DE3401433A1 - Verfahren zur herstellung von verbrennungskammern von verbrennungsmotoren bildenden konstruktionsteilen sowie derartige teile - Google Patents
Verfahren zur herstellung von verbrennungskammern von verbrennungsmotoren bildenden konstruktionsteilen sowie derartige teileInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Verbesserungen auf dem Gebiet
der Verbrennungsmotoren, sie betrifft insbesondere Verbesserungen von Konstruktionsteilen, die die Verbrennungskammern
solcher Motoren begrenzen bzw. diese bilden.
Die Oberflächen, die die Verbrennungskammern von Verbrennungsmotoren
begrenzen, und zwar insbesondere die Zylinderwand, die die Bohrung für den Kolben begrenzt, werden
nicht nur einem Abrieb und einer Abnutzung ausgesetzt, sondern auch hohen Temperaturen in der Größenordnung von
816 bis 982°C (1500 bis 18000F). Es ist wünschenswert, daß die Zylinderwände eine niedrige Wärmeleitfähigkeit
aufweisen, um den thermischen Wirkungsgrad zu verbessern und die Menge an unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu
vermindern, die mit dem Auspuffgas an die Atmosphäre abgegeben werden. Eine Verminderung der Wärmeübertragung
aus der Kammer vermindert auch die für den Motor erforderliche Kühlung. Es ist ferner in Fällen, in denen das
Auspuffsystem des Motors einen katalytischen Konverter
zur Reinigung des Auspuffgases enthält, wünschenswert, die Verminderung der Temperatur des Auspuffgases vor
seinem Eintritt in den Konverter möglichst gering zu halten, da dieser bei hohen Temperaturen wirksamer arbeitet.
Um die Wärmeleitfähigkeit von Zylindern von Verbrennungsmotoren zu vermindern, wurde bereits vorgeschlagen, auf
der die Bohrung begrenzenden Wand oder der Kolbenhülse
ι ι ί . ·.,": » ο m-u j ho ο
-δ-eine im wesentlichen monolithische keramische Schicht auszubilden.
Dieser Behelf bringt jedoch ernsthafte Probleme mit sich, da die keramische Schicht während des Betriebs
eine Neigung zeigt, zu reißen , brechen und sich B von der Metalloberfläche abzutrennen. Um die Abnutzungsbeständigkeit der Zylinder zu erhöhen, wurde auch schon
vorgeschlagen, die Zylinderlaufbüchse oder die Kolbenhülse
mit harten, abnutzungsbeständigen Materialien wie Chrom oder Metallegierungen, die eine größere Abnutzungsbeständigkeit
aufweisen als die üblicherweise verwendeten Grauguß-Materialien, zu überziehen. Derartige überzogene
Büchsen und Hülsen sind jedoch sehr teuer, und es ist schwierig, sie zu honen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Verbrennungskammern von Verbrennungsmotoren
begrenzenden Konstruktionsteilen anzugeben, mit dem derartige Teile mit einzigartigen und
außerordentlich vorteilhaften thermischen Isolationseigenschaften
und Abnutzungseigenschaften hergestellt werden können.
Außerdem sollen Konstruktionsteile für Verbrennungskammern von Verbrennungsmotoren geschaffen werden, die die
erforderliche Kühlung der Motoren beträchtlich vermindern. Insbesondere ist es auch Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine neue vorteilhafte Zylinderlaufbüchse für Verbrennungsmotoren zu schaffen. Somit ist es auch
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Zylinderlaufbüchsen für Verbrennungsmotoren
zu schaffen, die eine außergewöhnlich hohe Abnutzungsbeständigkeit sowie eine niedrige Wärmeleitfähigkeit
aufweisen.·
Diese Aufgaben werden durch Verfahren und Konstruktionsteile gelöst, wie sie in den Ansprüchen beschrieben
sind.
340U33
-i-
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind somit die eine Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors begrenzenden
Konstruktionsteile aus einer Vielzahl von Metalloxiden
zusammengesetzt, die in Kombination miteinander derartigen Teilen eine gute Abnutzungsbeständigkeit und gute
thermische Isolationseigenschaften verleihen. Im Zusammenhang der vorliegenden Anmeldung ist ein "eine Verbrennungskammer
eines Verbrennungsmotors bildendes oder begrenzendes Konstruktionsteil11 ein Teil, das Flächen
aufweist, die direkt der Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors ausgesetzt sind. Zu derartigen Teilen
gehören Kolbenwände, Zylinderlaufbüchsen, Zylinderköpfe,
die Wände von AuspuffÖffnungen und die Kopfbereiche oder
Deckel von Kolben. Die abnutzungsbeständigen und thermisch isolierenden Motorenteile gemäß der vorliegenden Erfindung
werden dadurch erzeugt, daß man auf ein Substrat in Form des jeweiligen Teils eine Schicht aus einem
thermisch isolierenden Metalloxid-Material aufbringt, woran sich das Imprägnieren dieser Schicht mit einer Lösung
einer löslichen Chromverbindung, die unter Erhitzen in Chromoxid überführbar ist, anschließt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand des konkreten Beispiels einer Zylinderlaufbüchse oder Zylinderhülse beschrieben,
wobei es sich jedoch für den Fachmann aus dieser Beschreibung selbstverständlich ergibt, daß die
anderen Konstruktionsteile eines Verbrennungsmotors, * die den Temperaturen und Gasen der Verbrennungszone ausgesetzt
sind, in ähnlicher Weise gebildet werden.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Fragment einer Querschnittsansicht einer Zylinderlaufbüchse gemäß der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht der Zylinderlaufbuchse
von Fig. 1, die die Verbundstruktur einer gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gebildeten Zylinderlaufbuchse
zeigt;
Fig. 3 eine vergrößerte Teilansicht der Zylinderlaufbüchse
gemäß Fig. 1, die die Verbundstruktur einer gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ge
bildeten Zylinderlaufbüchse zeigt.
