In der vorliegenden Arbeit wird, ausgehend vom Stand der Wissenschaft und Technik des Lichtbogendrahtspritzens, das Verwenden von chromreichen Fe-Basislegierungen zur Herstellung von korrosionsbeständigen und gleichzeitig tribologisch geeigneten Zylinderlaufbahnbeschichtungen für Verbrennungsmotoren untersucht und qualifiziert. Der Einfluss der gewählten Werkstoffe und die durch die Beschichtung resultierenden Schichteigenschaften werden anhand von Ergebnissen der Tribologie- und Korrosionstests verglichen. Die Bewertung liefert einen Beitrag zum Verständnis der Mechanismen bei der Herstellung solcher Funktionsschichten. Es werden sowohl materialografische als auch diverse andere Charakterisierungsmethoden herangezogen. Ergänzt werden die Ergebnisse durch die Voraussage des motorischen Verhaltens und der anschließenden motorischen Qualifizierung des neuen Beschichtungssystems sowie die darauf folgenden Befundungen, welche der Bestätigung der theoretischen und im Laborumfeld ermittelten Erkenntnisse zum tribologischen und korrosiven Verhalten solcher Systeme dienen. Die Arbeit schließt mit einer Diskussion und einem Ausblick und gibt Empfehlungen für weiterführende Vertiefungen auf diesem Gebiet. / In the presented work it has been researched and qualified based on the knowledge about twin wire arc spray deposition states, the utilization of iron base chromium materials as a corrosion resistance and tribological useful cylinder liner coating for engine applications. The influence of the material selection and the produced twin wire arc coating properties has been compared with the results of the tribology and corrosion test. The comparison allows the understanding of the circumstances and relation by producing such functional coatings. Several materialographic-, tribological and corrosion tests have been done. In addition, the testing results were confirmed by a real engine application and a final analyses of the coating after engine run which delivers more information to understand the theory and laboratory testing results. The work discusses the achieved results and gives a forecast for further investigations in this field of science.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einfluss der Porosität lichtbogendrahtgespritzter Zylinderlaufbahnen auf das Reibungsverhalten. Hierzu wird das fokussierte System aus Kolbenring, Schmierstoff und Lauffläche zunächst für einen repräsentativen Betriebspunkt per numerischer Abschätzung der Kolbenringzwischendrücke sowie der Schmierfilmdicke analysiert und eine Einteilung der Reibungszustände vorgenommen. Unter anderem auf Basis der strömungsmechanischen Ähnlichkeitstheorie erfolgt im Anschluss eine Ableitung von Betriebspunkten für experimentelle Untersuchungen an einem Mittelhub-Tribometer im Bereich der Grenzreibung sowie Mischreibung und Hydrodynamik. An diesem Modellprüfstand werden daraufhin zum einen Laufbahnsegmente differenter Porosität gegen einen nitrierten Kompressionsring bewertet. Neben skalaren Größen dienen wegaufgelöste Signale über dem Hub zur Analyse des Reibungsverhaltens. In Ergänzung zu den nitrierten Oberflächen wird das Potenzial einer ta-C Beschichtung zur Reibungsreduzierung bewertet. Die Übertragbarkeit der erarbeiteten Erkenntnisse auf den verbrennungsmotorischen Betrieb wird über eine Messreihe an einem Einzylinderprüfstand untersucht. Auch hier werden Oberflächendaten verwendet, um eine Korrelation zwischen den ermittelten Reibmitteldrücken respektive den wegaufgelösten Signalen und der Porosität herstellen zu können. Über diese experimentellen Untersuchungen hinaus wird das Verhalten des Schmierfilms zwischen dem Kolbenring und einzelner Poren der Lauffläche mit Hilfe der dreidimensionalen numerischen Strömungssimulation analysiert. Hierzu werden Laufbahnsegmente per Computertomographie vermessen, einzelne Porenobjekte isoliert und für die Simulation aufbereitet. Im Rahmen von stationären Berechnungen wird zunächst eine Vielzahl einzelner Objekte in einem abstrahierten System strömungsmechanisch untersucht. Die Analyse ausgewählter Poren in transienten Strömungssimulationen und die Bewertung der Übertragbarkeit der Erkenntnisse schließen diese Arbeit ab.:1. Einleitung und wissenschaftliche Zielsetzung 1.1. Einführung 1.2. Zielsetzung und Aufbau der Arbeit 2. Grundlagen 2.1. Grundlagen der Tribologie 2.1.1. Reibung 2.1.2. Verschleiß 2.1.3. Schmierung und Schmierstoffe 2.2. Geometrische Charakterisierung von Oberflächen 2.3. Amorphe Kohlenstoffschichten 2.4. Kolbengruppe und Zylinderlaufbahn 2.5. Strömungsmechanik 2.5.1. Strömungsmechanische Grundlagen 2.5.2. Grundgleichungen der Strömungsmechanik 3. Methoden 3.1. Topographie von Oberflächen 3.1.1. Konfokalmikroskopie 3.1.2. Computertomographie 3.2. Untersuchung tribologischer Eigenschaften 3.2.1. Mittelhub-Tribometer 3.2.2. Einzylinderprüfstand 3.3. Numerische