DE10200508B4

DE10200508B4 - Verschleißfester Überzug zum Schutz einer Oberfläche,Verfahren zum Schützen einer Oberfläche und beschichteter Kolbenring

Info

Publication number: DE10200508B4
Application number: DE10200508A
Authority: DE
Inventors: Thomas C. Stong; Peter J. Einberger; Thomas J. Smith
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2001-01-10
Filing date: 2002-01-09
Publication date: 2013-06-13
Anticipated expiration: 2022-01-10
Also published as: US6562480B1; BR0200081A; USRE39070E1; DE10200508A1

Abstract

Verschleißfester Überzug zum Schutz einer Oberfläche, wobei der verschleißfeste Überzug mittels eines Auftrags eines Pulvers mit dem HVOF (high velocity oyxgen-fuel) Verfahren aufgebracht wird, und wobei das Pulver eine Mischung aus folgendem aufweist: 28 Gew.-% einer Nickel-Chrom-Legierung; 42 Gew.-% Chromcarbid; und 30 Gew.-% Molybdän.

Description

Die Erfindung befasst sich mit Materialien und Methoden zum Schutz von Oberflächen, welche Reibungskräften, Wärme und Korrosion ausgesetzt sind, und insbesondere befasst sich die Erfindung mit verschleißfesten Überzügen, welche auf Kolbenringen und Zylinderlaufbüchsen von Brennkraftmaschinen aufgebracht werden können.
Eine Arbeitszylinderanordnung einer Brennkraftmaschine weist im Allgemeinen einen Hubkolben auf, welcher in einem Zylinderraum eines Brennkraftmaschinenblocks angeordnet ist. Das Ende des Zylinderraums ist geschlossen, während ein anderes Ende des Zylinderraums offen ist. Das geschlossene Ende des Zylinderraums hat einen oberen Abschnitt oder einen Kopfabschnitt des Kolbens und bildet eine Brennkammer. Das offene Ende des Zylinderraums gestattet eine oszillatorische hin- und hergehende Bewegung einer Verbindungsstange, welche einen unteren Abschnitt des Kolbens mit einer Kurbelwelle verbindet, welche teilweise in einen Ölsumpf getaucht ist. Die Kurbelwelle wandelt die Linearbewegung des Kolbens resultierend aus der Verbrennung des Brennstoffs in der Brennkammer in eine Drehbewegung um.
Die Arbeitszylinderanordnung umfasst in typischer Weise einen oder mehrere Kolbenringe und eine zylindrische Hülse oder eine Zylinderlaufbüchse, welche in dem Brennkraftmaschinenblock angeordnet ist und die Seitenwände des Zylinderraums bildet. Die Kolbenringe sind in Ausnehmungen (Nuten) angeordnet, welche in den Seitenwänden des Kolbens ausgebildet sind, welche sich von dem Kolben zu einem Ringraum nach außen erstrecken, welcher durch die Kolbenwand und die Zylinderlaufbüchse begrenzt ist. Während der Bewegung des Kolbens in dem Zylinderraum liegen die Kolbenringe gegen die Zylinderlaufbüchse an. Die Kolbenringe haben zwei Hauptfunktionen. Erstens verhindern sie einen Gasstromaustritt aus der Brennkammer in den Ölsumpf zu dem Ringraum zwischen dem Kolben und der Zylinderlaufbüchse. Als zweites halten sie den Ölstrom von dem Ölsumpf in die Brennkammer möglichst klein.
Um die Haltbarkeit, die Verschleißfestigkeit und die Fressfestigkeit zu verbessern, sind die Kolbenringe und in einigen Anwendungsfällen die Zylinderlaufbüchse mit relativ harten Materialien, wie einer harten Chromplattierung oder Plattierungen aus Legierungen, welche Chromcarbid enthalten, beschichtet bzw. überzogen. Obgleich derartige Überzüge mit beträchtlichem Erfolg eingesetzt worden sind, haben sie sich als nicht ausreichend bei neu entwickelten Brennkraftmaschinentechnologien erwiesen, welche Dieselbrennkraftmaschinen umfassen, bei denen eine Abgasrückführung (EGR) zum Einsatz kommt. Beispielsweise offenbart die DE 197 20 627 A1 einen beschichteten Kolbenring und ein Herstellungsverfahren dafür. Eine bevorzugte Beschichtung ist ein Gemisch aus Chromcarbid-/Nickelchrom-(Cr₃C₂-NiCr)-Beschichtungen und Molybdän (Mo). Auch die US 4 334 927 A offenbart eine verschließfeste Beschichtung für Kolbenringe bestehend aus einem Gemisch einer Nickel-Chrom-Legierung, Chromcarbid und Molybdän.
Die Erfindung stellt Überzüge bereit, welche eine verbesserte Verschleißfestigkeit und Fressfestigkeit haben, welche bei Kolbenringen und Zylinderlaufbüchsen bei Brennkraftmaschinen heutzutage gefordert werden.
