EP3207167A2 - Beschichtung für bauteile von brennkraftmaschinen - Google Patents

Beschichtung für bauteile von brennkraftmaschinen

Info

Publication number
EP3207167A2
EP3207167A2 EP15781911.1A EP15781911A EP3207167A2 EP 3207167 A2 EP3207167 A2 EP 3207167A2 EP 15781911 A EP15781911 A EP 15781911A EP 3207167 A2 EP3207167 A2 EP 3207167A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coating
internal combustion
combustion engines
mass fraction
components
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15781911.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Hanke
Leander Schramm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KS Kolbenschmidt GmbH
Original Assignee
KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KS Kolbenschmidt GmbH filed Critical KS Kolbenschmidt GmbH
Publication of EP3207167A2 publication Critical patent/EP3207167A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/10—Pistons  having surface coverings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/06—Metallic material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • C22C32/0005—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with at least one oxide and at least one of carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • C22C32/001—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with only oxides
    • C22C32/0015—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with only oxides with only single oxides as main non-metallic constituents
    • C22C32/0031—Matrix based on refractory metals, W, Mo, Nb, Hf, Ta, Zr, Ti, V or alloys thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • C22C32/001—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with only oxides
    • C22C32/0015—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with only oxides with only single oxides as main non-metallic constituents
    • C22C32/0036—Matrix based on Al, Mg, Be or alloys thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • C22C32/0047—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents
    • C22C32/0052—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents only carbides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/131—Wire arc spraying
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/004—Cylinder liners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/10—Pistons  having surface coverings
    • F02F3/12—Pistons  having surface coverings on piston heads

