DE3041225A1

DE3041225A1 - Verschleissbeanspruchter lauf- und gleitkoerper fuer verbrennungskraftmaschinen, mit einer mit flammgespritztem material beschichteten lauf- und gleitflaeche

Info

Publication number: DE3041225A1
Application number: DE19803041225
Authority: DE
Inventors: Yoshio Toyota Aichi Fuwa; Akira Harayama; Katsumi Kondo; Toru Okaya Nagano Nakahora
Original assignee: Teikoku Piston Ring Co Ltd; Toyota Motor Corp; Toyota Jidosha Kogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp; TPR Co Ltd
Priority date: 1979-11-09
Filing date: 1980-11-03
Publication date: 1981-06-04
Also published as: AU6407680A; DE3041225C2; JPS5669367A; JPS5754547B2; US4420543A; AU540124B2

Description

2. Teikoku Piston Ring Co., Ltd.

Tokyo / Japan

Verschleißbeanspruchter Lauf- und Gleitkörper für Verbrennungskraftmaschine^ mit einer mit flammgespritztem Material beschichteten Lauf- und Gleitfläche

Die Erfindung betrifft einen verschleißbeanspruchten Laufund Gleitkörper für Verbrennungskraftmaschinen, mit einer mit flainmgespritztem Material beschichteten Lauf- und Gleitfläche, wobei es insbesondere um die Verbesserung der Verschleißfestigkeit der miteinander in Kontakt stehenden Lauf- und Gleitflächen beispielsweise eines Kolbenringes und einer Zylinderinnenwand bzw. Zylinderwandbeschichtung geht, d.h. es handelt sich darum, die Festigkeit derartiger Gleitflächen gegen Verschleiß, Abnutzung und Abrieb zu erhöhen.

Bei Verbrennungskraftmaschinen geht das Bestreben dahin, diese unter ständig größer werdenden Lasten zu betreiben, um einerseits das Gewicht der Maschine zu verringern und andererseits

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die Antriebsleistung desselben zu erhöhen. Daraus resultiert jedoch auch die Forderung, die Verschleiß- bzw. Abriebfestigkeit der jeweils in Kontakt stehenden Arbeits- bzw. Gleitflächen beispielsweise der Kolbenringe und der Zylinderwände bzw. Zylinderwandbeschxchtungen und dergleichen zu erhöhen bzw. zu verbessern. Bisher ist es üblich, in Abhängigkeit von den jeweiligen Anforderungen, welche an die Verbrennungskraftmaschinen gestellt werden, den Metallbasiskörper beispielsweise eines Kolbenringes und dergleichen einer Oberflächenbehandlung zu unterwerfen, beispielsweise einem Verchromungsprozeß auf dem Wege der Galvanostegie bzv/. Elektroplattierung. Eine Chrombeschichtung hat jedoch nur eine Hitzefestigkeit bzw. Hitzebeständigkeit, die für Hochleistungsmaschinen nicht ausreicht, was zur Folge hat, daß zwischen den in Kontakt miteinander stehenden Arbeitsbzw. Laufflächen eine Abnutzung bzw. ein Abrieb stattfindet. Im Austausch für eine Chromplattierung sind für bestimmte Hochleistungsmaschinen bereits flammgespritzte Molybdänschichten angewandt werden. Flammgespritzte Molybdänschichten haben zwar einen hohen Freßwiderstand, wobei derartige Schichten gegenüber einer Chromplattierung eine geringfügig niedrigere Verschleißfestigkeit haben. Da zusätzlich auch die für das Molybdän-Flammspritzen erforderlichen Rohstoffe knapp und damit sehr kostenaufwendig sind, sind für eine weitgehende Anwendung des Molybdän-FlammspritzVerfahrens für Verbrennungskraftmaschinen relativ enge Grenzen gesetzt.

In der Literatur ist bereits an einigen wenigen Stellen ein hochwertiges Flammspritzmaterial erwähnt worden, welches hauptsächlich aus Wolframkarbid oder anderen hochschmelzenden Hartwerkstoffen zusammen gesetzt ist, ohne daß jedoch derartige Materialien bisher für marktgängige Verbrennungskraftmaschinen angewandt worden sind. Durch Aufspritzen eines hochwertigen Flammspritz-Materials beispielsweise auf einen Kolbenring erhält dieser eine extrem hohe Verschleißfestigkeit, was jedoch wiederum den Nachteil mit

