DE102005009660B4

DE102005009660B4 - Verfahren zur Veränderung der Topographie von Oberflächen, Bauteil oder Bereich einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005009660B4
Application number: DE102005009660.3A
Authority: DE
Inventors: Stefan Langenfeld
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2005-03-03
Filing date: 2005-03-03
Publication date: 2014-01-02
Anticipated expiration: 2025-03-04
Also published as: DE102005009660A1; FR2882672A1; FR2882672B1

Abstract

Verfahren zur Veränderung der Topographie von Oberflächen an Bauteilen oder innerhalb von Bereichen einer Brennkraftmaschine zur Reduzierung von Reibung und/oder Ablagerungen, bei dem mindestens teilweise durch Materialabtrag mittels eines Laserstrahls Strukturen im sub-μm-Bereich in den Oberflächen erzeugt werden, wobei die Oberflächenstrukturierung mittels ultrakurzer Laserpulse erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Veränderung der Topographie von Oberflächen an Bauteilen oder innerhalb von Bereichen einer Brennkraftmaschine.
Die US 2004/0155017 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem mittels ultrakurzer Laserpulse nanoskalige Strukturen auf der Oberfläche eines Substrats erzeugt werden. Dabei können Strukturen erzeugt werden, deren Abmessungen wesentlich unterhalb der Wellenlänge des Lichts liegen, gegebenenfalls Abmessungen im Bereich von weniger als 20 nm. Es wird beispielsweise die Erzeugung von rasterartigen Lochpunktmustern beschrieben, bei denen etwa kreisförmige Vertiefungen in regelmäßigen Abständen zueinander erzeugt werden, die etwa gleichförmig sind. Alternativ dazu können langgestreckte Nuten mit geringer Breite erzeugt werden. Zur Erzeugung dieser nanoskaligen Strukturen werden Laserpulse von sehr kurzer Zeitdauer erzeugt, die gegebenenfalls im Bereich von 600 Femtosekunden liegen. Das Verfahren dient in erster Linie zur Erzeugung nanoskaliger Strukturen in transparenten oder opaken Materialien, insbesondere Glas, Quarz, Silikon oder dergleichen. Es wird auch die Bearbeitung von Metall erwähnt.
Die US-Patentschrift 5,744,780 beschreibt ein Verfahren zur Ausführung von Präzisionsbohrungen beziehungsweise zum Schneiden und Polieren von metallischen und keramischen Materialien, bei denen ein Laser mit hoher Pulswiederholungsfrequenz lochartige Strukturen in einem Substrat erzeugt, deren Größe zwischen 500 μm und weniger als 25 μm liegt. Die Pulsdauer des Laserpulses liegt vorzugsweise bei weniger als einer μs. Bei diesem Verfahren geht es um die gezielte Einbringung von Präzisionsbohrungen oder dergleichen in ein Werkstück.
Die DE 101 57 316 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Lagers mit einer bereichsweise nanoskopisch rauen Lagerfläche. Das Verfahren soll eine Verbesserung der Lagereigenschaften, Minimierung der Partikelbildung und Verringerung der Reibung dadurch erreichen, dass die Lagerfläche zumindest bereichsweise nanoskopisch rau ausgebildet wird. Das Aufrauen der Lagerfläche kann durch Anätzen, insbesondere durch Einwirkung einer Säure erfolgen oder auch elektrochemisch. Das Verfahren soll sich für Lagerflächen aus den unterschiedlichsten Materialien eignen, insbesondere Kunststoff, Keramik oder auch Metall. Es wird auch erwähnt, dass eine mechanische Behandlung beziehungsweise Aufrauung der Lagerfläche auch durch Prägen, Gravieren, Gießen, Abformen oder Laserbearbeitung erfolgen kann.
Die DE 197 06 833 A1 betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Zylinderlaufbahnen von Hubkolbenmaschinen, insbesondere von Brennkraftmaschinen, bei dem die zumindest eine Zylinderlaufbahn eines Zylindergehäuses vorgebohrt und anschließend mechanisch endbearbeitet wird, wobei zur fertigungstechnischen Vereinfachung und zur Erzielung bestimmter Laufbahnen ein Feinspindeln mit geringer Mikrorauhigkeit durchgeführt wird. Bei höher belasteten Brennkraftmaschinen kann an das Feinspindeln eine Laserbelichtung mit einem pulsbaren Laser angeschlossen werden, wodurch Reibungsverluste vermindert und die Verschleißfestigkeit und die Korrosionsbeständigkeit der Laufbahnen weiter erhöht werden.
