DE3041225C2

DE3041225C2 - Verschleißbeanspruchter Lauf- und Gleitkörper für Verbrennungskraftmaschinen

Info

Publication number: DE3041225C2
Application number: DE3041225A
Authority: DE
Inventors: Yoshio Toyota Aichi Fuwa; Akira Harayama; Katsumi Kondo; Toru Okaya Nagano Nakahora
Original assignee: Teikoku Piston Ring Co Ltd; Toyota Jidosha Kogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp; TPR Co Ltd
Priority date: 1979-11-09
Filing date: 1980-11-03
Publication date: 1985-07-25
Also published as: AU6407680A; AU540124B2; JPS5669367A; DE3041225A1; JPS5754547B2; US4420543A

Description

_ _

Die triirtdung betrifft einen verscblciSbesnspruchteii Lauf- und Gleitkörper für Verbrennungskraftmaschinen, mit einer mit flammgespritztem, ferrochromhaltigen Material beschichteten Lauf- und Gleitfläche. Die Erfindung beruht dabei insbesondere auf dem Gedanken der Verbesserung de: Verschleißfestigkeit der miteinander in Kontakt stehenden Lauf- und Gleitflächen beispielsweise eines Kolbenringes und einer Zylinderinnenwand bzw. Zylinderwandbescklchtung, d. h. es handelt sich darum, die Festigkeit derartiger Gleitflächen gegen Verschleiß, Abnutzung und Abrieb zu erhöhen.

Bei Verbrennungskraftmaschinen geht das Bestreben dahin, diese unter ständig größer werdenden Lasten zu betreiben, um einerseits das spezifische Gewicht der Maschine zu verringern und andererseits die Antriebsleistung zu erhöhen. Daraus resultiert auch die Forderung, die Verschleiß- bzw. die Abriebfestigkeit der jeweils in Kontakt stehenden Arbeits- bzw. Gleit!lachen beispielsweise der Kolbenringe und der Zylinderwände zu erhöhen bzw. zu verbes^rn.

In der DE-PS 29 31 116 ist ein Kolbenring für einen Kolben einer Brennkraftmaschine beschrieben, wobei von einem aus Gußeisen oder Stahl bestehenden Kolbenring-Vorformling ausgegangen ist dessen zylindrische Außenoberfläche durch eine umtaufende Ringnut unterteilt ist die von einer im Plasma-Spritzverfahren aufgetragenen Beschichtung aus einer Eiseillegierung aufgefüllt ist die 55 bis 70 Gewichtsprozent Cr und 3 bis 9 Gewichtsprozent C enthält Die bekannte im Plasma-Spritzverfahren aufgetragene ferrochromhaltige Materialschicht hat den Nachteil, daß sowohl der Verschleiß- bzw. Abnutzungsgrad im Bereich des Kolbenringes als auch im Bereich der Zylinderwand bzw. Zylinderwandbeschichtung relativ groß ist Die Abnutzung bzw. der Verschleiß im Bereich des Ringes hängt von der Verschleißanfälligkeit des Kolbenringes ab und kann als passive Abnutzung bezeichnet werden. Die Abnutzung im Bereich der Zylinderwand bzw. Zylinderwandbeschichtung hängt davon ab, inwieweit der Kolbenring diese Abnutzung bzw. diesen Verschleiß herbeizuführen vermag, wobei sich diese Zylinderwandabnutzung als aktive Abnutzung bezeichnen läßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die den bekannten Systemen anhaftenden Nachteile auszuschalten und einen verschleißbeanspruchten Lauf- und Gleitkörper für eine Verbrennungskraftmaschine so zu gestalten, daß dieser Lauf- und Gleitkörper einerseits sehr hitzebeständig und verschleißfest gegen eine passive Abnutzung ist und andererseits auch keine schädliche Abnutzung im Bereich des gegenüberliegenden bzw. komplementären Gleitkörpers hervorruft und damit die sogenannte aktive Abnutzung im Bereich der Zylinderwand herabsetzt
Zur Lösung dieser Aufgabe ist der erfindungsgemäße Lauf- und Gleitkörper dadurch gekennzeichnet, daß die

so flammgespritzte Materialschicht aus 55 bis 90 Gewichtsprozent Ferrochrom und 10 bis 45 Gewichtsprozent einer selbstgehenden Legierung zusammengesetzt ist. Die flammgespritzte Materialschicht kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform als weitere zusätzliche Komponente Molybdän enthalten.