Gemäß einem Aspekt nach der Erfindung wird ein verschleißfester Überzug zum Schutz einer Oberfläche bereitgestellt, welche einem Gleitkontakt mit einer anderen Fläche ausgesetzt ist, wie dies beispielsweise bei einer Arbeitszylinderanordnung einer Brennkraftmaschine der Fall ist. Der verschleißfeste Überzug wird durch Auftragen eines Pulvers mit hoher Geschwindigkeit unter Einsatz von Sauerstoff-Brennstoff (HVOF (high velocity oyxgen-fuel) Verfahren) aufgebracht, wobei das Pulver ein Gemisch aus 28 Gew.-% einer Nickel-Chrom-Legierung, 42 Gew.-% Chromcarbid und 30 Gew.-% Molybdän aufweist.
Gemäß einem weiteren Aspekt nach der Erfindung wird ein Kolbenring bereitgestellt, welcher einen ringförmigen Körper aufweist, welcher einen äußeren radialen Umfang hat, welcher mittels eines verschleißfesten Überzugs geschützt ist. Der verschleißfeste Überzug wird durch Aufsprühen eines Pulvers bei hoher Geschwindigkeit mittels Sauerstoff und Brennstoff (HVOF (high velocity oyxgen-fuel) Verfahren) aufgebracht, wobei das Pulver ein Gemisch aus 28 Gew.-% einer Nickel-Chrom-Legierung, 42 Gew.-% Chromcarbid und 30 Gew.-% Molybdän aufweist.
Gemäß einem dritten Aspekt nach der Erfindung wird ein Verfahren zum Schutz von Oberflächen angegeben, welche in Gleitkontakt sind. Das Verfahren umfasst das Aufbringen eines verschleißfesten Überzugs auf einer oder beiden Flächen mittels Aufbringen eines Pulvers bei hoher Geschwindigkeit unter Einsatz von Sauerstoff und Brennstoff. Das Pulver weist ein Gemisch aus 28 Gew.-% einer Nickel-Chrom-Legierung, 42 Gew.-% Chromcarbid und 30 Gew.-% Molybdän auf.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Darin zeigt:
1 eine Teilschnittansicht eines Kolbenrings mit einem verschleißfesten Überzug;
2 eine Mikroaufnahme eines Querschnitts einer Sprühbeschichtung, aufgebracht mittels hoher Geschwindigkeit von Sauerstoff sowie Brennstoff (HVOF), welche im Beispiel 1 angegeben ist, unter Einsatz von rückgestreuten Elektronen mit einer 500fachen Vergrößerung;
3 eine Mikroaufnahme eines Querschnitts eines Überzugs nach Beispiel 2, aufgebracht mittels eines Plasmaspritzbrenners und erfasst mittels rückgestreuten Elektronen mit einer 500fachen Vergrößerung; und
4 eine Mikroaufnahme eines Querschnitts eines Überzugs nach Beispiel 3, aufgebracht mittels eines Plasmaspritzbrenners und aufgenommen mittels rückgestreuten Elektronen mit einer 500fachen Vergrößerung.
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils einer Arbeitszylinderanordnung 10 einer Brennkraftmaschine. Die Arbeitszylinderanordnung 10 umfasst einen Kolben 12, welcher in einem Zylinderraum 14 eine lineare Bewegung ausführen kann, welcher von einer Innenwand 16 einer Zylinderlaufbüchse 18 oder einer zylindrischen Hülse gebildet wird. Die Zylinderlaufbüchse 18 ist in einer zylindrischen Bohrung 20 angeordnet, welche in einem Brennkraftmaschinenblock 22 ausgebildet ist. Die Arbeitszylinderanordnung 10 umfasst eine Brennkammer 24, welche durch einen oberen Abschnitt 26 der Zylinderlaufbüchse 18 und von einem oberen Abschnitt oder einem Kopf 28 des Kolbens 12 gebildet wird. Während des Betriebs der Brennkraftmaschine wird bei der Verbrennung des Brennstoffs in der Brennkammer 28 ein Gasdruck erzeugt, welcher gegen den Kopf 28 des Kolbens 12 drückt und den Kolben 12 in Richtung nach unten treibt.
Zusätzlich zu dem Kopf 28 umfasst der Kolben 12 erste Nuten 30, zweite Nuten 32 und dritte Nuten 34, welche in einer Seitenwand 36 des Kolbens 12 ausgebildet sind. Jede der Nuten 30, 32, 34 ist derart bemessen, dass sie jeweils einen ersten Kolbenkompressionsring 38 und einen zweiten Kolbenkompressionsring 40 und eine Ölringanordnung 42 aufnehmen können. Die Ölringanordnung 42 umfasst ein Paar von Querstücken 44, 46 und eine sinusförmige Andrückfeder 48, welche die Querstücke 44, 46 von der Seitenwand 36 des Kolbens 12 in Richtung nach außen drückt. Die Andrückfeder 48 umfasst einen Ablaufschlitz 50 (in gebrochenen Linien dargestellt), welcher Öl von der Innenwand 16 der Zylinderlaufbüchse 18 zu einem Ölsumpf über eine Leitung (nicht gezeigt) in dem Kolben 12 ableitet. Wie aus 1 zu ersehen ist, trennen erste vorspringende Teile 52, zweite vorspringende Teile 54 und dritte vorspringende Teile 56 die jeweiligen Nuten 30, 32, 34 voneinander und dienen zur Festlegung der Kolbenringe 38, 40 und der Ölringanordnung 42 in den zugeordneten Nuten 30, 32, 34. Der Kolben 12 umfasst auch einen unteren Rand 58, welcher die Querbewegung des Kolbens 12 während des Brennzyklusses reduziert.
