DE102008032042B3

DE102008032042B3 - Verschleißfeste Bauteile für Verbrennungskraftmaschine und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102008032042B3
Application number: DE200810032042
Authority: DE
Inventors: Marcus Dr. Kennedy; Michael Zinnabold; Marc-Manuel Matz
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2008-07-08
Filing date: 2008-07-08
Publication date: 2010-04-01
Anticipated expiration: 2028-07-09

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft verschleißfeste Bauteile für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Kolbenringe mit verbesserten tribologischen Eigenschaften. An der verschleißbeanspruchten Oberfläche der Bauteile befindet sich eine Verschleißschutzschicht mit Eisenbasislegierung. Die Bauteile sind mittels eines thermischen Spritzverfahrens hergestellt und die Beschichtung umfasst kristalline Bereiche von FeB mit einer mittleren Partikelgröße von 1-100 nm und kristalline Bereiche von WC und Cr3C2 mit einer mittleren Partikelgröße von 1-50 µm. Der Anteil der Elemente Fe, Cr, B, C, W und Ni in der Verschleißschutzschicht beträgt 45-70 Gew.-% Fe, 10-30 Gew.-% Cr, 0,1-10 Gew.-% B, 0,1-5 Gew.-% C, 5-30 Gew.-% W und 1-5 Gew.-% Ni, bezogen auf 100 Gew.-% der Verschleißschutzschicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft verschleißfeste Bauteile für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Kolbenringe. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen verschleißfesten Bauteile mittels eines thermischen Spritzverfahrens.
Bei Kolbenringen, wie beispielsweise denen von Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen, muss eine hohe Verschleißfestigkeit gewährleistet sein, da anderenfalls, d. h. bei einer geringen Verschleißfestigkeit die Schicht dünner wird. Dadurch nimmt die Wandstärke des Kolbenrings ab, die Abdichtwirkung wird schlechter, Gasleckage und der Ölverbrauch nehmen zu und die Leistung des Motors kann sich verschlechtern. Durch einen sich abreibenden Kolbenring wird der Spalt zwischen Zylinderwand und Kolbenring immer größer, so dass Verbrennungsgase leichter am Kolbenring vorbei austreten können (so genanntes Blow-By), was die Effizienz des Motors verringert. Durch einen vergrößerten Spalt wird weiterhin der im Verbrennungsraum zurückbleibende nicht abgestreifte Ölfilm dicker, so dass mehr Öl pro Zeiteinheit verloren gehen kann, also der Ölverbrauch erhöht wird.
Im Bereich des thermischen Spritzens von Kolbenringen werden heutzutage bevorzugt Molybdän-basierte Werkstoffe mittels des Plasmaspritzverfahrens eingesetzt. Diese haben bei hochbelasteten Motoren allerdings eine zu hohe Verschleißrate.
Ein metallisches Pulver und ein Verfahren zum Erzeugen von verschleißfesten Oberflächenschichten mittels thermischen Spritzens, das Hartpartikel aus einer Reihe von unterschiedlichen Metalloxidverbindungen wie beispielsweise Eisenborid enthält, ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 43 02 521 A1 bekannt.
Aus der deutschen Patentschrift mit der Nummer DE 2744189 C2 sind Eisenmetallteile mit verbesserten Verschleißeigenschaften bekannt, die unter anderem mit einer Eisenlegierungs-Schicht überzogen sind, in der Boride und Carbide eingelagert sind.
Weiterhin ist aus der Europäischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer EP 1 077 270 A1 die Abscheidung von verschleiß- und korrosionsbeständigen Schichten mittels verschiedener Spritzverfahren bekannt, wobei die abgeschiedenen Schichten diverse Metallboride enthalten können.
Zur Verringerung der Verschleißrate werden Verschleißschutzschichten auf die Oberfläche von Kolbenringen aufgebracht. Hierzu kann man sich thermischer Spritzprozesse bedienen. Beispielsweise bietet die Hochgeschwindigkeitsflammspritztechnologie (HVOF) die Möglichkeit, Partikel mit einer geringen thermischen Einwirkung und einer hohen kinetischen Energie so auf einem Substrat abzuscheiden, dass dichte Schichten mit einer hohen Haftfestigkeit erzeugt werden. Um darüber hinaus einen verbesserten Verschleißwiderstand bei höheren Belastungen zu gewährleisten, wurden in neuerer Zeit Pulvermaterialien auf Basis von Mo, WC, NiCr und Cr₃C₂ verwendet. Diese bieten tatsächlich einen höheren Verschleißwiderstand, haben aber auf Grund Ihrer, gegenüber dem Substrat unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften, wie geringerem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und niedrigerer Wärmeleitfähigkeit, sowie unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften, wie geringerer Duktilität, höherer Sprödigkeit und geringerer Bruchzähigkeit, Nachteile. Diese Nachteile wirken sich im Motorbetrieb, insbesondere im Bereich der Mischreibung oder der Mangelschmierung, aus. Die durch Reibung zusätzlich induzierte thermische Energie führt zu einem Relaxationsprozess, bei der die Kolbenringschicht nicht der Ausdehnung des Substrats folgen kann und demzufolge ein Rissnetzwerk an der Lauffläche entsteht. Dieser Effekt führt letztlich zum Versagen bei wiederholter Belastung. Er wird durch das Auftreten von Zugspannungen in der Verschleißschutzschicht noch weiter verstärkt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Bauteilen für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Kolbenringe, bereitzustellen, deren tribologische Eigenschaften gegenüber Bauteilen mit Molybdänbeschichtung oder herkömmlicher Metallcarbidbeschichtung verbessert sind. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung solcher Bauteile bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch verschleißfeste Bauteile für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Kolbenringe, gelöst an deren verschleißbeanspruchter Oberfläche sich eine Verschleißschutzschicht mit Eisenbasislegierung befindet, wobei die Bauteile mittels eines thermischen Spritzverfahrens hergestellt sind und die Beschichtung kristalline Bereiche von FeB mit einer mittleren Partikelgröße von 1–100 nm und kristalline Bereiche von WC und Cr₃C₂ mit einer mittleren Partikelgröße von 1–50 μm umfasst, wobei der Anteil der Elemente Fe, Cr, B, C, W und Ni in der Verschleißschutzschicht