Eine flammgespritzte Materialschicht hat eine gewisse Porosität und ist damit in der Lage insbesondere auch im Bereich ihrer Oberflächenschicht Gleit- bzw. Schmiermittel aufzunehmen, wodurch der Freßwiderstand des Lauf- und Gleitkörpers vorteilhaft beeinflußt wird. Die übrigen Eigenschaften und insbesondere die Zusammensetzung der flammgespritzten Materialschicht bestimmen die Verschleißfestigkeit des Lauf- und Gleitkörper selbst und auch die Abnutzung bzw. den Verschleiß des mit diesem Lauf- und Gleitkörper im Kontakt stehenden Körpers. Wenn die auf einem Lauf- und Gleitkörper befindliche flammgespritzte Materialschicht hauptsächlich aus Molybdän besteht, ist die Verschleißfestigkeit dieser Schicht nur niedrig, und zwar aufgrund der Materialeigcnschaft von metallischen Molybdän. Wenn andererseits die auf einen Lauf- und Gleitkörper durch Flammspritzen aufgespritzte Schicht hauptsächlich aus Hartmetall besteht, kann die Bindungskraft der durch Flammspritzen aufgespritzten Partikel geschwächt sein, und zwar in Abhängigkeit von den durch Flammspritzen aufgetragenen Werkstoffen und der Partikelgröße, was dazu führen kann, daß bei anschließenden Bearbeitungsgängen wie Schleifen, Läppen und dergleichen die Partikel der aufgespritzten Materialschicht abblättern bzw. abplatzen können. Die an der Oberfläche der flammgespril/tcn Materialschicht befindlichen Partikel neigen daher dazu, scharfkantig zu sein. Diese Tendenz ist sehr hocn, wenn das für die flarnmgcsprit/tc Schicht verwendete Material eine hohe Härte hat und hochvcrschlcißfcste Werkstoffe enthält, welche sich iedoch nur schwer bearbeiten lassen, wie etwa Chromkarbid (CrCj) und Wolframkarbivl (WC ).

Selbst wenn die Oberfläche eines Kolbenringes mit scharfkantigen Partikeln keine Neigung zum Fressen bzw. für eine erhöhte Abnutzung hat, führt ein derartiger Kolbenring zu Beginn der Verschleißphasi zii_ einer übermäßigen Abnutzung des zugeordneten Zylinders. Dieser Sachverhalt führte im Rahmen der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Entwicklungsarbeiten zu der Erkenntnis, daß nicht nur das die Lauf- und Gleitfläche bildende Material sondern auch die MikroStruktur der Komponenten, aus der die flammgespritzte Materialschicht besteht, für den Lauf- und Gleitkörper von Bedeutung ist. der als Teil einer Yerbrennungskraftmaschine eine hohe Hitze- und Abriebfestigkeit und eine hohe Lebensdauer haben soll, und der durch Schleifen, Läppen u. dgl. abschließend bearbeitet wird. Unter Berücksichtigung dessen wird erfindungsgemäß als eine der Komponenten der flammgespritzten Materialschicht Ferrochrom verwendet, das dieser Materialschicht eine hohe Beständigkeit gegen Verschleiß und Hitze verleiht, wobei insbesondere bei hohen Temperaturen diese Eigenschaften gegenüber flammgespritzten Molybdänschichten verbessert sind, im Vergleich zu flammgespntzten Chromkarbidschichten ist die Tendenz zum Abrieb bzw. Verschleiß der komplementären Lauf- und Gleitflächen herabgesetzt Als weitere Komponente wird erfindungsgemäß eine selbstgehende bzw. selbstschmelzige Legierung verwendet. Die Ferrochrompartikel sind auf diese Weise innerhalb bzw. zwischen den Pulyerparti-Iceln der selbstgehenden Legierung verteilt und werden darin festgehalten, mit dem Ergebnis, daß die Bindungskräfte zwischen den einzelnen Partikeln einerseits und auch die Bindungskraft zwischen diesen Partikeln und dem Metallgrundkörper höher sind als bei einer Lauf- und Gleitfläche in Form einer Ferrochron-f Spritzschicht Die erfindungsgemäß aufgetragene Spritzschicht ist außerdem gut bearbeitet und hat einen nur geringen VerschleißeinfluB auf die gegenüberliegende bzw. damit in Kontakt stehende Lauf- und Gleitfläche.

