DE2032722A1

DE2032722A1 - Kolbenring oder Zylinderdichtungsring

Info

Publication number: DE2032722A1
Application number: DE19702032722
Authority: DE
Inventors: Herbert Frederick; McCormick Harold Edward Ballwin Mo. Prasse (V.St.A.). P
Original assignee: Ramsey Corp., Manchester, Mo. (V.St.A.)
Priority date: 1969-08-11
Filing date: 1970-07-02
Publication date: 1971-02-25
Also published as: DE2032722B2; DE2032722C3; CA924932A; JPS502854B1; US3690686A

Description

Korbenring oder Zylinderdichtungsring.

Die Erfindung "bezieht sich auf Zylinderdichtungsringe oder auf Kolbenringe und auf die Anordnung von G-leitflachen an Kolbenringen. Die Erfindung "bezieht sich insbesondere auf mittels eines Plasmastrahls aufgebrachte Beschichtungen an Kolbenringen, die eine außerordentlich hohe Zugfestigkeit und Binde-festigkeit haben, wobei diese insbesondere bei Hochleistungsmaschinen verwendet werden können.

Kolbenringe einschließlich der Kompressionsringe und Ölabstreifringe, die mit einer harten Metallbeschichtung versehen sind,, die eine gute Verschleißfestigkeit aufweist, sind in den folgenden US-Patentschriften beschrieben: 2 905 512, 3 133 341, 3 133 739 und 3 281 156. Obwohl die in diesen Patentschriften beschriebene, mittels eine» Plammensprühverfahrens aufgebrachte Hartmaterialbeschichtung aus Molybdän die bisher bekannte beste Leistung für Kolbenringe bei hohen Kompressionen in Brennkraftmaschinen, die mit hohen Temperaturen arbeiten, ergab, fordern die Hersteller von Brennkraftmaschinen fortlaufend weitere Verbesserungen der Leistungen von Kolbenringen. Eine Molybdänbeschichtung ist insbesondere 'deshalb wünschenswert, weil diese einem Verschleiß unter

nachteiligen

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nachteiligen Betriebsbedingungen widersteht«, Die Molybdän-Beschichtung, die im allgemeinen durch ein Sauerstoff-Acetylen-Verfahren aufgebracht wird, weist die zusätzlichen und wünschenswerten Eigenschaften auf, daß diese einen hohen Schmelzpunkt hat und eine hohe Teilchenhärte«, Zusätzlich ist diese Beschichtung selbst porös, was es ermöglicht, ein Schmiermittel an die Oberfläche der Beschichtung zu bringen und dadurch wird eine gute Verschleiß« festigkeit- erreicht. Das Molybdän-BeSchichtungsmaterial weist Oberflächenoxydationseigenschaften auf, die eine Oberflächenschweißung bei schädlichen Betriebsbedingungen vermeiden. Dies bedeutete daß bei hohen Ringbetriebstemperaturen etwa in der Größenordnung von 54O⁰C die Oberflächenschicht oxydiert« Die Molybdänoxyde ₉ die an den Oberflächenschichten erzeugt werden,, sind weich und können deshalb aus der Brennkraftmaschine abgeführt werden^ anstatt daß sie einen Ausfall verursachen^ wie es bei Chromringbe·= Schichtungen der Pail ist«

Molybdän-Kolbenring-BeschiGhtungen der in den vorstehend zitierten Patenten beschriebenen Art weisen jedoch bestimmte Begrenzungen auf» Beispielsweise ist die Zugfestigkeit relativ niedrig» Die beste Zugfestigkeit« die mit bekannten MolybdänbeSchichtungen erzielt wird„ liegt . im Bereich von 385 kg/cm bis zu 560 kg/cm « Bei den höheren Temperaturen,, die in den neuen Hochleistungs-Brennkraftmaschinen auftreten, können auch extrem hohe tfcer«*· mische Spannungen auftreten, denen diese Beschichtungen nicht in wirksamer Weise widerstehen können«, Das Haftvermögen zwischen MolybdänbesohiQhtungen und dem Ringmaterial ist nicht so hoch wi© gewünscht und liegt im allgemeinen zwischen 350 kg/cm und 490 kg/cm ₀ Der Ausdehnungskoeffizient der Molybdänbe Schichtungen, ist wiederum relativ niedrig und liegt in der Größenordnung von 3p03 Zoll/Zoll/E⁰.

Wahrscheinlich 109809/1770

Wahrscheinlich ist das Gebiet, auf dein die Molybdänbesohichtungen den niedrigsten Wirkungsgrad haben, das Gebiet der Hochleistungs-Brennkraftmaschinen, wo der Ringverschleiß höher als erwünscht ist, wenn Molybdänbeschichtungen verwendet werden. Dies ist im allgemeinen der relativ hohen Porosität der Beschichtung zuzusohreiben, die zu einer schnelleren Oberflächenoxydation neigt als zugelassen v/erden kann und zwar bei höheren Temperaturen und bei den Zünd?- drucken, diein diesen Hochleistungs-Brennkraftmaschinen auftreten.

