DE3545826A1

DE3545826A1 - Kolbenring

Info

Publication number: DE3545826A1
Application number: DE19853545826
Authority: DE
Inventors: Manabu Kashiwazaki Niigata Shinada
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1984-12-24
Filing date: 1985-12-23
Publication date: 1986-06-26
Also published as: US4681817A

Description

Riken Corporation Nürnberg, 23.12.1985

13-5 Kudan Kita-1-chome 25 581/82-GA

Chiyoda-ku
Tokyo/Japan

Kolbenring

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenring mit erhöhter Verschleiß- sowie Abriebfestigkeit und insbesondere auf einen Kolbenring mit einer Elektroplattierschicht, die dispergierte Partikel in einer Matrix aus einer Nickel-Kobalt-Phosphor- Legierung enthält.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, eine Hartverchromung anzuwenden, um die Verschleißfestigkeit eines Kolbenringes, der einer Gleitbewegung mit hoher Geschwindigkeit in einer Zylinderbohrung unterworfen ist, zu verbessern. Die Nachteile liegen hierbei darin, daß nicht nur das Aufbringen dieser Hartverchromung auf den Kolbenring viel Zeit beansprucht, sondern auch die Verschleiß- und Abriebfestigkeit sowie die Korrosionsbeständigkeit des Kolbenringes unter Problem leiden bzw. Probleme aufwerfen, wenn der Kolbenring in einem Motor verwendet wird, der verbleiten

Kraftstoff (Benzin) verbrennt oder einem Betrieb mit hoher Last ausgesetzt ist.

Um diese Probleme zu lösen, ist ein Plattierverfahren bekannt, das sog. Verbundüberzug- oder Dispersionsplattierverfahren, wobei verschleißfeste Partikel, wie Nitride, Karbide und Oxide eines Metalls, in eine Matrix (Grundmasse) eines Grundmetalls, das z.B. Nickel und Phosphor enthält, einbezogen werden.

Durch geeignete Wahl des Materials, der Größe und der Menge der zu dispergierenden Partikel ist es mit einem solchen Plattierungsverfahren möglich, eine Überzugsschicht zu bilden, die überlegene und hervorragende Eigenschaften in bezug auf Verschleiß-, Abrieb- sowie Korrosionsbeständigkeit aufweist, und man hat heutzutage damit begonnen, dieses Verfahren bei Zylindern und Kolbenringen anzuwenden.

Die verschleißfesten, in einer solchen Verbund-Plattierschicht dispergierten Partikel verbessern die Verschleißfestigkeit der Überzugsschicht, jedoch kann, wenn die Menge an dispergiertem Material übermäßig ist, die mechanische Festigkeit der galvanisierten Schicht vermindert werden. Andererseits kann die Zugabe von Phosphor (P) zur Matrix der Verbund-Plattierschicht die Härte, die Abriebfestigkeit und die Korrosionsbeständigkeit der galvanisierten Schicht verbessern, wenn diese einer Wärmebehandlung unterworfen wird, jedoch wird, wenn der Gehalt an P übermäßig ist, die Matrix brüchiger und kann die Schlagfestigkeit der Überzugsschicht herabgesetzt werden, was zu solchen Problemen führt, daß die Galvanisierschicht sich während des Einsatzes im praktischen Betrieb abschält oder ablöst.

Ferner wirft eine herkömmliche Verbund-Plattierschicht Probleme beispielsweise in bezug auf eine Abnutzung des an 1 ie-genden Bauteils, an dem sie entlanggleitet, und das ist im Fall eines Kolbenringes selbstverständlich die Zylinderbohrung, in die er eingepaßt ist, auf.

Im Hinblick auf den Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, die oben herausgestellten sowie weitere Probleme und Schwierigkeiten, die mit der herkömmlichen Verbund-Plattiersch—icht in Zusammenhang stehen, zu beseitigen und einen Kolbenring mit einer Verbund-Galvanisierschicht zu schaffen, die überragende Eigenschaften in bezug auf die Verschleiß-, Abrieb- sowie Korrosionsfestigkeit, wenigstens soweit die Gleitfläche betroffen ist, aufweist und die dennoch die Zylinderbohrung, längs welcher sie gleitet, nicht übermäßig oder/und ungebührlich abnutzt»

Hierbei ist es ein Ziel der Erfindung, einen Kolbenring mit einer galvanisierten Schicht zu schaffen, wobei ein Dispersionsmaterial innerhalb einer Matrix aus einer Nickel-Kobalt-Phosphor-Legierung fein verteilt ist, der zur Verwendung in einem verbleiten Ottokraftstoff verbrennenden oder in einem einer hohen Last ausgesetzten Motor geeignet ist.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist darin zu sehen, einen Kolbenring zu schaffen, der als Gleitfläche eine Verbund-Plattierschicht hat, wobei in einer Matrix aus einer Ni-Co-P-Legierung ein granuliertes oder faseriges Dispersionsmaterial fein verteilt ist.

Gemäß dem allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung werden d i e Auf gäbe und die verschiedenen Ziele gelöst bzw. erreicht, und zwar durch einen Kolbenring, der eine Verbund-Galvanisierschicht wenigstens an einer Umfangsgleitfläche aufweist,

wobei diese Schicht eine Menge an harten Partikeln eines granulierten Dispersionsmaterial umfaßt, das in einer Matrix eines im wes-entlichen aus einer Nickel-Kobalt-Phosphor-Legierung, die etwa 10 bis etwa 40 Gew.-% an Kobalt, etwa 2 bis etwa 15 Gew.-% an Phosphor und als Rest im wesentlichen Nickel enthält, bestehenden Grundmetalls fein verteilt ist.

