Kolbenbeschichtungen sind weit verbreitet. Sie verbessern nicht nur die tribologischen Eigenschaften zwischen Kolben und Zylindern, sondern führen auch zu einer Minderung der Laufgeräusche eines Motors. Der Zweck konventioneller Beschichtungen auf Kolbenhemden besteht darin, Reibung zu verringern um den Verschleiß zu minimieren indem die Gleiteigenschaften zwischen dem an der Zylinderwandung anliegenden Kolbenhemden verbessert werden. Speziell in der initialen Einlaufphase nach erstmaliger Inbetriebnahme der Motoren macht eine Hemd-Beschichtung Sinn, denn die führt nicht nur zu einer längeren Lebensdauer des Motors bei optimierter Effizienz, sondern erlaubt sogar gewisse temporäre Notlaufeigenschaften unter extremen Betriebsbedingungen wie übermäßig hohen Temperaturen und Drücken. Kolbenhersteller verwenden meist Graphit,- oder Molybdän-Disulfid-haltige Materialien. In den letzten Jahren kamen auch Beschichtungen auf Polymerbasis zum Tragen, denen man Mos2, Graphit und/oder andere Zusätze beimischt. 

Unsere Beschichtungen erfüllen selbstverständlich auch diese Anforderungen, können jedoch noch deutlich mehr. Bitte tauchen Sie tiefer in die Materie ein. Es geht neben der Minimierung von Reibung auch um die Verringerung des Verschleiß der Kolbenringe, da man durch das Auftragen unseres Kolbenhemdcoating das teilweise exzessive Kolbenkippen stark reduziert. Und es geht auch um mehr Motorleistung als Folge der Senkung der Emissionen durch Minimierung der Reibungsverluste. Wussten Sie, dass über 35% der internen Reibungsverluste aus dem Kontakt der Kolbenringe zur Zylinderlauffläche resultieren? 

Merkmale verschiedener Beschichtungsmaterialien:

1. Molybdän-Disulfid (MoS₂):

Eigenschaften: MoS₂ hat ausgezeichnete trockene Schmiereigenschaften, da es einen sehr geringen Reibungskoeffizienten aufweist. Aufgetragen auf Kolbenhemden mindert es den Verschleiß zwischen Kolbenhemd und Zylinderlaufbahn.

Vorteile: Es hilft, Kaltstartbedingungen zu verbessern, bei denen der Ölfilm auf den Zylinderwänden noch nicht vollständig aufgebaut ist. Außerdem hält es hohen Temperaturen und Drücken im Motor stand.

Anwendung: Die Beschichtungen werden entweder aufgesprüht oder im Siebdruckverfahren auf Kolbenhemden aufgetragen.

2. Graphit:

Eigenschaften: Graphit verfügt ebenfalls über hervorragende tribologische Eigenschaften. Zudem ist es ein kostengünstiges Material welches häufig in der Großserie für Standardmotoren, aber auch bei einigen Kolben für Hochleistungsmotoren verwendet wird.

Vorteile: Graphit kann in sehr geringen Schichtstärken aufgetragen werden, ohne die Passgenauigkeit des Kolbens zu beeinträchtigen. Hinweis: Die vom Hersteller angegebenen Kolbendurchmesser, gemessen an den Messpunkten werden generell ohne die minimalen Schichtdicke der Beschichtung angegeben. 

3. Polymere (meist in Kombination mit Festschmierstoffen wie Graphit oder MoS₂):

Polymerbeschichtungen für Kolbenhemden bestehen aus einer hochfesten Kunststoffmatrix, in welche verschiedene und allgemein bekannte Festschmierstoffen wie Graphit oder Molybdän-Disulfid (MoS₂) gegeben werden. Für Kolben von Rennmotoren greift man auf besonders leistungsfähige Spezial-Coatings zurück. In seltenen Anwendungsfällen kommen teilweise sündhafte teure Feststoff-Additiven zum Einsatz.

4. NCC-Beschichtungen (Nickel / Nickel-Phosphor Schichten)

Diese, teilweise, von der Formulierung sehr komplizierten Beschichtungen werden im industriellen Maßstab aufgebracht. Die Komposit- und Dispersionsschichten basieren primär auf Nickel als Hauptbestandteil (85-97%) und Phosphor (3-15%). Auch werden nicht selten Anteile von Chrom zugefügt. Die Schichten lassen sich sehr gut einstellen und können sowohl in galvanischen als auch chemischen Abscheideverfahren aufgebracht werden. Addiert man Siliziumcarbid (SiC) zu einer elektrolytisch abzuscheidenden Formel, nähert man sich technisch den bekannten NiSiC oder Nikasil-Beschichtungen von Zylinderlaufbahnen. Je nach Einsatzbereich können zusätzlich noch weitere Dispersionsstoffe wie PTFE und Borcarbid im Nanopartikelbereich zugefügt werden. Eine chemische Abscheidung kommt zum Tragen, wenn man Dünnschichten im Bereich 10-40µm z.B. bei Hochleistungskolben für Verbrennungsmotoren erreichen will. Dicke Schichten, z.B. für Zylinderlaufbahnen werden elektrolytisch aufgetragen. Alles in allem handelt es sich dabei um technisch ausgereifte und sehr wirkungsvolle Methoden der Oberflächenveredelung. Allerdings sind diese nicht geeignet für eine sich von der Materialschicht selbst anpassende Beschichtung von Kolbenhemden.                                                                    

Eine Auswahl von weiteren reibungsminimierenden Stoffen

Polytetrafluorethylen (PTFE): Ein sehr weit verbreitetes Polymer, bekannt auch unter dem markenrechtlich geschützten Namen Teflon. Es weist zwar hervorragende Gleiteigenschaften auf, konnte sich jedoch im Bereich der Kolbenbeschichtungen trotz verbreiteter Anwendungen im Reparaturbereich bis heute keinen Namen machen. Urteil: Nicht empfehlenswert.

Polyamidimide (PAI): Hochleistungsfähige Kunststoffe, die auch bei hohen Temperaturen sehr stabil bleiben. Urteil: Kompliziert in der Formulierung, dabei aber sehr empfehlenswert. 

Polyetheretherketon (PEEK): Ein weiteres Hochleistungsmaterial, das sich durch seine Temperatur- und Verschleißfestigkeit auszeichnet. Urteil: Empfehlenswert, wenn auch kompliziert in den Formulierungen.

Festschmierstoffe als Zusatz: Stoffe wie Graphit, Molybdän-Disulfid (MoS₂) und andere, teils geheim gehaltene reibungsminimierende Zusätze. Essentieller Bestandteil in verschiedenen Coatings.  

Industrielle Anwender von Kolbenbeschichtungen:

FEDERAL-MOGUL/TENNECO:

Als eines der führenden Unternehmen für Automobilkomponenten, stellt der Tenneco Konzern auch beschichtete Kolben her. Die geheimen Formulierungen beinhalten Additive, wie Graphit, aber auch PTFE.