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sich führt, daß die Gegenfläche, d.h. die Zylinderwand bzw. Zylinderwandbeschichtung durch einen derartigen Kolbenring einem hohen Verschleiß ausgesetzt wird. Aus diesem Grund ist ein derartiges hochwertiges Flammspritzmaterial im Hinblick auf die Lebensdauer der beiden miteinander in Kontakt stehenden Lauf- bzw. Gleitflächen nicht besonders zufriedenstellend. Die Lebensdauer wird im folgenden auch als relative Lebensdauer bezeichnet. Eine derartige in nachteiliger Weise hohe Abnutzung der Zylinderauskleidung kann durch Verwendung eines speziellen Gußeisens für die Zylinderauskleidung herabgesetzt werden, beispielsweise durch Verwendung eines mit Molybdän legierten Gußeisens. Bei auskleidungslosen Verbrennungskraftmaschinen, bei denen der Zylinderblock aus üblichem Gußeisen besteht, etwa FC 2o oder FC 3o (JIS-Standart für Grauguß) ist jedoch der durch den Kolbenring hervorgerufene Zylinderblockverschleiß außerordentlich hoch. Es ist daher von entscheidender Bedeutung für die Lauf- und Gleitkörper von Verbrennungskraftmaschinen ein auf diese Lauf- und Gleitkörper auftragbares Flammspritzmaterial in einer solchen Weise zur Verfügung zu haben und zu verwenden, daß nicht nur der mit dieser Flammspritzschicht versehene Körper sehr verschleißfest ist, sondern es auch zu keiner übermäßigen Abnutzung der gegenüberliegenden Lauf- und Gleitfläche kommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die den bekannten Systemen anhaftenden Nachteile auszuschalten und einen verschleißbeanspruchten Lauf- und Gleitkörper für eine Verbrennungskraftmaschine so zu gestalten, daß dieser Lauf- und Gleitkörper einerseits sehr hitzebeständig und verschleißfest ist und andererseits auch keine schädliche Abnutzung im Bereich des gegenüberliegenden bzw. komplementären Gleitkörpers hervorruft.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der erfindungsgemäße Laufund Gleitkörper dadurch gekennzeichnet, daß die flairan-

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gespritzte Materialschicht hauptsächlich aus Ferrochrom und zusätzlich aus einer selbstgehenden Legierung zusammengesetzt ist. Die flammgespritzte Materialschicht kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform als weitere zusätzliche Komponente Molybdän enthalten. ._:

Die flammgespritzte Materialschicht enthält, allgemein gesprochen, infolge ihrer Porösität ein Gleit- bzw. Schmiermittel, wobei diese Porösität für den Freßwiderstand des Lauf- und Gleitkörpers vorteilhaft ist. Die Eigenschaften der flammgespritzen Materialschicht, mit Ausnahme der Porösität, bestimmen die Verschleißfestigkeit des Lauf- und Gleitkörpers selbst und auch die Abnutzung bzw. den Verschleiß des mit diesem Lauf- und Gleitkörper in Kontakt stehenden Korpers. Wenn die auf einen Lauf- und Gleitkörper nach dem Flammspritzverfahren aufgespritzte Schicht hauptsächlich aus Molybdän besteht, ist die Verschleißfestigkeit dieser Schicht gemäß der obigen Beschreibung nur niedrig, und zwar aufgrund der Materialeigenschaft von metallischem Molybdän. Wenn andererseits die auf einen Lauf- und Gleitkörper durch Flammspritzen aufgespritzte Schicht hauptsächlich aus Hartmetall besteht, kann die Bindungskraft der durch Flammspritzen aufgespritzten Partikel geschwächt sein, und zwar in Abhängigkeit von den durch Flammspritzen aufgetragenen Werkstoffen und der Partikelgröße, was dazu führen kann, daß bei anschließenden Bearbeitungsgängen wie Schleifen, Läppen und dergleichen die Partikel der aufgespritzten Materialschicht abblättern bzw. abplatzen können. Die an der Oberfläche der flammgespritzten Materialschicht befindlichen Partikel neigen daher dazu, scharfkantig zu sein. Diese Tendenz ist sehr hoch, wenn das für die flammgespritzte Schicht verwendete Material eine hohe Härte hat und hochverschleißfeste Werkstoffe enthält, welche sich jedoch nur schwer bearbeiten lassen, wie etwa Chromkarbid (CrC₂) und Wolframkarbid (WC).

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Selbst wenn die Oberfläche eines Kolbenringes mit scharfkantigen Partikeln keine Neigung zum Fressen bzw. für eine erhöhte Abnutzung hat, führt ein derartiger Kolbenring zu Beginn der Verschleißphase zu einer übermäßigen Abnutzung des zugeordneten Zylinders. Dieser Sachverhalt führte im Rahmen der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Entwicklungsarbeiten zu der Erkenntnis, daß nicht nur das die Lauf- und Gleitfläche bildende Material sondern auch die Mikrostruktur der Komponenten, aus der die flammgespritzte Materialschicht besteht, für den Lauf- und Gleitkörper von Bedeutung ist, der als Teil einer Verbrennungskraftmaschine eine hohe Hitze- und Abriebfestigkeit und eine hohe Lebensdauer haben soll, und der durch Schleifen, Läppen u.dgl. abschließend bearbeitet wird. Unter Berücksichtigung dessen wird erfindungsgemäß als eine der Komponenten der flammgespritzten Materialschicht Ferrochrom verwendet, das dieser Materialschicht eine hohe Beständigkeit gegen Verschleiß und Hitze verleiht, wobei insbesondere bei hohen Temperaturen diese Eigenschaften gegenüber flanmigespritzten Molybdänschichten verbessert sind; im Vergleich zu flammgespritzten Chromkarbidschichten ist die Tendenz zum Abrieb bzw. Verschleiß der komplementären Lauf- und Gleitflächen herabgesetzt. Als weitere Komponente wird erfindungsgemäß eine selbstgehende bzw. selbstschmelzige Legierung verwendet. Die Ferrochrompartikel sind auf diese Weise innerhalb bzw. zwischen den Pulverpartikeln der selbstgehenden Legierung verteilt und werden darin festgehalten, mit dem Ergebnis, daß die Bindungskräfte zwischen den einzelnen Partikeln einerseits und auch die Bindungskraft zwischen diesen Partikeln und dem Metallgrundkörper höher sind als bei einer Lauf- und Gleitfläche in Form einer Ferrochrom-Spritzschicht. Die erfindungsgemäß aufgetragene Spritzschicht ist außerdem gut bearbeitbar und hat einen nur geringen Verschleißeinfluß auf die gegenüberliegende bzw. damit in Kontakt stehende Lauf- und Gleitfläche.

