DE102009048371A1 - Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Mantelbereichs des Kolbens eines Verbrennungsmotors sowie Kolben für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Mantelbereichs des Kolbens eines Verbrennungsmotors sowie Kolben für einen Verbrennungsmotor Download PDF

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Nobuyuki Ueda-shi Fujiwara
Hiroshi Ueda-shi Narusawa
Tsutomu Ueda-shi Sakai
Yoshio Nagoya-shi Miyasaka
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Fuji Kihan Co Ltd
Art Metal Manufacturing Co Ltd
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Fuji Kihan Co Ltd
Art Metal Manufacturing Co Ltd
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    • F16J1/04—Resilient guiding parts, e.g. skirts, particularly for trunk pistons
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben eines Verbrennungsmotors bei dem eine Gleitschicht (10) aus einer Kunstharzbeschichtung mit einem niedrigen Reibkoeffizienten fest anhaftend auf einen Mantelabschnitt des Kolbens aufgebracht wird, welche eine geringe Reibung, verbesserte Abriebbeständigkeit und verbessertes Antifressverhalten aufweist, wodurch der Abrieb einer Innenwand eines Zylinders reduziert wird, auch dann, wenn die Gleitschicht abgeschält wird oder abgerieben wird. Dazu werden metallische oder keramische feine Partikel mit einem mittleren Durchmesser von 20 µm bis 400 µm als ein Fluidgemisch mittels Druckluft oder Stickstoff unter Druck auf den Mantelabschnitt des Kolbens eingestrahlt, welcher aus einer Aluminiumlegierung besteht und durch Gießen oder Schmieden hergestellt wurde. Diese Partikel werden mit einer Strahlgeschwindigkeit von 80 m/s oder mehr oder einem Strahldruck von 0,2 MPa oder mehr eingestrahlt und kollidieren mit dem Mantelabschnitt, wodurch eine Mikrostruktur eines Basismaterials (12) des Kolbens einheitlich feinkörnig gemacht wird in einem Tiefenbereich von 1 µm bis 15 µm von der Oberfläche aus betrachtet, wodurch eine modifizierte Schicht (11) mit einer aktivierten Oberfläche ausgebildet wird. Eine Gleitschicht (10) wird auf der modifizierten Schicht ausgebildet, beispielsweise durch Aufbringen eines Kunstharzes mit einem niedrigen Reibkoeffizienten, wobei die Oberfläche der modifizierten Schicht aktiviert wird.

Description

  • Technologischer Hintergrund der Erfindung
  • 1. Anwendungsgebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung des Mantelbereichs eines Kolbens eines Verbrennungsmotors sowie einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, welcher nach diesem Verfahren behandelt wurde. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Mantelabschnitts eines Kolbens eines Verbrennungsmotors (nachfolgend vereinfacht als „Mantelabschnitt” bezeichnet), bei dem anfängliche Einlauf-Merkmale zufriedenstellend sind, zur Erzielung einer Verringerung im Reibungswiderstand bezüglich einer Innenwand eines Zylinders und bei dem Abriebbeständigkeit, niedriger Reibungswiderstand und Antifress-Eigenschaften (anti-seizing) auch bei lang andauernder Nutzung erhalten werden können, sowie einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, welcher nach diesem Verfahren behandelt wurde.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Die globale Erwärmung nimmt zu und die Reduzierung der Emission an CO2-Gas, einem Treibhausgas, ist heute eine weltweite Herausforderung. Demgemäß ist es in starkem Maße erforderlich, die Emission an CO2-Gas auch bei Automobilen zu reduzieren, da diese Quellen der CO2-Gas-Emission sind. Eine Reduzierung der Menge an Emissionsgasen, insbesondere CO2 wurde aktiv versucht durch Senkung des Treibstoffverbrauchs durch Reduzierung des Gewichts der Automobile und durch Verringerung der gleitenden Bauteile sowie Verbesserung des Antriebsstrangs (Getriebestrangs).
