DE112014003089T5

DE112014003089T5 - Beschichtungszusatzstoff

Info

Publication number: DE112014003089T5
Application number: DE112014003089.9T
Authority: DE
Inventors: Thomas Stong; Thomas Smith; Jason Bieneman
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2014-07-03
Publication date: 2016-03-17
Also published as: WO2015001035A1; US9611532B2; US20150010776A1

Abstract

Verschiedene Verfahren werden offenbart, die das Aufbringen eines Beschichtungsmaterials mit einem Zusatzstoff auf einen Gegenstand beinhalten. Das Beschichtungsmaterial kann in Pulverform vorliegen, bevor eine thermische Spritztechnik angewendet wird, um das Beschichtungsmaterial aufzubringen. Das Beschichtungsmaterial kann ein Chromnitrid, ein Chromcarbid, ein Chromsilicid oder ein Wolframcarbid umfassen. Zusätzliche Materialien können zugegeben werden, z. B. eine Molybdän-Legierung wie Molybdän-Chrom. In einem Aspekt einhaltet das thermische Spritzen das Schmelzen des Beschichtungsmaterials, Treiben des geschmolzenen Beschichtungsmaterials zu dem zu beschichtenden Gegenstand und Beschichten des Gegenstands mit dem geschmolzenen Beschichtungsmaterial. In einem Aspekt ist der beschichtete Gegenstand einer oder mehrere Kolbenringe.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Ein besonderes Problem bei bekannten Kolbenringen besteht darin, dass sie nicht verschleißfest genug sind. Eine verbesserte Verschleißfestigkeit wurde durch Auswahl von Kolbenring-Basismaterialien erzielt. Außerdem wurde eine erhöhte Verschleißfestigkeit durch Beschichten des Kolbenring-Basismaterials mit einem Material erzielt, das im Vergleich zu dem Basismaterial eine verbesserte Verschleißfestigkeit aufweist. Typische Beschichtungen schließen Nitride, Carbide, Verchromung und Keramikplattierung ein. Allerdings sind bekannte Verfahren zum Aufbringen dieser Beschichtung teuer und zeitaufwendig.
Zum Beispiel wendet ein bekannter Beschichtungsansatz ein Verfahren der physikalischen Dampfphasenabscheidung (PVD) zum Aufbringen eines Beschichtungsmaterials an. Die PVD benutzt eine Vakuumkammer, in der das Beschichtungsmaterial verdampft wird. In einem Verfahren werden Chrom-Metallkathoden benutzt. Die Kathoden werden verdampft und das Chrom wird mit der Einleitung einer Menge Stickstoffionen nitriert. Ein elektrisches Potenzial, das durch die zu beschichtenden Gegenstände geleitet wird, stellt sicher, dass das Beschichtungsmaterial auf die Gegenstände abgeschieden wird. Wenngleich das Verfahren eine akzeptable Verschleißfestigkeit bereitstellt, ist es teuer und komplex. Das PVD-Verfahren beinhaltet lange Zykluszeiten. Es ist auch nicht dazu in der Lage, eine Schicht von Beschichtungsmaterial bereitzustellen, die dick genug ist.
Die oben genannten Gründe veranschaulichen den Bedarf an einem verbesserten Verfahren zur Erzeugung von verschleißfesten Gegenständen, das wirtschaftlicher ist, eine kürzere Zykluszeit hat und Schichten von Beschichtungsmaterialien hervorbringen kann, die dick genug sind, um verlängerte Arbeitszyklen bereitzustellen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen sind lediglich beispielhafte Darstellungen im Detail dargestellt. Wenngleich die Zeichnungen einige Beispiele darstellen, sind die Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu, wobei bestimmte Merkmale übertrieben, entfernt oder teilweise im Schnitt dargestellt sein können, um die vorliegende Erfindung besser zu veranschaulichen und zu erläutern. Ferner sollen die hierin dargelegten beispielhaften Darstellungen nicht erschöpfend sein oder die Ansprüche nicht anderweitig auf die jeweiligen in den Zeichnungen dargestellten und in der folgenden ausführlichen Beschreibung offenbarten Formen und Konfigurationen einschränken. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Kolbenrings mit einer Beschichtung gemäß einer beispielhaften Darstellung;
2A eine vergrößerte Ansicht eines beispielhaften Teilchens vor dem Plattieren gemäß einem beispielhaften Ansatz;
2B auch ein beispielhaftes Teilchen nach dem Plattieren gemäß einer anderen beispielhaften Darstellung;
3 eine vergrößerte Ansicht eines beispielhaften agglomerierten und gesinterten Pulvers;
4 eine vergrößerte Ansicht einer beispielhaften Beschichtungsschicht, die mit den aufgebrachten Pulvern aus 2 und 3 gebildet ist, mit einem optischen Mikroskop betrachtet;
5 eine vergrößerte Ansicht der beispielhaften Beschichtungsschicht aus 4 mit einem optischen Mikroskop betrachtet;
6 eine vergrößerte Ansicht einer Beschichtungsschicht mit einer plattierten Pulverzusammensetzung, betrachtet mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM);
7 eine vergrößerte Ansicht einer Beschichtungsschicht mit einer plattierten Pulverzusammensetzung, betrachtet mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM).
