DE2931116A1

DE2931116A1 - Kolbenring und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2931116A1
Application number: DE19792931116
Authority: DE
Inventors: Yoshio Huwa; Katsumi Kondo; Shouzi Miyazaki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1978-11-20
Filing date: 1979-07-31
Publication date: 1980-05-22
Also published as: DE2931116C2; JPS5569742A; JPS5736416B2; US4323257A

Description

T D ^ \£ Patentanwälte:

TlEDTKE- ÜÜHLING " KjNNE .. Dipl.-Ing. H. Tiedtke

G-O" Dipl.-Chem. G. Bühling

RUPE-KELLMArJN Dipl.-Ing. R. Kinne

Dipl.-Ing. R Grupe —- 4 - "_ - - Dipl.-Ing. B. PeHmann

_ 2831116 Bavariaring 4, Postfach 20 2403

8000 München 2

Tel.: 089-539653

Telex: 5-24 845 tipat

cable: Germaniapatent München

31. Juli 1979

B 9817/case AT-F-284

TOYOTA JIDOSHA KOGYO KABUSHIKI KAISHA Toyota-shi, Japan

Kolbenring und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenring für einen Kolben einer Brennkraftmaschine, und insbesondere auf die Ober- flächenstruktur der zylindrischen Außenfläche eines Kolbenringes, der auf der Innenfläche eines Zylinders bzw. einer Zylinderlaufbuchse einer Brennkraftmaschine gleitet und demzufolge hohe Verschleißfestigkeit sowie hohen Widerstand gegen Festfressen haben soll.

Bei neuzeitlichen Brennkraftmaschinen ist die Wärmebelastung erhöht wegen der hohen Drehzahlen und hohen Verdichtungsverhältnisse der Brennkraftmaschinen, mit denen gearbeitet wird, um hohe Nutzleistung zu erzielen und um die Schadstoffemission im Abgas verringern zu können. Die aufeinander gleitenden Flächen der Kolbenringe und der Zylinder sind daher stärker belastet. Insbesondere bei Diesel-Brennkraftmaschinen führt die Erzeugung von Kohlenstoffruß zu der Forderung nach hoher Verschleißfestigkeit, hoher Abriebfestigkeit und hohem Widerstand

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gegen Festfressen.

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Es sind Kolbenringe bekannt, bei denen die Gleitflachen mit Chrom oder Molybdän beschichtet sind._ Mit Chrom beschichtete Kolbenringe haben gute Verschleißfestigkeit, neigen jedoch zum Festfressen und zu stärkerem Abrieb, wenn sie in Verbindung mit Zylinderlaufbüchsen aus Gußeisen benutzt werden. Mit Molybdän beschichtete Kolbenringe haben hohen Widerstand gegen Festfressen; wenn sie in Brennkraftmaschinen benutzt werden, in denen sie stark thermisch belastet sind, besteht jedoch die Gefahr, daß sich oxidierte Schichten im Grenzbereich zwischen dem Grundmetall (in der Regel Gußeisen) des Kolbenringes und der aufgetragenen Molybdänschicht sowie zwischen den Partikeln bzw. Teilchen des Beschichtungsmetalles bilden, die die Haftung der Beschichtung am Grundmetall verschlechtern. Ferner ist Molybdän teuer.

Es sind bereits Kolbenringe vorgeschlagen und hergestellt worden, die auf ihrer zylindrischen Außenfläche mehrere Überzüge bzw. Schichten aufweisen: Beispielsweise Schichten aus einer Mo-Legierung und einer Fe-Legierung; Schichten aus einer Mo-Legierung und keramischen Werkstoffen; und Schichten aus einer Fe-Legierung und keramischen Werkstoffen. Jede dieser Kombinationen hat jedoch sowohl Vorteile als auch Nachteile, und solche Kolbenringe werden gegenwärtig nicht häufig bei Brennkraftmaschinen eingesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Kolbenring für einen Kolben einer Brennkraftmaschine zu schaffen, der nicht nur hohe Verschleißfestigkeit und hohen Widerstand gegen Festfressen aufweist, sondern auch billiger als Kolbenringe mit einer Molybdänbeschichtung ist und dessen Kosten vergleichbar sind mit einem chromplattierten Kolbenring. Der,Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kolbenringes zu schaffen.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Kolbenringes gelöst durch einen Kolbenring-Vorformling, dessen zylindrische Außenfläche durch eine umlaufende Ringnut unterteilt ist, und eine Beschichtung aus einer Legierung, die in die Ringnut plasmagespritzt ist und diese so ausfüllt, daß die Oberfläche der Beschichtung bündig mit der zylindrischen Aussenfläche des Vorformlings ist, wobei die zylindrische Außenfläche des Vorformlings nicht mit der Legierung beschichtet ist und wobei die Legierung aus ungefähr 55 % bis 70 % Cr, ungefähr 3 % bis 9 % C und Rest im wesentlichen Fe besteht.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch folgende Schritte gelöst:

