EP2417278B1 - Gleitelement mit einstellbaren eigenschaften - Google Patents

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EP2417278B1
EP2417278B1 EP09763853.0A EP09763853A EP2417278B1 EP 2417278 B1 EP2417278 B1 EP 2417278B1 EP 09763853 A EP09763853 A EP 09763853A EP 2417278 B1 EP2417278 B1 EP 2417278B1
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EP
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layer
sliding element
wear
element according
percent
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Marcus Kennedy
Michael Zinnabold
Marc-Manuel Matz
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Federal Mogul Burscheid GmbH
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Federal Mogul Burscheid GmbH
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Definitions

  • the present invention relates to a sliding element, in particular a piston ring, with adjustable properties, in particular with respect to the wear behavior, according to claim 1.
  • Iron-based coatings applied by means of thermal spraying, are not yet used on the piston ring.
  • LDS arc wire spraying
  • EP 1 022 351 B2 The production of wear protection layers by means of the thermal spraying process is a known method.
  • Today's powder materials used for it are based on Mo, WC, NiCr and Cr 3 C 2 .
  • WO 2008/083793 and DE 10 2007 025949 reveal wear protection coatings for piston rings.
  • the invention is therefore based on the following objects.
  • an optimization of the run-in behavior should be achieved.
  • the base material matrix should preferably have similar physical properties (thermal expansion coefficient and thermal conductivity) as the underlying substrate and sufficient mechanical properties (hardness, ductility).
  • a minimum proportion of the iron-containing base system of 25% by weight results in a quasi-homogeneous system between the substrate and the coating.
  • the thermal energy generated during the mixed friction in particular in the OT or UT range, can be better dissipated and a uniform thermal relaxation process can be ensured by the temperature fluctuations present in the motor.
  • the application of Fe base alloys as a piston ring base coating material together with a carbide system and a run-in layer (graded or not graded) produced by thermal spraying results in a new type of piston ring.
  • the piston ring to be coated can be a cast but also a steel piston ring.
  • the new material system consists of the following elements: iron (Fe), tungsten (W, as WC), chromium (Cr, as Cr and Cr 3 C 2 ), nickel (Ni), molybdenum (Mo), silicon ( Si) and carbon (C, partially bound in Fe, W and Cr as carbide or in pure form, electrochemically coated with nickel).
  • the amount of carbides is 10-75 weight percent composed of 0-60 weight percent tungsten carbide, WC, and 0-50 weight percent chromium carbide, Cr 3 C 2 .
  • the iron-base alloy without carbides is not recommended because the wear resistance (measured as described below) does not meet today's requirements.
  • An increase of the total carbide content above 75 wt.% Is not recommended for use as a piston ring coating, because too high a carbide content, the layer gets too strong ceramic character (too high modulus) and thus the thermal cycling in the engine does not withstand.
  • the sliding element further comprises a transition layer between the wear protection layer and the run-in layer, wherein the chemical composition of the transition layer has a graduation ratio of 20:80 to 80:20, based on the wear protection layer and the run-in layer.
  • the chemical composition is in the grading ratio 20:80 to 80:20 for the single-layer types Wear protection layer: inlet layer adjustable.
  • the layer thickness of the wear protection layer is in the range of 100-800 ⁇ m, preferably 200-600 ⁇ m, and most preferably 300-500 ⁇ m.
  • the layer thickness of the inlet layer is in the range of 100-500 ⁇ m, preferably 200-400 ⁇ m, and most preferably 150-300 ⁇ m.
  • the layer thickness of the transition layer in which the wear protection and enema layer are graded is in the range of 0-600 ⁇ m, and most preferably 0-250 ⁇ m.
  • the substrate is a ring with a diameter greater than 220 mm, preferably greater than 430 mm and a maximum of 980 mm.
  • the particle sizes of the powder are in the range of 1 to 100 ⁇ m.
  • the carbides are embedded in a nickel-chromium matrix and have a particle size of 0.5-5 microns.
  • the powder was thermally sprayed and, for various variants, the chemical composition (Table 1), the carbide content (Table 2), the microstructure ( Fig. 1 ), porosity and hardness (Table 3).
  • Table 1 the chemical composition
  • Table 2 the carbide content
  • Fig. 1 the microstructure
  • Table 3 porosity and hardness
  • Experiments 1 and 2 differ in that layer type 1 was produced in experiment 1 and layer type 2 in experiment 2.
  • the respective top layer contains no carbides, as this layer is used for a controlled enema.
