DE2758162C2

DE2758162C2 - Verfahren zur Herstellung von Kolbenringen

Info

Publication number: DE2758162C2
Application number: DE2758162A
Authority: DE
Inventors: Harold E. Ballwin Mo. McCormick
Original assignee: Trw Automotive Products Inc Cleveland Ohio; TRW Automotive Products Inc
Current assignee: TRW Automotive Products Inc
Priority date: 1977-01-31
Filing date: 1977-12-27
Publication date: 1986-09-18
Also published as: JPS5397113A; CA1086966A; LU78819A1; IT1089262B; FR2378874A1; IE46008B1; BE862978A; GB1585640A; JPS5639710B2; FR2378874B1; IE46008L; DE2758162A1; NL7800591A; US4115959A; DK587777A

Description

85 bis 90 Gew.-% eines ersten Pulveranteils, bestehend aus:

12 bis 15% Titandioxid

0,0 bis höchstens 3% organische Binderfeststoffe

mindestens 78,0% Aluminiumoxid
0,0 bis 5,5% aridere Oxide mehrwertiger Metalle

wobei 98% dieses Pulveranteils eine Teilchengröße vor. < 0,053 mm aufweisen,

und 10 bis 15 Gew.-% eines zweiten Pulveranteils aus Caiciumfluorid. das zu 98% eine Teilchengröße von < 0,125 mm aufweist,

aufgebracht wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kolbenringen durch Plasmaspritzen eines Oxids des Titans und Aluminiums enthaltenden Pulvergemischs auf die aktive Oberfläche eines Metallkörper aus Gußeisen unter Bildung eines Überzugs und durch Abschleifen dieses Überzugs bis etwa zur Hälfte seiner Dicke mittels einer Siliciumcarbid-Schleifscheibe.
In der US-PS 36 97 091 sind Kolbenringe beschrieben, die durch Plasmaspritzen mit einem Titandioxidaluminiumoxidüberzug versehen wurden, welcher 10 bis 25 Gew.-% Titandioxid enthält und im übrigen aus Aluminiumoxid besteht. Die US-PS 37 94 334 betrifft K^lbcnringe, die mit einem Zirkoniumoxidüberzug versehen wurden. Diese Überzüge sind extrem hart und eignen sich besonders für die aktive Fläche eines Kolbenrings.

Aus der GB-PS 13 41 534 ist ein Verfahren zur Herstellung von Lagern und Gleitdichtungen durch Plasmaspritzen eines Caiciumfluorid enthaltenden Oxidgemisches auf die aktive Oberfläche eines Metallkörpers unter Bildung eines glasurähnlichen Überzugs und durch Abschleifen dieses Überzugs bekannt Das Pulvergemisch enthält jedoch weder Titanoxid noch Aluminiumoxid, sondern Zinkoxid und Zinnoxid.

Bei der Herstellung von Kolbenringen mit Überzügen gemäß den US-PS 36 97 091 und 37 94 334 tritt jedoch eine Schwierigkeit bei der Herstellung auf. Die Kolbenringe werden üblicherweise durch Plasmaspritzen überzogen, und zwar indem man eine Anzahl von Kolbenringrohlingen aus Gußeisen auf einem Dorn montiert und dann dycch Plasmaspritzen einen Titandioxid-aluminiumoxid- oder Zirkoniumoxidüberzug aufbringt. Die Dicke des so aufgebrachten Überzugs beträgt in der Regel zwischen etwa 1,27 und 0,85 μηι. Etwa die Hälfte des aufgebrachten Überzugs wird zur Glättung und Abrichtung der Verwendung der Oberfläche ais Kolbenring wieder abgeschliffen.
Zum Schleifen werden handelsübliche Siliciumcarbid-Schleifscheiben verwendet. Aufgrund der extremen Härte der Überzüge müssen die Siliciumcarbid-Schleifscheiben bis zu fünfmal während der Entfernung solcher Überzüge aus hochschmelzendem Metalloxid um etwa die Hälfte der aufgebrachten Dicke während der Fertigstellung eines genormten 10,16 cm-Kolbenrings »im Schleifzyklus« abgerichtet oder abgedreht werden.

