DE10110803A1

DE10110803A1 - Production of metallic layer on upper part of internal combustion engine piston comprises directly applying the layer as single corrosion protection layer on surface of piston using high velocity oxy-fuel thermal spraying process

Info

Publication number: DE10110803A1
Application number: DE10110803A
Authority: DE
Inventors: Sabine Werner; Dietmar Koester
Original assignee: Euroflamm GmbH
Current assignee: Oerlikon Friction Systems Germany GmbH
Priority date: 2001-03-06
Filing date: 2001-03-06
Publication date: 2002-09-12

Abstract

Production of a metallic layer on the upper part of an internal combustion (IC) engine piston comprises directly applying the layer as a single corrosion protection layer on the surface of the piston using a high velocity oxy-fuel thermal spraying process. An Independent claim is also included for a piston for an IC engine having a thermally sprayed single corrosion protection layer. Preferred Features: The thermal spraying process is temperature-controlled. The layer is made from MCrAlY (where M = Fe, Ni and/or Co).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer metallischen Schicht durch thermisches Spritzen zumindest teilweise auf dem Oberteil eines Kolbens einer Verbrennungskraftmaschine. Ferner betrifft die Erfindung einen Kolben einer Verbrennungskraftmaschine, dessen Oberteil zumindest teilweise eine durch thermisches Spritzen hergestellte Schicht aufweist.The invention relates to a method for producing a metallic layer thermal spraying at least partially on the top of a piston Internal combustion engine. The invention further relates to a piston Internal combustion engine, the upper part of which at least partially by thermal sprayed layer.

Ein derartiges Verfahren zum Beschichten von Kolben und ein so beschichteter Kolben sind seit längerem bekannt und befinden sich in vielfältiger Form im Einsatz. Dabei wird zum thermischen Spritzen ein Plasma-Verfahren verwendet, und übli cherweise wird die mit diesem Verfahren auf dem Untergrund aufgebrachte Be schichtung als Zwischenhaftschicht vorgesehen, auf die dann noch eine Außen schicht aufgespritzt wird. Such a method for coating pistons and such a coated Pistons have been known for a long time and are used in a variety of forms. A plasma process is used for thermal spraying, and übli The surface applied with this method is Layering is provided as an intermediate adhesive layer, on top of which there is an outer layer layer is sprayed on.

Die so aufgebrachte Beschichtung dient im Regelfall hauptsächlich als Korrosions schutz, insbesondere wenn der Untergrund aus Grauguss besteht, der besonders korrosionsanfällig ist. Denn in den Verbrennungsräumen von Verbrennungskraftma schinen bzw. Hubkolbenmaschinen sind Kondensationserscheinungen zu beobach ten, deren negative Wirkungen es zu verhindern gilt. Alternativ oder zusätzlich ist es im Verbrennungsmotor auch an bestimmten Stellen, wo sich zwei relativ zuein ander bewegliche Teile in Anlage aneinander befinden, erforderlich, die Beschich tung derart auszubilden, dass deren Oberfläche eine Gleitfläche zur Reduktion der Reibung bildet.The coating applied in this way generally serves mainly as corrosion protection, especially when the surface is made of gray cast iron is susceptible to corrosion. Because in the combustion chambers of internal combustion engines Machines or reciprocating piston machines can be observed condensation phenomena whose negative effects need to be prevented. Alternatively or additionally it in the internal combustion engine also in certain places where two are relative to each other other moving parts are in contact with each other, the coating is required training in such a way that their surface is a sliding surface for reducing the Friction forms.

In diesem Zusammenhang wird zum Stand der Technik verwiesen auf die DE 198 03 084 A1, DE 196 05 946 C1, DE 195 04 403 A1, DE 43 17 350 A1, DE 41 04 832 A1, DE 39 01 028 A1, EP 0 807 479 A1, WO 00/37789 A1, WO 97/16577 A1 und AT 186656 A.In this connection, reference is made to the prior art in DE 198 03 084 A1, DE 196 05 946 C1, DE 195 04 403 A1, DE 43 17 350 A1, DE 41 04 832 A1, DE 39 01 028 A1, EP 0 807 479 A1, WO 00/37789 A1, WO 97/16577 A1 and AT 186656 A.

