DE102014018256A1 - Piston for an internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (10, 10', 10'') für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf (11) und einem Kolbenschaft (17), wobei der Kolbenkopf (11) einen Kolbenboden (12) aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im Bereich des Kolbenbodens (12) eine Beschichtung (22, 22', 22'') aus kubischem Bornitrid mittels eines PLD-Verfahrens aufgebracht ist.The present invention relates to a piston (10, 10 ', 10 ") for an internal combustion engine, comprising a piston head (11) and a piston shaft (17), the piston head (11) having a piston head (12). According to the invention, it is provided that in the region of the piston head (12) a coating (22, 22 ', 22' ') of cubic boron nitride is applied by means of a PLD process.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft, wobei der Kolbenkopf einen Kolbenboden aufweist.The present invention relates to a piston for an internal combustion engine, comprising a piston head and a piston skirt, the piston head having a piston crown.

Kolben für moderne Verbrennungsmotoren sind einer hohen thermischen und mechanischen Belastung ausgesetzt. Infolgedessen treten insbesondere im Bereich des Kolbenbodens Plastifizierungs- bzw. Relaxationseffekte auf. Aufgrund dieser Belastung können sich bei fortgesetztem Motorbetrieb zunächst so genannte Zunderkerben und in Fortsetzung dessen Risse im Werkstoffgefüge, bilden. Dies kann im äußersten Fall zum Funktionsausfall des Kolbens führen.Pistons for modern internal combustion engines are exposed to high thermal and mechanical stress. As a result, plastification or relaxation effects occur in particular in the region of the piston crown. Due to this load, so-called scale notches and, in continuation of their cracks in the material structure, may initially form during continued engine operation. In the extreme case, this can lead to a malfunction of the piston.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Kolben so weiterzuentwickeln, dass der auf thermischer bzw. mechanischer Belastung beruhende Verschleiß im Bereich des Kolbenbodens reduziert wird.The object of the present invention is to further develop a generic piston so that the based on thermal or mechanical stress wear in the region of the piston crown is reduced.

Die Lösung besteht darin, dass im Bereich des Kolbenbodens eine Beschichtung aus kubischem Bornitrid mittels eines PLD-Verfahrens (pulsed-laser-deposition) aufgebracht ist.The solution is that in the region of the piston crown a coating of cubic boron nitride is applied by means of a PLD process (pulsed laser deposition).

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem PLD-Verfahren ein Laserstrahlverdampf-Verfahren verstanden, bei dem der Beschichtungswerkstoff als Target in einer Vakuumkammer mit gepulster Laserstrahlung hoher Intensität (ca. 10 MW/cm2) beleuchtet und dadurch verdampft wird. Dadurch wird ein Plasma gebildet, das unter Verwendung großer Prozessgasdrücke (über 1 mbar) in der Gasphase auf der Oberfläche des zu beschichteten Substrats zu Clustern kondensiert und sich in einer dünnen Schicht auf dem Substrat abscheidet.In the context of the present invention, a PLD method is understood to mean a laser beam evaporation method in which the coating material is illuminated as a target in a vacuum chamber with pulsed laser radiation of high intensity (about 10 MW / cm 2 ) and thereby evaporated. This forms a plasma that condenses into clusters on the surface of the substrate to be coated using large process gas pressures (above 1 mbar) in the gas phase and deposits in a thin layer on the substrate.

Der erfindungsgemäße Kolben zeichnet sich durch eine Beschichtung aus kubischem Bornitrid aus, die einen besonders dichten und geschlossenen Schichtaufbau und eine hohe chemische Stabilität aufweist. Eine Verzunderung des Kolbenwerkstoffs wird somit zuverlässig vermieden. Der dichte Schichtaufbau verhindert das Eindringen von Sauerstoff in den Kolbenwerkstoff während des Motorbetriebs, so dass ein oxidativer Angriff auf den Kolbenwerkstoff ausgeschlossen ist.The piston according to the invention is characterized by a coating of cubic boron nitride, which has a particularly dense and closed layer structure and a high chemical stability. Scaling of the piston material is thus reliably avoided. The dense layer structure prevents the penetration of oxygen into the piston material during engine operation, so that an oxidative attack on the piston material is excluded.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous developments emerge from the subclaims.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Kolbenboden eine Verbrennungsmulde aufweist und die Beschichtung auf dem Muldenrand der Verbrennungsmulde aufgebracht ist. Der Muldenrand eines Kolbens mit Verbrennungsmulde ist im Motorbetrieb besonders hoch belastet, so dass in diesem Bereich die Bildung von Muldenrandrissen besonders wirksam verhindert wird.A particularly preferred embodiment of the invention provides that the piston head has a combustion bowl and the coating is applied to the trough edge of the combustion bowl. The trough edge of a piston with combustion bowl is particularly heavily loaded during engine operation, so that the formation of trough edge cracks is particularly effectively prevented in this area.

