RU2635119C2 - Износостойкое покрытие для поршневых колец - Google Patents

Износостойкое покрытие для поршневых колец Download PDF

Info

Publication number
RU2635119C2
RU2635119C2 RU2015111144A RU2015111144A RU2635119C2 RU 2635119 C2 RU2635119 C2 RU 2635119C2 RU 2015111144 A RU2015111144 A RU 2015111144A RU 2015111144 A RU2015111144 A RU 2015111144A RU 2635119 C2 RU2635119 C2 RU 2635119C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
wear
mass
resistant protective
piston ring
piston
Prior art date
Application number
RU2015111144A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2015111144A (ru
Inventor
Маркус КЕННЕДИ
Михель ЦИННАБОЛЬД
Original Assignee
Федераль-Могуль Буршейд Гмбх
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федераль-Могуль Буршейд Гмбх filed Critical Федераль-Могуль Буршейд Гмбх
Publication of RU2015111144A publication Critical patent/RU2015111144A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2635119C2 publication Critical patent/RU2635119C2/ru

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C27/00—Alloys based on rhenium or a refractory metal not mentioned in groups C22C14/00 or C22C16/00
    • C22C27/06—Alloys based on chromium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • 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
    • C23C4/067—Metallic material containing free particles of non-metal elements, e.g. carbon, silicon, boron, phosphorus or arsenic
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • 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
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/129—Flame spraying
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
    • F16J9/26—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction characterised by the use of particular materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
    • F16J9/28—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction of non-metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • 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
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)
  • Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)

