Schichtstapel zur Anordnung in einem Brennraum einer Verbrennungsmaschine, insbesondere eines Kolbens, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung

Die Erfindung betrifft einen Schichtstapel zur Anordnung in einem Brennraum einer

Verbrennungsmaschine, insbesondere eines Kolbens, sowie ein Verfahren zu dessen

Herstellung.

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 und dem Zylinderkopf 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 Stähle und Leichtmetalllegierungen auf Aluminiumbasis verbreitet.

Die heute am weitesten verbreiteten Kolbenmaschinen stellen Otto- und Dieselmotoren dar, die insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Der Kolben muss bei

Kraftfahrzeugmotoren unter anderem die im Brennraum wirkenden Gaskräfte auf die

Pleuelstange übertragen. Darüber hinaus hat er die Aufgabe, die auf ihn übertragene

Verbrennungswärme an das Kühlmittel weiterzuleiten.

Die Abführung thermischer Energie aus dem Brennraum ist notwendig, um die zulässigen Bauteiltemperaturen nicht zu überschreiten. Auf der anderen Seite führt die Wärmeabfuhr aus dem Brennraum über die Kolbenoberfläche jedoch zu ungenutzten Wirkungsgradpotentialen von Verbrennungsmotoren und senkt die Abgastemperaturen. Eine weitere Reduzierung der Abgastemperaturen kann durch verbrauchseinsparende Maßnahmen verursacht werden. Im Falle moderner Dieselmotoren sind die Abgastemperaturen bereits so gering, dass die

Temperatur nachgeschalteter Katalysatoren nach einem Motorkaltstart lange Zeit unterhalb der Light-off-Temperatur oder der optimalen Betriebstemperatur des Katalysators liegt und daher die optimale Effizienz der Abgasnachbehandlung nicht erreicht wird. Somit werden Maßnahmen angestrebt, um die Abgastemperaturen zu erhöhen oder jedenfalls nicht weiter zu reduzieren. Zudem kann die Wärmebelastung am Kolbenboden Korrosion verursachen.

Um einem Wärmeabtransport aus dem Verbrennungsraum entgegenzuwirken, ist es sinnvoll, Teile des Kolbens mit wärmeisolierenden Materialien zu beschichten.

So ist beispielsweise aus der DE 10 2014 201 337 ein Kolben für eine Kolbenmaschine bekannt, welcher auf seinem Kolbenboden einen Schichtstapel aufweist, wobei dieser

Schichtstapel eine erste Schicht aus wärmedämmenden Material und eine zweite Schicht aus einem wärmeleitenden Material umfasst.

Des Weiteren ist aus der DE 10 2015 120 288 ein Verfahren zur Erzeugung einer

Oberflächenschicht auf einer Oberfläche eines Bauteils mittels plasmaelektrolytischer Oxidation bekannt.

In der WO 2015/045 286 wird eine wärmeisolierende Schicht vorgeschlagen, welche neben hohlen Partikeln aus einem anorganischen Oxid und einem Füllstoffmaterial auch ein glasartiges Material aufweist, wobei das glasartige Material die zuvor genannten Bestandteile umgibt und miteinander bindet. Allerdings wirkt sich die hohe Rauigkeit negativ auf das Brennverfahren aus, sodass sie in der Praxis nur bereichsweise, also insbesondere nicht in der Mulde eines Kolbens, angeordnet wird.

Die bekannten Lösungen bieten bereits erste Verbesserungen auf dem genannten technischen Gebiet der Wärmedämmung im Motor. Allerdings hat sich gezeigt, dass in den Aspekten der Haltbarkeit und der Oberflächenbeschaffenheit noch Verbesserungspotentiale wünschenswert sind. Auch sind einige der vorgestellten Lösungen technisch aufwendig und somit

kostenintensiv. So wäre beispielsweise eine mechanische Bearbeitung einer mittels

plasmaelektrolytischer Oxidation (PEO) aufgetragenen Isolationsschicht, wie sie beispielsweise in der W02015/090 267 vorgestellt ist, zwecks Rauhigkeitsminimierung denkbar. Dies wäre aber technisch aufwendig, weil die Schicht eine hohe Porosität aufweist, die zwar die

Funktionalität der Wärmedämmung begünstigt, das Glattschleifen aber einschränkt, da ständig neue Poren freigelegt werden. Gleichzeitig wird die Schichtdicke reduziert, was sich wiederum negativ auf die Wärmedämmung niederschlägt. Ein mögliches Versiegeln der offenporigen PEO-Schicht, wie auch für jede Hartanodisierschicht, lässt sich mit Wasserdampf realisieren. Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine Isolationsschicht für Bauteile im Innenraum eines Brennraums einer Verbrennungsmaschine bereitzustellen, die sich durch eine besondere Robustheit auszeichnet und dabei eine möglichst glatte Oberfläche und niedrige

Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Somit betrifft ein erster Aspekt der Erfindung einen Schichtstapel der auf einer an einen Brennraum einer Verbrennungsmaschine angrenzenden Oberfläche angeordnet ist. Der Schichtstapel umfasst eine poröse Basisschicht aus einer Al ₂ 0 ₃ -Keramik, die mittelbar oder unmittelbar auf der Oberfläche angeordnet ist, und eine auf der dem Brennraum zugewandten Seite der

Basisschicht angeordnete nicht poröse Versiegelungsschicht. Erfindungsgemäß weist sowohl die Basisschicht als auch die Versiegelungsschicht eine Wärmeleitfähigkeit L von nicht mehr als 5 W/mK auf.

