Abstract:

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.