DE102008036657B4 - Piston ring with adaptive coating and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Kolbenring für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend mindestens eine Lauffläche, gekennzeichnet durch eine Laufflächenbeschichtung aus einer Legierung auf der Basis von Kupfer, wobei die Legierung 0,1 bis 4 Gewichts-Prozent Beryllium und 0,1 bis 0,8 Gewichtsprozent Titan aufweist.A piston ring for an internal combustion engine, comprising at least one tread, characterized by a tread coating of a copper-based alloy, said alloy comprising 0.1 to 4 percent by weight beryllium and 0.1 to 0.8 percent titanium by weight.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Kolbenringe von Verbrennungskraftmaschinen, mit einer adaptiven Beschichtung, die sowohl als Einlauf- als auch Verschleißschutzschicht dient, sowie Verfahren zu deren Herstellung.The present invention relates to piston rings of internal combustion engines, with an adaptive coating which serves both as a run-in and wear protection layer, and to methods for their preparation.
Kolbenringe werden an der Lauffläche zur Zylinderwand mit Verschleißschutzschichten versehen, um das Funktionsverhalten in allen Betriebszuständen der Motoren zu gewährleisten und eine lange Lebensdauer der Motoren sicherzustellen. An die Laufflächenbeschichtung werden über die Laufzeit unterschiedliche Anforderungen gestellt.Piston rings are provided with anti-wear layers on the running surface of the cylinder wall in order to ensure functional performance in all operating conditions of the motors and to ensure a long service life of the motors. Different demands are placed on the tread coating over the runtime.
In der Einlaufphase eines neuen Motors sollte die Beschichtung in der Lage sein, die Oberflächentopographie mikroskopisch und makroskopisch an die Gegebenheiten des Gegenpartners anzupassen, ohne diesen zu schädigen oder Folgeschäden zu verursachen. Nach Abschluss der Einlaufphase sind Eigenschaften wie hohe Verschleißfestigkeit und Brandspursicherheit bei geringem Verschleiß des Gegenpartners sowie geringe Reibwerte gefordert. Das bedeutet, dass mit fortschreitender Laufzeit unterschiedliche Funktionalitäten erforderlich werden.During the start-up phase of a new motor, the coating should be able to adapt the surface topography microscopically and macroscopically to the circumstances of the counterparty, without damaging it or causing consequential damage. After completion of the break-in phase properties such as high wear resistance and fire safety with low wear of the counterparty as well as low friction values are required. This means that different functionalities will be required as the runtime increases.
In der Praxis werden diese Anforderungen durch zusätzlich zu den Verschleißschutzschichten aufgetragene Einlaufschichten erfüllt, die sowohl als homogene Schichten oder als Gradientenschichten mit kontinuierlichen Änderungen der Eigenschaften über die Schichthöhe ausgebildet sein können. Verschleißschutz- und Einlaufschichten können in unterschiedlichen Verfahren aufgebracht werden, was die Herstellungskosten zusätzlich erhöhen kann. Nachteilig ist ferner, dass bei einer eventuell notwendigen Nachbearbeitung der Lauffläche die bereits aufgebrachte Einlaufschicht teilweise wieder abgetragen wird und damit für den Einlaufvorgang nicht mehr verfügbar ist.In practice, these requirements are met by in addition to the wear protection layers applied run-in layers, which may be formed both as homogeneous layers or as gradient layers with continuous changes in properties over the layer height. Wear protection and enema layers can be applied in different processes, which can additionally increase the production costs. A further disadvantage is that in the case of any necessary post-processing of the tread, the already applied inflow layer is partially removed again and thus is no longer available for the running-in process.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die oben genannten Nachteile zu beseitigen und einen Kolbenring mit einer Beschichtung bereitzustellen, die als homogene Beschichtung aufgebracht werden kann und sowohl als Einlauf- als auch als Verschleißschutzschicht dient. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung des Kolbenrings bereitgestellt werden.The object of the invention is therefore to eliminate the abovementioned disadvantages and to provide a piston ring with a coating which can be applied as a homogeneous coating and serves both as an enema and as a wear protection layer. Furthermore, a method for producing the piston ring is to be provided.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kolbenring für eine Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt, umfassend mindestens eine Lauffläche, gekennzeichnet durch eine Laufflächenbeschichtung aus einer Legierung auf der Basis von Kupfer, die einen Zusatz aus Ti und Be aufweist.According to a first aspect of the present invention, there is provided a piston ring for an internal combustion engine, comprising at least one tread, characterized by a tread coating of a copper-based alloy having an additive of Ti and Be.
