DE3447784C2

DE3447784C2 - Kolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3447784C2
Application number: DE3447784A
Authority: DE
Inventors: Gerard Zell Barbezat; Marc-Olivier Dipl.-Ing. Borel (ETH), Winterthur; Roger Dipl.-Ing. Dekumbis (ETH) Dr., Saint-Sulpice; Ulrich Dipl.-Ing. Ritter (ETH), Buch
Original assignee: Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1984-12-20
Filing date: 1984-12-29
Publication date: 1987-03-12
Also published as: DE3447784A1; DK156493C; DK485785D0; JPS61152943A; DK156493B; DK485785A; US4785775A

Abstract

Die Laufflächen im Zylinderraum einer Brennkraftmaschine, in der Asche erzeugende Brennstoffe aus Feststoff-Flüssigkeits-Gemischen verbrannt werden, werden mit Verschleiß-Schichten versehen, die aus einer Hartphase und einer zweiten Phase mit geringerer Härte und größerer Zähigkeit bestehen. Von beiden Verschleiß-Schichten werden mindestens gefordert: - Eine Mindesthärte der Hartphase von 1900 HV; - eine Mindestdicke von 1 mm; - mittlere Sehnenlängen der Hartphasen in Laufrichtung von 30-200 μm; - metallurgische Bindung zwischen den Phasen in der Verschleiß-Schicht und zum Grundwerkstoff und - mindestens nahezu gleiche Härten der Hartphasen beider Partner. Durch Verschleiß-Schichten, die vorstehende Forderungen erfüllen, sollen auch harte Ascheteilchen, die vor allem aus Quarzkristallen bestehen, soweit zermahlen werden, daß sie vom Schmieröl durch den Schmierspalt zwischen Zylinderwand und Kolbenring hindurch abtransportiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenbrennkraftmaschine für den Betrieb mit slurryartigen Brennstoffen aus Feststoff-/ Flüssigkeitsgemischen, bei der die Laufflächen von Zylindereinsätzen und Kolbenringen je mit einer Verschleiß- Schicht versehen sind.
In den Zylinderräumen von Kolbenbrennkraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren, die mit slurryartigen Brennstoffen betrieben werden, fällt relativ viel - beispielsweise mehr als 0,05% der zugegebenen Brennstoffmenge - Asche an, die zum Teil aus harten Quarzkörnern besteht. Es ist daher bekannt, die Laufflächen der relativ zueinander bewegten Teile - also der Kolbenringe und des Zylindereinsatzes - mit Verschleiß-Schichten zu versehen, bei denen durch Umschmelzen der Grundwerkstoffe ein karbidisches Gefüge in Schichtdicken bis zu mehreren mm hergestellt wird (WO 83/03 261). Durch derartige Verschleiß-Schichten sind zwar wesentlich geringere Abnützungsraten erreicht worden als bei nicht behandelten Laufflächen; für einen praktischen Einsatz der genannten Brennstoffe ist die Abnützung jedoch nach wie vor unzulässig hoch.
Aus der DE-AS 18 17 321 ist eine Beschichtung für die Arbeitsfläche von Kolbenringen bekannt. Diese Schicht setzt sich aus vier Phasen zusammen, von denen zwei Karbide enthaltende Hartphasen sind, während zwei als Matrixphasen bezeichnet sind. Eine der Matrixphasen hat eine relativ hohe Härte von über 900 HV, die zweite ist "weicher" und hat eine Härte von etwa 500 HV, ihr Volumenanteil beträgt jedoch nur etwa 4%, so daß sie keine eigentliche Matrix für die Hartphasen bildet. Die hohe Härte der eigentlichen Matrix ergibt eine hohe Sprödigkeit und damit eine schlechte Haftung auf dem Substrat.
In der DE-AS 13 00 412 wird ein Flammspritzpulver zur Herstellung von verschleißfesten Metallüberzügen aus einer selbstfließenden Legierung und einem hochschmelzenden Metall gezeigt; die Korngrößen der Pulverteilchen sollen zwischen 8 und 150µm betragen. Die für die vorliegenden Verschleiß-Schichten für die Hartphase notwendigen Härten können mit Beschichtungen aus diesem Pulver-Gemisch nicht erreicht werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, für die Laufflächen bei Verwendung der genannten Brennstoffe Abnützungsraten zu schaffen, die mindestens annähernd denen bei der Verwendung von aschefreien Brennstoffen entsprechen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Kombination der folgenden Merkmale für die Verschleiß- Schichten der Zylindereinsätze und der Kolbenringe:

a) Die Schichten bestehen jeweils in an sich bekannter Weise aus mindestens einer Hartphase und einer zweiten Phase, die geringere Härte und größere Zähigkeit als die Hartphase hat;
b) die Härten - gemessen nach DIN 50 133 - sind bei mindestens 80% der Hartphasenanteile der Laufflächen-Oberflächen größer als 1900 HV;
c) der Anteil der Hartphasen beträgt in jeder Verschleiß- Schicht 30 bis 70 Vol.-%;
d) die Härten der zweiten Phase betragen - gemessen nach DIN 50 133 - 400 bis 800 HV;
e) die Dicken der Verschleiß-Schichten sind größer 1 mm;
f) die mittleren Sehnenlängen der Hartphasenbereiche in den Laufflächen-Oberflächen betragen in Laufrichtung 30 bis 200µm;
g) der Verbund zwischen den Phasen in den Schichten und auch zu den jeweiligen Grundwerkstoffen ist durch ein vorübergehendes teilweises Aufschmelzen der Komponenten erzeugt;
h) die Härten der Hartphasen der Verschleiß-Schichten der Zylindereinsätze und der Kolbenringe sind möglichst gleich, d. h. ihre Differenz beträgt höchstens 20%.

Durch die Verschleiß-Schichten mit den vorstehend genannten Eigenschaften soll ein Zermahlen der Ascheteilchen auf Korngrößen erreicht werden, die vom vorhandenen Schmieröl durch den Schmierspalt aus dem Brenn- oder Zylinderraum ausgeschwemmt werden. Hierfür sollten die Korngrößen der zermahlenen Asche daher unter 0,5µm liegen.
Die Konzeption einer Entfernung der Ascheteilchen durch Zermahlen und Ausschwemmen erfordert die genannten hohen Mindestwerte für die Härten der Hartphasen sowie eine gute Haftung der Schicht auf dem Grundwerkstoff bzw. der Hartphase in der zweiten Phase, die ein Härte unter 800 HV und - gegenüber der Hartphase - eine größere Zähigkeit hat; die geforderte gute Haftung wird dabei durch metallurgische Bedingungen, d. h. durch ein vorübergehendes teilweises Aufschmelzen der Komponenten erreicht.
Nach dem Einlaufen der beiden Partner wird in bekannter Weise die Hartphase geringfügig, d. h. etwa 2µm, aus der zweiten Phase bei beiden Partnern herausragen. Größere Ascheteilchen werden dann zwischen zwei Hartphasen-Partikel eingeklemmt und sollen durch diese abgeschert und zerkleinert werden. Daher erfordert das Zermahlen eine Mindestlänge der Hartphasen in Laufrichtung, wenn diese Phasen nicht ausgebrochen werden sollen anstatt die Asche zu zermahlen.
Die zweite Phase besteht dabei aus einem gesonderten metallischen Werkstoff oder aus dem Grundwerkstoff des Bauteils selbst. Unter einer "metallurgischen Bindung" wird verstanden, daß der Verbund zwischen Grundwerkstoff und Verschleiß-Schicht durch ein teilweises Aufschmelzen beider Komponenten und anschließendes Erstarren aus der Schmelze heraus entstanden ist. Daher können die Verschleiß-Schichten mit Vorteil durch Randschichten-Umschmelzlegieren oder durch Auftragsschweißen hergestellt sein.
Die geforderte größere Zähigkeit der zweiten Phase läßt sich durch mechanisch-technologische Tests und metallkundliche Untersuchungen, beispielsweise nach DIN 50 115, in bekannter Weise ermitteln.
Als Hartphase eignen sich eine Reihe der bekannten Hartstoffe, die aus Oxiden, Nitriden, Boriden, Karbiden oder Mischkristallen dieser Stoffe bestehen.
Kommt es im Betrieb der Maschine zu einem Schmierstoffmangel zwischen beiden Laufflächen, so kann daraus eine Berührung der Hartphasen beider Partner entstehen. In einem solchen Fall sollte die gegenseitige Abnützung der beiden Hartphasen möglichst gleichmäßig sein. Auch aus diesem Grunde sind möglichst gleiche Härten der Hartphasen erforderlich.
Um für die Einbettung der Hartphase in der Matrix in ausreichendem Maße "weiches" Material der zweiten Phase zur Verfügung zu haben, beträgt der Hartphasenanteil in jeder der beiden Verschleiß-Schichten 30 bis 70 Vol.-%. Wegen der im Brennraum auftretenden hohen Temperaturen ist es weiterhin zweckmäßig, wenn die Gefüge der Zweiphasen-Verschleiß-Schichten bis mindestens 250°C stabil sind. Um eine Steigerung infolge der Schwerkraft für die Hartphasen in der flüssigen zweiten Phase möglichst weitgehend zu unterbinden, ist es vorteilhaft, wenn die Dichte des Hartstoffes nicht mehr als 50% von derjenigen der flüssigen zweiten Phase abweicht. Weiterhin hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Hartstoffphase in der flüssigen zweiten Phase schwer löslich ist, da die entstehenden oder eingebrachten Kristallite der Hartphase anderenfalls relativ rasch in der zweiten Phase gelöst werden, wodurch der Aufbau, einer den genannten Anforderungen entsprechenden Hartphase, in der Verschleiß- Schicht nicht mehr gewährleistet ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Beispiel 1

