DE1965754A1 - Maschinenelement mit mindestens einer Reibungsflaeche und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Maschinenelement mit mindestens einer Reibungsflaeche und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Description
ι sj υ yj ι u
Patentanwälte Dipl.-Ing. EWeickmann,
Dipl.-Ing. H.Weickmann, D1PL.-PHYS. Dr. K. Fincke
Dipl.-Ing. R A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber
ClICBZi 8 München 86, den 31. Dezember 1969
POSTFACH 860 820
MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 39 21/22
800122^ JUiOiTHIB AüiD0M03ILü)S ÖIEtOJili, 117 & 167,
Quai Andre Citroen, P-75 Paris (15eme), Frankreich
i-ias chi nene lerne nt mit mindestens einer He ibungs fläche
und Verfahren zu seiner Herstellung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Herstellung von Reibungs- und (/leitflächen an Maschinenelemente^
insbesondere von Reibungsflächen in Kolbengehäusen
von -Drehkolbenmotoren aus Leichtmetallegierungen,
sowie -να·? i-laschinenelemente mit solchen Reibungsflächen.
jjg ist bekannt, daß beim Betrieb beispielsweise eines Drehkolbenmotors
die Innenfläche des Kolbengehäuses durch den
Drehkolben und dessen. Hinge starken Drücken und Reibungen
ausgesetzt ist. us ist daher vorgeschlagen worden, diese
iläche mit Beschichtungen zu versehen, bestehend aus aolchen Jtoffen, die die Gleitfähigkeit begünstigen und
verschleißfest sind. Diese Beschichtungen wurden auf elektrolytischem und/oder chemischem Wege aufgetragen.
ist ferner bekannt, auf diese Innenfläche von Kolbengehäusen zunächst eine harte, haftende und zur Erzielung
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der gewünschten Druckfestigkeit hinreichend starke Metallunter
schicht aufzutragen. Diese Unterschicht wird im allgemeinen
aufprojiziert mittels einer Oxy-Azetylenflamme
oder mittels einer Plasmaflamme. Dann bringt man auf diese Unterschicht auf elektrolytischem und/oder chemischem
Wege eine dünne verschleißfeste Beschichtung auf,
Aufgabe der Erfindung ist es, die Verfahren und Maschinenelemente dahingehend zu verbessern, daß sie besser als
bisher den Anforderungen der Praxis gerecht v/erden, insbesondere bezüglich der Verschleißfestigkeit der Reibungsfläche und der Herabsetzung des Reibungskoeffizienten des
mit der Reibungsfläche zusammenwirkenden l'eiles, wie z.B.
eines Drehkolbens.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Maschinenelement
mit mindestens einer Reibungsfläche, insbesondere Kolbengehäuse aus einer Leichtmetallegierung
für Drehkolbenmotoren mit einer innenliegenden Reibungsfläche, umfassend auf der Reibungsfläche eine metallische
harte und zur Erzielung einer gewünschten Festigkeit gegen Berührungsdrücke ausreichend starke Unterschicht und
auf dieser eine dünne verschleißfeste Beschichtung vor, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die metallische
Unterschicht gebildet ist von eint,.- Legierung aus Kohlestoff
stahl und Nickel-Aluminium-Verbindungen, wobei die Volumenanteile dea Kohlestoffstahla im wesentlichen zwischen
70 und 90 $ schwanken uud des komplementären Rests
aus Nickelaluminaten zwischen 10 und 30 Ί
Das erfindungsgemäße Verfahren des Maschinenelements mit mindestens einer Reibungsfläche, insbesondere Kolbengehäuse
aus einer Leichtmetallegierung für Drehkolbenmotoren mit einer innenliegenden Reibungsfläche, umfassend auf der
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Reibungsfläche eine metallische harte und zur Erzielung einer gewünschten Festigkeit gegen Berührungsdrücke ausreichend
starke Unterschicht und auf dieser eine dünne verschleißfeste lies chi chtung, ist dadurch gekennzeichnet,
daß die metallische Unterschicht gebildet ist von einer Legierung aus Kohlestoffstahl und Hickel-Aluminium-Verbindungen,
wobei die Volumenanteile des Kohlestoffstahls in wesentlichen zwischen 70 und 90 fr schwanken und des
komplementären Rests aus ifickel-Aluminium-Verbindungen
zwischen 10 und 30 '/*,
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen. Die Zeichnungen stellen dar:
JiIg. 1 zeigt in einer ^uerschnittsansicht einen Gehäusekörper
gemäß der Erfindung,
l!'ig. 2 zeigt in einer iOeilsehnittansicht in vergrößertem
Maßstab die Beschichtung des Gehäusekörpers gemäß der Erfindung.
