DE1965457A1

DE1965457A1 - Verfahren zum UEberziehen von Reibflaechen,und mit derartigen Flaechen versehene Teile

Info

Publication number: DE1965457A1
Application number: DE19691965457
Authority: DE
Inventors: Albert Grosseau
Original assignee: Automobiles Citroen SA
Current assignee: Automobiles Citroen SA
Priority date: 1968-12-31
Filing date: 1969-12-30
Publication date: 1970-07-16
Also published as: US3674544A; ES375053A1; GB1260437A; FR1600296A

Description

1965487

SOCIETE ANONYME AUTOMOBIIES CITROEF, 75 Paris 3713-69

Verfahren zum Überzielien von Reibflächen, und mit derartigen Flächen versehene Teile.

Die Erfindung betrifft die Verfahren zum

Überziehen von Reibflächen und .die derartige Flächen aufweisenden Teile, und zwar insbesondere, wenn auch nicht aus-' schlieaslich, die Gehäusemäntel aus einer Leichtlegierung auf der Basis von Aluminium für Motoren mit drehbarem Kolben.

, Beim Arbeiten eines Motors mit drehbarem

Kolben reibt dieser längs einer schmalen Berührungszone, wobei er auf die Innenfläche des Gehäusemantels-- einen hohen^s Druck ausübt. En ist bereits bekannt, diese Oberfläche mit Überzügen aus Materialien zu überziehen, welche die.Reibverhältniijijfi verbessern, eine gute VerBChloiesfestigkeitbe~ sitzen und auf die Oberfläche durch sogenannte "Metallisierverfarju'^-ri" aufgebracht werden»

Die Erfindung bezweckt Insbesondere,

dierse Verfahren und Teile so auszubilden, dass sie besser als bidh.fir■ atm '/erschiedenen Erfordernisaen der Praxis enbsprechen, lA:;fao£3ondere hinsichtlich der Verschleiß sfestigkei t

009829/1Ä39 &**>

1165457

- 2 - ' '.■= 3713-69

der· Reibfläche und der Verringerung des· Reibungskoeffizienten des mit diesem Teil zusammenwirkenden Organs, z.B. eines Kolbens . - . .--_""

Das erfindungsgemässe Verfahren ₌zum Überziehen der Reibflächen, insbesondere der Innenflächen von aus einer Leichtlegierung bestehenden Gehäusemänteln für Motoren mit drehbarem Kolben, ist dadurch gekennzeichnet, dass auf diese Flachen gleichzeitig mit Hilfe von wenigstens zwei Spritzpistolen mit Oxy-Azetylenflamme oder Plasmaflamme einerseits Kohlenstoffstahl, und andererseits Nickel und Aluminium aufgespritzt werden, welche durch Verbindung mit dem von der Spritzpistole gelieferten Sauerstoff ein zusammengesetztes Material bilden, welches Aluminium-Nickelverbindungen und Oxyde mit etwa ellipsenförmigem Korn enthält, wobei sich dieses zusammengesetzte Material, welchem gegebenenfalls beim Aufspritzen Teilchen mit sphärischem Korn zugesetzt werden können, wie Siliziumkarbid und/oder Titanborid und/oder Borkarbid, mit dem Kohlenstoffstahl legiert, um eine verschleissfeste Schicht= zu bilden, welche das Gleiten begünstigt und bei einer gewissen Mindestdicke bei der bevorzugten Anwendung auf Motoren gut die beim Arbeiten des Motors entwickelten starken Kontaktdrücke aushält, wobei diese Eigenschaften infolge der Art der aufgespritzten Materialien bei den Betriebstemperaturen des Motors erhalten bleiben.

Ein erfindungsgemässer Teil mit Reibfläche ist dadurch gekennzeichneb, dass diese Fläche mit einer vorschleissfesten Schicht überzogen ist, welche aus einer Legierung .aus Kohlenstoffstahl und einem zusammengesetzten Material besteht, welches hauptsächlich Aluminium-Nickelverblndungon MAl und Ni^Al etwa gleichen Anteilen enthält, wobei in geringerem Maße Oxyde mit etwa ellipsenförmigem Korn NiO, AIpO- und NiAIoO. vorhanden sind, welche sich durch Reaktion während des Vorgangs bilden, und welchen zweckmässig in einem geringeren Verhältnis Teilchen mit sphärischem Korn züge se Ui t,warden können, wie Siliziumkarbid SiO Und/oder Titanborii-TiBp'und Borkarbid BC, wobei die verschlaiasfes te Schicht; zweokmässig eine Dicke von wenigstens 0,3 mm hat.

