DE102019131181A1

DE102019131181A1 - Materialzusammensetzung für eine Beschichtung für Bauteile von Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE102019131181A1
Application number: DE102019131181.0A
Authority: DE
Inventors: Leander Schramm; Wolfgang Hanke
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2018-11-20
Filing date: 2019-11-19
Publication date: 2020-05-20
Also published as: CN113454260A; US20220010415A1; WO2020104438A1

Abstract

Materialzusammensetzung für eine Beschichtung für Bauteile von Brennkraftmaschinen, ausgewählt aus einer der drei in der folgenden Tabelle angegebenen Materialzusammensetzungen:

Description

Die Erfindung betrifft eine Materialzusammensetzung zur Herstellung einer 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 niedrigeren 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 durch jeweils eine der drei in der folgenden Tabelle angegebenen Materialzusammensetzungen gelöst.

		C	Mn	Cr	B	Si	Fe
1. Variante	0,8%C (vorzugsweise)	0,1-5%	0,1-3%	0-2%		0,0-1%	Rest
2. Variante	9%Cr (vorzugsweise)	0,1-5%	0,1-3%	1-13%	0,1-10%		Rest
3. Variante	18%Cr (vorzugsweise)	0,1-5%	0,1-3%	8-30%	0,1-10%		Rest

Die Angaben in der zweiten Spalte der obigen Tabelle stellen bevorzugte Werte des verwendeten Bestandteiles der jeweiligen Materialzusammensetzung dar (bei der 1. Varianten können also aus dem Bereich zwischen 0,1% und 5% des Kohlenstoffes vorzugsweise 0,8% Kohlenstoff ausgewählt werden. Vergleichbares gilt für die beiden anderen Varianten. Die 1. Variante kann zudem optional 0,1-10% B, die 2. und/oder 3. Variante unabhängig voneinander 0,0 - 5%, bevorzugt 0,0-1 % Si enthalten.
Demnach kann die Materialzusammensetzung in bevorzugten Ausführungsformen eine der folgenden Materialzusammensetzung aufweisen:
Variante

C	Mn	Cr	B	Si	Fe
0,8%	0,1-3%	0-2%	optional 0,1-10%	0,0-1%	Rest

Variante

C	Mn	Cr	B	Si	Fe
0,1-5%	0,1-3%	9%	0,1-10%	optional 0,1-5%	Rest

Variante

C	Mn	Cr	B	Si	Fe
0,1-5%	0,1-3%	18%	0,1-10%	optional 0,1-5%	Rest

Die Materialzusammensetzung nach der Erfindung kann als Beschichtung auf Bauteilen von Brennkraftmaschinen hier insbesondere Dieselmotoren verwendet werden. Bauteile von Brennkraftmaschinen sind insbesondere Zylinderlaufflächen, Kolben, oder Ein und Auslasskanäle im Zylinderkopf. Die Zylinderlaufflächen können vor aufbringen der Beschichtung mit der erfindungsgemäßen Materialzusammensetzung gehont (d.h. glatt) oder aufgeraut sein.
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.
Die erfindungsgemäße Materialzusammensetzung wird dabei vorzugsweise in Form von Draht dem Beschichtungsverfahren zugeführt. Andere Ausführungen sind jedoch nicht ausgeschlossen.
Bevorzugt wird die Beschichtung mittels „Plasma Transferred Wire Arc“ (PTWA) Verfahren auf die Bauteile aufgebracht, insbesondere in Form eines Drahtes.
Die als Draht vorliegende Materialzusammensetzung kann beispielsweise unter Verwendung eines Drahtspritzverfahrens, z.B. PTWA mit legierten Massivdrähten bzw. mit Feststoffen gefülltem Zusatzdraht und optional glatter Honung auf ein Bauteil von Brennkraftmaschinen (insbesondere Zylinderlaufflächen) 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 erfindungsgemäße Beschichtung eignet sich besonders für Bauteile, die aus einem Metall oder Leichtmetall gegossen sind. Insbesondere können dies Bauteile aus einer Aluminiumlegierung sein, die eine Metallschicht aufweisen, auf die dann die die Beschichtung aus der erfindungsgemäßen Materialzusammensetzung aufgebracht wird. Die Bauteile können z.B. aus einer Aluminiumlegierung gegossen sein, die eine Eisenschicht aufweist, auf die die Beschichtung aufgebracht wird.
Die Metallschicht kann thermisch auf das Bauteil 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.
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 [0015]
US 6706993 B1 [0015]
WO 2010/112567 A1 [0015]
US 6610959 B2 [0015]
WO 2012/95371 A1 [0015]

Claims

Materialzusammensetzung für eine Beschichtung für Bauteile von Brennkraftmaschinen, ausgewählt aus einer der drei in der folgenden Tabelle angegebenen Materialzusammensetzungen: C Mn Cr B Si Fe 1. Variante 0,1-5% 0,1-3% 0-2% 0,0-1% Rest 2. Variante 0,1-5% 0,1-3% 1-13% 0,1-10% Rest 3. Variante 0,1-5% 0,1-3% 8-30% 0,1-10% Rest
Materialzusammensetzung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Materialzusammensetzung: C Mn Cr B Si Fe 0,8% 0,1-3% 0-2% optional 0,1-10% 0,0-1% Rest
Materialzusammensetzung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Materialzusammensetzung C Mn Cr B Si Fe 0,1-5% 0,1-3% 9% 0,1-10% optional 0,1-5% Rest
Materialzusammensetzung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Materialzusammensetzung C Mn Cr B Si Fe 0,1-5% 0,1-3% 18% 0,1-10% optional 0,1-5% Rest
Verwendung der Materialzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 als Beschichtung auf Bauteilen von Brennkraftmaschinen.
Verwendung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mittels „Plasma Transferred Wire Arc“ (PTWA) Verfahren auf die Bauteile aufgebracht wird.
Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialzusammensetzung in Form eines Drahtes dem „Plasma Transferred Wire Arc“ (PTWA) Verfahren zugeführt wird.
Verwendung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile aus einem Metall oder Leichtmetall gegossen sind.
Verwendung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile aus einer Aluminiumlegierung gegossen sind, die eine Metallschicht aufweist, auf die die Beschichtung aufgebracht wird.
Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile aus einer Aluminiumlegierung gegossen sind, die eine Eisenschicht aufweist, auf die die Beschichtung aufgebracht wird.
Verwendung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht thermisch auf das Bauteil aufgespritzt wird.
Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, das die Metallschicht thermisch mittels Zweidraht-Lichtbogen-Spritzverfahren (TWA), HVOF-Spritzverfahren, Plasma-Pulver-Spritzverfahren, Plasma-Draht-Spritzverfahren oder Plasma Transferred Wire Arc (PTWA) Verfahren auf das Bauteil aufgespritzt wird.