DE4244610A1 - - Google Patents

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Thermosprühbeschichtungsverfahren für Kolbenringe, welches unterschiedliche Materialien verwendet, geringe Betriebskosten benötigt und unveränderbare mittlere Beschichtungseigenschaften ergibt.The present invention relates to a Thermal spray coating process for piston rings, which different materials used, low Operating costs needed and unchangeable mean Coating properties results.

Ein bekanntes Thermosprühbeschichtungsverfahren für Kolbenringe verwendet zugeführte Drähte aus 99,9% reinem Molybdän, die mittels entsprechender Sauerstoff-Acetylen- Brennern geschmolzen werden. Bei diesem Verfahren werden Tröpfchen von geschmolzenem Molybdän gegen die äußeren Berührungsflächen der Kolbenringe gesprüht, wobei die Flächen eine relativ niedrige Temperatur, verglichen mit der die äußere Berührungsfläche erreichenden Tröpfchen, aufweist, und wobei Druckluft als Treibmittel verwendet wird. Die Adhäsion zwischen den Tröpfchen und der äußeren Berührungsfläche wird mechanisch mittels der Verfestigung der Tröpfchen auf den Unebenheiten der äußeren Kontaktfläche in Folge der hohen Kontraktionsspannung während der Verfestigung erreicht.A known thermal spray coating process for Piston rings uses wires made of 99.9% pure Molybdenum, which by means of appropriate oxygen-acetylene Burners are melted. In this procedure Droplets of molten molybdenum against the outside Contact surfaces of the piston rings sprayed, the Surfaces a relatively low temperature compared to of the droplets reaching the outer contact surface, has, and wherein compressed air is used as a blowing agent becomes. The adhesion between the droplets and the outer The contact surface becomes mechanical by means of the solidification the droplets on the bumps of the outer Contact area due to the high contraction voltage reached during solidification.

Neben den hohen Kosten dieses Verfahrens, welches allein Molybdän verwendet, neigt die erzeugte Beschichtung infolge der Tatsache, daß das Verschmelzen aufeinander folgender Beschichtungen über oxidreiche Zwischenflächen erfolgt, zum Brechen. Derartige Brüchigkeit führt zu Rissen und Splittern, wenn der Kolbenring mechanischer Belastung unterworfen wird. Die Gleichmäßigkeit der Beschichtung mit Molybdän wird durch die hohen Betriebstemperaturen des Kolbenrings in der Nähe der Verbrennungskammer hauptsächlich infolge des wesentlichen Unterschieds zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizenten des Molybdäns und dem Grundmaterial aus einer Eisenlegierung bewirkt, die unter Belastung zum Auftreten der Risse führt.In addition to the high cost of this procedure, which alone If molybdenum is used, the coating produced tends to result the fact that the merger is consecutive Coatings are carried out over oxide-rich interfaces Break. Such fragility leads to cracks and Splinter when the piston ring is under mechanical stress is subjected. The uniformity of the coating with Molybdenum is caused by the high operating temperatures of the Piston ring near the combustion chamber mainly due to the essential difference between the coefficient of thermal expansion of the  Molybdenum and the base material made of an iron alloy causes the cracks to appear under load.

Weiter ist das Sprühbeschichtungsverfahren, das Drähte verwendet, hinsichtlich der Kombination von unterschiedlichen Materialien beschränkt.Next is the spray coating process, the wire used, regarding the combination of different materials limited.

Ein weiteres bekanntes Verfahren verwendet Pulver zum Sprühen, welches die Verwendung von verschiedenen Materialien ermöglicht, jedoch mit sehr hohen Kosten verbunden ist, hauptsächlich in dem Fall, in dem das Sprühen mittels eines Plasmabogens bewirkt wird.Another known method uses powder for Spraying, which involves the use of various Materials enabled, but at a very high cost connected, mainly in the case where the Spraying is effected by means of a plasma arc.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Thermosprühbeschichtungsverfahren für Kolbenringe zu schaffen, das eine Beschichtung erzeugt, die, wenn sie hohen mechanischen Beanspruchungen unterworfen wird, gegen Risse und Splitter beständig ist, und welches mit geringen Kosten verbunden ist.It is therefore an object of the present invention Thermal spray coating process for piston rings too create that creates a coating that when they subject to high mechanical stresses Cracks and splinters is resistant, and which with minor Associated costs.

