DK174241B1 - Cylinderelement, såsom en cylinderforing, et stempel, et stempelskørt eller en stempelring, i en forbrændingsmotor af dieseltypen samt en stempelring til en sådan motor. - Google Patents

Description

/ i DK 174241 B1

Den foreliggende opfindelse angår et cylinderelement, såsom en cyUnderforing, et stempel, et stempelskørt eller en stempelring, i en forbrændingsmotor af dieseltypen, navnlig en totakts krydshovedmotor, hvis 5 maksimale forbrændingstryk ved fuldlast overstiger 100 bar, og hvor stemplet er forsynet med flere stempel-ringe og bevæges i en frem- og tilbagegående bevægelse i en cylinderforing med en slaglængde på i det mindste 600 mm, hvilke stempelringe i monteret stand i ring-10 spor, der i aksialretningen har større højde end ringhøjden, har en yderdiameter på mindst 150 mm og hver har en radial yderside, der glider langs foringens inderside, hvilket cylinderelement er forsynet med mindst et termisk påsprøjtet lag på i det mindste en 15 del af cylinderelementets side.

Totakts krydshovedmotorer af dieseltypen designes idag til drift med meget høje maksimale forbrændingstryk, der fremkalder store belastninger på cylinderelementerne, dels fordi differenstrykkene over ringene 20 nødvendigvis bliver store, når ringene skal hindre trykket i forbrændingskammeret i at forplante sig ned under stemplet, dels fordi det høje tryk frembragt ved forbrændingen ledsages af meget høje temperaturer, der indvirker negativt på de tribologiske forhold, så de 25 mod hinanden glidende cylinderelementer lettere udsættes for rivninger, der kan beskadige især stempel-ringene og foringen. For at tætne mod de høje tryk skal stempelringenes anlægstryk mod foringens inderside være højt. Dette fører til, at stempelringene har større 30 tendens til at træde gennem smøreoliefilmen og områdevis køre tørt mod foringens inderside.

I ansøgerens W095/21994 beskrives en cylinderforing, der på sin inderside er forsynet med flere lag med forskellige egenskaber, nemlig et inderste, hårdt 35 slidlag, et mellemhårdt mellemlag og et blødere ind- 2 DK 174241 B1 køringslag af et andet materiale end de hårdere lag.

Som anvendelige materialer foreslås, at det inderste hårde lag kan være en forholdsvis blød metallisk matrix omfattende chrom, nikkel og modybdæn, hvori er lejret 5 hårde partikler i form af carbider, oxider eller nitrider. Som mellemlag foreslås en blanding af molybdæn og præoxideret molybdæn, og som indkøringslag foreslås metalbelagte grafitkugler, der kan være blandet med blødt materiale, såsom sølv. Anvendelsen af 10 forskellige materialer til de yderste lag på cylinderelementet kan give problemer med opnåelse af tilstrækkelig stærk vedhæftning af laget til det underliggende materiale. Det først påsprøjtede lag skal hæfte på cylinderelementets grundmateriale, der sædvan-15 ligvis er støbejern, støbestål eller stål, og det eller de efterfølgende lag skal hæfte på det underliggende lag, der kan have egenskaber, der afviger væsentligt fra det efterfølgende lags egenskaber. Det er endvidere en ulempe, at materialerne anvendt til de yderste lag 20 er forholdsvis omkostningskrævende.

Fra US patent 5 080 056 kendes en firtaktsmotor, hvis cylinderblok er af en 319 aluminiumlegering og har flere udboringer, der udgør motorens cylindre. Cylinderindersiderne er forsynet med et hårdt slidlag af en 25 Al-bronze legering, der kan være påsprøjtet ved hjælp af HVOF-teknik for at frembringe en helt tæt og hård belægning. Al-bronzen regnes her for særlig anvendelig, fordi den har gode giideegenskaber sammen med stempler af aluminium. Det er beskrevet som væsentligt, at 30 belægningen er tæt og i det væsentlige porefri. Belægningen er påført i en tykkelse på op til 0,1 mm, og efter påførsien fjernes omtrent en trediedel af belægningens tykkelse ved hjælp af honing.

Forholdene i de for opfindelsen relevante store 35 motorer med høje maksimaltryk adskiller sig væsentligt DK 174241 E31 3 fra forholdene i firtaktsmotorer, hvor der for benzinmotorer anvendes maksimaltryk af størrelsesordenen 40 bar og for dieselmotorer maksimaltryk af størrelsesordenen 80 bar. Endvidere er firtaktsmotorernes mo-5 torblok, stempler og stempelringe fremstillet i letmetal, mens cylinderforingerne, stemplerne, stempel-skørtene og stempelringene i de store motorer normalt er fremstillet i støbejern, støbestål eller stål for at være i stand til at modstå de store tryk- og tempera-10 turpåvirkninger. Forskellene i de anvendte materialer gør det vanskeligt at sammenligne egenskaber for påsprøjtede belægninger med hinanden, idet de tribolo-giske forhold, vedhaeftningsforholdene, reaktionerne på termiske påvirkninger osv. afviger betydeligt mellem 15 støbejern og -stål på den ene side og letmetaller, såsom aluminium, på den anden side.

