DE2410455B2

DE2410455B2 - Verfahren zur verbesserung der haftung eines schwer schmelzbaren ueberzuges an einem geformten eisenmetallgegenstand

Info

Publication number: DE2410455B2
Application number: DE19742410455
Authority: DE
Inventors: Harold Edward Ballwin Mo McCormick (VStA)
Original assignee: Ramsey Corp Manchester Mo Vsta
Current assignee: TRW Automotive Products Inc
Priority date: 1973-03-06
Filing date: 1974-03-05
Publication date: 1977-08-25
Also published as: DE2410455C3; US4024617A; FR2220594B1; GB1459495A; DE2410455A1; FR2220594A1; JPS49119840A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Haftung eines schwer schmelzbaren Überzuges an einem geformten Eisenmetallgegenstand, der auf Grund seiner kleinen Querschnittsdimensionen leicht durch Wärme verformbar ist, gemäß dem der Überzug durch Spritzen unter Verwendung eines eine Diffusionsbindung bewirkenden Metalls, nämlich Nikkei, Kupfer, Aluminium oder einer Mischung derselben, auf dem Gegenstand gebildet und anschließend zur Diffusionsbindung an der Grenzfläche von Gegenstand und Überzug induktiv auf eine Temperatur zwischen 871 und 1093° C erhitzt wird.

Das Aufbringen von schwer schmelzbaren Überzügen auf geformte Eisenmetallgegenstände, insbesondere Kolbenringe, ist bereits bekannt (vgl. die US-Patentschriften 29 05 512, 31 33 739, 31 33 341, 32 81 156,35 39 192,36 06 359,36 90 686 und 36 97 091). Damit ist es zwar möglich, die Härte, die Verschleiß- und Abnutzungsbeständigkeit der damit beschichteten Eisenmetallgegenstände zu verbessern, häufig treten jedoch Haftungsprobleme zwischen dem schwer schmelzbaren überzug und dem geformten Eisenmetallgegenstand auf. So treten beispielsweise an mit einem schwer schmelzbaren Überzug versehenen Kolbenringen, die in Motoren mit einem hohen Wirkungsdruck eingesetzt werden, nach längerer Betriebszeit Brücken an der Verbindungsstelle zwischen dem Eisenmetallgegenstand und dem schwer schmelzbaren Überzug auf. Dabei gilt als Norm, daß bei Motoren mit mittleren Wirkungsdrücken von mehr als 13,4 kg/cm² die Haftung zwischen dem schwer schmelzbaren Überzug und dem geformten Eisenmetallgegenstand (Kolbenring) mindestens 703 kg/cm² betragen ⁶S muß. Solche Haftungswerte sind jedoch mit den bisher bekannten Beschichtungsverfahren nicht erzielbar. Aus der deutschen Patentschrift 9 72 437 ist es zwar

bekannt, daß die Haftung von schwer schmelz-DeKanm. _formten Eisenmetallkörpern

Snh Erzeugung einer Diffusionsbindung verbessert werden ann^gdäf darin beschriebene Verfahren eignet

5 jedoch nicht für die Anwendung auf geformte ^metallgegenstände, die auf Grund .hrer kleinen QueSn Simensionen leicht durch Wärme verformär 3nd wie z. B. Kolbendichtungsbeläge. Bei diesem bekannten Verfahren müßten nämlich über längere Zeiträume hinweg hohe Temperaturen angewendet werden um die gewünschte D.ffus.onsb.ndung zu fielen was jedoch zu einer so starken Deformation dÄÄen EisenmetallgegenständeiKolbendichiungsbelägen) führen würde, daß diese für den vorgesehenen Verwendungszweck nicht mehr geeignet

