Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Zylinderelement, wie etwa eine Zylinderbüchse, einen
Kolben, ein Kolbenhemd oder einen Kolbenring zur Verwendung in einem
Dieselmotor, insbesondere einem Zweitakt-Kreuzkopfmotor, der bei Vollast einen
maximalen Verbrennungsdruck von über 100 bar aufweist, bei dem der Kolben
mit mehreren Kolbenringen versehen ist und in einer Zylinderbüchse mit einem
Hub von wenigstens 600 mm hin und hergehend bewegt wird, wobei die
Kolbenringe in einem in Ringnuten montierten Zustand mit einer in axialer
Richtung über die Ringstärke hinausgehenden Höhe einen Außendurchmesser von
mindestens 150 mm aufweisen, wobei jeder Kolbenring eine radiale äußere
Oberfläche aufweist, die an der inneren Oberfläche der Zylinderbüchse entlang
gleitet, und wobei das Zylinderelement an wenigstens einem Teil der Seite des
Zylinderelements mit wenigstens einer thermisch aufgesprühten Beschichtung
versehen Lst.
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Zweitakt-Kreuzkopf-Dieselmotoren werden heutzutage zum Betrieb bei sehr
hohen maximalen Verbrennungsdrucken entwickelt, welche sehr hohe Lasten
bzw. Belastungen der Zylinderelemente erzeugen, teilweise aus dem Grunde,
daß die Differenzdruckwerte bzw. die differentiellen Druckwerte über die Ringe
notwendigerweise hoch werden, wenn die Ringe dazu dienen sollen, den Druck
in der Verbrennungskammer davon abzuhalten, sich in Richtung auf unterhalb
des Kolbens auszubreiten, teilweise aus dem Grunde, daß der durch die
Verbrennung erzeugte hohe Druck von sehr hohen Temperaturen begleitet wird,
welche einen negativen Effekt auf die tribologische Situation ausüben, so daß
die Zylinderelemente, die aneinander entlang gleiten, leichter Kolbenfressern
ausgesetzt sind, die insbesondere die Kolbenringe und die Büchse
beschädigen können. Zur Versiegelung gegen die hohen Druckwerte muß der
Anpreßdruck der Kolbenringe gegen die innere Oberfläche der Büchse hoch sein.
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Dies führt tendenziell eher dazu, daß der Kolbenring den Schmierölfilm
durchdringt und stellenweise gegen die innere Oberfläche der Büchse trocken läuft.
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Die Veröffentlichung der Anmelderin Nr. WO95/21994 beschreibt eine
Zylinderbüchse, deren innere Oberfläche bzw. Innenoberfläche mit verschiedenen
Schichten versehen ist, welche unterschiedliche Eigenschaften haben,
insbesondere eine zuallerinnerst gelegene harte Tragschicht, eine mittelharte
Intermediär- bzw. Zwischenschicht und eine weichere Einlaufschicht aus einem
gegenüber den härteren Schichten anderen Material. Für die zuallerinnerst
gelegene Schicht werden als verwendbare Materialien eine relativ weiche
Metallmatrix, welche Chrom, Nickel und Molybdän umfaßt, mit harten Teilchen, die in
der Form von Carbiden, Oxiden oder Nitriden eingebettet sind, vorgeschlagen.
Für die Zwischenschicht wird eine Mischung aus Molybdän und voroxidiertem
Molybdän vorgeschlagen, für die Einlaufschicht werden metallbeschichtete
Graphit-Kügelchen vorgeschlagen, wahlweise mit einem weichen Material, wie
etwa Silber, gemischt. Die Verwendung von verschiedenen Materialien für die
alleräußerste Schicht des Zylinderelements kann in Bezug auf das Erzielen
einer ausreichend guten Adhäsion der Schicht an das darunterliegende Material
zu Problemen führen. Die zuerst aufgesprühte Schicht muß an dem
Grundmaterial des Zylinderelements anhaften, welches normalerweise Gußeisen,
Gußstahl oder Stahl ist, und die darauffolgende Schicht oder die Schichten muß
bzw. müssen an der darunterliegenden Schicht anhaften, welche
Eigenschaften aufweisen kann, die wesentlich von den Eigenschaften der darauffolgenden
Schicht abweichen können. Es ist weiterhin von Nachteil, daß die Materialien,
die für die zualleräußerst gelegenen Schichten verwendet werden, ziemlich
teuer sind.
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US-Patent Nr. 5 080 056 beschreibt einen Viertakt-Motor, dessen Zylinderblock
aus einer Aluminiumlegierung 319 gemacht ist und mehrere Bohrungen
aufweist, die die Zylinder des Motors ausmachen. Die Zylinderinnenoberflächen
sind mit einer harten Tragschicht aus einer Al-Bronze-Legierung versehen, die
mittels einer HVOF-Technik aufgesprüht werden kann, um eine vollständig
dichte und harte Beschichtung bereitzustellen. Die Al-Bronze wird hierfür als
besonders geeignet angesehen, da sie zusammen mit Kolben, die aus
Aluminium gemacht sind, gute Gleiteigenschaften aufweist. Es wird als wesentlich
beschrieben, daß die Beschichtung dicht und im wesentlichen ohne Poren ist.
Die Beschichtung ist in einer Dicke von bis zu 0,1 mm aufgebracht, nach
Aufbringen wird etwa ein Drittel der Dicke der Beschichtung mittels Honen
entfernt.
