JP2008076044A - Method and device for coating starter element used for combustion process of internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve particularly heat resistance. <P>SOLUTION: Coating material 3 is coated to a starter element 1 and/or a protection layer already coated on the starter element 1 by a coating method originated from a plasma method. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、内燃機関における燃焼過程に用いられる始動エレメント、特にシース型グロープラグを被覆するための方法に関する。   The present invention relates to a method for coating a starting element, in particular a sheath type glow plug, used in a combustion process in an internal combustion engine.

さらに、本発明は、内燃機関における燃焼過程に用いられる始動エレメント、特にシース型グロープラグを被覆するための装置に関する。   The invention further relates to a device for coating a starting element, in particular a sheath type glow plug, used in the combustion process in an internal combustion engine.

燃焼設備、特に内燃機関に対する相変わらず厳しくされるエミッション方針に基づき、しかし、燃焼設備の効率向上のためにも、燃焼過程に対する周辺条件に常に改善要求が課せられる。低有害物質のかつ消費率有利な燃焼過程に影響を与えるための主要な要因は、燃焼過程時に生ぜしめられる温度である。   Based on the ever-increasing emission policy for combustion equipment, especially internal combustion engines, however, there is always a demand for improvement in the ambient conditions for the combustion process in order to improve the efficiency of the combustion equipment. The main factor for influencing the combustion process of low hazardous substances and favorable consumption is the temperature generated during the combustion process.

内燃機関における燃焼過程に用いられる市販の始動エレメント、特にディーゼルエンジンに用いられるシース型グロープラグは、最大約1100℃の温度まで多かれ少なかれ長時間安定性である。より高い温度範囲内での運転時には、その運転寿命が、燃焼室内に生ぜしめられる侵食性の腐食作用因子に基づき劇的に低下する。特に油灰・煤形成成分が始動エレメントを相応に強く侵食する。   Commercial starting elements used in combustion processes in internal combustion engines, particularly sheathed glow plugs used in diesel engines, are more or less stable for temperatures up to a maximum of about 1100 ° C. When operating within the higher temperature range, its operating life is dramatically reduced based on the aggressive corrosive agents that are generated in the combustion chamber. In particular, oil ash and soot formation components erode the starting element accordingly.

したがって、本発明の課題は、冒頭で述べた形式の始動エレメントを改良して、特に耐熱性に関する改善が可能となるようにすることである。   The object of the present invention is therefore to improve a starting element of the type mentioned at the outset so that an improvement in particular with respect to heat resistance is possible.

この課題を解決するために本発明の第1の方法では、被覆材料を、プラズマ法に起因した被着法によって始動エレメントにかつ/またはすでに始動エレメントに被着された防護層に被着するようにした。   In order to solve this problem, in a first method according to the invention, the coating material is applied to the starting element and / or to the protective layer already applied to the starting element by a deposition method resulting from the plasma process. I made it.

さらに、前述した課題を解決するために本発明の第2の方法では、始動エレメントを被覆過程の前にかつ/または被覆過程の間に加熱するようにした。   Furthermore, in order to solve the above-mentioned problems, in the second method of the present invention, the starting element is heated before and / or during the coating process.

本発明の方法の有利な実施態様によれば、始動エレメントに配置された加熱エレメントを始動エレメントの加熱のために使用する。   According to an advantageous embodiment of the method of the invention, a heating element arranged on the starting element is used for heating the starting element.

本発明の方法の有利な実施態様によれば、被覆材料を、部分的に溶融された状態で被着する。   According to an advantageous embodiment of the method of the invention, the coating material is applied in a partially molten state.

本発明の方法の有利な実施態様によれば、別の防護層を始動エレメントにかつ/またはすでに始動エレメントに被着された防護層に被着する。   According to an advantageous embodiment of the method of the invention, another protective layer is applied to the starting element and / or to the protective layer already applied to the starting element.

本発明の方法の有利な実施態様によれば、始動エレメントもしくは始動エレメントに被着された層の熱膨張係数と、被着したい防護層の熱膨張係数との間の適合を行う。   According to an advantageous embodiment of the method of the invention, an adaptation is made between the thermal expansion coefficient of the starting element or the layer applied to the starting element and the thermal expansion coefficient of the protective layer to be applied.

本発明の方法の有利な実施態様によれば、始動エレメントへの個々の防護層の形成を、該防護層の組成が、内側から外側に向かって基板材料から被覆材料の主成分に変化するように実施する。   According to an advantageous embodiment of the method of the invention, the formation of the individual protective layers on the starting element is such that the composition of the protective layers changes from the substrate material to the main component of the coating material from the inside to the outside. To implement.

本発明の方法の有利な実施態様によれば、始動エレメントへの個々の防護層の形成を、該防護層の組成が、内側から外側に向かって比較的Siリッチな材料から比較的Alリッチなまたはイットリウムリッチな材料に変化するように実施する。   According to an advantageous embodiment of the method of the invention, the formation of the individual protective layers on the starting element can be achieved when the protective layer composition is relatively Al-rich from a relatively Si-rich material from the inside to the outside. Or it changes so that it may change to a yttrium rich material.

本発明の方法の有利な実施態様によれば、始動エレメントへの個々の防護層の形成を、該防護層の組成が、内側から外側に向かって比較的Fe(鉄)リッチな材料から比較的クロムリッチなまたはモリブデンリッチな材料に変化するように実施する。   According to an advantageous embodiment of the method according to the invention, the formation of the individual protective layers on the starting element is carried out in such a way that the protective layer composition is relatively Implement to change to chromium-rich or molybdenum-rich material.

