WO2009112118A1 - Verschleissfestes bauteil - Google Patents

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WO2009112118A1 PCT/EP2009/000324 EP2009000324W WO2009112118A1 WO 2009112118 A1 WO2009112118 A1 WO 2009112118A1 EP 2009000324 W EP2009000324 W EP 2009000324W WO 2009112118 A1 WO2009112118 A1 WO 2009112118A1
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Marc-Manuel Matz
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Definitions

  • the present invention relates to wear-resistant components for internal combustion engines, in particular piston rings. Furthermore, the present invention relates to a method for producing the wear-resistant components according to the invention by means of a thermal spraying method.
  • Gap continues to be thicker in the combustion chamber remaining unstripped oil film, so that more oil per unit time can be lost, so the oil consumption is increased.
  • molybdenum-based materials are nowadays preferably used by means of the plasma spraying process.
  • these have too high a wear rate on highly loaded engines.
  • High-speed flame spraying technology offers the possibility of depositing particles with a low thermal impact and a high kinetic energy on a substrate in such a way that dense layers with a high adhesive strength are produced.
  • metal carbide particles such as WC or Cr 3 C 2 have recently been used. These actually offer a higher one Wear resistance, but have disadvantages due to their, compared to the substrate different physical properties, such as lower thermal expansion coefficient and lower thermal conductivity, and different mechanical properties, such as lower ductility, higher brittleness and lower fracture toughness. These disadvantages have an effect in engine operation, in particular in the area of mixed friction or insufficient lubrication.
  • the metal carbides are usually introduced into a metallic matrix, such as NiCr alloy, which only leads to a wetting of the alloy surface, but not to a metallurgical clamping. As a result, the adhesion of the metal carbides, such as WC or Cr 3 C 2 , which provide a high wear resistance as hard material areas, is limited.
  • wear-resistant components for internal combustion engines in particular piston rings, on whose wear-stressed surface is a wear protection layer with iron-based alloy, which are characterized in that the components by means of high-speed flame spraying (HVOF) are made of a coating powder and the coating single-phase wherein the proportion of the elements Fe, Cr, B and C in the wear protection layer 45 - 75 wt .-% Fe, 15 - 40 wt .-% Cr, 1 - 10 wt .-% B and 0.1 -. 5 Gew .-% C is.
  • HVOF high-speed flame spraying
  • a FeCr-based alloy is solidified by formation of FeB excretions with embedded C atoms.
  • the thickness of the wear protection layer is preferably 30 ⁇ m to 600 ⁇ m.
  • the wear-resistant layer is preferably made of a coating powder having an average particle size of less than 65 ⁇ m, measured by means of a Cilas granulometer.
  • the present invention further relates to a method for producing inventive wear-resistant components for internal combustion engines, in particular piston rings.
  • inventive wear-resistant components for internal combustion engines in particular piston rings.
  • HVOF Hoch effetsflammspritzens
  • a wear protection layer was applied by means of high-speed flame spraying.
  • a coating powder of FeCrCB with a mean particle size of 20-63 microns was used.
  • the microstructure of an exemplary wear protection layer investigated by light microscopy is shown in FIG. The test was carried out four times with different process parameters and hardness, roughness and ductility were measured by determining the crack length by means of an HV10 inductive test. The results are shown in Table 1.
  • Hardness was according to DIN EN ISO 4516, coating thickness according to DIN EN ISO 9220 and 1463, Roughness features according to DIN EN ISO 4287 and 4288 and the ductility according to DIN EN ISO 14577 determined.
  • MKJet502 200-350 ⁇ m
  • MKJet502 DE 100 61 750 B4

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft verschleißfeste Bauteile für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Kolbenringe, an deren verschleißbeanspruchter Oberfläche sich eine Verschleißschutzschicht mit Eisenbasislegierung befindet, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzens (HVOF) aus einem Beschichtungspulver hergestellt sind und die Beschichtung aus einer Phase besteht, wobei der Anteil der Elemente Fe, Cr, B und C in der Verschleißschutzschicht 45 - 75 Gew.-% Fe, 15 - 40 Gew.-% Cr, 1 - 10 Gew.-% B und 0,1 - 5 Gew.-% C beträgt. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung verschleißfester Bauteile für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Kolbenringe, gemäß der vorliegenden Erfindung.