8 ein Prozessflussdiagramm für ein beispielhaftes Verfahren zum Beschichten eines Gegenstandes.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Verschiedene beispielhafte Darstellungen eines beschichteten Gegenstands und Verfahren zur Herstellung dieser werden offenbart. Ein beispielhaftes Verfahren kann das Aufbringen eines Beschichtungsmaterials auf einen Gegenstand, z. B. einen Kolbenring, eine Zylinderbohrungsauskleidung, einen Ventilschaft oder dergleichen beinhalten. Das Beschichtungsmaterial kann ein Pulver aufweisen, das einen von Chromnitrid, Chromcarbid, Wolframcarbid, Chromsilicid und einen Zusatzstoff umfasst, der ein Molybdän-Legierungsmaterial umfasst. In einer beispielhaften Darstellung werden Chromnitrid-Pulver und ein Molybdän-Chrom-Legierungszusatzstoff thermisch auf eine Oberfläche eines Kolbenrings gespritzt.
Die beispielhaften Darstellungen eines Verfahrens zum Beschichten eines Gegenstands, z. B. eines Kolbenrings, einer Motorbohrungsoberfläche oder dergleichen beinhalten im Allgemeinen das Aufbringen eines Beschichtungsmaterials auf einen Gegenstand. In einigen beispielhaften Ansätzen kann eine thermische Spritztechnik angewendet werden, um ein Beschichtungsmaterial aufzubringen.
Ein beispielhaftes Beschichtungsmaterial kann eine Basis eines beliebigen Metalls, einer Legierung, Verbindung oder Zusammensetzung aufweisen, die für die Aufbringung z. B. durch thermisches Spritzen geeignet ist. Zu geeigneten Metallen gehören zum Beispiel Chrom, Molybdän, Nickel und/oder Kobalt. Beispielhafte Verbindungen können Metalle mit Nichtmetallen kombinieren. In einem Beispiel werden Verbindungen, die Nitrid und Carbid kombinieren, als Basisbeschichtungsmaterialien eingesetzt. In einer weiteren beispielhaften Darstellung ist ein Basisbeschichtungsmaterial eine Chromnitrid-Verbindung (CrN). Zu beispielhaften Zusammensetzungen gehören diejenigen, die zwei unterschiedliche Metall/Nichtmetall-Verbindungen zu einer Zusammensetzung kombinieren. In diesem Aspekt können beispielhafte Zusammensetzungen Chromcarbid (CrC), Wolframcarbid (WC) und Chromsilicid (CrSi) kombinieren.
Beschichtungsmaterial kann andere Zusatzbestandteile wie Metalle und Legierungen enthalten. Nützliche Zusatzbestandteile schließen unter anderem Molybdän-Legierungen, Nickel-Chrom-(Ni-Cr)-Legierungen und Kobalt-Legierungen ein. In einem Beispiel ist das Basisbeschichtungsmaterial in Mengen von 20 bis 80 Gew.-% vorhanden, wobei der Rest einer der verschiedenen Zusatzbestandteile ist.
Ein nützliches Beschichtungsmaterial enthält nickelplattiertes CrN als das Basisbeschichtungsmaterial und Mo-Cr-Legierung als einen Zusatzbestandteil. CrN kann in Mengen von etwa 20 bis 80 Gew.-% vorhanden sein, wobei der Rest eine Mo-Cr-Legierung ist. Eine beispielhafte Darstellung eines Beschichtungsmaterials ist etwa 60 Gew.-% CrN und etwa 40 Gew.-% Mo-Cr-Legierung. Die Mo-Cr-Legierung kann 15 bis 55 Gew.-% Chrom enthalten.
