SE519494C2 - Composite for coating piston rings, piston ring and method of making the composite - Google Patents
Composite for coating piston rings, piston ring and method of making the compositeInfo
- Publication number
- SE519494C2 SE519494C2 SE0002663A SE0002663A SE519494C2 SE 519494 C2 SE519494 C2 SE 519494C2 SE 0002663 A SE0002663 A SE 0002663A SE 0002663 A SE0002663 A SE 0002663A SE 519494 C2 SE519494 C2 SE 519494C2
- Authority
- SE
- Sweden
- Prior art keywords
- composite
- layer
- powder
- coating
- nicr
- Prior art date
Links
Classifications
-
- 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
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
- C22C32/001—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with only oxides
- C22C32/0015—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with only oxides with only single oxides as main non-metallic constituents
- C22C32/0026—Matrix based on Ni, Co, Cr or alloys thereof
-
- 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
- C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
- C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
-
- 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
- C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
-
- 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
- C23C4/14—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying for coating elongate material
- C23C4/16—Wires; Tubes
-
- 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
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
- Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)
Abstract
Description
D.) Ul 519 494 2 egenskaper för att skapa beständighet mot de olika typerna av slitage provas därför alltmer med varierande framgång. D.) Ul 519 494 2 properties to create resistance to the different types of wear are therefore increasingly being tested with varying success.
Ett annat sätt att åstadkomma ett beständigt beläggningsskiktmaterial är att utnyttja ett kompositmaterial för bildande av ett skikt med de önskade egenskaperna. I exempelvis US-3,9l4,507 beskrivs en metod för att bilda en mängd olika kompositpulver. Med hjälp av metoden i det ovannämnda patentdokumentet bildas ett kompositpulver genom att ett befintligt pulver, som har en kärna av exempelvis kiselgur, kromoxid eller kalciumfluorid och en beläggning av nickel, sintras med ett ytterligare pulver av exempelvis krom, vilket med hjälp av värme bildar legering med den befintliga nickelbeläggningen. En process som enligt ovannämnda dokument tar ca 40-50 timmar, vilket givetvis är en stor nackdel. Vidare medför sintringsmetoden begränsade möjligheter till legering mellan nickel och krom, varvid en stor del av nicklet och kromet återfinns som separata faser även efter sintringen. Denna ofullständiga legering medför att den termiska stabiliteten i ett pulverbaserat skikt av det aktuella pulvermaterialet inte blir optimal.Another way to achieve a durable coating layer material is to use a composite material to form a layer with the desired properties. For example, US-3,914,507 describes a method for forming a variety of composite powders. Using the method in the above-mentioned patent document, a composite powder is formed by sintering an existing powder, which has a core of, for example, diatomaceous earth, chromium oxide or calcium fluoride and a coating of nickel, with an additional powder of, for example, chromium, which forms an alloy with the existing nickel coating using heat. A process that, according to the above-mentioned document, takes about 40-50 hours, which is of course a major disadvantage. Furthermore, the sintering method results in limited possibilities for alloying between nickel and chromium, whereby a large part of the nickel and chromium are found as separate phases even after sintering. This incomplete alloying means that the thermal stability of a powder-based layer of the powder material in question is not optimal.
Normalt används termisk sprutning av en pulverblandning för att belägga ett substrat med ett skikt. Denna metod ger en struktur på kompositskiktet med större sammanhängande stråk av ett ämne än vad som är önskvärt. Detta medför också stora problem med vidhäftningen av partiklarna i pulvret för att bilda skiktet. Den sämre vidhäftningen på grund av de sammanhängande stråken ger upphov till sprickanvisningar, vilket sänker skiktets hållfasthet. Även den termiska stabiliteten påverkas negativt. Problemet att skapa ett kompositskikt, för beläggning av ett substrat, vilket skikt uppvisar termisk stabilitet vid både tillverkning och användning samt har högt slitage- och korrosions- motstånd, kvarstår därmed att lösa. lO l5 20 25 30 35 519 494 3 Sammanfattning av uppfinningen Ovanstående nackdelar löses inledningsvis genom att åstadkomma ett homogent kompositpulver, vilket komposit- pulver beskrivs av det självständiga patentkravet l. Kom- positpulvret åstadkommes genom ett förfarande enligt pa- tentkrav 9. Nämnda kompositpulver appliceras som ett skikt på ett substrat. Det erhållna kompositskiktet kän- netecknas av det självständiga patentkravet 3. Det med kompositskiktet belagda substratet utgörs företrädesvis av en kolvring i enlighet med krav 6. Föredragna utfö- ringsformer jämte förfarande enligt uppfinningen framgår av de beroende patentkraven.Normally, thermal spraying of a powder mixture is used to coat a substrate with a layer. This method produces a structure on the composite layer with larger continuous streaks of a substance than is desirable. This also causes major problems with the adhesion of the particles in the powder to form the layer. The poorer adhesion due to the continuous streaks gives rise to crack indications, which lowers the strength of the layer. The thermal stability is also negatively affected. The problem of creating a composite layer for coating a substrate, which layer exhibits thermal stability during both manufacture and use and has high wear and corrosion resistance, therefore remains to be solved. 10 15 20 25 30 35 519 494 3 Summary of the invention The above disadvantages are initially solved by providing a homogeneous composite powder, which composite powder is described by the independent patent claim 1. The composite powder is provided by a method according to patent claim 9. Said composite powder is applied as a layer on a substrate. The obtained composite layer is characterized by the independent patent claim 3. The substrate coated with the composite layer preferably consists of a piston ring in accordance with claim 6. Preferred embodiments and methods according to the invention are apparent from the dependent patent claims.
