DE102009031375B4 - Piston ring with adjustable wear characteristics and process for its preparation - Google Patents
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Abstract
Offenbart wird ein Kolbenring für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend ein Substrat; und eine Beschichtung, erhältlich durch thermisches Spritzen eines Pulvers, das die folgenden Elementanteile umfasst: 20-40 Gewichtsprozent Eisen, Fe; 0-30 Gewichtsprozent Wolfram, W; 20-40 Gewichtsprozent Chrom, Cr; 10-20 Gewichtsprozent Nickel, Ni; 1-5 Gewichtsprozent Molybdän, Mo; 1-8 Gewichtsprozent Kohlenstoff, C; und 0,1-2 Gewichtsprozent Silizium, Si.Disclosed is a piston ring for an internal combustion engine, comprising a substrate; and a coating obtainable by thermal spraying a powder comprising the following elemental proportions: 20-40% by weight of iron, Fe; 0-30 wt% tungsten, W; 20-40 weight percent chromium, Cr; 10-20 weight percent nickel, Ni; 1-5 weight percent molybdenum, Mo; 1-8 weight percent carbon, C; and 0.1-2% by weight of silicon, Si.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenring, dessen Verschleißeigenschaften bei der Herstellung eingestellt werden können, sowie das entsprechende Herstellungsverfahren davon.The The present invention relates to a piston ring whose wear characteristics can be adjusted during manufacture, as well as the corresponding Manufacturing method thereof.
Heutzutage sind die Kundenanforderungen hinsichtlich des Verschleißverhaltens auf dem Kolbenring und der Zylinderlaufbahn unterschiedlich, d. h. es wird zum Teil ein möglichst geringer Verschleiß verlangt, andererseits benötigen Motorenhersteller teilweise auch höhere Verschleißraten, um aus deren Sicht ein möglichst gutes Einlaufverhalten für das System ”Kolbenring/Zylinderlaufbuchse geschmiert” zu erhalten.nowadays are the customer requirements regarding the wear behavior on the piston ring and the cylinder bore differently, d. H. it is partly a possible low wear requires on the other hand need Engine manufacturers sometimes also higher wear rates, from their point of view as possible good run-in behavior for the system "piston ring / cylinder liner lubricated " receive.
Die
Druckschrift
Die
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, die tribologischen Eigenschaften von thermisch gespritzten Kolbenringen zu verbessern. Dies wird gemäß der Erfindung erreicht durch die Verwendung eines bisher nicht verwendeten Materialsystems als Beschichtungsmaterial im Vergleich zu Kolbenringbeschichtungen auf Moybdän-Basis. Die Erfindung soll weiterhin die Herstellung von den Kundenanforderungen entsprechenden maßgeschneiderten beschichteten Kolbenringen, insbesondere hinsichtlich deren Verschleißverhaltens und der Eigenspannungen, verbessern wobei die Beschichtung über thermisches Spritzen erfolgt.The The object of the invention is, therefore, the tribological properties of thermally sprayed piston rings. this will according to the invention achieved through the use of a previously unused material system as a coating material compared to piston ring coatings Moybden-based. The invention is further intended to manufacture according to customer requirements appropriate tailor made coated piston rings, in particular with regard to their wear behavior and the residual stress, improve the coating over thermal Spraying takes place.
Des Weiteren sollte die Basismaterialmatrix ähnliche physikalische Eigenschaften (bezüglich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der Wärmeleitfähigkeit) wie das zugrunde liegenden Substrat sowie ausreichend mechanische Eigenschaften (bezüglich Härte und Duktilität) aufweisen.Of Further, the base material matrix should have similar physical properties (in terms of the thermal expansion coefficient and the thermal conductivity) like the underlying substrate as well as sufficient mechanical Properties (re Hardness and ductility) exhibit.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Kolbenring für eine Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt, umfassend
- – ein Substrat; und
- – eine Beschichtung, erhältlich durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile
0–30 Gewichtsprozent Wolfram, W;
20–40 Gewichtsprozent Chrom, Cr;
10–20 Gewichtsprozent Nickel, Ni;
1–5 Gewichtsprozent Molybdän, Mo;
1–8 Gewichtsprozent Kohlenstoff, C; und
0,1–2 Gewichtsprozent Silizium, Si.According to a first aspect of the invention, a piston ring for an internal combustion engine is provided, comprising
- A substrate; and
- A coating obtainable by thermal spraying of a powder comprising the elementary parts
0-30 wt% tungsten, W;
20-40 weight percent chromium, Cr;
10-20 weight percent nickel, Ni;
1-5 weight percent molybdenum, Mo;
1-8 weight percent carbon, C; and
0.1-2% by weight of silicon, Si.