Bezugnehmend auf die Figuren bedeutet in Fig. 1 das Bezugszeichen 10 allgemein einen Teil eines Blocks 11 eines
Verbrennungsmotors, der eine Bohrung 12 aufweist, die mit einer Zylinderlaufbüchse 13 gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgekleidet ist. Die Zylinderlaufbüchse 13 ist ein Gußeisenrohr 15 mit einem nach außen gebogenen Flansch
16 an seinem oberen Ende. Das Rohr 15 ist in die Bohrung 12 des Motorsblocks 11 eingepreßt, und der Flansch 16
ist in eine Gegenbohrung 12a in der Deckfläche des Motorblocks eingefügt. Die Innenoberflächen 17 der Laufbüchse
13 sind ausgebohrt, um die thermisch isolierenden und abnutzungserhöhenden Bestandteile, die gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebracht werden, aufnehmen zu können, während gleichzeitig eine Zylinderlaufbüchse geschaffen
wird, die gleichförmige und exakte Innenabmessungen für die gleitende Bewegung des Kolbens aufweist.
Die Dicke, in der die Innenoberfläche 17 der Büchse 13 ausgebohrt ist, kann variieren, wobei jedoch eine Bohrungstiefe im Bereich von etwa 0,127 mm bis 3,175 mm (0,005 bis
0,125 inch) im allgemeinen geeignet ist. Um die Erfindung zu erläutern, ist die Innenoberfläche 17 der Lauf büchse
in einer radialen Tiefe von etwa 0,762 mm (0,03 inches) ausgebohrt.
·♦ «·· „„„
-9-
Nachdem die Innenoberfläche 17 ausgebohrt ist, wird djle
Laufbüchse 13 behandelt, um die Oberfläche aufzurauhen,
um eine Haftung zu fördern. Diese Oberflächenbehandlung
kann vorteilhafterweise durch Sandstrahlen oder ähnliche Operationen zur Aufrauhung einer Oberfläche erfolgen.
Danach wird die Oberfläche erforderlichenfalls mit einem
Lösungsmittel wie beispielsweise Benzin entfettet und vorzugsweise unter Anwendung von Ultraschall-Reinigungstechniken
in an sich bekannter Weise gereinigt.
Obwohl das eine nur gegebenenfalls erforderliche Maßnahme
ist, ist es im allgemeinen bevorzugt, auf die aufgerauhte und saubere Metalloberfläche ein Bindungsmaterial aufzubringen.
Geeignete Bindungsmaterialien umfassen beispielsweise eine im Handel erhältliche Legierung aus Nickel
(60%), Eisen (25%) und Chrom (15%) (Handelsbezeichnung Nichrome) oder eine Legierung aus Nickel, Chrom, Aluminium
und Yttrium, die etwa 16,2% Chrom, 5,5% Aluminium, 0,6% Yttrium und den Rest Nickel enthält und die im
Handel erhältlich ist (NiCrALY; erhältlich von Alloy Metals Inc., Troy, Michigan). Weitere ähnliche Legierungen
können ebenfalls verwendet werden. Das Bindungsüberzugsmaterial wird auf die Oberfläche 17 in einer
Dicke von etwa 0,05 mm bis 0,13 mm (0,002 bis 0,005 inch) durch Plasmaspritzen, "Clodding" , Auf schläxnmungs-Spritzen
und Sintern oder durch andere bekannte Techniken aufgebracht.
