DE3049641C2

DE3049641C2 - Gleitelement

Info

Publication number: DE3049641C2
Application number: DE3049641A
Authority: DE
Inventors: Yoshio Fuwa; Katsumi Kondo; Shoji Toyota Aichi Miyazaki
Original assignee: Toyota Jidosha Kogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1979-06-28
Filing date: 1980-06-28
Publication date: 1983-11-24
Also published as: JPS565967A; AU539878B2; JPS5715193B2; US4387140A; DE3049641A1; WO1981000117A1; AU6053980A

Description

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gleitelement, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, das für die Gleitfläche von bspw. Kolbenringen, Zylinderbüchsen und Luftverdichter für innere Verbrennungskraftmaschinen gut geeignet ist

Um die Leistungsfähigkeit von Verbrennungskraftmaschinen zu erhöhen, wurden höhere Anforderungen an Abrieb und Festfressen verhindernde Materialien ju und Materialien geringer Reibung gestellt, wobei zu berücksichtigen ist, daß leichte Legierungen verwendet werden sollen und eine weitere Verkleinerung als Gegengewicht für höhere Rotationsgeschwindigkeit, höheres Kompressionsverhältnis, eine Gewichtsverrin- )■> gerung und Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs notwendig ist.

Bekannt ist es, abriebfeste Schichten durch Aufspritzen oder Galvanisieren eines Metalls, eines Oxids oder eines Carbids auf die Gleitbereiche der Maschinenteile zu bilden. Abriebfeste Schichten werden beispielsweise bei Kolbenringen verwendet, wobei hier meistens eine elektrolytische Chromabscheidung oder ein Spritzüberziehen von Molybdän auf die äußeren Umfangsflächen des auf Stahl basierenden Kolbenringes erfolgt. Der chrombeschichtete Kolbenring jedoch besitzt eine geringe Widerstandsfähigkeit bezüglich Festfressen an einer aus Gußeisen bestehenden Zylinderbüchse als Gegenelement und deshalb können Festfressen und Verschleiß auftreten. Um diesen Nachteil zu mildern, werden Zylinderbüchsen verwendet, die aus Gußeisen bestehen, dem Nickel, Chrom, Molybdän und/oder Bor und Niob hinzugefügt wird. Dieses Gußeisen jedoch besitzt, verglichen mit gewöhnlichem Gußeisen eine schlechte Bearbeitbarkeit und zeigt deshalb andere Nachteile, wie beispielsweise erhöhte Herstellungskosten. Kolbenringe, die mit Molybdän durch Spritzen überzogen sind, zeigen andererseits eine gute Widerstandsfähigkeit bezüglich Festfressen bei einer Zylinderbüchse aus Gußeisen als Gegenelement. Bei Motoren, die thermischen Belastungen von mehr als 300° C unterworfen sind, bringt jedoch die Oxidation des Molybdän Probleme im Hinblick auf die Hafteigenschaften zwischen dem Kolbenring und der aufgespritzten Schicht mit sich. Ferner ist Molybdän so teuer, daß «>5 auch der Kolbenring teuer wird.

Bei einem aus der US-PS 33 26 714 bekannten Gleitelement der eingangs genannten Art, bei dem eine Uberzugsschicht verwendet wird, die eine hochchromhaltige Eisenlegierung enthält, wird zur Erhöhung der Abriebfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit für den Oberzug eine Substanz verwendet, die aus einer Mischung aus 20 bis 60 Gewichtsprozent Ferrochrom und 40 bis 80 Gewichtsprozent Wolframkarbid (WC) besteht. Das Zugeben von WC in die Überzugssubstanz hat zur Folge, daß der überzogene Gegenstand härter wird und daß er deshalb abriebfester wird, da ja die Uberzugsschicht aus WC eine Vickershärte von 1000 und mehr besitzt. Andererseits wird jedoch ein Gleitelement, das mit einer Substanz überzogen ist, die WC enthält, ein anliegendes Element leichter angreifen als dies bei einem Oberzug mit einer Fe/Cr-Legierung der Fall ist, und wird, was die Beständigkeit gegenüber einem Festfressen anbetrifft, auf das letztgenannte Element einen schlechteren Einfluß haben.