Definitions

  • the invention relates to a coating for components of internal combustion engines, in particular for cylinder and / or piston surfaces, according to the features of the preambles of the independent claims.
  • This coating for components of internal combustion engines is suitable for example as a corrosion and wear-resistant cylinder surface for low friction in internal combustion engines.
  • This corrosion and wear resistant cylinder surface for low friction in internal combustion engines is in turn particularly suitable for use in diesel engines.
  • the object of the invention is therefore to provide an improved corrosion and wear resistant cylinder surface for low friction in internal combustion engines.
  • the object is achieved according to the invention in that a coating for components of internal combustion engines, in particular for cylinder and / or piston surfaces is proposed, wherein the coating chromium with a mass fraction between 1 and 30%, preferably between 5 and 20%, in particular 1 1%, wherein the coating iron having a mass fraction of between 0 and 50%, preferably between 15 and 35%, in particular with 25%, wherein the coating carbides and / or oxides with a mass fraction between 0 and 50%, preferably between 15 and 35%, in particular with 25% and wherein the coating has a solid lubricant with a mass fraction of between 0 and 30%, preferably between 5 and 15%, in particular with 10%.
  • the chromium content increases the wear resistance and corrosion resistance of the coating.
  • the coating according to the invention leads to an improvement in the exhaust gas behavior and to a reduction in fuel consumption.
  • the oxides are aluminum oxide and / or zirconium oxide. Oxides lead to an improvement in the wear resistance of components of internal combustion engines, in particular of cylinder and / or piston surfaces.
  • the invention provides that the carbides are chromium carbide and / or boron carbide. Carbides lead to an improvement in the wear resistance of components of internal combustion engines, in particular of cylinder and / or piston surfaces.
  • the invention provides that the solid lubricant is molybdenum disulfide, tungsten disulfide and / or iron oxide.
  • Solid lubricants lead to an improvement in the sliding friction of components of internal combustion engines, in particular of cylinder and / or piston surfaces.
  • the invention provides that the coating has pores. Pores lead to an improvement in the sliding friction of components of internal combustion engines, in particular of cylinder and / or piston surfaces by the inclusion of lubricants from the lubrication circuit of the Internal combustion engine. Pores form a reservoir for lubricant during operation of the internal combustion engine. Thus, the risk of lack of lubrication between the friction partners piston and cylinder wall is significantly reduced. The risk of failure of the internal combustion engine, which has components provided with the coating according to the invention, is reduced.
  • the invention provides that the pores have a pore area greater than 1000 ⁇ 2 , preferably between 250 and 1500 ⁇ 2 , preferably between 500 and 1000 m 2 .
  • the pore surface is a measure of the contact points between stored in the pores lubricant and the respective friction partner.
  • the invention provides that the pores have an average pore volume between 1000 and 60000 m 3 , preferably between 2000 and 40 000 m 3 , in particular between 6000 and 10000 m 3 .
  • the pore volume defines the absorbency of lubricant in the surface of the coating.
  • the coating has a top roughness depth of less than 0.30, preferably less than 0.20, in particular less than 0.10.
  • the invention provides that the coating has a core roughness depth of less than 0.40, preferably less than 0.30, in particular less than 0.20.
  • a corrosion and wear resistant cylinder surface and / or surface of a piston for low friction internal combustion engines obtained by a wire spraying method having a chromium content in the range of 1% to 30%, preferably 9% to 13%, again preferably 1 1%, and other solids contents, in total 100%, dissolved.
  • the coating according to the invention can be made, for example, using a wire-spraying process, e.g. PTWA be applied to components of internal combustion engines with alloyed solid wires, or with filler-filled filler wire and smooth honing.
  • a wire-spraying process e.g. PTWA be applied to components of internal combustion engines with alloyed solid wires, or with filler-filled filler wire and smooth honing.
  • a PTWA (Plasma Transferred Wire Are) coating system is a system for coating bores with a diameter of 65 to 350 mm.
  • the spray additive is fed in wire form.
  • the nozzle unit may consist of a thorium-doped tungsten cathode, an air-cooled pilot nozzle made of copper and an electrically conductive wire-shaped filler material which is fed perpendicular to the pilot nozzle.
  • the plasma gas a mixture of hydrogen and argon, is supplied through bores located tangentially to the periphery in the cathode holder.
  • the position of the cylinder bores creates a gas flow twisted along the cathode, which escapes through the nozzle at high speed.
  • the process is started by a high-voltage discharge which ionizes and dissociates the plasma gas between the pilot nozzle and the cathode.
  • the plasma thus generated flows through the nozzle orifice at high speed and expands along the longitudinal axis of the nozzle.
  • the plasma is transported to the perpendicular to the nozzle continuously supplied wire filler material, whereby the electric circuit is closed.
  • Melting and atomization of the wire are influenced in two ways.
  • the wire is on the one hand by high currents, for example, with 65 to 90 amps, resistance heated.
  • the impact of the plasma on the preheated wire ensures its melting and atomization.
  • a source of plasma gas for generating a plasma gas stream
  • a nozzle body having a nozzle opening through which the plasma gas stream is passed as a plasma jet to a wire end
  • a second electrode disposed in the plasma gas stream prior to entering the nozzle orifice are concerned with such devices.
  • the plasma jet emerging from the nozzle opening strikes the end of the wire and there causes the wire to melt off with the arc and to remove the molten wire material in the direction of the surface to be coated.
  • Secondary air jets are provided around the nozzle orifice to form a secondary gas jet which strikes the material melted from the wire end to effect an acceleration of transport toward the surface to be coated and a secondary atomization of the molten wire material.
  • Today's internal combustion engines or their engine blocks can be made of a metal or light metal, such. Cast aluminum, in particular aluminum blocks have on their cylinder bores an iron or metal layer. The metal layer may be thermally sprayed.
  • thermal spraying processes in addition to two-wire arc spraying (TWA), HVOF spraying and plasma powder spraying, the above-mentioned processes are known as plasma wire spraying or PTWA (Plasma Transferred Wire Are).
  • a coating of the cylinder bores by means of the plasma wire spraying method, ie with the PTWA is advantageous because it is possible to produce a coating which has a positive effect on a reduced wear factor, on an extended service life of the internal combustion engine with lower oil consumption compared to conventional ones Linings with cast-in liners made of gray cast iron material.
  • a coating for components of internal combustion engines, in particular for cylinder and / or piston surfaces according to the invention may have the following composition, the content of the respective substance in the coating is as Chromium content 1 to 30%, preferably 1 1%, solids content such as alumina, zirconium oxide, chromium carbide, boron carbide 0 to 50% total content, preferably 25%, solid lubricant such as molybdenum disulfide, tungsten disulfide, iron oxide 0 to 30% preferably 10%.
  • the honing structure within the cylinder running surface is carried out, for example, as follows R. pk ⁇ 0, 1, R.k. ⁇ 0.4, R.vk. from the porosity of the carving layer.
  • exhaust gas recirculation takes place only in the partial load range, since the engine runs particularly lean here. For cold start, warm-up and full load exhaust gas recirculation does not make sense. Exhaust gas recirculation sometimes takes place at idle, but only for a limited time. A return of the exhaust gases at full load would lead to black smoke formation and loss of performance due to the lack of air produced.
  • a reduction of the combustion temperature always results in a reduction of the NOx content in the exhaust gas.
  • the following table compares the coatings 1, 2 and 3 according to the invention for components of internal combustion engines, in particular for cylinder and / or piston surfaces. All coatings lead to a reduction in the friction between the cylinder wall and the piston. The coatings 2 and 3 additionally increase the corrosion resistance of components for internal combustion engines.
  • a chrome diamond coating (GDC @) has extremely low wear rates, excellent frictional / sliding properties and very accurate, permanent formability.
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • DLC Amorphous Carbon Layer (English: diamond-like carbon)

