WO2012041769A2 - Kolbenschaftbeschichtung aus einer reibungsarmen einlaufschicht und einer verschleissarmen grundschicht - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a polymer-based piston skirt coating in the form of a hybrid layer consisting of a soft, low-friction shrinkage layer and a particularly low-wear optional fiber-reinforced base layer and a method for applying the coating.
  • piston skirt coatings having a functional-gradual structure are known, in the composition of which a compromise must be found between friction-minimizing and wear-resistant properties.
  • wear-resistant pistons have carbon fiber-reinforced coatings with a high roughness value, which leads to disadvantages with regard to process monitoring (difficult layer thickness determination) and the run-in phase in the engine (longer run-in period, increased friction).
  • the hard fibers have an abrasive effect on aluminum cylinder surfaces, which can lead to undesirable polishing effects or to the formation of grooves.
  • EP 1 433 838 A1 describes a coating for movable metal parts, consisting of an inner polymer layer having dispersed therein hard particles of Al 2 O 3 and silicon nitride and an outer layer also with dispersed therein hard particles and solid lubricant.
  • the hard particles of the outer layer have a smaller diameter than that of the inner layer, which should reduce the abrasiveness of the coating.
  • a wear-resistant piston skirt coating comprising a polymer layer containing a mixture of hard carbon or aramid fibers and solid lubricants is disclosed in EP 1 933 022 A2.
  • All of the coatings described here have a high abrasive effect due to the hard and partially rough outer layer, which requires high manufacturing tolerances and limits the use of the pistons in relation to the material of the cylinder surfaces.
  • Wear-resistant outer layers lead, in particular in aluminum cylinder surfaces, to undesired polishing effects or the formation of grooves, which leads to increased friction in a longer run-in period during the running-in phase of the engine.
  • US 5,884.60 for aluminum pistons suggests an inner hard coating of alumina prepared by anodizing the piston surface and an outer polymer layer containing solid lubricants such as graphite and boron nitride.
  • the application of the first, hard aluminum oxide layer by anodizing the piston surface is a complex and for the thickness of the layer difficult to control process and thus leads to a large number of unusable pistons in series production.
  • the invention is therefore based on the object to provide coatings for pistons for internal combustion engines, which can be applied in a simple manner, are wear-resistant and have an improved run-in behavior low friction losses.
  • the present invention therefore relates to pistons for internal combustion engines, characterized by a shaft coating made of a wear-resistant inner layer of a polymer matrix having dispersed therein ceramic particles, aramid fibers and / or carbon fibers and an outer layer of a polymer matrix having dispersed therein solid lubricants.
  • Pistons according to the invention have a functional inner layer (that is applied directly on the surface of the piston or the still completed piston blank) in combination with a wear-resistant substrate layer. This improves the run-in behavior, increases the seizure safety and by reducing friction reduces fuel consumption and CO 2 emissions during operation of the internal combustion engine.
  • the optimized with regard to increased wear protection shaft coating can be realized by the reduced roughness of the double layer in lower manufacturing tolerances. Expanding the application spectrum of low-cost, polymer-based stem coatings leads to significant cost savings in the coating process as a replacement for the costly iron coating. In addition, the committee is reduced significantly in the series production.
  • ceramic particles of the inner layer one or more compounds selected from the group T1O2 (titanium oxide), silicon carbide, silicon nitride, Al2O3 (aluminum oxide), silicon oxide, iron oxide, preferably with a particle size of 0.1 -20 ⁇ can be used.
  • the inner layer can preferably contain aramid, carbon and / or polyphenylene sulfide fibers having a length of from 20 to 200 ⁇ m as a structure-enhancing element or structurally reinforcing elements.
  • the solid lubricant of the outer layer one or more compounds selected from MoS (molybdenum disulfide) and preferably PTFE (polytetrafluoroethylene), graphite, zinc sulfide, boron nitride, sulfides and tellurides of molybdenum, tin and titanium may be used.
