Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallzylinder einer
Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer carbidhaltigen
Dispersions-Verschleißschutzschicht. Derartige Schutz
schichten sind bekannt und üblicherweise als Nickel
dispersionsschichten mit eingelagerten Siliziumcar
bidteilchen ausgebildet.The invention relates to a light metal cylinder
Reciprocating internal combustion engine with a carbide-containing one
Dispersion wear protection layer. Such protection
layers are known and commonly known as nickel
dispersion layers with embedded silicon car
formed bi-particle.
Es hat sich gezeigt, daß eine einfache Nickeldispersions
beschichtung mit Siliziumcarbid als Dispergid unter ex
tremen Randbedingungen, wie sie insbesondere im Feuer
stegbereich von Zylindern von Hubkolben-Brennkraftmaschi
nen auftreten, nicht beständig sind. Dort ist die Ver
schleißschutzschicht nämlich nicht nur extrem hohen Tem
peraturen ausgesetzt, sondern darüber hinaus auch aggres
siven Reagenzien, die in den heißen Verbrennungsgasen ei
ner Brennkraftmaschine enthalten sind. Da sich in diesem
Bereich somit die Beschichtung auflöst, tritt dort nicht
nur ein untolerierbarer Abbrand, sondern auch eine ver
stärkte Korrosion auf, die zu einem raschen Zerbröckeln
der Beschichtung führen kann.It has been shown that a simple nickel dispersion
coating with silicon carbide as dispersant under ex
treme boundary conditions, such as those in fire
Bridge area of cylinders of reciprocating internal combustion engines
occur, are not stable. There is the Ver
wear protection layer namely not only extremely high temperature
exposed to temperatures, but also aggres
sive reagents in the hot combustion gases
ner internal combustion engine are included. Because in this
Area thus dissolves the coating does not occur there
only an intolerable burn, but also a ver
intensified corrosion which led to rapid crumbling
the coating can lead.
Eine mögliche Abhilfemaßnahme hiergegen bestünde bei
spielsweise im Einsatz von thermisch stabilen Dispergi
den, wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Chromdioxid.
Diese Dispergide sind chemisch inert und lösen sich nicht
auf, jedoch sind derartige Oxide unter tribologischen Ge
sichtspunkten ungeeignet. Im Einsatz an einem Leichtme
tallzylinder einer Hubkolben-Brennkraftmaschine würden
derartige Schichten zum Fressen mit den Kolbenringen und
den Kolben neigen.A possible remedial measure against this would exist at
for example in the use of thermally stable dispersi
such as aluminum oxide or chromium dioxide.
These dispersants are chemically inert and do not dissolve
on, but such oxides are under tribological Ge
viewpoints unsuitable. In use on a Leichtme
Tall cylinder a reciprocating internal combustion engine would
such layers to eat with the piston rings and
tilt the piston.
Eine andere Abhilfemaßnahme ist in der DE 32 16 763 C1
beschrieben, wobei in eine galvanisch erzeugte Nickel
dispersionsschicht mit Siliziumcarbid von der Oberfläche
aus Zinn eindiffundiert wird, das sich über die ganze
Schicht verteilt. Eine derartige zusätzliche Oberflächen
behandlung ist jedoch äußerst aufwendig.Another remedial measure is in DE 32 16 763 C1
described, being in a galvanically generated nickel
dispersion layer with silicon carbide from the surface
is diffused out of tin, which is spread over the whole
Layer distributed. Such additional surfaces
however, treatment is extremely complex.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, für einen Leichtme
tallzylinder einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer
carbidhaltigen Dispersions-Verschleißschutzschicht Maß
nahmen aufzuzeigen, mit Hilfe derer auf einfache Weise
auch unter den oben geschilderten harten Randbedingungen
eine höchste Beständigkeit erzielt werden kann.The object of the invention is therefore for a Leichtme
Tall cylinder a reciprocating internal combustion engine with a
Carbide-containing dispersion wear protection layer dimension
with the help of which in a simple way
even under the harsh conditions outlined above
the highest resistance can be achieved.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß die Ver
schleißschutzschicht aus Tetraborcarbid gebildet ist.
Zwar lösen sich auch diese Carbide unter den oben ge
schilderten Randbedingungen teilweise auf, jedoch wird
nach der Erfindung diese Auflösung in der Weise genutzt,
daß sich hierbei wiederum eine resistente Verschleiß-
Schutzschicht bildet. Besteht die Verschleiß-Schutz
schicht aus einer Nickeldispersionsschicht (Merkmal des
Patentanspruchs 2), so bilden sich mit dem Auflösen des
Tetraborcarbids heißgaskorrosionsbeständige Nickel-Bor-
Verbindungen. Diese durch thermische Umwandlungen aus dem
Tetraborcarbid entstandenen Nickel-Bor-Verbindungen sind
bis zu 900°C unter Abgasbedingungen völlig inert und füh
ren zusätzlich zu einer Härtung der Beschichtung. Vor
teilhafterweise ergaben Reibwertmessungen zusätzlich um
ca. 10 bis 20% geringere Reibbeiwerte, als sie von her
kömmlichen Nickelsiliziumcarbid-Schichten her bekannt
sind.To solve this problem it is provided that the Ver
wear protection layer is formed from tetraborecarbide.