Es ist bekannt, dass durch Reduzierung der mechanischen Reibverluste in Verbrennungsmotoren der Kraftstoffverbrauch nicht unerheblich verringert werden kann. Gleichzeitig werden die Reibungsverluste im Bereich der Festkörper- und Mischreibung sowohl auf die Oberflächenchemie als auch auf die Oberflächentopographie, insbesondere im Nanometerbereich zurückgeführt. An bestimmten Bauteilen und in gewissen Bereichen einer Brennkraftmaschine, beispielsweise an den Einlassventilen einiger Motorentypen kommt es aufgrund der Abgasrückführung bauartbedingt im Teillastbereich zu Verkokungsablagerungen. Der Abbau dieser Ablagerungen kann mittels katalytisch aktiver Schichten beschleunigt werden. Von der Lotus-Pflanze ist der sogenannte Lotus-Effekt bekannt. Dieser ermöglicht der Pflanze eine sogenannte Selbstreinigung initiiert durch eine wasser- und schmutzabweisende Oberfläche. Diese Oberflächeneigenschaften werden zum einen ermöglicht durch chemische Effekte (zum Beispiel Wachse) und darüber hinaus auch durch eine besondere Topographie, insbesondere im Nanometer-Bereich.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Veränderung der Topographie von Oberflächen an Bauteilen oder innerhalb von Bereichen einer Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, welches eine Reduzierung von Reibung und Verschleiß und die Verringerung von Anhaftungen an Oberflächen von Bauteilen oder innerhalb von Bereichen einer Brennkraftmaschine ermöglicht.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein erfindungsgemäßes Verfahren der eingangs genannten Gattung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Bauteil oder Bereich einer Brennkraftmaschine, welches(r) mindestens teilweise nach einem Verfahren der vorgenannten Art bearbeitet wurde.
Die Anmelderin hat festgestellt, dass sich überraschenderweise durch Materialabtrag mittels eines Laserstrahls eine Veränderung der Oberflächen-Topographie herbeiführen lässt, bei der Strukturen im sub-μm-Bereich in den Oberflächen erzeugt werden und die zu einer Verringerung der mechanischen Verluste in Verbrennungsmotoren durch Reibung führt. Anhaftungen in Form von Verkokungen und dergleichen lassen sich durch das erfindungsgemäße Verfahren reduzieren beziehungsweise Ablagerungen, die sich bereits gebildet haben, lassen sich einfacher entfernen. Der erfindungsgemäße Materialabtrag mittels Laser ermöglicht eine schädigungsfreie Oberflächenstrukturierung insbesondere von metallischen Bauteilen oder Bauteilbereichen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Einflussnahme auf das tribologische Verhalten durch Strukturierung der Oberfläche im sub-μm-Bereich, insbesondere im nanoskaligen Bereich. Es handelt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um einen vergleichsweise wärmearmen Prozess und somit eine schädigungsfreie Materialbehandlung, die zu keinen Festigkeitsverlusten an dem bearbeiteten Bauteil führt.
Die Oberflächenstrukturierung erfolgt erfindungsgemäß die mittels ultrakurzer Laserpulse. Dabei können sogenannte Ultra-Kurzpuls-Laser zum Einsatz kommen, insbesondere Femto-Sekunden-Laser. Die Pulsdauer solcher Laserpulse liegt insbesondere bei weniger als einer Pikosekunde (10^–12 Sekunden). Eine Femtosekunde entspricht 10^–15 Sekunden, das heißt 1000 Femtosekunden entsprechen somit einer Pikosekunde.
Die mittels derartiger Ultra-Kurzpuls-Laser dargestellten Oberflächentopographien können denen einer Lotus-Pflanze ähneln, so dass vergleichbare Oberflächeneffekte genutzt werden können, um das Anhaften von Verkokungen zu verhindern oder das sogenannte Freibrennen zu erleichtern. Nach dem Stand der Technik hat man bislang zur Reduzierung von Verkokungen an Bauteilen von Brennkraftmaschinen die Oberflächen mit einer katalytischen Beschichtung versehen. Durch solche katalytisch aktiven Schichten, die beispielsweise durch CVD (chemical vapour deposition) aufgebracht werden können (zum Beispiel Schichten aus V₂O₅), hat man versucht den Abbau von Verkokungs-Ablagerungen zu beschleunigen. Bei der erfindungsgemäßen Oberflächenstrukturierung durch Materialabtrag mittels Laser kann eine solche katalytische Beschichtung der Oberfläche entfallen.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Strukturierung unbeschichteter metallischer Bauteile oder Bereiche mittels Laser. Dies können beispielsweise Einlassventile oder Auslassventile eines Motors oder Teilbereiche davon sein. Bei entsprechenden Versuchen der Anmelderin hat sich gezeigt, dass bei erfindungsgemäß mittels Laser nanostrukturierten Oberflächen von Ventilen die Verkokungserscheinungen geringer ausgeprägt waren als an vergleichbaren Serienventilen, insbesondere auch an solchen Serienventilen, die eine katalytisch beschichtete Oberfläche der vorgenannten Art aufwiesen.
