DE2258280B2

DE2258280B2 - Bauteil aus Metall, z.B. Kolbenring einer Zylinderlaufbüchse einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2258280B2
Application number: DE2258280A
Authority: DE
Inventors: Yoshikatsu Yokohama Kanagawa Nakamura (Japan)
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: 1975-09-25
Also published as: US3853602A; GB1415186A; DE2258280A1; FR2164285A5; IT973829B; JPS4861339A; JPS5310534B2

Description

schichtartige bzw. lameliierte Struktur auf der Oberfläche des Grundkörpers, die hier fest anhaftet und einen ausgezeichneten Widerstand gegen Abrieb hat. Insbesondere wird eine Schicht von poröser Struktur mit niedrigem Reibwert gebildet. Deshalb kann die gespritzte, poröse Schicht Schmieröl aufnehmen und in sich speichern. Wegen der Eigenschaft der Gleitoberfläche auch unter hoher Betriebsbelastung ein günstiges und dauerhaftes Gleitvermögen beizubehalten und die Abnutzung an der Gleitoberfläche wesentlich herabzusetzen, kann das erfindungsgemäße Bauteil wesentlich länger als bisher benutzt werden, obgleich es äußeren Belastungen ausgesetzt ist, die sonst Abrieb und Verschleiß verursachen.

Die Härte der gespritzten Schicht liegt in der Regel bei 500 bis 600 HV (30). Im Einzelfall, wenn höhere Härte zweckmäßig ist, wird eine kleine Menge an Metalloxiden, wie Al₂O₃ od. dgl., oder Metallcarbiden, wie Wolframcarbid od. dgl., dem Eisensulfid zugesetzt.

Verschiedene Versuche haben gezeigt, daß wenn der Schwefelgehalt des aufgespritzten Werkstoffs nicht höher als 2 Gewichtsprozent ist, der Abrieb und Abnutzungswiderstand des Gleitkörpers nicht hinreichend hoch ist. Andererseits, wenn der Schwefelgehalt 53,5 Gewichtsprozent übersteigt (der theoretische Schwefelgehalt in Eisensulfid ist 53;5 Gewichtsprozent) wird die Härte der Spritzschicht übermäßig herabgesetzt und verursacht einen Abfall des Abriebwiderstands.

...
^eispie

Eisensulfidpulver wurde bei Plasmatemperatur auf die Außenoberfläche eines aus Gußeisen bestehenden Kolbenrings gespritzt. Der Kolbenring weist in Gewichtsprozent 3,5% Kohlenstoff, 2,6% Silizium, 0,6% Mangan, Rest Eisen auf. Die aufgespritzte poröse Schicht hatte eine Dicke von 0,1 mm. Die Härte HV (30) auf der Oberflächenschicht betrug 500.

Es wurde mit einer Plasma-Spritzpistole unter folgenden Bedingungen gespritzt:

Stickstoff menge 28,3 dm³/h

N,-Gasdruck 362 g/cm²

Wasserstoffmenge '. 28,3 dm³/h

H -Gasdruck 362 g/cm*

Elektrischer Strom 300 A

Spritzabstand etwa 10 cm

Eine Pulvermischung, bestehend aus, in Gewichtsprozent, 0,2% Kohlenstoff, 0,4% Silizium, 0,5% Mangan, 10% Schwefel, Rest Eisen, wurde auf die Oberfläche eines aus Druckguß hergestellten Kolbenrings im Plasmaverfahren aufgespritzt, wobei der Kolbenring die gleiche Zusammensetzung wie nach Beispiel 1 hatte. Es wurde eine poröse Spritzschicht von einer Dicke von 0,3 mm erhalten. Die HV (30)-Härte der Schicht war 550. Es wurde die gleiche Spritzpistole bzw. es wurden die gleichen Spritzbedingungen wie gemäß Beispiel 1 angewendet.

Dann wurden die Kolbenringmuster gemäß Beispiel 1 und andere Kolbenringmuster, die gemäß dem Verfahren nach USA.-Patentschrift 31 33 739 hergestellt wurden, einem betrieblichen Motorversuch unterworfen, um ihre Abriebwiderstände zu ermitteln. Das Verfahren gemäß diesem USA.-Patent soll den Widerstand gegen Abnutzung am Gleitkörper herabsetzen und sieht eine Mehrzahl von auf der äußeren Umfangsfläche des Kolbenrings vorhandenen Furchen und ferner die Maßnahme vor, in diese Furchen bzw. Nuten metallisches Molybdän zu spritzen.