  • Unter diesen Umständen sind die Verringerung des Gewichts aller konstruktiven Bauteile eines Automobils und die Verringerung der gleitenden Bauteile eine unvermeidliche Herausforderung und gleichzeitig ist es erforderlich, die Kosten eines Automobils aufgrund der Zunahme des globalen Wettbewerbs und der Erschließung von Märkten in den Schwellenländern zu verringern. Daher muss die Verringerung des Gewichts der Bauteile des Automobils und die Verringerung der Reibung an gleitenden Bauteilen in Verbindung mit der Reduzierung der CO2-Gas-Emission zu niedrigen Kosten erreicht werden.
  • Unter diesen Aspekten ist bei Bauteilen von Automobilen die Verringerung des Gewichts und der Reibung des Kolbens, welcher ein Motorenbauteil ist, das die Emission an CO2-Gas unmittelbar beeinflusst, eine zu lösende Herausforderung. Insbesondere bei einem Kolben, der in einem Zylinder sich mit hoher Geschwindigkeit auf und ab bewegt, führt eine Zunahme an mechanischem Reibungswiderstand unmittelbar zu einem Energieverlust.
  • Bei einem Kolben eines Verbrennungsmotors beeinflusst ein Mantelabschnitt, der sich in gleitendem Kontant mit der Innenwand des Zylinders befindet, in hohem Maße die Reibung. Daher hat man auch versucht, die Reibung zu verringern, indem man eine Beschichtung oder dergleichen mit niedrigem Reibungskoeffizienten auf den Mantelabschnitt aufgebracht hat. Beispielsweise wurde vorgeschlagen, die Reibung eines Kolbens zu verringern durch Ausbilden einer Beschichtung aus einem Material dessen Reibungskoeffizient bezüglich des Zylinders kleiner ist als derjenige zwischen Mantelabschnitt und Zylinder, beispielsweise aus einem Harz oder Molybdänsulfid, welches zuvor mittels eines Werkzeugs in eine vorgegebene Form gebracht wird, und Befestigen dieser Beschichtung mittels eines Klebstoffs oder dergleichen am äußeren Umfang des Mantelabschnitts, welcher einen Gleitstreifen aufweist, der sich helikal an der äußeren Umfangsfläche erstreckt ( Japanisches Patent KOKAI (LOPI) No. 2005-330941 ).
  • Bei der oben beschriebenen herkömmlichen Technologie kann die durch den gleitenden Kontakt des Mantelabschnitts an der inneren Wandung des Zylinders erzeugte Reibung verringert werden durch Aufbringen der Beschichtung mit geringem Reibungskoeffizienten auf den Mantelabschnitt.
  • Da jedoch die Verringerung der Reibung mittels der beschriebenen Methode durch das Merkmal des geringen Reibungskoeffizienten der Beschichtung erreicht wird, wird der Effekt der niedrigen Reibung nicht mehr erzielt, wenn die Beschichtung abgerieben ist oder sich abschält.
  • Um daher den Effekt der Reduzierung der Reibung durch die Beschichtung für einen langen Zeitraum aufrecht zu erhalten, ist es notwendig, das Auftreten eines Abschälens zu verhindern, indem man die Beschichtung fest an die Oberfläche des Mantelabschnitts anheftet.
  • Zudem wird in vielen Fällen die oben beschriebene Verringerung der Reibung durch eine Beschichtung durchgeführt, um die Einlaufphase eines Kolbens zu verbessern. In Fällen, in denen die Beschichtung zu einem solchen Zweck ausgebildet wird, wird die Beschichtung durch den Betrieb über eine vorgegebene Zeit abgerieben (beispielsweise während des Einlaufbetriebs) und geht dann verloren. Daher kommt nach dem Verlust der Beschichtung durch Abrieb das Material des Mantelabschnitts, wie beispielsweise eine Aluminiumlegierung in direkten Kontakt mit der Innenwand des Zylinders. Jedoch ist es sicher notwendig, die Reibung zu Verringern und das Auftreten eines Fressverhaltens auch unter solchen Umständen zu verhindern.