Durch die Erfindung werden Kolbenringe mit harten Oberflächen geschaffen, die insbesondere eine hohe leistung unter den Bedingungen von extrem hohen Temperaturen und hohen Drucken aufweisen, die in Hochleistungs-Brennkraftmaschinen auftreten, wobei die Kolbenringleistungen höher sind als die der bekannten beschichteten Kolbenringe. Die erfindungsgemäßen Kolbenringe werden mittels eines Plasmastrahlverfahrens beschichtet und zwar mit einer hochfesten Molybdänlegierung, die in situ auf den Ring aufgebracht wird. Die entstehenden Legierungsbeschichtungen weisen außerordentlich hohe Zugfestigkeiten und ein außerordentlich hohes Haftvermögen auf, und weisen eine hervorragende Härte insbesondere in der sekundären Phase auf und haben eine geringere Porosität als die nichtlegierten Molybdän-Beschichtungen, wodurch die Probleme derartiger Molybdän-Kolbenringbeschichtungen überwunden werden und zwar insbesondere die Probleme des Verschleisses der KoIbenringbeschichtung, die zu einem Ausfall in Hochleistungs-Brennkraftmaschinen, wie beispielsweise Dieselbrennkraftmaschinen, führen. Zusätzlich .weisen die Molybdän-Legierungsbeschichtungen auch die wünschenswerten Eigenschaften der üblichen Molybdänbeschichtungen auf, wie beispielsweise eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit und zwar durch eine ausreichende Porosität, die ea ermöglicht, ein Schmiermittel aufzunehmen und ferner eine sehr hohe Teilchenhärte, die es ermöglicht, eine Fe-r-

, ti gbearbe i tung

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tigbearbeitung mittels eines Schleif verfahr ens an üblichen Siliziumkarbid- und Aluminiumoxydschleifscheiben durchzuführen.

Das Molybdän kann mit einer Anzahl von Metallen und mit Metalluiden legiert werden, einschließlich Ti tan j, Tantal, Niob, Vanadium, Chrom, Zirkonium, Hafnium, Silizium,, Bor, Aluminium, Nickel, Kobalt und so -weiter« Bevorzugt wird das Molybdän wenigstens mit Nickel legiert und insbesondere v/eist die Molybdänlegierung Nickel und Chrom als Legierungsbestandteile auf.. In bevorzugter Weise umfassen die Bestandteile, die die Legierung zusätzlich zu Molybdän bilden, Nickel, Chrom, Bor und Silizium.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung bestehen Kompressionsringe aus Eisenmetall aus einem Kugelgraphitgußeisen mit etwa dreieinhalb Gewichtsprozent Kohlenstoffgehalt und weisen dünne Fü-hrungsringe für Ölabstreifeinrichtungen auf, die aus einem Stahlj, wie beispielsweise 3.A.E. 1070 bestehen und dieser Basismetallring ist beschichtet mittels eines Plasmastrahles, der ein Pulver von 65 bis 90 Gewichtsprozent Molybdän und 10 bis 35 Gewichtsprozent wenigstens eines .Legierungsbestandteiles aufnimmt* Ein bevorzugtes Pulver hat dia folgende Zusammensetzung §

Gewichtsprozent Molybdän» Gewichtsprozent Nickel, Gewichtsprozent Chrom ₉ Gewichtsprozent BOr₉ Gewichtsprozent Siliziumκ

Rest Eisen mit geringen Mengen an. Kohlenstoff

und Kobalt«

65 -	1	90
7 -	1	25
1 -	6
0_s3 -	,5
0,2 -	,5

Der Plasmastrahl besteht aus einem Brennstoffgasy welohüs vorzugsweise aus einem Gemisch von Stickstoff und "Wasserstoff und einem inerten Trägergas zusammengesetzt ist_p i se Argon oder Helium, welches eine Oxydation der

teile

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-S-

teile des Pulvers verhindert und zwar auch bei so hohen Temperaturen (bis zu 1650⁰C), wie sie sich in dem Plasmastrahl entwickeln können. Me Kompressionsringe weisen vorzugsweise eine Umfangsnut auf und diese Nut wird mit einer Legierung gefüllt, die durch die Plasmastrahlaufbringung des Pulvers gebildet wird, welches aus den erfindungsgemäßen Legierungsbestandteilen besteht. Das Pulver wird verdampft und in der Ringnut niedergeschlagen und zwar als eine in situ gebildete, hochfeste Molybdänlegie-,rung. Nach der Zuführung des Molybdänpulvers ist die Nut des Kolbenringes mit der durch einen Plasmastrahl aufgebrachten Molybdänlegierung gefüllt, wobei diese in ausreichender Weise an dem Basismetall des Ringes haftet.

