CN110892142A - 具有磷酸盐层的钢质活塞 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的钢质活塞，所述钢质活塞包括在其至少一个区域中的非晶态磷酸盐层。所述层改进了固体膜润滑剂的粘附。

Description

具有磷酸盐层的钢质活塞
技术领域
本发明涉及一种具有非晶态磷酸盐层的钢质活塞，特别用于内燃机，并且涉及一种用于制造该钢质活塞的方法。
背景技术
用于内燃机的钢质活塞通常设有活塞裙(piston skirt)涂层以减少与汽缸的摩擦，且用于防止卡死(seizure)。例如通常使用包含诸如石墨或MoS2的一种或多种固体润滑剂的减摩涂层。当将其直接施用至活塞时，该减摩涂层主要通过机械粘附的方式粘附。
为了确保在活塞整个使用寿命中减摩涂层的粘附，活塞必须预处理。在现有技术中，为此使用了例如使用浸渍法(dipping method)施用的锰磷化(manganesephosphating)。为了能够执行该浸渍工艺，需要中断正常的生产工艺、并手动处理活塞。这可能会导致活塞的表面上有杂质。
作为选择的，在施用减摩涂层之前，可以仅使钢质活塞经受中性、碱性和/或酸性清洗。由于该工艺仅从表面去除油脂，而不会磨损表面，因此经常会导致减摩涂层的粘附不理想。
由于这些原因，需要提供一种简单的、低成本的方法，该方法导致改进的减摩涂层对活塞的粘附。
出人意料地，该目的通过特定的磷化方法、和具有可通过该磷化方法获得的非晶态磷酸盐层的钢质活塞来实现。
具体实施方式
本发明涉及一种钢质活塞，优选一种用于内燃机的钢质活塞，所述钢质活塞包括在其至少一个区域中的非晶态磷酸盐层。此外，本发明涉及一种用于生产这种钢质活塞的方法。
根据本发明，术语“非晶态磷酸盐层”是指该层在平面视野(plan view)中具有非晶态结构。
由于这种非晶态结构，根据本发明的磷酸盐层与常规的具有晶态结构的磷酸锰层或磷酸锌层不同。该层的非晶态结构对该层的性能具有影响，例如其粗糙度和厚度。
根据本发明的方法包括以下步骤：
(1)通过用包含磷酸的溶液处理，形成非晶态磷酸盐层；
(2)任选地施用减摩涂层；和
(3)任选地形成磷酸锰层。
作为步骤(1)中用包含磷酸的溶液处理的结果，不仅将形成非晶态磷酸盐层，还将磨损活塞表面，并且将去除存在于活塞表面上的任何氧化物。
根据本发明形成的非晶态磷酸盐层具有毛细管(capillaries)，从而有利于减摩涂层的更好的锚固(anchoring)，因此减摩涂层也能够承受高应力。此外，非晶态磷酸盐层用作钝化层，使得活塞的再氧化得到防止。
使用本发明，可以施用薄的、非晶态磷酸盐层。特别地，该非晶态磷酸盐层可以比常规的晶态磷酸盐层更薄。这又有利于降低制造公差(manufacturing tolerances)。优选地，该非晶态磷酸盐层将具有0.05μm至5μm、特别优选0.1μm至3μm的厚度。
在本发明的范围内，例如可以将非晶态磷酸盐层施用至整个活塞或施用至活塞的个别区域，例如活塞裙或销孔(pin bore)。优选地，该层将被施用至整个活塞。
如果需要，也可以将减摩涂层(2)施用至非晶态磷酸盐层。在步骤(3)中，任选地将磷酸锰层施用至由此获得的活塞。
当然还可以仅用该减摩涂层涂覆该活塞。
可以通过喷涂施用根据本发明所使用的包含磷酸的溶液，使得可以在线生产该非晶态磷酸盐层。这避免了手动处理活塞的需要，并减少了活塞表面上杂质的风险。此外，可以将根据本发明的方法集成到用于生产活塞的工艺中，而不会带来大量的成本。
优选地，在步骤(1)中使用的溶液除了磷酸(正磷酸)之外，还将包含表面活性剂。因此，表面的润湿得到改进，从而形成更均匀的层。该溶液还可以包含附加组分。已经证明合适的合适附加组分包括诸如硝酸钠、硝酸锰和硝酸锌的硝酸盐；和/或磺酸盐。
在优选的实施方案中，溶液中磷酸的浓度为4％至14％(g/g)、特别是6％至12％(g/g)。该溶液将优选地具有1至3的pH值。
已经证明30℃至80℃、优选45℃至65℃的温度，以及50秒至500秒、优选100秒至400秒的处理时间特别适合于执行步骤(1)。
一旦步骤(1)完成，该溶液必须例如通过冲洗从活塞的表面去除。
在步骤(1)之后，可以在任选的步骤(2)中施用减摩涂层。在此情况下，使用本领域技术人员已知的方法执行步骤(2)。
随后，在进一步的步骤(3)中，可以在通过根据本发明的方法获得的活塞上形成磷酸锰层。可以以本领域技术人员已知的方式执行该工艺。如上所述，根据本发明的钢质活塞的处理导致减摩涂层的更好的粘附。
该减摩涂层将优选为包括聚合物基质的减摩涂层。例如，用于活塞涂层的常用起始材料，如酚醛树脂、环氧树脂、聚酰胺、聚酰胺-酰亚胺和/或聚四氟乙烯(PTFE)，可以用作聚合物基质；优选地，将使用酚醛树脂和/或环氧树脂。
如果将可交联聚合物用作涂层的基质，则将在应用后对其进行交联。该基质的交联可以热发生或通过辐射发生，例如通过UV辐射或红外辐射。
该减摩涂层还将特别优选地包括功能性组分，例如一种或多种固体润滑剂。根据本发明，例如具有层状(laminar-like)晶态结构的物质，如石墨、MoS2、WS2和α-BN，将优选地用作固体润滑剂。例如，也可以使用诸如PTFE的聚合物。
例如，DE 10 2009 002 716 A1和10 2009 002 715 A1中描述了合适的减摩涂层，该减摩涂层的粘附可以通过根据本发明的非晶态磷酸盐层来改进。

Claims (11)

1.一种钢质活塞，特别是一种用于内燃机的钢质活塞，所述钢质活塞包括在其至少一个区域中的非晶态磷酸盐层。
2.根据权利要求1所述的钢质活塞，其中，所述非晶态磷酸盐层具有0.05μm至5μm、优选0.1μm至3μm的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的钢质活塞，其中，减摩涂层和/或磷酸锰层、优选减摩涂层被施用至所述非晶态磷酸盐层。
4.根据权利要求1-3所述的钢质活塞，其中，所述层至少被施用至活塞裙和/或销孔、优选被施用至整个所述活塞。
5.一种用于生产根据权利要求1-4中任一项所述的钢质活塞的方法，所述方法包括：
(1)通过用包含磷酸的溶液处理，形成非晶态磷酸盐层；
(2)任选地施用减摩涂层；和
(3)任选地形成磷酸锰层。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，在步骤(1)中使用的所述溶液还包含表面活性剂。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述溶液中的所述磷酸的浓度为4％至14％(g/g)。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的方法，其中，在步骤(1)中使用的所述溶液具有1至3的pH值。
9.根据权利要求5-8中任一项所述的方法，其中，步骤(1)中的所述处理在30℃至80℃的温度下执行50秒至500秒。
10.非晶态磷酸盐层用于改进减摩涂层对钢质活塞的粘附的用途。
11.根据权利要求1-4中任一项所述的钢质活塞，其可以通过根据权利要求5-9中任一项所述的方法获得。
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