WO2007028621A2 - Beschichtung eines thermisch und erosiv belasteten funktionsbauteils, sowie ein trennmittel und ein verfahren zur herstellung der beschichtung - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a metallic functional component, which is exposed to a thermal or a thermal and erosive load and on which a coating is applied to at least one surface, wherein the coating of a binder phase, which consists at least largely of a phosphate, and one in the binder phase embedded material. Moreover, the invention relates to a release agent for producing a coating on a functional component and moreover relates to a method for producing a coating on a metallic surface of a functional component.
  • components that are subjected to thermal or thermal and erosive stress while flowing, pressurized, or exposed to a medium perform, for example, the function of a power transmission or a baffle. In this function, they are charged with flowing or expanding media. In many cases, it comes to strong temperature fluctuations, so that the components must meet the condition of temperature resistance. In many cases, components which are in contact with flowing media also lead to deposits, so that these components are usually provided with coatings.
  • Typical examples of such functional components are, for example, pistons, cylinder head calottes and the entire area of exhaust gas recirculation in the motor vehicle. In addition to the erosive loading of these components, these components are also inferior to high thermal loads and temperature fluctuations. To protect such functional components a variety of coatings and coating methods are known.
  • DE 101 24 434 A1 discloses a process for producing a coating and a coating for metals or metal alloys, such as steels, sintered metals or aluminum alloys from the fields of automobile construction and mechanical engineering.
  • the aim of this coating is to protect the materials mentioned against wear and corrosion.
  • the coating consists of an inorganic matrix phase, the at least largely consists of a phosphate and a material embedded therein.
  • the coating consists of an inorganic matrix phase of aluminum phosphate, in which materials such as alumina or graphite are embedded.
  • Such coatings are preferably applied to the substrate to be coated via water-based gels or dispersions of dissolved monoaluminum phosphate and powdered functional materials dispersed therein, dried and baked at typical temperatures of 150 ° C. to 500 ° C. in an oven.
  • the coating here refers to the surface of a piston skirt having a hard anodized coating and a composite polymer coating applied to the hard anodized coating.
  • the composite polymer coating comprises a variety of solid and lubricious particles in a heat-resistant polymer matrix that can withstand engine operating temperatures.
  • the known lubricant materials graphite, boron nitride, molybdenum et cetera are used.
  • the object of the present invention is to develop a coating of thermally or thermally and erosively loaded functional surfaces on components, which forms a chemical bond with the base material of the functional component and thus counteracts the erosive and thermal stresses on the functional components.
  • the coating should be easy to apply and have a high adhesion to the base material.
  • Another object of the invention is to provide a method capable of producing such a layer and which produces high adhesion between the binder and the base material.
  • the object according to the invention is achieved in relation to the functional component provided with a coating in that the binder phase is chemically bonded to the base material of the functional component and in that the binder phase consists of a polymer of polymerized monoaluminum phosphate and / or monozinc phosphate and / or monomagnesium phosphate and / or sodium phosphate and / or boron phosphate is formed and the functional component is part of an internal combustion engine, and the material embedded in the binder phase, a structural part of the form AI 2 O 3 and / or SiO 2 and / or TiO 2 and / or ZrO 2 in a fraction of 80 nm to 200 nm and embedded in the binder phase material of primary parts of the form AI 2 O 3 , SiO 2 , ZnO, ZrO 2 , CeO, TiO 2 in a fraction of 2nm to 80nm is formed, wherein the primary parts are embedded in the gaps between the structural parts and the primary parts and the structural parts are enclosed
  • the binder phase structural parts of the form AI 2 O 3 and / or SiO 2 and / or TiO 2 and / or ZrO 2 are involved.
  • the polymer chains enclose the structural parts and bind the structural parts to the base material.
  • the phosphate is either a chemical bond with an existing iron in the base material or a non-metal such as aluminum.
  • a firmly adhering layer is also produced by the binder diffusing into the base material. The degree of infiltration depends on the bulk density of the base material and on the degree of porosity present.
  • the functional component which forms a great security against erosive loads by means of a chemical bond with the base material and the inclusion of the structural elements in the polymer chains.
  • the hard structural parts which are present as oxides, as a wear carrier and the binder phase as a binder between the base material and structural element.