a) ein Kolbenring-vorformling mit einer umlaufenden Ringnut, die die zylindrische Außenfläche des Vorformlings unterteilt, wird auf seiner Außenfläche durch Plasmaspritzen mit einer Legierung, die aus ungefähr 55 % bis 70 % Cr, ungefähr 3 % bis 9 % C und Rest im wesentlichen Pe besteht, so beschichtet, daß die Ringnut gefüllt ist;

b) danach wird die Außenfläche des Kolbenringes maschinell so bearbeitet, daß alles Legierungsmaterial auf der zylindrischen Außenfläche des Vorformlings entfernt wird und die Beschichtung in der Ringnut bündig"mit der zylindrischen . " Außenfläche des Vorformlings ist. "-.-.."

In vorteilhafter Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß vor dem Aufspritzen der Legierung in die Ringnut der Boden der Ringnut mit einer Unterschicht aus einem Metallpulver bespritzt wird, das gut am Boden der Ringnut haftet und hohen Oxidationswiderstand hat. Bei diesem Metallpulver kann es sich um ein Gemisch aus Al und Ni, einen Ni-Al-Verbundwerkstoff oder eine Ni-Al-Legierung handeln, wodurch die Haftung der Cr-C-Fe-Beschichtung verbessert wird.

Der besondere Vorteil der Erfindung beruht teilweise auf der

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Tatsache, daß die in erfindungsgemäßer Weise vorgesehene Beschichtung aus der Cr-C-Fe-Legierung höheren Oxidationswiderstand bei hohen Temperaturen und höhere Verschleißfestigkeit als Molybdän hat und daß das zum Plasmaspritzen verwendete Legierungspulver im Handel zu einem Zehntel des Preises von Molybdän erhältlich ist. Die Korngröße des Legierungspulvers kann der Maschenzahl 250 (250 Maschen je Zoll eines Quadratmaschensiebes) entsprechen oder kleiner sein.

Die mit der Legierung gefüllte Ringnut hat vorzugsweise ein trapezförmiges Profil mit Seitenwänden, die vom Nutboden der Ringnut divergierend nach außen zur zylindrischen Außenfläche des Kolbenringes verlaufen, so daß die Metallegierung beim Plasmaspritzen direkt auf die Seitenwände trifft und daher gut an diesen haftet.

In vorteilhafter Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der zwischen den Seitenwänden der Ringnut eingeschlossene Winkel 100° oder· mehr beträgt. Andernfalls haftet die Beschichtung nicht so gut an den Seitenwänden und können Abblätterungen auftreten.

Ausführungsbeispiele der. Erfindung werden im folgenden ausführlich unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei versteht es sich, daß die Erfindung durch Einzelheiten der Ausführungsbeispiele oder der Zeichnungen, die lediglich . zur Erläuterung dienen, nicht eingeschränkt werden sollen. Es zeigen:

Figur 1 einen vergrößerten radialen Querschnitt

durch einen erfindungsgemäßen Kolbenring;

Figur 2 ein Mikrobild (hundertfache Vergrößerung)

eines radialen Querschnitts durch einen er-' findungsgemäßen Kolbenring;

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Figur 3 eine Figur 1 ähnliche Darstellung, die einen Kolbenring zeigt, bei dem der Winkel zwischen den Seitenwänden weniger als 100° beträgt;

Figur 4 ein Mikrobild (hundertfache Vergrößerung) eines radialen Querschnitts durch einen mit Molybdän beschichteten Kolbenring;

Figur 5 ein Mikrobild (hundertfache Vergrößerung) eines

radialen Querschnitts eines Kolbenringes, bei dem eine Cr-C-Fe-Legierung in eine Ringnut eingebracht worden ist, bei der der Winkel zwischen den Seitenwänden weniger als 100° beträgt;

Figur 6 ein Mikrobild (vierhundertfache Vergrößerung) eines radialen Querschnitts durch einen Kolbenring, bei dem der Winkel zwischen den Seitenwänden - - " 120° beträgt;

Figur 7

Figuren
und 9

ein Mikrobild (zweihundertfache Vergrößerung) eines radialen Querschnitts durch einen Kolbenring, bei dem der Winkel zwischen den Seitenwänden 60° beträgt;

Darstellungen radialer Querschnitte von Kolbenringen mit Ringnuten mit leicht modifiziertem Profil;

Figur 10 eine schematische Draufsicht zur Erläuterung eines Prüfverfahrens zur Untersuchung der Haftung der Beschichtung eines Kolbenringes am Grundmetall; und

Figuren 11
und 12

Diagramme, die die Äbblätterungslänge und die Haftungsstärke für verschiedene Proben zeigen.

