DE2413097A1 - PISTON RING AND METHOD OF ITS MANUFACTURING - Google Patents
PISTON RING AND METHOD OF ITS MANUFACTURINGInfo
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Description
DipUng. Thomas Wilcken 2 Λ 1 3 0 9 7DipUng. Thomas Wilcken 2 Λ 1 3 0 9 7
24 Lübeck, Breite Straße 62-54 \ g Mal? 197424 Lübeck, Breite Strasse 62-54 \ g Mal? 1974
Anmelderin:Applicant:
Wellworthy limited, Iymington, Hampshire, (England)Wellworthy limited, Iymington, Hampshire, (England)
Kolbenring und Verfahren zu seiner HerstellungPiston ring and process for its manufacture
Die Erfindung betrifft Kolbenringe und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.The invention relates to piston rings and a method for their Manufacturing.
Die Erfindung besteht in einem Kolbenring mit einer umfangsmäßigen Lauffläche oder einer oder mehrerer Umfangsnuten in dieser lauffläche, die mit einem Überzug versehen ist bzw. sind, der sich überwiegend aus einer harten verschleißfesten Phase oder Phasen zusammensetzt und der auch eine relativ weiche abriebfeste Phase in laminarer Form enthält.The invention consists in a piston ring with a circumferential Running surface or one or more circumferential grooves in this running surface, which is or are provided with a coating that is composed predominantly of a hard wear-resistant phase or phases and which is also a relatively soft abrasion-resistant Contains phase in laminar form.
Der Überzug kann sich über die Gesamtheit einer glatten Umfangsoberfläche eines Kolbenringes erstrecken oder kann in eine oder mehrere Umfangsnuten eingelegt sein, wobei vorzugsweise Abschnitte vorhanden sind, die die Nut oder Nuten begrenzen und die nach der Fertigbearbeitung keinen Überzug aufweisen.The coating can extend over the entirety of a smooth peripheral surface of a piston ring or can be inserted into one or more circumferential grooves, preferably with sections are present that delimit the groove or grooves and that have no coating after finishing.
Vorteilhafterweise ist die relativ weiche abriebfeste Phase aus Kupfer oder einer Legierung auf Kupferbasis gebildet. Die harte verschleißfeste Phase kann aus einer Chrom-Eisen-Legierung, aus Chromkarbid und einer Nickel-Chrom-Legierung oder aus einer Wolframkarbid/Kobald- und Nickel-Chrom-Legierung bestehen.The relatively soft, wear-resistant phase is advantageously formed from copper or a copper-based alloy. The hard one wear-resistant phase can consist of a chromium-iron alloy, from chromium carbide and a nickel-chromium alloy or from a Tungsten carbide / cobalt and nickel-chromium alloy.
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Vorzugsweise ist das Uberzugsmaterial auf den Kolbenring aufgespritzt, z.B. durch Plasmaspritzen, wodurch bewirkt wird/daß sich das Kupfer oder die Kupferlegierung in Form von dünnen Plättchen niederschlägt.The coating material is preferably sprayed onto the piston ring, e.g., by plasma spraying, thereby causing the copper or the copper alloy in the form of thin Tile knocks down.
Die Plasmapistole kann entweder mit einem vorgemischten Puder aus den den Überzug bildenden Anteilen gespeist werden, oder alternativ können die getrennten Anteile der Plasmapistole in dem gewünschten Verhältnis zugeführt werden. Der Prozentsatz des weichen abriebfesten Materials in dem Überzug beträgt 5 bis 30, vorzugsweise 10 bis 20 Gewichtsprozent.The plasma gun can be made with either a premixed powder be fed from the portions forming the coating, or alternatively, the separate portions of the plasma gun in the desired ratio can be supplied. The percentage of soft abrasion resistant material in the coating is 5 to 30, preferably 10 to 20 percent by weight.
Das Überzugsmaterial wird vorzugsweise auf die Umfangsfläche eines Paketes aus Kolbenringen oder in die Umfangsnuten des Kolbenringpaketes gespritzt. Das Uberzugsmaterial-, das sich in den Abschnitten niedergeschlagen hat, welche die Nut oder die Nuten begrenzen, kann nachfolgend entfernt werden, z.B. durch Schleifen. The coating material is preferably sprayed onto the circumferential surface of a package of piston rings or into the circumferential grooves of the piston ring package. The coating material - which has deposited in the sections which delimit the groove or grooves can subsequently be removed, for example by grinding.