本発明の方法の有利な実施態様によれば、被覆材料として、約1150℃よりも大きな温度で、酸性のかつアルカリ性のガラス形成物、たとえばアルカリ塩、硫酸塩、リン酸塩およびこれに類するものに対して抵抗性の酸化物、たとえばコランダム(α−Al)、Y、マグネシウムスピネル(MgAl)、二酸化ジルコン(ZrO)、酸化クロム(Cr)、酸化アルミニウム(Al)および/またはこのような酸化物から成る混合物を使用する。 According to a preferred embodiment of the method of the present invention, the coating material is an acidic and alkaline glass former, such as an alkali salt, sulfate, phosphate and the like, at a temperature greater than about 1150 ° C. For example, corundum (α-Al 2 O 3 ), Y 2 O 3 , magnesium spinel (MgAl 2 O 3 ), zircon dioxide (ZrO 2 ), chromium oxide (Cr 2 O 3 ), Aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and / or mixtures of such oxides are used.

本発明の方法の有利な実施態様によれば、被覆材料として、約1150℃よりも大きな温度で、酸性のかつアルカリ性のガラス形成物、たとえばアルカリ塩、硫酸塩、リン酸塩およびこれに類するものに対して抵抗性の混合酸化物、たとえばムライト(3Al・2SiO)またはY類似の化合物:Yケイ酸塩(Y2SiO)および/またはイットリウム安定化された二酸化ジルコン(YZS)を使用する。 According to a preferred embodiment of the method of the present invention, the coating material is an acidic and alkaline glass former, such as an alkali salt, sulfate, phosphate and the like, at a temperature greater than about 1150 ° C. mixed oxides of resistance to, for example, mullite (3Al 2 O 3 · 2SiO 2 ) or Y similar compounds: Y silicate (Y 2 O 3 2SiO 2) and / or yttrium stabilized zirconium dioxide ( YZS) is used.

本発明の方法の有利な実施態様によれば、被覆材料として、約1150℃よりも大きな温度で、酸性のかつアルカリ性のガラス形成物、たとえばアルカリ塩、硫酸塩、リン酸塩およびこれに類するものに対して抵抗性の、酸化物または混合酸化物のグループに属していない、炭化タングステン(WC)をベースとした材料系から成る材料、たとえばWC、WC/Co、WC/CoCr、WC/CrNiまたはこれに類するものを使用する。   According to a preferred embodiment of the method of the present invention, the coating material is an acidic and alkaline glass former, such as an alkali salt, sulfate, phosphate and the like, at a temperature greater than about 1150 ° C. A material consisting of a material system based on tungsten carbide (WC), which does not belong to the group of oxides or mixed oxides, for example WC, WC / Co, WC / CoCr, WC / CrNi or Use something similar to this.

本発明の方法の有利な実施態様によれば、触媒活性材料、たとえばCe、Pt、Pd化合物またはこれに類するものを被着する。   According to an advantageous embodiment of the process of the invention, a catalytically active material, such as a Ce, Pt, Pd compound or the like, is deposited.

本発明の方法の有利な実施態様によれば、被覆材料を球面状のまたはほぼ球面状の粒子または造粒物の形で使用する。   According to an advantageous embodiment of the method according to the invention, the coating material is used in the form of spherical or nearly spherical particles or granules.

本発明の方法の有利な実施態様によれば、防護層の外側の層を、閉鎖された層として形成する。   According to an advantageous embodiment of the method of the invention, the outer layer of the protective layer is formed as a closed layer.

本発明の方法の有利な実施態様によれば、防護層の層の1つを多孔質の層として形成する。   According to an advantageous embodiment of the method of the invention, one of the layers of the protective layer is formed as a porous layer.

本発明の方法の有利な実施態様によれば、被着法が、スパッタリング過程を有するようになっている。   According to an advantageous embodiment of the method of the invention, the deposition method has a sputtering process.

本発明の方法の有利な実施態様によれば、被着法が、溶射過程を有している。   According to an advantageous embodiment of the method of the invention, the deposition method comprises a thermal spraying process.

本発明の方法の有利な実施態様によれば、被覆したい始動エレメントとして、セラミックス、たとえばSiまたはSiOおよび/または金属、たとえばNiCrFeから成る基体を使用する。 According to an advantageous embodiment of the method of the present invention, used as a starting element to be coated, ceramic, for example, Si 3 N 4 or SiO x C y and / or metal, for example, a substrate made of NiCr o Fe r.

さらに、前述した課題を解決するために本発明の第1の装置では、プラズマ被覆装置が設けられているようにした。   Furthermore, in order to solve the above-described problems, the first apparatus of the present invention is provided with a plasma coating apparatus.

さらに、前述した課題を解決するために本発明の第2の装置では、始動エレメントの加熱を被覆過程の前にかつ/または被覆過程の間に可能にする手段が設けられているようにした。   Furthermore, in order to solve the above-mentioned problems, the second device of the present invention is provided with means for enabling heating of the starting element before and / or during the coating process.

これに相応して、本発明は、内燃機関における燃焼過程に用いられる始動エレメント、特にシース型グロープラグを被覆するための方法に関する。この方法は、第1の解決手段では、被覆材料を、プラズマ法に起因した被着法によって始動エレメントにかつ/またはすでに始動エレメントに被着された防護層に被着することによって特徴付けられる。プラズマ法は、たとえば窒素プラズマまたはアルゴンプラズマを形成することができる。このプラズマは廉価に通常の周辺大気で処理することができる(APS技術)。プラズマ法は、被着したい被覆材料が、この場合に生ぜしめられる、場合により6000℃を上回る高い温度によって極めて良好にかつ均一に加熱され、部分的に溶融すらされるという利点を有している。これによって、被覆材料を、部分的に溶融された状態で、被覆したい表面に被着することができる。これにより生ぜしめられる、基礎との溶融結合および被着したい粒子の間の溶融結合が、この層の固着と強度とに特に有利に影響を与える。   Correspondingly, the invention relates to a method for coating a starting element, in particular a sheathed glow plug, used in the combustion process in an internal combustion engine. This method is characterized in a first solution by applying the coating material to the starting element and / or to a protective layer already applied to the starting element by means of a deposition method resulting from the plasma process. In the plasma method, for example, nitrogen plasma or argon plasma can be formed. This plasma can be inexpensively processed in the normal ambient atmosphere (APS technology). The plasma process has the advantage that the coating material to be deposited is heated very well and uniformly and even partially melted by the high temperatures, in this case occurring, possibly above 6000 ° C. . This allows the coating material to be applied to the surface to be coated in a partially melted state. The resulting melt bond with the foundation and the bond between the particles to be deposited has a particularly advantageous influence on the adhesion and strength of this layer.