Opfindelsen har til formål at anvise et cylinderelement, der med færre materialeomkostninger er påført en belægning, der har god vedhæftning til cylinderele-20 mentet og giver fine indkørings- og driftsegenskaber.

Med henblik herpå er cylinderelementet er på-sprøjtet mindst to uden på hinanden beliggende lag af Al-bronze, hvoraf det yderste lag er et indkøringslag med en gennemsnitlig hårdhed på højst 330 HV20, og det 25 underliggende lag er et slidlag med en gennemsnitlig hårdhed, der er større end indkøringslagets hårdhed og er mindst 130 HV20.

Ved at anvende et indkøringslag af en legering af samme type som det underliggende slidlag opnås en 30 særdeles god binding af indkøringslaget, så afrivning eller afskrabning af flagestykker af indkøringslaget undgås. Al-bronzens overflade har gode glideegenskaber og giver gode tribologiske forhold, som modvirker rivninger. Det bløde indkøringslag af Al-bronze frem-35 bringer en overflade på cylinderelementet som i løbet 4 DK 174241 B1 af indkøringen af et nyt cylinderelement ikke har tendens til rivninger, hverken i selve cylinderelementet eller i overfladen af det element, der ligger an mod og glider langs cylinderelementet under stemplets 5 frem- og tilbagegående bevægelse.

Det Al-bronze udgangsmateriale, der anvendes til påførsien af indkøringslaget, koster omtrent halvdelen af et grafitholdigt udgangsmateriale, hvilket betyder, at indkøringslaget kan fremstilles på økonomisk set 10 væsentlig gunstigere måde end de kendte indkøringslag.

Al-bronzen kan endvidere ved passende styring af betingelserne ved påførsien, såsom sammensætningen af den bære- eller beskyttelsesgas, der anvendes ved den termiske sprøjtning, gives større eller mindre hårdhed.

15 Endvidere kan hårdheden af det påførte lag ændres ved passende efterbehandling af laget, hvilket omtales nærmere nedenfor. Det er således muligt at styre egenskaberne af lagene af Al-bronze på sådan måde, at det under indkøringslaget beliggende lag virker som et 20 egentligt slidlag. Materialeomkostningerne til et sådant slidlag er også væsentligt mindre end omkostningerne til et slidlag af den ovennævnte type omfattende molybdæn.

I det tilfælde, at der ved indkøringen af cyiin-25 derelementet dannes ridser i overfladen af belægningen indebærer anvendelsen af Al-bronze, at ridserne ikke udvikler sig til rivninger, der er karakteriseret ved stærkt forhøjede lokale temperaturer, fordi Al-bronzen har smørende egenskaber helt op til sin egen smeltetem-30 peratur.

Det foretrækkes, at slidlaget af Al-bronze er et mellemlag, der ligger mellem indkøringslaget og et underliggende slidlag, der har større hårdhed end mellemlaget. Det underliggende slidlag kan også være af 35 Al-bronze, eller kan være af et andet hårdt og slidbe- 5 DK 174241 B1 ståndigt materiale, såsom et materiale indeholdende hårde partikler i form af carbider, oxider eller nitrider lejret i en metallisk matrix, eksempelvis et materiale leveret af det svenske firma DAROS AB under 5 en af de kommercielle betegnelser PM2, PM10, PM14, PM20, ΡΜ2Θ eller LI. Denne opbygning af påsprøjtede lag giver en fordelagtig tilslidning af cylinderelementet, hvor der i løbet af tilslidningen blotlægges stadigt hårdere materiale med større slidbestandighed.

10 Indkøringslaget af Al-bronze kan hensigtsmæssigt have en porøsitet på fra 0,2 til 40 volumenprocent, hvilket medfører, at overfladen af Al-bronze har en række fordybninger frembragt af porerne i materialet.

Disse fordybninger er typisk fint fordelte i overis fladen, og de fanger ved motorens drift en del af den smøreolie, som tilføres til overfladen. I de tidsrum, hvor der ikke doseres smøreolie udefra til overfladen, kan smøreolien gemt i fordybningerne spredes ud på overfladen og holde cylinderelementet smurt. Denne 20 virknng er særlig fordelagtig på stempelringe, der ikke har deres egen smøreolietilførsel.

