DE4244610A1 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Thermosprühbeschichtungsverfahren für Kolbenringe, welches unterschiedliche Materialien verwendet, geringe Betriebskosten benötigt und unveränderbare mittlere Beschichtungseigenschaften ergibt.

Ein bekanntes Thermosprühbeschichtungsverfahren für Kolbenringe verwendet zugeführte Drähte aus 99,9% reinem Molybdän, die mittels entsprechender Sauerstoff-Acetylen- Brennern geschmolzen werden. Bei diesem Verfahren werden Tröpfchen von geschmolzenem Molybdän gegen die äußeren Berührungsflächen der Kolbenringe gesprüht, wobei die Flächen eine relativ niedrige Temperatur, verglichen mit der die äußere Berührungsfläche erreichenden Tröpfchen, aufweist, und wobei Druckluft als Treibmittel verwendet wird. Die Adhäsion zwischen den Tröpfchen und der äußeren Berührungsfläche wird mechanisch mittels der Verfestigung der Tröpfchen auf den Unebenheiten der äußeren Kontaktfläche in Folge der hohen Kontraktionsspannung während der Verfestigung erreicht.

Neben den hohen Kosten dieses Verfahrens, welches allein Molybdän verwendet, neigt die erzeugte Beschichtung infolge der Tatsache, daß das Verschmelzen aufeinander folgender Beschichtungen über oxidreiche Zwischenflächen erfolgt, zum Brechen. Derartige Brüchigkeit führt zu Rissen und Splittern, wenn der Kolbenring mechanischer Belastung unterworfen wird. Die Gleichmäßigkeit der Beschichtung mit Molybdän wird durch die hohen Betriebstemperaturen des Kolbenrings in der Nähe der Verbrennungskammer hauptsächlich infolge des wesentlichen Unterschieds zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizenten des Molybdäns und dem Grundmaterial aus einer Eisenlegierung bewirkt, die unter Belastung zum Auftreten der Risse führt.

Weiter ist das Sprühbeschichtungsverfahren, das Drähte verwendet, hinsichtlich der Kombination von unterschiedlichen Materialien beschränkt.

Ein weiteres bekanntes Verfahren verwendet Pulver zum Sprühen, welches die Verwendung von verschiedenen Materialien ermöglicht, jedoch mit sehr hohen Kosten verbunden ist, hauptsächlich in dem Fall, in dem das Sprühen mittels eines Plasmabogens bewirkt wird.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Thermosprühbeschichtungsverfahren für Kolbenringe zu schaffen, das eine Beschichtung erzeugt, die, wenn sie hohen mechanischen Beanspruchungen unterworfen wird, gegen Risse und Splitter beständig ist, und welches mit geringen Kosten verbunden ist.

Weiter soll mit der vorliegenden Erfindung ein Thermosprühbeschichtungsverfahren für Kolbenringe geschaffen werden, das im Hinblick auf die Kombination von unterschiedlichen Materialien vielseitiger ist, wodurch man unterschiedliche Eigenschaften erzielen kann.

Diese Aufgabe wird mit einem Thermosprühbeschichtungsver­ fahren für Kolbenringe gelöst, wobei mehrere Kolbenringe zuerst an einem Träger gegen relative gegenseitige Verschiebungen so befestigt werden, daß ihre äußeren Berührungsflächen eine zylindrische Oberfläche bilden, wobei weiter die gesamte zylindrische Oberfläche kontinuierlich fortlaufend mittels eines Druckgasstroms mit einer Masse von mittels eines Sauerstoff-Acetylen-Brenners geschmolzener Tröpfchen besprüht wird, die von mindestens einem zugeführten Molybdändraht und von mindestens einem zugeführten Draht eines weicheren metallurgischen Bindematerials stammen, wobei die Masse der Tröpfchen aus etwa 30 bis 60% Molybdän und der Rest aus Bindematerial besteht, und der Sprühvorgang zum integralen Beschichten der zylindrischen Oberfläche mit der Masse der Tröpfchen in mindestens einer Schicht durchgeführt wird, und die zylindrische Oberfläche während des Sprühvorgangs einer Drehbewegung um ihre geometrische Achse und gleichzeitig einer Translationsbewegung in Richtung ihrer geometrischen Achse zur Erzeugung einer schraubenlinienförmigen Versetzung der Sprühpunkte über die gesamte zylindrische Oberfläche unterworfen wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt eines im Inneren eines Zylinders arbeitenden Kolbens mit Kolbenringen, wobei der Druck des Gases mittels des Pfeils dargestellt ist, und eine vergrößerte Einzelansicht eines Kolbenrings mit der Beschichtung auf seiner äußeren Berührungsfläche;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Besprühens der Kolbenringe mittels zugeführter Drähte, und

Fig. 3 einen vergrößerten Querschnitt eines Teils eines Kolbenrings, der auf seiner äußeren Berührungsfläche mit einer Beschichtung versehen ist.