Der erfindungsgemäße Schichtstapel bildet eine sehr robuste und sehr effektive

Isolationsschicht. Die grobe Rauigkeit der porösen Basisschicht führt zu einer guten

Verzahnung der beiden Schichten und erhöht damit deren Haltbarkeit. Zudem weist das erfindungsgemäße Schichtsystem aufgrund der Zweischichtigkeit einen zusätzlichen

Kontaktübergangswiderstand auf. Dies führt zu einer Reflexion von Wärmestrahlung in der Schicht am Übergang von Versiegelungsschicht zu Basisschicht, was eine Transmission von Wärmestrahlung reduziert.

Die Wärmeleitfähigkeit ist insbesondere in einem Arbeitsbereich von 50 bis 800°C,

vorzugsweise in einem Arbeitsbereich von 100 bis 600°C derart gering und weist in diesem Bereich insbesondere keine spontanen Spitzen auf.

Ferner weist die nicht poröse Versiegelungsschicht aufgrund der fehlenden Poren eine geringe Rauigkeit auf, was den Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Schichtstapels als Isolationsschicht auf den gesamten Brennraum einer Verbrennungsmaschine, insbesondere auf die gesamte Kolbenoberfläche ausweitet. Eine Aussparung der Mulde eines Kolbens ist nicht mehr notwendig oder wünschenswert, vielmehr wird das gesamte thermische Potential der Beschichtung ausgenutzt.

Die Porosität der Basisschicht ist insbesondere herstellungsbedingt. So ist die Basisschicht bevorzugt mittels plasmaelektrolytischer Oxidation hergestellt. Mit besonderem Vorteil ist die Basisschicht mit dem in der WO 2015/ 090 267 bekannten Verfahren auf der Oberfläche aufgebracht. Auf die genannte Druckschrift wird hiermit offenbarungswirksam Bezug genommen wird.

Unter einer poröser Basisschicht ist vorliegend eine insbesondere keramische Schicht zu verstehen, die zumindest Mesoporen (mittlerer Durchmesser 2-50 nm), bevorzugt Makroporen, also Poren mit einem mittleren Durchmesser von > 50 nm aufweist.

Beide Schichten weisen eine zueinander sehr ähnliche, sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit auf. Diese ist insbesondere bei der Basisschicht entsprechend ihres keramischen Charakters deutlich unterhalb der Wärmeleitfähigkeit des Substratmaterials. Bei dem Substratmaterial handelt es sich bevorzugt um eine Leichtmetalllegierung, insbesondere um eine Ai- Leichtmetalllegierung. Durch den kleineren Wärmeleitkoeffizienten und die geringere

Wärmeleitfähigkeit der auf der an den Brennraum angrenzenden Oberfläche aufgetragenen Isolationsschicht umfassend die Basisschicht und die Versiegelungsschicht, werden im

Brennraum höhere Wandtemperaturen ermöglicht, sodass die mit der Isolations- beziehungsweise Schutzschicht versehene Oberfläche gegenüber dem angrenzenden Medium, beispielsweise Heißgas, thermisch isoliert ist.

Mit besonderem Vorteil beträgt die Wärmeleitfähigkeit L der Basisschicht und/oder der

Versiegelungsschicht nicht mehr als 2 insbesondere nicht mehr als 1 W/mK. Besonders bevorzugt ist eine Wärmeleitfähigkeit A _30- I _OO der Basisschicht von unter 0,9 W/mK. Diese Werte optimieren den oben beschriebenen Einfluss der Schicht auf die Anwendung im Brennraum.

Es ist insbesondere bevorzugt, dass alternativ oder zusätzlich eine volumetrische

Wärmekapazität der Basisschicht von der der Versiegelungsschicht um nicht mehr als 50%, bezogen auf die Basisschicht, abweicht und optional die Basisschicht und/oder die

Versiegelungsschicht eine volumetrische Wärmekapazität p von nicht mehr als 5 MJ/m ³ K, insbesondere von nicht mehr als 2 MJ/m ³ K, aufweisen. Derartige Schichten sind insbesondere auf die Verwendung als Isolationsschicht in einem Dieselmotor optimiert. Hiermit konnte bei vollflächiger Beschichtung eines Dieselkobens ein um mindestens 2% reduzierter

Dieselverbrauch erzielt werden.

Mit besonderem Vorteil umfasst die Basisschicht eine Mischkeramik auf Basis von Al ₂ 0 ₃ (also nicht weniger als 50Vol-%, insbesondere nicht weniger als 75 Vol.-%) mit einem Oxid der IV- Nebengruppe, insbesondere Zr und/oder Ti, oder besteht aus einer solchen. Die insbesondere bei der Herstellung mittels PEO zum Elektrolyt zugegebenen Partikel eines Nebengruppenoxids bilden mit der Keramik ein Mischoxid oder liegen als zusätzliche Teilchen in der Al ₂ 0 ₃ -Matrix vor, was zu verringerten Wärmeleitwerten führt.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung besteht die Versiegelungsschicht zu mehr als 60 Vol.-% aus einer Silikatkeramik. Mit anderen Worten ist sie auf Basis eines Silikats oder einer Siliziumoxidkeramik aufgebaut.

