NO322968B1 - Sylinderelement, sa som en sylinderfôring, et stempel, et stempelskjort eller en stempelring i en forbrenningsmotor av dieseltypen, samt stempelring for en slik motor - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et sylinderelement, så som en sylinderforing, et stempel, et stempelskjørt eller en stempelring for bruk i en forbrenningsmotor av dieseltypen, spesielt en to-takts krysshodemotor med et maksimum forbrenningstrykk som ved full belastning overskrider 100 bar, og hvor stempelet er utstyrt med flere stempelringer og beveges med en vekselvirkende bevegelse i en sylinderfåring med et slag på minst 600 mm, der stempelringene har en ytre diameter på minst 150 mm når de er montert i ringformede spor med en høyde i aksiell retning som overskrider høyden på ringene, idet hver stempelring har en radial ytre overflate som glir langs fåringens indre overflate, idet sylinderelementet er påført minst ett termisk påsprøytet lag på i det minste deler av sylinderelementets side.

To-takts krysshodemotorer av dieseltypen blir idag konstru-ert for drift ved svært høye maksimum forbrenningstrykk, noe som fremkaller svært høye belastninger på sylinderelementene, delvis fordi differensialtrykkene over ringene nødvendigvis blir høye når ringene skal hindre trykket i forbrenningskammeret fra å spre seg til undersiden av stempelet, delvis fordi det høye trykket som dannes av forbren-ningen blir fulgt av svært høye temperaturer som har nega-tiv effekt på den friksjonsmessige situasjon, slik at sylinderelementene som glir langsmed hverandre lettere blir utsatt for rivninger som kan skade spesielt stempelringene og foringen. For å tette mot de høye trykkene, må stempelringenes anleggstrykk mot fåringens indre overflate være høyt. Dette fører til at stempelringene har en større ten-dens til å trenge igjennom den smørende oljehinnen og til steder hvor de kan gå tørre mot foringens indre overflate. Søkers publikasjon nr. W095/21994 beskriver en sylinderfåring som har en indre overflate utstyrt med flere lag som har forskjellige egenskaper, dvs. et hardt slitelag innerst, et middels hardt mellomlag, og et mykere innkjø-ringslag av et annet materiale enn de hardere lagene.

Når det gjelder materialer som kan brukes, er det for det innerste lag foreslått en relativt myk, metallisk matrise bestående av krom, nikkel og molybden med innstøpte harde partikler i form av karbider, oksider eller nitrider. Til mellomlaget er det foreslått en blanding av molybden og pre-oksydert molybden, og til innkjøringslaget er det foreslått metallbelagte grafittkuler, som valgfritt kan blandes med et mykt materiale, så som sølv. Bruken av forskjellige materialer til de ytterste lagene på sylinderelementet kan gjøre det vanskelig å oppnå en tilstrekkelig god vedhefting av laget til det underliggende materialet. Det laget som først sprøytes på må hefte seg fast til sylinderelementets basismateriale, som vanligvis er støpejern, støpestål eller stål, og det påfølgende lag eller de påfølgende lag må hefte seg fast til det underliggende lag, som kan ha egenskaper som avviker svært mye fra egenskapene til det påfølgen-de lag. Dessuten er det en ulempe at materialene som brukes til de ytterste lagene er ganske kostbare.

US patent nr. 5 080 056 beskriver en fire-taktsmotor med en sylinderblokk som er laget av en 319 aluminiumslegering, og som har flere boringer som utgjør motorens sylindre. De indre sylinderoverflater er påført et hardt slitelag bestående av en Al-bronselegering som kan sprøytes på ved hjelp av en HVOF-teknikk for å tilveiebringe et helt fast og hardt

belegg. Al-bronsen er ansett for å være spesielt egnet her fordi den har gode glideegenskaper sammen med stempler la-

get av aluminium. Ifølge beskrivelsen er det svært viktig at belegget er fast og vesentlig uten porer. Belegget er blitt påført med en tykkelse på opptil 0,1 mm, og etter på-føringen blir ca. 1/3 av tykkelsen på belegget fjernet ved hjelp av finsliping.

De høye maksimale trykkforholdene for de motorer som er re-levante for foreliggende oppfinnelse er i vesentlig grad forskjellig fra forholdene i fire-taktsmotorer, hvor det i forbindelse med bensinmotorer benyttes et maksimumtrykk i nærheten av 40 bar, og for dieselmotorer maksimumtrykk i nærheten av 80 bar. Dessuten blir motorblokken, stemplene og stempelringene i fire-taktsmotorer produsert av lettmetall, mens sylinderfåringene, stemplene, stempelskjørtene og stempelringene normalt blir produsert av støpejern, stø-pestål eller stål for å kunne motstå påvirkningen av høyt trykk og høye temperaturer. Forskjellene på materialene som blir anvendt gjør det vanskelig å sammenligne egenskaper til påsprøytede belegg med hverandre siden de friksjonsmessige forholdene, hefteforholdene, hvordan de reagerer på termisk påvirkning osv. avviker betraktelig mellom støpe-jern og støpestål på den ene siden, og lettmetall, så som aluminium, på den andre siden.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe et sylinderelement som ved hjelp av et rimelig materiale er påført et belegg som fester seg godt til sylinderelementet og tilveiebringer gode innkjørings- og driftsegenskaper.

