EP3485056B1 - Zylinderbohrungen beschichten ohne vorgängige aktivierung der oberfläche - Google Patents

Zylinderbohrungen beschichten ohne vorgängige aktivierung der oberfläche Download PDF

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EP3485056B1
EP3485056B1 EP17739279.2A EP17739279A EP3485056B1 EP 3485056 B1 EP3485056 B1 EP 3485056B1 EP 17739279 A EP17739279 A EP 17739279A EP 3485056 B1 EP3485056 B1 EP 3485056B1
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    • F02F1/004—Cylinder liners
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    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/18—Other cylinders

Definitions

  • the cylinder bores of some piston internal combustion engines are provided with a coating, usually by means of thermal spraying, in order to minimize weight and / or friction and / or wear. This reduces fuel and oil consumption and preferably also makes the surface of the cylinder bore more corrosion-resistant.
  • the US4044217 A discloses a cylinder of a reciprocating internal combustion engine, the cylinder comprising a bore with an inner jacket which is formed from a base material, the base material being at least partially provided with a layer system in the region of the bore.
  • the adhesion of this layer to the cylinder material is problematic so that the layer runs the risk of flaking off during operation.
  • the surface of the cylinder bore is usually roughened (activated). Such an activation ensures that a mechanical interlocking is established between the layer and the base material of the cylinder block, i.e. that there is a form fit. This preprocessing step of activating the cylinder surface increases the cost of the coating.
  • the entanglement achieved by the activation between the layer and the base material of the cylinder block improves the adhesion of the layer to the base material and contributes to a long service life of the cylinder.
  • Various techniques can be used to carry out the activation.
  • the surface can be roughened by means of corundum blasting, by means of a laser, by means of a high pressure water jet and / or by means of a low pressure water jet.
  • Another possibility for activation consists in providing the surface with a profile with undercuts, for example by means of machining.
  • the dovetail geometry is used to advantage here.
  • Figure 1 Shows accordingly Figure 1 the mechanical entanglement of the spray coating 3 with the base material 1 by activating the base material before coating. According to the prior art, this improves the adhesion to the base material 1, for example a cylinder bore.
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a method that allows the thermally sprayed layer to be applied to the jacket of a cylinder bore in an adhesive manner without the need for activation, in particular mechanical activation, of the surface to be coated.
  • the cylinder comprises at least one bore with an inner jacket which is formed from a base material, the base material being at least partially provided with a layer system in the region of the bore.
  • a first interface is formed between the base material and the layer system, the first interface, apart from the surface roughness resulting from the production of the bore, not including any profiling applied to activate the surface, in particular no profiling applied to mechanically activate the surface.
  • the layer system comprises at least one thermally sprayed layer, in particular a thermally sprayed layer by means of plasma spraying, preferably a layer thermally sprayed by means of a rotating plasma torch, and the thermally sprayed layer at least partially forms the jacket surface of the bore and can act there as a functional layer.
  • the functional layer can preferably also be understood as a functional layer, particularly preferably also as a thermally sprayed functional layer.
  • the core of the process is the application of an adhesive layer directly to the base material of the cylinder casing, the adhesive layer entering into a chemical bond at least with the base material.
  • the adhesive layer can comprise the interface material, in particular consist of the interface material.
  • the adhesive layer can be built up from the interface material.
  • the interface material comprises molybdenum (Mo) and at least one further element, but can in particular also essentially consist of molybdenum and at least one further element; in particular, the interface material can consist of molybdenum and at least one further element. If the presence of a further element is mentioned in the present description or in the claims, this can, but does not have to be, present in elemental form, but can also be present as a molecule and / or within a chemical compound.
  • the proportion of molybdenum in the interface material, in particular in the adhesive layer can be in a range from 30 to 90% by weight and the The proportion of the further element in the interface material, in particular in the adhesive layer, is in a range from 70 to 10% by weight, preferably the proportion of molybdenum in the interface material in a range from 40 to 80% by weight and the proportion of the further element in the Interface material lie in a range from 60 to 20% by weight, particularly preferably the proportion of molybdenum in the interface material in a range from 50 to 70% by weight and the proportion of the further element in the interface material in a range from 50 to 30% by weight. -% lie.
  • the proportion of molybdenum in the interface material can be in a range from 55 to 65% by weight or from 58 to 62% by weight or at 60% by weight and the proportion of the further element in the interface material in a range from 45% to 35% by weight or from 42 to 38% by weight or at 40% by weight.
  • the interface material can also contain a proportion of impurities, for example S and P, in the range from 0.01 to 0.2% by weight, preferably 0.01 to 0.1% by weight.
  • the particle size of the powder of the further element and / or the functional layer can be in the range from 5 to 25 ⁇ m or 10 to 45 ⁇ m or 15 to 60 ⁇ m.
  • an adhesive layer does not necessarily have to be formed with a well-defined interface to the other layer or layers of the layer system, unless otherwise defined. For example, this can merge into another layer via a composition gradient, or a well-defined layer can be missing due to interface profiling.
  • the material of the adhesive layer is also selected such that this material also forms a chemical bond with the material of the thermally sprayed functional layer to be applied and thus adheres.