Bei einer derartigen Zusammensetzung hat der Kolbenring eine gesteigerte Leistungsfähigkeit und ein verbessertes Betriebsverhalten, und zwar sowohl im Hinblick auf einen Abrieb am Ring selbst wie auch an der Wand der Zylinderbohrung, an der er gleitet, was durch die noch folgende Beschreibung von Beispielen bestätigt wird.

Gemäß einem mehr besonderen Gesichtspunkt werden die Aufgabe und die Ziele mit einem Kolbenring, wie er oben definiert wurde, in ausgeprägterer sowie konkreterer Weise gelöst bzw. erreicht, wobei die Verbund-Galvanisierschicht des weiteren eine Menge eines kurzfaserigen, in der Matrix aus Grundmetall fein verteilten Dispersionsmaterials enthält.

In einer solchen Zusammensetzung wirkt das kurzfaserige Dispersionsmaterial dahingehend, die galvanisierte Schicht noch weiter zu verstärken und deren Verschleißkennwerte zu verbessern wie auch deren Bruch- sowie Abblätterkenngrößen und -eigenschaften zu steigern.

Ferner werden die Aufgabe und die Ziele der Erfindung in besonderer und konkreter Weise vor allem mit einem Kolbenring, wie er oben angegeben wurde, gelöst bzw. erreicht, wobei das granulierte Dispersionsmaterial des weiteren

eine Menge an schmierenden Partikeln in einem Anteil von etwa 5 bis etwa 35 Vol.-% enthält, die einen mittleren Partikeldurchmesser von etwa 0,5 um bis etwa 20 pm haben.

In einer solchen Zusammensetzung sind die schmierenden Partikel vor allem in dem Sinn wirksam, den Abrieb an der Wand der Zylinderbohrung, in der sich der Kolben hin- und herbewegt, herabzusetzen, wie aus den Ergebnissen von Versuchen, auf die noch näher eingegangen werden wird, deutlich wird.

Der Erfindungsgegenstand wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die er/jedoch nicht begrenzt ist, erläutert, wobei räumliche Angaben als auf die jeweilige Figur bezogen zu verstehen sind. Es zeigen:

Fig. 1 eine beispielhafte Schnittdarstellung des Aufbaus eines Teils einer Oberflächenschicht an einem Kolbenring in einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung in 400-facher Vergrößerung;

Fig. 2 ein zweiseitiges Stabdiagramm, in dem die Versuchsergebnisse für Kolbenringe mit den Nr. 1a, 1b, 2a, 2b, 3a und 3b, von denen jeder eine Schicht aus einer Ni-Co-P-Legierung hat, in der harte Partikel aus einem granulierten Dispersionsmaterial gemäß der Erfindung fein verteilt sind, mit Versuchsergebnissen von herkömmlichen Kolbenringen verglichen werden und die Größe des Abriebs an jedem Ring sowie an jeder Zylinderbohrung, in der dieser gleitet, angegeben sind, wobei diese Ergebnisse während einer Motorversuchsperiode erhalten wurden;

Fig. 3 ein Kurvenbild über die Beziehung zwischen dem Gehalt an kurzen, in einer auf einen Kolbenring galva-

nisierten Schicht gemäß der Erfindung dispergierten Fasern und der Bruchfestigkeit der galvanisierten Schicht, wobei das Kurvenbild mit der in Fig. 6 gezeigten Versuchsvorrichtung erstellt wurde;

Fig. 4 und 5 eine teilweise abgebrochene und geschnittene Seitenansicht sowie eine Frontansicht eines wesentlichen Teils einer Prüfmaschine zur Bestimmung der Verschleiß- und Freß- bzw. Abriebkennwerte von Prüfstücken;

Fig. 6 eine lotrechte Seitenansicht, die darstellt, wie der Bruchfestigkeitsversuch für die galvanisierte Schicht, dessen Ergebnisse in Fig. 3 zusammengestellt sind, durchgeführt wurde.

Der Dispersionsplattier- oder -galvanisiervorgang, nach welchem der Kolbenring gemäß der Erfindung gefertigt wird, umfaßt den Schritt der Ausbildung einer plattierten Schicht auf der Oberfläche des Kolbenringes durch dessen Eintauchen in ein Galvanisierbad zur Hertellung der galvanisierten Schicht in einem Elektroplattier- oder stromlosen Plattierverfahren. Das heißt mit anderen Worten, daß harte, verschleißfeste Partikel, die als ein Dispersionsmaterial dienen, in einem Plattierbad für eine Plattierung einer Ni-Co-P-Legierung suspendiert werden, wobei gewünschtenfal 1 s auch schmierende Materialpartikel oder alternativ und wahlweise kurzfaseriges Dispersionsmaterial in dem Plattierbad suspendiert werden, worauf der Kolbenring in das Bad getaucht wird. Auf diese Weise wird eine Überzugsschicht an der Oberfläche des Kolbenringes gebildet, wobei diese Dispersionsmaterialien in einem im wesentlichen aus einer Ni-Co-P-Legierung bestehenden Grundmetall dispergiert sind.

In Fig. 1, die eine vergrößerte, schematische Schnittdarstellung eines beispielhaften Aufbaus einer solchen Überzugsschicht in einer bevorzugten Ausführungsform gemäß

der Erfindung zeigt, ist auf einem Kolbenringrohling 1 eine vorgalvanisierte Ni-Zwischenschicht 2 ausgebildet, über der eine galvanisierte Schicht 3, in der verschleißfeste Partikel 4 und schmierende Partikel 5 in einem im wesentlichen aus einer Ni-Co-P-Legierung bestehenden Grundmetall dispergiert sind, ausgebildet ist.

