DE10061750A1

DE10061750A1 - Wolframhaltige Verschleißschutzschicht für Kolbenringe

Info

Publication number: DE10061750A1
Application number: DE10061750A
Authority: DE
Inventors: Christian Herbst-Dederichs
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2000-12-12
Filing date: 2000-12-12
Publication date: 2002-06-20
Anticipated expiration: 2020-12-13
Also published as: BR0116079A; EP1341946A1; JP2004514795A; JP4394349B2; DE10061750B4; ATE275212T1; DE50103494D1; US7001670B2; BR0116079B1; US20040069141A1; WO2002048422A1; EP1341946B1

Abstract

Verschleißschutzschicht für Kolbenringe in Brennkraftmaschinen, im Wesentlichen bestehend aus Chrom-Karbiden, Wolfram-Karbid, Chrom und Nickel, wobei die Verschleißschutzschicht aus einem Pulvergemisch gebildet ist, in dem das erste Pulver als agglomeriertes und gesintertes Pulver mindestens aus den Legierungskomponenten Chrom-Karbid, Chrom und Nickel besteht, das keine nachträgliche versprödende Wärmebehandlung wie z. B. eine Plasmaveredelung erfahren hat, wobei die Karbide im Pulver einen mittleren Durchmesser aufweisen, der im Wesentlichen nicht größer als 3 mum ist und einem zweiten Pulver, das ebenfalls als agglomeriertes und gesintertes Pulver vorliegt und Wolfram-Karbid enthält und mittels thermischem Spritzens auf mindestens eine Umfangsfläche der Kolbenringe aufgetragen ist, so dass in der Verschleißschutzschicht zwei unterschiedliche Schichtbereiche erzeugt werden, wobei sich ein erster vornehmlich chromkarbidreicher und ein zweiter hauptsächlich wolframkarbidreicher Bereich ausbildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verschleißschutzschicht für Kolbenringe in Brennkraftmaschinen, im wesentlichen bestehend aus Chrom-Karbiden, Wolfram- Karbid, Chrom und Nickel.

Die Laufflächen von Kolbenringen in Verbrennungskraftmaschinen unterliegen während ihres Einsatzes einem Verschleiß. Um den Verschleiß zu minimieren werden die Laufflächen der Kolbenringe mit einer Schutzschicht beaufschlagt. Je nach eingesetztem Fertigungsverfahren gehört es zum allgemeinen Stand der Technik, diese Schichten mittels eines Hochgeschwindigkeits-Flammspritz-Verfahrens zu erzeugen. Bei diesem Verfahren wird das Beschichtungsmaterial, das als Pulver vorliegt, mittels einer Sauerstoff-/Brennstoff-Spritzpistole geschmolzen und auf den Kolbenring aufgespritzt. Die EP 0 960 954 A2 offenbart ein entsprechendes Pulver zur Erzeugung dieser Verschleißschutzschichten. Dieses Pulver enthält Nickel, Chrom und Kohlenstoff, wobei das Chrom als Chrom-Karbid und als Nickel-Chrom-Legierung vorliegen kann. Der Aufsatz: "The Application of Cermet Coating on Piston Ring by HVOF" von H. Fukutome, aus dem Jahre 1995, des japanischen Kolbenringherstellers Teikoku Piston Ring, beschreibt ebenfalls den Einsatz von Chrom-Karbiden und Nickel-Chrom-Legierungen zur Erzeugung von Verschleißschichten mittels Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens. Die in beiden Schriften zum Einsatz kommenden Legierungskomponenten bilden eine Nickel-Chrom-Matrix, in die je nach Legierungsanteil Chrom-Karbide eingelagert sind. Nachteilig an diesen Schichten ist, das sie aufgrund ihrer Härte und Sprödigkeit Rissanfällig sind, wobei die Rissanfälligkeit sogar der lebensdauerbestimmende Faktor für die Kolbenringe sein kann. Diese Rissanfälligkeit resultiert aus den großen Karbiddurchmessern, was spannungsbedingt zu Karbidausbrüchen und damit zum Ringverschleiß führt. Insbesondere in den plasmabehandelten Pulvern liegen die Karbide in einer bereits zersetzten Form vor, so dass die Matrix versprödet und die Karbide durch Umwandlung vom Cr3C2 zu Cr7C3 oder sogar zu Cr23C6 an Härte verlieren. Um diesem Nachteil entgegenzutreten werden in der DE 197 20 627 A1 dem Spritzpulver 20 bis 80 Vol-% Molybdän zugemischt. Molybdän besitzt eine relativ hohe Zähigkeit und kann somit das Risswachstum stoppen. Die Patentanmeldung offenbart bevorzugte Beschichtungen aus gesinterten Chrom-Karbid- und Nickel-Chrom-Pulvern mit bis zu 100 Gew.-% Molybdän. Durch das Einbringen des Molybdäns in das Pulver entstehen aber in der daraus resultierenden Schicht Phasen aus Molybdän, die annähernd die Größe des Ausgangspulvers besitzen und in der Regel einen Durchmesser von 5 bis 50 µm besitzen. Negativ wirkt sich dabei die relativ niedrige Abriebbeständigkeit des Molybdäns aus, die Molybdänphasen werden bevorzugt verschlissen und folglich nimmt die Verschleißbeständigkeit der Schutzschicht ab.

