbeitet. Die Baugruppe 10 weist einen Kolben 11 und einen Brennkraftmas chine nzylind er 12 mit einer Bohrung 13 auf,'wobei diese Bohrung den Kolben 11 aufnimmt. Der Kolben 11 weist einen Kopf 14 mit einem Ringband 15 auf. In die-P sem Ringband sind vier Umfangsnuten 16, 17, 18 und 19 angeordnet. Die obere Ringnut 16 nimmt einen gespaltenen Kompressionsring 20 auf, der ein massiver Ring aus Gußeisen ist. Die zweite Ringnut 17 nimmt einen massiven zweiten Kompressionsring 21 auf, der etwas breiter als der Ring 20 ist und ebenfalls gespalten ist. Die dritte Ringnut 18 trägt einen zweiteiligen Ölabstreifring 22 und die vierte Ringnut 19 trägt einen dreiteiligen Ölabstreifring 23.

Wie Fig. 6 zeigt, weist der obere Kompressionsring 20 einen Körperabschnitt 24 auf, der aus Gußeisen besteht J) und zwar vorzugsweise aus Kugelgraphitgußeisen mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 3 1/2 Gewichtsprozent. Der λ äußere Umfang 25 dieses Ringes ist mit einer harten feuerfesten Beschichtung 26 bedeckt. Diese Beschichtung kann beispielsweise eine mittels eines Plasmas tr ahXa- - ■■'■.. aufgebrachte Molybdänbeschichtung oder Molybdänlegierungsbeschichtung sein. ■·

Wie Fig. 7 zeigt, weist der zweite Kompressionsring 21 einen Hauptkörperabschnitt 27 auf, der au3 dem gleichen Gußeisen besteht wie der Körperabachnitt 24 des

Ringes

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Ringes '20. Der äußere Umfang 28 des Ringes 21 ist von der unteren Kante des Ringes aus nach oben geneigt und eine Umfangsnut 29 ist um diesen geneigten Umfang 'herum .ausgebildet. Die Nut 29 ist mit der Beschichtung 26 gefüllt,

Wie Fig. 8 zeigt, besteht die Ölabstreifringbaugruppe 22 in der dritten Ringnut 18 aus einem einteiligen flexiblen Profilring 30 und aus einem aus Metallblech bestehenden Ausdehnungsring 31» der Schenkel aufweist, die sich in den Profilkanal hinein erstrecken, um den Ring 30 auszudehnen. Der .Ring 30 und der Ausdehnungsring sind im einzelnen in der US-Patentschrift 3 281 156 .■< beschrieben.

Der einstückige Abstreifring 30 weist ein Paar in axialem Abstand voneinander angeordnete radiale vorspringende Wülste 32 auf. Die Umfange dieser Wülste 32 sind mit der Beschichtung 26 bedeckt.

In Pig. 9 weist die Ölabstreifringbaugruppe 23 einen elastischen Ausdehnungs- und Distanzring 33 auf, der dünne Ringe 34 trägt und diese ausdehnt. Die Baugruppe 33. ist von der Bauart, wie sie in der US-Patentschrift 3 133 beschrieben wird. Die äußeren Umfange der G-leitringe 34 g sind mit der Beschichtung 26 beschichtet. .

Aus der vorstehenden Beschreibung ist zu entnehmen, daß die Laufflächen eines jeden der Kompressionsringe und der Ölabstreifringe 20, 21, 22 und 23 mit einer harten Beschichtung beschichtet sind und zwar ehe diese mit einem Antifriktionsmittel imprägniert wird. Diese Laufflächen 26 gleiten in der Bohrung 13 des Zylinders 12 in abdichtender Weise und die Ringe sind in der Bohrung zusammengedrückt, sodaß sie sich etwas gegen die Bohrungs-

wandung^

wandung ausdehnen und eine gute Gleitabdichtungsanlage gegen diese Wandung aufrecht erhalten.

