WO2006097057A1 - Verfahren zur erzeugung von verschleissschutzschichten an kollbenringen sowie mit einer verschleisschutzschicht versehener kolbenring - Google Patents

Verfahren zur erzeugung von verschleissschutzschichten an kollbenringen sowie mit einer verschleisschutzschicht versehener kolbenring Download PDF

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nitriding
piston ring
tread area
thermal spray
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Volker Scherer
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    • 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
    • C23C4/18—After-treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/02—Pretreatment of the material to be coated

Definitions

  • the invention relates to a method for producing wear protection layers on a steel or cast iron piston ring main body.
  • DE-A 199 31 829 discloses a galvanic hard chromium layer, in particular for a piston ring, which is essentially formed from a hexavalent chromium-containing electrolyte, wherein cracks are present in the layer and diamond particles are embedded in these cracks, which have a particle size from 0.25 to 0.5 microns own.
  • a galvanic hard chrome layer it may be advantageous if surface hardening is additionally carried out.
  • the nitriding in particular the plasma nitriding, recourse, wherein the ion implantation, for example with nitrogen, is conceivable.
  • a method for producing wear layers on steel piston rings has become known in which the tread is at least partially provided with a tread coating in a first step and for generating a hardness HV 0.1> 1400 in a second step at least the flanks are provided by plasma nitriding with a nitriding layer, in such a way that the working step of the Plamanitr Schls depending on the applied tread coating in the temperature range ⁇ 490 ° C is performed.
  • the invention has for its object to provide a method for producing wear protection layers on piston rings, in which tribologically active nitrides are produced in the wear protection layer and even after wear of the surface coating on the tread side still a wear reservoir is given.
  • a piston ring is to be designed by Modification of Lauffiumbleen matteren wear protection layer has an increased life.
  • This object is achieved by a method for producing wear protection layers on a piston ring main body made of steel or cast iron, by first providing the tread area at least partially with an at least single layer thermal spray layer based on nitrogen-affine metallic elements, such that the spray layer has a porosity in the range of 3 to 10%, and then at least the flanks and the tread with sprue layer applied thereto are subjected to a nitriding process, wherein on the one hand on the respective edge a nitriding layer of defined thickness produced and on the other hand by nitriding of nitriding gas in the sprayed layer nitrides are formed and below the spray layer a additional nitriding layer of defined layer thickness is formed.
  • the thermally sprayed coating material advantageously contains nitrogen-affine metallic elements, such as Cr, Mo, Ti, W, individually or in combination, so that tribologically active nitrides (CrN, MoN, TiN, WN) are produced in the laminate by the nitriding process following the thermal spraying become.
  • a wear-resistant nitriding layer is formed in the same operation on the piston ring flanks.
  • the manufacturing process is greatly simplified, since first the thermal spray coating is applied to the tread area and then the nitriding process is carried out as a final manufacturing process.
  • Figures 1 to 3 are cross-sections through piston rings with erfmdungshielen wear protection layers.
  • the piston ring main bodies 1, 2, 3 shown in FIGS. 1 to 3 each have a tread area 4, 5, 6, flanks 7, 8, 9 and an inner peripheral surface 10, 11, 12.
  • the piston ring main body 1 to 3 are provided with differently trained wear protection layers and also different cross sections.
  • the tread area 4 of a piston ring main body 1 made of steel is provided with a powdered coating material consisting of Mo and hard material by plasma spraying with the illustrated spray layer 4 '.
  • the addressed in Figure 1 thermal spray layer 4 ' is a maximum Have porosity of 10%.
  • the flanks 7 and the tread 4 containing the spray layer 4 ' are subjected to a nitriding process.
  • the gas nitriding process is to be used.
  • Hard material in this example should contain chromium in the sprayed layer.
  • the flanks 7 are provided with a nitriding layer T with a defined layer thickness.
  • the nitriding gas (N) diffuses into the sprayed layer 4 ', so that a nitriding layer 4 "with a defined layer thickness is formed below the sprayed layer 4.
  • tribologically active nitrides such as MoN and CrN generates, whereby so-called selective islands 13 containing metal halide are formed within the sprayed layer 4.
  • Customized selection of the nitrogen-containing metals or their proportions makes it possible to produce tailored nitride particles in the layered material Service life of the piston ring 1 is increased.
