SE526708C2 - Sätt att framställa en slipbeständig varmsprutad beläggning för ett glidorgan - Google Patents

Description

oo nano I II g o n oo o I u n I 000 I 0 nu: o n o o a o I p c n n o I q n nu on u" Denna uppfinning har gjorts för att lösa dessa problem.

Ett mål med uppfinningen är således att åstadkomma en slipbe- ständig varmsprutad beläggning som framställs genom termisk påsprutning av en blandning bestående av pulver av keramik som hårt material, pulver av metaller för att bilda en matris, och metallbelagda fasta smörjmedelpartiklar som pulver av fast smörjmedel, på glidytan hos ett glidorgan, såsom en kolvring och ett cylinderfoder i. en förbränningsmotor, varvid beläggningen varken är känslig för skörhet eller har dålig förmåga att hålla kvar olja däri.

Sammanfattning av uppfinningen För att det ovan beskrivna målet skall nås åstadkommes enligt uppfinningen ett sätt att framställa en slipbeständig varmsprutad beläggning för ett glidorgan, vilket sätt utmärkes av att nämnda beläggning bildas genom varmsprutning av en blandning bestående av partiklar av hårt material, pulver av metaller för att bilda en matris, och pulver av fast smörjmedel, på glidytan hos glidorganet, varvid nämnda hårda material väljs ur gruppen karbider, oxider, nitrider och karbidnitrider av krom, volfram, molybden och vanadin och nämnda metaller för att bilda en matris väljs ur gruppen molybden, nickel-kromlegering, kobolt, kobolt-kromlegering, nickel-molybden-legering och kobolt-nickellegering. Blandningen innefattar metallbelagda fasta smörjmedelpartiklar såsom nämnda fasta smörjmedel med 0,1 till mindre än 10 procent av blandningens massa.

Det begränsade intervallet specificeras enligt ovan därför att om procenten i massan är mindre än O,l% kommer smörjverkan inte att bli tillräcklig medan om procenten i massan är 10% eller större blir beläggningen skör och förbättras friktionskoefficienten' inte tillräckligt. För att öka smörj- effekten kan man emellertid företrädesvis anpassa den procen- tuella massan så, att den blir 1% eller större. Vidare kan den procentuella massan lämpligen anpassas sà, att den blir 8% eller mindre, detta med hänsyn till beläggningens hållfasthet.

Enligt uppfinningen innehåller vidare de med metall belagda smörjmedelpartiklarna fast smörjmedel inom det begränsa~ 526 703 3 de omrâdet 10 till 50 procent av hela massan hos de med metall belagda grafitpartiklarna. Detta begränsade intervall anges på detta sätt därför att om den procentuella massan är mindre än 10% kommer smörjeffekten inte att bli tillräcklig medan om den procentuella massan är större än 50% eller mera minskas mängden fasta smörjmedelpartiklar som kvarstår när termisk pàsprutning sker, vilket resulterar i att mängden slipmedel ökas på glidin- greppets motpart.

Fasta smörjmedelpartiklar som skall användas i belägg- ningsblandningen enligt uppfinningen kan bestå av ett material som väljs ur gruppen grafit (C), mangansulfid (MnS), grafitfluo- rid, kalciumflorid (CaF2), bornitrid (BN), molybdendisulfid (MoS2) och volframdisulfid, bland vilka grafit företrädesvis kan användas med hänsyn till bearbetbarhet.

Sätten att belägga de fasta smörjmedelpartiklarna med metall kan inkludera kemiska, elektrokemiska och mekaniska beläggningsmetoder, gasreduktionsmetoden och metoden med mekanisk smältning. Metallen som skall användas för att belägga de fasta smörjmedelpartiklarna enligt uppfinningen kan bestå av ett material som. är valt ur gruppen koppar, nickel, silver, kobolt och molybden, bland vilka koppar (Cu) kan användas företrädesvis med hänsyn till förmåga till metallplätering.

Det hårda. materialet som skall användas i beläggnings-* blandningen kan väljas ur gruppen karbider, oxider, nitrider och karbidnitrider av krom, volfram, molybden och vanadin, bland vilka kromoxid (Cr2O3) eller kromkarbid (CrC) företrädesvis kan användas med hänsyn till att de inte är aggressiva mot motparten (dvs inte är aggressiva mot motparten i glidingreppet med glidorganet på vilket den varmsprutade beläggningen är påförd) enligt uppfinningen.