  • the adhesive layer is designed in such a way that it has a porosity and / or columnarity which leads to the thermally sprayed functional layer to be applied adhering sufficiently at least mechanically to the adhesive layer. For example, this can be achieved through targeted columnar growth. It is also possible to achieve this by means of increased porosity.
  • Figure 2 shows an embodiment according to the invention, according to which the adhesion of the sprayed functional layer 3 to the base material 1 is ensured without activating the surface of the base material 1 by chemical bonding between the adhesive layer 5 and the base material 1 and by mechanical and / or chemical bonding between the adhesive layer 5 and the functional layer 3 is.
  • the coating of the cylinder bore in particular the layer system
  • the coating of the cylinder bore can be designed in the form of a gradual transition and / or a gradient, in particular in terms of the chemical composition and / or the structural structure.
  • a gradual layer in particular a gradual layer system, can therefore be understood to mean that the gradual layer then directly at the first interface comprises material which forms a chemical bond with the surface of the base material of the cylinder, i.e. in particular the material of the adhesive layer, i.e. the Interface material.
  • the layer material With increasing distance from this surface, i.e. with increasing layer thickness, the layer material then gradually changes into the layer material of the protective thermally sprayed layer that is actually to be applied, preferably the functional layer.
  • the gradual layer in particular the gradual layer system, with the gradually changing composition, that is to say the gradual transition and / or the gradient, can comprise the following two variants:
  • the interface material gradually changes into the material of the functional layer, in particular into the functional layer, where: Start of the layer with the gradually changing composition at the first interface with 0% by weight of material of the functional layer and 100% by weight of interface material, whereby the interface material can comprise 60% by weight of molybdenum and 40% by weight of further element, preferably the interface material can consist of 60% by weight molybdenum and 40% by weight Ni5Al. End of the layer with the gradually changing composition with 100% by weight of functional layer and 0% by weight of interface material, so that the end of the gradual layer at least partially forms the outer surface of the bore of the cylinder and can act there as a functional layer.
  • the interface material can comprise molybdenum and the further element, in particular consist of this, wherein the further element can preferably correspond to the material of the functional layer, and the interface material gradually merges into the material of the functional layer, in particular the adhesive layer merges into the functional layer, where: Start of the layer with the gradually changing composition at the first interface with 40% by weight of additional element and 50 to 70% by weight, preferably 60% by weight of molybdenum.
  • variant 2 can then have the following chemical composition and the following course:
  • the proportion of the interface material in the gradual layer with the gradually changing composition from the start to the end can preferably decrease linearly or exponentially, in particular in variant 1 and / or variant 2, and / or the proportion of the functional layer in the
  • the layer with the gradually changing composition can preferably increase linearly or exponentially from start to finish, in particular in the case of variant 1 and / or variant 2.
  • the coating of the cylinder bore is designed in the form of a gradient.
  • the layer to be applied then comprises materials which enter into a chemical bond with the surface of the base material of the cylinder, that is to say in particular the material of the adhesive layer.
  • the layer material With increasing distance from this surface, i.e. with increasing layer thickness, the layer material then gradually merges into the layer material of the protective thermally sprayed layer that is actually to be applied.
  • This could be implemented, for example, via a double injection with the injection of the adhesive layer decreasing over time and / or the injection of the functional layer increasing over time. In this way, there is actually only one layer with a gradually changing composition and / or morphology, that is to say a gradual layer, in particular a gradual layer system.
  • the layer with the gradually changing composition ie the gradual transition, ie a grading layer
  • the layer with the gradually changing composition can also be implemented by a single injection, with two separate feeds for the
  • the material of the adhesive layer and the functional layer can be used, in particular two powder feeders which are brought together in a Y-shaped component.
  • a material composition can be specified which comprises NiAl and Mo.
  • the interface material can comprise molybdenum and Ni5Al, preferably consist of molybdenum and Ni5Al.
  • Table 1 shows the average tensile strengths achieved with conventional, known activation (mechanical, corundum) and with an interface material consisting of molybdenum and Ni5Al, in particular the interface material can also consist of molybdenum and Ni5Al and a proportion of impurities in the range from 0.1 to 0.3 wt. -% exist.
  • Table 1 Comparison of the adhesive tensile strengths with conventionally known activation and with an interface material consisting of molybdenum and Ni5Al.
  • Proportion of molybdenum in the adhesive layer [% by weight] Proportion of Ni5AI in the adhesive layer [% by weight] Type of activation / adhesive layer Average adhesive tensile strength [Mpa] None None Activated with corundum 18.1 None None Mechanically activated 35.2 30th 70 Adhesive layer 40.8 40 60 Adhesive layer 41.5 60 40 Adhesive layer 44.0 70 30th Adhesive layer 41.0 90 10 Adhesive layer 30.0
  • the example relates to the invention according to the first embodiment.
  • the bore of a cylinder is coated, the base material of the cylinder being an aluminum alloy and the bore having a diameter of 85 mm and the bore 170 mm deep.
  • This hole is to be coated with a thermally sprayed iron-based layer (95% Fe, 1.5% Cr, 1% Mn, 1% C) that is 200-300 micrometers thick.