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Die Bedingung, daß bei den für die Erfindung relevanten Motoren ein hoher
Maximaldruck gegeben ist, unterscheidet sich wesentlich von den Bedingungen
für Viertakt-Motoren, bei denen, im Falle von Benzinmotoren, ein Maximaldruck
in der Größenordnung von 40 bar verwendet wird und, im Falle von
Dieselmotoren, ein Maximaldruck in der Größenordnung von 80 bar verwendet wird. Des
weiteren sind der Motorblock, die Kolben und die Kolbenringe für die Viertakt-
Motoren aus einem Leichtmetall hergestellt, wohingegen die Zylinderbüchsen,
die Kolben, die Kolbenhemden und die Kolbenringe der großen Motoren
normalerweise aus Gußeisen, Gußstahl oder Stahl hergestellt sind, so daß sie in
die Lage gebracht werden sollen, dem hohen Druck und den Einflüssen der
Temperatur Widerstand zu leisten. Die Unterschiede in den verwendeten
Materialien machen es schwierig, die Eigenschaften für aufgesprühte
Beschichtungen miteinander zu vergleichen, da die tribologischen Bedingungen, die
Adhäsionsbedingungen, die Reaktion gegenüber thermischen Einflüssen usw.
zwischen Gußeisen und Gußstahl auf der einen Seite und Leichtmetallen, wie
etwa Aluminium, auf der anderen Seite beträchtlich abweichen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Zylinderelement bereitzustellen, welches bei
zugleich niedrigeren Kosten für das Material mit einer Beschichtung versehen
ist, die gut an dem Zylinderelement anhaftet und feine Einlauf- und
Betriebseigenschaften bereitstellt.
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Angesichts dessen sind auf dem Zylinderelement wenigstens zwei Schichten
einer Al-Bronze aufgesprüht, eine über der anderen, wobei die zualleräußerst
gelegene Schicht eine Einlaufschicht ist, die eine Durchschnittshärte von
maximal 330 HV20 aufweist, und die darunterliegende Schicht eine Tragschicht
ist, die eine Durchschnittshärte von oberhalb derjenigen der Einlaufschicht
aufweist und die wenigstens 130 HV20 beträgt.
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Die Verwendung einer Einlaufschicht aus einer Legierung des gleichen Typs,
wie die darunter liegende Tragschicht führt zur extrem guten Adhäsion an die
Einlaufschicht, so daß das Abreißen oder Abschaben von flöckchenförmigen
Stücken der Einlaufschicht vermieden wird. Die Oberfläche der Al-Bronze hat
gute Gleiteigenschaften und stellt gute tribologische Bedingungen bereit,
welche dem Einfressen entgegen wirken. Die weiche Einlaufschicht aus Al-Bronze
stellt eine Oberfläche auf dem Zylinderelement bereit, die nicht dazu neigt,
während der Einlaufphase eines neuen Zylinderelements festzufressen, sei es
auf dem Zylinderelement selbst oder auf der Oberfläche des Elements, die das
Zylinderelement berührt und an ihm während der Hin- und Herbewegung des
Kolbens entlanggleitet.
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Das Al-Bronze-Ausgangsmaterial, das zum Aufbringen der Einlaufschicht
verwendet wird, kostet etwa halb so viel wie ein graphithaltiges Ausgangsmaterial,
was bedeutet, daß die Einlaufschicht in einer Weise gefertigt werden kann, die
ökonomischerweise wesentlich günstiger im Vergleich zu den bekannten
Einlaufschichten ist. Des weiteren kann die Al-Bronze durch geeignete Steuerung
der Auftragungsbedingungen, wie etwa der Zusammensetzung des Trägers
oder des beim Thermoaufsprühen verwendeten Schutzgases, mehr oder
weniger hart ausgestaltet werden. Darüber hinaus kann die Härte der
aufgebrachten Schicht durch geeignetes Nachbehandeln der Schicht modifiziert werden,
was nachfolgend ausführlicher erläutert wird. Dadurch ist es möglich, die
Eigenschaften der Al-Bronze-Schicht derartig zu steuern, daß die Schicht, die
sich unterhalb der Einlaufschicht befindet, als geeignete Tragschicht dient. Die
Materialkosten für eine derartige Tragschicht sind auch wesentlich niedriger als
die Kosten für eine Tragschicht aus dem vorstehend erwähnten Typ, der
Molybdän umfaßt.
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Für den Fall, daß Kratzer auf der Oberfläche der Beschichtung beim Einlaufen
des Zylinderelements erzeugt werden, bedeutet die Verwendung von Al-
Bronze, daß sich die Kratzer nicht zu Kolbenfressern entwickeln, die durch
stark erhöhte lokale Temperaturen gekennzeichnet sind, da die Al-Bronze bis
hinauf zu ihrer eigenen Schmelztemperatur Eigenschaften eines Schmiermittels
zeigt.
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Vorzugsweise ist die Tragschicht aus Al-Bronze eine Zwischenschicht, die
zwischen der Einlaufschicht und der darunterliegenden Tragschicht liegt, die eine
höhere Härte als die Zwischenschicht aufweist. Die darunterliegende
Tragschicht kann ebenfalls aus Al-Bronze sein, oder sie kann aus einem anderen
harten und abriebbeständigen Material wie etwa einem Material, das harte
Teilchen in der Form von Carbiden, Oxiden oder Nitriden enthält, eingebettet in
eine metallische Matrix, sein, beispielsweise ein Material, das durch die
schwedische Firma DAROS AB unter einem der kommerziellen Handelsnamen
PM2, PM10, PM14, PM20, PM28 oder L1 geliefert wird. Dieses Aufbauen von
aufeinandergesprühten Schichten stellt ein vorteilhaftes Einlaufen des
Zylinderelements bereit, bei dem während dieser Einlaufphase zunehmend härtere
Materialien mit einer höheren Abriebbeständigkeit exponiert werden.
