NL7807697A

NL7807697A - Reducing wear on piston ring grooves - by coating with a corrosion resistant metal or alloy other than pure chromium

Info

Publication number: NL7807697A
Application number: NL7807697A
Authority: NL
Original assignee: Horst Europ Bv V D
Priority date: 1978-07-18
Filing date: 1978-07-18
Publication date: 1980-01-22

Abstract

The wear resistance of piston rings in i.c. engines is improved by coating the piston ring grooves (or at least the flanges of these) with a metal which improves the corrosion resistance of the grooves, with the proviso that pure Cr or almost pure Cr is not used. Pref. corrosion-resistant coatings are Ni, Co Ni/Fe, Ni/Co, Ni/Fe/Co, Co/W/Mo, Sn/Ni, Cr/W, CR/Mo or Cr/W/Mo. The coating may contain hard particles e.g. of a carbide, oxide or nitride (esp. SiC) or of diamond. The coatings may also be given self-lubricating properties, e.g. by incorporating graphite, MoS2, BaSO4 or PTFE. The corrosion resistant metal coatings give a considerable improvement in wear resistance of the piston ring grooves, with a consequent decrease in the incidence of piston ring breakage and engine siezure.

Description

VV

vo 4706reg 4706

Van der Horst Europe B.V.Van der Horst Europe B.V.

ZWOLLEZWOLLE

Werkwijze voor het vervaardigen en verbeteren van de slijtbestendigheid van zuigerveerspanningen voor motoren.Method of Manufacturing and Improving the Wear Resistance of Piston Ring Tensions for Engines

* De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het verbeteren van de slijtbestendigheid van zuigerveerspanningen van zuigers voor motoren, waarbij men het oppervlak van zuigerveergroeven met een metaal beklbedt.The invention relates to a method for improving the wear resistance of piston ring stresses of engine pistons, wherein the surface of piston ring grooves is coated with a metal.

5 Bij zuigers voor motoren, waarbij het kan gaan om zuigers voor zo wel snel als langzaam lopende viertakt- en tweetakt-motoren, bestaat het algemeen bekende probleem van de slijtage van de flanken van de zuigerveergroeven. Hierdoor ontstaat het gevaar, dat de zuigerveren breken en de motor vastloopt.Pistons for engines, which may be pistons for as fast as slow-running four-stroke and two-stroke engines, have the well-known problem of piston ring flank wear. This creates the danger of the piston rings breaking and the engine jamming.

10 Het is bekend, dat men op verschillende panieren heeft geprobeerd om dit probleem zoveel mogelijk op te heffen. Volgens de bekende werkwijze worden de zuigerveergroeven bekleed met een laag chroom en vojgpns een andere bekende werkwij ze worden de flanken van de zuigerveergroeven gevlamhard.It is known that attempts have been made on various panels to overcome this problem as much as possible. According to the known method, the piston ring grooves are coated with a layer of chromium and then another known method, the flanks of the piston ring grooves are flame-hardened.

15 De bekende werkwijzen hebben gemeen, dat men de verbetering van de weerstand van de zuigerveergroeven tegen slijtage tracht te realiseren door het oppervlak van de groeven zo hard mogelijk te maken.The known methods have in common that attempts are made to improve the resistance of the piston ring grooves to wear by making the surface of the grooves as hard as possible.

Dit blijkt bijvoorbeeld uit de volgende literatuurplaatsen: - Mittelschnellaufende Viertakt-Dieselmotoren, Entwicklungs- 20 perspektieven, Dr. Ing. H.R. Lembcke, MAK, blz. 19, - MAN Zweitakt-Dieselmotor K 86/l6 OE, Technische Information,blz.3, - B & W's K-SF Series, Shipbuilding & Marine Engineering International, mei 1975, blz. 287, en - Sulzer Technical Information nr. 760-335^-E, blz. 86-87.This is evident, for example, from the following references: - Medium-speed 4-stroke diesel engines, Entwicklungs- 20 perspectives, Dr. Ing. H.R. Lembcke, MAK, p. 19, - MAN Zweitakt Diesel Engine K 86 / l6 OE, Technical Information, p. 3, - B & W's K-SF Series, Shipbuilding & Marine Engineering International, May 1975, p. 287, - Sulzer Technical Information No. 760-335 ^ -E, pp. 86-87.

