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 DE 101 63 933 B4 offenbart einen Werkstoffdraht zur Erzeugung einer verschleißfesten Oberflächenbeschichtung für Laufflächen von auf reibenden Verschleiß beanspruchten Maschinenteilen, insbesondere von Kolbenringen von Verbrennungskraftmaschinen, mittels thermischer Spritzverfahren, wobei der Werkstoffdraht aus einem Eisen- oder einem Nickel-Basiswerkstoff besteht und Anteile von Cr, B, Si, CrC, TiC, WC, MOC sowie C enthalten sind.The publication DE 101 63 933 B4 discloses a material wire for producing a wear-resistant surface coating for running surfaces of machine parts subject to frictional wear, in particular piston rings of internal combustion engines, by means of thermal spraying methods, wherein the material wire consists of an iron or a nickel base material and fractions of Cr, B, Si, CrC , TiC, WC, MOC and C are included.

Die Druckschrift DE 10 2008 032 042 B3 beschreibt Kolbenringe mit verbesserten tribologischen Eigenschaften. An der verschleißbeanspruchten Oberfläche der Bauteile befindet sich eine Verschleißschutzschicht mit einer Eisen-Basislegierung, die mittels thermischer Spritzverfahren aufgetragen wurde.The publication DE 10 2008 032 042 B3 describes piston rings with improved tribological properties. On the wear-stressed surface of the components is a wear protection layer with an iron-based alloy, which was applied by means of thermal spraying.

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
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.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
20-40% by weight 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.

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
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;
1–84 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
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;
1-84 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

1 zeigt die Mikrostruktur einer thermisch gespritzten FeWCrNiMoCSi-Schicht nach einer Ausführungsform der Erfindung; 1 shows the microstructure of a thermally sprayed FeWCrNiMoCSi layer according to an embodiment of the invention;

2 Mikrostruktur einer thermisch gespritzten FeWCrNiMoCSi-Schicht nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung; 2 Microstructure of a thermally sprayed FeWCrNiMoCSi layer according to another embodiment of the invention;

3 zeigt eine Röntgen-Diffraktometer (XRD) Analyse des verwendeten Materialsystems einer Ausführungsform der Erfindung; 3 shows an X-ray diffractometer (XRD) analysis of the material system used of an embodiment of the invention;

4 zeigt eine kristallographische Aufnahme der FeWCrNiMoCSi-Beschichtung einer Ausführungsform der Erfindung vor der Durchführung eines Verschleißtests; 4 shows a crystallographic image of the FeWCrNiMoCSi coating of one embodiment of the invention prior to performing a wear test;

5 zeigt eine kristallographische Aufnahme der FeWCrNiMoCSi-Beschichtung der Ausführungsform aus 4 nach der Durchführung des Verschleißtests. 5 FIG. 12 shows a crystallographic image of the FeWCrNiMoCSi coating of the embodiment. FIG 4 after carrying out the wear test.

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 1), die Kristallstruktur (siehe 2), die Porosität, die Eigenspannungen (mittels Almentest) und die Härte (siehe Tabelle 3) der hergestellten Beschichtung gemessen. Für die Versuche 1 bis 4 wurden unterschiedliche Karbidkonzentrationen verwendet. Für Versuch 3 wurden zwei unterschiedliche Spritzprozessparameter eingestellt (3a, 3b), wobei für Variante 3b ein um etwa 10% erhöhter O2-Volumenstrom als für Variante 3a eingestellt wurde (von 800 l/min auf 900 l/min).The powder was thermally sprayed and, for various variants, the chemical composition (see Table 1), the carbide content (see Table 2), the microstructure (see 1 ), the crystal structure (see 2 ), the porosity, the residual stresses (by Almentest) and the hardness (see Table 3) of the coating produced. For the experiments 1 to 4 different carbide concentrations were used. For experiment 3, two different injection process parameters were set (FIGS. 3a, 3b), whereby for variant 3b an approximately 10% higher O2 volume flow than for variant 3a was set (from 800 l / min to 900 l / min).

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 1 dargestellt ist, zeigt homogen verteilte Karbide, keine unaufgeschmolzenen Partikel und eine sehr dichte Schicht mit einer sehr geringen Porosität von < 1%.The microstructural micrograph of the FeWCrNiMoCSi coating according to experiment # 2 (corresponding to Table 1), which in 1 shows homogeneously distributed carbides, no unmelted particles and a very dense layer with a very low porosity of <1%.

