DE2425358C3

DE2425358C3 - Verfahren zum Auftragen einer Verstärkungsauflage auf Kupferbasis auf einen Kolben aus einer Aluminiumlegierung

Info

Publication number: DE2425358C3
Application number: DE2425358A
Authority: DE
Inventors: Simon Thomas New Milton Gazzard; Harold Taylor Sway Lymington Hill
Original assignee: WELLWORTHY Ltd LYMINGTON HAMPSHIRE (VER KOENIGREICH)
Current assignee: WELLWORTHY Ltd LYMINGTON HAMPSHIRE (VER KOENIGREICH)
Priority date: 1973-05-25
Filing date: 1974-05-25
Publication date: 1980-02-07
Also published as: GB1449162A; FR2230753A1; FR2230753B1; JPS545417B2; JPS5026937A; US3947607A; DE2425358B2; 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 Elektrolichtbögenspfilzens verschleißfester zu machen. Minsichtlich des Spritzvorganges sind lediglich zur Blechveredelung einige qualitative Aussagen über die Betriebsparameter gemacht, die sich im wesentlichen nur auf Temperaturangaben beschränken, wobei über eitle 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. ■ 1265) befaßt sich mit den metallurgischen Eigenschaften und Kenndaten beim allgemeinen Metallspritzvorgang des Lichtbogenspritzens und des Flammspritzen unter besonderer Würdigung 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-

n handlung des Grundwerkstoffs genauer behandelt sind. Aus einer Tabelle ist ersichtlich, daß sich die Spritzparameter während des Spritzens nichl ändern. Ferner ist nur hinsichtlich des Flammspritzen 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

-'"' wurden. Im Bezug auf die Warmfestigkeit der Haftverbindung der aulgetragenen Spritzschicht ist nichts ausgesagt. Im Hinblick auf die Erfindung gibt diese Literaturstelle somit keine Anregungen.

Die US-PS 2833668 betrifft das Aufbringen einer

in 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 Kolben hierbei auf 232° C vorgewärmt wer-

r. den. Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß auf den Aluminiumkolbenkörper zunächst ein hochschmelzendes Material, vorzugsweise Molybdän, als Bindelage aufgespritzt wird mit eir ϊγ Temperatur, die hoher ist als der Verdampfungspunkt des Alumini-

i» 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 bleiber' die Spritzparameter während des

i> Spritzvorganges konstant.

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

>" spritzen.

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

., kraftmaschinen /ur verwendende Kolben, insbesondere in deren Nutenbereichen, /u schaffen, wobei die thermischen Spannungen im Haftbereich /wischen Spritzauflage und Kolbengrundwerkstoff auf einem Minimum gehalten werden.

μ Mit dem erfindüngsgemäßen Verfahren wird auf einfache und wirtschaftliche Weise eine verschleißfeste Verstärkungsauflage bei Aluminium kolben für Brennkraftmaschinen erzielt, deren Haftfestigkeit am KöibengrUndwerkstoff überraschenderweise größer

μ 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 Bindelage zwischen Verschieißauflage 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. 2a 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 Gleichstromspannungsquelle 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 w.rd, um die Partikelgröße und deren Geschwindigkeit zu steuern. Der Kolben wird um seine Achse gedreht, und die Spritzpistolen sird 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 jine alternative Form für die Nut 2, in der das Hartmaterial niedergeschlagen ist. Fig.2c zeigt eine Ausfühiungsform. 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, hei 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.

Betspiel 1

Ein Kolben aus einer Aluminiumlegierung wurde im Bereich der oberen Ringnut mit einer Verstärkung auseiner Aluminiumbronze und nichtrostendem Stahl versehen. In einem zweckmäßigen Stadium der Kolbenherstellung wurde rjvie Nut in den Kolbenumfang eingearbeitet, die zur Aufnahme der aufzuspritzenden Auflage 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 verwendetwurde.diemit Aluminiumbronze als Anodendraht und rostfreiem Stahl als Kathodendraht betrieben wurde. Dabei wurde ein Luftdruck von 2,80 bar und eine Lichtbogenspannung von 42 Volt angewen-

'" det, um die zuerst niederzuschlagenden Schichten aufzubringen. Dann wurde ein Luftdruck von 4,5Ü bar und eine Lichtbogenspannung von 30 Volt angewendet, um die nachfolgenden Schichten aufzubringen. Der Überschuß an aufgespritztem Material wurde

ι· durch Maschinenbearbeitung entfernt. Der Kolben wurde ferner in der üblichen Weise fertigbearbeitet, wobei die oberste Ringnut sich durch die aufgespritzte Verstärkung hindurcherstreckend eingearbeitet wurde, wie es in Fig. 2a gezeig' st.