Abstract

Изобретение относится к новому износостойкому защитному слою для поршневых колец двигателей внутреннего сгорания и к способу нанесения такого износостойкого защитного слоя при изготовлении поршневого кольца. Износостойкое защитное покрытие для поршневых колец содержит, мас. %: Fe от 15 до 25, W от 10 до 20, Cr от 20 до 30, Ni от 15 до 25, Мо от 1 до 5, Р от 0,1 до 0,5, В от 0,01 до 0,1, С от 0,1 до 5, Si от 0,1 до 2. Способ нанесения износостойкого защитного покрытия на поршневое кольцо включает приготовление компонентов в порошковой форме и нанесение компонентов на основу способом высокоскоростного газопламенного напыления (HVOF). Изобретение направлено на повышение износостойкости поршневых колец. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 пр., 2 табл., 5 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к износостойкому защитному слою для поршневых колец двигателей внутреннего сгорания и к способу нанесения такого износостойкого защитного слоя при изготовлении поршневых колец.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Поршневые кольца являются уплотнительными элементами на поршнях, например, двигателя внутреннего сгорания или поршневого компрессора. В двигателе внутреннего сгорания поршневые кольца уплотняют зазор между поршневой головкой и стенкой цилиндра, отделяя его от полости сгорания. В современных двигателях на один цилиндр используют в целом три поршневых кольца, выполнение которых зависит от их расположения. Главная задача ближайшего к полости сгорания поршневого кольца, так называемого компрессионного кольца, состоит в уплотнении и отводе тепла. Самое нижнее кольцо, так называемое маслосъемное кольцо, снимает смазочное масло со стенки цилиндра и при этом дозирует масляную пленку, по которой скользят верхние кольца во время подъема. Среднее кольцо играет роль в регулировании расхода масла и дополнительно уплотняет от газов сгорания.
При возвратно-поступательном движении поршня поршневое кольцо, с одной стороны, скользит своей наружной окружной поверхностью относительно стенки цилиндра с постоянным пружинным прижимом к ней, с другой стороны, вследствие изменения направления движения поршня поршневое кольцо попеременно скользит в своей канавке для поршневого кольца, причем его торцевые стороны попеременно прилегают к верхней или к нижней стороне канавки. При соответствующем относительном движении трущихся деталей при скольжении в зависимости от материалов происходит больший или меньший износ, который при сухом трении может приводить к так называемому задиру поршня, образованию борозд и в конечном счете к разрушению двигателя.
Для изготовления интенсивно нагруженных частей двигателей внутреннего сгорания, таких как поршневые кольца, в основном используются чугуны или чугунные сплавы. В интенсивно нагруженных двигателях внутреннего сгорания, таких как 4-тактные и 2-тактные двигатели, поршневые кольца, особенно компрессионные поршневые кольца, подвергаются все более высокой нагрузке. Помимо прочего на поршневое кольцо действуют высокое пиковое компрессионное давление, высокая температура сгорания и уменьшение смазочной пленки, которые значительно влияют на функциональные свойства, такие как износостойкость, стойкость к образованию прижога, микросварка и коррозионная стойкость.
Высокие максимальные давления циклов, низкий уровень выбросов и прямой впрыск топлива означают дальнейшую нагрузку для поршневых колец. Следствием этого является повреждение и уплощение материала, прежде всего на нижней торцевой стороне поршневого кольца.
Из-за более высоких механических и динамических нагрузок на поршневых кольцах все больше производителей двигателей требуют изготовления поршневых колец из высококачественной стали (улучшенной и высоколегированной, такой как материал 1.4112). По сравнению с чугуном стальные материалы обладают более высокой прочностью и вязкостью, поскольку в их основной структуре нет негативных явлений от свободного графита. В основном для изготовления стальных поршневых колец используют высоколегированные хромистые мартеновские стали.
Для дополнительного улучшения характеристик поршневых колец, с одной стороны, они подвергаются обработке поверхностей, такой как нанесение оловянных и медных покрытий для улучшения скольжения, нанесение слоев цинка или фосфата марганца для ускоренного прирабатывания и воронение для снижения коррозии.
С другой стороны, целенаправленной обработке подвергают также рабочие поверхности для повышения их износостойкости или снижения абразивного или адгезионного износа, например, посредством хромирования, нанесения металлокерамических композиционных слоев или молибденовых слоев или посредством нитрирования или нитроцементации. Имеющееся на рынке покрытие для поршневых колец известно под маркой МКР200 и содержит композицию из молибдена и Cr2C3-NiCr.
