DE2432375A1

DE2432375A1 - Abnuetzungsbestaendiger ueberzug fuer eine rotor-motorgehaeuseseite und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE2432375A1
Application number: DE2432375A
Authority: DE
Inventors: Yeshwant P Telang; James C Uy
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1973-07-05
Filing date: 1974-07-05
Publication date: 1975-01-23
Also published as: US3833321A; BR7405459D0; JPS5036813A

Description

DR. A. KÖHLER M. SCHROEDER

PATENTANWÄLTE

TELEFON: 374742 TELEORAMME: CARBOPAT

S MÖNCHEN 13 FRANZ-JOSEPH-STRASSE 48

US - 526 - Dr.K./He

Ford Werke Aktiengesellschaft Köln

Abnützungsbeständiger Überzug für eine Rotor-Kotorge- -häuseseite und Verfahren zu dessen Herstellung

Die Erfindung betrifft einen abnützungsbeständigen Überzug für eine Hotor-Motorgehäuseseite und ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Gemäss der Erfindung wird eine 'verbesserte abnützungsbe- , ständige Oberflachenpräparierung für die inneren Seitenwände der Verbrennungskammer eines Drehkolbenmotors oder Rotorkolbenmotors angegeben. Die Verbesserung besteht in der Abscheidung von zwei unterschiedlichen, jedoch vermischten Metallpulvern von allgemein gleicher Härte; eines der Pulver enthält Flussmittel, welche die Selbstsinterung der abgeschiedenen Pulver erlauben, wenn sie im halbplastischen Zustand abgeschieden werden. Die Pulver werden'auf einer vorhergehend unterschnittenen Gehäuseseite aus Gusseisen abgeschieden. Die erhaltene ÜberzugszusaramenBetzung ist durch einen minimalen Härtewert von R. 30 bei erhöhten Betriebs-

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gekennzeichnet. temperaturen von 204 C (400 F)/ Die Zusammensetzung hält eine stabile Härte bei erhöhten Temperaturwerten bis au 593° G (1100° F) bei. Der Überzug kann eine Porosität von 3-bis 9 % haben, jedoch wird die Tei 1 chori(^pöf;i:e v.o {^."t dass die Porosität auf 5 % begrenzt wird, wan mit den ochmiererfordernissen eines Rotormotors verträglich ist. Die Überzugszusammensetzung wird über dem gesamten durch den Weg des äussersten Seitpunktes der von dem Drehkolben getragenen Scheiteldichtungen umschriebenen Bereich abgeschieden; der Weg ist praktisch übereinstimmend oder erreicht die gesamte Form der Epitrochoidkammer. Der Überzug ist mit der Zusammensetzung der dagegen lagernden Rotorseitdichtungen, üldichtungen und Eckdichtungen verträglich. Die Rotorseitdichtungen bestehen aus Gusseisen, die öldichtungen bestehen aus Gusseisen, das mit begrenztem Chrom überzogen ist, und die Eckdicht ungen' sind aus Gusseisen hergestellt, während die Scheiteldichtungen Metallstreifen sind, die mit einer Legierung aus Eisen und Titancarbid mit Graphit überzogen sind.

Es wird weiterhin ein Verfahren angegeben, das darin besteht, dass (1) eine gegossene Gehäuseseitenstruktur zu einer ausreichenden Tiefe zur Aufnahme eines geringfügig übergrossen abschiiessenden Überzuges maschinell bearbeitet wird; die gegossene Struktur wird untersennitten, blank_eestrahlt und auf etwa 93° C (200° F) vorerhitzt, (2) ein Überzug aus einem Gemisch von martensitischem rostfreiem Stahl und einer gleicijharten Legierung auf Nickelbasia auf dem spanabhebend bearbeiteten Bereich unter Einschluss eines Randes von etwa 9,5 nun (3/8 inch) unterhalb des unterschnittenen Bereiches flammgespüht, wobei die Sprühung durch Rotieren der zu besprühenden Oberfläche entlang mit der radialen Bewegung und der Drehbewegung der Sprühpistole, die so angeordnet ist, dass der Strahl senkrecht auf die Oberfläche gerichtet iet, durchgeführt wird, (3) der flammgesprühte Überzug unmittelbar nach der Abscheidung mit ül eingeweicht wird und (4) daa Oberflächenfinish auf eine bestimmte Bezugestärke geschliffen wird.

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Eines der schwierigsten Probleme der bei einem Rotorverbrennungsmotor auftretenden Gasdichtung ist die !.''lache zwischen den Seiten des dreieckig geformten Rotors und. den Gehüuseseitenwänden. Bestimmte Stellen der Seitenwände erreichen einen äusserst heissen Zustand auf Grund des unmittelbaren Verbrennungsverfahrens. Es ist wichtig, dass "die Seitdichtungen sowie die öldichtungen, die Enden der Scheiteldichtungen und die Eckdichtungen sich mit beträchtlicher Genauigkeit trotz derartiger nachteiliger Bedingungen verhalten.