Zur .usbildunG 'einer verschleißfesten Beschichtung der
Innenfläche 1 eines Gehäuselcörpers 2, v/elcher beispielsweise
ein Gehäusekörper aus einer Leichtmetallegierung eines Drehkolbenmotors mit einer trochoidförmigen Querschnitt
sform mit zwei. Auswölbungen und aus einer Aluminiumlegierung egefertigt ist, verfährt man in/folgender Weise.
Zunächst, wird die Innenfläche 2 des Gehäusekörpers 1 auf
ein iiaß bearbeitet, welches in der iiälie des I'ertigmaßee
liegt. Dann v;ird mittels Oxy-Azethylenflamme oder mittels
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Plasmaflammeauf diese so Gearbeitete Innenfläche 2 eine
.haftende und harte Unterschicht 3 aus Metall aufgetragen,
die so stark ist, wie z.B. mit 5 angedeutet, daß eine notwendige Festigkeit auf Berührungsdruck erzielt wird. Gemäß
derErfindung werden die Stoffe dieser Unterschicht gleichzeitig über mindestens zwei Pistolen aufgebracht.
iJiese Stoffe bestehen aus Stahl mit einem Gewichtsanteil von Kohlenstoff zwischen 0,10 und 0,60 <?<>
und aus einem Gemisch aus Hiekel- und Aluminiumpulver, welche
sich zu Kicke !-Aluminium-Verbindungen (iiiAl, jü~A1) vereinigen,
vereinigen sich mit dem Kohlenstoffstahl zu einem Produkt mit zusätzlich zu seiner Festigkeit auf Berührungs—
druck verbesserten Eigenschaften bezüglich seiner Verschleiß- und Reibungsfestigkeit, wodurch das Produkt geeignet ist,
mindestens in einem gewissen Maße im Falle einer Beschädigung der dünnen verschleißfesten Schicht, diese au ersetzen.
dach einer geringfügigen Feinbearbeitung mit einer sehr
großen Annäherung an die Fertigmaße wird dann auf die Unterschicht 3 auf elektrolytischem und/oder chemischem liege
eine dünne verschleißfeste Beschichtung 4 aufgetragen, welche daraufhin nur noch geringfügig feinbearbeitet werden
muß, um die endgültigen Fertigmaße und den gewünschten Oberflächenzustand zu erzielen.
Vor dem Aufsprühen der Unterschicht 3 heizt man den Gehäüsekörper
2 auf etwa IdO0C vor und hält ihn dann auf
dieser Temperatur. Dann wird die Innenfläche 2 sandgestrahlt, d.h. daß man einen ochleifmittelpulverstrahl aus z.B.
