DE2413097A1 - Kolbenring und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Kolbenring und verfahren zu seiner herstellungInfo
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Description
DipUng. Thomas Wilcken 2 Λ 1 3 0 9 7
24 Lübeck, Breite Straße 62-54 \ g Mal? 1974
Anmelderin:
Wellworthy limited, Iymington, Hampshire, (England)
Kolbenring und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft Kolbenringe und ein Verfahren zu ihrer
Herstellung.
Die Erfindung besteht in einem Kolbenring mit einer umfangsmäßigen
Lauffläche oder einer oder mehrerer Umfangsnuten in dieser lauffläche, die mit einem Überzug versehen ist bzw. sind, der
sich überwiegend aus einer harten verschleißfesten Phase oder Phasen zusammensetzt und der auch eine relativ weiche abriebfeste
Phase in laminarer Form enthält.
Der Überzug kann sich über die Gesamtheit einer glatten Umfangsoberfläche
eines Kolbenringes erstrecken oder kann in eine oder mehrere Umfangsnuten eingelegt sein, wobei vorzugsweise Abschnitte
vorhanden sind, die die Nut oder Nuten begrenzen und die nach der Fertigbearbeitung keinen Überzug aufweisen.
Vorteilhafterweise ist die relativ weiche abriebfeste Phase aus Kupfer oder einer Legierung auf Kupferbasis gebildet. Die harte
verschleißfeste Phase kann aus einer Chrom-Eisen-Legierung, aus Chromkarbid und einer Nickel-Chrom-Legierung oder aus einer
Wolframkarbid/Kobald- und Nickel-Chrom-Legierung bestehen.
■ - 2 409840/078 8
Vorzugsweise ist das Uberzugsmaterial auf den Kolbenring aufgespritzt,
z.B. durch Plasmaspritzen, wodurch bewirkt wird/daß
sich das Kupfer oder die Kupferlegierung in Form von dünnen
Plättchen niederschlägt.
Die Plasmapistole kann entweder mit einem vorgemischten Puder
aus den den Überzug bildenden Anteilen gespeist werden, oder alternativ können die getrennten Anteile der Plasmapistole in dem
gewünschten Verhältnis zugeführt werden. Der Prozentsatz des weichen abriebfesten Materials in dem Überzug beträgt 5 bis 30,
vorzugsweise 10 bis 20 Gewichtsprozent.
Das Überzugsmaterial wird vorzugsweise auf die Umfangsfläche eines
Paketes aus Kolbenringen oder in die Umfangsnuten des Kolbenringpaketes
gespritzt. Das Uberzugsmaterial-, das sich in den Abschnitten
niedergeschlagen hat, welche die Nut oder die Nuten begrenzen, kann nachfolgend entfernt werden, z.B. durch Schleifen.
Es wurde festgestellt, daß ein Überzug nach der Erfindung während
des Laufes des Kolbens in einer Zylinderbohrung eines Motors einen
ausgleichenden Abrieb aufweist, wobei die weiche Phase vorzugsweise an der Oberfläche einen Poliereffekt hervorruft und
die Schmierung an der Berührungsfläche zwischen Kolbenring und Zylinder verbessert.
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Da die relativ weiche Phase in Plättchenform vorliegt, beeinträchtigt
sie nicht die Beschaffenheit des Überzuges, und aufgrund ihrer Weichheit werden irgendwelche abrasiven Teilchen
absorbiert, anstatt daß sie mit der Zylinderbohrung in Kontakt gehalten, werden. Darjiberhinaus ist die relativ weiche Phase so
gewählt, daß sie äußerst widerstandsfähig gegen Abnutzung bzw. Abrieb ist, wobei der anfängliche, vergleichsweise hohe Abrieb
dieser Phase und seine Übertragung zur Zylinderbohrung den Abrieb während der kritischen Laufperiode unterbindet anstatt
fördert.
Die Erfindung ist durch folgende Ausführungsbeispiele erläutert.
Ein Pulver aus einer Chrom-Eisen-Legierung wurde mit 15 9^ Kupf erpulver
vermischt und mittels einer Plasmapistole in die Umfangsnuten
eines Kolbenringes gespritzt, wobei als Lichtbogengas Argon benutzt wurde, und der resultierende Einlageüberzug wurde
durch Schleifen fertigbearbeitet. Die Kolbenringe wurden anschließend
einer Reihe von Motortests unterworfen, bei denen ein 6-Zylinder-Dieselmotor mit sehr genauen Zylinderbohrungen
von 130,2 mm benutzt wurde. Es wurde festgestellt, daß die Abnutzungscharakteristiken
der Ringe und Bohrungen ausgezeichnet gut waren und daß keine Abnutzungsanzeichen an den Kolbenringen
oder an den aus Gußeisen bestehenden Zylinderbohrungen festgestellt
werden konnten.