Nach einer Ausführungsform beträgt der Elementanteil von Eisen mindestens 25 Gewichtsprozent, bevorzugt zwischen 37 und 40 Gewichtsprozent.To an embodiment is the elemental proportion of iron is at least 25% by weight, preferably between 37 and 40 weight percent.
Nach einer Ausführungsform beträgt der Anteil an Karbiden 20–70 Gewichtsprozent, zusammengesetzt aus 0–30 Gew.% Wolframkarbid WC und 20–40 Gew.% Chrom-Karbid Cr3C2.In one embodiment, the amount of carbides is 20-70 weight percent composed of 0-30 wt% tungsten carbide WC and 20-40 wt% chromium carbide Cr 3 C 2 .
Nach einer Ausführungsform liegen die Partikelgrößen des Pulvers im Bereich von 1–100 μm.To an embodiment are the particle sizes of the Powder in the range of 1-100 microns.
Nach einer Ausführungsform sind die Karbide in einer Nickel-Chrom-Matrix eingebettet und weisen eine Partikelgröße von 0,5–5 μm auf.To an embodiment The carbides are embedded in a nickel-chromium matrix and have a Particle size of 0.5-5 microns on.
Nach einer Ausführungsform liegt die Schichtdicke der Beschichtung im Bereich von 20–1000 μm.To an embodiment the layer thickness of the coating is in the range of 20-1000 μm.
Nach einer Ausführungsform umfasst das thermische Spritzverfahren Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (High Velocity Oxy Fuel, HVOF) oder Plasmaspritzen.To an embodiment The thermal spraying process includes high-speed flame spraying (High Velocity Oxy Fuel, HVOF) or plasma spraying.
Nach einer Ausführungsform ist der Kolbenring ein Guss- oder Stahlkolbenring.To an embodiment the piston ring is a cast or steel piston ring.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings für eine Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt, umfassend
- – Bereitstellen eines Substrats;
- – Beschichten des Substrats durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile
0–30 Gewichtsprozent Wolfram, W;
20–40 Gewichtsprozent Chrom, Cr;
10–20 Gewichtsprozent Nickel, Ni;
1–5 Gewichtsprozent Molybdän, Mo;
1–84 Gewichtsprozent Kohlenstoff, C; und
0,1–2 Gewichtsprozent Silizium, Si.According to a second aspect of the invention, there is provided a method of manufacturing a piston ring for an internal combustion engine, comprising
- - Providing a substrate;
- - Coating of the substrate by thermal spraying of a powder comprising the elementary parts
0-30 wt% tungsten, W;
20-40 weight percent chromium, Cr;
10-20 weight percent nickel, Ni;
1-5 weight percent molybdenum, Mo;
1-84 weight percent carbon, C; and
0.1-2% by weight of silicon, Si.
Nach einer Ausführungsform beträgt der Elementanteil von Eisen mindestens 20 Gewichtsprozent, bevorzugt zwischen 37 und 40 Gewichtsprozent.To an embodiment is the elemental proportion of iron is at least 20% by weight, preferably between 37 and 40 weight percent.
Nach einer Ausführungsform beträgt der Anteil an Karbiden 20–70 Gewichtsprozent, zusammengesetzt aus 0–30 Gew.% Wolframkarbid WC und 20–40 Gew.% Chrom-Karbid Cr3C2.In one embodiment, the amount of carbides is 20-70 weight percent composed of 0-30 wt% tungsten carbide WC and 20-40 wt% chromium carbide Cr 3 C 2 .
Nach einer Ausführungsform liegen die Partikelgrößen des Pulvers im Bereich von 1–100 μm.To an embodiment are the particle sizes of the Powder in the range of 1-100 microns.
Nach einer Ausführungsform sind die Karbide in einer Nickel-Chrom-Matrix eingebettet und weisen eine Partikelgröße von 0,5–5 um auf.To an embodiment The carbides are embedded in a nickel-chromium matrix and have a Particle size of 0.5-5 μm.
Nach einer Ausführungsform liegt die Schichtdicke der Beschichtung im Bereich von 20–1000 μm.To an embodiment the layer thickness of the coating is in the range of 20-1000 μm.
Nach einer Ausführungsform umfasst das thermische Spritzverfahren Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Plasmaspritzen.To an embodiment The thermal spraying process includes high speed flame spraying or Plasma spraying.
Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description the invention
Eisen-basierte Beschichtungen, aufgetragen mittels Lichtbogendrahtspritzen (LDS) finden bisher lediglich im Bereich des Kurbeltriebs auf der Zylinderlaufbahn Anwendung.Iron-based Coatings applied by means of arc wire spraying (LDS) previously found only in the range of the crank mechanism on the cylinder bore Application.
Die Herstellung von Verschleißschutzschichten mittels thermischer Spritzprozesse ist ein bekanntes Verfahren. Die heutigen dafür verwendeten Pulvermaterialien basieren auf den Substanzen Molybdän, Wolfram-Karbid, Nickel-Chrom und Chrom-Karbid.The Production of wear protection layers by thermal spraying is a known method. Today's for it powder materials used are based on the substances molybdenum, tungsten carbide, Nickel-chromium and chromium-carbide.
Um die oben beschriebene Aufgabe zu lösen wird von der Erfindung ein Schichtsystem vorgeschlagen, bestehend aus einem Basissystem mit ähnlichen physikalischen Eigenschaften wie das zu beschichtende Substrat sowie einer ausreichenden Festigkeit, verbunden mit einem verschleißresistenten Anteil. Bei der Herstellung kommt es dabei je nach verschleißresistentem Anteil zu den gewünschten unterschiedlichen Verschleißraten am Ring und der Buchse im geschmierten Zustand.In order to achieve the object described above, the invention proposes a layer system consisting of a base system with similar physical properties to the substrate to be coated and of sufficient strength, combined with a wear-resistant portion. At the Her depending on the wear-resistant component, the desired different wear rates at the ring and the bushing in the lubricated state occur.
Ebenso ist die Art und Stärke der Eigenspannungen durch die Zugabe von definierten Mengen des verschleißresistenten Anteils einstellbar. Grundsätzlich sind Druckeigenspannungen in thermisch gespritzten Schichten zu bevorzugen, da diese einem entstehenden Riss und einem Risswachstum in vertikaler Richtung entgegenwirken.As well is the type and strength the residual stresses due to the addition of defined amounts of the wear-resistant Proportion adjustable. in principle are compressive stresses in thermally sprayed coatings too prefer, as this an emerging crack and crack growth counteract in the vertical direction.
Die Lösung ist somit gemäß der Erfindung ein neues Eisen-basiertes Schichtsystem, das durch Karbide verstärkt wird.The solution is thus in accordance with the invention a new iron-based coating system reinforced by carbides.
Hinsichtlich der physikalischen Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit, thermischer Ausdehnungskoeffizient) entsteht bei einem bevorzugten Mindestanteil des eisenhaltigen Basissystems von 20 Gewichtsprozent ein quasi-homogenes System zwischen Substrat und Beschichtung. Dadurch kann die während der Mischreibung, insbesondere im OT- oder UT-Bereich, entstehende thermische Energie besser abgeführt und ein gleichmäßiger thermischer Relaxationsprozess durch die im Motor vorliegenden Temperaturschwankungen gewährleistet werden.Regarding the physical properties (thermal conductivity, thermal expansion coefficient) arises at a preferred minimum proportion of the iron-containing base system 20 percent by weight, a quasi-homogeneous system between substrate and coating. As a result, during the mixed friction, in particular in the OT or UT area, resulting thermal energy better dissipated and a uniform thermal Relaxation process ensured by the temperature fluctuations present in the engine become.
Die Anwendung von auf Eisen basierenden Legierungen als Kolbenringbasisbeschichtungsmaterial zusammen mit einem karbidischen System, hergestellt mittels HVOF-Verfahren oder Plasmaspritzen, resultiert in der Herstellung eines neuen Kolbenringtyps. Der zu beschichtende Kolbenring kann dabei ein Guss-, aber auch ein Stahlkolbenring sein.The Application of iron-based alloys as a piston ring base coating material together with a carbidic system produced by HVOF or plasma spraying, results in the production of a new type of piston ring. The too Coating piston ring can be a casting, but also a steel piston ring be.
