DE2931116C2

DE2931116C2 - Kolbenring für einen Kolben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2931116C2
Application number: DE2931116A
Authority: DE
Inventors: Yoshio Huwa; Katsumi Kondo; Shouzi Toyota Aichi Miyazaki
Original assignee: Toyota Jidosha Kogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1978-11-20
Filing date: 1979-07-31
Publication date: 1982-06-09
Also published as: JPS5569742A; US4323257A; DE2931116A1; JPS5736416B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenring gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist aus der DE-OS 20 08 753 ein Kolbenring oben erwähnter Gattung bekannt, dessen Beschichtung aus einem im Plasmastrahlverfahren aufgebrachten Pulvergemisch aus W, C, Co, Ni, Cr, B, Al und Fe besteht. Das Wolframcarbid liegt bei dieser Pulvermischung in Form einer Verbindung vor, die sich beim Aufsprühen der Pulvermischung nicht zersetzt. Die Wolframcarbidphase bleibt in der Schmelze in Lösung aufrechterhalten. Auf diese Weise wird eine Kolbenringbeschichtung geschaffen, in der drei Phasen unterschiedlicher Härte auftreten.

Dieser Beschichtungsaufbau hat den Nachteil, daß die positiven Eigenschaften der extrem hochtemperaturbeständigen Wolframcarbid-Phase im Einsatzbereich des Kolbenrings, d. h. bei extrem hohen Temperaturen und in aggressiver Atmosphäre wie Öidampfmedium, nicht in erwünschtem Maße zum Tragen kommen, da der Aufbau der Beschichtung nicht stabil genug ist, um den spezifischen Anforderungen und extremen Beanspruchungen des Kolbenrings gewachsen zu sein.

Es ist aus der DE-OS 24 13 097 ein Kolbenring bekannt, in dessen Umfangsnuten eine verschleißfeste Phase aus einer Chrom-Eisen-Legierung oder aus Chromcarbid im Plasma-Spritzverfahren eingebracht ist. Das Plasma-Sprühpulver wird vor dem Aufspritzen mit Kupferpjlver vermischt, welches dann in der Beschichtung in Plättchenform als relativ weiche Phase vorliegt, die irgendwelche abrasiven Teilchen absorbieren kann. Diese Beschichtung des Kolbenrings hat den Nachteil, daß mit zunehmender Einsatzdauer immer weniger abrasive Teilchen von der gleichen Phase absorbiert werden können und daß damit die Funktion der Beschichtung nach einer gewissen Grenz-Einsatzdauer in Frage gestellt ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Kolbenring gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, der für die gesamte Betriebsdauer der Brennkraftmaschine eine hohe Verschleißfestigkeit und einen großen Widerstand gegen Festfressen bei hohen Temperaturen gewährleistet, wobei seine Kosten in der Größenordnung der Kosten eines chromplattierten Kolbenrings gehalten werden sollen.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

ίο Die Verwendung eines Plasmasprühpulvers, welches erfindungsgemäß durch das Aufmahlen einer Legierung gewonnen wird, führt zu einem äußerst homogenen Aufbau der Beschichtung, der nicht nur im Hinblick auf die Hochtemperaturbeständigkeit des Metallcarbids, sondern auch im Hinblick auf die spezifischen Anforderungen an den Kolbenring während dessen Einsatzes optimiert ist. Die Standzeit des Kolbenrings wird erfindungsgemäß damit nicht durch die Hochtemperaturbeständigkeit des Metallcarbids, sondern durch den Aufbau der Beschichtung angehoben. Die Cr-C-Fe-Legierung ist im Handel zu einem relativ günstigen Preis erhältlich, und sie zeichnet sich zusätzlich dadurch aus, daß sie bei hohen Temperaturen eine äußerst große Verschleißfestigkeit und einen großen Oxidationswiderstand besitzt Die in den Kolben eingelagerte erfindungsgemäße Legierung erhält durch Weglassen der weichen Cu-Phase eine Oberflächenhärte, die der Oberflächenhärte der Zylinderbüchse wesentlich näher kommt, so daß der im Stand der Technik durch Einlagerung harter Abrasiv-Teilchen in der weichen Phase hervorgerufene Schmirgeleffekt, welcher zu frühzeitiger Zerstörung der Zylinderbüchse führen kann, wirksam verhindert ist.

