DE2443669C2

DE2443669C2 - Galvanische Verbundschichten als verschleißfester Überzug auf insbesondere den Laufflächen von Kolbenringen

Info

Publication number: DE2443669C2
Application number: DE19742443669
Authority: DE
Inventors: Horst Dr.-Ing. Beyer; Ulrich Dipl.-Ing. 5673 Burscheid Buran
Original assignee: Goetze GmbH
Current assignee: Goetze GmbH
Priority date: 1974-09-12
Filing date: 1974-09-12
Publication date: 1982-12-16
Also published as: DE2443669A1

Description

Chrom zu 0 bis 60 Gewichtsprozent
Vanadium zu 0 bis 30 Gewichtsprozent
Mangan zu 0 bis 6 Gewichtsprozent
Niob zu 0 bis 40 Gewichtsprozent

Nickel zu 0 bis 55 Gewichtsprozent
Kobalt zu 0 bis 55 Gewichtsprozent
Titan zu 0 bis 30 Gewichtsprozent

Silizium zu 0 bis 45 Gewichtsprozent
Tantal zu 0 bis 85 Gewichtsprozent
Zirkon zu 0 bis 70 Gewichtsprozent
Wolfram zu 0 bis 90 Gewichtsprozent und/

oder
Eisen zu 0 bis 65 Gewichtsprozent

legiert ist, und daß die Summe der Gehalte der Legierungselemente den Wert von 90 Gewichtsprozent nicht übersteigt.

5. Galvanische Verbundschicht nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verbundschicht zusätzlich Festschmierstoffe in fein verteiler Form mit 0 bis 10 Gewichtsprozent eingelagert sind.

6. Galvanische Verbundschicht nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Festschmierstoffe Molybdändisulfid, Bleioxid, Graphit und/oder Polytetrafluoräthylen sind.

7. Galvanische Verbundschicht nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verbundschicht zusätzlich 0 bis 10 Gewichtsprozent Hartstoffe fein verteilt eingelagert sind.

8. Galvanische Verbundschicht nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffe Karbide, Boride, Nitride, Suizide und Oxide sind.

Die Erfindung betrifft eine galvanische Verbundschicht als verschleißfester Überzug auf den Laufflächen von gleitender Reibung ausgesetzten Maschinenteilen, und zwar insbesondere auf den Laufflächen von

■' Kolbenringen, mit einer galvanisch abgeschiedenen Trägermatrix aus Nickel, Kobalt Eisen, Kupfer, Nickel-Kobaltlegierung und/oder Nickel-Chromlegierung.
Bei der Entwicklung neuer Hubkolbenmotore müssen

ι» die immer strenger werdenden Forderungen an die Reinheit der Abgasetnission berücksichtigt werden. Eine solche verbesserte Abgasemission haben Motore, bei denen der tote Raum im Zylinder zwischen dem den Brennraum einfassenden obersten Kolbenring und der

i"> Abschlußkante des Kolbens möglichst gering ist Dies wird erreicht, indem der oberste Kolbenring, der Kompressionsring, erheblich dichter am Brennraum des Motors gelagert wird, und dies bedeutet wiederum, daß der Ring einer erheblich höheren Temperatur als bisher

2» ausgesetzt wird. Folglich muß dieser Kolbenring eine erhöhte Warmfestigkeit eine erhöhte Zunder- und eine erhöhte Anlaßbeständigkeit aufweisen, und er muß über eine Beschichtung verfügen, die gegen Trockenlauf, selbst bei diesen hohen Temperaturen, unempfindlich

-'"> ist.

Bisher werden temperaturbeanspruchte Ringe mit galvanischen Chromschichten oder thermisch aufgebrachten Molybdänspritzschichten überzogen, damit ihre Verschleiß- und Brandspurfestigkeit verbessert und ihre Neigung zum Fressen verhindert wird. Bei Beanspruchungen unter den vorgeschilderten Bedingungen jedoch versagen diese bekannten Beschichtungen häufig. Bei den auftretenden hohen Temperaturen entstehen in den galvanischen Chromschichten leichte Brandspuren und Makrorisse, die die Ursache für DauerbriK-he darstellen. Zugleich aber auch können Chromschichten weich werden und somit ihre eigentliche Aufgabe, nämlich Verschleißschutz zu bieten, nicht mehr erfüllen.