På bakgrunn av dette er sylinderelementet sprøytet med minst to lag Al-bronse - det ene oppå det andre - der sylinderelementets ytterste lag er et innkjøringslag med en gjennomsnittlig hardhet som på det meste er 330 HV20, og det underliggende lag er et slitelag med en gjennomsnittlig hardhet som overskrider hardheten til innkjøringslaget, og er på minst 130 HV20.

Bruken av et innkjøringslag av en legering av samme type som det underliggende slitelag, gjør at det oppnås ekstremt god fasthefting av innkjøringslaget, slik at man slipper å rive av eller skrape av flakbiter fra innkjøringslaget. Al-bronsens overflate har gode glideegenskaper, og tilveiebringer gode friksjonsmessige forhold som motvirker rivninger. Det myke innkjøringslaget av Al-bronse tilveiebringer en overflate på sylinderelementet som ikke viser noen ten-denser til sammenbrenninger i løpet av innkjøringen av et nytt sylinderelement, hverken i selve sylinderelementet eller i overflaten på det elementet som ligger an mot og glir langs sylinderelementet under stempelets vekselvirkende bevegelse .

Utgangsmaterialet av Al-bronse som benyttes til påføringen av innkjøringslaget koster omtrent halvparten så mye som et utgangsmateriale bestående av grafitt, noe som betyr at innkjøringslaget kan produseres på en måte som er mye bil-ligere enn de kjente innkjøringslagene. Dessuten kan Al-bronsen lages mer eller mindre hard ved hjelp av velegnet kontroll av påføringsforholdene, så som sammensetningen av bære- eller beskyttelsesgassen benyttet under den termiske sprøytingen. Videre kan hardheten til det påførte laget mo-difiseres ved hjelp av passende etterbehandling, noe som er mer utførlig beskrevet nedenfor. Således er det mulig å kontrollere Al-bronselagenes egenskaper på en slik måte at det laget som er plassert under innkjøringslaget fungerer som et ordentlig slitelag. Materialkostnadene i forbindelse med et slikt slitelag er også betydelig mindre enn kostna-dene for et slitelag av den ovennevnte type som består av molybden.

Dersom det oppstår skrammer i overflaten av belegget under innkjøringen av sylinderelementet, betyr bruken av Al-bronse at skrammene ikke utvikler seg til rivninger, noe som er karakterisert ved at lokale temperaturer stiger betraktelig fordi Al-bronsen har smørende egenskaper helt opp til sin egen smeltetemperatur.

Slitelaget av Al-bronse bør helst være et mellomlag som ligger mellom innkjøringslaget og et underliggende slitelag med en høyere hardhet enn mellomlaget. Det underliggende slitelag kan også være av Al-bronse, eller det kan være av et annet hardt og slitesterkt materiale, så som et materiale som inneholder harde partikler i form av karbider, oksider eller nitrider støpt inn i et metallisk bindemiddel, for eksempel et materiale levert av det svenske firmaet DAROS AB med en av varebetegnelsene PM2, PM10, PM14, PM20, PM28 eller LI. Denne oppbygging av påsprøytede lag tilveiebringer en fordelaktig innkjøring av sylinderelementet hvor stadig hardere materialer blir eksponert med en høyere sli-testyrke i løpet av innkjøringen.

Innkjøringslaget av Al-bronse kan ha en porøsitet fra 0,2 til 40 volumprosent, med det resultat at overflaten av Al-bronse har flere fordypninger fremkalt av porene i materialet . Det typiske er at disse fordypningene er fint fordelt i overflaten, og ved drift av motoren fanger de deler av den smøreoljen som blir tilført overflaten.

I intervallet hvor det ikke blir dosert smøreolje til overflaten fra utsiden, kan den smøreoljen som er lagret i fordypningene spres til overflaten og sørge for at sylinderelementet holder seg smurt. Denne effekten er spesielt fordelaktig for stempelringer som ikke har sin egen tilførsel av smøreolje.

