DE2109249A1

DE2109249A1 - Kolbenring, insbesondere für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2109249A1
Application number: DE19712109249
Authority: DE
Inventors: Herbert Frederick Missouri; McCormick Harold Edward Ballwin; Mo. Prasse (V.St.A.). P
Original assignee: Ramsey Corp
Current assignee: Ramsey Corp
Priority date: 1970-05-11
Filing date: 1971-02-26
Publication date: 1971-11-18
Also published as: GB1300034A; JPS5218653B1; FR2103656A5; US3697091A; CA925127A

Description

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MMSEY CORPORATION Manchester and-Wei ,Morgen 117073 Manchester, Missouri / V.St.A.

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Telcfom 33 IS 10

Unser Zeichen: R 765

Kolbenring, insbesondere für eine Brennkraftmaschine.

Die Erfindung "bezieht sich auf Kolbenringe und auf die An-Ordnung und Ausbildung von Trag- oder Gleitflächen an Kolben ringen. Die Erfindung bezieht sich inabesondere auf mittels eines Plasmaatrahlverfahrena aufgebrachte Beschichtungen und Kolbenringe, die die gewünschte Festigkeit, Verschleißfestig keit und den gewünschten Widerstand gegen Fressen aufweisen.

Es ist bekannt, daß Kolbenringe einschließlich der Kompreasionsringe und Ölabstreifringe mit einem harten Beschichtungsmetall beschichtet werden müssen, damit sie eine große Belastungsverschleißfestigkeit aufweisen.

Für den Betrieb geeignete Kolbenringe müssen ferner andere gewünschte Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise muß die Beschichtung einen ausreichend hohen Schmelzpunkt und eine große Teilchenhärte aufweisen. Zusätzlich muß-die Beschichtung porös genug sein, damit die Beschichtung ein Schmiermittel auf der Oberfläche mit sich führen kann. Dies führt zu einer außerordentlich geringen Neigung zum Fressen. Andere Eigenschaften, die die Kolbenringe aufweisen sollten* umfassen eine ausreichende Bindungsfestigkeit zwischen der Beschichtung und dem Ringgrundmaterial und einen verhältnismäßig niedrigen Expahsionskoeffizienten.

Zwei

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2ΊΠ9249

Zwei der bedeutendsten Eigenschaften sind eine ausreichende Härte, die erforderlich ist, um die richtige Verschleißfestigkeit und eine gute Festigkeit gegen Fressen zu erzielen, so daß ein Ausfall des Kolbenringes während des Einlaufens nicht auftritt. Obwohl viele bekannte Beschichtungen für Kolbenringe ausreichend hart sind, weisen diese nicht den ge-' wünschten Widerstand gegen Festfressen auf. In vielen Fällen weisen die Kolben vielmehr eine große Neigung zum Festfressen auf.

Es wäre deshalb ein großer technischer Fortschritt, wenn eine neue Klasse von Kolbenringbeschichtungen oder Oberflächenausbildungen geschaffen würde, wobei diese Beschichtungen oder Oberflächenausbildungen alle die oben erwähnten Eigenschaften aufweisen, insbesondere eine gute Verschleißfestigkeit zusammen mit einem ausreichend hohen Widerstand gegen Fressen.

Durch die Erfindung werden beschichtete Kolbenringe geschaffen, die einen verhältnismäßig geringen Verschleiß aufweisen zusammen mit der gewünschten geringen Neigung zum Fressen. Die erfindungsgemäßen Kolbenringe weisen Gleit- oder Tragflächen auf, die mit einem harten Besdichtungsmaterial beschichtet sind, welches eine geringe Neigung zum Fressen hat. Die Beschichtungen umfassen entweder eine Beschichtung auf der Basis eines Zirkonoxydes oder eine Titan-Oxyd-Aluminium-Oxyd-Beschichtung· Diese BeSchichtungen werden vorzugsweise mittels eines Plasmastrahlverfahrens aufgebracht, mittels welchem die Beschichtung in situ auf der Trag- oder Gleitoberflache gebildet wird. Falls gewünscht, kann die Kolbenring-Tragfläche ebenfalls eine darunter liegende Bindeschicht aufweisen, die vorzugsweise eine Nickel-Aluminiunt-Iiegierungs-Beschichtung ist. Derartige Unterschichten sind insbesondere nützlich, wenn die beschichteten Ringe in Hochleistungsbrennkraftmaschinen verwendet werden. Diese beiden Beschichtungsklassen können mit einer Anzahl von anderen Metallen oder Metalloiden legiert werden, einschließlich Tantal, Kolumbium,

