DE3507601A1 - Thermischer schirm fuer motoren - Google Patents

Thermischer schirm fuer motoren

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DE3507601A1 DE19853507601 DE3507601A DE3507601A1 DE 3507601 A1 DE3507601 A1 DE 3507601A1 DE 19853507601 DE19853507601 DE 19853507601 DE 3507601 A DE3507601 A DE 3507601A DE 3507601 A1 DE3507601 A1 DE 3507601A1
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Description

Dr. rer. ivit. Thο ^c
J;'.-1IiT. JIa).'!«j toners V.:?:.. r :.ir. ίί! - D B-.
DANA CORPORATION
4500 Dorr Street
Toledo, Ohio, U.S.A.
Unser Zeichen: A 14 891 Lh/fi
Thermischer Schirm für Motoren
- A 14 891
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen thermischen Schirm für Motoren bzw. deren Teile. Insbesondere betrifft die Erfindung Zusammensetzungen von metallischen Schichten für Schutzschirme für Motoren, z.B. Brennkraftmaschinen.
Brennkraftmaschinen werden leistungsfähiger, wenn die Kolbenoberflächen-Temperaturen höher gehalten werden. Ein thermischer Schutzschirm erlaubt beträchtlich höhere Oberflächentemperaturen oder Temperaturen der Oberflächenhaut, ohne Beschädigung oder Beeinträchtigung des Kolbenkopfes, wie dies sonst bei üblicher Praxis auftreten kann.
Es wurden schon zusammengesetzte thermische Schutzschirme vorgeschlagen, sie hatten aber kaum praktischen Erfolg. Die meisten verwenden eine keramische Schicht in Verbindung mit darunterliegenden Schichten aus anderen thermisch isolierenden Materialien, wie z.B. einer metallischen Isolierschicht. Die keramischen Schichten werden auf die metallischen Schichten durch elaktrostatische Niederschlagstechniken aufgebracht, z.B. mittels Plasma-Aufsprühen. Ein Hauptnachteil dieser keramischen Schichten in Verwendung mit metallischen Schichten ist die Schwierigkeit der Verbindung des Keramikmaterials mit den Metallmaterialien. Zahlreiche Ausfälle solcher keramischer Schichten sind zurückzuführen auf die verwendeten Bindemittel zur Verbindung der keramischen und der metallischen Materialien. Häufig brechen die keramischen Teile auch aus oder blättern ab unter den Beanspruchungen der Verbrennung.
Die zusammengesetzte thermische Abschirmung nach der Erfindung umfaßt ein beträchtlich verbessertes System zur Befestigung an einem metallischen Substrat eines Teils eines Motors. Der Befestigungsmechanismus der Abschirmung mildert die Probleme hinsichtlich Maschinenstandzeit usw., die bisher auftraten.
Vorzugsweise ist eine äußere feste Schicht aus wärme- und korrosionsbeständigem Metall vorgesehen, insbesondere aus rostfreiem Stahl, entweder als vorgeformte Schicht oder als elektrostatisch niedergeschlagene Schicht. Die feste Metallschicht wird zunächst mit einer durchlässigen Metallschicht verbunden, um einen Verbundkörper zu bilden. Der Verbundkörper wird dann mechanisch am Trägermetall des Motorteils angebracht durch Mitführen oder Einsickern des Substratmetalles in die durchlässige Metallschicht. In einer bevorzugten Form wird das Einsickern oder Eindringen erreicht während eines Schmelzprozesses, worin das Substratmaterial, beispielsweise eine Aluminiumlegierung, in die durchlässige Schicht des Verbundkörpers eingebracht wird, während das Substratmetall sich in schmelzflüssigem Zustand befindet. Danach wird der Maschinenteil aus der Form herausgenommen und er ist nun mit dem zusammengesetzten thermischen Schutzschirm versehen, der eine äußere wärme- und korrosionsbeständige Metallschicht hat, welche den freiliegenden Teil bildet und die direkt der Verbrennungsumgebung ausgesetzt ist. Nach einer anderen Ausführungsform wird eine doppelte durchlässige Schicht verwendet, mit einer metallischen Folie oder einer Sperre zwischen zwei Schichten aus durchlässigem Metall. Die obere Schicht des durchlässigen Metalls ist zwischen der freiliegenden korrosionsfesten Schicht und der Metallfolie angeordnet und sie wirkt damit als eine isolierende Schicht. Die untere durchlässige Schicht liefert die mechanische Halterung oder Befestigung des Verbundkörpers, während die Sperrschicht verhindert, daß schmelzflüssiges Metall in die obere durchlässige Schicht einsickert.
Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert, in der
Fig. 1 schematisch im Schnitt einen Kolben mit einem zusammengesetzten thermischen Schutzschirm nach der Erfindung zeigt.
Fig. 2 zeigt im Schnitt einen Teil einer alternativen Ausführungsform.
Obwohl die Erfindung nachfolgend als allgemein geeignet für Motoren oder Brennkraftmaschinen beschrieben wird, wird sie bevorzugt für Kolbenköpfe verwendet.
Fig. 1 zeigt einen Kolben 10 als Beispiel als Beispiel eines Maschinenteils, der mit einem zusammengesetzten thermischen Schutzschirm 12 an seiner oberen Fläche bzw. an seinem oberen Abschnitt 14 versehen ist. Der thermische Schirm 12 besteht aus zwei metallischen Schichten, einer äußeren freiliegenden Schicht 16 aus einem wärme- und korrosionsbeständigen Metall und einer Schicht 18 aus einem durchlässigen Metall, beispielsweise einem metallischen Drahtgitter. Die beiden metallischen Schichten 16 und sind vorzugsweise gesintert oder zusammengelötet, obwohl sie auch durch andere Mittel miteinander verbunden werden können, beispielsweise durch Punktschweißen oder Widerstandsschweißen. Die feste Schicht 16 kann aber auch elektrostatisch auf der durchlässigen Schicht 18 niedergeschlagen werden. In der hier beschriebenen, bevorzugten Ausführungsform werden eine massive Schicht 16 aus rostfreiem Stahl und ein Drahtgitter 18 aus rostfreiem Stahl zusammengesintert mittels eines Diffusionsprozesses in einer inerten Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 115O0C.
In der bevorzugten Ausführungsform des Kolbens 10 besteht sein Grundkörper aus einem Substratmetall 20 aus einer Aluminiumlegierung. Die Befestigung des zusammengesetzten thermischen Schutzschildes 12 an dem Substratmetall wird nach der Erfindung durchgeführt durch Mittel, die bewirken, daß das Substratmetall 20 in die Lücken der durchlässigen Metallschicht 18 eindringt oder einsickert.
In der beschirebenen Ausführungsform besteht die bevorzugte Methode darin, eine solche mechanische Verbindung oder Befestigung während der Herstellung des Kolbens 10 in einem Gießverfahren auszuführen, wobei schmelzflüssiges Aluminiumsubstrat gegossen und auf einer Temperatur von etwa 650-700cC gehalten wird, während die Form unter einem Druck von etwa 1550 Kilopond je Quadratzentimeter gehalten wird. Die Bereiche von Temperatur und Druck hängen wenigstens zum Teil von der verwendeten Metal!-Legierung ab. Vorzugsweise wird eine Kolbenform verwendet (nicht gezeigt), die eine Gießtechnik erlaubt, in der der Kolben in umgekehrter oder mit seiner Stirnfläche nach unten gerichtete Position gegossen wird. Die Schichten 16 und werden zunächst miteinander verbunden, vorzugsweise in flacher Schicht-Form, worauf eine Form oder ein Gesenk verwendet wird, um die zusammengesetzte
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Schicht 12 nach einer der obenbeschriebenen Methoden herzustellen. Der geformte Verbundkörper wird dann in die Form eingebracht, wobei die äußere feste Metallschicht 16 am Boden liegt und die durchlässige Metallschicht 18 nach oben gerichtet ist. Das Substratmetall 20 des Kolbens wird dann in schmelzflüssiger Form auf bzw. über den Verbundkörper 12 gegossen und unter ausreichendem Druck gehalten, damit das Material in die Lücken der durchlässigen Schicht 18 eindringt. Vorzugsweise wird die durchlässige Metallschicht 18 durch das Substratmetall 20 des Kolbens 10 praktisch zu 100% ausgefüllt.