En utførelse har fra to til syv lag av Al-bronse med gjensidig avvikende egenskaper, og tykkelsen på dé forskjellige lagene er fra 0,02 mm til 2,5 mm, helst fra 0,10 mm til 1,0 mm. Anvendelsen av flere lag med forskjellige tykkelser i nevnte intervall gjør det mulig å tilpasse beleggets egenskaper til den ønskede applikasjon. Et stempelskjørt, for eksempel, kan behøve noen få, relativt tynne lag, mens lagene på et stempel i området ovenfor den ytterste stempelringen kan være betydelig tykkere. På den indre overflaten av en sylinderf6ring kan antall lag tilpasses slik at hardheten øker jevnt gjennom belegget, og antall lag kan således være større enn på de ytre overflatene av stempelringene. Hvert lag med betydelig identiske egenskaper over lag-tykkelsen kan bygges opp ved hjelp av flere sprøytinger ved jevne sprøyteforhold helt til laget har den ønskede tykkelse .

Al-bronselegeringen kan, i vektprosent og med unntak av urenheter som ofte oppstår, bestå av 2 til 20% Al og valgfritt en eller flere av komponentene Sb, Co, Be, Cr, Sn, Mn, Si, Cd, Zn, Fe, Ni, Pb og C i forskjellige mengder på opptil 5% Sb, opptil 5% Co, opptil 5% Be, opptil 5% Cr, opptil 5% Co, opptil 5% Be, opptil 5% Cr, opptil 15% Sn, opptil 5% Mn, opptil 15% Si, opptil 2% Cd, opptil 15% Zn, opptil 5% Fe, opptil 20% Ni, opptil 20% Pb, opptil 2% C og resten bestående av minst 50% Cu.

Således er den minste mengden av Cu og Al 52%, og den totale mengde av de andre komponentene er maksimum 48% og kan med fordel begrenses til 25%.

Tilsetningen av Cr, Sb og C øker legeringens hardhet ved dannelse av karbider, og disse komponentene er typisk til-satt i de underliggende lag som fungerer som slitelag.

Tilsetningen av Zn, Be, Co, Si og Ni øker legeringens styrke og gjør det mulig å øke lagets hardhet ved hjelp av en mekanisk påvirkning, så som sandblåsing, kuleblåsing eller valsing.

Tilsetningen av Cd øker legeringens rekrystalliseringstem-peratur og øker legeringens styrke. Tilsetningen av Mn øker legeringens hardhet og gjør den mer motstandsdyktig. Tilsetningen av Fe øker legeringens hardhet, og tilsetningen av Pb gir laget fordelaktige egenskaper ved tunge belastninger fordi Pb fungerer som et kompakt smøremiddel. Tilsetningen av Sn forbedrer korrosjonsbestandigheten og redu-serer legeringens skjørhet samtidig som den kan bidra til økt hardhet ved mekanisk påvirkning.

En type legering som er særlig foretrukket for innkjørings-lag spesielt består av fra 9 til 10% Al, fra 0 til 1% Fe og resten Cu. Denne legeringens hardhet er hovedsakelig kontrollert av det resulterende innhold av oksider ved hjelp av gassammensetningen anvendt under sprøytingen. Ved anven-delse av en inaktiv gass, så som argon, blir dannelsen av oksider dempet, og legeringen blir svært myk.

I en utførelse hvor legeringens oksidinnhold blir anvendt for å kontrollere lagenes hardhet, kan sylinderelementet bli formet slik at lagene av Al-bronse består av 1 til 30 prosent oksider i volum, og at mengden av oksider er minst i innkjøringslaget, helst mindre enn 10 prosent i volum, og er minst 2 prosent i volum, helst minst 10 prosent i volum i slitelaget under innkjøringslaget. Det høye innholdet av oksider i det underliggende laget eller lagene gir dem en høyere hardhet enn innkjøringslaget.

Som et alternativ eller et supplement for å kontrollere hardheten ved hjelp av oksidinnholdet, kan sylinderelementet være formet slik at lagene av Al-bronse blir sprøytet lagvis oppå hverandre, at ett påsprøytet lag blir eksponert for en hardhets-økende mekanisk påvirkning før det underliggende lag blir sprøytet på, og at det laget som ble sprøytet på sist helst ikke har vært behandlet for reduk-sjon av ujevnheter. Ovenfor er det blitt nevnt eksempler på forskjellige mekaniske påvirkninger som øker hardheten til det påsprøytede lag. Ved å kombinere den type mekanisk påvirkning med legeringer som inneholder en eller flere av de ovennevnte komponentene Zn, Be, Co, Si og Ni, er det mulig å oppnå store variasjoner i hardheten til de forskjellige lagene i belegget av Al-bronse. På denne måten kan hard-hetene for eksempel varieres innenfor intervallet mellom 50 og 500 HV20.

Sylinderelementet har den spesielle fordelen at det laget som ble sprøytet på sist ikke behøver noen etterbehandling, som for eksempel finsliping, som er kostbart å utføre på de store sylinderelementene ifølge oppfinnelsen.