  • Atmospheric plasma spraying (APS) should be used as the coating method for thermal spraying.
  • powdery coating material is continuously melted in a plasma, atomized in liquid form and then applied to the inside of the base material of the cylinder wall, where it solidifies and forms a closed layer.
  • the plasma torch rotates during the melting process so that the inside of the cylinder wall is evenly coated with a layer.
  • a 5-150 micrometer thick adhesive layer made of a mixture of molybdenum and nickel-aluminum powder is applied directly to the base material.
  • This material has the advantage that it forms chemical bonds both with the base material and with the actual layer material. Chemical compounds of an ionic nature, for example, arise at the interface with the base material, and ionic bonds and, in addition, mechanical entanglement due to the rough spray coating, also arise at the interface between the adhesive layer and the layer material. This ensures adequate adhesion at both interfaces.

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Description

  • Die Zylinderbohrungen einiger Kolben-Verbrennungsmotoren werden mit einer Beschichtung in der Regel mittels thermischem Spritzen versehen um das Gewicht und/oder die Reibung und/oder den Verschleiss zu minimieren. Hierdurch wird der Treibstoff- und Ölverbrauch reduziert und vorzugsweise auch die Oberfläche der Zylinderbohrung korrosionsbeständiger gemacht. Die US4044217 A offenbart einen Zylinder eines Kolben-Verbrennungsmotors, wobei der Zylinder eine Bohrung mit einem innerem Mantel der aus einem Grundmaterial gebildet wird umfasst, wobei im Bereich der Bohrung das Grundmaterial zumindest teilweise mit einem Schichtsystem versehen ist.
  • Allerdings ist die Haftung dieser Schicht auf dem Zylindermaterial problematisch so dass die Schicht im Betrieb Gefahr läuft abzuplatzen. Um diese auf das für die Anwendung notwendige Mass zu erhöhen wird die Oberfläche der Zylinderbohrung in der Regel aufgeraut (aktiviert). Eine solche Aktivierung stellt sicher, dass eine mechanische Verhakung zwischen Schicht und Grundmaterial des Zylinderblocks hergestellt wird, d.h. es zum Formschluss kommt. Dieser Vorbearbeitungsschritt der Aktivierung der Zylinderlauffläche erhöht die Kosten der Beschichtung.
  • Die durch die Aktivierung erreichte Verschränkung zwischen Schicht und Grundmaterial des Zylinderblocks verbessert die Haftung der Schicht auf dem Grundmaterial und trägt zu einer langen Lebensdauer des Zylinders bei. Um die Aktivierung durchzuführen können unterschiedliche Techniken angewandt werden. Beispielsweise kann die Oberfläche mittels Korundstrahlen, mittels Laser, mittels einem Hochdruckwasserstrahl und/oder mittels einem Niederdruckwasserstrahl aufgeraut werden. Eine weitere Möglichkeit der Aktivierung besteht darin, die Oberfläche mit einer Profilierung mit Hinterschnitten beispielsweise mittels spanabhebender Bearbeitung zu versehen. Beispielsweise kommt hier die Schwalbenschwanzgeometrie mit Vorteil zum Einsatz.
  • Entsprechend zeigt Figur 1 die mechanische Verhakung der Spritzschicht 3 mit dem Grundmaterial 1 durch Aktivierung des Grundmaterials vor dem Beschichten. Dadurch wird gemäss Stand der Technik die Haftung auf dem Grundmaterial 1 beispielsweise einer Zylinderbohrung verbessert.
  • Die oben beschriebenen Aktivierungsverfahren haben unter anderem den Nachteil dass sie lediglich mit erhöhtem Produktionsaufwand realisierbar sind. Neben der für den Zusatzschritt benötigten erhöhten Prozessdauer kommen auch noch zusätzliche Investitionskosten für das die Aktivierung durchführende Werkzeug und/oder die Maschine hinzu.
  • Es gab bereits frühe Versuche, die Oberflächenaktivierung mittels einer Zwischenschicht vermeiden zu können. Beispielsweise offenbart Shepard in US 2588422 eine Molybdänschicht als Zwischenschicht. Diese bildet dann einerseits mit dem Grundmaterial und andererseits mit der gespritzten funktionalen Schicht jeweils eine Grenzfläche. Abgesehen davon, dass elementares Molybdän ein sehr weiches Material ist, ist bei diesem Ansatz auch noch die Problematik vorhanden, dass es in nicht befriedigender Art und Weise möglich ist, die Haftung an beiden Grenzflächen in notwendiger Weise zu verbessern.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben das erlaubt die thermisch gespritzte Schicht auf den Mantel einer Zylinderbohrung haftend aufzubringen ohne dass hierfür eine Aktivierung, insbesondere eine mechanische Aktivierung, der zu beschichtenden Oberfläche notwendig wäre.
  • Erfindungsgemäss wird die Aufgabe durch den erfindungsgemässen Zylinder nach Ansprüchen 1 und dem erfindungsgemässen Verfahren nach Anspruch 8 gelöst. Ansprüche 2 bis 7 und 9 bis 11 beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung und Ansprüche 12 und 13 beziehen sich auf den entsprechenden Motor beziehungsweise dessen Herstellung.
