DE10241846A1

DE10241846A1 - Beschichtungsverfahren und ein nach dem Beschichtungsverfahren hergestellter Kolben

Info

Publication number: DE10241846A1
Application number: DE10241846A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl.-Ing. Heinemann; Klaus Dipl.-Ing. Färber; Karl Dipl.-Ing. Obermaier
Original assignee: Volkswagen AG; Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2002-09-09
Filing date: 2002-09-09
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2022-09-10
Also published as: DE10241846B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Beschichtungsverfahren für die Kontaktfläche eines Kolbens (1) einer Verbrennungskraftmaschine sowie einen nach dem Beschichtungsverfahren hergestellten Kolben (1). Um eine Verbesserung der Haftungseigenschaften mit geringem Aufwand zu erreichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, in eine Oberfläche (6) des Kolbens (1) eine Vielzahl von gegeneinander abgeschlossenen Ausnehmungen (3) einzubringen, die derart bemessen sind, dass sich, bezogen auf den zunächst fließfähigen Zustand der Beschichtung (5), ein Kapillareffekt einstellt. Nach dem Erstarren der Beschichtung (5) im Bereich einer Erweiterung (7) der jeweiligen Ausnehmung (3) entsteht eine formschlüssige Verbindung zwischen der Beschichtung (5) und der Oberfläche (6) des Kolbens (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Beschichtungsverfahren für die Kontaktfläche beweglicher Bauelemente, insbesondere eines Kolbens einer Verbrennungskraftmaschine, bei dem durch Abtragen oberflächennaher Schichten eine die Haftungseigenschaften verbessernde Vergrößerung der Oberfläche des Kolbens erreicht und anschließend eine Beschichtung im fließfähigen Zustand aufgetragen wird, die nach dem Erstarren eine dauerhafte Beschichtung bildet. Weiterhin betrifft die Erfindung einen nach dem Verfahren hergestellten Kolben einer Verbrennungskraftmaschine.
Ein Beschichtungsverfahren der genannten Art ist beispielsweise durch die DE 36 34 708 A 1 bekannt, in der bereits die Herstellung von Maschinenteilen, insbesondere eines Kolbenringes beschrieben ist. Hierzu wird an einer Lauffläche, die gleitender Reibung ausgesetzt ist, eine Beschichtung mit einer galvanischen Hartchrombeschichtung vorgenommen. Diese besitzt rasterartig über die Lauffläche verteilt angeordnete, sich bis in den Grundwerkstoff erstreckende Ausnehmungen. Diese Ausnehmungen werden bereits vor dem Aufbringen der Beschichtung mittels Laserstrahlung in den Grundkörper eingebrannt, so dass sich diese Ausnehmungen beim Aufbringen einer gleichmäßigen Schicht im Anschluss an die Reinigung der Oberfläche auch in der Beschichtung abbilden. Da sich die Ausnehmungen auch in den Grundwerkstoff erstrecken, bleiben diese auch bei einem Verschleiß der Beschichtung funktionsfähig, wobei gleichzeitig die Gefahr von Schichtausbrüchen beseitigt werden kann.
Die EP 04 22 856 A1 beschreibt eine Kolbenanordnung mit reduzierter Reibung. Hierfür hat der Kolben an seiner äußeren Oberfläche eine Vielzahl von punktförmigen Furchen. Die Oberfläche wird anschließend mit einem Polymer beschichtet, um so den Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine zu verbessern.
Nach der PAJ 620 56 562 A ist zudem auch das Aufrauhen der Oberfläche eines Kolbens mittels eines Lasers bekannt. Hierdurch wird die Adhäsionskraft zwischen dem Kolben und der Beschichtung sowie der Widerstand gegen Ablösen erhöht.
Das Prinzip der vorstehend beschriebenen Verfahren beruht dabei auf einer Vergrößerung der wirksamen Oberfläche, um so Adhäsionskräfte zu erhöhen. Eine in der Praxis wünschenswerte, zusätzliche Steigerung der Adhäsionskräfte über einen so erreichten Werft hinaus, lässt sich jedoch auf diesem Wege nicht realisieren.
Weiterhin offenbart die DE 42 17 530 A1 bereits ein Verfahren zum Bearbeiten von Kolbenlaufbahnen in Zylinderblöcken aus Gusseisen. Dabei wird zunächst die Kolbenlaufbahn gehont und anschließend ein Laserstrahl über die zu bearbeitende Oberfläche bewegt, um auf diese Weise Graphitlamellen zu öffnen. Hierdurch soll die Verschleißfestigkeit von Verbrennungskraftmaschinen erhöht und die Reparaturanfälligkeit verringert werden.
