Zuschlagstoff zur Beimischung in einen Betriebsstoff einer technischen Anlage, Verwendung eines Zuschlagstoffs und Verfahren zur Oberflä- chenbehandlung von Arbeitskomponenten einer technischen Anlage

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zuschlagstoff zur Beimischung in einen Betriebsstoff einer technischen Anlage, insbesondere in den Schmier- oder Kraftstoff eines Verbrennungsmotors. Sie betrifft weiterhin einen Schmier- und Kraftstoff für einen Ver- brennungsmotor, die Verwendung eines Zuschlagstoffes der genannten Art und ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Arbeitskomponenten einer technischen Anlage.

In einer Vielzahl von technischen Anlagen wie beispielsweise in einem Verbrennungs- motor, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, aber auch in Lagern, Zylinderlaufbuchsen, Turboladern, Getrieben oder anderen reibenden mechanischen Systemen kommen gegeneinander bewegte Teile zum Einsatz. Um den daraus resultierenden Verschleiß, insbesondere im Hinblick auf die materialtechnisch vergleichsweise widrigen Betriebsbedingungen, begrenzt zu halten, werden derartige Teile oder Arbeitskompo- nenten üblicherweise mit Schmiermitteln wie beispielsweise Schmieröl versehen.

Dennoch kommt es üblicherweise zum Verschleiß an derartig gegeneinander bewegten Arbeitskomponenten, der direkt oder auch über Korrosionseffekte die Lebensdauer der Arbeitskomponenten und somit der technischen Anlage insgesamt begrenzen kann.

Um den solchermaßen auftretenden Verschleiß zu begrenzen und somit die Lebensdauer und Funktionstüchtigkeit der eingesetzten Arbeitskomponenten zu erhöhen, kann die Behandlung von Oberflächen derartiger Arbeitskomponenten mit Mitteln vorgesehen sein, die eine Glättung der behandelten Oberflächen und/oder eine verbesserte Anhaftung von Ölpartikeln bewirken und somit zu einer Verminderung der auf- tretenden Reibung führen. Zu diesem Zweck ist es aus der WO 02/18673 A2 bekannt, die Oberflächen metallischer Arbeitskomponenten mit einer feinkörnigen Mischung von Serpophit, entsprechend der chemischen Formel Mg ₃ [Si ₂ θ ₅ ] (OH) ₄ , und Kaolinit, entsprechend der Formel Al ₂ [O ₅ ] (OH) ₄ , ergänzt durch Beimischungen eines Kristallbild-

ners und eines Katalysators, zu behandeln. Dabei wird davon ausgegangen, dass aufgrund der ähnlichen Kristallstruktur von Serpophit einerseits und Kaolinit andererseits eine vergleichsweise homogene Oberflächenbeschichtung auf der behandlungsbedürftigen Arbeitskomponente gebildet werden kann, wobei aufgrund eines lonenaus- tauschs der im Kaolinit enthaltenen Aluminiumionen mit Ionen aus dem Metallkörper der Arbeitskomponente eine besonders gute Haftung der Beschichtung erreichbar ist. Die genannten Materialien werden dabei als Zuschlagstoff - auch als Zusatzstoff oder Additiv bezeichnet - einem Betriebsstoff der Anlage beigemischt.

Allerdings sind die mitdiesem System erreichbaren Verbesserungen der Materialeigenschaften der beschichteten Bauteile nur begrenzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Zuschlagstoff zur Beimischung in einen Betriebsstoff einer technischen Anlage, insbesondere in den Schmier- oder Kraftstoff eines Verbrennungsmotors, anzugeben, mit dem auf vergleichsweise einfache Weise eine besonders günstige und zuverlässige reibungsvermindernde Behandlung von Oberflächen von in der technischen Anlage geführten Arbeitskomponenten ermöglicht ist. Des Weiteren soll ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Arbeitskomponenten einer technischen Anlage, insbesondere eines Verbrennungsmotors, angegeben werden, mit dem auf besonders günstige Weise eine besonders hohe Lebensdauer und betriebliche Sicherheit der technischen Anlage erreichbar ist.