Das Abrichten oder Abdrehen erfolgt in bekannter Weise mit einem Diamant-Abrichtwerkzeug, und bei einem solchen Abrichten wird der Durchmesser der Schleifscheibe jedesmal um etwa 0,051 mm abgetragen. Die zur»Fertigbearbeitung von Kolbenringen für Verbrennungsmotoren verwendeten Siliciumcarbid-Schleifscheiben mit großem Durchmesser sind sehr teuer und infolgedessen bedeutet eine Minimierung von Abricht- oder Abdrehvorgängen während des Schlcifzyklus eine wesentliche Kosteneinsparung. Kosten entstehen nicht nur durch vorzeitigen Verschleiß der Schleifscheibe, sondern auch durch die für das Abrichten erforderliche Produktionszeit, da ja ein Teil der Oberfläche der Schleifscheibe unter Bildung einer frischen Schleiffläche abgehoben werden muß. Außerdem ändern sich die Schleifeigenschaften der Scheibe mit deren Abnutzung, so daß die Schleifbedingungen eine Anpassung erfordern.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Kolbenringen zu schaffen, durch da.s die bei der Nacharbeitung der aktiven Oberfläche der Kolbenringe verwendeten Siliciümcarbid-Schleifschciben einem geringeren Verschleiß unterliegen.

Diese Aufgabe wird erfindüngsgemäß dadurch gelöst, daß dem Pulvergemisch 10 bis 15 Gew.-% eines Erdalkalimetallfluorids oder eines Gemischs von Erdalkalimetalifluoriden zugesetzt wird.

In der Literatur sind Metallfluoride, z. B. Calciumfluorid, für die Verwendung in keramischen Oxidüberzügen verschiedentlich beschrieben. Verwiesen sei hier auf die US-PS 31 57 529,31 21 623 und 28 69 227. Solche Gemische sind ferner in dem Artikel von Hillert (Acta. Chem. Scand. 20 (1), 251-3 (1966) Eng.) und einem Papier von Gardos, ASLE Pre-print Nr. 74, LC 2C-2, betitelt »Some Topographical and Tribological Characteristics of A CaF₂/BaF₂ Eutertic Containing Porous Nichroroe Alloy Self-Lubricating Composite« beschrieben, das bei der in Montreal, Kanada, vom 8. bis 10. Oktober 1974 gehaltenen ASLE/ASME-Schir.iermittelkonferenz vorgelegt wurde. Ein auf der gleichen Konferenz in Atlanta, Georgia, vom 16. bis 18. Oktober 1973 von Moore et al. vorgelegtes Papier, betitelt »The Friction And Wear Characteristics of Plasma-Sprayed NiO-CaF₂ In Rubbing Contact With A Ceramic Matrix«, erläutert ebenfalls dieses technische Gebiet.

Nirgend wird jedoch auf die durch die Materialzusammensetzung bedingte beträchtliche Verbesserung der Hersieüung hingewiesen. Nirgends ist auch die spezifische erfiridungsgemäß verwendete Zusarjmensetzung beschrieben oder wird mit der Herstellung von Kolbenringen in Zusammenhang gebracht, außer in der US-PS 36 S7 091, die jedoch die hier beschriebene Zusammensetzung nicht offenbart. Tatsächlich beschreiben einige Veröffentlichungen Verfahren, die für die Herstellung von Kolbenringen völlig ungeeignet sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erhöht sich die Lebensdauer von Siliciumcarbid-Schleifscheiben.die einen durch Plasmaspritzen aus einem Pulvergemisch von Titan- und Aluminiumoxiden aufgebrachten Überzug auf einem Gußeisensubstrat bearbeten, wobei dieser Oberzug bis zu etwa 0,076 cm dick ist. Das Verfahren besteht darin, daß man dem pulverförmigen Oxidgemisch vordem Plasmaspritzen auf das Substrat 10 bis 15 Gew.-% eines Erdalkalimetallfluorids oder eines Gemischs von Erdalkalimetallfluoriden zusetzt. Der Oxidüberzug wird dann bis zu etwa der Hälfte seiner Dicke mit einer Siiiciumcarbid-Schleifscheibe zur Glättung und Abrichtung der aktiven Oberfläche abgeschliffen, wobei durch die Erfindung ein Abrichten d^r Schleifscheibe während des Schleifzyklus wesentlich seltener erforderlich ist oder sogar ganz entfällt.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens treten betrachtliche Einsparungen der Kosten für die Siliciumcarbid-Schleifscheiben bei nur äußerst geringer Einbuße der Abnutzungseigenschaften von mit Oxidgemischen von Titan und Aluminium überzogenen Kolbenringen auf, wenn diese Oxidgemische 10 bis 15 Gew.-% Erdalkalimetallfiuoride, z. B. Calciumfluorid, enthalten. Bisher erforderte bei nur aus den Oxiden von Titan und Aluminium bestehenden Oberzügen das Schleifen mit einer Siiiciumcarbid-Schleifscheibe ein bis zu fünfmaliges Abrichten der Scheibe während eines Schleifvorgangs zur Entfernung des durch Plasmaspritzen aufgebrachten Überzugs aus hochschmelzendem Metalloxid bis zu der gewünchten Tiefe und Fertigstellung des Kolbenrings. Die Einbringung des Erdalkalimetallfluorids läßt nun praktisch das Abrichten der Schleifscheibe während eines „Scfileifzyklus bei Verwendung der Schleifscheibe für einen durch Plasmaspritzen aufgebrachten Überzug solcher Oxidgemische entfallen.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer aus Kolben, Ring und Zylinder bestehenden Anordnung, wobei der Kolben mit Üiruckringen und Ölabstreifrin-εεη versehene Nuten aufweist, wobei jeder Ring eine mit der Zylinderwand in Eingriff kommende aktive Fläche besitzt, die aus einer durch Plasmaspritzen in situ gemäß der Erfindung gebildeten, mit Eisen gestreckten Molybdänlegierung besteht,

