DE102005026664B4

DE102005026664B4 - Kolben für Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005026664B4
Application number: DE200510026664
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Bickle; Werner Schubert; Frank Dr.Ing. Haupert; Gunter Dr. Bürkle
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2005-06-02
Filing date: 2005-06-02
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2025-06-03
Also published as: DE502006005712D1; EP1729003B1; EP1729003A2; EP1729003A3; DE102005026664A1

Abstract

Kolben für eine Brennkraftmaschine, insbesondere aus Aluminiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, auf dem Kolbenmantel zumindest bereichsweise eine 5-25 μm dicke PTFE-freie Lackschicht auf Basis von PAI aufgebracht ist, die 5-15 Gew.-% Zinksulfid, 5-15 Gew.-% Graphit oder MoS₂ und 5-15 Gew.-% TiO₂ umfasst, und dass Zinksulfid und TiO₂ in einer Partikelgröße von ≤ 0,7 μm vorliegen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine, insbesondere aus Aluminiumlegierung Es ist bereits bekannt, Kolben mit einer reibungsvermindernden Beschichtung zu versehen.
DE 38 01 784 A1 beschreibt einen Kolben mit einer Verschleißschutzschicht im Bereich der Ringnutenflanken. Die Verschleißschutzschicht umfasst eine Kunststoffbasis mit Feststoffteilchen bestehend aus Graphit und Molybdändisulfid in einer Partikelgröße von 0,1 bis 40 μm.
DE 103 28 120 A1 befasst sich mit einer Gleitkomponente mit einer Überzugsschicht auf der Basis von Polyamidimid, wie z.B. eine Taumelscheibe und einen Kolben in einem Kompressor für ein Klimaanlagensystem. Die Überzugsschicht kann unter anderem Partikel wie Molybdändisulfid, Graphit und Zinksulfid enthalten.
DE 699 08 837 T2 beschreibt einen Kolben mit einer hartanodisierten Beschichtung und einer darauf aufgebrachten Lackschicht auf Basis von Polyimid, Polyamidimid, Polyphenylensulfid oder Polyarylsulfon. Die Lackschicht weist schmierende Teilchen in Form von Graphit, Kohlenstoffmonofluarid, Bornitrid und Sulfide, Selenide und Telluride von Molybdän, Wolfram und Titan auf. Eine Ausführungsform umfasst 5-30 Vol.-% Graphit in Polyamidimid. Eine weitere Ausführungsform umfasst 2-20 Vol.-% Graphitteilchen, 2-20 Vol.-% Molybdändisulfid in Polyamidimid.
EP 1 469 050 A1 beschäftigt sich mit einer Beschichtung für eine Gleitfläche. Die Beschichtung beruht vorzugsweise auf Basis von Polyamidimid, wobei vorzugsweise als Festschmierstoff PTFE enthalten ist. Des Weiteren erwähnt ist Molybdändisulfid oder Graphit. Des weiteren können Partikel wie Titanoxid,
Siliziumcarbid, Siliziumoxid in einer Partikelgröße von 0,3 μm enthalten sein.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere das Einlauf- und das Notlaufverhalten zu verbessern, wobei gerade der Bereich der Mischreibung, wo die Verhältnisse regelmäßig kritisch sind, verbessert werden soll.
Unter Mischreibung versteht man einen Zustand, wie er sich beim Anfahren oder im Betrieb (zeitweise) einstellen kann, wenn nämlich die Gleitpartner, also Kolben und Zylinderfläche, nicht durch einen durchgängigen Schmierfilm (hydrodynamischer Zustand) voneinander getrennt sind. Hier kommt es in besonderem Maße zu Verschleiß, welcher die Lebensdauer des tribologischen Systems aus Kolben und Zylinderwandung, reduziert. Gerade bei dünnen Einlauf- oder Notlaufschichten stellt sich aber auch das Problem der Anbindung der dünnen Oberflächenbeschichtung an den Untergrund, was für das Funktionieren des Kolbens aber von essentieller Bedeutung ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Kolben gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, dass auf dem Kolbenmantel zumindest bereichsweise eine 5-25 μm, insbesondere 8-20 μm dicke PTFE-freie Lackschicht auf Basis von PAI aufgebracht ist, die 5-15 Gew.-% Zinksulfid, 5-15 Gew.-% Graphit oder MTS₂ und 5-15 Gew.-% TiO₂ umfasst, und dass Zinksulfid und TiO₂ in einer Partikelgröße von ≤ 0,7 μm vorliegen.
Es wurde erfindungsgemäß festgestellt, dass das an sich im Hinblick auf seine tribologischen Eigenschaften bewährte PTFE bei Lackschichten auf Basis von PAI (Polyamidimid) gerade bei dünnen Beschichtungen die Anbindung an den Untergrund erschwert bzw. dass sich eine PTFE-freie Lackschicht, auch wenn sie sehr dünn ist, erheblich besser auf einem metallischen Untergrund, insbesondere aus Aluminiumlegierung halten lässt. Außerdem hat sich ein Zusatz von Zinksulfid, Graphit und Titandioxid jeweils im beanspruchten Bereich im Zusammenwirken mit PAI als hervorragend geeignet erwiesen. Als Alternative zu Graphit kommt MoS₂ in Frage, bei dem es sich um einen hier gut geeigneten Schmierstoff handelt; Graphit ist jedoch bevorzugt. Bei Zinksulfid handelt es sich um einen guten Festschmierstoff, der unempfindlich gegen Trockenheit ist. Das diesbezüglich empfindlichere Graphit hat hingegen eine gute Wärmeleitfähigkeit und ist in der Lage, die auftretende Reibungswärme in Richtung auf den Untergrund abzuleiten. Titandioxid hingegen verleiht die erforderliche Verschleißbeständigkeit. Somit ist mit diesen Komponenten ein tribologisch gesehen auch bei Bedingungen der Mischreibung (hohe Last, auftretende Reibungswärme, Trockenheit) geeignetes System geschaffen.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn Zinksulfid, Graphit und TiO₂ jeweils zu 7 bis 13 Gew.-% vorliegen. Es erweist sich auch als zweckmäßig, wenn das gewichtsprozentuale Verhältnis von Zinksulfid und von Graphit jeweils zu TiO₂ zwischen 0,6 und 1,4, insbesondere zwischen 0,7 und 1,3 beträgt. Im bevorzugten Fall wird vorgeschlagen, etwa dieselben gewichtsprozentualen Mengen von Zinksulfid, Graphit und TiO₂ in der Lackschicht vorzusehen.
Es erweist sich im Hinblick auf eine gute Anbindung an den Untergrund, also an den Kolbenmantel, als vorteilhaft, wenn die Lackschicht fluorpolymerfrei ist.
Es erweist sich des Weiteren als vorteilhaft, dass PAI gut lösbar ist, beispielsweise in NMP (Verhältnis etwa 1:1), und so die Lackschicht als Lösung aufgebracht, insbesondere aufgesprüht werden kann.
Zinksulfid und Titandioxid liegen vorzugsweise als sehr feine Teilchen vor, da sich hierdurch eine sehr "dichte" homogene Verteilung dieser Stoffe in der Matrix aus PAI erreichen lässt. Sie haben vorzugsweise einen D50-Wert der Partikelgröße zwischen 200 nm und 500 nm. Der vorerwähnte D50-Wert der Teilchengröße bezeichnet eine Teilchengröße, bezüglich der 50 Gew.-% des betreffenden Stoffs mit einer demgegenüber größeren Teilchengröße und 50 Gew.-% mit einer demgegenüber kleineren Teilchengröße vorliegen.
Des Weiteren erweist es sich im Hinblick auf die Tragfähigkeit, aber auch im Hinblick auf das Vermögen, Reibungswärme abzuleiten, als vorteilhaft, wenn die Lackschicht einen Zusatz von bis zu 15 Gew.-% Kohlenstofffasern oder Aramidfasern umfasst.
Die vorliegende Erfindung schließt zwar nicht aus, dass neben PAI als matrixbildender Kunststoffkomponente der Lackschicht noch ein oder mehrere weitere matrixbildende Kunststoffe enthalten sein dürfen. Ihr Anteil sollte aber nicht mehr als 20 Gew.-%, insbesondere nicht mehr als 10 Gew.-% des Anteils von PAI in der Lackschicht betragen. Vorzugsweise ist die Matrix zu 100 von PAI gebildet. Vorteilhafterweise besteht die Lackschicht aus den im Anspruch 1 angegebenen Komponenten und gegebenenfalls den genannten Kohlenstofffasern oder Aramidfasern.

