DE102009031375B4

DE102009031375B4 - Kolbenring mit einstellbaren Verschleißeigenschaften und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102009031375B4
Application number: DE102009031375A
Authority: DE
Inventors: Marcus Dr. Kennedy; Marc-Manuel Matz; Michael Zinnabold
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2008-09-23
Filing date: 2009-07-01
Publication date: 2010-11-25
Anticipated expiration: 2029-07-02
Also published as: DE102009031375A1

Abstract

Offenbart wird ein Kolbenring für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend ein Substrat; und eine Beschichtung, erhältlich durch thermisches Spritzen eines Pulvers, das die folgenden Elementanteile umfasst: 20-40 Gewichtsprozent Eisen, Fe; 0-30 Gewichtsprozent Wolfram, W; 20-40 Gewichtsprozent Chrom, Cr; 10-20 Gewichtsprozent Nickel, Ni; 1-5 Gewichtsprozent Molybdän, Mo; 1-8 Gewichtsprozent Kohlenstoff, C; und 0,1-2 Gewichtsprozent Silizium, Si.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenring, dessen Verschleißeigenschaften bei der Herstellung eingestellt werden können, sowie das entsprechende Herstellungsverfahren davon.
Heutzutage sind die Kundenanforderungen hinsichtlich des Verschleißverhaltens auf dem Kolbenring und der Zylinderlaufbahn unterschiedlich, d. h. es wird zum Teil ein möglichst geringer Verschleiß verlangt, andererseits benötigen Motorenhersteller teilweise auch höhere Verschleißraten, um aus deren Sicht ein möglichst gutes Einlaufverhalten für das System ”Kolbenring/Zylinderlaufbuchse geschmiert” zu erhalten.
Die Druckschrift DE 101 63 933 B4 offenbart einen Werkstoffdraht zur Erzeugung einer verschleißfesten Oberflächenbeschichtung für Laufflächen von auf reibenden Verschleiß beanspruchten Maschinenteilen, insbesondere von Kolbenringen von Verbrennungskraftmaschinen, mittels thermischer Spritzverfahren, wobei der Werkstoffdraht aus einem Eisen- oder einem Nickel-Basiswerkstoff besteht und Anteile von Cr, B, Si, CrC, TiC, WC, MOC sowie C enthalten sind.
Die Druckschrift DE 10 2008 032 042 B3 beschreibt Kolbenringe mit verbesserten tribologischen Eigenschaften. An der verschleißbeanspruchten Oberfläche der Bauteile befindet sich eine Verschleißschutzschicht mit einer Eisen-Basislegierung, die mittels thermischer Spritzverfahren aufgetragen wurde.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, die tribologischen Eigenschaften von thermisch gespritzten Kolbenringen zu verbessern. Dies wird gemäß der Erfindung erreicht durch die Verwendung eines bisher nicht verwendeten Materialsystems als Beschichtungsmaterial im Vergleich zu Kolbenringbeschichtungen auf Moybdän-Basis. Die Erfindung soll weiterhin die Herstellung von den Kundenanforderungen entsprechenden maßgeschneiderten beschichteten Kolbenringen, insbesondere hinsichtlich deren Verschleißverhaltens und der Eigenspannungen, verbessern wobei die Beschichtung über thermisches Spritzen erfolgt.
Des Weiteren sollte die Basismaterialmatrix ähnliche physikalische Eigenschaften (bezüglich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der Wärmeleitfähigkeit) wie das zugrunde liegenden Substrat sowie ausreichend mechanische Eigenschaften (bezüglich Härte und Duktilität) aufweisen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Kolbenring für eine Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt, umfassend

– ein Substrat; und
– eine Beschichtung, erhältlich durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile

Nach einer Ausführungsform beträgt der Elementanteil von Eisen mindestens 25 Gewichtsprozent, bevorzugt zwischen 37 und 40 Gewichtsprozent.
Nach einer Ausführungsform beträgt der Anteil an Karbiden 20–70 Gewichtsprozent, zusammengesetzt aus 0–30 Gew.% Wolframkarbid WC und 20–40 Gew.% Chrom-Karbid Cr₃C₂.
Nach einer Ausführungsform liegen die Partikelgrößen des Pulvers im Bereich von 1–100 μm.
Nach einer Ausführungsform sind die Karbide in einer Nickel-Chrom-Matrix eingebettet und weisen eine Partikelgröße von 0,5–5 μm auf.
Nach einer Ausführungsform liegt die Schichtdicke der Beschichtung im Bereich von 20–1000 μm.
Nach einer Ausführungsform umfasst das thermische Spritzverfahren Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (High Velocity Oxy Fuel, HVOF) oder Plasmaspritzen.
Nach einer Ausführungsform ist der Kolbenring ein Guss- oder Stahlkolbenring.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings für eine Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt, umfassend

– Bereitstellen eines Substrats;
– Beschichten des Substrats durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile

Nach einer Ausführungsform beträgt der Elementanteil von Eisen mindestens 20 Gewichtsprozent, bevorzugt zwischen 37 und 40 Gewichtsprozent.
Nach einer Ausführungsform beträgt der Anteil an Karbiden 20–70 Gewichtsprozent, zusammengesetzt aus 0–30 Gew.% Wolframkarbid WC und 20–40 Gew.% Chrom-Karbid Cr₃C₂.
Nach einer Ausführungsform liegen die Partikelgrößen des Pulvers im Bereich von 1–100 μm.
Nach einer Ausführungsform sind die Karbide in einer Nickel-Chrom-Matrix eingebettet und weisen eine Partikelgröße von 0,5–5 um auf.
Nach einer Ausführungsform liegt die Schichtdicke der Beschichtung im Bereich von 20–1000 μm.
Nach einer Ausführungsform umfasst das thermische Spritzverfahren Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Plasmaspritzen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt die Mikrostruktur einer thermisch gespritzten FeWCrNiMoCSi-Schicht nach einer Ausführungsform der Erfindung;
2 Mikrostruktur einer thermisch gespritzten FeWCrNiMoCSi-Schicht nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
3 zeigt eine Röntgen-Diffraktometer (XRD) Analyse des verwendeten Materialsystems einer Ausführungsform der Erfindung;
4 zeigt eine kristallographische Aufnahme der FeWCrNiMoCSi-Beschichtung einer Ausführungsform der Erfindung vor der Durchführung eines Verschleißtests;
5 zeigt eine kristallographische Aufnahme der FeWCrNiMoCSi-Beschichtung der Ausführungsform aus 4 nach der Durchführung des Verschleißtests.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Eisen-basierte Beschichtungen, aufgetragen mittels Lichtbogendrahtspritzen (LDS) finden bisher lediglich im Bereich des Kurbeltriebs auf der Zylinderlaufbahn Anwendung.
Die Herstellung von Verschleißschutzschichten mittels thermischer Spritzprozesse ist ein bekanntes Verfahren. Die heutigen dafür verwendeten Pulvermaterialien basieren auf den Substanzen Molybdän, Wolfram-Karbid, Nickel-Chrom und Chrom-Karbid.