Der Gehalt, an Kohlenstoffstahl liegt vor-

&M>^· -""* 009829/U39 BAD ORIGINAL

. ■ 196545?

- 3- 3745-69

zugsweise zwischen 0*4 und 1,2 G-ewiciitsprozenten, 'Wahrend die Volumenanteile der zu legierenden Materialien zwischen "1.0$ und 90$ fur den Kohlenstoffstahl und zwischen 90$ und 10$ für den komplementären Bestandteil, in welchem Aluminium und -Nickel"in etwa gleichen Mengen vorhanden sind, schwanken können·

Ferner enthält der Stahl vorzugsweise etwa 0,6$ Kohlenstoff, und die Völumenanteile der zu legierenden Materialien liegen in der Nähe von 60$ für den Stahl mit etwa 0,6$ Kohlenstoff und 40$ für den komplementären Bestandteil mit etwa gleichen Mengen Aluminium und Nickel,

Ferner liegen die Volumenanteile der zu legierenden Materialien vorzugsweise in der Nahe von 60$ für den Stahl mit etwa 0^6$ Kohlenstoff und 40$ für den komplementären Bestandteil, welcher aus 35fo bis 38$_r in welchen Aluminium und Nickel in etwa gleichen Mengen vorhanden sind, und 5$ bis 2$ besteht* weiche durch Teilchen mit sphärischem Korn mit einem Durchmesser von 1 bis 3μ von Siliziumkarbid BiO und/oder fitanborid TiBg und/oder Borfcarbid BC gebildet Werden.

!Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert^ deren einzige Abbildung einen Querschnitt eines erfindungsgemässen 'Grehäusemantels zeigt*

Bas dargestellte Anwendungsbeispiel betrifft einen ßehäusemantel 1 aus einer Leichtlegierung auf der Basis von Aluminium* welcher durch Formung oder durch Schmieden hergestellt ist. Er hat eine innere !zylindrische Form, und sein Querschnitt hat-ein !Profil in Form einer Hrochoide mit zwei £appen_t wobei auf der Innenfläche 2 des Mantels 1 ein verschleißsfester Überzug hergestellt werden soll» . Erfindungsgemäss wird auf die Innenfläche 2 des Mantels f gleichzeitig mit Hilfe von zwei Spritzpistolen mit Öxy-Azetylenflamme oder Plasmaflamme einerseits Kohlenstoffstahl und andererseits Nickel und Aluminium aufgespritet, Vielehe durch Verbindung mit dem von der Spritzpistole gelieferten Sauerstoff ein zusammengesetztes Material

009829/ H3Q

- 4 - * 5713-69

bilden, welches Aluminium-Fickelverbindungen FiAl und Fi^Al sowie Oxyde mit etwa ellipsenförmigem Korn FiO, AIpO, und FiAIpO. enthält, wobei sich das zusammengesetzte Material und der Kohlenstoffstahl zur Bildung einer versehleissfesten Schicht 3 legieren. . '

Der Innenfläche 2 werden vorher durch eine Bearbeitung Abmessungen gegeben, welche in der Fähe der Abmessungen der Oberfläche 4 des fertigen Mantels 1 liegen, aber etwas grosser als diese sind. Die beiden Oberflächen ⁼ 2 und 4 sind praktisch zueinander parallel, ihr gegenseitiger Abstand 5 ist gleich der für die verschleissfeste Schicht gewünschten Dicke.
k Zur Vorbereitung der Oberfläche 2 für ein

Aufspritzen von geschmolzenem Metall (oder Metallisierung) • und zur Erleichterung des Haftens der auf die Oberfläche 2 ₌ aufgespritzten Metallschicht wird zweckmässig ein Aufrauhvorgang vorgenommen, bei welchem auf diese Oberfläche ein Strahl eines Schleifmittels geschleudert wird, z.B. Korund, so dass die Oberfläche 2 aufgerauht wird und ein gutes Haften gewährleistet. .

Hierauf wird der Mantel 1 auf eine Temperatur von etwa 180⁰C gebracht, um in der nachstehend erläuterten Weise zum Schluss eine Vorspannung zu erzeugen.