Die Beschichtung ist bevorzugt als Einzellagenbeschichtung ausgebildet, um ihre Verschleißfestigkeit zu optimieren. Die Schichtdicke der Beschichtung kann zwischen 0,5 μm und 10 μm betragen.The coating is preferably designed as a single-layer coating in order to optimize its wear resistance. The layer thickness of the coating can be between 0.5 μm and 10 μm.

Vorzugsweise ist zwischen dem Kolbenwerkstoff und der Beschichtung eine Haftvermittlerschicht aus einem Werkstoff auf der Basis eines Elements der IV. bis VI. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente angeordnet. Besonders bevorzugt basiert der Werkstoff der Haftvermittlerschicht auf dem Element Chrom, wobei insbesondere elementares Chrom oder Chromnitrid zur Anwendung kommen. Die Haftvermittlerschicht kann eine Schichtdicke von 0,5 μm bis 5,0 μm aufweisen und insbesondere als Mehrlagenschichtsystem ausgebildet sein.Preferably, between the piston material and the coating, a bonding agent layer of a material based on an element of IV. To VI. Subgroup of the periodic table of elements arranged. Particularly preferably, the material of the adhesion promoter layer is based on the element chromium, in particular elemental chromium or chromium nitride being used. The adhesion promoter layer may have a layer thickness of 0.5 .mu.m to 5.0 .mu.m and be designed in particular as a multilayer system.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:An embodiment of the present invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. In a schematic, not to scale representation:

1 zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt; 1 two embodiments of a piston according to the invention in section;

2 zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt. 2 two embodiments of a piston according to the invention in section.

In den Ausführungsbeispielen ist ein Kolben 10; 10', 10'' jeweils als einteiliger Kastenkolben ausgebildet. Die Kolben 10, 10', 10'' weisen in an sich bekannter Weise einen Kolbenkopf 11 und einen Kolbenschaft 17 auf. Der Kolbenkopf 11 weist einen Kolbenboden 12, eine Verbrennungsmulde 13, einen umlaufenden Feuersteg 14 und eine umlaufende Ringpartie 15 mit Ringnuten für Kolbenringe (nicht dargestellt) auf. In Höhe der Ringpartie 15 ist ein umlaufender Kühlkanal 16 vorgesehen, der mindestens eine Zuführöffnung für Kühlöl aufweist (nicht dargestellt). Der Kolbenschaft 17 weist einander gegenüberliegende Kolbennaben 18 mit Nabenbohrungen 19 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) auf. Die Kolbennaben 18 sind in an sich bekannter Weise über Laufflächen aufweisende einander gegenüberliegende Schaftwände 21 miteinander verbunden.In the embodiments, a piston 10 ; 10 ' . 10 '' each formed as a one-piece box piston. The pistons 10 . 10 ' . 10 '' have a piston head in a conventional manner 11 and a piston stem 17 on. The piston head 11 has a piston bottom 12 , a combustion chamber 13 , a revolving lancet 14 and a circumferential ring part 15 with ring grooves for piston rings (not shown) on. At the height of the ring section 15 is a circulating cooling channel 16 provided, which has at least one feed opening for cooling oil (not shown). The piston shaft 17 has opposing piston bosses 18 with hub bores 19 for receiving a piston pin (not shown). The piston hubs 18 are in a conventional manner via treads having opposing shaft walls 21 connected with each other.

Die Kolben 10, 10', 10'' weisen eine erfindungsgemäße Beschichtung 22, 22', 22'' auf. Die Beschichtung 22 ist auf dem Kolbenboden 12 sowie auf dem Muldenrand 13a der Verbrennungsmulde 13 aufgebracht. Die Beschichtung 22' ist lediglich auf dem Muldenrand 13a der Verbrennungsmulde 13 aufgebracht. Die Beschichtung 22'' ist lediglich auf dem Kolbenboden 12 aufgebracht. Die Beschichtung 22, 22', 22'' besteht aus kubischem Bornitrid, welches mittels eines PLD-Verfahrens aufgebracht ist. Zwischen der Beschichtung 22, 22', 22'' und dem Kolbenwerkstoff ist eine Haftvermittlerschicht 23, 23', 23'' aus Chrom oder Chromnitrid vorgesehen, die ebenfalls mittels eines PLD-Verfahrens aufgebracht ist.The pistons 10 . 10 ' . 10 '' have a coating according to the invention 22 . 22 ' . 22 '' on. The coating 22 is on the piston crown 12 as well as on the trough edge 13a the combustion bowl 13 applied. The coating 22 ' is only on the trough edge 13a the combustion bowl 13 applied. The coating 22 '' is only on the piston crown 12 applied. The coating 22 . 22 ' . 22 '' consists of cubic boron nitride, which is applied by means of a PLD process. Between the coating 22 . 22 ' . 22 '' and the piston material is a primer layer 23 . 23 ' . 23 '' made of chromium or chromium nitride, which is also applied by means of a PLD process.

