DE3607497A1 - Kolbenmaschine - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Kolbenmaschine mit Kolben und Zylinder aus siliciertem Siliciumcarbid.

Für Kolbenmaschinen, die bei hohen Temperaturen oder im Trockenlauf betrieben werden, sind Kolben und Zylinder vorgeschlagen worden, die vollständig oder zu einem Teil aus Siliciumcarbid bestehen. Siliciumcarbid ist ein Werkstoff, der temperaturbeständiger ist als die üblicherweise für Kolben und Zylinder verwendeten Metalle. Andere Vorteile sind die vergleichsweise geringe Dichte und der Verschleißwiderstand. Durch die DE-OS 31 18 967 ist beispielsweise ein Kompressor zur Erzeugung von Preßluft bekannt, dessen Kolben und Zylinderhülse aus Siliciumcarbid bestehen. Die kleine Wärmedehnung der Gleitpartner ermöglicht die Verkleinerung des Luftspalts und die Verwendung von Wasser als Schmiermittel. Diese Lösung vermeidet die mit Ölschmierungen verbundene Verschmutzung des geförderten Fluids und ist wegen des gestiegenen Kompressorwirkungsgrads auch wirtschaftlich von Vorteil. Für Trockenlauf eignet sich diese Lösung, vor allem wegen der großen Verschleißrate der im Reibkontakt stehenden Elemente nicht.

Zur Verbesserung des Gleitverhaltens von Siliciumcarbid- Gleitpaarungen im Trockenlauf ist vorgeschlagen worden, dem Siliciumcarbid Feststoffschmiermittel zuzusetzen. Geeignete Feststoffschmiermittel sind Stoffe, die bei den hohen, bei der Erzeugung des Siliciumcarbids auftretenden Temperaturen beständig sind und mit dem gebildeten Carbid im wesentlichen keine Verbindungen bilden. Beispiele derartiger Schmiermittel sind Bornitrid, Graphit oder Ruß in körniger Form, die in einer Menge bis 20 Vol.% in den Siliciumcarbidkörpern enthalten und möglichst gleichmäßig verteilt sind (DE-OS 33 29 225). Reibungskoeffizient und auch Verschleißrate der Schmiermittel in fester Form enthaltenden Siliciumcarbidkörper nehmen unter bestimmten Versuchsbedingungen mit dem Schmiermittelzusatz ab, ein Ergebnis, das sicherlich nur begrenzt auf Trockenlauf unter den üblichen technischen Bedingungen übertragen werden kann. In einer sorgfältigen Untersuchung über Gleitreibung und den Verschleiß von Ingenieurkeramik, in die u. a. verschiedene Siliciumcarbid-Sorten mit Graphitzusätzen einbezogen waren, kamen die Autoren zu dem Schluß, daß auch schmierstoffhaltiges Siliciumcarbid sich nicht für den Trockenlauf eignet, besonders nicht als Kolben und Zylinder von Kolbenmaschinen (J. Breznak, E. Breval, N.H. MacMillan, J. Mat. Science, 20, 1985, 4657-4680).

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, für Kolbenmaschinen mit Gleitpaarungen aus Siliciumcarbid die beschriebenen Nachteile zu vermeiden und insbesondere im Trockenlauf Reibungskoeffizient und Verschleißrate auf eine technisch brauchbare Größe zu senken.

Die Aufgabe wird mit einer Kolbenmaschine der eingangs genannten Art gelöst, deren Kolben zu einem Teil mit Kohlenstoff oder Graphit beschichtet ist.

