DE2822247C3 - Machine part subjected to sliding friction with a thermally sprayed wear protection layer on the running surface - Google Patents
Machine part subjected to sliding friction with a thermally sprayed wear protection layer on the running surfaceInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein auf gleitende Reibung beanspruchtes Maschinenteil mil 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 which is thermally stressed 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 Gußeilen 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 thermi-•che Spritzverfahren aufgetragen, und besonders Gewährt 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 parts 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 If these layers are applied by known thermal spraying processes, and especially Thermal spray coatings made of molybdenum or molybdenum alloys have proven to be useful.
Nachteilig ist es jedoch bei diesen Schichten, daß iht e lußeren 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 Beschichlungen in ein* öder beidseitig gekammerter Ausführung, in anderen Fällen werden auch mehrere parallellaufende Nuten in den Grundwerkstoff eingearbeitet und entsprechend mit dem Schichtwerkstoff ausgefüllt.However, it is disadvantageous in these layers that iht e The outer edges are relatively brittle and should therefore be beveled to avoid chipping have to. As a result, however, they lack an outer sharp edge that lies tightly against their counter surface, so that it Exhaust gas leaks, known as blow-by, can then occur in internal combustion engines. 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 in, depending on whether only a bar was left on one or both outer edges, one speaks of coating in a * or double-sided chambered execution, in others 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 Schichüam-Jle 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 arise, which down into the layer base, from there along the Schichüam-Jle 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 Schirhtwerkstoffe 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 Grundkörpe7· sich aufgrund ihrer unterschiedlich, π thermischen Ausdehnungskoef fizienten verschieden stark ausdehnen, so daß in der Betriebshiize 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 beschriebene Effekt dann besonders groß, weil die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Eisen gegenüber Molybdän doppelt so groß sind und weil gerade Kolbenringe in Verbrennungsmotoren Temperatur wechsclbeanspruchungen von einiger hundert Grad ausgesetzt sind.Initially, the known low strength and adhesion of the spray materials were assumed to be the cause of the layer scalding. To remedy the problem outlined above, attempts have therefore been made to increase the strength and adhesion of the visor materials by using special wettable powder compositions. Although layers with improved strength and adhesion were developed with considerable technical effort, the layers still broke out. In principle, even an increase in the layer breakouts was found. It is therefore now assumed that the materials for the layer and base body 7 expand to different degrees due to their different π thermal expansion coefficients, so that in the operating temperature of the engine, especially at the contact surfaces to the chamber wall, tensions arise which can lead to cracks with subsequent layer breakouts. With the material combinations cast iron or steel with molybdenum or molybdenum alloy, which are preferably used for piston rings, the effect described is particularly great because the thermal expansion coefficients of iron compared to molybdenum are twice as great and because piston rings in internal combustion engines are exposed to temperature fluctuations of a few hundred degrees.
Es is· daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein auf gleitend! Reibung beanspruchtes Maschinenteil, insbesondere einen Kolbenring oder eine Dichtleiste aus Gußeisen oder Stahl für eine Verbrt'nnungskraftmaschine. mit einer thermisch aufgespritzten Verschleißschut/schicht auf der Lauffläche in ein oder beidseitig gekammerter Ausführung, zu schaffen, das i-ine verbesserte Beständigkeit gegen Rißb Idung und Ausbrüche bei thermisc/ier und mechani eher Belastung besitzt. Das Verfahren der Herstellung soll dabei möglichst einfach sein.It is therefore the object of the present invention to one on sliding! Machine part subject to friction, in particular a piston ring or a sealing strip Made of cast iron or steel for an expansion engine. with a thermally sprayed wear protection / layer on the tread in one or both sides chambered design to create the i-ine improved resistance to cracking and chipping with thermal and mechanical stress owns. The manufacturing process should be as simple as possible.
