DE3300058A1

DE3300058A1 - Sliding components

Info

Publication number: DE3300058A1
Application number: DE19633300058
Authority: DE
Inventors: Mitsuru Kashiwazaki Niigata Furuichi; Fujito Itabashi; Satoru Sato
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1982-01-07
Filing date: 1963-04-02
Publication date: 1983-07-14
Also published as: JPS6023198B2; JPS58117896A

Abstract

A sliding iron component of high abrasion resistance, which is suitable particularly for use in sliding operation at high speed, is characterised by a nitride layer on an electroplated iron layer with finely dispersed silicon carbide additive particles.

Description

Gleitende Bauteile Sliding components

Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf gleitende Bauteile, insbesondere auf solche Bauteile, die in Gleitberührung mit einem angepaßten Bauteil bei einer hohen Geschwindigkeit verwendet werden und eine hohe Abriebfestigkeitseigenschaft haben, die durch eine neuartige Oberflächenbehandlung erhalten wird. Description The invention relates to sliding components, in particular on those components that are in sliding contact with an adapted component at a high speed and high abrasion resistance property which is obtained through a new type of surface treatment.

Kolbenringe, die im allgemeinen mit Zylindern oder Zylinderlaufbuchsen bei hoher Geschwindigkeit in Berührung sind, müssen eine relativ hohe Abriebfestigkeit haben.Piston rings, generally with cylinders or cylinder liners Are in contact at high speed, must have a relatively high resistance to abrasion to have.

Bisher wurden solche Ringe mit einer Hartverchromung an ihren Gleitflächen in weitem Umfang verwendet. Eine hohe Abriebfestigkeit der Hartverchromung ist bestens bekannt, jedoch werden für den Galvanisier- oder Plattiervorgang ziemlich viele Arbeitsstunden benötigt, und hohe Kosten sind aufzuwenden, um eine Gefährdung der öffentlichen Sicherheit durch die Abwässer zu verhindern, was einen wirtschaftlichen Nachteil darstellt. Andere Oberflächenbehandlungsverfahren umfassen eine Dispersionsplattierung unter Verwendung von harten Partikeln, wie Siliziumkarbidpartikel, die in der aus Elementen der Gruppe 8A des periodischen Systems, z.B. Eisen, Kobalt oder Nickel, gebildeten Grundmasse dispergiert werden, und eine Molybdänbeschichtung, die durch Flammspritztechniken aufgebracht wird, um die Einlaufeigenschaften zu verbessern.So far, such rings have been hard chrome plated on their sliding surfaces widely used. A high abrasion resistance of the hard chrome plating is best known, however, quite a few become for the electroplating or plating process Man hours required and high costs are incurred in order to compromise public safety through the sewage to prevent what an economic Disadvantage. Other surface treatment methods include dispersion plating using hard particles such as silicon carbide particles, those in the from elements of group 8A of the periodic table, e.g. iron, cobalt or nickel, formed matrix are dispersed, and a molybdenum coating, which is applied by flame spraying techniques to increase the running-in properties to enhance.

Kolbenringe, die der r oben erwähnten Oberflächenbeha.ndlung unterworfen wurden, bieten eine erhöhte VerschleitSfestigkeit, man stellte aber fest, daß sie be-i Verwendung in einem hochoktaniges Benzin verbrennenden Motor einem relativ starken Abrieb unterliegen, der die freie Zeitspanne zwischen aufeinanderfolgenden Inspektionen verkürzt.Piston rings that have been subjected to the surface treatment mentioned above offer increased wear resistance, but it was found that they be-i use in a high-octane gasoline engine to a relative subject to severe abrasion, which is the free time between successive Shortened inspections.

