DE102008056720B3

DE102008056720B3 - Gleitelement mit thermisch gespritzter Beschichtung und Herstellungsverfahren davon

Info

Publication number: DE102008056720B3
Application number: DE200810056720
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: 2008-11-11
Filing date: 2008-11-11
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2028-11-12

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gleitelement für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend ein Substrat und eine Beschichtung, erhältlich durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile 40-90 Gewichtsprozent Chrom, Cr; 10-30 Gewichtsprozent Nickel, Ni; 0,1-5 Gewichtsprozent Kohlenstoff, C; 10-20 Gewichtsprozent Stickstoff, N.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitelement, insbesondere einen Kolbenring, für eine Verbrennungskraftmaschine, sowie ein Herstellungsverfahren für ein solches Gleitelement.
Ziel der Erfindung ist es, die tribologischen Eigenschaften von thermisch gespritzten Kolbenringen mit einem bisher nicht verwendeten Materialsystem als Beschichtungsmaterial im Vergleich zu Kolbenringbeschichtungen auf Mo- oder Metallkarbidbasis bzw. solchen, die mittels PVD-Verfahren hergestellt sind, zu verbessern.
Chromnitrid (CrN) als Beschichtungswerkstoff für Gleitelemente wird mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (physical vapour deposition, PVD) hergestellt. Als thermische Spritzschicht wurde dieses System noch nicht für Kolbenringe verwendet.
Die Herstellung von Verschleißschutzschichten mittels des thermischen Spritzprozesses ist ein bekanntes Verfahren. Die heutigen dafür verwendeten Pulvermaterialien basieren auf Molybdän (Mo), Wolframkarbid (WC), Nickel-Chrom (NiCr) und Chromkarbid (Cr₃C₂). Ein Materialsystem bestehend aus CrN und Karbiden existiert bis heute nicht.
Die Druckschrift DE 26 04 960 B2 betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Überzügen, insbesondere für die Verwendung in Kernreaktoren, bei dem eine Pulverzusammensetzung aus dem weichen Chromkarbid Cr₂₃C₆ mit einem Bindemittel wie Nickel-Chrom für das Aufbringen mittels Plasmaverfahren oder Detonationskanonenverfahren verwendet wird.
Die Druckschrift EP 0 960 954 B1 betrifft ein thermisches Spritzpulver umfassend Pulverpartikel, die jeweils im Wesentlichen aus Nickel, Chrom und Kohlenstoff bestehen.
Das Chrom besteht aus einem ersten Anteil und einem zweiten Anteil. Das Nickel ist mit dem ersten Anteil in einer Legierungsmatrix legiert. Der zweite Anteil und der Kohlenstoff sind zu einem Chromkarbid kombiniert, im Wesentlichen als Cr₃C₂ oder Cr₇C₃ oder Kombinationen davon. Das Chromkarbid liegt in der Form von Ausfällungen im Wesentlichen zwischen 0,1 und 5 μm vor, die im Wesentlichen gleichmäßig in der Legierungsmatrix verteilt sind.
Die Druckschrift DE 103 08 563 B3 betrifft eine Zylinderlaufbuchse für Verbrennungskraftmaschinen mit einer Verschleiss-Schutzbeschichtung auf Basis einer harten Eisenlegierung mit Kohlenstoff und Sauerstoff. Die Legierung der Beschichtung kann Chrom aufweisen. Der Legierung der Beschichtung können noch weitere Legierungselemente aus der Gruppe Ni, Mo, Mn, V, W oder der Gruppe B, Si, Cu, sowie der Gruppe MoS₂, MnS, CaF₂, Graphit, hexagonalem Bornitrid, Polytetraflourethylen hinzugesetzt sein.
Eine Lösung der oben gestellten Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, die guten Verschleißeigenschaften von Cr₃C₂-haltigen thermischen Spritzschichten mit hohen Anteilen von CrN zu verbessern. Dabei wird CrN wie Cr₃C₂ in eine Metallmatrix der Spritzpulverpartikel eingebettet und verspritzt. Das thermische Spritzverfahren kann hierbei Plasmaspritzen oder Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (high velocity oxy fuel, HVOF) sein. Insbesondere durch das HVOF-Verfahren werden sehr dichte Schichten mit einer Porösität < 2% hergestellt.
Die Verwendung von CrN und Cr₃C₂ in einer Ni-Cr Matrix als Kolbenringbeschichtungsmaterial, hergestellt mittels des HVOF- oder Plasma-Verfahrens, führt zu der Herstellung eines neuen Kolbenringtyps.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Gleitelement für eine Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt, umfassend

– ein Substrat; und
– eine Beschichtung, erhältlich durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile 40–79,9 Gewichtsprozent Chrom, Cr; 10–30 Gewichtsprozent Nickel, Ni; 0,1–5 Gewichtsprozent Kohlenstoff, C; 10–20 Gewichtsprozent Stickstoff, N.

Der Werkstoff des Gleitelements, insbesondere eines Kolbenrings, kann beispielsweise Stahl oder Gusseisen sein.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Pulver CrN und Cr₃C₂ in einer Ni/Cr-Matrix eingebettet auf.
Gemäß einer Ausführungsform wird der Anteil an CrN und Cr₃C₂ eingestellt gemäß
30–99,9 Gewichtsprozent CrN; und
0,1–30 Gewichtsprozent Cr₃C₂.
Gemäß einer Ausführungsform liegen die Partikelgrößen des Pulvers in einem Bereich von 5–65 μm.
Gemäß einer Ausführungsform liegt die Partikelgröße von in der Ni/Cr-Matrix eingebetteten Karbiden in einem Bereich von 1–5 μm.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Schichtdicke der Beschichtung bis zu 1000 μm.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das thermische Spritzen Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Plasmaspritzen.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Gleitelement ein Kolbenring.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements für eine Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt, umfassend

– Bereitstellen eines Substrats; und
– Beschichten des Substrats durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile 40–79,9 Gewichtsprozent Chrom, Cr; 10–30 Gewichtsprozent Nickel, Ni; 0,1–5 Gewichtsprozent Kohlenstoff, C; 10–20 Gewichtsprozent Stickstoff, N.

