Verfahren zur Erzeugung einer Oxidationsschutzschicht für einen Kolben zum Einsatz in Brennkraftmaschinen und Kolben mit einer Oxidationsschutzschicht

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Erzeugung einer Oxidationsschutzschicht für mindestens den Bereich des Kolbenbodens eines Stahlkolbens für Brennkraftmaschinen sowie einen Kolben mit einer Oxidationsschutzschicht, gemäß den Merkmalen des jeweiligen Oberbegriffes der unabhängigen Patentansprüche.

Ein geschmiedeter Kolben ist beispielsweise aus der DE 103 1 1 150 A1 bekannt. Dort wird der Kolben aus einem ersten Rohteil mit mindestens einer ebenen Stirnfläche aus oxidationsbeständigem Stahl und einem zweiten zylindrischen Rohteil mit mindestens einer ebenen Stirnfläche aus warmschmiedbarem Stahl beschrieben. Die beiden Rohteile werden durch Schmieden zu einem Kolbenrohling geformt. Der fertige Kolben besteht somit im Bereich des Kolbenkopfs bis zur ersten Kolbenringnut aus dem oxidationsbeständigen Stahl.

Aus dem Stand der Technik ist die Verwendung von oxidationsbeständigen Stählen für den Brennraumbereich von Kolben bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Schutz des Brennraumbereichs von Stahlkolben vor Oxidationsvorgängen zu gewährleisten oder zumindest deutlich zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und einen Kolben mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Oxidationsschutzschicht werden die Vermeidung von Oxidationsprozessen im Motorbetrieb und eine verbesserte Thermoschockbeständigkeit erreicht. Es entsteht ein quasimonolithischer Kolben.

Eine Oxidationsschutzschicht wird beispielsweise durch physikalische Abscheidung der Beschichtungsstoffe aus der Gasphase (Physical Vapour Deposition - PVD) erzeugt. Hierbei werden die Beschichtungsstoffe durch physikalische Verfahren in die Gasphase überführt aus der sie dann später auf dem Substrat abgeschieden werden. Während bei einem Verfahren zur Abscheidung einer Oxidationsschutzschicht auf der Oberfläche eines Kolbens für Brennkraftmaschinen gemäß der PVD-Technik das Beschichtungsmaterial in der Regel in fester Form und gegebenenfalls durch Wärmezufuhr verdampft wird, erfolgt die Zufuhr bei der CVD- Technik in der Gasphase.

Alternativ oder ergänzend kann als Verfahren zur Abscheidung einer Oxidationsschutzschicht auf der Oberfläche eines Kolbens die chemische Dampfphasenabscheidung zum Einsatz kommen (Chemical Vapour Deposition - CVD). Bei diesem Verfahren der Oberflächen-Beschichtungstechnik werden die Beschichtungsstoffe unter zu Hilfenahme von chemischen Verfahren in die Dampfphase überführt, aus der sie dann auf das Substrat abgeschieden werden. Die Beschichtung des Brennraumbereiches als Substrat, kann beispielsweise mit vorheriger verbindungsschichtfreier Gas- oder Plasmanitrierung erzielt werden. Hierbei werden Schichtstärken von 3-20 pm angestrebt, bevorzugt werden Schichtstärken von 5 pm angestrebt. Weiterhin können Schichtwerkstoffe Al-Cr-Ti- Nitride (Aluminium-Chrom-Titan-Nitride) bzw. Karbide die eine hohe Thermoschockbeständigkeit aufweisen zum Einsatz kommen. Durch Abscheidung der Beschichtungsstoffe aus der Gas- bzw. Dampfphase auf die Kolbenoberfläche können homogene definierte Oxidationsschutzschichten erzeugt werden.

Die Abscheidung der Oxidationsschutzschicht auf der Kolbenoberfläche kann alternativ auch mit Hilfe der gepulsten Laserablation (PLD - Pulsed Laser Deposition) erfolgen. Bei diesem Verfahren wird hochenergetisches und kurzwelliges (UV) Licht eingesetzt, um das Ausgangsmaterial (Feststofftarget) in die Gasphase und darüber in Form einer Schicht auf die zu beschichtende Kolbenoberfläche (Substrat) zu bringen. Die Laserablation zählt auch zur Klasse der physikalischen Gasphasen- Beschichtungsverfahren (PVD-Verfahren).

Die Applikation von Oxidationsschutzschichten auf Kolbenoberflächen kann alternativ auch durch das Plasmaimpax ^® -Verfahren erfolgen. Dieses verwendet hochenergetische Teilchen und eine Hochspannungspulstechnik zur 3- dimensionalen Modifizierung u d Beschichtung von Oberflächen. Das Plasmaimpax- Verfahren ermöglicht eine Schichtabscheidung über Plasmaquellen im Vakuum aus der Gasphase. Es handelt sich dabei um eine Hybridtechnik aus Plasmaaktivierter Niedertemperatur-CVD und Ionenimplantation. Um die Oberflächenhärte sowie Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit zu steigern, können mit dieser umweltfreundlichen Technologie lonenimplantationsprozesse sowie ionenunterstützte Beschichtungsprozesse durchgeführt werden. Dabei sind bereits geringere Beschichtungstemperaturen ausreichend um Schichtabscheidung und Oberflächenmodifizierung erfolgreich anzuwenden.

Mit der Plasmaimpax-Technologie lassen sich Schutzschichten auf Basis von diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC - Diamond Like Carbon) aufbringen und andererseits auch Oberflächenmodifizierungen durch Ionenimplantationen zur Steigerung der Oberflächenhärte durchführen. Die diamantähnlichen Kohlenstoffschichten weisen eine hohe chemische Beständigkeit (Korrosionsresistenz) auf.