Dieser Kolbenring weist eine adaptive Beschichtung auf. Dieses adaptive Verhalten bedeutet, dass die Beschichtung ursprünglich eine vergleichsweise geringe Härte aufweist. In diesem Zustand fungiert sie als eine Einlaufschicht, beispielsweise bei einem Kolbenring in einem Verbrennungsmotor während der Einlaufphase des neuen Motors. Kleinere Unebenheiten zwischen Kolbenring und Zylinder werden durch Anpassung der Einlaufschicht ausgeglichen, d. h. die Einlaufschicht passt sich der Struktur der Zylinderwand an, ohne diese zu beschädigen. Eine gute Abdichtung zwischen Kolbenring und Zylinderwand wird so sichergestellt.This piston ring has an adaptive coating. This adaptive behavior means that the coating originally has a comparatively low hardness. In this state, it acts as an inlet layer, for example in a piston ring in an internal combustion engine during the running-in phase of the new engine. Smaller bumps between piston ring and cylinder are compensated by adjusting the inlet layer, d. H. the inlet layer adapts to the structure of the cylinder wall without damaging it. A good seal between the piston ring and the cylinder wall is thus ensured.
Im weiteren Betrieb des Motors erfolgt unter der Einwirkung der hohen Temperaturen eine Ausscheidungsverfestigung der Beschichtung. Diese nimmt dadurch in der Harte zu, so dass sie nach abgeschlossenem Einlaufvorgang als Verschleißschutzschicht fungiert. Durch die adaptive Anpassungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Beschichtung erfolgt dieser Übergang von Einlaufeigenschaften zu Verschleißschutzeigenschaften temperaturabhängig. Die Motorbelastung und damit verbundene Temperatur der Beschichtung steuert somit den Übergang von einer Einlaufschicht zu einer Verschleißschutzschicht. Eine höhere Motorbelastung führt so auch zu einem schnelleren Übergang zum Ausbilden einer verschleißfesten Schicht, die ihre Eigenschaften dann für die Lebensdauer des Motors behält.As the engine continues to operate, precipitation solidification of the coating occurs under the action of the high temperatures. This increases in hardness, so that it acts as a wear protection layer after completion of the inlet process. Due to the adaptive adaptability of the coating according to the invention, this transition from inlet properties to anti-wear properties is temperature-dependent. The motor load and associated temperature of the coating thus controls the transition from an enema layer to a wear protection layer. Higher engine load also results in a faster transition to forming a wear resistant layer, which then retains its properties for the life of the engine.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Legierung 0,1 bis 4 Gewichts-Prozent Beryllium und 0,1 bis 0,8 Gewichtsprozent Titan, bevorzugt 1 bis 3 Gewichts-Prozent Beryllium und 0,2 bis 0,6 Gewichtsprozent Titan, am meisten bevorzugt ca. 2 Gewichts-Prozent Beryllium und ca. 0,4 Gewichtsprozent Titan auf.According to one embodiment, the alloy comprises 0.1 to 4 weight percent beryllium and 0.1 to 0.8 weight percent titanium, preferably 1 to 3 weight percent beryllium and 0.2 to 0.6 weight percent titanium, most preferably ca. 2 weight percent beryllium and about 0.4 weight percent titanium.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings für eine Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt, umfassend Abscheiden einer Legierung auf der Basis von Kupfer, die einen Zusatz aus Ti und Be aufweist.According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a piston ring for an internal combustion engine, comprising depositing one Alloy based on copper, which has an additive of Ti and Be.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Abscheiden ein thermisches Spritzverfahren. Das thermische Spritzverfahren kann Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (High Velocity Oxy Fuel, HVOF) oder Plasmaspritzen sein.In one embodiment, the deposition comprises a thermal spray process. The thermal spraying process can be high velocity oxy fuel (HVOF) or plasma spraying.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Legierung 0,1 bis 4 Gewichts-Prozent Beryllium und 0,1 bis 0,8 Gewichtsprozent Titan, bevorzugt 1 bis 3 Gewichts-Prozent Beryllium und 0,2 bis 0,6 Gewichtsprozent Titan, am meisten bevorzugt ca. 2 Gewichts-Prozent Beryllium und ca. 0,4 Gewichtsprozent Titan auf.According to one embodiment, the alloy comprises 0.1 to 4 weight percent beryllium and 0.1 to 0.8 weight percent titanium, preferably 1 to 3 weight percent beryllium and 0.2 to 0.6 weight percent titanium, most preferably ca. 2 weight percent beryllium and about 0.4 weight percent titanium.