(A) Fe: 45–70 Gew.-%

(B) Cr: 10–30 Gew.-%

(C) B: 0,1–10 Gew.-%

(D) C: 0,1–5 Gew.-%

(E) W: 5–30 Gew.-%

(F) Ni: 1–5 Gew.-%,
beträgt und die Summe der Anteile (A) bis (F) 100 Gew.-% beträgt. Die mittlere Partikelgröße ist hierbei gemäß DIN 66161 definiert und kann mittels eines Cilas Granulometers gemessen werden. Die Dicke der Verschleißschutzschicht beträgt vorzugsweise 30 µm bis 600 µm.
Die erfindungsgemäße Mischung aus einem nanokristallinen und mikrokristallinen System führt zu einstellbaren Eigenschaften. Der nanokristalline Anteil von FeB verbessert die mechanischen Eigenschaften des Systems. Bevorzugt haben die kristallinen Bereiche von FeB eine mittlere Partikelgröße von 1–10 nm. Derartige nanokristalline Anteile von FeB treten in FeCrBC-Legierungen stets auf. Die mikrokristallinen Karbide liefern die nötige Verschleißfestigkeit. Bevorzugt haben die kristallinen Bereiche von WC und Cr₃C₂ eine mittlere Partikelgröße von 1–5 µm.
Durch unterschiedliche Karbidkonzentrationen können das Verschleißverhalten und die Eigenspannung (ε) gezielt eingestellt werden. Grundsätzlich sind Druckeigenspannungen (ε > 0) zu bevorzugen, da diese im Gegensatz zu Zugeigenspannungen (ε < 0) einem entstehenden Riss und einem Risswachstum entgegenwirken. Diese dürfen aber nicht zu hoch sein, da es sonst zu horizontalen Rissbildungen kommen kann. Die nanokristalline Basismatrix verhindert bzw. bei horizontaler Rissbildung verlangsamt dazu noch die Rissausbreitung. Zudem können zu hohe Druckeigenspannungen zu einem keramischen Charakter des Materialsystems führen, wodurch eine Beeinträchtigung hinsichtlich dynamischer Belastungen entsteht.
Das Basissystem FeCrBC weist hohe Zugeigenspannungen auf. Diese lassen sich bereits durch Zugabe von 10 Gew.-% einer Mischung aus WC und Cr₃C₂ signifikant reduzieren.
Eine Zugabe von bis zu 40 Gew.-% der Karbide ist möglich, ohne dass eine wesentliche Änderung der Härte der Verschleißschutzschicht auftritt. Es ist daher bevorzugt, dass WC und Cr₃C₂ zusammen 10–40 Gew.-% der Verschleißschutzschicht bilden. Besonders bevorzugt enthält die Verschleißschutzschicht 7–30 Gew.-% WC und 3–10 Gew.-% Cr₃C₂.
Da die erfindungsgemäße Verschleißschutzschicht auf einer Eisenbasislegierung basiert, bildet sie hinsichtlich der physikalischen Eigenschaften, wie beispielsweise Wärmeleitfähigkeit und thermischem Ausdehnungskoeffizient, ein quasihomogenes System mit dem Substrat (d. h. dem Bauteil, wie beispielsweise einem Kolbenring). Dadurch kann die während der Mischreibung, insbesondere im OT-(oberer Totpunkt) und UT-(unterer Totpunkt)Bereich, entstehende thermische Energie besser abgeführt werden und ein gleichmäßiger thermischer Relaxationsprozess während der in der Verbrennungskraftmaschine vorliegenden Temperaturschwankungen gewährleistet werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung erfindungsgemäßer verschleißfester Bauteile für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Kolbenringe. Hierbei wird auf dem Bauteil mittels eines thermischen Spritzverfahrens eine Verschleißschutzschicht aufgebracht. Bevorzugt handelt es sich bei dem thermischen Spritzverfahren um Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF, z. B. MKJet^® der Firma Federal-Mogul).