Weiter soll mit der vorliegenden Erfindung ein Thermosprühbeschichtungsverfahren für Kolbenringe geschaffen werden, das im Hinblick auf die Kombination von unterschiedlichen Materialien vielseitiger ist, wodurch man unterschiedliche Eigenschaften erzielen kann.Further is intended with the present invention Thermal spray coating process for piston rings be created with regard to the combination of different materials is more versatile, making one can achieve different properties.

Diese Aufgabe wird mit einem Thermosprühbeschichtungsver­ fahren für Kolbenringe gelöst, wobei mehrere Kolbenringe zuerst an einem Träger gegen relative gegenseitige Verschiebungen so befestigt werden, daß ihre äußeren Berührungsflächen eine zylindrische Oberfläche bilden, wobei weiter die gesamte zylindrische Oberfläche kontinuierlich fortlaufend mittels eines Druckgasstroms mit einer Masse von mittels eines Sauerstoff-Acetylen-Brenners geschmolzener Tröpfchen besprüht wird, die von mindestens einem zugeführten Molybdändraht und von mindestens einem zugeführten Draht eines weicheren metallurgischen Bindematerials stammen, wobei die Masse der Tröpfchen aus etwa 30 bis 60% Molybdän und der Rest aus Bindematerial besteht, und der Sprühvorgang zum integralen Beschichten der zylindrischen Oberfläche mit der Masse der Tröpfchen in mindestens einer Schicht durchgeführt wird, und die zylindrische Oberfläche während des Sprühvorgangs einer Drehbewegung um ihre geometrische Achse und gleichzeitig einer Translationsbewegung in Richtung ihrer geometrischen Achse zur Erzeugung einer schraubenlinienförmigen Versetzung der Sprühpunkte über die gesamte zylindrische Oberfläche unterworfen wird.This task is accomplished with a thermal spray coating drive for piston rings solved, with several piston rings first on a carrier against relative mutual Shifts are fixed so that their outer Contact surfaces form a cylindrical surface, further the entire cylindrical surface continuously continuously using a pressurized gas stream a mass of by means of an oxygen-acetylene burner molten droplet is sprayed,  that of at least one fed molybdenum wire and of at least one wire fed a softer one metallurgical binding material, the mass of Droplets made up of about 30 to 60% molybdenum and the rest There is binding material, and the spraying process for integral Coating the cylindrical surface with the mass of the Droplet is carried out in at least one layer and the cylindrical surface during the spraying process a rotation around its geometric axis and at the same time a translation movement towards her geometric axis to generate a helical displacement of the spray points over the entire cylindrical surface is subjected.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous refinements of the invention result from the subclaims.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:An embodiment of the invention is in the drawing shown and is described in more detail below. It demonstrate:

Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt eines im Inneren eines Zylinders arbeitenden Kolbens mit Kolbenringen, wobei der Druck des Gases mittels des Pfeils dargestellt ist, und eine vergrößerte Einzelansicht eines Kolbenrings mit der Beschichtung auf seiner äußeren Berührungsfläche; FIG. 1 is a partial longitudinal section of a working inside a cylinder piston with piston rings, wherein the pressure of the gas is shown by the arrow, and an enlarged detail view of a piston ring with the coating on its external contact surface;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Besprühens der Kolbenringe mittels zugeführter Drähte, und Fig. 2 is a schematic representation of the spraying of the piston rings by means of supplied wires, and

Fig. 3 einen vergrößerten Querschnitt eines Teils eines Kolbenrings, der auf seiner äußeren Berührungsfläche mit einer Beschichtung versehen ist. Fig. 3 is an enlarged cross section of part of a piston ring, which is provided on its outer contact surface with a coating.

