WO1996035868A1 - Keramisierter leichtmetallkolben für verbrennungsmotoren - Google Patents

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Helmut Nolte
Dora Banerjee
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    • F05C2201/00—Metals
    • F05C2201/02—Light metals
    • F05C2201/021—Aluminium

Definitions

  • the invention relates to a new type of high-vibration, high-temperature light alloy piston for internal combustion engines.
  • EP-A-412 660 describes a heat-insulating piston, in the piston crown area of which i.a. a heat-insulating element made of ceramic material is applied. This has the disadvantage that the ceramic has insufficient adhesion to the metal surface of the piston and loosens under high loads and also leads to the piston failing.
  • DE-PS 36 11 165 describes an integrally cast piston for one
  • DE-OS 33 30 554 describes a piston for an internal combustion engine, the Brerin space trough is provided with a ceramic coating applied by thermal spraying or baking, into which a ceramic insert is cast.
  • the composite ceramic air core insert / ceramic can loosen at high levels of vibration and temperature and cause the disadvantages already described.
  • Ceramics were also applied to metallic pistons by spraying on according to US-A-2,833,264 and DE-OS 34 04 284 or sintering a ceramic on the piston metal according to US-A-2, 657,961.
  • This method has the decisive disadvantage that thick coatings (80 to 150 ⁇ m) form cracks due to high thermal gradients and different thermal expansion in connection with high shock loads, and the composite ceramic coating / piston is thereby destabilized at the interface.
  • the invention is based on the object of providing a light metal piston, in particular made of aluminum or aluminum alloys, which has a heat-insulating ceramic layer which can withstand high vibrations and high temperatures and thus ensures high ceramic / piston material stability.
  • the object is achieved according to the invention by a light metal piston, the surface of which is completely or partially covered with an oxide ceramic conversion layer.
  • the piston can be made of aluminum or aluminum alloys (cf. aluminum pocket book, Aluminum Verlag Düsseldorf (1983), p. 1044).
  • An oxide ceramic conversion layer is understood here and below to mean an oxide ceramic layer which was produced by an anodic plasma-chemical reaction in an electrolyte from a light metal surface, preferably from aluminum or an aluminum alloy.
  • a light metal surface preferably from aluminum or an aluminum alloy.
  • Such layers and the processes for their production are known, for example, from EP-B-280 886, EP-B-545 230 and DE-OS 41 04 847. In this reaction, part of the light metal is oxidized to a ceramic.
  • a crystalline Al 2 0 3 - forms in an aluminum piston
  • Double oxides such as NiAl 2 ⁇ 4 and / or MgAl 2 ⁇ 4 and / or CuAl 2 0 4 can also be detected by X-ray analysis, for example when using the piston material AlSil2CuMgNi.
  • the elements for the double oxides are the alloy components of the piston material.
  • This conversion layer made of ceramic on the piston has the property that it is very firmly connected to the piston and can withstand high loads such as thermal expansion up to 400 ° C and vibration loads in high cycle fatigue up to 50 x 10 load changes per minute.
  • the piston crown of the light metal piston is completely or partially covered with an oxide ceramic
  • the combustion bowl and / or the top land can be coated with an oxide ceramic conversion layer.
  • the layer thickness of the oxide ceramic conversion layer is 10 to 150 ⁇ m, preferably 60 to 80 ⁇ m.
  • combustion catalysts are embedded in the oxide ceramic conversion layer and are used for the complete combustion of the fuel to form carbon dioxide and water.
  • Such catalysts are, for example, metals such as precious metals e.g. Platinum, palladium, rhodium, ruthenium or oxidic compounds made of non-precious metals such as oxides of copper, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel and their combinations.
  • precious metals e.g. Platinum, palladium, rhodium, ruthenium or oxidic compounds made of non-precious metals such as oxides of copper, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel and their combinations.
  • a light metal piston made of G-AlSiCuNi is clamped in an electrical contacting device in such a way that only the piston head comes into contact with the electrolyte.
  • the anodic plasma chemical reaction of the piston crown takes place at current densities of 5 A / dm and a final voltage of 220 - 230 V.
  • the layer thickness is 60 ⁇ m and is at a

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Abstract

Leichtmetallkolben für Verbrennungsmotoren, dessen Oberfläche ganz oder teilweise mit einer Oxidkeramik-Konversionsschicht überzogen ist.

