EP3485056A1 - Zylinderbohrungen beschichten ohne vorgängige aktivierung der oberfläche - Google Patents

Zylinderbohrungen beschichten ohne vorgängige aktivierung der oberfläche

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EP3485056A1
EP3485056A1 EP17739279.2A EP17739279A EP3485056A1 EP 3485056 A1 EP3485056 A1 EP 3485056A1 EP 17739279 A EP17739279 A EP 17739279A EP 3485056 A1 EP3485056 A1 EP 3485056A1
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EP
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layer
interface
base material
bore
cylinder
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Oerlikon Metco AG
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    • F02F1/004—Cylinder liners

Definitions

  • the cylinder bores of some piston internal combustion engines are usually provided with a coating by means of thermal spraying in order to minimize the weight and / or the friction and / or the wear. As a result, the fuel and oil consumption is reduced and preferably made the surface of the cylinder bore corrosion resistant.
  • the adhesion of this layer to the cylinder material is problematic, so that the layer is in danger of bursting during operation.
  • the surface of the cylinder bore is usually roughened (activated). Such activation ensures that a mechanical entanglement between layer and base material of the cylinder block is produced, i. it comes to a positive conclusion.
  • This pre-machining step of activating the cylinder tread increases the cost of the coating.
  • the entanglement between layer and base material of the cylinder block achieved by the activation improves the adhesion of the layer to the base material and contributes to a long service life of the cylinder.
  • Different techniques can be used to perform the activation.
  • the surface can be roughened by means of corundum jets, by means of a laser, by means of a high-pressure water jet and / or by means of a low-pressure water jet.
  • Another possibility of activation is to provide the surface with a profiling with undercuts, for example by means of machining. For example, here the dovetail geometry is used with advantage.
  • Figure 1 shows the mechanical entanglement of the sprayed layer 3 with the base material 1 by activation of the base material before coating.
  • the cylinder comprises at least one bore with an inner jacket which is formed from a base material, wherein in the region of the bore the base material is at least partially provided with a layer system.
  • a first boundary surface is formed between the base material and the layer system, wherein the first boundary surface, apart from the surface roughness created by the production of the bore, does not include any profiling applied for activating the surface, in particular does not include any profiling applied for the mechanical activation of the surface.
  • the layer system comprises at least one thermally sprayed layer, in particular a layer sprayed by means of plasma spraying, preferably a layer thermally sprayed by means of a rotating plasma torch, and the thermally sprayed layer at least partially forms the jacket surface of the bore and can act there as a functional layer.
  • the functional layer can preferably also be understood as a functional layer, particularly preferably also as a thermally sprayed functional layer.
  • the core of the method is the application of an adhesive layer directly to the base material of the cylinder bore casing, wherein the adhesive layer forms a chemical compound at least with the base material.
  • the adhesive layer may comprise the interface material, in particular consist of the interface material.
  • the adhesive layer may be composed of the interface material.
  • the interface material comprises molybdenum (Mo) and at least one further element, but may in particular also consist essentially of molybdenum and at least one further element, in particular the interface material may consist of molybdenum and at least one further element. If in the present description or in the claims the presence of a further element is mentioned, this may or may not be present in elemental form but may also be present as a molecule and / or within a chemical compound.
  • the proportion of molybdenum on the interface material, in particular on the adhesive layer, in a range of 30 to 90 wt .-% are and the Proportion of the further element on the interface material, in particular on the adhesive layer, in a range of 70 to 10 wt .-%,
  • the content of molybdenum in the interface material may be in a range of 55 to 65% by weight or 58 to 62% by weight or 60% by weight, and the proportion of the other element in the interface material may be in the range of 45 to 35% by weight or from 42 to 38% by weight or at 40% by weight. lie.
  • the interfacial material may also comprise a proportion of impurities, for example S and P in the range of 0.01 to 0.2 wt .-%, preferably 0.01 to 0.1 wt .-%.
  • the further element and / or the functional layer may comprise the following materials, in particular consisting of the following materials:
  • a material preferably an iron-based material (also referred to below as Fe base) in the form of a powder, in particular a gas atomized powder of the following chemical composition can be used:
  • the powder may additionally contain:
  • the Fe base in the form of a powder, in particular a gas-atomized powder of the following chemical
  • composition to be used is a composition to be used:
  • the powder may additionally contain:
  • the particle size of the powder of the further element and / or the functional layer may be in the range from 5 to 25 ⁇ m or 10 to 45 ⁇ m or 15 to 60 ⁇ m.
  • the further element and / or the functional layer may also comprise the following materials, in particular consisting of the following materials:
  • MMC metal matrix composite of Fe base and an oxide ceramic, in particular a tribological oxide ceramic, preferably an oxide ceramic consisting of TiO 2 or of ⁇ 203 ⁇ 02 and / or Al 2 O 3 ZrO 2 and / or Al 2 O 3 20ZrO 2 alloy systems, and / or the proportion of Oxydkeramik in the material used, in particular powder, 5 to 50 wt .-%, preferably 35 wt .-% is.