Metallerna som skall användas i beläggningsblandningen för att bilda matrisen kan väljas ur gruppen molybden, nickel- kromlegering, kobolt, kobolt-kromlegering, nickel-molybdenlege- ring och kobolt-nickellegering, bland vilka molybden (Mo) och nickel-kromlegering (Ni-Cr) tillsammans företrädesvis kan användas med hänsyn till slipmotstånd och repningsbeständighet 526 708 enligt uppfinningen.

Vidare kan den termiskt pàförda beläggningens porositet företrädesvis begränsas till intervallet 5 till 15 volymprocent medelst den genom plasma påsprutade beläggningen. Detta begrän- sade intervall specificeras pà ifrågavarande sätt därför att en beläggning med en porositet i volymprocent mindre än 5% kan resultera i dålig förmåga att hålla kvar olja däri, medan en beläggning med en porositet med en volymprocent över 15% kan resultera i en skör, varmsprutad beläggning, varigenom en ytterst brant sänkning i beläggningens hàllfasthet förorsakas.

Med en termiskt páförd beläggning implementerad. på det ovan beskrivna sättet erhålls enligt uppfinningen en fördel pà så sätt att en brant sänkning i hållfastheten, medförande skörhet, sannolikt inte inträffar och att det inte heller är troligt att resultatet blir dålig förmåga att hålla kvar olja i beläggningen. Dessutonm har den termiskt påförda beläggningen enligt uppfinningen utmärkt slipmotstånd, motstånd mot repor och är inte aggressivt mot underlaget samt har förbättrad låg glidfriktion.

Kort beskrivning av ritningarna Fig 1 är en i större skala visad partiell tvärsektionsvy av en kolvring med en varmsprutad beläggning bildad på densamma enligt en utföringsform av uppfinningen och fig 2 är en schema- tisk ritning som visar en provanordning av roterande typ använd i tester för plan glidfriktionsslipning.

Detaljbeskrivning av uppfinningen Med hänvisning till fig 1 beskrivs en såsom exempel tjänande varmsprutad beläggning enligt uppfinningen nedan tillsammans med en kolvring.

Den i fig l visade kolvringen l är försedd med en varm- sprutad beläggning 3 som är bildad på den yttre periferiella glidytan hos ett basmaterial 2. Den varmsprutade beläggningen 3 är framställd genom att man har plasmasprutat en blandning bestående avt molybdenpulver med 40 till 80 procent av hela massan, nickel-kromlegeringspulver med 10 till 50 procent av oo ooo o o' o o : z 0 o o o o o o o . I .i 2' 233.2 !'2". i o o o o o o oo ooo OI 0 hela massan, antingen kromoxid- eller kromkarbidpulver med 1 till 20 procent av hela massan, och kopparbelagda grafitpartik- lar med 0,1 till 10 procent av hela massan.

De kopparbelagda grafitpartiklarna har en kopparbelägg- ning med grafit av 10 till 50 procent av hela massan och en storleksfördelning mellan 10 och 106 um.

Som man ser genom tvärsektionen av den varmsprutade beläggningen 3 har beläggningsblandningen kopparbelagda grafit- partiklar 4 med 0,1 till 10 procent av hela massan och nästan jämnt fördelade över hela beläggningsblandningen. En sänkning av hållfastheten hos den varmsprutade beläggningen 3 och som förorsakas av de kopparbelagda grafitpartiklarna 4 blir således mycket ringa. Vidare är hàrdmaterialpartiklarna Ei av antingen kromoxid eller kromkarbid hos den varmsprutade beläggningen 3 jämnt fördelade i en matris 6 som är bildad av en legering av molybden och nickel-krom. Den varmsprutade beläggningens 3 aggressivitet mot underlaget är således ringa. Porositeten hos den varmsprutade beläggningen 3 som bildas genom plasmasprutning uppgår till 5 till 15 procent av hela massan. Den synergistiska effekten av porositeten och grafitfasen gör det därför möjligt för den varmsprutade beläggningen 3 att få lågt friktionsmot- stånd och att vara utmärkt då det gäller slipbeständighet och beständighet mot repning.

Beskrivning av exempel på den varmsprutade beläggningen och undersökning av denna.

