DE2410455C3

DE2410455C3 - Verfahren zur Verbesserung der Haftung eines schwer schmelzbaren Überzuges an einem geformten Eisenmetallgegenstand

Info

Publication number: DE2410455C3
Application number: DE2410455A
Authority: DE
Inventors: Harold Edward Ballwin Mo. Mccormick (V.St.A.)
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: 1978-04-20
Also published as: DE2410455A1; FR2220594A1; DE2410455B2; FR2220594B1; JPS49119840A; US4024617A; GB1459495A

Description

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, 3133 739, 3133 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 Eisenrnetallgegenstände 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 muß. Solche Haftungswerte sind jedoch mit den bisher bekannten Beschichtungsverfahren nicht erzielbar.

Aus der deutschen Patentschrift 9 72 437 ist es zwar

bereits bekannt, daß die Haftung von schwer schmelzbaren Überzogen auf geformten Eisenmetallkörpern durch Erzeugung einer Diffusionsbindung verbessert werden kann, das darin beschriebene Verfahren eignet sich jedoch nicht für die Anwendung auf geformte Eisenmetallgegenstände, die auf Grund ihrer kleinen Querschnittsdimensionen leicht durch Wärme verformbar sind, wie z. B. Kolbendichtungsbeläge. Bei diesem bekannten Verfahren müßten nämlich Ober längere Zeiträume hinweg hohe Temperaturen angewendet werden, um die gewünschte Diffusionsbindung zu erzielen, was jedoch zu einer so starken Deformation dieser geformten Eisenmetallgegenstände (Kolbendichtungsbelägen) führen würde, daß diese für den

«5 vorgesehenen Verwendungszweck nicht mehr geeignet sind.

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

*> Spray 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,

*S wie Nickel, Kupfer und/oder Aluminium auf den Gegenstand und anschließendes induktives Erhitzen auf eine Temperatur zwischen 871 und 1093⁰C 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 Eis .^metallgegenstand, der auf Grund seiner kleinen Querschnittsdimensionen leicht durch Wärme verformbar ist, anzugeben, in dessen Verlauf der geformte Eisenmetallgegenstand nicht über die zulässigen Grenzen hinaus verformt wird, das insbesondere für das Aufbringen von Kolbendich tungsbelägen 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 Eisenmetall gegenstände zu einem Stapel vereinigt werden, dessen von der beschichteten Fläche entfernte Teile während der Diffusionsglühung derart gekühlt werden, daß ihre

Temperatur 260⁰C nicht übersteigt Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfah-

rens 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 einem geformten Eisen metallgegenstand, 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 Oberzug induktiv auf eine Temperatur zwischen 871 und 1093⁰C erhitzt wird, während gleichzeitig die von der beschichteten Fläche entfernten Teiie des Stapels während der Diffusionsglühung ausreichend gekühlt werden, so daß ihre Temperatur den Wert von, 260⁰C 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 260"C gehalten werden. Auf diese Vt'eise 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 03 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.-% Molybdän, 7 bis 25 Gew.-% Nickel, 1 bis 6 Gew.-% Chrom, G3 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, »peziell um eine Wolfram-Bor-Legierung, handeln. Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht von zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendbaren Induktionsheizschlangen,

F i g. 2 eine Querschnittsansicht entlang der Linie H-Il der Fig. 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 Windung!/1 He 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 S 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 DrehkoIben-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 Il ein Kühlmittel zirkuliert. Der Ringstapel 17 ist vorzugsweise so angeordnet, daß er mit der inneren Oberfläche 19 der Windungen Ha der Heizschlange U in Kontakt steht oder dieser unmittelbar benachbart ist. Bei dem durch die Schlange 11 zirkulierenden Kühlmitte! handelt es sich vorzugsweise um Wasser, es kann aber auch jede beliebige andere Flüssigkeit oder jedes Fluid verwendet worden, die bzw. das durch die elektrische Induktion nicht merklich erhitzt wird.

Der Stapel 17 der Kolbenringe 15, wie in Fig.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 Fig.3 erläutert einen beschichteten Kolbenring 25 mit einem Metallsubstrat 26 und einem durch eine Diffusionsbindung, wie bei 28 angegeben, an die äußere Peripherie des Sjbstrats 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 erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Kolbendichlungen 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 Oberfliiche wird _(o 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 Sauerstofiacetylen- flamme aufgebracht werden.

Nach dem thermischen Aufbringen des Übcrzugsma-

_ΐΛ_;_η|^ „..f Λ'.λ HnninUUrt C\\+n*t\i%r>\%** /-W-I nt- rinn fi>ntt> ii V\\ t £*r* ILI IOI3 α UI Ul\, gVtTailll«. VUVinuLiii. i/u\,i UWfI I₁₁VItUIIIi^Ii

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 Material, 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 Lichtbogenverfahren», getrennt aufgebracht werden.

Der 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, beispieisweise einer Nickel-Nickelaluminid-Mischung, einer Nickel-Chrom-Legierung, einer Nickel-Chrom-Bor-Silicium-Hartöl-Legierung, 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 Anwen- Attnrr Anr

CV ί*\\κίΛ\β*Τ\ Ι£|ΙΓ7-

zcit-lnduktionserhitzungsstufen.

