DE102008034548B3 - Steel wire used to coat vehicle engine cylinders by electric arc metal-spraying, includes carbon as micro-alloy constituent, in specified composition - Google Patents

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    • C23C4/131—Wire arc spraying

Abstract

The steel wire (4) includes carbon as a micro-alloy constituent, such that on setting of the sprayed metal, bainite and martensite arise. The wire includes the following constituents, expressed as percentages by weight of the total: C 0.8-1.0, Si 0.25-0.3, Mn 0.25-0.45, Cr 0.45-0.55 and Cu 0.25-0.35. The following maximum percentages by weight may also be present: P 0.03, S 0.03 and Ti 0.001. The surface of the wire is coppered. To coat the surface, the wire is melted in an electrical arc (5) and deposited as a layer (2) on the substrate (1) e.g. using an atomization gas. Chromium carbide is formed in the layer. An independent claim is included for the corresponding method of coating.

Description

Die Erfindung betrifft einen drahtförmigen Spritzwerkstoff, insbesondere zum Lichtbogendrahtspritzen, umfassend im Wesentlichen Eisen. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats, bei dem ein drahtförmiger Spritzwerkstoff in einem Lichtbogen aufgeschmolzen und als Schicht auf dem Substrat abgeschieden wird.The Invention relates to a wire-shaped spray material, in particular for arc wire spraying, comprising substantially Iron. The invention further relates to a method for coating a substrate in which a wire-shaped spray material in a Arc melted and deposited as a layer on the substrate becomes.

Bei der Herstellung von Verbrennungsmotoren wird aus Gründen der Energieeffizienz und der Emissionsreduzierung eine möglichst geringe Reibung und eine hohe Abrieb- und Verschleißfestigkeit angestrebt. Hierzu werden Motorbauteile, wie zum Beispiel Zylinderbohrungen bzw. deren Wandungen mit einer Laufflächenschicht versehen oder es werden Laufbuchsen in die Zylinderbohrungen eingesetzt, welche mit einer Laufflächenschicht versehen werden. Das Aufbringen solcher Laufflächenschichten erfolgt zumeist mittels thermischen Spritzens, beispielsweise Lichtbogendrahtspritzen. Beim Lichtbogendrahtspritzen wird zwischen zwei drahtförmigen Spritzwerkstoffen ein Lichtbogen durch Anlegen einer Spannung erzeugt. Dabei schmelzen die Drahtspitzen ab und werden beispielsweise mittels eines Zerstäubergases auf die zu beschichtende Oberfläche, beispielsweise die Zylinderwand, befördert, wo sie sich anlagern.at The manufacture of internal combustion engines is for the sake of Energy efficiency and emission reduction as possible low friction and high abrasion and wear resistance. For this purpose, engine components, such as cylinder bores or their walls provided with a tread layer or it Bushes are inserted into the cylinder bores, which with a tread layer be provided. The application of such tread layers is usually by thermal spraying, for example electric arc wire spraying. When wire arc spraying is between two wire-shaped spray materials generates an arc by applying a voltage. It will melt the wire tips and are for example by means of a nebulizer gas on the surface to be coated, For example, the cylinder wall, transported where they attach.

Aus der DE 103 08 563 B3 ist eine Zylinderlaufbuchse für Verbrennungskraftmaschinen bekannt, umfassend einen Grundkörper mit einer Verschleißschutzbeschichtung auf der Lauffläche, auf Basis einer harten Eisenlegierung mit Kohlenstoff und Sauerstoff, wobei die Verschleißschutzschicht martensitische Phasen aufweist und Oxide bildet und die Verschleißschutzschicht im Lichtbogen-Drahtspritzverfahren auftragbar ist und die Legierung der Beschichtung einen Kohlenstoffgehalt von 0,05 bis 3 Gew.-% aufweist.From the DE 103 08 563 B3 a cylinder liner for internal combustion engines is known, comprising a base body with a wear protection coating on the tread, based on a hard iron alloy with carbon and oxygen, wherein the wear protection layer has martensitic phases and oxides and the wear protection layer in the arc-wire spraying process is applicable and the alloy of the coating has a carbon content of 0.05 to 3 wt .-%.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten drahtförmigen Spritzwerkstoff, insbesondere zum Lichtbogendrahtspritzen anzugeben. Zielgrößen sind dabei gutes Spritzverhalten, gezielte Schichteigenschaften und gute Bearbeitbarkeit.It It is an object of the invention to provide an improved wire-form spray material, Specify in particular for the arc wire spraying. Target variables are good spray behavior, targeted coating properties and good Machinability.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen drahtförmigen Spritzwerkstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The The object is achieved by a wire-shaped Spray material with the features of claim 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.advantageous Further developments are the subject of the dependent claims.

