DE112013003176T5 - Sliding element and internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitelement (1) zur Verwendung auf einem Verbrennungsmotor, wobei das Gleitelement (1) mit einer Gleitschicht (4) versehen ist, die eine Wolfram-Matrix und Wolframcarbide umfasst, zum Zwecke des Verlängerns der Langlebigkeit des Gleitelements (1), indem die Dauerhaltbarkeit und die Verschleißfestigkeit verbessert werden, und des gleichzeitigen Verhinderns eines Verschleißes der Motorbauteile, die mit dem Gleitelement (1) zusammenwirken.The present invention relates to a sliding member (1) for use on an internal combustion engine, wherein the sliding member (1) is provided with a sliding layer (4) comprising a tungsten matrix and tungsten carbides for the purpose of prolonging the durability of the sliding member (1). by improving the durability and wear resistance, and simultaneously preventing wear of the engine components which cooperate with the sliding member (1).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitelement zur Verwendung auf einem Verbrennungsmotor, das mit einer Gleitschicht versehen ist, die eine Matrix aus Wolfram und Wolframcarbiden umfasst, in der Absicht, die Langlebigkeit des Gleitelements zu verlängern, indem die Dauerfestigkeit und die Verschleißbeständigkeit verbessert werden, und gleichzeitig einen Verschleiß der Motorbauteile, die mit dem Gleitelement zusammenwirken, zu verhindern.The present invention relates to a sliding member for use on an internal combustion engine provided with a sliding layer comprising a matrix of tungsten and tungsten carbides, with the intention of prolonging the durability of the sliding member by improving fatigue strength and wear resistance, and simultaneously To prevent wear of the engine components, which cooperate with the sliding element.
Beschreibung des Standes der TechnikDescription of the Prior Art
Unter Berücksichtigung der steigenden Anforderungen der Kraftfahrzeugindustrie haben sich neue Erfordernisse entwickelt, die sich direkt in einer höheren Beanspruchung der Bauteile von Verbrennungsmotoren widerspiegeln. So erfahren die heutigen Motorbauteile, die nicht für solche Erfordernisse ausgelegt sind, einen frühen Verschleiß. Einige der Teile, die diesem Effekt naturgemäß unterzogen werden, sind die Gleitelemente, insbesondere Lager und Kolbenringe.Taking into account the increasing demands of the automotive industry, new requirements have been developed that are directly reflected in higher stress on the components of internal combustion engines. Thus, today's engine components, which are not designed for such requirements, experience early wear. Some of the parts naturally subjected to this effect are the sliding elements, in particular bearings and piston rings.
Zahllose Entwicklungen wurden zum Zwecke des Verbesserns der Dauerfestigkeit und der Verschleißbeständigkeit der Bauteile eines Verbrennungsmotors ersonnen. Der Anstieg von Arbeitsdrücken auf Verbrennungsmotoren und die zunehmende Reibungsintensität und der zunehmende Reibungskontakt zwischen den Motorbauteilen machen es jedoch schwierig, derartige Versuche erfolgreich zu gestalten, da diese dazu führen, dass eines der Gleitelemente oder der anderen Motorbauteile verschleißt.Numerous developments have been devised for the purpose of improving the fatigue strength and wear resistance of the components of an internal combustion engine. However, the increase in operating pressures on internal combustion engines and the increasing friction intensity and friction contact between the engine components make it difficult to make such attempts successful because they cause one of the sliding members or other engine components to wear out.
Es sollte auch angemerkt werden, dass die Zukunft keine Einfachheit für dieses Tätigkeitsfeld bereithält; es genügt wohl zu bemerken, dass leistungsstärkere Motoren benötigt werden, die eine höhere und effizientere Drehzahl bei geringerem Verbrauch und höherer Belastbarkeit erreichen können. All diese Faktoren wirken sich auf lange Sicht auf die Leistung des Motors aus, wodurch der Motorbetrieb beeinträchtigt wird oder sogar bewirkt wird, dass der Motor ausfällt.It should also be noted that the future does not provide simplicity for this field of activity; Suffice it to say that more powerful engines are needed, which can achieve a higher and more efficient speed with lower fuel consumption and higher load capacity. All of these factors affect the performance of the engine in the long term, thereby impairing engine operation or even causing the engine to fail.