I en udførelsesform er der fra 2 til 7 lag af Al-bronze med indbyrdes forskellige egenskaber, og tykkelserne af de individuelle lag er beliggende i inter-25 vallet fra 0,02 til 2,5 mm, fortrinsvis fra 0,10 til 1,0 mm. Anvendelsen af flere lag med individuelle lagtykkelser i det nævnte interval giver mulighed for en nøje afpasning af belægningens egenskaber til den ønskede anvendelse. På et stempelskørt kan der eksem-3 0 pelvis være behov for få forholdsvis tynde lag, mens lagene på et stempel i området over den øverste stempelring kan have væsentlig større tykkelse. På en cylinderforings inderside kan antallet af lag være afpasset således, at der opnås en jævnt stigende 35 hårdhedsøgning ind gennem belægningen, og antallet af 6 DK 174241 B1 lag kan her være større end på stempelringenes ydersider. Hvert lag med i det væsentlige ens egenskaber over lagtykkelsen kan være opbygget ved flere påsprøjtninger med ensartede sprøjtebetingelser, indtil laget har den 5 ønskede tykkelse.

Legeringen af Al-bronze kan angivet i vægtprocent og bortset fra almindeligt forekommende urenheder omfatte fra 2 til 20% Al samt eventuelt en eller flere af bestanddelene Sb, Co, Be, Cr, Sn, Mn, Si, Cd, Zn, 10 Fe, Ni, Pb og C i individuelle mængder på højst 5% Sb, højst 5% Co, højst 5% Be, højst 5% Cr, højst 15% Sn, højst 5% Mn, højst 15% Si, højst 2% Cd, højst 15% Zn, højst 5% Fe, højst 20% Ni, højst 20% Pb, højst 2% C og resten andragede mindst 50% Cu. Den minimale mængde af 15 Cu og Al udgør således 52%, og den samlede mængde af de øvrige bestanddele udgør maksimalt 48%, og kan fordelagtigt være begrænset til 25%.

Tilsætningerne af Cr, Sb og C forøger legeringens hårdhed ved dannelse af carbider, og disse bestanddele 20 tilsættes typisk i de underliggende lag, der virker som slidlag.

Tilsætningerne af Zn, Be, Co, Si og Ni forøger legeringens styrke og giver mulighed for at forøge lagets hårdhed ved hjælp af mekanisk påvirkning, såsom sand-25 blæsning, kugleblæsning eller rulning.

Tilsætningen af Cd hæver legeringens rekrystalli-sationstemperatur og forøger dens styrke. Tilsætningen af Mn forøger legeringens hårdhed og gør den mere temperaturbestandig. Tilsætningen af Fe forøger le-30 geringens hårdhed, og tilsætningen af Pb giver laget fordelagtige egenskaber ved kraftig belastning, fordi Pb virker som et faststofsmøremiddel. Tilsætningen af Sn forbedrer korrosionsbestandigheden og mindsker sprødheden af legeringen og kan samtidig bidrage til en 35 hårdhedsøgning ved mekanisk påvirkning.

7 DK 174241 B1

En legeringstype, der er særlig foretrukket til især indkøringslag omfatter fra 9 til 10% Al, fra 0 til 1% Fe og resten Cu. Hårdheden af denne legering styres primært med det resulterende indhold af oxider ved 5 hjælp af den gassammensætning, der anvendes ved på-sprøjtningen. Ved at anvende en inaktiv gas, såsom argon, undertrykkes oxiddannelsen, og legeringen bliver meget blød.

I en udførelsesform, hvor legeringens oxidindhold 10 anvendes ved styringen af lagenes hårdheder, kan cylinderelementet være udformet således, at lagene af Al-bronze omfatter fra 1 til 30 volumenprocent oxider, og at mængden af oxider er mindst, fortrinsvis mindre end 10 volumenprocent, i indkøringslaget og er på 15 mindst 2 volumenprocent, fortrinsvis mindst 10 volumenprocent, i det under indkøringslaget beliggende slidlag. Det højere indhold af oxider i det eller de underliggende lag giver disse større hårdhed end indkøringslaget.

20 Som alternativ eller supplement til styring af hårdhederne ved hjælp af oxidindholdene kan cylinderelementet være udformet således, at lagene af Al-bronze er påsprøjtet uden på hinanden, at et påsprøjtet lag er udsat for en hårdhedsøgende mekanisk påvirkning inden 25 påsprøjtningen af det efterfølgende lag, og at der fortrinsvis ikke er foretaget nogen ruhedsmindskende færdigbearbejdning på det sidst påsprøjtede lag. Der er ovenfor nævnt eksempler på forskellige mekaniske påvirkninger, der øger hårdheden af det påsprøjtede 30 lag. Ved at kombinere typen af mekanisk påvirkning med legeringer, der indeholder en eller flere af de ovennævnte bestanddele Zn, Be, Co, Si og Ni kan der opnås store variationer i hårdhederne af de enkelte lag i belægningen af Al-bronze. Hårdhederne kan på denne måde 35 eksempelvis varieres inden for intervallet 50-500 HV20.