Neben den Chrom-Karbiden werden auch Wolfram-Karbide in die Matrix der Verschleißschutzschicht mit eingelagert. Die europäische Patentschrift EP 0 512 805 B1 beschreibt die Bildung eines Oberflächenschutzes mit Chrom- und Wolfram-Karbiden, wobei die eingelagerten Wolfram-Chrom-Karbide eine Partikelgröße im Bereich von 25 -100 µm aufweisen. Wolfram-Karbide sind härter als Chrom-Karbide und besitzen eine sehr hohe Druck- und Verschleißbeständigkeit. Die außergewöhnlich harten Wolfram-Karbide zeigen aber gleichzeitig einen deutlichen Nachteil bei der Bearbeitung der erzeugten Oberfläche. Die Oberfläche kann mit herkömmlichen Schleifscheiben nicht mehr bearbeitet werden, eine Bearbeitung ist lediglich mit sehr hochwertigen und gleichzeitig teuren Schleifscheiben möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zum Stand der Technik gehörigen Nachteile zu überwinden und eine Verschleißschutzschicht zu erzeugen, die nahezu rissfrei ist und eine hohe Verschleißbeständigkeit besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dokumentiert.

Die erfindungsgemäße Verschleißschutzschicht für die Lauffläche des Kolbenrings ist aus einem Pulvergemisch gebildet, in dem das erste Pulver als agglomeriertes und gesintertes Pulver aus den Legierungskomponenten Chrom-Karbid, Chrom und Nickel besteht, das keine nachträgliche versprödende Wärmebehandlung wie z. B. eine Plasmaveredlung erfahren hat, wobei die Karbide im Pulver einen mittleren Durchmesser aufweisen, der im wesentlichen nicht größer als 3 µm ist und einem zweiten Pulver, das ebenfalls als agglomeriertes und gesintertes Pulver vorliegt und als wesentliches Merkmal Wolfram-Karbid enthält und mittels thermischem Spritzens auf mindestens eine Umfangsfläche der Kolbenringe aufgetragen ist, so dass in der Verschleißschutzschicht zwei unterscheidbare Schichtbereiche erzeugt werden, wobei sich ein erster vornehmlich chromkarbidreicher und ein zweiter hauptsächlich wolframkarbidreicher Bereich ausbildet.