Bei einem aus der DE-OS 24 13 097 bekannten Gleitelement liegt der Grundgedanke darin, die Oberfläche eines Kolbenrings oder eines Zylinders derart auszugestalten, daß sie einen Polier- oder Schmiereffekt besitzt, was dadurch erreicht wird, daß der Überzug aus einer harten Legierung, die mit einem weichen Metall, wie beispielsweise Kupfer oder einer Kupferlegierung gemischt ist, besteht. Hier wird also in Verbindung mit der hochchromhaltigen Eisenlegierung ein Metall verwendet, das demgegenüber ganz andere Eigenschaften besitzt, denn Kupfer besitzt eine Vickershärte von 60 bis 150 und beginnt bei einer Temperatur zwischen 250°C und 300⁰C zu oxidieren, so daß es unter Hochtemperaturbedingungen nicht eingesetzt werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Gleitelement, wie es im allgemeinen in hohen Drehzahlen unterworfenen Teilen oder in hohen Drücken ausgesetzten Teilen von inneren Verbrennungskraftmaschinen verwendet wird, zu schaffen, bei dem nicht nur die Abriebfestigkeit und die Korrosionsbeständigkeit, sondern auch die Widerstandsfähigkeit gegenüber einem Festfressen und die Hafteigenschaft des Überzugs verbessert wird, und das selbst unter Hochtemperaturbedingungen verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Gleitelement der genannten Art durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei einem Vergleichsversuch zwischen einem Gleitelement nach der US-PS 33 26 714 und einem erfindungsgemäßen Gleitelement, der unter den folgenden Bedingungen durchgeführt wurde:

Rotationsgeschwindigkeit:

1000 Upm;
Belastung:

Erhöhung um 25 kg alle zwei Minuten; Versuchsgegenstand:

Zylinder mit einem Außendurchmesser von 25,6 mm,

einem Innendurchmesser von 20 mm,

und einer Höhe von 16 mm;
Versuchs verfahren :

Die Enden der zwei Versuchsgegenstände wurden mit ihren Flächen unter der obigen Belastung

aneinander gebracht;
Schmieröl:

SAE 30, ergab sich, daß das mit einer Fe/Cr-Legierung überzogene Versuchselement sich bei einer Belastung von 350 kg, während das mit einer WC-Legierung überzogene Versuchselement sich

bei 250 kg festgefressen hat Dies bedeutet, daß ein Gleitelement, das mit einer Mischung aus einer Fe/Cr-Legjerung und WC überzogen ist ein gegenüberliegendes Gleitelement leichter angreift und hinsichtlich der Beständigkeit gegenüber ä Festfressen schlechter ist verglichen mit einem Gleitelement das nur mit einer Γi:/Cr-Legierung überzogen ist

Diese Verbesserungen werden gemäß vorliegender Erfindung dadurch erreicht daß der hochchromhaltigen Fe-Legierung eine Fe/Ni-Legierung beigegeben wird. Diese Überzugsschicht besitzt eine Vickershärte von 500 bis 750, d. Iu eine Härte, die unter derjenigen einer Fe/Cr-Legierungs-Oberzugsschicht liegt, und eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit und Verschleißfestigkeit durch die Bildung von Chromborid, Chromcarbid und Nickelsilizid und sie besitzt einen geringen Reibungskoeffizienten. Dieses Gleitelement mit einer Mischung aus einer Fe/Cr-Legierung und einer Fe/Ni-'.egierung verringert den Abrieb eines gegenüberliegenden Elements, ohne jedoch die Abriebfestigkeit des Gleitelements zu verschlechtern, wobei gleichzeitig die Widerstandsfähigkeit gegenüber einem Festfressen auf einem Wert von 350 kg gehalten wird. Darüber hinaus verliert das Gleitelement vorliegender Erfindung selbst bei einer Temperatur von 300 bis 350⁰C nicht seine Härte.