  • the MMC may be Fel4Cr2Mo and 5 to 50 wt%, preferably 35 wt%, of the oxide ceramic.
  • AISi and a ceramic such as Ti02, Zn02, in particular AISi and 20 wt .-% Mo and a ceramic.
  • an adhesive layer for example within a layer system is mentioned, it does not necessarily have to be formed with a well-defined interface to the one or more other layers of the layer system, unless otherwise defined. For example, it may transition to another layer via a composition gradient, or may lack a well-defined layer due to interfacial profiling.
  • the material of the adhesive layer is also chosen so that this material also enters into a chemical compound with the material of the thermally sprayed functional layer to be applied and thus adheres.
  • the adhesive layer is designed such that it has a surface roughness which results in the thermally sprayed functional layer to be applied adhering at least mechanically to the adhesive layer to a sufficient extent.
  • a corresponding roughness can be achieved by targeted columnar growth. It is also possible to achieve the roughness of the adhesive layer by means of increased porosity.
  • FIG. 2 shows an embodiment according to the invention according to which the adhesion of the sprayed functional layer 3 to the base material 1 without activation of the surface of the base material 1 by chemical bonding between the adhesive layer 5 and the base material 1 and by mechanical and / or chemical bonding between adhesive layer 5 and functional layer 3 is guaranteed.
  • the coating of the cylinder bore in particular the layer system in the form of a gradual transition and / or a gradient be designed, in particular in the chemical composition and / or the structural design. In this way, there is actually only one layer with a gradually changing composition and / or morphology, ie a gradual layer, in particular a gradual layer system.
  • a gradual layer in particular a gradual layer system, can thus be understood as meaning that the gradual layer directly at the first interface then comprises material which forms a chemical bond with the surface of the base material of the cylinder, ie in particular the material of the adhesion layer, ie interface material. As the distance from this surface increases, ie as the layer thickness increases, the layer material then gradually changes into the layer material of the protective thermally sprayed layer to be applied, preferably the functional layer.
  • the gradual layer in particular the graded layer system, with the gradually changing composition, ie the gradual transition and / or the gradient, comprise the following two variants:
  • the interface material gradually enters the material of the functional layer
  • Interfacial material wherein the interface material may comprise 60% by weight of molybdenum and 40% by weight of further element, preferably the interfacial material may consist of 60% by weight of molybdenum and 40% by weight of ⁇ 5 ⁇ . End of the layer with the gradually changing composition with 100 wt .-% functional layer share and 0 wt .-% fraction of interfacial material, so that the end of the gradual layer, at least partially forms the mantle surface of the bore of the cylinder and can act as a functional layer.
  • the interface material may comprise molybdenum and the further element, in particular consist of this, wherein the further element preferably the material of
  • Functional layer can correspond, and the interface material is gradually into the material of the functional layer, in particular the adhesive layer in the functional layer, where:
  • variant 2 can then have the following chemical composition and the following course:
  • Example 1
  • the proportion of the interface material on the gradual layer with the gradually changing composition from the start to the end preferably linearly or exponentially decrease, especially in the variant 1 and / or variant 2, and / or the proportion of the functional layer on the Layer with the gradually changing composition may preferably increase linearly or exponentially from start to finish, in particular in variant 1 and / or variant 2.
  • the coating of the cylinder bore is designed in the form of a gradient.
  • the layer to be applied then comprises materials which form a chemical bond with the surface of the base material of the cylinder, that is to say in particular the material of the adhesion layer.
  • the layer material then gradually changes into the layer material of the protective thermally sprayed layer to be applied.
  • This could be realized, for example, via a double injection with a time-decreasing injection of the adhesive layer and / or a time-increasing injection of the functional layer.
  • the layer with the gradually changing composition ie the gradual transition, ie a grading layer
  • the layer with the gradually changing composition can also be realized by a single injection, wherein two separate feeds for the Material of the adhesive layer and the functional layer can be used, in particular two powder conveyors, which are brought together in a Y-shaped component.
  • the interface material molybdenum and ⁇ 5 ⁇ include, preferably made of molybdenum and ⁇ 5 ⁇ .
  • Table 1 shows the average tensile strength achieved with conventional known activation (mechanical, corundum) and an interface material consisting of molybdenum and ⁇ 5 ⁇ , in particular, the interface material can also molybdenum and ⁇ 5 ⁇ and a proportion of impurities in the range of 0.1 to 0.3 wt. -% consist.
  • Table 1 Comparison of the bond tensile strengths with conventional known activation and with an interface material consisting of molybdenum and ⁇ 5 ⁇ .
  • FIG. 1 shows the prior art
  • Figure 2 shows a first embodiment of the present invention
  • Figure 3 shows a second embodiment of the present invention.
  • the example relates to the invention according to the first embodiment.
  • the bore of a cylinder is coated with the base material of the cylinder being an aluminum alloy and the bore having a diameter of 85 mm and the bore being 170 mm deep.
  • This hole is to be coated with a thermally sprayed iron-based layer (95% Fe, 1.5% Cr, 1% Mn, 1% C) having a thickness of 200-300 microns.
