EP2459764A1 - Gleitelement mit thermisch gespritzter beschichtung und herstellungsverfahren dafür - Google Patents

Gleitelement mit thermisch gespritzter beschichtung und herstellungsverfahren dafür

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EP2459764A1
EP2459764A1 EP10713667A EP10713667A EP2459764A1 EP 2459764 A1 EP2459764 A1 EP 2459764A1 EP 10713667 A EP10713667 A EP 10713667A EP 10713667 A EP10713667 A EP 10713667A EP 2459764 A1 EP2459764 A1 EP 2459764A1
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • 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
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • 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 thermal spraying comprises high speed flame spraying or plasma spraying.
  • the sliding element is a piston ring.
  • the particle sizes of the powder are in a range of 5-65 microns.
  • the particle size of carbides embedded in the Ni / Cr matrix is in a range of 1-5 ⁇ m.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gleitelement für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend ein Substrat; und eine Beschichtung, erhältlich durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile 55-75 Gewichtsprozent Chrom, Cr; 3-10 Gewichtsprozent Silizium, Si, 18-35 Gewichtsprozent Nickel, Ni, 0,1-2 Gewichtsprozent Molybdän, Mo; 0,1-3 Gewichtsprozent Kohlenstoff, C, 0,5-2 Gewichtsprozent Bor, B; und 0-3 Gewichtsprozent Eisen, Fe.

Description

Gleitelement mit thermisch gespritzter Beschichtung
und Herstellungsverfahren dafür
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitelement, insbesondere einen Kolbenring, für eine Verbrennungskraftmaschine, sowie ein Herstellungsverfahren für ein solches Gleitelement.
Ziel der Erfindung ist es, die tribologischen Eigenschaften von thermisch gespritzten Kolbenringen mit einem bisher nicht verwendeten Materialsystem als Beschichtungsmaterial im Vergleich zu Kolbenringbeschichtungen, die mittels galvanischer Verfahren oder thermischen Spritzens hergestellt werden, zu verbessern.
Chrom-basierte Beschichtungen, aufgetragen mittels thermischen Spritzens, finden noch keine Anwendung auf Kolbenringen. Chromhaltige Schichtsysteme werden heutzutage mittels galvanischer Prozesse auf Kolbenringe aufgetragen. Zusätzlich werden Metalloxidoder Diamantpartikel während des Prozesses in die Chromschichten eingelagert, um den Verschleißwiderstand zu verbessern.
Eine Alternative zu den mit Metalloxid- oder Diamantpartikeln verstärkten Chromschichten, die mittels galvanischer Prozesse hergestellt werden, ist das Beschichten von Gleitelementen mit chrombasierten Materialien mittels thermischen Spritzens. Die Hartstoffpartikel zur Verschleißreduzierung sind bei der thermisch gespritzten Schicht Chromkarbide (CrSC2).
Die Verwendung von Cr-basierten Schichtsystemen mit Chromkarbiden als Kolbenringbeschichtungsmaterial, hergestellt mittels Plasmaspritzen oder Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (high velocity oxy fuel, HVOF), führt zu der Herstellung eines neuen Kolbenringtyps. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Gleitelement für eine
Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt, umfassend ein Substrat und eine Beschichtung, erhältlich durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile
55-75 Gewichtsprozent Chrom, Cr;
3-10 Gewichtsprozent Silizium, Si;
18-35 Gewichtsprozent Nickel, Ni;
0,1-2 Gewichtsprozent Molybdän, Mo;
0,1-3 Gewichtsprozent Kohlenstoff, C;
0,5-2 Gewichtsprozent Bor, B; und
0-3 Gewichtsprozent Eisen, Fe.
Der Werkstoff des Gleitelements, insbesondere eines Kolbenrings, kann beispielsweise Stahl oder Gusseisen sein.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Pulver Cr3C2 in einer Ni/Cr-Matrix eingebettet auf.
Gemäß einer Ausführungsform wird der Anteil an Cr3C2 eingestellt auf 30-50 Gewichtsprozent Cr3C2.
Gemäß einer Ausführungsform liegen die Partikelgrößen des Pulvers in einem Bereich von 5- 65 μm.
Gemäß einer Ausführungsform liegt die Partikelgröße von in der Ni/Cr-Matrix eingebetteten Karbiden in einem Bereich von 1-5 μm.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Schichtdicke der Beschichtung bis zu 1000 μm.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das thermische Spritzen Hochgeschwindigkeits- Flammspritzen oder Plasmaspritzen. Gemäß einer Ausführungsform ist das Gleitelement ein Kolbenring.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines
Gleitelements für eine Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt, umfassend Bereitstellen eines Substrats und Beschichten des Substrats durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile
55-75 Gewichtsprozent Chrom, Cr;
3-10 Gewichtsprozent Silizium, Si;
18-35 Gewichtsprozent Nickel, Ni;
0,1-2 Gewichtsprozent Molybdän, Mo;
0,1-3 Gewichtsprozent Kohlenstoff, C;
0,5-2 Gewichtsprozent Bor, B; und
0-3 Gewichtsprozent Eisen, Fe.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Pulver Cr3C2 in einer Ni/Cr-Matrix eingebettet auf.
Gemäß einer Ausführungsform wird der Anteil an Cr3C2 eingestellt auf 30-50 Gewichtsprozent Cr3C2.
Gemäß einer Ausführungsform liegen die Partikelgrößen des Pulvers in einem Bereich von 5- 65 μm.
Gemäß einer Ausführungsform liegt die Partikelgröße von in der Ni/Cr-Matrix eingebetteten Karbiden in einem Bereich von 1-5 μm.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Schichtdicke der Beschichtung bis zu 1000 μm.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das thermische Spritzen Hochgeschwindigkeits- Flammspritzen oder Plasmaspritzen. Kurze Beschreibung der Zeichnung
Fig. 1 zeigt eine Abbildung der Mikrostruktur einer erfϊndungsgemäßen Cr-Ni-Si-C-Fe-B- Beschichtung auf Kolbenringmaterial, hergestellt mittels HVOF.
Das Pulver wurde verspritzt und die Mikrostruktur (gezeigt in Fig. 1) sowie Härte und Verschleißeigenschaften geprüft. Die Mikrostrukturaufnahmen zeigen homogen verteilte Karbide, keine unaufgeschmolzenen Partikel und eine sehr dichte Schicht mit einer geringen Porosität. Das hierbei verwendete Materialsystem hat folgende chemische Zusammensetzung ergeben :
65,5 - 65,7 Gewichtsprozent Chrom, Cr;
3,7 - 3,9 Gewichtsprozent Silizium, Si;
21,2 - 21,4 Gewichtsprozent Nickel, Ni;
1,2 - 1,3 Gewichtsprozent Molybdän, Mo;
5,8 - 5,9 Gewichtsprozent Kohlenstoff, C;
0,7 Gewichtsprozent Bor, B; und
1,2 Gewichtsprozent Eisen, Fe; wobei der Anteil an Cr3C2 40 Gewichtsprozent beträgt.
Erste Versuche haben gezeigt, dass die Schichten eine Porosität von < 5% bei einer Härte von etwa 948 HVO.1 aufweisen. Dies wird durch die vorhandenen Hartstoffphasen wie Cr3Si, Ni2Si, Fe3B sowie Cr5B3 sowie den HVOF Prozess verursacht.
Um die tribologischen Eigenschaften dieses Systems zu prüfen, wurden Verschleißtests auf dem internen Standard-Prüfsystem im geschmierten Zustand durchgeführt.
Tabelle 1 zeigt die Bewertung der gemessenen Verschleißwerte im Vergleich zu galvanisch hergestellten Cr-basierten und thermisch gespritzten Mo-basierten Schichten. Es ist deutlich zu erkennen, dass das in dieser Erfϊndungsmeldung beschriebene Materialsystem als Alternative gegenüber anderen Beschichtungstechnologien verwendet werden kann. Zudem sind mittels des thermischen Spritzverfahrens wesentlich kürzere Beschichtungszeiten realisierbar (100 μm/min gegenüber 1 μm/h für Galvanik).
Tabelle 1:
Bewertung unterschiedlicher Schichtsysteme hinsichtlich Verschleiß nach Standard- Verschleißtest, bezogen auf den maximalen Verschleiß in axialer Richtung
Ring Laufbuchse
Serienschicht
(Cr-basiert galvanisch) (++) (+)
Serienschicht
(Mo-basiert, thermisches Spritzen) (0) (+)
Entwicklungsschicht
(thermisches Spritzen) (+) (+)