Ein technischer Versuch im Hinblick auf das Problem der Seitdichtungen eines Hotormotores besteht in der Anwendung eines flammgesprühten Überzuges aus gepulvertem unlegiertem Kohlenstoffstahl. Dieser überzug zeigt eine unzureichende Äbnützungsbeständigkeit. Bei einem weiteren technischen Anwendungsbereich wird ein plasmagesprühter Überzug aus Molybdän auf einem Gusseisenseitgehäuse angewandt. Der letztere Überzug ist äussernt teuer und seine Härtestabilität bei erhöhten Temperaturen 1st äusserst ungewiss.

Aufgesprühte Überzüge aus anderen Zusammensetzungen wurden bei Anwendungen angewandt, bei denen keine Härtestablität bei hohen Temperaturen erforderlich ist. Beispielsweise ein Mischpräparat aus einem Nickel-Chrom-Bor-Legierungspulver und einem weicheren Metallpulver wurde erfolgreich zur Reparatur von Kurbelwellen auf Grund der hohen Wärmebeständigkeit bei Raumtemperaturen angewandt. Es gibt keine Untersuchungen über Modifizierungen eines derartigen gemischten Überzuges, damit er wirksam seine erstaunlichen Härtewerte bei erhöhten Temperaturen beibehält.

Die Wirtschaftlichkeit spielt eine wichtige Rolle bei der Herstellung von Motoren mit hohem Volumen. Die abnützungsbeständigen Überzüge gemäss dem Stand der Technik waren nicht verträglich mit äusserst hohen Geschwindigkeiten der Herstellung und der Wirtschaftlichkeit noch war die erforderliehe Dicke der Überzüge verträglich mit der Forderung nach niedrigen Kosten.

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Eine Hauptaufgabe der Erfindung besteht in einem wirtschaftlicheren und weit stärker verbesserten abnützungsbeständigen Dichtungssystem für das Seitgehäuse eines Rotorverbrennungsmotores. Insbesondere liefert die Erfindung einen Überzug, der eine verbesserte Härtestabilität bei hoher Temperatur hat.

Eine weitere Aufgabe besteht in einem Dichtungssyptem, welches die Zusammensetzung von .Rotorseitdichtung, Scheiteldicht ung senden, Öldichtungen und Eckdichtungen mit der Zusammensetzung des Überzuges .der Gehäuseseite zusammenfasst; die Familie ist miteinander so verträglich, dass sich eine nicht vorhersehbare lange Lebensdauer bei wirksamen Abdichtungseigenschaften ergibt_?und diese Aufgaben v/erden'mit verringerten Mengen an Material erreicht.

Die »Merkmale im Hinblick auf das verbesserte Dichtungssystem umfassen die Steuerung und Wahl der chemischen Zusammensetzung des vermischten Pulvers zur Abscheidung von unterschiedlichen Teilchen von allgemein gleicher Härte, wobei eines der Pulver Fliessmittelteilchen, wie Silicium und Bor trägt, um der Selbstsinterung zu dienen. Die Teilchengrösse der Pulver wird in einzigartiger Weise so gesteuert, dass die Begrenzung der Porosität des Überzuges auf nicht riehr als 5 % erreicht wird, so dass die übermässige Schmierung verringert wird, welche chemisch vorzeitig zusammenbrechen kann und Störungen bei der Wirksamkeit des Motors ergeben kann.

Gemäss der Erfindung wird die gesamte Gehäuseseite vollständig mit einem Gemisch aus einem martensitischen rostfreien Stahlpulver und einem Legierungspulver auf Nickelbasis, die beide von praktisch gleicher Härte sind, flammbesprüht. Es ergibt sich dadurch eine gesteuerte Schmierung und erhöhte Abnützungsbeständigkeit der Gehäuseseite oder des Seitgehäuses,

Eine weitere Aufgabe besteht in einem verbesserten Verfahren zur Herstellung einer hochbeständigen Gehouaeseitkonstruktion

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für einen Rotormotor, wobei das Verfahren durch Flammbesprühen bei niedrigerer Temperatur eines grossen Bereiches des Seitgehäuses, welches mindestens den Teil äquivalent zu dem durch den Weg der äussersten Stelle der Scheiteldichtung des Rotor,s projezierten Umriss abdeckt, gekennzeichnet ist. Die aufgesprühte Zusammensetzung besteht aus einem Gemisch von gepulvertem martensitischen Stahl und einer Legierung auf Nickelbasis, die allgemein von gleicher Härte wie der rostfreie Stahl ist. Der Bereich wird zurück zu einer Unterschneiddicke vor dem Aufsprühen geschliffen, so dass der Überzug, wenn er vollständig abgeschieden ist, über die abschliessende Bezugsoberfläche vorsteht; dieser Vorsprung erlaubt dann das Abschleifen eines Teiles des fertigen i/berzuges auf ein Ausmass von nicht weniger als 127 Mikron und nicht mehr als 380 Mikron (5 mils; 15 mils).