  • the coating method of thermal spraying is to use atmospheric plasma spraying (APS).
  • powdered coating material is continuously brought to melt in a plasma, liquid atomized and then applied to the base material of the cylinder inside where it solidifies and forms a closed layer.
  • the plasma torch rotates during the melting process so that the inside of the cylinder wall is uniformly charged with coating.
  • a 5-150 micron adhesive layer of a mixture of molybdenum and nickel-aluminum powder is applied directly to the base material.
  • This material has the advantage that it forms chemical bonds both with the base material and with the actual layer material.
  • chemical compounds of, for example, ionic nature are formed, and at the interface of the adhesive layer to the layer material, ionic bonds also occur and, in addition, mechanical entanglement through the rough sprayed layer.
  • sufficient adhesion is ensured at both interfaces.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinder eines Kolben-Verbrennungsmotors, wobei der Zylinder zumindest eine Bohrung mit innerem Mantel der aus einem Grundmaterial gebildet wird umfasst, wobei im Bereich der Bohrung das Grundmaterial zumindest teilweise mit einem Schichtsystem versehen ist und so zwischen Grundmaterial und Schichtsystem eine erste Grenzfläche gebildet wird und das Schichtsystem zumindest eine thermisch gespritzte Schicht umfasst und die thermisch gespritzte Schicht zumindest teilweise die Manteloberfläche der Bohrung bildet und dort als funktionale Schicht wirken kann und wobei die erste Grenzfläche abgesehen von der durch die Herstellung der Bohrung entstandene Oberflächenrauigkeit keine zur mechanischen Aktivierung der Oberfläche angebrachte Profilierung umfasst. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet dass das Material des Schichtsystems im Bereich der Grenzfläche zum Grundmaterial, im Folgenden Grenzflächenmaterial genannt, Molybdän und ein weiteres Element umfasst und mit dem Grundmaterial über eine chemische Bindung verbunden ist und das Grenzflächenmaterial sich vom Material der funktionalen Schicht in seiner Zusammensetzung und/oder Struktur unterscheidet.

Description

Zylinderbohrungen beschichten ohne vorgängige Aktivierung der Oberfläche
Die Zylinderbohrungen einiger Kolben-Verbrennungsmotoren werden mit einer Beschichtung in der Regel mittels thermischem Spritzen versehen um das Gewicht und/oder die Reibung und/oder den Verschleiss zu minimieren. Hierdurch wird der Treibstoff- und Ölverbrauch reduziert und vorzugsweise auch die Oberfläche der Zylinderbohrung korrosionsbeständiger gemacht.
Allerdings ist die Haftung dieser Schicht auf dem Zylindermaterial problematisch so dass die Schicht im Betrieb Gefahr läuft abzuplatzen. Um diese auf das für die Anwendung notwendige Mass zu erhöhen wird die Oberfläche der Zylinderbohrung in der Regel aufgeraut (aktiviert). Eine solche Aktivierung stellt sicher, dass eine mechanische Verhakung zwischen Schicht und Grundmaterial des Zylinderblocks hergestellt wird, d.h. es zum Formschluss kommt. Dieser Vorbearbeitungsschritt der Aktivierung der Zylinderlauffläche erhöht die Kosten der Beschichtung.
Die durch die Aktivierung erreichte Verschränkung zwischen Schicht und Grundmaterial des Zylinderblocks verbessert die Haftung der Schicht auf dem Grundmaterial und trägt zu einer langen Lebensdauer des Zylinders bei. Um die Aktivierung durchzuführen können unterschiedliche Techniken angewandt werden. Beispielsweise kann die Oberfläche mittels Korundstrahlen, mittels Laser, mittels einem Hochdruckwasserstrahl und/oder mittels einem Niederdruckwasserstrahl aufgeraut werden. Eine weitere Möglichkeit der Aktivierung besteht darin, die Oberfläche mit einer Profilierung mit Hinterschnitten beispielsweise mittels spanabhebender Bearbeitung zu versehen. Beispielsweise kommt hier die Schwalbenschwanzgeometrie mit Vorteil zum Einsatz.
Entsprechend zeigt Figur 1 die mechanische Verhakung der Spritzschicht 3 mit dem Grundmaterial 1 durch Aktivierung des Grundmaterials vor dem Beschichten. Dadurch wird gemäss Stand der Technik die Haftung auf dem Grundmaterial 1 beispielsweise einer Zylinderbohrung verbessert.
Die oben beschriebenen Aktivierungsverfahren haben unter anderem den Nachteil dass sie lediglich mit erhöhtem Produktionsaufwand realisierbar sind. Neben der für den Zusatzschritt benötigten erhöhten Prozessdauer kommen auch noch zusätzliche Investitionskosten für das die Aktivierung durchführende Werkzeug und/oder die Maschine hinzu.
