DE102015120288A1

DE102015120288A1 - Verfahren zur Erzeugung einer Oberflächenschicht auf einer Oberfläche eines Bauteils mittels plasmaelektrolytischer Oxidation

Info

Publication number: DE102015120288A1
Application number: DE102015120288.3A
Authority: DE
Inventors: Tobias Kaudewitz; Aiko Mork; Ralf Rablbauer; Martin Schüttenhelm; Christoph Ptock; Alexander Kopp
Original assignee: Volkswagen AG; Meotec GmbH and Co KG
Current assignee: Volkswagen AG; Meotec GmbH and Co KG
Priority date: 2015-11-24
Filing date: 2015-11-24
Publication date: 2017-02-16

Abstract

Bei einem Verfahren zur Erzeugung einer Oberflächenschicht auf einer Oberfläche eines Bauteils (24) mittels plasmaelektrolytischer Oxidation, bei der das Bauteil (24) im Kontakt mit einer Elektrolytflüssigkeit als Anode mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt wird, ist vorgesehen, dass die Elektrolytflüssigkeit ein Aluminat umfasst. Durch den Zusatz eines Aluminats und insbesondere von Natriumaluminat wird ermöglicht, die Erzeugung einer solchen Oberflächenschicht auch bei einer Oberfläche aus einem Eisenmetall und insbesondere Stahl oder Gusseisen mit guten Ergebnissen zu erzielen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Oberflächenschicht auf einer Oberfläche eines Bauteils mittels plasmaelektrolytischer Oxidation. Die Erfindung betrifft weiterhin die Möglichkeit, mittels einer solchen Oberflächenschicht ein einen Abschnitt eines Abgasstrangs einer Brennkraftmaschine ausbildendes Abgasführungsbauteil thermisch zu isolieren und damit einen Wärmeverlust des Abgases zu verringern.
Bei dem Betrieb einer Brennkraftmaschine wird ein großer Teil der bei der Verbrennung von Kraftstoff und Sauerstoff erzeugten Wärmeenergie als Verlustwärme an die Umgebung abgegeben. Die andauernden Bestrebungen, den Wirkungsgrad von Brennkraftmaschinen zu erhöhen, setzen daher auch an der Verringerung dieser Verlustwärme an.
Verlustwärme entsteht insbesondere bei einem Abführen des noch warmen Abgases an die Umgebung sowie infolge eines Übergangs von Wärmeenergie aus den Brennräumen und dem Abgasstrang auf die die Brennräume und den Abgasstrang ausbildenden Bauteile der Brennkraftmaschine und von diesen direkt oder indirekt auf die Umgebungsluft.
Bei modernen Brennkraftmaschinen, bei denen die die Brennräume begrenzenden Bauteile (Zylinderkurbelgehäuse, Zylinderkopf, Gaswechselventile sowie Kolben) und auch zumindest einige Komponenten des Abgasstrangs aus Gewichtsgründen und zur Erzielung möglichst geringer bewegter Massen (betrifft insbesondere die Kolben) vielfach aus Leichtmetall und insbesondere Aluminium ausgebildet werden, stellt sich die Problematik eines Wärmeübergangs im besonderen Maße, weil Aluminium, neben seiner relativ geringen Dichte, insbesondere auch durch eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit gekennzeichnet ist.
Die bekannte Maßnahme einer Isolierung der Außenflächen der Komponenten eines Abgasstrangs, beispielsweise mittels einer Ummantelung mittels Dämmwolle, weist den Nachteil einer Vergrößerung der relevanten wärmeabgebenden Oberfläche auf, wodurch die Isolationswirkung zumindest teilweise wieder kompensiert wird.
Weiterhin ist ein relevantes Ziel bei der Entwicklung einer Brennkraftmaschine ein möglichst schnelles Aufheizen des Abgasstrangs, um die in den Abgasstrang integrierten Abgasnachbehandlungseinrichtungen möglichst schnell auf Betriebstemperatur zu bringen. Hierfür ist eine möglichst geringe thermische Masse der Komponenten des Abgasstrangs vorteilhaft. Durch eine Isolierung nur auf der Außenseite des Abgasstrangs wird die thermische Masse jedoch nicht reduziert.
Eine Isolierung der Innenseiten, d.h. der für die Abgasführung vorgesehenen Oberflächen der Komponenten des Abgasstrangs, ist aus thermodynamischer Sicht daher erfolgversprechender. Allerdings ist die Aufbringung einer Isolationsschicht auf den innenliegenden, Abgas führenden Oberflächen eines Abgasstrangs technisch anspruchsvoll. Wirtschaftlich umsetzbar scheint dies lediglich durch die Erzeugung einer thermisch isolierenden Beschichtung. Die Anforderungen an eine solche Beschichtung sind jedoch vielfältig. Zum einen muss eine thermisch stabile und mechanisch gut haftende Beschichtung erzeugt werden, die zudem den auftretenden Temperaturwechselbelastungen standhält. Zum anderen ist hierfür ein Beschichtungsverfahren nötig, das ohne direkten Sichtzugang und zudem in teilweise relativ klein dimensionierten Hohlräumen das Aufbringen einer Beschichtung ermöglicht. Thermische Spritzschichten, die eine ausreichende Anhaftung und lsolationswirkung versprechen, können wegen des fehlenden Sichtkontakts nicht oder nur unter sehr großem Aufwand aufgebracht werden. Keramische Beschichtungen, die mittels Schlickerverfahren aufgebracht werden können, weisen dagegen in der Regel eine unzureichende Anhaftung und Temperaturwechselbeständigkeit auf.
Aus der WO 2015/090267 A1 ist bekannt, die die Brennräume einer Brennkraftmaschine begrenzenden Oberflächen einschließlich der entsprechenden Oberflächen der Kolben und auch Abschnitte des Abgasstrangs der Brennkraftmaschine mittels plasmaelektrolytischer Oxidation (PEO) mit einer Schutzschicht zu versehen.
