DE2258280A1

DE2258280A1 - Bauteil aus metall, mit gleitfaehiger oberflaeche

Info

Publication number: DE2258280A1
Application number: DE19722258280
Authority: DE
Inventors: Yoshikatsu Nakamura
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1971-12-03
Filing date: 1972-11-29
Publication date: 1973-06-07
Also published as: FR2164285A5; IT973829B; JPS4861339A; US3853602A; JPS5310534B2; DE2258280B2; GB1415186A

Description

27. lTov.. 1972 IG/Bii

HIPPON PISTOlT HlMG 00., ITD ■
Ho. 1-10, CTchisaiwai-cho 2-chotie,
Ghiyoda-ku,

Bauteil aus Metall, mit gleitfähiger Oberfläche.

Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus Metall, mit gleitfähiger, sowie gegen Abnutzung und Verschleiß -widerstandsfähiger Oberfläche, wie z.B. einen Kolbenring, eine ZyIinderlaufbüchse odgl. einer inneren Brennkraftmaschine,

Es ist bereits bekannt, die Gleitoberfläche von gleitenden Bauteilen wie eines Kolbenringes, einer Zylinderbüchse udgl. einer Oberflächenbehandlung zu unterwerfen, uri den Widerstand dieser ge-;en Abnutzung zu erhöhen,

"Dines dieser bekannten Verfahren ist ein Verschwefelungsverfahren. Hierdurch wird eine schwefelhaltige, durch Behandlung einer Schwefel enthaltenden !flüssigkeit, eines !Feststoffes oder eines Gases gewonnene Schicht von etwa 0,1 mm oder weniger hergestellt; die schwefellialtige, gerade auf einem aus Gußeisen bestehendem Grundköder gewonnene Schicht ist jedoch außerordentlich dünn und deshalb bei der hohen Betriebsbe-Ir,stun", die üblicherweise auftritt, nicht von langem Bestand. Aiiflererooita iat.es aber erforderlich den Grundkörper des r-'loiton-len .'l'inteils aus Eisen oder Stahl herzustellen, ura eine

309823/0952

Tlisensul fid-ocliicht, i^?eS zu erhalten. Andererseits verv;ondet das Verschwefeiuiv'sverfahrcn gifti ;e Chemikalien, wie /..B. J)IaCn, das sehr -enundheitrssclvfidlich ist. Dar über hinaus muss der GrunclkÜrper bei hohen Temperaturen, wie r..B. 400 - 600⁰C behandelt werden, und es hat sich gezeigt, tla°> ein derartiges Verschwefelungsverfahren die Gleitfähigkeit der Oberfläche hierbei wieder herabsetzt.

Der Erfindung· liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehenden Nachteile zu vermeiden und einen Bauteil, bzw. ein Herstellungsverfahren anzugeben, gemäß welchem ein Bauteil nit einer gleitfähigen Schicht durch ein einfacheres Herstellungsverfahren erreicht wird, die Widerstandsfähigkeit dieser Schicht gegen Abnutzung und Abrieb jedoch wesentlich erhöht ist.

Erfindungsgemäß wird hier vorgeschlagen, daß der Werkstoff dieser Oberflächenschicht aufgespritzt, bzw. bei thermisch erhöhter Temperatur aufgespritzt wird und zumindest an der Gleitfläche des Bauteils sc^ichtfömig öler geschichtet ausgebildet, verteilt, bzw. lamelliert ist.

Genäß weiterer Ausgestaltung der Erfindung besteht die aufgespritzte Schicht aus einer üJisenlegierung, die 2 .-· 53,5 Gewichtsprozent Schwefel enthält. Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die aufgespritzte Schicht 20 - 95 Ge\i/ichtsprozent Eisenlegierung und CO - 5 Gewichtsprozent zumindest eines Stoffes aufweist, v/elcher aus einer Gruppe auswählbar ist, die Wolfram, Iiolybdän, eine ITiCkOl-Cl^OD-legierung, einer Nickel-Aluniniunlegierung und Mischungen hiervon enthält. fti_no derartige Schicht ist wesentlich über-. legen hinsichtlich einer Eisen-Sulfidschicht, die durch ein

309823/0952

BAD OBtQINAL

übliches VersehwefeliLngsverfahren erreicht wird, iind die erfindungsgenäße Schicht hat einen erhöhten Widerstand gegen Abriet) und Abnutzung. .