Fig.2 einen vergrößerten Teilschnitt des obersten Kolbenrings von F i g. 1,

F i g. 3 eine ähnliche Darstellung wie F i g. 2, die jedoch den zweiten Kolbenring in dem Kolben von F i g. 1 erläutert,

ίο Fig.4 eine Ansicht ähnlich Fig. 1, die jedoch den Ölabstreifring in der dritten Ringnut des Kolbens von F i g. 2 zeigt,

F i g. 5 eine Darstellung ähnlich F i g. 2, die jedoch den Ölabstreifring in der vierten Ringnut des Kolbens von F i g. 1 zeigt,

F i g. 6 eine schematische Schnittansicht einer in typischer Weise zum Überziehen eines Gußeisensubstrats nach der erfindungsgemäßen Methode verwendeten Plasmaflammspritzpistole und

2ö Fig.7 eine schematische Darstellung eines Tiefenschleifgeräts mit Zentrierung, das aui einem Dorn aufgereihte, durch Plasmaspritzen überzogene Kolbenringe gemäß der Erfindung bearbeitet.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung 10 aus Kolben und Zylinder erläutert ganz allgemein einen üblichen Kolben eines Verbrennungsmotors mit vier Ringnuten, der in einem Zylinder arbeitet. Die Anordnung 10 umfaßt denKolben 11 und den Zylinder 12 mit einer den Kolben 11 aufnehmenden Durchbohrung 13. Der KoI-ben 11 besitzt einen Kopfteil 14 mit dem Ringband 15 mit vier Umfangsringnuten 16,17, 18 und 19. Die oberste Ringnut 16 besitzt einen geschlitzten festen gußeisernen Druckkoibenring 20 darin. Die zweite Ringnut 17 besitzt einen geschlitzten festen, zweiten Druckring 21, der etwas weiter ist als der Ring 20. Die dritte Ringnut 18 trägt einen zweiteiligen Ölabstreifring 22. Die vierte oder unterste Rinjnut 19 trägt einen dreiteiligen Ölabstreifring 23.

Wie Fig.2 zeigt, besitzt der oberste Druckring 20 einen aus Gußeisen, vorzugsweise Kugelgraphitgrauguß mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 3,5 Gew.-°/o bestehenden Hauptkörper 24. Der Außenumfang 25 des Rings 20 ist mit einem durch Plasmaspritzen gemäß der Erfindung aufgebrachten Legierungsmatrixüberzug 26 bedeckt.

Wie F i g. 3 zeigt, besitzt der zweite Druckring 21 einen aus dem gleichen Gußeisen wie der Körper 24 des Rings 20 bestehenden Hauptkörper 27. Der Außenumfang 28 dieses Körpers 27 ist von der Bodenkante des Rings 21 aus nach oben und innen geneigt, und rund um diesen abgeschrägten Umfang ist eine Umfangsnut 29 gebildet Die Nut 29 ist mit der Legierungsmatrix 25 gefüllt

Wie F i g. 4 zeigt, besteht der Ölabstreifring 22 in der dritten Ringnut 18 i'is einem eiinstückigen flexiblen Kanalring 30 und einem aus Metallblech bestehenden Ausweitungsring 31, dessen Schenkel zwecks Ausweitung des Rings 30 in den Kanal hineinreichen. Der Ring und der Ausweitungsri.ig sind in der US-PS 32 81 156 näher beschrieber..

