DE102017202620B4 - Cylinder for an internal combustion engine, tribological system and internal combustion engine with one - Google Patents
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Abstract
Zylinder (30) für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend einen Zylinderraum (40) und eine Zylinderwand (31), wobei die Zylinderwand (31) auf der dem Zylinderraum (40) zugewandten Seite eine Hartstoffbeschichtung (50) aufweist und die Hartstoffbeschichtung (50) TiN, Ti (B, N) und TiB2in der angegebenen Reihenfolge ausgehend von der Zylinderwand (31) umfasst.Cylinder (30) for an internal combustion engine, comprising a cylinder space (40) and a cylinder wall (31), the cylinder wall (31) having a hard material coating (50) on the side facing the cylinder space (40) and the hard material coating (50) TiN, Ti (B, N) and TiB2 in the specified order starting from the cylinder wall (31).
Description
Die Erfindung betrifft ein tribologisches System einer Verbrennungskraftmaschine, sowie einen Zylinder für eine Verbrennungskraftmaschine und eine Verbrennungskraftmaschine mit einem solchen.The invention relates to a tribological system of an internal combustion engine, as well as a cylinder for an internal combustion engine and an internal combustion engine with such a cylinder.
Funktion und Fertigung eines Bauteiles erfordern Werkstoffe, die vielfältigen Anforderungen gerecht werden müssen. An den Grundwerkstoff werden häufig nicht dieselben extremen Anforderungen wie an die Oberfläche beziehungsweise Grenzschicht gestellt. Während die Auslegung eines Bauteiles bei mechanischer und mechanisch thermischer Beanspruchung nach Festigkeitsgesichtspunkten erfolgt, die sich vor allem auf das Bauteilvolumen beziehen, müssen bei tribologischer Beanspruchung, die über die Kontaktfläche durch Normal- und Tangentialkräfte wirkt, komplexe und irreversible Prozesse in der Grenzschicht berücksichtigt werden. Diese Prozesse werden von zahlreichen Parametern beeinflusst, sodass das tribologische Verhalten nur als systembedingtes Verhalten zu beschreiben ist und gerade wegen der komplexen Prozesse in vielen Fällen einer ursächlichen Beschreibung nicht zugänglich ist.The function and manufacture of a component require materials that have to meet a wide range of requirements. The same extreme requirements are often not placed on the base material as on the surface or boundary layer. While the design of a component in the case of mechanical and mechanical thermal stress is based on strength aspects that relate primarily to the component volume, complex and irreversible processes in the boundary layer must be taken into account in the case of tribological stress, which acts on the contact surface through normal and tangential forces. These processes are influenced by numerous parameters, so that the tribological behavior can only be described as system-related behavior and, precisely because of the complex processes, is in many cases not accessible to a causal description.
Ein tribologisches System besteht aus drei Systemelementen: einem Grundkörper, einem Gegenkörper und einem Zwischenstoff (Schmierstoff, Abrieb). Umhüllende Stoffe (Gas, Staub) bilden die systemumhüllenden Werte. Als Beanspruchung sind die physikalischen Größen wie Normalkräfte, Relativgeschwindigkeit und deren Verlauf, zum Beispiel Temperatur und Beanspruchungszeit, zu nennen.A tribological system consists of three system elements: a base body, a counter body and an intermediate material (lubricant, abrasion). Enveloping substances (gas, dust) form the system-enveloping values. The physical quantities such as normal forces, relative speed and their progression, for example temperature and exposure time, are to be named as stress.
Beispiele für tribologische Systeme sind Kolbenmaschinen. 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 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 Grauguss und Leichtmetalllegierungen auf Aluminiumbasis verbreitet.Piston engines are examples of tribological systems. Piston machines (also referred to as reciprocating piston machines) comprise a stationary component, namely a cylinder, and a piston that is movably arranged in the cylinder. The piston is essentially composed of a piston skirt, which is mounted so as to slide along the cylinder wall, and a piston head. The piston crown, together with the cylinder, encloses a closed combustion chamber, the volume of which changes due to the movement of the piston in accordance with the work cycle of the machine. The position of the piston in the housing determines the size of the combustion chamber. The combustion chamber is sealed off from the crankcase by means of sealing elements provided on the piston skirt. Gray cast iron and light metal alloys based on aluminum are widely used as materials for such pistons.
Die heute am weitesten verbreiteten Kolbenmaschinen stellen Verbrennungskraftmaschinen wie Otto- und Dieselmotoren, dar, die insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Der Kolben muss bei Kraftfahrzeugmotoren unter anderem die Gaskräfte eines dem Brennraum zugeführten Brenngases auf die Pleuelstange übertragen. Darüber hinaus hat er die Aufgabe, die auf ihn übertragene Verbrennungswärme an das Kühlmittel weiterzuleiten.The piston machines that are most widespread today are internal combustion engines such as gasoline and diesel engines, which are used in particular in motor vehicles. In the case of motor vehicle engines, the piston must, among other things, transmit the gas forces of a fuel gas supplied to the combustion chamber to the connecting rod. In addition, it has the task of transferring the heat of combustion transferred to it to the coolant.