Wie aus 1 zu ersehen ist, kontaktieren die ersten Kolbenringe 38 und die zweiten Kolbenringe 40 sowie die Querstücke 44, 46 der Ölringanordnung 42 die innere Wand 16 der Zylinderlaufbüchse 18. Die Ringe 38, 40 und die Querstücke 44, 46 wirken als Gleitdichtungen, welche verhindern, dass Fluid über einen Ringbereich 60, welcher von der Seitenwand 36 des Kolbens 12 an der Innenwand 16 der Zylinderlaufbüchse 18 gebildet wird, strömt. Somit vermindern der erste Kolbenring 38 und in gewissem Maße der zweite Kolbenring 40 und die Ölringanordnung 42 mit den Querstücken 44, 46 den Gasstrom von der Brennkammer 24 zu dem Ölsumpfbereich der Brennkraftmaschine. In ähnlicher Weise unterstützen die Querstücke 44, 46 der Ölringanordnung 42 und der zweite Kolbenring 40 (und in geringem Maße der erste Kolbenring 38), dass verhindert wird, dass Öl im Sumpf zu der Brennkammer 24 austritt.
Bei der in 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist ein Überzug 62 auf einem radialen Umfang 64 des ersten Kolbenrings 38 angeordnet, um die Haltbarkeit, die Verschleißfestigkeit und die Fressfestigkeit des ersten Kolbenrings 38 in der Zylinderlaufbüchse 18 zu verbessern. Wie aus 1 zu ersehen ist, umfasst der radiale Umfang 64 des ersten Kolbenrings 38 eine radiale Ausnehmung 66, welche die Adhäsion des Überzugs an dem ersten Kolbenring 38 verbessert. Der Überzug 62 kann auch auf die anderen Flächen der Arbeitszylinderanordnung 10 aufgebracht werden, welche Reibkräften (Lagerkräften), Wärme oder Korrosion ausgesetzt sind. Diese Oberflächen können ohne Beschränkung die Innenwand 16 der Zylinderlaufbüchse 18 und die radialen Umfangsflächen 68, 70, 72 des zweiten Kolbenrings 40 und der Querstücke 44, 46 der Ölringanordnung 42 umfassen.
Der Überzug 62 weist eine Legierung aus einem oder mehrere Basismetallen, einem harten keramischen Material und Molybdän auf. Das Basismetall dient als ein Bindemittel für das harte keramische Material. Geeignete Basismetalle umfassen Nickel, Chrom und vorzugsweise Gemische aus Nickel und Chrom. Ein zweckmäßiges Basismetall ist eine Nickel-Chrom-Legierung, welche etwa 40 Gew.-% bis etwa 60 Gew.-% Nickel enthält. Das Basismetall macht etwa 13 Gew.-% bis etwa 43 Gew.-% des Überzugs 62 und insbesondere etwa 18 Gew.-% bis etwa 35 Gew.-% des Überzugs 62 aus. Eine bevorzugte Ausgestaltungsform des Überzugs 62 umfasst etwa 28 Gew.-% einer Nickel-Chrom-Legierung, welche etwa 50 Gew.-% Nickel enthält.
Das harte keramische Material, welches dem Überzug eine Verschleißfestigkeit verleiht, sollte im Allgemeinen in Feststofform bei dem Aufbringen des Überzugs 62 vorliegen. Beispiele von harten keramischen Materialien umfassen Chromcarbid, Vanadiumcarbid und Wolframcarbid. Insbesondere hat sich Chromcarbid als zweckmäßig erwiesen. Die harten keramischen Materialien sind als fein verteilte Pulver erhältlich, welche Abmessungen in einem Bereich von 200 μm bis weniger als etwa 45 μm haben. Zweckmäßigerweise umfasst Chromcarbid Cr₃C₂, Cr₇C₃ und Cr₂₃C₆, und insbesondere ist ein Gemisch aus Cr₇C₃ und Cr₂₃C₆ vorteilhaft. Das harte keramische Material macht im Allgemeinen etwa 25 Gew.-% bis etwa 64 Gew.-% des Überzugs 62 und insbesondere etwa 35 Gew.-% bis etwa 53 Gew.-% des Überzugs 62 aus. Wenn der Chromcarbid-Gehalt kleiner als etwa 25 Gew.-% ist, ist die Abriebbeständigkeit oder die Verschleißfestigkeit eines Überzugs 62 nicht mehr für Anwendungen von Arbeitszylindern adäquat, und wenn der Chromcarbid-Gehalt größer als etwa 64 Gew.-% ist, ist der Überzug 62 zu spröde. Ein besonders zweckmäßiger Überzug 62 weist etwa 42 Gew.-% Chromcarbid auf, welches etwa 50 Gew.-% Cr₇Cr₃ und etwa 50 Gew.-% Cr₂₃C6 umfasst.
