DE102004033968B4

DE102004033968B4 - Verwendung einer Beschichtung zur Beschichtung von hochbelastbaren tribologischen Oberflächen von bewegten Bauteilen

Info

Publication number: DE102004033968B4
Application number: DE102004033968A
Authority: DE
Inventors: Gunter Bürkle
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2004-07-14
Filing date: 2004-07-14
Publication date: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2024-07-15
Also published as: DE102004033968A1

Abstract

Verwendung einer Beschichtung für ein bewegtes Bauteil (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung ein lösliches Polybenzoylphenylen ist und bei einem Gleitlager oder bei einem Kolbenschaft beziehungsweise einer Bolzenbohrung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Beschichtung für ein bewegtes Bauteil gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Zur Vermeidung des Fressens und zur Verhinderung von Verschleiß und Reduzierung der Reibung von hochbelastbaren Oberflächen von bewegten Bauteilen sind bisher zum Beispiel Gleitlacke mit Bindern aus Polyamidimid, aus Epoxid-Harz oder auch galvanische Eisenbeschichtungen bekannt.
Bei Kolben von Brennkraftmaschinen ist es zum Beispiel bekannt, die Oberfläche des Kolbenschaftes, der mit der Zylinderinnenwand der Brennkraftmaschine bei der Bewegung des Kolbens in Berührung kommt, mit einer sogenannten Einlaufschicht zu versehen, bei der es sich beispielsweise um einen Gleitlack handelt. Dieser Gleitlack hat jedoch den Nachteil, dass er eben nur als Einlaufschicht dient und keine ausreichende Verschleißbeständigkeit aufweist. Dieser Gleitlack trägt darüber hinaus nicht zur Vermeidung des Fressens über die Laufzeit des Kolbens und auch nicht zur Reduzierung der Reibung bei.
Die DE 103 11 142 A1 betrifft ein Lacksystem als Oberflächenschicht für Substrate, vorzugsweise für reibbeanspruchte Bauteile, bestehend aus einem Lack als Matrixmaterial, der wenigstens einen Filmbildner aufweist, und mit in dem Lack eingebetteten Zusatzstoffen, wobei wenigstens ein Zusatzstoff zur Erhöhung einer Verschleißbeständigkeit der Oberflächenschicht und wenigstens ein weiterer Zusatzstoff zur Reduzierung eines Reibungswertes der Oberflächenschicht vorgesehen ist, wobei eine Lackschicht vorgesehen ist, die ein Konzentrationsgefälle hinsichtlich der Zusatzstoffe aufweist, wobei eine Konzentration an verschleißbeständigem Zusatzstoff von der bauteiloberflächenzugewandten Seite in Richtung der bauteiloberflächenabgewandten Seite abnimmt und eine Konzentration des reibungsvermindernden Zusatzstoffes ausgehend von der bauteiloberflächenzugewandten Seite in Richtung der bauteiloberflächenabgewandten Seite zunimmt.
Die DE 44 06 803 A1 zeigt eine hydraulische Kolbenpumpe mit wenigstens einem Pumpenkolben und einem Hubelement, das relativ zu dem Pumpenkolben bewegbar ist und von dem der Pumpenkolben unter gleitender Berührung steuerbar ist, wobei zumindest der eine Gleitpartner eine Gleitschicht trägt und die Gleitschicht eine feste Suspension eines Festschmierstoffes sehr kleiner Teilchengröße in einem anorganischen oder organischen Bindemittel ist. Bezüglich der Gleitschicht ist nur angegeben, dass diese bei einer hydraulischen Kolbenpumpe verwendbar ist.