Es wurde eindeutig festgestellt, daß in der galvanisierten Schicht enthaltener Phosphor die Härte der Matrix der Grundmetallegierung durch einen härtenden Wärmevorgang erhöht und eine ausgezeichnete Wirkung in bezug auf eine Steigerung der Verschleiß- sowie Korrosionsfestigkeit hervorruft. Es hat sich aber auch herausgstelIt, daß diese Wirkung gering ist, wenn der Gehalt an P in der Grundmetalllegierung geringer als 2 Gew.-% ist, wie sich auch gezeigt hat, daß dann, wenn der P-Gehalt über 15 Gew.-% liegt, die Grundmetallegierung spröde wird und die Schlagfestigkeit sowie die Haf—^eigenschaften der galvanisierten Schicht beeinträchtigt werden. Deshalb wird erfindungsgemäß der P-Gehalt in der Grundmetallegierung vorzugsweise als im Bereich von etwa 2 bis etwa 15 Gew.-% liegend bestimmt, vor allem wird der Bereich von etwa 3 bis etwa 10 Gew.-% bevorzugt.

Es wurde des weiteren festgestellt, daß bei einer Zugabe von Co zur Grundmetallegierung nicht nur die Verschleißsowie Korrosionsfestigkeit, sondern auch die Bruch- sowie Dauerfestigkeit der Grundmetallegierung gesteigert werden. Wenn der Co-Gehalt geringer ist als 10%, so wurde festgestellt, daß die oben erwähnte Steigerung nicht in nennenswertem Ausmaß erhalten wird, wie sich auch herausgestellt hat, daß bei einem Co-Gehalt von mehr als 40% keine weitere wesentliche Steigerung mit anwachsendem Co-Gehalt erhalten wird. Erfindungsgemäß liegt deshalb der Co-Gehalt in der

Grundmetallegierung im Bereich von etwa 10 bis etwa 40 Gew.-% und vor allem im Bereich von etwa 10 bis etwa 30 Gew.-%.

Der Rest der Metallegierung ist erfindungsgemäß im wesentlichen Ni, wobei der Ni-Gehalt folglich vonetwa45bis etwa 88 Gew.-56 reicht. Es hat sich gezeigt, daß die Verwendung von Ni dahingehend wirkt, die Korrosionsfestigkeit und Oxydationsbeständigkeit der galvanisierten Schicht bei hohen Temperaturen zu steigern.

Die harten, verschleißfesten, in der Matrix zu dispergierenden Teilchen können Partikel aus Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Titanborid, Titankarbid oder von anderen Metallnitriden, -karbiden, -oxiden od. dgl. sein.

Wenn der Partikeldurchmesser der harten, abriebfesten, dispergierten Teilchen geringer als etwa 0,3- pm ist oder wenn deren Anteil in der galvanisierten Schicht unter etwa 5 Vol.-% liegt, so hat sich erwiesen, daß ihre Wirkung in bezug auf eine Steigerung der Verschleißfestigkeit schwach ist. Wenn der Partikeldurchmesser größer als etwa 10 pm wird oder ihr Anteil etwa 30 Vol.-% übersteigt, dann hat sich gezeigt, daß die Festigkeit der Galvanisierschicht zu einer Verminderung tendiert. Deshalb wird gemäß der Erfindung ein mittlerer Durchmesser für die verschleißfesten Partikel von etwa 0,3 pm bis etwa 10 pm bevorzugt, während ihr Anteil bevorzugterweise etwa 5 bis etwa 30 Vol.-% betragen soll. Es wurde ferner festgestellt, daß es noch besser ist, den mittleren Durchmesser mit etwa 0,5 pm bis etwa 5 pm und den Anteil mit etwa 15 bis etwa 25 Vol.-% zu wählen. Durch das Dispergieren dieser harten, abriebfesten Partikel im Grundmetall der galvanisierten Schicht werden die Verschleiß- sowie Abriebbeständigkeit der galvanisierten Schicht auf dem Kolbenring erhöht.

Ferner besteht eine spezielle Möglichkeit der Erfindung darin, zusätzlich zu den abriebfsten Partikeln im Grundmetall der galvanisierten Schicht schmierende Partikel zu dispergieren, wodurch eine weitere Steigerung in der Verschleißfestigkeit und insbesondere auch eine Verminderung in der Abnutzung am zugehörigen Bauteil, d.h. der Zylinderbohrung, in der der Kolbenring gleitet, zu erlangen ist. Typische Materialien für schmierende Partikel sind beispielsweise Molybdändisulfit, Graphitfluorid, Bornitrid, Graphit, Glimmer, Teflon und andere schmierende Festkörpermaterialien mit niedrigem Reibungskoeffizienten, die die Fähigkeit der Spaltung haben.