DK 174241 B1 8

Det er en særlig fordel ved cylinderelementet, at det sidst påsprøjtede lag ikke behøver nogen færdigbearbejdning, såsom en honing, der er omkostningskrævende at udføre på de store cylinderelementer ifølge op-5 findelsen.

Opfindelsen angår endvidere en stempelring i en forbrændingsmotor af dieseltypen, navnlig en totakts krydshovedmotor, hvis maksimale forbrændingstryk ved fuldlast overstiger 100 bar, og hvor stemplet er 10 forsynet med flere stempelringe og bevæges i en frem-og tilbagegående bevægelse i en cylinderforing med en slaglængde på i det mindste 750 mm, hvilke stempelringe i monteret stand i ringspor, der i aksialretningen har større højde end ringhøjden, har en yderdiameter på 15 mindst 150 mm og hver har en radial yderside, der glider langs foringens inderside, hvilket stempelring er forsynet med mindst et termisk påsprøjtet lag på sin radielle yderside.

Med henblik på at frembringe en stempelring, der 20 med fordelagtigt lave materialeomkostninger er påført en belægning, der har god vedhæftning til cylinderelementet og giver fine indkørings- og driftsegenskaber, er stempelringen ifølge opfindelsen ejendommelig ved, at det mindst ene påsprøjtede lag er af Al-bronze, at 25 den samlede tykkelse af belægningen af Al-bronze er mindst 0,05 mm, og at det yderste lag er et indkøringslag med en gennemsnitlig hårdhed på højst 330 HV20. På stempelringe kan belægningen af Al-bronze være et enkelt eller flere lag, der er påsprøjtet direkte på 30 stempelringens grundmateriale af stål, støbestål eller støbejern eller er påsprøjtet på et underliggende påsprøjtet lag af et andet slidbestandigt materiale, der eksempelvis kan være af Daros's typer PM2, PM10, PM14, PM20, PM28 eller LI. Det yderste lag af Al-bronze 35 virker som et rivningshindrende indkøringslag, der 9 DK 174241 B1 muliggør hurtig indkøring af nye stempelringe, hvilket herefter forklares nærmere.

I løbet af den initielle indkøring af stempel-ringene sker der en tilslibning af ringenes radielle 5 ydersider til en facetteret facon. Da ringsporene har større højde end ringene, kan disse bevæges aksialt i det tilhørende ringspor, og ringene vil under indvirkning af de store trykforskelle over ringene vippe eller vrides en smule i sporene, så ringenes ydersider 10 danner en varierende vinkel med foringens inderside i løbet af stemplets frem- og tilbagegående bevægelse. De første mange gange ringene vipper, vil deres overeller underkanter ligge an mod foringens inderside med et meget lille areal og tilhørende særdeles store 15 fladetryk, der medfører hurtig bortslidning af ringmaterialet, antagelig fordi ringkanterne momentant træder gennem oliefilmen på foringens inderside. Efterhånden som ringene opnår den facetterede facon forøges anlægs-arealet og fladetrykket mindskes til under den grænse, 20 hvor oliefilmen gennembrydes.

Indkøringslaget af Al-bronze hindrer fremkomsten af rivninger, i det mindste indtil stempelringen er tilslebet i den facetterede facon, der tillader fuld belastning af stempelringen uden brydning af smøreolie-25 filmen mellem stempelringens yderside og foringens inderside.

I det tilfælde, at der kun anvendes et enkelt lag af Al-bronze på stempelringen, kan hårdheden af dette yderste lag være øget ved hjælp af mekanisk påvirkning 30 som ovenfor beskrevet i forbindelse med cylinderelementer, der er påført flere lag af Al-bronze med indbyrdes forskellige egenskaber.

Eksempler på opfindelsen forklares herefter nærmere med henvisning til den stærkt skematiske 35 tegning, hvorpå 10 DK 174241 B1 fig. 1 viser et længdesnit gennem den øverste del af en cylinderforing, hvor et stempel med stempelringe befinder sig i det øvre dødpunkt, fig. 2 et tværsnit gennem en stempelring, der er 5 påført et indkøringslag af Al-bronze direkte på det støbte ringmateriale, fig. 3 et tværsnit gennem en anden udførelsesform for en stempelring, der er påført et indkøringslag af Al-bronze uden på et hårdt slidlag, der er sprøjtet på 10 det støbte ringmateriale, fig. 4 i udsnit et sidebillede af et stempel med et stempelskørt, begge udformet med et lag af Al-bronze ifølge opfindelsen, og fig. 5 i tværsnit et udsnit af en cylinderforing, 15 der er påført tre lag af Al-bronze.