Es gab bereits frühe Versuche, die Oberflächenaktivierung mittels einer Zwischenschicht vermeiden zu können. Beispielsweise offenbart Shepard in US 2588422 eine Molybdänschicht als Zwischenschicht. Diese bildet dann einerseits mit dem Grundmaterial und andererseits mit der gespritzten funktionalen Schicht jeweils eine Grenzfläche. Abgesehen davon, dass elementares Molybdän ein sehr weiches Material ist, ist bei diesem Ansatz auch noch die Problematik vorhanden, dass es in nicht befriedigender Art und Weise möglich ist, die Haftung an beiden Grenzflächen in notwendiger Weise zu verbessern. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben das erlaubt die thermisch gespritzte Schicht auf den Mantel einer Zylinderbohrung haftend aufzubringen ohne dass hierfür eine Aktivierung, insbesondere eine mechanische Aktivierung, der zu beschichtenden Oberfläche notwendig wäre. Erfindungsgemäss wird die Aufgabe durch den erfindungsgemässen Zylinder nach Ansprüchen 1 und dem erfindungsgemässen Verfahren nach Anspruch 8 gelöst. Ansprüche 2 bis 7 und 9 bis 12 beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung und Ansprüche 13 und 14 beziehen sich auf den entsprechenden Motor beziehungsweise dessen Herstellung. Der Zylinder umfasst zumindest eine Bohrung mit innerem Mantel der aus einem Grundmaterial gebildet wird, wobei im Bereich der Bohrung das Grundmaterial zumindest teilweise mit einem Schichtsystem versehen ist. Dabei wird zwischen dem Grundmaterial und Schichtsystem eine erste Grenzfläche gebildet, wobei die erste Grenzfläche abgesehen von der durch die Herstellung der Bohrung entstandene Oberflächenrauigkeit keine zur Aktivierung der Oberfläche angebrachte Profilierung umfasst, insbesondere keine zur mechanischen Aktivierung der Oberfläche angebrachte Profilierung umfasst.
Das Schichtsystem umfasst zumindest eine thermisch gespritzte Schicht, insbesondere eine mittels Plasmaspritzen thermisch gespritzte Schicht, bevorzugt eine mittels rotierendem Plasmabrenner thermisch gespritzte Schicht, und die thermisch gespritzte Schicht bildet zumindest teilweise die Manteloberfläche der Bohrung und kann dort als funktionale Schicht wirken. Die funktionale Schicht kann im Folgenden bevorzugt auch als eine Funktionsschicht verstanden werden, besonders bevorzugt auch als eine thermisch gespritzte Funktionsschicht.
Kern des Verfahrens ist das Aufbringen einer Haftschicht direkt auf das Grundmaterial des Zylinderbohrmantels, wobei die Haftschicht zumindest mit dem Grundmaterial eine chemische Verbindung eingeht. Die Haftschicht kann das Grenzflächenmaterial umfassen, insbesondere aus dem Grenzflächenmaterial bestehen. Die Haftschicht kann aus dem Grenzflächenmaterial aufgebaut sein. Hierdurch wird die Haftung an der Grenzfläche zum Grundmaterial also nicht ausschlaggebend durch mechanische Verzahnung sondern im Wesentlichen durch chemische Bindung erreicht.
Das Grenzflächenmaterial umfasst Molybdän (Mo) und mindestens ein weiteres Element, kann aber insbesondere auch im Wesentlichen aus Molybdän und mindestens einem weiteren Element bestehen, im Speziellen kann das Grenzflächenmaterial aus Molybdän und mindestens einem weiteren Element bestehen. Ist in der vorliegenden Beschreibung oder in den Ansprüchen vom Vorhandensein eines weiteren Elements die Rede, so kann dies, muss aber nicht in elementarer Form vorliegen sondern kann auch als Molekül und/oder innerhalb einer chemischen Verbindung vorhanden sein.
In Ausgestaltung der Erfindung kann der Anteil an Molybdän am Grenzflächenmaterial, insbesondere an der Haftschicht, in einem Bereich von 30 bis 90 Gew.-% liegen und der Anteil des weiteren Elements am Grenzflächenmaterial, insbesondere an der Haftschicht, in einem Bereich von 70 bis 10 Gew.-% liegen, bevorzug der Anteil an Molybdän am Grenzflächenmaterial in einem Bereich von 40 bis 80 Gew.-% und der Anteil des weiteren Elements am Grenzflächenmaterial in einem Bereich von 60 bis 20 Gew.-% liegen, besonders bevorzugt der Anteil an Molybdän am Grenzflächenmaterial in einem Bereich von 50 bis 70 Gew.-% und der Anteil des weiteren Elements am Grenzflächenmaterial in einem Bereich von 50 bis 30 Gew.-% liegen. Im Speziellen kann der Anteil an Molybdän am Grenzflächenmaterial in einem Bereich von 55 bis 65 Gew.-% oder von 58 bis 62 Gew.-% oder bei 60 Gew.-%.und der Anteil des weiteren Elements am Grenzflächenmaterial in einem Bereich von 45 bis 35 Gew.-% oder von 42 bis 38 Gew.-% oder bei 40 Gew. -%. liegen. Das Grenzflächenmaterial kann ausserdem auch einen Anteil an Verunreinigungen, beispielsweise S und P im Bereich von 0.01 bis 0.2 Gew.-%, bevorzugt 0.01 bis 0.1 Gew.-% umfassen.
