SE526621C2

SE526621C2 - Wear-resistant sliding element

Info

Publication number: SE526621C2
Application number: SE0302260A
Authority: SE
Inventors: Hiroyuki Takamura
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd; Man B & W Diesel As
Priority date: 2001-02-28
Filing date: 2003-08-21
Publication date: 2005-10-18
Also published as: SE0302260L; JPWO2002068706A1; CN1209483C; EP1375695A1; SE0302260D0; KR100531995B1; JP2004107678A; RU2245472C1; WO2002068706A1; KR20030091994A; EP1375695B1; CN1501986A; EP1375695A4; JP4790135B2

Abstract

A wear-resistant sliding member (10) which comprises a base metal (M) and a sprayed coating (C) formed by thermally spraying a mixed powder comprising, by mass, 30 to 70% of a molybdenum powder, 10 to 40% of a nickel-chrome alloy powder, 5 to 40% of a ceramics powder, and 2 to 15% of a solid lubricant onto a sliding surface of the base metal. The wear-resistant sliding member is excellent in wear-resistance and resistance to scuffing, and thus can be utilized in a large-sized marine diesel engine, which is used under severe conditions.

Description

l5 20 25 30 526 621 en basmetall och en sprutbeläggning bildad på en yttre glidyta av basmetallen. Beläggningen är framställd genom sprutning av en iblandning innehållande, uttryckt som massa, 30-70% molybdenpul- ver, 10-40% nickel-kromlegeringspulver, 3-40% keramikpulver och 2-15% fasta smörjmedelspulver, där keramikpulvret omfattar kromoxid. ' Skälet för ett haltintervall av 30-70 mass% av molybdenpul- ver är att när innehållet av molybdenpulver ligger under 30% be- läggningen förstör rephàllfastheten. När innehållet av molybden- pulver överskrider 70% är det svårt att åstadkomma en tillräck- lig hårdhet för beläggningen. 526 621 a base metal and a spray coating formed on an outer sliding surface of the base metal. The coating is prepared by spraying a mixture containing, expressed as pulp, 30-70% molybdenum powder, 10-40% nickel-chromium alloy powder, 3-40% ceramic powder and 2-15% solid lubricant powder, the ceramic powder comprising chromium oxide. The reason for a content range of 30-70 mass% of molybdenum powder is that when the content of molybdenum powder is below 30% the coating destroys the scratch resistance. When the content of molybdenum powder exceeds 70%, it is difficult to achieve a sufficient hardness for the coating.

Skälet för ett haltintervall av 10-40 mass% nickel-kromle- geringspulver är att när innehållet av nickel-kromlegerings- pulver ligger under 10% beläggningen inte uppvisar tillräcklig seghet. När innehållet av nickel-kromlegeringspulver överskrider 40% förstör beläggningen rephållfastheten.The reason for a content range of 10-40 mass% nickel-chromium alloy powder is that when the content of nickel-chromium alloy powder is below 10% the coating does not show sufficient toughness. When the content of nickel-chromium alloy powder exceeds 40%, the coating destroys the scratch strength.

Skälet för ett haltintervall av 3-40 mass% keramikpulver är att när innehållet av keramikpulver ligger under 3% beläggningen inte uppvisar tillräcklig hårdhet. När innehållet av keramik- pulver överstiger 40% blir beläggningen så hård att den attacke- rar motparten.The reason for a content range of 3-40 mass% ceramic powder is that when the content of ceramic powder is below the 3% coating does not show sufficient hardness. When the content of ceramic powder exceeds 40%, the coating becomes so hard that it attacks the other party.

Skälet för ett haltintervall av 2-15 mass% av fasta smörjmedelspulver är att när innehållet av fasta smörjmedels- pulver ligger under 2% smörjeffekten är otillräcklig för att förhindra beläggningen från att öka glidmotståndet och attackera motpartsmaterialet. När innehållet av fasta smörjmedelspulver överskrider 15% blir beläggningen spröd.The reason for a content range of 2-15 mass% of solid lubricant powder is that when the content of solid lubricant powder is below 2% the lubricating power is insufficient to prevent the coating from increasing the sliding resistance and attacking the counterpart material. When the content of solid lubricant powder exceeds 15%, the coating becomes brittle.