Vanadium, 109847/1113

Vanadium, Chrom, Haffnium, Silizium, Bor, Kobalt, Nickel

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden aus Eisenmetall bestehende Kornpressionsringe, die aus einem übliohen Kugelgraphitgußeisen mit etwa 3 bis 12 Gewichtsprozent Kohlenstoffgehalt hergestellt sind, oder dünne Gleitringe für Ölabstreifringbaugruppen, die aus einem unlegierten Stahl bestehen, wie beispielsweise S.A.E. 1070, und ähnliche Ringe, mittels eines Plasmastrahles beschichtet, der entweder ein Pulver enthält, welches aus einer Kombination von Aluminiumoxyd und Titanoxyd besteht, oder ein Pulver, welches hauptsächlich aus Zirkoniumoxyd besteht. Ein bevorzugtes Titan-Oxyd-Aluminium-Oxyd-Gemisch enthält etwa 10 bis etwa 25 Gewichtsprozent Titanoxyd und etwa 75 bis etwa 90 Gewichtsprozent Aluminiumoxydτ

Bei dein Plasmastrahl wird ein gasförmiger Brennstoff verwendet, der vorzugsweise aus einem Gemisch von Stickstoff oder Argon mit oder ohne Wasserstoff besteht. Die Kompressionsringe werden vorzugsweise mit einer Umfangsnut versehen und diese Nut wird mit einer legierung gefüllt, die durch die Plasmastrahlaufbringung des Aluminiumoxyd-Titanoxyd-Pulvers oder des Zirkoniumoxyd-Pulver entsteht. Das Bilverwird verdampft und wird in der Ringnut als eine in situ gebildete Beschichtung abgeschieden.

Es ist ein Ziel der Erfindung, verbesserte Kolbenringe mit Tragflächen mit harten Oberflächen herzustellen, die eine gute Verschleißfestigkeit und eine außerordentlich geringe Neigung zum Fressen haben.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, Kolbenringe zu schaffen, die durch ein Plasmastrahlverfahren aufgebrachte AIuminium-Oxyd-Titanoxyd-Besohichtungen oder ZirkonoxydbeSchichtungen aufweisen·

Ein

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rr 4 -

2109243

Ein spezielles Ziel der Erfindung ist es, einen Kolbenring für eine Brennkraftmaschine zu schaff en, der eine Eingnut aufweist, die mit einer Schicht einer der oben genannten QxydbGschichtungen gefüllt ist, welche eine ausreichende Porosität aufweist, damit diese Schicht ein Schmiermittel aufnehmen und mit sich führen kann.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Kolbens und eines Zylinders einer Brennkraftmaschine, bei der Q?eile im Schnitt gezeigt sind, wobei der Kolben Ringnuten aufweiat, in denen Kompresaionaringe und ölabatreifringe aitzen, von denen jeder eine Tragfläche aufweist, die gegen die Zylinderwandung anliegt und die aus in aitu gebildeten mittels eines Plaamaatrahlverfalirena aufgebrachter Beschichtungen gemäß der Erfindung zusammengesetzt ist,

Fig. 2 eine vergrößerte iDeilschnittansicht des obersten in Fig. 1 dargestellten Kompressionsringea,

Fig· 3 eine ähnliche Ansicht viie Fig. 2, die den zweiten Kompressionsring dea in Fig, 1 dargestellten Kolbena zeigt,

Fig. 4 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 2, die den Ölabstreifring in der dritten lingnut des in Fig. 1 gezeigten Kolbena darstellt,

Fig. 5 eine ähnliche Anaioht wie Fig. 2, die jedoch den ölabstreifring in der vierten Singnut dea in Fig. gezeigten Kolbens darstellt und

Fig. 6 eine Seitenansicht eines Satzes von Kolbenringen der gemäß der Erfindung mittels Plaamastrahlverfahrene beschichtet wird.

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Die in Pig* 1 dargestellte Kolbenanordnung 10 v/eist einen üblichen mit vier Ringnuten ausgestatteten Brennkraftmaschinenkolben auf, und dieser Kolben arbeitet in einem Zylinder, Die Baugruppe 10 umfaßt einen Kolben 11 und einen Zylinder 12 mit einer Bohrung 13· Diese Bohrung 13 nimmt den Kolben 11 auf. Der Kolben 11 hat einen Kopf 14 mit einem Ringband 15» welches vier Umfangsnuten 16, 17» 18 und 19 aufweist. Die oberste Ringnut 16 weist einen vollen Kompressionsring 20 auf, der aus Gußeisen besteht und gespalten ist. Die zweite Ringnut 17 weist einen zweiten vollen Kompressionsring 21 auf, der ebenfalls gespalten und etwas breiter ala { der Ring 20 ist. Die dritte Ringnut 19 trägt eine zweiteilige Ölabstreifringbaugruppe 22 und die vierte Ringnut 19 trägt eine dreiteilige Ölabstreifringbaugruppe 23,

Wie Pig, 2 zeigt, weist der obere Kompressionsring 20 einen Körperabschnitt 24 auf, der aus Gußeisen besteht. Es handelt sich hierbei vorzugsweise um ein Kugelgraphitgußeisen mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 3 1/2 Gewichtsprozent. Der äußere Umfang 25 dieses Ringes ist mittels einer mit einem Plasmastrahlverfahren aufgebrachten Zirkoniumoxyd- oder Titanoxyd-Aluminiumoxyd-Beschichtung 26 bedeckt.