^S"aus den deutschen Patentschriften 9 12 773 und

6 98 897 sowie der bekanntgemachten deutschen Patentanmeldung A 14 180,48 b und aus »Metco Flame SS Handbook«, Band II, 1964, Seiten 15 bis 17,40 bis 41 89 bis 94 ist es bereits bekannt, daß die Haftung eines schwer schmelzbaren Überzuges an einem geformten Eisenmetallgegenstand durch Spritzen unter Verwendung eines eine Diffusionsbindung bewirkenden Metalls, wie Nickel, Kupfer und/oder Aluminium auf den Geeenstand und anschließendes induktives Erhitzen auf einf Temperatur zwischen 871 und 1093°C zur Erzielung einer Diffusionsbindung an der Grenzfläche zwischen dem Gegenstand und dem Überzug verbessert werden kann. Auch bei diesen bekannten Verfahren treten jedoch die vorstehend geschilderten Schwierigkeiten auf d.h., bei ihrer Anwendung auf geformte Eisenmetallgegenstände mit sehr kleinen Querschnittsdimensionen werden diese sehr leicht durch die angewendete Wärme verformt, so daß sie die ihnen zugedachte Funktion nicht mehr ausüben können.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Verbesserung der Haftung eines schwer schmelzbaren Überzuges an einem geformten Eisenmetallgegenstand, der auf Grund seiner kleinen Querschnittsdimensionen leicht durch Wärme verformbar ist, anzugeben, in dessen Verlauf der geformte Eisenmetajlgegenstand nicht über die zulässigen Grenzen hinaus verformt wird, das insbesondere für das Aufbringen von Kolbendichtungsbelägen angewendet werden kann und technisch einfach und wirtschaftlich durchführbar ist.

Es wurde nun gefunden, daß diese Aufgabe bei einem Verfahren des eingangs genannten Typs dadurch gelöst werden kann, daß mehrere der geformten Eisenmetallgegenstände zu einem Stapel vereinigt werden, dessen von der beschichteten Fläche entfernte Teile während der Diffusionsglühung derart gekühlt werden, daß ihre Temperatur 260° C nicht übersteigt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Kühlung durch indirekten Wärmeaustausch an einer durch ein Kühlmittelmedium gekühlten Wand bewirkt.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, auf technisch einfache und dennoch wirksame Weise an der Grenzfläche zwischen dem geformten Eisenmetallgegenstand und dem schwer schmelzbaren Überzug eine solche Diffusionsbindung zu erzeugen, die erforderlich ist, um eine verbesserte Haftung des schwer schmelzbaren Überzuges an Einern geformten Eisenmetallgegenstand, insbesondere einem Kolbenring, zu erzielen, ohne daß der auf diese Weise behandelte geformte Eisenmetallgegenstand einer unzulässigen Deformation unterworfen wird.

Kolbendichtungen sind nämlich dadurch charakterisiert, daß sie einen verhältnismäßig kleinen Querschnitt haben und sich beim Aufbringen der Kolbendichtungsbeläge, die nur eine Dicke in der Größenordnung von 0,305 mm haben, unter der Einwirkung der angewendeten Wärme nicht verformen dürfen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die zu beschichtenden Eisenmetallgegenstände zu einem Stapel zusammengefaßt werden und daß zur Erzeugung der Diffusionsbindung an der Grenzfläche zwischen dem Eisenmetallgegenstand und dem Überzug induktiv auf eine Temperatur zwischen 871 und 1093⁰C erhitzt wird, während gleichzeitig die von der beschichteten Fläche entfernten Teile des Stapels während der Diffusionsglühung ausreichend gekühlt werden, so daß ihre Temperatur den Wert von 26O⁰C nicht übersteigt. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, das Erhitzen auf ganz bestimmte Stellen des geformten Eisenmetallgegenstandes zu beschränken, während die Temperaturen des Eisenmetallgegenstandes außerhalb dieser lokalisierten Bereiche unterhalb 26O⁰C gehalten werden. Auf diese Weise ist es möglich, jegliche Verformung des Eisenmetallgegenstandes, insbesondere von Kolbendichtungen, durch die angewendeten Erhitzungs- und Abkühlungsstufen zu vermeiden.