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Die Einlaufschicht aus Al-Bronze kann in geeigneter Weise eine Porosität von
0,2 bis 40 Vol.-% aufweisen, mit der Folge, daß die Oberfläche aus Al-Bronze
eine Zahl von Vertiefungen aufweist, die durch die Poren in dem Material
erzeugt sind. Diese Vertiefungen sind typischerweise fein in der Oberfläche
verteilt, und sie nehmen beim Betrieb des Motors einen Teil des Schmieröls auf,
das der Oberfläche zugeführt wird. In den Intervallen, bei denen kein Schmieröl
der Oberfläche von außen dosismäßig zugeführt wird, kann sich das
Schmieröl, das in den Vertiefungen zurückgeblieben ist, auf der Oberfläche ausbreiten
und das Zylinderelement im geschmierten Zustand halten. Dieser Effekt ist
insbesondere bei Kolbenringen vorteilhaft, die an sich keine Zufuhr an Schmieröl
aufweisen.
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Eine Ausführungsform weist zwei bis sieben Schichten Al-Bronze mit
wechselseitig unterschiedlichen Eigenschaften auf, die Dicken der individuellen
Schichten liegen im Intervall von 0,02 bis 2,5 mm, vorzugsweise von 0,10 bis
1,0 mm. Die Verwendung verschiedener Schichten mit individueller
Schichtdicke innerhalb des genannten Intervalls macht es möglich, sorgfältig die
Eigenschaften der Beschichtung in Bezug auf die Anwendung einzustellen.
Beispielsweise bedarf ein Kolbenhemd möglicherweise nur weniger, relativ dünner
Schichten, wohingegen die Schichten auf einem Kolben in dem Bereich, der
sich oberhalb des zualleroberst gelegenen Kolbenrings befindet, eine
wesentlich stärkere Dicke aufweisen können. Auf der Innenoberfläche der
Zylinderbüchse kann die Zahl von Schichten so eingestellt sein, daß ihre Härte
gleichmäßig durch die Beschichtung hindurch zunimmt; die Zahl der Schichten kann
dann größer sein als auf den äußeren Oberflächen der Kolbenringe. Jede
Schicht mit im wesentlichen identischen Eigenschaften über die Schichtdicke
kann dadurch aufgebaut werden, daß man mehrere Sprühvorgänge bei
einheitlichen Sprühbedingungen durchführt, bis die Schicht die gewünschte Dicke
aufweist.
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Die Legierung aus Al-Bronze kann, in Gew.-% und abgesehen von
üblicherweise vorkommenden Verunreinigungen, 2 bis 20% Al und wahlweise eine
oder mehrere der nachfolgenden Komponenten Sb, Co, Be, Cr, Sn, Mn, Si, Cd,
Zn, Fe, Ni, Pb sowie C in individuellen Mengen von maximal 5% Sb, maximal
5% Co, maximal 5% Be, maximal 5% Cr, maximal 15% Sn, maximal 5% Mn,
maximal 15% Si, maximal 2% Cd, maximal 15% Zn, maximal 5% Fe, maximal
20% Ni, maximal 20% Pb, maximal 2% C, Rest wenigstens 50% Cu enthalten.
So beträgt der Minimalgehalt an Cu und Al 52%, der Aggregatgehalt der
anderen Bestandteile beträgt maximal 48% und kann in vorteilhafter Weise auf 25%
beschränkt sein.
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Zusätze an Cr, Sb und C erhöhen die Härte der Legierung durch Bildung von
Carbiden, diese Bestandteile werden typischerweise den darunter liegenden
Schichten hinzugefügt, die als Tragschichten agieren.
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Die Zusätze an Zn, Be, Co, Si und Ni erhöhen die Festigkeit der Legierung und
machen es möglich, die Härte der Legierung mittels mechanischer Behandlung
zu erhöhen, mittels Behandlungen wie etwa Sandstrahlen, Kugelstrahlen oder
Walzen.
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Die Zugabe von Cd erhöht die Rekristallisationstemperatur der Legierung und
verstärkt ihre Festigkeit. Die Zugabe von Mn erhöht die Härte der Legierung
und macht sie verstärkt temperaturbeständig. Die Zugabe von Fe erhöht die
Härte der Legierung, die Zugabe von Pb gibt der Schicht vorteilhafte
Eigenschaften bei starker Belastung, da Pb als ein Feststoffschmiermittel fungiert.
Die Zugabe von Sn verbessert die Korrosionsbeständigkeit und reduziert die
Brüchigkeit der Legierung und kann gleichzeitig dazu beitragen, die Härte bei
mechanischer Behandlung zu erhöhen.
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Ein Legierungstyp, der besonders für die Einlaufschichten bevorzugt ist,
umfaßt insbesondere 9 bis 10% Al, 0 bis 1% Fe, Rest Cu. Die Härte der Legierung
wird primär durch den erhaltenen Gehalt an Oxiden mittels der
Gaszusammensetzung, die beim Sprühen verwendet wird, gesteuert. Indem ein inaktives Gas,
wie etwa Argon verwendet wird, wird die Bildung von Oxiden unterdrückt, und
die Legierung wird sehr weich.
