NL9202300A

NL9202300A - METHOD FOR LINING PISTON RINGS BY HEAT SPRAYING

Info

Publication number: NL9202300A
Application number: NL9202300A
Authority: NL
Original assignee: Cofap
Priority date: 1992-01-03
Filing date: 1992-12-31
Publication date: 1993-08-02
Also published as: FR2685923B1; GB9226854D0; MX9207674A; JPH0693409A; ES2053397B1; GB2262945A; BR9200089A; FR2685923A1; DE4244610A1; PT101164A; ES2053397A1

Description

Korte aanduiding: Werkwijze voor het voeren van zuigerringen door spuiten onder warmte.Short designation: Method for feeding piston rings by spraying under heat.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het voeren van zuigerringen door spuiten onder warmte, waarbij gébruik wordt gemaakt van verschillende materialen. Deze werkwijze geeft een verlaging van de kosten voor het aanbrengen van de voering en houdt de gemiddelde eigenschappen van de voering constant.The invention relates to a method of feeding piston rings by heat spraying, in which use is made of different materials. This method reduces the cost of lining application and keeps the average properties of the liner constant.

Een békende werkwijze voor het voeren van zuigerringen door spuiten onder warmte maakt gébruik van draden van 99,9% zuiver molybdeen, welke door respectieve aoetyleen-zuurstofVlamrnsn worden gesmolten. Bij deze werkwijze worden druppels gesmolten molybdeen gespoten tegen de buitenste contactvlakken van de zuigerringen, welke vlakken een temperatuur hebben, die betrekkelijk laag is in vergelijking tot die van de druppels nadat deze de buitenste contactvlakken hébben bereikt. Als transportmiddel wordt daarbij perslucht gébruikt. De binding tussen de druppels en het buitenste contactvlak van een zuigerring wordt langs mechanische weg bewerkstelligd en wel bij het stollen van de druppels op het geribde buitenste contactvlak als gevolg van de hoge spanningsconcentratie tijdens het stollen.A known method of feeding piston rings by heat spraying uses threads of 99.9% pure molybdenum which are melted by respective aetylene-oxygen flame. In this method, drops of molten molybdenum are injected against the outer contact surfaces of the piston rings, which surfaces have a temperature which is relatively low compared to that of the droplets after they have reached the outer contact surfaces. Compressed air is used as a means of transport. The bonding between the droplets and the outer contact surface of a piston ring is effected mechanically when the droplets solidify on the ribbed outer contact surface due to the high stress concentration during solidification.

Af gezien van de hoge kosten van deze werkwijze, waarbij alleen molybdeen wordt gébruikt, blijkt de uiteindelijke voeringlaag betrekkelijk zwak te zijn als gevolg van de omstandigheid, dat de verbinding tussen opeenvolgende voeringlagen plaatsvindt in oxyde-rijke overgangsgebieden. Hierdoor treden gemakkelijk scheuren in de voering cp en breken daarvan gemakkelijk spanen af, wanneer de zuigerring aan mechanische spanningen wordt onderworpen. De samenhang van de voering bij molybdeen wordt aangetast door de hoge bedrij fstemperaturen van de zich dicht bij de verbrandingskamer bevindende zuigerring en wel in hoofdzaak door het aanzienlijke verschil in warmte-uitzettingscoëffi-ciënt tussen molybdeen en het basismetaal in de ij zerlegering, welk verschil verantwoordelijk is voor de reeds genoemde scheurvorming onder belasting.In addition to the high cost of this process using only molybdenum, the final liner layer appears to be relatively weak due to the fact that the connection between successive liner layers occurs in oxide rich transition regions. As a result, cracks easily occur in the liner cp and chips are easily broken off when the piston ring is subjected to mechanical stresses. The cohesion of the molybdenum liner is affected by the high operating temperatures of the piston ring located close to the combustion chamber, mainly by the significant difference in coefficient of thermal expansion between molybdenum and the base metal in the iron alloy, which difference is responsible is for the aforementioned cracking under load.

Voorts is deze met draden werkende werkwijze minder goed bruikbaar bij een combinatie van verschillende materialen.Furthermore, this wire working method is less useful in a combination of different materials.

Bij een andere békende werkwijze wordt materiaal in poedervorm verspoten. Deze werkwijze maakt een combinatie van materialen mogelijk, doch is zeer kostbaar, en wel in hoofdzaak in geval van het spuiten door middel van een plasmaboog.In another known method, material is sprayed in powder form. This method allows a combination of materials, but is very expensive, mainly in the case of spraying by means of a plasma arc.