Siliziumkarbonat oder Korund heftig gegen diese Innenfläche sprüht. Dadurch wird die Rauigkeit der Fläche 2 erhöht,
was wiederum günstig für das Anhaften der Unterschicht 3 ist. Um dieses Anhaften der Unterschicht noch erhöhen zu
können, bildet man auf dieser Innenfläche 2 mit einer Oxy-
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Azethylenflamme oder mit einer Plasmaflamme eine dünne
Yerankerungsschicht, welche entweder aus Hiekel-Aluminium-Ver"bindungen
(HiAl, lli^Al) besteht und gebildet ist durch
.aufsprühen nur des Gemisches aus Hickel- undAluminiumpulvera
oder aus Holybden. Vorzugsweise gibt man dieser dünnen
yerankerungsschicht, welche die gesamte Innenfläche 2 bedeokt, eine stärke von 0,02 bis 0,05 nun. Dieses Aufprojizieren
von geschmolzenem LIeta 11 auf die Innenfläche 2,
welches auch Metallisieren genannt wird, geschieht im allgemeinen mit einer üx.y-aaethylenflammenpistole, in die
ein jjraht aus dem zu projezierenden Metall eingespeist
wird, oder mit einer Plasmaflammenpistole, in die ein Draht oder ein (logisch aus zu projizierenden Metallpulvern eingespeist
wird.
Dann v/ird die eigentliche Unterschicht 3 durch Projektion
von ilammstrahlen auf die Verankerungsschicht 6 aufgebracht Zu diesem Zweck verwendet man vorzugsweise gleichzeitig
mindestens zwei Pistolen, welche einerseits mit Kohlenstoffstahl und andererseits mit einem Gemisch aus Aluminium-
und Hickeipulver eingespeist werden und die so eingestellt
sind, daß die geschmolzenen Metalle auf denselben Punkt auf der Verankerungsschicht projeziert werden.
Dabei sind Antriebsmittel vorgesehen, die eine Relativbewegung zwischen dem Gehäusekörper 2 und der Gesamtheit
der Pistolen derart bewirken, daß die gesamte zu beschichtende 1-läche vor den Pistolen vorbeigeführt und auf diese
V/eise ein im wesentlichen gleichmäßiger Belag auf der ganzen Eläche erzielt v/ird»
Bei der gleichzeitigen Aufpro jizierun<5 durch mindestens
zwei Pistolen v/ird der projizierte Metalldurchsatz jeder
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Pistole entsprechend dengewünschten Anteilen in der Unterschicht
3 eingestellt. Diese Anteile können volumenmäßig
variierai zwischen 70 bis 90 ·)'>
Stahl mit einem Gewiclitsanteil Kohlenstoff zwischen 0,10 bis 0,60 ^- und der Rest
komplementär zwischen 10 und 30 ,1 Gemisch aus liickel-
und Aluminiumpulver mit im wesentlichen gleichen Anteilen an Hiekel und Aluminium. x)ie Beschichtung wird sooft
durchgeführt, "bis die gewünschte utärke 5 der Unterschicht
3 erreicht ist. Diese Stärke liegt vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,8 mm. Diese Stärke bietet eine gute Festigkeit
gegen während des Betriebes ausgeübte Iiruckbelastungen.
Die durch Metallisierung relativ schnell aufgetragene Unterschicht
3 ist feinporös, wodurch das Anhaften der daraufhin auf elektrolytischem und/oder chemischem .:ege aufzutragenden
verschleißfesten Schicht begünstigt wird.
Nach Abkühlen des Gehäusekörpers auf Umgebungstemperatur,
wodurch es zu einer Vorspannung in der Unterschicht 3 aufgrund der verschiedenen Dehnungskoeffizienten von Gehäusekörper
1 und Unterschicht 3 komt, wird diese Unterschicht feinbearbeitet, wie z.B. geschliffen, bevor die dünne verschleißfeste
Beschichtung 4 aufgebracht wird*
Diese verschleißfeste Beschichtung 4 ist vorzugsweise gebildet von einem Belag aus Nickel oder Kobalt, der gleitgünstig
für die Kolbenringe ist. Die Stärke der Beschichtung 4 liegt zwischen 0,02 und 0,1 mm. Obwohl dieBeschichtung
auf elektrolytischem und/oder chemischem v/ege relativ
langsam vor sich geht, macht die geringe Stärke der Beschichtung die Bearbeitungsdauer annehmbar. Man kann in
den die verschleißfeste Beschichtung 4 bildenden Belag auch in dem für die Beschichtung verwendeten elektrolytischen
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und/oder chemischen Bad unlösliche Stoffteilchen einschließen.