• Das die Ringbeschichtung bildende Molybdänlegierungsmaterial weist außerordentliche Zugfestigkeiten von wenigstens 700 kg/om auf und insbesondere Zugfestigkeiten im Bereioh von 770 kg/om bis zu 980 kg/cm . Zusätzlich entwickelt dieees Legierungsmaterial eine außerordentlich große Haftfähigkeit am Basismaterial, wobei die Haftfestigkeit einer Scherfestigkeit von wenigstens 700 kg/cm² entspricht und häufig einer Scherfestigkeit von 700 kg/cm bis 840 kg/cm * Das legierte Molybdän hat eine Gesamtporosität von weniger als etwa 15#» woduroh es für eine Verwendung in Hochleistungs-Brennkraftmaschinen geeignet ist, weil die Oberfläohenoxy-■ dation verglichen mit der Oxydation von reinem Molybdän oder unlegiertem Molybdän weitgehend inhibiert ist. Die legierte Molybdänbesohichtung selbst ist im wesentlichen eine Zwei-Phasenbeschichtung, die eine äußere harte Phase von 900 bis 1000 Viokers DPN (Diamanteindringzahl) aufweist, und eine harte Sekundärphase von 950 bis 1200 Vickers DPN, wobei ;jede Härte mit einer 50 Gramm-Belastung gemessen ist.

Bo iat deshalb ein Ziel der Erfindung, ve dieaaer te Kolbenringe zu eohaffen, mit hartbeachiohbeten Gleitoberflachen, wobei diese aus einer hochfesten Molybdänlegierung be.-i Lehen, RAD

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hen, die mittels eines Plasinaatrahlverfahrena aufgebracht sind.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es_p Kolbenringe für Hoeh·= leistungsbrennkraftmaschinen zu schaffeng die eine mittels eines Plasmastrahlverfahrens aufgebrachte Molybdänlegierung®« beschiohtung aufweisen}, die eine außerordentlich hohe Zug= festigkeit und ©in außerordentlich hohes Haftvermögen hat«,

Ferner ist es Ziel der Erfindung _p die Betriebsparameter von Kolbenringen dadurch zu verbessern^ daß mittels eines Plasma= strahle aufgebrachte BeSchichtungen verwendet werden^ die hochfeste Molybdänlegierungen aufweisen«,

■ . Ferner ist es Ziel der Erfindung₉ eine hochfeste und ver·= schleißfeste Molybdänlegierungs-Kolbenringbeschichtung zu schaffen, die in üblicher Weise "bearbeitet werden kann und zwar unter Verwendung ¥©n Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid«= Schleifscheiben.

Ein spezielles Ziel der Erfindung ist ea₉ einen Kolbenring für eine Brennkraftmaschine mi Schaffens? der eine Ringnut aufweist, die mit einer Schicht aus einer Molybdänlegierung gefüllt ist, wobei diese Schicht eine ausreichende Porosität aufweist, damit diese Schicht ein Schmiermittel aufnehmen kann* wobei die Schicht Jedoch nicht su porös ist₉ wodurch eine übermäßige Oberfläehenossyclation bei relativ höhen lemperaturen und Zunddrucken ₉ wie sie in Hochleistungs»Brennkraftmaschinen vorkommen« auftreten würde,

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es₉ Kolbenringe für Hoch«= leistungs-Brennkraftmaschinen zu schaffen_p welche eine mittels eines Plasmastrahls aufgebrachte hochfeste Molybdänle=· g„erungsbeschichtung aufweisen.!, wobei diese Kolbenringe noch die ausgezeichneten Ei gen so haften von nichtls'gierten Mölybdfinbesohiohtungen haben,, v#ie beiapielsweise die der Verschleißfestigkeit und wobei diese Beschichtungen ausgezeichnete mechanische

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BAD ORIGfNAL

chanische Festigkeiten und Stoßfestigkeiten über einen weiten Bereich von erhöhten Temperaturen aufweisen und wobei diese BeSchichtungen sehr gute Zugfestigkeiten und ein sehi gutes Haftvermögen haben„

V/eitere Ziele, Vorteile und Merkmale der Erfindung sollen in ' der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren

der Zeichnung erläutert werden. Es zeigen: -.■■-■

Pig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Zylinders und eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, wobei der Kolbenring Nuten aufweist, die mit Kompres- * sionsringen und Ölabstreifringen versehen sind, von denen jeder eine Gleitoberfläche aufweist, die gegen den Zylinder anliegt, wobei diese Gleitoberflächen aus in situ gebildeten, mittels eines Plasmastrahlverfahrens aufgebrachten Karbidlegierungen bestehen,