  • MoS molybdenum disulfide
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • graphite graphite
  • zinc sulfide boron nitride
  • the solid lubricant content in the outer layer should preferably be between 15 and 40% by weight.
  • the polymer matrix of the inner layer may be polymethylmethacrylate (PMMA), preferably polyamideimide (PAI), polyimide (PI) and / or epoxides corresponding to the outer layer of polymethylmethacrylate (PMMA), polyamide (PA), polyamideimide (PAI), polysiloxanes and / or epoxides, each individually or in admixture with each other.
  • the inner layer preferably has a thickness of 10 to 20 microns, independently of which the outer layer has a thickness of 2 to 20 microns.
  • a process for the preparation of a Shaft coating for pistons for internal combustion engines consisting of a wear-resistant inner layer of a polymer matrix with dispersed therein ceramic particles, aramid and / or carbon fibers and an outer layer consisting of a polymer matrix having dispersed therein solid lubricants, by sequential application of the inner and outer view by screen printing , followed by drying or curing of the layer at elevated temperature.
  • the base layer optimized for wear resistance containing preferably u.a. Carbon fibers as reinforcing elements in a preferred layer thickness of 10 to 20 ⁇ and optimized with respect to roughness and friction minimization, thin inlet layer with a preferred layer thickness of 2 to 20 ⁇ , takes place in particular by screen printing technology.
  • the layers are applied wet-on-wet or including a brief intermediate drying of the inner base layer, followed by the outer coating with a final, longer curing phase of the double layer.
  • the temperature of the curing should be between 150 ° C and 230 ° C and a time interval of 2 to 60 minutes. To shorten the burn-in process, irradiation by means of infrared light can additionally be included at the same time.
  • the respective printing pastes consisting of a polymer resin dissolved in an organic, preferably polar aprotic solvent (for example gamma-butyrolactone or N-ethylpyrrolidone), and fillers and reinforcing materials incorporated therein, are produced by means of dissolvers and dip mills in order to obtain particle agglomerates or inhomogeneities prevent.
  • the temperature range during the paste preparation should preferably be between 15 ° C and 60 ° C to prevent polymerization of the polymer material.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the double layer according to the invention (FIG. 1 after coating and FIG. 2 after the running-in phase).

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Abstract

Die Erfindung betrifft Kolben für Verbrennungsmotoren mit einer Schaftbeschichtung aus einer verschleißbeständigen inneren Schicht aus einer Polymermatrix mit darin dispergierten Keramikpartikeln, Aramidfasern und/oder Kohlenstofffasern und einer äußeren Schicht aus einer Polymermatrix mit darin dispergierten Festschmierstoffen.

Description

Kolbenschaftbeschichtung aus einer reibungsarmen Einlaufschicht und einer verschleißarmen Grundschicht
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine polymerbasierte Kolbenschaftbeschichtung in Form einer Hybridschicht, bestehend aus einer weichen, reibungsarmen Einlaufschicht und einer besonders verschleißarmen optional faserverstärkten Grundschicht sowie ein Verfahren zur Aufbringung der Beschichtung.
Zur Sicherstellung von Einlauf- und Notlaufeigenschaften sind Kolbenschaftbeschichtungen mit einem funktional-graduellen Aufbau bekannt, bei deren Zusammensetzung ein Kompromiss zwischen reibungsminimierenden und verschleißbeständigen Eigenschaften gefunden werden muss.
So weisen besonders verschleißbestandige Kolben kohlefaserverstarkte Beschichtungen mit einen hohen Rauheitswert auf, was zu Nachteilen bezüglich der Prozessüberwachung (erschwerte Schichtdickenbestimmung) und der Einlauf-Phase im Motor (längere Einlaufdauer, erhöhte Reibung) führt. Die harten Fasern wirken bei Zylinderlaufflachen aus Aluminium abrasiv, was zu unerwünschten Poliereffekten bzw. zur Ausbildung von Riefen führen kann.