These carbides also dissolve under the ge above
partially outlined boundary conditions, however
according to the invention this resolution is used in such a way
that there is again a resistant wear
Protective layer forms. There is wear protection
layer of a nickel dispersion layer (feature of
Claim 2), form with the dissolution of the
Tetraborcarbids hot gas corrosion resistant nickel boron
Links. This through thermal transformations from the
Tetraborcarbide are nickel-boron compounds
completely inert up to 900 ° C under exhaust gas conditions
in addition to hardening the coating. Before
In some cases, friction coefficient measurements additionally resulted
approx. 10 to 20% lower friction coefficients than they used to be
conventional nickel silicon carbide layers ago known
are.
Besonders vorteilhaft ist der Einsatz von Tetraborcarbid
jedoch bei einer Eisendispersions-Verschleißschutz
schicht. Die gebildeten Eisenboride weisen nämlich eine
nochmals erheblich höhere Härte auf, als die Nickel
boride. Die sich somit im Betrieb der Brennkraftmaschine
einstellende Stoffumwandlung in der Verschleißschutz
schicht ist metallurgisch betrachtet somit dem bekannten
Borieren von Stahllegierungen vergleichbar. Den dann
stattfindenden Umwandlungsprozeß könnte man sozusagen als
"internes Borieren" bezeichnen.The use of tetraborecarbide is particularly advantageous
however with an iron dispersion wear protection
layer. The iron borides formed have one
hardness significantly higher than nickel
boride. Which is thus in the operation of the internal combustion engine
adjusting fabric conversion in wear protection
From a metallurgical point of view, layer is thus the known one
Boronizing of steel alloys comparable. Then that
the conversion process taking place could be said to be
Describe "internal boriding".
Die Herstellung erfindungsgemäßer Beschichtungen erfolgt
auf galvanischem Wege in bekannter Weise wie z. B. die
herkömmliche Nickeldispersionsbeschichtung. Im Beschich
tungsbad wird lediglich das Siliziumcarbid gegen das
Tetraborcarbid ausgetauscht. Dieser Austausch ist in be
stehenden Anlagen ohne Änderungsmaßnahmen durchführbar.Coatings according to the invention are produced
by galvanic means in a known manner such. B. the
conventional nickel dispersion coating. In the Beschich
only the silicon carbide against the
Tetraboric carbide exchanged. This exchange is in be
standing systems can be carried out without any change measures.
Für die Erzeugung einer Eisendispersionsschicht mit
Tetraborcarbid werden hinsichtlich der Härte, der Bestän
digkeit sowie der tribologischen Aspekte (Reibbeiwerte
etc.) beste Ergebnisse mit einem Beschichtungsbad der
folgenden Zusammensetzung erzielt:
500 g/l FeSO4 × 6 H2O
30 g/l H3BO3
0,0005-0,001 g/l NaBH4
20-40 g/l B4C,
wobei ein Toleranzband von +/-20% ebenfalls akzeptable
Ergebnisse lieferte. Durch die Zugabe von Natriumbor
hydrid wird beim Beschichtungsprozeß von Anfang an Bor in
die Schicht eingebaut, so daß sich dieses nicht erst
durch Auflösen des Tetrabors bilden muß. Die Folge ist
eine sofortige Härtung der Verschleißschutzschicht. Vor
teilhaft ist hierbei auch, daß bei der Oxidation von Bor
hydrid als Reaktionsprodukt Borsäure entsteht. Borsäure
ist jedoch ohnehin Bestandteil der oben angegebenen Bad
zusammensetzung, und muß deshalb nicht entfernt werden.For the production of an iron dispersion layer with tetrabor carbide, the best results are achieved with a coating bath of the following composition in terms of hardness, resistance and tribological aspects (friction coefficients, etc.):
500 g / l FeSO 4 × 6 H 2 O
30 g / l H 3 BO 3
0.0005-0.001 g / l NaBH 4
20-40 g / l B 4 C,
a tolerance band of +/- 20% also gave acceptable results. By adding sodium borohydride, boron is built into the layer from the start in the coating process, so that this does not have to be formed only by dissolving the tetrabor. The result is an immediate hardening of the wear protection layer. Before geous is also that boric acid is formed as a reaction product in the oxidation of boron hydride. However, boric acid is part of the bath composition given above and therefore does not have to be removed.
Als Resümee soll somit festgehalten werden, daß eine er
findungsgemäße Verschleißschutzschicht abweichend von den
üblichen Siliziumcarbid-Partikeln aus Tetraborcarbid ge
bildet ist, wobei zwar auch diese Carbide im geschilder
ten Einsatzfall zum Zerfall neigen, dabei jedoch wiederum
beständige und die Aufgabe einer Verschleißschutzschicht
optimal erfüllende Verbindungen entweder aus NiB2C bei
350°C und Ni3B ab 450°C bilden. Bei der Auflösung von
Tetraborcarbid in der Eisenmatrix bildet sich FeB bzw.
Fe2B.As a summary, it should be noted that he wear protection layer according to the invention is different from the usual silicon carbide particles of tetrabor carbide, although these carbides also tend to disintegrate in the case described, but in turn are stable and the task of a wear protection layer optimally fulfilling compounds either form NiB 2 C at 350 ° C and Ni 3 B from 450 ° C. When tetraborarbide is dissolved in the iron matrix, FeB or Fe 2 B forms.