WO2019106026A1 - Layer stack for arrangement in a combustion chamber of an internal combustion engine, in particular a piston, and a method for producing same - Google Patents

Layer stack for arrangement in a combustion chamber of an internal combustion engine, in particular a piston, and a method for producing same Download PDF

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WO2019106026A1
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piston
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layer stack
stack
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Tobias KAUDEWITZ
Ralf RABLBAUER
Frank Lange
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Volkswagen Aktiengesellschaft
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    • F05C2251/04—Thermal properties
    • F05C2251/048—Heat transfer

Definitions

  • Layer stack for arrangement in a combustion chamber of an internal combustion engine, in particular a piston, and a method for its production
  • the invention relates to a layer stack for arrangement in a combustion chamber of a
  • Combustion engine in particular a piston, and a method for its
  • Piston engines (also referred to as reciprocating piston engine) comprise a stationary component, namely a cylinder, and a piston arranged movably in the cylinder.
  • the piston is essentially composed of a piston skirt, which is slidably mounted along the cylinder wall, and a piston crown.
  • the piston crown together with the cylinder and the cylinder head, encloses a closed combustion chamber whose volume changes as a result of the movement of the piston in accordance with the working stroke of the engine.
  • the respective position of the piston in the housing thus determines the size of the combustion chamber.
  • a sealing of the combustion chamber relative to the crankcase takes place via sealing elements provided on the piston skirt of the piston.
  • the materials used for such pistons are steels and aluminum-based light alloys.
  • the most widely used piston engines today are gasoline and diesel engines, which are used in particular in motor vehicles.
  • the piston must be at
  • Layer stack comprises a first layer of heat-insulating material and a second layer of a thermally conductive material.
  • WO 2015/045 286 proposes a heat-insulating layer which, in addition to hollow particles of an inorganic oxide and a filler material, also has a vitreous material, wherein the vitreous material surrounds and binds the abovementioned constituents.
  • the high roughness has a negative effect on the combustion process, so that in practice it is arranged only in regions, that is to say not in particular in the trough of a piston.
  • PEO plasma-electrolytic oxidation
  • a first aspect of the invention relates to a layer stack which is arranged on a surface adjacent to a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the layer stack comprises a porous base layer of an Al 2 O 3 ceramic, which is arranged directly or indirectly on the surface, and one on the combustion chamber side facing the
  • both the base layer and the sealing layer have a thermal conductivity L of not more than 5 W / mK.
  • the layer system according to the invention has an additional due to the two-layeredness
  • the thermal conductivity is especially in a working range of 50 to 800 ° C,
  • the non-porous sealing layer has a low roughness, which extends the application range of the layer stack according to the invention as an insulating layer to the entire combustion chamber of an internal combustion engine, in particular to the entire piston surface.
  • a recess of the trough of a piston is no longer necessary or desirable, but the entire thermal potential of the coating is utilized.
  • the porosity of the base layer is in particular due to the production.
  • the base layer is preferably produced by means of plasma-electrolytic oxidation.
  • the base layer with the method known in WO 2015/090 267 on the surface applied. The cited publication is hereby incorporated by reference.
  • a porous base layer is to be understood as meaning in particular a ceramic layer which has at least mesopores (average diameter 2-50 nm), preferably macropores, ie pores having an average diameter of> 50 nm.
  • Both layers have a very similar to each other, very low thermal conductivity. This is significantly below the thermal conductivity of the substrate material, in particular in the case of the base layer in accordance with its ceramic character.
  • the substrate material is preferably a light metal alloy, in particular an Ai light metal alloy. Due to the smaller heat transfer coefficient and the lower
  • Combustion allows higher wall temperatures, so that the provided with the insulating or protective layer surface over the adjacent medium, such as hot gas, is thermally insulated.
  • Sealing layer not more than 2, especially not more than 1 W / mK. Particularly preferred is a thermal conductivity A 30- I OO of the base layer of less than 0.9 W / mK. These values optimize the above-described influence of the layer on the application in the combustion chamber.
  • the heat capacity of the base layer deviates from that of the sealing layer by not more than 50% relative to the base layer, and optionally the base layer and / or the base layer
  • Sealant layer have a volumetric heat capacity p of not more than 5 MJ / m 3 K, in particular not more than 2 MJ / m 3 K.
  • Such layers are optimized in particular for use as an insulating layer in a diesel engine. This could be at least 2% reduced at full surface coating of a Dieselkobens
  • the base layer comprises a mixed ceramic based on Al 2 0 3 (ie not less than 50% by volume, in particular not less than 75% by volume) with an oxide of the IV subgroup, in particular Zr and / or Ti, or consists of such.
  • a mixed ceramic based on Al 2 0 3 ie not less than 50% by volume, in particular not less than 75% by volume
  • an oxide of the IV subgroup in particular Zr and / or Ti, or consists of such.
  • the sealing layer consists of more than 60 vol .-% of a silicate ceramic. In other words, it is based on a silicate or a silicon oxide ceramic.
  • heat-insulating particles in particular Zr0 2 and / or Ti0 2 , to add. It has proven to be advantageous to additionally add particles with nanocrystalline grain size or as disperse distributed spherical conglomerates in high concentration in the preparation process of the silicate, wherein the particles have an average diameter of 25 pm.
  • the detailed micro and / or macrostructure of Ti0 2 - or Zr0 2 -Partikei itself has a further additional influence on the thermal insulation.
  • spherical conglomerates of fine powder particles, in particular with nanocrystalline microstructures exhibit a lower heat conduction and are therefore preferably included in the layer according to the invention.
  • Non-globulitic particles which are oriented parallel to the surface additionally increase the thermal insulation due to the anisotropy of the microstructure and are preferably additionally or alternatively contained in the layer.
  • the sealing layer is applied by means of a sol-gel method, since, as a result of the production, in particular in conjunction with silicates, fine, smooth surfaces of the layers can be produced.
  • the layer stack according to the invention has a total layer thickness (d) of 130 to 350 pm, in particular in the range of 170 to 230 pm.
  • the best results were achieved with a production-measuring tolerance of 200 pm thick layer. It is always the goal, as strong as possible heat-insulating (ie, as thick as possible) to deposit sturdy, yet temperature change resistant (ie as thin as possible) layer.
  • the total layer thickness is composed in particular of a 70 to 200 pm thick base layer and / or a 30 to 100 pm thick sealing layer. In the sol-gel process, essentially layers up to 80 ⁇ m thick are deposited.
  • the properties of the base layer determine the properties of the insulation layer, so that this contributes to the greatest extent to the total layer thickness.
  • Another aspect of the invention relates to a piston for an internal combustion engine
  • the piston according to the invention is characterized in particular by a light metal alloy, on whose surface, in particular in the region of a piston crown, at least in regions an inventive layer stack is arranged in one of the embodiments described.
  • the layer stack is preferably arranged on the entire surface, in particular in the region of a depression of the piston crown.
  • Efficiency of the internal combustion engine is particularly increased by the fact that less heat is removed from the combustion chamber or the cylinder chamber.
  • higher temperatures prevail than are known from the prior art. Higher temperatures in turn lead to a higher efficiency.
  • a temperature increase in the combustion chamber has a positive effect on the exhaust gas treatment, since the exhaust gases also have a higher temperature and thus lead to an accelerated heating of the catalysts.
  • the layer stack according to the invention provides on the piston crown for insulation and / or corrosion protection of the piston surface or of the piston.
  • a piston according to the invention is advantageously used in piston engines.
  • Piston machines are fluid-energy machines in which a displacer defines a periodically changing working space by means of its movement.
  • the displacer is a piston, which may for example have a cylindrical shape.
  • the reciprocating engine is understood as meaning both a rotary piston engine, which for example has a disk piston, and a reciprocating piston engine, in particular a cylindrical piston.
  • the region of the piston which faces the combustion chamber and thus is in contact with the fluid is referred to in the present invention as the piston head.
  • this piston crown is a top side with a round shape, which is cylindrical circumferential side wall, the piston skirt, is arranged.
  • the piston head in turn can have many forms. Thus, both planar and concave or convex curved shapes of the piston crown are possible in the present invention.
  • the piston head may have depressions and elevations, for example in the form of lugs, which are embedded in and / or protrude from the piston head.
  • the piston described in the present invention, in particular piston crowns are at least partially made of a light metal alloy or a steel, wherein
  • Light metal alloys are preferred as the piston material. Under light alloy are basically all conceivable light metal alloys to understand. However, aluminum alloys, in particular aluminum-silicon alloys with varying aluminum contents up to hypereutectic concentrations, are preferred in the present invention.
  • Another aspect of the invention relates to a process for the preparation of a
  • the layer stack comprises at least two layers, wherein a first layer is a base layer which is produced by means of a plasma electrolytic process, wherein optionally the electrolyte as a suspension additionally comprises ZrO 2 particles or TiO 2 particles, and a second layer comprises one the base layer disposed sealing layer which is produced by means of a sol-gel process.
  • a method for producing a layer stack for thermal insulation of components, in particular of pistons and other gas-conducting components of a motor is provided, wherein the layer stack comprises at least two layers.
  • a base layer by means of a
  • the electrolyte as a suspension additionally comprises ZrO 2 particles or TiO 2 particles, and a sealing layer is produced by means of a sol-gel process.
  • the proposed solution is thus the production of a 2-layer coating, the base layer being characterized by both an extremely low thermal conductivity and a large roughness and the sealing layer expands and simultaneously seals the base layer, thus providing a smooth seal of the surface to reach.
  • the invention combines two modified processes, reduces their respective disadvantages and extends the functionality of thermal insulation with cost-attractive effort.
  • the rough roughness of the first layer allows a good interlocking of both layers with each other.
  • the two processes can be used optimally in terms of time and function and thus a cost-effective durability and very good
  • the layer stack thus obtained also has the advantage of a contact transition or resistance, in addition to the Reduction of heat conduction also minimizes the transmission of radiation by reflection.
  • One application of a layer produced in this way is in all drives, in particular in internal combustion engines, in which high-temperature loads
  • Base layer is applied in a thickness of 150 - 260 pm and the sealing layer is applied in a thickness of 30 - 80 pm.
  • the resulting total thickness of the layer stack is not greater than 250 pm. It has also been shown in detailed simulations that the optimal thermal barrier coating for a reduced consumption
  • the base layer 2 is a porous AI 3 0 -Mischoxidkeramik or a porous AI 2 0 3 -Zr02-mixed oxide or a porous Al 2 0 3 -Ti0 2 - have mixed oxide, which in each case additionally embedded particles , is.
  • This layer is therefore characterized by an extremely low thermal conductivity, so that a particularly good thermal insulation is achieved.
  • this layer thus has a high roughness, so that the sealing layer can be anchored particularly well here.
  • As material for the particles with relatively low thermal conductivity are preferably Zr0 2 , Y-stabilized zirconia (Zr (Y) 0 2 ), alumina (Al 2 0 3 ), spinel (Al 2 0 3 / Mg0), mullite (Al 2 0 3 / Si0 2 ), zirconium alumina (Al 2 0 3 / Zr0 2 ), titanium oxide (Ti0 2 ), silicon oxide (Si0 2 ), alkali and alkaline earth silicate (ASi0 4 ) and mixed ceramics with essential constituents of said oxides into consideration. Even if the thermal conductivity of the introduced particles in their pure bulk state is not lower than that of the matrix, the thermal conductivity of both
  • the composite layer of the protective layer should be lower overall since the particles introduced act as impurities for the propagation of the crystal oscillations (phonons).
  • the concretization "with relatively low thermal conductivity" according to the invention is not limited exclusively to an actual material property of the particles, but should also include a heat conductivity reducing effect within the matrix.
  • Sealant layer a Si0 2 base layer or a Zr0 2 base layer or a
  • the properties of the first layer can still be used, so that the result is a particularly durable and highly efficient layer stack.
  • the applied layer stack is chemically and / or mechanically post-processed, in particular by etching, grinding or honing. This ensures an even better surface.
  • Important features of the cover layer are the lowest possible porosity and a smooth surface.
  • Electrolyte as a suspension additional particles are not greater than 25 pm. In this way, the layer can be applied very efficiently.