Der Einsatz eines Pulvers mit einer Karbidgröße von weniger als 3 µm ist ein wesentlicher Unterschied zu den herkömmlich eingesetzten Pulvern, deren mittlere Karbidgröße liegt bei über 5 µm, meistens jedoch sogar über 10 µm. Durch die Verringerung der Karbidgröße wird der Karbidausbruch verringert, die Rissgefahr wird minimiert und gleichzeitig werden die Eigenspannungen im Karbid reduziert was wiederum die Karbidzerrüttungstendenz verkleinert. Ein weiterer wesentlicher Unterschied ist der Einsatz von Primärkarbiden im Ausgangspulver, die vorwiegend als blockige Cr3C2- und Cr7C3-Karbide vorliegen. Die über die herkömmliche Schmelzverdüsung gewonnen Pulver weisen dagegen meist dendritische Karbide und vorwiegend aufgelöste Karbide wie zum Beispiel Cr23C6 auf, die sehr viel weicher sind.

Erfindungsgemäß bilden sich zwei unterscheidbare Schichtbereiche als Basis in der Verschleißschutzschicht aus. Dabei ist der Schichtaufbau ungeordnet. Den ersten Schichtbereich bildet beispielsweise eine Matrix aus Nickel, Chrom und Molybdän aus, in der homogen und fein verteilt Chrom-Karbide und molybdänreiche Phasen eingelagert sind. Die Molybdänphasen liegen im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten 5 bis 50 µm großen Molybdänphasen lediglich in einer Größe von unter 5 µm vor, so dass keine verschleißerhöhenden Phasen in der Matrix vorliegen.

Im zweiten sichtlich unterscheidbaren Schichtbereich sind in die Nickel-Matrix vernehmlich Wolfram- und Chrom-Karbide eingelagert. Dabei haben die Wolfram- Karbide im wesentlichen einen Durchmesser, der kleiner als 1,5 µm ist und die Chrom- Karbide einen Durchmesser, der im wesentlichen kleiner als 3 µm ist, wodurch die spanende Bearbeitung unterstützt wird. Ein diesem Schichtaufbau entsprechendes Verhältnis könnte beispielhaft aus 2-Teilen wolframkarbidreichen Bereichen und 8 Teilen chromkarbidreichen Bereichen bestehen. Versuche in realen Verbrennungsmotoren haben gezeigt, dass eine nach diesem Beispiel ausgebildete Verschleißschutzschicht auf den Kolbenringen eine völlige Rissfreiheit und ein annähernd mit galvanisch erzeugten Schichten vergleichbares Verschleißverhalten aufwies.

Durch die Überlagerung der beiden Schichtwerkstoffe in einer Verschleißschutzschicht ist es nun möglich, die relativ gute Bearbeitbarkeit der Chrom-Karbide mit der sehr hohen Verschleißbeständigkeit des Wolfram-Karbids kombinativ zu vereinen. Ein sich hieraus ergebender Vorteil ist, dass eine Bearbeitung bei völliger Rissfreiheit mit herkömmlichen Schleifscheiben problemlos möglich ist, dass heißt, eine Fertigbearbeitung ist nicht kostenintensiver als bei einer herkömmlichen, mittels heutiger Plasmaspritztechniken erzeugten Verschleißschutzschicht.

Die Cobaltanteile in der Legierung dienen insbesondere als Bindemittel in den wolframkarbidreichen Bereichen. Die Hartstoffphasen Chrom-Karbid und Wolfram- Karbid sind die Träger der Härte und bestimmen unter anderem die Verschleißeigenschaften, während das Bindemetall der Verschleißschutzschicht die Zähigkeit verleiht.

Eine erfindungsgemäße Verschleißschutzschicht für einen Kolbenring einer Verbrennungskraftmaschine ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird im weiteren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Verschleißschutzschicht auf einem Kolbenring. In Fig. 1 ist auf einen Kolbenring 1 eine Verschleißschutzschicht 2 aufgebracht. Die Grenzen 3 in der Verschleißschutzschicht 2 markieren die unterschiedlichen Schichtbereiche 4 und 5. Der Schichtbereich 4 beinhaltet vernehmlich chromkarbidreiche Phasen 6 und Molybdänphasen 7 die Matrix 8 besteht hauptsächlich aus Nickel und Chrom. Der Schichtbereich 5 besitzt in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls eine Nickel-Chrom-Matrix, in die hauptsächlich Wolfram-Karbide 9 und Chrom-Karbide 10 eingelagert sind.