Selbstverständlich wurden in Anbetracht der neuen Erfordernisse neue Materialien entwickelt, da die bekannten Materialien dieselben Materialien sind, die die Leistung von Verbrennungsmotoren heutzutage einschränken. Einige der wichtigsten Bauteile zum Erzielen einer besseren Leistung eines Motors sind die Gleitelemente, wie Kolben, Lager usw. Aufgrund der Innovationen von Gleitelementen, wie größerer Härte, höherer Dauerfestigkeit und höherer Verschleißbeständigkeit und infolgedessen längerer Nutzungsdauer, hat die Kraftfahrzeugindustrie mittels der Entwicklung von immer effizienteren, leistungsstärkeren und dauerhaften Motoren in Anbetracht der hohen Belastung, der sie ausgesetzt werden, Schritt gehalten.Of course, in view of the new requirements, new materials have been developed because the known materials are the same materials that limit the performance of internal combustion engines today. Some of the most important components for achieving better performance of an engine are the sliding elements such as pistons, bearings, etc. Due to the innovations of sliding elements such as greater hardness, higher fatigue strength and higher wear resistance and consequently longer service life, the automotive industry has become more and more efficient by virtue of the development More powerful and durable engines are kept in step with the high load they are subjected to.
Man versteht, dass je härter das Gleitelement ist, desto weniger wird es verschleißen; aber je härter das Gleitelement ist, desto mehr Verschleiß wird an den weicheren Motorbauteilen auftreten, mit denen es zusammenwirkt. Darüber hinaus ist bekannt, dass je härter das Gleitelement ist, desto brüchiger wird es und desto mehr innere Spannungen werden bei der Fertigung erzeugt, was hauptsächlich zu einem Anstieg der Wahrscheinlichkeit führt, dass eine Delamination des Gleitelements, eine Ablösung der härteren Schicht, die die Komponente aufnimmt, oder sogar ein Brechen, Zerreißen des Bauteils vorliegt.It is understood that the harder the slider is, the less it will wear out; but the harder the slider is, the more wear will occur on the softer engine components it interacts with. Moreover, it is known that the harder the sliding element is, the more brittle it becomes and the more internal stresses are generated during manufacture, which mainly leads to an increase in the likelihood that delamination of the sliding element, a detachment of the harder layer, the Component receives, or even a break, tearing of the component is present.
In dieser Hinsicht hat der Stand der Technik versucht, ein Gleichgewicht mit einem Gleitelement mit ausreichend großer Härte, so dass es in Kontakt mit anderen Motorbauteilen nicht leicht verschleißt, jedoch auch ausreichend unaggressiv in Bezug auf die anderen Motorbauteile ist, um keinen Verschleiß auf den anderen Motorbauteilen zu verursachen, und ausreichender Robustheit zu erreichen, um eine Delamination des Gleitelements zu verhindern und die Nutzungsdauer eines Motors im Allgemeinen zu verlängern. Wie zu sehen ist, ist die Gleichung alles andere als einfach.In this regard, the prior art has attempted to balance with a slider of sufficiently high hardness that it does not easily wear in contact with other engine components, but is also sufficiently unaggressive with respect to the other engine components to be free of wear on the other To cause engine components, and to achieve sufficient robustness to prevent delamination of the sliding member and to extend the useful life of a motor in general. As you can see, the equation is far from simple.
Schließlich offenbart die vorliegende Erfindung ein Gleitelement mit einer größeren Härte als die Gleitelemente des Standes der Technik; es verursacht jedoch andererseits keinen Verschleiß auf den anderen Motorbauteilen, mit denen das Element im Betrieb des Motors ständig zusammenwirkt.Finally, the present invention discloses a sliding member having a higher hardness than the sliding members of the prior art; On the other hand, however, it does not cause wear on the other engine components with which the element constantly interacts during operation of the engine.
