DE10110803A1 - Verfahren zum Herstellen einer metallischen Schicht auf dem Oberteil eines Kolbens einer Verbrennungskraftmaschine sowie Kolben einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents
Verfahren zum Herstellen einer metallischen Schicht auf dem Oberteil eines Kolbens einer Verbrennungskraftmaschine sowie Kolben einer VerbrennungskraftmaschineInfo
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Abstract
Beschrieben wird ein Verfahren zum Herstellen einer metallischen Schicht durch thermisches Spritzen zumindest teilweise auf dem Oberteil eines Kolbens einer Verbrennungskraftmaschine, wobei die metallische Schicht als einzige Beschichtung, insbesondere Korrosionsschutzschicht, direkt auf die Oberfläche des Oberteils des Kolbens aufgebracht und dabei zum thermischen Spritzen das HVOF(high velocity oxy-fuel)-Verfahren verwendet wird. Ferner wird beschrieben ein Kolben einer Verbrennungskraftmaschine, dessen Oberteil zumindest teilweise eine durch thermisches Spritzen hergestellte Schicht aufweist, wobei der Oberteil eine mit Hilfe eines HVOF-Verfahrens aufgebrachte Schicht als einzige Beschichtung, insbesondere Korrosionsschutzschicht, aufweist.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer metallischen Schicht durch
thermisches Spritzen zumindest teilweise auf dem Oberteil eines Kolbens einer
Verbrennungskraftmaschine. Ferner betrifft die Erfindung einen Kolben einer
Verbrennungskraftmaschine, dessen Oberteil zumindest teilweise eine durch
thermisches Spritzen hergestellte Schicht aufweist.
Ein derartiges Verfahren zum Beschichten von Kolben und ein so beschichteter
Kolben sind seit längerem bekannt und befinden sich in vielfältiger Form im Einsatz.
Dabei wird zum thermischen Spritzen ein Plasma-Verfahren verwendet, und übli
cherweise wird die mit diesem Verfahren auf dem Untergrund aufgebrachte Be
schichtung als Zwischenhaftschicht vorgesehen, auf die dann noch eine Außen
schicht aufgespritzt wird.
Die so aufgebrachte Beschichtung dient im Regelfall hauptsächlich als Korrosions
schutz, insbesondere wenn der Untergrund aus Grauguss besteht, der besonders
korrosionsanfällig ist. Denn in den Verbrennungsräumen von Verbrennungskraftma
schinen bzw. Hubkolbenmaschinen sind Kondensationserscheinungen zu beobach
ten, deren negative Wirkungen es zu verhindern gilt. Alternativ oder zusätzlich ist
es im Verbrennungsmotor auch an bestimmten Stellen, wo sich zwei relativ zuein
ander bewegliche Teile in Anlage aneinander befinden, erforderlich, die Beschich
tung derart auszubilden, dass deren Oberfläche eine Gleitfläche zur Reduktion der
Reibung bildet.
In diesem Zusammenhang wird zum Stand der Technik verwiesen auf die DE 198 03 084 A1,
DE 196 05 946 C1, DE 195 04 403 A1, DE 43 17 350 A1, DE 41 04 832 A1,
DE 39 01 028 A1, EP 0 807 479 A1, WO 00/37789 A1, WO 97/16577 A1
und AT 186656 A.
Da aufgrund der Forderung, den Energieverbrauch immer stärker zu senken, die
Verbrennungsmotoren heutzutage auf einen immer höheren Wirkungsgrad hin
konstruiert werden und insbesondere eine immer höhere Verdichtung erhalten, hat
sich nun herausgestellt, dass die herkömmlich verwendeten Beschichtungsver
fahren und Konstruktionswerkstoffe den Anforderungen an diese neuen Konstruk
tionen nicht mehr ausreichend genügen. Außerdem besteht mittlerweile die Forde
rung bei der Industrie, die Verschwendung bzw. den Verlust teurer Werkstoffe
soweit wie möglich zu reduzieren.
Deshalb schlägt die Erfindung vor, die metallische Schicht als einzige Beschichtung,
insbesondere Korrosionsschutzschicht, direkt auf die Oberfläche zumindest des
Oberteils des Kolbens aufzubringen und dabei zum thermischen Spritzen das
HVOF(high velocity oxy-fuel)-Verfahren zu verwenden.
Mit Hilfe der Erfindung erhält man eine Beschichtung mit einer geringeren Dicke,
einer höheren Dichte sowie einer geringeren Porösität als beim Stand der Technik.
Dies wird erfindungsgemäß durch die Verwendung des HVOF-Verfahrens erzielt.
Das HVOF-Verfahren ist zwar für sich bereits bekannt (siehe z. B. US 6 096 381 A1,
jedoch wurde es bislang zum Beschichten von Teilen von und/oder für Ver
brennungsmotoren, insbesondere im Rahmen einer Großserienproduktion, nicht ver
wendet. Es ist nun herausgefunden worden, dass unter Verwendung des HVOF-
Verfahrens erstmals hochqualitative Beschichtungen mit den zuvor erwähnten
vorteilhaften Eigenschaften hergestellt werden können. Mit Hilfe des HVOF-Ver
fahrens wird in besonders wirksamer Weise erreicht, dass während des Beschich
tungsprozesses eingespritzte Pulver nicht zu akzeptablen Oxideinlagerungen und
Porenfeldern führen können. Die erfindungsgemäß so hergestellte Beschichtung ist
außerdem besonders widerstandsfähig gegen die in den modernen Verbrennungs
motor-Konstruktionen immer stärker auftretende Heißgaskorrosion.
