DE19629399A1 - Kolben für Verbrennungsmotoren mit einem Kolbenboden oder Kolbenoberteil - Google Patents

Kolben für Verbrennungsmotoren mit einem Kolbenboden oder Kolbenoberteil

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Description

Die Erfindung betrifft Kolben für Verbrennungsmotoren mit einem Kolbenboden oder einem Kolbenoberteil nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1 bzw. 6, insbesondere Gelenkkolben, gebaute Kolben und Kolben, die vollständig aus Stahl oder einer Eisenbasis-Legierung bestehen.
Derartige Kolben werden bei hoher thermischer Belastung eingesetzt, bei der die üblicherweise für Kolben verwende­ ten Aluminiumbasis-Legierungen eine zu niedrige Temperatur- Festigkeit aufweisen.
Allerdings fehlt den Eisenbasis-Legierungen die bei den Aluminiumbasis-Legierungen vorhandene Eigenschaft der Selbstpassivierung, also der Bildung einer Oxidhaut, die eine weitere Oxidation verhindert. Deshalb bilden sich bei den gattungsgemäßen Kolben bei hoher Temperaturbelastung von 400-500°C Zunderschichten, die zu einer Verringerung der Materialfestigkeit führen. Es wurde insbesondere schon beobachtet, daß die Zunderschichten an Stellen hoher inne­ rer Spannung in die Tiefe des Grundmaterials hineinwachsen. Von diesen Stellen können Risse ausgehen, die zu einem vor­ zeitigen Versagen des Bauteils führen können.
Dies wurde experimentell in Versuchen auf einem Flammprüf­ stand nachgewiesen. Dabei wurde ein Stahl-Probeteil einer hohen Temperaturbelastung ausgesetzt. Von der Oberfläche gehen verzunderte Anrisse aus (Fig. 1), die in der Praxis auf die Rißentstehung und Rißfortpflanzung großen Einfluß haben.
Ein weiteres Problem kommt bei mit Schweröl betriebenen Mo­ toren hinzu: Dieses kann harte, abrasive Partikel enthal­ ten, die während der Einspritzung des Kraftstoffs mit hoher Geschwindigkeit auf die Brennraummulde des Kolbens ge­ schleudert werden und am Auftreffpunkt Erosionsschäden ver­ ursachen.
Die Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, bei den gattungsgemäßen Kolben die Bildung von Zunderschichten und die beobachteten Erosionsschäden zu vermeiden.
Ausgehend vom gattungsbildenden Stand der Technik der An­ sprüche 1 und 6 werden diese Probleme durch den kennzeich­ nenden Teil dieser Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiter­ bildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die in An­ spruch 2 erwähnten Polyphosphate entstehen durch Polymeri­ sation eines Binders auf Phosphatharzbasis bei der Aushär­ tung der anorganischen Lackschicht.
Durch die anorganischen Beschichtungen wird der abgedeckte Teil der brennraumseitigen Oberfläche des Kolbenbodens ge­ gen Sauerstoffzutritt geschützt und ein Verzundern verhin­ dert. Dieser Effekt ist dauerhaft, da anorganische Hochtem­ peratur-Lacke an sich und die in den Unteransprüchen näher spezifizierten Lacke insbesondere temperaturstabil sind und den thermisch und mechanisch bedingten Verformungen des Kolbens folgen, ohne zu reißen.
Ferner betrifft die Erfindung Aluminiumkolben nach Anspruch 11. Bei Aluminiumkolben treten zwar keine Zunderschichten auf, temperaturbedingte Anrisse und Erosionsschäden können jedoch ebenfalls vorkommen. Gelöst werden diese Probleme bei Aluminiumkolben durch den kennzeichnenden Teil des An­ spruchs 11. Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist Gegenstand des Anspruchs 12.
Obwohl der notwendige Aushärtevorgang der Beschichtung nicht bei den für Eisenteile üblichen Temperaturen durchge­ führt werden kann, da sonst die Festigkeit der Aluminiumle­ gierung beeinträchtigt würde, weist die Beschichtung eine den bekannten Hartanodisier-Schichten vergleichbare Schutz­ wirkung auf. Beim Hartanodisieren wird der Kolbenboden in speziellen Elektrolyten bis zu einer Tiefe von 40-80 my zu einer keramischen Schicht aus Aluminiumoxid umgewandelt. Unter Aushärtevorgang ist hierbei eine Polymerisation der Schichtbestandteile zu verstehen.
Zwar ist es aus der DE-OS 40 03 038 schon bekannt, ein Bau­ teil aus einer Eisenbasislegierung mit einer dreischichti­ gen Korrosionsschutzschicht zu versehen, deren oberste Schicht ein Hochtemperaturlack auf Aluminiumbasis ist, die dort offenbarte technische Lehre erfordert jedoch vergli­ chen mit der Erfindung zusätzlich eine Grundschicht zum Ausgleichen von Spannungen und Wärmedehnungen und eine Mit­ telschicht zwischen Deckschicht und Grundschicht als Oxida­ tionsschutz und Reibkorrosionsschutz bei zerstörter Deck­ schicht und zur Haftvermittlung zwischen Deckschicht und Grundschicht. Durch den dreischichtigen Aufbau wird eine derartige Schutzschicht sehr teuer. Auf derartige zusätzli­ che Schichten wird bei der vorliegenden Erfindung ganz ver­ zichtet.
Außerdem wird bei der bekannten Schutzschicht für die Bil­ dung der Mittelschicht aus intermetallischen AlNi-Verbin­ dungen eine Temperatur von 550-650°C benötigt, eine Tempe­ ratur, bei der die üblicherweise für Kolben verwendeten Vergütungsstähle wichtige Gebrauchseigenschaften verlieren.
Ein weiterer Unterschied zur Anwendung bei Kolben besteht darin, daß die erfindungsgemäßen Schutzschichten auch gegen erosiven Verschleiß eingesetzt werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungs­ beispiels näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein unbeschichtetes Probeteil (Querschliff)
Fig. 2 einen Querschliff durch ein Probeteil mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung.
(Im Schliffbild ist der ungeätzte Stahl nahezu weiß, so daß kaum ein Kontrast zum Bildhintergrund vorhanden ist. Die im Schliffbild durchgehend schwarz erscheinenden Flächen stel­ len das für die Schlifferstellung benötigte Einbettungsma­ terial dar.)
Das beschichtete Stahl-Probeteil wurde derselben Tempera­ turbelastung unterworfen wie das in Fig. 1 dargestellte Teil, d. h. auf dem Flammprüfstand 2000 Temperaturzyklen bei 350°C und 2000 Temperaturzyklen bei 450°C.
Durch die Beschichtung wurde die Bildung von Zunderschich­ ten und verzunderten Anrissen verhindert.
Das Probeteil wurde mit einer Mischung aus Phosphaten, Chromaten und Aluminiumpulver beschichtet. Diese Mischung weist eine lackartige Konsistenz auf, da zumindest die Phosphate in Form eines Binders auf Phosphatharzbasis zuge­ geben werden. Sie wird nach einer geeigneten Vorbehandlung des Grundmaterials auf die zu schützenden Bereiche aufge­ spritzt und anschließend durch thermische Behandlung ausge­ härtet. Beim Aushärten findet eine Polymerisation zu Poly­ phosphaten und Polychromaten statt.
Zusammengefaßt weist die Beschichtung folgende - in motori­ schen und außermotorischen Versuchen bestätigte - Eigen­ schaften auf:
  • a) Die Schicht ist bei den im Motor herrschenden Kol­ bentemperaturen thermisch stabil.
  • b) Die Beschichtung verhindert bei Stahlkolben eine Zunderbildung.
  • c) Die Schicht folgt elastisch den thermischen und mechanischen Verformungen des Bauteils ohne zu reißen.
  • d) Die Schicht ist hinreichend stabil gegen Staubero­ sion.
  • e) Die Schicht ist beständig gegenüber den in Ver­ brennungsmotoren vorkommenden Kraft- und Betriebs­ stoffen.

