DE102008034551B3 - Wire-form material for spraying comprises iron micro-alloyed with carbon and manganese which as spray material hardens, form bainite and martensite - Google Patents

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Abstract

The wire-form material for spraying comprises iron, micro-alloyed with carbon and manganese, which as the spray material hardens, form bainite and martensite. Content of components (wt%): carbon 0.35-0.55; silicon 0.15-0.25; manganese 0.7-0.9; chromium 1.0-1.2; copper 0.25-0.35; molybdenum 0.18-0.25; nickel 0.2-0.4; nitrogen 120-170 parts by weight per million; and niobium 300-350 parts by weight per million.

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, conveys the cylinder wall, 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 Perlit, Bainit und Martensit sowie adhäsionsresistente Mischkarbide 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. Bainit ist ein zähes Zwischenstufengefüge kohlenstoffhaltiger Stähle. Martensit ist ein hartes, verschleißfestes Gefüge. Die Bildung von Bainit 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 zähe, duktile Matrix aus Bainit mit harten, verschleißfesten Inseln aus Martensit und eingelagerte feine Mischkarbide. Auf diese Weise kann die Reibung, insbesondere die Festkörperreibung zwischen der Schicht und einem Reibpartner, beispielsweise Kolbenringen, erheblich reduziert werden. Durch die Mischkarbide wird eine geringere Adhäsion zur Oberfläche des Reibpartners und damit geringere Reibung bewirkt.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 the solidification of the spray material perlite, Bainite and martensite, as well as adhesion-resistant Mixed carbides are formed. Microalloys are such alloys, the predominantly a component formed in proportion to a total mass only small amounts of other ingredients are added. bainit is a tough one Bainite carbonaceous steels. Martensite is a hard, wear-resistant structure. The formation of bainite and martensite can be due to the nature of the cooling of the spray material and influenced by the choice of alloying components of the microalloy become. In the case of an attachment of an 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 tough, Bainite ductile matrix with hard, wear-resistant martensite islands and embedded fine mixed carbides. In this way, the friction, especially the solid state friction between the layer and a friction partner, for example piston rings, be significantly reduced. Due to the mixed carbides is a lower adhesion to the surface the friction partner and thus causes less friction.

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 und Mangan als Mikrolegierung derart gebildet, dass bereits beim Erstarren des Spritzwerkstoffs überwiegend Bainit und Martensit entstehen.The wire-shaped spray material 4 essentially comprises iron. The spray material is formed at least with carbon and manganese as a micro-alloy such that predominantly bainite and martensite are formed during the solidification of the spray material.

Weiter sind folgende Legierungsbestandteile enthalten:

  • – Kohlenstoff 0,35 Gew.-% bis 0,55 Gew.-%
  • – Silizium 0,15 Gew.-% bis 0,25 Gew.-%
  • – Mangan 0,70 Gew.-% bis 0,9 Gew.-%
  • – Chrom 1,00 Gew.-% bis 1,20 Gew.-%
  • – Kupfer 0,25 Gew.-% bis 0,35 Gew.-%
  • – Molybdän 0,18 bis 0,25 Gew.-%
  • – Nickel 0,20 Gew.-% bis 0,40 Gew.-%
  • – Aluminium 0,02 bis 0,03 Gew.-%
  • – Stickstoff 120 Gew.ppm bis 170 Gew.ppm
  • – Titan maximal 0,001 Gew.-%
  • – Phosphor maximal 0,035 Gew.-%
  • – Schwefel maximal 0,035 Gew.-%
  • – Niob 300 Gew.ppm bis 350 Gew.ppm
Furthermore, the following alloy components are included:
  • Carbon from 0.35% to 0.55% by weight
  • Silicon 0.15 wt.% To 0.25 wt.%
  • Manganese 0.70 wt.% To 0.9 wt.%
  • Chromium 1.00% to 1.20% by weight
  • Copper 0.25% to 0.35% by weight
  • Molybdenum 0.18 to 0.25% by weight
  • Nickel from 0.20% to 0.40% by weight
  • Aluminum 0.02 to 0.03% by weight
  • Nitrogen 120 ppm by weight to 170 ppm by weight
  • Titanium maximum 0.001% by weight
  • Phosphorus maximum 0.035% by weight
  • Sulfur maximum 0.035% by weight
  • Niobium 300 ppm by weight to 350 ppm by weight

Die Mengenangaben sind in Gewichtsprozent bzw. in Gewichts-ppm (parts per million), jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht.The Quantities are in weight percent or ppm by weight, each based on a total weight.

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

  • – Kohlenstoff 0,5 Gew.-%
  • – Silizium 0,25 Gew.-%
  • – Mangan 0,85 Gew.-%
  • – Chrom 1,10 Gew.-%
  • – Kupfer 0,35 Gew.-%
  • – Molybdän 0,22 Gew.-%
  • – Nickel 0,35 Gew.-%
  • – Stickstoff 150 Gew.ppm
  • – Niob 320 Gew.ppm
It is preferred for the wire-shaped spray material 4 used a microalloy with the following constituents:
  • Carbon 0.5% by weight
  • Silicon 0.25% by weight
  • Manganese 0.85% by weight
  • Chromium 1.10% by weight
  • Copper 0.35% by weight
  • Molybdenum 0.22% by weight
  • Nickel 0.35% by weight
  • Nitrogen 150 ppm by weight
  • - niobium 320 ppm 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 mit geringer Porosität und geringer Rauhigkeit.Arc wire spraying with a formed from this microalloy wire-shaped spray material 4 results in a particularly homogeneous layer with low porosity and low roughness.

