EP3619337A1 - Thermisch isolierende beschichtung für einen aluminiumkolben - Google Patents

Thermisch isolierende beschichtung für einen aluminiumkolben

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EP3619337A1
EP3619337A1 EP18727684.5A EP18727684A EP3619337A1 EP 3619337 A1 EP3619337 A1 EP 3619337A1 EP 18727684 A EP18727684 A EP 18727684A EP 3619337 A1 EP3619337 A1 EP 3619337A1
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EP
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piston
oxide layer
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Margrit Dannenfeldt
Monika BLÜMM
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    • F02F2200/00—Manufacturing

Definitions

  • Solvents such as butyl acetate, be dissolved. These solutions may optionally contain other organic admixtures. Examples of suitable organic polysilazanes are HTT 1800 (Merck KGaA) and HTA 1500 (KiON Defense
  • the glass powders are preferably selected so that their coefficient of thermal expansion corresponds approximately to that of the aluminum piston.
  • the average size of the glass particles is preferably in the range of 3 to 10 ⁇ m. suitable

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Abstract

Es wird ein beschichteter Aluminiumkolben, insbesondere ein Aluminiumkolben für einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zur Beschichtung des Kolbens bereitgestellt. Ein Bereich des Kolbens umfasst eine Plasma-Oxidschicht, die mit einer Beschichtung, die ein Polymer auf Polysilazan-, Wasserglas- oder Polysiloxan-Basis beinhaltet, versiegelt ist.