  • Im Übrigen wird davon ausgegangen, dass die Adhäsivkraft einer Beschichtung auf der Oberfläche des Mantelabschnitts gewöhnlich durch mechanische Anhaftung erreicht wird, die als Ankereffekt bezeichnet wird (Befestigungseffekt) und eine physikalisch-chemische Bindung wie beispielsweise Wasserstoffbindung oder eine van der Waals-Bindung ist. Daher wird vorhergesagt, dass bei Erhöhung der auf diesen Prinzipien basierenden Adhäsivkraft, eine Beschichtung möglich sein wird, die sich nur schwer von dem Mantelabschnitt des Kolbens abschälen lässt.
  • Hier wird die Erhöhung der durch den Ankereffekt ausgeübten Adhäsivkraft durch mechanische Kratzer hervorgerufen, die in einem Film des Beschichtungsmittels erzeugt werden oder durch einen Haftstoff, welcher in Vertiefungen an der Oberfläche des Mantelabschnitts eindringt, sich verfestigt und dort festsetzt.
  • Um die durch den Ankereffekt bedingte Adhäsivkraft zu erhöhen, werden bevorzugt Unebenheiten an der Oberfläche des Mantelabschnitts ausgebildet, in die der Film oder das Haftmittel eindringen können oder mit denen der Film oder das Haftmittel sich verbinden, wobei jedoch dies eine Modifizierung des Oberflächenzustands des Mantelabschnitts erfordert. Weiterhin führen die erforderliche Arbeit und der Bearbeitungsaufwand zur Ausbildung der Vertiefungen an der Oberfläche des Mantelabschnitts zu einer Erhöhung der Kosten.
  • Weiterhin können, wenn in dem Mantelabschnitt Vertiefungen ausgebildet werden, um den Ankereffekt zu erzielen, die Unebenheiten auf der Oberfläche des Mantelabschnitts auch auf der Oberfläche der Beschichtung auftreten, welche auf der Oberfläche des Mantelabschnitts gebildet wurde. Demzufolge wird die Oberflächenrauigkeit der Beschichtungsoberfläche erhöht und daraus resultiert eine Erhöhung der Reibung.
  • Andererseits werden die Wasserstoffbindungen bei den zuvor beschriebenen physikalisch-chemischen Bindungen erzeugt, wenn das als Haftmittel dienende Basismaterial des Kolbens, ein Beschichtungsmittel oder ein Haftstoff aktiven Wasserstoff in seinen Molekülen aufweist. Beispielsweise wie in der 10A gezeigt, wird die Wasserstoffbindung durch ein Hydroxid (OH) oder ein Oxid (O) in einer Aluminiumkomponente des Mantelabschnitts erzeugt, welches sich mit einem O oder H eines Beschichtungsmittels (beispielsweise einem Polyamid-imidharz) verbindet, welches eine vergleichsweise hohe Bindungskraft aufweist.
  • Weiterhin ist die durch van der Waals-Kräfte erzeugte Bindung, die eine chemisch-physikalische Bindung ist, eine Bindungskraft, die durch Wechselwirkung zwischen einem Molekül des Mantelabschnitts und einem Molekül der Beschichtung geschaffen wird. Auch bei einem Molekül, welches elektronisch neutral und unpolar ist und kaum ein Dipolmoment aufweist, ist die Elektronenverteilung in dem Molekül nicht ununterbrochen gleichmäßig unter symmetrischen und unpolaren Bedingungen und kann plötzlich asymmetrisch werden. In diesem Beispiel wie es in 10B gezeigt ist, wird ein elektrischer Dipol (Dipolmoment) gebildet durch das positiv polarisierte C und den negativ polarisierten O einer funktionellen Gruppe der Molekülbestandteile der Beschichtung; O und H der Hydroxylgruppe (OH) eines Al-Hydroxids in dem Mantelabschnitt werden jeweils negativ und positiv polarisiert; und O– der funktionellen Gruppe und H+ der Hydroxylgruppe, werden aneinander gebunden unter Ausbildung einer Bindungskraft.
