DE3017907C2 - Wear-resistant sliding element for internal combustion engines - Google Patents
Wear-resistant sliding element for internal combustion enginesInfo
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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.The invention relates to a wear-resistant sliding element for internal combustion engines according to the preamble of claim 1. Such sliding elements are components that have high wear resistance must, such as in particular piston rings, cylinder bushes etc.
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.In the course of the last tent there was an increase in the Compression ratio and the speed of internal combustion engines with the aim of improving their performance or the operating properties, of course, the wear resistance also increased of piston rings or cylinder liners according to the requirements.
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.The wear properties can generally be In Classify abrasion (squint abrasion from foreign bodies of great hardness) and wear and tear or fretting; these factors have a great influence on the properties of internal combustion engines. As a result, no achieve satisfactory wear resistance, if not both abrasion and scuff resistance be improved.
Zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit wurden bereits verchromte Kolbenringe sowie solche vorgeschlagen, die eine Gleitfläche aufweisen, welche durch Flammspritzen mit einer Molybdänschicht versehen worden 1st.To improve the wear resistance, chrome-plated piston rings as well as those have already been proposed, which have a sliding surface which is provided with a molybdenum layer by flame spraying been 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.However, the chrome plating of piston rings is very expensive, while the seizure and wear resistance dlgkelt is still inadequate. Chrome-plated piston rings are currently capable of sliding elements not to meet the requirements set. The piston rings are coated with a molybdenum layer on the other hand, poor abrasion resistance. In addition, molybdenum is very expensive, so that this element is not used in can be used on a larger scale.
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. In view of the circumstances mentioned, the previous ones can be chrome-plated and coated with molybdenum Piston rings not as both satisfactory wear-so strength as well as sufficient wear resistance are considered to have, rather have such Elements Overall insufficient wear resistance.
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.There have also been proposed sliding elements, which are provided with an applied by flame spraying Mlschleglerungsschlcht showing a structure of a ferro-alloy phase, an alloy phase from the ferro-alloy and molybdenum containing a simultaneously by flame spraying of molybdenum formed molybdenum phase, and b0 of a ferro-alloy. These previous sliding elements contain a mixture of molybdenum and ferro-alloy for the purpose of improving the bond or adhesive strength of the particles applied by flame spraying in the relevant layer. When Medley b5 th flame spraying of molybdenum and Elsen the product, but has insufficient wear resistance, although improved bond strength existing between the pressure applied by flame spraying particles of the layer.
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.GB-PS 10 14 383 discloses a wear-resistant sliding element for internal combustion engines with a wear-resistant layer which is applied to its sliding surface by flame spraying and which contains a metal carbide with a Vickers hardness of more than 750 Hv. In addition, DE-AS 29 38 151 describes a sliding element for internal combustion engines, which has a flame sprayed layer of 95.5 to 99.5 wt. Sb of a metal carbide with a Vickers hardness of 750 to 2000 Hv and 4.5 to 0, Has 5 wt .-% molybdenum. The porosity of the layer is 30Su or less, while its thickness is specified as a maximum of 2.5 mm. A sliding element with this flame spray coating shows, compared to other already existing sliding elements, a reduction in the amount of abrasion to about half, which still corresponds to a value of about 0.02 mg / cm 2 km.
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. The object of the invention is thus in particular to create an improved sliding element with a Flame spray coating that can be produced in a cost-saving manner through the combined flame spraying of molybdenum and Elsen and which has a further improved wear resistance with satisfactory abrasion resistance and at the same time has sufficient resistance to seizure or wear.
Diese Aufgabe wird bei einem Gleitelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruches erfindungsgemäß durch die In dessen kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale gelöst.This task is with a sliding element after The preamble of the claim according to the invention is indicated in the characterizing part thereof Features solved.
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.As a result of extensive research, it has been shown that a layer formed by flame spraying molybdenum and ferro-alloy on the sliding surface of a sliding element ensures excellent abrasion resistance and excellent wear resistance at the same time if the flame sprayed layer in its final composition or structure is 20 to 97% by weight of a metal carbide with a Vickers hardness (Hv) of at least 750, 4.5 to 0.5% by weight of molybdenum and the remainder (up to a total of 100% by weight) of Elsen or a ferro-alloy. The amount of abrasion can still be reduced significantly below 0.02 mg / cm 2 km with the sliding element according to the invention, that is to say to somewhat lower values than with the sliding element described in DE-AS 29 38 151. In addition, the bonding strength or adhesive strength of the particles in the base material is improved, which can be attributed to the formation of an alloy between molybdenum and Elsen or ferroalloy, which also increases the wear resistance.
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 fördertThe metal carbide should have a Vickers hardness (Hv) of at least 750 because it is below this value a satisfactory wear resistance for sliding elements for use in internal combustion engines is not Is achievable while a metal carbide with a hardness (Hv) of at least 750 promotes wear resistance
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.and increases the hardness of the layer as a whole. When the amount of the metal carbide is less than 20% by weight, satisfactory wear resistance and hardness cannot be obtained either. With a lot more than 97% by weight, on the other hand, is the wear on the mating element with that made of this alloy Sliding element under performing a relative movement in GleitberOhrung., Too large, and it occurs a tendency to eat.
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.Part of the added molybdenum forms an alloy with iron or a ferroalloy. At a The amount of molybdenum below 0.5% by weight cannot sufficiently improve the bond strength or adhesive strength achieve because the desired bond between the particles in the alloying of molybdenum does not occur with iron or ferro-alloy, so that the bond strength or strength is impaired and overall no improvement in the chipping resistance properties of the wear-resistant ones. Containing molybdenum Flame spray layer is achieved. Above more than 4.5% by weight of molybdenum, no significant Improving the chipping resistance of the bond between the by alloying molybdenum with Elsen or ferro-alloy particles formed are more noticeable. For economic Therefore, the amount of molybdenum is limited to a maximum of 4.5% by weight.
