DE3507601C2 - Zusammengesetzte thermische Schutzschicht für ein wärmebelastetes Motorteil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine zusammengesetzte thermische Schutz­ schicht für ein wärmebelastetes Motorteil, insbesondere für den Kolben eines Brennkraftmotors nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Brennkraftmotoren sind leistungsfähiger, wenn die Temperaturen der Kolbenoberflächen hoch gehalten werden. Ein thermischer Schutzschirm erlaubt beträchtlich höhere Oberflächentempera­ turen ohne Beschädigung des Kolbenkopfes.

Es wurden schon zusammengesetzte thermische Schutzschirme vor­ geschlagen, wobei die meisten eine keramische Schicht in Ver­ bindung mit darunterliegenden Schichten aus anderen thermisch isolierenden Materialien, wie z. B. einer metallischen Isolier­ schicht verwenden. Die keramischen Schichten werden auf die metallischen Schichten mittels elektrostatischer Niederschlags­ techniken aufgebracht. Es ist jedoch schwierig, metallische Materialien mit keramischen Materialien zu verbinden, was in der Praxis häufig zum Ausfall der keramischen Schicht ge­ führt hat.

Aus der DE 31 25 560 A1 ist nun ein thermischer Schutzschirm für den Kolben einer Brennkraftmaschine bekannt, bei welchem eine massive Metallschicht mit einer maschenförmigen Metall­ schicht verbunden wird. Diese Verbundschicht wird dann mittels einer Lötschicht auf das Substratmetall aufgebracht. Die ma­ schenförmige Metallschicht kann mit Luft oder mit einer Keramik­ masse gefüllt sein.

In der Praxis haben sich diese Schichten jedoch nicht be­ währt, weil sich die maschenförmige Schicht nicht fest und dauerhaft genug mit dem Substratmetall verbindet, was zu Ablösungen der maschenförmigen Metallschicht führen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Verankerung einer thermischen Schutzschicht der eingangs genannten Art am Substratmetall zu verbessern.

Nach der Erfindung wird dies erreicht durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1.

Vorzugsweise ist eine äußere massive Schicht aus einem wärme- und korrosionsbeständigem Metall vorgesehen, insbesondere aus rostfreiem Stahl, entweder als vorgeformte Schicht oder als elektrostatisch niedergeschlagene Schicht. Die massive Metall­ schicht wird zunächst mit einer durchlässigen Metallschicht verbunden, um einen Verbundkörper zu bilden. Der Verbundkör­ per wird dann mechanisch am Substratmetall des Motorteiles an­ gebracht durch Einsickern des Substratmetalles in die durch­ lässige Metallschicht. Vorzugsweise wird das Einsickern oder Eindringen erreicht während eines Schmelzprozesses, wobei das Substratmaterial, z. B. eine Aluminiumlegierung, in die durchlässige Metallschicht des Verbundkörpers eingebracht wird, während das Substratmetall sich in schmelzflüssigem Zustand befindet. Nach einer anderen Ausführungsform wird eine doppel­ te durchlässige Metallschicht verwendet, mit einer metallischen Folie zwischen den beiden durchlässigen Metallschichten. Die obere durchlässige Metallschicht ist hierbei zwischen der frei liegenden korrosionsfesten Metallschicht und der Metall­ folie angeordnet und wirkt als isolierende Schicht. Die untere durchlässige Metallschicht bewirkt die mechanische Halterung der Verbundschicht, während die Metallfolie verhindert, daß schmelzflüssiges Metall in die obere durchlässige Metallschicht eindringt.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 schematisch im Schnitt einen Kolben mit einer zusammengesetzten thermischen Schutzschicht zeigt.

Fig. 2 zeigt im Schnitt einen Teil einer alter­ nativen Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt einen Kolben 10 als Beispiel eines Motorteils, der mit einer zusammengesetzten thermischen Schutzschicht 12 an seinem oberen Abschnitt 14 versehen ist. Die Schutzschicht 12 besteht aus zwei metallischen Schichten, einer äußeren frei­ liegenden Schicht 16 aus einem wärme- und korrosionsbeständigen Metall und einer Schicht 18 aus einem durchlässigen Metall, bei­ spielsweise einem metallischen Drahtgitter. Die beiden metalli­ schen Schichten 16 und 18 sind gesintert oder zusammengelötet, obwohl sie auch beispielsweise durch Punktschweißen oder Wi­ derstandsschweißen miteinander verbunden werden können. Die feste Schicht 16 kann aber auch elektrostatisch auf der durch­ lässigen Schicht 18 niedergeschlagen werden. In der hier be­ schriebenen 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 1150°C.

In der dargestellten Ausführungsform des Kolbens 10 besteht sein Grundkörper aus einem Substratmetall 20 aus einer Alu­ miniumlegierung. Die Befestigung der zusammengesetzten ther­ mischen Schutzschicht 12 an dem Substratmetall 20 wird durch­ geführt durch Mittel, die bewirken, daß das Substratmetall 20 in die Lücken der durchlässigen Metallschicht 18 ein­ dringt oder einsickert.