Wie lig. 3 zeigt, weist der zweite Kompressionsring 21 einen Hauptkörper auf, der aus dem gleichen Gußeisen besteht wie der Körperabschnitt 24 des Ringes 20. Der äußere Umfang 28 des Ringes 27 ist nach oben und innen von der unteren Kante des Ringes aus gesehen, geneigt und eine Umfangsnut 29 ist um diesen geneigten Umfang herum ausgebildet. Die Nut 29 ist mit einem der Beschichtungsmaterialien 26 gefüllt.

Wie Fig. 4 zeigt, besteht die ölabatreifbaugruppe 22 in der dritten Ringnut 18 aus einem einstüokigen flexiblen Profilring 30 und aus einem Metallblechexpanderring 31» der Sohenkel aufweist, die sich in das U-Profil hinein erstrecken,

um

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um den Ring 30 auszudehnen. Der Ring 30 und der Ring 31 sind insbesondere in der US-Patentschrift 3 281 156 beschrieben.

Der einteilige ölabstreifring 30 weist zwei in axialem Abstand voneinander angeordnete radial vorspringende Wülste 32 auf. Die Umfange dieser Wülste 32 sind mit dem Beschichtung smat er ial 26 beschichtet. Die in Pig. 5 dargestellte ölabstreifring baugruppe 23 weist einen elastischen Distanz-Expanderring 33 auf, der dünne Abstreifringe 34 trägt und diese ausdehnt. Diese Baugruppe 33 ist von der Art, wie sie in den US-Patentschriften 3 133 341 und 3 133 739 beschrieben werden. Die äußeren Umfange der Abstreifringe 34 sind mit dem BeSchichtungsmaterial 26 nach der Erfindung beschichtet.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist zu entnehmen, daß die irag- oder (^leitflächen eines Jeden der Ringe 20, 21, 22 und 23 mit dem einen oder dem anderen Besciiichtungsmaterial beaohiohtet sind. Die Trag- oder Gleitflachen 26 gleiten in der Bohrung 13 des Brennkraftmaschinenzylinders 12 und liegen dichtend gegen diese Bohrung an und diese Ringe werden in der Bohrung 13 zusammengedrückt, so daß sie sich dicht gegen die Bohrungswandung anliegend ausdehnen und diese Ringe werden in einem gut abdichtenden Gleitkontakt mit der Bohrungawandung gehalten.

Wie Fig. 6 zeigt, wird das Beschichtungsmaterial auf die Ringe, beispielsweise auf den genuteten Hing 21, so aufgebracht, daß eine Anzahl von Ringen auf einem Kern 35 zu einem Satz zusammengesetzt werden« Diese Ringe werden zusammengedrückt, so daß deren Stoßenden gegeneinander anliegen· Der Kern, der den Ringsatz in der geschlossenen zusammengezogenen. Lage hält, kann in eine Drehbank eingesetzt werden und die Umfange der Ringe können bearbeitet werden, um die Hüten 29 herzustellen· Die äußeren Umfange der Ringe 21 werden dann mit

den

109847/1113

den Be a dichtungsmaterial! en 26 mittels einer Plasmastrahlpiatole 36 beschichtet. Dieae Plasmastrahlpiatöle 36 weist ein isoliertes Gehäuse 37» wie beispielsweise ein Nylongehäuse, auf und von diesem Gehäuse aus erstreckt sich eine hintere Elektrode 38. Die Voreratreckung dieser Elektrode iat mittels eines Schraubkopfes 39 einstellbar. 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 bis zu einem Auslaß

42 strömen kann· Plasmastrahlgas wird duroh einen Einlaß

43 in die Kammer eingeführt, die im Gehäuse 37 und in der Elektrode 40 ausgebildet ist und dieses Gas strömt um die Elektrode 38 herum.

Das vordere Ende der Elektrode 40 weist einen DÜsenaualaß 44 für die Plaamastrahlflamme auf· Die Bestandteile, die das BeSchichtungsmaterial 26 bilden, werden dieser Düse über einen Pulvereinlaß 45 zugeführt, der kurz Tor dem DüsenausIaS angeordnet ist«

Ein Plasma, welches, aus einem ionisierten Gas besteht, wird dadurch erzeugt» daß das Plasmagas vom Einlaß 42 duroh einen elektrischen Lichtbogen hindurch geführt wird, der sich zwisohen den Elektroden 38 und 40 ausbildet· Dieses Plasmagas ist nicht oxydierend und kann aus Stickstoff und Wasserstoff mit Argon oder Helium als Träger bestehen· Die Plasmastrahlflamme, die aus der Düse 44 austritt, zieht duroh ihre Sogwirkung das Pulver nit sich und überträgt auf die Pulverbestandteile sehr hohe Temperaturen. Der Plasmastrahlstrom trägt die Pulverbestandteile bis zum Boden der Hut 29 eines jeden Kolbenringes und auf diese Weise wird die Hut gefüllte

Bs ist bevorzugt» daß die Zirkonoxydbeschichtung oder die Titanoxyd-AluMiniuaoxyd-Beschichtung duroh einen Plasmastrahl

109847/1113 0«,^ _1NSPECTE0

in situ auf der Tragoberfläche des Kolbenringes ausgebildet ist, wie es eben beschrieben wurde. In einem üblichen Fall werden die äußeren BeSchichtungen dadurch aufgebracht, daß die Kolbenringe mittels eines Pulvers beschichtet werden, das einem Plasmastrahlatrom zugeführt wird.