Zweckmäßig werden die induktive Erhitzung und die Abkühlung der zu einem Stapel zusammengefaßten geformten Eisenmetallgegenstände cyclisch bewirkt, wobei das cyclische Erhitzen und das Abkühlen beispielsweise in der Weise erfolgen kann, daß bei insgesamt 20 Cyclen die Erhitzungs- und Abkühlungsphasen jeweils 0,5 s dauern. Das induktive Erhitzen und Abkühlen kann aber auch in der Weise durchgeführt werden, daß bei insgesamt 20 Cyclen das Erhitzen in jedem Cyclus 0,6 s und das Abkühlen 0,9 s dauert, wobei jeder Einzelcyclus insgesamt 1,5 s dauert. Auf diese Weise ist es möglich, Diffusionsbindungen zu erzeugen, die eine Haftung des schwer schmelzbaren Überzuges an dem geformten Eisenmetallgegenstand ergeben, die mehr als 703 kg/cm² beträgt. Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebrachte schwer schmelzbare Überzug kann aus einer Legierung bestehen, die durch Plasmaspritzen einer Mischung aus 65 bis 90 Gew.-°/o Molybdän, 7 bis 25 Gew.-% Nickel, 1 bis 6 Gew.-% Chrom, 0,3 bis 1,5 Gew.-% Bor, 0,2 bis 1,5 Gew.-% Silicium und Rest Eisen, Kobalt, Kohlenstoff und/oder Mangan hergestellt worden ist, oder es kann sich dabei um eine harte. Wolfram, insbesondere Wolframcarbid, enthaltende Legierung, speziell um eine Wolfram-Bor-Legierung, handeln. Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht von zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendbaren Induktionsheizschlangen,

F i g. 2 eine Querschnittsansicht entlang der Linie U-II der F i g. 1 mit weggebrochenen Teilen und

Fig.3 eine vergrößerte fragmentarische Querschnittsansicht einer Kolbendichtung, welche den durch Diffusionsbindung mit dem Grundkörper der Dichtung verbundenen Belag erläutert.

Die Bezugsziffer 10 bezeichnet eine für das Induktionserhitzen geeignete Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung 10 weist eine Schlange 11 auf, die aus einer Vielzahl von Windungen Ha eines elektrisch leitenden Metallrohres 12, 12 mit Anschlußklemmen 13, 13 zum Anlegen eines elektrischen Wechselstromes an die Schlange 11 besteht. Energiequellen für die Hochfrequenz-Induktionsheizeinrichtung sind an sich bekannt, und der Betrieb einer solchen Einrichtung zum Induktionserhitzen ist ebenfalls bekannt. Daher erübrigt sich eine nähere Beschreibung der Vorrichtung 10 und ihrer Betriebsbedingungen.'

Die Kolbendichtungen sind durch die Bezugsziffer 15 angegeben. Bei den Kolbendichtungen kann es sich um

ίο übliche Kolbenringe, wie sie beispielsweise in Kolben-Verbrennungsmotoren verwendet werden, oder um Dichtungen handeln, wie sie beispielsweise in Drehkolben-Verbrennungsmotoren mit einer inneren Trochoid-Oberfläche des Rotorgehäuses verwendet werden. Sowohl beim Kolben- als auch beim Drehkolben-Verbrennungsmotor besteht die Funktion der Dichtung darin, das Ausströmen von Flüssigkeiten bzw. Fluids einschließlich der Verbrennungsgase zwischen den aufeinandergleitenden Oberflächen des Kolbens und seines Gehäuses zu verhindern oder zu beschränken.

Da ein Kolbenring bei seiner Herstellung einen Spalt aufweist, muß vor dem Induktionserhitzen der Spalt mit einem Verbindungsstück, wie es beispielsweise bei 16 dargestellt ist, geschlossen werden, um den elektrischen Stromkreis durch den Einzelring 15 zu schließen. Eine Vielzahl von solchen Kolbenringen oder Dichtungen wird zu einem Stapel, wie durch die Bezugsziffer 17 allgemein angedeutet, zusammengefaßt. Um eine verhältnismäßig niedrige Körpertemperatur (Massentemperatur) in dem Stapel 17 der Ringe aufrechtzuerhalten, wird dafür gesorgt, daß, wie bei 18 angegeben, durch die Rohre der Induktionsschlange U ein Kühlmittel zirkuliert. Der Ringstapel 17 ist vorzugsweise so angeordnet, daß er mit der inneren Oberfläche 19 der Windungen 11a der Heizschlange 11 in Kontakt steht oder dieser unmittelbar benachbart ist. Bei dem durch die Schlange 11 zirkulierenden Kühlmittel handelt es sich vorzugsweise um Wasser, es kann aber auch jede beliebige andere Flüssigkeit oder jedes Fluid verwendet werden, die bzw. das durch die elektrische Induktion nicht merklich erhitzt wird.