MAHLE:

Verwendet neben Polymerbeschichtungen für Kolben die in Hochleistungsmotoren verbaut werden auch Beschichtungen mit Graphitanteil, sowie im Siebdruckverfahren aufgetragene eisenhaltige Coatings. Die bekannteste MAHLE-Kolbenbeschichtung ist unter der Bezeichnung GRAFAL© bekannt, die speziell bei NIKASIL-Laufflächen zum Einsatz kommt. GRAFAL kann man ohne zu übertreiben als „Mahles Liebling“ bezeichnen. Es handelt sich um dunkelfarbene, fast schwarze Beschichtung, welche im Siebdruckverfahren auf nahezu alle Kolbenhemden aufgedruckt wird. Die Matrix dieser Beschichtung ist ein organisches Harz, in dem Graphit eingebettet wurde (GRAF steht für Graphit/Kohlenstoff). Die Beschichtung vergrößert den Durchmesser des Kolbens etwa 3-4µm (3-4/1000 mm). Dieses Aufmaß darf nicht beim Bohren bzw. finalen Honen der Zylinder berücksichtigt werden. Der Zweck der selbstschmierenden Leichtlaufbeschichtung ist, die Gleitreibung zwischen Kolben und Zylinder zu reduzieren. GRAFAL-Beschichtungen verfügen über Notlaufeigenschaften. Eine weitere von MAHLE verwendete und entwickelte Beschichtung ist die FERROPRINT Beschichtung. So sind fast alle Kolben für die Porsche M96/97, die in Lokasil-Laufflächen laufen mit FERROPRINT Pads auf den Kolbenhemden versehen. Die ersten Motoren der M96-Baureihe wurden im Boxster verbaut.  Damals verzichtete man noch auf eine Beschichtung der Kolbenhemden. (Siehe Foto 1 am Ende des Texts)

Mahle bevorzugt „Grafal“ für Nikasiloberflächen und „Ferroprint“ für Alusil,- und Lokasilzylinder. Die FERROPRINT Beschichtung ist der GRAFAL Beschichtung ähnlich. Der Unterschied liegt darin, dass anstelle von Graphit in den GRAFAL-Beschichtungen, kleinste ferritische Metallfasern in die dann final eisenhaltige Matrix eingebettet werden. 

KS Kolbenschmidt:

Ist einer der bekannten deutschen Hersteller von Kolben und verwendet unterschiedliche Gleitbeschichtungen auf Basis von PTFE und PAI.

Diverse Kolbenhersteller für Spezial,- und/oder Tuninganwendungen

Unzählige Kolbenhersteller, meist aus den USA setzen auf unterschiedliche Beschichtungen. Die Zusammensetzungen werden selten kommuniziert. 

Fahrzeughersteller / OEM`s

Die meisten Hersteller von Sportwagen wie Porsche, Ferrari, BMW, AMG, Lamborghini verwenden in ihren Motoren Kolben mit den unterschiedlichsten Beschichtungen. Um den irrsinnigen, immer strenger werdenden Emissionsanforderungen an Verbrennungsmotoren gerecht zu werden, griffen auch Großserienhersteller von Mittelklassefahrzeugen auf Kolben mit Beschichtungen zurück. Interessant ist die Tendenz, dass man dazu übergeht, wieder Kolben ohne sichtbare Kolbenhemdbeschichtungen zu verbauen. Die Firma Porsche setzt seit einigen Jahren Kolben ohne Gleitlackbeschichtung in einigen Motorgenerationen, wie die der Direkteinspritzermotoren der Generation MA1 und anderen Saug- und Turbomotoren ein. Meist sind es vollflächige, nicht wirklich sichtbare opake NCC-Beschichtungen. 

Lohnbeschichter

Weltweit betätigen sich rund 30 Lohnbeschichter mit der Aufarbeitung und Beschichtung von Kolben gem. Kundenwunsch. Dimensionen und Verwendungszweck wird diesen Firmen vorgegeben. Die verwendeten Materialien werden meist als Betriebsgeheimnis behandelt. Einige Spezialfirmen, offerieren recht leistungsfähige, wenn auch konventionelle Beschichtungen von Kolbenhemden und sogar Kolbenböden an.

Schichtstärken von Kolbenbeschichtungen

Die typischen industriell aufgetragenen Schichtstärken von z.B. Polymerbeschichtungen auf Kolbenhemden liegen im Bereich von 10 bis 15 Mikrometern (µm). Eine zu dicke Schicht kann die Toleranzen des Kolbens zum Zylinder beeinträchtigen, zu Passungsproblemen und unkontrollierten Abrieb führen. Bei der Verwendung von industriell hergestellten Produkten vermeidet man Schichtstärken von über 20 Mikrometern (µm), um eine haltbare Beschichtung zu gewährleisten.

Die von uns entwickelte, sich selbst an die Geometrien im Zylinder anpassenden Beschichtungen, werden bewusst in deutlich dickeren Stärken aufgetragen, weil sie einen anderen Zweck als nur die Verbesserung der tribologischen Eigenschaften (Reibungsminimierung) erfüllen sollen. Genau um diese Beschichtungen geht es hier. Sie eignen sich besonders für Motoren bei denen die Zylinder im Rahmen einer Schadensbehebung auf Übermaß bearbeitet wurden um damit Riefen in der Lauffläche zu beseitigen oder um leicht beschädigte Flächen an den Kolbenhemden wieder herzustellen. Von dem meist kostspieligen Erwerb von Übermaß-Kolben kann in solchen Fällen meist abgesehen werden, denn unsere Spezialbeschichtungen sind besonders flexibel und in der Lage den Schwingungen, der Krafteinleitung und auch der thermischen Ausdehnungen der Kolben zu widerstehen. Ideal wäre eine Beschichtung die sich im Laufe der Betriebszeit und damit einhergehenden Belastungen an die geometrischen Gegebenheiten im Zylinder anpasst, womit gerade ein Entwicklungsziel formuliert wurde. 

Unsere neuartige CTOC-Beschichtung erfüllt diese Anforderung, denn sie passt sich in ihrer Schichtstärke durch eine gewollte Abnutzung der Schichtstärke auf den Bohrungsdurchmesser an und gewährleistet ein minimales und betriebssicheres Kolbenspiel. Dies erfolgt selektiv für jeden Zylinder. Nach Abschluss des Einlaufvorgangs ergibt sich ein großflächiges Tragbild des Kolbens im Zylinder. Diese Verteilung des Drucks des Kolbenhemds auf die Zylinderlaufbahn, verhindern punktuelle Überlastung der Kolbenhemden. Die verbesserte lineare Führung sorgt nicht nur für eine Geräuschminimierung, sondern auch für einen geringen Verschleiß der Kolbenringe, was wiederum zu einer Senkung des Schadstoffausstoß der Motoren führt. 