Wie in der Zeichnung dargestellt, werden die Kolbenringe 1 auf einem sich hin und her bewegenden Kolben P angebracht, die während der Verbrennung in der Nähe der Innenwand eines Zylinders C angeordnet sind. Jeder Kolbenring 1 weist eine äußere Berührungsfläche 1a auf, die mit einer Anti-Haft-und Anti-Abrieb-Beschichtung versehen ist, die die Kolbenringe 1 schützt, wenn sie einem hohen Druck und einer hohen Temperatur während des Verbrennungsvorgangs unterworfen werden. In einer Ausführungsform der Erfindung wird die äußere Berührungsfläche 1a jedes Kolbenrings 1 zuerst durch Bearbeiten des Kolbenrings 1 erzeugt, um im mittleren Kreisabschnitt des Kolbenrings 1 eine oberflächliche Ringnut zu erzeugen, die später mit der Beschichtung ausgefüllt wird, bis der Durchmesser der äußeren Berührungsfläche 1a des Kolbenrings 1 wieder erreicht wird.As shown in the drawing, the piston rings 1 are mounted on a reciprocating piston P which are arranged near the inner wall of a cylinder C during combustion. Each piston ring 1 has an outer contact surface 1 a, which is provided with an anti-stick and anti-abrasion coating that protects the piston rings 1 when they are subjected to high pressure and temperature during the combustion process. In one embodiment of the invention, the outer contact surface 1 a of each piston ring 1 is first produced by machining the piston ring 1 in order to produce a superficial annular groove in the central circular section of the piston ring 1 , which is later filled with the coating until the diameter of the outer contact surface 1 a of the piston ring 1 is reached again.

Bei einer anderen Art und Weise der Durchführung der Erfindung wird die Beschichtung auf die äußere Berührungsfläche 1a von außen aufgebracht, so daß der Durchmesser dieses Bereichs, wo die Beschichtung aufgebracht wird, vergrößert wird, bis eine Beschichtung mit einer ausreichenden Ringdicke erreicht wird, so daß sich nach der Endbearbeitung eine Beschichtungsdicke von 2 bis 7% der ursprünglichen Ringdicke des Rings ergibt.In another way of carrying out the invention, the coating is applied to the outer contact surface 1 a from the outside, so that the diameter of this area where the coating is applied is increased until a coating with a sufficient ring thickness is achieved, so that after finishing a coating thickness of 2 to 7% of the original ring thickness of the ring results.

Wie in Fig. 2 dargestellt, werden mehrere Kolbenringe an einem Träger 2 längs seiner Länge mittels Halteeinrichtungen, wie z. B. Schrauben und Muttern, so befestigt, daß sie sich nicht gegenseitig relativ zueinander verschieben können, und die so angeordnet sind, daß sich eine zylindrische Oberfläche ergibt, die sich um eine Rotationsachse, die durch die Mitte des Ringsatzes verläuft und die mit der geometrischen Achse des Trägers 2 zusammenfällt dreht und eine Translationsbewegung in Richtung der geometrischen Achse durchführt. In einem bestimmten Abstand vom Träger 2 befinden sich zwei Gasbehälter 3, die gleichzeitig über ihren entsprechenden Einlaß a, b mit Sauerstoff und Acetylen versorgt werden, so daß eine Schmelzflamme erzeugt wird, die in der Lage ist, die in dem vorliegenden Sprühverfahren verwendeten chemischen Elemente zu schmelzen. Jeder Gasbehälter 3 hat eine Flammenregulierung, die durch Verändern des Verhältnisses von Sauerstoff und Acetylen in der Flamme bewirkt wird.As shown in Fig. 2, a plurality of piston rings on a carrier 2 along its length by means of holding devices such. B. screws and nuts, so that they can not move relative to each other, and which are arranged so that there is a cylindrical surface that is about an axis of rotation that runs through the center of the ring set and with the geometric Axis of the carrier 2 coincides and rotates and performs a translational movement in the direction of the geometric axis. At a certain distance from the carrier 2 there are two gas containers 3 which are simultaneously supplied with oxygen and acetylene via their corresponding inlet a, b, so that a melting flame is generated which is capable of the chemical elements used in the present spraying process to melt. Each gas container 3 has a flame regulation which is effected by changing the ratio of oxygen and acetylene in the flame.

