DE2822247A1

DE2822247A1 - MACHINE PART DEMANDED TO SLIDING FRICTION WITH A WEAR PROTECTION LAYER ON THE TREAD AND THE PROCESS OF ITS MANUFACTURING

Info

Publication number: DE2822247A1
Application number: DE19782822247
Authority: DE
Inventors: Horst Dr Ing Beyer; Ulrich Dipl Ing Buran; Manfred Dr Fischer
Original assignee: Goetze GmbH
Current assignee: Goetze GmbH
Priority date: 1978-05-22
Filing date: 1978-05-22
Publication date: 1979-11-29
Also published as: DE2822247B2; IT7922341A0; DE2822247C3; FR2426531A1; SE7904437L; GB2025470A

Description

GOET ZEWERKE Burscheid, d. 12. 05. 1978GOET ZEWERKE Burscheid, d. May 12, 1978

Friedrich Goetze AG TZT 253/Lö. /Mo. ( 1663 )Friedrich Goetze AG TZT 253 / Lö. / Mon. (1663)

Auf gleitende Reibung beanspruchtes Maschinenteil mit einer Verschleißschutzschicht auf der Lauffläche und das Verfahren, seiner HerstellungMachine part subjected to sliding friction with a wear protection layer on the running surface and the method of its manufacture

Die Erfindung betrifft ein auf gleitende Reibung beanspruchtes Maschinenteil mit einer Verschleißschutzschicht auf der Lauffläche, wie insbesondere einen Kolbenring oder eine Dichtleiste für Verbrennungskraftmaschinen, mit einer thermischen Spritzschicht auf der Lauffläche in ein - oder beidseitig gekammerter Ausführung und das Verfahren seiner Herstellung.The invention relates to a machine part subjected to sliding friction with a wear protection layer on the running surface, such as a piston ring or a sealing strip for internal combustion engines, with a thermal spray layer on the running surface in one or both sides chambered design and the method of its production.

Auf Verschleiß beanspruchte Maschinenteile, wie insbesondere Kolbenringe oder Dichtleisten aus Gußeisen für Verbrennungskraftmaschinen, die im Betrieb hohen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, werden bekanntlich vor allem zur Erhöhung ihrer Verschleißfestigkeit, ihrer B randspur sicherheit und ihrer Gleiteigenschaften auf ihren Laufflächen mit Beschichtungen versehen. Vorzugsweise werden diese Schichten dabei durch bekannte thermische Spritzverfahren aufgetragen, und besonders bewährt haben sich thermische Spritz schichten aus Molybdän oder Molybdänlegierungen.Machine parts subject to wear and tear, such as piston rings in particular or sealing strips made of cast iron for internal combustion engines that are exposed to high thermal and mechanical loads during operation are known to increase their wear resistance, their B randspur security and their sliding properties provide their running surfaces with coatings. These layers are preferably applied by known thermal spray processes, and thermal spray coatings have proven particularly effective made of molybdenum or molybdenum alloys.

Nachteilig ist es jedoch bei diesen Schichten, daß ihre äußeren Kanten relativ spröde sind und daher zur Vermeidung von Ausbrüchen abgeschrägt werden müssen. Dadurch fehlt ihnen aber eine äußere scharfe Kante, die eng an ihrer Gegenfläche anliegt, so daß es gerade in Verbrennungskraftmaschinen dann zu Abgasleckagen, dem sogenannten Blow - By, kommen kann. Zur Abhilfe werden dabei, wie seit langem o-kannt, in den Grundwerkstoff der Maschinenteile Ausnehmungen oder Nuten eingearbeitet, die dann mit dem Spritzwerkstoff ausgefüllt werden. Je nachdem, ob nur an einer oder an beiden äußeren Kanten ein Steg belassen wurde, spricht man von Beschichtungen in ein - oderHowever, it is a disadvantage of these layers that their outer edges are relatively brittle and must therefore be beveled to avoid breakouts. As a result, however, they lack an external sharpness Edge that rests closely on its mating surface, so that it is straight in internal combustion engines exhaust gas leaks, the so-called blow-by, can then occur. To remedy this, as has been the case for a long time o-knows, recesses or in the base material of the machine parts Grooves are incorporated, which are then filled with the spray material. Depending on whether only one or both outer edges If the bridge was left, one speaks of coatings in one - or

