EP1559808A1 - Durch thermisches Spritzen aufgebrachte eisenhaltige Schicht einer Gleitfläche, insbesondere für Zylinderlaufflächen von Motorblöcken. - Google Patents

Durch thermisches Spritzen aufgebrachte eisenhaltige Schicht einer Gleitfläche, insbesondere für Zylinderlaufflächen von Motorblöcken. Download PDF

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EP1559808A1
EP1559808A1 EP05100596A EP05100596A EP1559808A1 EP 1559808 A1 EP1559808 A1 EP 1559808A1 EP 05100596 A EP05100596 A EP 05100596A EP 05100596 A EP05100596 A EP 05100596A EP 1559808 A1 EP1559808 A1 EP 1559808A1
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iron
containing layer
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thermal spraying
sliding surface
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Clemens Verpoort
Maik Broda
Daniel J. Branagan
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C4/18—After-treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/06—Metallic material

Definitions

  • the invention relates to an applied by thermal spraying ferrous Layer of a sliding surface, in particular for cylinder surfaces of engine blocks according to the preamble of claim 1 and a process for the preparation and a use.
  • the iron-containing layer an amorphous structure with finely divided, nano-crystalline Has metal borides and / or metal carbides, is the sliding surface heavy duty because of the nano-crystalline precipitations of the metal borides and metal carbides creates a layer of extremely high hardness.
  • the borides cause a very low coefficient of friction, so this layer too has excellent sliding properties.
  • Preferred application are highly loaded cylinder surfaces of supercharged diesel and gasoline engines. Due to the high mechanical clasping of the layer with the Base material, the coating is particularly suitable for thermal shock stressed engines. Thermal shock occurs when at cold start at low Ambient temperatures Engines quickly under load to maximum speed to turn up.
  • the high iron content of greater than 60% in conjunction with the metalloids boron, carbon and silicon on application causes the amorphous structure of the iron-containing layer by the liquid melt droplets solidify at a very high cooling rate of about 10 5 -10 6 Kelvin per second.
  • nano-crystalline precipitates are formed from this amorphous matrix, whereby the high hardness arises.
  • the layer preferably has a thickness of 100 ⁇ m to 2 mm. Depending on the thickness results in a different hardness, in principle, the hardness with increasing thickness of the Layer becomes larger, since at several spray layers, in which material is applied becomes, it to the increased excretion of the nano-crystalline carbides or borides comes.
  • the iron-containing layer has a hardness of 1000 to 1250 HV 0.05,
  • the hardness by appropriate process parameters and Material composition readily in the range between 800 HV 0.05 and 1500 HV 0.05 can be adjusted.
  • Such hardness is currently z. B. at Carbide tools based on tungsten carbide / cobalt known, and can now also be used extensively for sliding surfaces. Because of the high Hardness is the iron-containing layer extremely resistant to wear.
  • the metal borides or metal carbides preferably have a size of 60 to 130 nm. Due to the small size, the friction is reduced and the Hardness increased.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein durch thermisches Spritzen aufgebrachte eisenhaltige Schicht einer Gleitfläche, insbesondere für Zylinderlaufflächen von Motorblöcken, wobei die eisenhaltige Schicht weitere metallische, metalloide und/oder nicht-metallische Elemente beinhaltet. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß die eisenhaltige Schicht eine amorphe Struktur mit feinverteilten, nano-kristallinen Metallboriden und / oder Metallkarbiden aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine durch thermisches Spritzen aufgebrachte eisenhaltige Schicht einer Gleitfläche, insbesondere für Zylinderlaufflächen von Motorblöcken nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zur Herstellung sowie eine Verwendung.
Aus der EP 0858519 ist eine gattungsbildende eisenhaltige Schicht bekannt. Dabei wird eine Eisen-Molybdän-Legierung durch thermisches Spritzen auf eine metallische Oberfläche aufgetragen. Eine Schicht weist einen sehr geringen Reibungskoeffizient auf. Jedoch kann mit dieser Schicht maximal eine Härte von 850 HV 0,05 erreicht werden, und die Schicht ist durch den hohen Molybdänanteil in der Herstellung sehr teuer.
Demgemäß ist es die Aufgabe der Erfindung, eine eisenhaltige Schicht so zu verbessern, daß eine Härte höher als 850 HV 0,05 erreicht werden kann bei möglichst guten Reibungseigenschaften und geringeren Herstellungskosten.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1.
Indem die eisenhaltige Schicht eine amorphe Struktur mit feinverteilten, nano-kristallinen Metallboriden und / oder Metallkarbiden aufweist, ist die Gleitfläche hochbelastbar, da aufgrund der nano-kristallinen Ausscheidungen der Metallboride und Metallkarbide eine Schicht mit extrem hoher Härte entsteht. Weiterhin führen die Boride zu einem sehr geringen Reibungskoeffizient, so daß diese Schicht auch hervorragende Gleiteigenschaften aufweist. Bevorzugte Anwendung sind hochbelastete Zylinderlaufflächen von aufgeladenen Diesel- und Benzinmotoren. Aufgrund der hohen mechanischen Umklammerung der Schicht mit dem Grundmaterial eignet sich die Beschichtung insbesondere auch für Thermoschock beanspruchte Motoren. Thermoschock tritt auf, wenn beim Kaltstart bei niedrigen Umgebungstemperaturen Motoren schnell unter Last auf Höchstdrehzahl hochdrehen.
Bevorzugt weist die eisenhaltige Schicht folgende Zusammensetzung auf, wobei zumindest folgende Elemente mit dem angegebenen Gewichtsanteilen Bestandteil der Schicht sind:
  • Eisen mit 60 bis 97 Gew.-%,
  • Chrom 1 bis 20 Gew.-%,
  • Wolfram 0,5 bis 5 Gew.-%,
  • Molybdän 0,5 - 5 Gew.-%,
  • Mangan 0,2 - 20 Gew.-%,
  • Bor 0,2 - 5 Gew.%,
  • Kohlenstoff 0,2 - 5 Gew.-%, und
  • Silizium 0,2 - 5 Gew.-%.
    • Insbesondere der hohe Eisenanteil von größer 60 % in Verbindung mit den Metalloiden Bor, Kohlenstoff und Silizum bewirkt beim Auftragen die amorphe Struktur der eisenhaltigen Schicht, indem die flüssigen Schmelztropfen mit einer sehr hohen Abkühlgeschwindigkeit von etwa 105-106 Kelvin pro Sekunde erstarren. Bei dem nachfolgenden Auftreffen weiterer flüssiger Spritzpartikel werden aus dieser amorphen Matrix nano-kristalline Ausscheidungen gebildet, wodurch die hohe Härte entsteht.
    Bevorzugt weist die Schicht eine Dicke von 100 µm bis 2 mm auf. Je nach Dicke ergibt sich eine andere Härte, wobei prinzipiell die Härte mit zunehmender Dicke der Schicht größer wird, da bei mehreren Spritzlagen, in denen Material aufgetragen wird, es zur vermehrten Ausscheidung der nano-kristallinen Karbide bzw. Boride kommt.
    Bevorzugt weist die eisenhaltige Schicht eine Härte von 1000 bis 1250 HV 0,05 auf, jedoch kann die Härte durch entsprechende Prozeßparameter und Materialzusammensetzung ohne weiteres im Bereich zwischen 800 HV 0,05 und 1500 HV 0,05 eingestellt werden. Eine solche Härte ist bisher z. B. bei Hartmetallwerkzeugen auf Basis von Wolfram-Karbid / Kobalt bekannt, und kann jetzt auch für Gleitflächen großflächig angewendet werden. Aufgrund der hohen Härte ist die eisenhaltige Schicht extrem verschleißfest.
    Bevorzugt weisen die Metallboride bzw. Metallkarbide eine Größe von 60 bis 130 nm aufweisen. Aufgrund der geringen Größe wird die Reibung reduziert und die Härte gesteigert.