Der eiristückige Ölabstreifriivjj 30 besitzt ein Paar im axialen Abstand voneinander befindlich^, fädial vorspringende Wülste 32. Die Außiünumfangsflächen dieser Wülste 32 sind mit dem Überzug 26 überzogen.

In F i g. 5 weist der ölabstreifring 23 einen Abstand haltenden, aufweitenden federrWilen Ring 33 auf, der eine aufgeschlitzte dünne aufweitende Ringleiste 34 trägt. Die Anordnung 33 ist in der US-PS 28 17 564 erläutert.

Die Ringleisten 34 sind auf ihrem Außenumfang mit der erfindungsgemäßen Legierungsmatrix 26 überzogen.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß die aktiven Flächen jedes der Druck- und ölabstreifringe 20,21,22 und 23 erfindungsgemäß mit dem Oberzug 26 überzogen sind. Die so überzogenen aktiven Flächen 26 gleiten auf und sind in abdichtendem Eingriff mit der Wand der Bohrung 13 des Motorzylinders 12. Die Kolbenringe 20, 21, 22 und 23 werden in der Bohrung 13 zusammengepreßt, so daß sie sich dicht an die Wand der Bohrung 13 anlegen und einen gut abdichtenden gleitenden Eingriff mit derselben besitzen.

Wie F i g. 6 zeigt, wird der Überzug 26, z. B. auf die Kolbenringe 21 mit den Ringnuten 29 so aufgebracht, daß man mehrere Kolbenringe 21 auf einem Dorn bzw. einer Welle 35 stapelt und so zusammenpreßt, daß ihre geschlitzten Enden fast aneinanderstoßen. Die den Stapel von Kolbenringen 21 in der geschlossenen, zusammengezogenen Stellung fcitnäiieride Welle 35 kann in einer Drehbank montiert werden und die Umfangsflächen der Kolbenringe 21 werden zur Bildung der Ringnuten 29 maschinell bearbeitet. Die äußeren Umfangsflächen der Kolbenringe 21 auf der Welle 35 werden dann mit der Oxidmatrix 26 aus einer Plasmaspritzpisto- !e 36 überzogen. Die Pistole 36 besitzt ein isoliertes Gehäuse 37, z. B. aus Polyamid, aus welchem eine rückwärtige Elektrode 38 herausragt, wobei das herausragende Stück durch einen Schraubengriff 39 verstellbar geregelt wird. Die Vorderseite des Gehäuses 37 enthält eine vordere Elektrode 40. Das Gehäuse 37 und die Elektrode 40 sind hohl und mit einem Wassermantel umgeben, so daß das Kühlmittel aus einem Einlaß 41 zu einem Auslaß 42 strömen kann. Durch einen Einlaß 43 wird ein Plasmagasstrahl üblicher Zusammensetzung in den durch das Gehäuse 37 gebildeten Raum und die Elektrode 40 geführt, wobei das Gas die rückwärtige Elektrode 35 UEP^ctrörrⁱ*

Das vordere Ende der Elektrode 40 bildet einen Düsenauslaß 44 für die Plasmaflamme und die den Oxidüberzug 26 bildenden Bestandteile werden durch diese Düse durch einen Pulvereinlaß 45 unmittelbar vor der Abgabeöffnung der Düse zugeführt.

Ein aus ionisiertem Gas bestehendes Plasma wird erzeugt, indem man das Plasmagas von dem Einlaß 43 durch einen zwischen den Elektroden 38 und 40 ausgebildeten elektrischen Lichtbogen strömen läßt. Dieses Plasmagas ist nichtoxidierend und besteht aus Stickstoff oder Argon, zusammen mit Wasserstoff. Die aus dem Düsenauslaß 44 austretende Plasmaflamme zieht das den Oberzug bildende Pulver durch Ansaugen mit sich und setzt die Bestandteile des Pulvers so hohen Temperaturen aus, daß sie zusammenschmelzen. Das versprühte Pulver wird für gewöhnlich in einem Trägergas suspendiert Der Düsenstrahl führt das Material in den Boden der Nut 29 jedes Kolbenrings 21 und füllt diese damit aus.