Det nötningsbeständiga glidelementet enligt föreliggande uppfinning är på sin glidyta försett med sprutbeläggningen som framställts genom sprutning av en blandning av molybdenpulver, nickel-kromlegeringspulver, keramikpulver och fasta smörjmedels- pulver, resulterande i att den är överlägsen både med avseende på nötningshållfasthet och rephållfasthet och den attackerar motpartsmaterialet mindre beroende på de fasta smörjmedelspulver 10 15 20 25 30 526 621 som ingår i beläggningen jämfört med det sprutade glidelementet som är känt genom ovannämnda referens. Följaktligen används det med fördel som en kolvring eller liknande i högpresterande marindieselmotor med stor storlek. En särskilt fördel är att det möjliggör förlängning av motorns livslängd.The abrasion resistant sliding member of the present invention is provided on its sliding surface with the spray coating prepared by spraying a mixture of molybdenum powder, nickel-chromium alloy powder, ceramic powder and solid lubricant powder, resulting in superior superiority in abrasion resistance and abrasion resistance. the counterpart material less due to the solid lubricant powders included in the coating compared to the sprayed slider known from the above reference. Consequently, it is advantageously used as a piston ring or the like in high-performance marine diesel engine of large size. A special advantage is that it enables an extension of the engine life.

Kort beskrivning av ritningarna Figur 1 är en partiell tvärsnittsvy av en kolvring enligt föreliggande uppfinning; figur 2 är en schematisk vy av en plan glidfriktionsprovare av roterande typ för utförande av olika tester; figur 3 är en kurva som visar resultatet av rephàllfasthetstester; och figur 4 är en kurva som visar avnötta mängder uppmätta i nötningshållfasthetstesterna.Brief Description of the Drawings Figure 1 is a partial cross-sectional view of a piston ring according to the present invention; Figure 2 is a schematic view of a planar rotary type slip friction tester for performing various tests; Figure 3 is a graph showing the results of scratch strength tests; and Figure 4 is a graph showing worn amounts measured in the abrasion resistance tests.

Beskrivning av en utföringsform av uppfinningen Med hänvisning till figur 1 som visar en partiell tvär- snittsvy av en kolvring 10 i enlighet med en utföringsform av föreliggande uppfinning är en sprutad beläggning C utbildad på den yttre periferiella ytan av basmetallen M i kolvringen 10.Description of an Embodiment of the Invention Referring to Figure 1 showing a partial cross-sectional view of a piston ring 10 in accordance with an embodiment of the present invention, a sprayed coating C is formed on the outer peripheral surface of the base metal M in the piston ring 10.

Sprutbeläggningen C är framställd genom sprutning av en bland- ning innehållande, uttryckt som massa 30-70% molybdenpulver, 10- 40% nickel-kromlegeringspulver, 5-40% keramikpulver och 2-15% fasta smörjmedelspulver.The spray coating C is prepared by spraying a mixture containing, expressed as pulp, 30-70% molybdenum powder, 10-40% nickel-chromium alloy powder, 5-40% ceramic powder and 2-15% solid lubricant powder.

Den sprutade beläggningen C är överlägsen både i nötnings- hàllfasthet och rephållfasthet samtidigt som den är förhindrad att öka glidmotståndet och att attackera motpartsmaterialet tack vare ingående fast smörjmedelspulver.The sprayed coating C is superior in both abrasion resistance and scratch resistance while being prevented from increasing the sliding resistance and attacking the counterpart material thanks to the constituent solid lubricant powder.

Exempel Här beskrivs utföringsformer av glidelementet enligt före- liggande uppfinning närmare med hänvisning till olika tester genomförda i jämförelse med andra glidelement. 10 15 20 25 30 35 526 621 Fjorton typer av testprov framställdes genom att forma fjorton typer av beläggning med 300 pm tjocklek på stycken av samma gjutjärn för kolvringar, som ett basmaterial, av vilka de två proverna nr. 1 och 2 är jämförelseprover eller motsvarar de andra glidelementen som är kända genom ovannämnda referens. De tolv proverna nr. 3, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 är en- ligt uppfinningen eller motsvarar utföringsformerna.Examples Here, embodiments of the sliding element according to the present invention are described in more detail with reference to various tests performed in comparison with other sliding elements. 40 15 20 25 30 35 526 621 Fourteen types of test samples were prepared by forming fourteen types of coating with 300 μm thickness on pieces of the same cast iron for piston rings, as a base material, of which the two samples no. 1 and 2 are comparative samples or correspond to the other sliding elements known by the above-mentioned reference. The twelve samples no. 3, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 are according to the invention or correspond to the embodiments.

Beläggningarna tillverkades genom plasmasprutning av respektive pulverblandningar, vilkas sammansättning visas i tabell 1.The coatings were prepared by plasma spraying of the respective powder mixtures, the composition of which is shown in Table 1.

