DE3607497A1 - Piston machine - Google Patents

Piston machine

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Abstract

Piston machine, e.g. piston compressor, with a piston and cylinder composed of siliconised silicon carbide. To improve the dry-running characteristics, the piston circumference is coated with carbon or graphite. <IMAGE>

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Kolbenmaschine mit Kolben und Zylinder aus siliciertem Siliciumcarbid.The invention relates to a piston machine Silicon carbide pistons and cylinders.

Für Kolbenmaschinen, die bei hohen Temperaturen oder im Trockenlauf betrieben werden, sind Kolben und Zylinder vorgeschlagen worden, die vollständig oder zu einem Teil aus Siliciumcarbid bestehen. Siliciumcarbid ist ein Werkstoff, der temperaturbeständiger ist als die üblicherweise für Kolben und Zylinder verwendeten Metalle. Andere Vorteile sind die vergleichsweise geringe Dichte und der Verschleißwiderstand. Durch die DE-OS 31 18 967 ist beispielsweise ein Kompressor zur Erzeugung von Preßluft bekannt, dessen Kolben und Zylinderhülse aus Siliciumcarbid bestehen. Die kleine Wärmedehnung der Gleitpartner ermöglicht die Verkleinerung des Luftspalts und die Verwendung von Wasser als Schmiermittel. Diese Lösung vermeidet die mit Ölschmierungen verbundene Verschmutzung des geförderten Fluids und ist wegen des gestiegenen Kompressorwirkungsgrads auch wirtschaftlich von Vorteil. Für Trockenlauf eignet sich diese Lösung, vor allem wegen der großen Verschleißrate der im Reibkontakt stehenden Elemente nicht. For piston machines operating at high temperatures or in Pistons and cylinders are operated in dry mode have been proposed in whole or in part consist of silicon carbide. Silicon carbide is a Material that is more temperature resistant than that commonly used for pistons and cylinders Metals. Other advantages are the comparative low density and wear resistance. Through the DE-OS 31 18 967 is for example a compressor Generation of compressed air, its pistons and Cylinder sleeve made of silicon carbide. The little one Thermal expansion of the sliding partners enables the Reduction of the air gap and the use of Water as a lubricant. This solution avoids the pollution of oil lubrication promoted fluids and is due to the increased Compressor efficiency also economically advantageous. This solution is particularly suitable for dry running because of the large wear rate in the friction contact not standing elements.  

Zur Verbesserung des Gleitverhaltens von Siliciumcarbid- Gleitpaarungen im Trockenlauf ist vorgeschlagen worden, dem Siliciumcarbid Feststoffschmiermittel zuzusetzen. Geeignete Feststoffschmiermittel sind Stoffe, die bei den hohen, bei der Erzeugung des Siliciumcarbids auftretenden Temperaturen beständig sind und mit dem gebildeten Carbid im wesentlichen keine Verbindungen bilden. Beispiele derartiger Schmiermittel sind Bornitrid, Graphit oder Ruß in körniger Form, die in einer Menge bis 20 Vol.% in den Siliciumcarbidkörpern enthalten und möglichst gleichmäßig verteilt sind (DE-OS 33 29 225). Reibungskoeffizient und auch Verschleißrate der Schmiermittel in fester Form enthaltenden Siliciumcarbidkörper nehmen unter bestimmten Versuchsbedingungen mit dem Schmiermittelzusatz ab, ein Ergebnis, das sicherlich nur begrenzt auf Trockenlauf unter den üblichen technischen Bedingungen übertragen werden kann. In einer sorgfältigen Untersuchung über Gleitreibung und den Verschleiß von Ingenieurkeramik, in die u. a. verschiedene Siliciumcarbid-Sorten mit Graphitzusätzen einbezogen waren, kamen die Autoren zu dem Schluß, daß auch schmierstoffhaltiges Siliciumcarbid sich nicht für den Trockenlauf eignet, besonders nicht als Kolben und Zylinder von Kolbenmaschinen (J. Breznak, E. Breval, N.H. MacMillan, J. Mat. Science, 20, 1985, 4657-4680).To improve the sliding behavior of silicon carbide It has been suggested that sliding pairings in dry running be Add solid lubricant to the silicon carbide. Suitable solid lubricants are substances that the high, in the production of silicon carbide occurring temperatures are stable and with the carbide formed essentially no compounds form. Examples of such lubricants are Boron nitride, graphite or soot in granular form, which in an amount up to 20 vol.% in the silicon carbide bodies included and distributed as evenly as possible (DE-OS 33 29 225). Coefficient of friction and also Solid lubricant wear rate containing silicon carbide body take certain Test conditions with the lubricant additive on Result that is certainly only limited to dry running transferred under the usual technical conditions can be. In a careful investigation into Sliding friction and the wear of engineering ceramics, in the u. a. different types of silicon carbide Graphite additives were included, the authors came to the conclusion that also contains lubricant Silicon carbide is not suitable for dry running, especially not as pistons and cylinders of piston machines (J. Breznak, E. Breval, N.H. MacMillan, J. Mat. Science, 20, 1985, 4657-4680).

