DE202009001464U1 - Spray material for a tribologically improved, thermally sprayed layer with a pearlitic, bainitic structure - Google Patents

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Abstract

Drahtförmiger Spritzwerkstoff (4),
insbesondere zum Lichtbogendrahtspritzen,
umfassend im Wesentlichen Eisen,
wobei der Spritzwerkstoff (4) zumindest mit Kohlenstoff als Mikrolegierung derart gebildet ist, dass beim Erstarren des Spritzwerkstoffs zumindest Bainit und Perlit entsteht,
wobei in der Mikrolegierung Festschmierstoffanteile oder Legierungsbestandteile zur Bildung von Festschmierstoffanteilen vorgesehen sind
dadurch gekennzeichnet,
dass folgende Legierungsbestandteile enthalten sind:
– Kohlenstoff: 0,1 Gew.-% bis 0,2 Gew.-%,
– Mangan: 0,5 Gew.-% bis 1,4 Gew.-%,
– Silizium: 0,05 Gew.-% bis 0,1 Gew.-%.
jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht.Wire-shaped spray material (4),
in particular for arc wire spraying,
essentially comprising iron,
wherein the spray material (4) is formed at least with carbon as a micro-alloy such that upon solidification of the spray material at least bainite and perlite is formed,
wherein in the microalloyed solid lubricant constituents or alloy constituents are provided for the formation of solid lubricant constituents
characterized,
that the following alloy constituents are included:
Carbon: 0.1% to 0.2% by weight,
Manganese: 0.5% to 1.4% by weight,
- Silicon: 0.05 wt .-% to 0.1 wt .-%.
each based on a total weight.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft einen drahtförmigen Spritzwerkstoff, insbesondere zum Lichtbogendrahtspritzen, umfassend im Wesentlichen Eisen und eine Schicht, welche auf einem Substrat abgeschieden ist. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats, bei dem ein drahtförmiger Spritzwerkstoff in einem Lichtbogen aufgeschmolzen und als Schicht auf dem Substrat abgeschieden wird.The Invention relates to a wire-shaped spray material, in particular for arc wire spraying, comprising substantially Iron and a layer deposited on a substrate. The invention further relates to a method for coating a Substrate in which a wire-shaped spray material in melted an arc and as a layer on the substrate is deposited.

Bei der Herstellung von Verbrennungsmotoren wird aus Gründen der Energieeffizienz und der Emissionsreduzierung eine möglichst geringe Reibung und eine hohe Abrieb- und Verschleißfestigkeit angestrebt. Hierzu werden Motorbauteile, wie zum Beispiel Zylinderbohrungen bzw. deren Wandungen mit einer Laufflächenschicht versehen oder es werden Laufbuchsen in die Zylinderbohrungen eingesetzt, welche mit einer Laufflächenschicht versehen werden. Das Aufbringen solcher Laufflächenschichten erfolgt zumeist mittels thermischen Spritzens, beispielsweise Lichtbogendrahtspritzen. Beim Lichtbogendrahtspritzen wird zwischen zwei drahtförmigen Spritzwerkstoffen ein Lichtbogen durch Anlegen einer Spannung erzeugt. Dabei schmelzen die Drahtspitzen ab und werden beispielsweise mittels eines Zerstäubergases auf die zu beschichtende Oberfläche, beispielsweise die Zylinderwand befördert, wo sie sich anlagern.at The production of internal combustion engines is for reasons energy efficiency and emission reduction as much as possible low friction and high abrasion and wear resistance. For this purpose, engine components, such as cylinder bores or their walls provided with a tread layer or bushings are inserted into the cylinder bores, which are provided with a tread layer. The Applying such tread layers is usually done by thermal spraying, for example electric arc wire spraying. When arc wire spraying is between two wire-shaped Spray materials generated an arc by applying a voltage. The wire tips melt and are, for example, by means of an atomizing gas on the surface to be coated, For example, the cylinder wall conveys where it is attach.