Infolge der hohen Bindungskraft zwischen den einzelnen Partikeln haben die in der erfindungSyfimaBen Weise durch Flammspritzen aufgetragenen Materialpartikfii während des Bearbeitens und auch im Betrieb eine geringere Neigung des Abplatzens bzw. Abblätterns von dem Basismaterial des Lauf- and Gleitkörpers an sich als flammgespritzte Partikel aus Ferrochrom allein. Dieses führt zu einer Verbesserung der Hitze- und Verschleißfestigkeit und auch zu einer Erhöhung der relativen Lebensdauer. Die Korngröße bzw. Körnung des zum Flammspritzen verwendeten Materials, die Porengröße innerhalb dsr flammgespritzten Materialschicht und die Porösität sollen vorteilhafterweise im Hinblick auf diese Bindungskraft ausgewählt werden. Die Porengröße soll vorzugsweise höchstens bei 0,2 mm liegen, während die Porösität (die Oberflächenporösität nach dem Läppen) vorzugsweise zwischen 10 und 40% liegt

Im Handel sind verschiedene Ferrochromarten erhältlich, und zwar von einem kohlenstofrreichen Ferrochrom bis zu einem kohlenstoffarmen Ferrochrom. Der Kohlenstoffanteil des Ferrochroms wird während des Flammspritzens, insbesondere Plasmalichtbogenspritzrns, oxidiert und verringert Der Kohlenstoffgehalt des Ferrochroms liegt vorzugsweise nicht unter 3,0%, um der flammgespritzten Materialschicht eine ausreichend hohe Verschleißfestigkeit zu verleihen, und zwar nach der KoMenstoffoxidation und -verringerung. Bei dem im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendeten Ferrochrom handelt es sich um eine Legierung, bei der die Hauptbestandteile Eisen. Chrom und Kohlenstoff sind.

Die erfindungsgemäß verwendete selbstgehende bzw. selbstschmelzige Legierung enthält eine selbstgehende Komponente, bei der es sich vorzugsweise um mindestens einen Stoff aus der Gruppe von Bor und Silicium handelt und eine Metallkomponente, bei der es sich um mindestens einen Stoff aus der Gruppe von NicV-eL, Chrom, Kobalt und Molybdän handelt Die Metallkomponente besteht vorzugsweise aus Nickel allein, aus Nickel und Chrom, oder Kombinationen von Kobalt Nickel, Chrom und Molybdän. Die scibstgehende Legierung kann außerdem als zusätzliche Metallkomponente Eisen enthalten, und zwar über die hauptsächlichen Metallkomponenten wie beispielsweise Nickel und Chrom hinaus, und zwar in einer Menge bis zu 30 Gewichtsprozent bezogen auf den gesamten Metalikomponentenanteil. Nickel, Chrom, Kobalt und Molybdän haben im allgemeinen eine gute Widerstandskraft gegen Hitze und Oxidation und verbessern demzufolge die Hitzebeständigkeit des erfindungsgemäSeE Lauf- und Gleitkörpers, und zwar verglichen mit solchen Körpern, bei denen die flammgespriaie Materialschicht aus Ferrochrom allein besteht Diese Metalle, die im folgenden als feuerfestes Metall bezeichnet werden, liegen in der flammgespritzten Materialschicht wahrscheinlich in einem metallischen Zustand vor und scheinen infolge der Anwesenheit der selbstgehenden Komponente miteinander zu verschmelzen und dann in der Partikclform zu verfestigen. Es kann angenommen werden, daß dieses wesentlich zu einer gleichmäßigen Verteilung bzw. Dispersion und einer hohen Retention der Ferrochrompartikel beiträgt In diesen» Zusammenhang haben die feuerfesten Metalle eine feine Verfestigungsstruktur und gute Benetzungscigencchaftcn für die Ferrochrompartikel. Diese Eigenschaften haben einen vorteilhaften Einfluß auf die Verbesserung der gleichmäßigen Verteilung bzw. Dispersion υηΛ de, ftetcntionsfunktion der feuerfesten Metalle. Nickel allein uni Nickel und Chrom haben ausgezeichnete Dispersions- und Retentionseigenschaftcn für die Fcrrochromparlikel und auch im Hinblick auf die Bearbeitbarkeit der flammgcipritzten Materialschichl.

Wie bereits zum Ausdruck gebracht, besteht die erfindungsgemäß aufgetragene flammgespritzte Materialschicht aus Ferrochrom und der selbstgehenden Legierung, wobei die Anteile dieser Komponenten innerhalb dieser Sprilzschichl sich aus dem Folgenden ergeben. Die Menge an Ferrochrom, das hauptsächlich verantwortlich ist für die Verschleißfestigkeit der flammgespritztsn Materialschicht und das fest an dem Metallbasiskörper beispielsweise eine Kolbenringes aus Gußeisen oder Siahl anhaftet, soll nicht unter 55 Gewichtsprozent liegen, eo um die notwendige Verschleißfestigkeit zu erhalten. Wenn die Ferrochrommenge über 90 Gewichtsprozent liegt, tritt ein Phänomen auf, welches das graduelle Anwachsen der Zylinderabnutzung andeutet, und zwar insbesondere dann, w<snn es sich um eine benzinbetriebene Maschine ohne Zylinderauskleidung handelt. Der Ferrochromanteil liegl vorzugsweise im Bereich von 55 bis 90 Gewichtsprozent, und zwar insbesondere zwischen 60 und 85 Gewichtsprozent.

