DE102012025283A1 - Piston useful for an internal combustion engine comprises a piston head comprising a piston base and a peripheral piston junk and a piston shaft - Google Patents

Piston useful for an internal combustion engine comprises a piston head comprising a piston base and a peripheral piston junk and a piston shaft Download PDF

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Abstract

Piston (10) for an internal combustion engine comprises a piston head (11) and a piston shaft (12). The piston head has a piston base (13) and a peripheral piston junk (15). The piston is provided with a heat-insulating coating. The heat-insulating coating is formed as foam with a closed pore structure comprising at least one platelet-shaped ceramic material and at least one binder on the basis of sodium and/or potassium silicates. An independent claim is also included for coating the piston for the internal combustion engine with the piston head and the piston shaft, comprising (a) cleaning the surface area of the piston, which is to coated, (b) providing a suspension of at least one platelet-shaped ceramic material and at least one binder on the basis of aqueous sodium and/or potassium silicates and at least one blowing agent, (c) applying the suspension to the surface area for inducing the formation of a closed pore structure, and (d) curing the coating after completion of the formation of a closed-pore structure.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft, wobei der Kolbenkopf einen Kolbenboden sowie einen umlaufenden Feuersteg aufweist, wobei der Kolben mit einer wärmedämmenden Beschichtung versehen ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens.The present invention relates to a piston for an internal combustion engine with a piston head and a piston skirt, wherein the piston head has a piston crown and a peripheral land, wherein the piston is provided with a heat-insulating coating. The present invention further relates to a method of manufacturing such a piston.

Es ist erwünscht, Kolben für moderne Verbrennungsmotoren insbesondere im Bereich des Kolbenbodens mit einer wirksamen Wärmedämmung auszurüsten, um bei den hohen thermischen Belastungen, wie sie für moderne Verbrennungsmotoren typisch sind, eine Überhitzung zu vermeiden.It is desirable to provide pistons for modern internal combustion engines, in particular in the region of the piston crown, with effective thermal insulation in order to avoid overheating in the case of the high thermal loads typical of modern internal combustion engines.

Aus der JP 61-268850 A ist es bekannt, den Kolbenboden mit einer Schicht aus geschäumtem Keramikwerkstoff zu überziehen, die wiederum mit einer Schicht aus flammgespritztem Keramikwerkstoff überzogen ist. Die flammgespritzte Keramikwerkstoffschicht ist wiederum von einer keramischen Deckschicht bedeckt.From the JP 61-268850 A It is known to coat the piston head with a layer of foamed ceramic material, which in turn is coated with a layer of flame-sprayed ceramic material. The flame-sprayed ceramic material layer is in turn covered by a ceramic cover layer.

Die JP 61-261645 offenbart einen Kolben mit einer Wärmedämmschicht aus einem offenporigen Keramikschaum, der mit einer keramischen Deckschicht überzogen ist.The JP 61-261645 discloses a piston having a thermal barrier coating of an open cell ceramic foam coated with a ceramic topcoat.

Derartige Beschichtungen werden in der Regel mittels Flammspritzverfahren oder PVD-Verfahren aufgetragen.Such coatings are usually applied by means of flame spraying or PVD process.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Kolben sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung so weiterzuentwickeln, dass mit möglichst einfachen Mitteln eine wirksame Wärmedämmschicht erhalten wird.The object of the present invention is to develop a generic piston and a method for its production so that with the simplest possible means an effective thermal barrier coating is obtained.

Die Lösung besteht darin, dass die wärmedämmende Beschichtung als Schaum mit geschlossenporiger Zellenstruktur ausgebildet ist, der mindestens einen plättchenförmigen keramischen Werkstoff sowie mindestens ein Bindemittel auf der Basis von Natrium- und/oder Kaliumsilikaten aufweist.The solution is that the heat-insulating coating is formed as a foam with a closed-cell structure having at least one platelet-shaped ceramic material and at least one binder based on sodium and / or potassium silicates.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch die folgenden Verfahrensschritte aus: (a) Reinigen des zu beschichtenden Oberflächenbereichs eines zu beschichtenden Kolbens; (b) Bereitstellen einer Suspension aus mindestens einem plättchenförmigen keramischen Werkstoff sowie mindestens einem Bindemittel auf der Basis von wässrigen Natrium- und/oder Kaliumsilikaten und mindestens einem Treibmittel; (c) Auftragen der Suspension auf den zu beschichtenden Oberflächenbereich unter Induzierung der Bildung einer geschlossenzelligen Porenstruktur; (d) Aushärten der Beschichtung nach Abschluss der Bildung einer geschlossenzelligen Porenstruktur.The method according to the invention is characterized by the following method steps: (a) cleaning the surface area of a piston to be coated, to be coated; (B) providing a suspension of at least one platelet-shaped ceramic material and at least one binder based on aqueous sodium and / or potassium silicates and at least one blowing agent; (c) applying the suspension to the surface area to be coated to induce the formation of a closed cell pore structure; (d) curing the coating after completion of the formation of a closed-cell pore structure.