Genom det ovan beskrivna uppfinningsenliga förfaran- det åstadkoms ett kompositpulver, vilket består av 25-75 volymprocent NiCr och hårdfas, vilken hårdfas är Crjh. I enlighet med uppfinningen avser NiCr en legering beståen- de av Ni och Cr.By the above-described inventive method, a composite powder is produced, which consists of 25-75 volume percent NiCr and hard phase, which hard phase is Crjh. In accordance with the invention, NiCr refers to an alloy consisting of Ni and Cr.
Inför beläggningen av substratet siktas kompositpar- tiklarna för att sortera fram önskad storleksfraktion av kompositpulvret för beläggningen av skiktet. Beroende på vilket förfarande som används för att belägga substratet avgår eller omvandlas en viss mängd av partiklarna under beläggningsförfarandet, varför koncentrationerna av fa- serna i skiktet kan skilja sig jämfört med de primärt in- gående koncentrationerna av faserna för framställning av kompositpulvret.Prior to coating the substrate, the composite particles are screened to select the desired size fraction of the composite powder for coating the layer. Depending on the process used to coat the substrate, a certain amount of the particles is removed or converted during the coating process, which is why the concentrations of the phases in the layer may differ compared to the primary concentrations of the phases for producing the composite powder.
Således avser uppfinningen ett kompositskikt, sär- skilt avsett för kolvringar, innefattande keramkomposit kännetecknat av att keramkompositen består av 25-75 vo- lymprocent NiCr och hårdfas, vilken hårdfas är Crgh.Thus, the invention relates to a composite layer, particularly intended for piston rings, comprising ceramic composite characterized in that the ceramic composite consists of 25-75 volume percent NiCr and hard phase, which hard phase is Crgh.
Skiktet enligt uppfinningen består således av en metal- lisk fas och en hårdfas eller keramfas. Skiktet ger en optimal kombination av de ingående materialens egenskaper ur mekanisk och tribologisk synvinkel. Det bildade skik- tet har en korrosionsbeständighet som är jämförbar med ett skikt av hårdkrom. Genom att kombinera NiCr med en hårdfas ur ovannämnda grupp erhålles dock ett skikt med lO 15 20 25 30 b) Ul 519 494 4 betydligt bättre termiska egenskaper än till exempel hàrdkrom som är ett vanligt slitskikt pà kolvringar, vil- ket gör det uppfinningsenliga skiktet särskilt lämpligt för beläggning av nämnda kolvringar. Kombinationen av en duktil fas och en hàrdfas i skiktet ger en mycket god be- ständighet mot nötning, och erbjuder samtidigt en Viss duktilitet. Denna duktilitet hos skiktet är en mycket stor fördel, exempelvis vid användning som beläggning av kolvringar.The layer according to the invention thus consists of a metallic phase and a hard phase or ceramic phase. The layer provides an optimal combination of the properties of the constituent materials from a mechanical and tribological point of view. The layer formed has a corrosion resistance that is comparable to a layer of hard chromium. However, by combining NiCr with a hard phase from the above-mentioned group, a layer is obtained with significantly better thermal properties than, for example, hard chromium, which is a common wear layer on piston rings, which makes the layer according to the invention particularly suitable for coating said piston rings. The combination of a ductile phase and a hard phase in the layer provides very good resistance to abrasion, and at the same time offers a certain ductility. This ductility of the layer is a very great advantage, for example when used as a coating for piston rings.
I en föredragen utföringsform av det uppfinningsen- liga skiktet utgörs hàrdfasen i kompositskiktet av Crflb.In a preferred embodiment of the inventive layer, the hard phase in the composite layer consists of Cr2O3.
Kromoxiden har mycket goda tribologiska egenskaper. En annan fördel med ett skikt av just NiCr och Crfib är att det bildas en stark metallurgisk bindning mellan kromet i metallfasen och oxidfasen.Chromium oxide has very good tribological properties. Another advantage of a layer of NiCr and Crfib is that a strong metallurgical bond is formed between the chromium in the metal phase and the oxide phase.