  • Der Zylinder umfasst zumindest eine Bohrung mit innerem Mantel der aus einem Grundmaterial gebildet wird, wobei im Bereich der Bohrung das Grundmaterial zumindest teilweise mit einem Schichtsystem versehen ist. Dabei wird zwischen dem Grundmaterial und Schichtsystem eine erste Grenzfläche gebildet, wobei die erste Grenzfläche abgesehen von der durch die Herstellung der Bohrung entstandene Oberflächenrauigkeit keine zur Aktivierung der Oberfläche angebrachte Profilierung umfasst, insbesondere keine zur mechanischen Aktivierung der Oberfläche angebrachte Profilierung umfasst.
  • Das Schichtsystem umfasst zumindest eine thermisch gespritzte Schicht, insbesondere eine mittels Plasmaspritzen thermisch gespritzte Schicht, bevorzugt eine mittels rotierendem Plasmabrenner thermisch gespritzte Schicht, und die thermisch gespritzte Schicht bildet zumindest teilweise die Manteloberfläche der Bohrung und kann dort als funktionale Schicht wirken. Die funktionale Schicht kann im Folgenden bevorzugt auch als eine Funktionsschicht verstanden werden, besonders bevorzugt auch als eine thermisch gespritzte Funktionsschicht.
  • Kern des Verfahrens ist das Aufbringen einer Haftschicht direkt auf das Grundmaterial des Zylinderbohrmantels, wobei die Haftschicht zumindest mit dem Grundmaterial eine chemische Verbindung eingeht. Die Haftschicht kann das Grenzflächenmaterial umfassen, insbesondere aus dem Grenzflächenmaterial bestehen. Die Haftschicht kann aus dem Grenzflächenmaterial aufgebaut sein. Hierdurch wird die Haftung an der Grenzfläche zum Grundmaterial also nicht ausschlaggebend durch mechanische Verzahnung sondern im Wesentlichen durch chemische Bindung erreicht.
  • Das Grenzflächenmaterial umfasst Molybdän (Mo) und mindestens ein weiteres Element, kann aber insbesondere auch im Wesentlichen aus Molybdän und mindestens einem weiteren Element bestehen, im Speziellen kann das Grenzflächenmaterial aus Molybdän und mindestens einem weiteren Element bestehen. Ist in der vorliegenden Beschreibung oder in den Ansprüchen vom Vorhandensein eines weiteren Elements die Rede, so kann dies, muss aber nicht in elementarer Form vorliegen sondern kann auch als Molekül und/oder innerhalb einer chemischen Verbindung vorhanden sein.
  • In Ausgestaltung der Erfindung kann der Anteil an Molybdän am Grenzflächenmaterial, insbesondere an der Haftschicht, in einem Bereich von 30 bis 90 Gew.-% liegen und der Anteil des weiteren Elements am Grenzflächenmaterial, insbesondere an der Haftschicht, in einem Bereich von 70 bis 10 Gew.-% liegen, bevorzug der Anteil an Molybdän am Grenzflächenmaterial in einem Bereich von 40 bis 80 Gew.-% und der Anteil des weiteren Elements am Grenzflächenmaterial in einem Bereich von 60 bis 20 Gew.-% liegen, besonders bevorzugt der Anteil an Molybdän am Grenzflächenmaterial in einem Bereich von 50 bis 70 Gew.-% und der Anteil des weiteren Elements am Grenzflächenmaterial in einem Bereich von 50 bis 30 Gew.-% liegen. Im Speziellen kann der Anteil an Molybdän am Grenzflächenmaterial in einem Bereich von 55 bis 65 Gew.-% oder von 58 bis 62 Gew.-% oder bei 60 Gew.-%.und der Anteil des weiteren Elements am Grenzflächenmaterial in einem Bereich von 45 bis 35 Gew.-% oder von 42 bis 38 Gew.-% oder bei 40 Gew.-%.liegen. Das Grenzflächenmaterial kann ausserdem auch einen Anteil an Verunreinigungen, beispielsweise S und P im Bereich von 0.01 bis 0.2 Gew.-%, bevorzugt 0.01 bis 0.1 Gew.-% umfassen.
  • In Ausgestaltung der Erfindung kann das weitere Element und/oder die Funktionsschicht die folgenden Materialien umfassen, insbesondere aus den folgenden Materialien bestehen:
    Für das weitere Element und/oder die Funktionsschicht kann ein Material, bevorzugt ein eisenbasiertes Material (im Folgenden auch Fe-Base genannt) in Form eines Pulvers, insbesondere ein gasverdüstes Pulver folgender chemischer Zusammensetzung eingesetzt werden:
    • C = 0,4 bis 1,5 Gewichts-%
    • Cr = 0,2 bis 2,5 Gewichts-%
    • Mn = 0,2 bis 3 Gewichts-%
    • Fe = Differenz auf 100 Gewichts-%,
    insbesondere kann das Pulver zusätzlich enthalten:
    • S = 0,01 bis 0,2 Gewichts-%
    • P = 0,01 bis 0,1 Gewichts-%.
