DE3545826A1 - Kolbenring - Google Patents
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Description
Riken Corporation Nürnberg, 23.12.1985
13-5 Kudan Kita-1-chome 25 581/82-GA
Chiyoda-ku
Tokyo/Japan
Tokyo/Japan
Kolbenring
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenring mit erhöhter
Verschleiß- sowie Abriebfestigkeit und insbesondere auf einen Kolbenring mit einer Elektroplattierschicht,
die dispergierte Partikel in einer Matrix aus einer Nickel-Kobalt-Phosphor- Legierung enthält.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, eine Hartverchromung anzuwenden, um die Verschleißfestigkeit eines Kolbenringes,
der einer Gleitbewegung mit hoher Geschwindigkeit in einer Zylinderbohrung unterworfen ist, zu verbessern.
Die Nachteile liegen hierbei darin, daß nicht nur das Aufbringen dieser Hartverchromung auf den Kolbenring viel
Zeit beansprucht, sondern auch die Verschleiß- und Abriebfestigkeit sowie die Korrosionsbeständigkeit des Kolbenringes
unter Problem leiden bzw. Probleme aufwerfen, wenn der Kolbenring in einem Motor verwendet wird, der verbleiten
Kraftstoff (Benzin) verbrennt oder einem Betrieb mit hoher Last ausgesetzt ist.
Um diese Probleme zu lösen, ist ein Plattierverfahren bekannt,
das sog. Verbundüberzug- oder Dispersionsplattierverfahren,
wobei verschleißfeste Partikel, wie Nitride, Karbide und Oxide eines Metalls, in eine Matrix (Grundmasse)
eines Grundmetalls, das z.B. Nickel und Phosphor enthält, einbezogen werden.
Durch geeignete Wahl des Materials, der Größe und der Menge der zu dispergierenden Partikel ist es mit einem solchen
Plattierungsverfahren möglich, eine Überzugsschicht zu
bilden, die überlegene und hervorragende Eigenschaften in bezug auf Verschleiß-, Abrieb- sowie Korrosionsbeständigkeit
aufweist, und man hat heutzutage damit begonnen, dieses Verfahren bei Zylindern und Kolbenringen anzuwenden.
Die verschleißfesten, in einer solchen Verbund-Plattierschicht dispergierten Partikel verbessern die Verschleißfestigkeit
der Überzugsschicht, jedoch kann, wenn die Menge an dispergiertem Material übermäßig ist, die mechanische
Festigkeit der galvanisierten Schicht vermindert werden. Andererseits kann die Zugabe von Phosphor (P) zur Matrix
der Verbund-Plattierschicht die Härte, die Abriebfestigkeit und die Korrosionsbeständigkeit der galvanisierten Schicht
verbessern, wenn diese einer Wärmebehandlung unterworfen wird, jedoch wird, wenn der Gehalt an P übermäßig ist,
die Matrix brüchiger und kann die Schlagfestigkeit der
Überzugsschicht herabgesetzt werden, was zu solchen Problemen führt, daß die Galvanisierschicht sich während des
Einsatzes im praktischen Betrieb abschält oder ablöst.
Ferner wirft eine herkömmliche Verbund-Plattierschicht Probleme beispielsweise in bezug auf eine Abnutzung des
an 1 ie-genden Bauteils, an dem sie entlanggleitet, und das ist im Fall eines Kolbenringes selbstverständlich die Zylinderbohrung,
in die er eingepaßt ist, auf.
Im Hinblick auf den Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, die oben herausgestellten sowie weitere
Probleme und Schwierigkeiten, die mit der herkömmlichen Verbund-Plattiersch—icht in Zusammenhang stehen, zu beseitigen
und einen Kolbenring mit einer Verbund-Galvanisierschicht zu schaffen, die überragende Eigenschaften in bezug
auf die Verschleiß-, Abrieb- sowie Korrosionsfestigkeit, wenigstens soweit die Gleitfläche betroffen ist, aufweist
und die dennoch die Zylinderbohrung, längs welcher sie gleitet, nicht übermäßig oder/und ungebührlich abnutzt»
Hierbei ist es ein Ziel der Erfindung, einen Kolbenring
mit einer galvanisierten Schicht zu schaffen, wobei ein Dispersionsmaterial innerhalb einer Matrix aus einer Nickel-Kobalt-Phosphor-Legierung
fein verteilt ist, der zur Verwendung in einem verbleiten Ottokraftstoff verbrennenden oder
in einem einer hohen Last ausgesetzten Motor geeignet ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist darin zu sehen, einen Kolbenring zu schaffen, der als Gleitfläche eine Verbund-Plattierschicht
hat, wobei in einer Matrix aus einer Ni-Co-P-Legierung ein granuliertes oder faseriges Dispersionsmaterial
fein verteilt ist.
Gemäß dem allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung werden d i e Auf gäbe und die verschiedenen Ziele gelöst bzw. erreicht,
und zwar durch einen Kolbenring, der eine Verbund-Galvanisierschicht wenigstens an einer Umfangsgleitfläche aufweist,
wobei diese Schicht eine Menge an harten Partikeln eines granulierten Dispersionsmaterial umfaßt, das in einer Matrix
eines im wes-entlichen aus einer Nickel-Kobalt-Phosphor-Legierung,
die etwa 10 bis etwa 40 Gew.-% an Kobalt, etwa 2 bis etwa 15 Gew.-% an Phosphor und als Rest im wesentlichen
Nickel enthält, bestehenden Grundmetalls fein verteilt ist.
Bei einer derartigen Zusammensetzung hat der Kolbenring eine gesteigerte Leistungsfähigkeit und ein verbessertes
Betriebsverhalten, und zwar sowohl im Hinblick auf einen Abrieb am Ring selbst wie auch an der Wand der Zylinderbohrung,
an der er gleitet, was durch die noch folgende Beschreibung von Beispielen bestätigt wird.
