DE2822247B2

DE2822247B2 - Machine part subjected to sliding friction with a thermally sprayed wear protection layer on the running surface

Info

Publication number: DE2822247B2
Application number: DE2822247A
Authority: DE
Inventors: Horst Dr.-Ing. Beyer; Ulrich Dipl.-Ing. 5093 Burscheid Buran; Manfred Dr. 5653 Leichlingen Fischer
Original assignee: Goetze GmbH
Current assignee: Goetze GmbH
Priority date: 1978-05-22
Filing date: 1978-05-22
Publication date: 1981-07-02
Also published as: GB2025470A; DE2822247C3; SE7904437L; IT7922341A0; FR2426531A1; DE2822247A1

Description

Die Erfindung betrifft ein auf gleitende Reibung beanspruchtes Maschinenteil mit einer thermisch aufgespritzten, in radialer Richtung Risse aufweisenden Verschleißschutzschicht auf der Lauffläche, insbesondere Kolbenring oder Dichtleiste einer Verbrennungskraftmaschine aus Gußeisen oder Stahl, in ein- oder beidseitig gekammerter Ausführung.The invention relates to a machine part which is subjected to sliding friction and has a thermally sprayed-on wear protection layer with cracks in the radial direction on the running surface, in particular Piston ring or sealing strip of an internal combustion engine made of cast iron or steel, in one or double-sided chambered design.

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 Brandspursicherheit 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 Spritzschichten aus Molybdän oder Molybdänlegierungen.Machine parts subject to wear and tear, such as in particular piston rings or sealing strips made of cast iron for internal combustion engines that are subject to high thermal and mechanical loads during operation are exposed, are known to increase their resistance to wear and tear, their resistance to fire marks and their sliding properties are provided with coatings on their running surfaces. Preferably these layers are applied by known thermal spraying processes, and especially Thermal spray coatings made of molybdenum or molybdenum alloys have proven successful.

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 bekannt, 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- oder beidseitig gekammerter Ausführung. In anderen Fällen werden auch mehrere parallellaufende Nuten in den Grundwerkstoff eingearbeitet und entsprechend mit dem Schichtwerkstoff ausgefülltHowever, it is disadvantageous in these layers that their outer edges are relatively brittle and therefore to Need to be beveled to avoid breakouts. As a result, however, they lack an external sharpness Edge that rests closely on its mating surface, so that exhaust gas leaks occur precisely in internal combustion engines, the so-called blow-by. As a remedy, as has long been known, in Recesses or grooves incorporated into the base material of the machine parts, which are then combined with the Spray material to be filled. Depending on whether there is a bar on one or both outer edges was left, one speaks of coatings in one or both sides chambered design. In other In some cases, several parallel grooves are worked into the base material and accordingly filled with the layer material

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 Schichtiamelle undThe machine parts coated in this way then have sharp outer edges with a good sealing effect with good running properties at the same time, but especially with high thermal and mechanical properties Stress can cause cracks in the area of the chamber webs either in the layer itself or between layers and base material that go down to the base of the layer, from there along the layer and

ίο 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.ίο then bend upwards to the running surface can. Depending on the running time or the load, entire layer areas can break out and thereby come to a complete failure of the machines.

Zunächst wurden als Ursache für die Schichtausbrüehe die bekanntermaßen geringe Festigkeit und Haftung der Spritzwerkstoffe angenommen. Es wurde daher zur Abhilfe des oben geschilderten Problems 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 Berüh-Initially, they were considered to be the cause of the layer scalding assumed the well-known low strength and adhesion of the spray materials. It was Therefore, to remedy the problem outlined above, the strength and adhesion of the layer materials are attempted by using special wettable powder compositions to increase. With considerable technical effort, layers with improved Strength and adhesion developed, but the layers still broke out. Basically even an increase in the eruptions of the layers was found. It is therefore assumed today that the Materials for layer and base body differ due to their different thermal expansion coefficients expand differently so that in the operating heat of the engine, especially at the

