DE2032804A1 - Kolbenring oder Zyhnderdichtungs ring - Google Patents

Description

Unser Zeichen: Ii 744

Kolbenring oder .Zylinderdichtungsring.

Die Erfindung bezieht sich auf Kolbenringe oder Zylinderdichtungsringe und auf die Anordnung von ^leitflächen an Kolbenringen, die einem Häftversehleiß, einem Abrieb und einem Korrosionsverschleiß widerstehen,, der bei mit hoher Kompression, hoheaxTeraperaturen und hohen Drehzahlen arbeitenden Brennkraftmaschinen auftritt, wobei die Maschinenzylinder nicht unnötig abgenützt werden sollen..

Kolbenringe, die Zylinderdichtungsringe und Ölabstreifringe umfassen und die mit harten Beschichtungsmaterialien beschichtet sind, die eine gute Verschleißfestigkeit haben, sind in den USA-Patentschriften 2 9Ü5 512, 3 133 739, 3 133 341 und 3 281 15G boschrieben. J)ie besten Leistungen wurden bisher mit Molybdän-BoSchichtungsmaterialien erzielt, die mittels eines Flai-üuen.sprühve rf ahrens aufgebracht 'würden und die in dienen■ !'atenüschritten beschrieben wurden und zwar bei Kolbenringen für 'Brennkraftmaschinen, die mit hohen Kompressionen, hohen Temperaturen arbeiten. Brennkraftmaschinenliersteller fahren jedoch fort_t die Kompressionsverhältnisse zu erhöhen und die Betriebstemperaturbereiche und die Drehzahlen ebenfalls zu erhöhen und dies führt zu einem fortgesetzten Bedarf einer

:?^-r'f5ßeron

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BAD ORIGINAL

größeren Vervollkommnung,der Kolbenringe. Es ist bekannt, daß eine Erhöhung der Härte des Berjcliichtungsnaterials an den Kolbenringen die Verschleißfestigkeit der Hinge verbessert. :]s wurde jedoch gefunden, daß Metalle odep Legierungen, die hitzebeständiger sind als Molybdän zu einem Verschleiß der Zylinderwandung führen und daß diese Metalle oder Legierungen keine ausreichenden mechanischen Festigkeiten haben, um dem Betrieb mit hohen Drehzahlen und hohen Kompressionen zu widerstehen. Die besten bisher bekannten, thermisch beschichteten Molybdän-Kolbenringbe-

o ■ Schichtungen weisen Zugfestigkeiten von etwa 630 kg/cm" oder weniger auf.

Versuche, Kolbenringe mit hitzebeständigen Beschichtungen zu versehen, die aus hitzebeständigen Metallkarbiden bestehen, Avie beispielsweise Chromkarbiden, V/olframkarbiden und Siliziumkarbiden waren bisher nicht erfolgreich, da diese Karbide als scharfkantige oder globulare Teilchen auftreten, die aus der Beschichtung während des Betriebs in der Brennkraftmaschine herausgezogen werden, was zu einem hohen Verschleiß des Kolbonrings und des Zylinders führt.

Das beschriebene Problem, des Iierausreißens von Karbiden wurde in der USA-Patentanneldung Ser.No Ü36 970 vom 5. Dezember 1968 behandelt, ^s wurde jedoch anschließend gefunden, daß in einigen Fällen die Verschleißfestigkeit der Beschichtung etwas zu gering- war. Dies bedeutet, daß ein gewisser Abrieb der verhältnismäßig weichen Verschleißoberflächen der Gußeisenzylinder oder Zylinderauskleidung zufällig festgestellt wurde. Nach einer eingehenden Untersuchung wurde gefunden, daß das Problem des Verschleißes und des Abriebs hauptsächlich durch-"die Anwesenheit einer überschüssigen Menge'von Aluminium in äer · Legierung erzeugt wird₀ ■ -":-."

109829/1SS1 ' es

BAD ORtGUNAL

Ea wi ir ο deshalb ein wesentlicher technischer Fortschritt, wor.n die durch ein Plnsmastrahlvcrfahren aul^ebrncht.e, 1ιίΐζοΐ)ο st Lindige' Metallkarbid legierung, die in der vorstehend zitierten Patentanmeldung beschrieben wird, etwas vorbessert werden könnte, so daß der Abrieb und der Verschleiß wesentlich ausgeschaltet wird und zwar auch bei schweren Betriebsbedingungen. -

Durch die Erfindung werden nnrtbeschichtete Kolbenringe geschaffen, die zu größeren Leistungen bei Brennkraftmaschinen führen, die mit hohen Drehzahlen, hohen Konipressionen und hohen Temperaturen arbeiten, als bisher bekannte Kolbenringe. Die erfinduugsgemäßen Kolbenringe sind mit einer durch ein Plasmastralilverfahren aufgetragene, hitzebeständige Metallkai-bidlegioriing beschichtet, die in situ auf dem Hing ausgebildet ist. Geeignete, hitzebeständigo Metallkarbide umfassen die Karbide von Y.'olfram, Titan, Tantal, Columbium, Molybdän, Vanadium, Chrom, Zirkonium, Hafnium, Silizium und Bor.