Ein erfindungsgemäßer drahtförmiger Spritzwerkstoff, insbesondere zum Lichtbogendrahtspritzen, umfasst im Wesentlichen Eisen. Der Spritzwerkstoff ist zumindest mit Kohlenstoff als Mikrolegierung derart gebildet, dass bereits beim Erstarren des Spritzwerkstoffs Martensit und Bainit entstehen. Mikrolegierungen sind solche Legierungen, die überwiegend aus einem Bestandteil gebildet sind, dem im Verhältnis zu einer Gesamtmasse nur geringe Mengen weiterer Bestandteile zugegeben sind. Perlit ist eine Mischphase aus weichen ferritischen und harten karbidischen Anteilen bei kohlenstoffhaltigen Stählen. Martensit ist ein hartes, verschleißfestes Gefüge. Die Bildung von Perlit und Martensit kann durch die Art der Abkühlung des Spritzwerkstoffs und durch die Wahl der Legierungsbestandteile der Mikrolegierung beeinflusst werden. Bei einer Anlagerung einer mittels Lichtbogendrahtspritzen unter Nutzung des erfindungsgemäßen Spritzwerkstoffs erzeugten Schicht auf einem Substrat, beispielsweise einer Zylinderlauffläche, bildet sich z. B. eine weiche, duktile Matrix aus Perlit (insbesondere feinperlitisch) mit harten, verschleißfesten Inseln aus Martensit sowie vorzugsweise Chromkarbiden. Die Schicht ist besonders reibungsarm, verschleißbeständig und korrosionsbeständig. Die Verschleißbeständigkeit wird insbesondere durch sich in der Schicht bildende Chromkarbide bewirkt. Auf diese Weise kann die Reibung, insbesondere die Festkörperreibung zwischen der Schicht und einem Reibpartner, beispielsweise Kolbenringen erheblich reduziert werden. Bei der Wahl der Legierungselemente wird gezielt darauf geachtet, dass vorwiegend Phasen mit niedrigen Adhäsionskoeffizienten entstehen.One wire-shaped spray material according to the invention, in particular for arc wire spraying, essentially comprises Iron. The spray material is such at least with carbon as a micro-alloy formed that already during solidification of the spray martensite and bainite arise. Microalloys are such alloys, the predominantly are formed of one component, in proportion to a total mass only small amounts of other ingredients are added. perlite is a mixed phase of soft ferritic and hard carbidic Shares in carbon steels. Martensite is a hard, wear resistant Structure. The Formation of perlite and martensite may be due to the nature of the cooling of the Spray material and by the choice of the alloy components of the Microalloying be influenced. In an addition of a means of Arc wire spraying using the spray material according to the invention produced layer on a substrate, such as a cylinder surface, forms z. B. a soft, ductile matrix of perlite (in particular fine-pearlitic) with hard, wear-resistant martensite islands and preferably chromium carbides. The layer is particularly low-friction, wear resistant and corrosion resistant. The wear resistance is especially due to chromium carbides forming in the layer causes. In this way, the friction, in particular the solid friction between the layer and a friction partner, such as piston rings considerably be reduced. In the choice of alloying elements is targeted ensured that predominantly phases with low adhesion coefficients arise.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.in the Below is an embodiment of the Invention explained in more detail with reference to a drawing.

Dabei zeigt:there shows:

1 ein Substrat mit einer durch Lichtbogendrahtspritzen abgeschiedenen Schicht. 1 a substrate having a sheet deposited by arc wire spraying.

In 1 ist ein Substrat 1 mit einer durch Lichtbogendrahtspritzen (LDS) abgeschiedenen Schicht 2 gezeigt. Beim Lichtbogendrahtspritzen werden einem Beschichtungskopf 3 zwei drahtförmige Spritzwerkstoffe 4 zugeführt. Zwischen den drahtförmigen Spritzwerkstoffen 4 wird ein Lichtbogen 5 gezündet. Dabei schmilzt der drahtförmige Spritzwerkstoff 4 und wird mittels eines Trägergases gezielt auf das zu beschichtende Substrat 1 aufgebracht, wo er abkühlt, erstarrt und die Schicht 2 bildet.In 1 is a substrate 1 with a layer deposited by wire arc spraying (LDS) 2 shown. In arc wire spraying, a coating head 3 two wire-shaped spray materials 4 fed. Between the wire-shaped spray materials 4 becomes an arc 5 ignited. This melts the wire-shaped spray material 4 and is targeted by means of a carrier gas to the substrate to be coated 1 Applied where it cools, it solidifies and the layer 2 forms.