第2の解決手段では、このような始動エレメントを被覆するための方法に対して、始動エレメントを被覆過程の前にかつ/または被覆過程の間に加熱することが提案され、これによって、被覆過程により被着したい被覆材料の温度への始動エレメントの温度の適合が可能となる。この手段の根底には、始動エレメントと、被覆によって被着したい材料との間の温度差を最小限に抑えると同時に、個々の層平面、特に始動エレメントもしくはシース型グロープラグに対する被着したい層の固着領域における材料応力の著しい減少を得ることができるという認識がある。これによって、相応に改善された機械的な特性を備えた、より低応力で密なかつ場合により厚膜の層構造が、温度適合なしに被着された被覆層に比べて可能となる。   In a second solution, it is proposed for the method for coating such a starting element to heat the starting element before and / or during the coating process, whereby the coating process This makes it possible to adapt the temperature of the starting element to the temperature of the coating material to be applied. The basis of this measure is to minimize the temperature difference between the starting element and the material to be deposited by the coating, while at the same time providing the layer to be deposited on the individual layer plane, in particular the starting element or the sheathed glow plug. There is recognition that a significant reduction in material stress in the anchoring region can be obtained. This allows a lower stress, dense and possibly thicker layer structure with correspondingly improved mechanical properties compared to a coating layer deposited without temperature adaptation.

このように被覆された始動エレメントの機械的な抵抗能の改善のほかに、この手段の重要な利点は、こうして被着された被覆層が、1100℃より著しく高い運転温度でも、始動エレメントを比較的長い運転期間にわたって、破壊する腐食作用に対して防護することにある。   In addition to improving the mechanical resistance capability of the starting element thus coated, an important advantage of this measure is that the coating layer thus applied compares the starting element even at operating temperatures significantly higher than 1100 ° C. To protect against destructive corrosive action over a long period of operation.

被覆過程を最適化するための始動エレメントの加熱は、有利な手段では、この始動エレメントに固有の加熱手段の運転によって実現することができる。これによって、たとえば直接的な加熱が、コントロールされた電圧を介してプラズマ設備で被覆プロセスの間に可能となる。これによって、始動エレメントの温度の調整を、たとえば供給電圧に相応に影響を与えることを介して実現することができる。   Heating of the starting element to optimize the coating process can be realized in an advantageous way by operating the heating means specific to this starting element. This allows, for example, direct heating during the coating process in the plasma installation via a controlled voltage. Thereby, adjustment of the temperature of the starting element can be realized, for example, via a corresponding influence on the supply voltage.

しかし、始動エレメントのこの直接的な加熱のほかに、別の手段、たとえば予め形成された第2のプラズマ火炎を介した前温度調整または2段階プロセス:1.プラズマ火炎によるプラグの加熱、2.被覆過程またはこれに類するものの開始:を介した前温度調整も可能である。   However, in addition to this direct heating of the starting element, other means, for example pre-temperature regulation or a two-stage process via a pre-formed second plasma flame: 1. heating of the plug by plasma flame; Pre-temperature adjustment is also possible via the start of the coating process or the like.

特に始動エレメントの加熱とプラズマ被覆との組合せによって、被着したい被覆層と、始動エレメントまたはすでに始動エレメントに被着された後続の被覆層との、特に良好に固着する密なかつ機械的な応力において比較的少ない結合が実現可能となる。   Especially by the combination of heating of the starting element and plasma coating, in the dense and mechanical stresses that adhere particularly well between the coating layer to be applied and the subsequent coating layer already applied to the starting element or to the starting element. Relatively few bonds can be realized.

始動エレメントもしくはシース型グロープラグは、本発明の意味では、基体を有している。この基体は、場合により、被着したい被覆層の固着の更なる改善のために、すでに前処理にさらされていてよい。このためには、機械的な前処理、たとえば研削、粗面化またはこれに類するもの、化学的な前処理、たとえば適切な酸またはアルカリ液、たとえばNaOH溶液によるエッチングまたはバインダ物質、たとえばナノSiO−x(OH)2x「アエロジル(登録商標)」による下塗りが可能である。 The starting element or the sheath type glow plug has a substrate in the sense of the present invention. This substrate may optionally have already been subjected to a pretreatment in order to further improve the adhesion of the coating layer to be applied. For this purpose, a mechanical pretreatment such as grinding, roughening or the like, a chemical pretreatment such as etching with a suitable acid or alkaline solution such as NaOH solution or a binder material such as nano-SiO 2 -X (OH) 2x "Aerosil (registered trademark)" can be used for undercoating.

始動エレメントに対する特に良好な防護を得るためには、さらに、別の防護層が始動エレメントにかつ/またはすでに始動エレメントに被着された防護層に被着されてもよい。つまり、1つの始動エレメントの、被着したい複数の層に基づく被覆形式によって、特に有利には、始動エレメントもしくはすでに始動エレメントに被着された層の熱膨張係数と、被着したい後続の防護層の熱膨張係数との間の適合すら可能となる。このためには、被着したい個々の層の材料が、結合したい個々の層の間の熱膨張係数の最適化の観点下で互いに調和されて選択され得る。   In order to obtain particularly good protection against the starting element, further protective layers may be applied to the starting element and / or to protective layers already applied to the starting element. In other words, depending on the type of coating of one starting element based on the multiple layers to be applied, it is particularly advantageous for the coefficient of thermal expansion of the starting element or the layer already applied to the starting element and the subsequent protective layer to be applied. It is even possible to meet the thermal expansion coefficient of For this purpose, the materials of the individual layers that are desired to be deposited can be selected in harmony with one another in view of the optimization of the coefficient of thermal expansion between the individual layers that are desired to be bonded.