Um einen möglichst geringen Wärmeleitwert beziehungsweise -koeffizienten der

Versiegelungsschicht zu erzielen, ist es von Vorteil, dieser bei der Herstellung

wärmedämmende Partikel, insbesondere Zr0 ₂ und/oder Ti0 ₂ , zuzusetzen. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, zusätzlich Partikel mit nanokristalliner Korngröße oder als dispers verteilte sphärische Konglomerate in hoher Konzentration im Darstellungsprozess dem Silikat zuzugeben, wobei die Partikel einen mittleren Durchmesser von 25 pm aufweisen.

Die detaillierte Mikro- und/oder Makrostruktur der Ti0 ₂ - beziehungsweise Zr0 ₂ -Partikei hat selbst einen weiteren zusätzlichen Einfluss auf die Wärmedämmung. So weisen sphärische Konglomerate aus feinen Pulverteilchen, insbesondere mit nanokristallinen Gefügestrukturen, eine niedrigere Wärmeleitung aus, und sind daher bevorzugt in der erfindungsgemäßen Schicht umfasst.

Nicht globulitische Partikel die parallel zur Oberfläche orientiert sind, erhöhen zusätzlich die Wärmedämmung aufgrund der Anisotropie der Mikrostruktur und sind bevorzugt zusätzlich oder alternativ in der Schicht enthalten.

Ferner ist es bevorzugt, wenn die Versiegelungsschicht mittels eines Sol-Gel-Verfahrens aufgebracht ist, da damit herstellungsbedingt, insbesondere in Verbindung mit Silikaten, feine glatte Oberflächen der Schichten erzeugbar sind.

In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weist der erfindungsgemäße Schichtstapel eine Gesamtschichtdicke (d) von 130 bis 350 pm, insbesondere im Bereich von 170 bis 230 pm, auf. Die besten Ergebnisse wurden mit einer im Rahmen der Herstellungs- und Messtoleranz liegenden 200 pm dicken Schicht erzielt. Dabei ist stets das Ziel, eine möglichst stark wärmeisolierende (also möglichst dicke) robuste und doch temperaturwechselbeständige (also möglichst dünne) Schicht abzuscheiden. Die Gesamtschichtdicke setzt sich insbesondere aus einer 70 bis 200 pm dicken Basisschicht und/oder einer 30 bis 100 pm dicken Versiegelungsschicht zusammen. Im Sol-Gel-Verfahren werden im Wesentlichen Schichten bis 80 pm Schichtdicke abgeschieden. Zudem sind die Eigenschaften der Basisschicht eigenschaftsbestimmend für die Isolierungsschicht, sodass diese den größten Teil zur Gesamtschichtdicke beiträgt.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine,

insbesondere in einem Dieselmotor. Der erfindungsgemäße Kolben zeichnet sich insbesondere durch eine Leichtmetalllegierung aus, auf deren Oberfläche, insbesondere im Bereich eines Kolbenbodens, zumindest bereichsweise ein erfindungsgemäßer Schichtstapel in einer der beschriebenen Ausführungen angeordnet ist. Dabei ist der Schichtstapel bevorzugt auf der gesamten Oberfläche, insbesondere im Bereich einer Mulde des Kolbenbodens, angeordnet.

Die Anordnung eines erfindungsgemäßen Schichtstapels auf dem Kolbenboden führt in vorteilhafter Weise zu einer Wirkungsgradsteigerung des Verbrennungsprozesses. Der

Wirkungsgrad der Verbrennungsmaschine wird insbesondere dadurch erhöht, dass weniger Wärme aus dem Verbrennungsraum beziehungsweise dem Zylinderraum abtransportiert wird. Im Verbrennungsraum herrschen bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Kolbens höhere Temperaturen, als aus dem Stand der Technik bekannt. Höhere Temperaturen wiederum führen zu einem höheren Wirkungsgrad. Zusätzlich wirkt sich eine Temperaturerhöhung im Verbrennungsraum positiv auf die Abgasbehandlung aus, da auch die Abgase eine höhere Temperatur aufweisen und somit zu einem beschleunigten Aufheizen der Katalysatoren führen. Vorteilhafter Weise sorgt der erfindungsgemäße Schichtstapel auf dem Kolbenboden für eine Isolation und/oder einen Korrosionsschutz der Kolbenoberfläche beziehungsweise des Kolbens.

Ein erfindungsgemäßer Kolben wird mit Vorteil in Kolbenmaschinen eingesetzt.

Kolbenmaschinen sind Fluid-Energie-Maschinen, in denen ein Verdränger mittels seiner Bewegung einen sich periodisch verändernden Arbeitsraum definiert. Den Verdränger stellt ein Kolben dar, welcher beispielsweise zylindrische Form haben kann. In vorliegender Erfindung wird unter Kolbenmaschine sowohl ein Drehkolbenmotor, welcher beispielsweise über einen Scheibenkolben verfügt, als auch ein Hubkolbenmotor mit insbesondere zylindrischem Kolben verstanden. Der Bereich des Kolbens, der dem Verbrennungsraum zugewandt ist und somit in Kontakt mit dem Fluid steht, ist in vorliegender Erfindung als Kolbenboden bezeichnet.