Der Stapel 17 der Kolbenringe 15, wie in F i g. 2 dargestellt, in bezug auf die Kühleinrichtung 20 so angeordnet, daß eine Kühlung der inneren Ringoberflächen 21 erfolgt. Diese Kühleinrichtung 20 umfaßt eine das Kühlmittel umgebende Wand 22, die eine Kühlflüssigkeit 23 enthält, bei der es sich um Wasser handeln kann. Wie bereits vorstehend angegeben, sollte es sich bei dem Kühlmittel um ein solches handeln, das durch Induktion oder Hysterese nicht merklich erhitzt wird. Vorzugsweise besteht ein enger Kontakt zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen der Kühlwand 22 und der inneren Oberfläche 21 der gestapelten Kolbenringe 15.

Die F i g. 3 erläutert einen beschichteten Kolbenring 25 mit einem Metallsubstrat 26 und einem durch eine Diffusionsbindung, wie bei 28 angegeben, an die äußere Peripherie des Substrats 26 gebundenen Überzug 27.

Das Substrat 26 besteht aus einem Gußeisen, in der Regel einem Gußeisen mit Kugelgraphit. Der Überzug 27, der durch eine Diffusionsbindung an die äußere Peripherie des Substratmaterials des Rings 26 gebunden ist, besteht vorzugsweise aus einem harten, verschleiß- und abriebbeständigen Material, z. B. aus einem der in den genannten Patentschriften erwähnten Materialien, das so modifiziert worden ist, daß es, wenn dies nicht schon von vornherein der Fall ist, eines der Elemente Ni,

Cu, Al oder eine Mischung davon enthält, das leicht in das Eisenmetallsubstrat diffundieren kann.

Vor Durchführung des erfindungsgemäöen Verfahrens zur Herstellung von Kolbendichtungen mit einem durch Diffusionsbindung gebundenen äußeren Überzug mit den gewünschten Härte-, Verschleiß- und Abriebsbeständigkeitseigenschaften wird das die Unterlage der Kolbendichtung bildende Grundmaterial auf übliche Weise vorbehandelt, so daß es das Überzugsmaterial aufnehmen kann. Die zu beschichtende Oberfläche wird w vorzugsweise mit einem Sandstrahlgebläse behandelt, und der ausgewählte Überzug wird dann auf die so vorbehandelte Oberfläche aufgebracht. Der Überzug kann mittels einer Plasmastrahlflamme, eines elektrischen Lichtbogens oder einer Sauerstoff acetylenflamme aufgebracht werden.

Nach dem thermischen Aufbringen des Überzugsmaterials auf die gewählte Oberfläche oder den gewählten Oberflächenteil wird der erhaltene Überzug gekühlt und auf die gewünschten Enddimensionen geschliffen. Da die restlichen Stufen des erfindungsgemäßen Verfahrens ohne wesentliche Verformung durchgeführt werden können, macht das in dieser Stufe durchgeführte Schleifen ein Schleifen zu einem späteren Zeitpunkt, um die erforderlichen Dimensionen für die fertige Kolbendichtung zu erzielen, überflüssig.

Nach dem Abschleifen der beschichteten Dichtungen auf die Enddimensionen werden die Dichtungen zu mehreren (in Form eines Stapels) auf eine Fixiereinrichtung, beispielsweise die gekühlten Wände 22 der Vorrichtung 20, wie schon erläutert, gelegt. Die gekühlten Wände 22 stehen in einem solchen Kontakt mit den Oberflächen der Kolbenringe oder Dichtungen 15 oder sind diesen so eng benachbart, daß sie kühl gehalten werden, wodurch ihre Verformung vermieden wird. Die Wände 22 bestehen aus einem nichtmagnetischen Materia), wie Kupfer oder Aluminium, das gute Wärmeleitungseigenschaften hat, das jedoch durch die Induktivität der Induktionsschlange 11 nicht beeinflußt wird.