  • the microstructure pictures show homogeneously distributed carbides for the wear protection layer, no unmelted particles and a very dense layer with a very low porosity of ⁇ 2%. In the top layer, the graphite precipitations are clearly visible.
  • the layer thickness of the wear protection layer is 330 microns, the inlet layer 180 microns.
  • Table 3 Hardness / Porosity of Wear Protection Layer Type 1 attempt Carbide content target HV1 porosity # (Wt%) % 1.1 0 520 ⁇ 1 1.2 20 564 ⁇ 1 1.3 40 597 ⁇ 1 1.4 60 710 ⁇ 2
  • Type 1 wear protection layer has a porosity of ⁇ 1-2% at a hardness of about 520HV1 for the carbide-free Fe base material up to 710HV1 for the Fe base material with a carbide content of 60 % By weight.
  • the hardness of the inlet layer can not be determined due to the high graphite content.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitelement, insbesondere einen Kolbenring, mit einstellbaren Eigenschaften, insbesondere bezüglich des Verschleißverhaltens, gemäß Anspruch 1.
  • Heutzutage sind die Kundenanforderungen hinsichtlich des Verschleißverhaltens auf dem Kolbenring und der Zylinderlaufbahn unterschiedlich. Einerseits wird ein möglichst geringer Verschleiß verlangt, andererseits benötigen Motorenhersteller auch höhere Verschleißraten, um aus deren Sicht ein möglichst gutes Einlaufverhalten für das System "Kolbenring/Zylinderlaufbuchse geschmiert" zu erhalten. Diese Aufgabe stellt sich zunehmend im Bereich von 2-Takt-Motoren (Ringdurchmesser > 430mm).
  • Eisen-basierte Beschichtungen, aufgetragen mittels thermischen Spritzens, finden noch keine Anwendung auf dem Kolbenring. Im Bereich des Kurbeltriebs sind bisher lediglich auf Eisen basierende Beschichtungen auf der Zylinderlaufbahn bekannt, die mittels Lichtbogendrahtspritzens (LDS) hergestellt sind ( EP 1 022 351 B2 ). Die Herstellung von Verschleißschutzschichten mittels des thermischen Spritzprozesses ist ein bekanntes Verfahren. Die heutigen dafür verwendeten Pulvermaterialien basieren auf Mo, WC, NiCr und Cr3C2. DE 10163976 , WO 2008/083793 und DE 10 2007 025949 offenbaren Verschleißschutzbeschichtungen für Kolbenringe.
  • Der Erfindung liegen daher folgende Aufgaben zugrunde. Einerseits eine Verbesserung der tribologischen Eigenschaften von thermisch gespritzten Kolbenringen mit einem bisher nicht verwendeten Materialsystem als Beschichtungsmaterial im Vergleich zu herkömmlichen Kolbenringbeschichtungen auf Mo-Basis. Weiterhin die Herstellung von den Kundenanforderungen entsprechenden, beschichteten Kolbenringen, die hinsichtlich des Verschleißverhaltens und der Eigenspannungen maßgeschneidert sind, wobei die Beschichtung über thermisches Spritzen erfolgt. Ferner soll eine Optimierung des Einlaufverhaltens erreicht werden. Die Basismaterialmatrix soll bevorzugt ähnliche physikalische Eigenschaften (thermischer Ausdehnungskoeffizient und Wärmeleitfähigkeit) wie das zugrundeliegende Substrat sowie ausreichend mechanische Eigenschaften (Härte, Duktilität) aufweisen.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Gleitelement bereitgestellt, insbesondere ein Kolbenring für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend
    • ein Substrat; und
    • eine Verschleißschutzschicht, erhältlich durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile
      2-50 Gewichtsprozent Eisen, FE;
      5-60 Gewichtsprozent Wolfram, W;
      5-40 Gewichtsprozent Chrom, Cr;
      5-25 Gewichtsprozent Nickel, Ni;
      1-5 Gewichtsprozent Molybdän, Mo;
      1-10 Kohlenstoff, C; und
      0,1-2 Gewichtsprozent Silizium, Si;
      und
    • eine Einlaufschicht, erhältlich durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile
      60-95 Gewichtsprozent Nickel;
      5-40 Gewichtsprozent Kohlenstoff.
