DK156493B - Stempelforbraendingsmotor - Google Patents

Description

1 DK 156493 B

STEMPELFORBRÆNDINGSMOTOR.

Opfindelsen angàr en stempelforbrændingsmotor, der kan drives med slamagtige brændstoffer af blandinger af faste 5 og flydende materialer, hvor slid- eller l0befladerne pâ cylinderforinger og stempelringe hver er forsynet med et slidlag.

I stempelforbrændingsmotorers cylinderkamre og særligt i 10 dieselmotorer, der drives med slamagtige brændstoffer, ud-skilles relativt meget - eksempelvis mere end 0,05% af den tilf0rte brændstofmængde - som aske, der for en dels ved-kommende bestâr af hârde kvartskorn. Det er derfor kendt at forsyne de i forhold til hinanden bevægelige dele - det 15 vil sige stempelringenes og cylinderforingernes 10beflader - med slidlag, idet der ved omsmeltning af basismateria-lerne frembringes en karbidstruktur med lagtykkelser pâ indtil flere millimeter (WO 83/03 261). -Med sâdanne slidlag er der ganske vist opnâet betydeligt mindre slitage-20 hastigheder end med slidflader, som ikke er blevet behand-let; men for at nâ frem til en praktisk anvendelse af disse brændstoffer er slitagen dog stadig uacceptabelt stor.

Fra DE-AS 18 17 321 kendes en belægning til arbejdsfladen 25 pâ stempelringe. Dette lag er sammensat af fire faser, af hvilke to er hârdfaser indeholdende karbider, medens to mâ betegnes som matrixfaser. En af matrixfaserne har en relativt stor hârdhed pâ over 900 HV, den anden er "bl0dere" og har en hârdhed pâ ca. 500 HV, deres volumenandel andra-30 ger dog kun ca. 4%, sâ de ikke danner en egentlig matrix for hârdfaserne. Den store hârdhed i den egentlige matrix giver en h0j spr0dhed og dermed en dârlig hæftning pâ sub-stratet.

2 DK 156493B

I DE-AS 13 00 412 vises et flammespr0jtepulver til frem-stilling af slidfaste metalovertræk af en selvflydende le-gering og et h0jtsmeltende métal; pulversmâdelenes korn-st0rrelse skal andrage mellem 8 og 150 pm. De til de fore-5 liggende slidlag til hàrdfasen n0dvendige hârdheder kan ikke opnâs med belægninger af denne pulverblanding.

Det er derfor formâlet med opfindelsen at opnâ sâdanne nedslidningshastigheder for slidfladerne ved anvendelse af 10 ovennævnte brændstoffer, at slitagen i det mindste omtrent kommer til at svare til den i forbindelse med anvendelse af askefrie brændstoffer kendte.

Opgaven l0ses if0lge opfindelsen med kombinationen af f01-15 gende ejendommeligheder ved begge slidlag: a) lagene bestâr pâ i sig selv kendt mâde af mindst en hàrdfase og en anden fase, som har mindre hârdhed og st0rre sejhed, end hàrdfasen har, 20 b) hârdheden - màlt if01ge DIN 50133 - er ved mindst 80% hârdfaseandel i slidoverfladerne st0rre end 1900 HV, c) andelen af hârdfaser andrager i hvert slidlag 30-70 25 volumenprocent, d) hârdheden af den anden fase andrager - malt if0lge DIN 50133 - 400-800 HV, 30 e) tykkelsen af slidlagene er st0rre end 1 mm, f) middelfiberlængden i hàrdfiberomrâderne i slidflader-nes overflader er i bevægelsesretningen 30-200 pm,

, DK 156493 B

O

g) forbindelsen mellem faserne i lagene og ogsâ til de pâgældende basismaterialer er frembragt ved en forbi-gâende, delvis omsmeltning af komponenterne, 5 h) hârdheden af hârdfasen i cylinderforingernes og i stempelringenes slidlag er sâ vidt muligt ens, det vil sige, deres forskel er h0jst 20%.

Med slidlag med de ovenanf0rte egenskaber kan man opnâ en 10 formaling af askepartiklerne til en kornst0rrelse, som skylles ud af forbrændings- og cylinderkammeret gennem sm0respalten ved hjælp af den forhândenværende sm0reolie.

Af hensyn hertil skal kornst0rrelsen i den formalede aske være mindre end 0,5 μπι.

15

Ideen med at fjerne askepartiklerne ved formaling og ud-skylning n0dvendigg0r den anf0rte mindsteværdi for hârdfa-sens hârdhedsgrad og en god vedhæftning mellem slidlaget og komponenternes basismateriale, henholdsvis en god sam-20 menhængskraft mellem hârdfasen og den anden fase, som har en hârdhed under 800 HV og - i forhold til hârdfasen - en st0rre sejhed; den pâkrævede gode hæftning opnâs derved ved hjælp af metallurgiske betingelser, det vil sige ved en forbigâende delvis omsmeltning af komponenterne.