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Bei einer Ausführungsform, bei der der Oxidgehalt der Legierung dazu
verwendet wird, die Härte der Schichten zu steuern, kann das Zylinderelement so
gebildet werden, daß die Schichten aus Al-Bronze 1 bis 30 Vol.-% Oxide
umfassen, daß der Gehalt an Oxiden in den Einlaufschichten am kleinsten ist,
vorzugsweise weniger als 10 Vol.-%, und daß er in der Tragschicht unterhalb der
Einlaufschicht wenigstens 2 Vol.-%, vorzugsweise wenigstens 10 Vol.-%
beträgt. Der höhere Gehalt an Oxiden in den darunter liegenden Schichten bzw.
der Schicht versieht diese mit einer höheren Härte als die Einlaufschicht.
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Als eine Alternative oder eine Ergänzung zum Steuern der Härte mittels des
Oxidgehalts kann das Zylinderelement so gebildet werden, daß die Schichten
aus Al-Bronze übereinander aufgesprüht werden, daß eine aufgesprühte
Schicht einer mechanischen Behandlung, die die Härte erhöht, unterzogen
wird, bevor das Aufsprühen der nachfolgenden Schichten erfolgt, sowie daß
vorzugsweise nicht eine die Rauhigkeit reduzierende maschinelle Behandlung
auf der Schicht erfolgt, die als letzte aufgesprüht wurde. Beispiele von
mechanischen Behandlungen, die die Härte der aufgesprühten Schicht erhöhen,
wurden bereits vorstehend genannt. Durch Kombination des Typs der
mechanischen Behandlung mit Legierungen, die einen oder mehrere der vorstehend
genannten Bestandteile Zn, Be, Co, Si und Ni enthalten, ist es möglich, starke
Variationen in der Härte der individuellen Schichten in der Beschichtung aus
Al-Bronze zu erzielen. In dieser Weise kann die Härte beispielsweise in einem
Intervall zwischen 50 und 500 HV20 variiert werden.
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Es ist ein spezieller Vorteil des Zylinderelements, daß die zuletzt aufgesprühte
Schicht nicht einer Finish-Behandlung bedarf, wie etwa Honen, was auf den
großen erfindungsgemäßen Zylinderelementen nur teuer zu vollziehen ist.
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Die Erfindung betrifft des weiteren einen Kolbenring zur Verwendung in einer
Brennkraftmaschine vom Dieseltyp, insbesondere in einem Zweitakt-Kreuzkopf-
Dieseltypmotor, der einen maximalen Verbrennungsdruck aufweist, der 100 bar
bei Vollbelastung übersteigt und bei dem der Kolben mit mehreren
Kolbenringen versehen ist und in Hin- und Herbewegung in einer Zylinderbüchse mit
einem Hub von wenigstens 750 mm bewegt wird, wobei die Kolbenringe einen
Außendurchmesser von wenigstens 150 mm in einem montierten Zustand in
Ringnuten mit einer Höhe, die in axialer Richtung die Ringstärke übersteigt,
aufweisen, wobei jeder Kolbenring eine radiale äußere Oberfläche im
Gebrauch beim Gleiten längs der Innenfläche der Zylinderbüchse aufweist und mit
wenigstens einer thermisch aufgesprühten Schicht auf seiner radialen äußeren
Oberfläche versehen ist.
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Unter einem Gesichtspunkt, daß ein Kolbenring hergestellt werden soll, der bei
in vorteilhafter Weise niedrigen Materialkosten mit einer Beschichtung
verse
hen ist, die sehr gut an dem Zylinderelement anhaftet und sehr feine Einlauf-
und Betriebseigenschaften aufweist, ist der Kolbenring gemäß der Erfindung
dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine aufgesprühte Schicht aus Al-
Bronze ist, daß die Gesamtdicke der Beschichtung aus Al-Bronze wenigstens
0,05 mm beträgt, daß die alleräußerste Schicht eine Einlaufschicht mit einer
durchschnittlichen Härte von maximal 330 HV20 ist. Auf dem Kolbenring kann
die Beschichtung aus Al-Bronze in Form von einer oder mehreren Schichten
vorliegen, die nicht direkt auf das Basismaterial des Kolbenrings aus Stahl, aus
Gußstahl oder Gußeisen aufgesprüht sind oder die auf eine darunterliegende
aufgesprühte Schicht aus einem anderen verschleißfesten Material, bei dem es
sich beispielsweise um eines von den Daros-Typen PM2, PM10, PM14, PM20,
PM28 oder L1 handeln kann, aufgesprüht ist bzw. sind. Die alleräußerste
Schicht aus Al-Bronze fungiert als eine das Kolbenfressen verhindernde
Einlaufschicht, welche schnelles Einlaufen von neuen Kolbenringen möglich
macht, was im Detail nachfolgend erklärt wird.
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VVährend der anfänglichen Einlaufphase der Kolbenringe werden die radialen
äußeren Oberflächen der Ringe in eine facettierte Form geschliffen. Da die
Ringnuten eine Höhe haben, die die Stärke der Ringe übersteigt, können die
letzteren in ihren jeweiligen ringförmigen Nuten axial bewegt werden, und der
Ring wird unter dem Einfluß der großen Druckdifferenzen über die Ringe
hinweg in den Nuten leicht verzerrt oder verdrillt werden, so daß die äußeren
Oberflächen der Ringe einen variablen Winkel mit der inneren Oberfläche der
Büchse während der Hin- und Herbewegung des Kolbens bilden. Die ersten
Male, wenn der Ring verdrillt bzw. verbogen wird, werden seine oberen oder
unteren Ränder die innere Oberfläche der Büchse in einem sehr kleinen
Bereich berühren, was zu einem extrem hohen Oberflächendruck führt, der zu
einem schnellen Verschleiß des Ringmaterials führt, vermutlich weil die
Ringränder momentan den Ölfilm auf der inneren Oberfläche der Büchse durchdringen.