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, für Kolbenmaschinen mit Gleitpaarungen aus Siliciumcarbid die beschriebenen Nachteile zu vermeiden und insbesondere im Trockenlauf Reibungskoeffizient und Verschleißrate auf eine technisch brauchbare Größe zu senken. The invention is therefore based on the object for Piston machines with sliding pairings made of silicon carbide to avoid the disadvantages described and especially in dry running coefficient of friction and Wear rate to a technically usable size to lower.  

Die Aufgabe wird mit einer Kolbenmaschine der eingangs genannten Art gelöst, deren Kolben zu einem Teil mit Kohlenstoff oder Graphit beschichtet ist.The task is started with a piston engine mentioned type, some of the pistons with Carbon or graphite is coated.

Kolben und Zylinder der Kolbenmaschine bestehen aus Siliciumcarbid, das durch Silicierung eines kohlenstoffhaltigen Siliciumcarbidkörpers gewonnen wird. Durch Zufuhr von schmelzflüssigem oder gasförmigem Silicium bildet sich in dem Körper sekundäres, die primären Carbidkörner verbindendes Siliciumcarbid. Die Prozeßtemperaturen betragen nur etwa 1600°C, verglichen mit 2000 bis 2200°C bei der normalen Sinterung von Siliciumcarbid. Bei diesem Verfahren ist es auch möglich, dem herstellungsbedingt porösen Körper Silicium im Überschuß zuzuführen und Restporen mit Silicium zu füllen. Durch die Siliciumphase werden besonders Festigkeit und Zähigkeit der Körper erhöht. Im allgemeinen ändern sich die Maße der Körper beim Silicieren wenig, so daß nur eine geringfügige Bearbeitung zur Einstellung der Endmaße von Kolben und Zylinder nötig ist. Die Lauffläche des Kolbens ist erfindungsgemäß zu einem Teil mit Kohlenstoff oder Graphit beschichtet, wobei unter dem Terminus "beschichtet" mit dem Kolben stoffschlüssig verbundene Kohlenstoffschichten, auf die Lauffläche des Kolbens aufgelegte und in Ausnehmungen des Kolbens eingelegte Streifen oder Ringe aus Kohlenstoff zu verstehen sind. Unter dem Begriff "Kohlenstoff" wird im folgenden auch Graphit verstanden. Zur Herstellung einer mit dem Kolben stoffschlüssig verbundenen Kohlenstoffschicht wird zweckmäßig bei einer Temperatur zwischen 1100 und 1400°C aus kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemischen Kohlenstoff auf der Mantelfläche des Kolbens abgeschieden, z. B. aus Methan-, Wasserstoff- oder Propan-Stickstoff-Mischungen, wobei die Beschaffenheit der Schicht, etwa ihre Härte, in an sich bekannter Weise durch Änderung der Beschichtungsbedingungen dem Verwendungszweck angepaßt wird. Nach einem anderen Verfahren wird ein Kohlenstoffpulver und als Binder ein Kunstharz, z. B. Phenolformaldehydharz, enthaltendes Gemisch auf die Oberfläche des Kolbens aufgebracht, beispielsweise aufgepinselt, und der Binder durch Erhitzen des Kolbens auf etwa 800 bis 1100°C carbonisiert. Auch bei diesem Verfahren kann innerhalb weiter Grenzen durch Änderung der Schichtzusammensetzung die Eigenschaft der Schicht den Anforderungen angepaßt werden.Pistons and cylinders of the piston machine consist of Silicon carbide, which by siliconizing a carbon-containing silicon carbide body obtained becomes. By supplying molten or gaseous Silicon forms in the body that is secondary silicon carbide connecting primary carbide grains. The process temperatures are only around 1600 ° C, compared to 2000 to 2200 ° C in the normal Sintering of silicon carbide. With this procedure it is also possible to make it porous Body supply silicon in excess and residual pores fill with silicon. Be through the silicon phase especially strength and toughness of the body increases. In general, the dimensions of the body change Siliconize little, so only a minor Machining to adjust the final dimensions of pistons and Cylinder is necessary. The piston tread is according to the invention partly with carbon or Graphite coated, under the term "coated" with the piston integrally connected Carbon layers on the tread of the piston placed and inserted in recesses of the piston Carbon strips or rings are to be understood. The term "carbon" is used below Understood graphite. To make one with the piston cohesively connected carbon layer expedient at a temperature between 1100 and 1400 ° C from hydrocarbon-containing gas mixtures carbon deposited on the outer surface of the piston, e.g. B. from Methane, hydrogen or propane-nitrogen mixtures,  the nature of the layer, such as its hardness, in a manner known per se by changing the Coating conditions adapted to the intended use becomes. Another procedure is called Carbon powder and as a binder a synthetic resin, e.g. B. Phenol formaldehyde resin containing mixture on the Surface of the piston applied, for example brushed on, and the binder by heating the piston carbonized to about 800 to 1100 ° C. This one too Procedure can be changed within wide limits the layer composition the property of the layer be adapted to the requirements.