  • Sealant layer is additionally provided with heat-insulating particles, these particles are in particular nanocrystalline Zr0 2 or disperse distributed spherical conglomerates in high concentration of Zr0 2 . Particularly preferred are Zr0 2 ,
  • Y-stabilized zirconia Zr (Y) O 2
  • alumina Al 2 O 3
  • spinel Al 2 O 3 / MgO
  • mullite Y-stabilized zirconia
  • Al 2 0 3 / Si0 2 zirconium alumina (Al 2 0 3 / Zr0 2 ), titanium oxide (Ti0 2 ), silicon oxide (Si0 2 ), alkali and
  • Sealant layer are applied to an entire surface of a trough of the piston.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a piston in a first
  • Figure 2 is a schematic sectional view of a piston in a second
  • FIG. 3 schematically shows a detailed detail of a layer stack according to the invention on a piston bottom according to FIG. 2 or 3.
  • a preferred embodiment of the piston 10 according to the invention is based on a
  • Figure 1 shows a cylindrical piston 10 of a reciprocating motor not shown.
  • the piston 10 has a cylindrically shaped piston skirt 14, on which a substantially planar circular piston crown 11 is arranged.
  • the piston 10 further has circumferential grooves, which are formed to receive sealing elements, in particular piston rings.
  • the piston 10 is preferably made of a light metal alloy 15. Particularly preferred are aluminum alloys, in particular aluminum-silicon alloys. Also usable as piston material are iron compounds, ie steels. In illustrated
  • the piston head 11 has a recess 12 in which a layer stack 20 is arranged.
  • the diameter d s of the layer stack 20 essentially corresponds to the diameter of the depression 12.
  • the diameter d s of the layer stack 20 is in the
  • the layer stack 20 is flush with the edge 12 surrounding the recess. A detailed structure of the layer stack 20 is explained in more detail in a detail drawing described below in FIG.
  • FIG. 10 The embodiment of a piston 10 shown in FIG.
  • FIG. 1 A further preferred embodiment of a piston according to the invention is shown in FIG.
  • the piston 10, which is likewise shown in a sectional drawing, is fundamentally constructed in the same way as the piston 10 shown in FIG. 1. It differs from the first embodiment in that the piston head 11 of the cylindrical piston 10 is not planar but has a depression 13.
  • a functional layer stack 20 is arranged on the piston head 11 of the second embodiment of the piston 10 shown in FIG. 2.
  • the trough 13 may be substantially uniformly (not shown), ie without elevations or as shown in Figure 2 uneven, so for example with increases on the piston head executed.
  • the layer stack 20 has, as shown in Figure 1, a smaller diameter than the piston head 11. It thus forms a distance between the layer stack 20 and outer edge of the piston head 1 1. While maintaining a defined edge of the remaining area of the piston head 1 1 is complete from
  • the peripheral edge of the piston crown 11 preferably corresponds to less than 10%, in particular less than 5%, preferably less than 2% of the surface of the
  • the functional layer stack 20 shown in FIGS. 1 and 2 has, in particular, a heat-insulating function. This is due to the structure of the sketched in Figure 3
  • FIG. 3 shows a layer stack 20 according to the invention, which is arranged on a light metal alloy 15.
  • the light metal alloy 15 is preferably aluminum alloys, in particular aluminum-silicon alloys.
  • a bonding agent 23 can be arranged on this light metal alloy 15.
  • This base layer 21 is made of a material having heat insulating properties. It is an Al 2 0 3 -Kermik whose thermal conductivity in particular by adding
  • the base layer 21 has a coarse pore structure, ie it has at least mesopores and / or channels.
  • the porosity can be achieved through the manufacturing process.
  • Particularly suitable for producing the base layer 21 is a plasma electrolytic oxidation.
  • An anodization (ANOF) process or a PEO process is a combined process from the fields of plasma technology and electrochemistry, by means of which surfaces of components formed of so-called valve metals can be provided with a base layer 21 of an oxide ceramic ,
  • native barrier layer formers such as aluminum, magnesium or titanium come into the selection as valve metals.
  • the generation of the base layer 21 can be carried out in particular in aqueous electrolytes.
  • the component to be oxidized is poled anodically and immersed in the electrolyte together with a counter electrode (cathode).
  • the component initially forms a purely chemically induced passive layer. The growth of this passive layer can be achieved by applying a potential between the anodically poled component and the cathode.
  • the oxide layer of the component to be coated will penetrate locally, wherein plasma-chemical solid-state reactions, the spark discharges, are triggered.
  • This process does not take place nationwide but at those points where the thickness of the oxide layer and thus the local electrical resistance is lowest. Since the plasma reactions thus always take place at those points of the passive layer which locally have the lowest layer thickness, and there ensure a layer thickness growth, the surface is coated with a very uniform base layer.
  • Breaking breakdown voltage the applied electric potential is increased until the desired layer thickness of the base layer is reached.
  • the base layer produced by the preferred method is constructed as follows: Adjacent to the substrate is a thin, dense and closed layer, the so-called barrier layer 23, followed by a compact and low-pore layer. This is followed by a porous and less compact layer which, depending on the layer thickness, becomes both more porous and more brittle. In particular, this layer is openly porous and through small channels
  • the layer has an interconnecting pore network and / or a non-interconnecting pore network, which is characterized by closed inclusions of air or electrolyte.
  • the electrolyte has an electrolyte base, wherein the electrolyte base phosphoric acid (H 3 P0 4 ), potassium hydroxide (KOH), water glass
  • zirconium-containing compound (Na 2 Si0 3 ), deionized water or a zirconium-containing compound.
  • An electrolyte base in this case is a substance from a variety of substances, the most abundant in g / L in addition to water and urotropin in an electrolyte occurs.
  • Zirconium sulfate (ZrS0 4 ) or zirconium tungstate (ZrW0) is particularly suitable as the zirconium-containing compound. This has the advantage that with such an electrolyte composition, a component of, for example, aluminum or titanium or of the corresponding alloys can be plasma-electrochemically oxidized at all. It is advantageous if the electrical power is voltage-controlled, the current is limited or current-controlled, the voltage is limited, or is power-controlled.
  • the electrical power is applied at a frequency of 1 Hz to 10 kHz, in particular with a frequency of 1 Hz to 1000 Hz. It is advantageous if the voltage is applied in a range between 150 and 1500 volts, preferably in a range between 210 and 650 volts, and if the current with a current density in a range between 0.001 and 1000 A / dm 2 , preferably in one Range between 0.5 to 15 A / dm 2 is applied. It is conceivable for the applied current and / or the applied voltage to be modulated by a higher-frequency current and / or a higher-frequency voltage.
  • the applied current and / or the applied voltage is regulated in the same way, or to have the form of a symmetrical wave, an asymmetric wave, a rectangle or a trapezoid.
  • the characteristic shape is provided with a duty cycle and an offset in the range of 0 to 100% and can thus be executed both uni- and bipolar.
  • the shape of a wave is advantageous.
  • a temperature in the range between 0 ° C and 80 ° C is selected as the process temperature for the PEO. More preferably, the temperature is between 18 ° C and 50 ° C.
  • Base layer 21 grows closed on the component and thus a particularly dense and thus secure base layer 21 is formed.
  • the component can be protected so safe and long-term stability against external influences, for example, from undesirable oxidation.
  • the inventive method component can be produced in mass production with corresponding quality requirements. Furthermore, as well as a practicable
  • Production speed can be achieved, which makes a large-scale production possible.
  • the electrolyte is carried out as a dispersion, wherein one or more of the following particles are added to the electrolyte: tungsten carbide (WC), ZrO 2 , iron oxide, graphite, molybdenum disulfide (MoS 2 ), Y-stabilized zirconium oxide (Zr ( Y) 0 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), spinel (Al 2 O 3 / MgO), mullite (Al 2 O 3 / SiO 2 ), zirconia alumina (Al 2 O 3 / ZrO 2 ), titanium oxide (TiO 2 )
  • the electrolyte is applied to an above-mentioned electrolyte base by the addition of said particles.
  • the particles may be either globular, ellipsoidal or sparse in the form of flakes or the like.
  • the particles can be made of an oxide, a carbide or another material as long as the particles are incorporated as a foreign body into the base layer 21 due to the process or together with the substrate or the electrolyte to another
  • zirconium oxide (Zr0 2 ) has proved to be advantageous.
  • the sealing layer 24 is arranged.
  • the sealing layer 24 is substantially non-porous. It can be applied by means of a sol-gel process.
  • the sealing layer is characterized by a smooth surface. This effect can optionally be increased by a downstream smoothing process, such as grinding or honing.
  • the sealing layer 24 is preferably thinner than the base layer 21.
  • Preferred thicknesses of the sealing layer 24 are in the range between 50 and 100 .mu.m, particularly preferably 80 .mu.m. Due to the high porosity of the base layer 21, a toothing of the two layers results with each other, resulting in a particularly good durability.
  • the thermal conductivity and coefficient vary as well as the thermal expansion between the sealing layer 24 and the base layer only very little.
  • the layer stack 20 has a heat-insulating, in particular insulating function by the heat-insulating properties of the base layer 21. Because of the very low
  • Thermal conductivity l of the protective layer of the layer stack 20 only a very small part of the heat in the combustion chamber is discharged to the surface of the piston crown and from there out of the cylinder chamber. Rather, the heat remains within the combustion chamber and thus remains available for combustion. As a result, a higher efficiency is realized in the combustion chamber than at lower temperatures. At the same time, the exhaust gases discharged from the combustion chamber also have a higher temperature, which ultimately benefits exhaust gas treatment. Negative properties, which entail a high roughness of an insulating layer for the behavior in the combustion chamber, are alleviated by the arrangement of a sealing layer. In addition, a high durability and robustness is achieved by the high degree of toothing of the base layer with the sealing layer.

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Abstract

The invention relates to a layer stack for arrangement in a combustion chamber of an internal combustion engine, in particular a piston, and a method for producing same. According to the invention, the layer stack (20) comprises a porous base layer (21) comprising an Al2O3 ceramic which is arranged directly or indirectly on the surface (11) and a non-porous sealing layer (24) arranged on the side of the base layer (21) facing the combustion chamber, wherein both the base layer (21) and the sealing layer (24) have a thermal conductivity ʎ of no more than 5 W/mK.

Description

Beschreibung  description
Schichtstapel zur Anordnung in einem Brennraum einer Verbrennungsmaschine, insbesondere eines Kolbens, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung Layer stack for arrangement in a combustion chamber of an internal combustion engine, in particular a piston, and a method for its production
Die Erfindung betrifft einen Schichtstapel zur Anordnung in einem Brennraum einer The invention relates to a layer stack for arrangement in a combustion chamber of a
Verbrennungsmaschine, insbesondere eines Kolbens, sowie ein Verfahren zu dessen Combustion engine, in particular a piston, and a method for its
Herstellung. Production.
Kolbenmaschinen (auch als Hubkolbenmaschine bezeichnet) umfassen ein feststehendes Bauteil, nämlich einen Zylinder, sowie einen beweglich in dem Zylinder angeordneten Kolben. Der Kolben ist im Wesentlichen aus einem Kolbenhemd, welches entlang der Zylinderwand gleitend gelagert ist, und einem Kolbenboden aufgebaut. Der Kolbenboden schließt zusammen mit dem Zylinder und dem Zylinderkopf einen abgeschlossenen Brennraum ein, dessen Volumen sich durch die Bewegung des Kolbens entsprechend dem Arbeitstakt der Maschine verändert. Die jeweilige Stellung des Kolbens im Gehäuse bestimmt somit die Größe des Brennraums. Eine Abdichtung des Brennraums gegenüber dem Kurbelgehäuse erfolgt über am Kolbenhemd des Kolbens vorgesehene Dichtelemente. Als Werkstoffe für derartige Kolben sind Stähle und Leichtmetalllegierungen auf Aluminiumbasis verbreitet. Piston engines (also referred to as reciprocating piston engine) comprise a stationary component, namely a cylinder, and a piston arranged movably in the cylinder. The piston is essentially composed of a piston skirt, which is slidably mounted along the cylinder wall, and a piston crown. The piston crown, together with the cylinder and the cylinder head, encloses a closed combustion chamber whose volume changes as a result of the movement of the piston in accordance with the working stroke of the engine. The respective position of the piston in the housing thus determines the size of the combustion chamber. A sealing of the combustion chamber relative to the crankcase takes place via sealing elements provided on the piston skirt of the piston. The materials used for such pistons are steels and aluminum-based light alloys.
