DE10061751C1 - Verschleißschutzschicht für Kolbenringe - Google Patents

Abstract

Verschleißschutzschicht für Kolbenringe in Brennkraftmaschinen, im wesentlichen, bestehend aus Chrom-Karbiden, Chrom, Nickel und Molybdän, wobei die Verschleißschutzschicht aus einem Pulver gebildet ist, welches als agglomeriertes und gesintertes Pulver aus den Legierungskomponenten Chrom-Karbid, Chrom, Nickel und Molybdän 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 mum ist und mittels thermischem Spritzens auf mindestens eine Umfangsfläche der Kolbenringe aufgetragen ist, so dass sich eine Matrix, bestehend aus Nickel, Chrom und Molybdän ausgebildet, in der homogen und fein verteilt Chrom-Karbide und diese vorwiegend von molybdänreichen Phasen umgeben sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verschleißschutzschicht für Kolbenringe in Brennkraftmaschinen, die im wesentlichen aus Chrom-Karbiden, Chrom, Nickel und Molybdän gebildet ist. Dabei wird die erfindungsgemäße Beschichtung durch den Einsatz eines Komposit-Pulvers, das mittels eines Hochgeschwindigkeits-Flammspritz- Verfahrens (HVOF) auf die Lauffläche der Kolbenringe aufgetragen wird, erzeugt.

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, dass 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 gesintertem 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.

Die US 4,334,927 offenbart eine weitere Kolbenringbeschichtung, die aus einem Pulver mit einer Partikelgröße zwischen 5 bis 100 µm gebildet ist, wobei sich das Pulver aus Chromkarbiden, Nickel-Chrom-Legierungen und Molybdän zusammensetzt. Eine ähnliche Schichtzusammensetzung, für auf Reibung beanspruchte Bauteile, wird in der DE 35 15 107 C1 beschrieben, auch hier besteht das Spritzpulver aus Molybdän, einer niedrigschmelzenden Nickellegierung und aus Chromkarbiden.

In der JP 030 53 056 A wird ebenfalls eine gattungsgemäße Beschichtung aus Chromkarbiden und Nickel-Chrom, wobei kein Molybdän zum Einsatz kommt. Es kann aber aus keiner dieser Schriften ein Pulver entnommen werden, dass eine Partikelgröße von weniger als 5 µm verwendet werden soll.

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 Pulver gebildet, welches als agglomeriertes und gesintertes Pulver aus den Legierungskomponenten Chrom-Karbid, Chrom, Nickel und Molybdän besteht und keine nachträgliche versprödende Wärmebehandlung wie z. B. Plasmaveredelung erfahren hat, wobei die Karbide im Pulver einen mittleren Durchmesser aufweisen, der im wesentlichen nicht größer als 3 µm ist. Der Einsatz eines Pulvers mit einer Karbidgröße von weniger als 3 µm ist ein wesentlicher Unterschied zu den herkömmlich eingesetzten Pulvern, deren mittlere Karbidgröße bei über 5 µm liegt, 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 meist dendritische Karbide wie zum Beispiel Cr23C6 auf, die sehr viel weicher sind. Erfindungsgemäß bildet sich als Basis in der Verschleißschutzschicht eine Matrixphase, bestehend aus Nickel, Chrom und Molybdän aus, in der homogen und fein verteilt Chrom-Karbide umgeben von molybdänreichen Phasen eingelagert sind. Die molybdänreichen Phasen liegen im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten 5 bis 50 µm großen Molybdänphasen lediglich in einer mittleren Größe von im wesentlichen kleiner als 5 µm vor, so dass sie keine verschleißerhöhenden Phasen in der Schicht darstellen.

Die 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 Verschleißschutzschicht 2 beinhaltet eine Matrix 3, bestehend aus Nickel, Chrom und Molybdän. In die Matrix 3 sind chromkarbidreiche 4 und molybdänreiche 5 Phasen eingelagert.

Claims (10)

1. Verschleißschutzschicht für Kolbenringe in Brennkraftmaschinen, im wesentlichen bestehend aus Chrom-Karbiden, Chrom, Nickel und Molybdän, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht aus einem Pulver gebildet ist, welches als agglomeriertes und gesintertes Pulver aus den Legierungskomponenten Chrom-Karbid, Chrom, Nickel und Molybdän 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 µm ist und mittels thermischem Spritzens auf mindestens eine Umfangsfläche der Kolbenringe aufgetragen ist, so dass sich eine Matrix, bestehend aus Nickel, Chrom und Molybdän ausbildet, in der homogen und fein verteilt Chrom-Karbide eingelagert und diese von molybdänreichen Phasen umgeben sind.

2. Verschleißschutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Chrom-Karbiden zwischen 25 bis 85 Gew.-% und der Anteil der Matrix zwischen 15-75 Gew.-% variiert.

3. Verschleißschutzschicht nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix in der erzeugten Verschleißschutzschicht aus Nickel besteht, mit bis zu 50 Gew.-% Chrom und bis zu 50 Gew.-% Molybdän, wobei der Gesamtanteil an Legierungskomponenten in der Nickel-Matrix 60 Gew.-% nicht überschreitet.

4. Verschleißschutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix in der erzeugten Verschleißschutzschicht aus Nickel besteht und vorzugsweise 10-30 Gew.-% Chrom und 10-30 Gew.-% Molybdän aufweist.

5. Verschleißschutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungsbestandteile mit Anteilen an Kohlenstoff zwischen 8 und 11%, an Nickel zwischen 10 und 30%, an Molybdän zwischen 1 und 10% und Rest Chrom vorhanden sind.

6. Verschleißschutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Karbide in der erzeugten Verschleißschutzschicht einen mittleren Durchmesser aufweisen, der im wesentlichen nicht größer als 3 µm ist und 8 µm nicht überschreitet.

7. Verschleißschutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Karbide in der erzeugten Verschleißschutzschicht vorzugsweise blockig und kleiner als 3 µm vorliegen.

8. Verschleißschutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Karbide in der erzeugten Verschleißschutzschicht als Chrom-Karbide, insbesondere als Cr3C2-Karbide und als Modifikationen des Chromkarbids, vorliegen.

9. Verschleißschutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesser der molybdänreichen Phasen in der erzeugten Verschleißschutzschicht im wesentlichen kleiner als 5 µm sind.

10. Verschleißschutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Spritzverfahren ein Hochgeschwindigkeits- Flammspritzen ist.