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Auf gleitende Reibung beanspruchtes Maschinenteil mit einer -Z- Machine part subjected to sliding friction with a -Z-

Ve r schleiß schutz schicht auf der Lauffläche und das VerfahrenWear protection layer on the tread and the process

seiner Herstellung ( 1663 )its manufacture (1663)

beidseitig gekammerter Ausführung. In anderen Fällen werden auch mehrere parallellaufende Nuten in den Grundwerkstoff eingearbeitet und entsprechend mit dem Schichtwerkstoff ausgefüllt.double-sided chambered design. In other cases there will be several Parallel grooves incorporated into the base material and filled with the layer material accordingly.

Die so beschichteten Maschinenteile besitzen dann zwar scharfe äußere Kanten mit guter Abdichtwirkung bei gleichzeitigen guten Laufeigenschaften, aber insbesondere bei hoher thermischer und mechanischer Belastung können im Bereich der Kammerstege Risse entweder in der Schicht selbst oder zwischen Schicht und Grundwerkstoff entstehen, die bis in den Schichtgrund hinunter, von dort entlang der Schichtlamelle und dann abknickend nach oben bis zur Lauffläche verlaufen können. Je nach Laufzeit oder Belastung kann es dann zum Ausbrechen ganzer Schichtbereiche und dadurch zum vollständigen Versagen der Maschinen kommen.The machine parts coated in this way then have sharp outer surfaces Edges with good sealing effect with good running properties at the same time, but especially with high thermal and mechanical loads In the area of the chamber webs, cracks can arise either in the layer itself or between the layer and the base material, which extend up to down the layer base, from there along the layer lamella and then can be bent upwards to the tread. Depending on the running time or the load, entire shift areas can break out and thereby lead to a complete failure of the machines.

Zunächst wurden als Ursache für die Schichtausbrüche die bekanntermaßen geringe Festigkeit und Haftung der Spritzwerkstoffe angenommen. Es wurde daher zur Abhilfe des oben geschilderten Problemes versucht, Festigkeiten und Haftung der Schichtwerkstoffe durch Verwendung spezieller Spritzpulverzusammensetzungen zu erhöhen. Mit erheblichem, technischem Aufwand wurden zwar Schichten mit verbesserter Festigkeit und Haftung entwickelt, es kam jedoch trotzdem noch zu Ausbrüchen der Schichten. Im Prinzip wurde sogar eine Vermehrung der Schichtausbrüche festgestellt. Man nimmt daher heute an, daß die Werkstoffe für Schicht - und Grundkörper sich aufgrund ihrer unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verschieden stark ausdehnen, so daß in der Betriebshitze des Motors, insbesondere an den Berührungsflächen zur Kammerwand, Spannungen entstehen, die zu Rissen mit nachfolgenden Schichtausbrüchen führen können. Bei den vorzugsweise bei Kolbenringen verwendeten Werkstoffkombinationen Gußeisen oder Stahl mit Molybdän oder Molybdänlegierung ist der be-First of all, the known as the cause for the layer eruptions Low strength and adhesion of the spray materials assumed. It was therefore used to remedy the problem outlined above tries to increase the strength and adhesion of the coating materials by using special spray powder compositions. With Considerable technical effort was made to develop layers with improved strength and adhesion, but it happened anyway nor to eruptions of the layers. In principle, an increase in the layer breakouts was even found. It is therefore assumed today that the materials for the layer and base body are different due to their different coefficients of thermal expansion expand strongly, so that in the operating heat of the engine, especially at the contact surfaces with the chamber wall, tensions arise that can lead to cracks with subsequent layer breakouts. For the material combinations that are preferably used for piston rings Cast iron or steel with molybdenum or molybdenum alloy is the most popular

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Auf gleitende Reibung beanspruchtes Maschinenteil mit einer - β -Machine part subjected to sliding friction with a - β -