Gemäß einem mehr besonderen Gesichtspunkt werden die Aufgabe und die Ziele mit einem Kolbenring, wie er oben definiert
wurde, in ausgeprägterer sowie konkreterer Weise gelöst bzw. erreicht, wobei die Verbund-Galvanisierschicht des
weiteren eine Menge eines kurzfaserigen, in der Matrix aus Grundmetall fein verteilten Dispersionsmaterials enthält.
In einer solchen Zusammensetzung wirkt das kurzfaserige Dispersionsmaterial dahingehend, die galvanisierte Schicht
noch weiter zu verstärken und deren Verschleißkennwerte zu verbessern wie auch deren Bruch- sowie Abblätterkenngrößen
und -eigenschaften zu steigern.
Ferner werden die Aufgabe und die Ziele der Erfindung in besonderer und konkreter Weise vor allem mit einem Kolbenring,
wie er oben angegeben wurde, gelöst bzw. erreicht, wobei das granulierte Dispersionsmaterial des weiteren
eine Menge an schmierenden Partikeln in einem Anteil von etwa 5 bis etwa 35 Vol.-% enthält, die einen mittleren
Partikeldurchmesser von etwa 0,5 um bis etwa 20 pm haben.
In einer solchen Zusammensetzung sind die schmierenden
Partikel vor allem in dem Sinn wirksam, den Abrieb an der Wand der Zylinderbohrung, in der sich der Kolben hin- und
herbewegt, herabzusetzen, wie aus den Ergebnissen von Versuchen, auf die noch näher eingegangen werden wird, deutlich
wird.
Der Erfindungsgegenstand wird unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die er/jedoch nicht begrenzt ist, erläutert, wobei
räumliche Angaben als auf die jeweilige Figur bezogen zu verstehen sind. Es zeigen:
Fig. 1 eine beispielhafte Schnittdarstellung des Aufbaus
eines Teils einer Oberflächenschicht an einem Kolbenring in einer bevorzugten Ausführungsform gemäß
der Erfindung in 400-facher Vergrößerung;
Fig. 2 ein zweiseitiges Stabdiagramm, in dem die Versuchsergebnisse für Kolbenringe mit den Nr. 1a, 1b, 2a,
2b, 3a und 3b, von denen jeder eine Schicht aus einer Ni-Co-P-Legierung hat, in der harte Partikel
aus einem granulierten Dispersionsmaterial gemäß der Erfindung fein verteilt sind, mit Versuchsergebnissen
von herkömmlichen Kolbenringen verglichen werden und die Größe des Abriebs an jedem Ring sowie
an jeder Zylinderbohrung, in der dieser gleitet, angegeben sind, wobei diese Ergebnisse während einer
Motorversuchsperiode erhalten wurden;
Fig. 3 ein Kurvenbild über die Beziehung zwischen dem Gehalt
an kurzen, in einer auf einen Kolbenring galva-
nisierten Schicht gemäß der Erfindung dispergierten
Fasern und der Bruchfestigkeit der galvanisierten Schicht, wobei das Kurvenbild mit der in Fig. 6
gezeigten Versuchsvorrichtung erstellt wurde;
Fig. 4 und 5 eine teilweise abgebrochene und geschnittene Seitenansicht sowie eine Frontansicht eines wesentlichen
Teils einer Prüfmaschine zur Bestimmung der Verschleiß- und Freß- bzw. Abriebkennwerte von
Prüfstücken;
Fig. 6 eine lotrechte Seitenansicht, die darstellt, wie der Bruchfestigkeitsversuch für die galvanisierte
Schicht, dessen Ergebnisse in Fig. 3 zusammengestellt sind, durchgeführt wurde.
Der Dispersionsplattier- oder -galvanisiervorgang, nach
welchem der Kolbenring gemäß der Erfindung gefertigt wird, umfaßt den Schritt der Ausbildung einer plattierten Schicht
auf der Oberfläche des Kolbenringes durch dessen Eintauchen in ein Galvanisierbad zur Hertellung der galvanisierten
Schicht in einem Elektroplattier- oder stromlosen Plattierverfahren. Das heißt mit anderen Worten, daß harte, verschleißfeste
Partikel, die als ein Dispersionsmaterial dienen, in einem Plattierbad für eine Plattierung einer
Ni-Co-P-Legierung suspendiert werden, wobei gewünschtenfal 1 s auch schmierende Materialpartikel oder alternativ und wahlweise
kurzfaseriges Dispersionsmaterial in dem Plattierbad
suspendiert werden, worauf der Kolbenring in das Bad getaucht wird. Auf diese Weise wird eine Überzugsschicht
an der Oberfläche des Kolbenringes gebildet, wobei diese Dispersionsmaterialien in einem im wesentlichen aus einer
Ni-Co-P-Legierung bestehenden Grundmetall dispergiert sind.
In Fig. 1, die eine vergrößerte, schematische Schnittdarstellung eines beispielhaften Aufbaus einer solchen Überzugsschicht
in einer bevorzugten Ausführungsform gemäß
der Erfindung zeigt, ist auf einem Kolbenringrohling 1
eine vorgalvanisierte Ni-Zwischenschicht 2 ausgebildet, über der eine galvanisierte Schicht 3, in der verschleißfeste
Partikel 4 und schmierende Partikel 5 in einem im wesentlichen aus einer Ni-Co-P-Legierung bestehenden Grundmetall
dispergiert sind, ausgebildet ist.