I fig. 1 ses det øverste afsnit af en generelt med 1 betegnet cylinderforing til en stor totakts krydsho-vedmotor, der kan anvendes som stationær motor til drift af en elgenerator eller som fremdrivningsmotor i 20 et skib. Afhængigt af motorstørrelsen kan cylinderforingen udføres i forskellige størrelser med cylinderboringer, der typisk kan ligge i intervallet fra 250 mm til 1000 mm, og tilsvarende typiske længder, der kan ligge i intervallet fra 1000 mm til 4500 mm. Det er dog 25 også muligt at anvende opfindelsen i forbindelse med totakts krydshovedmotorer, hvor cylinderboringen er beliggende i intervallet fra 150 til 250 mm, og i dette tilfælde kan foringen have en længde på ned til 500 mm.

Foringen fremstilles normalt i støbejern eller i stål 30 eller støbestål, der på foringens inderside er forsynet med et påsprøjtet slidlag, og den kan være i et stykke eller delt i to stykker, der er samlet i forlængelse af hinanden. Det er også muligt ved den delte foring at lave det øvre stykke i et andet grundmateriale end det 35 nedre stykke.

11 DK 174241 B1

Foringen er på velkendt vis monteret i den kun delvis viste motor ved at en rundtgående, nedadvendende flade 3 positioneres på toppladen 4 i motorens stativ eller cylinderblok, hvorefter et stempel 5 monteres i 5 cylinderforingen, og et cylinderdæksel 6 anbringes på toppen af foringen på dennes rundtgående, opadvendende flade 7 og spændes fast til toppladen ved hjælp af ikke viste dækseltappe.

I cylinderforingens nedre afsnit er der en rundt-10 gående række af ikke viste skylleluftporte. Stemplet er bevægeligt i foringens længderetning mellem et topdød-punkt, hvor stempeloversiden 9 befinder sig oppe i en udboring i cylinderdækslet 6, og et bunddødpunkt, hvor stempeloversiden 9 befinder sig umiddelbart under den 15 nedre afslutning af skylleluftportene.

Stemplet er gennem en stempelstang 10, et krydshoved og en plej Istang på velkendt vis forbundet med motorens krumtapaksel. For hver gang krumtapakslen udfører en drejning på 360° bevæges stemplet fra 20 bunddødpunktet til topdødpunktet og tilbage igen.

Cylinder for ingen 1 er i det øvre afsnit beliggende mellem fladerne 3 og 7 udformet med større ydre diameter, og i toppen af dette afsnit er mange langstrakte køleboringer 14 boret således op i foringens væg fra en 25 udvendig recess 15, at de rette køleboringers længdeakser forløber skråt eller vindskævt i forhold til foringens længdeakse.

Cylinderforingens inderside 13 kan være forsynet med et eller flere termisk påsprøjtede, hårde slidlag, 3 0 der kan være udelukkende af Al-bronze eller et antal lag af Al-bronze suppleret med et eller flere hårdere, underliggende slidlag af keramik, en blanding af keramik og metal, det såkaldte cermet, eller slidlag bestående af meget hårde partikler lejret i en for-35 holdsvis blød metallisk matrix. Matrixen kan eksempel- 12 DK 174241 B1 vis omfatte Cr, Ni og/eller Mo, og de hårde partikler kan eksempelvis være carbider, nitrider, borider og/eller oxider. Cylinderforingen kan være fremstillet med et bølgeformet mønster i sin inderside, hvor 5 bølgetoppene i mønstret er fjernet. Det er muligt at fremstille foringen med det pågældende mønster langs hele indersiden. Mønstret kan også være forarbejdet alene i et øvre afsnit af foringen, såsom det afsnit, der bestryges af stempelringene i de første 40% af det 10 nedovergående stempelslag. Afsnittet kan også have andre relative størrelser, såsom 20%, 25%, 30% eller 35% eller mellemliggende værdier. Det bølgeformede mønster hjælper med til at opretholde de bedst mulige smøringsforhold mellem stempelringene og foringens 15 inderside, idet der i bunden af bølgedalene kan samle sig smøreolie, som forsyner plateauområderne mellem bølgedalene med smøreolie. Når nye stempelringe indkøres i en foring, glider stempelringenes ydersider på de tilnærmelsesvis plane plateauområder.

20 Stemplet 5 er i fig. 1 vist i topdødpunktet.

Stemplet er forsynet med fire stempelringe, der generelt betegnes med 19, hvoraf den øverste stempelring er en standard skrålåsring eller er af gastæt type, dvs. ringens deling er udformet således, at gas er i 25 det væsentlige hindret i at strømme gennem ringdelingen. Dette kan eksempelvis ske ved, at ringens ene ende har en flad udragende tap, der rager ind i en modsvarende udsparing i ringens anden ende. Den næst-øverste stempelring, den tredieøverste stempelring og 30 den nederste stempelring kan være sædvanlige skrålås-ringe, hvis ringdeling er udformet som en spalte, der forløber skråt i omkredsretningen fra ringover- til ringundersiden, eller kan være af den tilnærmelsesvis gastætte type.