Nach der Vorbereitung der aufgebohrten Oberfläche und vorzugsweise nach dem Aufbringen des Bindungs-Überzugs
wird darauf eine Schicht aus einem thermisch isolierenden Material aufgebracht. Das thermisch isolierende
Material kann ein feuerfestes Metalloxid wie Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid, Chromoxid u.dgl. sein. Bevorzugte
thermisch isolierende Materialien sind yttriumoxidstabilisiertes Zirkoniumoxid (ZrO2) t oder magnesiumoxid-
-ΙΟΙ stabilisiertes Zirkoniumoxid, wie sie in der US-PS 4 055
705 beschrieben werden. Das bevorzugte yttriumoxidstabilisierte Zirkoniumoxid oder ein anderes thermisch isolierendes
Material wird in einer Dicke im allgemeinen von etwa 0,38 mm bis 2,79 mm (0,015 bis 0,110 inches) durch Plasmaspritzen
oder Flammspritzen o.dgl. aufgebracht. Eine Schichtdicke von etwa 0,51 bis 0,58 mm (0,020 bis 0,023
inch) liefert im Falle von yttriumoxidstabilisiertem Zirkoniumoxid sehr gute isolierende Eigenschaften. Die Dicke
der thermisch isolierenden Schicht kann variiert werden, um einen gewünschten Isoliereffekt zu erhalten. Eine dickere
thermische Sperrschicht oder eine abgestufte Überzugsschicht liefert dabei im allgemeinen eine größere Widerstandsfähigkeit
gegenüber einer thermischen Ermüdung, wie sie durch die thermische Ausdehnung bewirkt wird.
Nach dem Aufbringen des thermisch isolierenden Materials gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung wird die Oberfläche
anschließend mit einer löslichen Chromverbindung imprägniert, die unter Wärmeeinwirkung in ein Chromoxid
überführt werden kann. Das Imprägnieren mit einer löslichen Chromverbindung ist ein wichtiges Merkmal der vorliegenden
Erfindung. Durch Imprägnieren mit einer Lösung einer löslichen Chromverbindung werden Chromoxid-Teilchen vollständig
oder teilweise innerhalb der thermisch isolierenv den Schicht dispergiert, statt nur einen Oberflächenüberzug
darauf auszubilden, wie es der Fall sein würde, wenn Chromoxid als Oberflächenüberzug durch beispielsweise
Flammspritzen oder Plasmaspritzen aufgebracht würde. Das Imprägnieren wird dadurch bewirkt, daß man die
Oberfläche einmal oder mehrfach mit einer flüssigen Lösung einer löslichen Chromverbindung, die beim Erhitzen auf
eine relativ hohe Temperatur in das unlösliche Chromoxid überführt wird, in Kontakt bringt, beispielsweise durch
Aufsprühen oder Eintauchen. Nach dem Imprägnieren mit der löslichen Chromverbindung wird erhitzt, um das Chrom
♦ · «*α
-11-in seine Oxidform überzuführen.
Die US-PSen 3 944 683 und 3 956 531 (Church et al.) beschreiben Verfahren zum Imprägnieren von Vorform-Körpern
mit Chromverbindungen, die beim Erhitzen in Chromoxide überführt werden können, und die Offenbarung dieser Patente
ist durch ausdrückliche Bezugnahme als Teil der vorliegenden Offenbarung anzusehen. Ein besonders bevorzugtes
Verfahren zum Imprägnieren der Oberflächen mit einer Chromverbindung wird dabei in der US-PS 3 956 531 beschrieben,
gemäß welchem Verfahren die Oberfläche mit einer Lösung aus einer löslichen Chromverbindung imprägniert
wird, die beim Erhitzen in Chromoxid umgewandelt werden kann. Die imprägnierte Oberfläche wird danach
getrocknet und gehärtet, indem sie auf eine Temperatur erhitzt wird, die ausreicht, die Chromverbindung in situ
in Chromoxid zu überführen. Die Imprägnier- und Härtungs-Stufen werden wenigstens einmal und vorzugsweise mehrfach
wiederholt, um den imprägnierten Körper zu verdichten, zu härten und zu festigen. Die löslichen Chromverbindungen,
die gemäß diesem patentierten Verfahren verwendet werden können, umfassen wäßrige Lösungen von Chromsäureanhydrid
(CrO3), das üblicherweise als Chromsäure (EUCrO4)
bezeichnet wird, wenn es mit Wasser vermischt vorliegt; ferner von Chromchlorid (CrCl3.xH20); Chromnitrat LCr(NO3J3,
6H2O 1 ; Chromacetat (Cr(OAc)3·4Η20); Chromsulfat (Cr2SO4X3.
15H2O) usw. Ferner gehören dazu eine Vielzahl von Dichromaten
und Chromaten wie beispielsweise Zinkdichromat,
Magnesiumchromat und Mischungen von Chromaten mit Chromsäure.
