DE3401433A1

DE3401433A1 - Verfahren zur herstellung von verbrennungskammern von verbrennungsmotoren bildenden konstruktionsteilen sowie derartige teile

Info

Publication number: DE3401433A1
Application number: DE19843401433
Authority: DE
Inventors: Roy Columbus Ind. Kamo
Original assignee: Cummins Engine Co Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 1983-01-18
Filing date: 1984-01-17
Publication date: 1984-08-02
Also published as: DE3401433C2; JPS59183053A; US4495907A

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

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-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.

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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.

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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

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-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-

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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.

Beispiel 1

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.

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-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.

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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.

Beispiel 2

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.

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Claims

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Cummins Engine Company, Inc. (Indiana Corporation

1015 Third Street
Columbus, Indiana 47201, USA

Verfahren zur Herstellung von Verbrennungskammern von Verbrennungsmotoren bildenden Konstruktionsteilen sowie

derartige Teile

Patentansprüche

. 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.

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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.