Außerdem bezieht sich auch die DE 195 19 535 A1 auf ein Verfahren zum Bearbeiten der Oberflächen von Werkstücken aus einer Aluminiumlegierung, insbesondere der Zylinderlaufflächen von Hubkolbenmotoren, mittels eines Lasers, dessen Energie impulsförmig unter Beeinflussung der Oberflächenstruktur im Mikrobereich indiziert wird, wobei zur Erzielung einer verschleißfesten und korrosionsbeständigen Aluminiumnitritbeschichtung die Bearbeitung unter überwiegender Stickstoffumgebung durchgeführt wird. Als Werkstoff wird dabei beispielsweise eine Aluminiumsiliziumlegierung verwendet.
Ferner ist durch die US 55 15 770 A auch das Härten von Oberflächen eines Kolbens mittels Laserstrahl bekannt. Hierzu wird die Oberfläche mit einer Graphitlösung behandelt. Außerdem beschreibt die WO 82 03 813 A 1 allgemein die Behandlung der Oberfläche eines Kolbens mit Laserstrahlung, um so die mechanischen Eigenschaften zu verbessern.
Die DE 39 22 378 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen verschleißfester Oberflächen an Bauteilen aus einer Al-Si-Legierung, bei dem die Oberflächen mit einer Schicht aus einem Binder, pulverförmigen Silizium, einem Impfmittel für primäre Siliziumkristalle und einem Flussmittel beschichtet wird und anschließend diese Beschichtung mittels eines Laserstrahls eingeschmolzen wird.
Als nachteilig bei diesen vorstehend beschriebenen Verfahren erweist sich jedoch in der Praxis der vergleichsweise große Aufwand, der durch die chemische bzw. physikalische Umwandlung der Oberfläche des Kolbens einschließlich der hierzu erforderlichen, vorbereitenden Verfahrensschritte verursacht wird.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Beschichtungsverfahren der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass dabei mit geringem Aufwand wesentlich verbesserte Haftungseigenschaften einer Beschichtung realisiert werden können. Insbesondere soll die Beschichtung bei unterschiedlichen Werkstoffen des Kolbens einsetzbar sein. Weiterhin soll ein mit dem Beschichtungsverfahren hergestellter Kolben mit verbesserten Haftungseigenschaften geschaffen werden.
Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einem Beschichtungsverfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche 2 bis 8 betreffen besonders zweckrnäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also ein Beschichtungsverfahren vorgesehen, bei dem in die Oberfläche des Bauelementes eine Vielzahl von gegeneinander abgeschlossenen Ausnehmungen eingebracht werden, die derart bemessen sind, dass sich im Hinblick auf die Eigenschaften der Beschichtung im fließfähigen Zustand ein Kapillareffekt einstellt, durch den die Beschichtung in die Ausnehmungen eindringt. Hierbei dringt die im fließfähigen Zustand auf die Oberfläche des Bauelementes aufgetragene Beschichtung tief in die Ausnehmungen ein und wird dort zuverlässig gehalten. Nach dem Erstarren bildet sich dabei eine hochbelastbare Schicht, deren Haftungswerte weit über die der reinen Obhaftungseigenschaften entsprechenden Adhäsionseigenschaften hinausgeht. Insbesondere tritt im wesentlichen ein Formschluss ein. Die Erfindung liegt dabei in der überraschenden Erkenntnis, dass die vergleichsweise kleinen und tiefen Ausnehmungen nicht zu einem unzureichenden Eindringen der fließfähügen Beschichtung, sondern im Gegenteil bei entsprechender Bemessung, insbesondere bei einem Durchmesser, der kleiner als die Tiefe der Ausnehmung ist, zu einem Einsaugen der Beschichtung durch den Kapillareffekt führt. Dieser Effekt ist unabhängig von den Materialeigenschaften des Bauelementwerkstoffes, so dass sich das Beschichtungsverfahren für nahezu beliebige Bauelemente in optimaler Weise eignet.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auch dann erreicht, wenn in den Ausnehmungen eine Hinterschneidung vorgesehen ist. Hierdurch führt das Erstarren des zunächst in seiner flüssigen Phase in die Ausnehmungen eingedrungenen Beschichtungsmaterials zu einer formschlüssigen Verbindung zwischen der Beschichtung und der Oberfläche des Bauelementes oder Kolbens, insbesondere durch eine mechanische Verklammerung. Die Ausnehmungen können dabei vermehrt in solchen Bereichen vorgesehen werden, die im späteren Betrieb verstärkt einer Beanspruchung unterliegen.
Dabei erweist es sich als besonders praxisnah, wenn in die Ausnehmungen eine gegenüber der Eintrittsöffnung vergrößerte Erweiterung eingebracht wird, so dass ein Herauslösen der Beschichtung aus der Ausnehmung nahezu ausgeschlossen ist. Die Beschichtung widersteht dadurch äußersten Beanspruchungen, ohne dass ein Ablösen von der Oberfläche des Bauelementes zu befürchten ist.