Aus der DE 103 08 563 B3 ist eine Zylinderlaufbuchse für Verbrennungskraftmaschinen bekannt, umfassend einen Grundkörper mit einer Verschleißschutzbeschichtung auf der Lauffläche, auf Basis einer harten Eisenlegierung mit Kohlenstoff und Sauerstoff, wobei die Verschleißschutzschicht martensitische Phasen aufweist und Oxide bildet und die Verschleißschutzschicht im Lichtbogen-Drahtspritzverfahren auftragbar ist und die Legierung der Beschichtung einen Kohlenstoffgehalt von 0,05 bis 3 Gew.-% aufweist.From the DE 103 08 563 B3 a cylinder liner for internal combustion engines is known, comprising a base body with a wear protection coating on the tread, based on a hard iron alloy with carbon and oxygen, wherein the wear protection layer has martensitic phases and oxides and the wear protection layer in the arc-wire spraying process is applicable and the alloy of the coating has a carbon content of 0.05 to 3 wt .-%.

Aus der DE 20 2008 009 964 U1 ist ein drahtförmiger Spritzwerkstoff, insbesondere zum Lichtbogendrahtspritzen, umfassend im Wesentlichen Eisen, bekannt, der sich dadurch auszeichnet, dass der Spritzwerkstoff zumindest mit Kohlenstoff als Mikrolegierung derart gebildet ist, dass beim Erstarren des Spritzwerkstoffs Martensit, Bainit sowie geringere Anteil feinstreifigen Perlits entstehen, wobei in der Mikrolegierung Festschmierstoffanteile oder Legierungsbestandteile zur Bildung von Festschmierstoffanteilen vorgesehen sind. Im Spritzwerkstoff sind u. a. 0,55 Gew.-% bis 0,65 Gew.-% Kohlenstoff, 0,7 Gew.-% bis 1,1 Gew.-% Mangan sowie 0,1 Gew.-% bis 0,4 Gew.-% Silizium enthalten.From the DE 20 2008 009 964 U1 is a wire-shaped spray material, in particular for arc wire spraying, comprising essentially iron, which is characterized in that the spray material is formed at least with carbon as a micro-alloy such that arise during solidification of the spray martensite, bainite and lower proportion of finely stripped perlite, wherein the microalloy solid lubricant constituents or alloy constituents are provided for the formation of solid lubricant constituents. In the spray material include 0.55 wt .-% to 0.65 wt .-% carbon, 0.7 wt .-% to 1.1 wt .-% manganese and 0.1 wt .-% to 0.4 wt .-% silicon included.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen kostengünstigen verbesserten drahtförmigen Spritzwerkstoff, insbesondere zum Lichtbogendrahtspritzen anzugeben. Bei der Festlegung des drahtförmigen Spritzwerkstoffs werden neben den Schichteigenschaften auch das Spritzverhalten des drahtförmigen Spritzwerkstoffs und die Bearbeitbarkeit der Spritzschicht gezielt beeinflusst.It It is an object of the invention to provide a cost effective improved wire-shaped spray material, in particular for arc wire spraying specify. When determining the wire-shaped spray material In addition to the coating properties, the spray behavior of the wire-shaped spray material and the machinability the sprayed layer influenced.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine dichte, tribologisch verbesserte Spritzschicht darzustellen, welche sich insbesondere durch Lichtbogendrahtspritzen auf einem Substrat auftragen und sich gut bearbeiten lässt.It Another object of the invention is a dense, tribological represent improved sprayed layer, which in particular by arc wire spraying on a substrate and apply work well.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen drahtförmigen Spritzwerkstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The The object is achieved by a wire-shaped spray material with the features of Claim 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.advantageous Further developments are the subject of the dependent claims.

Ein erfindungsgemäßer drahtförmiger Spritzwerkstoff, insbesondere zum Lichtbogendrahtspritzen, umfasst im Wesentlichen Eisen. Der Spritzwerkstoff ist zumindest mit Kohlenstoff als Mikrolegierung derart gebildet, dass bereits beim Erstarren des Spritzwerkstoffs zumindest Perlit und Bainit entstehen, wobei zusätzlich Mikrolegierungselemente zur Bildung verschleißfester Phasen sowie zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften vorgesehen sind.One wire-shaped spray material according to the invention, in particular for arc wire spraying, essentially comprises Iron. The spray material is such at least with carbon as a micro-alloy formed that at least during the solidification of the spray material Perlite and bainite arise, with additional micro-alloying elements for the formation of wear-resistant phases and for improvement the tribological properties are provided.