Bauteile oder Bereiche einer Brennkraftmaschine, deren Oberflächentopographie zur Reduzierung von Reibung und/oder Ablagerung mindestens teilweise durch Materialabtrag mittels Laser verändert wurde, sind ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Vorzugsweise handelt es sich dabei um Bauteile oder Bereiche einer Brennkraftmaschine, bei denen im Betrieb Ablagerungen auftreten, deren Ausbildung durch eine erfindungsgemäße Strukturierung der Oberfläche im nanoskaligen Bereich verhindert wird. Derartige Bauteile sind beispielsweise Einlassventile oder Auslassventile eines Motors oder dergleichen.
Die in den Unteransprüchen genannten Merkmale betreffen bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigt
1 eine elektronenmikroskopische Aufnahme der Oberfläche eines FSI-Einlassventils aus Stahl nach Laserstrukturierung mittels Ultra-Kurzpuls-Laser.
1 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme der Oberfläche eines FSI-Einlassventils aus Stahl. FSI-Motoren (Abkürzung für Fuel stratified injection) sind Motoren einer neuen Generation, die entweder im Schichtladebetrieb oder im Homogenbetrieb arbeiten. Im sogenannten Schichtladebetrieb verschließt eine Tumple-Schaltung den unteren Teil des Einlasskanals, so dass Luft nur noch durch die obere Hälfte des Einlasskanals in den Brennraum strömt. Dadurch entsteht ein Magergemisch, das bis zu einer begrenzten Geschwindigkeit des Fahrzeugs die Kraft liefert. Bei höherer Motorlast und Drehzahl schaltet der FSI-Motor in den Homogen-Betrieb. In dieser Betriebsart arbeitet er wie ein konventioneller Motor, durch die höhere Verdichtung jedoch wesentlich effizienter. Ein besonderes Kennzeichen moderner FSI-Motoren ist die aufwändige Abgasnachbehandlung. Bei Verwendung eines Vorkatalysators und eines NO_x-Speicher-Katalysators kann der Motor problemlos die Euro 4-Abgasnorm erreichen. FSI-Motoren verbrauchen in der Regel weniger Treibstoff als konventionelle Otto-Motoren, wobei eine höhere Motorleistung erzielt wird.
In der in 1 dargestellten Aufnahme ist ein Standard-Einlassventil eines 63 kW FSI-Motors aus Stahl dargestellt, welches keine katalytische Oberflächenbeschichtung erhielt und dessen Oberfläche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mittels Laser strukturiert wurde. In der Abbildung sind die dadurch erzielten Strukturen mit Nanometer-Abmessungen gut zu erkennen. Exemplarisch sind zwei solcher Strukturen jeweils mit Abmessungen versehen und mit dem Bezugszeichen 10 beziehungsweise 11 bezeichnet. Es kann sich beispielsweise um etwa kraterförmige Vertiefungen mit annähernd kreisförmigem oder auch davon abweichendem Umriss handeln. Die nanoskalige Struktur, die in der Abbildung 1 mit 10 bezeichnet ist, wies einen Durchmesser von 1129 nm auf. Der Durchmesser der kleineren nanoskaligen Struktur, die mit 11 bezeichnet ist, betrug 284,7 nm.
Bezugszeichenliste

10, 11: nanoskalige Strukturen

Claims

Verfahren zur Veränderung der Topographie von Oberflächen an Bauteilen oder innerhalb von Bereichen einer Brennkraftmaschine zur Reduzierung von Reibung und/oder Ablagerungen, bei dem mindestens teilweise durch Materialabtrag mittels eines Laserstrahls Strukturen im sub-μm-Bereich in den Oberflächen erzeugt werden, wobei die Oberflächenstrukturierung mittels ultrakurzer Laserpulse erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil oder der Bereich aus Metall besteht.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil oder der Bereich aus Stahl besteht.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil oder der Bereich aus einem unbeschichteten Metall besteht.
Bauteil oder Bereich einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass dieser(s) mindestens teilweise nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 bearbeitet wurde.
Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein Einlassventil oder Auslassventil eines Motors ist.
Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens ein Bauteil oder einen Bereich gemäß Anspruch 5 oder 6 umfasst.