Однако для будущих поколений двигателей поршневые кольца с такими покрытиями обладают слишком низкой износостойкостью, стойкостью к прижогу и коррозионной стойкостью. Причиной является высокая пористость защитного слоя порядка 10-15%, а также ограничение содержания износостойких компонентов в слое вследствие используемого способа напыления.
Другая проблема состоит в том, что поршневые кольца двигателей большого объема, например, с диаметром цилиндров примерно от 190 мм и до более чем 1000 мм для обеспечения желаемого срока службы около 30000 часов требуют достаточно толстых слоев на поршневых кольцах. Однако при увеличении толщины покрытия на первый план выступают проблемы, связанные с разными коэффициентами теплового расширения материалов, используемых в поршневом кольце и в покрытии.
Для снижения износа и в особенности игры поршневого кольца в канавке поршня требуются системы, обладающие высокой износостойкостью и взвешенными характеристиками в отношении твердости, модуля упругости, прочности на срез, термостойкости, технологичности изготовления и затрат.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Соответственно задача изобретения состоит в том, чтобы предложить улучшенный износостойкий защитный слой и способ нанесения покрытия, с помощью которых может достигаться дальнейшее повышение износостойкости поршневых колец.
В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается за счет износостойкого защитного слоя, содержащего следующие элементы в указанных долях:
от 15 до 25 масс. % Fe, от 10 до 20 масс. % W, от 20 до 30 масс. % Cr, от 15 до 25 масс. % Ni, от 1 до 5 масс. % Мо, от 0,1 до 0,5 масс. % P, от 0,01 до 0,1 масс. % В, от 0,1 до 5 масс. % С, от 0,1 до 2 масс. % Si.
За счет содержания железа и никеля в композиции и в слое, равного, по меньшей мере, 30%, между основой и покрытием создается квазиоднородная система, посредством которой во время полусухого трения, в частности в области верхней или нижней мертвой точки, лучше отводится создающаяся тепловая энергия и обеспечивается равномерный процесс термической релаксации при колебаниях температуры в двигателе. Поэтому износостойкий защитный слой обладает прекрасной теплопроводностью и лишь минимальной разницей коэффициента теплового расширения по сравнению с самим поршневым кольцом. Применение сплавов на основе Fe в качестве основного материала покрытия поршневого кольца вместе с соединением Ni-Cr-P-Si-B и карбидной системой дает в результате поршневое кольцо нового типа.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Фиг. 1 изображает структуру варианта TS-V1, измеренную с помощью растрового электронного микроскопа (сокращенно REM - Raster-Elektronenmikroskop, растровый электронный микроскоп);
фиг. 2 изображает структуру варианта TS-V2, измеренную с помощью растрового электронного микроскопа;
фиг. 3 демонстрирует, что повышение фазы 1 в TS-V2 приводит к повышению концентрации карбида;
фиг. 4 изображает износ рабочих поверхностей кольца и цилиндра после испытания вне двигателя в системе «смазка кольца/цилиндра»;
фиг. 5 представляет установленные величины следов прижога в вариантах TS-V1 и TS-V2.
Слой в соответствии с изобретением содержит в основном железо (Fe), вольфрам (W в виде WC), хром (Cr в виде Cr и Cr2C3), никель (Ni), фосфор, бор (В), молибден, кремний (Si) и углерод (С, частично связанный с Fe, W и Cr в виде карбидов).
Железо (Fe) содержится в количестве от 15 до 25 масс. %, предпочтительно в количестве от 17 до 25 масс. %, более предпочтительно от 18 до 25 масс. %, еще более предпочтительно от 20 до 25 масс. % и еще более предпочтительно от 22 до 25 масс. %.
Вольфрам (W) содержится в количестве от 10 до 20 масс. %, предпочтительно в количестве от 12 до 20 масс. %, более предпочтительно от 14 до 20 масс. %, еще более предпочтительно от 16 до 20 масс. % и еще более предпочтительно от 18 до 20 масс. %.
Хром (Cr) содержится в количестве от 20 до 30 масс. %, предпочтительно в количестве от 22 до 30 масс. %, более предпочтительно от 24 до 30 масс. %, еще более предпочтительно от 26 до 30 масс. % и еще более предпочтительно от 28 до 30 масс. %.
Никель (Ni) содержится в количестве от 15 до 25 масс. %, предпочтительно в количестве от 17 до 25 масс. %, более предпочтительно от 18 до 25 масс. %, еще более предпочтительно от 20 до 25 масс. % и еще более предпочтительно от 22 до 25 масс. %.
Фосфор (Р) содержится в количестве от 1 до 5 масс. %, предпочтительно в количестве от 2 до 5 масс. %, более предпочтительно от 3 до 5 масс. % и еще более предпочтительно от 4 до 5 масс. %.
Бор (В) содержится в количестве от 0,01 до 0,1 масс. %, предпочтительно в количестве от 0,02 до 0,08 масс. %, более предпочтительно от 0,03 до 0,05 масс. % и еще более предпочтительно от 0,04 до 0,05 масс. %.
Углерод (С) содержится в количестве от 0,1 до 5 масс. %, предпочтительно в количестве от 0,5 до 5 масс. %, более предпочтительно от 1 до 5 масс. % и еще более предпочтительно от 1 до 2 масс. %.
Молибден содержится в количестве от 1 до 5 масс. %, предпочтительно в количестве от 2 до 5 масс. %, более предпочтительно от 2 до 4 масс. % и еще более предпочтительно от 2 до 3 масс. %.
