GLEITELEMENT MIT EINSTELLBAREN EIGENSCHAFTEN

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitelement, insbesondere einen Kolbenring, mit einstellbaren Eigenschaften, insbesondere bezüglich des Verschleißverhaltens, gemäß Anspruch 1.

[0002] Heutzutage sind die Kundenanforderungen hinsichtlich des Verschleißverhaltens auf dem Kolbenring und der Zylinderlaufbahn unterschiedlich. Einerseits wird ein möglichst geringer Verschleiß verlangt, andererseits benötigen Motorenhersteller auch höhere Verschleißraten, um aus deren Sicht ein möglichst gutes Einlaufverhalten für das System "Kolbenring/Zylinderlaufbuchse geschmiert" zu erhalten. Diese Aufgabe stellt sich zunehmend im Bereich von 2-Takt-Motoren (Ringdurchmesser > 430mm).

[0003] Eisen-basierte Beschichtungen, aufgetragen mittels thermischen Spritzens, finden noch keine Anwendung auf dem Kolbenring. Im Bereich des Kurbeltriebs sind bisher lediglich auf Eisen basierende Beschichtungen auf der Zylinderlaufbahn bekannt, die mittels Lichtbogendrahtspritzens (LDS) hergestellt sind (EP 1 022 351 B2). Die Herstellung von Verschleißschutzschichten mittels des thermischen Spritzprozesses ist ein bekanntes Verfahren. Die heutigen dafür verwendeten Pulvermaterialien basieren auf Mo, WC, NiCr und Cr₃C₂. DE 10163976, WO 2008/083793 und DE 10 2007 025949 offenbaren Verschleißschutzbeschichtungen für Kolbenringe.

[0004] Der Erfindung liegen daher folgende Aufgaben zugrunde. Einerseits eine Verbesserung der tribologischen Eigenschaften von thermisch gespritzten Kolbenringen mit einem bisher nicht verwendeten Materialsystem als Beschichtungsmaterial im Vergleich zu herkömmlichen Kolbenringbeschichtungen auf Mo-Basis. Weiterhin die Herstellung von den Kundenanforderungen entsprechenden, beschichteten Kolbenringen, die hinsichtlich des Verschleißverhaltens und der Eigenspannungen maßgeschneidert sind, wobei die Beschichtung über thermisches Spritzen erfolgt. Ferner soll eine Optimierung des Einlaufverhaltens erreicht werden. Die Basismaterialmatrix soll bevorzugt ähnliche physikalische Eigenschaften (thermischer Ausdehnungskoeffizient und Wärmeleitfähigkeit) wie das zugrundeliegende Substrat sowie ausreichend mechanische Eigenschaften (Härte, Duktilität) aufweisen.

[0005] Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Gleitelement bereitgestellt, insbesondere ein Kolbenring für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend

• ein Substrat; und
• eine Verschleißschutzschicht, erhältlich durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile
  2-50 Gewichtsprozent Eisen, FE;
  5-60 Gewichtsprozent Wolfram, W;
  5-40 Gewichtsprozent Chrom, Cr;
  5-25 Gewichtsprozent Nickel, Ni;
  1-5 Gewichtsprozent Molybdän, Mo;
  1-10 Kohlenstoff, C; und
  0,1-2 Gewichtsprozent Silizium, Si;
  und
• eine Einlaufschicht, erhältlich durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile
  60-95 Gewichtsprozent Nickel;
  5-40 Gewichtsprozent Kohlenstoff.

