DE102015220251A1 - Beschichtung für Bauteile von Brennkraftmaschinen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beschichtung für Bauteile von Brennkraftmaschinen, insbesondere für Zylinder- und/oder Kolbenoberflächen, wobei die Beschichtung Chrom mit einem Massenanteil zwischen 1 und 30 %, vorzugsweise zwischen 5 und 20 %, insbesondere mit 11 % aufweist, wobei die Beschichtung Eisen mit einem Massenanteil zwischen 0 und 50 %, vorzugsweise zwischen 15 und 35 %, insbesondere mit 25 % aufweist, wobei die Beschichtung Karbide und/oder Oxide mit einem Massenanteil zwischen 0 und 50 %, vorzugsweise zwischen 15 und 35 %, insbesondere mit 25 % aufweist und wobei die Beschichtung einen Festschmierstoff mit einem Massenanteil zwischen 0 und 30 %, vorzugsweise zwischen 5 und 15 %, insbesondere mit 10 % aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Beschichtung für Bauteile von Brennkraftmaschinen, insbesondere für Zylinder- und/oder Kolbenoberflächen, gemäß den Merkmalen der Oberbegriffe der unabhängigen Patentansprüche.
  • Diese Beschichtung für Bauteile von Brennkraftmaschinen, insbesondere für Zylinder- und/oder Kolbenoberflächen, eignet sich beispielsweise als korrosions- und verschleißbeständige Zylinderoberfläche für niedrige Reibung in Brennkraftmaschinen. Diese korrosions- und verschleißbeständige Zylinderoberfläche für niedrige Reibung in Brennkraftmaschinen eignet sich wiederum insbesondere zur Verwendung in Dieselmotoren.
  • Es besteht der Bedarf zur Reduzierung der Übergangsreibung zur Erzielung eines niedrigereren Kraftstoffverbrauchs sowie der Erhöhung der Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit gegen Abgasrückführungs- und Schlechtkraftstoffkondensate für Dieselmotoren ab Euro 6.
  • Aus dem Stand der Technik ist bekannt, eine Plasmabeschichtung mit Pulver unterschiedlichen Chrom- Molybdän- und Feststoffgehalts auf Bauteile für Brennkraftmaschinen aufzubringen. Eine derartige Plasmabeschichtung wird beispielsweise auf Zylinder aus Edelstahl aufgebracht.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verbesserte korrosions- und verschleißbeständige Zylinderoberfläche für niedrige Reibung in Brennkraftmaschinen, bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass eine Beschichtung für Bauteile von Brennkraftmaschinen, insbesondere für Zylinder- und/oder Kolbenoberflächen vorgeschlagen wird, wobei die Beschichtung Chrom mit einem Massenanteil zwischen 1 und 30 %, vorzugsweise zwischen 5 und 20 %, insbesondere mit 11 % aufweist, wobei die Beschichtung Eisen mit einem Massenanteil zwischen 0 und 50 %, vorzugsweise zwischen 15 und 35 %, insbesondere mit 25 % aufweist, wobei die Beschichtung Karbide und/oder Oxide mit einem Massenanteil zwischen 0 und 50 %, vorzugsweise zwischen 15 und 35 %, insbesondere mit 25 % aufweist und wobei die Beschichtung einen Festschmierstoff mit einem Massenanteil zwischen 0 und 30 %, vorzugsweise zwischen 5 und 15 %, insbesondere mit 10 % aufweist. Hierbei erhöht der Chromanteil die Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit der Beschichtung. Die erfindungsgemäße Beschichtung führt zu einer Verbesserung des Abgasverhaltens und zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs.
  • Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Oxide Aluminiumoxid und/oder Zirkonoxid sind. Oxide führen zu einer Verbesserung der Verschleißbeständigkeit von Bauteilen von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Zylinder- und/oder Kolbenoberflächen.
  • Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Karbide Chromkarbid und/oder Borkabid sind. Karbide führen zu einer Verbesserung der Verschleißbeständigkeit von Bauteilen von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Zylinder- und/oder Kolbenoberflächen.
  • Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Festschmierstoff Molybdändisulfid, Wolframdisulfid und/oder Eisenoxid ist. Festschmierstoffe führen zu einer Verbesserung der Gleitreibung von Bauteilen von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Zylinder- und/oder Kolbenoberflächen.
  • Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Beschichtung Poren aufweist. Poren führen zu einer Verbesserung der Gleitreibung von Bauteilen von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Zylinder- und/oder Kolbenoberflächen durch die Aufnahme von Schmiermitteln aus dem Schmierkreislauf der Brennkraftmaschine. Poren bilden ein Reservoir für Schmiermittel während des Betriebs der Brennkraftmaschine. So wird die Gefahr einer Mangelschmierung zwischen den Reibpartnern Kolben und Zylinderwand deutlich herabgesetzt. Die Gefahr des Ausfalls der Brennkraftmaschine, welche mit der erfindungsgemäßen Beschichtung versehene Bauteile aufweist wird verringert.
  • Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Poren eine Porenfläche größer 1000 µm2, vorzugsweise zwischen 250 und 1500 µm2, vorzugsweise zwischen 500 und 1000 µm2 aufweisen. Die Porenfläche ist ein Maß für die Kontaktstellen zwischen in den Poren gespeichertem Schmiermittel und dem jeweiligen Reibpartner.
  • Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Poren ein mittleres Porenvolumen zwischen 1000 und 60000 µm3, vorzugsweise zwischen 2000 und 40000 µm3, insbesondere zwischen 6000 und 10000 µm3 aufweisen. Das Porenvolumen definiert die Aufnahmefähigkeit von Schmiermittel in die Oberfläche der Beschichtung.
  • Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Beschichtung eine Spitzenrauhtiefe kleiner 0,30, vorzugsweise kleiner 0,20, insbesondere kleiner 0,10 aufweist.
  • Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Beschichtung eine Kernrauhtiefe kleiner 0,40, vorzugsweise kleiner 0,30, insbesondere kleiner 0,20 aufweist. Je glatter die Oberfläche der Beschichtung ausgeführt ist, desto geringer ist die Reibung zwischen den Reibpartnern. Eine geringe Reibung zwischen Kolben und Zylinderwand führt zur Einsparung von Kraftstoff beim Betrieb der Brennkraftmaschine.
  • Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Korrosions- und verschleißbeständige Zylinderoberfläche und/oder Oberfläche eines Kolbens für Brennkraftmaschinen für niedrige Reibung, erzielt durch ein Drahtspritzverfahren mit einem Chromgehalt im Bereich von 1 % bis 30 %, vorzugsweise 9 % bis 13 %, wiederum vorzugsweise 11 %, und anderen Feststoffgehalten, in Summe 100 %, gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Beschichtung kann beispielsweise unter Verwendung eines Drahtspritzverfahrens, z.B. PTWA mit legierten Massivdrähten, bzw. mit Feststoffen gefülltem Zusatzdraht und glatter Honung auf Bauteile von Brennkraftmaschinen aufgebracht werden.