Die Entwicklung von modernen Verbrennungsmotoren zielt neben einer deutlichen Schadstoffreduzierung zur Erfüllung künftiger Abgasvorschriften auch auf eine Leistungssteigerung der Motoren ab. Zugleich steigt die Bauteilbelastung, insbesondere im Verbrennungsmotor, durch eine Verringerung des Hubraums bei mindestens gleichbleibender Leistung (dem sogenannten Downsizing) oder durch nicht-optimale Betriebsbedingungen durch Verwendung von Kraftstoffen mit hohen Schwefelgehalten oder Alkoholzusätzen. Weiter stellen intermittierende Betriebszustände in Fahrzeugen mit Hybridantrieben Herausforderungen an die Bauteilausgestaltung, insbesondere an den Aufbau der tribologischen Systeme. Eine verbesserte Tribologie soll insbesondere in Aluminium-Zylinderkurbelgehäusen mit beschichteten Laufbahnen neben einer geringeren Reibung durch optimierte Oberflächentopographien auch für einen geringeren Verschleiß und eine höhere Fresssicherheit sorgen. Zudem führen stark schwankende Kraftstoffqualitäten verbunden mit intermittierenden Betriebsbedingungen, wie die in Hybrid- und Elektrofahrzeugen oder in gekühlten Abgasrückführungen zur Einhaltung bestehender und kommender Abgasnormen, unter bestimmten Umständen zu korrosiven Prozessen und nachfolgend zu einer Schädigung der Zylinderlaufbahnen.The development of modern internal combustion engines aims not only at a significant reduction in pollutants in order to meet future emissions regulations, but also at increasing the engine's performance. At the same time, the component load increases, especially in the internal combustion engine, due to a reduction in displacement with at least the same output (so-called downsizing) or due to non-optimal operating conditions due to the use of fuels with high sulfur contents or alcohol additives. Furthermore, intermittent operating conditions in vehicles with hybrid drives pose challenges to the component design, in particular to the structure of the tribological systems. In aluminum cylinder crankcases with coated raceways in particular, improved tribology is intended to ensure, in addition to lower friction due to optimized surface topographies, less wear and tear and greater seizure resistance. In addition, strongly fluctuating fuel qualities combined with intermittent operating conditions, such as those in hybrid and electric vehicles or in cooled exhaust gas recirculation systems for compliance with existing and future exhaust gas standards, under certain circumstances lead to corrosive processes and subsequently to damage to the cylinder liners.
In der Regel werden durch thermisches Spritzen (APS, LDS, PTWA/RSW) applizierte Verschleißschutzbeschichtungen in Zylinderbohrungen verwendet, um die Laufzeit trotz oben genannter Probleme zu erhöhen.As a rule, wear protection coatings applied by thermal spraying (APS, LDS, PTWA / RSW) are used in cylinder bores in order to increase the service life despite the problems mentioned above.
Thermische Spritzschichten benötigen eine Hafttopographie zur mechanischen Verklammerung in der Oberfläche, das heißt, es ist immer ein zusätzlicher investitionsintensiver Bearbeitungsschritt zur Erzeugung aufgerauter Zylinderoberflächen notwendig, um Spritzschichten aufzutragen. Weiterhin lassen sich im LDS beziehungsweise PTWA/RSW-Verfahren keine korrosionsfesten und für den Motorlauf tribologisch taugliche Schichten applizieren. Mit diesen Verfahren lassen sich nur tribologisch taugliche Stahlschichten applizieren. Die Schichten sind jedoch mit einer Dicke von 200 - 500 µm eher dick und müssen mehrstufig spanend und honend auf ein Schichtendmaß von 100 - 150 µm nachgearbeitet werden. Der Beschichtungsprozess ist somit aufwendig und muss stückzahlentsprechend mit vielen parallel laufenden Beschichtungsmodulen bereitgestellt werden.Thermal spray coatings require an adhesive topography for mechanical interlocking in the surface, which means that an additional, investment-intensive processing step is always required to produce roughened cylinder surfaces in order to apply spray coatings. Furthermore, in the LDS or PTWA / RSW process, no corrosion-resistant layers that are tribologically suitable for running the engine can be applied. With this process, only tribologically suitable steel layers can be applied. However, with a thickness of 200 - 500 µm, the layers are rather thick and must be reworked in several stages by machining and honing to a layer gauge of 100 - 150 µm. The coating process is therefore complex and has to be provided with many coating modules running in parallel, depending on the number of items.