Konventionelle Beschichtungen werden nicht zwecks einer verbesserten Abdichtung zwischen den beiden Reibpartnern (Kolbenringe und Zylinderlaufbahn) aufgetragen, sondern dafür, den partiellen Reibungskoeffizienten zwischen den Reibpartnern Kolbenhemd und Zylinderlaufbahn zu senken. Neben der Verbesserung der tribologischen Eigenschaften ergibt sich dadurch meist auch eine Minimierung der Laufgeräusche der Motoren. Beschichtungen müssen zwingend temperaturbeständig und sollten im gewissen Maß resistent gegen Verschleiß sein. Im Idealfall verhindern sie langfristig den direkten Kontakt zwischen dem Kolbenbasismaterial (meist eine Aluminiumlegierung) und der Zylinderlauffläche. 

Das Kolben von den beiden Kolbenhemden bzw. der darauf aufgetragenen Beschichtung getragen werden, ist ein weitverbreiteter Irrglaube. Tatsächlich werden die Kolben von den Kolbenringen getragen die auf einem Ölfilm laufen. Die Kolbenhemden übernehmen lediglich die Aufgabe, dass die Kolben beim Wechsel der Richtung von OT Richtung UT und umgekehrt, nicht übermäßig im Zylinder kippen. Je länger die Kolbenhemden ausgebildet sind, umso weniger können die Kolben kippen. Die Kolbenringe legen sich mit einem definierten Druck an der Zylinderwandung an. Diese Kraft, die auf die Wandung wirkt, wird als Tangentialkraft bezeichnet und kann mit bestimmten Vorrichtungen gemessen werden. Der Laufwiderstand der Kolben steigt mit jeder Erhöhung der Tangentialkraft. Aber auch der Kraftstoffverbrauch. Im Rahmen der immer strenger werdenden Abgasgesetze beobachtet man, dass die Auslegungen der Kolbenringe bei modernen Motoren immer geringere Tangentialkräfte offenbaren. Auch geht man dazu über, die Kolbenringe in ihrer Höhe so gering wie möglich zu halten. Das ist technisch gesehen nicht zu beanstanden, doch erhöht das den Verschleiß der Ringe. Um diesen entgegenzuwirken kommen verschiedene Verfahren der Oberflächenbehandlung der Kolbenringe zum Einsatz. Der primäre Kolbenringverschleiß entsteht durch das zyklische Kippen der Kolben im Zylinder. Die Kolbenringe verändern dabei ihre Lage und "runden" sich an den Ecken ab (werden ballig). Leider kann man das Kolbenkippen nicht vermeiden, da man dafür ein Kolbenspiel von 0 benötigte. Übliche Kolbenspiele der "ballig" ausgeführten Kolben liegen zwischen 3 und 6/100 mm, gemessen am Kolbenhemd auf Höhe der Mittelachse der Kolbenbolzenbohrung.  

Zum besseren Verständnis: Einer der beiden Kolbenhemden legt sich je nach Pleuelstellung jedem Richtungswechsel (Aufwärts/Abwärts) an die entsprechende Zylinderwandung an. Der Bereich des Kolbenhemds gleiten auf einem Ölfilm über die Lauffläche. In der Regel, bei moderater Belastung des Motors und bei noch zylindrischen und nicht bereits durch thermischen Verzug oder mechanischen Verschleiß "oval" gewordenen Bohrungen mit einer recht geringer Anpresskraft. Mit steigender Motorbelastung erhöht sich auch die Anpresskraft der Kolbenhemden während der Abwärtsbewegung nach Verbrennungsstart. Abhängig vom Pleuelwinkel wird dabei immer eine der beiden Kolbenhemdflächen stärker belastet als die andere. Ein wenig kompensieren kann man das, indem man die Bohrung für die Kolbenbolzen nicht zentrisch der Mittelachse bohrt. Dadurch verringern sich auch die Laufgeräusche des Motors. Kolben kippen generell, weil ein Kolbenspiel besteht. Die Ausführung der Kolbenringe, deren Verschleiß und der Abstand der Ringe zueinander sowie die Länge der Kolbenhemden spielen auch eine Rolle. Kippwinkel zwischen 2-3,0° sind messbar. Je stärker der Winkel umso stärker verschleißen die Kolbenringe. Mit steigender Betriebsdauer führt das nicht nur zu einem stärkeren Verschleiß der Kolbenringe und der Kolbenringnuten, sondern auch der Zylinderlaufbahnen. Entsteht dann noch eine, meist konstruktiv bedingte Ovalität der Zylinder, die man sehr oft bei Open-Deck-Motoren beobachtet, führt das zu Beginn des Prozesses zu einem Aufbrauchen der meist dünnen Kolbenhemdbeschichtung (0,75-1,2µm) und später dann zu einem Volumenverlust des Grundmaterial des Kolben und der Zylinderlaufbahn. Zu Beginn wird man einen erhöhten Ölverbrauch feststellen. Später kommt es dann zu Kolbenfressern.

High-Tech aus dem Oberbergischen Land

Wir, die Ingenieurgesellschaft Cartronic Motorsport aus Gummersbach beschäftigt sich seit über 20 Jahren mit der Revision und Optimierung von defekten Porschemotoren. Wir haben uns mit nahezu allen auf dem freien Markt erhältlichen Kolbenbeschichtungen beschäftigt und viele davon getestet. Überzeugt hat uns keine. Wirklich enttäuscht hat uns die XYLAN-Beschichtung von Whitford. 

Aufgrund am Markt nicht verfügbarer langfristig haltbarer Beschichtungsmaterialien entschieden wir uns im Jahr 2020 zu einer Eigenentwicklung. Gleich zu Beginn formulierten wir das Entwicklungsziel um und erweiterten es dahingehend, eine sich in der Materialstärke selbst anpassende Kolbenhemdbeschichtung zu entwickeln. Der Sinn dahinter besteht darin, den Kolben über eine möglichst lange Betriebszeit optimal, ohne übermäßig zu kippen im Zylinder zu führen. Warum, sollte klar sein, denn reduziert man das Kippen in UT und OT, reduziert sich der Kolbenringverschleiß und der Ölverbrauch. Unser Bestreben ging in die Richtung, dass die Beschichtung nicht nur die Tribologie verbessern sollte, sondern sich auch positiv auf den Verschleiß der Kolbenringe, aber auch der Kolbenringnuten (Thema: Reibverschweißung) auswirken sollte. Wir erreichten sogar noch mehr, denn wir stellten fest, dass sich der Blow-By von Verbrennungsgasen in das Kurbelgehäuse und der Ölverbrauch der Motoren bei allen Motoren verringerte, in denen beschichtete Kolben von uns verwendet wurden. Schnell stellte sich heraus, dass wir mit unserer Beschichtung eine eierlegende Wollmilchsau geschaffen hatten.  

Mit großen Entwicklungsschritten ging es weiter, denn unsere neuartigen Beschichtungsmaterialien bewährten sich nicht nur bei Kolben, sondern auch bei anderen Bauteilen in Verbrennungsmotoren wie Kompressor- und Turbinenteilen, Laufzeugen und Gehäusen von Ölpumpen, Wasserpumpen und Turboladern, von Pleuel,- und Kurbelwellenlagern sowie von Lagerzapfen auf denen Wellendichtringe (Simmerringe) laufen und allzu gerne auch einlaufen. Weiter unten Text gehen wir darauf noch im Detail ein.  