Fig. 1 ist eine grafische Darstellung, die die Ergebnisse des Abriebversuchs eines Beispiels 2 zeigt mi bei welchem die aus den Elementen und den Gegenelementen abgeriebenen Mengen gezeigt sind, die auf den Ergebnissen der Abriebversuche an den Endflächen eines Substrats basieren, die folgendermaßen behandelt sind: )")

(A) mit Chrom elektrolytisch beschichtet;

(B) Flammspritzüberzug mit Molybdän;

(C) Plasma-Spritzüberzug mit einer Pulvermischung aus 10% Fe/Ni-Legierung und 90% hochchromhaltiger Fe-Legierung;

(D) ein Plasma-Spritzüberzug mit einer Pulvermischung aus 30% Fe/Ni-Legierung und 70% der hochchromhaltigen Fe-Legierung;

(E) einen Plasma-Spritzüberzug mit einer Pulvermischung aus 70% Fe/Ni-Legierung und 30% der hochchromhal.tigen Fe-Legierung; und

(F) einen Plasma-Spritzüberzug mit 100% hochchromhaltiger Fe-Lej;ierung.

Das Gleitelement gemäß vorliegender Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen im Vergleich zu herkömmlichen Gleitelementen genau erläutert.

B e i s ρ i e 1 1

Die Endflächen eines Ringes, der ein Rotations-Abriebsversuchsstück ist, besitzt einen Außendurchmesser «on 25,6 mm, einen Innendurchmesser von 20,0 mm und eine Dicke von 16 mm, wobei das Stück (A) mit Chrom elektrolytisch beschichtet ist, das Stück (B) mit einem bo Flammspritzüberzug aus Molybdän, das Stück (C) mit einem Plasma-Spritzüberzug aus einer Pulvermischung aus 10% der Fe/Ni-Legierung(Fe.42% Ni,4.8% Cr. 1% B. 8.8% Si, 0.9% C: dieses Verhältnis isi im folgenden dasselbe) und 90% der hochchromhaltigen Fc-Lcgie- ^ rung (Fe. 65% Cr. 8.2% C. 1.5% Si: dieses Verhältnis ist im folgenden dasselbe), das Stück (D) mit einem Plasma-Spritzübcrzug aus cin^r Pulvcrniischung aus 30% Fe/Ni-Legierung und 70% rx>chcbromhaltiger Fe-Legierung, das Stück (E) mit einem Ptasitia-Spritzüberzug aus einer Pulvermischung aus 70% Fe/Ni-Legierung und 30% der hochchromhaltigen Fe-Legierung. und das Struck (F) mit einem Plasma-Spritzüberzug aus 100% des hochchromhaltigen Fe-Legienmgspulvers versehen ist wobei jede Dicke 0,20 bis 030 mm beträgt Die elektrolytisch beschichteten und die spritzüberzogenen Oberflächen wurden geschliffen. Jed^s der obigen Vtrsuchsstücke wurde so angeordnet, daß es mit der Endfläche des anderen Versuchsstücks in Berührung kommt das aus Kohlenstoffstahl (japanische Indtistrienorm/J 1S/S45C) mit Abmessungen von 25,6 mm im Außendurchmesser, 20,0 mm im Innendurchmesser und 16 mm in der Dicke ist Motorenöl SAE 30 wurde als Schmieröl auf die Kontaktflächen gebracht und die Belastung wurde von 10 kg bis 500 kg verändert um die Grenzbelastung, an der ein sich Festfressen beginnt und den Reibungskoeffizienten zu messen und wobei der Beschädigungszustand der Oberfläche beobachtet wurde.

Als Ergebnis erhielt man, daß (A) das mit Chrom beschichtete Versuchsstück sich bei einer Belastung von 200 bis 250 kg festgefressen hat daß (B) beim Versuchsstück mit dem Flammspritzüberzug aus Molybdän selbst unter einer Belastung von 500 kg kein Festfressen begonnen hat und daß die Versuchsstücke (C) bis (F) mit einem Plasma-Spritzüberzug aus der Pi'lvermiscriung sich unter Belastung von 325 bis 350 kg festgefressen haben.