Description

Keramisierter Leichtmetallkolben für Verbrennungsmotoren
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung betrifft einen neuartigen hochschwingungs- und hochtempe- raturbelastbaren Leichtmetallkolben für Verbrennungsmotoren.
Es ist bekannt, örtlich hochbelastete Oberflächen auf Leichtmetallkolben - insbesondere seinen Boden - elektrolytisch zu oxidieren (Motortechnische Zeitschrift, 1975, S. 241; DE-PS 26 26 131). Diese so aufgebrachte Eloxal¬ bzw. Harteloxalschicht neigt aufgrund ihres amoφhen Charakters bei hoher Beanspruchung zur Rißbildung. Der Riß kann sich bis in das Grundmaterial fortsetzen. Das führt zum Ausfall des Kolbens und damit des gesamten Motors.
In der EP-A-412 660 wird ein wärmeisolierender Kolben beschrieben, in dessen Kolbenbodenbereich u.a. ein wärmeisolierendes Element aus kera¬ mischem Material aufgebracht ist. Das hat den Nachteil, daß die Keramik nur ungenügende Haftung auf der Metalloberfläche des Kolbens hat und sich bei hoher Belastung lockert und auch so zum Ausfall des Kolbens führt. Die DE-PS 36 11 165 beschreibt einen integral gegossenen Kolben für eine
Brennkraftmaschine, in dem eine keramische Platte in einer Kappe auf Eisenbasis verankert ist. Die Produktion eines derartigen Kolbens ist zeit- und kostenaufwendig. Auch tritt hier eine Lockerung des Keramikbauteiles aufgrund der hohen thermischen Belastungen sowie Schwingungsbelastun- gen auf.
In der DE-OS 33 30 554 wird ein Kolben für eine Brennkraftmaschine beschrieben, dessen Brerinraummulde mit einer durch thermisches Spritzen oder Einbrennen aufgebrachten Keramikbeschichtung versehen ist, in die eine Keramikeinlage eingegossen ist. Auch hier kann sich der Verbund Kerairükeinlage/Keramik bei hoher Schwingungs- und Temperaturbe itung lockern und die schon beschriebenen Nachteile hervorrufen.
Keramiken wurden auch auf metallische Kolben durch Aufsprühverfahren gemäß US-A-2,833,264 und DE-OS 34 04 284 oder Sinterung einer Keramik auf dem Kolbenmetall gemäß US-A-2, 657,961 aufgebracht. Diese Methode hat aber den entscheidenden Nachteil, daß dicke Überzüge (80 bis 150 μm) aufgrund hoher Wärmegradienten und unterschiedlicher Wärmedehnung in Verbindung mit hohen Stoßbelastungen Risse bilden und der Verbund Keramiküberzug/Kolben dadurch an der Grenzfläche destabilisiert wird.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Leichtmetallkolben, insbesondere aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, bereitzustellen, der eine hochschwingungs- und hochtemperaturbelastbare wärmeisolie¬ rende Keramikschicht aufweist und somit eine hohe Verbundstabilität Keramik/Kolbenmaterial gewährleistet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Leichtmetallkolben, gelöst, dessen Oberfläche ganz oder teilweise mit einer Oxidkeramik-Konversions¬ schicht überzogen ist. Der Kolben kann aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen (vgl. Alumi¬ nium-Taschenbuch, Aluminium-Verlag Düsseldorf (1983), S. 1044) herge¬ stellt sein.
Unter einer Oxidkeramik-Konversionsschicht wird hier und im folgenden eine Oxidkeramikschicht verstanden, die durch eine anodisch plasmasche- mische Reaktion in einem Elektrolyten aus einer Leichtmetalloberfläche, vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, hergestellt wurde. Solche Schichten und die Verfahren zu ihrer Herstellung sind bei¬ spielsweise aus der EP-B-280 886, EP-B-545 230 und DE-OS 41 04 847 bekannt. Bei dieser Reaktion wird ein Teil des Leichtmetalls zu einer Kera- mik oxidiert. Bei einem Aluminiumkolben bildet sich eine kristalline Al203-
