DE10163976A1

DE10163976A1 - Verfahren zur Erzeugung einer Verschleißschutzschicht mittels eines Lichtbogenspritzverfahrens

Info

Publication number: DE10163976A1
Application number: DE10163976A
Authority: DE
Inventors: Manfred Fischer; Peter Goedel; Werner Truebenbach; Markus Mueller
Original assignee: Federal Mogul Friedberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Friedberg GmbH
Priority date: 2001-12-22
Filing date: 2001-12-22
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2021-12-23
Also published as: DE10163976B4

Abstract

Verfahren zur Erzeugung einer verschleißfesten Oberflächenbeschichtung für Laufflächen von auf reibenden Verschleiß beanspruchten Maschinenteilen, insbesondere Kolbenringen von Verbrennungskraftmaschinen, mittels eines thermischen Spritzverfahrens, wobei die Oberflächenbeschichtung mittels eines Lichtbogenspritzverfahrens aufgebracht wird und die Metallmatrix der Oberflächenbeschichtung ein Eisen- oder ein Nickel-Basiswerkstoff ist und dass in den Basiswerkstoff Anteile von Chrom, Bor, Silizium, Chromkarbid, Titankarbid, Wolframkarbid, Molybdänkarbid sowie Kohlenstoff einlegiert und/oder vorhanden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer verschleißfesten Oberflächenbeschichtung für Laufflächen von auf reibenden Verschleiß beanspruchten Maschinenteilen, insbesondere Kolbenringen von Verbrennungskraftmaschinen, mittels eines thermischen Spritzverfahrens.

Der Einsatz der Maschinenteile ist besonders in Motoren moderner Bauart vorteilhaft, wo diese thermisch besonders stark belastet werden, und der Einsatz von Beschichtungswerkstoffen nach dem Stand der Technik nur begrenzt möglich ist. Beschichtungen, die mittels verschiedener thermischer Spritzprozesse auf Kolbenringe aufgetragen werden, zeichnen sich durch eine hohe Verschleißfestigkeit, eine hohe Variabilität der Beschichtungszusammensetzungen, geringe Kosten und durch eine hohe Produktivität des Beschichtungsprozesses aus. Durch die Variabilität der Werkstoffauswahl beim thermischen Spritzen kann insbesondere der Schichtaufbau außergewöhnlich gut an das Belastungsniveau des jeweiligen Motors angepasst werden. Von Vorteil beim Beschichten durch thermisches Spritzen ist weiterhin die geringe thermische Belastung des Zusatzwerkstoffes. Eine Porosität die sich mit Schmiermitteln füllt und hervorragende Notlaufeigenschaften sichert, kann zielgerichtet eingebracht werden.

Basiswerkstoff für thermisch gespritzte Schichten nach dem Stand der Technik ist Molybdän. Molybdänschichten sind brandspursicher und derartig beschichtete Kolbenringe können vorteilhaft in thermisch hoch belasteten Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden.

Als thermische Spritzverfahren zum Aufspritzen des Molybdäns werden das Flammspritzverfahren und das Plasmaspritzverfahren angewendet, bei denen das Molybdän in einer Flamme aus brennbaren Gasgemischen bzw. in einem Plasmalichtbogen aufgeschmolzen und, vom Gasstrom mitgerissen, auf den Kolbenring aufgespritzt wird.

Im Flammspritzverfahren aufgetragene Molybdänschichten besitzen trotz einer hohen Härte eine geringere Verschleißfestigkeit als galvanische Hartchromschichten und flammgespritzte Molybdänschichten müssen zur Erreichung der gleichen Lebensdauer mit entsprechend größerer Schichtdicke aufgetragen werden. In dickeren Molybdänschichten bauen sich aber verstärkt Eigenspannungen auf und es kann bei dicken Schichten unter extremen Belastungen leichter zu Schichtrissen und Schichtausbrüchen kommen.

Im Plasmaspritzverfahren aufgetragene Molybdänschichten weisen wegen der wesentlich höheren Spritztemperatur höhere Schichtfestigkeiten auf als im Flammspritzverfahren aufgetragene Molybdänschichten. Im Plasmaspritzverfahren aufgetragene Molybdänschichten sind aber relativ weich und sie verschleißen infolgedessen wesentlich schneller. Die zur Abhilfe mit größerer Schichtdicke aufgetragenen Molybdänschichten besitzen dann die gleichen Probleme wie im Flammspritzverfahren aufgetragene Molybdänschichten.