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Die folgenden Beispiele werden beschrieben, um die Erfindung und ihre Vorteile zu erläutern. Durch die Beschreibung dieser Beispiele soll jedoch die Erfindung keineswegs beschränkt werden.
5

Beispiel 1-1

Es wurden mehrere Kolbenring-Vorformlinge 1 aus Kugelgraphit-Gußeisen hergestellt. Der Ausdruck "Vorformling" bezeichnet hier und in den Ansprüchen das Grundelement eines Kolbenringes, bevor irgendein Überzug aufgebracht wird oder bevor irgendeine Nut am Vorformling gefüllt wird. Wie in Figur 1 gezeigt ist, wies jeder Kolbenring-Vorformling eine umlaufende Ringnut 2 auf, die die zylindrische Außenfläche in zwei Abschnitte unterteilt. Die Ringnuten hatten einen trapezförmigen Querschnitt. Die Kolbenringe wurden axial aufeinander gestapelt, so daß sie eine rohrförmige Baugruppe ergaben. Während diese Baugruppe um ihre Achse gedreht wurde, wurde auf die Außenseite der Baugruppe nach dem Plasmaspritzverfahren Legierungspulver aufgetragen, und zwar so, daß die Ringnuten mit der aufgetragenen Legierung vollständig gefüllt waren, die Zusammensetzung des Pulvers betrug 63,3 % Cr, 6,6 % C, 1,9 % Si, 0,02 % P, 0,04 % S und Rest im wesentlichen Fe (alle Zusammensetzungen sind hier und in den Patentansprüchen in Gewichtsprozent angegeben). Danach wurde die zylindrische Außenfläche der Baugruppe mittels eines zylindrischen Schleifers geschliffen, bis jeder Kolbenring die gewünschten Abmessungen hatte. Durch das Schleifen wurde das gesamte Legierungsmaterial von der äußeren ümfangsflache des Vorformlings entfernt, so daß lediglich noch die Ringnut mit dem Legierungsmaterial gefüllt war und die Oberfläche der Legierung in der Ringnut bündig mit der äußeren zylindrischen Oberfläche des Vorformlings war. Die Abmessungen des auf diese Weise hergestellten fertigen Kolbenrings betrugen (siehe Figur 1):

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Außendurchmesser (Nenndurchmesser): 90 mm Dicke t (Abmessung in Radialrichtung): 3 mm Breite w (Länge in Axialrichtung): 2,5 mm Winkel θ zwischen den Wänden der Ringnut: 120° Tiefe G. der Ringnut: 0,25 mm
Breite G : 1,7 mm

Das Plasmaspritzverfahren wurde mittels einer "3MB"-Plasmaspritzmaschine durchgeführt, die im Handel erhältlich ist von der Firma METCO, Inc., USA. Die Plasmaspritzmaschine war ausgerüstet mit einer Düse vom Typ GH und einer Pulveröffnung Nr.~ 2, die ebenfalls von der genannten Firma vertrieben "werden. Das Spritzen erfolgte unter folgenden Bedingungen: -

Ar~Gasdurchfluß: 2265,6 l/h (80 SCFH)

H2-Gasdurehfluß: 424,8 l/h (15 SCFH) Elektrischer Strom: 450 A

Drehzahl der Baugruppe: 200 - 500 Upm

Vorschubgeschwindigkeit (Geschwindigkeit des Vorschubes der rohrförmigen Baugruppe entlang ihrer Achse): 1,0 bis 2,5 m/min

Durchfluß des Legierungspulvers: 40 g/min

Die auf diese Weise hergestellten Kolbenringe wurden in die Kolben einer Vierzylinder-Diesel-Brennkraftmaschine mit einem Hubraum von 2,2 liter eingesetzt. Die Brennkraftmaschine wurde

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auf einem Laborprüfstand während 300 h unter Vollast bei 4400 Upm betrieben, wobei die Kühlwassertemperatur 110° C betrug und ein Motoröl verwendet wurde, das unter der Bezeichnung "Dieselux" von der Firma Toa Nenryo Kogyo Co., Ltd., Japan, vertrieben wird. Danach wurden die Kolbenringe aus der Brennkraftmaschine ausgebaut, überprüft, zerschnitten und mikroskopisch untersucht.

Die Ergebnisse dieser Untersuchungen waren zufriedenstellend.