I en föredragen utföringsform av uppfinningen har kompositskiktet en porositet pà 2-10 volymprocent. Poro- siteten i skiktet medför att det finns viss kapacitet hos hàlrummen i skiktet att uppta deformationer i materialet och pä så sätt undvika en del sprickbildning i skiktet.In a preferred embodiment of the invention, the composite layer has a porosity of 2-10 volume percent. The porosity in the layer means that there is a certain capacity of the voids in the layer to accommodate deformations in the material and thus avoid some cracking in the layer.
Skiktet upplevs därmed som segare och man talar om en falsk duktilitet. En ytterligare fördel med porerna är att dom kan verka som smörjoljebuffertar.The layer is thus perceived as tougher and one speaks of a false ductility. An additional advantage of the pores is that they can act as lubricating oil buffers.
Kompositskiktet kan appliceras till ett substrat pà olika sätt i enlighet med känd teknik. Exempel pà känd teknik att belägga ett substrat med ett skikt är laser eller annan svetsmetod, plasmasprutning samt HVOF-metod, vilka inte närmare kommer att beskrivas här.The composite layer can be applied to a substrate in various ways in accordance with known technology. Examples of known technology for coating a substrate with a layer are laser or other welding methods, plasma spraying and HVOF methods, which will not be described in more detail here.
Uppfinningen avser även en kolvring, vilken är för- sedd med ett beläggningsskikt, innefattande keramkomposit kännetecknad av att keramkompositen består av 25-75 vo- lymprocent NiCr och härdfas är Crgh. Andelen porer i kolvringens beläggningsskikt är 2-10 volymprocent.The invention also relates to a piston ring, which is provided with a coating layer, comprising ceramic composite characterized in that the ceramic composite consists of 25-75 volume percent NiCr and the hardening phase is Crgh. The proportion of pores in the coating layer of the piston ring is 2-10 volume percent.
Uppfinningen avser även ett förfarande för fram- ställning av ett kompositpulver, kännetecknat av att en vattensuspension, innefattande en blandning av 25-75 volymprocent NiCr och härdfas, vilken hàrdfas utgörs av lO l5 20 25 30 U) Uï 519 494 5 Crgh framställs, partiklar erhålles från nämnda suspen- sion samt att nämnda partiklar bearbetas med en torkmetod för att bilda kompositpulvret.The invention also relates to a method for producing a composite powder, characterized in that an aqueous suspension, comprising a mixture of 25-75 volume percent NiCr and a hardening phase, which hardening phase consists of 10 l5 20 25 30 U) Uï 519 494 5 Crgh is produced, particles are obtained from said suspension and that said particles are processed with a drying method to form the composite powder.
En fördel med ovanstående förfarande är att genom framställningen av kompositpulvret åstadkomma ett pulver, vilket efter att det har applicerats som kompositskikt på ett substrat bildar ett kompositskikt som dels har god termisk beständighet och korrosionsbeständighet dels hög slitstyrka. Efterföljande applicering av kompositpulvret på substratet, så att ett skikt med alla de tre önskade egenskaperna bildas, förenklas givetvis när det kan upp- nås med ett enda material. Dessutom möjliggör förfarandet enligt uppfinningen att bilda pulvret av en stabil slamma så att det bildas homogena och bra partiklar eller med annat namn granuler.An advantage of the above method is that by producing the composite powder, a powder is produced which, after being applied as a composite layer on a substrate, forms a composite layer which has good thermal and corrosion resistance and high wear resistance. Subsequent application of the composite powder to the substrate, so that a layer with all three desired properties is formed, is of course simplified when it can be achieved with a single material. In addition, the method according to the invention enables the powder to be formed from a stable slurry so that homogeneous and good particles or granules are formed.
I enlighet med uppfinningstanken avses ett förfaran- de i vilket partiklarna erhålles fràn suspensionen genom att suspensionen droppas i kylmedium, varvid nedkylda partiklar bildas. Detta förfarande benämns i fortsätt- ningen frysgranulering. Denna frysgranulering ästadkommes exempelvis genom att den bildade slamman sprayas direkt ned i flytande kväve, varvid de sprayade dropparna momen- tant bildar frysta sfäriska partiklar. I enlighet med det uppfinningsenliga förfarandet innefattar torkmetoden för att bilda kompositpulvret av partiklarna frystorkning.According to the inventive concept, a method is intended in which the particles are obtained from the suspension by dropping the suspension into a cooling medium, whereby cooled particles are formed. This method is hereinafter referred to as freeze granulation. This freeze granulation is achieved, for example, by spraying the formed slurry directly into liquid nitrogen, whereby the sprayed droplets instantaneously form frozen spherical particles. According to the inventive method, the drying method for forming the composite powder of the particles comprises freeze drying.
