DE2831207A1 - Wear and/or corrosion resistant coatings for machine parts - applied by friction welding, and suitable for coating piston rings with molybdenum - Google Patents

Wear and/or corrosion resistant coatings for machine parts - applied by friction welding, and suitable for coating piston rings with molybdenum

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Abstract

The parts are made esp. of cast iron, steel or Al; and the coating are applied by heating which causes at least partial metling of the surface of the part. the heat is generated by friction of the part with a tool moved with high kinetic energy and/or high pressure w.r.t. the surface of the part. Conventional metal and/or metal-ceramic coating materials, esp. powders, are pref. located between the part and the tool when the friction is generated; and these coating materials may be used to form a coating on the part prior to melting via friction causing a charge in structure. The process is pref. used on piston rings, sealing rails, cylinder liners, and the valve seats, in IC engines. The simple, economic and reliable process avoids costly and difficult operations necessary with conventional coating processes.

Description

Verfahren zur Herstellung von verschleiß- Process for the production of wear-resistant

festen und / oder korrosionsbeständigen Schichten Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von verschleißfesten und / oder korrosionsbestandigen Oberflac-enschichten auf Maschinenteilen, insbesondere aus Gußeisen, Stahl oder Aluminium, durch eine thermische, zumindest zu einer teilweisen Aufschmelzung der Werkstückoberfläche führenden Behandlung. solid and / or corrosion-resistant layers The invention relates to a process for the production of wear-resistant and / or corrosion-resistant Surface layers on machine parts, in particular made of cast iron, steel or Aluminum, through a thermal, at least to a partial melting of the Workpiece surface leading treatment.

Zur Herstellung verschleißfester und korrosionsbeständiger Schichten auf den Laufflächen gleitender Reibung ausgesetzter Maschinenteile durch thermische Verfahren werden in der Praxis meist thermische Spritzverfahren oder Auftragsschweißverfahren eingesetzt. Dabei werden Pulver aus Metallen elementar, in Form von Gemischen oder als Legierungen oder auch vorzugsweise metallkeramische Pulver, gegebenenfalls mit metallischen Zusätzen, als Bindemittel geschmolzen und auf die Oberflächen der Werkstücke aufgespritzt oder aufgeschweißt. Andererseits können auch die Oberflächen von Werkstücken aus Metallen, wie vorzugsweise aus Gußeisen, Stahl oder Aluminium durch thermische Behandlungen umgeschmolzen werden, so daß durch beim Abkühlen erfolgende Gefügeumwandlungen verschleißfeste Schichten entstehen. Dabei können gegebenenfalls auch vorzugsweise metallische Pulver mit eingeschmolzen werden, die dann durch Einlegieren, Bildung von intermetallischen Verbindungen oder durch kathalytische Beeinflussung der Gefügeumwandlung die Bildung der verschleißfesten Oberflächenschichten begünstigen.For the production of wear-resistant and corrosion-resistant layers Machine parts exposed to sliding friction on the running surfaces due to thermal In practice, processes are mostly thermal spray processes or build-up welding processes used. Powders made of metals are elementary, in the form of mixtures or as alloys or also preferably metal-ceramic powders, optionally with metallic additives, melted as a binder and applied to the surfaces of the workpieces sprayed on or welded on. On the other hand, the surfaces of workpieces from metals, such as preferably from cast iron, steel or aluminum by thermal Treatments are remelted so that structural changes occurring during cooling Wear-resistant layers are created. In this case, if necessary, can also be preferred metallic powders are melted down with, which then by alloying, formation of intermetallic compounds or by catalyzing the structural transformation favor the formation of the wear-resistant surface layers.

Die in der Praxis ftlr die thermischen Behandlungen verwendete Energie wird vorzugsweise durch Verbrennung, wie zum Beispiel beim Flammspritzen oder Schweißen mittels Sauerstoff - Azethylen - Verbrennung, durch elektrische Energie, wie zum Beispiel beim Plasmaspritzen oder Plasmaauftragsschweißen, oder durch Strahlungsenergie mittels vorzugsweise energiereichen Elektronenstrahlen erzeugt. Die auf diese Weise erzeugten Oberflächenschichten auf vor allem gleitender Reibung ausgesetzten Maschinenteilen haben sich in der Praxis in vielen Anwendungsfällen, Verfahren zur Herstellung von verschleißfesten und / oder korrosionsbeständigen Schichten ( 1686 ) wie zum Beispiel auch bei Verschleißteilen in Verbrennungskraftmaschinen, wie Kolbenringen oder Zylinderlaufbüchsen, hervorragend bewährt.The energy used for the thermal treatments in practice is preferably made by combustion, such as flame spraying or welding by means of oxygen - acetylene - combustion, by means of electrical energy, such as for Example with plasma spraying or plasma deposition welding, or through radiant energy generated by means of preferably high-energy electron beams. That way generated surface layers on machine parts that are mainly exposed to sliding friction have proven themselves in practice in many applications, Procedure for Production of wear-resistant and / or corrosion-resistant layers (1686 ) such as, for example, also with wear parts in internal combustion engines, such as Piston rings or cylinder liners, well proven.