Oppfinnelsen vedrører dernest en stempelring for bruk i en forbrenningsmotor av dieseltypen, spesielt en to-takts krysshodemotor, hvilken motor av dieseltypen har et maksimum forbrenningstrykk som overskrider 100 bar ved full belastning, og hvor stempelet er utstyrt med flere stempelringer, og som beveges frem og tilbake i en sylinderf6ring med et slag på minst 750 mm, der stempelringene har en ytre diameter på minst 150 mm når de er montert i ringformede spor med en høyde i aksiell retning som overskrider høyden på ringene, idet hver stempelring har en radial ytre overflate som glir langs f6ringens indre overflate, hvilken stempelring er påført minst ett termisk påsprøytet lag på sin radiale ytre overflate.

Med det formål å produsere en stempelring påført et belegg som hefter seg godt til sylinderelementet og gir fine inn-kjørings- og driftsegenskaper, og til fordelaktige lave ma-ter ialkonstnader, er stempelringen ifølge oppfinnelsen karakterisert ved at minst ett påsprøytet lag er av Al-bronse, at den totale tykkelse på belegget av Al-bronse er minst 0,05 mm, og at det ytterste laget er et innkjørings-lag der belegget av Al-bronse på det meste har en gjennomsnittlig hardhet på 330 HV20. På stempelringer kan belegget av Al-bronse være ett enkelt lag eller flere lag som er sprøytet direkte på stempelringens basismateriale av stål, støpestål eller støpejern, eller som er sprøytet på et underliggende påsprøytet lag av et annet slitesterkt materiale, som for eksempel kan være ett av Daros-typene PM2, PM10, PM14, PM20, PM28 eller LI. Det ytterste laget av Al-bronse fungerer som et rivningsforhindrende innkjøringslag som muliggjør en rask innkjøring av nye stempelringer, noe som vil bli nærmere forklart nedenfor.

I løpet av den første innkjøring av stempelringene blir ringenes radiale ytre overflater slipt til en fasettert form. Fordi ringsporene har en høyde som overstiger høyden på ringene, kan de sistnevnte beveges aksielt i sine re-spektive ringformede spor, og under påvirkning av de store trykkforskjellene over ringene vil ringene skråne eller bli lett vridd i sporene slik at ringenes ytre overflater dan-ner en varierende vinkel med foringens indre overflate i løpet av den vekselvirkende bevegelse av stempelet. De før-ste mange gangene ringene vipper, vil de øverste eller nederste kantene støte an mot foringens indre overflate med et svært lite område og de tilknyttede ekstremt høye overfla-tetrykk resultere i rask slitasje av ringmaterialet, sann-synligvis fordi kantene på ringene straks trenger igjennom oljehinnen på foringens indre overflate. Samtidig som ringene oppnår den fasetterte form, blir anleggsområdet utvi-det og overflatetrykket redusert til under grensen hvor oljehinnen blir gjennomtrengt.

Innkjøringslaget av Al-bronse forhindrer at det oppstår rivninger, i alle fall inntil stempelringene er blitt slipt til den fasetterte form som tillater full belastning av stempelringen uten gjennomtrengning av den smørende oljehinnen mellom stempelringens ytre overflate og fåringens indre overflate.

Dersom kun ett enkelt lag av Al-bronse er benyttet på stempelringen, kan hardheten på dette ytterste laget økes innenfor nevnte gjennomsnittlige hardhet på maksimalt 330 HV20 ved hjelp av mekanisk påvirkning som beskrevet ovenfor i forbindelse med sylinderelementer utstyrt med flere lag Al-bronse med gjensidig avvikende egenskaper.

Eksempler på oppfinnelsen vil nå bli beskrevet i større de-talj under henvisning til de svært skjematiske tegninger, hvor

fig. 1 viser et langsgående snitt gjennom den øverste del av en sylinderfåring hvor et stempel med stempelringer er i sitt øverste dødpunkt,

fig. 2 viser et tverrsnitt gjennom en stempelring der et innkjøringslag av Al-bronse er blitt påført direkte på det støpte ringmaterialet,

fig. 3 er et tverrsnitt gjennom en annen utførelse av en stempelring hvor et innkjøringslag av Al-bronse er blitt påført på toppen av et hardt slitelag som er sprøytet på det støpte ringmaterialet,

fig. 4 er et segmentalt sideriss av et stempel med et stem-pelskjørt, begge formet med et lag Al-bronse ifølge oppfinnelsen, og

fig. 5 er et segmentalt tverrsnitt av en sylinderf6ring hvorpå tre lag Al-bronse er blitt påført.