Wenn der Ring eine facettierte Form annimmt, erhöht sich die
Berührungsflä
che
und wird der Oberflächendruck auf einen Wert unterhalb einer Grenze
reduziert, wo der Ölfilm durchdrungen wird.
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Die Einlaufschicht aus Al-Bronze verhindert das Auftreten von Ein- bzw.
Festfressen zumindest bis der Kolbenring in die facettierte Form geschliffen ist, was
Vollast auf dem Kolbenring erlaubt, ohne daß es zur Durchdringung des
Schmierölfilms zwischen der äußeren Oberfläche des Kolbenrings und der
inneren Oberfläche der Büchse käme.
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Im Falle, daß lediglich eine einzige Schicht aus Al-Bronze auf dem Kolbenring
verwendet wird, kann die Härte dieser alleräußersten Schicht innerhalb der
Durchschnittshärte von maximal 330 HV20 mittels mechanischer Behandlung,
wie sie vorstehend im Zusammenhang mit Zylinderelementen beschrieben ist,
die mit mehreren Schichten aus Al-Bronze mit wechselseitig unterschiedlichen
Eigenschaften versehen sind, erhöht werden.
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Erfindungsgemäße Beispiele werden nun detailgenauer unter Bezugnahme auf
die hochgradig schematischen Zeichnungen erläutert werden, bei denen:
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Fig. 1 eine Ansicht in Form eines Längsschnitts durch den allerobersten Teil
einer Zylinderbüchse zeigt, bei der ein Kolben mit Kolbenringen an seinem
oberen Totpunkt ist,
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Fig. 2 eine Ansicht in Form eines Querschnitts durch einen Kolbenring zeigt,
auf dem eine Einlaufschicht aus Al-Bronze direkt auf dem Guß-Ringmaterial
aufgebracht ist,
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Fig. 3 eine Ansicht in Form eines Querschnitts durch eine andere
Ausführungsform eines Kolbenrings zeigt, bei dem eine Einlaufschicht aus Al-Bronze
oben auf einer harten Verschleißschicht bzw. Tragschicht aufgebracht ist, die
auf dem Guß-Ringmaterial aufgesprüht ist,
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Fig. 4 eine Segment-Seitenansicht eines Kolbens mit einem Kolbenhemd zeigt,
von denen beide mit einer Schicht aus Al-Bronze gemäß der Erfindung
ausgebildet sind, und
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Fig. 5 eine Segment-Querschnittsansicht einer Zylinderbüchse zeigt, auf der
drei Schichten aus Al-Bronze aufgebracht sind.
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Fig. 1 zeigt den allerobersten Teil einer Zylinderbüchse, ganz allgemein mit
Bezugszeichen 1 bezeichnet, für einen Zweitakt-Kreuzkopf-Großmotor, der als
ein stationärer Motor zum Betrieb eines Stromgenerators oder als ein
Vortriebsmotor eines Schiffes verwendet werden kann. Abhängig von der Größe
des Motors kann die Zylinderbüchse in vielen verschiedenen Größen
hergestellt werden, wobei die Zylinderbohrungen typischerweise im Bereich von
250 mm bis 1000 mm liegen und die entsprechenden typischen Längen im
Bereich von 1000 mm bis 4500 mm. Es ist jedoch auch möglich, die Erfindung im
Zusammenhang mit Zweitakt-Kreuzkopfmotoren zu verwenden, bei denen die
Zylinderbohrung im Bereich von 150 mm bis 250 mm liegt, in diesem Falle zeigt
die Büchse eine Länge abwärts bis zu 500 mm. Die Büchse wird normalerweise
aus Gußeisen oder Stahl oder Gußstahl hergestellt, das mit einer
aufgesprühten Verschleiß- oder Tragschicht auf der inneren Oberfläche der Büchse
versehen ist, sie kann in integralem Zustand vorliegen oder in zwei Teile geteilt
sein, die miteinander anschließend verbunden sind. Es ist auch möglich, daß
im Falle einer geteilten Büchse der obere Teil aus einem anderen
Grundmaterial als der untere Teil hergestellt wird.
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In bekannter Weise ist die Büchse in dem Motor montiert, lediglich teilweise
gezeigt, wobei eine ringförmige abwärts gerichtete Seite 3 auf der obersten
Platte 4 in dem Motorrahmenkasten oder dem Zylinderblock positioniert ist,
woraufhin ein Kolben 5 in der Zylinderbüchse montiert wird sowie ein
Zylinderdeckel 6 oben auf der Büchse auf seiner ringförmigen nach oben gerichteten
Seite 7 angeordnet und auf der obersten Platte mittels Deckelzapfen, die nicht
gezeigt sind, angeklemmt wird.
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Der untere Teil der Zylinderbüchse zeigt eine ringförmige Reihe von
Spülluftschlitzen, nicht gezeigt. Der Kolben ist in der Längsrichtung der Büchse
zwischen einem obersten Totpunkt, an dem sich die obere Kolbenoberfläche 9 in
einer Bohrung des Zylinderdeckels 6 befindet, und einem unterem Totpunkt, an
dem sich die obere Kolbenoberfläche 9 direkt unterhalb des unteren Endes der
Spülluftschlitze befindet, beweglich.
