DE2032804C3

DE2032804C3 - Kolbennng für Brennkraftma schinen

Info

Publication number: DE2032804C3
Application number: DE2032804A
Authority: DE
Inventors: Harold Edward Ballwin Mo. Mccormick (V.St.A.)
Original assignee: Ramsey Corp Manchester Mo (vsta)
Current assignee: TRW Automotive Products Inc
Priority date: 1969-08-08
Filing date: 1970-07-02
Publication date: 1973-10-18
Also published as: DE2032804A1; US3606359A; JPS4947616B1; FR2057662A5; DE2032804B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolbenring für Brennkraftmaschinen mit einer im Plasmastrahl-Spritzverfahren aufgebrachten Laufflächenbeschichtung aus einer Nickel. Eisen und ein schwer schmelzbares Metallkarbid enthaltenden Legierung.

Kolbenringe, die Zylinderdichtungsringe und Ölabstreifringe umfassen und die mit harten Beschichtungsmaterialicn beschichtet sind, die eine gute Verschleißfestigkeit haben, sind in den USA.-Patentschriften 2 905 512. 3 133 739, 3 133 341 und 3 281 156 beschrieben. Die besten Ergebnisse wurden bisher mit Molybdän-Beschichtungsmaterialien erzielt, die mittels eines Flammensprühverfahrens aufgebracht wurden und die in diesen Patentschriften beschrieben wurden, und zwar bei Kolbenringen für Brennkraftmaschinen, die mit hohen Kompressionen und hohen Temperaturen arbeiten. Brennkraftmaschincnherstcller fahren jedoch fort, die Kompressionsverhältnisse zu erhöhen und die Betriebstemperatürbereiche und die Drehzahlen ebenfalls zu erhöhen, und dies führt zu einem fortgesetzten Bedarf einer größeren Vervollkommnung der Kolbenringe. Es ist bekannt, daß eine Erhöhung der Härte des Beschichtungsmaterials an den Kolbenringen die Verschleißfestigkeit der Ringe verbessert. Es wurde jedoch gefunden, daß Metalle oder Legierungen, die hitzebeständiger sind als Molybdän, zu einem Verschleiß der Zylinderwandung führen und daß diese Metalle oder Legierungen keine ausreichenden mechanischen Festigkeiten haben, um dem Betrieb mit hohen Drehzahlen und hohen Kompressionen zu widerstehen. Die besten bisher bekannten, thermisch beschichteten Molybdän - Kolbenringbeschichtungen weisen Zugfestigkeiten von etwa 630 kg/cm² oder weniger auf.

Versuche, Kolbenringe mit hitzebeständigen Beschichtungen zu versehen, die aus hitzebeständigen Metallkarbiden bestehen, wie beispielsweise Chromkarbiden, Wolframkarbiden und Siliziumkarbiden, waren bisher nicht erfolgreich, da diese Karbide als scharfkantige oder globulare Teilchen auftreten, die aus der Beschichtung während des Betriebes in der Brennkraftmaschine herausgezogen werden, was zu einem hohen Verschleiß des Kolbenringes und des Zylinders führt.

Es ist auch bereits bekannt, bei der Herstellung von verschleißfesten Schichten mittels eines Plasmastrahl-Spritzverfahrens in dem aufgespritzten Gemenge Aluminium mit zu verwenden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laufflächenbeschichtung mit höherer Verschleißfestigkeit und geringerer Verschleißwirkung zu schaffen.

Erfindiingsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß

ίο die Legierung Aluminium in einem Gewichtsverhältnis von weniger als 1" » enthält.

Überraschenderweise wu^rde gefunden, daß das Problem des Verschleißes und des Abriebes hauptsächlich durch d Anwesenheit einer überschüssigen

ι-, Menge von Alm; ;ium in der Legierung erzeugt wird. Untersuchungen nahen ergeben, daß bei Überschreiten der Grenze für den Aluminiumgehalt ein baldiger Verschleiß auftritt und daß bei Einhalten dieser Grenze die Betriebsstiindenzahl um das 35fache erhöht werden konnte, ohne daß ein Verschleiß auftrat. Ein zusätzlicher Vorteil wird dadurch erreicht, daß der verringerte Aluminiumgehalt die Gesamtcnthalpie der exo'hermen Reaktion verringert und ferner eine Abnahme des Abstandes zwischen Werkstück und Plasmastrahlpistole ermöglicht, ohne daß Verluste an Haftfähigkeit auftreten. Der Wirkungsgrad des Sprühbetriebes kann um 20 bi? 30⁰O erhöht werden, wodurch erhebliche Materialkosten eingespart werden.

Ciemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt das Aluminium in einer Menge im Bereich von 0,5 bis zu etwa 0,9 Gewichtsprozent vor.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt das Aluminium im Bereich von etwa 0,56 bis zu etwa O₁MS Gewichtsprozent vor. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, daß das Aluminium in einer Menge von etwa 0.7 Gewichtsprozent vorliegt.

Bevorzugt besteht die Legierung aus Nickel, Wolframkarbid, Kobalt, Chrom, Bor und Aluminium. Sie weist folgende Bestandteile auf:

Gewichtsprozent	Wolframkarbid,
40	Kobalt,
6	Nickel,
38,8	Chrom,
6	Bor,
1	Aluminium,
0,7	Rest im wesentlichen Eisen
	mit geringen Mengen an Si
	lizium und Kohlenstoff.

Die Legierung weist eine hexagonale, dicht gepackte, kristalline Struktur in einer Matrix auf, die hauptsächlich aus Nickel und Chrom besteht. Diese Legierung weist drei Hauptp^asen auf. Die härteste Phase besteht aus Wolframkarbid in Lösung mit Kobalt. In dieser Phase befinden sich die Karbide in Lösung und sind nicht scharf. Die zweite Phase besteht aus Wolframkarbid und Kobalt, wobei die Kar- bide in Lösung sind, jedoch weist diese Phase eine etwas geringere Härte auf. Die dritte Phase ist eine Matrixphase mit einer noch geringeren Härte. Diese Phase besteht hauptsächlich aus Nickel und Chrom mit Bor, falls dieses vorhanden ist, und zwar gleich förnig verteilt in der Matrix. Eine vierte Phase, die etwa 4 Volumprozent der fertigen Beschichtung enthält, besteht hauptsächlich aus Aluminium. Die Wolframkarbide in der bevorzugten Legierung

bestehen hauptsächlich aus \V.,C und (WCo).,C, und sie können im allgemeinen die folgende Formel

^habcn: W₂C(WCu)₂C

Die Legierungen der Beschichtung weisen etwa die fünffache Verschleißfestigkeit der bisher bekumUni Molybdän- und Chromgleitmaterialien auf. und es können deshalb wesentlich dünnere Beschichtungen \erwendet werden. Es wurde gefunden, das Beschiel·, lungsdicken von 0.050 mm in Ölabstreifringen und von 0.050 bis 0.1 mm in Zylinderabdichtungsringen zu zufriedenstellenden Ergebnissen führen. Dadurch werden selbstverständlich die Herstellungskosten der Ringe ganz erheblich verringert.

Die erfindungsgemäßen Ringe wurden unter schweren Betriebsbedingungen getestet, und zwar in HulIileistungs-Dieselmotoren, und wurden ferner thermischen Spaiü.ungen und Oxydationswiderstandsprüfungen unterzogen. Die erfindunasgemäßen WoIframkarbidlegierungsbeschichtungen widerstanden thermischen Spannungsuntersuchungen, bei denen die Kolbenringe mit der Beschichtung im gespannten Zustand auf 982 C für 100 Stunden erhitzt wurden. Nach dem Test wurden photomikrographische Prü fungen durchgeführt, und diese zeigten, daß diese Beanspruchung von der Beschichtung ausgehalten wird. Die bisher bekannten und verwendeten Molybdänbeschichtunj .mi widerstehen diesem Test bei 399 C nicht mehr.

Die Legierungen der Beschichtung können mit üblichen Zurichtscheiben bearbeite* werden, obwohl diese eine sehr große Härte haben, die viel größer ist als bei den bisher bekannten Beschichtungsmaterialien für Kolbenringe. Die Legierungen der Beschichtung haben eine Vickers-Härte von mehr als 1500 kg/mm-', wohingegen die besten bisher bekannten Materialien für Kolbenringe eine Vickers-Härte von rund 1000 kg/mm² haben.

Wie bereits dargelegt, ist der Aluminiumgehalt senr kritisch, wenn man eine gute Verschleißfestigkeit wünscht. Dies wurde in einer Reihe von Vergleichstesten, wie folgt, festgestellt.