Bei einer plasmaelektrolytischen Oxidation handelt es sich um ein kombiniertes Verfahren aus den Bereichen Plasmatechnik und Elektrochemie, durch das Oberflächen von Bauteilen, die aus sogenannten Ventilmetallen ausgebildet sind, mit einer Oberflächenschicht aus einer Oxidkeramik versehen werden können. Als Ventilmetalle kommen dabei insbesondere native Sperrschichtbildner wie Aluminium, Magnesium oder Titan in die Auswahl. Die Erzeugung der Oberflächenschicht kann insbesondere in wässrigen Elektrolyten erfolgen. Das oder die zu oxidierenden Bauteile werden dabei als Elektrode zusammen mit einer oder mehreren anderen Bauteilen, die als Gegenelektrode fungieren, in den Elektrolyten eingetaucht. Bei einer Verwendung von Gleichstrom werden das oder die zu beschichtenden Bauteile anodisch gepolt. Bei Wechselstrom oder bipolaren Pulsströmen sind das oder die zu beschichtenden Bauteile lediglich "Elektroden", wobei sich die Oberflächenschicht immer nur in denjenigen Stromsegmenten ausbildet, in welchen das oder die Bauteile Anode sind. Bei symmetrischen Puls- oder Wechselströmen (d.h. gleicher Anteil an Strom in beide Richtungen) können daher sowohl die als „Elektrode“ als auch die als „Gegenelektrode“ genutzten Bauteile abwechselnd anodisch geschaltet und somit mit einer Oberflächenschicht versehen werden.
Das Bauteil bildet dabei zunächst eine rein chemisch induzierte Passivschicht aus. Das Wachstum dieser Passivschicht lässt sich durch Anlegen eines Potentials zwischen dem anodisch gepolten Bauteil und der Kathode erreichen. Dabei wird die Passivschicht des zu beschichtenden Bauteils lokal durchschlagen, wobei plasmachemische Festkörperreaktionen, die Funkenentladungen, ausgelöst werden. Die plasmaelektrolytische Oxidation wird daher auch als „anodische Oxidation unter Funkenentladung“ (ANOF) bezeichnet. Die Funkenentladungen werden nicht großflächig sondern lediglich lokal an denjenigen Stellen erzeugt, an denen die Dicke der Oxidschicht und somit der lokale elektrische Widerstand am geringsten ist. Da die Plasmareaktionen somit stets an denjenigen Stellen der Passivschicht, die lokal die geringste Schichtdicke aufweisen, stattfinden und dort für ein Schichtdickenwachstum sorgen, wird die Oberfläche mit einer sehr gleichmäßigen Oberflächenschicht überzogen. Um die sich erhöhende dielektrische Eigenschaft der wachsenden Oxidschicht dauerhaft mit einer Durchschlagsspannung zu durchbrechen, wird das dazu angelegte elektrische Potential so lange erhöht, bis die gewünschte Schichtdicke der Oberflächenschicht erreicht ist. Das aus der Funkenentladung resultierende lokale Aufschmelzen der umzuwandelnden Oberfläche kann zu einer besonders verschleißfesten Oberflächenschicht führen. Gleichzeitig kann durch eine geeignete Prozesssteuerung eine poröse Oberflächenschicht generiert werden, die eine besonders geringe thermische Leitfähigkeit aufweist und daher gut thermisch isolierend wirkt.
Die WO 2015/090267 A1 offenbart die Erzeugung von Oberflächenschichten auf Bauteilen, die aus den für die Anwendung solcher Verfahren üblicherweise verwendeten Ventilmetallen auf Basis von Aluminium, Magnesium oder Titan bestehen. Beschrieben ist zudem, dass eine Anwendung des Verfahrens auch bei Stahl oder Gusseisen möglich sein soll, ohne jedoch Details für eine mögliche Umsetzung zu beschreiben. Tatsächlich konnte eine solche Umsetzung, d.h. eine Erzeugung einer Schutzschicht durch Umwandlung einer Oberfläche eines Bauteils aus einem Eisenmetall mittels plasmaelektrolytischer Oxidation bislang nicht oder zumindest nicht mit zufriedenstellenden Ergebnissen realisiert werden. Ein Grund hierfür kann darin gesehen werden, dass Eisenmetalle nicht oder nur sehr langsam und dann keine hinreichend geschlossene chemisch induzierte Passivschicht ausbilden, die jedoch als Startschicht, die durch die angelegte elektrische Spannung zum schnellen Wachstum angeregt wird, für erforderlich erachtet wird.
Eine Maßnahme zur Umgehung dieses Problems ist sowohl in der WO 2015/07497 A1 als auch in der EP 2 832 898 A1 beschrieben. Dort ist jeweils vorgesehen, einen Basiskörper aus einem Eisenmetall und insbesondere auch Gusseisen zunächst mit einer Beschichtung aus einem Leichtmetall und insbesondere Aluminium oder Titan zu versehen, und die Oberfläche dieser Beschichtung dann anschließend mittels eines plasmaelektrolytischen Verfahrens entsprechend umzuwandeln, um eine Verschleißschutzschicht auszubilden.
Während bei modernen Brennkraftmaschinen die die Brennräume begrenzenden Komponenten weitgehend aus Leichtmetall gefertigt sind, die somit vorteilhaft mittels einer gemäß dem in der WO 2015/090267 A1 offenbarten Verfahren erzeugten Oberflächenschicht thermisch isoliert werden können, ist die Verwendung von Eisenmetallen und insbesondere Stahl und Gusseisen zur Ausbildung der Abgasstränge für solche Brennkraftmaschinen weiterhin üblich. Ein Grund hierfür sind insbesondere die deutlich geringeren Werkstoffkosten. Ein weiterer Grund für die Verwendung von Eisenmetallen für Abgasstränge von Brennkraftmaschinen liegt darin, dass Eisenmetalle grundsätzlich eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Aluminium, das in der Fahrzeugtechnik primär verwendete Leichtmetall, aufweisen und somit besser thermisch isolierend wirken. Trotz dieser geringeren Wärmeleitfähigkeit ist der Wärmeverlust aus dem Abgas über die aus Eisenmetallen ausgebildeten Komponenten des Abgasstrangs erheblich.
Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, einen Wärmeübergang von den Abgas führenden Räumen und Kanälen auf die diese ausbildenden Bauteile einer Brennkraftmaschine auf möglichst vorteilhafte Weise zu verringern beziehungsweise gering zu halten.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Verwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstände der abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Ein Verfahren zur Erzeugung einer Oberflächenschicht auf einer Oberfläche eines Bauteils mittels plasmaelektrolytischer Oxidation, bei der das Bauteil im Kontakt mit einer Elektrolytflüssigkeit zumindest zeitweise als Anode mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt wird, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytflüssigkeit ein Aluminat (Al₂O₄) und insbesondere Natriumaluminat (NaAl(OH)₄) umfasst.