Diese Seuchen haben vorzugsweise zwischen 0,02 und
400 /U(Mikron) schwankende Ausmaße und sind so gewählt,
daß sie der verschleißfesten !Beschichtung 4 zusätzliche Härte- und/oder Gleiteigenschaften verleihen.
Schließlich ermöglicht es eine Peinbearbeitung der verschleißfesten
Beschichtung 4? die Eertigmaße und die ge~
wünschte Überflächenbeschaffenheit zu erzielen.
Die so hergestellte Geschiehtung hat zahlreiche Torteile.
üo ist sie z.B. "besonders verschleißfest und "begünstigt
dennoch das Gleiten der Kolbenringe während deren Berührug
mit der Beschichtung, wobei diese Ivolberringe vorzugsweise aus Grauguß gefertigt sind.
Ferner gewährleistet die Metallunterschicht 3 einen festen
und dauerhaften Halt für die Beschichtung 4, der vorzüglich den Berührungsdrücken widersteht und somit für die Beschichtung
4 eine größere Lebensdauer "bringt, als wenn diese Beschichtung allein die Belastungen aufnehmen müßten. Da
man ferner" das Auf projizieren der Unterschicht 3 "bei etwa
1800C vornimmt,· also etwa im Bereich der Betriebstemperatur,
werden eben gerade die Belastungen (Spannungen) vermindert, die während des Betriebes in der Unterschicht aufgrund
der verschiedenen Dehnungskoeffizienten von Gehäusekörper und Unterschicht auftreten könnten.
Dank des vorgeschlagenen Verfahrens gemäß der Erfindung ist die Herstellung einer Beschichtung solcher Güte wirtschaftlich,
und daher wird die Herstellung eines, solchen Gehäusekörpers relativ preiswert, !rotz ihrer Stärke
wird die Unterschicht 3 nämlich schnell duroh
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Λ ' BAD ORIGINAL
Plammstrahlen hergestellt, wodurch die Kosten für diese
Bearbeitung annehmbar werden, während aufgrund der langen Dauer einer solchen !Bearbeitung in einem elektrolytischen
und/oder chemischen Verfahren zur Erzielung einer Schicht
solcher stärke eine Herstellung schon aus Kostengründen praktisch unmöglich wird. Im Gegensatz dazu kann aber die
verschleißfeste und für die Gußkolbenringe gleitgünstige
Beschichtung 4 zu vernünftigen Kosten auf elektrolytisehern
und/oder chemischem liege hergestellt werden, weil sie eine geringe Stärke aufweist.
Ferner ist die Zusammensetzung der Unterschicht ;5 aus i-Ietall
so getroffen, daß selbst bei einer Beschädigung der dünnen verschleißfesten Beschichtung 4 die Gleiteigenschaften
zwischen den Gußkoloenringen und der Unterschicht 3 zufriedenstellend bleiben und daß der Reibungskoeffizient
der Iolbenringe auf der Unterschicht 3 gering bleibt.
Das erfindungsgemäße Verfahren erfüllt also die gestellte Aufgabe, indem es mit ihm möglich ist, in einfacher, wirtschaftlicher
und schneller Weise eine G-leitflächenbeschichtung
herzustellen, die besonders verschleißfest ist, und zwar insbesondere für Gehäuse von Drehkolbenmotoren.