Wie Pig. 10 zeigt, werden die Beschichtungen 26 auf die Ringe, beispielsweise auf die genuteten Ringe 21 dadurch aufgebracht, daß eine Anzahl von Ringen auf einen Kern 35 aufgesetzt wird. Die Ringe werden zusammengedrückt, so daß ihre gespaltenen Enden aneinander anliegen. Der Kern, an dem die Ringe in ihrer geschlossenen zusammengezogenen Lage festgespannt sind, kann in einer Werkzeugmaschine, wie beispielsweise einer Drehbank montiert werden und die Umfange der Ringe können bearbeitet werden, um beispielsweise die Nuten 29 um diese Ringe herum auszubilden. Die äußeren·Umfange der Ringe 21 am Kern werden dann mit der Beschichtung 26 beschichtet und zwar mittels einer Plaamastrahlpistole 36. Diese Pistole 36 weist ein isoliertes Gehäuse 37 auf, das beispielsweise aus Nylon besteht. Von diesem Gehäuse aus erstreckt sich eine hintere Elektrode 38. Die Vorwärtserstreckung dieser Elektrode ist'einstellbar und wird mittels eines Knopfes 39 eingestellt. Die Vorderseite des Gehäuses nimmt eine vordere Elektrode 40 auf. Das Gehäuse 37 und die Elektrode 40 sind hohl und weisen einen Wasserkühlmantel auf, so daß ein Kühlmittel durch diese Teile hindurch von einem Einlaß 41 zu einem Auslaß 42 umlaufen kann. Plasmastrahlgas wird durch einen Einlaß 43 in die Kammer eingeführt, die durch das Gehäuse 37 und die Elektrode 40 gebildet wird. Dieses Gas strömt um die Elektrode 38 herum.

Das vordere Ende der Elektrode 40 bildet einen Düsenauslaß 44 für die Plasmaflamme und die Bestandteile, die erforderlich sind, um die Beschichtung 26 zu. bilden, werden dieser Düse durch einen Pulvereinlaß 45 zugeführt,, der etwas vor dem Auslaß der Düse liegt.

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Ein Plasma,-.welches aus einem ionisierten Gas "besteht, wird dadurch erzeugt,·daß das Plasmagas vom Einlaß 42 durch eine elektrische Bogenentladung hindurch geführt wird, die sich zwischen den Elektroden 38 und 40 ausbildet , Dieses Plasmagas ist nichtoxydierend und kann aus Stickstoff und Wasserstoff mit Argon oder Helium als Träger bestehen. Die Plasmaflamme,'die aus der Düse 44 austritt, zieht das Pulver durch eine Saugwirkung mit sich und das Pulver wird durch die Plasmaflamme hohen Temperaturen ausgesetzt und wird geschmolzen. Der Plasmastrahl tragt das geschmolzene Metall in die Nut 29 eines jeden Kolbenringes hinein und füllt die Nut.

Nachdem die Beschichtung aufgebracht ist, verbindet sich diese mit dem Grundkörper des Ringes des Kolbens. Die eingeschmolzene Beschichtung wird in situ in der Nute des Kolbenringes ausgebildet und wird mit dem Grundkörper des Ringes verbunden und zwar längs einer geschmolzenen Grenzschicht oder längs einer Schweißzone. Die Grenzschicht oder Schweißzone besteht aus Materialien der Beschichtung und aus dem Material des Ringkörpers.

Während der Plasmastrahlanwendung ist es erwünscht, die Temperatur in der Nute des Kolbenringes derart zu halten, daß ein übermäßiges Ausbrennen und Wegschmelzendes Körpermetalls ausgeschaltet wird. Um dies zu erreichen, wird der Kern der Ringe vorzugsweise durch ein äußeres Gebläse mit Inertgas gekühlt, wobei dieses Inertgas zu beiden Seiten der Plasmaflamme auf die Ringe auftrifft. Es ist wünschenswert, die Temperaturen der Ringe im aufgespannten Kern auf etwa 204⁰C (400⁰P) oder weniger zu halten. Es ist nicht erforderlich, eine anschließende Wärmebehandlung für die plasmastrahlbeschichteten Ringe durchzuführen.-Ea .ist lediglich erforderlich, dis Ringe in der Luft zu kühlen.

