DE3401433C2

DE3401433C2 - Verfahren zur Beschichtung von Teilen der Verbrennungskammern bei Motoren und seine Anwendung

Info

Publication number: DE3401433C2
Application number: DE3401433A
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: 1986-04-10
Also published as: DE3401433A1; JPS59183053A; US4495907A

Abstract

Die Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors begrenzende Konstruktionsteile, wie beispielsweise die Zylinderlaufbüchsen, werden mit einem Überzug aus einer Vielzahl von Metalloxiden überzogen, die den Teilen eine gute Verschleißfähigkeit und gute thermische Isoliereigenschaften verleihen. Diese Überzüge werden durch Tränken eines primär aufgebrachten Überzugs aus einem feuerfesten Oxid mit einer Lösung einer Chromverbindung, die beim Erhitzen in Chromoxid überführt werden kann und durch Erhitzen des Teils gebildet.

Description

Die Hrfindimg betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von Konstruktionsteilen, die die Verbrennungskammern von Verbrennungsmotoren 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 982⁰C. 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 Atnosphäre 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 vor-

geschlagen, auf der die Bohrung begrenzenden Wand oder der Kolbenhülse <:ine im wesentlichen monolithische keramische Schicht auszubilden. Dieser Behelf bringt jedoch ernsthafte Probleme mit sich, da die keramische Schicht während des Betriebes eine Neigung zeigt, zu reißen, brechen und sich 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 Abnutzungsbestän-

,■ , r I JT. ::Li:.l :_., -J ~.

aigKeil aulweisen ais uic uunciic. weise vci ntnunun 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. Verfahren zur Beschichtung von Verbrennungskammern von Verbrennungsmotoren begrenzenden Konstruktionsteilen anzugeben, durch das derartige Teile mit einzigartigen und außerordentlich vorteilhaften thermisehen Isolationseigenschaften und Abnutzungseigenschaften ausgestattet werden können.

Diese Aufgaben werden durch Verfahren gelöst, wie sie in den Ansprüchen beschrieben sind.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren sind somit die eine Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors begrenzenden Konstruktionsteile mit einer Schicht, die mehrere Metalloxide enthält, überzogen, 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 Konstruktionsteil« 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 Mo-

h5 torenteile gemäß der vorliegenden Erfindung werden dadurch erzeugt, daß man auf ein Substrat in Form des jeweiligen Teils eine Schicht aus einem thermisch isolierenden Mctalloxid-Material aufbringt, woran sich das

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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 Zylinderlaufbuchse oder Zylinderhülse beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Fragment einer Querschnittsansicht einer Zylinderlaufbuchse,

F i g. 2 eine vergrößerte Teilansicht der Zylinderlaufbuchse von F i g. 1, die die Verbundstruktur einer Zylinderlaufbuchse zeigt;

Fig. 3 eine vergrößerte Teilansicht der Zylinderlaufbüchse gemäß F i g. 1, die die Verburidstruktur einer Zylinderlaufbuchse zeigt.

Bezugnehmend auf die Figuren bedeutet in F i g. 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 Zylinderlaufbuchse 13 ist ein Gußeisenrohr !5 mit einem nach außen gebogenen Flansch 16 an seinem oberen Ende. Das Rohr 15 ist in die Bohrung 12 des Motorblocks 11 eingepreßt, und der Flansch 16 ist in eine Ctgenbohrung 12a in der Deckfläche des Motorblocks eingefügt. Die Innenoberflächen 17 der Laufbuchse 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 im allgemeinen geeignet ist. Um die Erfindung zu erläuiciii, lsi die ifificiiübcifläche 17 der Laufbuchse in einer radialen Tiefe von etwa 0,762 mm ausgebohrt.