Ein anderes nützliches Beschichtungsmaterial enthält CrC, WC oder CrSi als ein Basisbeschichtungsmaterial und Mo-Cr-Legierung als einen Zusatzbestandteil. Das CrC/WC/CrSi-Basisbeschichtungsmaterial kann in Mengen von etwa 50 bis 99 Gew.-% vorhanden sein, wobei der Rest Mo-Cr-Legierung ist. Das CrC/WC/CrSi-Basisbeschichtungsmaterial enthält 75 bis 95 Gew.-% Chrom, 2 bis 15 Gew.-% Silicium und 1 bis 10 Gew.-% Kohlenstoff. In einer anderen beispielhaften Darstellung enthält das Basisbeschichtungsmaterial 85 bis 90 Gew.-% Chrom, 7 bis 10 Gew.-% Silicium und 3,5 bis 5,0 Gew.-% Kohlenstoff. Die Mo-Cr-Legierung enthält 10 bis 20 Gew.-% Chrom, 1 bis 10 Gew.-% Eisen, 3 bis 6 Gew.-% Silicium, 1 bis 5 Gew.-% Bor, wobei der Rest Molybdän ist. In einem anderen Beispiel enthält die Mo-Cr-Legierung 13 bis 17 Gew.-% Chrom, 3 bis 6 Gew.-% Eisen, 4 bis 5 Gew.-% Silicium, und 2,75 bis 3,5 Gew.-% Bor, wobei der Rest Molybdän ist. In noch einem anderen Beispiel enthält die beispielhafte Zusammensetzung etwa 70 Gew.-% CrC/WC/CrSi-Basisbeschichtungsmaterial und etwa 30 Gew.-% Mo-Cr-Legierung.
In einem beispielhaften Ansatz enthält ein beispielhaftes Beschichtungsmaterial ein nickelplattiertes Pulvermaterial. Unter Bezugnahme auf 2A und 2B kann ein beispielhaftes plattiertes Pulvermaterial mehrere Pulverteilchen umfassen, die im Allgemeinen einen Chromnitrid-Kern 40 und eine äußere Schicht 42 aufweisen, die aus Nickel gebildet sein kann. In einem anderen beispielhaften Ansatz kann der Kern 40 aus einem inneren Kern, der aus einem Cr2N-Material gebildet ist, und einem äußeren Kernabschnitt gebildet sein, der aus CrN gebildet ist, wobei der äußere Kernabschnitt um den inneren Cr₂N-Kern angeordnet ist. Die äußere Schicht 42 kann eine Nickelplattierung sein, die im Allgemeinen eine äußere Schicht um den CrN-Kern bildet. In einem beispielhaften Ansatz kann ein plattiertes Pulverbeschichtungsmaterial mittels eines Nitrierungsprozesses gebildet werden. Zum Beispiel kann das beispielhafte Pulverbeschichtungsmaterial, das in 2A und 2B dargestellt ist, aus einem CnN-Pulver durch Nitrieren des CnN-Pulvers gebildet werden, sodass eine CrN-Zwischenschicht gebildet wird, die mit dem inneren Cr₂N-Material zusammenwirkt, um den Kern 40 zu bilden, und eine äußere Nickelschicht, die die äußere Schicht 42 bildet.
Eine Plattierungsschicht kann im Allgemeinen die Oxidation der Pulverteilchen während der Spritzaufbringung verhindern. Genauer verhindert die Plattierungsschicht im Allgemeinen, dass der innere Kern 40, z. B. Chromnitrid, in der Hochtemperatur-Spritzumgebung mit Sauerstoff in innigen Kontakt tritt, sodass vorteilhafterweise höhere Konzentrationen von Restnitriden resultieren.
In einigen beispielhaften Ansätzen wird ein Zusatzstoff in Kombination mit dem beispielhaften plattierten Pulver verwendet. Die Verwendung eines Zusatzstoffes erhöht die Abriebfestigkeit der resultierenden Beschichtungsschichten, die mit dem plattierten Pulvermaterial gebildet werden. Ein Molybdän-Chrom(„Moly-Chrom“)-Zusatzstoffmaterial wird in einer beispielhaften Darstellung eingesetzt. In einem Beispiel führte eine Beschichtungsschicht, die mit einem plattierten Pulver auf CrN/Ni-Basis in Kombination mit einem Molybdän-Chrom-Material gebildet wurde, zu einer überraschend großen Verbesserung der Abriebfestigkeit auf einer Kolbenringoberfläche, die mit dem plattierten Pulvermaterial beschichtet ist. Darüber hinaus entsprach die Abriebfestigkeit des Beschichtungsmaterials Chromnitrid-Beschichtungen, die durch physikalische Dampfphasenabscheidung aufgebracht wurden.
