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A L U M I N I U M o b e r f L ä c h e
angleichen. In Tests an verschiedenen
Motoren wurden – allen Befürchtungen
zum Trotz – keinerlei negative
Auswirkungen auf den Schmierfilm
am Kolbenhemd und damit auf
das Reibungs- und Einfressverhalten
festgestellt. Dieser überraschende
Befund erklärt sich durch die geringe
Reibung der Beschichtung, die weniger
Schmierung zwischen dem Kolbenhemd
und der Zylinderbuchse
erfordert. Darüber hinaus wirkt auch
die träge, amorphe Beschaffenheit
der DLC-Beschichtung einem Einfressen
entgegen.
Um die Haftung der harten DLC-
Schicht an der weichen Aluminiumoberfläche
zu optimieren, musste die
Härtedifferenz zwischen den beiden
Werkstoffen reduziert werden. Hierzu
wurde die Beschichtung um eine
Zwischenlage aus Silizium mit eingebrachtem
DLC-Layer ergänzt, die das
Substrat mit der funktionellen Deckschicht
verbindet. Aufgrund ihrer im
Vergleich zu reinem DLC geringeren
Härte verbessert sie die Haftung der
DLC-Schichtenfolge am Trägermaterial
(s. Abb. 2). Die einzelnen Schichten
werden mit plasmaunterstützter
chemischer Gasphasenabscheidung
(PACVD) aufgetragen, was einer Erhöhung
der Oberflächenrauheit durch
die Beschichtung entgegenwirkt.
DLc-beschichtungen
auf dem Prüfstand
In einem Test in Zusammenarbeit mit
Akira Technologies (Bayonne, Frankreich)
hatten die mit DLC „Cavidur“
beschichteten Kolben Gelegenheit,
ihre Fähigkeiten unter Beweis zu stellen.
Der verwendete Motor war ein
Kawasaki ZX0R für Superbikes mit
.000 cm 3 und vier Zylindern, der bei
3.000 U/min eine Nutzleistung von
88 PS aufbringt.
Wie in Abb. 3 gezeigt, erzielte der
Motor mit den DLC-beschichteten
Kolben eine konstant höhere Leistung,
wobei sich der Abstand bei höheren
Drehzahlen noch vergrößerte.
Bei 3.000 U/min produzierte er rund
vier zusätzliche PS.
Im Praxistest musste das Motorrad
mit den DLC-Beschichtungen
.300 km auf einer Rennstrecke zurücklegen.
Anschließend wurden die
Kolben zerlegt und eingehend wissenschaftlich
untersucht. Der erste
Eindruck war der eines nagelneuen
Kolbens (s. Abb. ). Mit bloßem Auge
waren keine Reibungsspuren oder
Verschleißerscheinungen auf der
DLC-beschichteten Oberfläche zu
erkennen. Erst bei 50-facher Vergrößerung
(s. Abb. 2) zeigten sich leichte
Kratzspuren. Eine genaue Nachforschung
ergab, dass es sich um plastische
Verformungen aufgrund des relativ
weichen Trägermaterials handelte.
Diese Erscheinung, so konstatierte
das Bekaert-Team, ist im Hinblick
Abb. 2: Nahaufnahme eines Aluminiumkolbens
mit DLC-Beschichtung
Fig. 2: Close-up surface DLC coated
aluminium piston
auf ein Abblättern der Beschichtung
völlig unbedenklich. Das Testergebnis
übertraf alle Erwartungen, da ein
unbeschichteter Kolben bei gleicher
Einsatzdauer starke Kratzspuren um
praktisch das gesamte Kolbenhemd
aufweist. Unter dem Strich ergab der
Test mit dem Kawasaki ZX0R eine
um bis zu zwei Prozent höhere Motorleistung
und eine längere Lebensdauer.
Bekaert war ein wahrer Durchbruch
gelungen.
Der Praxistest hatte eindrucksvoll
gezeigt, dass sich durch eine Behandlung
der Kolbenoberfläche (entgegen
der landläufigen Meinung, eine gewisse
Rauheit sei erforderlich) und durch
eine Optimierung der Schichtstruktur
sehr wohl eine DLC-Beschichtung auf
einem Aluminiumkolben aufbringen
lässt. Klare Verbesserungen des Reibungs-
und Verschleißverhaltens sind
das Ergebnis.
Autoren
Mark Boghe ist Product Market Manager
Automotive/Racing, weltweit, bei Bekaert.
Marc Hervé ist Market Manager Racing,
Europa bei Bekaert.
and therefore on the friction and galling
behaviour, contrary to what was
expected. The absence of any negative
effect is explained through the
low friction of the coating itself, as
less lubrication is required between
piston skirt and liner. Finally, galling
is equally eliminated due to the inert
and amorphous structure of the DLC
coating.
To improve the adhesion of the
hard DLC coating to the soft aluminium
surface, the DLC coating has also
been adapted. To avoid a steep hardness
gradient between the substrate
and the coating, the architecture itself
needed to be customised. An intermediate
layer is applied to reduce
the hardness difference between the
substrate and the functional top layer.
Silicon containing a DLC layer is deposited
on the substrate and acts as an
adhesion layer. As the hardness of this
layer is lower than a pure DLC layer, it
reduces the hardness gradient, leading
to an improved adhesion of the coating
stack to the substrate. (see Fig. 2).
The different layers are applied with a
PACVD (plasma assisted chemical vapour
deposition) process, eliminating
the risk of a roughness increase of the
surface due to the deposited coating.
DLc coatings put to the test
A test was carried out with Akira
Technologies (Bayonne, France) to
quantify the impact of a DLC ‘Cavidur’
coated piston. The engine used was
a Superbike Kawasaki ZX0R engine
(000 cm 3 , 4 cylinders) with 88 bhp
at 3,000 rpm. Traditionally, as shown
in Fig. 3, the power output of the engine
with DLC coated pistons consistently
shows higher output, with the
benefit growing as the rpm increases,
leading to around four additional bhp
at 3,000 rpm.
To verify the behaviour of the DLC
coating in real life conditions, the motorbike
was taken to the circuit and
the engine put through a total of ,300
kms of racing. Afterwards, the pistons
were disassembled and scientifically
inspected. At a first glance, the pistons
looked like brand new (see Fig. ). No
friction or wear effects could be seen
on the DLC coated surface. A bigger
magnification was required (see Fig.
54 ALUMINIUM · 11/2008