DE2425358B2

DE2425358B2 - Verfahren zum Auftragen einer Verstärkungsauflage auf Kupferbasis auf einen Kolben aus einer Aluminiumlegierung

Info

Publication number: DE2425358B2
Application number: DE2425358A
Authority: DE
Inventors: Simon Thomas New Milton Gazzard; Harold Taylor Sway Lymington Hill
Original assignee: Wellworthy Ltd
Current assignee: Wellworthy Ltd
Priority date: 1973-05-25
Filing date: 1974-05-25
Publication date: 1979-05-31
Also published as: GB1449162A; FR2230753A1; FR2230753B1; JPS545417B2; JPS5026937A; US3947607A; DE2425358C3; IT1013964B; CH589144A5; DE2425358A1

Description

Es ist bekannt (Zeitschrift »Blech«, 1961, Nr. 9), Kolben aus Eisenmetall durch Spritzauftragungen aus Buntmetallen und/oder legierten Stählen unter Anwendung des Elektrolichtbogenspritzens verschleißfester zu machen. Hinsichtlich des Spritzvorganges sind lediglich zur Blechveredelung einige qualitative Aussagen über die Betriebsparameter gemacht, die sich im wesentlichen nur auf Temperaturangaben beschränken, wobei über eine Vorwärmung des zu bespritzenden Metalls nichts erwähnt ist. Über anzuwendende elektrische Spannungen und Gasdrücke sind keinerlei Angaben aus dieser Literaturstelle entnehmbar.

Eine weitere Literaturstelle (Stahl und Eisen, Jahrgang 85, 1965, Nr. 20, Seiten 1257 bis 1266, insb. ι 1265) befaßt sich mit den metallurgischen Eigenschaften und Kenndaten beim allgemeinen Metallspritzvorgang des Lichtbogenspritzens und des Flammspritzens unter besonderer Würdlgurg der erzielbaren Haftfestigkeit zwischen Grundwerkstoff und

ι» Spritzwerkstoff. Darin ist neben anderen auch die Werkstoffpaarung Aluminium als Grundwerkstoff und Kupfer sowie Stähle als Spritzwerkstoff untersucht, wobei als Einflußgrößen für die Haftfestigkeit unter anderem die Spritzbedingungen und die Vorbe-

i> Handlung des Grundwerkstoffs genauer behandelt sind. Aus einer Tabelle ist ersichtlich, daß sich die Spritzparameter während des Spritzens nicht ändern. Ferner ist nur hinsichtlich des Flammspritzens zur Vorwärmung eine konkrete Zahlenangabe enthalten,

-<> die mit 300° C angegeben ist, während im Zusammenhang mit dem Lichtbogenspritzen nur von Vorwärmung die Rede ist. Hinsichtlich der Haftfestigkeit beim Lichtbogenspritzen sind Werte angegeben, die bei Bruchversuchen bei Raumtemperatur ermittelt

r> wurden. Im Bezug auf die Warmfestigkeit der Haftverbindung der aufgetragenen Spritzjchicht ist nichts ausgesagt. Im Hinblick auf die Erfindung gibt diese Literaturstelle somit keine Anregungen.

Die US-PS 2833668 betrifft das Aufbringen einer

;" Bindelage aus Molybdän, Titan, Kobalt oder Nickel auf einen Aluminiumkolben. Diese Zitierung offenbart nicht das Ändern der Spritzparameter während des Spritzvorganges, und ferner muß der Grundwerkstoff des Kolbens hierbei auf 232° C vorgewärmt wer-

i> den. Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß auf den Aluminiumkolbenkörper zunächst ein hochschmelzendes Material, vorzugsweise Molybdän, als Bindelage aufgespritzt wird mit einer Temperatur, die höher ist als der Verdampfungspu.ikt des Alumini-

"> ums, so daß dieses auf seiner Oberfläche teilweise verdampft. Nach dem Aufspritzen des Molybdäns wird die eigentliche Verschleißauflage aufgespritzt, die vorzugsweise aus legiertem Stahl besteht. Auch in diesem Fall bleiben die Spritzparameter während des

r> Spritzvorganges konstant.

Dem Erfinder ist ferner bekannt, die Oberfläche des Aluminiumkolbens wenigstens auf 150° C vorzuwärmen, um darauf eine Zwischenlage als Bindeschicht für die eigentliche Verschleißauflage aufzu-

>" spritzen.