Molybdänspritzschichten auf Kolbenringen sind wegen ihrer ausgezeichneten Brandspurfestigkeit bekannt, jedoch bei den unter den vorgeschilderten Bedingungen auftretenden Temperaturen lösen sich in diesen Schichten die inneren Schrumpfspannungen, sie verlieren ihre Festigkeit, sie brechen aus und platzen ab, so daß es dann zum Ausfall der gesamten Maschine kommt.

Andererseits ist es auch nach beispielsweise der US-PS 30 61 525 bekannt, die Laufflächen von Verschleiß ausgesetzten Maschinenteilen mit galvanischen Verbundschichten zu überziehen. Diese Schichten bestehen aus einem galvanisch abgeschiedenen Matrixmetall, wie vor allem Nickel, Kobalt, Chrom, Kupfer, Eisen oder deren Legierungen, in welches Feststoffe auf der Basis von der allem Karbiden, wie zum Beispiel Siliziumkarbid, fein dispergiert und eingelagert sind. Vor allem elektrolytisch abgeschiedene Nickeldispersionsschichten mit Siliziumkarbid werden in der Technik auch für die Beschichtung der Laufflächen von Trochoiden von Kreiskolbenmotoren oder auch von Zylinderlaufbüchsen von Hubkolbenmotoren eingesetzt. Die vor allem als Feststoff verwendeten Siliziumkarbide sorgen aufgrund ihrer Härte für eine erhöhte Abriebfestigkeit der Schichten (vgl. auch Gießerei 61 - 1974 - Heft 6, Seiten 129 bis 134). Kolbenringe für hochbelastete Brennkraftmaschinen sollen jedoch neben einer hohen Abriebfestigkeit auch eine erhöhte Verschleißfestigkeit und Brandspursicher-

heit aufweisen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beschichtung für Kolbenringe, und zwar insbesondere für die den Brennraum einfassenden Kompressionsringe, entsprechend den strengen Bestimmungen an die Abgasemission, basierend auf einer galvanischen Dispersionsschicht mit in erster Linie Nickel als Matrixmetall, zu schaffen, welche eine erhöhte Abriebfestigkeit bei gleichzeitiger hoher Verschleiß- und Brandspurfestigkeit besitzt

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Dispersionsschicht gelöst, in deren Matrixmetall 3 bis 40 Gewichtsprozent Molybdän als inerte Phase in fein verteilter Form eingelagert sind. Und zwar verleiht das erfindungsgemäß eingesetzte Molybdän den Schichten auch bei hohen Temperaturen die erforderliche hohe Brandspurfestigkeit, während das galvanisch abgeschiedene Matrixmetall für eine gute Bindung an den Grundwerkstoff des Kolbenringes bei gleichzeitiger, fester, spannungsfreier Einbettung des eingelagerten Molybdäns sorgt, so daß es bei hohen Temperaturen nicht mehr zu Ausbrüchen und zum Abplatzen der Schichten kommt

Im Sinne der Erfindung können jedoch auch statt Nickel als Matrixmetall elektrolytisch abgeschiedenes Kobalt, Eisen und/oder Kupfer sowie Nickel- Kobalt und Nickel-Chrom-Legierungen eingesetzt werden.

Besonders gute Laufeigenschaften werden erzielt, wenn statt des elementaren Molybdäns ein Molybdän eingesetzt wird, das die Elemente Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlenstoff in teilweise gebundener, aber vorzugsweise gelöster Form enthält Die Herstellung derartiger Molybdänpulver kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß das Molybdän im geschmolzenen Zustand in einer Azethylen-Flamme verstäubt wird, wobei es sich mit Wasserstoff zu vorzugsweise 0,002 bis 0.05 Gewichtsprozent, Sauerstoff zu 0,01 bis 8 Gewichtsprozent, Stickstoff zu 0,01 bis 0,5 Gewichtsprozent und Kohlenstoff zu 0,05 bis 9,0 Gewichtsprozent belädt. Eine weitere Verbesserung kann erzielt werden, wenn dem Molybdän 0,5 bis 25,5 Gewichtsprozent Bor zulegiert wird.