Eine besonders zweckmäßige Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auch dadurch erreicht, dass die Ausnehmungen durch punktförmiges Aufschmelzen in die Oberfläche des Bauelementes eingebracht werden und jeweils ein Teil der Schmelze in einem der Oberfläche zugewandten Bereich der so geschaffenen Ausnehmung zum Erstarren gebracht wird. Hierdurch entsteht in dem oberflächennahen Bereich der Ausnehmung eine Engstelle, die nach dem Erstarren der in ihrer flüssigen Phase in die Ausnehmung eingebrachten Beschichtung zu einer formschlüssigen Verbindung führt. Die Ausnehmung kann daher in einem einzigen Arbeitsgang zunächst in die Oberfläche eingeschmolzen und anschließend in dem oberflächennahen Wandabschnitt eine verminderte Durchlassöffnung dadurch erreicht werden, dass die Schmelze beispielsweise unter dem Einfluss der Schwerkraft zur Oberfläche fließt und dort in dem oberflächennahen Wandabschnitt zum Erstarren gebracht wird.
Dabei erweist es sich als besonders günstig, wenn die Ausnehmungen mittels elektromagnetischer Strahlung, insbesondere mittels Laserstrahlung, in die Oberfläche eingebracht werden. Hierdurch lassen sich feinste Strukturen erzeugen, die zu einer optimalen Beschichtung führen, ohne zugleich zu einem unerwünschten Einfluss auf die Festigkeit des Bauelementwerkstoffes zu führen. Zudem können die Ausnehmungen individuell in beliebiger Position bei geringer Prozessdauer realisiert werden.
Eine andere besonders erfolgversprechende Abwandlung des Verfahrens wird dadurch erreicht, dass die Strahlung derart eingestellt wird, dass oberflächennahe Substanzen sublimiert werden. Der zu entfernende Werkstoff des Bauelementes wird durch einen geeigneten Energieeintrag, insbesondere durch Laserstrahlung, verdampft und kann dadurch problemlos mittels Druckluft aus der Ausnehmung entfernt werden. Zugleich werden auch die auf der Oberfläche anhaftenden Partikel oder Rückstände verdampft, so dass auf eine vorbereitende, insbesondere chemische Reinigung der Oberfläche verzichtet werden kann. Daher eignet sich die Behandlung auch für solche Verfahren, bei denen die Ausnehmungen in einem weiteren Verfahrensschritt, beispielsweise durch spanende Bearbeitung, eingebracht werden.
Hierzu hat sich in der Praxis eine Ausgestaltung des Verfahrens als besonders empfehlenswert erwiesen, bei dem eine Vielzahl der Ausnehmungen derart über die Fläche verteilt eingebracht werden, dass die einzelnen, durch die elektromagnetische Strahlung verursachten Wärmeeinflusszonen aneinander angrenzen. Die aneinandergrenzenden Wärmeeinflusszonen ermöglichen so ein zuverlässiges Verdampfen unerwünschter Rückstände auf der Oberfläche, so dass der gewünschte Reinigungseffekt über die gesamte zu beschichtende Fläche problemlos erreicht wird. Die Wärmeeinflusszonen können zusätzlich auch Überschneidungen aufweisen, um so die Reinigungsleistung zu erhöhen.
Besonders günstig ist eine praxisnahe Ausführungsform des Verfahrens, bei dem die: Ausnehmungen mit einer Tiefe zwischen 5 und 5000 μm sowie mit einem Durchmesser zwischen 1 und 1000 μm eingebracht werden, so dass eine optimale Kapillarwirkung erreicht wird. Die Beschichtungsstärke beträgt dabei zwischen 5 und 50 μm.
Die zweitgenannte Aufgabe, einen nach dem Verfahren hergestellten Kolben einer Verbrennungskraftmaschine, der zur Verbesserung der Haftungseigenschaften an seiner äußeren Oberfläche mit einer Beschichtung ausgestattet ist, zu schaffen, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Oberfläche mit Ausnehmungen versehen ist, die gegenüber einem der Oberfläche zugewandten Wandabschnitt eine Erweiterung aufweisen. Hierdurch wird eine formschlüssige Verbindung zwischen der Beschichtung und der Oberfläche erreicht, indem die zunächst fließfähige Beschichtung in die Ausnehmung bis in die Erweiterung eindringt und nach dem Erstarren formschlüssig fixiert ist. Die Haftungseigenschaften der Beschichtung können dadurch wesentlich verbessert werden.
Die Erfindung lässt zahlreiche Varianten zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
1 eine perspektivische Ansicht eines Kolbens mit Ausnehmungen;
2 eine entlang der Linie II-II geschnittene Seitenansicht des Kolbens.