Die geeignete mittlere Partikelgröße der schmierenden Teilchen, die in der Matrix des Grundmetalls zu dispergieren sind, kann in Abhängigkeit von dem für diese schmierenden Partikel verwendeten Material variieren, jedoch wurde festgestellt, daß die Zugabe solcher schmierenden Partikel eine wenig förderliche Wirkung bringt, wenn deren mittlerer Durchmesser geringer als etwa 0,5 Mm oder wenn ihr Anteil in der galvanisierten Schicht kleiner als etwa 5 Vol.-% ist. Es wurde jedoch auch festgestellt, daß die mechanische Festigkeit der galvanisierten Schicht vermindert und damit möglicherweise ein Abschälen dieser Schicht im praktischen Betrieb hervorgerufen wird, wenn der mittlere Durchmesser dieser schmierenden Partikel größer als etwa 20 um oder wenn ihr Anteil größer als etwa 35 Vol.-% ist. Gemäß der Erfindung wird deshalb für die schmierenden Partikel ein mittlerer Durchmesser von etwa 0,5 pm bis etwa 20 μπι und ein Anteil dieser mit etwa 5 bis etwa 35 Vol-% bevorzugt. Es wurde aber auch festgestellt, daß es noch mehr zu bevorzugen ist, den mittleren Durchmesser der schmierenden Partikel mit etwa 1 gm bis etwa 10 um vorzusehen und deren Anteil mit etwa 5 bis etwa 20 Gew.-% zu wählen.

Die Gesamtmenge an abriebfesten sowie schmierenden Partikeln innerhalb der Matrix liegt im Hinblick auf die Aufrechterhaltung einer guten mechanischen Festigkeit der galvanisierten Schicht erstrebenswerterweise - und das hat sich aus den Ergebnissen von verschiedenen Versuchen bzw. Prüfungen gezeigt - bei weniger als oder bei gleich 40 Vol.-%.

Des weiteren ist es wahlweise möglich, kurze Fasern, sog. Whiskers, im Grundmetall der galvanisierten Schicht zusätzlich zu den abriebfesten Partikeln und den möglicherweise vorhandenen schmierenden Partikeln zu dispergieren, und es hat sich gezeigt, daß durch ein Dispergieren eines solchen kurzfaserigen Materials in der galvanischen Schicht deren Brüchig- oder Sprödigkeit verbessert werden kann.

Gemäß den Ergebnissen von verschiedenen genauen Untersuchungen mit und an dem Erfindungsgegenstand wurde festgestellt, daß der mittlere Durchmesser der Fasern des kurzfaserigen Materials vorzugsweise von etwa 0,05 um bis etwa 1,0 Mm gewählt werden soll. Ferner wurde festgestellt, daß für das Verhältnis der mittleren Länge L der Fasern dieses Materials zum mittleren Durchmesser D ein Wert von etwa 50 bis etwa 200 vorzuziehen ist, weil dann, wenn dieses Verhältnis L/D gleich oder kleiner als 10 ist, die Gestalt des kurzfaserigen Materials sich stark derjenigen von Partikeln annähert und die durch diese dann erzielte Wirkung in bezug auf eine Verbesserung der galvanisierten Schicht gering ist. Andererseits werden die kurzen Fasern, wenn ihre Länge groß und damit das Verhältnis L/D groß ist, in der galvanisierten Schicht nicht ohne Schwierigkeiten gleichmäßig fein verteilt.

Auch hat sich vom Gesichtspunkt der Festigkeit, Haftfähigkeit und Qualität der Überzugsschicht gezeigt, daß es vor-

zuziehen ist, den Anteil dieser kurzen Fasern in der galvanisierten Schicht von etwa 5 bis etwa 20 Vol.-% festzusetzen. Diese kurzen Fasern können beispielsweise im wesentlichen aus Metallnitriden oder Metallkarbiden, wie Siliziumnitrid (Si₃N₄), bestehen. Die Fig. 3 zeigt einige Versuchsergebnisse, die die Beziehung zwischen dem Gehalt an kurzfaserigem Material und der Bruchfestigkeit der galvanisierten Schicht betreffen. Als Prüfstück wurde ein Kolbenring 22 (Fig. 6) verwendet, der an seiner Außenumfangsfläche einen Verbundüberzug durch Anwendung eines Galvanisierbades trug, wobei dieses Bad so eingeregelt war, daß es eine Matrixlegierung für die galvanisierte Schicht mit etwa 65% Ni, etwa 30% Co und etwa 5% P lieferte, und wobei in dem Galvanisierbad kurzfaseriges Material aus Siliziumnitrid suspendiert war. Wie die Fig. 6 zeigt, wurde der Kolbenring 22 zwischen einem festen Kopf 21 und einer an einem bewegbaren Kopf 25 angebrachten Druckmeßdose 24 festgehalten, wobei der Spalt 26 des Kolbenringes an einer Seite zwischen den Köpfen 21 und 25 lag. Als dann der bewegbare Kopf 25 aus der in der Fig. 6 gezeigten Lage aufwärts verfahren wurde (Pfeil F), wurde der Kolbenring 22 zusammengedrückt, um den Spalt 26 zu- verengen, was schließlich eine Rißbildung in der galvanisierten Schicht an der dem Ringspalt 26 gegenüberliegenden Außenumfangsfläche des Ringes 22 hervorrief. An dieser Außenumfangsfläche wurde gegenüber dem Ringspalt 26 ein Dehnungsmeßstreifen 23 angeklebt, der mit einem Dehfiungsmeßgerät verbunden war. Da sich der Wert der Dehnung (Formänderung) bei Auftreten eines Risses abrupt ändert, wurde der Druck an der Druckmeßdose 24 zu diesem Zeitpunkt mit einer Aufzeichnungseinrichtung registriert und aus diesen Aufzeichnungen wurden die Bruchfestigkeiten der galvanisierten Schichten auf verschiedenen Prüfringen bestimmt.

Die für diesen Versuch bzw. diese Prüfung verwendeten Kolbenringe hatten einen Nenndurchmesser von 94 mm, eine Breite von 3 mm sowie eine Dicke von 3,5 mm, und ihr Grundkörpermaterial war JIS.FCD70 (das entspricht ASTM.A536. 100-70-03), während die Stärke der galvanisierten Schichten an ihren Außenumfangsflachen 0,1 mm betrug.

