DE102005011438B3

DE102005011438B3 - Verfahren zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten an Kolbenringen sowie mit einer Verschleißschutzschicht versehener Kolbenring

Info

Publication number: DE102005011438B3
Application number: DE200510011438
Authority: DE
Inventors: Steffen Dr. Hoppe; Volker Dr. Scherer; Michael Buchmann
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2005-03-12
Filing date: 2005-03-12
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2025-03-13
Also published as: WO2006097057A1

Abstract

Verfahren zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten an einem aus Stahl oder Gusseisen bestehenden Kolbenring-Grundkörper, indem zunächst der Laufflächenbereich zumindest partiell mit einer mindestens einlagigen thermischen Spritzschicht auf Basis stickstoffaffiner metallischer Element versehen wird, dergestalt, dass die Spritzschicht eine Porosität im Bereich von 3 bis 10% beinhaltet und anschließend zumindest die Flanken und der Laufflächenbereich samt darauf aufgebrachter Spritzschicht einem Nitrierprozess unterzogen werden, wobei einerseits auf der jeweiligen Flanke eine Nitrierschicht definierter Schichtdicke erzeugt wird und andererseits durch Eindiffundieren von Nitriergas in die Spritzschicht Nitride gebildet werden und unterhalb der Spritzschicht eine zusätzliche Nitrierschicht definierter Schichtdicke gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten an einem aus Stahl oder Gusseisen bestehenden Kolbenring-Grundkörper.

Der DE 199 31 829 A1 ist eine galvanische Hartchromschicht, insbesondere für einen Kolbenring, zu entnehmen, die im Wesentlichen aus einem sechswertiges Chrom enthaltenden Elektrolyten gebildet ist, wobei sich in der Schicht Risse befinden und in diesen Rissen Diamantpartikel eingelagert sind, die eine Partikelgröße von 0,25 bis 0,5 μm besitzen. Je nach Einsatz der galvanischen Hartchromschicht kann es von Vorteil sein, wenn zusätzlich eine Oberflächenhärtung durchgeführt wird. Hierbei wird auf das Nitrieren, insbesondere das Plasmanitrieren, zurückgegriffen, wobei auch das Ionenimplantieren, beispielsweise mit Stickstoff, denkbar ist.

Durch die DE 102 21 800 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung von Verschleißschichten an Stahlkolbenringen bekannt geworden, bei welchem die Lauffläche in einem ersten Arbeitsschritt zumindest partiell mit einer Laufflächenbeschichtung versehen wird und zur Erzeugung einer Härte HV 0,1 > 1400 in einem zweiten Arbeitsschritt zumindest die Flanken durch Plasmanitrieren mit einer Nitrierschicht versehen werden, dergestalt, dass der Arbeitsschritt des Plamanitrierens in Abhängigkeit von der zum Einsatz gelangenden Laufflächenbeschichtung im Temperaturbereich < 490°C durchgeführt wird.

Aus der DE 39 25 865 C1 ist eine verschleißfeste, brandspursichere und ausbruchsichere Beschichtung auf der Kolbenringlauffläche zu entnehmen. Die Beschichtung ist aufgespritzt und wird anschließend nitriert. Die Flankenflächen der Kolbenringe werden nicht behandelt.