Den varmsprutade beläggningen enligt uppfinningen kommer att diskuteras ytterligare nedan i samband med flera under- sökningar som har utförts på prov av utföringsexempel, jämförel- seprov och konventionella prov.

Såsom är visat i efterföljande tabell 1 är proven 1 och 2 konventionella prov med en beläggning framställd »antingen medelst HVOF- (nr 1) eller plasma- (nr 2) sprutförlopp som inte innehåller ett med metall belagt fast smörjmedel. Proven nr 3 t o m nr 15 är prov på utföringsformer av plasmasprutade beläggningar enligt uppfinningen, vilka innehåller metallbelagda fasta smörjmedelpartiklar. Slutligen är proven nr 16 t o m 19 526 708 uou ooo o o oo o oo uooo o o u o u u o o o o o v u o o o o u o o u o o uoo nu o oo uouooou o oo o o o o o o u o o o o o u u o u o oo ooo jämförelseprov på plasmasprutade beläggningar som innehåller med metall belagt fast smörjmedel, varvid utföringsformproven och jämförelseproven skiljer sig ömsesidigt antingen ifråga om mängdförhållandet av det med metall belagda fasta smörjmedlet i beläggningsblandningen eller mängdförhâllandet av det fasta smörjmedlet i det med metall belagda fasta smörjmedlet.

Sorterna och mängdförhállandena (procent av hela massan) av de hårda materialen i. beläggningsblandningen, av hela massan) av matrisen i sorterna och mängdförhállandena beläggningsblandningen, sorterna och mängdförhállandena av det med metall belagda fasta smörjmedlet i beläggningsblandningen, mängdförhállandena hela massan) av det fasta smörjmedlet i det med metall belagda fasta smörjmedlet, porositeterna hos beläggningarna och påsprutnings- Grafiten hos de med (procent (procent av hela massan) (procent av metoderna som används är visade i tabell 1. koppar belagda grafitpartiklarna som användes för att bilda den påsprutade beläggningen var kornformig.

I tabell 1 avses med % i spalten hårt næterial som innehàlls med den procentsatsen av hela massan i I matrisspalterna visar värdena Mo- och "Hårt material" beläggningsblandningen.

Ni-Cr-legering de matrisbildande metallerna och deras samman- "Med metall belagt fast den spalterna smörjmedel" "Slag" första delen och det belagda fasta smörjmedlet i den andra (Exempelvis betyder Cu-C Cu-belagt C (grafit) som det med (procent av hela sättning i matrisen, i identifierar beläggningsmaterialet i delen. metall belagda fasta smörjmedlet), massan) betyder det med nætall belagda fasta smörjmedlet som innehàlls vid procentsatsen av hela massan i beläggningsbland- ningen, medan SL % betyder det fasta smörjmedlet som innehàlls vid den procentsatsen av hela massan i det med metall belagda betyder spalten HV varjämte % fasta smörjmedlet. I spalten "Sprutmetod" HVOF-metoden medan Plas betyder plasmametoden. betyder Cnv, Emb och Cmp konventionellt prov, utföringsformprov I spalten "Prov" (resp jämförelseprov. 7 '53 'å *å > g MW a 0 H m M 1-4 S-l Hart Matris Med metall ï b > ,_, ä w Q. w q.

N - 1 belagt fast a, 'Q o u...1 g > :>_s-1 r materla .. . U E u M 5.... q, 111.0 smorJmedel _.. o. o 31 w g g s *H o L. H.