Bezüglich des Zuschlagstoffs wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem die Komponente Eisen-Magnesium-Hydroxid-Silikat vorgesehen ist. Dabei umfasst der Zuschlagstoff als besonders wirksame Komponenten Polymersilikate und/oder Hydro- silikate von Metallen (Salze der Kieselsäure) künstlicher oder natureller Abstammung, bestehend aus einem oder mehreren Silikaten im Silizium-Sauerstoff-Kristallgitter in Faser-, Streifen-, Schicht- oder Rohrstruktur, insbesondere ausgedrückt durch die Formel ((Mg ₁ Fe) ₃ K [Si ₂ K O _5k ] (OH) ₄ J _n mit k=1 bis 5, n = 1 bis 10000000.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass für die Gewährleistung einer besonders langen Lebensdauer der in der technischen Anlage eingesetzten Arbeitskomponenten eine besonders homogene, zuverlässige und mit vergleichsweise einfa-

chen Mitteln günstig herstellbare, auch im Hinblick auf vergleichsweise widrige Arbeitsbedingungen stabile Oberflächenbeschichtung herstellbar sein sollte. Dazu sollte der Zuschlagstoff auf geeigneten Komponenten aufgebaut sein, wobei insbesondere auch für den genannten Einsatzzweck der Bildung eines reibungsvermindernden Zuschlag- Stoffs auf Schichtsilikate zurückgegriffen werden sollte. Dabei ist insbesondere der Einsatz von Polymersilikaten oder Hydrosilikaten von Metallen künstlicher oder natureller Abstammung vorgesehen, wobei insbesondere eines oder mehrere Silikate im Silizium- Sauerstoff-Kristallgitter in Faser-Streifen-schicht oder Rohrstruktur vorliegen sollte. Wie sich überraschender Weise herausgestellt hat, ist unter Rückgriff auf Eisen- Magnesium-Hydroxid-Silikat als wesentliche Komponente des Zuschlagstoffs ein besonders günstiges Ergebnis erzielbar.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Komponente Eisen-Magnesium-Hydroxid-Silikat dabei in einem Gewichts-Prozentanteil von mindestens etwa 30 Gewichtsprozent enthalten.

Vorzugsweise ist Serpentin, ausgedrückt durch die chemische Formel Mg ₆ [Si ₄ O ₁₀ ] (OH) ₈ , und/oder Talkum, ausgedrückt durch die chemische Formel Mg ₃ [Si ₄ O-io] (OH) ₂ , vorgesehen. In zusätzlicher oder alternativer vorteilhafter Ausgestaltung ist als weitere Komponente Natrium-Magnesium-Hydroxid-Silikat, ausgedrückt durch die chemische Formel Na ₂ Mg ₄ Si ₆ O-iβ (OH) ₂ , vorgesehen.

Besonders gute Beschichtungsergebnisse hinsichtlich Homogenität und Langzeits- tablität sind erreichbar, indem vorzugsweise die genannten Komponenten in einem Gewichts-Prozentanteil von etwa 30 bis 70 Gewichtsprozent Serpentin und etwa 10 bis 50 Prozent Talkum enthalten sind.

Vorzugsweise umfasst der Zuschlagstoff als weitere Komponente ein Abrasiv. Dabei handelt es sich zweckmäßigerweise um einen in Form von Partikeln geeigneter Partikelgröße vorliegenden Stoff, der eine ausreichend hohe Härte von beispielsweise 4 bis 8 Mohs ^' scher Härte aufweist. Ein derartiges Abrasiv bewirkt zunächst eine dem eigentlich angestrebten Effekt der Herstellung einer besonders glatten Oberfläche zuwiderlaufende Aufrauhung der Oberfläche. An der solchermaßen aufgerauhten Oberflä-

che können die zur Herstellung einer besonders glatten metallkeramischen Oberfläche vorgesehenen Partikel des Zuschlagstoffs aber besonders gut anhaften, so dass insgesamt gesehen der Beschichtungserfolg besonders günstig ist. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist als Abrasiv als Serpentin Lizardit vorgesehen.

Eine besonders einfache Verarbeitbarkeit ist erreichbar, indem der Zuschlagstoff vorteilhafterweise als feinkörniges Pulver mit einer Korngröße von etwa 0,01 bis 100 μm, vorzugsweise von etwa 3 bis 25 μm, vorgehalten ist.

Der Zuschlagstoff eignet sich grundsätzlich zur Beimischung in einen beliebigen Betriebsstoff einer technischen Anlage, wobei insbesondere bei metallischen Arbeitskomponenten der technischen Anlage besonders günstige Eigenschaften der erreichbaren Oberflächenbeschichtungen im Hinblick auf mögliche Betriebsparameter und dergleichen erhältlich sind. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist der Zuschlag- stoff jedoch zur Beimischung in den Schmier- und Kraftstoff für einen Verbrennungsmotor vorgesehen, wobei gerade die einem möglicherweise erheblichen Verschleiß ausgesetzten Motorteile mit einer reibungsverminderenden und Verschleiß reduzierenden Oberflächenbeschichtung versehen werden können. Vorteilhafterweise wird der Zuschlagsstoff dabei in einem Mengenanteil von etwa 0,005% bis etwa 0,5%, vor- zugsweise von etwa 0,1%, dem Schmier- und Kraftstoff beigemischt.