Die Molybdän-Legierung kann eine beliebige geeignete Zusammensetzung aufweisen. Rein beispielhaft kann Molybdän mit einem beliebigen von Chrom, Kohlenstoff, Silicium, Nickel, Wolfram, Eisen, Kobalt, Bor oder Stickstoff legiert werden. In Beispielen, in denen das Molybdän mit Chrom legiert wird, kann ein beispielhafter Molybdän-Chrom-Zusatzstoff eine beliebige geeignete Menge Molybdän und Chrom aufweisen. In einer beispielhaften Darstellung kann der Zusatzstoff zu 65 Gew.-% Molybdän und 35 Gew.-% Chrom sein. Darüber hinaus kann der Zusatzstoff mit dem CrN-plattierten Pulver in einer beliebigen geeigneten relativen Menge kombiniert werden. In einem beispielhaften Ansatz ist ein Beschichtungsmaterial zu 40 Gew.-% Moly-Chrom-Zusatzstoff und 60 Gew.-% CrN-plattiertes Pulver vorhanden.
Der Moly-Chrom-Zusatzstoff kann in einem beliebigen geeigneten Prozess gebildet werden. In einem Beispiel kann ein Moly-Chrom-Zusatzstoff unter Verwendung eines Agglomerations- und Sinterprozesses gebildet werden. In anderen beispielhaften Ansätzen kann Zerstoßen, Gaszerstäubung, Wasserzerstäubung oder Plasmaverdichtung angewendet werden, um beispielhafte Moly-Chrom-Pulvermaterialien zu bilden, die als ein Zusatzstoff zu einem plattierten Pulvermaterial verwendet werden können. Wie in 3 zu sehen ist, kann ein agglomeriertes oder gesintertes Teilchen 54 im Wesentlichen voll und ganz aus Molybdän- und Chrom-Teilchen bestehen. Jedes der Molybdän-Teilchen 50 und Chrom-Teilchen 52 kann ungefähr 2 bis 10 µm groß sein. Infolge des Agglomerationsprozesses kann das Teilchen 54 in einer beispielhaften Darstellung ungefähr 35 bis 40 µm groß sein. Die Zugabe von Chrom zu Molybdän senkt im Allgemeinen die Schmelztemperatur der Legierung, was zu dem Beschichtungsspritzprozess beiträgt. Außerdem verleiht das Chrom eine höhere Härte, Abriebfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu herkömmlichem Molybdän und Molybdän-Kohlenstoff.
Die Größe, Form und Zusammensetzung des beschichteten Gegenstands sind für die beispielhaften Darstellungen nicht ausschlaggebend, sodass dementsprechend beispielhafte Beschichtungen auf Ringe, Bohrungsoberflächen, Ventilschäfte oder eine beliebige andere metallische Gleitoberfläche im Allgemeinen ohne Einschränkung aufgebracht werden können. In einer beispielhaften Darstellung wird eine beispielhafte Beschichtung auf einen Kolbenring aufgebracht, wie z. B. in 1 zu sehen ist. Genauer kann ein beispielhafter geteilter Kolbenring 20 eine äußere Oberfläche 22 aufweisen, die eine äußere Umfangsfläche 24, eine obere axiale Oberfläche 24 und eine untere axiale Oberfläche 28 aufweist. Während des Gebrauchs kontaktiert die äußere Umfangsfläche 24 eine innere Wand einer Zylinderbohrung (nicht dargestellt).
Die offenbarten Beschichtungsmaterialien können thermisch auf einen Gegenstand gespritzt werden. Das thermische Spritzen ist ein Prozess, bei dem eine Beschichtung auf einen Gegenstand abgeschieden wird und der das Treiben eines geschmolzenen Beschichtungsmaterials zu dem Gegenstand beinhaltet. Genauer wird das Beschichtungsmaterial in einer Wärmequelle geschmolzen. Das geschmolzene Beschichtungsmaterial wird in einem Gasstrom zu dem zu beschichtenden Gegenstand befördert, wo das Beschichtungsmaterial den Gegenstand kontaktiert. Das geschmolzene Beschichtungsmaterial kann eine Teilchengröße im Bereich von 5 bis 80 µm aufweisen.
Unter Bezugnahme auf 4, 5 und 7 werden beispielhafte Beschichtungsschichten ausführlicher beschrieben. 4 stellt eine Basismaterial 30, z. B. einen eisenhaltiges Kolbenringsubstrat mit einer beispielhaften Beschichtungsschicht 34 dar, die auf eine Oberfläche davon aufgebracht ist. Die Beschichtungsschicht 34 kann über eine Bindungsbeschichtung 32 aufgebracht werden, die zwischen der Beschichtungsschicht 34 und dem Basismaterial 30 angeordnet ist. Darüber hinaus kann die Bindungsbeschichtung 32 in einer beispielhaften Darstellung als ein Nebenprodukt eines Beschichtungsaufbringungsprozesses gebildet werden, der mit der Beschichtungsschicht 34 in Zusammenhang steht. Zum Beispiel kann ein CrN-Pulver wie oben beschrieben in einem thermischen Spritzprozess aufgebracht werden, der infolge des thermischen Spritzprozesses des CrN-Materials eine Chrom-Materialschicht als die Bindungsbeschichtung 32 bildet.