Verschleißschutzschicht auf der Lauffläche und das VerfahrenWear protection layer on the tread and the process

seiner Herstellung ( 1663 )its manufacture (1663)

schriebene Effekt dann besonders groß, weil erstens die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Eisen gegenüber Molybdän etwa doppelt so groß sind, und weil gerade Kolbenringe in Verbrennungsmotoren Temperaturwechselbeanspruchungen von einigen hundert Grad ausgesetzt sind.wrote the effect particularly large, because firstly the thermal The expansion coefficients of iron compared to molybdenum are about twice as large, and because piston rings in internal combustion engines are exposed to thermal cycling exposed to a few hundred degrees.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, auf reibenden Verschleiß ausgesetzte Maschinenteile mit Verschleißschutzschichten auf den Laufflächen, und zwar insbesondere Kolbenringe oder Dichtleiste^! für Verbrennungskraftmaschinen, mit thermischen Spritzschichten auf der Lauffläche in ein - oder beidseitig gekammerter Form zu schaffen, die eine verbesserte Beständigkeit gegen Rißbildung und Ausbrüche bei thermischer und mechanischer Belastung besitzen. Das Verfahren ihrer Herstellung soll dabei möglichst einfach sein.It is therefore the object of the present invention to reduce frictional wear exposed machine parts with wear protection layers on the running surfaces, in particular piston rings or sealing strips ^! for internal combustion engines, with thermal spray coatings to create the tread in one or both sides chambered form, which provides an improved resistance to cracking and breakouts thermal and mechanical stress. The procedure of their Production should be as simple as possible.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Maschinenteil gelöst, dessen Verschleißschicht im Ruhezustand bei Normaltemperatur unter Druckspannung steht, welche sich im Betriebszustand bei entsprechender Temperatur aufbaut bzw. höchstens aufhebt. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wrden dazu die Maschinenteile nach dem Aufbringen der Verschleißschutzschicht in gekammerter Form wärmebehandelt, wobei sie gleichzeitig einem Medium ausgesetzt werden, welches bei dieser Temperatur zumindest mit dem Schichtwerkstoff unter Bildung fester, sich ablagernder Reaktionsprodukte reagiert.According to the invention, this object is achieved by a machine part, whose wear layer is under compressive stress in the resting state at normal temperature, which is in the operating state at corresponding Temperature builds up or at most removes it. According to the method according to the invention, the machine parts would do this after application the wear protection layer is heat-treated in a chambered form, whereby they are simultaneously exposed to a medium which at this temperature reacts at least with the layer material to form solid, depositing reaction products.

Bei der Erfindung wurde von der Beobachtung ausgegangen, daß einige Kolbenringe mit Molybdänspritzschichten in gekammerter Form, deren Schichten schon direkt nach dem Spritzen Risse aufwiesen und deshalb nach der bisherigen Vorstellung als fehlerhaft und nicht geeignet galten, erstaunlicherweise bei Testläufen im motorischen Betrieb entgegen der bisherigen Annahme fehlerfrei liefen und keine Ausbrüche zeigten.The invention was based on the observation that some Piston rings with molybdenum sprayed layers in a chambered form, the layers of which already showed cracks immediately after the spraying and therefore were considered faulty and unsuitable according to previous ideas, surprisingly in test runs in engine operation contrary to the previous assumptions ran flawlessly and showed no outbreaks.

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Auf gleitende Reibung beanspruchtem Maschinenteil mit einer - ä -Machine part subjected to sliding friction with a - ä -

seiner Herstellung ( 1663 )its manufacture (1663)

Querschliffbilder unter dem Mikroskop verdeutlichten, daß bei diesen Ringen die Risse massiv ausgefüllt waren, und eine Analyse ergab für den Füllstoff Molybdänoxid, welches sich offensichtlich direkt nach dem Spritzen noch irn heißen Zustand durch Reaktion des Molybdäns mit dem anwesenden Luftsauerstoff gebildet hatte. Die Schichten dieser Ringe können sich beim Abkühlen nicht mehr zusammenziehen, und im Ruhezustand besteht dann eine Druckspannung. Im motorischen Betrieb bei entsprechender Temperatur bauen sich dann diese Spannungen wieder ab, und diese Kolbenringe kommen in einer Restdruckspannung zum. Einsatz.Cross-sectional images under the microscope made it clear that these Rings, the cracks were massively filled, and an analysis revealed molybdenum oxide for the filler, which was apparently immediately after the Spraying while still hot by reacting the molybdenum with the had formed the oxygen present in the air. The layers of these rings can no longer contract when cooling, and when at rest there is then a compressive stress. In motor operation at the appropriate temperature, these tensions build up again from, and these piston rings come to in a residual compressive stress. Mission.