Figur 2 gibt ein Mikrobild (hundertfache Vergrößerung) wieder, das einen Querschnitt durch einen der Kolbenringe zeigt. Es ist erkennbar, daß sehr wenige Abschnitte in der aufgespritzten Schicht oxidiert oder abgeblättert sind. Die Ergebnisse bedeuten, daß die Haftung der aufgespritzten Schicht am Grundmetall (Kugelgraphit-Gußeisen) hervorragend ist. Da die Haftung großen Einfluß auf die Lebensdauer von Kolbenringen und auf das Verhalten einer Brennkraftmaschine mit solchen Kolbenringen hat, gehört sie zu den wichtigsten Eigenschaften, die ein Kolbenring haben muß.

Beispiel 1-2

Zum Vergleich wurden zwei Probenarten hergestellt. Zwei rohrförmige Baugruppen aus mehreren Kolbenring-Vorformlingen, wie sie auch bei Beispiel 1-1 verwendet wurden, wurden hergestellt, wobei lediglich die. Unterschiede bestanden, daß der Winkel zwischen den Wänden der Ringnut 60° betrug, wie dies in Figur 3 gezeigt ist, und daß bei einer der Baugruppen ein Gasauftrag von Molybdänpulver auf der Außenseite erfolgte. Die andere Baugruppe wurde auf gleiche Weise wie beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbexspxel behandelt. Danach wurden beide Baugruppen auf gleiche Weise wie beim vorangehenden Beispiel maschinell bearbeitet. Zwei der Kolben einer Diesel-Brennkraftmaschine gleicher Art wie beim vorstehenden Beispiel wurden mit den mit Molybdän beschichteten Kolbenringen ausgerüstet,

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und zwei weitere Kolben wurden mit den auf gleiche Weise wie beim vorstehenden Beispiel hergestellten Kolbenringe ausgerüstet. Es erfolgte ein Laborlauf der Brennkraftmaschine wie oben angegeben, wonach die gleiche Untersuchung durchgeführt wurde.

Wie Figur 4 zeigt, die ein Mikrobild (hundertfache Vergrößerung) eines Querschnitts eines Kolbenringes mit Molybdänbeschichtung ist, trat bei den mit Molybdän beschichteten KoI-benringen in den Bereichen zwischen den Teilchen der Molybdänschicht eine wesentlich stärkere Oxidation als in der Grenzfläche zwischen der Molybdänschicht und dem Material des Kolbenring-Vorformlings auf. Die Untersuchung der zylindrischen äußeren Gleitfläche der Kolbenringe zeigte, daß zwischen den Teilchen der Beschichtung Abblätterungen vorhanden waren und daß der Verschleiß 3 bis 4 mal so stark wie bei den Kolbenringen mit der Beschichtung aus der Cr-C-Fe-Legierung war. Im Mikrobild erscheinen die oxidierten Bereiche als dunkler Abschnitt der Beschichtung.

Dagegen betrug bei den mit der Cr-C-Fe-Legierung beschichteten Kolbenringen der Verschleiß lediglich ungefähr 15bis 20 mikron, wobei in der zylindrischen äußeren Gleitfläche keine Abblätterungen oder Risse erkennbar waren. Wie Figur 5 zeigt, die ein Mikrobild (hundertfache Vergrößerung) eines Querschnitts durch eine der Proben wiedergibt, trat jedoch eine gewisse Oxidation oder Abblätterung zwischen der Beschichtung und den Seitenwänden der Ringnut auf.

Beispiel II

Um den optimalen Winkel zwischen den Wänden der Ringnut festzustellen, wurden verschiedene Kolbenring-Vorformlinge mit eingeschlossenen Winkeln von 60°, 80°, 100° und 120° hergestellt. Diese Vorformlinge wurden dann auf gleiche Weise wie bei Bei-

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spiel 1-1 nach dem Plasmaspritzverfahren mit der gleichen Cr-C-Fe-Legierung wie bei Beispiel 1-1 bespritzt und danach maschinell bearbeitet. Um die Haftung der Beschichtung am Grundmetall zu überprüfen, wurden die Kolbenringe mehrmals abwechselnd erwärmt und abgekühlt. Bei jedem Zyklus (Erwärmen und Abkühlen) wurden die Ringe zum Erwärmen für acht Minuten in einen Elektroofen mit 300° C eingebracht. Danach wurden sie für eine Minute in Wasser getaucht. Nach 250 Zyklen wurden die Kolbenringe entlang einer diametralen Ebene aufgeschnitten, wonach Mikrobilder der Schnittflächen hergestellt wurden. Figur 6 gibt ein Mikrobild (vierhundertfache Vergrößerung) wieder, das einen Querschnitt durch einen Kolbenring mit einem eingeschlossenen Winkel von 120° zeigt.

