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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einem Schaft, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem solchen Kolben sowie ein Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung auf dem Schaft eines solchen Kolbens.
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Zur Sicherstellung von Einlauf- und Notlaufeigenschaften sind bereits seit langem Beschichtungen mit einem funktional-graduellen Aufbau bekannt, bei deren Zusammensetzung ein Kompromiss zwischen reibungsminimierenden und verschleißbeständigen Eigenschaften gefunden werden muss. Besonders verschleißbeständige Bauteile, wie insbesondere Pleuel, weisen deshalb beispielsweise kohlefaserverstärkte Beschichtungen mit einem hohen Rauheitswert auf, was jedoch zu Nachteilen bezüglich der Prozessüberwachung führt. Zudem wirken derartig harte Kohlefasern bei Gegenflächen aus Aluminium abrasiv, was zu unerwünschten Poliereffekten bzw. zur Ausbildung von Riefen führen kann.
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Aus der
WO 2012/041769 A2 ist ein gattungsgemäßer Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einer Schaftbeschichtung aus einer verschleißbeständigen inneren Schicht aus einer Polymermatrix und darin dispergierten Keramikpartikeln, Aramidfasern und/oder Kohlefasern sowie einer äußeren Schicht aus einer Polymermatrix mit darin dispergierten Festschmierstoffen bekannt. Hierdurch soll eine funktionale innere Schicht geschaffen werden, welche direkt auf der Oberfläche des Kolbens aufgebracht wird, ebenso wie eine verschleißfeste äußere Schicht (Substratschicht), durch welche sich das Einlaufverhalten und insbesondere auch die Fresssicherheit verbessern sollen. Durch die reibungsminimierende Beschichtung sollen zudem der Kraftstoffverbrauch und die CO
2-Emissionen im Betrieb der Brennkraftmaschine gesenkt werden können.
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Aus der
EP 1 894 987 A1 ist ein weiterer gattungsgemäßer Kolben mit einer zweischichtigen Schaftbeschichtung bekannt.
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Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kolben ist jedoch die vergleichsweise energieintensive Herstellung der Beschichtungen.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Kolben der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, welche sich insbesondere durch eine kostengünstigere Herstellung auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, auf einem Schaft eines Kolbens einer Brennkraftmaschine eine zweilagige Beschichtung mit einer inneren Schicht und einer äußeren Schicht aufzubringen, wobei die äußere Schicht beispielsweise mittels Sprühen oder Pinseln, das heißt in flüssiger Form, auf die innere Schicht aufgebracht wird und derart ausgebildet ist, dass sie an der Luft trocknen bzw. aushärten kann, wodurch eine deutliche Energieeinsparung im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Beschichtungen erreicht werden kann. Darüber hinaus besitzt die äußere Schicht einen im Vergleich zur inneren Schicht deutlich reduzierten Verschleißwiderstand, wodurch bereits nach einer sehr kurzen Einlaufphase von lediglich einer bis sechs Stunden an den hoch beanspruchten Stellen ein Spiel geschaffen werden kann und dadurch die Reibungsverluste deutlich reduziert werden können. Die innere Schicht der erfindungsgemäßen zweilagigen Beschichtung weist dabei organische Bindemittel und Festschmierstoffe sowie Hartstoffpartikel aus Wolframdisulfid (WS2), Wolframcarbid (WC), Siliciumcarbide (SiC) und/oder Alumiumoxide (Al2O3) auf. Die äußere Schicht hingegen weist anorganische Bindemittel auf und ist aufgrund ihrer in Bezug auf die innere Schicht deutlich höheren Verschleißfreudigkeit dazu geeignet, ein schnelles Einlaufen des Kolbens zu ermöglichen. Besonders die Ausbildung der äußeren Schicht mit anorganischen Bindemitteln erlaubt eine Lufttrocknung, welche die Prozesskosten zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbens erheblich senkt. Nach der Einlaufphase bietet die erfindungsgemäße zweilagige Beschichtung weiter den Vorteil, dass die verschleißfreudige äußere Schicht, insbesondere an den hochbelasteten Stellen, zumindest teilweise abgetragen ist und an der Oberfläche bzw. zur Grenzfläche der inneren Schicht hin eine deutlich glattere Oberfläche erzeugt, wodurch mehr Auflagefläche zwischen dem Kolbenschaft und dem Zylinder erreicht werden kann.