Eine Ausführungsfprm der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in folgenden näher erläutert* Es zeigen:

I?ig« 1 den Abriebwiderstand verschiedener liuster von Kolbenringen im Motorversuoh, wobei Muster Hr. 1 ein bekannter, mit Molybdän-Schicht versehener Kolbenring, das liuster ITr. 2 jedoch Kolbenringe gemäß .Beispiel 1 der Erfindung darstellt.

Fig. 2 einen Schnitt durch einen als Kolbenring dargestellten Bauteil.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung gewinnt man die verbesserte Gleitschicht durch Aufspritzen einer 2-53 Gewichtsprozent Schwefel enthaltende Eisenlegierung auf den Grundkörper. Das Aufspritzverfahren kann durch Aufspritzen bei der Plasmatemperatur, als auch mit Hilfe von Treibgasen erfolgen·

Da gemäß dem erfindungsgemäßen Spritzverfahren die feinen schwefelhaltigen, aus Eisenlegierung bestehendenI^rtikelchen unter kräftigem Druck, bzw. hoher Geschwindigkeit gespritzt, bzw. versprüht werden, ergibt sich eine Schicht, die eine geschichtete, bzw. lamellierte Struktur auf der Oberfläche des Grundkörpers haben kann und· an dieser Oberfläche fest anhaftet und einen ausgezeichneten "widerstand gegen Abrieb hat. Insbesondere wird eine Schicht von poröse?? Struktur gebildet, deren Reibwert niedrig liegt. Aus diesen Grunde -hat die gespritzte, Ooröae Schicht die P;üii"]-oit Schmieröl aufzunehmen

BADORiGINAL

und in sich zu speichern. Hieraus ergibt eich, daß wegen der Eigenschaft der Gleitoberfläche, auch unter hoher Betriebebelastung, ein günstiges und dauerhaftes Gleitvermögen beizubehalten und die Abnutzung an der Gleitoberfläche wesentlich herabzusetzen, der erfindungsgemäße Gleitbauteil wesentlich länger als bisher benutzt werden kann, obgleich sit Ton außen Ursachen ausgesetzt ist, die sonst Abrieb und Terschleiß verursachen.

Die Härte der gespritzten Schicht gemäß der Erfindung liegt in der Regel W. 500 - 600 HT (50). Im Einzelfall, wenn höhere Härte zweckmäßig ist, wird eine kleine Menge an Metalloxyden, wie Al₂O, od&l., oder Metallcarbide, wie Wolframcarbid odgl. der Schwefel enthaltenden Eisenlegierung zugesetzt.

Durch verschiedene empirische Versuche hat es sich gezeigt$ daß wenn der Schwefelgehalt der gespritzten Schicht nicht höher als 2 Gewichtsprozent ist, der Abrieb und Abnutzungswideretand des Gleitkörpers nicht hinreichend hoch ist. Andererseits, wenn der Schwefelgehalt 53,5 Gewichtsprozent übersteigt (der theoretische Schwefelgehalt in FeSg ist 53,5 Gewichtsprozent) wird die Härte der Spritzschicht übermäßig herabgesetzt und verusacht einen Abfall des Abriebwiderstandee. Erfindungβ-gemäß bringt ea eine wesentliche Verbesserung, wenn der Schwefel^ehalt in der gespritzten Schicht in dem Bereich 2 - 53,5 Gewichtrmrozent liegt.

