DE2354371A1

DE2354371A1 - Dichtungselement

Info

Publication number: DE2354371A1
Application number: DE19732354371
Authority: DE
Inventors: Harold Edward Mccormick; Herbert Frederick Prasse
Original assignee: Ramsey Corp
Current assignee: Ramsey Corp
Priority date: 1972-11-02
Filing date: 1973-10-30
Publication date: 1974-05-16
Also published as: BR7308551D0; AU6160473A; GB1434644A; US3814447A; JPS4977838A; IT999138B; ES420131A1; FR2205979A5; AU476279B2

Description

RAMSEI GORPOEATIOH
Manchester and Weidmen Roads
Manchester, Ohio

Unser Zeichen? R 818

Dichtungselement

Die Erfindung betrifft Dichtungselemente, z.B. Kolbenringe, Dichtungsringe und andere Abdichtungen, welche den Durchfluß von Strömungpraedien, z.B. gasförmigen Verbrennungsprodukten zwischen sich oberflächlich berührenden, relativ zueinander gleitenden Oberflächen begrenzen oder fast ganz verhindern sollen; es sind dies Z₆B* die Oberflächen des Kolbens und der Wand der Bohrung oder der Kammer, in welcher der Kolben eine Hubbewegung ausführt oder rotiert. .

Die Erfindung ergibt nach dem Plasmasprühverfahren aufgebrachte. Lagerbeschichtungen oder Überzüge, die äußerst abnutzungs- und verschleißfest sind und eine große Härte und verhältnismäßig geringe' Porosität aufweisen. Die nach dem Plasmaverfahren aufgebrachten Überzüge können direkt mit dem Metallkörper, für gewöhnlich einerEisen-

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Τ»·« TXr. /ΠΙ

legierung, verbunden sein oder für eine festere Verbindung kann ein getrennter Verbindungsüberzug Verwendung finden, der vorzugsweise kein freies Nickel,· freies Aluminium und freies Aluminiumoxyd enthält. Die schließlich aus'den nach dem Plasmaverfahren aufgebrachten Mischungen "bestehenden Legierungsüberzüge gemäß der Erfindung enthalten keine Komponenten, die sich als schädlich erwiesen haben«

Beispielsweise wurde freies Kxckel aus den erfindungsgemäßen legierungsbildenden Pulvern weggelassen, da es in dem fertigen Überzug aus verschiedenen Gründen störend ist. Es gibt wahrscheinlich Anlaß zu intergranularer Korrosion, wenn es^ p>it bestimmten Konzentrationen an Schwefel zusammentrifft, wie sie sich möglicherweise aus dem Schwefelgehalt schwefelhaltiger Dieselkraftstoffe ergeben. So wurden Fehlstellen, in nach dem Plasraaverfahren aufgebrachten, etwa 17 $ freien liokel enthaltenden Überzügen in dem "frisch niedergeschlagenen" Überzug festgestellt.

Es wurde auch gefunden, daß kleine Mengen Aluminiumoxyd von nur 1 oder 2 Gew.-^ des endgültigen Legierungsüberzugs vom Standpunkt der Verschleißfestigkeit aus unerwünscht sind.

Andererseits ist es eine Erfahrungstatsache, daß Molybdän und bestimmte Molybdänlegierungen die höchste Verschleißfestigkeit zeigen, wenn sie auf Dich.tungselemen.te als Lagerflächen oder Überzüge nach dem Plasmaverfahren aufgespritzt werden.

Eine Mischung der folgenden Ausgangsstoffe.in den angegebenen Gewichtsprozenten ist ein Beispiel für eine geeignete Molybdän enthaltende Zusammensetzung zur Bildung

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eines fertigen Überzugs, der nahezu kein freies Nickel und Aluminiumoxyd enthalte

Tabelle I .

Ausgangskomponenten · Bereiche - Gew,-$

bevorzugt breit

Wolframkarbid-Kobaltaggregat 38 - 42 $ 30 - 50 $ Molybdän . . . ; 30 - 40 fo 25 - 45 f»

Nickel-Chrom-Bor-Siliciumlegierung 18-32$ Rest

In der vorstehenden Tabelle I liegt das Wolfram in Form von Wolframkarbid (WC) in dem Wolframkarbid-Kobaltaggregat vor, das zu 88 fo aus WC und zu 12 fo freiem Kobalt besteht. Die Mckei-Chrom-Bor-Siliciumlegierung.kann getrennt vorgeformt werden und dann in Pulverform vorliegen, um so mit den anderen pulverformigen Komponenten gemischt zu werden; man kann auch aus allen Komponenten eine Vorlegierung bilden und diese dann in Pulverform als Ausgangsmaterial verwenden.

Tabelle II zeigt eine Aufspaltung des Wolframkarbid-Kobalt aggregate von Tabelle I in die es aufbauenden Elemente:

Tabelle II Elemente Bereiche in

Wolfram 79,5 - 83,5 ^

Kobalt 11,0 - 13,0 fo

Kohlenstoff 5,15 - 9,5 Ji

Eisen bis 1,5 $ Maximum Rest unwesentliche Bestandteile einschließlich Verunreinigungen.