  • the consisting of cast iron piston ring-Grundköper 2 according to Figure 2 is also provided in its tread region 5 with a thermal spray coating 5 ', which has the contour shown in Figure 2.
  • the coating material used in this example is a material made from metal carbide with carbides based on chromium and tungsten, the material being applied by high-speed flame spraying (HVOF) in the tread region 5.
  • HVOF high-speed flame spraying
  • the porosity of the spray layer 5 ' should be 7% in this example.
  • the piston ring main body 2 according to FIG. 2 is subsequently subjected to a nitriding process, wherein nitriding layers 8 'are produced in the region of the flanks 8.
  • nitrides are also formed by diffusing nitriding gas (CrN, WN). Analogous to FIG. 1, here too, selective islands 13 containing metal nitrides are formed within the spray layer 5 '.
  • a nitriding layer 5 "of predeterminable layer thickness serving as a wear reservoir is produced by the nitriding gas (N) which diffuses in.
  • N nitriding gas
  • the piston ring main body 3 was treated according to FIG.
  • the piston ring main body 3 should consist of cast iron in this example and have a chamber 14 in the tread region 6.
  • a thermal spray layer 6 ' including the metallic elements W, Cr, Mo, introduced by high-speed flame spraying (HVOF).
  • the layer porosity should be 8% in this example.
  • the flanks 9 and the running surface area 6, together with the spray layer 6 ' are subjected to gas nitriding, so that a nitriding layer 9' is formed on the flanks 9.
  • a nitriding layer 15 is also formed outside the chamber 14.
  • nitrides based on MoN, CrN and WN are formed, while below the sprayed layer 6' a nitriding layer 6 "is also formed here.
  • the islands 13 already mentioned, containing metal nitrides, are formed.

Abstract

Verfahren zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten an einem aus Stahl oder Gusseisen bestehenden Kolbenring-Grundkörper, indem zunächst der Laufflächenbereich zumindest partiell mit einer mindestens einlagigen thermischen Spritzschicht auf Basis stickstoffaffiner metallischer Elemente versehen wird, dergestalt, dass die Spritzschicht eine Porosität im Bereich von 3 bis 10 % beinhaltet und anschließend zumindest die Flanken und der Laufflächenbereich samt darauf aufgebrachter Spritzschicht einem Nitrierprozess unterzogen werden, wobei einerseits auf der jeweiligen Flanke eine Nitrierschicht definierter Schichtdicke erzeugt wird und andererseits durch Eindifrundieren von Nitriergas in die Spritzschicht Nitride gebildet werden und unterhalb der Spritzschicht eine zusätzliche Nitrierschicht definierter Schichtdicke gebildet wird.

Description

Verfahren zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten an Kolbenringen sowie mit einer Verschleißschutzschicht versehener Kolbenring
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten an einem aus Stahl oder Gusseisen bestehenden Kolbenring-Grundkörper.
Der DE-A 199 31 829 ist eine galvanische Hartchromschicht, insbesondere für einen Kolbenring, zu entnehmen, die im Wesentlichen aus einem sechswertiges Chrom enthaltenden Elektrolyten gebildet ist, wobei sich in der Schicht Risse befinden und in diesen Rissen Diamantpartikel eingelagert sind, die eine Partikelgröße von 0,25 bis 0,5 μm besitzen. Je nach Einsatz der galvanischen Hartchromschicht kann es von Vorteil sein, wenn zusätzlich eine Oberflächenhärtung durchgeführt wird. Hierbei wird auf das Nitrieren, insbesondere das Plasmanitrieren, zurückgegriffen, wobei auch das Ionenimplantieren, beispielsweise mit Stickstoff, denkbar ist.