Frysgranulering av pulvermaterialet har en mängd fördelar gentemot konventionella metoder, av vilka följande förde- lar förtjänar att nämnas.Freeze granulation of the powder material has a number of advantages over conventional methods, of which the following advantages deserve mention.
De infrusna dropparna vid frysgranulering har samma sammansättning som den ursprungliga slamman. Därigenom undviker man migrering av fina partiklar och eventuellt bindemedel under torkningen, vilket är ett problem vid alternativa torkmetoder som exempelvis indunstning. Mi- greringen ger upphov till inhomogent granulat. Mycket högt utbyte av material i processen är en annan fördel med frysgranuleringsförfarandet_ Dessutom kan partikel- 10 15 20 25 30 b) Ul 519 494 6 densiteten styras med hjälp av torrhalten (mängden pul- ver) i slamman.The frozen droplets in freeze granulation have the same composition as the original slurry. This avoids migration of fine particles and any binder during drying, which is a problem with alternative drying methods such as evaporation. The migration gives rise to inhomogeneous granules. Very high yield of material in the process is another advantage of the freeze granulation method. In addition, the particle density can be controlled by means of the dry content (amount of powder) in the slurry.
Enligt en ytterligare aspekt av förfarandet, inne- fattar metoden för att framställa kompositpulvret av NiCr och härdfasen spraytorkning. Metoden med spraytorkning av partiklarna är ett ytterligare alternativ för framställ- ning av pulvret. De ovan nämnda framställningsmetoderna skall endast ses som exempel av föredragna förfaranden vid framställningen av kompositpulvret, vilka metoder inte skall anses begränsande för uppfinningstanken utan även andra metoder för framställning av kompositpulvret enligt uppfinningen är tänkbara.According to a further aspect of the method, the method for preparing the composite powder of NiCr and the hardening phase comprises spray drying. The method of spray drying the particles is a further alternative for preparing the powder. The above-mentioned preparation methods should only be seen as examples of preferred methods for preparing the composite powder, which methods should not be considered limiting to the inventive concept, but also other methods for preparing the composite powder according to the invention are conceivable.
Uppfinningen avser även ett förfarande för fram- ställning av nämnda kompositpulver, vid vilket suspensio- nen tillsätts ett dispergeringsmedel i form av en laddad polymer. För att partiklarna skall fä sä bra egenskaper som möjligt är det viktigt att den produkt man baserar processen på är homogen och väl dispergerad. Ett exempel på en negativt laddad polymer som är lämplig som disper- geringsmedel är polyakrylsyra. Fördelen med att använda polymer som dispergeringsmedel under framställningen av det aktuella pulvret är att det värms bort ur materialet dä skiktet appliceras som beläggning pä substratet.The invention also relates to a method for producing said composite powder, in which a dispersant in the form of a charged polymer is added to the suspension. In order for the particles to have the best possible properties, it is important that the product on which the process is based is homogeneous and well dispersed. An example of a negatively charged polymer that is suitable as a dispersant is polyacrylic acid. The advantage of using polymer as a dispersant during the production of the powder in question is that it is heated away from the material when the layer is applied as a coating on the substrate.
Uppfinningen avser även ett förfarande för fram- ställning av nämnda kompositpulver, vid vilket suspensio- nen tillsätts ett bindemedel. Valet av bindemedel görs med hänsyn till att partiklarna skall bli så starka som möjligt. Ett exempel pä bindemedel är polyvinylalkohol (PVA). För att inte bindemedlet skall bli för hårt och sprött när pulvret torkar kan olika mjukgörare eller (PEG) på ett mjukmedel. En ytterligare fördel med att använda mjukmedel tillsättas. Polyetenglykol är ett exempel ovannämnda medel under framställningen av det aktuella pulvret är att de värms bort ur materialet i samband med upphettning som exempelvis dä skiktet appliceras som be- läggning pä substratet. lO 15 20 25 30 u) UI 519 494 7 För att undvika att kromoxiden bildar sammanhängande stråk i skiktet, i vilka stråk sprickor kan uppstå och tillväxa på grund av låg duktilitet kan de torkade par- tiklarna försintras vid en temperatur av 1000-l500° C un- der 30-90 minuter. Dessa stråk kan delvis uppstå beroende på att kompositpartiklarna sönderdelas under själva sprutprocessen. Förfarandet att försintra de torkade par- tiklarna vid en temperatur av 1000-l500° C under 30-90 minuter förbättrar kompositpulvrets inre styrka, vilket är ett sätt minska risken för sönderdelning i samband med beläggning av kompositpulvret till ett skikt.The invention also relates to a method for producing said composite powder, in which a binder is added to the suspension. The choice of binder is made with a view to making the particles as strong as possible. An example of a binder is polyvinyl alcohol (PVA). In order to prevent the binder from becoming too hard and brittle when the powder dries, various plasticizers or (PEG) can be added to a plasticizer. A further advantage of using plasticizers is that they are heated away from the material in connection with heating, for example when the layer is applied as a coating on the substrate. lO 15 20 25 30 u) UI 519 494 7 To avoid the chromium oxide forming continuous streaks in the layer, in which streaks cracks can arise and grow due to low ductility, the dried particles can be pre-sintered at a temperature of 1000-1500° C for 30-90 minutes. These streaks can partly arise due to the composite particles disintegrating during the spraying process itself. The process of pre-sintering the dried particles at a temperature of 1000-1500° C for 30-90 minutes improves the internal strength of the composite powder, which is a way of reducing the risk of disintegrating in connection with coating the composite powder into a layer.