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Eine Aufspaltung der Nickel-Chrom-Bor-Siliciumlegierung von Tabelle I ist in der folgenden Tabelle III gegeben:

	Tabelle III	-	Bereiche :
Elemente		Rest unwesentliche Bestandteile	60
Nickel		nigungen.	13,0
Chrom			3
Silicium			2,75
Bor		3
Eisen		0,6
Kohlenstoff		0,1 ?
Kobalt
Ln Gew.-$
-■ 75 1o
- 20 i»
- 5 1o
- 4,7 1o
- 5 1o
- 1,3 $
¹O Maximum
einschließlich Verunrei

Der "Rest" in den vorstehenden Tabellen und in der folgenden Tabelle IV sind unwesentliche Elemente die in der Regel unvermeidbar oder als Verunreinigungen zugegen sind,

ÜTachdem das Wolframlcarbid-Kobaltaggregat, das Molybdän und die Mckel-Chrora-Bor-Siliciumlegierung von Tabelle I pulverförmig erhalten und innerhalb der in Tabelle I angegebenen Anteile gemischt wurden, enthält diese Pulvermischung die jeweiligen Komponenten innerhalb der in der nachstehenden Tabelle IV angegebenen Bereiche:

A 0 9 8 2 0 / 0 7 8 6

	Tabelle IV	4 -	Bereiche	35	..*	in Gew. -rfo	42
Elemente		1,9 -.		6	io		6,5
		30 -	etwa	4	*		5
Wolfram		10 -	Il	40	*	weiter	45
Kobalt	enger	2,3 -:	It	24	i>	24 ' -	34
Kohlenstoff	etwa 30 -	0,5 -	ti	β,	4 io	3,2 -	9
Molybdän'	Il	0,4-	It	1s	6 io	1,6-	2,2
Nickel	It	. 0,5 -	It	1,	5 io	25 -	2,2
Chrom	II		η	0,	6 io	3 -
Silicium	Il		Il			1 —
Bor .	Il		Il	0,1 -
Eisen	-Il		. 0,1 -
Il ^
St

Rest unwesentliche Bestandteile einschließlich'Verunreinigungen,, .

Die nach dem Plasmaspritzverfahren aufgebrachte Zusammensetzung von. Tabelle IV ergibt die gewünschten abnutzungs- und verschleißfesten Lagerbeschichtungen oder Überzüge.

Eine wichtige Aufgabe der Erfindung ist daher die'Schaffung eines Dichtungselements zur Begrenzung des Durchflusses von fließfähigen Medien zwischen sich oberflächlich berührenden, relativ zueinander gleitbaren Oberflächen, ZoBo den Oberflächen eines sich in seinem Zylinder, hin- und herbewegenden Kolbens, z.B. in einem üblichen Verbrennungsmotor oder zwischen einem rotierenden Kolben oder Motor und dessen Gehäuses, wie z.B. im Wankelmotor« Bei jeder dieser Arten von Verbrennongskraftmaschinen besitzen die erfindungsgemäßen Dichtungsflächen überlegene Abnutzungs— und Verschleißfestigkeiten infolge ihrer Zusammensetzung und ihrer Aufbringung mittels eines Plasmastrahlsv > *

A0.9 8-2Q/078

235437Γ

Lie Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Anordnung aus einem hin- und hergehenden Motorkolben und einem Zylinder, bei der der Kolben Ringnuten aufweist:, in denen Verdichtungs- und Ölabstreifringe mit jeweils einer mit der Zylinderwand in Eingriff stehenden Lagerfläche angebracht sind, die aus einer an Ort und Stelle mit Hilfe eines Plasmastrahls geformten erfindungsgemäßen Besohichtungszusammensetzung" versehen ist,

Pig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt des obersten Verdient ungsrings im Kolben von Fig. 1,

Pig. 3 eine der Ansicht von Pig., 2 ähnliche Ansicht des zweiten Verdichtungsrings im Kolben von Figo 1,

Pig. 4 einen Teilschnitt eines beschichteten Trapezkolbenrings für einen Dieselmotor,

Pig. 5 eine Ansicht einer vertikal angebrachten Spindel, die Kolbenringe beim Plasmastrahlbeschichtungsverfahren nach der Erfindung trägt,

Pig. 6 eine Längsansicht einer Scheiteldichtung für eine Drehlcolbenmaschine,

Pig. 7 einen vergrößerten Schnitt längs der Linie VII-VII von Pig. 6,

Pig. 8 einen dem Schnitt von Pig« 7 ähnlichen Schnitt, wobei auf einer oberen Pläche der Scheiteidich— tung eine sich bis zu den Seiten und längs der Seiten erstreckende Beschichtung angebracht ist, 409820/0786

Pig. 9 einen vergrößerten Schnitt eines inneren Öl-■abstreifrings ohne Schlitz für eine Drehkolbenmaschine, ·

Pig. 10 eine unterbrochene Draufsicht auf eine Gleitscheiteldichtung und ·

Pigl 11 einen weiter vergrößerten Schnitt längs der Linie XI-XI. von Pig. 10, der einen Teil des Kolbengehäuses erkennen läßt, mit dem die .Scheiteldichtung zum Verhindern eines Strömungsmitteldurehtritts einschließlich gasförmiger Verbrennungsprodukte gleitend in Kontakt steht.

