Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betri f ft eine Beschichtung für einen Motorkolben aus Stahl oder einer anderen eisenbasierten Legierung, die die Oxidation und ggf . die Korrosion des Kolbens verringert oder verhindert .

Stand der Technik

Stahlkolben werden im Motor aufgrund ihrer geringeren Wärmeleitfähigkeit viel heißer als Aluminiumkolben . Dies hat zur Folge , dass an der Stahloberfläche verschiedene Reaktionen ausgelöst werden . So wird z . B . am Rand der Verbrennungsmulde im Kolbenboden eine Oxidschicht gebildet , die sich ablösen kann und dabei zu einer Verringerung der Materialschichtdicke an dieser Stelle führt . Im schlimmsten Fall bekommt der Kolben dadurch Risse , was zu einem Materialversagen führt .

Den Folgen dieser Oxidation kann bisher nur durch Maßnahmen begegnet werden, die teuer oder aus anderen Gründen nachteilig sind . Eine Möglichkeit besteht in einer verstärkten Dimensionierung des Kolbens , wodurch dieser schwerer wird . Speziell bei LVD-Kolben, d . h . bei Kolben für Dieselmotoren in PKW oder leichten Nutz fahrzeugen, ist j edoch ein geringes Gewicht des Kolbens vorteilhaft .

Eine andere Möglichkeit zur Verringerung der Oxidation ist die Verwendung von speziellen Legierungen mit hohem Chrom- und Nickelgehalt . Solche Legierungen sind j edoch teuer und erschweren eine Oberflächenbehandlung, wie beispielsweise eine Manganphosphatierung . Auch das Aufbringen einer galvanischen Schutzschicht oder einer keramischen Spritzschicht ist aufwendig und mit hohen Kosten verbunden .

Daher gibt es ein Bedürfnis nach einer Beschichtung für Kolben aus Stahl bzw . einer anderen eisenbasierten Legierung, die zu einem guten Oxidationsschutz führt und die ggf . auch als Korrosionsschutz dienen kann .

US 8 , 6288 , 827 beschreibt eine Beschichtung für Metallteile, die die Oberfläche vor atmosphärischer Korrosion bei Raumtemperatur schützen soll . Die Beschichtung wird durch Aufbringen einer Titanat- oder Zirkonat-haltigen Zusammensetzung und Aushärten erhalten . Um der Beschichtung ein glänzendes Aussehen zu verleihen, kann der Zusammensetzung eine kleine Menge Zink, Aluminium oder einer Zink-Aluminium-Legierung zugesetzt werden . Der Einsatz dieser Beschichtung für Kolben von Verbrennungsmotoren oder anderen Teilen, die hohen Temperaturen von bis zu 550 ° C ausgesetzt werden, wird nicht of fenbart .

Überraschend hat sich nun gezeigt , dass das oben genannte Problem dadurch gelöst werden kann, dass auf den Kolben eine Schicht aufgebracht wird, die aus einer Zusammensetzung enthaltend ein Titanat oder ein Zirkonat erhältlich ist und die zumindest ein Metallpigment enthält . Insbesondere hat sich überraschend gezeigt , dass sich die Kohäsion einer mittels eines Titanats oder eines Zirkonats erhältlichen Schicht verbessern lässt , wenn dieser Schicht ein Metallpigment zugesetzt wird . Auf diese Weise wird eine Schicht erhalten die für den Kolben eines Verbrennungsmotors geeignet ist .

Kurze Beschreibung der Figuren : In Fig . 1 zeigt Schli f fbilder eines beschichteten und eines unbeschichteten Kolbens nach einem Motorlauftest .

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung betri f ft folglich einen Kolben, insbesondere einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, aus Stahl oder einer anderen eisenbasierten Legierung, wobei zumindest auf einen Bereich des Kolbens eine Schicht aufgebracht ist , die aus einer Titanat- oder Zirkonat-haltigen Zusammensetzung erhältlich ist, und die zumindest ein Metallpigment enthält . Weiterhin betri f ft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung dieser Schicht sowie deren Verwendung zur Verhinderung der Hochtemperaturoxidation bzw . Heißgasoxidation des Kolbens .

Im Rahmen der Erfindung ist eine Schicht , die aus einer Titanat-haltigen Zusammensetzung erhältlich ist , bevorzugt .

Bei der Erzeugung der erfindungsgemäßen Schicht wird das in der Zusammensetzung enthaltene Titanat oder Zirkonat als Präkursor eingesetzt . Durch teilweise oder vollständige Abspaltung ( Dissoziation) der organischen Reste , wird eine Schicht auf Basis von Ti-O- bzw . Zr-O-Einheiten gebildet .

Dieser Dissoziationsprozess kann nach dem Aufbringen einer geeigneten Zusammensetzung durch Einwirken von Feuchtigkeit , einschließlich atmosphärischer Feuchtigkeit, oder Einbringen von Energie , beispielsweise durch Bestrahlung oder Erwärmung, initiiert werden . Dieser Dissoziationsprozess führt zu einem Aushärten der Schicht .

Bevorzugt enthält die aus der Titanat- oder Zirkonat-haltigen Zusammensetzung erhältliche Schicht im vollständig ausgehärtetem Zustand 20 bis 40 Gew . -% Titanoxid bzw . 20 bis 40 Gew . -% Zirkoniumoxid, bezogen auf die gesamte Schicht . Der Begri f f " im vollständig ausgehärteten Zustand" bezieht sich dabei auf eine Schicht, die durch Applizieren mittels Sprühpistole und anschließendes Erwärmen im Ofen bei ca. 250°C für 30 Minuten erhalten wird.