  • the structural parts are present in a fraction of 80nm to 200nm and form with up to 10 wt .-%, the largest proportion of particulate materials in the coating.
  • the structural parts have a relatively coarse surface structure, so that on the one hand the structural parts interlock with each other and at the same time ensure a good hold in the binder phase.
  • Advantageously and essential to the invention is a proportion of primary parts of the form AI 2 O 3 and / or SiO 2 and / or ZnO and / or TiO 2 and / or ZrO 2 and / or CeO in the binder phase.
  • the primary parts are integrated.
  • the primary parts are optimally suited to serve as fillers between the structural parts. This results in a very smooth surface, which in turn counteracts erosion and deposition of the soot particles acting on the functional part, for example contained in an exhaust gas of an exhaust gas recirculation channel.
  • the very smooth and resistant surface thus enables the advantage according to the invention that the functional components provided with a coating according to the invention have a long service life.
  • the primary parts are preferably present in proportions of 1 wt .-% to 3 wt .-% in the coating.
  • an organic and / or inorganic dispersant is also important.
  • a gelatine marketed under the brand name "Gelita” is used, the main components of which are calcium with a content of 3950 mg per kg and magnesium with a content of 1500 mg per kg, the remainder consisting of organic and inorganic components
  • Gelantine preferably has the task of making a coordinated contribution to balance the potential for dispersing and accelerating the reaction.
  • the Richardson-Ellingham diagram which is known on the one hand and on the other hand
  • Magnesium and calcium as main constituents of the gelatin serve to stabilize the structural parts and primary parts during the dissolution of the hot base material through the coating, so that a control of the binding of the coating to the Gr Material is possible.
  • the gelatin is present in proportions of 0.5 wt .-% to 5 wt .-% in the release agent and is thus detectable at least in trace amounts in the coating of the functional component
  • sliding parts of the form boron nitride and / or magnesium aluminum silicate and / or molybdenum sulfide and / or silicate minerals, for example mica, are incorporated into the binder phase.
  • the sliding parts are contained in the coating at levels of up to 5% by weight.
  • the much larger sliding parts with dimensions of 2 ⁇ m to 15 ⁇ m are also by the Polymer chains of polymerized phosphate held or lie between the structural parts in the coating.
  • Thicknesses between 1 .mu.m and 80 .mu.m are preferably provided as layer thicknesses.
  • a thickness of between 25 ⁇ m and 60 ⁇ m is built up on the surface of the functional component.
  • Functional components are for example components such as pistons, a cylinder head calotte, or parts of the exhaust gas recirculation in a motor vehicle.
  • the functional components are made of aluminum alloys or steel. It is also possible to form a coating according to the invention on a functional component made of cast iron, in particular a cast iron of the form GG 1 GGG, GGV.
  • the object according to the invention is achieved in relation to the release agent for producing a coating on a functional component such that the release agent is formed from a demineralized water and contains the following constituents:
  • organic and / or inorganic dispersant such as, for example, gelatin
  • the acid buffer By means of the acid buffer, it is possible according to the invention to adjust the acid content and thus the pH of the release agent and thus to control the reaction rate and formation of the polymers.
  • the acid buffer thus serves to delay the reaction and to ensure a uniform course of the reaction.
  • a pH of 4 to 5 is set in the release agent.
  • the release agent By using the release agent, it is now possible to produce a coating according to claim 1.
  • structural parts and primary parts are contained in the release agent, which are applied by means of spraying or dipping of the functional component on the surface of the material of the functional component. It is also advantageous in the release agent Sliding members of the form boron nitride and / or magnesium aluminum silicate and / or molybdenum disulfide bring.
  • the fractions of the structural parts lie between 80nm to 200nm of the primary parts between 2nm and 80nm and the sliding parts between 2 ⁇ m and 15 ⁇ m.
  • the advantage here is the gelatin, which forms nanoparticles on its own.
  • binder in a size proportion of up to 5 wt .-% are added to the release agent.
  • the structural parts are added with up to 10 wt .-%, the primary parts of up to 3 wt .-% and the sliding parts in an amount of up to 5 wt .-% of the release agent.
  • the release agent has a high level of liquidity and can be sprayed by simple means, for example, on the surface of the functional component.