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Infolge der hohen Bindungskraft zwischen den einzelnen Partikeln haben die in der erfindungsgemäßen Weise durch Flammspritzen aufgetragenen Materialpartikel während des Bearbeitens und auch im Betrieb eine geringere Neigung des Abplatzens bzw. Abblätterns von dem Basismaterial des Lauf- und Gleitkörpers an sich als flammgespritzte Partikel aus Ferrochrom allein. Dieses führt zu einer Verbesserung der Hitze- und Verschleißfestigkeit und auch zu einer Erhöhung der relativen Lebensdauer. Die Korngröße bzw« Körnung des zum Flammspritzen verwendeten Materials, die Porengröße innerhalb der flammgespritzten Materialschicht und die Porösität sollen vorteilhafterweise im Hinblick auf diese Bindungskraft ausgewählt werden. Die Porengröße soll vorzugsweise höchsten bei o,2 mm liegen, während die Porösität (die Oberflächenporösität nach dem Läppen) vorzugsweise zwischen 1o und 4o % liegt.

Im Handel sind verschiedene Ferrochromarten erhältlich, und zwar von einem kohlenstoffreichen Ferrochrom bis zu einem kohlenstoffarmen Ferrochrom. Der Kohlenstoffanteil des Ferrochroms wird während des Flammspritzens, insbesondere Plasmalichtbogenspritzens, oxidiert und verringert. Der Kohlenstoffgehalt des Ferrochroms liegt vorzugsweise nicht unter 3,ο %, um der flammgespritzen Materialschicht eine ausreichend hohe Verschleißfestigkeit zu verleihen, und zwar nach der Kohlenstoffoxidation und -verringerung. Bei dem im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendeten Ferrochrom handelt es sich um eine Legierung, bei der die Hauptbestandteile Eisen, Chrom und Kohlenstoff sind.

Die erfindungsgemäß verwendete selbstgehende bzw. selbstschmelzige Legierung enthält eine selbstgehende Komponente, bei der es sich vorzugsweise um mindestens einen Stoff aus der Gruppe von Bor und Silicium handelt, und eine Metallkomponente, bei der es sich um mindestens einen Stoff aus

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der Gruppe von Nickel, Chrom, Kobald und Molybdän handelt. Die Metallkomponente besteht vorzugsweise aus Nickel allein, aus Nickel und Chrom, oder Kombinationen von Kobald, Nickel, Chrom und Molybdän. Die selbstgehende Legierung kann außerdem als zusätzliche Metallkomponente Eisen enthalten, und zwar über die hauptsächlichen Metallkomponenten wie beispielsweise Nickel und Chrom hinaus, und zwar in einer Menge bis zu 3o Gewichtsprozent, bezogen auf den gesamten Metallkomponentenanteil. Nickel, Chrom, Kobald und Molybdän haben im allgemeinen eine gute Widerstandskraft gegen Hitze und Oxidation und verbessern demzufolge die Hitzebeständigkeit des erfindungsgemäßen Lauf- und Gleitkörpers, und zwar verglichen mit solchen Körpern, bei denen die flammgespritzte Materialschicht aus Ferrochrom allein besteht. Diese Metalle, die im folgenden als feuerfestes Metall bezeichnet werden, liegen in der flammgespritzten Materialschicht wahrscheinlich in einem metallischen Zustand vor und scheinen infolge der Anwesenheit der selbstgehenden Komponente miteinander zu verschmelzen und dann in der Partikelform zu verfestigen. Es kann angenommen werden, daß dieses wesentlich zu einer gleichmäßigen Verteilung bzw. Dispersion und einer hohen Retention der Ferrochrompartikel beiträgt. In diesem Zusammenhang haben die feuerfesten Metalle eine feine Verfestigungsstruktur und gute Benetzungseigenschaften für die Ferrochrompartikel. Diese Eigenschaften haben einen vorteilhaften Einfluß auf die Verbesserung der gleichmäßigen Verteilung bzw. Dispersion und der Retentionsfunktion der feuerfesten Metalle. Nickel allein und Nickel und Chrom haben ausgezeichnete Dispersions- und Retentionseigenschaften für die Ferrochrompartikel und auch im Hinblick auf die Bearbeitbarkeit der flammgespritzten Materialschicht.