In Ausgestaltung der Erfindung kann das weitere Element und/oder die Funktionsschicht die folgenden Materialien umfassen, insbesondere aus den folgenden Materialien bestehen:
Für das weitere Element und/oder die Funktionsschicht kann ein Material, bevorzugt ein eisenbasiertes Material (im Folgenden auch Fe-Base genannt) in Form eines Pulvers, insbesondere ein gasverdüstes Pulver folgender chemischer Zusammensetzung eingesetzt werden:
C = 0,4 bis 1,5 Gewichts-%
Cr = 0,2 bis 2,5 Gewichts-%
Mn = 0,2 bis 3 Gewichts-%
Fe = Differenz auf 100 Gewichts-%,
insbesondere kann das Pulver zusätzlich enthalten:
S = 0,01 bis 0,2 Gewichts-%
P = 0,01 bis 0,1 Gewichts-%.
Bevorzugt kann für das weitere Element und/oder die Funktionsschicht das Fe-Base in Form eines Pulvers, insbesondere ein gasverdüstes Pulver folgender chemischer
Zusammensetzung eingesetzt werden:
C = 0,1 bis 0,8 Gewichts-%
Cr = 11 bis 18 Gewichts-%
Mn = 0,1 bis 1,5 Gewichts-%
Mo = 0,1 bis 5 Gewichts-%
Fe = Differenz auf 100 Gewichts-%,
insbesondere kann das Pulver zusätzlich enthalten:
S = 0,01 bis 0,2 Gewichts-%
P = 0,01 bis 0,1 Gewichts-%.
Das weitere Element und/oder die Funktionsschicht kann aber auch ein Fe-Base Material mit folgender chemischer Zusammensetzung sein FeO.2Cl.4Crl.4Mn, insbesondere auch Mo = 0,1 bis 5 Gew.-% enthalten. Die Partikelgrösse des Pulvers des weiteren Elements und/oder der Funktionsschicht kann im Bereich von 5 bis 25 μιη oder 10 bis 45 μιη oder 15 bis 60 μιη liegen.
Das weitere Element und/oder die Funktionsschicht können aber auch die folgenden Materialien umfassen, insbesondere aus den folgenden Materialien bestehen:
• Fe-Base + 30% Mo - im Speziellen FeO.2Cl.4Crl.4Mn + 30% Mo
• MMC=Metal Matrix Composite aus Fe-Base und einer Oxydkeramik, insbesondere einer tribologischen Oxydkeramik, bevorzugt eine Oxydkeramik die aus Ti02 oder aus ΑΙ203ΤΪ02- und/oder AI203Zr02- und/oder AI2O3-20ZrO2-Legierungssystemen besteht, und/oder der Anteil an Oxydkeramik im eingesetzten Material, insbesondere Pulver, 5 bis 50 Gew.-%, bevorzugt 35 Gew.-% beträgt. Im Speziellen kann das MMC hierbei Fel4Cr2Mo und 5 bis 50 Gew.-%, bevorzugt 35 Gew.-% der Oxydkeramik sein.
• Vollkeramiken wie Ti02 oder Cr203
• Cr3C2-25NiCr, insbesondere Cr3C2-25NiCr und 20% Mo
• AISi und eine Keramik (wie Bsp. Ti02, Zn02), insbesondere AISi und 20 Gew.-% Mo und eine Keramik.
Ist in der vorliegenden Beschreibung oder in den Ansprüchen von einer Haftschicht beispielsweise innerhalb eines Schichtsystems die Rede, so muss diese nicht unbedingt mit einer wohl definierten Grenzfläche zu der oder den anderen Schichten des Schichtsystems ausgebildet sein, sofern nichts anderes definiert ist. Beispielsweise kann diese über einen Zusammensetzungsgradienten in eine andere Schicht übergehen, oder es kann aufgrund von Grenzflächenprofilierung an einer wohldefinierten Schicht fehlen.
Ist in der vorliegenden Beschreibung oder in den Ansprüchen vom Vorhandensein eines chemischen Elementes die Rede, so muss dies nicht in elementarer Form vorliegen sondern kann auch innerhalb einer chemischen Verbindung vorhanden sein.
Gemäss einer bevorzugten ersten Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung ist das Material der Haftschicht ausserdem so gewählt, dass dieses Material auch mit dem Material der aufzubringenden thermisch gespritzten Funktionsschicht eine chemische Verbindung eingeht und damit haftet.
Gemäss einer weiteren, ebenfalls bevorzugten zweiten Ausführungsform wird die Haftschicht so ausgestaltet, dass sie eine Oberflächenrauheit aufweist, welche dazu führt dass die aufzubringende thermisch gespritzte Funktionsschicht zumindest mechanisch auf der Haftschicht in ausreichendem Masse haftet. Beispielsweise kann eine entsprechende Rauheit durch gezielt kolumnares Wachstum erreicht werden. Es ist auch möglich die Rauheit der Haftschicht mittels erhöhter Porosität zu erreichen.