Fig. l viser den øverste del av en sylinderforing generelt benevnet 1 for en stor to-takts krysshodemotor som kan an-vendes som en stasjonær motor for drift av en kraftgenera-tor, eller som en fremdriftsmotor på et skip. Avhengig av størrelsen på motoren, kan sylinderfåringen bli produsert i mange forskjellige størrelser med sylinderboringer som typisk er i intervallet fra 250 mm til 1000 mm, og hvor tilsvarende typiske lengder er i intervallet fra 1000 mm til 4500 mm. Det er dessuten også mulig å benytte oppfinnelsen i forbindelse med to-takts krysshodemotorer hvor sylinder-boringen er i intervallet fra 150 til 250 mm, og i dette tilfellet kan foringen ha en lengde på ned til 500 mm. Foringen er vanligvis laget av støpejern, stål eller stø-pestål som er påført et sprøytet slitelag på fåringens indre overflate, og den kan være hel eller delt inn i to deler som er føyet sammen i forlengelsen av hverandre. Dersom foringen er delt, er det også mulig å produsere den øverste delen i et annet basismateriale enn den nederste delen.

Foringen er montert i motoren på velkjent måte (delvis vist) ved hjelp av en ringformet nedadvendende flate 3 som er plassert på topp-platen 4 i motorens ramme eller sylinderblokk, hvorpå et stempel 5 er montert i sylinderfåringen, og et sylinderdeksel 6 er plassert på toppen av fåringen på dens ringformede oppadvendende flate 7 og klemt fast til topp-platen ved hjelp av dekselpinneskruer (ikke vist).

Den nederste del av sylinderfåringen har en ringformet rad av spyleluftporter (ikke vist). Stempelet er bevegelig i den langsgående retning av fåringen mellom et øvre dødpunkt hvor den øverste stempeloverflaten 9 befinner seg i en bo-ring i sylinderdekslet 6, og et nedre dødpunkt hvor den øverste stempeloverflaten 9 er plassert like under den nederste enden av spyleluftportene.

Gjennom en stempelstang 10, et krysshode og en koblings-stang er stempelet koblet til motorens veivaksel på velkjent måte. For hver gang veivakselen utfører en rotasjon på 360°, blir stempelet flyttet fra det øvre dødpunkt til nedre dødpunkt og tilbake.

I den øverste del som ligger mellom flatene 3 og 7, er sy-linder f or ingen utformet med en større ytre diameter, og på toppen av denne delen er mange langstrakte kjøleboringer 14 boret inn i veggen på foringen fra en ekstern fordypning 15 slik at de langsgående aksene tilhørende de rette kjølebo-ringer strekker seg skråttløpende eller skjevt i forhold til foringens langsgående akse.

Sylinderfåringens indre overflate 13 kan være utstyrt med ett eller flere termisk påsprøytede harde slitelag som kan bestå av bare Al-bronse, eller mange lag av Al-bronse sup-plert med ett eller flere hardere, underliggende lag av keramikk, en blanding av keramikk og metall, såkalt cermet, eller slitelag bestående av svært harde partikler støpt inn i en relativt myk metallisk matrise. Bindemiddelet kan for eksempel inneholde Cr, Ni og/eller Mo, og de harde partik-lene kan for eksempel være karbider, nitrider, borider og/eller oksider. Sylinderfåringen kan produseres med et bølgeformet mønster på sin indre overflate der bølgetoppene i mønsteret er fjernet. Det er mulig å produserer fåringen med dette mønsteret langs hele den indre overflaten. Møns-teret kan også være maskinert kun i en øvre del av fåringen, så som den delen som blir sveipet av stempelringene i de første 40% av det nedadgående stempelslag. Delen kan og-så ha andre relative størrelser, så som 20%, 25%, 30% eller 35% eller mellomliggende verdier. Det bølgeformede mønste-ret gjør det lettere å opprettholde de best mulige smøre-forhold mellom stempelringene og foringens indre overflate, siden smøreolje kan samles opp i bunnen av bølgedalene og tilføres platåområdene mellom bølgedalene. Når nye stempelringer kjøres inn i en foring, kan stempelringenes ytre overflater gli på de tilnærmelsesvis plane platåområdene.

I fig. 1 er stempelet 5 vist i sitt øvre dødpunkt. Stempelet er utstyrt med fire stempelringer generelt betegnet 19, hvor den øverste stempelring er en standard skråkuttet ring, eller er av en gasstett type, dvs ringens åpning er formet slik at gass hovedsakelig er forhindret fra å strøm-me gjennom ringdelingen. Dette kan for eksempel bevirkes ved at den ene ende av ringen har et flatt fremspring som går inn i en tilsvarende fordypning på den andre ende av ringen. Andre og tredje stempelring fra toppen samt den nederste stempelring kan være ringer som er skåret konven-sjonelt på skrå, hvor ringdelingen er formet som et mellom-rom som strekker seg på skrå i den periferiske retning fra øvre til nedre ringoverflate, eller kan være av den tilnærmelsesvis gasstette typen.