Wie bereits zum Ausdruck gebracht, besteht die erfindungsgemäß aufgetragene flammgespritzte Materialschicht aus Ferrochrom und der selbstgehenden Legierung, wobei die Anteile dieser Komponenten innerhalb dieser Spritzschicht sich aus dem Folgenden ergeben. Die Menge an Ferrochrom, das hauptsächlich verantwortlich ist für die Verschleißfestigkeit der flamm-

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gespritzten Materialschicht und das fest an dem Metallbasiskörper beispielsweise eine Kolbenringes aus Gußeisen oder Stahl anhaftet, soll nicht unter 55 Gewichtsprozent liegen, um die notwendige Verschleißfestigkeit zu erhalten. Wenn die Ferrochrommenge über 9ο Gewichtsprozent liegt, tritt ein Phänomen auf, welches das graduelle Anwachse der Zylinderabnutzung andeutet, und zwar insbesondere dann, wenn es sich um eine benzinbetriebene Maschine ohne Zylinderauskleidung handelt. Der Ferrochromanteil liegt vorzugsweise im Bereich von 55 bis 9ο Gewichtsprozent, und zwar insbesondere zwischen 6o und 85 Gewichtsprozent.

Die ausgezeichneten Eingeschaften einer selbstgehenden bzw. selbstschmelzigen Legierung, nämlich Widerstandsfähigkeit gegen Oxidation, Verschleiß und Korrosion, das ausgezeichnete Haften an dem Metallbasiskörper und die gute Bearbeitbarkeit der erfindungsgemäßen flammgespritzten Lauf- und Gleitfläche bleiben erhalten. Bei der selbstgehenden Legierung handelt es sich um eine Komponente der flammgespritzten Materialschicht, wobei diese Legierung die gleichmäßige Verteilung der Ferrochrompartikel und die Bindungskraft zwischen diesen Partikeln der Spritzschicht verbessert. Wenn ein Pulvergemisch aus Ferrochrom und selbstgehender Legierung durch Flammspritzen aufgetragen wird, führt dieses im einzelnen zu einer feineren Verteilung der Ferrochrompartikel innerhalb bzw. zwischen den Partikeln der selbstgehenden Legierung, als wenn diese Pulver in feinzerteilter Form als einheitliche Laminate auf einen Metallbasiskörper aufgetragen werden. Die Haupt- bzw. Bindungskraft der gemeinsam aufgetragenen Ferrochrompartikel und Partikel der selbstgehenden Legierung ist infolge der feinen Verteilung größer als die Haft- bzw. bindungskraft der Ferrochrompartikel allein. Die durch Flammspritzen aufgetragenen Partikel haben daher keine Neigung zum Abblättern bzw. Abplatzen, wenn die Flammspritzschicht einer abschließenden Oberflächenbearbeitung unter-

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worfen wird, so daß nach dieser Bearbeitung eine feine bzw. glatte Oberfläche erhalten wird. Die selbstgehende Legierung verhindert außerdem eine Verschlechterung der Materialeigenschaften der Flammspritzschicht, wenn diese einer oxidierenden und korrodierenden Hochtemperaturatmosphäre ausgesetzt wird, da diese selbstgehende Legierung infolge ihrer inhärenten Eigenschaften diese Schicht oxidations- und korrosionsfest macht; die selbstgehende Legierung führt außerdem zu einer Verdichtung der Schicht, aufgrund der Kombination bzw. Vereinigung der Partikel dieser selbstgehenden Legierung mit den Ferrochrompartikeln. Wenn die selbstgehende Legierung in einer Menge von weniger als 1o Gewichtsprozent vorhanden ist, lassen sich die oben geschilderten Vorteile nicht verwirklichen. Eine beispielsweise auf einen Kolbenring aufgetragene Flammspritzschicht, die weniger als Io % der selbstgehenden Legierung enthält, weist nicht nur keinen der oben geschilderten Vorteile auf, sondern führt im Gegensatz dazu sogar zu einer erhöhten Zylinderwandabnutzung. Wenn die selbstgehende Legierung in einer Menge von mehr als 45 % vorhanden ist, wird die Ferrochrommenge zu klein, so daß der Kolbenring dann nicht in ausreichendem Umfang verschleiß- bzw. abriebfest ist. Die Flammspritzschicht soll vorzugsweise etwa Io bis 45 %, und insbesondere 15 bis 4o %, der selbstgehenden Legierung enthalten.

Durch das Aufspritzen eines Gemisches aus Ferrochrom- und selbstgehenden Legierungspartikeln durch Flammspritzen werden sowohl die Verschleißeigenschaften eines Kolbenringes, auf den die Flammspritzschicht aufgetragen wird, als auch die Verschleißeigenschaften im Bereich des Zylinders verbessert, an dem der Kolbenring gleitend entlanggeführt wird, und zwar insbesondere im Vergleich zu üblichen Lauf- und Gleitkörpern und zu Lauf- und Gleitkörpern mit einer aufgetragenen Flammspritzschicht aus Ferrochrom allein. Durch Flammaufspritzen eines Gemisches aus Ferrochrom, selbstgehender Legierung und Molybdän wird außerdem die relative Lebensdauer des Lauf- und Gleitkörpers beträchtlich erhöht.

