DE3444456C1

DE3444456C1 - Geschlitzter Kolbenring, insbesondere für schwerölbetriebene Zweitakt-Großmotoren

Info

Publication number: DE3444456C1
Application number: DE19843444456
Authority: DE
Inventors: Welf Dr.-Ing. 8000 München Amende; Wolfram Dr.-Ing. 8900 Augsburg Lausch
Original assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Current assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Priority date: 1984-12-06
Filing date: 1984-12-06
Publication date: 1985-12-19

Description

Desweiteren ist aus der DE-OS 24 13 097 ein Kolbenring bekannt, bei dem sowohl die Lauffläche als auch eine desweiteren nicht definierte Seitenfläche mit einer verschleißfesten Schicht überzogen sind. Diese verschleißfeste Schicht setzt sich aus zwei grundverschicdenen Materialien zusammen, nämlich aus einem relativ weichen abriebfesten Material, wie Kupfer oder einer Legierung auf Kupferbasis, und einem harten Anteil, der aus einer Chrom-Eisenlegierung, Chromkarbid und einer Nickel-Chrom-Legierung oder aus einer Wolfram-Karbid/Kobalt- und Nickel-Chrom- Legierung bestehen kann. Wesentliches Merkmal des bekannten Kolbenringes ist, daß sich die Überzugsschicht über die gesamte Lauffläche und die gesamte eine Seite des Kolbenringes erstreckt. Praxisversuche mit solchen Verbundmaterialien haben jedoch gezeigt, daß insbesondere diese weicheren Materialanteile in den Beschichtungsmaterialien den extrem hohen thermischen und mechanischen Belastungen während des Maschinenbetriebes nicht standhalten. Die Verschleißwerte und auch die Materialabbrände waren unerwartet hoch. Im übrigen haben sich diese nach dem Plasma- oder Flammspritzverfahren aufgetragenen Schichten, weil keine genügende Verbindung mit dem regelmäßig aus Gußeisen bestehenden Grundmaterial gegeben war, insbesondere in schwerölbetriebenen Brennkraftmaschinen als rißanfällig erwiesen. Die Probleme hinsichtlich Heißkorrosion und von Materialabbränden insbesondere im Bereich des Kolbenringstoßes waren mithin durch diese bekannten Laufflächen- und Flankenbeschichtungen nicht zu be- seitigen.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Kolbenring der eingangs genannten Art dahingehend auszubilden, daß die im Stoßbereich durchblasenden, extrem heißen Verbrennungsgase zu keiner Heißkorrosion und Materialabbränden in diesem Bereich führen können.
Diese Aufgabe ist bei einem Kolbenring der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kolbenringes mit den im Anspruch 4 angegebenen Verfahrensschritten gelöst. Vorteilhafte Einzelheiten dieser Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahmen ist ein Kolbenring gegeben, der den thermischen und mechanischen Belastungen, denen er insbesondere im Ringstoßbereich ausgesetzt ist, gut widerstehen kann. Durch die Panzerung im Bereich des Ringstoßes und insbesondere einer solchen wie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebrachte, können die bisher auftretenden und eingangs erwähnten Folgeschäden nicht mehr auftreten.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt F i g. 1 bis 3 verschiedene Verfahrensschritte zur Herstellung eines Kolbenrings, der nur an seiner oberen Ringflanke mit der erfindungsgemäßen Panzerung versehen ist.
F i g. 4 bis 6 verschiedene Verfahrensschritte zur Herstellung eines Kolbenrings, der an seiner oberen Ringflanke und an den Seitenflächen des Ringstoßes mit der erfindungsgemäßen Panzerung versehen ist.
F i g. 7 bis 9 verschiedene Verfahrensschritte zur Herstellung eines Kolbenrings, der an seiner oberen Ringflanke, den Seitenflächen des Ringstoßes und einem Teil der Lauffläche mit der erfindungsgemäßen Panzerung versehen ist.
F i g. 10 in Draufsicht die Panzerung am Kolbenring gemäßFig.9.