  • Bevorzugt kann für das weitere Element und/oder die Funktionsschicht das Fe-Base in Form eines Pulvers, insbesondere ein gasverdüstes Pulver folgender chemischer Zusammensetzung eingesetzt werden:
    • C = 0,1 bis 0,8 Gewichts-%
    • Cr = 11 bis 18 Gewichts-%
    • Mn = 0,1 bis 1,5 Gewichts-%
    • Mo = 0,1 bis 5 Gewichts-%
    • Fe = Differenz auf 100 Gewichts-%,
    insbesondere kann das Pulver zusätzlich enthalten:
    • S = 0,01 bis 0,2 Gewichts-%
    • P = 0,01 bis 0,1 Gewichts-%.
  • Das weitere Element und/oder die Funktionsschicht kann aber auch ein Fe-Base Material mit folgender chemischer Zusammensetzung sein Fe0.2C1.4Cr1.4Mn, insbesondere auch Mo = 0,1 bis 5 Gew.-% enthalten.
  • Die Partikelgrösse des Pulvers des weiteren Elements und/oder der Funktionsschicht kann im Bereich von 5 bis 25 µm oder 10 bis 45 µm oder 15 bis 60 µm liegen.
  • Das weitere Element und/oder die Funktionsschicht können aber auch die folgenden Materialien umfassen, insbesondere aus den folgenden Materialien bestehen:
    • Fe-Base + 30% Mo - im Speziellen Fe0.2C1.4Cr1.4Mn + 30% Mo
    • MMC=Metal Matrix Composite aus Fe-Base und einer Oxydkeramik, insbesondere einer tribologischen Oxydkeramik, bevorzugt eine Oxydkeramik die aus TiO2 oder aus Al2O3TiO2- und/oder Al2O3ZrO2- und/oder Al2O3-20ZrO2-Legierungssystemen besteht, und/oder der Anteil an Oxydkeramik im eingesetzten Material, insbesondere Pulver, 5 bis 50 Gew.-%, bevorzugt 35 Gew.-% beträgt. Im Speziellen kann das MMC hierbei Fe14Cr2Mo und 5 bis 50 Gew.-%, bevorzugt 35 Gew.-% der Oxydkeramik sein.
    • Vollkeramiken wie TiO2 oder Cr2O3
    • Cr3C2-25NiCr, insbesondere Cr3C2-25NiCr und 20% Mo
    • AISi und eine Keramik (wie Bsp. TiO2, ZnO2), insbesondere AISi und 20 Gew.-% Mo und eine Keramik.
  • Ist in der vorliegenden Beschreibung oder in den Ansprüchen von einer Haftschicht beispielsweise innerhalb eines Schichtsystems die Rede, so muss diese nicht unbedingt mit einer wohl definierten Grenzfläche zu der oder den anderen Schichten des Schichtsystems ausgebildet sein, sofern nichts anderes definiert ist. Beispielsweise kann diese über einen Zusammensetzungsgradienten in eine andere Schicht übergehen, oder es kann aufgrund von Grenzflächenprofilierung an einer wohldefinierten Schicht fehlen.
  • Ist in der vorliegenden Beschreibung oder in den Ansprüchen vom Vorhandensein eines chemischen Elementes die Rede, so muss dies nicht in elementarer Form vorliegen sondern kann auch innerhalb einer chemischen Verbindung vorhanden sein.
  • Gemäss einer bevorzugten ersten Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung ist das Material der Haftschicht ausserdem so gewählt, dass dieses Material auch mit dem Material der aufzubringenden thermisch gespritzten Funktionsschicht eine chemische Verbindung eingeht und damit haftet.
  • Erfindungsgemäß wird die Haftschicht so ausgestaltet, dass sie eine Porosität und/oder Kolumnarität aufweist, welche dazu führt dass die aufzubringende thermisch gespritzte Funktionsschicht zumindest mechanisch auf der Haftschicht in ausreichendem Masse haftet. Beispielsweise kann dies durch gezielt kolumnares Wachstum erreicht werden. Es ist auch möglich dies mittels erhöhter Porosität zu erreichen.
  • Figur 2 zeigt eine erfindungsgemässe Ausführungsform, gemäss der die Haftung der gespritzten Funktionsschicht 3 auf dem Grundmaterial 1 ohne Aktivierung der Oberfläche des Grundmaterials 1 durch chemische Bindung zwischen der Haftschicht 5 und dem Grundmaterial 1 und durch mechanische und/oder chemische Bindung zwischen Haftschicht 5 und Funktionsschicht 3 gewährleistet ist.