F.rfindungsgemaß wird diese Aufgabe durch ein Maschinenteil gelöst.dessen Verschleißichutzschicht im Ruhezustand bei Normaltemperatur eine in axialer Richtung wirkende Druckvorspannung aufweist, welche sich im Betriebszustand bei Betriebstemperatur abbaut beziehungsweise höchstens abhebt, /ur Herstellung wird dazu das Maschinenteil nach dem thermischen Spritzen einer weiteren Wärmebehandlung unterzogen.F.rfindungsgemaß this task is through a Machine part loosened. Its wear protection layer in Rest state at normal temperature has a compressive prestress acting in the axial direction, which degrades in the operating state at operating temperature or at most lifts off, / ur production is the machine part after the thermal Spraying subjected to a further heat treatment.
wobei es gleichzeitig einem Medium ausgesetzt wird, welches bei der Behandlungstemperatür zumindest mit
dem Schichtwerkstoff unter Bildung fester, sich ablagernder Reaktionsprodukte reagiert. Dadurch ent'
stehen zusätzlich in der Verschleißschulzschichl sich in etwa radialer Richtung bis zum KammefgrUnd efstfek*
kertrle Risse, Weiche mit dem gebildeten Reaktionsprodukten völlig ausgefüllt sind,
Bei der Erfindung wurde Von der Beobachtungat the same time it is exposed to a medium which, at the treatment temperature, reacts at least with the layer material to form solid, depositing reaction products. This results in additional cracks in the wear resistance layer in an approximately radial direction up to the base of the crest, which are completely filled with the reaction products formed,
The invention was based on observation
ausgegangen, daß einige Kolbenringe mit Molybdänspritzschichten in gekammerter Form, deren Schichten schon direkt mich dem Spritzen Risse aufwiesen und deshaJb nach der bisherigen Vorstellung als fehlerhaft und nicht geeignet galten, erstaunlicherweise bei 5 Testläufen im motorischen Betrieb entgegen der bisherigen Annahme fehlerfrei liefen und keine Ausbrüche zeipen.assumed that some piston rings with molybdenum sprayed layers in a chambered form, their layers already showed cracks immediately after the injection and therefore, according to the previous idea, as faulty and were considered unsuitable, astonishingly at 5 Contrary to previous assumption, test runs in engine operation ran without errors and none Show outbreaks.
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 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 Restdruckspannung 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 molybdenum oxide for the filler, which is apparently immediately 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 then these tensions are reduced again. and these piston rings come to a residual compressive stress Mission.
Durch die erfindungsgemäß durchgeführte Wärmebehandlung sina jetzt in Spritzschichten bewußte Risse erzeugt v/orden. die sich in der Hitze spaltartig öffnen. Dabei tritt gleichzeitig in diesen Bereichen eine Ji Reaktion des Schichtwerkstoffes mit dem erfindungsgemäß 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 jo 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 spray coatings generated v / orden. which open like gaps in the heat. At the same time, a Ji occurs in these areas Reaction 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 to one another by diffusion bonding. After cooling, a compressive stress builds up in the layer in the axial direction.
Entsprechend der Erfindung wird die Wärmebehandlung in Gasatmosphäre, Salzbadlösungen, Salzschmelzen oder Pulve'packungen durchgeführt, die entsprechend ihrer Zusammensetzung die mit dem Schicht- ü werkstoff reagierenden Substanzen enthalten. Besonders geeignet S'nd bei Spritzschichten aus Molybdän oder Molybdänlegierungen Wärmebehandlungen in Luft beziehungsweise 1 einem Sauerstoff oder, wie nach dem DE-GM '8 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 ungeschütz en Stegflanken und Rückenflächen der Ringe, aber solche oxidischen und sulfidischen Schichten verbessern zusätzlich in an sich bekannter Weise die VerschleißfestigKeiten der Ringe. Bei Bedarf körnen diese Schichten jedoch auch abgeschliffen oder durch vorherige^ Abdecken verm.eden werden.According to the invention, the heat treatment is carried out in a gas atmosphere, salt bath solutions, molten salts or Pulve'packungen carried out, which according to their composition with the layer ü contain substances that react with the material. Particularly suitable for sprayed coatings made of molybdenum or molybdenum alloys heat treatments in air or 1 an oxygen or, as after the DE-GM '8 88 842 known in sulfur-containing Salt melts, as molybdenum then forms molybdenum oxides or molybdenum sulfides 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 improve additionally in a manner known per se Wear resistance of the rings. Granulate if necessary however, these layers can also be sanded off or avoided by covering them up beforehand.
