DE3017907A1

DE3017907A1 - Verschleissfestes gleitelement fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE3017907A1
Application number: DE19803017907
Authority: DE
Inventors: Shigeru Urano
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1979-05-10
Filing date: 1980-05-09
Publication date: 1980-11-20
Also published as: JPS55164070A; DE3017907C2; JPS585256B2; GB2050434A

Description

Henkel, Kern, Feuer &Η£π2βΙ Patentanwälte

λ Registered Representatives

% before the

European Patent Office

Nippon Piston Ring Co. , Ltd. Möhlstraße37

_m , . _T D-8000 München 80

Tokio, Japan

Tel.: 089/982085-87 Telex: 0529802 hnkl d Telegramme: ellipsoid

N03-23535C

9. Mai 1980

Verschleißfestes Gleitelement für Brennkraftmaschinen

Die Erfindung bezieht sich auf die Bauteile, die eine hohe Verschleißfestigkeit besitzen müssen, insbesondere Kolbenringe, Zylinderbüchsen usw. für Brennkraftmaschinen.

Im Zuge der in letzter Zeit erfolgten Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses und der Drehzahl von Brennkraftmaschinen mit dem Ziel der Verbesserung ihrer Leistung oder der Betriebseigenschaften erhöhten sich selbstverständlich auch die an die Verschleißfestigkeit von Kolbenringen oder Zylinderbüchsen zu stellenden Anforderungen entsprechend.

Die Verschleißeigenschaften lassen sich allgemein in Abrieb (Schleifabrieb durch Fremdkörper großer Härte) und Abnutzung bzw. Fressabrieb (scuff) einteilen; diese Faktoren haben einen großen Einfluß auf die Eigenschaften von Brennkraftmaschinen. Infolgedessen läßt sich keine zufriedenstellende Verschleißfestigkeit erzielen, wenn nicht sowohl Abrieb- als auch Abnutzungsbeständigkeit verbessert werden.

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Zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit wurden bereits verchromte Kolbenringe sowie solche vorgeschlagen, die eine Gleitfläche aufweisen, welche durch Flammspritzen mit einer Molybdänschicht versehen worden ist.

Die Verchromung von Kolbenringen ist jedoch sehr aufwendig, während die Fress- bzw. Abnutzungsbeständigkeit dabei immer noch unzureichend ist. Verchromte Kolbenringe vermögen also den derzeit an Gleitelemente gestellten Anforderungen nicht zu genügen. Die mit einer Molybdänschicht versehenen Kolbenringe besitzen andererseits eine mangelhafte Abriebfestigkeit. Zudem ist Molybdän sehr teuer, so daß dieses Element nicht in größerem Umfang eingesetzt werden kann.

Im Hinblick auf die genannten Umstände können die bisherigen verchromten und mit Molybdän beschichteten Kolbenringe nicht als sowohl zufriedenstellende Abriebfestigkeit als auch ausreichende Abnutzungsbeständigkeit besitzend angesehen werden, vielmehr besitzen derartige Elemente insgesamt eine ungenügende Verschleißfestigkeit.

Es wurden auch bereits Gleitelemente vorgeschlagen, die mit einer durch Flammspritzen aufgetragenen Mischlegierungsschicht versehen sind, die eine Struktur aus einer Ferrolegierungsphase, einer Legierungsphase aus der Ferrolegierung und Molybdän, einerdurch Flammspritzen von Molybdän gebildete Molybdänphase (molybdenum and space) sowie eina: Ferrolegierung gleichzeitig enthalten.Diese bisherigen Gleitelemente enthalten ein Gemisch aus Molybdän und Ferrolegierung zwecks Verbesserung der Bindungs- oder Haftfestigkeit der durch Flammspritzen aufgebrachten Teilchen in der betreffenden Schicht. Beim gemischten Flammspritzen von Molybdän und Eisen besitzt jedoch das Produkt eine ungenügende Verschleißfestigkeit, obgleich eine verbesserte Bindungsfestigkeit zwischen den durch Flammspritzen aufgebrachten Teilchen der Schicht vorliegt.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung eines

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verbesserten Gleitelements mit einer Flammspritzschicht, die durch kombiniertes Flammspritzen von Molybdän und Eisen hergestellt ist und die eine weiter verbesserte Verschleißfestigkeit besitzt.