Es ist ein Ziel de.r Erfindung, gleitende Bauteile mit einer überragenden Eigenschaft bezüglich Abriebfestigkeit zu schaffen, was durch eine ganz bestimmte Oberflächenbehandlung zu erreichen ist, wobei wenigstens an der gleitenden Oberfläche einer Eisen-.Grundmasse eine Eisenplattierschicht mit darin dispergierten Siliziumkarbidpartikeln mit einer mittleren Größe von 0,5 - 3,0 p vorhanden ist und die Oberfläche der Eísenptattierschicht aus einer Nitridschicht gebildet wird.It is an object of the invention to provide sliding components with a superior Ability to create abrasion resistance, something by a very specific one Surface treatment is to be achieved, at least on the sliding surface an iron base, an iron plating layer with silicon carbide particles dispersed therein with a mean size of 0.5-3.0 p is present and the surface of the iron padded layer is formed from a nitride layer.

Bei der Herstellung eines gleitenden Bauteils gemäß der Erfindung wird die Gleitfläche des unbehandelten Ringes einem EisenplattiervorSana in einem Eisen-Galvanisierbad, das darin dispergierte Siliziumkarbidpartikel enthält, unterworfen, und es wird an der Fläche eine Eisenplattierschicht mit darin verteilten Siliziumkarb.id.partikeln ausgebildet (diese Schicht wird im folgenden als Dispersions-Eisenüberzugsschicht bezeichnet), worauf sie dem Nitrierverfahren unterworfen wird. Das Nitrierverfahren kann ein Gasnitrier-, Weichnitrier-, Salzbadnitrier- oder Eisenn-itrierverfahren sein. Der unbehandelte Ring kann aus Gußeisen, Stahl, einer Sinterlegierung auf Eisenbasis oder einer hitzebeständigen Legierung auf Eisenbasis gefertigt sein.In the manufacture of a sliding component according to the invention the sliding surface of the untreated ring becomes an iron plating process in one Iron electroplating bath containing silicon carbide particles dispersed therein, subjected, and an iron plating layer with silicon carbide particles dispersed therein becomes on the surface (this layer is hereinafter referred to as a dispersion iron coating layer labeled), whereupon it is subjected to the nitriding process. The nitriding process can be a gas nitriding, soft nitriding, salt bath nitriding or iron nitriding process be. The untreated ring can be made of cast iron, steel, an iron-based sintered alloy or a heat-resistant iron-based alloy.

Es ist von Vorteil, auf dem unbehandelten Ring vor dem Aufbringen der Dispersions-Eisenüberzugsschicht eine dünne, reine Eisenüberzugsschicht auszubilden, um die Haftungskennwerte der Dispersions-Eisenüberzugsschicht zu steigern.It is beneficial on the untreated ring prior to application to form a thin, pure iron coating layer of the dispersion iron coating layer, to increase the adhesion characteristics of the dispersed iron coating layer.

Die Fig. 1 ist-eine Mikrophotographie in 200facher. Vergrößerung und zeigt das Gefüge eines Schnitts eines der Gleitfläche dos gleitenden Bauteils gemäß der Erfindung benachbarten Teils.Fig. 1 is a photomicrograph in 200 times. Magnification and shows the structure of a section of one of the sliding surface dos sliding component according to the part adjacent to the invention.

In Fig. 1 sind die Grundmasse 1 des Ringes, eine reine Eisenüberzugsschicht 2, die Dispersions-Eisenüberzugsschicht 3 und harte Nitridschichten 4 sowie 5, von denen die Schicht 5 eire härtere Oberflächenschicht ist, zu erkennen. In der nitrierten Oberflächenschicht, die mit der durch Nitrierung gehärteten Eisengrundmasse innig verbunden ist, dispergierte Siliziumkarbidpartikel verbessern in ganz umfassender Weise die Verschleißfestigkeitseigenschaft. In Fig. 1 the base 1 of the ring is a pure iron coating layer 2, the dispersion iron coating layer 3 and hard nitride layers 4 and 5, of which the layer 5 is a harder surface layer can be seen. In the nitrided Surface layer that is intimate with the iron base hardened by nitriding related, dispersed silicon carbide particles improve in quite a comprehensive way Way the wear resistance property.