Weiter ist die Applikation von Kohlenstoffschichten in der Form sogenannter diamond like coatings (DLC) zur Reibungsreduzierung bekannt (
Aus
Die
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Stands der Technik zu reduzieren oder zu vermeiden. Es soll ein tribologisches System bereitgestellt werden, welches bezüglich Lebensdauer und Korrosionsresistenz verbessert ist. Das System soll insbesondere auf die Anforderungen in einem Verbrennungsmotor angepasst sein und eine minimale Reibung zeigen.The invention is now based on the object of reducing or avoiding the disadvantages of the prior art. A tribological system is to be provided which is improved in terms of service life and corrosion resistance. In particular, the system should be adapted to the requirements in an internal combustion engine and should exhibit minimal friction.
Die Verwendung von angepassten, korrosionshemmenden Schichtsystemen soll die Chance bieten, robuste Zylinderlaufbahnen für alle Betriebsbedingungen und Weltregionen zur Verfügung zu stellen beziehungsweise sogar neue Märkte zu erschließen.The use of adapted, corrosion-inhibiting coating systems should offer the opportunity to provide robust cylinder liners for all operating conditions and regions of the world or even to open up new markets.
Diese Aufgabe wird durch einen Zylinder, ein tribologisches System für eine Verbrennungskraftmaschine sowie einer Verbrennungskraftmaschine mit einem solchen System mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.This object is achieved by a cylinder, a tribological system for an internal combustion engine and an internal combustion engine with such a system with the features of the independent claims.
Somit betrifft ein erster Aspekt der Erfindung einen Zylinder für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend einen Zylinderraum und eine Zylinderwand, wobei die Zylinderwand auf der dem Zylinderraum zugewandten Seite eine Hartstoffbeschichtung aufweist und die Hartstoffbeschichtung TiN, TiB2 und/oder Ti (N,B) umfasst. Der erfindungsgemäße Zylinder zeigt eine sehr glatte Oberfläche mit optimalem Ölrückhaltevolumen. Die Hartstoffbeschichtung ist auf den für Verbrennungskraftmaschinen verwendeten Zylinderwänden besonders lange haltbar, da sie auf deren Oberfläche auch ohne Vorbehandlung gute Hafteigenschaften zeigt. Die besonders glatte Oberfläche der Beschichtung im Bereich von 2000 bis 4000 HV reduziert die Reibung eines Kolbens im erfindungsgemäßen Zylinder auf ein Minimum und erhöht somit den Wirkungsgrad des Systems und dessen Lebensdauer. Ferner ist die Herstellung des erfindungsgemäßen Zylinders aus Produktionssicht weniger herausfordernd und weniger zeitaufwendiger als bei bekannten Systemen, da Zwischenschritte wie wiederholtes Abtragen der Schicht, ebenso wie hohe Temperaturen und Druck entfallen. Vielmehr erfolgt die Hartstoffbeschichtung aus der Gasphase direkt auf der Oberfläche in der definierten, sehr geringen Schichtdicke. Insbesondere können die erfindungsgemäßen Zylinder aus herkömmlichen Zylindern beziehungsweise Zylinderlinern gefertigt werden, indem die erfindungswesentliche Hartstoffbeschichtung auf die Zylinderwände der bestehenden Zylinderliner aufgebracht wird. Hierzu ist vorteilhafterweise keine weitere Vorbehandlung der Oberflächen erforderlich.Thus, a first aspect of the invention relates to a cylinder for an internal combustion engine, comprising a cylinder space and a cylinder wall, the cylinder wall having a hard material coating on the side facing the cylinder space and the hard material coating comprising TiN, TiB 2 and / or Ti (N, B). The cylinder according to the invention has a very smooth surface with an optimal oil retention volume. The hard material coating is particularly durable on the cylinder walls used for internal combustion engines, since it shows good adhesive properties on their surface even without pretreatment. The particularly smooth surface of the coating in the range from 2000 to 4000 HV reduces the friction of a piston in the cylinder according to the invention to a minimum and thus increases the efficiency of the system and its service life. Furthermore, from a production point of view, the manufacture of the cylinder according to the invention is less challenging and less time-consuming than in known systems, since intermediate steps such as repeated removal of the layer, as well as high temperatures and pressure, are dispensed with. Rather, the hard material coating takes place from the gas phase directly on the surface in the defined, very small layer thickness. In particular, the cylinders according to the invention can be manufactured from conventional cylinders or cylinder liners by applying the hard material coating essential to the invention to the cylinder walls of the existing cylinder liners. For this purpose, no further pretreatment of the surfaces is advantageously required.