Die DE 22 39 164 C2 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Reibwerkstoffes, bei dem die eigentlichen Reibstoffe mit einem organischen Bindmittel vermischt und verpresst werden und das Gemisch anschließend einer Wärmebehandlung unterworfen wird. Hierbei ist angegeben, dass das Bindemittel Polyacrylnitril und das Gemisch aus Bindemittel und Reibstoffen etwa 20 bis 50 Stunden bei Temperaturen zwischen etwa 230° und 200° Celsius getempert wird. Polybenzoylphenylen als Beschichtung und die Verwendungen bei Gleitlagern oder Kolben von Brennkraftmaschinen sind nicht angegeben.
Die JP 2001-115 087 A offenbart Beschichtungen für Linsen, die auf Polybenzoylphenylen basieren.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Verwendung einer Beschichtung für ein bewegtes Bauteil anzugeben, mit der die eingangs geschilderten Nachteile vermieden werden, insbesondere mit der eine fresssichere, verschleiß- und reibungsarme hochbelastbare Beschichtung von tribologisch beanspruchten Oberflächen erzielt wird.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Beschichtung ein lösliches Polybenzoylphenylen ist und bei einem Gleitlager oder bei einem Kolbenschaft beziehungsweise einer Bolzenbohrung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine verwendet wird.
Die Verwendung eines solchen Beschichtungsstoffes hat den Vorteil, dass er im Vergleich zu bisher bekannten Beschichtungsstoffen eine mindestens doppelt so große Festigkeit und auch eine mindestens doppelt so große Steifigkeit aufweist. Eine derart beschichtete Oberfläche des bewegten Bauteiles ist daher über die Laufzeit wesentlich verschleißfester und reibungsärmer, wobei zusätzlich nach eine höhere Fresssicherheit gewährleistet ist.
Zur weiteren Steigerung der Eigenschaften der Beschichtung ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass dem löslichen Polybenzoylphenylen harte Mikro- und/oder Nanopartikel beigemischt sind. Dadurch wird die Festigkeit und Steifigkeit weiter gesteigert. Die Größe der Partikel beträgt idealerweise 5 Nanometer bis 500 Nanometer, wobei vorzugsweise auch Partikel mit einer Größe von 10 Nanometern bis 100 Nanometern eingesetzt werden können. Diese Partikel bestehen in besonders vorteilhafter Weise aus oxydischen, nitridischen oder boridischen Keramiken bzw. Metallen, die dem löslichen Polybenzoylphenylen bzw. dem Gleitlack beigemischt sind. Eine solche Beschichtung lässt sich ohne weiteres auf die zu beschichtende Oberfläche des Bauteiles auftragen und kann dort selber aushärten oder durch äußere Beeinflussung ausgehärtet werden. Dabei ist idealerweise vorgesehen, dass die Partikel 0,1% bis 20%, vorzugsweise 0,2% bis 10%, des Gewichtes der gesamten Beschichtung ausmachen. Der letztgenannte Bereich ist besonders geeignet, da hier der optimale Füllstoffgehalt von Nanopartikeln liegt. Da dies aber auch von der Größe und/oder Art der einzelnen Partikel abhängig ist, können auch andere Bereiche in Betracht zu ziehen sein (zum Beispiel 1% bis 3%).
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Partikel magnetisierbar sind. Dies hat den Vorteil, dass unter Einwirkung eines Magnetfeldes die Partikel in dem löslichen Polybenzoylphenylen bzw. dem Gleitlack ausrichtbar sind, so dass eine ganz bestimmte Struktur der Beschichtung erzielbar ist. Auf diese Struktur und das Verfahren der Magnetisierung wird im Zusammenhang mit der Figurenbeschreibung noch eingegangen.
In Weiterbildung der Erfindung enthält die Beschichtung Festschmierstoffe. Hierbei handelt es sich beispielsweise um Schmierstoffe wie Graphit, MoS2, WS2, h-BN oder PTFE, wobei diese Aufzählung nur beispielhaft und nicht abschließend ist. Durch die Einlagerung von Festschmierstoffen in der Beschichtung wird die Reibung zwischen den beteiligten Bauteilen wesentlich herabgesetzt.
