WO2020104438A1 - Materialzusammensetzung für eine beschichtung für bauteile von brennkraftmaschinen - Google Patents

Materialzusammensetzung für eine beschichtung für bauteile von brennkraftmaschinen

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WO2020104438A1
WO2020104438A1 PCT/EP2019/081762 EP2019081762W WO2020104438A1 WO 2020104438 A1 WO2020104438 A1 WO 2020104438A1 EP 2019081762 W EP2019081762 W EP 2019081762W WO 2020104438 A1 WO2020104438 A1 WO 2020104438A1
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Wolfgang Hanke
Leander Schramm
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Ks Kolbenschmidt Gmbh
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    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/129—Flame spraying
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    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/131—Wire arc spraying
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    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/134—Plasma spraying

Definitions

  • the invention relates to a material composition for producing a coating for components of internal combustion engines, in particular for cylinder and / or piston surfaces, according to the features of the preambles of the independent claims.
  • This coating for components of internal combustion engines is suitable, for example, as a corrosion and wear-resistant cylinder surface for low friction in internal combustion engines.
  • This corrosion and wear resistant cylinder surface for low friction in internal combustion engines is again particularly suitable for use in diesel engines.
  • a plasma coating with powder of different chromium, molybdenum and solid content is known to apply to components for internal combustion engines.
  • Such a plasma coating is applied, for example, to stainless steel cylinders.
  • the object of the invention is therefore to provide an improved corrosion and wear-resistant cylinder surface for low friction in internal combustion engines.
  • the object is achieved according to the invention by one of the three material compositions given in the table below.
  • the information in the second column of the table above represents preferred values of the constituent used in the respective material composition (in the first variant, 0.8% carbon can therefore preferably be selected from the range between 0.1% and 5% of the carbon. Comparable applies to the other two variants
  • the first variant can optionally contain 0.1-10% B, the second and / or third variant independently of one another 0.0-5%, preferably 0.0-1% Si.
  • the material composition can have one of the following material compositions:
  • the material composition according to the invention can be used here as a coating on components of internal combustion engines, in particular diesel engines.
  • Components of internal combustion engines are, in particular, cylinder liners, pistons, or intake and exhaust ports in the cylinder head.
  • the cylinder running surfaces can be honed (i.e. smooth) or roughened.
  • the chrome content increases the wear resistance and corrosion resistance of the coating.
  • the coating according to the invention leads to an improvement in exhaust gas behavior and to a reduction in fuel consumption.
  • the material composition according to the invention is preferably fed to the coating process in the form of wire.
  • other designs are not excluded.
  • the coating is preferably applied to the components by means of the “Plasma Transferred Wire Are” (PTWA) method, in particular in the form of a wire.
  • PTWA Pullasma Transferred Wire Are
  • the material composition in the form of a wire can be applied, for example, using a wire spraying process, for example PTWA with alloyed solid wires or additional wire filled with solids and optionally smooth honing Component of internal combustion engines (especially cylinder surfaces) are applied.
  • a wire spraying process for example PTWA with alloyed solid wires or additional wire filled with solids and optionally smooth honing Component of internal combustion engines (especially cylinder surfaces) are applied.
  • a PTWA internal coating system is suitable for coating cylinder running surfaces.
  • a PTWA (Plasma Transferred Wire Are) coating system is a system for coating bores with a diameter of 65 to 350 mm.
  • the spray additive is fed in wire form.
  • the nozzle unit can consist of a thorium-doped tungsten cathode, an air-cooled pilot nozzle made of copper and an electrically conductive wire-shaped filler material which is fed perpendicular to the pilot nozzle.
  • the plasma gas a mixture of hydrogen and argon, is fed through holes in the cathode holder that are tangential to the circumference.
  • the position of the cylinder bores creates a gas flow that is twisted along the cathode and escapes through the nozzle at high speed.
  • the process is started by a high-voltage discharge, which ionizes and dissociates the plasma gas between the pilot nozzle and the cathode.
  • the plasma generated in this way flows through the nozzle mouth at high speed and expands along the longitudinal axis of the nozzle.
  • the plasma is transported to the wire filler material that is continuously fed perpendicular to the nozzle, thereby closing the electrical circuit. Melting and atomization of the wire are influenced in two ways. On the one hand, the wire is resistance-heated by large current intensities, for example with 65 to 90 amperes. The impact of the plasma on the preheated wire causes it to melt and atomize.
  • Devices for the thermal coating of a surface are described, for example, in US Pat. No. 6,372,298 B1, US Pat. No. 6,706,993 B1 and WO2010 / 112567 A1.
  • the devices mentioned there have in common: a wire feed device for feeding a melting wire, the wire acting as an electrode; a source of plasma gas for generating a plasma gas stream; a nozzle body with a nozzle opening through which the plasma gas stream is directed as a plasma gas jet onto a wire end; and a second electrode, which is arranged in the plasma gas stream before it into the Nozzle opening enters.
  • US Pat. No. 6,610,959 B2 and WO2012 / 95371 A1 also deal with such devices.
  • An arc is formed between the two electrodes through the nozzle opening.
  • the plasma jet emerging from the nozzle opening strikes the end of the wire and there, with the arc, melts the wire and removes the molten wire material in the direction of the surface to be coated.
  • Secondary air nozzles are attached in a ring around the nozzle opening, by means of which a secondary gas jet is generated which hits the material melted from the end of the wire and thus accelerates the transport in the direction of the surface to be coated and a
  • Today's internal combustion engines or their engine blocks can be made of a metal or light metal, such as Be cast aluminum, in particular aluminum blocks have an iron or metal layer on their cylinder bores.
  • the coating according to the invention is particularly suitable for components which are cast from a metal or light metal.
  • these can be components made of an aluminum alloy, which have a metal layer to which the coating from the material composition according to the invention is then applied.
  • the components can e.g. be cast from an aluminum alloy that has an iron layer to which the coating is applied.
  • the metal layer can be thermally sprayed onto the component.
  • thermal spraying processes as plasma wire spraying processes or as PTWA (Plasma Transferred Wire Are).