Für sehr kurze Zeiträume werden vorher festgelegte Energieeinstellungen angelegt, und die Energiequelle wird für eine vorher festgelegte Anzahl von Cyclen an- und ausgeschaltet, um ein lokales Erhitzen an der Grenzfläche zwischen dem Überzug 27 und dem Eisenmetallkörper 26, wie bei 28 (F i g. 3) angedeutet, bei gleichzeitiger Kühlung der übrigen Teile zu bewirken. Das Erhitzen der Grenzfläche 28 erfolgt auf eine Temperatur, bei der das die Diffusionsbindung bewirkende Element, wie Nickel, genügend weich bzw. plastisch wird. ,

> Die beschichteten Kolbendichtungen werden nach der Diffusions-Glühbehandlung abgekühlt und einer üblichen Endbehandlung unterzogen,

Das die Diffusionsbindung bewirkende Metall kann, anstatt einen integralen Bestandteil des Überzugwerkstoffes zu bilden, in Form eines Zwischenüberzugs, einer Zwischenschicht oder eines Zwischenbelags, beispielsweise durch Galvanisation oder durch Flammspritzen oder unter Anwendung eines elektrischen Lichtbogen-Verfahrens, getrennt aufgebracht werden.

Per erwähnte Zwischenüberzug kann aus Nickel selbst oder einer Nickel enthaltenden Legierung oder einer Verbindung, In der das Nickel für die Erzielung einer Diffusionsbindung zur Verfügung, steht, belsplels-Weise einer Nickel-Nickelalumlnld-Mlschung, einer Nickel-Chrom-Legierung, einer Nickel'Chrom-Bor-SI!!· cium-Hartöl-Leglerung, stromlos aufgebrachtem Nickel oder einem anderen Material bestehen, das an den Grund- und schwer schmelzbaren Überzugsmaterialien leicht haftet und unter Anwendung von Wärme leicht weichgemacht werden kann. An diesem Punkte ist es wichtig darauf hinzuweisen, daß kein äußerer Druck angewendet wird oder angewendet werden muß, um die vorstehend beschriebene Diffusionsbindung zu bewirken. Zur Durchführung der induktiven Erhitzungsstufen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist keine spezielle Atmosphäre, weder eine inerte noch eine nichtoxydierende Atmosphäre, erforderlich; wenn es sich jedoch bei dem die Diffusionsbindung bewirkenden Metall um ein leicht oxydierbares Metall, wie Aluminium, handelt, wird vorzugsweise jede Hochtemperaturerhitzungsstufe in einer nichtoxydierenden oder sogar in einer schwach reduzierenden Atmosphäre durchgeführt. Verbesserte Bindungen werden erhalten durch Anwendung der vorstehend beschriebenen cyclischen Kurzzeit-Indukiionserhitzungsstufen.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert.

Beispiel 1

In diesem Beispiel wurde ein Überzug, beispielsweise der Überzug 27 (Fig.3), unter Anwendung eines Plasmaspritzverfahrens auf mehrere, zu einem Stapel zusammengefaßte Eisenmetallkörper 26 in Form einer Pulvermischung aus Wolframcarbid, Kobalt, Nickel, Chrom, Bor und Aluminium, wie in der US-Patentschrift 35 39192 beschrieben, unter Verwendung eines Zwischenüberzugs aus einer Nickel-Chrom-Legierung aufgebracht.

Eine bevorzugte Nickel-Chrom-Legierung ist eine solche, die von einer Ausgangsmischung von Legierungspartikeln abgeleitet ist, die zu 80 Gew.-% aus Nickelpartikeln und zu 20 Gew.-% aus mit Aluminium überzogenen Chrompartikeln bestehen, wobei die Nickel-Chrom-Partikeln 93 bis 95 Gew.-% der gesamten Ausgangsmischung ausmachen und der Rest, 7 bis 5 Gew.-%, aus dem Aluminiumüberzug auf den Chrompartikeln besteht.

Die derart beschichteten Kolbendichtungen wurden unter Anwendung einer Aufheizphase von 0,5 s und einer Abkühlphase von 0,5 s für insgesamt 20 Cyclen induktiv erhitzt.