  • In Ausgestaltung kann die Beschichtung der Zylinderbohrung, insbesondere das Schichtsystem in Form eines graduellen Übergangs und/oder eines Gradienten ausgestaltet sein, insbesondere in der chemischen Zusammensetzung und/oder dem strukturellen Aufbau. Auf diese Weise liegt also eigentlich nur eine Schicht vor mit graduell sich ändernder Zusammensetzung und/oder Morphologie, also eine graduelle Schicht, insbesondere ein graduelles Schichtsystem. Unter einer graduellen Schicht, insbesondere einem graduellen Schichtsystem, kann also verstanden werden, dass die graduelle Schicht direkt an der ersten Grenzfläche dann Material umfasst, welche mit der Oberfläche des Grundmaterials des Zylinders eine chemische Bindung eingehen, also insbesondere das Material der Haftschicht, also das Grenzflächenmaterial. Mit zunehmendem Abstand von dieser Oberfläche, d.h. mit zunehmender Schichtdicke geht das Schichtmaterial dann graduell in das Schichtmaterial der eigentlich aufzubringenden schützenden thermisch gespritzte Schicht, bevorzugt die Funktionsschicht, über.
  • In Ausgestaltung der Erfindung kann die graduelle Schicht, insbesondere das graduelle Schichtsystem, mit der graduell sich ändernden Zusammensetzung, also dem graduellen Übergang und/oder dem Gradienten, die folgenden beiden Varianten umfassen:
    • Variante 1
  • Das Grenzflächenmaterial geht graduell in das Material der funktionalen Schicht, insbesondere in die Funktionsschicht, über, wobei gilt:
    Start der Schicht mit der graduell sich ändernden Zusammensetzung an der ersten Grenzfläche mit 0 Gew.-% Material der Funktionsschicht und 100 Gew.-% Grenzflächenmaterial, wobei das Grenzflächenmaterial 60 Gew.-% Molybdän und 40 Gew.-% weiteres Element umfassen kann, bevorzugt das Grenzflächenmaterial aus 60% Gew.-% Molybdän und 40 Gew.-% Ni5Al bestehen kann. Ende der Schicht mit der graduell sich ändernden Zusammensetzung mit 100 Gew.-% Anteil Funktionsschicht und 0 Gew.-% Anteil Grenzflächenmaterial, sodass das Ende der graduellen Schicht, zumindest teilweise die Manteloberfläche der Bohrung des Zylinders bildet und dort als Funktionsschicht wirken kann.
    • Variante 2
  • Das Grenzflächenmaterial kann Molybdän und das weitere Element umfassen, insbesondere aus diesem bestehen, wobei das weitere Element bevorzugt dem Material der Funktionsschicht entsprechen kann, und das Grenzflächenmaterial geht graduell in das Material der Funktionsschicht über, insbesondere die Haftschicht in die Funktionsschicht über, wobei gilt:
    Start der Schicht mit der graduell sich ändernden Zusammensetzung an der ersten Grenzfläche mit 40 Gew.-% Anteil weiteres Element und 50 bis 70 Gew.-%, bevorzugt 60 Gew.-% Molybdän. Ende der Schicht mit der graduell sich ändernden Zusammensetzung mit 0 bis 40 Gew.-% Anteil Molybdän und 60 bis 100 Gew.-% Anteil weiterem Element, das insbesondere dem Material der Funktionsschicht entspricht, bevorzugt 20 bis 40 Gew.-% Anteil Molybdän und 60 bis 80 Gew.-% Anteil weiterem Element, besonders bevorzugt 30 Gew.-% Anteil Molybdän und 70 Gew.-% Anteil weiterem Element, sodass das Ende der graduellen Schicht, zumindest teilweise die innere Manteloberfläche der Bohrung des Zylinders bildet und dort als Funktionsschicht wirken kann.
  • Beispielsweise kann Variante 2 dann die folgenden chemische Zusammensetzung und den folgenden Verlauf aufweisen:
    • Beispiel 1:
  • Weiteres Element=Fe-Base, insbesondere Funktionsschicht=weiteres Element=Fe-Base
    • Start: Fe-Base und 60 Gew.-% Molybdän, bevorzugt Fe0.2C1.4Cr1.4Mn + 60% Mo
    • Ende: Fe-Base, bevorzugt Fe0.2C1.4Cr1.4Mn
  • Beispiel 2:
  • Weiteres Element=Fe-Base, insbesondere Funktionsschicht=weiteres Element=Fe-Base
    • Start: Fe-Base und 60 Gew.-% Molybdän, bevorzugt Fe0.2C1.4Cr1.4Mn + 60% Molybdän
    • Ende: Fe-Base und 30 Gew.-% Molybdän, bevorzugt Fe0.2C1.4Cr1.4Mn + 30% Molybdän
  • In Ausgestaltung der Erfindung kann der Anteil des Grenzflächenmaterials an der graduellen Schicht mit der graduell sich ändernden Zusammensetzung vom Start zum Ende bevorzugt linear oder exponentiell abnehmen, insbesondere bei der Variante 1 und/oder der Variante 2, und/oder der Anteil der Funktionsschicht an der Schicht mit der graduell sich ändernden Zusammensetzung kann bevorzugt vom Start zum Ende linear oder exponentiell zunehmen, insbesondere bei der Variante 1 und/oder der Variante 2.