Strömungssimulation 3.3.1. Vernetzungsmethoden 3.3.2. Finite-Differenzen-Methode 3.3.3. Finite-Volumen-Methode 3.3.4. Instationäre Strömungen 3.3.5. Turbulente Strömungen 3.3.6. Kompressible Strömungen 4. Analyse des Systems aus Kolbenring, Schmierstoff und Zylinderlaufbahn 4.1. Bewertung der Kolbenringzwischendrücke 4.2. Numerische Berechnung der Schmierfilmdicke 4.3. Analyse der Reibzustände 5. Experimentelle Analyse 5.1. Untersuchungen am Mittelhub-Tribometer 5.1.1. Ableitung der Betriebspunkte, des Prüfablaufs und der Versuchsmatrix 5.1.2. Analyse der Oberflächen der Versuchsteile 5.1.3. Signalaufbereitung und -bewertung 5.1.4. Ergebnisse im Bereich der Grenzreibung 5.1.5. Ergebnisse im Bereich der Mischreibung und Hydrodynamik 5.2. Untersuchungen am befeuerten Einzylinderprüfstand 5.2.1. Prüfablauf und Versuchsmatrix 5.2.2. Analyse der Oberflächen der Versuchsteile 5.2.3. Ergebnisse der Messungen am Einzylinderprüfstand 5.3. Übertragbarkeit der Messergebnisse für den repräsentativen Betriebspunkt 6. Strömungssimulation des Schmierfilms 6.1. Extraktion und Aufbereitung der Poren aus der Zylinderlaufbahn 6.1.1. Vermessung und Aufbereitung der Laufbahnsegmente 6.1.2. Extraktion und Aufbereitung der Poren 6.2. Stationäre Strömungssimulation 6.2.1. Modellierung des Systems und Automatisierung der Berechnung 6.2.2. Ergebnisse 6.3. Transiente Strömungssimulation 6.3.1. Modellierung des Systems 6.3.2. Ergebnisse 7. Zusammenfassung und Ausblick 7.1. Zusammenfassung 7.2. Ausblick Literatur Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Nomenklatur A. Anhang A.1. Anhang zu Kapitel 5 A.2. Anhang zu Kapitel 6 / This work deals with the influence of the porosity of twin wire arc sprayed cylinder liner on the friction behavior. For this purpose, the focused system of piston ring, lubricant and liner is first analyzed for a representative operating point by numerical estimation of the piston ring intermediate pressures as well as the lubricant film thickness and a classification of the friction states is carried out. Among other things, based on the mechanics of flow similarities, a calculation of operating points for experimental investigations on a medium stroke tribometer in the field of boundary friction as well as mixed and hydrodynamic friction is done subsequently. After that, on this model test bench, cylinder segments of different porosity are evaluated against a nitrided piston ring. Beside scalar values, signals above the stroke are used to analyze friction behavior. In addition to the nitrided surfaces, the potential of a ta-C coating for friction reduction is investigated. The transferability of the developed findings to the combustion-engined operation is evaluated via a series of measurements on a single cylinder test bench. Here, too, surface data is used to establish a correlation between the mean effective pressure of frictional forces determined or the signals above the stroke and the porosity. In addition to these experimental investigations, the behaviour of the lubricant film between the piston ring and single pores of the cylinder surface is evaluated using the three-dimensional numerical flow simulation. For this purpose, liner segments are measured by computed tomography, individual pore objects are isolated and processed for simulation. In the context of stationary calculations, a large number of individual objects are first examined in an abstracted system. The analysis of selected pores in transient flow simulations and the evaluation of the transferability of the findings complete this work.:1. Einleitung und wissenschaftliche Zielsetzung 1.1. Einführung 1.2. Zielsetzung und Aufbau der Arbeit 2. Grundlagen 2.1. Grundlagen der Tribologie 2.1.1. Reibung 2.1.2. Verschleiß 2.1.3. Schmierung und Schmierstoffe 2.2. Geometrische Charakterisierung von Oberflächen 2.3. Amorphe Kohlenstoffschichten 2.4. Kolbengruppe und Zylinderlaufbahn 2.5. Strömungsmechanik 2.5.1. Strömungsmechanische Grundlagen 2.5.2. Grundgleichungen der Strömungsmechanik 3. Methoden 3.1. Topographie von Oberflächen 3.1.1. Konfokalmikroskopie 3.1.2. Computertomographie 3.2. Untersuchung tribologischer Eigenschaften 3.2.1. Mittelhub-Tribometer 3.2.2. Einzylinderprüfstand 3.3. Numerische Strömungssimulation 3.3.1. Vernetzungsmethoden 3.3.2. Finite-Differenzen-Methode 3.3.3. Finite-Volumen-Methode 3.3.4. Instationäre Strömungen 3.3.5. Turbulente Strömungen 3.3.6. Kompressible Strömungen 4. Analyse des Systems aus Kolbenring, Schmierstoff und Zylinderlaufbahn 4.1. Bewertung der Kolbenringzwischendrücke 4.2. Numerische Berechnung der Schmierfilmdicke 4.3. Analyse der Reibzustände 5. Experimentelle Analyse 5.1. Untersuchungen am Mittelhub-Tribometer 5.1.1. Ableitung der Betriebspunkte, des Prüfablaufs und der Versuchsmatrix 5.1.2. Analyse der Oberflächen der Versuchsteile 5.1.3. Signalaufbereitung und -bewertung 