Description

Thermisch isolierende Beschichtung für einen Aluminiumkolben
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aluminiumkolben, insbesondere für einen Verbrennungsmotor, mit einer
Beschichtung, die eine Plasma-Oxidschicht und eine
Versiegelungsschicht umfasst, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Stand der Technik
Der Verbrennungsprozess in einem Hubkolbenmotor ist sehr komplex. Durch eine thermische Isolierung des
Verbrennungsraums lässt sich die Effizienz des
Verbrennungsmotors steigern und somit der Kraftstoffverbrauch reduzieren . Im Stand der Technik sind Verfahren zur thermischen
Isolierung von Kolben bekannt.
Beispielsweise werden durch thermisches Spritzen aufgebrachte Schichten eingesetzt. Dieses Verfahren ermöglicht zwar das Aufbringen unterschiedlicher Werkstoffe, jedoch ist die
Haftung der erzeugten Schicht auf dem Kolbenboden im Bereich des Hinterschnitts der Verbrennungsmulde eines Dieselmotors nicht zufriedenstellend. Zudem ist eine mechanische
Bearbeitung der Schicht notwendig, um eine konstante
Schichtdicke zu erreichen. Ferner werden durch Anodisieren hergestellte Beschichtungen eingesetzt. Die so hergestellten Schichten weisen jedoch offene Poren auf, so dass ihre Isolierwirkung unzureichend ist .
Es besteht daher das Bedürfnis eine Beschichtung für
Aluminiumkolben bereitzustellen, die bei geeigneter Dicke eine gute thermische Isolationswirkung aufweist und sich einfach herstellen lässt.
Diese Aufgabe wird überraschenderweise durch eine
Beschichtung, die eine Plasma-Oxidschicht und eine
Versiegelung auf Polysilazan- , Wasserglas- oder Polysiloxan- Basis umfasst, gelöst.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Aluminiumkolben, insbesondere einen Aluminiumkolben für einen Verbrennungsmotor, wobei ein Bereich des Kolbens eine Plasma-Oxidschicht umfasst, die mit einer Beschichtung, die ein Polymer auf Polysilazan-,
Wasserglas- oder Polysiloxan-Basis beinhaltet, versiegelt ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein
Verfahren zur Beschichtung eines Kolbens in einem
Verbrennungsmotor, in dem eine Plasma-Oxidschicht auf einem Bereich des Kolbens erzeugt wird und auf diese Plasma- Oxidschicht eine Beschichtung, die ein Polymer auf
Polysilazan-, Wasserglas- oder Polysiloxan-Basis umfasst, aufgebracht wird.
Auf vorteilhafte Weisen lässt sich im Rahmen der Erfindung bevorzugt der gesamte Kolbenboden inklusive der
Verbrennungsmulde mit der Beschichtung zur thermischen
Isolation versehen. In einer besonders bevorzugten
Ausführungsform wird nur der äußere Bereich des Kolbenbodens ohne die Mulde beschichtet. Mittels der Erfindung lassen sich insbesondere Kolben aus Aluminiumlegierungen beschichten, die für den Schwerkraftguss von Motorkolben eingesetzt werden. Diese besitzen in der Regel einen Siliziumgehalt von 8 Gew.-% bis 20 Gew.-%, bevorzugt 8,5°Gew.-% bis 13 Gew.-%. Günstig ist ferner ein niedriger Kupfergehalt von bis zu 5,4 Gew.-%, bevorzugt
4 Gew.-% oder weniger, da sich ein hoher Kupfergehalt negativ auf die Plasmaoxidation auswirken kann.
Erfindungsgemäß wird auf die Plasma-Oxidschicht eine
Versiegelungsschicht aufgebracht, die ein Polymer auf
Polysilazan-, Wasserglas- oder Polysiloxan-Basis umfasst (im Folgenden auch jeweils als Schicht auf Polysilazan-,
Wasserglas- oder Polysiloxan-Basis bezeichnet) . Bevorzugt ist eine Schicht auf Polysilazan-Basis .
Bei der Schicht auf Polysilazan-, Wasserglas- oder
Polysiloxan-Basis kann es sich um ein Mehrschichtsystem handeln, wobei für die einzelnen Schichten unterschiedliche Basismaterialien und/oder Zusatzstoffe eingesetzt werden. Beispielsweise kann eine Doppelschicht eingesetzt werden, die aus einer unteren, bevorzugt dünnen, Schicht aus
anorganischem Polysilazan und einer oberen Schicht aus organischem Polysilazan, die mit Additiven modifiziert wurde, besteht .
a. Beschichtung auf Polysilazan-Basis
Als Basis kann sowohl anorganisches als auch ein organisches Polysilazan eingesetzt werden. Das erfindungsgemäß
eingesetzte anorganische Polysilazan bildet ein amorphes Netzwerk aus Si- und N-Atomen, das Bausteine der Formel
- (H2Si-NH) n- aufweist und auch als Perhydropolysilazan bezeichnet wird. Bei den organischen Polysilazanen ist das Netzwerk durch organische Gruppen modifiziert, so dass sich Bausteine der Formel - (R1R2Si-NH) - ergeben.
Selbstverständlich können auch Polymere eingesetzt werden, die nur eine organische Gruppe pro Monomer enthalten.
Beschichtungen auf Polysilazan-Basis werden herkömmlich für Elektronikbauteile verwendet. Die dafür kommerziell
erhältlichen Produkte können im Rahmen der Erfindung
eingesetzt werden.
Zur Bildung von anorganischem Polysilazan werden Lösungen von Perhydropolysilazan in Lösungsmitteln eingesetzt. Zum
Beispiel kann 20%iges Perhydropolysilazan in Dibutylether (z.B. von Merck) eingesetzt werden.
Die organischen Polysilazane können unterschiedliche Reste R1 und R2 aufweisen, z.B. ist ein mit Vinylgruppen modifiziertes Polysilazan einsetzbar. Sie können in unterschiedlichen
Lösungsmitteln, wie zum Beispiel Butylacetat, gelöst sein. Diese Lösungen können ggf. weitere organische Beimischungen enthalten. Beispiele für geeignete organische Polysilazane sind HTT 1800 (Merck KGaA) sowie HTA 1500 (KiON Defense
Technologies) . Durch die Reaktion des Polysilazans mit Luftfeuchte, Wasser oder Alkohol bildet sich eine Polysiloxan-Schicht , bei der es sich im Falle des anorganischen Polysilazans um eine amorphe Quarzglasschicht handelt.
b. Beschichtung auf Wasserglas-Basis
Als Basis kann Natrium-, Kali- oder Lithiumwasserglas eingesetzt werden, wobei Kaliwasserglas bevorzugt wird. c. Beschichtung auf Polysiloxan-Basis
Die Basis der Beschichtung auf Polysiloxan-Basis können
Polysiloxane der folgenden Formel sein:
worin R1 entweder H oder eine Alkylgruppe ist, bevorzugt H oder Ci-Cio Alkylgruppe, noch bevorzugter H oder C1-C5