Aus der US 2009/0156437 A1 ist es bekannt, Kolben für Verbrennungsmotoren mit einer Doppelschicht aus einer inneren, einen Festschmierstoff aufweisenden Polymerschicht und einer äußeren Polymerschicht mit harten Partikeln aus SiN oder AI2O3 auszustatten. Die äußere harte Schicht soll die Einlaufzeit der Kolben verringern und das Fressverhalten verbessern.
Analog beschreibt die EP 1 433 838 A1 eine Beschichtung für bewegliche Metallteile, die aus einer inneren Polymerschicht mit darin dispergierten Hartpartikeln aus AI2O3 und Siliziumnitrid sowie einer äußeren Schicht ebenfalls mit darin dispergierten Hartpartikeln und Festschmierstoff besteht. Die Hartpartikel der äußeren Schicht weisen einen kleineren Durchmesser als die der inneren Schicht auf, was die Abrasivität der Beschichtung verringern soll.
Eine verschleißarme Kolbenschaftbeschichtung aus einer Polymerschicht enthaltend ein Gemisch aus harten KohlenstoffVoder Aramidfasern und Festschmierstoffen offenbart die EP 1 933 022 A2.
Alle hier beschriebenen Beschichtungen besitzen aufgrund der harten und teilweise rauen Außenschicht eine hohe abrasive Wirkung, was hohe Toleranzen in der Fertigung erfordert und den Einsatz der Kolben in Bezug auf das Material der Zylinderlaufflächen einschränkt. Verschleißbeständige Außenschichten führen insbesondere bei Zylinderlaufflächen aus Aluminium zur unerwünschten Poliereffekten bzw. zur Ausbildung von Riefen, was bei einer erhöhten Reibung in einer längeren Einlaufdauer bei der Einlaufphase des Motors führt.
Demgegenüber schlägt die US 5,884,60 für Aluminiumkolben eine innere, harte Beschichtung aus Aluminiumoxid, hergestellt über Anodisierung der Kolbenoberfläche und eine äußere Polymerschicht, enthaltend Festschmierstoffe wie Graphit und Bornitrid. Die Aufbringung der ersten, harten Aluminiumoxidschicht durch Anodisierung der Kolbenoberfläche ist ein aufwendiger und für die Dicke der Schicht schwierig zu kontrollierender Prozess und führt somit zu einer hohen Anzahl nicht brauchbarer Kolben bei der Serienherstellung.
Bezüglich Zylinderlaufflächen aus Aluminium werden bisher gewöhnlich eisenbeschichtete Aluminiumkolben eingesetzt, die eine erhöhte Fresssicherheit gewährleisten und zudem die Zylinderhonung nicht beeinflussen. Im Vergleich zu polymerbasierten Beschichtungen stellt die Eisenbeschichtung einen kostenintensiven Prozess dar. Zusätzlich tragen besonders verschleißbeständige Schichten in der Regel zu höherer Reibung bei, weil das Anpassungsvermögen der Schichten an den Kontaktpartner niedrig ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, Beschichtungen für Kolben für Verbrennungsmotoren bereitzustellen, die in einfacher Weise aufgebracht werden können, verschleißbeständig sind und durch ein verbessertes Einlaufverhalten niedrige Reibungsverluste aufweisen.
Es zeigte sich, dass dies durch eine Doppelschicht einer inneren, harten und einer äußeren, weichen und/oder glatten Einlaufschicht erreicht werden kann.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind daher Kolben für Verbrennungsmotoren, gekennzeichnet durch eine Schaftbeschichtung aus einer verschleißbeständigen inneren Schicht aus einer Polymermatrix mit darin dispergierten Keramikpartikeln, Aramidfasern und/oder Kohlenstofffasern und einer äußeren Schicht aus einer Polymermatrix mit darin dispergierten Festschmierstoffen.