Stempelring 19 i fig. 2 omfatter et støpt stempelringemne 30 av støpejern, støpestål eller stål. Den radiale ytre overflate 31 av ringstammen er påført et innkjøringslag 32 av Al-bronse med en tykkelse på minst 0,05 mm, helst minst 0,14 mm, ved hjelp av termisk sprøyting. Stempelring 19 i fig. 3 består av et stempelringemne 34 av stål eller stø-pestål. Siden stammen ikke er laget av støpejern, er det nødvendig at den radiale ytre ståloverflaten 35 blir til-ført et slitelag 36 av et materiale med tilfredsstillende glideegenskaper mot sylinderforingens indre overflate, så som ett eller flere slitelag av Al-bronse og/eller et slitelag av de ovennevnte materialer som PM2, PM10, PM14, PM20, PM28 eller LI. På slitelagets radiale ytre overflate 33 er det blitt påført et innkjøringslag 37 av Al-bronse med en tykkelse på minst 0,05 mm ved hjelp av termisk sprøyting. Innkjøringslagene på stempelringene kan også ha større tykkelse, så som en tykkelse i intervallet fra 0,1 til 3,0 mm, helst 2,00 mm på det meste.

Fig. 4 viser en del av stempelet 5, hvor den midtre del av stempelet er utelatt. På stempelets radiale ytre overflate er det blitt påført et mykt lag 40 med en tykkelse fra 0,1 til 5 mm, helst minst 0,4 mm, på en øvre del 38 som strekker seg fra det ringformede spor tilhørende den øverste stempelring opp tii en spalte 39 for montering av et red-skap som skal løfte stempelet. Den ytterste del av dette laget fungerer som et innkjøringslag, og dette laget kan være sammensatt på samme måte som innkjøringslagene benyttet på stempelringene.

Et stempelskjørt 41 er boltet til stempelets nedre overflate. Stempelskjørtets ytre overflate er utstyrt med et inn-kj øringslag 42 av Al-bronse med en tykkelse på minst 0,05 mm, helst minst 0,14 mm, ved hjelp av termisk sprøyting. Under dette innkjøringslaget kan det være ett eller flere slitelag av Al-bronse.

Fig. 5 viser en del av en sylinderf6ring 1 utstyrt med et relativt hardt slitelag 43 av Al-bronse innerst, som ligger under det mellomliggende slitelag 36 av Al-bronse og det ytterste innkjøringslag 37 av Al-bronse.

Det er en svært kjent teknikk å sprøyte på lag med materiale på runde objekter ved hjelp av termisk sprøyting. Dette kan for eksempel være flammesprøyting, plasmasprøyting, HVOF-sprøyting eller lysbuesprøyting. Sprøytemetoder er beskrevet for eksempel i EP-B 0 341 672, EP-A 0 203 556, WO95/02023 og i W095/21994. I prinsippet blir sprøytingen utført på samme måte for de forskjellige sylinderelementene, idet sprøyteutstyret og sylinderelementet er laget for gjensidig rotasjon, hvorpå sprøytingen settes i gang og fortsetter ved jevne sprøyteforhold og gjentatte passasjer over sylinderelementets overflate inntil det laget som sprøytes på er blitt bygget opp til den ønskede tykkelse. Når det neste laget skal sprøytes på, gjentas prosedyren idet sprøyteforholdene overfører de ønskede egenskaper til laget. Et konkret eksempel vedrørende sprøyting på et sylinderelement vil nå bli gitt.

Eksempel 1

En sylinderf6ring med en intern diameter på 600 mm ble på-ført et lag Al-bronse på sin indre overflate ved hjelp av et standard apparat for plasmasprøyting av merket METCO. Avstanden mellom sprøytehodet og f6ringens indre overflate var 115 mm, og det ble benyttet en strømstyrke på 500 A. Den gjensidige rotasjon mellom sprøytehodet og fåringen ble stilt inn på 27 opm, og matingen i den langsgående retning av fåringen ble stilt inn på 7 mm per omdreining. Pudderak-tig utgangsmateriale av legeringen 9% Al, 1% Fe og resten av Cu ble tilført i en mengde på 95 g per minutt, noe som avsatte et lag på 0,02 mm per passasje fra den indre overflaten. Nitrogen ble benyttet som bæregass. Laget ble bygget opp til en tykkelse på 0,1 mm. Deretter ble laget val-set ved hjelp av et valseredskap. Etter valsingen ble lagets gjennomsnittlige hardhet målt til 360 HV20. Deretter ble det sprøytet på et andre lag ved hjelp av samme fremgangsmåte. Dette laget ble sandblåst, hvorpå lagets gjennomsnittlige hardhet ble målt til 320 HV20. Så ble et tredje lag sprøytet på med samme fremgangsmåte. Dette laget ble kuleblåst med små stålkuler, hvorpå lagets gjennomsnittlige hardhet ble målt til 280 HV20. Til slutt ble det sprøytet på et innkjøringslag som ikke fikk noen etterbehandling. Den gjennomsnittlige hardheten til dette laget ble målt til 180 HV20.