Obgleich das Basismetall und die harte keramische Komponente des Überzugs 62 in trockenem Zustand gemischt sein können, werden die Komponenten vor dem Aufbringen zweckmäßigerweise vorlegiert. Geeignete Legierungstechniken umfassen die Flüssigzerstäubung und die Gaszerstäubung, wobei Teilchen erzeugt werden, welche im Wesentlichen gleichmäßige Konzentrationen aus Basismetall und der harten keramischen Komponente haben. Ein vorlegiertes Gemisch aus Chromcarbid und Nickelchrom, welches man durch Zerstäubung erhalten hat, ist unter der Warenbezeichnung CRC-291 von Praxair Inc. erhältlich. Das vorlegierte Gemisch weist etwa 60 Gew.-% Chromcarbid, vorzugsweise Cr₇C₃ und Cr₂₃C₆ und etwa 40 Gew.-% einer Nickel-Chrom-Legierung auf. Der Chromcarbid-Anteil des Gemisches enthält etwa gleiche Mengen (gewichtsbezogen) von Cr₇C₃ und Cr₂₃C₆, und die Nickel-Chrom-Legierung enthält etwa in gleichen Mengen (gewichtsbezogen) Nickel und Chrom. Das vorlegierte Gemisch hat eine maximale Teilchengröße von weniger als etwa 53 μm. Zur Beschreibung der Flüssigzerstäubung sei auf US-A-5,863,618 hingewiesen, welche durch diese Bezugnahme vollinhaltlich zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung gehört und die Bezeichnung trägt ”Verfahren zum Herstellen eines zerstäubenden Pulvers aus Chromcarbid-Nickel-Chrom”.
Zusätzlich zu dem Basismetall und der harten keramischen Komponente umfasst der Überzug 62 auch Molybdän, welches dem Überzug eine Fressfestigkeit verleiht. Das Fressen bezieht sich in diesem Zusammenhang auf eine Verbindungsbildung oder ein Verkeilen, was auftreten kann, wenn zwei Flächen, wie die Kolbenringe 38, 40 und die Zylinderlaufbüchse 18, in Gleitkontakt miteinander sind. In extremen Fällen des Fressens kann die intensive Wärme, welche durch die Reibung erzeugt wird, dazu führen, dass die beiden Oberflächen miteinander verschweißt werden. Die Molybdän-Komponente des Überzugs 62 kann einige Gewichts-% Verunreinigungen, wie Metalloxide, enthalten und sie hat im Allgemeinen eine Teilchengröße von etwa 105 μm bis weniger als etwa 45 μm. Bei der Anwendung auf einen Arbeitszylinder sollte Molybdän zwischen etwa 15 Gew.-% und 50 Gew.-% des Überzugs 62 ausmachen, wobei sich bei Molybdängehalten von weniger als etwa 15 Gew.-% ein Überzug ergibt, welcher hinsichtlich der Fressfestigkeit nicht adäquat ist, und bei Molybdängehalten von größer als etwa 40 Gew.-% man Überzüge 62 erhält, welche eine nicht adäquate Verschleißfestigkeit haben. Der erfindungsgemäße Überzug 62 weist 30 Gew.-% Molybdän auf.
Vor dem Aufbringen werden die Pulver, welche zur Ausbildung des Überzugs 62 dienen – das Basismetall, die harte keramische Komponente und das Molybdän – im trockenen Zustand unter Einsatz eines V-Kegelmischgeräts, einer Kugelmühle oder dergleichen gemischt. Nach der Vermischung werden die Bestandteile des Überzugs 62 auf den ersten Kolbenring 38, die Zylinderlaufbüchse 18 oder andere Tragflächen des Arbeitszylinders 10 unter Einsatz eines Wärmesprühverfahrens aufgebracht. Geeignete Wärmesprühverfahren umfassen das Aufsprühen mittels eines Plasmabrenners, das Kanonenauftragsverfahren und vorzugsweise das Auftragen mittels hoher Geschwindigkeit und Sauerstoff-Brennstoff (HVOF). Bei dem HVOf-Aufbringen wird im Allgemeinen ein Sauerstoff/Brennstoff-Gasgemisch verbrannt, der erhaltene Gasstrom wird durch eine Düse beschleunigt und der Überzugs 62 mit seinen Bestandteilen wird mit einer hohen Geschwindigkeit (Ultraschall) in Form eines Gasstroms aufgespritzt. Der Gasstrom erwärmt die Bestandteile des Überzugs 62 nahe bis zu deren Schmelzpunkt, und treibt die Bestandteile des Überzugs 62 gegen die Beschichtungsfläche. Das Aufsprühen mittels eines Plasmabrenners ist eine ähnliche Methode, bei der aber elektrische Energie eingesetzt wird, um ein Hochtemperaturplasma zu erzeugen, welches die Bestandteile des Überzugs 62 mitreißt. Zur Erläuterung der verschiedenen Thermosprühtechniken einschließlich des Aufbringens mittels Kanonenauftrags sei auf US-A-5,906,896 hingewiesen, welche durch die Bezugnahme vollinhaltlich zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung gehört und den Titel trägt