Insgesamt bieten die Beschichtungen den Vorteil, dass während der Laufzeit und Lebensdauer des Bauteiles die Fresssicherheit erhöht und der Verschleiß und die Reibung von tribologisch beanspruchten Oberflächen deutlich herabgesetzt werden. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass je nach Konsistenz der Beschichtung eine einfache Verarbeitung möglich ist und den geometrischen Gegebenheiten des Bauteiles ohne weiteres anpassbar ist. Handelt es sich bei einem bewegten Bauteil beispielsweise um ein flächiges Bauteil, kann die Beschichtung in nahezu flüssiger Form aufgebracht werden. Handelt es sich bei dem Bauteil beispielsweise um ein Gleitlager, um einen Kolbenschaft eines Kolbens einer Brennkraftmaschine oder einer Bolzenbohrung des Kolbens, kann die Beschichtung auch zum Beispiel in Pastenform aufgetragen werden. Gegenüber anderen, insbesondere dickeren Beschichtungen, hat die erfindungsgemäß verwendete Beschichtung darüber hinaus den Vorteil, dass auch das Gewicht der Beschichtung und damit das Gewicht des gesamten Bauteiles herabgesetzt werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass aufgrund der verbesserten Eigenschaften der Beschichtung die Gesamtfläche der Beschichtung und damit der Lagerfläche verringert werden kann (unter Beibehaltung der erforderlichen mechanischen Eigenschaften), was wiederum zur Verringerung von Gewicht und Reibung führt.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung in Form einer so genannten Gradientenbeschichtung, insbesondere für einen Kolben einer Brennkraftmaschine, ist in den 1 bis 4 dargestellt, wobei hierzu auch das Aufbringungsverfahren der Beschichtung erläutert werden soll.
1 zeigt das bewegte Bauteil 1, bei dem es sich beispielsweise um einen Kolbenschaft eines Kolbens einer Brennkraftmaschine handelt, wobei dieser Kolbenschaft in an sich bekannter Weise durch die Bewegung des Kolbens in dem Zylinderraum der Brennkraftmaschine in Anlage mit der Zylinderinnenwandung kommt und dort auf und ab bewegt wird. Nach der Endbearbeitung der Oberfläche des Bauteiles 1 (zum Beispiel durch spanabhebende Bearbeitung eines Kolbenrohlings auf Endmaß) wird eine Beschichtung 2 auf die Oberfläche des Bauteiles aufgebracht. Diese Beschichtung 2 besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus einem löslichen Polybenzoylphenylen, dem magnetisierbare Partikel, insbesondere Mikro- und/oder Nanopartikel, beigemischt sind. Es ist davon auszugehen, dass diese Partikel innerhalb der Beschichtung 2 weitestgehend homogen verteilt sind. Damit stellt diese Beschichtung 2, wie sie in 1 gezeigt ist, schon eine fresssichere, verschleiß- und reibungsarme hochbelastbare Beschichtung der tribologisch beanspruchten Oberfläche des Bauteiles 1 dar.
Zur weiteren Verbesserung der Eigenschaften der Beschichtung 2 und damit des Bauteiles 1 wird auf die Beschichtung 2 ein Magnetfeld 3 gerichtet. Dies erfolgt in besonders vorteilhafter Weise von innen, kann aber auch von außen des Bauteiles 1 erfolgen. Das Magnetfeld 3 hat auf die magnetisierbaren Partikel innerhalb der Beschichtung 2 die Wirkung, dass die magnetisierbaren Partikel in Richtung der Oberfläche des Bauteiles 1 angereichert und nach außen hin abgereichert werden. Dies soll in 2 dadurch gezeigt werden, dass die Anreicherung in der Oberfläche 21 und die Anreicherung der magnetisierbaren Partikel in der Schicht 22, die sich direkt auf der Oberfläche des Bauteiles 1 befindet, ablagern. Diese in 2 gezeigte sogenannte Gradientenschicht 21/22 hat