Die größten Reibungskoeffizienten ergaben sich beim Versuchsstück (B), das mit einem Flammspritzüberzug aus Molybdän versehen ist, beim Versuchsstück (F), das mit einem Plasma-Spritzüberzug aus 100% hochchromhaltigem Fe-Legierungspulver versehen ist, und beim Versuchsstück (C), das mit einem Plasma-Sprilzüberzug aus der Pulvermischung aus 10% Fe/Ni-Legierung und 90% hochchromhaltiger Fe-Legierung versehen ist. Die zweitgrößten Reibungskoeffizienten ergaben sich beim Versuchsstück (D), das mit einem Plasma-Spritzüberzug aus der Pulvermischung aus 30% Fe/Ni-Legierung und 70% der hochchromhaltigen Fe-Legierung versehen ist, und beim Versuchsstück (E), das mit einem Plasma-Spritzüberzug aus der Pulvermischung aus 70% Fe/Ni-Legierung und 30% hochchromhaltiger Fe-Legierung versehen ist. Den kleinsten Reibungskoeffizienten besaß das Versuchsstück (A), das mit Chrom beschichtet ist.

Man hat ebenfalls versucht, den oben genannten Versuch beim Plasma-Spritzüberzug durchzuführen, bei dem man 100% Fe/Ni-Legierungspulver verwendet, jedoch war es wegen der geringen Hafteigenschaften unmöglich, eine Spritzüberzugsschicht mit einer bestimmten Dicke von 0,2 bis 0,3 mm zu erhalten.

Beispiel 2

Eine Endfläche eines Stempels mit einer Seitenlänge von 8 mm in quadratischer Form wurde denselben Behandlungen (A) bis (F) wie die des Beispiels 1 unter denselben Bedingungen wie beim Beispiel 1 unterworfen, wobei die Dicke der Schichten 0,25 bis 0,30 mm betrug. Jede der spritzüberzogenen Oberflächen wurde geschliffen. Bei der Verwendung einer Gleitabrieb-Versuchsvorrichtung wurde die spritzüberzogene Oberfläche mit der äußeren Unifangsfläche eines Versuchsstücks aus Gußeisen (JIS FC25) als Gcgenelcinenl in Berührung gebracht, das einen Außendurchmesser von 50 mm. einen Innendurchmesser von 30 mm und eine

Breite von 10 mm besitzt, und wurde bei 225 Upm (0,59 m/sec) unter einer Belastung von 100 kg rotierend angetrieben, um den Abriebversuch eine Stunde lang durchzuführen, wobei Motorenöl SAK 30 zugeführt wurde. ■>

Die Ergebnisse waren so wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, in der die obere Seile die abgeriebenen Mengen (Verluste durch Abrieb, mg) der Gegenelemenle, die untere Seite die abgeriebenen Mengen (Breite der Abriebspur, mm) in den Endflächen der Stempel to dargestellt und die Symbole (A) bis (F) denen der spritzüberzogenen Materialien der Wcrkbeispiele entsprechen, um die Abriebergebnisse anzugeben. Fig. 1 und die Betrachtung der Endflächen der flachen Scheiben während des Versuchs lehren die folgenden Tatsachen.

Die Endfläche des Stempels (A), der mit Chrom beschichtet ist, begann nur wenig später als 10 Minuten an zu rauchen und fraß sich mehr fest als in normalem Zustand. Die Chromschicht besaß eine Vickershärte von 900 bis 1100 und wurde wenig abgerieben, weil sie hart war, bewirkte jedoch, daß unter allen anderen Versuchsstücken dieses Gegenelemenl am deutlichsten bemerkbar abgerieben wurde. Das Versuchsstück (B), das mit einem Flammspritzüberzug aus Molybdän 3-5 versehen ist, besaß eine Vickershärte von 600 bis 800 und wurde in großen Mengen abgerieben, wenn es sich auch nicht festfraß. Die vergröberte Oberfläche der Spritzüberzugsschicht bewirkte jedoch, daß das Gegenelement in großen Mengen abgerieben wurde. Das 31) Versuchsstück (F), das mit einem Plasma-Spritzüberzug aus 100% hochchromhaltiger Fe-Legierung versehen ist, begann nur wenig später als 30 Minuten an zu rauchen und wurde in nicht so großen Mengen abgerieben, bewirkte jedoch, daß das Gegcnelement in großen Mengen abgerieben wurde.