Die erwähnten hitzebe ständigen Metollkarbide vier den als eine Legierung mit zusätzlichen Materialien verwendet, von denen eines Aluminium ist, welches in einer geringen Menge vorhanden ist, derart, oaß ein Verschleiß der Brennkr'aftmaschinenzylinder durch einen-Kontakt mit der Kolbenringgleitfläche ausgeschaltet -wird. Zusätzliche Legierungsbestandteile und zwar andere-als Aluminium, die in wesentlichen Mengen vorhanden sein können, unifassen einen" oder mehrere der folgenden -Bestandteile: Kobalt, Nickel, · Bor und/oder Chrom.

Im allgemeinen wird tier Ausdruck "hitiiebeständiges Metallkarbid¹¹ wie er hier verwendet v/irci, in-den Sinn verwendet, daß ein Karbid eines Metallc oder Metalloides gemeint ist, welches einen Schmelzpunkt .oberhalb von etwa 1630° C hat

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und

^m °X®INAL

und eine Härte oberhalb von 1500 Vickors DPN (Diamantelndringzifier) mit einer 40 g Last, die als MO DPN" bezeichnet wird. Diese Karbide weisen eine seUr geringe Lös-". iichkeit in Kobalt auf, welches bei der Hqrstoi lung von gesinterten Karbiden verwendet wird, um Körper von holier Härte und Konipressionsfestiglceit herzustellen. Gemäß der Erfindung werden jedoch die Karbide in Lösung mit Kobalt gebracht und zwar durch die Yilrkung der sehr hohen Temperaturen, die im Plasmastrahl erzielt werden. Das erfind dungsgemäße Karbidbe schieb, tungsraaterial weist im Gegensatz zu vorher geprüften Karbiäbesehichtungsmaterialien für Kolbenringe die Eigenschaften auf, daß das bislief auftreitende Abreiben und Verschleißen der Zylinderauskleidung ausgeschaltet wird und zwar auch dann, wenn unter Betriebsbedingungen gearbeitet wird, bei denen die bisher bekannten , karbi dbeschi ehteten Kolbenringe in nachteiliger Weise die Zylinderauskleidung verschleißen und zerstören. Durch die erfindungsgenäßen KarbirlbcSchichtungen-, die durch einen Plasmastrahl aufgebracht werden, werden die Heraus zieh--· ..-■:,·.· Probleme ausgeschaltet, die das Abreiben und Verschleißen bewirken und zwar dadurch, daßdie Karbide in der Legierung in Lösung gehalten sind. .".-..■

Der Karbidgehalt her Lösung sollte derart eingestellt sein, um sicherzustellen, daß'das hitzebeständige Metal !!carbid in Lösung mit dem Kobalt gehalten"wird und daß eine Legierung von ausreichender Festigkeit geschaffen wird, um den thermischen Bimetallausdehnungskräften zu widerstehen, die zusammen mit den mechanischen Spannungen auftreten, die in der Brennkraftmaschinen anzutreffen sind. Weiterhin ist es in einem hohen Maß wünschenswert-, ein Beschiehtungsmaterial zu schaffen, welches durch ein Schleifenaufeiner üblichen Siliziumkarbid- und Aliiminlüinoxydschleifscheibe fertiggeschliffen werden kann, wobei überschüssige Mengen des hitzebeständigen MetallkarMds in der Logierung zu

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einem Beschichtungsmaterial führen, welches zu liart ist, um durch übliche Schleifverfahren fertigbearbeitet zu werden. Im allgemeinen sollte der Gehalt an hitzebeständigem Metallkarbid im Pulvergemisch, welches dem Plasmastrahl zugeführt wird, um in situ eine harte Beschichtung auf dein Kolben zu bilden, zwischen etwa 25 - 55 Gew.-$ des Pulvers liegen.

Ge.mäü einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung■werden Kompressionsringe aus Eisenmetallen, die aus Kugelgraphiteisen von etwa 3 */2 ^c/o Kohlenstoff bestehen und dünne λ Ringe für Ölabstreifbaugruppen, die aus Stahl, wie beispielsweise dem Stahl SAE 10TO, bestehen und ähnliche Basismetallringe mittels eines Plasnastrahls beschichtet,· wobei diesem Plasmastrahl ein Pulver der folgenden Zusammensetzung zugeführt wird:

25 - 55 Gew.-% Wolframkarbid 4-8 Gew.-# Kobalt

25 - 45 Gew.-fo Nickel
3-7 Gew.-% Chrom

weniger als 1 Gew.-^ Aluminium 0-3 Gew.-$ Bor '

Rest im wesentlichen Eisen. _Λ

Der Aluminiuiagehalt der im vorstehenden aufgeführten PuI-verzusaranensetzung ist speziell kritisch, wenn eine gute Verschleißfestigkeit der Beschichtung erzielt werden soll. Wie dargelegt, sollte der Aluminiumgelialt geringer sein als 1 % und insbesondere sollte der Aluminiumgehalt zwisehen etwa 0,5 Gew.~$ bis zu etwa 0,9 Gew.-^ liegen. Bei einem bevorzugten Ausführungsboispiel einer Pulverzusammeneetz^ing liegt der Aluminiumgehalt zwischen 0,56 Gew.-fe bis 0,88 Gew,-#.