Die Versuchsergebnisse zur Feststellung der Größe des Abriebwiderstands, vergleiche Zeichnung, ergeben Werte des Musters 1, bei dem auf dem Kolbenring 100% reines Molybdän gemäß USA.-Patentschrift 31 33 739 aufgespritzt wurde und Abriebwerte für Muster Nr. 2, dessen Kolbenring erfindungsgemäß vorbehandelt war. Der Motorversuch wurde unter folgenden Bedingungen durchgeführt:

Versuchsmotor: zwangrweise luftgekühlter Viertaktmotor, dessen beide Zylinder einander gegenüber horizontal angeordnet waren.
15

Innendurchmesser · Hub: 83 · 73 mm
gesamtes Saugvolumen: 790 cm³
max. Leistung: 36 PS bei 4600 U/min

Arbeitsbedingungen:

Geschwindigkeit 5000 U/mm

Leistung 22 PS

, ^ast' \ <n h

Lautzeit 50η

Oltemperatur 1110 ±10 C

Zylinderlegierung FC 25 (JIS)

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß Muster Nr. 1 eine Abnutzung von 0,6 μηι aufwies, während Muster Nr. 2 lediglich Vs der Abnutzung, verglichen mit Muster Nr. 1, zeigt. Dies bedeutet, daß der Widerstand hinsichtlich Abnutzung und Abrieb bei dem erfindungsgemäßen Kolbenring weit besser als bei dem bekannten Kolbenring ist.

Darüber hinaus liegt der Preis des Eisensulfids niedrig, und es ist leicht herstellbar, verglichen mit metallischem Molybdän, so daß die Werkstoffkosten gemäß Erfindung etwa ¹I₃₀ derjenigen der bekannten Molybdänschicht auf einem Kolbenring sind. Ferner ^zei& Fig. 1, daß die Größe des Abriebs am Kolbenring 8^{emäß Erfind}uⁿg g^leich V₃₀ derjenigen der Molybdän^{schicht ist}' ^d· ^h· ^der Abriebwiderstand des erfindungsgemäßen Kolbenrings ist um das 3fache größer als der Abriebwiderstand beim Kolbenring mit Molybdänschicht. ..._... „ . „ ,, .

Wenn auch diese Beispiele an Hand von Kolbennngen gebracht wurden, so sind die Werte bei anderen gleitenden Bauteilen gleich bzw. entsprechend gleich. Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Spritzmaterial aus 20 bis 95 Gewichtsprozent Eisenlegierung, die 2 bis 53,5 Gewichtsprozent Schwefel enthält, und aus 80 bis 5 Gewichtsprozent mindestens eines der folgenden Bestandteile besteht: Wolfram, Molybdän, NickelChromlegierung, Nickel-Aluminiumlegierung und Mischungen hiervon. Verschiedene Versuche zeigen, daß wenn die Menge dieser Bestandteile in dem aufgespritzten Werkstoff nicht größer als 5 Gewichtsprozent ist, die Schicht dazu neigt, feine Risse und abgenutzte Stellen zu bilden, und ferner hat der Gleitkörper dann nicht mehr eine dämpfende Eigenschaft. Andererseits, wenn diese Bestandteile 80 Gewichtsprozent übersteigen, wird der Widerstand gegen den Abrieb in der Schicht wesentlich herabgesetzt.

Es bringt deshalb erfindungsgemäß eine wesentliche Verbesserung, wenn die Menge dieser Bestandteile in dem aufgespritzten Werkstoff im Bereich von 5 bis 80 Gewichtsprozent liegt.

Ferner neigt die aufgespritzte Schicht, die eine schwefelhaltige Eisenlegierung ist, gemäß Beispielen 1 und 2 dazu, Risse zu bilden, wenn die Schichtdicke etwa 0,2 mm übersteigt. Wenn diese Schicht jedoch metallische Zusätze wie Wolfram, Molybdän, Nickel-Chromlegierung und Nickel-Aluminiumlegierung zusätzlich zu der schwefelhaltigen Eisenlegierung enthält, treten die Risse nicht auf. Als Grund für Rißbildung wird angesehen, daß sich die schwefelhaltigen, feinen Legierungspartikelchen nach ihrem Aufspritzen bei hoher Temperatur bei folgender Abkühlung zusammenziehen. Wenn das Spritzen bei Plasmatemperatur, also einer hohen Temperatur erfolgt, wird eben die Neigung zur Rißbildung gefördert.