Es wurde erkannt, dass durch einen Zusatz eines Aluminats und insbesondere von Natriumaluminat die Erzeugung einer Oberflächenschicht auf einer Oberfläche eines metallischen Bauteils grundsätzlich positiv beeinflusst werden kann. Insbesondere wird dadurch auch ermöglicht, die Erzeugung einer solchen Schutzschicht durch Umwandlung auch bei einer Oberfläche aus einem Eisenmetall (oder sonstigen Schwermetall) mit guten Ergebnissen zu erzielen. Dabei kann eine Oberflächenschicht erzeugt werden, die nicht oder nur teilweise aus Eisenoxid besteht (Eine Oxidierung des Basismaterials zur Ausbildung der Oberflächenschicht ist eigentlich spezifisch für eine plasmaelektrolytische Oxidation auf konventionellen Ventilmetallen.), sondern vielmehr zu einem großen Teil aus einer Aluminiumoxidkeramik, was offensichtlich auf das in der Elektrolytflüssigkeit enthaltene Aluminat zurückzuführen ist. Der Zusatz des Aluminats zu der Elektrolytflüssigkeit umgeht somit das Problem, dass Eisenmetalle als Basismetalle während einer plasmaelektrolytischen Oxidation keine oder nur sehr langsam oder nur unvollständig eine Sperrschicht ausbilden.
Dementsprechend kann bevorzugt vorgesehen sein, das erfindungsgemäße Verfahren mit einem Bauteil durchzuführen, bei dem zumindest diejenige Oberfläche, auf der die entsprechende Oberflächenschicht erzeugt wird, aus einem Eisenmetall und insbesondere einem Stahl oder einem Gusseisen ausgebildet ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Bauteil vollständig aus einem Eisenmetall und insbesondere einem Stahl oder einem Gusseisen (z.B. Eisen- und Nickelbasislegierungen‚ austenitisches Gusseisen, SiMo-Gusseisen, Stahlguss) besteht. Ebenso ist eine Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Bauteilen, bei denen zumindest diejenige Oberfläche, auf der die Oberflächenschicht erzeugt werden soll, aus beliebigen Metallen, insbesondere Nebengruppenmetallen (Dichte > 5 g/cm³), möglich.
Der erfindungsgemäß vorgesehene Zusatz zumindest eines Aluminats für die Elektrolytflüssigkeit kann sich grundsätzlich vorteilhaft auf eine plasmaelektrolytische Oxidation einer Oberfläche eines Bauteils auswirken, so dass eine Anwendung auch dann vorgesehen sein kann, wenn das Bauteil oder zumindest die umzuwandelnde Oberfläche des Bauteils aus einem klassischen Ventilmetall, wie insbesondere Aluminium (Al), Magnesium (Mg), Titan (Ti) oder Zirkonium (Zr), besteht.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Anwendung einer plasmaelektrolytischen Oxidation kann in bekannter Weise durch eine Variation der Prozessparameter relativ gut gesteuert werden, wie kompakt die Materialstruktur der Oberflächenschicht ist. Eine relativ kompakte Materialstruktur wirkt sich in der Regel besonders vorteilhaft hinsichtlich der erreichbaren Verschleißfestigkeit aus, während sich eine weniger kompakte, d.h. porösere Materialstruktur wegen der darin ausgebildeten Mikrohohlräume positiv sowohl hinsichtlich der Erzielung einer geringen Wärmeleitfähigkeit als auch einer geringen Wärmekapazität auswirken kann. Sofern somit die thermische Isolationswirkung der Oberflächenschicht im Fokus steht, kann folglich vorteilhaft vorgesehen sein, dass diese relativ porös ausgebildet wird. Als „relativ porös“ wird dabei verstanden, dass die Oberflächenschicht mit einer Porosität erzeugt wird, die innerhalb eines Porositätsbereichs, der durch Variation der Prozessparameter erzielbar ist, oberhalb des Minimums (d.h. möglichst kompakte Materialstrukturen) liegt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Porosität mindestens 5%, 10%, 20%, 30% oder 40% beträgt. Insbesondere kann vorgesehen sein, die Porosität unter Berücksichtigung der übrigen Anforderungen, insbesondere hinsichtlich der Beständigkeit der Oberflächenschicht und/oder der Korrosionsschutzwirkung für das Basismaterial des Bauteils, möglichst groß vorzusehen.
Neben einer geringen Wärmeleitfähigkeit sowie einer relativ geringen Wärmekapazität (insbesondere bei einer relativ porösen Ausgestaltung der Materialstruktur) sowie einer relativ hohen Verschleißfestigkeit (insbesondere bei einer relativ kompakten Ausgestaltung der Materialstruktur) kann sich die erfindungsgemäß erzeugte Oberflächenschicht auch durch eine gute thermische Beständigkeit, eine geringe Oberflächenrauigkeit und eine gute Korrosionsbeständigkeit auszeichnen. Außerdem wird dadurch, dass die Oberflächenschicht nicht durch eine klassische Beschichtung sondern grundsätzlich durch eine Umwandlung einer Oberfläche des Bauteils (hier jedoch unter Einlagerung von sich aus dem Aluminat der Elektrolytflüssigkeit gebildetem Aluminiumoxid) erzeugt wird, eine gute „Haftung“ der Oberflächenschicht zu dem Basismaterial des Bauteils erreicht. Diese Vorteile prädestinieren eine erfindungsgemäß hergestellte Oberflächenschicht als (zumindest zeitweise) abgasführende Oberfläche eines Abgasführungsbauteils, insbesondere eines Abgasführungsbauteils, das einen Abschnitt eines Abgasstrangs einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Kraftfahrzeug, ausbildet. Dies gilt auch, weil eine plasmaelektrolytische Oxidation einer innenliegenden und somit gegebenenfalls nicht direkt zugänglichen Oberfläche infolge der möglichen Anwendung in einem Elektrolytbad relativ einfach realisierbar ist. Bei dem Abgasführungsbauteil kann es sich beispielsweise um einen Abgaskrümmer handeln. Abgaskrümmer werden derzeit noch regelmäßig aus Eisenmetallen und wegen der vergleichsweise komplexen Form zumeist aus Gusseisen ausgebildet. Hinzu kommt, dass die Wärmeverluste aus dem Abgas im Abgaskrümmer relativ hoch sind, was in der Anordnung eines Abgaskrümmers im direkten Anschluss an die Auslasskanäle, die in einem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors einer Brennkraftmaschine ausgebildet sind, und den somit noch sehr hohen Abgastemperaturen begründet ist. Als „Abgaskrümmer“ wird erfindungsgemäß das Abgasführungsbauteil eines Abgasstrangs einer Brennkraftmaschine verstanden, dass (gegebenenfalls unter Zwischenschaltung von Dichtelementen) im direkten Anschluss an in einem Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine ausgebildeten Abgaskanälen angeordnet ist und das bei einem mehrzylindrigen Verbrennungsmotor Teilströme des Abgases aus den einzelnen Abgaskanälen zusammenführt.