  • the coating according to the invention is produced by first applying a release agent to the surface and then heating the functional component to a temperature of at least 200 ° C., so that a chemical bond of the phosphate with the base material and a polymerization of the binder takes place.
  • the heating is generated by means of a high-frequency electric field that, for example, is applied capacitively or inductively to the functional component.
  • Preferred frequency ranges for heating by means of a high-frequency electric field are in this case 100 kHz up to 10 MHz 1, wherein preferably about 4 MHz are used. With a heating at 4 MHz, this results in a penetration depth of the phosphate of 0.2 to 0.3 mm. It is thus produced a very good adhesion coating on the functional component.
  • the polymer chains serve on the one hand for the cohesion of the layer and on the other hand, they are advantageous because they grow under thermal stress and thus increase the elasticity of the layer. With cyclic thermal stress, therefore, no premature component failure occurs due to crack formation of the coating, since the coating according to the invention can elastically follow the expansions of the base material.
  • the inventive construction of the layer a temperature resistance can be achieved up to about 1300 0 C.
  • the phosphate binder systems used have a polymer temperature of about 220 0 C and a glazing temperature of 830 0 C.
  • the adhesion to the base material is hereby ensured even in almost glazed or glazed state by the chemical bond to the base material.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein metallisches Funktionsbauteil, das einer thermischen oder einer thermischen und erosiven Belastung ausgesetzt ist und auf dem auf mindestens eine Oberfläche eine Beschichtung aufgebracht ist, wobei die Beschichtung aus einer Binderphase, die zumindest weitgehend aus einem Phosphat besteht, und einem in die Binderphase eingebetteten Werkstoff besteht. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Trennmittel, zur Herstellung einer derartigen Beschichtung sowie ein Verfahren zur Aufbringung der Beschichtung auf ein Funktionsbauteil.

Description

B E S C H R E I B U N G
Beschichtung eines thermisch und erosiv belasteten Funktionsbauteil, sowie ein Trennmittel und ein Verfahren zur Herstellung der Beschichtung
Die Erfindung betrifft ein metallisches Funktionsbauteil, das einer thermischen oder einer thermischen und erosiven Belastung ausgesetzt ist und auf dem auf mindestens eine Oberfläche eine Beschichtung aufgebracht ist, wobei die Beschichtung aus einer Binderphase, die zumindest weitgehend aus einem Phosphat besteht, und einem in die Binderphase eingebetteten Werkstoff besteht. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Trennmittel zur Herstellung einer Beschichtung auf einem Funktionsbauteil und darüber hinaus ein Verfahren zur Erzeugung einer Beschichtung auf einer metallischen Oberfläche eines Funktionsbauteils.
Bauteile, die einer thermischen oder einer thermischen und erosiven Belastung ausgesetzt werden und dabei von einem Medium durchströmt, beaufschlagt oder ausgesetzt sind, üben zum Beispiel die Funktion einer Kraftübertragung oder einer Leitfläche aus. In dieser Funktion werden sie mit strömenden oder expandierenden Medien beaufschlagt. Vielfach kommt es dabei zu starken Temperaturschwankungen, so dass die Bauteile die Bedingung einer Temperaturbeständigkeit erfüllen müssen. Vielfach kommt es bei Bauteilen, die mit strömenden Medien in Kontakt stehen auch zu Ablagerungen, so dass diese Bauteile zumeist mit Beschichtungen versehen sind. Typische Beispiele für derartige Funktionsbauteile sind beispielsweise Kolben, Zylinderkopfkalotten sowie der gesamte Bereich der Abgasrückführung im Kraftfahrzeug. Neben der erosiven Belastung dieser Bauteile, sind diese Bauteile auch hohen thermischen Belastungen und Temperaturschwankungen unterlegen. Zum Schutz derartiger Funktionsbauteile sind verschiedenste Beschichtungen und Beschichtungsverfahren bekannt.