Gemäß einer Ausführungsform weist das Pulver CrN und Cr₃C₂ in einer Ni/Cr-Matrix eingebettet auf.
Gemäß einer Ausführungsform wird der Anteil an CrN und Cr₃C₂ eingestellt gemäß
30–99,9 Gewichtsprozent CrN; und
0,1–30 Gewichtsprozent Cr₃C₂.
Gemäß einer Ausführungsform liegen die Partikelgrößen des Pulvers in einem Bereich von 5–65 μm.
Gemäß einer Ausführungsform liegt die Partikelgröße von in der Ni/Cr-Matrix eingebetteten Karbiden in einem Bereich von 1–5 μm.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Schichtdicke der Beschichtung bis zu 1000 μm.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das thermische Spritzen Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Plasmaspritzen.
Versuche
Das Pulver wurde verspritzt und die Mikrostruktur (1) sowie Härte und Verschleißeigenschaften wurden geprüft. Die Mikrostrukturaufnahm zeigt homogen verteilte Karbide, keine unaufgeschmolzenen Partikel und eine sehr dichte Schicht mit einer geringen Porösität. Das für das Pulver hierbei verwendete Materialsystem hatte folgende Zusammensetzung

CrN: 60 Gew.-%

Cr₃C₂: 10 Gew.-%

Ni: 25 Gew.-%

Cr: 5 Gew.-%
Und die folgende Elementzusammensetzung

Cr: 64 Gew.-%

Ni: 24 Gew.-%

C: 1 Gew.-%

N: 11 Gew.-%
Wie in Tabelle 1 beschrieben, haben erste Versuche gezeigt, dass die Schichten eine Porösität von < 2% bei einer Härte von etwa 800 HVO.1 aufweisen.
Um die tribologischen Eigenschaften dieses Systems zu prüfen, wurden Verschleißtests auf dem internen Prüfsystem im geschmierten Zustand durchgeführt.
Tabelle 1 zeigt eine Bewertung der Verschleißwerte im Vergleich zu galvanisch hergestellten Cr-basierten sowie mittels PVD hergestellten Schichten. Es ist deutlich zu erkennen, dass das von dieser Erfindung beschriebene Materialsystem als Alternative gegenüber anderen Beschichtungstechnologien verwendet werden kann. Zudem sind mittels des thermischen Spritzverfahrens wesentlich kürzere Beschichtungszeiten realisierbar als bei den herkömmlichen Verfahren (100 μm/min gegenüber 0,07 μm/min für PVD und 1 μm/h für Galvanik).
Tabelle 1:
Bewertung unterschiedlicher Schichtsysteme hinsichtlich Verschleiß nach Standard-Verschleißtest, bezogen auf den maximalen Verschleiß in axialer Richtung

Ring Laufbuchse

Entwicklungsschicht 1 Cr-basiert galvanisch + +

Entwicklungsschicht 2 CrN PVD ++ ++

Entwicklungsschicht 3 CrN + Cr3C2 HVOF + ++

Claims

Gleitelement für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend ein Substrat; und eine Beschichtung, erhältlich durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile 40–79,9 Gewichtsprozent Chrom, Cr; 10–30 Gewichtsprozent Nickel, Ni; 0,1–5 Gewichtsprozent Kohlenstoff, C; 10–20 Gewichtsprozent Stickstoff, N.
Gleitelement nach Anspruch 1, wobei das Pulver CrN und Cr₃C₂ in einer Ni/Cr-Matrix eingebettet aufweist.
Gleitelement nach Anspruch 2, wobei der Anteil an CrN und Cr₃C₂ eingestellt ist gemäß 30–99,9 Gewichtsprozent CrN; und 0,1–30 Gewichtsprozent Cr₃C₂.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Partikelgrößen des Pulvers in einem Bereich von 5–65 μm liegen.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Partikelgröße von in der Ni/Cr-Matrix eingebetteten Karbiden in einem Bereich von 1–5 μm liegt.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Schichtdicke der Beschichtung bis zu 1000 μm beträgt.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das thermische Spritzen Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Plasmaspritzen umfasst.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Gleitelement ein Kolbenring ist.
Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend – Bereitstellen eines Substrats; und – Beschichten des Substrats durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile 40–79,9 Gewichtsprozent Chrom, Cr; 10–30 Gewichtsprozent Nickel, Ni; 0,1–5 Gewichtsprozent Kohlenstoff, C; 10–20 Gewichtsprozent Stickstoff, N.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Pulver CrN und Cr₃C₂ in einer Ni/Cr-Matrix eingebettet aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Anteil an CrN und Cr₃C₂ eingestellt wird gemäß 30–99,9 Gewichtsprozent CrN; und 0,1–30 Gewichtsprozent Cr₃C₂.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Partikelgrößen des Pulvers in einem Bereich von 5–65 μm liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Partikelgröße von in der Ni/Cr-Matrix eingebetteten Karbiden in einem Bereich von 1–5 μm liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Schichtdicke der Beschichtung bis zu 1000 μm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei das thermische Spritzen Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Plasmaspritzen umfasst.