Es wurde eindeutig festgestellt, daß in der galvanisierten
Schicht enthaltener Phosphor die Härte der Matrix der Grundmetallegierung durch einen härtenden Wärmevorgang
erhöht und eine ausgezeichnete Wirkung in bezug auf eine Steigerung der Verschleiß- sowie Korrosionsfestigkeit hervorruft.
Es hat sich aber auch herausgstelIt, daß diese Wirkung gering ist, wenn der Gehalt an P in der Grundmetalllegierung
geringer als 2 Gew.-% ist, wie sich auch gezeigt hat, daß dann, wenn der P-Gehalt über 15 Gew.-% liegt,
die Grundmetallegierung spröde wird und die Schlagfestigkeit
sowie die Haf—^eigenschaften der galvanisierten Schicht
beeinträchtigt werden. Deshalb wird erfindungsgemäß der
P-Gehalt in der Grundmetallegierung vorzugsweise als im Bereich von etwa 2 bis etwa 15 Gew.-% liegend bestimmt,
vor allem wird der Bereich von etwa 3 bis etwa 10 Gew.-% bevorzugt.
Es wurde des weiteren festgestellt, daß bei einer Zugabe
von Co zur Grundmetallegierung nicht nur die Verschleißsowie
Korrosionsfestigkeit, sondern auch die Bruch- sowie
Dauerfestigkeit der Grundmetallegierung gesteigert werden.
Wenn der Co-Gehalt geringer ist als 10%, so wurde festgestellt,
daß die oben erwähnte Steigerung nicht in nennenswertem Ausmaß erhalten wird, wie sich auch herausgestellt
hat, daß bei einem Co-Gehalt von mehr als 40% keine weitere wesentliche Steigerung mit anwachsendem Co-Gehalt erhalten
wird. Erfindungsgemäß liegt deshalb der Co-Gehalt in der
Grundmetallegierung im Bereich von etwa 10 bis etwa 40
Gew.-% und vor allem im Bereich von etwa 10 bis etwa 30 Gew.-%.
Der Rest der Metallegierung ist erfindungsgemäß im wesentlichen
Ni, wobei der Ni-Gehalt folglich vonetwa45bis etwa 88 Gew.-56 reicht. Es hat sich gezeigt, daß die Verwendung
von Ni dahingehend wirkt, die Korrosionsfestigkeit und Oxydationsbeständigkeit der galvanisierten Schicht bei
hohen Temperaturen zu steigern.
Die harten, verschleißfesten, in der Matrix zu dispergierenden Teilchen können Partikel aus Aluminiumoxid, Siliziumnitrid,
Siliziumkarbid, Titanborid, Titankarbid oder von anderen Metallnitriden, -karbiden, -oxiden od. dgl. sein.
Wenn der Partikeldurchmesser der harten, abriebfesten,
dispergierten Teilchen geringer als etwa 0,3- pm ist oder wenn deren Anteil in der galvanisierten Schicht unter etwa
5 Vol.-% liegt, so hat sich erwiesen, daß ihre Wirkung in bezug auf eine Steigerung der Verschleißfestigkeit
schwach ist. Wenn der Partikeldurchmesser größer als etwa 10 pm wird oder ihr Anteil etwa 30 Vol.-% übersteigt, dann
hat sich gezeigt, daß die Festigkeit der Galvanisierschicht
zu einer Verminderung tendiert. Deshalb wird gemäß der Erfindung ein mittlerer Durchmesser für die verschleißfesten
Partikel von etwa 0,3 pm bis etwa 10 pm bevorzugt, während ihr Anteil bevorzugterweise etwa 5 bis etwa 30
Vol.-% betragen soll. Es wurde ferner festgestellt, daß
es noch besser ist, den mittleren Durchmesser mit etwa 0,5 pm bis etwa 5 pm und den Anteil mit etwa 15 bis etwa
25 Vol.-% zu wählen. Durch das Dispergieren dieser harten, abriebfesten Partikel im Grundmetall der galvanisierten
Schicht werden die Verschleiß- sowie Abriebbeständigkeit der galvanisierten Schicht auf dem Kolbenring erhöht.
Ferner besteht eine spezielle Möglichkeit der Erfindung
darin, zusätzlich zu den abriebfsten Partikeln im Grundmetall
der galvanisierten Schicht schmierende Partikel zu dispergieren, wodurch eine weitere Steigerung in der Verschleißfestigkeit
und insbesondere auch eine Verminderung in der Abnutzung am zugehörigen Bauteil, d.h. der
Zylinderbohrung, in der der Kolbenring gleitet, zu erlangen ist. Typische Materialien für schmierende Partikel sind
beispielsweise Molybdändisulfit, Graphitfluorid, Bornitrid,
Graphit, Glimmer, Teflon und andere schmierende Festkörpermaterialien mit niedrigem Reibungskoeffizienten, die die
Fähigkeit der Spaltung haben.
Die geeignete mittlere Partikelgröße der schmierenden Teilchen,
die in der Matrix des Grundmetalls zu dispergieren sind, kann in Abhängigkeit von dem für diese schmierenden
Partikel verwendeten Material variieren, jedoch wurde festgestellt, daß die Zugabe solcher schmierenden Partikel
eine wenig förderliche Wirkung bringt, wenn deren mittlerer Durchmesser geringer als etwa 0,5 Mm oder wenn ihr
Anteil in der galvanisierten Schicht kleiner als etwa 5 Vol.-% ist. Es wurde jedoch auch festgestellt, daß die
mechanische Festigkeit der galvanisierten Schicht vermindert
und damit möglicherweise ein Abschälen dieser Schicht im praktischen Betrieb hervorgerufen wird, wenn der mittlere
Durchmesser dieser schmierenden Partikel größer als etwa 20 um oder wenn ihr Anteil größer als etwa 35 Vol.-%
ist. Gemäß der Erfindung wird deshalb für die schmierenden Partikel ein mittlerer Durchmesser von etwa 0,5 pm bis
etwa 20 μπι und ein Anteil dieser mit etwa 5 bis etwa 35
Vol-% bevorzugt. Es wurde aber auch festgestellt, daß es
noch mehr zu bevorzugen ist, den mittleren Durchmesser der schmierenden Partikel mit etwa 1 gm bis etwa 10 um
vorzusehen und deren Anteil mit etwa 5 bis etwa 20 Gew.-% zu wählen.