Dieses Gleitelement soll zufriedenstellende Abriebfestigkeit und gleichzeitig ausreichende Fress- oder Abnutzungsbeständigkeit besitzen. '

Weiterhin soll sich ein solches Gleitelement für Brennkraftmaschinen kostensparend herstellen lassen.

Als Ergebnis umfangreicher Forschungsarbeit hat es sich gezeigt, daß eine durch Flammspritzen von Molybdän und Ferrolegierung auf der Gleitfläche eines Gleitelements ausgebildete Schicht ausgezeichnete Abriebfestigkeit und ausgezeichnete Abnutzungsbeständigkeit gleichtzeitig gewährleistet. Gegenstand der Erfindung ist damit ein verschleißfestes Gleitelement für Brennkraftmaschinen mit einer durch Flammspritzen auf seine Gleitfläche aufgebrachten, verschleißfesten Schicht, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Flammspritzschicht in ihrer endgültigen Zusaimiensetzung bzw. Struktur 20 Gew.-% eines Metallkarbids mit einer Vickers-Härte (Hv) von mindestens 750, 0,5 - 4,5 Gew.-% Molybdän und zum Rest Eisen oder eine Ferrolegierung enthält.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur eine graphische Darstellung eines Vergleichs-Verschleißversuchs mit einem Gleitelement gemäß der Erfindung und einem bisherigen Gleitelement darstellt.

Das in der erfindungsgemäßen Legierung verwendete Metallkarbid sollte eine Vickers-Härte (Hv) von mindestens 750 besitzen, weil unterhalb dieses Werts eine zufriedenstellende Verschleißfestigkeit für Gleitelemente zur Verwendung in Brennkraftmaschinen nicht erzielbar ist, während ein Metallkarbid mit einer Härte (Hv) von mindestens 750 die Verschleißfestigkeit fördert und die Härte der Flammspritzschicht insgesamt erhöht. Wenn die Menge des Metall-

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karbids weniger als 20 Gew.-% beträgt, lassen sich zufriedenstellende Verschleißfestigkeit und Härte ebenfalls nicht erzielen. Bei einer Menge von mehr als 9 7 Gew.-% ist andererseits der Verschleiß am Paarungselement, das mit dem aus dieser Legierung bestehenden Gleitelement unter Durchführung einer Relativbewegung in Gleitberührung steht, zu groß, und es tritt eine Freßneigung auf.

Ein Teil des zugesetzten Molybdäns bildet eine Legierung mit Eisen oder einer Ferrolegierung. Bei einer Molybdänmenge von unter 0,5 Gew.-% läßt sich keine ausreichende Verbesserung der Bindungsoder Haftfestigkeit erzielen, weil die gewünschte Bindung zwischen den Teilchen bei der Legierungsbildung von Molybdän mit Eisen oder Ferrolegierung nicht eintritt, so daß die Bindungsfestigkeit bzw. -stärke (bond strength) beeinträchtigt wird und insgesamt keine Verbesserung der Abplatzbeständigkeitseigenschaften der verschleißfesten, Molybdän enthaltenden Flammspritzschicht erzielt wird. Über mehr als 4,5 Gew.-% Molybdän hinaus läßt sich keine wesentliche Verbesserung der Abplatzbeständigkeit (antistripping property), die der Bindung zwischen den durch das Legieren von Molybdän mit Eisen oder Ferrolegierung gebildeten Teilchen zuzuschreiben ist, mehr feststellen. Aus wirtschaftlichen Gründen wird daher die Molybdänmenge auf höchstens 4,5 Gew.-% beschränkt, weil dieses Element sehr teuer ist und daher zu einer Verteuerung des Erzeugnisses beiträgt.