Grundsätzlich besteht
das gesamte System aus den folgenden Elementen:
Eisen (Fe),
Wolfram (W, als WC), Chrom (Cr, als Cr und Cr3C2), Nickel (Ni),
Molybdän
(Mo), Silizium (Si) und Kohlenstoff (C, teilweise gebunden in Fe,
W und Cr als Karbid). Für
die Darstellung des neuen Materialsystems sind die folgenden Elementkonzentrationen
einzuhalten:
20–40
Gewichtsprozent Eisen, Fe;
0–30 Gewichtsprozent Wolfram,
W;
20–40
Gewichtsprozent Chrom, Cr;
10–20 Gewichtsprozent Nickel,
Ni;
1–5
Gewichtsprozent Molybdän,
Mo;
1–8
Gewichtsprozent Kohlenstoff, C; und
0,1–2 Gewichtsprozent Silizium,
Si.Basically, the whole system consists of the following elements:
Iron (Fe), tungsten (W, as WC), chromium (Cr, as Cr and Cr3C2), nickel (Ni), molybdenum (Mo), silicon (Si) and carbon (C, partially bound in Fe, W and Cr as carbide). For the presentation of the new material system, the following element concentrations must be observed:
20-40 weight percent iron, Fe;
0-30 wt% tungsten, W;
20-40 weight percent chromium, Cr;
10-20 weight percent nickel, Ni;
1-5 weight percent molybdenum, Mo;
1-8 weight percent carbon, C; and
0.1-2% by weight of silicon, Si.
Bei
einem Karbid-Anteil von 20–70
Gewichtsprozent sind die folgenden Karbidkonzentrationen einzuhalten:
0–30 Gew.%
Wolframkarbid WC,
20–40
Gew.% Cr3C2.With a carbide content of 20-70% by weight, the following carbide concentrations must be observed:
0-30 wt% tungsten carbide WC,
20-40% by weight Cr3C2.
Eine Eisenbasislegierung ohne Karbid-Anteil ist nicht zu empfehlen, da der Verschleißwiderstand (gemessen wie unten beschrieben) die heutigen Anforderungen nicht erfüllt. Das erfindungsgemäße Materialsystem umfasst daher mindestens einen Anteil von 20 Gew.% Karbid. Eine Erhöhung des gesamten Karbidanteils über 70 Gew.% ist für die Anwendung als Kolbenringbeschichtung aber ebenfalls nicht zu empfehlen, da bei zu hohem Karbidanteil die Schicht einen zu starken keramischen Charakter bekommt (zu hohes E-Modul) und damit den Temperaturwechselbeanspruchungen im Motor nicht standhält. Das erfindungsgemäße Materialsystem umfasst daher maximal einen Anteil von 70 Gew.% Karbid.A Iron-based alloy without carbide content is not recommended since the wear resistance (measured as described below) today's requirements are not Fulfills. The material system according to the invention therefore comprises at least 20% by weight of carbide. A increase of the total carbide content above 70% by weight is for the application as piston ring coating but also not too recommend, since too high a carbide content, the layer too strong gets ceramic character (too high modulus of elasticity) and thus the thermal cycling in the engine does not withstand. The material system according to the invention therefore, comprises a maximum of 70% by weight of carbide.
Die Partikelgrößen der verwendeten Pulver liegen im Bereich 1–100 μm, wobei die einzelnen, in einer NiCr-Matrix eingebeteten Karbide eine Partikelgröße von 0,5–5 μm aufweisen.The Particle sizes of Powders used are in the range 1-100 microns, with the individual, in a NiCr matrix embedded carbides have a particle size of 0.5-5 microns.
Durchgeführte Versuche:Experiments performed:
Das
Pulver wurde thermisch gespritzt und für verschiedene Varianten wurde
die chemische Zusammensetzung (siehe Tabelle 1), der Karbidanteil
(siehe Tabelle 2), die Mikrostruktur (siehe
Tabelle 1 zeigt die chemische Zusammensetzung des hergestellten Schichtsystems FeWCrNiMoCSi nach den verschiedenen Versuchen.table 1 shows the chemical composition of the layer system produced FeWCrNiMoCSi after the different experiments.
Tabelle 2 zeigt den Karbidanteil der verwendeten Proben.table 2 shows the carbide content of the samples used.
Die
Mikrostrukturaufnahme der FeWCrNiMoCSi-Beschichtung nach Versuch
#2 (entsprechend Tabelle 1), die in
Die
Mikrostrukturaufnahme der FeWCrNiMoCSi-Beschichtung nach Versuch
#3a (entsprechend Tabelle 1), die in
Bei den Untersuchungen stellte sich heraus, dass mittels des Diffraktogramms zwar die karbidischen Phasen nachgewiesen, aber keine Differenzierung zwischen einer Karbidkonzentration von 20 Gew.% oder 40 Gew.% vorgenommen werden konnte.at The investigations showed that by means of the diffractogram Although the carbide phases detected, but no differentiation between a carbide concentration of 20% by weight or 40% by weight could be.