Neben einer Anwendung bei Abgas führenden und insbesondere Bauteilen, die einen Abschnitt eines Abgasstrangs einer Brennkraftmaschine darstellen, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch vorteilhaft bei sämtlichen Bauteilen, insbesondere solchen Bauteilen, für die infolge ihrer Ausgestaltung aus beispielsweise einem Eisenmetall eine Erzeugung einer Oberflächenschicht mittels plasmaelektrolytischer Oxidation bislang nicht infrage kam und bei denen sich die spezifischen Vorteile der erzeugten Oberflächenschicht, nämlich insbesondere gute thermische Isolationswirkung, hohe Verschleißfestigkeit sowie gute mechanische, thermische und Korrosionsbeständigkeit funktional vorteilhaft auswirken, zur Anwendung kommen. Beispielsweise können Kolben aus Stahl einer Brennkraftmaschine durch die Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Oberflächenschicht auf insbesondere dem Kolbenboden thermisch gegenüber einem Brennraum isoliert werden und/oder durch die Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Oberflächenschicht auf insbesondere dem Kolbenmantel verschleißfester gemacht werden. Durch eine Integration von Partikeln mit relativ geringem Reibungskoeffizient in die Oberflächenschicht des Kolbenmantels kann die Reibung eines solchen Kolbens in einem Zylinder der Brennkraftmaschine zudem verringert und somit das Verschleißverhalten weiter optimiert werden. In entsprechender Weise kann selbstverständlich auch die Zylinderwand eines solchen Zylinders – gegebenenfalls nur lokal, beispielsweise in den Umkehrpunkten der Bewegung des darin geführten Kolbens – mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Oberflächenschicht versehen werden. Dies gilt insbesondere auch für Zylinderwände von einem in einem Zylindergehäuse oder von einem sogenannten Liner aus Gusseisen ausgebildeten Zylinder. Sowohl ein Kolbenboden als auch eine Zylinderwand kommen im Betrieb einer Brennkraftmaschine zeitweise mit dem durch eine Verbrennung erzeugten Abgas in Kontakt, so dass auch diese als „Abgas führende Oberfläche“ im Sinne der Erfindung verstanden werden.
Erfindungsgemäß besteht weiterhin die vorteilhafte Möglichkeit, die Oberflächenschicht nicht auf allen sondern selektiv auf (lediglich) einer oder mehreren Oberflächen des Bauteils auszubilden, indem das Bauteil nicht vollständig in ein Elektrolytbad eingetaucht wird, sondern die ausgewählte(n) Oberfläche(n) selektiv im Rahmen der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der Elektrolytflüssigkeit in Kontakt gebracht wird/werden. Beispielsweise kann bei einer vorgesehenen Ausbildung entsprechender Oberflächenschichten auf innen liegenden, Abgas führenden Oberflächen vorgesehen sein, die Elektrolytflüssigkeit lediglich innerhalb der zur Abgasführung vorgesehenen Kanäle (ruhend) anzuordnen beziehungsweise diese Kanäle von der Elektrolytflüssigkeit durchströmen zu lassen.
Eine durch das erfindungsgemäße Verfahren verbesserte thermische Isolierung eines Abgasstrangs einer Brennkraftmaschine oder zumindest eines Abschnitts davon kann insbesondere zu einer Effizienzsteigerung für eine in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine integrierte Abgasnachbehandlungseinrichtung führen.
Als besonders vorteilhaft bei der Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich gezeigt, wenn die verwendete Elektrolytflüssigkeit, für deren Basis vorzugsweise Wasser und insbesondere deionisiertes Wasser vorgesehen sein kann, eine (Gesamt-)Konzentration des oder der Aluminate von 1 bis 60 g/l, vorzugsweise von 2 bis 20 g/l aufweist. Weiterhin kann die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft verwendete Elektrolytflüssigkeit

– ein oder mehrere Phosphate, insbesondere Kaliumdiphosphat (K₄P₂O₇), in einer Konzentration von 0 bis (max.) 18 g/l;
– ein oder mehrere Silikate, insbesondere Natriummetasilikat (Na₂SiO₃), in einer Konzentration von 0 bis (max.) 18 g/l;
– Kaliumhydroxid (KOH) in einer Konzentration von 0 bis (max.) 30 g/l;
– ein Ethylendiamintetraacetat (EDTA), insbesondere Tetranatriumethylendiamintetraacetat (Na₄EDTA), in einer Konzentration von 0 bis (max.) 15 g/l; und/oder
– Glycerin (C₃H₈O₃) in einer Konzentration von 0 bis (max.) 30 g/l

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Oberflächenschicht unter Verwendung einer Wechselspannung oder einer gepulsten Gleichspannung aufgebracht wird. Dadurch können in bekannter Weise die für das Verfahren charakteristischen Funkenentladungen vorteilhaft gesteuert werden. Umsetzbar ist das erfindungsgemäße Verfahren jedoch auch unter Verwendung einer Gleichspannung mit konstantem Spannungswert. Unter Wechselspannung soll nicht nur ein sinusförmiger Spannungsverlauf verstanden werden, sondern allgemein jede elektrische Spannung, deren Polarität in regelmäßiger Wiederholung wechselt, deren zeitlicher Mittelwert jedoch null ist. Insbesondere können darunter auch sogenannte "bipolare Pulsmuster" des Spannungsverlaufs fallen, da letztendlich auch ein Sinus durch Rechtecke approximiert werden kann, so dass modulierte Rechteckpulse eine Art Basiseinheit darstellen können. Es besteht auch die Möglichkeit einer Überlagerung einer Wechselspannung oder einer gepulsten Gleichspannung mit einer Gleichspannung mit konstantem Spannungswert, wodurch sich ein Spannungsverlauf gemäß einer Wechselspannung oder gemäß einer gepulsten Gleichspannung mit einem von Null verschiedenen Mittelwert (Offset) ergeben kann.
Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die elektrische Spannung so gewählt wird, dass sich eine Stromdichte von mindestens 15 A/dm², vorzugsweise von mindestens 20 A/dm² (die Dichte bezieht sich dabei auf die zu beschichtende Fläche)einstellt. Eine solche Stromdichte, die höher als die Stromdichten ist, die üblicherweise im Rahmen der Erzeugung von Oberflächenschichten durch plasmaelektrolytische Oxidation von konventionellen Ventilmetallen vorgesehen werden, kann insbesondere die Erzeugung einer entsprechenden Oberflächenschicht auf einer Oberfläche aus einem Eisenmetall (oder einem sonstigen Schwermetall) positiv beeinflussen.
Andererseits kann die Einstellung einer relativ hohen Stromdichte während der Ausbildung der Oberflächenschicht zu einer Erzeugung einer relativ hohen Prozessabwärme führen, die hinreichend sicher abgeführt werden sollte, um beispielsweise eine bevorzugte Prozesstemperatur (gemessen in der Elektrolytflüssigkeit, angrenzend an die umzuwandelnde Oberfläche), die beispielsweise in einem Temperaturbereich von 20°C bis 80°C liegen kann, einzuhalten. Aus diesem Grunde kann es sinnvoll sein, für die einzustellende Stromdichte einen oberen Grenzwert vorzusehen, der beispielsweise bei 200 A/dm² liegen kann. Es hat sich gezeigt, dass eine diesen oberen Grenzwert überschreitende Stromdichte selbst für die Erzeugung einer ausreichend guten Oberflächenschicht auf einer Oberfläche aus einem Eisenmetall (oder einem sonstigen Nebengruppenmetall) nicht vorgesehen werden muss.
In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zudem vorgesehen sein, dass in der Oberflächenschicht Partikel aus einem von einem Grund- beziehungsweise Matrixmaterial der Oberflächenschicht abweichenden Material vorgesehen werden, die im Vergleich zu dem Grund- beziehungsweise Matrixmaterial der Oberflächenschicht eine relativ hohe oder niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Dabei kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass sowohl solche Partikel vorgesehen werden, die im Vergleich zu dem Grund- beziehungsweise Matrixmaterial der Oberflächenschicht eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, als auch solche, die eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Dieser Aspekt der Erfindung beruht zum einen auf der Erkenntnis, dass die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugte Oberflächenschicht zwar einen vorteilhaften Kompromiss hinsichtlich insbesondere der thermischen Isolation und der Haltbarkeit darstellen kann, jedoch alternative Materialien vorhanden sind, die sich durch eine noch geringere Wärmeleitfähigkeit und somit eine weiter verbesserte thermische Isolationswirkung auszeichnen. Diese können jedoch aus verschiedenen Gründen nicht zur vollständigen Ausbildung einer Oberflächenschicht genutzt werden. Durch ein Einbringen von Partikeln von einem oder mehreren dieser alternativen Materialien in die erfindungsgemäß erzeugte Oberflächenschicht kann deren mittlere Wärmeleitfähigkeit weiter abgesenkt und somit die thermisch isolierenden Eigenschaften weiter verbessert werden, ohne dass sich dies im relevanten Maße auf die weiteren vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäßen Oberflächenschicht negativ auswirkt. Besonders vorteilhaft kann daher vorgesehen sein, dass Partikel mit relativ niedriger Wärmeleitfähigkeit in der gesamten Oberflächenschicht (bezogen auf die Fläche und gegebenenfalls auch die Schichtstärke) vorgesehen werden.
Als Material für die Partikel mit relativ geringer Wärmeleitfähigkeit kommen beispielsweise (reines) Zirkonoxid (ZrO₂), Y-stabilisiertes Zirkonoxid (Zr(Y)O₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Spinell (Al₂O₃/MgO), Mullit (Al₂O₃/SiO₂), Zirkonkorund (Al₂O₃/ZrO₂), Titanoxid (TiO₂) oder Siliziumoxid (SiO₂) sowie Mischkeramiken mit wesentlichen Bestandteilen genannter Oxide in Betracht.
Selbst wenn die Wärmeleitfähigkeit der eingebrachten Partikel in deren reinem Bulkzustand nicht geringer als die des Grund- beziehungsweise Matrixmaterials ausfällt, kann die Wärmeleitfähigkeit des aus beidem ausgebildeten Kompositmaterials der Oberflächenschicht trotzdem insgesamt niedriger sein, da die eingebrachten Partikel als Störstellen für die Ausbreitung der Kristallschwingungen (Phononen) wirken. Insofern ist die konkretisierende Angabe „mit relativ geringer Wärmeleitfähigkeit“ erfindungsgemäß nicht ausschließlich auf eine tatsächliche Werkstoffeigenschaft der Partikel beschränkt, sondern soll auch die eine Wärmeleitfähigkeit reduzierende Wirkung innerhalb der Matrix umfassen.
Die Partikel mit relativ großer Wärmeleitfähigkeit können dagegen vorteilhaft dazu eingesetzt werden, lokale Spitzen der Wandtemperatur der mit der Oberflächenschicht versehenen Oberfläche zu vermeiden oder zu reduzieren, indem durch diese Partikel ein relativ hoher lokaler Übergang von Wärmeenergie aus dem Abgas möglichst gut auf einen größeren Bereich der Oberflächenschicht verteilt wird. Dadurch kann die Ausbildung lokal hoher Wandtemperaturen, die beispielsweise einen negativen Effekt auf den Zündverzug (d.h. den Zeitraum zwischen der Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum und der Zündung des Kraftstoffs bei einem selbstzündenden Verbrennungsmotor) haben können, vermieden werden. Dazu kann ausreichend sein, wenn die Partikel mit relativ hoher Wärmeleitfähigkeit in nur einem oder mehreren Abschnitten, nicht jedoch in der gesamten Oberflächenschicht (bezogen auf die Fläche und vorzugsweise auch die Schichtstärke) vorgesehen werden. Ein solches lokal begrenztes Vorsehen von Partikeln mit relativ hoher Wärmeleitfähigkeit muss daher nicht mit einer relevanten Verschlechterung der mittleren Wärmeleitfähigkeit der gesamten Oberflächenschicht verbunden sein.