Aus der DE 101 24 434 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung sowie eine Beschichtung für Metalle oder Metalllegierungen wie Stähle, Sintermetalle oder Aluminiumlegierungen aus den Bereichen Automobilbau und Maschinenbau bekannt. Ziel dieser Beschichtung ist es, die genannten Werkstoffe vor Verschleiß und Korrosion zu schützen. Die Beschichtung besteht hierbei aus einer anorganischen Matrixphase, die zumindest weitgehend aus einem Phosphat besteht und einem darin eingebetteten Werkstoff. In einer Ausführungsform besteht die Beschichtung aus einer anorganischen Matrixphase aus Aluminiumphosphat, in die Werkstoffe, wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Graphit eingebettet sind. Derartige Beschichtungen werden bevorzugt über wasserbasierte Gele oder Dispersionen aus gelöstem Monoaluminiumphosphat und darin dispergierten, pulverförmigen Funktionswerkstoffen auf das zu beschichtende Substrat aufgetragen, getrocknet und bei typischen Temperaturen von 1500C bis 5000C in einem Ofen eingebrannt.
Eine weitere Beschichtung für Aluminiumwerkstoffe ist aus der DE 699 08 837 T2 bekannt. Die Beschichtung bezieht sich hierbei auf die Oberfläche eines Kolbenmantels, der eine hartanodisierte Beschichtung besitzt und eine auf der hartanodisierten Beschichtung aufgebrachten Verbundpolymerbeschichtung. Die Verbundpolymerbe- schichtung umfasst eine Vielzahl von festen und schmierenden Teilchen in einer wärmebeständigen Polymermatrix, die den Arbeitstemperaturen des Motors standhalten kann. Als Schmiermittel werden hierbei die bekannten Schmiermittel-Werkstoffe Graphit, Bornitrit, Molybdän et cetera eingesetzt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Beschichtung von thermisch oder thermisch und erosiv belasteten Funktionsoberflächen an Bauteilen zu entwickeln, die eine chemische Bindung mit dem Grundwerkstoff des Funktionsbauteils eingeht und somit den erosiven und thermischen Belastungen der Funktionsbauteile entgegen steht. Darüber hinaus soll die Beschichtung leicht zu applizieren sein und eine hohe Haftung zum Grundwerkstoff aufweisen. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein Trennmittel zur Herstellung einer derartigen Schicht bereitzustellen, das kostengünstig herzustellen und leicht zu applizieren ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, das in der Lage ist eine derartige Schicht zu erzeugen und das eine hohe Haftung zwischen dem Binder und dem Grundwerkstoff erzeugt.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird in Bezug auf das mit einer Beschichtung versehene Funktionsbauteil dahingehend gelöst, dass die Binderphase chemisch mit dem Grundwerkstoff des Funktionsbauteils verbunden ist und dass die Binderphase aus einem Polymer aus polymerisiertem Monoaluminiumphosphat und/oder Monozinkphosphat und/oder Monomagnesiumphosphat und/oder Natriumphosphat und/oder Borphosphat gebildet ist und das Funktionsbauteil ein Teil einer Verbrennungskraftmaschine ist, und der in die Binderphase eingebettete Werkstoff ein Strukturteil der Form AI2O3 und/oder SiO2 und/oder TiO2 und/oder ZrO2 in einer Fraktion von 80nm bis 200 nm ist und der in die Binderphase eingebettete Werkstoff aus Primärteilen der Form AI2O3, SiO2, ZnO, ZrO2, CeO, TiO2 in einer Fraktion von 2nm bis 80nm gebildet ist, wobei die Primärteile in den Lücken zwischen den Strukturteilen eingelagert sind und die Primärteile und die Strukturteile von dem Polymer umschlossen sind, und in der Beschichtung zumindest Spuren eines organischen Bindemittels, vorzugsweise von Gelantine, nachweisbar sind. Durch den erfindungsgemäßen Einsatz einer Binderphase aus polymerisierten Phosphaten ist nun die Möglichkeit geschaffen, eine chemische Bindung mit dem Grundwerkstoff herzustellen, und somit eine festhaftende Schicht auf dem Funktionsbauteil zu erzeugen. Derartige Beschichtungen erhöhen die Lebensdauer der Funktionsbauteile und reduzieren, bei verbesserter Wirkung den aufwendigen und kostenintensiven Einsatz von Verfahren zur Verbesserung des Thermoschockverhaltens der Grundwerkstoffe. Weiterhin werden mittels der erfindungsgemäßen Schicht Ablagerungen vermieden, was wiederum zur Emissionsminderung der Kraftfahrzeuge dient.