Кремний (Si) содержится в количестве от 0,1 до 2 масс. %, предпочтительно в количестве от 0,5 до 2 масс. %, более предпочтительно от 1 до 2 масс. % и еще более предпочтительно от 1,5 до 2 масс. %.
В необязательном порядке износостойкий защитный слой в соответствии с изобретением может содержать ниобий (Nb) и кислород (О).
Ниобий (Nb) может содержаться в количестве от 10 до 15 масс. %, предпочтительно в количестве от 11 до 15 масс. %, более предпочтительно от 12 до 15 масс. %, еще более предпочтительно от 13 до 15 масс. % и еще более предпочтительно от 14 до 15 масс. %.
Кислород может содержаться в количестве от 0,1 до 2 масс. %, предпочтительно в количестве от 0,1 до 0,8 масс. %, более предпочтительно от 0,2 до 0,5 масс. %, еще более предпочтительно от 0,3 до 0,5 масс. % и еще более предпочтительно от 0,4 до 0,5 масс. %.
Следует понимать, что указанные диапазоны могут варьироваться в любой желаемой комбинации.
Указанные элементы Fe, W, Cr и Nb могут присутствовать как таковые или в виде своих карбидов. Содержание карбидов может составлять от 20 до 50 масс. %, предпочтительно от 25 до 50 масс. %, более предпочтительно от 30 до 50 масс. % и еще более предпочтительно от 35 до 45 масс. %.
При этом содержание WC может составлять от 10 до 20 масс. %, содержание Cr2C3 от 10 до 25 масс. %, а содержание NbC от 5 до 15 масс. %.
Предпочтительные диапазоны для WC составляют от 12 до 20 масс. %, более предпочтительно от 15 до 20 масс. %, еще более предпочтительно от 15 до 18 масс. %. Предпочтительные диапазоны для Cr2C3 составляют от 12 до 23 масс. %, более предпочтительно от 15 до 20 масс. %, еще более предпочтительно от 18 до 20 масс. %. Предпочтительные диапазоны для NbC составляют от 7 до 15 масс. %, более предпочтительно от 9 до 15 масс. %, еще более предпочтительно от 10 до 12 масс. %.
Следует понимать, что возможны любые комбинации указанных диапазонов, в том числе предпочтительных диапазонов и предпочтительных диапазонов содержания самих элементов.
Было обнаружено, что использование карбидов в композиции покрытия по изобретению обеспечивает дальнейшее повышение стойкости к прижогу и износостойкости. Кроме того, использование никеля в указанных диапазонах и в комбинации с другими элементами в указанных диапазонах приводит к улучшению прочности на срез и характеристик эластичности, что повышает долговечность поршневого кольца, в особенности при его движении в канавке кольца.
Износостойкий защитный слой может быть нанесен на основу любым подходящим способом, причем предпочтительно используется термический процесс напыления. Особенно предпочтителен способ высокоскоростного газопламенного напыления (от англ. HVOF - High-Velocity-Oxygen-Fuel). При этом используемые для изготовления износостойкого слоя ингредиенты используются в порошкообразной форме. Использование способа высокоскоростного газопламенного напыления (HVOF) дает особенно плотное термическое покрытие на покрываемой основе с особенно низкой пористостью.
Размеры частиц используемого порошка в общем случае составляют от 1 до 80 мкм, предпочтительно от 5 до 60 мкм, еще более предпочтительно от 10 до 50 мкм. Отдельные карбиды предпочтительно имеют размеры частиц от 0,1 до 5 мкм, более предпочтительно от 1 до 4 мкм и могут быть заключены в матрице NiCr. При этом карбиды могут присутствовать либо в виде агломерированных и спекшихся частиц, либо в качестве первично осажденных карбидов.
Таким образом, использование сплавов на основе Fe в качестве основного материала покрытия поршневого кольца вместе с молибденом и карбидом вольфрама дает в результате поршневое кольцо нового типа с улучшенными свойствами в отношении износостойкости, стойкости к прижогу и коррозии.
Далее, настоящее изобретение предусматривает также покрытое износостойким защитным слоем поршневое кольцо. При этом подлежащее покрытию поршневое кольцо может принадлежать к любому типу, то есть может быть компрессионным, маслосъемным или средним кольцом, изготовленным из чугуна или из стали. Предпочтительно поршневое кольцо покрывают посредством термического процесса напыления, предпочтительно способом высокоскоростного газопламенного напыления (HVOF).
Толщина покрытия может составлять от 20 до 1500 мкм, предпочтительно от 20 до 1000 мкм, более предпочтительно от 20 до 800 мкм.
Твердость покрытия поршневого кольца, снабженного износостойким защитным слоем по изобретению, может составлять 550 HV 1 до 950 HV 1 (твердость по Виккерсу).