Wenn jedoch die Pulvermischung aus schwefelhaltigem Eisen oder Eisensulfid und mindestens aus Wolfram, Molybdän, Chromnickel, Nickel-Aluminium und Mischungen hiervon besteht und in einer 0,2 mm übersteigenden Schichtdicke gespritzt wird, bilden sich keine Risse aus. Deshalb führt die erfindungsgemäße 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 Grundkörpers bei Plasmatemperatur aufgespritzt. Der Kolbenring war für einen Schiffsmotor bestimmt. Die Schichtdicke betrug 0,5 mm.

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

Somit wird erfindungsgemäß ein Gleitbauteil mit einer Oberfläche geschaffen, die einen wesentlich erhöhten Widerstand gegen Abnutzung und Abrieb aufweist und zu keiner Rißbildung führt, wobei die

ao Schicht mindestens an der Gleitoberfläche aufgespritzt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 entsprechend verhütteten Eisens gegebenenfalls zuPatentansprüche: rückgeführt werden. Bei Pseudolegierungen ist es gemäß diesem bekannten Verfahren nicht bekannt,

1. Bauteil aus Metall, z. B. Kolbenring oder der Spritzlegierung bewußt einen vorbestimmten Ge-Zylinderlaufbüchse einer Brennkraftmaschine, mit 5 halt an Schwefel hinzuzugeben (Zeitschrift: »Blech«, durch Aufspritzen, insbesondere bei hoher Tempe- 15. Jahrgang, 1968, Nr. 4, S. 224).

ratur, von eisenhaltigen Materialien erhaltener Es ist auch bekannt, die Innenflächen von aus

gleitfähiger sowie gegen Abnutzung und Verschleiß Leichtmetallegierung bestehenden Gehäusemänteln für

widerstandsfähiger Oberfläche, dadurch ge- Rotationskolbenmotoren durch Aufspritzen einer La-

kennzeichnet, daß der aufgespritzte Werk- io gerschicht zu überziehen, wobei Kohlenstoffstahl,

stoff ein Eisensulfid oder eine Eisenlegierung ist, Aluminium-Nickel-Verbindungen und ihre Oxide und/

das bzw. die 2 bis 53,5 Gewichtsprozent Schwefel oder Aluminium-Nickel-Verbindungen und/oder eine

enthält. Reihe von anderen Verbindungen, wie Boride und

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Carbide, verspritzt werden. Das bekannte Verfahren zeichnet, daß der aufgespritzte Werkstoff 20 bis 15 legt aber nicht nahe, einen bestimmten Zusatz von 95 Gewichtsprozent einer 2 bis 53,5 Gewichtspro- Schwefel dem Eisen zuzugeben oder Eisensulfid zu zent Schwefel enthaltenden Eisenlegierung und verwenden (deutsche Offenlegungsschrift 19 65 457).
80 bis 5 Gewichtsprozent Wolfram, Molybdän, Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein VerNickel-Chromlegierung und/oder Nickel-Alumi- fahren anzugeben, gemäß welchem eine Gleitoberniumlegierung, aufweist. ao fläche von Bauteilen mit höherem Schwefelgehalt hergestellt werden kann und eine Vorbehandlung des Bauteils entfällt, jedoch auch die Widerstandsfähigkeit

dieser Oberflächenschicht gegen Abnutzung und Abrieb beachtlich erhöht wird und auch die Möglichkeit »5 besteht, dickere schwefelhaltige Oberflächenschichten

Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus Metall, z. B. herzustellen.

Kolbenring oder Zylinderlaufbuchse einer Brennkraft- Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß

maschine, mit durch Aufspritzen, insbesondere bei vorgeschlagen, daß der aufgespritzte Werkstoff ein

hoher Temperatur, von eisenhaltigen Materialien er- Eisensulfid oder eine Eisenlegierung ist, das bzw. die

haltener gleitfähiger sowie gegen Abnutzung und Ver- 3o 2 bis 53,5 Gewichtsprozent Schwefel enthält,

schleiß widerstandsfähiger Oberfläche. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der