Nachdem die Innenoberfläche 17 ausgebohrt ist, wird die Laufbüchse 13 behandelt, um die Oberfläche aufzurauhen, um eine Haftung zu fördern. Diese Oberflächenbehandlung kann vorteilhafterweise durch Sandstrahlen oder ähnliche Operationen zur Aufruuhung einer Oberflache 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 aufgebrauchte und saubere Metalloberfläche ein Bindungsmaterial aufzubringen. Geeignete Bindungsmaterialien umfassen beispielsweise eine im Handel erhältliche Legierung aus 60% Nickel, 25% Eisen und 15% Chrom oder eine Legierung aus Nickel, Chrom, Aluminium und Yttrium, die 16,2% Chrom. 5.5% Aluminium. 0,6% Yttrium und den Rest Nickel enthält und die im Handel erhältlich ist. Weitere ähnliche Legierungen können ebenfalls verwendet werden. Das Bindungs-Überzugsmaterial wird auf die Oberfläche 17 in einer Dicke von 0,05 mm bis 0,13 mm durch Plasmaspritzen, Plattieren, Aufschlämmungs-Spritzen und Sintern oder durch andere bekannte Techniken aufgebracht.

Nach der Vorbereitung der aufgebohrten Oberfläche und vorzugsweise nach dem Aufbringen des Bindungs-Übcrzugs 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 yuriumoxid- oder magnesiumoxidstabilisiertes Zirkoniumoxid, wie sie in der US-PS 40 55 705 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 durch Plasmaspritzen oder Flammspritzen o. dgl. aufgebracht. Eine Schichtdicke von 0,51 bis 0,58 mm liefert im Falle von yttriumoxidstabilisiertem Zirkoniumoxid sehr gute isolierende Eigenschaften. Die Dicke der thermisch isolierenden Schicht kann variiert werden, um einen gewünschten !soliereffekt 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 Ausführungsform der Erfindung wird die Oberfläche anschließend lit einer löslichen Chromverbindung imprägniert, die unter Wärmeeinwirkung in ein Chromoxid übergeführt 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 isolierenden Schicht dispergiert, statt nur einen Oberflächenüberzug darauf auszubilden, wie es dei Fa¹I 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 lösl'chen Chromverbindung, die beim Erhitzen auf eine relativ hohe Temperatur in das unlösliche Chrornoxiu ϋυεΓϊϋπΠ wird, in Kontakt bringt, beispielsweise durch Aufsprühen oder Eintauchen. Nach dem Imprägnieren mit der löslichen Chromverbindung wird erhitzt, um das Chrom in seine Oxidform überzuführen.

Die US-PSen 39 44 683 und 39 56 531 beschreiben Verfahren zum Imprägnieren von Vorform-Körpern mit Chromverbindungen, die beim Erhitzen ^;n Chromoxide überführt werden können. Ein besonders bevorzugtes Verfahren zum Imprägnieren der Oberfläche mit einer Chromverbindung wird dabei in der US-PS 39 56 531 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, d^:e Chromverbindung in situ in Chromoxid zu überführen. Die Imprägnier- und Härtungs-Stufen werden wenigstens einmal uno vorzugsweise mehrfach wiederholt, um den imprägnierten Körper zu verdichten, zu härten und zu festigen. Die löslichen Chromverbindungen umfassen wäßrige Lösungen vor. Chromsäurepnhydrid (CrO)). das üblicherweise ;ils Chromsäure (H₂CrO.)) bezeichnet wird, wenn es mit Wasser vermischt vorliegt: ferner von Chromchlorid (CrCIj · xHjO); Chromnitrat [Cr(NOsJj · 6 H₂O]; Chromacetat [Cr(OAc)₃ · 4 H₂O]; Chromsulfat (Cr₂(SO₄Jj · 15 H₂O) usw. Ferner gehören dazu eine Vielzahl "on 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 For-

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mel xCrOj · yC^O) · 2 HiO beschrieben werden, die Chrom-Chromat-K.omplexc darstellen, wie sie in der Veröffentlichung der American Chemical Society Monograph Series, Chrom, Band I, 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 a-'s 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 CrjOj oder Cr:Oi ■ xH:O oder von Chromhydroxid in Chromsäure.

Alle der Chrom-Bindungsverbindungen werden normalerweise in relativer konzentrierter Form verwendet. um eine maximale Chromoxid-Bindung und Verdichtung zu erreichen. Verdünnte Lösungen können die Neigung /eigen, zur Oberfläche eines porösen Teils zu wandern, wodurch Bedingungen für die Härtung einer Oberfläche geschaffen werden. Für bestimmte Anwendungsfälle ist dies erwünscht, während in den meisten F.iiien ais bevorzugtes Lösungsmittel für die löslichen Chromverbindungen Wasser verwendet wird, sind auch andere Lösungsmittel wie Alkohole, wie Isopropyi-, Methyl- und ähnliche Alkohole oder N.N-Dimethylformaiv,:d geeignet.

