Eintrag in der Universitätsbibliographie der TU Chemnitz
Volltext zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa2-968468
Schilder, Bernd
Lampke, Thomas ; Möhwald, Kai (Gutachter)
Entwicklung eines sauerstoffarmen Beschichtungsprozesses zur Herstellung thermisch gespritzter hochbelastbarer Zylinderlaufbahnen
Kurzfassung in deutsch
Zur Reduzierung der Fahrzeugemissionen setzt die Automobilindustrie im Bereich von Verbrennungsmotoren auf thermisch gespritzte Zylinderlaufbahnen. Die dünnen eisenbasierten Zylinderlaufbahnbeschichtungen ermöglichen durch die Substitution der schweren Graugussbuchsen sowohl neuartige Funktionsoberflächenstrukturen als auch eine kompaktere, gewichtsreduzierende Bauweise der Kurbelgehäuse von Verbrennungsmotoren. Aufgrund der charakteristischen Oberflächentopographie thermisch gespritzter Zylinderlaufbahnen, die als Ölreservoir fungiert und die typische Honstruktur ersetzt, sowie der geringen Rauheit der Funktionsflächen ist die Reibung zwischen der Zylinderlaufbahnbeschichtung und der Kolbengruppe signifikant reduziert. Die Gewichtsreduzierung und die verbesserten tribologischen Eigenschaften steigern die Effizienz von Verbrennungsmotoren und verringern die Fahrzeugemissionen. Aufgrund der permanenten Bestrebungen, die Fahrzeugemissionen zu reduzieren, steigen in Zukunft die thermo-mechanischen Belastungen im Verbrennungsmotor, z. B. durch Erhöhung der Zünddrücke. Dabei müssen die Zylinderlaufbahnbeschichtungen den hohen Belastungen dauerhaft standhalten. Eine elementare Funktionseigenschaft ist daher die Schichthaftung, die als Qualitätskriterium im Großserienbeschichtungsprozess dauerhaft gewährleistet sein muss. Die Schichteigenschaften können bislang nur im geringen Maße beeinflusst werden. Um die Ursache-Wechselwirkungsmechanismen des Beschichtungsprozesses von Zylinderbohrungen zu analysieren, wird in dieser Arbeit der eingesetzte Lichtbogendrahtspritzprozess zur Beschichtung von Zylinderlaufbahnen mit Hilfe einer numerischen Strömungssimulation untersucht. Die Simulationen zeigen in Kombination mit Beschichtungsversuchen und Mikrostrukturanalysen, dass die komplexen Strömungsbedingungen während des Innenbeschichtungsprozesses die Schichteigenschaften wesentlich beeinflussen. Trotz des Einsatzes von Stickstoff als Zerstäuber- und Hüllgas (engl. shroud gas) zum Erzeugen einer inerten Atmosphäre im Bereich der schmelzflüssigen Spritzpartikel bleibt der unerwünschte Einfluss von Sauerstoff im Beschichtungssystem bestehen. Das gezielte Einstellen der Strömungsbedingungen während des Beschichtungsprozesses ermöglicht eine sauerstoffarme Prozessumgebung, wodurch die Mechanismen der Schichtanbindung an das Substrat sowie der Schichtaufbau verändert und das Qualitätsmerkmal der Schichthaftung entlang der gesamten Laufbahnlänge signifikant verbessert werden. Weitere emissionsreduzierende Maßnahmen, wie gesteigerte Abgasrückführraten oder Wassser- und Harnstoffeinspritzung, können zu neuen chemisch physikalischen Zuständen im Verbrennungsraum führen und erhöhte Korrosionsraten an der Zylinderlaufbahn verursachen. Zudem bedingt die vermehrte Anwendung der Hybridtechnologie mit neuen Betriebsprofilen, die Verwendung von Kraftstoffen mit einem hohen Schwefelgehalt sowie der Einsatz von biogenen Kraftstoffen korrosive Angriffe an der Zylinderlaufbahn. Aus diesem Grund werden zwei hochlegierte Spritzwerkstoffe für die Anwendung als korrosionsbeständige Zylinderlaufbahnwerkstoffe untersucht und charakterisiert. Bei den Korrosionsuntersuchungen zeigen die analysierten chromhaltigen Werkstoffe mit ihrer spezifischen Mikrostruktur eine deutlich verbesserte Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zum niedrig legierten Werkstoff, der nach dem Stand der Technik aktuell für Zylinderlaufbahnen eingesetzt wird. Durch die Übertragung der Erkenntnisse aus den numerischen Strömungssimulationen und der Anwendung der Ursache-Wechselwirkungsmechanismen können auch hier die Mikrostrukturen und Oberflächen der hochlegierten Laufbahnbeschichtungen gezielt verändert werden. Der modifizierte Schichtaufbau ermöglicht eine weitere signifikante Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit. Dieser positive Effekt kann ebenso beim niedrig legierten Werkstoff erzielt werden. Neben den korrosiven Angriffen ist es aufgrund der steigenden mechanischen Anforderungen wichtig, die Zylinderlaufbahnen v. a. im höchstbelasteten Bereich, dem oberen Totpunkt, robuster zu gestalten und die Verschleißbeständigkeit der Beschichtungen zu verbessern. Die Analysen der Oberfläche und des Schichtaufbaus nach verschiedenen Belastungsversuchen zeigen, dass eine gezielte Modifizierung der Beschichtungsmikrostruktur durch Veränderung der Strömungsbedingungen während des Beschichtungsprozesses zu deutlich verbesserten Verschleißeigenschaften führt. Ein gleichzeitiger Wechsel zu hochlegierten Werkstoffen ermöglicht zudem die Erhöhung der Verschleißbeständigkeit. Alle Maßnahmen zur Beeinflussung des Beschichtungsprozesses und den daraus resultierenden Schichteigenschaften können in einem Großserienprozess implementiert werden und sind in einer Design-Guideline zusammengefasst. Die Arbeit liefert einen Beitrag zum Verständnis der Ursache-Wechselwirkungsmechanismen des Innenbeschichtungsprozesses von Zylinderbohrungen. Die Zusammenhänge und Erkenntnisse ermöglichen ein gezieltes Einstellen der Eigenschaften der Funktionsschichten.
| Universität: | Technische Universität Chemnitz | |
| Institut: | Professur Werkstoff- und Oberflächentechnik | |
| Fakultät: | Fakultät für Maschinenbau | |
| Dokumentart: | Dissertation | |
| Betreuer: | Lampke, Thomas | |
| ISBN/ISSN: | ISSN 1439-1597 | |
| DOI: | doi:10.60687/2025-0073 | |
| Quelle: | Schriftenreihe Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen ; 104 | |
| SWD-Schlagwörter: | Thermisches Spritzen , Lichtbogendrahtspritzen , Korrosion , Verschleiß | |
| Freie Schlagwörter (Deutsch): | Beschichtungstechnologie , Thermisches Spritzen , Lichtbogendrahtspritzen , Innenbeschichtungsprozess , Schichthaftung , Mikrostrukturanalyse , Korrosion , Verschleiß , Strömungssimulation , Zylinderlaufbahn | |
| DDC-Sachgruppe: | Ingenieurwissenschaften | |
| Sprache: | deutsch | |
| Tag der mündlichen Prüfung | 05.12.2024 | |
| OA-Lizenz | CC BY 4.0 |