Erfindungsgemäße Kolben besitzen eine funktionale Innenschicht (also direkt auf der Oberfläche des Kolbens bzw. des noch fertiggestellten Kolbenrohlings aufgebracht) in Kombination mit einer verschleißfesten Substratschicht. Hierdurch verbessert sich das Einlaufverhalten, erhöht sich die Fresssicherheit und durch die Senkung von Reibung vermindert sich der Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emissionen im Betrieb des Verbrennungsmotors.
Die im Hinblick auf einen erhöhten Verschleißschutz optimierte Schaftbeschichtung kann durch die verminderte Rauheit der Doppelschicht in geringeren Fertigungstoleranzen realisiert werden. Die Erweiterung des Anwendungsspektrums von günstigen, polymerbasierten Schaftbeschichtungen führt zu einer erheblichen Kosteneinsparung des Beschichtungsprozesses als Ersatz der kostenintensiven Eisenbeschichtung. Ausserdem verringert sich der Ausschuß bei der Serienherstellung wesentlich. Als Keramikpartikel der inneren Schicht können eine oder mehrere Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe T1O2 (Titanoxid), Siliziumcarbid, Siliziumnitrid , AI2O3 (Aluminiumoxid), Siliziumoxid, Eisenoxid, vorzugsweise mit einer Partikelgröße von 0,1 -20 μιη eingesetzt werden.
Desweiteren kann die innere Schicht Aramid-, Kohlenstoff- und/oder Polyphenylensulfid-Fasern vorzugsweise mit einer Länge von 20 bis 200 μιη als strukturverstärkendes Element bzw. strukturverstärkende Elemente enthalten. Die Keramikpartikel und/oder Faserbestandteile können jeweils einzeln oder als Gemisch verwendet werden, wobei der Anteil der jeweiligen Verstärkungsstoffe in der Schicht vorzugsweise zwischen 5 und 25 Gew% liegen soll (μιη = Mikrometer).
Als Festschmierstoff der äußeren Schicht können eine oder mehrere Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe MoS (Molybdändisulfid) sowie vorzugsweise PTFE (Polytetrafluorethylen), Graphit, Zinksulfid, Bornitrid, die Sulfide und Telluride von Molybdän, Zinn und Titan, eingesetzt werden. In Anlehnung an die US 6,684,844 B1 und unter Berücksichtigung der Funktion als weiche, anpassungsfähige Beschichtung soll der Festschmierstoffanteil in der äußeren Schicht vorzugsweise zwischen 15 und 40 Gew% betragen.
Die Polymermatrix der inneren Schicht kann aus Polymethylmethacrylat (PMMA), vorzugsweise Polyamidimid (PAI), Polyimid (PI) und/oder Epoxiden, die der äußeren Schicht aus Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyamid (PA), Polyamidimid (PAI), Polysiloxanen und/oder Epoxiden, jeweils einzeln oder im Gemisch miteinander bestehen.
Bevorzugt weist die innere Schicht eine Schickdicke von 10 bis 20 Mikrometern auf, hiervon unabhängig die äußere Schicht eine Schichtdicke von 2 bis 20 Mikrometer.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Schaftbeschichtung für Kolben für Verbrennungsmotoren, bestehend aus einer verschleißbeständigen inneren Schicht aus einer Polymermatrix mit darin dispergierten Keramikpartikeln, Aramid- und/oder Kohlenstofffasern und einer äußeren Schicht, bestehend aus einer Polymermatrix mit darin dispergierten Festschmierstoffen, durch sequenzielles Auftragen der inneren und äußeren Sicht mittels Siebdruck, jeweils gefolgt von einer Trocknung bzw. Aushärtung der Schicht bei erhöhter Temperatur.