Die bei der < -findungsgemäß durchgeführten WarmebehiMitJlui.g ν .rwendeten Temperaturen liegen oberhalb der späteren Maschinenteile Sd ist gewährleistet, daß auf jeden Fall Risse in den .Sprit/schichten er'.stehen, die dann mit den Reaktionsprodukten ausgefüllt sind Auf diese Weise entstehen in allen Spriusdiichten Druckspannungen durch Jas Abkühlen, und diese Spann ng baut sich dann in der Rctriebshit/e einsprechend de Wärmebehandlungstctnperatur höchstens völlig ah Die Schichten kommen somit fast spannungsfrei zum Einsatz, und die Schichten aller Maschinenteile sind so wirkungsvoll gegen ein Ausbrechen geschützt.The WarmebehiMitJlui.g carried out in accordance with the invention ν. the temperatures used are above the later machine parts Sd is guaranteed, that in any case cracks in the .Sprit / layers he'.stand that then with the reaction products are filled. and this tension builds up in the drive corresponding to the heat treatment temperature at most completely ah The layers are 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 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 übliche- Anlagen ohne wesentliche Umrüstung benutzt werde;, 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 is preferred in practice in the case of thermal ones Spray layers are applied. In principle, however, the invention can also be used with other wear protection layers, such as galvanic coatings can be used. Is particularly advantageous at the same time in the method according to the invention that for its execution for metal hardness - and Heat treatment technology usual systems can be used without substantial conversion; can.
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 a figure one after the first Embodiment made piston ring.
Ausgegangen wird im Beispiel von Kolbenringen mit rechteckigem Querschnitt, einem äußeren Durchmesser von 107 mm. einem inneren Durchmesser von 97 mm und einer axialen Höhi· von 3.1 mm. In die Laufflächen ist eine Nut mit einer B-eite 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 Moiybdänschichten erfolgt die eigentliche Wärmebehandlung der Ringe durch 5stündiges Glühen in der Li^ft.The example is based on piston rings with 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 treads is a groove with a width of 2.7 mm and a depth of 0.4 mm incorporated so that the two webs 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 in with molybdenum. After sanding off the protruding Moiybdän layers, the actual work takes place Heat treatment of the rings by annealing in the air for 5 hours.
Die Abbildung zeigt einen Querschnitt durch einen entstandenen Kolbenring I mit einer Kammerfüllung aus " 1ol\bdänspritzschicht 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 t> in radialer Richtung bis hinunter zum Kammergrund 7. Die so hergestellten Kolbenringe zeigten alle nach einem 180stündigen Testlauf keine Schich;ausbrüche.The figure shows a cross section through a piston ring I that has been created with a chamber filling made of "1ol \ bdänspray layer 2 and its two chamber webs 3 and 4. The thermal treatment caused cracks 5 in the layer, which with Molybdenum oxide are completely filled. The cracks 5 extend from the running surface t> in the radial direction down to the chamber base 7. The piston rings produced in this way all pointed to one 180-hour test run no shifts.
Im zweiten Beispiel wird ausgegangen von den nach Beispiel 1 in gekammerter Form mit Molybdän beschichteten Kolbenringen. Nach kurzem Erhitzen des Kolbenriiigpaketes in einpr Inertatmosphäre auf 400" C wird dai erhitzte Ringpaket in einer Salzschmelze aus einem Gemisch aus Kalium- und Natnumrhodarnd von 190 C zehn Minuter lang behandelt. Die Querchliffbil der zeigten Risse in der Spritzschicht, die völlig mit Molvbdansulfid als festes Reaktionsprodukt der Molybdänsoritzschicht mit dem Rhodanid ausgefüllt waren. In einem ISOstündigen iviotortest zeigten alle Ringe keine Schicht ausbrecheThe second example is based on the after Example 1 in a chambered form with molybdenum-coated piston rings. After briefly heating the Piston pack in an inert atmosphere at 400 "C is made from the heated ring pack in a molten salt treated with a mixture of potassium and sodium rhodium at 190 C for ten minutes. The cross-cut bil the showed cracks in the sprayed layer that were completely covered with Molybdenum sulfide as a solid reaction product of the molybdenum soritz layer were filled with the rhodanide. In an ISO hour iviotortest, none of the rings showed any Layer break out
Hierzu i Blatt ZeichnungenFor this purpose i sheet of drawings
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