Durch die e rf indungs gemäß durchgeführte Wärmebehandlung sind jetzt in Spritz schichten bewußt Risse erzeugt worden, die sich in der Hitze spaltartig öffnen. Dabei tritt gleichzeitig in diesen Bereichen eine Reaktion des Schichtwerkstoffes mit dem e rf indungs gemäß eingesetzten umgebenden Medium ein, die Reaktionsprodukte füllen die Spalten in der Hitze aus und binden sie durch Diffusionsbindung fest aneinander. Nach dem Abkühlen erfolgt dann der Aufbau einer Druckspannung in der Schicht in axialer Richtung.The heat treatment carried out according to the invention is now Deliberately cracks have been created in sprayed layers, which open like gaps in the heat. At the same time, a reaction occurs in these areas of the layer material with the surrounding medium used according to the invention, the reaction products fill the gaps in the Heat and bind them tightly together by diffusion bonding. After cooling, compressive stress builds up in the Layer in the axial direction.

Entsprechend der Erfindung wird die Wärmebehandlung in Gasatmosphäre, Salzbadlösungen, Salzschmelzen oder Pulverpackungen durchgeführt, die entsprechend ihrer Zusammensetzung die mit dem Schichtwerkstoff reagierenden Substanzen enthalten. Besonders geeignet sind bei Spritz schichten aus Molybdän oder Molybdänlegierungen Wärmebehandlungen in Luft beziehungsweise reinem Sauerstoff oder in schwefelhaltigen Salzschmelzen, da Molybdän dann Molybdänoxide beziehungsweise Molybdänsulfide als festes Reaktionsprodukt bildet, welches die Risse ausfüllt. In diesen Fällen entatuhen natürlich auch Reaktionsprodukte auf den ungeschützten Stegflanken und Rückenflächen derAccording to the invention, the heat treatment is carried out in a gas atmosphere, Salt bath solutions, molten salts or powder packs are carried out according to their composition with the layer material containing reactive substances. Heat treatments are particularly suitable for spray coatings made of molybdenum or molybdenum alloys in air or pure oxygen or in sulphurous molten salts, since molybdenum then molybdenum oxides respectively Molybdenum sulfide forms as a solid reaction product, which fills the cracks. In these cases reaction products naturally also develop on the unprotected web flanks and back surfaces of the

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Auf gleitende Reibung beanspruchtes Maschinenteil mit einer - je - Machine part subjected to sliding friction with one - each -

Verschleiß schutz schicht auf der Lauffläche und das VerfahrenWear protection layer on the tread and the process

seiner Herstellung ( 1663 )its manufacture (1663)

Ringe, aber solche oxidischen und sulfidischen Schichten verbessern zusätzlich in an sich bekannter Weise die Verschleißfestigkeiten der Ringe. Bei Bedarf können diese Schichten jedoch auch abgeschliffen oder durch vorheriges Abdecken vermieden werden.Rings, but such oxidic and sulfidic layers improve additionally, in a manner known per se, the wear resistance of the rings. If necessary, however, these layers can also be sanded off or avoided by covering them beforehand.

Die bei der erfindungsgemäß durchgeführten Wärmebehandlung verwendeten Temperaturen liegen oberhalb der späteren Maschinenteile. So ist gewährleistet, daß auf jeden Fall Risse in den Spritz schichten entstehen, die dann mit den Reaktionsprodukten ausgefüllt sind. Auf diese Weise entstehen in allen Spritzschichten Druckspannungen durch das Abküluen, und diese Spannung baut sich dann in der Betriebshitze entsprechend der Wärmebehandlungstemperatur höchstens völlig ab. Die Schichten kommen somit fast spannungsfrei zum Einsatz, und die Schichten aller Maschinenteile sind so wirkungsvoll gegen ein Ausbrechen geschützt.Those used in the heat treatment carried out according to the invention Temperatures are above the later machine parts. This ensures that cracks will always appear in the sprayed layers, which are then filled in with the reaction products. In this way, compressive stresses arise in all sprayed layers due to the cooling, and this tension is then at most completely reduced in the operating heat in accordance with the heat treatment temperature. The shifts are coming This means that it can be used almost tension-free, and the layers of all machine parts are effectively protected against breaking out.