Die heute am weitesten verbreiteten Kolbenmaschinen stellen Otto- und Dieselmotoren dar, die insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Der Kolben muss bei The most widely used piston engines today are gasoline and diesel engines, which are used in particular in motor vehicles. The piston must be at
Kraftfahrzeugmotoren unter anderem die im Brennraum wirkenden Gaskräfte auf die Motor vehicle engines, inter alia, the gas forces acting in the combustion chamber on the
Pleuelstange übertragen. Darüber hinaus hat er die Aufgabe, die auf ihn übertragene Transfer connecting rod. In addition, he has the task that is transferred to him
Verbrennungswärme an das Kühlmittel weiterzuleiten. Forward combustion heat to the coolant.
Die Abführung thermischer Energie aus dem Brennraum ist notwendig, um die zulässigen Bauteiltemperaturen nicht zu überschreiten. Auf der anderen Seite führt die Wärmeabfuhr aus dem Brennraum über die Kolbenoberfläche jedoch zu ungenutzten Wirkungsgradpotentialen von Verbrennungsmotoren und senkt die Abgastemperaturen. Eine weitere Reduzierung der Abgastemperaturen kann durch verbrauchseinsparende Maßnahmen verursacht werden. Im Falle moderner Dieselmotoren sind die Abgastemperaturen bereits so gering, dass die The dissipation of thermal energy from the combustion chamber is necessary in order not to exceed the permissible component temperatures. On the other hand, however, the heat removal from the combustion chamber via the piston surface leads to unused efficiency potentials of internal combustion engines and lowers the exhaust gas temperatures. A further reduction in exhaust gas temperatures can be caused by consumption-saving measures. In the case of modern diesel engines, the exhaust gas temperatures are already so low that the
Temperatur nachgeschalteter Katalysatoren nach einem Motorkaltstart lange Zeit unterhalb der Light-off-Temperatur oder der optimalen Betriebstemperatur des Katalysators liegt und daher die optimale Effizienz der Abgasnachbehandlung nicht erreicht wird. Somit werden Maßnahmen angestrebt, um die Abgastemperaturen zu erhöhen oder jedenfalls nicht weiter zu reduzieren. Zudem kann die Wärmebelastung am Kolbenboden Korrosion verursachen. Temperature downstream catalysts after a cold engine start long time below the light-off temperature or the optimum operating temperature of the catalyst and therefore the optimal efficiency of the exhaust aftertreatment is not achieved. Thus, measures become sought to increase the exhaust gas temperatures or at least not further reduce. In addition, the heat load on the piston crown can cause corrosion.
Um einem Wärmeabtransport aus dem Verbrennungsraum entgegenzuwirken, ist es sinnvoll, Teile des Kolbens mit wärmeisolierenden Materialien zu beschichten. To counteract a heat dissipation from the combustion chamber, it makes sense to coat parts of the piston with heat-insulating materials.
So ist beispielsweise aus der DE 10 2014 201 337 ein Kolben für eine Kolbenmaschine bekannt, welcher auf seinem Kolbenboden einen Schichtstapel aufweist, wobei dieser For example, from DE 10 2014 201 337 a piston for a piston engine is known, which has a layer stack on its piston crown, wherein this
Schichtstapel eine erste Schicht aus wärmedämmenden Material und eine zweite Schicht aus einem wärmeleitenden Material umfasst. Layer stack comprises a first layer of heat-insulating material and a second layer of a thermally conductive material.
Des Weiteren ist aus der DE 10 2015 120 288 ein Verfahren zur Erzeugung einer Furthermore, from DE 10 2015 120 288 a method for generating a
Oberflächenschicht auf einer Oberfläche eines Bauteils mittels plasmaelektrolytischer Oxidation bekannt. Surface layer on a surface of a component by means of plasma electrolytic oxidation known.
In der WO 2015/045 286 wird eine wärmeisolierende Schicht vorgeschlagen, welche neben hohlen Partikeln aus einem anorganischen Oxid und einem Füllstoffmaterial auch ein glasartiges Material aufweist, wobei das glasartige Material die zuvor genannten Bestandteile umgibt und miteinander bindet. Allerdings wirkt sich die hohe Rauigkeit negativ auf das Brennverfahren aus, sodass sie in der Praxis nur bereichsweise, also insbesondere nicht in der Mulde eines Kolbens, angeordnet wird. WO 2015/045 286 proposes a heat-insulating layer which, in addition to hollow particles of an inorganic oxide and a filler material, also has a vitreous material, wherein the vitreous material surrounds and binds the abovementioned constituents. However, the high roughness has a negative effect on the combustion process, so that in practice it is arranged only in regions, that is to say not in particular in the trough of a piston.
Die bekannten Lösungen bieten bereits erste Verbesserungen auf dem genannten technischen Gebiet der Wärmedämmung im Motor. Allerdings hat sich gezeigt, dass in den Aspekten der Haltbarkeit und der Oberflächenbeschaffenheit noch Verbesserungspotentiale wünschenswert sind. Auch sind einige der vorgestellten Lösungen technisch aufwendig und somit The known solutions already offer first improvements in the mentioned technical field of thermal insulation in the engine. However, it has been shown that improvement potentials are still desirable in the aspects of durability and surface condition. Also, some of the solutions presented are technically complex and thus
kostenintensiv. So wäre beispielsweise eine mechanische Bearbeitung einer mittels expensive. For example, a mechanical processing would be a means
plasmaelektrolytischer Oxidation (PEO) aufgetragenen Isolationsschicht, wie sie beispielsweise in der W02015/090 267 vorgestellt ist, zwecks Rauhigkeitsminimierung denkbar. Dies wäre aber technisch aufwendig, weil die Schicht eine hohe Porosität aufweist, die zwar die plasma-electrolytic oxidation (PEO) applied insulation layer, as presented for example in W02015 / 090 267, conceivable for the purpose of minimizing roughness. However, this would be technically complicated because the layer has a high porosity, although the
Funktionalität der Wärmedämmung begünstigt, das Glattschleifen aber einschränkt, da ständig neue Poren freigelegt werden. Gleichzeitig wird die Schichtdicke reduziert, was sich wiederum negativ auf die Wärmedämmung niederschlägt. Ein mögliches Versiegeln der offenporigen PEO-Schicht, wie auch für jede Hartanodisierschicht, lässt sich mit Wasserdampf realisieren. Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine Isolationsschicht für Bauteile im Innenraum eines Brennraums einer Verbrennungsmaschine bereitzustellen, die sich durch eine besondere Robustheit auszeichnet und dabei eine möglichst glatte Oberfläche und niedrige Functionality of the thermal insulation favors, but the smooth grinding but limits, as constantly new pores are exposed. At the same time, the layer thickness is reduced, which in turn has a negative impact on the thermal insulation. A possible sealing of the open-pore PEO layer, as well as for each hard anodizing layer, can be realized with water vapor. It is therefore an object of the invention to provide an insulating layer for components in the interior of a combustion chamber of an internal combustion engine, which is characterized by a particular robustness and thereby the smoothest possible surface and low
Wärmeleitfähigkeit aufweist. Has thermal conductivity.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Somit betrifft ein erster Aspekt der Erfindung einen Schichtstapel der auf einer an einen Brennraum einer Verbrennungsmaschine angrenzenden Oberfläche angeordnet ist. Der Schichtstapel umfasst eine poröse Basisschicht aus einer Al203-Keramik, die mittelbar oder unmittelbar auf der Oberfläche angeordnet ist, und eine auf der dem Brennraum zugewandten Seite der This object is solved by the features of the independent claims. Thus, a first aspect of the invention relates to a layer stack which is arranged on a surface adjacent to a combustion chamber of an internal combustion engine. The layer stack comprises a porous base layer of an Al 2 O 3 ceramic, which is arranged directly or indirectly on the surface, and one on the combustion chamber side facing the
Basisschicht angeordnete nicht poröse Versiegelungsschicht. Erfindungsgemäß weist sowohl die Basisschicht als auch die Versiegelungsschicht eine Wärmeleitfähigkeit L von nicht mehr als 5 W/mK auf. Base layer disposed non-porous sealant layer. According to the invention, both the base layer and the sealing layer have a thermal conductivity L of not more than 5 W / mK.
Der erfindungsgemäße Schichtstapel bildet eine sehr robuste und sehr effektive The layer stack according to the invention forms a very robust and very effective
Isolationsschicht. Die grobe Rauigkeit der porösen Basisschicht führt zu einer guten Insulation layer. The rough roughness of the porous base layer leads to a good
Verzahnung der beiden Schichten und erhöht damit deren Haltbarkeit. Zudem weist das erfindungsgemäße Schichtsystem aufgrund der Zweischichtigkeit einen zusätzlichen Interlocking of the two layers and thus increases their durability. In addition, the layer system according to the invention has an additional due to the two-layeredness
Kontaktübergangswiderstand auf. Dies führt zu einer Reflexion von Wärmestrahlung in der Schicht am Übergang von Versiegelungsschicht zu Basisschicht, was eine Transmission von Wärmestrahlung reduziert. Contact contact resistance on. This leads to a reflection of heat radiation in the layer at the transition from sealing layer to base layer, which reduces a transmission of heat radiation.
Die Wärmeleitfähigkeit ist insbesondere in einem Arbeitsbereich von 50 bis 800°C, The thermal conductivity is especially in a working range of 50 to 800 ° C,
vorzugsweise in einem Arbeitsbereich von 100 bis 600°C derart gering und weist in diesem Bereich insbesondere keine spontanen Spitzen auf. preferably in a working range of 100 to 600 ° C so low and has in this area in particular no spontaneous peaks.
Ferner weist die nicht poröse Versiegelungsschicht aufgrund der fehlenden Poren eine geringe Rauigkeit auf, was den Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Schichtstapels als Isolationsschicht auf den gesamten Brennraum einer Verbrennungsmaschine, insbesondere auf die gesamte Kolbenoberfläche ausweitet. Eine Aussparung der Mulde eines Kolbens ist nicht mehr notwendig oder wünschenswert, vielmehr wird das gesamte thermische Potential der Beschichtung ausgenutzt. Furthermore, due to the missing pores, the non-porous sealing layer has a low roughness, which extends the application range of the layer stack according to the invention as an insulating layer to the entire combustion chamber of an internal combustion engine, in particular to the entire piston surface. A recess of the trough of a piston is no longer necessary or desirable, but the entire thermal potential of the coating is utilized.
Die Porosität der Basisschicht ist insbesondere herstellungsbedingt. So ist die Basisschicht bevorzugt mittels plasmaelektrolytischer Oxidation hergestellt. Mit besonderem Vorteil ist die Basisschicht mit dem in der WO 2015/ 090 267 bekannten Verfahren auf der Oberfläche aufgebracht. Auf die genannte Druckschrift wird hiermit offenbarungswirksam Bezug genommen wird. The porosity of the base layer is in particular due to the production. Thus, the base layer is preferably produced by means of plasma-electrolytic oxidation. With particular advantage, the base layer with the method known in WO 2015/090 267 on the surface applied. The cited publication is hereby incorporated by reference.
Unter einer poröser Basisschicht ist vorliegend eine insbesondere keramische Schicht zu verstehen, die zumindest Mesoporen (mittlerer Durchmesser 2-50 nm), bevorzugt Makroporen, also Poren mit einem mittleren Durchmesser von > 50 nm aufweist. In the present case, a porous base layer is to be understood as meaning in particular a ceramic layer which has at least mesopores (average diameter 2-50 nm), preferably macropores, ie pores having an average diameter of> 50 nm.