Pig. 2 eine vergrößerte Sohnittansicht des oberen Kompressionsringes dos in Pig. 1 dargestellten Kolbens,

Pig. 3 eine der Pig. 2 entsprechende Ansicht, die den zweiten Kompressionsring des in Pig. 1 dargestellten Kolbens zeigt,

Pig. 4 eine der Pig. 2 entsprechende Ansicht, die den Ölab- μ atreifring in der dritten Ringnut des Kolbens zeigt,

Pig. 5 eine ähnliche Ansicht wie Pig. 2, die den Ölabstreifring in der vierten Ringnut des Kolbens zeigt und

Pig. 6 eine schematiache Ansicht eines Kernes mit Kolbenringen, die gemäß der Erfindung mittels eines Plasmastrahlverfahrena beschichtet werden.

Die in Pig. 1 dargestellte Kolben- und Zylinderanordnung 10 weist einen Kolben mit vier Ringnuten auf, der im Zylin- · der einer Brennkraftmasohine arbeitet. Die Baugruppe 10

weist .. - ·

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weist einen Kolben 11 "und einen Zylinder 12 mit einer Bon-" rung 13 auf, die den Kolben aufnimmt» Der Kolben hat einen Kopf 14 mit einem Ringband 15» welches vier Umfangsringnuten 16, 17, 18 und 19 aufweist. Die obere Hingnut 1.6 . weist einen festen Gußeiaenkompressionsring 20 auf« Die zweite Ringnut 17 nimmt einen gespaltenen zweiten Kompressionsring 21 auf, der etwas breiter ist als der Ring 20. Die dritte Ringnut 18 trägt einen zweiteiligen ölabstreifring 22 und die vierte Ringnut 19 trägt einen dreiteiligen Ölabstreifring 23.

Wie Fig. 2 "zeigt* weist der obere Kompressionsring 2.0 ei« nen Körperabschnitt 24 auf, der aus Gußeisen besteht und zwar vorzugsweise aus Kugelgraphiteisen mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 3,5 Gewichtsprozent« Der äußere Umfang 25 dieses Ringes ist mit einer Molybdänlegierungsbeschichtung 26 beschichtet, die mittels eines Plasmastrahlverfahrens aufgebracht ist.

Wie Tig. 3 zeigt, weist der zweite Kompressionsring 21 einen Hauptabschnitt 27 auf, der aus dem gleichen Gußeisen besteht wie der Abschnitt 24 des Ringes 20. Der äußere Umfang 28 des Abschnittes 27 ist nach oben und innen von der unteren Kante des Ringes aus geneigt und ea ist eine Um-* fangsnut 29 um diesen geneigten Umfang.herum ausgebildet· Diese Nut 29 ist mit der Molybdänlegierung 26 gefüllt» .

Wie Fig. 4 zeigt, ist die ölabstreifringbaugruppe 22 in der dritten Ringnut 18 aus einem einteiligen flexiblen Profilring 30 zusammengesetzt und aus einem Ausdehnungsring 31, der Schenkel aufweist, die sich in die Profil-Öffnung des Ringes 30 hinein, erstrecken _ΰ um diesen aus« ssudehnen. Der Ring 30 und der Ausdehnungsring sind im einzelnen in der US-Patentsohrift 3 281 156 beschriebene Der einteilige Abstreifring 30 weist zwei im axialen stand voneinander angeordnete vorspringend© Ränder 32

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auf. Die Umfange dieser Bänder 32 sind mit der Beschichtung 26 beschichtet.

Bei der Darstellung in Pig. 5 weist die Ölabstreifringbaugruppe 23 einen elastischen Abstandhalter-Ausdehnungsring 33 auf, der dünne Laufringe 34 trägt und ausdehnt. Die Baugruppe 33 ist in den US-Patentschriften 3 133 341 und 3 133 739 beschrieben. Die äußeren Umfange der Ringe 34 sind mit der Beschichtung 26 gemäß der Erfindung beschichtet.