Fazit: Beschichtet man Kolbenhemden mit stärkeren Schichten als in der Industrie üblich, kann man damit die Kolben-Kippwinkel auf ein Minimum und zugleich unerwünschte Kolbenbewegungen 2. Grades minimieren, optimiert dabei den Ölverbrauch und verringert den Verschleiß aller beteiligten Bauteile, besonders der Kolbenringe. Als wichtiger Faktor im Rahmen der Reduzierung des CO2 Ausstoß, verbessern sich die Emissionswerte bei einer damit einhergehenden Steigerung der Effizienz und Erhöhung der Lebensdauer der Motoren, die mit Kolben mit CTOC-Beschichtung bestückt sind.  

Welche Beschichtungsmethoden sind verbreitet?

Kolbenbeschichtungen wurden früher im Lackierverfahren durchgeführt. Aus Kostengründen beschichtet man heute fast nur noch im Siebdruckverfahren. Das Siebdruck-Beschichtungsverfahren zeigt einige Vorteile gegenüber anderen bekannten Methoden. Dass Material wird exakt und ohne zeitraubende Maskierung der Kolben nur dort aufgebracht, wo es Wirkung zeigen soll. Ein weiterer Vorteil ist, dass es zu keinem Materialverlust durch das nicht zu vermeidende Overspray (Vorbeispritzen) bei Nasslackierungen kommt. Die Siebdruckbeschichtung kann problemlos in den automatisierten Fertigungsprozess integriert werden. 

Auf die Eigenschaften weiterer partiell aufgebrachten OEM,- und Aftermarkt-Kolbenbeschichtungen, wie der Xylan-Beschichtungen von Whitford oder der unterschiedlichen graphithaltigen Coatings gehen wir an dieser Stelle nicht weiter ein, da keine dieser Beschichtungen signifikante Alleinstellungsmerkmale hat, sich also nicht durch bemerkenswerte Eigenschaften hervorhebt oder es sich um eine industrielle Beschichtung mit abweichenden technischen Hintergründen handelt. Allerdings halten das auf einer Polymerharz-Matrix aufgebaute, sogenannte „Eco-Tough NG/D Coating“ von Federal Mogul/TENNECO für eine interessante Entwicklung und erwähnenswert. Diese Beschichtung enthält neben dem weit verbreiteten Graphit eine zusätzliche Komponente. Man hat dem Harz, Carbon-Kurzfasern beigemischt. Diese Faserzumischung verbesserten die Stabilität der Beschichtung und und hebt sich von den recht einfach aufgebauten Coatings anderer Hersteller ab. Die Gleiteigenschaften verbessern sich dadurch nicht, dafür aber die Haltbarkeit der Beschichtung selbst. (Siehe Foto 2 am Ende des Textes)

Das CARTRONIC-Verfahren

Die von uns neu entwickelten CTOC-Beschichtungen werden nach aufwändiger mechanischer und chemischer Vorarbeit in einer Kombination aus Pulverbeschichts- und Nasslackierverfahren aufgebracht und danach unter hoher Temperatur im Ofen eingebrannt. Um die finalen Geometrien herzustellen, werden die Flächen sowohl händisch als auch mechanisch bearbeitet. Je nach Anwendungsfall erfolgt noch eine finale Flächenbearbeitung mit einem Hochleistungslaser auf die wir später noch eingehen. Die unterschiedlichen Formeln der Flüssig-Coatings setzen sich aus verschiedenen, reibungsminimierenden und dabei generell hoch wärmefesten Einzelbestandteilen zusammen und werden je nach Einsatzzweck bei uns gemäß der festgelegten Rezepte zusammengestellt, die Viskosität eingestellt und dispergiert. Ein wichtiger Bestandteil der in die chemisch recht komplizierte Polymermatrix eingebracht wird, ist ein sehr spezielles Polyamidimid in Pulverform (PAI) mit mittleren Korngrößen von 18µm. Eine weiterer, essentieller Bestandteil zeichnet sich durch seine Temperaturfestigkeit und hervorragenden tribologischen Eigenschaft aus. 

Bis zum funktionierenden Coating war es ein langer Weg, denn die von uns, in Zusammenarbeit mit einigen Ingenieuren aus der Industrie ursprünglich entwickelte Formulierung, wurde bis zur Serienreife unzählige Male verändert und dabei ständig optimiert. Heute besteht die Beschichtung aus mehr als 20 Einzelbestandteilen. 

Recht anspruchsvoll war die Anpassung der Formulierung, in der Hinsicht, dass diese nach dem Aufschmelzen im Laborofen, dem Abkühlen und der Bearbeitung die gewünschte Porosität aufweist. EIne Oberfläche mit einer definierten Porosität ist in der Lage als Ölrückhalte-Reservoir zu dienen. Leider waren wir nicht in der Lage den Grad der Porosität zu kontrollieren und entwickelten deshalb in Zusammenarbeit mit einem Hersteller von industriellen Hochleistungslasern ein Verfahren, um beschichtete Kolbenhemden mit Vertiefungen zu versehen, welche eine definierte Ölrückhaltung garantieren. 

Alleinstellungsmerkmale unserer CTOC Beschichtung

Das Besondere unserer Beschichtung ist, dass sich das Coating während des Motorbetriebs abhängig von der Belastung des Motors an die "räumlichen" Gegebenheiten im Zylinder anpasst. Es entsteht ein gewollter Verschleiß. Dies geschieht recht exzessiv während der initialen Einlaufphase des Motors. Die aufgetragene Schicht passt sich selbstständig an die Bohrungsgeometrie jedes einzelnen Zylinders an. Eine derartig „intelligenten“ Beschichtung von Kolbenhemden, gewährleistet ein individuelles und nahezu optimales Kolbenspiel in jedem Zylinder. Das mit der Zeit entstehende, teils ausgeprägte Kippen des Kolbens im Zylinder wird auf ein Minimum reduziert. Je weniger ein Kolben kippt umso flächiger verteilt sich der Druck auf das Kolbenhemd und damit auch die Lauffläche des Zylinders. Das optimale Wirken der Kolbenringe, welches stark von der Geometrie und der Tangentialkraft beeinflusst wird, bleibt deutlich länger erhalten, da die Beschichtung einem ungleichmäßigen Verschleiß verhindert. Die Belastung auf die oberen und unteren Flächen der Kolbenringnuten sinken, was einen positiv zu bewertenden Nebeneffekt darstellt, denn dadurch mindert sich die Gefahr von partiellen Reibverschweißungen zwischen den Kolbenringflächen und den damit in Kontakt stehenden Bereichen der Kolbenringnut. 