De uitvinding beoogt daarom een goedkope werkwijze voor het aanbrengen van een voering op zuigerringen door spuiten onder warmte te verschaffen, waarbij een voering wordt verkregen, die bestand is tegen scheurvorming en afbreken van stukjes, wanneer deze aan hoge mechanische spanningen wordt onderworpen.It is therefore an object of the invention to provide an inexpensive method of applying a liner to piston rings by heat spraying, thereby obtaining a liner which is resistant to cracking and debris when subjected to high mechanical stresses.

Een ander oogmerk van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een werkwijze voor het aanbrengen van een voering op zuigerringen door spuiten onder warmte, welke een grotere flexibiliteit verschaft bij het werken met een combinatie van verschillende materialen en daardoor de mogelijkheid biedt tot het verwezenlijken van verschillende eigenschappen.Another object of the present invention is to provide a method of applying a liner to piston rings by heat spraying, which provides greater flexibility when working with a combination of different materials and thereby allows the realization of different characteristics.

De uitvinding verschaft daartoe een werkwijze voor het aanbrengen van een voering op een zuigerring door verspuiten onder warmte, waarbij eerst een reeks zuigerveren onderling vast op een steunorgaan wordt cpgespannen, zodanig dat de buitenste contactvlakken ervan tezamen een cilindrisch oppervlak begrenzen, en waarbij vervolgens tenminste één molybdeendraad en tenminste één draad van een zachter metallurgisch bindmateriaal door een acetyleen-zuurstofvlam worden gesmolten tot een massa druppels, die ongeveer 30-60% molybdeen bevat en voor de rest uit bindmateriaal bestaat, welke druppelmassa progressief en continu door middel van een gasstrocm onder druk over het gehele cilindrische oppervlak van het steunorgaan wordt gespoten, een en ander zodanig dat het cilindrische oppervlak integraal met de druppelmassa wordt gevoerd in tenminste één laag, terwijl het cilindrische oppervlak tijdens het spuiten wordt onderworpen aan een draaibeweging rond zijn geometrische as, tegelijk met een translatie-beweging rond deze geometrische as, waarbij schroeflijnvormige, het gehele cilindrische oppervlak bestrijkende spuitbanen worden beschreven.To this end, the invention provides a method for applying a liner to a piston ring by heat spraying, in which a series of piston rings are first clamped together on a support member, such that the outer contact surfaces thereof together define a cylindrical surface, and wherein at least one molybdenum wire and at least one wire of a softer metallurgical bonding material through an acetylene oxygen flame are melted into a mass of droplets containing about 30-60% molybdenum and the remainder being bonding material, the droplet mass being progressively and continuously by means of a gas stream under pressure is sprayed over the entire cylindrical surface of the support member, such that the cylindrical surface is fed integrally with the dripping mass in at least one layer, while the cylindrical surface is subjected to a rotational movement around its geometric axis at the same time as ee n translation movement about this geometric axis, describing helical spray paths covering the entire cylindrical surface.

De uitvinding wordt hieronder aan de hand van de tekening nader toegelicht.The invention is explained in more detail below with reference to the drawing.

Fig. 1 is een langsdoorsnede door een gedeelte van een in een cilinder werkzame, van zuigerringen voorziene zuiger, waarbij de druk van de aanwezige gassen met een pijl zijn aangegeven; en toont voorts een doorsnede op grotere schaal door een detail betreffende een der zuigerringen, waarvan met name de voering op het buitenste contactoppervlak is te zien; fig. 2 toont cp schematische wijze het volgens de uitvinding bespuiten van de zuigerringen onder toepassing van voedingsdraden en fig. 3 toont een doorsnede op grotere schaal door een gedeelte van een zuigerring, waarvan het buitenste contactoppervlak van een voering is voorzien.Fig. 1 is a longitudinal sectional view through a portion of a piston ring-type piston acting in a cylinder, the pressures of the gases present being indicated by an arrow; and furthermore shows a cross-section on a larger scale through a detail concerning one of the piston rings, the lining of which in particular can be seen on the outer contact surface; Fig. 2 schematically shows the spraying of the piston rings according to the invention using supply wires, and Fig. 3 shows an enlarged cross-section through a part of a piston ring, the outer contact surface of which is provided with a lining.