  • Somit muss zur Erzeugung einer solchen physikalisch-chemischen Bindung die Oberfläche des Mantelabschnitts sauber gehalten werden. Verunreinigung der Oberfläche führen zu einem Mangel an Adhäsivkraft und um eine Adhäsivkraft durch physikalisch-chemische Bindung zu schaffen, ist es notwendig, dass der Mantelabschnitt gewaschen und dann einem Trocknungsschritt unterworfen wird, als vorausgehende Schritte vor dem Beschichten. Diese Arbeit wird kompliziert und führt auch zu einer Erhöhung der Kosten infolge des Verbrauchs an Waschlösungen, der Abwasserbehandlung und dergleichen.
  • Außerdem haben die zum Gießen verwendeten Aluminiumlegierungen meistens eine eutektische Zusammensetzung. Daher besteht die Mikrostruktur des Basismaterials des hergestellten Kolbens aus Al-Dendritkristallen, die zunächst aus geschmolzenem Metall erzeugt werden beim Kühlprozess und dann beim Kühlen wachsen und es wird eine eutektische Mikrostruktur von Al und einer Legierungskomponente wie beispielsweise Si, Cu oder Mg erzeugt, wenn das verbleibende geschmolzene Metall, dessen Legierungskomponenten-Konzentration relativ ansteigt durch die Produktion der Dendrit-Kristalle, die eutektische Zusammensetzung erreicht. Daher tritt eine Segregation in der Verteilung der Legierungskomponenten auf und auch eine Vergröberung der Mikrostruktur tritt leicht ein. Insbesondere ergeben sich diese Tendenzen nahe an einer Oberfläche, die rasch gekühlt wird, indem sie beispielsweise mit einer Form in Kontakt gebracht wird.
  • Bei einer solchen Aluminiumlegierung mit Segregation in der Verteilung der Komponenten der Legierung und einer vergröberten Mikrostruktur, wird ein Bereich geschaffen, in dem die physikalisch-chemischen Bindungen zur Beschichtung stark sind und ein Bereich, in dem die physikalisch-chemischen Bindungen zur Beschichtung schwach sind, wodurch die Adhäsivkraft geschwächt wird. Daher tritt leicht ein Abschälen der Beschichtung auf, welches in dem Bereich mit schwacher Adhäsivkraft beginnt. Zudem ist eine solche Aluminiumlegierung mit einer Segregation der Legierungskomponenten und vergröberter Mikrostruktur fragil und der Abriebwiderstand bei in Kontakt bringen des Basismaterials mit der Innenwand des Zylinders ist beispielsweise durch den Abrieb der Beschichtung gering.
  • In Anbetracht der oben genannten Punkte wird angenommen, dass bei dem in der oben zitierten '941 beschriebenen Kolben die Adhäsivkraft erhöht werden kann, weil der Oberflächenbereich des Mantelabschnitts vergrößert wird durch Ausbilden eines helikalen Gleitstreifens in dem Mantelabschnitt. Wenn jedoch eine Beschichtung ausgebildet wird durch beispielsweise direkte Aufbringung eines Harzmaterials auf die Oberfläche des Mantelabschnitts, auf der der Gleitstreifen gebildet ist, treten Unebenheiten entsprechend dem Gleitstreifen auch auf der Oberfläche der Beschichtung auf, was die Oberflächenrauigkeit erhöht und die Reibung bei Fluidschmierung zwischen der Innenwand des Zylinders und der Oberfläche des Mantelabschnitts erhöht.