Es wurde festgestellt, daß ein Überzug nach der Erfindung während des Laufes des Kolbens in einer Zylinderbohrung eines Motors einen ausgleichenden Abrieb aufweist, wobei die weiche Phase vorzugsweise an der Oberfläche einen Poliereffekt hervorruft und die Schmierung an der Berührungsfläche zwischen Kolbenring und Zylinder verbessert.It has been found that a coating according to the invention during the run of the piston in a cylinder bore of an engine has compensating abrasion, the soft phase preferably causing a polishing effect on the surface and the lubrication at the contact surface between piston ring and cylinder is improved.
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Da die relativ weiche Phase in Plättchenform vorliegt, beeinträchtigt sie nicht die Beschaffenheit des Überzuges, und aufgrund ihrer Weichheit werden irgendwelche abrasiven Teilchen absorbiert, anstatt daß sie mit der Zylinderbohrung in Kontakt gehalten, werden. Darjiberhinaus ist die relativ weiche Phase so gewählt, daß sie äußerst widerstandsfähig gegen Abnutzung bzw. Abrieb ist, wobei der anfängliche, vergleichsweise hohe Abrieb dieser Phase und seine Übertragung zur Zylinderbohrung den Abrieb während der kritischen Laufperiode unterbindet anstatt fördert.Since the relatively soft phase is in the form of platelets, impaired they do not affect the nature of the coating, and because of their softness they become any abrasive particles rather than being kept in contact with the cylinder bore. Furthermore, the relatively soft phase is like this chosen that it is extremely resistant to wear and tear, with the initial, comparatively high abrasion this phase and its transfer to the cylinder bore instead of preventing wear during the critical running period promotes.
Die Erfindung ist durch folgende Ausführungsbeispiele erläutert.The invention is illustrated by the following exemplary embodiments.
Ein Pulver aus einer Chrom-Eisen-Legierung wurde mit 15 9^ Kupf erpulver vermischt und mittels einer Plasmapistole in die Umfangsnuten eines Kolbenringes gespritzt, wobei als Lichtbogengas Argon benutzt wurde, und der resultierende Einlageüberzug wurde durch Schleifen fertigbearbeitet. Die Kolbenringe wurden anschließend einer Reihe von Motortests unterworfen, bei denen ein 6-Zylinder-Dieselmotor mit sehr genauen Zylinderbohrungen von 130,2 mm benutzt wurde. Es wurde festgestellt, daß die Abnutzungscharakteristiken der Ringe und Bohrungen ausgezeichnet gut waren und daß keine Abnutzungsanzeichen an den Kolbenringen oder an den aus Gußeisen bestehenden Zylinderbohrungen festgestellt werden konnten.A powder from a chromium-iron alloy was erpulver with 15 9 ^ copper mixed and by means of a plasma gun into the circumferential grooves a piston ring, using argon as the arc gas, and the resulting liner coating finished by grinding. The piston rings were subsequently subjected to a series of engine tests involving a 6 cylinder diesel engine with very accurate cylinder bores 130.2 mm was used. It was found that the wear characteristics the rings and bores were excellent and that no signs of wear on the piston rings or found on the cylinder bores made of cast iron could become.
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Es wurden Kolbenringe mit einer Einlage aus Chrom-Eisen und 15 $ Kupfer wie in Beispiel 1 hergestellt,und diese Kolbenringe liefen in einem 6-Zylinder-Dieselmotor mit einer Zylinderbohrung von angenähert 106,7 mm im Durchmesser, wobei die Zylinder aus Gußeisen bestanden.Piston rings with an inlay of chromium-iron and copper were produced as in Example 1, and these piston rings ran in a 6 cylinder diesel engine with one cylinder bore approximately 106.7 mm in diameter with the cylinders made of cast iron.
Nach einer Laufzeit von 1.000 Stunden bei Vollast, die für eine Bremsleistung von nominal 100 b.h.p. (brake horse-power) bei einer Drehzahl von 2.200 Umdrehungen pro Minute ausgelegt war, wurden die Kolbenringe und die Zylinderbohrungen geprüft und für in einem guten Zustand befunden worden. Die Kolbenringe wiesen einen durchschnittlichen totalen radialen Abtrag von 0,01143 mm bei einem geschätzten stetigen Zustandsverschleiß von 0,00610 mm pro 1.000 Stunden auf.After a running time of 1,000 hours at full load, which is necessary for a braking power of nominal 100 b.h.p. (brake horse-power) at a Speed of 2,200 revolutions per minute was designed, the piston rings and the cylinder bores were tested and for in one found to be in good condition. The piston rings showed an average total radial wear of 0.01143 mm an estimated steady state wear of 0.00610 mm per 1,000 hours.