Die Gesamtmenge an abriebfesten sowie schmierenden Partikeln innerhalb der Matrix liegt im Hinblick auf die Aufrechterhaltung
einer guten mechanischen Festigkeit der galvanisierten Schicht erstrebenswerterweise - und das hat sich
aus den Ergebnissen von verschiedenen Versuchen bzw. Prüfungen gezeigt - bei weniger als oder bei gleich 40 Vol.-%.
Des weiteren ist es wahlweise möglich, kurze Fasern, sog. Whiskers, im Grundmetall der galvanisierten Schicht zusätzlich
zu den abriebfesten Partikeln und den möglicherweise
vorhandenen schmierenden Partikeln zu dispergieren, und es hat sich gezeigt, daß durch ein Dispergieren eines solchen
kurzfaserigen Materials in der galvanischen Schicht deren Brüchig- oder Sprödigkeit verbessert werden kann.
Gemäß den Ergebnissen von verschiedenen genauen Untersuchungen mit und an dem Erfindungsgegenstand wurde festgestellt,
daß der mittlere Durchmesser der Fasern des kurzfaserigen Materials vorzugsweise von etwa 0,05 um bis etwa 1,0 Mm
gewählt werden soll. Ferner wurde festgestellt, daß für
das Verhältnis der mittleren Länge L der Fasern dieses Materials zum mittleren Durchmesser D ein Wert von etwa
50 bis etwa 200 vorzuziehen ist, weil dann, wenn dieses Verhältnis L/D gleich oder kleiner als 10 ist, die Gestalt
des kurzfaserigen Materials sich stark derjenigen von Partikeln
annähert und die durch diese dann erzielte Wirkung in bezug auf eine Verbesserung der galvanisierten Schicht
gering ist. Andererseits werden die kurzen Fasern, wenn ihre Länge groß und damit das Verhältnis L/D groß ist,
in der galvanisierten Schicht nicht ohne Schwierigkeiten
gleichmäßig fein verteilt.
Auch hat sich vom Gesichtspunkt der Festigkeit, Haftfähigkeit und Qualität der Überzugsschicht gezeigt, daß es vor-
zuziehen ist, den Anteil dieser kurzen Fasern in der galvanisierten
Schicht von etwa 5 bis etwa 20 Vol.-% festzusetzen.
Diese kurzen Fasern können beispielsweise im wesentlichen aus Metallnitriden oder Metallkarbiden, wie Siliziumnitrid
(Si3N4), bestehen. Die Fig. 3 zeigt einige Versuchsergebnisse,
die die Beziehung zwischen dem Gehalt an kurzfaserigem Material und der Bruchfestigkeit der galvanisierten
Schicht betreffen. Als Prüfstück wurde ein Kolbenring 22 (Fig. 6) verwendet, der an seiner Außenumfangsfläche einen
Verbundüberzug durch Anwendung eines Galvanisierbades trug, wobei dieses Bad so eingeregelt war, daß es eine Matrixlegierung
für die galvanisierte Schicht mit etwa 65% Ni,
etwa 30% Co und etwa 5% P lieferte, und wobei in dem Galvanisierbad kurzfaseriges Material aus Siliziumnitrid suspendiert
war. Wie die Fig. 6 zeigt, wurde der Kolbenring 22 zwischen einem festen Kopf 21 und einer an einem bewegbaren
Kopf 25 angebrachten Druckmeßdose 24 festgehalten, wobei
der Spalt 26 des Kolbenringes an einer Seite zwischen den Köpfen 21 und 25 lag. Als dann der bewegbare Kopf 25 aus
der in der Fig. 6 gezeigten Lage aufwärts verfahren wurde (Pfeil F), wurde der Kolbenring 22 zusammengedrückt, um
den Spalt 26 zu- verengen, was schließlich eine Rißbildung in der galvanisierten Schicht an der dem Ringspalt 26 gegenüberliegenden
Außenumfangsfläche des Ringes 22 hervorrief. An dieser Außenumfangsfläche wurde gegenüber dem Ringspalt
26 ein Dehnungsmeßstreifen 23 angeklebt, der mit einem Dehfiungsmeßgerät verbunden war. Da sich der Wert der Dehnung
(Formänderung) bei Auftreten eines Risses abrupt ändert, wurde der Druck an der Druckmeßdose 24 zu diesem
Zeitpunkt mit einer Aufzeichnungseinrichtung registriert und aus diesen Aufzeichnungen wurden die Bruchfestigkeiten
der galvanisierten Schichten auf verschiedenen Prüfringen bestimmt.
Die für diesen Versuch bzw. diese Prüfung verwendeten Kolbenringe hatten einen Nenndurchmesser von 94 mm, eine
Breite von 3 mm sowie eine Dicke von 3,5 mm, und ihr Grundkörpermaterial
war JIS.FCD70 (das entspricht ASTM.A536. 100-70-03), während die Stärke der galvanisierten Schichten
an ihren Außenumfangsflachen 0,1 mm betrug.