Beide Schichten weisen eine zueinander sehr ähnliche, sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit auf. Diese ist insbesondere bei der Basisschicht entsprechend ihres keramischen Charakters deutlich unterhalb der Wärmeleitfähigkeit des Substratmaterials. Bei dem Substratmaterial handelt es sich bevorzugt um eine Leichtmetalllegierung, insbesondere um eine Ai- Leichtmetalllegierung. Durch den kleineren Wärmeleitkoeffizienten und die geringere Both layers have a very similar to each other, very low thermal conductivity. This is significantly below the thermal conductivity of the substrate material, in particular in the case of the base layer in accordance with its ceramic character. The substrate material is preferably a light metal alloy, in particular an Ai light metal alloy. Due to the smaller heat transfer coefficient and the lower
Wärmeleitfähigkeit der auf der an den Brennraum angrenzenden Oberfläche aufgetragenen Isolationsschicht umfassend die Basisschicht und die Versiegelungsschicht, werden im Thermal conductivity of the applied on the surface adjacent to the combustion chamber surface insulating layer comprising the base layer and the sealing layer, are in
Brennraum höhere Wandtemperaturen ermöglicht, sodass die mit der Isolations- beziehungsweise Schutzschicht versehene Oberfläche gegenüber dem angrenzenden Medium, beispielsweise Heißgas, thermisch isoliert ist. Combustion allows higher wall temperatures, so that the provided with the insulating or protective layer surface over the adjacent medium, such as hot gas, is thermally insulated.
Mit besonderem Vorteil beträgt die Wärmeleitfähigkeit L der Basisschicht und/oder der With particular advantage, the thermal conductivity L of the base layer and / or the
Versiegelungsschicht nicht mehr als 2 insbesondere nicht mehr als 1 W/mK. Besonders bevorzugt ist eine Wärmeleitfähigkeit A30-IOO der Basisschicht von unter 0,9 W/mK. Diese Werte optimieren den oben beschriebenen Einfluss der Schicht auf die Anwendung im Brennraum. Sealing layer not more than 2, especially not more than 1 W / mK. Particularly preferred is a thermal conductivity A 30- I OO of the base layer of less than 0.9 W / mK. These values optimize the above-described influence of the layer on the application in the combustion chamber.
Es ist insbesondere bevorzugt, dass alternativ oder zusätzlich eine volumetrische It is particularly preferred that, alternatively or additionally, a volumetric
Wärmekapazität der Basisschicht von der der Versiegelungsschicht um nicht mehr als 50%, bezogen auf die Basisschicht, abweicht und optional die Basisschicht und/oder die The heat capacity of the base layer deviates from that of the sealing layer by not more than 50% relative to the base layer, and optionally the base layer and / or the base layer
Versiegelungsschicht eine volumetrische Wärmekapazität p von nicht mehr als 5 MJ/m3K, insbesondere von nicht mehr als 2 MJ/m3K, aufweisen. Derartige Schichten sind insbesondere auf die Verwendung als Isolationsschicht in einem Dieselmotor optimiert. Hiermit konnte bei vollflächiger Beschichtung eines Dieselkobens ein um mindestens 2% reduzierter Sealant layer have a volumetric heat capacity p of not more than 5 MJ / m 3 K, in particular not more than 2 MJ / m 3 K. Such layers are optimized in particular for use as an insulating layer in a diesel engine. This could be at least 2% reduced at full surface coating of a Dieselkobens
Dieselverbrauch erzielt werden. Diesel consumption can be achieved.
Mit besonderem Vorteil umfasst die Basisschicht eine Mischkeramik auf Basis von Al203 (also nicht weniger als 50Vol-%, insbesondere nicht weniger als 75 Vol.-%) mit einem Oxid der IV- Nebengruppe, insbesondere Zr und/oder Ti, oder besteht aus einer solchen. Die insbesondere bei der Herstellung mittels PEO zum Elektrolyt zugegebenen Partikel eines Nebengruppenoxids bilden mit der Keramik ein Mischoxid oder liegen als zusätzliche Teilchen in der Al203-Matrix vor, was zu verringerten Wärmeleitwerten führt. With particular advantage, the base layer comprises a mixed ceramic based on Al 2 0 3 (ie not less than 50% by volume, in particular not less than 75% by volume) with an oxide of the IV subgroup, in particular Zr and / or Ti, or consists of such. The particular in the production by means of PEO added to the electrolyte particles of a Nebengruppenoxids form a mixed oxide with the ceramic or are present as additional particles in the Al 2 0 3 matrix, resulting in reduced thermal conductivity.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung besteht die Versiegelungsschicht zu mehr als 60 Vol.-% aus einer Silikatkeramik. Mit anderen Worten ist sie auf Basis eines Silikats oder einer Siliziumoxidkeramik aufgebaut. In a preferred embodiment of the invention, the sealing layer consists of more than 60 vol .-% of a silicate ceramic. In other words, it is based on a silicate or a silicon oxide ceramic.
Um einen möglichst geringen Wärmeleitwert beziehungsweise -koeffizienten der To the lowest possible thermal conductivity or coefficient of
Versiegelungsschicht zu erzielen, ist es von Vorteil, dieser bei der Herstellung To achieve sealing layer, it is advantageous to this in the production
wärmedämmende Partikel, insbesondere Zr02 und/oder Ti02, zuzusetzen. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, zusätzlich Partikel mit nanokristalliner Korngröße oder als dispers verteilte sphärische Konglomerate in hoher Konzentration im Darstellungsprozess dem Silikat zuzugeben, wobei die Partikel einen mittleren Durchmesser von 25 pm aufweisen. heat-insulating particles, in particular Zr0 2 and / or Ti0 2 , to add. It has proven to be advantageous to additionally add particles with nanocrystalline grain size or as disperse distributed spherical conglomerates in high concentration in the preparation process of the silicate, wherein the particles have an average diameter of 25 pm.
Die detaillierte Mikro- und/oder Makrostruktur der Ti02- beziehungsweise Zr02-Partikei hat selbst einen weiteren zusätzlichen Einfluss auf die Wärmedämmung. So weisen sphärische Konglomerate aus feinen Pulverteilchen, insbesondere mit nanokristallinen Gefügestrukturen, eine niedrigere Wärmeleitung aus, und sind daher bevorzugt in der erfindungsgemäßen Schicht umfasst. The detailed micro and / or macrostructure of Ti0 2 - or Zr0 2 -Partikei itself has a further additional influence on the thermal insulation. Thus, spherical conglomerates of fine powder particles, in particular with nanocrystalline microstructures, exhibit a lower heat conduction and are therefore preferably included in the layer according to the invention.
Nicht globulitische Partikel die parallel zur Oberfläche orientiert sind, erhöhen zusätzlich die Wärmedämmung aufgrund der Anisotropie der Mikrostruktur und sind bevorzugt zusätzlich oder alternativ in der Schicht enthalten. Non-globulitic particles which are oriented parallel to the surface additionally increase the thermal insulation due to the anisotropy of the microstructure and are preferably additionally or alternatively contained in the layer.
Ferner ist es bevorzugt, wenn die Versiegelungsschicht mittels eines Sol-Gel-Verfahrens aufgebracht ist, da damit herstellungsbedingt, insbesondere in Verbindung mit Silikaten, feine glatte Oberflächen der Schichten erzeugbar sind. Furthermore, it is preferred if the sealing layer is applied by means of a sol-gel method, since, as a result of the production, in particular in conjunction with silicates, fine, smooth surfaces of the layers can be produced.
In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weist der erfindungsgemäße Schichtstapel eine Gesamtschichtdicke (d) von 130 bis 350 pm, insbesondere im Bereich von 170 bis 230 pm, auf. Die besten Ergebnisse wurden mit einer im Rahmen der Herstellungs- und Messtoleranz liegenden 200 pm dicken Schicht erzielt. Dabei ist stets das Ziel, eine möglichst stark wärmeisolierende (also möglichst dicke) robuste und doch temperaturwechselbeständige (also möglichst dünne) Schicht abzuscheiden. Die Gesamtschichtdicke setzt sich insbesondere aus einer 70 bis 200 pm dicken Basisschicht und/oder einer 30 bis 100 pm dicken Versiegelungsschicht zusammen. Im Sol-Gel-Verfahren werden im Wesentlichen Schichten bis 80 pm Schichtdicke abgeschieden. Zudem sind die Eigenschaften der Basisschicht eigenschaftsbestimmend für die Isolierungsschicht, sodass diese den größten Teil zur Gesamtschichtdicke beiträgt. In a further preferred embodiment of the invention, the layer stack according to the invention has a total layer thickness (d) of 130 to 350 pm, in particular in the range of 170 to 230 pm. The best results were achieved with a production-measuring tolerance of 200 pm thick layer. It is always the goal, as strong as possible heat-insulating (ie, as thick as possible) to deposit sturdy, yet temperature change resistant (ie as thin as possible) layer. The total layer thickness is composed in particular of a 70 to 200 pm thick base layer and / or a 30 to 100 pm thick sealing layer. In the sol-gel process, essentially layers up to 80 μm thick are deposited. In addition, the properties of the base layer determine the properties of the insulation layer, so that this contributes to the greatest extent to the total layer thickness.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine, Another aspect of the invention relates to a piston for an internal combustion engine,
insbesondere in einem Dieselmotor. Der erfindungsgemäße Kolben zeichnet sich insbesondere durch eine Leichtmetalllegierung aus, auf deren Oberfläche, insbesondere im Bereich eines Kolbenbodens, zumindest bereichsweise ein erfindungsgemäßer Schichtstapel in einer der beschriebenen Ausführungen angeordnet ist. Dabei ist der Schichtstapel bevorzugt auf der gesamten Oberfläche, insbesondere im Bereich einer Mulde des Kolbenbodens, angeordnet. especially in a diesel engine. The piston according to the invention is characterized in particular by a light metal alloy, on whose surface, in particular in the region of a piston crown, at least in regions an inventive layer stack is arranged in one of the embodiments described. In this case, the layer stack is preferably arranged on the entire surface, in particular in the region of a depression of the piston crown.
Die Anordnung eines erfindungsgemäßen Schichtstapels auf dem Kolbenboden führt in vorteilhafter Weise zu einer Wirkungsgradsteigerung des Verbrennungsprozesses. Der The arrangement of a layer stack according to the invention on the piston head leads advantageously to an increase in efficiency of the combustion process. The
Wirkungsgrad der Verbrennungsmaschine wird insbesondere dadurch erhöht, dass weniger Wärme aus dem Verbrennungsraum beziehungsweise dem Zylinderraum abtransportiert wird. Im Verbrennungsraum herrschen bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Kolbens höhere Temperaturen, als aus dem Stand der Technik bekannt. Höhere Temperaturen wiederum führen zu einem höheren Wirkungsgrad. Zusätzlich wirkt sich eine Temperaturerhöhung im Verbrennungsraum positiv auf die Abgasbehandlung aus, da auch die Abgase eine höhere Temperatur aufweisen und somit zu einem beschleunigten Aufheizen der Katalysatoren führen. Vorteilhafter Weise sorgt der erfindungsgemäße Schichtstapel auf dem Kolbenboden für eine Isolation und/oder einen Korrosionsschutz der Kolbenoberfläche beziehungsweise des Kolbens. Efficiency of the internal combustion engine is particularly increased by the fact that less heat is removed from the combustion chamber or the cylinder chamber. In the combustion chamber, when using a piston according to the invention, higher temperatures prevail than are known from the prior art. Higher temperatures in turn lead to a higher efficiency. In addition, a temperature increase in the combustion chamber has a positive effect on the exhaust gas treatment, since the exhaust gases also have a higher temperature and thus lead to an accelerated heating of the catalysts. Advantageously, the layer stack according to the invention provides on the piston crown for insulation and / or corrosion protection of the piston surface or of the piston.
Ein erfindungsgemäßer Kolben wird mit Vorteil in Kolbenmaschinen eingesetzt. A piston according to the invention is advantageously used in piston engines.
Kolbenmaschinen sind Fluid-Energie-Maschinen, in denen ein Verdränger mittels seiner Bewegung einen sich periodisch verändernden Arbeitsraum definiert. Den Verdränger stellt ein Kolben dar, welcher beispielsweise zylindrische Form haben kann. In vorliegender Erfindung wird unter Kolbenmaschine sowohl ein Drehkolbenmotor, welcher beispielsweise über einen Scheibenkolben verfügt, als auch ein Hubkolbenmotor mit insbesondere zylindrischem Kolben verstanden. Der Bereich des Kolbens, der dem Verbrennungsraum zugewandt ist und somit in Kontakt mit dem Fluid steht, ist in vorliegender Erfindung als Kolbenboden bezeichnet. Piston machines are fluid-energy machines in which a displacer defines a periodically changing working space by means of its movement. The displacer is a piston, which may for example have a cylindrical shape. In the present invention, the reciprocating engine is understood as meaning both a rotary piston engine, which for example has a disk piston, and a reciprocating piston engine, in particular a cylindrical piston. The region of the piston which faces the combustion chamber and thus is in contact with the fluid is referred to in the present invention as the piston head.