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Über eine Kolbenstange 10, einen Kreuzkopf und eine Verbindungsstange ist
der Kolben mit der Motorkurbelwelle in bekannter Weise verbunden. Jedesmal,
wenn die Kurbelwelle eine Rotation um 360º durchführt, wird der Kolben von
dem unteren Totpunkt zu dem oberen Totpunkt und wieder zurück bewegt.
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In dem oberen Bereich, der sich zwischen den Seiten 3 und 7 befindet, ist die
Zylinderbüchse mit einem größeren äußeren bzw. Außendurchmesser
ausgebildet, und am oberen Ende dieses Bereichs sind viele längliche
Kühlbohrungen 14 in die Zylinderbüchsenwand von einer außen gelegenen Aussparung
15 her gebohrt, so daß die Längsachsen der geraden Kühlbohrungen sich
schräg oder seitwärts relativ zu der Längsachse der Büchse erstrecken.
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Die innere Oberfläche bzw. Innenoberfläche 13 der Zylinderbüchse kann mit
einer oder mehreren thermisch aufgesprühten harten Verschleißschichten
versehen sein, die ganz aus Al-Bronze oder aus einer Zahl von Schichten aus Al-
Bronze bestehen können, die mit einer oder mehreren härteren, darunter
liegenden Verschleiß- bzw. Tragschichten aus Keramik, einer Mischung von
Keramik und Metall, sogenanntes Cermet, oder Tragschichten versehen sind, die
aus sehr harten Teilchen, die in eine relativ weiche Metallmatrix eingebettet
sind, bestehen. Die Matrix kann beispielsweise Cr, Ni und/oder Mo beinhalten,
und bei den harten Partikeln kann es sich beispielsweise um Carbide, Nitride,
Boride und/oder Oxide handeln. Die Zylinderbüchse kann auf ihrer inneren
Oberfläche mit einem wellenförmigen Muster hergestellt sein, wobei die
Wellenspitzen entfernt wurden. Es ist möglich, die Büchse mit dem fraglichen
Muster längs ihrer gesamten inneren Oberfläche herzustellen. Das Muster kann
auch lediglich in einem oberen Teil der Büchse maschinell ausgeformt sein,
wie etwa dem Teil, der mit den Kolbenringen in den ersten 40% der abwärts
gerichteten Bewegung des Kolbenhubs in Berührung kommt. Dieser Teil kann
auch andere relative Größen zeigen, wie etwa 20%, 25%, 30% oder 35% oder
Zwischenwerte. Das wellenförmige Muster trägt dazu bei, die bestmöglichen
Schmierbedingungen zwischen den Kolbenringen und der inneren Oberfläche
der Büchse aufrecht zu erhalten, da sich das Schmieröl am Boden der
Wellensenken sammeln kann und die Plateauflächen zwischen den Wellensenken mit
Schmiermittelöl versehen kann. Wenn neue Kolbenringe in einer Büchse
laufen gelassen werden, gleiten die äußeren Oberflächen der Kolbenringe an den
ungefähr planaren Plateauflächen längs.
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In Fig. 1 ist der Kolben 5 an seinem oberen Totpunkt gezeigt. Der Kolben ist
mit vier Kolbenringen versehen, allgemein mit dem Bezugszeichen 19
bezeichnet, wobei es sich bei dem oberen Kolbenring um einen Standard-Schrägring
handelt oder um einen solchen vom gasdichten Typ, d. h. die Lücke des Rings
ist so ausgebildet, daß das Gas im wesentlichen daran gehindert wird, durch
die Ringbereiche bzw. -partitionen zu fließen. Dies kann beispielsweise
dadurch bewirkt werden, daß ein Ende des Rings einen flachen Vorsprung hat,
der in eine entsprechende Aussparung am anderen Ende des Rings paßt. Der
zweite und der dritte Kolbenring von oben und der unterste Kolbenring können
übliche schräg geschnittene Ringe sein, wobei die Ringpartition so ausgebildet
ist, daß sie eine Lücke bildet, die sich schräg in der Umfangsrichtung von der
oberen zu der unteren Ringoberfläche erstreckt oder sie kann so ausgebildet
sein, daß sie zum gasdichten Typ gehört.
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Der Kolbenring 19 in Fig. 2 umfaßt einen Guß-Kolbenringkörper 30 aus
Gußeisen, Gußstahl oder Stahl. Die radiale äußere Oberfläche 31 des Ringstücks ist
mit einer Einlaufschicht 32 aus Al-Bronze mit einer Dicke von wenigstens
0,05 mm, vorzugsweise wenigstens 0,14 mm, mittels thermischem Aufsprühen
versehen. Der Kolbenring 19 in Fig. 3 umfaßt ein Gußkolbenringstück 34 aus
Stahl oder Gußstahl. Da das Stück nicht aus Gußeisen gemacht ist, ist es
not
wendig, auf der radialen äußeren Stahloberfläche 35 eine Trag- bzw.