Der Zuschlagstoff wird dabei in besonders vorteilhafter Ausgestaltung als reibungsver- ringernder, verschleißreduzierender Zusatz verwendet, der auf verschlissenen Oberflächen neue Schichten aufbaut, Spiele optimiert und in Getrieben, Lagern oder son- stigen reibenden Mechanismen, vorzugsweise in einem Verbrennungsmotor, eingesetzt werden kann.

Bezüglich des Verfahrens zur Oberflächenbehandlung oder -Veredlung von Arbeitskomponenten in einem Verbrennungsmotor, Getriebe, Lager oder sonstigem reibenden mechanischen System wird die genannte Aufgabe gelöst, indem den Oberflächen

Komponenten eines Zuschlagstoffs der genannten Art zugeführt werden. Die Zuführung erfolgt dabei vorteilhafterweise über die Zumischung des Zuschlagstoffs zu einem Betriebsstoff der technischen Anlage, vorzugsweise zum Schmier- oder Kraftstoff für den

Verbrennungsmotor, und/oder zu einem öl- und fettfreien Anbindungsträger, der die Anbindung des Zuschlagstoffes an metallische Komponenten ermöglicht.

Durch die Art der Zuführung über den Betriebsstoff kann die Oberflächenveredelung insbesondere auch während des laufenden Betriebs der Anlage erfolgen, ohne dass Stillstandszeiten oder dergleichen in Kauf genommen werden müßten. Der Zuschlagstoff kann dabei vorzugsweise in Form einer Suspension in einem geeignet gewählten Trägermaterial, beispielsweise einem mit den üblichen Betriebsstoffen homogen mischbaren Gel, Fett oder Öl, zugeführt werden.

Alternativ kann über die Wahl eines geeigneten Anbindungsträgers der Zuschlagstoff aber auch in Form eines sogenannten Gleitlacks vor dem (erstmaligen) Einsatz der technischen Anlage auf die behandlungsbedürftigen Oberflächen aufgebracht werden. Nach Inbetriebnahme wird dieser Gleitlack dann abgetragen, wobei sich infolge der auftretenden Reibung die Ausbildung der metallkeramischen Oberflächenbeschichtung an den erforderlichen Stellen vollzieht.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Verwendung von Eisen-Magnesium-Hydroxid-Silikat, vorzugsweise in Kombination mit Talkum und/oder Serpentin, insbesondere in Form von Lizardit, und/oder Natrium-Magnesium-Hydroxid-Silikat auf besonders einfache und günstige Weise ein Zuschlagstoff zur Beimischung in den Betriebsstoff einer technischen Anlage bereitgestellt werden kann, mit dem zuverlässig eine hochwertige Oberflächenvergütung von in der technischen Anlage geführten Arbeitskomponenten erreichbar ist. Die solchermaßen vergüteten Oberflächen weisen eine besonders hohe relative Härte und auch Stärke auf, so dass der bei der Bewegung von Arbeitskomponenten gegeneinander auftretende reibungsbedingte Verschleiß besonders gering gehalten ist. Die mit einem derartigen Zuschlagstoff beaufschlagten technischen Anlagen, insbesondere Verbrennungsmotoren, weisen somit eine besonders lange Lebensdauer und aufgrund der verminderten Reibung auch einen besonders hohen Wirkungsgrad auf.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde als Zuschlagstoff zur Beimischung in den Schmier- und Kraftstoff eines Verbrennungsmotors eine pulverförmige

Mischung mit den Komponenten Talkum, Eisen-Magnesium-Hydroxid-Silikat, Lizardit als Serpentin sowie Natrium-Magnesium-Hydroxid-Silikat hergestellt, wobei eine Korngröße von etwa 0,1 bis 10 μm eingestellt wurde. Der Zuschlagstoff wurde dabei hergestellt, indem zunächst die als Komponenten vorgesehenen Mineralien grob- und anschließend feinzerkleinert wurden, bis sich die gewünschte Korngröße einstellt. Dabei können herkömmliche Zerkleinerungssysteme eingesetzt werden. Nach einer Auswahl der erzeugten Partikel hinsichtlich Dichte, Masse und Korngröße erfolgt eine Reinigung von unerwünschten Materialbeiträgen.