Bevorzugt wird die Verschleißschutzschicht dabei mindestens aus den folgenden Beschichtungspulvern hergestellt:

FeCrBC	mit einer mittleren Partikelgröße von 5–65 µm, welches kristalline Bereiche von FeB mit einer mittleren Partikelgröße von 1–100 nm, bevorzugt von 1–10 nm, enthält,
NiCr	mit einer mittleren Partikelgröße von 5–65 µm, welches kristalline Bereiche von WC und Cr₃C₂ mit einer mittleren Partikelgröße von jeweils 1–50 µm, bevorzugt von 1–5 μm, enthält.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden durch Beispiele unter Zuhilfenahme von Zeichnungen genauer veranschaulicht, welche nicht als einschränkend verstanden werden dürfen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine XRD-Analyse eines erfindungsgemäß verwendeten FeCrBC-Spritzpulvers mit einer mittleren FeB-Kristallitgröße von 9,1 nm.
2 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme der Mikrostruktur einer 340 µm dicken erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht.
Beispiele
Auf einem Kolbenring wurde mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzens eine Verschleißschutzschicht aufgetragen. Hierzu wurde ein Beschichtungspulver aus FeCrBC mit einer mittleren Partikelgröße von 5–65 µm verwendet, welches kristalline Bereiche von FeB mit einer mittleren Partikelgröße von 9,1 nm aufweist. Es hat eine Zusammensetzung von 75 Gew.-% Fe, 21 Gew.-% Cr, 3 Gew.-% B und 1 Gew.-% C. Eine XRD-Analyse des erfindungsgemäß verwendeten FeCrBC-Spritzpulvers ist in 1 gezeigt. Dieses wurde zusammen mit Beschichtungspulvern aus NiCr, welche ebenfalls eine mittlere Partikelgröße von 5–65 µm aufwies, und kristalline Bereiche von Cr₃C₂ und WC enthielt, welche jeweils eine mittlere Partikelgröße von 1–5 µm aufwiesen, versprüht.
Der Versuch wurde viermal mit unterschiedlichen Karbidanteilen von insgesamt 10–40 Gew.-% durchgeführt (B1–B4). Weiterhin wurde ein Vergleichsversuch ohne Karbide durchgeführt (VB1). Die Zusammensetzungen der Schichten sind in Tabelle 1 dargestellt. Härte und Rauhigkeit wurden durch einen HV10 Indentertest gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. Die Härte HV1 und deren Standardabweichung σ(HV1) wurde nach DIN EN ISO 4516, die Schichtdicke nach DIN EN ISO 9220 und 1463 mittels eines Messchiebers sowie die Rauigkeitsmerkmale Ra und Rz nach DIN EN ISO 4287 und 4288 bestimmt. Zur Bestimmung der Eigenspannung wurde ein Almentest angewandt. Hierzu wurden 6 Probenkörper (Stahlblechstreifen St37, 125 × 30 × 1,5 mm) 1 Stunde lang einer Wärmebehandlung bei 400°C unterzogen. Dann wurde jeweils eine Bohrung (6 mm) zur Befestigung an der Probenkörperhalterung angebracht. Die Probenkörper wurden auf Ebenheit überprüft (keine Krümmung zulässig). Dann wurden die Probenkörper in einer Injektorstrahlkabine (Goldmann) mit Standardstrahlparametern (6 Bahnen/3,5 bar/Abstand: 180 mm/Düse: 13 mm/Strahlmedium: F 30–36) gestrahlt. Nach dem Strahlprozess wurden Probenkörperdeformation und Probenkörperdichte gemessen und die Probenkörper in einer Probenkörperhalterung befestigt. Schließlich wurden sie beschichtet (Drehzahl 296 U/min., Vorschub: 1176 mm/min, Bahnlänge 100 mm), anschließend Schichtdicke und Verformungszustand aller Teststreifen vermessen und der Mittelwert über die 6 Probenkörper gebildet.