Alkylgruppe; und
R2 und R3 sind jeweils unabhängig voneinander entweder H oder eine Alkylgruppe, bevorzugt H oder C1-C10 Alkylgruppe, noch bevorzugter H oder C1-C5 Alkylgruppe.
Bevorzugt ist ein Polysiloxan, in dem wenn R2 H ist, R3 eine Alkylgruppe darstellt, und wenn R3 H ist, R2 eine Alkylgruppe darstellt .
Die Alkylgruppe von R1, R2 und R3 ist entweder eine verzweigte oder unverzweigte Kohlenwasserstoffkette . Des Weiteren können die Alkylgruppen mit Halogenen wie F, Cl, Br oder I
substituiert sein, vorzugsweise mit F.
Bevorzugt wird ein hochtemperaturbeständiges Polysiloxan eingesetzt .
d. Plasma-Oxidschicht
Ein erfindungsgemäßer Kolben hat zumindest einen Bereich, der eine Plasma-Oxidschicht umfasst. Beispielsweise kann ein Bereich des Kolbenbodens, vorzugsweise der gesamte
Kolbenboden inklusive Muldenbereich eine Plasma-Oxidschicht aufweisen. Besonders bevorzugt ist nur der äußere Bereich des Kolbenbodens ohne die Mulde mit einer Plasma-Oxidschicht bedeckt .
Die Plasma-Oxidschicht kann auf bekannte Weise,
beispielsweise mittels plasmaelektrolytischer Oxidation (PEO) erzeugt werden. Beispielsweise werden solche Schichten hergestellt von Keronite (Produktname: Keronite) , Henkel (ECC oder EC2) und AHC (Kepla-Coat) . Die so erhaltenen Schichten sind porös.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Plasma-Oxid- Schicht A1203 und/oder Ti02.
Höhere Schichtdicken führen zu einer besseren thermischen Isolierung. Bevorzugt sind daher Schichtdicken der
Plasmaoxidschicht im Bereich von über 40 ym, besonders bevorzugt von 70 bis 130ym.
e. Versiegelungsschicht
Das Versiegeln der Plasma-Oxidschicht erfolgt durch
Auftragung einer Beschichtung auf die Plasma-Oxidschicht, die ein Polymer auf Polysilazan- , Wasserglas- oder Polysiloxan- Basis beinhaltet. Die Polymere dringen dabei in die Poren der Oxidschicht ein und versiegeln diese.
Die Dicke der Beschichtung auf Polysilazan-, Wasserglas- oder Polysiloxan-Basis beträgt oberhalb der Plasma-Oxidschicht bevorzugt 0,2 ym bis 40 ym, wobei hohe Schichtdicken in der Regel nur mittels organischen Polysilazanen hergestellt werden können. Bevorzugt beträgt die Dicke der Beschichtung auf Polysilazan-, Wasserglas- oder Polysiloxan-Basis, insbesondere bei Einsatz von anorganischem Polysilazan, 0,2 ym bis 10 ym und besonders bevorzugt 0,5 ym bis 2 ym. Die Gesamtdicke der Schicht bestehend aus Oxid und Polysilazan, Wasserglas oder Polysiloxan entspricht somit der Summe aus der Dicke der Plasma-Oxidschicht und der deckenden
Polymerschicht . Es ist möglich die Schicht auf Polysilazan-, Polysiloxan- oder Wasserglas-Basis durch Zugabe von Additiven zu
modifizieren, beispielsweise durch die Zugabe von
Zirkonoxidpulver, BN, Emailleglaspulver, Glashohlkugeln, Korundpulver, T1O2 o.a. Diese Pulver haben vorteilhafterweise eine Partikelgröße von 0,1 ym bis 25 ym. Auf diese Weise lassen sich dickere Schichten erzeugen.
Mittels organischer Polysilazane lassen sich Schichtdicken bis zu 100 ym erzielen, wenn ein Füllstoff, beispielsweise ZrC>2, Glaspulver (Hohlglaskugeln) und/oder T1O2, zugesetzt wird. Auf diese Weise kann, wenn nötig, eine Schicht mit besonders guter thermischer Isolierwirkung erzeugt werden.
Dabei werden die Glaspulver bevorzugt so ausgewählt, dass ihr Wärmeausdehnungskoeffizient ungefähr dem des Aluminiumkolbens entspricht. Die durchschnittliche Größe der Glaspartikel liegt bevorzugt im Bereich von 3 bis 10 ym. Geeignete
Glassysteme sind z.B. 8472 (Blei-Borat-Glas), 8470
(Borosilikatglas) , G018-198 (bleifreies Passivierungsglas ) und G018-311 (Bariumsilikatglas) von Schott.
Als ZrC>2 können beispielsweise Pulver mit einer
durchschnittlichen Partikelgröße von 0,3 bis 4 ym verwendet werden .
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Schicht und deren Verwendung als thermische Isolationsschicht des Kolbens in einem Verbrennungsmotor. Diese Verfahren umfassen die Oxidation des Kolbens und das Aufbringen der oben beschriebenen Schicht auf Polysilazan, Polysiloxan- oder Wasserglas-Basis auf die Plasma- Oxidschicht .
Die Schicht auf Polysilazan, Polysiloxan- oder Wasserglas- Basis kann bei Raumtemperatur in einer dem Fachmann bekannten Weise, z.B. durch Wischen, Sprühen, Tauchen oder Pinseln aufgetragen werden.
Die so aufgebrachte Zusammensetzung wird zur Vernetzung vorzugsweise auf eine Temperatur von 15°C bis 255°C erwärmt.
Die Beschichtung auf Polysilazan-Basis wandelt sich in den folgenden Tagen unter Einwirkung von Luftfeuchte, Wasser oder Alkohol in eine Beschichtung auf Si02-Basis um. In allen drei Fällen bilden sich somit Si02~Netzwerke, die eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen.
Die hergestellte Versiegelungsschicht auf Polysilazan-,
Polysiloxan- oder Wasserglas-Basis ist entgegen denen im Stand der Technik bekannten Schichten, die mittels eines Sol- Gel-Prozesses hergestellt werden, nicht porös und daher gasdicht. Aus diesem Grund kann sich die Schicht nicht mit Kraftstoff vollsaugen, so dass die Beschichtung keinen negativen Einfluss auf die Verbrennung hat.
Des Weiteren ist aufgrund der Verbindung zwischen dem Oxid und den Si-O-Gruppen der Versiegelungsschicht eine
hervorragende Haftung der Versiegelungsschicht auf der
Plasma-Oxidschicht gewährleistet .
Aufgrund der Eigenschaften der Beschichtung auf Polysilazan-, Wasserglas- oder Polysiloxan-Basis lassen sich auf puren Metalloberflächen keine großen Schichtdicken erzeugen. Durch Auftragen der Versiegelungsschicht auf die Plasma-Oxidschicht ist es möglich, die wärmeisolierende Wirkung der Plasma- Oxidschicht mit der sehr gering wärmeleitenden, gasundurchlässigen Versiegelungsschicht zu kombinieren um eine effiziente, thermisch isolierende Schicht herzustellen. Zudem ist es durch die niedrige Wärmeleitfähigkeit der Oxid- Si02-Verbundschicht möglich, die Verbrennungstemperatur zu erhöhen und damit die Effizienz der Verbrennung zu steigern.