Titannitrid (TiN) ist eine chemische Verbindung der beiden Elemente Titan und Stickstoff. TiN - so dessen Formel - ist ein metallischer Hartstoff von typisch goldgelber Farbe. Das keramische Material zeichnet sich durch sehr große Härte und Korrosionsbeständigkeit aus, woraus sich eine Reihe technischer Anwendungen ergeben. Titanborid (TiB) ist eine anorganische chemische Verbindung in Form einer technischen Keramik des Bors aus der Gruppe der Boride mit Titan in Form einer technischen Keramik. Es kommt stöchiometrisch in der Summenformel TiB2 vor und zeichnet sich durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit bei gleichzeitiger Nichtbenetzung gegen Leichtmetallschmelzen aus. Als Beimischung zu anderen Keramiken dient es einer Erhöhung der Härte der erzeugten Mischkeramik. Titanbor(o)nitrid (Ti(B, N) beziehungsweise Ti(N, B)) ist ein Mischsystem beziehungsweise eine Mischkeramik aus TiB und TiN, wobei das Verhältnis von Bor zu Stickstoff variieren kann und je nach Überschuss eines der beiden Elemente im Gitter die physikalischen Eigenschaften durch das jeweilige Überschusselement bestimmt werden.Titanium nitride (TiN) is a chemical compound of the two elements titanium and nitrogen. TiN - its formula - is a metallic hard material with a typical golden yellow color. The ceramic material is characterized by its very high hardness and corrosion resistance, which results in a number of technical applications. Titanium boride (TiB) is an inorganic chemical compound in the form of a technical ceramic of boron from the group of borides with titanium in the form of a technical ceramic. It occurs stoichiometrically in the empirical formula TiB 2 and is characterized by high electrical conductivity with simultaneous non-wetting against light metal melts. When mixed with other ceramics, it increases the hardness of the mixed ceramics produced. Titanium boron (o) nitride (Ti (B, N) or Ti (N, B)) is a mixed system or a mixed ceramic made of TiB and TiN, whereby the ratio of boron to nitrogen can vary and, depending on the excess, one of the two elements in the lattice the physical properties are determined by the respective excess element.
Die hervorragenden Eigenschaften bezüglich Härte, glatter Oberfläche und Korrosionsfestigkeit werden bei Mischsystemen der genannten Verbindungen, also Hartstoffbeschichtungen die mindestens zwei der Verbindungen TiN, TiB und Ti(N, B) aufweisen, weiter verbessert.The excellent properties in terms of hardness, smooth surface and corrosion resistance are further improved in mixed systems of the compounds mentioned, that is, hard material coatings which have at least two of the compounds TiN, TiB and Ti (N, B).
Die Zylinderwand des erfindungsgemäßen Zylinders weist vorzugsweise Eisen auf. Die Verwendung von Aluminium ist aufgrund der hohen Abscheidetemperaturen weniger bevorzugt. Bevorzugt umfasst sie eine Eisenlegierung wie Stahl und Grauguss. Auf dieser Zylinderwand ist auf der dem Zylinderraum zugewandten Seite die Beschichtung aufgebracht.The cylinder wall of the cylinder according to the invention preferably comprises iron. The use of aluminum is less preferred because of the high deposition temperatures. It preferably comprises an iron alloy such as steel and gray cast iron. The coating is applied to this cylinder wall on the side facing the cylinder space.
Bevorzugt ist die Hartstoffbeschichtung mittels chemischer Verdampfung (chemical vapor deposition; CVD) auf die Oberfläche aufgebracht. Diese kann gegebenenfalls plasmaunterstützt sein (plasma assisted CVD; PACVD), wobei bei der Abscheidung der Zylinderliner kathodisch geschaltet ist. Die erzeugte Beschichtung deckt Poren in der Zylinderwand optimal ab und zeigt auch bei sehr niedrigen Schichtdicken eine hohe Homogenität. Darüber hinaus zeigt sie gegenüber mit chemischer Badabscheidung (chemical bath deposition) aufgetragenen Schichten eine erhöhte Haftung. Alternativ wird die Hartstoffbeschichtung mittels PVD aufgebracht.The hard material coating is preferably applied to the surface by means of chemical vapor deposition (CVD). This can optionally be plasma-assisted (plasma assisted CVD; PACVD), with the cylinder liner being connected cathodically during the deposition. The coating produced optimally covers pores in the cylinder wall and shows a high degree of homogeneity even with very low layer thicknesses. In addition, it shows increased adhesion compared to layers applied with chemical bath deposition. Alternatively, the hard material coating is applied using PVD.
Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass die Hartstoffbeschichtung TiN, Ti (B, N) und TiB2 in der angegebenen Reihenfolge als Unterschichten aufweist. Die Aufzählung ist an der Zylinderwand beginnend zu verstehen, sodass TiB2 auf der dem Zylinderraum zugewandten Seite der Beschichtung angeordnet ist. Alternativ ist zusätzlich eine invertierte Anordnung der Unterschichten ausgebildet, sodass ein Schichtstapel umfassend TiN-Ti(B, N) -TiB2-Ti(B, N) oder TiN- Ti(B, N) -TiB2-Ti(B, N) -TiN ausgebildet ist.According to the invention it is further provided that the hard material coating has TiN, Ti (B, N) and TiB 2 as sub-layers in the specified order. The list is to be understood beginning at the cylinder wall, so that TiB 2 is arranged on the side of the coating facing the cylinder space. Alternatively, an inverted arrangement of the lower layers is also formed, so that a layer stack comprising TiN-Ti (B, N) -TiB 2 -Ti (B, N) or TiN-Ti (B, N) -TiB 2 -Ti (B, N ) -TiN is formed.