In einigen Fällen kann es vorteilhaft sein, zuerst eine Bindungs- oder Haftschicht zwischen der äußeren Beschichtung aus Zirkonoxyd oder Titanoxyd-Aluminiumoxyd und dem Ring aufzubringen. Bevorzugte Haftschichten dieser Art umfassen sowohl Molybdänschichten als auch Nickel-Aluminium-Legierungsschichten. Es wurde in jedem lall jedoch gefunden, daß die Härten der Schichten einer mehrschichtigen Belegung die gleiche ist wie die, wenn jede der Schichten für sich selbst aufgetragen wird. Es sei bemerkt, daß eine zufriedenstellende Bindung mit Gußeisen erzielt wird, wenn direkt Zirkonoxyd oder Titanoxyd-Aluminiumoxyd-Beschichtungen ohne Verwendung eines getrennten Haftmaterials aufgebracht wird.

Eine typische Unterlage aus Nickel und Aluminium weist 80 bis 95 Gewichtsprozent Nickel auf, wobei der Best eine aluminiumnaltige Legierung ist.

Die erfindungsgemäßen Beschichtungen werden mittels einer Plaamastrahltechnik aufgebracht, wobei entweder ein Zirkonoxydpulver verwendet wird oder eine Kombination von Titanoxyden und Aluminiumoxyden. Eine typische Titanoxyd-Aluminiumoxyd-Be schichtung weist etwa 10 bis 25 Gewichtsprozent Titanoxyd und 75 bis 90 fo Aluminiumoxyd auf. Eine spezielle Beschichtung besteht aus 83$ Aluminiumoxyd und 17$ Titanoxyd.

Die Beschichtungen weisen ausgezeichnete Härtewerte auf· Beispielsweise hat die äußere Beschichtung aus Zirkonoxyd eine Tickers-Härte (DES)₄₀ von 1000 und sehr oft zwischen 1300 und 1600. In ähnlicher Weise hat die kombinierte Besohioh-

tun'g 109847/1113

tung aus Titanoxyd und Aluminiumoxyd entsprechende Härtewerte, Die Titanoxyd-Phase hat im allgemeinen eine Vickers Härte (OPH)₄₀ von 500 Ma 1500 in dieser Phase. Häufig beträgt diese Härte 800 bis 1200. Die Aluminiumoxydphase weist eine Vickers-Härte (DPH)._Q von 2300 bis 3300 auf und häufig liegt der Härtewert im Bereich von etwa 2500 und 3000.

Es sei bemerkt, daß sowohl die Zirkonoxydbeachichtung ala auch die Titanoxyd-Aluminiumoxydbeschichtung (titania-olad alumina oxide coating) ausgezeichnete Härtewerte haben und eine außerordentlich geringe Neigung zum Festfressen. Diese BeSchichtungen können ferner unter Verwendung üblicher Techniken geschliffen werden.

Die folgenden Beispiele beschreiben typische Arbeitsbedingungen, die beim Aufsprühen der erfindungsgemäßen Beschichtungen auf die Kolbenringe verwendet werden. In jedem Fall wird die Plasmastrahltechnik verwendet.

Beispiel I.

Ein Pulver wurde auf einen Satz von Ringen aufgesprüht, um eine Beschichtung mit harter Oberfläche herzustellen. Die spezielle Beschichtung bestand in diesem Beispiel aus 77# Aluminiumoxyd und 13$ Titanoxyd, wobei das Aluminiumoxyd und das Titanoxyd mittels eines Plasmastrahlea aufgesprüht wurde, wobei ein Pulvergemisch dieser Oxyde verwendet wurde.

Die folgenden Arbeitsbedingungen wurden bei der Plasmastrahlaufbringung verwendet:

Anzahl der Sprühpistolen 1
Abstand zwiachen Sprühpistole

und Werkatüok 11,4- om (4 1/2 Zoll)

Winkel zwiachen Plasmapistole

und Achse des Werkstückes Kompressionsringe - 45°

ölabstreifringe - 90 gerad-

109847/1113 linig.

Stromstärke ·

Stromstärke Gleichstrom 500

Spannung 85 (Bezugsspannung)

Sekundärgas-Wasserstoff 421,5 dnr (15 Std«cubic ft/hour

Hauptgaa 2107,5 dm^ (75 Std. cubio

f t/h our)

Trägergaa 1039,7 dm⁵ (37 Std. cubio

ftAour)

Vertikale Vorschubgeschwin- 60-80 cm/min. (24-32 Zoll/min) digkeit

Drehzahl des Ringsatzes 60-90 ü/min beruhend auf einem

Ringsatz mit einem Durohmesaer von 10,1 om·

Der Sprühstrahl wurde wie in. Pig. 6 dargeateilt, aufgebracht, bia die Ringe mit der fitanoxyd-Aluminiumoxydbeochichtung bedeckt waren.