Ferner ist gefunden worden, dass es ausreicht, die metallische Schicht als einzige
Beschichtung mit Hilfe des HVOF-Verfahrens direkt auf den Untergrund aufzutra
gen, ohne dass das Aufbringen weiterer Schichten erforderlich ist. Insbesondere
wurde festgestellt, dass eine solche Beschichtung ohne weiteres den Anforderun
gen an einen Oxidations- oder Korrosionsschutz genügt.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des TC(temperature control)-HVOF-
Verfahren, welches insbesondere für die Beschichtung von Bauteilen mit komplexer
Geometrie besonders geeignet ist.
Vorzugsweise ist die Schicht aus Pulverfraktion hergestellt und besteht die Schicht
aus MCrAlY, wobei M vorzugsweise Fe, Ni und/oder Co ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Beispieles kurz näher
erläutert, wonach ein Kolbenoberteil mit einer Beschichtung aus einem MCrAlY-
Werkstoff versehen worden ist.
Diese Beschichtung ist aus einer Pulverfraktion erzeugt worden, die nach dem
TC(temperature control)-HVOF(high velocity oxy-fuel)-Verfahren hergestellt worden
sind. Das TC-HVOF-Verfahren ermöglicht die Verarbeitung superfeiner Cermet-
Pulver der Pulverfraktion -15 + 5 µm zu Oberflächen mit Rauhtiefen von Ra. 1 bis 2 pm.
Das TC-HVOF-Verfahren kommt dabei in besonders vorteilhafter Weise mit Hilfe
einer neu entwickelten Brennertechnologie zum Einsatz, welche die Verwendung
langer Beschleunigungsdüsen (insbesondere 200 bis 400 mm) erlaubt, ohne die
Prozessstabilität durch sogenannte Anbackungsphänomene zu gefährden. Diese
Brennertechnologie nutzt eine wasserstoff-stabilisierte Kerosin-Sauerstoff-Ver
brennung zur Ausbildung der Prozessgasströmung. Die wasserstoff-gestützte
Kerosinzerstäubung führt zu einer pulsationsarmen Überschall-Prozessgasströmung
in einem Temperaturbereich von etwa 200°C bis 2500°C bei Brennkammerdrüc
ken von etwa 14 bis 25 bar. Turbulenzfelder in der Prozessgasströmung werden
durch die besondere Ausbildung der Brennkammern und der Wandströmung ver
mieden. Dadurch wird der Bedarf an Kühlung thermisch belasteter Bauteile deutlich
verringert; bei 200 kW Prozessleistung beträgt die Kühlleistung etwa 35 kW. Das
Pulver wird durch eine dual-radiale Pulverzuführung im Überschallbereich der
Prozessgasströmung eingedüst, ein Überhitzen der Pulverpartikel verhindert und der
Einsatz langer Beschleunigerdüsen ermöglicht.
Es wurde beobachtet, dass die Temperaturbelastung der Bauteile während der
Beschichtung deutlich verringert und die Schichtqualität erheblich verbessert ist.
Oxideinlagerungen und Porenfelder, die insbesondere an Kanten und kritischen
Übergängen komplexer Bauteile auftreten, werden in der Beschichtung vermieden.
Claims (8)
1. Verfahren zum Herstellen einer metallischen Schicht durch thermisches
Spritzen zumindest teilweise auf dem Oberteil eines Kolbens einer Verbrennungs
kraftmaschine,
dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht als einzige Beschichtung, insbesondere Korrosionsschutzschicht, direkt auf die Oberfläche des Oberteils des Kolbens aufgebracht und
dabei zum thermischen Spritzen das HVOF(high velocity oxy-fuel)-Verfahren verwendet wird.
dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht als einzige Beschichtung, insbesondere Korrosionsschutzschicht, direkt auf die Oberfläche des Oberteils des Kolbens aufgebracht und
dabei zum thermischen Spritzen das HVOF(high velocity oxy-fuel)-Verfahren verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass zum thermischen Spritzen das TC(temperature
control)-HVOF-Verfahren verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus Pulverfraktion hergestellt wird.
4. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus MCrAlY hergestellt wird, wobei M
vorzugsweise Fe, Ni und/oder Co ist.
5. Kolben einer Verbrennungskraftmaschine, dessen Oberteil zumindest teil
weise eine durch thermisches Spritzen hergestellte Schicht aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Oberteil eine mit Hilfe eines HVOF-Verfahrens
aufgebrachte Schicht als einzige Beschichtung, insbesondere Korrosionsschutz
schicht, aufweist.
6. Kolben einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass der Oberteil eine mit Hilfe eines TC-HVOF-Verfahrens
aufgebrachte Schicht als einzige Beschichtung, insbesondere Korrosions
schutzschicht, aufweist.
7. Kolben einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus Pulverfraktion besteht.
8. Kolben einer Verbrennungskraftmaschine nach mindestens einem der
Ansprüche 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus MCrAlY besteht, wobei M vorzugs
weise Fe, Ni und/oder Co ist.
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10320979A1 (de) * | 2003-05-09 | 2004-12-09 | Federal-Mogul Nürnberg GmbH | Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zur Beschichtung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor |
| WO2013013830A1 (en) * | 2011-07-28 | 2013-01-31 | Mahle International Gmbh | Bowl rim and root protection for aluminum pistons |
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2001
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Cited By (3)
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