25

Efter indk0rsel af de to maskinkomponenter vil hârdfasen i overfladelaget pà begge komponenter pâ kendt mâde rage en smule, det vil sige omkring 2 pm, frem i forhold til den anden fase. St0rre askepartikler bliver sâ klemt mellem de 30 to hârdfasepartikler og skâret itu og findelt. Derfor er det n0dvendigt med en mindstelængde for hârdfasen i ma-skinkomponenternes bevægelsesretning, sâfremt denne fases partikler ikke skal rives 10s i stedet for at formale as-ken.

4 DK 156493 B

Den ancien fase bestâr af et særligt metallisk materiale eller af maskindelens basismateriale. Med en "metallurgisk forbindelse" forstâs, at forbindelsen mellem basismateria-5 let og slidlagets materiale er etableret ved delvis smelt-ning af begge komponenter og en efterf01gende st0rkning af smelten. Derfor kan slidlagene fordelagtigt fremstilles ved hjælp af overfladelagssmeltelegering eller ved pàlæg-ningssvejsning.

10

Den anden fases n0dvendige sejhed kan man fâ oplyst pâ kendt mâde ved mekanisk teknologiske afpr0vninger og ved metalteknologiske unders0gelser, for eksempel if0lge DIN 50115.

15

Som hârdfase kan. man anvende en række kendte hârde materi-aler, som kan bestâ af oxider, nitrider, borider, karbider eller være blandingskrystaller af disse stoffer.

20 Opstâr der under motorens drift mangel pâ sm0remiddel mellem de to slidflader, kan der opstâ direkte ber0ring mellem de to maskinkomponenters hârdfaser. I en sâdan situation skal den gensidige slitage pâ de to hârdfaser sâ vidt muligt være ensartet. Ogsâ af denne ârsag er det n0dven- 25 digt, at de to hârdfasers hârdheder sâ vidt muligt er ens.

For i tilstrækkeligt omfang at hâve "bl0dt" materiale fra den anden fase til râdighed til indlejring af hârdfasen i matrixen, andrager hârdfasen i hver af de to slidlag 30-70 30 volumenprocent. Pâ grund af de i forbrændingskammeret op-trædende h0je temperaturer er det ogsâ hensigtsmæssigt, nàr de to slidlags strukturer er stabile ved temperaturer op til mindst 250°C. For at undgâ bundfældning af hârdfa-separtiklerne i den flydende anden fase pâ grund af tyng-

s DK 156493 B

dekraften er det fordelagtigt, nâr hàrdfasematerialets vægtfylde ikke afviger mers and 50% fra vægtfylden for den flydende anden fase. Yderligere har det vist sig fordelagtigt, nâr hârdfasematerialet er tungt opl0seligt i den 5 flydende anden fase, fordi de dannede eller tilf0rte hârd-fasekrystalitter i modsat fald bliver opl0st relativt hur-tigt i den anden fase, sâledes at opbygningen af en til de angivne normer svarende hârdfase i slidlaget ikke mere lykkes.

10

Nedenfor belyses opfindelsen nærmere ved hjælp af to ud-f0rselseksempler.

Eksempel 1 15

Basismaterialet til en cylinderforing og stempelringene til en forbrændingsmotor er st0bejern GG35 (DIN 1691) med den kemiske sammensætning (i vægtprocent): C 3,1; P 0,03; S 0,02; Si 1,2; Mn 0,4; Ni 0,8; Mo 0,4; Cu 1,5 og resten 20 Fe. De to maskinkomponenters slidflader underkastes f0l-gende behandling: F0rst bliver der pâlagt et lag af Cr-Mo-V ved hjælp af plasmaspr0jteteknik, hvis enkelte paramétré forud er ble-25 vet fastlagt eksperimentelt ved hjælp af forfors0g. I blandingen findes enkeltkomponenterne i lige stor mængde, sâledes at blandingsforholdet er 1:1:1. Pâlægningen af plasmaspr0jtelaget fortsættes sâ længe, at der nàs en lag-tykkelse pâ mindst 0,5 mm.

30

Som næste skridt f01ger en omsmeltningslegering ved hjælp af TIG-svejsemetoden, if01ge hvilken den plasmaspr0jtepâ-lagte slidflade ved hjælp af en Wolframelektrode smeltes ind til en dybde pâ mindst 1 mm i en inertatmosfære - for

6 DK 156493 B

eksempel en heliumatmosfære - sàledes at laget og det y-derste omrâde a£ komponentens basismateriale danner en flydende smelte, hvori de flydende komponenter blander sig inderligt med hinanden.

5

Ved den efterf0lgende afk0ling danner der sig som hârdfa-sespecialkarbider med Cr, Mo og V ved siden af en anden fase, der bestâr af en stâlmatrix i laget, der dækker slidfladen.

10

Afk0lingen af den flydende smelte styres tidsmæssigt sâle-des, for eksempel ved at blive gennemf0rt langsomt, at specialkarbidernes krystalitter kan vokse til en st0rrel-se, der opfylder den krævede fiberlængde i bevægelsesret-15 ningen.