In den Zeichnungen stellt:

Fig. 1 einen Mittelschnitt eines Rotorverbrennungsmotors mit zwei Rotoren unter Anwendung des Dichtungssystems unter Ausnutzung der Prinzipien gemäss der Erfindung,

Fig. 2 eine Seitansicht eines in der Konstruktion der Fig. 1 eingesetzten Rotors,

Fig. 3 eine Schnittansicht des einen Teil der Konstruktion der Fig. 1 bildenden Seitgehäuseelementes,

Fig. 4- eine Ansicht der Seitgehäusestruktur nach Fig. 3 entlang Linie 4—4-, und

Fig.· 5 eine Mikrophotographie mit lOOfacher Vergrössering der Uberzugszusammensetzung, welche die Vereinigung zwischen dem Seitgehausetragermaterial und dem Überzug zeigt, dar.

Gemäss den Zeichnungen, insbesondere Fig. 1, besteht die Gesamtmotorkonstruktion aus einer Reihe von Gehäusen, welche

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ORIGINAL INSPECTED

einschliessen: Ein linkes einwandiges Seitgehäuse 10, ein erstes Rotorgehäuse 11, ein mittleres doppelwandiges 3eitgehäuse 12, ein rechtes Rotorgehäune 13 und ein rechtes einwandiges Seitgehäuse 14. Die Rotorgehäuno 11 und 1.'- sind aus spritzgegossenem Aluminium mit einem entsprechend ,n inneren abnützungsbeständigen Überzug bei 15 aufgebau;; die Seitgehäuse 10, 12 und 14 sind aus Gusseisen aufgebaut, das mit einer der hier angegebenen Zusammensetzungen überzogen ist. Ein linker Rotor 16 ist in der durch die Gehäuse 10, 11 und 12 begrenzten Kammer 18 untergebracht uni ein rechter Rotor 18 ist in der durch die Gehäuse 12, 13 ind 14 begrenzten Kammer 19 untergebracht. Die Rotoren werden jeweils durch exzentrisch befestigte Wellen 20 und 21 getragen; die Wellen erstrecken sich durch jeweilige exzentrische öffnungen 22 und 23 in dem jeweiligen Rotor. Jeder Rotor ist allgemein dreieckig in der'Seitsicht und besitzt eine Querstärke 24, die geringfügig niedriger als die Breite der Rotorgehäuse ist.

Wie au η Fig. 2 ersichtlich, trägt der Rotor an .jeder- -3eite desselben eine ringförmige Anordnung von Leitdichtungen 25» die dem Umfang 26 des Rotors folgen. Hier bestehem die Seitdichtungen aus dünnen Streifen 25a und 25b aus Gusseisen (Anzahl zwei, Seite an Seite), welche lose innerhalb ergänzender Kerbungen in der Seite des Rotors sitzen, so daps die Dichtungen eine Oberfläche zum Eingriff der Seitgehäuse bieten. Scheiteldichtungen 28 v/erden in Querschlitzen zum Eingriff in das Rotorgehäuse getragen; Die Eckdichtungen 27 liefern eine bequeme Dichtung am Stoss von Seitdichtungen und Scheiteldichtungen. Kreisförmige Öldichtungen 29 umgeben die Öffnungen 22-23 und bieten die Oberfläche zur Abdichtung gegen die Gehäuseseiten.

Jede Gehäuseseite liefert einen Träger oder eine Oberfläche 31 für das verbesserte abnützungsbeständige Überzugssystem 30» welches darüber aufgetragen wird. Der Träger besteht vorzugsweise aus Gusseisen, umfasst jedoch auch äquivalente Platerialien, die eine thermische Leitfähigkeit von mindestens

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BTU/Std./sq.ft./°F/ft. und eine Streckfestxgkeit von mindestens 177OkBcm (25 000 psi) haben. Das Überzugssystem arbeitet verträglich mit den verschiedenen dargebotenen Oberflächen der vom Rotor getragenen Dichtungen zusammen. Das System 30 besteht besondern aus einem Gemisch von zv/oi metallischen Pulverarten, jeweils von allgemein gleicher IPirte, wobei die Pulver bei der Abscheidung mittels der Flammsprühtechnik selbstgeschmolzen sind. Eine dieser Pulverarten besteht aus einem martensitischen rostfreien Stahl mit einem Chromgehalt im Bereich von 12 bis 17 %, insbesondere eem rostfreien Stahl 420 mit einem Chromgehalt von 13 Ge'w.70. Die andere Pulverart ist eine Legierung auf Nickelbasis mit einer Härte praktisch gleich dem rostfreien Stahl 420. Die Pulvera,rten werden in trockener Form vermischt, wobei die Mischverhältnisse vorzugsweise auf der Basis von 1 : 1 liegen. Jedoch erlaubt der arbeitsmässige Bereich zur Erzielung der weiten Aufgaben gemäss der Erfindung die Einstellung einer Abweichung bis hinauf zu einem Verhältnis von 4 : 1 der Legierung auf Nickelbasis zu dem martensitischen rostfreiem Stahl oder einem Verhältnis von 3 : 1 von martensitischem rostfreiem Stahl zu der Legierung auf Nickelbasis.