In Hubkolbenmotoren, welche über Kolben mit im Wesentlichen zylindrischer Geometrie verfügen, ist dieser Kolbenboden eine Deckseite mit runder Form, welche an eine zylindrisch umlaufende Seitenwand, dem Kolbenhemd, angeordnet ist. Der Kolbenboden wiederum kann vielfältige Formen aufweisen. So sind in vorliegender Erfindung sowohl planare als auch konkav oder konvex gewölbte Formgestaltungen des Kolbenbodens möglich. Ebenfalls kann der Kolbenboden über Mulden und über Erhöhungen, beispielsweise in Form von Nasen verfügen, die in dem Kolbenboden eingelassen sind und/oder aus diesem herausragen. Die in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Kolben, insbesondere Kolbenböden sind zumindest teilweise aus einer Leichtmetalllegierung oder einem Stahl gefertigt, wobei

Leichtmetalllegierungen als Kolbenmaterial bevorzugt sind. Unter Leichtmetalllegierung sind grundsätzlich alle denkbaren Leichtmetalllegierungen zu verstehen. In vorliegender Erfindung bevorzugt sind jedoch Aluminiumlegierungen, insbesondere Aluminium-Silizium-Legierungen mit variierenden Aluminiumgehalten bis zu übereutektischen Konzentrationen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines

erfindungsgemäßen Schichtstapels, wobei der Schichtstapel zumindest zwei Schichten umfasst, wobei eine erste Schicht eine Basisschicht ist, die mittels eines plasmaelektrolytischen Prozesses hergestellt wird, wobei optional das Elektrolyt als Suspension zusätzlich Zr02- Partikel oder Ti0 ₂ -Partikei umfasst, und eine zweite Schicht eine auf der Basisschicht angeordnete Versiegelungsschicht ist, welche mittels eines Sol-Gel-Prozesses hergestellt wird.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtstapels zur Wärmedämmung von Bauteilen, insbesondere von Kolben und weiteren gasführenden Bauteilen eines Motors, bereitgestellt wird, wobei der Schichtstapel zumindest zwei Schichten umfasst. Dabei wird eine Basisschicht mittels eines

plasmaelektrolytischen Prozesses hergestellt, wobei der Elektrolyt als Suspension zusätzlich Zr0 ₂ -Partikei oder Ti0 ₂ -Partikei umfasst, und eine Versiegelungsschicht wird mittels eines Sol- Gel-Prozesses hergestellt. Bei der vorgestellten Lösung handelt es sich also um die Erzeugung einer 2-lagigen Beschichtung, wobei die Basisschicht sich sowohl durch eine extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit als auch eine große Rauigkeit auszeichnet und die Versiegelungsschicht die Basisschicht erweitert und gleichzeitig versiegelt, um somit eine glatte Versiegelung der Oberfläche zu erreichen. Die Erfindung kombiniert zwei modifizierte Verfahren, reduziert ihre jeweiligen Nachteile und erweitert die Funktionalität der Wärmedämmung mit kostenattraktivem Aufwand. Die grobe Rauigkeit der ersten Schicht ermöglicht eine gute Verzahnung beider Schichten miteinander. Die beiden Prozesse können zeit- und funktionstechnisch optimiert eingesetzt werden und somit eine kostengünstige Haltbarkeit und sehr gute

Oberflächenbeschaffenheit des Schichtstapels gewährleisten. Der so erhaltene Schichtstapel hat zudem den Vorteil eines Kontaktübergangs beziehungsweise -Widerstandes, der neben der Reduktion der Wärmeleitung ebenfalls die Transmission von Strahlung durch Reflexion minimiert. Eine Anwendung einer derart erzeugten Schicht ist in sämtlichen Antrieben, insbesondere in Verbrennungskraftmaschinen, in denen Hochtemperaturbelastungen

(> 250 °C) auftreten, denkbar. Zudem ist eine Anwendung auch in sämtlichen gasführenden Bauteilen denkbar, in denen Hochtemperaturbelastungen (> 250 °C) auftreten.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die

Basisschicht in einer Dicke von 150 - 260 pm aufgetragen wird und die Versiegelungsschicht in einer Dicke von 30 - 80 pm aufgetragen wird. Somit wird ein kostengünstiger Schichtstapel durch die effiziente Verwendung der aufzutragenden Rohstoffe gewährleistet.

Auch ist in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die resultierende Gesamtdicke des Schichtstapels nicht größer als 250 pm ist. Es hat sich zudem in detaillierten Simulationen herausgestellt, dass die optimale Wärmedämmschicht für einen verbrauchsreduzierten

Dieselkolben (2% Verbrauchsvorteil) eine Wärmeleitfähigkeit L < 0,9 W / mK, eine

volumetrische Wärmekapazität cp ^* p < 2 MJ / m ³ K und eine Schichtdicke von mindestens 200 pm aufweisen sollte.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Basisschicht eine poröse AI ₂ 0 ₃ -Mischoxidkeramik oder eine poröse AI ₂ 0 ₃ -Zr02-Mischoxidkeramik oder eine poröse Al ₂ 0 ₃ -Ti0 ₂ - Mischoxidkeramik, welche jeweils zusätzlich eingebettete Partikel aufweisen, ist. Diese Schicht zeichnet sich somit durch eine extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit aus, sodass eine besonders gute Wärmedämmung erzielt wird. Außerdem weist diese Schicht somit eine hohe Rauigkeit auf, sodass die Versiegelungsschicht besonders gut hier verankert werden kann.