Такие снабженные покрытием поршневые кольца используются прежде всего в двигателях внутреннего сгорания. При этом применяемые при таком использовании серосодержащие масла вызывают реакцию молибдена в износостойком слое поршневого кольца с серой с получением MoS2, который вследствие своей кристаллической структуры является прекрасным твердым смазочным материалом. За счет этой реакции снижается тенденция трибосистемы к прижогу или задиру. MoS2 имеет характерную слоистую решетку, которая состоит из системы плоскостей сера-металл-сера, параллельных шестиугольной базовой плоскости (001). Внутри этих плоскостей существуют сильные ковалентные связи. Однако плоскости связаны друг с другом только посредством слабых ван-дер-ваальсовых взаимодействий. Эта подобная графиту анизотропная структура слоя определяет низкую твердость материала и прекрасную расслаиваемость вдоль плоскостей (001) с получением в результате прекрасной антизадирной способности.
Следующие примеры предназначены для пояснения изобретения и не являются ограничительными.
ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
I. Износостойкие защитные слои
Были изготовлены и сравнивались друг с другом следующие варианты износостойких защитных слоев:
TS-V1: Композиция из Mo и Cr2C3-NiCr (Марка МКР200, серийный продукт фирмы Federal-Mogul) была получена плазменным напылением и использовалась в качестве сравнительного образца
TS-V2: 4-фазная смесь
Фаза 1: основа FeCr+WC/Cr2C3-NiCr;
Фаза 2: соединение Ni-Cr-P-Si-B:
Фаза 3: молибден
Фаза 4: NbC
с соотношением в смеси 70/10/10/10, слой получен способом высокоскоростного газопламенного напыления (HVOF)
II. Проведенные эксперименты
Слой TS-V2 был исследован в отношении химического состава (таблица 1), пористости и твердости (таблица 2), микроструктуры (фиг. 1-3) и в отношении износостойкости и стойкости к прижогу (фиг. 4 и 5).
В таблице 1 показан химический состав использованных в испытаниях износостойких защитных слоев (три измерения от V2a до V2c).
Figure 00000001
Далее для вариантов известными методами были определены микроструктура, пористость и твердость, а также характеристики износа и прижога. В таблице 2 показаны полученные величины.
Figure 00000002
Из таблицы видно, что пористость слоев по изобретению по сравнению со сравнительным слоем резко уменьшилась и что увеличение концентрации карбидов приводит к повышению твердости износостойкого защитного слоя.
С помощью растровой электронной микроскопии была исследована микроструктура и распределение фаз (фиг. 1). На изображении видно, что в варианте 1 отсутствуют нерасплавленные частицы, а также видны равномерно распределенные области Cr2C3 вместе с молибденом в никель-хромовой матрице. Исследования пористости показали, что пористость не превышала 10%.
Из фиг. 2 видно, что в варианте TS-V2 карбиды распределены равномерно, имеется небольшое количество частично расплавленных частиц, а молибден и области WC и Cr2C3 в матрице Ni-Cr, а также NbC и Ni распределены равномерно. Пористость составляет примерно 1%. Зернистые светлые области соответствуют карбиду вольфрама, очень ровные, также светлые области соответствуют молибдену, серые области никелю и темно-серые Cr2C3 или содержащим Cr2C3 фазам.
Из фиг. 3 на основе более зернистых и светлых областей (соответствуют карбиду вольфрама) ясно, что увеличение содержания основы FeCr+WC/Cr2C3-NiCr приводит к повышению концентрации карбидов в износостойком защитном слое.
Далее были проведены испытания на износ и прижог вне двигателя. Для этого участок элемента скольжения с покрытием фиксировали в держателе и с постоянными усилием и скоростью возвратно-поступательно перемещали по ответному телу в масляной ванне. Результаты представлены на фиг. 4 и 5.
Как видно из фиг. 4, за счет использования износостойкого защитного слоя по изобретению с измененным составом по сравнению с износостойким слоем, известным из уровня техники, может достигаться значительное улучшение износостойкости (см. фиг. 4), что привело к снижению износа рабочих поверхностей кольца и цилиндра более чем на 90%.
Была исследована также характеристика прижога. Для этого была использована в принципе такая же испытательная установка, как и при испытаниях на износ. Однако было создано состояние отсутствия смазки, а нагрузку повышали через постоянные промежутки времени. Измерения прекращали, как только коэффициент трения скольжения становился >0,3. Как видно из фиг. 5, вариант TS-V2 показал заметно улучшенную характеристику прижога по сравнению с вариантом TS-V1. Без привлечения теории можно принять исходную посылку, что это обусловлено более толстым слоем за счет технологии высокоскоростного газопламенного напыления (HVOF) в комбинации с низкой точкой плавления компонентов Ni-Cr-B-Si, повышенной долей карбидов и присутствием молибдена во всех слоях высокоскоростного газопламенного напыления (HVOF).
Таким образом, на основании проведенных вне двигателя исследований установлено, что покрытия поршневых колец в соответствии с изобретением имеют лучшую стойкость к износу и прижогу, чем современные покрытия на основе Cr-Ni, нанесенные осаждением из газовой фазы (PVD - от англ. Physical Vapor Deposition -физическое осаждение паров) (F-M, спецификация материалов GOE242), которые используются в автомобильных двигателях, рассчитанных на тяжелые режимы.
Из результатов испытаний очевидно, что благодаря такой системе слоев был получен новый тип поршневых колец.