Der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung lijgt die Aufgabe zugrunde, eine den hohen thermischen und mechanischen Anforderungen gewachsene verschleißfeste Verstärkungsauflage für in Brenn-

Vi kraftmaschinen zur verwendende Kolben, insbesondere in deren Nutenbereichen, zu schaffen, wobei die thermischen Spannungen im Haftbereich zwischen Spritzauflage und Kolbengrundwerkstoff auf einem Minimum gehalten werden.

Wi Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf einfache und wirtschaftliche Weise eine verschleißfeste Verstärkungsauflage bei Aluminiumkolben für Brennkraftmaschinen erzielt, deren Haftfestigkeit am Kolbengrundwerkstoff überraschenderweise größer

h^r> ist als bisher erreichte Haftfestigkeiten bei im Betrieb befindlichen Kolben auf Aluminiumbasis. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß man zur Erzielung des verbesserten Ergebnisses mit einer wesentlich ver-

ringerten Vorwärmtemperatur auskommt, was das Verfahren billiger macht. Zur billigeren Herstellweise trägt auch bei, daß teure Metalle wie z. B. Molybdän als Bindeiage zwischen Verschleißauflage und Grundwerkstoff nicht erforderlich sind. Schließlich wird mit dem Verfahren nach der Erfindung eine gute Maschinenbearbeitbarkeit der Spritzauflage oder -lagen erzielt.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen unter Schutz gestellt.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher beschrieben, in der verschiedene Ausführungsformen von Verstärkungen gezeigt sind. Es zeigt

Fig. 1 eine Darstellung, in der die Art und Weise der Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung verdeutlicht ist,

Fig. 2tt bis 2d verschiedene Geometrien von verstärkten Kolbenringnuten, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden können.

Zur allgemeinen Erläuterung ist in Fig. 1 ein aufgespritzter Überzug 1 aus verschleißfestem Metall in einer stufenförmigen Nut 2 in der Wand eines Kolbens 3 aus einer Aluminiumlegierung niedergeschlagen. Das Überzugsmaterial wird mit zwei Lichtbogenspritzpistolen, allgemein mit 4 und 5 bezeichnet, aufgespritzt, wobei zwischen einem Kathodendraht 6 und einem Anodendraht 7 ein Lichtbogen geschlagen wird. Die Drähte werden an eine nicht dargestellte Gleichslromspannungsquelle angeschlossen. Das mittels des Lichtbogens aus den Elektrodendrähten erschmolzene Metall wird in überhitzte Partikel von hoher Wärmekapazität fein zerteilt und auf den zu beaufschlagenden Bereich des Kolbens mit Hilfe von Druckluft gerichtet, die durch die hinter dem jeweiligen Lichtbogen angeordnete Düse 8 geleitet wird. Die Lichtbogenspannungen und der Luftdruck werden während des Spritzvorganges geändert, wie es noch erläutert wird, um die Partikelgröße und deren Geschwindigkeit zu steuern. Der Kolben wird um seine Achse gedreht, und die Spritzpistolen sind während eines Spritzvorganges geneigt und/oder werden oszilliert. Nach dem Aufspritzen der Auflage aus verschleißfestem Metall wird die Ringnut in die oder durch die Auflage hindurch eingearbeitet.

Fig. 2a zeigt einen Schnitt durch eine Kolbenringnut 9, die durch eine aufgespritzte Verschleißauflage 1 aus hartmetallischem Material in der Nut 2 verstärkt ist. Fig. 2b zeigt eine alternative Form für die Nut 2, in der das Hartmaterial niedergeschlagen ist. Fig.2c zeigt eine Ausführungsform, bei der die Nut 2 von einer solchen Tiefe ist, daß die nachfolgend eingearbeitete Nut 9 sich nicht durch die Auflage 1 hindurcherstreckt. Fig. 2d zeigt eine Form, bei der die die Auflage 1 enthaltende Nut 2 sich axial über einen Bereich erstreckt, der zur Verstärkung zweier einander benachbarter Ringnuten 9 und 10 ausreicht.

Nachstehend sind einige spezielle Beispiele zur Ausführung des Verfahrens erläutert.