In der Ausführungsform nach Fig. 1 ist es nicht erforderlich, daß die freiliegende feste Schicht 16 sich nach unten über die Ränder oder Seiten der durchlässigen Schicht 18 hinauserstreckt und Kontakt mit dem Substratmetall 20 hat, um die Schicht 18 voll zu umschließen. Es besteht daher keine Notwendigkeit, die durchlässige Metallschicht 18 einzuschließen, da die Schicht 18 voll mit dem Substratmetall 20 ausgefüllt ist.
Fig. 2 zeigt einen Kolben 10' nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform mit einem zusammengesetzten thermischen Schutzschirm 12', der eine Isolierschicht 22 enthält. Der Verbundkörper 12' hat vier einzelne Lagen, einschließlich der Lagen 16' und 18', die analog der festen und der durchlässigen Lage nach der Ausführungsform von Fig. 1 ausgebildet sind. Der Verbundkörper 12' hat jedoch zwei weitere Schichten, die sandwichartig zwischen den Schichten 16' und 18' liegen. So ist eine Isolierschicht 22 vorgesehen, die, obwohl aus einem durchlässigen Metall bestehend, identisch zu demjenigen ist, das für die Schicht 18' verwendet wird, vollkommen frei von einer Einsickerung von Substratmetall 20' des Kolbens 10' bleibt. Eine innere massive Schicht 24, die vorzugsweise aus demselben Metall wie die durchlässigen Schichten 18' und 22 besteht, um eine leichte Verbindung zu erreichen, ist sandwichartig zwischen den beiden durchlässigen Metallschichten angeordnet. Diese Zwischenschicht 24 erlaubt nur, daß die untere durchlässige Metallschicht 18' mit dem Substratmetall 20' während der Herstellung des Kolbens 10' beaufschlagt wird und das Substratmetall in die untere Schicht eindringen kann. Die obere durchlässige Schicht 22 bleibt frei von jedem Substratmetall 20' und wirkt somit als ein rein isolierendes
Element. Die Schicht 24 wirkt als Sperre gegenüber jeder Einsickerung oder jedem Eindringen von Substratmetall in die Schicht 22 und gewährleistet somit, daß die Isolierschicht 22 in der beabsichtigten Weise wirkt.
Die Ausführungsform nach Fig. 2 zeigt nur eine durchlässige Isolierschicht zwischen der äußeren massiven Metallschicht 16' und einer Sperrschicht aus einer massiven Metallschicht 24, die Erfindung umfaßt aber auch die Verwendung von mehrenen solchen Isolierschichten 22. Beispielsweise in Anwendungsfällen mit extremen Temperaturbereichen kann es erwünscht sein, mehrere solche Schichten 22 zu verwenden, von denen jede sandwichartig zwischen Paaren von Zwischenschichten aus soliden Metallschichten 24 angeordnet sind. In solchen Fällen würden die zusätzlichen Zwischenschichten 24 nicht als Sperren gegen das Eindringen von Substratmetall wirken, sondern sie würden die isolierenden Eigenschaften jeder der durchlässigen Schichten 22 sicherstellen. Jede Schicht 22 hat in diesem Fall ihre eigene Isolierwirkung, unabhängig von derjenigen jeder benachbarten Schicht 22.
Die Erfindung umfaßt somit auch den Aufbau von mehreren Isolierschichten
Gegenüber der Ausführungsform des Kolbens 10 nach Fig. 1, überdeckt und umschließt die freiliegende hoch-hitzebeständige und korrosionsbeständige Metallschicht 16' nach Fig. 2 vollständig alle Bereiche der durchlässigen Metallschicht 22 und ihr Rand ist hierzu über die Seiten der Schicht 22 herabgeführt und steht in Kontakt mit dem Substratmetall 20'. Der Rand kann eingeklemmt oder mit der Schicht 24 verschweißt sein. Die Isolierschicht 22 wird dadurch vollständig undurchlässig für Verbrennungsgase und Verbrennungspartikel und sie führt ihre Funktion als isolierendes Element voll aus.