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Abstract

Materialzusammensetzung für eine Beschichtung für Bauteile von Brennkraftmaschinen, ausgewählt aus einer der drei in der folgenden Tabelle angegebenen Materialzusammensetzungen: Formula.

Description

Materialzusammensetzung für eine Beschichtung für Bauteile von
Brennkraftmaschinen
B E S C H R E I B U N G
Die Erfindung betrifft eine Materialzusammensetzung zur Herstellung einer Beschichtung für Bauteile von Brennkraftmaschinen, insbesondere für Zylinder- und/oder Kolbenoberflächen, gemäß den Merkmalen der Oberbegriffe der unabhängigen Patentansprüche.
Diese Beschichtung für Bauteile von Brennkraftmaschinen, insbesondere für Zylinder- und/oder Kolbenoberflächen, eignet sich beispielsweise als korrosions- und verschleißbeständige Zylinderoberfläche für niedrige Reibung in Brennkraftmaschinen. Diese korrosions- und verschleißbeständige Zylinderoberfläche für niedrige Reibung in Brennkraftmaschinen eignet sich wiederum insbesondere zur Verwendung in Dieselmotoren. Es besteht der Bedarf zur Reduzierung der Übergangsreibung zur Erzielung eines niedrigeren Kraftstoffverbrauchs sowie der Erhöhung der Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit gegen Abgasrückführungs- und Schlechtkraftstoffkondensate für Dieselmotoren ab Euro 6. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, eine Plasmabeschichtung mit Pulver unterschiedlichen Chrom- Molybdän- und Feststoffgehalts auf Bauteile für Brennkraftmaschinen aufzubringen. Eine derartige Plasmabeschichtung wird beispielsweise auf Zylinder aus Edelstahl aufgebracht. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verbesserte korrosions- und verschleißbeständige Zylinderoberfläche für niedrige Reibung in Brennkraftmaschinen, bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch jeweils eine der drei in der folgenden Tabelle angegebenen Materialzusammensetzungen gelöst.
Figure imgf000003_0001
Die Angaben in der zweiten Spalte der obigen Tabelle stellen bevorzugte Werte des verwendeten Bestandteiles der jeweiligen Materialzusammensetzung dar (bei der 1. Varianten können also aus dem Bereich zwischen 0,1 % und 5% des Kohlenstoffes vorzugsweise 0,8% Kohlenstoff ausgewählt werden. Vergleichbares gilt für die beiden anderen Varianten. Die 1. Variante kann zudem optional 0,1 -10% B, die 2. und/oder 3. Variante unabhängig voneinander 0,0 - 5%, bevorzugt 0,0-1 % Si enthalten.
Demnach kann die Materialzusammensetzung in bevorzugten Ausführungsformen eine der folgenden Materialzusammensetzung aufweisen:
1. Variante
Figure imgf000003_0002
2. Variante
Figure imgf000004_0001
3. Variante
Figure imgf000004_0002
Die Materialzusammensetzung nach der Erfindung kann als Beschichtung auf Bauteilen von Brennkraftmaschinen hier insbesondere Dieselmotoren verwendet werden. Bauteile von Brennkraftmaschinen sind insbesondere Zylinderlaufflächen, Kolben, oder Ein und Auslasskanäle im Zylinderkopf. Die Zylinderlaufflächen können vor aufbringen der Beschichtung mit der erfindungsgemäßen Materialzusammensetzung gehont (d.h. glatt) oder aufgeraut sein.
Hierbei erhöht der Chromanteil die Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit der Beschichtung. Die erfindungsgemäße Beschichtung führt zu einer Verbesserung des Abgasverhaltens und zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs.
Die erfindungsgemäße Materialzusammensetzung wird dabei vorzugsweise in Form von Draht dem Beschichtungsverfahren zugeführt. Andere Ausführungen sind jedoch nicht ausgeschlossen.
Bevorzugt wird die Beschichtung mittels „Plasma Transferred Wire Are“ (PTWA) Verfahren auf die Bauteile aufgebracht, insbesondere in Form eines Drahtes.
Die als Draht vorliegende Materialzusammensetzung kann beispielsweise unter Verwendung eines Drahtspritzverfahrens, z.B. PTWA mit legierten Massivdrähten bzw. mit Feststoffen gefülltem Zusatzdraht und optional glatter Honung auf ein Bauteil von Brennkraftmaschinen (insbesondere Zylinderlaufflächen) aufgebracht werden.