Es erfolgt dann die eigentliche Metallisierung mit Hilfe von zwei Spritzpistolen, welche so eingestellt sind, dass sie auf die gleiche Stelle Kohlenstoffstahl und Aluminium und Fickel aufspritzen, wobei diese Materialien den Spritzpistolen in Form von Drähten und/oder Pulver geliefert werden. Die Ausgabemengen der Spritzpistolen sind regelbar, und es sind Mittel vorgesehen, welche solche gegenseitigen Dreh- und Translationsbewegungen zwischen dem Mantel und der Spritzpistolenanordnung herstellen, dass die ganze Oberfläche 2 vor den Spritzpistolen vorbeiläuft und .metallisiert werden kann.

Zweckmässig erfolgt ein erster Arbeits-

gang, während welchem nur die Aluminium und Fickel liefernde . Spritzpistole in Tätigkeit ist, so dass eine dünne Haftschicht aus einem zusammengesetzt en Material aus Aluminium-Nicke.lvev-

00 9 H/9/ 1/, %B

- - 5 - 3713-69

bindungen und Oxyden (mit einer im allgemeinen zwischen 0,02 und 0,05 mm liegenden Dicke) auf die ganze Oberfläche 2 aufgebracht wird.

Hierauf werden gleichzeitig die beiden

Spritzpistolen in Tätigkeit gesetzt, um die eigentliche verschleissfeste Schicht zu bilden, deren Haften durch die obige _; dünne Haftschicht verbessert wird. Das volumenmässige Ausgabeverhältnis der beiden Spritzpistolen ist gleioh dem Verhältnis der für den Kohlenstoffstahl, das Aluminium, das Nickel und ggfs. die Zusatzteilchen gewünschten Volumenanteile.

Diese Volumenanteile können zwischen.10/$

und 90 $ für den Kohlenstoffstahl schwanken, dessen Kohlenstoffgehalt zwischen 0,4 und 1,2 Gewichtsprozenten liegt. Entsprechend ist für das Aluminium und das Nickel ein Anteil von 90 fo und TO $ einzuhalten, wobei das Aluminium und das Nickel in etwa gleichen Mengen vorhanden sind. Vorzugsweise wird ein Stahl mit etwa 0,6$ Kohlenstoff und ein Volumenanteil gewählt, welcher für den Stahl mit etwa 0,6 $ Kohlenstoffgehalt in der Nahe von 60 fo und für den komplementären Bestandteil, in welchem Aluminium und Nickel etwa in gleiohen Mengen vorhanden sind, bei etwa 40 $ liegt. Ferner liegen vorzugsweise die Volumenanteile der zu legierenden Materialien für den Stahl mit etwa 0,6 $ Kohlenstoff bei etwa 60 $ und bei etwa 40 $ für den komplementären Bestandteils welcher aus 35 $ bis 38 $, in welchen Aluminium und Nickel in etwa gleichen Mengen vorhanden sind, und 5 i° bis 2 $ aus Teilchen mit sphärischem Korn mit einem Durchmesser von 1 bis 3 μ aus Siliziumkarbid SiG und/oder Titanborid TiB_2; und/oder Borkarbid BG besteht.

. Mit den beiden Spritzpistolen werden so viele Arbeitsgänge vorgenommen, wie zur Erzielung einer Schicht 3 mit einer Dicke von wenigstens 0,3 mm erforderlich sind. Dieno Dicke erteilt dieser Sohioht eine gute Widerstandsfähigkeit ge^en. die von dem Kolben ausgeübten Kontaktdrüeke_s

Die so erhaltene verschleissfeste Schicht

ist gleichmäiioi/i und besitzt eine feine Oberfläohenporosität, welche dazu ausgenutzt werden kann, um sie in der Wärme in einem Ofen mit Schmiermitteln zu tränken^ Z₈B₀ G-emisohen aus Graphit und Bornitrid, WolfrarnbiBulfid oder Molybdanbisulfid.

SAD

009829/1439

1365457

■- 6 - 3713-69

Die Verstopfung der .Poren erfolgt so durch für das Gleiten des Kolbens günstige Erzeugnisse.

