CN107339164A - 具有轴的用于内燃机的活塞 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有轴(3)的用于内燃机(2)的活塞(1)。对于本发明必要的是：将具有内层(5)和外层(6)的双层的涂层(4)施加至所述轴(3)，所述内层(5)包括有机粘接剂和固态润滑剂，所述内层(5)包括由二硫化钨(WS2)、碳化钨(WC)、碳化硅(SiC)和/或氧化铝(Al2O3)组成的硬质材料颗粒，并且所述外层(6)包括无机粘接剂、在空气中硬化并且具有比所述内层(5)更低的耐磨性。由于耗能更少，这使得能够以更加环保的方式施加涂层(4)。

Description

具有轴的用于内燃机的活塞
技术领域
根据权利要求1的前序部分，本发明涉及具有轴的用于内燃机的活塞。本发明还涉及具有至少一个这样的活塞的内燃机以及用于将涂层施加至一个这样的活塞的轴的方法。
背景技术
一段时间以来，已知用于确保磨合以及应急操作性能的具有功能的/平缓的结构的涂层，并且这样的涂层的成分必须打破摩擦最小化以及耐磨性能之间的平衡。出于这个原因，诸如连接杆的高耐磨部件特别具有碳纤维加强涂层，例如，具有高粗糙度，但是这对于过程监控可能是不利的。另外，这样的硬碳纤维在铝相对面上具有研磨效果，这能够导致不期望的剖光效果或者凹槽的形成。
WO2012/041769A2公开了用于内燃机的通用的活塞，其具有轴涂层，所述轴涂层具有耐磨内层和外层，所述耐磨内层由带有散布有陶瓷颗粒的聚合母体、芳纶纤维和/或碳纤维组成，所述外层由带有散布有固态润滑剂的聚合母体组成。目的为设置功能内层以及耐磨外层(基层)，所述功能内层直接施加至活塞的表面，通过所述耐磨外层改进了磨合性能以及特别是耐磨强度。在内燃机的操作期间，摩擦最小化的涂层也意在允许燃油消耗以及二氧化碳排放的减少。
从EP1894987A1已知进一步的具有双层轴涂层的通用的活塞。
然而，现有技术中已知的活塞的缺点是涂层的制造是相对耗能的。
发明内容
本发明因此意在为通用类型的活塞提供改进的或至少替代的实施例，其特征在于更加经济的制造。
根据本发明，该问题通过独立权利要求1的主题解决。有益的实施例为从属权利要求的主题。
本发明基于如下的主要构思：向内燃机的活塞的轴施加具有内层和外层的双层涂层，通过将外层例如通过喷洒或涂刷，即以液态形式施加至内层，并且构造为使得其能够在空气中干燥或硬化，相比于现有技术中已知的涂层允许了明显的能源节约。另外，相比于内层，外层示出了急剧减少的耐磨性，使得其能够在只有1到6秒的非常短的磨合阶段之后在高应力区域中实现间隙，并且因此能够急剧地减少摩擦损失。根据本发明的双层涂层的内层包括有机粘接剂以及固态润滑剂，以及二硫化钨(WS2)、碳化钨(WC)、碳化硅(SiC)和/或氧化铝(Al2O3)的硬质材料颗粒。相比之下，外层包括无机粘接剂，并且由于其相比于内层的极高的磨损倾向，其适于允许活塞的快速磨合。具有无机粘接剂的外层的构造特别允许空气干燥，这显著地减少了制造根据本发明的活塞的加工成本。在磨合阶段之后，根据本发明的双层涂层在以下方面也是有益的：容易磨损的外层(特别是在高应力区域中)至少部分地磨损并且在表面或朝向与内层的界面更加光滑，这允许了在活塞轴与汽缸之间实现更大的接触表面。
在根据本发明的技术方案的有益的改进中，内层的有机粘接剂从如下的组中挑选：聚酰胺(PAI)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)和/或聚芳基甲酮(PAEK)、硅的环氧化合物、聚苯并咪唑(PBI)，或者PAI与硅树脂的混合物，或者进一步的与PAI系统的混合物。聚酰胺的示例是具有沿主链定期重复酰胺键的线性聚合物。其特征尤其在于强度高，刚度高，韧性高，在化学品上的稳定性和良好的加工性。聚酰胺通过可逆的水吸收或释放对湿度做出反应。聚醚酮为在其中存在交替的酮和乙醚功能群的分子主链(molecular backbone)的聚合物。最普遍的类型是聚醚醚酮(PEEK)和聚芳基甲酮(PAEK)，所述聚醚醚酮(PEEK)为耐高温的热塑树脂。PEK、PEEK以及PAEK对于有机和无机化学制品也具有高耐性。