Die Abscheidung der Oxidationsschutzschicht auf der Kolbenoberfläche kann alternativ auch durch ein Verfahren der Plasma-unterstützten chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD oder PACVD - Plasma Assisted (Enhanced) Physical Vapour Deposition) erfolgen. Beispielsweise kann zur Erzeugung von Kohlenstoff schichten Acetylen (C ₂ H ₂ ) oder von siliziumhaltigen Schichten HMDSO (Hexa-Methyl-Disiloxan) zugeführt werden, das im Plasma gecrackt und damit zur Beschichtung zur Verfügung gestellt wird. Bei der PACVD-Technik sind tiefe Bearbeitungstemperaturen möglich.

Im Sinne dieser Schrift werden die nachfolgend genannten Verfahren zur Erzeugung einer Oxidationsschutzschicht auf der Oberfläche eines Kolbens für Brennkraftmaschinen unter physikalische Verfahren zur Abscheidung der Beschichtungsstoffe aus der Gasphase (Physical Vapour Deposition - PVD) zusammengefasst, die klassische PVD sowie die gepulste Laserablation (PLD - Pulsed Laser Deposition). Im Sinne dieser Schrift werden die nachfolgend genannten Verfahren zur Erzeugung einer Oxidationsschutzschicht auf der Oberfläche eines Kolbens für Brennkraftmaschinen unter Verfahren zur chemischen Dampfphasenabscheidung (Chemical Vapour Deposition - CVD) zusammengefasst Plasmaimpax ^® - Verfahren und Plasma-unterstützte chemische Gasphasenabscheidung.

Alternativ oder ergänzend kommen zur Ausbildung einer Oxidationsschutzschicht galvanische Beschichtungen mit Nickel, Nickelbasislegierungen, Chrom, Chrombasislegierungen, zunderbeständigen Fe-Basislegierungen (Eisen- Basislegierungen) oder Wolfram- und Molybdän-Legierungen zum Einsatz. Bei der galvanischen Beschichtung werden Schichtstärken von 5-100 μιη abgeschieden, bevorzugt werden 5 - 20 μιτι auf dem Substrat abgeschieden.

Unter Verfahren der Galvanotechnik zur Erzeugung einer Oxidationsschutzschicht auf der Oberfläche eines Kolbens für Brenn kraftmaschinen wird die elektrochemische Abscheidung von metallischen Niederschlägen (Überzügen) auf Substrate (Gegenstände), es bildet sich eine galvanische Beschichtung auf dem Kolben bzw. der Kolbenoberfläche aus. Die Verfahren der Galvanotechnik gehören zu den Verfahren der Elektrochemischen Metallabscheidung (ECD - Electrochemical Deposition). Die ECD-Verfahren dienen alternativ zur Erzeugung einer Oxidationsschutzschicht auf der Oberfläche eines Kolbens für Brennkraftmaschinen. Durch elektrochemische Metallabscheidung können prozesssicher Metallschichten auf der Kolbenoberfläche als Oxidationsschutzschicht erzeugt werden. Galvanische Verfahren eignen sich zur Ausbildung von Oxidationsschutzschichten, aufgrund relativ geringem apparativen Aufwand.

Alternativ oder ergänzend können Plattierverfahren als Verfahren zur Erzeugung einer Oxidationsschutzschicht auf der Oberfläche eines Kolbens für Brennkraftmaschinen zur Anwendung kommen. Beim Plattieren werden durch plastisches Verformen unter Druck mindestens zwei Werkstoffe verbunden. Mindestens ein Werkstoff bildet die Oxidationsschutzschicht auf der Kolbenoberfläche aus. Alternativ oder ergänzend wird eine Oxidationsschutzschicht durch Auftrag einer Schicht durch thermisches Spritzen (Plasma-, HVOF-, Flammspritz-Prozesse), die nach Bedarf (Haftung, Gasdichtigkeit) mittels Elektronenstrahl, WIG -Verfahren etc. verdichtet und metallurgisch gebunden wird (Werkstoffgruppen ähnlich der galvanischen Beschichtung) auf dem Substrat ausgebildet. Stähle mit hohen Chrom-, Silizium- und Aluminiumgehalten (Cr-, Si- und AI-Gehalten) bilden sehr dichte Oxidschichten aus, die den Werkstoff vor weiterer Oxidation schützen.

Verfahren zum thermischen Spritzen können alternativ zur Erzeugung einer Oxidationsschutzschicht auf der Oberfläche eines Kolbens für Brennkraftmaschinen eingesetzt werden.

Thermisches Spritzen ist ein universell einsetzbares

Oberflächenbeschichtungsverfahren, bei dem ein meist pulver- oder drahtformiger Beschichtungswerkstoff mit hoher thermischer und/oder kinetischer Energie auf eine Bauteiloberfläche aufgeschleudert wird und dort eine Schicht ausbildet. Mit einer Vielzahl von zur Verfügung stehenden Prozessvarianten kann ein breites Spektrum an Werkstoffen wie Metalle und Keramiken, aber auch Hochleistungspolymere zu technischen Beschichtungen verarbeitet werden. Die Schichtdicken reichen von ca. 30 m bis zu mehreren Millimetern.

Thermisches Spritzen umfasst die nachfolgenden Verfahren zur Erzeugung einer Oxidationsschutzschicht auf der Oberfläche eines Kolbens für Brennkraftmaschinen Draht- oder Stabflammspritzen, Pulverflammspritzen, Kunststoff-Flammspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF - High Velocity Oxygen Fuel), Detonationsspritzen oder Flammschockspritzen, Plasmaspritzen, Laserspritzen, Lichtbogenspritzen, Kaltgasspritzen und Plasmaauftragsschweißen (PTA - Plasma Transfer Are).