Claims

Patentansprüche
1. Aluminiumkolben, insbesondere Aluminiumkolben für einen Verbrennungsmotor, wobei auf einen Bereich des Kolbens eine Plasma-Oxidschicht aufgebracht ist, die mit einer Schicht auf Polysilazan- , Wasserglas- oder Polysiloxan-Basis versiegelt ist .
2. Aluminiumkolben nach Anspruch 1, wobei ein Bereich des Kolbenbodens beschichtet ist.
3. Aluminiumkolben nach Anspruch 1 oder 2, wobei der gesamte Kolbenboden, bevorzugt der äußeren Bereich des
Kolbenbodens ohne die Mulde, beschichtet ist.
4. Aluminiumkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei wenn eine Schicht auf Polysilazan-Basis eingesetzt wird, anorganisches oder organisches Polysilazan, bevorzugt
anorganisches Polysilazan, eingesetzt wird;
wenn eine Schicht auf Polysiloxan-Basis eingesetzt wird, ein hochtemperaturbeständiges Polysiloxan eingesetzt wird; und wenn eine Schicht auf Wasserglas-Basis eingesetzt wird, Kaliwasserglas eingesetzt wird.
5. Aluminiumkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Schicht auf Polysilazan-Basis eingesetzt wird.
6. Aluminiumkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Schicht auf Polysilazan-, Wasserglas- oder Polysiloxan- Basis ZrÜ2, Glashohlkugeln und/oder T1O2 enthält.
7. Aluminiumkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Plasma-Oxid-Schicht AI2O3 und/oder T1O2 umfasst.
8. Aluminiumkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Plasma-Oxidschicht Poren aufweist.
9. Verfahren zur Beschichtung eines Aluminiumkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend
das Erzeugen einer Plasma-Oxidschicht auf einem Bereich des Kolbens, und
die Versiegelung der erzeugten Plasma-Oxidschicht mit einer Beschichtung, die ein Polymer auf Polysilazan- ,
Wasserglas oder Polysiloxan-Basis beinhaltet.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Plasma- Oxidschicht durch plasmaelektrolytische Oxidation erzeugt wird .
EP18727684.5A 2017-05-05 2018-05-04 Thermisch isolierende beschichtung für einen aluminiumkolben Withdrawn EP3619337A1 (de)

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