TiN weist eine Einlagerungsstruktur auf und kristallisiert im Kochsalzgitter, wobei die Titanatome ein flächenzentriertes kubisches Gitter bilden und die kleinen Stickstoffatome in den Oktaederlücken der Basisstruktur eingelagert werden. Die diesen metallischen Hartstoff charakterisierende Kristallstruktur ist nur im Verbund und nicht in Gestalt einzelner Moleküle existent, was sich in seiner Unlösbarkeit in fast allen, selbst aggressiven Lösungsmitteln widerspiegelt.TiN has an embedded structure and crystallizes in the salt lattice, with the titanium atoms forming a face-centered cubic lattice and the small nitrogen atoms being embedded in the octahedral gaps in the basic structure. The crystal structure that characterizes this metallic hard material exists only in the composite and not in the form of individual molecules, which is reflected in its insolubility in almost all, even aggressive solvents.
TiN haftet aufgrund der chemischen Abscheidung auf der Oberfläche. Die Haftung von TiN ist aufgrund der niedrigeren Härte deutlich höher als die von TiB2. Eine Haftungsverbesserung kann durch ein direkt vor der Beschichtung durchgeführtes Plasmanitrieren erreicht werden. Dabei wird beispielsweise in Abhängigkeit von einer N2-Konzentration beim Nitrieren entweder nur eine Diffusionszone (verbindungsschichtfrei bis zu 0,5 mm tief, Härte zum Rand ansteigend) erzeugt, was zu einer sehr guten Haftung der später aufgetragenen Schichten führt. Alternativ wird im Randbereich der Oberfläche eine Ausscheidungsschicht Fe4N beziehungsweise Fe2-3N erzeugt, die ebenfalls zu einer deutlichen Haftungsverbesserung der Schichten führt. Dadurch wird ein langsam ansteigender Härtegradient erzeugt, der vorzugsweise in einem Härtegradienten eines Hartstoffschichtsystems endet (TiN - Ti(B, N) - TiB2), sodass ein „Eierschaleneffekt“ vermieden wird. TiB2 ist deutlich glatter, chemisch beständiger und härter als TiN, TiN hat eine bessere Haftung auf Stahlsubstraten.TiN adheres to the surface due to chemical deposition. The adhesion of TiN is significantly higher than that of TiB 2 due to its lower hardness. An improvement in adhesion can be achieved by plasma nitriding carried out directly before coating. For example, depending on an N 2 concentration during nitriding, either only a diffusion zone (free of connecting layers up to 0.5 mm deep, hardness increasing towards the edge) is created, which leads to very good adhesion of the layers applied later. Alternatively, a precipitation layer Fe 4 N or Fe 2-3 N is produced in the edge area of the surface, which likewise leads to a significant improvement in the adhesion of the layers. This creates a slowly increasing hardness gradient, which preferably ends in a hardness gradient of a hard material layer system (TiN - Ti (B, N) - TiB 2 ), so that an "eggshell effect" is avoided. TiB 2 is significantly smoother, more chemically stable and harder than TiN, TiN has better adhesion to steel substrates.
Ferner ist bevorzugt, wenn die Hartstoffbeschichtung auf der dem Zylinderraum zugewandten Seite eine Deckschicht, insbesondere TiB2 umfassend, aufweist, da sich dann eine vorteilhafte sehr glatte, chemisch beständige und härtere Deckschicht ausbildet, welche eine besonders gute Verschleißfestigkeit bietet.It is also preferred if the hard material coating has a cover layer, in particular comprising TiB 2 , on the side facing the cylinder space, since an advantageous, very smooth, chemically resistant and harder cover layer is then formed which offers particularly good wear resistance.