5.1.4. Ergebnisse im Bereich der Grenzreibung 5.1.5. Ergebnisse im Bereich der Mischreibung und Hydrodynamik 5.2. Untersuchungen am befeuerten Einzylinderprüfstand 5.2.1. Prüfablauf und Versuchsmatrix 5.2.2. Analyse der Oberflächen der Versuchsteile 5.2.3. Ergebnisse der Messungen am Einzylinderprüfstand 5.3. Übertragbarkeit der Messergebnisse für den repräsentativen Betriebspunkt 6. Strömungssimulation des Schmierfilms 6.1. Extraktion und Aufbereitung der Poren aus der Zylinderlaufbahn 6.1.1. Vermessung und Aufbereitung der Laufbahnsegmente 6.1.2. Extraktion und Aufbereitung der Poren 6.2. Stationäre Strömungssimulation 6.2.1. Modellierung des Systems und Automatisierung der Berechnung 6.2.2. Ergebnisse 6.3. Transiente Strömungssimulation 6.3.1. Modellierung des Systems 6.3.2. Ergebnisse 7. Zusammenfassung und Ausblick 7.1. Zusammenfassung 7.2. Ausblick Literatur Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Nomenklatur A. Anhang A.1. Anhang zu Kapitel 5 A.2. Anhang zu Kapitel 6

In der vorliegenden Arbeit wird, ausgehend vom Stand der Wissenschaft und Technik des Lichtbogendrahtspritzens, das Verwenden von chromreichen Fe-Basislegierungen zur Herstellung von korrosionsbeständigen und gleichzeitig tribologisch geeigneten Zylinderlaufbahnbeschichtungen für Verbrennungsmotoren untersucht und qualifiziert. Der Einfluss der gewählten Werkstoffe und die durch die Beschichtung resultierenden Schichteigenschaften werden anhand von Ergebnissen der Tribologie- und Korrosionstests verglichen. Die Bewertung liefert einen Beitrag zum Verständnis der Mechanismen bei der Herstellung solcher Funktionsschichten. Es werden sowohl materialografische als auch diverse andere Charakterisierungsmethoden herangezogen. Ergänzt werden die Ergebnisse durch die Voraussage des motorischen Verhaltens und der anschließenden motorischen Qualifizierung des neuen Beschichtungssystems sowie die darauf folgenden Befundungen, welche der Bestätigung der theoretischen und im Laborumfeld ermittelten Erkenntnisse zum tribologischen und korrosiven Verhalten solcher Systeme dienen. Die Arbeit schließt mit einer Diskussion und einem Ausblick und gibt Empfehlungen für weiterführende Vertiefungen auf diesem Gebiet.:1 Verzeichnis der Abkürzungen, Formelzeichen und Glossar 8 2 Einleitung und Problemstellung 11 3 Stand der Wissenschaft und Technik 15 3.1 Verbrennungsmotor 15 3.1.1 Zylinderlaufbahn 17 3.1.2 Kolbenringe und Kolbenringbeschichtungen 20 3.2 Herstellung von thermisch beschichteten Zylinderlaufbahnen 23 3.2.1 Oberflächenvorbehandlungsmethoden 25 3.2.2 Thermische Beschichtung 27 3.2.3 Lichtbogendrahtspritzen von Zylinderlaufbahnen 29 3.2.4 Korrosionsbeständige Spritzzusatzwerkstoffe 30 3.3 Korrosion im Verbrennungsraum 32 3.3.1 Korrosionsmechanismen 33 3.3.2 Korrosionsarten 34 3.3.3 Korrosionstestmethoden 38 3.3.4 Korrosionsbeständigkeit von Zylinderlaufbahnen aus nichtrostenden Stählen 42 3.3.5 Beispiel für Korrosionserscheinungen an der Zylinderlaufbahn 43 3.4 Das Tribosystem, Zylinderlaufbahn und Kolbenring 45 3.4.1 Tribologie 45 3.4.2 Verschleiß und Verschleißmechanismen 48 3.4.3 Schmierung und Maßnahmen zur Verschleißminderung 50 3.4.4 Einlaufprozess der Gleitpaarungen 52 3.4.5 Reibung und Verschleißmessung 54 4 Folgerungen aus dem Stand der Wissenschaft und Technik 55 5 Zielsetzung 56 5.1 Vorgehensweise 56 5.2 Definition des Zielschichtsystems 57 5.3 Werkstoffauswahl 58 6 Versuchsdurchführung 60 6.1 Probenherstellung 60 6.2 Charakterisierungsmethoden 61 6.2.1 Werkstoffanalyse und Härtemessung 61 6.2.2 Phasenanalyse 64 6.2.3 Chemische Analyse 66 6.2.4 Oberflächencharakterisierung und NanoCT 67 6.2.5 Schichthaftung 69 6.3 Korrosionsprüfungen 70 6.3.1 Allgemeine Korrosionsprüfungen 70 6.3.2 Stromdichte-Potentialmessung (SPK) 71 6.3.3 Elektrochemische Potentiodynamische Reaktivierung (EPR) 72 6.3.4 Bestimmung des kritischen Lochkorrosionspotentials 73 6.4 Tribologische Untersuchungen 74 6.4.1 Kontaktwinkelmessung 74 6.4.2 Ermittlung der Reibungszahl f 75 6.4.3 Erfassung der Verschleißerscheinungsform 77 6.5 Motorische Validierung 77 7 Ergebnisse 80 7.1 Werkstoff- und Oberflächenanalyse 80 7.1.1 Gefügeanalyse und Härtemessungen 80 7.1.2 Phasenanalyse 88 7.1.3 Chemische Analyse 93 7.1.4 Oberflächencharakterisierung und Ermittlung der Hohlraumanteile 95 7.1.5 Schichthaftung 99 7.1.6 Charakterisierung der PUK-Beschichtungen 100 7.2 Ergebnisse der Korrosionsuntersuchungen 103 7.2.1 Allgemeine Korrosionsuntersuchungen 103 7.2.2 Stromdichte-Potentialmessung (SPK) 108 7.2.3 Elektrochemische Potentiodynamische Reaktivierung (EPR) 111 7.2.4 Bestimmung des kritischen Lochkorrosionspotentials 115 7.3 Ergebnisse der tribologischen Untersuchungen 116 7.3.1 Kontaktwinkelmessung der Tribopartner 116 7.3.2 Reibwertmessung 118 7.3.3 Oberflächencharakterisierung und Verschleißmessung 123 7.4 Motorische Qualifizierung 133 7.4.1 Werkstoffauswahl