Beispiel 1

Eisenniilfiflmilver wurde bei Plasma tempera tür auf die Außenoberfl "ehe eines nun Gußeisen bestehenden Kolbenringen <resprJtrit. T)er Kolbenring weist 3,5 ',-' Kohlenstoff (Kohlenstoff

309823/0952

ORIGINAL INSPECTED

insgesamt), 2,6 fo Silicium, 0,6 ^ Hangan, alles in Gewichtsprozenten, aiii, Rest Eisen. Die aufgespritzte poröse Schicht hatte eine Dicke von 0,1 mm. Die Härte HV (30) auf der Oberflächenschicht betrug 500.

Es wurde unter folgenden Bedingungen gespritzt:

Spritzpistole: Meteco 3M Plasma-Spritzpistole

Stickstoff-Gasflußmenge: 28,3 dm·⁵

!^-Gasdruck: 362 g/cm

3 -

Tfasserstoff-Gasflußraenge: 28,3 dm/h

PL,-Gasdruck: 362 g/cm .

Elektrischer Strom: 300 A Spritzabstand: ' ca. 10 cm

Beispiel 2

Eine Pulvernischung, bestehend aus 0,2 ^c/o Kohlenstoff (Kohlenstoff insgesamt), 0,4 i» Silicium, 0, 5 $ Mangan, 10 $ Schwefel, alles Gewichtsprozente, Rest Eisen, wurde auf die Oberfläche eines aus Druckguß hergestelltem Kolbenringes in Plasma-verfahren aufgesprüht, wobei der Kolbenring die gleiche Zusammensetzung wie. in Beispiel 1 hatte. Es wurde eine poröse Spritzschicht von einer Dicke von 0,3 mm erhalten. .Pie HV (30)-HHrte der Schicht war 550. Es wurde die gleiche Spritzpistole, bzw. es wurden die gleichen Spritzbe dinting en wie genilß Beispiel 1 benutzt.

Dann wurden die, gemäß Beispiel 1 erhaltenen Kolbonrin;;-Muster und andere Kolbenring-IIuster, die gemäß Verfahren nach UiJ-KJ 3, 133j 730 erha'¹ ton wurde, einem betrieblichen IIot,or-. versuch unterworfen, um ihre Abriebwiderstände festzustellen.

30982 3/0952

Das Verfahren gemäß vorstehendem US-Patent soll den I/iderstand [legen Abnutzung am Gleitkörper herabsetzen und sieht eine Mehrzahl von auf der äußeren Umfangsflüche des Kolbenringen vorhandene Kirchen und ferner die iiaßnaiine vor, in 'liese Purchen, bzw. Futen, metallisches Holybdiin aufzuspritzen.

Die Ergebnisse der Versuche hinsichtlich ]?eststellung der Höhe des Abriebwiderstandes gemäß Zeichnung ergeben für Werte des Lusters Nr. 1, bei dem auf dem Kolbenring 100 $ reines Holy bdiln aufgespritzt wurde, gemäß US-PS 3_f 133,739, und Werte für Iiuster Hr. 2, dessen Kolbenring erfindungsgemäß vorbehandelt wurde. Der Ilotorversuch wurde unter folgenden Bedingungen durchgeführt:

Versuchsmotor - zwangsweise luftgekühlter Viertaktmotor, dessen beide Zylinder einander gegenüber horizontal angeordnet waren.

Innendurchmesser χ HuI): 83 mm χ 73 mm gesamtes Saugvolunen: 790 ecm max. Leistung: 3d PS bei 4600 U/min.

Arbeits	Geschwindigkeit:	5000 U/min.	PS	25	10° C
bedingungen -	Pferdekräfte:	22	^rS		(JIfJ)
	Last:	7 1	Ii
	Laufzeit:	50	110 +
	Oltemperatur:	VG
	ZyIind orle' ;ie- rung:

Aue der Zeiclinun?·· Pi':. 1 ist ornichtlich, 0v.ⁿ, Luc.te·- 1fr. 1

309823/0952

eine Abnutzung von 0,6 jU aufwies, währe"nd Muster Ur. 2 eine Abnutzung von lediglich 1/3 der Menge, verglichen mit Muster Ur. 1, zeigt. Dies bedeutet, daß der Widerstand hinsichtlich Abnutzung und Abrieb bei dem erfindungsgemässen Kolbenring weit besser als bei den bekannten Kolbenring ist.