Mit besonderem Vorteil ist die Hartstoffbeschichtung als Mehrschichtsystem oder als Gradientensystem ausgebildet. Unter Mehrschichtsystem soll vorliegend im Gegensatz zum Gradientensystem verstanden werden, dass die einzelnen Unterschichten aus TiN, TiB2 und der Mischschicht klar voneinander abgrenzbar sind. Das heißt innerhalb der einzelnen Unterschichten der Hartstoffbeschichtung liegt jeweils weitgehend ein konstantes stöchiometrisches Verhältnis von Titan- Bor und Stickstoffatomen zueinander vor. Dabei ist jedoch zu verstehen, dass Diffusionsschichten zwischen diesen nicht ganz vermieden werden können. Hingegen zeigt das Gradientensystem einen Verlauf des stöchiometrischen Verhältnisses über die gesamte Schichtdicke der Hartstoffbeschichtung. Besonders bevorzugt ist die Ausbildung eines Gradientensystems, da keine Grenzschichten im System entstehen, die die Haftung negativ beeinflussen könnten.The hard material coating is particularly advantageously designed as a multilayer system or as a gradient system. In the present case, in contrast to the gradient system, a multilayer system is to be understood as meaning that the individual sublayers made of TiN, TiB 2 and the mixed layer can be clearly delimited from one another. This means that within the individual sub-layers of the hard material coating there is largely a constant stoichiometric ratio of titanium, boron and nitrogen atoms to one another. It should be understood, however, that diffusion layers between them cannot be completely avoided. In contrast, the gradient system shows a course of the stoichiometric ratio over the entire layer thickness of the hard material coating. The formation of a gradient system is particularly preferred, since no boundary layers arise in the system that could negatively affect the adhesion.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass zwischen der Zylinderwand und der Hartstoffbeschichtung eine, insbesondere durch einen Plasmanitrierprozess erzeugte, Verbindungsschicht angeordnet ist, die vorzugsweise ein Nitrid eines Basismaterials der Zylinderwand beispielsweise ein Fe4N aufweist. Die sich ergebende Duplexbeschichtung (Kombination aus erfindungswesentlicher Hartstoffbeschichtung und Plasmanitrierschicht beziehungsweise Verbindungsschicht) verbessert insbesondere die Haftungseigenschaften und damit die Langlebigkeit der Schicht und des tribologischen Systems. Die Gefahr spontaner Enthaftungen und des Auftretens des sogenannten Eierschaleneffekts wird verringert oder sogar vermieden. Besonders bevorzugt sind Nitrierschichten. Weist die Zylinderwand eine Eisenverbindung auf, wird durch den Nitrierprozess eine Eisennitridverbindung, insbesondere Fe4N gebildet.In a preferred embodiment of the invention it is further provided that a connecting layer, in particular produced by a plasma nitriding process, is arranged between the cylinder wall and the hard material coating, which is preferably a nitride of a base material of the cylinder wall, for example an Fe 4 N. The resulting duplex coating (combination of hard material coating essential to the invention and plasma nitriding layer or connecting layer) improves in particular the adhesion properties and thus the longevity of the layer and the tribological system. The risk of spontaneous delamination and the occurrence of the so-called eggshell effect is reduced or even avoided. Nitriding layers are particularly preferred. If the cylinder wall has an iron connection, it is through An iron nitride compound, in particular Fe 4 N, is formed during the nitriding process.
Alternativ oder zusätzlich ist die Oberfläche der Zylinderwand physikalisch oder chemisch vorbehandelt. Besonders bevorzugt ist dabei eine Vorbehandlung, die die Oberfläche anraut. Hierzu wird bevorzugt ein Honprozess verwendet, der definierte Vertiefungen in die Oberfläche einbringt, welche von der anschließend aufgebrachten Hartstoffbeschichtung ausgefüllt werden. Kommt es während der Nutzung des Zylinders zu einer zunehmenden Abnutzung der Hartstoffbeschichtung, bleibt ein Teil der Beschichtung in diesen Vertiefungen und bestimmt die tribologischen Eigenschaften des Systems weiter mit, sodass auch bei Verschleiß der Schicht die Wirkungen der Schicht weitestgehend erhalten bleiben.Alternatively or additionally, the surface of the cylinder wall is physically or chemically pretreated. A pretreatment that roughen the surface is particularly preferred. For this purpose, a honing process is preferably used, which creates defined depressions in the surface, which are filled by the subsequently applied hard material coating. If the hard material coating becomes increasingly worn while the cylinder is in use, part of the coating remains in these depressions and also determines the tribological properties of the system, so that the effects of the layer are largely retained even if the layer wears.