Die erfindungsgemäß als Bindemittel eingesetzten Natrium- und/oder Kaliumsilikate sind auch unter dem Begriff „Wasserglas” bekannt.The sodium and / or potassium silicates used according to the invention as binders are also known by the term "water glass".

Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass plättchenförmige keramische Werkstoffe die Entstehung von Schäumen mit geschlossenzelliger Porenstruktur bei einem Einsatz von Treibmitteln zur Herstellung dieser Schäume unterstützen. Auf diese Weise ist es möglich, Schäume mit geschlossenzelliger Porenstruktur auf besonders einfache Weise herzustellen. Insbesondere kann auf die Applikation zusätzlicher Deckschichten verzichtet werden. Schäume mit geschlossenzelliger Porenstruktur bilden besonders wirksame Wärmedämmschichten.It has surprisingly been found that platelet-shaped ceramic materials support the formation of foams with a closed-cell pore structure when blowing agents are used for producing these foams. In this way, it is possible to produce foams with a closed-cell pore structure in a particularly simple manner. In particular, can be dispensed with the application of additional layers. Foams with a closed-cell pore structure form particularly effective thermal barrier coatings.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous developments emerge from the subclaims.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Beschichtung weist vorzugsweise eine Porosität zwischen 30 Vol.-% und 50 Vol.-% auf. Dieser Wert stellt einen guten Kompromiss zwischen der wärmedämmenden Wirkung der geschlossenzelligen Porenstruktur und der im Motorbetrieb erforderlichen Druckfestigkeit der Beschichtung dar.The coating provided according to the invention preferably has a porosity between 30% by volume and 50% by volume. This value represents a good compromise between the heat-insulating effect of the closed-cell pore structure and the compressive strength of the coating required in motor operation.

Die erfindungsgemäße Beschichtung weist bevorzugt eine Druckfestigkeit von mindestens 20 N/mm2 auf, um den mechanischen Belastungen im Motorbetrieb standzuhalten.The coating according to the invention preferably has a compressive strength of at least 20 N / mm 2 in order to withstand the mechanical loads during engine operation.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Beschichtung eine Wärmeleitfähigkeit von höchstens 1 W/mK auf, um die wärmedämmende Wirkung der Beschichtung zu optimieren.In a further advantageous embodiment, the coating according to the invention has a thermal conductivity of at most 1 W / mK in order to optimize the heat-insulating effect of the coating.

Der mindestens eine plättchenförmige keramische Werkstoff ist zweckmäßigerweise ausgewählt ist aus der Gruppe oxidkeramische Werkstoffe, carbidkeramische Werkstoffe, nitridkeramische Werkstoffe, boridkeramische Werkstoffe, silicidkeramische Werkstoffe und silikatkeramische Werkstoffe.The at least one platelet-shaped ceramic material is expediently selected from the group of oxide-ceramic materials, carbide-ceramic materials, nitride-ceramic materials, boride-ceramic materials, silicid ceramic materials and silicate ceramic materials.

Zu den oxidkeramischen Werkstoffen zählen beispielsweise ganz oder teilweise stabilisiertes ZrO2, Ce2O3, Y2O3, Al2TiO5, La2Zr2O7, SiO2, Al2O3, MgO, TiO2, Mullit (3Al2O3·2SiO2), HfO2 und Be2O3.The oxide-ceramic materials include, for example, fully or partially stabilized ZrO 2 , Ce 2 O 3 , Y 2 O 3 , Al 2 TiO 5 , La 2 Zr 2 O 7 , SiO 2 , Al 2 O 3 , MgO, TiO 2 , mullite ( 3Al 2 O 3 .2SiO 2 ), HfO 2 and Be 2 O 3 .

Zu den nitridkeramischen Werkstoffen gehören bspw. Bornitrid, insbesondere hexagonales Bornitrid, Aluminiumnitrid und Siliziumnitrid.The nitride ceramic materials include, for example, boron nitride, in particular hexagonal boron nitride, aluminum nitride and silicon nitride.