Bevorzugt wird die Anordnung des Schmierstoffs in Form von Streifen oder Ringen aus Kohlenstoff, die auf die Kolbenoberfläche aufgeklebt oder zweckmäßig in umlaufende Nuten eingelegt sind. Streifen und Ringe werden aus formbaren Gemischen hergestellt, die Kohlenstoffpulver - z. B. gemahlene Kokse, Anthrazit oder Ruß -, Gemische dieser Stoffe und einen Binder aus der Gruppe Steinkohlenteerpech, Duroplast enthalten. Die Mischungen werden geformt, besonders durch Gesenk- oder isostatisches Pressen und die Formlinge zur Carbonisierung des Binders in inerter oder reduzierender Atmosphäre auf etwa 800 bis 1100°C erhitzt, zur vollständigen Überführung in Graphit gegebenenfalls auf etwa 2800 bis 3000 K. Die ring- oder hohlzylindrischen Rohlinge werden bearbeitet, wie Kolbenringe geschlitzt und auf die Lauffläche des Kolbens geklebt oder in Nuten eingelegt. Nach einem anderen Verfahren wird die Kohlenstoffschicht durch Wickeln von Kohlenstofffasern auf den Kolben erzeugt. Der Kolben ist zu diesem Zweck mit flachen Nuten versehen, in die zweckmäßig mit einem Binder imprägnierte Kohlenstoffasern eingezogen werden. The arrangement of the lubricant in the form is preferred of carbon strips or rings attached to the Piston surface glued or appropriate in circumferential grooves are inserted. Stripes and rings are made from moldable mixtures that Carbon powder - e.g. B. ground coke, anthracite or soot, mixtures of these substances and a binder from the group coal tar pitch, thermoset. The mixtures are shaped, especially by die or isostatic pressing and the moldings for Carbonization of the binder in an inert or reducing Atmosphere heated to about 800 to 1100 ° C, for complete conversion to graphite if necessary to about 2800 to 3000 K. The ring or hollow cylindrical Blanks are machined like slotted piston rings and glued to the piston tread or in grooves inserted. According to another procedure, the Carbon layer by winding carbon fibers generated on the piston. The piston is for this purpose provided with shallow grooves, in the appropriate with a Binder impregnated carbon fibers are drawn in.  

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß die Beschichtung von Teilen der Kolbenlauffläche Reibungskoeffizienten und Verschleiß der aus siliciertem Siliciumcarbid bestehenden Gleitpaarung nicht nur für eine kurze Zeitspanne auf einen technisch brauchbaren Betrag senkt, sondern über lange Zeitspannen die Funktion der Kolbenmaschine im Trockenlauf ermöglicht. Der Effekt geht offensichtlich auf die Bildung stabiler, die Oberfläche von Kolben und Zylinder im wesentlichen bedeckenden Kohlenstoff- bzw. Graphitschichten aus dem Abrieb der primären Kohlenstoffschicht zurück. Für die Stabilität des Gleitverhaltens ist dabei das Verhältnis von Abbaurate der primären Kohlenstoff- bzw. Graphitschicht und der Aufbaurate der sekundären, das Reibverhalten bestimmenden Schicht wichtig, d. h. der Abrieb der sekundären Schicht muß stets durch Zufuhr von Kohlenstoff bzw. Graphit aus der primären Schicht ersetzt werden.The invention is based on the surprising finding that the coating of parts of the piston tread Coefficient of friction and wear of the siliconized Silicon carbide existing pairing not only for a short period of time to a technically usable one Amount lowers, but over long periods of time Function of the piston machine in dry running enabled. The effect is obviously more stable on the formation, the surface of the piston and cylinder essentially covering carbon or graphite layers from the Abrasion of the primary carbon layer back. For the Stability of the gliding behavior is the ratio of the rate of degradation of the primary carbon or graphite layer and the rate of build up of the secondary, the friction behavior determining layer important, d. H. the abrasion of the secondary layer must always be by adding carbon or graphite from the primary layer.