In der DE 38 02 920 C1 wird eine verschleißfeste Beschichtung beschrieben, die aus einem Spritzmaterial aus 40 bis 60 Gew.-% Molybdän, 0 bis 35 Gew.-% eines Hartstoffes und zwischen 10 und 50 Gew.-% einer niedrigschmelzenden Legierung durch ein Lichtbogenspritzverfahren hergestellt ist, wobei durch eine Reaktion vom organischen Trägergas mit Molybdän weitere Hartstoffe gebildet werden. Das Spritzmaterial zur Herstellung der Beschichtung besitzt die Form eines gefüllten Drahtes, dessen Hülle aus Molybdän oder einer niedrigschmelzenden Legierung besteht, und dessen Füllung aus den Restbestandteilen so zusammengesetzt ist, dass sich beim Abschmelzen im Lichtbogen die eingesetzte Spritzmaterialzusammenstellung ergibt und, durch die Trägergase mitgerissen, auf das Substrat aufgespritzt wird. Besonders harte Molybdänteilchen werden durch Lösen im Gefüge oder auch chemische Reaktion von Molybdän mit dem Trägergas gebildet, das unter anderem bevorzugt Stickstoff, Sauerstoff, Acetylen, Methan oder Ethan enthält. Die verschleißfesten Beschichtungen sind somit zwar einfach herstellbar, aufgrund des Einsatzes von explosionsgefährdeten Gasen im Herstellungsprozess ist jedoch der Aufwand für Sicherheitsvorkehrungen nicht unerheblich.

In der DE 196 40 789 A1 wird weiterhin ein Verfahren und es werden beschichtete verschleißfeste Bauteile für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Kolbenringe, zum Einsatz im Motoren- und Fahrzeugbau beschrieben.

Es handelt sich hierbei um Kolbenringe auf denen sich auf der verschleißbeanspruchten Oberfläche eine mittels thermischer Spritzverfahren aufgetragene Schicht befindet, die dadurch charakterisiert ist, dass mehrere Ti- enthaltende und/oder Ti- und ein zweites Metall enthaltende Hartstoffphasen und eine metallische Binderphase nachweisbar sind. Der besondere Vorteil der Anwendung dieses Schichtsystems besteht darin, dass die die Brandspursicherheit gewährleistende Komponente Molybdän mit den anderen Grundkomponenten des Beschichtungssystems kompatibel ist. Molybdän kann in der Hartstoffphase als auch in der Binderphase gebunden sein.

Diese Kompatibilität des Molybdäns mit den anderen Komponenten und die Möglichkeit der Regulierung seiner Gehalte zwischen Hartstoffphasen und Binderphase bietet auch die Möglichkeit den Gehalt dieser teuren Komponente in der Schicht auf ein Minimum zu begrenzen und andererseits ein Optimum der Verschleißfestigkeit des Kolbenringes im Gesamtsystem einzustellen. Nachteilig ist, dass der Einsatz von Molybdän einer wirtschaftlichen Fertigung immer entgegen steht.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung einer verschleißfesten Oberflächenbeschichtung zu liefern, dass ohne Einsatz von explosionsgefährdeten Gasen anwendbar ist und dass eine wirtschaftliche Herstellung gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dokumentiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist ein thermisches Spritzverfahren auf, um die Oberflächenbeschichtung auf die zu beschichteten Kolbenringe aufzutragen. Durch die guten Hafteigenschaften der Spritzwerkstoffe ist ein Aufbringen einer Haftschicht zwischen der Kolbenringoberfläche und der Verschleißschicht bzw. Oberflächenbeschichtung nicht erforderlich.

Die metallische Matrix der Oberflächenschicht für die Kolbenringe kann aus einem Eisen- oder einem Nickel-Basiswerkstoff bestehen, in die Anteile von Chrom, Bor und Silizium und karbidischen Hartstoffen einlegiert sind. Hierbei wird als Hartstoff vornehmlich ein Chromkarbid als Cr₃C₂ eingesetzt. Von den Legierungskomponenten TiC, WC und Mo₂C sind lediglich kleine Anteile vorhanden, die in der Summe einen Anteil von 15 Gew.-% nicht überschreiten, vorzugsweise soll die Summe einen Anteil von 5 Gew.-% nicht überschreiten. Weiterhin können in der Schicht Anteile an Kohlenstoff vorhanden sein, die aber in der Summe kleiner als 1 Gew.-% betragen.