Beispiel 1

Ein Kolben aus einer Aluminiumlegierung wurde im Bereich der oberen Ringnut mit einer Verstärkung aus einer Aluminiumbronze und nichtrostendem Stahl versehen. In einem zweckmäßigen Stadium der Kolbenherstellung wurde eine Nut in den Kolbenumfang eingearbeitet, die zur Aufnahme der aufzuspritzenden Auflaee bestimmt war. Der Kolben wurde entfettet.

mittels Aluminiumgries gestrahlt und vorgewärmt, um die Entfernung von Oberflächenverunreinigungen (oberhalb 90° C) in dem Bereich der Nut zu sichern. Eine Auflage aus einer Pseudolegierung wurde dann > aufgebracht, wobei eine Lichtbogenspritzpistole verwendet wurde, die mit Aluminium bronze als Anodendraht und rostfreiem Stahl als Kathodendraht betrieben wurde. Dabei wurde ein Luftdruck von 2,80 bar und eine Lichtbogenspannung von 42 Volt angewen-

i" det, um die zuerst niederzuschlagenden Schichten aufzubringen. Dann wurde ein Luftdruck von 4,50 bar und eine Lichtbogenspannung von 30 Volt angewendet, um die nachfolgenden Schichten aufzubringen. Der Überschuß an aufgespritztem Material wurde

i' durch Maschinenbearbeitung entfernt. Der Kolben wurde ferner in der üblichen Weise fertigbearbeitet, wobei die oberste Ringnut sich duich die aufgespritzte Verstärkung hindurcherstreckend eingearbeitet wurde, vtie es in Fig. 2a gezeigt ist.

Beispiel 2

Ein Kolben wurde wie in Beispiel 1 hergestellt, außer daß der Kolben zuerst auf ungefähr 125 ° C vorgewärmt wurde, um die Entfernung von Oberflächen-

j) verun*einigungen zu sichern und um Spannungen in dem fertigen Überzug zu reduzieren. Die Lichtbogenspannung wurde bei 27 Volt während des gesamten Aufspritzvorganges gehalten. Der Luftdruck war zunächst 3,10 bar, um die zuerst aufgespritzte Schicht

in (oder Schichten) aufzubringen; er wurde dann auf 4,80 bar erhöht, um die nachfolgenden Schichten aufzubringen.

Beispiel 3

f> Es wurde ein Kolben hergestellt, bei dem die ober: und die zweite Ringnut mit Phosphorbronze/nichtrostendem Stahl verstärkt wurde, wie allgemein in Bei spiel 1 angegeben, jedoch wurde der Spritz/organj, wie nachstehend erläutert ausgeführt. Der Kolben

in wurde genutet, wie in Fig. 2d zu sehen ist, grießgestuhlt und auf ungefähr 125° C vorgewärmt. Ein Bindeüberzug aus Aluminiumbronze von ungefähr 0,08 mm Dicke wurde dann aufgebracht, wobei die Lichtbogenspritzpistole mit einer Bogenspannung von

r, 28 Volt und einem Luftdruck von 3,10 bar betrieben wurde. Es wurde dann eine verschleißfeste Auflage mit einer Lichtbogenspritzpistole aufgebaut, die mit einer Bogenspannung von 27 bis 28 Volt und einem Luftdruck von 4,80 bar betrieben wurde, wobei die

in eine Elektrode aus Phosphorbronze und die andere aus nichtrostendem Stahl bestand.

Beispiel 4

Mehrere glatte Kolbenkörper aus einer Aluminiv > umlegierung wunjen unter Verwendung eines Lichtbogens mit verschiedenen Spritzwerkstoffen beaufschlagt, wobei dar Überzug in jedem Fall auf die glatte Mantelfläche des Kolbens aufgebracht und die Auflagen nachfolgend maschinell bearbeitet wurde, um wi vorstehenge Teile bzw. Stege in einer Form zu hinterlassen, die für Scherfestigkeitstests geeignet is;, welche im Bereich der Grenzfläche vorgenommen wurden. Die Kolbenkörper wurden grießgestrahlt, auf 75° C vorgewärmt und unter Verwendung einer h"> Lichtbogenspannung von 27 bis 28 Volt gespritzt. Für die ersten niederzuschlagenden Schichten wurde ein Luftdruck von 3,10 bar angewendet, während ein Luftdruck von 4,80 bar für die Aufbrineune der nach-

