DE102009002715B4 - Verwendung eines wasserverdünnbaren Gleitlacks für die Beschichtung von Motorkolben - Google Patents

Verwendung eines wasserverdünnbaren Gleitlacks für die Beschichtung von Motorkolben Download PDF

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Abstract

Verwendung einer Beschichtungszusammensetzung, die zumindest eine wässrige Dispersion ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Phenolharzen, Epoxidharzen, Polyvinylbutyral oder deren Kondensationsprodukten und zumindest einen Festschmierstoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Graphit, MoS2, WS2 und BN umfasst, für einen Kolben.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Beschichtung für Kolben, insbesondere die Verwendung einer Beschichtung für den Kolbenschaft eines Verbrennungsmotors.
  • Stand der Technik
  • Beschichtungen für den Kolbenschaft sollen eine hohe Verschleißbeständigkeit bei gleichzeitig niedrigem Reibungskoeffizienten aufweisen. Insbesondere wird eine hohe Widerstandsfähigkeit bzw. Verschleißbeständigkeit bei Motorbetriebszuständen mit hohem Verschleiß, wie z. B. bei wiederholten Kaltstarts, gefordert. Dabei soll vor allem das Durchlaufen der Beschichtung in den lasttragenden Bereichen des Kolbenschaftes vermieden werden.
  • Im Stand der Technik sind verschiedene Beschichtungen für Kolben von Verbrennungsmotoren bekannt.
  • So beschreibt die US 5,486,299 A eine Schmierstoffzusammensetzung zur Beschichtung der Oberfläche von Kolben und/oder Zylindern von Motoren, die Alkohol oder nicht auf Erdöl basierende Produkte als Treibstoff verwenden. Diese Schmierstoffzusammensetzung umfasst eine Mischung aus Graphit, MoS2 und PTFE in einer Matrix aus einem Polyamidimidharz (PAI-Harz).
  • Die EP 1 469 050 A1 beschreibt eine Beschichtungszusammensetzung für Kolben, die durch Mischen von ungehärtetem Polyamidimid (PAI) mit einem Festschmierstoff wie z. B. PTFE, Titanoxidpulver und einem Silankupplungsmittel erhalten wird.
  • Die DE 10 2005 026 664 A1 beschreibt ebenfalls eine Beschichtung für einen Kolben auf Basis eines PAI-Lacks. Diese Beschichtung ist PTFE-frei und enthält 5–15 Gew.-% Zinksulfid, 5–15 Gew.-% Graphit oder MoS2 und 5–15 Gew.-% TiO2. Sowohl Zinksulfid als auch TiO2 werden in Form feiner Teilchen mit einer Partikelgröße von ≤ 0,7 μm eingesetzt.
  • Die DE 43 43 439 A1 beschreibt eine Hubkolbenanordnung, die einen Kolben mit einem reliefartig ausgebildeten Kolbenhemd mit Stegen aufweist, die mit einem Festschmierstoff aus Graphit, MoS2, BN in einem Epoxidharz überzogen sind.
  • Die EP 0 976 795 A2 beschreibt einen vor Korrosion schützenden Schmierstoff z. B. für Scharniere u. ä., der als Gleitmittel eine Mischung aus Phenolharz, Epoxidharz, Polyvinylbutyralharz und Polyolefinwachs enthält. Die Beschichtung enthält ferner Aluminium-, Zinkteilchen oder ein Metalphosphat als Korrosionsinhibitor und ein Lösungsmittel.
  • Die DE 103 29 228 A1 beschreibt einen Polymer-Verbundwerkstoff für Gleitlager mit einer Polymermatrix, die z. B. aus Epoxidharz oder PEEK bestehen kann. In diese Polymermatrix sind ein Füllmaterial und nanoskalige Partikel eingebettet. Als Füllmaterial können Aramidfasern, Glasfasern, Kohlenstofffasern, Glaskugeln, PTFE, Graphit und Silkone verwendet werden. Die nanoskaligen Partikel können durch TiO2, Al2O3, MgO, ZeO2, SiC, Si3N4, BN, Gläser und metallische Hartstoffe gebildet werden.
  • Weitere reibungsvermindernde Beschichtungszusammensetzungen sind in DE 10 2005 059 613 A1 , EP 0 976 795 A2 , WO 2008/086394 A1 , SU 1654306 A und DE 10 2006 058 871 A1 beschrieben.
  • Die Kolbenbeschichtungen des Standes der Technik enthalten aufgrund ihrer Bindemittelzusammensetzung Lösungsmittel. Insbesondere bei den Beschichtungen auf PAI-Basis sind dafür toxikologisch bedenkliche Lösungsmittel wie N-Methylpyrrolidon, N-Ethylpyrrolidon oder gamma-Butyrolacton erforderlich. Handelsübliche Produkte auf Basis von Phenolharzen können freies Phenol in erheblichen Mengen enthalten.
  • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Beschichtungszusammensetzung für einen Kolben bereitzustellen, bei der der Einsatz von toxischen Lösungsmitteln oder Monomeren wie Phenol reduziert oder sogar vermieden werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch die Verwendung einer Beschichtungszusammensetzung gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Die erfindungsgemäß verwendete Beschichtungszusammensetzung umfasst zumindest eine wässrige Dispersion ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Phenolharzen, Epoxidharzen, Polyvinylbutyral oder deren Kondensationsprodukten.
  • Es hat sich überraschend gezeigt, dass Formulierungen auf Basis solcher wässriger Dispersionen gut haftende, reibungsarme und verschleißfeste Kolbenbeschichtungen, insbesondere Kolbenschaftbeschichtungen, liefern, deren Eigenschaften den lösungsmittelhaltigen Systemen des Standes der Technik ebenbürtig sind oder diese sogar übertreffen.
  • Als Phenolharze können im Rahmen der Erfindung wasserverdünnbare Phenolharzdispersionen in Wasser oder Butylglycol eingesetzt werden.
  • Als Epoxidharze können im Rahmen der Erfindung wasserverdünnbare Epoxidharze des Bisphenol A – Typs mit Epoxyäquivalenten > 700 g/mol verwendet werden. Insbesondere sind solche Epoxidharze geeignet, die über Hydroxylgruppen mit Resolen vernetzt werden können. Besonders bevorzugt werden wasserverdünnbare, thermisch härtbare Phenol-Epoxidharz Präkondensate eingesetzt.
  • Polyvinylbutyral kann ebenfalls in Form wasserverdünnbarer Dispersionen eingesetzt werden.
  • Bevorzugt sind die eingesetzten Harze in einer Menge von 20–40 Gew.-% (Feststoffgehalt) basierend auf der Gesamtzusammensetzung vorhanden.
  • Die eingesetzten Polymerdispersionen können im Rahmen der Erfindung in reinem Wasser oder Wasser-Lösungsmittelgemischen verdünnt vorliegen. Als Co-Lösungsmittel kommen z. B. Butylglycol, Propylenglycol, Dipropylenglycol-n-butylether oder auch Testbenzin in Frage. Dabei beträgt das Verhältnis Wasser/Lösungsmittel bevorzugt 1:2 oder mehr, besonders bevorzugt 1:1 oder mehr.
  • Als Festschmierstoff werden der verwendeten Zusammensetzung Graphit, MoS2, WS2, BN und/oder PTFE zugesetzt. Dabei können dem Fachmann als Festschmierstoff geläufige Qualitäten eingesetzt werden. Bevorzugt wird Graphit mit einer mittleren Korngröße von 1–100 μm, besonders bevorzugt von 5–50 μm eingesetzt. Molybdändisulfid wird bevorzugt mit einer mittleren Korngröße von 0,1–50 μm, besonders bevorzugt von 0,1–10 μm eingesetzt. Bornitrid in der hexagonalen Modifikation wird bevorzugt mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 1–100 μm, besonders bevorzugt im Bereich von 1–20 μm eingesetzt. Polytetrafluorethylen (PTFE) Rohstoffe werden bevorzugt mit einer mittleren Korngröße von 1–100 μm, besonders bevorzugt von 1–20 μm eingesetzt.
  • Die Korngröße der o. g. Festschmierstoffe kann mittels Streulichtverfahren auf eine dem Fachmann bekannte Weise gemessen werden.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die verwendete Zusammensetzung PTFE-frei, d. h. es wird als Festschmierstoff Graphit, MoS2, WS2, und/oder BN eingesetzt.
  • Die Festschmierstoffe werden bevorzugt in einer Menge von 10–40 Gew.-% basierend auf der Gesamtzusammensetzung eingesetzt.
  • Als weitere Komponente kann die verwendete Zusammensetzung Carbonfasern enthalten. Bevorzugt sind Carbonfasern mit einer mittleren Faserdicke ≤ 100 μm, bevorzugt von 1–10 μm, sowie einer mittleren Faserlänge ≤ 1000 μm, bevorzugt von 10–500 μm. Die erfindungsgemäß verwendete Zusammensetzung kann auch sogenannte Carbon-Nanofasern enthalten, deren mittlere Faserdicke im Gegensatz zu herkömmlichen Carbonfasern unterhalb 1 μm liegt, bevorzugt in einem Bereich von 10–500 nm. Dabei werden die Dicke und die Länge herkömmlicher Carbonfasern mit einem Lichtmikroskop bestimmt. Bei Carbon-Nanofasern werden diese mittels Rasterelektronenmikroskopie bestimmt.