特に有利には、個々の防護層の組成が内側から外側に向かって比較的Siリッチな材料から比較的Alリッチな材料に変化するように、個々の防護層が始動エレメントに被着される層構造が提案される。このような手段によって、たとえば3つの個々の層から成る全防護層を1つの始動エレメントに対して実現することができる。全防護層は、弱い防食を伴った薄膜の表面層と、平均的な防食を伴った中間層と、優れた防食を伴った最後の外側の層とから成っている。   It is particularly advantageous that the individual protective layers are applied to the starting element such that the composition of the individual protective layers changes from the relatively Si-rich material to the relatively Al-rich material from the inside to the outside. A structure is proposed. By such means, for example, a total protective layer consisting of three individual layers can be realized for one starting element. The total protective layer consists of a thin film surface layer with weak corrosion protection, an intermediate layer with average corrosion protection, and a final outer layer with excellent corrosion protection.

このような被覆法を実施するための材料として、特に良好に酸化物または混合酸化物が適している。なぜならば、この酸化物または混合酸化物は比較的廉価な方法ステップで被着することができるからである。しかし、酸化物または混合酸化物のグループに割り当てることができない幾つかの材料、たとえば金属、炭化物または窒化物も、このような被覆法のために際立って適している。   As a material for carrying out such a coating method, oxides or mixed oxides are particularly suitable. This is because this oxide or mixed oxide can be deposited in a relatively inexpensive process step. However, some materials that cannot be assigned to the oxide or mixed oxide group, such as metals, carbides or nitrides, are outstandingly suitable for such coating methods.

酸化物のグループから、このような被覆法を実施するために、特に有利にはY(酸化イットリウム)、コランダム(α−Al)、マグネシウムスピネル(MgAl)、二酸化ジルコン(ZrO)、酸化クロム(Cr)、窒化アルミニウム(AlN)および/またはこのような酸化物から成る混合物が提案される。なぜならば、これらの材料は、約1150℃よりも大きな温度で、酸性のかつアルカリ性のガラス形成物、たとえばアルカリ塩、硫酸塩、リン酸塩およびこれに類するものに対して極めて抵抗性であるからである。 In order to carry out such a coating process from the group of oxides, it is particularly advantageous to use Y 2 O 3 (yttrium oxide), corundum (α-Al 2 O 3 ), magnesium spinel (MgAl 2 O 3 ), dioxide Zircon (ZrO 2 ), chromium oxide (Cr 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN) and / or mixtures of such oxides are proposed. Because these materials are extremely resistant to acidic and alkaline glass formers such as alkali salts, sulfates, phosphates and the like at temperatures greater than about 1150 ° C. It is.

混合酸化物のグループから、このような被覆法を実施するために、Yケイ酸塩(YSi)または(3Y2SiO)、ムライト(3Al・2SiO)および/またはイットリウム安定化された二酸化ジルコン(YZS)が特に有利であると提案される。酸化物または混合酸化物に属していない材料のグループから、相応の被覆法を実施するために、炭化タングステン(WC)をベースとした材料系、たとえばWC、WC/Co、WC/CoCr、WC/CrNiまたはこれに類するものが特に有利であると提案される。 A group of mixed oxides, for carrying out such coating method, Y silicate (Y 2 Si 2 O 5) or (3Y 2 O 3 2SiO 2) , mullite (3Al 2 O 3 · 2SiO 2 ) And / or yttrium stabilized zircon dioxide (YZS) is proposed to be particularly advantageous. In order to carry out corresponding coating processes from a group of materials not belonging to oxides or mixed oxides, material systems based on tungsten carbide (WC), for example WC, WC / Co, WC / CoCr, WC / It is proposed that CrNi or the like is particularly advantageous.

別の有利な特性は、触媒活性材料、たとえばCe、Pt、Pd化合物またはこれに類するものの使用によって、始動エレメントもしくは始動エレメントに被着したい被覆層に付与することができる。これによって、たとえば始動エレメントをその運転中に取り囲む侵食性の物質および/または物質混合物の量の低減が可能となる。このことは、同じく寿命の増加のために、特に約1150℃よりも大きい、一部では1300℃、さらに、それすら上回る範囲内の極めて高い温度でも可能となる。   Another advantageous property can be imparted to the starting element or the coating layer desired to be deposited on the starting element by the use of catalytically active materials, such as Ce, Pt, Pd compounds or the like. This makes it possible, for example, to reduce the amount of erodible substances and / or substance mixtures that surround the starting element during its operation. This is possible even at very high temperatures, especially in the range of greater than about 1150 ° C., in part 1300 ° C. and even more, due to the increased lifetime.

このような被覆法を実施するための特に有利な形として、球面状のまたはほぼ球面状の粒子または造粒部分が被覆材料に対して提案される。なぜならば、この粒子または造粒部分は、1つには、特に有利に処理することができ、もう1つには、被覆法によって被着したい層のシール性に良好に影響を与えることを可能にするからである。特に有利な粒度として、0.5μm〜10μmの間の値が考慮される。   As a particularly advantageous form for carrying out such a coating method, spherical or nearly spherical particles or granulated parts are proposed for the coating material. This is because the particles or granulated parts can be treated particularly advantageously on the one hand and, on the other hand, the sealing properties of the layers to be applied by the coating method can be influenced well. Because it makes it. As a particularly advantageous particle size, values between 0.5 μm and 10 μm are considered.