Die in Pig. 1 dargestellte Anordnung 10 aus Kolben und Zylinder zeigt einen herkömmlichen, mit Dreiringnuten versehenen Brennkraftmaschinenkolben 11, der-in einem Motorzylinder 12 hin-und herläuft. Der Zylinder 12 bildet eine Bohrung 13, die den Kolben 11 relativ gegeneinander verschiebbar aufnimmt. Der Kolben 11 enthält einen Kopf 14 mit einem Ringband 15, das· drei Umfangsringnuten 16, 17 und 18 bildet. In der obersten Ringnut 16 befindet sieh ein aufgetrennter, aus einem Stück bestehender Verdichtungsring 20 aus Gußeisen. In der zweiten Ringnut 17 befindet sich ein aufgetrennter, einteiliger zweiter Verdichtungsring 21, der üblicherweise, jedoch nicht notwendigerweise, ebenso breit wie der Verdichtungsring 20 ist. Die dritte Ringnut 18 enthält einen zweiteiligen Ölabstreifring 22,

Der oberste Verdichtungsring 20 weist nach Pig. 2 einen Hauptkörper 24 auf. In der Praxis bestehen die meisten oberen Verdichtungsringe aus Lamellen-Kolbenringeisen; für höhere Leistung und für Schwerlastdiespltnotore wird

k 0 9 B 2 0 IΌ 7 B δ

bevorzugt sphärolitisohes Gußeisen verwendet, das üblicherweise einen Kohlenstoffgehalt von etwa 3,5 Gew.-? enthält. Die Außenumfangsfläche 25 des Verdichtungsrings 20 hat die Form eines geraden Zylinders; sie ist mit einer legierungsbeschichtung 26 überzogen, die mit Hilfe eines Plasmastrahis an Ort und Stelle aufgebracht ist. Im Gebrauch befindet sich die Legierungsbeschichtung des von der Wand der Bohrung 13 in eine echte zylindrische Form gebrachten Verdichtungsrings 20 relativ verschiebbar mit der Innenfläche des Zylinders 12 in Berührung.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, weist der zweite Verdichtungsring 21 von Fig. 1 den Hauptkörper 27 auf, der aus dem gleichen Lamellen-Kolbenringeisen wie der Körper 24 des Verdichtungsrings 20 bestehen kann« Die Außenumfangsfläche 28 des Hauptkörpers 27 ist nicht in Form eines geraden Zylinders ausgeführt, sondern von der Ringunterkante aus nach oben und nach innen geneigt, und in der geneigten UmfangsfIache ist eine ürafangsnut 29 gebildet, die sich jedoch nicht über die gesamte Höhe der Außenfläche erstreckt. Die Umfangsnut 29 kann zweckmäßigerweise mit dem gleichen erfindungsgemäßen Legierungsbeschichtungsmaterial ausgefüllt sein, das bei 26 in Eig. 2 oben angegeben wurde.

Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform eines Kolbenrings, bei der der Kolbenring 50 ein Trapezring für Dieselmotore ist. Die Außenumfangsfläche des Kolbenrings 50 ist die Fläche 51 eines geraden Zylinders, in der zwei Ringnuten 52 und 53 angebracht sind, die durch ein schmales, aus dem Metall des Ringkörpers gebildetes Ringband voneinander getrennt sind. Die Ringnuten 52 und 53 sind mit dem erfindungsgemäßen Beschichtungsmaterial 26 gefüllt, das eine harte abnutzungs- und verschleißbeständige Dichtung gegen die Zylinderwand bildet, 409820/0786

mit der es während des Betriebs der Brennkraftmaschine in gleitendem und abdichtendem Kontakt steht»

Wie aus Pig ..^ 5 hervorgeht, sind auf einer vertikalen Spindel 35 mehrere Ringe 21 übereinandergestapelt; sie sind so zusammengedrückt, daß ihre Trennstellen im wesentlichen aneinanderstoßeno Bei einem Stapel solcher Ringe in ihrer nahezu geschlossenen, zusammengezogenen Stellung, der in einer Drehbank eingespannt ist, werden die umfangsflächender Ringe zur Bildung von Nuten, beispielsweise der Hüten 29, bearbeitete Diese Nuten werden dann durch Anwendung eines Plasmastrahls aus dem Material zur Bildung der Besclilchtungen 26 unter Yerwendung einer Plasmastrahl-Sprühvorrichtung 126 gefüllt» Überschüssiges Beschichtungstaaterial wird durch Schleifen entfernt _o ■ _ . -

Die Sprühvorrichtung 136 enthält, ein isolierendes Gehäuse 137» beispielsweise ein Nylongehäuse, in das eine rückwärtige Elektrode 138 ragt; wie weit diese Elektrode in das Gehäuse ragt, kann mit Hilfe eines Gewindeknopfs

139 einstellbar gesteuert werden.