Durch die DE-A 102 21 800 ist ein Verfahren zur Erzeugung von Verschleißschichten an Stahlkolbenringen bekannt geworden, bei welchem die Lauffläche in einem ersten Arbeitsschritt zumindest partiell mit einer Laufflächenbeschichtung versehen wird und zur Erzeugung einer Härte HV 0,1 > 1400 in einem zweiten Arbeitsschritt zumindest die Flanken durch Plasmanitrieren mit einer Nitrierschicht versehen werden, dergestalt, dass der Arbeitsschritt des Plamanitrierens in Abhängigkeit von der zum Einsatz gelangenden Laufflächenbeschichtung im Temperaturbereich < 490°C durchgeführt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten an Kolbenringen bereitzustellen, bei welchem in der Verschleißschutzschicht tribologisch wirksame Nitride erzeugt werden und selbst nach Verschleiß der Oberflächenbeschichtung laufflächenseitig noch ein Verschleißreservoir gegeben ist. Darüber hinaus soll ein Kolbenring konzipiert werden, der durch Modifizierung der lauffiächenseitigen Verschleißschutzschicht eine erhöhte Standzeit aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten an einem aus Stahl oder Gusseisen bestehenden Kolbenringgrundkörper, indem zunächst der Laufflächenbereich zumindest partiell mit einer mindestens einlagigen thermischen Spritzschicht auf Basis stickstoffaffiner metallischer Elemente versehen wird, dergestalt, dass die Spritzschicht eine Porosität im Bereich von 3 bis 10 % beinhaltet und anschließend zumindest die Flanken und die Lauffläche samt darauf aufgebrachter Spritzschicht einem Nitrierprozess unterzogen werden, wobei einerseits auf der jeweiligen Flanke eine Nitrierschicht definierter Schichtdicke erzeugt und andererseits durch Eindiffundieren von Nitriergas in die Spritzschicht Nitride gebildet werden und unterhalb der Spritzschicht eine zusätzliche Nitrierschicht definierter Schichtdicke gebildet wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den zugehörigen verfahrensgemäßen Unteransprüchen zu entnehmen.
Diese Aufgabe wird bei einem Kolbenring mit einem aus Stahl oder Gusseisen bestehenden Grundkörper, der einen Laufflächenbereich sowie Flanken aufweist und wobei der Laufflächenbereich zumindest partiell mit einer thermischen Spritzschicht versehen ist und die Flanken eine Nitrierschicht aufweisen, auch dadurch gelöst, dass die stickstoffaffine, metallische Elemente enthaltende eine Porosität im Bereich von 3 bis 10 % aufweisende Spritzschicht durch eine Gasnitrierung dergestalt gehärtet ist, dass in der Spritzschicht Metallnitride vorliegen und laufflächenbereichsseitig unterhalb der Spritzschicht eine Nitrierschicht mit definierter Schichtdicke gebildet ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbenringes sind den zugehörigen gegenständlichen Unteransprüchen zu entnehmen. Der thermisch gespritzte Schichtwerkstoff enthält vorteilhafterweise stickstoffaffine metallische Elemente, wie Cr, Mo, Ti, W, einzeln oder in Kombination, so dass durch den sich an das thermische Spritzen anschließenden Nitrierprozess im Schichtwerkstoff tribologisch wirksame Nitride (CrN, MoN, TiN, WN) erzeugt werden. Zusätzlich wird im gleichen Arbeitsgang an den Kolbenringflanken eine verschleißbeständige Nitrierschicht gebildet.
Infolge der Gasnitrierung wird unterhalb der thermischen Spritzschicht eine zusätzliche Nitrierschicht gebildet, die ein sogenanntes Verschleißreservoir bildet, so dass die Standzeit des erfindungsgemäßen fertigen Kolbenrings erhöht wird.
Darüber hinaus wird der Fertigungsprozess wesentlich vereinfacht, da zuerst die thermische Spritzschicht auf den Laufflächenbereich aufgebracht und anschließend der Nitrierprozess als abschließender Fertigungsprozess vorgenommen wird.
Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausfuhrungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen:
Figuren 1 bis 3 Querschnitte durch Kolbenringe mit erfmdungsgemäßen Verschleißschutzschichten.
Die in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Kolbenring-Grundkörper 1,2,3 weisen jeweils einen Laufflächenbereich 4,5,6, Flanken 7,8,9 sowie eine innere Umfangsfläche 10,11,12 auf. Die Kolbenring-Grundkörper 1 bis 3 sind mit unterschiedlich ausgebildeten Verschleißschutzschichten und ebenfalls unterschiedlichen Querschnitten versehen.
