DE102011084990A1

DE102011084990A1 - Kolben sowie tribologisches System aus einem Kolben und einer Zylinderlauffläche eines Zylinderkurbelgehäuses für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102011084990A1
Application number: DE102011084990A
Authority: DE
Inventors: Stephan Körner; Wolfgang Schlenther; Cedric Dobua
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2013-04-25
Also published as: BR102012027071A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (11) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf (12) und einem Kolbenschaft (16), wobei der Kolbenschaft (16) mit Nabenbohrungen (18) versehene Kolbennaben (17) aufweist, wobei die Kolbennaben (17) über Laufflächen (19) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufflächen (19) zumindest teilweise mit einer im Kaltgasverfahren gespritzten Beschichtung (30) versehen sind und dass der Werkstoff der Beschichtung (30) ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Nickel, Eisen, Kupfer, auf Nickel basierende Legierungen, auf Eisen basierende Legierungen, auf dem System Kupfer-Nickel-Zinn basierende Legierungen und auf dem System Kupfer-Zinn-Silber basierende Legierungen. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein tribologisches System (10) mit einem derartigen Kolben (11).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft, wobei der Kolbenschaft mit Nabenbohrungen versehene Kolbennaben aufweist, die über Nabenanbindungen an der Unterseite des Kolbenkopfes angeordnet sind und wobei die Kolbennaben über Laufflächen miteinander verbunden sind. Die Erfindung betrifft ferner ein tribologisches System aus einem derartigen Kolben und einer Zylinderlauffläche für einen Verbrennungsmotor.
In modernen Verbrennungsmotoren ist der Kolben in besonderem Maße thermisch und mechanisch belastet. Dies gilt auch für den Kolbenschaft und seine Laufflächen, insbesondere beim tribologischen Zusammenwirken von Kolbenlauffläche und Zylinderlauffläche. Dies führt zu einer schnellen Ermüdung der Laufflächen. Um diesem Ermüdungsverhalten entgegenzuwirken, ist es bekannt, die Laufflächen mit einer Beschichtung zu versehen, die den mechanischen und thermischen Belastungen standhalten und das Reibungsverhalten des Kolbens in Bezug auf die Zylinderlauffläche verbessern soll.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Kolben sowie ein gattungsgemäßes tribologisches System so weiterzubilden, dass eine Reduzierung der Ermüdung der Beschichtung aufgrund ihrer thermischen und mechanischen Belastung erzielt sowie die Reibleistung im tribologischen System reduziert wird.
Eine erste Lösung besteht darin, dass die Laufflächen zumindest teilweise mit einer im Kaltgasverfahren gespritzten Beschichtung versehen sind und dass der Werkstoff der Beschichtung ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Nickel, Eisen, Kupfer, auf Nickel basierende Legierungen, auf Eisen basierende Legierungen, auf dem System Kupfer-Nickel-Zinn basierende Legierungen und auf dem System Kupfer-Zinn-Silber basierende Legierungen. Eine weitere Lösung besteht darin, dass im tribologischen System aus Kolben und Zylinderlauffläche die Zylinderlauffläche aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist.
Die erfindungsgemäße Idee besteht darin, eine im Kaltgasverfahren gespritzte Beschichtung vorzusehen. Aufgrund der hohen kinetischen Energie der auf die zu beschichtenden Laufflächen auftreffenden Partikel werden diese mit ihrem Substrat „verklammert“, so dass die Beschichtung extrem stark an der Lauffläche haftet. Die Beschichtung ist oxidfrei und sehr kompakt. Der Kolben wird während der Beschichtung nicht erwärmt und dehnt sich folglich nicht aus. All dies wirkt sich positiv auf die thermische und mechanische Stabilität des erfindungsgemäßen Kolbens aus. Ferner können die Werkstoffe der Beschichtung die thermische und mechanische Stabilität positiv beeinflussen. Insbesondere Kupfer und Silber haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit und wirken sich besonders positiv auf die thermische Stabilität des erfindungsgemäßen Kolbens aus.