Die Vorderfläche des Gehäuses nimmt eine Torderelektrode

140 auf. Das Gehäuse 137 und die Vorderelektrode 140 sind hohl ausgebildet und wassergekühlt_s" so daß Wasser als Kühlmittel von einem Einlaß 141 zu einem Auslaß 142 hindurchströmen kann. Durch einen Einlaß 143 wird in die vom Gehäuse 137 und von derVorderelektrode 140 gebil= dete Kammer ein Plasmastrahlgäs zugeführt, so daß es um die rückwärtige Elektrode 138 strömt»

Das Vorder ende der Elektrode 14-0- bildet eine Auslaßdüse 144 für die Plasmaflamme, in die durch einen Pulvereinlaß 145 die pulverisierten Bestandteile eingeführt

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-JO-

werden, die an den Außenumfangsflächen der Ringe 20 oder in den Nuten der genuteten Ringe 21 und 50 die Beschichtungen 26 bilden«

Das Plasma, das aus ionisiertem Gas besteht, wird dadurch erzeugt, daß das Plasmagas von dem Einlaß 143 durch einen zwischen den Elektroden 138 und 140 gebildeten Lichtbogen geführt wird_β Das auf diese Weise in den Einlaß 143 eingeführte Plasmagas besteht vorzugsweise aus Stickstoff und Wasserstoff₉ so daß es selbst nichtoxidierend ist_o Der resultierende Plasmastrahl bewirkt jedoch;, daß in die Strahlflamme nach dem Verlassen, der Auslaßdüse 144 auereichend Luft gesaugt wird, damit eine das legierungsbildende Pulver umgebende oxidierende Atmosphäre erzsagt wird, die ein in einem solchen Pulver vorhandenes Wolframkarbid gemäß der nachfolgenden GrI'eichung in freies Wolframmetall umwandeln kann:

3 WC + 2O₂ > 2 CO₂ + W + W₂C

Wenn in der fertigen Beschichtung überhaupt noch Wolframkarbid vorhanden ist, dann ist es in derart geringen Mengen vorhanden, daß es bei Elektronensonden- oder spektralphotometrischen Analysen nicht in Erscheinung tritt.

Zur Erzielung der Oxidation des in dem der Flamme zugeführten legierungsbildenden Pulver enthaltenen· Wolframkarbids sollte die Plasmaflamme eine oxidierende Flamme in einem Abstand von etwa 5 cm von der Düse der Plasmasprühvorrichtung sein, und bei diesem Abstand von der Düse sollte die Flamme etwa 80 Volumen-^ Luft enthalten.

Anstelle von Stickstoff könnte als Trägergas für das Pulver auch Argon oder Helium oder eine Mischung aus

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diesen zwei Gasen verwendet werden«. Die von der Auslaßdüse 144 als Düsenstrahl abgegebene Plasmaflamme dient dazu, das legierungsbildende Pulver durch. Saugwirkung in die Plasmaflamme zu ziehen und die Bestandteile des Pulvers so hohen Temperaturen auszusetzen, daß sie zu einer homogenen legierung verschmelzen«, Der Düsenstrahl transportiert die geschmolzene legierung zu den relativ kühlen AußenumfangsfIachen 25 der Verdichtungsringe 20, damit sie sich zur. Beschichtung dieser Ringe beispielsweise bei 26 verfestigt, oder es wird die geschmolzene Legierung in die Bodenabschnitte der in den Kolbenringen 21 gebildeten Nuten 29 befördert, je nachdem welcher Ringtyp auf der Spindel 35 befestigt ist. Die Umfangsflachen 25 oder die Nuten 29 werden auf diese Weise an Ort und Stelle mit den BeSchichtungen 26 überzogen bzw. gefüllt-, die die Lagerflächen dieser Ringe bilden.

Das erfindungsgemäße Dichtungselement enthalt allgemein einen relativ starren Körper und ein damit verbundenes Beschichtungsmaterials damit eine lägerfläehe entsteht, die mit einer relativ beweglichen Fläche von zwei sich oberflächlich berührenden, relativ zueinander gleitenden Flachen in abdichtendem Kontakt steht. Semäß der bisherigen Beschreibung in Zusammenhang mit den Pig« 1 bis 4 ist die hier beschriebene Erfindung in einem Kolbenring verkörpert, auf dem eine Beschichtung aus einer abriebfesten Legierung zur Erzielung eines abdichtenden Kontakts mit der Zylinderwand einer Brennkraftmaschine bei der Hin- und Herbewegung des Kolbens in_; dea Zylinder, angebracht ist. Das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip kann jedoch auch auf Dichtungen wie S©heiteldichtungen und dergl. angewendet werden₉ die für die Verwendung bei einem Drehkolben, beispielsweise in einem Wankelmotor, geeignet sind. Es können also die gleichen abriebfesten Legierungen und Kombinationen solcher Legierungen mit

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geeigneten Matrizen, wie sie für die Kolbenringe "bei einem Motor mit hin- und hergehendem Kolben beschrieben worden sind, in gleicher Weise bei Drehkolbenanordnungen angewendet werden, wie sie für den Wankelmotor typisch sind.

Solche Legierungen und ihre Kombinationen mit geeigneten Matrixmaterialien werden sowohl im Hinblick auf die •legierungsbildenden Metall- und Metalloidpulver, die auf ein Dichtungselement mittels eines Plasmastrahls zur Bildung der beschriebenen Legierung in situ aufgebracht werden,als auch im Hinblick auf die Zusammensetzung der fertigen Legierung und die Phasen ihrer Bestandteile beschrieben, wie sie durch Mikrosonden- and spektrophotometrische Analyse sowie durch Photomikroskopie festgestellt werden«

In diesem Beispiel besteht das iusgangsaiaterial zur Herstellung einer ausreichend harten, abnutzungsbeständigen legierung aus einer Pulverraischung der in Tabelle I angegebenen Komponenten innerhalb des bevorzugten Anteilbereichs von 38 - 42 Gew.-%'Wolframkarbid-Kobaltaggregat ; 30 - 40 Gew.-% Molybdän und 18 - 32 Gew.-^ Niekel-Chrom-Bor-Silieiumlegierung. Die Gesamtzusammensetzung der Pulvermischung liegt innerhalb der engeren Gewichtsprozentbereiche von Tabelle IY.