Paa

Das Pulver, das in den Einlaß der Plaamaatrahlkanone eingeführt wird, v/ird vorzugsweise mittels eines Ansauggases zugemessen oder mittels Schwingungen oder mittels eines _# mechanischen Getriebes und dergleichen. Das gesamte Pulver wird vollständig geschmolzen und tritt in den Mittelkonus der Plasmaflamme ein.

Im folgenden Beispiel' wird ein typisches Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen imprägnierten Antifriktionsringe beschrieben. Es sei bemerkt, daß dieses Beispiel nur zur Erläuterung gegeben ist und daß die Erfindung nicht auf"dieses Beispiel beschränkt sein soll.

Ein Kolbenring wurde zuerst mit einer reinen Molybdänbeschichtung versehen, die mittels einer Plasmastrahltechnik aufgebracht wurde, wie es im vorstehenden beschrieben wurde. Eine Anzahl von Ringen wurde vorbereitet und es wurde ein Ringkern gebildet. Die MolybdänbeSchichtungen wiesen Porenöffnungen auf, die im Bereich von 0,2 Mikron bis zu etwa 10 Mikron lagen, wobei eine offene Porosität von etwa 20 Volumenprozent vorhanden war. Es wurde dann eine Dispersion eines Antifriktionsmittela gebildet, wobei diese Dispersion Graphit in Testbenzin enthielt. Insbesondere wurde ein handelsübliches Gemisch von einem 50$igen Feststoffgehalt an Graphit dispergiert in Testbenzin, weiter verdünnt. Eine Gallone der Graphitdispersion wurde mit zwei Gallonen Testbenzin verdünnt und es wurde eine gründliche Durchmischung vorgenommen, um ein homogenes Gemisch sicherzustellen. Die Ringbaugruppe wurde in einen Ofen eingebracht und wurde bei etwa 177⁰C (35O⁰F) zehn Minuten lang erhitzt. Nach 10 Minuten wurde die Ringbaugruppe aus dem Ofen herausgenommen und unmittelbar mit der verdünnten Graphitlösung besprüht. Wenn das Graphit die heißen Ringe, berührte^

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te, wurde es in die Poren der Ringbeschichtungen eingezogen, während der Testbenzinträger von den Ringen verdampft wurde.Hie Kolbenringbaugruppe wurde dann herausgenommen und die Ringe wurden getrennt und dreißig Minuten lang getrocknet·

Durch die Erfindung werden neuartige Antifriktionsringe geschaffen und es wird ein einfaches Verfahren zu deren Herstellung geschaffen. Durch die erfindungsgemäßen Kolbenringe werden insbesondere die Reibung und die Pressneigung während der kritischen Periode des Einfahrens'
stark herabgesetzt.

Pat entansprüche

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Claims

Patentansprüche

Kolbenring mit einer Gleit- oder Lauffläche* die mit einem harten porösen Metall oder mit einer harten porösen Metallegierung beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren der Beschichtung mit einem festen Antifriktionsmittel imprägniert sind.
2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Antifriktionsmittel Graphit ist.
3. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine Molybdänbeschichtung ist.
P 4. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine Molybdänlegierungs-Beschichtung ist.
5. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine Wolframkarbid-Legierungsbeschichtung ist.
6. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Metall oder die poröse Metallegierung eine offene Porosität im Bereich von etwa 7 Volumenprozent bis zu etwa 30 Volumenprozent der äußeren Oberfläche der beschichteten Gleitfläche hat.

