DE3031583C2 - Verwendung eines Pulvergemischs als Plasmaspritzpulver - Google Patents

Description

als Plasmaspritzpulver.

2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulvergemisch besteht aus

Molybdänpulver

Eisenpulver

Siliziumpulver

Manganpulver

Kohlenstoffpulver

organischer Binder

10,0—21,0 Gew.-%
71,1-87,6 Gew-%
0,4—6,0 Gew.-%
0-0,4 Gew.-%
0—4,0 Gew.-%
0-2,5 Gew.-%

als Plasmaspritzpulver.

3. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Molybdänkomponente des Pulvergemisches Molybdän oder eine Ferromolybdänlegierung, als Siliziumkomponente Silizium oder eine Ferrosiliziumlegierung und als Eisenkomponente Gußeisen verwendet wird, für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulvergemisch Kohlenstoffpulver in einer Menge von 0 bis 3,5 Gew.-¹™ enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.

5. Verwendung eines Pulvergemisches, das zu mindestens 95% eine Teilchengröße von weniger als 0,088 mm aufweist, bestehend aus

Molybdänpulver

Eisenpulver

Siliziumpulver

Manganpulver

Kohlenstoffpulver

10,0-25 Gew.-%
70,0-87,6 Gew.-%
0,4—6,0Gew.-%
0-2,4 Gew.-%
0—4,0 Gew.-%

organischer Binder 0—2,5 Gew.-%

als Plasmaspritzpulver.

6. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zum Plasmaspritzen von Überzügen auf Eisensubstraten, insbesondere zur Erzeugung von Lageroberflächen auf Kolbenringen oder Scheiteldichtungen τη Verbrennungskraftmaschinen.

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Pulvergemischs afc Plasmaspritzpulver, insbesondere zur Erzeugung von Lageroberflächen mit hoher Abnutzungsund Abriebbeständigkeit unter Anwendung des Plasmaspritzverfahrens. Das Pulvergemisch kann insbesondere zur Erzeugung von Lageroberflächen auf Kolbenringen oder Scheiteldichtungen in Verbrennungskraftmaschinen, z. B. Diesel- oder Benzinmotoren, verwendet werden.

Ein Legierungsüberzug auf einem Kolbenring oder einer Scheitelabdichtung in einem Rotationsmotor trifft auf Bedingungen, wie sie für andere Lageroberflächen nicht üblich sind. Andere Lagerflächen, z. B. Hauptkurbelwellenlagerflächen und Kurbelzapfenlagerflächen, sind einer ziemlich gleichmäßigen Temperatur in einem Ölbad ausgesetzt, während ihre Kontaktfläche unterschiedliche Drücke erfährt

Eine Kolbenring-Lagerfläche muß dagegen u. a. gro-Be Temperaturschwankungen, große Druckschwankungen, Kontakt mit reaktionsfähigen chemischen Verbrennungsprodukten, verglichen mit Kurbelwellenlagera eine minimale Schmierung, Kontakt mit eine Schleifwirkung ausübenden Fremdteiichen usw. aushalten. Pulvergemische, die sich für einen Anwendungsfall eignen, sind somit nicht unbedingt in anderer Umgebung verwendbar. Der Kolbenring ist dafür ein hervorstechendes Beispiel. Ein Material, welches grfolgreich die für einen Kolbenring in einem Verbrennungsmotor herrschenden zahlreichen Bedingungen erfüllt hält jedoch oft auch die Bedingungen aus, die in einer anderen Umgebung als in einer Verbrennungskraftmaschine irgendwo auftreten.

Es wurden bisher komplizierte Überzüge als Lageroberflächen verwendet die von Hartmetallen (US-PS 35 39 192, 36 90 686, 37 25 017, 38 14 447) bis zu hochschmelzenden Metalloxiden (US-PS 36 97 091 und

37 94 334) reichten. Jeder dieser Überzüge besitzt seinen besonderen Vorteil in einer bestimmten Umgebung, entweder in bezug auf die Herstellung oder die Endverwendung. Ein besonders geeignetes Material auf der Basis von Molybdän ist in der US-PS 36 90 686 beschrieben und wird derzeit verbreitet auf Kolbenringen für Verbrennungskraftmaschinen verwendet Sein Hauptproblem ist das der Wirtschaftlichkeit da der Preis von Molybdän in den letzten drei Jahren um bis zu 20% gestiegen ist Infolgedessen sind die Kosten für das als Ausgangsmaterial dienende Pulver sehr hoch. Etwa die Hälfte des durch Plasmaspritzen aufgebrachten Materials wird bei der Fertigstellung überzogender Kolbenringe gemäß der US-PS 36 90 686 abgeschliffen und obwohl ein Teil davon aus der gebildeten Schleifbrühe wiedergewonnen wird, ist die Kostendifferenz hoch. Es besteht daher ein Bedarf nach einem billigeren Ersatz

für die kostspieligen molybdänreichen Überzüge.