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind die organischen Bindemittel der inneren Schicht aus folgender Gruppe ausgewählt: Polyamide (PAI), Polyetherketone (PEK), Polyetheretherketone (PEEK) und/oder Polyaryletherketone (PAEK), Silikon-Epoxide, Polybenzimidazol (PBI), oder ein Elend aus PAI und Silikonharzen oder weitere Elends mit PAI-Systemen. Polyamide sind beispielsweise lineare Polymere mit sich regelmäßig wiederholenden Amidbindungen entlang der Hauptkette. Sie zeichnen sich insbesondere durch eine hohe Festigkeit, eine hohe Steifigkeit sowie eine hohe Zähigkeit aus und besitzen darüber hinaus eine gute Beständigkeit gegenüber Chemikalien sowie eine gute Verarbeitbarkeit. Polyamide reagieren auf Feuchtigkeit mit einer reversiblen Wasseraufnahme oder -abgabe. Polyetherketone sind Polymere, in deren molekularem Rückgrat abwechselnd Keton- und Etherfunktionalitäten vorkommen. Am gebräuchlichsten sind dabei Polyetheretherketone (PEEK), mit einem hochtemperaturbeständigen, thermoplastischen Kunststoff, sowie Polyaryletherketone (PAEK). PEK, PEEK sowie PAEK besitzen dabei ebenfalls eine hohe Beständigkeit gegenüber organischen und anorganischen Chemikalien.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung enthalten die Festschmierstoffe der inneren Schicht Molybdändisulfid (MOS2) und/oder Graphit. Molybdändisulfid ist ein grauschwarzes, kristallines Sulfit des chemischen Elements Molybdän mit einem Partikeldurchmesser zwischen 0,5 μm und 5 μm und eignet sich in besonderer Form als technisches, trockenes Schmiermittel. Derartige trockene Schmiermittel erhöhen insbesondere die Notlaufeigenschaften des Kolbens bei einem Ausfall einer Schmierölversorgung. Auch Graphit bietet derartige Trockenschmiereigenschaften und sichert dadurch die Notlaufeigenschaften des mit dieser Beschichtung ausgestatteten Kolbens. Rein theoretisch kann dabei selbstverständlich auch die äußere, im Vergleich zur inneren Schicht verschleißfreudigere Schicht, derartige Festschmierstoffe aus Molybdändisulfid und/oder Graphit aufweisen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist die äußere Schicht in einem Temperaturbereich zwischen –180°C und +450°C temperaturbeständig. Durch eine derartige Ausbildung kann gewährleistet werden, dass die äußere Schicht, insbesondere während des Einlaufens bzw. während der Einlaufphase, nicht durch die auftretenden Temperaturen negativ beeinflusst wird. Auch die während des Betriebs der Brennkraftmaschine auftretenden Temperaturen im Bereich der Beschichtung am Kolbenschaft übersteigen 450°C nicht, so dass auch dort keine negative Beeinflussung auftritt.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Verfahren zum Aufbringen der zuvor beschriebenen zweilagigen Beschichtung auf einen Schaft des Kolbens anzugeben, bei welchem zunächst die innere Schicht auf den Schaft des Kolbens aufgebracht wird, beispielsweise mittels üblicher Standardverfahren, wie insbesondere Siebdruck. Anschließend wird die äußere Schicht in flüssiger Form auf den Schaft des Kolbens aufgebracht, insbesondere aufgesprüht oder aufgepinselt oder im Tampondruckverfahren. Durch das anorganische Bindemittel in der äußeren Schicht kann diese nun an der Luft aushärten, wodurch ein erheblicher Vorteil hinsichtlich eines Energieaufwandes beim Herstellen der Beschichtung resultiert, da die zweite Schicht der Beschichtung nicht wie bisher üblich, beispielsweise durch Wärme oder Infrarotstrahlung, energieintensiv gehärtet werden muss.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine Seitenansicht auf einen erfindungsgemäßen Kolben mit einer zweilagigen, erfindungsgemäßen Beschichtung an einem Schaft,
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2 eine Schnittdarstellung durch den Kolben im Bereich der Beschichtung nach Aufbringen der inneren Schicht,
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3 eine Darstellung wie in 2, jedoch nach Aufbringen der äußeren Schicht.