Das dem Pulvereinlaß 45 der Spritzpistole 36 zugeführte bevorzugte Pulver besitzt die in dem nachstehenden Beispiel II angegebene Zusammensetzung.

F i g. 7 zeigt schematisch eine Siliciumcarbid-Schleifscheibe mit Zentrierung, die an einem Dorn bzw. einer Welle 35 mit durch Plasmaspritzen überzogenen Kolbenringen 21 der in Fig.2 gezeigten Art anliegt Die Schleifscheibe 50 wird auf übliche Weise gegen den Uhrzeigersinn angetrieben, wie durch den Pfeil 7 angezeigt, und ist auf einer Welle 52 montiert, die mit vorherbestimmten Geschwindigkeiten auf die Welle 35 zu und von dieser weg bewegt werden kann. Die Welle 35 wird auf übliche Weise im Uhrzeigersinn relativ zu der Schleifscheibe 50 angetrieben, wie dies der Pfeil anzeigt, und bleibt während des Schleifvorgangs fest auf ihrer Achse. Kühlmittel wird durch eine geeignete Düse 54 in

S bekannter Weise zugeführt.

In bezug auf die Einzelheiten der Überzugszusammensetzungen aus Titandioxid und Aluminiumoxid und die Faktoren während des Plasmaspritzens, durch welches die erfindungsgemäßen Oxidüberziige einschließlieh des Erdalkalimetallfluorids auf einen zwanzig Kolbenringrohlinge enthaltenden Dorn aufgebracht werde, wird auf die US-PS 36 97 091 verwiesen.

Die Aufbringung der hochschmelzenden Metalloxide durch Plasmaspritzen erfolgt gemäß der Erfindung auf die gleiche Weise wie sie zur Aufbringung der hochschme'zenden Metalloxide ohne Fluoridzusatz üblich ist.

Typische Bedingungen zum Aufspritzen von keramischen Oxidüberzügen auf Kolben- bzw. Druckringe ^von Kolben sind die folgenden:

Anzahl der Pistolen
Abstand Pistole — Werkstück
Winkel der Pistole zur
Werkstückachse
Gleichstromstärke
Spannung

Sekundärgas — Wasserstoff
Primärgas — Stickstoff
Trägergas — Stickstoff
Geschwindigkeit der
Vertikalzuführung

Geschwindigkeit der
Wellendrehung

Pulverzufuhr

11,43 cm

45°
500A

85 V Bezugsspannung
0,4248 m³/Std.
2,1238 mVStd.
1377 mVStd.

60,96-81,28 cm/Minute

60-90 Umdr^Minute, bezogen auf
eine Welle mit
10 cm Durchmesser
2,722-3,629 kg/Std.

Da Kolbenringe durch zu hohe Temperaturen beim Plasmaspritzen beschädigt werden, wird die Temperatur der Ringe auf der Welle (dem Dorn) unter 371° und vorzugsweise unter 204°C gehalten. Die plasmastrahlüberzogenen Ringe brauchen keiner anschließenden Wärmebehandlung unterworfen zu werden, sondern man kann die Ringe an der Luft auf Raumtemperatur abkühlen lassen.

Erfindungsgemäß zu verwendende Erdalkalimetallfluoride sind Calciumfluorid (das bevorzugte Material), Magnesiumfluorid, Bariumfluorid und Strontiumfluorid. auch Mischungen solcher Fluoride können verwendet werden, z. B. ein 50/50 Gemisch aus Cslciumfluorid und Magnesiumfluorid; Calciumfluorid-Bariumfluorid-Gemische, z. B. ein zu 38% aus Calciumfluorid und 62% Bariumfluorid bestehendes eutektisches Gemisch.

Die Fluoride werden für gewöhnlich zu einer solchen Teilchengröße pulverisiert, daß 98% der Teilchen eine Größe von < 0,149 mm aufweisen. Beispielsweise ist eine erwünschte Teilchengrößenverteilung für Calciumfluorid eine solche, bei welcher mindestens 98% der Calciumfluoridteilchen eine Größe von < 0,125 mm aufweisen. Die Titandioxid-Aluminiumoxidzusammen-Setzung besitzt zweckmäßig eine solche Teilchengrößenverteilung, daß 98% der Teilchen des Oxidgemischs eine Größe von < 0,074 mm und vorzugsweise von < 0,053 mm aufweisen. Bei Fluoridgemischen werden