Die Anpassung der Kolbengeometrie durch den gewollten und mehr oder weniger kontrollierbaren Verschleiß der, auf die Kolbenhemden aufgetragenen CTOC-Beschichtung, erfolgt in Stufen, beginnend mit der ersten Inbetriebnahme des Motors und der damit startenden initialen Einlaufphase. 

Ideal wäre, wenn sich in allen Last,- und Betriebszuständen ein maximal enges, aber dabei genügend weites Kolbenlaufspiel einstellen würde. Das ist aber nicht möglich, da sich auf Grund der dynamischen Verhältnisse (Last, Schwingungen, Drehzahl und Temperatur) und der damit einhergehenden thermischen Expansion und Verformung der Bauteile nur ein Bauteil-Spiel, bezogen auf die bis dahin erreichte, höchste mechanische und thermischen Belastung des Motors einstellen kann. 

Der größte Unterschied der CTOC-Beschichtung zu anderen Anwendungen ist der, dass es sich dabei nicht nur um eine hochkomplexe Gleitbeschichtung, sondern um eine Multifunktionsbeschichtung handelt, die über gute Notlauf-, bei exzellenten Gleiteigenschaften verfügt und sich während des Betriebs des Motors auf eine quasi „Zero-Clearance“ Passung zwischen Kolbenhemd und Zylinder adaptiert.

Die Anforderungen an unsere CTOC-Beschichtung sind hoch. Gemäß unserem Anforderungsprofil muss sie sich nicht nur im gewissen Maße bei gleichzeitiger Flexibilität komprimieren lassen, also druckstabil und dabei thermisch resistent sein, sondern auch ein erstklassiges Ölrückhalteverhalten aufweisen. Das erreichten wir durch das bereits erwähnte Einbringen von thermoplastischen Pulverpartikeln, die bei hohen Temperaturen aufschmelzen und „einbrennen“. Um dem Coating die gewünschten Eigenschaften zu verleihen, werden in die Matrix speziellen Feststoffe hinzugegeben, die zum einen reibungsminimierenden sind und die Druckstabilität der Formulierungen erhöhen. Nach der händischen und mechanischen Endbearbeitung, bei der die Dimensionen wie der Durchmesser und die Balligkeit der Kolbengeometrien eingestellt und angepasst werden, erfolgt, wie bereits erwähnt je nach Anwendungsfall eine abschließende Laser-Honung der Beschichtung. Dieses Verfahren wurde von Cartronic entwickelt und ist bis heute weltweit einzigartig. 

Der Vorteil im Ernstfall

Unsere CTOC-Beschichtungen schaffen eine zeitliche Sicherheitsreserve bis es nach einem eventuellen Schmierfilmabriss zu einem Kolbenfresser kommt. 

Gibt es genügend Erfahrungswerte?

Cartronic ist Vorreiter dieser Technologie und nutzt das selbst entwickelte Beschichtungsverfahren im Rahmen der gut dokumentierten Reparatur,- Optimierung,- und Revisionsmethode ("Time-Over?") der mit multiplen Problemen behafteten Porsche M96/97 Motoren der Baureihen 986 / 987 / 996 / 997. Seit einigen Jahren kommen die Beschichtungen auch auch im Rahmen der Reparaturen der Porsche Benzindirekteinspritzer-Motoren der Generation MA1 zum Einsatz. Die CTOC-Beschichtung, sowie die weiter hinten beschriebene CPHC Thermo-Barrier-Beschichtungen, werden von uns auch regelmäßig auch bei Motorrevisionen aller klassischen luftgekühlten Porsche 356 und 911 Modelle eingesetzt. 

Ein Alleinstellungsmerkmal der Anwendung ist, dass man durch die Beschichtung, die als reibungsminimierende und sich selbstanpassende Trennschicht zwischen Kolbenhemd  Zylinderlaufbahn fungiert, optimale Bauteiltoleranzen zwischen den beiden Reibpartnern schafft, indem sich die Geometrien der Kolben über den gewünschten Verschleiß der aufgetragenen Beschichtung an die der Zylinder anpassen. Ohne eine Beschichtung und bei zu engem Kolbenspiel käme es zu einem Metall-auf-Metall-Kontakt, also wahrscheinlich zu Kolbenfressern. Motorenbauer wissen, dass je geringer das Kolbenspiel in Verbrennungsmotoren gewählt wird, umso geringer der sogenannte Blow-By von Verbrennungsgasen und Luft/Kraftstoffgemisch in das Kurbelgehäuse ist. Kolben die mit einem kleinen Einbauspiel im Zylinder laufen, neigen weniger zum Kippen, als Kolben mit einem großzügig bemessenen Einbauspiel. Enge Toleranzen erhöhen die Effizienz der Kolbenringe und damit auch den Wirkungsgrad des Motors da sich die Kolbenringe für lange Zeit in der gewünschten Geometrie befinden. Seit Mitte der 1990er-Jahre stellt man fest, dass Hersteller das Risiko eines frühen Kolbenfressers zugunsten von besseren Abgaswerten in Kauf nehmen, denn es finden dadurch messbare Verbesserungen der Abgasemissionen statt. Verschlechterungen der Abgaswerte im Laufe des Betriebs eines Motors kann man dadurch zwar nicht verhindern, werden aber durch dieses gefährliche Spiel zu Lasten der Haltbarkeit entgegengewirkt bzw. hinausgezögert. 

Um beides zu erreichen, eine gute Abdichtung zwischen Kolben und Zylinder sowie eine langes Motorleben mit geringem Ölverbrauch und ohne Kolbenfresser, bietet sich die Verwendung unserer CTOC-Kolbenbeschichtung geradezu an. Diese funktioniert nicht nur in einem sehr breiten Temperatur-, und Druckbereich, sondern je nach Formulierung sowohl in geschmierten als auch in trocken laufenden Einsatzbereichen.

Mit dem auftragen des Coatings, welches sich unter Druck und Reibung jeweils nur soweit abnutzt (ein/abschleift) wie der Motor belastet wird, ergibt sich ein sogenanntes Zero-Clearance-Laufspiel bezogen auf die jeweilige Höchstbelastung des Motors. Dies galt lange Zeit als technisch nicht darstellbar. Die Materialstärke der Beschichtung wird im Idealfall so gewählt, dass eine geringe Restbeschichtung auf dem Kolbenhemd verbleibt, welche im Notfall, z.B. bei Kühlwasserverlust eine gewisse Sicherheit vor einem Kolbenfresser bietet. Nach Abschluss der stufenweise durchgeführten Einlaufphase ist die Beschichtung theoretisch ein Motorleben lang haltbar, da es im Normalfall zu keinem weiteren Volumenverlust mehr kommt. 

Erfahrung aus der Praxis?

Vergleichsmessungen und Inaugenscheinnahmen von Schichtstärken auf Kolben von Rennmotoren, die regelmäßig nach einigen Einsätzen inspiziert und nicht selten vollständig zerlegt werden, zeigten, dass es zu der gewünschten Anpassung der Schicht kam, aber zu keinen abnormen Veränderungen der Oberfläche. Blanke Stellen auf den Kolbenhemden wurden nur sehr selten beobachtet. Zu Schichtablösungen wie bei einigen OEM-Beschichtungen üblich, kam es nie.   