In Hubkolbenmotoren, welche über Kolben mit im Wesentlichen zylindrischer Geometrie verfügen, ist dieser Kolbenboden eine Deckseite mit runder Form, welche an eine zylindrisch umlaufende Seitenwand, dem Kolbenhemd, angeordnet ist. Der Kolbenboden wiederum kann vielfältige Formen aufweisen. So sind in vorliegender Erfindung sowohl planare als auch konkav oder konvex gewölbte Formgestaltungen des Kolbenbodens möglich. Ebenfalls kann der Kolbenboden über Mulden und über Erhöhungen, beispielsweise in Form von Nasen verfügen, die in dem Kolbenboden eingelassen sind und/oder aus diesem herausragen. Die in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Kolben, insbesondere Kolbenböden sind zumindest teilweise aus einer Leichtmetalllegierung oder einem Stahl gefertigt, wobei In reciprocating engines, which have pistons with a substantially cylindrical geometry, this piston crown is a top side with a round shape, which is cylindrical circumferential side wall, the piston skirt, is arranged. The piston head in turn can have many forms. Thus, both planar and concave or convex curved shapes of the piston crown are possible in the present invention. Likewise, the piston head may have depressions and elevations, for example in the form of lugs, which are embedded in and / or protrude from the piston head. The piston described in the present invention, in particular piston crowns are at least partially made of a light metal alloy or a steel, wherein
Leichtmetalllegierungen als Kolbenmaterial bevorzugt sind. Unter Leichtmetalllegierung sind grundsätzlich alle denkbaren Leichtmetalllegierungen zu verstehen. In vorliegender Erfindung bevorzugt sind jedoch Aluminiumlegierungen, insbesondere Aluminium-Silizium-Legierungen mit variierenden Aluminiumgehalten bis zu übereutektischen Konzentrationen. Light metal alloys are preferred as the piston material. Under light alloy are basically all conceivable light metal alloys to understand. However, aluminum alloys, in particular aluminum-silicon alloys with varying aluminum contents up to hypereutectic concentrations, are preferred in the present invention.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Another aspect of the invention relates to a process for the preparation of a
erfindungsgemäßen Schichtstapels, wobei der Schichtstapel zumindest zwei Schichten umfasst, wobei eine erste Schicht eine Basisschicht ist, die mittels eines plasmaelektrolytischen Prozesses hergestellt wird, wobei optional das Elektrolyt als Suspension zusätzlich Zr02- Partikel oder Ti02-Partikei umfasst, und eine zweite Schicht eine auf der Basisschicht angeordnete Versiegelungsschicht ist, welche mittels eines Sol-Gel-Prozesses hergestellt wird. layer stack according to the invention, wherein the layer stack comprises at least two layers, wherein a first layer is a base layer which is produced by means of a plasma electrolytic process, wherein optionally the electrolyte as a suspension additionally comprises ZrO 2 particles or TiO 2 particles, and a second layer comprises one the base layer disposed sealing layer which is produced by means of a sol-gel process.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtstapels zur Wärmedämmung von Bauteilen, insbesondere von Kolben und weiteren gasführenden Bauteilen eines Motors, bereitgestellt wird, wobei der Schichtstapel zumindest zwei Schichten umfasst. Dabei wird eine Basisschicht mittels eines In a preferred embodiment of the invention, it is provided that a method for producing a layer stack for thermal insulation of components, in particular of pistons and other gas-conducting components of a motor is provided, wherein the layer stack comprises at least two layers. In this case, a base layer by means of a
plasmaelektrolytischen Prozesses hergestellt, wobei der Elektrolyt als Suspension zusätzlich Zr02-Partikei oder Ti02-Partikei umfasst, und eine Versiegelungsschicht wird mittels eines Sol- Gel-Prozesses hergestellt. Bei der vorgestellten Lösung handelt es sich also um die Erzeugung einer 2-lagigen Beschichtung, wobei die Basisschicht sich sowohl durch eine extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit als auch eine große Rauigkeit auszeichnet und die Versiegelungsschicht die Basisschicht erweitert und gleichzeitig versiegelt, um somit eine glatte Versiegelung der Oberfläche zu erreichen. Die Erfindung kombiniert zwei modifizierte Verfahren, reduziert ihre jeweiligen Nachteile und erweitert die Funktionalität der Wärmedämmung mit kostenattraktivem Aufwand. Die grobe Rauigkeit der ersten Schicht ermöglicht eine gute Verzahnung beider Schichten miteinander. Die beiden Prozesse können zeit- und funktionstechnisch optimiert eingesetzt werden und somit eine kostengünstige Haltbarkeit und sehr gute The electrolyte as a suspension additionally comprises ZrO 2 particles or TiO 2 particles, and a sealing layer is produced by means of a sol-gel process. The proposed solution is thus the production of a 2-layer coating, the base layer being characterized by both an extremely low thermal conductivity and a large roughness and the sealing layer expands and simultaneously seals the base layer, thus providing a smooth seal of the surface to reach. The invention combines two modified processes, reduces their respective disadvantages and extends the functionality of thermal insulation with cost-attractive effort. The rough roughness of the first layer allows a good interlocking of both layers with each other. The two processes can be used optimally in terms of time and function and thus a cost-effective durability and very good
Oberflächenbeschaffenheit des Schichtstapels gewährleisten. Der so erhaltene Schichtstapel hat zudem den Vorteil eines Kontaktübergangs beziehungsweise -Widerstandes, der neben der Reduktion der Wärmeleitung ebenfalls die Transmission von Strahlung durch Reflexion minimiert. Eine Anwendung einer derart erzeugten Schicht ist in sämtlichen Antrieben, insbesondere in Verbrennungskraftmaschinen, in denen Hochtemperaturbelastungen Ensure surface quality of the layer stack. The layer stack thus obtained also has the advantage of a contact transition or resistance, in addition to the Reduction of heat conduction also minimizes the transmission of radiation by reflection. One application of a layer produced in this way is in all drives, in particular in internal combustion engines, in which high-temperature loads
(> 250 °C) auftreten, denkbar. Zudem ist eine Anwendung auch in sämtlichen gasführenden Bauteilen denkbar, in denen Hochtemperaturbelastungen (> 250 °C) auftreten. (> 250 ° C) occur, conceivable. In addition, an application in all gas-conducting components is conceivable in which high-temperature loads (> 250 ° C) occur.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die In a further preferred embodiment of the invention it is provided that the
Basisschicht in einer Dicke von 150 - 260 pm aufgetragen wird und die Versiegelungsschicht in einer Dicke von 30 - 80 pm aufgetragen wird. Somit wird ein kostengünstiger Schichtstapel durch die effiziente Verwendung der aufzutragenden Rohstoffe gewährleistet. Base layer is applied in a thickness of 150 - 260 pm and the sealing layer is applied in a thickness of 30 - 80 pm. Thus, a cost-effective layer stack is ensured by the efficient use of the raw materials to be applied.
Auch ist in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die resultierende Gesamtdicke des Schichtstapels nicht größer als 250 pm ist. Es hat sich zudem in detaillierten Simulationen herausgestellt, dass die optimale Wärmedämmschicht für einen verbrauchsreduzierten It is also provided in one embodiment of the invention that the resulting total thickness of the layer stack is not greater than 250 pm. It has also been shown in detailed simulations that the optimal thermal barrier coating for a reduced consumption
Dieselkolben (2% Verbrauchsvorteil) eine Wärmeleitfähigkeit L < 0,9 W / mK, eine Diesel piston (2% consumption advantage) a thermal conductivity L <0.9 W / mK, a
volumetrische Wärmekapazität cp* p < 2 MJ / m3K und eine Schichtdicke von mindestens 200 pm aufweisen sollte. volumetric heat capacity cp * p <2 MJ / m 3 K and should have a layer thickness of at least 200 pm.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Basisschicht eine poröse AI203-Mischoxidkeramik oder eine poröse AI203-Zr02-Mischoxidkeramik oder eine poröse Al203-Ti02- Mischoxidkeramik, welche jeweils zusätzlich eingebettete Partikel aufweisen, ist. Diese Schicht zeichnet sich somit durch eine extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit aus, sodass eine besonders gute Wärmedämmung erzielt wird. Außerdem weist diese Schicht somit eine hohe Rauigkeit auf, sodass die Versiegelungsschicht besonders gut hier verankert werden kann. According to another embodiment of the invention it is provided that the base layer 2 is a porous AI 3 0 -Mischoxidkeramik or a porous AI 2 0 3 -Zr02-mixed oxide or a porous Al 2 0 3 -Ti0 2 - have mixed oxide, which in each case additionally embedded particles , is. This layer is therefore characterized by an extremely low thermal conductivity, so that a particularly good thermal insulation is achieved. In addition, this layer thus has a high roughness, so that the sealing layer can be anchored particularly well here.
Als Material für die Partikel mit relativ geringer Wärmeleitfähigkeit kommen vorzugsweise Zr02, Y-stabilisiertes Zirkonoxid (Zr(Y)02), Aluminiumoxid (Al203), Spinell (Al203/Mg0), Mullit (Al203/Si02), Zirkonkorund (Al203/Zr02), Titanoxid (Ti02), Siliziumoxid (Si02), Alkali- und Erdalkalisilikat (ASi04) sowie Mischkeramiken mit wesentlichen Bestandteilen genannter Oxide in Betracht. Selbst wenn die Wärmeleitfähigkeit der eingebrachten Partikel in deren reinem Bulkzustand nicht geringer als die der Matrix ausfällt, kann die Wärmeleitfähigkeit des aus beidem As material for the particles with relatively low thermal conductivity are preferably Zr0 2 , Y-stabilized zirconia (Zr (Y) 0 2 ), alumina (Al 2 0 3 ), spinel (Al 2 0 3 / Mg0), mullite (Al 2 0 3 / Si0 2 ), zirconium alumina (Al 2 0 3 / Zr0 2 ), titanium oxide (Ti0 2 ), silicon oxide (Si0 2 ), alkali and alkaline earth silicate (ASi0 4 ) and mixed ceramics with essential constituents of said oxides into consideration. Even if the thermal conductivity of the introduced particles in their pure bulk state is not lower than that of the matrix, the thermal conductivity of both
ausgebildeten Kompositmaterials der Schutzschicht trotzdem insgesamt niedriger sein, da die eingebrachten Partikel als Störstellen für die Ausbreitung der Kristallschwingungen (Phononen) wirken. Insofern ist die konkretisierende Angabe„mit relativ geringer Wärmeleitfähigkeit" erfindungsgemäß nicht ausschließlich auf eine tatsächliche Werkstoffeigenschaft der Partikel beschränkt, sondern soll auch eine Wärmeleitfähigkeit reduzierende Wirkung innerhalb der Matrix umfassen. Nevertheless, the composite layer of the protective layer should be lower overall since the particles introduced act as impurities for the propagation of the crystal oscillations (phonons). In this respect, the concretization "with relatively low thermal conductivity" according to the invention is not limited exclusively to an actual material property of the particles, but should also include a heat conductivity reducing effect within the matrix.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die In a further preferred embodiment of the invention it is provided that the
Versiegelungsschicht eine Si02-Basisschicht oder eine Zr02-Basisschicht oder eine Sealant layer, a Si0 2 base layer or a Zr0 2 base layer or a
Mischoxidschicht ist, wobei die Versiegelungsschicht über die Basisschicht aufgetragen wird, wobei die Poren in der ersten Schicht mittels der zweiten Schicht verschlossen werden. Somit wird eine besonders gute Oberflächeneigenschaft erzielt, wobei die zuvor genannten Mixed oxide layer is, wherein the sealing layer is applied over the base layer, wherein the pores are sealed in the first layer by means of the second layer. Thus, a particularly good surface property is achieved, the aforementioned
Eigenschaften der ersten Schicht trotzdem genutzt werden können, sodass sich im Ergebnis ein besonders haltbarer und hocheffizienter Schichtstapel einstellt. Nevertheless, the properties of the first layer can still be used, so that the result is a particularly durable and highly efficient layer stack.