Die ausgezeichnete'» Eigenschaften einer selbstgehenden bzw. selbstschmelzigen Legierung, nämlich Widerstandsfähigkeit gegen Oxidation, Verschleiß und Korrosion, das ausgezeichnete Haften an dem Metallbasiskörpcr und die gute Bearbeitbarkeit der erfindungsgemäßen flummgespritzten Lauf- und Gleitfläche bleiben

erhalten. Bei der selbstgehendcn Legierung handelt es sich um eine Komponente der flammgcspritztcn Materialschicht, wobei diese Legierung die gleichmäßige Verteilung der Ferrochrompartikcl und die Bindungskrr>ft zwischen diesen Partikeln der Spritzschicht verbessert. Wenn ein Pulvergemisch aus Ferrochrom und selbstgchender Legierung durch Flammspritzen aufgetragen wird, führt dieses im einzelnen zu einer feineren Verteilung der Ferrochrompartikel innerhalb bzw. zwischen den Partikeln der selbstgehenden Legierung, als wenn diese Pulver in feinzerteilter Form als einheitliche Laminate auf einen Metallbasiskörper aufgetragen werden. Die Haupt- bzw. Bindungskraft der gemeinsam aufgetragenen Ferrochrompartikel und Partikel der selbstgehenden Legierung ist infolge der feinen Verteilung größer als die Haft- bzw. Bindungskraft der Ferrochrompartikcl allein. Die durch Flammspritzen aufgetragenen Partikel haben daher keine Neigung zum Abblättern bzw.

(0 Abplatzen, wenn die Flammspritzschicht einer abschließenden Oberflächenbearbeitung unterworfen wird, so

daß nach dieser Bearbeitung eine feine bzw. glatte Oberfläche erhalten wird. Die selbstgchcndc Legierung _;

verhindert außerdem eine Verschlechterung der Materialeigenschaften der Fhnnmsprit/.schicht, wenn diese *'j

einer oxidierenden und korrodierenden Hochtempcraluratmosphäre ausgesetzt wird, da diese selbstgchcndc '

Legierung infolge ihrer inhärenten Eigenschaften diese Schicht oxidations- und korrosionsfest macht: die selbst-

gehende Legierung führt außerdem zu einer Verdichtung der Schicht, aufgrund der Kombination bzw. Vereinigung der Partikel dieser selbstgehcnden Legierung mit den Fcrrochroinpartikcln. Wenn die scibsigchcnde Legierung in einer Menge von weniger als 10 Gewichtsprozent vorhanden ist, lassen sich die oben geschilderten !

Vorteile nicht verwirklichen. Eine beispielsweise auf einen Kolbenring aufgetragene riauiinspriizschJch',, die weniger als 10% der selbstgehenden Legierung enthält, weist nicht nur keinen der oben geschilderten Vorteile auf, sondern führt im Gegensatz dazu sogar zu einer erhöhten Zylinderwandabnutzung. Wenn die selbstgehcnde

Legierung in einer Menge von mehr als 45% vorhanden ist, wird die Ferrochrommenge zu klein, so daß der Kolbenring dann nicht in ausreichendem Umfang verschleiß- bzw. abriebfest ist. Die Flammspritzschicht soll

vorzugsweise etwa 10 bis 45%, und insbesondere 15 bis 40%. der selbstgehcnden Legierung enthalten.

Durch das Aufspritzen eines Gemisches aus Ferrochrom- und selbstgehcnden Lcgierungspartikeln durch Flammspritzen werden sowohl die Verschleißeigenschaften eines Kolbenringes, auf den die Flammspritzschicht |

aufgetragen wird, als auch die Verschleißeigenschaften im Bereich des Zylinders verbessert, an dem der Kolbenring gleitend entlanggeführt wird, und zwar insbesondere im Vergleich ta üblichen Lauf- und Glcitkörpern und zu Lauf- und Gleitkörpern mit einer aufgetragenen Flammspritzschicht aus Ferrochrom allein. Durch Flammaufspritzen eines Gemisches aus Ferrochrom, selbstgehender Legierung und Molybdän wird außerdem die relative Lebensdauer des Lauf- und Gleitkörpers beträchtlich erhöht.