Lageroberflächen aus einer Legierung von Molybdän mit einer größeren Menge Eisen, die durch Plasmaspritzen aufgebracht werden, sind z. B. aus der US-PS

38 19 384 bekannt bei der ein Pulver, enthaltend 50 bis 75% Molybdän und 50 bis 25% Eisen, SÄ* geeignet zum

Überziehen der Oberflächen von Kolbenringen beschrieben ist. Auch die US-PS 39 91 240 lehrt die Erzeugung von Lagereberflächen aus einem durch Flammspritzen aufgebrachten Pulver, enthaltend Gußeisen, Molybdän und Bor. Auch die DE-OS 24 56 238 beschreibt eine Zusammensetzung aus einem Eisen, Molybdän und Bor enthaltenden Pulver.

Eisen, Molybdän und Silizium enthaltende Legierungssysteme sind alt und in solchen Systemen ist ein verhältnismäßig weiter Siliziumbereich bekannt. Die US-PS 23 83 969 beschreibt einen Permanentmagnet, enthaltend 70% Eisen, 17% Molybdän und 0,1% Silizium. Die US-PS 36 55 365 beschreibt eine Werkzeuglegierung aus 20 bis 48% Eisen, 25 bis 50% Kobalt, 10 bis 40% Molybdän, 0,5 bis 4% Kohlenstoff und einer kleineren Menge Silizium. Die Legierung wird durch Warmverfestigung von drei Legierungspulvern gebildet. Die US-PS 38 56 478 beschreibt eine Legierung für Ventil-

3 4

sitze aus 10 bis 12% Molybdän, 88 bis 90% Eisen und gungen), können verwendet werden, wenn nur die EIe-

0,05 bis 20% Silizium. mentaranalyse des fertigen Pulvers innerhalb des vor-

Aus der US-PS 37 23 092 sind feinteüige Legierungen stehend angegebenen Zusammensetzungsbereichs liegt

für pulvermetallurgische Zwecke bekannt, die bis zu Gegebenenfalls können bis zu etwa 4 Teile Mangan auf

40% Molybdän, bis zu 1% Silizium, bis zu 15% Mangan, 5 100 Teile Molybdän und bis zu etwa 25 Teile organi-

bis zu 2% Kohlenstoff sowie ggf. weitere Metalle und sches Material auf 100 Teile Molybdän zugegen sein.

Nichtmetalle enthalten können. Wenn dieses Pulvergemisch zum Plasmaspritzen auf

Etwas höhere Siliziumkonzentrationen werden in der ein Eisensubstrat verwendet und der so aufgebrachte

US-PS 21 24 877 für eine harte Werkzeuglegierung be- Überzug mit einer feinen Siliziumkarbid(vergl·. .st)-

schrieben. Die Molybdänkonzentration beträgt 4,5 bis 10 Schleifscheibe zu einem glatten feinen Endzustand ge-

10%, Silizium 0,2 bis 1,25%, Rest Eisen. Die Anwesen- schliffen wird, erhält man eine äußerst zufriedenstellen-

heit von Kohlenstoff, Schwefel, Phosphor und Mangan de Lageroberfläche, die sich insbesondere zur Verwen-

wird ebenfalls genannt Andere Publikationen, die Le- dung in einer Verbrennungskraftmaschine als Lager-

gierungen mit dazwischenliegenden Siliziumkonzentra- oberfläche für Kolbenringe oder Scheiteldichtungen