Description

VERSCHLEISSFESTES BAUTEIL
Die vorliegende Erfindung betrifft verschleißfeste Bauteile für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Kolbenringe. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen verschleißfesten Bauteile mittels eines thermischen Spritzverfahrens.
Bei Kolbenringen, wie beispielsweise denen von Hubkolben- Verbrennungskraftmaschinen, muss eine hohe Verschleißfestigkeit gewährleistet sein, da anderenfalls, d.h. bei einer geringen Verschleißfestigkeit die Schicht dünner wird. Dadurch nimmt die Wandstärke des
Kolbenrings ab, die Abdichtwirkung wird schlechter, Gasleckage und der Ölverbrauch nehmen zu und die Leistung des Motors kann sich verschlechtern. Durch einen sich abreibenden Kolbenring wird der Spalt zwischen Zylinderwand und Kolbenring immer größer, so dass Verbrennungsgase leichter am Kolbenring vorbei austreten können (so genanntes Blow-By), was die Effizienz des Motors verringert. Durch einen vergrößerten
Spalt wird weiterhin der im Verbrennungsraum zurückbleibende nicht abgestreifte Ölfilm dicker, so dass mehr Öl pro Zeiteinheit verloren gehen kann, also der Ölverbrauch erhöht wird.
Im Bereich des thermischen Spritzens von Kolbenringen werden heutzutage bevorzugt Molybdän-basierte Werkstoffe mittels des Plasmaspritzverfahrens eingesetzt. Diese haben bei hochbelasteten Motoren allerdings eine zu hohe Verschleißrate.
Die Hochgeschwindigkeitsflammspritztechnologie (HVOF) bietet die Möglichkeit, Partikel mit einer geringen thermischen Einwirkung und einer hohen kinetischen Energie so auf einem Substrat abzuscheiden, dass dichte Schichten mit einer hohen Haftfestigkeit erzeugt werden. Um darüber hinaus einen verbesserten Verschleißwiderstand bei höheren Belastungen zu gewährleisten, wurden in neuerer Zeit Metallcarbid Partikeln, wie beispielsweise WC oder Cr3C2 verwendet. Diese bieten tatsächlich einen höheren Verschleißwiderstand, haben aber auf Grund Ihrer, gegenüber dem Substrat unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften, wie geringerem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und niedrigerer Wärmeleitfähigkeit, sowie unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften, wie geringerer Duktilität, höherer Sprödigkeit und geringerer Bruchzähigkeit Nachteile. Diese Nachteile wirken sich im Motorbetrieb, insbesondere im Bereich der Mischreibung oder der Mangelschmierung aus. Die durch Reibung zusätzlich induzierte thermische Energie führt zu einem Relaxationsprotzess, bei der die Kolbenringschicht nicht der Ausdehnung des Substrats folgen kann und demzufolge ein Rissnetzwerk an der Lauffläche entsteht. Dieser Effekt führt letztlich zum Versagen bei wiederholter Belastung. Zudem werden die Metallcarbide üblicherweise in eine metallische Matrix, wie beispielsweise NiCr-Legierung, eingebracht wobei es nur zu einer Benetzung der Legierungsoberfläche, nicht aber zu einer metallurgischen Verklammerung kommt. Dadurch ist die Haftung der Metallcarbide, wie WC oder Cr3C2, die als Hartstoffbereiche einen hohen Verschleißwiderstand liefern, begrenzt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung die tribologischen Eigenschaften von Bauteilen für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Kolbenringe gegenüber Bauteilen mit Molybdänbeschichtung oder herkömmlicher Metallcarbidbeschichtung zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch verschleißfeste Bauteile für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Kolbenringe, gelöst, an deren verschleißbeanspruchter Oberfläche sich eine Verschleißschutzschicht mit Eisenbasislegierung befindet, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Bauteile mittels Hochgeschwindigkeits- flammspritzens (HVOF) aus einem Beschichtungspulver hergestellt sind und die Beschichtung einphasig ist, wobei der Anteil der Elemente Fe, Cr, B und C in der Verschleißschutzschicht 45 - 75 Gew.-% Fe, 15 - 40 Gew.-% Cr, 1 - 10 Gew.-% B und 0,1 - 5 Gew.