Die Fig. 3 läßt klar erkennen, daß durch Dispergieren von Fasern aus Siliziumnitrid (Si^N.) in der galvanisierten
Schicht die Bruchfestigkeit auf etwa das Doppelte erhöht werden konnte, daß aber bei einem Gehalt von gleich oder
weniger als 5 Vol.-% die Wirkung der Fasern ungenügend war, während bei einem über 20 Vol.-% liegenden Anteil
keine merkliche weitere Änderung in deren Wirkung auf eine Verbesserung der Bruchfestigkeit mit einem weiteren Anstieg
des Fasergehalts zu verzeichnen war. Wenn die Menge des dispergierten, kurzfaserigen Materials übermäßig war, so
wurde des weiteren eine Tendenz zur Entwicklung von Löchern in der Matrix des Grundmaterials, wie auch eine Neigung
dazu, daß die Oberfläche der galvanisierten Schicht grob
oder rauh wurde, festgestellt.
Es werden nun konkrete Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes und Ergebnisse von verschiedenen Versuchen
bzw. Prüfungen erläutert, wobei zuerst auf die für die Abrieb- und Verschleißprüfung bzw. Prüfung auf Fressen
verwendete Prüfmaschine eingegangen wird, die in den Fig. 4 und 5 schematisch gezeigt ist. Die Maschine wies eine
an einem Halter 11 lösbar befestigte Prüfscheibe 13 aus Gußeisen (JIS.FC25, was ASTM.A48.CLASS No. 40 entspricht),
das in typischer Weise für eine Zylinderbohrung in einem Motor verwendet wird, auf, deren Gleitfläche 12 durch
Honen feinbearbeitet war. Dem mittigen Teil der Gleitfläche 12 der Prüfscheibe 13 wurde durch eine von der Rückseite
des Halters 11 ausgehende Öleinspritzbohrung 14 Schmieröl
zugeführt.
Auf den Halter 11 wurde eine nach rechts gerichtete Druckkraft P von einer hydraulischen (nicht gezeigten) Vorrichtung
mit einem vorbestimmten Druckwert zur Wirkung gebracht.
Die Oberfläche eines Prüfstückhalters 16, der an einem
Drehkörper 15 gegenüber der Scheibe 13 befestigt war, wies vier Befestigungslöcher in gleichen Abständen rund um einen
zur Drehwelle 10 konzentrischen Kreis auf, und in jedem dieser vier Löcher war ein Prüfstück befestigt.
Durch Drehen der von einer (nicht gezeigten) Antriebsvorrichtung mit vorbestimmter Drehzahl gedrehten Welle 10 wurden
die Prüfstücke 17 gedreht, wobei deren Stirnflächen, die
2
5 mm groß waren, längs des damit zusammenwirkenden Teils der Gleitfläche 12 an der Prüfscheibe 13 eine Gleitbewegung ausführten. Die Prüfung wurde unter Zugabe von Schmieröl mit einer bestimmten Temperatur durch die öleinspritzöffnung 14 auf die Gleitfläche 12 durchgeführt.
5 mm groß waren, längs des damit zusammenwirkenden Teils der Gleitfläche 12 an der Prüfscheibe 13 eine Gleitbewegung ausführten. Die Prüfung wurde unter Zugabe von Schmieröl mit einer bestimmten Temperatur durch die öleinspritzöffnung 14 auf die Gleitfläche 12 durchgeführt.
Die Verschleißprüfung wurde durch Vergleichen der Abnutzungswerte
der Prüfstücke 17 und der Prüfscheibe 13, wenn das Prüfstück 17 längs der Scheibe 13 über eine bestimmte
Gleitstrecke unter einem bestimmten gegenseitigen Druck zwischen diesen Tei 1 en durch den drehenden Drehkörper 15 gleitend
bewegt wurde, ausgeführt.
Bei der Freß- oder Abriebprüfung wurde der Drehkörper
15 gedreht und dem Halter 11 auf Grund der Reibung zwischen der Gleitfläche 12 des Prüfstücks 13 und dem Prüfstück
17 ein Drehmoment T (Fig. 5) vermittelt, das auf eine Meßdose 19 über eine Spindel 18 zur Wirkung gebracht wurde.
Dieses Drehmoment T wurde proportional zum Anstieg des Drucks P erhöht und wurde abrupt vergrößert, wenn ein
Fressen zwischen dem Prüfstück 17 und der Gleitfläche der Scheibe 13 auftrat. Insofern konnte die Größe des Abriebwiderstandes
aus dem Druck P bewertet werden, wenn das Drehmoment T einem abrupten Anstieg unterlag, indem
die auf einer Änderung im Druck P beruhende Änderung im Drehmoment T an einem dynamischen Formänderungsmeßgerät
20 abgelesen wurde.
Als erster Vorgang wurde anfangs auf den Stirnflächen mit
5 mm einer Anzahl von Prüfstücken M aus einer für Kolbenringe
geeigneten Stahlart (JIS.SKD61, was ASTM.A681.H13
entspricht) gemäß einem herkömmlichen Nickel-Vorgalvanisierungsverfahren
eine Nickelschicht von etwa 5 um Dicke ausgebildet. Dann wurdeauf auf diesen Prüfstücken 17 in
einem zweiten Vorgang durch Galvanisierung eine Schicht
mit etwa 120 \im Dicke aus einem eine Ni-Co-P-Legierung
umfassenden Verbundmaterial unter Verwendung von Plattierbädern aufgebracht, die in der linken Spalte der beigefügten
Tabelle 1 definiert sind. Die Kombinationen und Zusammensetzungen des Dispersionsmaterials in den Plattierbädern sind
in der Tabelle 3 angegeben, d.h., die abriebfesten Teilchen waren Siliziumnitridpartikel (mittlerer Partikeldurchmesser
1 pm), die schmierenden Teilchen waren Bornitridpartikel (mittlerer Partikeldurchmesser 2-3 pm) und die
kurzen Fasern waren Siliziumnitridfasern (mittlerer Durchmesser
0,2 pm, Länge 10 - 20 pm).