In Figur 1 wird der Laufflächenbereich 4 eines aus Stahl bestehenden Kolbenring- Grundkörpers 1 mit einem pulverformigen aus Mo und Hartstoff bestehenden Beschichtungswerkstoff durch Plasmaspritzen mit der abgebildeten Spritzschicht 4' versehen. Die in Figur 1 angesprochene thermische Spritzschicht 4' soll eine maximale Porosität von 10 % haben. Daran anschließend werden die Flanken 7 und der die Spritzschicht 4' beinhaltende Laufflächenbereich 4 einem Nitrierprozess unterzogen. In diesem Beispiel soll das Gasnitrierverfahren zum Einsatz gelangen. An Hartstoff soll in diesem Beispiel in der Spritzschicht Chrom enthalten sein. Im Verlauf des Nitrierprozesses werden die Flanken 7 mit einer Nitrierschicht T mit definierter Schichtdicke versehen. Im Verlauf des Nitrierprozesses diffundiert das Nitriergas (N) in die Spritzschicht 4' ein, so dass unterhalb der Spritzschicht 4' eine Nitrierschicht 4" mit definierter Schichtdicke gebildet wird. Im Verlauf des Eindiffundierens des Nitriergases werden im Schichtwerkstoff tribologisch wirksame Nitride, wie MoN und CrN erzeugt, wodurch sogenannte selektive, Metalhütride enthaltende, Inseln 13 innerhalb der Spritzschicht 4' gebildet werden. Durch gezielte Auswahl der stickstoffaffmen Metalle bzw. deren Mengenanteile können maßgeschneiderte Nitridpartikel im Schichtwerkstoff erzeugt werden. Die Nitrierschicht 4" bildet ein sogenanntes Verschleißreservoir, durch welches die Standzeit des Kolbenringes 1 erhöht wird.
Der aus Gusseisen bestehende Kolbenring-Grundköper 2 gemäß Figur 2 ist in seinem Laufflächenbereich 5 ebenfalls mit einer thermischen Spritzschicht 5' versehen, die die in Figur 2 dargestellte Kontur besitzt. Als Beschichtungswerkstoff soll in diesem Beispiel ein Werkstoff aus Metallkarbid mit Karbiden auf Basis von Chrom und Wolfram zum Einsatz gelangen, wobei der Werkstoff durch Hochgeschwindigkeits- Flammspritzen (HVOF) im Laufflächenbereich 5 aufgebracht wird. Die Porosität der Spritzschicht 5' soll in diesem Beispiel 7 % betragen. Wie bereits zu Figur 1 beschrieben, wird auch der Kolbenring-Grundkörper 2 gemäß Figur 2 daran anschließend einem Nitrierprozess unterworfen, wobei im Bereich der Flanken 8 Nitrierschichten 8' erzeugt werden. Innerhalb der thermischen Spritzschicht 5' werden auch hier durch eindiffundierendes Nitriergas Nitride gebildet (CrN, WN). Analog zu Figur 1 werden auch hier selektive, Metallnitride enthaltende, Inseln 13 innerhalb der Spritzschicht 5' gebildet. Unterhalb der Spritzschicht 5' wird eine als Verschleißreservoir dienende Nitrierschicht 5" vorgebbarer Schichtdicke durch das eindiffundierende Nitriergas (N) erzeugt. In gleicher Weise wurde der Kolbenring-Grundkörper 3 gemäß Figur 3 behandelt. Der Kolbenring-Grundkörper 3 soll in diesem Beispiel aus Gusseisen bestehen und im Laufflächenbereich 6 eine Kammerung 14 aufweisen. In die Kammerung 14 wurde eine thermische Spritzschicht 6', beinhaltend die metallischen Elemente W, Cr, Mo, durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF) eingebracht. Die Schichtporosität soll in diesem Beispiel bei 8 % liegen. Wie bereits vorher beschrieben, werden die Flanken 9 und der Lauf flächenbereich 6 samt Spritzschicht 6' einer Gasnitrierung unterzogen, so dass auf den Flanken 9 eine Nitrierschicht 9' gebildet wird. Im Laufflächenbereich 6 wird außerhalb der Kammerung 14 ebenfalls eine Nitrierschicht 15 gebildet. Innerhalb der Spritzschicht 6' werden Nitride auf Basis von MoN, CrN und WN gebildet, während unterhalb der Spritzschicht 6' auch hier eine Nitrierschicht 6" ausgebildet wird. Innerhalb der Spritzschicht 6' werden die bereits angesprochenen, Metallnitride enthaltenden, Inseln 13 gebildet.