Claims

Kolben für eine Brennkraftmaschine, insbesondere aus Aluminiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, auf dem Kolbenmantel zumindest bereichsweise eine 5-25 μm dicke PTFE-freie Lackschicht auf Basis von PAI aufgebracht ist, die 5-15 Gew.-% Zinksulfid, 5-15 Gew.-% Graphit oder MoS₂ und 5-15 Gew.-% TiO₂ umfasst, und dass Zinksulfid und TiO₂ in einer Partikelgröße von ≤ 0,7 μm vorliegen.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lackschicht eine Dicke von 8-20 μm aufweist.
Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Zinksulfid, Graphit oder MOS₂ und TiO₂ jeweils zu 7-13 Gew.-% vorliegen.
Kolben nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das gewichtsprozentuale Verhältnis von Zinksulfid und von Graphit/MOS₂ jeweils zu TiO₂ 0,6-1,4, insbesondere 0,7-1,3 beträgt.
Kolben einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lackschicht fluorpolymerfrei ist.
Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lackschicht als Lösung mit gelöstem PAI aufgebracht, insbesondere aufgesprüht ist.
Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Zinksulfid und TiO₂ in einer Partikelgröße von ≤ 0,6 μm, insbesondere ≤ 0,5 μm vorliegen.
Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der D50-Wert der Partikelgröße von Zinksulfid und TiO₂ zwischen 200 nm und 500 nm liegt.
Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lackschicht einen Zusatz von bis zu 15 Gew.-% Kohlenstofffasern oder Aramidfasern umfasst.