Beispiel I
Hochschmelzendes Metalloxid, insgesamt 90 Gew.-%

Titandioxid
Aluminiumoxid

12%
88%

Metallfluorid, insgesamt 10 Gew.-%

Calciumfluorid

100%

Beispiel II

Hochschmelzendes Metalloxid, insgesamt 873 Gew.-%

Titandioxid
Organische Feststoffe
Aluminiumoxid
Andere Oxide, insgesamt

13,5%

höchstens 3,0%
mindestens 78,0%
höchstens 5,5%

Metallfluorid, insgesamt 123 Ge\v.-%

Calciumfluorid

100%

Beispie! III
Hochschmelzendes Metalloxid, insgesamt 85 Gew.-%

die Fluoride zweckmäßig, miteinander verschmolzen und dann nach dem Erstarren zu einer solchen Teilchengröße pulverisiert, daß mindestens etwa 98% der Teilchen des Fluorids eine Größe von < 0,125 mm aufweisen.

Das Mischen des Metallfluoridpulvers mit dem Titandioxid/Aluminiumoxid kann in einem einfachen physikalischen Mischen der' Bestandteile unter Erzielung einer möglichst gleichförmigen Verteilung des Metällfluorids in dem gemischten hochschmelzenden Metalloxid vor dem Plasmaspritzen bestehen.

Andererseits kann auch das T1O2/AI2O3 auf bekannte Weise unter Verwendung eines organischen Binders, z. B. eines Phenollackbinders (10% Feststoffe), gebildet werden. Verwiesen wird hier auf die US-PS 39 91 240, in welcher eine Methode zur Bildung eines Verbundpulvers zum Unterschied von einer physikalischen Mischung beschrieben ist. In den folgenden Beispielen kann, wenn organische Feststoffe genannt sind, jedes organische Bindemittel, z. B. Alkydharze, Tungöl, Leinsamenöl, Kautschuk, Latex usw., verwendet werden. Diese Methode unterstützt die gleichmäßige Verteilung der Bestandteile in dem Pulver. Der organische Anteil der Mischung wird bei den Temperaturen des Plasmaspritzens wieder zerstört.

Die Pulver werden auf die auf einem Dorn oder einer Welle sitzenden Ringe auf die in der US-PS 36 97 091 beschriebene Weise aufgebracht, worauf man sie auf Raumtemperatur abkühlen läßt. Noch auf dem Dorn bzWi der Welle werden die Überzüge mit einer vorstehcnu beschriebenen Siliciumcarbid-Schleifscheibe geschliffen.

Typische Beispiele für 8,5 bis 22,5 Gew.-% TiO₂, 76,5 bis 67,5 Gew.-% Al₂O₃ und 10 bis 15 Gew.-% Erdalkalimetallfluorid enthaltende Pulver, die zum Plasmaspritzen unter Anwendung der vorstehenden Bedingungen

Titandioxid 13,5%

Organische Feststoffe höchstens 3,0%

Aluminiumoxid mindestens 78,0%

Andere Oxide, insgesamt höchstens 5,5%

Metallfluorid, insgesamt 15Gcw.-%

Calciumfluorid
Bariumfluorid

32% 68%

Beispiel IV Hochschmelzendes Metalloxid, insgesamt 90 Gew.-%

Titandioxid
Aluminiumoxid

17% 83%

Metallfluorid, insgesamt 10Gew.-%

Calciumfluorid 100%

Beispiel V Hochschmelzendes Metalloxid, insgesamt 90 Gew.-%

Titandioxid 17%

Aluminiumoxid 83,0%

Metallfluorid, insgesamt 10 Gew.-%

Magnesiumfluorid

100%

Beispiel VI Hochschmelzendes Metalloxid, insgesamt 90 Gew.-%

Zirkoniumoxid 100%

Metallfluorid, insgesamt 50Gew.-%

Calciumfluorid 100%

Ein typisches Pulver für das Plasmaspritzen entweder vom gemischten oder vom Verbundtyp besitzt die folgende Zusammensetzung:

85 bis 90 Gew.-% eines ersten Pulveranteils, bestehend aus:

Titandioxid 12,0 bis 15,0%

Aluminiumoxid(Tonerde) mindestens 78,0% andere Metalloxide höchstens 0,0 bis 5,5%

organische
Binderfeststoffe höchstens 0,0 bis 3,0%:

10 bis 15 Gew.-% eines zweiten Pulveranteils, bestehend aus:

Calciumfluorid

100%.