Da aufgrund der Forderung, den Energieverbrauch immer stärker zu senken, die Verbrennungsmotoren heutzutage auf einen immer höheren Wirkungsgrad hin konstruiert werden und insbesondere eine immer höhere Verdichtung erhalten, hat sich nun herausgestellt, dass die herkömmlich verwendeten Beschichtungsver fahren und Konstruktionswerkstoffe den Anforderungen an diese neuen Konstruk tionen nicht mehr ausreichend genügen. Außerdem besteht mittlerweile die Forde rung bei der Industrie, die Verschwendung bzw. den Verlust teurer Werkstoffe soweit wie möglich zu reduzieren.Because of the demand to reduce energy consumption more and more, the Internal combustion engines nowadays for ever higher efficiency be constructed and in particular have received an ever higher compression it has now been found that the conventionally used coating ver driving and construction materials meet the requirements of this new construction ions are no longer sufficient. In addition, there is now the Forde industry, waste or loss of expensive materials reduce as much as possible.

Deshalb schlägt die Erfindung vor, die metallische Schicht als einzige Beschichtung, insbesondere Korrosionsschutzschicht, direkt auf die Oberfläche zumindest des Oberteils des Kolbens aufzubringen und dabei zum thermischen Spritzen das HVOF(high velocity oxy-fuel)-Verfahren zu verwenden.The invention therefore proposes that the metallic layer be the only coating especially corrosion protection layer, directly on the surface of at least the Apply the upper part of the piston while doing this for thermal spraying Use HVOF (high velocity oxy-fuel) process.

Mit Hilfe der Erfindung erhält man eine Beschichtung mit einer geringeren Dicke, einer höheren Dichte sowie einer geringeren Porösität als beim Stand der Technik. With the aid of the invention, a coating with a smaller thickness is obtained, a higher density and a lower porosity than in the prior art.

Dies wird erfindungsgemäß durch die Verwendung des HVOF-Verfahrens erzielt. Das HVOF-Verfahren ist zwar für sich bereits bekannt (siehe z. B. US 6 096 381 A1, jedoch wurde es bislang zum Beschichten von Teilen von und/oder für Ver brennungsmotoren, insbesondere im Rahmen einer Großserienproduktion, nicht ver wendet. Es ist nun herausgefunden worden, dass unter Verwendung des HVOF- Verfahrens erstmals hochqualitative Beschichtungen mit den zuvor erwähnten vorteilhaften Eigenschaften hergestellt werden können. Mit Hilfe des HVOF-Ver fahrens wird in besonders wirksamer Weise erreicht, dass während des Beschich tungsprozesses eingespritzte Pulver nicht zu akzeptablen Oxideinlagerungen und Porenfeldern führen können. Die erfindungsgemäß so hergestellte Beschichtung ist außerdem besonders widerstandsfähig gegen die in den modernen Verbrennungs motor-Konstruktionen immer stärker auftretende Heißgaskorrosion.According to the invention, this is achieved by using the HVOF method. The HVOF method is already known per se (see, for example, US 6 096 381 A1, however, it has been used to coat parts of and / or for Ver internal combustion engines, especially in the context of large series production, not ver applies. It has now been found that using the HVOF Process for the first time high quality coatings with the previously mentioned advantageous properties can be produced. With the help of the HVOF Ver driving is achieved in a particularly effective manner that during the coating injected powder not to acceptable oxide deposits and Can lead to pore fields. The coating thus produced according to the invention is also particularly resistant to those in modern combustion engine constructions increasingly hot gas corrosion.

Ferner ist gefunden worden, dass es ausreicht, die metallische Schicht als einzige Beschichtung mit Hilfe des HVOF-Verfahrens direkt auf den Untergrund aufzutra gen, ohne dass das Aufbringen weiterer Schichten erforderlich ist. Insbesondere wurde festgestellt, dass eine solche Beschichtung ohne weiteres den Anforderun gen an einen Oxidations- oder Korrosionsschutz genügt.Furthermore, it has been found that it is sufficient to use the metallic layer as the only one Apply the coating directly to the substrate using the HVOF process conditions without the need for additional layers. In particular it was found that such a coating easily met the requirement protection against oxidation or corrosion is sufficient.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des TC(temperature control)-HVOF- Verfahren, welches insbesondere für die Beschichtung von Bauteilen mit komplexer Geometrie besonders geeignet ist.The use of TC (temperature control) -HVOF- is particularly advantageous Process which is particularly suitable for the coating of components with complex Geometry is particularly suitable.

Vorzugsweise ist die Schicht aus Pulverfraktion hergestellt und besteht die Schicht aus MCrAlY, wobei M vorzugsweise Fe, Ni und/oder Co ist.The layer is preferably made of powder fraction and the layer consists from MCrAlY, where M is preferably Fe, Ni and / or Co.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Beispieles kurz näher erläutert, wonach ein Kolbenoberteil mit einer Beschichtung aus einem MCrAlY- Werkstoff versehen worden ist. The invention is briefly explained in more detail below using a preferred example explains how a piston upper part with a coating of a MCrAlY Material has been provided.

