DE69515603T2 - Pulver auf Eisenbasis - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft ein Pulver auf Eisenbasis, das Plasma-sprühfähig ist und als Wärme übertragender Festschmierstoff wirkt, wenn es als dünne Beschichtung auf Oberflächen abgeschieden wird, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind.
• Automobilmotoren enthalten eine weite Vielfalt von aneinander angreifenden Bauteilen, welche als Ergebnis des Angriffs aneinander Reibung erzeugen. Der gleitende Kontakt zwischen Kolben oder Kolbenringen und den Wänden der Zylinderbohrung eines Verbrennungsmotors ist zum Beispiel der Grund für einen bedeutenden Teil der gesamten Motorreibung. Besonders an den Wänden der Zylinderbohrung ist es wünschenswert, eine derartige Reibung durch Verwendung haftbarer Antifriktions- Beschichtungen wesentlich zu vermindern, um dadurch Motorwirkungsgrad und Kraftstoffersparnis zu verbessern, während zur Erleichterung des Betriebs des Motor- Kühlungssystems die Wärmeübertragung über solche Beschichtungen zugelassen wird.
• Für einige Zeit wurden auf Kolben und Wandungen von Zylinderbohrungen eine Nickelauflage verwendet, um für Eisensubstrate eine Korrosionsbeständigkeit bereitzustellen; während sie - wegen der Weichheit und der nachteiligen Bildung von Nickeloxid - nur eine begrenzte Verminderung der Reibung boten (siehe U.S.-Patent 991,404). Chrom- oder Chromoxid-Beschichtungen wurden in den achtziger Jahren selektiv verwendet, um die Haltbarkeit von Motoroberflächen zu verbessern, aber derartige Beschichtungen sind schwierig aufzubringen, instabil, sehr teuer, und scheitern wegen ihrer Mängel beim Halten eines Ölfilmes an einer wesentlichen Reibungsverminderung, besitzen hohe Härte und sind oft unverträglich mit Kolbenring- Materialien. Im selben Zeitabschnitt wurden auch Eisen- und Molybdänpulver gemeinsam in sehr dünnen Filmen auf Aluminium-Zylinderbohrungswände aufgebracht, um die Verschleißfestigkeit zu fördern. Derartige Systeme bieten nur einen begrenzten Vorteil. Molybdänpartikel und die vielen - sich aus den herkömmlichen Auftragsverfahren ergebenden - Oxidformen des Eisens besitzen keinen niedrigen Reibungskoeffizienten, welcher nennenswerte Gewinne in Motorwirkungsgrad und Kraftstoffersparnis gestatten wird.
• Unter einem ersten Aspekt ist es ein Gegenstand dieser Erfindung, ein preiswertes Metallpulver auf Eisenbasis bereitzustellen, das zur Plasma-Abscheidung einer Beschichtung nützlich ist, die (i) einen niedrigst-Trockenreibungskoeffizienten (d. h. etwa 0.2) besitzen wird, und die (ii) Wärme bereitwillig durch die Beschichtung leiten wird. Zu diesem Zweck ist die Erfindung eine niedriglegierte Stahlpulver- Zusammensetzung für das thermische Spritzen, die (a) wasserverdüste und geglühte Eisenlegierungs-Partikel umfaßt, die - bezogen auf das Gewicht - 0.15-0.85% Kohlenstoff, 0.1-0.45% Sauerstoff und eine aus Mangan und Nickel gewählte, · lufthärtende Agens mit 0.1-6.5%, und den Rest als Eisen und Verunreinigungen umfaßt; und bei der (b) mindestens 90% - auf das Volumen bezogen - der Partikel Eisen und Sauerstoff alleinig als FeO verbunden aufweisen.
• Unter einem zweiten Aspekt ist es ein Gegenstand dieser Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Antifriktions-Pulvers auf Eisenbasis bereitzustellen, das (i) hoch ökonomisch ist, (ii) selektiv FeO erzeugt, und (iii) feine, fließfähige Partikel fördert. Zu diesem Zweck ist die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines für die Plasma- Abscheidung geeigneten Pulvers auf Eisenbasis, das die Schritte von (a) Wasser- (Dampf-) Verdüsung eines geschmolzenen Stroms niedriglegierten Stahls umfaßt; welcher - bezogen auf das Gewicht - bis zu 0.9% Kohlenstoff, 0.1-6.5% einer aus Mn und Ni gewählten, lufthärtenden Agens, und den Rest als Eisen und Verunreinigungen enthält, um eine Ansammlung pulverisierter Partikel zu erzeugen; wobei die Dampf- Verdüsung ausgeführt wird, um die Gegenwart von anderem als dem in diesem H&sub2;O enthaltenen Sauerstoff auszuschließen, wodurch die Reaktion von Eisen alleinig auf den Sauerstoff in dem aus Wasser stammenden Dampf beschränkt wird; um dadurch eine Pulver zu erzeugen, bei dem - bezogen auf das Volumen - mindestens 90% der Partikel Eisen und Sauerstoff alleinig als FeO verbunden aufweisen; und (b) das Glühen der Partikel in einer Luftatmosphäre in einem Temperaturbereich von 427ºC- 871ºC (800ºF-1600ºF) für eine Zeitdauer von bevorzugt 0.25-10.0 Stunden, um Kohlenstoff in den Partikeln auf einen Anteil von 0.15-0.45% zu vermindern.
