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
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:20587 |
| Date | 26 October 2016 |
| Creators | Özdeniz, Eyüp Akin |
| Contributors | Lampke, Thomas, Möhwald, Kai, Technische Universität Chemnitz |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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