Um das Haftvermögen der auf den Kolbenring aufgespritzten Einlagelegierung am Trägermaterial zusätzlich zu verbessern, wird unter die Einlagelegierung eine Grundschicht aufgespritzt, die einerseits mit dem Kolbenring-Vorformling und andererseits mit der Einlage-Legierung eine feste Verbindung eingehen kann. Zu besonders positiven Ergebnissen gelangt man mit der Zusammensetzung der Grundschicht gemäß dem Unteranspruch 2.

Nachstehend werden anhand schematischer Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen vergrößerten radialen Querschnitt durch einen Kolbenring:

F i g. 2 ein Mikrobild (hundertfache Vergrößerung) eines radialen Querschnitts durch einen Kolbenring;

Fig.3 eine Fig.! ähnliche Darstellung, die einen Kolbenring zeigt, bei dem der Winkel zwischen den Seitenwänden weniger als t00° beträgt;

Fig.4 ein Mikrobild (hundertfache Vergrößerung) eines radialen Querschnitts durch einen mit Molybdän beschichteten Kolbenring;

F i g. 5 ein Mikrobild (hundertfache Vergrößerung)

eines radialen Querschnitts eines Kolbenringes, bei dem eine Cr-C-Fe-Legierung in eine Ringnut eingebracht worden ist, bei der der Winkel zwischen den Seitenwänden weniger als 100° beträgt;

F i g. 6 ein Mikrobild (vierhundertfache Vergrößerung) eines radialen Querschnitts durch einen Kolbenring, bei dem der Winkel zwischen den Seitenwänden 120° beträgt;

F i g. 7 ein Mikrobild (zweihundertfache Vergrößerung) eines radialen Querschnitts durch einen Kolbenring, bei dem der Winkel zwischen den Seitenwänden 60° beträgt;

F i g. 8 und 9 Darstellungen radialer Querschnitte von Kolbenringen mit Ringnuten mit leicht modifiziertem Profil;

F i g. 10 eine schematische Draufsicht zu;· Erläuterung eines Prüfverfahrens zur Untersuchung der Haftung der Beschichtung eines Kolbenringes am Grundmetall; und

Fig. 11 und 12 Diagramme,die die Abblätterungslänge und die Haftungsstärke für verschiedene Proben zeigen.

Die folgenden Beispiele werden beschrieben, um die Erfindung und ihre Vorteile zu erläutern.

Beispiel 1-1

15

Es wurden mehrere Kolbenring-Vorformlinge 1 aus Kt'gelgraphit-Gußeisen hergestellt. Der Ausdruck »Vorformling« bezeichnet hier und in den Ansprüchen das Grundelement eines Kolbenringes, bevor irgendein Überzug aufgebracht wird oder bevor irgendeine Nut am Vorformling gefüllt wird. Wie in F i g. 1 gezeigt ist, wies jeder Kolbenring-Vorformling eine umlaufende Ringnut 2 auf, die die zylindrische Außenfläche in zwei Abschnitte unterteilt. Die Ringnuten hatten einen trapezförmigen Querschnitt. Die Kolbenringe wurden axial aufeinander gestapelt, so daß sie eine rohrförmige Baugruppe ergaben. Während diese Baugruppe um ihre Achse gedreht wurde, wurde auf die Außenseite der Baugruppe nach dem Plasmaspritzverfahren Legierungspulver aufgetragen, und zwar so, daß die Ringnuten mit der aufgetragenen Legierung vollständig gefüllt waren. Die Zusammensetzung des Pulvers betrug 63,3% Cr, 6,6% C, 1,9% Si, 0,02% P, 0,04% S und Rest im wesentlichen Fe (alle Zusammensetzungen sind hier und in den Patentansprüchen in Gewichtsprozent angegeben). Danach wurde die zylindrische Außenfläche der Baugruppe mittels eines zylindrischen Schleifers geschliffen, bis jeder Kolbenring die gewünschten Abmessungen hatte. Durch das Schleifen wurde das gesamte Legierungsmaterial von der äußeren Umfangsfläche des Vorformlings entfernt, so daß lediglich noch die Ringnut mit dem Legierungsmaterial gefüllt war und die Oberfläche der Legierung in der Ringnut bündig mit der äußeren zylindrischen Oberfläche des Vorformlings war. Die Abmessungen des auf diese Weise hergestellten fertigen Kolbenrings betrugen (siehe Fig. 1):