所望の特性に応じて、このような被覆法によって被着したい防護層の外側の層は、閉鎖された層または多孔質の層として形成されてよい。閉鎖された層は、可能な限り均一に、その下方に位置する層の全ての領域を防護するという利点を有している。これに対して、多孔質の構成では、たとえば外側の層の下方に被着された層と、外側の層を取り囲む燃料混合物および/または燃焼過程時に燃料混合物から生ぜしめられる侵食性の腐食作用因子との反応に対して、外側の層の付加的な防護を得ることができる。   Depending on the desired properties, the outer layer of the protective layer that is to be applied by such a coating method may be formed as a closed layer or a porous layer. A closed layer has the advantage of protecting all areas of the layer below it as uniformly as possible. In contrast, in a porous configuration, for example, a layer deposited below the outer layer, a fuel mixture surrounding the outer layer and / or an erosive corrosive agent generated from the fuel mixture during the combustion process Additional protection of the outer layer can be obtained against reaction with.

被覆法を実施するための被着法として、たとえば使用される被覆材料または別のプロセスパラメータに関連して、たとえばスパッタリング過程または溶射過程が提案されていてもよい。1つの防食層の可能な層厚さは、たとえば30μm〜500μmであってよい。1つの防食層の可能な気孔率は、たとえば0%〜60%の間であってよい。   As a deposition method for carrying out the coating method, for example, a sputtering process or a spraying process may be proposed, for example in connection with the coating material used or another process parameter. A possible layer thickness of one anticorrosion layer may be, for example, 30 μm to 500 μm. The possible porosity of one anticorrosion layer may be between 0% and 60%, for example.

さらに、被覆法は、被覆したい始動エレメントとして、セラミックス、たとえばSiまたはSiOおよび/または金属、たとえばNiCrFeから成る基体が使用されることによって特徴付けることができる。 Furthermore, the coating method, as a starter element to be coated, ceramic, for example, Si 3 N 4 or SiO x C y and / or metal, for example, can be characterized by a substrate made of NiCr o Fe r are used.

さらに、本発明は、内燃機関における燃焼過程に用いられる始動エレメント、特にシース型グロープラグを被覆するための装置にも関する。当該装置は、始動エレメントへの相応の被覆材料の被着のためのスパッタリング過程および/または溶射過程の実施のための相応に適切なプラズマ設備が設けられていることによって特徴付けられる。さらに、このような形式の被覆装置は、このような形式の始動エレメントを被覆過程の前にかつ/または被覆過程の間に加熱するための加熱装置または相応に形成された、始動エレメントの内部の加熱エレメントの接続・供給可能性を有しており、これによって、始動エレメントが直接加熱される。   The invention further relates to a device for coating a starting element, in particular a sheath type glow plug, used in a combustion process in an internal combustion engine. The apparatus is characterized in that correspondingly suitable plasma equipment is provided for performing a sputtering process and / or a thermal spraying process for the deposition of a corresponding coating material on the starting element. In addition, such a type of coating device is a heating device for heating such a type of starting element before and / or during the coating process, or a correspondingly formed internal element of the starting element. A heating element can be connected and supplied, so that the starting element is heated directly.

付加的にさらに、本発明は、内燃機関における燃焼過程に用いられる相応の始動エレメント、特にシース型グロープラグに関する。このシース型グロープラグは防護層を有している。この防護層は、前述した方法の1つにより始動エレメントに被着されている。   In addition, the invention relates to a corresponding starting element for use in the combustion process in an internal combustion engine, in particular a sheath type glow plug. This sheath type glow plug has a protective layer. This protective layer is applied to the starting element by one of the methods described above.

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面につき詳しく説明する。   In the following, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1には、内燃機関における燃焼過程に用いられる始動エレメント1の平面図が著しく概略的に示してある。この始動エレメント1は装置2によって、約1150℃よりも大きな範囲内の高い温度での腐食作用に対して防護するために被覆される。   FIG. 1 shows a very schematic plan view of a starting element 1 used in the combustion process in an internal combustion engine. This starting element 1 is coated by the device 2 to protect against corrosive action at high temperatures in the range greater than about 1150 ° C.

始動エレメント1を被覆するための方法の主要な観点は、被覆材料3が、プラズマ法に基礎付けられた被着法によって始動エレメント1の基体9にかつ/またはすでに始動エレメントに被着された防護層10(図2参照)に被着されることにある。プラズマ法を実施するためには、シンボリックに装置11が図示してある。特に廉価な構成では、この装置11が窒素プラズマ設備またはアルゴンプラズマ設備であってよい。この設備は通常の周辺大気で作業することができる(APS技術)。   The main aspect of the method for coating the starting element 1 is that the coating material 3 is protected on the substrate 9 of the starting element 1 and / or already applied to the starting element by a deposition method based on the plasma process. To be applied to the layer 10 (see FIG. 2). In order to carry out the plasma process, the device 11 is shown symbolically. In a particularly inexpensive configuration, the device 11 may be a nitrogen plasma facility or an argon plasma facility. This facility can work in normal ambient atmosphere (APS technology).

被着法として、プラズマ溶射だけでなく、スパッタリングも考慮されてよい。この場合、プラズマ溶射では、被覆材料3の粒子が、部分的に溶融された状態で最大6000℃の高温のプラズマ火炎を飛行した後、被覆したい表面に衝突し、この表面に部分的に溶融結合によって結合される。   As a deposition method, not only plasma spraying but also sputtering may be considered. In this case, in plasma spraying, the particles of the coating material 3 fly through a high-temperature plasma flame of up to 6000 ° C. in a partially melted state, and then collide with the surface to be coated and partially melt-bonded to this surface. Combined by.