S1 Ni-cf sL ä šfåfi-fiflfñ ag % M° leger. slag % % °* M5? ä a 1 CrzOa 5 60 35 3 HV Cnv 100 1 00 100 2 CrzOa 5 60 35 8 Pias Cnv 103 98 97 3 CrzOa 7 60 30 Cu-C 3 50 7 Plas Emb 116 83 85 4 C110; 5 so so . cu-c 5 so s Plss Emb 124 so '82 5 CrC 5 60 30 Cu-C 5 50 8 Plas Emb 121 82 85 6 CrzOa 7 55 30 Cu-C 8 50 8 Plas Emb 123 84 82 7 CrzOa 5 60 30 Cu-C 5 10 7 Plas Ernb 113 90 92 8 C210: 5 60 30 Cu-C 5 20 8 Plas Emb 116 84 88 9 CrC s so so cu-c s so s 91115 smb 113 ss ss 10 CrzOa 5 60 30 Cu-C 5 40 8 Plas Emb 120 82 84 11 01-10; 5 60 30 N1-C 5 so s Plas Emb 123 81 82 12 cmos s so so C* s so s P11; sms 1-zs s1 ss MnS 13 Cmos s so so C* s so s 91115 sms 124 sz ss CaFz 14 Cmos s so so s so s Pm smb 123 sz sz 15 Cmos s so so s so s mas sms 123 s1 ss 16 CrzOs 4.95 60 35 Cu-C 0.05 30 6 Plas Cmp 103 97 103 17 CrzOa 3 55 30 Cu-C 12 30 12 Plas Cmp 122 103 83 18 CrzOs 5 60 30 Cu-C 5 5 10 Plas Cmp 105 95 102 19 CrzOs 5 60 30 Cu-C 5 60 10 Plas Cmp 123 83 103 Tabell 1 526 708 0000 s ola I 0000 u n Q 0 I 0 n 0 oøonoo u 0 o 0 nu onnooo 0 0 0 0 once u n anno o 0 0 0 nano 0 nu n Q Betingelserna för plasmasprutningen var följande: Använd sprutpistol: 9 MB Plasma Gun från Sulzer Metco Spänning: 60-7OV Ström: 500 A Betingelserna för HVOF-sprutningen var följande: Använd sprutpistol: Diamond Jet Gun (varunamn) från Sulzer Metco Bränslegas: propan - syrgas (l:7) Prov på repor, slipprov och prov gällande aggressivitet mot underlaget utfördes på varje provstycke.

Prov på repor Kritiska yttryck för repor mättes pà varje provstycke genom att man använde en provanordning av roterande typ för plan glidfriktionsslipning såsom är visat i fig 2. Varje provstycke ll hölls i kontakt med ett specificerat yttryck (P) under en specificerad tid lned och :not en roterande yta på ett under- lagsmaterial l2 som roterade med konstant hastighet, och yttrycket då repor uppträdde mättes som ett kritiskt yttryck.

Trycket pàlades pà så sätt att ett initialtryck inställdes till 2,45 MPa, varjämte trycket ökades till 4,9 MPa efter en initial- tidsperiod på 30 minuter och sedan ökades successivt med 0,98 MPa varje 5 minuter därefter.

Provbetingelserna var följande: Glidhastighet: 5 m/s Smörjolja: SAE30+ tungbensin (lzl) Mängd tillförd smörjolja: ingen smörjning utom i initialtillämpningen.

Underlagsmaterial: Tarkalloy (känt som varunamn ägt av Nippon Piston Ring Co., Ltd. för ett borhaltigt gjutjärn).

Slipprov och prov pä aggressivitet mot underlaget Slipdjupet på varje prov och slipdjupet på det under- liggande materialet mättes genom att man använde provanordningen av roterande typ för plan glidfriktionsslipning såsom är visat i fig 2. Varje provstycke 11 hölls i kontakt med ett specificerat NJ yttryck (P) under en specificerad tid med och mot den roterande underlagsmaterialet 2 med konstant Smörjolja fick droppa ned 'pà det roterande under- -v 1 som roterade ytan hos hastighet. lagsmaterialet 12.

Provbetingelserna var följande: Glidhastighet: 6 m/s Yttryck: 6 MPa Smörjolja: Spinox 2 lagerolja av Nippon Mitsubishi Oil Corporation för en lagerolja) Oljetemperatur: 60 10 grader C Mängd tillförd smörjolja: 1O'4 m3/min 80 timmar (känt som varunamn ägt + Provets tidsvaraktighet: Underlagsmaterial: Tarkalloy (känt som ett varunamn ägt av Nippon Piston Ring Co., Ltd. för ett borhaltigt gjutjärn).

Mätresultaten på varje prov är visade i tabell 1 uttryck- ta i termer av mätningar av kritiskt yttryck för repor, omfatt- ningen av slipning pà provstyckena och materialet som underlag för provstycke nr 1 vart och ett inställt till det nominella värdet 100.

Ur resultaten har det bekräftats att utföringsformproven är överlägsna de konventionella proven och jämförelseproven då det gäller beständighet mot repor, slipbeständighet och icke- aggressivitet mot underlaget.

