DE102009016650B3

DE102009016650B3 - Gleitelement mit einstellbaren Eigenschaften

Info

Publication number: DE102009016650B3
Application number: DE102009016650A
Authority: DE
Inventors: Marcus Kennedy; Michael Zinnabold; Marc-Manuel Matz
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2009-04-07
Filing date: 2009-04-07
Publication date: 2010-07-29
Anticipated expiration: 2029-04-08
Also published as: CN102333903A; KR101603637B1; EP2417278B1; US8911875B2; EP2417278A1; BRPI0924746B8; BRPI0924746B1; PT2417278E; JP2012522896A; WO2010115448A1; KR20120014555A; US20120306158A1; BRPI0924746A2; JP5629307B2; CN102333903B

Abstract

Gemäß der Erfindung wird ein Gleitelement bereitgestellt, insbesondere ein Kolbenring für eine Verbreine Verschleißschutzschicht, erhältlich durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile 2-50 Gewichtsprozent Eisen, Fe; 5-60 Gewichtsprozent Wolfram, W; 5-40 Gewichtsprozent Chrom, Cr; 5-25 Gewichtsprozent Nickel, Ni; 1-5 Gewichtsprozent Molybdän, Mo; 1-10 Kohlenstoff, C; und 0,1-2 Gewichtsprozent Silizium, Si; und - eine Einlaufschicht, erhältlich durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile 60-95 Gewichtsprozent Nickel; 5-40 Gewichtsprozent Kohlenstoff.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitelement, insbesondere einen Kolbenring, mit einstellbaren Eigenschaften, insbesondere bezüglich des Verschleißverhaltens, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Heutzutage sind die Kundenanforderungen hinsichtlich des Verschleißverhaltens auf dem Kolbenring und der Zylinderlaufbahn unterschiedlich. Einerseits wird ein möglichst geringer Verschleiß verlangt, andererseits benötigen Motorenhersteller auch höhere Verschleißraten, um aus deren Sicht ein möglichst gutes Einlaufverhalten für das System „Kolbenring/Zylinderlaufbuchse geschmiert” zu erhalten. Diese Aufgabe stellt sich zunehmend im Bereich von 2-Takt-Motoren (Ringdurchmesser > 430 mm).
Eisen-basierte Beschichtungen, aufgetragen mittels thermischen Spritzens, finden noch keine Anwendung auf dem Kolbenring. Im Bereich des Kurbeltriebs sind bisher lediglich auf Eisen basierende Beschichtungen auf der Zylinderlaufbahn bekannt, die mittels Lichtbogendrahtspritzens (LDS) hergestellt sind ( EP 1 022 351 B1 ). Die Herstellung von Verschleißschutzschichten mittels des thermischen Spritzprozesses ist ein bekanntes Verfahren. Die heutigen dafür verwendeten Pulvermaterialien basieren auf Mo, WC, NiCr und Cr₃C₂.
Die Druckschrift DE 100 61 749 A1 beschreibt eine Verschleiss-Schutzschicht für Kolbenringe in Brennkraftmaschinen, die mindestens aus den Werkstoffen Wolfram-Karbid, Cobalt und Chrom gebildet ist. Die Beschichtung wird durch den Einsatz eines aus den Werkstoffkomponenten gebildeten Komposit-Pulvers, das mittels thermischen Spritzens auf die Lauffläche der Kolbenringe aufgetragen wird, erzeugt.
Die Druckschrift DE 100 61 750 A1 beschreibt eine Verschleiss-Schutzschicht für Kolbenringe in Brennkraftmaschinen, im Wesentlichen bestehend aus Chrom-Karbiden, Wolfram-Karbid, Chrom und Nickel.
Die Druckschrift DE 100 61 751 C1 beschreibt eine Verschleiss-Schutzschicht für Kolbenringe in Brennkraftmaschinen, die im Wesentlichen aus Chrom-Karbiden, Chrom, Nickel und Molybdän gebildet ist. Die Beschichtung wird durch den Einsatz eines Komposit-Pulvers, das mittels eines Hochgeschwindigkeits-Flammspritz-Verfahrens (HVOF) auf die Lauffläche der Kolbenringe aufgetragen wird, erzeugt.
Die Druckschrift DE 10 2007 025 949 A1 beschreibt eine abriebfeste Beschichtung für Trägermaterialien und insbesondere für Kolbenringe sowie Verfahren zu deren Herstellung. Die abriebfeste Beschichtung besteht aus einer Verschleiss-Schutzschicht und einer Einlaufschicht, zwischen denen eine gradierte Schicht bzw. ein gradierter Übergang vorliegt.
Die Druckschrift WO 2008/083793 A1 beschreibt einen Kolbenring mit einer auf der Lauffläche des Ringkörpers durch thermisches Spritzen aufgebrachten Haftvermittlerschicht aus einer Ni-Legierung, einer auf der Haftvermittlerschicht durch thermisches Spritzen aufgebrachten Verschleiss-Schutzschicht aus einer Mo-Legierung mit CrC, WC, MoC, und einer auf der Verschleiss-Schutzschicht durch thermisches Spritzen aufgebrachten Einlaufschicht aus einer Al-Cu-Legierung oder Ni-Graphit-Legierung.
Der Erfindung liegen daher folgende Aufgaben zugrunde. Einerseits eine Verbesserung der tribologischen Eigenschaften von thermisch gespritzten Kolbenringen mit einem bisher nicht verwendeten Materialsystem als Beschichtungsmaterial im Vergleich zu herkömmlichen Kolbenringbeschichtungen auf Mo-Basis. Weiterhin die Herstellung von den Kundenanforderungen entsprechenden, beschichteten Kolbenringen, die hinsichtlich des Verschleißverhaltens und der Eigenspannungen maßgeschneidert sind, wobei die Beschichtung über thermisches Spritzen erfolgt. Ferner soll eine Optimierung des Einlaufverhaltens erreicht werden. Die Basismaterialmatrix soll bevorzugt ähnliche physikalische Eigenschaften (thermischer Ausdehnungskoeffizient und Wärmeleitfähigkeit) wie das zugrundeliegende Substrat sowie ausreichend mechanische Eigenschaften (Härte, Duktilität) aufweisen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Gleitelement bereitgestellt, insbesondere ein Kolbenring für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend

– ein Substrat; und
– eine Verschleißschutzschicht, erhältlich durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile 2–50 Gewichtsprozent Eisen, FE; 5–60 Gewichtsprozent Wolfram, W; 5–40 Gewichtsprozent Chrom, Cr; 5–25 Gewichtsprozent Nickel, Ni; 1–5 Gewichtsprozent Molybdän, Mo; 1–10 Kohlenstoff, C; und 0,1–2 Gewichtsprozent Silizium, Si; und
– eine Einlaufschicht, erhältlich durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile 60–95 Gewichtsprozent Nickel; 5–40 Gewichtsprozent Kohlenstoff.

Um die vorstehend beschriebene Aufgabe zu lösen ist ein Schichtsystem herzustellen, bestehend aus einem Basissystem mit ähnlichen physikalischen Eigenschaften wie das zu beschichtende Substrat sowie einer ausreichenden Festigkeit, verbunden mit einem verschleißresistenten Anteil, wobei es je nach Anteil zu unterschiedlichen Verschleißraten am Ring und Liner im geschmierten Zustand kommt. Ebenso ist die Art und Stärke der Eigenspannungen durch die Zugabe von definierten Mengen des verschleißresistenten Anteils einstellbar. Grundsätzlich sind keine Zugeigenspannungen in thermisch gespritzten Schichten erwünscht, da diese das Risswachstum eines entstehenden Risses nicht reduzieren oder sogar fördern können. Die Lösung ist ein neues Fe-basiertes System, das durch Karbide verstärkt wird, verbunden mit einer den Anforderungen des Motorenherstellers angepassten Einlaufschicht.
Hinsichtlich der physikalischen Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit, thermischer Ausdehnungskoeffizient) entsteht durch einen Mindestanteil des Eisenhaltigen Basissystems von 25 Gew.-% ein quasi-homogenes System zwischen Substrat und Beschichtung. Dadurch kann die während der Mischreibung, insbesondere im OT- oder UT-Bereich, entstehende thermische Energie besser abgeführt und ein gleichmäßiger thermischer Relaxationsprozess durch die im Motor vorliegenden Temperaturschwankungen gewährleistet werden. Die Anwendung von Fe-Basis-Legierungen als Kolbenringbasisbeschichtungsmaterial zusammen mit einem karbidischen System und einer Einlaufschicht (gradiert oder nicht gradiert), hergestellt mittels thermischen Spritzens, resultiert in einem neuen Kolbenringtyp. Der zu beschichtende Kolbenring kann dabei ein Guss- aber auch ein Stahlkolbenring sein.
Gemäß einer Ausführungsform besteht das neue Materialsystem aus den folgenden Elementen: Eisen (Fe), Wolfram (W, als WC), Chrom (Cr, als Cr und Cr₃C₂), Nickel (Ni), Molybdän (Mo), Silizium (Si) und Kohlenstoff (C, teilweise gebunden in Fe, W und Cr als Karbid oder in Reinform, elektrochemisch umhüllt mit Nickel).
Gemäß einer Ausführungsform beträgt der Anteil an Karbiden 10–75 Gewichtsprozent, zusammengesetzt aus 0–60 Gewichtsprozent Wolfram-Karbid, WC, und 0–50 Gewichtsprozent Chrom-Karbid, Cr₃C₂.
Die Eisenbasislegierung ohne Karbide ist nicht zu empfehlen, da der Verschleißwiderstand (gemessen wie unten beschrieben) die heutigen Anforderungen nicht erfüllt. Eine Erhöhung des gesamten Karbidanteils über 75 Gew.-% ist für die Anwendung als Kolbenringbeschichtung nicht zu empfehlen, da bei zu hohem Karbidanteil die Schicht einen zu stark keramischen Charakter bekommt (zu hohes E-Modul) und damit den Temperaturwechselbeanspruchungen im Motor nicht standhält.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Gleitelement weiter eine Übergangsschicht zwischen der Verschleißschutzschicht und der Einlaufschicht, wobei die chemische Zusammensetzung der Übergangsschicht ein Graduierungsverhältnis von 20:80 bis 80:20 aufweist, bezogen auf die Verschleißschutzschicht und die Einlaufschicht.
Die chemische Zusammensetzung ist im Gradierungsverhältnis 20:80 bis 80:20 für die Einzelschichttypen Verschleißschutzschicht:Einlaufschicht einstellbar.
Beispiel 1:

1. Schicht: Verschleißschutzschicht
2. Schicht: auf der Seite der Verschleißschutzschicht ist die chemische Zusammensetzung der Übergangsschicht zu 80% wie die Zusammensetzung der Verschleißschutzschicht, zu 20% wie die der Einlaufschicht, zur Seite der Einlaufschicht hin erfolgt ein im Wesentlichen linearer Übergang bis hin zu einer Zusammensetzung, die zu 20% der Zusammensetzung der Verschleißschutzschicht, zu 80% der Zusammensetzung der Einlaufschicht entspricht
3. Schicht: Einlaufschicht

Beispiel 2:

1. Schicht: Verschleißschutzschicht
2. Schicht: chemische Zusammensetzung 20% wie Verschleißschutzschicht, 80% wie Einlaufschicht, Übergang linear zu 80% wie Verschleißschutzschicht, 20% wie Einlaufschicht
3. Schicht: Einlaufschicht

Gemäß einer Ausführungsform liegt die Schichtdicke der Verschleißschutzschicht im Bereich von 100–800 μm, bevorzugt 200–600 μm, und am meisten bevorzugt 300–500 μm.
Gemäß einer Ausführungsform liegt die Schichtdicke der Einlaufschicht im Bereich von 100–500 μm, bevorzugt 200–400 μm, und am meisten bevorzugt 150–300 μm.
Gemäß einer Ausführungsform liegt die Schichtdicke der Übergangsschicht, in der Verschleißschutz- und Einlaufschicht gradiert vorliegen, im Bereich von 0–600 μm, und am meisten bevorzugt 0–250 μm.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Substrat ein Ring mit einem Durchmesser größer 220 mm, bevorzugt größer 430 mm und maximal 980 mm.
Gemäß einer Ausführungsform liegen die Partikelgrößen des Pulvers im Bereich von 1–100 μm.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Karbide in einer Nickel-Chrom-Matrix eingebettet und weisen eine Partikelgröße von 0,5–5 μm auf.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt die Mikrostruktur einer thermisch gespritzten Verschleißschutz/Einlauf-Schicht nach einer Ausführungsform der Erfindung;
Durchgeführte Versuche:

Das Pulver wurde thermisch gespritzt und für verschiedene Varianten wurden die chemische Zusammensetzung (Tabelle 1), der Karbidanteil (Tabelle 2), die Mikrostruktur (1), die Porösität und Härte (Tabelle 3) geprüft. Versuch 1 und 2 unterscheiden sich dadurch, dass Schichttyp 1 im Versuch 1 und Schichttyp 2 im Versuch 2 hergestellt wurde. Für die Versuche 1.1 bis 1.4 bzw. 2.1 bis 2.4 wurden unterschiedliche Karbidkonzentrationen eingestellt. Die jeweilige Topschicht enthält keine Karbide, da diese Schicht für einen kontrollierten Einlauf eingesetzt wird.