Zur Beschichtung von Zylinderlaufflächen eignet sich beispielsweise eine PTWA- Innenbeschichtungsanlage. Bei einem PTWA (Plasma Transferred Wire Are) Beschichtungssystem handelt es sich um eine Anlage zur Beschichtung von Bohrungen mit einem Durchmesser von 65 bis 350 mm. Der Spritzzusatzwerkstoff wird dabei drahtförmig zugeführt. Die Düseneinheit kann aus einer mit Thorium dotierten Wolframkathode, einer luftgekühlten Pilotdüse aus Kupfer und einem elektrisch leitfähigen drahtförmigen Zusatzwerkstoff, der senkrecht zur Pilotdüse zugeführt wird bestehen. Das Plasmagas, eine Mischung aus Wasserstoff und Argon, wird durch im Kathodenhalter angebrachte, tangential zum Umfang liegende Bohrungen zugeführt. Durch die Lage der Zylinderbohrungen entsteht ein längs der Kathode verdrallter Gasstrom, der mit hoher Geschwindigkeit durch die Düse entweicht. Der Vorgang wird durch eine Hochspannungsentladung, welche das Plasmagas zwischen Pilotdüse und Kathode ionisiert und dissoziiert, gestartet. Das so erzeugte Plasma strömt mit hoher Geschwindigkeit durch die Düsenmündung und dehnt sich entlang der Längsachse der Düse aus. Dabei wird das Plasma zum senkrecht zur Düse kontinuierlich zugeführten Drahtzusatzwerkstoff hin transportiert, wodurch der elektrische Kreis geschlossen wird. Aufschmelzen und Zerstäubung des Drahtes werden dabei zweifach beeinflusst. Der Draht wird zum einen durch große Stromstärken, beispielweise mit 65 bis 90 Ampere, widerstandserhitzt. Der Aufprall des Plasmas auf den vorgeheizten Draht sorgt für sein Aufschmelzen und seine Zerstäubung.
Vorrichtungen zum thermischen Beschichten einer Oberfläche sind zum Beispiel in der US 6,372,298 B1 , der US 6,706,993 B1 und der WO2010/112567 A1 beschrieben. Die dort genannten Vorrichtungen weisen gemeinsam auf: Eine Drahtzuführeinrichtung zur Zuführung eines abschmelzenden Drahtes, wobei der Draht als Elektrode wirkt; eine Quelle für Plasmagas zur Erzeugung eines Plasmagasstromes; einen Düsenkörper mit einer Düsenöffnung, durch die der Plasmagasstrom als Plasmagasstrahl auf ein Drahtende geleitet wird; und einer zweiten Elektrode, die im Plasmagasstrom angeordnet ist, bevor dieser in die Düsenöffnung eintritt. Auch die US 6,610,959 B2 und die WO2012/95371 A1 beschäftigen sich mit solchen Vorrichtungen.
Zwischen den beiden Elektroden bildet sich durch die Düsenöffnung hindurch ein Lichtbogen aus. Der aus der Düsenöffnung austretende Plasmastrahl trifft auf das Drahtende und bewirkt dort mit dem Lichtbogen ein Abschmelzen des Drahtes und den Abtransport des geschmolzenen Drahtmaterials in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche. Ringförmig um die Düsenöffnung herum sind Sekundärluftdüsen angebracht, durch die ein Sekundärgasstrahl erzeugt wird, der das vom Drahtende abgeschmolzene Material trifft und so eine Beschleunigung des Transportes in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche und eine
Sekundärzerstäubung des geschmolzenen Drahtmaterials bewirkt.
Heutige Brennkraftmaschinen bzw. deren Motorblöcke können aus einem Metall oder Leichtmetall, wie z.B. Aluminium gegossen sein, wobei insbesondere Aluminiumblöcke an ihren Zylinderbohrungen eine Eisen- bzw. Metallschicht aufweisen.
Die erfindungsgemäße Beschichtung eignet sich besonders für Bauteile, die aus einem Metall oder Leichtmetall gegossen sind. Insbesondere können dies Bauteile aus einer Aluminiumlegierung sein, die eine Metallschicht aufweisen, auf die dann die die Beschichtung aus der erfindungsgemäßen Materialzusammensetzung aufgebracht wird. Die Bauteile können z.B. aus einer Aluminiumlegierung gegossen sein, die eine Eisenschicht aufweist, auf die die Beschichtung aufgebracht wird.
Die Metallschicht kann thermisch auf das Bauteil aufgespritzt sein. Als thermische Spritzverfahren sind neben Zweidraht-Lichtbogen-Spritzverfahren (TWA), HVOF- Spritzverfahren und Plasma-Pulver- Spritzverfahren die oben genannten Verfahren als Plasma-Draht-Spritzverfahren oder auch als PTWA (Plasma Transferred Wire Are) bekannt. Eine Beschichtung der Zylinderbohrungen mit Hilfe der Plasma-Draht- Spritzverfahren, also mit dem PTWA ist dahin vorteilhaft, weil so eine Beschichtung hergestellt werden kann, welche sich positiv auf einen reduzierten Verschleißfaktor, auf eine verlängerte Lebensdauer der Brennkraftmaschine bei geringerem Ölverbrauch im Vergleich zu konventionellen Auskleidungen mit eingegossenen Laufbuchsen aus Graugussmaterial auswirkt.

