EP1528127A2 - Bauteil, insbesondere Kolben sowie Verfahren zur Herstellung einer hochbelastbaren Oberfläche auf einem Bauteil, insbesondere auf einem Kolben - Google Patents

Bauteil, insbesondere Kolben sowie Verfahren zur Herstellung einer hochbelastbaren Oberfläche auf einem Bauteil, insbesondere auf einem Kolben Download PDF

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EP1528127A2
EP1528127A2 EP04025342A EP04025342A EP1528127A2 EP 1528127 A2 EP1528127 A2 EP 1528127A2 EP 04025342 A EP04025342 A EP 04025342A EP 04025342 A EP04025342 A EP 04025342A EP 1528127 A2 EP1528127 A2 EP 1528127A2
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EP
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piston
component
layer
stop layer
crack stop
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Simon Dr. Reichstein
Lothar Hofmann
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Federal Mogul Nuernberg GmbH
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    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
    • C25D11/02—Anodisation
    • C25D11/04—Anodisation of aluminium or alloys based thereon

Definitions

  • the invention generally relates to a component, in particular a piston for an internal combustion engine, as well as a general Process for producing a heavy duty surface on a component, in particular on a piston for a Combustion engine.
  • the non-prepublished DE 102 42 261 A1 describes a Piston rim edge reinforcement, in which the edge of the Piston cavity by kinetic cold gas and compacting coated or part of the piston through the coating is formed.
  • US 4,699,695 relates to a nickel bath with which aluminum and / or aluminum alloys can be electroplated.
  • WO 00/66918 describes a piston engine a light metal cylinder whose tread is chrome plated. The tread also receives a coating Synthetic resin base with embedded hard particles.
  • the invention is based on the object, a component, in particular a piston and a method for its To create a production in which the heat resistance can be improved.
  • a component in particular a piston for an internal combustion engine, the / of a base material exists, one on at least partially applied Crack-stop layer with a thickness of at least 3 ⁇ m.
  • a crack stop layer having such a thickness has been included Try to prove that the effect of the following is more accurate explained aluminum layer is improved to that cracks that arise in the area of the aluminum layer can be prevented from getting into the interior of the Continue to piston. Consequently, the inventive effect Crack stop layer advantageously with the applied Aluminum layer together and guaranteed or improved their function.
  • the undesirable Heat transfer to the piston base material further reduced be, and the spread of cracks to the Piston base material can be prevented even better.
  • the following described at least acts partially anodized aluminum layer, as a thermal barrier coating.
  • the crack stop layer prevents the propagation of cracks, which always exists in this external thermal barrier coating are in the piston material.
  • the crack stop layer decreases for this purpose, the local stresses on a crack tip on and prevents the crack from growing.
  • the crack stop layer is ductile, tough and still high Absorb tension. It has a high for this purpose Tensile strength and is on the one hand with the base material the piston and the other with the below described Aluminum layer well connected mechanically.
  • the component according to the invention has an at least partially anodised aluminum layer, also called alumina conversion layer can be.
  • alumina conversion layer can be.
  • the Heat transfer from the combustion gases, which is a piston surrounded, worsened to the inside of the piston so far be that the temperature of the piston base material remains sufficiently low.
  • the piston base material is in The rest is not anodized and remains undamaged metallic.
  • anodized layer which in a layer of pure aluminum, for example galvanic deposited, an extremely smooth and homogeneous, outer ceramic layer are produced. This effectively prevents the initiation of cracks, what would reduce the fatigue life of a piston.
  • the extremely low roughness of the applied layer a good insulating effect of the Ensuring layer, allowing the transfer of heat to the piston base material is hindered, and ensured is that the piston base material in temperature ranges where there is no risk of melting consists.
  • the crackstop layer has particular good properties with regard to the prevention of Spread of cracks and in terms of reduction the heat transfer result when the crack stop layer a Thickness of at least 5 microns. Especially cheap the range between 10 and 40 microns proved.
  • the crack stop layer As materials of the crack stop layer come nickel, silver, Chromium, iron or an alloy with at least one of these Metals into consideration.
