DuEPublico 2

Dies ist unser neues Repositorium, derzeit für E-Dissertationen und ausgewählte weitere Publikationen. Weitere Informationen...

Tribologische und elektrochemische Untersuchungen an lichtbogendrahtgespritzten Beschichtungen aus nichtrostendem Stahl für die Zylinderlaufbahnen von PKW-Dieselmotoren

Happek, Benjamin

Zur Gewichts- und Verbrauchsreduzierung moderner PKW-Verbrennungsmotoren mit Aluminium-Silizium-Kurbelgehäusen werden seit einigen Jahren erfolgreich thermische Spritzschichten als Zylinderlaufflächen eingesetzt. In Großserienanwendungen ist hier insbesondere das Lichtbogendrahtspritzen aufgrund seiner Wirtschaftlichkeit und Prozessstabilität ein häufig eingesetztes Verfahren. Neben einer verminderten Laufbahnreibung, die aus einer Honung geringer Rauheit und der Wirkung einer isotropen Oberflächenporosität als Schmierölreservoir resultiert, erlaubt der Verzicht schwerer Graugussbuchsen eine Bauraumreduzierung der beschichteten Aggregate und damit verbesserte Möglichkeiten des Downsizings. Auch aus tribologischer Sicht weisen thermische Spritzschichten aus niedriglegiertem Stahl ein hervorragendes Verhalten bezüglich des Laufbahnverschleißes auf. Die herausragenden Eigenschaften dieser Schichten rühren dabei von ihrer Mikrostruktur her. Aufgrund der extrem hohen Abkühlrate des Materials im Lichtbogenprozess erstarren diese Schichten mit einem ultrafeinkristallinen Gefüge mit Anteilen nanokristalliner Körner. Die damit verbundenen Vorteile sind eine höhere Festigkeit bei gesteigerter Duktilität und ein erhöhter Verschleißwiderstand gegenüber grobkörnigerem Vergleichsmaterial. Kommende Motorgenerationen werden weiter in ihrem Kraftstoffverbrauch optimiert, was unter anderem eine Steigerung der Zünddrücke und damit eine Erhöhung der thermisch-mechanischen Belastung des Kurbelgehäuses nach sich zieht. Aus diesem Grund sollen neue Laufbahnbeschichtungen für die Anwendung im Prozess des Lichtbogendrahtspritzens entwickelt werden, die diesen künftigen Anforderungen entsprechen. Eine weitere Herausforderung stellen Kraftstoffqualitäten dar, die erhöhte Anteile an Schwefel enthalten oder biologischen Ursprungs sind. Schwefel greift insbesondere bei der Abgasrückführung in Form von schwefliger Säure und Schwefelsäure die Zylinderlaufflächen an, wenn der Wassertaupunkt unterschritten wird und Kondensate die Oberfläche benetzen. Biokraftstoffe sind aufgrund ihres erhöhten Ethanolanteils hygroskopisch und dafür bekannt, Metalle wie Aluminium und Kupfer durch Alkoholatkorrosion stark zu schädigen. Neu entwickelte Spritzschichten sollen nicht nur einen erhöhten Verschleißwiderstand aufweisen, sondern auch den korrosiven Abgaskondensaten aus schwefelhaltigem Kraftstoff und der Einwirkung von Biokraftstoffen standhalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurden unterschiedliche Güten nichtrostender Stahldrähte mittels Lichtbogendrahtspritzen auf Aluminium-Silizium- und Graugusssubstrat gespritzt. Im ersten Schritt sollte die Mikrostruktur der Spritzschichten mittels geeigneter Methoden charakterisiert werden. Ausgewählte Schichten wurden darauffolgend in zwei verschiedenen Varianten mit unterschiedlichen Endbearbeitungskräften gehont. Der Einfluss der Honung wurde mittels elektronenmikroskopischer Methoden, Röntgenbeugung und instrumentierter Eindringprüfung erörtert. Eine Bestimmung des Verschleißverhaltens gehonter Zylinderlaufbahnsegmente erfolgte in einem Schwing-Reib-Verschleiß-Tribometer im Gleitverschleiß gegen Serien-Kolbenringsegmente. Die Korrosionsbeständigkeit der Spritzschichten ist unter anderem mittels potentiodynamischer Polarisation im Vergleich zu Vollmaterial untersucht worden. Eine Erörterung der Verschleiß- und Korrosionsmechanismen sollte die Auswirkungen von Mikrostruktur und Defektzustand der Spritzschichten aufzeigen. Eine abschließende Bewertung der Laufbahnreibung erfolgte im Rotations-Reib-Verschleiß-Tribometer und im geschleppten Motorversuch.

Environmentally and economically motivated regulations for CO2 emissions of passenger cars lead to broad activities in automotive engineering to further reduce fuel consumption. Downsizing concepts in combination with increasing ignition pressures in future combustion engines demand improved mechanical and tribological properties for cylinder liner and piston ring materials. Thermally sprayed, low-alloyed Fe-base coatings as cylinder liner surfaces now form the focus of future crankcase developments. In addition to mild steels, high-alloyed ones are also of interest for developing cylinder liner coatings with enhanced tribological properties. Another challenge for modern combustion engines are fuel qualities with elevated levels of sulfur or of biological origin. Sulfur reaches the cylinder liner surface by exhaust gas recirculation as sulfurous and sulfuric acid if the water dew point is undershot. Biofuels are hygroscopic due to their increased ethanol content and known to harm metals such as aluminum and copper by alcoholate corrosion. In addition to an increased wear resistance, newly developed spray coatings should also withstand corrosive gas condensates of sulfur-containing fuel and the effects of biofuels. In this work, different grades of stainless steel wires were sprayed by means of Twin Wire Arc Spraying (TWAS) onto an aluminum and cast iron substrate with different spray distances. The microstructure of the spray coatings was investigated using suitable methods. Selected coatings were honed in two variations with different applied forces in the finishing process. The influence of honing was discussed by electron microscopy, X-ray diffraction and instrumented indentation testing. The tribological behavior of these coatings was investigated by means of a reciprocating sliding wear apparatus. The counterbodies were chromium-plated piston ring segments reinforced with embedded microdiamonds. The test parameters were chosen to mimic the conditions of top and bottom dead center of a passenger car combustion engine with respect to temperature, sliding speed, and state of lubrication. The corrosion resistance of the sprayed coatings has been investigated by means of potentiodynamic polarization and was compared to bulk material. A discussion of the wear and corrosion mechanisms should demonstrate the influence of microstructure and defect state of the spray coatings. An evaluation of friction was carried out in a rotational friction tribometer and by drag measurements.

Share and cite

Citation style:

Happek, Benjamin: Tribologische und elektrochemische Untersuchungen an lichtbogendrahtgespritzten Beschichtungen aus nichtrostendem Stahl für die Zylinderlaufbahnen von PKW-Dieselmotoren. 2015.

Rights

Use and reproduction:
All rights reserved

Export