また、被着したい被覆材料3の固着を改善するために、別の有利な方法は始動エレメント1の加熱を提案する。このことは、この実施例では、接続部5と線路6とを介した、始動エレメント1内に埋め込まれた加熱エレメント4のコンタクティングによって実現されている。始動エレメントの位置決めもしくは位置固定のためには、相応に形成されたホルダ7が設けられている。このホルダ7は、加熱エレメント4へのエネルギ供給のための供給接続部8を有していてよい。   Also, another advantageous method proposes heating the starting element 1 in order to improve the adhesion of the coating material 3 to be applied. This is achieved in this embodiment by contact of the heating element 4 embedded in the starting element 1 via the connection 5 and the line 6. For positioning or fixing the starting element, a correspondingly formed holder 7 is provided. This holder 7 may have a supply connection 8 for supplying energy to the heating element 4.

被覆材料3の、被覆法によって被着したい粒子と、この粒子が衝突する表面との間の特に良好な材料結合は、前記両方法の組合せによって得ることができる。なぜならば、これによって、個々の材料の間の材料応力の著しい低減が、加熱されない始動エレメントに比べて可能になるからである。付加的には、こうして被着された防護層10に対して、比較的高い密度を、相応に生ぜしめられた改善された機械的な特性と共に達成することができるという利点が得られる。   A particularly good material bond between the particles of the coating material 3 to be deposited by the coating method and the surface on which the particles impinge can be obtained by a combination of the two methods. This is because this allows a significant reduction in material stress between the individual materials compared to a starting element that is not heated. In addition, for the protective layer 10 thus applied, the advantage is obtained that a relatively high density can be achieved with correspondingly improved mechanical properties.

図2に相応して、始動エレメント1の耐食性の改善のためには、別の防護層12が、始動エレメント1にかつ/またはすでに始動エレメント1に被着された防護層10に被着されてよい。   Corresponding to FIG. 2, in order to improve the corrosion resistance of the starting element 1, another protective layer 12 is applied to the starting element 1 and / or to the protective layer 10 already applied to the starting element 1. Good.

特に有利には、始動エレメント1に対する被覆法の実施時に、始動エレメントもしくは始動エレメントに被着された層10の熱膨張係数と、被着したい防護層12の熱膨張係数との間の適合が行われてよい。これは、被着したい防食層の層固着と寿命とに関する品質の向上に対する重要な要因である。このことは、互いに結合したい材料、たとえば基体9と、被着したい第1の層10との熱膨張係数の値またはすでに被着された層10と、被着したい後続の層12との熱膨張係数の値が、可能な限り僅かに異なるように選択されることによって可能になる。2つの層の熱膨張係数の値が過度に極めて異なる場合には、複数の個々の層の被着による熱膨張係数(WAK)の個々の値の段階的な適合が達成されてよい。   It is particularly advantageous when the start-up element 1 is subjected to a coating process to match between the thermal expansion coefficient of the starting element or the layer 10 applied to the starting element and the thermal expansion coefficient of the protective layer 12 to be applied. You may be broken. This is an important factor for improving the quality of the anticorrosion layer to be deposited with respect to layer adhesion and life. This is due to the value of the coefficient of thermal expansion of the material to be bonded to each other, for example the substrate 9 and the first layer 10 to be deposited or the thermal expansion of the already deposited layer 10 and the subsequent layer 12 to be deposited. This is possible by selecting the coefficient values to be as slightly different as possible. If the values of the coefficients of thermal expansion of the two layers are too different, a stepwise adaptation of the individual values of the coefficient of thermal expansion (WAK) due to the deposition of a plurality of individual layers may be achieved.

この観点を以下に、たとえば材料系:すなわち、窒化ケイ素[WAK:約3.0×10−6−1]、石英[WAK:約1.2×10−6−1]、ムライト[WAK:約5.6×10−6−1]およびコランダム[WAK:約7.8×10−6−1]において説明する。この材料系は互いに以下の順序で結合されてよい:
−窒化ケイ素(Si)−基板材料(HAT防食に対して)
−石英(SiO)−基板の薄膜の表面層(弱い防食)
−ムライト(3Y・2SiO)−中間層(平均的な防食)
−コランダム(α−Al)−最外の層(優れた防食)。
From this viewpoint, for example, a material system: silicon nitride [WAK: about 3.0 × 10 −6 K −1 ], quartz [WAK: about 1.2 × 10 −6 K −1 ], mullite [WAK] : About 5.6 × 10 −6 K −1 ] and corundum [WAK: about 7.8 × 10 −6 K −1 ]. This material system may be bonded together in the following order:
- Silicon nitride (Si 3 N 4) - (relative HAT anticorrosion) substrate material
- Quartz (SiO 2) - the surface layer of the thin film substrate (weak corrosion)
-Mullite (3Y 2 O 3 · 2SiO 2 ) -Intermediate layer (average corrosion protection)
Corundum (α-Al 2 O 3 ) —outermost layer (excellent corrosion protection).

したがって、連続的に始動エレメントに溶射された重なり合って被着された複数の層から成る構造によって、WAKの段階的な適合ひいては所望の防護材料の有利な被着が可能となる。さらに、この例では、化学的な組成の移行が(内側のSiリッチな材料から外側のAlリッチな材料へ)流動的に行われ、層全体にわたる良好な材料相容性を可能にする。   Thus, a structure consisting of a plurality of overlappingly deposited layers that are continuously sprayed onto the starting element allows a stepwise adaptation of the WAK and thus an advantageous deposition of the desired protective material. Furthermore, in this example, the chemical composition transition is made fluidly (from the inner Si-rich material to the outer Al-rich material), allowing good material compatibility across the layer.

特に有利には、このような被覆法の実施時には、すでに上述したような酸化物と混合酸化物とが被覆材料3として使用される。しかし、酸化物または混合酸化物のグループに属していない材料、たとえば炭化タングステンをベースとした材料系も、このような被覆法のために際立って適している。   Particularly advantageously, the oxides and mixed oxides already mentioned above are used as the coating material 3 when carrying out such a coating process. However, materials that do not belong to the group of oxides or mixed oxides, such as material systems based on tungsten carbide, are also outstandingly suitable for such coating methods.

