GLEITELEMENT MIT THERMISCH GESPRITZTER BESCHICHTUNG UND HERSTELLUNGSVERFAHREN DAFÜR

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitelement, insbesondere einen Kolbenring, für eine Verbrennungskraftmaschine, sowie ein Herstellungsverfahren für ein solches Gleitelement.

[0002] Ziel der Erfindung ist es, die tribologischen Eigenschaften von thermisch gespritzten Kolbenringen mit einem bisher nicht verwendeten Materialsystem als Beschichtungsmaterial im Vergleich zu Kolbenringbeschichtungen, die mittels galvanischer Verfahren oder thermischen Spritzens hergestellt werden, zu verbessern.

[0003] Chrom-basierte Beschichtungen, aufgetragen mittels thermischen Spritzens, finden noch keine Anwendung auf Kolbenringen. Chromhaltige Schichtsysteme werden heutzutage mittels galvanischer Prozesse auf Kolbenringe aufgetragen. Zusätzlich werden Metalloxid-oder Diamantpartikel während des Prozesses in die Chromschichten eingelagert, um den Verschleißwiderstand zu verbessern. EP 0834585 offenbart ein chrombasiertes Pulver.

[0004] Eine Alternative zu den mit Metalloxid- oder Diamantpartikeln verstärkten Chromschichten, die mittels galvanischer Prozesse hergestellt werden, ist das Beschichten von Gleitelementen mit chrombasierten Materialien mittels thermischen Spritzens. Die Hartstoffpartikel zur Verschleißreduzierung sind bei der thermisch gespritzten Schicht Chromkarbide (Cr₃C₂).

[0005] Die Verwendung von Cr-basierten Schichtsystemen mit Chromkarbiden als Kolbenringbeschichtungsmaterial, hergestellt mittels Plasmaspritzen oder Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (high velocity oxy fuel, HVOF), führt zu der Herstellung eines neuen Kolbenringtyps.

[0006] Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Gleitelement für eine Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt, umfassend ein Substrat und eine Beschichtung, erhältlich durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile
55-75 Gewichtsprozent Chrom, Cr;
3-10 Gewichtsprozent Silizium, Si;
18-35 Gewichtsprozent Nickel, Ni;
0,1-2 Gewichtsprozent Molybdän, Mo;
0,1-3 Gewichtsprozent Kohlenstoff, C;
0,5-2 Gewichtsprozent Bor, B; und
0-3 Gewichtsprozent Eisen, Fe.

[0007] Der Werkstoff des Gleitelements, insbesondere eines Kolbenrings, kann beispielsweise Stahl oder Gusseisen sein.

[0008] Gemäß einer Ausführungsform weist das Pulver Cr₃C₂ in einer Ni/Cr-Matrix eingebettet auf.

[0009] Gemäß einer Ausführungsform liegen die Partikelgrößen des Pulvers in einem Bereich von 5-65 µm.

[0010] Gemäß einer Ausführungsform liegt die Partikelgröße von in der Ni/Cr-Matrix eingebetteten Karbiden in einem Bereich von 1-5 µm.

[0011] Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Schichtdicke der Beschichtung bis zu 1000 µm.

[0012] Gemäß einer Ausführungsform umfasst das thermische Spritzen Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Plasmaspritzen.

[0013] Gemäß einer Ausführungsform ist das Gleitelement ein Kolbenring.

[0014] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements für eine Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt, umfassend Bereitstellen eines Substrats und Beschichten des Substrats durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile
55-75 Gewichtsprozent Chrom, Cr;
3-10 Gewichtsprozent Silizium, Si;
18-35 Gewichtsprozent Nickel, Ni;
0,1-2 Gewichtsprozent Molybdän, Mo;
0,1-3 Gewichtsprozent Kohlenstoff, C;
0,5-2 Gewichtsprozent Bor, B; und
0-3 Gewichtsprozent Eisen, Fe.

[0015] Gemäß einer Ausführungsform weist das Pulver Cr₃C₂ in einer Ni/Cr-Matrix eingebettet auf.

[0016] Gemäß einer Ausführungsform liegen die Partikelgrößen des Pulvers in einem Bereich von 5-65 µm.

[0017] Gemäß einer Ausführungsform liegt die Partikelgröße von in der Ni/Cr-Matrix eingebetteten Karbiden in einem Bereich von 1-5 µm.

[0018] Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Schichtdicke der Beschichtung bis zu 1000 µm.

[0019] Gemäß einer Ausführungsform umfasst das thermische Spritzen Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Plasmaspritzen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0020] 

Fig. 1

zeigt eine Abbildung der Mikrostruktur einer Cr-Ni-Si-C-Fe-B-Beschichtung auf Kolbenringmaterial, hergestellt mittels HVOF, die nicht unter Anspruch 1 fällt.