Kolben und Zylinder der Kolbenmaschine bestehen aus Siliciumcarbid, das durch Silicierung eines kohlenstoffhaltigen Siliciumcarbidkörpers gewonnen wird. Durch Zufuhr von schmelzflüssigem oder gasförmigem Silicium bildet sich in dem Körper sekundäres, die primären Carbidkörner verbindendes Siliciumcarbid. Die Prozeßtemperaturen betragen nur etwa 1600°C, verglichen mit 2000 bis 2200°C bei der normalen Sinterung von Siliciumcarbid. Bei diesem Verfahren ist es auch möglich, dem herstellungsbedingt porösen Körper Silicium im Überschuß zuzuführen und Restporen mit Silicium zu füllen. Durch die Siliciumphase werden besonders Festigkeit und Zähigkeit der Körper erhöht. Im allgemeinen ändern sich die Maße der Körper beim Silicieren wenig, so daß nur eine geringfügige Bearbeitung zur Einstellung der Endmaße von Kolben und Zylinder nötig ist. Die Lauffläche des Kolbens ist erfindungsgemäß zu einem Teil mit Kohlenstoff oder Graphit beschichtet, wobei unter dem Terminus "beschichtet" mit dem Kolben stoffschlüssig verbundene Kohlenstoffschichten, auf die Lauffläche des Kolbens aufgelegte und in Ausnehmungen des Kolbens eingelegte Streifen oder Ringe aus Kohlenstoff zu verstehen sind. Unter dem Begriff "Kohlenstoff" wird im folgenden auch Graphit verstanden. Zur Herstellung einer mit dem Kolben stoffschlüssig verbundenen Kohlenstoffschicht wird zweckmäßig bei einer Temperatur zwischen 1100 und 1400°C aus kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemischen Kohlenstoff auf der Mantelfläche des Kolbens abgeschieden, z. B. aus Methan-, Wasserstoff- oder Propan-Stickstoff-Mischungen, wobei die Beschaffenheit der Schicht, etwa ihre Härte, in an sich bekannter Weise durch Änderung der Beschichtungsbedingungen dem Verwendungszweck angepaßt wird. Nach einem anderen Verfahren wird ein Kohlenstoffpulver und als Binder ein Kunstharz, z. B. Phenolformaldehydharz, enthaltendes Gemisch auf die Oberfläche des Kolbens aufgebracht, beispielsweise aufgepinselt, und der Binder durch Erhitzen des Kolbens auf etwa 800 bis 1100°C carbonisiert. Auch bei diesem Verfahren kann innerhalb weiter Grenzen durch Änderung der Schichtzusammensetzung die Eigenschaft der Schicht den Anforderungen angepaßt werden.

Bevorzugt wird die Anordnung des Schmierstoffs in Form von Streifen oder Ringen aus Kohlenstoff, die auf die Kolbenoberfläche aufgeklebt oder zweckmäßig in umlaufende Nuten eingelegt sind. Streifen und Ringe werden aus formbaren Gemischen hergestellt, die Kohlenstoffpulver - z. B. gemahlene Kokse, Anthrazit oder Ruß -, Gemische dieser Stoffe und einen Binder aus der Gruppe Steinkohlenteerpech, Duroplast enthalten. Die Mischungen werden geformt, besonders durch Gesenk- oder isostatisches Pressen und die Formlinge zur Carbonisierung des Binders in inerter oder reduzierender Atmosphäre auf etwa 800 bis 1100°C erhitzt, zur vollständigen Überführung in Graphit gegebenenfalls auf etwa 2800 bis 3000 K. Die ring- oder hohlzylindrischen Rohlinge werden bearbeitet, wie Kolbenringe geschlitzt und auf die Lauffläche des Kolbens geklebt oder in Nuten eingelegt. Nach einem anderen Verfahren wird die Kohlenstoffschicht durch Wickeln von Kohlenstofffasern auf den Kolben erzeugt. Der Kolben ist zu diesem Zweck mit flachen Nuten versehen, in die zweckmäßig mit einem Binder imprägnierte Kohlenstoffasern eingezogen werden.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß die Beschichtung von Teilen der Kolbenlauffläche Reibungskoeffizienten und Verschleiß der aus siliciertem Siliciumcarbid bestehenden Gleitpaarung nicht nur für eine kurze Zeitspanne auf einen technisch brauchbaren Betrag senkt, sondern über lange Zeitspannen die Funktion der Kolbenmaschine im Trockenlauf ermöglicht. Der Effekt geht offensichtlich auf die Bildung stabiler, die Oberfläche von Kolben und Zylinder im wesentlichen bedeckenden Kohlenstoff- bzw. Graphitschichten aus dem Abrieb der primären Kohlenstoffschicht zurück. Für die Stabilität des Gleitverhaltens ist dabei das Verhältnis von Abbaurate der primären Kohlenstoff- bzw. Graphitschicht und der Aufbaurate der sekundären, das Reibverhalten bestimmenden Schicht wichtig, d. h. der Abrieb der sekundären Schicht muß stets durch Zufuhr von Kohlenstoff bzw. Graphit aus der primären Schicht ersetzt werden.

Erfüllt wird diese Bedingung durch eine den jeweiligen Betriebsbedingungen der Kolbenmaschine angepaßte Beschichtung des Kolbens, besonders der für die Beschichtung verwendeten Kohlenstoff- bzw. Graphitsorte. Im allgemeinen reichen dafür Prüfstandsversuche aus, in denen Reibungskoeffizient und Verschleißrate bestimmt werden. Auch die Dicke der Kohlenstoff- bzw. Graphitbeschichtung des Kolbens ist für die Standzeit der Gleitpaarung wichtig, da bei kleiner Schichtdicke die Standzeit vergleichsweise klein und bei dicken Beschichtungen die Zeitspanne bis zum Erreichen stabiler Reibwerte sehr lang ist. Zweckmäßig beträgt die Dicke der Beschichtung 0,2 bis 5 mm, vorzugsweise 1 bis 3 mm.

