DE3802920C1

DE3802920C1 -

Info

Publication number: DE3802920C1
Application number: DE3802920A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl.-Ing. 5093 Burscheid De Buran; Hans-Jochem Dr. 5060 Bergisch Gladbach De Neuhaeuser
Original assignee: GOETZE AG 5093 BURSCHEID DE
Current assignee: GOETZE AG 5093 BURSCHEID DE
Priority date: 1988-02-02
Filing date: 1988-02-02
Publication date: 1989-05-03
Also published as: EP0326658A1; JPH01222040A

Description

Die Erfindung betrifft eine verschleißfeste Beschichtung auf den Laufflächen von auf reibenden Verschleiß ausgesetzten Maschinenteilen, wie insbesondere von Kolbenringen für Verbrennungskraftmaschinen, die überwiegend aus Molybdän besteht, und die in einem thermischen Spritzverfahren auf die Laufflächen aufgetragen ist.

Verschleißfeste Beschichtungen auf den Laufflächen von Kolbenringen für Verbrennungskraftmaschinen bestehen vielfach aus in einem thermischen Spritzverfahren aufgetragenem Molybdän. Molybdänschichten sind brandspursicher, und derartig beschichtete Kolbenringe können vorteilhaft in thermisch hoch belasteten Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden. Als thermische Spritzverfahren zum Aufspritzen des Molybdäns werden das Flammspritzverfahren und das Plasmaspritzverfahren angewendet, bei denen das Molybdän in einer Flamme aus brennbaren Gasgemischen beziehungsweise in einem Plasmalichtbogen aufgeschmolzen und, vom Gasstrom mitgerissen, auf den Kolbenring aufgespritzt wird.

Im Flammspritzverfahren aufgetragene Molybdänschichten besitzen trotz einer hohen Härte eine geringere Verschleißfestigkeit als galvanische Hartchromschichten, und flammgespritzte Molybdänschichten müssen zur Erreichung der gleichen Lebensdauer mit entsprechend größerer Schichtdicke aufgetragen werden. In dickeren Molybdänschichten bauen sich aber verstärkt Eigenspannungen auf, und es kann bei dicken Schichten unter extremen Belastungen leichter zu Schichtrissen und Schichtausbrüchen kommen.

Nach der US-PS 38 37 817 besteht eine im Flammspritzverfahren aufgetragene Kolbenringbeschichtung aus 10 bis 50 Gewichtsprozent Molybdän mit 20 bis 60 Gewichtsprozent eine zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit zugegebenen Metallkarbids und 10 bis 50 Gewichtsprozent einer niedrigschmelzenden selbstfließenden Legierung, die als Bindemetall zur Verbesserung des Verbundes der Teilchen untereinander zugegeben ist.

Nach der US-PS 33 78 392 besteht eine Spritzschweißlegierung zur Herstellung verschleißfester Schichten aus 5 bis 95 Gewichtsprozent eines hochschmelzenden Metalles, wie Molybdän, und 5 bis 95 Gewichtsprozent einer borhaltigen selbstfließenden Legierung auf der Basis von Kobalt oder Nickel als Bindemetall.

Im Plasmaspritzverfahren aufgetragene Molybdänschichten weisen wegen der wesentlich höheren Spritztemperatur höhere Schichtfestigkeiten auf als im Flammspritzverfahren aufgetragene Molybdänschichten, im Plasmaspritzverfahren aufgetragene Molybdänschichten sind aber relativ weich, und sie verschleißen infolgedessen wesentlich schneller. Die zur Abhilfe mit größerer Schichtdicke aufgetragenen Molybdänschichten besitzen dann die gleichen Probleme wie im Flammspritzverfahren aufgetragene Molybdänschichten.

Zur Erhöhung der Belastbarkeit der thermisch aufgespritzten Molybdänschichten hat man daher schon nach beispielsweise der DE-PS 20 32 722 das Molybdän legiert oder man setzt Mischungen des Molybdäns mit Hartstoffen und Bindemetall ein.

So besteht nach der US-PS 43 34 929 eine Plasmaspritzpulvermischung für Kolbenringbeschichtungen aus 29 bis 51% Molybdän, 5 bis 25% Chromkarbid als Hartstoff und 32 bis 51% einer niedrigschmelzenden Nickelchromlegierung als Bindemetall.

Nach der DE-PS 32 47 054 besteht eine Plasmaspritzpulvermischung für Kolbenringbeschichtungen aus 20 bis 60% Molybdän, 25 bis 50% Molybdänkarbid als Hartstoff und bis zu 30% einer niedrigschmelzenden Legierung als Bindemetall. Nach der DE-PS 35 15 107 besteht eine Plasmaspritzpulvermischung für Kolbenringbeschichtungen aus 10 bis 45% Molybdän, 5 bis 25% Hartstoff und 45 bis 70% einer niedrigschmelzenden Legierung.