Auch ist in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der aufgetragene Schichtstapel chemisch und/oder mechanisch nachbearbeitet wird, insbesondere durch Ätzen, Schleifen oder Honen. Somit wird eine noch bessere Oberfläche gewährleistet. Wichtige Merkmale der Deckschicht sind eine möglichst geringe Porosität und eine glatte Oberfläche. Durch die Nachbearbeitung kann beispielsweise eine für das Brennverfahren in einem Kolben noch bessere und optimierte Kolbenoberfläche eingestellt werden. It is also provided in one embodiment of the invention that the applied layer stack is chemically and / or mechanically post-processed, in particular by etching, grinding or honing. This ensures an even better surface. Important features of the cover layer are the lowest possible porosity and a smooth surface. By post-processing, for example, an even better and optimized piston surface can be set for the combustion process in a piston.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die im In a further preferred embodiment of the invention it is provided that the in
Elektrolyt als Suspension zusätzlichen Partikel nicht größer als 25 pm sind. Auf diese Weise kann die Schicht besonders effizient aufgetragen werden. Electrolyte as a suspension additional particles are not greater than 25 pm. In this way, the layer can be applied very efficiently.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die In a further preferred embodiment of the invention it is provided that the
Versiegelungsschicht zusätzlich mit wärmedämmenden Partikeln versehen wird, wobei diese Partikel insbesondere nanokristallines Zr02 oder dispers verteilte sphärische Konglomerate in hoher Konzentration aus Zr02 sind. Insbesondere bevorzugt sind Zr02, Sealant layer is additionally provided with heat-insulating particles, these particles are in particular nanocrystalline Zr0 2 or disperse distributed spherical conglomerates in high concentration of Zr0 2 . Particularly preferred are Zr0 2 ,
Y-stabilisiertes Zirkonoxid (Zr(Y)02), Aluminiumoxid (Al203), Spinell (Al203/Mg0), Mullit Y-stabilized zirconia (Zr (Y) O 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), spinel (Al 2 O 3 / MgO), mullite
(Al203/Si02), Zirkonkorund (Al203/Zr02), Titanoxid (Ti02), Siliziumoxid (Si02), Alkali- und (Al 2 0 3 / Si0 2 ), zirconium alumina (Al 2 0 3 / Zr0 2 ), titanium oxide (Ti0 2 ), silicon oxide (Si0 2 ), alkali and
Erdalkalisilikat (ASi04) sowie Mischkeramiken mit wesentlichen Bestandteilen genannter Oxide. Somit lässt sich die Wärmedämmung der zweiten Schicht erhöhen, sodass ein besonders vorteilhafter Schichtstapel bereitgestellt wird. Alkaline earth silicate (ASi0 4 ) and mixed ceramics with essential constituents of said oxides. Thus, the thermal insulation of the second layer can be increased, so that a particularly advantageous layer stack is provided.
Schlussendlich ist auch in einer Ausgestaltung der Erfindung ein Kolben für eine Finally, in one embodiment of the invention, a piston for a
Kolbenmaschine mit einem durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 Piston machine with a by a method according to any one of claims 1 to 9
hergestellten Schichtstapel zur Wärmedämmung vorgesehen, wobei die erste und provided layer stack for thermal insulation, wherein the first and
Versiegelungsschicht auf eine gesamte Oberfläche einer Mulde des Kolbens aufgetragen sind. Sealant layer are applied to an entire surface of a trough of the piston.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar. The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen The invention is described below in embodiments with reference to the associated
Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Drawings explained. Show it:
Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Kolbens in einer ersten Figure 1 is a schematic sectional view of a piston in a first
Ausgestaltung der Erfindung,  Embodiment of the invention,
Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Kolbens in einer zweiten Figure 2 is a schematic sectional view of a piston in a second
Ausgestaltung der Erfindung, und  Embodiment of the invention, and
Figur 3 schematisch einen Detailausschnitt eines erfindungsgemäßen Schichtstapels auf einem Kolbenboden gemäß Figur 2 oder 3. FIG. 3 schematically shows a detailed detail of a layer stack according to the invention on a piston bottom according to FIG. 2 or 3.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand der in den Figuren 1 , 2 und 3 gezeigten schematischen Darstellungen näher erläutert werden. The invention will be explained in more detail below with reference to the schematic representations shown in FIGS. 1, 2 and 3.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kolbens 10 ist anhand einer A preferred embodiment of the piston 10 according to the invention is based on a
Schnittdarstellung in Figur 1 gezeigt. Figur 1 zeigt einen zylindrischen Kolben 10 eines nicht weiter dargestellten Hubkolbenmotors. In dieser Ausgestaltung weist der Kolben 10 ein zylindrisch geformtes Kolbenhemd 14 auf, an welchem ein im Wesentlichen planarer kreisförmiger Kolbenboden 11 angeordnet ist. Der Kolben 10 verfügt ferner über umlaufende Nuten, welche ausgebildet sind, Dichtungselemente insbesondere Kolbenringe aufzunehmen. Der Kolben 10 ist bevorzugt aus einer Leichtmetalllegierung 15 gefertigt. Besonders bevorzugt sind dabei Aluminiumlegierungen, insbesondere Aluminium-Silizium-Legierungen. Ebenfalls als Kolbenmaterial einsetzbar sind Eisenverbindungen, also Stähle. In dargestellter Sectional view shown in Figure 1. Figure 1 shows a cylindrical piston 10 of a reciprocating motor not shown. In this embodiment, the piston 10 has a cylindrically shaped piston skirt 14, on which a substantially planar circular piston crown 11 is arranged. The piston 10 further has circumferential grooves, which are formed to receive sealing elements, in particular piston rings. The piston 10 is preferably made of a light metal alloy 15. Particularly preferred are aluminum alloys, in particular aluminum-silicon alloys. Also usable as piston material are iron compounds, ie steels. In illustrated
Ausführungsform verfügt der Kolbenboden 11 über eine Vertiefung 12, in der ein Schichtstapel 20 angeordnet ist. Dabei entspricht der Durchmesser ds des Schichtstapels 20 im Wesentlichen dem Durchmesser der Vertiefung 12. Der Durchmesser ds des Schichtstapels 20 ist im Embodiment, the piston head 11 has a recess 12 in which a layer stack 20 is arranged. The diameter d s of the layer stack 20 essentially corresponds to the diameter of the depression 12. The diameter d s of the layer stack 20 is in the
Vergleich zu dem Durchmesser dK des Kolbenbodens 11 kleiner ausgeführt. Die Tiefe der Vertiefung 12 entspricht in gezeigter Ausführungsform der Höhe des Schichtstapels 20, sodass dieser nicht aus der Vertiefung 12 herausragt und die Oberfläche des Kolbenbodens 1 1 nicht überragt. Vorzugsweise schließt der Schichtstapel 20 bündig mit dem die Vertiefung 12 umlaufenden Rand ab. Ein detaillierter Aufbau des Schichtstapels 20 ist in einer unten beschriebenen Detailzeichnung in Figur 3 näher erläutert. Compared to the diameter d K of the piston head 11 made smaller. The depth of the recess 12 corresponds in the embodiment shown, the height of the layer stack 20 so that it does not protrude from the recess 12 and the surface of the piston head 1 1 does not exceed. Preferably, the layer stack 20 is flush with the edge 12 surrounding the recess. A detailed structure of the layer stack 20 is explained in more detail in a detail drawing described below in FIG.
Die in Figur 1 gezeigte Ausführungsform eines Kolbens 10 zeichnet sich in seiner The embodiment of a piston 10 shown in FIG
Funktionsweise dadurch aus, dass ein Schichtstapel 20 die Oberfläche eines Kolbenbodens 1 1 in einem großen Bereich funktionalisiert. Functioning characterized in that a layer stack 20, the surface of a piston head 1 1 functionalized in a wide range.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens ist in Figur 2 dargestellt. Der ebenfalls in einer Schnittzeichnung dargestellte Kolben 10 ist grundsätzlich ebenso aufgebaut wie der in Figur 1 dargestellte Kolben 10. Er unterscheidet sich dahingehend von der ersten Ausführungsform, dass der Kolbenboden 1 1 des zylindrischen Kolbens 10 nicht planar ausgeführt ist, sondern eine Mulde 13 aufweist. Auf dem Kolbenboden 11 der in Figur 2 gezeigten zweiten Ausgestaltung des Kolbens 10 ist ein funktionaler Schichtstapel 20 angeordnet. Die Mulde 13 kann im Wesentlichen gleichmäßig (nicht gezeigt), also ohne Erhöhungen oder wie in Figur 2 gezeigt ungleichmäßig, also beispielsweise mit Erhöhungen am Kolbenboden, ausgeführt sein. Der Schichtstapel 20 weist ebenso wie in Figur 1 dargestellt einen kleineren Durchmesser auf als der Kolbenboden 11. Es bildet sich also ein Abstand zwischen Schichtstapel 20 und äußerem Rand des Kolbenbodens 1 1. Unter Einhaltung eines definierten Randes ist der verbleibende Bereich des Kolbenbodens 1 1 vollständig vom A further preferred embodiment of a piston according to the invention is shown in FIG. The piston 10, which is likewise shown in a sectional drawing, is fundamentally constructed in the same way as the piston 10 shown in FIG. 1. It differs from the first embodiment in that the piston head 11 of the cylindrical piston 10 is not planar but has a depression 13. On the piston head 11 of the second embodiment of the piston 10 shown in FIG. 2, a functional layer stack 20 is arranged. The trough 13 may be substantially uniformly (not shown), ie without elevations or as shown in Figure 2 uneven, so for example with increases on the piston head executed. The layer stack 20 has, as shown in Figure 1, a smaller diameter than the piston head 11. It thus forms a distance between the layer stack 20 and outer edge of the piston head 1 1. While maintaining a defined edge of the remaining area of the piston head 1 1 is complete from
Schichtstapel 20 bedeckt, so auch der Teil des Kolbenbodens 1 1 , der die Mulde 13 darstellt. Der umlaufende Rand des Kolbenbodens 11 entspricht bevorzugt weniger als 10 %, insbesondere weniger als 5 %, vorzugsweise weniger als 2 % der Oberfläche des Layer stack 20 covered, as well as the part of the piston head 1 1, which represents the trough 13. The peripheral edge of the piston crown 11 preferably corresponds to less than 10%, in particular less than 5%, preferably less than 2% of the surface of the
Kolbenbodens 1 1. Piston bottom 1 1.
Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte funktionale Schichtstapel 20 hat insbesondere wärmedämmende Funktion. Dies wird durch den in Figur 3 skizzierten Aufbau des The functional layer stack 20 shown in FIGS. 1 and 2 has, in particular, a heat-insulating function. This is due to the structure of the sketched in Figure 3
Schichtstapels erreicht. Figur 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Schichtstapel 20, welcher auf einer Leichtmetalllegierung 15 angeordnet ist. Bei der Leichtmetalllegierung 15 handelt es sich bevorzugt um Aluminiumlegierungen, insbesondere um Aluminium-Silizium-Legierungen. Auf dieser Leichtmetalllegierung 15 kann optional ein Haftvermittler 23 angeordnet sein. An diesen Haftvermittler beziehungsweise die Sperrschicht 23 oder alternativ unmittelbar an den Kolbenboden schließt eine erste Schicht, die Basisschicht 21 an. Diese Basisschicht 21 besteht aus einem Material, welches wärmedämmende Eigenschaften hat. Dabei handelt es sich um eine Al203-Kermik deren Wärmeleitwert insbesondere durch Zugabe Layer stack reached. FIG. 3 shows a layer stack 20 according to the invention, which is arranged on a light metal alloy 15. The light metal alloy 15 is preferably aluminum alloys, in particular aluminum-silicon alloys. Optionally, a bonding agent 23 can be arranged on this light metal alloy 15. A first layer, the base layer 21, adjoins this adhesion promoter or the barrier layer 23 or alternatively directly to the piston crown. This base layer 21 is made of a material having heat insulating properties. It is an Al 2 0 3 -Kermik whose thermal conductivity in particular by adding
wärmedämmender Partikel im Herstellungsverfahren weiter reduziert ist. Die Basisschicht 21 ist grobporig aufgebaut, weist also mindestens Mesoporen und/oder Kanäle auf. Die Porosität kann durch den Herstellungsprozess erzielt werden. Besonders geeignet zur Herstellung der Basisschicht 21 ist eine plasmaelektrolytische Oxidation. heat-insulating particles in the manufacturing process is further reduced. The base layer 21 has a coarse pore structure, ie it has at least mesopores and / or channels. The porosity can be achieved through the manufacturing process. Particularly suitable for producing the base layer 21 is a plasma electrolytic oxidation.
