DE2453391C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Dichtleisten für Kolben von Kreiskolben-Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Dichtleisten, deren Kuppe mit einer Überzugsschicht versehen ist, für Kolben von Kreiskolben-Brennkraftmaschinen.

Es ist bekannt (DE-OS 21 21 255), für die umlaufenden Kolben von Kreiskolben-Brennkraftmaschinen Dichtleisten zu verwenden, die aus hartem verschleißfestem Werkstoff, wie z. B. Aluminium- oder Titan-Oxyd sowie aus gesinterter Metall- oder Tonerdekeramik hergestellt werden. Dabei werden entweder Trägerwerkstoffe aus Grauguß o. dgl. mit solchen Hartstoffschichten im Bereich der Leistenflanken und/oder -kuppe überzogen oder die ganze Dichtleiste oder Leistenteile aus solchen Werkstoffen ersetzt. Die Verbindung zwischen den verschiedenen Werkstoffen erfolgt durch Kleben oder durch Aufschmelzen von Spritzschichten. Um die Bearbeitbarkeit solcher Dichtleisten im Hinblick auf deren erforderliche geringe Fertigtoleranzen zu verbessern, ist es dabei auch bekannt, die aus Metall-Keramik oder einem ähnlichen Hartstoff bestehenden Dichtleisten mit einem relativ weicheren, mechanisch bearbeitbaren Werkstoff, insbesondere aufgespritztem Molybdän zu beschichten. Diese bekannten Dichtleisten vermögen aber das Problem der einwandfreien Abdichtung der Arbeitsräume gerade bei Kreiskolben-Brennkraftmaschinen noch nicht zu lösen, und zwar hauptsächlich deswegen nicht, weil sie den dabei auftretenden starken Temperaturbeanspruchungen auf die Dauer nicht gewachsen und nicht ausreichend verschleißfest sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, für eine Kreiskolben-Brennkraftmaschine oben genannter Art eine hochtemperatur- und verschleißfeste Dichtleiste zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden diese Dichtleisten erfindungsgemäß so hergestellt, daß auf einem feinkörnigen, z. B. aus legiertem Werkzeugstahl bestehenden, auf eine Temperatur von etwa 700⁰C vorgeheizten Trägerwerkstoff eine M05RU3- oder W3Ru2-Legierung als Überzugsschicht im Vakuum entweder durch explosionsartiges Verdampfen von mindestens einem aus der Legierung bzw. ihren Komponenten bestehenden, stromdurchflossenen Draht oder durch Elektronenstrahl-Verdampfung der Legierung bzw. ihrer Komponenten aufgedampft wird.

Die so erzeugte, aus der Molybdän-Ruthenium bzw. Wolfram-Ruthenium-Legierung bestehende Überzugsschicht auf der Dichtleiste ist hochtemperaturfest und äußerst haltbar. Sie besitzt darüber hinaus eine außerordentliche Härte sowie Kratz- bzw. Rißfestigkeit. Sie gewährleistet daher eine hochwirksame und dauerhafte Abdichtung der Arbeitsräume von Kreiskolben-Brennkraftmaschinen. Wie sich gezeigt hat, kommt man dafür schon mit sehr dünnen Überzugsschichtstärken der betreffenden Legierungen, nämlich bis zu Bruchteilen von Millimetern aus.

Bei der Herstellung von elektrischen Kontakt-Oberflächen, ζ B. für Kondensatoren, Widerstände, Schaltgeräte u. dgl., ist es bekannt (FR-PS 13 47 932), auf einen Trägerwerkstoff Metall-Legierungen aufzudampfen, deren Komponenten einerseits aus Edelmetallen, nämlich Platin, Gold oder Silber, und andererseits aus unedlen Metallen, darunter auch Wolfram, bestehen können. Das Aufdampfen kann dabei auch dadurch erfolgen, daß man die beiden Legierungskomponenten in getrennten Tiegeln durch darauf gerichtete Elektronenstrahlbündel gleichzeitig verdampft. Abgesehen davon aber, daß dieses Oberfl?chenbeschichten hier auf einem völlig andersartigen Anwendungsgebiet, nämlich dem der Herstellung elektrischer Kontakte erfolgt, bestehen die erzeugten Oberflächenschichten auch nicht aus einer der erfindungsgemäßen Legierungsüberzugsschichten, nämlich weder aus M05RU3 noch aus W₃Ru₂.