1 zeigt einen Kolben 1 einer nicht weiter dargestellten Verbrennungskraftmaschine in einer perspektivischen Ansicht. Der Kolben 1 weist im Bereich seiner Kontaktfläche 2, die im späteren Betrieb einer Gleitbeanspruchung unterliegt, eine Vielzahl von punktförmigen Ausnehmungen 3 auf, die jeweils von einer herstellungsbedingten Wärmeeinflusszone 4 eingeschlossen sind. Diese insbesondere durch das Streulicht der zum Einbringen der Ausnehmungen 3 eingesetzten, elektromagnetischen Strahlung verursachten Wärmeeinflusszonen 4 grenzen unmittelbar aneinander und ermöglichen so über die gesamte Kontaktfläche 2 ein Verdampfen anhaftender Partikel und Rückstände, so dass eine zusätzliche Reinigung der Kontaktfläche 2 entbehrlich ist.
Ergänzend wird die Anordnung der Ausnehmung 3 in dem Kolben 1 auch anhand der 2 gezeigt, die eine entlang der Linie II-II geschnittene, vergrößerte Seitenansicht des Kolbens 1 mit einer aufgebrachten Beschichtung 5 zeigt. Die Beschichtung 5 erstreckt sich gleichmäßig über eine äußere Oberfläche 6 des Kolbens 1 und füllt dabei zugleich die Ausnehmung 3 nahezu vollständig aus. Das Eindringen der in ihrer flüssigen Phase aufgebrachten Beschichtung 5 in die Ausnehmung 3 wird durch einen Kapillareffekt wesentlich begünstigt, so dass die Beschichtung 5 bis in den Bereich einer Erweiterung 7 gegenüber einer Eintrittsöffnung 8 der Ausnehmung 3 vordringt und dort nach dem Erstarren zu einer formschlüssigen Fixierung führt. Diese Erweiterung 7 entsteht durch das Einschmelzen der Ausnehmung 3 in die Oberfläche 6, indem ein Teilvolumen der Substanz im Bereich eines der Eintrittsöffnung 8 zugewandten Wandabschnittes 9 zum Erstarren gebracht wird und so eine Verengung der Ausnehmung 3 bewirkt.

1: Kolben
2: Kontaktfläche
3: Ausnehmung
4: Wärmeeinflusszone
5: Beschichtung
6: Oberfläche
7: Erweiterung
8: Eintrittsöffnung
9: Wandabschnitt

Claims

Beschichtungsverfahren für die Kontaktfläche beweglicher Bauelemente, insbesondere eines Kolbens einer Verbrennungskraftmaschine, bei dem durch Abtragen oberflächennaher Schichten eine die Haftungseigenschaften verbessernde Vergrößerung der Oberfläche des Kolbens erreicht und anschließend eine Beschichtung im fließfähigen Zustand aufgetragen wird, die nach dem Erstarren eine dauerhafte Beschichtung bildet, dadurch gekennzeichnet, dass in die Oberfläche des Bauelementes eine Vielzahl von gegeneinander abgeschlossenen Ausnehmungen eingebracht werden, die derart bemessen sind, dass sich im Hinblick auf die Eigenschaften der Beschichtung im fließfähigen Zustand ein Kapillareffekt einstellt, durch den die Beschichtung in die Ausnehmungen eindringt.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Ausnehmungen eine Hinterschneidung vorgesehen ist.
Beschichtungsverfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in die Ausnehmungen eine gegenüber der Eintrittsöffnung vergrößerte Erweiterung eingebracht wird.
Beschichtungsverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen durch punktförmiges Aufschmelzen in die Oberfläche des Bauelementes eingebracht werden und jeweils ein Teil der Schmelze in einem der Oberfläche zugewandten Bereich der so geschaffenen Ausnehmung zum Erstarren gebracht wird.
Beschichtungsverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen mittels elektromagnetischer Strahlung, insbesondere mittels Laserstrahlung, in die Oberfläche eingebracht werden.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung derart eingestellt wird, dass oberflächennahe Substanzen sublimiert werden.
Beschichtungsverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl der Ausnehmungen derart über die Fläche verteilt eingebracht werden, dass die einzelnen, durch die elektromagnetische Strahlung verursachten Wärmeeinflusszonen aneinander angrenzen.
Beschichtungsverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen mit einer Tiefe zwischen 5 und 5000 μm sowie mit einem Durchmesser zwischen 1 und 1000 μm eingebracht werden.
Kolben (1) einer Verbrennungskraftmaschine, der zur Verbesserung der Haftungseigenschaften an seiner äußeren Oberfläche (6) mit einer Beschichtung (5) ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (6) mit Ausnehmungen (3) versehen ist, die gegenüber einem der Oberfläche (6) zugewandten Wandabschnitt (9) eine Erweiterung (7) aufweisen.