Wie in der Zeichnung dargestellt, werden die Kolbenringe 1 auf einem sich hin und her bewegenden Kolben P angebracht, die während der Verbrennung in der Nähe der Innenwand eines Zylinders C angeordnet sind. Jeder Kolbenring 1 weist eine äußere Berührungsfläche 1a auf, die mit einer Anti-Haft-und Anti-Abrieb-Beschichtung versehen ist, die die Kolbenringe 1 schützt, wenn sie einem hohen Druck und einer hohen Temperatur während des Verbrennungsvorgangs unterworfen werden. In einer Ausführungsform der Erfindung wird die äußere Berührungsfläche 1a jedes Kolbenrings 1 zuerst durch Bearbeiten des Kolbenrings 1 erzeugt, um im mittleren Kreisabschnitt des Kolbenrings 1 eine oberflächliche Ringnut zu erzeugen, die später mit der Beschichtung ausgefüllt wird, bis der Durchmesser der äußeren Berührungsfläche 1a des Kolbenrings 1 wieder erreicht wird.

Bei einer anderen Art und Weise der Durchführung der Erfindung wird die Beschichtung auf die äußere Berührungsfläche 1a von außen aufgebracht, so daß der Durchmesser dieses Bereichs, wo die Beschichtung aufgebracht wird, vergrößert wird, bis eine Beschichtung mit einer ausreichenden Ringdicke erreicht wird, so daß sich nach der Endbearbeitung eine Beschichtungsdicke von 2 bis 7% der ursprünglichen Ringdicke des Rings ergibt.

Wie in Fig. 2 dargestellt, werden mehrere Kolbenringe an einem Träger 2 längs seiner Länge mittels Halteeinrichtungen, wie z. B. Schrauben und Muttern, so befestigt, daß sie sich nicht gegenseitig relativ zueinander verschieben können, und die so angeordnet sind, daß sich eine zylindrische Oberfläche ergibt, die sich um eine Rotationsachse, die durch die Mitte des Ringsatzes verläuft und die mit der geometrischen Achse des Trägers 2 zusammenfällt dreht und eine Translationsbewegung in Richtung der geometrischen Achse durchführt. In einem bestimmten Abstand vom Träger 2 befinden sich zwei Gasbehälter 3, die gleichzeitig über ihren entsprechenden Einlaß a, b mit Sauerstoff und Acetylen versorgt werden, so daß eine Schmelzflamme erzeugt wird, die in der Lage ist, die in dem vorliegenden Sprühverfahren verwendeten chemischen Elemente zu schmelzen. Jeder Gasbehälter 3 hat eine Flammenregulierung, die durch Verändern des Verhältnisses von Sauerstoff und Acetylen in der Flamme bewirkt wird.

Neben den ins Innere der Behälter 3 zugeführten Gasen zur Bildung der oben beschriebenen Flamme, werden durch dritte und vierte Einlässe c bzw. d die zur Beschichtung der Kolbenringe 1 verwendeten zu schmelzenden chemischen Elemente und ein Volumen von Druckluft zugeführt, die durch einen Auslaß "s" jedes Behälters 3 die Tröpfchen jedes geschmolzenen chemischen Elements in Richtung der äußeren Berührungsfläche der zylindrischen Oberfläche des Trägers 2 mitnimmt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Beschichtung durch gleichzeitiges thermisches Sprühen von zwei unterschiedlichen chemischen Elementen, die jedoch die gleiche Konzentration haben und die in Form von zugeführten Drahtrollen 4 vorliegen und durch einen Behälter 3 verlaufen, durchgeführt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Lösung ist eines der bei der Beschichtung verwendeten chemischen Elemente Molybdän, das für die Anti-Abrieb und Anti-Haft-Eigenschaften der Beschichtung verantwortlich ist, und das mit einer Reinheit von 99,9% verwendet wird. Das andere der Materialien ist rostfreier Stahl. Dieses Element, das eine geringere Härte im Bezug zum Molybdän hat, ist für das metallurgische Verbinden des Molydäns mit der äußeren Berührungsfläche der Kolben 1 und für die Kohäsion der auf die vorherigen Schichten aufgebrachten verschiedenen Schichten verantwortlich. Für jeden zugeführten Draht, der verwendet wird, hat die Sauerstoff-Acetylen-Flamme eine spezifische Regulierung, die sich durch ein entsprechendes Verhältnis von Sauerstoff und Acetylen gemäß dem Schmelzpunkt jedes Elements für die Zusammensetzung der zugeführten Drähte ergibt.

Der rostfreie Stahl, der einen niedrigeren Schmelzpunkt hat, macht eine bessere metallurgische Verbindung möglich, die die Rißbeständigkeit der Beschichtung unter mechanischen Beanspruchungen steigert, die Adhäsion derselben am Grundmaterial des Kolbenrings 1 und die Kohäsion der aufgesprühten Partikel verbessert.