付加的に有利には、触媒活性材料の被着も考慮される。この触媒活性材料は、たとえば最後から二番目の層12として多孔質の被覆層13の下方に配置されていてよい。   In addition, the deposition of catalytically active materials is also advantageously considered. This catalytically active material may be disposed, for example, as the second to last layer 12 below the porous coating layer 13.

外側の層13または被覆層13の構成は、図2において、右半分に密な層13Aとして例示してあり、左半分に多孔質の層13Bとして例示してある。被着された全ての層は一緒に共通して防護層14を生ぜしめる。   In FIG. 2, the configuration of the outer layer 13 or the covering layer 13 is illustrated as a dense layer 13A on the right half and illustrated as a porous layer 13B on the left half. All applied layers together have a protective layer 14 in common.

内燃機関における燃焼過程に用いられる被覆したい始動エレメントと、被覆装置とを著しく概略的に示す図である。1 is a schematic view of a starting element to be coated and a coating device used in a combustion process in an internal combustion engine. 図1に示した始動エレメントの概略的な部分横断面図である。FIG. 2 is a schematic partial cross-sectional view of the starting element shown in FIG. 1.

符号の説明Explanation of symbols

1 始動エレメント、 2 装置、 3 被覆材料、 4 加熱エレメント、 5 接続部、 6 線路、 7 ホルダ、 8 供給接続部、 9 基体、 10 防護層、 11 装置、 12 防護層、 13 被覆層、 13A 層、 13B 層、 14 防護層   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Start element, 2 Apparatus, 3 Coating material, 4 Heating element, 5 Connection part, 6 Line, 7 Holder, 8 Supply connection part, 9 Base | substrate, 10 Protection layer, 11 Apparatus, 12 Protection layer, 13 Coating layer, 13A layer , 13B layer, 14 protective layer

Claims (21)