Als Material für die Partikel mit relativ geringer Wärmeleitfähigkeit kommen vorzugsweise Zr0 ₂ , Y-stabilisiertes Zirkonoxid (Zr(Y)0 ₂ ), Aluminiumoxid (Al ₂ 0 ₃ ), Spinell (Al ₂ 0 ₃ /Mg0), Mullit (Al ₂ 0 ₃ /Si0 ₂ ), Zirkonkorund (Al ₂ 0 ₃ /Zr0 ₂ ), Titanoxid (Ti0 ₂ ), Siliziumoxid (Si0 ₂ ), Alkali- und Erdalkalisilikat (ASi0 ₄ ) sowie Mischkeramiken mit wesentlichen Bestandteilen genannter Oxide in Betracht. Selbst wenn die Wärmeleitfähigkeit der eingebrachten Partikel in deren reinem Bulkzustand nicht geringer als die der Matrix ausfällt, kann die Wärmeleitfähigkeit des aus beidem

ausgebildeten Kompositmaterials der Schutzschicht trotzdem insgesamt niedriger sein, da die eingebrachten Partikel als Störstellen für die Ausbreitung der Kristallschwingungen (Phononen) wirken. Insofern ist die konkretisierende Angabe„mit relativ geringer Wärmeleitfähigkeit" erfindungsgemäß nicht ausschließlich auf eine tatsächliche Werkstoffeigenschaft der Partikel beschränkt, sondern soll auch eine Wärmeleitfähigkeit reduzierende Wirkung innerhalb der Matrix umfassen.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die

Versiegelungsschicht eine Si0 ₂ -Basisschicht oder eine Zr0 ₂ -Basisschicht oder eine

Mischoxidschicht ist, wobei die Versiegelungsschicht über die Basisschicht aufgetragen wird, wobei die Poren in der ersten Schicht mittels der zweiten Schicht verschlossen werden. Somit wird eine besonders gute Oberflächeneigenschaft erzielt, wobei die zuvor genannten

Eigenschaften der ersten Schicht trotzdem genutzt werden können, sodass sich im Ergebnis ein besonders haltbarer und hocheffizienter Schichtstapel einstellt.

Auch ist in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der aufgetragene Schichtstapel chemisch und/oder mechanisch nachbearbeitet wird, insbesondere durch Ätzen, Schleifen oder Honen. Somit wird eine noch bessere Oberfläche gewährleistet. Wichtige Merkmale der Deckschicht sind eine möglichst geringe Porosität und eine glatte Oberfläche. Durch die Nachbearbeitung kann beispielsweise eine für das Brennverfahren in einem Kolben noch bessere und optimierte Kolbenoberfläche eingestellt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die im

Elektrolyt als Suspension zusätzlichen Partikel nicht größer als 25 pm sind. Auf diese Weise kann die Schicht besonders effizient aufgetragen werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die

Versiegelungsschicht zusätzlich mit wärmedämmenden Partikeln versehen wird, wobei diese Partikel insbesondere nanokristallines Zr0 ₂ oder dispers verteilte sphärische Konglomerate in hoher Konzentration aus Zr0 ₂ sind. Insbesondere bevorzugt sind Zr0 ₂ ,

Y-stabilisiertes Zirkonoxid (Zr(Y)0 ₂ ), Aluminiumoxid (Al ₂ 0 ₃ ), Spinell (Al ₂ 0 ₃ /Mg0), Mullit

(Al ₂ 0 ₃ /Si0 ₂ ), Zirkonkorund (Al ₂ 0 ₃ /Zr0 ₂ ), Titanoxid (Ti0 ₂ ), Siliziumoxid (Si0 ₂ ), Alkali- und

Erdalkalisilikat (ASi0 ₄ ) sowie Mischkeramiken mit wesentlichen Bestandteilen genannter Oxide. Somit lässt sich die Wärmedämmung der zweiten Schicht erhöhen, sodass ein besonders vorteilhafter Schichtstapel bereitgestellt wird.

Schlussendlich ist auch in einer Ausgestaltung der Erfindung ein Kolben für eine

Kolbenmaschine mit einem durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9

hergestellten Schichtstapel zur Wärmedämmung vorgesehen, wobei die erste und

Versiegelungsschicht auf eine gesamte Oberfläche einer Mulde des Kolbens aufgetragen sind.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen

Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Kolbens in einer ersten

Ausgestaltung der Erfindung,

Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Kolbens in einer zweiten

Ausgestaltung der Erfindung, und

Figur 3 schematisch einen Detailausschnitt eines erfindungsgemäßen Schichtstapels auf einem Kolbenboden gemäß Figur 2 oder 3.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand der in den Figuren 1 , 2 und 3 gezeigten schematischen Darstellungen näher erläutert werden.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kolbens 10 ist anhand einer

Schnittdarstellung in Figur 1 gezeigt. Figur 1 zeigt einen zylindrischen Kolben 10 eines nicht weiter dargestellten Hubkolbenmotors. In dieser Ausgestaltung weist der Kolben 10 ein zylindrisch geformtes Kolbenhemd 14 auf, an welchem ein im Wesentlichen planarer kreisförmiger Kolbenboden 11 angeordnet ist. Der Kolben 10 verfügt ferner über umlaufende Nuten, welche ausgebildet sind, Dichtungselemente insbesondere Kolbenringe aufzunehmen. Der Kolben 10 ist bevorzugt aus einer Leichtmetalllegierung 15 gefertigt. Besonders bevorzugt sind dabei Aluminiumlegierungen, insbesondere Aluminium-Silizium-Legierungen. Ebenfalls als Kolbenmaterial einsetzbar sind Eisenverbindungen, also Stähle. In dargestellter