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Molybdän würde bereits bei verschiedenen Hochleistungs-Verbrennungskraftmaschinen als Flairanspritzwerkstoff für Laufund Gleitkörper verwendet, wobei derartige Molybdän-Flammspritzschichten eine beträchtliche Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb und Festfressen hat. Eine Flammspritzschicht aus Molybdän allein ist hinsichtlich der Verschleißfestigkeit jedoch nachteiliger als eine durch Elektroplattierung aufgebrachte Chromschicht, so daß das Molybdän-Flammspritzen weniger verbreitet ist als das Verchromen. Wenn jedoch nicht nur Molybdän allein sondern ein Pulvergemisch aus Ferrochrom, Molybdän und selbstgehender Legierung durch Flammspritzen aufgetragen wird, sind die Ferrochrom- und die Molybdänpartikel gleichmäßig in bzw. zwischen den selbstgehenden Legierungspartikeln verteilt. Die Partikel insgesamt werden dann in Form eines einheitlichen Laminats aufgetragen. Wie bereits erwähnt kann die selbstgehende Legierung selbst Molybdän enthalten. Wenn jedoch die Molybdänpartikel in der Flammspritzschicht getrennt von der selbstgehenden Legierung dispergiert bzw. verteilt sind, kommt es zu einer weiteren Verbesserung der Verschleißfestigkeit und insbesondere zu einer Erhöhung der relativen Lebensdauer, wobei außerdem ein hoher Widerstand gegen Festfressen erzielt wird, was ein inhärentes Merkmal von Molybdän ist. Wenn die Molybdänmenge weniger als 5 % beträgt, ist der Widerstand gegen Abrieb und Festfressen gering, und die relative Lebensdauer wird durch den Molybdänzusatz nicht in wesentlichem Umfang erhöht. Da Molybdän bei hoher Temperatur leicht oxidierbar ist, kann eine über 15 % liegende Molybdänmenge in nachteiliger Weise die durch Oxidation bedingte Abnutzung der Flammspritzschicht beschleunigen. Die Molybdänmenge soll vorzugsweise zwischen 5 und 15 Gewichtsprozent liegen. Wenn die Molybdänmenge zwischen und 15 % liegt, soll die Ferrochrommenge im Bereich zwischen 55 und 85 % und die Menge an selbstgehender Legierung zwischen Io und 3ο % betragen.

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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in Form einer Explosionsdarstellung ein Kolbenringsystem, und

Fig. 2 ein Diagramm welches die Kolbsnringabnutzung und die Zylinder(Auskleidungs)-Abnutzung von auskleidungsfreien Benzinmaschinen und Dieselmaschinen wiedergibt, die mit verschiedenen Kolbenringtypen ausgerüstet sind, welche die Ziffern 1 bis 6 tragen.

Fig. 1 zeigt ein aus mehreren Kolbenringen bestehendes Kolbenring-System bekannter Art, wobei die einzelnen Kolbenringe etwa nach Art einer Explosions zeichnung außerhalb der Kolbenringnuten eines Kolbens einer Verbrennungekraftmaschine dargestellt sind. Das Kolbenring-System umfaßt im einzelnen einen oberen Verdichtungs- bzw. Kompressionsring 1 und einen darunter beifindlichen zweiten Verdichtungs- bzw. Kompressionsring 2, dem ein Spreizring 3 zugeordnet ist, der dazu dient, den Kompressionsring 2 nach außen unter Spannung zu setzen. Das Kolbenring-System bei einer Verbrennungskraftmaschine umfaßt gewöhnlich zusätzlich zu den Kompressions- bzw. Verdichtungsringen, die zum Abdichten des Arbeitsraumes dienen, ölabstreifringe, die überschüssiges Schmieröl von der Zylinderwand abstreifen. Fig. 1 zeigt beispielsweise zwei ölabstreifeinrichtungen 4 und 7. Die obere ölabstreifeinrichtung 4 besteht aus dem eigentlichen ölabstreifring 5 und dem Spreizring 6. Bei dem oberen Ölabstreifring 5 kann es sich um einen einstückigen Gußeisenring handeln. Die untere ölabstreifeinrichtung 7 umfaßt obere aus Stahl bestehende Ringkörper 8 und 9 und einen Spreizring 1o. Die erfindungsgemäße Flammspritzschicht kann auf einen oder mehreren von oberen Verdichtungs- bzw, Koirpressionsringen, den zweiten Verdichtungs- bzw. Kompressionsring, den oberen Ölabstreifring 5 und/oder die oberen und

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unteren Ringkörper 8 und 9 der zweiten ölabstreifeinrichtung 7 aufgetragen bzw. aufgespritzt sein. Bei den einzelnen Ringen bzw. Ringkörpern ist die Flammspritzschicht auf die Oberflächenabschnitt aufgetragen, die in Arbeitskontakt mit einer Zylinderwend sind, d.h. die Umfangsabschnitte, die entlang der Zylinderwand gleiten. Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung können jedoch auch weitere Oberflächenabschnitte der Ringe bzw. Ringkörper mit der erfindungsgemäßen Flammspritzschicht versehen sein, etwa die Stirnflächen von Ringen od.dgl..