Der

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-G-

Der Yi'olframkarbidgehalt des Pulvers kann mit anderen Karbiden gemischt werden oder durch andere Karbide ersetzt werden, wie ,beispielsweise mit oder durch die Karbide von. Metallen und Metalloiden aus der Gruppe, die Titan, Tantal, Colutnbium, Molybdän, Vanadium, Chrom, Zirkonium, Hafnium, Silizium und Bor umfaßt.

Der Plasmastrahl weist ein Brennstoffgas auf, welches vorzugsweise aus einem ,Gemisch von Stickstoff und Wasserstoff und einem inerten Trägorgas besteht, vorzugsweise Stickstoff, Argon oder Helium, wobei dieses eine Oxydation der Bestandteile des Pulvers verhindert und zwar auch bei extrem hohen Temperaturen (bis zu 30 000 F), wobei diese Temperaturen im Plasmastrahl strom entwickelt v/erden können. Die Zylinderdichtungsringe weisen vorzugsweise eine Umfangsnut auf und die Nut wird mit einer Legierung gefüllt, die sich durch die Plasmastrahlaufbringung des Pulvers ergibt, wobei in dieser Legierung die hitzebeständigen Motcillkarbide in fester Lösung mit Kobalt in einer Matrix von Nickel, Chrom und Aluminium vorliegen. Die Matrix besteht hauptsächlich aus Nickel und Chrom und das Aluminium liegt in der Form von metallischem Aluminium oder Aluminiumoxyd vor. Diese Legierung hat einen Schmelzpunkt von etwa 5 000° F und weist etwa die fünffache Verschleißfestigkeit der bisher verwendeten Molybdän- oder Chromboschiehtungsmetalle auf und vermindert den Verschleiß der Zylinderbohrung und den Abrieb in wesentlich stärkerem Maß, als es durch die besten karbidbeschichteteη Kolbenringe, die bisher bekannt sind, möglich war. Die Legierung weist eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit und Stoßfestigice it auf und zwar innerhalb eines weiten Bereichs von erheblichen Arbeitstemperaturen. Zugfestigkeiten, die über 1 050 Icg/cm² liegen, wurden erzielt.

10$&297!557 sadorjqimal

Es ist ein Ziel der Erfindung, verbesserte Kolbenringe zu schaffen, die hartbeschichtete Gleitoberflächen aufweisen, die aus einer durch ein Plasnastrahlverfahreii aufgebrachte, hitzebeständige Metallkarbidlegierung besteht.

Es ist ferner ein Ziel der Erfindung, eine Kolbenringbeschichtung zu schaffen, die hitzebeständige Metallkarbide in Lösung in der Beschichtungslegierung aufweist, wobei die Möglichkeit ausgeschaltet werden kann, daß die Karbide während des Betriebs herausgerissen werden.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, Ringe zu schaffen, " die temperaturbeständige und verschleißfeste, harte, wärmebeständige Metallkarbidlcgierungen aufweisen, die nicht unnötig den Zylinder beschädigen und die eine größere Zugfestigkeit innerhalb eines großen Tejnyeraturbereichs aufweisen als die bisher bekannten Besehichtungen von Kolbenringen.

Ferner ist es Ziel der Erfindung, die Betriebsparameter von Kolbenringen dadurch zu verbessern, daß durch Plasma-Strahl aufgebrachte Beschichtuugon vorgesehen werden, die aus hitzebeständigen Metallkarbitlen beistehen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, Kolbenringe mit harten Beschichtungslegierungen zu versehen, die in situ auf dem Sing durch ein Plasmastrahlvcrfahren ausgebildet werden und zwar mittels eines Pulvers, welches bis zu 55 Gew.-^a eines hitzebeständigen lietallkarbids aufweist.

V/eiterhin ist es ein Ziel der Erfindung", eine hochfeste, harte, verschleißfeste Kolbenringbeschichtung aus einem hitzebeständigen Metallkarbid zu schaffen, die bearbeitet werden kann und zwar unter Verwendung von üblichen Siliziumkarbid- oder Aluminiuraoxydsclilcifscheiben und nicht mittels eines teuren Diainantschleif sckeibenverfahrens.

109829/1557 _r.

bin

Ein snezieJJ.es Ziel der Erfind um.·¹; iwi. es, verbesserte Kolbenringe mit harten Glcitoberfiäelion zu schürfen, die au;) hitzcbeständigon L'ctallkrrbidlog.i orun.";on bo:;tei;on, die mi I.toIs eines Plasicns Lrahlv«; r(.';i!n-on.s au r<:;ebr;>r:]rL sind, \.oboi die Legierung mil anderen he.stand Lei] en kombiniert is L, um Kolbunrin^l)oscliiclitii:.i';:rii von aul\ci"ordentliolior

kcit zu sciiai'Xoii.