Neben den ins Innere der Behälter 3 zugeführten Gasen zur Bildung der oben beschriebenen Flamme, werden durch dritte und vierte Einlässe c bzw. d die zur Beschichtung der Kolbenringe 1 verwendeten zu schmelzenden chemischen Elemente und ein Volumen von Druckluft zugeführt, die durch einen Auslaß "s" jedes Behälters 3 die Tröpfchen jedes geschmolzenen chemischen Elements in Richtung der äußeren Berührungsfläche der zylindrischen Oberfläche des Trägers 2 mitnimmt.In addition to the gases supplied to the inside of the container 3 to form the flame described above, the chemical elements used to coat the piston rings 1 and a volume of compressed air, which are used to coat the piston rings 1 , and a volume of compressed air which are passed through an outlet "s "each container 3 entrains the droplets of each molten chemical element in the direction of the outer contact surface of the cylindrical surface of the carrier 2 .

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Beschichtung durch gleichzeitiges thermisches Sprühen von zwei unterschiedlichen chemischen Elementen, die jedoch die gleiche Konzentration haben und die in Form von zugeführten Drahtrollen 4 vorliegen und durch einen Behälter 3 verlaufen, durchgeführt.According to a preferred embodiment of the invention, the coating is carried out by simultaneous thermal spraying of two different chemical elements which, however, have the same concentration and which are in the form of supplied wire rolls 4 and pass through a container 3 .

Gemäß einer weiteren bevorzugten Lösung ist eines der bei der Beschichtung verwendeten chemischen Elemente Molybdän, das für die Anti-Abrieb und Anti-Haft-Eigenschaften der Beschichtung verantwortlich ist, und das mit einer Reinheit von 99,9% verwendet wird. Das andere der Materialien ist rostfreier Stahl. Dieses Element, das eine geringere Härte im Bezug zum Molybdän hat, ist für das metallurgische Verbinden des Molydäns mit der äußeren Berührungsfläche der Kolben 1 und für die Kohäsion der auf die vorherigen Schichten aufgebrachten verschiedenen Schichten verantwortlich. Für jeden zugeführten Draht, der verwendet wird, hat die Sauerstoff-Acetylen-Flamme eine spezifische Regulierung, die sich durch ein entsprechendes Verhältnis von Sauerstoff und Acetylen gemäß dem Schmelzpunkt jedes Elements für die Zusammensetzung der zugeführten Drähte ergibt.According to another preferred solution, one of the chemical elements used in the coating is molybdenum, which is responsible for the anti-abrasion and anti-stick properties of the coating, and which is used with a purity of 99.9%. The other of the materials is stainless steel. This element, which has a lower hardness in relation to the molybdenum, is responsible for the metallurgical bonding of the molydane to the outer contact surface of the pistons 1 and for the cohesion of the different layers applied to the previous layers. For each wire that is used, the oxygen-acetylene flame has a specific regulation that results from a corresponding ratio of oxygen and acetylene according to the melting point of each element for the composition of the wires that are fed.

Der rostfreie Stahl, der einen niedrigeren Schmelzpunkt hat, macht eine bessere metallurgische Verbindung möglich, die die Rißbeständigkeit der Beschichtung unter mechanischen Beanspruchungen steigert, die Adhäsion derselben am Grundmaterial des Kolbenrings 1 und die Kohäsion der aufgesprühten Partikel verbessert.The stainless steel, which has a lower melting point, makes a better metallurgical connection possible, which increases the crack resistance of the coating under mechanical stresses, improves its adhesion to the base material of the piston ring 1 and improves the cohesion of the sprayed-on particles.

Die Adhäsion der Beschichtung am Grundmaterial ist hauptsächlich metallurgisch. Bei dieser Adhäsion erreichen die Molybdäntröpfchen, wenn sie auf die äußere Berührungsfläche der Kolbenringe gesprüht werden, diese Oberfläche, die eine niedrigere Temperatur hat, so daß sie sich an der Rauhigkeit des Grundmaterials beim Erstarren festsetzen.The adhesion of the coating to the base material is mainly metallurgical. Achieve with this adhesion the molybdenum droplets when they hit the outer Contact surface of the piston rings are sprayed, this Surface that has a lower temperature so that it the roughness of the base material when solidifying fix.