Figur 2 zeigt eine erfindungsgemässe Ausführungsform, gemäss der die Haftung der gespritzten Funktionsschicht 3 auf dem Grundmaterial 1 ohne Aktivierung der Oberfläche des Grundmaterials 1 durch chemische Bindung zwischen der Haftschicht 5 und dem Grundmaterial 1 und durch mechanische und/oder chemische Bindung zwischen Haftschicht 5 und Funktionsschicht 3 gewährleistet ist. In Ausgestaltung kann die Beschichtung der Zylinderbohrung, insbesondere das Schichtsystem in Form eines graduellen Übergangs und/oder eines Gradienten ausgestaltet sein, insbesondere in der chemischen Zusammensetzung und/oder dem strukturellen Aufbau. Auf diese Weise liegt also eigentlich nur eine Schicht vor mit graduell sich ändernder Zusammensetzung und/oder Morphologie, also eine graduelle Schicht, insbesondere ein graduelles Schichtsystem. Unter einer graduellen Schicht, insbesondere einem graduellen Schichtsystem, kann also verstanden werden, dass die graduelle Schicht direkt an der ersten Grenzfläche dann Material umfasst, welche mit der Oberfläche des Grundmaterials des Zylinders eine chemische Bindung eingehen, also insbesondere das Material der Haftschicht, also das Grenzflächenmaterial. Mit zunehmendem Abstand von dieser Oberfläche, d.h. mit zunehmender Schichtdicke geht das Schichtmaterial dann graduell in das Schichtmaterial der eigentlich aufzubringenden schützenden thermisch gespritzte Schicht, bevorzugt die Funktionsschicht, über.
In Ausgestaltung der Erfindung kann die graduelle Schicht, insbesondere das graduelle Schichtsystem, mit der graduell sich ändernden Zusammensetzung, also dem graduellen Übergang und/oder dem Gradienten, die folgenden beiden Varianten umfassen:
Variante 1
Das Grenzflächenmaterial geht graduell in das Material der funktionalen Schicht,
insbesondere in die Funktionsschicht, über, wobei gilt:
Start der Schicht mit der graduell sich ändernden Zusammensetzung an der ersten
Grenzfläche mit 0 Gew.-% Material der Funktionsschicht und 100 Gew.-%
Grenzflächenmaterial, wobei das Grenzflächenmaterial 60 Gew.-% Molybdän und 40 Gew.-% weiteres Element umfassen kann, bevorzugt das Grenzflächenmaterial aus 60% Gew.-% Molybdän und 40 Gew.-% ΝΪ5ΑΙ bestehen kann. Ende der Schicht mit der graduell sich ändernden Zusammensetzung mit 100 Gew.-% Anteil Funktionsschicht und 0 Gew.-% Anteil Grenzflächenmaterial, sodass das Ende der graduellen Schicht, zumindest teilweise die Manteloberfläche der Bohrung des Zylinders bildet und dort als Funktionsschicht wirken kann.
Variante 2
Das Grenzflächenmaterial kann Molybdän und das weitere Element umfassen, insbesondere aus diesem bestehen, wobei das weitere Element bevorzugt dem Material der
Funktionsschicht entsprechen kann, und das Grenzflächenmaterial geht graduell in das Material der Funktionsschicht über, insbesondere die Haftschicht in die Funktionsschicht über, wobei gilt:
Start der Schicht mit der graduell sich ändernden Zusammensetzung an der ersten
Grenzfläche mit 40 Gew.-% Anteil weiteres Element und 50 bis 70 Gew.-%, bevorzugt 60 Gew.-% Molybdän. Ende der Schicht mit der graduell sich ändernden Zusammensetzung mit 0 bis 40 Gew.-% Anteil Molybdän und 60 bis 100 Gew.-% Anteil weiterem Element, das insbesondere dem Material der Funktionsschicht entspricht, bevorzugt 20 bis 40 Gew.-% Anteil Molybdän und 60 bis 80 Gew.-% Anteil weiterem Element, besonders bevorzugt 30 Gew.-% Anteil Molybdän und 70 Gew.-% Anteil weiterem Element, sodass das Ende der graduellen Schicht, zumindest teilweise die innere Manteloberfläche der Bohrung des Zylinders bildet und dort als Funktionsschicht wirken kann.
Beispielsweise kann Variante 2 dann die folgenden chemische Zusammensetzung und den folgenden Verlauf aufweisen: Beispiel 1:
Weiteres Element=Fe-Base, insbesondere Funktionsschicht=weiteres Element=Fe-Base Start: Fe-Base und 60 Gew.-% Molybdän, bevorzugt FeO.2Cl.4Crl.4Mn + 60% Mo Ende: Fe-Base, bevorzugt FeO.2Cl.4Crl.4Mn
Beispiel 2:
Weiteres Element=Fe-Base, insbesondere Funktionsschicht=weiteres Element=Fe-Base Start: Fe-Base und 60 Gew.-% Molybdän, bevorzugt FeO.2Cl.4Crl.4Mn + 60% Molybdän Ende: Fe-Base und 30 Gew.-% Molybdän, bevorzugt FeO.2Cl.4Crl.4Mn + 30% Molybdän
In Ausgestaltung der Erfindung kann der Anteil des Grenzflächenmaterials an der graduellen Schicht mit der graduell sich ändernden Zusammensetzung vom Start zum Ende bevorzugt linear oder exponentiell abnehmen, insbesondere bei der Variante 1 und/oder der Variante 2, und/oder der Anteil der Funktionsschicht an der Schicht mit der graduell sich ändernden Zusammensetzung kann bevorzugt vom Start zum Ende linear oder exponentiell zunehmen, insbesondere bei der Variante 1 und/oder der Variante 2.