Der so hergestellte, pulverförmige Zuschlagstoff wurde dem Schmier- und Kraftstoff für den Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs beigemischt. Dazu wurde der Zuschlagstoff zunächst mit einem Gel, das unter der Bezeichnung „Wedolit V-822-828 Spezial- gel" im Handel erhältlich ist, als Trägerstoff vermischt. Dabei wurde eine gelartige Paste erhalten. Diese wurde in einem Erstbehandlungsschritt in einer Menge von etwa 20 ml dem Motoröl eines Kraftfahrzeugs zugemischt. Das Kraftfahrzeug wurde sodann in mehreren Intervallen über eine Fahrtstrecke von etwa 300 bis 400 km bewegt, so dass eine gleichmäßige Verteilung des Zuschlagstoffes im Betriebsstoff und ein zuverlässiges Anhaften an den inneren Oberflächen des Verbrennungsmotors gewährleistet war. Durch eine physikalisch-chemische Reaktion im Reibungsbereich wird dabei eine che- misch-kristalline Verbindung erzeugt. Die Beschichtung und die dabei auftretende Reaktion und chemische Verbindung tritt dabei bevorzugt in denjenigen Zonen auf, die einer ausreichend hohen Reibung ausgesetzt sind.

Anschließend wurde in einem Zweitbehandlungsschritt, bei dem ggf. auch das Motoröl gewechselt und durch ein Mineralöl ersetzt werden kann, erneut eine Menge von etwa 20 ml des mit dem Zuschlagstoff versehenen Gels zugemischt. Nach einer Fahrtstrecke von etwa 2000 km wurde die Behandlung als abgeschlossen betrachtet.

Eine Überprüfung der behandelten Komponenten ergab, dass sich an den Oberflächen ein metallkeramischer Überzug gebildet hatte, durch den insbesondere kleine Löcher oder Risse der ursprünglichen Oberfläche ausgeglichen wurden. Die metallkeramische Oberfläche ist sehr glatt, nachweisbar beispielsweise durch eine erheblich verminderte Rauigkeit, wobei sich aus ursprünglich im Verbrennungsmotor vorhandenen Metall-

Metall-Reibungspaaren durchweg Metallkeramik-Metallkeramik-Reibungspaare gebildet hatten. Dabei ist auch ohne sonstige vorhandene Schmierstoffe ein Reibungskoeffizient von weniger als 0,07, beispielsweise etwa 0,03 bis 0,07, erhältlich.

Die beschichteten Oberflächen weisen zudem eine hohe Korrosionsbeständigkeit, er- kennbar an einem erhöhten elektrischen Oberflächenwiderstand, eine hohe Zerstörungstemperatur von etwa 1600 ⁰ C, eine um etwa 30% verbesserte Mikrohärte sowie eine hohe Druckbeständigkeit von etwa 2500 N/mm ² bei Herzscher Pressung auf.

Die metallischkeramische Schicht weist zudem einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten annähernd wie Stahl von etwa 13,6 - 14,2 ppm/K auf. Wie sich ausserdem herausgestellt hat, wird durch die entstehende chemische Reaktion bei der Bildung der metallkeramischen Schicht der Metalloberfläche der Arbeitskomponente Wasserstoff entzogen, so dass Wasserstoffrissbildung unterdrückt wird. Gerade im Hinblick auf den mit Stahl vergleichbaren thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist auch eine Ablösung der Beschichtung von der jeweiligen Arbeitskomponente selbst bei sehr hohen oder sehr niedrigen Temperaturen nahezu unmöglich.

Zusätzlich zur Anwendung im Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs sind auch noch eine Vielzahl weiterer Anwendungen, grundsätzlich in jeder technischen Anlage, bei der mit der Bildung von Metall-Metall-Reibungspaaren zu rechnen ist, denkbar. Insbesondere ist eine Anwendung vorteilhaft in Verbrennungsmotoren, Getrieben, Servolenkungen, Gelenken oder Gelenkwellen, Wälz-, Kugel- oder Gleitlagern in Kraftfahrzeugen, Schiffen, Eisenbahnen oder dergleichen, oder auch in Kompressoren, Windkraft- anlagen, Getriebemotoren, Hydrauliksystemen, Werkzeug- oder Druckmaschinen, Drucklufthämmern, Pressen, Stanzen, Lüftern, Ventilatoren, offenen Zahnrad- oder Kettengetrieben oder anderen Anlagen. Durch die Reibungsverminderung wird dabei der Teileverschleiß deutlich herabgesetzt, wobei sich neben der Lebensdauer der Komponenten auch der Wirkungsgrad der jeweiligen Anlage deutlich erhöht. Im Notfall ist kurzzeitig sogar der Betrieb der jeweiligen Anlage ohne weitere Schmierstoffe wie beispielsweise Schmieröl möglich.