  • Zur Beschichtung von Zylinderlaufflächen eignet sich beispielsweise eine PTWA-Innenbeschichtungsanlage. Bei einem PTWA (Plasma Transferred Wire Arc) Beschichtungssystem handelt es sich um eine Anlage zur Beschichtung von Bohrungen mit einem Durchmesser von 65 bis 350 mm. Der Spritzzusatzwerkstoff wird dabei drahtförmig zugeführt. Die Düseneinheit kann aus einer mit Thorium dotierten Wolframkathode, einer luftgekühlten Pilotdüse aus Kupfer und einem elektrisch leitfähigen drahtförmigen Zusatzwerkstoff, der senkrecht zur Pilotdüse zugeführt wird bestehen. Das Plasmagas, eine Mischung aus Wasserstoff und Argon, wird durch im Kathodenhalter angebrachte, tangential zum Umfang liegende Bohrungen zugeführt. Durch die Lage der Zylinderbohrungen entsteht ein längs der Kathode verdrallter Gasstrom, der mit hoher Geschwindigkeit durch die Düse entweicht. Der Vorgang wird durch eine Hochspannungsentladung, welche das Plasmagas zwischen Pilotdüse und Kathode ionisiert und dissoziiert, gestartet. Das so erzeugte Plasma strömt mit hoher Geschwindigkeit durch die Düsenmündung und dehnt sich entlang der Längsachse der Düse aus. Dabei wird das Plasma zum senkrecht zur Düse kontinuierlich zugeführten Drahtzusatzwerkstoff hin transportiert, wodurch der elektrische Kreis geschlossen wird. Aufschmelzen und Zerstäubung des Drahtes werden dabei zweifach beeinflusst. Der Draht wird zum einen durch große Stromstärken, beispielweise mit 65 bis 90 Ampere, widerstandserhitzt. Der Aufprall des Plasmas auf den vorgeheizten Draht sorgt für sein Aufschmelzen und seine Zerstäubung.
  • Vorrichtungen zum thermischen Beschichten einer Oberfläche sind zum Beispiel in der US 6,372,298 B1 , der US 6,706,993 B1 und der WO2010/112567 A1 beschrieben. Die dort genannten Vorrichtungen weisen gemeinsam auf: Eine Drahtzuführeinrichtung zur Zuführung eines abschmelzenden Drahtes, wobei der Draht als Elektrode wirkt; eine Quelle für Plasmagas zur Erzeugung eines Plasmagasstromes; einen Düsenkörper mit einer Düsenöffnung, durch die der Plasmagasstrom als Plasmagasstrahl auf ein Drahtende geleitet wird; und einer zweiten Elektrode, die im Plasmagasstrom angeordnet ist, bevor dieser in die Düsenöffnung eintritt. Auch die US 6,610,959 B2 und die WO2012/95371 A1 beschäftigen sich mit solchen Vorrichtungen.
  • Zwischen den beiden Elektroden bildet sich durch die Düsenöffnung hindurch ein Lichtbogen aus. Der aus der Düsenöffnung austretende Plasmastrahl trifft auf das Drahtende und bewirkt dort mit dem Lichtbogen ein Abschmelzen des Drahtes und den Abtransport des geschmolzenen Drahtmaterials in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche. Ringförmig um die Düsenöffnung herum sind Sekundärluftdüsen angebracht, durch die ein Sekundärgasstrahl erzeugt wird, der das vom Drahtende abgeschmolzene Material trifft und so eine Beschleunigung des Transportes in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche und eine Sekundärzerstäubung des geschmolzenen Drahtmaterials bewirkt.
  • Heutige Brennkraftmaschinen bzw. deren Motorblöcke können aus einem Metall oder Leichtmetall, wie z.B. Aluminium gegossen sein, wobei insbesondere Aluminiumblöcke an ihren Zylinderbohrungen eine Eisen- bzw. Metallschicht aufweisen. Die Metallschicht kann thermisch aufgespritzt sein. Als thermische Spritzverfahren sind neben Zweidraht-Lichtbogen-Spritzverfahren (TWA), HVOF-Spritzverfahren und Plasma-Pulver- Spritzverfahren die oben genannten Verfahren als Plasma-Draht-Spritzverfahren oder auch als PTWA (Plasma Transferred Wire Arc) bekannt. Eine Beschichtung der Zylinderbohrungen mit Hilfe der Plasma-Draht-Spritzverfahren, also mit dem PTWA ist dahin vorteilhaft, weil so eine Beschichtung hergestellt werden kann, welche sich positiv auf einen reduzierten Verschleißfaktor, auf eine verlängerte Lebensdauer der Brennkraftmaschine bei geringerem Ölverbrauch im Vergleich zu konventionellen Auskleidungen mit eingegossenen Laufbuchsen aus Graugussmaterial auswirkt.
