EP1848839A2 - Schutzschicht gegen heissgaskorrosion im verbrennungsraum einer brennkraftmaschine - Google Patents

Schutzschicht gegen heissgaskorrosion im verbrennungsraum einer brennkraftmaschine

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EP1848839A2
EP1848839A2 EP06706649A EP06706649A EP1848839A2 EP 1848839 A2 EP1848839 A2 EP 1848839A2 EP 06706649 A EP06706649 A EP 06706649A EP 06706649 A EP06706649 A EP 06706649A EP 1848839 A2 EP1848839 A2 EP 1848839A2
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Definitions

  • the invention relates to a coating of a tribologically highly resilient component of an internal combustion engine according to the features of the preamble of patent claim 1.
  • the invention is therefore based on the object to provide a coating of a tribologically highly resilient component from which results in a high temperature resistant corrosion protection layer for the component.
  • this object is achieved in that the coating is a ceramic coating of an organic-inorganic prepolymer, which is pyrolisierbar after application to the component.
  • the metals may be of the group Si (silicon), Ti (titanium), Zr (zirconium), Al (aluminum, Sn (tin) or Ce (cerium), although the list is not exhaustive (Pyrolysis) at temperatures in particular in the combustion chamber between 200 ° C and 450 ° C completely or partially converted into oxides and sintered together, so that the high temperature resistant protective layer is formed against hot gas corrosion.
  • a thin coating of the organic / inorganic prepolymer is applied to the component and then subjected to pyrolysis.
  • the particular advantage of the coating is on the one hand, that it is very thin, on the other hand, the baking process (pyrolysis) must not necessarily be made in the manufacture of the component, but can take place after installation of the component and its commissioning.
  • the coating in a piston of an internal combustion engine so the coating can be applied to the manufacturer of the piston, while the actual pyrolysis takes place only when the piston has been installed in the Brennkraftmaschi ⁇ e and this has been put into operation.
  • the coating is baked and provides a high temperature resistant protective layer of the piston crown against hot gas corrosion in the combustion chamber of the internal combustion engine, so that the life of the piston is significantly increased. It should be remembered in accordance with the invention that the entire piston crown, whether with or without combustion bowl, is provided with the coating according to the invention.
  • the piston has a Bren ⁇ raummulde, it can be thought that only the combustion bowl is completely coated or even the trough edge region of the combustion bowl, in order to effectively protect the there particularly claimed by the hot gas corrosion area.
  • the oxidation-resistant metallic particles mixed into the precursors may consist of Al, Cu, Fe, Cr, Ni or Co., the list also not being complete here.
  • an alloy of said metallic particles can be used, which serve to adjust the coefficient of thermal expansion and as a filler to avoid shrinkage cracks during pyrolysis.
  • the thermal expansion coefficient of the coating is adapted to the material of the component by the admixture of said materials and on the other hand, material stresses, in particular shrinkage cracks, effectively prevented.
  • color pigments are added to the coating. It goes without saying that the added color pigments are also heat resistant. For example, black or other dark pigments can be used to increase radiation absorption, resulting in improved heat radiation.
  • metallic pigments are added to the coating.
  • Such metallic pigments serve to increase the reflectance and also effectively prevent hot gas corrosion by reducing the component temperature.
  • the thermal expansion coefficients of the component and of the coating can also be adapted to one another by the metallic pigments, so that the thermal stresses between the coating and the component are reduced.
  • ceramic fillers are added to the coating. These ceramic fillers (in particular nanoparticles) increase the lubricity of the coating, so that not only prevents hot gas corrosion, but also reduces the friction of the coating.
  • the coating z. B. by spraying, dipping, knife coating or the like, is applied to the component. This is followed by drying, wherein either after drying the component is subjected to a heat treatment, whereby the coating is baked.
  • this may be waived by the manufacturer of the component, in particular the piston, namely, if the component is supplied to those who install it and then subjected to the heat treatment in the operating state. So it is the rule that a supplier of an automobile manufacturer produces pistons and then provides them with the coating according to the invention, which is initially only dried. If the piston supplied to the car manufacturer or to the manufacturer of the internal combustion engine, it can be installed, wherein the baking of the coating takes place at the first startup of the internal combustion engine. Further measures for the burn-in are then no longer required, then the high-temperature-resistant corrosion protection layer is available directly when the internal combustion engine is put into operation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beschichtung eines tribologisch hoch belastbaren Bauteils, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Beschichtung eine keramische Beschichtung aus einem organisch-anorganischen Präpolymer ist, das nach Aufbringung auf das Bauteil pyrolysierbar ist.