Beispiel II ·

Eine Zirkonoxydbeschichtung wurde mittels dea Plasmastrahlverfahrens aufgebracht, wobei die im folgenden aufgeführten Arbeitsbedingungen beim Plasmas trahl verfahr en eingehalten wurden.

Anzahl der Sprühpistolen 1

Abstand zwischen Sprühpistole 8,25 om bia 9,5 cm (3 1/4 und Werkatüok bis 3 3/4 Zoll)

Winkel zwischen Spritzpistole

und Werkstückachae Kompreasionsringe - 45

Ölabstreifringe - 90^ö

Stromstärke 350 bis 400

Spannung wie beobachtet

Sekundär-Gasetrom - Wasser- 281-562 dar⁵ (10 bia 20 Std. stoff Gu.ft/hr.- SCIH)

Primärgasstrom - Stickstoff 2107,5 - 2388,5 am³ (75 Ma

85 80PH).

Trägergasatrom - Stickstoff 2107,5 - 2388,5 to³ (75-85

Vertikal«

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Ve rtikale Vora chubge a chwin-

digkeit 35,5-50.8 om/min (14-20 Zoll/

min.)

Drehzahl des Ringsatzes 60 bis 90 U/min, beruhend auf

einem Ringaatzdurchmeaser von 10,1 cm

Ea sei bemerkt, daß die Verteilung der Teilchengröße des bei dem Plaamastrahlsprühverfahrens verwendeten Zirkonoxydpulvers insbesondere zur Erzielung der richtigen Zugfestigkeit von Bedeutung ist. Wenn das Pulver zu grob ist, so weist die Beschichtung eine verminderte Festigkeit auf und ist nicht porös genug, um öl festzuhalten. In gewisser Hinsicht gilt das gleiche für die Aluminiumoxyd-Titanoxyd-Beachichtung, " obwohl die Teilchengrößenverteilung bei dieser Mischbesohlohtung nicht so kritisch ist.

Zur Erzielung beater Ergebnisse sollte das Zirkoniumoxydpulver eine derartige Teilchengrößenverteilung haben, daß wenigstens 50 Gewichtsprozent der Teilchen kleiner ist als 40 Mikron. Vorzugsweise sollten wenigstens 70$ des Zirkonoxydpulvera eine Teilchengrößenverteilung haben, die geringer ist als etwa 40 Mikron. Zur Erzielung einer guten Verschleißfestigkeit sollte das Aluminiumoxyd-Titanoxydpulver eine Teilchengrößenverteilung im Bereich von etwa 270 mesh (US-Siebgröße) bis zu etwa + 15 Mikron haben. ^

Ein typisches, verwendetes Zirkonoxydpulver weist die folgende Siebanalyse auf:

Tabelle I

Größenbereioh	Prozentualer Anteil	-20+15 Mikron
-200 + 250 mean	2,0
-250 + 350 aesh	15,4
-325 mesh + 50 Mikron	4,0
-50+40 Mikron	34,1
-40+30 Mikron	12,6
-30+25 Mikron	16,6
- 25 + 20 Mikron	10,1
'109847/1113

-20+15 Mikron 3,1

- 15 + 10 Mikron 2,1

- 10 Mikron -0-

In den nachfolgenden Untersuchungen wurden Zirkonoxyd"Beschichtungen und Titanoxyd-Aluminiumoxyd-Beachichtungen nach der Aufbringung auf die Kolbenringe bezüglich der SchleifCharakteristiken, der Härte und des Oxydationawiderstandes analysiert und ferner wurden Versuche in Brenn kraftmaschinen durchgeführt, um Verschleißdaten zu erhalten,

Beispiel III.

Bei der ersten Versuchsreihe wurde ein Kolbenring mit einer harten äußeren Zirkonoxydbeschichtung und mit einer darunter liegenden Molybdänbeachichtung beschichtet. Eine andere Reihe von Kolben wurde mit einer äußeren Beschichtung von 77$ Aluminiumoxyd und 13$ Titanoxyd beschichtet. Beide Beschichtungsreihen wurden geschliffen, wobei die üblichen Schleifarbeitsgänge angewendet wurden.

Beispiel IY.

Die Beschichtungen des Beispiels III wurden auf Härte untersucht. Bei der Zirkonoxyd-Molybdänbeschichtung wies die äußere Zirkoniumbeschichtung eine Vickers Härte von 1592 (DEH).λ auf und die darunter liegende Molybdänbeschiehtung hatte eine Tickers Härte von 922· Die Beschichtungen aus einem Gemisch von Aluminiumoxyd und Titanoxyd hatten eine Vickers Härte (DPH)₄₀ von 2778.

Beispiel V.

