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Title:
METHOD FOR COATING A VALVE OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/198205
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for coating a valve (1) of an internal combustion engine (2), in particular a place on a valve stem (5) of the valve (1), in which - the valve (1) is immersed, at least at the place that is to be coated, in a bath of just nickel (Ni) as a bonding agent, - the valve (1) is immersed, at least with the place that is to be coated, in a bath comprising nickel (Ni) and boron carbide (B4C) or in a bath comprising nickel-tungsten (Ni-W) or nickel-iron (Ni-Fe) and boron carbide (B4C), - the valve (1) is reworked, at least at the place that is to be coated. This particularly allows a previously chromium-containing wear-resistant layer to be replaced.

Inventors:
DOGAR ANDREAS (DE)
KÖRNER STEPHAN (DE)
ROSE REINHARD (DE)
Application Number:
PCT/EP2016/059295
Publication Date:
December 15, 2016
Filing Date:
April 26, 2016
Export Citation:
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Assignee:
MAHLE INT GMBH (DE)
International Classes:
C25D15/00; C23C18/16; C23C18/32; C23C18/50; C25D3/12; C25D3/56; C25D5/14; F01L3/04
Foreign References:
US20050205425A12005-09-22
US20080196625A12008-08-21
EP0679736A11995-11-02
Other References:
S. PAYDAR ET AL: "Influence of BN and B 4 C particulates on wear and corrosion resistance of electroplated nickel matrix composite coatings", TRIBOLOGY - MATERIALS, SURFACES & INTERFACES,, vol. 9, no. 2, 16 May 2015 (2015-05-16), pages 105 - 110, XP055303491, ISSN: 1751-5831, DOI: 10.1179/1751584X15Y.0000000007
DATABASE WPI Week 199403, Derwent World Patents Index; AN 1994-023325, XP002761981
Attorney, Agent or Firm:
BRP RENAUD UND PARTNER MBB (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zum Beschichten eines Ventils (1 ) einer Brennkraftmaschine (2), insbesondere einer Stelle eines Ventilschafts (5) des Ventils (1 ), bei dem

- das Ventil (1 ) zumindest mit der zu beschichtenden Stelle in ein Nickel (Ni) Reinbad als Haftvermittler getaucht wird,

- das Ventil (1 ) zumindest mit der zu beschichtenden Stelle in ein Nickel (Ni) und Borcarbid (B C) aufweisendes Bad oder in ein Nickel-Wolfram (Ni-W) oder Nickel-Eisen (Ni-Fe) und Borcarbid (B C) aufweisendes Bad getaucht wird,

- das Ventil (1 ) zumindest an der zu beschichtenden Stelle nachbearbeitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , erste Alternative,

dadurch gekennzeichnet,

dass ein Nickel (Ni) und Borcarbid (B C) aufweisendes Bad verwendet wird, mit einem Borcarbidgehalt von 30 g/l bis 65 g/l, insbesondere von 50 g/l.

3. Verfahren nach Anspruch 1 , erste Alternative oder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

dass das Ventil (1 ) zumindest mit der zu beschichtenden Stelle in ein Nickel (Ni), Borcarbid (B C) und hexagonales Bornitrid (h(BN)) aufweisendes Bad getaucht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet,

dass ein Nickel (Ni), Borcarbid (B C) und hexagonalem Bornitrid (h(BN)) aufweisendes Bad verwendet wird, mit einem Bornitridgehalt (h(BN)) von 10g/I bis 25 g/l, insbesondere mit einem Bornitridgehalt (h(BN)) von 18 g/l bis 22 g/l, besonders bevorzugt mit einem Bornitridgehalt (h(BN)) von 20 g/l.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet,

dass Bad zusätzlich Hartstoffpartikel enthält.