Foringen ble deretter montert i en motor og ble kjørt inn sammen med et stempel med ett sett standard stempelringer. Motoren hadde et normalt maksimum forbrenningstrykk på 145 bar. Etter en halv times innkjøring med en belastning på 15%, ble belastningen økt til 100% i løpet av 15 minutter, hvoretter driften fortsatte i en time. Motoren ble deretter stoppet, og sylinderforingen kontrollert. Det ble ikke observert noen tegn til faktiske rivninger på sylinderfåringens indre overflate.

Eksempel 2:

Fire stempelringer av støpejern og med en ytre diameter på litt under 600 mm ble stilt opp ved siden av hverandre og påført et Al-bronsebelegg ved hjelp av et sprøyteapparat av samme type som ble benyttet i eksempel 1, og ved hjelp av samme sprøyteforhold, idet nitrogen ble benyttet som bæregass. Al-bronselaget ble bygget opp til en tykkelse på omtrent 0,15 mm, hvorpå det påsprøytede belegget ble sandblåst. Lagets gjennomsnittlige hardhet ble målt til 315 HV20. Stempelringene ble skilt fra hverandre og montert uten videre etterbehandling på et stempel i en standard sylinderforing i samme motor som ble benyttet i eksempel 1. Innkjøringen ble utført på samme måte som beskrevet i eksempel 1, bare med 1,5 timers drift ved 100%. Under kontrol-len etter innkjøringen kunne det konstateres at stempelringene ikke viste noen tegn til rivninger, og at tykkelsen på innkjøringslaget var redusert til gjennomsnittlige 0,08 mm. Innslipte fasetter kunne også observeres i stempelringenes ytre overflater, noe som viser at fortsatt drift med stempelringene kan finne sted uten dannelse av rivninger.

Dersom det er ønskelig å benytte flere hardhetsøkende oksider i Al-bronsen, kan pressluft, dvs komprimert atmosfærisk luft, benyttes som bæregass under sprøytingen i stedet for nitrogen. Hvis det er ønskelig å begrense mengden av oksider så mye som mulig, enten fordi laget skal være mykt eller fordi det er ønskelig å danne hardheten hovedsakelig ved hjelp av deformasjonsherdende legeringskomponenter, kan det benyttes en inaktiv bæregass, så som argon.

Som nevnt ovenfor kan sylinderelementet påføres et stort antall forskjellige lag Al-bronse. Det er å foretrekke at lagene har økende hardhet i en retning bort fra sylinderelementets ytre overflate, og at den gjennomsnittlige hardheten øker med minst 20 HV20 fra lag til lag. I de innerste lagene med den høyeste hardheten kan hardheten produseres helt eller delvis ved at Al-bronsen blir tilført hardhets-økende legeringskomponenter kombinert med mekanisk bearbei-ding av lagene. Hvis det er ønskelig at det ytterste inn-kjøringslaget skal være svært mykt, så som med en gjennomsnittlig hardhet i intervallet fra 50 til 120 HV20, kan dette gjøres ved å benytte argon som bæregass og utelate tilførselen av hardhetsøkende legeringskomponenter, muli-gens kombinert med en sprøyting som tilveiebringer et lag med relativt høy porøsitet, så som mer enn 20 volumprosent. Porøsiteten er med på å gi laget et mykt preg fordi det kan gi etter for harde, lokale belastninger.

Tykkelsen på slitelagene, spesielt de som ligger dypest og er hardest, er valgt på bakgrunn av sylinderelementets forventede levetid, idet tykkelsen er valgt for å være passende større enn den høyest forventede slitasje av laget i løpet av sylinderelementets levetid. Dette gjelder spesielt for sylinderforingen, stempelet og stempelskjørtet, og for stempelringene dersom deres basismateriale ikke er støpe-jern. Dersom stempelringenes basismateriale er støpejern, er det akseptabelt, men ikke spesielt ønskelig, at hele slitelaget blir slitt ned i løpet av levetiden. Det totale slitebelegg kan således ha en tykkelse på for eksempel 2 eller 3 mm.