Diese Pulvermischung aus legierungsbildenden Bestandteilen wurde auf ein bestimmtes Eisenmetallsubstrat aufgebracht, wie es beispielsweise in Kolbendichtungen verwendet wird, und zwar nach der Plasmastrahlmethode, jedoch unter Yerwendung einer oxidierenden Plasmaflamme, so daß etwa als Wolframkarbid oder als anderes Metallkarbid anwesender Kohlenstoff oxidiert wird und der

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fertige Legierungsüberzug im wesentlichen keinen Kohlenstoff mehr enthält. Das in dem Ausgangsmaterial enthaltene Wolframkarbid wird nicht nur unter Umwandlung in Wolfrarametall oxidiert, sondern das so erhaltene Wolframmetall wird solchen Umgebungsbedingungen und einer solchen Zusammensetzung der Plasmaflamme ausgesetzt, daß das freie Wolframmetall mit dem anwesenden Bor reagiert und bei Abscheidung und Abkühlung einen eine Wolfram-Borphase enthaltenden Überzug bildet, in welchem das Bor in den Gitterzwischenräumen des Wolframs unter Bildung von gehärtetem Wolfram dispergiert ist. Die gehärtete Wolfram-Borphase besitzt eine Härte, gemessen in Knoopzahlen (KHB") von 1200 Knoop, was einer wesentlich größeren Härte als der von reinem Wolfram entspricht.

Die gebildete fertige Legierung besitzt eine "MoIy" (Molybdän) Phase mit einer Härte von 900 KHN, die mit etwa 400 Tickers für reines Molybdän vergleichbar ist. Die Tatsache, daß sowohl. Wolfram als auch Molybdän hohe Härtezahlen besitzen, ist ein Anzeichen für eine interstitielle Härtung mit Sauerstoff im Pail des Molybestandteils und entweder mit Sauerstoff und Bor oder mit Bor allein im Pail der Wolframphase.

Unterwirft man einen der erhaltenen fertigen Überzüge auf einem Kolbenring einer Analyse mit der Elektronensonde, so erhält man die folgenden ToIum-?£ für die angegebenen Phasen der Überzugszüsammensetzung, woraus sich die entsprechenden Gewichtsprozente berechnen: .

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Überzug Volum-$ Gew.-$

etwa berechnet

W, Co Phase 13,3$ (13$ angenähert) 23, Molybdänphase 42,1$ (42$ » ) 42, ITi-C hrom-Legie-

rungsphase 44,6$ (45$ " ) 33,

100,0 $ 100,0 $

Die Zusammensetzung der Wolfram-Kobaltphase (W, Co) gab die folgenden Analysenergebnisse in Tolum-$:

W = 91,3 $ Co = 8,3 $ Si = ,06$ C = O₈O $ Pe = 0,3$

Die Nickel-Chromlegierungsphase besaß die folgende Zusammensetzung in Yolum-$:

= 65,4 $ Cr = 22,1 $

Si = 3,7 $

Pe = 1,7 $

B= 7,1 $

Die Molyphase bestand zu 100 $ aus Molybdän.

Zusätzlich zu der Analyse mit der Mikrosonde wurde eine spektrophotometrische Analyse des fertigen erfindungsgemäßen Überzugs durchgeführt. Im folgenden sind die Phasen des Überzugs in'Gewichtsprozent (nicht Volumprozent) angegeben, wie sie sich aus der spektrophotometrischen Analyse ergaben:

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W₉ Co -»26 Gew,-

Molybdän - 45 Gew.-

Nickel-Chrom-

legierung . - 29 Gew.-

100

Der Erläuterung halber sei bemerkt, daß in den berechneten 29 Gew.-^ "Nickel-Chromlegierung" der Gesaratgehalt an Nickel-Chrom-Bor-Silieiura-»Aluminium--Eisen enthalten ist. Da das Nickel legiert ist,· erscheint es nicht als freies Nickel* Wie die.folgende Aufspaltung zeigt, beträgt der Gehalt an Legierung aus nur Nickel (15 ^) und Chrom (4 $)■ 19 Gew_o-$<, Die spektrophotoraetrische Analyse zeigt Eisen, Silicium und Aluminium als Bestandteile des aufgebrachten Überzugs„

Die Aufspaltung der Analysenergebnisse in die einzelnen Elemente ist die folgende;

: Mo -. 45 io Gr - '4 f_o\

W' - 18 φ Pe - 4,5 # " '

M - 15 % ■ Si .- 3 fo

Co - Q fo Al - 1 i°

. Bor - nicht bestimmt, ergibt sich aus der Differenz jedoch zu 2 ^

Es sei bfojontj daß Unterschiede in den für das Ausgangspulver und den daraus gebildeten fertigen Überzug erhaltenen Analysen im allgemeinen ziemlich groß sind. Das kann auf Met'allverluste "im Pail der feineren Pulverteilchen entweder infolge einer rascheren und vollständigeren Oxidation oder auf Verflüchtigung oder auf die Verluste infolge Ankleben an .den Dorn zurückzuführen sein* auf welchem der Kolbenring während der Plasmabesprühung montiert ist« Bei dem den vorstehenden Analysen zugrunde-

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liegenden Pulvergemisch war das Molybdänpulver viel grober als das Wolfram-Karbid-Kobaltpulver. Genauer gesagt besaß das Molybdän eine Teilchengröße von plus 140 mesh bis zu 50 $ max. und von minus 325 mesh bis zu 20 $> max. bei einem Test auf US Standardsieben.