Andere ui.d "./eitere Ziele und !.lerlrnale der Erfindung sollen in der folgenden "Beschreibung unter jtJezugnnhiue auf die Figuren der Zeichnung erläutert worden. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilv/eisc geschnittene Seitenansicht eines Kolbens und eines Zylinders einer i3rcniikraft-Eiaschine, wobei der Kolbon Ringnuten aufweist, die mit Zylindürrlichtungsringen und Ülabstreifringen bestückt sind, die GleitfläcLen aufweisen, die gegen die Zylinclerwanduug anliegen, wobei diese Gleitflächen aus in situ gebildeten Karbidlegieriuigen bestehen, die mittels eines Plasn'.astrnhl-. Verfahrens aufgebrac'it sind,

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht des oberen Zylin-"derabfiichtungsrings des in Fig. i dargestellten Kolbens,

Fig. 3 eine ähnliche Ansicht v.ie Fig. 2, die den zweiten Zylinderabdichtungsring zeigt,

Fig. 4 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 2,, die den ölabstreifring in der dritten Xut des Kolbens zeigt,

Fig. 5 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 2, die den ölabstreifring in der vierten Xut des Kolbens zeigt,

Fig. 6 eine scheniatische Seitenansicht einer Anzahl von Kolbenringen auf einem Korn, die Mittels eines Plasmastrahlvorfahrens gcnäil der Erfindung beschichtet we i'd eil,

Fig. 7

1098-29/15.5 7 ,

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Fig. 7 eine stark vergrößerte Teilschnittansicht eines Zylinderabdichtungsrings, der ein Gleitflächenband aus einer Karbidlegierung aufweist, welches in einer Umfangsnut des Rings gemäß der Erfindung gebunden ist
und

Fig. 8 eine vergrößerte, etwas HChenatische Ansicht, die die Art und Weise beschreibt, in der ein Kolbenring, der in bokanntvjr i/eise mit einem harten Beschichtungsmetall beschichtet ist, bei schweren Betriebsbedingungen einem Verschleiß ausgesetzt ist. ■

Die in Fig. 1 dargestellte Kolben- und Zylinderbaugruppe IOWeist einen üblichen Kolben auf, der vier Ringnuten hat und der in einem Zylinder arbeitet. Die Baugruppe 10 weist einen Kolben 11 und einen Zylinder 12 mit einer Bohrung 13 auf, die den Kolben 11 aufnimmt. Der Kolben 11 hat einen Kopf 14 mit einen Ringband 15, welches vier Umfängst nuten 16, 17, 18 und 19 aufweist. Die obere Ringnut 16 nimmt einen gespaltenen Gußeisenring auf, der ein Zylinderabdichtungsring 20 ist. Die zweite Ringnut 17 nimmt einen gespaltenen zweiten Zylinderabdichtungsring 21 auf, der etwas breiter ist als der Ring 20. Die dritte Ringnut 18 trägt einen zweiteiligen ölabstreifring 22 und die vierte Ringnut 19 trägt einen dreiteiligen Ölabstreifring 23.

Wie Fig. 2 zeigt, weist der obere Zylinderabdichtungsring 20 einen liauptkörper 24 auf, der aus Gußeisen besteht und zwar vorzugsweise aus einem Kugelgraphiteisen mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 3 '/2 Gow.-',ό. Der äußere Umfang dieses Icings 25 ist mit einer Karbidlegierungsbeschichtung 26 bedeckt, die mittels eines Plasmastrahlverfahrens aufgebracht ist.

Wie

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\\'ie Fig. 3 zeigt, weist, eier zwo it ο Zy l.inUerabdichtungsring 21 einen Ilauptkb'rpcr 27 auf, der in. wesentlichen aus dem gleichen Gußeisen besteht wie flor Körper 24, des Rings .20. Der äußere Umfang 28 des Körpers 27 i.stTinch oben und innen von der unteren Kante den Rings aus ^onoi-gü ur.d es ist eine Umfangsnut 29 vorgesehen, di.e jail- der Karbidlogierung 2G gefüllt ist.

Vie Fig. 4 zeigt, besteht die Ülabstroifringbaugruppe 22 in der dritten Hingnut IS aus einem einteiligen flexiblen Profilring 30 und aus einem aus Metallblech bestellenden Ausdehnungsring 31, der Schenkel aufweist, die sich in das Profil hinein erstrecken, um den Ring 30 auszudehnen. Der Hing 30 und der Ausdehnungsring sind im'einzelnen in der USA-Patentschrift 3 281 156 beschrieben.

