DE2032722B2

DE2032722B2 - Kolbenring für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2032722B2
Application number: DE2032722A
Authority: DE
Inventors: Harold Edward Mccromick; Herbert Frederick Prasse
Original assignee: Ramsey Corp., Manchester, Mo. (V.St.A.)
Priority date: 1969-08-11
Filing date: 1970-07-02
Publication date: 1974-12-12
Also published as: DE2032722A1; DE2032722C3; CA924932A; JPS502854B1; US3690686A

Description

Rest Eisen mit geringen Mengen an Kohlenstoff und Kobalt.

Die Erfindung betrifft einen Kolbenring für eine Brennkraftmaschine, der an seiner Lauffläche eine hochfeste, aus einer mittels Plasmastrahl aufgebrachten Molybdänlegierung bestehende Schicht aufweist, wobei die Legierung an Ort und Stelle aus einem Metallpulver hergestellt ist, welches dem Plasmastrahl zugeführt wird.

Kolbenringe einschließlich der Kompressionsringe und Ölahstreifringe, die mit einer Hartmetallbeschichtung versehen sind, die eine gute Verschleißfestigkeit aufweist, sind in den USA.-Patentschriften 2 905 512, 3 133 341, 3 133 739 und 3 281 156 beschrieben. Obwohl die in diesen Patentschriften beschriebenen, mittels eines Flammensprühverfahrens aufgebrachten Beschichtungen aus Molybdän die bisher bekannten besten Leistungen für Kolbenringe bei hohen Kornpressionen in Brennkraftmaschinen, die mit hohen Temperaturen arbeiten, ergeben, fordern die Hersteller von Brennkraftmaschinen fortlaufend weitere Verbesserungen der Leistungen von Kolbenringen. Eine Molybdänbeschichtung ist insbesondere deshalb wünsehenswert, weil diese einem Verschleiß unter nachteiligen Betriebsbedingungen widersteht. Die Molybdänbeschichtung, 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, so daß ein Schmiermittel an die Oberfläche der Beschichtung und dadurch eine gute Verschleißfestigkeit erreicht werden kann. Das Molybdän weist Oberflächenoxydationseigenschaften auf, die eine Oberflächenverschweißung bei schädlichen Betriebsbedingungen vermeiden. Dies bedeutet, daß bei hohen Betriebstemperaturen, etwa in der Größenordnung von 54O°C, die Oberflächenschicht oxydiert. Die Molybdänoxyde, 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 Chromringbeschichtungen der Fall ist.

Molybdän-Kolbenringbeschichtungen der in den vorstehend zitierten Patentschriften beschriebenen Art weisen jedoch bestimmte Begrenzungen auf. Beispiels

65 weise ist die Zugfestigkeit relativ niedrig. Die höchste Zugfestigkeit, die mit bekannten Molybdän-Beschichtungen erzielt wird, liegt im Bereich von 385 kg/cm^a bis zu 560 kg/cm². Bei den höheren Temperaturen, die in den neuen Hochleistungs-Brennkraftmaschinen auftreten, können auch extrem hohe thermische Spannungen auftreten, denen diese Beschichtungen nicht in wirksamer Weise widerstehen können. Das Haftvermögen zwischen Molybdän-Beschichtungen und dem Kolbenringmaterial ist nicht so hoch, wie gewünscht, und liegt im allgemeinen zwischen 350 und 490 kg/cm^a. Der Ausdehnungskoeffizient der Molybdän-Beschichtungen ist relativ niedrig. Die Molybdän-Beschichtungen haben offensichtlich die niedrigste Leistungsfähigkeit bei Schwerlast-Brennkraftmaschinen, bei denen der Kolbenringverschleiß höher als erwünscht ist, wenn Molybdän-Beschichtungen verwendet werden. Dies ist im allgemeinen <'jr relativ hohen Porosität der Beschichtung zuzuschreioen, die zu einer schnelleren Oberflächenoxydation neigt, als zugelassen werden kann und zwar bei höheren Temperaturen und bei den Zünddrucken, die in diesen Schwerlast-Brennkraftmaschinen auftreten.

