DE3017907C2

DE3017907C2 - Verschleißfestes Gleitelement für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE3017907C2
Application number: DE19803017907
Authority: DE
Inventors: Shigeru Omiya Saitama 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: 1984-02-02
Also published as: DE3017907A1; JPS55164070A; JPS585256B2; GB2050434A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein verschleißfestes Gleitelement für Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Solche Gleitelemente is sind Bauteile, die eine hohe Verschleißfestigkeit besitzen müssen, wie Insbesondere Kolbenringe, Zylindeibüchsen usw.

Im Zuge der In letzter Zelt 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 (Schielfabrieb durch Fremdkörper großer Härte) und Abnutzung bzw. Freßabrleb 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.

Zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit wurden bereits verchromte Kolbenringe sowie solche vorgeschlagen, die eine Gleitfläche aufweisen, welche durch Flammspritzen mit einer Molybdänschicht versehen worden 1st.

Die Verchromung von Kolbenringen ist jedoch sehr aufwendig, während die Freß- bzw. Abnutzungsbestän- to dlgkelt 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 Abrieb- so festigkeit 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 Mlschleglerungsschlcht versehen sind, die eine Struktur aus einer Ferrolegierungsphase, einer Legierungsphase aus der Ferrolegierung und Molybdän, einer durch Flammspritzen von Molybdän gebildete Molybdänphase sowie ^b0 einer Ferrolegierung gleichzeitig enthalten. Diese bisherigen Gleitelemente enthalten ein Gemisch aus Molybdän und Ferrolegierung zwecks Verbesserung der Bindungsoder Haftfestigkeit der durch Flammspritzen aufgebrachten Teilchen In der betreffenden Schicht. Beim gemisch- ^b5 ten Flammspritzen von Molybdän und Elsen besitzt jedoch das Produkt eine ungenügende Verschleißfestigkeit, obgleich eine verbesserte Bindungsfestigkeit zwischen den durch Flammspritzen aufgebrachten Teilchen der Schicht vorliegt.

Aus der GB-PS 10 14 383 ist ein verschleißfestes Gleitelement für Brennkraftmaschinen mit einer durch Flammspritzen auf seine Gleitfläche aufgebrachten verschleißfesten Schicht bekannt, die ein Metallkarbid mit einer Vickers-Härte von mehr als 750 Hv enthält. Außerdem ist in der DE-AS 29 38 151 ein Gleitelement für Brennkraftmaschinen beschrieben, das eine Fiammspritzschicht aus 95,5 bis 99,5 Gew.-Sb eines Metallkarbids mit einer Vickers-Härte von 750 bis 2000 Hv und 4,5 bis 0,5 Gew.-% Molybdän besitzt. Die Porosität der Schicht beträgt 30Su oder weniger, während für ihre Dicke höchstens 2,5 mm angegeben ist. Ein Gleitelement mit dieser Flammspritzschicht zeigt gegenüber anderen bereits bestehenden Gleitelementen eine Verringerung der Abriebmenje auf etwa die Hälfte, welche noch einem Wert von ungefähr 0,02 mg/cm² km entspricht.

Aufgabe der Erfindung Ist damit Insbesondere die Schaffung eines verbesserten Gleitelements mit einer Flammspritzschicht, die durch kombiniertes Flammspritzen von Molybdän und Elsen kostensparend herstellbar ist und die eine weiter verbesserte Verschleißfestigkeit bei zufriedenstellender Abriebfestigkeit und gleichzeitig ausreichender Freß- oder Abnutzungsbeständigkeit besitzt.

Diese Aufgabe wird bei einem Gleitelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruches erfindungsgemäß durch die In dessen kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Als Ergebnis umfangreicher Forschungsarbelt hat es sich also gezeigt, daß eine durch Flammspritzen von Molybdän und Ferrolegierung auf der Gleitfläche eines Gleitelements ausgebildete Schicht ausgezeichnete Abriebfestigkeit und ausgezeichnete Abnutzungsbeständigkeit gleichzeitig gewährleistet, wenn die Flammspritzschicht In Ihrer endgültigen Zusammensetzung bzw. Struktur 20 bis 97 Gew.-96 eines Metallkarbids mit einer Vickers-Härte (Hv) von mindestens 750, 4,5 bis 0,5 Gew.-% Molybdän und zum Rest (bis zusammen 100 Gew.-%) Elsen oder eine Ferrolegierung enthält. Die Abriebmenge läßt sich mit dem erfindungsgemäßen Gleitelement noch deutlich unter 0,02 mg/cm² ■ km verringern, also auf etwas geringere Werte als bei dem In der DE-AS 29 38 151 beschriebenen Gleitelement. Außerdem Ist die Blndungs- oder Haftfestigkeit der Teilchen In der Grundmasse verbessert, was auf die Legierungsbildung zwischen Molybdän und Elsen oder Ferrolegierung zurückzuführen Ist, wodurch auch die Verschleißfestigkeit erhöht wird.