Mikrolegierungen sind solche Legierungen, die überwiegend aus einem Bestandteil gebildet sind, dem im Verhältnis zu einer Gesamtmasse nur geringe Mengen weiterer Bestandteile zugegeben sind. Feinstreifiger Perlit, bestehend aus hartem Fe3C sowie Ferrit, ist eine tribologisch positiv wirksame Phase. Bainit ist eine Umwandlungsphase mittlerer Härte und Verschleißfestigkeit.micro alloys are such alloys, which are predominantly of one component are formed in proportion to a total mass only small amounts of other ingredients are added. Feinstreifiger Perlite, consisting of hard Fe3C and ferrite, is a tribological one positively effective phase. Bainite is a medium conversion phase Hardness and wear resistance.

Das Verhältnis von Bainit zu Perlit kann durch die Art der Abkühlung des Spritzwerkstoffs und durch die Wahl der Legierungsbestandteile der Mikrolegierung gezielt beeinflusst werden. Eine bei einer Anlagerung einer mittels Lichtbogendrahtspritzen unter Nutzung des erfindungsgemäßen Spritzwerkstoffs erzeugte Schicht auf einem Substrat, beispielsweise einer Zylinderlauffläche, umfasst zumindest Perlit und Bainit.The Ratio of bainite to perlite can be determined by the nature of the Cooling of the spray material and the choice of alloy components the microalloying be specifically influenced. One at an attachment one by means of arc wire spraying using the invention Spray material produced layer on a substrate, for example a cylinder surface, comprises at least perlite and Bainite.

Tribologisch wirksame Phasen dienen zur Verbesserung des Laufverhaltens in kritischen Systemzuständen, so dass z. B. beim Abreißen von Schmierfilmen übermäßiger Verschleiß der Reibpartner oder deren Beschädigung durch adhäsive Reaktionen vermieden werden. Diese Zustände treten insbesondere in Mischreibungsbereichen auf z. B. OT- und UT-Bereiche bei der Tribosystemen Zylinderlaufflächen/Kolbenringe.tribologically effective phases serve to improve the running behavior in critical System states, so that z. B. when tearing off lubricating films excessive Wear of the friction partners or their damage be avoided by adhesive reactions. These states occur especially in mixed friction areas on z. B. OT and UT areas in tribological systems Cylinder surfaces / piston rings.

Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.in the Following are two embodiments of the invention explained in more detail with reference to a drawing.

Dabei zeigt:there shows:

1 ein Substrat mit einer durch Lichtbogendrahtspritzen abgeschiedenen Schicht. 1 a substrate having a sheet deposited by arc wire spraying.

In 1 ist ein Substrat 1 mit einer durch Lichtbogendrahtspritzen (LDS) abgeschiedenen Schicht 2 gezeigt. Beim Lichtbogendrahtspritzen werden einem Beschichtungskopf 3 zwei drahtförmige Spritzwerkstoffe 4 zugeführt. Zwischen den drahtförmigen Spritzwerkstoffen 4 wird ein Lichtbogen 5 gezündet. Dabei schmilzt der drahtförmige Spritzwerkstoff 4 und wird mittels eines Trägergases gezielt auf das zu beschichtende Substrat 1 aufgebracht, wo er abkühlt, erstarrt und die Schicht 2 bildet.In 1 is a substrate 1 with a layer deposited by wire arc spraying (LDS) 2 shown. In arc wire spraying, a coating head 3 two wire-shaped spray materials 4 fed. Between the wire-shaped spray materials 4 becomes an arc 5 ignited. This melts the wire-shaped spray material 4 and is targeted by means of a carrier gas to the substrate to be coated 1 Applied where it cools, it solidifies and the layer 2 forms.