Beskrivning av en föredragen utföringsform En föredragen utföringsform av det uppfinningsenliga förfarandet samt produkter som åstadkommes med hjälp av det uppfinningsenliga förfarandet kommer att beskrivas i det följande. Det beskrivna utföringsexemplet skall inte ses som begränsande utan är givet endast som exempel.Description of a preferred embodiment A preferred embodiment of the inventive method and products produced by means of the inventive method will be described in the following. The described embodiment is not to be seen as limiting but is given by way of example only.
Som utgångspunkt vid framställning av ett kompositpulver enligt ett uppfinningsenligt förfarande användes lämpligen en vattensuspension. Ett föredraget förfarande innefattar förenklat följande steg. En pulverblandning med fördelningen 60 vol% NiCr och 40 vol% Crgh tillsätts vattensuspensionen. NiCr syftar i detta fall till en legering bestående av ca 80 viktprocent Ni och ca 20 viktprocent Cr. Dispergeringsmedel tillsätts vattensuspensionen. Därefter vidtar omrörning för att få en homogen slamma. Bindemedel tillsätts. I ett föredraget förfarande tillsätts mjukmedel. Den erhållna suspensionen uppblandas ytterligare. Enligt ett föredraget förfarande av uppfinningen sprayfryses och frystorkas sedan suspensionen varigenom partiklar bildas. För att få så bra resultat som möjligt vid beläggning av ett substrat med det erhållna kompositpulvret siktas pulvret så att lämplig storleksfraktion av pulvret erhålls. Denna storleksfraktion är företrädesvis 40-100 um. Partiklar 10 l5 20 25 30 U) U'| 519 494 8 större än 150 pm klarar inte plasmasprutning med dagens metoder.As a starting point in the production of a composite powder according to a method according to the invention, an aqueous suspension is suitably used. A preferred method comprises, in simplified form, the following steps. A powder mixture with the distribution of 60 vol% NiCr and 40 vol% Crgh is added to the aqueous suspension. In this case, NiCr refers to an alloy consisting of about 80 wt% Ni and about 20 wt% Cr. Dispersant is added to the aqueous suspension. Stirring is then carried out to obtain a homogeneous slurry. Binder is added. In a preferred method, plasticizer is added. The suspension obtained is further mixed. According to a preferred method of the invention, the suspension is then spray-frozen and freeze-dried, whereby particles are formed. In order to obtain the best possible results when coating a substrate with the obtained composite powder, the powder is sieved so that a suitable size fraction of the powder is obtained. This size fraction is preferably 40-100 µm. Particles larger than 150 pm cannot withstand plasma spraying using today's methods.
Uppfinningen kommer nu mera i detalj att beskrivas med hjälp av en föredragen utföringsform, vilken avser ett förfarande för framställning av nämnda kompositpul- ver, vid vilket suspensionen tillsätts ett dispergerings- medel i form av en laddad polymer. För att partiklarna skall få sä bra egenskaper som möjligt är det viktigt att den produkt man baserar processen på är homogen och väl dispergerad. Ett exempel pä en negativt laddad polymer som är lämplig som dispergeringsmedel är polyakrylsyra.The invention will now be described in more detail with the aid of a preferred embodiment, which relates to a method for producing said composite powder, in which a dispersant in the form of a charged polymer is added to the suspension. In order for the particles to have the best possible properties, it is important that the product on which the process is based is homogeneous and well dispersed. An example of a negatively charged polymer that is suitable as a dispersant is polyacrylic acid.
Fördelen med att använda polymer som dispergeringsmedel under framställningen av det aktuella pulvret är att det värms bort ur materialet dä skiktet appliceras som be- läggning på substratet. Mängden dispergeringsmedel skall anpassas för att ästadkomma sä många partiklar som möjligt i storleksfraktionen 45-95 um, vilken storlek är den mest optimala för plasmasprutning.The advantage of using polymer as a dispersant during the preparation of the powder in question is that it is heated away from the material when the layer is applied as a coating on the substrate. The amount of dispersant should be adjusted to achieve as many particles as possible in the size fraction 45-95 µm, which is the most optimal size for plasma spraying.