Letztlich wird ein Gleitelement mit großer Härte präsentiert, das unter hoher Belastung weniger Verschleiß erfährt, das keine Delamination erfährt und das auch keinen Verschleiß auf den anderen Motorbauteilen verursacht.Ultimately, a sliding element is presented with great hardness, which undergoes less wear under high load, which experiences no delamination and also causes no wear on the other engine components.
Ungeachtet der oben identifizierten möglichen Probleme, wie Verschleiß auf anderen Motorbauteilen oder inneren Spannungen in dem Motor aufgrund der Verwendung eines Gleitelements mit großer Härte, offenbaren die Patentanmeldung
Die Patentanmeldung
Das Patent
Folglich ist es erforderlich, eine Lösung zu erzielen, die das Erfordernis der Dauerhaftigkeit garantiert, wobei das Risiko eines Verschleißes auf den Bauteilen, mit denen das Gleitelement zusammenwirkt, verhindert wird und auch eine Delamination verhindert wird, die naturgemäß dazu neigt, mit der Erhöhung der Härte der Beschichtungsschicht zuzunehmen.Consequently, it is necessary to achieve a solution which guarantees the requirement of durability, avoiding the risk of wear on the components with which the sliding element cooperates, and also preventing delamination, which naturally tends to interfere with the increase in the Hardness of the coating layer to increase.
Ziele der ErfindungObjectives of the invention
Es ist folglich ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Gleitelement zur Verwendung auf Verbrennungsmotoren bereitzustellen, das unterschiedliche Charakteristika in Einklang bringen kann, die für eine bessere Verschleißfestigkeit verantwortlich sind, für sowohl das Gleitelement als auch die Oberflächen der Motorbauteile, mit denen ein derartiges Gleitelement zusammenwirkt.It is therefore an object of the present invention to provide a sliding member for use on internal combustion engines that can reconcile different characteristics that are responsible for better wear resistance for both the sliding member and the surfaces of the engine components with which such a sliding member cooperates ,
Es ist außerdem ein Ziel der Erfindung, ein Gleitelement zur Verwendung auf Verbrennungsmotoren bereitzustellen, das eine Schicht umfasst, die mit einer Wolfram-Matrix und Wolframcarbiden versehen ist, wobei das eisenhaltige Basismaterial mit der Wolfram-Matrix und den Wolframcarbiden beschichtet ist, wobei die Schicht mittels einer Bindeschicht aus Nickel mit der eisenhaltigen Basis verbunden werden kann.It is also an object of the invention to provide a sliding member for use on internal combustion engines comprising a layer provided with a tungsten matrix and tungsten carbides, wherein the iron-containing base material is coated with the tungsten matrix and the tungsten carbides, wherein the layer can be connected by means of a bonding layer of nickel with the iron-containing base.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Gleitelement zur Verwendung auf Verbrennungsmotoren bereitzustellen, das eine Schicht umfasst, die mit einer Wolfram-Matrix und einem Wolframcarbid versehen ist, wobei die Schicht mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) aufgebracht wird.It is another object of the present invention to provide a sliding member for use on internal combustion engines comprising a layer provided with a tungsten matrix and a tungsten carbide, which layer is deposited by chemical vapor deposition (CVD).
Schließlich ist es ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Motor mit dem oben erwähnten Gleitelement bereitzustellen.Finally, it is another object of the present invention to provide a motor with the above-mentioned sliding member.
Kurze Beschreibung der ErfindungBrief description of the invention
Die Ziele der vorliegenden Erfindung werden mittels eines Gleitelements für Verbrennungsmotoren erreicht, wobei das Gleitelement mit einem eisenhaltigen Basismaterial versehen ist, auf das eine Schicht, die mit einer Wolfram-Matrix und Wolframcarbiden versehen ist, mittels CVD gleichzeitig und gleichmäßig aufgebracht wird, wobei die Schicht mittels einer Nickel-Bindeschicht mit der eisenhaltigen Basis verbunden werden kann.The objectives of the present invention are achieved by means of a sliding element for internal combustion engines, wherein the sliding element is provided with a base material containing iron, on which a layer which is provided with a tungsten matrix and tungsten carbides is applied simultaneously and uniformly by means of CVD, the layer can be connected by means of a nickel-bonding layer with the iron-containing base.