3» rungsflächen 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 beschriebene Effekt dann besonders groß, weil die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Eisen gegenüber Molybdän doppelt so groß sind und weil gerade Kolbenringe in Verbrennungsmotoren Temperaturwechselbeanspruchungen von einigen hundert Grad ausgesetzt sind.3 »junction surfaces to the chamber wall, tensions arise, which can lead to cracks with subsequent layer breakouts. With the preferably with piston rings The material combinations used are cast iron or steel with molybdenum or molybdenum alloy The effect described is particularly great because of the thermal expansion coefficient compared to iron Molybdenum are twice as large and because straight piston rings in internal combustion engines are subject to thermal cycling exposed to a few hundred degrees.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein auf gleitende Reibung beanspruchtes Maschinenteil, insbesondere einen Kolbenring oder eine Dichtleiste aus Gußeisen oder Stahl für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einer thermisch aufgespritzten Verschleißschutzschicht auf der Lauffläche in ein- oder beidseitig gekammerter Ausführung, zu schaffen, das eine verbesserte Beständigkeit gegen Rißbildung und Ausbrüche bei thermischer und mechanischer BelastungIt is therefore the object of the present invention to provide a machine part subject to sliding friction, in particular a piston ring or a sealing strip made of cast iron or steel for an internal combustion engine, with a thermally sprayed wear protection layer on the running surface on one or both sides chambered design, to provide improved resistance to cracking and chipping with thermal and mechanical loads

so besitzt. Das Verfahren der Herstellung soll dabei möglichst einfach sein.so owns. The manufacturing process should be as simple as possible.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Maschinenteil gelöst, dessen Verschleißschutzschicht im Ruhezustand bei Normaltemperatur eine in axialer Richtung wirkende Druckvorspannung aufweist, welche sich im Betriebszustand bei Betriebstemperatur abbaut beziehungsweise höchstens abhebt. Zur Herstellung wird dazu das Maschinenteil nach dem thermischen Spritzen einer weiteren Wärmebehandlung unterzogen, wobei es gleichzeitig einem Medium ausgesetzt wird, welches bei der Behandlungstemperatur zumindest mit dem Schichtwerkstoff unter Bildung fester, sich ablagernder Reaktionsprodukte reagiert. Dadurch entstehen zusätzlich in der Verschleißschutzschicht sich in etwa radialer Richtung bis zum Kammergrund erstrekkende Risse, welche mit dem gebildeten Reaktionsprodukten völlig ausgefüllt sind.According to the invention, this object is achieved by a machine part whose wear protection layer in the Rest state at normal temperature has a compressive prestress acting in the axial direction, which degrades or at most lifts off in the operating state at operating temperature. For the production the machine part is subjected to further heat treatment after thermal spraying, whereby it is simultaneously exposed to a medium which at least at the treatment temperature with the layer material reacts to form solid, deposited reaction products. This creates additionally in the wear protection layer extending in an approximately radial direction to the bottom of the chamber Cracks which are completely filled with the reaction products formed.

Bei der Erfindung wurde von der BeobachtungThe invention was based on observation

ausgegangen, daß einige Kolbenringe mit Molybdänspritzschichten in gekanunerter Form, deren Schichten schon direkt nach dem Spritzen Risse aufwiesen und deshalb nach der bisherigen Vorstellung als fehlerhaft und nicht geeignet galten, erstaunlicherweise bei 5 Testläufen im motorischen Betrieb entgegen der bisherigen Annahme fehlerfrei Hefen und keine Ausbrüche zeigten.assumed that some piston rings are sprayed with molybdenum in canned form, the layers of which already showed cracks immediately after the spraying and therefore, according to the previous idea, were considered faulty and unsuitable, astonishingly for 5 Test runs in motor operation contrary to the previous assumption error-free yeasts and none Outbreaks showed.

Querschliffbilder unter dem Mikroskop verdeutlichten, daß bei diesen Ringen die Risse massiv ausgefüllt waren, und eine Analyse ergab für den Füllstoff Molybidänoxid, welches sich offensichtlich direkt nach dem Spritzen noch im 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 Restdrucksp*nnung zum Einsatz.Cross-sectional pictures under the microscope made it clear that the cracks in these rings were massively filled were, and an analysis showed that the filler was molybidene oxide, which was apparently directly after spraying while still hot due to the reaction of molybdenum with the oxygen present in the air had formed. The layers of these rings can no longer contract when cooling, and im At rest there is then a compressive stress. In motorized operation at the appropriate temperature These tensions are then reduced again, and these piston rings come into a residual pressure tension Mission.