Wie bereits gesagt, ist die gesamte bevorzugte, in die Plasmaspritzpistole eingeführte Pulvermischung bevorzugt nahezu frei von freiem Nickel und freiem Aluminium sowie Aluminiumoxyd. Auch Nickelaluminid ist vorzugsweise nicht in den Pulverbestandteilen des erfindungsgemäßen harten, verschleißfesten Materials enthalten und anstelle von freiem Nickel oder freiem Aluminiumoxyd oder Nickelaluminid wird Molybdän verwendet. Oas absichtlich als Element der Nickel-Chrom-Bor-Siliciumlegierung zugesetzte Nickel bildet einen integralen Bestandteil dieser Legierung und ebenso der Endlegierung und liegt nicht in freiem Zustand vor. Im Nickelaluminid ist das Nickel nicht bleibend mit dem Aluminium legiert, sondern wird leicht in freies Nickel und freies Aluminium gespalten, die beide für die Bildung eines äußerst verschleißfesten Materials für die Dichtungen von hin- und herbewegten und rotierenden Kolben von Verbrennungskraftmaschinen schädlich sind.

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- 17> ■ "

In den Fig. 6 bis 11 sind verschiedene Typen von Dichtungselementen für Wankelmotore und ähnliche Drehkolbenmotore dargestellt, bei denen zwischen dem Rotor und den Gehäuseseitenflächen und zwischen den Umfangsflächen des Rotors und des Gehäuses Dichtungselemente angebracht sind. Die erfindungsgemäßen Dichtungselemente sind mit Lagerflächen gemäß der vorliegenden Beschreibung ausgestattet, damit harte, abnützungs- und abriebbeständige Dichtungen zwischen allen relativ gegeneinander gleitenden Flächen geschaffen werden. Die mit solchen Lagerflächen ausgestatteten Dichtungselemente können so geformt und zusammengefügt werden, daß sie wirksamer und über längere Lebensdauerzeitperioden als Kompressionsdichtungen wirken, als es bei bisher bekannten Dichtungseinrichtungen der Fall war.

In den Fig. 6 und 7 ist eine bei einer Drehkolbenmaschine verwendbare Scheiteldichtung 60 dargestellt. Die Scheiteldichtung 60 weist einen länglichen Körperabschnitt 61 mit ü-förmigem Querschnitt auf; der Körperabschnitt 61 besitzt einen Ausnehmungsabsehnitt 62, der zur Aufnahme einer Lagerflächenlegierung 64 mit einer ÜTut 63 ausgestattet ist. Die !Tut 63 ist relativ flach, und sie besitzt einen ebenen Boden 65 sowie leicht divergierende, sich in Längsrichtung erstreckende Wände 66_O Jede für die Verwendung als Lagerflächen oder Lagerbeschichtungen beschriebene Legierung kann zufriedenstellend als Lagerflächenlegierung 64 verwendet werden.

In Fig. 8 ist ein Schnitt einer abgeänderten Ausführungsform einer Scheiteldichtung 93 dargestellt, die der Scheiteldichtung von FIg₀ 7 ähnlich ist, wobei die Lagerflächenlegierung64 jedoch eine Beschichtung 95 bildet, die sich bei 94 (nach der Darstellung) vollständig über die obere Fläche und bei 96 längs der Seitenflächen erstreckte

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Pig. 9 zeigt einen Schnitt eines inneren Ölabdichtrings 70 zur Verwendung bei einer Drehkolbenmaschine. Der Ring 70 ist im Querschnitt in einer flachen U-Form ausgeführt, die kurze radiale innere und äußere Schenkelabschnitte 71 und einen Ausnehraungsabschnitt 72' aufweist, der die beiden Schenkelabschnitte miteinander verbindet. Die inneren und äußeren Ringflächen 73 bzw. 74 der Scaenkelabschnitte 71 sind allgemein eben und parallel. Längs der ringförmigen Innenfläche verläuft eine flache Nut 75, die mit einer Legierung zur Bildung einer Lagerfläche 77 längs der Innenringflache des Ölabdichtrings gefüllt ist; der dargestellte Abschnitt 70 des Rings ist nur ein Schnitt. Der gesamte Ölabdichtring, der mit dem Bezugszeichen 78 versehen ist, ist ein geschlossener Ring, was bedeutet, daß er keinen Trennspalt aufweist. Die Hut 75 hat längs ihrer Höhe eine unterschiedliche Tiefe der Art, das sie in der Ansicht von Fig. 9 gegen das obere Ende der Fläche hin flacher ist, während sie gegen das untere Ende dieser Fläche 73 hin tiefer ist. Diese Änderung der Nuttiefe ergibt eine größere Tiefe oder Dicke der Legierung 76 dort, wo die Lagerbelastung am größten ist.

In Fig. 10 ist eine Grleitscheiteldichtung für Drehkolbenmaschinen dargestellt. Diese besondere Dichtung wird allgemein zusammen mit einem Scheitelabstandshalter, einer Seitendichtung und einem Seitendichtungsspreizer verwendet.