Durch die Erfindung sind somit Maschinenteile geschaffen, deren Verschleißschichten nach einem einfachen Verfahren gegen ein Ausbrechen geschützt sind. Besonders wirkungsvoll ist die Erfindung für Kolbenringe oder Dichtleisten von Verbrennungskraftmaschinen mit Spritz schichten auf den Laufflächen in gekammerter Form, da diese Maschinenteile besonders hohen Temperatur Schwankungen im Betrieb ausgesetzt sind. Ferner wird die gekammerte Form von Verschleißschutz schichten in der Praxis bevorzugt bei thermischen Spritzschichten angewendet werden. Im Prinzip kann jedoch auch die Erfindung bei anderen Verschleißschutzschichten, wie zum Beispiel galvanischen Überzügen, eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist gleichzeitig jein erfindungsgemäßen Verfahren, daß für seine Ausführung die ::'ür Metallhärte - und Wärmebehandlungstechnik üblichen Anlagen ohne wesentliche Umrüstung benutzt werden können.The invention thus creates machine parts, their wear layers are protected against breaking out by a simple procedure. The invention is particularly effective for piston rings or sealing strips of internal combustion engines with spray coatings on the running surfaces in a chambered form, as these machine parts have particularly high temperature fluctuations during operation are exposed. Furthermore, the chambered form of wear protection layers in practice preferred for thermal spray layers be applied. In principle, however, the invention can also be used with other wear protection layers, such as galvanic layers, for example Coatings, are used. At the same time, each method according to the invention is particularly advantageous that the :: 'For metal hardening and heat treatment technology usual systems without substantial retrofitting can be used.

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Auf gleitende Reibung beanspruchtes Maschinenteil mit einer - /) -Machine part subjected to sliding friction with a - /) -

seiner Herstellung ( 1663 )its manufacture (1663)

Die Erfindung sei anhand zweier Ausführungsbeispiel sowie einer Abbildung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt dabei einen Querschnitt durch einen nach dem ersten Ausführungsbeispiel hergestellten Kolbenring. The invention is based on two exemplary embodiments and a figure explained in more detail. The drawing shows a cross section through a piston ring produced according to the first embodiment.

Ausgegangen wird im Beispiel von Kolbenringen mit rechteckigem Querschnitt, einem äußeren Durchmesser von 107 mm, einem inneren Durchmesser von 97 mm und einer axialen Höhe von 3, 1 mm. In die Liuftflächen ist eine Nut mit einer Breite von 2, 7 mm und einer Tiefe von 0,4 mm eingearbeitet, so daß die beiden Stege als Kammerwände jeweils eine Breite von 0, 2 mm besitzen. Nach dem Zusammenspannen von 20 Kolbenringen auf einen Dorn zu einem zylindrischen Kolbenringpaket werden in einem Plasmaspritzverfahren die Kammern mit Molybdän ausgefüllt. Nach dem Abschleifen der überstehenden Molybdänschichten erfolgt die eigentliche erfindungsgemäße Wärmebehandlung der Ringe durch 5 - stündiges Glühen in der Luft.The example is based on piston rings with a rectangular cross-section, an outer diameter of 107 mm, an inner diameter of 97 mm and an axial height of 3.1 mm. In the air areas a groove with a width of 2.7 mm and a depth of 0.4 mm is incorporated, so that the two webs as chamber walls each have a width of 0.2 mm. After clamping 20 piston rings together The chambers are filled with molybdenum in a plasma spraying process on a mandrel to form a cylindrical piston ring package. To The actual heat treatment of the rings according to the invention takes place by grinding off the protruding molybdenum layers 5-hour glow in the air.