Die Beschichtungen des Beispiels 3 wurden einer sehr eingehenden

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henden Y/äriaebehandlung unterzogen, um den Oxydati ons grad zu ermitteln, der durch Hauptfarbumschlage gemessen wurde. Beide Beschichtungen wurden 100 Stunden lang auf 399⁰O (75O⁰F) gehalten und zeigten keinerlei Oxydation. Die aus Aluminiumoxyd-Titanoxyd "bestehende Beschichtung zeigte keinerlei Oxydat
wurde«

Oxydation, auch wenn sie 100 Stunden lang auf 538⁰G erhitzt

Bezüglich der vorstehenden ieschichtungen sei bemerkt, daß keine wesentlichen Härteänderungen bei irgend einer der Be schichtungen vor und nach dem Erhitzen auf entweder 399°C oder 538⁰O während 100 Stunden festgestellt wurde.

Beispiel 71.

Eine weitere Prüfung wurde mit Kolbenringen mit entweder einer Zirkoniumoxydbeschichtung oder einem Gemisch von Aluminiumoxyd und Titanoxyd als Beschichtung durchgeführt· Bei einem Porositätsteat wurde festgestellt, daß die Beschichtung aus Zirkonoxyd eine Porosität von 10 bis 15 i» und die gemischte Beschichtung eine Porosität von etwa 3 $ hatte. Die Zirkonoxydbeschichtung hatte einen Schmelzpunkt von etwa 2564⁰C und das Gemisch aus Aluminiumoxyd und Titaniumoxyd hatte einen Schmelzpunkt von etwa 1926⁰C.

Beispiel VII.

Sowohl die Zirkoniumoxydbe Schichtungen als auch die Aluminium oxyd-Titanoxyd-Beschichtungen auf Kolbenringen wurden einem Test in einer Brennkraftmaschine und zwar in einer Renault 70 mm Prüf-Brennkraftmaschine unterzogen, um die Verschleißeigenschaften festzustellen. Es wurde gefunden, daß beide . Überzüge gute Eigenschaften haben und in vielen Fällen wesent lich bessere Eigenschaften haben als übliche Kolbenringüberzüge.

Insbesondere

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Insbesondere wurden sowohl Endspieländerungen und Verschleißdaten der Bohrung ermittelt. Bezüglich der Endspieländerungen wurde das folgende Verfahren durchgeführt. Die Ringe wurden zuerst in ein präzises Durohmessermeßgerät eingesetzt. Um eine Änderung des Endspieles (E.G.) duroh kleine Änderungen im Maßdurchmesser auszuschalten, wurde das gleiche Maß vor und nach der Prüfung verwendet. Das Endspiel oder daa Stoßspiel zwischen den "beiden Stoßenden wurden dann unter Verwendung eines Werkzeugmachermikrskopea mit einem kalibrierten Linsensystem gemessen. Danach wurden die Ringe in die Brennkraftmaschine eingebaut und die Brennkraftmaschine durchließ ein spezielles Prüfprogramm für eine vorbestimmte Zeitdauer. Nachdem die Prüfung beendet war, wurden die Ringe aus der Brennkraftmaschine herausgenommen und Ansammlungen von Kohlenstoff wurden sorgfältig entfernt und die im vorstehenden erwähnte Messung wurde wiederholt. Der Unterschied zwischen den beiden Messungen des Endspieles oder des Stoßspielea ist dann ein Maß für den Verschleiß.

Beim Verschleißtest der Zylinderbohrung v/urde jede Bohrung vor der Prüfung an fünf Stelle^, in zwei Richtungen an jeder Stelle gemessen. Die Messungen wurden im Zylinder sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung an fünf Stellen von der Oberseite des Zylinders aus wie folgt durchgeführt:

1. Am oberen Totpunkt dea Ringhubes - etwa 0,9 cm (3/8 Zoll)

2. 2,54 cm (1 Zoll) vom oberen Totpunkt entfernt,

3. 5,08 cm (2 Zoll) vom oberen Totpunkt entfernt,

4. 7,62 om (3 Zoll) vom oberen Totpunkt entfernt, und

5. 10,16 cm (4 Zoll) vom oberen Totpunkt entfernt»

Dieses Verfahren wurde dann nach der Prüfung wiederholt und die Unterschiede wurden für jeden Punkt berechnet·

Beide Beachichtungen wurden bezüglich dea Ringversohleiases

und

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und dea Verschleiasea der Bohrung untersucht und zwar mit dem im vorstehenden aufgeführten Test und beide Beschichtungen sind in vielen Fällen besser als die üblichen Kolbenringe und zwar insbesondere bezüglich der Verschleißeigenschaften.

Die Ergebnisse sind in den Tabellen II und III aufgeführt.