Claims

Verschleißfester Überzug zum Schutz einer Oberfläche, wobei der verschleißfeste Überzug mittels eines Auftrags eines Pulvers mit dem HVOF (high velocity oyxgen-fuel) Verfahren aufgebracht wird, und wobei das Pulver eine Mischung aus folgendem aufweist: 28 Gew.-% einer Nickel-Chrom-Legierung; 42 Gew.-% Chromcarbid; und 30 Gew.-% Molybdän.
Verschleißfester Überzug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver eine vorlegierte Mischung aus einer Nickel-Chrom-Legierung und Chromcarbid aufweist.
Verschleißfester Überzug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Chromcarbid-Komponente des Pulvers Cr₇C₃ und Cr₂₃C₆ aufweist.
Kolbenring, welcher einen ringförmigen Körper mit einem äußeren radialen Umfang aufweist, wobei der äußere radiale Umfang einen verschleißfesten Überzug hat, welcher mittels Ablagerung eines Pulvers mit dem HVOF (high velocity oyxgen-fuel) Verfahren aufgebracht ist, und das Pulver ein Gemisch aus folgendem aufweist: 28 Gew.-% einer Nickel-Chrom-Legierung; 42 Gew.-% Chromcarbid; und 30 Gew.-% Molybdän.
Kolbenring nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver eine vorlegierte Mischung aus einer Nickel-Chrom-Legierung und Chromcarbid aufweist.
Kolbenring nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Chromcarbid-Komponente des Pulvers Cr₇C₃ und Cr₂₃C₆ aufweist.
Verfahren zum Schützen einer Oberfläche, welches folgendes aufweist: Aufbringen eines verschleißfesten Überzugs auf die Oberfläche mittels Aufsprühen eines Pulvers mit dem HVOF (high velocity oyxgen-fuel) Verfahren, wobei das Pulver ein Gemisch aus folgendem aufweist: 28 Gew.-% einer Nickel-Chrom-Legierung; 42 Gew.-% Chromcarbid; und 30 Gew.-% Molybdän.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Pulver eingesetzt wird, welches eine vorlegierte Mischung aus einer Nickel-Chrom-Legierung und Chromcarbid aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Chromcarbid-Komponente des Pulvers eine Cr₇C₃ und Cr₂₃C₆ aufweisende Komponente eingesetzt wird.