Der drahtförmige Spritzwerkstoff 4 umfasst im Wesentlichen Eisen. Der Spritzwerkstoff ist zumindest mit Kohlenstoff als Mikrolegierung derart gebildet, dass bereits beim Erstarren des Spritzwerkstoffs überwiegend Perlit und Bainit entstehen. Weiter sind in der Mikrolegierung Legierungsbestandteile zur Bildung von verschleißfesten Phasen und zur Reibwertreduzierung vorgesehen.The wire-shaped spray material 4 essentially comprises iron. The spray material is formed at least with carbon as a micro-alloy such that predominantly perlite and bainite are formed upon solidification of the spray material. Furthermore, alloy constituents are provided in the microalloy to form wear-resistant phases and to reduce the coefficient of friction.

Folgende Legierungsbestandteile sind vorgesehen:

  • – Kohlenstoff: 0,1 Gew.-% bis 0,2 Gew.-%,
  • – Mangan: 0,5 Gew.-% bis 1,4 Gew.-%,
  • – Silizium: 0,05 Gew.-% bis 0,1 Gew.-%.
The following alloy components are provided:
  • Carbon: 0.1% to 0.2% by weight,
  • Manganese: 0.5% to 1.4% by weight,
  • - Silicon: 0.05 wt .-% to 0.1 wt .-%.

Die Mengenangaben sind in Gewichtsprozent jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht, falls keine anderen Angaben gemacht sind.The Quantities are in percent by weight each based on a total weight, if no other information is given.

Die Elemente Phosphor, Schwefel und Kupfer sind bevorzugt zumindest in Spuren enthalten, d. h. in Anteilen von zumindest 0,001 bis zu 0,01 Gew.-%; von zumindest 0,001 Gew.-% bis zu 0,02 Gew.-% und von 0,05 Gew.-% bis 0,15 Gew.-%.The Elements phosphorus, sulfur and copper are preferred at least contained in traces, d. H. in proportions of at least 0.001 up to 0.01% by weight; from at least 0.001 wt.% to 0.02 wt.% and from 0.05% to 0.15% by weight.

Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wird für den drahtförmigen Spritzwerkstoff 4 bevorzugt eine Mikrolegierung mit folgenden Bestandteilen verwendet:

  • – Kohlenstoff 0,13 Gew.-%
  • – Silizium 0,09 Gew.-%
  • – Mangan 1,4 Gew.-%
  • – Kupfer 0,09 Gew.-%
  • – Phosphor 0,004 Gew.-%
  • – Schwefel 0,017 Gew.-%.
According to a first embodiment is for the wire-shaped spray material 4 preferably uses a microalloy having the following constituents:
  • - Carbon 0.13% by weight
  • Silicon 0.09 wt%
  • Manganese 1.4% by weight
  • Copper 0.09% by weight
  • Phosphorus 0.004% by weight
  • - sulfur 0.017 wt .-%.

Der Hauptbestandteil der Mikrolegierung ist Eisen.Of the The main component of microalloying is iron.

Das Lichtbogendrahtspritzen mit einem aus dieser Mikrolegierungen gebildeten drahtförmigen Spritzwerkstoff 4 führt zu einer besonders homogenen Schicht 2 mit geringer Porosität und geringer Rauhigkeit, die folgende Zusammensetzung aufweist:

  • – Kohlenstoff 0,125 Gew.-%
  • – Silizium 0,07 Gew.-%
  • – Mangan 1,23 Gew.-%
  • – Kupfer 0,09 Gew.-%
  • – Phosphor 0,008 Gew.-%
  • – Schwefel 0,017 Gew.-%
  • – Sauerstoff ∅ 2000 ppm.
The arc wire spraying with a formed from these micro-alloys wire-shaped spray material 4 leads to a particularly homogeneous layer 2 with low porosity and low roughness, having the following composition:
  • Carbon 0.125% by weight
  • Silicon 0.07% by weight
  • Manganese 1.23% by weight
  • Copper 0.09% by weight
  • Phosphorus 0.008% by weight
  • Sulfur 0.017% by weight
  • - Oxygen ∅ 2000 ppm.