  • the properties of the component according to the invention as a whole can be further improved by the aluminum layer in the context of anodization partially in the metallic state is left.
  • the area of the aluminum layer located in the metallic state is extremely soft and ductile and thus is also able to crack at the spread to prevent themselves otherwise from the outside Continue the hard anodizing layer into the piston base material would. Overall, it succeeds therefore by the combination one in this way only partially anodized Aluminum layer and the applied below Crack stop layer, a component, in particular a piston to create that improved significantly Has thermal insulation properties, which is a melting of the Prevent piston base material. At the same time the Fatigue resistance of the component, in particular one Piston not or not significantly reduced.
  • piston base material any, suitable material for this purpose.
  • the invention will be aluminum or an aluminum alloy preferred as a piston base material to the advantages of this To use light metals for the production of a piston.
  • the invention from a Crack stop layer and an at least partially anodized Aluminum coating existing on all Make a component, in particular a piston used become, on which comparatively high temperatures occur. It is therefore preferred in the context of the invention, as far as they are is applied to a piston that described Coating is provided on the piston head.
  • a heavy duty surface on a Component in particular a piston for a Internal combustion engine, produced by a Aluminum layer applied and at least partially anodized, before applying the Aluminum layer on the base material a crack stop layer is applied.
  • any suitable method into consideration This can be a both in terms of Temperature resistance as well as fatigue resistance improved surface to be created, which the previously in connection with the component produced thereby has described advantages.
  • Preferred developments of the method according to the invention correspond to the preferred Embodiments of the component produced thereby.
  • Fig. 1 is a schematic sectional view of the structure the surface area of a component according to the invention, in particular a piston. This is first on the base material 10, a crack stop layer 12 and Subsequently applied a layer 14 of pure aluminum Service.
  • the aluminum layer subsequently partially anodized so that the surface through an extremely smooth and homogeneous hard anodising layer 16 is formed, below which a residual layer 14 from pure aluminum. This deteriorates along with the crack stop layer 12 the heat transfer to the Base material 10 and beyond that prevents Cracks that can form on the surface, to the Base material 10 can spread.

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Abstract

Ein Bauteil, insbesondere ein Kolben für einen Verbrennungsmotor weist einen Grundwerkstoff (10) und eine darauf zumindest teilweise aufgebrachte Rissstopschicht (12) mit einer Dicke von mindestens 3 µm sowie eine darauf aufgebrachte, zumindest teilweise anodisierte Aluminiumschicht (14,16) auf.
Bei einem Verfahren zur Herstellung einer hochbelastbaren. Oberfläche auf einem Bauteil, insbesondere auf einem Kolben für einen Verbrennungsmotor wird vor dem Aufbringen und zumindest teilweise Anodisieren einer Aluminiumschicht eine Rissstopschicht mit einer Dicke von mindestens 3 µm aufgebracht.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft allgemein ein Bauteil, insbesondere einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, sowie allgemein ein Verfahren zur Herstellung einer hochbelastbaren Oberfläche auf einem Bauteil, insbesondere auf einem Kolben für einen Verbrennungsmotor.
Insbesondere auf dem Gebiet der Kolben für Verbrennungsmotoren treten hohe Temperaturen auf, die ausreichen können, um den Grundwerkstoff eines beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgeführten Kolbens zum Schmelzen zu bringen.
Stand der Technik
Es wurden deshalb in der Vergangenheit bereits verschiedene Ansätze gewählt, um den Übergang der Wärme aus den Verbrennungsgasen in den Kolben zu verschlechtern, und somit die Temperatur des Kolben-Grundwerkstoffs abzusenken, so dass die Temperaturen in einem sicheren Bereich bleiben. In der DE 197 51 256 A1 wird für ein Werkstück aus Aluminiumdruckguss vorgeschlagen, dieses mit einer reinen Aluminiumschicht zu überziehen und anschließend so zu anodisieren, dass die Aluminiumschicht vollständig und der darunterliegende Druckguss zumindest teilweise in eine Aluminiumoxid-Konversionsschicht umgewandelt werden. Zum einen sind diese Maßnahmen lediglich für die genannten Werkstücke aus Aluminiumdruckguss beschrieben. Zum anderen haben Versuche ergeben, dass sich hierdurch keine insgesamt zufriedenstellenden Eigenschaften für stark wärmebelastete Bauteile, wie z.B. Kolben eines Verbrennungsmotors, erreichen lassen.