Zu den silikatkeramischen Werkstoffen gehören Werkstoffe, deren Kristallstruktur [SiO4]4–-Tetraeder enthalten. Gut geeignet sind bspw. Schichtsilikate wie Montmorillonit. Ferner können Zirkonsilikate, Kalziumsilikate, Magnesiumsilikate sowie Ca/Mg/Al-Silikate verwendet werden, bspw. Glimmer, Talk, Serpentin, Muskovit, Kaolinit und Vermiculit.Silicate-ceramic materials include materials whose crystal structure contains [SiO 4 ] 4- tetrahedra. Well suited are, for example. Phyllosilicates such as montmorillonite. It is also possible to use zirconium silicates, calcium silicates, magnesium silicates and also Ca / Mg / Al silicates, for example mica, talc, serpentine, muscovite, kaolinite and vermiculite.

Geeignete carbidkeramische Werkstoffe sind bspw. Siliziumcarbid und Borcarbid. Als boridkeramische Werkstoffe können bspw. Zirkoniumborid, Hafniumborid und Titanborid verwendet werden. Ein weiterer geeigneter Werkstoff ist bspw. Aluminiumsilicid.Suitable carbide-ceramic materials are, for example, silicon carbide and boron carbide. For example, zirconium boride, hafnium boride and titanium boride can be used as boride ceramic materials. Another suitable material is, for example, aluminum silicide.

Vorzugsweise ist zwischen dem beschichteten Oberflächenbereich des Kolbens und der Beschichtung eine Haftschicht vorgesehen, um die Haftung zwischen der erfindungsgemäß vorgesehenen Beschichtung und dem Kolbenwerkstoff zu optimieren.Preferably, an adhesive layer is provided between the coated surface area of the piston and the coating in order to optimize the adhesion between the coating provided according to the invention and the piston material.

Geeignete Werkstoffe für die Haftschicht sind beispielsweise Verbindungen vom Typ MeCrAlY, wobei das Symbol Me für Nickel, Eisen und Kobalt steht. Haftschichten aus diesen Werkstoffen können bspw. mittels Flammspritzen auf den zu beschichtenden Oberflächenbereich des Kolbens aufgetragen werden. Auch Al2O3 ist als Werkstoff für die Haftschicht geeignet und wird bspw. mittels eines Sol-Gel-Verfahrens auf den zu beschichtenden Oberflächenbereich des Kolbens aufgetragen.Suitable materials for the adhesive layer are, for example, compounds of the type MeCrAlY, where the symbol Me stands for nickel, iron and cobalt. Adhesive layers of these materials can be applied, for example, by means of flame spraying onto the surface area of the piston to be coated. Also, Al 2 O 3 is suitable as a material for the adhesive layer and is applied, for example, by means of a sol-gel process on the surface area of the piston to be coated.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann als Treibmittel ein Pulver umfassend mindestens ein unedles Metall verwendet werden. Unter dem Begriff „unedles Metall” werden Metalle wie bspw. Eisen, Zink, Aluminium oder Magnesium verstanden, die bei den erfindungsgemäß vorgesehenen Verfahrensbedingungen in der von den Natrium- bzw. Kaliumsilikaten verursachten alkalischen Umgebung oxidieren. Dabei wird elementarer Wasserstoff freigesetzt, der erfindungsgemäß die Bildung der geschlossenzelligen Porenstruktur induziert.To carry out the process according to the invention, a powder comprising at least one non-noble metal can be used as blowing agent. The term "non-noble metal" means metals such as, for example, iron, zinc, aluminum or magnesium, which oxidize at the process conditions provided according to the invention in the alkaline environment caused by the sodium or potassium silicates. This elemental hydrogen is released, which induces the formation of the closed-cell pore structure according to the invention.

Ferner können zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Treibmittel verwendet werden, die, bspw. bei leichter Erwärmung, CO2 freisetzen, wie bspw. Carbonate und Hydrogencarbonate, insbesondere Ammoniumhydrogencarbonat (Hirschhornsalz), Natriumhydrogencarbonat und Kaliumcarbonat. In diesem Fall wird die erfindungsgemäße Bildung der geschlossenzelligen Porenstruktur durch das freigesetzte CO2 induziert.Furthermore, propellants can be used to carry out the process according to the invention, for example, with slight warming, release CO 2 , such as. Carbonates and bicarbonates, especially ammonium bicarbonate (Hirschhornsalz), sodium bicarbonate and potassium carbonate. In this case, the formation of the closed-cell pore structure according to the invention is induced by the released CO 2 .