Ferner wurden an anderen Prüfstücken 17 unter ähnlichen Voraussetzungen mit einem stromlosen Plattiervorgang unter
den in der rechten Spalte der Tabelle 1 angegebenen Bedingungen Verbund-Ni-Co-P-Beschichtungen mit etwa lOOpm Dicke
ausgebildet. Da die Haftung der gemäß diesem stromlosen
Ni-Co-P-Legierungsplattiervorgang erzeugten Plattierschicht
ausgezeichnet war, was es möglich, die einleitende Nickel-Vorgalvanisierung
wegzulassen.
Dann wurden in einem dritten Vorgang die Prüfstücke 17 einer Härtungsbehandlung durch Erhitzen auf 3700C für 1h
unterworfen. Die Heiztemperatur für diesen Härtungsvorgang einer solchen Plattierschicht aus einer Ni-Co-P-Legierung
kann im allgemeinen 200° - 45O0C betragen.
Die Tabelle 1 zeigt die chemische Zusammensetzung des Plattierbades,
die Tabelle 2 zeigt die Plattierbedingungen, die Tabelle 3 zeigt die Art und Menge der im Plattierbad
fein verteilten Materialien und die Tabelle 4 zeigt die Zusammensetzung der plattierten Schicht sowie die Mikro-Vickershärte
(HV).
(a) Abnutzungsprüfung
Zusätzlich zu den mit den unter den in den Tabellen 1,
2 und 3 aufgeführten Bedingungen erhaltenen Prüfstücken
ausgeführten Versuchen wurden zu Vergleichszwecken ähnliche Versuche an Prüstücken ausgeführt, die eine Hartverchromung,
durch Flammspritzen aufgebrachtes Molybdän, das in bezug
auf Abriebfestigkeit ausgezeichnet ist, und eine Beschichtung
aus einer Ni-P-Legierung ohne Co mit einem Quantum an darin fein verteilten Siliziumnitridpartikeln aufwiesen.
Als Schmieröl, das von der Einspritzbohrung 14 zugeführt wurde, wurde eine durch Zugabe von etwa 0,2 g/l Staub
(JIS Z8901 Grade 2, was der SAE-Körnungsklasse entspricht) in Motoröl SAE Nr. 30 - ein Typ, der tatsächlich in einem
verbleites Benzin verbrennenden Motor verwendet wird präpariertes öl benutzt. Während ein Hydraulikdruck P von
etwa 100 bar auf den Halter 11 zum Drehkörper 15 hin aufge-
bracht wurde, wurde dieser Drehkörper 15 gedreht, um eine Relativgeschwindigkeit von etwa 3 bis etwa 5 m/s zwischen
dem Prüfstück 17 sowie der Prüfscheibe 13 hervorzurufen, und dieser Prüfvorgang wurde festgesetzt, bis die Gleitstrecke
100 km erreichte. Die Prüfergebnisse sind in der Tabelle 5 wiedergegeben.
Aus der Tabelle 5 wird deutlich, daß die Abnutzung an den erfindungsgemäßen Prüfstücken Nr. 1a - 3b um etwa die Hälfte
bis ein Drittel gegenüber der Abnutzung an den herkömmlichen hartverchromten oder mit Molybdän flammgespritzten Prüfstücken
vermindert war, und daß auch die Abnutzung am damit zusammenwirkenden Bauteil (Gußeisen) auf einen Bruchteil
des vorherigen Betrags herabgesetzt war. Daraus wird klar, daß die gemäß der Erfindung gefertigten Prüfstücke eine
überragende Abriebfestigkeit bieten und der durch die Zugabe von Co erzielte Vorteil im Gegensatz zu dem Fall eines
mit einer Verbundplattierung aus einer Ni-P-Legierung ohne Co versehenen Prüfstücks offenbar ist. Die Prüfstücke
aus dem erfindungsgemäßen Material (Nr. 2a und 2b), dem das schmierende Material (Bornitrid) zugefügt war, zeigten,
daß die Abnutzung am zusammenwirkenden Bauteil (Gußeisen) ein ganz erheblich niedrigeres Ausmaß annahm. Die erfindungsgemäßen
Prüfstücke, die kurzfaseriges Verstärkungsmaterial
enthielten, d.h. die Prüfstücke Nr. 3a und 3b, zeigten für sich selbst das geringste Maß an Abrieb, wenngleich
der Abrieb am zusammenwirkenden Bauteil geringfügig größer war.
(b) Prüfung in bezug Verschleiß (Fressen) Es wurde das gleiche Schmieröl wie bei der Abnutzungsprüfung
verwendet. Während mit Hilfe einer hydraulischen Vorrichtung ein Druck P von etwa 40 bar auf den ortsfesten Halter 11
zum Drehkörper 15 hin aufgebracht wurde, wurde der Drehkör-
per 3 min lang gedreht, um eine Relativgeschwindigkeit
zwischen dem Prüfstück 17 und der Prüfscheibe 13 von etwa 8 m/s zu erzeugen, worauf der Druck schrittweise um jeweils
10 bar erhöht und in jeder Druckstufe für etwa 3 min aufrechterhalten wurde. Die Änderungen im Drehmoment T wurden
über die Meßdose 19 am dynamischen Formänderungsmeßgerät 20 aufgezeichnet. Der Druck, bei dem das Fressen eintrat,
wurde als der Wert des Drucks, wenn ein abrupter Anstieg im Drehmoment T registriert wurde, bestimmt. Die Prüfergebnisse
sind in der Tabelle 6 wiedergegeben.