Die Legierung auf Uickelbasis enthält besonders einen geringen Zusatz von Eisen, vorzugsweise etwa 5 %·, und wesentliche Zusätze an Flussmitteln in Form von Silicium und Bor. Das Silicium ist vorzugsweise in dem Pulver in einer Menge von etwa 4 % und das Bor ist in dem Pulver in einer Menge von etwa 3 % enthalten. Die Fliessmittel dienen zur Erzeugung des geeigneten Betrages der Härte und der Haftung der Teilchen während des Flammsprühens des Überzuges. Die Teilchen werden in den Flammensprühbrenner, beispielsweise eine Sauerstoff-Acetylen-Pistole, zugeführt, wo die Pulver der Gasflamme während einer ausreichenden Zeit zur Schmelzung der äusseren Oberfläche jedes Teilchens unter Bildung einer, halbplastischen Zustandes ausgesetzt werden. Infolge der Gasströmung durch die Pistole werden die Teilchen mit ausreichender Kraft zum Aufschlag auf die zu überziehende Oberfläche genchleudorl, _} und es ergibt sich oine abgeflachte oder ver-

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formte Gestalt jedes Teilchens. Beim Zusammenlaufen der Oberfläche jedes Teilchens findet ein öelbstschmelzeffekt statt, und es bildet sich ein steifer und anhaftender Überzug. Zur Förderung des geeigneten Betrages des Schmelzens an der Oberfläche jedes der Teilchen kommen Silicium und Bor aus der Lösung im Teilchentyp, da sie eine niedrigere Schmelztemperatur als die anderen Bestandteile haben, wodurch wirksam die Oberflächenfliessfähigkeit für das Selbstschmelzen gefördert wird. Silicium und Bor treten aus und bilden niedrigschmelzende Eutektika. Die Legierung auf Nickelbasis kann gleichfalls einen Chrombestandteil sowie eine geringe Menge an Kohlenstoff, beispielsweise 1,0 % Kohlenstoff und 13,25 % Chrom enthalten. Nach der Abscheidung besteht die erhaltene Masse oder der erhaltene Überzug im allgemeinen aus 0,5 % Kohlenstoff, 13,25 % Chrom, 37 % Nickel, 1,5 % Bor, 2,5 % Silicium und 45 % Eisen. Der Überzug besteht im allgemeinen aus einer harten martensitischen rostfreien Stahlmatrix und gleich harten Boriden, Oxiden, Carbiden und Siliciden. Der Sauerstoff als wichtigstes ist im Zwischenraumzustand innerhalb der Masse beibehalten.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich ,erscheint der gegossene Eisenträger E dunkel, die martensitischen Teilchentypen erscheinen bei B als kleine Kügelchen und die LegierungsteüL^chen auf Nickelbasis erscheinen bei D als längliche oder abgeflachte Teilchen infolge des Aufschlages. Die schwarzen Bereiche A sind Poren oder Hohlräume, die*.vom gesteuerten Sprühen herstammen, und die hellgrauen Streifen C sind Bereiche mit Sauerstoff und Oxiden im Zwischenraum. Der im Zwischenraum vorliegende Sauerstoff ist hinsichtlich der Menge geregelt, um die Abnützungsbeständigkeit zu unterstützen.

Ein Zwischenüberzug F aus Aluminiumbronze kann verwendet werden, um eine metallurgische Bindung zwischen dem Träger und dem Überzug zu fördern. Der Zwischenüberzug sollte zu einer Abscheidungsstärke von etwa 25 bis 250 Mikron flammgesprüht werden.