50

55

Außendurchmesser (Nenndurchmesser): 90 mm
Dicke f (Abmessung in Radialrichtung): 3 mm
Breite vv(Länge in Axialrichtung: 2,5 mm
Winkel Θ zwischen den Wänden der Ringnut: 120°
Tiefe G₁ der Ringnut: 0,25 mm
Breite G_w: 1,7 mm

Das Plasmaspritzverfahren wurde mittels einer im Handel erhältlichen Plasmaspritzmaschine durchgeführt. Das Spritzen erfolgte: unter folgenden Bedingungen:

60

Ar-Gasdurchfluß: 2265,6 l/h (80 SCFH)

H₂-Gasdurchfluß: 424,8 l/h (15 SCFH)

Elektrischer Strom: 450 A

Drehzahl der Baugruppe: 200—500 Upm

Vorschubgeschwindigkeit (Geschwindigkeit des Vorschubes der rohrförmigen Baugruppe entlang ihrer Achse): 1,0 bis 2,5 m/min

Durchfluß des Legierurigspulvers: 40 g/min Die auf diese Weise hergestellten Kolbenringe wurden in die Kolben einer Vierzylinder-Diesel-Brennkraftmaschine mit einem Hubraum von 2,2 Liter eingesetzt Die Brennkraftmaschine wurde auf einem Laborprüfstand während 300 h unter Vollast bei 4400 Upm betrieben, wobei die Kühlwassertemperatur 110° C betrug. Danach wurden die Kolbenringe aus der Brennkraftmaschine ausgebaut, überprüft, zerschnitten und mikroskopisch untersucht

Die Ergebnisse dieser Untersuchungen waren zufriedenstellend. Fig.2 gibt ein Mikrobild (hundertfache Vergrößerung) wieder, das einen Querschnitt durch einen der Kolbenringe zeigt Es ist erkennbar, daß sehr wenige Abschnitte in der aufgespritzten Schicht oxidiert oder abgeblättert sind. Die Ergebnisse bedeuten, daß die Haltung der aufgespritzten Schicht am Grundmetall (Kugelgraphit-Gußeisen) hervorragend ist Da die Haftung großen Einfluß auf die Lebensdauer von Kolbenringen und auf das Verhalten einer Brennkraftmaschine mit solchen Kolbenringen hat gehört sie zu den wichtigsten Eigenschaften, die ein Kolbenring haben muß.

Beispiel 1-2

Zum Vergleich wurden zwei Probenarten hergestellt. Zwei rohrförmige Baugruppen aus mehreren Kolbenring-Vorformlingen, wie sie auch bei Beispiel 1-1 verwendet wurden, wurden hergestellt, wobei lediglich die Unterschiede bestanden, daß der Winkel zwischen den Wänden der Ringnut 60° betrug, wie dies in F i g. 3 gezeigt ist, und daß bei einer der Baugruppen ein Gasauftrag von Molybdänpulver auf der Außenseite erfolgte. Die andere Baugruppe wurde auf gleiche Weise wie beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel behandelt. Danach wurden beide Baugruppen auf gleiche Weise wie beim vorangehenden Beispiel maschinell bearbeitet. Zwei der Kolben einer Diesel-Brennkraftmaschine gleicher Art wie beim vorstehenden Beispiel wurden mit den mit Molybdän beschichteten Kolbenringen ausgerüstet, und zwei weitere Kolben wurden mit den auf gleiche Weise wie beim vorstehenden Beispiel hergestellten Kolbenringe ausgerüstet. Es erfolgte ein Laborlauf der Brennkraftmaschine wie oben angegeben, wonach die gleiche Untersuchung durchgeführt wurde.