tionen beschreiben, sind z. B. die US-PS 22 19 462 und 15 eignet

23 54 147. Wie bereits gesagt, werden in zusammengesetzten

Höhere Siliziumkonzentrationen in Legierungen sind Pulvern im Gegensatz zu Pulvergemischen Binder verin der US-PS 34 28 442 beschrieben. Diese Zusammen- wendet Als Binder kann ein üblicher Phenollack dienen. Setzung enthält eine verhältnismäßig geringe Menge Andere Beispiele für organische geeignete Binder sind Molybdän, d.h. 0,0 bis 5,0%. Die US-PS 31 61 948 be- 20 bekannte, mit Epoxid oder Öl modifizierte Alkydlacke, schreibt eine niedsigschmelzende Zusammensetzung, trocknende öle, z. B. Leinsamenöllack, Tungöl, natürlidie Eisen und Molybdän zusammen mit Silizium in einer eher oder synthetischer Kautschuk als Lösung in einem Menge von 5 bis 25% enthält Die US-PS 22 89 365 Lösungsmittel oder als Latex usw. Organische Harze beschreibt eine Phosphor-Silizium-Eisenlegierung, die verschiedener Arten, welche durch Lösungsmittelver-Molybdän in Mengen bis zu 35 Gew.-% enthalten kann. 25 dampfung oder durch chemische oder durch Wärmeaus-Phosphor/Silizium sind bis zu einem Maximum von härtung trocknen oder härten, können verwendet wer-26% zugegen, wobei der Phosphor 2 bis 13% und das den. Die Art des organischen Binders ist unwesentlich, Silizium 6 bis 22% betragen können. Der Rest ist Eisen. solange er nur auf irgendeine Weise aushärtet, um im Die DE-PS 2433 814 beschreibt ebenfalls eine Zusam- wesentlichen dem gesamten zu verspritzenden Pulver mensetzung aus Eisen, Molybdän und Silizium mit 45% 30 eine vorherbestimmte Analyse des unlegierten Zustands oder weniger Eisen. zu bewahren. Der Bhider wird auf jeden Fall in der

Keine bekannte Veröffentlichung beschreibt die Ver- Plasmaflamme zerstört und bildet keinen Teil der erhal-

wendung eines Pulvergemisoäs zur Herstellung einer tenen Legierung.

Lageroberfläche durch Plasmaspritzen, wobei das Pul- Die folgenden Beispiele erläutern typische erfin-

vergemisch 70 bis 87,6% Eisen, 10 bis 15% Molybdän, 35 dungsgemäß verwendbare Pulverzusammensetzungen,

0,4 bis 6% Silizium, 0 bis 4% Kohlenstoff und ein organi- welche die harten Legierungsoberflächen aus mit Eisen

sches Bindemittel in einer Menge von 0 bis 2,5% enthält, und Silizium gestrecktem Molybdän ergeben,
wobei diese Bestandteile insgesamt 100% ergeben.

Erfindungsgemäß wird ein solches Pulvergemisch als

Plasmaspritzpulver verwendet. Eine verhältnismäßig 40 Beispiel ί
kleine Menge des kostspieligen Molybdäns wird in
Kombination mit einer Mischung aus Eisen und einer

kleinen Menge Silizium, wahlweise zusammen mit einer Eine typische Streckmittelzusammensetzung ist die

kleinen Menge Kohlenstoff, verwendet Es wurde so folgende:
gefunden, daß für einen Überzug eines Kolbenrings 45

oder einer Scheitelabdichtung Eisen zusammen mit ei- Eisenpulver (< 0,088 mm) 97%

ner kleinen Menge Silizium als billiges Streckmittel für Siliziumpulver (< 0,088 mm) 1%

das teure Molybdän verwendet werden kann, ohne daß Kohlenstoffpulver (< 0,088 mm) 2%
die Eigenschaften der Überzüge mit hohen Molybdängehalten wesentlich verschlechtert werden. 50

Kurz ausgedrückt, besteht die Erfindung aus der Ver- Beispiel 2
wendung eines Gemische von Molybdänpulver, gestreckt mit einem hauptsächlich aus Eisenpulver und

einer kleinen Menge Siliziumpulver bestehenden Eine andere Streckmittelzusammensetzung ist die fol-

Streckmittel, als Plasmaspritzpulver. Das Streckmittel 55 gende:
kann dem Spritzpulver entweder als Mischung oder als

zusammengesetztes Pulver unter Verwendung eines or- Eisenpulver (< 0,088 mm) 98,5%

ganischen Binders einverleibt werden. Siliziumpulver (< 0,088 mm) 1,5%

Das Streckmittelgemisch besteht aus 98,5 bis

99,5 Gew.-% Eisenpulver, Rest Siliziumpulver. Dieses 60 B ' ' I 3
Streckmittel kann gegebenenfalls Kohlenstoff bis zu eispie
vier Teilen pro hundert Teile des Eisen/Siliziumstreckmittels enthalten. Das Molybdänpulver wird durch Ein- Eine weitere Streckmittelzusammensetzung ist die mischen von 790 bis 900 Gewichtsteilen des Streckmit- folgende:
tels auf 100 Teile Molybdän oder, wie oben angegeben, 65

durch einen Binder gestreckt. Vorlegierungen von Eisen Eisenpulver (< 0,088 mm) 96%

und Molybdän, die 50 bis 75% Molybdän enthalten und Siliziumpulver (< 0,088 mm) 0,5%

im übrigen aus Eisen bestehen (Spuren von Verunreini- Kohlenstoffpulver (< 0,088 mm) 3,5%