Claims

1. Verschleißschutzschicht für Kolbenringe in Brennkraftmaschinen, im wesentlichen bestehend aus Chrom-Karbiden, Wolfram-Karbid, Chrom und Nickel, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht aus einem Pulvergemisch gebildet ist, in dem das erste Pulver als agglomeriertes und gesintertes Pulver mindestens aus den Legierungskomponenten Chrom-Karbid, Chrom und Nickel besteht, das keine nachträgliche versprödende Wärmebehandlung wie z. B. eine Plasmaveredlung erfahren hat, wobei die Karbide im Pulver einen mittleren Durchmesser aufweisen, der im wesentlichen nicht größer als 3 µm ist und einem zweiten Pulver, das ebenfalls als agglomeriertes und gesintertes Pulver vorliegt und Wolfram-Karbid enthält und mittels thermischem Spritzens auf mindestens eine Umfangsfläche der Kolbenringe aufgetragen ist, so dass in der Verschleißschutzschicht zwei unterscheidbare Schichtbereiche erzeugt werden, wobei sich ein erster vornehmlich chromkarbidreicher und ein zweiter hauptsächlich wolframkarbidreicher Bereich ausbildet.

2. Verschleißschutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Pulver zusätzlich Chrom, Kohlenstoff und Nickel enthält, so dass beim Spritzen wolframkarbidreiche Bereiche entstehen, in denen vornehmlich Wolfram-Karbide, Chrom-Karbide und Nickel vorliegen.

3. Verschleißschutzschicht nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungsbestandteile in den wolframkarbidreichen Bereichen mit Anteilen an Kohlenstoff zwischen 8 und 11%, an Nickel zwischen 6 und 8%, an Chrom zwischen 18 und 24% und der Rest an Wolfram vorhanden sind.

4. Verschleißschutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Pulver zusätzlich Nickel enthält, so dass beim Spritzen wolframkarbidreiche Bereiche entstehen, in denen vornehmlich Wolfram-Karbide und Nickel vorliegen.

5. Verschleißschutzschicht nach einem der Ansprüche 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungsbestandteile mit Anteilen an Kohlenstoff zwischen 4 und 6%, an Nickel zwischen 11 und 18% und der Rest an Wolfram vorhanden sind.

6. Verschleißschutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Pulver zusätzlich Cobalt und Chrom enthält, so dass beim Spritzen wolframkarbidreiche Bereiche entstehen, in denen vornehmlich Wolfram-Karbide in einer Cobalt-Chrom-Legierung vorliegen.

7. Verschleißschutzschicht nach einem der Ansprüche 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungsbestandteile mit Anteilen an Cobalt zwischen 6 und 18%, an Chrom zwischen 0,01 und 9% und der Rest an Wolfram vorhanden sind.

8. Verschleißschutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die chromkarbidreichen Bereiche zusätzlich Molybdän enthalten.

9. Verschleißschutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die chromkarbidreichen Bereiche zwischen 7 und 10% Kohlenstoff, 10-20% Nickel, 1-10% Molybdän und Rest Chrom enthalten.

10. Verschleißschutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der wolframkarbidreichen Bereiche im Gemisch zwischen 1 und 95 Vol.-% beträgt.

11. Verschleißschutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesser der molybdänreichen Phasen in den chromkarbidreichen Bereichen im wesentlichen nicht größer als 5 µm sind.

12. Verschleißschutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wolfram-Karbide im Mittel nicht größer als 1,5 µm sind.

13. Verschleißschutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wolfram-Karbide als WC-Karbide und als Modifikationen des Wolfram-Karbids vorliegen.

14. Verschleißschutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Chrom-Karbide einen mittleren Durchmesser von 8 µm nicht wesentlich überschreiten.

15. Verschleißschutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Chrom-Karbide als Cr3C2-Karbide und als Modifikationen des Chrom-Karbids vorliegen.

16. Verschleißschutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als thermisches Spritzverfahren das Hochgeschwindigkeits- Flammspritzen (HVOF) eingesetzt wird.