Die Durchschnittsgröße der Siliziumkarbidpartikel in der Dispersions-Eisenüberzugsschicht liegt vorzugsweise bei 0,5 - 3,0 p (Mikron). Feinere Partikel als 0,5 p sind ungeeignet, um die Verschleißfestigkeit zu steigern; grobere Partikel als 3,0 u machen die Schicht spröder, was während des Betriebs lokale Brüche hervorruft.The average size of the silicon carbide particles in the dispersed iron coating layer is preferably 0.5-3.0 p (microns). Particles finer than 0.5 p are unsuitable, to increase wear resistance; particles coarser than 3.0 u make up the layer more brittle, which causes local fractures during operation.

Der Gehalt an Partikeln in der Dispersions-Eisenüberzugsschicht beträgt vorzugsweise 5 - 30 Vol.-%. Ein geringerer Gehalt als 5% ist unzureichend, um die Verschleißfestigkeit zu verbessern; ein größerer Gehalt als 30% neigt dazu, den Verschleiß am anderen, angepaßten tsauteil zu erhöhen. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Gefüge ist die Stärke der Eisenüberzugsschicht 2 und der Dispersions-Eisenüberzugsschicht 3 in erwünschter Weise im Hinblick auf die mechanische Festigkeit größer als 5 u, und die zusammengefaßte Stärke der Nitridschichten 4 sowie 5 ist im Hinblick auf die Verschleißfestigkeitseigenschaft vorzugsweise größer als 25 p.The content of particles in the dispersed iron coating layer is preferably 5 to 30% by volume. A content less than 5% is insufficient to achieve the Improve wear resistance; a content greater than 30% tends to reduce the wear and tear to increase on the other, adapted tsauteil. In the structure shown in Fig. 1 is the thickness of the iron coating layer 2 and the dispersion iron coating layer 3 Desirably greater than 5 u in terms of mechanical strength, and the combined thickness of the nitride layers 4 and 5 is in view of the wear resistance property is preferably greater than 25 p.

Erläuterung von bevorzugten Ausführungsformen Die Umfangsflächen eines ersten Kolbenringes von.Explanation of Preferred Embodiments The peripheral surfaces of a first piston ring of.

77 x 1,2-x 3,2 mm und der Führungsringe eines Ölabstreifringes von 77 x 0,61 x 2,3 mm, die beide aus Stahl gefer-.77 x 1.2 x 3.2 mm and the guide rings of an oil control ring from 77 x 0.61 x 2.3 mm, both of which are made of steel.

tigt waren, wurden mit einer reinen Eisenüberzugsschicht mit einer Stärke von 10 u in der üblichen Weise versehen.were done with a pure iron coating layer with a Strength of 10 u provided in the usual way.

Dann wurde darauf eine Dispersions-Eisenüberzugsschicht auf eine Schichtstärke von 120 p bei einer Badtemperatur von 56 - 60°C und einer Stromdichte von, 6 A/dm2 unter Verwendung eines Galvanisierbades mit einer Basisflüssigkeit von 140 g/l an Eisen(II)-sulfat, 30 g/l an Borsäure, 180 g/l an Harnstoff und 150 ml/l an Glyzerin mit einem Gehalt von 80 g/l an Siliziumkarbidpartikeln einer Durchschnittsgröße von 1 ii sowie einer maximalen Größe von 3 u ausgebildet. Der Gehalt an Siliziumkarbidpartikeln in der daraus resultierenden Dispersions-Eisenüberzugsschicht betrug 25 Vol.-%. Anschließend wurde auf der Dispersionsüberzugsschicht mit dom üblichen Salzbadnitrierverfahren eine Nitridschicht mit einer Stärke von 20 u ausgebildet.Then, a dispersed iron coating layer was applied thereon to a layer thickness of 120 p at a bath temperature of 56 - 60 ° C and a current density of.6 A / dm2 using an electroplating bath with a base liquid of 140 g / l Iron (II) sulfate, 30 g / l of boric acid, 180 g / l of urea and 150 ml / l of glycerine with a content of 80 g / l of silicon carbide particles of an average size of 1 ii and a maximum size of 3 u. The content of silicon carbide particles in the resulting dispersed iron coating layer was 25% by volume. Then the dispersion coating layer was applied by the usual salt bath nitriding method a nitride layer having a thickness of 20 µ was formed.