I en föredragen utföringsform för framställning av nämnda kompositpulver, tillsätts suspensionen ett binde- medel. Valet av bindemedel görs med hänsyn till att par- tiklarna skall bli så starka som möjligt. Ett exempel pä bindemedel är polyvinylalkohol (PVA). För att inte binde- medlet samtidigt skall bli för hàrt och sprött när pulv- ret torkar tillsätts ett mjukmedel. Polyetenglykol (PEG) är ett exempel pà ett mjukmedel.In a preferred embodiment for the production of said composite powder, a binder is added to the suspension. The choice of binder is made with a view to making the particles as strong as possible. An example of a binder is polyvinyl alcohol (PVA). In order for the binder not to become too hard and brittle at the same time when the powder dries, a plasticizer is added. Polyethylene glycol (PEG) is an example of a plasticizer.
I enlighet med uppfinningstanken avses ett förfaran- de i vilket partiklar erhålles fràn suspensionen genom att suspensionen droppas i kylmedium, varvid nedkylda partiklar bildas. Detta förfarande benämns frysgranule- ring och innefattar även efterföljande frystorkning, var- vid vattenandelen i de frysta granulerna sublimeras. Den- na frysgranulering ästadkommes exempelvis genom att den bildade slamman sprayas direkt ned i flytande kväve, var- vid frysta sfäriska partiklar bildas momentant.In accordance with the inventive concept, a method is intended in which particles are obtained from the suspension by dropping the suspension into a cooling medium, whereby cooled particles are formed. This method is called freeze granulation and also includes subsequent freeze drying, whereby the water content in the frozen granules is sublimed. This freeze granulation is achieved, for example, by spraying the formed slurry directly into liquid nitrogen, whereby frozen spherical particles are formed instantaneously.
Kompositpulvret enligt uppfinningen består före siktning 25-75 volymprocent NiCr, men ännu hellre 50-70 lO 15 20 25 30 b) U'| 519 494 9 volymprocent NiCr, och allra helst omkring 60 volympro- cent NiCr. Den resterande andelen av kompositpulvret ut- görs av en hårdfas, som komplement till den första ande- len av NiCr, vilken hårdfas är Cr2O3.The composite powder according to the invention consists of 25-75 volume percent NiCr before sieving, but more preferably 50-70 volume percent NiCr, and most preferably about 60 volume percent NiCr. The remaining portion of the composite powder consists of a hard phase, as a complement to the first portion of NiCr, which hard phase is Cr2O3.
För att belägga ett substrat med det uppfinnings- enliga kompositmaterialet utnyttjas lämpligtvis något förfarande av känd teknik såsom en HVOF-metod, laser, svets eller plasmasprutning. Under beläggningsförfarandet påverkas kompositpulvret av en mycket hög temperatur vilket kan förändra den kemiska sammansättningen något.To coat a substrate with the inventive composite material, a known technique such as an HVOF method, laser, welding or plasma spraying is suitably used. During the coating process, the composite powder is exposed to a very high temperature which may change the chemical composition somewhat.
Eventuellt kan kolvringen för- och/eller eftervärmas på konventionellt vis i en ordinär ugn, före respektive efter belåggningsförfarandet utförs.Optionally, the piston ring can be preheated and/or post-heated in a conventional manner in an ordinary oven, before and after the coating process is carried out, respectively.
Efter siktning av kompositpulvret samt beläggning av ett substrat erhålls ett skikt i enlighet med uppfin- ningen. Fördelningen i skiktet är lämpligen 2-10 volym- procent porer, men ännu hellre 3-8 volymprocent porer och allra helst 4-7 volymprocent porer. Andelen NiCr är lämpligen mellan 25 och 75 volymprocent, men ännu hellre mellan 30 och 55 volymprocent och allra helst mellan 35 och 45 volymprocent. Den väsentligen resterande delen av skiktet som innehåller annat än porer och NiCr utgörs av hårdfasen.After sieving the composite powder and coating a substrate, a layer is obtained in accordance with the invention. The distribution in the layer is suitably 2-10 volume percent pores, but more preferably 3-8 volume percent pores and most preferably 4-7 volume percent pores. The proportion of NiCr is suitably between 25 and 75 volume percent, but more preferably between 30 and 55 volume percent and most preferably between 35 and 45 volume percent. The substantially remaining part of the layer containing other than pores and NiCr is made up of the hard phase.
Ett kompositskikt enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen innefattande NiCr och kromoxid har visat sig ha ett motstånd vid torr nötning motsvarande eller bättre än hårdkrom. Skikttjockleken i en utföringsform är mellan 0,1-1,2 mm tjockt, dock hellre mellan 0,5 och 1,0 mm och allra helst mellan 0,7 och 0,8 mm.A composite layer according to a preferred embodiment of the invention comprising NiCr and chromium oxide has been shown to have a dry abrasion resistance equivalent to or better than hard chromium. The layer thickness in one embodiment is between 0.1-1.2 mm thick, but more preferably between 0.5 and 1.0 mm and most preferably between 0.7 and 0.8 mm.