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.The porosity of the flame spray layer is very important for the retention of lubricating oil. The porosity the layer is limited to a maximum of 30% because of various difficulties such as breaking out above this value of particles and flaking of the flame spray coating.
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.The flame spray coating continues to have excellent Adhesion or adhesion properties. However, it has been shown that a flame spray coating with a Thickness of more than 2.5 mm is very prone to flaking, which is why the thickness of this layer is at most 2.5 mm is limited.
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.Examples of the ferro-alloy to be used are alloyed carbon steel, stainless steel with 16% Chromium content, etc. The choice of ferroalloy to be used must be made with care because sometimes the hardness of the entire flame spray layer depending on the ferro-alloy used will. Any ferroalloy can be used that has the overall hardness of the flame sprayed coating not belittling.
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.The wear-resistant flame spray coating can be produced by plasma flame spraying Powder mixture of metal carbide, molybdenum and iron or ferro-alloy on the sliding surface of the sliding element is applied. Both a single metal carbide and a Mixture of several metal carbides is used.
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.As the powder to be applied by flame spraying, a mixture of two or three components such as Molybdenum, iron and / or ferro-alloy powder, or an alloy powder made from a 'containing molybdenum' Ferrocarbide can be applied. By plasma flame spraying the material or the Materlallen a achieve a suitable, wear-resistant flame spray coating.
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.In the following the invention is explained in more detail with reference to the accompanying drawing, the single figure is a graphical representation of a comparison-f phical Verschlelßversuchs with a sliding member according to the invention and a previous slide.
Gleitelement-Prüflinge I bis 3 wurden unter Verwendung üblicher Gleitelemente mit den Abmessungen 15 χ'20 χ 7 mm wie folgt hergestellt:Slider Samples I to 3 were made using common sliding elements with the dimensions 15 χ'20 χ 7 mm manufactured as follows:
Prüfling 1Test item 1
Molybdänpulver
Kohlenstoffstahlpulver
(0,8 Gew.-*, C)Molybdenum powder
Carbon steel powder
(0.8 wt .- *, C)
50 Gew.-*,50 wt .- *,
50 Gew.-%50% by weight
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).The above composition was flame sprayed onto the Sliding element applied (porosity: 15%; hardness on the Rockwell C scale: 40).
Prüfling 2Test item 2
Pulver aus rostfreiem Stahl mit ChromStainless steel powder with chrome
(16% Cr, 2% Nl, 0,2% C, Rest Fe) 10 Gew.-%(16% Cr, 2% Nl, 0.2% C, remainder Fe) 10% by weight
Chromkarbidpulver (13% C) 87 Gew.-%Chromium carbide powder (13% C) 87% by weight
Molybdänpulver 3 Cew.-% Molybdenum powder 3 wt%
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:The above composition was flame sprayed to form a 0.5 mm thick layer (Porosity 5%) applied to the sliding element. An analysis of the formed flame sprayed film revealed the following Composition:
Metallkarbid (Hv 1300) 83,7 Gew.-%Metal carbide (Hv 1300) 83.7% by weight
Molybdän 3,1 Gew.-%Molybdenum 3.1% by weight
Ferrolegierung RestFerroalloy rest
Prüfling 3Test item 3
Eisen/ Ferrolegierungspul verIron / ferro alloy powder
(3,5% C, Rest Elsen) 97 Gew.-%(3.5% C, remainder Elsen) 97% by weight
Molybdänpulver 3 Gew.-%Molybdenum powder 3% by weight
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:The above composition was again used to form a 0.5 mm thick layer (porosity 3%) applied to the sliding element by flame spraying. An analysis of the flame sprayed layer produced resulted the following composition:
Metallkarbid (Hv 950)Metal carbide (Hv 950)
Molybdänmolybdenum
Eiseniron
50 Gew..9b 3 Gew.-% Rest50 wt. 9b 3 wt.% Remainder
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:These specimens were clamped on a rotating wear testing machine and placed against the surface of a disk workpiece made of steel (3.2% C, 2.0% Si, 0.8% Mn, remainder iron) with a hardness on the Rockwell C scale according to 98 pressed. The degree of wear was below the rotation of the disk workpiece Supply of lubricating oil to the contact surfaces determined under the following conditions:
PrüfbedingungenTest conditions
SchmierölmengeAmount of lubricating oil
SchmierölLubricating oil
Belastungload
SchleifgeschwindigkeitGrinding speed
GleitstreckeGlide path
0,5 l/min. Daphne Oll Nr. 65 20 kgi'cm2 5 m/s 300 km0.5 l / min. Daphne Oll No. 65 20 kgi'cm 2 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..The results obtained can be found in the figure. This shows that test items 2 and 3 show less -Is half the wear of test item 1, which was provided with a conventional flame spray layer made of Elsen and molybdenum. The inventive Sliding element is therefore superior to the previous sliding element in terms of wear resistance.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
Claims (1)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| OAP | Request for examination filed | ||
| OD | Request for examination | ||
| 8128 | New person/name/address of the agent |
Representative=s name: HENKEL, G., DR.PHIL. FEILER, L., DR.RER.NAT. HAENZ |
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Free format text: F02F 1/00 F16J 9/26 F16J 10/04 F16J 10/04 |
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| D2 | Grant after examination | ||
| 8363 | Opposition against the patent | ||
| 8365 | Fully valid after opposition proceedings | ||
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