Die Porosität der Flammspritzschicht ist für die Zurückhaltung von Schmieröl sehr wichtig. Die Porosität der Schicht wird auf höchstens 30% begrenzt, weil oberhalb dieses Werts verschiedene Schwierigkeiten, wie Herausbrechen von Teilchen und Abplatzen der Flammspritzschicht, auftreten.

Die erfindungsgemäße Flammspritzschicht besitzt weiterhin ausgezeichnete Haftungs- bzw. Adhäsionseigenschaften. Es hat sich jedoch gezeigt, daß eine Flammspritzschicht mit einer Dicke von mehr als 2,5 mm sehr anfällig ist für ein Abplatzen, weshalb die Dicke dieser Schicht erfindungsgemäß auf höchstens 2,5 mm begrenzt wird.

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Wie erwähnt, kennzeichnet sich ein verschleißfestes Gleitelement für Brennkraftmaschinen gemäß der Erfindung, das mit einer verschleißfesten Flammspritzschicht versehen ist, gemäß Analyse dadurch, daß die Flammspritzschicht in ihrer endgültigen Zusammensetzung bzw. Struktur 20 - 97 Gew.-% eines Metallkarbids mit einer Vickers-Härte (Hv)
von mindestens 750, 0,5 - 4,5 Gew.-% Molybdän und zum Rest Eisen oder eine Ferrolegierung enthält. Damit wird sowohl zufriedenstellende Abnutzungsbestandigkeit als auch zufriedenstellende
Abriebfestigkeit erzielt.

Beispiele für die erfindungsgemäß anzuwendende Ferrolegierung sind legierter Kohlenstoffstahl, rostfreier Stahl mit 16% Chromgehalt usw. Die Wahl der zu verwendenden Ferrolegierung muß mit Sorgfalt geschehen, weil manchmal die Harte der gesamten Flammspritzschicht in Abhängigkeit von der verwendeten Ferrolegierung beeinträchtigt wird. Es kann also jede Ferrolegierung verwendet werden, welche die Härte der Flammspritzschicht insgesamt nicht herabsetzt.

Die erfindungsgemäße verschleißfeste Flammspritzschicht kann dadurch hergestellt werden, daß durch Plasmaflammspritzen ein Pulvergemisch aus Metallkarbid, Molybdän und Eisen oder Ferrolegierung auf die Gleitfläche des Gleitelements aufgetragen wird. Als Metallkarbidkomponente kann dabei sowohl ein einziges Metallkarbid als auch ein Gemisch aus mehreren Metallkarbiden verwendet
werden.

Als durch Flammspritzen aufzutragendes Pulver kann ein Gemisch
aus zwei oder drei Bestandteilen, wie Molybdän-, Eisen- und/oder Ferrolegierungspulver, oder ein Legierungspulver aus einem
Molybdän enthaltenden Ferrokarbid angewandt werden. Durch Plasmaflammspritzen des Materials bzw. der Materialien läßt sich eine
für die Erfindungszwecke geeignete, verschleißfeste Flammspritzschicht erzielen.

Nachstehend ist die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert.

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Beispiel

Gleitelement-Prüflinge 1 bis 3 wurden unter Verwendung üblicher Gleitelemente mit den Abmessungen 15 χ 20 χ 7 mm wie folgt hergestellt:

Prüfling 1

Molybdänpulver 50 Gew.-%

Kohlenstoffstahlpulver

(0,8 Gew.-% C) 50 Gew.-%

Die obige Zusammensetzung wurde durch Flammspritzen in Form einer 0,5 mm dicken Schicht auf das Gleitelement aufgebracht (Porosität: 15%; Härte auf der Rockwell-C-Skala: 40).