Versuch	Karbidanteil	Chemische Zusammensetzung
Versuch	Karbidanteil	Fe	W	Cr	Ni	Mo	C	Si	Ni	C
		Verschleißschutzschicht							Einlaufschicht
#	(Gew.-%)	(Gew.-%)							(Gew.-%)
1.1	0	47,5	0	28	17	4,6	1,8	1,1	70	30
1.2	20	35,7	11,2	30,2	15,2	3,8	3,1	0,8	70	30
1.3	40	23,9	22,5	33,2	12,4	2,6	4,9	0,5	90	10
1.4	60	11,4	33,8	34,8	11,7	2,3	5,7	0,3	90	10

Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung der Verschleißschutz-/Einlaufschicht Typ 1

Versuch	Karbidanteil	Einzelne Karbide
		Verschleißschutzschicht		Einlaufschicht
		WC	Cr3C2	Karbide insgesamt
	Soll	Ist	Ist	Ist
#	(Gew.-%)	(Gew.-%)
1.1	0	0	0	0
1.2	20	9	13	0
1.3	40	17,5	25	0
1.4	60	26	37,5	0

Tabelle 2: Karbidanteil der Verschleißschutz-/Einlaufschicht Typ 1

Die Mikrostrukturaufnahmen (1) zeigen homogen verteilte Karbide für die Verschleißschutzschicht, keine unaufgeschmolzenen Partikel und eine sehr dichte Schicht mit einer sehr geringen Porösität von < 2%. In der Topschicht sind die Graphitaussscheidungen deutlich zu erkennen. Die Schichtdicke der Verschleißschutzschicht beträgt 330 μm, die der Einlaufschicht 180 μm.

Versuch Karbidanteil Soll HV1 Porosität

# (Gew.-%) %

1.1 0 520 < 1

1.2 20 564 < 1

1.3 40 597 < 1

1.4 60 710 < 2

Tabelle 3: Härte/Porösität der Verschleißschutzschicht Typ 1
Wie in Tabelle 3 dargestellt, haben erste Versuche gezeigt, dass die Verschleißschutzschicht des Typs 1 eine Porösität von < 1–2% bei einer Harte von etwa 520HV1 für den Karbidfreien Fe-Basiswerkstoff bis zu 710HV1 für den Fe-Basiswerkstoff mit einem Karbidanteil von 60 Gew.-% aufweisen. Die Harte der Einlaufschicht lässt sich aufgrund des hohen Graphitanteils nicht bestimmen.
Die Zugabe von Karbiden ermöglicht eine gezielte Einstellung der Harte am Ring und der Zylinderlaufbuchse. Zusätzlich bleibt trotz der hohen Belastungen während des Verschleißtests die Mikrostruktur weitgehend erhalten, was grundsätzlich auf einen mit dieser erfindungsgemäßen Beschichtung hergestellten verschleißresistenten Kolbenring für das System „Ring/Laufluchse geschmiert” hinweist, nachdem der Einlaufprozess abgeschlossen ist.

Claims

Gleitelement, insbesondere Kolbenring für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend – ein Substrat; und – eine Verschleißschutzschicht, erhältlich durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile 2–50 Gewichtsprozent Eisen, FE; 5–60 Gewichtsprozent Wolfram, W; 5–40 Gewichtsprozent Chrom, Cr; 5–25 Gewichtsprozent Nickel, Ni; 1–5 Gewichtsprozent Molybdän, Mo; 1–10 Kohlenstoff, C; und 0,1–2 Gewichtsprozent Silizium, Si; und – eine Einlaufschicht, erhältlich durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile 60–95 Gewichtsprozent Nickel; 5–40 Gewichtsprozent Kohlenstoff.
Gleitelement nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Übergangsschicht zwischen der Verschleißschutzschicht und der Einlaufschicht, wobei die chemische Zusammensetzung der Übergangsschicht ein Graduierungsverhältnis von 20:80 bis 80:20 aufweist, bezogen auf die Verschleißschutzschicht und die Einlaufschicht.
Gleitelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Anteil an Karbiden 10–75 Gewichtsprozent beträgt, zusammengesetzt aus 0–60 Gewichtsprozent Wolfram-Karbid, WC, und 0–50 Gewichtsprozent Chrom-Karbid, Cr₃C₂.
Gleitelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schichtdicke der Verschleißschutzschicht im Bereich von 100–800 μm, bevorzugt 200–600 μm, und am meisten bevorzugt 300–500 μm liegt.
Gleitelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schichtdicke der Einlaufschicht im Bereich von 100–500 μm, bevorzugt 200–400 μm, und am meisten bevorzugt 150–300 μm liegt.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Schichtdicke der Übergangsschicht, in der Verschleißschutz- und Einlaufschicht gradiert vorliegen, im Bereich von 0–600 μm, und am meisten bevorzugt 0–250 μm liegt.
Gleitelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat ein Ring mit einem Durchmesser größer 220 mm, bevorzugt größer 430 mm und maximal 980 mm ist.
Gleitelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikelgrößen des Pulvers im Bereich von 1–100 μm liegen.
Gleitelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Karbide in einer Nickel-Chrom-Matrix eingebettet sind und eine Partikelgröße von 0,5–5 μm aufweisen.