Verschleißschicht 36 aus einem Material aufzubringen, das zufriedenstellende
Gleiteigenschaften gegen die innere Oberfläche der Zylinderbüchse zeigt, wie
etwa eine oder mehrere Tragschichten aus Al-Bronze und/oder Tragschichten
aus den vorstehend genannten Materialien PM2, PM10, PM14, PM20, PM28
oder L1. Auf der radialen äußeren Oberfläche 33 der Tragschicht ist eine
Einlaufschicht 37 aus Al-Bronze in einer Dicke von wenigstens 0,05 mm mittels
thermischem Aufsprühen aufgebracht. Die Einlaufschichten auf den
Kolbenringen können auch dicker sein, etwa können sie eine Dicke im Bereich von 0,1
bis 3,0 mm, vorzugsweise maximal 2,00 mm zeigen.
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Fig. 4 zeigt ein Segment des Kolbens 5, wobei der mittlere Kolbenbereich
weggelassen ist. Auf der radialen äußeren Oberfläche des Kolbens wurde in einem
oberen Bereich 38, der sich von der Ringnut des allerobersten Kolbenrings in
Richtung auf eine Nut 39 zum Montieren eines Kolben-Hebewerkzeugs
erstreckt, eine weiche Schicht 40 aus Al-Bronze mittels thermischem Aufsprühen
in einer Dicke von 0,05 bis 5 mm, vorzugsweise wenigstens 0,4 mm,
aufgetragen. Der alleräußerste Teil dieser Schicht fungiert als eine Einlaufschicht, die
Schichten können die gleiche Zusammensetzung aufweisen wie die für die
Kolbenringe verwendeten Einlaufschichten.
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Ein Kolbenhemd 41 ist an die untere Oberfläche des Kolbens angeschraubt.
Die äußere Oberfläche des Kolbenhemds ist mit einer Einlaufschicht 42 aus Al-
Bronze mit einer Dicke von wenigstens 0,05 mm, vorzugsweise wenigstens
0,14 mm, durch thermisches Aufsprühen versehen. Unterhalb dieser
Einlaufschicht können eine oder mehrere Tragschichten aus Al-Bronze aufgebracht
sein.
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Fig. 5 zeigt ein Teilstück bzw. Segment einer Zylinderbüchse 1, die mit einer
zuinnerst gelegenen, relativ harten Tragschicht 43 aus Al-Bronze versehen ist,
die sich unterhalb der Zwischenschicht 36 aus Al-Bronze und der zuäußerst
gelegenen Einlaufschicht 37 aus Al-Bronze befindet.
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Es ist gut bekannt, Materialschichten auf runden Körpern bzw. Stücken mittels
Thermo-Sprühen aufzubringen. Dies kann beispielsweise Flamm-Sprühung,
Plasma-Sprühung, HVOF-Sprühung oder Arc-Sprühung sein. Prüfverfahren
sind beispielsweise in EP-B 0 341 672, EP-A 0 203 556, WO95/02023 und in
WO95121994 beschrieben. Im Prinzip wird das Sprühen in der gleichen Weise
für die verschiedenen Zylinderelemente durchgeführt, die Sprühausrüstung und
das Zylinderelement sind so gemacht, daß sie wechselseitig rotieren,
woraufhin das Sprühen initiiert und bei gleichmäßigen Sprühbedingungen und mit
wiederholten Passagen über die Oberfläche des Zylinderelements fortgeführt
wird, bis die Schicht, die aufgesprüht ist, so aufgebaut wurde, daß sie die
gewünschte Dicke zeigt. Wenn die nächste Schicht aufgesprüht werden soll, wird
die Vorgehensweise unter den Sprühbedingungen wiederholt, die der Schicht
die gewünschten Eigenschaften verleihen. Ein spezielles Beispiel wird nun für
das Aufsprühen eines Zylinderelements gegeben.
Beispiel 1
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Eine Zylinderbüchse mit einem Innendurchmesser von 600 mm wurde mit einer
Schicht aus Al-Bronze auf ihrer inneren Oberfläche mittels einer Standard-
Plasma-Sprühvorrichtung der Marke METCO versehen. Der Abstand zwischen
dem Sprühkopf und der inneren Oberfläche der Büchse betrug 115 mm, eine
Stromintensität von 500 A wurde verwendet. Die wechselseitige Rotation
zwischen dem Sprühkopf und der Büchse wurde auf 27 Upm eingestellt, die
Zufuhr in Längsrichtung der Büchse wurde auf 7 mm je Umdrehung eingestellt.
Pulverförmiges Ausgangsmaterial einer Legierung mit 9% Al, 1% Fe, Rest Cu
wurde in einer Menge von 95 g je Minute zugeführt, was zu einer Ablagerung
einer Schicht von 0,02 mm je Durchgang bzw. Passage auf der inneren
Oberfläche führte. Stickstoff wurde als Trägergas verwendet. Die Schicht wurde bis
zu einer Dicke von 0,1 mm aufgebaut. Dann wurde die Schicht mittels eines
Walzwerkzeugs gewalzt. Nach dem Walzen wurde die Durchschnittshärte der
Schicht mit 360 HV20 gemessen. Anschließend wurde eine zweite Schicht
aufgesprüht, wobei die gleichen Verfahrensbedingungen verwendet wurden. Diese
Schicht wurde einer Sandstrahlbehandlung unterzogen, woraufhin die
durchschnittliche Härte der Schicht mit 320 HV20 gemessen wurde. Anschließend
wurde unter den gleichen Verfahrensbedingungen eine dritte Schicht
aufgesprüht. Diese Schicht wurde mit kleinen Stahlkügelchen kugelgestrahlt,
woraufhin die durchschnittliche Härte der Schicht mit 280 HV20 gemessen wurde.