Aus der vorstehenden-BeSchreibung ist"zu entnehmen, daß die Gleitfläohen eines jeden der Kompressions- und ölabstreifringes 20, 21, 22 und 23 mit einer erfindungsgemäßen Molybdänlegierung beschichtet sind. Diese Gleitflächen 26 gleiten in der Bohrung 13 des Zylinders 12 und liegen dichtend gegen diese an. Die Ringe werden in der Bohrung 13 zusammengedrückt, um sich fest gegen die Bohrungswandung auszudehnen und anzulegen und um einen guten Dich- .-. tungs- und Gleiteingriff mit der Bohrungswand aufrecht erhalten·

Wie Fig. 6 zeigt, werden die Beschichtungen auf die Ringe, beispielsweise auf die genuteten Ringe 21 dadurch aufgebracht, daß eine Anzahl von Ringen auf einen Kern 35 aufge-" steckt wird. Die Ringe werden zusammengepreßt, so daß die gespaltenen Enden dieser Ringe in Anlage gegeneinander anliegen. Der Kern, auf den der Ringstapel in geschlosse- _ ner zusammengezogener Form aufgespannt ist, kann in eine Drehbank eingespannt werden und die Umfange der Ringe können bearbeitet werden, um die Hüten 29 um diese Ringe herum auszubilden. Die äußeren Umfange der Ringe 21 auf dem Kern werden dann mit einem- Besohiohtungsmaterial 26 beschichtet, wobei dao Material aus der Plasmastrahlpistole 36 auatrtti;, DiJ Pietolu 36 wolst ein iaoliertes Gehäuse,

wie

BAD ORIGINAL lÜ'JöJ'l '■ i 770 ,

wie beispielsweise ein Nylongehäuse 37 auf_p von dem aus sich eine hintere 'Elektrode 58 -erstreckt₀ Die Längeeratrek» kung dieser Elektrode 1st mittels eines Schraubknopfes 39 einstellbar«, Me "Vorderseite des Gehäuses nimmt eine vorder© Elektrode 40 auf. Das Gehäuse 37 und dia Elektrode 40 sind hohl und mit einem Wasserlcühlmant©! umgeben₉ so daß ©in Küal^ mittel von einem Einlaß 41 bia zu einem Auslaß 42 umlaufen kann. Ein Plasmastrahlgas wird duroh einen Einlaß 43 in die.. Kammer eingeführt_s die durch das Gehäuse 37 und di© Elektrode 4-0 gebildet wird und dieses Gas strömt um die Elektrode 38 . herum. Das vordere Ende der Elektrode 40 bildet einen Düsen« aualaß 44 für die Plasmastrahlflamme und dia Bestandteile _g die die Legierung der Beschichtung 26 "bilden, werden der Düse durch einen Pulvereinlai 45 und gwar Imrz iror dem Aus·=» . laß der Düse zugeführt«

Ein Plasma, welches aus einem ionisierten Gas besteht ₉ wird daduroh erzeugt, daß äas Plasmagas vom Einlaß 42 durch, einen elektrischen Lichtbogen hindurch geführt wirdj, der zwischen den Elektroden 58 und 40 e-usge"bildet wird₀ Dieses Plasmagas ist nioht oxydierend und kann aua Stickstoff und Wasserstoff bestehen, mit Argon oder Helium als Träger_β Di® Plasmaflamme, die sich von der Düs© 44 aus erstreckte sieht äas die Legie«· rung bildende Pulver duroh eine Sogwirkimg mit sich und bringt die Pulverbestandteile auf derart hohe Temperaturen* -daß diese legieren« Der Plaamastrahl trägt di© Legierung, ia den Boden der lut 29 ©i»@s jeden Kolbenringes hinein und füllt die liut ·

Ein bevorzugtes augeführtes Pulver zum Einlaß 44 der Pistole 36 besteht aua Molybdän₉ ilickel_p Chrom und Bor in dem im vorstehenden erläuterten Verhältnis_p wobei eine bevorzugte Pulverinischung dl® folgenden Bereiche von Bestandteilen auf« weists

65 ^ 90 Gewichtsproseat Molybdäns

7 - 24ρ5 Gewiohtaproaent liokelj,

Ι,ό- 5j8 Gewichtsprozent Chrom,

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- ti -

0,4 - 1,3 Gewichtsprozent Bor, 0,3 - 1,4 Gewichtaprozent Silizium, Rest Eisen mit geringen Mengen an Kohlenstoff lind Kobalt.

Eine spezielle bevorzugte Pulvermischung hat die folgenden Bestandteiles

75 Gewichtsprozent Molybdän, 17,5 Gewichtsprozent Nickel, 4,12 Gewichtsprozent Chrom,

0,94 Gewichtsprozent Bor,

1,00 Gewichtsprozent Silizium,

Rest Eisen mit geringen Mengen an Kohlenstoff und Kobalt.

Ein weiteres, bevorzugtes Pulvergemisch, welches dem Einlaß 44 der Pistole 56 zugeführt werden kann, hat die folgenden Beetandteile:

Gewichtsprozent Molybdän, Gewichtsprozent Nickel, Gewichtsprozent Chrom, Gewichtsprozent Wolfram, Gewichtsprozent Kobalt, Gewichtsprozent Eisen, Gewichtsprozent Kohlenstoff, Rest Silizium und Mangan.