Ferner gehören dazu komplexe lösliche Chromverbindungen, die vielleicht am besten durch die allgemeine
Formel XCrO3.YCr3O3.2H2O beschrieben werden, die Chrom-Chromat-Komplexe
darstellen, wie sie in der Veröffentlichung der American Chemical Society Monograph Series,
Chrom, Band 1, Titel "Chemistry of Chromium and its Compounds", Marvin J. Udy, Reinhold Publishing Corporation,
New York, New York, Copyright 1956, Seite 292, näher erläutert
werden, wobei in diesen komplexen Chromverbindungen das Chrom sowohl im dreiwertigen kationischen Zustand
als auch im sechswertigen anionischen Zustand vorliegt. Diese Verbindungen werden üblicherweise dadurch
hergestellt, daß man Chromsäure mit gewissen anderen Chemikalien wie Weinsäure, Kohlenstoff, Ameisensäure u.dgl.
reduziert. Ein zweites Herstellungsverfahren ist die Auflösung
von Cr3O3 oder Cr3O3-XH-O oder von Chromhydroxid
in Chromsäure.
Alle der Chrom-Bindungsverbindungen werden normalerweise in relativ konzentrierter Form verwendet, um eine maximale
Chromoxid-Bindung und Verdichtung zu erreichen.
Verdünnte Lösungen können die Neigung zeigen, zur Oberfläche eines porösen Teils zu wandern, wodurch Bedingungen
für die Härtung einer Oberfläche geschaffen werden. Das kann selbstverständlich für bestimmte Anwendungsfälle erwünscht
sein. Während in den meisten Fällen als bevorzugtes
Lösungsmittel für die löslichen Chromverbindungen Wasser verwendet wird, können häufig auch andere Lösungsmittel
wie Alkohole, wie Isopropyl-, Methyl- und ähnliche Alkohole oder Ν,Ν-Dimethylformamid und ähnliche verwendet
werden.
Beim Härten bei einer Temperatur vorzugsweise oberhalb von 316°C (6000F) oder darüber werden diese löslichen
Chromverbindungen in ein Chromoxid umgewandelt. Beispielsweise verliert Chromsäure (H2CrO4) mit steigender
Temperatur zuerst ihr Wasser, wonach das Chromsäureanhydrid (CrO3), das zurückbleibt, bei der weiteren Temperatursteigerung
beginnt, Sauerstoff zu verlieren, bis es bei etwa 316°C (6000F) und darüber in Chromoxid in
der feuerfesten Form (Cr3O3 oder Cr3O3.XH3O) umgewandelt
wird. Das gleiche gilt für die teilweise umgesetzte lösliche, komplexe Chromsäureform (XCrO3-YCr3O3-ZH3O), die
weiter oben diskutiert wurde. Chromverbindungen wie beispielsweise
die Chloride, Sulfate, Acetate usw. werden ebenfalls beim Erhitzen auf eine geeignete Temperatur in
Cr3O3 umgewandelt. Die Chromate benötigen alle für ihre
Umwandlung in die Oxidform (d.h. in ein Chromit oder ein Chromit plus Cr3O3) höhere Temperaturen als Chromsäure
selbst.
Wenn die thermisch isolierende Schicht direkt mit einer Lösung einer löslichen Chromverbindung imprägniert wird,
ist es bevorzugt, die Imprägnierung so durchzuführen, daß die Chromlösung im wesentlichen die isolierende Schicht
durchdringt und das Gußeisenrohr 15 erreicht. Diese tiefe Imprägnierung kann dadurch erreicht werden, daß man die
Imprägnier- und Härtungs-Stufen so wiederholt, wie nötig ist. Durch eine solche tiefe Imprägnierung wird eine sehr
starke Bindung ausgebildet, von der angenommen wird, daß sie eine Folge einer chemischen Reaktion des Chroms mit
dem Eisensubstrat unter Bildung von Eisenchromat ist.
Die Dichte der Chromoxid-Teilchen ist größer an der Oberfläche,
wie in Fig. 2 gezeigt ist, und sie ist ausreichend, die Oberfläche in wirksamer Weise gegen ein Eindringen
von Brennstoffen oder Schmieröl oder anderen Verunreinigungen zu schützen. In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen
18 den Bindungsüberzug, der auf das Gußeisenrohr 15 aufgebracht ist, und das Bezugszeichen 19 bezeichnet die
thermisch isolierende Schicht, die auf den Bindungsüberzug aufgebracht wurde. Das Bezugszeichen 20 bezeichnet
Chromoxid-Teilchen, von denen einige mit dem Gußeisenrohr
15 in Kontakt sind.
Ein bevorzugtes Arbeitsverfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbüchse, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, besteht
darin, die innere Oberfläche der Büchse auszubohren und diese Oberfläche beispielsweise durch Sandstrahlen
zu reinigen. Das Bindungsmaterial wie beispielsweise
"Nichrome" wird auf die saubere Oberfläche in einer Dicke
von etwa 0,051 mm (0,002 inch) aufgetragen. Anschließend
wird eine abgestufte Schicht aus einem thermisch isolierenden Material wie beispielsweise einem yttriumstabilislerten
Zirkoniumoxid durch Flammspritzen aufgebracht.