  • Eine Beschichtung für Bauteile von Brennkraftmaschinen, insbesondere für Zylinder- und/oder Kolbenoberflächen kann erfindungsgemäß folgende Zusammensetzung aufweisen, der Gehalt der jeweiligen Substanz in der Beschichtung wird als Massenanteil angegeben Chromgehalt 1 bis 30 %, vorzugsweise 11%, Feststoffgehalt wie Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Chromkarbid, Borkarbid 0 bis 50 % Gesamtgehalt, vorzugsweise 25 %, Festschmierstoff wie Molybdändisulfid, Wolframdisulfid, Eisenoxid 0 bis 30 % vorzugsweise 10 %.
  • Die Honstruktur innerhalb der Zylinderlauffläche wird beispielsweise wie folgt ausgeführt R. pk < 0, 1, R.k. < 0,4, R.vk. aus der Porosität der Schnitzschicht.
  • Hierdurch wird ein niedriger Kraftstoffverbrauch durch schnellen Übergang in hydrodynamische Reibung aufgrund geringer Zylinderrauigkeit erzielt. Gleichzeitig wird ausreichendes Ölhaltevolumen aus der Porigkeit der Beschichtung bereitgestellt. Weitere Reibungsreduzierung wird durch eingelagerten Festschmierstoff erzielt. Korrosionsbeständigkeit wird durch balancierten Chromgehalt erzielt, Verschleißbeständigkeit durch balancierten Gehalt von Hartphasen. Gegenüber pulverbasiertem Verfahren besteht ein Kostenvorteil.
  • Niedriger Flottenverbrauch, erhöhte Leistungsdichte der Brennkraftmaschinen durch hohe Verschleißbeständigkeit der Zylinderlaufbahn, Korrosionsbeständigkeit bei hohen Rückführraten gekühlten Abgasrückführung (AGR) erforderlich ab Euro 6, auch nach Kaltphasen des Motors ohne aufwändige temperaturgeführte AGR-Steuerung.
  • Bei hohen Verbrennungstemperaturen (über 1800 °C) entstehen in einer Brennkraftmaschine zunehmend umweltschädliche Stickoxide. Um diese zu reduzieren, muss bei der Abgasrückführung (AGR) die Verbrennungstemperatur gesenkt werden. Mit Hilfe der Abgasrückführung wird die Entstehung von NOx bei Otto- oder Dieselbrennkraftmaschinen verringert. Um dies zu erreichen, wird bei der äußeren Abgasrückführung ein Teil des Abgases über ein Rohr zurück zur Saugseite geführt und dort dem Frischgas beigemischt. Die Regelung hierzu übernimmt ein außerhalb des Motors angebrachtes Abgasrückführventil.
  • Systembedingt wird während des Ansaugtaktes etwas Abgas durch das offene Auslassventil wieder angesaugt (interne Abgasrückführung). Die Rückführung von sauerstoffarmem und kohlendioxidhaltigem Abgas verdrängt Frischluft im Ansaugrohr und senkt den Sauerstoffanteil der Frischgase, wodurch die Verbrennungsgeschwindigkeit abnimmt. Die höhere Wärmekapazität des Abgases gegenüber Frischluft senkt die Verbrennungstemperatur, da das vorhandene Kohlendioxid ein Teil der Verbrennungswärmemenge absorbiert. Man könnte auch sagen: Das Abgas nimmt nicht an der Verbrennung teil, muss aber jedoch mit aufgeheizt werden. Als Folge sinkt die Verbrennungstemperatur.
  • Durch das Verkleinern des Sauerstoffanteils und das Absenken der Verbrennungstemperatur reduzieren sich die Verbrennungstemperatur und damit die Abgastemperatur von den üblichen 700°C bis auf 400°C. Durch die Absenkung der Verbrennungstemperatur entsteht ein großer Teil der Stickoxide erst gar nicht mehr.