Die mittels Lichtmikroskopie untersuchte Mikrostruktur einer beispielhaften 340 µm dicken Verschleißschutzschicht gemäß Beispiel B3 ist in 2 dargestellt. Die Mikrostrukturaufnahme zeigt homogen verteilte Karbide, keine unaufgeschmolzenen Partikel und eine sehr dichte Schicht mit geringer Porosität. Tabelle 1: Zusammensetzung von HVOF-gespritzten FeCrWNiBC-Schichten

Versuch	Karbidanteil		Chemische Zusammensetzung
	Cr₃C₂	WC	Fe	Cr	W	Ni	B	C
	[Gew.-%]		[Gew.-%]
VB1	0	0	75	21	0	0	3	1
B1	7	3	68	20	7	1	3	1
B2	14	6	60	20	14	1,5	2,5	2
B3	21	9	54	20	20	2	2	2
B4	28	12	45	20	27	3	2	3

Tabelle 2: Schichteigenschaften von HVOF-gespritzten FeCrWNiBC-Schichten

Versuch	HV1	σ(HV1)	Schichtdicke	Eigenspannung	Ra	Rz
			[μm]	[μm]	[μm]	[μm]
VB1	1120	103	390	–160	7,9	48,8
B1	1020,9	62	340	–80	7,2	53,2
B2	1002,1	56	360	–47	7,9	61,2
B3	1105,4	54	340	–5	7,0	53,0
B4	1017,7	49	340	17	7,2	52,3

Claims

Verschleißfeste Bauteile für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Kolbenringe, an deren verschleißbeanspruchter Oberfläche sich eine Verschleißschutzschicht mit Eisenbasislegierung befindet, wobei die Bauteile mittels eines thermischen Spritzverfahrens hergestellt sind und dadurch gekennzeichnet sind, dass die Beschichtung kristalline Bereiche von FeB mit einer mittleren Partikelgröße von 1–100 nm und kristalline Bereiche von WC und Cr₃C₂ mit einer mittleren Partikelgröße von 1–50 µm umfasst, wobei der Anteil der Elemente Fe, Cr, B, C, W und Ni in der Verschleißschutzschicht (A) Fe: 45–70 Gew.-% (B) Cr: 10–30 Gew.-% (C) B: 0,1–10 Gew.-% (D) C: 0,1–5 Gew.-% (E) W: 5–30 Gew.-% (F) Ni: 1–5 Gew.-%,

beträgt und die Summe der Anteile (A) bis (F) 100 Gew.-% beträgt.
Verschleißfeste Bauteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht eine Dicke von 30 µm bis 600 µm aufweist.
Verschleißfeste Bauteile nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kristallinen Bereiche von FeB eine mittlere Partikelgröße von 1–10 nm aufweisen.
Verschleißfeste Bauteile nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kristallinen Bereiche von WC und Cr₃C₂ eine mittlere Partikelgröße von 1–5 µm aufweisen.
Verschleißfeste Bauteile nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass WC und Cr₃C₂ zusammen 10–40 Gew.-% der Verschleißschutzschicht bilden.
Verschleißfeste Bauteile nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Karbiden WC und Cr₃C₂ um 7–30 Gew.-% WC und 3–10 Gew.-% Cr₃C₂

handelt.
Verfahren zur Herstellung verschleißfester Bauteile für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Kolbenringe, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf dem Bauteil mittels eines thermischen Spritzverfahrens eine Verschleißschutzschicht aufgebracht wird, wobei die Verschleißschutzschicht mindestens aus den folgenden Beschichtungspulvern hergestellt wird FeCrBC mit einer mittleren Partikelgröße von 5–65 µm, welches kristalline Bereiche von FeB mit einer mittleren Partikelgröße von 1–100 nm enthält, NiCr mit einer mittleren Partikelgröße von 5–65 µm, welches kristalline Bereiche von WC und Cr₃C₂ mit einer mittleren Partikelgröße von jeweils 1–50 µm enthält.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem thermischen Spritzverfahren um Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) handelt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das FeCrBC-Beschichtungspulver kristalline Bereiche von FeB mit einer mittleren Partikelgröße von 1–10 nm enthält.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das NiCr-Beschichtungspulver kristalline Bereiche von WC und Cr₃C₂ mit einer mittleren Partikelgröße von jeweils 1–5 µm enthält.