Um zu einer besonders innigen Verbindung der Legierungs-Überzugsschichten mit dem Trägerwerkstoff zu kommen, kann die aufgedampfte M05RU3- bzw. W₃Ru₂-Legierung durch Laser-Strahlung in die Oberfläche des Trägerwerkstoffes eingeschmolzen werden. Dies verhindert ein Abblättern der aufgetragenen Schicht. Sofern die auf den Trägerwerkstoff aufgebrachte Legierungs-Überzugsschicht nicht hinreichend homogen sein sollte, empfiehlt es sich, den durch die Überzugsschicht gegebenenfalls unabgedeckt gebliebe-

nen Teil des Trägerwerkstoffes durch Ausätzen abzutragen. Auf diese Weise kann ein Schmieren des Trägerwerkstoffes an der zumeist aus einer anderen Legierungsschicht bestehenden Motorgehäisewandung verhindert werden. Das Ausätzen des Trägerwerkstoffes an der Oberfläche zwischen den Legierungskörnern kann beispielsweise durch Königswasser erfolgen, wenn als Trägerwerkstoff entsprechend legierte Stähle verwendet werden.

Eine zur Durchführung des Verfahrens zum Herstellen von Dichtleisten dienende Vorrichtung besteht erfindungsgemäß aus einem Vakuumbehälter mit einem an Hochspannung angelegten, beheizbaren Aufnahmetisch für ein Dichtleistenpaket, wobei die Vorrichtung entweder mit einer Einspanneinrichtung für den zu verdampfenden, an einen Kondensator-Entladungsstromkreis angeschlossenen Legierungsdraht oder mit einsr Elektronenstrahlschleuder mit nachgeschalteten Fokussierungs-Spulen und einem von den frJcussierten Elektronenstrahlen beaufschlagten Verdampfungstiegel versehen ist.

Zu einer praktisch kontinuierlich arbeitenden Vorrichtung gelangt man nach einer Ausgestaltung der Erfindung dann, wenn der Aufnahmetisch ein schrittweise umlaufender Rundtisch mit mehreren über seinen Umfang gleichmäßig verteilten Vertiefungen zur Aufnahme von Dichtleistenpaketen ist, der eine den Vakuumbehälter im Sinne der Wanderbewegung der Rundtischvertiefungen umschließende Vorvakuumkammer durchläuft.

Anhand mehrerer, in der Zeichnung schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele sei die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Draufsicht auf einen mit den Dichtleisten ausgerüsteten umlaufenden Kolben einer Kreiskolben-Brennkraftmaschine,

Fig. 2 und 3 eine Stirn- bzw. Seitenansicht der Dichtleiste,

Fig.4 eine Vorrichtung zum Aufdampfen der Legierungs-Überzugsschicht durch explosionsartiges Verdampfen eines von einem starken elektrischen Strom durchflossenen Legierungsdrahtes,

Fig.5 eine Vorrichtung, bei der die Überzugslegierung durch scharf gebündelte Elektronenstrahlen verdampft wird, und

Fig. 6 eine zur kontinuierlichen Herstellung von Dichtleisten dienende Vorrichtung mit Rundtisch.

Der in Fig. 1 dargestellte Kolben 1 gehört zu einer Kreiskolben-Brennkraftmaschine und wird entsprechend angetrieben, wobei er mit seinen einstückig ausgebildeten radialen Dichtleisten 3 an der charakteristisch geformten Motorgehäusewandung 2 entlanggleitet. Die seitliche Abdichtung übernehmen sogenannte Dichtstreifen, die in die entsprechend ausgebildeten Nuten 4 eingesetzt werden. Zwischen den radialen Dichtleisten 3 und den bogenförmigen Dichtstreifen sitzen noch zylindrisch gestaltete Dichtbolzen 5, die sich in entsprechenden zylindrischen Ausnehmungen befinden und über entsprechende Schlitze die Dichtleisten 3 teilweise umschließen.

Diese Dichtleisten 3 sind vor In* in Fig.2 und 3 in natürlicher Größe dargestellten Form. Sie sind bei solchen Kreiskolben-Brennkraftmaschinen allerhöchsten Beanspruchungen ausgesetzt. Um ihnen gewachsen zu sein, sind diese Dichtleisten an ihrer Kuppe 3' mit einer dünnen Überzugsschicht versehen, die aus einer Molybdän/Ruthenium- oder Wolfram/Ruthenium-Legierung besteht. Solche Überzugsschichten haben sich als außerordentlich hochtemperatur- und verschleißfest erwiesen bei gleichzeitig hochwirksamer Abdichtung der einzelnen Arbeitskammerräume zwischen dem Kolben und dem Motorgehäuse. Im übrigen besteht die abgebildete Dichtleiste 3 aus einem hinreichend feinkörnigen Trägerwerkstoff, z. B. legiertem Werkzeugstahl, auf dem die Überzugsschicht aus M05R.U3 bzw. W3RU2 aufgebracht ist.