Claims (12)

1. Kolben für Verbrennungsmotoren mit einem Kolbenboden oder einem Kolbenoberteil, bei dem zumindest die brenn­ raumseitige Oberfläche des Kolbenbodens aus Stahl, Ei­ sen oder einer Eisenbasis-Legierung besteht, insbeson­ dere Gelenkkolben, gebaute Kolben oder Kolben, die vollständig aus Stahl oder einer Eisenbasis-Legierung bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die brennraumseitige Oberfläche des Kolbenbodens bzw. Kolbenoberteils zumindest teilweise eine Beschich­ tung mit einem anorganischen Hochtemperatur-Lack auf­ weist, die einer Verzunderung der beschichteten Ober­ fläche entgegenwirkt.
2. Kolben für Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganische Beschichtung zumindest teilweise aus Polyphosphaten besteht.
3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der anorganischen Beschichtung zusätzlich Alumi­ niumpartikel enthalten sind.
4. Kolben nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der anorganischen Beschichtung zusätzlich Poly­ chromate enthalten sind.
5. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte brennraumseitige Oberfläche des Kolben­ bodens bzw. des Kolbenoberteils beschichtet ist.
6. Kolben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einer Verbrennungsmulde, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsmulde zumindest teilweise eine Be­ schichtung mit einem anorganischen Hochtemperatur-Lack aufweist.
7. Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung zumindest teilweise aus Polyphos­ phaten besteht.
8. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Beschichtung zusätzlich Aluminiumpartikel enthalten sind.
9. Kolben nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Beschichtung zusätzlich Polychromate enthal­ ten sind.
10. Kolben nach Anspruch 3, 4, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung zweischichtig ist und die zweite, näher am Brennraum gelegene Schicht keine Aluminiumpar­ tikel aufweist.
11. Aluminiumkolben für Verbrennungsmotoren mit oder ohne Verbrennungsmulde, dadurch gekennzeichnet, daß die brennraumseitigen Oberflächen des Kolbens zu­ mindest teilweise eine Beschichtung aufweisen, die zu­ mindest teilweise aus Polyphosphaten besteht.
12. Aluminiumkolben nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung zusätzlich noch Aluminiumpartikel aufweist.
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