Nach der US-PS 42 33 072 besteht die im Plasmaspritzverfahren auf die Laufflächen von Kolbenringen aufgetragene Verschleißschicht aus 60 bis 85% Molybdän, 10 bis 30 Gewichtsprozent einer niedrigschmelzenden selbstfließenden Bindemetallegierung und 5 bis 20 Gewichtsprozent Titankarbid als Hartstoff.

Die mit diesen Spritzpulvermischungen aus Molybdän, Hartstoff und Bindemetall beschichteten Kolbenringe laufen zwar mit gutem Erfolg in vielen Anwendungsfällen, für andere Anwendungsfälle, vor allem bei extremen Belastungen, sind sie jedoch nicht voll befriedigend geeignet, und zwar muß der Fachmann bei Zusammenstellung seiner Spritzpulverzusammensetzungen Kompromisse schließen.

Einerseits soll der Molybdängehalt einer Spritzschicht für Kolbenringe für thermisch hoch belastete Ringe zur Brandspursicherheit möglichst hoch sein; diese Schichten sind dann aber weniger verschleißfest, und er setzt zu seiner Mischung zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit Hartstoffe hinzu. Mit Zunahme des Hartstoffes sinkt der Molybdängehalt und damit die Brandspurfestigkeit der Ringe, und vor allem wird die Festigkeit der Schichten durch schlechten Verbund der hochschmelzenden Harftstoffteilchen mit dem Molybdän herabgesetzt. Durch Zugabe niederigschmelzender Legierungen als Bindemetall wird zwar der Verbund der Teilchen untereinander und damit die Festigkeit der Schicht heraufgesetzt, die Verschleißfestigkeit und die Brandspursicherheit der Schichten wird hiermit aber entsprechend herabgesetzt. Die vorbekannten, im Plasmaspritzverfahren aufgetragenen Kolbenringbeschichtungen sind daher genauso wie die im Flammspritzverfahren oder im Spritzschweißverfahren aufgetragenen Kolbenringbeschichtungen für alle Problemstellungen noch nicht voll befriedigend.

Nach der EP-PA 00 51 869 ist als weiteres thermisches Spritzverfahren das Lichtbogenspritzverfahren bekannt, nach dem zu Drähten oder zu Fülldrähten verarbeitete Metalle zusammen mit modifizierenden Substanzen im elektrischen Lichtbogen verspritzt werden. Bei der Herstellung verschleißfester Beschichtungen werden dabei als modifizierende Substanzen Hartstoffe verwendet, die neben den Metallen in einem zweiten Gasstrom aufgespritzt werden. Die Spritztemperaturen entsprechen den beim Plasmaspritzverfahren erzielten Temperaturen, so daß die nach der EP-PA 00 51 869 erhaltenenen Spritzschichten etwa die gleichen Vor- und Nachteile wie die im Plasmaspritzverfahren erhaltenen Spritzschichten besitzen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verschleißfeste Beschichtung gemäß Oberbegriff des Hauptpatentanspruches zu schaffen, die auch unter extremen mechanischen und thermischen Belastungen vor allem brandspursicher, ausbruchsicher und verschleißfest ist. Das Herstellungsverfahren der Schichten soll zugleich einfacher und kostensparender als die bisherigen Auftragsverfahren sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine verschleißfeste Beschichtung gelöst, die aus einem Spritzmaterial aus 40 bis 60 Gewichtsprozent Molybdän, 0 bis 35 Gewichtsprozent eines Hartstoffes und zwischen 10 und 50 Gewichtsprozent einer niedrigschmelzenden Legierung durch ein Lichtbogenspritzverfahren in einem mit dem Molybdän unter Bildung von weiteren Hartstoffen organischen Trägergas hergestellt ist, und daß das Spritzmaterial zur Herstellung der Beschichtung die Form eines gefüllten Drahtes besitzt, dessen Hülle aus Molybdän oder einer niedrigschmelzenden Legierung besteht, und dessen Füllung aus den Restbestandteilen so zusammengesetzt ist, daß sich beim Abschmelzen im Lichtbogen die eingesetzte Spritzmaterialzusammensetzung ergibt. Als Lichtbogenspritzanlage, bei der der Spritzdraht im elektrischen Lichtbogen geschmolzen und durch die Trägergase auf das Substrat aufgespritzt wird, wird bevorzugt eine aus der DE-PS 35 33 966 bekannte Anlage verwendet, da sich durch ihre besondere Spritzdüsenkonstruktion besonders fein zerstäubte Spritzpulverschmelztröpfchen zum Aufspritzen erzeugen lassen.