  • Um die vorstehend beschriebene Aufgabe zu lösen ist ein Schichtsystem herzustellen, bestehend aus einem Basissystem mit ähnlichen physikalischen Eigenschaften wie das zu beschichtende Substrat sowie einer ausreichenden Festigkeit, verbunden mit einem verschleißresistenten Anteil, wobei es je nach Anteil zu unterschiedlichen Verschleißraten am Ring und Liner im geschmierten Zustand kommt. Ebenso ist die Art und Stärke der Eigenspannungen durch die Zugabe von definierten Mengen des verschleißresistenten Anteils einstellbar. Grundsätzlich sind keine Zugeigenspannungen in thermisch gespritzten Schichten erwünscht, da diese das Risswachstum eines entstehenden Risses nicht reduzieren oder sogar fördern können. Die Lösung ist ein neues Fe-basiertes System, das durch Karbide verstärkt wird, verbunden mit einer den Anforderungen des Motorenherstellers angepassten Einlaufschicht.
  • Hinsichtlich der physikalischen Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit, thermischer Ausdehnungskoeffizient) entsteht durch einen Mindestanteil des Eisenhaltigen Basissystems von 25 Gew. % ein quasi-homogenes System zwischen Substrat und Beschichtung. Dadurch kann die während der Mischreibung, insbesondere im OT- oder UT-Bereich, entstehende thermische Energie besser abgeführt und ein gleichmäßiger thermischer Relaxationsprozess durch die im Motor vorliegenden Temperaturschwankungen gewährleistet werden. Die Anwendung von Fe-Basis-Legierungen als Kolbenringbasisbeschichtungsmaterial zusammen mit einem karbidischen System und einer Einlaufschicht (gradiert oder nicht gradiert), hergestellt mittels thermischen Spritzens, resultiert in einem neuen Kolbenringtyp. Der zu beschichtende Kolbenring kann dabei ein Guss- aber auch ein Stahlkolbenring sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform besteht das neue Materialsystem aus den folgenden Elementen: Eisen (Fe), Wolfram (W, als WC), Chrom (Cr, als Cr und Cr3C2), Nickel (Ni), Molybdän (Mo), Silizium (Si) und Kohlenstoff (C, teilweise gebunden in Fe, W und Cr als Karbid oder in Reinform, elektrochemisch umhüllt mit Nickel).
  • Gemäß einer Ausführungsform beträgt der Anteil an Karbiden 10-75 Gewichtsprozent, zusammengesetzt aus 0-60 Gewichtsprozent Wolfram-Karbid, WC, und 0-50 Gewichtsprozent Chrom-Karbid, Cr3C2.
  • Die Eisenbasislegierung ohne Karbide ist nicht zu empfehlen, da der Verschleißwiderstand (gemessen wie unten beschrieben) die heutigen Anforderungen nicht erfüllt. Eine Erhöhung des gesamten Karbidanteils über 75 Gew.% ist für die Anwendung als Kolbenringbeschichtung nicht zu empfehlen, da bei zu hohem Karbidanteil die Schicht einen zu stark keramischen Charakter bekommt (zu hohes E-Modul) und damit den Temperaturwechselbeanspruchungen im Motor nicht standhält.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Gleitelement weiter eine Übergangsschicht zwischen der Verschleißschutzschicht und der Einlaufschicht, wobei die chemische Zusammensetzung der Übergangsschicht ein Graduierungsverhältnis von 20:80 bis 80:20 aufweist, bezogen auf die Verschleißschutzschicht und die Einlaufschicht.
  • Die chemische Zusammensetzung ist im Gradierungsverhältnis 20:80 bis 80:20 für die Einzelschichttypen Verschleißschutzschicht : Einlaufschicht einstellbar.
    • Beispiel 1:
    1. 1. Schicht: Verschleißschutzschicht
    2. 2. Schicht: auf der Seite der Verschleißschutzschicht ist die chemische Zusammensetzung der Übergangsschicht zu 80 % wie die Zusammensetzung der Verschleißschutzschicht, zu 20 % wie die der Einlaufschicht, zur Seite der Einlaufschicht hin erfolgt ein im Wesentlichen linearer Übergang bis hin zu einer Zusammensetzung, die zu 20 % der Zusammensetzung der Verschleißschutzschicht, zu 80 % der Zusammensetzung der Einlaufschicht entspricht
    3. 3. Schicht: Einlaufschicht
    Beispiel 2:
    1. 1. Schicht: Verschleißschutzschicht
    2. 2. Schicht: chemische Zusammensetzung 20 % wie Verschleißschutzschicht, 80 % wie Einlaufschicht, Übergang linear zu 80 % wie Verschleißschutzschicht, 20 % wie Einlaufschicht
    3. 3. Schicht: Einlaufschicht
  • Gemäß einer Ausführungsform liegt die Schichtdicke der Verschleißschutzschicht im Bereich von 100-800 µm, bevorzugt 200-600 µm, und am meisten bevorzugt 300-500 µm.