Die auf diese Weise erhaltenen Ringe wurden in einem wassergekühlten 4-Takt-Motor mit vier Zylindern mit einer Bohrung von 77 mm eingebaut und in Prüfstandversuchen bei 100 h Laufzeit mit einem hochoktanigen Benzin als Brennstoff bei 5500 U/min und Vollast geprüft. Nach dem Prüflauf wurde der Abrieb an den Gleitflächen der der Prüfung unterworfenen Ringe und Zylinderlaufbuchsen - letztere waren aus Gußeisen FC 25 (das entspricht ASTM No. 35A oder 35B und DlN OG-25) gefertigt - bestimmt.The rings obtained in this way were cooled in a water 4-stroke engine with four cylinders with a bore of 77 mm installed and in test bench tests with a running time of 100 h with a high-octane gasoline as fuel at 5500 rpm and full load checked. After the test run, there was wear on the sliding surfaces of the rings and cylinder liners subjected to the test - the latter were out Cast iron FC 25 (this corresponds to ASTM No. 35A or 35B and DlN OG-25) manufactured - certainly.

Prüfstandversuch Nr. 1 Das Ergebnis dieses unter den oben genannten Bedingungen durchgeführten Versuchs, bei dem die erwähnten ersten Kolbenringe, herkömmliche Gußeisenringe von 77 x 1,5 x 3,3 mm als zweite Kolbenringe und herkömmliche verchromte Ringe von 77 x 0,61 x 2,3 mm als Ölabstreifringe verwendet wurden, ist in der Tabelle 1 aufgezeigt.Bench test No. 1 The result of this among the above Conditions carried out test in which the mentioned first piston rings, conventional Cast iron rings of 77 x 1.5 x 3.3 mm as second piston rings and conventional chrome-plated Rings of 77 x 0.61 x 2.3 mm used as oil control rings are shown in the table 1 shown.

Zu Vergleichszwecken wurde gleichartige Untersuchunger1 mit ersten Kolbenringen, die hartverchromte, mit Molybdän besprühte oder Siliziumkarbid-Dispersions-Kobaltüberzugsschichten als Gleitflächen hatten, durchgeführt. Die Stärke der Siliziumkarbid-Dispersions-Kobaltüberzugssch-icht auf einem der Vergleichsringe betrug 150 p und die Partikelgröße sowie der Gehalt an Siliziumkarbid waren gleichartig zu denen bei dem Erfindungsgegenstari. Die Prüfergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 1 angegeben.For purposes of comparison, similar investigations were carried out with the first Piston rings, the hard chrome plated, molybdenum sprayed or silicon carbide dispersion cobalt coating layers as sliding surfaces had carried out. The thickness of the silicon carbide dispersion cobalt coating layer on one of the comparison rings was 150 p and the particle size and the content of silicon carbide were similar to those in the subject of the invention. The test results are also given in Table 1.

Tabelle 1 1. Kolbenring Abrieb an 1. Abrieb an Zylinder-Kolbenring (u) laufbuohse (u) Erfindung 3 - 8 2 - 3 hartverchromt 20 - 30 2 - 3 mit Mo besprüht 8 - 12 2 - 3 SiC-Dispersions-Co-uberzugsschicht 4 - 10 2 - 3 Prüfstandversuch Nr. 2 Die Ergebnisse des zweiten Prüstandversuchs, der in derselben Weise wie der Prufstandversuch Nr. 1 durchgeführt wurde, wobei die oben erwähnten ölabstreifrinye, hartverchromte Ringe als erste Kolbenringe, herkömmliche Gul3eisenringe als zweite Kolbenringe verwendet wurden und diese Ringe die gleichen Abmssungen wie im Versuch Nr. 1 hatten, sind in der Tabelle 2 gezeigt. Table 1 1st piston ring wear on 1st wear on cylinder piston ring (u) Laufbuohse (u) Invention 3 - 8 2 - 3 hard chrome plated 20 - 30 2 - 3 sprayed with Mo 8 - 12 2 - 3 SiC dispersion Co coating layer 4 - 10 2 - 3 Bench test No. 2 The results of the second bench test carried out in the same way as the Test stand test No. 1 was carried out, with the above-mentioned oil stripping, Hard chrome-plated rings as the first piston rings, conventional cast iron rings as the second Piston rings were used and these rings had the same dimensions as in the experiment No. 1 are shown in Table 2.