[0006] Um die vorstehend beschriebene Aufgabe zu lösen ist ein Schichtsystem herzustellen, bestehend aus einem Basissystem mit ähnlichen physikalischen Eigenschaften wie das zu beschichtende Substrat sowie einer ausreichenden Festigkeit, verbunden mit einem verschleißresistenten Anteil, wobei es je nach Anteil zu unterschiedlichen Verschleißraten am Ring und Liner im geschmierten Zustand kommt. Ebenso ist die Art und Stärke der Eigenspannungen durch die Zugabe von definierten Mengen des verschleißresistenten Anteils einstellbar. Grundsätzlich sind keine Zugeigenspannungen in thermisch gespritzten Schichten erwünscht, da diese das Risswachstum eines entstehenden Risses nicht reduzieren oder sogar fördern können. Die Lösung ist ein neues Fe-basiertes System, das durch Karbide verstärkt wird, verbunden mit einer den Anforderungen des Motorenherstellers angepassten Einlaufschicht.

[0007] Hinsichtlich der physikalischen Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit, thermischer Ausdehnungskoeffizient) entsteht durch einen Mindestanteil des Eisenhaltigen Basissystems von 25 Gew. % 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 Fe-Basis-Legierungen als Kolbenringbasisbeschichtungsmaterial zusammen mit einem karbidischen System und einer Einlaufschicht (gradiert oder nicht gradiert), hergestellt mittels thermischen Spritzens, resultiert in einem neuen Kolbenringtyp. Der zu beschichtende Kolbenring kann dabei ein Guss- aber auch ein Stahlkolbenring sein.

[0008] Gemäß einer Ausführungsform besteht das neue Materialsystem 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 oder in Reinform, elektrochemisch umhüllt mit Nickel).

[0009] Gemäß einer Ausführungsform beträgt der Anteil an Karbiden 10-75 Gewichtsprozent, zusammengesetzt aus 0-60 Gewichtsprozent Wolfram-Karbid, WC, und 0-50 Gewichtsprozent Chrom-Karbid, Cr₃C₂.

[0010] Die Eisenbasislegierung ohne Karbide ist nicht zu empfehlen, da der Verschleißwiderstand (gemessen wie unten beschrieben) die heutigen Anforderungen nicht erfüllt. Eine Erhöhung des gesamten Karbidanteils über 75 Gew.% ist für die Anwendung als Kolbenringbeschichtung nicht zu empfehlen, da bei zu hohem Karbidanteil die Schicht einen zu stark keramischen Charakter bekommt (zu hohes E-Modul) und damit den Temperaturwechselbeanspruchungen im Motor nicht standhält.

[0011] Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Gleitelement weiter eine Übergangsschicht zwischen der Verschleißschutzschicht und der Einlaufschicht, wobei die chemische Zusammensetzung der Übergangsschicht ein Graduierungsverhältnis von 20:80 bis 80:20 aufweist, bezogen auf die Verschleißschutzschicht und die Einlaufschicht.

[0012] Die chemische Zusammensetzung ist im Gradierungsverhältnis 20:80 bis 80:20 für die Einzelschichttypen Verschleißschutzschicht : Einlaufschicht einstellbar.

Beispiel 1:

[0013] 

1. Schicht: Verschleißschutzschicht

2. Schicht: auf der Seite der Verschleißschutzschicht ist die chemische Zusammensetzung der Übergangsschicht zu 80 % wie die Zusammensetzung der Verschleißschutzschicht, zu 20 % wie die der Einlaufschicht, zur Seite der Einlaufschicht hin erfolgt ein im Wesentlichen linearer Übergang bis hin zu einer Zusammensetzung, die zu 20 % der Zusammensetzung der Verschleißschutzschicht, zu 80 % der Zusammensetzung der Einlaufschicht entspricht

3. Schicht: Einlaufschicht

Beispiel 2:

[0014] 

1. Schicht: Verschleißschutzschicht

2. Schicht: chemische Zusammensetzung 20 % wie Verschleißschutzschicht, 80 % wie Einlaufschicht, Übergang linear zu 80 % wie Verschleißschutzschicht, 20 % wie Einlaufschicht

3. Schicht: Einlaufschicht

[0015] Gemäß einer Ausführungsform liegt die Schichtdicke der Verschleißschutzschicht im Bereich von 100-800 µm, bevorzugt 200-600 µm, und am meisten bevorzugt 300-500 µm.