Die Fig. 3 läßt klar erkennen, daß durch Dispergieren von Fasern aus Siliziumnitrid (Si^N.) in der galvanisierten Schicht die Bruchfestigkeit auf etwa das Doppelte erhöht werden konnte, daß aber bei einem Gehalt von gleich oder weniger als 5 Vol.-% die Wirkung der Fasern ungenügend war, während bei einem über 20 Vol.-% liegenden Anteil keine merkliche weitere Änderung in deren Wirkung auf eine Verbesserung der Bruchfestigkeit mit einem weiteren Anstieg des Fasergehalts zu verzeichnen war. Wenn die Menge des dispergierten, kurzfaserigen Materials übermäßig war, so wurde des weiteren eine Tendenz zur Entwicklung von Löchern in der Matrix des Grundmaterials, wie auch eine Neigung dazu, daß die Oberfläche der galvanisierten Schicht grob oder rauh wurde, festgestellt.

Es werden nun konkrete Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes und Ergebnisse von verschiedenen Versuchen bzw. Prüfungen erläutert, wobei zuerst auf die für die Abrieb- und Verschleißprüfung bzw. Prüfung auf Fressen verwendete Prüfmaschine eingegangen wird, die in den Fig. 4 und 5 schematisch gezeigt ist. Die Maschine wies eine an einem Halter 11 lösbar befestigte Prüfscheibe 13 aus Gußeisen (JIS.FC25, was ASTM.A48.CLASS No. 40 entspricht), das in typischer Weise für eine Zylinderbohrung in einem Motor verwendet wird, auf, deren Gleitfläche 12 durch Honen feinbearbeitet war. Dem mittigen Teil der Gleitfläche 12 der Prüfscheibe 13 wurde durch eine von der Rückseite

des Halters 11 ausgehende Öleinspritzbohrung 14 Schmieröl zugeführt.

Auf den Halter 11 wurde eine nach rechts gerichtete Druckkraft P von einer hydraulischen (nicht gezeigten) Vorrichtung mit einem vorbestimmten Druckwert zur Wirkung gebracht.

Die Oberfläche eines Prüfstückhalters 16, der an einem Drehkörper 15 gegenüber der Scheibe 13 befestigt war, wies vier Befestigungslöcher in gleichen Abständen rund um einen zur Drehwelle 10 konzentrischen Kreis auf, und in jedem dieser vier Löcher war ein Prüfstück befestigt.

Durch Drehen der von einer (nicht gezeigten) Antriebsvorrichtung mit vorbestimmter Drehzahl gedrehten Welle 10 wurden die Prüfstücke 17 gedreht, wobei deren Stirnflächen, die

2
5 mm groß waren, längs des damit zusammenwirkenden Teils der Gleitfläche 12 an der Prüfscheibe 13 eine Gleitbewegung ausführten. Die Prüfung wurde unter Zugabe von Schmieröl mit einer bestimmten Temperatur durch die öleinspritzöffnung 14 auf die Gleitfläche 12 durchgeführt.

Die Verschleißprüfung wurde durch Vergleichen der Abnutzungswerte der Prüfstücke 17 und der Prüfscheibe 13, wenn das Prüfstück 17 längs der Scheibe 13 über eine bestimmte Gleitstrecke unter einem bestimmten gegenseitigen Druck zwischen diesen Tei 1 en durch den drehenden Drehkörper 15 gleitend bewegt wurde, ausgeführt.

Bei der Freß- oder Abriebprüfung wurde der Drehkörper 15 gedreht und dem Halter 11 auf Grund der Reibung zwischen der Gleitfläche 12 des Prüfstücks 13 und dem Prüfstück 17 ein Drehmoment T (Fig. 5) vermittelt, das auf eine Meßdose 19 über eine Spindel 18 zur Wirkung gebracht wurde.

Dieses Drehmoment T wurde proportional zum Anstieg des Drucks P erhöht und wurde abrupt vergrößert, wenn ein Fressen zwischen dem Prüfstück 17 und der Gleitfläche der Scheibe 13 auftrat. Insofern konnte die Größe des Abriebwiderstandes aus dem Druck P bewertet werden, wenn das Drehmoment T einem abrupten Anstieg unterlag, indem die auf einer Änderung im Druck P beruhende Änderung im Drehmoment T an einem dynamischen Formänderungsmeßgerät 20 abgelesen wurde.

Als erster Vorgang wurde anfangs auf den Stirnflächen mit

5 mm einer Anzahl von Prüfstücken M aus einer für Kolbenringe geeigneten Stahlart (JIS.SKD61, was ASTM.A681.H13 entspricht) gemäß einem herkömmlichen Nickel-Vorgalvanisierungsverfahren eine Nickelschicht von etwa 5 um Dicke ausgebildet. Dann wurdeauf auf diesen Prüfstücken 17 in einem zweiten Vorgang durch Galvanisierung eine Schicht mit etwa 120 \im Dicke aus einem eine Ni-Co-P-Legierung umfassenden Verbundmaterial unter Verwendung von Plattierbädern aufgebracht, die in der linken Spalte der beigefügten Tabelle 1 definiert sind. Die Kombinationen und Zusammensetzungen des Dispersionsmaterials in den Plattierbädern sind in der Tabelle 3 angegeben, d.h., die abriebfesten Teilchen waren Siliziumnitridpartikel (mittlerer Partikeldurchmesser 1 pm), die schmierenden Teilchen waren Bornitridpartikel (mittlerer Partikeldurchmesser 2-3 pm) und die kurzen Fasern waren Siliziumnitridfasern (mittlerer Durchmesser 0,2 pm, Länge 10 - 20 pm).