Beim Härten bei einer Temperatur vorzugsweise oberhalb von 316 C oder darüber werden diese löslichen Chromverbindungen in ein Chromoxid umgewandelt. Beispielsweise verliert Chromsäure (HjCrO-i) mit steigender Temperatur zuerst ihr Wasser, wonach das zurückbleibende CrOj. bei der weiteren Temperatursteuerung beeinnt. Sauerstoff zu verlieren, bis es bei ciwa 3!&^TC und darüber in Chromoxid in der feuerfesten Form (Ci":Oj oder CriOj · xH:0) umgewandelt wird. Das gleiche gilt für die teilweise umgesetzte lösliche. komplexe Chromsäureform (xCrOj ■ >Cr_-Os · ζHjO). die weiter oben diskutiert wurde. Chromverbindungen wie beispielsweise die Chloride. Sulfate. Acetate usw. werden ebenfalls beim Erhitzen auf eine geeignete Temperatur in CrjOj umgewundeit. Die Chromate benötigen alle für ihre Umwandlung >n die Oxidform (d. h. in ein Chromit oder ein Oi-omit plus Cr;Oj) höhere Temperaturen ais Chromsaure selbst.

Wenn die thermisch isolierende Schicht direkt mit einer Losung einer löslichen Chromverbindung imprägniert wird, ist es bevorzugt, die Imprägnierung so durchzuführen, daß die Chromlösung im wesentlichen d:c- isolierende Schicht durchdringt und das Gußeisenrohr 15 erreicht. Diese tiefe Imprägnierung kann dadurch erreicht werden, daß man die Imprägnier- und Hirt'jp.ss-Sfjfen 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 Eiser.substrat unter Bildung von Eisenchromat ist. Die Dichte der Chromoxid-Teilchen ist größer an der Oberfläche, wie in F i g. 2 gezeigt ist. und sie ist ausreichend, die Oberfläche in wirksamer Weise gegen ein Eindringen von Brennstoffen oder Schmieröl oder andedie auf den Bindungsüberzug aufgebracht wurde. Das Bezugszeichen 20 bezeichnet Chromoxid-Teilchen, von denen einige mit dem Gußeisenrohr 15 in Koritakt sind. Ein bevorzugtes Arbeitsverfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbüchse, wie sie in F i g. 2 gezeigt ist, besteht darin, die innere Oberfläche der Büchse auszubohren und diese Oberfläche beispielsweise durch Sandstrahlen zu reinigen. Das Bindungsmaterial wie beispielsweise eine Ni-Cr-Fe-Legierung wird auf die

ίο saubere Oberfläche in einer Dicke von etwa 0,051 mm aufgetragen. Anschließend wird eine abgestufte Schicht aus einem thermisch isolierenden Material wie beispielsweise einem yttriumstabilisierten 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 Lösung von Chromsäure be

Tc:: ν cfliiü CinigUngCn Zu '.

da- Bezugszeichen 18 den Bindungsüberzug, der auf das GiiSeisenrohr 15 aufgebracht ist. und das Bezugszeiche-n 19 bezeichnet die thermisch isolierende Schicht.

wirkt wird. Das ΕιίιιϊΐέίΊ eier Zylinderlaufbuchse au

ne Temperatur von etwa 482°C bewirkt die Umwandlung von Chromsäure in Chrom(III)oxid. Die Imprägnier- und Erhitzungs-Schritte werden 5 oder 6mal wiederholt, um ein Eindringen der Imprägnierlösung zu bewirken. Wenn es gewünscht wird, kann die Zylinderlaufbüchse dann gehont werden.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird die Zylinderlaufbüchse mit einem Überzug aus einem thermisch isc-lerenden Material vor ihrer Imprägnierung mit einer löslichen Chromverbindung beispielsweise

jo 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. Die so auf der Zylinderlaufbüehse aufgebrachte aus dieser Flüssigkeit be-