In dem gemischten Pulver wird kein organisches Bindemittel verwendet. Bei dem Pulver vom Verbundtyp wird eine verdünnte Lösung des organischen Bindemittels, z. B. eines Phenolharzbinders, in einem flüchtigen Lösungsmittel, z. B. Methylethylketon oder dergleichen, verwendet Das Lösungsmittel wird beim Trocknen des Pulvers entfernt, welches dann zum Verspritzen fertig

ist. Die Teilchengröße des Pulvers ist die vorstehend angegebene.

Aus den vorstehenden Beispielen ist ersichtlich, daß das Titandioxid, das Aluminiumoxid und das Metallfluorid mindestens 91,5% des gesamten durch Plasmaspritzen aufgebrachter. Pulvers ausmachen.

Der Metalloxidanteil der vorstehenden Beispiele kann noch andere Fremdstoffe.z. B. mehrwertige Metalloxide, z. B. SiO₂, MgO, BaO, CaO, HfOj, ZrO₂, Cr₂O₃, usw., in kleineren Mengen von in der Regel nicht über 8,5 Gew.-% und vorzugsweise nicht über 5,5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtpulver, enthalten. Unter dem Ausdruck »Fremdstoffe« ist ein Material zu verstehen, dessen Anwesenheit in kleinerer Menge die Wirkungsweise der Hauptbestandteile nicht ungünstig beeinflußt. Diese Oxide treten häufig in den Hauptoxiden, und zwar in unschädlichen Mengen auf. Die Pulver können bis zu 8,5% organische Binderfeststoffe enthalten, die jedoch vorzugsweise nicht 3% des Gesamtpulvers übersteigen.

Die in den vorstehenden Beispielen angegebenen Bestandteile und Prozentgehalte sagen nichts über den Reinheitsgrad. So bedeutet z. B. 100% CaF₂, CaF₂ mit handelsüblichem Reinheitsgrad, einschließlich der üblichen Verunreinigungen. Natürlich können auch die reinen Bestandteile, falls dies gewünscht wird und falls sie zugänglich sind, verwendet werden. Auch Mineralien, z. B. Fluorit oder Flußspat, werden als geeignet angesehen.

Gemäß Beispiel VI kann Zirkoniumoxid den gesamten Metailoxidanteil darstellen oder es kann das Titandioxid in den Zusammensetzungen ganz oder teilweise ersetzen, oder es kann als Fremdstoff zugegen sein.

Wenn die vorstehenden Zusammensetzungen auf einen Kolbenring aus Gußeisen durch Plasmaspritzen aufgebracht werden, wird der Grad der Abnutzung einer Siliciumcarbid-Schleifscheibe infolge Abrichtens während eines Schleifzyklus stgark herabgesetzt. Im Falle des bevorzugten Beispiels II mit Calciumfluorid als Zusatz zu dem durch Plasmaspritzen aufzubringenden Pulver wurde das Abrichten der Siliciumcarbid-Schleifscheibe innerhalb eines Schleifzyklus von fünfmal auf Null bis zur Entfernung von etwa der Hälfte eines 6,35 mm dicken Überzugs herabgesetzt.

Wenn derart überzogene und abgeschliffene Kolbenringe einem beschleunigten Abnutzungstest in einem Motor unterworfen wurden, zeigten sie nur eine sehr geringe Verschlechterung der Abnutzungseigenschaften gegenüber den mit hochschmelzenden Metalloxidüberzügen versehenen Kolbenringen (Titandioxid/Aluminiumoxid).

Die Schleifscheibe und die Schleifbedingungen beim Schleifen von durch Plasmaspritzen überzogenen Ringen mit der Zusammensetzung von Beispiel II waren die folgenden:

Tabelle I

(a) Scheibe

75 χ 12,5 χ 30 cm

(b) Drehgeschwindigkeit

(c) Grobvorschub

(d) Feinvorschub

(e) Beginn des
Feinvorschubs

(f) Beginnender Stillstand
(oder Teerigwerden)

(g) Wellendrehgeschwindigkeit

0,076 mm
Durchmesser
vor Enddurchmesser

225-275 Umdrehungen/
Minute

IO

Es sind dies typische Parameter für Überzüge der in den Beispielen angegebenen Art. Im allgemeinen kann die Drehgeschwindigkeit der Schleifscheibe etwa 1000 bis 2000 Umdrehungen/Minute bei einem Grobvorschub von 0,254 bis 0,889 mm/Minute und einem Feinvorschub von 0,025 bis 0,127 mm/Minute betragen. Die Drehgeschwindigkeit der den Satz Kolbenringe auf den Dorn enthaltenden Welle beträgt zur Erzielung bester Ergebnisse 200 bis 300 Urndrehun^en/Minutc Während des Schleifens wird ein übliches Kühlmittel auf Wasserbasis verwendet.