Eine weitere spezielle Pulvermischung die in den im vorstehenden aufgeführten Bereich fällt, hat die folgende Zusammensetzung:

80 Gewichtsprozent Molybdän,
7 Gewichtsprozent Nickel,
6 Gewichtsprozent Chrom,

3 Gewichtsprozent

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65	—	90
3,	5 -	12
3	-	10
1-»	5 -	5
1	-	3
o,	8 -	3
o,	2 -	1

- - 12 -

3 Gewichtsprozent Wolfram,

2 Gewichtsprozent. Kobalt,

0,8 Gewichtsprozent Eisen, ,

0,4 Gewichtsprozent Kohlenstoff, ' Rest Silizium und Mangan·

Eine weitere bevorzugte Pulvermischung weist die folgenden Bestandteile auf:

- 90 Gewichtsprozent Molybdän, 6,5 - 25 Gewichtsprozent Nickel, 1>3 - 7 Gewichtsprozent Chrom, 0,3 - 1,7 Gewichtsprozent Silizium, 0,2 - 1,7 Gewichtsprozent Bor, 0,3 - 1,7 Gewichtsprozent Eisen,

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

Ein spezielles Pulvergemisch, welches in den Bereich dea vorstehend aufgeführten Gemisches fällt, weist die folgenden Bestandteile auf:

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 Eisen und Mangan»

Nachdem die Beschichtung auf dem Basiaring abgeschieden ist verbindet sich diese mit diesem Basisring., Die geschmolzen? Molybdänlegierung wird in situ in der Nut dea Kolbenrings gebildet und verbindet sich mit dem Körper des Ringes _$ länge einer geschmolzenen Grenzfläche oder längs einer Schweiß-

zone«,

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zone. Die Grenzfläohe oder die Sclrweißzone besteht aus Materialien der Molybdänlegierung und aus dem Material des Ringes. ·. ·

Während der Sprühaufbringung ist es wünschenswert,, eine derartige Temperatur in der Hut des Kolbenringes aufrecht zu erhalten, daß ein überschüssiges Ausbrennen des Metallkörpers des Ringes und ein übermäßiges Abschmelzen verhindert wird. Um dieses zu erreiohen, kann der Kern der Ringe vorzugsweise gekühlt werden und zwar durch einen Strahl eines inerten Gases, welohes zu beiden Seiten der Plasmastrahlflamme auf- i trifft. Es ist wünschenswert, die Temperaturen der Ringe auf dem Kern im Bereich von etwa 205°C oder weniger zu halten. Es ist nioht mehr erforderlich, irgend eine anschließende Wärmebehandlung für die plasmabeschichteten Ringe vorzunehmen als die, daß die Ringe an der Luft gekühlt werden·

Das Pulver, das in den Einlaß der Plasmapistole eingeführt wird, wird vorzugsweise mit Hilfe eines Ansauggases zugemessen oder mittels Schwingungen oder mittels eines mechanischen Getriebes oder dergleichen. Das gesamte Pulver wird vollständig geschmolzen und tritt in den Mittelkonus der Plasmaflamme ein. ' '

Die erfindungsgemäßen Besohichtungen 26 sind weniger porös als die bisher bekannten flammenstrahlbeschiohteten Molybdänsohiohtea« Beispielsweise weist eine mittels eines 3?lammenstrahlverfahrens aufgebrachte Molybdänbesohichtung normalerweise eine Porosität im Bereioh von 20 bis 30$ auf. Die Besohiohtungen 26 haben lediglich eine Porosität von weniger als etwa 15$· Dadurch wird eine größere Korro- · / sionsbeständigkeit in der Gleitfläche erzielt* Wie bereits dargelegt, führt in Hochleistungsbrennkraftmaschinen die hoohporöse Besohiohtung zu einer schnelleren Oberflächen-Oxydation bei höheren Temperatur und Zünddruoken, die dort auftreten. Dies 1st bei den erfindungagemäßen Beaohiohtungen nioht der Fall. Obwohl diese Besohlohtungen

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eine geringere Porosität" haben, -weisen sie dennoch eine ausreichende Porosität auf, um ein Schmiermittel in der Oberfläche aufzunehmen^ um eine gute Abriebfestigkeit zu erzielen. Dies ist insbesondere für das Einlaufen von Bedeutung.

Bei einer Reihe von Untersuchungen wurden erfindungsgeinäße Molybdänlegierungen hergestellt und mit nicht legierten Molybdänbesohiohtungen verglichen« Der Vergleich der phy~ aikaliaohen Eigenschaften von nichtlegierten mit legierten Materialien ist in der Tabelle I aufgeführt.