Wie Fig.4 zeigt, die ein Mikrobild (hundertfach Vergrößerung) eines Querschnitts eines Kolbenringes mit Molybdänbeschichtung ist, trat bei den mit Molybdän beschichteten Kolbenringen in den Bereichen zwischen den Teilchen der Molybdänschicht eine wesentlich stärkere Oxidation als in der Grenzfläche zwischen der Molybdänschicht und dem Material des Kolbenring-Vorformlings auf. Die Untersuchung der zylindrischen äußeren Gleitfläche der Kolbenringe zeigte, daß zwischen den Teilchen der Beschichtung Abblätterungen vorhanden waren und daß der Verschleiß 3 bis 4mal so stark wie bei den Kolbenringen mit der Beschichtung aus der Cr-C-Fe-Legierung war. Im Mikrobild erscheinen die oxidierten Bereiche als dunkler Abschnitt der Beschichtung.

Dagegen betrug bei den mit der Cr-C-Fe-Legierung beschichteten Kolbenringen der Verschleiß lediglich ungefähr 15 bis 20mikron, wobei in der zylindrischen äußeren Gleitfläche keine Abblätterungen oder Risse erkennbar waren. Wie Fig.5 zeigt, die ein Mikrobild (hundertfache Vergrößerung) eines Querschnitts durch eine der Proben wiedergibt, trat jedoch eine gewisse

Oxidation oder Abblätterung zwischen der Beschichtung und den Seitenwänden der Ringnut auf.

Beispiel II

Die Anforderungen an die Hafteigenschaften der beschriebenen Einlagelegierung am Vorformling steigen mit der Verbesserung des Gefüges und der Erhöhung der Standzeit ebenfalls an. Da die Einlagelegierung im Plasma-Spritzverfahren auf den Kolbenring aufgebracht, d. h. aufgeschleudert wird, kann die Haftung der Legierung an der Nutwand zusätzlich verbessert werden, wenn die Ringnuten so ausgebildet werden, daß der Plasmastrahl auch bei ortsfest auf den Nutgrund ausgerichtetem Sprühknopf an allen Stellen möglichst senkrecht auf die zu beschichtende Oberfläche der Ringnut trifft.

Besonders gute Ergebnisse lassen sich mit einer Ausgestaltung des Nutbodens erzielen, bei dem die Seitenwände zueinander unter einem Winkel stehen, der größer als 110° ist.

Um den optimalen Winkel zwischen den Wänden der Ringnut festzustellen, wurden verschiedene Kolbenring-Vorformlinge mit eingeschlossenen Winkeln von 60°, 80°, 100° und 120° hergestellt. Diese Vorformlinge wurden dann auf gleiche Weise wie bei Beispiel 1-1 nach dem Plasmaspritzverfahren mit der gleichen Cr-C-Fe-Legierung wie bei Beispiel 1-1 bespritzt und danach maschinell bearbeitet. Um die Haftung der Beschichtung am Grundmetall zu überprüfen, wurden die Kolbenringe mehrmals abwechselnd erwärmt und abgekühlt. Bei jedem Zyklus (Erwärmen und Abkühlen) wurden die Ringe zum Erwärmen für acht Minuten in einen Elektroofen mit 300" C eingebracht. Danach wurden sie für eine Minute in Wasser getaucht. Nach 250 Zyklen wurden die Kolbenringe entlang einer diametralen Ebene aufgeschnitten, wonach Mikrobilder der Schnittflächen hergestellt wurden. Fig.6 gibt ein Mikrobild (vierhundertfache Vergrößerung) wieder, das einen Querschnitt durch einen Kolbenring mit einem eingeschlossenen Winkel von 120° zeigt.