Durch die erfindungsgemäß durchgeführte Wärmebehandlung sind jetzt in Spritzschichten bewußte Risse erzeugt worden, die sich in der Hitze spaltartig öffnen. Daibei tritt gleichzeitig in diesen Bereichen eine Reaktion des Schichtwerkstoffes mit dem erfindungsgemäß eingesetzten umgebenden Medium ein, die Reaktionsprodukte füllen die Spalten in der Hi ze aus und binden sie durch Diffusionsbindung fest aneinander. Nach dem Abkühlen erfolgt dann der Aufbau einer Druckspannung in der Schicht in axialer Richtung.As a result of the heat treatment carried out according to the invention, there are now deliberate cracks in the sprayed layers which open like gaps in the heat. Daibei is stepping in in these areas at the same time Reaction of the layer material with the surrounding medium used according to the invention, which Reaction products fill the gaps in the heat and bind them tightly to one another by diffusion bonding. After cooling, compressive stress is then built 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 Schicht- js werkstoff reagierenden Substanzen enthalten. Besonders geeignet sind bei Spritzschichten aus Molybdän oder Molybdänlegierungen Wärmebehandlungen in Luft beziehungsweise reinem Sauerstoff oder, wie nach dem DE-Gbm 18 88 842 bekannt, in schwefelhaltigen Salzschmelzen, da Molybdän dann Molybdänoxide beziehungsweise Molybdänsulfide als festes Reaktionsprodukt bildet, welches die Risse ausfüllt. In diesen Fällen entstehen natürlich auch Reaktionsprodukte auf den ungeschützten Stegflanken und Rückenflächen der 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.According to the invention, the heat treatment is carried out in a gas atmosphere, salt bath solutions, molten salts or powder packs carried out, which, according to their composition, correspond to those with the layer js contain substances that react with the material. Molybdenum spray coatings are particularly suitable or molybdenum alloys heat treatments in air or pure oxygen or, as after the DE-Gbm 18 88 842 known, in sulfur-containing salt melts, since molybdenum then molybdenum oxides or molybdenum sulfide forms as a solid reaction product, which fills the cracks. In these In cases, of course, reaction products also arise on the unprotected web flanks and back surfaces of the Rings, but such oxidic and sulfidic layers also improve in a manner known per se Wear resistance of the rings. If necessary, however, these layers can also be sanded off or through prior covering should be avoided.

Die bei der erfindungsgemäß durchgeführten Wärmebehandlung verwendeten Temperaturen liegen oberhalb der späteren Maschinenteile. So ist gewährleistet, daß auf jeden Fall Risse in den Spritzschichten entstehen, die dann mit den Reaktionsprodukten ausgefüllt sind. Auf diese Weise entstehen in allen Spritzschichten Druckspannungen durch das Abkühlen, 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 geschütztThe heat treatment carried out according to the invention The temperatures used are above the later machine parts. This guarantees that in any case cracks arise in the sprayed layers, which then with the reaction products are filled out. In this way, compressive stresses arise in all sprayed layers as a result of cooling, and this tension builds up in the operating heat according to the heat treatment temperature at most completely off. The layers are thus used almost free of tension, 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 Spritzschichten auf den Laufflächen in gekammerter Form, da diese Maschinenteile besonders hohen Temperaturschwankungen im Betrieb ausgesetzt sind. Ferner wird die gekammerte Form von Verschleißschutzschichten 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 beim erfindungsgemäßen Verfahren, daß für seine Ausführung die für Metallhärte ·- und Wärmebehandlungstechnik üblichen Anlagen ohne wesentliche Umrüstung benutzt werden können.The invention thus creates machine parts whose wear layers after a simple procedures are protected against breaking out. The invention is particularly effective for Piston rings or sealing strips of internal combustion engines with spray coatings on the running surfaces in Chambered shape, as these machine parts are exposed to particularly high temperature fluctuations during operation are. Furthermore, the chambered form of wear protection layers in practice they are preferably used for thermal spray coatings. In principle it can however, the invention also applies to other wear protection layers, such as galvanic coatings, can be used. At the same time, it is particularly advantageous in the method according to the invention that for its execution the systems usual for metal hardening and heat treatment technology without substantial retrofitting can be used.