35 Stempelringen 19 i fig. 2 omfatter et støbt stem- 13 DK 174241 B1 pelringsemne 30 af støbejern, støbestål eller stål. Ringemnets radielle yderside 31 er ved hjælp af termisk påsprøjtning påført et indkøringslag 32 af Al-bronze i en tykkelse på mindst 0,05 mm, fortrinsvis mindst 0,14 5 mm. Stempelringen 19 i fig. 3 omfatter et støbt stempelringsemne 34 af stål eller støbestål. Da emnet ikke er af støbejern, er det nødvendigt på den radielle stålyderside 35 at påføre et slidlag 36 af et materiale, der har tilfredsstillende giideegenskaber mod 10 cylinderforingens inderside, såsom et eller flere slidlag af Al-bronze og/eller et slidlag af de ovennævnte materialer PM2, PM10, PM14, PM20, PM28 eller LI.

På den radielle yderside 33 af slidlaget er der ved hjælp af termisk sprøjtning påført et indkøringslag 37 15 af Al-bronze i en tykkelse på mindst 0,05 mm. Indkøringslagene på stempelringene kan også have større tykkelse, såsom en tykkelse beliggende i intervallet fra 0,1 til 3,0 mm, fortrinsvis højst 2,00 mm.

I fig. 4 ses et udsnit af stemplet 5, hvor det 20 midterste stempelafsnit er udeladt. På stemplets radielle yderside er der i et øvre afsnit 38, der strækker sig fra ringsporet for den øverste stempelring op til en not 39 for montering af et stempelløfteværktøj, ved hjælp af termisk sprøjtning påført et blødt 25 lag 40 af Al-bronze i en tykkelse på fra 0,05 til 5 mm, fortrinsvis mindst 0,4 mm. Den yderste del af dette lag virker som indkøringslag, og laget kan være af samme sammensætning som indkøringslagene anvendt til stempel-ringene.

30 Et stempelskørt 41 er boltet fast til stemplets underside. Ydersiden af stempelskørtet er ved hjælp af termisk sprøjtning påført et indkøringslag 42 af Albronze i en tykkelse på mindst 0,05 mm, fortrinsvis mindst 0,14 mm. Under dette indkøringslag kan der være 35 et eller flere slidlag af Al-bronze.

14 DK 174241 B1 I fig. 5 ses et udsnit af en cylinderforing 1, der er påført et inderste, forholdsvis hårdt slidlag 43 af Al-bronze, der ligger under det mellemliggende slidlag 36 af Al-bronze og det yderste indkøringslag 37 af Al-5 bronze.

Det er meget velkendt at påsprøjte materialelag på runde emner ved hjælp af termisk sprøjtning. Der kan eksempelvis være tale om flammesprøjtning, plasmasprøjtning, HVOF sprøjtning eller lysbuesprøjtning.

10 Metoder til påsprøjtning er eksempelvis beskrevet i EP-B 0 341 672, EP-A 0 203 556, W095/02023 og i W095/-21994. Sprøjtningen foregår i princippet på samme måde ved de forskellige cylinderelementer, idet sprøjteudstyret og cylinderelementet bringes i indbyrdes rota-15 tion, hvorefter påsprøjtningen igangsættes og fortsætter med ensartede sprøjtebetingelser og gentagne passager hen over cylinderelementets overflade, indtil det påsprøjtede lag er opbygget til den ønskede tykkelse. Når det næste lag skal påsprøj tes gentages pro-20 cessen med de sprøjtebetingelser, der giver laget de ønskede egenskaber. Der gives herefter et konkret eksempel på påsprøjtningen på et cylinderelement.

Eksempel 1 25 En cylinderforing med en indvendig diameter på 600 mm blev påført et lag af Al-bronze på sin inderside ved hjælp af et standard plasmasprøjteapparat af fabrikatet METCO. Afstanden mellem sprøjtehovedet og foringens inderside var 115 mm, og der blev anvendt en strømstyr-30 ke på 500 A. Den indbyrdes rotation mellem sprøjtehovedet og foringen blev indstillet til 27 rpm og til-spændingen i foringens længderetning blev indstillet til 7 mm per omdr. Der blev tilført pulverformet udgangsmateriale af legeringen 9% Al, 1% Fe og resten 3 5 Cu i en mængde på 95 g per minut, hvilket afsatte et 15 DK 174241 B1 lag på 0,02 mm per passage af indersiden. Som bæregas blev anvendt nitrogen. Laget blev opbygget til en tykkelse på 0,1 mm. Derefter blev laget rullet ved hjælp af et rulningsværktøj. Efter rulningen blev 5 lagets gennemsnitlige hårdhed målt til 360 HV20. Der blev derefter påsprøjtet et andet lag med anvendelse af de samme procesbetingelser. Dette lag blev sandblæst, hvorefter lagets gennemsnitlige hårdhed blev målt til 320 HV20. Der blev derefter påsprøjtet et tredie lag 10 med anvendelse af de samme procesbetingelser. Dette lag blev kugleblæst med små stålkugler, hvorefter lagets gennemsnitlige hårdhed blev målt til 280 HV20. Endelig blev der påsprøjtet et indkøringslag, som ikke blev efterbehandlet. Dette lags gennemsnitlige hårdhed blev 15 målt til 180 HV20.