In fig. 1 is met 1 een drietal zuigerringen aangegeven, die gemonteerd zijn op een heen en weer gaande zuiger P en die tijdens het verbrandingsproces dicht aanliggen tegen de binnenwand van een cilinder C. Elke zuigerring 1 heeft een buitenste contactvlak la, dat voorzien is van een niet aarihechtende anti-slijtvoering, die de zuigerringen 1 beschermen, wanneer deze tijdens de verbrandingsfase aan een hoge druk en temperatuur worden onderworpen.In Fig. 1, 1 denotes three piston rings, which are mounted on a reciprocating piston P and which lie close to the inner wall of a cylinder C during the combustion process. Each piston ring 1 has an outer contact surface 1a, which is provided of a non-adherent anti-wear liner which protect the piston rings 1 when they are subjected to a high pressure and temperature during the combustion phase.

Volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding wordt het buitenste contactvlak la van elke zuigerring 1 eerst door middel van een machinale bewerking, voorzien van een ringvormige groef in het midden van het buitenamtréksvlak van de zuigerring, welke groef in een later stadium met het voeringmateriaal wordt gevuld totdat de diameter van het buitenste contactvlak la van de zuigerring 1 weer is hersteld.According to an embodiment of the invention, the outer contact surface 1a of each piston ring 1 is first machined, provided with an annular groove in the center of the outer contact face of the piston ring, which groove is filled with the liner material at a later stage until the diameter of the outer contact surface 1a of the piston ring 1 has been restored.

Volgens een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding wordt de voeringlaag aan de buitenzijde van het buitenste contactvlak la aangebracht en wordt dus de diameter ter plaatse van deze voering vergroot, en wel totdat een voeringlaag is verkregen met een zodanige ring-breedte, dat na het uitvoeren van een eindbewerking een voeringdikte van 2-7% van de basisbreedte van de zuigerring is verkregen.According to another embodiment of the invention, the lining layer is applied to the outside of the outer contact surface 1a, and thus the diameter at the location of this lining is increased, namely until a lining layer with such a ring width is obtained that after carrying out in a final operation, a liner thickness of 2-7% of the base width of the piston ring is obtained.

Op een steunorgaan 2 (zie fig. 2) zijn - in de lengterichting daarvan naast elkaar - een aantal zuigerringen 1 met behulp van vast-houdorganen zoals bouten en moeren opgespannen. De zuigerringen zijn daarbij zo opgespannen, dat zij geen onderlinge verplaatsingen kunnen uitvoeren, terwijl zij gezamenlijk een cilinderoppervlak vormen, dat een draaibeweging rond een door het midden van het stel ringen gaande, met de geometrische as van het steunorgaan 2 samenvallende as uitvoert alsook een translatiebeweging in de richting van die geometrische as.A number of piston rings 1 are clamped on a support member 2 (see Fig. 2), in the longitudinal direction thereof, by means of retaining members such as bolts and nuts. The piston rings are thereby clamped in such a way that they cannot perform mutual displacements, while they jointly form a cylinder surface, which performs a rotational movement around an axis passing through the center of the set of rings, coincident with the geometric axis of the support member 2 and a translational movement. in the direction of that geometric axis.

Op een zékere afstand van het steunorgaan 2 bevinden zich twee gas-uitstroommordstukken 3, die tegelijkertijd via hun respectieve inlaatcpeningen a, b met zuurstof en acetyleen worden gevoed ter vorming van een vlam die de bij het onderhavige spuitproces gébruikte chemische elementen kan doen smelten. De gas-uitstrocmmondstufcken 3 zijn elk voorzien van een gasregeling door variatie van de percentages zuurstof en acetyleen in de vlam. Naast de gassen, die aan de mondstukken 3 worden toegevoerd ter vorming van de hierboven genoemde smeltvlam, ontvangt elk mondstuk 3 via een derde en vierde inlaat c respectievelijk d de te smelten en in de voering van de zuigerringen 1 te gébruiken chemische elementen, alsmede een hoeveelheid perslucht, die de druppels van elk gesmolten chemisch element via een uitlaat "s” van elk mondstuk 3 naar het buitenste cantactvlak van het cilindrische oppervlak van het steunorgaan 2 leidt.At a certain distance from the support member 2 are two gas effluent nozzles 3 which are simultaneously fed via their respective inlet openings a, b with oxygen and acetylene to form a flame which can melt the chemical elements used in the present spraying process. The gas discharge nozzles 3 each have a gas control by varying the percentages of oxygen and acetylene in the flame. In addition to the gases supplied to the nozzles 3 to form the above-mentioned melting flame, each nozzle 3 receives through a third and fourth inlet c and d the chemical elements to be melted and to be used in the lining of the piston rings 1, as well as a amount of compressed air which directs the droplets of each molten chemical element through an outlet "s" from each nozzle 3 to the outer contact surface of the cylindrical surface of the support member 2.