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Eine der wichtigsten bei Anwendung des vorstehenden'Konpositionsüberzuges beobachteten Erscheinungen ist seine Fähigkeit, einen stabilen Härtewert bei hohen Temperaturen beizubehalten. Beispielsweise bei Temperaturen von 204° C (400° F) (typisch für die Substrattemperatur der Seitwände eines Rotormotors) wird eine minimale Härte stets mit E 30 erhalten. Dieser Härtewert wird auch bei weit höheren Temperaturen bis zu etwa 600° C (1100° F) beobachtet, was die Temperaturstabilität des Überzugs belegt. Diese Eignung der Beibehaltung einer stabilen Härte bei erhöhten Temperaturen ist einzigartig und ergibt sich aus der Kombination der geregelten chemischen Zusammensetzung der Teilchen und des Abscheidungsverfahrens. Bei bisherigen Materialien, die als sehr hart bei Raumtemperatur betrachtet werden, wurden hingegen Schädigungen und Verluste der Dichtungswirksamkeit beobachtet. Die Wirkung der Seitdichtungen ist besonders stark. Bestimmte Stellen der Seitdichtungen zeigen eine kompakte Drehgleitbewegung gegen die Gehäuseseite; andere Stellen der Seitdichtungen zeigen eine praktisch hin- und hergehende Bewegung ähnlich zu der Vor- und Rückwärtsbewegung eines Messers. Eine derartige Hinr und Herbewegung der Dichtung verursacht, wenn sie gegen den heissesten Teil der Gehäuseseite arbeitet (etwa der Spitzenpunkt der Verbrennung) eine signifikante örtliche Abnützung bei den bisherigen Materialien, was zu Gassickerung führt. Jedoch zeigt der Überzug gemäss der Erfindung praktisch keine Abnützung unter derartige nachteiligen Bedingungen. Bei Kreislauftestversuchen während ,einiger 100 Stunden heiss/kal't eines Rotormotores, der mit dem Überzug gemäss der Erfindung ausgestattet war, war die Rotorsauberkeit danach ebenso gut wie am Anfang. Es wurden keine Verbrennungsabscheidungen irgendwo auf den Rotorseitteilen, die zwischen den Seitdichtungen und den Öldichtungen angebracht werden, beobachtet. Weiterhin wurden Abnützungsuntersuchungen mit vier bekannten Materialien durchgeführt, die zurzeit für die Überzüge des Seitgehäuse von Drehmotoren verwendet werden. Die Motoren wurden 100 Stunden eines Heiss/Kalt-Kreislaufes laufen gelassen. Das bekannte Material Nr. 1 bestand aus einem flammgesprühten Überzug des Stahles 1080 (Stärke 0,038 cm; 0,015 in.-) auf dem Bereich

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eines Gusseisenseitgehäuses äquivalent zu dem durch die Dichtungen eingeschlossenen Bereich, wobei die Fläche ausserhalb des Bereiches oder "Vorsprüngen von den öldichtungen induktionsgehärtet war. Die maximale Abnützung nach 100 Stunden betrug 0,00343 cm (0,00135 inch). Die bisherigen Materialien Nr. 2 und Nr. 3 bestanden einfach aus einem gesprühten Überzug aus dem Stahl 1080 bzw. 10100 (Stärke 0,038 cm; 0,015 in.) auf dem gesamten Seitgehäuse; die gemessene Abnützung oeträg 0,0119 bzw.0,014 cm(0,004-7 bzw. 0,0055 in.). Das bisherige Material Nr. 4 bestand aus einer in einem Salzbad nitridierten Oberfläche mit einer Eindringtiefe von 0,0005 cm (0,0002 inch); die gemessene Abnützung betrug 0,0020 cm (0,0008 inch.). Im Vergleich hierzu wurden drei Ausführungsformen des erfindungsgemässen Überzuges (Verhältnis 1 : 1 des rostfreien Stahles 4-20 und der Legierung auf Nickelbasis) untersucht; demgegenüber zeigten die bekannten Materialien eine 2- bis 5fach grössere Abnützung. Zunächst wurde ein Überzug von 38O Mikron (15 mil) aus dem erfindungsgemässen Material über einen 3wischenüberzug aus Bronze aufgesprüht; die gemessene Abnützung betrug 0,0007 cm (0,0003 inch.). Dann wurde ein Überzug von 203 Mikron (8 mil) aus dem erfindungsgemässen Material ohne einen Zwischenüberzug abgeschieden; die gemessene Abnützung betrug 0,00064 cm (0,00025 inch.). Drittens wurde ein dünner Überzug des erfindungsgemässen Materials verwendet, wobei der Überzug nicht in Öl nach der Abscheidung eingetaucht und gewalzt wurde; die gemessene Abnützung betrug 0,00059 cm (0,00022 inch.)

Eine überraschende Eigenschaft, die eine Gehäuseseitenoberflächenbehandlung besitzen sollte, liegt in der begrenzten Porosität. Obwohl die Überzüge gemäss der Erfindung bei Porositäten von 3 his 9 % eingesetzt werden können, wird ein Wert von 5 % oder weniger bevorzugt, um einen unerwarteten Schmiermittelzusammenbruch zu verhindern. Ein mikrodünner Schmiermittelfilm zwischen den Dichtungen und der Gehäuseseite ist günstig; diese wird am besten bei einem geringfügig porösen metallischen Überzug auf den Dichtungen und der Gehäuseseite beibehalten, so dass die Porosität als Reservoir

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oder Zufuhr zur Aufrechterhaltung des Filmes dienen kann. Eine zu starke Porosität ergibt jedoch Störungen mit der Wirksamkeit des Rotors durch Erzeugung eines viskosen Zuges und ermöglicht, dass der Überschuss an Schmiermittel bei dem Verbrennungsverfahren zusammenbricht und Abscheidungen hinterlässt. Auf Grund der Erfindung ergibt sich die Lehre, dass eine bevorzugte Porosität von 5 % oder weniger erzielt werden kann, wenn die Korngrösse der vermischten Teilchentypen, die zur Sprühpistole zugeführt wird, gesteuert wird. Es sollten keine Teilchen mit grösserer Grosse als durch ein Sieb mit einer Öffnung von 74 Mikron (200 mesh) gehen, verwendet werden, und vorzugsweise kleiner als 74 Mikron und grosser als 44 Mikron (-200, + 525).