Durch eine spanabhebende Bearbeitung erhält die Laufbüchse
anschließend die gewünschten Abmessungen. Es schließt sich das Imprägnieren der Zylinderlaufbüchse an, was durch
deren Eintauchen in eine wäßrige Lösung von Chromsäure bewirkt wird. Das Erhitzen der Zylinderlaufbuchse auf eine
Temperatur von etwa 4820C (9000P) bewirkt die Umwandlung
von Chromsäure in Chrom(III)oxid. Die Imprägnier- und
Erhitzungs-Schritte werden 5 oder 6 mal wiederholt, um ein Eindringen der Imprägnierlösung zu bewirken. Wenn es
gewünscht wird, kann die Zylinderlaufbüchse dann gehont
werden.
Gemäß einer alternativen Ausfuhrungsform der vorliegenden
Erfindung wird die Zylinderlaufbüchse mit einem überzug
aus einem thermisch isolierenden Material vor ihrer Imprägnierung mit einer löslichen Chromverbindung beispielsweise
durch Sprühen oder Eintauchen mit einer Flüssigkeit in Kontakt gebracht, die Siliciumdioxid, Chromoxid
und Aluminiumoxid in einem flüssigen Träger wie beispielsweise Zinkchromat o.dgl. enthält. Ein bevorzugter
Sperrschicht-Überzug ist einer, der 300g Kieselsäure und 54g Aluminiumoxid in einem flüssigen Träger enthält, der
aus 180g Zinkchromat und 586g destilliertem Wasser zusammengesetzt ist. Nach dem Aufbringen dieses Sperr-Überzugs
wird er auf eine Temperatur in der Größenordnung von 482 bis 538°C (900 bis 10000F) erhitzt, um auf der
Oberfläche der thermisch isolierenden Schicht eine Sperrschicht abzuscheiden, die aus Siliciumdioxid, Chrom und
Aluminium zusammengesetzt ist (SCA). Dieser SCA-Sperrüberzug wird bis zu einer Dicke von etwa 0,051 bis 0,127
mm (0,002 bis 0,005 inch) aufgebracht, und um diese ge-
MM * * 4 * ft Λ
-15-
wünschte Dicke zu erhalten, können einer oder mehrere Aufbring-
und Erhitzungs-Zyklen durchgeführt werden. Anschließend erfolgt das Imprägnieren mit einer löslichen
Chromverbindung. Durch Aufbringen des SCA-Sperr-Uberzugs vor dem Imprägnieren mit der löslichen Chromverbindung
wird das Ausmaß des Eindringens des Imprägnierungsmittels in die thermisch isolierende Schicht vermindert, wie in
Fig. 3 gezeigt ist. In Fig. 3 bezeichnet das Bezugszeichen 18A den Bindungsüberzug, der auf das Gußeisenrohr 15A
aufgebracht wurde, und das Bezugszeichen 19A bezeichnet die thermisch isolierende Schicht, die auf den Bindungsüberzug aufgebracht wurde. Das Bezugszeichen 2OA bezeichnet
die Chromoxid-Teilchen, die nur in einem Teil der isolierenden Schicht dispergiert sind, wobei die Dichte
in der Nähe der SCA-Sperr-Schicht 22A größer ist.
Eine bevorzugte Arbeitsweise zur Herstellung einer Zylinderlaufbüchse
gemäß Fig. 3 besteht darin, zuerst die Innenoberfläche der Laufbüchse auszubohren und die Oberfläche
beispielsweise durch Sandstrahlen zu reinigen. Anschliessend wird das Bindungsmaterial wie beispielsweise 11Nichrome"
auf die reine Oberfläche in einer Dicke von etwa 0,051 mm (0,002 inch) aufgebracht, wonach eine abgestufte
Schicht aus einem thermisch isolierenden Material wie beispielsweise einem yttriumstabilisierten Zirkoniumoxid
aufgebracht wird. Danach wird die Zylinderlaufbuchse
in eine Flüssigkeit eingetaucht, die Siliciumdioxid, Chromoxid und Aluminiumoxid in einem flüssigen Träger wie
beispielsweise einer wäßrigen Lösung von Zinkchromat enthält, so daß ein SCA-Sperr-Überzug mit einer Dicke von
etwa 0,102 mm (0,004 inch) gebildet wird. Die Zylinderlaufbüchse wird dann bei einer Temperatur von etwa 482°C
(9000F) geglüht. Die Imprägnier- und Erhitzungs-Zyklen werden 5 oder 6 mal wiederholt. Wenn es gewünscht wird,
kann die Zylinderlaufbuchse gehont werden.