Der einteilige Ölabstreifring 30 weist zwei in Abstand voneinander angeordnete vorspringende Ringansätze 32 auf. Die Umfange dieser Ringansätze 32 sind mit der Beschichtung bedeckt.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ölabstreifring 23' ist ein elastischer Ausdehnungsring 33 vorgesehen, der gleichzeitig als Abstandhalter dient und dieser trägt dünne Ringe 34 und dehnt diese aus. Die Baugruppe 33 weist den Aufbau auf, der in den USA-Patentschriften 3 133 739 und 3 133 341 be_r schrieben ist. Die äußeren Umfange der Ringe 34 sind mit der Beschichtung 26 gemäß der Erfindung beschichtet.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß die Gleitflachen eines jeden der Ringe 20, 21, 22 und 23 mit der hitzebeständigen Karbidlegierung gemäß der Erfindung beschichtet sind. Diese Gleitflächen 26 gleiten in der Bohrung 13 des Zylinders 12 und zwar in abdichtender Weise und die Hinge werden in die Bohrung 13 lilnoingedriiokt, um

bad^L

sich'font gegen die Bohruii£:;v;anduug auszudehnen und um einen guten Dichtungs-Gleitkonfcnlct ;;it dieser Bohrungswanduug aufrecht zu er-ml teil.

i.'ie Fi/;. G zeigt, vr er tion die Beschichtungen 20 beispielsweise auf clic, genuteten ilinv.o 21 f.auurch aufgebrocht, daß eine Anzahl-von itiu;;eu r.uf eiaeu Hern 35 go steckt wird. Die Hinge werden zusmricngeflrüclrt, ;;o daß die gespaltenen Enden der Hinge gegeneinander anliegen. Diese liingbraigi-uppc kann danii' in einer Drehbank r.iontiert '.verden und die Umfange der Hinge können bearbeitet v/erden, um die

Xutcn 29 auszixbildan« Die iiu"eron Ui;ifängc der iiingc 21 λ

am ICern werden dann mit der üesc-iichLiuig 26 beschichtet und zwar mittels einer rias-iiastralili-istole 36„ Die Pistole

36 weist ein isoliertes Gehäuse 37, beispielsvroise aus Nylon, auf und aus diesen Gehäuse erstreckt sich eine hintere Elektrode 38. Die Vorerstreckung dieser lilektrode kann durch einen Einstellknopf 39 eingestellt v,^:erden. Die vordere Seite des Gehäuses niraut eine vordex"e Elektrode 40 auf. Das Gehäuse 37 und die Elektrode 40 sind hohl und •reisen einen Wasserkühlnantel auf, so daß ein Xillilmittel durch diese Teile von einejri Einlaß -il zu eijicui Auslaß zirkulieren kann. Ein Plasmastr^hlgas'wird durch einen Einlaß 43 in die Kammer geführt., die .'lurch das Gehäuse

37 und die Elektrode 40 gebildet ivird ure¹, zvar derart, ™ daß dieses Gas um die Elektrode 36 liorumstromto

Das vordere Ende der Elektrode 4t» bildet ciivon Diisonauslaß 4-1 für die ?las::iaflawine u;.c die liestaiulteile, die die Beschichtungslegieriing 2G biiueii, v;or'acn diener Düse durch einen Einlaß 45 zugeführt, der l:\xrz voi*' den Auslaß der i)üse lie.^t.

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Ein Plasma, welches· aus einem ionisierten Gas. besteht, wird dadurch erzielt, daß ein Plasmagas vom Einlaß 42 durch die elektrische Bogenentladung Iiindureügeführt wird, die zwischen den Elektroden 38 und 40 aufgebaut wird. Dieses-Pias-' iaa^aa ist nicht oxydierend und kann ium Stickstoff und Wasserstoff mit Argon oder Helium al.s Träger bestehen. Die Plasmaflamme, die aus der Düse 44 austritt, zieht das Log ie rung spul vor mit .sich und zwar durch eine Saugwirkung und die Flamme erteilt denPulverbostandtcilen derart hohe Temperaturen, daß diese legieren. Dor Plasmastrahl trägt die Legierung zum Boden der Nut 29 eines jeden Kolbenrings und füllt die Nut.

Bevorzugt besteht das Pulver, welches in den Einlaß 44 der Pistole 36 eingeführt wird, aus V/ol fr amkarbid, Kobalt, Nickel, Chrom, Bor und Aluminium. Eine bevorzugte Zusammensetzung weist die folgendenBestandteile auf:

40 Gew.-/i Wolframkarbid

6 Gew.-<?o Kobalt

38,8 Gew.-^f/i Nickel

6 Gew.-5» Chrom

1 Gew. -^o Bor

0,7 Gew.-/J Aluminium

Rest im wesentlichen Eisen mit geringen Mengen an Silizium und Kohlenstoff.

Die bevorzugt niedergeschlagene Beschichtung 26 ist eine V.'olframkarbidlegierung, bei der die Volframkarbidbestandteile in einer Matrix gebunden und geschmolzen und mit dieser Matrix verbunden sind, die aus Nickel, Chrom, Aluminium und Bor besteht. Die Legierung 26 ist in Fig.7 als in situ in der Nut 29 ausgebildet dargestellt und ist mit dem Basiskörper 24 des lungs längs einer Verschweißungszone 46 oder längs einer diffundierten Grenzfläche 46 verbunden. Diese Grenzfläche odor Schweißzone 46 be-

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steht aus den Materialien der Legierung'26 und den Materialien des Itingkörpers 24.