Verfahren zum Thermischen Spritzen können mit verschiedensten Beschichtungsmaterialien eingesetzt werden, sodass kurzfristig die Oxidationsschutzschicht auf dem Kolbenboden variiert werden kann, entsprechend den jeweiligen Anforderungen. Beim Draht- oder Stabflammspritzen wird der Spritzzusatzwerkstoff im Zentrum einer Acetylen-Sauerstoff-Flamme kontinuierlich aufgeschmolzen. Mit Hilfe eines Zerstäubergases, beispielsweise Druckluft oder Stickstoff, werden aus dem Schmelzbereich die tröpfchenförmigen Spritzpartikel abgelöst und auf die vorbereitete Kolbenoberfläche geschleudert.

Beim Pulverflammspritzen wird der pulverförmige Spritzzusatz in einer Acetylen- Sauerstoff-Flamme an- oder aufgeschmolzen und mit Hilfe der expandierenden Verbrennungsgase auf die vorbereitete Kolbenoberfläche geschleudert.

Falls erforderlich, kann zur Beschleunigung der Pulverteilchen auch noch ein zusätzliches Gas beispielsweise Argon oder Stickstoff verwendet werden. Die Vielfalt der Spritzzusatzwerkstoffe ist bei den Pulvern mit weit über 100 Materialien sehr weit gefächert.

Bei den Pulvern werden selbstfließende und selbsthaftende Pulver unterschieden. Selbstfließenden Pulver benötigen meist zusätzlich eine thermische Nachbehandlung. Dieses "Einschmelzen" erfolgt überwiegend mit Acetylen- Sauerstoff-Brennern. Sofern eine thermische Nachbehandlung erfolgt, handelt sich um ein mehrstufiges Verfahren zur Verfahren zur Erzeugung einer Oxidationsschutzschicht auf der Oberfläche eines Kolbens für Brennkraftmaschinen.

Durch den thermischen Prozess wird die Haftung der Spritzschicht auf dem Grundwerkstoff erheblich gesteigert, die Spritzschicht wird gas- und flüssigkeitsdicht.

Das Kunststoff-Flammspritzen unterscheidet sich von den anderen Flammspritzverfahren dadurch, dass der Kunststoffzusatz nicht direkt mit der Acetylen-Sauerstoff-Flamme in Berührung kommt. In der Mitte der Flammspritzpistole ist eine Pulver-Förderdüse. Umschlossen wird diese durch zwei ringförmige Düsenaustritte, wobei der innere Ring für Luft oder ein inertes Gas und der äußere Ring für den thermischen Energieträger, der Acetylen-Sauerstoff- Flamme, ist. Der Aufschmelzprozess des Kunststoffs erfolgt somit nicht direkt durch die Flamme, sondern durch die erhitzte Luft und Strahlungswärme.

Durch Flammspritzen bzw. Pulverflammspritzen können beispielsweise Metallpulver, Metallpulverlegierungen, Keramische Pulver und Kunststoffpulver verarbeitet werden.

Die NiCrBSi-Beschichtung (Nickel-Chrom-Bor-Silizium-Beschichtung) ist eine durch Flammspritzen aufgebrachten Oberflächenveredelung zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit der Kolbenoberfläche. Eine Beschichtung aus NiCrBSi- Legierung ist sehr korrosionsbeständig.

Der Nickel-Anteil in den Beschichtungen beträgt zwischen 40-90 %. Der Chrom- Anteil in der Beschichtung beträgt zwischen 3-26 % und verleiht den Schichten ihre Härte.

Die NiCrBSi-Beschichtung wird beispielsweise durch Pulverflammspritzen mit nachträglichem Einschmelzen/Einsintern aufgebracht.

Als Grundwerkstoffe werden Stahl und Edelstähle bearbeitet. Die Bauteile werden beispielsweise spannungsarmgeglüht, grob gestrahlt und unmittelbar im Anschluss beschichtet um eine Unterkorrosion zu vermeiden.

Das NiCrBSi-Pulver wird mit einer Flammspritzpistole aufgespritzt und dann mit autogenem Handbrenner, induktiv oder in einem Vakuumofen bei ca. 1000 C eingeschmolzen.

Als "nasser Schein" ist die NiCrBSi-Beschichtung beim Einschmelzprozess sichtbar. Dieser "nasse Schein" ist im Zustand bei ca. 1000 °C sehr plastisch und wird daher so ausgeführt, dass die Schmelze nicht vom Bauteil herunterläuft oder tropft und somit die NiCrBSi-Beschichtung fehlerhaft würde.

Diese Hochbeschichtungstechnoiogie der NiCrBSi-Beschichtung ist als einzige der thermisch gespritzten Spritzschichten ohne zusätzliche Versiegelungstechniken gasdicht und ist auch am besten gegen Stoßbelastung aufgrund von Eindiffundierung in das Grundmaterial aller Flammspritzbeschichtungen geeignet.

Mit dem Zusatz WC/Ni wird die Hartmetall-Beschichtung (NiCrBSi-Beschichtung) deutlich korrosionsbeständiger, wobei WC/Co eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweist.

Auch PTFE oder Graphit kann der Legierung zugemischt werden. Dadurch erreicht diese Hartmetallbeschichtung verbesserte Antihaft- und Gleiteigenschaften.