Ob vor dem Imprägnieren mit einer löslichen Chromverbinding ein Sperr-Uberzug (SCA-Uberzug) aufgebracht wird,
hängt primär von den für die Büchse gewünschten Eigenschaften ab. Wenn die thermisch isolierende Schicht
direkt mit der löslichen Chromverbindung imprägniert wird, ist das Eindringen des Imprägnierungsmittels naturgemäß
tiefer (Fig. 2), und es wird eine sehr starke Bindung erhalten, wobei gleichzeitig gewisse Einschränkungen
der thermischen Isoliereigenschaften in Kauf genommen werden müssen. Wenn andererseits der Sperr-Überzug (SCA-Uberzug)
zur Anwendung kommt, vermindert sich das Ausmaß des Eindringens des löslichen Chromimprägnierungsmittels
(Fig. 3), wobei in einem solchen Falle jedoch die thermischen Isoliereigenschaften gesteigert werden. Mit
der in Fig. 2 gezeigten Ausfuhrungsform werden thermische
Leitfähigkeitswerte oder k-Werte von etwa 0,51946 kJ/m.h. 0C (1,0 BTU/hr/ft2) erreicht, während mit der in Fig. 3
gezeigten Ausführungsform entsprechende k-Werte in der
Größenordnung von 0,25973 kJ/m.h.°C (0,5 BTü/hr/ft2) erreichbar
sind. Nach beiden Arbeitsverfahren werden Zylinderbüchsen
erhalten, die sowohl im Hinblick auf eine niedrige Wärmeleitfähigkeit als auch auf ihre Abnutzungsbeständigkeit
ausgezeichnete Eigenschaften aufweisen.
Die nachfolgenden Beispiele illustrieren die erfindungsgemäße Herstellung einer Kolbenhülse oder einer Büchse
für einen Zylinder in einem Verbrennungsmotor.
Dieses Beispiel beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer.isolierten Zylinderlaufbüchse mit optimaler Isolierung.
Eine Zylinderbüchse aus einem rohen Gußmetall (z.B. Eisen) wird auf die vorgegebenen Dimensionen ausgedreht.
Die Innenoberfläche der Zylinderlaufbüchse wird roh geschnitten. Die innere Zylinderlaufbüchse wird durch
Sandstrahlen behandelt, um die Oberfläche von Verunreinigungen, öl oder von Korrosion zu reinigen.
340H33
-17-Ein Bindungs-Überzug einer Dicke von etwa 0,508 mm
(0,02 inch) wird durch Plasmaspritzen aufgebracht. Im Falle einer Eisen-Büchse besteht der Bindungs-Uberzug
vorzugsweise aus NiCr, während dieser überzug im Falle
einer Aluminiumbüchse vorzugsweise aus NiCrAlY besteht.
Das Metallsubstrat mit dem Bindungs-Überzug ist nunmehr fertig für das Plasmaspritzen, bei dem ein thermischer
Sperr-überzug aus ZrO2 aufgebracht wird. Um einen dicken
Überzug zu erhalten, wird ein geringer prozentualer Anteil an Yttriumoxid zugesetzt, und bei überzügen, die eine
Dicke von mehr als etwa 0,508 mm (0,020 inch) aufweisen, ist der überzug vorzugsweise abgestuft. Beginnend
mit einer Zusammensetzung von weniger als 10% Yttriumoxid/Zr02
ändert sich die Zusammensetzung allmählich, bis eine ZrO2~Außenoberflache erhalten wird. Diese durch
Plasmaspritzen aufgebrachte thermische Sperrschicht aus im wesentlichen ZrO2 ist porös und führt zu einem Wert
für die thermische Leitfähigkeit, der 50 bis 60% von dem einer monolithischen Keramik,beträgt. Der Überzug wird
in einer dem gewünschten Isolierwert entsprechenden Dicke aufgebracht, wobei eine Überschichtung von 0,127 mm
(0,005 inch) zur Anwendung kommt. Der Zweck dieser 0,127 mm (0,005 inch)-überschichtung besteht darin, ein Ausdrehen
des Innendurchmessers der Zylinderlaufbüchse auf die Normabmessungen
zu ermöglichen. Die anschließenden Cr2Or und SCA-überzüge werden als Dickenzunahme von 0,051 bis
0,127 mm (0,002 bis 0,005 inch) angesetzt.
Nach der spanabhebenden Bearbeitung der durch Plasmaspritzen überzogenen Büchse wird ein SCA-Überzug, wie er weiter oben
beschrieben wurde, auf das ZrO2 aufgebracht, indem eingetaucht
wird oder aufgesprüht wird. Dieser SCA-Überzug wird dann in einem Ofen etwa 45 Minuten bei einer Temperatur
von 482 bis 538°C (900 bis 10000F) gebrannt. Nach der Entnahme der SCA-überzogenen ZrO2-Zylinderlaufbüchse ist
diese nunmehr für die Verdichtung mit Chromsäure fertig.
«φ
-18-
Die SCA-Oberfläche wird nunmehr in eine Chromsäurelösung
eingetaucht oder mit dieser besprüht. Die mit Chromsäure behandelte Oberfläche wird dann bei einer Temperatur oberhalb
von 454°C (85O0F) gebrannt, um CrO3 in Cr3O3 umzuwandeln.