Die Mikrostrukturaufnahme der FeWCrNiMoCSi-Beschichtung nach Versuch #3a (entsprechend Tabelle 1), die in 2 dargestellt ist, zeigt eine dickere Schicht. Dies wurde durch eine vergleichsweise längere Beschichtungsdauer erreicht.The microstructural micrograph of the FeWCrNiMoCSi coating according to experiment # 3a (corresponding to Table 1), which in 2 is shown, shows a thicker layer. This was achieved by a comparatively longer coating time.

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 Öl
Running 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 (4 und 5).Table 4 shows the relative improvement in wear by the addition of different carbide levels, each after completion of the experiment. The addition of carbides thus allows a targeted adjustment of the hardness, the compressive residual stresses and the wear properties of the ring and the cylinder liner. In addition, despite the high loads during the wear test, the microstructure is largely retained, which basically points to a wear-resistant piston ring produced by this coating according to the invention for the system "ring / bushing lubricated" ( 4 and 5 ).

4 zeigt einen Querschliff einer mittels HVOF gespritzten FeWCrNiMoCSi-Schicht entsprechend Versuch #3a aus Tabelle 1 auf einem Kolbenring vor Durchführung des Verschleißtests. 4 shows a cross-section of an HVOF-sprayed FeWCrNiMoCSi layer according to experiment # 3a from Table 1 on a piston ring before carrying out the wear test.

5 zeigt einen Querschliff einer mittels HVOF gespritzten FeWCrNiMoCSi-Schicht entsprechend Versuch #3a auf einem Kolbenring nach dem Verschleißtest. 5 shows a cross-section of a HVOF sprayed FeWCrNiMoCSi layer according to experiment # 3a on a piston ring after the wear test.

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. Versuch Karbidanteil Soll Chemische Zusammensetzung Fe W Cr Ni Mo C Si # (Gew%) (Gew.%) 1 0 47,5 0 28 17 4,6 1,8 1,1 2 20 35,7 11,2 30,2 15,2 3,8 3,1 0,8 3a 40 23,9 22,5 33,2 12,4 2,6 4,9 0,5 3b 40 23,9 22,5 33,2 12,4 2,6 4,9 0,5 4 60 11,4 33,8 34,8 11,7 2,3 5,7 0,3 Tabelle 1 Versuch Karbidanteil Einzelne Karbide WC Cr3C2 Soll Ist Ist # (Gew.%) (Gew.%) 1 0 0 0 2 20 9 13 3a 40 17,5 25 3b 40 17,5 25 4 60 26 37,5 Tabelle 2 Versuch Karbidanteil Soll HV0.1 Porosität Eigenspannung # (Gew.%) % [μm] 1 0 695 < 1 –110 2 20 760 < 1 –18 3a 40 824 < 1 –26 3b 40 841 < 1 57 4 60 1178 < 2 102 Tabelle 3 Verschleißwert – relative Verbesserung(*) Bemerkung Ring Laufbuchse Entwicklungsschicht 1 aus Versuch 1 1 1 ohne Karbide Entwicklungsschicht 2 aus Versuch 2 3,9 1,2 20 Gew.% Karbide Entwicklungsschicht 3 Aus Versuch 3a 13,1 1,1 40 Gew.% Karbide Tabelle 4

  • (*)bezogen auf den maximalen Verschleiß in axialer Richtung
Initial machining experiments on piston rings produced according to the invention have shown that the rings coated with the HVOF layer are at least as good machinable as conventionally Mo-based plasma-sprayed rings. attempt Carbide content target Chemical composition Fe W Cr Ni Not a word C Si # (Wt%) (Wt.%) 1 0 47.5 0 28 17 4.6 1.8 1.1 2 20 35.7 11.2 30.2 15.2 3.8 3.1 0.8 3a 40 23.9 22.5 33.2 12.4 2.6 4.9 0.5 3b 40 23.9 22.5 33.2 12.4 2.6 4.9 0.5 4 60 11.4 33.8 34.8 11.7 2.3 5.7 0.3 Table 1 attempt carbide Individual carbides WC Cr3C2 Should is is # (Wt.%) (Wt.%) 1 0 0 0 2 20 9 13 3a 40 17.5 25 3b 40 17.5 25 4 60 26 37.5 Table 2 attempt Carbide content target HV0.1 porosity Residual stress # (Wt.%) % [.Mu.m] 1 0 695 <1 -110 2 20 760 <1 -18 3a 40 824 <1 -26 3b 40 841 <1 57 4 60 1178 <2 102 Table 3 Wear value - relative improvement (*) comment ring liner Development layer 1 from experiment 1 1 1 without carbides Development layer 2 from experiment 2 3.9 1.2 20% by weight of carbides Development Layer 3 From Experiment 3a 13.1 1.1 40% by weight of carbides Table 4
  • (*) related to the maximum wear in the axial direction