- Patentansprüche -
009838/U06
BAD
BAD
Claims (10)
1. ilasciiinenelement mit mindestens einer Reibungsfläche, insbesondere
Kolbengehäuse aus einer .Leichtmetallegierung Tür iJrehkolbenmotoren mit einer, innenliegenden Keibungs-Jf-Jehe,
umfassend auf der Reibungsflö.ohe eine metallische
u:rto und zur ,irzieluu^ einer gewünschten i-'estigkeit gegen
-iJurUhrunösdrücke ausreichend starke Imterschicht und auf
dieser eine dünne verschleißfeste Beschichtung, dadurch jekoLinseichnel", duß die metallische Unterschicht (3) gebildet
ist von einer Legierung aus Kohlestoffstahl und x.ickel-Aluminium-Yerbindungen (KiAl, üival), wobei'die
Yolumenanteilo des Kohlestoffstahls im wesentlichen srwischen
70 und 90 -p schv/anken und des komplementären Rests aus
iiickel-.lluminjum-Verbindungen zwischen 10 und 30 /o,
2. Clement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kohlenstoffstahl einen Kohlenstoffgehalt zwischen 0,1 und 0, 6 r/i Gewichtsprozent aufweist.
3. Clement nuch einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die dünne verschleißfeste Eeschichtung (4)
gebildet ist aus Nickel oder Kobalt.
4. Clement n-".ch einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die dünne verschleißfeste Beschichtung (4) Stoffteilchen aufweist, welche in dem zur Herstellung der
Beschichtung zur Anwendung kommenden Bad unlöslich sind, einen Durchmesser von etwa 0,02 bis 400 /U haben und der
Beschichtung zusätzliche Härte- und/oder (ileiteigenschaften
verleihen.
- 3.0 -
009838/14 06
BAD ORlOtNAL
- LO -
5. Element nach einem der Ansprüche 1 bin 4» dadurch, gekennzeichnet,
daß die verschleißfeste Beschichtung (4) eine stärke zwischen 0,02 und 0,1 mm aufweist.
6. Clement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Unterschicht (3) eine Stärke zwischen 0,2 und 0,8 mm aufweist.
7. Jiilement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn—
zeichnet, daß zwischen der Reibungsfläche (2) und der uetallischen
Unterschicht (3) eine dünne Verankerungsscliicht (6) aus ilolybden oder iiickel-Aluminium-Verbindungen
für die Unterschicht (3) an der Reibungsschicht (2) angeordnet ist.
8. Verfahren zur Beschichtung; von Reibungsflächen eines Kaschinenelementes
nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem man zunächst durch Projektion mittels einer ilamine auf
die zu beschichtende und bis nahezu auf lertigmaß' bearbeitete
Reibungsflache eine haftende, harte und zur erzielung
einer ausreichenden Druckfestigkeit hinreichend starke metallische Unterschicht aufbringt, dann nach einer l'ein-
W bearbeitung bis fast genau auf das Fertigmaß auf elektrolytischem
und/oder chemischem V/ege eine dünne verschleißfeste Beschichtung aufbringt und schließlich durch eine
weitere Peinbearbeitung das I'ertigmaß und den gewünschten
Oberflächenzustand herstellt, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Ausbildung der Unterschicht (3) gleichzeitig
mittels mindestens zweier Pistolen einerseits Kohlenstoffstahl mit einem Volumenanteil von etwa 70 bis 90 Ja auf
die Reibungsfläclie (2) aufprojiziert und andererseits in
einer dem Volumenrest entsprechenden Menge von 10 bis 30 a/>
ein Gemisch aus im wesentlichen gleichen !Teilern von jJlickel-
und Aluminiumpulver.
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BAD ORIGINAL
- li -
9. Verfahren nach Anspruch 8, insbesondere "bei der Ausgestaltung
des Maschinenelementes als Korbengehäuse für JJrehlcolbeninotoren,
dadurch gekennzeichnet, daß man das Kolbengehäuse
(1) auf eine temperatur von etwa 1800O vorwärmt,
dann bei dieser temperatur die Unterschicht (3) aufprojiziert,
um so ein Abkühlen des Korbengehäuses (l) und der Unterschicht (3) in einer Vorspannung zu erzeugen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 und 95 dadurch gekennzeichnet,
daß man auf der Reibungsfläche (2) eine dünne Verankerungsschicht (6) aus Molybden oder Hickel-
^luminium-Verhindungen zur besseren Haftung der Unterschicht
(3) auf der reibungsflache (2) ausbildet.
009838/1406 BAD
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