Das Cr3O3 liefert eine dichte, harte Oberfläche,
die eine haltbare Verschleißoberfläche mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten darstellt. Die Chromsäurebehandlung
wird so oft wiederholt, wie erforderlich ist, üblicherweise 5 bis 6 mal. Bei einem SCA-Überzug, der
mit Cr3O3 verdichtet ist, durchdringt das letztere das
ZrO3 üblicherweise nicht soweit, daß das Metallsubstrat
erreicht wird. Die Cr3O--Oberfläche wird dann gehont, und
da die SCA- oder Cr3O .,-Behandlungen die Abmessungen nicht
verändern, reicht das Honen üblicherweise aus, ohne daß ein weiteres spanabhebendes Bearbeiten oder Ausdrehen
erforderlich ist. Die Zylinderbüchse ist nunmehr fertig für den Betrieb in einem üblichen oder einem adiabatischen
Motor. Der Cr3O.,-Überzug gewährleistet eine strukturelle
Steifigkeit und Festigkeit, und die Oberfläche ist im wesentlichen völlig undurchlässig, was von großer Bedeutung
ist.
Wenn es erwünscht ist, eine Zylinderlaufbuchse mit optimaler
Festigkeit herzustellen, ohne daß gleichzeitig optimale Isolationswerte erreicht werden sollen (jedoch keine
schlechteren als mit monolithischem ZrO3), werden die in
Beispiel 1 beschriebenen Schritte wiederholt, außer daß der SCA-Überzug nicht zur Anwendung kommt. Bei dieser
Herstellungstechnik tränkt das Cr3O3 das durch Plasmaspritzen
aufgebrachte poröse ZrO2, und wenn es die Metalloberfläche
erreicht, bildet sich Eisenchromat an der Grenzfläche, was zu einer extrem festen Bindung zwischen
dem Metallsubstrat, der plasmagespritzten ZrO^-Sperrschicht und dem Cr3O3 führt.
Die in den Beispielen 1 und 2 beschriebenen Zylinderlaufbüchsen, die mit einer thermischen Sperrschicht überzogen
sind, die mit Cr3O3 verdichtet ist, haben in den Cummins
Laboratory-Testmotoren hervorragende Verschleißeigenschaften sowie niedrigere BrennstoffVerbrauchswerte gezeigt.
Nach 350 Stunden eines Vollastbetriebs bei 195 ergab eine Untersuchung mit einem Lager-Profiltastschnittgerät
(Profilometer) einen Verschleiß von Null. Der Brennstoffverbrauch war ebenfalls vermindert, insbesondere bei niedrigeren
Leistungsabgaben.
Kolbenzylinder, die keine separate Büchse aufweisen, werden
gemäß der vorliegenden Erfindung auf ähnliche Weise gebildet. Dabei werden die Innenoberflächen der Zylinderwand
wie oben beschrieben behandelt, wonach sie auf die korrekten Zylinder-Abmessungen ausgedreht werden. Die Prinzipien
der vorliegenden Erfindung können in ähnlicher Weise vorteilhaft auf andere Konstruktionsteile von Verbrennungskammern,
wie beispielsweise Zylinderköpfe, Auspufföffnungen und Kolbendeckel, übertragen werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Konstruktionsteile
für Verbrennungsmotoren herzustellen, die außerordentlich niedrige Wärmeleitfähigkeits- und hervorragende
Verschleißbeständigkeits-Eigenschaften aufweisen. Bei einem 5-Tonnen-Test-LKW wurden die Zylinderköpfe, die
Kolbendeckel und die Zylinderlaufbüchsen des Fahrzeugmotors gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet. Mit
einer 10-Tonnen-Last wurde das Test-Fahrzeug 4828 km
(3000 miles) gefahren, ohne daß übliche Luft- oder Wasser-Kühlmittel zur Anwendung kamen. Der "adiabatische"
Motor zeigte eine beträchtlich verbesserte Wirtschaftlichkeit im Hinblick auf den Brennstoffverbrauch.
Frühere Versuche, die Eigenschaften von Motorenteilen von Verbrennungsmotoren im Hinblick auf die Wärmeleitfähigkeit
und die Verschleißfestigkeit 2u verbessern, betrafen die
Anwendung von relativ dünnen thermisch isolierenden Beschichtungen in der Größenordnung von etwa 0,38 mm
(0,015 inch). Gemäß der vorliegenden Erfindung können thermisch isolierende Schichten einer Dicke von etwa
3,175 mm (0,125 inch) auf den Motorenteilen ausgebildet werden, und die Teile weisen dank der Imprägnierung mit
einer Flüssigkeit, die eine lösliche Chromverbindung enthält, die wie beschrieben in Chromoxid umgewandelt werden
kann, eine gute strukturelle Integrität und eine gute Verschleißfestigkeit auf. Die gemäß der vorliegenden Erfindung
behandelten Oberflächen von Motorenteilen sind sehr haltbar und im wesentlichen undurchlässig gegenüber
einem Eindringen von Verunreinigungen wie beispielsweise Benzin und Schmierölen. Indem die Motorenteile gemäß der
vorliegenden Erfindung ausgebildet werden, wird die Reibung zwischen den Teilen beträchtlich vermindert, was
zu einem verbesserten Brennstoffverbrauch führt und die Lebensdauer des Motor verlängert.