Vorzugsweise erfolgt das Aushärten der Beschichtung durch langsame Erwärmung auf 400°C. Hierbei wird Wasser freigesetzt und die geschlossenzellige Porenstruktur stabilisiert sowie auf besonders einfache Weise die notwendige Druckfestigkeit der erfindungsgemäßen Beschichtung erhalten.Preferably, the curing of the coating by slow heating to 400 ° C. In this case, water is released and the closed-cell pore structure stabilized and obtained in a particularly simple manner, the necessary compressive strength of the coating of the invention.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Die einzige 1 zeigt in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt.An embodiment of the present invention will be explained below with reference to the accompanying drawings. The only 1 shows a schematic, not to scale representation of a first embodiment of a piston according to the invention in section.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der Kolben 10 ist im Ausführungsbeispiel ein einteiliger Kastenkolben und weist einen Kolbenkopf 11 und ein Kolbenschaft 12 auf. Der Kolben 10 kann bspw. aus einem Werkstoff auf der Basis von Gusseisen, Stahl oder Aluminium hergestellt sein. Der erfindungsgemäße Kolben kann selbstverständlich auch als mehrteiliger Kolben ausgebildet sein. 1 shows a first embodiment of a piston according to the invention 10 , The piston 10 is in the embodiment, a one-piece box piston and has a piston head 11 and a piston stem 12 on. The piston 10 may for example be made of a material based on cast iron, steel or aluminum. The piston according to the invention can of course also be designed as a multi-part piston.

Der Kolbenkopf 11 weist einen Kolbenboden 13 mit einer Verbrennungsmulde 14 sowie einen umlaufenden Feuersteg 15 und eine umlaufende Ringpartie 16 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. Ferner ist zwischen der Verbrennungsmulde 14 und der Ringpartie 16 ein umlaufender geschlossener Kühlkanal 17 ausgeformt.The piston head 11 has a piston bottom 13 with a combustion bowl 14 as well as a revolving firestep 15 and a circumferential ring part 16 for receiving piston rings (not shown). Further, between the combustion bowl 14 and the ring part 16 a circumferential closed cooling channel 17 formed.

Der Kolbenschaft 12 weist in an sich bekannter Weise Naben 18 auf, die über Nabenanbindungen 19 an der Unterseite des Kolbenkopfs 11 angebunden sind. Die Naben 18 sind mit Nabenbohrungen 21 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) versehen. Die Naben 18 sind in an sich bekannter Weise über Laufflächen 22 miteinander verbunden.The piston shaft 12 has hubs in a conventional manner 18 on, via hub connections 19 at the bottom of the piston head 11 are connected. The hubs 18 are with hub bores 21 for receiving a piston pin (not shown) provided. The hubs 18 are in a conventional manner on treads 22 connected with each other.

Erfindungsgemäß ist bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel im Bereich des Kolbenbodens 13 eine wärmedämmende Beschichtung 23 mit einer geschlossenzelligen Porenstruktur aufgebracht. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zwischen dem beschichteten Oberflächenbereich des Kolbens 10 und der wärmedämmenden Beschichtung 23 eine Haftschicht 24 aufgetragen.According to the invention in the in 1 illustrated embodiment in the region of the piston crown 13 a heat-insulating coating 23 applied with a closed-cell pore structure. In this embodiment, between the coated surface area of the piston 10 and the heat-insulating coating 23 an adhesive layer 24 applied.

Die wärmedämmende Beschichtung 23 weist erfindungsgemäß mindestens einen plättchenförmigen keramischen Werkstoff sowie mindestens ein Bindemittel auf der Basis von Natrium- und/oder Kaliumsilikaten (Wasserglas) auf.The heat-insulating coating 23 according to the invention comprises at least one platelet-shaped ceramic material and at least one binder based on sodium and / or potassium silicates (water glass).

Die wärmedämmende Beschichtung 23 kann bspw. folgendermaßen auf dem zu beschichtenden Oberflächenbereich des Kolbens 10 aufgebracht werden.The heat-insulating coating 23 can, for example, as follows on the surface area of the piston to be coated 10 be applied.

Zunächst wird der zu beschichtende Oberflächenbereich des Kolbens 10 in an sich bekannter Weise gereinigt, insbesondere entfettet und von sonstigen Verunreinigungen befreit. Anschließend wird auf den zu beschichtenden Oberflächenbereich eine Haftschicht 24 aufgebracht. Werkstoffe vom Typ MeCrAlY werden bspw. mittels Flammspritzen auf den zu beschichtenden Oberflächenbereich des Kolbens 10 aufgetragen. Aluminiumoxid wird bspw. mittels eines Sol-Gel-Verfahrens auf den zu beschichtenden Oberflächenbereich des Kolbens 10 aufgetragen.First, the surface area of the piston to be coated becomes 10 cleaned in a conventional manner, especially degreased and freed of other impurities. Subsequently, an adhesive layer is applied to the surface area to be coated 24 applied. Materials of the type MeCrAlY are, for example, by means of flame spraying on the surface area to be coated piston 10 applied. Alumina is, for example, by means of a sol-gel process on the surface to be coated surface of the piston 10 applied.