Die Herstellung derartig verbesserter Maschinenteile ist allerdings vergleichsweise aufwendig und teuer. Sie erfordert umfangreiche Anlagen, welche insbesondere auch zum Scutz der Arbeitssicherheit gegen dabei nach außen freiwerdende Energie in Form von Hitzestrahlung, schädlicher Lärmentwicklung oder elektromagnetische Strahlung in gefährlichen kurzweiligen Bereichen mit zusätzlichen Vorrichtungen gesichert werden müssen. Ferner sind die zunächst entstandenen Schichten noch uneben und müssen durch beispielsweise Schleifen oder Läppen auf Präzision langwierig nachbearbeitet werden. Verschleißfeste Schichten sind allerdings entsprechend hart, so daß auch die Nachbearbeitung besondere Werkzeuge bei meist langen Bearbeitungszeiten erfordert.The production of such improved machine parts is, however comparatively complex and expensive. It requires extensive facilities, which in particular to protect work safety against those that are released to the outside world Energy in the form of heat radiation, harmful noise or electromagnetic Radiation in dangerous short-term areas with additional devices need to be secured. Furthermore, the layers that were initially created are still uneven and have to be reworked for a long time to precision, for example by grinding or lapping will. Wear-resistant layers are, however, correspondingly hard, so that too the post-processing requires special tools with mostly long processing times.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuen thermisches Verfahren zur Herstellung verschleißfester und / oder korrosionsbeständiger Schichten auf insbesondere den Laufflächen von auf reibenden Verschleiß ausgesetzten Maschinenteilen aus Metall zu schaffen, welches einfacher und wirtschaftlicher zu handhaben ist. Das Verfahren soll möglichst arbeitssicher sein, und die entstandenen Schichten sollen soweit glatt und maßgenau hergestellt werden können, daß auf teure und aufwendige Nachbehandlungsverfahren weitgehend verzichtet werden kann.It is therefore the object of the present invention to provide a new thermal Process for the production of wear-resistant and / or corrosion-resistant layers in particular on the running surfaces of machine parts exposed to frictional wear to create from metal, which is easier and more economical to handle. The process should be as safe as possible, and the resulting layers should be able to be produced smoothly and accurately to the extent that it is expensive and time-consuming Post-treatment procedures can largely be dispensed with.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein thermisches Oberflächenbehandlungsverfahren gelöst, bei dem die erforderliche thermische Energie durch Reibung mit einem Werkzeug erzeugt wird, welches während des Verfahrens mit hoher kinetischer Energie und / oder hohem Anpreßdruck auf der Werkstückoberfläche relativ bewegt wird. In der Technik wird durch Reibung erzeugte Energie beim Reibschweißen eingesetzt. Dieses'bekannte Reibschweißverfahren dient allerdings bisher lediglich zum Verbinden metallischer Werkstücke, während das erfindungsgemäße Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Maschinenteilen, und zwar vorzugsweise zur Herstellung verschleißfester Oberzüge auf den Laufflächen gleitender Verfahren zur Herstellung von verschleißfesten und / oder kcrrosicnsbeständigen Schichten ( 1686 ) Reibung ausgesetzter Maschinenteile, dient. Hierzu werden vorzugsweise aus der thermischen Metallspritztechnik oder Auftragsschweißtechnik bekannte Substanzen, vorzugsweise auf der Basis von Metallen, elementar, gemischt oder legiert oder auch in Mischung mit intermetallischen Verbindungen oder als Metallkeramik mit gegebenenfalls Zusätzen an bindenden metallischen Komponenten verwendet. Die Substanzen können dabei während des Verfahrens in Pulverform zwischen Werkzeug und Werkstückoberfläche gebracht werden, oder es können vorher auf die Werkstückoberfläche oder gegebenenfalls auch auf das Werkzeug lose Oberzüge durch Aufbringen und Antrocknen einer entsprechenden Paste aufgetragen werden. Durch Relativbewegung des Werkzeuges auf der Werkstückoberfläche schmilzt durch die freiwerdende Reibungsenergie die aufgebrachte Substanz weitgehend auf, wobei gleichzeitig je nach Stärke der Reibung die Werkstückoberfläche zu einer bestimmten Tiefe aufschmilzt und mit der aufgetragenen Substanz eine fest verschweißte Verschleißschutzschicht bildet. Je nach Auswahl der Auftragspulver können sowohl die Verschleißfestigkeit als auch die Korrosionsbeständigkeit der Schicht je nach Anwendungsfall variiert werden.According to the invention, this object is achieved by a thermal surface treatment process solved in which the required thermal energy by friction with a tool is generated, which during the process with high kinetic energy and / or high contact pressure on the workpiece surface is moved relatively. In technology Energy generated by friction is used in friction welding. This' known So far, however, friction welding has only been used to connect metallic ones Workpieces, while the inventive method for surface treatment of Machine parts, preferably for the production of wear-resistant coverings more gliding on the treads Method of making wear-resistant and / or scratch-resistant layers (1686) of machine parts exposed to friction, serves. For this purpose, thermal metal spray technology or build-up welding technology are preferred known substances, preferably based on metals, elemental, mixed or alloyed or mixed with intermetallic compounds or as metal ceramics used with possibly additives of binding metallic components. the Substances can be in powder form between the tool and during the process Workpiece surface can be brought, or it can be applied to the workpiece surface beforehand or, if necessary, also loose upper layers on the tool by applying and drying a corresponding paste can be applied. By relative movement of the tool The frictional energy that is released melts on the workpiece surface applied substance largely, while at the same time depending on the strength of the friction the workpiece surface melts to a certain depth and with the applied Substance forms a firmly welded wear protection layer. Depending on the selection the application powder can increase both wear resistance and corrosion resistance the layer can be varied depending on the application.