Gemäß der DE 199 60 646 A1 wird die auf eine Oberfläche aufgebrachte Schicht aus Aluminium zumindest teilweise anodisiert, so dass zwischen der äußeren, im anodisierten Zustand keramischen Schicht und dem Grundwerkstoff eine Schicht in dem metallischen Zustand verbleibt. Auch eine in dieser Weise erzeugte Schicht ist jedoch verbesserungswürdig.
Die nicht vorveröffentlichte DE 102 42 261 A1 beschreibt eine Kolbenmuldenrandverstärkung, bei welcher der Rand der Kolbenmulde durch kinetisches Kaltgas und Kompaktieren beschichtet oder ein Teil des Kolbens durch die Beschichtung gebildet wird.
Die US 4,699,695 betrifft ein Nickelbad, mit dem Aluminium und/oder Aluminiumlegierungen elektroplatiert werden können.
Schließlich beschreibt die WO 00/66918 einen Kolbenmotor mit einem Leichtmetallzylinder, dessen Lauffläche verchromt ist. Die Lauffläche erhält ferner eine Beschichtung auf Kunstharzbasis mit eingelagerten Hartpartikeln.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil, insbesondere einen Kolben sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, bei dem die Hitzebeständigkeit verbessert werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch das im Anspruch 1 beschriebene Bauteil.
Demzufolge weist ein Bauteil, insbesondere ein Kolben für einen Verbrennungsmotor, das/der aus einem Grundwerkstoff besteht, eine darauf zumindest bereichsweise aufgebrachte Rissstopschicht mit einer Dicke von mindestens 3 µm auf. Für eine Rissstopschicht mit einer derartigen Dicke hat sich bei Versuchen ergeben, dass die Wirkung der nachfolgend genauer erläuterten Aluminiumschicht dahingehend verbessert wird, dass Risse, die im Bereich der Aluminiumschicht entstehen können, daran gehindert werden, sich in das Innere des Kolbens fortzusetzen. Folglich wirkt die erfindungsgemäße Rissstopschicht in vorteilhafter Weise mit der aufgebrachten Aluminiumschicht zusammen und garantiert oder verbessert deren Funktion. Wie erwähnt, kann der unerwünschte Wärmeübergang zu dem Kolbengrundwerkstoff weiter herabgesetzt werden, und die Ausbreitung von Rissen zu dem Kolbengrundwerkstoff kann noch besser verhindert werden. Im Wesentlichen wirkt die nachfolgend beschriebene, zumindest teilweise anodisierte Aluminiumschicht, als Wärmedämmschicht. Die Rissstoppschicht verhindert die Ausbreitung von Rissen, die in dieser außenliegenden Wärmedämmschicht stets vorhanden sind, in den Kolbenwerkstoff. Die Rissstoppschicht nimmt hierzu die lokalen Spannungen an einer Rissspitze auf und verhindert, dass der Riss wächst. In vorteilhafter Weise ist die Rissstoppschicht duktil, zäh und kann dennoch hohe Spannungen aufnehmen. Sie weist zu diesem Zweck eine hohe Zugfestigkeit auf und ist zum einen mit dem Grundwerkstoff des Kolbens und zum anderen mit der nachfolgend beschriebenen Aluminiumschicht gut mechanisch verbunden.