Das 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 Schicht insgesamt erhöht. Wenn die Menge des Metallkarbids weniger als 20 Gew.-% beträgt, lassen sich zufriedenstellende Verschleißfestigkeit und Härte ebenfalls nicht erzielen. Bei einer Menge von mehr als 97 Gew.-% ist andererseits der Veischleiß am Paarungselement, das mit dem aus dieser Legierung bestehenden Gleitelement unter Durchführung einer Relativbewegung in GleitberOhrung steht., zu groß, und es tritt eine Freßneigung auf.

Ein Teil des zugesetzten Molybdäns bildet eine Legierung mii Eisen oder einer Ferrolegierung. Bei einer Molybdänmenge von unter 0,5 Gew.-% läßt sich keine ausreichende Verbesserung der Bindungs- oder 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 beeinträchtigt wird und insgesamt keine Verbesserung der Abplatzbeständigkeltseigenschaften der verschleißfesten. Molybdän enthaltenden Flammspritzschicht erzielt wird. Über mehr als 4,5 Gew.-% Molybdän hinaus läßt sich keine wesentliche Verbesserung der Abplatzbeständigkeit, die der Bindung zwischen den durch das Legieren von Molybdän mit Elsen oder Ferrolegierung gebildeten Teilchen zuzuschreiben ist, mehr feststellen. Aus wirtschaftlichen Gründen wird daher die Molybdänmenge auf höchstens 4,5 Gew.-96 beschränkt.

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 Flammspritzschichl 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 auf höchstens 2,5 mm begrenzt wird.

Beispiele für die anzuwendende Ferrolegierung sind legierter Kohlenstoffstahl, rostfreier Stahl mit 16% Chromgehalt usw. Die Wahl der zu verwendenden Ferrolegierung muß mit Sorgfalt geschehen, weil manchmal die Härte 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 verschleißfeste Flammspritzschicht kann dadurch hergestellt werden, daß durch Plasmafiammsprltzen 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 weiden.

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 Materlallen läßt sich eine geeignete, verschleißfeste Flammspritzschicht erzielen.

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

Beispiel

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

Prüfling 1

Molybdänpulver
Kohlenstoffstahlpulver
(0,8 Gew.-*, C)

50 Gew.-*,

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% Nl, 0,2% C, Rest Fe) 10 Gew.-%

Chromkarbidpulver (13% C) 87 Gew.-%

Molybdänpulver 3 Cew.-%

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/ Ferrolegierungspul ver

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

Molybdänpulver 3 Gew.-%

Die obige Zusammensetzung wurde wiederum unter Bildung einer 0,5 mm dicken Schicht (Porosität 3%) durch Flammspritzen auf das Gleitelement aufgetragen. Eine Analyse der hergestellten Flammspritzschicht ergab folgende Zusammensetzung:

Metallkarbid (Hv 950)

Molybdän

Eisen

50 Gew..9b 3 Gew.-% Rest

Diese Prüflinge wurden auf eine rotierende Verschleißprüfmaschine 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

Schmierölmenge

Schmieröl

Belastung

Schleifgeschwindigkeit

Gleitstrecke

0,5 l/min. Daphne Oll Nr. 65 20 kgi'cm² 5 m/s 300 km

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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verschleißfestes Gleitelement für Brennkraftmaschinen mit einer durch Flammspritzen auf seine Gleitfläche aufgebrachten verschleißfesten Schicht, die in ihrer endgültigen Zusammensetzung 95,5 bis 97 Gew.-% eines Metallkarbids mit einer Vickers-Härte (Hv) von mindestens 750 und 4,5 bis 0,5 Gew.-% Molybdän enthalten kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht in ihrer endgültigen Zusammensetzung insgesamt 20 bis 97 Gew.-*> des Meiallkarbids, 4,5 bis 0,5 Gew.-% Molybdän und zum Rest (bis zusammen 100 Gew-%) Eisen oder eine Ferrolegierung enthält.