Vorzugsweise besteht das Werkstück aus Metallen, wie vorzugsweise Gußeisen, Stahl oder Aluminium, und das Werkzeug aus einem sehr hochschmelzenden Material, wie vorzugsweise einem Sinterhartmetall, so daß während des Verfahrens die Werkzeugoberfläche nicht aufschmilzt und keine feste Verbindung zur Auftragsschweißschicht zustande kommt. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können besonders gut die Oberflächen von Maschinenteilen, wie Kolbenringe, Ventilsitzringe oder Zylinderlaufbüchsen, verschleißfest beschichtet werden, da in diesen Fällen relativ einfach die Reibungsenergie zusätzlich durch Rotation der zylindrischen Werkstücke oder Werkzeuge erzeugt werden kann.Preferably the workpiece is made of metals, as is preferred Cast iron, steel or aluminum, and the tool from a very high melting point Material, such as preferably a cemented carbide, so that during the process the tool surface does not melt and there is no firm connection to the build-up weld layer comes about. According to the method according to the invention, the surfaces can be particularly effective of machine parts such as piston rings, valve seat rings or cylinder liners, Be coated wear-resistant, since in these cases the frictional energy is relatively simple can also be generated by rotating the cylindrical workpieces or tools can.

Vorzugsweise erfolgt das erfindungsgemäße Verfahren bei hohem Anpreßdruck, welcher sich gegebenenfalls während des Verfahrens steigert.The method according to the invention is preferably carried out at high contact pressure, which may increase during the procedure.

Dazu sind die Werkzeuge oder gegebenenfalls auch die Werkstücke so gestaltet, daß ihr Anpreßdruck während des Verfahrens über beispiels- Verfahren zur Herstellung von verschleißfesten und / oder korrosionsbeständigen Schichten ( 1686 ) weise Federkraft variiert werden kann.The tools or possibly also the workpieces are like this for this purpose designed so that their contact pressure during the process over example procedure for the production of wear-resistant and / or corrosion-resistant layers (1686) wise spring force can be varied.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich /orteilhaft auf einfachen Anlagen durchführen, welche in ihrer Größe kaum über die normaler Läpp -oder Schleifmaschinen hinausgehen. Bei dem Verfahren entsteht kaum gesundheitsgefährdende Lärmentwicklung sowie gefährliche Strahlung, so daß die Anlagen ohne besondere Schutzmaßnahmen betrieben werden können.The method according to the invention can advantageously be simple Perform systems that are hardly larger in size than normal lapping or grinding machines go out. The process hardly produces any harmful noise as well as dangerous radiation, so that the systems operated without special protective measures can be.