Claims (13)

1. Износостойкое защитное покрытие для поршневых колец, содержащее элементы в следующем соотношении, мас. %:
Fe от 15 до 25 W от 10 до 20 Cr от 20 до 30 Ni от 15 до 25 Мо от 1 до 5 Р от 0,1 до 0,5 В от 0,01 до 0,1 С от 0,1 до 5 Si от 0,1 до 2
2. Износостойкое защитное покрытие по п. 1, отличающееся тем, что оно содержит W и Cr в виде карбидов вольфрама и хрома в количестве от 15 до 50 мас. %.
3. Износостойкое защитное покрытие по п. 2, отличающееся тем, что оно содержит карбиды вольфрама и хрома в следующем количестве, мас. %:
WC от 10 до 20 и/или Cr2C3 от 10 до 25
4. Способ нанесения износостойкого защитного покрытия по любому из пп. 1-3 на поршневое кольцо, включающий:
(i) приготовление компонентов в порошковой форме и
(ii) нанесение компонентов на основу способом высокоскоростного газопламенного напыления (HVOF).
5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что готовят порошковую смесь с размером частиц элементов от 1 до 80 мкм и размером частиц используемых карбидов от 0,1 до 5 мкм.
6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что карбиды присутствуют в покрытии в виде агломерированных и спекшихся частиц или в виде первично осажденных карбидов.
7. Поршневое кольцо с износостойким защитным покрытием, отличающееся тем, что оно содержит покрытие по любому из пп. 1-3.
8. Поршневое кольцо по п. 7, отличающееся тем, что толщина покрытия составляет от 20 до 1000 мкм.
9. Поршневое кольцо по п. 8, отличающееся тем, что твердость покрытия составляет от 550 до 950 HV 1 по Виккерсу.
RU2015111144A 2012-09-14 2013-09-09 Износостойкое покрытие для поршневых колец RU2635119C2 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102012018276.7A DE102012018276A1 (de) 2012-09-14 2012-09-14 Verschleißschutzschicht für Kolbenringe
DE102012018276.7 2012-09-14
PCT/EP2013/068568 WO2014040940A1 (de) 2012-09-14 2013-09-09 Verschleissschutzschicht für kolbenringe

