EP2459764B1 - Gleitelement mit thermisch gespritzter beschichtung und herstellungsverfahren dafür - Google Patents

Gleitelement mit thermisch gespritzter beschichtung und herstellungsverfahren dafür Download PDF

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EP2459764B1
EP2459764B1 EP10713667.3A EP10713667A EP2459764B1 EP 2459764 B1 EP2459764 B1 EP 2459764B1 EP 10713667 A EP10713667 A EP 10713667A EP 2459764 B1 EP2459764 B1 EP 2459764B1
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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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    • 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 present invention relates to a sliding element, in particular a piston ring, for an internal combustion engine, and a manufacturing method for such a sliding element.
  • the aim of the invention is to improve the tribological properties of thermally sprayed piston rings with a previously unused material system as a coating material in comparison to piston ring coatings, which are produced by means of electroplating or thermal spraying.
  • Chromium-based coatings applied by means of thermal spraying, are not yet used on piston rings. Chromium-containing layer systems are nowadays applied to piston rings by means of galvanic processes. In addition, metal oxide or diamond particles are incorporated into the chromium layers during the process to improve wear resistance.
  • EP 0834585 discloses a chromium-based powder.
  • metal oxide or diamond particles reinforced chromium layers which are produced by means of galvanic processes, is the coating of sliding elements with chromium-based materials by means of thermal spraying.
  • the hard material particles are to reduce wear (Cr 3 C 2) in the thermally sprayed layer chromium carbides.
  • a sliding member for an internal combustion engine comprising a substrate and a coating obtainable by thermally spraying a powder comprising the element portions 55-75 weight percent chromium, Cr; 3-10% by weight of silicon, Si; 18-35 weight percent nickel, Ni; 0.1-2 weight percent molybdenum, Mo; 0.1-3 weight percent carbon, C; 0.5-2 weight percent boron, B; and 0-3 weight percent iron, Fe.
  • the material of the sliding element in particular a piston ring, may be, for example, steel or cast iron.
  • the powder comprises Cr 3 C 2 embedded in a Ni / Cr matrix.
  • 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.
  • the layer thickness of the coating is up to 1000 ⁇ m.
  • thermal spraying includes high velocity flame spraying or plasma spraying.
  • the sliding element is a piston ring.
  • a method of manufacturing a sliding element for an internal combustion engine comprising providing a substrate and coating the substrate by thermal spraying a powder comprising the element portions 55-75 weight percent chromium, Cr; 3-10% by weight of silicon, Si; 18-35 weight percent nickel, Ni; 0.1-2 weight percent molybdenum, Mo; 0.1-3 weight percent carbon, C; 0.5-2 weight percent boron, B; and 0-3 weight percent iron, Fe.
  • the powder comprises Cr 3 C 2 embedded in a Ni / Cr matrix.
  • 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.
  • the layer thickness of the coating is up to 1000 ⁇ m.
  • thermal spraying includes high velocity flame spraying or plasma spraying.
  • Table 1 shows the evaluation of the measured wear values in comparison to electroplated Cr-based and thermally sprayed Mo-based layers. It can be clearly seen that the material system described in this invention disclosure as to recognize that the material system described in this invention can be used as an alternative to other coating technologies. In addition, significantly shorter coating times can be achieved by means of the thermal spraying method (100 ⁇ m / min compared to 1 ⁇ m / h for electroplating). Table 1: Evaluation of different coating systems with regard to wear according to standard wear test, based on the maximum wear in the axial direction ring liner Series layer (Cr-based galvanic) (++) (+) Series layer (Mo-based, thermal spraying) (0) (+) Development layer (thermal spraying) (+) (+)

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Description

  • 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 Metalloxid-oder Diamantpartikel während des Prozesses in die Chromschichten eingelagert, um den Verschleißwiderstand zu verbessern. EP 0834585 offenbart ein chrombasiertes Pulver.
  • 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 (Cr3C2).
  • 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 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 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 Cr-Ni-Si-C-Fe-B-Beschichtung auf Kolbenringmaterial, hergestellt mittels HVOF, die nicht unter Anspruch 1 fällt.
  • 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 Porösität. 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;
  • Erste Versuche haben gezeigt, dass die Schichten eine Porosität von < 5% bei einer Härte von etwa 948 HV0.1 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 Erfindungsmeldung beschriebene Materialsystem als zu erkennen, dass das in dieser Erfindungsmeldung 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 (13)

  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 einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Partikelgrößen des Pulvers in einem Bereich von 5-65 µm liegen.
  4. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Partikelgröße von in der Ni/Cr-Matrix eingebetteten Karbiden in einem Bereich von 1-5 µm liegt.
  5. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Schichtdicke der Beschichtung bis zu 1000 µm beträgt.
  6. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das thermische Spritzen Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Plasmaspritzen umfasst.
  7. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Gleitelement ein Kolbenring ist.
  8. 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.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Pulver Cr3C2 in einer Ni/Cr-Matrix eingebettet aufweist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei die Partikelgrößen des Pulvers in einem Bereich von 5-65 µm liegen.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Partikelgröße von in der Ni/Cr-Matrix eingebetteten Karbiden in einem Bereich von 1-5 µm liegt.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die Schichtdicke der Beschichtung bis zu 1000 µm beträgt.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das thermische Spritzen Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Plasmaspritzen umfasst.
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