Gemäß der Erfindung erhält man die Beschichtung durch Verwendung einer Legierung, in diesem Fall einer chemischen metallurgischen Legierung von Molybdän und rostfreiem Stahl, um eine bessere Adhäsion des Molybdäns an der äußeren Berührungsfläche 1a der Kolbenringe zu erhalten, so daß der Widerstand gegen Risse und Brüche während der hohen Arbeitstemperaturen, denen die Kolbenringe 1 in der Nähe der Verbrennungskammer unterworfen werden, sichergestellt ist.According to the invention, the coating is obtained by using an alloy, in this case a chemical metallurgical alloy of molybdenum and stainless steel, in order to obtain better adhesion of the molybdenum to the outer contact surface 1 a of the piston rings, so that the resistance to cracks and breaks is ensured during the high working temperatures to which the piston rings 1 in the vicinity of the combustion chamber are subjected.

Das Besprühen findet ohne Unterbrechung während einer bestimmten Anzahl von Bewegungsabläufen des Trägers 2 statt, bis die äußere Berührungsfläche 1a jedes Kolbenrings 1 des Trägers 2 eine homogene und kontinuierliche Beschichtung mit der Molybdän/rostfreien Stahlmischung mit einer Ringbreite, wie oben beschrieben, aufweist.The spraying takes place without interruption during a certain number of movements of the carrier 2 until the outer contact surface 1 a of each piston ring 1 of the carrier 2 has a homogeneous and continuous coating with the molybdenum / stainless steel mixture with a ring width, as described above.

Bei der vorliegenden Lösung erhält man die Beschichtung durch gleichzeitiges Besprühen mit Molybdän und rostfreiem Stahl, wobei die Punkte berücksichtigt werden, die in Längsrichtung über die Erstreckung des Trägers 2 versetzt sind, so daß auf der zylindrischen Oberfläche des Trägers 2 eine schraubenlinienförmige Bahn durch die Rotations- und Translationsbewegungen des Trägers 2 in bezug auf die Gasbehälter 3 und somit der Masse der beim Sprühen geschmolzenen Tröpfchen bewirkt wird.In the present solution, the coating is obtained by simultaneous spraying with molybdenum and stainless steel, taking into account the points which are offset in the longitudinal direction over the extent of the carrier 2 , so that a helical path through the rotation on the cylindrical surface of the carrier 2 - And translational movements of the carrier 2 with respect to the gas container 3 and thus the mass of the droplets melted during spraying is effected.

Der rostfreie Stahl sorgt nicht nur für die Adhäsion des Molybdäns am Grundmaterial der äußeren Berührungsfläche 1a jedes Kolbenrings 1, sondern ermöglicht die Verbindung der Molybdäntröpfchen miteinander. Jede zugeführte Drahtrolle 4 hat ihre eigene Zuführgeschwindigkeit für ihren entsprechenden Behälter 3, der entsprechend der für die Mischung erforderlichen Konzentration jedes für die Beschichtung verwendeten chemischen Elements erforderlich ist.The stainless steel not only ensures the adhesion of the molybdenum to the base material of the outer contact surface 1 a of each piston ring 1 , but also enables the molybdenum droplets to be connected to one another. Each wire roll 4 supplied has its own feed rate for its corresponding container 3 , which is required according to the concentration of each chemical element used for the coating required for the mixing.