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden weiter unten noch beschrieben.

Die erfindungsgeiaäßen mit einer Flammspritzschicht versehenen Lauf- bzw. Gleitkörper, beispielsweise in Form von Kolbenringen, wuro.en in eine Verbrennungskraftmaschine eingesetzt, und die verschiedenen Oberflächenbehandlungsarten unterworfenen Kolbenringe wurden zu Vergleichszwecken untersucht. So wurden die radialen Abrieb- bzw. Abnutzungsmenge (T-Dimension) der Kolbenringe und die maximale Abnutzungsmenge eines Zylinders oder einer Zylinderauskleidung jeweils in der oberen Totpunktstellung der Kolbenringe untersucht. Bei der im ersten Beispiel verwendeten Verbrennungskraftmaschine handelte es sich um eine auskleidungslose Benzinmaschine, während es sich bei dem zweiten Beispiel um eine Dieselmaschine handelte. Bei diesen Beispielen wurde der oberste Ring einer vorgegebeneι Oberflächenbehandlung unterworfen. Bei der Benzinmaschine entsprach die Prüfzeit einer Laufzeit von 2oo Stunden, während bei der Dieselmaschine die Prüf- und Laufzeit 3oo Stunden betrug, bevor die Abnutzungsmengen untersucht wurden. Die Abnutzungsmenge im Bereich der Kolbenringe ist in Fig. 2 dargestellt, und zwar auch beschränkt auf Lauf- bzw. Prüfzeiten von 1oo Stunden.

Die Arten der Oberflächenbehandlung ergeben sich aus den Tabellen 1 und 2.

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	Mas chi nentyp	Kolbenringe	T a b e 1	1 e 1	1	2	3	4
	Benzinmotor	erster Ring		Chromplattierung (zum Vergleich)	Molybdän (Draht-Flamm spritzen) (zum Vergleich)	Ferrochrom (1oo %) (zum Vergleich)	Ferrochrom (7o %) selbstgehende Legierung (3o %) (Erfindung)
		zweiter Ring		Molybdän (Draht-Flamm- spritzen) (zum Vergleich)	Ferrochrom (1oo %) (zum Vergleich)	Ferrochrom (7o %) s elb s tgehende Legierung (2o %) Molybdän (1o %) (Erfindung)	wie oben (Erfindung)
			Zylinder-Nr.
CaJ O
O

Tabelle 2

Mas chinentyp

Kolbenringe

Zylinder -Nr

Dieselmotor

erster Ring

Chromplattierung

C Veryleich)

Molybdän CDraht-Flammspritzen) (zum Vergleich)

errochrom (1oo %)
(zum Vergleich)

zweiter Ring

Molybdän (Draht-Flammspritzen) (zum Vergleich)

Molybdän (75%) s elb s tg ehende Legierung (25 % (zum Vergleich)

Ferrochrom (7o %)

selbstgehende Legierung (2o %) Molybdän (Io %) (Erfindung)

selbstgehende Legierung (3o %) (Erfindung)

wie oben

(Erfindung)

Die mit einer Molybdänspritzschicht versehenen KoIb inringe waren Vergleichs-Kolbenringe und unter Verwendung ν >n Molybdändraht durch Flainmspritzen bearbeitet. Die F airanspritzschichten im Bereich der Gleit- bzw. Laufflächen de: anderen Kolbenringe entsprachen der Erfindung und waren unt ir Verwendung einer Plasma-Spritzvorrichtung vom METEO — 3M-Typ hergestellt. Die Zusammensetzung und die Korngröße -.er beim Flammspritzen verwendeten Pulver waren wie folgt: Ferrochrom (JIS G23o3 FCrH3): Cr 68,57 %, C 6,61 %; Si o,19 %, und Fe als Rest. Die Korngröße lag unter o,o63 mm.

Selbstgehende Legierung (JIS H83o3 MSFN15): Cr 17 %. B 3,5 %s Si 3,5 %, C o, 7 %; Fe 3 %, und Ni als Rest Die Korngröße lag unter o,o63 mm.

Mit Ausnahme des in Tabelle 2 mit Sternchenindex ves sehenen Mo wurde Molybdän mit einem Reinheitsgrad von minder tent; 99 % und einer Korngröße unter etwa o,1 mm verwendei . Bei dem mit dem Sternchenindex versehenen Molybdän handelte es sich um im Handel erhältliches Molybdänpulver mil folgender Zusammensetzung: Mo 75%, Cr4,25%;Bo,i%; Si 1,o %; C o,2 %; Fe 1,o %, und Ni als Rest.