Die Auftragung der auf Verschleißbeständigkeit optimierten Grundschicht, enthaltend bevorzugt u.a. Kohlefasern als Verstärkungselemente in einer bevorzugten Schichtdicke von 10 bis 20 μιη und einer in Bezug auf Rauheit und Reibungsminimierung optimierten, dünnen Einlaufschicht mit einer bevorzugten Schichtdicke von 2 bis 20 μιη, erfolgt insbesondere durch Siebdrucktechnik. Vorzugsweise werden die Schichten nass-in-nass oder inklusive einer kurzen Zwischentrocknung der inneren Grundschicht, gefolgt von der äußeren Beschichtung mit abschließender, längerer Aushärtungsphase der Doppelschicht aufgebracht. Die Temperatur der Aushärtung soll zwischen 150 °C und 230 °C und einem Zeitintervall von 2 bis 60 Minuten liegen. Zur Verkürzung des Einbrennvorgangs kann zusätzlich gleichzeitig eine Bestrahlung mittels Infrarotlicht miteinbezogen werden.
Die jeweiligen Druckpasten, bestehend aus einem Polymerharz, gelöst in einem organischen, vorzugsweise polar aprotischen Lösungsmittel (z.B. Gammabutyrolacton oder N-Ethylpyrrolidon), und darin eingearbeiteten Füll- und Verstärkungsstoffen, werden mittels Dissolver und Tauchmühlen hergestellt, um Partikel-Agglomerate bzw. Inhomogenitäten zu verhindern. Der Temperaturbereich während der Pastenherstellung soll vorzugsweise zwischen 15°C und 60°C liegen, um eine Polymerisation des Polymermaterials zu verhindern.
Die Figuren zeigen eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Doppelschicht (Fig 1 nach dem Beschichten und Fig. 2 nach der Einlaufphase).

Claims

Kolbenschaftbeschichtung aus einer reibungsarmen Einlaufschicht und einer verschleißarmen Grundschicht Patentansprüche
1 . Kolben für Verbrennungsmotoren, gekennzeichnet durch eine Schaftbeschichtung aus einer verschleißbeständigen inneren Schicht aus einer Polymermatrix mit darin dispergierten Keramikpartikeln, Aramidfasern und/oder Kohlenstofffasern und einer äußeren Schicht aus einer Polymermatrix mit darin d i spe rg i e rte n Festsch m i e rstof f e n .
2. Kolben für Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Keramikpartikel der inneren Schicht eine oder mehrere Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe Titanoxid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid , Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Eisenoxid, vorzugsweise mit einer Partikelgröße von 0,1 bis 20 μιη.
3. Kolben für Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Festschmierstoff der äußeren Schicht eine oder mehrere Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe M0S2 (Molybdändisulfid), PTFE (Polytetrafluorethylen), Graphit, Zinksulfid, Bornitrid, die Sulfide und Telluride von Molybdän, Zinn und Titan, eingesetzt wird bzw. werden.
4. Kolben für Verbrennungsmotoren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermatrix der inneren Schicht aus Polyamidimid (PAI), Polyimid (PI) und/oder Epoxiden besteht.
5. Kolben für Verbrennungsmotoren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermatrix der äußeren Schicht aus Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyamid (PA), Polyamidimid (PAI), Polysiloxanen und/oder Epoxiden, jeweils einzeln oder im Gemisch miteinander besteht.
6. Kolben für Verbrennungsmotoren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Schicht eine Schickdicke von 10 bis 20 Mikrometer aufweist.
7. Kolben für Verbrennungsmotoren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der äußeren Schicht 2 bis 20 Mikrometer beträgt.
8. Verfahren zur Herstellung einer Schaftbeschichtung für Kolben für Verbrennungsmotoren, bestehend aus eine verschleißbeständigen inneren Schicht aus einer Polymermatrix mit darin dispergierten Keramikpartikeln, Aramidfasern und/oder Kohlenstofffasern und einer äußeren Schicht, bestehend aus einer Polymermatrix mit darin dispergierten Festschmierstoffen, durch sequenzielles Auftragen der inneren und äußeren Sicht mittels Siebdruck, jeweils gefolgt von einer Trocknung der Schicht bei erhöhter Temperatur.
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