  • Gemäß einer Ausführungsform liegt die Schichtdicke der Einlaufschicht im Bereich von 100-500 µm, bevorzugt 200-400 µm, und am meisten bevorzugt 150-300 µm.
  • Gemäß einer Ausführungsform liegt die Schichtdicke der Übergangsschicht, in der Verschleißschutz- und Einlaufschicht gradiert vorliegen, im Bereich von 0-600 µm, und am meisten bevorzugt 0-250 µm.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist das Substrat ein Ring mit einem Durchmesser größer 220 mm, bevorzugt größer 430 mm und maximal 980 mm.
  • Gemäß einer Ausführungsform liegen die Partikelgrößen des Pulvers im Bereich von 1 - 100 µm.
  • Gemäß einer Ausführungsform sind die Karbide in einer Nickel-Chrom-Matrix eingebettet und weisen eine Partikelgröße von 0,5-5 µm auf.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
    • Fig. 1
    zeigt die Mikrostruktur einer thermisch gespritzten Verschleißschutz/Einlauf-Schicht nach einer Ausführungsform der Erfindung;
    Durchgeführte Versuche:
  • Das Pulver wurde thermisch gespritzt und für verschiedene Varianten wurden die chemische Zusammensetzung (Tabelle 1), der Karbidanteil (Tabelle 2), die Mikrostruktur (Fig. 1), die Porösität und Härte (Tabelle 3) geprüft. Versuch 1 und 2 unterscheiden sich dadurch, dass Schichttyp 1 im Versuch 1 und Schichttyp 2 im Versuch 2 hergestellt wurde. Für die Versuche 1.1 bis 1.4 bzw. 2.1 bis 2.4 wurden unterschiedliche Karbidkonzentrationen eingestellt. Die jeweilige Topschicht enthält keine Karbide, da diese Schicht für einen kontrollierten Einlauf eingesetzt wird. Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung der Verschleißschutz-/Einlaufschicht Typ 1
    Versuch Karbidanteil Chemische Zusammensetzung
    Fe W Cr Ni Mo C Si Ni C
    Verschleißschutzschicht Einlaufschicht
    # (Gew%) (Gew%) (Gew%)
    1.1 0 47,5 0 28 17 4,6 1,8 1,1 70 30
    1.2 20 35,7 11,2 30,2 15,2 3,8 3,1 0,8 70 30
    1.3 40 23,9 22,5 33,2 12,4 2,6 4,9 0,5 90 10
    1.4 60 11,4 33,8 34,8 11,7 2,3 5,7 0,3 90 10
    Tabelle 2: Karbidanteil der Verschleißschutz-/Einlaufschicht Typ 1
    Versuch Karbidanteil Einzelne Karbide
    Verschleißschutzschicht Einlaufschicht
    WC Cr3C2 Karbide insgesamt
    Soll Ist Ist Ist
    # (Gew%) (Gew%)
    1.1 0 0 0 0
    1.2 20 9 13 0
    1.3 40 17,5 25 0
    1.4 60 26 37,5 0
  • Die Mikrostrukturaufnahmen (Fig. 1) zeigen homogen verteilte Karbide für die Verschleißschutzschicht, keine unaufgeschmolzenen Partikel und eine sehr dichte Schicht mit einer sehr geringen Porösität von < 2%. In der Topschicht sind die Graphitaussscheidungen deutlich zu erkennen. Die Schichtdicke der Verschleißschutzschicht beträgt 330 µm, die der Einlaufschicht 180 µm. Tabelle 3: Härte/Porösität der Verschleißschutzschicht Typ 1
    Versuch Karbidanteil Soll HV1 Porosität
    # (Gew%) %
    1.1 0 520 <1
    1.2 20 564 <1
    1.3 40 597 <1
    1.4 60 710 <2
  • Wie in Tabelle 3 dargestellt, haben erste Versuche gezeigt, dass die Verschleißschutzschicht des Typs 1 eine Porösität von < 1-2 % bei einer Härte von etwa 520HV1 für den Karbidfreien Fe-Basiswerkstoff bis zu 710HV1 für den Fe-Basiswerkstoff mit einem Karbidanteil von 60 Gew.% aufweisen. Die Härte der Einlaufschicht lässt sich aufgrund des hohen Graphitanteils nicht bestimmen.