Gemäß der Tabelle 6 war der Flächendruck, bei dem das Fressen eintrat, an dem mit einer Ni-Co-P-Legierung mit fein
verteiltem Siliziumnitrid plattierten Prüfstück eineinhalbmal größer als der Druck bei dem hartverchromten Prüfstück
und er war um etwa 10 - 20 bar größer als bei dem bekannten, mit Molybdän flammgespritzten Prüfstück. Ferner zeigte
das Prüfstück, in dem das schmierende Bornitrid dispergiert war, einen um etwa 30 - 40 bar größeren Wert als das mit
Molybdän flammgespritzte Prüfstück.
Das Prüfstück, in dem sowohl Siliziumnitridpartikel wie
auch kurze Fasern aus Siliziumnitrid dispergiert waren, zeigte ein gleichartiges Betriebsverhalten wie ein Prüfstück,
in dem Silizium- wie Bornitridpartikel fein verteilt waren. In beiden Fällen erwies sich der Erfindungsgegenstand
gegenüber den herkömmlichen Prüfstücken als weit überlegen.
(c) Motorprüfung
Die erfindungsgemäße Verbund-Plattierschicht wurde auf
eine Außenumfangsflache eines ersten Kompressionskolbenringes
aus Stahl mit einem Nenndurchmesser von 86 mm, einer Breite von 1,5 mm und einer Dicke von 3,3 mm aufgebracht,
der in einen wassergekühlten Vierzylindermotor mit einer
Bohrung von 86 mm Durchmesser eingebaut wurde. Nach Durchführung einer Dauer- oder Beständigkeitsprüfung mit hoher
Geschwindigkeit bei 6200 U/min für 100h unter Verwendung von verbleitem Benzin wurden die Abriebbeträge der Gleitflächen
des Kolbenringes und der Inennfläche der mit diesem zusammenwirkenden Zylinderlaufbuchse, die aus Gußeisen
(FC25) bestand, gemessen. Die Matrix in der Verbund-Plattierschicht
des Kolbenringes war aus 25 Gew.-% Co und 3,5 Gew.-%
P sowie als Rest im wesentlichen Ni zusammengesetzt. Diese Prüfung wurde dreimal unter Verwendung der folgenden
drei Arten von Dispersionsmaterial wiederholt: (1) 20 Vol.-% von harten Siliziumnitridpartikeln mit einem
mittleren Partikeldurchmesser von etwa 0,8 pm; (2) 20 Vol.-%
von harten Siliziumnitridpartikeln mit einem mittleren Partikeldurchmesser von etwa 0,8 pm und 15 Vol.-% an Bornitridpartikeln
mit einem mittleren Partikeldurchmesser von etwa 3 pm; (3) 20 Vol.-% an harten Siliziumnitridpartikeln
mit einem mittleren Partikeldurchmesser von etwa 0,8 pm
und 15 Vol.-% von kurzen Siliziumnitridfasern mit einer
mittleren Länge von etwa 10 - 20 pm sowie einem Durchmesser
von 0,2 pm. Die Versuchsergebnisse sind in dem Stabdiagramm von Fig. 2 aufgetragen, in dem die Prüfergebnisse mit solchen
verglichen werden, die unter Verwendung von den Vergleichsprüfstücken erhalten wurden, welche denen in den vorher
erläuterten Abnutzungsprüfungen entsprechen, d.h. der hartverchromte
Kolbenring, der mit Molybdän flammgespritzte
Kolbenring und der mit Ni-P-Legierung mit dispergiertem
Siliziumnitrid plattierte Kolbenring.
Der Abrieb an den erfindungsgemäßen Kolbenringen betrug
im Vergleich zum hartverchromten sowie zum mit Molybdän flammgespritzten Kolbenring etwa ein Fünftel, der Abrieb
am zusammenwirkenden Bauteil betrug etwa ein Drittel, womit bewiesen ist, daß die erfindungsgemäßen Kolbenringe eine
überlegene Abriebfestigkeit aufweisen. Selbst wenn die Kolbenringe gemäß der Erfindung mit dem mit Ni-P-Legierung
mit dispergiertem Siliziumnitrid plattierten Prüfstück
verglichen werden, so ist zu erkennen, daß der Abrieb an erfindungsgemäßen Kolbenringen etwa die Hälfte des Abriebs
am Vergleichsprüfstück beträgt und daß der Abrieb am zusammenwirkenden
Bauteil (ZyIinderbohrung) ganz erheblich geringer ist, so daß also eine Steigerung in der Abriebbeständigkeit
erwiesen und die Wirkung der Zugabe von Kobalt dargelegt sind. Der Fig. 2 ist auch zu entnehmen, daß das
Prüfstück mit darin fein verteiltem Bornitrid als Schmiermaterial im Vergleich zu dem Prüfstück, in dem nur Siliziumnitrid
dispergiert ist, weniger zu einem Abrieb am zusammenwirkenden Bauteil neigt. Ferner wurden, wenn sowohl
Siliziumnitrid wie.auch kurze Fasern fein verteilt vorhanden
waren, die Sprödigkeit der galvanisierten Schicht verbessert und das Auftreten eines Abblätterns oder Abschälens
vermindert.
Tabelle 1 | stromloses Plattieren | |
(Gramm/Liter) | 25 g/l | |
Plattierbad | Elektroplattieren | 5 |
Nickelsulfat | 200 g/l | - |
Kobaltsulfat | 30 | 30 |
Ni ekel chi or id | 30 | - |
Natrium- Hypophosphit |
2 | i 16 |
Borsäure | 30 | 24 |
Sukzinsäure (Butandi säure) |
_ | |
Malinsäure | _ | |
Bemerkung: die Zusammensetzungen der Dispersionsmaterialien
sind in Tabelle 3 aufgeführt.