Die Isolierschicht 22 nach Fig. 2 enthält normalerweise Luft und ihr isolierender Effekt ist am besten, wenn die Luft vollständig eingeschlossen ist. Alternativ können jedoch die Lücken der durchlässigen Isolierschicht 22 mit einem inerten Gas, anders als Luft, gefüllt sein, oder sie können auch unter Vakuum stehen.
Obwohl die Erfindung anhand eines Kolbens 10, 10' beschrieben wurde, eignet sie sich auch für andere Maschinen oder Motorenteile, z.B. Zylinderköpfe, Verbrennungskammern, Abgas- oder Auslaßöffnungen sowie die Bereiche der Einlaßventile. Bei anderen Elementen, wie Zylinderbohrungen, Zylinderbuchsen und/oder Auskleidungen kann die Erfindung ebenfalls angewendet werden. Obwohl als bevorzugte Metalle rostfreier Stahl genannt wurde, können auch andere zusammengesetzte Schichten verwendet werden, z.B. sind auch Wolfram, Palladium und bestimmte Nickel-Chrom-Legierungen hitze- und korrosionsbeständig. Anstelle der Drahtschichten 18, 22 und 18' können andere durchlässige Metall schichten verwendet werden, z.B. metallische Skelettstrukturen, z.B. DUOCEL-Material, ein festes, hoch-poröses, voll durchlässiges metallisches Material mit gegebener Metalldichte je Volumeneinheit, das handelsüblich in verschiedenen Metallen käuflich ist. Anstelle des Substratmetalles 20 aus Aluminium kann auch Gußeisen verwendet werden.
Bestimmte Metal!zusammensetzungen und Schichtdicken sind für die zusammengesetzten thermischen Schichten 12, 12' untersucht worden, die auf das Substratmetall 20, 20' der Kolbenflächen 14, 14' aufgebracht werden. Wenn z.B. eine elektrostatisch niedergeschlagene Schicht 16, 16' aus rostfreiem Stahl verwendet wird, kann eine solche Schicht hergestellt werden aus einem METCO 41-C-Pulver aus rostfreiem Stahl mit einer Dicke von etwa 0,37-0,5 mm. Vorzugsweise kann die Dicke der Schicht 16, 16' 0,5 - 0,65 mm betragen und aus rostfreiem Stahlblech AISI 304 hergestellt werden, und sie wird vorzugsweise direkt auf die durchlässige Metallschicht 18, 22 aufgesintert oder gelötet vor dem Gießvorgang. Die Schichten 18, und 18' haben vorzugsweise eine Dicke von etwa 1 - 1,5 mm und sie bestehen aus einem Drahtgeflecht oder Drahtgitter aus rostfreiem Stahl mit einem Verhältnis von Metall/Luft von 65%, und sie bestehen aus AISI C-14-Draht.
Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform bestehen die Schichten 18, und 18' aus gewebtem Fasermetall, das käuflich ist unter der Bezeichnung AISO 316 oder Typ 304 und aus rostfreiem Stahl besteht. Die gewebte Natur dieses Materials gewährleistet eine Qualitätskontrolle der gewünschten Dichten des Materials. Eine geeignete Ausführungsform verwendet z.B. ein Gittermaterial mit 60 Maschen und einem Drahtdurchmesser von 0,2 mm.

Claims (19)

  1. Patentansprüche
    - A 14 891 Dana Corp.
    Zusammengesetzte thermische Schutzschicht für ein wärmebelastetes l, insbesondere für den Kolben einer Brennkraftmaschine,
    wobei ein Teil einer äußeren Oberfläche des Kolbens durch die Schutzschicht abgedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengesetzte Schutzschicht eine äußere massive Metallschicht und eine Schicht aus einem durchlässigen Metall umfaßt, die mit der äußeren massiven Metallschicht verbunden ist.