Prüfling 2

Pulver aus rostfreiem Stahl
mit Chrom (16% Cr, 2% Ni,

0,2% C, Rest Fe) 10 Gew.-% Chromkarbidpulver (13% C) 87 Gew.-% Molybdänpulver 3 Gew.-%

Die obige Zusammensetzung wurde durch Flammspritzen unter Bildung einer 0,5 mm dicken Schicht (Porosität 5%) auf das Gleitelement aufgetragen. Eine Analyse der geformten Flammspritzschicht ergab folgende Zusammensetzung:

Metallkarbid (Hv 1300) 83,7 Gew.-% Molybdän 3,1 Gew.-%

Ferrolegierung Rest

Prüfling 3

Eisen/Ferrolegierungspulver

(3,5% C, Rest Eisen) 97 Gew.-%

Molybdänpulver 3 Gew.-%

Die obige Zusammensetzung wurde wiederum unter Bildung einer 0,5 mm

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- 8 ■ ORIGINAL INSPECTED

dicken Schicht (Porosität 3%) durch Flammspritzen auf das Gleitelement aufgetragen. Eine Analyse der hergestellten Flammspritzschicht ergab folgende Zusammensetzung:

Metallkarbid (Hv 95 0) 50 Gew.-%

Molybdän 3 Gew.-%

Eisen Rest

Diese Prüflinge wurden auf eine rotierende Verschleißprüfmaschihe aufgespannt und gegen die Oberfläche eines Scheibenwerkstücks aus Stahl (3,2% C, 2,0% Si, 0,8%Mn, Rest Eisen) mit einer Härte auf der Rockwell-C-Skala entsprechend 98 angepreßt. Der Verschleißgrad wurde bei Drehung des Scheibenwerkstücks unter Zufuhr von Schmieröl zu den Berührungsflächen unter folgenden Bedingungen ermittelt:

Prüfbedingungen

Schmieröl menge 0,5 l/min

Schmieröl Daphne Oil Nr. 65

Belastung 20 kg/cm

Schleifgeschwindigkeit 5 m/s Gleitstrecke 300 km

Die ermittelten Ergebnisse finden sich in der Figur. Daraus geht hervor, daß die erfindungsgemäßen Prüflinge 2 und 3 weniger als die Hälfte des Verschleißes des Prüflings 1 zeigen, welcher mit einer üblichen Flammspritzschicht aus Eisen und Molybdän versehen war. Das erfindungsgemäße Gleitelement ist mithin dem bisherigen Gleitelement bezüglich der Verschleißfestigkeit überlegen.

Obgleich vorstehend spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung im einzelnen beschrieben sind, sind dem Fachmann selbstverständlich verschiedene Änderungen und Abwandlungen möglich, ohne daß vom Rahmen der Erfindung abgewichen wird.

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ORIGINAL INSPECTED

Claims

Henkel, Kern, FeBer&H£n*eI Patentanwälte

Registered Representatives

before the

European Patent Office

Nippon Piston Ring Co., Ltd Möhlstraße37

_ , . _τ D-8000 München 80

Tokio, Japan

Tel.: 089/982085-67

Telex: 0529802 hnkld Telegramme: ellipsoid

N03-23535C

9. Mai 1980

Verschleißfestes Gleitelement für Brennkraftmaschinen

Patentansprüche

Verschleißfestes Gleitelement für Brennkraftmaschinen mit einer durch Flammspritzen auf seine Gleitfläche aufgebrachten verschleißfesten Schicht, dadurch gekennzeichnet,daß die Flammspritζschicht in ihrer endgültigen Zusammensetzung bzw. Struktur 20 - 97 Gew.-% eines Metallkarbids mit einer Vickers-Härte (Hv) von mindestens 750, 0,5 - 4,5 Gew.-% Molybdän und zum Rest Eisen oder eine Ferrolegierung enthält.
2. Gleitelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität der verschleißfesten Flammspritzschicht nicht mehr als 30% beträgt.
3. Gleitelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammspritzschicht eine Dicke von nicht mehr als 2,5 mm besitzt.

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