Tabelle II

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Tabelle II

Änderung

0.003

0.002

Zylinder Fr.	Zirkon-Oxyd- Beschichtung 1 2	0.023 0.024	0.022 0,023	0.023 0.024	4
Oberer Ring	Vorher Nachher	0.001 0.024 0.027	0.001 0.024 0.026	0.001 0.023 0.024	0.024 0.025
Zweiter Ring	Änderung Vorher Nachher		0.001 0.024 0.027

0.001

0.003

Zylinder Nr. ,

Verschleißtest der Zylinderbohrung 1 2

Abstand vom obe ren Rand des Zylinders	2.7562 2.7562 2.7563 2.7565 2.7565	2.7563 2.7563 2.7563 2.7566 2.7566	2.7564 2.7563 2.7564 2.7566 2.7566	2.7558 2.7560 2.7564 2.7567 2.7567
In Querrichtung 3/8 Vorher 1 2 3 4	2.7564	2.7564	2.7565	2.7563
Mittelwert

In Querrichtung
Nachher 1

2 3 4

3/8

2.7595 2.7564 2.7562 2.7562 2.7557

2.7595
2.7563
2.7560
2.7560
2.7558

2.7582 2.7562 2.7561 2.7562 2.7560

Mittelwert

2.7568

2.7591 2.7562 2.7563 2.7563 2.7560

2.7567 2.7565 2.7568

Mittlere Änderung 0.0005 0.0003 0.0000 0.0005

Tabelle Forts.

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In Längsrichtung 3/8 Vorher 1 2 3 4	2.7567 2.7565 2.7565. 2.7565 2*7560	2.7570 2.7568 2.7566 2.7566 2.7564	2.7570 2.7568 2.7567 2.7566 2.7565	2.7562 2.7564 2.7565 2.7567 2.7564
Mittelwert	2.7564	2.7567	2.7567	2.7565
In Längsrichtung 3/8 Nachher 1 2 3 4	2.7586 2.7558 2.7557 2.7559 2.7562	2.7583 2.7568 2.7563 2.7564 2.7563	2.7584 2.7560 2.7562 2.7564 2.7562	2.7584 2.7554 2.7558 2,7562 2.7562
Mittelwert	2.7564	2.7568	2.7566	2.7564
Mittlere Ände rung	0.0000	Q.0001	0.0001	0.0001

Tabelle III

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	III	2109	C Aluminiumoxyd - Titanoxyd-Beschichtung	-	In Querrichtung Vorher	Abstand von der Ober- ZyI. 1 fläche des Zylinders	ZyI. 2	ZyI. 3	249
				3/8 2.7559 1 2.7560 2 2.7564 3 2.7564 4 2.7564	2.7557 2.7560 2.7567 2.7569 2,7561	2.7570 2.7563 2.7561 2.7552 2.7549
η	In Längsrichtung Vorher	Mittelw. 2.7561	2.7561	2.7558
Tabelle		3/8 2.7563 1 2.7556 2 2.7560 3 2.7561 4 2.7551	2.7560 2.7554 2.7562 2.7566 2.7565	2.7564 2.7561 2.7556 2.7550 2.7549	ZyI. 4
	In Längarichtung Nachher	Mittelw.2.7558	2.7561	2.7556	2.7582 2.7576 2.7565 2.7560 2.7559
	Mittl.Ändg. 0.0003	0.0000	0.0002	2.7567
	StoSsp.vorh. 0.0236 Stoßsp.nachh. 0.0255 Stoßsp.JSndg. 0.0019	0.0222 0.0241 0.0019	0.0211 0.0238 0.0027	2.7583 2.7573 2.7565 2.7558 2.7551
Oberer Hing	Stoßsp.vorh. 0.0240 Stoßsp.naohh.0.0254 Stoßsp.Xndg. 0.0014	0.0244 0.0263 0.0019	0.0240 0.0254 0.0014	2.7570
Zweiter Ring	Abstand von der Ober seite des Zylinders			0.0003
3/8 2.7568 1 2.7568 2 2.7563 3 2.7560 4 2.7564	2.7571 2.7572 2.7570 2.7565 2.7560	2.7560 2.7564 2.7571 2.7572 2.7562	0.0224 0.0257 0.0033
Mittelw.2.7565-	2.7568	2.7566	0.0243 0.0265 0.0022

2.7562 2.7567 2.7573 2.7550 2.7570
2.7569

Ports.Tab«III

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In Querrichtung
Nachher

3/8
1
2
3

2.7572 2.7565 2.7560

2.7555 2.7556

Mittel«. 2.7566 Mittl.&iderg. 0.0001

2.7571
2.7571
2.7568

2.7564
Ö.0004

2.7557

2. 2.

7560 7567

2.7580 2.7570 2.7551 2.7563

2.7565 0.0001

2.7570 2.7568 2.7566 2.7566 2.7560

2.7561 0.0008

Durch die Erfindung werden Kolbenringe mit harten Oberflächen geschaffen, die BeSchichtungen aus Zirkonoxyd oder Aluminiumoxyd-Titanoxyd aufweisen. Die erfindungsgemäßen Ringe werden vorzugsweise unter Verwendung einer PlasmastrahlsprÜhteohnik beschichtet, wobei diese Beschichtungen auf dem Ring in situ ausgebildet werden. Zusätzlich zu den ausgezeichneten Härtewerten der Beschichtung haben diese Beschichtungen eine außerordentlich geringe Neigung zum Fressen, Diese Besohiohtungen können durch Schleifen auf Siliziumkarbid und Aluminiumoxyd-Schleifscheiben fertig bearbeitet werden·

Patentansprüche

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INSPECTED

Claims

Patentansprüche

M.JKolbenring mit einer Trag- oder Gleitfläche, die mit einem harten Material mit geringer Neigung zum Pressen beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Beschichtungsmaterial aus dar Gruppe ausgewählt ist, die Beschichtungen auf einer Zirkonoxydbasis umfaßt und Titanoxyd-Aluminiumoxydbeschichtungen (titania-clad alumina oxide coatings).