5 6

Beispiel 4 Kolbenring oder eine Scheitelabdichtung besitzt die fol

gende Zusammensetzung:

Eine weitere Streckmittelzusammensetzung, die noch

Mangan enthält, ist die folgende: Molybdänpulver (< 0,088 mm) 14,3%

5 Streckmittel von Beispiel 3 85,7%

Eisenpulver (< 0,088 mm) 94,2%

Siliziumpulver (< 0,088 mm) 1,0% Beispiel 10

Manganpulver (< 0,088 mm) 2,4%

Kohlenstoffpulver (< 0,088 mm) 2,4% Ein anderes erfindungsgemäß verwendbares Plasma-

: 10 spritzpulver zur Aufbringung auf einen gußeisernen

Beispiel 5 Kolbenring oder eine Scheitelabdichtung besitzt die fol

gende Zusammensetzung:

Eine bevorzugte Streckmittelzusammensetzung ist

die folgende: Molybdänpulver (< 0,088 mm) 143%

15 Streckmittel von Beispiel 4 85,7%

Eisenpulver (< 0,088 mm) 95,0%

Siliziumpulver (< 0,088 min) 1,0% Beispiel 11

Kohlenstoffpulver (< 0,088 mm) 23%

Manganpulver (< 0,088 mm) 0,2% Das beste bekannte Plasmaspritzpulver zur Aufbrin-

organischer Binder (< 0,088 mm) 0,9% 20 gung auf einen gußeisernen Kolbenring oder eine Scheitelabdichtung besitzt die folgende Zusammensetzung:
Viele Variationen der vorstehenden Streckmittelzusammensetzungen ergeben sich für den Fachmann von Molybdänpulver (< 0,088 nun*) 15%
selbst Diese Streckmittel werden mit Molybdänpulver Streckmittel von Beispiel 5
(< 0,088 mm) in bekannten Mischeinrichtungen und 25 (< 0,088 mm*) 85Vo
nach bekannten Methoden zu einer so gleichförmigen

Mischung der Pulver wie möglich gemischt Obwohl die *) Mindestens 20% < 0,044 mm.
Teilchengröße der Pulver verstehend mit < 0,088 mm

⁽ angegeben wurde, bedeutet dies, daß mindestens 95% Beispiel 12

des Pulvers durch ein Standardsieb mit einer lichten 30

Maschenweite von 0,088 mm hindurchgehen, während Ein anderes erfindungsgemäß verwendbares Plasma-

zweckmäßig mindestens 20% < 0,044 mm sein sollen. spritzpulver zur Aufbringung auf Gußeisen unter BiI-^E Die Pulver sollen von Fremdstoffen frei sein. dung einer Lagerfläche nach dem Schleifen besitzt die

% folgende Zusammensetzung:

k Beispiele 35

h Molybdänpulver (< 0,088 mm) 25%

* Ein typisches Beispiel eines erfindungsgemäß ver- Streckmittel von Beispiel 5 75%

wendbaren Plasmaspritzpulvers zur Aufbringung auf ei-

I' nem gußeisernen Kolbenring oder eine Scheitelabdich- Beispiel 13

-' tung besitzt die folgende Zusammensetzung: 40

Ein anderes erfindung.sgemäß verwendbares Plasma-Molybdänpulver (< 0,088 mm) 10% spritzpulver zur Aufbringung auf Gußeisen unter BiI-Streckmittel von Beispiel 1 90% dung einer Lagerfläche nach dem Schleifen besitzt die > folgende Zusammensetzung:
^! B e i s ρ i e 1 7 45