Foringen blev derefter monteret i en motor og blev indkørt sammen med et stempel med et sæt standart stempelringe. Motoren havde et normalt maksimalt forbrændings tryk på 145 bar. Efter en halv times 20 initialdrift ved 15% belastning blev belastningen i løbet af et kvarter øget til 100%, hvorefter driften fortsatte i én time, motoren blev standset, og cylinderforingen blev inspiceret. Der kunne ikke konstateres tegn på egentlige rivninger på cylinderforingens 25 inderside.

Eksempel 2:

Fire stempelringe af støjejern og med en yderdiameter på knap 600 mm blev opspændt ved siden af hinanden og 30 blev påført en Al-bronze belægning ved hjælp af et sprøjteapparat af samme type som anvendt i eksempel 1 og under anvendelse af de samme sprøjtebetingelser, idet nitrogen blev anvendt som bæregas. Laget af Al-bronze blev opbygget til en tykkelse på ca. 0,15 mm, 35 hvorefter den påsprøjtede belægning blev sandblæst. Den 16 DK 174241 B1 gennemsnitlige hårdhed af laget blev målt til 315 HV20. Stempelringene blev adskilt, og blev uden yderligere efterbehandling monteret på et stempel i en standard cylinderforing i samme motor som anvendt i eksempel 1.

5 Indkøringen skete på samme måde som nævnt i eksempel 1, men blot med 1,5 times drift ved 100%. Ved inspektionen efter indkøringen kunne det konstateres, at stempel-ringene ikke viste tegn på rivninger, og at tykkelsen af indkøringslaget var reduceret til gennemsnitligt 10 0,08 mm. Der kunne ligeledes konstateres indslebne facetter i stempelringenes ydersider, hvilket indikerer, at den fortsatte drift med stempelringene kan ske uden dannelse af rivninger.

15 Hvis der ønskes flere hårdhedsøgende oxider i Al bronzen, kan der i stedet for nitrogen anvendes kompressorluft, dvs. komprimeret atmosfærisk luft som bæregas ved påsprøjtningen. Hvis mængden af oxider ønskes begrænset mest muligt, enten fordi laget skal 20 være blødt eller fordi hårdheden primært ønskes fremkaldt ved hjælp af deformationshærdnende legeringselementer, kan der anvendes en inaktiv bæregas, såsom argon.

Cylinderelementet kan som nævnt være påført et 25 større antal forskellige lag af Al-bronze. Det foretrækkes, at lagene har stigende hårdhed i retning bort fra cylinderelementets yderside, og at den gennemsnitlige hårdhed vokser med mindst 20 HV20 fra lag til lag.

I de inderste lag med størst hårdhed kan denne helt 30 eller delvist frembringes ved hjælp af hårdhedsøgende tillegeringer til Al-bronzen, kombineret med mekanisk behandling af lagene. Hvis det yderste indkøringslag ønskes meget blødt, såsom med en gennemsnitlig hårdhed beliggende i intervallet fra 50 til 120 HV20, kan dette 35 ske ved anvendelsen af argon som bæregas og udeladelse 17 DK 174241 B1 af hårdhedsøgende tillegeringer, eventuelt kombineret med en påsprøjtning, der giver et lag med forholdsvis stor porøsitet, såsom mere end 20 volumenprocent. Porøsiteten bidrager til at give laget en blød karak-5 ter, fordi det kan give efter over for hårde lokale belastninger.

Tykkelsen af slidlagene, navnlig af det dybest-liggende, hårdeste slidlag vælges ud fra cylinderelementets forventede levetid, idet tykkelsen vælges 10 passende større end den størst forventede indslidning i laget i løbet af cylinderelementets levetid. Dette gælder især for cylinderforingen, stemplet og stempel-skørtet, og for stempelringene, hvis disses grundmateriale ikke er af støbejern. Hvis stempelringenes 15 grundmateriale er af støbejern, kan det accepteres, men er ikke specielt ønskeligt, at hele slidlaget slides bort i løbet af levetiden. Den samlede slidbelægning kan således have tykkelser på eksempelvis 2 eller 3 mm.