Als Material für die Partikel mit relativ hoher Wärmeleitfähigkeit kommt beispielsweise Kobalt, Eisen, Beryllium, Aluminium, Kupfer, Silber, Silizium, Molybdän, Wolfram, Kohlenstoff, Berylliumoxid, Berylliumnitrit, Siliziumnitrit und/oder Siliziumcarbit sowie Mischungen und/oder Legierungen daraus in Betracht.
Sofern sowohl Partikel mit relativ niedriger Wärmeleitfähigkeit als auch Partikel mit relativ hoher Wärmeleitfähigkeit vorgesehen werden sollen, sollte deren Verteilung in der Oberflächenschicht so vorgesehen werden, dass die lokal durch die Partikel mit relativ hoher Wärmeleitfähigkeit erhöhte mittlere Wärmeleitfähigkeit der Oberflächenschicht nicht zu einem relevant höheren Wärmeübergang auf den unterhalb der Oberflächenschicht angeordneten Bereich des Grundkörpers des beispielsweise einen Brennraum und/oder eine Abgasführung einer Brennkraftmaschine begrenzenden Bauteils führt. Dies kann vorteilhafterweise dadurch erreicht werden, dass zumindest abschnittsweise die Partikel mit relativ hoher Wärmeleitfähigkeit ausschließlich in einer ersten, an den Brennraum und/oder die Abgasführung angrenzenden Teilschicht der Oberflächenschicht und die Partikel mit relativ niedriger Wärmeleitfähigkeit in einer zweiten, von dem Brennraum und/oder der Abgasführung durch die erste Teilschicht getrennten Teilschicht vorgesehen werden. Die Partikel mit relativ hoher Wärmeleitfähigkeit können dann für eine möglichst gleichförmige Verteilung der in die Oberflächenschicht übergehenden Wärmeenergie innerhalb der ersten Teilschicht sorgen, während die zweite Teilschicht mit den Partikeln mit relativ niedriger Wärmeleitfähigkeit besonders gut thermisch isoliert wirkt und folglich einen Wärmeübergang von der ersten Teilschicht auf den unterhalb der Oberflächenschicht liegenden Bereich des Bauteils reduziert.
Eine plasmaelektrolytische Oxidation ermöglicht auf relativ einfache Weise ein gezieltes Anordnen von Partikeln in der Oberflächenschicht. Dies gilt insbesondere bei einer Anwendung einer plasmaelektrolytischen Oxidation mittels einer Wechselspannung, bei der entweder die positiven oder negativen Spannungsphasen wechselweise dazu genutzt werden können, die in dem Elektrolyten enthaltenen Partikel an der wachsenden Oberflächenschicht anzulagern, während die entsprechenden anderen Spannungsphasen für die wachsende Ausbildung der Oberflächenschicht genutzt werden. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die Partikel, wenn diese an der wachsenden Oberflächenschicht angelagert werden, zumindest teilweise mit aufgeschmolzen werden, so dass sich im Übergang zwischen dem Matrixmaterial und den Partikeln eine Materialmischphase ausbilden kann. Andererseits können die Partikel auch im Wesentlichen strukturell getrennt in dem Matrixmaterial vorliegen.
Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt, jeweils in einer schematischen Darstellung:
1: eine Brennkraftmaschine;
2: einen Querschnitt durch einen Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine;
3: einen Bereich der 2 in einer vergrößerten Darstellung; und
4: eine Anlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die in der 1 gezeigte Brennkraftmaschine umfasst einen beispielsweise nach dem Diesel-Prinzip arbeitenden Verbrennungsmotor 10, der beispielsweise als vierzylindriger Hubkolbenverbrennungsmotor ausgebildet ist. Der Verbrennungsmotor 10 wird über einen Frischgasstrang 12 mit Frischgas (Umgebungsluft) versorgt. Dazu wird das Frischgas nach dem Ansaugen aus der Umgebung mittels eines Verdichters 14 verdichtet. Das verdichtete Frischgas wird dann durch einen Ladeluftkühler 16 geführt, in dem das infolge der Verdichtung erwärmte Frischgas bis zum Erreichen der gewünschten Temperatur für den Eintritt in den Verbrennungsmotor 10 gekühlt wird. Über ein Saugrohr 18 tritt das Frischgas in Brennräume 20 des Verbrennungsmotors 10 ein, in denen dieses beziehungsweise der darin enthaltene Sauerstoff in bekannter Weise mit direkt in die Brennräume 20 eingespritztem Kraftstoff verbrannt wird.
Das bei der Verbrennung des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs entstehende Abgas wird über einen Abgasstrang 22 der Brennkraftmaschine abgeführt. Der Abgasstrang 22 umfasst einen Abgaskrümmer 24, in dem das aus den einzelnen Brennräumen 20 ausströmende Abgas zusammengeführt wird, sowie eine davon stromab angeordnete Turbine 26. Die Turbine 26 bildet zusammen mit dem Verdichter 14 einen Abgasturbolader aus und ist mittels eines regelbaren Bypasses 28 (Wastegate) umgehbar ausgeführt. Der Bypass 28 dient dazu, in bestimmten zu einem großen Abgasmassenstrom führenden Betriebszuständen des Verbrennungsmotors 10, einen Teil des Abgasmassenstroms an der Turbine 26 vorbeizuführen, um so den Ladedruck in dem Frischgasstrang 12 zu begrenzen.
In den Abgasstrang 22 ist stromab der Turbine 26 weiterhin eine Abgasnachbehandlungseinrichtung integriert. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung kann beispielsweise einen Oxidationskatalysator 30 sowie einen Partikelfilter 32 umfassen.