Unter Bezugnahme auf 7 ist eine vergrößerte Ansicht einer Beschichtungsschicht dargestellt, die mit einem CrN-Material zusammen mit einer Menge von 40 Gew.-% Molybdän-Chrom-Zusatzstoff aufgebracht ist. Das Molybdän-Chrom-Material (weißes Material) ist im Allgemeinen in dem gesamten CrN-Material verteilt, was in seinen Bestandteilen von CrN-(dunkelgrau) und Cr₂N (mittelgrau) zusammen mit dem Nickelplattierungsmaterial (hellgrau) dargestellt ist. Im Gegensatz dazu ist in 6 eine CrN-Beschichtungsschicht ohne Molybdän-Chrom-Zusatzstoff dargestellt.
Das thermische Spritzen bietet gegenüber PVD verschiedene Vorteile. Die Ausrüstung ist im Vergleich kostengünstiger in der Anschaffung und einfacher in der Bedienung. Die Zykluszeit ist relativ kurz, was bedeutet, dass mehr Gegenstände schneller beschichtet werden können. Das thermische Spritzen ermöglicht auch, dass Beschichtungsmaterialien gleichmäßig auf den gesamten Gegenstand aufgebracht werden. Einige beispielhafte Beschichtungsdicken liegen im Bereich von 50 bis 400 µm. Allerdings ist die Dicke der aufgebrachten Beschichtung auch vergleichsweise uneingeschränkt und kann in der Größenordnung von 400 nm oder mehr liegen. Eine solch hohe Dicke ermöglicht, dass der Gegenstand nach der Beschichtung ohne Gefährdung der Integrität insgesamt des Beschichtungsmaterials verarbeitet werden kann. Zum Beispiel kann der Gegenstand unter anderem geschmolzen, gehont, geschliffen, geformt oder poliert werden.
Ein beliebiger thermischer Spritzprozess kann in Verbindung mit den beispielhaften Darstellungen verwendet werden. Wenngleich Prozesse bevorzugt werden, die ein pulverförmiges Beschichtungsmaterial einsetzen, können auch Prozesse geeignet sein, die Drahtbeschichtungsmaterialien einsetzen. Zum Beispiel führt ein Gasverbrennungs-/Drahtprozess kontinuierlich einen Draht des Beschichtungsmaterials in eine Düse. Ein Brennstoffgas, z. B. Acetylen oder Propan, wird mit Sauerstoff gemischt und verbrannt, um eine Flamme in der Düse an der Spitze des Drahtes zu erzeugen. Der Draht schmilzt folglich und wird zerstäubt. Das geschmolzene Beschichtungsmaterial wird von einem Trägergas, z. B. Druckluft auf den Gegenstand getrieben. Zwei Lichtbogenprozesse mittels Schmelzdraht können ebenfalls benutzt werden.
In einem Gasverbrennungs-/Pulverprozess wird das Beschichtungsmaterial in Form eines Pulvers in eine Brennstoff-Sauerstoff-Flamme eingesaugt. Das geschmolzene Beschichtungsmaterial wird von den heißen Gasen, d. h. dem Ansauggas und den Nebenprodukt-Verbrennungsgasen zu dem Gegenstand getrieben. Wenngleich die Flammentemperatur 3000 °C erreichen kann, erreicht der beschichtete Gegenstand nur selten eine Temperatur von mehr als 150 °C.
Ein bevorzugter Prozess ist ein Hochgeschwindigkeits-Oxy-Fuel-(HVOF)-Prozess, in dem ein pistolenähnlicher Zylinder mit einer abgemessenen Menge von pulverförmigem Beschichtungsmaterial, Brennstoffgas und Sauerstoff gefüllt wird. Die Mischung wird durch einen Funken entzündet. Die Wärme der Explosion schmilzt das Beschichtungsmaterial und die sich ausdehnenden Gase treiben das geschmolzene Material zu dem Gegenstand. Zahlreiche unterschiedliche Vorrichtungen, die HVOF-Prozesse ausführen, sind auf dem Markt erhältlich, einschließlich derjenigen von Praxair, Inc.
Ein anderer beispielhafter Prozess ist ein Plasma/Pulver-Prozess, in dem ein Gas, z. B. eine Argon/Wasserstoff-Mischung, eine Argon/Stickstoff-Mischung, eine Stickstoff/Helium-Mischung oder eine Argon/Helium-Mischung durch einen kontinuierlichen Lichtbogen geleitet wird. Der Lichtbogen wird typischerweise zwischen einer Wolframkathode und einer konzentrischen Kupferanode erzeugt, die eine Kammer bilden, durch die das Gas geleitet wird. Der Lichtbogen erzeugt eine Plasmaflamme. Das Pulverbeschichtungsmaterial wird in die Plasmaflamme eingespritzt, die das Beschichtungsmaterial schmilzt und zu dem Gegenstand treibt.