Hierauf läßt man den Mantel 1 bis auf

Raumtemperatur abkühlen, wodurch die Schicht 3, welche auf den vorher erwärmten und somit erweiterten Mantel 1 aufgebracht wurde, einer Zusammendrückung ausgesetzt wird. Hierdurch wird in der Schicht 3 eine Vorspannung erzeugt, wodurch ihr mechanisches Verhalten beim Arbeiten des Motors verbessert wird, wobei die Temperatur der vorherigen Erhitzung dieser Betriebstemperatur .angepasst wird.

₌ ⁼ Die Schicht·3 wird einem Schleifvorgang

und schliesslich einem Einschleifvorgang und/oder einer Prägformung zur Fertigbearbeitung der Geometrie und des Oberflächenzustands unterworfen.

Versuche haben gezeigt, dass die so erhaltene verschleissfeste Schicht 3 mit einer Legierung aus Kohlenstoffstahl, Aluminium und Uickel, ggfs„ mit weiteren Zusatzstoffe^ insbesondere mit der der bevorzugten Zusammensetzung entsprechenden Legierung, nicht nur eine 'bemerkenswerte Verschleissfestlgkeit hatte₅ sondern auch das Gleiten des Kolbens oder genauer der Kolbenringe■„ welche vorzugsweise aus Grauguss bestehen$, an ihr begünstigte„

Da das Aufspritzen der verschleissfesten

Schicht 3 sehr schnell erfolgt und andererseits die benutzten Materialien im Vergleich zu anderen ausprobierten Materialien$, welche weniger gute Ergebnisse zeitigten,, verhältnismässig billig sind₉ sind das erfinduagsgemässe.überzugsverfahren und der hergestellte Mantel sehr wirtschaftlich»

BAD

009829/143-3 \

Claims

..- 7 - 3713-69

Patentansprüche

(TT)) Verfahren zum Überziehen von Reibflächen, insbesondere der^ Innenflächen von aus Iieichtlegierung bestehenden Gehäusemänteln für Motoren mit drehbarem Kolben, dadurch gekennzeichnet, dass auf diese Flächen (2) gleichzeitig mit Hilfe von wenigstens zwei Spritzpistolen mit Oxy-Azei?ylenf lamme oder Plasmaflamme einerseits Kohlenstoffstahl und andererseits Wickel und Aluminium aufgespritzt' werden, welche durch Verbindung mit dem von der Spritzpistole gelieferten Sauerstoff ein zusammengesetztes Material bilden, welches Aluminium-Nickel-Verbindungen und Oxyde mit etwa ellipsenformigem Korn enthält, wobei sich dieses zusammengesetzte Material mit dem Kohlenstoffstahl zur Bildung einer versehleissfesten Schicht (3) legiert, welche das Gleiten begünstigt und bei einer gewissen Mindestdieke (5) gut die bei einer bevorzugten Anwendung auf Motoren während des Arbeitens des Motors entwickelten starken Kontaktdrücke aushält, wobei diese Eigenschaften infolge der Art der aufgespritzten Materialien bei den Betriebstemperaturen des Motors erhalten bleiben. . . -

2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffstab! einen zwischen 0,4 und 1,2 Gewichtsprozenten liegenden Kohlenstoffgehalt hat, und dass die Voltimenanteile der zu legierenden Materialien zwischen 10 $ und 90 fa für den Kohlenstoffstahl und entsprechend zwischen 90 fo und 10 fo für einen zu gleichen Teilen aus Aluminium und Nickel bestehenden Zusatz liegen«

3.) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge~

kennzeichnet, dass der Kohlenstoffstahl einen Kohlenstoffgehalt von etwa 0,6 Gewichtsprozenten hat, und dass die Volumentanteile der zu legierenden Materialien etwa 60 J₀- für den Kohlenstoffstahl und 40 % für den zusätzlichen Beistand teil mit etwa gleichen Mengen an Aluminium und Nickel betragen.

4 *) Verfahren nach Anspruch 3, dadurch

gekennzeichnet, dass der zusätzliche Bestandteil bezogen auf das Gesamtvolumen der zu legierenden Materialien aus 35 i° bis 38 io Aluminium und Nickel in etwa gleichen Mengen und 5 % bis

ori08?H/1 4 39

SADÖWSINAL

-β - ;- 3713-69

2 io von Teilchen mit sphärischem Korn mit einem Durchmesser von 1 bis 3 μ aus Siliziumkarbid und/oder Titanborid und/ oder Borkarbid besteht.

5.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel beim Aufspritzen auf eine Temperatur in der Nähe von 180° C gebracht wird, so dass bei der Abkühlung eine Vorspannung in der verschlerssfesten Schicht (3) entsteht.