In een voorkeursuitvoering van de uitvinding wordt de voering verkregen door het gelijktijdig onder warmte verspuiten van twee chemische elementen, die verschillend zijn doch dezelfde concentratie hébben en die aan de mondstukken 3 worden toegevoerd, en daardoor heen worden geleid in de vorm van van rollen 4 kanende draden.In a preferred embodiment of the invention, the liner is obtained by simultaneously spraying two chemical elements which are different but have the same concentration under heat and which are fed to the nozzles 3 and are passed through them in the form of rollers 4 able wires.

In de beschreven voorkeursuitvoering bestaat een der in de voering gébruikte elementen uit 99,9% zuiver molybdeen, dat verantwoordelijk is voor de anti-slijt- en anti-hechteigenschappen van de voering. Het andere element wordt gevormd door roestvrij staal. Dit element, dat een kleinere hardheid heeft in vergelijking tot molybdeen, is verantwoordelijk voor de metallurgische hechting van molybdeen aan het buitenste contactvlak la van de zuigerringen 1 en voor de cohesie tussen de verscheidene opeenvolgende voeringlagen. Voor elke gébruikte voedingsdraad heeft de acetyleen-zuurstofvlam een specifieke instelling, welke wordt verkregen door een adequate verhouding tussen de hoeveelheden zuurstof en acetyleen, welke wordt bepaald door het smeltpunt van elk element in de samenstelling van de voedingsdraden.In the described preferred embodiment, one of the elements used in the liner consists of 99.9% pure molybdenum, which is responsible for the anti-wear and anti-adhesion properties of the liner. The other element is made of stainless steel. This element, which has a lower hardness compared to molybdenum, is responsible for the metallurgical adhesion of molybdenum to the outer contact surface 1a of the piston rings 1 and for the cohesion between the various successive lining layers. For each lead wire used, the acetylene oxygen flame has a specific setting obtained by an adequate ratio of the amounts of oxygen to acetylene determined by the melting point of each element in the lead wire composition.

Roestvrij staal, dat een lager smeltpunt heeft, leidt tot een betere metallurgische hechting, waardoor de weerstand tegen scheuren in de voering onder mechanische belasting wordt verhoogd, alsook de verbinding met het basismetaal van de zuigerring 1 wordt verbeterd en de cohesie tussen de verspoten deeltjes wordt vergroot. De hechting van de voering aan het basismetaal is in hoofdzaak metallurgisch van aard. Bij deze hechting zal het in druppelvorm op het buitenste contactvlak van de zuigerringen gespoten molybdeen bij contact met dit oppervlak gaan stollen en vindt aldus een verankering plaats met het van tevoren bewerkstelligde geribde oppervlak van het basismetaal.Stainless steel, which has a lower melting point, leads to better metallurgical bonding, increasing the resistance to tearing in the liner under mechanical stress, improving the connection to the base metal of the piston ring 1 and improving the cohesion between the sprayed particles increases. The adhesion of the liner to the base metal is mainly metallurgical in nature. With this bonding, the molybdenum sprayed in droplet form onto the outer contact surface of the piston rings will solidify on contact with this surface and thus anchoring takes place with the previously effected ribbed surface of the base metal.

Volgens de onderhavige uitvirding wordt de voering verkregen onder toepassing van een legering van molybdeen en roestvrij staal, waarbij een verbeterde hechting van het molybdeen aan het buitenste contactvlak la van de zuigerringen wordt verkregen en daarmede de weerstand tegen scheuren en breuk onder de hoge tenperaturen, waaraan de zuigerringen 1 in de dichte nabijheid van de verbrandingskamer worden blootgesteld, wordt gegarandeerd.According to the present invention, the liner is obtained using an alloy of molybdenum and stainless steel, whereby an improved adhesion of the molybdenum to the outer contact surface 1a of the piston rings and thereby the resistance to tearing and breakage under the high temperatures at which the piston rings 1 are exposed in close proximity to the combustion chamber is guaranteed.