Der in der Zeichnung dargestellte geschlitzte Kolbenring 1 ist für einen Einsatz in schwerölbetriebenen Zweitakt-Großmotoren vorgesehen. Er besteht aus homogenem Grauguß und kann an seiner Lauffläche mit einer Verschleißschutzschicht, beispielsweise einer Chrom-oder Plasma-Schutzschicht, versehen sein. Der den Ringstoß bildende Querschlitz ist in den Figuren mit 2 bezeichnet. Die beiden Seitenflächen desselben sind mit 3 und 4 bezeichnet.
Ein solcher Kolbenring ist beiderseits seines Ringstoßes 2 wenigstens an seiner oberen Ringflanke 5 partiell und nur für ein gewisses Teilstück x mit einer aus einer Nickel- oder Kobalt-Basis-Superlegierung bestehenden Panzerung 6 versehen.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß den Fig 1 bis 3 füllt diese Panzerung 6 eine in den Kolbenring 1 eingearbeitete Vertiefung 7 aus. Beim Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 4 bis 6 erstreckt sich diese Panzerung 6 auch noch beiderseits des Ringstoßes 2 so, daß sie diesen begrenzt und seine Seitenflächen 3 und 4 beinhaltet.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 7 bis 10 erstreckt sich diese Panzerung beiderseits des Ringstoßes 2 auch an der Kolbenringlauffläche 8 (siehe F i g. 10) und füllt eine hierfür am Kolbenring 1 vorher geschaffenc 1 linterschneidung 9 aus.
l)ic Panzerung 6 wird wie nachfolgend anhand der Veichnung dargelegt hergestellt.
Zunächst wird der Kolbenring 1 durch spanabhebendc Materialabtragung für die spätere Anbringung der Panzerung vorbereitet. Im Fall des Ausführungsbeispieles gemäß F i g. 1 bis 3 wird dabei der Kolbenring 1 an seiner oberen Ringflanke 5 partiell und nur beiderseits des Ringstoßes 2 für ein gewisses Teilstück x in seiner Ringhöhe durch spanabhebende Materialabtragung in der Größenordnung einiger Zehntel Millimeter geschwächt, so daß danach beiderseits des Ringstoßes 2 die Vertiefung 7 gegeben ist. Beim Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 4 bis 6 wird außer der Vertiefung 7 (wie vorbeschrieben) auch noch der vorher die Breite b aufweisende, den Ringstoß 2 bildende Querschlitz verbreitert, auf das Maß c, wobei an jeder seiner Seitenflächen Material in der Größenordnung einiger Zehntel Millimeter abgetragen wird.
Wenn, wie beim Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 7 bis 10 der Fall, auch die Lauffläche partiell gepanzert werden soll, dann sind außer den vorher genannten Arbeiten auch noch die beiden Hinterschneidungen 9 beiderseits des Ringstoßes in den Kolbenring einzuarbeiten (siehe deren Ausbildung in F i g. 10). Auch bei diesen Hinterschneidungen 9 wird Material in der Größenordnung einiger Zehntel Millimeter von der Lauffläche 8 abgetragen.
Die Länge xder Materialabtragung beträgt bei einem Kolbenring mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 500 bis 800 mm etwa 30 bis 100 mm. Anschließend wird dann in den so vorbereiteten Bereichen auf deren Oberseite durch Flammspritzen ein pulverförmiges Material, bestehend aus einer Nickel- oder Kobalt-Basis-Superlegierung aufgebracht, in einer Dicke, die größer als die Tiefe der vorhergehenden Materialabtragung am Kolbenring 1 ist.
Anschließend wird der so vorbereitete Kolbenring 1 nur im Bereich dieser Beschichtung auf eine Temperatur von etwa 3000 C vorgewärmt. Dann wird die so vorgewärmte beschichtete Zone der Energie eines Hochleistungslasers ausgesetzt und das Beschichtungsmaterial umgeschmolzen.
In einem letzten Arbeitsgang wird dann noch durch spanabhebende Bearbeitung das überstehende Beschichtungsmaterial abgetragen und die Ringmaßhaltigkeit hergestellt. Nach dieser Behandlung besitzt der Kolbenring je nachdem, welcher Bereich gepanzert wurde, eine Form wie in Fig.3, bzw. Fig.6, bzw.
F i g. 9 und 10 dargestellt.
Für die Panzerung kann beispielsweise eine Nickel-Basis-Superlegierung mit 11% Chrom, 0,45% Kohlenstoff, 4% Silizium, 3% Eisen, 2,4% Bor, Rest Nickel verwendet werden.
Alternativ hierzu kann für die Panzerung auch eine Kobalt-Basis-Superlegierung mit beispielsweise 19% Chrom, 1% Kohlenstoff, 2,8% Silizium, 3% Eisen, 13% Nickel, 1,8% Bor, 9% Wolfram, 10/o Mangan, Rest Kobalt verwendet werden.
- Leerseite -