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-

- > verunreinigungen 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

Γι Es wurde ein Kolben hergestellt, bei dem die obere und die zweite Ringnut mit Phosphorbronze'nichtrostendem Stahl verstärkt wurde, wie allgemein in Beispiel 1 angegeben, jedoch wurde der Spritzvorgang wie nachstehend erläutert ausgeführt. Der Kolben

4Ii wi rde genutet, wie in Fig. 2d zu sehen ist, grießgestrahlt und auf ungefähr 125° C vorgewärmt. Ein Bindeüberzug aus Aluminiumbronze von ungefähr 0,08 mm Dicke wurde dann aufgebracht, wobei die Lichtbogenspritzpistole mit einer Bogcnspannang von

4"» 28 Volt und einem Luftdruck von 3,i0 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

ν ι eine Elektrode aus °hosphorbronze und die andere aus nichtrostendem Stahl bestand.

Beispiel 4

Mehrere glatte Kolbenkörper aus einer Aluinini-'i'i umlegierung wurden unter Verwendung eines Lichtbogens mit verschiedenen Spritzwerkstoffen beaufschlagt, wobei der Überzug in jedem Fall auf die glatte Mantelfläche des Kolbens aufgebracht und die Auflagen nachfolgend maschinell bearbeitet wurde, um so vorstehende Teile bzw. Stege in einer Form zu hinterlassen, die für Scherfestigkeitstests geeignet ist, welche im Bereich der Grenzfläche vorgenommen wurden. Die Kolbenkörper wurden grießgestrahlt, auf 75° C vorgewärmt und unter Verwendung einer 6i 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 Aufbringung der nach-

folgenden Schichten benutzt wurde. Unter Verwendung von Aluminiumbronze sowohl für die Kathode als auch für die Anöde würde eitle Bindescherfesligkeit 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 weiterer Kolben wurde nach dem Grießsträhleh und der "' Vorwärmung auf 75° C in zwei Stufen Üchtbogengespritzt. Ein Bindeüberzug aus Aluminiumbronze von ungefähr 0,13 mm Dicke wurde zuerst aufgebracht unter Anwendung einer Lichtbogenspannung Von 28 Volt und einem Luftdruck von 3,10 bar. Es folgte π dann ein Überzug aus nichtrostendem Stahl, der mit einer Lichti3O^rts"s^rviii«niin'^ von 2S VcIt und eirsem Luftdruck von 4,80 bar aufgebracht wurde. Es wurde eine Bindescherfestigkeit von 51*1 MN/m² festgestellt. -ΊΙ In den Beispielen 1 bis 4 bestanden die mittels der Lichtbogenspritzpistolen aufzubringenden Elektrodendfähte 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

hiedrig'kohlehstofflegiefter Stahl: 0,8% Mangan, 0,1% Kohlenstoff

Nickel-Kupfer-Legierung: 67% Nickel, 30% Kupfer.

Obwohl die vorgenannten Ausfuhrungsbeispiele speziell auf die Verstärkung von Kölbenringnüten gerichtet sind, kann das vorstehend beschriebene Verfahren such zur Verstärkt!!!¹¹ anderer »cibenbereiche angewendet werden: z. B. bei der Behandlung des Kolbenschaftes, der Kolbenkrone (Kolbenboden) oder der zwischen den Kolberiringnuten infolge des Vorhandenseins dieser Nuten verbliebenen Stege.

Hierzu 1 Blatt Zciehhunaeri

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, niedrigkohlenst"ff!egiertem Stahl oder rostfreiem Stahl hergestellt wird.

4. Verfahren nacti 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