25 Volgens de uitvinding heeft men nu gebroken met de algemeen gehuldigde opvatting van de deskundigen, dat de slijtage van de zuigerveergroeven in hoofdzaak dient te worden tegengegaan door 1 780 76 97 *' 2 / het oppervlak van de groeven zo hard mogelijk te maken. Men heeft namelijk gevonden, dat een aanzienlijke verbetering van de weerstand tegen slijtage van de zuigerveergroeven kan worden bereikt, wanneer men de groeven bekleedt met een metaal of een metaal-5 legering, die een verbetering van de corrosiebestendigheid van het oppervlak van de groeven bewerken, terwijl een dergelijke bekleding veelal ten koste gaat van de hardheid van het betreffende oppervlak.According to the invention it has now been broken with the generally accepted view of the experts that the wear of the piston ring grooves should be substantially prevented by making the surface of the grooves as hard as possible. Namely, it has been found that a substantial improvement in wear resistance of the piston ring grooves can be achieved when the grooves are coated with a metal or a metal alloy which performs an improvement in the corrosion resistance of the surface of the grooves, while such a coating is often at the expense of the hardness of the surface concerned.

De in de aanhef van de beschrijving aangegeven werkwijze 10 wordt derhalve volgens de uitvinding gekenmerkt, doordat men het oppervlak van de zuigerveergroeven bekleedt met een metaal of een . metaallegering, die een wezenlijke verbetering van de weerstand van het oppervlak van de groeven tegen corrosie bewerkt, met dien verstande, dat de bekleding met zuiver of nagenoeg zuiver chroom wordt 15 uitgesloten.The method 10 indicated in the preamble of the description is therefore characterized according to the invention in that the surface of the piston ring grooves is coated with a metal or a. metal alloy, which produces a substantial improvement in the surface resistance of the grooves to corrosion, it being understood that the coating with pure or substantially pure chrome is excluded.

Opgemerkt wordt, dat de bekleding met zuiver of nagenoeg zuiver chroom is uitgesloten, omdat enerzijds de bekleding met chroom met het doel de hardheid van het oppervlak te vergroten bekend is en anderzijds chroom de eigenschap heeft, dat het in 20 zekere mate corrosiebestendig is. Voor het verkrijgen van de verbetering, die volgens de uitvinding kan worden bereikt, is de corrosiebestendigheid van chroom echter volstrekt onvoldoende.It should be noted that the coating with pure or substantially pure chrome is excluded, because on the one hand the coating with chrome for the purpose of increasing the hardness of the surface is known and on the other hand chrome has the property that it is to some extent corrosion resistant. However, in order to obtain the improvement which can be achieved according to the invention, the corrosion resistance of chromium is completely insufficient.

De metalen of metaallegeringen, die volgens de uitvinding kunnen worden toegepast en een wezenlijke verbetering van de corrosie-25 bestendigheid van het oppervlak van de zuigerveergroeven bewerken, kunnen bijvoorbeeld Ki, Co, Ki-Fe, Ni-Co, Ki-Fe-Co, Co-W-Mo,The metals or metal alloys which can be used according to the invention and which effect a substantial improvement in the corrosion resistance of the surface of the piston ring grooves, can for instance include Ki, Co, Ki-Fe, Ni-Co, Ki-Fe-Co, Co-W-Mo,

Sn-Ki, Cr-W, Cr-Mo en Cr-V-Mo zijn.Sn-Ki, Cr-W, Cr-Mo and Cr-V-Mo are.

Het wordt bijzonder verrassend geacht, dat juist met Ki of Ni-legeringen bijzonder goede resultaten worden verkregen, omdat 30 het algemeen bekend is, dat Ki een betrekkelijk slechte weerstand tegen slijtage bezit.It is considered particularly surprising that particularly good results are obtained with Ki or Ni alloys, because it is well known that Ki has a relatively poor wear resistance.