Halten wir fest: Unsere einzigartigen, toleranzoptimierenden Beschichtungen, passen sich durch gewollte und kontrollierbare Einlaufprozesse auf die maximale Minimaltoleranz unter maximalen Belastungen der Motoren an. Ein weiterer Verschleiß kann danach nur noch in einem sehr geringen Maße stattfinden und drückt sich ausschließlich in einen weiteren partiellen Volumenverlust der Beschichtung aus. 

Gesetzt dem Fall es käme zu einem Eintrag von Fremdpartikel in das Motoröl, entweder durch einen Lagerschaden und/oder über die Einlasskanäle des Motors, starten generell abrasive Vorgänge im Motor. Unsere Beschichtung verfügt über deutlich bessere Notlaufeigenschaften als konventionelle Beschichtungen, da sie in der Lage ist, metallische Mikropartikel in ihrer Matrix einzubetten. Diese zeigen sich erstmalig bei zerlegten Motoren mit Lagerschäden in Mikro-Flitter die sich in der Oberfläche der Beschichtung befanden. Minimale Laufspuren in/auf den Zylinderlaufbahnen konnten in fast allen Fällen durch erneutes konventionelles maschinelles Plateauhonen oder im Rahmen unseres "Vertical-Finish-Honing" (CVFH) beseitigt werden. Diese rein händische Bearbeitung erfolgt als letzter Arbeitsgang der maschinelle gehonten Zylinderflächen. Wir führen diesen Arbeitsgang generell vor den Montage der Kolben durch. Auch verbessern wir die Kontaktflächen der Kolbenringe indem wir diese einer Feinpolitur unterziehen. Durch diese Arbeitsgänge senkt man nicht nur die Reibverluste in den Bohrungen signifikant sondern verkürzt auch die Einfahrzeit in der sich die Kolbenringen an die Geometrie der Laufbahn anpassen erheblich. Mehr dazu weiter unten im Text. 

Zum besseren Verständnis: Die auf die Bauteile aufgetragene CTOC-Beschichtung fungiert in der Einlaufphase nicht nur gewollt als Opferschicht, sondern erfüllt auch den Zweck, einen geringen Anteil an mikroskopisch kleinen Fremdpartikel aufzunehmen ohne dass diese einen merklichen Verschleiß an der Zylinderlauffläche generiert.

Weitere Vorteile der CTOC-Beschichtung

Das Ölrückhaltevolumen der CTOC-Beschichtung ist zum einen aufgrund der Porosität der aufgeschmolzenen PAI-Bestandteile und zum anderen durch eine, im weiteren Verlauf beschriebene neuartige und einzigartigen Laser-Honung erstklassig. Kolbenbeschichtungen, die der Ölrückhaltung dienen waren in der Vergangenheit unbekannt. Alle bekannten Kolbenhersteller behelfen sich damit, indem sie vertikal verlaufende Drehspuren auf den Kolbenhemden erzeugen. Dies erreicht man durch die Einstellung eines höheren Vorschubs während der mechanischen Bearbeitung auf den CNC-Bearbeitungszentren.  Unsere einzigartige Beschichtung in Verbindung mit der Laserhonung löst dieses Problem auf intelligente Weise und ist zudem weltweit einzigartig. 

Die Cartronic CTOC-Beschichtung verlängert zwar die Lebensdauer der Kolbenringe, kann aber nicht die mit der Zeit entstehende ballige Abnutzung der Kolbenringflanken völlig verhindern. Da die Kolben aber bei geringerem Kippwinkel besser im Zylinder geführt werden, sinkt auch die partiell eingeleitete Kraft der Kolbenringflächen auf die Ober,- und Unterseiten der Ringnuten. Das Risiko von nicht gewollten Reibverschweißungen, gegen die man gem. dem Stand der Technik, mit dem Auftragen einer galvanischen Harteloxalschicht in den Ringnuten vorgeht, wird dadurch minimiert. Zusätzlich zu der Kolbenhemdbeschichtung behandelt Cartronic die Ringnuten mit einem neu entwickelten Oberflächenveredelungsverfahren. Dabei werden die Oberflächen der Ringnuten, die mit den Kolbenringen in Kontakt stehen mechanisch verdichtet und zudem werden verschleißhemmenden Materialien in die Oberfläche eingelagert. Weiter unten erfahren Sie mehr über dieses Verfahren.  

Halten wir an dieser Stelle fest:

Die Beschichtung verringert das Kolbenkippen um bis zu 80%, da sich die Kolben, bedingt durch die bessere lineare Führung, nahezu optimal im Zylinder bewegen. Das führt dazu, dass die Kolbenringe für lange Zeit ihre ursprüngliche Geometrie behalten. Genau diese langfristig, nahezu perfekt gehaltene Geometrie der Kolbenringe ist, trägt wesentlich zu der Minimierung der Emissionen der Motoren bei, die mit einer CTOC-Kolbenbeschichtung versehen wurden. Warum? Zum einen bleiben die Kolbenringe über eine sehr lange Laufzeit in ihrer idealen Form und zum anderen wird der Blow-By von Verbrennungsgasen in das Kurbelgehäuse signifikant minimiert, denn mit Kraftstoff angereicherte Frisch- und Verbrennungsgase gehören nicht in das Kurbelgehäuse da diese zu einer Kontamination des Schmieröls führen. Kraftstoff im Motoröl führt auch zu einer gefährlichen Ölverdünnung, was im Extremfall zu einem Schmierfilmabriss führen kann. Der meiste Kraftstoff gelangt während der „fetten“ Kaltstart- und Warmlaufphase in das Motoröl, da in dieser Phase deutlich mehr Kraftstoff eingespritzt wird. 

Einschränkungen der CTOC-Anwendung

Möchte man die werksseitige, in ihrer Stärke meist sehr dünn aufgetragene Kolbenhemdbeschichtung durch unsere CTOC-Beschichtung ersetzen kann man das tun. Allerdings erreicht man damit nur im eingeschränkten Maße die beschriebenen Vorteile. Man muss umdenken, da übliche Kolbenhemdbeschichtung einen anderen Zweck erfüllen. In den letzten Jahren werden von den Fahrzeugherstellern immer mehr Motoren mit Kolben ohne eine sichtbare Beschichtung auf den Kolbenhemden verbaut. Viele Hersteller beschränken sich auf das Aufbringen eine Nickel-Phosphat-Schicht auf ihren Kolben. Möchte man Kolben nachträglich für originale Bohrungen in Serienmotoren beschichten, gehen wir wie folgt vor:  Zuerst werden die vorhandenen Beschichtungen entfernt, die Oberflächen vorbereitet und dann unsere CTOC-Beschichtung aufgetragen. In diesen Fällen aber so dick, dass man ein minimales Einbauspiel von rund 1,5-2/100mm erreicht. Im Laufe der Betriebszeit erhöht sich dies je nach erreichter Belastung des Motors. 