Description

B E S C H R E I B U N G
Schutzschicht gegen Heißgaskorrosion im Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Beschichtung eines tribologisch hochbelastbaren Bauteils einer Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1.
Die von heißen Verbrennungsgasen überstrichenen Flächen im Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine neigen grundsätzlich zu einer Oxidation. Davon betroffen sind insbe- sondere die Koibenböden der Kolben der Brennkraftmaschine, egai um welche Bauart von Kolben es sich handelt, ebenso kommt es zu diesen Oxidationen bei Stah!- und Leichtbaukolben. Aufgrund der resultierenden Heißgaskorrosion und der daraus resultierenden ther- mo-mechanischen Beanspruchung der Bereiche des Kolbenbodens, insbesondere der Randbereiche, wenn der Kolben eine Brennraummulde aufweist, kommt es zu Brüchen im Bereich des Kolbenbodens.
Hiergegen sind schon Maßnahmen ergriffen worden, die allesamt bisher unzufriedenstellend sind. Aus der DE 196 29 399 A1 ist ein temperaturstabiler Hochtemperaturlack auf Basis von Polyphosphaten, Chromaten und Aluminiumpulver bekannt, der aber aufgrund von Umwelt- Schutzvorschriften schwierig in der Handhabung eines Produktionsprozesses ist. Aus der DE 40 03 038 C1 ist aus verschiedenen Materialien eine mehrlagige Schicht aus Grundschicht, Mittelschicht sowie Deckschicht bekannt, die bei der Produktion eines Kolbens nur aufwändig aufzubringen ist. Aus der DE 100 29 810 A1 sind plasmagespritzte Schichten bekannt, die ebenfalls produktionsaufwändig sind. Aus der DE 198 52 285 C2 ist es bekannt, durch ein entsprechendes Verfahren den Wärmeausdehnungskoeffizienten von Glas, Metall und Keramik anzupassen, wobei kein Bezug zu Brennkraftmaschinen genannt ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Beschichtung eines tribologisch hochbelastbaren Bauteils bereitzustellen, aus der eine hochtemperaturfeste Korrosionsschutz- Schicht für das Bauteil resultiert. Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Beschichtung eine keramische Beschichtung aus einem organisch-anorganischen Präpolymer ist, der nach Aufbringung auf das Bauteil pyrolisierbar ist.
Die Metalle können aus der Gruppe Si (Silicium), Ti (Titan), Zr (Zirkonium), AI (Aluminium, Sn (Zinn) oder Ce (Cer) sein, wobei die Aufstellung nicht vollständig ist. Diese Metalle werden im Verlauf des Einbrennens (Pyrolyse) bei Temperaturen insbesondere im Brennraum zwischen 200° C und 450° C vollständig oder teilweise in Oxide umgewandelt und miteinander versintert, so dass die hochtemperaturfeste Schutzschicht gegen Heißgaskorrosionen entsteht.
Auf das Bauteil wird eine dünne Beschichtung aus dem organisch/anorganischen Präpolymer aufgebracht und anschließend einer Pyrolyse unterzogen. Der besondere Vorteil der Beschichtung ist einerseits, dass sie sehr dünn ist, andererseits muß der Einbrennprozeß (Pyrolyse) nicht zwangsweise bei der Herstellung des Bauteiles vorgenommen werden, sondern kann nach dem Einbau des Bauteils und dessen Inbetriebnahme stattfinden. Bei Anwendung der Beschichtung bei einem Kolben einer Brennkraftmaschine kann also die Beschichtung bei dem Hersteller des Kolbens aufgebracht werden, während die eigentliche Pyrolyse erst stattfindet, wenn der Kolben in die Brennkraftmaschiπe eingebaut und diese in Betrieb genommen worden ist. Nach den ersten Verbrennungen ist die Beschichtung eingebrannt und bietet eine hochtemperaturfeste Schutzschicht des Kolbenbodens gegen Heißgaskorrosionen im Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine, so dass die Lebensdauer des Kolbens wesentlich gesteigert wird. Dabei ist in erfindungsgemäßer Weise daran zu denken, dass der vollständige Kolbenboden, egal ob mit oder ohne Brennraummulde, mit der erfindungsgemäßen Beschichtung versehen wird. Hat der Kolben eine Brenπraummulde, kann daran gedacht werden, dass nur die Brennraummulde vollständig beschichtet wird oder auch nur der Muldenrandbereich der Brennraummulde, um den dort besonders durch die Heißgaskorrosion beanspruchten Bereich wirksam zu schützen.
In der oxidischen Matrix können die in die Precursoren eingemischten oxidationsbeständigen metallischen Partikel aus AI, Cu, Fe, Cr, Ni oder Co bestehen, wobei auch hier die Aufzählung nicht vollständig ist. Außerdem ist eine Legierung aus den genannten metallischen Partikeln einsetzbar, die der Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten und als Füllstoff zur Vermeidung von Schrumpfungsrissen bei der Pyrolyse dienen. Damit wird durch die Beimischung dieser genannten Materialien einerseits der Wärmeausdehnungskoeffizient der Beschichtung an das Material des Bauteiles angepaßt und andererseits werden Materialspannungen, insbesondere Schrumpfungsrisse, wirksam verhindert. In Weiterbildung der Erfindung sind der Beschichtung Farbpigmente beigemischt. Dabei versteht es sich von selbst, dass die beigemischten Farbpigmente ebenfalls hitzebeständig sind. So können zum Beispiel schwarze oder sonstige dunkle Pigmente zur Erhöhung der Strahlungsabsorbtion verwendet werden, woraus eine verbesserte Wärmeabstrahlung resultiert.
In Weiterbildung der Erfindung sind der Beschichtung metallische Pigmente beigemischt. Solche metallischen Pigmente dienen der Erhöhung des Reflexionsgrades und verhindern durch die Verringerung der Bauteiltemperatur ebenfalls wirksam eine Heißgaskorrosion. Außerdem lassen sich auch durch die metallischen Pigmente die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Bauteiles und der Beschichtung aneinander anpassen, so dass die thermischen Spannungen zwischen der Beschichtung und dem Bauteil abgebaut werden.
In Weiterbildung der Erfindung sind der Beschichtung keramische Füllstoffe (Partikel) beigemischt. Diese keramischen Füllstoffe (insbesondere Nanopartikel) erhöhen die Gleitfähigkeit der Beschichtung, so dass nicht nur Heißgaskorrosionen verhindert, sondern auch die Reibung der Beschichtung herabgesetzt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können auch mehrere der vorgenannten Pigmentarten miteinander kombiniert werden.
'Ein einfacher und kostengünstiger Herstellungsprozeß besteht darin, dass die Beschichtung z. B. durch Spritzen, Tauchen, Rakeln oder dergleichen, auf das Bauteil aufgebracht wird. Anschließend erfolgt eine Trocknung, wobei entweder nach dem Trocknen das Bauteil einer Hitzebehandlung unterzogen wird, wodurch die Beschichtung eingebrannt wird. Hierauf kann allerdings beim Hersteller des Bauteiles, insbesondere des Kolbens, verzichtet werden, wenn nämlich das Bauteil an denjenigen geliefert wird, der es einbaut und im Betriebszustand dann der Hitzebehandlung unterzogen wird. So ist es der Regelfall, dass ein Zulieferer eines Automobilherstellers Kolben herstellt und diese dann mit der erfindungsgemäßen Beschichtung versieht, die zunächst nur eingetrocknet ist. Wird der Kolben an den Automobilhersteller bzw. an den Hersteller der Brennkraftmaschine geliefert, kann er eingebaut werden, wobei das Einbrennen der Beschichtung bei der ersten Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine erfolgt. Weitere Maßnahmen für das Einbrennen sind dann nicht mehr erfor- derlich, so dann direkt mit Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine die hochtemperaturfeste Korrosionsschutzschicht zur Verfügung steht.