[0016] Gemäß einer Ausführungsform liegt die Schichtdicke der Einlaufschicht im Bereich von 100-500 µm, bevorzugt 200-400 µm, und am meisten bevorzugt 150-300 µm.

[0017] Gemäß einer Ausführungsform liegt die Schichtdicke der Übergangsschicht, in der Verschleißschutz- und Einlaufschicht gradiert vorliegen, im Bereich von 0-600 µm, und am meisten bevorzugt 0-250 µm.

[0018] Gemäß einer Ausführungsform ist das Substrat ein Ring mit einem Durchmesser größer 220 mm, bevorzugt größer 430 mm und maximal 980 mm.

[0019] Gemäß einer Ausführungsform liegen die Partikelgrößen des Pulvers im Bereich von 1 - 100 µm.

[0020] Gemäß einer Ausführungsform sind die Karbide in einer Nickel-Chrom-Matrix eingebettet und weisen eine Partikelgröße von 0,5-5 µm auf.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0021] 

Fig. 1

zeigt die Mikrostruktur einer thermisch gespritzten Verschleißschutz/Einlauf-Schicht nach einer Ausführungsform der Erfindung;

Durchgeführte Versuche:

[0022] Das Pulver wurde thermisch gespritzt und für verschiedene Varianten wurden die chemische Zusammensetzung (Tabelle 1), der Karbidanteil (Tabelle 2), die Mikrostruktur (Fig. 1), die Porösität und Härte (Tabelle 3) geprüft. Versuch 1 und 2 unterscheiden sich dadurch, dass Schichttyp 1 im Versuch 1 und Schichttyp 2 im Versuch 2 hergestellt wurde. Für die Versuche 1.1 bis 1.4 bzw. 2.1 bis 2.4 wurden unterschiedliche Karbidkonzentrationen eingestellt. Die jeweilige Topschicht enthält keine Karbide, da diese Schicht für einen kontrollierten Einlauf eingesetzt wird.

Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung der Verschleißschutz-/Einlaufschicht Typ 1

Versuch	Karbidanteil	Chemische Zusammensetzung
		Fe	W	Cr	Ni	Mo	C	Si	Ni	C
		Verschleißschutzschicht							Einlaufschicht
#	(Gew%)	(Gew%)							(Gew%)
1.1	0	47,5	0	28	17	4,6	1,8	1,1	70	30
1.2	20	35,7	11,2	30,2	15,2	3,8	3,1	0,8	70	30
1.3	40	23,9	22,5	33,2	12,4	2,6	4,9	0,5	90	10
1.4	60	11,4	33,8	34,8	11,7	2,3	5,7	0,3	90	10

Tabelle 2: Karbidanteil der Verschleißschutz-/Einlaufschicht Typ 1

Versuch	Karbidanteil	Einzelne Karbide
		Verschleißschutzschicht		Einlaufschicht
		WC	Cr3C2	Karbide insgesamt
	Soll	Ist	Ist	Ist
#	(Gew%)	(Gew%)
1.1	0	0	0	0
1.2	20	9	13	0
1.3	40	17,5	25	0
1.4	60	26	37,5	0

[0023] Die Mikrostrukturaufnahmen (Fig. 1) zeigen homogen verteilte Karbide für die Verschleißschutzschicht, keine unaufgeschmolzenen Partikel und eine sehr dichte Schicht mit einer sehr geringen Porösität von < 2%. In der Topschicht sind die Graphitaussscheidungen deutlich zu erkennen. Die Schichtdicke der Verschleißschutzschicht beträgt 330 µm, die der Einlaufschicht 180 µm.