fe .
7. Kolbenring η ach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität im Bereich von 7 Volumenprozent bis zu 20 Volumenprozent liegt.
8, Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der Porenöffnungen im Bereich von etwa 0,2 Mikron bis zu 10 Mikron liegt·
9» Kolben-riiig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallbeachichtung oder die Metallegierungsbeschichtung mittels eines Plasmastrahles aufgetragen ist*

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10. Kolbenring nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung in situ auf der lauffläche aufgebracht ist.
11. Kolbenring nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die legierung die folgenden Beatandteile aufweist:

65 bis 90 Gewichtsprozent Molybdän, 7 bis 25 Gewichtsprozent Nickel, 1 bis 6 Gewichtsprozent Chrom, 0,3 bis 1,5 Gewichtsprozent Bor, 0,2 bis 1,5 'Gewichtsprozent Silizium, Rest Eisen mit geringen Mengen an Kohlenstoff und Kobalt.
12. Kolbenring nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung die folgenden Bestandteile aufweist:

25 bis 55 Gewichtsprozent Wolframkarbid,

4 bis 8 Gewichtsprozent\:Kobalt, 25 bis 45 Gewichtsprozent nickel, 3 bis 7 Gewichtsprozent Chrom, 0 bis 7 Gewichtsprozent Aluminium, 0 bis 3 Gewichtsprozent Bor, Rest im wesentlichen Eisen.
13. Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings nach Anspruch 1, der eine Gleitfläche aufweist, die mit einem harten porösen Metall beschichtet ist oder mit einer harten porösen Metallegierung, wobei die Poren der Beschichtung mit einem festen Antifriktionsmittel imprägniert aind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kolbenring hergestellt wird, daß die Gleit- oder Lauffläche dieses Ringes mit einem harten, porösen Metall oder einer harten porösen Metallegierung beschichtet wird, daß der beschichtete Ring erhitzt wird, um die Luft aus den Poren der Beschichtung auszutreiben,daß dieser Ring, während er noch heiß ist, mit einer Löeung oder einer Dispersion in Berührung gebracht wird,

die

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die ala flüssiger Träger für ein Antifriktionsmittel dient, wobei das Antifriktionsmittel in die Poren der Beschichtung eingesaugt wird und in diesen ala Imprägnierung verbleibt* während der flüssige Träger verdampft wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die. Erhitzung in einem Temperaturbereich von etwa 149°C (30O⁰F) bis zu etwa 204⁰C (400⁰P) durchgeführt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß das Antifriktionsmittel Graphit ist.
16. Verfahren nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Träger Testbenzin ist.
17. Verfahren nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktstufe so durchgeführt wird, daß die Flüssigkeit,- die das Antifriktionsmittel enthält, auf den beschichteten Kolbenring aufgesprüht wird.
18. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktstufe so durchgeführt wird, daß der beschichtete Kolbenring in das flüssige Lösungsmittel oder in die Dispersion eingetaucht wird, die das Antifriktionsmittel enthalten.
19. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzungsstufe für eine Zeitdauer von etwa fünf Minuten bis zu etwa 30 Minuten durchgeführt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine Molybdänbeschichtung iat.
21. Verfahren nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine Molybdänlegierunga-Beachiohtung iat.
22. Verfahren nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine Wolframkarbidbeschichtung iat.

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23. Verfahren nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Metall oder die poröse Metallegierungsbeschichtung eine offene Porosität hat, die im Bereich von etwa 7 Volumenprozent bis zu etwa 30 Volumenprozent der äußeren Oberfläche der beaoMohteten Gleit« fläche liegt.
24* Verfahren nach Anspruch 23» dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität im Bereich von 7 Volumenprozent bis zu 20 Volumenprozent liegt»
25. Verfahren nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß die Porenöffnungen der Metallbeschichtung oder der Metallegierungsbeschichtung Abmessungen im Bereich von etwa 0,2 Mikron bis zu etwa 10 Mikron haben.

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