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
  • Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beschichtung für Bauteile von Brennkraftmaschinen, insbesondere für Zylinder-und/oder Kolbenoberflächen, wobei die Beschichtung Chrom mit einem Massenanteil zwischen 1 und 30%, vorzugsweise zwischen 5 und 20%, insbesondere mit 11% aufweist, wobei die Beschichtung Eisen mit einem Massenanteil zwischen 0 und 50%, vorzugsweise zwischen 15 und 35%, insbesondere mit 25% aufweist, wobei die Beschichtung Karbide und/oder Oxide mit einem Massenanteil zwischen 0 und 50%, vorzugsweise zwischen 15 und 35%, insbesondere mit 25% aufweist und wobei die Beschichtung einen Festschmierstoff mit einem Massenanteil zwischen 0 und 30%, vorzugsweise zwischen 5 und 15%, insbesondere mit 10% aufweist.

Description

Besch ichtung für Bauteile von Brennkraftmaschinen
B E S C H R E I B U N G
Die Erfindung betrifft eine Beschichtung für Bauteile von Brennkraftmaschinen, insbesondere für Zylinder- und/oder Kolbenoberflächen, gemäß den Merkmalen der Oberbegriffe der unabhängigen Patentansprüche.
Diese Beschichtung für Bauteile von Brennkraftmaschinen, insbesondere für Zylinder- und/oder Kolbenoberflächen, eignet sich beispielsweise als korrosions- und verschleißbeständige Zylinderoberfläche für niedrige Reibung in Brennkraftmaschinen. Diese korrosions- und verschleißbeständige Zylinderoberfläche für niedrige Reibung in Brennkraftmaschinen eignet sich wiederum insbesondere zur Verwendung in Dieselmotoren.
Es besteht der Bedarf zur Reduzierung der Übergangsreibung zur Erzielung eines niedrigereren Kraftstoffverbrauchs sowie der Erhöhung der Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit gegen Abgasrückführungs- und Schlechtkraftstoffkondensate für Dieselmotoren ab Euro 6.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, eine Plasmabeschichtung mit Pulver unterschiedlichen Chrom- Molybdän- und Feststoffgehalts auf Bauteile für Brennkraftmaschinen aufzubringen. Eine derartige Plasmabeschichtung wird beispielsweise auf Zylinder aus Edelstahl aufgebracht.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verbesserte korrosions- und verschleißbeständige Zylinderoberfläche für niedrige Reibung in Brennkraftmaschinen, bereitzustellen. Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass eine Beschichtung für Bauteile von Brennkraftmaschinen, insbesondere für Zylinder- und/oder Kolbenoberflächen vorgeschlagen wird, wobei die Beschichtung Chrom mit einem Massenanteil zwischen 1 und 30 %, vorzugsweise zwischen 5 und 20 %, insbesondere mit 1 1 % aufweist, wobei die Beschichtung Eisen mit einem Massenanteil zwischen 0 und 50 %, vorzugsweise zwischen 15 und 35 %, insbesondere mit 25 % aufweist, wobei die Beschichtung Karbide und/oder Oxide mit einem Massenanteil zwischen 0 und 50 %, vorzugsweise zwischen 15 und 35 %, insbesondere mit 25 % aufweist und wobei die Beschichtung einen Festschmierstoff mit einem Massenanteil zwischen 0 und 30 %, vorzugsweise zwischen 5 und 15 %, insbesondere mit 10 % aufweist. Hierbei erhöht der Chromanteil die Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit der Beschichtung. Die erfindungsgemäße Beschichtung führt zu einer Verbesserung des Abgasverhaltens und zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Oxide Aluminiumoxid und/oder Zirkonoxid sind. Oxide führen zu einer Verbesserung der Verschleißbeständigkeit von Bauteilen von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Zylinder- und/oder Kolbenoberflächen.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Karbide Chromkarbid und/oder Borkabid sind. Karbide führen zu einer Verbesserung der Verschleißbeständigkeit von Bauteilen von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Zylinder- und/oder Kolbenoberflächen.