Vidhäftningsförmågan mot substratet har befunnits vara likvärdig med hårdkrom eller bättre, liksom dess passiv- itet i starkt korrosiv miljö. Porositeten i skiktet är 2- 10%. synnerligen väl låmpat för beläggning av kolvringar.Adhesion to the substrate has been found to be equivalent to or better than hard chrome, as has its passivity in highly corrosive environments. The porosity of the layer is 2-10%. Particularly well suited for coating piston rings.
Alla ovan givna egenskaper visar på att skiktet är Hårdhetmätningar enligt Rockwellmetoden visar på en hårdhet hos skiktet på omkring 65 HR 62,5 kg. Efter värmebehandling i 500 °C under 24 timmar visar skiktet lO l5 20 519 494 10 överraskande på en ökning i hårdhet till omkring 70 HR 62,5 kg.All the above properties show that the layer is Hardness measurements according to the Rockwell method show a hardness of the layer of about 65 HR 62.5 kg. After heat treatment at 500 °C for 24 hours, the layer surprisingly shows an increase in hardness to about 70 HR 62.5 kg.
Med pulvermaterial avses i denna ansökan utöver konventionella pulvermaterial även sådana som blandats med ett bindemedel för att erhålla en krämig konsistens, vilket kan vara en fördel vid päförandet av pulver- materialet på kolvringsämnet.In this application, powder material refers not only to conventional powder materials but also to those that have been mixed with a binder to obtain a creamy consistency, which can be an advantage when applying the powder material to the piston ring blank.
Medelst det uppfinningsenliga förfarandet åstad- kommes således en keramkrombeläggning vars egenskaper är motsvarande eller bättre än de idag tillgängliga be- läggningarna. Det inses också att de ovan beskrivna särdragen kan kombineras på olika sätt för att åstadkomma ytterligare utföringsformer inom ramen för uppfinningen.The inventive method thus provides a ceramic chrome coating whose properties are equivalent to or better than the coatings currently available. It is also understood that the features described above can be combined in various ways to provide further embodiments within the scope of the invention.
Förfarande enligt uppfinningen och de bildade produkterna är således inte begränsade till vad som beskrivits.The process according to the invention and the products formed are thus not limited to what has been described.
Exempelvis kan till exempel beläggningen av substratet åstadkommas på ett flertal sätt. Valet av dispergerings- medel, bindmedel och mjukmedel kan också varieras utan att uppfinningstanken frångås. Uppfinningen kan således ytterligare modifieras på ett flertal sätt inom ramen för uppfinningstanken och efterföljande patentkrav.For example, the coating of the substrate can be achieved in a number of ways. The choice of dispersant, binder and plasticizer can also be varied without departing from the inventive concept. The invention can thus be further modified in a number of ways within the scope of the inventive concept and the following patent claims.
Claims (12)
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SE0002663A SE519494C2 (en) | 2000-07-14 | 2000-07-14 | Composite for coating piston rings, piston ring and method of making the composite |
| AU2001268004A AU2001268004A1 (en) | 2000-07-14 | 2001-07-05 | Method of making composite powder and a composite coating |
| PCT/SE2001/001552 WO2002005989A1 (en) | 2000-07-14 | 2001-07-05 | Method of making composite powder and a composite coating of a substrate |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SE0002663A SE519494C2 (en) | 2000-07-14 | 2000-07-14 | Composite for coating piston rings, piston ring and method of making the composite |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| SE0002663D0 SE0002663D0 (en) | 2000-07-14 |
| SE0002663L SE0002663L (en) | 2002-01-15 |
| SE519494C2 true SE519494C2 (en) | 2003-03-04 |
Family
ID=20280493
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SE0002663A SE519494C2 (en) | 2000-07-14 | 2000-07-14 | Composite for coating piston rings, piston ring and method of making the composite |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| AU (1) | AU2001268004A1 (en) |
| SE (1) | SE519494C2 (en) |
| WO (1) | WO2002005989A1 (en) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005519190A (en) * | 2002-02-28 | 2005-06-30 | マン ビーアンドダブリュ ディーゼル エー/エス | Thermal spraying of machine parts |
| JP4267459B2 (en) | 2002-02-28 | 2009-05-27 | コンセントラ マリーン アンド パワー アクツィエボラーグ | Piston ring spraying |
| CN102634403B (en) * | 2011-02-15 | 2013-11-06 | 周晓 | Nano self-repairing material with stable dispersity |
| CN102465049A (en) * | 2011-07-15 | 2012-05-23 | 刘永斌 | Metal wear self-repairing protective agent |