Beim Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF) erfolgt eine kontinuierliche Gasverbrennung mit hohen Drücken innerhalb einer Brennkammer, in deren zentraler Achse der pulverförmige Spritzzusatz zugeführt wird. Der in der Brennkammer erzeugte hohe Druck des Brenngas-Sauerstoff-Gemisches und der meist nachgeordneten Expansionsdüse erzeugen die gewünschte hohe Strömungsgeschwindigkeit im Gasstrahl. Dadurch werden die Spritzpartikel auf die hohen Partikelgeschwindigkeiten beschleunigt, die zu enorm dichten Spritzschichten mit ausgezeichneten Hafteigenschaften führen. Durch die ausreichende, aber moderate Temperatureinbringung wird durch den Spritzprozess der Spritzzusatzwerkstoff nur gering metallurgisch verändert, z.B. minimale Bildung von Mischkarbiden. Bei diesem Verfahren können extrem dünne Schichten mit hoher Maßgenauigkeit erzeugt werden.

Als Brenngase können Propan, Propen, Ethylen, Acetylen und Wasserstoff verwendet werden.

Karbidische Werkstoffe können beispielsweise mit dem Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) als Verfahren zur Erzeugung einer Oxidationsschutzschicht auf die Oberfläche eines Kolbens für Brennkraftmaschinen aufgebracht werden. Die sich auf der Kolbenoberfläche ausbildenden Schichten sind sehr dicht. Durch die hohe Härte der Karbidschichten stellen sie einen exzellenten Verschleiß- und Oxidationsschutz für den Kolben dar. Zum Einsatz kommen beispielsweise folgende Werkstoffe Chromkarbide (Cr ₃ C ₂ , Cr ₃ C ₂ /NiCr) oder Wolframkarbide (WC/Co, WC/Ni, WC/Co/Cr). Detonationsspritzen oder Flammschockspritzen ist ein intermittierendes Spritzverfahren. Die sogenannte Detonationskanone besteht aus einem Austrittsrohr, an dessen Ende sich eine Brennkammer befindet. In dieser wird das zugeführte Acetylen-Sauerstoff-Spritzpulvergemisch durch einen Zündfunken zur Detonation gebracht. Die im Rohr entstehende Schockwelle beschleunigt die Spritzteilchen. Diese werden in der Flammenfront aufgeheizt und schleudern mit hoher Partikelgeschwindigkeit in einem gerichteten Strahl auf eine vorbereitete Kolbenoberfläche. Nach jeder Detonation erfolgt ein Reinigungsspülen der Brennkammer und des Rohres mit Stickstoff.

Beim Plasmaspritzen wird der pulverförmige Spritzzusatz in oder außerhalb der Spritzpistole durch einen Plasmastrahl geschmolzen und auf die Kolbenoberfläche geschleudert. Das Plasma wird durch einen Lichtbogen erzeugt, der gebündelt in Argon, Helium, Stickstoff, Wasserstoff oder in der Mischung dieser Gase brennt. Die Gase werden dabei dissoziiert und ionisiert, sie erreichen hohe Ausströmgeschwindigkeiten und geben bei der Rekombination ihre Wärmeenergie an die Spritzpartikel ab. Dabei entsteht eine Plasmaflamme mit einer Temperatur bis zu 20000 °C. Der Lichtbogen wird zwischen der Elektrode und der Düse erzeugt. Durch die hohen Temperaturen können insbesondere auch keramische Materialien verarbeitet werden.

Der Lichtbogen ist nicht übertragend, das heißt er brennt innerhalb der Spritzpistole zwischen einer zentrisch angeordneten Elektrode (Kathode) und der die Anode bildenden wassergekühlten Spritzdüse. Das Verfahren wird in normaler Atmosphäre (APS - Atmosphärischem Plasmaspritzen), im Schutzgasstrom, das heißt in inerter Atmosphäre beispielsweise Argon, im Vakuum und unter Wasser angewendet. Durch einen speziell geformten Düsenaufsatz lässt sich auch ein Hochgeschwindigkeitsplasma erzeugen.

Keramikbeschichtungen werden vorwiegend mit Hilfe von atmosphärischem Plasmaspritzen (APS) auf die Kolbenoberfläche appliziert. Eingesetzt werden Spritzwerkstoffe zur Beschichtung von Kolbenoberflächen beispielsweise auf der Basis von Aluminiumoxid (Al ₂ 0 ₃ ), Chromoxid (Cr ₂ 0 ₃ ), Titanoxid (Ti0 ₂ ) und Zirkonoxid (Zr0 ₂ ).

Beim Laserspritzverfahren wird ein pulverförmiger Spritzzusatz über eine geeignete Pulverdüse in den Laserstrahl eingebracht. Mit Hilfe der Laserstrahlung werden sowohl das Pulver wie auch ein minimaler Teil der Kolbenoberfläche (Mikro-Bereich) aufgeschmolzen und der zugeführte Spritzzusatz metallurgisch mit dem Grundwerkstoff, der Kolbenoberfläche verbunden. Zum Schutz des Schmelzbades dient ein Schutzgas.

Beim Lichtbogenspritzverfahren werden zwei drahtförmige Spritzzusätze gleicher oder unterschiedlicher Art in einem Lichtbogen abgeschmolzen und mittels Zerstäubergas, beispielsweise Druckluft, auf die vorbereitete Kolbenoberfläche geschleudert. Das Lichtbogenspritzen ist ein leistungsstarkes Drahtspritzverfahren, bei dem aber nur elektrisch leitende Materialien verspritzt werden können.

Bei der Verwendung von Stickstoff oder Argon als Zerstäubergas wird eine Oxidation der Materialien weitgehend unterbunden.

Metallische Werkstoffe werden beispielsweise durch Lichtbogenspritzen auf die Kolbenoberfläche appliziert. Die denkbare Werkstoffpalette umfasst die meisten Metalle und sehr viele Mischungen, beispielsweise Aluminium, Kupfer (Cu/Al, Cu/Al/Fe), Nickel (Ni/Al, Ni/Cr), Molybdän und Zink (Zn/Al).