2. Kolbenring nach Anspruch 1, mit einer Trag- oder Gleitfläche, die mit einem harten porösen Material mit geringer Neigung zum Pressen beschichtet ist, wobei diese Beschichtung in situ auf dem Ring mittels eines Plasmastrahlverfahrens ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß dabei ein Material verwendet wird, welches aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: a) ein Gemisch von 10 Gewichtsprozent bis zu 25 Gewichtsprozent Titanoxyd und 75 Gewichtsprozent bis 90 Gewichtsprozent Aluminiumoxyd und b) Zirkoniumoxyd.

3. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Unterlage-Bindeschicht vorgesehen ist, die aus einem Nickel-Aluminium-legierungsmaterial besteht, welches das Material mit geringer Neigung zum Pressen mit dem Ring verbindet.

4. Kolbenring mit einem Ringkörper aus einem Bisenmetall, der eine Trag- oder Gleitfläche hat, die mit einem porösen Material mit geringer Neigung zum Pressen beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die auf Zirkoniumoxyd basierende Beschichtungen und Titanoxyd-Aluminiumoxyd-Beschichtungen umfaßt und daß eine darunter liegende Haftschicht vorgesehen iat, die die Beschichtung mit geringer Neigung zum Pressen mit dem Ringkörper verbindet, wobei diese Schicht 80 bis 95 Gewichtsprozent Nickel aufweist und wobei der Rest Aluminium iat.

5.

1Q98£7/11¹3 OfIiGJNAi !NSPECT6D

5. Korbenring nach Anapruoii 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine Titanoxyd-Aluminitimoxyd-Beschichtung iat (titania-clad alumina oxide coatings).

6* Kolbenring nach Anapruoh 5, dadurch gekennzeichnet, da.3 die Titanoxyd-Aluminiuinoxyd-Beschichtung 10 "bis 25 Gewichtaprozent Titanoxyd und 75 "bis 90 Gewichtsprozent Aluminiumoxyd aufweist,

1* Kolbenring nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Härte der Titaniurnoxyd-Phase im Bereich von etwa 500 "bis 1500 Tickers Härte (DPH)^₀ liegt. · |

8. Kolbenring nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die' Härte der Aluminiumoxydphase im Bereich von etwa 2300 "bis zu etwa 3300 Yickera Härte (DPH)^₀ liegt.

9. Kolbenring nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Titanoxyd-Aluininiumoxyd-Beschichtung aus etwa 77 Gewichtsprozent Aluminiumoxyd und etwa 13 Gewichtsprozent Titanoxyd besteht.

10. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine auf Zirkonoxyd basierende Beschichtung ist.

11. Kolbenring nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zirkonoxydbeschichtung aus einem Sirkonoxydpulver hergestellt ist, das einem Plasmastrahlatrom zugeführt wurde»

12. Kolbenring nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Zirkonoxydpulver eine Teilchengrößenverteilung aufweist, derart, das wenigstens 50 Gewichtsprozent kleiner ala 40 Mikron ist, so daß die Beschichtung den gewünschten Festigkeitsgrad und die gewünschte Porosität hat.

12·

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13s Kolbenring nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die Teilchengrößerrverteilung derart ist, das wenigstens
70 Gewichtsprozent kleiner ist als 50 Mikron.

14. Kolbenring mit einer Trag- oder Gleitfläche die mit einer
harten Beschichtung versehen ist, die eine geringe Heigung
zum Pressen hat, dadurch gekennzeichnet, daß eine darunter
liegende Molybdänhaftschicht verwendet wird und eine darüber liegende Beschichtung, die entweder eine auf Zirkonoxyd basierende Beschichtung ist oder eine Titanoxyd-Aluminiumoxyd-Beschichtung,

15· Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser mit einer auf Zirkonoxyd basierenden Beschichtung beschichtet ist, die eine Vickers-Härte (DIH)₄H von wenigstens 1000 aufweist.

16. Kolbenring nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Härte einen Tickers-Härtegrad (DEH)._Q τοη 1300 bis 1600 aufweist,

17. Kolbenring nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringtragfläche ebenfalls eine darunter liegende Beschichtung aufweist, die Molybdän enthält.

18. Kolbenring nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringtragfläche eine darunter liegende Schicht enthält, die
eine Hickel-Aluminium-Legierungsbeschichtung iat.

19. Kolbenring nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringtragflächen eine darunter liegende Beschichtung aufweisen, die aus Molybdän besteht oder Molybdän enthält.

20. Kolbenring nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringtragfläche eine darunter liegende Beschichtung aufweist, die aus einer Niokel-Aluminiiim-Iiegierungsbeschiohtung besteht,

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