Beispiel 2

In diesem Beispiel wurden mehrere, zu einem Stapel zusammengefaßte GuEeisenkörper mit der Form und den Dimensionen einer fertigen Kolbendichtung mit einem Zwischenüberzug aus einer, Nickel-Chrom-Legie rung wie in Beispiel 1 und einem weiteren äußeren Überzug aus einer mittels eines Plasmaspritzverfahrens aufgebrachten hochfesten Legierung beschichtet, die aus einer Pulvermischung aus 65 bis 90 Gew.-% Molybdän, 7 bis 25 Gew,-% Nickel, 1 bis 6 Gcw.-% Chrom, 0,3 bis 1,5 Gew.-% Bor und 0,2 bis 1,5 Gew.-% Silicium, Rest Eisen, Kobalt, Kohlenstoff und Mangan, wie in der US-Patentschrift 3690686 angegeben, hergestellt wurde. Die Gußelsenkörper wurden dem lndukttonshelzcyclusverfahren nach Beispiel 1 unterzogen, wobei eine wassergekühlte Fixlereinrichtung, wie sie durch die Bezugsziffer 20 (FIg.2) angedeutet Ist, verwendet wurde, die als wassergekühltes Kühlblech diente. Bei einem Cyclus einer Induktionserwärmung von 0,6 s und einer Abkühlung von 0,9 s, wobei ein einziger Cyclus 1,5 s dauerte und Insgesamt 20 vollständige Cyclen innerhalb einer Gesamtzeit von 30 s

für die Erzielung der Diffusionsbindung durchgeführt wurden, wurden verbesserte Haftungen des Zwischenüberzugs und des Endüberzugs an dem Grundmetallkörpcr erzielt.

Ein Test zur Messung der Haftung besteht darin, einen Testring in einer drehbaren Fixiereinrichtung zu befestigen und die Dichtung so lange zu verdrehen, bis der Überzug auf dem Grundkörper bricht oder sich von diesem trennt. Bekannte Ringe wiesen bei diesem Test einen Bruchpunkt von 60° auf, während nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelte Kolbenringe einen Bruchpunkt von 180° ohne Bruch aufwiesen, wobei bei 180° die Grenze des Haftvermögens erreicht war. Bei bekannten Ringen, die einen unter Anwendung eines Plasmaspritzverfahrens aufgebrachten Überzug gemäß der US-Patentschrift 36 90 686 aufwiesen, lag der Bruchpunkt der Bindung bei 90° ohne irgendeine Diffusionsbindung wie gemäß der vorliegenden Erfindung, bei Erzeugung einer Diffusionsbindung auf die vorstehend beschriebene Weise widerstand jedoch der erhaltene Kolbenring wiederum einer Verdrehung um 180°, ohne daß die Bindung brach.

Bei einem anderen Bindungsfestigkeitstest wurden Kolbenringe alternierend 15 min lang auf 352'^JC erhitzt und 5 min lang schnell in kaltem Wasser abgeschreckt. Ein Maß für die Bindungsfestigkeil war dabei die Anzahl der identischen Cyclcn, denen eine Kolbendichtung standhielt, bevor sich der Belag ablöste. Bei den bekannten Kolbendichtungen trat nach etwa 35 Cyclcn ein Ablösen des Überzuges auf, während die Dichtungen, die Beläge aufwiesen, die mit einer durch cyclisches Erhitzen erzeugten Diffusionsbindung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erstellt worden waren, 200 Cyclcn ohne Ablösen standhielten.

B e i s ρ i c I 3 ^J5

In diesem Beispiel wurde ein Stapel aus Gußcisenkörpern mit der Form und den Dimensionen einer halbfertigen Kolbendichtung mit einem Zwischcnübcr/.ug aus einer Nickcl-Chrom-Lcgicrung versehen. _4Ü

Eine bevorzugt verwendete Nickel-Chrom-Legicrung ist eine solche, die aus Lcgicrungspartikeln aus etwa 80 Gcw.-o/o Nickel und ctwu 20 Gcw.-% Chrom besteht, die mit 5 bis 7 Gcw.-% Aluminium überzogen sind. Die Nickcl-Chrom-Lcgicrung macht somit etwa 93 bis 95 Gew.-% der Gesamimischung aus.