0C) | Elektroplattieren | stromloses Plattieren | |
Temperatur ( | 50 - 53 | 90 | |
pH | 4,5 | 4,2 | |
Stromdichte | |||
(A/drn ) | 8 | - | |
Plattierzeit (h)
SUN4-Pa-rtikel
BN-Partikel
kurze SigN.-Fasern
Tabel | 1 | e | 3 | 1a | Prüf | stück | 1 | Nr. | 1 | 2b | 3b |
(Gramm/ | L | i | ter) | 60 | 2a | 3a | 5 | b | 1 | ,5 | 3 |
0 | 60 | 60 1 | 0 | 5 | ,5 | .0 | |||||
0 | 60 | 0 | 0 | 0 | 2 | ||||||
0 | 20 | ||||||||||
Bemerkung: Nr. 1a, 2a, 3a bei Elektroplattierverfahren
verwendet;
Nr. 1b, 2b, 3b bei stromlosem Plattierverfahren
verwendet.
Antei 1
Nickel Phosphor Kobalt Si3N4-Partikel
BN-Partikel
kurze Si^-Fasern Härte (HV)
Tabelle 4 | 1a | Prüf 2a |
stück 3a |
Nr. 1b |
2b | 3 b |
68 | 68 | 68 | 64 | 64 | 65*1 | |
8 | 8 | 8 | 12 | 12 | 12*1 | |
20 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20*1 | |
25 | 20 | 20 | 25 | 20 | 20*2 | |
0 | 15 | 0 | 0 | 15 | 0*2 | |
0 | 0 | 16 | 0 | 0 | 14*2 | |
950
1030
Bemerkung: *1 Gew.-% *2 Vol.-%
Oberflächenbehandlung Prüfstück
Hartverchromung
Flammspritzen mit
Molybdän
Molybdän
Ni-P-Legierungsplattierung mit dispergiertem Si3N4
Ni-Co-P-Legierungsplattierung mit dispergiertem
Si3N4
Ni-Co-P-Legierungsplattierung mit dispergiertem
Si3N4 und BN
Ni-Co-P-Legierungsplattierung mit Dispersion aus Si3N4 und kurzen
Si3N4-Fasern
25 21
15
Nr.1a Nr.1b
Nr.3a Nr.3b
Nr.2a Nr.2b
zusammenwirkendes Bautei 1
16
2 2
1,5 1,5
3 3
Oberflächenbehandlung Oberflächendruck bei
Eintreten des Fressens TbITFl
Hartverchromung 110
Flammspritzen mit
Molybdän 150
Ni-P-Legierung splat-
tierungmitdispergier-
tem Si3N 160 - 170
Ni-Co-P-Legierungsplattierung
mit dispergiertem Si-,Ν.
Ni-Co-P-Legierungsplattierung mit dispergiertem
Si3N4 und BN
Ni-Co-P-Legierungsplattierung mit Dispersion
aus Si3N. und kurzen
aus Si3N. und kurzen
S i - N - - F a s e r η
Nr. | 1a | 170 - | 180 |
Nr. | 1b | 170 - | 180 |
Nr. | 2a | 180 - | 190 |
Nr. | 2b | 180 - | 190 |
Nr. | 3a | 180 - | 190 |
Nr. | 3b | 180 - | 190 |
- Leerseite -
Claims (7)
1. Kolbenring mit einer wenigstens an seiner Außenumfangsfläche
befindlichen Verbund-Plattierschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbund-Plattierschicht ein
Quantum an harten Partikeln eines in einer Matrix eines Grundmetalls, das im wesentlichen aus einer Ni-Co-P-Legierung
besteht, die etwa 10 bis etwa 40 Gew.-% an Co, etwa 2 bis etwa 15 Gew.-% an P und als Rest im
wesentlichen Ni enthalt, fein verteilten, granulierten Dispersionsmaterials aufweist.
2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbund-Plattierschicht ferner ein Quantum eines in der Matrix des Grundmetalls fein verteilten,
kurzfaserigen Dispersionsmaterials enthält.
3. Kolbenring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das granulierte Dispersionsmaterial im wesentlichen
entweder ein Karbid, ein Nitrid oder ein Oxyd eines Metalls umfaßt, wobei die Partikel einen mittleren
Partikeldurchmesser von etwa 0,3 pm bis etwa 10um
ORIGINAL INSPECTED
haben und in einem Anteil von etwa 5 bis etwa 30 VoI.-0/.
vor 1 iegen.
4. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das granulierte Dispersionsmaterial
ferner ein Quantum an schmierenden Partikeln umfaßt, wobei die schmierenden Partikel einen mittleren Partikeldurchmesser
von etwa 0,5 μm bis etwa 20 pm haben
und in einem Anteil von etwa 5 bis etwa 35 Vol.-% vor-1iegen.
5. Kolbenring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das granulierte Dispersionsmaterial im wesentlichen
ein Karbid, ein Nitrid oder ein Oxyd eines Metalls umfaßt, wobei die Partikel einen mittleren Partikeldurchmesser
von etwa 0,3 μπι bis etwa 10 Mm haben sowie in
einem Anteil von etwa 5 bis etwa 30 VoI.-% vorliegen und daß das kurzfaserige Dispersionsmaterial im wesentlichen
aus kurzen Fasern entweder eines Karbids oder eines Nitrids eines Metalls besteht, wobei die Fasern
einen mittleren Durchmesser von etwa 0,5 μπι bis etwa 1 um habe, das Verhältnis der Länge zum Durchmesser
der Fasern etwa 50 bis etwa 200 beträgt und die Fasern in einem Anteil von etwa 5 bis etwa 20 \ldl.-% vorliegen.
6. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die harten Partikel im wesentlichen aus Siliziumnitrid
(Si-N.) bestehen.
7. Kolbenring nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die schmierenden Partikel im wesentlichen
aus Bornitrid (BN) bestehen.
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