Das Kaltgasspritzverfahren ähnelt dem Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen. Die kinetische Energie, das heißt die Partikelgeschwindigkeit, wird hier erhöht und die thermische Energie verringert. Somit ist es möglich, fast oxidfreie Spritzschichten zu erzeugen. Dieses Verfahren ist unter dem Namen CGDM (Cold Gas Dynamic Spray Method) bekannt geworden.

Die Oxidationsschutzschicht kann auch durch das Metallbeschichtungssystem Cold Metal Spray bzw. Cold Spray System auf die Kolbenoberfläche aufgebracht werden. Der Spritzzusatzwerkstoff wird mit Hilfe eines auf ca. 600 °C erhitzten Gasstrahls mit entsprechendem Druck auf Partikelgeschwindigkeiten > 1 .000 m/s beschleunigt und als kontinuierlicher Spritzstrahl auf die zu beschichtende Kolbenoberfläche gebracht.

Untersuchungen haben gezeigt, dass mit diesem Verfahren erzeugte Schichten extreme Haftzugfestigkeiten aufweisen und außerordentlich dicht sind. Während bei den bisher üblichen Verfahren des Thermischen Spritzens das Pulver im Spritzprozess bis über seine Schmelztemperatur erwärmt werden muss, wird es beim Kaltgasspritzen nur auf wenige hundert Grad erwärmt. Die Oxidation des Spritzwerkstoffs und der Oxidgehalt der aufgespritzten Schicht sind damit erheblich geringer. Beschichtete Substrate zeigen keine Materialveränderungen durch die Wärmeeinwirkung.

Plasmaauftragsschweißen (PTA) mit Pulver unter übertragenem Lichtbogen. Beim PTA-Verfahren wird die Kolbenoberfläche angeschmolzen. Ein Plasmalichtbogen mit hoher Dichte dient als Wärmequelle und Metallpulver wird als Auftragsmaterial verwendet. Der Lichtbogen bildet sich zwischen einer Dauerelektrode und dem Werkstück. Im übertragenen Lichtbogen wird in einem Plasmagas beispielsweise Argon, Helium oder Argon-Helium-Gemische, zwischen der zentralen Wolframelektrode (-) und dem wassergekühlten Anodenblock das Plasma erzeugt. Das Pulver wird mittels eines Trägergases zum Brenner gebracht, im Plasmastrahl erhitzt und auf die Kolbenoberfläche aufgetragen. Hier schmilzt es vollständig im Schmelzbad auf dem Substrat.

Das ganze Verfahren findet in der Atmosphäre eines Schutzgases beispielsweise Argon oder Argon-Wasserstoff-Gemisch statt.

Das PTA-Verfahren ermöglicht eine niedrige Vermischung (5-10 %), eine kleine Wärmeeinflusszone, eine große Auftragsrate (bis zu 20 kg/h), eine echte metallurgische Haftung zwischen dem Substrat und der Schicht - somit völlig dichte Schichten - sowie die Flexibilität der Legierungselemente.

Die vorrangig verwendeten Auftragsschweißpulver können als Nickelbasis-, Kobaltbasis- und Eisenbasislegierungen klassifiziert werden. Alternativ oder ergänzend wird eine Oxidationsschutzschicht durch Laserauftragsschweißen auf der Kolbenoberfläche, dem Substrat ausgebildet. Der aufzutragende Werkstoff wird dabei als Pulver, Draht oder Band dem Prozess zugeführt. Die Oberfläche des zu beschichteten Werkstoffes wird dabei angeschmolzen. Es kann nahezu jeder Werkstoff aufgetragen werden, Beispiele sind selbstfließende Legierungen (NiCrBSi), Nickelbasislegierungen wie z.B. NiWC (Nickel-Wolframcarbid) oder Deloro Steinte ^® . Mit seinen Bestandteilen Kobalt, Chrom, Molybdän, Wolfram und Nickel ist Steinte ^® äußerst korrosions-, verschleiß- und hitzebeständig. Ein größerer gelöster Chromanteil in der Legierung erhöht zudem die Korrosionsbeständigkeit und damit auch die Oxidationsbeständigkeit der Kolbenoberfläche. Dabei werden Schichtdicken zwischen 20 und 300 pm aufgetragen. Die Schichten müssen meist nicht nachgearbeitet werden. Eine Substratvorbehandlung beispielsweise durch abrasive Strahlverfahren wie Korundstrahlen ist nicht nötig.

Laserauftragschweißen mit Schweißzusatzwerkstoffen in Pulver- und Drahtform wird auch als Direct Metal Deposition (DMD) oder Laser Metal Deposition (LMD) bezeichnet.

Alternativ oder ergänzend wird die Oxidationsschutzschicht durch Kaltgasspritzen auf dem Substrat erzeugt, bei diesem Prozess wird das zu verspritzende Material in Pulverform zugeführt. Die Schichten sind sehr dicht und die Partikel werden bei dem Beschichten kaum oxidiert. Es kann nahezu jeder Werkstoff aufgetragen werden wie z.B. Titan und Titanlegierungen aber auch Nickelbasislegierungen, c-BN (kubisches Bornitrid, ß-Bornitrid) mit NiCrAI (Nickel-Chrom-Aluminium), NiCr (Nickel-Chrom), NiAl (Nickel-Aluminium), CuAI (Aluminiumbronze) oder MCrAIY Pulver. Typische Schichtdicken liegen im Bereich von 20 - 300 pm. Bei der Beschichtung wird das Bauteil kaum erwärmt. CBN ist nach Diamant das zweithärteste bekannte Material. Im Gegensatz zum Diamanten gibt CBN unter Temperatureinwirkung keinen Kohlenstoff an Stahl ab, daher eignet es sich besonders zur Oberflächenbeschichtung von Stahlkolben. Superlegierungen vom Typ MCrAIY (Metall Chrom Aluminium Yttrium; M = Metall beispielsweise Nickel (Ni) oder Cobalt (Co)) sind Hochtemperaturlegierungen die durch selektive Oxidation Aluminium- Oxidschichten ausbilden und somit einen Oxidationsschutz auf der Kolbenoberfläche ausbilden. Nickel Cobalt Chrom Aluminium Yttrium (NiCoCrAIY) oder Cobalt Nickel Chrom Aluminium Yttrium (CoNiCrAIY) Werkstoffe bieten eine gute Beständigkeit gegen Oxidation.