Het bekleden van de zuigerveergroeven met de onderhavige metalen of metaallegeringen kan op een gebruikelijke wijze worden uitgevoerd. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk om de bekleding van de 35 groeven uit te voeren met behulp van een bekledingsbad, waarbij zo wel onder toepassing van een stroom als stroomloos kan worden gewerkt.Coating the piston ring grooves with the subject metals or metal alloys can be performed in a conventional manner. For example, it is possible to perform the coating of the grooves with the aid of a coating bath, in which case it is possible to operate without current using a current.

0 j* 780 76 97 ""I......0 y * 780 76 97 "" I ......

VV

. . \ 3. . \ 3

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de onderhavige werkwijze worden in de metaalbekledingen harde deeltjes ingebouwd, bijvoorbeeld deeltjes van metaalcarbiden, zoals SiC, ZrC en B^C, van metaaloxyden, zoals AlgO^ en SiOg, van metaalnitriden, zoals 5 boornitride, en ook van diamant. Hierdoor kan het bereikte voor deel met betrekking tot de corrosiebestendigheid gecombineerd worden met een bevredigende hardheid van de bekledingslaag, hetgeen vooral bij de toepassing van nikkel het geval is.According to a preferred embodiment of the present method, hard particles are incorporated in the metal coatings, for example particles of metal carbides, such as SiC, ZrC and B ^ C, of metal oxides, such as AlgO2 and SiO8, of metal nitrides, such as boron nitride, and also of diamond. As a result, the achieved corrosion resistance advantage can be combined with a satisfactory hardness of the coating, which is especially the case with the use of nickel.

Volgens een andere uitvoeringsvorm worden in de bekledings-10 laag deeltjes ingebouwd, die de metaalbekleding zelf-smerende eigenschappen geven, bijvoorbeeld deeltjes van grafiet, MoSg,According to another embodiment, particles are incorporated in the coating layer which give the metal coating self-lubricating properties, for example particles of graphite, MoSg,

BaSO. of van een kunststof, zoals Teflon. Hierdoor kan de slij-tage van de flanken van de zuigerveergroeven tot een minimum worden beperkt.BaSO. or of a plastic, such as Teflon. As a result, the wear of the flanks of the piston ring grooves can be minimized.

15 Bij een bekleding langs elektrolytiscfae weg wordt de metaal- laag op een gebruikelijke wijze uit een oplossing van het betreffende metaal of de metalen in water of uit een smelt van een zout van het betreffende metaal neergeslagen. Hierbij wordt gewoonlijk gebruik gemaakt van een onoplosbare anode, maar ook een oplos- - 20 bare anode kan worden toegepast. De zuiger zal in het circuit op een gebruikelijke wijze als kathode worden geschakeld, waarbij de zuigeropstelling zowel stilstaand als roterend kan worden uitgevoerd. Ook de stroomvoorziening vindt op een gebruikelijke wijze . plaats, bijvoorbeeld met behulp van een gelijkrichter.In an electrolytic coating, the metal layer is precipitated in a conventional manner from a solution of the metal or metals in water or from a melt of a salt of the metal in question. This usually uses an insoluble anode, but a soluble anode can also be used. The piston will be switched in the circuit as a cathode in a usual manner, whereby the piston arrangement can be carried out both stationary and rotating. The power supply also takes place in a usual manner. place, for example using a rectifier.

25 Wanneer men harde deeltjes wenst in te bouwen, dan be vinden deze deeltjes zich in de vorm van een suspensie in de waterige oplossing of een smelt, waarbij de suspensie in stand kan worden gehouden door middel van een roerder of door het doorleiden van een gas, zoals lucht.When one wishes to build in hard particles, these particles are in the form of a suspension in the aqueous solution or a melt, the suspension being maintained by means of a stirrer or by passage of a gas like air.

30 Bij het stroomloos neerslaan van metaallagen, al dan niet met inbouw van harde deeltjes, worden de metaalatomen door reductie in het bad zelf vanuit hun ionen gevormd en op het te bekleden oppervlak neergeslagen. Vooral bij deze methode zal door een geschikte bedekking van alle delen van de zuiger behalve de zuiger-35 veergroeven moeten worden voorkomen, dat het metaal niet op on gewenste plaatsen neerslaat.When electrolessly depositing metal layers, with or without the incorporation of hard particles, the metal atoms are formed from their ions by reduction in the bath itself and deposited on the surface to be coated. Particularly in this method, suitable covering of all parts of the piston except the piston spring grooves should prevent the metal from depositing in undesirable places.