Die Logierung 26 weist eine hexagonal.e, dicht-gepackte, kristalline Struktur in einer· Muirix auf, tue hauptsächlich aus Nickel und Chrom besteht. Diese Legierung weist drei llauptphasen auf. Uic härteste .Phase besteht aus Y/olframkarbid in Lösung mit Kobalt und hat eine Vickers-Härte von 2900 - 4000 DPN (Diamanteindringzahl) mit einer 40 g Last (40 DPN). In dieser Phase befinden sich die Karbide in Lösung und sind nicht scharf. Die zweite Phase besteht aus Wolframkarbid und Kobalt, wobei die Karbide in Lösung sind', jedoch weist diese Phase eine Teilchenhärte- im Bereich von 2100 - 3200 Vickers, 40 DPN auf. Die dritte Phase ist eine Matrixphase mit einer Vielcers-Teilchenhärte im Bereich von 900 - 1200, 40 DPN. Diese Phase besteht hauptsächlich aus Nickel und Chrom mit Bor, falls dieses vorhanden ist und zwar.gleichförmig verteilt in der Matrix. Eine vierte Phase, die etATa 4 Volumen~% der fertigen Beschichtung enthält, besteht hauptsächlich aus Aluminium und hat eine Härte von etwa 500 Vickers,40 DPN.

Die Y/olframkarbide in der bevorzugten Legierung bestehen hauptsächlich aus W₀C und (1,YCo)₀C und sie können im al Igemeinen die folgende Formel haben:

YZ₂C(WCo)₂C ·

Y/ährend der Plasmast rahlauf bringung ist es gewünscht, eine Temperatur in der Nut 29 aufrecht zu erhalten und zwar derart, daß ein überschüssiges Schmelzen und V/egbrennen des Metalls 24 verhindert wird. Zu. diesem Zweck wird die Uingbaugruppe vorzugsweise gekühlt und zwar mittels eines äußeren Gebläses, welches ein inertes Gas abgibt, das zu beiden Seiten der Plasmastrahlflamme nuf die Hinge auftrifft. Es

ist

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ist wünschenswert, die Temperaturen der iiingo auf den Kern auf einen Viert von etwa 4-OU F oder weniger zu halten. Es ist nicht erforderlich, irgendeine anschließende Wärmebehandlung vorzunehmen und es ist lediglich notwendig, die lunge in der Luft zu kühlen.

Das Pulver, das dem Einlaß 45 zugeführt wird, wird vorzugsweise mit Hilfe eines Sauggases zugemessen oder mit Hilfe von Schwingungen oder mechanischen Oe trieben usw. Das gesamte Pulver wird vollständig geschmolzen und tritt in denilittelkonus der Plasmastralilflanme auf.

Um.die.Karbide in Losung mit dem Kobalt zu bringen, ist es nicht nur von Bedeutung, sehr hohe Temperaturen zu verwenden, die im Plasmastrahlstrom zur Verfugung stehen. Die sogenannten Sprühparameter des Pulvers, welches dem Strom zugeführt wird, sind von Bedeutung, da nämlich, falls der Yiolframkarbidgehalt dos Pulvers beträchtlich über 55 Gew.-% liegt, es sehr schwierig ist, die Karbide in Lösung zu halten und falls der Karbidgehalt beträchtlich unterhalb 25 Gew.-^ liegt, kann ein Verschleiß und ein Abrieb des Zylinders auftreten. i£ine Legierung, die einen Wolframkarbidgehalt von 66 ',Ό, einen Nickel-Chrom-Bor-Matrixgehalt von 18 ^c/o und einen Nickel-Aluminiumlegierungsgehalt von 7 ^l/o hat,-bewirkt einen übermüßigen Verschleiß des Zylinders und der Zylinder wird sehr schnell abgenutzt. Dieses Material war sehr brüchig und bröckelte während des Tests. Eine -Legierung mit einem Y<'olframkarbidgehalt von 88 ^e/o kann nicht an üblichen Schleifscheiben fertigbearbeitot v/erden. Es wurde gefunden,, daß eine Legierung mit einem Wolframkarbidgohalt von 22 ^cjo sehr schnell abgenutzt wurde und den Verschleiß der Zylinderbohrung sehr stark erhöhte.

Die

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Die Ab nut zungswirkung ist in Fig. ο veranschaulicht. Iiine Beschichtung 26Λ füllt die !."nt 29 im Kolbenring 24. Diese Schicht weist eine Haitaffinität für die Ί Γ an du ng der Bohrung 13 längs des Bereichs 4S der Dichtungsanlage in der Bohrungswandung auf. Die Haftung und die Brüchiglccit der Beschichtung 26A führt dazu, daß das Metall in der Nut längs der Bruchlinien 49 bricht. Dies erzeugt einen Abreiboder Verschleißeffekt an den GIoitflächen und zerstört nicht nur die Abdicht uiigswirkung der Gleitfläche, sondern führt auch zu einem Abrieb der Zylinderbolirung 13.

Die. erfinduiigsgemäften Beschichtungeii 26 sind weniger porös "g

als die bisher bekannten, durch ein Flaimnensprühverfahreh aufgebrachten Molybdänbesehichtungeu. Beispielsweise haben derartige, durch ein Planmensprühverfahren aufgebrachte Molybdänbesehichtungen eine Porosität im Bereich von 15 - 30 $a, wohingegen die Beschiclituugen 26 lediglich eine Porosität von etwa 7 */* hoben. Dies ergibt ein größere Korrosionsbeständigkeit der Gleitfläche.