Ferner werden die tribologischen Eigenschaften des tribologischen Systems aus Kolben und Zylinderlauffläche optimiert. Das Verschleißverhalten ist verbessert, und die Reibleistung ist reduziert. Die im Kaltgasverfahren gespritzte Beschichtung kann variabel aufgebaut werden, bspw. als Legierungsbeschichtung, Sandwich-Beschichtung oder Gradientenbeschichtung. Die Zusammensetzung der Beschichtung kann problemlos variiert werden. Die tribologischen Eigenschaften der Beschichtung können somit optimal an die Erfordernisse des Einzelfalls angepasst werden. Insbesondere Nickel und Eisen verbessern die Verschleißbeständigkeit, währen Molybdän den Adhäsionsverschleiß reduziert. Silber und Zinn wirken sich positiv auf die Gleiteigenschaften des erfindungsgemäßen Kolbens aus. Kupfer und Nickel verbessern zudem die Duktilität der Beschichtung des erfindungsgemäßen Kolbens.
Bei Bedarf können Beschichtungen mit großer Schichtdicke erzeugt werden. Die Rauheit der Beschichtung kann individuell eingestellt und somit ebenfalls optimal an das erfindungsgemäße tribologische System angepasst werden.
Der erfindungsgemäße Kolben bzw. das erfindungsgemäße tribologische System sind einfach und kostengünstig in einem Prozessschritt herstellbar, wobei eine Vorreinigung der zu beschichtenden Lauffläche nicht zwingend erforderlich ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der erfindungsgemäße Kolben mit einer Zylinderlauffläche aus einer Aluminiumlegierung ein optimiertes tribologisches System mit hervorragenden Gleiteigenschaften, stark reduziertem Verschleiß und stark reduzierter Reibleistung ergibt.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Beschichtungen aus einer auf dem System Nickel-Eisen oder auf dem System Nickel-Eisen-Molybdän oder auf dem System Eisen-Nickel-Molybdän oder auf dem System Eisen-Nickel Kupfer basierenden Legierung zeigen besonders gute Stabilität und ausgezeichnete tribologische Eigenschaften.
Die Rauheit Ra der Beschichtung kann insbesondere in einem Bereich von 0,5µm bis 4,0µm variiert werden, während die Schichtdicke insbesondere in einem Bereich von 100µm bis 300µm variiert werden kann.
Wenn die Beschichtung aus einem im Kaltgasverfahren gespritzten Pulver mit einer Korngröße von 15µm bis 25µm hergestellt ist, wird eine besonders kompakte, dichte und homogene Beschichtung erhalten.
Die Beschichtung kann mindestens einen Festschmierstoff enthalten, um die Gleiteigenschaften zu optimieren und die Reibleistung weiter zu reduzieren. Geeignete Festschmierstoffe sind bspw. Polytetrafluorethylen, Polyvinylchlorid, Metallsulfide, insbesondere MoS₂ und WS₂, Grafit sowie hexagonales Bornitrid.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen tribologischen Systems mit einem erfindungsgemäßen Kolben,
2 eine schematische Darstellung des Kaltgasspritzens.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen tribologischen Systems 10 mit einem erfindungsgemäßen Kolben 11. Der Kolben 11 kann ein einteiliger oder mehrteiliger Kolben sein. Der Kolben 11 kann aus einem Stahlwerkstoff und/oder einem Leichtmetallwerkstoff hergestellt sein. 1 zeigt beispielhaft einen einteiligen Kolben 11. Der Kolben 11 weist einen Kolbenkopf 12 mit einem Kolbenboden 13, einem umlaufenden Feuersteg 14 und einer Ringpartie 15 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. Der Kolben 10 weist ferner einen im Ausführungsbeispiel thermisch entkoppelten Kolbenschaft 16 mit Kolbennaben 17 und Nabenbohrungen 18 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) auf. Die Kolbennaben 17 sind über Laufflächen 19 miteinander verbunden. Die Laufflächen 19 sind mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung 30 versehen.
Der erfindungsgemäße Kolben 11 mit der Lauffläche 19 bildet mit einer Lauffläche 32 einer Zylinderbohrung oder einer Zylinderlaufbuchse 31 eines Zylinderkurbelgehäuses (nicht dargestellt) das erfindungsgemäße tribologische System 10.