Ferner wird der Auftrag einer Schicht, insbesondere einer Oxidationsschutzschicht in einer weiteren Ausgestaltung durch thermisches Spritzen (Plasma-, HVOF-, Lichtbogen, Flammspritz-Prozesse) erfolgen. Hierbei wird das Beschichtungsmaterial als Pulver, Drähte, Suspensionen oder Stäbe zugeführt. Der Beschichtungsaufbau kann als einlagige Schicht bezogen auf den Beschichtungsstoff (Monolayerschicht) erfolgen. Der Einsatz von verschieden Beschichtungen bzw. die Kombination verschiedener Beschichtungsstoffe wie z.B. einem Haftvermittler (z.B. NiCr, NiAl), der gleichzeitig auch einen Heißgaskorrosionsschutz darstellt (MCrAIY), und eine TBC (Thermal Barrier Coatings) beispielsweise mit Yttrium stabilisiertes Zirkonoxid (Y-ZrO) kann zu einem mehrlagigen Beschichtungsaufbau führen.

Wärmedämmschichten (TBC) setzen die Wärmeübertragung herab und isolieren das Substrat. Die auf Kolbenoberflächen abgeschiedenen Schichtsysteme bestehen bevorzugt aus zwei Komponenten. Einer Verbindungsschicht die als Oxidationsschranke fungiert und aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise MCrAIY besteht. Sowie einer Deckschicht aus einem keramischen Werkstoff, beispielsweise mit Yttrium stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ).

Je nach Beschichtungsverfahren können auch Ni-Basislegierungen oder MoSi ₂ /SnAI (Molybdän Siliziumdioxid / Zink Aluminium) aufgebracht werden. Die Schichten können nach Bedarf (Haftung, Gasdichtigkeit) mittels Elektronenstrahl, WIG- Verfahren, Diffusionsglühen, Induktionsglühen, Laser etc. verdichtet und metallurgisch gebunden werden (Werkstoffgruppen ähnlich der galvanischen Beschichtung). Stähle mit hohen Cr-, Si- und AI-Gehalten (Chrom-, Silizium- und Aluminium-Gehalten) bilden sehr dichte Oxidschichten aus, die den Werkstoff vor weiterer Oxidation schützen. Die typischen Schichtdicken liegen hier im Bereich von 20 - 300 pm. Das W IG -Verfahren (Wolfram-Inertgasschweißen) ist ein

Schutzgasschweißverfahren, als Schutzgas werden inerte Schutzgase verwendet. Während des Schweißvorgangs brennt ein Lichtbogen zwischen dem Werkstück und einer nichtabschmelzenden Wolframelektrode, der den Grundwerkstoff und den Zusatzwerkstoff aufschmilzt.

Schweißverfahren sind mit einem überschaubaren apparativen Aufwand realisierbar, um Oxidationsschutzschichten auf Kolbenböden aufzubringen, so eignen sich beispielsweise Laserauftragsschweißverfahren oder Wolfram-

Inertgasschweißverfahren zur Erzeugung von Oxidationsschutzschichten aufgrund des geringen apparativen Aufwands.

Das Diffusionsglühen dient um Konzentrationsunterschiede beispielsweise Kristallseigerungen bzw. Gefügeheterogenitäten im Kolben bzw. der Kolbenoberfläche zu beseitigen oder verringern. Basierend auf dem Prinzip, dass hohe Temperaturen die Diffusion begünstigen. Das Glühen erfolgt bei Temperaturen zwischen 1000 °C und 1200 °C. Durch die Homogenisierung der Kolbenoberfläche wird ihre Oxidationsbeständigkeit gesteigert.

Induktionsglühen bzw. Induktionshärten bringt vor allem kompliziert geformte Werkstücke, beispielsweise Kolben oder Kolbenoberflächen lediglich in bestimmten Bereichen auf erforderliche Härtetemperatur (partielles Härten), um sie anschließend abzuschrecken.

Glühverfahren tragen insbesondere zur Homogenisierung der Oxidationsschutzschicht bei und sind daher mit anderen in dieser Schrift genannten Verfahren kombinierbar, so eignen sich beispielsweise Diffusionsglüh- oder Induktionsglühverfahren besonders zur Homogenisierung der Oxidationsschutzschicht und sind daher einzeln einsetzbar jedoch auch in Kombination mit anderen Verfahren zur Erzeugung einer Oxidationsschutzschicht anwendbar.

Ebenso besteht die Möglichkeit die Schichten nach dem Spritzen zu imprägnieren bzw. zu versiegeln. Dabei wird ein Siegler aufgebacht, welcher dann in die Hohlräume in der Spritzschicht eindringt und schließt und somit eine Spaltkorrosion bzw. Unterkorrosion verhindert.