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten an einem aus Stahl oder Gusseisen bestehenden Kolbenring-Grundkörper (1,2,3), indem zunächst der Laufflächenbereich (4,5,6) zumindest partiell mit einer mindestens einlagigen thermischen Spritzschicht (4',5',6') auf Basis stickstoffaffiner metallischer Elemente versehen wird, dergestalt, dass die Spritzschicht (4',5',6') eine Porosität im Bereich von 3 bis 10 % beinhaltet und anschließend zumindest die Flanken (7,8,9) und der Laufflächenbereich (4,5,6) samt darauf aufgebrachter Spritzschicht (4',5',6') einem Nitrierprozess unterzogen werden, wobei einerseits auf der jeweiligen Flanke (7,8,9) eine Nitrierschicht (7\8',9') definierter Schichtdicke erzeugt wird und andererseits durch Eindiffundieren von Nitriergas in die Spritzschicht (4',5',6') Nitride (13) gebildet werden und unterhalb der Spritzschicht (4',5\65) eine zusätzliche Nitrierschicht (4",5",6") definierter Schichtdicke gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Laufflächenbereich (4,5,6) eine thermische Spritzschicht (4',5',6') aufgebracht wird, die zumindest die metallischen Elemente Mo und Cr enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Laufflächenbereich (4,5,6) eine thermische Spritzschicht (4',5',6') aufgebracht wird, die zusätzliche Nitridbildner (13) wie Ti und/oder W und/oder Fe aufweist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Spritzschicht (4',5',6') durch ein Hochgeschwindigkeits- Flammspritzverfahren (HVOF) erzeugt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Spritzschicht (4',5',6') durch ein Plasma-Spritzverfahren erzeugt wird. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Laufflächenbereich (4,5,6) eine mehrlagige thermische Spritzschicht (4',5',
6') unterschiedlicher Materialspezifikation aufgebracht wird.
7. Kolbenring mit einem aus Stahl oder Gusseisen bestehenden Grundkörper (1,2,3), der einen Laufflächenbereich (4,5,6) sowie Flanken (7,8,9) aufweist, wobei der Laufflächenbereich (4,5,6) zumindest partiell mit einer thermischen Spritzschicht (4',5',6') versehen ist und die Flanken (7,8,9) eine Nitrierschicht (7\8',9') aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die, stickstoffaffine, metallische Elemente enthaltende eine Porosität im Bereich von 3 bis 10 % aufweisende, Spritzschicht (4',5',6') durch eine Gasnitrierung dergestalt gehärtet ist, dass in der Spritzschicht (4',5',6') Metallnitride (13) vorliegen und laufflächenbereichsseitig unterhalb der Spritzschicht (4',5',6') eine Nitrierschicht (4",5",6") mit definierter Schichtdicke gebildet ist.
8. Kolbenring nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Spritzschicht (4',5',6') zumindest die Nitrid bildenden Elemente Mo und Cr, bedarfsweise zusätzlich mindestens eines der Elemente Ni, W, Fe, enthalten ist.
9. Kolbenring nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der unterhalb der Spritzschicht (4',5',6') gebildeten Nitrierschicht (4",5",6") im Bereich zwischen 20 und 100 μm liegt.
10. Kolbenring nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Spritzschicht (4',5',65) aus einem pulverformigen Werkstoff aus Mo und Hartstoff besteht, eine Porosität von maximal 10 % aufweist und durch Plasmaspritzen auf dem Laufflächenbereich (4,5,6) aufgebracht ist.
11. Kolbenring nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Spritzschicht (4',5',6!) aus einem pulverformigen Werkstoff aus Metallkarbid mit Karbiden auf Basis von Cr und W besteht, eine Porosität von maximal 7 % aufweist und durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF) auf dem Laufflächenbereich (4,5,6) aufgebracht ist.
12. Kolbenring nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzschicht (4', 5 ',6') aus mehreren Lagen unterschiedlicher Materialspezifϊkationen besteht.
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