Der geringe Kohlenstoffgehalt und der erhöhte Mangangehalt der Mikrolegierung des Spritzdrahtes bewirken ein verbessertes Spritzverhalten, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass beim Lichtbogendrahtspritzen kleine Tröpfchen entstehen. Dadurch bildet sich beim Erstarren der einzelnen Tröpfchen eine Spritzschicht mit einer feinen Struktur, welche durch eine relativ geringen Porosität im Vergleich zu den sonst üblichen Spritzschichten auf Eisenbasis gekennzeichnet ist.Of the low carbon content and increased manganese content the micro-alloying of the spray wire cause an improved spray behavior, which characterized in that the arc wire spraying small Droplets arise. This forms when solidifying the individual droplets a sprayed layer with a fine Structure, which is characterized by a relatively low porosity compared to the usual iron-based spray coatings is marked.

Der Mangangehalt führt darüber hinaus zu einer überwiegend perlitisch/bainitischen Gefügeausbildung bei der Erstarrung der Spritzschicht 2.In addition, the manganese content leads to a predominantly pearlitic / bainitic microstructure during the solidification of the sprayed layer 2 ,

Bainit ist ein zähes Zwischenstufengefüge kohlenstoffhaltiger Stähle. Perlit ist ein Mischgefüge aus weichen ferritischen und harten karbidischen Phasen. Die Bildung von Bainit und Perlit kann durch Spritzparameter, die Art der Abkühlung des Spritzwerkstoffs und durch die Wahl der Legierungsbestandteile der Mikrolegierung beeinflusst werden. Die Schicht 2 kann in Form einer weichen, duktilen Matrix aus Bainit oder mit einzelnen Inseln aus feinstreifigem Perlit ausgebildet sein.Bainite is a tough intermediate structure of carbonaceous steels. Perlite is a mixed structure of soft ferritic and hard carbide phases. The formation of bainite and perlite can be influenced by spray parameters, the type of cooling of the spray material and the choice of the alloy components of the microalloy. The layer 2 may be in the form of a soft, ductile matrix of bainite or with individual islands of finely striated pearlite.

Der drahtförmige Spritzwerkstoff 4 wird vorzugsweise warmgewalzt und/oder warmgezogen und danach langsam und gesteuert in einem Ofen abgekühlt und/oder weichgeglüht, um ein duktiles Gefüge zu erhalten, damit der drahtförmige Spritzwerkstoff 4 biegsam bleibt.The wire-shaped spray material 4 is preferably hot rolled and / or hot drawn and then slowly and controlled cooled in an oven and / or annealed to obtain a ductile structure, so that the wire-shaped spray material 4 remains flexible.

Die Legierungsbestandteile des Drahtes sind so bemessen, dass der Abbrand von bestimmten Elementen, z. B. Kohlenstoff berücksichtigt ist. Die Legierungszusammensetzung der Schicht 2 ist entsprechend dem Abbrand verändert. Die Drahtzusammensetzung ist auf die Zieleigenschaften der gespritzten Schicht abgestimmtThe alloy components of the wire are sized so that the burning of certain elements, eg. B. carbon is taken into account. The alloy composition of the layer 2 is changed according to the burnup. The wire composition is tailored to the target properties of the sprayed layer

Vorzugsweise wird eine Oberfläche des drahtförmigen Spritzwerkstoffs 4 verkupfert, um Korrosion zu vermeiden.Preferably, a surface of the wire-shaped spray material 4 coppered to avoid corrosion.

Der Draht ist niedriglegiert, wobei die Wahl speziell auf kostengünstige Legierungselemente ausgerichtet ist.The wire is low alloy, with the choice being specific to low cost alloying elements is aligned.

Die sich ergebende Spritzschicht zeigt gute Bearbeitbarkeit und verbesserte tribologische Eigenschaften sowie einen guten Verschleißwiderstand.The The resulting sprayed coating shows good workability and improved tribological properties and good wear resistance.