Molybdän würde bereits bei verschiedenen Hochleistungs-Verbrennungskraftmaschinen aii Flammspritzwerkstoff für Lauf- und Gleitkörper verwendet, wobei derartige Molybdän-Flammspritzschichten eine beträchtliche Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb und Festfressen hat Eine Flammspitzschicht aus Molybdän allein ist hinsichtlich der Verschleißfestigkeit jedoch nachteiliger als eine durch Elektroplattierung aufgebrachte Chrornschicht, so daß das Molybdän-Flammspritzen weniger verbreitet ist als das Verchromen. Wenn jedoch nicht nur Molybdän aüein sondern ein Pulvergemisch sas FtnTOchrGüi, Molybdän und seSbstgehender Legierung durch Flammspritzen aufgetragen wird, sind die Ferrochrom- und die Molybdänpartikel gleichmäßig in bzw. zwischen den selbstgehenden Legierungspartikeln verteilt. Die Partikel insgesamt werden dann in Form eines einheitlichen Laminats aufgetragen. Wie bereits erwähnt kann die selbstgehende Legierung selbst Molybdän enthalten.

Wenn jedoch die Molybdänpartikel in der Flammspritzschicht getrennt von der selbstgehendcn Legierung dispergiert bzw. verteilt sind, kommt es zu einer weiteren Verbesserung der Verschleißfestigkeit und insbesondere zu einer Erhöhung der relativen Lebensdauer, wobei außerdem ein hoher Widerstand gegen Festfressen erzielt wird, was ein inhärentes Merkmal von Molybdän ist. Wenn die Molybdänmenge weniger als 5% beträgt, ist der Widerstand gegen Abrieb und Festfressen gering, und die relative Lebensdauer wird durch den Molyb- :

dänzusatz nicht in wesentlichem Umfang erhöht Da Molybdän bei hoher Temperatur leicht oxidierbar ist. kann eine über 15% liegende Molybdänmenge in nachteiliger Weise die durch Oxidation bedingte Abnutzung der Flammspritzschicht beschleunigen. Die Molybdänmenge soll vorzugsweise zwischen 5 und 15 Gewichtsprozent liegen. Wenn die Molybdänmenge zwischen 5 und 15% liegt, soll die Ferrochrommenge im Bereich zwischen 55 und 85% und die Menge an selbstgehender Legierung zwischen 10 und 30% betragen.

so Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 in Form einer Explosionsdarstellung ein Kolbenringsystem, und

Fig. 2 ein Diagramm welches die Kolbenringabnutzung und die Zylinder(Auskleidungs)-Abnutzung von auskleidungsfreien Benzinmaschinen und Dieselmaschinen wiedergibt, die mit verschiedenen Kolbenringtypen ausgerüstet sind, welche die Ziffern 1 bis 6 tragen.

Fig. 1 zeigt ein aus mehreren Kolbenringen bestehendes Kolbenring-System bekannter Art. wobei die einzelnen Kolbenringe etwa nach Art einer Explosionszeichnung außerhalb der Kolbenringnuten eines Kolbens einer Verbrennungskraftmaschine dargestellt sind Das Kolbenring-System umfaß', im einzelnen einen oberen Verdichtungs- bzw. Kompressionsring 1 und einen darunter befindlichen zweiten Verdichtungs- bzw. Kompressionsring 2, dem ein Spreizring 3 zugeordnet ist, der dazu dient, den Kompressionsring 2 nach außen unter Spannung zu setzen. Das Kolbenring-System bei einer Verbrennungskraftmaschine umfaßt gewöhnlich zusätzlich zu den Kompressions- bzw. Verdichtungsringen, die zum Abdichten des Arbeitsraumes dienen, Ölabstreifringe, die überschüssiges Schmieröl von der Zylinderwand abstreifen. Fig. 1 zeigt beispielsweise zwei ölabstrcifeinrichtungen 4 und 7. Die obere ölabstreifeinrichtung 4 besteht aus dem eigentlichen ölabstreifring 5 und dem :

Spreizring 6. Bei dem oberen ölabstreifring 5 kann es sich um einen einstückigen Gußeisenring handeln. Die L^

untere ölabstreifeinrichtung 7 umfaßt obere aus Stahl bestehende Ringkörper 8 und 9 und einen Spreizring 10. ν