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Festschmierstoff Molybdändisulfid, Wolframdisulfid und/oder Eisenoxid ist. Festschmierstoffe führen zu einer Verbesserung der Gleitreibung von Bauteilen von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Zylinder- und/oder Kolbenoberflächen.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Beschichtung Poren aufweist. Poren führen zu einer Verbesserung der Gleitreibung von Bauteilen von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Zylinder- und/oder Kolbenoberflächen durch die Aufnahme von Schmiermitteln aus dem Schmierkreislauf der Brennkraftmaschine. Poren bilden ein Reservoir für Schmiermittel während des Betriebs der Brennkraftmaschine. So wird die Gefahr einer Mangelschmierung zwischen den Reibpartnern Kolben und Zylinderwand deutlich herabgesetzt. Die Gefahr des Ausfalls der Brennkraftmaschine, welche mit der erfindungsgemäßen Beschichtung versehene Bauteile aufweist wird verringert.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Poren eine Porenfläche größer 1000 μιτι2, vorzugsweise zwischen 250 und 1500 μιτι2, vorzugsweise zwischen 500 und 1000 m2 aufweisen. Die Porenfläche ist ein Maß für die Kontaktstellen zwischen in den Poren gespeichertem Schmiermittel und dem jeweiligen Reibpartner.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Poren ein mittleres Porenvolumen zwischen 1000 und 60000 m3, vorzugsweise zwischen 2000 und 40000 m3, insbesondere zwischen 6000 und 10000 m3 aufweisen. Das Porenvolumen definiert die Aufnahmefähigkeit von Schmiermittel in die Oberfläche der Beschichtung.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Beschichtung eine Spitzenrauhtiefe kleiner 0,30, vorzugsweise kleiner 0,20, insbesondere kleiner 0,10 aufweist.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Beschichtung eine Kernrauhtiefe kleiner 0,40, vorzugsweise kleiner 0,30, insbesondere kleiner 0,20 aufweist. Je glatter die Oberfläche der Beschichtung ausgeführt ist, desto geringer ist die Reibung zwischen den Reibpartnern. Eine geringe Reibung zwischen Kolben und Zylinderwand führt zur Einsparung von Kraftstoff beim Betrieb der Brennkraftmaschine.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Korrosions- und verschleißbeständige Zylinderoberfläche und/oder Oberfläche eines Kolbens für Brennkraftmaschinen für niedrige Reibung, erzielt durch ein Drahtspritzverfahren mit einem Chromgehalt im Bereich von 1 % bis 30 %, vorzugsweise 9 % bis 13 %, wiederum vorzugsweise 1 1 %, und anderen Feststoffgehalten, in Summe 100 %, gelöst.
Die erfindungsgemäße Beschichtung kann beispielsweise unter Verwendung eines Drahtspritzverfahrens, z.B. PTWA mit legierten Massivdrähten, bzw. mit Feststoffen gefülltem Zusatzdraht und glatter Honung auf Bauteile von Brennkraftmaschinen aufgebracht werden.
Zur Beschichtung von Zylinderlaufflächen eignet sich beispielsweise eine PTWA- Innenbeschichtungsanlage. Bei einem PTWA (Plasma Transferred Wire Are) Beschichtungssystem handelt es sich um eine Anlage zur Beschichtung von Bohrungen mit einem Durchmesser von 65 bis 350 mm. Der Spritzzusatzwerkstoff wird dabei drahtförmig zugeführt. Die Düseneinheit kann aus einer mit Thorium dotierten Wolframkathode, einer luftgekühlten Pilotdüse aus Kupfer und einem elektrisch leitfähigen drahtförmigen Zusatzwerkstoff, der senkrecht zur Pilotdüse zugeführt wird bestehen. Das Plasmagas, eine Mischung aus Wasserstoff und Argon, wird durch im Kathodenhalter angebrachte, tangential zum Umfang liegende Bohrungen zugeführt. Durch die Lage der Zylinderbohrungen entsteht ein längs der Kathode verdrallter Gasstrom, der mit hoher Geschwindigkeit durch die Düse entweicht. Der