Eine Oxidation des Beschichtungsmaterials kann Beschichtungen von minderer Qualität verursachen. Eine Oxidation findet hauptsächlich in dem Zeitraum zwischen der Zeit, zu der das Beschichtungsmaterial geschmolzen wird, und der Zeit statt, zu der das Beschichtungsmaterial den zu beschichteten Gegenstand kontaktiert. Dies kann auch als Flugzeit bezeichnet werden. Eine Minimierung der Flugzeit minimiert die Oxidation. Eine Minimierung der Flugzeit kann durch Verringern des Abstands zu dem zu beschichtenden Gegenstand erzielt werden. Zum Beispiel erfolgt eine standardmäßige Anordnung der Gegenstände etwa 3,5 Zoll von der Wärmequelle der thermischen Spritzvorrichtung. Eine Bewegung des Gegenstands nur einen halben Zoll näher zu der Wärmequelle verringert den Oxidationsumfang. In einer beispielhaften Darstellung wird der Gegenstand derart bewegt, dass er etwa 2,5 Zoll von der Wärmequelle der thermischen Spritzvorrichtung entfernt ist. In einem HVOF-Prozess kann die Länge des Zylinders verkürzt werden, sodass die Flugzeit und die Oxidation des Beschichtungsmaterials wirksam reduziert werden.
In thermischen Spritzprozessen, die einen primären Lichtbogen benutzen, können die Flugzeit und Oxidation durch Erhöhen der Strömungsrate des primären Lichtbogengases verringert werden. In einem Plasmaprozess kann das Erhöhen der Strömungsrate des Plasmas durch Verwenden eines größeren Gasvolumens in einem bestimmten Zeitraum, Erhöhen der Spannung und/oder Amperezahl, die zur Erzeugung des Lichtbogens verwendet werden, und/oder Verwendung einer anderen Gasmischung, um die Plasmaflamme zu erzeugen, erzielt werden. Zum Beispiel wird Gas typischerweise bei einem Volumen von rund 100 Normkubikfuß/Stunde (cubic feet/hour = cfh) benutzt. Eine Erhöhung des Gasvolumens auf mehr als 200 cfh erhöht die Oxidation. Eine Erhöhung der Spannung und Amperezahl von den typischen 30 Volt und 600 A auf 50 bis 70 Volt und 800 bis 1000 A führt zu einer Verringerung der Oxidation. In einem beispielhaften Ansatz wird eine Spannung von etwa 60 Volt in Kombination mit einer Amperezahl von etwa 900 A benutzt. In der Tat ermöglicht ein Argon-Helium-Gas eine geringere Oxidation als ein Argon-Wasserstoff-Gas. In einem bevorzugten Verfahren wird ein Argon/Helium-Gas bei einem Volumen von 200 cfh Argon und einem Volumen von 30 cfh Helium verwendet. Offensichtlich kann die Verwendung einer dieser Techniken eine synergistische Wirkung auf die Verringerung der Oxidation des Beschichtungsmaterials haben.
Unter Bezugnahme auf 8 ist ein beispielhafter Prozess 700 zur Beschichtung eines Gegenstands beschrieben. Der Prozess 700 kann bei Block 702 beginnen, wo ein Beschichtungsmaterial bereitgestellt wird. Zum Beispiel kann ein Beschichtungsmaterial ein plattiertes Pulvermaterial und einen Zusatzstoff, z. B. ein Chromnitrid-Pulvermaterial aufweisen, wobei die Pulverteilchen in einem Nickelmaterial plattiert sind. Darüber hinaus kann ein Zusatzstoff als Teil des Pulverbeschichtungsmaterials verwendet werden. Rein beispielhaft kann ein wie oben erwähntes Molybdän-Chrom-Material als ein Zusatzstoff in einer beliebigen geeigneten Menge verwendet werden. In einer beispielhaften Darstellung liegt die Menge des Molybdän-Chrom-Zusatzstoffes zwischen etwa 20 Gew.-% und 80 Gew.-% des Beschichtungsmaterials.
Weiter bei Block 704 kann das Beschichtungsmaterials z. B. auf eine metallische Gleit- oder Lageroberfläche aufgebracht werden. Zum Beispiel kann wie oben erwähnt ein Pulverbeschichtungsmaterial auf eine Kolbenringoberfläche aufgebracht werden. Beispielhafte Beschichtungsmaterialien können auf beliebige geeignete Weise aufgebracht werden. Zum Beispiel kann wie oben beschrieben ein thermischer Spritzprozess, z. B. HVOF, zum Aufbringen des Beschichtungsmaterials verwendet werden. Der Prozess 700 kann dann weiter zu Block 706 gehen.