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015111144A RU2015111144A (ru) 2016-11-10
RU2635119C2 true RU2635119C2 (ru) 2017-11-09

Family

ID=49170668

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015111144A RU2635119C2 (ru) 2012-09-14 2013-09-09 Износостойкое покрытие для поршневых колец

Country Status (10)

Country Link
US (1) US9869390B2 (ru)
EP (1) EP2895639B1 (ru)
JP (1) JP6259827B2 (ru)
KR (1) KR102109329B1 (ru)
CN (1) CN104603317B (ru)
BR (1) BR112014031557A2 (ru)
DE (1) DE102012018276A1 (ru)
PT (1) PT2895639T (ru)
RU (1) RU2635119C2 (ru)
WO (1) WO2014040940A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2784024C1 (ru) * 2022-05-24 2022-11-23 Общество с ограниченной ответственностью "Технология" Способ получения вольфрамсодержащего покрытия на металлических деталях нефтегазового машиностроения

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105190127B (zh) * 2012-12-31 2018-01-23 马勒国际有限公司 有双涂层的活塞环
EP3207167A2 (de) * 2014-10-17 2017-08-23 KS Kolbenschmidt GmbH Beschichtung für bauteile von brennkraftmaschinen
EP3318656B1 (en) * 2016-03-04 2019-08-07 Kabushiki Kaisha Riken Sliding member and piston ring
US9856821B1 (en) 2016-10-14 2018-01-02 Etagen, Inc. Open-faced piston assembly
CN108266287A (zh) * 2018-01-24 2018-07-10 安徽浩丰实业有限公司 一种活塞环的耐磨涂层

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU99100630A (ru) * 1996-10-28 2000-10-27 Ман Б Энд В Диесель А/С Поршневые кольца и/или поршень двигателя внутреннего сгорания дизельного типа и способ приработки дизельного двигателя
RU2284428C2 (ru) * 2004-10-26 2006-09-27 Закрытое акционерное общество "Барнаульский котельный завод" (ЗАО "БКЗ") Поршневое кольцо
DE102009031375A1 (de) * 2008-09-23 2010-04-22 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Kolbenring mit einstellbaren Verschleißeigenschaften
DE102009016650B3 (de) * 2009-04-07 2010-07-29 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Gleitelement mit einstellbaren Eigenschaften
DE102009032042B4 (de) * 2008-07-24 2011-03-17 Infineon Technologies Ag System mit einer magnetischen Erfassungsschichtorientierung von 90 Grad und Verfahren zur Herstellung eines Sensors

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3837817A (en) * 1972-10-18 1974-09-24 Nippon Piston Ring Co Ltd Sliding member having a spray-coated layer
US4822415A (en) * 1985-11-22 1989-04-18 Perkin-Elmer Corporation Thermal spray iron alloy powder containing molybdenum, copper and boron
DE4302521A1 (de) * 1993-01-29 1994-08-04 Linde Ag Metallisches Pulver für die Erzeugung von verschleißfesten Oberflächenschichten mittels einer thermischen Spritzmethode, Herstellungsverfahren und Spritzmethode dafür
DE10046956C2 (de) * 2000-09-21 2002-07-25 Federal Mogul Burscheid Gmbh Thermisch aufgetragene Beschichtung für Kolbenringe aus mechanisch legierten Pulvern
DE10163933B4 (de) 2001-12-22 2004-01-29 Federal-Mogul Friedberg Gmbh Werkstoffdraht zur Erzeugung einer Verschleißschutzschicht mittels eines Lichtbogenspritzverfahrens und Verwendung des Werkstoffdrahtes
CN101492795A (zh) * 2008-01-21 2009-07-29 安泰科技股份有限公司 铁基非晶纳米晶复合涂层
DE102008032042B3 (de) 2008-07-08 2010-04-01 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Verschleißfeste Bauteile für Verbrennungskraftmaschine und Verfahren zu ihrer Herstellung
DE102010038289A1 (de) 2010-07-22 2012-01-26 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Kolbenring mit thermischen gespritzter Beschichtung und Herstellungsverfahren davon