Das Gleitelement der vorliegenden Anmeldung für Verbrennungsmotoren kann – ohne Einschränkung darauf – ein Lager, einen Kolbenring, einen Motorkolben und andere Bauteile von Verbrennungsmotoren beinhalten, die Gleiteigenschaften haben.The sliding member of the present application for internal combustion engines may include, but is not limited to, a bearing, a piston ring, an engine piston, and other components of internal combustion engines that have sliding properties.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die vorliegende Erfindung wird nun ausführlich unter Bezugnahme auf ein Beispiel einer Ausführungsform beschrieben, das in den Zeichnungen dargestellt ist. Die Figuren zeigen:The present invention will now be described in detail with reference to an example of an embodiment shown in the drawings. The figures show:
Die
In Anbetracht dessen, dass das gleichmäßige und gleichzeitige Aufbringen der Schicht auf alle Oberflächen des Gleitelements bevorzugt ist, kann auch die Schicht, die mit einer Wolfram-Matrix und Wolframcarbiden versehen ist, nur in spezifischen Regionen des Gleitelements aufgebracht werden. Ganz besonders kann die Schicht, die mit einer Wolfram-Matrix und Wolframcarbiden versehen ist, entweder nur auf der Gleitfläche oder auf der Gleitfläche und auf der oberen und der unteren Oberfläche des Gleitelements (angrenzende Oberflächen) aufgebracht werden. Im letzteren Fall kann die Schicht, die auf den angrenzenden Schichten abgeschieden wird, weiterhin mit einer geringeren Dicke als die Schicht, die auf die Gleitfläche aufgebracht wird, versehen werden, wodurch ein Dickegradient auf dem Gleitelement erzeugt wird.In view of the fact that the uniform and simultaneous application of the layer to all surfaces of the sliding element is preferred, the layer provided with a tungsten matrix and tungsten carbides can also be applied only in specific regions of the sliding element. More particularly, the layer provided with a tungsten matrix and tungsten carbides may be applied either only on the sliding surface or on the sliding surface and on the upper and lower surfaces of the sliding member (adjacent surfaces). In the latter case, the layer deposited on the adjacent layers may be further provided with a smaller thickness than the layer applied to the sliding surface, thereby creating a thickness gradient on the sliding element.
In Bezug auf die anderen Besonderheiten des Gleitelements
Die Bindeschicht
In Bezug auf die Schicht
Es sollte weiterhin beachtet werden, dass die Schicht
Der Satz der
Neben diesen Vorteilen ermöglicht die mittels CVD abgeschiedene Schicht zudem die Eliminierung von Wärmebehandlungen mittels Nitrierung, die im Stand der Technik erforderlich ist, da eine harte und verschleißfeste Schicht ebenfalls auf den Flächen benötigt wird, die an die Kontaktfläche angrenzen, da das verschleißfeste Material (PVD) im Stand der Technik gleichzeitig nur auf die Außenfläche des Bauteils aufgebracht wird und in diesen Fällen oftmals eine Nitrierungshärtungsbehandlung erforderlich ist. Es ist bekannt, dass diese Art von Behandlung das Bauteil brüchig macht, hauptsächlich in Eckenregionen, an denen sich die höheren Beanspruchungen konzentrieren, und die zyklischen Beanspruchungen, denen die Bauteile ausgesetzt werden, können zu einem Ermüdungsbruch des Bauteils führen. In addition to these advantages, the CVD deposited layer also enables the elimination of nitridation heat treatments required in the prior art because a hard and wear resistant layer is also needed on the surfaces adjacent the contact surface as the wear resistant material (PVD ) is simultaneously applied only to the outer surface of the component at the same time and in these cases often a Nitrierungshärtungsbehandlung is required. It is known that this type of treatment renders the component brittle, mainly in corner regions where the higher stresses are concentrated, and the cyclic stresses to which the components are exposed can lead to fatigue fracture of the component.