Bei den Kolbenringen, bei denen die eingeschlossenen Winkel 60° und 80° betrugen, war die Bildung oxidierter Schichten in der Beschichtung nahe den Seitenwänden der Ringnut stärker als im mittleren Bereich der Beschichtung, wogegen bei denjenigen Kolbenringen, bei denen der zwischen den Seitenwänden der Ringnut eingeschlossene Winkel 100° und 120° betrug, an keiner Stelle im Kolbenring oxidierte Schichten vorhanden waren; diese Ringe erwiesen sich als gut brauchbare Kolbenringe. Mikroskopische Untersuchungen der Querschnitte zeigten, daß die Kolbenringe, deren eingeschlossener Winkel 60° und 80° betrug, in den seitlichen Bereichen der Beschichtung stärkere Oxidation und feinere Partikel bzw. Teilchen aufwiesen, als im mittleren Abschnitt der Ringnut F i g. 7 gibt ein Mikrobild (zweihundertfache Vergrößerung) wieder, das einen Querschnitt durch einen der Kolbenringe zeigt, bei dem der zwischen den Wänden der Ringnut eingeschlossene Winkel 60° betrug. Dagegen war bei den Kolbenringen, bei denen der eingeschlossene Winkel 100° und 120° betrug, die Beschichtung durchgehend gleichmäßig ausgebildet. Es wird vermutet daß bei den Kolbenringen, bei denen der eingeschlossene Winkel 60° und 80° betrug, das Vorhandensein der oxidierten Schichten und feinen Partikel dazu führt, daß die Haftung zwischen der Beschichtung und dem Grundmetall des Kolbenring-Vorformlings während wiederholter Erwärmungs- und Kühlzyklen abnimmt.

Aus den vorstehend wiedergegebenen Untersuchungsergebnissen kann geschlossen werden, daß bei Kolbenringen mit einer Molybdänbeschichtung das Querschnittsprofil der Ringnut einen geringeren Einfluß auf die Hafteigenschaften der Beschichtung hat, während die Qualität der Beschichtung selber größeren Einfluß auf die Lebensdauer hat, wogegen andererseits bei Kolbenringen mit einer Beschichtung aus einer Cr-C-Fe-Legierung das Querschnittsprofil der Ringnut einen größeren Einfluß auf die Hafteigenschaften hat, wobei dann, wenn der zwischen den Wänden der Ringnut eingeschlossene Winkel kleiner als ¹OO" ist, die Haftung der Beschichtung an den Seitenwänden der Ringnut verringert ist, wogegen die Haftung nicht verschlechtert ist, wenn der eingeschlossene Winkel größer als 100° ist.

In den Fig. 1 und 3 ist erkennbar, daß die Randabschnitte A des Kolbenring-Vorformlings teilweise die zylindrische Außenfläche des Kolbenringes bilden und dort freiliegen. Daraus folgt, daß je größer der zwischen den Wänden der Ringnut eingeschlossene Winkel ist, desto schneller die freiliegende Oberfläche der Randabschnitte A zunimmt, während sich die zylindrische Außenseite des Kolbenringes im Betrieb abnutzt. Dies heißt mit anderen Worten, daß Abnutzung der zylindrischen Außenfläche des Kolbenringes dazu führt, daß die freiliegende Fläche der Randabschnitte einen größeren Anteil der zylindrischen Außenfläche einnimmt, was wiederum dazu führt, daß die Verschleißfestigkeit des Kolbenringes und sein Widerstand gegen Festfressen abnehmen. Bei Probeläufen mit Kolbenringen, die eine Ringnut mit einem eingeschlossenen Winkel von 120° und eine Molybdänbeschichtung in der Ringnut aufwiesen, wurde beispielsweise nach 300 Stunden festgestellt daß bei einigen der Kolbenringe auf der zylindrischen Außenfläche ein Dickenabrieb von 60 bis 100 mikron aufgetreten war, so daß die Breite der

■to freiliegenden Randabschnitte A von 0,4 mm auf 0,6 mm zugenommen hatte, was zu einer Verringerung der freiliegenden Abschnitte der Molybdänbeschichtung von 1,7 mm auf 1,3 mm geführt hatte. Dies bedeutet daß die Lebensdauer dieses Kolbenringes schlecht war.