Claims

Patentansprüche
1. Beschichtung eines tribologisch hoch belastbaren Bauteils, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine keramische Beschichtung aus einem organisch-anorganischen Präpolymer ist, das nach Aufbringung auf das Bauteil pyrolysierbar ist.
2. Beschichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus einbrennbaren Metall-Alkoxiden und/oder polymerisierbaren organometallischen Verbindungen in organischen Lösungsmitteln hergestellbar ist.
3. Beschichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichtung metallische Pigmente beigemischt sind.
4.
Beschichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichtung Farbpigmente beigemischt sind.
5.
Beschichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichtung keramische Partikel, insbesondere Nanopartikel, beigemischt sind.
6.
Beschichtung nach einem der Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung zumindest zwei der Pigmentarten beigemischt sind.
7.
Kolben einer Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch eine Beschichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche eines Kolbenbodens des Kolbens.
8.
Kolben einer Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch eine Beschichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zumindest eines Muldenrandes einer in einem Kolbenboden des Kolbens vorhandenen Brennraummulde.
9.
Kolben nach Anspruch 8 einer Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch eine Beschichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche der vollständigen Brennraummulde.
EP06706649A 2005-02-15 2006-02-04 Schutzschicht gegen heissgaskorrosion im verbrennungsraum einer brennkraftmaschine Not-in-force EP1848839B1 (de)

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