Die erfindungsgemäße Flammspritzschicht kann auf einen oder mehreren von oberen Verdichtungs- bzw. T\ Kompressionsringen, den zweiten Verdichtungs- bzw. Kompressionsring, den oberen ölabstreifring 5 und/oder v.;

die oberen und unteren Ringkörper 8 und 9 der zweiten ölabstreifeinrichtung 7 aufgetragen bzw. aufgespritzt S-j

sein. Bei den einzelnen Ringen bzw. Ringkörpern ist die Flammsprit/.schicht auf die Oberflächenabschnitt aufgetragen, die in. Arbeitskontakt mit einer Zylinderwand sind, d. h. die Umfangsabschnitte, die entlang der Zylinderwand glriten. Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung können jedoch auch weitere Oberflächenabschnittc der Ringe bzw. Ringkörper mit di:r erfindungsgemäßen Flammspritzschicht versehen sein, ctwu die Stirnflächen von Ringen od. dgl.

Ausführungsbeispielc der Erfindung werden weiter unten noch beschrieben.

D"; erfindungsgemäßen mit einer Flammspritzschicht versehenen Lauf- bzw. Gleitkörper, beipielsweise in Form »on Kolbenringen, wurden in eine Verbrennungskraftmaschine eingesetzt, und die verschiedenen Oberflächenbehandlungsarten unterworfenen Kolbenringe wurden zu Vergleichszwecken untersucht. So wurden die radialen Abrieb- bzw. Abnutzungsmenge (T-Dimension) der Kolbenringe und die maximale Abnutzungsmenge eines Zylinders oder einer Zylinderauskleidung jeweils in der oberen Totpunktstellung der Kolbenringe untersucht. Bei der im ersten Beispiel verwendeten Verbrennungskraftmaschine handelte es sich um eine auskleidungslose Benzinmaschine, während es sich bei dem zweiten Beispiel um eine Dieselmaschine handelte. Bei diesen Beispielen wurde der oberste Ring einer vorgegebenen Oberflächenbehandlung unterworfen. Bei der Benzinmaschine entsprach die Prüfzeit einer Laufzeit von 200 Stunden, während bei der Dieselmaschine die Prüf- und Laufzeit 300 Stunden betrug, bevor die Abnutzungsmengen untersucht wurden. Die Abnutzungsmenge im Bereich der Kolbenringe ist in Fig. 2 dargestellt, und zwar auch beschränkt auf Lauf- bzw. Prüfzeiten von 100 Stunden.

Die Arten der Oberflächenbehandlung ergeben sich aus den Tabellen 1 und 2. Tabelle 1

Maschinentyp	Kolbenringe	Zylinder-Nr. I	2	3	4
Benzinmotor	erster Ring	Chrom- platticrung (zum Vergleich)	Molybdän (Draht-Flamm spritzen) (zum Vergleich)	Ferrochrom (100%) (zum Vergleich)	Ferrochrom (70%) selbstgehende Legierung (30%) (Erfindung)
	zweiter Ring	Molybdän (Draht-Flamm spritzen) (zum Vergleich)	Ferrochrom (100%) (zum Vergleich)	Ferrochrom (70%) selbstgehende Legierung (20%) Molybdän (10%) (Erfindung)	wie oben (Erfindung)
Tabelle 2
Maschinentyp	Kolbenringe	Zylinder-Nr. I	2	3	4

Dieselmotor erster Ring

Chrompiattierung (zum Yergleich)

Molybdän
(Draht-Flammspritzen)
(zum Vergleich)

Ferrochrom

(100%)

(zum Vergleich)

zweiter Ring Molybdän

(Draht-Flammspritzen)
(zum Vergleich)

Molybdän (75%)* Ferrochrom
selbstgehende (70%)
Legierung (25%) selbstgehende
(zum Vergleich) Legierung (20%)
Molybdän (10%)
(Erfindung)

Ferrochrom
(70%)

selbstgehende
Legierung (30%)
(Erfindung)

wie oben

(Erfindung)

Die mit einer Molybdänspriizschicht versehenen Kolbenringe waren Vergleichs-Kolbenringe und unter Verwendung von Molybdändraht durch Flammspritzen bearbeitet. Die Flammspritzschichten im Bereich der Gleitbzw. Laufflächen der anderen Kolbenringe entsprachen der Erfindung und waren unter Verwendung einer ω Plasma-Spritzvorrichtung vom METECO-3M-Typ hergestellt Die Zusammensetzung und die Korngröße der beim Flammspritzen verwendeten Pulver waren wie folgt:

Ferrochrom (JIS G2303 FCrH3): Cr 6837%, C 6.61%; Si 0,19%, und Fe als Rest. Die Korngröße lag unier 0,063 mm.