Die Erfindung sei anhand zweier Ausführungsbeispiele sowie einer Abbildung einen nach dem ersten Ausführungsbeispiel hergestellten Kolbenring.The invention is based on two exemplary embodiments and an illustration of a piston ring produced according to the first exemplary 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 Laufflächen 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 Wärmebehandlung der Ringe durch 5stündiges Glühen in der LuftThe example is based on piston rings with a rectangular cross section and an outer diameter of 107 mm, an inner diameter of 97 mm and an axial height of 3.1 mm. In the treads a groove with a width of 2.7 mm and a depth of 0.4 mm is incorporated, so that the two ridges as Chamber walls each have a width of 0.2 mm. After 20 piston rings have been clamped together A mandrel to a cylindrical piston ring package is used to create the chambers in a plasma spraying process Filled with molybdenum After grinding off the protruding molybdenum layers, the actual Heat treatment of the rings by annealing in the air for 5 hours

Die Abbildung zeigt einen Querschnitt durch einen entstandenen Kolbenring 1 mit einer Kammerfüllung aus Molybdänspritzschicht 2 und seinen beiden Kammerstegen 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 180stündigen Testlauf keine Schichtausbrüche.The figure shows a cross section through a resulting piston ring 1 with a chamber filling from molybdenum spray layer 2 and its two chamber webs 3 and 4. Through the thermal treatment cracks 5 have arisen in the layer, which are completely filled with molybdenum oxide. The cracks 5 extend from the running surface 6 in the radial direction down to the chamber base 7. The so The piston rings produced did not show any layer breakouts after a 180-hour test run.

Im zweiten Beispiel wird ausgegangen von den nach Beispiel 1 in gekammerter Form mit Molybdän beschichteten Kolbenringen. Nach kurzem Erhitzen des Kolbenringpaketes in einer Inertatmosphäre auf 400° C wird das erhitzte Ringpaket in einer Salzschmelze aus einem Gemisch aus Kalium- und Natriunr-hodanid von 190° C zehn Minuten lang behandelt Die Querschliffbilder zeigten Risse in der Spritzschicht, die völlig mit Molybdänsulfid als festes Reaktionsprodukt der Molybdänspritzschicht mit dem Rhodanid ausgefüllt waren. In einem 180stündigen Motortest zeigten alle Ringe keine Schichtausbrüche.The second example is based on those according to Example 1 in a chambered form with molybdenum coated piston rings. After briefly heating the piston ring assembly in an inert atmosphere to 400 ° C is the heated ring pack in a molten salt from a mixture of potassium and sodium rhodanide of 190 ° C for ten minutes treated the cross-sectional images showed cracks in the sprayed layer that were completely with molybdenum sulfide as a solid reaction product of the molybdenum sprayed layer were filled with the rhodanide. In a 180 hour engine test, none of the rings showed any Layer breakouts.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Machine part subjected to sliding friction with a thermally sprayed, in wear protection layer having cracks in the radial direction on the running surface, in particular Piston ring or sealing strip of an internal combustion engine made of cast iron or steel, in one or Double-sided chambered design, characterized in that the wear protection layers (2) after the spraying by a further heat treatment in an approximately radial direction in the In extreme cases, additionally generated cracks (5) which extend to the chamber base and which with A solid reaction product formed from the layer material in the heat in the cracks is completely the same are filled that the protective layer in the dysentery state at normal temperature one in the axial direction has acting compressive stress

2. Machine part according to claim 1, characterized in that the reaction product by Using oxygen or sulfur is formed.

3. Machine part according to claims 1 and 2, characterized in that the heat treatment has taken place in a gas atmosphere.

4. Machine part according to claims 1 and 2, characterized in that the heat treatment has taken place in a molten salt.