Die eingesetzten Basiswerkstoffe bilden mit Ihren Legierungskomponenten selbstfließende Hartlegierungen, die sich durch Ihre ökonomische Einsatzfähigkeit auszeichnen.

Ein weiterer positiver Effekt ergibt sich durch die Wahl eines Lichtbogenspritzverfahrens, hierdurch ist es möglich sehr hohe Auftragsleistungen zu erzielen, was sich wiederum in kurzen Zyklus- bzw. Beschichtungszeiten widerspiegelt. Auch die geringeren Ersatzteilkosten beim Lichtbogenspritzverfahren gegenüber anderen thermischen Spritzverfahren beeinflussen die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens positiv.

Bevorzugt ist ein Verfahren zur Erzeugung der Oberflächenbeschichtung derart, dass die zu erzeugende Verschleißschutzschicht einen Anteil an Chrom zwischen 3 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% aufweist. Bevorzugter beträgt der Chromanteil etwa 20 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-%.

Als Hartstoffe werden vornehmlich Karbide verwendet und hier insbesondere Chromkarbide, die als Cr₃C₂-Karbide vorliegen, dabei beträgt der Chromkarbidanteil in der Oberflächenbeschichtung zwischen 5 Gew.-% und 30 Gew.-%. In einer bevorzugteren Ausführungsform liegt der Chromkarbidanteil in der Oberflächenbeschichtung zwischen 10 Gew.-% und 15 Gew.-%.

Neben den hohen Anteilen an Hartstoffen aus Chromkarbiden können in der Oberflächenbeschichtung auch Spuren von Karbiden aus Titan, Wolfram und Molybdän vorhanden sein, diese können dann als TiC, WC und Mo₂C vorliegen.

Die Oberflächenschichten bestehen aus metallischen Basiswerkstoffen, wobei der Basiswerkstoff Eisen oder Nickel sein kann. Lediglich der Anteil der Legierungskomponenten variiert je nach Einsatz des Basiswerkstoffes. Der Borgehalt im Eisenbasiswerkstoff liegt erfindungsgemäß zwischen 1 Gew.-% und etwa 6 Gew.-%, bevorzugt aber zwischen 2 Gew.-% bis etwa 4 Gew.-%. Der Siliziumgehalt im Eisenbasiswerkstoff liegt zwischen 1 Gew.-% bis etwa 3 Gew.-%, bevorzugt aber zwischen 1 Gew.-% und etwa 2 Gew.-%.

Im Gegensatz zum Nickelbasiswerkstoff hat es sich gezeigt, dass ein Mangananteil im Eisenbasiswerkstoff die Oberflächenbeschichtung positiv beeinflusst. So wird erfindungsgemäß vorgeschlagen einen Anteil von weniger als 4 Gew.-% als Legierungskomponente dem Eisenbasiswerkstoff hinzuzufügen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen als Basiswerkstoff Nickel zu verwenden. Der Borgehalt im Nickelbasiswerkstoff liegt erfindungsgemäß zwischen 1 Gew.-% und etwa 6 Gew.-%, bevorzugt aber zwischen 1 Gew.-% und etwa 2 Gew.-%. Der Siliziumgehalt im Nickelbasiswerkstoff liegt zwischen 2 Gew.-% und etwa 10 Gew.-%, bevorzugt aber zwischen 4 Gew.-% und etwa 6 Gew.-%.

Vorzugsweise ist das thermische Spritzverfahren, mit dem die erfindungsgemäße Schicht aufgetragen wird, ein Lichtbogenspritzverfahren. Es können in diesem Lichtbogenspritzverfahren sowohl Fülldrähte als auch Massivdrähte zur Anwendung kommen. Mit der jeweiligen Legierungszusammensetzung der Drähte, kann der Anteil der einzelnen Legierungskomponenten in der zu erzeugenden Oberflächenbeschichtung eingestellt und gesteuert werden.