  • Die Abgasrückführung findet nur im Teillastbereich statt, da hier der Motor besonders mager läuft. Bei Kaltstart, Warmlauf und Volllast ist eine Abgasrückführung nicht sinnvoll. Die Abgasrückführung erfolgt manchmal auch im Leerlauf, jedoch nur mit begrenzter Dauer. Eine Rückführung der Abgase bei Volllast würde wegen des erzeugten Luftmangels zur Schwarzrauchbildung und zu Leistungsverlust führen.
  • Eine Absenkung der Verbrennungstemperatur hat immer eine Verringerung des NOx-Anteils im Abgas zur Folge.
  • In der nachfolgenden Tabelle werden die erfindungsgemäßen Beschichtungen 1, 2 und 3 für Bauteile von Brennkraftmaschinen, insbesondere für Zylinder- und/oder Kolbenoberflächen gegenübergestellt. Alle Beschichtungen führen zu einer Verminderung der Reibung zwischen Zylinderwand und Kolben. Die Beschichtungen 2 und 3 erhöhen zusätzlich die Korrosionsbeständigkeit von Bauteilen für Brennkraftmaschinen.
  • Eine Chrom-Diamant-Beschichtung (GDC®) weist extrem niedrige Verschleißraten, bei ausgezeichneten Reib-/Gleiteigenschaften und einer sehr exakten, dauerhaften Formbarkeit auf.
    Figure DE102015220251A1_0001
  • 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
    • US 6372298 B1 [0018]
    • US 6706993 B1 [0018]
    • WO 2010/112567 A1 [0018]
    • US 6610959 B2 [0018]
    • WO 2012/95371 A1 [0018]

Claims (9)

  1. Beschichtung für Bauteile von Brennkraftmaschinen, insbesondere für Zylinder- und/oder Kolbenoberflächen, dadurch gekennzeichnet, – dass die Beschichtung Chrom mit einem Massenanteil zwischen 1 und 30 %, vorzugsweise zwischen 5 und 20 %, insbesondere mit 11 % aufweist, – dass die Beschichtung Eisen mit einem Massenanteil zwischen 0 und 50 %, vorzugsweise zwischen 15 und 35 %, insbesondere mit 25 % aufweist, – dass die Beschichtung Karbide und/oder Oxide mit einem Massenanteil zwischen 0 und 50 %, vorzugsweise zwischen 15 und 35 %, insbesondere mit 25 % aufweist und – dass die Beschichtung einen Festschmierstoff mit einem Massenanteil zwischen 0 und 30 %, vorzugsweise zwischen 5 und 15 %, insbesondere mit 10 % aufweist.
  2. Beschichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxide Aluminiumoxid und/oder Zirkonoxid sind.
  3. Beschichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Karbide Chromkarbid und/oder Borkabid sind.
  4. Beschichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Festschmierstoff Molybdändisulfid, Wolframdisulfid und/oder Eisenoxid ist. Beschichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung Poren aufweist.
  5. Beschichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren eine Porenfläche größer 1000 µm2, vorzugsweise zwischen 250 und 1500 µm2, vorzugsweise zwischen 500 und 1000 µm2 aufweisen.
  6. Beschichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren ein mittleres Porenvolumen zwischen 1000 und 60000 µm3, vorzugsweise zwischen 2000 und 40000 µm3, insbesondere zwischen 6000 und 10000 µm3 aufweisen.
  7. Beschichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Spitzenrauhtiefe kleiner 0,30, vorzugsweise kleiner 0,20, insbesondere kleiner 0,10 aufweist.
  8. Beschichtung nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Kernrauhtiefe kleiner 0,40, vorzugsweise kleiner 0,30, insbesondere kleiner 0,20 aufweist.
  9. Korrosions- und verschleißbeständige Zylinderoberfläche und/oder Oberfläche eines Kolbens für Brennkraftmaschinen für niedrige Reibung, erzielt durch ein Drahtspritzverfahren mit einem Chromgehalt im Bereich von 1 % bis 30 %, vorzugsweise 9 % bis 13 %, wiederum vorzugsweise 11 %, und anderen Feststoffgehalten, in Summe 100 %.
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