Im allgemeinen besitzen die bevorzugten Siliciumcarbid-Schleifscheiben feine ode sehr feine Korngrößen von 70 bis 500. Glasig gebundene Schleifscheiben werden üblicherweise zum Schleifen von Kolbenringen verwendet, obwohl auch mit Silicat oder »Wasserglas« gebundene Scheiben verwendbar sind. In der Regel variiert der Härtegrad vom mittleren bis zum harten Bereich.

Obwohl Tabelle ί spezifische Bedingungen angibt, die sich als besonders geeignet für erfindungsgemäß variierte Titanoxid-aluminiumoxidüberzüge auf Kolbenringen aus Gußeisen erwiesen haben, können doch Abänderungen vorgenommen werden. Ob ein Abrichten innerhalb eines Schleifzyklus selbst mit den erfindungsgemäßen Modifikationen erforderlich ist, hängt z. B. von der Vorschubgeschwindigkeit ab; wenn man bei der Verwendung der Schleifscheibe in bezug auf die zu schleifende Oberfläche jede Vorsicht außer acht läßt, kann ein Abrichten während des Schleifzyklus immer noch erforderlich sein. Bei Einhaltung einer bestimmten Reihe von Bedingungen wird jedoch das Abrichten innerhalb eines Schleifzyklus gegenüber der Anzahl von Abrichtvorgängen, wie sie ohne die Erfindung erfordcrlieh sind, wesentlich herabgesetzt.

Die Erfindung schafft somit ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Kolbenringen, durch das die Lebensdauer von Siliciumcarbid-Schleifscheiben erhöht wird, die zur Bearbeitung eines durch Plasmaspritzen

auf ein Gußeisensubstrat aufgebrachten Überzugs aus gemischten Oxiden von Titan und Aluminium verwendet werden. Im Prinzip besteht das Verfahren im Zusatz einer kleineren Menge eines Erdalkalimetallfluorids oder eines Gemischs solcher Fluoride zu dem für das Plasmaspritzen verwendeten Pulver. Die Erfahrung hat gezeigt, daß ein Abrichten der Schleifscheibe während eines Schleifzyklus, was ohne Metallfluorid erforderlich ist, wesentlich verringert wird oder ganz entfällt

150UnKhV eo

Minute

1,905 mm/Minute

0,051 mm/Minute

0,152 mm

Durchmesser
vor Enddurchmesser

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Kolbenringen durch Plasmaspritzen eines Oxids des Titans und Aluminiums enthaltenden Pulvergemischs auf die aktive Oberfläche eines Metallkörpers aus Gußeisen unter Bildung eines Überzugs und durch Abschleifen dieses Überzugs bis etwa zur Hälfte seiner Dicke mitte!s einer Siliciumcarbid-Schleifscheibe, dadurch gekennzeichnet, daß dem Pulvergemisch 10 bis 15 Gew.-°/o eines Erdalkalimetallfiuorids oder eines Gemischs von Erdalkalimetallfluoriden zugesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Erdalkalimetallfluorid Calciumfluorid verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß als Erdalkalimetallfluorid eine Mischung aus CaF2 und BaF2 verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Pulvergemisch noch bis zu 2,7 Gew.-°/o organische Binderfeststoffe zugesetzt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Pulvergemisch noch bis zu 435 Gew.-% ändert Oxide mehrwertiger Metalle zugesetzt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pulvergemisch, das 8.5 bis 22,5 Gew.-o/o Titandioxid, 76,5 bis 67,5 Gew.-°/o Aluminiumoxid und 10 bis 15 Gew.-% eines Erdaikalimetallfluorids α !er eint ^ Gemischs solcher Fluoride enthält, wobei das Titandioxid, das Aluminiumoxid und das Erdalkalimetall' .arid mindestens 91,5% des Pulvers ausmachen, zum Plasmaspritzen verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf die aktive Fläche des Außenumfangs eines gußeisernen Kolbenrings ein hochschmelzender 0,05 bis 0,075 cm dicker Metalloxidüberzug in Form eines Pulvers folgender Zuammensetzung