Für allgemeine Beschichtungszwecke ist aus der LSA.-Patentschrift 3 378 392 eine Pulverzusammensetzung bekannt, die mittels eines Plasmastrahlverfahrens aufgebracht wird und die 80 Gewichtsprozent Molybdän und 20 Gewichtsprozent eines Gemisches enthält, das B, Si, Fe, Co, C und Nickel umfaßt. Gemäß dieser USA.-Patentschrift soll mit dieser Pulvermischung eine Beschichtung erzeugt werden, die gute Verschleiß- und Lastaufnahmeeigenschaften und hohe Zugfestigkeit hat. Es wurde aber festgestellt (»SAE-Mitteilung 670 935« anläßlich des »Combined Fuel & Lubricants, Powerplant and Transportation Meetings, Pitsburgh, Pa. Oct. 30 -- Nov. 3, 1967« mit dem Titel »Piston Ring Coating for High Performance Diesel Engines«), daß ein Pulver, enthaltend 80 Gewichtsprozent Molybdän und 20 Gewichtsprozent Gemisch mit Co, Ni, B, zu Beschichtungen führt, die bei hochbelasteten Brennkraftmaschinen, insbesondere bei hohen Betriebstemperaturen, eine zu geringe Binde- oder Haftfestigkeit haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pulvermischung für eine mittels Plasmastrahl an Ort und Stelle aufzubringende Kolbenringbeschichtung zu schaffen, die bei extrem hohen Temperaturen und hohen Drücken gute Leistungen erbt'ngt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Metallpulver die folgende Zusammensetzung hat:

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.

Überraschenderweise haben die mit dieser Pulvermischung hergestellten Kolbenringbeschichtungen eine außerordentlich hohe Zugfestigkeit und ein außerordentlich hohes Haftvermögen. Ferner haben diese Beschichtungen eine hervorragende Härte insbesondere in der sekundären Phase und eine geringere Porosität als die nichtlegierten Molybdän-Beschichtungen, wodurch die Probleme derartiger Molybdän-Kolbenring-

beschichtungen überwunden werden, und zwar insbesondere die Probleme des Verschleißes der Kolbenringbeschichtung, die zu einem Ausfall in Hochleistungs-Brennkraftmaschinen, wie beispielsweise Diesel-Brennkraftmaschinen, führen. Zusätzlich weisen diese Beschichtungen auch die wünschenswerten Eigenschaften der üblichen Molybdän-Beschichtungen auf, wie beispielsweise eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit und zwar durch eine ausreichende Porosität, die es ermöglicht, ein Schmiermittel aufzunehmen und ferner eine sehr hohe Teilchenhärte, die es ermöglicht, eine Fertigbearbeitung mittels eines Schleifverfahrens an üblichen Siliziumkarbid- und Aluminiumoxydschleifscheiben durchzuführen.

Die die Ringbeschichtung bildende Molybdänlegierung weist außerordentliche Zugfestigkeiten von wenigstens 700 kg/cm² auf und insbesondere Zugfestigkeiten im Bereich von 770 bis zu 980 kg/cm². Zusätzlich entwickelt diese Legierung eine außerordentlich große Haftfähigkeit am Kolbenringmaterial, ao wobei die Haftfestigkeit einer Scherfestigkeit von wenigstens 700 kg/cm² entspricht und häufig einer Scherfestigkeit von 700 bis 840 kg/cm². Das legierte Molybdän hat eine Gesamtporosität von weniger als etwa 15%, wodurch es für eine Verwendungen Hochleistungs-Brennkraftmaschinen geeignet ist, weil die Oberflächenoxydation, verglichen mit der Oxydation von reinem Molybdän oder unlegiertem Molybdän, weitgehend inhibiert ist. Die legierte Molybdän-Beschichtung selbst ist im wesentlichen eine Zwei-Phasen-Beschichtung, die eine äußere harte Phase von 900 bis 1000 Vickcs DPN (Diamanteindringzahl) aufweist, und eine harce Sekundärphase von 950 bis 1200 Vickers DPN, w.bei jede Härte mit einer 50-g-Belastung gemessen ist.