Eingeschlossene Winkel von mehr als 100° werden daher für mit Molybdän beschichteten Kolbenringe für ungeeignet gehalten. Bei Probeläufen von 300 Stunden Dauer betrug dagegen bei mit der Cr-C-Fe-Legierung beschichteten Kolbenringen der Abrieb auf der äußeren Gleitfläche des Kolbenringes lediglich 15 bis 20 mikron, so daß die Breite der Randabschnitte A demzufolge nur wenig zugenommen haue, was bedeuiei, daß seibsi ein Kolbenring, bei dem die Beschichtung verhältnismäßig dünn ist hohe Lebensdauer und Beständigkeit hat Aufgrund der ausführlichen Untersuchungsergebnisse und der Tatsache, daß die Beschichtung gut am Grundmetall haftet beträgt der eingeschlossene Winkel der Ringnut vorzugsweise 100° oder mehr. Ferner ermöglicht die hohe Verschleißfestigkeit der Beschichtung aus der Cr-C-Fe-Legierung, die Beschichtung verhältnismäßig dünn auszubilden. Je dünner die Beschichtung ist, desto weniger Beschichtungsmaterial wird benötigt und desto weniger Zeit ist erforderlich, um die Legierung aufzuspritzen und die beschichtete Baugruppe aus den Kolbenringen zu schleifen. Dadurch werden die Herstellungskosten verringert.

Der Nutboden der Ringnut kann eine Ausbildung mit gewissen Schrägen haben, wie dies in F i g. 8 gezeigt ist

Da ein solcher abgeschrägter bzw. geneigter Nutboden die Seitenwände unter größeren Winkeln sls ein ebener Nutboden schneidet, wird gleichmäßigere Haftung der Beschichtung erreicht. Alternativ kann die Ringnut ein Profil haben, wie es in F i g. 9 gezeigt ist.

Beispiel III

Drei Proben bzw. Kolbenringe X, Kund Zwurden auf folgende Weise hergestellt. Zur Herstellung des Kolbenringes Z wurde ein Kolbenring-Vorformling mit einer Ringnut, deren Wände einen Winkel von 120" einschlossen, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist, auf seiner zylindrischen Außenfläche mittels eines Granaliengebläses bestrahlt. In die Ringnut wurde nach dem Plasmaspritzverfahren ein Metallpulver aus einem Gemisch aus 95% Ni und 5 Al bis zu einer Tiefe von 30 bis 60 mikron gespritzt. Auf diese Ni-Al-Schicht wurde danach bis zu einer Tiefe von 200 bis 250 mikron Cr-C-Fe-Legierungspulver nach dem Plasmaspritzverfahren gespritzt, wobei die Cr-C-Fe-Legierung die gleiche Zusammensetzung wie beim Beispiel 1-1 hatte. Danach wurde die Außenfläche des Kolbenringes in vorstehend erläuterter Weise geschliffen. Zum Vergleich wurde die Probe X aus einem Kolbenring-Vorformling mit einer Ringnut mit einem eingeschlossenen Winkel von 60° hergestellt, wie dies in F i g. 3 gezeigt ist. Das gleiche Cr-C-Fe-Legierungspulver wie zuvor wurde direkt auf die Oberfläche der Ringnut plasmagespritzt, ohne daß zuvor irgendeine Unterschicht aufgebracht wurde, wonach die Außenfläche des Kolbenringes geschliffen wurde. Die Probe V wurde aus einem Kolbenring-Vorformling der in F i g. 8 dargestellten Art hergestellt. Die gleiche Cr-C-Fe-Legierung wurde direkt auf die Nutfläche plasmagespritzt, ohne daß zuvor irgendeine Unterschicht aufgebracht worden wäre, wonach die zylindrische Außenfläche des sich ergebenden Ringes geschliffen wurde.