Vorgang wird durch eine Hochspannungsentladung, welche das Plasmagas zwischen Pilotdüse und Kathode ionisiert und dissoziiert, gestartet. Das so erzeugte Plasma strömt mit hoher Geschwindigkeit durch die Düsenmündung und dehnt sich entlang der Längsachse der Düse aus. Dabei wird das Plasma zum senkrecht zur Düse kontinuierlich zugeführten Drahtzusatzwerkstoff hin transportiert, wodurch der elektrische Kreis geschlossen wird. Aufschmelzen und Zerstäubung des Drahtes werden dabei zweifach beeinflusst. Der Draht wird zum einen durch große Stromstärken, beispielweise mit 65 bis 90 Ampere, widerstandserhitzt. Der Aufprall des Plasmas auf den vorgeheizten Draht sorgt für sein Aufschmelzen und seine Zerstäubung.
Vorrichtungen zum thermischen Beschichten einer Oberfläche sind zum Beispiel in der US 6,372,298 B1 , der US 6,706,993 B1 und der WO2010/1 12567 A1 beschrieben. Die dort genannten Vorrichtungen weisen gemeinsam auf: Eine Drahtzuführeinrichtung zur Zuführung eines abschmelzenden Drahtes, wobei der Draht als Elektrode wirkt; eine Quelle für Plasmagas zur Erzeugung eines Plasmagasstromes; einen Düsenkörper mit einer Düsenöffnung, durch die der Plasmagasstrom als Plasmagasstrahl auf ein Drahtende geleitet wird; und einer zweiten Elektrode, die im Plasmagasstrom angeordnet ist, bevor dieser in die Düsenöffnung eintritt. Auch die US 6,610,959 B2 und die WO2012/95371 A1 beschäftigen sich mit solchen Vorrichtungen.
Zwischen den beiden Elektroden bildet sich durch die Düsenöffnung hindurch ein Lichtbogen aus. Der aus der Düsenöffnung austretende Plasmastrahl trifft auf das Drahtende und bewirkt dort mit dem Lichtbogen ein Abschmelzen des Drahtes und den Abtransport des geschmolzenen Drahtmaterials in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche. Ringförmig um die Düsenöffnung herum sind Sekundärluftdüsen angebracht, durch die ein Sekundärgasstrahl erzeugt wird, der das vom Drahtende abgeschmolzene Material trifft und so eine Beschleunigung des Transportes in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche und eine Sekundärzerstäubung des geschmolzenen Drahtmaterials bewirkt.
Heutige Brennkraftmaschinen bzw. deren Motorblöcke können aus einem Metall oder Leichtmetall, wie z.B. Aluminium gegossen sein, wobei insbesondere Aluminiumblöcke an ihren Zylinderbohrungen eine Eisen- bzw. Metallschicht aufweisen. Die Metallschicht kann thermisch aufgespritzt sein. Als thermische Spritzverfahren sind neben Zweidraht-Lichtbogen-Spritzverfahren (TWA), HVOF- Spritzverfahren und Plasma-Pulver- Spritzverfahren die oben genannten Verfahren als Plasma-Draht-Spritzverfahren oder auch als PTWA (Plasma Transferred Wire Are) bekannt. Eine Beschichtung der Zylinderbohrungen mit Hilfe der Plasma-Draht- Spritzverfahren, also mit dem PTWA ist dahin vorteilhaft, weil so eine Beschichtung hergestellt werden kann, welche sich positiv auf einen reduzierten Verschleißfaktor, auf eine verlängerte Lebensdauer der Brennkraftmaschine bei geringerem Ölverbrauch im Vergleich zu konventionellen Auskleidungen mit eingegossenen Laufbuchsen aus Graugussmaterial auswirkt.
Eine Beschichtung für Bauteile von Brennkraftmaschinen, insbesondere für Zylinder- und/oder Kolbenoberflächen kann erfindungsgemäß folgende Zusammensetzung aufweisen, der Gehalt der jeweiligen Substanz in der Beschichtung wird als Massenanteil angegeben Chromgehalt 1 bis 30 %, vorzugsweise 1 1 %, Feststoffgehalt wie Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Chromkarbid, Borkarbid 0 bis 50 % Gesamtgehalt, vorzugsweise 25 %, Festschmierstoff wie Molybdändisulfid, Wolframdisulfid, Eisenoxid 0 bis 30 % vorzugsweise 10 %.
Die Honstruktur innerhalb der Zylinderlauffläche wird beispielsweise wie folgt ausgeführt R. pk < 0, 1 , R.k. < 0,4, R.vk. aus der Porosität der Schnitzschicht.