Claims

Ansprüche
1. Gleitelement für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend
ein Substrat; und
eine Beschichtung, erhältlich durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile
55-75 Gewichtsprozent Chrom, Cr;
3-10 Gewichtsprozent Silizium, Si;
18-35 Gewichtsprozent Nickel, Ni;
0,1-2 Gewichtsprozent Molybdän, Mo;
0,1-3 Gewichtsprozent Kohlenstoff, C;
0,5-2 Gewichtsprozent Bor, B; und
0-3 Gewichtsprozent Eisen, Fe.
2. Gleitelement nach Anspruch 1, wobei das Pulver Cr3C2 in einer Ni/Cr-Matrix eingebettet aufweist.
3. Gleitelement nach Anspruch 2, wobei der Anteil an Cr3C2 eingestellt ist gemäß
30-50 Gewichtsprozent Cr3C2.
4. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Partikelgrößen des Pulvers in einem Bereich von 5-65 μm liegen.
5. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Partikelgröße von in der Ni/Cr-Matrix eingebetteten Karbiden in einem Bereich von 1-5 μm liegt.
6. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Schichtdicke der Beschichtung bis zu 1000 μm beträgt.
7. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das thermische Spritzen Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Plasmaspritzen umfasst.
8. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Gleitelement ein Kolbenring ist.
9. Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend
Bereitstellen eines Substrats; und
Beschichten des Substrats durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile
55-75 Gewichtsprozent Chrom, Cr;
3-10 Gewichtsprozent Silizium, Si;
18-35 Gewichtsprozent Nickel, Ni;
0,1-2 Gewichtsprozent Molybdän, Mo;
0,1-3 Gewichtsprozent Kohlenstoff, C;
0,5-2 Gewichtsprozent Bor, B; und
0-3 Gewichtsprozent Eisen, Fe.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Pulver Cr3C2 in einer Ni/Cr-Matrix eingebettet aufweist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Anteil an Cr3C2 eingestellt wird gemäß
30-50 Gewichtsprozent Cr3C2.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Partikelgrößen des Pulvers in einem Bereich von 5-65 μm liegen.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Partikelgröße von in der Ni/Cr-Matrix eingebetteten Karbiden in einem Bereich von 1-5 μm liegt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Schichtdicke der Beschichtung bis zu 1000 μm beträgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei das thermische Spritzen Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Plasmaspritzen umfasst.
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