Durch die teilweise oder vollständige Abspaltung der organischen Reste "schrumpfen" die Titanat- bzw. Zirkonat- Moleküle, so dass die erzeugte Schicht Risse und Poren aufweisen kann. Dies führt zu Problemen mit der Kohäsion der Schicht .

Es hat sich nun gezeigt, dass sich die Kohäsion deutlich verbessert, wenn man zumindest ein Metallpigment in die Beschichtung einbringt. Auf diese Weise ist eine Beschichtung erhältlich, die zu einem verbesserten Schutz des Kolbens vor Oxidation führt, so dass das der Erfindung zugrundeliegende Problem gelöst wird.

Erfindungsgemäß wird als Titanat oder Zirkonat eine

Verbindung der folgenden allgemeinen Formel (I) eingesetzt: wobei R ¹ , R ² , R ³ und R ⁴ jeweils unabhängig voneinander H oder einen organischen Rest; bevorzugt H, eine Phenylgruppe oder eine C1-C6 Alkylgruppe; und besonders bevorzugt eine Phenylgruppe oder eine C1-C4 Alkylgruppe dar. R ¹ , R ² , R ³ und R ⁴ können ggf. Substituenten aufweisen, bevorzugt handelt es sich jedoch um unsubstituierte Gruppen. M stellt Ti oder Zr, bevorzugt Ti, dar. n stellt eine natürliche Zahl, bevorzugt 1 bis 4, dar. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Titanat eingesetzt , das aus der Gruppe bestehend aus Tetramethyltitanat , Tetraisopropyltitanat , Tetrabutyltitanat und Tetraphenyltitanat ausgewählt ist . Das Zirkonat wird bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus Tetramethyl zirkonat , Tetraisopropyl zirkonat , Tetrabutyl zirkonat und Tetraphenyl zirkonat ausgewählt .

Im Rahmen der Erfindung können die Titanate und Zirkonate auch in Form von Chelat-Komplexen eingesetzt werden .

In der mittels der Titanat- oder- Zirkonat-haltigen Zusammensetzung erhältlichen Schicht ist zumindest ein Metallpigment enthalten .

Als Metallpigment sind insbesondere Legierungen auf Zink- , Magnesium- oder Aluminium-Basis geeignet . Bevorzugt sind Aluminium-Magnesium- und Zink-Magnesium-Legierungen .

Im Rahmen der Erfindung wird das Metallpigment beispielsweise in Form eines Pulvers , bevorzugt eines Pulvers mit einem Durchmesser der Teilchen von 50 pm oder weniger eingesetzt .

Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Schicht eine Dicke im Bereich von 5 bis 100 pm, bevorzugter 10 bis 50 pm, insbesondere 10 bis 30 pm auf .

Die erfindungsgemäße Schicht kann auch Bestandteil eines Mehrschicht-Systems sein . D . h . auf den Kolben können neben der erfindungsgemäßen Schicht weitere Schichten aufgebracht werden, um unterschiedlich Eigenschaften des Kolbens zu beeinflussen . Diese Schichten können unter oder auf die erfindungsgemäße Schicht aufgebracht werden .

Die erfindungsgemäße Schicht ist für alle Stähle und eisenbasierten Legierungen geeignet , die üblicherweise bei Kolben für Verbrennungsmotoren zum Einsatz kommen . Ein Kolben mit der erfindungsgemäßen Schicht kann mittels eines Verfahrens hergestellt werden, das die folgenden Schritte umfasst : a ) Aufbringen einer Zusammensetzung, umfassend zumindest ein Titanat oder Zirkonat der allgemeinen Formel ( I ) , auf den Kolben; b ) Aufbringen zumindest eines Metallpigments auf den Kolben; c ) teilweises oder vollständiges Dissoziieren des Titanats oder Zirkonats ; und d) Aushärten der Zusammensetzung .

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Schritte a ) und b ) einzeln oder gemeinsam durchgeführt werden . Bevorzugt werden die Titanat- oder Zirkonat-haltige Zusammensetzung und das Metallpigment zusammen aufgebracht . Besonders bevorzugt wird das Metallpigment der Titanat- oder Zirkonat-haltigen Zusammensetzung zugesetzt , bevor diese auf den Kolben aufgebracht wird . Zu diesem Zweck kann das Metallpigment beispielsweise in Form eines Pulvers oder einer Paste verwendet werden .

Anschließend wird das Titanat bzw . das Zirkonat wie beschrieben dissoziiert und die Schicht ausgehärtet .

Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Schicht kann die Hochtemperaturoxidation bzw . Heißgaskorrosion des Kolbens verringert werden .

Ef fekt der Erfindung :

Eine Zusammensetzung, die ein Titanat und ein Pigment aus einer Zink-Magnesium-Legierung enthält , wurde durch Aufsprühen auf einen Kolben aus 42CrMo4 aufgebracht . Anschließend wurde die Zusammensetzung durch Erwärmen im Ofen bei ca . 250 ° C für 30 Minuten ausgehärtet . Der beschichtete Kolben und ein unbeschichteter Kolben wurden für 516 Stunden einem Motorlauftest unterzogen, wobei der Motor abwechselnd 30 Minuten unter Volllast und 2 Minuten im Leerlauf betrieben wurde .

Schli f fbilder der beiden Kolben nach Beendigung des Tests sind in Fig . 1 gezeigt . Wie in Fig . 1 zu sehen, hat sich auf dem unbeschichteten Kolben eine Oxidationsschicht mit einer Dicke von ca . 43 gm gebildet . Im Gegensatz dazu wurde die Hochtemperaturoxidation (Heißgaskorrosion) durch die erfindungsgemäße Titanat-haltige Schicht verhindert .