Die Abbildung zeigt einen Querschnitt durch einen entstandenen Kolbenring 1 mit einer Kammer füllung aus Molybdänspritz schicht 2 und seinen beiden Kammer Stegen 3 und 4. Durch die thermische Behandlung sind in der Schicht Risse 5 entstanden, welche mit Molybdänoxid völlig ausgefüllt sind. Die Risse 5 erstrecken sich von der Lauffläche 6 in radialer Richtung bis hinunter zum Kammergrund 7. Die so hergestellten Kolbenringe zeigten alle nach einem 180 - stündigen Testlauf keine S chichtausbr üche.The illustration shows a cross section through a piston ring that has been created 1 with a chamber filling made of molybdenum spray layer 2 and his both chamber webs 3 and 4. By the thermal treatment are cracks 5 developed in the layer, which are completely filled with molybdenum oxide. The cracks 5 extend from the running surface 6 in a radial direction Direction down to the chamber floor 7. The piston rings produced in this way did not show any after a 180 - hour test run Shift outbreaks.

Im zweiten Beispiel wird ausgegangen von den nach Beispiel 1 in gekammorter Form mit Molybdän beschichteten Kolbenringen. Nach kurzem Erhitzen des Kolbenringpaketes in einer Inertgasatmosphäre auf 400 C wird das erhitzte Ringpaket in einer Salzschmelze ausThe second example is based on the chambers according to Example 1 Shape with molybdenum coated piston rings. After briefly heating the piston ring assembly in an inert gas atmosphere at 400 C the heated ring pack is made in a molten salt

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Auf gleitende Reibung oeanspruchtes Maschinenteil mit einer -/f - Machine part exposed to sliding friction with a - / f -

seiner Herstellung ( 1663 )its manufacture (1663)

einem Gemisch aus Kalium - und Natriumrhodanid von 190 C zehn Minuten lang behandelt. Die Querschliffbilder zeigten Risse in der Spritzschicht;, die völlig mit Molybdansulfid als festes Reakticnsprodukt der Moiybdänspritzschicht mit dem Rhodanid ausgefüllt waren. In einem 180 - stündigen Motortest zeigten alle Ringe keine Schichtausbrüche. a mixture of potassium and sodium rhodanide at 190 ° C Treated for minutes. The cross-sectional pictures showed cracks in the Sprayed layer; which is entirely with molybdenum sulfide as a solid reactant product the moiybdenum spray layer were filled with the rhodanide. In a 180 - hour engine test, none of the rings showed any layer breakouts.

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Claims

GOET ZEWERKE Burscheid, d. May 12, 1978

Friedrich Goetze AG T Z T 233 / Lö. / Mon. (1663)

PATENT CLAIMS

l). A machine part subject to sliding friction with a wear protection layer on the running surface, such as in particular a piston ring or a sealing strip of an internal combustion engine made of cast iron or steel, with a thermal spray coating on the running surface, in one or both sides chambered design, characterized in that the wear protection layers (2) have cracks (5) extending approximately in the radial direction, which are completely filled with a solid reaction product formed from the layer material in the heat in the cracks (5), so that the layer (2) in the idle state at normal temperature an in has compressive stress acting in the axial direction.

. Machine part according to claim 1, characterized in that the wear protection layer (2) ■ made of an alloy with 50 to 100% molybdenum is made by a thermal spray process is applied.

. Machine part according to claims 1 and 2, characterized in that that the cracks (5) are filled with molybdenum oxide, which by reaction of the molybdenum with oxygen in the heat in the Cracks (5) is formed.

. Machine part according to claims 1 and 2, characterized in that that the cracks (5) are filled with molybdenum sulfide, which is caused by the reaction of the molybdenum with sulfur-containing compounds is formed in the cracks (5) in the heat.

. Process for the production of the machine parts according to one of the

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Machine part subjected to sliding friction with a wear protection layer on the running surface and the process

its manufacture (1663)

Proverbs 1 to 4, characterized in that the machine parts after application of the wear protection layer (2) in a chambered form with the simultaneous presence of substances with the Layer material form solid and deposited reaction products, are heat-treated at a temperature above the later operating temperature of the machine parts.

. Process according to Claim 5, characterized in that the heat treatment takes place in a gas atmosphere.

7. The method according to claim 6, characterized in that the heat treatment takes place in a molten salt.

U GOEIZEWEREOI U GOEIZEWEREOI

S. FRIIDRICH QOETZE AKTI ENGES ELLSCHAFTS. FRIIDRICH QOETZE ACTIVE ELLSHIP

Vossieck

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