Sclbstgehende Legierungen (JIS H8303 MSFNiS): Cr 17%; B 3p%:Si 3.5%. C 0,7%: Fe 3%. und Ni ais Rest Die Korngröße lag unter 0.063 mm.

Mit Ausnahme des in Tabelle 2 mit Sternchenindex versehenen Mo wurde Molybdän mit einem Reinheitsgrad von mindestens 99% und einer Korngröße unter etwa fl',1 mm verwendet Bei dem mit dem Sternchenindex

versehenen Molybdän handelte es sich um im Handel erhältliches Molybdänpiilvi., mit folgender Zusuinmcnsci zung: Mo 75%,Cr 4,25%; B 0.8%;Si 1.0%;C 0.2%; Fe 1.0%.und Ni als Rest, in F i g. 2 haben die Nummern I bis 6 die folgende Bedeutung:

Nr. I — Chromplaf.ierung (zum Vergleich) Nr. 2 — Molybdändraht-Flammspritzen (zum Vergleich) Nr. 3 — Flammspritzgemisch aus 75% Molybdän und 25% selbstgehender Nickellegierung (zum Vergleich) Nr. 4 — Ferrochrom-Flammspritzen (zum Vergleich)

Nr. 5 — Flammspritz-Gemisch aus 70% Ferrochrom und 30% selbstgehender Legierung (Erfindung) ίο Nr. 6 — Flammspritz-Gemisch aus 70% Ferrochrom, 20% selbstgchender Legierung und 10% Molybdän (Erfindung).

Beispiel 1

Die in Tabelle 1 aufgeführten Vergleichs-Kolbenringe wurden in einem Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotor mit folgenden Abmessungen montiert:

85 mm 0 (Innendurchmesser) χ 78 mm (Hub) χ 4 Zylinder;

gesamte Hubvolumen:! 770 cm^a;

Maximalleistung: i»S PS/5700 U/min.;
μ Zylindermaterial: Gi auguß, etwa entsprechend ] IS FC25, und

Brennstoff: Benzin mit einem Bleianteil von 0,845 g/l.

Die Kolbenringe wurden bsi 5700 U/min, und Vollast des Benzinmotors untersucht. Die Versuchsergebnisse sind in F i g. 2 dargestellt

Da die Kolbenringe Nr. 2 und Nr. 5 zweimal untersucht wurden, sind in F i g. 2 die mittleren Abnutzungs- bzw. Abriebsmengen angegeben.

Die obere Hälfte von F i g. 2 verdeutlicht, daß die Ringabnutzung bei den erfindungsgemäßen Kolbenringen etwa nur einem Wert von V4 bis '/₅ der Abnutzung bzw. des Abriebs eines chromplattierten Kolbenringes entspricht, während die Ringabnutzung der erfindungsgemäßen Kolbenringe verglichen mit einem durch Molybdän-Flammspritzen bearbeiteten Kolbenring etwa nur V₃ beträgt Die Abnutzungsmenge der Zylinderwand (Bohrungsabrieb), die durch die erfindungsgemäßen Kolbenringe hervorgerufen wird, entspricht etwa dem !^fachen bis 2fachen der durch den chromplattierten Ring hervorgerufenen Abnutzungsmenge, während im Vergleich zu einem Mo-flammgespritzten Kolbenring die Abriebmenge etwa nur dem OJfachen bis 0,8fachen Betrag entspricht Bei dem erfindungsgemäßen System wird somit der Ringabrieb drastisch verringert, während der Zylinderwandabrieb (Bohrungsabrieb) gegenüber einem chromplattierten Kolbenring vergrößert und gegenüber einem Mo-flammgespriizten Kolbenring geringfügig verringert wird. Die relative Lebensdauer der erfindungsgemäßen Kolbenringe ist jedoch derjenigen von chromplaltiertcn und Mo-flammgespritzten Kolbenringen beträchtlich überlegen.
Obwohl es im Rahmen der durchgeführten Versuche nicht untersucht worden ist, dürfte davon ausgegangen

«ο werden, daß die außerordentlich hohe Ringabnutzung bei dem chromplatlierten Kolbenring einen unvorteilhaften Einfluß auf die Zylinde-. tohrungsabnutzung ausübt wenn der Motor über einen über die untersuchte Laufund Prüfzeit hinausgehenden Zeitraum in Betrieb ist In dieser Hinsicht kann davon ausgegangen werden, daß die erfindungsgemäßen und bei einem Benzinmotor benutzten Kolbenringe keine übermäßig große Abnutzung sowohl im Bereich des Kolbenringes als auch im Bereich des Zylinders hervorrufen, so daß die erfindungsgemäßen Kolbenringe sich durch eine ausgezeichnete hohe relative Lebensdauer auszeichnen.