Das Aufbringen dieser Legierung auf den Trägerwerkstoff erfolgt durch Aufdampfen im Vakuum. Eine entsprechend beschaffene Vorrichtung ist in Fig.4 dargestellt Sie besteht im wesentlichen aus einem Vakuumbehälter 6, der einen an Hochspannung zu legenden, beheizbaren Aufnahmetisch 7 zur Aufnahme eines entsprechenden Dichtleistenpakets 8 besitzt Weiterhin ist in dem Vakuumbehälter 6 noch eine aus den Einspannstellen 9, 9' bestehende Einspannvorrichtung für den zu verdampfenden Legierungsdraht 10 vorgesehen. Dieser ist über einen Hochspannungsschalter 11 in einen aus einer Kondensatorbatterie 12, einer Selbstinduktion 13 und einem Entladungswiderstand 14 bestehenden Kondensatorenentladungsstromkreis einzuschalten. Dessen Speisung erfolgt durch den vorteilhaft mit drei Phasen betriebenen Ladetransformator 15 über die Ladegleichrichter 16, 17, wobei letzterer zusammen mit dem Kondensator 18 für die positive Spannung am Aufnahmetisch 7 des Vakuumbehälters 6 sorgt Für das Verdampfen des Legierungsdrahtes 10 werden je nach Stärke und Einspannlänge unterschiedliche Spannungen und Ströme benötigt, beispielsweise von 10 bis 20 Kilovolt bzw. 1 bis 2 Kiloampere. Während die Kondensatorbatterie 12 eine Kapazität von beispielsweise 1 μΡ besitzt, kann die Selbstinduktion 13 ca.10 μΗ betragen. Weiterhin ist der Aufnahmetisch 7 in nicht näher dargestellter Weise auf Temperaturen bis zu 700⁰C vorzuheizen. Zur Verstärkung des die Bedampfungspartikel transportierenden elektrischen Feldes kann in dem Vakuumbehälter 6 an entsprechender Stelle gegebenenfalls auch noch ein elektrisch negatives Gitter eingebaut werden.

Bei der in Fig.5 dargestellten Vorrichtung sind in dem zu evakuierenden Behälter 19 wiederum die zu bedampfenden Dichtleisten 8 paketweise auf dem Aufnahmetisch 20 angeordnet. In diesem Fall wird der aus der M05RU3- bzw. W₃Ru2-Legierung bestehende Dampf aber dadurch erzeugt, daß die in einem Verdampfungstiegel 21 befindlichen Legierungskörner 22 durch hochenergetische Elektronenstrahlen niedergeschmolzen und verdampft werden. Der Elektronenstrahlschleuder 23 sind die Fokussierungsspule 24 und die Ablenkspule 24' nachgeschaltet, die für eine entsprechende Fokussierung bzw. Ablenkung der Elektronenstrahlen sorgen, damit diese nacheinander den gesamten Tiegelinhalt beaufschlagen können. Bei dieser Anordnung kann die Dicke der auf den Dichtleisten aufzubringenden Legierungs-Überzugsschicht verhältnismäßig einfach geregelt bzw. gesteuert werden, und zwar über die einzuregelnde Intensität, die Dauer und jeweilige Auftreffstelle des Elektronenstrahlbündels im Verdampfungstiegel 21. Hier kann also die Bedampfung des Dichtleistenpaketes 8 recht exakt dosiert werden. Das ist insbesondere auch dann der Fall, wenn die Legierungsbestandteile in separaten Tiegeln durch zwei Elektronenstrahlenbündel und entsprechend angeordnete Fokussierungsspulen verdampft werden, die Legierung dann also erst nach dem Verdampfen bzw. Aufdampfen entsteht.