11
Substratsubstratum
22
Schichtlayer
33
Beschichtungskopfcoating head
44
drahtförmiger Spritzwerkstoffwire-shaped Spraying material
55
LichtbogenElectric arc

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 10308563 B3 [0003] - DE 10308563 B3 [0003]
  • - DE 202008009964 U1 [0004] - DE 202008009964 U1 [0004]

Claims (4)

Drahtförmiger Spritzwerkstoff (4), insbesondere zum Lichtbogendrahtspritzen, umfassend im Wesentlichen Eisen, wobei der Spritzwerkstoff (4) zumindest mit Kohlenstoff als Mikrolegierung derart gebildet ist, dass beim Erstarren des Spritzwerkstoffs zumindest Bainit und Perlit entsteht, wobei in der Mikrolegierung Festschmierstoffanteile oder Legierungsbestandteile zur Bildung von Festschmierstoffanteilen vorgesehen sind dadurch gekennzeichnet, dass folgende Legierungsbestandteile enthalten sind: – Kohlenstoff: 0,1 Gew.-% bis 0,2 Gew.-%, – Mangan: 0,5 Gew.-% bis 1,4 Gew.-%, – Silizium: 0,05 Gew.-% bis 0,1 Gew.-%. jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht.Wire-shaped spray material ( 4 ), in particular for arc wire spraying, comprising essentially iron, wherein the spray material ( 4 ) is formed at least with carbon as a micro-alloy such that upon solidification of the spray material at least bainite and perlite is formed, wherein provided in the micro-alloy solid lubricant constituents or alloying constituents for the formation of solid lubricant constituents, characterized in that the following alloying constituents are present: carbon: 0.1 wt -% to 0.2 wt .-%, - Manganese: 0.5 wt .-% to 1.4 wt .-%, - Silicon: 0.05 wt .-% to 0.1 wt .-%. each based on a total weight. Drahtförmiger Spritzwerkstoff (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche folgende Legierungsbestandteile enthalten sind: – Kupfer: 0,05 Gew.-% bis 0,15 Gew.-% und/oder – Phosphor: 0,001 Gew.-% bis 0,01 Gew.-% und/oder – Schwefel: 0,001 Gew.-% bis 0,02 Gew.-% und/oder jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht.Wire-shaped spray material ( 4 ) according to claim 1, characterized in that additional following alloying constituents are contained: - copper: 0.05 wt .-% to 0.15 wt .-% and / or - phosphorus: 0.001 wt .-% to 0.01 wt. -% and / or - sulfur: 0.001 wt .-% to 0.02 wt .-% and / or in each case based on a total weight. Thermisch gespritzte Schicht auf Eisenbasis, insbesondere Lichtbogendraht gespritzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzschicht ein feinperlitisches, bainitisches Gefüge aufweist, und dass folgende Legierungsbestandteile enthalten sind: – Kohlenstoff: 0,1 Gew.-% bis 0,2 Gew.-%, – Mangan: 0,5 Gew.-% bis 1,4 Gew.-%, – Silizium: 0,05 Gew.-% bis 0,1 Gew.-%. – Kupfer: 0,05 Gew.-% bis 0,15 Gew.-%, jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht.Thermally sprayed iron-based layer, especially Arc wire sprayed, characterized, that the sprayed layer a fine-pearlitic, bainitic structure has, and that the following alloy constituents are included: - Carbon: 0.1% by weight to 0.2% by weight, Manganese: 0.5% by weight to 1.4% by weight, - Silicon: 0.05 wt .-% to 0.1 wt .-%. - Copper: From 0.05% to 0.15% by weight, each based on a total weight. Thermisch gespritzte Schicht nach Anspruch 3, dass die Spritzschicht zusätzlich Sauerstoff-Anteile von 1000–4000 ppm aufweist, vorzugsweise von 1500–2500 ppm.Thermally sprayed layer according to claim 3, that the spray layer additionally oxygen content of 1000-4000 ppm, preferably 1500-2500 ppm.
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