Bei einem Anodisier(ANOF)-Verfahren beziehungsweise einem PEO-Verfahren handelt es sich um ein kombiniertes Verfahren aus den Bereichen Plasmatechnik und Elektrochemie, durch das Oberflächen von Bauteilen, die aus sogenannten Ventilmetallen ausgebildet sind, mit einer Basisschicht 21 aus einer Oxidkeramik versehen werden können. Als Ventilmetalle kommen dabei insbesondere native Sperrschichtbildner wie Aluminium, Magnesium oder Titan in die Auswahl. Die Erzeugung der Basisschicht 21 kann insbesondere in wässrigen Elektrolyten erfolgen. Das zu oxidierende Bauteil wird dabei anodisch gepolt und zusammen mit einer Gegenelektrode (Kathode) in den Elektrolyten eingetaucht. Das Bauteil bildet dabei zunächst eine rein chemisch induzierte Passivschicht aus. Das Wachstum dieser Passivschicht lässt sich durch Anlegen eines Potentials zwischen dem anodisch gepolten Bauteil und der Kathode erreichen. Dabei wird die Oxidschicht des zu beschichtenden Bauteils lokal durchschlagen, wobei plasmachemische Festkörperreaktionen, die Funkenentladungen, ausgelöst werden. Dieser Vorgang läuft nicht flächendeckend sondern an denjenigen Stellen ab, an denen die Dicke der Oxidschicht und somit der lokale elektrische Widerstand am geringsten ist. Da die Plasmareaktionen somit stets an denjenigen Stellen der Passivschicht, die lokal die geringste Schichtdicke aufweisen, stattfinden und dort für ein Schichtdickenwachstum sorgen, wird die Oberfläche mit einer sehr gleichmäßigen Basisschicht überzogen. Um die sich erhöhende dielektrische Eigenschaft der wachsenden Oxidschicht dauerhaft mit einer An anodization (ANOF) process or a PEO process is a combined process from the fields of plasma technology and electrochemistry, by means of which surfaces of components formed of so-called valve metals can be provided with a base layer 21 of an oxide ceramic , In particular, native barrier layer formers such as aluminum, magnesium or titanium come into the selection as valve metals. The generation of the base layer 21 can be carried out in particular in aqueous electrolytes. The component to be oxidized is poled anodically and immersed in the electrolyte together with a counter electrode (cathode). The component initially forms a purely chemically induced passive layer. The growth of this passive layer can be achieved by applying a potential between the anodically poled component and the cathode. In this case, the oxide layer of the component to be coated will penetrate locally, wherein plasma-chemical solid-state reactions, the spark discharges, are triggered. This process does not take place nationwide but at those points where the thickness of the oxide layer and thus the local electrical resistance is lowest. Since the plasma reactions thus always take place at those points of the passive layer which locally have the lowest layer thickness, and there ensure a layer thickness growth, the surface is coated with a very uniform base layer. To permanently increase the increasing dielectric property of the growing oxide layer
Durchschlagsspannung zu durchbrechen, wird das dazu angelegte elektrische Potential so lange erhöht, bis die gewünschte Schichtdicke der Basisschicht erreicht ist. Breaking breakdown voltage, the applied electric potential is increased until the desired layer thickness of the base layer is reached.
Die durch das bevorzugte Verfahren erzeugte Basisschicht ist wie folgt aufgebaut: An das Substrat grenzt eine dünne, dichte und geschlossene Schicht, die sogenannte Sperrschicht 23, gefolgt von einer kompakten und porenarmen Schicht. Hieran schließt sich eine poröse und weniger kompakte Schicht an, welche abhängig von der Schichtdicke sowohl poröser als auch spröder wird. Insbesondere ist diese Schicht offen porös und durch kleine Kanäle The base layer produced by the preferred method is constructed as follows: Adjacent to the substrate is a thin, dense and closed layer, the so-called barrier layer 23, followed by a compact and low-pore layer. This is followed by a porous and less compact layer which, depending on the layer thickness, becomes both more porous and more brittle. In particular, this layer is openly porous and through small channels
gekennzeichnet, welche senkrecht zur Oberfläche stehen und von der Oberfläche bis zur angrenzenden Sperrschicht 23 in Richtung des Substrates hineinragen. Zusätzlich oder alternativ weist die Schicht ein interkonnektierendes Porennetzwerk und/oder ein nicht interkonnektierendes Porennetzwerk auf, welches durch abgeschlossene Einschlüsse von Luft oder Elektrolyt gekennzeichnet ist. Zweckmäßigerweise hat der Elektrolyt eine Elektrolytbasis, wobei die Elektrolytbasis Phosphorsäure (H3P04), Kaliumhydroxid (KOH), Wasserglas which are perpendicular to the surface and from the surface to the adjacent barrier layer 23 protrude in the direction of the substrate. Additionally or alternatively, the layer has an interconnecting pore network and / or a non-interconnecting pore network, which is characterized by closed inclusions of air or electrolyte. Conveniently, the electrolyte has an electrolyte base, wherein the electrolyte base phosphoric acid (H 3 P0 4 ), potassium hydroxide (KOH), water glass
(Na2Si03), deionisiertes Wasser oder eine zirkoniumhaltige Verbindung ist. Eine Elektrolytbasis ist hierbei ein Stoff aus einer Vielzahl von Stoffen, der mengenmäßig in g/L neben Wasser und Urotropin am häufigsten in einem Elektrolyten vorkommt. Als zirkoniumhaltige Verbindung kommt insbesondere Zirkoniumsulfat (ZrS04), oder Zirkoniumwolframat (ZrW0 ) in Betracht. Dies hat den Vorteil, dass mit einer derartigen Elektrolytzusammensetzung ein Bauteil aus beispielsweise Aluminum oder Titan beziehungsweise aus den entsprechenden Legierungen überhaupt plasmaelektrolytisch oxidiert werden kann. Hierbei ist es von Vorteil, wenn die elektrische Leistung spannungsgeregelt ist, wobei die Stromstärke begrenzt ist oder stromgeregelt ist, wobei die Spannung begrenzt ist, oder leistungsgeregelt ist. (Na 2 Si0 3 ), deionized water or a zirconium-containing compound. An electrolyte base in this case is a substance from a variety of substances, the most abundant in g / L in addition to water and urotropin in an electrolyte occurs. Zirconium sulfate (ZrS0 4 ) or zirconium tungstate (ZrW0) is particularly suitable as the zirconium-containing compound. This has the advantage that with such an electrolyte composition, a component of, for example, aluminum or titanium or of the corresponding alloys can be plasma-electrochemically oxidized at all. It is advantageous if the electrical power is voltage-controlled, the current is limited or current-controlled, the voltage is limited, or is power-controlled.
Zweckmäßigerweise wird die elektrische Leistung mit einer Frequenz von 1 Hz bis 10 kHz, insbesondere mit einer Frequenz von 1 Hz bis 1000 Hz angelegt. Es ist von Vorteil, wenn die Spannung in einem Bereich zwischen 150 und 1500 Volt, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 210 und 650 Volt angelegt wird und wenn der Strom mit einer Stromdichte in einem Bereich zwischen 0,001 und 1000 A/dm2, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,5 bis 15 A/dm2 angelegt wird. Denkbar ist, dass der angelegte Strom und/oder die angelegte Spannung durch einen höherfrequenten Strom und/oder eine höherfrequente Spannung obermoduliert werden. Conveniently, the electrical power is applied at a frequency of 1 Hz to 10 kHz, in particular with a frequency of 1 Hz to 1000 Hz. It is advantageous if the voltage is applied in a range between 150 and 1500 volts, preferably in a range between 210 and 650 volts, and if the current with a current density in a range between 0.001 and 1000 A / dm 2 , preferably in one Range between 0.5 to 15 A / dm 2 is applied. It is conceivable for the applied current and / or the applied voltage to be modulated by a higher-frequency current and / or a higher-frequency voltage.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der angelegte Strom und/oder die angelegte Spannung gleichgeregelt werden, oder die Form einer symmetrischen Welle, einer asymmetrischen Welle, eines Rechtecks oder eines Trapezes hat. Hierbei ist die charakteristische Form mit einem Tastgrad und einem Offset im Bereich von 0 bis 100 % versehen und kann somit sowohl uni- als auch bipolar ausgeführt sein. Insbesondere die Form einer Welle ist vorteilhaft. Furthermore, it is advantageous for the applied current and / or the applied voltage to be regulated in the same way, or to have the form of a symmetrical wave, an asymmetric wave, a rectangle or a trapezoid. In this case, the characteristic shape is provided with a duty cycle and an offset in the range of 0 to 100% and can thus be executed both uni- and bipolar. In particular, the shape of a wave is advantageous.
Auch ist es vorteilhaft, wenn als Prozesstemperatur für die PEO eine Temperatur im Bereich zwischen 0°C und 80°C gewählt wird. Besonders bevorzugt beträgt die Temperatur zwischen 18°C und 50°C. It is also advantageous if a temperature in the range between 0 ° C and 80 ° C is selected as the process temperature for the PEO. More preferably, the temperature is between 18 ° C and 50 ° C.
Die vorgenannten Prozessparameter ermöglichen, dass eine besonders oxidreiche The aforementioned process parameters allow a particularly high-oxide
Basisschicht 21 auf dem Bauteil geschlossen aufwächst und somit eine besonders dichte und damit sichere Basisschicht 21 ausgebildet wird. Das Bauteil kann so sicher und langzeitstabil vor äußeren Einflüssen, beispielsweise vor unerwünschten Oxidationen geschützt werden. Ferner können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Bauteil in Großserie mit entsprechenden Qualitätsanforderungen produziert werden. Ferner kann so auch eine praktikable Base layer 21 grows closed on the component and thus a particularly dense and thus secure base layer 21 is formed. The component can be protected so safe and long-term stability against external influences, for example, from undesirable oxidation. Furthermore, with the inventive method component can be produced in mass production with corresponding quality requirements. Furthermore, as well as a practicable
Produktionsgeschwindigkeit erreicht werden, die überhaupt eine Großserienfertigung ermöglicht. Production speed can be achieved, which makes a large-scale production possible.
Es ist von Vorteil, wenn der Elektrolyt als Dispersion ausgeführt wird, wobei dem Elektrolyt einer oder mehrere der folgenden Partikel zugegeben werden: Wolframcarbid (WC), Zr02, Eisenoxid, Graphit, Molybdändisulfid (MoS2), Y-stabilisiertes Zirkonoxid (Zr(Y)02), Aluminiumoxid (Al203), Spinell (Al203/Mg0), Mullit (Al203/Si02), Zirkonkorund (Al203/Zr02), Titanoxid (Ti02), It is advantageous if the electrolyte is carried out as a dispersion, wherein one or more of the following particles are added to the electrolyte: tungsten carbide (WC), ZrO 2 , iron oxide, graphite, molybdenum disulfide (MoS 2 ), Y-stabilized zirconium oxide (Zr ( Y) 0 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), spinel (Al 2 O 3 / MgO), mullite (Al 2 O 3 / SiO 2 ), zirconia alumina (Al 2 O 3 / ZrO 2 ), titanium oxide (TiO 2 )
Siliziumoxid (Si02), Alkali- und Erdalkalisilikat (ASi04) und/oder Mischkeramiken mit Silica (Si0 2 ), alkali and alkaline earth silicate (ASi0 4 ) and / or mixed ceramics with
wesentlichen Bestandteilen genannter Oxide. Hierbei wird der Elektrolyt mit auf einer oben angeführten Elektrolytbasis durch die Zugabe der genannten Partikel beaufschlagt. Die Partikel können sowohl globular, ellipsoid oder spratzig in Form von Flakes oder dergleichen ausgeführt sein. Ferner können die Partikel aus einem Oxid, einem Karbid oder einem anderen Werkstoff sein, solange die Partikel verfahrensbedingt als Fremdkörper in die Basisschicht 21 eingebaut werden oder zusammen mit dem Substrat oder dem Elektrolyt zu einer anderweitigen essential constituents of said oxides. In this case, the electrolyte is applied to an above-mentioned electrolyte base by the addition of said particles. The particles may be either globular, ellipsoidal or sparse in the form of flakes or the like. Furthermore, the particles can be made of an oxide, a carbide or another material as long as the particles are incorporated as a foreign body into the base layer 21 due to the process or together with the substrate or the electrolyte to another
Verbindung chemisch, elektrochemisch oder physikalisch reagieren. Insbesondere Partikel aus Zr02, Y-stabilisiertes Zirkonoxid (Zr(Y)02), Aluminiumoxid (Al203), Spinell (Al203/Mg0), Mullit (Al203/Si02), Zirkonkorund (AI203/Zr02), Titanoxid (Ti02), Siliziumoxid (Si02), Alkali- und Erdalkalisilikat (ASi04) sowie Mischkeramiken mit wesentlichen Bestandteilen genannter Oxide, Wolframcarbid (WC), Zr02, Eisenoxid haben eine deutlich reduzierte thermische Leitfähigkeit, sodass der Einbau dieser Partikel in die Basisschicht 21 die Isolationswirkung der Basisschicht 21 weiter verbessert. Insbesondere Zirkonoxid (Zr02) hat sich als vorteilhaft erwiesen. Compound chemically, electrochemically or physically react. In particular, particles of Zr0 2, Y-stabilized zirconia (Zr (Y) 0 2), alumina (Al 2 0 3), spinel (Al 2 0 3 / Mg0), mullite (Al 2 0 3 / Si0 2), zirconium ( AI20 3 / Zr0 2 ), titanium oxide (Ti0 2 ), silicon oxide (Si0 2 ), alkali and alkaline earth silicate (ASi0 4 ) and mixed ceramics with essential constituents of said oxides, tungsten carbide (WC), Zr0 2 , iron oxide have a significantly reduced thermal conductivity so that the incorporation of these particles into the base layer 21 further improves the insulating effect of the base layer 21. In particular, zirconium oxide (Zr0 2 ) has proved to be advantageous.