[0021] Das Pulver wurde verspritzt und die Mikrostruktur (gezeigt in Fig. 1) sowie Härte und Verschleißeigenschaften geprüft. Die Mikrostrukturaufnahmen zeigen homogen verteilte Karbide, keine unaufgeschmolzenen Partikel und eine sehr dichte Schicht mit einer geringen Porösität. Das hierbei verwendete Materialsystem hat folgende chemische Zusammensetzung ergeben:

65,5 - 65,7 Gewichtsprozent Chrom, Cr;

3,7 - 3,9 Gewichtsprozent Silizium, Si;

21,2 - 21,4 Gewichtsprozent Nickel, Ni;

1,2 - 1,3 Gewichtsprozent Molybdän, Mo;

5,8 - 5,9 Gewichtsprozent Kohlenstoff, C;

0,7 Gewichtsprozent Bor, B; und

1,2 Gewichtsprozent Eisen, Fe;

[0022] Erste Versuche haben gezeigt, dass die Schichten eine Porosität von < 5% bei einer Härte von etwa 948 HV0.1 aufweisen. Dies wird durch die vorhandenen Hartstoffphasen wie Cr₃Si, Ni₂Si, Fe₃B sowie Cr₅B₃ sowie den HVOF Prozess verursacht.

[0023] Um die tribologischen Eigenschaften dieses Systems zu prüfen, wurden Verschleißtests auf dem internen Standard-Prüfsystem im geschmierten Zustand durchgeführt.

[0024] Tabelle 1 zeigt die Bewertung der gemessenen Verschleißwerte im Vergleich zu galvanisch hergestellten Cr-basierten und thermisch gespritzten Mo-basierten Schichten. Es ist deutlich zu erkennen, dass das in dieser Erfindungsmeldung beschriebene Materialsystem als zu erkennen, dass das in dieser Erfindungsmeldung beschriebene Materialsystem als Alternative gegenüber anderen Beschichtungstechnologien verwendet werden kann. Zudem sind mittels des thermischen Spritzverfahrens wesentlich kürzere Beschichtungszeiten realisierbar (100 µm/min gegenüber 1 µm/h für Galvanik).

Tabelle 1:

Bewertung unterschiedlicher Schichtsysteme hinsichtlich Verschleiß nach Standard-Verschleißtest, bezogen auf den maximalen Verschleiß in axialer Richtung
	Ring	Laufbuchse
Serienschicht (Cr-basiert galvanisch)	(++)	(+)
Serienschicht (Mo-basiert, thermisches Spritzen)	(0)	(+)
Entwicklungsschicht (thermisches Spritzen)	(+)	(+)

Ansprüche

1. Gleitelement für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend

- ein Substrat; und

- eine Beschichtung, erhältlich durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile

55-75 Gewichtsprozent Chrom,	Cr;
3-10 Gewichtsprozent Silizium,	Si;
18-35 Gewichtsprozent Nickel,	Ni;
0,1-2 Gewichtsprozent Molybdän,	Mo;
0,1-3 Gewichtsprozent Kohlenstoff,	C;
0,5-2 Gewichtsprozent Bor,	B; und
0-3 Gewichtsprozent Eisen, Fe.

2. Gleitelement nach Anspruch 1, wobei das Pulver Cr3C2 in einer Ni/Cr-Matrix eingebettet aufweist.

3. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Partikelgrößen des Pulvers in einem Bereich von 5-65 µm liegen.

4. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Partikelgröße von in der Ni/Cr-Matrix eingebetteten Karbiden in einem Bereich von 1-5 µm liegt.

5. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Schichtdicke der Beschichtung bis zu 1000 µm beträgt.

6. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das thermische Spritzen Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Plasmaspritzen umfasst.

7. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Gleitelement ein Kolbenring ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend

- Bereitstellen eines Substrats; und

- Beschichten des Substrats durch thermisches Spritzen eines Pulvers umfassend die Elementanteile

55-75 Gewichtsprozent Chrom,	Cr;
3-10 Gewichtsprozent Silizium,	Si;
18-35 Gewichtsprozent Nickel,	Ni;
0,1-2 Gewichtsprozent Molybdän,	Mo;
0,1-3 Gewichtsprozent Kohlenstoff,	C;
0,5-2 Gewichtsprozent Bor,	B; und
0-3 Gewichtsprozent Eisen, Fe.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Pulver Cr3C2 in einer Ni/Cr-Matrix eingebettet aufweist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei die Partikelgrößen des Pulvers in einem Bereich von 5-65 µm liegen.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Partikelgröße von in der Ni/Cr-Matrix eingebetteten Karbiden in einem Bereich von 1-5 µm liegt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die Schichtdicke der Beschichtung bis zu 1000 µm beträgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das thermische Spritzen Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Plasmaspritzen umfasst.

Claims

1. A sliding member for an internal combustion engine, comprising

- a substrate; and

- a coating, obtainable by thermal spraying of a powder including the element proportions
55-75 percent by weight chromium, Cr;
3-10 percent by weight silicon, Si;
18-35 percent by weight nickel, Ni;
0.1-2 percent by weight molybdenum, Mo;
0.1-3 percent by weight carbon, C;
0.5-2 percent by weight boron, B; and
0-3 percent by weight iron, Fe.