Dieses Material wurde nach einem Plasmalichtbogenvcrfahren in einer Dicke von 0,0025 bis 0,0038 cm aufgebracht. Die Auftragsparameter zum Aufbringen der Zwischenschicht unter Verwendung einer Spritz- _s< > pistole waren folgende:

Stickstoffmenge Wiisscrstoffmcngc Gleichstrom Abstand /,wischen Pistole und Werkstück Pulvermenge Trllgergasmengc (N:) Plstolenschwenkgcschwlndlgkcit Rotntionsgeschwlndigkclt

des Werkstückes

2,55 mVh (unter Standardbedingungen) 0,48 mVh 350A

10,2bis It,4 cm 5 kg/h 1,05 m Vh I52cm/mln

75 U/min

Nach dem Aufbringen des Nickcl-ChronvZwIsehen· Überzugs wurde ein äußerer vcrschlelßbcständigcr Kerumikübcrzug unter Anwendung der nachfolgend angegebenen Auftragsparameier aufgebracht, der aus 12 bis 15 Gew.-°/o Titandioxid und mindestens 78 Gew.-% Aluminiumoxid bestand:

Sticksloffmenge	2,12 mVh
Wasserstoff menge	0,425 mVh
Trägergasmenge (N2)	1,05 m Vh
Abstand zwischen
Pistole und Werkstück	11,4 cm
Gleichstrom	500A
Pistolenschwenkgeschwindigkeit	71,1 cm/min
Rotationsgeschwindigkeit
des Werkstückes	75 U/min
Pulvermenge	5 kg/h

Teile dieser Dichtungen wurden dann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem handelsüblichen 35-kW-lnduktionsgcnerator mit 20 Abgriffen unter Anwendung der folgenden Parameter cyclisch erhitzt:

Frequenz	36OkHz
Abgriff Nr.	16
Leistung	55% der Kapazität
Hcizcyclus	0,5 s eingeschaltet,
	0,7 s abgeschaltet für
	insgesamt 20 Cyclen

Die Kolbcndichtungcn wurden dann nach der Vcrdrchungsmcthodc auf ihre Haftfestigkeit hin untersucht und mit Dichtungen verglichen, die auf die gleiche Weise, jedoch ohne das Induktionserhitzen und Abkühlen, hergestellt worden waren. Der durchschnittliche Bindungsbruchpunkt der Dichtungen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Diffusionsbindung versehen worden waren, lag bei 154°. Demgegenüber lag der Bindungsbruchpunkt für diejenigen Teile, die auf die gleiche Weise, jedoch ohne das cyclische Erhitzen und Abkühlen hergestellt worden waren, bei 125°C. Die Ergebnisse beziehen sich auf jeweils 7 Tests für jede Dichtung.

Beispiel 4

In diesem Beispiel wurden zwei verschiedene Gruppen von zu Stapeln zusammengefaßten Kolbendichtungen unter Verwendung von zwei mit Sauerstoff/Acetylen betriebenen Metallsprühpistolen hergestellt. Auf die erste Gruppe von Dichtungen wurde Molybdän ohne einen Nickcl-Chrom-Diffusions-Zwischenüberzug direkt auf das Gußciscnsubstral aufgebracht. Die zweite Gruppe wurde hergestellt unter Verwendung einer Nickel-Chrom-Lcgierungszwlschcn· schicht, der Molybdttnaußenschlcht und des Gußeisen-Substrats.

Beide Gruppen wurden in jeweils zwei Untergruppen unterteilt, von denen jeweils die eine unter Verwendung eines handelsüblichen 35-kW-tnduktionsgencraiors mit 20 Abgriffen und unter Anwendung der folgenden Parameter cyclisch erhitzt und gekühlt (nachbchandclt) wurde, während die andere Untergruppe Jeweils unbchandclt blieb.