An die Basisschicht 21 ist die Versiegelungsschicht 24 angeordnet. Die Versiegelungsschicht 24 ist im Wesentlichen nicht porös. Sie kann mittels eines Sol-Gel-Verfahrens aufgebracht werden. Die Versiegelungsschicht zeichnet sich durch eine glatte Oberfläche aus. Dieser Effekt kann optional durch ein nachgelagertes Glättungsverfahren, wie Schleifen oder Honen erhöht werden. To the base layer 21, the sealing layer 24 is arranged. The sealing layer 24 is substantially non-porous. It can be applied by means of a sol-gel process. The sealing layer is characterized by a smooth surface. This effect can optionally be increased by a downstream smoothing process, such as grinding or honing.
In Abhängigkeit vom eingesetzten wärmedämmenden Material und insbesondere von dem damit erzielten Wärmeleitwert l ist die Versiegelungsschicht 24 bevorzugt dünner ausgeführt als die Basisschicht 21. Bevorzugte Dicken der Versiegelungsschicht 24 liegen im Bereich zwischen 50 und 100 pm, insbesondere bevorzugt um 80 pm. Aufgrund der hohen Porosität der Basisschicht 21 ergibt sich eine Verzahnung der beiden Schichten miteinander, was zu einer besonders guten Haltbarkeit führt. Die Wärmeleitwerte und -koeffizienten variieren ebenso wie die Wärmeausdehnung zwischen der Versiegelungsschicht 24 und der Basisschicht nur sehr wenig. Depending on the heat-insulating material used and in particular on the heat conductivity value l achieved therewith, the sealing layer 24 is preferably thinner than the base layer 21. Preferred thicknesses of the sealing layer 24 are in the range between 50 and 100 .mu.m, particularly preferably 80 .mu.m. Due to the high porosity of the base layer 21, a toothing of the two layers results with each other, resulting in a particularly good durability. The thermal conductivity and coefficient vary as well as the thermal expansion between the sealing layer 24 and the base layer only very little.
Der Schichtstapel 20 hat durch die wärmedämmenden Eigenschaften der Basisschicht 21 eine wärmedämmende, insbesondere isolierende Funktion. Aufgrund des sehr niedrigen The layer stack 20 has a heat-insulating, in particular insulating function by the heat-insulating properties of the base layer 21. Because of the very low
Wärmeleitwertes l der Schutzschicht des Schichtstapels 20 wird nur ein sehr geringer Teil der Wärme im Verbrennungsraum an die Oberfläche des Kolbenbodens und von dort aus dem Zylinderraum abgeführt. Vielmehr verbleibt die Wärme innerhalb des Verbrennungsraums und steht somit der Verbrennung weiter zur Verfügung. Dadurch wird im Verbrennungsraum ein höherer Wirkungsgrad realisiert als bei niedrigeren Temperaturen. Gleichzeitig weisen auch die aus dem Verbrennungsraum abgeführten Abgase eine höhere Temperatur auf, was letztendlich einer Abgasaufbereitung zugute kommt. Negative Eigenschaften, die eine hohe Rauigkeit einer Isolierschicht für das Verhalten im Brennraum mit sich bringt, werden durch die Anordnung einer Versiegelungsschicht gemildert. Zudem wird durch die hohe Verzahnung der Basisschicht mit der Versiegelungsschicht eine hohe Haltbarkeit und Robustheit erzielt. Thermal conductivity l of the protective layer of the layer stack 20, only a very small part of the heat in the combustion chamber is discharged to the surface of the piston crown and from there out of the cylinder chamber. Rather, the heat remains within the combustion chamber and thus remains available for combustion. As a result, a higher efficiency is realized in the combustion chamber than at lower temperatures. At the same time, the exhaust gases discharged from the combustion chamber also have a higher temperature, which ultimately benefits exhaust gas treatment. Negative properties, which entail a high roughness of an insulating layer for the behavior in the combustion chamber, are alleviated by the arrangement of a sealing layer. In addition, a high durability and robustness is achieved by the high degree of toothing of the base layer with the sealing layer.
Bezugszeichenliste Kolben List of reference pistons
Kolbenboden piston crown
Vertiefung deepening
Mulde trough
Kolbenhemd skirt
Leichtmetalllegierung Schichtstapel Light metal alloy layer stack
Basisschicht base layer
Haftvermittler/ Sperrschicht Adhesive / barrier layer
Versiegelungsschicht sealing layer

Claims

Patentansprüche claims
1. Schichtstapel (20) angeordnet auf einer an einen Brennraum einer 1. layer stack (20) arranged on a to a combustion chamber of a
Verbrennungsmaschine angrenzenden Oberfläche (1 1 ), umfassend  Combustion engine adjacent surface (1 1), comprising
- eine poröse Basisschicht (21 ) umfassend eine Al203-Keramik die mittelbar oder unmittelbar auf der Oberfläche (1 1 ) angeordnet ist und - A porous base layer (21) comprising an Al 2 0 3 ceramic which is arranged directly or indirectly on the surface (1 1) and
- eine auf der dem Brennraum zugewandten Seite der Basisschicht (21 ) angeordnete nicht poröse Versiegelungsschicht (24),  a non-porous sealing layer (24) arranged on the side of the base layer (21) facing the combustion chamber,
wobei sowohl die Basisschicht (21 ) als auch die Versiegelungsschicht (24) eine  wherein both the base layer (21) and the sealing layer (24) a
Wärmeleitfähigkeit L von nicht mehr als 5 W/mK aufweisen.  Have thermal conductivity L of not more than 5 W / mK.
2. Schichtstapel (20) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Second layer stack (20) according to claim 1, characterized in that the
Wärmeleitfähigkeit L der Basisschicht (21 ) und/oder der Versiegelungsschicht (24) nicht mehr als 2 W/mK insbesondere nicht mehr als 1 W/mK beträgt.  Thermal conductivity L of the base layer (21) and / or the sealing layer (24) is not more than 2 W / mK, in particular not more than 1 W / mK.
3. Schichtstapel (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch 3. layer stack (20) according to any one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass die Basisschicht (21 ) und/oder die Versiegelungsschicht (24) eine volumetrische Wärmekapazität p von nicht mehr als 5 MJ/m3K, insbesondere von nicht mehr als 2 MJ/m3K aufweist. in that the base layer (21) and / or the sealing layer (24) has a volumetric heat capacity p of not more than 5 MJ / m 3 K, in particular not more than 2 MJ / m 3 K.
4. Schichtstapel (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch 4. layer stack (20) according to one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass der Schichtstapel (20) eine Gesamtschichtdicke (d) im Bereich von 130 bis 350 pm, insbesondere im Bereich von 170 bis 230 pm aufweist, die insbesondere eine 70 bis 200 pm dicke Basisschicht (21 ) und/oder eine 30 bis 100 pm dicke Versiegelungsschicht (24) umfasst.  in that the layer stack (20) has a total layer thickness (d) in the range from 130 to 350 μm, in particular in the range from 170 to 230 μm, which in particular comprises a base layer (21) of from 70 to 200 μm and / or a 30 to 100 pm thick sealing layer (24).
5. Schichtstapel (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch 5. layer stack (20) according to any one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass die Basisschicht (21 ) eine Mischkeramik auf Basis von Al203 mit einem Oxid der IV-Nebengruppe, insbesondere Zr und/oder Ti umfasst oder aus einer solchen besteht. in that the base layer (21) comprises or comprises a mixed ceramic based on Al 2 O 3 with an oxide of the IV subgroup, in particular Zr and / or Ti.
6. Schichtstapel (20) aus einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versiegelungsschicht (24) zu mehr als 60 Vol.-% aus einer Siliziumoxidkeramik besteht. 6. layer stack (20) from one of the preceding claims, characterized in that the sealing layer (24) consists of more than 60 vol .-% of a silicon oxide ceramic.
7. Schichtstapel (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versiegelungsschicht (24) wärmedämmende Partikel, insbesondere Zr02, Y-stabilisiertes Zirkonoxid (Zr(Y)02), Aluminiumoxid (Al203), Spinell (Al203/Mg0), Mullit (Al203/Si02), Zirkonkorund (Al203/Zr02), Titanoxid (Ti02), 7. layer stack (20) according to any one of the preceding claims, characterized in that the sealing layer (24) heat-insulating particles, in particular Zr0 2 , Y-stabilized zirconia (Zr (Y) 0 2 ), alumina (Al 2 0 3 ), spinel (Al 2 O 3 / MgO), mullite (Al 2 O 3 / SiO 2 ), zirconium corundum (Al 2 O 3 / ZrO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ),
Siliziumoxid (Si02), Alkali- und/oder Erdalkalisilikat (ASi04) und/oder Mischkeramiken dieser umfasst. Silica (Si0 2 ), alkali and / or alkaline earth silicate (ASi0 4 ) and / or mixed ceramics comprises these.
8. Kolben (10) für eine Brennkraftmaschine, wobei auf einer Oberfläche eines 8. piston (10) for an internal combustion engine, wherein on a surface of a
Kolbenbodens (1 1 ) zumindest bereichsweise ein Schichtstapel (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche angeordnet ist.  Piston bottom (1 1) at least partially a layer stack (20) is arranged according to one of the preceding claims.
9. Verfahren zur Herstellung eines Schichtstapels (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 wobei der Schichtstapel zumindest zwei Schichten umfasst, wobei eine erste Schicht eine Basisschicht (21 ) ist, die mittels eines plasmaelektrolytischen Prozesses hergestellt wird, wobei optional dem Elektrolyt als Suspension zusätzlich Zr02-Partikei oder Ti02-Partikel zugesetzt werden, und eine zweite Schicht eine auf der Basisschicht (21 ) angeordnete Versiegelungsschicht (24) ist, welche mittels eines Sol-Gel-Prozesses hergestellt wird. 9. A method for producing a layer stack (20) according to any one of claims 1 to 7 wherein the layer stack comprises at least two layers, wherein a first layer is a base layer (21), which is produced by means of a plasma electrolytic process, optionally the electrolyte as a suspension In addition, ZrO 2 particles or TiO 2 particles are added, and a second layer is a sealing layer (24) disposed on the base layer (21), which is produced by a sol-gel process.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der aufgetragene 10. The method according to claim 9, characterized in that the applied
Schichtstapel (20) chemisch und/oder mechanisch nachbearbeitet wird, insbesondere durch Ätzen, Schleifen oder Honen.  Layer (20) is chemically and / or mechanically post-processed, in particular by etching, grinding or honing.
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