Tabell 1 Prov Anmärkning Sammansättning av pulverblandning (mass%) Mo Ni-Cr-legering Keramik Fast smörjmedel Nr. 1 Jämförelse 45 20 35(CrC) Nr. 2 Jämförelse 65 30 5(CrC) Nr. 3 Uppfinningen 40 15 30(CrC) 15(CaFﬁ Nr. 4 Uppfinningen 60 30 5(CrC) 5(CaFﬁ Nr. 5 Uppfinningen 40 15 30(Cr2O3) 15(CaFﬂ Nr. 6 Uppfinningen 60 30 5(Cr2Oﬂ 5(CaFﬂ Nr. 7 Uppfinningen 40 15 30(CrC) l5(MnS) Nr. 8 Uppfinningen 60 30 5(CrC) 5(MnS) Nr. 9 Uppfinningen 40 15 30(Crﬂh) l5(MnS) Nr. 10 Uppfinningen 60 30 5(Cr¿Oﬂ 5(MnS) Nr. 11 Uppfinningen 40 15 30(CrC) 15(MoSﬂ Nr. 12 Uppfinningen 60 30 5(CrC) 5(MoSﬂ Nr. 13 Uppfinningen 40 15 30(Cr¿L) l5(MoSﬁ Nr. 14 Uppfinningen 60 30 5(Cr¿Oy 5(MoSy Plasmasprutbetingelserna är enligt följande: Pistol: Sulzer Metco 7MB plasmasprutpistol (produktnamn) Elektrisk spänning: 60 ~ 70V Elektrisk ström: 500A Rephàllfasthets- och nötningshållfasthetstester genomfördes för varje provstycke enligt följande: 10 15 20 25 30 526 621 Rephållfasthetstester .Rephàllfasthet för varje prov mättes med användning av en glidfriktionsprovare av roterande plantyp, såsom visas schema- tiskt i figur 2. Friktionsprovaren har en mekanism där ett prov ll bringas i kontakt med och hålls pressad mot en roterande plan yta eller motpartsmaterial 12 som roterar vid en konstant has- tighet med ett specifikt yttryck P under en specificerad tidspe- riod, och ett yttryck vid vilket repning uppträder mäts som ett kritiskt repyttryck. Yttryck applicerades pà ett sådant sätt att initialt yttryck av 2,45 MPa upprätthålls under 30 minuter,. varpå yttrycket ökades med 0,98 MPa i på varandra följande 5 mi- nuters intervall.Table 1 Sample Note Composition of powder mixture (mass%) Mo Ni-Cr alloy Ceramic Solid lubricant Nr. 1 Comparison 45 20 35 (CrC) Nr. 2 Comparison 65 30 5 (CrC) Nr. 3 Invention 40 15 30 (CrC) 15 (CaF ﬁ No. 4 Invention 60 30 5 (CrC) 5 (CaF ﬁ No. 5 Invention 40 15 30 (Cr2O3) 15 (CaF ﬂ No. 6 Invention 60 30 5 (Cr2O ﬂ 5 (CaF ﬂ No.) 7 Invention 40 15 30 (CrC) 15 (MnS) No. 8 Invention 60 30 5 (CrC) 5 (MnS) No. 9 Invention 40 15 30 (Cr ﬂ h) 15 (MnS) No. 10 Invention 60 30 5 (Cr ¿O ﬂ 5 (MnS) No. 11 Invention 40 15 30 (CrC) 15 (MoS ﬂ No. 12 Invention 60 30 5 (CrC) 5 (MoS ﬂ No. 13 Invention 40 15 30 (Cr¿L) 15 (MoS ﬁ No. 14 The invention 60 30 5 5 (MoSy Plasma spray conditions are as follows: Pistol: Sulzer Metco 7MB plasma spray gun (product name) Electrical voltage: 60 ~ 70V Electrical current: 500A Rope strength and abrasion resistance tests were performed for the following 10 pieces 20 526 621 Rope strength tests .Reep strength for each sample was measured using a rotary plane type slip friction tester, as shown schematically in Figure 2. The friction tester has a mechanism whereby a sample 11 is brought into contact with and h is pressed against a rotating flat surface or counterpart material 12 which rotates at a constant speed with a specific surface pressure P for a specified period of time, and a surface pressure at which scratching occurs is measured as a critical scratch pressure. External pressures were applied in such a way that an initial surface pressure of 2.45 MPa was maintained for 30 minutes. whereupon the surface pressure was increased by 0.98 MPa at successive 5 minute intervals.

Mätbetingelserna var enligt följande: Glidhastighet: 5m/sek Smörjolja: SAE30+vit fotogen (lzl) Oljemängd: ingen olja tillfördes, med undantag för initial applicering Motpartsmaterial: Tarkalloy (känd som ett produktnamn ägt av Nippon Piston Ring Co., Ltd. för ett borinnehàllande gjutjärn).The measurement conditions were as follows: Sliding speed: 5m / sec Lubricating oil: SAE30 + white kerosene (lzl) Amount of oil: no oil was added, except for initial application Counterpart material: Tarkalloy (known as a product name owned by Nippon Piston Ring Co., Ltd. for a boron-containing cast iron).