Was die vorliegende Erfindung angeht, da diese von einem CVD-Verfahren Gebrauch macht, und wie oben erwähnt, erhalten alle Bauteilflächen, die der Ofenatmosphäre ausgesetzt werden, gleichzeitig den Belag mit dem erhärteten Material. In diesem Fall sind die gewöhnlich durch ein Nitrierungshärtungsverfahren aufgebrachten nicht erforderlich, was dem Bauteil nicht nur Verschleißfestigkeitsvorteile, sondern auch Festigkeitsvorteile im Vergleich zum Stand der Technik verleiht.As for the present invention, since it makes use of a CVD method, and as mentioned above, all the component surfaces exposed to the furnace atmosphere simultaneously receive the deposit of the hardened material. In this case, those usually applied by a nitriding-hardening method are not required, giving the component not only wear resistance advantages but also strength advantages over the prior art.
Die Graphen der
Wie in den Graphen der
Schließlich zeigt eine Analyse der Graphen 8 und 9 zusammengenommen, dass die Gleitelemente der vorliegenden Erfindung mit einer Härte, die jeweils von 175 HV bis 1900 HV reicht, eine wesentlich höhere Verschleißfestigkeit zeigen, wenn sie mit dem Gleitelement des Standes der Technik (eine Schicht, die mit Chromnitrid versehen ist, mittels PVD aufgebracht) verglichen werden. Sie zeigt außerdem, dass die Gleitelemente der vorliegenden Erfindung es schaffen, ihre Verschleißfestigkeit zu maximieren, ohne einen Verschleiß auf den Motorbauteilen zu bewirken, mit denen die Gleitelemente zusammenwirken, obwohl diese eine größere Härte haben.Finally, an analysis of graphs 8 and 9 taken together shows that the sliding members of the present invention having a hardness ranging from 175 HV to 1900 HV respectively, exhibit a significantly higher wear resistance when compared with the sliding member of the prior art (a layer, which is provided with chromium nitride, applied by means of PVD). It also shows that the sliding elements of the present invention manage to maximize their wear resistance without causing wear on the engine components with which the sliding elements cooperate, although they have greater hardness.
Kurz gesagt, das neuartige Konzept der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Verwendung einer Schicht mit großer Härte, die mittels CVD auf einem Gleitelement abgeschieden wird und deren Eigenschaften es auf unerwartete Weise dem Gleitelement nicht ermöglichen, ein Motorbauteil zu verschleißen, mit dem das Gleitelement zusammenwirkt, während das Element selbst ebenfalls nicht verschleißt. Und wenn ein Verschleiß auf sowohl dem Gleitelement selbst und den anderen Motorbauteilen auftritt, wird ein derartiger Verschleiß verhältnismäßig unbedeutend sein, insbesondere in Anbetracht des Verschleißes, der von Gleitelementen des Standes der Technik erfahren wird.In short, the novel concept of the present invention involves the use of a layer of high hardness which is CVD deposited on a slider and whose properties unexpectedly do not allow the slider to wear an engine component with which the slider cooperates while the element itself also does not wear out. And if wear occurs on both the slider itself and the other engine components, such wear will be relatively insignificant, particularly in view of the wear experienced by prior art slide members.
Das Gleitelement des Standes der Technik kann beispielsweise ein Kolbenring, ein Lager, ein Motorzylinder oder ein Ventil sein. Wenn erwogen wird, dass es sich um einen Kolbenring handelt, sind die Vorteile der vorliegenden Erfindung erheblich. Der Kolbenring, der mit einer abgeschiedenen Schicht
Einerseits wäre es angemessen zu denken, dass die abgeschiedene Schicht
Überraschenderweise hat der gänzlich unbekannte Auftrag der mittels CVD abgeschiedenen Schicht
Folglich hat die konstruktive Konfiguration der vorliegenden Erfindung die anfängliche Erwartung übertroffen, wodurch das neuartige Gleitelement
Folglich ist der klare Vorteil des Gleitelements
Angesichts der Beschreibung eines bevorzugten Beispiels einer Ausführungsform sollte man verstehen, dass der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung andere Variationen umfasst, die nur von dem Inhalt der begleitenden Ansprüche beschränkt werden, die die möglichen Äquivalente enthalten.In view of the description of a preferred example of an embodiment, it should be understood that the scope of the present invention includes other variations limited only by the content of the accompanying claims, which include the possible equivalents.
Claims (12)
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