6.) Verfahren nach einem der Ansprüche

1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Innenfläche (2) und die verschleissfeste Schicht (3) eine dünne Schicht aus einem zusammengesetzten Material aus Aluminium-Nickelverbindungen und Oxyden zur Verbesserung des Haftens der verschleissfesten Schicht- (3) gebracht wird, wofür vorzugsweise zunächst nur die dieses zusammengesetzte Material erzeugende Spritzpistole in Tätigkeit gesetzt wird.

: ' 7·) Eine Reibfläche aufweisender Teil ^ insbesondere aus einer Leichtlegierung auf Aluminiumbasis bestehender Gehäusemantel für Motoren mit drehbarem Kolben, dessen Innenfläche die Reibfläche bildet, dadurch gekennzeichnet, dass diese Fläche (2) des=Teils mit einer versohleissfesten Schicht (3) aus einer legierung aus Kohlenstoffstahl - - und einem zusammengesetzten Werkstoff überzogen ist, welcher, im wesentlichen aus in etwa gleichen Mengen vorhandenen Aluminium-Nickelverbindungen NiAl und Ni^Al mit einem kleineren Anteil an Oxyden mit etwa ellipsenförmigem Korn NiO, AIgO, und NiAIgO.., welche sich durch Reaktion während des. Vorgangs bilden, besteht.

8.) Eine Reibfläche aufweisender Teil

oder Gehäusemantel für Motoren mit drehbarem Kolben nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffstahl einen zwischen 0,4 und 1,2 Gewichtsprozenten liegenden Kohlenstoffgehalt hat, und dass die Volumenanteile der die verschleissfeste Schicht (3) bildenden Legierung zwischen 10 $ und 90 io für. den Kohlenstoffstahl und entsprechend zwischen 90 i° und 10 io eines zusammengesetzten Materials liegen, welches hauptsächlich aus in etwa gleichen Teilen■vorhandenen Aluminium-Nickelverbindungen NiAl und Mi^Al mit einem gerin--

- 9 - ' 3713-69

geren Anteil an Oxyden mit etwa ellipsenförmigem Korn MO, AlgO, und UiAIgO, besteht. ,

9·) Eine Reibfläche aufweisender Teil

oder Gehäusemantel für Motoren mit drehbarem Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffstahl einen Kohlenstoffgehalt von etwa 0,6 Gewichtsprozenten hat, und dass die Volumenanteile der die verschleissfeste Schicht (3) bildenden Legierung etwa 60 <fo für den Kohlenstoffstahl, 30 </o für die in etwa gleichen Teilen vorhandenen Aluminium-Mckelver bindung en NiAl und M.* Al und 10 $ Oxyde mit etwa ellipsenförmigem Korn MO, AIgO* und MlAIoO^ .betragen,

10.) Eine Reibfläche aufweisender Teil

oder Gehäusemantel für Motoren mit drehbarem Kolben nach An- ' spruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffstahl einen Kohlenstoffgehalt von etwa 0,6 Gewichtsprozenten hat, und dass die Volumenanteile der die verschleissfeste Schicht bildenden Legierung etwa 60 <fo Kohlenstoffstahl, 27 $ bis 29 $ in etwa gleichen Anteilen vorhandene' Aluminium-Mekelverbindungen MAl und M₅Al, 8 <fo bis 9 $ Oxyde mit etwa ellipsenförmigem Korn MO, AlgO^ und MAl₂O., und 5 $ bis 2 $ von während des Aufspritzens zugesetzten Teilchen mit sphärischem Korn von 1 bis 3 μ aus Siliziumkarbid SiC und/oder fiianborid TiBp und/oder Borkarbid BC betragene "

11c) Eine Reibfläche aufweisender Teil

oder G-ehäusemantel für Motoren mit drehbarem Kolben nach einem der Ansprüche 7 bis 1O₉ dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke, der versehleissfeöten Schicht (3) wenigstens O₉3 mm beträgt«

1-2 ο) Eine Reibfläche aufweisender Teil

oder ßehäusemantel für Motoren mit drehbarem Kolben nach einem der Ansprüche 7 bis 11_? dadurch gekennzeichnet₉ dass die verschlsissfesfce Schicht (3) mit Schmiermitteln getränkt

_: BAD 009829/143®

L e e r s e i f e