Am Ende wurde eine Einlaufschicht aufgesprüht, der keinerlei Nachbehandlung
zuteil wurde. Die Durchschnittshärte dieser Schicht wurde mit 180 HV20
gemessen.
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Die Büchse wurde dann in den Motor montiert und zusammen mit einem
Kolben mit einem Satz Standard-Kolbenringen laufen gelassen. Der Motor hatte
einen normalen maximalen Verbrennungsdruck von 145 bar. Nach einer
halbstündigen Einlaufphase bei 15% Belastung, wurde die Last auf 100% über 15
Minuten hinweg angehoben, woraufhin der Betrieb eine Stunde lang
weitergeführt wurde, der Motor wurde angehalten und die Zylinderbüchse untersucht.
Keine Anzeichen für tatsächliches Kolbenfressen waren auf den inneren
Oberflächen der Zylinderbüchse sichtbar.
Beispiel 2
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Vier Kolbenringe aus Gußeisen mit einem äußeren Durchmesser von gerade
unterhalb von 600 mm wurden nebeneinander aufgestellt und mit einer
Beschichtung aus Al-Bronze mittels der Sprühvorrichtung von demselben Typ, wie
sie im Beispiel 1 verwendet wurde, beschichtet, wobei die gleichen
Sprühbedingungen verwendet wurden, Stickstoff wurde als Trägergas verwendet. Die
Schicht aus Al-Bronze wurde bis einer Dicke von etwa 0,15 mm aufgebaut,
woraufhin die aufgesprühte Beschichtung einer Sandstrahlbehandlung
unterzogen wurde. Die Durchschnittshärte der Schicht wurde mit 315 HV20
gemessen. Die Kolbenringe wurden voneinander getrennt und ohne weitere
Nachbehandlung auf einem Kolben in einer Standard-Zylinderbüchse in der gleichen
Maschine, wie sie in Beispiel 1 verwendet wurde, montiert. Das Einlaufen
wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt, mit der Abweichung,
daß ein 1,5stündiger Betrieb bei 100% durchgeführt wurde. Bei der
Untersuchung nach dem Einlaufen konnte bestätigt werden, daß die Kolbenringe keine
Zeichen von Kolbenfressen zeigten und daß die Dicke der Einlaufschicht auf
etwa 0,08 mm verringert war. Eingeschliffene Facetten konnten auch in den
äußeren Oberflächen der Kolbenringe beobachtet werden, was andeutet, daß
die fortwährende Betriebsweise der Kolbenringe ohne die Bildung von
Kolbenfressen stattfinden kann.
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Wenn mehr härtesteigernde Oxide in der Al-Bronze gewünscht werden, kann
als Trägergas beim Aufsprühen statt des Stickstoffs Kompressorluft, d. h.
komprimierte Atmosphärenluft verwendet werden. Wenn es gewünscht wird, die
Menge an Oxiden weitestgehend zu beschränken, entweder weil die Schicht
weich sein soll oder weil es erwünscht ist, die Härte hauptsächlich durch
Verformungshärten der Legierungsbestandteile zu erzielen, kann ein inaktives
Trägergas, wie etwa Argon, verwendet werden.
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Wie vorstehend erwähnt kann eine große Zahl von verschiedenen Schichten
aus Al-Bronze auf dem Zylinderelement aufgebracht werden. Vorzugsweise
haben die Schichten eine zunehmende Härte in einer Richtung weg von der
äußeren Oberfläche des Zylinderelements und die durchschnittliche Härte
steigt um wenigstens 20 HV20 von Schicht zu Schicht an. In der allerinnersten
Schicht mit der höchsten Härte kann die Härte vollständig oder teilweise durch
Zugabe von Legierungsbestandteilen zu der Al-Bronze erzielt werden, die die
Härte erhöhen, kombiniert mit mechanischer Bearbeitung der Schichten. Wenn
es gewünscht wird, daß die alleräußerste Einlaufschicht sehr weich ist, etwa
mit einer durchschnittlichen Härte im Intervall von 50 bis 120 HV20, so kann
dies dadurch erzielt werden, daß Argon als Trägergas verwendet wird und die
Zugabe von die Härte erhöhenden Legierungsbestandteilen unterlassen wird,
möglichst kombiniert mit einem Sprühverfahren, das eine Schicht mit einer
relativ hohen Porosität, wie etwa mehr als 20 Vol.-%, bereitstellt. Die Porosität
trägt dazu bei, der Schicht einen weichen Charakter zu verleihen, da sie zu
starken örtlichen Belastungen führt.
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Die Dicke der Tragschichten, insbesondere diejenige der zuallerunterst
liegenden, härtesten Tragschicht, wird auf der Basis der erwarteten Lebensdauer des
Zylinderelements ausgewählt, wobei die Dicke so gewählt wird, daß sie in
geeigneter Weise größer ist als der höchste erwartete Abrieb der Schicht
während der Lebensdauer des Zylinderelements. Dies gilt insbesondere für
Zylinderbüchsen, den Kolben und das Kolbenhemd sowie für Kolbenringe, wenn ihr
Grundmaterial nicht Gußeisen ist. Wenn es sich bei dem Grundmaterial der
Kolbenringe um Gußeisen handelt, ist es akzeptabel, jedoch nicht besonders
gewünscht, daß die gesamte Tragschicht während der Lebensdauer
abgeschliffen wird. Die Aggregat-Tragbeschichtung kann deshalb eine Dicke von
beispielsweise 2 oder 3 mm haben.