Nach dem Auftragen der Haftschicht 24 wird der zu beschichtende Oberflächenbereich des Kolbens auf eine Temperatur von 70°C bis 90°C erwärmt. Dann wird eine Suspension aus mindestens einem plättchenförmigen keramischen Werkstoff, bspw. hexagonalem Bornitrid, mindestens einem wässrigen Bindemittel auf der Basis von wässrigen Natrium- und/oder Kaliumsilikaten sowie mindestens einem Treibmittel, bspw. Hirschhornsalz auf den zu beschichtenden Oberflächenbereich aufgetragen, bspw. gespritzt oder gedruckt. Bei diesem Verfahrensschritt wird zeitgleich die Bildung einer geschlossenzelligen Porenstruktur induziert, indem die Temperatur des erwärmten Oberflächenbereichs den Zerfall des Treibmittels induziert, wobei Ammoniak und Kohlendioxid freigesetzt werden, welche die Bildung der geschlossenzelligen Porenstruktur bewirken.After applying the adhesive layer 24 The surface area of the piston to be coated is heated to a temperature of 70 ° C to 90 ° C. Then a suspension of at least one platelet-shaped ceramic material, for example hexagonal boron nitride, at least one aqueous binder based on aqueous sodium and / or potassium silicates and at least one propellant, for example staghorn salt, is applied to the surface area to be coated, for example sprayed or printed. In this process step, the formation of a closed-cell pore structure is simultaneously induced by the temperature of the heated surface area inducing the disintegration of the propellant, whereby ammonia and carbon dioxide are released, which cause the formation of the closed-cell pore structure.

Nach Abschluss dieses Vorgangs wird die Beschichtung (23) durch langsames Erwärmen auf etwa 400°C ausgehärtet, wobei Wasser freigesetzt, die geschlossenzellige Porenstruktur stabilisiert und die erwünschte Druckfestigkeit der Beschichtung (23) erzielt wird.Upon completion of this process, the coating ( 23 cured by slowly heating to about 400 ° C, releasing water, stabilizing the closed-cell pore structure, and achieving the desired compressive strength of the coating ( 23 ) is achieved.

Statt Hirschhornsalz kann auch eine andere, Kohlendioxid freisetzende chemische Verbindung wie Natriumhydrogencarbonat oder Kaliumcarbonat verwendet werden. Dann wird der zu beschichtende Oberflächenbereich vorab auf eine Temperatur erwärmt, bei der das Natriumhydrogencarbonat bzw. das Kaliumcarbonat thermisch zerfallen, wobei Kohlendioxid freigesetzt wird.Instead of Hirschhornsalz can also be another carbon dioxide-releasing chemical compound such as sodium bicarbonate or potassium carbonate can be used. Then, the surface area to be coated is preliminarily heated to a temperature at which the sodium hydrogencarbonate or the potassium carbonate thermally decompose, releasing carbon dioxide.

Statt Hirschhornsalz oder einer anderen, Kohlendioxid freisetzenden, chemischen Verbindung kann auch ein Pulver aus mindestens einem unedlen Metall als Treibmittel verwendet werden. In der alkalischen Umgebung der Suspension wird das Metallpulver oxidiert, wobei elementarer Wasserstoff freigesetzt wird, der die Bildung der geschlossenzelligen Porenstruktur bewirkt. In diesem Fall entfällt die vorhergehende Erwärmung des zu beschichtenden Oberflächenbereichs auf etwa 70°C bis 90°C.Instead of deer's salt or another carbon dioxide-releasing chemical compound, a powder of at least one base metal may also be used as blowing agent. In the alkaline environment of the suspension, the metal powder is oxidized, releasing elemental hydrogen, which causes the formation of the closed-cell pore structure. In this case, the previous heating of the surface area to be coated accounts for about 70 ° C to 90 ° C.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • JP 61-268850 A [0003] JP 61-268850A [0003]
  • JP 61-261645 [0004] JP 61-261645 [0004]

Claims (15)

Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenkopf (11) und einem Kolbenschaft (12), wobei der Kolbenkopf (11) einen Kolbenboden (13) sowie einen umlaufenden Feuersteg (15) aufweist, wobei der Kolben (10) mit einer wärmedämmenden Beschichtung (23) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmedämmende Beschichtung (23) als Schaum mit geschlossenzelliger Porenstruktur ausgebildet ist, der mindestens einen plättchenförmigen keramischen Werkstoff sowie mindestens ein Bindemittel auf der Basis von Natrium- und/oder Kaliumsilikaten aufweist.Piston ( 10 ) for an internal combustion engine with a piston head ( 11 ) and a piston stem ( 12 ), wherein the piston head ( 11 ) a piston bottom ( 13 ) as well as a revolving flank ( 15 ), wherein the piston ( 10 ) with a heat-insulating coating ( 23 ), characterized in that the heat-insulating coating ( 23 ) is formed as a foam with a closed-cell pore structure, which has at least one platelet-shaped ceramic material and at least one binder based on sodium and / or potassium silicates. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (23) eine Porosität zwischen 30 Vol.-% und 50 Vol.-% aufweist.Piston according to claim 1, characterized in that the coating ( 23 ) has a porosity between 30% by volume and 50% by volume. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (23) eine Druckfestigkeit von mindestens 20 N/mm2 aufweist.Piston according to claim 1, characterized in that the coating ( 23 ) has a compressive strength of at least 20 N / mm 2 . Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (23) eine Wärmeleitfähigkeit von höchstens 1 W/mK aufweist.Piston according to claim 1, characterized in that the coating ( 23 ) has a thermal conductivity of at most 1 W / mK. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine plättchenförmige keramische Werkstoff ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend oxidkeramische Werkstoffe, carbidkeramische Werkstoffe, nitridkeramische Werkstoffe, boridkeramische Werkstoffe, silicidkeramische Werkstoffe und silikatkeramische Werkstoffe.Piston according to claim 1, characterized in that the at least one platelet-shaped ceramic material is selected from the group comprising oxide-ceramic materials, carbide-ceramic materials, nitride-ceramic materials, boride-ceramic materials, silicideschemische materials and silicate ceramic materials. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine oxidkeramische Werkstoff ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend ganz oder teilweise stabilisiertem ZrO2, Ce2O3, Y2O3, Al2TiO5, La2Zr2O7, SiO2, Al2O3, MgO, TiO2, Mullit (3Al2O3·2SiO2), HfO2, Be2O3.Piston according to claim 5, characterized in that the at least one oxide ceramic material is selected from the group comprising fully or partially stabilized ZrO 2 , Ce 2 O 3 , Y 2 O 3 , Al 2 TiO 5 , La 2 Zr 2 O 7 , SiO 2 , Al 2 O 3 , MgO, TiO 2 , mullite (3Al 2 O 3 .2SiO 2 ), HfO 2 , Be 2 O 3 . Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine nitridkeramische Werkstoff ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Bornitrid, Aluminiumnitrid und Siliziumnitrid.Piston according to claim 5, characterized in that the at least one nitride ceramic material is selected from the group comprising boron nitride, aluminum nitride and silicon nitride. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine silikatkeramische Werkstoff ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Schichtsilikate, Zirkonsilikate, Kalziumsilikate, Magnesiumsilikate sowie Ca/Mg/Al-Silikate.Piston according to claim 1, characterized in that the at least one silicate ceramic material is selected from the group comprising phyllosilicates, zirconium silicates, calcium silicates, magnesium silicates and Ca / Mg / Al silicates. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem beschichteten Oberflächenbereich des Kolbens (10) und der Beschichtung (23) eine Haftschicht (24) vorgesehen ist.Piston according to claim 1, characterized in that between the coated surface area of the piston ( 10 ) and the coating ( 23 ) an adhesive layer ( 24 ) is provided. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht aus der Gruppe umfassend Al2O3 sowie MeCrAlY mit Me = Ni, Fe, Co, ausgewählt ist.Piston according to claim 7, characterized in that the adhesive layer is selected from the group comprising Al 2 O 3 and MeCrAlY with Me = Ni, Fe, Co. Verfahren zur Beschichtung eines Kolbens (10) für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenkopf (11) und einem Kolbenschaft (12), wobei der Kolbenkopf (11) einen Kolbenboden (13) sowie einen umlaufenden Feuersteg (15) aufweist, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: (a) Reinigen des zu beschichtenden Oberflächenbereichs eines zu beschichtenden Kolbens; (b) Bereitstellen einer Suspension aus mindestens einem plättchenförmigen keramischen Werkstoff sowie mindestens einem Bindemittel auf der Basis von wässrigen Natrium- und/oder Kaliumsilikaten und mindestens einem Treibmittel; (c) Auftragen der Suspension auf den zu beschichtenden Oberflächenbereich unter Induzierung der Bildung einer geschlossenzelligen Porenstruktur; (d) Aushärten der Beschichtung (23) nach Abschluss der Bildung einer geschlossenzelligen Porenstruktur.Method for coating a piston ( 10 ) for an internal combustion engine with a piston head ( 11 ) and a piston stem ( 12 ), wherein the piston head ( 11 ) a piston bottom ( 13 ) as well as a revolving flank ( 15 ), characterized by the following process steps: (a) cleaning the surface area of a piston to be coated, to be coated; (B) providing a suspension of at least one platelet-shaped ceramic material and at least one binder based on aqueous sodium and / or potassium silicates and at least one blowing agent; (c) applying the suspension to the surface area to be coated to induce the formation of a closed cell pore structure; (d) curing the coating ( 23 after completion of the formation of a closed-cell pore structure. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt (c) eine Haftschicht (24) auf den zu beschichtenden Oberflächenbereich aufgebracht wird.A method according to claim 11, characterized in that before the step (c) an adhesive layer ( 24 ) is applied to the surface area to be coated. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Treibmittel ein Pulver umfassend mindestens ein unedles Metall verwendet und in Schritt (c) die Bildung einer geschlossenzelligen Porenstruktur durch Freisetzen von Wasserstoff induziert wird.A method according to claim 11, characterized in that the blowing agent used is a powder comprising at least one base metal and in step (c) the formation of a closed-cell pore structure is induced by release of hydrogen. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibmittel aus der Gruppe umfassend CO2-freisetzende Verbindungen ausgewählt wird und dass in Schritt (c) die Bildung einer geschlossenzelligen Porenstruktur durch die Freisetzung von CO2 induziert wird.A method according to claim 11, characterized in that the blowing agent from the group comprising CO 2 -releasing compounds is selected and that in step (c) the formation of a closed-cell pore structure by the release of CO 2 is induced. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (d) das Aushärten der Beschichtung (23) durch langsame Erwärmung auf 400°C erfolgt.A method according to claim 11, characterized in that in step (d) the curing of the coating ( 23 ) by slow heating to 400 ° C.
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Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016092078A1 (en) * 2014-12-11 2016-06-16 Mahle International Gmbh Piston for an internal combustion engine
DE102014018694A1 (en) 2014-12-18 2016-06-23 Mahle International Gmbh Piston for an internal combustion engine and method for its production
WO2016135014A1 (en) 2015-02-24 2016-09-01 Oerlikon Surface Solutions Ag, Pfäffikon Method for coating motor pistons
WO2016198618A1 (en) * 2015-06-12 2016-12-15 Mahle International Gmbh Method for coating the surface of a closed cooling channel of a piston for an internal combustion engine and piston that can be produced by said method
DE102017207236A1 (en) 2017-04-28 2018-10-31 Mahle International Gmbh Piston for an internal combustion engine
WO2018202861A1 (en) * 2017-05-05 2018-11-08 Federal-Mogul Nürnberg GmbH Thermally insulating the central cone of a steel piston
DE102017208535A1 (en) * 2017-05-19 2018-11-22 Federal-Mogul Nürnberg GmbH Thermal insulation of the center cone of a steel piston
DE102017222333A1 (en) * 2017-12-11 2019-06-13 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Piston for an internal combustion engine
CN113882963A (en) * 2020-07-03 2022-01-04 马勒国际有限公司 Piston for an internal combustion engine and internal combustion engine
EP3936637A1 (en) 2020-07-07 2022-01-12 MAHLE International GmbH Method for coating a piston