	Tabelle I	Legiertes Molybdän
Eigenschaften	Unlegiertes Molybdän	770 - 980 kg/cm²
Zugfestigkeit	385 -	700 - 840 kg/cm²
Haftfestigkeit (Soherung)	350 -	weniger als 15 $>
Totalporosität	20 ■	900 - 1000
Viokera-Härte DPN 50 Molybdän-Phase	950 -	950 - 1200
Härte der Sekundär- Phase
- 560 kg/cm²
- 490 kg/cm²
- 30 1o
- 1.400

Es ist zu erkennen, daß das legierte Molybdän eine Wesentlich größere Zugfestigkeit und Haftfähigkeit aufweist, vergliohen mit dem nioht legierten Molybdän« Zusätzlich ist ' die Porosität des legierten Molybdäne geringer und es werden die im vorstehenden erörterten Vorteile erzielt, insbesondere, wenn die Beschichtung für Hinge verwendet wird, die in Hoohleistungs-Dieselmasohinen ihre Anwendung finden«, Das legierte Molybdän weist ferner ein© Sekundärphas® mit _ ausgezeichneter Härte auf, während das nichtlgierte Molybdän keine derartige Phase aufweist*

Bei einer weiteren Reihe von Vergleichen wurde ein Kolben» 'ring, der eine mittels eines Plasmastrahlverfahrens aufge«

brachte

brachte Molybdänlegierungabeschichtung aufweist, in einer Hochleiatungs-Brennkraftmaschine oder in einer Brennkraftmaschine verwendet,, die einen hohen mittleren Bremseffektivdruok aufweist. Die Beschichtung wies auch nach tausend Betriebsstunden in derartigen Maschinen eine geringe Porosität auf und keine Beschädigungen. Diese Molybdän-Beschichtung wurde hergestellt aus 75 Gewichtsprozent Molybdän und 25 Gewichtsprozent von zusätzlichen Legierungsteilen einschließlich Nickel, Chrom, Bor und Silizium zusammen mit geringen Mengen an Eisen, Kohlenstoff und Kobalt. Ein Vergleioh mit einem Ring mit einer unlegierten Molybdänbeschiohtung in einer'Hochleistungs-Dieselkraftmasohine führt zu der Erkenntnis, daß dieser Ring an Haftfähigkeit eingebüßt hatte und eine hohe Porosität aufweist. Der Ausdruck "mittlerer Bremseffektivdruck" ist wie folgt zu verstehen. ■: Der mittlere Effektivdruck ist der Druck, der auf die Oberseite eines Kolbens einer Brennkraftmaschine einwirkt und zwar während des Arbeitshubes. Der mittlere Bremseffektivdruck wird aus der gemessenen BremsIeistung einer Brennkraftmaschine wie folgt ermittelt;

' '" BHP =

33,000,

s Bremsleistung

= mittlerer Bremseffektivdruck in Pfund/Quadrat zoll,

: Länge des Kolbenhubes in Fuß,

s Fläche des Kolbenkopfes in Zoll,

s Anzahl der Arbeitshube pro Minute,

: Leistungskonatante in Pfund/Fuß/Minute·

Der mittlere Bremseffektivdruck ist immer geringer als der angezeigte mittlere Effektivdruck und zwar um einen mittleren Wert, der erforderlich ist, um die Reibung der Brennkraftmaschine und um andere Widerstänge zu überwinden. Es

ergibt

. 109 809717 70 ..

wobei	BHP
	Λ
	L
	A
	U
33	,000

ergibt sich folgende Beziehung?
Mechanischer Wirlcungsgrad .

Dies "bedeutet, daß die Bremaleistung gleich der angezeigten Leistung minus den Reibungsverlusten ist«

Bei modernen Dieselbrennkraftmaschinen besteht eine Tendenz zur Entwicklung von immer höheren mittleren Bremseffektivdruoken. Ein mittlerer Bremseffektivdruck von 200 wird schnell bei der Herstellung für schnelle Überlanddiesel-Lkw erreicht. Mr gewisse niedrige Geschwindigkeiten und für militärische Brennkraftmaschinen und für Lokomotivbrennkraftmaschinen werden ebenfalls hohe Drucke verwendet und in einigen Fällen werden Brennkraftmaschinen verwendet mit mehr als einem mittleren Bremskrafteffektivdruok von 200 und mit einem Spitzenzünddruck von 2«450 Pfund/Quadratζoll. Dieser Wert sei angegeben im Vergleich zu etwa 1000 Pfund/ Quadratzoll Spitzenzünddruck für Benzinmotoren von Personenkraftwagen. Brennkraftmaschinen, die mit hohen mittleren Bremseffektivdrucken im Bereich von etwa 150 bis 210 arbeiten, benötigen spezielle Kolbenringbeschichtungen und die legierten KoIbenringbeSchichtungen, die erfindungsgemäß hergestellt werden, haben sich als sehr zufriedenstellend erwiesen. Eine Dieselkraftmaschine mit einem mittleren Bremseffektivdruck von 165 und einer Leistung von 237 PS bei 1.700 Umdrehungen arbeitete sehr gut mit legierten Molybd änbes chi chtungs ringen j, die erfindungsgemäß hergestellt wurden. Wenn jedoch öhrombeSchichtungen oder unXegier«- te Molybdänbeschichtungen verwendet werden^ arbeitet diese Brennkraftmaschine nioht zufriedenstellend. Mit den legierten Molybdänbeschichtungen gemäß der Erfindung durchs lief diese Brennkraftmaschine einen kontinuierlichen Testlauf von 980 Stunden bei einem Zünddruck von 2«450 Pfund/ Quadratzoll. Bisher wurde-dies noch nicht mit einem ande·»