Die 2 zeigt einen Querschnitt durch den Verbrennungsmotor 10 im Bereich eines Zylinders. Der Verbrennungsmotor 10 umfasst ein Zylindergehäuse 34, das die einzelnen Zylinder ausbildet. In jedem der Zylinder ist ein Kolben 36 auf und ab beweglich geführt. Oberhalb des Zylindergehäuses 34 schließt sich ein Zylinderkopf 38 an. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Zylindergehäuse 34 und die Kolben 36 aus einem Eisenmetall und insbesondere einem Gusseisen (für das Zylindergehäuse 34 und die Kolben 36; beispielsweise eine Gusseisenlegierung mit Vermiculargraphit, z.B. GJV-XSiMo4.5–0.6 mit den Legierungsbestandteilen [Gew.-%]: C: 3,0–3,6; Si: 4,0–4,6; Mn: ≤ 0,6 P: ≤ 0,07; S: ≤ S; Cr: ≤ 0,2; Ni ≤ 0,6; Mo: 0,4–0,6; 0,15–0,22) oder einem Stahl (für die Kolben 36) ausgebildet sind, während der Zylinderkopf 38 aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet sein kann. In den Zylinderkopf 38 ist für jeden Zylinder mindestens ein Einlasskanal 40 und mindestens ein Auslasskanal 42 integriert. Die Einlasskanäle 40 sind Teil des Frischgasstrangs 12 der Brennkraftmaschine und verbinden das Saugrohr 18 fluidleitend mit den jeweiligen Zylindern.
Die Auslasskanäle 42 sind Teil des Abgasstrangs 22 und verbinden die jeweiligen Zylinder mit dem Abgaskrümmer 24. Über Gaswechselventile 44, die beispielweise aus Stahl ausgebildet sein können, wird in bekannter Weise ein Einbringen des Frischgases in die Zylinder und ein Ausbringen des Abgases aus den Zylindern gesteuert. Dabei werden die Gaswechselventile 44 beispielsweise mittels einer oder mehreren (nicht dargestellten) Nockenwellen betätigt.
Die von den einzelnen Zylindern ausgebildeten Brennräume 20 werden jeweils von einem Abschnitt der Innenwand des dazugehörigen Zylinders, von der Oberseite des dazugehörigen Kolbens 36, einem Abschnitt der Unterseite des Zylinderkopfs 38 sowie von den Unterseiten der dazugehörigen Gaswechselventile 44 begrenzt.
Um die Brennräume 20 u.a. thermisch zu isolieren ist auf den von den Oberseiten (von Grundkörpern) der Kolben 36 ausgebildeten Oberflächen eine Oberflächenschicht 46 mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet.
Die Oberflächenschicht 46, die eine Schichtstärke von beispielsweise ca. 200 µm aufweisen kann, zeichnet sich grundsätzlich durch eine hohe Verschleißfestigkeit und eine gute thermische Beständigkeit aus, wodurch deren Nutzung zur Begrenzung der Brennräume 20 des Verbrennungsmotors 46 möglich ist. Weiterhin zeichnet sich die Oberflächenschicht 46 auch durch eine im Vergleich zu dem Eisenmetall, aus dem die Kolben 36 ausgebildet sind, relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit sowie eine relativ geringe Wärmekapazität aus. Dadurch wird die gewünschte thermische Isolierung der Brennräume und folglich ein relativ geringer Wärmeübergang von in den Brennräumen 20 befindlichen Gasen auf die Kolben 36 erreicht.
Um einen Wärmeübergang aus den Brennräumen auf die Grundkörper der Kolben 36 weiter zu reduzieren ist vorgesehen, in die aus Aluminiumoxid als Matrixmaterial bestehende Oberflächenschicht 46 Partikel 48 aus beispielsweise Zirkonoxid einzubetten, die sich im Vergleich zu dem Material der Oberflächenschicht durch eine noch niedrigere Wärmeleitfähigkeit auszeichnen. Wie sich aus der 3 ergibt ist vorgesehen, die Partikel 48 aus Zirkonoxid über die gesamte Fläche der Oberflächenschicht 46 in einer (zweiten) Teilschicht vorzusehen, die sich zwischen der Oberfläche des Grundkörpers des entsprechenden Kolbens 36 und einer weiteren, an den Brennraum 20 angrenzenden (ersten) Teilschicht angeordnet ist.
In der ersten Teilschicht der Oberflächenschicht 46 sind keine Partikel 48 aus Zirkonoxid vorgesehen, jedoch lokal Partikel 50 aus einem Material, beispielsweise Kupfer, das sich im Vergleich zu dem zumindest zu einem großen Teil Aluminiumoxid umfassenden Matrixmaterial der Oberflächenschicht durch eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit auszeichnet. Vorgesehen ist, die Partikel 50 aus Kupfer in solchen Bereichen der ersten Teilschicht der Oberflächenschicht 46 vorzusehen, in denen sich im Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine erfahrungsgemäß relativ hohe lokale Wandtemperaturen ergeben können. Die Partikel 50 aus Kupfer dienen dazu, solche lokal hohen Wandtemperaturen zu verringern, indem diese die an diesen Stellen erhöhte Einbringung von Wärmeenergie möglichst gut auf die gesamte zweite Teilschicht verteilt. In der 3 ist dargestellt, dass die Partikel 50 aus Kupfer beispielsweise an den randseitigen Übergängen einer Kolbenmulde 52 sowie im Bereich einer zentralen Erhebung der Kolbenmulde 52 angeordnet sein können. Die 3 zeigt zudem, dass auch die Dichte der Verteilung der Partikel 50 aus Kupfer, d.h. die Anzahl an Partikeln je Volumeneinheit, bei der Ausbildung der Oberflächenschicht 46 mittels plasmaelektrolytischer Oxidation gesteuert werden kann (ebenso für die Partikel 48 aus Zirkonoxid möglich). So ist vorgesehen, in denjenigen Abschnitten der ersten Teilschicht, in denen Partikel 50 aus Kupfer vorgesehen sind, jeweils eine höhere Dichte an Partikeln 50 in einem zentralen Bereich und eine zum Rand des jeweiligen Abschnitts hin abnehmende Dichte an Partikeln 50 vorzusehen.
Die Unterteilung der Oberflächenschicht 46 in die erste Teilschicht und die zweite Teilschicht ergibt sich lediglich durch die unterschiedliche Einbettung der verschiedenen Partikel 48, 50 und durch die damit erreichten unterschiedlichen Funktionalitäten für die Oberflächenschicht 46. Eine strukturelle Trennebene ist zwischen den zwei Teilebenen nicht ausgebildet.
Die Partikel 48, 50 können beispielsweise eine Größe von ≤ 10 µm aufweisen.