Über der Rissstopschicht weist das erfindungsgemäße Bauteil eine zumindest teilweise anodisierte Aluminiumschicht auf, die auch als Aluminiumoxidkonversionsschicht bezeichnet werden kann. Durch diese Schicht kann zum einen der Wärmedurchgang von den Verbrennungsgasen, die einen Kolben umgeben, in das Innere des Kolbens soweit verschlechtert werden, dass die Temperatur des Kolbengrundwerkstoffs ausreichend niedrig bleibt. Der Kolbengrundwerkstoff wird im Übrigen nicht anodisiert und bleibt unversehrt metallisch. Darüber hinaus kann durch die anodisierte Schicht, die in einer Schicht aus reinem Aluminium, beispielsweise galvanisch abgeschiedenem, ausgebildet wird, eine äußerst glatte und homogene, äußere keramische Schicht erzeugt werden. Dies verhindert zum einen wirksam die Einleitung von Rissen, was die Ermüdungsbeständigkeit eines Kolbens verringern würde. Zum anderen kann die äußerst geringe Rauigkeit der aufgebrachten Schicht eine gute isolierende Wirkung der Schicht gewährleisten, so dass die Übertragung von Wärme zu dem Kolbengrundwerkstoff behindert wird, und sichergestellt ist, dass der Kolbengrundwerkstoff in Temperaturbereichen verbleibt, in denen nicht die Gefahr eines Schmelzens besteht.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Bauteils sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Bei Versuchen haben sich für die Rissstopschicht besonders gute Eigenschaften im Hinblick auf die Verhinderung der Ausbreitung von Rissen und im Hinblick auf die Verminderung der Wärmedurchgangs ergeben, wenn die Rissstopschicht eine Dicke von mindestens 5 µm aufweist. Besonders günstig hat sich der Bereich zwischen 10 und 40 µm erwiesen.
Besonders gute Eigenschaften im Hinblick auf die Verhinderung der Ausbreitung von Rissen haben sich bei Versuchen für eine vergleichsweise weiche, duktile Rissstopschicht ergeben.
Als Materialien der Rissstopschicht kommen Nickel, Silber, Chrom, Eisen oder eine Legierung mit zumindest einem dieser Metalle in Betracht.
Die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Bauteils insgesamt können weiter verbessert werden, indem die Aluminiumschicht im Rahmen der Anodisierung teilweise im metallischen Zustand belassen wird. Der Bereich der Aluminiumschicht, der sich im metallischen Zustand befindet, ist äußerst weich und duktil und ist somit ebenfalls in der Lage, Risse an der Ausbreitung zu hindern, die sich ansonsten aus der äußeren Hartanodisierschicht in den Kolbengrundwerkstoff fortsetzen würden. Insgesamt gelingt es folglich durch die Kombination einer in dieser Weise nur teilweise anodisierten Aluminiumschicht und der darunter aufgebrachten Rissstopschicht, ein Bauteil, insbesondere einen Kolben zu schaffen, der erheblich verbesserte Wärmedämmungseigenschaften aufweist, die ein Schmelzen des Kolbengrundwerkstoffs verhindern. Gleichzeitig wird die Ermüdungsbeständigkeit des Bauteils, insbesondere eines Kolbens nicht oder nicht nennenswert verringert.
Grundsätzlich kommt als Kolbengrundwerkstoff ein jeglicher, hierfür geeigneter Werkstoff in Betracht. Im Rahmen der Erfindung wird jedoch Aluminium oder eine Aluminiumlegierung als Kolbengrundwerkstoff bevorzugt, um die Vorteile dieser Leichtmetalle für die Herstellung eines Kolbens zu nutzen.
Schließlich kann die erfindungsgemäße, aus einer Rissstopschicht und einer zumindest teilweise anodisierten Aluminiumschicht bestehende Beschichtung an sämtlichen Stellen eines Bauteils, insbesondere eine Kolbens eingesetzt werden, an denen vergleichsweise hohe Temperaturen auftreten. Bevorzugt wird deshalb im Rahmen der Erfindung, soweit sie auf einen Kolben angewendet wird, dass die beschriebene Beschichtung an dem Kolbenboden vorgesehen ist.
Die Lösung der obengenannten Aufgabe erfolgt ferner durch ein Verfahren nach dem Anspruch 8.