  • Neben den oben genannten Komponenten kann die verwendete Zusammensetzung noch Additive und Hilfsstoffe enthalten wie z. B Verlaufsadditive, Entschäumer, Netzmittel, Dispergierhilfsmittel oder auch Rheologieadditive.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen näher erläutert, wobei diese Beispiele nicht als den Gegenstand der Erfindung beschränkend angesehen werden sollen.
  • Beispiele
  • Alle Mengen sind in Gew.-% bezogen auf die Gesamtrezeptur angegeben. Die Menge der Harze bezieht sich auf den Feststoffgehalt. Die Menge der Additive und Hilfsstoffe bezieht sich auf die Lieferform.
    g/100g 1 2 3 4
    Phenolharz-Epoxidharz (1:2) 25–35 30–40 25–35 25–35
    Graphit 20–25 15–20 10–15 15–20
    MoS2 10–15
    Carbonfasern 2–5
    TiO2
    Wasser/Butylglycol(1:1)/Hilfsstoffe 40–55 40–55 35–55 40–58
    g/100 g 5 6
    Phenolharz-Epoxidharz (1:2) 30–40 25–35
    Graphit 10–15 10–15
    MoS2
    Carbonfasern 5–10
    TiO2 5–10
    Wasser/Butylglycol(1:1)/Hilfsstoffe 35–55 40–60
    Phenolharz: Wasserverdünnbare, thermisch härtende Phenolharzdispersion
    Epoxidharz: Wasserverdünnbare Epoxidharzdispersion mit einem Epoxyäquivalent von 1600–2000 g/mol
    Carbonfasern: Mittlere Faserdicke < 100 μm; Faserlänge < 1000 μm
    TiO2: Dispersion von Titandioxid (Rutil); Feinheit < 5 μm Vergleichsbeispiele
    g/100 g V1 V2
    Phenolharz 10–15
    Epoxidharz 15–25
    Polyamidimid 25–35
    Graphit 15–20 15–20
    N-Methylpyrrolidon/Hilfsstoffe 40–60 45–60
    Phenolharz: Thermisch härtbares Resol; Molekulargewicht 500–1500 g/mol
    Epoxidharz: Bisphenol A-Typ; Molekulargewicht 2000–4000 g/mol
    Polyamidimid: Resistherm Al 244L (Bayer Material Science)
  • Bewertung
  • Die tribologischen Eigenschaften der Schichten wurden mit einem Cameron Plint TE-77 Tribotester (Schwingungsreibverschleißtest) untersucht. Dazu wurden Aluminiumproben mit den Lackrezepturen beschichtet und die Reibungskoeffizienten der Schichten in einer Paarung mit Eisenguss als Gegenkörper gemessen. Die Messungen wurden unter einer Last von 150 N und bei einer Schwingungsfrequenz von 25 Hz im unbeölten Zustand durchgeführt. Die Verschleißbeständigkeit der Schichten wurde anhand der Probekörper visuell beurteilt und mit Noten von 1 bis 3 bewertet.
  • Dabei wurde insbesondere festgestellt, dass die erhaltenen, wasserverdünnbaren Beschichtungen hinsichtlich der Reibung und des Verschleißes den lösemittelhaltigen Formulierung der Vergleichsbeispiele ebenbürtig sind oder diese übertreffen.
    1 2 3 4 5 6
    Reibungskoeffizient 0,18 0,18 0,16 0,14 0,12 0,22
    Verschleißbeständigkeit* 2 2 2 1 1 2
    V1 V2
    Reibungskoeffizient 0,17 0,22
    Verschleißbeständigkeit* 2 2
    *Bewertung 1: hoch; 2: mittel; 3: niedrig

Claims (8)

  1. Verwendung einer Beschichtungszusammensetzung, die zumindest eine wässrige Dispersion ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Phenolharzen, Epoxidharzen, Polyvinylbutyral oder deren Kondensationsprodukten und zumindest einen Festschmierstoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Graphit, MoS2, WS2 und BN umfasst, für einen Kolben.
  2. Verwendung nach Anspruch 1, wobei die Beschichtungszusammensetzung frei von PTFE ist.
  3. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Beschichtungszusammensetzung weiter Additive und Hilfsstoffe umfasst.
  4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das/die eingesetzten Harz(e) in der Beschichtungszusammensetzung in einer Menge von 20–40 Gew.-% (Feststoffgehalt) basierend auf der Gesamtzusammensetzung vorhanden ist/sind.
  5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der/die Festschmierstoff(e) in der Beschichtungszusammensetzung in einer Menge von 10–40 Gew.-% basierend auf der Gesamtzusammensetzung eingesetzt wird/werden.
  6. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschichtungszusammensetzung zusätzlich Carbonfasern enthält.
  7. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung auf den Kolbenschaft aufgebracht ist.
  8. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich um den Kolben eines Verbrennungsmotors handelt.
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