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3963547A (en) * 1973-04-11 1976-06-15 Toyota Jidosha Kogyo Kabushiki Kaisha Method of manufacturing composite heat-insulating material
DE2801362A1 (en) * 1978-01-13 1979-07-19 Motoren Turbinen Union Fluid cooled IC engine piston crown - has heat damping ceramic sheet defining closed chamber for heat transfer from piston crown
JPS5815742A (en) * 1981-07-21 1983-01-29 Nippon Kokan Kk <Nkk> Engine part having flamed surface
DE2936630C2 (en) * 1979-09-11 1985-05-09 Mtu Motoren- Und Turbinen-Union Friedrichshafen Gmbh, 7990 Friedrichshafen Pistons for an internal combustion engine
DE3133223C2 (en) * 1980-08-22 1986-07-31 Chevron Research Co., San Francisco, Calif. Internal combustion engine
JPS61261645A (en) 1985-05-15 1986-11-19 Isuzu Motors Ltd Heat insulating wall structure of thermal engine
JPS61268850A (en) 1985-05-23 1986-11-28 Isuzu Motors Ltd Construction of heat insulating wall in heat engine or the like
DE3309699C2 (en) * 1983-03-18 1990-01-04 Feldmuehle Ag, 4000 Duesseldorf, De
DE3905871A1 (en) * 1989-02-24 1990-08-30 Reinz Dichtungs Gmbh Composite material
DE19542944C2 (en) * 1995-11-17 1998-01-22 Daimler Benz Ag Internal combustion engine and method for applying a thermal barrier coating
DE69313456T2 (en) * 1992-09-30 1998-04-02 United Technologies Corp Ceramic composite coating material