  • Gemäss einer besonders bevorzugten dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Beschichtung der Zylinderbohrung in Form eines Gradienten ausgestaltet. Direkt an der Grenzfläche umfasst die aufzubringende Schicht dann Materialien, welche mit der Oberfläche des Grundmaterials des Zylinders eine chemische Bindung eingehen, also insbesondere das Material der Haftschicht. Mit zunehmendem Abstand von dieser Oberfläche, d.h. mit zunehmender Schichtdicke geht das Schichtmaterial dann graduell in das Schichtmaterial der eigentlich aufzubringenden schützenden thermisch gespritzte Schicht über. Die könnte beispielsweise über eine Doppelinjektion mit zeitlich abnehmender Injektion der Haftschicht und/oder zeitlich zunehmender Injektion der Funktionsschicht, realisiert werden. Auf diese Weise liegt also eigentlich nur eine Schicht vor mit graduell sich ändernder Zusammensetzung und/oder Morphologie, also eine graduelle Schicht, insbesondere ein graduelles Schichtsystem.
  • In Ausgestaltung der Erfindung kann die Schicht mit der graduell sich ändernden Zusammensetzung, also dem graduellen Übergang, d.h. eine gradierende Schicht, auch durch eine Einzelinjektion realisiert werden, wobei zwei getrennte Zuführungen für das Material der Haftschicht und die Funktionsschicht verwendet werden können, insbesondere zwei Pulverförderer, die in einem Y-förmigen Bauteil zusammengeführt werden.
  • Als Beispiel für eine solche Haftschicht lässt sich eine Materialzusammensetzung angeben welche NiAl und Mo umfasst.
  • In Ausgestaltung der Erfindung kann das Grenzflächenmaterial Molybdän und Ni5Al umfassen, bevorzugt aus Molybdän und Ni5AI bestehen. Die folgende Tabelle 1 zeigt die durchschnittlich erreichten Haftzugfestigkeiten bei herkömmlicher bekannter Aktivierung (mechanisch, Korund) und bei einem Grenzflächenmaterial bestehend aus Molybdän und Ni5Al, insbesondere kann das Grenzflächenmaterial auch aus Molybdän und Ni5Al und einem Anteil an Verunreinigungen im Bereich von 0.1 bis 0.3 Gew.-% bestehen. Tabelle 1: Vergleich der Haftzugfestigkeiten bei herkömmlicher bekannter Aktivierung und bei einem Grenzflächenmaterial bestehend aus Molybdän und Ni5Al.
    Anteil Molybdän an Haftschicht [Gew.-%] Anteil Ni5AI an Haftschicht [Gew.-%] Art der Aktivierung/ Haftschicht Durchschnittliche Haftzugfestigkeit [Mpa]
    None None Mit Korund aktiviert 18.1
    None None Mechanisch aktiviert 35.2
    30 70 Haftschicht 40.8
    40 60 Haftschicht 41.5
    60 40 Haftschicht 44.0
    70 30 Haftschicht 41.0
    90 10 Haftschicht 30.0
  • Die Erfindung wird nun mit anhand eines Beispiels und mit Hilfe der Figuren im Detail dargestellt.
    • Figur 1
    zeigt den bisherigen Stand der Technik
    Figur 2
    zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
    Figur 3
    zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Das Beispiel bezieht sich auf die Erfindung gemäss der ersten Ausführungsform. Es wird die Bohrung eines Zylinders beschichtet, wobei das Grundmaterial des Zylinders eine Aluminium-Legierung ist und die Bohrung einen Durchmesser von 85 mm aufweist und die Bohrung 170 mm tief ist. Diese Bohrung soll mit einer thermisch gespritzten Schicht auf Eisenbasis (95% Fe, 1.5% Cr, 1%Mn, 1% C) beschichtet werden, die eine Dicke von 200 - 300 Mikrometer aufweist. Als Beschichtungmethode des thermischen Spritzens soll atmosphärisches Plasma-Spritzen (APS) verwendet werden. Hierbei wird unter Zuführung von Energie und Prozessgasen pulverförmiges Beschichtungsmaterial in einem Plasma kontinuierlich zum Schmelzen gebracht , flüssig zerstäubt und dann auf das Grundmaterial der Zylinderwandung innen aufgebracht wo es erstarrt und eine geschlossene Schicht bildet. Der Plasmabrenner rotiert dabei während des Schmelzvorgangs so dass die Zylinderwandung innen rundherum gleichmässig mit Schicht beauftragt wird.
  • Würde diese Schicht mittels der beschriebenen Methode einfach direkt auf das Grundmaterial aufgebracht, so würde diese nicht ausreichend auf dem Grundmaterial haften. Gemäss Stand der Technik könnte die Oberfläche des Grundmaterials nun aufgeraut werden oder profiliert werden.
  • Demgegenüber wird erfindungsgemäss im vorliegenden Beispiel direkt auf das Grundmaterial eine 5 - 150 Mikrometer dicke Haftschicht aus einer Mischung von Molybdän und Nickel-Aluminium Pulver aufgebracht. Dieses Material hat den Vorteil, dass es sowohl mit dem Grundmaterial als auch mit dem eigentlichen Schichtmaterial chemische Bindungen eingeht. An der Grenzfläche zum Grundmaterial entstehen also chemische Verbindungen beispielsweise ionischer Natur und an der Grenzfläche der Haftschicht zum Schichtmaterial entstehen ebenfalls ionische Bindungen und zusätzlich mechanisch Verhakung durch die raue Spritzschicht. Hierdurch ist an beiden Grenzflächen eine ausreichende Haftung gewährleistet.