2. The sliding member as recited in claim 1, wherein the powder includes Cr₃C₂ embedded in a Ni/Cr matrix.

3. The sliding member as recited in any of claims 1 to 2, wherein the particle sizes of the powder are in a range from 5-65 µm.

4. The sliding member as recited in any of claims 1 to 3, wherein the particle size of carbides embedded in the Ni/Cr matrix is in a range from 1-5 µm.

5. The sliding member as recited in any of claims 1 to 4, wherein the layer thickness of the coating is up to 1000 µm.

6. The sliding member as recited in any of claims 1 to 5, wherein the thermal spraying method includes high velocity oxy fuel spraying or plasma spraying.

7. The sliding member as recited in any of claims 1 to 6, wherein the sliding member is a piston ring.

8. A method for producing a sliding member for an internal combustion engine, comprising

- providing a substrate; and

- coating the substrate by thermal spraying of a powder including the element proportions
55-75 percent by weight chromium, Cr;
3-10 percent by weight silicon, Si;
18-35 percent by weight nickel, Ni;
0.1-2 percent by weight molybdenum, Mo;
0.1-3 percent by weight carbon, C;
0.5-2 percent by weight boron, B; and
0-3 percent by weight iron, Fe.

9. The method as recited in claim 8, wherein the powder includes Cr₃C₂ embedded in a Ni/Cr matrix.

10. The method as recited in any of claims 8 to 9, wherein the particle sizes of the powder are in a range from 5-65 µm.

11. The method as recited in any of claims 8 to 10, wherein the particle size of carbides embedded in the Ni/Cr matrix is in a range from 1-5 µm.

12. The method as recited in any of claims 8 to 11, wherein the layer thickness of the coating is up to 1000 µm.

13. The method as recited in any of claims 8 to 12, wherein the thermal spraying includes high velocity oxy fuel spraying or plasma spraying.

Revendications

1. Elément glissant pour un moteur à combustion interne, comprenant

- un substrat ; et

- un revêtement, obtenu par projection thermique d'une poudre comprenant les fractions d'éléments

55-75 de pourcentage en poids de chrome	Cr ;
3-10 de pourcentage en poids de silice	Si ;
18-35 de pourcentage en poids de nickel	Ni ;
0,1-2 de pourcentage en poids de molybdène	Mo ;
0,1-3 de pourcentage en poids de carbone	C ;
0,5-2 de pourcentage en poids de bore	B ; et
0-3 de pourcentage en poids de fer	Fe.

2. Elément glissant selon la revendication 1, dans lequel la poudre présente Cr3C2 dans une matrice Ni/Cr.

3. Elément glissant selon une des revendications 1 à 2, dans lequel la taille des particules de la poudre est comprise dans une plage de 5-65 µm.

4. Elément glissant selon une des revendications 1 à 3, dans lequel la taille des particules des carbures incorporés dans la matrice Ni/Cr est comprise dans une plage de 1-5 µm.

5. Elément glissant selon une des revendications 1 à 4, dans lequel l'épaisseur de couche du revêtement s'élève jusqu'à 1 000 µm.

6. Elément glissant selon une des revendications 1 à 5, dans lequel la projection thermique comprend une projection à la flamme ou une projection au plasma à grande vitesse.

7. Elément glissant selon une des revendications 1 à 6, dans lequel l'élément glissant est une bague à piston.

8. Procédé de fabrication d'un élément glissant pour un moteur à combustion interne, comprenant de

- fournir un substrat ; et

- revêtir le substrat par projection thermique d'une poudre comprenant les fractions d'élément

55-75 de pourcentage en poids de chrome	Cr ;
3-10 de pourcentage en poids de silice	Si ;
18-35 de pourcentage en poids de nickel	Ni ;
0,1-2 de pourcentage en poids de molybdène	Mo ;
0,1-3 de pourcentage en poids de carbone	C ;
0,5-2 de pourcentage en poids de bore	B ; et
0-3 de pourcentage en poids de fer	Fe.

9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la poudre présente du Cr3C2 incorporé dans une matrice Ni/CR.

10. Procédé selon une des revendications 8 à 9, dans lequel les tailles de particules de la poudre sont comprises dans une plage de 5-65 µm.

11. Procédé selon une des revendications 8 à 10, dans lequel la taille de particule des carbures incorporés dans la matrice Ni/Cr est comprise dans une plage de 1-5 µm.

12. Procédé selon une des revendications 8 à 11, dans lequel l'épaisseur de couche du revêtement s'élève jusqu'à 1 000 µm.

13. Procédé selon une des revendications 8 à 12, dans lequel la projection thermique comprend une projection à la flamme ou une projection au plasma à grande vitesse.

Zeichnung