| CN102911762B (en) * | 2012-11-02 | 2014-05-07 | 上海第二工业大学 | A kind of high thermal conductivity lubricating oil and preparation method thereof |
| CN103113959B (en) * | 2013-01-30 | 2015-01-21 | 上海交通大学 | High-hydrolysis stability organic ammonium borate extreme-pressure antiwear additive and preparation method thereof |
| CN103275797A (en) * | 2013-06-19 | 2013-09-04 | 中国人民解放军装甲兵工程学院 | Nanoparticle lubricating agent, preparation method thereof, and application of lubricating agent in ultrasonic lubrication technology |
| CN104419498B (en) * | 2013-08-30 | 2017-10-17 | 中国石油天然气股份有限公司 | A polymer friction modifier with polar ends |
| CN103773564B (en) * | 2014-02-19 | 2015-08-12 | 南京林业大学 | A kind of lubricating oil composition containing ionic liquid and modified Nano glass putty |
| CN103789075B (en) * | 2014-02-26 | 2015-05-13 | 北京科技大学 | High-concentration composite nano TiO2/ZnO lubricating additive and its preparation method |
| ES2829801T3 (en) * | 2014-09-18 | 2021-06-02 | Oerlikon Metco Us Inc | Use of preformulated powder raw material in suspension thermal spray coating process |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3582684B2 (en) * | 1996-09-19 | 2004-10-27 | 日本ピストンリング株式会社 | Wear-resistant thermal spray coating for sliding members |
| JP3473738B2 (en) * | 1998-07-03 | 2003-12-08 | 日本ピストンリング株式会社 | piston ring |
-
2000
- 2000-07-14 SE SE0002663A patent/SE519494C2/en not_active IP Right Cessation
-
2001
- 2001-07-05 WO PCT/SE2001/001552 patent/WO2002005989A1/en not_active Ceased
- 2001-07-05 AU AU2001268004A patent/AU2001268004A1/en not_active Abandoned
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| AU2001268004A1 (en) | 2002-01-30 |
| SE0002663D0 (en) | 2000-07-14 |
| SE0002663L (en) | 2002-01-15 |
| WO2002005989A9 (en) | 2002-03-28 |
| WO2002005989A1 (en) | 2002-01-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4463472B2 (en) | Pre-alloyed stabilized zirconia powder and improved thermal barrier coating | |
| Al-Hamdani et al. | Cold sprayed metal-ceramic coatings using satellited powders | |
| KR100751742B1 (en) | Spray powder, thermal spraying process using it, and sprayed coating | |
| US5122182A (en) | Composite thermal spray powder of metal and non-metal | |
| CN102822256B (en) | Abradable compositions and manufacture method thereof | |
| SE519494C2 (en) | Composite for coating piston rings, piston ring and method of making the composite | |
| JP2004515649A5 (en) | Pre-alloyed stabilized zirconia powder and improved thermal barrier coating | |
| CN104936727A (en) | Process for preparing spray powders containing chromium nitride | |
| KR20080019579A (en) | Wear-resistant coating made of ceramic composite material and manufacturing method thereof | |
| EP1999288A1 (en) | Method for forming a ceramic containing composite structure | |
| JP4282767B2 (en) | Coating powder and method for producing the same | |
| US10273565B2 (en) | Highly corrosion-resistant and wear-resistant member with thermal-sprayed layer formed thereon and thermal-sprayed layer forming powder for forming the same | |
| CN1524037A (en) | Article comprising composite material with unstabilized zirconia particles in metal matrix and preparation thereof | |
| JP5154869B2 (en) | Thermal spray layer forming high corrosion resistance wear resistant member and thermal spray layer forming powder forming the same | |
| DE102018107412A1 (en) | SPRAY POWDER AND METHOD OF DEPOSITING A SPRAYING COATING USING THEREOF | |
| EP0748879B1 (en) | Method for producing a TiB2-based coating and the coated article so produced | |
| Yang et al. | The effect of nano-sized Cr2O3 addition on the characteristics of NiCr–Cr2O3–Ag–BaF2/CaF2 coating | |
| WO2014185181A1 (en) | Powder for forming sprayed layer, thermite sprayed layer, thermite coating material, and method for producing thermite coating material | |
| KR100722249B1 (en) | Alumina-titania-based coating layer having excellent abrasion resistance prepared by plasma spraying | |
| KR20100084310A (en) | High-velocity oxygen fuel spraying composite powder for coating of marine engine parts and its manufacturing method | |
| KR102080540B1 (en) | Piston ring and manufacturing method therefor | |
| JP4334812B2 (en) | Corrosion-resistant wear-resistant member and manufacturing method thereof | |
| Majewski et al. | The influence of microstructure of arc sprayed coatings on wear resistance | |
| WO2014073392A1 (en) | Powder for use in formation of sprayed layer | |
| JP2004176136A (en) | Method of producing corrosion resistant and wear resistant material |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| NUG | Patent has lapsed |