Der Grundwerkstoff für einen Zylindereinsatz und die Kolbenringe einer Brennkraftmaschine sei ein Gußeisen GG 35 (DIN 1691) mit der chemischen Zusammensetzung (in Gew.-%): C 3,1; P 0,03; S 0,02; Si 1,2; Mn 0,4; Ni 0,8; Mo 0,4; Cu 1,5 und Rest Fe. Die Laufflächen beider Partner erfahren folgende Behandlung:
Zunächst wird mit Hilfe des Plasma-Spritzverfahrens, für das die einzelnen Parameter im Vorversuch experimentell ermittelt werden, eine Schicht aus Cr-Mo-V aufgetragen, wobei die Einzelkomponenten alle in gleicher Menge vorhanden sind, so daß sich ein Mischungsverhältnis von 1 : 1 : 1 ergibt. Der Auftrag der Plasmaspritz-Schicht wird solange fortgesetzt, bis eine Schichtdicke von mindestens 0,5 mm erreicht ist.
Als nächster Schritt erfolgt ein Umschmelzlegieren mit Hilfe des TIG-Schweißverfahrens, bei dem in einer Inertgas- - z. B. einer Helium - -Atmosphäre die plasmabeschichtete Lauffläche mit Hilfe einer Wolframelektrode bis zu einer Tiefe von mindestens 1 mm aufgeschmolzen wird, so daß die Schicht und die äußeren Bereiche des Grundwerkstoffes eine flüssige Schmelze bilden, in der sich die flüssigen Komponenten innig miteinander vermischen.
Beim anschließenden Erkalten bilden sich als Hartphase Sonderkarbide mit Cr, Mo und V, neben der eine zweite Phase, bestehend aus einer Stahlmatrix, die Laufflächen bedeckt.
Das Erkalten der flüssigen Schmelze wird dabei zeitlich so gesteuert, z. B. verlangsamt, daß die Kristallite der Sonderkarbide zu einer Größe heranwachsen können, die die beanspruchten Sehnenlängen in Laufrichtung gewährleistet.
Abschließend wird die Verschleiß-Schicht bzw. die Lauffläche beider Partner einer Flammhärtung unterworfen; bei dieser Härtung wird die Verschleiß-Schicht mit Hilfe einer Flamme, beispielsweise einer Sauerstoff/Azetylen- Flamme, auf etwa 800-1200°C, vorzugsweise auf 900°C, erwärmt und dann mittels einer Abschreckbrause meist mit Wasser abgeschreckt.
Während die Härte der Hartphase gemessen nach DIN 50 133 zu 1900 HV ermittelt worden ist, beträgt diejenige der zweiten Phase 500 HV. Zwischen dieser zweiten Phase und dem Grundwerkstoff sowie der Hartphase besteht eine - durch das Erstarren aus den miteinander gemischten Schmelzen hervorgerufene - metallurgische Verbindung.