Die in den Fig. 10 und 11 dargestellte Dichtung ist allgemein mit dem Bezugszeichen 80 angegeben. Das Bezugszeichen 81 gibt einen Teil der Innenfläche der Wand 82 an, die einen Teil des trochoidförmigen Drehkolbengehäuses bildet, mit die Dichtung 80 gleitend und abdichtend in Kontakt gehalten wird. Die Gleitdichtung 80 hat in der Ansicht von Fig. 11 einen T-förtnigen Querschnitt, bei dem sich auf einer Seite des 409820/0786

Köpfteils 85 der Dichtung ein Stegabschnitt 83 erstreckt, während auf der anderen Seite 88 des Eopfteils 85 zwei parallele, im Abstand voneinander angebrachte Rippen 86 und 87 verlaufen.

Die Rippen 86 und 87 sind mit Nuten 89 bzw. 90 versehen, die mit einer der legierungen gefüllt sind, die hier als für Lagerflächen geeignet beschrieben worden sind. Die Lagerflächen 91 und 92, die von den Legierungsfüllungen in den Huten 89 bzw. 90 gebildet sind, stehen gleitend und abdichtend mit der Innenfläche 81 der Wand 82 während des Betriebs des Motors in Kontakt. Der Stegabschnitt 93 ist von einem ihn tragenden (nicht dargestellten) Scheiteldichtungsträger aufgenommen, der eine ausreichende Kippbewegung des Stegabschnitts ermöglicht, so daß die Lagerflächen 91 und 92 während des gesamten Betriebs des Motors den abdichtenden gleitenden Kontakt zwischen den Lagerflächen und den einen !eil der trochoidförmigen Drehkolbengehäuses bildenden Innenfläche 81 aufrecht erhalten können.

Die Lagerflächen oder Oberzüge gemäß der Erfindung bestehen aus in einer Molybdänmatrix gut dispergierten einzelnen getrennten Phasen und/oder Legierungen. Der fertige Überzug enthält eine harte Wolfram-Kobal.tphase . und eine Hickel-Ghromlegierung in einer Molybdänmatrix,

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Claims

P a t e η t a ns ρ r ü ο h e

1. Dichtungselement mit einem verhältnismäßig starren Körper und einem darauf befindlichen Legierungsüberzug, "bestehend aus einer Wolfram-Kobaltphase, einer Molybdänphase und einer Mckel-Chromlegierungsphase, wobei die Wolfram-Kobaltphase im wesentlichen frei von Kohlenstoff ist und etwa 13 Volum % des Legierungsüberzugs, bestimmt durch eine Analyse mit der Elektronensonde, ausmacht.

2. Dichtungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnte, daß die Molybdänphase zu etwa 100 $> aus Molybdän besteht und etwa 42 Volum fo des Legierungsüberzugs, bestimmt durch Analyse mit der Elektronensonde, ausmacht.

3. Dichtungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickel-Chromlegierungsphase etwa 45 Volum des Legierungsüberzugs, bestimmt durch Analyse mit der Elektronensonde, ausmacht.

4. Dichtungselement nach Anspruch.1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wolfram-Kobaltphase, bestimmt durch spektrophotometrische Analyse, etwa 26 Gew.-io des Legierungsüberzugs ausmacht.

5. Dichtungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Molybdänphase, bestimmt durch spektrophotometrische Analyse, etwa 45 Gew.-$ des Legierungsüberzugs ausmacht.

6. Dichtungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickel-Chromlegierungsphase etwa 29 Gew.-$ des Legierungsüberzugs bildet.

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Dichtungselement nach Anspruch 1/dadurch gekennzeichnet₉ daß die Wolfram-Kobalt phase's /bestimmt dur©h Analyse ffllt der Blektronensonde₉ etwa 13 Yolum-$ und_p bestimmt durch spektrophotometrisehe Analysev etwa 26 GrewO=$ des Legie«= rungsüberzugs₉ die Molybdänphase, beistimmt durch Analyse mit der Elektronensonde j etwa 42 Yolum-$ und_? bestimmt durch spektrophotometrische Analyse, etwa 45 Gew„-$ des Legierungsüberzugs und die Mekel-Ohromleglerungsphase, bestimmt durch Analyse mit der Elektronensonde etwa 45 Volum-$ und₉ bestimmt durch spektrophotometrische Analyse, etwa 29 Gew<=-$ des Legierungsüberzugs ausmacht,

8. Diphtungselement mit einem verhältnismäßig starren Eisenmetallsubstrat und einem damit verbundenen, eine Lagerfläche bildenden Legierungsüberzug_f dadurch gekennzeichnet , daß der Legierungsüberzug die folgenden Phasen in den folgenden jeweiligen angenäherten Tolumen- und Gew.-$>Gehalten aufweist;

Legierungsüberzug Yolum-^ Gew.-^

(Phasen) (Elektronen- (Spektrophotometri-

sonde) sehe Analyse)

¥, Go 13>3 26

Mo 42,1 - 45

- Cr- 44,6 29

wobei der Legierungsüberzug die einzelnen Elemente in den folgenden angenäherten Gew_o -fo enthält?