Tabelle 3: Härte/Porösität der Verschleißschutzschicht Typ 1

Versuch	Karbidanteil Soll	HV1	Porosität
#	(Gew%)		%
1.1	0	520	<1
1.2	20	564	<1
1.3	40	597	<1
1.4	60	710	<2

[0024] Wie in Tabelle 3 dargestellt, haben erste Versuche gezeigt, dass die Verschleißschutzschicht des Typs 1 eine Porösität von < 1-2 % bei einer Härte von etwa 520HV1 für den Karbidfreien Fe-Basiswerkstoff bis zu 710HV1 für den Fe-Basiswerkstoff mit einem Karbidanteil von 60 Gew.% aufweisen. Die Härte der Einlaufschicht lässt sich aufgrund des hohen Graphitanteils nicht bestimmen.

[0025] Die Zugabe von Karbiden ermöglicht eine gezielte Einstellung der Härte 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/Laufluchse geschmiert" hinweist, nachdem der Einlaufprozess abgeschlossen ist.

Ansprüche

1. Gleitelement, insbesondere Kolbenring für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend

- ein Substrat; und

- eine Verschleißschutzschicht, erhältlich durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile
2-50 Gewichtsprozent Eisen, FE;
5-60 Gewichtsprozent Wolfram, W;
5-40 Gewichtsprozent Chrom, Cr;
5-25 Gewichtsprozent Nickel, Ni;
1-5 Gewichtsprozent Molybdän, Mo;
1-10 Gewichtsprozent Kohlenstoff, C; und
0,1-2 Gewichtsprozent Silizium, Si;
und

- eine Einlaufschicht, erhältlich durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile
60-95 Gewichtsprozent Nickel;
5-40 Gewichtsprozent Kohlenstoff.

2. Gleitelement nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Übergangsschicht zwischen der Verschleißschutzschicht und der Einlaufschicht, wobei die chemische Zusammensetzung der Übergangsschicht ein Graduierungsverhältnis von 20:80 bis 80:20 aufweist, bezogen auf die Verschleißschutzschicht und die Einlaufschicht, wobei die Zusammensetzung der Übergangsschicht auf der Seite der Verschleißschutzschicht zu 80% der Zusammensetzung der Verschleißschutzschicht und zu 20% der Zusammensetzung der Einlaufschicht entspricht, und wobei zur Seite der Einlaufschicht hin ein linearer Übergang erfolgt bis hin zu einer Zusammensetzung der Übergangsschicht auf der Seite der Einlaufschicht, die zu 20% der Zusammensetzung der Verschleißschutzschicht und zu 80% der Zusammensetzung der Einlaufschicht entspricht.

3. Gleitelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Anteil an Karbiden des Pulvers für die Verschleißschutzschicht 10-75 Gewichtsprozent beträgt, zusammengesetzt aus 0-60 Gewichtsprozent Wolfram-Karbid, WC, und 0-50 Gewichtsprozent Chrom-Karbid, Cr₃C₂.

4. Gleitelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schichtdicke der Verschleißschutzschicht im Bereich von 100-800 µm liegt.

5. Gleitelement nach Anspruch 4, wobei die Schichtdicke der Verschleißschutzschicht im Bereich 200-600 µm liegt.

6. Gleitelement nach Anspruch 4, wobei die Schichtdicke der Verschleißschutzschicht im Bereich 300-500 µm liegt.

7. Gleitelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schichtdicke der Einlaufschicht im Bereich von 100-500 µm, bevorzugt 200-400 µm, und am meisten bevorzugt 150-300 µm liegt.

8. Gleitelement nach Anspruch 7, wobei die Schichtdicke der Einlaufschicht im Bereich von 200-400 µm liegt.

9. Gleitelement nach Anspruch 7, wobei die Schichtdicke der Einlaufschicht im Bereich von 150-300 µm liegt.

10. Gleitelement nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Schichtdicke der Übergangsschicht, in der Verschleißschutz- und Einlaufschicht gradiert vorliegen, im Bereich von 0-600 µm liegt.