Claims

Patentansprüche: 1. Geschlitzter Kolbenring, insbesondere für schwerölbetriebene Zweitakt-Großmotoren und aus homogenem Grauguß bestehend, wobei beiderseits des Ringstoßes ein gewisser Teilbereich x einer besonderen Wärmebehandlung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenring in diesem Teilbereich x wenigstens an seiner oberen Ringflanke (5) eine aus einer Nickel- oder Kobalt-Basis-Superlegierung bestehende Panzerung (6) aufweist, die an die Stelle eines hierfür am Kolbenring abgetragenen Materials tritt.
2. Geschlitzter Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Panzerung (6) eine Nickel-Basis-Superlegierung mit 11% Chrom, 0,45% Kohlenstoff, 4% Silizium, 3% Eisen, 2,4% Bor, Rest Nickel verwendet wird.
3. Geschlitzter Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Panzerung (6) eine Kobalt-Basis-Superlegierung mit 19% Chrom, 1% Kohlenstoff, 2,8% Silizium, 3% Eisen, 13% Nikkel, 1,80r6 Bor, 9% Wolfram, 1% Mangan, Rest Kobalt verwendet wird.
4. Verfahren zur Herstellung eines beiderseits seines Ringstoßes (2) gegen heißkorrosiven und abrasiven Verschleiß geschützten Kolbenringes (1), der insbesondere in schwerölbetriebenen Zweitakt-Großmotoren verwendbar, aus homogenem Graugußmaterial hergestellt ist und an seiner Lauffläche mit einer Verschleißschutzschicht versehen sein kann, dadurch gekennzeichnet, daß am Kolbenring (1) zunächst im Bereich beiderseits seines Ringstoßes (2) spanabhebend Material für ein gewisses Teilstück abgetragen wird, so daß danach beiderseits des Ringstoßes eine Vertiefung (7) in der oberen Ringflanke (5), gegebenenfalls ein breiterer Querschlitz und gegebenenfalls eine Hinterschneidung (9) an der Kolbenringlauffläche (8), gegeben ist, daß dann in den Bereichen, die nach dieser Materialabtragung gegeben sind, auf deren Oberseite durch Flammspritzen ein pulverförmiges Material, bestehend aus einer Nickel- oder Kobalt-Basis-Superlegierung, aufgebracht wird in einer Dicke, die größer als die Tiefe der vorhergehenden Materialabtragung ist, daß dann der Kolbenring (1) nur im Bereich dieser Beschichtung auf eine Temperatur von etwa 300"C vorgewärmt wird, daß anschließend die so vorgewärmte beschichtete Zone der Energie eines Hochleistungslasers ausgesetzt und das Beschichtungsmaterial umgeschmolzen wird und daß zuletzt durch spanabhebende Bearbeitung das überstehende Beschichtungsmaterial abgetragen und die Ringmaßhaltigkeit hergestellt wird.

Die Erfindung betrifft einen geschlitzten, insbesondere in schwerölbetriebenen Zweitakt-Großmotoren zur Anwendung kommenden Kolbenring sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kolbenringes.

Ein Kolbenring, der beiderseits des Ringstoßes in einem gewissen Teilbereich x einer besonderen Wärmebehandlung unterzogen wurde, ist aus der DE-PS 10 00 651 bekannt. Die dortige Wärmebehandlung zielt jedoch darauf ab, die Stoßenden weicher zu machen.

Dies läuft jedoch praktischen Erfahrungen an geschlitzten Kolbenringen zuwider, die aus homogenem Grauguß bestehen und in schwerölbetriebenen Zweitakt-Großmotoren zur Anwendung kommen.

Insbesondere der erste Kolbenring an einem Kolben eines schwerölbetriebenen Zweitakt- Kreuzkopf-G roßmotors ist thermisch und mechanisch am höchsten belastet. Im Bereich des Stoßes blasen die sehr heißen Verbrennungsgase durch, was bei üblichen Graugußringen am Stoß selbst, ferner beiderseits des Stoßes an der oberen Ringflanke und auf der Kolbenring-L;Iulfl.iclle zu Heißkorrosion und Materialabbränden führt. l s ei.-geben sich dabei an den besagten Kolbenlillgl)atlie nach einer gewissen Betriebsdauer unregelmißige Vcl -tiefungen, die die Laufeigenschaft des Kolbenringes zum Teil je nach Ausbildung erheblich beeinträchtigen und außerdem zu überhöhtem Verschleiß an der Zylinderlauffläche führen.

Aus der DE-OS 2443 669 ist es außerdem bekannt, die der gleitenden Reibung unterworfene Lauffläche eines Maschinenteiles, insbesondere eines Kolbenringes, mit einer verschleißfesten Schicht zu versehen. Diese Schicht kann zwar aus einer Nickel- oder Kobalflegierung bestehen, jedoch mit dem Zusatz von Molybdän, das weicher als das Basismaterial ist und die Gleiteigenschaften verbessern soll. Im übrigen wird dieser Überzug auf galvanischem Wege aufgebracht, was wie an sich bekannt, ein Abplatzen dieser Schichten unter erschwerten Betriebsbedingungen meist nicht verhindern kann. Da aber die Beschichtung ohnehin nur auf die Lauffläche beschränkt ist, können auch diese bekannten Kolbenringe nicht verhindern, daß die während des Maschinenbetriebes auftretenden und im Bereich des Stoßes durchblasenden sehr heißen Verbrennungsgase dort zu Heißkorrosion und Materialabbränden führen. Diese Problematik ist hier überhaupt nicht angesprochen und mit der dort angegebenen Lösung auch nicht zu beseitigen.