Alternativ oder ergänzend ist zur Ausbildung einer Oxidationsschutzschicht die Verwendung von Überzügen aus Aluminium oder Aluminium-Legierungen, vorzugsweise mit den Legierungselementen Silizium (z.B. AISi-12), Kupfer und/oder Magnesium, vorgesehen, welche durch Bildung von Eisen-Aluminiden und/oder stabilen Eisen-Aluminium-Mischoxiden (vorzugsweise vom Spinell-Typ, z.B. Hercynit FeO Al ₂ 0 bzw. FeAI ₂ ⁿ 4 oder Pleonast MgAI ₂ 0 ₄ ) oxidationsbeständige Schutzschichten mit Schichtdicken von 5 bis 200 pm ausbilden. Der Auftrag des Aluminiums (bzw. der Aluminium-Legierung) auf den Kolbenboden kann nach einem der oben beschriebenen Verfahren, durch ein Tauchbad (Alfinbad) oder durch das Aufbringen eines Aluminium-haltigen Lackes oder einer Suspension erfolgen. Je nach Auftragsverfahren kann unter Umständen durch ein anschließendes, gezieltes, kurzzeitiges Erwärmen des Kolbenbodens - vorzugsweise auf Temperaturen größer 660 °C (AI-Schmelzpunkt) - eine verbesserte Schichtausbildung und -haftung erzielt werden. Dieses Erwärmen kann z.B. durch Laserbehandlung, induktives Heizen, durch einen Gasbrenner oder ähnliches erfolgen, wobei der Zutritt von Sauerstoff oder im einfachsten Fall auch von Luftsauerstoff die Bildung der schützenden, stabilen Mischoxide unterstützt.

In besonders vorteilhafter Weise wird die Oxidationsschutzschicht durch Überzüge aus insbesondere reinem Aluminium oder aus Aluminium-Legierungen erzeugt wird. Eine solche Legierung kann zum Beispiel Eisen-Aluminide und/oder stabile Eisen- Aluminium-Mischoxide (vorzugsweise vom Spinell-Typ) ausbilden. Der Auftrag des Aluminiums oder der Aluminium-Legierung auf den Kolbenboden kann nach einem der oben beschriebenen Verfahren oder durch ein Tauchbad (Alfinbad) oder durch das Aufbringen eines Aluminium-haltigen Lackes oder einer Suspension erfolgen.

Das alternativ zur Ausbildung einer Oxidationsschutzschicht auf der Oberfläche eines Kolbens für Brennkraftmaschinen vorgesehene Alfin-Verfahren ist ein Verbund- Gussverfahren zur metallischen Verbindung von Stahl oder Gusseisen mit Aluminium oder Aluminiumlegierungen. Dieses Al-Fin-Verfahren dient zum Verbundguss von Aluminium (AI) und Legierungen mit Stahl oder Gusseisen. Die zu verbindenden Kolbenbauteile werden zunächst gereinigt, in einer Salzschmelze vorgewärmt und in flüssiges Aluminium (830 bis 880 °C) getaucht. Die dabei gebildete intermetallische Eisenaluminium-Schicht ist fest mit dem Grundwerkstoff verbunden und erleichtert Legierungsbildung und Haftung beim anschließenden Umgießen mit Aluminium- Werkstoffen als Oxidationsschutzschicht. Das Al-Fin-Verfahren ermöglicht eine besonders gute Verbindung zwischen Eisen- und Aluminiumlegierungen.

Die Überzüge aus Aluminium oder aus zumindest einer Aluminium-Legierung werden zumindest auf dem Kolbenboden des Kolbens durch ein zuvor beschriebenes Verfahren, durch ein Tauchbad (Alfinbad), durch das Aufbringen eines Aluminium- haltigen Lackes und/oder einer Suspension erzeugt.

Die Erzeugung einer metallischen Bindung zwischen Substrat und abgeschiedener Schicht kann durch eine zusätzliche thermische Beaufschlagung in einem zweiten Verfahrensschritt beispielsweise mit Hilfe von Laser, WIG, Elektronenstrahl oder induktiv erfolgen.

Bei der Erzeugung einer Oxidationsschutzschicht auf der Oberfläche eines Kolbens kann ein Verfahrensschritt zur Vorbereitung der Oberfläche vorgelagert sein. Die Vorbereitung der Kolbenoberfläche kann durch Reinigung und/oder Vorbehandlung erfolgen. Bei der Reinigung werden Verunreinigungen ohne Beeinflussung des S u b stratwe rkstoff es von der Kolbenoberfläche entfernt. Die Vorbehandlung hingegen dient die Effizienz der Verfahren zur Erzeugung einer Oxidationsschutzschicht auf der Kolbenoberfläche zu optimieren. Zur Vorbehandlung können Verfahren zum Einsatz kommen, die die entsprechende Kolbenoberfläche so behandeln, dass sich ihre Oberflächeneigenschaften beispielsweise hinsichtlich der Haftung der Oxidationsschutzschicht verbessern. Eine materialverändernde Vorbehandlung wird auch als Aktivierung bezeichnet. Beispielsweise wird hierzu die Kolbenoberfläche aufgeraut, um die Oberflächenvergrößerung bzw. die entstehenden Hinterschneidungen eine Mikroverklammerung der Oxidationsschutzschicht zu ermöglichen und die mechanische Adhäsion zu erhöhen. Weiterhin kann die Oberflächenenergie erhöht werden, dies wird auch als Steigerung der spezifischen Adhäsion bezeichnet. Die Vorbereitung der Kolbenoberfläche kann durch abrasive mechanische Verfahren wie Schleifen, Bürsten oder Strahlverfahren erfolgen. Bei diesen Verfahren kann auch ein Teil der Kolbenoberfläche abgetragen werden. Zumindest dieser abgetragene Teil der zu beschichtenden Kolbenoberfläche kann durch die nach einem in dieser Schrift genannten Verfahren zu erzeugende Oxidationsschutzschicht wieder aufgebaut werden.

Die Vorbereitung der Kolbenoberfläche kann auch durch chemische Vorbehandlungsverfahren wie beispielsweise Ätzen oder Beizen erfolgen.