und Aufbau der Motoren für die Dauerläufe 133 7.4.2 Befundung der PKW-Otto-Motoren 135 7.4.3 Befundung der LKW-Diesel-Motoren 148 8 Ergebnisdiskussion 163 8.1 Charakterisierung der Zylinderlaufbahnbeschichtungen 163 8.2 Korrosionsmechanismen 166 8.3 Tribologisches Verhalten 168 8.4 Motorverhalten 170 9 Folgerungen 173 10 Zusammenfassung 174 11 Ausblick 175 12 Quellennachweis 176 13 Verzeichnis der Abbildungen und Tabellen 185 / In the presented work it has been researched and qualified based on the knowledge about twin wire arc spray deposition states, the utilization of iron base chromium materials as a corrosion resistance and tribological useful cylinder liner coating for engine applications. The influence of the material selection and the produced twin wire arc coating properties has been compared with the results of the tribology and corrosion test. The comparison allows the understanding of the circumstances and relation by producing such functional coatings. Several materialographic-, tribological and corrosion tests have been done. In addition, the testing results were confirmed by a real engine application and a final analyses of the coating after engine run which delivers more information to understand the theory and laboratory testing results. The work discusses the achieved results and gives a forecast for further investigations in this field of science.:1 Verzeichnis der Abkürzungen, Formelzeichen und Glossar 8 2 Einleitung und Problemstellung 11 3 Stand der Wissenschaft und Technik 15 3.1 Verbrennungsmotor 15 3.1.1 Zylinderlaufbahn 17 3.1.2 Kolbenringe und Kolbenringbeschichtungen 20 3.2 Herstellung von thermisch beschichteten Zylinderlaufbahnen 23 3.2.1 Oberflächenvorbehandlungsmethoden 25 3.2.2 Thermische Beschichtung 27 3.2.3 Lichtbogendrahtspritzen von Zylinderlaufbahnen 29 3.2.4 Korrosionsbeständige Spritzzusatzwerkstoffe 30 3.3 Korrosion im Verbrennungsraum 32 3.3.1 Korrosionsmechanismen 33 3.3.2 Korrosionsarten 34 3.3.3 Korrosionstestmethoden 38 3.3.4 Korrosionsbeständigkeit von Zylinderlaufbahnen aus nichtrostenden Stählen 42 3.3.5 Beispiel für Korrosionserscheinungen an der Zylinderlaufbahn 43 3.4 Das Tribosystem, Zylinderlaufbahn und Kolbenring 45 3.4.1 Tribologie 45 3.4.2 Verschleiß und Verschleißmechanismen 48 3.4.3 Schmierung und Maßnahmen zur Verschleißminderung 50 3.4.4 Einlaufprozess der Gleitpaarungen 52 3.4.5 Reibung und Verschleißmessung 54 4 Folgerungen aus dem Stand der Wissenschaft und Technik 55 5 Zielsetzung 56 5.1 Vorgehensweise 56 5.2 Definition des Zielschichtsystems 57 5.3 Werkstoffauswahl 58 6 Versuchsdurchführung 60 6.1 Probenherstellung 60 6.2 Charakterisierungsmethoden 61 6.2.1 Werkstoffanalyse und Härtemessung 61 6.2.2 Phasenanalyse 64 6.2.3 Chemische Analyse 66 6.2.4 Oberflächencharakterisierung und NanoCT 67 6.2.5 Schichthaftung 69 6.3 Korrosionsprüfungen 70 6.3.1 Allgemeine Korrosionsprüfungen 70 6.3.2 Stromdichte-Potentialmessung (SPK) 71 6.3.3 Elektrochemische Potentiodynamische Reaktivierung (EPR) 72 6.3.4 Bestimmung des kritischen Lochkorrosionspotentials 73 6.4 Tribologische Untersuchungen 74 6.4.1 Kontaktwinkelmessung 74 6.4.2 Ermittlung der Reibungszahl f 75 6.4.3 Erfassung der Verschleißerscheinungsform 77 6.5 Motorische Validierung 77 7 Ergebnisse 80 7.1 Werkstoff- und Oberflächenanalyse 80 7.1.1 Gefügeanalyse und Härtemessungen 80 7.1.2 Phasenanalyse 88 7.1.3 Chemische Analyse 93 7.1.4 Oberflächencharakterisierung und Ermittlung der Hohlraumanteile 95 7.1.5 Schichthaftung 99 7.1.6 Charakterisierung der PUK-Beschichtungen 100 7.2 Ergebnisse der Korrosionsuntersuchungen 103 7.2.1 Allgemeine Korrosionsuntersuchungen 103 7.2.2 Stromdichte-Potentialmessung (SPK) 108 7.2.3 Elektrochemische Potentiodynamische Reaktivierung (EPR) 111 7.2.4 Bestimmung des kritischen Lochkorrosionspotentials 115 7.3 Ergebnisse der tribologischen Untersuchungen 116 7.3.1 Kontaktwinkelmessung der Tribopartner 116 7.3.2 Reibwertmessung 118 7.3.3 Oberflächencharakterisierung und Verschleißmessung 123 7.4 Motorische Qualifizierung 133 7.4.1 Werkstoffauswahl und Aufbau der Motoren für die Dauerläufe 133 7.4.2 Befundung der PKW-Otto-Motoren 135 7.4.3 Befundung der LKW-Diesel-Motoren 148 8 Ergebnisdiskussion 163 8.1 Charakterisierung der Zylinderlaufbahnbeschichtungen 163 8.2 Korrosionsmechanismen 166 8.3 Tribologisches Verhalten 168 8.4 Motorverhalten 170 9 Folgerungen 173 10 Zusammenfassung 174 11 Ausblick 175 12 Quellennachweis 176 13 Verzeichnis der Abbildungen und Tabellen 185