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Es wurden Kolbenringe mit einer Einlage aus Chrom-Eisen und 15 $ Kupfer wie in Beispiel 1 hergestellt,und diese Kolbenringe
liefen in einem 6-Zylinder-Dieselmotor mit einer Zylinderbohrung
von angenähert 106,7 mm im Durchmesser, wobei die Zylinder aus Gußeisen bestanden.
Nach einer Laufzeit von 1.000 Stunden bei Vollast, die für eine Bremsleistung von nominal 100 b.h.p. (brake horse-power) bei einer
Drehzahl von 2.200 Umdrehungen pro Minute ausgelegt war, wurden die Kolbenringe und die Zylinderbohrungen geprüft und für in einem
guten Zustand befunden worden. Die Kolbenringe wiesen einen durchschnittlichen totalen radialen Abtrag von 0,01143 mm bei
einem geschätzten stetigen Zustandsverschleiß von 0,00610 mm pro 1.000 Stunden auf.
Ein zweiter 1.OOO-Stunden-Test mit identischen Kolbenringen,die
mit einem Chrom-Eisen-Pulver allein in allen Bohrungen eingelegt waren, wiesen einen durchschnittlichen totalen radialen Verschleiß
von 0,02794 mm bei einem geschätzten stetigen Zustandsverschleiß von 0,01245 mm pro 1.000 Stunden auf.
Ein erzeugtes Plasmaüberzugsmaterial, das unter der englischen Bezeichnung Metco 430.NS bekannt ist, welches Überzugsmaterial
Chromkarbid in einer Matrix aus einer selbstgehenden Legierung
- 5 409840/0788
auf Nickel-Chrom-Basis enthält, wurde mit 15 5» Kupferpulver vermischt
und auf Kolbenringe aufgebracht wie in Beispiel 1. Kolbenringe mit diesem Material liefen dann in abwechselnden Zylinderbohrungen
eines 6-Zylinder-Dieselmotors mit einem Zylinderbohrungsdurchmesser
von angenähert 106,7 mm. Identische Kolbenringe, die mit dem erfolgten Überzugsmaterial allein versehen waren, liefen
in den verbleibenden Zylinderbohrungen. Alle Zylinderbohrungen waren mit Chrom elektroplattiert. Ein Vergleich der Zylinderbohrungen
und Kolbenringe nach dem dem Motortest zeigte, daß sich diejenigen Kolbenringe und Zylinderbohrungen in einem überlegenen
Zustand befanden, wo die Kolbenringüberzüge Kupfer enthielten.
Typische Zusammensetzungen aus verwendbarem, hartem verschleißfesten
Material bestebanin folgendem: 85 i>
Chrom mit 17 # Eisen oder 73 $>
Chrom mit 27 # Eisen. Andere Zusammensetzungen bestehen aus folgenden Komponenten:
. Met co 4-30. NS: | Chrom | 48 ?S |
Nickel | 28 £ | |
Kohlenstoff | 6 * | |
Aluminium | 2 f | |
Molybdän | 2 % | |
Bor | 1 $ | |
Silizium | ι * | |
Kobalt | Bai bzw. Rest | |
- 6 409840/0788
Metco 438.NS:
12 % Kobalt enthaltendes | Metco 439.NS: | 75 $> |
Wolframkarbid | 3 * | |
Chrom | ||
Aluminium | 0,8 % | |
Eisen | 0,8 £ | |
Silizium | 0,5 # | |
Bor | 0,15 i> | |
Kohlenstoff | BaI bzw. Rest | |
Nickel |
12 56 Kobalt enthaltendes
Wolframkarbid 50 56
Chrom 6 #
Aluminium 0,7 #
Eisen 1,5 $
Silizium Ί.,5 #
Bor 1,0 56
Kohlenstoff 0,5 #
Nickel . - BaI bzw. Rest
In allen Fällen der vorgenannten Materialzusammensetzungen wurde das gewünschte Verhältnis von Kupferpuder oder Kupferlegierungspuder
mit einem Wert von 5 bis 30 #, vorzugsweise 10 bis 20 $
zugemischt.
Alle hier genannten Prozentangaben sind Gewichtsprozente.
— 7 —
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Die Erfindung wird nun weiter beschrieben, und zwar mit Bezug auf die in der anliegenden Zeichnung dargestellten Ausfübrungsbeispiele.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Paket Kolbenringe in Ansicht, die zum Spritzen fertig sind,
Fig. 2a- teilweise Schnitte im größeren Maßstab durch
2e
zwei Kolbenringe, die sich in unterschiedlichem Zustand beim Überziehen befinden,
Fig. 3 eine Aufsicht auf einen typischen Kompressionsring,
Fig. 4a- teilweise Schnitte im Maßstab nach Figur 2 4 durch verschiedene Formen von Kömpressionsringen
nach der Erfindung.
