DE19610055C1

DE19610055C1 - Gleitbeschichtung für Zylinderlaufflächen von Kolbenmotoren und ihre Verwendung

Info

Publication number: DE19610055C1
Application number: DE1996110055
Authority: DE
Inventors: Werner Kroemmer; Peter Dipl Ing Heinrich
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde Gas AG
Priority date: 1996-03-14
Filing date: 1996-03-14
Publication date: 1997-04-03
Anticipated expiration: 2016-03-15

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleitbeschichtung für Zylinderlaufflächen von Kolben motoren und ihre Verwendung.

Es ist bekannt, Schmieröle für Zylinder mit Additiven wie PTFE zu versehen, um das Gleiten der Kolben auf den Zylinderlaufflächen zu erleichtern.

In der Motortechnik werden zunehmend beschichtete Zylinderlaufflächen eingesetzt, beispielsweise Laufflächen von in Leichtbauweise aus Aluminium gefertigten Zylindern. An beschichteten Laufflächen werden in der Regel mehrere Anforderungen gestellt: Zunächst müssen sie ein druckdichtes Gleiten der Kolben ermöglichen, gleichzeitig sollten sie aber eine gewisse Härte aufweisen, um einen übermäßigen Verschleiß und Abrieb zu verhindern und damit eine lange Lebensdauer sicherzustellen, da die Lauf flächen beim Einsatz in der Regel großen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Desweiteren müssen die Zylinderlaufflächen den hohen thermischen Belastungen beim Einsatz standhalten, d. h. die Beschichtung muß einen hohen Grad an ther mischer und mechanischer Belastung verkraften. Im betriebswarmen, aber auch bereits im kalten Zustand des Motors muß ein möglichst reibungs-loses Gleiten des Kolbens in der Zylinderlauffläche gewährleistet sein.

Es wurden bislang galvanisch erzeugte Nickel-Beschichtungen mit PTFE-Einlagerun gen eingesetzt, die allerdings den genannten hohen Anforderungen nur teilweise genügen.

So beschreibt die Patentschrift US-4,666,786 Gleitbeschichtungen von Kraftfahrzeug-Teilen wie Motorzylinder oder Kolben mit über ein Tauchbad stromlos abgeschieden Ni-P-Legierungen, in die abriebfeste Partikel wie SiC, TiC, WC, BC₄, TiN oder Al₂O₃ und Gleitstoffpartikel wie BN, MoS₂ oder PTFE eingelagert sind.

Aus der deutschen Patentschrift DE 44 13 306 C1 ist die Beschichtung von Zylinder laufflächen aus Leichtmetallegierungen wie Aluminium- oder Magnesiumlegierungen bekannt, die mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzens eines Gemisches aus Metallegierungspulver, aus Verstärkungspartikeln wie SiC, Al₂O₃, B₄C, MgO und/oder TiB₂, gegebenenfalls aus Gleitstoffpartikel wie BN oder Graphit und aus das Däm pfungsverhalten gezielt beeinflussende Polymerpartikeln wie Fluorkohlenstoff-Poly mere, insbesondere PTFE hergestellt wird.

Im deutschen Gebrauchsmuster DE-GM 73 24 829 wird eine Schutzbeschichtung von Gleitflächen beschrieben, die wechselnden Temperaturen und Lasten und hohe Gleit geschwindigkeiten standhalten sollen, wobei die Gleitflächen mittels Plasmaspritzen, Flammspritzen oder eines Flame-Plating-Verfahrens mit einem Gemisch aus Metallen mit Metalloxiden und/oder Spinellen und Festschmierstoffen wie PTFE beschichtet werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gleitbeschichtung der eingangs genannten Art aufzuzeigen, welche eine Verbesserung hinsichtlich der Gleit eigenschaften, der thermischen Belastbarkeit oder der Lebensdauer sicherstellen. Darüber hinaus sollten die Beschichtungen wiederholbar mit gleichen Eigenschaften herzustellen sein.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Lauffläche der Zylinder zumindest teilweise eine Fluorpolymere enthaltende Beschichtung mit einem Anteil zwischen 1 und 50 Gew.-% umfaßt.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß Laufflächen mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung den auftretenden mechanischen und thermischen Belastungen prob lemlos standhalten und zusätzlich wesentlich verbesserte Gleiteigenschaften bei jeder Betriebstemperatur des Motors aufweisen. Die Gleitparameter zwischen Kolben und Zylinderlauffläche sind aufgrund der erfindungsgemäßen Beschichtung wesentlich weniger von der Temperatur und Viskosität des Schmieröls abhängig. Beim Einsatz der erfindungsgemäßen Beschichtung der Zylinderlauffläche kann weitgehend auf teuere gleitverbessernde Zusätze im Öl verzichtet werden.

Als Fluorpolymere eignen sich insbesondere Polyfluortetraethylen (PTFE), Ethylen fluortetraethylen (ETFE), Perfluoralkoxid (PFA) und/oder fluoriniertes Ethylenpropylen (FEP).

Zusätzliche Vorteile ergeben sich dadurch, daß die Laufflächen mittels eines ther mischen Spritzverfahrens, insbesondere mittels autogenen Flammspritzens oder Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens, mittels Lichtbogen- oder Plasmaspritzens, mittels Detonationsspritzens oder mittels Laserspritzens beschichtet werden.