Demzufolge wird eine hochbelastbare Oberfläche auf einem Bauteil, insbesondere einem Kolben für einen Verbrennungsmotor, dadurch hergestellt, dass eine Aluminiumschicht aufgebracht und zumindest teilweise anodisiert wird, wobei vor dem Aufbringen der Aluminiumschicht auf den Grundwerkstoff eine Rissstopschicht aufgebracht wird. Hierfür kommen jegliche geeignete Verfahren in Betracht. Dadurch kann eine sowohl hinsichtlich der Temperaturbeständigkeit als auch der Ermüdungsbeständigkeit verbesserte Oberfläche geschaffen werden, welche die vorangehend im Zusammenhang mit dem dadurch erzeugten Bauteil beschriebenen Vorteile aufweist. Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen den bevorzugten Ausführungsformen des dadurch erzeugten Bauteils.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer beispielhaft in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
schematisch den Oberflächenbereich eines erfindungsgemäßen Kolbens in einem Bearbeitungsstadium; und
Fig. 2
den in Fig. 1 gezeigten Oberflächenbereich im endgültigen Zustand.
Ausführliche Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung
In Fig. 1 ist in einer Schnittansicht schematisch der Aufbau des Oberflächenbereichs eines erfindungsgemäßen Bauteils, insbesondere eines Kolbens dargestellt. Hierbei ist zunächst auf dem Grundwerkstoff 10 eine Rissstopschicht 12 und nachfolgend eine Schicht 14 aus reinem Aluminium aufgebracht worden.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, wurde die Aluminiumschicht nachfolgend teilweise anodisiert, so dass die Oberfläche durch eine äußerst glatte und homogene Hartanodisierschicht 16 gebildet wird, unterhalb der sich eine Rest-Schicht 14 aus reinem Aluminium befindet. Diese verschlechtert zusammen mit der Rissstopschicht 12 den Wärmedurchgang zu dem Grundwerkstoff 10 und verhindert darüber hinaus, dass sich Risse, die sich an der Oberfläche bilden können, zu dem Grundwerkstoff 10 ausbreiten können.

Claims (14)

  1. Bauteil, insbesondere Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Grundwerkstoff (10), einer darauf zumindest bereichsweise aufgebrachten Rissstopschicht (12) mit einer Dicke von zumindest 3 µm und einer auf der Rissstopschicht (12) aufgebrachten, zumindest teilweise anodisierten Aluminiumschicht (14).
  2. Bauteil nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Rissstopschicht (12) eine Dicke von zumindest 5 µm, vorzugsweise von 10 bis 140 µm aufweist.
  3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Rissstopschicht (12) duktil ist.
  4. Bauteil nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Rissstopschicht (12) aus Nickel, Silber, Chrom, Eisen oder einer Legierung mit zumindest einem dieser Metalle besteht.
  5. Bauteil nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Aluminiumschicht (14) zumindest teilweise im metallischen Zustand belassen ist.
  6. Bauteil nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Grundwerkstoff (10) Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist.
  7. Bauteil nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    dieses ein Kolben, und die Beschichtung am Kolbenboden vorgesehen ist.
  8. Verfahren zur Herstellung einer hochbelastbaren Oberfläche auf einem Bauteil, insbesondere auf einem Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit dem Aufbringen einer Rissstopschicht mit einer Dicke von mindestens 3 µm und dem Aufbringen und zumindest teilweise Anodisieren einer Aluminiumschicht auf die Rissstopschicht.
  9. Verfahren nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Rissstopschicht mit einer Dicke von mindestens 5 µm, bevorzugt 10 bis 40 µm aufgebracht wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine duktile Rissstopschicht aufgebracht wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Rissstopschicht aus Nickel, Silber, Chrom, Eisen oder einer Legierung mit zumindest einem dieser Metalle besteht.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Aluminiumschicht teilweise im metallischen Zustand belassen wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass
    der Grundwerkstoff des Bauteils Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Beschichtung am Kolbenboden eines Kolbens ausgebildet wird.
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