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU99100630A (ru) * 1996-10-28 2000-10-27 Ман Б Энд В Диесель А/С Поршневые кольца и/или поршень двигателя внутреннего сгорания дизельного типа и способ приработки дизельного двигателя
RU2284428C2 (ru) * 2004-10-26 2006-09-27 Закрытое акционерное общество "Барнаульский котельный завод" (ЗАО "БКЗ") Поршневое кольцо
DE102009032042B4 (de) * 2008-07-24 2011-03-17 Infineon Technologies Ag System mit einer magnetischen Erfassungsschichtorientierung von 90 Grad und Verfahren zur Herstellung eines Sensors
DE102009031375A1 (de) * 2008-09-23 2010-04-22 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Kolbenring mit einstellbaren Verschleißeigenschaften
DE102009016650B3 (de) * 2009-04-07 2010-07-29 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Gleitelement mit einstellbaren Eigenschaften

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2784024C1 (ru) * 2022-05-24 2022-11-23 Общество с ограниченной ответственностью "Технология" Способ получения вольфрамсодержащего покрытия на металлических деталях нефтегазового машиностроения

Also Published As

Publication number Publication date
WO2014040940A1 (de) 2014-03-20
KR102109329B1 (ko) 2020-05-12
CN104603317A (zh) 2015-05-06
BR112014031557A2 (pt) 2017-06-27
EP2895639A1 (de) 2015-07-22
US20150252901A1 (en) 2015-09-10
CN104603317B (zh) 2017-04-05
DE102012018276A1 (de) 2014-05-15
RU2015111144A (ru) 2016-11-10
US9869390B2 (en) 2018-01-16
JP6259827B2 (ja) 2018-01-10
JP2015531462A (ja) 2015-11-02
PT2895639T (pt) 2016-08-05
EP2895639B1 (de) 2016-07-06
KR20150056566A (ko) 2015-05-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2601358C2 (ru) Износостойкий слой для поршневых колец
RU2544332C2 (ru) Поршневое кольцо с покрытием, нанесенным путем термического напыления, и способ его получения
RU2635119C2 (ru) Износостойкое покрытие для поршневых колец
JP4790135B2 (ja) 耐摩耗性摺動部材
JP5903085B2 (ja) シリンダボアとピストンリングの組合せ
KR100501985B1 (ko) 미끄럼 부재용 내마모성 용사피막
KR101718840B1 (ko) 열 분무된 코팅을 지닌 슬라이딩 부재 및 이를 생산하는 방법
RU2563912C2 (ru) Способ изготовления поршневого кольца с внедренными частицами
US9181870B2 (en) Element provided with at least one slide surface for use on an internal combustion engine
US20140137831A1 (en) Cylinder Bore Coating System
JP5981013B1 (ja) 内燃機関用ピストンリング
JP2003343353A (ja) 内燃機関のシリンダとピストンリングの組み合わせ
Igartua et al. Tribological tests to simulate wear on piston rings
KR101922159B1 (ko) 피스톤 스커트부 코팅재 조성물 및 이를 이용한 피스톤 스커트부의 코팅방법
JP4247882B2 (ja) 耐摩耗溶射皮膜
JP5826958B1 (ja) 内燃機関用ピストンリング
JPS5993865A (ja) 摺動部材
Pindoriya et al. EXPERIMENTAL STUDIES ON CERMET COTING OF PISTON RING OF SINGLE CYLINDER DIESEL ENGINE
JPS5923864A (ja) 摺動部材
Öner et al. APPLICATION OF CRN COATING IN CYLINDER LINERS FOR FRICTION REDUCTION
JPS60251263A (ja) 摺動部材
JPS62255667A (ja) ピストンリング

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200910