Het spuiten vindt zonder onderbreking plaats in een vooraf bepaald aantal bewegingscycli van het steunorgaan 2, totdat het buitenste contactvlak la van elke zuigerring 1 qp het steunorgaan 2 een homogene en continue voering van molybdeery'roestvrij staal van de hiervoor beschreven ringbreedte heeft verkregen.The spraying takes place without interruption in a predetermined number of cycles of movement of the support member 2 until the outer contact surface 1a of each piston ring 1 on the support member 2 has obtained a homogeneous and continuous lining of molybdenum stainless steel of the previously described ring width.

Overeenkomstig de onderhavige oplossing wordt de voering verkregen door het tegelijkertijd verspuiten van molybdeen en roestvrij-staal, qp plaatsen die in de lengterichting over de gehele lengte van het steunorgaan 2 uiteenliggen zodanig, dat over het cilinderoppervlak van het steunorgaan 2 als gevolg van de draaibewegingen en translatie-bewegingen van het steunorgaan 2 ten opzichte van de uitstrocaranand-stukken 3 schroeflij nvormige banen door het verspuiten van de gesmolten druppels worden beschreven.According to the present solution, the liner is obtained by simultaneously spraying molybdenum and stainless steel, places spaced longitudinally along the entire length of the support member 2 such that over the cylinder surface of the support member 2 due to the rotational movements and translational movements of the support member 2 with respect to the spreader ribs 3 helical webs by spraying the molten droplets are described.

Roestvrij staal garandeert niet alleen de hechting van molybdeen aan het basismetaal van het buitenste contactvlak la van elke zuigerring 1, doch bevordert ook de onderlinge hechting van de molybdeen-druppels.Stainless steel not only guarantees the adhesion of molybdenum to the base metal of the outer contact surface 1a of each piston ring 1, but also promotes the mutual adhesion of the molybdenum drops.

Elke draadrol 4 heeft zijn eigen voedingssnelheid bij het betreffende uitstroommondstuk 3, welke snelheid wordt bepaald overeenkomstig de concentratie, die voor elk in de voering gébruikt element vereist is.Each thread roll 4 has its own feed rate at the respective outflow nozzle 3, which speed is determined according to the concentration required for each element used in the liner.

De rotatiesnelheid van het steunorgaan 2 wordt voorts proportioneel gehouden ten opzichte van de voedingssnelheid van de de gas-uitstrocmmondstukken 3 voedende draadrollen 4, welke bepaald wordt naar het aantal lagen en de ringdikte van elke langs metallurgische weg op het buitenste contactvlak la van élke zuigerring 1 hechtende voeringlaag. De draaisnelheid van het steunorgaan 2 ten opzichte van de draaisnelheid van elke draadrol 4 kan bijvoorbeeld nul zijn.The rotational speed of the support member 2 is furthermore kept proportional to the feed speed of the wire rolls 4 feeding the gas-discharge nozzles 3, which is determined according to the number of layers and the ring thickness of each metallurgical path on the outer contact surface 1a of each piston ring 1 adhesive lining layer. For example, the rotational speed of the support member 2 relative to the rotational speed of each wire roll 4 can be zero.

Na beëindigen van het spuiten van de molybdeen/roestvrij -staallegering op het cilindrische oppervlak wordt elke zuigerring 1 aan zijn buitenste contactvlak la machinaal bewerkt cm het loopvlak ervan de gewenste afwerking te geven.After the spraying of the molybdenum / stainless steel alloy onto the cylindrical surface, each piston ring 1 is machined on its outer contact surface 1a to give its tread the desired finish.

Claims

A method of applying a liner to a piston ring by heat spraying, firstly clamping a series of piston rings together on a support member such that their outer contact surfaces together define a cylindrical surface, characterized in that at least one molybdenum wire and at least one wire of a softer metallurgical bonding material is melted through an acetylene oxygen flame into a mass of droplets containing about 30-60% molybdenum and the remainder being bonding material, said droplet mass progressively and continuously by means of a gas stream under pressure is sprayed over the entire cylindrical surface of the support member, such that the cylindrical surface is fed integrally with the dripping mass in at least one layer, while the cylindrical surface is subjected to a rotational movement around its geometric axis, simultaneously with a translation movement around this g eometric axis, in which helical spray paths covering the entire cylindrical surface are described.

Method according to claim 1, characterized in that the metallurgical bonding material is stainless steel.

Process according to claim 1, characterized in that the mass of drops consists of equal amounts of molybdenum and stainless steel.

Method according to claim 3, characterized in that the lining of the outer contact surface of the piston rings has a final thickness which is 2-7% of the ring width.