Gemäss einer besonders bevorzugten dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Beschichtung der Zylinderbohrung in Form eines Gradienten ausgestaltet. Direkt an der Grenzfläche umfasst die aufzubringende Schicht dann Materialien, welche mit der Oberfläche des Grundmaterials des Zylinders eine chemische Bindung eingehen, also insbesondere das Material der Haftschicht. Mit zunehmendem Abstand von dieser
Oberfläche, d.h. mit zunehmender Schichtdicke geht das Schichtmaterial dann graduell in das Schichtmaterial der eigentlich aufzubringenden schützenden thermisch gespritzte Schicht über. Die könnte beispielsweise über eine Doppelinjektion mit zeitlich abnehmender Injektion der Haftschicht und/oder zeitlich zunehmender Injektion der Funktionsschicht, realisiert werden. Auf diese Weise liegt also eigentlich nur eine Schicht vor mit graduell sich ändernder Zusammensetzung und/oder Morphologie, also eine graduelle Schicht, insbesondere ein graduelles Schichtsystem.
In Ausgestaltung der Erfindung kann die Schicht mit der graduell sich ändernden Zusammensetzung, also dem graduellen Übergang, d.h. eine gradierende Schicht, auch durch eine Einzelinjektion realisiert werden, wobei zwei getrennte Zuführungen für das Material der Haftschicht und die Funktionsschicht verwendet werden können, insbesondere zwei Pulverförderer, die in einem Y-förmigen Bauteil zusammengeführt werden.
Als Beispiel für eine solche Haftschicht lässt sich eine Materialzusammensetzung angeben welche NiAl und Mo umfasst. In Ausgestaltung der Erfindung kann das Grenzflächenmaterial Molybdän und ΝΪ5ΑΙ umfassen, bevorzugt aus Molybdän und ΝΪ5ΑΙ bestehen. Die folgende Tabelle 1 zeigt die durchschnittlich erreichten Haftzugfestigkeiten bei herkömmlicher bekannter Aktivierung (mechanisch, Korund) und bei einem Grenzflächenmaterial bestehend aus Molybdän und ΝΪ5ΑΙ, insbesondere kann das Grenzflächenmaterial auch aus Molybdän und ΝΪ5ΑΙ und einem Anteil an Verunreinigungen im Bereich von 0.1 bis 0.3 Gew.-% bestehen.
Tabelle 1: Vergleich der Haftzugfestigkeiten bei herkömmlicher bekannter Aktivierung und bei einem Grenzflächenmaterial bestehend aus Molybdän und ΝΪ5ΑΙ.
Die Erfindung wird nun mit anhand eines Beispiels und mit Hilfe der Figuren im Detail dargestellt.
Figur 1 zeigt den bisherigen Stand der Technik
Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Beispiel bezieht sich auf die Erfindung gemäss der ersten Ausführungsform. Es wird die Bohrung eines Zylinders beschichtet, wobei das Grundmaterial des Zylinders eine Aluminium-Legierung ist und die Bohrung einen Durchmesser von 85 mm aufweist und die Bohrung 170 mm tief ist. Diese Bohrung soll mit einer thermisch gespritzten Schicht auf Eisenbasis (95% Fe, 1.5% Cr, l%Mn, 1% C) beschichtet werden, die eine Dicke von 200 - 300 Mikrometer aufweist. Als Beschichtungmethode des thermischen Spritzens soll atmosphärisches Plasma-Spritzen (APS) verwendet werden. Hierbei wird unter Zuführung von Energie und Prozessgasen pulverförmiges Beschichtungsmaterial in einem Plasma kontinuierlich zum Schmelzen gebracht , flüssig zerstäubt und dann auf das Grundmaterial der Zylinderwandung innen aufgebracht wo es erstarrt und eine geschlossene Schicht bildet. Der Plasmabrenner rotiert dabei während des Schmelzvorgangs so dass die Zylinderwandung innen rundherum gleichmässig mit Schicht beauftragt wird.
Würde diese Schicht mittels der beschriebenen Methode einfach direkt auf das Grundmaterial aufgebracht, so würde diese nicht ausreichend auf dem Grundmateria l haften. Gemäss Stand der Technik könnte die Oberfläche des Grundmaterials nun aufgeraut werden oder profiliert werden.