Ein zweiter 1.OOO-Stunden-Test mit identischen Kolbenringen,die mit einem Chrom-Eisen-Pulver allein in allen Bohrungen eingelegt waren, wiesen einen durchschnittlichen totalen radialen Verschleiß von 0,02794 mm bei einem geschätzten stetigen Zustandsverschleiß von 0,01245 mm pro 1.000 Stunden auf.A second 1,000 hour test with identical piston rings that with a chromium-iron powder inserted in all bores showed an average total radial wear of 0.02794 mm with an estimated steady state wear of 0.01245 mm per 1,000 hours.
Ein erzeugtes Plasmaüberzugsmaterial, das unter der englischen Bezeichnung Metco 430.NS bekannt ist, welches Überzugsmaterial Chromkarbid in einer Matrix aus einer selbstgehenden LegierungA generated plasma coating material known by the English name Metco 430.NS, which coating material Chromium carbide in a matrix made from a self-running alloy
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auf Nickel-Chrom-Basis enthält, wurde mit 15 5» Kupferpulver vermischt und auf Kolbenringe aufgebracht wie in Beispiel 1. Kolbenringe mit diesem Material liefen dann in abwechselnden Zylinderbohrungen eines 6-Zylinder-Dieselmotors mit einem Zylinderbohrungsdurchmesser von angenähert 106,7 mm. Identische Kolbenringe, die mit dem erfolgten Überzugsmaterial allein versehen waren, liefen in den verbleibenden Zylinderbohrungen. Alle Zylinderbohrungen waren mit Chrom elektroplattiert. Ein Vergleich der Zylinderbohrungen und Kolbenringe nach dem dem Motortest zeigte, daß sich diejenigen Kolbenringe und Zylinderbohrungen in einem überlegenen Zustand befanden, wo die Kolbenringüberzüge Kupfer enthielten.contains on a nickel-chromium basis, was mixed with 15 5 »copper powder and applied to piston rings as in Example 1. Piston rings with this material then ran in alternating cylinder bores of a 6-cylinder diesel engine with a cylinder bore diameter of approximately 106.7 mm. Identical piston rings that were provided with the applied coating material alone ran in the remaining cylinder bores. All cylinder bores were electroplated with chrome. A comparison of the cylinder bores and piston rings after the engine test showed that those piston rings and cylinder bores are superior in one Located where the piston ring coatings contained copper.
Typische Zusammensetzungen aus verwendbarem, hartem verschleißfesten Material bestebanin folgendem: 85 i> Chrom mit 17 # Eisen oder 73 $> Chrom mit 27 # Eisen. Andere Zusammensetzungen bestehen aus folgenden Komponenten:Typical compositions of usable, hard wear-resistant material include the following: 85 i> chromium with 17 # iron or 73 $> chromium with 27 # iron. Other compositions consist of the following components:
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Metco 438.NS: Metco 438.NS :
12 56 Kobalt enthaltendes12 56 containing cobalt
Wolframkarbid 50 56Tungsten carbide 50 56
Chrom 6 #Chrome 6 #
Aluminium 0,7 #Aluminum 0.7 #
Eisen 1,5 $Iron $ 1.5
Silizium Ί.,5 #Silicon Ί., 5 #
Bor 1,0 56Boron 1.0 56
Kohlenstoff 0,5 #Carbon 0.5 #
Nickel . - BaI bzw. RestNickel. - BaI or remainder
In allen Fällen der vorgenannten Materialzusammensetzungen wurde das gewünschte Verhältnis von Kupferpuder oder Kupferlegierungspuder mit einem Wert von 5 bis 30 #, vorzugsweise 10 bis 20 $ zugemischt.In all cases of the above material compositions, the desired ratio of copper powder or copper alloy powder became with a value of 5 to 30 #, preferably 10 to 20 $ mixed in.
Alle hier genannten Prozentangaben sind Gewichtsprozente.All percentages given here are percentages by weight.