Bei den Kolbenringen, bei denen die eingeschlossenen Winkel 60° und 80° betrugen, war die Bildung oxidierter Schichten in der Beschichtung nahe den Seitenwänden der Ringnut stärker als im mittleren Bereich der Beschichtung, wogegen bei denjenigen Kolbenringen, bei denen der zwischen den Seitenwänden der Ringnut eingeschlossene Winkel 100° und 120° betrug, an keiner Stelle im Kolbenring oxidierte Schichten vorhanden waren; diese Ringe erwiesen sich als gut brauchbare Kolbenringe. Mikroskopische Untersuchungen der Querschnitte zeigten, daß die Kolbenringe, deren eingeschlossener Winkel 60° und 80° betrug, in den seitlichen Bereichen der Beschichtung stärkere Oxidation und feinere Partikel bzw. Teilchen aufwiesen, als im mittleren Abschnitt der Ringnut. Figur 7 gibt ein Mikrobild (zweihundertfache Vergrößerung) wieder, das einen Querschnitt durch einen der Kolbenringe zeigt, bei dem der zwischen den Wänden der Ringnut eingeschlossene Winkel 60° betrug. Dagegen war bei den Kolbenringen, bei denen der eingeschlossene Winkel 100° und 120° betrug, die Beschichtung durchgehend gleichmässig ausgebildet. Es wird vermutet, daß bei den Kolbenringen, bei denen der eingeschlossene Winkel 60° und 80° betrug, das Vorhandensein der oxidierten Schichten und feinen Partikel da-

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zu führt, daß die Haftung zwischen der Beschichtung und dem Grundmetall des Kolbenring-Vorformlings während wiederholter Erwärmungs- und Kühlzyklen abnimmt.

Aus den vorstehend wiedergegebenen Untersuchungsergebnissen kann geschlossen werden, daß bei Kolbenringen mit einer Molybdänbeschichtung das Querschnittsprofil der Ringnut einen geringeren Einfluß auf die Hafteigenschaften der Beschichtung hat, während die Qualität der Beschichtung selber größeren Einfluß auf die Lebensdauer hat, wogegen andererseits bei Kolbenringen mit einer Beschichtung aus einer Cr-C-Fe-Legierung das Querschnittsprofil der Ringnut einen größeren Einfluß auf die Hafteigenschaften hat, wobei dann, wenn der zwischen den Wänden der Ringnut eingeschlossene Winkel kleiner als 100° ist, die Haftung der Beschichtung an den Seitenwänden der Ringnut verringert ist, wogegen die Haftung nicht verschlechtert ist, wenn der eingeschlossene Winkel größer als 100° ist. : ;

In den Figuren 1 und 3 ist erkennbar, daß die Randabschnitte A des Kolbenring-Vorformlings teilweise die zylindrische Aussenf lache des Kolbenringes bilden und dort freiliegen. Daraus folgt, daß, je größer der zwischen den Wänden der Ringnut eingeschlossene Winkel ist, desto schneller die freiliegende Oberfläche der Randabschnitte A zunimmt, während sich die zylindrische Außenseite des Kolbenringes im Betrieb abnutzt. Dies heißt mit anderen Worten, daß Abnutzung der zylindrischen Aussenf lache des Kolbenringes dazu führt, daß die freiliegende Fläche der Randabschnitte einen größeren Anteil der zylindrisehen Außenfläche einnimmt, was wiederum dazu führt, daß die ,Verschleißfestigkeit des Kolbenringes und sein Widerstand gegen Festfressen abnehmen. Bei Probeläufen mit Kolbenringen, die eine Ringnut mit einem eingeschlossenen Winkel von 120° und eine Molybdänbeschichtung in der Ringnut aufwiesen, wurde beispielsweise nach 300 Stunden festgestellt, da3 bei einigen

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der Kolbenringe auf der zylindrischen Außenfläche ein Dickenabrieb von 60 bis 100 mikron aufgetreten war, so daß die Breite der freiliegenden Randabschnitte A von 0,4 mm auf 0,6 mm zugenommen hatte, was zu einer Verringerung der freiliegenden Abschnitte der Molybdänbeschichtung von 1,7 mm auf 1,3 mm geführt hatte. Dies bedeutet, daß die Lebensdauer dieses Kolbenringes schlecht war. Eingeschlossene Winkel von mehr als 100° werden daher für mit Molybdän beschichtete Kolbenringe für ungeeignet gehalten. Bei Probeläufen von 300 Stunden Dauer betrug dagegen bei mit der Cr-C-Fe-Legierung beschichteten Kolbenringen der Abrieb auf der äußeren Gleitfläche des Kolbenringes lediglich 15 bis 20 mikron, so daß die Breite der Randabschnitte A demzufolge nur wenig zugenommen hatte, was bedeutet, daß selbst ein Kolbenring, bei dem die Beschichtung verhältnismäßig dünn ist, hohe Lebensdauer und Beständigkeit hat. Aufgrund der ausführlichen Untersuchungsergebnisse und der Tatsache, daß die Beschichtung gut am Grundmetall haftet, beträgt der eingeschlossene Winkel der Ringnut vorzugsweise 100° oder mehr. Ferner ermöglicht die hohe Verschleißfestigkeit der Beschichtung aus der Cr-C-Fe-Legierung_/die Beschichtung verhältnismäßig dünn auszubilden. Je dünner die Beschichtung ist, desto weniger Beschichtungsmaterxal wird benötigt und desto weniger Zeit ist erforderlich, um die Legierung aufzuspritzen und die beschichtete Baugruppe aus den Kolbenringen zu schleifen. Dadurch werden die Herstellungskosten verringert.