Ferner wurden an anderen Prüfstücken 17 unter ähnlichen Voraussetzungen mit einem stromlosen Plattiervorgang unter den in der rechten Spalte der Tabelle 1 angegebenen Bedingungen Verbund-Ni-Co-P-Beschichtungen mit etwa lOOpm Dicke ausgebildet. Da die Haftung der gemäß diesem stromlosen

Ni-Co-P-Legierungsplattiervorgang erzeugten Plattierschicht ausgezeichnet war, was es möglich, die einleitende Nickel-Vorgalvanisierung wegzulassen.

Dann wurden in einem dritten Vorgang die Prüfstücke 17 einer Härtungsbehandlung durch Erhitzen auf 370⁰C für 1h unterworfen. Die Heiztemperatur für diesen Härtungsvorgang einer solchen Plattierschicht aus einer Ni-Co-P-Legierung kann im allgemeinen 200° - 45O⁰C betragen.

Die Tabelle 1 zeigt die chemische Zusammensetzung des Plattierbades, die Tabelle 2 zeigt die Plattierbedingungen, die Tabelle 3 zeigt die Art und Menge der im Plattierbad fein verteilten Materialien und die Tabelle 4 zeigt die Zusammensetzung der plattierten Schicht sowie die Mikro-Vickershärte (HV).

(a) Abnutzungsprüfung

Zusätzlich zu den mit den unter den in den Tabellen 1, 2 und 3 aufgeführten Bedingungen erhaltenen Prüfstücken ausgeführten Versuchen wurden zu Vergleichszwecken ähnliche Versuche an Prüstücken ausgeführt, die eine Hartverchromung, durch Flammspritzen aufgebrachtes Molybdän, das in bezug auf Abriebfestigkeit ausgezeichnet ist, und eine Beschichtung aus einer Ni-P-Legierung ohne Co mit einem Quantum an darin fein verteilten Siliziumnitridpartikeln aufwiesen.

Als Schmieröl, das von der Einspritzbohrung 14 zugeführt wurde, wurde eine durch Zugabe von etwa 0,2 g/l Staub (JIS Z8901 Grade 2, was der SAE-Körnungsklasse entspricht) in Motoröl SAE Nr. 30 - ein Typ, der tatsächlich in einem verbleites Benzin verbrennenden Motor verwendet wird präpariertes öl benutzt. Während ein Hydraulikdruck P von etwa 100 bar auf den Halter 11 zum Drehkörper 15 hin aufge-

bracht wurde, wurde dieser Drehkörper 15 gedreht, um eine Relativgeschwindigkeit von etwa 3 bis etwa 5 m/s zwischen dem Prüfstück 17 sowie der Prüfscheibe 13 hervorzurufen, und dieser Prüfvorgang wurde festgesetzt, bis die Gleitstrecke 100 km erreichte. Die Prüfergebnisse sind in der Tabelle 5 wiedergegeben.

Aus der Tabelle 5 wird deutlich, daß die Abnutzung an den erfindungsgemäßen Prüfstücken Nr. 1a - 3b um etwa die Hälfte bis ein Drittel gegenüber der Abnutzung an den herkömmlichen hartverchromten oder mit Molybdän flammgespritzten Prüfstücken vermindert war, und daß auch die Abnutzung am damit zusammenwirkenden Bauteil (Gußeisen) auf einen Bruchteil des vorherigen Betrags herabgesetzt war. Daraus wird klar, daß die gemäß der Erfindung gefertigten Prüfstücke eine überragende Abriebfestigkeit bieten und der durch die Zugabe von Co erzielte Vorteil im Gegensatz zu dem Fall eines mit einer Verbundplattierung aus einer Ni-P-Legierung ohne Co versehenen Prüfstücks offenbar ist. Die Prüfstücke aus dem erfindungsgemäßen Material (Nr. 2a und 2b), dem das schmierende Material (Bornitrid) zugefügt war, zeigten, daß die Abnutzung am zusammenwirkenden Bauteil (Gußeisen) ein ganz erheblich niedrigeres Ausmaß annahm. Die erfindungsgemäßen Prüfstücke, die kurzfaseriges Verstärkungsmaterial enthielten, d.h. die Prüfstücke Nr. 3a und 3b, zeigten für sich selbst das geringste Maß an Abrieb, wenngleich der Abrieb am zusammenwirkenden Bauteil geringfügig größer war.

(b) Prüfung in bezug Verschleiß (Fressen) Es wurde das gleiche Schmieröl wie bei der Abnutzungsprüfung verwendet. Während mit Hilfe einer hydraulischen Vorrichtung ein Druck P von etwa 40 bar auf den ortsfesten Halter 11 zum Drehkörper 15 hin aufgebracht wurde, wurde der Drehkör-

per 3 min lang gedreht, um eine Relativgeschwindigkeit zwischen dem Prüfstück 17 und der Prüfscheibe 13 von etwa 8 m/s zu erzeugen, worauf der Druck schrittweise um jeweils 10 bar erhöht und in jeder Druckstufe für etwa 3 min aufrechterhalten wurde. Die Änderungen im Drehmoment T wurden über die Meßdose 19 am dynamischen Formänderungsmeßgerät 20 aufgezeichnet. Der Druck, bei dem das Fressen eintrat, wurde als der Wert des Drucks, wenn ein abrupter Anstieg im Drehmoment T registriert wurde, bestimmt. Die Prüfergebnisse sind in der Tabelle 6 wiedergegeben.