Es ist bereits bekannt, die Oberfläche von solchen aufgespritzte Werkstoff 20 bis 95 Gewichtsprozent

gleitenden Bauteilen einer Oberflächenbehandlung zu einer 2 bis 53,5 Gewichtsprozent Schwefel enthaltenden

unterwerfen, um ihren Widerstand gegen Abnutzung Eisenlegierung und 80 bis 5 Gewichtsprozent Wolfram,

zu erhöhen. 35 Molybdän, Nickel-Chrom-Legierung und/oder Nickel-

Eines dieser Verfahren dient der Aufschwefeiung, Aluminium-Legierung, aufweist, wobei durch diese

wobei eine schwefelhaltige, durch Behandlung mit Verfahrensschritte dickere Oberflächenschichten unter

einer schwefelenthaltenden Flüssigkeit, Feststoff oder Verringerung der Rißgefahr hergestellt werden können.

Gas gewonnene Schicht von etwa 0,1 mm oder weniger Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der

hergestellt wird. Diese schwefelhaltige, auf einem aus 40 Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher

Gußeisen bestehendem Grundkörper gebildete Schicht erläutert. Es zeigt

ist jedoch außerordentlich dünn und hat deshalb bei Fig. 1 den Abriebwiderstand einzelner Kolbenringeiner hohen Betriebsbelastung keinen langen Bestand. muster im Motorversuch, wobei Muster Nr. 1 einen Andererseits ist es aber erforderlich, den Grundkörper bekannten, mit Molybdän-Schicht versehenen, das des Bauteils aus Eisen oder Stahl herzustellen, um eine 45 Muster Nr. 2 jedoch einen Kolbenring gemäß Bei-Eisensulfid-Schicht, FeS, zu erhalten. Ferner verwen- spiel 2 der Erfindung bezeichnen,
det das bekannte Auf schwefelungsverfahren giftige Fig. 2 einen Schnitt durch ein als Kolbenring dar-Chemikalien, wie z. B. NaCN, das gesundheitsschäd- gestelltes Bauteil.

lieh ist. Auch muß der Grundkörper bei hoher Tempe- Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch das Bauteil, hier

ratur, wie z. B. 400 bis 600⁰C, behandelt werden, und 5° einen Kolbenring, in schematischer Darstellung. KoI-

hierbei hat es sich gezeigt, daß ein derartiges Auf- benring 1 hat einen Grundkörper 2 mit einer vorbe-

schwefelungsverfahren jedoch die Gleitfähigkeit der zeichneten Zusammensetzung. Die Oberflächenschicht 3

Oberfläche wieder herabsetzt. ist aufgespritzt, wobei sich zwischen ihr und dem

Das Aufspritzen metallischer Überzüge in Form von Grundkörper 2 eine Haftschicht 4 ausbildet. Die Metallschmelzen ist grundsätzlich bekannt, und zwar 55 Schichten 3 und 4 haben eine MikroStruktur bzw. für eine Vielzahl von Metallen und Metallpaaren, innere Form, die durch den Aufspritzvorgang bzw. indem diese strahlenförmig auf den zu behandelnden durch die Gestalt der Partikelchen als auch durch den Körper zerstäubt werden, z. B. mit Hilfe von Pulver- Schwefelgehalt bzw. durch die Höhe des Schwefelspritzpistolen. Dieses Verfahren ist auch für der Gleit- gehalts von 2 bis 53,5 Gewichtsprozent bestimmt ist, reibung unterworfene Bauteile, wie für Lager, bekannt; 6o bzw. die Form der MikroStruktur ergibt sich durch die ebenfalls können Lagerauskleidungen durch Auf- zusätzlichen Bestandteile wie Wolfram u. dgl., sowie spritzen von Pseudolegierungen hergestellt werden, durch die erfindungsgemäße Menge dieser zusätzlichen wobei Metallpaare, bestehend aus Eisen und Alumi- Bestandteile.

nium oder aus Eisen und Kupfer, verwendet werden. Das Aufspritzverfahren kann durch Aufspritzen bei

Bei Verwendung eines Stahlspritzdrahts ist es ferner 65 Plasmatemperatur als auch mit Hilfe von Treibgasen

bekannt, daß der Draht unter anderem 0,02 % Schwefel erfolgen. Da gemäß dem Spritzverfahren die feinen

enthält. Dieser Schwefelgehalt ist aber sehr niedrig FeS-Partikelchen unter kräftigem Druck bzw. hoher

und kann auf den nicht entfernbaren Restschwefel des Geschwindigkeit aufgespritzt werden, ergibt sich eine