Der Nutboden der Ringnut kann vorzugsweise eine Ausbildung mit gewissen Schrägen haben, wie dies in Figur 8 gezeigt ist. Da ein solcher abgeschrägter bzw. geneigter Nutboden die Seitenwände unter größeren Winkeln als ein ebener Nutboden schneidet, wird gleichmäßigere Haftung der Beschichtung erreicht. Alternativ kann die Ringnut ein Profil haben, wie es in Figur 9 gezeigt ist.

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Beispiel III

Drei Proben bzw. Kolbenringe X, Y und Z wurden auf folgende Weise hergestellt. Zur Herstellung des Kolbenringes Z wurde ein Kolbenring-Vorformling mit einer Ringnut, deren Wände einen Winkel von 120° einschlossen, wie dies in Figur 8 gezeigt ist, auf seiner zylindrischen Außenfläche mittels eines Granaliengebläses bestrahlt. In die Ringnut wurde nach dem Plasmaspritzverfahren ein Metallpulver aus einem Gemisch aus 95 % Ni und 5 % Al bis zu einer Tiefe von 30 bis 60 mikron gespritzt, Auf diese Ni-Al-Schicht wurde danach bis zu einer Tiefe von bis 250 mikron Cr-C-Fe-Legierungspulver nach dem Plasmaspritzverfahren gespritzt, wobei die Cr-C-Fe-Legierung die gleiche Zusammensetzung wie beim Beispiel 1-1 hatte.Danach wurde die Außenfläche des Kolbenringes in vorstehend erläuterter Weise geschliffen. Zum Vergleich wurde die Probe X aus einem Kolbenring-Vorformling mit einer Ringnut mit einem eingeschlossenen Winkel von 60° hergestellt, wie dies in Figur 3 gezeigt ist. Das gleiche Cr-C-Fe-Legierungspulver wie zuvor wurde direkt auf_. die Oberfläche der Ringnut plasmagespritzt, ohne daß zuvor .""-■■- irgendeine Unterschicht aufgebracht wurde, wonach die Außen- : fläche des Kolbenringes geschliffen wurde. Die Probe Y wurde ". aus; einem Kolbenring-Vorformling der-in Figur 8 dargestellten Art hergestellt. Die gleiche Cr-C-Fe-Legierung wurde direkt auf die Nutfläche plasmagespritzt, ohne daß zuvor irgendeine Unterschicht aufgebracht worden wäre, wonach die zylindrische Außenfläche des sich ergebenden Ringes geschliffen wurde._

Die drei Proben wurden dann im Hinblick auf die Haftung der Beschichtung am Grundmetall untersucht, was in in Figur 10 gezeigter Weise dadurch erfolgte, daß sie auf einer Spannvorrichtung 11 elliptisch auseinandergezogen wurden. Als Haftungsstärke wurde der Wert dL bestimmt, der gleich der Differenz zwischen der nach der Untersuchung vorhandenen Abmessung L, bei der Abblätterung auftrat, und der vor der Untersuchung vor-

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handenen Abmessung Lo ist.

Wie das Diagramm gemäß Figur 11 zeigt, blätterte bei der Probe X, bei der die Ringnut einen eingeschlossenen Winkel von 60° hatte, die Beschichtung vom Grundmetall bei dL gleich 26 mm ab, wobei die Abblätterungslänge 26 mm betrug. Bei der Probe Y, bei der die Ringnut einen eingeschlossenen Winkel von 120° hatte, blätterte die Beschichtung vom Grundmetall bei dL gleich 26 mm ab, wobei jedoch die Abblätterungslänge lediglieh 4 mm betrug. Bei der Probe Z erfolgte die Abblätterung der Beschichtung vom Grundmetall erst bei dL gleich 30 mm, wobei die Abblätterungslänge lediglich 1 bis 2 mm betrug,