Die Erfindung ermöglicht es, dass die Beschichtung homogen aufgebracht wird, wodurch eine schnellere und kostengünstigere Herstellung von beispielsweise Kolbenringen möglich wird. Eine Beschichtung mit separaten Verschleißschutz- und Einlaufschichten, die langwieriger und teurer wäre, kann somit vermieden werden. Auch kann ein erfindungsgemäßer Kolbenring einfach nachbearbeitet werden, ohne dass dabei eine separate Einlaufschicht abgetragen wird, die dann für den Einlaufvorgang nicht mehr verfügbar wäre.The invention makes it possible for the coating to be applied homogeneously, as a result of which a faster and more cost-effective production of, for example, piston rings becomes possible. A coating with separate wear protection and enema layers, which would be tedious and expensive, can thus be avoided. Also, an inventive piston ring can be easily reworked, without causing a separate inlet layer is removed, which would then no longer be available for the inlet process.
Da ein erfindungsgemäßer Kolbenring nur eine homogene Beschichtung aufweist, die im ursprünglichen Zustand die Eigenschaften einer Einlaufschicht besitzt, gehen selbst bei einer nötigen Nachbearbeitung die Einlaufeigenschaften nicht verloren, sofern eine genügende Restdicke erhalten bleibt. Die Verschleißschutzeigenschaften erhält die Beschichtung erst durch den Betrieb im Motor.Since a piston ring according to the invention has only a homogeneous coating which has the properties of an inlet layer in the original state, the running properties are not lost even if the post-processing is necessary, provided that a sufficient residual thickness is maintained. The anti-wear properties are only obtained by the coating in the engine.
Gegenüber herkömmlichen Kolbenringen ist ein weiterer Vorteil von Kolbenringen gemäß der Erfindung, dass die Beschichtung auch nach dem Einlaufen in ihrer Härte im Wesentlichen homogen ist. Bei herkömmlichen Kolbenringen sind dann in der Regel jedoch bereichweise Reste der Einlaufschicht sowie freigelegte Bereiche der Verschleißschutzschicht vorhanden, die sich zwangsläufig in der Härte unterscheiden. Während Bereiche mit verbleibender Einlaufschicht relativ weicher sind, sind Bereiche mit freiliegender Verschleißschutzschicht relativ härter.Compared to conventional piston rings is a further advantage of piston rings according to the invention that the coating is substantially homogeneous even after running in their hardness. In the case of conventional piston rings, however, in some areas, residues of the running-in layer as well as exposed areas of the wear-resistant layer are usually present, which inevitably differ in hardness. While areas with remaining run-in layer are relatively softer, areas with exposed wear protection layer are relatively harder.
Da bei der vorliegenden Erfindung die Härte adaptiv für die gesamte Beschichtung ist, wird auch nach dem Einlaufen eine im Wesentlichen homogene Härte der Beschichtung vorliegen. Der Verschleißschutz wird dadurch erhöht, da nicht wie beim herkömmlichen Kolbenring Bereiche mit geringerer Härte verbleiben.In the present invention, since the hardness is adaptive to the entire coating, there will be a substantially homogeneous hardness of the coating even after shrinking. The wear protection is thereby increased because not as in the conventional piston ring areas with lower hardness remain.
Es wurde ferner herausgefunden, dass sich bei den erfindungsgemäßen Kolbenringen Druckeigenspannungen in der Schicht einstellen, die einen zusätzlichen Widerstand gegen die Entstehung und Fortpflanzung von Rissen bieten.It has also been found that in the piston rings according to the invention compressive stresses occur in the layer which provide additional resistance against the formation and propagation of cracks.