beispielsweise für den Kolbenschaft eines Kolbens einer Brennkraftmaschine den Vorteil, dass die Beschichtung 21 das lösliche Polybenzoylphenylen ist, mit dem gute Einlaufeigenschaften des Kolbens innerhalb des Zylinders der Brennkraftmaschine gegeben sind. Nachdem der Einlauf stattgefunden hat, verringert sich die Beschichtung 21 zusehends, bis nur noch die verschleißfeste Beschichtung 22 mit den harten magnetisierbaren Partikeln zur Anlage an die Zylinderinnenwand kommt, wie dies in 3 dargestellt ist. Diese Beschichtung 22 ist dann über die Laufzeit des Kolbens die fresssichere, verschleiß- und reibungsarme hochbelastbare Beschichtung des Kolbenschaftes.
In Bezug auf 2 ist auch auszuführen, dass die Gradientenschicht 21/22 durch Hitzewirkung eingebrannt werden kann, nachdem das Magnetfeld 3 auf die ursprüngliche Beschichtung 2 eingewirkt hat. Diese so genannte Gradientenschicht hat dann im Außenbereich 21 ein sehr gutes Einlaufverhalten für den Kolben und im Innenbereich 22 eine hohe Verschleißfestigkeit. Auch hier ist es wieder denkbar, dass der Beschichtung 2 weitere Verstärkungsstoffe und/oder Festschmierstoffe, wie zum Beispiel MoS2, Graphit, PTFE oder dergleichen zugesetzt werden können. Je nach Anforderungen an das Bauteil 1 ist es auch denkbar, das Magnetfeld 3 so auf die Beschichtung 2 mit deren magnetisierbaren Partikel wirken zu lassen, dass die Gradientenschicht 21/22 gemäß 2 genau umgekehrt ausgerichtet wird, dass nämlich die Schicht 22 außen und die Schicht 21 innen in Richtung des Bauteiles 1 gerichtet ist.
In 4 ist schließlich noch einmal die Verteilung der magnetisierbaren Nanopartikel vor und nach der Einwirkung eines Magnetfeldes (Permanent- oder Elektromagnet) auf die Beschichtung 2 gezeigt. Dabei ist in der linken Darstellung erkennbar, dass vorher die Verteilung der Nanopartikel weitestgehend homogen ist, während nachher eine Gradientenschicht entstanden ist. Das bedeutet, dass sich die Nanopartikel innerhalb der Zeit, während der das Magnetfeld wirkt, in Richtung des Bauteiles 1 bewegt und dort angesammelt haben. Dabei kommt es nicht unbedingt zu einer scharfen Abgrenzung innerhalb der Beschichtung 2 mit Bereichen mit und Bereichen ohne Partikel, sondern es stellt sich ein fließender Übergang ein, wie er in der rechten Darstellung gezeigt ist. Wie stark sich die Nanopartikel in Richtung des Bauteiles 1 bewegen und dort ansammeln, ist von der Stärke des Magnetfeldes und der Zeit, während der das Magnetfeld wirkt, abhängig.

Claims

Verwendung einer Beschichtung für ein bewegtes Bauteil (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung ein lösliches Polybenzoylphenylen ist und bei einem Gleitlager oder bei einem Kolbenschaft beziehungsweise einer Bolzenbohrung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine verwendet wird.
Verwendung einer Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem löslichen Polybenzoylphenylen harte Mikro- und/oder Nanopartikel beigemischt sind.
Verwendung einer Beschichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel aus oxydischen, nitridischen oder boridischen Keramiken oder Metallen bestehen.
Verwendung einer Beschichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel 0,1% bis 20%, vorzugsweise 0,2% bis 10%, des Gewichtes der gesamten Beschichtung des Bauteiles (1) ausmachen.
Verwendung einer Beschichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel magnetisierbar sind.
Verwendung einer Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung Festschmierstoffe enthält.