Ausführungsform verfügt der Kolbenboden 11 über eine Vertiefung 12, in der ein Schichtstapel 20 angeordnet ist. Dabei entspricht der Durchmesser d _s des Schichtstapels 20 im Wesentlichen dem Durchmesser der Vertiefung 12. Der Durchmesser d _s des Schichtstapels 20 ist im

Vergleich zu dem Durchmesser d _K des Kolbenbodens 11 kleiner ausgeführt. Die Tiefe der Vertiefung 12 entspricht in gezeigter Ausführungsform der Höhe des Schichtstapels 20, sodass dieser nicht aus der Vertiefung 12 herausragt und die Oberfläche des Kolbenbodens 1 1 nicht überragt. Vorzugsweise schließt der Schichtstapel 20 bündig mit dem die Vertiefung 12 umlaufenden Rand ab. Ein detaillierter Aufbau des Schichtstapels 20 ist in einer unten beschriebenen Detailzeichnung in Figur 3 näher erläutert.

Die in Figur 1 gezeigte Ausführungsform eines Kolbens 10 zeichnet sich in seiner

Funktionsweise dadurch aus, dass ein Schichtstapel 20 die Oberfläche eines Kolbenbodens 1 1 in einem großen Bereich funktionalisiert.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens ist in Figur 2 dargestellt. Der ebenfalls in einer Schnittzeichnung dargestellte Kolben 10 ist grundsätzlich ebenso aufgebaut wie der in Figur 1 dargestellte Kolben 10. Er unterscheidet sich dahingehend von der ersten Ausführungsform, dass der Kolbenboden 1 1 des zylindrischen Kolbens 10 nicht planar ausgeführt ist, sondern eine Mulde 13 aufweist. Auf dem Kolbenboden 11 der in Figur 2 gezeigten zweiten Ausgestaltung des Kolbens 10 ist ein funktionaler Schichtstapel 20 angeordnet. Die Mulde 13 kann im Wesentlichen gleichmäßig (nicht gezeigt), also ohne Erhöhungen oder wie in Figur 2 gezeigt ungleichmäßig, also beispielsweise mit Erhöhungen am Kolbenboden, ausgeführt sein. Der Schichtstapel 20 weist ebenso wie in Figur 1 dargestellt einen kleineren Durchmesser auf als der Kolbenboden 11. Es bildet sich also ein Abstand zwischen Schichtstapel 20 und äußerem Rand des Kolbenbodens 1 1. Unter Einhaltung eines definierten Randes ist der verbleibende Bereich des Kolbenbodens 1 1 vollständig vom

Schichtstapel 20 bedeckt, so auch der Teil des Kolbenbodens 1 1 , der die Mulde 13 darstellt. Der umlaufende Rand des Kolbenbodens 11 entspricht bevorzugt weniger als 10 %, insbesondere weniger als 5 %, vorzugsweise weniger als 2 % der Oberfläche des

Kolbenbodens 1 1.

Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte funktionale Schichtstapel 20 hat insbesondere wärmedämmende Funktion. Dies wird durch den in Figur 3 skizzierten Aufbau des

Schichtstapels erreicht. Figur 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Schichtstapel 20, welcher auf einer Leichtmetalllegierung 15 angeordnet ist. Bei der Leichtmetalllegierung 15 handelt es sich bevorzugt um Aluminiumlegierungen, insbesondere um Aluminium-Silizium-Legierungen. Auf dieser Leichtmetalllegierung 15 kann optional ein Haftvermittler 23 angeordnet sein. An diesen Haftvermittler beziehungsweise die Sperrschicht 23 oder alternativ unmittelbar an den Kolbenboden schließt eine erste Schicht, die Basisschicht 21 an. Diese Basisschicht 21 besteht aus einem Material, welches wärmedämmende Eigenschaften hat. Dabei handelt es sich um eine Al ₂ 0 ₃ -Kermik deren Wärmeleitwert insbesondere durch Zugabe

wärmedämmender Partikel im Herstellungsverfahren weiter reduziert ist. Die Basisschicht 21 ist grobporig aufgebaut, weist also mindestens Mesoporen und/oder Kanäle auf. Die Porosität kann durch den Herstellungsprozess erzielt werden. Besonders geeignet zur Herstellung der Basisschicht 21 ist eine plasmaelektrolytische Oxidation.

Bei einem Anodisier(ANOF)-Verfahren beziehungsweise einem PEO-Verfahren handelt es sich um ein kombiniertes Verfahren aus den Bereichen Plasmatechnik und Elektrochemie, durch das Oberflächen von Bauteilen, die aus sogenannten Ventilmetallen ausgebildet sind, mit einer Basisschicht 21 aus einer Oxidkeramik versehen werden können. Als Ventilmetalle kommen dabei insbesondere native Sperrschichtbildner wie Aluminium, Magnesium oder Titan in die Auswahl. Die Erzeugung der Basisschicht 21 kann insbesondere in wässrigen Elektrolyten erfolgen. Das zu oxidierende Bauteil wird dabei anodisch gepolt und zusammen mit einer Gegenelektrode (Kathode) in den Elektrolyten eingetaucht. Das Bauteil bildet dabei zunächst eine rein chemisch induzierte Passivschicht aus. Das Wachstum dieser Passivschicht lässt sich durch Anlegen eines Potentials zwischen dem anodisch gepolten Bauteil und der Kathode erreichen. Dabei wird die Oxidschicht des zu beschichtenden Bauteils lokal durchschlagen, wobei plasmachemische Festkörperreaktionen, die Funkenentladungen, ausgelöst werden. Dieser Vorgang läuft nicht flächendeckend sondern an denjenigen Stellen ab, an denen die Dicke der Oxidschicht und somit der lokale elektrische Widerstand am geringsten ist. Da die Plasmareaktionen somit stets an denjenigen Stellen der Passivschicht, die lokal die geringste Schichtdicke aufweisen, stattfinden und dort für ein Schichtdickenwachstum sorgen, wird die Oberfläche mit einer sehr gleichmäßigen Basisschicht überzogen. Um die sich erhöhende dielektrische Eigenschaft der wachsenden Oxidschicht dauerhaft mit einer