Solche Modifikationen und Äquivalente, die in den Bereich
der vorliegenden Erfindung, wie sie in den Ansprüchen beschrieben wird, fallen, sind als Teil der vorliegenden
Erfindung anzusehen.
- Leerseite -
Claims (25)
- KADOR KLUNKER·SCHMITT-NILSOP*-rfiRSdV :~ :»:":" RVTENT\NWÄLTEEl1ROPKAN BOTEST ATTORNR?K 20 965 K3Cummins Engine Company, Inc. (Indiana Corporation1015 Third Street
Columbus, Indiana 47201, USAVerfahren zur Herstellung von Verbrennungskammern von Verbrennungsmotoren bildenden Konstruktionsteilen sowiederartige TeilePatentansprüche. 1, Verfahren zur Herstellung von die Verbrennungskammern von Verbrennungsmotoren bildenden Konstruktionsteilen mit verbesserten Oberflächen, dadurch gekennzeichnet , daß es das Überziehen einer Oberfläche des Konstruktionsteiles mit einer Schicht aus einem thermisch isolierenden Material,das Imprägnieren der überzogenen Oberfläche mit einer löslichen Chromverbindung, die bei Wärmeeinwirkung in Chromoxid überführt werden kann, und
Erhitzen der Oberfläche auf eine Temperatur, die ausreicht, die lösliche Chromverbindung in Chromoxid zu überführen, umfaßt. - 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermisch isolierende Material aus einem yttriumstabilisierten Zirkoniumoxid besteht.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermisch isolierende Material aus einem magnesiumoxidstabilisierten Zirkoniumoxid besteht.
- 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Imprägnier- und Erhitzungs-Stufen wiederholt werden, um eine Dispergierung von Chromoxidteilchen im wesentlichen durch die gesamte thermisch isolierende Schicht zu erhalten.
- 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Imprägnieren mit einer löslichen Chromverbindung eine Sperrschicht, die aus Siliciumdioxid, Chromoxid und Aluminiumoxid besteht, auf die Schicht des thermisch isolierenden Materials aufgebracht wird.
- 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der Schicht des thermisch isolierenden Materials ein Bindungsmaterial auf die Oberfläche des die Verbrennungskammer bildenden Konstruktionsteils aufgebracht wird.
- 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindungsmaterial eine Legierung aus Nickel, Eisen und Chrom ist.
- 8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindungsmaterial eine Legierung aus Nickel, Chrom, Aluminium und Yttrium ist.340U33
- 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Verbrennungskammer bildende Konstruktionsteil die Zylinderwand eines Kolbens ist.
- 10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Verbrennungskammer bildende Konstruktionsteil ein Zylinderkopf ist.
- 11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Verbrennungskammer bildende Konstruktionsteil eine AuspuffÖffnung ist.
- 12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Verbrennungskammer bildende Konstruktionsteil der Deckel eines Kolbens ist.
- 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß das die Verbrennungskammer bildende Konstruktionsteil eine Zylinderlaufbuchse ist.
- 14. Konstruktionsteil, das die Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors begrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß es an seiner Oberfläche eine Schicht aus einem thermisch isolierenden Material aufweist, in der wenigstens teilweise Chromoxidteilchen dispergiert sind.
- 15. Konstruktionsteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das thermisch isolierende Material aus einem yttriumstabilisierten Zirkoniumoxid besteht.
- 16. Konstruktionsteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das thermisch isolierende Material aus magnesiumoxidstabilisiertem Zirkoniumoxid besteht.
- 17. Konstruktionsteil nach einem der Ansprüche 14-16, dadurch gekennzeichnet, daß die Chromoxidteilchen im wesentlichen in der gesamten Schicht des thermisch isolierenden Materials dispergiert sind.
- 18. Konstruktionsteil nach einem der Ansprüche 14-17, dadurch gekennzeichnet, daß das thermisch isolierende Material durch einen Überzug aus einem Bindungsmaterial an der Oberfläche des die Verbrennungskammer begrenzenden Konstruktionsteils gebunden ist.
- 19. Konstruktionsteil nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindungsmaterial eine Legierung aus Nickel, Eisen und Chrom ist.
- 20. Konstruktionsteil nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindungsmaterial eine Legierung aus Nickel, Chrom, Aluminium und Yttrium ist.
- 21. Konstruktionsteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß es die Zylinderwand eines Kolbens ist.
- 22. Konstruktionsteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Zylinderkopf ist.
- 23. Konstruktionsteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Auspufföffnung ist.
- 24. Konstruktionsteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß es der Deckel eines Kolbens ist.
- 25. Konstruktionsteil nach einem der Ansprüche 14-20, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Zylinderlaufbüchse ist.
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