J5 stehende Schicht wird nachfolgend als Sperrschicht bezeichnet. Ein bevorzugter Sperrschicht-Überzug ist einer, der 300 g Kieselsäure und 54 g Aluminiumoxid in einem flüssigen Träger enthält, der aus 180 g Zinkchromat und 586 g destilliertem Wasser zusammengesetzt ist. Nach dem Aufbringen dieses Sperrüberzugs wird er auf eine Temperatur in der Größenordnung von 482 bis 538°C erhitzt, um auf der Oberfläche der thermisch isolierenden Schicht eine Sperrschicht abzuschneiden, die aus Siliciumdioxid. Chrom und Aluminium /.usammengesetzt ist (SCA). Dieser SCA-Überzug wird bis zu einer Dicke von 0.051 bis 0.127 mm aufgebracht, und um diese gewünschte 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-Überzugs 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 18Λ den Bindungsüberzug, der auf das Gußeisenrohr 15Λ aufgebracht wurde, und das Bezugszeichen 19.4 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-Schicht 22A größer ist.

Eine bevorzugte Arbeitsweise zur Herstellung einer Zylinderlaufbuchse gemäß F i g. 3 besteht darin, zuerst &5 die Innenoberfläche der Laufbüchse auszubohren und die Oberfläche beispielsweise durch Sandstrahlen zu reinigen. Anschließend wird das Bindungsmaterial wie beispielsweise eine Ni—Cr—Fe-Legierung auf die reine

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Oberfläche in einer Dicke von etwa 0,051 mm aufgebracht, wonach eine abgestufte Schicht aus einem thermisch isolierenden Material wie beispielsweise einem ytlriumstabilisierten Zirkoniumoxid aufgebracht wird. Danach wird die Zylinderlaufbuchse in eine Flüssigkeit eingetaucht, die Siliciumdioxid, Chromoxid und Aluminiumoxid in einem flüssigen Träger wie beispielsweise eine, wäßrigen Lösung von Zinkchromat enthält, so daß ein SCA-Überzug mit einer Dicke von etwa 0.102 mm gebildet wird. Die Zylinderlaufbuchse wird dann bei einer Temperatur von etwa 482°C geglüm. Die Imprägnier- und Erhitzungs-Zyklen werden 5 oder 6mal wiederholt. Wenn es gewünscht wird, κ:'πη die Zylinderlaufbüchse gehont werden.

Ob vor dem Imprägnieren mit einer löslichen Chromverbindung ein SCA-Überzug aufgebracht wird, hängt primär von den für die Büchse gewünschten Eigenschaften ab. Wenn die thermisch isolierende Schicht direkt mn der löslichen Chromverbindung imprägniert wird, ist das Eindringen des Imprägnierungsmittels naturgemäß tiefer (Fi g. 2), und es wird eine sehr starke Bindung erhalten, wobei gleichzeitig gewisse Einschränkungen der thermischen Isoliereigenschaften in Kauf genommen werden müssen. Wenn andererseits der SCA-Überzug 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 F i g. 2 gezeigten Ausführungsform werden thermische Leitfähigkeitswerte oder k-Werte von etwa 0,51946 kj/m. h.°C ereicht, während mit der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform entsprechende k-Werte in der Größenordnung von 0,25973 kj/m. h.'C erreichbar sind. Nach beiden Arbeitsverfahren werden Zylinderbüchsen erhalten, die sowohl im Hinblick auf eine niedrige Wärmeleitfähigkeit als auch auf ihre Ab-

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 (ζ. B. Eisen) wird auf die vorgegebene 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.