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ren Ringbeachichtungamaterial erreicht.

Es sei bemerkt, daß durch die Erfindung neue Kolbenringbeschiohtungen geschaffen werden, die zu einer besseren Leistung bei Brennkraftmaschinen mit hohen Belastungen führen.

Pa t e η t ana pr ü ο he 103809/1770

Claims

Kolbenring mit einer ©ieitfläeh©₉ äadureh net, daß. dieser, mit ©iner mittels Plasmastrahl aufgebrachten, hochfesten Molybdanlegierungstoeaohiohtuxig versehen iat.
2. Kolbenring nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung in situ auf der Gleitfläche ausgebildet iat.
3» Kolbenring nach Anspruch 1 „ dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung wenigstens Wickel als legierungsbestandteil enthält.'
4. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung Nickel lind Chrom als Legierungsbestandteile enthält·
5· Kolbenring nach Anaprueh 1 „ dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus einem Pulver hergestellt ist,, das dem Plasmastrahlstrom zugeführt wird und welohea 65 bis 90 Gewichtsprozent Molybdän und 10 bis 35 Gewichtsprozent wenigstens eines Legierungsbestandteiles enthält.
6. Kolbenring mit einer Qleitotoerfläohe, dadurch gekennzeica"! net, daß diese aus einer hochfesten Molybdänlegierungs* I beschichtung besteht,, die sittele eines Plasmastrahlver·. _; fahrens in situ aufgebracht ist unel· di© aus einem Gemisch ; von Molybdän, Nickel^ Chrom, Bor und Silizium besteht.
7» Kolbenring nach Anapriaeii 6₉' dadurch gekesanseiehnet, daß die Beatandteile, dl© die Legisming MIiQn₁, isx folgenden Mengen vorliegen!

65 - 90 Gewlohtaproeent MsIjMaK₉ 7-25 Gewichtsprozent li@lt@l_P 1 -"■ 6 Gewichtsprozent 0,3 - 1»5 Gewiohtaprosent 0_f2 - 1,5 Gev;iohtsprozent Silizium,

Ί098οίί/1?70. Rest

Rest Eisen mit geringen Mengen an Kohlenstoff und Kobalt.
8. Kolbenring nach Anspruch 6, daduroh gekennzeichnet, daß die Bestandteile, die die Legierung "bilden, in folgenden Mengenanteilen vorliegen:

75 Gewichtsprozent Molybdän, 17,5 Gewichtsprozent Nickel, 4.12 Gewichtsprozent Chrom 0,94 Gewichtsprozent Bor, 1,00 Gewichtsprozent Silizium, Rest Eisen mit geringen Mengen an Kohlenstoff und Kobalt.
9. Kolbenring nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, daß die Gleitfläche eine Zugfestigkeit von mehr als 700 kg/cm² aufweist.
10. Kolbenring nach Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet, daß die lagerfläche eine Haftfestigkeit gegenüber dem Ringmetall aufweist, die größer ist als 700 kg/cm².
11. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestandteile, die die Legierung bilden, in den folgenden Anteilen vorliegen:

Gewichtsprozent Molybdän, Gewichtsprozent Nickel, Gewichtsprozent Chrom, Gewichtsprozent Wolfram, Gewichtsprozent Kobalt, Gewichtsprozent Eisen, Gewichtsprozent Kohlenstoff, Rest Silizium und Mangan.
12. Kolbenring nach Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestandteile, die die Legierung bilden, in folgenden

Anteilen

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65 - 90 3,5 - 12 3 - 10 1,5 - 5 1 3 0,8 - 3 0,2 - 1

Anteilen vorliegen:

- 90 Gewichtsprozent Molybdän, 6,5 - 25 Gewichtsprozent Nickel-, 1,3 - 7 Gewichtsprozent Chrom^

0,3 - 1*7 Gewichtsprozent Silizium,

0,2 - 1,7 Gewichtsprozent BOr₉

0,3 - 1*7 Gewichtsprozent Eisen₉

0,1 - 0,4 Gewichtsprozent Kobalt j> Rest Kohlenstoff und Mangan®

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