Nachdem die Beschichtung auf dem Kolbenring abgeschieden ist, verbindet sich diese mit diesem Kolbenring. Die geschmolzene Molybdänlegierung wird in situ in der Nut des Kolbenringes gebildet und verbindet sich mit dem Körper des Kolbenringes längs einer geschmolzenen Grenzfläche oder längs einer Schweißzone. Die Grenzfläche oder die Schweißzone besteht aus Teilen der Molybdänlegierung und Werkstoffen des Kolbenringes.

Während der Plasmastrahlaufbringung ist es wünsehenswert, eine derartige Temperatur in der Nut des Kolbenringes aufrechtzuerhalten, daß ein überschüssiges Ausbrennen des Metallkörpers des Ringes und ein übermäßiges Abschmelzen verhindert wird. Um dieses zu erreichen, kann der Kern der Kolbenringe vorzugsweise gekühlt werden und zwar durch einen Strahl eines inerten Gases, welches zu beiden Seiten der Plasmastrahlflamme auftrifft.

Es ist wünschenswert, die Temperaturen der Ringe auf dem Kern im Bereich von etwa 205⁰C oder weniger zu halten. Es ist nicht mehr erforderlich, irgendeine anschließende Wärmebehandlung für die plasmabeschichteten Ringe vorzunehmen als die, daß die Ringe an der Luft gekühlt werden.

Die erfindungsgemäßen Beschichtungen sind weniger porös als die bisher bekannten, mit Plasmastrahl aufgebrachten Molybdänschichten. Beispielsweise weist eine mittels eines Flammenstrahlverfahrens aufgebrachte Molybdänbeschichtung normalerweise eine Porosität im Bereich von 20 bis 30% auf. Die erfindungsgemäßen Beschichtungen haben lediglich eine Porosität von weniger als etwa 15%. Dadurch wird eine größere Korrosionsbeständigkeit in der Gleitfläche erzielt. Wie bereits dargelegt, führt in Hochleistungs-Brennkraftmaschinen die hochporöse Beschichtung zu einer schnelleren Oberflächenoxydation bei höherer Temperatur und Zünddrucken, die dort auftreten. Dies ist bei den erfindungsgemäßen Beschichtungen nicht der Fall. Obwohl diese Beschichtungen 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 wurde die erfindungsgemäße Molybdänlegierung hergestellt und mit unlegiertem Molybdän verglichen. Der Vergleich der physikalischen Eigenschaften von unlegiertem Molybdän mit der jrfindungsgemäßen Legierung ist in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Eigenschaften	Unlegiertes Molybdän	Beschichtung gemäß der Erfindung
	(kg/cm²)	(kg/cm²)
Zugfestiskeit	385 bis 560	770 bis 980
Haftfestigkeit
(Scherung)	350 bis 490	700 bis 840
Totalporosität	20 bis 30%	weniger als
		15%
Vickers-Härte DPN
50 Molybdän-
Phase	950 bis 1400	900 bis 1000
Härte der Sekundär-
Phase	—	950 bis 1200

Es ist zu erkennen, daß die erfindungsgemäße Beschichtung eine wesentlich größere Zugfestigkeit und Haftfähigkeit aufweist, verglichen mit dem nichtlegierten Molybdän. Zusätzlich ist die Porosität der erfindungsgemäßen Beschichtung geringer, und es werden die im Vorstehenden erörterten Vorteile erzielt, insbesondere, wenn die Beschichtung für Kolbenringe verwendet wird, die in Hochleistungs-Dieselmaschinen ihre Anwendung finden. Die erfindungsgemäße Beschichtung weist ferner eine Sekundär-Phase mit ausgezeichneter Härte auf, während das nichtlegierte Molybdän keine derartige Phase aufweist.

Claims

Patentanspruch:

Kolbenring für eine Brennkraftmaschine, der an seiner Lauffläche eine hochfest, aus einer mittels Plasmastrahl aufgebrachten Molybdänlegierung be-Itehende Schicht aufweist, wobei die Legierung an Ort und Stelle aus einem Metallpulver hergestellt ist, welches dem Plasmastrahl zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallpulver die folgende Zusammensetzung hat:

75 Gewichtsprozent Molybdän,
17,5 Gewichtsprozent Nickel,

4,12 Gewichtsprozent Chrom,

0,94 Gewichtsprozent Bor, 1,00 Gewichtsprozent Silizium,