Thermische Spritzverfahren sind beispielsweise aus

Übersicht und Einführung in das "Thermische Spritzen", Peter Heinrich, Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft, 52/1982, Seiten 29 bis 37,
oder
Thermisches Spritzen - Fakten und Stand der Technik, Peter Heinrich, Jahrbuch Oberflächentechnik, Band 48, Metall-Verlag GmbH,
bekannt.

Thermische Spritzverfahren zeichnen sich im wesentlichen dadurch aus, daß sie gleichmäßig aufgetragene Beschichtungen ermöglichen. Durch thermische Spritz verfahren aufgetragene Beschichtungen können durch Variation der Spritzmaterialien an unterschiedliche Anforderungen angepaßt werden. Die Spritzmaterialien können dabei in Form von Drähten, Stäben oder bevorzugt als Pulver verarbeitet werden. Beim thermischen Spritzen kann zusätzlich eine thermische Nachbehandlung vorgesehen sein.

Ein Zylinder mit einer erfindungsgemäß fluorpolymer-haltigen Beschichtung auf der Lauffläche erhält durch das Auftragen der Beschichtung mittels eines thermischen Spritzverfahrens eine Gleitbeschichtung, die einerseits dank der darin enthaltenen Fluorpolymere wesentlich verbesserte Gleiteigenschaften aufweist und andererseits aufgrund des verwendeten Auftragsverfahrens eine Gleichmäßigkeit (hinsichtlich der Schichtdicke, aber auch hinsichtlich der Materialverteilung in der Beschichtung) sicherstellt. Dies ist bei den bislang bekannten Beschichtungen beispielsweise durch galvanischen Auftrag nur schwer oder unzureichend erreichbar. Zusätzlich kann bei Verwendung von thermischen Spritzverfahren zur Erzeugung der Beschichtung durch Variation der eingesetzten Spritzmaterialien eine Anpassung an spezielle Anforderun gen in einem weiten Bereich erfolgen. So können beispielsweise die Gleiteigenschaf ten der Beschichtung hinsichtlich der beim Einsatz des Kolbenmotors herrschenden Temperaturen optimiert werden.

Das Spritzmaterial kann prinzipiell ausschließlich aus Fluorpolymeren bestehen. Bevorzugt wird jedoch eine Mischung aus Fluorpolymeren und Metallen, Metall legierungen, Oxiden wie Al₂O₃ und/oder TiO₂, Carbiden und/oder keramischen Materialien. Dabei wird im Unterschied zur Verwendung von gleitverbessernde Zusätze wie PTFE im Öl bei Auftrag durch thermisches Spritzen sichergestellt, daß die Fluorpolymere in der Beschichtung im wesentlichen homogen verteilt sind und eine Verbesserung der Gleitreibungskoeffizienten über die ganze beschichtete Lauffläche erzielt wird. Zusätzlich zu den Fluorpolymeren können die Beschichtungen ins besondere umfassen: Molybdän, Wolfram, Kobalt, Nickel, Chrom, Eisen, Bor, Silizium, Mangan, Tantal, Zinn, Kupfer, Blei und/oder Kohlenstoff, Legierungen der vorgenannten Metalle, deren Oxide und/oder Carbide. Diese Spritzmaterialzusätze tragen zur Erhöhung der Härte der Beschichtung bei. Besonders eignet sich eine Beschichtung, die Fluorpolymere mit einem Anteil zwischen 5 und 20 Gew.-% umfaßt.

Erfindungsgemäß umfaßt ein Kolbenmotor mit zumindest einem Zylinder eine oder gegebenenfalls mehrere Zylinderlaufflächen mit einer Gleitbeschichtung, wie sie oben beschrieben wurde.

Claims

1. Gleitbeschichtung für Zylinderlaufflächen von Kolbenmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung der Lauffläche der Zylinder zumindest teilweise Fluorpolymere mit einem Anteil zwischen 1 und 50 Gew.-% umfaßt.

2. Gleitbeschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere mittels autogenem Flammspritzens oder Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens, mittels Lichtbogen- oder Plasmaspritzens, mittels Detonationsspritzens oder mittels Laserspritzens aufgebrachte Beschichtung ist.

3. Gleitbeschichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluorpolymere der Beschichtung Polyfluortetraethylen (PTFE), Ethylenfluortetra ethylen (ETFE), Perfluoralkoxid (PFA) und/oder fluoriniertes Ethylenpropylen (FEP) umfassen.

4. Gleitbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung Metalle, Metallegierungen, Oxide, insbesondere Al₂O₃ und/oder TiO₂, Carbide und/oder keramische Materialien umfaßt.

5. Gleitbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung Fluorpolymere mit einem Anteil zwischen 5 und 20 Gew.-% umfaßt.

6. Gleitbeschichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine mittels eines thermischen Spritzverfahrens bei Verarbeitung eines Pulvers aufgebrachte Beschichtung ist.

7. Verwendung einer Gleitbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für Laufflächen von Kolbenmotoren mit zumindest einem Zylinder.