Ett resultat av testerna visas i figur 3. Såsom framgår av figur 3 har alla prover nr. 3-14 enligt uppfinningen sina kri- tiska repyttryck inom ett intervall av 7,8 till 8,8 MPa, under det att de jämförande proverna nr. 1 och 2 har de kritiska rep- yttrycken inom ett intervall av 6,9 till 7,8 MPa. Följaktligen är glidelementet enligt uppfinningen jämförbart eller överlägset jämförelseproverna.A result of the tests is shown in Figure 3. As shown in Figure 3, all samples no. 3-14 according to the invention their critical scratch pressures in a range of 7.8 to 8.8 MPa, while the comparative samples no. 1 and 2 have the critical rope pressures in a range of 6.9 to 7.8 MPa. Accordingly, the sliding member of the invention is comparable or superior to the comparative samples.

Nötningsbeständighetstester Avnötta mängder för varje prov och dess motpartsmaterial mättes med användning av ovannämnda glidfriktionstestare av roterande plantyp, såsom visas schematiskt i figur 2. Friktions- provaren hade en mekanism, där ett prov ll bringas i kontakt med och hålls pressat mot en roterande plan yta av motpartsmaterial 10 15 20 25 30 526 621 12 som roterar vid en konstant hastighet med ett specifikt yt- tryck P för en specifik testkörtid. Smörjolja appliceras på mot- materialet 12.Abrasion resistance tests Worn amounts for each sample and its counterpart material were measured using the above rotary plane type slip friction testers, as shown schematically in Figure 2. The friction tester had a mechanism in which a sample II is brought into contact with and held against a rotating flat surface of counterpart material 10 15 20 25 30 526 621 12 which rotates at a constant speed with a specific surface pressure P for a specific test run time. Lubricating oil is applied to the counter material 12.

Mätbetingelserna var enligt följande: Glidhastighet: 6 m/sek Yttryck: 6 MPa Smörjolja: Spinox S-2 (känt som ett produktnamn ägt av Nip- pon Oil Co., Ltd. för lagerolja) Oljetemperatur: 60 i lO°C Oljemängd: 10* nf/min Testkörtid: 100 timmar Motpartsmaterial: Tarkalloy (känt som ett produktnamn ägt av Nippon Piston Ring Co., Ltd. för ett borinnehållande gjutjärn) Ett resultat av nötningstestet visas i figur 4. Såsom fram- går av figur 4 har samtliga prover 3-14 enligt uppfinningen sina avnötta mängder inom ett intervall av 12,6-17,1 um under det att jämförelseproverna nr. 1 och 2 har sina avnötta mängder inom ett intervall av 17,5-22,3 um. Följaktligen är glidelementet enligt uppfinningen bättre med avseende pà nötningsbeständighet än jämförelseelementet. Samtliga prover nr. 3-14 enligt uppfin- ningen har för motparten avnötta mängder inom ett intervall av 1,1-2,1 pm under det att jämförelseproverna nr. l och 2 har sina av motparten avnötta mängder inom ett intervall av 2,8-4,3 pm.The measurement conditions were as follows: Sliding speed: 6 m / sec Surface pressure: 6 MPa Lubricating oil: Spinox S-2 (known as a product name owned by Nippon Oil Co., Ltd. for bearing oil) Oil temperature: 60 in 10 ° C Oil quantity: 10 * nf / min Test run time: 100 hours Counterpart material: Tarkalloy (known as a product name owned by Nippon Piston Ring Co., Ltd. for a boron-containing cast iron) A result of the abrasion test is shown in Figure 4. As shown in Figure 4, all samples have 3-14 according to the invention their consumed amounts in a range of 12.6-17.1 μm while the comparative samples no. 1 and 2 have their consumed amounts in a range of 17.5-22.3 μm. Consequently, the sliding element according to the invention is better with respect to abrasion resistance than the comparison element. All samples no. 3-14 according to the invention have for the counterparty consumed amounts within a range of 1.1-2.1 μm while the comparative samples no. 1 and 2 have their amounts consumed by the counterparty in a range of 2.8-4.3 μm.

Följaktligen är glidelementet enligt uppfinningen mycket bättre när det gäller att undvika attack på motpart än jämförelseele- mentet.Consequently, the sliding element according to the invention is much better in terms of avoiding attack on the other party than the comparison element.

Claims

10,526,621 Patent claims

Sliding element (10) having a base metal (M) and a sprayed coating (C) formed on an outer sliding surface of the base metal by spraying a powder mixture, characterized in that the coating contains, expressed as mass, 30-70% molybdenum powder. ver, 10-40% nickel-chromium alloy powder, 3-40% ceramic powder and 2-15% solid lubricant powder, where the ceramic powder comprises chromium oxide.

The sliding member of claim 1, wherein the solid lubricant powder comprises at least one selected from the group consisting of calcium fluoride, manganese sulfide, and molybdenum disulfide.