Auf vorstehend beschriebene Weise wurde eine ähnliche Untersuchung durchgeführt, nachdem die beschichteten Kolbenringe einer Wärmebehandlung mit 250 Zyklen unterworfen worden waren. Bei jedem Zyklus wurden die Kolbenringe dadurch erwärmt, daß sie für neun Minuten in einen Elektroofen eingebracht wurden, wonach sie in Wasser mit Raumtemperatur getaucht wurden. Die auf diese Weise wärmebehandelten Proben wurden hinsichtlich der Haftungsstärke der Beschichtung auf vorstehend beschriebene Weise untersucht. Die Untersuchungsergebnisse, die in Figur 12 dargestellt sind, zeigen die gleiche Tendenz wie bei der vorstehend beschriebenen Untersuchung. Bei der Probe X trat die Abblätterung auf, als dL 25 mm betrug, wobei die Abblätterungslänge den hohen Wert von 22 mm hatte. Bei der Probe Y war dL gleich 25 mm, als die Abblätterung auftrat, wobei die Abblätterungslänge lediglich 7 mm betrug. Bei der Probe Z begann die Beschichtung erst bei dL gleich 27 mm abzublättern, wobei die Abblätterungslänge lediglich 6 mm betrug.

Der Zweck der Maßnahme, zunächst eine Ni-Al-Beschichtung aufzubringen, liegt darin, die Haftung der Cr-C-Fe-Beschichtung an einem Kolbenring-Vorformling aus Gußeisen zu verbessern. Bei einem Kolbenring-Vorformling, bei dem eine Mo-Unterschicht

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zwischen dem Vorformling und der Cr-C-Fe-Eeschichtung aufgebracht wird, sind die Hafteigenschaften zufriedenstellend, bevor ein solcher Kolbenring der oben erläuterten Wärmebehandlung unterworfen wird; danach sind die Hafteigenschaften jedoch aufgrund der Oxidation der aufgebrachten Mo-Schicht verschlechtert. Aus den vorstehend beschriebenen Untersuchungsergebnissen und deren Auswertung kann geschlossen werden, daß die Unterschicht vorzugsweise aus einem Material besteht, das nicht nur hervorragende Hitzebeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit hat, wie dies beispielsweise bei Ni-Al-Verbundwerkstoff oder Legierungen aus Ni-Cr-Al oder Ni-Cr der Fall ist, sondern auch gut am Kolbenring-Vorformling haftet.

Vorstehend wird beschrieben, daß die Kolbenring-Vorformlinge aus Kugelgraphit-Gußeisen hergestellt werden. Sie können jedoch auch aus verschiedenen anderen Gußeisenarten oder Stahl, beispielsweise rostfreiem Stahl oder dergleichen, hergestellt werden.

!0 ^-. Es sind Untersuchungen hinsichtlich der Zusammensetzung der: Cr-C-Fe-Legierung durchgeführt worden, die auf die Kolbenring-Vorformlinge plasmagespritzt werden. Dabei ist festgestellt worden, daß die Kolbenringe nicht dauerhaft sind, wenn der Chromgehalt unter ungefähr 55 % oder über ungefähr 70 % liegt

!5 oder wenn der Kohlenstoffgehalt unter ungefähr 3 % oder über ungefähr 9 % liegt.. Die Legierung gemäß Beispiel 1-1 hat zwar einen gewissen Siliziumgehalt; es ist jedoch festgestellt worden, daß dieses Silizium für die günstigen, mit der Erfindung erzielten Ergebnisse nicht wesentlich ist. Das gleiche gilt für die geringen Mengen an Phosphor und Schwefel.

. Die hier beschriebene bestimmte Legierung aus Cr, C und Fe wird selber nicht für neu gehalten. Die Verwendung dieser Legierung im konkreten Anwendungsfall, nämlich als Plasmaspritzwerkstoff, der in eine Ringnut in einem Kolbenring-Vorformling gespritzt

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wird, um auf diese Weise einen Kolbenring mit Einlage herzustellen, ist jedoch bisher nicht erwogen worden und ergibt einen Kolbenring mit überraschend guten Eigenschaften.

Figur 9 zeigt eine Abwandlung der Ringnut 2, die so ausgebildet ist, daß sie im Schnitt eine bogenförmige Kontur hat. Diese Abwandlung hat den Vorteil, daß sie zu einem großen eingeschlossenen Winkel θ führt und daß die Nut keine scharfen Kanten oder Ecken hat. Nachteilig ist allerdings, daß mehr Beschichtungs- bzw. Auftragslegierung benötigt wird.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbenringes wird an einem Kolbenring-Vorformling eine Ringnut ausgebildet, die dessen zylindrische Außenfläche unterteilt. Diese Ringnut wird nach dem Plasmaspritzverfahren mit einem Auftrag aus einer Legierung gefüllt, dessen Oberfläche bündig mit der zylindrischen Außenfläche des nicht mit der Legierung beschichteten Vorformlings ist. Die Legierung enthält ungefähr 55 % bis 70 % Cr, ungefähr 3 % bis 9 % C und-Rest im wesentlichen Fe.