Eine solche mechanische Verbindung wird während der Her­ stellung des Kolbens 10 in einem Gießverfahren ausgeführt, wobei schmelzflüssiges Aluminiumsubstrat gegossen und auf einer Temperatur von etwa 650-700°C gehalten wird, während die Form unter einem Druck von etwa 1550 kp/cm² gehalten wird. Die Bereiche von Temperatur und Druck hängen wenig­ stens zum Teil von der verwendeten Metall-Legierung ab. Die Schichten 16 und 18 werden zunächst miteinander verbunden, worauf eine Form verwendet wird, um die zusammengesetzte Schutzschicht 12 nach einer der obenbeschriebenen Methoden herzustellen. Die geformte Schutzschicht 12 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 die Schutz­ schicht 12 gegossen und unter ausreichendem Druck gehalten, da­ mit das Material in die Lücken der durchlässigen Metallschicht 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 massive Metallschicht 16 sich nach unten über die Ränder der durchlässigen Metallschicht 18 hinauser­ streckt und Kontakt mit dem Substratmetall 20 hat, um die Schicht 18 voll zu umschließen. Es besteht daher keine Not­ wendigkeit, die durchlässige Metallschicht 18 einzuschließen, da sie voll mit dem Substratmetall 20 ausgefüllt ist.

Fig. 2 zeigt einen Kolben 10′ nach einer zweiten Ausführungs­ form mit einer zusammengesetzten thermischen Schutzschicht 12′, die eine Isolierschicht 22 enthält. Die Schutzschicht 12′ hat vier einzelne Schichten, einschließlich der Schichten 16′ und 18′, die analog der massiven und der durchlässigen Schicht nach der Ausführungsform von Fig. 1 ausgebildet sind. Die Schutzschicht 12′ hat jedoch zwei weitere Schichten, die zwischen den Schichten 16′ und 18′ liegen. So ist eine iso­ lierende Schicht 22 vorgesehen, die aus einem durchlässigen Metall besteht, das identisch zu demjenigen ist, das für die Schicht 18′ verwendet wird, und die 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 zwischen den beiden durchlässigen Metallschichten angeordnet. Diese massive Metall­ schicht 24 erlaubt, daß nur die untere durchlässige Metall­ schicht 18′ mit dem Substratmetall 20′ während der Herstellung des Kolbens 10′ beaufschlagt wird und das Substratmetall in die untere Metallschicht 18′ eindringen kann. Die obere durchläs­ sige Metallschicht 22 bleibt frei von Substratmetall 20′ und wirkt somit als ein rein isolierendes Element. Die massive Metallschicht 24 wirkt als Sperre gegenüber jeder Einsickerung oder jedem Eindringen von Substratmetall in die Schicht 22.

Gegenüber der Ausführungsform des Kolbens 10 nach Fig. 1 über­ deckt und umschließt die freiliegende hoch-hitzebeständige und korrosionsbeständige Metallschicht 16′ nach Fig. 2 voll­ ständig alle Bereiche der durchlässigen Metallschicht 22, und ihr Rand ist hierzu über die Seiten der Schicht 22 herab­ geführt und steht in Kontakt mit dem Substratmetall 20′. Der Rand 26 kann eingeklemmt oder mit der Schicht 24 verschweißt sein. Die Schicht 22 wird dadurch vollständig undurchlässig für Verbrennungsgase und Verbrennungspartikel.

Die Metallschicht 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 Metallschicht 22 mit einem inerten Gas 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 Mo­ torenteile, z. B. Zylinderköpfe, Verbrennungskammern, Abgas- oder Auslaßöffnungen sowie die Bereiche der Einlaßventile. Bei anderen Elementen, wie Zylinderbohrungen, Zylinderbüchsen und/oder Auskleidungen kann die Erfindung ebenfalls angewendet werden. Obwohl als bevorzugte Metalle rostfreier Stahl ge­ nannt wurde, können auch andere zusammengesetzte Schichten ver­ wendet werden, z. B. sind auch Wolfram, Palladium und Nickel- Chrom-Legierungen hitze- und korrosionsbeständig. Anstelle der Drahtschichten 18, 22 und 18′ können andere durchlässige Me­ tallschichten verwendet werden, z. B. metallische Skelettstruk­ turen, 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 Metallzusammensetzungen und Schichtdicken sind für die zusammengesetzten thermischen Schichten 12, 12′ untersucht worden, die auf das Substratmetall 20, 20′ aufgebracht werden. Wenn z. B. eine elektrostatisch niedergeschlagene Schicht 16, 16′ aus rostfreiem Stahl verwendet wird, kann eine solche Schicht hergestellt werden aus einem Pulver aus rostfreiem Stahl mit einer Dicke von etwa 0,37-0,5 mm. Die Dicke der Schicht 16, 16′ kann 0,5-0,65 mm betragen und aus rost­ freiem Stahlblech hergestellt werden, und sie kann direkt auf die durchlässige Metallschicht 18, 22 vor dem Gieß­ vorgang aufgesintert oder gelötet werden. Die Schichten 18, 22 und 18′ können eine Dicke von etwa 1-1,5 mm haben, und sie bestehen aus einem Drahtgeflecht oder Drahtgitter aus rostfreiem Stahl mit einem Verhältnis von Metall/Luft von 65%.