Bei diesem Verfahren wird vorteilhaft die thermische Energie nur am zu schmelzenden Metall erzeugt, so daß energiesparend kaum ein Wärmeverlust entsteht. Das Schmelzen und Aufschweißen erfolgt dabei unter Druck und unter Abschluß umgebender Medien, so daß die Festigkeit der Schichten aufgrund stärkerer Verdichtung und aufgrund des Fehlens von zum Beispiel Fremdgaseinschlüssen gegenüber den bisher bekannten Auftragsverschleißschutzschichten erheblich gesteigert wird. Zugleich wird durch das erfindungsgemäße Verfahren die aufgetragene Schicht geglättet und poliert, so daß meist nur noch eine kurzfristige Nachbearbeitung der Schicht erforderlich ist.In this process, the thermal energy is advantageous only on generated metal to be melted, so that there is hardly any heat loss in an energy-saving manner. The melting and welding takes place under pressure and with the closure of the surrounding area Media, so that the strength of the layers due to greater compression and due the lack of, for example, foreign gas inclusions compared to the previously known Application wear protection layers is increased significantly. At the same time is through the method according to the invention smoothed and polished the applied layer, so that mostly only a short-term post-processing of the shift is necessary.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können gegebenenfalls auch die Verschleißschutzschichten durch thermische Gefügeumwandl ungen erzeugt werden. Beispielsweise können so die Laufflächen gußeiserner Maschinenteile auf - und umgeschmolzen werden, so daß das Gußeisen dort nach Abkühlen ledeburitisch und somit verschleißfester erstarrt.According to the method according to the invention, the Wear protection layers are generated by thermal structural transformations. For example the running surfaces of cast-iron machine parts can be melted on and over, so that the cast iron there after cooling is ledeburitic and therefore more wear-resistant stiffens.

Gegebenenfalls können dazu auch vorzugsweise Substanzen auf die Oberfläche gebracht werden, die beim Umschmelzen sich einlegieren bzw. verschleißfeste intermetallische Verbindungen bilden oder die Entstehung eines verschleißfesten Gefüges kathalytisch begünstigen.If necessary, substances can also preferably be applied to the surface for this purpose be brought into alloy or wear-resistant intermetallic when remelting Forming connections or catalyzing the creation of a wear-resistant structure favor.

In einem Ausführungsbeispiel werden Kolbenringe für Verbrennungskraftmaschinen mit einem verschleißfesten Oberzug auf den Laufflächen aus Molybdän versehen. Dazu werden 20 Kolbenringe mit einem äußeren Durchmesser von 100 mm auf einen Spreizdorn gespannt, so daß sie während des Verfahrens aufgrund ihrer Eigenspannung an einem Werkzeugzylinder anliegen und / oder mittels des verstellbaren Spreiz- Verfahren zur Herstellung von verschleißfesten und / oder korrosionsbeständigen Schichten ( 1686 ) dornes radial zusätzlich angepreßt werden. Der Kolbenring ist vorher an seinem äußeren Umfang mit einer Molybdänpulverpaste beschichtet, so daß nach dem Trocknen ein etwa 0,2 mm starker lockerer Molybdänüberzug entstanden ist. Nach Einführung in die Werkzeugbüchse aus Sinterhartmetall erfolgt das Reibschweißen, indem das Kolbenringpaket translatorisch bewegt und in Rotation versetzt wird. Während der Bewegung des Kolbenringpaketes wird die radiale Anpressung erhöht, bis daß die zum Verschweißen des Grundwerkstoffes mit dem Molybdänpulver ausreichende Schmelzwärme erreicht ist. Die so hergestellten Kolbenringe besitzen einen sehr festen und glatten Oberzug, welcher gegenüber den nach bisherigen Verfahren aufgespritzten Oberzügen eine größere Maßhaltigkeit besitzt. Die Endbearbeitung der Ringe erfolgt daher nur noch durch einen kurzfristigen Schleifprozeß und durch das anschließende Trennen der Ringe, wobei gleichzeitig die Flanken der Auftragsschichten in gewohnter Weise abgefast werden.In one embodiment, piston rings are used for internal combustion engines provided with a wear-resistant coating on the running surfaces made of molybdenum. In addition 20 piston rings with an outer diameter of 100 mm are placed on an expanding mandrel tensioned, so that they during the process due to their internal stress on a The tool cylinder and / or by means of the adjustable spreading procedure for the production of wear-resistant and / or corrosion-resistant layers (1686) the mandrel must also be pressed radially. The piston ring is on beforehand its outer periphery coated with a molybdenum powder paste, so that after Drying, a loose molybdenum coating about 0.2 mm thick has arisen. After introduction friction welding is carried out in the tool sleeve made of sintered carbide by inserting the Piston ring pack is moved translationally and set in rotation. During the Movement of the piston ring assembly increases the radial pressure until the for Welding the base material with the molybdenum powder has sufficient heat of fusion is reached. The piston rings produced in this way are very firm and smooth Upper part, which compared to the upper parts sprayed on according to previous methods has greater dimensional accuracy. The finishing of the rings is therefore only done still through a short-term grinding process and the subsequent cutting of the rings, at the same time the flanks of the application layers in the usual way be chamfered.

