DE10301390A1

DE10301390A1 - Motorenbauteil

Info

Publication number: DE10301390A1
Application number: DE2003101390
Authority: DE
Inventors: Axel Dipl.-Ing. Heuberger; Heinz Huber; Alexander Dr.-Ing. Sagel
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2003-01-16
Filing date: 2003-01-16
Publication date: 2004-08-05
Also published as: WO2004063412A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Motorenbauteil von Brennkraftmaschinen, insbesondere für Fahrzeuge, wobei das Motorenbauteil im Betrieb eine sich aufbauende Schmutzschicht, insbesondere Ölkohle, aufweisen kann. Zur Verringerung der Anlagerungen wird das Motorenbauteil an seiner Oberfläche zumindest bereichsweise mit einer Antihaftschicht aus amorphem und/oder quasikristallinem Metall versehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Motorenbauteil in Brennkraftmaschinen, insbesondere von Fahrzeugen, welches Motorenbauteil im Betrieb eine sich aufbauende Schmutzschicht, insbesondere Ölkohle, aufweisen kann. Bei den Motorbauteilen kann es sich insbesondere um Kolben, Ventile, Brennraumwände, Ein- und Auslasskanäle, abgasführende Teile wie Auspuffkrümmer, Abgasanlage, Katalysator, Ansaugleitungen, Saugrohre, Ladeluftkühler und weiterhin sämtliche Öl und/oder Kühlmittel führende Motorenbauteile wie Öl- oder Wasserkühler, Ölwanne oder sonstige Leitungen handeln.
Durch Aufbau von sogenannter Ölkohle auf Kolben, Ventilen und Brennräumen kann es in der Folge zu massiven Funktionsbeeinträchtigungen bis hin zu einem Motorschaden kommen.
Die anhaftenden Partikel sind i.a. Verbrennungsrückstände, welche im wesentlichen aus dem Motorenöl und auch aus dem Kraftstoff stammen. Hier sind insbesondere die Additive im Motorenöl und im Kraftstoff zu nennen, die neben Kohlenstoff zu Ablagerungen aus Zink, Schwefel, Phosphor und Calcium bestehen. Diese Stoffe sind in der Regel nicht abbrennbar und somit sehr schwierig zu beseitigen.

Bislang ist nur bekannt, die sich aufbauende Schicht durch mechanisches Abtragen zu entfernen, so z.B. durch spezielle Kolbenringformen wie der Doppeltrapezring oder durch spezielle Abstreifkanten z.B. am Kolben im Bereich des Feuerstegs.

An Ventilen geschieht das mechanische Abtragen durch Anspritzen des Einlassventils mit Kraftstoff, wobei der Kraftstoff hier auch eine detergierende Wirkung zeigt.

Aus der DE 198 59 477 A1 ist eine Verschleißschutzschicht für insbesondere eine Schaufel für Gasturbinen bekannt. Die Schaufel unterliegt im Betrieb einer sehr starken strömungsmechanischen und mechanischen Beanspruchung. Damit der darauf beruhende Verschleiß reduziert ist, ist die Schaufel mit einer Verschleißschutzschicht aus einem quasikristallinen und/oder amorphen Metall beschichtet.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Beeinträchtigungen, die durch die Ablagerungen, insbesondere der Ölkohle auftreten zu reduzieren.

Die Aufgabe wird bei einem Motorenbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die zumindest partielle Beschichtung derjenigen Bereiche, die von möglichen Ablagerungen betroffen sind, mit einer Antihaftschicht aus amorphem und/oder quasikristallinem Metall, wird die Wahrscheinlichkeit einer Anlagerung zumindest verringert, wobei die Materialien dieser Antihaftschichten sinnvoller weise auch den thermischen und mechanischen Belastungen, wie sie in Verbrennungsmotoren auftreten, standhalten.

Bei den in Frage kommenden Motorenbauteilen handelt es sich insbesondere um Kolben, Ventile, Brennraumwände, Ein- und Auslasskanäle, abgasführende Teile wie Auspuffkrümmer, Abgasanlage, Katalysator, Ansaugleitungen, Saugrohre, Ladeluftkühler und weiterhin sämtliche Öl und/oder Kühlmittel führende Motorenbauteile wie Öl- oder Wasserkühler, Ölwanne oder sonstige Leitungen.

Sowohl quasikristalline als auch amorphe Metalle besitzen einen außergewöhnlich strukturellen Aufbau, der sich von den herkömmlichen kristallinen Werkstoffen wie Stahl, Aluminium oder Magnesium extrem unterscheidet. Durch diese Kristallstruktur weisen quasikristalline und amorphe Metalle physikalische, thermische und chemische Eigenschaften auf, die sonst bei Metallen nicht zu finden sind. So weisen quasikristalline und amorphe Metalle eine hohe Härte, eine extreme Verschleißfestigkeit, gute Reibeigenschaften, eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit, die mit den besten keramischen Wärmeisolatoren wie bspw. ZrO₂ zu vergleichen ist, sowie ausgezeichnete Antihafteigenschaften für organische und anorganische Stoffe auf. Amorphe Metalle zeichnen sich des weiteren durch ihre hervorragende tribologischen und mechanischen Eigenschaften aus.