Nach einer anderen Ausführungsform bestehen die Schichten 18, 22 und 18′ aus gewebtem Fasermetall aus rostfreiem Stahl. Die gewebte Natur dieses Materials gewährleistet eine Qualitätskontrolle der gewünschten Dichten des Materials. Geeignet ist z. B. ein Gittermaterial mit 60 Maschen und einem Drahtdurchmesser von 0,2 mm.

Claims (18)

1. Zusammengesetzte thermische Schutzschicht für ein wärmebelastetes Motorteil, insbesondere für den Kolben eines Brennkraftmotors, wobei ein Teil einer äußeren Oberfläche des aus einem Substratmetall be­ stehenden Motorteiles mit der Schutzschicht versehen ist, die eine äußere massive Metallschicht und eine mit Lücken versehene durchlässige Metallschicht um­ faßt, die mit der äußeren massiven Metallschicht verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lücken der durchlässigen Metallschicht (18, 18′) im wesent­ lichen mit dem Substratmetall (20, 20′) des Motorteiles ausgefüllt sind.

2. Schutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durchlässige Metallschicht aus einer ersten durchlässigen Metallschicht (22) besteht, die mit der äußeren massiven Metallschicht (16′) verbunden ist, ferner aus einer zweiten durchlässigen Metallschicht (18′), die mit dem Substratmetall (20′) des Kolbens verbunden ist, daß ferner eine innere massive Metall­ schicht (24) zwischen der ersten und der zweiten durch­ lässigen Metallschicht (22, 18′) angeordnet ist, die auf ihren beiden Seiten mit den durchlässigen Metall­ schichten (22, 18′) verbunden ist, und daß die Lücken der zweiten durchlässigen Metallschicht (18′) im wesent­ lichen mit dem Substratmetall (20′) ausgefüllt sind.

3. 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.

4. Schutzschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die erste massive Metallschicht aus rostfreiem Stahl besteht.

5. Schutzschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die erste massive Metallschicht aus einer Wolfram- Legierung besteht.

6. Schutzschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die erste massive Metallschicht aus einer Palla­ dium-Legierung besteht.

7. Schutzschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die erste massive Metallschicht aus einer Nickel- Chrom-Legierung besteht.

8. Schutzschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das durchlässige Metall ein Drahtgewebe oder Drahtgeflecht ist.

9. Schutzschicht nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das durchlässige Metall ein Drahtgewebe ist, das gewobene Schichten aus rostfreiem Stahl auf­ weist.

10. Schutzschicht nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß das durchlässige Metall aus einem metallischen Skelettmaterial besteht.

11. Schutzschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substratmetall eine Aluminium-Legierung ist.

12. Schutzschicht nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß das Substratmetall Gußeisen ist.

13. Verfahren zur Herstellung einer zusammengesetzten ther­ mischen Schutzschicht für ein wärmebelastetes Motorteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine mas­ sive Metallschicht mit einer Fläche einer durchläs­ sigen Metallschicht verbunden wird, daß dann das Sub­ stratmetall des Motorteiles auf die durchlässige Me­ tallschicht gegossen wird, wodurch die Lücken der durchlässigen Metallschicht im wesentlichen mit dem Sub­ stratmetall des Motorteiles ausgefüllt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die massive Metallschicht mit der durchlässigen Metall­ schicht durch Zusammensintern der Schichten verbunden wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der massiven Metallschicht mit der durch­ lässigen Metallschicht durch Zusammenlöten der beiden Schichten erfolgt.

16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der massiven Metallschicht mit der durchlässigen Metallschicht durch elektrostatischen Niederschlag der massiven Metallschicht auf die durch­ lässige Metallschicht erfolgt.

17. Verfahren zur Herstellung einer zusammengesetzten ther­ mischen Schutzschicht für ein wärmebelastetes Motor­ teil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste massive Metallschicht mit einer Fläche einer ersten durchlässigen Metallschicht verbunden wird, daß eine zweite massive Metallschicht mit der entgegenge­ setzten Fläche der ersten durchlässigen Metallschicht verbunden wird, daß dann eine zweite durchlässige Me­ tallschicht mit der zweiten massiven Metallschicht verbunden wird, und daß das Substratmetall, aus dem das Motorteil gebildet wird, auf die zweite durchlässige Metallschicht gegossen wird.

18. Verfahren nach Anspruch 13 oder 17, dadurch gekennzeich­ net, daß das Gießen unter einem Druck im Bereich von 1550 kp/cm² erfolgt.