• Die Erfindung wird nun, anhand eines Beispieles, unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter erklärt werden, in welchen:
• Abb. 1 eine vergrößerte, schematische Querschnitts-Abbildung von Partikeln auf Eisenbasis ist, die in einer im Plasma abgeschiedenen Beschichtung zusammengeschmolzen sind;
• Abb. 2 eine graphische Illustration ist, die Reibungsdaten des Pulvers dieser Erfindung mit anderen Pulvern vergleicht;
• Abb. 3 eine schematische Illustration der Verfahrensschritte dieser Erfindung - einschließlich der Dampf-Verdüsung von Eisen und des anschließenden Glühens - ist; und
• Abb. 4 ein Fließbild der Schritte ist, die zur Herstellung einer beschichteten Zylinderbohrungswand unter Verwendung des Pulvers dieser Erfindung benutzt werden.
• Das durch Plasmaspritzen abscheidbare, einzigartige Pulver dieser Erfindung zeigt in der abgeschiedenen Form einen niedrigen Trockenreibungskoeffizienten und erlaubt bereitwillig den thermischen Übergang von Wärme durch die Beschichtung. Wie in Abb. 1 gezeigt besteht jedes Pulverteilchen 10 im wesentlichen aus einem Stahlkorn, das - bezogen auf das Gewicht des Materials - eine Zusammensetzung aufweist, die 0.15-0.85% Kohlenstoff, 0.1-6.5% einer aus Mangan und Nickel gewählten, lufthärtenden Agens, Sauerstoff in einer Menge von 0.1-0.45%, und den Rest als Eisen und Verunreinigungen umfaßt. Jedes Korn hat eine kontrollierte Größe und eine geschmolzene Form, welche als Folge des Aufpralls bei der Ablagerung abgeflacht ist, was erwünschte Mikroporen 12 hinterläßt. Die gehonte Oberfläche 13 der Beschichtung 11 aus solchen Partikeln 10 zeigt derartige Mikroporen. Der kritische Aspekt der Stahlkörner ist daß - bezogen auf das Volumen - mindestens 90% des mit Sauerstoff verbundenen Eisens alleinig in der Form von FeO verbunden ist. Die Stahlteilchen besitzen eine Härte von etwa Rc 20 bis 40, eine Teilchengröße von etwa 10 bis 110 Mikrometer, und eine Form von im allgemeinen unregelmäßigem, körnigem Aufbau. Die Kombination aus Größe und Form stellt während des Plasmaspritzens eine hohe Fließfähigkeit bereit, die für einen gleichmäßigen Fluß und eine gleichmäßige Abscheidungsgeschwindigkeit, und für eine hohe Effizienz der Abscheidung unbedingt erforderlich ist.
• Wie vergleichend in Abb. 2 gezeigt, beträgt der Reibungskoeffizient der FeO- Form des Eisenoxids etwa 0.2. Dies läßt sich mit einem Trockenreibungskoeffizienten von 0.4 für Fe&sub3;O&sub4;, von 0.45 bis 0.6 für Fe&sub2;O&sub3;, 0.3 für Nickel, 0.6 für NiAlSi, 0.3-0.4 für Cr&sub2;O&sub3;, und 0.3-0.4 für Chrom vergleichen.
• Um ein solches Stahlpulver zu erzeugen wird ein geschmolzener Strom 15 aus Eisenschwamm, zu dem etwas Mangan oder Nickel und Kohlenstoff zugegeben wurde (wobei die Zusammensetzung bis zu 0.9% Kohlenstoff, 0.1-6.5% Mangan oder Nickel und den Rest - ausgenommen Verunreinigungen von etwa 0.3-0.6% - als Eisen umfaßt), einer geschlossenen Kammer 16 zugeführt, welche darin eine Inertatmosphäre 17 besitzt. Ein Strahl 18 aus Dampf (oder Wasser) wird mit einem eingeschlossenen Winkel von weniger als 90º auf den geschmolzenen Strahl geprallt, um den Strahl 15 abzuschrecken und zu pulverisierten Teilchen zu zerstäuben. Wegen des Ausschlusses von Luft und anderen Sauerstoff-Verunreinigungen ist der Dampf- oder Wasserstrahl selbst - welcher reduziert wird - die alleinige Sauerstoffquelle, um sich mit dem Eisen in dem geschmolzenen Strahl zu vereinigen. Dieser begrenzte Zugang zu Sauerstoff zwingt das Eisen wegen der vorteilhaften Temperaturen und der Gegenwart von Kohlenstoff - welcher mit