Der drahtförmige Spritzwerkstoff 4 umfasst im Wesentlichen Eisen. Der Spritzwerkstoff ist zumindest mit Kohlenstoff als Mikrolegierung derart gebildet, dass bereits beim Erstarren des Spritzwerkstoffs überwiegend Bainit und Martensit sowie Chromkarbide entstehen.The wire-shaped spray material 4 essentially comprises iron. The spray material is formed at least with carbon as a micro-alloy such that bainite and martensite as well as chromium carbides are formed predominantly during the solidification of the spray material.

Weiter sind folgende Legierungsbestandteile enthalten:

  • – Kohlenstoff 0,8 Gew.-% bis 1,0 Gew.-%
  • – Silizium 0,25 Gew.-% bis 0,3 Gew.-%
  • – Mangan 0,25 Gew.-% bis 0,45 Gew.-%
  • – Chrom 0,45 Gew.-% bis 0,55 Gew.-%
  • – Kupfer 0,25 Gew.-% bis 0,35 Gew.-%
  • – Titan maximal 0,001 Gew.-%
  • – Phosphor maximal 0,03 Gew.-%
  • – Schwefel maximal 0,03 Gew.-%
Furthermore, the following alloy components are included:
  • Carbon from 0.8% to 1.0% by weight
  • Silicon from 0.25% to 0.3% by weight
  • Manganese 0.25% by weight to 0.45% by weight
  • Chromium 0.45 wt.% To 0.55 wt.%
  • Copper 0.25% to 0.35% by weight
  • Titanium maximum 0.001% by weight
  • - phosphorus maximum 0.03 wt .-%
  • Sulfur maximum 0.03% by weight

Die Mengenangaben sind in Gewichtsprozent, jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht.The Quantities are in percent by weight, each based on a total weight.

Bevorzugt wird für den drahtförmigen Spritzwerkstoff 4 eine Mikrolegierung mit folgenden Bestandteilen verwendet:

  • – Kohlenstoff 0,95 Gew.-%
  • – Silizium 0,3 Gew.-%
  • – Mangan 0,4 Gew.-%
  • – Chrom 0,55 Gew.-%
  • – Kupfer 0,35 Gew.-%
It is preferred for the wire-shaped spray material 4 used a microalloy with the following constituents:
  • - Carbon 0.95% by weight
  • Silicon 0.3% by weight
  • Manganese 0.4% by weight
  • Chromium 0.55% by weight
  • Copper 0.35% by weight

Der Hauptbestandteil der Mikrolegierung ist Eisen.Of the The main component of microalloying is iron.

Lichtbogendrahtspritzen mit einem aus dieser Mikrolegierung gebildeten drahtförmigen Spritzwerkstoff 4 führt zu einer besonders homogenen Schicht 2 mit geringer Porosität und geringer Rauhigkeit.Arc wire spraying with a formed from this microalloy wire-shaped spray material 4 leads to a particularly homogeneous layer 2 with low porosity and low roughness.

Kohlenstoff und Mangan in der Mikrolegierung bewirken ein verbessertes Spritzverhalten mit besonders kleinen Tröpfchen.carbon and manganese in the microalloy cause improved spray behavior with very small droplets.

Die Zugabe von Kupfer verbessert die Korrosionsbeständigkeit der Schicht 2.The addition of copper improves the corrosion resistance of the layer 2 ,

Chrom fördert die Umwandlung des erstarrenden Spritzwerkstoffs 4 in das gewünschte Gefüge und führt zu einem reduzierten Verschleiß der Schicht 2, beispielsweise infolge ausreichenden C-Angebots durch Bildung von Cr-Mischkarbiden. Summarisch ergibt sich ein hartes, verschleißfestes, reibungsarmes Schichteigenschaftsprofil. Geeignet für Anwendungen mit erhöhte Verschleißbeanspruchung z. B. bei Zylinderlaufbahn, Ringsystem für Dieselmotoren.Chromium promotes the transformation of the solidifying spray material 4 in the desired structure and leads to a reduced wear of the layer 2 For example, due to sufficient C supply by formation of Cr mixed carbides. In summary, this results in a hard, wear-resistant, low-friction layer property profile. Suitable for applications with increased wear stress z. B. in cylinder bore, ring system for diesel engines.