Keramik bis zu einer Stärke von 120 μm. Röntgenographisch lassen sich z.B. bei Verwendung des Kolbenmaterials AlSil2CuMgNi auch Doppeloxide wie NiAl2θ4 und/oder MgAl2θ4 und/oder CuAl204 nachweisen. Die Elemen¬ te für die Doppeloxide sind die Legierungsbestandteile des Kolbenmaterials. Diese so hergestellte Konversionsschicht aus Keramik auf dem Kolben hat die Eigenschaft, daß sie mit dem Kolben sehr fest verbunden ist und hohe Belastungen wie Wärmeausdehnung bis 400 °C und Schwingungsbelastun- gen im High Cycle Fatigue bis 50 x 10 Lastwechsel pro Minute aushält. Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der Kolben- boden des Leichtmetallkolbens ganz oder teilweise mit einer Oxidkeramik-
Konversionsschicht überzogen. Ebenso kann die Brennmulde und/oder der Feuersteg mit einer Oxidkera¬ mik-Konversionsschicht überzogen sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die Schicht- dicke der Oxidkeramik-Konversionsschicht 10 bis 150 μm, vorzugsweise 60 bis 80 μm.
Gemäß einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform sind in der Oxidkeramik-Konversionsschicht Verbrennungskatalysatoren eingelagert, die zur vollständigen Verbrennung des Kraftstoffes zu Kohlen¬ dioxid und Wasser dienen.
Solche Katalysatoren sind beispielsweise Metalle wie Edelmetalle z.B. Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium oder oxidische Verbindungen aus Nicht- edelmetallen wie Oxide des Kupfers, Chroms, Mangans, Eisens, Kobalts, Nickels und deren Kombinationen.
Das folgende Beispiel dient zur Erläuterung der Erfindung:
Beispiel:
Ein Leichtmetallkolben aus G-AlSiCuNi wird in eine elektrische Kontaktie- rungsvorrichtung so eingespannt, daß nur der Kolbenboden mit dem Elek¬ trolyten in Berührung kommt. Die anodische plasmachemische Reaktion des Kolbenbodens erfolgt bei Stromdichten von 5 A/dm und einer End- Spannung von 220 - 230 V. Die Schichtdicke beträgt 60 μm und ist bei einer
Beschichtungszeit von 45 min erreicht.
Versuche im Motortest ergaben, daß bei sehr hohen Belastungen die Ver¬ bundstabilität Keramikkonversionsschicht/Kolben erhalten bleibt und sich keine Risse gebildet haben.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Leichtmetallkolben, dadurch gekennzeichnet, daß seine Oberfläche ganz oder teilweise mit einer Oxidkeramik-Konversionsschicht überzo¬ gen ist.
2. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden ganz oder teilweise mit einer Oxidkeramik-Konversions¬ schicht überzogen ist.
3. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennmulde mit einer Oxidkeramik-Konversionsschicht über¬ zogen ist.
4. Leichtmetallkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß auch der Feuersteg mit einer Oxidkeramik-Konversions¬ schicht überzogen ist.
5. Leichtmetallkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Schichtdicke der Oxidkeramik-Konversionsschicht 10 bis 150 μm beträgt.
6. Leichtmetallkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Schichtdicke der Oxidkeramik-Konversionsschicht 60 bis 80 μm beträgt.
7. Leichtmetallkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß in die Oxidkeramik-Konversionsschicht Verbrennungska¬ talysatoren eingelagert sind.
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