  • Die Zugabe von Karbiden ermöglicht eine gezielte Einstellung der Härte am Ring und der Zylinderlaufbuchse. Zusätzlich bleibt trotz der hohen Belastungen während des Verschleißtests die Mikrostruktur weitgehend erhalten, was grundsätzlich auf einen mit dieser erfindungsgemäßen Beschichtung hergestellten verschleißresistenten Kolbenring für das System "Ring/Laufluchse geschmiert" hinweist, nachdem der Einlaufprozess abgeschlossen ist.

Claims (15)

  1. Gleitelement, insbesondere Kolbenring für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend
    - ein Substrat; und
    - eine Verschleißschutzschicht, erhältlich durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile
    2-50 Gewichtsprozent Eisen, FE;
    5-60 Gewichtsprozent Wolfram, W;
    5-40 Gewichtsprozent Chrom, Cr;
    5-25 Gewichtsprozent Nickel, Ni;
    1-5 Gewichtsprozent Molybdän, Mo;
    1-10 Gewichtsprozent Kohlenstoff, C; und
    0,1-2 Gewichtsprozent Silizium, Si;
    und
    - eine Einlaufschicht, erhältlich durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile
    60-95 Gewichtsprozent Nickel;
    5-40 Gewichtsprozent Kohlenstoff.
  2. Gleitelement nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Übergangsschicht zwischen der Verschleißschutzschicht und der Einlaufschicht, wobei die chemische Zusammensetzung der Übergangsschicht ein Graduierungsverhältnis von 20:80 bis 80:20 aufweist, bezogen auf die Verschleißschutzschicht und die Einlaufschicht, wobei die Zusammensetzung der Übergangsschicht auf der Seite der Verschleißschutzschicht zu 80% der Zusammensetzung der Verschleißschutzschicht und zu 20% der Zusammensetzung der Einlaufschicht entspricht, und wobei zur Seite der Einlaufschicht hin ein linearer Übergang erfolgt bis hin zu einer Zusammensetzung der Übergangsschicht auf der Seite der Einlaufschicht, die zu 20% der Zusammensetzung der Verschleißschutzschicht und zu 80% der Zusammensetzung der Einlaufschicht entspricht.
  3. Gleitelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Anteil an Karbiden des Pulvers für die Verschleißschutzschicht 10-75 Gewichtsprozent beträgt, zusammengesetzt aus 0-60 Gewichtsprozent Wolfram-Karbid, WC, und 0-50 Gewichtsprozent Chrom-Karbid, Cr3C2.
  4. Gleitelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schichtdicke der Verschleißschutzschicht im Bereich von 100-800 µm liegt.
  5. Gleitelement nach Anspruch 4, wobei die Schichtdicke der Verschleißschutzschicht im Bereich 200-600 µm liegt.
  6. Gleitelement nach Anspruch 4, wobei die Schichtdicke der Verschleißschutzschicht im Bereich 300-500 µm liegt.
  7. Gleitelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schichtdicke der Einlaufschicht im Bereich von 100-500 µm, bevorzugt 200-400 µm, und am meisten bevorzugt 150-300 µm liegt.
  8. Gleitelement nach Anspruch 7, wobei die Schichtdicke der Einlaufschicht im Bereich von 200-400 µm liegt.
  9. Gleitelement nach Anspruch 7, wobei die Schichtdicke der Einlaufschicht im Bereich von 150-300 µm liegt.
  10. Gleitelement nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Schichtdicke der Übergangsschicht, in der Verschleißschutz- und Einlaufschicht gradiert vorliegen, im Bereich von 0-600 µm liegt.
  11. Gleitelement nach Anspruch 10, wobei die Schichtdicke der Übergangsschicht, in der Verschleißschutz- und Einlaufschicht gradiert vorliegen, im Bereich von 0-250 µm liegt.
  12. Gleitelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat ein Ring mit einem Durchmesser größer 220 mm ist.
  13. Gleitelement nach Anspruch 12, wobei das Substrat ein Ring mit einem Durchmesser größer 430 mm und maximal 980 mm ist.
  14. Gleitelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikelgrößen des Pulvers im Bereich von 1-100 µm liegen.
  15. Gleitelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Karbide in einer Nickel-Chrom-Matrix eingebettet sind und eine Partikelgröße von 0,5-5 µm aufweisen.
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