Weiter wird die Rotationsgeschwindigkeit des Trägers 2 proportional zur Rotationsgeschwindigkeit der Rollen 4, die den Draht den Gasbehältern 3 zuführen, gehalten, wobei das Verhältnis durch die Anzahl der Schichten und der Ringbreite jeder metallurgisch an der äußeren Berührungsfläche 1a jedes Kolbenrings 1 haftenden Beschichtung bestimmt wird. Das Verhältnis des Absolutbetrags der Rotationsgeschwindigkeit des Trägers zum Absolutbetrag der Rotationsgeschwindigkeit jeder den Draht zuführenden Rolle 4 kann beispielsweise null sein. Furthermore, the rotational speed of the carrier 2 is kept proportional to the rotational speed of the rollers 4 which feed the wire to the gas containers 3 , the ratio being determined by the number of layers and the ring width of each coating adhering metallurgically to the outer contact surface 1 a of each piston ring 1 . The ratio of the absolute amount of the rotational speed of the carrier to the absolute amount of the rotational speed of each roller 4 feeding the wire may be zero, for example.

Nach der Beendigung des Besprühens der zylindrischen Oberfläche mit der Molybdän/rostfreien Stahllegierung wird jeder Kolbenring 1 auf der äußeren Berührungsfläche 1a bearbeitet, um das Arbeitsprofil zu erhalten.After completion of the spraying of the cylindrical surface with the molybdenum / stainless steel alloy, each piston ring 1 is machined on the outer contact surface 1 a in order to obtain the working profile.

Claims (4)

1. Thermosprühbeschichtungsverfahren für Kolbenringe, wobei mehrere Kolbenringe (1) zuerst an einem Träger (2) gegen relative gegenseitige Verschiebungen so befestigt werden, daß ihre äußeren Berührungsflächen (1a) eine zylindrische Oberfläche bilden, dadurch gekennzeichnet, daß weiter die gesamte Ausdehnung der zylindrischen Oberfläche des Trägers (2) kontinuierlich fortlaufend mittels eines Druckgasstroms mit einer Masse von mittels eines Sauerstoff-Acetylen- Brenners geschmolzener Tröpfchen besprüht wird, die von mindestens einem zugeführten Molybdändraht (4) und von mindestens einem zugeführten Draht (4) eines weicheren metallurgischen Bindematerials stammen, wobei die Masse der Tröpfchen aus 30 bis 60% Molybdän und der Rest aus Bindematerial besteht und der Sprühvorgang zum integralen Beschichten der zylindrischen Oberfläche mit der Masse der Tröpfchen in mindestens einer Schicht durchgeführt wird, und die zylindrische Oberfläche während des Sprühvorgangs einer Drehbewegung um ihre geometrische Achse und gleichzeitig einer Translationsbewegung rundum ihre geometrische Achse zur Erzeugung einer schraubenlinienförmigen Versetzung der Sprühpunkte über die gesamte zylindrische Oberfläche unterworfen wird.1. Thermal spray coating method for piston rings, wherein several piston rings ( 1 ) are first attached to a carrier ( 2 ) against relative mutual displacements so that their outer contact surfaces ( 1 a) form a cylindrical surface, characterized in that further the entire extent of the cylindrical surface of the carrier (2) continuously continuously melted by means of a pressurized gas stream with a mass of using an oxygen-acetylene torch droplet is sprayed, derived from at least one of the molybdenum wire (4) and of at least a supplied wire (4) of a softer metallurgical bonding material , wherein the mass of the droplets consists of 30 to 60% molybdenum and the rest of binding material and the spraying process for integrally coating the cylindrical surface with the mass of the droplets is carried out in at least one layer, and the cylindrical surface during the sp stirring process is subjected to a rotary movement around its geometric axis and at the same time a translational movement around its geometric axis to produce a helical displacement of the spray points over the entire cylindrical surface. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das metallurgische Bindematerial rostfreier Stahl ist.2. The method according to claim 1, characterized in that the metallurgical binding material is stainless steel. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse der Tröpfchen aus im wesentlichen gleichen Teilen Molybdän und rostfreiem Stahl besteht.3. The method according to claim 2, characterized in that the mass of the droplets of essentially equal parts Molybdenum and stainless steel are made. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung der äußeren Berührungsfläche der Kolbenringe (1) eine Enddicke aufweist, die 2 bis 7% der Ringbreite des Rings entspricht.4. The method according to claim 3, characterized in that the coating of the outer contact surface of the piston rings ( 1 ) has an end thickness which corresponds to 2 to 7% of the ring width of the ring.
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