höheren Oxiden reagiert, um diese zu FeO zu reduzieren - sich als FeO zu verbinden, und nicht als Fe&sub2;O&sub3; oder Fe&sub3;O&sub4;. Die Reduktion von Wasser setzt H&sub2; frei: Der Wasserstoff trägt zu der nichtoxidierenden Atmosphäre in der Zerstäubungskammer bei. Die Gegenwart von Mangan oder Nickel läßt zu daß das Pulver an Luft härtbar ist, wenn es wieder auf Temperaturen von 649ºC-760ºC (1200ºF-1400ºF) aufgeheizt wird, welche während des Plasmaspritzens erfahren werden. Die Partikel 19 werden im tiefsten Teil 20 der Kammer gesammelt und von dort auf eine Fördereinrichtung 21 eines Glühofens 22 überführt, woraufhin die Partikel für eine Zeitdauer von 0.25-2.0 Stunden einer Temperatur von 649ºC-760ºC (1200ºF-1400ºF) ausgesetzt werden; was Kohlenstoff dazu zwingt sich mit Sauerstoff in der Ofenatmosphäre zu verbinden, um CO oder CO&sub2; zu bilden, und dadurch die Partikel bis zu einem Anteil von etwa 0.2% bis 0.6% an Kohlenstoff zu dekarburieren, welcher auch immer vorteilhaft ist.
• Um die Plasmabeschichtung einer Aluminium-Zylinderbohrungswand eines Verbrennungsmotors mit derartigen, zerstäubten und geglühten Partikeln vorzunehmen (siehe Flußdiagramm der Abb. 4), werden die Oberflächen der Zylinderbohrungswände zuerst durch Waschen und Entfetten vorbereitet; die Entfettung kann mit Heißdampf ausgeführt werden, und die gewaschenen Wände können unter Verwendung von ölfreien Luftstrahlen getrocknet werden. Als zweites werden die sauberen Oberflächen dann bearbeitet, um frisches Metall ohne Aluminiumoxid freizulegen. Dies kann entweder durch Abspannen flacher Sägezahneinschnitte in den Oberflächen der Bohrungswand, Funkenerosion der Oberflächen, oder durch Sandstrahlen (Pulverstrahlen) oder Naßputzen (das ist Wasserstrahlen mit sehr hohem Druck) derartiger Oberflächen erreicht werden. Ein Ausweichverfahren ist thermochemisches Ätzen unter Verwendung eines reaktiven, halogenierten Gases wie etwa Freon auf beheizten Oberflächen.
• Wenn eine dünne Beschichtung (d. h. 110-180 Mikrometer) aufgebracht werden soll, so werden die Oberflächen der Zylinderbohrungswand durch maschinelles Bearbeiten - als Teil der Oberflächenvorbereitung vor dem Plasmaspritzen - bezüglich der echten Zylinderachse zentriert. Dieser Vorgang wird in der herkömmlichen Art und Weise durchgeführt (die Mittelpunkte der Zylinderbohrungen werden wirklich bezüglich der Achse des Kurbelwellenlagers ausgerichtet/zentriert). Wenn die Beschichtung relativ dick sein soll (d. h. 300-500 Mikrometer), so brauchen die Bohrungsoberflächen vor der Beschichtung nicht zentriert werden; statt dessen ist ein Grobhon-Vorgang effektiv, um die beschichtete Oberfläche relativ zur wahren Achse der Zylinderbohrung zu zentrieren.
• Die Plasmabeschichtung wird - unter Anpassung der Sprüzparameter und der Ausrüstung - mit den in der ebenfalls anhängigen Europäischen Patentanmeldung Nr. 95308825.9 offenbarten Vorgängen ausgeführt, deren Offenlegung hierin durch Erwähnung eingeschlossen wird. Das Schlichthonen wird in Plateaus ausgeführt, um ungefähr 150 bis 200 Mikrometer (bezogen auf einen Radius der Zylinderbohrung) abzunehmen, und die Oberfläche auf eine Glattheit von 10-30 Mikrozoll (1 Zoll = 2.54 cm) abzugleichen. Dieser Honvorgang wird in Folge eines bestimmten, spezifizierten Schleifschrittes ausgeführt, und verwendet Körnungsnummer 80/100, Körnungsnummer 200/300 und Körnungsnummer 400, gefolgt von Honsteinen mit Körnungsnummer 600. Dies ist wichtig um eine gute Zurückhaltung der Ölschicht bereitzustellen. Ein derartiges Honen wird bevorzugt mit Honsteinen aus Siliziumcarbid- oder Diamant-Schleifgrieß ausgeführt, welche einen Materialabtrag ohne Oxidation des Eisen-Substrates oder des herkömmlichen Kühlmittels (d. h. Öl/Wasser-Emulsionen mit Phosphat- oder Stearat-Detergentien) bereitstellen. Schwankungen von weniger als 10-50 Mikrometern in den Oberflächen-Unebenheiten und eine Verwindungsfreiheit bis zu einem Maximum von 10 bis 50 Mikrometern über die Länge der Zylinderbohrung werden als Teil dieser Behandlung betrachtet.