In ähnlicher Weise können auch ebene Flächen, wie beispielsweise die Flanken von Kolbenringen oder Dichtleisten, mit entsprechenden Schichten bedeckt werden.In a similar way, flat surfaces, such as the Flanks of piston rings or sealing strips, covered with appropriate layers will.

Claims (7)

P A N ~t A N S D R li C H E 1. Verfahren zur Herstellung von verscnleißfesten und 1 oder korrosionsbeständigen Oberflächenschichten auf Maschinenteilen, insbesondere aus Geeen, Stahl oder Aluminium, durch eine thermische, zumindest zu einer teilweisen Aufschmelzung der WerkstUckoberfläche führenden Behandlung, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Lnergie durch Reibung mit einem Werkzeug erzeugt wird, welches während des Verfahrens mit hoher kinetischer Energie und / oder hohem Anpreßdruck relativ zur Werkstückoberfläche bewegt wird. P A N ~ t A N S D R li C H E 1. Process for the production of wear-resistant and 1 or corrosion-resistant surface layers on machine parts, in particular made of geeen, steel or aluminum, through a thermal, at least to a partial extent Melting of the treatment leading to the workpiece surface, characterized in that that the thermal energy is generated by friction with a tool, which during the process with high kinetic energy and / or high contact pressure is moved relative to the workpiece surface. 2 . Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Werkzeug - und Werkstückoberfläche Substanzen eingebracht werden.2. Method according to claim 1, characterized in that between Substances are introduced into the tool and workpiece surface. 3 . Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Beschichtungstechnik bekannte metallische und / oder metallkeramische Substanzen verwendet werden.3. Process according to Claims 1 and 2, characterized in that that known from the coating technology metallic and / or metal-ceramic Substances are used. 4 . Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die netallischen und / oder metall keramischen Substanzen in Pulverform zwischen Werkzeug - und Werkstückoberfläche gebracht werden.4th Process according to Claims 1 to 3, characterized in that that the metallic and / or metal-ceramic substances in powder form between Tool and workpiece surface are brought. Verfahren nach den Anspriichen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus den metallischen und / oder metallkeramischen Substanzen auf den Werkzeug - und / oder Werkstückoberflächen vor der termischen Reibbehandlung ein Oberzug gebildet wird. Method according to Claims 1 to 3, characterized in that from the metallic and / or metal-ceramic substances on the tool - and / or workpiece surfaces are formed before the thermal rubbing treatment will. 6 . Verfahren nach Anspruch , dadurch gekennzeichnet, daß durch Reibung des Werkzeuges mit dem Werkstück ein Umschmelzen der Werkstückoberfläche unter Gefügeumwandlung erzeugt wird.6th Method according to claim, characterized in that by friction of the tool with the workpiece a remelting of the workpiece surface with structural transformation is produced. 7 . Verwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6 für die Herstellung von Schichten auf den Verschleißflächen von Kolben- Verfahren zur Hersteltunc von verschleißfesten und / oder korrosicnsbeständigen Schichten ( 1686 ) ringen, Dichtleisten, Zylinderlaufbüchsen und Ventilsitzringen von Verbrennungskraftmaschinen.7th Use of the method according to claims 1 to 6 for Production of layers on the wear surfaces of piston procedure for the production of wear-resistant and / or corrosion-resistant layers (1686) rings, sealing strips, cylinder liners and valve seat inserts of internal combustion engines.
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