Beispiele für Kolbenmaschinen mit Kolben und Zylinder aus siliciertem Carbid sind trockenlaufende Kolbenverdichter zum Verdichten von Preßluft oder Atemluft und Verbrennungsmaschinen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Beispiels und einer Zeichnung erläutert.

Zur Herstellung einer Zylinderbuchse und eines Kolbens aus siliciertem Siliciumcarbid für einen Hochdruckverdichter wurden Siliciumcarbidpulver mit einer Korngröße von 1 bis 100 µm, Petrolkokspulver mit einer Korngröße kleiner als 20 µm mit Furanharz mit einer Zähigkeit von ca. 50 m Pa · s als Binder gemischt. Die Anteile der Mischungskomponenten waren 60, 10 und 30 Gew.%. Nach Homogenisierung der Mischung wurden zylindrische bzw. hohlzylindrische Rohlinge gegossen und die Formlinge zum Trocknen und Härten des Harzbinders auf 180°C erhitzt, Haltezeit - 2,5 h. Die gehärteten Körper wurden auf das Maß geschliffen und zum Carbonisieren des Binders und zum Silicieren auf 1600°C erhitzt. Unterhalb der Körper angeordnetes Silicium verdampft, diffundiert in die Körper und reagiert mit dem Kohlenstoff zu Siliciumcarbid, das die primären SiC-Körner untereinander verbindet. Zusätzlich wird metallisches Silicium in den Poren abgeschieden. Die Silicierung erfolgte in einer Argon-Schutzgasatmosphäre, die Haltezeit war 0,5 h. Nach Abkühlung wurden die Gleitflächen gehont.

Zur Herstellung der Kohlenstoffbeschichtung des Kolbens wurden Rohrabschnitte einer handelsüblichen im wesentlichen Petrolkoks mit einer Korngröße kleiner als 50 µm enthaltende Kohlenstoffsorte (EK10, Ringsdorff-Werke GmbH, Bonn-Bad Godesberg) nach paßgenauer Bearbeitung auf die silicierten Kolben geschoben. Die Kolben wurden dann unter Schutzgas auf etwa 1600°C erhitzt, wobei metallisches Silicium aus dem silicierten Kolben an der Grenzfläche zwischen Kolben und Hülse mit dem Kohlenstoff der Hülse unter Bildung einer stoffschlüssigen siliciumcarbidhaltigen Verbindung reagiert. Nach Abkühlung wurde die Kohlenstoff- Hülse bis auf 2 mm abgedreht.

In der einzigen Zeichnung ist der mit Kohlenstoff beschichtete Kolben dargestellt. Der Kolben (1) aus siliciertem Siliciumcarbid weist eine Beschichtung in Form der Kohlenstoffringe (2) auf.

Die nach dem Beispiel hergestellten Kolben und Zylinder hatten folgende Eigenschaften:

Rohdichte  3,05 g/cm² Gehalt an
metall. Silicium 14   % Biegefestigkeit320   MPa

Die Rohdichte der Kohlenstoffbeschichtung war etwa 1,60 g/cm³, die Rauhigkeit der Siliciumcarbidflächen 0,26 µm und der Kohlenstoffbeschichtung 5,0 µm. Die Reib- und Gleiteigenschaften der Paarung wurde im Trockenlauf bei Raumtemperatur und einer relativen Feuchte von ca. 65% bestimmt, zum Vergleich eine Paarung mit Kolben ohne Kohlenstoffbeschichtung.

Claims (7)

1. Kolbenmaschine mit Kolben und Zylinder aus siliciertem Siliciumcarbid, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Kolbens zu einem Teil mit Kohlenstoff oder Graphit beschichtet ist.

2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung ringförmig ausgebildet ist.

3. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Kolbenringe aus Kohlenstoff oder Graphit in Nuten des Kolbens eingelassen sind.

4. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben wenigstens teilweise durch eine Manschette aus Kohlenstoff oder Graphit umschlossen ist.

5. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß Kolben und Manschette durch eine in-situ gebildete siliciumcarbidhaltige Übergangsschicht verbunden sind.

6. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Kohlenstoff- oder Graphitschicht 0,2 bis 5 mm beträgt.

7. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht Graphitpartikel mit einer Korngröße bis 1 mm enthält.