Mit besonderem Vorteil weist die Hartstoffbeschichtung eine Schichtdicke von 1 bis 30 µm, insbesondere von 2 bis 15 µm, auf. Diese sehr geringen Schichtdicken sind vorteilhafterweise in nur einem Prozessschritt aufbringbar und im Vergleich zu dickeren Schichten und DLC-Schichten mit vergleichbaren Schichtdicken langlebiger, da der sogenannte Eierschaleneffekt vermieden wird. Zudem tragen sie dem Anspruch an reduziertem Bauraum Rechnung.The hard material coating particularly advantageously has a layer thickness of 1 to 30 μm, in particular 2 to 15 μm. These very small layer thicknesses can advantageously be applied in just one process step and are more durable compared to thicker layers and DLC layers with comparable layer thicknesses, since the so-called eggshell effect is avoided. They also take account of the need for reduced installation space.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein tribologisches System für eine Verbrennungskraftmaschine, welches einen Grundkörper und einen Gegenkörper aufweist, wobei der Grundkörper einen erfindungsgemäßen Zylinder umfasst. Das erfindungsgemäße tribologische System ist in Bezug auf Verbrennungskraftmaschinen und die dort herrschenden physikalischen und chemischen Bedingungen optimiert. Insbesondere bei der Zusammenwirkung des erfindungsgemäßen Zylinders mit einem Kolbenring, der eine Kohlenstoffbeschichtung in der Art einer DLC (diamond-like-carbon) auf einer dem Grundkörper zugewandten Oberfläche aufweist, sind die tribologischen Eigenschaften gegenüber herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen deutlich erhöht. Es ergeben sich langlebige und dauerhaltbare Laufbahnsysteme, die korrosionsfest sind und eine sehr niedrige Reibung zeigen. Sie sind sehr robust und zeigen eine Laufleistung von mehreren Millionen Kilometern.Another aspect of the invention is a tribological system for an internal combustion engine, which has a base body and a counter body, the base body comprising a cylinder according to the invention. The tribological system according to the invention is optimized with regard to internal combustion engines and the physical and chemical conditions prevailing there. In particular, when the cylinder according to the invention interacts with a piston ring which has a carbon coating in the manner of a DLC (diamond-like carbon) on a surface facing the base body, the tribological properties are significantly increased compared to conventional internal combustion engines. The result is long-lasting and durable raceway systems that are corrosion-resistant and have very low friction. They are very robust and have a mileage of several million kilometers.
Ferner betrifft die Erfindung eine Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, aufweisend einen Zylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, sowie eine Verbrennungskraftmaschine aufweisend das erfindungsgemäße tribologische System. Diese zeigen, insbesondere bei der Verwendung in LKW, die beschriebenen verbesserten Eigenschaften.The invention further relates to an internal combustion engine for a motor vehicle, having a cylinder according to one of the preceding claims, and an internal combustion engine having the tribological system according to the invention. These show the improved properties described, especially when used in trucks.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention result from the other features mentioned in the subclaims.
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 can be advantageously combined with one another, unless stated otherwise in the individual case.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Schnittdarstellung eines tribologischen Systems in Form einer Kolbenmaschine in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, und -
2 eine schematische Darstellung einer beschichteten Zylinderwand eines Zylinders in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
-
1 a schematic sectional illustration of a tribological system in the form of a piston machine in a preferred embodiment of the invention, and -
2 a schematic representation of a coated cylinder wall of a cylinder in a preferred embodiment of the invention.
Eine bevorzugte Ausgestaltung eines tribologischen Systems am Beispiel einer Kolbenmaschine mit einem erfindungsgemäßen Kolben ist anhand einer Schnittdarstellung in der Figur gezeigt.
In der gezeigten Ausgestaltung weist der Kolben
Der Kolben
Der Kolben
Der Kolbenboden
Die Hartstoffbeschichtung
Die erfindungsgemäße Hartstoffbeschichtung
Diese Hartstoffbeschichtung ist in gezeigter Ausführungsform als Einfachschichtsystem (TiN oder Ti(B; N) oder TiB2) oder Mehrschichtsystem aufgebaut. Alternativ kann auch ein Gradientensystem ausgebildet werden oder ein Gradientensystem mit einem Mehrschichtsystem kombiniert werden, indem beispielsweise ein Gradientensystem aus TiN-Ti(B, N)-TiB2-Ti(B, N) und TiN-Ti(B, N)-TiB2-Ti(B, N)-TiN in zwei Unterschichten aufeinander angeordnet ist. Zudem kann eine Deckschicht aus TiB2 vorgesehen sein.In the embodiment shown, this hard material coating is constructed as a single-layer system (TiN or Ti (B; N) or TiB 2 ) or a multi-layer system. Alternatively, a gradient system can also be formed or a gradient system can be combined with a multilayer system, for example by using a gradient system composed of TiN-Ti (B, N) -TiB 2 -Ti (B, N) and TiN-Ti (B, N) -TiB 2 -Ti (B, N) -TiN is arranged in two sublayers on top of one another. In addition, a cover layer made of TiB 2 can be provided.
Zwischen der Zylinderwand
Die Hartstoffbeschichtung
Die Schichtdicke der Hartstoffbeschichtung
Der gezeigte erfindungsgemäße Zylinder
Das Verfahren umfasst beispielsweise je nach Schichtzusammensetzung die folgenden Schritte:
- 1. Fertigung eines Zylinderliners mit optimaler motorisch tauglicher Oberfläche mit anschließendem normalen Waschprozess nach Honung;
- 2. Optional kann ein Sputterätzen als vorgeschaltete Reinigung in Beschichtungsanlage vorgesehen werden; und
- 3. Je nach Ausführungsform der Erfindung findet ein Plasmanitrierprozess und direkt angeschlossener Schritt 4 in gleicher Anlage statt;
- 4. Überführung/Chargierung des Liners in eine PACVD oder CVD-Anlage mit einem Vakuum von ungefähr 30 - 200 mbar, und Aufheizen der Kammer auf Beschichtungstemperatur. Diese ergibt sich aus der Zusammensetzung der Hartstoffbeschichtung;
- 5. Abschließendes Abkühlen im Vakuum
- 1. Manufacture of a cylinder liner with an optimal motorized surface with a subsequent normal washing process after honing;
- 2. Optionally, a sputter etching can be provided as an upstream cleaning in the coating system; and
- 3. Depending on the embodiment of the invention, a plasma nitriding process and directly connected step 4 take place in the same system;
- 4. Transfer / charging of the liner in a PACVD or CVD system with a vacuum of approximately 30 - 200 mbar, and the chamber is heated to the coating temperature. This results from the composition of the hard material coating;
- 5. Final cooling in vacuum
Danach können die Zylinderliner direkt verbaut werden.The cylinder liners can then be installed directly.