Die drei Proben wurden dann im Hinblick auf die Haftung der Beschichtung am Grundmetall untersucht, was in in Fi g. 10 gezeigter Weise dadurch erfolgte, daß sie auf einer Spannvorrichtung 11 elliptisch auseinandergezogen wurden. Als Haftungsstärke wurde der Wert dL bestimmt, der gleich der Differenz zwischen der nach der Untersuchung vorhandenen Abmessung L, bei der Abblätterung auftrat, und der vor der Untersuchung vorhandenen Abmessung Lo ist.

Wie das Diagramm gemäß F i g. 11 zeigt, blätterte bei der Probe X, bei der die Ringnut einen eingeschlossenen Winkel von 60° hatte, die Beschichtung vom Grundmetall bei dL gleich 26 mm ab, wobei die Abblätterungslänge 26 mm betrug. Bei der Probe V, bei der die Ringnut einen eingeschlossenen Winke! von 120° hatte, blätterte Die Beschichtung vom Grundmetall bei dL gleich 26 mm ab, wobei jedoch die Abblätterungslänge lediglich 4 mm betrug. Bei der Probe Z erfolgte die Abblätterung der Beschichtung vom Grundmetall erst bei dL gleich 30 mm, wobei die Abblätterungslänge lediglich 1 bis 2 mm betrug.

Auf vorstehend beschriebene Weise wurde eine ähnliche Untersuchung durchgeführt, nachdem die beschichteten Kolbenringe einer Wärmebehandlung mit 250 Zyklen unterworfen worden waren. Bei jedem Zyklus wurden die Kolbenringe dadurch erwärmt, daß sfe für neun Minuten in einen Elektroofen eingebracht wurden, wonach sie in Wasser mit Raumtemperatur getaucht wurden. Die auf diese Weise wärmebehandelten Proben wurden hinsichtlich der Haftungsstärke der Beschichtung auf vorstehend beschriebene Weise untersucht. Die Untersuchungsergebnisse, die in F i g. 12 dargestellt sind, zeigen die gleiche Tendenz wie bei der vorstehend beschriebenen Untersuchung. Bei der Probe X trat die Abblätterung auf, als dL 25 mm betrug, wobei ^r, die Abblätterungslänge den hohen Wert von 22 mm hatte. Bei der Probe Y war dL gleich 25 mm, als die Abblätterung auftrat, wobei die Abblätterungslänge lediglich 7 mm betrug. Bei der Probe Z begann die Beschichtung erst bei dL gleich 27 mm abzublättern,

κι wobei die Abblätterungsgänge lediglich 6 mm betrug.

Der Zweck der Maßnahme, zunächst eine Ni-Al-Beschichtung aufzubringen, liegt darin, die Haftung der Cr-C-Fe-Beschichtung an einem Kolbenring-Vorformling aus Gußeisen zu verbessern. Bei einem Kolbenring-

r> Vorformling, bei dem eine Mo-Unterschicht zwischen dem Vorformling und der Cr-C-Fe-Beschichtung aufgebracht wird, sind die Hafteigenschaften zufriedenstellend, bevor ein solcher Kolbenring der oben erläuterten Wärmebehandlung unterworfen wird; danach sind die Hafteigenschaften jedoch aufgrund der Oxidation der aufgebrachten Mo-Schicht verschlechtert. Aus den vorstehend beschriebenen Untersuchungsergebnissen und deren Auswertung kann geschlossen werden, daß die Unterschicht vorzugsweise aus einem Material bestehen soll, das nicht nur hervorragende Hitzebeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit hat, wie dies beispielsweise bei Ni-Al-Verbundwerkstoff oder Legierungen aus Ni-Cr-Al oder Ni-Cr der Fall ist, sondern auch gut am Kolbenring-Vorformling haftet.

jo Bei dem aufgespritzten Metallpulver kann es sich i'm ein Gemisch aus Al und Ni, einen Ni-Al-Verbundwerkstoff oder eine Ni-Al-Legierung handeln, wodurch die Haftung der Cr-C-Fe-Beschichtung verbessert wird.
Vorstehend wird beschrieben, daß die Kolbenring-Vorformlinge aus Kugelgraphit-Gußeisen hergestellt werden. Sie können jedoch auch aus verschiedenen anderen Gußeisenarten oder Stahl, beispielsweise rostfreiem Stahl oder dergleichen, hergestellt werden.