Molybdänpulver (< 0,088 mm) 10,0%

Ein anderes erfindungsgemäß vei wendbares Plasma- Streckmittel von Beispiel 5 90,0%

spritzpulver zur Aufbringung auf einen gußeisernen

Kolbenring oder eine Scheitelabdichtung besitzt die fol- Beispiel 14

gende Zusammensetzung: 50

Ein anderes erfindungsgemäß verwendbares Plasma-Molybdänpulver (< 0,088 mm) 23,8% spritzpulver zur Aufbringung auf Gußeisen unter BiI-Streckmittel von Beispiel 1 76,2% dung einer Lagerfläche nach dem Schleifen besitzt die

folgende Zusammensetzung:
Beispiel 8 55

Molybdänpu]v2r(< 0,088 mm) 16,5%

Ein anderes erfindungsgemäß verwendbares Plasma- Streckmittel von Beispiel 5 83,5%

spritzpulver zur Aufbringung auf einen gußeisernen

Kolbenring oder eine Scheitelabdichtung besitzt folgen- Bei Verwendung eines Binders kann angenommer,

de Zusammensetzung: 60 werden, daß die vorherrschende Komponente, das Ei

sen, mit einem Überzug versehen ist, der einen Binder

Molybdänpulver (< 0,088 mm) 21% und das Molybdän und Silizium in unlegiertem oder

Streckmittel von Beispiel 2 79% vorlegiertem Zustand enthält.

In den vorstehenden Zusammensetzungen können

B e i s ρ i e 1 9 es andere Bestandteile in Mengen zugegen sein, welche die

Legierungen auf den Lageroberflächen nicht ungünstig

Ein anderes erfindungsgemäß verwendbares Plasma- beeinflussen. Solche Bestandteile finden sich als Verunspritzpulver zur Aufbi'nlgung auf einen gußeisernen reinigungen, z. B. Phosphor, Arsen, Selen usw. Das SiIi-

Molybdän	10bis25Gew.-%
Eisen	70.0 bis 87,6 Gew.-%
omnium	0,4 bis 6,0 Gew. %
Mangan	0,0 bis 0,4 Gew.-%
Kohlenstoff	0.0 bis 4,0 G ew.-%
organischer Binder	0,0 bis 2,5 G ew.-%

zium in den vorstehenden Zusammensetzungen kann ganz oder teilweise durch Schwefel ersetzt werden.

Die bevorzugt verwendeten Plasmaspritzpulver kennzeichnen sich durch einen außergewöhnlich hohen Eisengehalt in bezug auf den Molybdängehalt für diese Art der Anwendung. Die Anwesenheit von Silizium mit oder ohne Kohlenstoff (vorzugsweise mit) unterstützt die Verschleißfestigkeit Im allgemeinen zeigt sich, daß das Gewichtsverhältnis in den vorstehenden Beispielen von Eisen zu Molybdän im Bereich von 9 :1 bis 3,2 :1 liegt und daß Eisen und Molybdän !zusammen 90 bis 99 Gew.-% des Pulvers bilden. Silizium ist zwischen 0,4 bis 6 Gew.-% des Pulvers zugegen.

Die Plasmaspritzpulver der Beispiele 6 bis 15 ergeben eine allgemeine Analyse wie folgt:

Natürlich sind die vorstehend genannten Pulverelemente selten im reinen Zustand zu einem vernünftigen Preis erhältlich. Infolgedessen kann man zwar reagenzienreine Pulver verwenden, wenn man jedoch deren Kosten verringern will, können mit sehr zufriedenstellenden Ergebnissen handelsübliche Pulver verwendet werden, die Spuren an normalen Verunreinigungen, z. B. Silizium, Nickel, Kobalt, Chrom, Aluminium, Kohlenstoff usw, enthalten.

Die Bedingungen beim Plasmaspritzen sind die dem Fachmann bekannten, wie sie z. B. in der US-PS 38 19 384 beschrieben sind.

Beim Aufbringen eines Überzuges direkt auf ein Gußeisensuhstrat, z- B. einen Verdichtungsring eines Kolbens, wird das Substrat zweckmäßig, obwohl dies nicht unerläßlich ist, auf eine Temperatur von 93 bis 232°C vorerwärmt.

45 50 55 60 65

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verwendung eines Pulvergemisches, das zu mindestens 95% eine Teilchengröße von weniger als 0,088 mm aufweist bestehend aus

Molybdänpulver

Eisenpulver

Siliziumpulver

Manganpulver

Kohlenstoffpulver

organischer Binder

10,0-25 Gew.-%
70,0-87,6 Gew.-%
0,4—60,G Gew.-%
0—0,4 Gew.-%
0—4,0 Gew.-°/o
0—2^ Gew.-%