Hierdurch wird ein niedriger Kraftstoffverbrauch durch schnellen Übergang in hydrodynamische Reibung aufgrund geringer Zylinderrauigkeit erzielt. Gleichzeitig wird ausreichendes Ölhaltevolumen aus der Porigkeit der Beschichtung bereitgestellt. Weitere Reibungsreduzierung wird durch eingelagerten Festschmierstoff erzielt. Korrosionsbeständigkeit wird durch balancierten Chromgehalt erzielt, Verschleißbeständigkeit durch balancierten Gehalt von Hartphasen. Gegenüber pulverbasiertem Verfahren besteht ein Kostenvorteil.
Niedriger Flottenverbrauch, erhöhte Leistungsdichte der Brennkraftmaschinen durch hohe Verschleißbeständigkeit der Zylinderlaufbahn, Korrosionsbeständigkeit bei hohen Rückführraten gekühlten Abgasrückführung (AGR) erforderlich ab Euro 6, auch nach Kaltphasen des Motors ohne aufwändige temperaturgeführte AGR- Steuerung.
Bei hohen Verbrennungstemperaturen (über 1800 °C) entstehen in einer Brennkraftmaschine zunehmend umweltschädliche Stickoxide. Um diese zu reduzieren, muss bei der Abgasrückführung (AGR) die Verbrennungstemperatur gesenkt werden. Mit Hilfe der Abgasrückführung wird die Entstehung von NOx bei Otto- oder Dieselbrennkraftmaschinen verringert. Um dies zu erreichen, wird bei der äußeren Abgasrückführung ein Teil des Abgases über ein Rohr zurück zur Saugseite geführt und dort dem Frischgas beigemischt. Die Regelung hierzu übernimmt ein außerhalb des Motors angebrachtes Abgasrückführventil.
Systembedingt wird während des Ansaugtaktes etwas Abgas durch das offene Auslassventil wieder angesaugt (interne Abgasrückführung). Die Rückführung von sauerstoffarmem und kohlendioxidhaltigem Abgas verdrängt Frischluft im Ansaugrohr und senkt den Sauerstoffanteil der Frischgase, wodurch die Verbrennungsgeschwindigkeit abninnnnt. Die höhere Wärmekapazität des Abgases gegenüber Frischluft senkt die Verbrennungstemperatur, da das vorhandene Kohlendioxid ein Teil der Verbrennungswärmemenge absorbiert. Man könnte auch sagen: Das Abgas nimmt nicht an der Verbrennung teil, muss aber jedoch mit aufgeheizt werden. Als Folge sinkt die Verbrennungstemperatur.
Durch das Verkleinern des Sauerstoffanteils und das Absenken der Verbrennungstemperatur reduzieren sich die Verbrennungstemperatur und damit die Abgastemperatur von den üblichen 700°C bis auf 400°C. Durch die Absenkung der Verbrennungstemperatur entsteht ein großer Teil der Stickoxide erst gar nicht mehr.
Die Abgasrückführung findet nur im Teillastbereich statt, da hier der Motor besonders mager läuft. Bei Kaltstart, Warmlauf und Volllast ist eine Abgasrückführung nicht sinnvoll. Die Abgasrückführung erfolgt manchmal auch im Leerlauf, jedoch nur mit begrenzter Dauer. Eine Rückführung der Abgase bei Volllast würde wegen des erzeugten Luftmangels zur Schwarzrauchbildung und zu Leistungsverlust führen.
Eine Absenkung der Verbrennungstemperatur hat immer eine Verringerung des NOx-Anteils im Abgas zur Folge.
In der nachfolgenden Tabelle werden die erfindungsgemäßen Beschichtungen 1 , 2 und 3 für Bauteile von Brennkraftmaschinen, insbesondere für Zylinder- und/oder Kolbenoberflächen gegenübergestellt. Alle Beschichtungen führen zu einer Verminderung der Reibung zwischen Zylinderwand und Kolben. Die Beschichtungen 2 und 3 erhöhen zusätzlich die Korrosionsbeständigkeit von Bauteilen für Brennkraftmaschinen.
Eine Chrom-Diamant-Beschichtung (GDC@) weist extrem niedrige Verschleißraten, bei ausgezeichneten Reib-/Gleiteigenschaften und einer sehr exakten, dauerhaften Formbarkeit auf.
GDC® - Chrom-Diamant-Beschichtung
PVD - Physikalische Gasphasenabscheidung (englisch: physical vapour deposition) DLC - amorphe Kohlenstoffschicht (englisch: diamond-like carbon)