6. Verfahren nach Ansprüche 5,

dadurch gekennzeichnet,

dass mindestens eines der Hartstoffpartikel aus Siliziumcarbid (SiC) oder Wolf- ramcarbid (WC) oder Titannitrid (TiN) oder Siliziumnitrid (Si3N ) oder kubisches Bornitrid (c-BN) oder Aluminiumoxid (AI2O3) besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6,

dadurch gekennzeichnet,

das die Hartstoffpartikel einen Durchmesser aufweisen, der im Mittel kleiner oder gleich 0,1 μιτι bis 3 μιτι, insbesondere von 0,8 μιτι bis 2,5 μιτι ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Ventil (1 ) zumindest an der zu beschichtenden Stelle poliert und/oder geschliffen wird.

9. Ventil (1 ) einer Brennkraftmaschine (2), mit zumindest einer nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 beschichteten Stelle, an der

- das Ventil (1 ) eine Nickel (Ni) aufweisende Haftschicht (8) aufweist,

- das Ventil (1 ) eine Nickel (Ni) und Borcarbid (B C) oder eine Nickel-Wolfram (Ni-W) oder Nickel-Eisen (Ni-Fe) und Borcarbid (B C) aufweisende Verschleißschutzschicht (7) aufweist, das Ventil (1 ) nachbearbeitet ist.

10. Ventil nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Ventil (1 ) zumindest im Bereich der Verschleißschutzschicht (7) poliert und/oder geschliffen ist.

11. Ventil nach Anspruch 9 oder 10,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Verschleißschutzschicht (7) eine Schichtdicke d zwischen 5 μιτι < d < 15 μιτι aufweist.

12. Brennkraftmaschine (2) mit zumindest einem Ventil (1 ) nach einem der Ansprüche 9 bis 11.

13. Brennkraftmaschine (2) nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet,

dass zumindest eine Ventilführung (6) zur Führung des Ventils (1 ) aus einem Sinterwerkstoff hergestellt ist.

Description:
Verfahren zum Beschichten eines Ventils einer Brennkraftmaschine

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Ventils einer Brennkraftmaschine, insbesondere zumindest einer Stelle eines Ventilschaftes des Ventils. Die Erfindung betrifft außerdem ein mit einem derartigen Verfahren beschichtetes Ventil einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem solchen Ventil.

Üblicherweise werden Ventile in einer Brennkraftmaschine bzw. deren Ventilschäfte heutzutage mit einer chromhaltigen Verschleißschutzschicht beschichtet, da die Ventile insbesondere im Bereich des Ventilschaftes und hier im Bereich einer Ventilführung einer großen tribologischen Belastung ausgesetzt sind und mit der Verschleißschutzschicht ein reibungs- und zugleich verschleißarmer Betrieb sichergestellt werden soll.