Die JP 60 082 654 A offenbart ebenfalls einen Kolbenring dessen Lauffläche mittels Spritzen beschichtet wird und die anschließend nitriert wird. Eine Flankenbeschichtung wird nicht beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten an Kolbenringen bereitzustellen, bei welchem in der Verschleißschutzschicht tribologisch wirksame Nitride erzeugt werden und selbst nach Verschleiß der Oberflächenbeschichtung laufflächenseitig noch ein Verschleißreservoir gegeben ist. Darüber hinaus soll ein Kolbenring konzipiert werden, der durch Modifizierung der laufflächenseitigen Verschleißschutzschicht eine erhöhte Standzeit aufweist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten an einem aus Stahl oder Gusseisen bestehenden Kolbenringgrundkörper, indem zunächst der Laufflächenbereich zumindest partiell mit einer mindestens einlagigen thermischen Spritzschicht auf Basis stickstoffaffiner metallischer Elemente versehen wird, dergestalt, dass die Spritzschicht eine Porosität im Bereich von 3 bis 10 % beinhaltet und anschließend zumindest die Flanken und die Lauffläche samt darauf aufgebrachter Spritzschicht einem Nitrierprozess unterzogen werden, wobei einerseits auf der jeweiligen Flanke eine Nitrierschicht definierter Schichtdicke erzeugt und andererseits durch Eindiffundieren von Nitriergas in die Spritzschicht Nitride gebildet werden und unterhalb der Spritzschicht eine zusätzliche Nitrierschicht definierter Schichtdicke gebildet wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den zugehörigen verfahrensgemäßen Unteransprüchen zu entnehmen.

Diese Aufgabe wird bei einem Kolbenring mit einem aus Stahl oder Gusseisen bestehenden Grundkörper, der einen Laufflächenbereich sowie Flanken aufweist und wobei der Laufflächenbereich zumindest partiell mit einer thermischen Spritzschicht versehen ist und die Flanken eine Nitrierschicht aufweisen, auch dadurch gelöst, dass die stickstoffaffine, metallische Elemente enthaltende eine Porosität im Bereich von 3 bis 10 % aufweisende Spritzschicht durch eine Gasnitrierung dergestalt gehärtet ist, dass in der Spritzschicht Metallnitride vorliegen und laufflächenbereichsseitig unterhalb der Spritzschicht eine Nitrierschicht mit definierter Schichtdicke gebildet ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbenringes sind den zugehörigen gegenständlichen Unteransprüchen zu entnehmen.

Der thermisch gespritzte Schichtwerkstoff enthält vorteilhafterweise stickstoffaffine metallische Elemente, wie Cr, Mo, Ti, W, einzeln oder in Kombination, so dass durch den sich an das thermische Spritzen anschließenden Nitrierprozess im Schichtwerkstoff tribologisch wirksame Nitride (CrN, MoN, TiN, WN) erzeugt werden. Zusätzlich wird im gleichen Arbeitsgang an den Kolbenringflanken eine verschleißbeständige Nitrierschicht gebildet.

Infolge der Gasnitrierung wird unterhalb der thermischen Spritzschicht eine zusätzliche Nitrierschicht gebildet, die ein sogenanntes Verschleißreservoir bildet, so dass die Standzeit des erfindungsgemäßen fertigen Kolbenrings erhöht wird.

Darüber hinaus wird der Fertigungsprozess wesentlich vereinfacht, da zuerst die thermische Spritzschicht auf den Laufflächenbereich aufgebracht und anschließend der Nitrierprozess als abschließender Fertigungsprozess vorgenommen wird.

Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen:
1 bis 3 Querschnitte durch Kolbenringe mit erfindungsgemäßen Verschleißschutzschichten.
Die in den 1 bis 3 dargestellten Kolbenring-Grundkörper 1, 2, 3 weisen jeweils einen Laufflächenbereich 4, 5, 6, Flanken 7, 8, 9 sowie eine innere Umfangsfläche 10, 11, 12 auf. Die Kolbenring-Grundkörper 1 bis 3 sind mit unterschiedlich ausgebildeten Verschleißschutzschichten und ebenfalls unterschiedlichen Querschnitten versehen.
In 1 wird der Laufflächenbereich 4 eines aus Stahl bestehenden Kolbenring-Grundkörpers 1 mit einem pulverförmigen aus Mo und Hartstoff bestehenden Beschichtungswerkstoff durch Plasmaspritzen mit der abgebildeten Spritzschicht 4' versehen. Die in 1 angesprochene thermische Spritzschicht 4' soll eine maximale Porosität von 10 % haben. Daran anschließend werden die Flanken 7 und der die Spritzschicht 4' beinhaltende Laufflächenbereich 4 einem Nitrierprozess unterzogen. In diesem Beispiel soll das Gasnitrierverfahren zum Einsatz gelangen. An Hartstoff soll in diesem Beispiel in der Spritzschicht Chrom enthalten sein. Im Verlauf des Nitrierprozesses werden die Flanken 7 mit einer Nitrierschicht 7' mit definierter Schichtdicke versehen. Im Verlauf des Nitrierprozesses diffundiert das Nitriergas (N) in die Spritzschicht 4' ein, so dass unterhalb der Spritzschicht 4' eine Nitrierschicht 4'' mit definierter Schichtdicke gebildet wird. Im Verlauf des Eindiffundierens des Nitriergases werden im Schichtwerkstoff tribologisch wirksame Nitride, wie MoN und CrN erzeugt, wodurch sogenannte selektive, Metallnitride enthaltende, Inseln 13 innerhalb der Spritzschicht 4' gebildet werden. Durch gezielte Auswahl der stickstoffaffinen Metalle bzw. deren Mengenanteile können maßgeschneiderte Nitridpartikel im Schichtwerkstoff erzeugt werden. Die Nitrierschicht 4'' bildet ein sogenanntes Verschleißreservoir, durch welches die Standzeit des Kolbenringes 1 erhöht wird.
Der aus Gusseisen bestehende Kolbenring-Grundköper 2 gemäß 2 ist in seinem Laufflächenbereich 5 ebenfalls mit einer thermischen Spritzschicht 5' versehen, die die in 2 dargestellte Kontur besitzt. Als Beschichtungswerkstoff soll in diesem Beispiel ein Werkstoff aus Metallkarbid mit Karbiden auf Basis von Chrom und Wolfram zum Einsatz gelangen, wobei der Werkstoff durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF) im Laufflächenbereich 5 aufgebracht wird. Die Porosität der Spritzschicht 5' soll in diesem Beispiel 7 % betragen. Wie bereits zu 1 beschrieben, wird auch der Kolbenring-Grundkörper 2 gemäß 2 daran anschließend einem Nitrierprozess unterworfen, wobei im Bereich der Flanken 8 Nitrierschichten 8' erzeugt werden. Innerhalb der thermischen Spritzschicht 5' werden auch hier durch eindiffundierendes Nitriergas Nitride gebildet (CrN, WN). Analog zu 1 werden auch hier selektive, Metallnitride enthaltende, Inseln 13 innerhalb der Spritzschicht 5' gebildet. Unterhalb der Spritzschicht 5' wird eine als Verschleißreservoir dienende Nitrierschicht 5'' vorgebbarer Schichtdicke durch das eindiffundierende Nitriergas (N) erzeugt.
In gleicher Weise wurde der Kolbenring-Grundkörper 3 gemäß 3 behandelt. Der Kolbenring-Grundkörper 3 soll in diesem Beispiel aus Gusseisen bestehen und im Laufflächenbereich 6 eine Kammerung 14 aufweisen. In die Kammerung 14 wurde eine thermische Spritzschicht 6', beinhaltend die metallischen Elemente W, Cr, Mo, durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF) eingebracht. Die Schichtporosität soll in diesem Beispiel bei 8 % liegen. Wie bereits vorher beschrieben, werden die Flanken 9 und der Laufflächenbereich 6 samt Spritzschicht 6' einer Gasnitrierung unterzogen, so dass auf den Flanken 9 eine Nitrierschicht 9' gebildet wird. Im Laufflächenbereich 6 wird außerhalb der Kammerung 14 ebenfalls eine Nitrierschicht 15 gebildet. Innerhalb der Spritzschicht 6' werden Nitride auf Basis von MoN, CrN und WN gebildet, während unterhalb der Spritzschicht 6' auch hier eine Nitrierschicht 6'' ausgebildet wird. Innerhalb der Spritzschicht 6' werden die bereits angesprochenen, Metallnitride enthaltenden, Inseln 13 gebildet.

