CN110520554A - 用于铝质活塞的隔热涂层 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涂覆的铝质活塞，尤其是一种用于内燃机的铝质活塞，并且涉及一种用于涂覆该活塞的方法。该活塞的区域包括用涂层密封的等离子体氧化物层，该涂层包括聚硅氮烷类、水玻璃类或聚硅氧烷类聚合物。

Description

用于铝质活塞的隔热涂层
技术领域
本发明涉及一种铝质活塞，尤其是用于内燃机的铝质活塞，其具有包括等离子体氧化物层和密封层的涂层，且还涉及该铝质活塞的制备方法。
背景技术
往复活塞式发动机中的燃烧过程是非常复杂的。通过将燃烧室隔热，能够增加内燃机的效率，从而减少燃料消耗。
用于使活塞隔热的方法在现有技术中是已知的。
举例来说，使用通过热喷涂施加的层。虽然这个方法能够应用不同材料，但是在柴油发动机燃烧碗(combustion bowl)的底切区域中，所产生的层对活塞冠(piston crown)的结合并不令人满意。此外，为了获得固定的层厚度，层的机械加工是有必要的。
还使用通过阳极氧化产生的涂层。然而，由此产生的层具有开放的孔，因此其隔热效果不足。
因此有必要提供一种用于铝质活塞的涂层，该涂层在适当厚度下具有良好的隔热效果，且易于生产。
通过包括等离子体氧化物层以及聚硅氮烷类密封层、水玻璃类密封层或聚硅氧烷类密封层的涂层，令人惊讶地解决了这个问题。
具体实施方式
本发明涉及一种铝质活塞，尤其涉及一种用于内燃机的铝质活塞，其中，所述活塞的区域包括用涂层密封的等离子体氧化物层，所述涂层包括聚硅氮烷类(polysilazane-based)、水玻璃类(water glass-based)或聚硅氧烷类(polysiloxane-based)聚合物。本发明还涉及一种用于涂覆内燃机中的活塞的方法，其中，在所述活塞的区域上产生等离子体氧化物层，并且将包括聚硅氮烷类、水玻璃类或聚硅氧烷类聚合物的涂层施加至所述等离子体氧化物层。
有利地，在本发明的上下文中，优选包括燃烧碗的整个活塞冠可以设置有用于隔热的涂层。在一个特别优选的实施方案中，仅活塞冠的不包括碗部的外部区域被涂覆。
本发明可用于涂覆特别是由铝合金制成的活塞，该铝合金用于发动机活塞的重力铸造。这些通常具有8wt.％-20wt.％、优选为8.5°wt.％-13wt.％的硅含量。至多5.4wt.％的、优选4wt.％或更少的低铜含量也是有利的，因为高铜含量对等离子体氧化具有负面影响。
根据本发明，包括聚硅氮烷类、水玻璃类或聚硅氧烷类聚合物的密封层(下文也称为聚硅氮烷类、水玻璃类或聚硅氧烷类的层)被施用至等离子体氧化物层。优选是给予聚硅氮烷类的层。
该聚硅氮烷类、水玻璃类或聚硅氧烷类的层可以为多层系统，其中，各层使用不同基底材料和/或添加剂。举例来说，可以使用由优选薄的无机聚硅氮烷下层、和使用添加剂改性的有机聚硅氮烷的上层组成的双层。
a.聚硅氮烷类涂层
无机或有机聚硅氮烷均能够用作基底。根据本发明所使用的无机聚硅氮烷形成包含式-(H2Si-NH)n-结构单元的Si和N原子的无定形网格(amorphous network)，并且也称为全氢聚硅氮烷(perhydropolysilazane)。在有机聚硅氮烷的情况下，网格由有机基团修饰，这产生了式-(R1R2Si-NH)-的结构单元。当然，也可以使用每单体仅含有一个有机基团的聚合物。
聚硅氮烷类涂层通常用于电子器件。为此可商售的产品可用于本发明的上下文中。
为了形成无机聚硅氮烷，使用全氢聚硅氮烷在溶剂中的溶液。举例来说，可以使用二丁醚中的20％全氢聚硅氮烷(例如来自默克(Merck))。