Mo .-■ 45 ¥ -. 18 M - 15 Go >= 8 Gr - 4 - Si - 3 4 0 9 8 2 0 /078

' Al" - 1 #

B - nicht "bestimmt - "berechnet aus der Differenz = Z $

9. Dichtungselement zur Durchflußbegrenzung von Strömungsmedien zwischen sich, oberflächlich "berührenden relativ zueinander gleitenden Oberflächen, wobei das Dichtungselement einen verhältnismäßig starren Körper und einen Überzug auf einer Lagerfläche desselben aufweist ₉ die mit einer der Oberflächen unter Erzielung einer Dichtung zwischen diesen Oberflächen in Kontakt kommt, dadurch, gekennzeichnet, daß der Übersag durch oxidierendes Plasmaspritzen einer Pulvermischung bestehend aus etwa 38 bis etwa 42 Gew.-^ eines Wolframkarbid -Kabaltaggregats, etwa 30 bia etv/a 40 Gew.-# Molybdän und etwa 18 bis etwa 32 Gew.-$ einer liokel-Cliroia-Bor-Siliciumlegierung aufgebracht wurde.

10. Dichtungselement nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß das Wolframkarbid-Kobaltaggregat die folgende Zusammensetzung besitzt:

Wolfram 79,5 $ - 83,5 ßevt.-tf

Kobalt '. 11 "# - 13 Gew.-56 Kohlenstoff 5,15$ - 9,5 Gew.-# Eisen 1,5 Gew.-^ maximal

Rest unwesentliche Bestandteile einschließlich Verunreinigungen _B

11. Dichtungselement nach Anspruch 9₈ dadurch gekennselohnet _s daß die Fickel-Chrom-Bor-Siliciumlegieriing die folgende Zusammensetzung aufweist 1

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Nickel Chrom Silicium Bor

Eisen Kohlenstoff

EoMIt O_S1 GeWo-^ maximal

Rest unwesentliche Bestandteile einschließlich Yerunreii nigungen.

60 . Gew.--# - 75 #

13 Gew.-$ -'20 Gew.-#

3 Gew.-^ - .5 Gew.-#

2*75 Gew.-^ - 4,7 Gew.-$

.3 Gew_e-$ - 5 Gew.«$

. O₉6 Gew_ö-$ - 1_S3 ^

12. Dichtungselement nach Anspruch 1O₉ dadurch gekennzeichnet, daß die gewichtsmäßige Zusammensetzung der Nickel-Chrom-Bor-Siliciumlegierung innerhalb der Prozenfhereiche von Anspruch 11 liegt. . -

Dichtungselement nach Anspruch 9_S dadurch gekennzeichnet; daß die Elemente der Pulvermischung innerhalb der folgenden Gewichtsbereiche liegen?

Wolfram Kobalt Kohlenstoff Molybdän Nickel Chrom Silicium Bor

Eisen

- von etwa 30 -# bis^etwa 35

- von etwa 4 $> bis etwa 6 .- von etwa 1,9 1° bis etwa 4

- von etwa 30 # bis etwa 40

- von etwa 10 ^ bis etwa 24

- von etwa 2,3 fo bis etwa 6,

0,5 $ bis etwa 1, 0,4 i° bis etwa 1j 0,5 ^ bis etwa 0,

- von etwa

- von etwa

- von etwa

Rest unwesentliche Bestandteile einschließlich Verunreinigungen . ^y

14. Dichtungselement nach Anspruch 9_S dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungselement ein Kolbenring und der Überzug der Lagerfläche ein harter abnutzungs- und verschleißfester Überzug ist.

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15. Dichtungselement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungselement eine Drehkolbendichtung einer Yerbrennungsmaschine ist und der Überzug der Lagerfläche aus einem harten abnutzungs- und verschleißfesten Überzug besteht.

16. Dichtungselement mit einem verhältnismäßig starren Körper und einem in situ daraus gebildeten Legierungsüberzug, bestehend aus einer Wolfram-Kobaltphase, einer Molybdänphase und einer Mckel-Chrom-Bor-Siliciumlegierungsphase, wobei die Wolfram-Kobaltphase im wesentlichen frei von Kohlenstoff ist und. etwa 13 Volum-$ des Legierungsüberzugs ausmacht.

17· Dichtungselement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsbestandteile etwa die gleichen sind wie in Anspruch 9.

18. Dichtungselement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Molybdänphase zu etwa 100 <?<> aus Molybdän besteht und etwa 42 Volum-^ des Legierungsüberzugs bildet.

19· Dichtungselement nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsbestandteile etwa die gleichen sind wie in Anspruch 9.

20. Dichtungselement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickel-Chrom-Bor-Siliciumlegierungsphase etwa 45 Volum-^ des Legierungsüberzugs bildet.

21. Dichtungselement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Wolfram-Kobaltphase, bestimmt durch Analyse mit der Mikrosonde, etwa 26 Gew.-$ des Legierungsüberzugs bildet.

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22o Dichtungselement nach Anspruch." 16₉ dadurch gekennzeichnet j, daß die Molybdänphase, bestimmt durch Analyse mit der Mikrosonde, etwa 45 Gew.-^ des Legxerungsüberzugs bildet. , '"'..'.

23β Dichtungselement nach Anspruch 1β₉ dadurch gekennzeichnet, daß die Nickel-Chrom-Bor-Siliciumlegierungsphases bestimmt durch Analyse mit der Mikrosonde, etv/a 29 GeW-. des Legierungsüberzugs bildet.

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