In einem ersten Test wurde ein hochbelasteter Zylinder zusammen mit Kolbenringen betrieben, die eine Gleitfläche aufweisen, die aus einer Wolfram-Karbid-Legierung besteht, und zwar in der folgenden Zusammensetzung:

Gewichtspmzeni	Wolframkarbid,
40	Kobalt,
6	Nickel,
36,5	Chrom,
6	Bor,
1	Aluminium,
3	Rest im wesentlichen Eisen
	mit geringen Mengen an Si
	lizium und Kohlenstoff.

Nach weniger als 30 Betriebsstunden, wiircien einige Schaden der Zylinderbohrung festgestellt.

Bei einem /weiten Versuch wurde die gleiche Pulserzusammensetzung verwendet, mit der Ausnahme. daß der Aluminiumgehalt auf 0.7 Gewichtsprozent vermindert wurde. Der Aluminiumgeiialt wurde dadurch kompensiert. Jaß der Nickelgehalt auf 38.S Gewichtsprozent angehoben wurde. Unter den gleichen hohen Betriebsbeanspruchungen ließ man den Zy-

lc linder 1000 Stunden arbeiten, und es trat keine Β>ιίι-rungsbeschädigung auf.

Ein zusätzlicher Vorteil wird erreicht, wenn der Aluminiumgehalt der erfindungsgemäßen Legierungen im Bereich des oben angegebenen Minimums gehalten wird. Es wurde insbesondere festgestellt, daß der verringerte Aluminiumgehalt die Gesamtenthalpie der exothermischen Reaktion verringert und ferner eine Abnahme des Abstandes /wischen Werkstück und Plasmastrahlpistole ermöglicht, ohne daß Ver- !uste an Haftfähigkeit auftreten. Eine Veränderung des Abstandes zwischen Plasmastrahlpistole und Werkstück von 15,24 cm auf 10,16 cm erhöht den Abscheidungswirkungsgrad des Sprühbetriebes um 20 bis 30" 11. wodurch erhebliche Matcrialkosten eingespart werden.

Obwohl Wolframkarbid das bevorzugte hitzebeständige Metallkarbid ist. sei bemerkt, daß dieses vollständig oder teilweise durch eines oder mehrere der im vorstehenden erwähnten hitzebeständigen Metallkarbide ersetzt werden kann. Der Gehalt an hitzebeständigem Metallkarbid kann sich beträchtlich ändern, solange sich die Karbide in Lösung in der Legierung befinden und verhältnismäßig frei von scharten Kanten und Ecken sind, die zu einem Herausreißen führen können. Für praktische Zwecke sei bemerkt, daß der Gehalt an hitzebestandigem Metallkarbid zwischen 25 und 55 Gewichtsprozent des Pulvers liegt, der dem Plasmastrahl zugeführt wird, da diese Parameter eine Verschleißfestigkeit, eine mechanisehe Festigkeit der Legierung gewährleisten und ferner gewährleisten, daß die Legierung mit einfachsten Mitteln fertig bearbeitet werden kann. Im Ausgangspulver liegen die Karbide vorzugsweise als einzelne Körper vor, die mit dem Kobalt gesintert sind, so daß im bevorzugten Ausgangspulver ein gesinterter Gehalt an Körnern vorliegt, die 40 Gewichtsprozent Wolframkarbid und 6 Gewichtsprozent Kobalt auf-■veisen.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist zu erkennen, daß durch die Erfindung Kolbenringe geschaffen werden, die mit harten Beschichtungsmetallen bedeckt sind und die eine bessere Leistung beim Betrieb in Brennkraftmaschinen ergeben als die bisher bekannten Kolbenringe. Obwohl die Beschichtungen eine ausreichende Härte aufweisen, können sie dadurch fertig bearbeitet werden, daß sie auf Siliziumkarbid- und Aluminiumoxydschleifscheiben geschliffen werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Kolbenring für Brennkraftmaschinen mit einer im Plasmastrahl-Spritzverfahren aufgebrachten Laufflächenbeschichtung aus einer Nickel. Eisen und ein schwer schmelzbares Metallkarbid enthaltenden Legierung, dadurch g e k e η n/cichnet, daß die Legierung Aluminium in einem Gewichisverhältnis von wenigei als 1" Ii enthalt.

2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium in einer Menge im Bereich von 0,5 Gewichtsprozent bis zu etwa 0.9 Gewichtsprozent vorliegt.

3. Kolbenring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium in einer Menge im Bereich von 0.56 Gewichtsprozent bis zu etwa O.SS Gewichtsprozent vorliegt.

4. Kolbenring nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium in einer Menge von etwa 0.7 Gewichtsprozent vorliegt.