Da die Erweichungspunkte der in situ gebildeten Legierungsbeschichtung 26 oberhalb 1900° F liegen, kann die Gleitfläche wesentlich höheren Tenf eratux-eii widerstehen als die bisher bekannten KoIbonringbeschichtungsinaterialien.

Die Legierungen der 3eSchichtungen 26 weisen etwa die fünffache Verschleißfestigkeit der bisher bekannten Molybdän- und ChroiHgleitKiaterialieii auf und es können deshalb wesentlich dünnere Beschiclitungen voinvendet werden. Es wurde gefunden, daß Beschiehtungsdicken von 0,002 Zoll in ölabstreifringen und von ü,uü2 - U,004 Zoll in Zylinderabdichtungsringen zu zuiriedenstollondon Ergebnissen führen. Dadurch werden selbstverständlich die Herstellungskosten der Hinge ganz erheblich "verringert.

Die

BAD ORIGINAL

Die erfindungsgenüßen Hinge wurden unter schweren Betriebsbedingungen getestet und zwar sowohl in iiochleistungsdieselnotoren und wurden ferner thermischen Spannungen und Oxydationswiderstandsprüfungen unterzogen. Die erfindungsgenäßen V/olf ramkarbidlegierung.sbeSchichtungen widerstanden thermischen Sponnungsuntorsuchungen, bei denen die Kolbenringe mit der Beschichtung in gespannten Zustand auf ISOO F für 100 Stunden erhitzt wurden. Nach dem Test wurden photomikrographische Prüfungen durchgeführt und diese zeigten, daß diese Beanspruchung von der Beschichtung ausgehalten wird. Die bisher bekannten und verwendeten Molybdänbeschichtungen widerstehen diesem Test bei 750 P nicht mehr.

Die Legierungen der Beschichtungen- 26 können mit üblichen Zurichtscheiben bearbeitet werden, obwohl diese eine sehr große Harte haben, die viel größer ist als bei den bisher bekannten Beschichtungsmaterialien für Kolbenringe. Die Legierungen der Beschichtungen 26 haben eine Härte von mehr als 1 500 kg/mm auf der Vickers-Skala, wohingegen die besten bisher bekannton Materialien für Kolbenringe eine Vickers-Härte von rund 1 000 kg/mm" haben.

Bei der Ausbildung der Logieruiigsbeschichtung 26 in einer Nut zur Ausbildung eines Bandes um den Umfang dos Korbenrings 21 wird beispielsweise der Metallkörper des Rings als Ansatz längs der Nut verwendet, um schnell eine Niederschlagsoberfläche für den iiing auszubilden, wie es in der USA-Patentschrift 3 133 739 beschrieben ist. Der geneigte Umfang des lUngs 21 kann beispielsweise durch ein Schleifen oder ein Verdrehen des ; tings" hergestellt werden, wie es in der zitierten USA-Patentschrift beschrieben ist.

u'ie bereits dargelegt, ist der Aluminiumgehalt sehr kritisch, wenn man eine gute Vorschieißfestigkeit wünscht«

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Dies wurde in einör Ileihe von Vcrgleichstcsten, wie folgt, festgestellt:

In einen ersten Test v/urde ein hochbelasteter Zylinder zusammen mit Kolbenringen betrieben, die eine Gleitfläche aufweisen, die aus einer Y/olframkarbidlegierung besteht und zwar in der folgenden Zusammensetzung: 40 Gew.-/o Wolframkai-bid

6 rew.-# Kobalt

36,5 Gew.-# Nickel ■ .

6 Gew.-% Chrom '

1 Gew.-/'o Bor '

3 Gew.-'/i Aluminium "

liest im wesentlichen Eisen mit geringen Mengen an Silizium und Kohlenstoff.

Nach weniger als 30 Betriebsstunden wurden einige Schäden der Zylinderbohrung festgestellt„

Bei einem zweiten Versuch wurde die gleiche Pulverzusammensetzung verwendet mit der Ausnahme, daß der Aluminiumgehalt auf 0,7 Gew.-/ί vermindert wurde. Der Aluminiumgehalt wurde dadurch kompensiert, daß der Nickelgehalt auf 38,8 Gew.-^r/o angehoben wurde. Unter den gleichen hohen Betriebsbeanspruchungon ließ man den Zylinder 1000 Stunden arbeiten und es trat keine Bohrungsbeschädigung auf. ^j