Gemäß der Tabelle 6 war der Flächendruck, bei dem das Fressen eintrat, an dem mit einer Ni-Co-P-Legierung mit fein verteiltem Siliziumnitrid plattierten Prüfstück eineinhalbmal größer als der Druck bei dem hartverchromten Prüfstück und er war um etwa 10 - 20 bar größer als bei dem bekannten, mit Molybdän flammgespritzten Prüfstück. Ferner zeigte das Prüfstück, in dem das schmierende Bornitrid dispergiert war, einen um etwa 30 - 40 bar größeren Wert als das mit Molybdän flammgespritzte Prüfstück.

Das Prüfstück, in dem sowohl Siliziumnitridpartikel wie auch kurze Fasern aus Siliziumnitrid dispergiert waren, zeigte ein gleichartiges Betriebsverhalten wie ein Prüfstück, in dem Silizium- wie Bornitridpartikel fein verteilt waren. In beiden Fällen erwies sich der Erfindungsgegenstand gegenüber den herkömmlichen Prüfstücken als weit überlegen.

(c) Motorprüfung

Die erfindungsgemäße Verbund-Plattierschicht wurde auf eine Außenumfangsflache eines ersten Kompressionskolbenringes aus Stahl mit einem Nenndurchmesser von 86 mm, einer Breite von 1,5 mm und einer Dicke von 3,3 mm aufgebracht, der in einen wassergekühlten Vierzylindermotor mit einer

Bohrung von 86 mm Durchmesser eingebaut wurde. Nach Durchführung einer Dauer- oder Beständigkeitsprüfung mit hoher Geschwindigkeit bei 6200 U/min für 100h unter Verwendung von verbleitem Benzin wurden die Abriebbeträge der Gleitflächen des Kolbenringes und der Inennfläche der mit diesem zusammenwirkenden Zylinderlaufbuchse, die aus Gußeisen (FC25) bestand, gemessen. Die Matrix in der Verbund-Plattierschicht des Kolbenringes war aus 25 Gew.-% Co und 3,5 Gew.-%

P sowie als Rest im wesentlichen Ni zusammengesetzt. Diese Prüfung wurde dreimal unter Verwendung der folgenden drei Arten von Dispersionsmaterial wiederholt: (1) 20 Vol.-% von harten Siliziumnitridpartikeln mit einem mittleren Partikeldurchmesser von etwa 0,8 pm; (2) 20 Vol.-% von harten Siliziumnitridpartikeln mit einem mittleren Partikeldurchmesser von etwa 0,8 pm und 15 Vol.-% an Bornitridpartikeln mit einem mittleren Partikeldurchmesser von etwa 3 pm; (3) 20 Vol.-% an harten Siliziumnitridpartikeln mit einem mittleren Partikeldurchmesser von etwa 0,8 pm und 15 Vol.-% von kurzen Siliziumnitridfasern mit einer mittleren Länge von etwa 10 - 20 pm sowie einem Durchmesser von 0,2 pm. Die Versuchsergebnisse sind in dem Stabdiagramm von Fig. 2 aufgetragen, in dem die Prüfergebnisse mit solchen verglichen werden, die unter Verwendung von den Vergleichsprüfstücken erhalten wurden, welche denen in den vorher erläuterten Abnutzungsprüfungen entsprechen, d.h. der hartverchromte Kolbenring, der mit Molybdän flammgespritzte Kolbenring und der mit Ni-P-Legierung mit dispergiertem Siliziumnitrid plattierte Kolbenring.

Der Abrieb an den erfindungsgemäßen Kolbenringen betrug im Vergleich zum hartverchromten sowie zum mit Molybdän flammgespritzten Kolbenring etwa ein Fünftel, der Abrieb am zusammenwirkenden Bauteil betrug etwa ein Drittel, womit bewiesen ist, daß die erfindungsgemäßen Kolbenringe eine

überlegene Abriebfestigkeit aufweisen. Selbst wenn die Kolbenringe gemäß der Erfindung mit dem mit Ni-P-Legierung mit dispergiertem Siliziumnitrid plattierten Prüfstück verglichen werden, so ist zu erkennen, daß der Abrieb an erfindungsgemäßen Kolbenringen etwa die Hälfte des Abriebs am Vergleichsprüfstück beträgt und daß der Abrieb am zusammenwirkenden Bauteil (ZyIinderbohrung) ganz erheblich geringer ist, so daß also eine Steigerung in der Abriebbeständigkeit erwiesen und die Wirkung der Zugabe von Kobalt dargelegt sind. Der Fig. 2 ist auch zu entnehmen, daß das Prüfstück mit darin fein verteiltem Bornitrid als Schmiermaterial im Vergleich zu dem Prüfstück, in dem nur Siliziumnitrid dispergiert ist, weniger zu einem Abrieb am zusammenwirkenden Bauteil neigt. Ferner wurden, wenn sowohl Siliziumnitrid wie.auch kurze Fasern fein verteilt vorhanden waren, die Sprödigkeit der galvanisierten Schicht verbessert und das Auftreten eines Abblätterns oder Abschälens vermindert.