Um die oben beschriebene Aufgabe zu lösen wird von der Erfindung ein Schichtsystem vorgeschlagen, bestehend aus einem Basissystem mit ähnlichen physikalischen Eigenschaften wie das zu beschichtende Substrat sowie einer ausreichenden Festigkeit, verbunden mit einem verschleißresistenten Anteil. Bei der Herstellung kommt es dabei je nach verschleißresistentem Anteil zu den gewünschten unterschiedlichen Verschleißraten am Ring und der Buchse im geschmierten Zustand.
Ebenso ist die Art und Stärke der Eigenspannungen durch die Zugabe von definierten Mengen des verschleißresistenten Anteils einstellbar. Grundsätzlich sind Druckeigenspannungen in thermisch gespritzten Schichten zu bevorzugen, da diese einem entstehenden Riss und einem Risswachstum in vertikaler Richtung entgegenwirken.
Die Lösung ist somit gemäß der Erfindung ein neues Eisen-basiertes Schichtsystem, das durch Karbide verstärkt wird.
Hinsichtlich der physikalischen Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit, thermischer Ausdehnungskoeffizient) entsteht bei einem bevorzugten Mindestanteil des eisenhaltigen Basissystems von 20 Gewichtsprozent 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 auf Eisen basierenden Legierungen als Kolbenringbasisbeschichtungsmaterial zusammen mit einem karbidischen System, hergestellt mittels HVOF-Verfahren oder Plasmaspritzen, resultiert in der Herstellung eines neuen Kolbenringtyps. Der zu beschichtende Kolbenring kann dabei ein Guss-, aber auch ein Stahlkolbenring sein.
Grundsätzlich besteht das gesamte System 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). Für die Darstellung des neuen Materialsystems sind die folgenden Elementkonzentrationen einzuhalten:
20–40 Gewichtsprozent Eisen, Fe;
0–30 Gewichtsprozent Wolfram, W;
20–40 Gewichtsprozent Chrom, Cr;
10–20 Gewichtsprozent Nickel, Ni;
1–5 Gewichtsprozent Molybdän, Mo;
1–8 Gewichtsprozent Kohlenstoff, C; und
0,1–2 Gewichtsprozent Silizium, Si.
Bei einem Karbid-Anteil von 20–70 Gewichtsprozent sind die folgenden Karbidkonzentrationen einzuhalten:
0–30 Gew.% Wolframkarbid WC,
20–40 Gew.% Cr3C2.
Eine Eisenbasislegierung ohne Karbid-Anteil ist nicht zu empfehlen, da der Verschleißwiderstand (gemessen wie unten beschrieben) die heutigen Anforderungen nicht erfüllt. Das erfindungsgemäße Materialsystem umfasst daher mindestens einen Anteil von 20 Gew.% Karbid. Eine Erhöhung des gesamten Karbidanteils über 70 Gew.% ist für die Anwendung als Kolbenringbeschichtung aber ebenfalls nicht zu empfehlen, da bei zu hohem Karbidanteil die Schicht einen zu starken keramischen Charakter bekommt (zu hohes E-Modul) und damit den Temperaturwechselbeanspruchungen im Motor nicht standhält. Das erfindungsgemäße Materialsystem umfasst daher maximal einen Anteil von 70 Gew.% Karbid.
Die Partikelgrößen der verwendeten Pulver liegen im Bereich 1–100 μm, wobei die einzelnen, in einer NiCr-Matrix eingebeteten Karbide eine Partikelgröße von 0,5–5 μm aufweisen.
Durchgeführte Versuche:
Das Pulver wurde thermisch gespritzt und für verschiedene Varianten wurde die chemische Zusammensetzung (siehe Tabelle 1), der Karbidanteil (siehe Tabelle 2), die Mikrostruktur (siehe 1), die Kristallstruktur (siehe 2), die Porosität, die Eigenspannungen (mittels Almentest) und die Härte (siehe Tabelle 3) der hergestellten Beschichtung gemessen. Für die Versuche 1 bis 4 wurden unterschiedliche Karbidkonzentrationen verwendet. Für Versuch 3 wurden zwei unterschiedliche Spritzprozessparameter eingestellt (3a, 3b), wobei für Variante 3b ein um etwa 10% erhöhter O2-Volumenstrom als für Variante 3a eingestellt wurde (von 800 l/min auf 900 l/min).