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Entsprechend den 1 bis 3, weist ein erfindungsgemäßer Kolben 1 für eine Brennkraftmaschine 2 einen Schaft 3 auf. Erfindungsgemäß ist nun auf dem Schaft 3 eine zweilagige Beschichtung 4 (vergleiche auch die 3) mit einer inneren Schicht 5 und einer äußeren Schicht 6 aufgebracht. Die innere Schicht 5 weist dabei organische Bindemittel sowie Festschmierstoffe, beispielsweise Molybdändisulfid (MOS2) und/oder Graphit auf und besitzt dadurch die für einen zuverlässigen Betrieb erforderlichen Trockenschmiereigenschaften, welche bei einem Ausfall eines Schmierstoffversorgungssystems zumindest eine gewisse Zeit lang Notlaufeigenschaft sichern. Darüber hinaus besitzt die innere Schicht 5 Hartstoffpartikel, beispielsweise aus Wolframdisulfid (WS2), Wolframcarbid (WC), Siliciumcarbide (SiC) und/oder Alumiumoxide (Al2O3), welche die Verschleißbeständigkeit der inneren Schicht 5 deutlich erhöhen. Wolframsulfide sind chemische Verbindungen aus der Gruppe der Wolframverbindungen und Sulfide. Wolframcarbid ist eine nicht-oxidische Keramik bzw. eine intermediäre Kristallphase, welche aus den chemischen Elementen Wolfram und Kohlenstoff gebildet wird. Wolframcarbide werden dabei insbesondere für hochbelastete Bauteile eingesetzt, können in Partikelform jedoch auch die Verschleißbeständigkeit einer Beschichtung, hier der inneren Schicht 5, deutlich erhöhen. Die äußere Schicht 6 weist anorganische Bindemittel auf, ist lufthärtend und besitzt im Vergleich zur inneren Schicht 5 einen deutlich reduzierten Verschleißwiderstand, wodurch eine deutlich reduzierte Einlaufphase des Kolbens 1 in der Brennkraftmaschine 2 von lediglich noch einer bis sechs Stunden erreicht werden kann. In dieser Einlaufphase wird die äußere Schicht 6 bereits so weit abgetragen, dass sie insbesondere an hochbelasteten Stellen eine deutlich vergrößerte Kontaktfläche zwischen dem Schaft 3 und einer Zylinderwandung schafft und dadurch insbesondere auch mithilft, die Leistungsverluste deutlich zu reduzieren.
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Die organischen Bindemittel der inneren Schicht 5 können dabei aus folgender Gruppe ausgewählt sein. Polyamide (PAI), Polyetherketone (PEK), Polyetheretherketone (PEEK) und/oder Polyaryletherketone (PAEK), Silikon-Epoxide, Polybenzimidazol (PBI), oder ein Elend aus PAI und Silikonharzen oder weitere Elends mit PAI-Systemen. Bereits diese nicht abschließende Aufzählung lässt erahnen, welche mannigfaltigen Möglichkeiten für das organische Bindemittel der inneren Schicht 5 zur Verfügung stehen, sofern diese eine hohe Festigkeit, eine hohe Zähigkeit und eine hohe Verschleißbeständigkeit aufweisen.
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Die Festschmierstoffe besitzen dabei Partikel, beispielsweise Molybdändisulfidpartikel oder Graphitpartikel, mit einem Durchmesser zwischen 0,5 μm und 5 μm. Durch die mikrofeinen Festschmierstoffpartikel können insbesondere die Trockenschmiereigenschaften und damit die Notlaufeigenschaften deutlich verbessert werden. Demgegenüber besitzen die Hartstoffpartikel der inneren Schicht 5 eine Korngröße zwischen 500 nm und 1.000 nm und sind dadurch deutlich kleiner als die Partikel der Festschmierstoffe. Durch die geringe Korngröße der Hartstoffpartikel lassen sich die Festigkeitseigenschaften und damit auch der Verschleißwiderstand der inneren Schicht 5 deutlich erhöhen.
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Hergestellt wird die Beschichtung 4 dabei wie folgt:
Zunächst wird die innere Schicht 5 auf den Schaft 3 des Kolbens 1 aufgebracht, beispielsweise mittels Siebdruckverfahren mit einer anschließenden Aushärtung im Umluftofen oder mittels Infrarotstrahlung. Anschließend wird die äußere Schicht 6 in zunächst flüssiger Form auf den Schaft 3 des Kolbens 1 aufgebracht, insbesondere dort aufgesprüht oder aufgepinselt oder im Tampondruckverfahren aufgedruckt, welches die attraktivste Lösung darstellt. Durch die spezielle Ausbildung der äußeren Schicht 6, kann diese nun an der Luft aushärten, ohne dass ein zusätzlicher Energieaufwand erforderlich ist. Durch die lufthärtende äußere Schicht 6 lassen sich somit insbesondere die Prozesskosten erheblich reduzieren.
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Im nachfolgenden Einlaufbetrieb der Brennkraftmaschine 2 verschleißt die äußere Schicht 6 aufgrund ihres geringeren Verschleißwiderstands relativ schnell und ermöglicht dadurch die Schaffung eines Spiels zwischen Schaft 3 einerseits und Zylinderwandung andererseits, was sich positiv auf die Reibleistungsverluste auswirkt. Nachdem zumindest teilweise Abtragen der äußeren Schicht 6 übernimmt die innere Schicht 5 sowohl die Erhöhung des Verschleißwiderstandes als auch das Sicherstellen der Notlaufeigenschaften durch die darin eingelagerten Festschmierstoffe, wie beispielsweise Molybdändisulfid oder Graphit. Eine Dicke d der Beschichtung 4 liegt dabei üblicherweise zwischen 5 μm und 30 μm, vorzugsweise bei ca. 15 μm.
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Mit der erfindungsgemäßen zweilagigen Beschichtung 4 lässt sich somit eine Verschleißschutzschicht mit deutlich reduziertem Energieaufwand und damit kostengünstiger und Ressourcen schonender aufbringen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2012/041769 A2 [0003]
- EP 1894987 A1 [0004]