Weiterhin kann die Vorbereitung der Kolbenoberfläche auch durch physikalische Verfahren wie beispielsweise Abflammen, Plasma-, Corona-, oder Laservorbehandlungsverfahren erfolgen.

Bei der Vorbereitung der Kolbenoberfläche zur Anwendung mindestens eines in dieser Schrift genannten Verfahren zur Erzeugung einer Oxidationsschutzschicht durch Reinigung müssen beispielsweise Verunreinigungen aus den vorherigen Produktionsschritten (beispielsweise Umform verfahren) wie Kühl- und/oder Schmierstoffe (KSS), Korrosionsschutzöle, Flussmittel, Zunder, Graphit, Metallseifen, Sulfonate, Mineralöle, anorganische Seifen, Metalloxide, Metallsalze, Staub und/oder Späne entfernt werden.

Die Erzeugung einer Oxidationsschutzschicht nach einem der in dieser Schrift genannten Verfahren kann auf einem Kolbenrohling, einem Bereich des Kolbens oder auf der gesamten Oberfläche des Kolbens für eine Brennkraftmaschine erfolgen. Bevorzugt weist mindestens der Kolbenboden eine Oxidationsschutzschicht auf.

Alle in dieser Schrift genannten Verfahren zur Erzeugung einer Oxidationsschutzschicht auf der Oberfläche eines Kolbens für Brennkraftmaschinen können einzeln oder in nahezu beliebiger Kombination zur Erzeugung einer Oxidationsschutzschicht auf der Oberfläche eines Kolbens für Brennkraftmaschinen zum Einsatz kommen. Durch die Kombination von Verfahren zur Erzeugung einer Oxidationsschutzschicht auf der Oberfläche eines Kolbens für Brennkraftmaschinen können Mehrschichtsysteme auf der Oberfläche eines Kolbens abgeschieden bzw. aufgebaut werden.

Durch die Ausbildung der Oxidationsschutzschicht als Mehrschichtsystem auf der Kolbenoberfläche kann den Anforderungen an die Oxidationsschutzschicht Rechnung getragen werden.

Bei der Ausführung der Oxidationsschutzschicht auf der Kolbenoberfläche als Mehrschichtsystem können günstige Materialien als Basis für den Kolben zu Einsatz kommen.

Bei der Gestaltung der Oxidationsschutzschicht als Mehrschichtsystem werden mindestens zwei Schichten auf die Kolbenoberfläche aufgebracht. Diese mindestens zwei Schichten können chemisch und physikalisch die gleichen Eigenschaften aufweisen, sie können jedoch auch chemisch und/oder physikalisch voneinander abweichende Eigenschaften aufweisen.

Die Verfahren zur Erzeugung einer Oxidationsschutzschicht sind einzeln oder in nahezu beliebiger Kombination einsetzbar. Bei der Kombination von Verfahren können mehrlagige Oxidationsschutzschichten entstehen. Diese mehrlagigen Oxidationsschutzschichten können aus identischen Substanzen oder unterschiedlichen Substanzen bestehen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass bei einem Kolben, insbesondere Stahlkolben für eine Brennkraftmaschine, aufweisend einen Kolbenboden der Teil eines Brennraumes ist, mindestens der Kolbenboden eine Oxidationsschutzschicht aufweist.

Durch das Aufbringen einer Oxidationsschutzschicht auf den Kolbenboden wird der Oxidative Angriff auf das Kolbenmaterial im Bereich der Verbrennungsmulde verringert oder sogar vermieden. Es ist somit möglich den Kolben aus anderen Materialien zu fertigen. Durch eine andere Materialwahl können die Kosten gesenkt werden. Die zuvor genannten Beschichtungsstoffe und -Stoffklassen können entsprechend den Anforderungen an die Oxidationsschutzschicht ausgewählt werden. Auch sind Kombinationen aus den verschiedenen Besch ichtungsstoffen und -stoffklassen möglich um eine geeignete Oxidationsschutzschicht auf der Oberfläche des Kolbenbodens auszubilden.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgend beschriebenen Figur weiter verdeutlicht.

Figur 1 zeigt einen Stahlkolben, der eine erfindungsgemäße Beschichtung in

Form einer Oxidationsschutzschicht aufweist.

In der nachfolgenden Figurenbeschreibung beziehen sich Begriffe wie oben, unten, links, rechts, vorne, hinten usw. ausschließlich auf die in der Figur gewählte beispielhafte Darstellung und Position der Einrichtung und anderer Elemente. Diese Begriffe sind nicht einschränkend zu verstehen, das heißt durch verschiedene Positionen und/oder spiegelsymmetrische Auslegung oder dergleichen können sich diese Bezüge ändern.

In der Figur 1 ist ein aus Stahl gefertigter Kolben 1 gezeigt. Der Kolben 1 weist einen Kolbenboden 2 auf, welcher Teil eines Brennraumes 3 ist. Weiterhin verfügt der Kolben 1 über einen Feuersteg 4 und ein Ringfeld 5. An das Ringfeld 5 schließt sich nach unten ein Schaft 7 mit einer Nabe 6 an. Der Kolben 1 ist im Bereich des Kolbenbodens 2 mit einer erfindungsgemäßen Oxidationsschutzschicht versehen.

Der Einsatz der erfindungsgemäßen Oxidationsschutzschicht ist nicht auf die hier beispielhaft dargestellte Bauform eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine beschränk, vielmehr können jegliche Kolbenböden mit einer erfindungsgemäßen Oxidationsschutzschicht versehen werden. Bezugszeichenliste

1 Kolben

2 Kolbenboden

3 Brennraum

4 Feuersteg

5 Ringfeld

6 Nabe

7 Schaft