Chrom (VI) das heißt Chromtrioxid spielt bei Verchromungen jeglicher Art, das heißt sowohl bei einer Verchromung von Kunststoffen als auch von Eisen oder Nichteisenmetallen eines wesentliche wirtschaftliche Rolle, unterliegt jedoch aufgrund seiner umstrittenen Eigenschaften sowohl strengen Regulierungen als auch einer besonderen Aufsicht, die unter Umständen sogar in ein Verbot zumindest für bestimmte Anwendungen münden dürfte.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, ein Verfahren anzugeben, mittels welchem eine extrem beständige und belastbare Verschleißschutzschicht, insbesondere auf eine Stelle eines Ventilschaftes eines Ventils einer Brennkraftmaschine aufgebracht werden kann, ohne dass hierfür Chrom erforderlich wäre. Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein alternatives Verfahren zum Beschichten eines Ventils einer Brennkraftmaschine, insbesondere zumindest einer Stelle eines Ventilschafts des Ventils anzugeben, bei welchem eine beständige und zugleich belastbare Verschleißschutzschicht aufgebracht werden kann, die kein Chrom mehr aufweist. Hierzu wird das Ventil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst zumindest mit der zu beschichtenden Stelle in ein Nickel (Ni) Reinbad als Haftvermittler getaucht, wobei insbesondere aus Stahl oder Edelstahl hergestellte Ventile ohne einen derartigen Haftvermittler bzw. eine derartige Haftschicht, nicht dauerhaft zu beschichten wären. Anschließend wird das Ventil zumindest mit der zu beschichtenden Stelle in ein Nickel (Ni) und Borcarbid (B C) aufweisendes Bad oder in ein Nickel-Wolfram (Ni-W) oder Nickel-Eisen (Ni-Fe) und Borcarbid (B C) aufweisendes Bad getaucht. Diese Dispersionsschicht ist die Funktionsschicht und dient als Verschleißschutz als alternative Beschichtung zur Chrombeschichtung. Borcarbid als Partikel ist ein sehr hartes Material mit einer Mohshärte von 9,3, welches als verschleißbeständiges Material genutzt werden kann. Borcarbid ist dabei eine Nichtoxid-Keramik, die sich ähnlich wie Siliziumcarbid oder Siliziumnitrid durch besondere Härte und Zähigkeit auszeichnet. Borcarbid-Keramik ist darüber hinaus äußerst verschleißbeständig auch bei niedrigen Temperaturen. In ihrer Härte ist sie bei niedrigen Temperaturen sogar verschleißbeständiger als Siliziumnitrid- Keramiken. Auch hinsichtlich der chemischen Beständigkeit weist Borcarbid eine sehr hohe Beständigkeit auf, was insbesondere im Bereich der vergleichsweise aggressiven Medien, wie beispielsweise Ölen, von großem Vorteil ist. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Nickel (Ni) und Borcarbid (B C) aufweisendes Bad verwendet, mit einem Borcar- bidgehalt von 30 g/l bis 65 g/l, insbesondere mit einem Borcarbidgehalt von 50 g/l. Hierbei hat sich gezeigt, dass insbesondere bei einer Dosierung des Borcar- bidgehalts von 50 g/l eine Verschleißschutzschicht erreicht werden kann, bei welcher der im Betrieb der Brennkraftmaschine auftretende Verschleiß nahezu Null und der Materialübertrag bei einem Zehntel des Materialübertrags im Vergleich zu einer aus Chrom ausgebildeten Verschleißschutzschicht liegt. Zur Beurteilung der Verschleißbeständigkeit sind dabei zwei Kennwerte von besonderem Interesse, zum einen der Verschleiß, also der Materialabtrag der Verschleißschutzschicht selbst und zum anderen der sogenannte Materialübertrag, also der Transfer von Beschichtungsmaterial in die Ventilführung. Beides kann mit der zuvor beschriebenen und Nickel (Ni) und Borcarbid (B C) aufweisenden Verschleißschutzschicht erreicht werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird das Ventil zumindest mit der zu beschichtenden Stelle in eine Nickel (Ni), Borcarbid (B C) und hexagonalem Bornitrid (h(BN)) aufweisendes Bad getaucht. Hierbei sollte der Gehalt an Bornitrid (h(BN)) zwischen 10 g/l und 25 g/l, insbesondere zwischen 18 und 22 g/l, besonders bevorzugt bei ca. 20 g/l liegen. Insbesondere bei einem Bornitridgehalt von ca. 20 g/l im Nickelelektrolyten kann ein Verschleiß erreicht werden, der wiederum nahezu bei Null liegt. Bei einer derartigen Nickeldispersionsschicht können darüber hinaus wesentliche Vorteile hinsichtlich der Reibung erzielt werden.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird das Ventil zumindest an der zu beschichtenden Stelle poliert und/oder geschliffen. Beide, lediglich rein exemplarisch an dieser Stelle aufgezählten Nachbearbei- tungsverfahren, erhöhen die Oberflächengüte der Verschleißschutzschicht und tragen damit zur Verbesserung der Verschleißeigenschaften bei.

In den vorherigen Absätzen wurde dabei stets erwähnt, dass das Ventil zumindest an einer Stelle des Ventilschaftes mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichtet, das heißt die erfindungsgemäße Verschleißschutzschicht aufgebracht wird, wobei selbstverständlich klar ist, dass diese Verschleißschutzschicht auch am gesamten Ventil oder an anderen Stellen, beispielsweise an einem Ventilsitzring, aufgebracht werden kann.

Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Ventil einer Brennkraftmaschine anzugeben, welches mit dem zuvor beschriebenen Verfahren an zumindest einer Stelle beschichtet wurde. Hierzu weist das erfindungsgemäße Ventil eine Nickel (Ni) aufweisende Haftschicht sowie eine darüber angeordnete Verschleißschutzschicht aus Nickel (Ni) und Borcarbid (B C) auf. Zur Oberflächenvergütung ist die Verschleißschutzschicht nachbearbeitet, beispielsweise poliert oder geschliffen. Mittels eines derartigen Ventils kann insbesondere auf die bislang in diesem Bereich eingesetzte und chromhaltige Verschleißschutzschicht verzichtet, jedoch die gleiche oder sogar eine noch bessere Verschleißbeständigkeit geschaffen werden.

Erfindungsgemäß weist die Verschleißschutzschicht eine Schichtdicke d zwischen 5 μιτι und 15 μιτι auf. Bereits eine derartige dünne Verschleißschutzschicht ermöglicht dabei die Verschleißbeständigkeit des Ventils über seine gesamte Lebensdauer, wobei als Haftgrund bzw. Haftschicht für die Verschleißschutzschicht die darunter angeordnete Nickelschicht verwendet wird, welche eine zuverlässige Haftung der Verschleißschutzschicht auch auf Edelstahloberflächen ermöglicht. Diese Nickelzwischenschicht, die in einem Nickelchlorid-Elektrolyt aufgebracht wird, ist zwingend notwendig, insbesondere beim Einsatz von hochlegierten Edelstahlen wie beispielsweise X50. Ansonsten kann keine ausreichende Haftung der Nickeldispersionsschicht erzielt werden.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Die einzige Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Ventil mit einer erfindungsgemäß darauf aufgebrachten Verschleißschutzschicht.

Entsprechend der Fig. 1 weist ein erfindungsgemäßes Ventil 1 einer im Übrigen nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine 2 einen Ventilteller 3 sowie einen daran über eine Ventilkehle 4 angeschlossenen Ventilschaft 5 auf. Zumindest an einer Stelle im Bereich des Ventilschaftes 5, an welcher dieser in einer Ventilführung 6 geführt ist, ist das erfindungsgemäße Ventil 1 mit einer Verschleißschutzschicht 7 versehen. Die Ventilführung 6 kann dabei aus einem Sinterwerkstoff ausgebildet sein. Aufgrund der sehr guten Benetzbarkeit der Nickeldispersionsschicht mit Öl, ist der Verschleiß der Ventilführung deutlich reduziert im Vergleich zu einem mit Chrom beschichteten Ventilschaft. Weiterhin kann sich das B C (Borcarbid) bei hohen Temperaturen (380-420)°C und in Anwesenheit von Sauerstoff eine graphitähnliche Struktur (Bor(l)oxid) umwandeln. Zwischen der Ver- schleißschutzschicht 7 und dem Ventilschaft 5 ist dabei eine nickelhaltige Haftschicht 8 angeordnet. Erfindungsgemäß weist nun die Verschleißschutzschicht 7 Nickel (Ni) und Borcarbid (B C) auf, wodurch diese sowohl eine hohe chemische Beständigkeit als auch eine hohe Verschleißbeständigkeit besitzt. Um diese Verschleißbeständigkeit weiter steigern zu können, ist eine Oberfläche der Verschleißschutzschicht 7 nachbearbeitet, insbesondere poliert und/oder geschliffen.

Hergestellt wird das erfindungsgemäße Ventil 1 bzw. die darauf aufgebrachte Beschichtung wie folgt:

Zunächst wird das Ventil 1 zumindest mit der zu beschichtenden Stelle, insbesondere im Bereich des Ventilschaftes 5, in ein Nickel (Ni) haltiges Reinbad als Haftvermittler getaucht, wodurch die Haftschicht 8 auf die Oberfläche des Ventilschaftes 5 aufgebracht wird. Diese Haftschicht 8 ist zur langanhaltenden und zuverlässigen Verbindung der Verschleißschutzschicht 7 mit dem Ventil 1 erforderlich. Anschließend wird das Ventil 1 zumindest mit der zu beschichtenden Stelle in ein Nickel (Ni) und Borcarbid (B C) oder in ein Nickel-Wolfram (Ni-W) oder Nickel-Eisen (Ni-Fe) und Borcarbid (B C) aufweisendes Bad getaucht, wodurch die eigentliche Verschleißschutzschicht 7 aufgebracht wird. Wiederum daran anschließend wird das Ventil 1 zumindest im Bereich der Verschleißschutzschicht 7 nachbearbeitet, beispielsweise poliert und/oder geschliffen.