Tabelle 1 zeigt die chemische Zusammensetzung des hergestellten Schichtsystems FeWCrNiMoCSi nach den verschiedenen Versuchen.
Tabelle 2 zeigt den Karbidanteil der verwendeten Proben.
Die Mikrostrukturaufnahme der FeWCrNiMoCSi-Beschichtung nach Versuch #2 (entsprechend Tabelle 1), die in 1 dargestellt ist, zeigt homogen verteilte Karbide, keine unaufgeschmolzenen Partikel und eine sehr dichte Schicht mit einer sehr geringen Porosität von < 1%.
Die Mikrostrukturaufnahme der FeWCrNiMoCSi-Beschichtung nach Versuch #3a (entsprechend Tabelle 1), die in 2 dargestellt ist, zeigt eine dickere Schicht. Dies wurde durch eine vergleichsweise längere Beschichtungsdauer erreicht.
Bei den Untersuchungen stellte sich heraus, dass mittels des Diffraktogramms zwar die karbidischen Phasen nachgewiesen, aber keine Differenzierung zwischen einer Karbidkonzentration von 20 Gew.% oder 40 Gew.% vorgenommen werden konnte.
Wie Tabelle 3 zu entnehmen, haben erste Versuche gezeigt, dass die Schichten eine Porosität von < 1–2% bei einer Härte von etwa 695 HV0.1 für den Karbid-freien Fe-Basiswerkstoff bis zu 1178 HV0.1 für den Fe-Basis Werkstoff mit einem Karbidanteil von 60 Gew.% aufweisen. Zusätzlich wurden die bei der Beschichtung auftretenden Eigenspannungen gemessen. Die Zugabe von bis zu 40 Gew.% an Karbiden bewirkt eine Änderung der Eigenspannungen bei kaum veränderten Härtewerten. Die Rauigkeitsangaben beziehen sich auf die Schichtrauheit direkt nach dem Spritzen.
Um die tribologischen Eigenschaften des jeweiligen Systems zu prüfen, wurden Verschleißtests auf dem internen Standard-Prüfsystem durchgeführt. Die Prüfbedingungen waren dabei wie folgt:
Laufpartner: Grauguss-Zylinderlaufbuchsensegment mit einer Standardhonung
Dauer: 23 h
Frequenz: 10 Hz
Weglänge: 20 mm
Öltemperatur: 190°C
Schmiermittel: unadditiviertes Öl
Tabelle 4 zeigt die relative Verbesserung des Verschleißes durch die Zugabe unterschiedlicher Karbidanteile jeweils nach Beendigung des Versuchs. Die Zugabe von Karbiden ermöglicht demnach eine gezielte Einstellung der Härte, der Druckeigenspannungen sowie der Verschleißeigenschaften 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/Laufbuchse geschmiert” hinweist (4 und 5).
4 zeigt einen Querschliff einer mittels HVOF gespritzten FeWCrNiMoCSi-Schicht entsprechend Versuch #3a aus Tabelle 1 auf einem Kolbenring vor Durchführung des Verschleißtests.
5 zeigt einen Querschliff einer mittels HVOF gespritzten FeWCrNiMoCSi-Schicht entsprechend Versuch #3a auf einem Kolbenring nach dem Verschleißtest.
Das Schichtsystem der Erfindung ist für alle gängigen Kolbenringgeometrien geeignet.
Ebenfalls sind mittels der Erfindung Schichtdicken im Bereich 20–1000 μm für einen fertig bearbeiteten Kolbenring realisierbar.
Die Erfindung bietet weiterhin die folgenden Vorteile. Das neue Pulver ist etwa 25–40% günstiger als das herkömmlich zur Verfügung gestellte Mo-basierte Pulver, so dass die Herstellung der Kolbenringe sowie die Endprodukte günstiger ausfallen. Der Abscheidewirkungsgrad (DE-Wert) von Schichtsystemen gemäß der Erfindung liegt bei 50–59%.