Demgegenüber wird erfindungsgemäss im vorliegenden Beispiel direkt auf das Grundmaterial eine 5 - 150 Mikrometer dicke Haftschicht aus einer Mischung von Molybdän und Nickel-Aluminium Pulver aufgebracht. Dieses Material hat den Vorteil, dass es sowohl mit dem Grundmaterial als auch mit dem eigentlichen Schichtmaterial chemische Bindungen eingeht. An der Grenzfläche zum Grundmaterial entstehen also chemische Verbindungen beispielsweise ionischer Natur und an der Grenzfläche der Haftschicht zum Schichtmaterial entstehen ebenfalls ionische Bindungen und zusätzlich mechanisch Verhakung durch die raue Spritzschicht. Hierdurch ist an beiden Grenzflächen eine ausreichende Haftung gewährleistet.

Claims

Ansprüche
1. Zylinder eines Kolben-Verbrennungsmotors, wobei der Zylinder zumindest eine Bohrung mit innerem Mantel der aus einem Grundmaterial gebildet wird umfasst, wobei im Bereich der Bohrung das Grundmaterial zumindest teilweise mit einem Schichtsystem versehen ist und so zwischen Grundmaterial und Schichtsystem eine erste Grenzfläche gebildet wird und das Schichtsystem zumindest eine thermisch gespritzte Schicht umfasst und die thermisch gespritzte Schicht zumindest teilweise die Manteloberfläche der Bohrung bildet und dort als funktionale Schicht wirken kann und wobei die erste Grenzfläche abgesehen von der durch die Herstellung der Bohrung entstandene Oberflächenrauigkeit keine zur Aktivierung der Oberfläche angebrachte Profilierung umfasst dadurch gekennzeichnet dass das Material des Schichtsystems im Bereich der Grenzfläche zum Grundmaterial, im Folgenden Grenzflächenmaterial genannt, Molybdän und mindestens ein weiteres Element umfasst und mit dem Grundmaterial über eine chemische Bindung verbunden ist und das Grenzflächenmaterial sich vom Material der funktionalen Schicht in seiner Zusammensetzung und/oder Struktur unterscheidet.
2. Zylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass innerhalb des Schichtsystems strukturelle Mittel zum Zusammenhalt des Schichtsystems vorgesehen sind.
3. Zylinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturellen Mittel chemische Bindungen und/oder Grenzflächenrauigkeiten die vorzugsweise durch den Applikationsprozess des Grenzflächenmaterials entstanden sind und/oder durch einen graduellen Übergang von Grenzflächenmaterial zum Material der funktionalen Schicht, umfassen.
4. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Bindung Grenzflächenmaterial an das Grundmaterial durch ionische Bindungen und/oder durch kovalente Bindungen realisiert ist.
5. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, das im Grenzflächenmaterial zumindest ein chemisches Element vorhanden ist welches mit einem chemischen Element im Grundmaterial übereinstimmt.
6. Zylinder nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem über die Schichtdicke ausgehend von der ersten Grenzfläche hin zur durch die funktionale Schicht an der Manteloberfläche in der chemischen Zusammensetzung und/oder strukturellen Aufbau zumindest teilweise mindestens einen Gradienten bildet.
7. Zylinder nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Grenzflächenmaterial zumindest ein chemisches Element vorhanden ist welches mit einem chemischen Element in der funktionalen Schicht übereinstimmt.
8. Verfahren zur Herstellung eines Zylinders für einen Kolben-Verbrennungsmotor mit Bohrung, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Bereitstellen eines Zylinders mit Bohrung, wobei der innere Mantel der Bohrung aus einem Grundmaterial gebildet wird und deren Oberfläche ausser der durch die Herstellung der Bohrung entstandene Oberflächenrauigkeit keine Profilierung zur Aktivierung der Oberfläche umfasst.
- Beaufschlagung des inneren Mantels der Bohrung mit einem Schichtsystem welches an der Grenzfläche zum Grundmaterial ein Grenzflächenmaterial umfasst und wobei zumindest die die Oberfläche des Zylinderloches bildende Schicht des Schichtsystems thermisch gespritzt wird und eine funktionale Schicht bildet,
dadurch gekennzeichnet, dass das Grenzflächenmaterial Molybdän und mindestens ein weiteres Element umfasst und so gewählt wird, dass es mit dem Grundmaterial eine chemische Bindung eingeht und das Schichtsystem derart aufgebracht wird, dass sich Grenzflächenmaterial und Material der funktionalen Schicht chemisch in der Zusammensetzung und/oder in der Struktur unterscheiden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der das Grenzflächenmateria l umfassende Bereich zwischen Grundmaterial und funktionaler Schicht als zur funktionalen Schicht eine zweite Grenzfläche bildende Grundschicht hergestellt wird, und zwar dergestalt dass die zweite Grenzfläche zur mechanischen Aktivierung geeignete Strukturen wie zum Beispiel Porosität und/oder Rauigkeit und oder Kolumnarität aufweist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem vollständig mittels thermischem Spritzen aufgebracht wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem in Richtung Schichtdicke zumindest teilweise als Gradientenschicht ausgebildet ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem der Übergang vom Grenzflächenmaterial zum Material der funktionalen Schicht als Gradient ausgebildet wird.
13. Motor mit einem Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 7
14. Verfahren zur Herstellung eines Motors, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 8 bis 12 umfasst.
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