Claims

Beschichtung für Bauteile von Brennkraftmaschinen
P A T E N T A N S P R Ü C H E 1 .
Beschichtung für Bauteile von Brennkraftmaschinen, insbesondere für Zylinder- und/oder Kolbenoberflächen, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Beschichtung Chrom mit einem Massenanteil zwischen 1 und 30 %, vorzugsweise zwischen 5 und 20 %, insbesondere mit 1 1 % aufweist,
- dass die Beschichtung Eisen mit einem Massenanteil zwischen 0 und 50 %, vorzugsweise zwischen 15 und 35 %, insbesondere mit 25 % aufweist,
- dass die Beschichtung Karbide und/oder Oxide mit einem Massenanteil zwischen 0 und 50 %, vorzugsweise zwischen 15 und 35 %, insbesondere mit 25 % aufweist und
- dass die Beschichtung einen Festschmierstoff mit einem Massenanteil zwischen 0 und 30 %, vorzugsweise zwischen 5 und 15 %, insbesondere mit 10 % aufweist.
2.
Beschichtung nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Oxide Aluminiumoxid und/oder Zirkonoxid sind.
3.
Beschichtung nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Karbide Chromkarbid und/oder Borkabid sind.
4.
Beschichtung nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der
Festschmierstoff Molybdändisulfid, Wolframdisulfid und/oder Eisenoxid ist.
5.
Beschichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung Poren aufweist.
6.
Beschichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren eine Porenfläche größer 1000 μηη2, vorzugsweise zwischen 250 und 1500 μηη2, vorzugsweise zwischen 500 und 1000 μηη2 aufweisen.
7.
Beschichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren ein mittleres Porenvolumen zwischen 1000 und 60000 μιτι3, vorzugsweise zwischen 2000 und 40000 μιτι3, insbesondere zwischen 6000 und 10000 μιτι3 aufweisen.
8.
Beschichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Spitzenrauhtiefe kleiner 0,30, vorzugsweise kleiner 0,20, insbesondere kleiner 0,10 aufweist.
9.
Beschichtung nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Kernrauhtiefe kleiner 0,40, vorzugsweise kleiner 0,30, insbesondere kleiner 0,20 aufweist.
10.
Korrosions- und verschleißbeständige Zylinderoberfläche und/oder Oberfläche eines Kolbens für Brennkraftmaschinen für niedrige Reibung, erzielt durch ein Drahtspritzverfahren mit einem Chromgehalt im Bereich von 1 % bis 30 %, vorzugsweise 9 % bis 13 %, wiederum vorzugsweise 1 1 %, und anderen Feststoffgehalten, in Summe 100 %.
EP15781911.1A 2014-10-17 2015-10-16 Beschichtung für bauteile von brennkraftmaschinen Withdrawn EP3207167A2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014115176 2014-10-17
PCT/EP2015/074064 WO2016059237A2 (de) 2014-10-17 2015-10-16 Beschichtung für bauteile von brennkraftmaschinen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP3207167A2 true EP3207167A2 (de) 2017-08-23

Family

ID=54337264

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP15781911.1A Withdrawn EP3207167A2 (de) 2014-10-17 2015-10-16 Beschichtung für bauteile von brennkraftmaschinen

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20170234264A1 (de)
EP (1) EP3207167A2 (de)
CN (1) CN107075655A (de)
DE (1) DE102015220251A1 (de)
MX (1) MX2017004776A (de)
WO (1) WO2016059237A2 (de)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016205199A1 (de) * 2016-03-30 2017-10-05 Federal-Mogul Nürnberg GmbH Gleitlack für die Beschichtung von Motorkolben
US20220048146A1 (en) * 2017-07-21 2022-02-17 Awa Forged Composites, Llc Method of Designing and Producing Fiber-Reinforced Polymer Pistons
CN110904402A (zh) * 2019-12-04 2020-03-24 中国第一汽车股份有限公司 一种自润滑减摩涂层及喷涂方法
CN111926231B (zh) * 2020-08-27 2021-08-03 湘潭大学 制备氧化物弥散强化MoNbTaVW难熔高熵合金方法
CN113502447A (zh) * 2021-07-21 2021-10-15 昆明理工大学 一种发动机缸孔内壁取代缸套的涂层及其喷涂工艺

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3620137A (en) * 1969-10-06 1971-11-16 Ramsey Corp Piston sleeve
DE2146153C3 (de) * 1971-09-15 1974-05-30 Ramsey Corp., Manchester, Mo. (V.St.A.) Zylinderlaufbuchse für einen Verbrennungsmotor
US5305726A (en) * 1992-09-30 1994-04-26 United Technologies Corporation Ceramic composite coating material
US6372298B1 (en) 2000-07-21 2002-04-16 Ford Global Technologies, Inc. High deposition rate thermal spray using plasma transferred wire arc
US6610959B2 (en) 2001-04-26 2003-08-26 Regents Of The University Of Minnesota Single-wire arc spray apparatus and methods of using same
US6706993B1 (en) 2002-12-19 2004-03-16 Ford Motor Company Small bore PTWA thermal spraygun
DE10308563B3 (de) * 2003-02-27 2004-08-19 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Zylinderlaufbuchse mit Verschleißschutzbeschichtung, ihre Herstellung und ihre Verwendung
EP2236211B1 (de) 2009-03-31 2015-09-09 Ford-Werke GmbH Thermisches Lichtbogenspritzsystem
DE102009049323B4 (de) * 2009-10-14 2011-11-10 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verbrennungsmotor mit einem Kurbelgehäuse sowie Verfahren zur Herstellung eines Kurbelgehäuses
US8794540B2 (en) * 2010-01-12 2014-08-05 General Electric Company Wire arc spray system using composite wire for porous coating, and related method
US20110312860A1 (en) * 2010-06-17 2011-12-22 General Electric Company Wear-resistant and low-friction coatings and articles coated therewith
DE102011002501A1 (de) 2011-01-11 2012-07-12 Ford-Werke Gmbh Vorrichtung zum thermischen Beschichten einer Oberfläche
DE102012018276A1 (de) * 2012-09-14 2014-05-15 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Verschleißschutzschicht für Kolbenringe