Die Fig.6 zeigt das Schema einer eine kontinuierli-

ehe Herstellung von legierungsüberschichteten Dichtleisten ermöglichenden Vorrichtung. Diese besteht im wesentlichen aus einem beispielsweise eine Elektronenschleuder entsprechend F i g. 5 enthaltenden Hochvakuumbehälter 25 und einer ihn mit Abstand umschließenden Vorvakuumkammer 26 sowie dem schrittweise umlaufend anzutreibenden Rundtisch 27, der mit mehreren über seinen Umfang gleichmäßig verteilt angeordneten Vertiefungen 30 für die darin einzubringenden, zu überschichtenden Dichtleisten versehen ist. Der Rundtisch 27 schließt mit seiner glatt verlaufenden Oberseite die Vakuumkammer 25 und 26 sowie die dazwischen liegenden Dichtungsgebiete 28 und 29 weitestgehend gasdicht ab. Die in den Vertiefungen 30 liegenden Dichtieisten passieren absatzweise hintereinander die Vakuumkammern 26,25. Mit 31,32 sind die zu den nicht dargestellten Vakuumpumpen führenden Leitungen bezeichnet. Den umfangsmäßig verteilt angeordneten Vertiefungen 30 können, in Umlaufrichtung 33 des Rundtisches 27 gesehen, nacheinander die folgenden Funktionen zugewiesen werden: Die Aufnahmeposition a bezeichnet die Beladestelle, an der also die Dichtleisten über die Beladeeinrichtung 34 in die jeweils vorbeiwandernde Vertiefung 30 eingebracht werden; an der Stelle b kann der korrekte Beladungszustand durch entsprechende Sensoren geprüft werden; bei c gelangt die jeweilige Vertiefung 30 in den Bereich der Dichtungsregion 29; an der Stelle d befindet sich die Vertiefung 30 in der Vorvakuumkammer, an der Stelle e in der Hochvakuumkammer 25 und an der Stelle / wiederum in der Vorvakuumkammer 26; an der Stelle g kann die auf den Trägerwerkstoff der Dichtleisten aufgedampfte Legierungs-Überzugsschicht durch eine hier in geeigneter Weise angeordnete Laser-Strahlenquelle L in das Trägermaterial noch zusätzlich eingeschmolzen und damit inniger verbunden werden; während die Stelle h eine bloße Durchgangsposition bezeichnet, erfolgt an der Stelle / das Entladen der legierungsüberschichteten Dichtleisten durch die Entladeeinrichtung 35; die Plätze k, /, m können schließlich zum Reinigen bzw. zum Vorbereiten der Vertiefungen 30 dienen.

Nach Passieren des Rundtisches 27 können die überschichteten Dichtieisten über die Entnahmeeinrichtung 35 noch weiteren Behandlungsstationen zugeführt werden, wie das in F i g. 6 schematisch angedeutet ist: So kann hier beispielsweise an der Station A eine Säurebehandlung im Tauchbad der überschichteten Dichtleisten erfolgen, bei der also der zwischen den einzelnen Legierungskörnern vorhandene Trägerwerkstoff ab- bzw. teilweise ausgeätzt wird; in der anschließenden Verweilstation β kann die Säure auf den Trägerwerkstoff nachhaltig einwirken; danach passieren die Dichtleisten nacheinander die Spül- bzw. Waschslation C, einen Trocknungsofen D und eine Station ffzum Glätten bzw. Honen ihrer Oberfläche, um dann schließlich an der Stelle F in fertig behandeltem Zustand anzufallen bzw. hier abgenommen zu werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Dichtleisten, deren Kuppe mit einer Überzugsschicht versehen ist, für Kolben von Kreiskolben- Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem feinkörnigen, z. B. aus legiertem Werkzeugstahl bestehenden, auf eine Temperatur von etwa 700⁰C vorgeheizten Trägerwerkstoff eine M05R.U3- oder W3RU2-Legierung als Überzugsschicht im Vakuum ^:' entweder durch explosionsartiges Verdampfen von mindestens einem aus der Legierung bzw. ihren Komponenten bestehenden, stromdurchflossenen Draht oder durch Elektronenstrahl-Verdampfung der Legierung bzw. ihrer Komponenten aufge- ' dampft wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Tragerwerkstoff aufgedampfte M05RU3- oder W3Ru2-Legierung durch Laser- Strahlung in die Oberfläche des Trägerwerk- " stoffes eingeschmolzen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Überzugsschicht gegebenenfalls unabgedeckt gebliebene Teil des Trägerwerkstoffes durch Ausätzen abgetragen wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aus einem Vakuumbehälter (6, 19 oder 25) mit einem an Hochspannung angelegten, beheizbaren Aufnahme- >" tisch (7, 20 oder 27) für ein Dichtleistenpaket (8) besteht, wobei die Vorrichtung entweder mit einer Einspanneinrichtung (9, 9') für den zu verdampfenden, an einen Kondensator-Entladungsstromkreis (12 bis 14) angeschlossenen Legierungsdraht (10) ■ ■ oder mit einer Elektronenstrahlschleuder (23) mit nachgeschalteten Fokussierungs-Spulen (24) und einem von den fokussierten Elektronenstrahlen beaufschlagten Verdampfungstiegel (21) versehen ist. '"

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnahmetisch ein schrittweise umlaufender Rundtisch (27) mit mehreren über seinen Umfang gleichmäßig verteilten Vertiefungen (30) zur Aufnahme von Dichtleistenpaketen (8) ist, ^; der eine den Vakuumbehälter (25) im Sinne der Wanderbewegung der Rundtischvertiefungen (30) umschließende Vorvakuumkammer (26) durchläuft.