Darüberhinaus liegt der Preis der schwefelhaltigen Eisenlegierung niedrig und sie ist leicht herstellbar, verglichen nit metallischen Molybdän, sodaß die Werkstoffkosten gemäß Erfindung etwa 1/30 derjenigen sind, verglichen mit der Molybdänschicht auf dem Kolbenring. Ferner zeigt I¹Ig. 1, daß die Menge des Abriebs am Kolbenring gemäß Erfindung gleich i/3o desjenigen von Molybdän ist, d.h. der Abriebwiderstand des erfindungsgemässen Kolben ringes ist um das Dreifache größer als der Abriebwiderstand beim Kolbenring mit Holybdänschieht.

Wenn auch diese beiden Beispiele anhand von Kolbenringen gebracht wurden, so sind die Werte bei anderen gleitenden Bauteilen gleich, bsw. entsprechend gleich.

Sine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die zu spritzenden Schicht aus 2o - 95 Gewichtsprozent Eisenlegierung, die 2 - 53,5 Gewichtsprozent Schwefel enthält, und aus 80 Gewichtsprozent mindestens eines der folgenden Bestandteile besteht, wobei der oder die Bestandteile aus einer Gruppe ausgewählt ist, bzw. sind, die Wolfram, Molybdän, Elclcel- Chromlegierung, nickel- Aluminiumlegierung und Mischungen hiervon enthält, THifT daß diene Schicht auf die Oberfläche des Grundkörpers den gleitenden Bauteiles geschichtet, bzw. lamelicrt i*uf';etra'--on wird» ■

309823/0952

Verschiedene empirische Versuche zeigen, daß wenn die Menge dieser Bestandteile in der gespritzten Schicht nicht größer als 5 Gewichtsprozent ist, die Schicht dann dazu neigt, feine Risse und abgenutzte Stellen zu bilden, und darüberhinaus kann der Gleitkörper nicht mehr dämpfend wirken. Andererseits, wenn diese Bestandteile 80 Gewichtsprozent übersteigen, wird der Widerstand p;egen den Abrieb in der Schicht wesentlich herabgesetzt.

Es bringt deshalb erfindungsgemäß eine wesentliche Verbesserung, wenn die Menge dieser Bestandteile in der Spriteschicht im Bereich von 5-80 Gewichtsprozent liegt.

Ferner neigt die gespritzte Schicht, die eine schwefelhaltige Eisenlegierung iet, gemäß Beispielen 1 und 2 daau, liese au bilden, wenn die Schichtdicke etwa 0,2 mm übersteigt« Wenn jedoch diese Schicht metallische Bestandteile bzw. Zusätze wie Wolfram, Molybdän, Mckel-Ohromlegierung und Nickel-Aluminiumlegierung, zusätzlich zu der schwefelhaltigen Eisenlegierung, enthält, treten die Risse nicht auf. Als Grund dafür, daß Riese sich bilden, wird angesehen, daß die schwefelhaltigen, feinen Legierungspartikelchen nach ihrem Spritzen bei hoher temperatur sich "bei folgender Abkühlung zusammenziehen· Wenn das Spritzen bei Plasmatemperatur, also einer hohen Temperatur erfolgt, wird die Neigung zu*Bildung von Risoen gefördert,

Wenn jedoch die Pulvernischung aus schwefelhaltiger Eisenlegierung und auD mindestens einen metallischen Bestandteil, "ewählt our einer Gruppe, die Wolfram, Iloly.bdfin, Chrormiokel, lliol-el-Aluuiniun und Ninchungen hiervon enthält, in eine:,¹ 0,2 mn übersteigenden Schichtdicke gespritzt wird, bilden sich keine

309823/0952

ORlQlNALtNSPECTED

Risse aus. !Deshalb führt die erfindungsgeinäße Zusammensetzung zu einer Verbesserung und erhöht die Zähigkeit auch dickerer Schichten und somit den Abriebwiderstand.

