DE2032722C3 - Kolbenring für eine Brennkraftmaschine - Google Patents
Kolbenring für eine BrennkraftmaschineInfo
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Description
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 Legie- ■
rung an Ort und Stelle aus einem Metallpulver hergestellt ist, welches dem Plasmastrahl zugeführt wird. g
Kolbenringe einschließlich der Kompressions- und Ölabstreifringe, die mit einer Hartmetallbeschichtung I
versehen sind, die eine gute Verschließfestigkeit aufweist, sind bekannt Obwohl diese bekannten, mittels eines
Rammensprühverfahrens aufgebrachten Beschichtungen aus Molybdän die bisher besten Leistungen für Kolbenringe
bei hohen Kompressionen in Brennkraftmaschinen, die mit hohen Temperaturen arbeiten, ergeben,
fordern die Hersteller von Brennkraftmaschinen fortlaufend weitere Verbesserungen der Leistungen von Kolbenringen.
Eine Molybdänbeschichtung widersteht einem Verschleiß unter nachteiligen Betriebsbedingungen.
Die Molybdänbeschichtung. die im allgemeinen durch ein Sauerstoff-Acetylen-Verfahren aufgebracht wird, hat
einen hohen Schmelzpunkt und eine hohe Teilchenhärte. Zusätzlich ist diese Beschichtung selbst porös, so daß
ein Schmiermittel an die Oberfläche der Beschichtung gebracht und dadurch eine gute Verschleißfestigkeit
erreicht werden kann. Das Molybdän weist Oberflächenoxydationseigenschaflen auf, die eine Oberflächenverschweißung
bei schädlichen Betriebsbedingungen vermeiden. Dies bedeutet, daß bei hohen Betriebstemperaturen,
etwa in der Größenordnung von 5400C, die Oberflächenschicht oxydiert. Die Moiybdänoxyde, die an den
Obr;flächenschichlcn erzeugt werden, sind weich und können deshalb aus der Brennkraftmaschine abgeführt
werden, anstatt einen Ausfall zu verursachen, wie es bei Chromringbeschichtungen der Fall ist.
Molybdän-Kolbenringbeschichtungen weisen jedoch beispielsweise eine relativ niedrige Zugfestigkeit auf, die
im Bereich von 385 kg/cm2 bis zu 560 kg/cm2 liegt. Bei höheren Temperaturen, die in neuen Hochieistungs-Brennkraftmaschinen
auftreten, können auch extrem hohe thermische Spannungen auftreten, denen diese Beschichtungen nicht ausreichend widerstehen können. Das Haftvermögen zwischen den Molybdän-Beschichtungen
und dem Kolbenringmaterial ist nicht so hoch, wie erforderlich und liegt im allgemeinen zwischen 350
und 490 kg/cm2. Der Ausdehnungskoeffizient der Molybdän-Beschichtungen ist relativ niedrig. Die Molybdän-Beschichtungen
haben insbesondere bei Schwerlast-Brennkraftmaschinen einen höheren Verschleiß. Dies ist der
relativ hohen Porosität der Beschichtung zuzuschreiben, die zu einer schnellen Oberflächenoxydation bei den
höheren Temperaturen und bei den Zünddrücken, die in diesen Schwerlast-Brennkraftmaschincn auftreten,
neigt.
Aus der US-PS 33 78 392 und der ihr inhaltlich entsprechenden DE-AS 13 00 412 sind Pulverzusammensetzungen
zur Herstellung von verschleißfesten Metallüberzügen im Plasmaspritzverfahren bekannt, die aus einer
Mischung eines Pulvers eines hochschmelzenden Metalls (mit einem Schmelzpunkt oberhalb 19300C) und eines
Pulvers einer selbstfließenden Legierung aus Nickel und/oder Kobalt, die als selbiüfiießendes Element Bor
enthält, bestehen. Als hochschmelzendes Metall sind insbesondere Wolfram, Rhenium, Tantal, MoIjodän. Niob
so und/oder Legierungen dieser Metalle angegeben. Für die selbstfließende Legierung sind mehrere Beispiele
angegeben; bei einem Beispiel besteht diese aus 0,7 bis 1% Kohlenstoff, 3.5 bis 4,5% Silizium, 2.75 bis 3.75% Bor,
3 bis 5% Eisen, 16 bis 18% Chrom, Rest Nickel, und als spezifische Auswahl aus diesem Bereich ist eine
Nickel Bor-Legierung mit 33% Bor, 4% Silizium, 4% Eisen, 17% Chrom, 1 % Kohlenstoff, Rest Nickel, angegeben.