Ein zusätzlicher Vorteil wird erreicht, wenn der Aluminium gehalt der erfindungsgemUßen Legierungen im Bereich des oben angegebenen Mininiunis gehalten wird. Es wurde insbeiondere festgestellt, daß der verringerte Aluminiumgohalt die Gesamtcntha,lpie der exothermischen iloaktion verringert und ferner eine Abnahme des Abstands zwischen V/erkstück und Plasmastrahlpistole ermöglicht, ohne daß Verluste an Haftfähigkeit auftreten. Eine Veränderung des Abstands zwischen Plasmastrahlpistole und V/erkstück von 6 Zoll auf 4 Zoll erhüht den Abscheidungswirkungsgrad des SprUhbetriebs um. 20 - 30 5δ, wodurch erhebliche k'aterialkosten eingespart

werden. 1098 2 9/1 SS 7

—^ Obwohl

Obwohl Y.'olframkarbid fins bevorzugte hitzebeständige Metallkarbid ist, sei bemerkt, da!¹, dieses .vollständig oder teilweise durch eines oder mehrere der im vorstehenden erwähnten hitzcbcständigen L'etalllcarbide ersetzt v/erden kann. Der Gehalt an hitzebe ständigen Lic tail !carbid-kann sich beträchtlich lindern, solang sich die Karbide in Lösung in der Legierung befinden und verhältnismäßig frei von scharfen Kanten und Ecken sind, die zu einem Iioraüsrcißen führen können. Für praktische Zwecke sei bemerkt, daß der Gehalt an hitzebe'ständigem :>.ctallkarbid zwischen 25 - 55 Gew.-/ό des Pulvers liegt, der dem Plasmastrahl zugeführt wird, da diese Parameter.eine Verschleißfestigkeit, eine mechanische Festigkeit der Legierung gewährleisten und forner gewährleisten, cMJ die Logierung mit einfachsten Mitteln fcrtigbccirbeite t werden k.'um. Im Ausgangspulvor liegen die Karbide vorzugsweise als einzelne Körner vor, die mit dem Kobalt gesintert sind, go daß im bevorzugten Ausgangspulver ein gesinterter Gehalt an Kürnern vorliegt, die 40 Gcv7.-# Y/olfrarakarbid und 6 Gew.-'/ό Kobalt aufweisen.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist zu erkennen, daß durch die Erfindung Kolbenringe geschaffen werden, die mit harten Beschichtungsnetallcn bedeckt sind und die eine bessere Leistung beim Betrieb in Brennkraftmaschinen-ergeben als die bisher bekannten Kolbenringe. Obwohl die Beechichtungen eine ausreichende Härte aufweisen, können sie dadurch fertigbearbeitet werden, daß sie auf Siliziumkarbid- und Aluminiumoxydschleifscheiben geschliffen werden.

Patentansprüche

109829/15J57 "»owe«.. ,

Claims (6)

1. Patentansprüche

   IyKolbenring mit einer Gleitflache, dadurcn gekennzeichnet, daß diese mix einem üurch ein Plasniastrahlverfanren aufgebrachten, hitzebeständigen Lietallkarbid und zusätzlichen Legierungsbestandteilen bescnichtet ist, von denen eines Aluminium ist, das in einer derart geringen Menge vorliegt, daß ein Abrieb der Brennkrartmaschinenzylinder über einen Kontakt mit der Kolbenringglcitfiäche verhindert wird.
2. 2. -kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daii Λ das Aluminium in einer '"enge von weniger als 1 Gew.-% vorliegt.
3. 3. Kolbenring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium in einer "-enge im Bereich von 0,5 Gew.-fo bis zu etwa 0,9 Gew„-% vorliegt.
4. 4. Kolbenring nach Anspmca 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium in einer Meiige im Bereich von 0,56 Gew.-fo bis zu etwa 0,88 <jew.-^ vorliegt.
5. o, Kolbenring nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, ciaß 'M das Aluminium in einer Menge von etwa ü,7 Gew.-$ vorliegt.
6. 6. Kolbenring, der eine tfleitoberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß diese aus einer mittels eines Plasmastranlverfahrens aufgebrachten, hitzebeständigen Metallkarbidlegierung besteht, die aus einem Gemisch eines hitzebeständigen Metallkarbids gebildet ist, weicnes einen Schmelzpunkt oberhalb von etwa 1 650 ü hat und eine Härte ooerhalb i 600 Vicicers 40 DPN und wobei Kobalt, Nickex, Chrom, Bor und Aluminium vorhanden sind und wobei Aluminium in einer derart geringen Menge vorliegt, daß der Verschleiß des fertigen Zylinders üurch einen Kontakt mit dieser j-.agerfläche vermieden λ/ird.

   7. Kolbenring nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium in einer Menge von weniger als 1 ^c/o vorliegt.

   8. Kolbenring nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestandteile, die die Legierung bilden, in folgenden Mengen vorliegen:

   25 - 55 Gew.-^o Wolframcarbid

   4-8 Gew.-$s Kobalt 25 - 45 Gew.-% Nickel

   3-7 Gew. ~^cio Chrom ρ weniger als 1 Gew.-^ Aluminium

   0-3 Gew.-^b Bor liest im we sent liehen Eisen.

   9. Kolbenring nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium in einer Menge im Bereich von 0,5 Gew.-% bis zu etwa 0,9 Gew.-$ vorliegt.

   10, Kolbenring nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestandteile, die die Legierung bilden, in den folgenden Mengen vorliegen:

   40 Gev/.-5o Y/olfrarakarbid

   a 6 Gew.-'/» Kobalt

   ™ 38,8 Gew.-io Nickel

   6 Gew.-% Chrom 1 Gew.-% Bor 0,7 Gew.-/& Aluminium Rest Eisen mit geringen Mengen an Silizium und Kohlenstoff.

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