DE29680358U1

DE29680358U1 - Keramisierter Leichtmetallkolben für Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE29680358U1
Application number: DE29680358U
Authority: DE
Original assignee: Electro Chemical Engineering GmbH
Current assignee: Electro Chemical Engineering GmbH
Priority date: 1995-05-08
Filing date: 1996-05-08
Publication date: 1998-02-12
Anticipated expiration: 2006-05-09
Also published as: EP0839271B1; DE19680303D2; WO1996035868A1; AU5758896A; EP0839271A1; DE19516815A1; DE59601018D1; ATE174662T1; ES2127637T3

Description

PATENTANWALT DR. HANS GÜNTHER EGGERT

RÄDERSCHEIDTSTRASSE 1, 50935 KÖLN

18.12.1997

Electro Chemical Engineering GmbH Poststrasse 9 Zug/Schweiz

Keramisierter Leichtmetallkolben für Verbrennungsmotoren

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen neuartigen hochschwingungs- und hochtemperaturbelastbaren Leichtmetallkolben für Verbrennungsmotoren.

Es ist bekannt, örtlich hochbelastete Oberflächen auf Leichtmetallkolben - insbesondere seinen Boden - elektrolytisch zu oxidieren (Motortechnische Zeitschrift, 1975, S. 241; DE-PS 26 26 131). Diese so aufgebrachte Eloxal- bzw. Harteloxalschicht neigt aufgrund ihres amorphen Charakters bei hoher Beanspruchung zur Rißbildung. Der Riß kann sich bis in das Grundmaterial fortsetzen. Das führt zum Ausfall des Kolbens und damit des gesamten Motors.

In der EP-A-412 660 wird ein wärmeisolierender Kolben beschrieben, in dessen Kolbenbodenbereich u.a. ein wärmeisolierendes Element aus keramischem Material aufgebracht ist. Das hat den Nachteil, daß die Keramik nur ungenügende Haftung auf der Metalloberfläche des Kolbens hat und sich bei hoher Belastung lockert und auch so zum Ausfall des Kolbens führt.
Die DE-PS 36 11 165 beschreibt einen integral gegossenen Kolben für eine Brennkraftmaschine, in dem eine keramische Platte in einer Kappe auf Eisenbasis verankert ist. Die Produktion eines derartigen Kolbens ist zeit- und kostenaufwendig. Auch tritt hier eine Lockerung des Keramikbauteiles aufgrund der hohen thermischen Belastungen sowie Schwingungsbelastungen auf.
In der DE-OS 33 30 554 wird ein Kolben für eine Brennkraftmaschine beschrieben, dessen Brennraummulde mit einer durch thermisches Spritzen oder Einbrennen aufgebrachten Keramikbeschichtung versehen ist, in die eine Keramikeinlage eingegossen ist. Auch hier kann sich der Verbund Keramikeinlage/Keramik bei hoher Schwingungs- und Temperaturbelastung lockern und die schon beschriebenen Nachteile hervorrufen.

Keramiken wurden auch auf metallische Kolben durch Aufsprühverfahren gemäß US-A-2,833,264 und DE-OS 34 04 284 oder Sinterung einer Keramik auf dem Kolbenmetall gemäß US-A-2,657,96l aufgebracht. Diese Methode hat aber den entscheidenden Nachteil, daß dicke Überzüge (80 bis 150 &mgr;&idiagr;&eegr;) aufgrund hoher Wärmegradienten und unterschiedlicher Wärmedehnung in Verbindung mit hohen

Stoßbelastungen Risse bilden und der Verbund Keramiküberzug/Kolben dadurch an der Grenzfläche destabilisiert wird.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Leichtmetallkolben, insbesondere aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, bereitzustellen, der eine hochschwingungs- und hochtemperaturbelastbare wärmeisolierende Keramikschicht aufweist und somit eine hohe Verbundstabilität Keramik/Kolbenmateriai gewährleistet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Leichtmetallkolben, gelöst, dessen Oberfläche ganz oder teilweise mit einer Oxidkeramik-Konversionsschicht überzogen ist.

Der Kolben kann aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen (vgl. Aluminium-Taschenbuch, Aluminium-Verlag Düsseldorf (1983), S. 1044) hergestellt sein.