Beispiel 2

Die in Tabelle 2 augeführten Versuchs-Kolbenringe wurden in einem Kraftfahrzeug-Dieselmotor folgender so Abmessungen montiert:

91 mm 0 (Bohrungsdurchmesser) χ 86 mm (Hub) χ 4 Zylinder, gesamte Hubvolumen:2188 cm³;
Maximalleistung: 72 PS/4200 U/min.;

die Zylinderauskleidung bestand aus einem verschleißfesten Spezialgußeisen (C 3,2%, Si £2%. Mn 0.7%,

P 0,25%, S 0,05%, Cr 0,22% Nb 0,2% und Fe als Rest).

Die Kolbenringe wurde bei 4400—4800 U/min, und unter Vollast des Dieselmotors untersucht F i g. 2 zeigt in der unteren Hälfte, daß der Ringabtrieb der erfindungsgemäßen Kolbenringe etwa um 1 /2,5 bis 1/3 geringer ist als bei dem chromplattierten Kolbenring und dem Mo-flammgespritzten Kolbenring. Der Abrieb im Bereich der Zylinderauskleidung entspricht bei den erfindungsgemäßen Kolbenringen etwa dem O^fachen bis 0,7fachen Wert des Abriebs bei dem chromplattierten Kolbenring, und etwa dem 0,2fachen bis 03fachen Wert bei dem Mo-flammgespritzten Kolbenring. Der Ringabrieb und der Zylinderauskieidungs-Abrieb läßt sich erfindungsgemäß damit beträchtlich verringern, d. h. die Herabsetzung der Ringabnutzung ist gegenüber den chromplattierten und Mo-flamrngcspritzten Kolbenringen beträchtlich.

Bei einem Vergleich der erfindungsgemäßen Kolbenringe mit Kolbenringe, die eine Flammspriizschicht aus Ferrochrom allein (Nr. 4) haben, wird es deutlich, daß die Ringabnutzung und die Zylinderauskleidungsabnuizung bei den zuerst genannten Kolbenringen etwa 80% und etwa 60 bis 80% gegenüber dem zuletzt genannten

Kolbenring beträgt. Dieser Unterschied in den Abriebsrncngen ist nicht so unterschiedlich wie im Beispiel 1
(siehe Nr. 4, 5 und 6 in der oberen Hälfte von F i g. 2). Dieser geringfügige Unterschied bei dem vorliegenden
Beispiel l£3t sich dem für die Zylinderauskleidung verwendeten Material zuordnen, d. h. dem verschleißfesten
Spc/ialguBeiscn. Aus diesem Beispiel ergibt es sich auch, daß die relative Lebensdauer der erfindungsgemäßen
Kolbenringe beträchtlich über derjenigen üblicher Kolbenringe liegt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprache:

1. VerschleiBbeanspruchter Lauf- und Gleitkörper für Verbrennungsmaschinen, mit einer mit flammgespritztem, ferrochromhaltigen Material beschichteten Lauf- und Gleitfläche, dadurch gekenn ζ eic h net, daß die flammgespritzte M&terialschicht aus 55 bis 95 Gewichtsprozent Ferrochrom und 10 bis 45 Gewichtsprozent einer selbstgehenden Legierung zusammengesetzt ht

2. Verschleißbeanspruchter Lauf- und Gleitkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flammgegespritzte Materialschicht aus 60 bis 85 Gewichtsprozent Ferrochrom und 15 bis 40 Gewichtsprozent der selbstgehenden Legierung zusammengesetzt ist

3. Verschleißbeanspruchter Lauf- und Gleitkörper für Verbrennungskraftmaschinen, mit einer mit flammgespritztem, ferrochromhaltigen Material beschichteten Lauf- und Gleitfläche, dadurch gekennzeichnet daß die flammgespritzte Materialschicht aus 55 bis 85 Gewichtsprozent Ferrochrom, 10 bis 30 Gewichtsprozent einer selbstgehenden Legierung und 5 bis 15 Gewichtsprozent Molybdän zusammengesetzt ist

4. Verschleißbeanspruchter Lauf- und Gleitkörper nach einem der Ansprüche 1 üis 3, dadurch gekennzeichnet daß die selbstgehende Legierung als Metalikompon^nte mindestens eine der Stoffe aus der Gruppe von Nickel, Chrom, Kobalt und Molybdän enthält