    Claims (5)

    1. Durch thermisches Spritzen aufgebrachte eisenhaltige Schicht einer Gleitfläche, insbesondere für Zylinderlaufflächen von Motorblöcken, wobei die eisenhaltige Schicht weitere metallische, metalloide und/oder nichtmetallische Elemente beinhaltet,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      die eisenhaltige Schicht eine amorphe Struktur mit feinverteilten, nano-kristallinen Metallboriden und / oder Metallkarbiden aufweist.
    2. Eisenhaltige Schicht nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      zumindest folgende Elemente mit dem angegebenen Gewichtsanteilen Bestandteil der Schicht sind:
      Eisen mit 60 bis 97 Gew.-%,
      Chrom 1 bis 20 Gew.-%,
      Wolfram 0,5 bis 5 Gew.-%,
      Molybdän 0,5 - 5 Gew.-%,
      Mangan 0,2 - 20 Gew.-%,
      Bor 0,2 - 5 Gew.%,
      Kohlenstoff 0,2 - 5 Gew.-%, und
      Silizium 0,2 - 5 Gew.-%.
    3. Eisenhaltige Schicht nach Anspruch 1 oder 2,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      die Schicht eine Dicke von 100 µm bis 2 mm aufweist.
    4. Eisenhaltige Schicht nach einem der vorherigen Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      die eisenhaltige Schicht eine Härte von 1000 bis 1250 HV 0,05 aufweist.
    5. Eisenhaltige Schicht nach einem der vorherigen Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      die Metallboride bzw. Metallkarbide eine Größe von 60 bis 130 nm aufweisen.
    EP05100596A 2004-01-28 2005-01-28 Durch thermisches Spritzen aufgebrachte eisenhaltige Schicht einer Gleitfläche, insbesondere für Zylinderlaufflächen von Motorblöcken. Withdrawn EP1559808A1 (de)

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