在根据本发明的技术方案的有益的改进中，内层的固态润滑剂包括二硫化钼(MoS2)和/或石墨。二硫化钼为化学元素钼的灰黑色晶体硫化物，其具有0.5μm至5μm的颗粒直径，其特别适用于工业干性润滑剂。特别地，这样的干性润滑剂在润滑油供给停止时改进了活塞的应急操作性能。石墨也提供了这样的干性润滑剂特性，因此确保了配备有该涂层的活塞的应急操作性能。
纯理论地，当然，这样的具有比内层更高的磨损倾向的固态润滑剂的外层也可以包括二硫化钼和/或石墨。
在根据本发明的技术方案的进一步有益的实施例中，外层在-180℃至+450℃的温度范围中是耐热的。该实施例使得能够确保外层，特别是在运行期间或磨合阶段不被产生的温度消极地影响。而且，在内燃机的操作期间在活塞轴上的涂层区域中产生的温度不超过450℃，使得在该区域中也不存在消极影响。
本发明还基于以下的主要构思：提供一种用于将上述的双层涂层施加至活塞的轴的方法，其中内层首先被施加至活塞的轴，例如通过诸如特别是丝网印刷的通常的标准方法。随后将外层以液态的形式施加至活塞的轴，特别是喷洒、涂刷、或通过移印方法施加。
由于外层中的无机粘接剂，该层现在能够在空气中干燥，关于制造涂层所需的能量提供显著的益处，并且涂层的第二层不需要以耗能的方式(例如通过加热或红外辐射)被硬化。
本发明的进一步重要的特征和益处在从属权利要求、附图以及参照附图的随附的附图描述中给出。
能够理解的是，在不离开本发明的范围的情况下，上述特征以及那些留待在下文中说明的特征不仅能够用在分别描述的结合中，而且还能够用在其他结合中或者单独使用。
附图说明
本发明的优选示例性的实施例示出在附图中并且将在下面进一步详细地说明，相同的附图标记指代相同的或功能上相同的部件。
在附图中，全部为示意图：
图1示出了在轴上具有根据本发明的双层涂层的根据本发明的活塞的侧视图，
图2示出了穿过施加了内层后的涂层区域中的活塞的截面图，以及
图3示出了与图2相同的视图，但是是在施加了外层之后。
具体实施方式
根据图1至图3，根据本发明的用于内燃机2的活塞1具有轴3。根据本发明，带有内层5和外层6的双层涂层4(同样参见图3)现在施加至轴3。内层5包括有机粘接剂和固态润滑剂，诸如二硫化钼(MoS2)和/或石墨，并且因此具有可靠的操作所需的干性的润滑性能，对于如果润滑供给系统关闭时的至少某段时期这确保了应急操作特性。而且，内层5还包括由例如二硫化钨(WS2)、碳化钨(WC)、碳化硅(SiC)和/或氧化铝(Al2O3)组成的硬质材料颗粒，这急剧地增加了内层5的耐磨性。硫化钨为来自钨化合物和硫的组的化学化合物。碳化钨为由元素钨和元素碳形成的中间结晶相或者非氧化物陶瓷。在该情况下，碳化钨特别用于高应力组分，但也能够以颗粒形式使用，从而急剧地改进涂层(此处为内层5)的耐磨性。外层6包括无机粘接剂，为空气硬化，并且相比于内层5示出了急剧减少的耐磨性，使得其能够实现只达到6个小时的内燃机2中的活塞1的显著减少的磨合阶段。在该磨合阶段中，外层6已经以在轴3与汽缸壁之间(特别是高应力区域)提供急剧增大的接触表面的程度被磨损，因此特别有助于急剧地减少性能损失。
在该情况下，内层5的有机粘接剂能够从如下的组中挑选：聚酰胺(PAI)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)和/或聚芳基甲酮(PAEK)、硅的环氧化合物、聚苯并咪唑(PBI)，或者PAI与硅树脂的混合物，或者进一步的与PAI系统的混合物。即使该非详尽的列表给出了针对内层5的有机粘接剂设置的广泛的可能性的构思，因为它们具有高强度、高韧性以及高耐磨性。