In die Binderphase werden Strukturteile der Form AI2O3 und/oder SiO2 und/oder TiO2 und/oder ZrO2 eingebunden. Dabei umschließen die Polymerketten die Strukturteile und binden die Strukturteile auf dem Grundwerkstoff. Hierbei geht das Phosphat entweder eine chemische Bindung mit einem im Grundwerkstoff vorhandenen Eisen oder einem Nichtmetall wie beispielsweise Aluminium ein. Eine fest haftende Schicht wird auch dadurch erzeugt, dass der Binder in den Grundwerkstoff hinein diffundiert. Der Infiltrationsgrad ist hierbei abhängig von der Rohdichte des Grundwerkstoffs und vom jeweils vorliegenden Porösitätsgrad.
Es ist somit eine festhaftende Schicht auf dem Funktionsbauteil erzeugt, die mittels einer chemischen Bindung mit dem Grundwerkstoff und dem Einschließen der Strukturelemente in die Polymerketten eine große Sicherheit gegenüber erosiven Belastungen bildet. Hierbei dienen die harten Strukturteile, die als Oxide vorliegen, als Verschleißträger und die Binderphase als Binder zwischen Grundwerkstoff und Strukturelement. Die Strukturteile liegen in einer Fraktion von 80nm bis 200nm vor und bilden mit bis zu 10 Gew.-% den größten Anteil an partikelartigen Werkstoffen in der Beschichtung. Die Strukturteile weisen eine relativ grobe Oberflächenstruktur auf, so dass sich einerseits die Strukturteile untereinander verhaken und gleichzeitig einen guten Halt in der Binderphase gewährleisten. Vorteilhaft und erfindungswesentlich ist ein Anteil von Primärteilen der Form AI2O3 und/oder SiO2 und/oder ZnO und/oder TiO2 und/oder ZrO2 und/oder CeO in der Binderphase. In die Lücken zwischen den Strukturteilen lagern sich die Primärteile ein. Insbesondere durch die Größe der Primärteile von 2nm bis 80nm sind die Primärteile optimal dazu geeignet, als Füllstoffe zwischen den Strukturteilen zu dienen. Hieraus resultiert eine sehr glatte Oberfläche, die wiederum einer Erosion und einer Ablagerung von das Funktionsteil beaufschlagenden, im zum Beispiel einem Abgas eines Abgasrück- führkanals enthaltenen Rußpartikeln entgegenwirken. Die sehr glatte und beständige Oberfläche ermöglicht somit den erfindungsgemäßen Vorteil, dass die mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung versehenen Funktionsbauteile eine hohe Lebensdauer aufweisen. Die Primärteile liegen bevorzugt in Anteilen von 1 Gew.-% bis 3 Gew.-% in der Beschichtung vor.
Als wesentlich ist ebenfalls der Einsatz eines organischen und/oder anorganischen Dispergiermittels zu werten. Eingesetzt wird insbesondere eine Gelantine, die unter dem Markennamen „Gelita" vertrieben wird. Hauptbestandteile dieser Gelantine sind Calzium mit einem Anteil von 3950 mg je kg und Magnesium mit einem Anteil von 1500 mg je kg, der Rest besteht aus organischen und anorganischen Bestandteilen. Die Gelantine hat bevorzugt die Aufgabe, für einen Potentialen Ausgleich beim Dispergieren und zur Reaktionsbeschleunigung einen abgestimmten Beitrag zu leisten. Zur Erläuterung des Potentialausgleichs der Gelantine in der Binderphase wird hiermit auf das Richardson- Ellingham-Diagramm Bezug genommen, das einerseits bekannt ist und aus dem andererseits die Potentialdifferenzen der einzelnen eingesetzten chemischen Verbindung ablesbar sind. Magnesium und Calzium als Hauptbestandteile der Gelantine, dienen hierbei zum Stabilisieren der Strukturteile und Primärteile beim Anlösen des heißen Grundwerkstoffs durch die Beschichtung, so dass eine Steuerung des Anbindens der Beschichtung an den Grundwerkstoff möglich ist. Die Gelantine liegt mit Anteilen von 0,5 Gew.-% bis 5 Gew.-% im Trennmittel vor und ist somit zumindest in Spurenanteilen in der Beschichtung des Funktionsbauteils nachweisbar.