Frequenz Abgriff Nr. Leistung Erhltzungscyclus

360 kHz

45% der Kapazität

0,6 s eingeschaltet

0,9 s abgeschaltet für

insgesamt 20 Cyclcn

70S B34/3B8

ίο

Die Parameter für die Aufbringung des Molybdäns waren folgende:

Anzahl der Spritzpistolen	2
Abstand zwischen
Pistole und Werkstück	8,26 bis 8,9 cm
Vorstehen des Drahtes
aus der Pistole	höchstens
	1,27 cm
Drahtzuführungsgeschwindigkeit	25,4 cm/min
Pistolenwinkel	45°
Sauerstoffmenge	2,49 nWh
Acetylenmenge	0,85 mVh
Luftmenge	0,765 mVh

IO

Jede Gruppe bzw. Untergruppe wurde nach der Verdrehungsmethode auf die Haftfestigkeit hin untersucht, und dabei wurden die folgenden Ergebnisse erhalten:

20

1. ohne Verwendung einer Nickel-Chrom-Zwischenschicht direkt aufgebrachtes Molybdän, ohne Nachbehandlung 117°

2. wie !.,jedoch mit Nachbehandlung 118°

3. auf eine Nickel-Chrom-Legierungszwischenschicht aufgebrachtes

Molybdän, ohne Nachbehandlung 153°

4. wie 3., jedoch mit Nachbehandlung 157°

Die obigen Beispiele zeilen folgendes:

1. Kolbendichtungsbeläge, die als Teil des Bclagmatcrials ein diffundierendes Material enthalten, können mittels einer Diffusionsbindunj; durch cyclisches Erhitzen oder Verwendung eines Diffusions-Zwischenmaterials direkt mit dem Substrat verbunden werden.

2. Bei Kolbendichtungsbelägen, die ein Diffusionsmaterial enthalten, kann die Bindung verbessert werden durch Verwendung einer Zwischenschicht, die in den Belag und in das Substrat diffundieren kann (Beispiel I und 2).

3. Kolbendichtungsbeläge, die kein diffundierendes Material, wie Nickel oder Nickel-Chrom, enthalten, können unter Verwendung einer Zwischenschicht, die ein Material enthält, das sowohl in das Kolbendichtungsbelagsmaterial als auch in den Grundkörper diffundieren kann, durch cyclische Anwendung von Wärme mittels einer Diffusionsbindung mit dem Substrat verbunden werden (Beispiel 3).

4. Kolbendichtungsbeläge mit einem hohen Porositätsgrad und einer geringen Zugfestigkeit (Biegefestigkeit), wie z. B. durch mittels Sauerstoff-Acetylen betriebene Spritzpistolen aufgebrachtes Molybdän, können nicht mittels einer Diffusionsbindung ohne eine Zwischenschicht aus Nickel oder Chrom direkt mit dem Substrat verbunden werden. Die poröseren Überzüge können jedoch direkt durch Diffusion bei den Temperaturen des Flammspritzverfahrens gebunden werden, wenn eine Zwischenschicht aus einem hochfesten Material, wie z. B. Nickel-Chrom, verwendet wird (Beispiel 4).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

24 lü Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verbesserung der Haftung eines schwer schmelzbaren Überzugs an einem geformten Eisenmetallgegenstand, der auf Grund seiner kleinen Querschnittsdimensionen leicht durch Wärme verformbar ist, gemäß dem der Überzug durch Spritzen unter Verwendung eines eine Diffusionsbindung bewirkenden Metalls, nämlich Nickel, Kupfer, Aluminium oder einer Mischung derselben, auf dem Gegenstand gebildet und anschließend zur Diffusionsbindung an der Grenzfläche von Gegenstand und Überzug induktiv auf eine Temperatur zwischen 871 und 1093⁰C erhitzt wird, dadurch gekenn- '5 zeichnet, daß mehrere der Gegenstände zu einem Stapel vereinigt werden, dessen von der beschichteten Fläche entfernte Teile wähi-end der Diffusionsglühung derart gekühlt werden, daß ihre Temperatur 260⁰C nicht übersteigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung durch indirekten Wärmeaustausch an einer durch ein Kühlmittelmedium gekühlten Wand bewirkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung und die Kühlung cyclisch durchgeführt werden.