内燃機関における燃焼過程に用いられる始動エレメント(1)、特にシース型グロープラグ(1)を被覆するための方法において、被覆材料(3)を、プラズマ法に起因した被着法によって始動エレメント(1)にかつ/またはすでに始動エレメント(1)に被着された防護層(10)に被着することを特徴とする、内燃機関における燃焼過程に用いられる始動エレメントを被覆するための方法。   In a method for coating a starting element (1) used in a combustion process in an internal combustion engine, in particular a sheath type glow plug (1), the covering material (3) is applied to the starting element (1) by a deposition method resulting from the plasma method. And / or a protective layer (10) already applied to the starting element (1). A method for coating a starting element used in a combustion process in an internal combustion engine. 内燃機関における燃焼過程に用いられる始動エレメント(1)、特にシース型グロープラグ(1)を被覆するための方法において、始動エレメント(1)を被覆過程の前にかつ/または被覆過程の間に加熱することを特徴とする、内燃機関における燃焼過程に用いられる始動エレメントを被覆するための方法。   In a method for coating a starting element (1) used in a combustion process in an internal combustion engine, in particular a sheath type glow plug (1), the starting element (1) is heated before and / or during the coating process. A method for coating a starting element for use in a combustion process in an internal combustion engine. 始動エレメントに配置された加熱エレメント(4)を始動エレメント(1)の加熱のために使用する、請求項1または2記載の方法。   3. The method according to claim 1, wherein the heating element (4) arranged on the starting element is used for heating the starting element (1). 被覆材料(3)を、部分的に溶融された状態で被着する、請求項1から3までのいずれか1項記載の方法。   4. The method as claimed in claim 1, wherein the coating material (3) is applied in a partially melted state. 別の防護層(12)を始動エレメント(1)にかつ/またはすでに始動エレメント(1)に被着された防護層(10)に被着する、請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。   5. The protective layer according to claim 1, wherein a further protective layer is applied to the starting element and / or to the protective layer already attached to the starting element. 6. the method of. 始動エレメント(1)もしくは始動エレメント(1)に被着された層(10)の熱膨張係数と、被着したい防護層(12)の熱膨張係数との間の適合を行う、請求項1から5までのいずれか1項記載の方法。   A fit between the thermal expansion coefficient of the starting element (1) or the layer (10) applied to the starting element (1) and the thermal expansion coefficient of the protective layer (12) to be applied is made, The method according to any one of 5 to 5. 始動エレメント(1)への個々の防護層(10,12,13)の形成を、該防護層(10,12,13)の組成が、内側から外側に向かって基板材料から被覆材料の主成分に変化するように実施する、請求項1から6までのいずれか1項記載の方法。   The formation of the individual protective layers (10, 12, 13) on the starting element (1) is such that the composition of the protective layers (10, 12, 13) is the main component of the coating material from the substrate material toward the outside. The method according to claim 1, wherein the method is carried out so as to change to 始動エレメント(1)への個々の防護層(10,12,13)の形成を、該防護層(10,12,13)の組成が、内側から外側に向かって比較的Siリッチな材料から比較的Alリッチなまたはイットリウムリッチな材料に変化するように実施する、請求項1から7までのいずれか1項記載の方法。   The formation of the individual protective layers (10, 12, 13) on the starting element (1) is compared from a material in which the composition of the protective layer (10, 12, 13) is relatively Si rich from the inside to the outside. The method according to any one of claims 1 to 7, wherein the method is carried out so as to change into a typical Al-rich or yttrium-rich material. 始動エレメント(1)への個々の防護層(10,12,13)の形成を、該防護層(10,12,13)の組成が、内側から外側に向かって比較的Fe(鉄)リッチな材料から比較的クロムリッチなまたはモリブデンリッチな材料に変化するように実施する、請求項1から8までのいずれか1項記載の方法。   The formation of the individual protective layers (10, 12, 13) on the starting element (1) is such that the composition of the protective layers (10, 12, 13) is relatively rich in Fe (iron) from the inside to the outside. 9. A method according to any one of the preceding claims, wherein the method is carried out to change from a material to a relatively chromium rich or molybdenum rich material. 被覆材料(3)として、約1150℃よりも大きな温度で、酸性のかつアルカリ性のガラス形成物、たとえばアルカリ塩、硫酸塩、リン酸塩およびこれに類するものに対して抵抗性の酸化物、たとえばコランダム(α−Al)、Y、マグネシウムスピネル(MgAl)、二酸化ジルコン(ZrO)、酸化クロム(Cr)、酸化アルミニウム(Al)および/またはこのような酸化物から成る混合物を使用する、請求項1から9までのいずれか1項記載の方法。 The coating material (3) is an oxide that is resistant to acidic and alkaline glass formers such as alkali salts, sulfates, phosphates and the like at temperatures greater than about 1150 ° C. Corundum (α-Al 2 O 3 ), Y 2 O 3 , magnesium spinel (MgAl 2 O 3 ), zircon dioxide (ZrO 2 ), chromium oxide (Cr 2 O 3 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and / or 10. The process as claimed in claim 1, wherein a mixture of such oxides is used. 被覆材料(3)として、約1150℃よりも大きな温度で、酸性のかつアルカリ性のガラス形成物、たとえばアルカリ塩、硫酸塩、リン酸塩およびこれに類するものに対して抵抗性の混合酸化物、たとえばムライト(3Al・2SiO)またはY類似の化合物:Yケイ酸塩(Y2SiO)および/またはイットリウム安定化された二酸化ジルコン(YZS)を使用する、請求項1から10までのいずれか1項記載の方法。 As coating material (3), mixed oxides resistant to acidic and alkaline glass formers, such as alkali salts, sulfates, phosphates and the like, at temperatures greater than about 1150 ° C., for example mullite (3Al 2 O 3 · 2SiO 2 ) or Y similar compounds: using Y silicate (Y 2 O 3 2SiO 2) and / or yttrium stabilized zirconium dioxide (YZS), claim 1 11. The method according to any one of up to 10. 被覆材料(3)として、約1150℃よりも大きな温度で、酸性のかつアルカリ性のガラス形成物、たとえばアルカリ塩、硫酸塩、リン酸塩およびこれに類するものに対して抵抗性の、酸化物または混合酸化物のグループに属していない、炭化タングステン(WC)をベースとした材料系から成る材料、たとえばWC、WC/Co、WC/CoCr、WC/CrNiまたはこれに類するものを使用する、請求項1から11までのいずれか1項記載の方法。   As a coating material (3), an oxide or an acid or alkaline glass former, such as an alkali salt, sulfate, phosphate and the like, resistant at temperatures greater than about 1150 ° C. A material comprising a material system based on tungsten carbide (WC) not belonging to the group of mixed oxides, such as WC, WC / Co, WC / CoCr, WC / CrNi or the like, is used. 12. The method according to any one of 1 to 11. 触媒活性材料、たとえばCe、Pt、Pd化合物またはこれに類するものを被着する、請求項1から12までのいずれか1項記載の方法。   13. A method according to any one of claims 1 to 12, wherein a catalytically active material, such as a Ce, Pt, Pd compound or the like, is deposited. 被覆材料(3)を球面状のまたはほぼ球面状の粒子または造粒物の形で使用する、請求項1から13までのいずれか1項記載の方法。   14. A method as claimed in claim 1, wherein the coating material (3) is used in the form of spherical or nearly spherical particles or granules. 防護層(14)の外側の層(13)を、閉鎖された層(13A)として形成する、請求項1から14までのいずれか1項記載の方法。   15. A method according to any one of claims 1 to 14, wherein the outer layer (13) of the protective layer (14) is formed as a closed layer (13A). 防護層(14)の層(13)の1つを多孔質の層(13B)として形成する、請求項1から15までのいずれか1項記載の方法。   16. A method according to any one of the preceding claims, wherein one of the layers (13) of the protective layer (14) is formed as a porous layer (13B). 被着法が、スパッタリング過程を有するようになっている、請求項1から16までのいずれか1項記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the deposition method comprises a sputtering process. 被着法が、溶射過程を有している、請求項1から17までのいずれか1項記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the deposition method has a thermal spraying process. 被覆したい始動エレメント(1)として、セラミックス、たとえばSiまたはSiOおよび/または金属、たとえばNiCrFeから成る基体を使用する、請求項1から18までのいずれか1項記載の方法。 As coated should start element (1), a ceramic, for example, Si 3 N 4 or SiO x C y and / or metal, for example, NiCr o using a substrate consisting of Fe r, any one of claims 1 to 18 the method of. 内燃機関における燃焼過程に用いられる始動エレメント(1)、特にシース型グロープラグ(1)を被覆するための装置において、プラズマ被覆装置(11)が設けられていることを特徴とする、内燃機関における燃焼過程に用いられる始動エレメントを被覆するための装置。   In an internal combustion engine characterized in that a plasma coating device (11) is provided in a device for coating a starting element (1) used in a combustion process in an internal combustion engine, in particular a sheath type glow plug (1). Device for coating the starting element used in the combustion process. 内燃機関における燃焼過程に用いられる始動エレメント(1)、特にシース型グロープラグ(1)を被覆するための装置において、始動エレメント(1)の加熱を被覆過程の前にかつ/または被覆過程の間に可能にする手段(4)が設けられていることを特徴とする、内燃機関における燃焼過程に用いられる始動エレメントを被覆するための装置。   In an apparatus for coating a starting element (1) used in a combustion process in an internal combustion engine, in particular a sheath type glow plug (1), heating of the starting element (1) is carried out before and / or during the coating process. A device for coating a starting element for use in a combustion process in an internal combustion engine, characterized in that it is provided with means (4) enabling it.
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