Erfüllt wird diese Bedingung durch eine den jeweiligen Betriebsbedingungen der Kolbenmaschine angepaßte Beschichtung des Kolbens, besonders der für die Beschichtung verwendeten Kohlenstoff- bzw. Graphitsorte. Im allgemeinen reichen dafür Prüfstandsversuche aus, in denen Reibungskoeffizient und Verschleißrate bestimmt werden. Auch die Dicke der Kohlenstoff- bzw. Graphitbeschichtung des Kolbens ist für die Standzeit der Gleitpaarung wichtig, da bei kleiner Schichtdicke die Standzeit vergleichsweise klein und bei dicken Beschichtungen die Zeitspanne bis zum Erreichen stabiler Reibwerte sehr lang ist. Zweckmäßig beträgt die Dicke der Beschichtung 0,2 bis 5 mm, vorzugsweise 1 bis 3 mm. This condition is met by the respective Operating conditions adapted to the piston machine Coating of the piston, especially that for the Coating used carbon or graphite grade. Test bench tests are generally sufficient for this, in which the coefficient of friction and wear rate are determined will. Also the thickness of the carbon or graphite coating of the piston is for the service life of Sliding pairing important, because with a small layer thickness the Tool life comparatively short and thick Coatings the period of time to reach more stable Is very long. The thickness is expediently the coating 0.2 to 5 mm, preferably 1 to 3 mm.  

Beispiele für Kolbenmaschinen mit Kolben und Zylinder aus siliciertem Carbid sind trockenlaufende Kolbenverdichter zum Verdichten von Preßluft oder Atemluft und Verbrennungsmaschinen.Examples of piston machines with pistons and cylinders Silicon carbide are dry-running piston compressors for compressing compressed air or breathing air and internal combustion engines.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Beispiels und einer Zeichnung erläutert.The invention is illustrated below using an example and a drawing explained.

Zur Herstellung einer Zylinderbuchse und eines Kolbens aus siliciertem Siliciumcarbid für einen Hochdruckverdichter wurden Siliciumcarbidpulver mit einer Korngröße von 1 bis 100 µm, Petrolkokspulver mit einer Korngröße kleiner als 20 µm mit Furanharz mit einer Zähigkeit von ca. 50 m Pa · s als Binder gemischt. Die Anteile der Mischungskomponenten waren 60, 10 und 30 Gew.%. Nach Homogenisierung der Mischung wurden zylindrische bzw. hohlzylindrische Rohlinge gegossen und die Formlinge zum Trocknen und Härten des Harzbinders auf 180°C erhitzt, Haltezeit - 2,5 h. Die gehärteten Körper wurden auf das Maß geschliffen und zum Carbonisieren des Binders und zum Silicieren auf 1600°C erhitzt. Unterhalb der Körper angeordnetes Silicium verdampft, diffundiert in die Körper und reagiert mit dem Kohlenstoff zu Siliciumcarbid, das die primären SiC-Körner untereinander verbindet. Zusätzlich wird metallisches Silicium in den Poren abgeschieden. Die Silicierung erfolgte in einer Argon-Schutzgasatmosphäre, die Haltezeit war 0,5 h. Nach Abkühlung wurden die Gleitflächen gehont.For the production of a cylinder liner and a piston Silicon carbide for a high pressure compressor were silicon carbide powder with a Grain size from 1 to 100 µm, petroleum coke powder with a grain size smaller than 20 µm with furan resin a toughness of approx. 50 m Pa · s mixed as a binder. The proportions of the mixture components were 60, 10 and 30% by weight. After homogenizing the mixture cast cylindrical or hollow cylindrical blanks and the moldings for drying and hardening the Harzbinder heated to 180 ° C, holding time - 2.5 h. The hardened bodies were ground to size and for carbonizing the binder and for siliconizing Heated at 1600 ° C. Arranged below the body Silicon evaporates, diffuses into the body and reacts with the carbon to form silicon carbide connects the primary SiC grains to one another. In addition, metallic silicon in the pores deposited. The siliconization took place in one Argon protective gas atmosphere, the holding time was 0.5 h. After cooling, the sliding surfaces were honed.