— 7 —- 7 -
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Die Erfindung wird nun weiter beschrieben, und zwar mit Bezug auf die in der anliegenden Zeichnung dargestellten Ausfübrungsbeispiele. Es zeigen:The invention will now be described further, specifically with reference to the exemplary embodiments shown in the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 ein Paket Kolbenringe in Ansicht, die zum Spritzen fertig sind,Fig. 1 shows a package of piston rings that are ready for injection,
Fig. 2a- teilweise Schnitte im größeren Maßstab durchFig. 2a through partial sections on a larger scale
2e2e
zwei Kolbenringe, die sich in unterschiedlichem Zustand beim Überziehen befinden,two piston rings, which are in different states when being pulled over,
Fig. 3 eine Aufsicht auf einen typischen Kompressionsring, 3 is a plan view of a typical compression ring,
Fig. 4a- teilweise Schnitte im Maßstab nach Figur 2 4 durch verschiedene Formen von Kömpressionsringen nach der Erfindung.Fig. 4a- partial cuts in the scale of Figure 2 through 4, various forms of Kömpressionsringen according to the invention.
Figur 1 zeigt einen Aufspanndorn 1, der ein Paket von Kompressionsringen 2 trägt, die auf dem Aufspanndorn durch Anziehen der Kutter 6 geklemmt zusammengehalten werden. Jeder Ring hat eine einzige Umfangsnut 3.Figure 1 shows a mandrel 1, which is a package of compression rings 2 carries, which are clamped together on the mandrel by tightening the cutter 6. Each ring has a single one Circumferential groove 3.
Figur 2a zeigt zwei solche Kolbenringe in einem größeren Maßstab, und Figur 2b zeigt diese Ringe nach dem Niederschlag des gespritzten Überzugmaterials 4. Figur 2c zeigt diese Ringe nach dem Schleifen ihrer Umfangsflachen, um einen eingelegten bzw. eingebetteten Niederschlag 5 des Überzugmaterials in jeder Nut 3 zu. hinterlassen.FIG. 2a shows two such piston rings on a larger scale, and FIG. 2b shows these rings after the sprayed coating material 4 has been deposited to. leave behind.
In Figur 4a ist der Überzug 5 so gezeigt, daß er sich über dieIn Figure 4a, the coating 5 is shown so that it extends over the
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— ο —- ο -
gesamte Umfangsflache dieses Kolbenringes erstreckt. In Figur 4b besitzt der Kolbenring drei Nuten 3a und jede Nut ist mit einem Überzugsmaterial 5 ausgefüllt. Der Kolbenring nach Fig. 4c weist einen Umfangsüberzug 5 auf, der sich über eine Seitenfläche des Kolbenringes bei 5a weitererstreckt. Figur 4d zeigt einen Kolbenring mit einer geneigten Umfangsfläche mit einer einzigen Nut 3, die mit einem Überzugsmaterial 5 ausgefüllt ist, während in Figur 4e die Umfangsfläche des Kolbenringes konvex ist, wobei der Überzug 5 in der Kolbenringnut 3 gleichfalls konvex ausgebildet ist. Schließlich zeigt Figur 4f einen Kolbenring mit einem Umfang, der bei 7 abgestuft ausgebildet ist, und wobei der äußerste Abschnitt des Umfanges eine einzige Nute 3 aufweist, die mit dem Überzugsmaterial 5 ausgefüllt ist.entire circumferential surface of this piston ring extends. In figure 4b, the piston ring has three grooves 3a and each groove is filled with a coating material 5. The piston ring according to Fig. 4c has a circumferential coating 5 which further extends over a side surface of the piston ring at 5a. Figure 4d shows one Piston ring with an inclined peripheral surface with a single groove 3, which is filled with a coating material 5, while in FIG. 4e the circumferential surface of the piston ring is convex, the coating 5 in the piston ring groove 3 also being convex is. Finally, FIG. 4f shows a piston ring with a circumference which is stepped at 7 and wherein the outermost Section of the circumference has a single groove 3 which is filled with the coating material 5.
Es ist klar, daß die Ausführungsformen der Figur 4 lediglich Beispiele darstellen,und es können andere geometrische Verhältnisse der Ringumfangsfläche, andere Nutenzahlen und eine andere Niederschlagsweise des Überzugsmaterials innerhalb des Erfindungsgedankens nützlich angewendet werden.It is clear that the embodiments of FIG. 4 are only examples, and other geometrical relationships can be used the circumferential surface of the ring, different numbers of grooves and a different way of depositing the coating material within the concept of the invention usefully applied.
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