Claims

KS Kolbenschmidt GmbH, Neckarsulm Materialzusammensetzung für eine Beschichtung für Bauteile von Brennkraftmaschinen PATENTANSPRÜCHE
1.
Materialzusammensetzung für eine Beschichtung für Bauteile von Brennkraftmaschinen, ausgewählt aus einer der drei in der folgenden Tabelle angegebenen Materialzusammensetzungen:
Figure imgf000008_0001
2. Materialzusammensetzung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die
Materialzusammensetzung :
Figure imgf000008_0002
3. Materialzusammensetzung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch die Materialzusammensetzung
Figure imgf000009_0001
4. Materialzusammensetzung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch die
Materialzusammensetzung
Figure imgf000009_0002
5.
Verwendung der Materialzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 als Beschichtung auf Bauteilen von Brennkraftmaschinen.
6.
Verwendung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mittels „Plasma Transferred Wire Are“ (PTWA) Verfahren auf die Bauteile aufgebracht wird.
7.
Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialzusammensetzung in Form eines Drahtes dem „Plasma Transferred Wire Are“ (PTWA) Verfahren zugeführt wird.
8.
Verwendung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile aus einem Metall oder Leichtmetall gegossen sind.
9. Verwendung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile aus einer Aluminiumlegierung gegossen sind, die eine Metallschicht aufweist, auf die die Beschichtung aufgebracht wird.
10. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile aus einer Aluminiumlegierung gegossen sind, die eine Eisenschicht aufweist, auf die die Beschichtung aufgebracht wird.
11. Verwendung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht thermisch auf das Bauteil aufgespritzt wird.
12. Verwendung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, das die Metallschicht thermisch mittels Zweidraht-Lichtbogen-Spritzverfahren (TWA), HVOF-
Spritzverfahren, Plasma-Pulver-Spritzverfahren, Plasma-Draht-Spritzverfahren oder Plasma Transferred Wire Are (PTWA) Verfahren auf das Bauteil aufgespritzt wird.
PCT/EP2019/081762 2018-11-20 2019-11-19 Materialzusammensetzung für eine beschichtung für bauteile von brennkraftmaschinen WO2020104438A1 (de)

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