Andererseits haben sich jedoch das Versuchsstück (C), das mit einem Plasma-Spritzüberzug mit einer Pulvermischung aus 10% Fe/Ni-Legierung und 90% hochchromhaltiger Fe-Legierung versehen ist, das Versuchsstück (D), das mit einem Plasma-Spritzüberzug ans Her Piilvermischung aus 30% Fe/Ni-Legierung und 70% hochchromhaliiger Fe-Legierung versehen ist, und das Versuchsstück (E), das mit einem Plasma-Spritzüberzug aus der Pulvermischung aus 70% Fe/Ni-Legierung und 30% hochchromhaltiger Fe-Legierung versehen ist, die alle gemäß vorliegender Erfindung vorbereitet wurden, nicht festgefressen, sie wurden in Mengen abgerieben, die weit geringer sind als beim Versuchsstück (B), das mit einem Flammspritzüberzug aus Molybdän versehen ist, und sie bewirkten, daß die Gegenelcmente in geringen Mengen abgerieben wurden.

Was das Mischungsverhältnis des Fe/Ni-Legierungspulvers zum hochchromhaltigen Fe-Legierungspulver anbetrifft, so bleiben, wenn die Menge an Fe/Ni-Legierungspulver anwächst, die abgeriebenen Mengen des Versuchsstücks nahezu unverändert, jedoch verringern sich die abgeriebenen Mengen am Gegenelement.

Zusätzlich zu den oben genannten Beispielen ist es auch möglich, gemäß vorliegender Erfindung als Fc/Ni Legierung (Fe, 35 bis 55% Ni, 0 bis 8% Cr, 4 bis 10% Si, 0 bis 2% C und 0 bis 3% B) und als hochchromhaltige Fe-Legierung (Fe, 55 bis 70% Cr und 3 bis 9% C) zu verwenden. Ferner kann die hochchromhaltige Fe-Legierung so viel Silizium, Magnesium, Phosphor, Schwefel und dgl. enthalten, wie gewöhnlich in Kohlenstoffstählen enthalten sind.

Gemäß vorliegender Erfindung ist es notwendig, daß das Fe/Ni-Legierungspulver in einem Betrag von 5 bis 80% der gesamten Menge des Pulvers enthalten ist. Dies deshalb, weil bei kleinerer Menge an Fe/Ni-Legierungspulver als 5% das Gegenelement auf etwa dasselbe Maß wie in dem Falle abgetragen wird, in dem hochchromhaltiges Fe-Legierungspulver allein verwendet wird. Ferner besitzt zwar dann, wenn die Menge an Fe/Ni-Legierungspulver 80% übersteigt, das Material selbst eine gute Abriebfestigkeit, jedoch verschlechtert ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient die Haftfähigkeit, so daß es schwierig ist, die Überzugssehicht auf eine bestimmte Dicke (bspw. 0,2 bis 0,4 mm) zu spritzen, und darüber hinaus erfordert es erhöhte Herstellungskosten.

Wie oben erwähnt, zeigt das Gleitelement gemäß vorliegender Erfindung einen ausgezeichneten Widerstand gegenüber Abrieb. Verschleiß und Festfressen und verringert den Abrieb des Gegenelements auf ein Minimum. Deshalb ist das Gleitelement gemäß vorliegender Erfindung sehr nützlich als Gleiielement für Gleitflächen, wie bspw. an Kolbenringen, Zylinderbüchsen und Gleitflächen von Luftverdichtern für innere Verbrennungskraftmaschinen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gleitelement mit einer aufgespritzten Oberzugsschichl auf einem Grundmaterial, welche aufgespritzte Oberzugsschicht durch einen Piastna-Spritzüberzug aus einer Pulvermiscnung. die eint hochchromhaltige Fe-Legierung enthält, gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulvermischung 5 bis 80 Gewichtsprozent einer Fe/Ni-Legierung und 95 bis 20 Gewichtsprozent der hochchromhaltigen Fe-Legierung, basierend auf der Gesamtmenge der Pulvermischiing, enthält.

2. Gleitelemeni nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pul Vermischung 10 bis 70 Gewichtsprozent der Fe/Ni-Legierung und 90 bis 30 Gewichtsprozent der hochchromhaJtigen Fe-Legiemng enthält.