Erste Bearbeitungsversuche an erfindungsgemäß hergestellten Kolbenringen haben ergeben, dass die mit der HVOF-Schicht beschichteten Ringe mindestens genauso gut bearbeitbar sind wie herkömmlich Mo-basierte plasmagespritzte Ringe.

Versuch	Karbidanteil Soll	Chemische Zusammensetzung
Versuch	Karbidanteil Soll	Fe	W	Cr	Ni	Mo	C	Si
#	(Gew%)	(Gew.%)
1	0	47,5	0	28	17	4,6	1,8	1,1
2	20	35,7	11,2	30,2	15,2	3,8	3,1	0,8
3a	40	23,9	22,5	33,2	12,4	2,6	4,9	0,5
3b	40	23,9	22,5	33,2	12,4	2,6	4,9	0,5
4	60	11,4	33,8	34,8	11,7	2,3	5,7	0,3

Tabelle 1

Versuch	Karbidanteil	Einzelne Karbide
Versuch	Karbidanteil	WC	Cr3C2
	Soll	Ist	Ist
#	(Gew.%)	(Gew.%)
1	0	0	0
2	20	9	13
3a	40	17,5	25
3b	40	17,5	25
4	60	26	37,5

Tabelle 2

Versuch	Karbidanteil Soll	HV0.1	Porosität	Eigenspannung
#	(Gew.%)		%	[μm]
1	0	695	< 1	–110
2	20	760	< 1	–18
3a	40	824	< 1	–26
3b	40	841	< 1	57
4	60	1178	< 2	102

Tabelle 3

	Verschleißwert – relative Verbesserung^(*)		Bemerkung
	Ring	Laufbuchse	Bemerkung
Entwicklungsschicht 1 aus Versuch 1	1	1	ohne Karbide
Entwicklungsschicht 2 aus Versuch 2	3,9	1,2	20 Gew.% Karbide
Entwicklungsschicht 3 Aus Versuch 3a	13,1	1,1	40 Gew.% Karbide

Tabelle 4

^(*)bezogen auf den maximalen Verschleiß in axialer Richtung

Claims

Kolbenring für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend – ein Substrat; und – eine Beschichtung, erhältlich durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile 20–40 Gewichtsprozent Eisen, Fe; 0–30 Gewichtsprozent Wolfram, W; 20–40 Gewichtsprozent Chrom, Cr; 10–20 Gewichtsprozent Nickel, Ni; 1–5 Gewichtsprozent Molybdän, Mo; 1–8 Gewichtsprozent Kohlenstoff, C; und 0,1–2 Gewichtsprozent Silizium, Si.
Kolbenring nach Anspruch 1, wobei der Elementanteil von Eisen mindestens 25 Gewichtsprozent beträgt.
Kolbenring nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Anteil an Karbiden 20–70 Gewichtsprozent beträgt, zusammengesetzt aus 0–30 Gewichtsprozent Wolfram-Karbid, WC, und 20–40 Gewichtsprozent Chrom-Karbid, Cr₃C₂.
Kolbenring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikelgrößen des Pulvers im Bereich von 1–100 μm liegen.
Kolbenring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Karbide in einer Nickel-Chrom-Matrix eingebettet sind und eine Partikelgröße von 0,5–5 μm aufweisen.
Kolbenring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schichtdicke der Beschichtung im Bereich von 20–1000 μm liegt.
Kolbenring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das thermische Spritzverfahren Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Plasmaspritzen umfasst.
Kolbenring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kolbenring ein Guss- oder Stahlkolbenring ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend – Bereitstellen eines Substrats; – Beschichten des Substrats durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile 20–40 Gewichtsprozent Eisen, Fe; 0-30 Gewichtsprozent Wolfram, W; 20–40 Gewichtsprozent Chrom, Cr; 10–20 Gewichtsprozent Nickel, Ni; 1–5 Gewichtsprozent Molybdän, Mo; 1–8 Gewichtsprozent Kohlenstoff, C; und 0,1–2 Gewichtsprozent Silizium, Si.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Elementanteil von Eisen mindestens 25 Gewichtsprozent beträgt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Anteil an Karbiden 20–70 Gewichtsprozent beträgt, zusammengesetzt aus 0–30 Gewichtsprozent Wolfram-Karbid, WC, und 20–40 Gewichtsprozent Chrom-Karbid, Cr₃C₂.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Partikelgrößen des Pulvers im Bereich von 1–100 μm liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Karbide in einer Nickel-Chrom-Matrix eingebettet sind und eine Partikelgröße von 0,5–5 μm aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Schichtdicke der Beschichtung im Bereich von 20–1000 μm liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei das thermische Spritzverfahren Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Plasmaspritzen umfasst.