Die Adhäsion der Beschichtung am Grundmaterial ist hauptsächlich metallurgisch. Bei dieser Adhäsion erreichen die Molybdäntröpfchen, wenn sie auf die äußere Berührungsfläche der Kolbenringe gesprüht werden, diese Oberfläche, die eine niedrigere Temperatur hat, so daß sie sich an der Rauhigkeit des Grundmaterials beim Erstarren festsetzen.

Gemäß der Erfindung erhält man die Beschichtung durch Verwendung einer Legierung, in diesem Fall einer chemischen metallurgischen Legierung von Molybdän und rostfreiem Stahl, um eine bessere Adhäsion des Molybdäns an der äußeren Berührungsfläche 1a der Kolbenringe zu erhalten, so daß der Widerstand gegen Risse und Brüche während der hohen Arbeitstemperaturen, denen die Kolbenringe 1 in der Nähe der Verbrennungskammer unterworfen werden, sichergestellt ist.

Das Besprühen findet ohne Unterbrechung während einer bestimmten Anzahl von Bewegungsabläufen des Trägers 2 statt, bis die äußere Berührungsfläche 1a jedes Kolbenrings 1 des Trägers 2 eine homogene und kontinuierliche Beschichtung mit der Molybdän/rostfreien Stahlmischung mit einer Ringbreite, wie oben beschrieben, aufweist.

Bei der vorliegenden Lösung erhält man die Beschichtung durch gleichzeitiges Besprühen mit Molybdän und rostfreiem Stahl, wobei die Punkte berücksichtigt werden, die in Längsrichtung über die Erstreckung des Trägers 2 versetzt sind, so daß auf der zylindrischen Oberfläche des Trägers 2 eine schraubenlinienförmige Bahn durch die Rotations- und Translationsbewegungen des Trägers 2 in bezug auf die Gasbehälter 3 und somit der Masse der beim Sprühen geschmolzenen Tröpfchen bewirkt wird.

Der rostfreie Stahl sorgt nicht nur für die Adhäsion des Molybdäns am Grundmaterial der äußeren Berührungsfläche 1a jedes Kolbenrings 1, sondern ermöglicht die Verbindung der Molybdäntröpfchen miteinander. Jede zugeführte Drahtrolle 4 hat ihre eigene Zuführgeschwindigkeit für ihren entsprechenden Behälter 3, der entsprechend der für die Mischung erforderlichen Konzentration jedes für die Beschichtung verwendeten chemischen Elements erforderlich ist.

Weiter wird die Rotationsgeschwindigkeit des Trägers 2 proportional zur Rotationsgeschwindigkeit der Rollen 4, die den Draht den Gasbehältern 3 zuführen, gehalten, wobei das Verhältnis durch die Anzahl der Schichten und der Ringbreite jeder metallurgisch an der äußeren Berührungsfläche 1a jedes Kolbenrings 1 haftenden Beschichtung bestimmt wird. Das Verhältnis des Absolutbetrags der Rotationsgeschwindigkeit des Trägers zum Absolutbetrag der Rotationsgeschwindigkeit jeder den Draht zuführenden Rolle 4 kann beispielsweise null sein.

Nach der Beendigung des Besprühens der zylindrischen Oberfläche mit der Molybdän/rostfreien Stahllegierung wird jeder Kolbenring 1 auf der äußeren Berührungsfläche 1a bearbeitet, um das Arbeitsprofil zu erhalten.

Claims (4)

1. Thermosprühbeschichtungsverfahren für Kolbenringe, wobei mehrere Kolbenringe (1) zuerst an einem Träger (2) gegen relative gegenseitige Verschiebungen so befestigt werden, daß ihre äußeren Berührungsflächen (1a) eine zylindrische Oberfläche bilden, dadurch gekennzeichnet, daß weiter die gesamte Ausdehnung der zylindrischen Oberfläche des Trägers (2) kontinuierlich fortlaufend mittels eines Druckgasstroms mit einer Masse von mittels eines Sauerstoff-Acetylen- Brenners geschmolzener Tröpfchen besprüht wird, die von mindestens einem zugeführten Molybdändraht (4) und von mindestens einem zugeführten Draht (4) eines weicheren metallurgischen Bindematerials stammen, wobei die Masse der Tröpfchen aus 30 bis 60% Molybdän und der Rest aus Bindematerial besteht und der Sprühvorgang zum integralen Beschichten der zylindrischen Oberfläche mit der Masse der Tröpfchen in mindestens einer Schicht durchgeführt wird, und die zylindrische Oberfläche während des Sprühvorgangs einer Drehbewegung um ihre geometrische Achse und gleichzeitig einer Translationsbewegung rundum ihre geometrische Achse zur Erzeugung einer schraubenlinienförmigen Versetzung der Sprühpunkte über die gesamte zylindrische Oberfläche unterworfen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das metallurgische Bindematerial rostfreier Stahl ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse der Tröpfchen aus im wesentlichen gleichen Teilen Molybdän und rostfreiem Stahl besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung der äußeren Berührungsfläche der Kolbenringe (1) eine Enddicke aufweist, die 2 bis 7% der Ringbreite des Rings entspricht.