Die Anforderungen an die Verbrennungsmotoren im Hinblick auf Emissionen, Kraftstoffverbrauch und Leistungspotentiale sind in den letzten Jahren stark gestiegen. Die zunehmende Leistungsdichte, aufgrund eingesetzter Konzepte wie Downsizing und Aufladung, führt gerade an der Zylinderlaufbahn zu ansteigenden thermischen und mechanischen Belastungen. Aktuelle Konzepte, wie z.B. Aluminium-Silizium-Legierungen erreichen dabei ihre Belastungsgrenzen, so dass zur Absicherung der Funktion Grauguss - Legierungen in Buchsenform eingesetzt werden. Dies führt jedoch wiederum zu einem Motormehrgewicht mit direkter Auswirkung auf den Kraftstoffverbrauch und damit auch Emissionen. Die Umsetzung von alternativen Laufbahnkonzepten, die diesen Anforderungen gewachsen sind und dabei optimales Reibungs- und Verschleißverhalten zeigen, steht daher im Fokus aktueller Entwicklungsarbeiten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die anodische Oxidation von Aluminiumoberflächen als potentielles Zylinderlaufbahnkonzept untersucht. Es wurden Laufbahnen aus der Druckgusslegierung AlSi9Cu3 mit zwei unterschiedlichen Keramik-Schichten erzeugt. Die Kepla-Coat R-Schicht basierend auf dem Gleichstromprozess der Firma AHC Oberflächentechnik GmbH, ein Unternehmen der AIMT Holding, und die G2 - Schicht auf Basis des Wechselstromprozesses der Firma Keronite. Die Schichtcharakterisierung hat gezeigt, dass sich die Schichtzusammensetzungen und -strukturen in Abhängigkeit von Prozessparameter und Elektrolyt unterscheiden. Nach einer mechanischen Nachbearbeitung zur Glättung der Oberfläche und Freilegung der prozessbedingten Porosität, erfolgte die tribologische Bewertung sowohl in Tribometer-Modellversuchen mit oszillierender und rotierender Kinematik als auch unter realen Betriebsbedingungen an einem befeuerten Einzylindermotor. Untersucht wurden Fresslasten sowie das Reibungs- und Verschleißverhalten. Verwendet wurden unterschiedliche Kolbenring - Laufbahn -Paarungen in Kombination mit unterschiedlichen Ölen. Als Kolbenringe kamen nitrierte, CKS-, CrN-, ta-C- und GG-Kolbenringe zum Einsatz. Im Rahmen der Fresslastuntersuchungen konnte gezeigt werden, dass die maximale Belastung der G2 - Schicht bei ca. 500 N und die der Kepla-Coat R-Schicht bei ca. 200 N liegt. Auf dem gleichen Niveau wie Aluminium - Silizium - Legierungen liegend, war letztere für den motorischen Einsatz ungeeignet. Die G2 - Schicht erfüllte dahingegen die Anforderungen sowohl im Rotationstribometer, in dem die kritischen Verhältnisse des Zwickelbereichs stationär nachgebildet wurden, als auch diejenigen in den motorischen Untersuchungen. In den untersuchten Systemen konnte in Abhängigkeit von unterschiedlichen Kolbenringen und Ölen jedoch kein Reibungsvorteil zum Seriensystem bestimmt werden. Während die Kolbenringbeschichtung im Modellversuch zu unterschiedlichen Reibzahlen führte, konnte im realen Ring / Laufbahn - System nur ein untergeordneter Einfluss auf die Reibung festgestellt werden. Im Rahmen der Verschleißbetrachtung der Kolbenringe konnte für den Modelltest und den Einzylindermotor ein gleiches Ranking festgestellt werden. Der Verschleiß zeigte dabei eine Abhängigkeit zur Ringoberflächenhärte. Von den untersuchten Ringen zeigt der ta-C - beschichtete Kolbenring den geringsten Verschleiß. In den Untersuchungen hinsichtlich Laufbahnverschleiß konnte gezeigt werden, dass die Keronite - Laufbahnen bis zu Kontaktpressungen von 200 bar eine maximale Verschleißgeschwindigkeit von 10 nm/h aufweisen. Eine höhere Verschleißgeschwindigkeit wurde bei 150 und 200 bar mit 5 m/s Gleitgeschwindigkeit gemessen. Sie lagen bei ca. 16 nm/h. Im Vergleich mit Serienbauteilen sind das nur wenige Prozent.

Die Anforderungen an die Verbrennungsmotoren im Hinblick auf Emissionen, Kraftstoffverbrauch und Leistungspotentiale sind in den letzten Jahren stark gestiegen. Die zunehmende Leistungsdichte, aufgrund eingesetzter Konzepte wie Downsizing und Aufladung, führt gerade an der Zylinderlaufbahn zu ansteigenden thermischen und mechanischen Belastungen. Aktuelle Konzepte, wie z.B. Aluminium-Silizium-Legierungen erreichen dabei ihre Belastungsgrenzen, so dass zur Absicherung der Funktion Grauguss - Legierungen in Buchsenform eingesetzt werden. Dies führt jedoch wiederum zu einem Motormehrgewicht mit direkter Auswirkung auf den Kraftstoffverbrauch und damit auch Emissionen. Die Umsetzung von alternativen Laufbahnkonzepten, die diesen Anforderungen gewachsen sind und dabei optimales Reibungs- und Verschleißverhalten zeigen, steht daher im Fokus aktueller Entwicklungsarbeiten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die anodische Oxidation von Aluminiumoberflächen als potentielles Zylinderlaufbahnkonzept untersucht. Es wurden Laufbahnen aus der Druckgusslegierung AlSi9Cu3 mit zwei unterschiedlichen Keramik-Schichten erzeugt. Die Kepla-Coat R-Schicht basierend auf dem Gleichstromprozess der Firma AHC Oberflächentechnik GmbH, ein Unternehmen der AIMT Holding, und die G2 - Schicht auf Basis des Wechselstromprozesses der Firma Keronite. Die Schichtcharakterisierung hat gezeigt, dass sich die Schichtzusammensetzungen und -strukturen in Abhängigkeit von Prozessparameter und Elektrolyt unterscheiden. Nach einer mechanischen Nachbearbeitung