Das zur Herstellung der Verschleißschutzschicht 7 verwendete Bad weist dabei einen Borcarbidgehalt von 30 g/l bis 65 g/l, insbesondere einen Borcarbidgehalt von ca. 50 g/l auf, bei welchem festgestellt wurde, dass sich ein Verschleiß von nahezu Null ergibt und in repräsentativen Tests ein Materialübertrag bei lediglich 1/10 des Materialübertrags im Vergleich zur Verwendung einer chromhaltigen Verschleißschutzschicht liegt. Bei der Beurteilung der Verschleißbeständigkeit sind dabei insbesondere zwei Kennwerte von besonderer Bedeutung, zum einen der Verschleiß, also der Materialabtrag der Verschleißschutzschicht 7 selbst und zum anderen der sogenannte Materialübertrag, also der Transfer von Beschich- tungsmaterial in die Ventilführung 6.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung kann auch ein Nickel (Ni) und Borcarbid (B C) aufweisendes Bad zur Herstellung der Verschleißschutzschicht 7 verwendet werden, wobei dieses Bad zusätzlich hexagonalem Bornitrid (h(BN)) aufweist. Der Bornitridgehalt (h(BN)) dieses Bades liegt dabei zwischen 10 g/l und 25 g/l, insbesondere zwischen 18 und 22 g/l, besonders bevorzugt ca. 20 g/l. Letztere Konzentration bzw. der zuletzt genannte Bornitridgehalt von ca. 20 g/l hat sich dabei besonders vorteilhaft bezüglich des Materialübertrags erwiesen.

Das Bad kann zusätzlich Hartstoffpartikel enthalten. Mindestens einer dieser Hartstoffpartikel weist dabei Siliziumcarbid (SiC), Wolframcarbid (WC), Titannitrid (TiN), Siliziumnitrid (Si3N ), kubisches Bornitrid (c-BN) oder Aluminiumoxid (AI2O3) auf oder besteht daraus. Die Hartstoffpartikel weisen üblicherweise einen Durchmesser auf, der im Mittel kleiner oder gleich 0,1 μιτι bis 3 μιτι, insbesondere von 0,8 μιτι bis 2,5 μιτι ist. Durch Zugabe von diversen Hartstoffpartikeln (z.B. TiN, SiC, WC oder anderen) kann die Verschleißbeständigkeit von galvanischen Schichtsystemen deutlich erhöht werden. Aufgrund der sehr geringen Partikeldurchmesser im Bereich von 0,1 bis 3 μιτι erzeugt man eine Einglättung (eine Art Polieren) des Gegenlaufpartners z.B. der Ventilführung. Die Verschleißschutzschicht 7 selbst besitzt eine Schichtdicke d, die zwischen 5 und 15 μιτι aufweist.

Mit der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht 7 kann somit eine bislang in diesem Bereich eingesetzte und chromhaltige Verschleißschutzschicht ersetzt werden, was erhebliche Vorteile hinsichtlich der Unbedenklichkeit in Bezug auf Umwelt und Gesundheit und mit den sich daraus geänderten Kundenanforderun- gen bringt. Zudem kann mit einer derartigen und nunmehr nicht mehr chromhaltigen Verschleißschutzschicht 7 auch den Bedenken in Bezug auf die Verwendung von Chrom Rechnung getragen werden. Von besonderer Bedeutung ist dabei, dass die erfindungsgemäße Verschleißschutzschicht 7 eine extreme hohe Verschleißbeständigkeit sowie eine hohe chemische Beständigkeit aufweist und darüber hinaus einen Materialübertrag besitzt, der lediglich bei 1/10 des Materialübertrags bisheriger chromhaltiger Verschleißschutzschichten liegt.