Beispiel 3

Ein Pulvergemisch aus 90 Gewichtsprozent Eisensulfid und 10 Gewichtsprozent Wolfram wurde auf die Oberfläche des Q-rundkörpers eines Kolbenringes plasma-gespritzt. Der Kolbenring war für die innere Verbrennungskraftmaschine eines Schiffes bestimmt. Die Schichtdicke betrug 0,5 mm.

Diese Schicht hatte eine Härte HV (30) von 500 und zeigte keine Rissbildung. Ferner wurde ermittelt, daß der Widerstand gegen Abnutzung als auch gegen Abrieb sehr hoch lag, verglichen mit einer der bekannten Schichten'gemäß Beispiel 1 und 2.

Somit wird erfindungsgemäß ein gleitender Bauteil mit einer Oberfläche geschaffen, die einen wesentlich erhöhten Widerstand gegen Abnutzung und Abrieb aufweist und zu keiner Rissbildung führt. Die aufgespritzte Schicht wird an mindestens der Gleitoberfläche aufgebracht.

Die Beispiele für den Erfindungsgegenstand bedeuten jedoch keine Einschrilnlnmg auf ihre Haumforra und es ist für den Fachmann erkennbar, daß, ,ie nach Einzelfall, verschiedene ünuivalente an Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes im Rahmen der Erfindung raöflich sind.

3J¹L". P. seist einen Liclmitt durch den Bauteil, hior einen Krxi.bcnrln ;, i".i nchenatincher Darstellung. Kolbenring 1 hat oinen Qr im 11.!" or ρ or 2 ni. fc einer vorbeneichneten Zuiwmionnetsun .·,

30 9 823/0952

Die Oberfliichenschicht 3 ist aufgespritzt, baw. aufgesprüht, wobei sich zwischen ihr und dem Grundkörper 2 eine Haftschicht 4 ausbildet. Die Schichten 3 und 4 haben eine Mikrοstruktur bzw. innere Form, die durch den Aufspritzvorganf, bzv/. durch die Gestalt der Partikelchen als auch durch den Schwefelgehalt, bzw. durch die Hohe des Schwefel^ehaltes von 3 - 53,5 Gewichtsprozent bestimr.it ist, bzw. die Form der MikroStruktur ergibt sich durch die zusätzlichen Bestandteile wie Wolfram udgl., sowie durch die erfindungsgeraäße lienge dieser zusätzlichen Bestandteile.

3098 2 3/0952

Claims

27. Hov. 1972 IG/Bü HIPPOH PISi1OIJ RING 00., LOHJ . Ho. 1-13, Uchisaiwai-cho 2-chome, Chiyodä-ku, k / J Patentansprüche;

1. Bauteil aus Metall, mit gleitfähiger, sowie gegen Abnutzung und Verschleiß widerstandsfähiger Oberfläche, z.B. Kolbenring oder Zylinderlauf büchse einer inneren Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff dieser Oberflächenschicht aufgespritzt, insbesondere bei thermisch erhöhter ^temperatur aufgespritzt wird und zumindest an der Gleitfläche des Bauteils schichtförmig oder geschichtet ausgebildet, verteilt» bzw. lamelliert ist.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgespritzte Schicht eine 2 - 53,5 Gewichtsprozent Schwefel enthaltende Eisenlegierung ist,

3. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgespritzte Schicht 20 - 95 Gewichtsprozent einer 2 - 53,5 Gewichtsprozent Schwefel enthaltenden Eisenlegierung und CO - b Clev.'iohtsprosent Wolfram, Iiolrbdän, ITickel-GlnOralegierung und/oder Ilickel-Aluminiittilegierung, aufweist.

309823/0952