Bei Block 706 kann eine Beschichtungsschicht auf einem Substrat gebildet werden. Zum Beispiel können Beschichtungsschichten wie oben in 3, 4 und 6 dargestellt unter Verwendung eines thermischen Spritzprozesses gebildet werden, bei dem ein Pulverbeschichtungsmaterial aufgebracht wird. Wie erwähnt, können beispielhafte Beschichtungsdicken im Bereich von 50 bis 400 µm liegen. Darüber hinaus können einige beispielhafte Beschichtungen in der Größenordnung von 400 µm oder mehr liegen.
Wie in dieser Anmeldung verwendet, sind die Ausdrücke „schmelzen“ und „geschmolzen“ und ihre Wortformen im weiteren Sinne zu verstehen. Diese Begriffe beschreiben Situationen, in denen das Beschichtungsmaterial einen vollständigen Phasenwechsel von fest zu flüssig durchmacht, sowie Situationen, in denen nur ein Teilphasenwechsel in dem Beschichtungsmaterial stattfindet. Zum Beispiel kann das Beschichtungsmaterial nur in dem Erwärmungs- oder Schmelzschritt oder dem thermischen Spritzprozess erweicht oder weich gemacht werden. „Schmelzen“ und „geschmolzen“ sind so zu verstehen, dass sie eine beliebige Situation einschließen, in der das Beschichtungsmaterial gerade weich genug ist, um an sich selbst und an dem zu beschichteten Gegenstand zu haften.
Darüber hinaus sind, wie in dieser Anmeldung verwendet, Chromnitrid, CrN, Chromcarbid, CrC, Chromsilicid und CrSi im weiteren Sinne zu verstehen. Diese Begriffe und Abkürzungen werden kurzschriftlich für eine Reihe von Verbindungen verwendet, bei denen das Verhältnis der Bestandteilatome nicht unbedingt eins zu eins ist. Zum Beispiel kann CrN Cr₁N₁ sowie Cr₂N₁ bezeichnen und Chromsilicid kann Cr₁Si₁ sowie Cr₃Si₁ bezeichnen. In der Tat kann ein beliebiges Verhältnis von Bestandteilatomen verwendet werden.
Die Bezugnahme in der Spezifikation auf „ein Beispiel“ oder „eine Ausführungsform “·bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder Eigenschaft, die in Verbindung mit dem Beispiel beschrieben ist, in mindestens einem Beispiel der vorliegenden Erfindung enthalten sein kann. Der Ausdruck „in einem Beispiel“ an verschiedenen Stellen in der Spezifikation bezieht sich bei jedem Auftreten nicht unbedingt auf das gleiche Beispiel.
Unter Bezugnahme auf die hier beschriebenen Prozesse, Systeme, Verfahren, Heuristik usw. wird man verstehen, dass, wenngleich die Schritte solcher Prozesse usw. hierin als in einer bestimmten Abfolge stattfindend beschrieben wurden, solche Prozesse mit den beschriebenen Schritten in einer anderen als der hierin beschriebenen Reihenfolge durchgeführt werden können. Man wird ferner verstehen, dass bestimmte Schritte gleichzeitig ausgeführt werden könnten, dass weitere Schritte hinzugenommen werden könnten oder dass bestimmte hierin beschriebene Schritte ausgelassen werden könnten. Mit anderen Worten sind die hierin bereitgestellten Beschreibungen von Prozessen zum Zwecke der Veranschaulichung bestimmter Ausführungsformen bereitgestellt und sollen in keiner Weise als die beanspruchte Erfindung einschränkend ausgelegt werden.
Man wird dementsprechend verstehen, dass die obige Beschreibung rein illustrativ und nicht einschränkend sein soll. Viele Ausführungsformen und Anwendungen, die nicht die in den Beispielen angegebenen sind, gehen aus der obigen Beschreibung hervor. Der Schutzumfang der Erfindung darf nicht unter Bezugnahme auf die obige Beschreibung festgelegt werden, sondern stattdessen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Ansprüche zusammen mit dem vollen Umfang von Äquivalenten, zu denen diese Ansprüche berechtigen. Es wird vorweggenommen und bezweckt, dass zukünftige Entwicklungen in den hierin erläuterten Fachgebieten stattfinden werden und dass die offenbarten Systeme und Verfahren in solche zukünftigen Ausführungsformen aufgenommen werden. Zusammenfassend wird man verstehen, dass die Erfindung modifiziert und abgeändert werden kann und nur durch die folgenden Ansprüche eingeschränkt ist.