有机聚硅氮烷可以具有不同的自由基R1和R2，例如可以使用由乙烯基修饰的聚硅氮烷。这些由乙烯基修饰的聚硅氮烷可以溶解在不同的溶剂中，例如乙酸丁酯。这些溶液可以任选地进一步包含有机外加剂(admixtures)。合适的有机聚硅氮烷的示例为HTT1800(默克集团(Merck KGaA))和HTA1500(凯傲防御技术(KiON Defense Technologies))。
通过聚硅氮烷与大气湿气、水或醇的反应，聚硅氧烷层形成，其在无机聚硅氮烷的情况下为无定形石英玻璃层。
b.水玻璃类涂层
钠、钾或锂水玻璃可以用作基底，优选给予钾水玻璃(potassium water glass)。
c.聚硅氧烷类涂层
聚硅氧烷类涂层的基底可以为下式的聚硅氧烷：
其中，R1为H或烷基，优选H或C1-C10烷基，更优选H或C1-C5烷基；且
R2和R3彼此独立地为H或烷基，优选H或C1-C10烷基，更优选H或C1-C5烷基。
优选给予聚硅氧烷，其中，如果R2是H，则R3是烷基，并且如果R3是H，则R2是烷基。
烷基R1、R2和R3是支链烃链或无支链烃链。此外，烷基可以由卤素取代，例如F、Cl、Br或I，优选由F取代。
优选使用耐高温聚硅氧烷。
d.等离子体氧化物层
根据本发明的活塞具有包括等离子体氧化物层的至少一个区域。举例来说，活塞冠的区域、优选包括碗部区域的整个活塞冠可以具有等离子体氧化物层。特别优选地，仅活塞冠的不包括碗部的外部区域覆盖有等离子体氧化物层。
该等离子体氧化物层可以以已知的方式产生，例如通过等离子体电解氧化(plasma electrolytic oxidation,PEO)。这样的层例如由克洛耐(Keeronite)(产品名：Keeronite)、汉高(Henkel)(ECC或EC2)和AHC(Kepla涂层)制造。因此获得的层为多孔的。
在一个优选的实施方案中，等离子体氧化物层包括Al2O3和/或TiO2。
较大的层厚度导致更好的隔热。因此，优选给予等离子体氧化物层的层厚度在大于40μm的范围内，特别优选从70至130μm的范围内。
e.密封层
通过向等离子体氧化物层施加涂层，来密封等离子体氧化物层，该涂层包括聚硅氮烷类、水玻璃类或聚硅氧烷类聚合物。聚合物渗透到氧化物层的孔中，并密封所述孔。
等离子体氧化物层上方的聚硅氮烷类、水玻璃类或聚硅氧烷类涂层的厚度优选为0.2μm-40μm，其中，较大的层厚度通常仅能够通过有机聚硅氮烷来产生。特别地，当使用无机聚硅氮烷时，聚硅氮烷类、水玻璃类或聚硅氧烷类涂层的厚度优选为0.2μm-10μm，并且特别优选为0.5μm-2μm。因此，由氧化物和聚硅氮烷、水玻璃或聚硅氧烷组成的层的总厚度对应于等离子体氧化物层的厚度和覆盖等离子体氧化物层的聚合物层的厚度的总和。
可以通过添加添加剂来修饰聚硅氮烷类、聚硅氧烷类或水玻璃类的层，例如通过添加氧化锆粉末、BN、搪瓷玻璃粉末、中空玻璃球、刚玉粉末或TiO2等。这些粉末有利地具有0.1μm-25μm的粒径。这样，可以产生更厚的层。
借助于有机聚硅氮烷，如果添加例如ZrO2、玻璃粉末(中空玻璃球)和/或TiO2的填料，则可以实现高达100μm的层厚度。这样，如果需要，则能够产生具有特别好隔热效果的层。
优选选择玻璃粉末，使得其热膨胀系数大致对应于铝质活塞的热膨胀系数。玻璃粒子的平均尺寸优选位于3至10μm的范围内。合适的玻璃系统例如为来自肖特(Schott)的8472(硼酸铅玻璃)、8470(硼硅酸盐玻璃)、G018-198(无铅钝化玻璃)和G018-311(钡硅酸盐玻璃)。