Erheblich verschleißfester sind die Schichten, wenn statt von Molybdän von Molybdänlegierungen ausgegangen wird, in denen die Zusatzelemente einzeln oder zusammen bis zu maximal 90 Gewichtsprozent vorhanden sein können. Als Elemente kommen die Metalle in Frage:

Chrom zu 0 bis 60 Gewichtsprozent Vanadium zu 0 bis 30 Gewichtsprozent Mangan zu 0 bis 6 Gewichtsprozent Niob zu 0 bis 40 Gewichtsprozent Nickel zu 0 bis 55 Gewichtsprozent Kobalt zu 0 bis 55 Gewichtsprozent Titan zu 0 bis 30 Gewichtsprozent Silizium zu 0 bis 45 Gewichtsprozent Tantal zu 0 bis 85 Gewichtsprozent Zirkon zu 0 bis 70 Gewichtsprozent Wolfram zu 0 bis 90 Gewichtsprozent und/oder Eisen zu 0 bis 65 Gewichtsprozent

ίο Bewährt hat sich ein zusätzlicher Einbau von Festschmierstoffen, wie vor allem Bleioxid, Molybdändisulfid, Graphit und/oder Polytetrafluorethylen, da damit die selbstschmierenden Eigenschaften solcher Schichten verbessert werden. Diese Stoffe werden bei der "> Herstellung solcher Beschichtungen zusammen mit dem

Molybdän oder seiner Legierung als inerte Phase

abgeschieden und liegen in der Schicht zu bis zu 10 Gewichtsprozent vor.

Erfindungsgemäß ist es auch denkbar, wenn als

'« weitere inerte Komponente zusätzlich Hartstoffe auf der Basis von Karbiden, Boriden, Nitriden, Suiziden und/oder Oxiden eingelagert werden. Der maximale Anteil dieser Einlagerungsstoffe sollte bei 10 Gewichtsprozent liegen, er ist aber begrenzt, da ein zu hoher

Gehalt die Festigkeit dieser Schichten herabsetzt

In einem Ausführungsbeispiel wurde ein Kolbenring mit einer Dispersionsschicht mit den geforderten Eigenschaften hergestellt Hierbei erfolgte die elektrolytische Abscheidung aus einem Bad mit

240 g/l Ni SO₄ · 7 H₂O

45 g/l Ni Cl₂ · 6 H₂O

40 g/l H₃ BO₃

in dem 260 g/I Molybdänlegierung bei 50⁰C und einem pH-Wert von 4,1 unter ständigem Rühren in feiner Suspension gehalten werden. Die Molybdänlegierung enthielt 15 Gewichtsprozent Chrom als Legierungselement und war vorher durch Verstäuben in der Azethylen-Flamme im schmelzflüssigen Zustand mit 0,01 Gewichtsprozent Wasserstoff, 2,5 Gewichtsprozent Sauerstoff, 0,2 Gewichtsprozent Stickstoff und 1,6 Gewichtsprozent Kohlenstoff beladen worden. Die Schicht zeigt eine ausgezeichnete Haftfestigkeit, und aus dem mikroskopischen Schliffbild ist zu erkennen, daß Molybdän als inerte Phase zu ca. ^Gewichtsprozent fein verteilt in der Nickelmatrix eingelagert ist.

Neben der vorzugsweisen Verwendung der erfindungsgemäßen galvanischen Verbundschicht als Verschleißschutz der Laufflächen von thermisch hochbeanspruchten Kolbenringen ist es jedoch auch im Sinne der Erfindung, wenn diese Schichten als Verschleißschutz von beispielsweise Laufflächen von Trochoidenwandungen für Kreiskolbenmotoren eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Galvanische Verbundschicht als verschleißfester Überzug auf üen Oberflächen von gleitender Reibung unterworfenen Maschinenteilen, und zwar insbesondere auf den Laufflächen von Kolbenringen, mit einer galvanisch abgeschiedenen Trägermatrix aus Nickel, Kobalt, Eisen, Kupfer, Nickel-Kobaltlegierung und/oder Nickel-Chromlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß in die Trägermatrix als inerte Phase 3 bis 40 Gewichtsprozent Molybdän eingelagert ist

2. Galvanische Verbundschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Molybdän die Elemente Wasserstoff zu 0,002 bis 0,05 Gewichtsprozent, Sauerstoff zu 0,01 bis 8,0 Gewichtsprozent, Stickstoff zu 0,01 bis 0,5 Gewichtsprozent und/oder Kohlenstoff zu 0,01 bis 9,0 Gewichtsprozent in überwiegend gelöstem Zustand enthält

3. Galvanische Verbundschicht nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Molybdän- oder das Molybdänlegierungspulver 0,5 bis 25,5 Gewichtsprozent Bor in gelöster und/oder gebundener Form enthält.

4. Galvanische Verbundschicht nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das als inerte Komponente eingelagerte Molybdän mit den Elementen