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante der Erfindung sind in die Binderphase Gleitteile der Form Bornitrit und/oder Magnesiumaluminiumsilikat und/oder Molybdändi- sulfid und/oder silikatischen Mineralien, zum Beispiel Glimmer, eingebunden. Die Gleitteile sind in der Beschichtung mit Anteilen von bis zu 5 Gew.-% enthalten. Die sehr viel größeren Gleitteile mit Ausdehnungen von 2μm bis 15μm werden ebenfalls durch die Polymerketten des polymerisierten Phosphates gehalten oder liegen zwischen den Strukturteilen in der Beschichtung.
Als Schichtdicken sind bevorzugt Dicken zwischen 1 μm und 80μm vorgesehen. Bevorzugt wird eine Dicke zwischen 25μm und 60μm auf der Oberfläche des Funktionsbauteils aufgebaut. Funktionsbauteile sind zum Beispiel Bauteile wie Kolben, eine Zylinderkopfkalotte, oder Teile der Abgasrückführung in einem Kraftfahrzeug. Hierbei sind die Funktionsbauteile aus Aluminiumlegierungen oder aus Stahl gebildet. Es ist ebenfalls möglich, eine erfindungsgemäße Beschichtung auf einem Funktionsbauteil aus Gusseisen, insbesondere ein Gusseisen der Form GG1 GGG, GGV, zu bilden.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird in Bezug auf das Trennmittel zur Herstellung einer Beschichtung auf einem Funktionsbauteil dahingehend gelöst, dass das Trennmittel aus einem vollentsalzten Wasser gebildet ist und die folgenden Bestandteile enthält:
- einen Säurepuffer der Form Natriumlauge und/oder Kaliumlauge und/oder Aluminiumchlorid und
- einen phosphathaltigen Binder der Form Monoaluminiumphosphat und/oder Monozinkphosphat und/oder Monomagnesiumphosphat und/oder Natriumphosphat und/oder Borphosphat,
- einem organischen und/oder anorganischen Dispergiermittel, wie beispielsweise Gelantine,
- ein Anteil an Strukturteilen der Form AI2O3 und/oder SiO2, in einer Fraktion von 80nm bis 200 nm,
- ein Anteil an Primärteilen der Form AI2O3 und/oder SiO2 und/oder ZnO und/oder TiO2 und/oder ZrO2 und/oder CeO, in einer Fraktion von 2nm bis 80nm.
Mittels des Säurepuffers ist es erfindungsgemäß möglich, den Säuregehalt und damit den pH-Wert des Trennmittels einzustellen und somit die Reaktionsgeschwindigkeit und Bildung der Polymere zu steuern. Der Säurepuffer dient somit zur Verzögerung der Reaktion und zum gleichmäßigen Reaktionsablauf. Bevorzugt wird ein pH-Wert von 4 bis 5 im Trennmittel eingestellt. Durch die Verwendung des Trennmittels ist es nun möglich, eine Beschichtung gemäß dem Anspruch 1 zu erzeugen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind im Trennmittel Strukturteile sowie Primärteile enthalten, die mittels eines Aufsprühens oder Tauchens des Funktionsbauteils auf die Oberfläche des Werkstoffs des Funktionsbauteils appliziert werden. Vorteilhaft ist es ebenfalls in das Trennmittel Gleitteile der Form Bornitrit und/oder Magnesiumaluminiumsilikat und/oder Molybdändi- sulfid einzubringen. Die Fraktionen der Strukturteile liegen dabei zwischen 80nm bis 200nm der Primärteile zwischen 2nm und 80nm und der Gleitteile zwischen 2μm und 15μm. Vorteilhaft ist hierbei die Gelantine, die selbstständig Nanopartikel bildet. In den in den Unteransprüchen angegebenen Grenzen werden dem Trennmittel Binder in einem Größenanteil von bis zu 5 Gew.-% hinzugefügt. Die Strukturteile werden mit bis zu 10 Gew.-%, die Primärteile von bis zu 3 Gew.-% und die Gleitteile in einem Anteil von bis zu 5 Gew.-% dem Trennmittel hinzugegeben.