固态润滑剂包括诸如具有0.5μm至5μm的直径的二硫化钼颗粒或者石墨颗粒。通过微粒的固态润滑剂颗粒，能够急剧地增加干性润滑性能以及因此尤其是应急操作性能。与之相比，内层5的硬质材料颗粒具有500nm至1000nm的颗粒尺寸并且因此远小于固态润滑剂的颗粒。硬质材料颗粒的小颗粒尺寸使其能够急剧地改进内层5的强度性能以及因此的内层5的耐磨性。
如下地制造涂层4。
首先将内层5施加至活塞1的轴3，例如通过丝网印刷，随后在对流加热炉中或通过红外辐射硬化。随后将外层6以初始的液态的形式施加至活塞1的轴3，特别是通过喷洒或涂刷，或者通过构成最有吸引力的方案的移印方法。由于外层6的特殊构造，该层现在能够在空气中硬化而无需额外的能量输入。特别地，空气硬化外层6允许大大地减少加工成本。
在接下来的内燃机2的磨合操作中，外层6由于其低耐磨性而被相对快速地磨损，因此使得能够实现一方面轴3与另一方面圆柱状壁之间的间隙，这在摩擦性能损失方面具有积极的效果。在外层6的至少部分的磨损后，内层5承担增加耐磨性的任务，并且还通过嵌入其中的固态润滑剂(诸如二硫化钼或石墨)而确保应急操作性能的任务。在该情况下，涂层4的厚度d通常为5μm至30μm，并且优选大约为15μm。
因此，根据本发明的双层涂层4使得能够更加柔和地施加耐磨层，并且具有急剧降低的能量需求，以及因此通过成本降低和节能的方式。

Claims (10)

1.一种具有轴(3)的用于内燃机(2)的活塞(1)，其特征在于，
-具有内层(5)和外层(6)的双层的涂层(4)被施加至所述轴(3)，
-所述内层(5)包括有机粘接剂和固态润滑剂，
-所述内层(5)包括二硫化钨(WS2)、碳化钨(WC)、碳化硅(SiC)和/或氧化铝(Al2O3)的硬质材料颗粒，并且
-所述外层(6)包括无机粘接剂、在空气中硬化并且具有比所述内层(5)更低的耐磨性。
2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，
所述内层(5)的所述有机粘接剂选自以下组成的组：聚酰胺(PAI)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚芳基甲酮(PAEK)、硅的环氧化合物、聚苯并咪唑(PBI)，或者PAI与硅树脂的混合物或者进一步的与PAI系统的混合物。
3.根据权利要求1或2所述的活塞，其特征在于，
所述固态润滑剂为二硫化钼(MoS2)和/或石墨。
4.根据权利要求3所述的活塞，其特征在于，
所述固态润滑剂包括具有0.5μm≤D≤5μm的直径的颗粒。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的活塞，其特征在于，
所述硬质材料颗粒具有500nm至1000nm的颗粒尺寸。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的活塞，其特征在于，
所述外层(6)包括润滑剂，特别是由二硫化钼(MoS2)和/或石墨组成的固态润滑剂。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的活塞，其特征在于，
所述涂层(4)的厚度d在5μm与30μm之间，特别是大约15μm。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的活塞，其特征在于，
所述外层(6)在-180℃至+450℃的温度范围内是耐热的。
9.一种内燃机(2)，具有至少一个根据前述权利要求中的任一项所述的活塞(1)。
10.一种用于将涂层(4)施加至根据权利要求1至8中的任一项所述的活塞(1)的轴(3)的方法，其中，
-将内层(5)施加至所述活塞(1)的所述轴(3)上，
-将外层(6)以液态形式施加至所述活塞(1)的所述轴(3)，并且特别是喷洒、涂刷或者通过移印方法施加，以及
-所述外层(6)在空气中硬化。
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