Der drahtförmige Spritzwerkstoff 4 wird vorzugsweise warmgewalzt und/oder warmgezogen und danach weichgeglüht, um ein duktiles Gefüge zu erhalten, damit der drahtförmige Spritzwerkstoff 4 biegsam bleibt.The wire-shaped spray material 4 is preferably hot rolled and / or hot drawn and then annealed to obtain a ductile microstructure to allow the wire shaped spray material 4 remains flexible.

Die Legierungsbestandteile des Drahtes sind so bemessen, dass der Abbrand von bestimmten Elementen, z. B. Kohlenstoff berücksichtigt ist. Die Legierungszusammensetzung der Schicht ist entsprechend dem Abbrand verändert.The Alloy components of the wire are sized so that the burnup of certain elements, e.g. B. carbon is taken into account. The alloy composition the layer is changed according to the burnup.

Vorzugsweise wird eine Oberfläche des drahtförmigen Spritzwerkstoffs 4 verkupfert, um Korrosion zu vermeiden.Preferably, a surface of the wire-shaped spray material 4 coppered to avoid corrosion.

11
Substratsubstratum
22
Schichtlayer
33
Beschichtungskopfcoating head
44
drahtförmiger Spritzwerkstoffwire-shaped spray material
55
LichtbogenElectric arc

Claims (5)

Drahtförmiger Spritzwerkstoff (4), insbesondere zum Lichtbogendrahtspritzen, umfassend im Wesentlichen Eisen, dadurch gekennzeichnet, – dass der Spritzwerkstoff (4) zumindest mit Kohlenstoff als Mikrolegierung derart gebildet ist, dass beim Erstarren des Spritzwerkstoffs Bainit und Martensit entstehen, – wobei folgende Legierungsbestandteile vorgesehen sind: – Kohlenstoff 0,8 Gew.-% bis 1,0 Gew.-%, – Silizium 0,25 Gew.-% bis 0,3 Gew.-%, – Mangan 0,25 Gew.-% bis 0,45 Gew.-%, – Chrom 0,45 Gew.-% bis 0,55 Gew.-% – Kupfer 0,25 Gew.-% bis 0,35 Gew.-%, jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht.Wire-shaped spray material ( 4 ), in particular for arc wire spraying, comprising substantially iron, characterized in that - the spray material ( 4 ) is formed at least with carbon as a micro-alloy such that upon solidification of the spray material bainite and martensite arise - the following alloying components are provided: - carbon 0.8 wt .-% to 1.0 wt .-%, - silicon 0.25 % By weight to 0.3% by weight, manganese 0.25% by weight to 0.45% by weight, chromium 0.45% by weight to 0.55% by weight copper 0.25 wt .-% to 0.35 wt .-%, each based on a total weight. Drahtförmiger Spritzwerkstoff (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Phosphor mit einem Anteil von maximal 0,03 Gew.-%, Schwefel mit einem Anteil von maximal 0,03 Gew.-% und Titan mit einem Anteil von maximal 0,001 Gew.-% enthalten sind.Wire-shaped spray material ( 4 ) according to claim 1, characterized in that phosphorus are contained in a proportion of not more than 0.03 wt .-%, sulfur with a proportion of not more than 0.03 wt .-% and titanium with a proportion of not more than 0.001 wt .-% , Drahtförmiger Spritzwerkstoff (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verkupferung einer Oberfläche des Spritzwerkstoffs (4) vorgesehen ist.Wire-shaped spray material ( 4 ) according to one of the preceding claims, characterized in that a copper plating of a surface of the spray material ( 4 ) is provided. Verfahren zum Beschichten eines Substrats (1), bei dem ein drahtförmiger Spritzwerkstoff (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in einem Lichtbogen (5) aufgeschmolzen und als Schicht (2) auf dem Substrat (1) abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schicht (2) nach dem Abscheiden beim Erstarren Bainit und Martensit gebildet werden.Process for coating a substrate ( 1 ), in which a wire-shaped spray material ( 4 ) according to one of claims 1 to 3 in an arc ( 5 ) melted and as a layer ( 2 ) on the substrate ( 1 ), characterized in that in the layer ( 2 ) after precipitation during solidification bainite and martensite are formed. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schicht (2) Chromkarbide gebildet werden.Method according to claim 4, characterized in that in the layer ( 2 ) Chromium carbides are formed.
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