11. Gleitelement nach Anspruch 10, wobei die Schichtdicke der Übergangsschicht, in der Verschleißschutz- und Einlaufschicht gradiert vorliegen, im Bereich von 0-250 µm liegt.

12. Gleitelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat ein Ring mit einem Durchmesser größer 220 mm ist.

13. Gleitelement nach Anspruch 12, wobei das Substrat ein Ring mit einem Durchmesser größer 430 mm und maximal 980 mm ist.

14. Gleitelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikelgrößen des Pulvers im Bereich von 1-100 µm liegen.

15. Gleitelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Karbide in einer Nickel-Chrom-Matrix eingebettet sind und eine Partikelgröße von 0,5-5 µm aufweisen.

Claims

1. A sliding element, particularly a piston ring for an internal combustion engine, comprising

- a substrate and

- a wear-protection layer, obtainable by thermal spraying of a powder comprising the element proportions
2-50 percent by weight iron, FE;
5-60 percent by weight tungsten, W;
5-40 percent by weight chromium, Cr;
5-25 percent by weight nickel, Ni;
1-5 percent by weight molybdenum, Mo;
1-10 percent by weight carbon, C and
0.1-2 percent by weight silicon, Si;
and

- a running-in layer, obtainable by thermal spraying of a powder comprising the element proportions
60-95 percent by weight nickel;
5-40 percent by weight carbon.

2. The sliding element according to claim 1, further comprising a transitional layer between the wear-protection layer and the running-in layer, wherein the chemical composition of the transitional layer exhibits a graduation ratio of 20:80 to 80:20, relative to the wear-protection layer and the running-in layer, wherein the composition of the transitional layer on the side of the wear-protection layer corresponds to 80% with the composition of the wear-protection layer and to 20% with the composition of the running-in layer, and wherein a linear transition is made towards the side of the running-in layer up to a composition of the transition layer on the side of the running-in layer which corresponds to 20% with the composition of the wear-protection layer and to 80% with the composition of the running-in layer.

3. The sliding element according to claim 1 or 2, wherein the proportion of carbides of the powder for the wear-protection layer is 10-75 percent by weight, made up of 0-60 percent by weight tungsten carbide, WC and 0-50 percent by weight chrome-carbide, Cr₃C₂.

4. The sliding element according to one of the preceding claims, wherein the layer thickness of the wear-protection layer falls in the range 100-800 µm.

5. The sliding element according to claim 4, wherein the layer thickness of the wear-protection layer falls in the range 200-600 µm.

6. The sliding element according to claim 4, wherein the layer thickness of the wear-protection layer falls in the range 300-500 µm.

7. The sliding element according to one of the preceding claims, wherein the layer thickness of the running-in layer falls in the range 100-500 µm, preferably 200-400 µm and most preferably 150-300 µm.

8. The sliding element according to claim 7, wherein the layer thickness of the running-in layer falls in the range 200-400 µm.

9. The sliding element according to claim 7, wherein the layer thickness of the running-in layer falls in the range 150-300 µm.

10. The sliding element according to one of the claims 2 to 9, wherein the layer thickness of the transitional layer, in which the wear-protection and running-in layers are present in graded form, falls in the range 0-600 µm.

11. The sliding element according to claim 10, wherein the layer thickness of the transitional layer, in which the wear-protection and running-in layers are present in graded form, falls in the range 0-250 µm.

12. The sliding element according to one of the preceding claims, wherein the substrate is a ring with a diameter greater than 220 mm.

13. The sliding element according to claim 12, wherein the substrate is a ring with a diameter greater than 430 mm and maximum 980 mm.

14. The sliding element according to one of the preceding claims, wherein the particle sizes of the powder fall in the range 1-100 µm.

15. The sliding element according to one of the preceding claims, wherein the carbides are embedded in a nickel-chrome matrix and exhibit a particle size of 0.5-5 µm.