Die Lauffläche 32, die im Zylinder selbst oder an einer Zylinderlaufbuchse 31 angeordnet sein kann, besteht aus einer Aluminiumlegierung, bspw. aus AlSi (LOKASIL), AlSi17Cu4Mg (ALUISIL) oder aus einer GJL-Buchse (Grauguss mit lamellarem Gusseisen).
Die Beschichtung 30 für eine Lauffläche 19 weist im Ausführungsbeispiel die in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen auf: Tabelle 1: Beschichtungen 30 für einen Kolben 16 aus AlSi12Cu3Ni2Mg oder AlSi12Cu4Ni2Mg
Die Zylinderlauffläche 32 kann mit jeder einzelnen Beschichtung 30 (A, B, C, D), das heißt mit einem Kolben 11 mit einer beliebigen Beschichtung 30 (A, B, C, D) kombiniert werden. Bei der Kombination Graugussbuchsen mit den jeweiligen Beschichtungen 30 (A, B, C, D) wird der Effekt der Reibleistungsoptimierung noch weiter verbessert, da der lamellare Grauguss schon eine Schmierwirkung besitzt.
Die Beschichtung B (Ni18.5Fe79Mo2.5) erzielt dabei die besten Eigenschaften hinsichtlich Verschleiß und Reibkoeffizient. In Bezug auf einen unbeschichteten Kolbenschaft 16 konnten der Verschleiß um 50% und der Reibkoeffizient um 60% erbessert werden.
2 zeigt schematisch das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbens.
Zum Herstellen der Beschichtung 30 wurde das Kaltgasspritzen eingesetzt. Die Beschichtung 30 kann sowohl auf einen endbearbeiteten als auch auf einen vorbearbeiteten Kolben 11 aufgebracht werden. Eine Reinigung des Kolbens 11 vor dem Auftragen der Beschichtung 30 ist nicht zwingend erforderlich. Der Kolben 11 kann sogar mit Öl oder Kolbenschmierstoffen behaftet sein.
Der zu bearbeitende Kolben 11 besteht im Ausführungsbeispiel aus AlSi12Cu3Ni2Mg oder AlSi12Cu4Ni2Mg. Eine Vorrichtung 20 zum Kaltgasspritzen umfasst in an sich bekannter Weise einen Vorratsbehälter 21 für ein Gas, bspw. Stickstoff, das sowohl als Prozessgas als auch als Trägergas für den pulverförmigen Werkstoff dient. Die im Ausführungsbeispiel verwendeten Werkstoffe ergeben sich aus Tabelle 1. Der Werkstoff wird in einem Pulverförderer 22 bevorratet. Vom Vorratsbehälter 21 führt eine Rohrleitung 23 zum Pulverförderer. Das über diese Rohrleitung 23 in den Pulverförderer 22 transportierte Gas dient als Trägergas für den pulverförmigen Werkstoff. Eine weitere Rohrleitung 24 führt vom Vorratsbehälter 21 zu einem Gasheizer 25. Das in diesen Gasheizer 25 transportierte Gas dient als Prozessgas, welches bei Bedarf auf eine Temperatur von bspw. 200–600°C aufgeheizt werden kann. Sowohl das Trägergas mit dem pulverförmigen Werkstoff als auch das Prozessgas werden über Rohrleitungen 26, 27 in eine Überschalldüse oder Lavaldüse 28 transportiert. Dort wird das Pulver-Gas-Gemisch in Richtung des Pfeils B, also in Richtung auf die zu beschichtende Oberfläche, d.h. im Ausführungsbeispiel auf die Lauffläche 19 des Kolbens 11, auf eine Geschwindigkeit von mehr als 500m/s, in Spitzen bis 1500m/s beschleunigt. Der resultierende Strahl 29 trifft bei Arbeitsabständen von typischerweise 5–50mm auf die zu beschichtende Lauffläche 19 auf und bildet dabei die Beschichtung 30 in einer definierten Dicke von bspw. 100µm bis 300µm und mit einer über die Breite des Strahls 29 genau kontrollierbaren axialen Höhe H. Dabei rotiert der Kolben 11 um seine Mittelachse A in Richtung des Pfeils P. Bei Bedarf kann eine Maske auf die Lauffläche 19 des Kolbens 11 aufgelegt werden, falls nur eine teilweise Beschichtung der Lauffläche 19 gewünscht ist.