Wie Tabelle 3 zu entnehmen, haben erste Versuche gezeigt, dass die Schichten eine Porosität von < 1–2% bei einer Härte von etwa 695 HV0.1 für den Karbid-freien Fe-Basiswerkstoff bis zu 1178 HV0.1 für den Fe-Basis Werkstoff mit einem Karbidanteil von 60 Gew.% aufweisen. Zusätzlich wurden die bei der Beschichtung auftretenden Eigenspannungen gemessen. Die Zugabe von bis zu 40 Gew.% an Karbiden bewirkt eine Änderung der Eigenspannungen bei kaum veränderten Härtewerten. Die Rauigkeitsangaben beziehen sich auf die Schichtrauheit direkt nach dem Spritzen.As Table 3 shows, first experiments have shown that the layers a porosity of <1-2% at a hardness from about 695 HV0.1 for the carbide-free Fe base material up to 1178 HV0.1 for the Fe base Have material with a carbide content of 60 wt.%. Additionally were measured the residual stresses occurring during the coating. The addition of up to 40% by weight of carbides causes a change the residual stresses with hardly changed Hardness values. The roughness data refer to the layer roughness directly after spraying.
Um die tribologischen Eigenschaften des jeweiligen Systems zu prüfen, wurden Verschleißtests auf dem internen Standard-Prüfsystem durchgeführt. Die Prüfbedingungen waren dabei wie folgt:Around the tribological properties of the respective system were examined wear tests on the internal standard test system carried out. The test conditions were as follows:
Laufpartner:
Grauguss-Zylinderlaufbuchsensegment mit einer Standardhonung
Dauer:
23 h
Frequenz: 10 Hz
Weglänge: 20 mm
Öltemperatur:
190°C
Schmiermittel:
unadditiviertes ÖlRunning Partner: Gray cast iron cylinder liner segment with a standard finish
Duration: 23 h
Frequency: 10 Hz
Path length: 20 mm
Oil temperature: 190 ° C
Lubricant: unadditized oil
Tabelle
4 zeigt die relative Verbesserung des Verschleißes durch die Zugabe unterschiedlicher
Karbidanteile jeweils nach Beendigung des Versuchs. Die Zugabe von
Karbiden ermöglicht
demnach eine gezielte Einstellung der Härte, der Druckeigenspannungen
sowie der Verschleißeigenschaften
am Ring und der Zylinderlaufbuchse. Zusätzlich bleibt trotz der hohen
Belastungen während
des Verschleißtests
die Mikrostruktur weitgehend erhalten, was grundsätzlich auf
einen mit dieser erfindungsgemäßen Beschichtung
hergestellten verschleißresistenten
Kolbenring für
das System ”Ring/Laufbuchse
geschmiert” hinweist
(
Das Schichtsystem der Erfindung ist für alle gängigen Kolbenringgeometrien geeignet.The Layer system of the invention is for all common piston ring geometries suitable.
Ebenfalls sind mittels der Erfindung Schichtdicken im Bereich 20–1000 μm für einen fertig bearbeiteten Kolbenring realisierbar.Also are by means of the invention layer thicknesses in the range 20-1000 microns for a finished machined piston ring feasible.
Die Erfindung bietet weiterhin die folgenden Vorteile. Das neue Pulver ist etwa 25–40% günstiger als das herkömmlich zur Verfügung gestellte Mo-basierte Pulver, so dass die Herstellung der Kolbenringe sowie die Endprodukte günstiger ausfallen. Der Abscheidewirkungsgrad (DE-Wert) von Schichtsystemen gemäß der Erfindung liegt bei 50–59%.The Invention further offers the following advantages. The new powder is about 25-40% better as that conventional to disposal asked Mo-based powder, so that the production of the piston rings and the end products cheaper fail. The separation efficiency (DE value) of layer systems according to the invention is 50-59%.
Erste
Bearbeitungsversuche an erfindungsgemäß hergestellten Kolbenringen
haben ergeben, dass die mit der HVOF-Schicht beschichteten Ringe
mindestens genauso gut bearbeitbar sind wie herkömmlich Mo-basierte plasmagespritzte
Ringe.
- (*)bezogen auf den maximalen Verschleiß in axialer Richtung
- (*) related to the maximum wear in the axial direction
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20110225 |
|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee | ||
R079 | Amendment of ipc main class |
Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: C23C0004060000 Ipc: C23C0004067000 |