Durch die gezielte Auswahl der Hinzugabe der Strukturteile und Primärteile sowie gegebenenfalls der Gleitteile und des Binders besitzt das Trennmittel eine große Liquidität und kann mit einfachen Mitteln zum Beispiel auf die Oberfläche des Funktionsbauteils aufgesprüht werden.
In Bezug auf das Verfahren zur Erzeugung der Beschichtung auf einer Oberfläche des Funktionsbauteils wird die erfindungsgemäße Beschichtung dadurch erzeugt, dass die Oberfläche zuerst mit einem Trennmittel beaufschlagt und das anschließend das Funktionsbauteil auf eine Temperatur von mindestens 2000C erwärmt wird, so dass eine chemische Bindung des Phosphats mit dem Grundwerkstoff und eine Polymerisation des Binders erfolgt. Vorteilhafterweise wird die Erwärmung mittels eines hochfrequenten elektrischen Feldes erzeugt, dass beispielsweise kapazitiv oder induktiv auf das Funktionsbauteil aufgebracht wird. Durch dieses direkte Aufwärmen, wie es beispielsweise bei einer induktiven Erwärmung erfolgt, kann die Oberfläche sehr gleichmäßig erwärmt werden. Bevorzugte Frequenzbereiche für das Erwärmen mittels eines hochfrequenten elektrischen Feldes sind hierbei 100 kHz bis zu 10 MHz1 wobei bevorzugt ca. 4 MHz eingesetzt werden. Bei einer Erwärmung mit 4 MHz ergibt sich somit eine Eindringtiefe des Phosphats von 0,2 bis 0,3 mm. Es ist somit eine sehr gut haftende Beschichtung auf dem Funktionsbauteil erzeugt.
Die Polymerketten dienen einerseits für den Zusammenhalt der Schicht und andererseits sind sie vorteilhaft, da sie unter thermischer Belastung wachsen und somit die Elastizität der Schicht erhöhen. Bei zyklischer thermischer Belastung tritt somit kein vorzeitiges Bauteilversagen durch Rissbildung der Beschichtung auf, da die erfindungsgemäße Beschichtung den Dehnungen des Grundwerkstoffes elastisch folgen kann. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Schicht kann eine Temperaturbeständigkeit bis ca. 13000C erreicht werden. Die eingesetzten Phosphatbindersysteme haben eine Polymeri- sationstemperatur von etwa 2200C und eine Verglasungstemperatur von 8300C. Die Haftung zum Grundwerkstoff wird hierbei auch im nahezu verglasten oder verglasten Zustand durch die chemische Bindung zum Grundwerkstoff sichergestellt. Bevorzugt wird aber darauf zu achten sein, dass die Betriebstemperaturen im Einsatzgebiet der Funktionsbauteile unterhalb der Verglasungstemperatur liegt, damit die Beschichtungen im elastischen Bereich und somit in ihrem Ausdehnungskoeffizient ähnlich dem des Grundwerkstoffs sind.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Metallisches Funktionsbauteil, das einer thermischen oder einer thermischen und erosiven Belastung ausgesetzt ist und auf dem auf mindestens eine Oberfläche eine Beschichtung, aus einer Binderphase, die zumindest weitgehend aus einem Phosphat besteht, und einem in die Binderphase eingebetteten Werkstoff aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsbauteil ein Teil einer Verbrennungskraftmaschine ist und dass die Binderphase chemisch mit dem Grundwerkstoff des Funktionsbauteils verbunden ist und die Binderphase aus einem Polymer aus poly- merisiertem Monoaluminiumphosphat und/oder Monozinkphosphat und/oder Mono- magnesiumphosphat und/oder Natriumphosphat und/oder Borphosphat gebildet ist und der in die Binderphase eingebettete Werkstoff ein Strukturteil der Form AI2O3 und/oder SiO2 und/oder TiO2 und/oder ZrO2 in einer Fraktion von 80nm bis 200nm ist und der in die Binderphase eingebettete Werkstoff aus Primärteilen der Form AI2O3, SiO2, ZnO, ZrO2 , CeO, TiO2 in einer Fraktion von 2nm bis 80nm gebildet ist, wobei die Primärteile in den Lücken zwischen den Strukturteilen eingelagert sind und die Primärteile und die Strukturteile von dem Polymer umschlossen sind, und in der Beschichtung zumindest Spuren eines organischen Bindemittels, vorzugsweise von Gelantine, nachweisbar sind.
2. Funktionsbauteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der in die Binderphase eingebettete Werkstoff ein Gleitteil der Form Bornitrit und/oder Magne- siumaluminiumsilikat und/oder Molybdändisulfid, in einer Fraktion von 2μm bis 15μm ist, wobei die Gleitteile von dem Polymer umschlossen sind.
3. Funktionsbauteil nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsbauteil aus einer Aluminiumlegierung oder einem Stahl oder einem Gusseisen, insbesondere einem Gusseisen der Form GG1 GGG, GGV gebildet ist.
4. Funktionsbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsbauteil ein eisenhaltiges Bauteil ist und das die Beschichtung mittels gebundenem Eisenphospit mit dem Grundwerkstoff verbunden ist.
5. Funktionsbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht in einer Dicke von 1 μm bis 80μm, vorzugsweise einer Dicke von 25μm bis 60μm auf der Oberfläche vorhanden ist.
6. Funktionsbauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsbauteil ein Kolben, eine Zylinderkopfkalotte oder ein Teil einer Abgasrückführung ist.
7. Trennmittel zur Herstellung einer Beschichtung auf einem Funktionsbauteil, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmittel aus einem voll entsalzten Wasser gebildet ist und mindestens die folgenden Bestandteile enthält:
- einen Anteil der Form Natriumlauge und/oder Kaliumlauge und/oder Aluminiumchlorid,
- einen phosphathaltigen Binder der Form Monoaluminiumphosphat und/oder Mo- nozinkphosphat und/oder Magnesiumphosphat und/oder Manganphosphat und/oder Borphosphat,
- ein Anteil an Strukturteilen der Form AI2O3 und/oder SiO2, in einer Fraktion von 80nm bis 200nm,
- ein Anteil an Primärteilen der Form AI2O3 und/oder SiO2 und/oder ZnO und/oder TiO2 und/oder ZrO2 und/oder CeO, in einer Fraktion von 2nm bis 80nm und
- ein Anteil eines organischen und/oder anorganischen Dispergiermittels, insbesondere Gelantine.
8. Trennmittel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Trennmittel ein Anteil an Gleitteilen der Form Bornitrit und/ oder Magnesiumaluminiumsilikat und/oder Molybdändisulfid, in einer Fraktion von 2μm bis 15μm enthalten ist.
9. Trennmittel nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass in das Trennmittel einen pH-Wert von 4 bis 5 aufweist.
10. Trennmittel nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Binders im Trennmittel kleiner oder gleich 5 Gew.-% ist.
11. Trennmittel nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Strukturteile im Trennmittel kleiner oder gleich 10 Gew.-% ist.
12. Trennmittel nach einem der Ansprüche 7 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Primärteile im Trennmittel kleiner oder gleich 3 Gew.-% ist und vorzugsweise zwischen 1 Gew.-% und 3 Gew.-% liegt.
13. Trennmittel nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Gleitteile im Trennmittel kleiner oder gleich 5 Gew.-% ist.
14. Trennmittel nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Gelantine im Trennmittel zwischen 0,5 Gew.-% und 5 Gew.-% liegt.
15. Trennmittel nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gelantine Calzium und Magnesium enthalten sind.
16. Verfahren zur Erzeugung einer Beschichtung auf einer metallischen Oberfläche eines Funktionsbauteils, nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, mittels eines Trennmittels nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Oberfläche zuerst mit dem Trennmittel beaufschlagt und dass anschließend das Funktionsbauteil auf eine Temperatur von mindestens 2000C erwärmt wird, so dass eine chemische Bindung des Phosphats mit dem Grundwerkstoff und eine Polymerisation eines Binders im Trennmittel erfolgt.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung mittels eines hochfrequenten elektrischen Feldes in einem Frequenzbereich von 100 kHz bis 10 MHz, vorzugsweise in einem Frequenzbereich von 4 MHz, induktiv oder kapazitiv erfolgt.
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