Claims

Verfahren zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten an einem aus Stahl oder Gusseisen bestehenden Kolbenring-Grundkörper (1, 2, 3), indem zunächst der Laufflächenbereich (4, 5, 6) zumindest partiell mit einer mindestens einlagigen thermischen Spritzschicht (4', 5', 6') auf Basis stickstoffaffiner metallischer Elemente versehen wird, dergestalt, dass die Spritzschicht (4', 5', 6') eine Porosität im Bereich von 3 bis 10 % beinhaltet und anschließend zumindest die Flanken (7, 8, 9) und der Laufflächenbereich (4, 5, 6) samt darauf aufgebrachter Spritzschicht (4', 5', 6') einem Nitrierprozess unterzogen werden, wobei einerseits auf der jeweiligen Flanke (7, 8, 9) eine Nitrierschicht (7', 8', 9') definierter Schichtdicke erzeugt wird und andererseits durch Eindiffundieren von Nitriergas in die Spritzschicht (4', 5', 6') Nitride (13) gebildet werden und unterhalb der Spritzschicht (4', 5', 6') eine zusätzliche Nitrierschicht (4'', 5'', 6'') definierter Schichtdicke gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Laufflächenbereich (4, 5, 6) eine thermische Spritzschicht (4', 5', 6') aufgebracht wird, die zumindest die metallischen Elemente Mo und Cr enthält.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Laufflächenbereich (4, 5, 6) eine thermische Spritzschicht (4', 5', 6') aufgebracht wird, die zusätzliche Nitridbildner (13) wie Ti und/oder W und/oder Fe aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Spritzschicht (4', 5', 6') durch ein Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahren (HVOF) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Spritzschicht (4', 5', 6') durch ein Plasma-Spritzverfahren erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Laufflächenbereich (4, 5, 6) eine mehrlagige thermische Spritzschicht (4', 5', 6') unterschiedlicher Materialspezifikation aufgebracht wird.
Kolbenring mit einem aus Stahl oder Gusseisen bestehenden Grundkörper (1, 2, 3), der einen Laufflächenbereich (4, 5, 6) sowie Flanken (7, 8, 9) aufweist, wobei der Laufflächenbereich (4,5,6) zumindest partiell mit einer thermischen Spritzschicht (4', 5', 6') versehen ist und die Flanken (7, 8, 9) eine Nitrierschicht (7', 8', 9') aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die, stickstoffaffine, metallische Elemente enthaltende eine Porosität im Bereich von 3 bis 10 % aufweisende, Spritzschicht (4', 5', 6') durch eine Gasnitrierung dergestalt gehärtet ist, dass in der Spritzschicht (4', 5', 6') Metallnitride (13) vorliegen und laufflächenbereichsseitig unterhalb der Spritzschicht (4', 5', 6') eine Nitrierschicht (4'', 5'', 6'') mit definierter Schichtdicke gebildet ist.
Kolbenring nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Spritzschicht (4', 5', 6') zumindest die Nitrid bildenden Elemente Mo und Cr, bedarfsweise zusätzlich mindestens eines der Elemente Ni, W, Fe, enthalten ist.
Kolbenring nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der unterhalb der Spritzschicht (4', 5', 6') gebildeten Nitrierschicht (4'', 5'', 6'') im Bereich zwischen 20 und 100 μm liegt.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Spritzschicht (4', 5', 6') aus einem pulverförmigen Werkstoff aus Mo und Hartstoff besteht, eine Porosität von maximal 10 % aufweist und durch Plasmaspritzen auf dem Laufflächenbereich (4, 5, 6) aufgebracht ist.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Spritzschicht (4', 5', 6') aus einem pulverförmigen Werkstoff aus Metallkarbid mit Karbiden auf Basis von Cr und W besteht, eine Porosität von maximal 7 % aufweist und durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF) auf dem Laufflächenbereich (4, 5, 6) aufgebracht ist.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzschicht (4', 5', 6') aus mehreren Lagen unterschiedlicher Materialspezifikationen besteht.