Claims (10)

1. Cylinderelement, såsom en cylinderforing (1), et stempel (5), et stempelskørt (41) eller en stempelring (19) , i en forbrændingsmotor af dieseltypen, 5 navnlig en totakts krydshovedmotor, hvis maksimale forbrændingstryk ved fuldlast overstiger 100 bar, og hvor stemplet er forsynet med flere stempelringe og bevæges i en frem- og tilbagegående bevægelse i en cylinderforing med en slaglængde på i det mindste 600 10 mm, hvilke stempelringe i monteret stand i ringspor, der i aksialretningen har større højde end ringhøjden, har en yderdiameter på mindst 150 mm og hver har en radial yderside, der glider langs foringens inderside (13) , hvilket cylinderelement er forsynet med mindst et 15 termisk påsprøjtet lag på i det mindste en del af cylinderelementets side, kendetegnet ved, at cylinderelementet (l, 5, 19, 41) er påsprøjtet mindst to uden på hinanden beliggende lag af Al-bronze, hvoraf det yderste lag er et indkøringslag (37) med en gennem-20 snitlig hårdhed på højst 330 HV20, og det underliggende lag er et slidlag (36) med en gennemsnitlig hårdhed, der er større end indkøringslagets hårdhed og er mindst 130 HV20.

2. Cylinderelement ifølge krav 1, kende-25 tegnet ved, at slidlaget af Al-bronze er et mellemlag (36), der ligger mellem indkøringslaget (37) og et underliggende slidlag (43) , der har større hårdhed end mellemlaget.

3. Cylinderelement ifølge krav 1 eller 2, k e n -30 detegnet ved, at indkøringslaget (37) af Albronze har en porøsitet på fra 0,2 til 40 volumenprocent .

4. Cylinderelement ifølge et af kravene 1-3, kendetegnet ved, at der er fra 2 til 7 lag 35 af Al-bronze med indbyrdes forskellige egenskaber, og DK 174241 B1 at tykkelserne af de individuelle lag er beliggende i intervallet fra 0,02 til 2,5 mm, fortrinsvis fra 0,10 til 1,0 mm.

5. Cylinderelement ifølge et af kravene 1-4, 5 kendetegnet ved, at legeringen af Al-bronze angivet i vægtprocent og bortset fra almindeligt forekommende urenheder omfatter fra 2 til 20% Al samt eventuelt en eller flere af bestanddelene Sb, Co, Be, Cr, Sn, Mn, Si, Cd, Zn, Fe, Ni, Pb og C i individuelle 10 mængder på højst 5% Sb, højst 5% Co, højst 5% Be, højst 5% Cr, højst 15% Sn, højst 5% Mn, højst 15% Si, højst 2% Cd, højst 15% Zn, højst 5% Fe, højst 20% Ni, højst 20% Pb, højst 2% C og resten andragede mindst 50% Cu.

6. Cylinderelement ifølge krav 5, kende-15 tegnet ved, at legeringen omfatter fra 9 til 10% Al, fra 0 til 1% Fe og resten Cu.

7. Cylinderelement ifølge et af de foregående krav, kendetegnet ved, at lagene af Al bronze omfatter fra 1 til 30 volumenprocent oxider, og 20 at mængden af oxider er mindst, fortrinsvis mindre end 10 volumenprocent, i indkøringslaget (37) og er på mindst 2 volumenprocent, fortrinsvis mindst 10 volumenprocent, i det under indkøringslaget beliggende slidlag.

8. Cylinderelement ifølge et af de foregående krav, kendetegnet ved, at lagene af Al bronze er påsprøjtet uden på hinanden, at et påsprøjtet lag er udsat for en hårdhedsøgende mekanisk påvirkning inden påsprøjtningen af det efterfølgende lag, og at 30 der fortrinsvis ikke er foretaget nogen ruhedsmindsken-de færdigbearbejdning på det sidst påsprøjtede lag.

9. Stempelring (19) i en forbrændingsmotor af dieseltypen, navnlig en totakts krydshovedmotor, hvis maksimale forbrændingstryk ved fuldlast overstiger 100 35 bar, og hvor stemplet (5) er forsynet med flere stem- DK 174241 B1 pelringe og bevæges i en frem- og tilbagegående bevægelse i en cylinderforing (1) med en slaglængde på i det mindste 750 mm, hvilke stempelringe i monteret stand i ringspor, der i aksialretningen har større 5 højde end ringhøjden, har en yderdiameter på mindst 150 mm og hver har en radial yderside, der glider langs foringens inderside (13) , hvilket stempelring er forsynet med mindst et termisk påsprøjtet lag på sin radielle yderside, kendetegnet ved, at det 10 mindst ene påsprøjtede lag (32) er af Al-bronze, at den samlede tykkelse af belægningen af Al-bronze er mindst 0,05 mm, og at det yderste lag er et indkøringslag med en gennemsnitlig hårdhed på højst 330 HV20.

10. Stempelring ifølge krav 9, kendeteg-15 n e t ved, at hårdheden af det yderste lag (32) er øget ved hjælp af mekanisk påvirkning.