Vorzugsweise hat die Ringnut einen Nutboden und Seitenwände, die einen Winkel von zumindest 100° miteinander einschließen, wobei ferner vorzugsweise unter die Legierungsbeschichtung eine Unterschicht aus einem Metallpulver plasmagespritzt ist, die gut am Nutboden haftet und hohe Hitzebeständigkeit sowie hohen Oxidationswiderstand hat. Bei dem Werkstoff des Vorformlings kann es sich um Gußeisen, Kugelgraphit-Gußeisen oder Stahl handeln. Bei dem Material der Unterschicht kann es sich um ein Gemisch aus Ni und Al handeln.

Vorstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert/ Es versteht sich, daß zahlreiche Änderungen und Weglassungen hinsichtlich der Formen und der Zusammensetzungen der bestimmten Ausführungsbeispiele vorgenommen werden können, ohne daß der Fachmann den Grundgedanken oder Rahmen der Erfin-

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." - - - 20 - _B 9817 . -.

dung verläßt, die im wesentlxchen durch die Patentansprüche und nicht durch mehr oder weniger zufällige Einzelheiten der Ausführungsformen definiert ist.

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Claims

Patentansprüche

1a Kolbenring für einen Kolben einer Brennkraftmaschine,

gekennzeichnet durch einen Kolbenring-Vorformling (1), dessen zylindrische Außenfläche durch eine umlaufende Ringnut (2) unterteilt ist, und eine Beschichtung aus einer Legierung, die in die Ringnut plasmagespritzt ist und diese so ausfüllt, daß die Oberfläche der Beschichtung bündig mit der zylindrischen Außenfläche des Vorformlings ist, wobei die zylindrische Außenfläche des Vorformlings nicht mit der Legierung beschichtet ist und wobei die Legierung aus ungefähr 55 % bis 70 % Cr, ungefähr 3 % bis 9 % C und Rest im wesentlichen Fe besteht.
2. Kolbenring nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Unterschicht, die auf den Nutboden der Ringnut (2) unter die Beschichtung aus der Legierung plasmagespritzt ist und aus einem Metallpulver besteht, das am Nutboden gut haftet und hohe Hitzebeständigkeit sowie hohen Oxidationswider stand hat.
3. Kolbenring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Werkstoff der Unterschicht ein Ge-

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misch aus Ni und Al ist.
4. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Ringnut (2) einen Nutboden und Seitenwände aufweist, die vom Nutboden aus schräg nach außen zur zylindrischen Außenfläche des Vorformlings (1) verlaufen, wobei der Winkel zwischen den Seitenwänden 100° oder mehr beträgt.
5. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Werkstoff des Vorformlings (1) Gußeisen ist.
5. Kolbenring nach.einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Werkstoff des Vorformlings (1) Kugelgraphit-Gußeisen ist.
1. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e η η ζ e ~i c h η e t , daß der Werkstoff- des Vorform- -" lings (1) Stahl ist.
8. Verfahren zur Herstellung eines Kolbenringes für eine Brennkraftmaschine, ge kenn ze ichnet durch folgende Schritte:

a) ein Kolbenring-Vorformling mit einer umlaufenden Ringnut, die die zylindrische Außenfläche des Vorformlings unterteilt, wird auf seiner Außenfläche durch Plasmaspritzen mit einer Legierung, die aus ungefähr 55 % bis 70 % Cr, ungefähr 3 % bis 9 % C und Rest im wesentlichen Fe besteht, so beschichtet, daß die Ringnut gefüllt ist;

b) danach wird die Außenfläche des Kolbenringes maschinell so bearbeitet, daß alles Legierungsmaterial auf der zylindrischen Außenfläche des Vorformlings entfernt wird und die Beschichtung in der Ringnut bündig mit der zylindrischen Außenfläche des Vorformlings ist.

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9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch g e--k e η η zeichnet, daß vor den Schritten a) und b) auf den Nutboden der Ringnut eine Unterschicht plasmagespritzt wird, die aus einem Metallpulver besteht, das gut am Nutboden der Ringnut haftet und das hohe Hitzebeständigkeit und hohen Oxidationswiderstand aufweist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß der Werkstoff der Unterschicht ein Ge- misch aus Ni und Al ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Ringnut mit einem Nutboden und Seitenwänden versehen wird, die vom Nutboden aus schräg nach außen zur zylindrischen Außenfläche des Vorformlings verlaufen, wobei der Winkel zwischen den Seitenwänden 100° oder mehr beträgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch

gekennzeichnet, daß der Werkstoff des Vorformlings Gußeisen ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß der Werkstoff des Vorformlings Kugelgraphit-Gußeisen ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis-11, dadurch gekennzeichnet , daß der Werkstoff des Vorformlings Stahl ist.

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