Die Pulvermischung soll zu 5 bis 95Gcw.-% aus dem hoehschnielzendcn Mclall bestehen; als engere
Bereiche sind einerseits 15 bis 30% und andererseits 70 bis 90% erwähnt. Ferner sind einige spezielle Beispiele
angegeben, darunter eine Pulverzusammensetzung, die aus 80% Molybdänpulver und 20% der zuvor definierten
Nickel-Bor-Legierung besteht. In diesen Druckschriften sind die folgenden bevorzugten Einsatzgebiete für
die mit diesen Pulverzusammensetzungen erhaltenen verschleißfesten Metallüberzüge angeführt: Beläge für
Auflageflächen, beispielsweise von starker Belastung ausgesetzten Kurbelwellen, blanke Lagerbüchsen, Pum-
en penplunger, mittel· bis hochtemperaturbeständige Stahlwalzenlager oder Walzen, Motorenventilstößel. Glasgießereiformen,
Motorkolbenböden, Glühwalzen usw.
Dagegen ist die Verwendung der Pulverzusammensetzungen für die Beschichtung der Laufflächen von
Kolbenringen für Brennkraftmaschinen in diesen Druckschriften nicht erwähnt. Aus dem breiten Bereich der in
den genannten Druckschriften beschriebenen Pulver/.iisammcnset/ungen scheidet nämlich für den Fachmann
hr. ein poUerTeil ;ms verschiedenen (iriiiidcn von vornherein für die Beschichtung vom kolbenringen für Ureniikraftmaschinen
aus. Darüber hinaus erweist sieh auch von ilen l'ulvcr/.tisiimiitcnsci/ungcn. die /imiiciist für
diesen Verwendungszweck in Betracht gezogen werden könnten, ein Teil als ungeeignet. Beispielsweise wurden
mit verschiedenen Arten von verschleißfesten Metallüberzügen Versuche angestellt, um sie auf ihre Eignung für
ilii- Hcschichiung von Kolbenringen für Sihwerlasl-Dicselmoloren zu prüfen (».SAF.-Milteilung 670 935« anläßlifli ik-s »Combined ImIl-Is ü I.iibrk-nils. l'owerphint ;nul TnuisporlJilion Meetings. Pittsburgh. l';i.
Oci. {(!-Nov. 5, I9b7« mil dem IUcI »I'ision King Coaling for High Performance Diesel Iitigines«)./u den
untersuchten Materialien gehörte aueh eine für das Plasmaspritzverfahren bestimmte Pulverzusammensetzung
aus 80% Molybdän und 20% einer selbstfließenden Chrom-Nickel-Bor-Legierung. Aufgrund der in der trocken
durchgeführten Bremsblock-Verschleißprüfung festgestellten Unverträglichkeit dieses Materials mit Grauguß
wurde dieses Material jedoch für die Kolbenringbeschichlung ausgeschieden und dem eigentlichen Betriebsversuch
nicht mehr unterzogen. Bekanntlich besteht die überwiegende Mehrzahl der Zylinderlaufflächen aus
Grauguß, und die Verträglichkeit des verschleißfesten Oberzugs mil diesem Material ist eine der wichtigsten
Voraussetzungen für die Verwendbarkeit als Kolbenringbeschichiiing.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pulvermischung für eine mittels Plasmastrahl an Ort und
Stelle aufzubringende Kolbenringbeschiehtung zu schaffen, die bei extrem hohen Temperaturen und hohen
Drücken gute Leistungen erbringt.
Krfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Metallpulver die folgende Zusammensetzung
hai: is
75 Gewichtsprozent Molybdän,
17,5Gewichiprozent Nickel,
17,5Gewichiprozent Nickel,
4,12 Gewichtsprozent Chrom,
0,94 Gewichtsprozent Bor.
1,00 Gewichtsprozent Silizium,
Rest Eisen mit geringen Mengen an Kohlenstoff und Kobalt
Rest Eisen mit geringen Mengen an Kohlenstoff und Kobalt
Die mil dieser Pulvermischung hergestellten Kolbenringbeschichtungen haben eine hohe Zugfestigkeit und
ein hohes Haftvermögen. Ferner haben diese Beschichtungen eine große Härte insbesondere in der sekundären
Phase und eine geringere Porosität als die nichtlegierten Molybdän-Beschichtungen, wodurch die Probleme
derartiger Molybdän-Kolbenringbeschichtungen bei Hochleistungs-Brennkraftmaschinen überwunden werden.
Zusätzlich weisen diese Beschichtungen auch beispielsweise eine gute Abriebfestigkeit durch eine auseichende
Porosiiä!, die es ermöglicht, ein Schmiermittel aufzunehmen, auf, ferner eine hohe Teilchenhärte und die
Möglichkeit, eine r-ertigbearbchung miticls eines Schleifvcrfahrcns an üblichen Siliziumkarbid- oder Alumini- j«
. urnoxydschleifschcibcn durchzufühi vn.
Nachdem die Beschichtung auf dem Kolbenring abgeschieden ist, verbindci sich diese mit dem Kolbenring
längs einer Schwcißzonc, die aus Teile der Molybdänlegierung und der Werkstoffe des Kolbenringes besieht.
Um während der Pla.smasiruhlaufbringung cm übermäßiges Abschmelzen der Ringe zu verhindern, kann der
Kern der Kolbenringe durch einen Strahl eines inerten Gases, weiches zu beiden Seiten der Plasmastrahlflammc ;'-auftriffl,
gekühlt werden.
Es ist wünschenswert, die Temperatur der Ringe auf dem Kern im Bereich von etwa 205° C oder weniger zu
halten. Es ist nicht erforderlich, eine anschließende Wärmebehandlung der beschichteten Ringe vorzunehmen,
da die Ringe an der Luft gekühlt werden.
Ein Vergleich der physikalischen Eigenschaften von unlegiertem Molybdän mit der erfindungsgemäßen
Legierung ist in der folgenden Tabelle aufgeführt.
Kigensehaflen
Unlegiertes Molybdän (kg/cm2)
Zugfestigkeit 385 bis 56C
Haftfestigkeit (Schcrung) 350 bis 490
Totalporosität 20 bis 30% Vickers-Härte DPN
50 Molybdän- Phase 950 bis 1400
Härte der Sekundär-Phase —
Beschichtung gemäß der Erfindung (kg/cm2)
770 bis 980 700 bis 840 weniger als 15%
900bisl000 950 bis 1200
Es ist zu erkennen, daß die erfindungsgemäße Beschichtung eine wesentlich größere Zugfestigkeil und
Haftfähigkeit aufweist als das unlegierte Molybdän. Zusätzlich ist die Porosität der erfindungsgemäßen Beschichtung
geringer, wodurch die vorstehend erörterten Vorteile erzielt werden, insbesondere wenn die Beschichtung
für Kolbenringe verwendet wird, die in Hochleistungs-Dieselmaschinen ihre Anwendung finden. Die
erfindungsgemäße Beschichtung weist ferner eine Sekundär·Phase mit guter Härte auf, während das unlegierte
Molybdän keine deranigt Phase aufweist.
Claims (1)
- Patentanspruch:Kolbenring für eine Brennkraftmaschine, der an seiner Lauffläche eine hochfeste, aus einer mittels Piasmastrahl aufgebrachten Molybdänlegierung bestehende 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,
173 Gewichtsprozent Nickel,
ίο 4,12 Gewichtsprozent Chrom,0,94 Gewichtsprozent Bor,1,00 Gewichtsprozent Silizium,
Rest Eisen mk geringen Mengen an Kohlenstoff und Kobalt
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