-% C beträgt. Hierbei wird eine FeCr-Basislegierung durch Bildung von FeB- Auscheidungen mit eingelagerten C- Atomen verfestigt. Insbesondere entsteht hinsichtlich der physikalischen Eigenschaften, wie Wärmeleitfähigkeit und thermischem Ausdehnungskoeffizient, ein homogenes System zwischen Substrat und Beschichtung. Dadurch kann die während der Mischreibung im OT- (oberer Totpunkt) oder UT- (unterer Totpunkt) Bereich entstehende thermische Energie besser abgerührt werden und ein gleichmäßiger thermischer Relaxationsprozess während der in der Verbrennungskraftmaschine vorliegenden Temperaturschwankungen gewährleistet werden. Da die Verschleißschutzschicht nur aus einer Phase besteht muss das quantitativ sehr schwierig zu prüfende Benetzungsverhalten nicht berücksichtigt zu werden.
Die Dicke der Verschleißschutzschicht beträgt vorzugsweise 30 μm bis 600 μm.
Die Verschleißschutzschicht ist bevorzugt aus einem Beschichtungspulver hergestellt, welches eine durchschnittliche Partikelgröße von weniger als 65 μm, gemessen mittels eines Cilas Granulometers, aufweist.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung erfindungsgemäßer verschleißfester Bauteile für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Kolbenringe. Hierbei wird auf dem Bauteil mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzens (HVOF, z.B. MKJet® der Firma Federal-Mogul) eine Verschleißschutzschicht aufgebracht.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden durch ein Beispiel genauer veranschaulicht, welches nicht als einschränkend verstanden werden darf.
Beispiel
Auf einem Kolbenring wurde mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzens eine Verschleißschutzschicht aufgetragen. Hierzu wurde ein Beschichtungspulver aus FeCrCB mit einer mittleren Partikelgröße von 20-63 μm verwendet. Die mittels Lichtmikroskopie untersuchte Mikrostruktur einer beispielhaften Verschleißschutzschicht ist in Figur 1 dargestellt. Der Versuch wurde viermal mit unterschiedlichen Prozessparametern durchgeführt und Härte, Rauigkeit sowie die Duktilität mittels Bestimmung der Risslänge durch einen HVlO Indentertest gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. Die
Härte wurde nach DIN EN ISO 4516, Schichtdicke nach DIN EN ISO 9220 und 1463, Rauigkeitsmerkmale nach DIN EN ISO 4287 und 4288 sowie die Duktilität nach DIN EN ISO 14577 bestimmt. Insbesondere die gegenüber MKJet502 (DE 100 61 750 B4) verbesserte Duktilität (MKJet502: 200-350μm) bei gleich bleibender Porosität und Haftfestigkeit lassen die Vermutung zu, dass sich dieser Werkstoff besser hinsichtlich der thermophysikalischen und damit der tribologischen Eigenschaften im Motorbetrieb verhält.
Figure imgf000006_0001

Claims

Patentansprüche
1. Verschleißfeste Bauteile für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Kolbenringe, an deren verschleißbeanspruchter Oberfläche sich eine Verschleißschutzschicht mit Eisenbasislegierung befindet, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Bauteile mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzens (HVOF) aus einem Beschichtungs- pulver hergestellt sind und die Beschichtung einphasig ist, wobei der Anteil der Elemente Fe, Cr, B und C in der Verschleißschutzschicht
Fe: 45 - 75 Gew.-%,
Cr: 15 - 40 Gew.-%,
B: 1 - 10 Gew.-%,
C: 0,1 - 5 Gew.-%
beträgt.
2. Verschleißfeste Bauteile nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht eine Dicke von 30 μm bis 600 μm aufweist.
3. Verschleißfeste Bauteile nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht aus einem Beschichtungspulver hergestellt ist, welches eine durchschnittliche Partikelgröße von weniger als 65 μm aufweist.
4. Verfahren zur Herstellung verschleißfester Bauteile für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Kolbenringe, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Bauteil mittels eines thermischen Spritzverfahrens eine Verschleißschutzschicht aufgebracht wird.
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