	Tabelle 1	stromloses Plattieren
	(Gramm/Liter)	25 g/l
Plattierbad	Elektroplattieren	5
Nickelsulfat	200 g/l	-
Kobaltsulfat	30	30
Ni ekel chi or id	30	-
Natrium- Hypophosphit	2	i 16
Borsäure	30	24
Sukzinsäure (Butandi säure)	_
Malinsäure	_

Bemerkung: die Zusammensetzungen der Dispersionsmaterialien sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Tabelle 2

	⁰C)	Elektroplattieren	stromloses Plattieren
Temperatur (		50 - 53	90
pH		4,5	4,2
Stromdichte
(A/drn )	8	-

Plattierzeit (h)

Dispersionsmaterial

SUN₄-Pa-rtikel BN-Partikel

kurze SigN.-Fasern

Tabel	1	e	3	1a	Prüf	stück	1	Nr.	1	2b	3b
(Gramm/	L	i	ter)	60	2a	3a	5	b	1	,5	3
				0	60	60 1	0	5		,5	.0
				0	60	0	0			0	2
					0	20

Bemerkung: Nr. 1a, 2a, 3a bei Elektroplattierverfahren verwendet;

Nr. 1b, 2b, 3b bei stromlosem Plattierverfahren verwendet.

Antei 1

Nickel Phosphor Kobalt Si₃N₄-Partikel BN-Partikel

kurze Si^-Fasern Härte (HV)

Tabelle 4	1a	Prüf 2a	stück 3a	Nr. 1b	2b	3 b
	68	68	68	64	64	65*1
	8	8	8	12	12	12*1
	20	20	20	20	20	20*1
	25	20	20	25	20	20*2
	0	15	0	0	15	0*2
	0	0	16	0	0	14*2

950

1030

Bemerkung: *1 Gew.-% *2 Vol.-%

Tabelle

Oberflächenbehandlung Prüfstück

Hartverchromung

Flammspritzen mit
Molybdän

Ni-P-Legierungsplattierung mit dispergiertem Si₃N₄

Ni-Co-P-Legierungsplattierung mit dispergiertem Si₃N₄

Ni-Co-P-Legierungsplattierung mit dispergiertem Si₃N₄ und BN

Ni-Co-P-Legierungsplattierung mit Dispersion aus Si₃N₄ und kurzen

Si₃N₄-Fasern

25 21

15

Nr.1a Nr.1b

Nr.3a Nr.3b

Nr.2a Nr.2b

zusammenwirkendes Bautei 1

16

2 2

1,5 1,5

3 3

Tabelle 6

Oberflächenbehandlung Oberflächendruck bei

Eintreten des Fressens TbITFl

Hartverchromung 110

Flammspritzen mit

Molybdän 150

Ni-P-Legierung splat-

tierungmitdispergier-

tem Si₃N 160 - 170

Ni-Co-P-Legierungsplattierung mit dispergiertem Si-,Ν.

Ni-Co-P-Legierungsplattierung mit dispergiertem Si₃N₄ und BN

Ni-Co-P-Legierungsplattierung mit Dispersion
aus Si₃N. und kurzen

S i - N - - F a s e r η

Nr.	1a	170 -	180
Nr.	1b	170 -	180
Nr.	2a	180 -	190
Nr.	2b	180 -	190
Nr.	3a	180 -	190
Nr.	3b	180 -	190

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Claims

Riken Corporation Nürnberg, 23.12.1985 13-5 Kudan Kita-1-chome 25 581/82-GA Chiyoda-ku Tokyo/Japan Kolbenring Patentansprüche

1. Kolbenring mit einer wenigstens an seiner Außenumfangsfläche befindlichen Verbund-Plattierschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbund-Plattierschicht ein Quantum an harten Partikeln eines in einer Matrix eines Grundmetalls, das im wesentlichen aus einer Ni-Co-P-Legierung besteht, die etwa 10 bis etwa 40 Gew.-% an Co, etwa 2 bis etwa 15 Gew.-% an P und als Rest im wesentlichen Ni enthalt, fein verteilten, granulierten Dispersionsmaterials aufweist.

2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbund-Plattierschicht ferner ein Quantum eines in der Matrix des Grundmetalls fein verteilten, kurzfaserigen Dispersionsmaterials enthält.

3. Kolbenring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das granulierte Dispersionsmaterial im wesentlichen entweder ein Karbid, ein Nitrid oder ein Oxyd eines Metalls umfaßt, wobei die Partikel einen mittleren Partikeldurchmesser von etwa 0,3 pm bis etwa 10um

ORIGINAL INSPECTED

haben und in einem Anteil von etwa 5 bis etwa 30 VoI.-⁰/. vor 1 iegen.

4. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das granulierte Dispersionsmaterial ferner ein Quantum an schmierenden Partikeln umfaßt, wobei die schmierenden Partikel einen mittleren Partikeldurchmesser von etwa 0,5 μm bis etwa 20 pm haben und in einem Anteil von etwa 5 bis etwa 35 Vol.-% vor-1iegen.

5. Kolbenring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das granulierte Dispersionsmaterial im wesentlichen ein Karbid, ein Nitrid oder ein Oxyd eines Metalls umfaßt, wobei die Partikel einen mittleren Partikeldurchmesser von etwa 0,3 μπι bis etwa 10 Mm haben sowie in einem Anteil von etwa 5 bis etwa 30 VoI.-% vorliegen und daß das kurzfaserige Dispersionsmaterial im wesentlichen aus kurzen Fasern entweder eines Karbids oder eines Nitrids eines Metalls besteht, wobei die Fasern einen mittleren Durchmesser von etwa 0,5 μπι bis etwa 1 um habe, das Verhältnis der Länge zum Durchmesser der Fasern etwa 50 bis etwa 200 beträgt und die Fasern in einem Anteil von etwa 5 bis etwa 20 \ldl.-% vorliegen.

6. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die harten Partikel im wesentlichen aus Siliziumnitrid (Si-N.) bestehen.

7. Kolbenring nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die schmierenden Partikel im wesentlichen aus Bornitrid (BN) bestehen.