Zur Herstellung der Kohlenstoffbeschichtung des Kolbens wurden Rohrabschnitte einer handelsüblichen im wesentlichen Petrolkoks mit einer Korngröße kleiner als 50 µm enthaltende Kohlenstoffsorte (EK10, Ringsdorff-Werke GmbH, Bonn-Bad Godesberg) nach paßgenauer Bearbeitung auf die silicierten Kolben geschoben. Die Kolben wurden dann unter Schutzgas auf etwa 1600°C erhitzt, wobei metallisches Silicium aus dem silicierten Kolben an der Grenzfläche zwischen Kolben und Hülse mit dem Kohlenstoff der Hülse unter Bildung einer stoffschlüssigen siliciumcarbidhaltigen Verbindung reagiert. Nach Abkühlung wurde die Kohlenstoff- Hülse bis auf 2 mm abgedreht.For the production of the carbon coating of the piston were pipe sections of a commercially available in essential petroleum coke with a grain size smaller as a carbon type containing 50 µm (EK10, Ringsdorff-Werke GmbH, Bonn-Bad Godesberg)  Precise machining on the siliconized pistons pushed. The flasks were then under protective gas heated to about 1600 ° C, using metallic silicon from the siliconized flask at the interface between Piston and sleeve with the carbon of the sleeve underneath Formation of a cohesive silicon carbide Connection is responding. After cooling, the carbon Sleeve turned down to 2 mm.

In der einzigen Zeichnung ist der mit Kohlenstoff beschichtete Kolben dargestellt. Der Kolben (1) aus siliciertem Siliciumcarbid weist eine Beschichtung in Form der Kohlenstoffringe (2) auf.The carbon-coated piston is shown in the single drawing. The piston ( 1 ) made of siliconized silicon carbide has a coating in the form of the carbon rings ( 2 ).

Die nach dem Beispiel hergestellten Kolben und Zylinder hatten folgende Eigenschaften:The pistons and Cylinders had the following properties:

Rohdichte  3,05 g/cm2 Gehalt an
metall. Silicium 14   % Biegefestigkeit320   MPa
Gross density 3.05 g / cm 2 content of
metal. Silicon 14% flexural strength 320 MPa

Die Rohdichte der Kohlenstoffbeschichtung war etwa 1,60 g/cm3, die Rauhigkeit der Siliciumcarbidflächen 0,26 µm und der Kohlenstoffbeschichtung 5,0 µm. Die Reib- und Gleiteigenschaften der Paarung wurde im Trockenlauf bei Raumtemperatur und einer relativen Feuchte von ca. 65% bestimmt, zum Vergleich eine Paarung mit Kolben ohne Kohlenstoffbeschichtung. The bulk density of the carbon coating was approximately 1.60 g / cm 3 , the roughness of the silicon carbide surfaces was 0.26 μm and the carbon coating was 5.0 μm. The friction and sliding properties of the pairing were determined in dry running at room temperature and a relative humidity of approx. 65%, for comparison a pairing with pistons without carbon coating.

Claims (7)

1. Kolbenmaschine mit Kolben und Zylinder aus siliciertem Siliciumcarbid, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Kolbens zu einem Teil mit Kohlenstoff oder Graphit beschichtet ist.1. Piston machine with piston and cylinder made of siliconized silicon carbide, characterized in that the surface of the piston is partly coated with carbon or graphite. 2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung ringförmig ausgebildet ist.2. Piston machine according to claim 1, characterized in that that the coating is annular. 3. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Kolbenringe aus Kohlenstoff oder Graphit in Nuten des Kolbens eingelassen sind.3. Piston machine according to claim 1 and 2, characterized characterized that piston rings from Carbon or graphite in the grooves of the piston are let in. 4. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben wenigstens teilweise durch eine Manschette aus Kohlenstoff oder Graphit umschlossen ist.4. Piston machine according to claim 1 and 2, characterized in that that the piston at least partially through a carbon or cuff Graphite is enclosed. 5. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß Kolben und Manschette durch eine in-situ gebildete siliciumcarbidhaltige Übergangsschicht verbunden sind.5. Piston machine according to claim 1, 2 and 4, characterized characterized that pistons and Cuff formed by an in-situ silicon carbide-containing transition layer connected are. 6. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Kohlenstoff- oder Graphitschicht 0,2 bis 5 mm beträgt.6. Piston machine according to claim 1 to 5, characterized characterized in that the thickness of the Carbon or graphite layer 0.2 to 5 mm is. 7. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht Graphitpartikel mit einer Korngröße bis 1 mm enthält.7. Piston machine according to claim 1 to 6, characterized characterized that the layer Graphite particles with a grain size up to 1 mm contains.
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