Bei den quasikristallinen Schicht werden vorwiegend Al-reiche Legierungen mit bis zu 6 Legierungskomponenten, üblicherweise aus frühen oder späten Übergangsmetallen oder Metalloiden, insbesondere Cr, Cu, Fe Co, Y, Ni und/oder Mn, bevorzugt. Der Al-Gehalt liegt sinnvoller weise oberhalb von 60 Gew.-%. Die Verwendung von Al-reichen Legierungen ist besonders im Hinblick für die Beschichtung von Motorenbauteilen auf Al-Basis (z.B. Kurbelgehäuse, Kolben oder dgl.) zweckmäßig. Weitere Legierungskombinationen beruhen auf einer Ti- oder Mg-Basis.

Vorteilhafter Weise werden in die Beschichtung noch Festschmierstoffe (z.B. Zn, Sn) zur Reibungsoptimierung in die Schicht eingebracht. Diese Schichten sind wiederum insbesondere für Wellen, Lager, Führungen und Verschlüsse günstig.

Die amorphen Schichten beruhen insbesondere ebenfalls auf Al-reichen Legierungen. Alternative sind Legierungen auf Ta-Si-, Ti- und Fe-Basis. Das tribologische als auch das mechanische Verhalten und hierbei insbesondere die Zähigkeit dieser amorphen Schichten kann durch den Einbau von nano- bis mikrokristalliner Zweitphasen, welche vorzugsweise Keramiken und/oder intermetallische Phasen sind, noch weiter verbessert werden.

In sinnvoller Weise werden die erfindungsgemäßen Schichten durch ein thermisches Spritzverfahren aufgetragen, wodurch bis mehreren 100 μm dicke Schichten gleichmäßig in günstiger Weise auf die Motorenbauteile aufgebracht werden können. Ferner können diese aus quasikristallinen und/oder amorphen Metalle gebildeten Schichten auch durch ein K3-Verfahren (Kaltgas-kinetisches-Kompaktieren) von verdüsten quasikristalline und amorphen Pulvern oder aus einer Gasphase (Aufdampfen oder PVD-Verfahren) aufgebracht werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines konkreten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Bei dem Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Kolben aus einer Al-Legierung. Der Kolben ist im Bereich seines Kolbenbodens mit einer Antihaftschicht aus einem quasikristallinen und/oder amorphen Metall beschichtet. Durch die charakterischen Oberflächeneigenschaften dieser quasikristallinen bzw. amorphen Metalle wird die Anlagerung von Verbrennungsrückständen verhindert. Gleichzeitig ist hierdurch aber auch die Wärmeisolation über den Infrarot-Reflexionsgrad der Schicht verbessert. Damit verhindert die Antihaftschicht aus quasikristallinen und/oder amorphen Metallen zusätzlich einen übermäßigen Wärmeverlust und trägt dadurch zur Erhöhung des Wirkungsgrades bei. Die eingesparte Energie kann dann nachfolgend zum Betrieb einer weiteren Motorenkomponente, wie bspw. eines Turboladers, genutzt werden.
Da die Metallwandtemperaturen trotz der höheren Brennraumtemperaturen auf einem niedrigen Niveau gehalten werden können, kommt es durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Antihaftschicht zusätzlich noch zu einer Verlängerung der Lebensdauer der thermisch belasteten Motorenbauteile.
Die infolge der verbesserten Wärmedämmung erhöhten Verbrennungstemperaturen führt ferner zu einer Verringerung des Schadstoffausstoßes von insbesondere Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen.
Ein weiterer Anwendungsfall ist die Beschichtung von Einlassventilen für direkteinspritzende Ottomotoren mit den quasikristallinen und/oder amorphen Metallen, die auch das Anlagern von Verbrennungsrückständen und Partikeln aus dem rückgeführten Abgas verringern.

Claims

Motorenbauteil in Brennkraftmaschinen, insbesondere von Fahrzeugen, welches im Betrieb eine sich aufbauende Schmutzschicht, insbesondere Ölkohle, aufweisen kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorenbauteil an seiner Oberfläche zumindest bereichsweise eine Antihaftschicht aus amorphem und/oder quasikristallinem Metall aufweist.
Motorenbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das quasikristalline Metall eine Legierung auf Al-Basis ist.
Motorenbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antihaftschicht zusätzlich noch Festschmierstoffe aufweist.
Motorenbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Metall eine Legierung auf Al-Basis und/oder auf Ta-Si-Basis und/oder auf Ti-Basis und/oder auf Fe-Basis ist.
Motorenbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das amorphe Metall eine nano- bis mikrokristalline Zweitphase aufweist, welche Keramik oder Intermetall aufweist.