Ein Bindungs-Überzug einer Dicke von etwa 0.508 mm wird durch Plasmaspritzen aufgebracht. Im Falle einer Eisen-Büchse besteht der Bindungs-Überzug vorzugsweise aus NiCr, während dieser Überzug im Falle einer Aluminiumbüchse vorzugsweise aus NiCrAIY besteht. Das Metallsubstrat mit dem Bindungs-Überzug ist nunmehr fertig für das Plasmaspritzen, bei dem ein thermischer Sperr-Überzug aus ZrO? 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 aufweisen, ist der Überzug vorzugsweise abgestuft. Beginnend mit einer Zusammensetzung von weniger als 10% Yttriumoxid7ZrO2 ändert sich die Zusammensetzung allmählich, bis eine ZrOrAußenoberflächc erhalten wird. Diese durch Pias maspritzen aufgebrachte thermische Sperrschicht au¹ im wesentlichen ZrO₂ ist porös und führt zu einem Wer für die thermische Leitfähigkeit, der 50 bis 60% von deir einer massiven Keramik beträgt. Der Überzug wird ir einer dem gewünschten Isolierwert entsprechender Dicke aufgebracht, wobei eine Überschichtung vor 0,127 mm zur Anwendung kommt. Der Zweck diesel 0,127 mm Überschichtung besteht darin, ein Ausdreher des Innendurchmessers der Zylinderlaufbüchse auf die Normabmessungen der Zylinderlaufbüchse auf die Normabmessungen zu ermöglichen. Die anschließende Cr₂O) und SCA-Überzüge werden als Dickenzunahnu von 0.051 bis 0,127 mm angesetzt.

Nach der spanabhebenden Bearbeitung der durcl Plasmaspritzen überzogenen Büchse wird ein SCA Überzug, wie er weiter oben beschrieben wurde, auf da: ZrO) aufgebracht, indem eingetaucht wird oder aufge sprüht wird. Dieser SCA-Überzug wird dann in einen Ofen etwa 45 Minuten bei einer Temperatur von 482 bi: 538°C gebrannt. Nach der Entnahme der SCA-überzo genen ZrO?-Zylinderlaufbüchse ist diese nunmehr fü die Verdichtung mit Chromsäure fertig.

Der SCA-Überzug wird nunmehr in eine Chromsäu relösung eingetaucht oder mit dieser besprüht. Die mi Chromsäure behandelte Oberfläche wird dann bei eine Temperatur oberhalb von 454°C gebrannt, um CrOj it Cr₂Oj umzuwandeln. Das CriOj liefert eine dichte, hart< Oberfläche, die eine haltbare Verschleißoberfläche mi einem niedrigen Reibungskoeffizienten darstellt. Di( Chromsäurebehandlung wird so oft wiederholt, wie er forderlich ist. üblicherweise 5 bis 6mal. Bei einem SCA Überzug, der mit Cr?O3 verdichtet ist, durchdringt da:

letztere das ZrOj üblicherweise nicht soweit, daß da: Mctallsubstrat erreicht wird. Die Cr2O3-Oberfläch( wird dann "ehont und da die SCA- oder Cr?Q-Behand lung die Abmessungen nicht verändern, reicht das Ho nen üblicherweise aus. ohne daß ein weiteres spanabha bendes Bearbeiten oder Ausdrehen erforderlich ist. Di< Zylinderbüchse ist nunmehr fertig für den Betrieb ir einem üblichen oder einem adiabatischen Motor. De Cr₂Oj-Überzug gewährleistet eine strukturelle Steifig keit und Festigkeit, und die Oberfläche ist im wesentli chen völlig undurchlässig, was von großer Bedeutunj ist.

Beispiel 2

so Wenn es erwünscht ist, eine Zylinderlaufbüchse mi optimaler Festigkeit herzustellen, ohne daß gleichzeitig optimale Isolationswerte erreicht werden sollen (jedoef keine schechteren als mit massivem ZrO?), werden die ir Beispiel 1 beschriebenen Schritte wiederholt, außer da[ der SCA-Überzug nicht zur Anwendung kommt. Be dieser Herstellungstechnik tränkt das C^Os das durcr Plasmaspritzen aufgebrachte poröse ZrO?, und wenn e; die Metalloberfläche erreicht, bildet sich Eisenchroma an der Grenzfläche, was zu einer extrem festen Bindung zwischen dem Metallsubstrat, der plasmagespritzter ZrOj-Sperrschicht und dem Cr?O3 führt.

Die in den Beispielen 1 und 2 beschriebenen Zylinder laufbüchsen, die mit einer thermischen Sperrschicht überzogen sind, die mit Cr?Ü3 verdichtet ist. haben ir Testmotoren hervorragende Vcrschicißcigcnschaftcr sowie niedrigere Brennstoffverbrauchswerte gezeigt Nach 350 Stunden eines Vollastbetriebs bei 195 ergab eine Untersuchung mit einem Lager-Profiltastschnittge-

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rät (Profilometer) einen Verschleiß von Null. Der Brennstoffverbrauch war ebenfalls vermindert, insbesondere bei niedrigeren Leistungsabgaben.