Optimale Ergebnisse erzielt man dagegen bei gebrauchten und/oder nach einem Motorschaden überholten Motoren, bei denen die Zylinderbohrungen im Rahmen einer Schadensbehebung vergrößert wurden. Bei den Porsche Motoren, die in unserem Hause repariert werden, bauen wir generell 6 neue Zylinder ein. Die Zylinder haben eine im Vergleich zur Serie eine um 1/100mm vergrößerte Bohrung. Das vorgeschriebene Kolbenspiel von 5,5/100 (ohne die vom Hersteller aufgebrachte Hemdbeschichtung) verringern wir auf 2,5/100 (mit der Beschichtung gemessen) durch das Auftragen unserer Beschichtung. Kontrollieren lässt sich die gewünschte Funktion der Schichten auch. Solange sich nach einer starken Belastung des Motors noch eine nicht aufgebrauchte Opferschicht auf den Kolbenhemden befindet, bestätigt das, dass die Berechnung der Schichtstärke in Verbindung mit der Festlegung des Bohrungsdurchmessers korrekt war. An dieser Stelle muss bemerkt werden, dass die korrekte Festlegung der Bohrung und/oder der Dicke des Materialauftrages ohne eine entsprechende Erfahrung einem Glücksspiel nahekommt. Gerne beraten wir Sie. 

Mehr zum Blow-By

Kommen wir noch einmal zurück auf die Blow-By Gase. Diese bestehen in ihrer Zusammensetzung aus einem Mix aus Abgasen, Öl, nicht verbrannten Kraftstoffen, Sauerstoff, Stickstoff, Wasser und sind generell mit Mikropartikeln kontaminiert. Der Blow-By wirkt sich sowohl im Verdichtungstakt als auch im Verbrennungstakt des Motors aus. Verhindern kann man den Blow-By nicht. Sie werden bei jedem Verbrennungsmotoren zwischen Kolben und Zylinderlauffläche vorbei, ins Kurbelgehäuse gepresst. Selbst bei sehr guter Abdichtung durch die Kolbenringe macht das Volumen dieser Gase 0,5 bis 2 Prozent des Gesamt-Gasvolumens aus. Blow-By-Gase sind zudem schädlich für die Umwelt. 

Ohne eine Rückführung in den Verbrennungsablauf über das Abgasrückführungssystem würden diese Gase bis zu 50 Prozent der Gesamt-Kohlenwasserstoffemissionen eines Verbrennungsmotors ausmachen. Blow-By Gase werden über eine sogenannte Kurbelgehäuseentlüftung über einen Ölabscheider (Kondensator) durch Schläuche zurück in den Ansaugtakt des Motors geleitet, um sie von dort einer erneuten Verbrennung zuzuführen. Dieses Prinzip reduziert zwar die Emission eines Motors, doch leider auf Kosten der Lebensdauer der Motoren. 

Da eine professionell aufgetragene CTOC-Beschichtung der Kolbenhemden in einer maximal stabilen linearen Bewegung des Kolbens im Zylinder resultiert und dabei das zyklische Kolbenkippen jeweils im oberen und unteren Totpunkt (OT und UT) weitestgehend verhindert, führt dies zu einer erfreulichen Reduzierung des Blow-By zwischen 70-80%. Diese signifikante Senkung geht zudem mit einer Senkung der Öltemperatur um rund 6-8% und der Wassertemperatur um 3-5% einher. Weniger heiße Gase im Kurbelgehäuse verlängern zudem die Lebensdauer der Motoren. Da die Fahrzeughersteller an einer Reduzierung der Emissionen ihrer Fahrzeuge interessiert sind, darf man davon ausgehen, dass in Zukunft viele Kolben mit einer CTOC-Beschichtung ausgeliefert werden, da unsere Technologie ohne Mehrkosten von den Herstellern in die Motorenproduktion von Verbrennungsmotoren implementiert werden kann. (siehe Grafik am Ende des Textes).   

Weitere Anwendungen: Optimierungen von Turboladern, Kompressoren, Gleitlagern, Öl-, und Wasserpumpen

Nahezu alle, von Cartronic entwickelten Beschichtungs-Formeln sind darauf ausgelegt, die tribologischen Eigenschaften zu verbessern, die Lebensdauer der Motoren zu verlängern und sollen das Kolbenkippen reduzieren. Einige Spezial-Coatings wurden speziell dafür entwickelt, dass sich während des Motorbetriebs eine Zero-Clearance Laufpassung (Null-Passung) in Ölpumpen, Wasserpumpen, Verdichter-Gehäusen von Turboladern und Kompressoren einstellt. Mit Tribologie hat das nur etwas am Rande zu tun. Durch die Verringerung von Laufspielen sich drehender Bauteile verringert man die Pumpverluste auf ein Maximum. Dabei wird nicht nur die Effizienz der einzelnen Bauteile gesteigert, sondern die, des gesamten Triebwerks.  

Beginnend mit der Beschichtung von Kolben, stellten wir schnell fest, dass sich unsere Beschichtungen auch für andere Motorkomponenten eignet. Bereits im ersten Jahr der Entwicklung beschichteten wir Wasser- und Ölpumpen für Porschemotoren. Später kamen Bauteile aus dem Ventil-, und Kurbeltrieb hinzu. Dass sich unsere CTOC-Beschichtungen hervorragend dafür eignen, Zero-Clearance Zustände in Turboladern zu erzeugen, also die Toleranz zwischen dem Verdichterrad, den Radien des Gehäuses und der Endplatte gegen Null zu senken, ergab sich erst im späteren Verlauf der Entwicklung. Wir stellten fest, dass sich die Effizienz eines Turboladers oder Kompressors durch unsere Beschichtung deutlich verbesserte. Bei aufgeladenen Motoren führt das nicht nur zu einer Verbesserung des Ansprechverhaltens, sondern resultiert auch immer in einer Leistungssteigerung. Mehr Füllung = mehr Leistung. Selbstverständlich lassen sich auch Laufzeuge und Gehäuseflächen in Schraubenkompressoren beschichten. Jeder, der sich mit dem Aufbau von Turboladern für den Motorsport beschäftigt, sollte Lizenznehmer von uns werden. 

Eine andere Formel mit angepassten Feststoffanteil eignet sich besonders als Dünnbeschichtung auf schwimmend gelagerten Wellenzapfen. Diese laufen nicht in Lagerhalbschalen, sondern mit sehr geringen Toleranzen direkt in Gehäusebohrungen. Im Rahmen der Motorrevisionen von Porschemotoren der Baureihen M96 und M97 beschichten wir regelmäßig den Lagerzapfen der Zwischenwellen sowie alle beweglichen Teile in der Ölpumpe als auch die inneren Flächen der Gehäuse.  