folgenden Schichten benutzt wurde. Unter Verwendung von Aluminiumbronze sowohl für die Kathode als auch für die Anode wurde eine Bindescherfestigkeit von 48,0 MN/m² erhalten. Unter Verwendung von Aluminiumbronze für die Anode und nichtro- > stendem Stahl für die Kathode wurde ein Wert von 40,5 MN/m² erhalten. Für ein Gemisch aus Phosphorbronze und niedrigkohlenstofflegiertem Stahl wurde ein Wert von 44,0 MN/m² erhalten. Ein weite rer Kolben wurde nach dem Grießstrahlen und der ' Vorwärmung auf 75° C in zwei Stufen lichtbogengespritzt. Ein Bindeiiberzug aus Aluminiumbronze von ungefähr 0,13 mn Dicke wurde zuerst aufgebracht unter Anwendu ig einer Lichtbogenspannung von 28 Volt und einem Luftdruck von 3,10 bar. Es folgte dann ein Überzug aus nichtrostendem Stahl, der mit einer Lichtbogenspannung von 28 Volt und einem Luftdruck von 4,80 bar aufgebracht wurde. Es wurde eine Binclescherfestigkeit von 51,1 MN'nv festgestellt.

In den Beispielen 1 bis 4 bestanden die mittels der Lichtbogenspritzpistolen aufzubringenden Elektrodendrähte aus den folgenden nominellen Zusammensetzungen:

Aluminiumbronze: 9% Aluminium, 1% Eisen, Rest Kupfer

Phosphorbronze: 7% Zinn, 0,1% Phosphor, Rest Kupfer

nichtrostender Stahl: 18% Chrom, 8,5% Mangan, 5% Nickel, maximal 0,15% Kohlenstoff

niedrigkohlenstofflegierter Stahl: 0,8% Mangan. c.l^r/f Kohlenstoff

Nickel-Kupfcr-Lcgierung: 67% Nickel, M)^r/_r Kupfer.

Obwohl die vorgenannten Ausführungsbcispiele speziell auf die Verstärkung von Kolbcnringnuten gerichtet sind, kann das vorstehend beschriebene Verfahren auch zur Verstärkung anderer Kolbcnbereiche angewendet werden: z. B. bei der Behandlung des Kolbenschaftes, der Kolbenkrone (Kolbenboden) oder der zwischen den Kolbcnringnuten infolge des Vorhandenseins dieser Nuten verbliebenen Stege.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Auftragen einer verschleißfesten Verstärkungsauflage auf Kupferbasis auf einen oder mehrere Bereiche eines aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Kolbens durch Vorwärmen und Lichtbogenspritzen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben auf 75 bis 125 ° C vorgewärmt wird und daß das Aufspritzen der Legierungspartikel anfänglich mit einem Gasdruck von 3,10 bar und nachfolgend mit einem Gasdruck von 4,80 bar sowie bei einer Bogenspannung von 27 oder 28 Volt während des gesamten Spritzens oder anfänglich mit einem Gasdruck von 2,80 bar und einer Bogenspannung von 42 Volt sowie nachfolgend mit einem Gasdruck von 4,50 bar und einer Bogenspannung von 30 Volt durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch das anfängliche Aufspritzen ein Bindeüberzug auf Kupferbasis hergestellt wird und daß das nachfolgende Aufspritzen der eigentlichen Verstärkungsauflage nach einem davon abweichenden Aufspritzprozeß durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eigentliche Verstärkungsauflage aus einer Legierung auf Kupferbasis, niedrigkohlenstofflegiertem Stahl oder rostfreiem Stahl hergestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die eine Elektrode der zum Lichtbogenspritzen verwendeten Pistole eine Aluminium- oder Phosphorbronze oder eine Kupfer-Nickel-Legierung verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die andere Elektrode der zum Lichtbogenspritzen verwendeten Pistole eine Aluminiumbronze, eine Kupfer-Nickel-Legierung, niedrig kohlenstofflegierter Stahl oder nichtrostender Stahl verwendet wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben vor dem Aufspritzen der Legierungspartikel im Bereich einer oder mehrerer vorzusehender Kolbenringnuten vorgenutet, die Verstärkungsauflage in den vorgenuteten Bereich niedergeschlagen und anschließend eine Ringnut in die oder durch die niedergeschlagene Auflage hindurch eingearbeitet wird.