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3963547A (en) * 1973-04-11 1976-06-15 Toyota Jidosha Kogyo Kabushiki Kaisha Method of manufacturing composite heat-insulating material
DE2801362A1 (en) * 1978-01-13 1979-07-19 Motoren Turbinen Union Fluid cooled IC engine piston crown - has heat damping ceramic sheet defining closed chamber for heat transfer from piston crown
DE2936630C2 (en) * 1979-09-11 1985-05-09 Mtu Motoren- Und Turbinen-Union Friedrichshafen Gmbh, 7990 Friedrichshafen Pistons for an internal combustion engine
DE3133223C2 (en) * 1980-08-22 1986-07-31 Chevron Research Co., San Francisco, Calif. Internal combustion engine
JPS5815742A (en) * 1981-07-21 1983-01-29 Nippon Kokan Kk <Nkk> Engine part having flamed surface
DE3309699C2 (en) * 1983-03-18 1990-01-04 Feldmuehle Ag, 4000 Duesseldorf, De
JPS61261645A (en) 1985-05-15 1986-11-19 Isuzu Motors Ltd Heat insulating wall structure of thermal engine
JPS61268850A (en) 1985-05-23 1986-11-28 Isuzu Motors Ltd Construction of heat insulating wall in heat engine or the like
DE3905871A1 (en) * 1989-02-24 1990-08-30 Reinz Dichtungs Gmbh Composite material
DE69313456T2 (en) * 1992-09-30 1998-04-02 United Technologies Corp Ceramic composite coating material
DE19542944C2 (en) * 1995-11-17 1998-01-22 Daimler Benz Ag Internal combustion engine and method for applying a thermal barrier coating

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016092078A1 (en) * 2014-12-11 2016-06-16 Mahle International Gmbh Piston for an internal combustion engine
DE102014018694A1 (en) 2014-12-18 2016-06-23 Mahle International Gmbh Piston for an internal combustion engine and method for its production
WO2016135014A1 (en) 2015-02-24 2016-09-01 Oerlikon Surface Solutions Ag, Pfäffikon Method for coating motor pistons
US10487394B2 (en) 2015-02-24 2019-11-26 Oerlikon Surface Solutions Ag, Pfäffikon Method for coating motor pistons
US10252293B2 (en) 2015-06-12 2019-04-09 Mahle International Gmbh Method for coating cooling channel with coating containing hexagonal boron nitride
WO2016198618A1 (en) * 2015-06-12 2016-12-15 Mahle International Gmbh Method for coating the surface of a closed cooling channel of a piston for an internal combustion engine and piston that can be produced by said method
DE102017207236A1 (en) 2017-04-28 2018-10-31 Mahle International Gmbh Piston for an internal combustion engine
WO2018197338A1 (en) 2017-04-28 2018-11-01 Mahle International Gmbh Piston for an internal combustion engine
WO2018202861A1 (en) * 2017-05-05 2018-11-08 Federal-Mogul Nürnberg GmbH Thermally insulating the central cone of a steel piston
DE102017208535A1 (en) * 2017-05-19 2018-11-22 Federal-Mogul Nürnberg GmbH Thermal insulation of the center cone of a steel piston
DE102017222333A1 (en) * 2017-12-11 2019-06-13 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Piston for an internal combustion engine
CN113882963A (en) * 2020-07-03 2022-01-04 马勒国际有限公司 Piston for an internal combustion engine and internal combustion engine
EP3936637A1 (en) 2020-07-07 2022-01-12 MAHLE International GmbH Method for coating a piston
DE102020208462A1 (en) 2020-07-07 2022-01-13 Mahle International Gmbh Process for coating a piston

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