Durchschlagsspannung zu durchbrechen, wird das dazu angelegte elektrische Potential so lange erhöht, bis die gewünschte Schichtdicke der Basisschicht erreicht ist.

Die durch das bevorzugte Verfahren erzeugte Basisschicht ist wie folgt aufgebaut: An das Substrat grenzt eine dünne, dichte und geschlossene Schicht, die sogenannte Sperrschicht 23, gefolgt von einer kompakten und porenarmen Schicht. Hieran schließt sich eine poröse und weniger kompakte Schicht an, welche abhängig von der Schichtdicke sowohl poröser als auch spröder wird. Insbesondere ist diese Schicht offen porös und durch kleine Kanäle

gekennzeichnet, welche senkrecht zur Oberfläche stehen und von der Oberfläche bis zur angrenzenden Sperrschicht 23 in Richtung des Substrates hineinragen. Zusätzlich oder alternativ weist die Schicht ein interkonnektierendes Porennetzwerk und/oder ein nicht interkonnektierendes Porennetzwerk auf, welches durch abgeschlossene Einschlüsse von Luft oder Elektrolyt gekennzeichnet ist. Zweckmäßigerweise hat der Elektrolyt eine Elektrolytbasis, wobei die Elektrolytbasis Phosphorsäure (H ₃ P0 ₄ ), Kaliumhydroxid (KOH), Wasserglas

(Na ₂ Si0 ₃ ), deionisiertes Wasser oder eine zirkoniumhaltige Verbindung ist. Eine Elektrolytbasis ist hierbei ein Stoff aus einer Vielzahl von Stoffen, der mengenmäßig in g/L neben Wasser und Urotropin am häufigsten in einem Elektrolyten vorkommt. Als zirkoniumhaltige Verbindung kommt insbesondere Zirkoniumsulfat (ZrS0 ₄ ), oder Zirkoniumwolframat (ZrW0 ) in Betracht. Dies hat den Vorteil, dass mit einer derartigen Elektrolytzusammensetzung ein Bauteil aus beispielsweise Aluminum oder Titan beziehungsweise aus den entsprechenden Legierungen überhaupt plasmaelektrolytisch oxidiert werden kann. Hierbei ist es von Vorteil, wenn die elektrische Leistung spannungsgeregelt ist, wobei die Stromstärke begrenzt ist oder stromgeregelt ist, wobei die Spannung begrenzt ist, oder leistungsgeregelt ist.

Zweckmäßigerweise wird die elektrische Leistung mit einer Frequenz von 1 Hz bis 10 kHz, insbesondere mit einer Frequenz von 1 Hz bis 1000 Hz angelegt. Es ist von Vorteil, wenn die Spannung in einem Bereich zwischen 150 und 1500 Volt, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 210 und 650 Volt angelegt wird und wenn der Strom mit einer Stromdichte in einem Bereich zwischen 0,001 und 1000 A/dm ² , vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,5 bis 15 A/dm ² angelegt wird. Denkbar ist, dass der angelegte Strom und/oder die angelegte Spannung durch einen höherfrequenten Strom und/oder eine höherfrequente Spannung obermoduliert werden.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn der angelegte Strom und/oder die angelegte Spannung gleichgeregelt werden, oder die Form einer symmetrischen Welle, einer asymmetrischen Welle, eines Rechtecks oder eines Trapezes hat. Hierbei ist die charakteristische Form mit einem Tastgrad und einem Offset im Bereich von 0 bis 100 % versehen und kann somit sowohl uni- als auch bipolar ausgeführt sein. Insbesondere die Form einer Welle ist vorteilhaft.

Auch ist es vorteilhaft, wenn als Prozesstemperatur für die PEO eine Temperatur im Bereich zwischen 0°C und 80°C gewählt wird. Besonders bevorzugt beträgt die Temperatur zwischen 18°C und 50°C.

Die vorgenannten Prozessparameter ermöglichen, dass eine besonders oxidreiche

Basisschicht 21 auf dem Bauteil geschlossen aufwächst und somit eine besonders dichte und damit sichere Basisschicht 21 ausgebildet wird. Das Bauteil kann so sicher und langzeitstabil vor äußeren Einflüssen, beispielsweise vor unerwünschten Oxidationen geschützt werden. Ferner können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Bauteil in Großserie mit entsprechenden Qualitätsanforderungen produziert werden. Ferner kann so auch eine praktikable

Produktionsgeschwindigkeit erreicht werden, die überhaupt eine Großserienfertigung ermöglicht.