Durch das erfindungsgemäß eingesetzte Lichtbogenspritzverfahren wurden mit verschiedenen Spritzpulverzusammensetzungen gemäß der Mischung des Hauptpatentanspruches Kolbenringe beschichtet. Die Kolbenringe wurden im Prüfstandlauf getestet, und die Spritzschichten wurden metallurgisch untersucht. Dabei zeigte es sich, daß die Schichten überraschenderweise trotz eines hohen Molybdängehaltes von bevorzugt sogar über 55 bis 80 Gewichtsprozent hart und in Testläufen verschleißfest waren. Offensichtlich bilden die beim Lichtbogenspritzen verwendeten, mit dem Molybdän reagierenden Trägergase aus bevorzugt Stickstoff, Sauerstoff, Druckluft und/oder kohlenstoffabgebenden Gasen, wie Acetylen, Methan oder Ethan, zusammen mit dem Molybdän durch Lösen im Gefüge oder auch chemische Reaktion besonders harte Molybdänteilchen, und die Schichten wurden verschleißfest. Durch den hohen Molybdängehalt waren die Schichten auch bei hohen thermischen Belastungen brandspurfest. Bedingt durch die hohe Verschleißfestigkeit, konnte der Hartstoffanteil in der Schicht aus bevorzugt Hartmetallen, Metalloxiden, Metallkarbiden, Metallcarbonitriden, Metallnitriden, wie Chromkarbid, Chrom, Molybdänkarbid, Aluminiumoxid oder Bornitrid wesentlich herabgesetzt werden, ohne die Verschleißfestigkeit der Schichten nachteilig zu beeinflussen. Es wurde sogar gefunden, daß bei beschichteten Kolbenringen für Pkw- und Lkw-Dieselmotoren oder Ottomotoren mit hoher Temperaturbelastung auf Hartstoffzusatz sogar ganz verzichtet werden beziehungsweise ihr Gehalt maximal nur bis zu 10 Gewichtsprozent sein kann. Bei Schiffs- und Aggregatdieselmotoren, bei denen die Kolbenringbeschichtungen vor allem schweren mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, muß der Hartstoffanteil über 10 Gewichtsprozent bis maximal 25 Gewichtsprozent betragen, um eine ausreichende Beschichtung zu erhalten.

Als niedrigschmelzende Legierungen werden bevorzugt Nickelchromlegierungen mit 75 bis 85 Gewichtsprozent Nickel und 15 bis 25 Gewichtsprozent Chrom, Nickelaluminiumlegierungen mit 90 bis 95 Gewichtsprozent Nickel und 5 bis 10 Gewichtsprozent Aluminium sowie Nickelchromaluminiumlegierungen mit 73 bis 78 Gewichtsprozent Nickel, 4 bis 6 Gewichtsprozent Aluminium und 17 bis 22 Gewichtsprozent Chrom verwendet. Durch die Zugabe dieser Legierungen in Mengen von 10 bis 50 Gewichtsprozent wird die Schichtfestigkeit der Schicht erhöht beziehungsweise ihre Ausbruchfestigkeit verbessert, und es ist sinnvoll, diese Legierungen von allem zur Verbesserung der Betriebssicherheit hinzuzufügen.

Durch die Erfindung können somit Beschichtungen auf den Laufflächen von vor allem Kolbenringen für Verbrennungskraftmaschinen hergestellt werden, die auch unter extremen Belastungen vor allem ausreichend verschleißfest, ausbruchfest und brandspursicher sind. Die beschichteten Kolbenringe können mit langer Lebensdauer betriebssicher ohne Störung verwendet werden.

Mit der erfindungsgemäß zur Schichtherstellung verwendeten Lichtbogenspritzanlage sind die Schichten einfach und kostengünstig herstellbar, und die Schichten selbst sind durch den verminderten Anteil an teuren Hartstoffen preisgünstiger. Bedingt durch die erzielte verbesserte Verschleißfestigkeit, reichen gegebenenfalls auch extrem kleine Schichtstärken der Beschichtungen von minimal nur 0,1 mm zur Erzielung einer ausreichenden Kolbenringlebensdauer aus. Dünne Schichten sind wegen ihrer geringen Eigenspannungen zusätzlich ausbruchsicher und durch Verwendung von weniger Material preisgünstiger.