Ein bevorzugtes Verfahren zur Durchführung der Erfindung besteht in den folgenden Stufen:

1. ßubstratoberflächenbehandlung - Das Gusseisenßeitgehäuse wird nach dem Giessen geschliffen, um eine Bezugsoberfläche über den gesamten Bereich 31, der zwischen den Vorsprüngen der äussersten Stellen der Scheiteldichtungen, wenn sie ihre Planetenbewegung unternehmen, und dem inneren Umfang, der durch die exzentrisch befestigten Teile 22 und 23 begrenzt ist, definiert ist. Die geschliffene Oberfläche wird dann einer Unterschneidbehandlung zur Aufnahme des Fertigüberzuges in ÜbergrÖsse unterzogen. Die Unterschneidung wird mit einer Abschrägung von 30° an den Kanten 33 und 3^ ausgestattet, um eine stärker haftende Verbindung mit der Gusseisenunterlage zu ergeben. Eine Übersprühung unmittelbar benachbart zu den Kanten des Mittelloches ist zu vermeiden, indem ein Rand 32 von etwa 0,12 cm (0,05 inches) am inneren Umfang 34 unbesprüht gelassen wird. Die Unterschneidbehandlung wird so ausgeführt, dass sich ein Metallfinish von 162 bis 650 Mikro-cm (64 bis 256 micro inches) ergibt. Die unterschnittene Gehäuseseite wird dann durch Heissentfettung gereinigt und mit zerkleinertem Eisen einer Feinheit von 24 Grit bei einem Luftdruck von 5 atm (70 psi) blankgestrahlt. Die Blankstrahlung wird mit einem niedrigeren Luftdruck als

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normal ausgeführt, ro dass sich eine besser gekörnte Oberfläche ergibt. Die Gehäuseseite wird dann auf etwa 93° G (200° F) zur Vorbereitung für die Sprühstufe vorerhitzt.

2. Flammb esprühung - Die Bereiche des Gehäuses, welche nicht zu überziehen sind, werdenmaskiert, obwohl die übersprühung lediglich etwa 0,6 bis 0,9 cm (0,25 bis 0,37 inch) beträgt. Das bevorzugte Pulvergemisch auf der Basis 50 : 50 besteht aus rostfreiem Stahl 4-20 und einer Legierung auf ETickelbasis mit einer chemischen Zusammensetzung von 13 % Chrom, 5 °/° Eisen, 4- % Silicium und 3 % Bor, 0,75 % Kohlenstoff, und 75 % Mekel. Die vermischten Pulver werden in die Flammsprühpistole unter Anwendung des Sauerstoff-Acetylenprinzips eingeführt. Die Flammsprühung ist in ihrer allgemeinsten Ausführungsform als Metallisierung bekannt, welche ein Verfahren zum Aufsprühen von geschmolzenem Metall auf eine Oberfläche unter Bildung eines Überzuges darstellt. Reines oder legiertes Metall oder Gemische von Metallen werden in einer Flamme geschmolzen; ein Strahl von komprimierter Luft bricht das geschmolzene Metall zu einer feinen Besprühung auf. Die Abscheidung dieser Besprühung baut sich auf einem Substrat auf und bildet einen Überzug mit physikalischen Eigenschaften, die gegenüber denjenigen der Bestandteilsmetalle unterschiedlich sind. Gesprühte Metalle sind im allgemeinen porös, härtertmd spröder. Die Porosität und höhere Härte trägt allgemein zur Abnützungsbeständigkeit von Lageroberflächen bei. Deshalb wird die Flammbesprühung allgemein zum Aufbau von abgenützten Teilen angewandt.

Für die Zwecke der Erfindung wurde die Härte des abgeschiedenen Überzuges über die bisher bekannten Werte erhöht, die Porosität wurde für vorteilhafte Zwecke begrenzt und die Kasten der Abscheidung wurden verringert.

Der Acetylendruck wird vorzugsweise auf 1,05 atm (15 psi) und der Sauerstoffdruck auf 1,8 atm (24 psi) eingestellt. Die Strömung jedes Gasbestandteils wird vorzugsweise auf 30 % für Acetylen und 70 % für Sauerstoff eingestellt. Weiterhin wird bevorzugt, dass die zu besprühende Oberfläche in einer

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senkrechten Stellung gehalten wird, um das Einfangen von Staub zu vermeiden. Noch wichtiger muss die Sauerstoff-Acetylen-Pistole in senkrechter Orientierung hinsichtlich der Ebene der zu überziehenden Oberfläche gehalten v/erden. Das Gehäuse wird um seine eigene Achse rotiert, während gleichzeitig die Pistole hin- und herbewegt wird, so okss sie sich radial hinsichtlich des zu besprühenden Gehäuseabschnittes verschiebt. Die Spitze der Pistole wird etwa 25 cm (10 inches) von der zu überziehenden Oberfläche angebracht und das Gehäuse wird üblicherweise mit einer Geschwindigkeit von etwa 60 U/Min, gedreht.