Revendications

1. Elément coulissant, en particulier segment de piston pour moteur à combustion interne, comprenant

- un substrat et

- une couche de protection contre l'usure, pouvant être obtenue par injection thermique d'une poudre comprenant les parties d'élément
2-50 pourcent en poids de fer, FE,
5-60 pourcent en poids de tungstène, W,
5-40 pourcent en poids de chrome, Cr,
5-25 pourcent en poids de nickel, Ni,
1-5 pourcent en poids de molybdène, Mo,
1-10 pourcent en poids de carbone, C
0,1-2 pourcent en poids de silicium, Si
et

- une couche d'entrée, pouvant être obtenue par injection thermique d'une poudre comprenant les parties d'élément
60-95 pourcent en poids de nickel,
5-40 pourcent en poids de carbone.

2. Elément coulissant selon la revendication 1 comprenant en outre une couche de transition entre la couche de protection contre l'usure et la couche d'entrée, la composition chimique de la couche de transition présentant un rapport de graduation de 20 :80 à 80 :20, se référant à la couche de protection contre l'usure et la couche d'entrée, la composition de la couche de transition sur le côté de la couche de protection contre l'usure correspondant à 80 % de la composition de la couche de protection contre l'usure et à 20 % de la composition de la couche d'entrée et une transition linéaire ayant lieu sur le côté de la couche d'entrée jusqu'à une composition de la couche de transition sur le côté de la couche d'entrée qui correspond à 20 % de la composition de la couche de protection contre l'usure et à 80 % de la composition de la couche d'entrée.

3. Elément coulissant selon la revendication 1 ou 2, la partie
en carbures de la poudre pour la couche de protection contre l'usure se montant à 10-75 pourcent en poids, composée de 0-60 pourcent en poids de tungstène-carbure, WC et de 0-50 pourcent en poids de chrome-carbure, Cr₃C₂.

4. Elément coulissant selon une quelconque des revendications précédentes, l'épaisseur de couche de la couche de protection contre l'usure se situant dans la gamme de 100-800 µm.

5. Elément coulissant selon la revendication 4, l'épaisseur de couche de la couche de protection contre l'usure se situant dans la gamme de 200-600 µm.

6. Elément coulissant selon la revendication 4, l'épaisseur de couche de la couche de protection contre l'usure se situant dans la gamme de 300-500 µm.

7. Elément coulissant selon une quelconque des revendications précédentes, l'épaisseur de couche de la couche d'entrée se situant dans la gamme de 100-500 µm, de préférence de 200-400 µm et de façon la plus préférée de 150-300 µm.

8. Elément coulissant selon la revendication 7, l'épaisseur de couche d'entrée se situant dans la gamme de 200-400 µm.

9. Elément coulissant selon la revendication 7, l'épaisseur de couche d'entrée se situant dans la gamme de 150-300 µm.

10. Elément coulissant selon une quelconque des revendications 2 à 9, l'épaisseur de couche de la couche de transition, existant de façon graduée dans la couche de protection contre l'usure et la couche d'entrée, se situant dans la gamme de 0-600 µm.

11. Elément coulissant selon la revendication 10, l'épaisseur de couche de la couche de transition, existant de façon graduée dans la couche de protection contre l'usure et la couche d'entrée, se situant dans la gamme de 0-250 µm.

12. Elément coulissant selon une quelconque des revendications précédentes, le substrat étant un anneau d'un diamètre supérieur à 220 mm.

13. Elément coulissant selon la revendication 12, le substrat étant un anneau avec un diamètre supérieur à 430 mm et maximum de 980 mm.

14. Elément coulissant selon une quelconque des revendications précédentes, les tailles des particules de la poudre se situant dans la gamme de 1-100 µm.

15. Elément coulissant selon une quelconque des revendications précédentes, les carbures étant insérés dans une matrice nickel-chrome et présentant une taille particulaire de 0,5-5 µm.

Zeichnung