Es sind Untersuchungen hinsichtlich der Zusammen-Setzung der Cr-C-Fe-Legierung durchgeführt worden, die auf die Kolbenring-Vorformlinge plasmagespritzt werden. Dabei ist festgestellt worden, daß die Kolbenringe nicht dauerhaft sind, wenn der Chromgehalt unter ungefähr 55% oder über ungefähr 70% liegt oder wenn der Kohlenstoffgehalt unter ungefähr 3% oder über ungefähr 9% liegt. Die Legierung gemäß Beispiel I-1 hat zwar einen gewissen Siliziumgehalt; es ist jedoch festgestellt worden, daß dieses Silizium für die günstigen, mit der Erfindung erzielten Ergebnisse nicht wesentlich ist Das gleiche gilt für die geringen Mengen an Phosphor und Schwefel.

Das zum Plasmaspritzen verwendete Legiepjp.gspulver ist im Handel zu einem Zehntel des Preises von Molybdän erhältlich. Die Korngröße des Legierungspulvers kann der Maschenzahl 250 (250 Maschen je Zoll eines Quadratmaschensiebes) entsprechen oder kleiner sein.

F i g. 9 zeigt eine Abwandlung der Ringnut 2, die so ausgebildet ist daß sie im Schnitt eine bogenförmige

«ι Kontur hat. Diese Abwandlung hat den Vorteil, daß sie zu einem großen eingeschlossenen Winkel θ führt und daß die Nut keine scharfen Kanten oder Ecken hat Nachteilig ist allerdings, daß mehr Beschichtungs- bzw. Auftragslegierung benötigt wird.

*λ Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbenringes wird an einem Kolbenring-Vorformling eine Ringnut ausgebildet, die dessen zylindrische Außenfläche unterteilt Diese Ringnut wird nach dem Plasma-

spritzverfahren mit einem Auftrag aus einer Legierung gefüllt, dessen Oberfläche bündig mit der zylindrischen Außenfläche des nicht mit der Legierung beschichteten Vorformlings ist. Die Legierung enthält ungefähr 55% bis 70% Cr, ungefähr 3% bis 9% C und Rest im wesentlichen Fe. Vorzugsweise hat die Ringnut einen Nutboden und Seitenwände, die einen Winkel von zumindest 100° miteinander einschließen, wobei ferner

10

vorzugsweise unter die Legierungsbeschichtung eine Unterschicht aus einem Metallpulver plasmagespritzt ist, die gut am Nutboden haftet und hohe Hitzebeständigkeit sowie hohen Oxidationswiderstand hat. Bei dem Werkstoff des Vorformlings kann es sich um Gußeisen, Kugelgraphit-Gußeisen oder Stahl handeln. Bei dem Material der Unterschicht kann es sich um ein Gemisch aus Ni und Al handeln.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kolbenring für einen Kolben einer Brennkraftmaschine, mit einem aus Gußeisen oder Stahl bestehenden Kolbenring-Vorformling, dessen zylindrische Außenoberfläche durch eine umlaufende Ringnut unterteilt ist, die von einer im Plasma-Spritzverfahren aufgetragenen Beschichtung aus einer Legierung mit Cr, C und Fe so aufgefüllt ist, daß die Oberfläche der Beschichtung bündig mit der zylindrischen Außenoberfläche abschließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch Plasmaaufspritzen eines Pulvers aus einer Legierung gebildet ist, die lediglich aus 55 bis 70 Gew.-o/c Cr, 3 bis 9 Gew.-% C und im wesentlichen aus Fe im Rest besteht

2. Kolbenring nach Anspruch 1, wobei zwischen dera Vorformling und der Legierungs-Beschichtung auf dem Nutboden der Ringnut eine Grundschicht vorgesehen ist, die im PJasma-Spritzverfahren aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschicht aus einer Mischung lediglich aus Nickel und Aluminium besteht.