Es ist von Vorteil, wenn der Elektrolyt als Dispersion ausgeführt wird, wobei dem Elektrolyt einer oder mehrere der folgenden Partikel zugegeben werden: Wolframcarbid (WC), Zr0 ₂ , Eisenoxid, Graphit, Molybdändisulfid (MoS ₂ ), Y-stabilisiertes Zirkonoxid (Zr(Y)0 ₂ ), Aluminiumoxid (Al ₂ 0 ₃ ), Spinell (Al ₂ 0 ₃ /Mg0), Mullit (Al ₂ 0 ₃ /Si0 ₂ ), Zirkonkorund (Al ₂ 0 ₃ /Zr0 ₂ ), Titanoxid (Ti0 ₂ ),

Siliziumoxid (Si0 ₂ ), Alkali- und Erdalkalisilikat (ASi0 ₄ ) und/oder Mischkeramiken mit

wesentlichen Bestandteilen genannter Oxide. Hierbei wird der Elektrolyt mit auf einer oben angeführten Elektrolytbasis durch die Zugabe der genannten Partikel beaufschlagt. Die Partikel können sowohl globular, ellipsoid oder spratzig in Form von Flakes oder dergleichen ausgeführt sein. Ferner können die Partikel aus einem Oxid, einem Karbid oder einem anderen Werkstoff sein, solange die Partikel verfahrensbedingt als Fremdkörper in die Basisschicht 21 eingebaut werden oder zusammen mit dem Substrat oder dem Elektrolyt zu einer anderweitigen

Verbindung chemisch, elektrochemisch oder physikalisch reagieren. Insbesondere Partikel aus Zr0 ₂ , Y-stabilisiertes Zirkonoxid (Zr(Y)0 ₂ ), Aluminiumoxid (Al ₂ 0 ₃ ), Spinell (Al ₂ 0 ₃ /Mg0), Mullit (Al ₂ 0 ₃ /Si0 ₂ ), Zirkonkorund (AI20 ₃ /Zr0 ₂ ), Titanoxid (Ti0 ₂ ), Siliziumoxid (Si0 ₂ ), Alkali- und Erdalkalisilikat (ASi0 ₄ ) sowie Mischkeramiken mit wesentlichen Bestandteilen genannter Oxide, Wolframcarbid (WC), Zr0 ₂ , Eisenoxid haben eine deutlich reduzierte thermische Leitfähigkeit, sodass der Einbau dieser Partikel in die Basisschicht 21 die Isolationswirkung der Basisschicht 21 weiter verbessert. Insbesondere Zirkonoxid (Zr0 ₂ ) hat sich als vorteilhaft erwiesen.

An die Basisschicht 21 ist die Versiegelungsschicht 24 angeordnet. Die Versiegelungsschicht 24 ist im Wesentlichen nicht porös. Sie kann mittels eines Sol-Gel-Verfahrens aufgebracht werden. Die Versiegelungsschicht zeichnet sich durch eine glatte Oberfläche aus. Dieser Effekt kann optional durch ein nachgelagertes Glättungsverfahren, wie Schleifen oder Honen erhöht werden.

In Abhängigkeit vom eingesetzten wärmedämmenden Material und insbesondere von dem damit erzielten Wärmeleitwert l ist die Versiegelungsschicht 24 bevorzugt dünner ausgeführt als die Basisschicht 21. Bevorzugte Dicken der Versiegelungsschicht 24 liegen im Bereich zwischen 50 und 100 pm, insbesondere bevorzugt um 80 pm. Aufgrund der hohen Porosität der Basisschicht 21 ergibt sich eine Verzahnung der beiden Schichten miteinander, was zu einer besonders guten Haltbarkeit führt. Die Wärmeleitwerte und -koeffizienten variieren ebenso wie die Wärmeausdehnung zwischen der Versiegelungsschicht 24 und der Basisschicht nur sehr wenig.

Der Schichtstapel 20 hat durch die wärmedämmenden Eigenschaften der Basisschicht 21 eine wärmedämmende, insbesondere isolierende Funktion. Aufgrund des sehr niedrigen

Wärmeleitwertes l der Schutzschicht des Schichtstapels 20 wird nur ein sehr geringer Teil der Wärme im Verbrennungsraum an die Oberfläche des Kolbenbodens und von dort aus dem Zylinderraum abgeführt. Vielmehr verbleibt die Wärme innerhalb des Verbrennungsraums und steht somit der Verbrennung weiter zur Verfügung. Dadurch wird im Verbrennungsraum ein höherer Wirkungsgrad realisiert als bei niedrigeren Temperaturen. Gleichzeitig weisen auch die aus dem Verbrennungsraum abgeführten Abgase eine höhere Temperatur auf, was letztendlich einer Abgasaufbereitung zugute kommt. Negative Eigenschaften, die eine hohe Rauigkeit einer Isolierschicht für das Verhalten im Brennraum mit sich bringt, werden durch die Anordnung einer Versiegelungsschicht gemildert. Zudem wird durch die hohe Verzahnung der Basisschicht mit der Versiegelungsschicht eine hohe Haltbarkeit und Robustheit erzielt.

Bezugszeichenliste Kolben

Kolbenboden

Vertiefung

Mulde

Kolbenhemd

Leichtmetalllegierung Schichtstapel

Basisschicht

Haftvermittler/ Sperrschicht

Versiegelungsschicht