Die Stärke des Überzuges wird auf einen Bereich von 0,05 bis 0,075 cm (0,02 bis 0,03 inches), vorzugsweise 0,063 cm (0,025 inches), gesteuert, um die Entfernung von 0,025 cm (0,01 inch) des Überzuges bei der anschliessenden Stufe des Verfahrens zu erlauben.

3. Beendigung des Sprühüberziehens - Unmittelbar nach der Flammsprühabscheidung wird der Überzug einer Auftragung von Motoröl, beispielsweise 10 w 30, unterzogen, während das Gehäuse noch heiss ist. Es wird eine ausreichende Menge öl aufgetragen, um den überzug einzuweichen. Anschliessend wird die aufgezogene Oberfläche des Gehäuses zu einer solchen Finish-Grösse geschliffen, dass sie gleich mit der in einer vorherigen Stufe bestimmten Bezugsoberfläche als geschliffene Oberfläche ist. Die erhaltene tjberzugsstärke beträgt etwa 0,038 cm (0,015 inches) nach dem Schleifen. Die Gehäuseoberfläche wird unter Anwendung von freiem Schleifpulver zu einem Finish von 25 Mikro-cm (10 micro-inches) auf dem Gusseisen und 50/75 Mikro-cm (20/30 micro-inches) auf dem Sprühüberzug fein-bearbeitet, wobei diese Ablesungsschwankungen auf die Poren zurückzuführen sind. Schliesslich wir&jdie Gehäuseoberfläche mit Ultraschall gereinigt, gespült und vor dem Gebrauch des Gehäuses beim Motorbetrieb geölt.

Wichtige Merkmale des Verfahrens umfassen die Flammsprühabscheidung über die gesamte Fläche der Gehäuseseite, die

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praktisch, mit der Epitrochoid-Konfiguration des Ro tor gehäuses übereinstimmt. Die Abscheidung der Sprühpistole relativ zu der zu überziehenden Oberfläche erfordert eine enge Haftung an den hier gegebenen Lehren, um die gewünschten metallurgischen Eigenschaften zu erhalten. Die \rermi sehten Pulver werden einer Flammsprühtemperatur ausgesetzt, die etwas niedriger als die bei den bisherigen Verfahren angewandte ist, so das die Oxide und der Zwischenraum sauerstoffgesteuert v/erden. Der Überzug wird auf eine Unteroberfläche aufgetragen, die unterschnitten und abgeschrägt wurde, um einen verbesserten Haftungseffekt zu erzielen.

Um noch eine weiterhin verbesserte metallurgische Bindung zwischen dem Überzug und dem Träger zu erhalten, kann ein Zwischenüberzug aus Aluminiumbronze zu einem Stärkebereich von 25 "bis 250 Mikron (1 bis 10 mils) sprühaufgezogen werden.

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Claims

Patentansprüche

rl. J Seitwandstruktur für einen Rotorkolbenverbrennungsmotor, bestehend aus

(a) einer Seitwand als Träger, die eine flache Oberfläche zeigt, die durch einen epitrochoiden Umfang und einen kreisförmigen inneren Umfang begrenzt ist,

(b) einem abnützungsbeständigen Überzug aus einem Gemisch von allgemeien gleich harten Teilchen, wobei eine Art der Teilchen aus einem martensitischen rostfreien Stahl besteht und die andere Art d£r Teilchen aus einer Legierung auf Nickelbasis besteht, wobei der Überzug über den gesamten Bereich der Oberfläche selbst geschmolzen ist und der Überzug eine Abscheidungshärte mindestens von Rockwell C 30 bei einem Temperaturwert von mindestens 204° C (4-00° F) besitzt.

2. Seitwandstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug eine Stärke im Bereich von 0,05 bis 0,075 cm (0,02 bis 0,03 inch) besitzt.

3. Seitwandstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität des Überzuges an der äusseren Fläche des Überzuges im Bereich von 3 bis 9 % liegt und Sauerstoff in dem Überzug in Form von im Zwischenraum vorliegendem Sauerstoff vorhanden ist.

4·. Seitwandstruktur nach Anspruch 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, dass der Träger aus Gusseisen besteht.

5. Seitwandstruktur nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überzug aus Aluminiumbronze in einer Stärke von 25 bis 250 Mirkon (1 bis 10 mils) zwischen dem abnützungsbeständigen Überzug und der Trägeroberfläche flammaufgesprüht ist.

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6. Seitwandstruktur nach Anspruch. 1 bis 5» dadurch, gekennzeichnet, dass sämtliche Teilchen keine Grosse von mehr als 74- Mikron (-200 mesh) besitzen, so dass die Porosität gesteuert wird.