In Fig. 2 haben die Nummern 1 bis 6 die folgende Bee eutung: Nr. 1 - Chromplattierung (zum Vergleich) Nr. 2 - Molybdändraht - Flammspritzen (zum Vergleich) Nr. 3 - Flammspritzgemisch aus 75 % Molybdän und 25 s selbstgehender Nickellegierung (zum Vergleich) Nr. 4 - Ferrochrom-Flammspritzen (zum Vergleich) Nr. 5 - Flammspritz-Gemisch aus 7o % Ferrochrom und 3o %

selbstgehender Legierung (Erfindung)

Nr. 6 - Flammspritz-Gemisch aus 7o % Ferrochrom, 2o ': selbstgehender Legierung und Io % Molybdän (Erfind mg).

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Beispiel 1

Die in Tabelle 1 aufgeführten Vergleichs-Kolbenringe wurden in einem Kraftfahrzeug-Vsrbrennungsnotor nut folgenden

Abmessungen montiert:

85 mm 0 (Innendurchmesser) χ 78 mm (Hub) χ 4 Zylinder;

gesamte Hubvolumen: 177ο cm j Maximalleistung: 98 ^S/5 700 ü/min.j

Zylindermaterial: GriuguB, etwa entsprecher d JIS FC25, und Brennstoff: Benzin mit einem Bleianteil vor o,345 g/l.

Die Kolbenringe wurden box 57oo ü/min. und Vollast des Benzinmotors untersucht. Die Versuch sergebr.'isse sind in Fig. 2 dargestellt.

Da die Kolbenringe Nr. 2 und Nr. 5 zweimal untersucht wurden, sind in Fig. 2 die m: ttle;ren Abnutzung^- bz-\^r. 1 briebsmengen angegeben.

Di? obere Hälfte von Fig. 2 verdeutlicht, diß c ie Ringabnutzung bei den erfindungsgemäßen Kolbenringen etwa nur einem Wert von 1/4 bis 1/5 der Abnutzung bzw. ces Abriebs eines chromplattierten Kolbenringes entspricht, während die Kingabnutzung dei erfindungsgemäf.en Kolbenringe verglichen mit einem durch Molybdän-Flammspritzen bearbeiteten Kolbenring etwa nur 1/3 beträgt. Die Abnutzungsmejige der Zylinderwand (Bohrungsabrieb) , die durch die eifindt'ngsgemäßen Ko benringe hervorgeiufen wird, entspricht etwa dem 1,5-fachen bis 2-fachen der durca dea chromplättierten Ring hervorgerufenen Abnutzungsmenge, während im V ei gleich zu einem Mo-flammgespritzten Kolbenring die Abriebme: ge itwa
nur dem o,7-fachen bis o,3-fachen Betrag enispricht.
Bei dem erfindungsgemäßen System wird somit der Ringabrieb drastisch verringert, während der ZyJinderwandabrieb (Bohrungsabriel·) gegenüber einem ehremplattierten Kolbenring vergrößert und gegenüber einam Mc-fl.immgespritzten

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Kolbenring geiingftg;g verringere wird. Die relative Lebensdauer der orfjnduncsgemäßen Kolbonrii.ge ist jedoch derjenigen von chromp .attierten und Mo-flamngespritzten Kolbenringen beträchtli= :h ü verlegen.

Obwohl es ;m lahmer, cer durchgeführton Versuche nicht untersucht woi: ien ist, dürfte da\^ron ausgegangen werden, daß die außeroxder dich hohe Ringabm.tzurg bei dem chromplattierten Kolbenring einen unvorteilhaften Einfluß auf die Zylinderbohrungsabnutzang ausübt, wenn der Mc tor über einen über die untersuchte Lauf- und Prüfzeit hinausgehenden Zeitraum in Betrieb ist, In dieser Hinsiel:t kenn davon ausgegangen werden, dal? dia erfindungsgemäßer unc bei einem Benzinmotor benutzten Folbsnrinje keine übenräßig große Abnutzung sowohl im Bereich des Kolbenringes als auch im Bereich des Zylinders hervorrufen, so daß die erfindungsgeiräßen Kolbenringe sich durch eine ausgezeichnete hohe relative Lebensdauer ausseichnen.

Beispiel 2

Die in Tabelle 2 aufgeführten Versuchs-Kolbenringe wurden in einem Kraftfahrzeug-Dieselmotor folgender Abmessunger

montiert:

91 mm 0 (Bohrurgsdurclimesser) χ 8 5 mm (Hub) χ 4 Zylinder:

gesamte Hubvolumen; 2188 cm ; Maximalleis cung: 72 Pi>/42oo ü/min.j

die Zylinderauekleic'ung bestand aus einem verschleißfesten Spezialgußexsei (C 3,2 %, Si 2,2 %, Mn o,7 %, P o, 2 5 %,

S o,o5 %, Cr o,22 % Nb o,2 % und Fe a.'.s Rest).

Die Kolbenringe wurde bei 44oo-48(jo ü/min. und unter Vollast des Dieselmotors untersucht.