Neben den Oberseiten der Kolben 36 können auch einzelne oder alle anderen die Brennräume 20 des Verbrennungsmotors 10 begrenzenden Oberflächen mit einer entsprechenden Oberflächenschicht 46 versehen werden, um u.a. die thermische Isolation der Brennräume 20 und gegebenenfalls auch ein Verschleißverhalten weiter zu verbessern. Die 2 zeigt beispielhaft, dass sowohl die Innenwände der Zylinder (zumindest in denjenigen Abschnitten, die die Brennräume 20 begrenzen), die entsprechenden Abschnitte der Unterseite des Zylinderkopfs 38 und die Unterseiten der Gaswechselventile 44 mit jeweils einer Oberflächenschicht 46, die durch plasmaelektrolytische Oxidation ausgebildet wurde, versehen sein kann.
Auch zeigt die 2 die Möglichkeit, die als Abgasführungen dienenden Auslasskanäle 42 des Verbrennungsmotors 10 mit entsprechenden Oberflächenschichten 46 zu versehen. Ebenso können andere einer Abgasführung dienende Oberflächen des Abgasstrangs 22 der Brennkraftmaschine, beispielsweise Wandungen eines Abgaskrümmers 24 und/oder einer Turbine 26 (einschließlich eines Turbinenlaufrads) eines Abgasturboladers, mit entsprechenden Oberflächenschichten 46 versehen werden.
In der 4 ist eine Anlage zur Ausbildung einer Oberflächenschicht auf einer Oberfläche eines Bauteils gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt. Das Bauteil 24 kann beispielsweise ein Abgaskrümmer 24 einer Brennkraftmaschine gemäß der 1 sein. Dargestellt ist eine Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der nicht das gesamte Bauteil 24 zur Anwendung der plasmaelektrolytischen Oxidation in eine Elektrolytflüssigkeit getaucht wird, sondern die Elektrolytflüssigkeit durch die im Inneren des Bauteils 24 liegenden Kanäle 54 gespült wird, sodass an der Innenseite der Kanäle 24 des Bauteils 24 selektiv eine Oberflächenschicht erzeugt wird. Hierzu wird das Innenvolumen des Bauteils 24 mit zwei Verschlusselementen 56 verschlossen, die jeweils ein Dichtelement aufweisen können. Mittels einer Pumpe 58 wird die Elektrolytflüssigkeit durch eine Leitungsanordnung 60 und die Kanäle 54 des Bauteils 24 gepumpt. In diesem Kreislauf wird die Elektrolytflüssigkeit mittels einer Kühlvorrichtung 62 gekühlt beziehungsweise temperiert. Ferner weist die Anlage eine elektrische Energiequelle 64 auf, die eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung bereitstellen kann. Über elektrische Leitungen 66 wird das Bauteil 24 und eine Gegenelektrode 68 an die elektrische Energiequelle 64 angeschlossen. Die Gegenelektrode 68 kann beispielsweise an einem der Verschlusselemente 56 befestigt sein und dadurch innerhalb der Kanäle 54, deren Wandungen mit einer Oberflächenschicht ausgebildet werden sollen, positioniert werden. Die Gegenelektrode 68 stellt bei der Durchführung der plasmaelektrolytischen Oxidation die Kathode dar, während das Bauteil 24 die Anode darstellt.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Frischgasstrang
14: Verdichter
16: Ladeluftkühler
18: Saugrohr
20: Brennraum
22: Abgasstrang
24: Abgaskrümmer / Bauteil
26: Turbine
28: Bypass
30: Oxidationskatalysator
32: Partikelfilter
34: Zylindergehäuse
36: Kolben
38: Zylinderkopf
40: Einlasskanal
42: Auslasskanal
44: Gaswechselventil
46: Oberflächenschicht
48: Partikel mit relativ niedriger Wärmeleitfähigkeit
50: Partikel mit relativ hoher Wärmeleitfähigkeit
52: Kolbenmulde
54: Kanal des Abgaskrümmers/Bauteils
56: Verschlusselement
58: Pumpe
60: Leitungsanordnung
62: Kühlvorrichtung
64: elektrische Energiequelle
66: elektrische Leitungen
68: Gegenelektrode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2015/090267 A1 [0008, 0011, 0013]
WO 2015/07497 A1 [0012]
EP 2832898 A1 [0012]

Claims

Verfahren zur Erzeugung einer Oberflächenschicht (46) auf einer Oberfläche eines Bauteils (24) mittels plasmaelektrolytischer Oxidation, bei der das Bauteil (24) im Kontakt mit einer Elektrolytflüssigkeit zumindest zeitweise als Anode mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytflüssigkeit ein Aluminat umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (46) auf einer Oberfläche aus einem Eisenmetall ausgebildet wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytflüssigkeit auf Basis von Wasser ist und folgende Zusätze aufweist: – ein oder mehrere Aluminate in einer Konzentration von 1 bis 60 g/l; – ein oder mehrere Phosphate, insbesondere Kaliumdiphosphat (K₄P₂O₇), in einer Konzentration von 0 bis 18 g/l; – ein oder mehrere Silikate, insbesondere Natriummetasilikat (Na₂SiO₃), in einer Konzentration von 0 bis 18 g/l; – Kaliumhydroxid (KOH) in einer Konzentration von 0 bis 30 g/l; – ein Ethylendiamintetraacetat (EDTA), insbesondere Tetranatriumethylendiamintetraacetat (Na₄EDTA), in einer Konzentration von 0 bis 15 g/l; – Glycerin (C₃H₈O₃) in einer Konzentration von 0 bis 30 g/l;
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (46) relativ porös ausgebildet wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (46) unter Verwendung einer elektrischen Wechselspannung oder einer gepulsten Gleichspannung ausgebildet wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung so gewählt wird, dass sich eine Stromdichte von mindestens 15 A/dm², vorzugsweise von mindestens 20 A/dm² einstellt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung so gewählt wird, dass sich eine Stromdichte von höchstens 200 A/dm² einstellt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (46) selektiv auf einer oder mehreren Oberflächen des Bauteils (24) ausgebildet wird.
Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur Erzeugung der Oberflächenschicht (46) auf einer Abgas führenden Oberfläche des Bauteils (24).
Verwendung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (24) einen Zylinder und insbesondere einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs begrenzt oder als Abschnitt eines Abgasstrangs (22) der Brennkraftmaschine vorgesehen ist.