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 zusammenfaßte Eisenmetallkörper 26 in Form einer Pulvermischung aus Wolframcarbid, Kobalt, Nickel, Chrom, Bor und Aluminium, wie in der US-Patentschrift 35 39 192 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 Gußeisenkörper mit der Form und den Dimensionen einer fertigen Kolbendichtung : .it einem Zwischenüberzug aus einer Nickel-Chrom-Legierung 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 Gew.-% Chrom, Qß bis 1,5 Gew.-% Bor und 0,2 bis 1,5 Gew.-% Silicium, Rest Eisen, Kobalt, Kohlenstoff und Mangan wie in der US-Patentschrift 36 90 686 angegeben hergestellt wurde. Die Gußeisenkörper wurden dem Induktionsheizcyclusverfahren nach Beispiel 1 unterzogen, wobei eine wassergekühlte Fixiereinrichtung, wie sie durch die Bezugsziffer 20 (Fig.2) angedeutet ist verwendet wurde, die als wassergekühltes Kühlblech diente. Bei einem Cychis einer Induktionserwärmung von 0,6 s und einer Abkühlung von 03 s, wobei eir einziger Cyclus 1,5 s dauerte und insgesamt 2( vollständige Cyclen innerhalb einer Gesamtzeit von 30!

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

Ein Test zur Messung der Haftung besteht darin, einen Testring in einer drehbaren Fixiereinrichtung zu befestig,'*'! und die Dichtung so lange zu verdrehen, bis der Überzug adf dem Grundkorper bricht oder sich von diesem trennt. Bekannte Ringe wiesen bei diesem Test einen Bruchpunkt von 60° auf, wahrend 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

angegebenen Auftragspararncler aufgebracht, der aus

12 bis 15 Gew.-% Titandioxid und mindestens 78 Gew.-°/o Aluminiumoxid bestand:

Stickstoffmenge 2,12 mVh Wasserstoffmengt· 0,425 mVh Trägergasmenge (N2) 1,05 m Vh Abstand zwischen Pistole und Werkstück 11.4 cm Gleichstrom 500 A Pistolenschwenkgeschwindigkeit 71,1 cm/min Rotationsgeschwindigkeit

des Werkstückes 75 U/min

Pulvermenge 5 kg/h

dung, 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 352⁰C erhitzt und 5 min lang schnell in kaltem Wasser abgeschreckt. Ein Maß für die Bindungsfestigkeit war dabei die Anzahl der identischen Cyclen, denen eine Kolbendichtung standhielt, bevor sich der Belag ablöste. Bei den bekannten Kolbendichtungen trat nach etwa 35 Cyclen ein Ablesen 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 Cyclen ohne Ablösen standhielten.

Beispiel 3

In diesem Beispiel wurde ein Stapel aus Gußeisenkörpern mit der Form und den Dimensionen einer halbfertigen Kolbendichtung mit einem Zwischenüberzug aus einer Nickel-Chrom-Legierung versehen.

Eine bevorzugt verwendete Nickel-Chrom-Legierung ist eine solche, die aus Legierungspartikeln aus etwa 80 Gew.-% Nickel und etwa 20 Gew.-% Chrom besteht, die mit 5 bis 7 Gew.-% Aluminium überzogen sind. Die Nickel-Chrom-Legierung macht somit etwa 93 bis 95 Gew.-% der Gesamtmischung aus.

Dieses Material wurde nach einem Plasmalichtbogenverfahren in einer Dicke von 0,0025 bis 0,0038 cm aufgebracht. Die Auftragsparameter zum Aufbringen der Zwischenschicht unter Verwendung einer Spritzpistole waren folgende:

Stickstoffmenge Wasserstoffmenge

Gleichstrom

Abstand zwischen Pistole und Werkstück Pulvermenge Trägergasmenge (N₂) Pistolenschwenkgeschwindigkeit Rotationsgeschwindigkeit

des Werkstückes

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

10,2 bis 11,4 cm 5 kg/h 1,05 mVh 152 cm/min

75 U/min

Teile dieser Dichtungen wurden dann nach dem

erfindungsgemäßen Verfahren in einem handelsüblichen jj-kVV-indukiioriigcncraior iViii 20 Abgriffen unter Anwendung der folgenden Parameter cyclisch erhitzt:

Frequenz Abgriff Nr. Leistung Heizcyclus

36OkHz

55% der Kapazität

0,5 seingeschaltet,

0,7 s abgeschaltet für

insgesamt 20 Cyclen

Die Kolbendichtungen wurden dann nach der Verdrehungsmethode 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 Nickel-Chrom-Diffusions- Zwischenüberzug direkt auf das Gußeisensubstrat aufgebracht. Die zweite Gruppe wurde hergestellt unter Verwendung einer Nickel-Chrom-Legierungszwischenschicht, der Molybdänaußenschicht und des Gußeisensubstrats.

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

Nach dem Aufbringen des Nickel-Chrom-Zwischenüberzugs wurde ein äußerer verschleißbeständiger Keramiküberzug unter Anwendung der nachfolgend Frequenz Abgriff Nr. Leistung

Erhitzungscyclus

36OkHz

45% der Kapazität

0,6 s eingeschaltet

03 s abgeschaltet für

insgesamt 20 Cyclen

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 m Vh
Acetylenmenge	0,85 m'/h
Luftmenge	0,765 m Vh

jede Gruppe bzw. Untergruppe wurde nach der Verdrehungsmethode auf die Haftfestigkeit hin untererhalten:

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 zeigen folgendes:

1. Kolbendichtungsbeläge, die als Teil des Belagmaterials ein dif; jndierendes Material enthalten, können mittels einer Diffusionsbindung 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 1 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 DiffusionshinHiing 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

Claims

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 Oberzug 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 gekennzeichnet, daß mehrere der Gegenstände 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.

2. Verfahren nach Anspruch 5, 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.