Fig. 2 zeigt in der unteren Halte, da£ der Ringabrieb der erfindungsgemäßen Kolbenringe etwct um 1/2,5 bis 1/3 geringer ist als bei dem chromplattierten I.olbenring und dem

130023/056:

,^,.„.^ _:;.., BADORlGiNAL

- 2ο -

Mo-flammgespritzten Iolbanring. Der Abrieb im Bereich der Zylinderauskleidung entspricht bei den erfindungsgemäßen Kolbenringen etwa den ο,Ε-fachen bis o,7-fachen Wert des Abriebes bei dem ehremplettierten Kolbenring, und etwa dem ο, 2-fachen bis ο,3-Fe eher. Wert bei dem Mo-flammgespritzten Kolbenring. Der Ringebrieb und der Zylinderauskleidungs-Abrieb läßt sich erfindurgsgemäß damit beträchtlich verringern, d.h. die Herabsetzung der Ringabnutzung ist gegenüber den chromplattierten und Mo-flammgespritsten Kolbenringen beträchtlich.

Eei einem Vergleich der erfindungsgemäßen Kolbenringe mit Kolbenringe, die eine Fla timspritz schicht aus Ferrochrom allein (Nr. 4) haben, wird es deutlich, daß die Ringabnutzung und die Zylinleraaskleidungsebnutzurg bei den zuerst genannten Kolbenriagen etwa 8o % und etwa 6o bis 8o% gegenüber dem zuletzt genannten Kolbenring beträgt. Dieser Unterschied in den Abriebsmengen ist nicht εο unterschiedlich wie im Beispiel ! (siehe Nr. 4, 5 und 6 in der oberen Hälfte von Fig. 2). Diese:r geringfügige Unterschied bei dem vorliegenden Beispiel läßt sich dem für die Zylinderauskleidung verwendeten Material zuordnen, i.h. dem verschleißfesten Spez.algußeisen. Aus diesem Beispiel ergibt es sich auch, daß die relative Lebensdauer der erfindungsgemäßen Kolbenringe beträchtlich über derjenigen üblicher Kolbenringe lieg-L.

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Claims

Patentansprüche

Verschleißbeanspruchter Lauf- und Gleitkörper für Verbrennungskraftmaschinen, mit einer mit flammgespritztem Material beschichteten Lauf- und Gleitfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die flammgespritzte Materialschicht aus 55 bis 9o Gewichtsprozent Ferrochrom und Io bis Gewichtsprozent einer selbstgehenden Legierung zusammenT ngesetzt ist.
2. Verschleißbeanspruchter Lauf- und Gleitkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die selbstgehende Legierung als MetaIlkomponente mindestens einen der Stoffe aus der Gruppe von Nickel, Chrom, Kobalt und Molybdän enthält.
3. Verschleißbeanspruchter Lauf- und Gleitkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkomponente sowohl Nickel als auch Kobalt umfaßt.
4. Verschleißbeanspruchter Lauf- und Gleitkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkomponente Nickel ist.
5. Verschleißbeanspruchter Lauf- und Gleitkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flammgespritzte Materialschicht 6o bis 85 % Ferrochrom und 15 bis 4o % der selbstgehenden Legierung enthält.
6. Verschleißbeanspruchter Lauf- und Gleitkörper für Verbrennungskraftmaschinen, mit einer mit flammgespritztem Material beschichteten Lauf- und Gleitfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die flammgespritzte Materialschicht aus 55 bis 85 Gewichtsprozent Ferrochrom, 1o bis

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3o Gewichtsprozent einer selbstgehenden Legierung und 5 bis 15 Gerwichtsprozent Molybdän zusammengesetzt ist.
7. Verschleißbeanspruchter Lauf- und Gleitkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die selbstgehende Legierung als Metallkomponente mindestens einen Stoff aus der Gruppe von Nickel, Chrom, Kobalt und Molybdän enthält.
8. Verschleißbeanspruchter Lauf- und Gleitkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkomponente sowohl Nickel als auch Kobalt umfaßt.
9. Verschleißbeanspruchter Lauf- und Gleitkörper für Verbrennungskraftmaschinen, mit einer mit flammgespritztem Material beschichteten Lauf- und Gleitfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die flammgespritzte Materialschicht aus Partikeln einer selbstgehenden Legierung und Ferrochrompartikeln besteht, die gleichmäßig in bzw. zwischen den Partikeln der selbstgehenden Legierung verteilt und darin festgehalten sind, und daß die flammgespritzte Materialschicht aus 55 bis 9ο Gewichtsprozent Ferrochrom und Io bis 45 Gewichtsprozent der selbstgehenden Legierung zusammengesetzt ist.
10. Verschleißbeanspruchter Lauf- und Gleitkörper für Verbrennungskraftmaschinen, mit einer mit flammgespritztem Material beschichteten Lauf- und Gleitfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die flammgespritzte Materialschicht Molybdänpartikel, Partikel einer selbstgehenden Legierung und Ferrochrompartikeln besteht, daß die Molybdän- und Ferrochrompartikel gleichmäßig in bzw. zwischen den Partikeln der selbstgehenden Legierung verteilt und darin festgehalten sind, und daß die flammgespritzte Materialschicht aus 55 bis 85 Gewichtsprozent Ferrochrompartikeln, 1o bis 3o Gewichtsprozent der selbstgehenden

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Legierung und 5 bis 15 Gewichtsprozent Molybdänpartikeln besteht.

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