Alle in den Ansprüchen verwendeten Ausdrücke sollen ihre am breitesten gefassten verständlichen Konstruktionen und ihre normalen Bedeutungen haben, die für den Fachmann verständlich sind, sofern hierin nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben wird. Genauer soll sich die Verwendung der Singularartikel „einer“, „eine“, „ein“, „der“, „die“, „das“ usw. auf eines oder mehrere der angegebenen Elemente beziehen, sofern nicht ein Anspruch eine ausdrückliche Einschränkung auf das Gegenteil angibt.

Claims

Verfahren, umfassend: Aufbringen eines Beschichtungsmaterials auf eine Oberfläche eines Gegenstands; wobei das Beschichtungsmaterial ein Pulver aufweist, das einen von Chromnitrid, Chromcarbid, Wolframcarbid, Chromsilicid und einen Zusatzstoff umfasst, der ein Molybdän-Legierungsmaterial umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Bilden einer Beschichtungsschicht auf dem Gegenstand mit dem Beschichtungsmaterial, wobei die Beschichtungsschicht eine typische Beschichtungsdicke von 150 µm definiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Beschichtungsmaterial zu mindestens 20 Gew.-% Molybdän-Chrom ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Beschichtungsmaterial zu nicht mehr als 80 Gew.-% Molybdän-Chrom ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Pulver ein plattiertes Pulver ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das plattierte Pulver ein Chromnitrid-Material umfasst, das mit einem Nickel-Material beschichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Pulver Chromnitrid enthält.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Pulver zu etwa 50 bis 90 Gew.-% Chromnitrid ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Pulver zu etwa 70 Gew.-% Chromnitrid ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Beschichtungsmaterial ein agglomeriertes und gesintertes Molybdän-Chrom-Material umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Pulver eine Molybdän-Chrom-Legierung enthält.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Pulver zu etwa 15 bis 55 Gew.-% Chrom ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Gegenstand ein Kolbenring ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Beschichten des Gegenstands auf eine Dicke von 50 bis 400 µm.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des thermischen Spritzens ferner Folgendes beinhaltet: Schmelzen des Beschichtungsmaterials; Treiben des geschmolzenen Beschichtungsmaterials zu dem Gegenstand; und Beschichten des Gegenstands mit dem geschmolzenen Beschichtungsmaterial.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt des Schmelzens das Schmelzen des Beschichtungsmaterials in einer Brennstoff-Sauerstoff-Flamme beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt des Schmelzens das Schmelzen des Beschichtungsmaterials in einer Plasmaflamme beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Schmelzens das Erzeugen der Plasmaflamme durch Leiten eines Gases durch einen Lichtbogen beinhaltet, der von 60 Volt und 900 Ampere angetrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Schmelzens Folgendes beinhaltet: Erzeugen der Plasmaflamme mit einem Argon-Helium-Gas.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Schmelzens Folgendes beinhaltet: Erzeugen der Plasmaflamme mit einem Argongas und mindestens einem Wasserstoffgas, einem Stickstoffgas und/oder einem Heliumgas.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Schmelzens das Erzeugen der Plasmaflamme mit mehr als 200 Normkubikfuß/Stunde Gas beinhaltet.
Verfahren, umfassend: Schmelzen eines Beschichtungsmaterials in einer Plasmaflamme, wobei das Beschichtungsmaterial ein Pulver aufweist, das einen von Chromnitrid, Chromcarbid und Chromsilicid und einen Zusatzstoff umfasst, der ein Molybdän-Legierungsmaterial umfasst; Treiben des geschmolzenen Beschichtungsmaterials zu einem Kolbenring; und Beschichten des Kolbenrings mit dem geschmolzenen Beschichtungsmaterial, wobei der Schritt des Schmelzens einen Schritt beinhaltet, der aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Bereitstellen einer Gasströmungsrate von mindestens 200 Normkubikfuß/Stunde, Bereitstellen einer Lichtbogen-Plasmaflamme mit mindestens 50 Volt und 800 Ampere, Bereitstellen eines Argon-Helium-Gases und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Chromnitrid-Pulver ein plattiertes Pulver ist.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei das plattierte Pulver ein Chromnitrid-Material umfasst, das mit einem Nickel-Material beschichtet ist.
Beschichteter Gegenstand, umfassend: ein metallisches Substrat; und eine Beschichtungsschicht auf einer äußeren Oberfläche des Substrats, wobei die Beschichtungsschicht einen von Chromnitrid, Chromcarbid, Wolframcarbid und Chromsilicid umfasst, wobei die Beschichtungsschicht ferner einen Zusatzstoff umfasst, der ein Molybdän-Legierungsmaterial umfasst.