所使用的ZrO2可以具有0.3至4μm的平均粒径。
本发明还涉及一种用于产生该层的方法，及其作为内燃机中活塞隔热层的用途。所述方法包括氧化该活塞，并将上述聚硅氮烷类、聚硅氧烷类或水玻璃类的层施加至等离子体氧化物层。
该聚硅氮烷类、聚硅氧烷类或水玻璃类的层能够在室温下以本领域技术人员已知的方式施加，例如通过抹涂(wiping)、喷涂、浸渍(dipping)或刷涂。
为了交联的目的，优选地将由此施加的组合物加热至15℃至255℃的温度。
在接下来的几天中，聚硅氮烷类涂层在大气湿气、水、或醇的作用下转变为SiO2系(SiO2-based)涂层。在所有三种情况下，SiO2网格由此形成，其具有非常低的热导率。
与通过溶胶-凝胶工艺产生的现有技术中已知的层相反，所产生的聚硅氮烷类、聚硅氧烷类或水玻璃类密封层为无孔的，且因此是气密性的。由于这个原因，该层不会被燃料渗透，因此该涂层对燃烧不具有负面影响。
另外，由于氧化物和密封层的Si-O基团之间的键合，确保了密封层与等离子体氧化物层的优异结合。
由于聚硅氮烷类、水玻璃类或聚硅氧烷类涂层的特性，在纯金属表面上不可能产生大的层厚度。通过将密封层施加到等离子体氧化物层，可以将等离子体氧化物层的隔热作用与传导非常少热量的不透气(gas-impermeable)密封层结合，以便产生有效的隔热层。另外，由于氧化物-SiO2复合层的低热导率，可以提高燃烧温度，从而提高燃烧效率。

Claims (10)

1.一种铝质活塞，尤其是一种用于内燃机的铝质活塞，其中，等离子体氧化物层被施加至所述活塞的区域，并且所述等离子体氧化物层用聚硅氮烷类、水玻璃类或聚硅氧烷类的层密封。
2.根据权利要求1所述的铝质活塞，其中，活塞冠的区域被涂覆。
3.根据权利要求1或2所述的铝质活塞，其中，整个所述活塞冠、优选所述活塞冠的不包括碗部的外部区域被涂覆。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的铝质活塞，其中，
如果使用聚硅氮烷类的层，则使用无机或有机聚硅氮烷，优选无机聚硅氮烷；
如果使用聚硅氧烷类的层，则使用耐高温聚硅氧烷；以及
如果使用水玻璃类的层，则使用钾水玻璃。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的铝质活塞，其中，使用聚硅氮烷类的层。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的铝质活塞，其中，所述聚硅氮烷类、水玻璃类或聚硅氧烷类的层包含ZrO2、中空玻璃球和/或TiO2。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的铝质活塞，其中，所述等离子体氧化物层包括Al2O3和/或TiO2。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的铝质活塞，其中，所述等离子体氧化物层具有孔。
9.一种用于涂覆根据权利要求1-8中任一项所述的铝质活塞的方法，所述方法包括：
在所述活塞的区域上产生等离子体氧化物层，以及
用涂层密封所产生的所述等离子体氧化物层，所述涂层包括聚硅氮烷类、水玻璃类或聚硅氧烷类聚合物。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述等离子体氧化物层通过等离子体电解氧化而产生。
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