Mit den folgenden Spritzpulverzusammensetzungen wurden im Lichtbogenspritzverfahren mit der aus der DE-PS 35 33 966 bekannten Anlage unter Verwendung von Preßluft als Trägergas Kolbenringe beschichtet, und es wurden Ringe mit besonders guten Ergebnissen erhalten:

1. 70 bis 80 Gewichtsprozent Molybdän
20 bis 30 Gewichtsprozent selbstfließende Legierung aus Nickel, Chrom, Eisen, Bor und Silizium
0 bis 10 Gewichtsprozent Hartstoff

Die mit dieser Zusammensetzung beschichteten Ringe erweisen sich für den Einsatz in Pkw- und Lkw-Dieselmotoren besonders geeignet.

2. 40 bis 65 Gewichtsprozent Molybdän
15 bis 5 Gewichtsprozent niedrigschmelzende Legierung aus einer Nickellegierung mit 15 bis 25% Chrom
10 bis 35 Gewichtsprozent Hartstoff aus Chromkarbid (Cr₃ C₂)

Die mit dieser Zusammensetzung beschichteten Ringe erwiesen sich zum Einsatz in Schiffsdiesel- und Aggregatdieselmotoren als besonders geeignet.

3. 55 bis 70 Gewichtsprozent Molybdän
20 bis 45 Gewichtsprozent einer niedrigschmelzenden Nickellegierung mit 15 bis 25 Gewichtsprozent Chrom
0 bis 10 Gewichtsprozent Chrom als Hartstoff

Die mit dieser Zusammensetzung beschichteten Ringe erwiesen sich zum Einsatz in Ottomotoren besonders gut geeignet.

Claims

1. Verschleißfeste Beschichtung auf den Laufflächen von auf reibenden Verschleiß beanspruchten Maschinenteilen, wie insbesondere auf den Laufflächen von Kolbenringen für Verbrennungskraftmaschinen, die überwiegend aus Molybdän besteht und in einem thermischen Spritzverfahren auf die Laufflächen aufgetragen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfeste Beschichtung aus einem Spritzmaterial aus 40 bis 60 Gewichtsprozent Molybdän, 0 bis 35 Gewichtsprozent eines Hartstoffes und zwischen 10 bis 50 Gewichtsprozent einer niedrigschmelzenden Legierung durch ein Lichtbogenspritzverfahren in einem mit dem Molybdän unter Bildung von weiteren Hartstoffen reagierenden Trägergas hergestellt ist, und daß das Spritzmaterial zur Herstellung der Beschichtung die Form eines gefüllten Drahtes besitzt, dessen Hülle aus Molybdän oder der niedrigschmelzenden Legierung besteht, und dessen Füllung aus den Restbestandteilen so zusammengesetzt ist, daß sich beim Abschmelzen im Lichtbogen die eingesetzte Spritzmaterialzusammensetzung ergibt.

2. Verschleißfeste Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung in der Lichtbogenspritzanlage unter Verwendung von Methan, Ethan, Acetylen, Stickstoff und/oder Sauerstoff als Trägergas hergestellt ist.

3. Verschleißfeste Beschichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Hartstoffe aus harten Metallen, harten Metalloxiden, harten Metallcarbiden und/oder harten Metallnitriden bestehen.

4. Verschleißfeste Beschichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die niedrigschmelzenden Legierungen aus Nickellegierungen mit Chrom-, Aluminium-, Silizium- und/oder Boranteilen bestehen.

5. Verschleißfeste Beschichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der Beschichtung mindestens 0,1 mm beträgt.

6. Verschleißfeste Beschichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung auf den Laufflächen von Kolbenringen zum Einsatz in Pkw- und Lkw-Dieselmotoren aus einer Spritzmaterialzusammensetzung mit 70 bis 80 Gewichtsprozent Molybdän, 20 bis 30 Gewichtsprozent einer Nickellegierung mit Chrom-, Eisen-, Bor- und Siliziumgehalten und 0 bis 10 Gewichtsprozent eines Hartstoffes hergestellt ist.

7. Verschleißfeste Beschichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung auf den Laufflächen von Kolbenringen für Schiffdiesel- und Aggregatdieselmotoren aus einer Spritzpulverzusammensetzung aus 40 bis 65 Gewichtsprozent Molybdän, 10 bis 50 Gewichtsprozent einer niedrigschmelzenden Nickelchromlegierung und 10 bis 35 Gewichtsprozent Hartstoff hergestellt ist.

8. Verschleißfeste Beschichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung auf den Laufflächen für den Einsatz in Ottomotoren aus einer Spritzpulverzusammensetzung von 55 bis 75 Gewichtsprozent Molybdän, 20 bis 45 Gewichtsprozent einer niedrigschmelzenden Nickelel-Chromlegierung und 0 bis 10 Gewichtsprozent Chrom hergestellt ist.