T 7807697T 7807697

JJ

uyou

De metaalbekleding wordt in de groeven aangebracht in een dikte, die voldoende is om de corrosie doelmatig te verhinderen. De dikte hangt onder meer af van de afmetingen van de groeven, de toe te passen brandstof en de aard van het bekledingsmetaal en bedraagt gewoonlijk 5 0,01 - 5 mm en bij voorkeur 0,20 - 0,50 mm.The metal coating is applied in the grooves in a thickness sufficient to effectively prevent corrosion. The thickness depends, inter alia, on the dimensions of the grooves, the fuel to be used and the nature of the coating metal and is usually 0.01 - 5 mm and preferably 0.20 - 0.50 mm.

Ten opzichte van de bekende werkwijze, waarbij men de zuiger-veergroeven bekleedt met chroom, heeft de onderhavige werkwijze naast het voordeel van een aanzienlijk verminderde slijtage, nog het voordeel, dat, in het bijzonder bij de toepassing van nikkel, bekledingen 10 met een sterk uniforme laagdikte kunnen worden verkregen. Bij de bekende bekleding met chroom, ttad namelijk het verschijnsel op van een afname van de laagdikte van de bekleding in de groeven, en wel van voren naar achteren. Hierdoor was het noodzakelijk om met een overmaat van het bekledingsmetaal te werken. Een dergelijke overmaat is nu bij de onder-15 havige werkwijze overbodig.Compared to the known method in which the piston-spring grooves are coated with chromium, the present method has, in addition to the advantage of a considerably reduced wear, also the advantage that, in particular when using nickel, coatings 10 with a strong uniform layer thickness can be obtained. Namely, in the known chrome coating, the phenomenon of a decrease in the thickness of the coating in the grooves decreases from front to back. This made it necessary to work with an excess of the cladding metal. Such an excess is now superfluous in the present method.

De uitvinding wordt aan de hand van de voorbeelden nader toegelicht.The invention is further illustrated by the examples.

VoorbeeldExample

De flanken van zuigerveersponningen van een dieselmotorzuiger 20 werden op een gebruikelijke wijze bekleed met een laag Ni-SiC van 0,3 mm.Piston ring rebate flanks of a diesel engine piston 20 were coated in a conventional manner with a 0.3 mm Ni-SiC layer.

Na een langdurige beproeving werd vastgesteld, dat, in vergelijking met een analoge bekleding van de sponningen met chroom, een sterk verminderde slijtage was opgetreden.After a lengthy test, it was found that, compared to an analogous coating of the rebates with chromium, a much reduced wear had occurred.

q \ 730 76 9 7q \ 730 76 9 7

Claims

Method for improving the abrasion resistance of piston ring stresses of pistons for engines, wherein the surface of piston ring grooves is coated with a metal, characterized in that the surface of the piston ring grooves, at least the 5 sides thereof, is coated with a metal or a metal alloy which produces a substantial improvement in the surface resistance of the grooves to corrosion, it being understood that the coating with pure or substantially pure chrome is excluded.

2. Process according to claim 1, characterized in that it is coated with nickel, cobalt, nickel-iron, nickel-cobalt, nickel-iron-cobalt, cobalt-tungsten-molybdenum, tin-nickel, chromium-wolfame, chromium-molybdenum or chrome wolf fame molybdenum.

3. Process according to claims 1-2, characterized in that hard particles are added in the coating layer.

Process according to Claim 3, characterized in that particles of a carbide, oxide or nitride, or diamond particles are included.

5. Process according to claims 1-4, characterized in that particles are incorporated in the coating layer, which give the coating layer self-lubricating properties.

6. Process according to claim 5, characterized in that particles of graphite, MOS2, BaSO4 or Teflon are used.

7. Process according to claims 1-6, characterized in that nickel is used as metal and silicon carbides are used as hard particles.

Pistons for engines, provided with piston ring pressures, obtained using the method according to claims 1-7. c 5 7807697 \ s \