Claims (15)

Kolbenring für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend – ein Substrat; und – eine Beschichtung, erhältlich durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile 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.Piston ring for an internal combustion engine, comprising A substrate; and A coating, available by thermal spraying of a powder comprising the elementary parts 20-40 weight percent Iron, Fe; 0-30 Weight percent 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 Weight percent silicon, Si. Kolbenring nach Anspruch 1, wobei der Elementanteil von Eisen mindestens 25 Gewichtsprozent beträgt.Piston ring according to claim 1, wherein the element portion of iron is at least 25 percent by weight. Kolbenring nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Anteil an Karbiden 20–70 Gewichtsprozent beträgt, zusammengesetzt aus 0–30 Gewichtsprozent Wolfram-Karbid, WC, und 20–40 Gewichtsprozent Chrom-Karbid, Cr3C2.A piston ring according to claim 1 or 2, wherein the content of carbides is 20-70% by weight composed of 0-30% by weight of tungsten carbide, WC, and 20-40% by weight of chromium carbide, Cr 3 C 2 . Kolbenring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikelgrößen des Pulvers im Bereich von 1–100 μm liegen.Piston ring according to one of the preceding claims, wherein the particle sizes of the Powders are in the range of 1-100 microns. Kolbenring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Karbide in einer Nickel-Chrom-Matrix eingebettet sind und eine Partikelgröße von 0,5–5 μm aufweisen.Piston ring according to one of the preceding claims, wherein the carbides are embedded in a nickel-chromium matrix and a Particle size of 0.5-5 microns have. Kolbenring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schichtdicke der Beschichtung im Bereich von 20–1000 μm liegt.Piston ring according to one of the preceding claims, wherein the layer thickness of the coating is in the range of 20-1000 microns. Kolbenring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das thermische Spritzverfahren Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Plasmaspritzen umfasst.Piston ring according to one of the preceding claims, wherein the thermal spraying process high-speed flame spraying or plasma spraying. Kolbenring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kolbenring ein Guss- oder Stahlkolbenring ist.Piston ring according to one of the preceding claims, wherein the piston ring is a cast or steel piston ring. Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend – Bereitstellen eines Substrats; – Beschichten des Substrats durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile 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.Method for producing a piston ring for an internal combustion engine, full - Provide a substrate; - coating of the substrate by thermal spraying a powder the elementary parts 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 Weight percent silicon, Si. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Elementanteil von Eisen mindestens 25 Gewichtsprozent beträgt.The method of claim 9, wherein the element portion of iron is at least 25 percent by weight. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Anteil an Karbiden 20–70 Gewichtsprozent beträgt, zusammengesetzt aus 0–30 Gewichtsprozent Wolfram-Karbid, WC, und 20–40 Gewichtsprozent Chrom-Karbid, Cr3C2.A method according to claim 9 or 10, wherein the content of carbides is 20-70% by weight composed of 0-30% by weight of tungsten carbide, WC, and 20-40% by weight of chromium carbide, Cr 3 C 2 . Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Partikelgrößen des Pulvers im Bereich von 1–100 μm liegen.Method according to one of claims 9 to 11, wherein the particle sizes of the Powders are in the range of 1-100 microns. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Karbide in einer Nickel-Chrom-Matrix eingebettet sind und eine Partikelgröße von 0,5–5 μm aufweisen.Method according to one of claims 9 to 12, wherein the carbides in a nickel-chromium matrix are embedded and have a particle size of 0.5-5 microns. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Schichtdicke der Beschichtung im Bereich von 20–1000 μm liegt.Method according to one of claims 9 to 13, wherein the layer thickness of the coating in the range of 20-1000 microns. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei das thermische Spritzverfahren Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Plasmaspritzen umfasst.Method according to one of claims 9 to 14, wherein the thermal Spray method High-speed flame spraying or plasma spraying includes.
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