Hierbei kommen Massivdrähte mit einem Durchmesser von etwa 1,6 mm bis etwa 2,5 mm zum Einsatz. Die Durchmesser der Fülldrähte können zwischen etwa 2,3 mm bis etwa 2,5 mm variieren.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung einer verschleißfesten Oberflächenbeschichtung für Laufflächen von auf reibenden Verschleiß beanspruchten Maschinenteilen, insbesondere Kolbenringen von Verbrennungskraftmaschinen, mittels eines thermischen Spritzverfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung mittels eines Lichtbogenspritzverfahrens aufgebracht wird, wobei die Metallmatrix der Oberflächenbeschichtung ein Eisen- oder ein Nickel-Basiswerkstoff ist und dass in den Basiswerkstoff Anteile von Chrom, Bor, Silizium, Chromkarbid, Titankarbid, Wolframkarbid, Molybdänkarbid sowie C einlegiert und/oder enthalten sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Chromanteil in der Oberflächenbeschichtung zwischen 3 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% beträgt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Chromanteil in der Oberflächenbeschichtung zwischen 20 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-% beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Chromkarbide als Cr₃C₂-Karbide vorliegen und dass der Chromkarbidanteil in der Oberflächenbeschichtung zwischen 5 Gew.-% und 30 Gew.-% beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Chromkarbide als Cr₃C₂-Karbide vorliegen und dass der Chromkarbidanteil in der Oberflächenbeschichtung zwischen 10 Gew.-% und 15 Gew.-% beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Oberflächenbeschichtung Legierungsanteile von TiC, WC und Mo₂C vorhanden sind, die in der Summe nicht mehr als 15 Gew.-%, insbesondere nicht mehr als 5 Gew.-%, betragen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung aus einem Eisenbasiswerkstoff besteht und dass der Borgehalt zwischen 1 Gew.-% bis etwa 6 Gew.-% beträgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung aus einem Eisenbasiswerkstoff besteht und dass der Borgehalt zwischen 2 Gew.-% bis etwa 4 Gew.-% beträgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung aus einem Eisenbasiswerkstoff besteht und dass der Siliziumgehalt zwischen 1 Gew.-% bis etwa 3 Gew.-% beträgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung aus einem Eisenbasiswerkstoff besteht und dass der Siliziumgehalt zwischen 1 Gew.-% bis etwa 2 Gew.-% beträgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung aus einem Eisenbasiswerkstoff besteht und dass in der Schicht Anteile von Mangan enthalten sind und dass der Mangangehalt weniger als 4 Gew.-% beträgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung aus einem Nickelbasiswerkstoff besteht und dass der Borgehalt zwischen 1 Gew.-% bis etwa 6 Gew.-% beträgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung aus einem Eisenbasiswerkstoff besteht und dass der Borgehalt zwischen 1 Gew.-% bis etwa 2 Gew.-% beträgt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung aus einem Eisenbasiswerkstoff besteht und dass der Siliziumgehalt zwischen 2 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% beträgt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung aus einem Eisenbasiswerkstoff besteht und dass der Siliziumgehalt zwischen 4 Gew.-% bis etwa 6 Gew.-% beträgt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in der Oberflächenbeschichtung Anteile von Kohlenstoff enthalten sind, und dass die Anteile an Kohlenstoff kleiner als 1 Gew.-% betragen.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Lichtbogenspritzverfahren ein Fülldraht mit geschlossener Hülle verwendet wird, wobei die Hülle aus dem Basiswerkstoff der Oberflächenschicht gebildet wird und die Füllung die Legierungsbestandteile beinhaltet.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Lichtbogenspritzverfahren ein Massivdraht verwendet wird.

19. Verschleißfeste Oberflächenbeschichtung für Laufflächen von auf reibenden Verschleiß beanspruchten Maschinenteilen, insbesondere Kolbenringen von Verbrennungskraftmaschinen, mittels eines thermischen Spritzverfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung mittels eines Lichtbogenspritzverfahrens aufgebracht ist, wobei die Metallmatrix der Oberflächenbeschichtung ein Eisen- oder ein Nickel-Basiswerkstoff ist und dass in den Basiswerkstoff Anteile von Chrom, Bor, Silizium, Chromkarbid, Titankarbid, Wolframkarbid, Molybdänkarbid sowie Kohlenstoff einlegiert und/oder vorhanden sind.