  2. 2. Schutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie besteht aus einer äußeren massiven Metallschicht, einer ersten Schicht aus einem durchlässigen Metall, die mit der äußeren massiven Metallschicht verbunden ist, einer inneren massiven Metallschicht und einer zweiten durchlässigen Metallschicht, daß die innere massive Metallschicht zwischen der ersten und der zweiten durchlässigen Metallschicht liegt und auf ihren beiden Seiten mit diesen verbunden ist, daß die Lücken der zweiten durchlässigen Metallschicht im wesentlichen mit dem Substratmetall ausgefüllt sind, daß die zusammengesetzte thermische Schutzschicht mechanisch mit dem Substratmetall des Kolbens verbunden ist, und daß das Substratmetall sich in die Lücken nur der zweiten durchlässigen Metallschicht erstreckt, und die innere massive Metallschicht verhindert, daß Substratmetall in die erste Schicht aus durchlässigem Metall bei der Herstellung eintritt.
  3. 3. Schutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lücken der durchlässigen Metallschicht im wesentlichen mit dem Substratmetall ausgefüllt sind.
  4. 4. Schutzschicht nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste massive Metallschicht sich sowohl über die Oberfläche als auch über die Randabschnitte der ersten durchlässigen Metallschicht erstreckt.
    INSPECTED
  5. 5. Schutzschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste feste Metallschicht aus rostfreiem Stahl besteht.
  6. 6. Schutzschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste feste Metallschicht aus einer Wolfram-Legierung besteht.
  7. 7. Schutzschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
    die erste massive Metallschicht aus einer Palladium-Legierung besteht.
  8. 8. Schutzschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
    die erste feste Metallschicht aus einer Nickel-Chrom-Legierung besteht.
  9. 9. Schutzschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das durchlässige Metall ein Drahtgewebe oder Drahtgeflecht ist.
  10. 10. Schutzschicht nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß das durchlässige Metall ein Drahtgewebe ist, das gewobene Schichten aus rostfreiem Stahl aufweist.
  11. 11. Schutzschicht nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß das durchlässige Metall aus einem metallischen Skelettmaterial besteht.
  12. 12. Schutzschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substratmetall eine Aluminium-Legierung ist.
  13. 13. Schutzschicht nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß das Substratmetall Gußeisen ist.
  14. 14. Verfahren zur Herstellung einer zusammengesetzten thermischen Schutzschicht, insbesondere für einen Teil einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine massive Schicht aus einem Metall mit einer Fläche einer Schicht aus durchlässigem Metall ver-
    bunden wird, daß dann das Substratmetall für den Teil der Brennkraftmaschine auf die durchlässige Metallschicht gegossen wird, wodurch die Lücken der durchlässigen Schicht im wesentlichen mit dem Substratmetall ausgefüllt werden.
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet daß die massive Metallschicht mit der durchlässigen Metallschicht durch Zusammensintern der Schichten verbunden wird.
  16. 16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der massiven Metallschicht mit der durchlässigen Metallschicht durch Zusammenlöten der beiden Schichten erfolgt.
  17. 17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der massiven Metallschicht mit der durchlässigen Metallschicht durch elektrostatischen Niederschlag der massiven Metallschicht auf die durchlässige Metallschicht erfolgt.
  18. 18. Verfahren zur Herstellung einer zusammengesetzten thermischen Schutzschicht für ein Teil einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste massive Metallschicht mit einer Fläche einer ersten Schicht aus einem durchlässigen Metall verbunden wird, daß eine zweite massive Metallschicht mit der entgegengesetzten Fläche der ersten durchlässigen Metallschicht verbunden wird, daß eine zweite Schicht aus durchlässigem Metall mit der zweiten massiven Metallschicht verbunden wird, und daß das Substratmetall, aus dem das Maschinenteil gebildet wird, auf die zweite durchlässige Metallschicht gegossen wird.
  19. 19. Verfahren nach Anspruch 14 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Gießen unter einem Druck im Bereich von 1550 kp/cm2 erfolgt.
DE3507601A 1984-03-23 1985-03-04 Zusammengesetzte thermische Schutzschicht für ein wärmebelastetes Motorteil Revoked DE3507601C2 (de)

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