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
None *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2016059237A3 (de) 2016-06-09
MX2017004776A (es) 2017-07-27
CN107075655A (zh) 2017-08-18
WO2016059237A2 (de) 2016-04-21
US20170234264A1 (en) 2017-08-17
DE102015220251A1 (de) 2016-04-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2016059237A2 (de) Beschichtung für bauteile von brennkraftmaschinen
EP2488676B1 (de) Verbrennungsmotor mit einem kurbelgehäuse sowie verfahren zur herstellung eines kurbelgehäuses
EP2905455B1 (de) Verfahren zum Beschichten einer Bohrung und Zylinderblock eines Verbrennungsmotors
DE19733204A1 (de) Beschichtung aus einer übereutektischen Aluminium/Silizium Legierung bzw. einem Aluminium/Silizium Verbundwerkstoff
DE102018202540B4 (de) Motorblock eines Verbrennungsmotors mit optimierten Wärmeleiteigenschaften
DE19733205A1 (de) Beschichtung einer Zylinderlauffläche einer Hubkolbenmaschine
EP2596144A1 (de) Kolbenring mit thermisch gespritzter beschichtung und herstellungsverfahren davon
EP2214850A1 (de) Motorblock mit eingegossenen zylinderlaufbuchsen mehrerer materiallagen und verfahren zur herstellung der zylinderlaufbuchsen
EP2771496A1 (de) Plasmaspritzverfahren
WO2005038073A2 (de) Zylinderlaufbuchse mit einer zwei schichten umfassenden aussenbeschichtung und verfahren zu deren ein- oder umgiessen zu einem verbundkörper
EP0931172B1 (de) Verschleissfeste, beschichtete kolbenringe, kolbenringe für verbrennungskraftmaschinen und verfahren zu deren herstellung
WO2017137500A1 (de) Tribologisches system eines verbrennungsmotors mit beschichtung
DE102008053641B3 (de) Thermisch gespritzte Zylinderlaufbahnbeschichtung, Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung in Verbrennungsmotoren
DE102020132346A1 (de) Zylinderlaufbahnbeschichtung für eine Verbrennungskraftmaschine sowie Spritzdraht zur Herstellung einer derartigen Zylinderlaufbahnbeschichtung
WO1982001898A1 (en) Method for coating a metal with a protection layer resistant to hot gas corrosion
DE10308561B4 (de) Verschleißschutzbeschichtung, ihre Verwendung auf einem Kolben oder Kolbenring und ihr Herstellungsverfahren
WO2020104438A1 (de) Materialzusammensetzung für eine beschichtung für bauteile von brennkraftmaschinen
WO2013038788A1 (ja) 溶射材、溶射皮膜及び構造体
CH648358A5 (en) Process for producing a protective layer, resistant to corrosion by hot gas, on metal components
DE102013112809A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer gespritzten Zylinderlauffläche eines Zylinderkurbelgehäuses einer Verbrennungskraftmaschine sowie derartiges Zylinderkurbelgehäuse
EP3369840B1 (de) Brennkraftmaschine, verfahren zum herstellen eines kurbelgehäuses und/oder einer zylinderlaufbuchse für eine brennkraftmaschine, und verwendung einer stahllegierung als beschichtungsmaterial für eine zylinderlaufbahn oder eine zylinderlaufbuchse
DE102012105607A1 (de) Verfahren zur Herstellung von Komposit-Spritzschichten auf Zylinderlaufflächen von Zylinderkurbelgehäusen
EP1460151A1 (de) Zylinderkopf fuer Hubkolbenbrennkraftmaschinen
DE102017208535A1 (de) Thermische Isolierung des Mittenkegels eines Stahlkolbens
Vigilyanskaya et al. Thermal spraying of pseudo-alloy coatings

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20170410

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
17Q First examination report despatched

Effective date: 20190417

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20190828