Das gezeigte tribologische System ist in Bezug auf die tribologischen Eigenschaften optimiert. Insbesondere führt die Anordnung der erfindungsgemäßen Hartstoffbeschichtung zu einem langlebigen reibungsarmen System.The tribological system shown has been optimized with regard to the tribological properties. In particular, the arrangement of the hard material coating according to the invention leads to a long-lasting, low-friction system.
Die erzeugten Schichtsysteme besitzen insbesondere in der Kombination mit einem vorgeschalteten Plasmanitrierprozess eine sehr hohe Haftung. Durch die Ausführung der sehr dünnen Hartstoffschicht, wird die vorher erzeugte, für den Motorbetrieb optimal tribologisch hergestellte Oberfläche direkt abgebildet und dauerhaft konserviert. Für den Fall, dass sich die Hartstoffschicht einmal abarbeiten sollte, bleibt diese in den Vertiefungen der Oberfläche zurück und sorgt so dauerhaft für ein optimales Schicht-Kolbenring Tribosystem.The layer systems produced have a very high level of adhesion, especially in combination with an upstream plasma nitriding process. Due to the very thin hard material layer, the previously generated surface, which is optimally tribologically produced for engine operation, is directly reproduced and permanently preserved. In the event that the hard material layer should wear off, it remains in the depressions in the surface and thus ensures an optimal layer-piston ring tribological system over the long term.
Gerade die Kombination von oben genannten Hartstoffschichten auf Zylinderlinern bilden mit DLC beschichteten Kolbenringen langlebige beziehungsweise dauerhaltbare Laufbahnsysteme, die korrosionsresistent sind, eine sehr niedrige Reibung haben und sehr robust sind.It is precisely the combination of the above-mentioned hard material layers on cylinder liners with DLC-coated piston rings that form long-lasting or durable raceway systems that are corrosion-resistant, have very low friction and are very robust.
Ferner können die Zylinderliner in konventionellen Standard CVD beziehungsweise PACVD-Beschichtungsanlagen (Liner kathodisch geschaltet) bei Lohnbeschichtern beschichtet werden, das heißt Chargen mit mehreren 100 Zylinderlinern, die in großen Rezipienten analog Werkzeugbeschichtung zu günstigen Preisen beschichtet werden können.Furthermore, the cylinder liners can be coated in conventional standard CVD or PACVD coating systems (liners connected cathodically) by contract coaters, i.e. batches with several 100 cylinder liners, which can be coated in large recipients like tool coating at low prices.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Tribologisches System Kolbenmaschine Piston machine tribological system
- 1010
- Kolbenpiston
- 1111
- KolbenbodenPiston crown
- 1212
- KolbenhemdPiston skirt
- 1313
- Dichtungslement Sealing element
- 2020th
- Beschichtung Coating
- 3030th
- Zylindercylinder
- 3131
- Zylinderwand Cylinder wall
- 4040
- Zylinderraum, Brennraum Cylinder chamber, combustion chamber
- 5050
- HartstoffbeschichtungHard material coating
- 5151
- DLC-Beschichtung DLC coating
- II.
- Stahl oder GraugussSteel or cast iron
- IIII
- DiffusionszoneDiffusion zone
- IIIIII
- VerbindungsschichtLink layer
- IVIV
- Hartstoffbeschichtung (TiN, Ti (B, N) und/oder TiB2; TiN-Ti(B, N)-TiB2, TiN-Ti(B, N)-TiB2-Ti(B, N) oder TiN-Ti(B, N)-TiB2-Ti(B, N)-TiN)Hard material coating (TiN, Ti (B, N) and / or TiB 2 ; TiN-Ti (B, N) -TiB 2 , TiN-Ti (B, N) -TiB 2 -Ti (B, N) or TiN-Ti (B, N) -TiB 2 -Ti (B, N) -TiN)
- VV
- TiB2-DeckschichtTiB 2 top layer
Claims (9)
Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (1)
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- 2017-02-17 DE DE102017202620.0A patent/DE102017202620B4/en active Active
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R031 | Decision of examining division/federal patent court maintaining patent unamended now final |