Claims (13)

  1. Zylinder eines Kolben-Verbrennungsmotors,
    - wobei der Zylinder zumindest eine Bohrung mit innerem Mantel der aus einem Grundmaterial (1) gebildet wird umfasst
    - wobei im Bereich der Bohrung das Grundmaterial (1) zumindest teilweise mit einem Schichtsystem versehen ist und so zwischen Grundmaterial und Schichtsystem eine erste Grenzfläche gebildet wird,
    - und das Schichtsystem zumindest eine thermisch gespritzte Schicht umfasst und die thermisch gespritzte Schicht zumindest teilweise die Manteloberfläche der Bohrung bildet und dort als funktionale Schicht (3) wirken kann,
    - und wobei die erste Grenzfläche abgesehen von der durch die Herstellung der Bohrung entstandene Oberflächenrauigkeit keine zur Aktivierung der Oberfläche angebrachte Profilierung umfasst,
    - wobei das Material des Schichtsystems im Bereich der erste Grenzfläche zum Grundmaterial, im Folgenden Grenzflächenmaterial genannt, Molybdän und mindestens ein weiteres Element umfasst und mit dem Grundmaterial über eine chemische Bindung verbunden ist und das Grenzflächenmaterial sich vom Material der funktionalen Schicht in seiner Zusammensetzung und/oder Struktur unterscheidet,
    - dadurch gekennzeichnet dass der das Grenzflächenmaterial umfassende Bereich zwischen Grundmaterial (1) und funktionaler Schicht (3) als zur funktionalen Schicht eine zweite Grenzfläche bildende Grundschicht hergestellt wird, und zwar dergestalt dass die zweite Grenzfläche zur mechanischen Aktivierung geeignete Strukturen aufweist in Form einer Porosität und/oder Kolumnarität.
  2. Zylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass innerhalb des Schichtsystems strukturelle Mittel zum Zusammenhalt des Schichtsystems vorgesehen sind.
  3. Zylinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturellen Mittel chemische Bindungen und/oder Grenzflächenrauigkeiten die vorzugsweise durch den Applikationsprozess des Grenzflächenmaterials entstanden sind und/oder durch einen graduellen Übergang von Grenzflächenmaterial zum Material der funktionalen Schicht, umfassen.
  4. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Bindung Grenzflächenmaterial an das Grundmaterial durch ionische Bindungen und/oder durch kovalente Bindungen realisiert ist.
  5. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, das im Grenzflächenmaterial zumindest ein chemisches Element vorhanden ist welches mit einem chemischen Element im Grundmaterial übereinstimmt.
  6. Zylinder nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem über die Schichtdicke ausgehend von der ersten Grenzfläche hin zur durch die funktionale Schicht an der Manteloberfläche in der chemischen Zusammensetzung und/oder strukturellen Aufbau zumindest teilweise mindestens einen Gradienten bildet.
  7. Zylinder nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Grenzflächenmaterial zumindest ein chemisches Element vorhanden ist welches mit einem chemischen Element in der funktionalen Schicht übereinstimmt.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Zylinders für einen Kolben-Verbrennungsmotor mit Bohrung, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
    - Bereitstellen eines Zylinders mit Bohrung, wobei der innere Mantel der Bohrung aus einem Grundmaterial (1) gebildet wird und deren Oberfläche ausser der durch die Herstellung der Bohrung entstandene Oberflächenrauigkeit keine Profilierung zur Aktivierung der Oberfläche umfasst.
    - Beaufschlagung des inneren Mantels der Bohrung mit einem Schichtsystem welches an der Grenzfläche zum Grundmaterial ein Grenzflächenmaterial umfasst und wobei zumindest die die Oberfläche des Zylinderloches bildende Schicht des Schichtsystems thermisch gespritzt wird und eine funktionale Schicht (3) bildet wobei das Grenzflächenmaterial Molybdän und mindestens ein weiteres Element umfasst und so gewählt wird, dass es mit dem Grundmaterial (1) eine chemische Bindung eingeht und das Schichtsystem derart aufgebracht wird, dass sich Grenzflächenmaterial und Material der funktionalen Schicht chemisch in der Zusammensetzung und/oder in der Struktur unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, dass der das Grenzflächenmaterial umfassende Bereich zwischen Grundmaterial (1) und funktionaler Schicht (3) als zur funktionalen Schicht eine zweite Grenzfläche bildende Grundschicht hergestellt wird, und zwar dergestalt dass die zweite Grenzfläche zur mechanischen Aktivierung geeignete Strukturen aufweist in Form einer Porosität und/oder Kolumnarität
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem vollständig mittels thermischem Spritzen aufgebracht wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem in Richtung Schichtdicke zumindest teilweise als Gradientenschicht ausgebildet ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem der Übergang vom Grenzflächenmaterial zum Material der funktionalen Schicht als Gradient ausgebildet wird.
  12. Motor mit einem Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 7
  13. Verfahren zur Herstellung eines Motors, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 8 bis 11 umfasst.
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