Unter einer Oxidkeramik-Konversionsschicht wird hier und im folgenden eine Oxidkeramikschicht verstanden, die durch eine anodisch piasmaschemische Reaktion in einem Elektrolyten aus einer Leichtmetalloberfläche, vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, hergestellt wurde. Solche Schichten und die Verfahren zu ihrer Herstellung sind beispielsweise aus der EP-B-280 886, EP-B-545 230 und DE-OS 41 04 847 bekannt. Bei dieser Reaktion wird ein Teil des Leichtmetalles zu einer Keramik oxidiert. Bei einem Aluminiumkolben bildet sich eine kristalline Al₂O₃-KeI^mIk bis zu einer Stärke von 120 &mgr;&idiagr;&eegr;. Röntgenographisch lassen sich z.B. bei Verwendung des Kolbenmaterials AlSil2CuMgNi auch Doppeloxide wie NLAI2O4 und/oder MgAl₂O4 und/oder CuAl₂O4 nachweisen. Die Elemente für die Doppeloxide sind die Legierungsbestandteile des Kolbenmaterials. Diese so hergestellte Konversionsschicht aus Keramik auf dem Kolben hat die Eigenschaft, daß sie mit dem Kolben sehr fest verbunden ist und hohe Belastungen wie Wärmeausdehnung bis 400 ⁰C und Schwingungsbelastungen im High Cycle Fatigue bis 50 &khgr; 10 Lastwechsel pro Minute aushält.

Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der Kolbenboden des Leichtmetailkolbens ganz oder teilweise mit einer Oxidkeramik-Konversionsschicht überzogen.

Ebenso kann die Brennmulde und/oder der Feuersteg mit einer Oxidkeramik-Konversionsschicht überzogen sein.

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In einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung beträgt die Schichtdicke der Oxidkerarnik-Konversionsschicht 10 bis 150 pm, vorzugsweise 60 bis 80 pm.

Gemäß einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausfuhrungsform sind in der Oxidkeramik-Konversionsschicht Verbrennungskatalysatoren eingelagert, die zur vollständigen Verbrennung des Kraftstoffes zu Kohlendioxid und Wasser dienen.
Solche Katalysatoren sind beispielsweise Metalle wie Edelmetalle z.B. Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium oder oxidische Verbindungen aus Nichtedelmetallen wie Oxide des Kupfers, Chroms, Mangans, Eisens, Kobalts, Nickels und deren Kombinationen.

Das folgende Beispiel dient zur Erläuterung der Erfindung:

Beispiel:

Ein Leichtmetallkolben aus G-AlSiCuNi wird in eine elektrische Kontaktierungsvorrichtung so eingespannt, daß nur der Kolbenboden mit dem Elektrolyten in Berührung kommt. Die anodische plasmachemische Reaktion des Kolbenbodens erfolgt bei Stromdichten von 5 A/dm² und einer Endspannung von 220 - 230 V. Die Schichtdicke beträgt 60 &mgr;&idiagr;&eegr; und ist bei einer Beschichtungszeit von 45 min erreicht.

Versuche im Motortest ergaben, daß bei sehr hohen Belastungen die Verbundstabilität Keramikkonversionsschicht/Kolben erhalten bleibt und sich keine Risse gebildet haben.
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Claims

Schutzansprüche

1. Leichtmetallkolben, dadurch gekennzeichnet, daß seine Oberfläche ganz oder teilweise mit einer Oxidkeramik-Konversionsschicht überzogen ist.

2. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden ganz oder teilweise mit einer Oxidkeramik-Konversionsschicht überzogen ist.

3. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennmulde mit einer Oxidkeramik-Konversionsschicht überzogen ist.

4. Leichtmetallkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Feuersteg mit einer Oxidkeramik-Konversionsschicht überzogen ist.

5. Leichtmetallkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der Oxidkeramik-Konversionsschicht 10 bis 150 pm beträgt.

6. Leichtmetallkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der Oxidkeramik-Konversionsschicht 60 bis 80 pm beträgt.

7. Leichtmetallkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in die Oxidkeramik-Konversionsschicht Verbrennungskatalysatoren eingelagert sind.