Unsere Beschichtung ermöglichen sogar die geometrische Wiederherstellung von durch Fremdpartikel beschädigten Flächen in Ölpumpen. Umlaufende, schmale Einlaufspuren durch Fremdpartikel im Öl und sogar mittelschwere Fressspuren mit geringer Tiefe in den Aluminiumgehäusen bedeuten ab sofort nicht mehr, dass die Pumpen zwingend ersetzt werden müssen, da man die oberflächigen Schäden durch das Aufbringen einer CTOC-Funktionsschicht wiederherstellen kann. Die sich ergebende  Zero-Clearance-Toleranz zwischen den sich drehenden Teilen und den Gehäusen ist ein erfreulicher Nebeneffekt und stellt sich innerhalb sehr kurzer Betriebszeit auf ein. Da dieses geringer ist als bei einem Neuteil, macht es bei jedem Hochleistungsmotor Sinn, die Maßnahmen im Rahmen des Motorenbaus durchzuführen. Dass bedeutet, dass es möglich ist, die Effizienz sowohl einer neuen als auch einer aufgearbeiteten Ölpumpe durch eine CTOC-Schicht auf ihr technisch mögliches Maximum zu steigern. Der Erfolg der Maßnahmen zeigen sich sofort nach der Inbetriebnahme des Motors in einem ablesbar höheren Öldruck in allen Betriebszuständen. 

Eine ganz besondere und einzigartige Anwendung, die nur wenigen Motorentechnikern bekannt ist, stellt das Auftragen einer speziellen Formulierung unsere CTOC-Beschichtung auf Wellenzapfen dar, die durch Wellendichtringe (Simmerringe) abgedichtet werden. Die sichere Abdichtung von bereits durch die Dichtlippen eingelaufenen Kurbelwellenzapfen, stellen einen der häufigsten und zugleich sinnvollsten Anwendungsfälle dar. Allgemein bekannt ist, dass es unmöglich ist im Rahmen eines Austauschs eines Wellendichtrings exakt die Position zu finden auf der die Dichtlippe des ursprünglich verbauten Wellendichtrings gelaufen ist. Baut man den neuen Ring auch nur leicht schräg versetzt zur alten Position ein, hat man sich dadurch eine „Ölpumpe“ in den Motor eingebaut, die Öl vom Inneren nach Außen befördert. 

Beschichtet man Wellenzapfen mit einer dünnen CTOC-Schicht läuft die Dichtlippe des Wellendichtrings anfangs vollständig auf der Oberfläche dieser Schicht. Im Laufe der Einlaufphase bettet sich die Dichtlippe in die Beschichtung ein, bis sich ein perfektes Tragbild mit allerbesten Abdichtungseigenschaften gebildet hat. Dabei sollte man auf eine exakte Ausrichtung des Wellendichtrings achten. Im Idealfall dichtet nicht nur die Spitze der Dichtlippe die den Wellenzapfen berührt ab, sondern eine seitlich etwas größere Fläche, die in der Beschichtung läuft. Es entsteht ein Labyrinth. Ein weiterer immenser Vorteil: Nach der abgeschlossenen Einlaufphase, liegt der tragende Bereich der Dichtringlippe mit einer deutlich geringeren Flächenpressung (pro mm²) auf der Welle auf. Messungen haben ergeben, dass sich die wirksame Dichtfläche um zirka 300% vergrößert. Die Lebensdauer beider Reibpartner verlängert sich zudem deutlich. Ein weiterer Vorteil: Durch das Auftragen einer CTOC-Beschichtung auf einen bereits eingelaufenen Wellenzapfen, reduziert man das Risiko einer späteren Undichtigkeit signifikant. Was sagt das jedem Motorenbauer?  

Seit dem Jahr 2024 führen wir auch Spezialbeschichtungen von Pleuel,- Zwischen,- und Kurbelwellenlagerschalen sowie Wellenzapfen im Dünnschichtverfahren mit einer speziell dafür entwickelten Werkstoff-Formel durch.

Halten wir fest: Die Beschichtung von Wellenzapfen, auf denen die Lippen von Wellendichtringen tragen, empfiehlt sich besonders dann, wenn es auf Grund einer langen Betriebsdauer zu einem messbaren Verschleiß an der Tragstelle des Wellendichtrings gekommen ist. Je länger die Dichtlippe eines Simmerings auf einem Wellenzapfen läuft umso tiefer arbeitet sich die Lippe ein. Im Laufe der Zeit entsteht dabei eine fühlbare Rille in der Lauffläche des Zapfens. Solange der Simmerring genau in dieser Spur läuft, kommt es über eine langen Zeitraum zu keinem Ölverlust. Installiert man irgendwann einen neuen Wellendichtring, ist es sehr wahrscheinlich, dass man diesen leicht quer zu der Einlaufspur auf dem Zapfen montiert. Die Welle wird trotz des neuen Simmerrings an dieser Stelle Motoröl verlieren. Vermeiden kann man das durch das Auftragen einer vollflächige Beschichtung mit dem von uns für diese Zwecke entwickelten Seal-Coating (Dicht-Coating) auf den Wellenzapfen. Diese Beschichtung füllt nicht nur vorhandene Einlaufspuren der Dichtlippen auf der Welle auf. sondern bietet dem Wellendichtring eine neue Oberfläche in die er einlaufen kann, denn die Dichtlippe läuft nur zu Beginn auf der Beschichtung, generiert aber schnell eine neue Einlaufspur, die für eine perfekte Abdichtung sorgt. (siehe Foto 4 am Ende des Textes)       

Zusammenfassung aller Vorteile der Technologie: 

• Unsere toleranzoptimierenden Gleitbeschichtungen (CTOC) auf den Kolbenhemden erhöhen die Motorleistung da das Blow-By von Abgasen reduziert wird. Dies, weil das konstruktionsbedingte „Kippen“ der Kolben nach dem oberen Totpunkt (OT) auf dem Weg nach unten und nach dem unteren Totpunkt (UT) auf dem Weg nach oben, auf ein Minimum reduziert wird. 
• Die Kolbenringe nutzen sich gleichmäßig und weitestgehend nicht mehr ballig, sondern „rechtwinklig“ ab. 
• Die Lebensdauer von Kolben/Zylinderpaarungen aber auch anderen Bauteilen, bei denen es auf eine Passung mit geringen Laufspielen ankommt, wird verlängert. 
• CTOC-Beschichtungen erhöhen den Wirkungsgrad von Turboladern und Kompressoren, sowie von Öl- und Wasserpumpen, da sich Spaltmaße auf ein absolutes Minimum einstellen.
• Kolben, die mit dem CTOC-Coating beschichtet wurden, führen zu einer Verbesserung der Abgasemissionen des Motors.
• Die Beschichtung erlaubt einen Verzicht auf kostenintensiven Bauteilbearbeitungen und führt daher zu Kostenersparnissen. 
• Auf konventionelle Kolbenhemdbeschichtungen sollte zu Gunsten einer CTOC-Beschichtung von Cartronic verzichtet werden. 
• Die CTOC-Beschichtung ist mit sehr geringen Mehrkosten realisierbar.