7. Rotormotor, gekennzeichnet durch die Kombination von:·

(a) Einrichtungen, die eine Verbrennungskammer mit einer epitrochoid-geformten Endwand und flachen Seitwänden begrenzen, wobei die Seitwände mindestens einen Teil hiervon mit einer abnützungsbeständigen Masse überzogen haben, die aus einer Kompositionsmasse aus martensitischem rostfreiem Stahl und einer Legietung auf Nickelbasis mit einer stabilisierten Härte von mindestens JO R bei den Motorbetriebstemperaturen besteht und

(b) einem polygonal-geformten Drehkolben mit zwei oder mehr Scheiteln, wobei der Kolben zur Drehung auf einer exzentrischen Welle zur Bewegung in Planetarbewegung innerhalb der Kammer getragen wird, wobei der Kolben mindestens eine ringförmige Anordnung von Seitdichtungen an jeder Seite trägt und diese Dichtungen elastisch in kontinuierlichem Kontakt mit einer Seitwand der Kammer gespannt sind.

8. Rotormotor nach Anspruch 7i dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor auch mindestens eine ringförmige öldichtung an jeder Seite desselben, die radial einwärts von der Seitdichtung liegt, besitzt, wobei die Öldichtung und die Seitdichtung jeweils aus Gusseisen bestehen und mindestens eine .dieser Dichtungen einen Chromüberzug über dem Gusseisen besitzt und die Dichtungen wirksam in den Überzug der Seitwand kontinuierlich eingreifen.

9i Rotormotor nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass die den Überzug tragende Seitwand eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 10 BTU/Std./sq.ft./⁰ F/ft. und eine Streckgrenze von mindestens 1770 kg/cm (25 000 psi) besitzt.

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10. Verfahren zur Herstellung einer abnützungsbeständigen Oberfläche zur Anwendung in einem Rotorverbrennunp.nmotor mit einem Rotor mit Scheiteldichtungen, dadurch gekennzeichnet, dass

(a) eine flache tragende Oberfläche aus Gusseisen gegossen wird, wobei die Oberfläche geschliffen wird, um als Bezugsoberfläche zu dienen,

(b) ein Teil der Oberfläche unterhalb der geschliffenen Oberfläche zu einer Tiefe zwischen 0,033 und 0,043 cm (0,013 bis 0,017 inches) und innerhalb mindestens eines durch die Projektion der Bahn des äusseren Punktes der Scheiteldichtung begrenzten Bereiches entfernt wird,

(c) thermisch' ein abnützungsbeständiger Überzug aufgesprüht wird, der aus einem Gemisch von allgemein gleich harten Teilchen besteht, wobei die eine Teilchenart aus einer Kombination von martensitischem rostfreien Stahl und die andere Teilchenart aus einer Legierung auf Nickelbasis bestehen,, während die Teilchen einheitlich über den'spanabhebend bearbeiteten Teil aufgetragen werden, so dass der Sprühüberzug zu einer Stärke nicht dünner als 0,05 cm und nicht stärker als 0,075 cm (0,02 inches bzw. 0,03 inches) abgeschieden wird,

(d) der aufgesprühte Überzug unmittelbar nach dem Aufsprühen mit einem Öl eingeweicht wird und

(e) ein Teil der äusseren Oberfläche des Überzuges

so entfernt wird, dass der fertige Umriss der Überzugsoberfläche mit der Bezugsoteerflache abschliesst oder plan ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die entfernte Oberfläche am Umfang derselben mit einer Abschrägung von etwa 30 unterschnitten wird^und der innere Umfang des Überzuges von dem inneren Umfang der Seitwand einen Abstand von etwa 0,12 cm (0,05 inches) hat.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnnet, dass die Flammbesprühung unter Anwendung einer Sauerstoff-Acetylen-Pistole durchgeführt wird, wobei das

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durch die Pistole strömende Gemisch, aur; elwa ⁷J) % Acetylen und 70 % Sauerstoff besteht und die geeignete ."chraelztemperatur für das gepulverte Überzugsmaterial, v;elches durch die Flammzone der Pistole fliesst, ergibt.

13- Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitwand um einen Zapfen gedreht wird und die Pistole schwenkbar auf einer Schiene zur radialen Bewegung; nach einwärts und auswärts hinsichtlich des Umfanges der Oberfläche zur Abscheidung eines einheitlichen Überzuges des abnützungsbeständigen Überzugsmaterials befestigt wird.

14. Seitwandstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erhaltene abnützungsbeständige Überzug aus 0,5 % Kohlenstoff, etwa 13,0 % Chrom, etwa 57,0 % nickel, 1,5 % Bor, 2,5 % Silicium, Rest Eisen, besteht.

15· Seitwandstruktur nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug eine Abnützung von veniger als 0,075 cm (0,003 inch) nach mindestens 100 Stunden eines Heiss-Kalt-Kreislaufes des Motores aufweist.

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