Auch bei diesem Versuch wurden zu Vergleichszwecken gleichartige Versuche mit Ölabstreifringen mit hartverchromten, mit Molybdän besprühten oder mit Siliziumkarbid-Kobaltüberzugsschichten als Gleitflächen, wobei das Plattieren oder Beschichton in zum Versuch Nr. 1 gleicher WEise vorgenommen wurde, durchgeführt. Die Ergebnisse sind.ebenfalls in Ta-Tabelle 2 gezeigt. In this experiment, too, similar ones were used for comparison purposes Tests with oil control rings with hard chrome-plated, sprayed with molybdenum or with silicon carbide-cobalt coating layers as sliding surfaces, with plating or coating was carried out in the same way as in experiment no. 1. The results are also shown in Ta-Table 2.

Tabelle 2 Ölabstreifring Abrieb an Öl- Abrieb an Zylinderabstreifring (u) laufbuchse (p) Erfindung 8 - 12 2 - 3 hartverchromt 50 - 70 2 - 3 mit Mo besprüht 15 - 25 2 - 3 SiC-Dispersions-Co-Überzugss.chicht 10 - 15 2 - 3 Aus den oben angegebenen Versuchen folgt, daß Kolbenringe mit einer Siliziumkarbid-KobaltüberzlJgsschicht- eine bemerkenswerte Verschleißfestigkeit gegenüber den beiden anderen Vergleichsringen haben, daß aber ein gemäß der Erfindung ausgebildeter Ring eine demgegenüber noch gesteigerte Verschleißfestigkeit bietet. Table 2 Oil control ring Abrasion on oil abrasion on cylinder control ring (u) liner (p) invention 8 - 12 2 - 3 hard chrome plated 50 - 70 2 - 3 sprayed with Mo 15 - 25 2 - 3 SiC dispersion Co coating layer 10 - 15 2 - 3 From the above Tests follow that piston rings with a silicon carbide-cobalt coating layer a remarkable wear resistance compared to the other two comparison rings have that but one according to the invention trained ring one in contrast, offers even greater wear resistance.

Wie erwähnt wurde, können die gemäß der Erfindung ausgebildeten gleitenden Bauteile mit Vorteil als Kolbenringe in Brennkraftmaschinen, die hochoktaniges Benzin verbrennen, verwendet werden, und sie können ein weites Anwendungsfeld als Hochgescfiwindigkeits-Gleitbauteile sowie vielseitige Verwendung in der Industrie finden.As mentioned, those formed according to the invention can be sliding Components with advantage as piston rings in internal combustion engines, the high-octane gasoline burn, can be used, and they can find wide application as high-speed sliding components as well as diverse uses in industry.

Claims

Sliding components Patent claims 1. Sliding iron component, in particular for high speed operation, not indicated by at least one on a sliding surface on an electroplated iron layer with finely dispersed Nitride layer arranged with additive particles made of silicon carbide.

2. Iron component according to claim 1, characterized in that it is e k e'n n z e i c h n e t that the additive particles of silicon carbide in the electroplated iron layer have an average size of 0.5 to 3u.

3. Iron component according to claim 1 or 2, characterized in that g e k e n n z e i c h n e t that the content of additive particles made of silicon carbide 5 to 30 Vof .-% amounts to.