Claims (8)

1. Eine niedriglegierte Stahlpulver-Zusammensetzung für das thermische Spritzen, die umfaßt:

(a) H&sub2;O-verdüste und geglühte Eisenlegierungs-Partikel, welche - bezogen auf das Gewicht - 0,15-0,85% C, 0,1-6,5% einer aus Mn und Ni gewählten, lufthärtenden Agens, 0,1-0,45% Sauerstoff, und den Rest als Eisen und Verunreinigungen umfassen; und bei der

(b) mindestens 90% - bezogen auf das Volumen - dieser Partikel Sauerstoff und Eisen alleinig als FeO verbunden aufweisen.

2. Eine Zusammensetzung nach Anspruch 1, in welcher diese Partikel einen Trockenreibungskoeffizienten von 0,25 oder weniger zeigen.

3. Eine Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, in welcher diese Partikel eine Größe im Bereich von 20-60 Mikrometern aufweisen, und eine als kugelförmig oder halb kugelförmig charakterisierte Partikelform oder eine frei fließende, körnige Konfiguration aufweisen.

4. Eine Zusammensetzung nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welcher die Partikel eine Härte im Bereich von Rc 15 bis 60 aufweisen.

5. Eine Zusammensetzung nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welcher dieses Pulver eine Fließfähigkeit von mindestens 100 g/min. durch eine Öffnung von 5 mm Durchmesser und 100 mm Länge aufweist.

6. Eine Zusammensetzung nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welcher dieses Pulver eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 1/3 der des Aluminiums besitzt.

7. Ein Verfahren zur Herstellung eines Antifriktions-Pulvers auf Eisenbasis für die Plasma-Abscheidung, das umfaßt:

(a) H&sub2;O-Verdüsung eines geschmolzenen Stroms eines niedriglegierten Stahls, um eine Ansammlung von pulverisierten Partikeln zu erzeugen, wobei diese Legierung - bezogen auf das Gewicht - bis zu 0,9% Kohlenstoff, 0,1-6,5% einer aus Mn und Ni gewählten, lufthärtenden Agens, und den Rest als Eisen und Verunreinigungen enthält;

wobei diese Verdüsung die Gegenwart von anderem Sauerstoff als dem in diesem Wasser ausschließt, wodurch die Reaktion von Eisen allein auf den Sauerstoff in diesem Strom beschränkt wird; um dadurch ein Pulver zu erzeugen, daß Eisen und Sauerstoff in - auf das Volumen bezogen - mindestens 90% der Partikel alleinig als FeO verbunden aufweist; und

(b) Glühen dieser Partikel in einer Luftatmosphäre in einem Temperaturbereich von 427ºC-871ºC (800ºF-1600ºF) für eine Zeitdauer, um Kohlenstoff in dieser Legierung auf einen Anteil von 0,15-0,45% zu vermindern.

8. Ein Verfahren nach Anspruch 7, in welchem diese Zeitdauer des Glühens im Bereich von 0,25-10,0 Stunden liegt.