zur Glättung der Oberfläche und Freilegung der prozessbedingten Porosität, erfolgte die tribologische Bewertung sowohl in Tribometer-Modellversuchen mit oszillierender und rotierender Kinematik als auch unter realen Betriebsbedingungen an einem befeuerten Einzylindermotor. Untersucht wurden Fresslasten sowie das Reibungs- und Verschleißverhalten. Verwendet wurden unterschiedliche Kolbenring - Laufbahn -Paarungen in Kombination mit unterschiedlichen Ölen. Als Kolbenringe kamen nitrierte, CKS-, CrN-, ta-C- und GG-Kolbenringe zum Einsatz. Im Rahmen der Fresslastuntersuchungen konnte gezeigt werden, dass die maximale Belastung der G2 - Schicht bei ca. 500 N und die der Kepla-Coat R-Schicht bei ca. 200 N liegt. Auf dem gleichen Niveau wie Aluminium - Silizium - Legierungen liegend, war letztere für den motorischen Einsatz ungeeignet. Die G2 - Schicht erfüllte dahingegen die Anforderungen sowohl im Rotationstribometer, in dem die kritischen Verhältnisse des Zwickelbereichs stationär nachgebildet wurden, als auch diejenigen in den motorischen Untersuchungen. In den untersuchten Systemen konnte in Abhängigkeit von unterschiedlichen Kolbenringen und Ölen jedoch kein Reibungsvorteil zum Seriensystem bestimmt werden. Während die Kolbenringbeschichtung im Modellversuch zu unterschiedlichen Reibzahlen führte, konnte im realen Ring / Laufbahn - System nur ein untergeordneter Einfluss auf die Reibung festgestellt werden. Im Rahmen der Verschleißbetrachtung der Kolbenringe konnte für den Modelltest und den Einzylindermotor ein gleiches Ranking festgestellt werden. Der Verschleiß zeigte dabei eine Abhängigkeit zur Ringoberflächenhärte. Von den untersuchten Ringen zeigt der ta-C - beschichtete Kolbenring den geringsten Verschleiß. In den Untersuchungen hinsichtlich Laufbahnverschleiß konnte gezeigt werden, dass die Keronite - Laufbahnen bis zu Kontaktpressungen von 200 bar eine maximale Verschleißgeschwindigkeit von 10 nm/h aufweisen. Eine höhere Verschleißgeschwindigkeit wurde bei 150 und 200 bar mit 5 m/s Gleitgeschwindigkeit gemessen. Sie lagen bei ca. 16 nm/h. Im Vergleich mit Serienbauteilen sind das nur wenige Prozent.

Die funktionsorientierte Messtechnik ist gegenwärtig für die Optimierung von Herstellung und Endbearbeitung thermisch gespritzter, tribologisch belasteter Kontakte unterrepräsentiert. Obwohl sich das Leitmotiv „Messen, Analysieren und Verbessern“ wie ein roter Fa-den durch gängige Standards (ISO/TS 16949, VDA 6.1, …) zieht, werden kaum effektive Verbesserungspotenziale identifiziert und industriell umgesetzt. In der Praxis wird vor allem die Stückzahl von fehlerbehafteten Teilen mittels statistischer Methoden gesteuert und geregelt (IPC 9199/DGQ-Band 16). Werden Fehlerzustandspopulationen in Softwaresystemen auf solche Weise identifiziert, verifiziert und mitigiert, so spricht man gem. IEC 62304 von Black-Box-Testing. Solange der Ertrag stimmt, steht die Zahl nicht zurückweisbarer Güter im Vordergrund und nicht, ob die Ereignisse im Produktentstehungsprozess beherrschten Regeln folgen. Im Gegensatz hierzu steht das sog. White-Box-Testing. Es bietet die Möglichkeit, Qualität nach DIN 55350 Teil 11 (sowie DIN ISO 9126) entlang aller Hilfs-, Stütz-, Wertschöpfungs- und Nutzungsvorgängen der Produkte konsistent zu behandeln. Das White-Box-Testing wird in der Fertigung von tribologischen Kontakten jedoch bisher nicht angewendet. In der vorliegenden Arbeit wird aufgezeigt, warum dieser Ansatz bei erstmaliger Implementierung zwar aufwändiger, umfassender Analysen bedarf, über das veränderte Leitmotiv im Gesamten jedoch die Erfolgsaussichten von Optimierungsinitiativen steigert. „Wie etwas Positives funktioniert“ wird dabei alternativ zur Frage, „wie etwas Schlechtes“ zu verhindern ist, behandelt. Über die Methodik hinaus werden konkrete Werk-zeuge vorgeschlagen, funktionsorientierte Konformitätszustände über den Fingerabdruck der Werkstoffbelastung zu identifizieren, in smarten und vernetzten Mess- und Prüfketten zu überwachen, zu regeln sowie mittels Leistungskennzahlen zu beurteilen.:1 EINLEITUNG UND MOTIVATION 1.1 Ausgangsituation 1.2 Allgemeine Bewertungskriterien der Zylinderlaufbahn 1.3 Beurteilungsformen fertigungstechnischer Aspekte 1.3.1 Verfahrensbeurteilung der Endbearbeitung und Herstellung 1.3.2 Beurteilung von Verfahrensanwendungen unter Gesichtspunkten industrieller Messtechnik 1.4 Zusamenfassung und Rezension existierender Konzepte zur Qualitätssicherung der technischen Oberfläche 2 FORSCHUNGSBEDARF UND THEMATISCHE EINGRENZUNG 2.1 Bestimmung des Untersuchungsgegenstandes 2.2 Problemstellung Anomalien thermisch gespritzter Zylinderlaufflächen in Serie und Vorserie 2.2.1 Konsekutive Phänomene der Materialauftragungen sowie Mikrofresser in motorischer Belastung und vorheriger Endbearbeitung 2.2.2 Beeinflusste Materialparameter durch Endbearbeitung und Auswirkungen auf die Laufstabilität/ Fressneigung 2.2.3 Limitierung in der Anwendung und Deutung genormter Parameter industrieller Oberflächenmesstechnik 2.3 Hypothesen und theoretischer Ansatz 2.4 White-Box-Ansatz zur funktionsorientierten Herstellung und Endbearbeitung 3 UMFELDANALYSE ZUR METHODENENTWICKLUNG 3.1 Einordnung existierender theoretischer Modelle und Konzepte 3.2 Tribologische Systemgrößen Zylinderlaufbahn im Betrieb und während der Endbearbeitung 3.2.1 Reibungsszustände 3.2.2 Verschleißmechanismen und -kenngrößen 3.2.3 Schmierung 3.2.4 Nutz- und Verlustgrößen, Tribologische Prüfungen 3.3 Gegenwärtige Gestaltung und Ausführung der Zylinderlaufbahn 3.3.1 Zylinderlaufbahnkonzepte 3.3.2 Einfluss moderner Konzepte der Kolbengruppe und der Schmierung 3.3.3 Topographie und abgeleitete Endbearbeitungskonzepte 3.3.4 Honen von Zylinderbohrungen 3.4 Tribologie der Endbearbeitung als Schlüssel zu funktionsgerechten Oberflächen 3.4.1 Abtragsvorgänge beim Honen und Superfinishen 3.4.2 Oberflächenanalytik zur Beschreibung von Abtragsmechanismen 3.4.3 Kraftdynamik in der Endbearbeitung 3.4.4 Kombinierte Technologie: Sensitives-adaptives Honen und Superfinishen 3.5 Thermisches Spritzen von Zylinderlaufflächen 3.5.1 Vorgänge des Werkstoffauftrags im Zuge des Thermischen Spritzens 3.5.2 Lichtbogendrahtspritzen, LDS 3.5.3 Zerstäubung und Spritzstrahlausprägung 3.5.4 Auftreffen und Erstarrung der Spritzpartikel im Schichtverbund 3.6 Werkstoffintegrität der LDS-Spritzschicht 4 ABLEITUNG UND FESTLEGUNG FUNKTIONSRICHTIGER MESSSTRATEGIE 4.1 Begründung und Verwertung des White-Box-Testing-Ansatzes 4.2 Werkstoffparameter funktionaler Oberflächen 4.2.1 Struktureigenschaften und Festigkeit 4.2.2 Physikalische und chemische Eigenschaften 4.3 Technische Oberfläche, lang- und kurzwellige Gestaltabweichungen 4.3.1 Skalenabhängige, geometrische Kontaktbedingungen 4.3.2 Meso- und Mikrokontakt der Zylinderlauffläche 4.4 Operationalisierung der Testhypothese 5 NUTZUNG MESSTECHNISCH RÜCKFÜHRBARER WECHSELWIRKUNGEN FÜR HERSTELLUNG UND ENDBEARBEITUNG 5.1 Funktionsorientierte, definierte Variation lokalisierter Fertigungsmerkmale 5.1.1 Endbearbeitung der Spritzschicht 5.1.2 Herstellung der Spritzschicht 5.1.3 Spezifikation und Verifikation varianter Merkmale der Laufbahn 5.2 Versuchseinrichtung und -bauteile zur Methodenentwicklung 5.2.1 Ausführung im Sinne des White-Box-Testings 5.2.2 Flachproben 5.2.3 Zylinder 6 ANWENDUNG FUNKTIONSORIENTIERTER WERKZEUGE IM QUALITÄTSREGELKREIS 6.1 Verifikationsstrategie 6.2 Spezifische Merkmale der Werkstoffbelastung in Fertigung und Tribometrie 6.3 Fehlerinduktion, -Verifikation und -Behandlungsroutine im geschlossenen Qualitätsregelkreis 6.3.1 Charakterisierung zuordbarer Zylinderlaufbahnperformanceabweichungen 6.3.2 Rückverfolgbare Messkette von tribologischer Belastung über die Endbearbeitung bis zur Herstellung 6.3.3 Werkstoffintegrität als Einflussgröße in der Endbearbeitung und Tribometrie 6.4 Ermittlung von Leistungskennzahlen während der Fertigung mit Auswirkung auf das Verhalten bei tribologischer Prüfung zur Qualitätsregelung 7 ZUSAMMENFASSUNG UND FAZIT 8 LITERATURVERZEICHNIS 9 VERZEICHNIS DER ABBILDUNGEN UND TABELLEN 10 ANHANG 10.1 Messtechnische Grundlagen, Stichwortverzeichnis 10.2 Oberflächenunvollkommenheiten nach DIN EN ISO 8785 10.3 Weiterführende Ergebnisse der Analyse von Oberflächenunvollkommenheiten 10.4 Ausgewählte Ergebnisse im Zuge der Zusammenarbeit und Veröffentlichung Hick et al. 2018 [336] (nicht in der Form veröffentlichtes Material) / Function-oriented measurement technology is currently underestimated when it comes to optimizing layer production and finishing of thermally sprayed, tribologically stressed contacts. Although the fundamental premise 'measure, analyse and improve' runs like a common thread through all the common standards (ISO/TS 16949, VDA 6.1, ...), hardly any effective improvement potentials are identified and realized with industrial profit. In today’s industrial applications, the number of defective parts is controlled and regulated using conventional statistical methods (IPC 9199/DGQ Volume 16). This is a so-called “black box testing” according to IEC 62304 when used at error management in software applications for identifaction, verification and mitigation. Finally, quantitative production output is focussed and not the inner operating system’s processes of the manufacturing system or interdependencies at product use. Opposite to this, the so-called “white box testing” alternatively focuses on the inner functioning of the processes and the quality of its results according to DIN 55350 Part 11 (as well as DIN ISO 9126) at each value-added process from production to product use on an equal footing. While this approach is more elaborate and demanding because of wide-ranging analysis, in the presented work it is demonstrated why it is more promising at holistic