Kolbcn/ylinder. die keine separate Büchse aufweisen, werden gemäß der vorliegenden Erfindung auf ähnliche Weise gebildet. Dabei werden die Innenoberflächen der Zylinderwand wif oben beschrieben bcnandelt, 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 Zylinderköpfc. Auspufföffnungen und Kolbendeckel, übertragen werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Konstruktionsteilc für Verbrennungsmotoren her/ustellen, die außerordentlich niedrige Wärmelcitfähigkeits- und hervorragende Verschlcißbcständigkeits-Eigensciiaften aufweisen. Bei einem 5-Tonnen-Test-LKW wurden die Zylinderköpfe, die Kolbendeckel und die Zylinderlaufbüchsen des Fahrzeugmotors gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet. Mit einer iO-Tonnen-Last wurde das Test-Fahrzeug 4828 km gefahren, ohne daß übliche Luft- oder Wasser-Kühlmittel zur Anwendung kamen. Der »adiabatische« Motor zeigte eine beträchtlich verbesserte Wirtschaftlichkeit im Hinblick auf den Brennstoffverbrauch.

I-'rühcre Versuche, die Eigenschaften von Motorenteilen von Verbrennungsmotoren im Hinblick auf die Wärmeleitfähigkeit und die Verschleißfestigkeit zu verbessern, betrafen die Anwendung von relativ dünnen thermisch isolierenden Beschichtungen in der Größenordnung von etwa 0,38 mm. Gemäß der vorliegenden Erfindung könr.cr, thermisch isolierende Schichten einer Dicke von etwa 3,175 mm auf den Motorteilen ausgebildet werden, und die teile weisen dank der Imprägnierung mit einer Flüsigkeit, die eine lösliche Chromverbindung enthalt, die Vv'ic beschrieben in Chromoxid üiTigewandelt 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 Motors verlängert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

34 Ol 433 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Beschichtung von die Verbrennungskammern von Verbrennungsmotoren bildenden Konstruktionsteilen mit verbesserten Oberflächen, bei dem die Oberfläche des Konstruktionsteiles mit einer Schicht aus einem thermisch isolierenden Material überzogen und die überzogene Oberfläche einer thermischen Nachbehandlung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Überziehen mit dem thermisch isolierenden Material die Oberfläche mit einer löslichen Chromverbindung, die bei Wärmeeinwirkung in Chromoxid überführt werden kann, imprägniert und die lösliche Chromverbindung durch die thermische Nachbehandlung in Chromoxid übergeführt wird.

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 Knprägnier- und Erhitzungs-Stufen wiederholt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche I —3. dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Imprägnieren mit einer löslichen Chromverbindung eine Schicht, die aus Siliciumdioxid, Chromoxid und Aluminiumoxid besteht, auf die Schi ;ht des hermisch isolierenden Materials aufgebracht -vird.

6. Verfahren nach einem der A: .prüche 1 —5. dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der Schicht de^ thermisch isolierenden Materials ein Bindungsmaterial auf die Oberfläche des die Verbrennungskammer bildenden Konstruktionsteils aufgebracht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß als Bindungsmaterial eine Legierung aus Nickel. Eisen und Chrom verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß als Bindungsmaterial eine Legierung aus Nickel, Chrom. Aluminium und Yttrium verwendet wird.

9. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Beschichtung der Zylinderwand des Kolbens als die Verbrennungskammer bildendes Konstruktionsteil.

10. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Beschichtung des Zylinderkopfes als die Verbrennungskammer bildendes Konstruktionsteil.

11. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 /w Beschichtung der Auspufföffnung als die Verbrennungskammer bildendes Konstruktionsteil.

12. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Beschichtung der Deckel des Kolbens als die Verbrennungskammer bildendes Konstruktionsteil.

13. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 —8 zur Beschichtung der Zylinderlaufbüchse als die Verbrennungskammer bildendes Konstruktionsteil.