Derefter bliver slidlaget eller slidfladen pâ begge kompo-nenterne underkastet en flammehærdning. Ved denne hærdning bliver slidlaget opvarmet til omkring 800-1200°C, fordel-20 agtigt til 900°C, ved hjælp af en flamme, for eksempel en oxygen/acetylenflamme og derefter bratk01et ved hjælp af en bratk01ingsbruser for det meste med vand.

Medens hârdfasens hàrdhed - malt if01ge DIN 50133 - sâle-25 des blev bragt op pâ 1900 HV, forblev den anden fases hârdhed 500 HV. Mellem denne anden fase og basismaterialet samt i forhold til hàrdfasen er der etableret en - ved st0rkningen af den blandede smelte frembragt - metallur-gisk forbindelse.

30

Eksempel 2

Som basismateriale er der her anvendt et st0bestâl med be-tegnelsen GS-20 MnMoNi 5 5 (DIN 17006).

7 DK 156493 B

Pâ slidfladerne anbringes f0rst en pasta, der bestâr af 60 vægtprocent Wolframkarbid og 40 vægtprocent st0bestâl 50 CrV 4, begge i pulverform. Begge komponenterne holdes sam-5 men og fast pâ slidfladen ved hjælp af et almindeligt til-gængeligt, organisk bindemiddel.

For at sikre den specificerede fiberlængde for hàrdfasen i det færdige slidlag anvendes Wolframkarbidpulveret, hvis 10 hârdhed som bekendt i afhængighed af forholdet WC/W2C er mellem 1990 og 2350 HV, med en kornst0rrelse pâ mellem 50 og 200 pm. Tykkelsen af det pàf0rte pastalag er mindst 2 mm.

15 Ved hjælp af en h0jtydende C02 laser udf0res nu en pâlæg-ningssvejsning, hvormed den pâlagte pulverblanding ved om-smeltning komprimeres til i det mindste omtrent dens teo-retisk mulige vægtfylde pâ omkring 13 g/cm3. Ved denne pâ-lægningssvejsning smeltes samtidig et lag af basismateria-20 let med en tykkelse pâ fra 0,15 til 0,2 mm, sàledes at i det mindste basismaterialet og st0bestâlet blandes i den flydende tilstand. De pâ forhând som hârdfase tilf0rte Wolframkarbidkorn smelter i overfladen som f0lge af pâ-virkningen af laserstrâlen, sàledes at der opstâr en fast 25 metallurgisk binding i slidlaget.

Slidlagets anden fase dannes i hovedsagen ved st0rkningen af den pâlagte st0bestâl, hvis hârdhed er omkring 450 HV.

Claims (5)

8 DK 156493 B

1. Stempelforbrændingsmotor til drift med brændstoffer af faststof/væskeblandinger, ved hvilken slidfladerne pà cy-5 linderforinger og stempelringe hver er forsynet med et slidlag, kendetegnet ved kombinationen af f01gende kendetegn for slidlagene pâ cylinderforingerne og stempelringerne: 10 a) lagene bestâr hver pâ kendt mâde af mindst en hârdfase og en anden fase, som har mindre hârdhed og st0rre sejhed, end hârdfasen har, b) hârdheden - mâlt if01ge DIN 50133 - er ved mindst 80% 15 af hârdfaseandelen af slidfladernes overflader st0rre end 1900 HV, c) andelen af hârdfaser andrager i hvert slidlag 30-70 volumenprocent, 20 d) hârdheden af den anden fase andrager - mâlt if0lge DIN 50133 - 400-800 HV, e) tykkelsen af slidlagene er st0rre end 1 mm, 25 f) middelfiberlængden i slidfladernes overflader er i be-vægelsesretningen 30-200 pm, g) forbindelsen mellem faserne i lagene og ogsâ til de 30 pàgældende basismaterialer er frembragt ved en forbi- gâende, delvis omsmeltning af komponenterne, h) hârdheden af hârdfaserne i cylinderforingernes og stempelringenes slidlag er sâ vidt muligt ens, det vil DK 156493 B sige, deres forskel andrager h0jst 20%.

2. Stempelforbrændingsmotor if01ge krav 1, kende- t e g n e t ved, at tofaseslidlagenes struktur er stabil 5 op til mindst 250°C.

3. Stempelforbrændingsmotor if01ge krav 1, kende- t e g n e t ved, at begge komponenternes slidlag er fremstillet ved sâkaldt overfladelagssmeltelegering. 10

4. Stempelforbrændingsmotor if0lge krav 1, kende- t e g n e t ved, at slidlagene er fremstillet ved pâlæg-ningssvej sning.

5. Stempelforbrændingsmotor if01ge krav 1, kende- t e g n e t ved, at hàrdmaterialets vægtfylde ikke afvi-ger mere end 50% fra vægtfylden for den flydende anden fa-se. -

5. Stempelforbrændingsmotor if0lge krav 1, kende- t e g n e t ved, at hârdmaterialefasen er tungt opl0se-lig i den flydende anden fase.