Beispiel 2

Als Grundwerkstoff dient hier ein Guß-Stahl mit dem Kurznamen GS-20 MnMoNi 5 5 (DIN 17 006).
Auf die Laufflächen wird zunächst eine Paste aufgebracht, die aus 60 Gew.-% Wolframkarbid und 40 Gew.-% Vergütungsstahl 50 CrV 4, beides in Pulverform, besteht. Beide Komponenten werden zusammen - und auf der Lauffläche - gehalten durch ein im Handel erhältliches organisches Bindemittel.
Um in er fertigen Verschleiß-Schicht die geforderten mittleren Sehnenlängen für die Hartphasen sicherzustellen, beträgt die Körnung des Wolframkarbid-Pulvers, dessen Härte bekanntlich - je nach dem Verhältnis WC/W₂C zwischen 1990 und 2350 HV beträgt - zwischen 50 und 200µm. Die Dicke der aufgebrachten Paste beträgt mindestens 2 mm.
Mit Hilfe eines CO₂-Hochleistungslasers wird nun eine Auftragsschweißung durchgeführt, bei der die aufgebrachte Pulvermischung durch Umschmelzen auf mindestens nahezu den theoretischen Wert ihrer Dichte von etwa 13 g/cm³ verdichtet wird. Bei dieser Auftragsschweißung wird gleichzeitig vom Grundwerkstoff eine Schicht von 0,15 bis 0,2 mm Dicke geschmolzen, so daß sich zumindest der Grundwerkstoff und der Vergütungsstahl im flüssigen Zustand miteinander mischen. Die bereits als Hartphase eingebrachten Wolframkarbid-Körner werden durch den Laserstrahl oberflächlich angeschmolzen, so daß eine feste metallurgische Bindung innerhalb der Verschleiß-Schicht entsteht.
Die zweite Phase der Verschleiß-Schicht bildet sich dabei im wesentlichen beim Erstarren des eingebrachten Vergütungsstahls, dessen Härte etwa 450 HV beträgt.

Claims

1. Kolbenbrennkraftmaschine für den Betrieb mit Brennstoffen aus Feststoff-/Flüssigkeitsgemischen, bei der die Laufflächen von Zylindereinsätzen und Kolbenringen je mit einer Verschleiß-Schicht versehen sind, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale für die Verschleiß-Schichten der Zylindereinsätze und der Kolbenringe:

a) Die Schichten bestehen jeweils in an sich bekannter Weise aus mindestens einer Hartphase und einer zweiten Phase, die geringere Härte und größere Zähigkeit als die Hartphase hat;

b) die Härten - gemessen nach DIN 50133 - sind bei mindestens 80% der Hartphasenanteile der Laufflächen-Oberflächen größer als 1900 HV;

c) der Anteil der Hartphasen beträgt in jeder Verschleiß- Schicht 30 bis 70 Vol.-%;

d) die Härten der zweiten Phasen betragen - gemessen nach DIN 50133 - 400 bis 800 HV;

e) die Dicken der Verschleiß-Schichten sind größer 1 mm;

f) die mittleren Sehnenlängen der Hartphasenbereiche in den Laufflächen-Oberflächen betragen in Laufrichtung 30 bis 200µm;

g) der Verbund zwischen den Phasen in den Schichten und auch zu den jeweiligen Grundwerkstoffen ist durch ein vorübergehendes teilweises Aufschmelzen der Komponenten erzeugt;

h) die Härten der Hartphasen der Verschleiß-Schichten der Zylindereinsätze und der Kolbenringe sind möglichst gleich, d. h. ihre Differenz beträgt höchstens 20%.

2. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gefüge der Zweiphasen-Verschleiß-Schichten bis mindestens 250°C stabil sind.

3. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Versschleiß-Schichten durch Randschichttenumschmelz-Legieren hergestellt sind.

4. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleiß-Schichten durch Auftragsschweißen hergestellt sind.

5. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der Hartstoffe nicht mehr als 50% von derjenigen der flüssigen zweiten Phase abweicht.

6. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffphasen in den flüssigen zweiten Phasen schwer löslich sind.