Diese Beschichtung ist aus einer Pulverfraktion erzeugt worden, die nach dem TC(temperature control)-HVOF(high velocity oxy-fuel)-Verfahren hergestellt worden sind. Das TC-HVOF-Verfahren ermöglicht die Verarbeitung superfeiner Cermet- Pulver der Pulverfraktion -15 + 5 µm zu Oberflächen mit Rauhtiefen von Ra. 1 bis 2 pm.This coating has been produced from a powder fraction, which after the TC (temperature control) -HVOF (high velocity oxy-fuel) process are. The TC-HVOF process enables the processing of super-fine cermet Powder of the powder fraction -15 + 5 µm for surfaces with a roughness depth of Ra. 1 to 2 pm.

Das TC-HVOF-Verfahren kommt dabei in besonders vorteilhafter Weise mit Hilfe einer neu entwickelten Brennertechnologie zum Einsatz, welche die Verwendung langer Beschleunigungsdüsen (insbesondere 200 bis 400 mm) erlaubt, ohne die Prozessstabilität durch sogenannte Anbackungsphänomene zu gefährden. Diese Brennertechnologie nutzt eine wasserstoff-stabilisierte Kerosin-Sauerstoff-Ver brennung zur Ausbildung der Prozessgasströmung. Die wasserstoff-gestützte Kerosinzerstäubung führt zu einer pulsationsarmen Überschall-Prozessgasströmung in einem Temperaturbereich von etwa 200°C bis 2500°C bei Brennkammerdrüc ken von etwa 14 bis 25 bar. Turbulenzfelder in der Prozessgasströmung werden durch die besondere Ausbildung der Brennkammern und der Wandströmung ver mieden. Dadurch wird der Bedarf an Kühlung thermisch belasteter Bauteile deutlich verringert; bei 200 kW Prozessleistung beträgt die Kühlleistung etwa 35 kW. Das Pulver wird durch eine dual-radiale Pulverzuführung im Überschallbereich der Prozessgasströmung eingedüst, ein Überhitzen der Pulverpartikel verhindert und der Einsatz langer Beschleunigerdüsen ermöglicht.The TC-HVOF method comes in a particularly advantageous manner with the help a newly developed burner technology for use, which is the use long acceleration nozzles (in particular 200 to 400 mm) allowed without the Process stability endangered by so-called caking phenomena. This Burner technology uses a hydrogen-stabilized kerosene-oxygen ver combustion to form the process gas flow. The hydrogen-based Kerosene atomization leads to a low-pulsation supersonic process gas flow in a temperature range of around 200 ° C to 2500 ° C at combustion chamber pressure from about 14 to 25 bar. Turbulence fields in the process gas flow due to the special design of the combustion chambers and the wall flow avoided. This makes the need for cooling thermally stressed components clear reduced; with a process output of 200 kW, the cooling output is approximately 35 kW. The Powder is fed through a dual-radial powder feed in the supersonic area Process gas flow injected, overheating of the powder particles prevented and the Long accelerator nozzles can be used.

Es wurde beobachtet, dass die Temperaturbelastung der Bauteile während der Beschichtung deutlich verringert und die Schichtqualität erheblich verbessert ist. Oxideinlagerungen und Porenfelder, die insbesondere an Kanten und kritischen Übergängen komplexer Bauteile auftreten, werden in der Beschichtung vermieden.It was observed that the temperature load on the components during the Coating significantly reduced and the layer quality is significantly improved. Oxide deposits and pore fields, especially on edges and critical Transitions of complex components occur are avoided in the coating.

Claims

1. A method for producing a metallic layer by thermal spraying at least partially on the upper part of a piston of an internal combustion engine,
characterized in that the metallic layer as the only coating, in particular corrosion protection layer, applied directly to the surface of the upper part of the piston and
the HVOF (high velocity oxy-fuel) process is used for thermal spraying.

2. The method according to claim 1, characterized in that for thermal spraying the TC (temperature control) HVOF method is used.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the layer is made from powder fraction.

4. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the layer is made of MCrAlY, where M is preferably Fe, Ni and / or Co.

5. Piston of an internal combustion engine, the upper part of which is at least partially has a layer produced by thermal spraying, characterized in that the top part is made using an HVOF process applied layer as the only coating, especially corrosion protection layer.

6. piston of an internal combustion engine according to claim 5, characterized in that the top part is made using a TC-HVOF process applied layer as the only coating, especially corrosion protective layer.

7. Piston of an internal combustion engine according to claim 5 or 6, characterized in that the layer consists of powder fraction.

8. Piston of an internal combustion engine according to at least one of the Claims 4 or 5, characterized in that the layer consists of MCrAlY, with M preferred is Fe, Ni and / or Co.