optimisations efforts in terms of the leitmotiv with the question 'how something positive works' versus the more conventional defensive recognized question 'how something bad can be prevented'. However, white box testing has not yet been used in manufacturing of tribological contacts. In addition to the methodology, concrete tools are proposed to identify function-oriented states of conformity via the fingerprint of the material load, to monitor and regulate them in smart, networked measurement and test chains using suitable performance indicators.:1 EINLEITUNG UND MOTIVATION 1.1 Ausgangsituation 1.2 Allgemeine Bewertungskriterien der Zylinderlaufbahn 1.3 Beurteilungsformen fertigungstechnischer Aspekte 1.3.1 Verfahrensbeurteilung der Endbearbeitung und Herstellung 1.3.2 Beurteilung von Verfahrensanwendungen unter Gesichtspunkten industrieller Messtechnik 1.4 Zusamenfassung und Rezension existierender Konzepte zur Qualitätssicherung der technischen Oberfläche 2 FORSCHUNGSBEDARF UND THEMATISCHE EINGRENZUNG 2.1 Bestimmung des Untersuchungsgegenstandes 2.2 Problemstellung Anomalien thermisch gespritzter Zylinderlaufflächen in Serie und Vorserie 2.2.1 Konsekutive Phänomene der Materialauftragungen sowie Mikrofresser in motorischer Belastung und vorheriger Endbearbeitung 2.2.2 Beeinflusste Materialparameter durch Endbearbeitung und Auswirkungen auf die Laufstabilität/ Fressneigung 2.2.3 Limitierung in der Anwendung und Deutung genormter Parameter industrieller Oberflächenmesstechnik 2.3 Hypothesen und theoretischer Ansatz 2.4 White-Box-Ansatz zur funktionsorientierten Herstellung und Endbearbeitung 3 UMFELDANALYSE ZUR METHODENENTWICKLUNG 3.1 Einordnung existierender theoretischer Modelle und Konzepte 3.2 Tribologische Systemgrößen Zylinderlaufbahn im Betrieb und während der Endbearbeitung 3.2.1 Reibungsszustände 3.2.2 Verschleißmechanismen und -kenngrößen 3.2.3 Schmierung 3.2.4 Nutz- und Verlustgrößen, Tribologische Prüfungen 3.3 Gegenwärtige Gestaltung und Ausführung der Zylinderlaufbahn 3.3.1 Zylinderlaufbahnkonzepte 3.3.2 Einfluss moderner Konzepte der Kolbengruppe und der Schmierung 3.3.3 Topographie und abgeleitete Endbearbeitungskonzepte 3.3.4 Honen von Zylinderbohrungen 3.4 Tribologie der Endbearbeitung als Schlüssel zu funktionsgerechten Oberflächen 3.4.1 Abtragsvorgänge beim Honen und Superfinishen 3.4.2 Oberflächenanalytik zur Beschreibung von Abtragsmechanismen 3.4.3 Kraftdynamik in der Endbearbeitung 3.4.4 Kombinierte Technologie: Sensitives-adaptives Honen und Superfinishen 3.5 Thermisches Spritzen von Zylinderlaufflächen 3.5.1 Vorgänge des Werkstoffauftrags im Zuge des Thermischen Spritzens 3.5.2 Lichtbogendrahtspritzen, LDS 3.5.3 Zerstäubung und Spritzstrahlausprägung 3.5.4 Auftreffen und Erstarrung der Spritzpartikel im Schichtverbund 3.6 Werkstoffintegrität der LDS-Spritzschicht 4 ABLEITUNG UND FESTLEGUNG FUNKTIONSRICHTIGER MESSSTRATEGIE 4.1 Begründung und Verwertung des White-Box-Testing-Ansatzes 4.2 Werkstoffparameter funktionaler Oberflächen 4.2.1 Struktureigenschaften und Festigkeit 4.2.2 Physikalische und chemische Eigenschaften 4.3 Technische Oberfläche, lang- und kurzwellige Gestaltabweichungen 4.3.1 Skalenabhängige, geometrische Kontaktbedingungen 4.3.2 Meso- und Mikrokontakt der Zylinderlauffläche 4.4 Operationalisierung der Testhypothese 5 NUTZUNG MESSTECHNISCH RÜCKFÜHRBARER WECHSELWIRKUNGEN FÜR HERSTELLUNG UND ENDBEARBEITUNG 5.1 Funktionsorientierte, definierte Variation lokalisierter Fertigungsmerkmale 5.1.1 Endbearbeitung der Spritzschicht 5.1.2 Herstellung der Spritzschicht 5.1.3 Spezifikation und Verifikation varianter Merkmale der Laufbahn 5.2 Versuchseinrichtung und -bauteile zur Methodenentwicklung 5.2.1 Ausführung im Sinne des White-Box-Testings 5.2.2 Flachproben 5.2.3 Zylinder 6 ANWENDUNG FUNKTIONSORIENTIERTER WERKZEUGE IM QUALITÄTSREGELKREIS 6.1 Verifikationsstrategie 6.2 Spezifische Merkmale der Werkstoffbelastung in Fertigung und Tribometrie 6.3 Fehlerinduktion, -Verifikation und -Behandlungsroutine im geschlossenen Qualitätsregelkreis 6.3.1 Charakterisierung zuordbarer Zylinderlaufbahnperformanceabweichungen 6.3.2 Rückverfolgbare Messkette von tribologischer Belastung über die Endbearbeitung bis zur Herstellung 6.3.3 Werkstoffintegrität als Einflussgröße in der Endbearbeitung und Tribometrie 6.4 Ermittlung von Leistungskennzahlen während der Fertigung mit Auswirkung auf das Verhalten bei tribologischer Prüfung zur Qualitätsregelung 7 ZUSAMMENFASSUNG UND FAZIT 8 LITERATURVERZEICHNIS 9 VERZEICHNIS DER ABBILDUNGEN UND TABELLEN 10 ANHANG 10.1 Messtechnische Grundlagen, Stichwortverzeichnis 10.2 Oberflächenunvollkommenheiten nach DIN EN ISO 8785 10.3 Weiterführende Ergebnisse der Analyse von Oberflächenunvollkommenheiten 10.4 Ausgewählte Ergebnisse im Zuge der Zusammenarbeit und Veröffentlichung Hick et al. 2018 [336] (nicht in der Form veröffentlichtes Material)