Es existieren Legierungssysteme, die sich nach der Herstellung bei Raumtemperatur zunächst im thermodynamischen Ungleichgewicht befinden. Führt man Energie zum Beispiel in Form von Wärme zu, so werden separate Phasen ausgeschieden, die zu einer Aushärtung des Werkstoffes und unter Umständen zu einer Erhöhung der Verschleißfestigkeit führen können. Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, solche Legierungen durch geeignete Verfahren als Laufflächenbeschichtung auf Kolbenringe oder andere motorische Gleitelemente aufzubringen. Die so erzeugte Beschichtung erfüllt im thermisch nicht vorbehandelten Zustand die Funktion einer weichen Einlaufschicht.There are alloy systems that are initially in thermodynamic imbalance after production at room temperature. If, for example, energy is supplied in the form of heat, separate phases are precipitated, which can lead to hardening of the material and possibly to an increase in wear resistance. According to the invention it is proposed to apply such alloys by suitable methods as a tread coating on piston rings or other motorized sliding elements. The coating thus produced fulfills the function of a soft inlet layer in the non-pretreated state.
Bedingt durch die beim Motorbetrieb im Verbrennungsraum entstehende Wärme und die daraus resultierende Aufheizung der Bauteile beginnt zugleich die Ausscheidungshartung der Beschichtung. Da diese temperaturabhängig ist, wird die Aushärtung der Beschichtung mit zunehmender motorischer Belastung schneller voranschreiten, d. h. der Belastungszustand des Motors steuert selbst den Übergang von einer Einlaufschicht zu einer verschleißfesten Schicht, die ihre Verschleißschutzeigenschaften dann während der Lebensdauer des Motors behält.Due to the heat generated during operation of the engine in the combustion chamber and the resulting heating of the components at the same time begins the precipitation hardening of the coating. Since this is temperature dependent, the curing of the coating will proceed faster with increasing motor load, i. H. the load condition of the motor itself controls the transition from an inlet layer to a wear resistant layer, which then retains its anti-wear properties during the life of the engine.
Hinsichtlich einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften gibt es für Eisen-, Aluminium-, Kupfer- sowie andere Metallbasissysteme die verschiedensten Elemente, die durch eine Ausscheidungsverfestigung zusammen mit einer Kalt- oder Warmauslagerung die Eigenschaften des Grundmaterials verändern können. Bekannt für ihre Fähigkeit zur Festigkeits- und Härtesteigerung bei Warmauslagerung sind unter anderem Legierungen auf der Basis von Aluminium mit Zusätzen von Cu, Co, Mg, Si, Mn oder Zn. Auch Legierungen auf Kupferbasis mit Zusätzen von Ti, Co, Cr, Zr oder Be erfüllen diese Voraussetzungen.With regard to an improvement in mechanical properties, iron, aluminum, copper and other metal base systems have a variety of elements that can alter the properties of the base material through precipitation strengthening along with cold or hot aging. Among others, alloys based on aluminum with additions of Cu, Co, Mg, Si, Mn or Zn are known for their ability to increase strength and hardness during hot aging. Also alloys based on copper with additives of Ti, Co, Cr, Zr or Be meet these requirements.
Ausführungsbeispiel:Embodiment:
Eine Laufflächenbeschichtung auf einem Kolbenring wurde durchgeführt, indem durch ein thermisches Spritzverfahren eine CuBeTi-Legierung mit etwa 2 Gew% Beryllium und 0,4 Gew% Titan abgeschieden wurde. Die Härte der Schicht nach dem Beschichten lag bei ca. 310 HVO.3. In diesem Zustand verhält sich die Beschichtung sich als Einlaufschicht. Eine vor dem außermotorischen Verschleißtest ausgelagerte Probe (0,5 h bei 300°C) wies hingegen eine Härte von ca. 400 HVO.3 auf. In diesem Zustand verhält sich die Beschichtung als Verschleißschutzschicht.A tread coating on a piston ring was performed by depositing a CuBeTi alloy containing about 2 wt% beryllium and 0.4 wt% titanium by a thermal spray process. The hardness of the layer after coating was about 310 HVO.3. In this state, the coating behaves as a running-in layer. On the other hand, a sample which had been removed from the off-engine wear test (0.5 h at 300 ° C.) had a hardness of approximately 400 HVO.3. In this state, the coating behaves as a wear protection layer.
Als zusätzlicher Vorteil erwies sich bei Untersuchungen mit ausscheidungsgehärteten Legierungen auf Kupfer-Basis, dass sich grundsätzlich Druckeigenspannungen in der Schicht einstellten, die einen zusätzlichen Widerstand gegen eine mögliche Rissentstehung sowie eine Rissfortpflanzung boten.As an additional advantage, examinations with precipitation-hardened copper-based alloys proved that inherent compressive stresses were present in the layer, which offered additional resistance to possible cracking and crack propagation.
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