Durch Chrom- und Molybdänmischkarbide wird der Verschleißwiderstand der Schicht 2 optimiert und die Adhäsionsneigung reduziert.By chromium and molybdenum mixed carbides, the wear resistance of the layer 2 optimized and reduces the adhesion tendency.

Kohlenstoff und Mangan in der Mikrolegierung bewirken ein verbessertes Spritzverhalten mit besonders kleinen Tröpfchen. Dadurch verbessert sich auch die Qualität der abgeschiedenen Schicht 2.Carbon and manganese in the microalloy result in improved spray behavior with particularly small droplets. This also improves the quality of the deposited layer 2 ,

Der Manganzusatz fördert die bainitische Umwandlung auch bei niedriger C-GehaltOf the Promotes manganese supplement the bainitic transformation even at low C content

Die Zugabe von Kupfer verbessert den Korrosionswiderstand 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.Chromium promotes the transformation of the solidifying spray material 4 in the desired structure.

Zusammen mit Molybdän führt Chrom auch zu verringerten Reibbeiwerten und damit zu einem reduzierten Verschleiß der Schicht 2, beispielsweise durch Bildung von Mischkarbiden.Together with molybdenum, chromium also leads to reduced coefficients of friction and thus to reduced wear of the layer 2 , for example by formation of mixed carbides.

Nickel reduziert die Korrosionsneigung ebenfalls, beeinflusst jedoch auch die mechanischen Eigenschaften positiv.nickel reduces the tendency to corrosion, but also influences the mechanical properties are positive.

Stickstoff und Niob sorgen für die Homogenität und Feinkörnigkeit der Schicht 2, sowie ein erhöhte Basisfestigkeit z. B. durch Bildung feiner Nitride.Nitrogen and niobium ensure the homogeneity and fine graininess of the layer 2 , as well as an increased base strength z. B. by formation of fine nitrides.

Der drahtförmige Spritzwerkstoff 4 wird vorzugsweise warmgewalzt und/oder warmgezogen und danach langsam und gesteuert in einem Ofen abgekühlt, 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 slowly and controlled cooled in an oven to obtain a ductile structure, so that 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 (4)

Drahtförmiger Spritzwerkstoff (4), insbesondere zum Lichtbogendrahtspritzen, umfassend im Wesentlichen Eisen, dadurch gekennzeichnet, – dass der Spritzwerkstoff (4) zumindest mit Kohlenstoff und Mangan als Mikrolegierung derart gebildet ist, dass beim Erstarren des Spritzwerkstoffs Bainit und Martensit entstehen, – wobei folgende Legierungsbestandteile vorgesehen sind: – Kohlenstoff 0,35 Gew.-% bis 0,55 Gew.-%, – Silizium 0,15 Gew.-% bis 0,25 Gew.-%, – Mangan 0,7 Gew.-% bis 0,9 Gew.-%, – Chrom 1,00 Gew.-% bis 1,20 Gew.-% – Kupfer 0,25 Gew.-% bis 0,35 Gew.-%, – Molybdän 0,18 bis 0,25 Gew.-%, – Nickel 0,20 Gew.-% bis 0,40 Gew.-%, – Stickstoff 120 Gew.ppm bis 170 Gew.ppm, – Niob 300 Gew.ppm bis 350 Gew.ppm, 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 and manganese as a micro-alloy in such a way that upon solidification of the spray material bainite and martensite are formed, - the following alloy components are provided: carbon 0.35 wt .-% to 0.55 wt .-%, - silicon 0 , 15% by weight to 0.25% by weight, - manganese 0.7% by weight to 0.9% by weight, - chromium 1.00% by weight to 1.20% by weight Copper 0.25 wt.% To 0.35 wt.%, Molybdenum 0.18 to 0.25 wt.%, Nickel 0.20 wt.% To 0.40 wt. - Nitrogen 120 ppm by weight to 170 ppm by weight, - Niobium 300 ppm by weight to 350 ppm by weight, in each case based on a total weight. Drahtförmiger Spritzwerkstoff (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Phosphor mit einem Anteil von maximal 0,035 Gew.-%, Schwefel mit einem Anteil von maximal 0,035 Gew.-%, Aluminium mit einem Anteil von 0,02 Gew.-% bis 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 with a proportion of not more than 0.035 wt .-%, sulfur with a proportion of not more than 0.035 wt .-%, aluminum in a proportion of 0.02 wt .-% to 0.03 wt .-% and titanium are contained in 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 ) after 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, Martensit und adhäsionsresistente Mischkarbide 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 on solidification bainite, martensite and adhesion resistant mixed carbides are formed.
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