Hierzu kann ein Excimer-Laser verwendet werden, der Einzelpulse mit einer Energie über 0,5 Joule bei einer Leistungsdichte von 10 bis 50 J/cm2 generiert. Als Pulsfrequenz sind Werte über 10 Hz bevorzugt. Der Prozessgasdruck sollte über 1 mbar betragen. Die Beschichtungstemperatur kann frei gewählt werden innerhalb des Bereichs, der von der Raumtemperatur und der zulässigen Anlasstemperatur des zu beschichtenden Substrats definiert wird. Für nicht-austenitische Stahlwerkstoffe beträgt diese Obergrenze bspw. 600°C. Der Targetabstand und der Laserwinkel sind abhängig von der Geometrie des zu beschichtenden Substrats.For this purpose, an excimer laser can be used which generates individual pulses with an energy of more than 0.5 Joule at a power density of 10 to 50 J / cm 2 . Values above 10 Hz are preferred as the pulse rate. The process gas pressure should be above 1 mbar. The coating temperature can be freely selected within the range defined by the room temperature and the allowable tempering temperature of the substrate to be coated. For non-austenitic steel materials, this upper limit is, for example, 600 ° C. The target distance and the laser angle depend on the geometry of the substrate to be coated.

Claims (9)

Kolben (10, 10', 10'') für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf (11) und einem Kolbenschaft (17), wobei der Kolbenkopf (11) einen Kolbenboden (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Kolbenbodens (12) eine Beschichtung (22, 22', 22'') aus kubischem Bornitrid mittels eines PLD-Verfahrens aufgebracht ist.Piston ( 10 . 10 ' . 10 '' ) for an internal combustion engine, with a piston head ( 11 ) and a piston stem ( 17 ), wherein the piston head ( 11 ) a piston bottom ( 12 ), characterized in that in the region of the piston crown ( 12 ) a coating ( 22 . 22 ' . 22 '' ) is applied from cubic boron nitride by a PLD method. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden (12) eine Verbrennungsmulde (13) aufweist und die Beschichtung (22, 22') auf dem Muldenrand (13a) der Verbrennungsmulde (13) aufgebracht ist.Piston according to claim 1, characterized in that the piston crown ( 12 ) a combustion trough ( 13 ) and the coating ( 22 . 22 ' ) on the trough edge ( 13a ) of the combustion trough ( 13 ) is applied. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (22, 22', 22'') als Einzellagenbeschichtung ausgebildet ist.Piston according to claim 1, characterized in that the coating ( 22 . 22 ' . 22 '' ) is designed as a single-layer coating. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Beschichtung (22, 22', 22'') zwischen 0,5 μm und 10 μm beträgt.Piston according to claim 1, characterized in that the layer thickness of the coating ( 22 . 22 ' . 22 '' ) is between 0.5 μm and 10 μm. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kolbenwerkstoff und der Beschichtung (22, 22', 22'') eine Haftvermittlerschicht (23, 23', 23'') aus einem Werkstoff auf der Basis eines Elements der IV. bis VI. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente angeordnet ist.Piston according to claim 1, characterized in that between the piston material and the coating ( 22 . 22 ' . 22 '' ) a primer layer ( 23 . 23 ' . 23 '' ) of a material based on an element of IV. to VI. Subgroup of the Periodic Table of the Elements is arranged. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (23, 23', 23'') aus einem Werkstoff auf der Basis von Chrom besteht.Piston according to claim 5, characterized in that the adhesive layer ( 23 . 23 ' . 23 '' ) consists of a material based on chromium. Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (23, 23', 23'') aus elementarem Chrom oder aus Chromnitrid besteht.Piston according to claim 6, characterized in that the adhesive layer ( 23 . 23 ' . 23 '' ) consists of elemental chromium or chromium nitride. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (23, 23', 23'') eine Schichtdicke von 0,5 μm bis 5,0 μm aufweist.Piston according to claim 5, characterized in that the adhesive layer ( 23 . 23 ' . 23 '' ) has a layer thickness of 0.5 microns to 5.0 microns. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (23, 23', 23'') als Mehrlagenschichtsystem ausgebildet ist.Piston according to claim 5, characterized in that the adhesive layer ( 23 . 23 ' . 23 '' ) is designed as a multi-layer system.
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