Claims (10)

1. Sylinderelement, så som en sylinderf6ring (1), et stempel (5), et stempelskjørt (41) eller en stempelring (19) i en forbrenningsmotor av dieseltypen, spesielt en to-takts krysshodemotor, hvilken motor av dieseltypen har et maksimum forbrenningstrykk som overskrider 100 bar ved full belastning, og i hvilken stempelet er utstyrt med flere stempelringer og beveges med en vekselvirkende bevegelse i en sylinderf6ring med et slag på minst 600 mm, hvilke stempelringer har en ytre diameter på minst 150 mm når de er montert i ringformede spor med en høyde i aksiell retning som overskrider høyden på ringene, hvor hver stempelring har en radial ytre overflate som glir langs f6ringens indre overflate (13), idet sylinderelementet er utstyrt med minst ett termisk påsprøytet lag på i det minste deler av sylinderelementets side, karakterisert ved at sylinderelementet (1, 5, 19, 41) er sprøytet med minst to lag Al-bronse, der det ytterste lag er et innkjøringslag (37) med en gjennomsnittlig hardhet som på det meste er 330 HV20, og det underliggende lag (36) er et slitelag med en gjennomsnittlig hardhet som overstiger hardheten til innkjøringslaget, og er på minst 130 HV20.

2. Sylinderelement ifølge krav 1, karakterisert ved at slitelaget av Al-bronse er et mellomliggende lag (36) som ligger mellom innkjø-ringslaget (37) og et underliggende slitelag (43) som har en høyere hardhet enn det mellomliggende lag.

3. Sylinderelement ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at innkjøringslaget (37) av Al-bronse har en porøsitet på 0,2 til 40 volumprosent.

4. Sylinderelement ifølge ethvert av kravene 1-3, karakterisert ved at det finnes fra to til syv lag Al-bronse med gjensidig avvikende egenskaper, og at tykkelsen på de forskjellige lagene er i intervallet fra 0,02 mm til 2,5 mm, helst fra 0,10 til 1,0 mm.

5. Sylinderelement ifølge ethvert av kravene 1-4, karakterisert ved at legeringen av Al-bronse, angitt i vektprosent og bortsett fra urenheter som ofte oppstår, består av 2 til 20% Al og valgfritt en eller flere av komponentene Sb, Co, Be, Cr, Sn, Mn, Si, Cd, Zn, Fe, Ni, Pb og C i forskjellige mengder på opptil 5% Sb, opptil 5% Co, opptil 5% Be, opptil 5% Cr, opptil 15% Sn, opptil 5% Mn, opptil 15% Si, opptil 2% Cd, opptil 15% Zn, opptil 5% Fe, opptil 20% Ni, opptil 20% Pb, opptil 2% C og resten bestående av minst 50% Cu.

6. Sylinderelement ifølge krav 5, karakterisert ved at legeringen består av 9-10% Al, 0-1% Fe og resten Cu.

7. Sylinderelement ifølge ethvert av de foregående krav, karakterisert ved at lagene av Al-bronse består av 1 til 30 volumprosent oksider, og at mengden av oksider er minst, helst mindre enn 10 volumprosent i innkjø-ringslaget (37), og er minst 2 volumprosent, helst minst 10 volumprosent i slitelaget under innkjøringslaget.

8. Sylinderelement ifølge ethvert av de foregående krav, karakterisert ved at lagene av Al-bronse er sprøytet lagvis oppå hverandre, at et påsprøytet lag er utsatt for hardhetsøkende mekanisk påvirkning før påsprøytin-gen av det etterfølgende lag, og at det helst ikke er blitt utført behandling for redusering av ujevnheter på det laget som ble sprøytet på sist.

9. Stempelring (19) i en forbrenningsmotor av dieseltypen, spesielt en to-takts krysshodemotor, hvilken motor av dieseltypen har et maksimum forbrenningstrykk som overskrider 100 bar ved full belastning, i hvilken stempelet (5) er utstyrt med flere stempelringer og beveges med en vekselvirkende bevegelse i en sylinderforing (1) med et slag på minst 750 mm, hvilke stempelringer har en ytre diameter på minst 150 mm når de er montert i ringformede spor med en høyde i aksiell retning som overskrider høyden på ringene, hvor hver stempelring har en radial ytre overflate som glir langs foringens indre overflate (13), idet stempelringen er utstyrt med minst ett termisk påsprøytet lag på sin radiale overflate, karakterisert ved at minst ett lag som er sprøytet på (32) er av Al-bronse, at den totale tykkelse på belegget av Al-bronse er minst 0,05 mm, og at det ytterste laget er et innkjøringslag med en gjennomsnittlig hardhet som på det meste er 330 HV20.

10. Stempelring ifølge krav 9, karakterisert ved at hardheten på det ytterste lag (32) er øket ved hjelp av mekanisk påvirkning.