Såsom har beskrivits ovan framställs den slipbeständiga värmesprutade beläggningen enligt uppfinningen genom plasma- sprutning av en blandning av pulver av hårt material, pulver av metallen för att bilda en matris och pulver av metallbelagd fast smörjmedel, där mängdförhållandet i. den värmesprutade belägg- ningen av det metallbelagda fasta smörjmedlet är mindre än 10 procent av hela Amassan och skiljer sig fràn konventionella värmesprutade beläggningar som har metallbelagd grafit som det metallbelagda fasta smörjmedlet med 10 procent av hela massan eller större.

Den värmesprutade beläggningen enligt uppfinningen har således en klar och utomordentlig fördel i och med att det är Till följd av den skör. osannolikt att beläggningen blir 526 708 ooo ooo o o oo o oo oooo o o o o o o o o o o o o o O o x o o o o o o o ooo o o o o o oooo o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o oo ooo 10 synergistiska effekten av porositeten och den fasta smörjmedel- fasen har den värmesprutade beläggningen enligt uppfinningen dessutom fördelen att friktionsmotstàndet blir lågt och att den är utmärkt i fråga om repbeständighet och slipbeständighet och inte är aggressiv mot underlaget.

Ehuru fundamentala nya särdrag hos uppfinningen tillämpad på föredragna utföringsformer har visats och beskrivits skall det förstås att skilda modifikationer och ändringar av dessa utföringsformer kan göras av fackmannen inom uppfinningens ram.

Det är således vår avsikt att begränsning endast skall utföras såsom är angivet av omfattningen av de bifogade patentkraven.

Claims (8)

526 708 ll PATENTKRAV

1. Sätt att framställa en slipbeständig varmsprutad beläggning för ett glidorgan (1), kännetecknat därav, att nämnda beläggning bildas genom varmsprutning av en blandning bestående av partik- lar av hàrt material (5), pulver av metaller för att bilda en matris (6), och pulver av fast smörjmedel, pà glidytan hos glidorganet (l), varvid det hårda materialet väljs ur gruppen karbider, oxider, nitrider och karbidnitrider av krom, volfram, molybden och vanadin och metallerna för att bilda en matris väljs ur gruppen molybden, nickel-kromlegering, kobolt, kobolt- kromlegering, nickel-molybdenlegering och kobolt-nickellegering, varvid blandningen innefattar metallbelagda fasta smörjmedelpar- tiklar som. det fasta smörjmedlet med 0,1 till mindre än 10 procent av blandningens massa.

2. Sätt enligt krav l, kännetecknat därav, att de metallbelagda fasta smörjmedelpartiklarna är nætallbelagda grafitpartiklar som pàförs nædelst en pläteringsmetod och att som beläggningsmetall väljs ett material ur gruppen koppar, nickel, silver, kobolt och molybden.

3. Sätt enligt krav 2, kännetecknat därav, att de metallbelagda grafitpartiklarna innehåller grafit med 10 till 50 procent av massan av de metallbelagda grafitpartiklarna.

4. Sätt enligt krav l, kännetacknat därav, att de metall- belagda fasta smörjmedelpartiklarna är kopparbelagda fasta smörjmedelpartiklar och att de fasta smörjmedelpartiklarna utgörs av ett material som väljs ur gruppen grafit, mangansul- fid, grafitfluorid, kalciumfluorid, bornitrid, molybdendisulfid och volframdisulfid.

5. Sätt enligt krav 4, kännetecknat därav, att de koppar- belagda fasta smörjmedelpartiklarna innehåller fast smörjmedel med 10 till 50 procent av massan av de kopparbelagda fasta smörjmedelpartiklarna.

6. Sätt enligt något av kraven l-5, kännatecknat därav, att den, varmsprutade beläggningen bildas så, att den, har en porositet av 5 till 15 volymprocent av blandningen medelst plasmasprutning.

7. Sätt enligt något av kraven 1-5, kännetecknat därav, 526 708 12 att det hårda materialet är antingen kromoxid eller kromkarbid och att metallerna för att bilda matrisen är både molybden och nickel-kromlegering.

8. Sätt enligt krav 6, kännetecknat därav, att det hårda materialet är antingen kromoxid eller kromkarbid och att metallerna för att bilda matrisen är både molybden och nickel- kromlegering.