Claims

Kolben (11) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf (12) und einem Kolbenschaft (16), wobei der Kolbenschaft (16) mit Nabenbohrungen (18) versehene Kolbennaben (17) aufweist, wobei die Kolbennaben (17) über Laufflächen (19) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufflächen (19) zumindest teilweise mit einer im Kaltgasverfahren gespritzten Beschichtung (30) versehen sind und dass der Werkstoff der Beschichtung (30) ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Nickel, Eisen, Kupfer, auf Nickel basierende Legierungen, auf Eisen basierende Legierungen, auf dem System Kupfer-Nickel-Zinn basierende Legierungen und auf dem System Kupfer-Zinn-Silber basierende Legierungen.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (30) aus einer auf dem System Nickel-Eisen oder auf dem System Nickel-Eisen-Molybdän oder auf dem System Eisen-Nickel-Molybdän oder auf dem System Eisen-Nickel Kupfer basierenden Legierung hergestellt ist.
Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (30) eine Rauheit Ra von 0,5µm bis 4,0µm aufweist.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, – dass die Beschichtung (30) eine Schichtdicke von 100µm bis 300µm aufweist, und/oder – dass die Beschichtung (30) aus einem im Kaltgasverfahren gespritzten Pulver mit einer Korngröße von 15µm bis 25µm hergestellt ist.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (30) folgende Zusammensetzung aufweist; Ni51Fe49, Ni18.5Fe79Mo2.5, CuSn6Ag.06 oder Cu50Ni20Sn30.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (30) mindestens einen Festschmierstoff enthält.
Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Festschmierstoff ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Polytetrafluorethylen, Polyvinylchlorid, Metallsulfide, insbesondere MoS₂ und WS₂, Grafit, hexagonales Bornitrid.
Tribologisches System (10) aus einem Kolben (11) und einer Zylinderlauffläche (32) eines Zylinderkurbelgehäuses für einen Verbrennungsmotor, wobei der Kolben einen Kolbenkopf (12) und einem Kolbenschaft (16) aufweist, welcher mit Nabenbohrungen (18) versehene Kolbennaben (17) aufweist, wobei die Kolbennaben (17) über Laufflächen (19) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufflächen (19) zumindest teilweise mit einer im Kaltgasverfahren gespritzten Beschichtung (30) versehen sind, dass der Werkstoff der Beschichtung (30) ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Nickel, Eisen, Kupfer, eine auf Nickel basierende Legierung, eine auf Eisen basierende Legierung, eine auf dem System Kupfer-Nickel-Zinn basierende Legierung und eine auf dem System Kupfer-Zinn-Silber basierende Legierung und dass die Zylinderlauffläche (32) aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist.
System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (30) der Lauffläche (19) des Kolbens (11) aus einer auf dem System Nickel-Eisen oder auf dem System Nickel-Eisen-Molybdän oder auf dem System Eisen-Nickel-Molybdän oder auf dem System Eisen-Nickel Kupfer basierenden Legierung hergestellt ist.
System nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlauffläche (32) am Zylinderkurbelgehäuse oder an einer im Zylinderkurbelgehäuse aufgenommenen Zylinderlaufbuchse (31) ausgebildet ist.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlauffläche (32) oder die Zylinderlaufbuchse (31) aus einer Legierung, insbesondere aus AlSi17Cu4Mg (ALUISIL), oder als Grauguss-Buchse oder als AlSi-Buchse (LOKASIL) ausgebildet ist.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (30) aus einem im Kaltgasverfahren gespritzten Pulver mit einer Korngröße von 15µm bis 25µm hergestellt ist.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (30) mindestens einen Festschmierstoff enthält.
System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Festschmierstoff ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Polytetrafluorethylen, Polyvinylchlorid, Metallsulfide, insbesondere MoS₂ und WS₂, Grafit, hexagonales Bornitrid.