Figur 1 zeigt einen Aufspanndorn 1, der ein Paket von Kompressionsringen
2 trägt, die auf dem Aufspanndorn durch Anziehen der Kutter 6 geklemmt zusammengehalten werden. Jeder Ring hat eine einzige
Umfangsnut 3.
Figur 2a zeigt zwei solche Kolbenringe in einem größeren Maßstab,
und Figur 2b zeigt diese Ringe nach dem Niederschlag des gespritzten Überzugmaterials 4. Figur 2c zeigt diese Ringe nach dem
Schleifen ihrer Umfangsflachen, um einen eingelegten bzw. eingebetteten
Niederschlag 5 des Überzugmaterials in jeder Nut 3 zu.
hinterlassen.
In Figur 4a ist der Überzug 5 so gezeigt, daß er sich über die
- 8 409840/0788
— ο —
gesamte Umfangsflache dieses Kolbenringes erstreckt. In Figur
4b besitzt der Kolbenring drei Nuten 3a und jede Nut ist mit einem Überzugsmaterial 5 ausgefüllt. Der Kolbenring nach Fig. 4c
weist einen Umfangsüberzug 5 auf, der sich über eine Seitenfläche des Kolbenringes bei 5a weitererstreckt. Figur 4d zeigt einen
Kolbenring mit einer geneigten Umfangsfläche mit einer einzigen Nut 3, die mit einem Überzugsmaterial 5 ausgefüllt ist, während
in Figur 4e die Umfangsfläche des Kolbenringes konvex ist, wobei der Überzug 5 in der Kolbenringnut 3 gleichfalls konvex ausgebildet
ist. Schließlich zeigt Figur 4f einen Kolbenring mit einem Umfang, der bei 7 abgestuft ausgebildet ist, und wobei der äußerste
Abschnitt des Umfanges eine einzige Nute 3 aufweist, die mit dem Überzugsmaterial 5 ausgefüllt ist.
Es ist klar, daß die Ausführungsformen der Figur 4 lediglich Beispiele darstellen,und es können andere geometrische Verhältnisse
der Ringumfangsfläche, andere Nutenzahlen und eine andere Niederschlagsweise des Überzugsmaterials innerhalb des Erfindungsgedankens
nützlich angewendet werden.
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Claims (12)
- Patentanwalt· „Dr. Hugo WHckett JL H I O U Ό ΙDipl.-lng. Thomas WilckenDipl.-Chem. Dr. Wolfgang Läufer jj \ £24 Lübeck, Breite Straße 52-84Anmelderin:Wellworthy Limited, Lymington, Hampshire, (England)AnsprücheKolbenring, dadurch gekennzeichnet, daß die Lauffläche oder die darin vorgesehene Umfangsnut oder Umfangsnuten des Kolbenringes mit einem Überzug versehen ist bzw. sind, die überwiegend aus einer harten verschleißfesten Phase oder Phasen zusammengesetzt ist und der auch eine relativ weiche abriebfeste Phase in laminarer Form enthält.
- 2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Überzug über die gesamte glatte Umfangsfläche des Kolben ringes erstreckt.
- 3. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug in einer oder mehreren Umfangsnuten der Lauffläche des Kolbenringes vorgesehen ist.
- 4. Kolbenring nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Nut oder Nuten begrenzenden Umfangsabschnitte des Kolbenringes ohne Überzugsmaterial sind.
- 5. Kolbenring nach den Ansprüchen 2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Überzug weiter über eine Seitenfläche- 2 409840/0788des Kolbenringes erstreckt.
- 6. Kolbenring nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozentsatz des relativ weichen abriebfesten Materials in dem Überzug zwischen 5 und 30 Gewichtsprozent beträgt.
- 7. Kolbenring nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozentsatz des relativ weichen abriebfesten Materials in dem Überzug zwischen 10 und 20 Gewichtsprozent beträgt.
- 8. Kolbenring nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die relativ weiche abriebfeste Phase aus Kupfer oder aus einer Legierung auf Kupferbasis gebildet ist.
- 9. Kolbenring nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die harte verschleißfeste Phase aus einer Chrom-Eisen-Legierung, aus einer Chrom-Karbid- und Nickel-Chrom-Legierung oder aus einer Legierung aus Kobalt enthaltendem Wolframkarbid und Nickel-Chrom besteht.
- 10. Verfahren zur Herstellung eines Kolbenringes nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Überzugsmaterial auf die Umfangsfläche eines Paketes aus Kolbenringen oder in die Umfangsnuten eines Kolbenringpaketes gespritzt wird.409840/0788JH - % -
- 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Überzugsmaterial mittels des Plasmaspritzverfahrens derart gespritzt wird, daß die relativ weiche abriebfeste Phase sich in dünnen Plättchen .niederschlägt.
- 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Überzugsmaterial auch auf eine einzelne Seitenfläche eines Kolbenringes gespritzt wird, der in einer geschlossenen oder dichten Stellung gehalten wird.409840/0788Leerseite
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