  • Daher wird in der in '941 beschriebenen Erfindung zum Vermeiden, dass der in dem Mantelabschnitt gebildete Gleitstreifen an der Oberfläche der Beschichtung erscheint, die Beschichtung im voraus durch Gießen eines geschmolzenen Kunstharzes in eine Form ausgeformt und diese Beschichtung wird mittels eines Haftstoffs an den Mantelabschnitt angebunden ('941, Absätze 0035 und 0036). Daher wird der Arbeitsaufwand erhöht und verteuert im Vergleich mit dem Fall, in dem die Beschichtung beispielsweise durch direktes Aufbringen eines Kunstharzes auf den Mantelabschnitt gebildet wird.
  • Um die Hafteigenschaft eines Haftstoffs wie oben beschrieben zu erhöhen, sind, um die Oberfläche des Mantelabschnitts sauber zu halten, Schritte wie Waschen notwendig. Zudem umfasst die in der '941 beschriebene Erfindung nicht eine Ausfüh rungsform, die eine Erhöhung der Haftkraft durch die oben beschriebenen physikalisch-chemischen Bindungen zulässt.
  • Außerdem beschreibt die in der '941 offenbarte Erfindung, dass dann, wenn die auf dem Mantelabschnitt aufgebrachte Beschichtung abgeschält wird, ein Kontakt zwischen dem Basismaterial und der Innenwand des Zylinders in einem Spitzenbereich des helikalen Gleitstreifens auftritt, und kein Kontakt von Ebene zu Ebene ausgebildet wird und dadurch das Auftreten von Fressverhalten verhindert werden kann.
  • Wenn jedoch der Unebenheiten durch den gebildeten helikalen Gleitstreifen aufweisende Mantelabschnitt und die Innenwand des Zylinders in einem gleitenden Kontakt miteinander stehen, wird der Reibungswiderstand zwischen diesen beiden erhöht. Dies erhöht in bedeutender Weise die Reibung im gleitenden Kontakt gegen die Zylinderinnenwand.
  • Da weiterhin das Basismaterial des Mantelabschnitts keiner Behandlung unterzogen wird, um eine hohe Abriebbeständigkeit oder eine Reduzierung der Reibung zu erzielen, kann zwar womöglich der schlechteste Zustand, nämlich das Auftreten von Fressen, zeitweise vermieden werden, aber ein großer Energieverlust und auch ein Abrieb des Mantelabschnitts und der Innenwand des Zylinders werden durch den andauernden Betrieb durch direkten Kontakt des Basismaterials des Kolbens mit der Innenwand des Zylinders hervorgerufen, da sich die Beschichtung abschält oder abnutzt. Somit wird die Lebenszeit des Kolbens bei der oben geschilderten Bauart im Prinzip bereits mit der Ablösung der Beschichtung beendet.
  • Daher kann diese Technologie nicht bei einem Kolben angewandt werden, der nach dem Verschleiß oder dem Abschälen der Beschichtung kontinuierlich weiter gebraucht werden soll, beispielsweise dann, wenn der Mantelabschnitt einer Beschichtung unterzogen wird, um die Einlaufcharakteristik eines Motors zu verbessern.
  • Die vorliegende Erfindung hat daher das Ziel, die Nachteile der zuvor beschriebenen herkömmlichen Technologien zu überwinden und die Aufgabe der vorliegenden Er findung besteht darin, ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Mantelabschnitts eines Kolbens eines Verbrennungsmotors zu schaffen, bei dem eine Gleitschicht einer Beschichtung aus Kunstharz einen reibungsmindernden Effekt aufweist und fest an die Oberfläche des Mantelabschnitts angeheftet werden kann, wobei ein einfaches Verfahren mit vergleichsweise niedrigem Kostenaufwand zur Verfügung gestellt wird und der Reibungswiderstand gegenüber der Innenwand des Zylinders auch dann verringert werden kann, wenn die Gleitschicht abgeschält wurde oder abgenutzt ist und wobei eine sehr gute Abriebbeständigkeit, Antifressverhalten und die Verringerung der Aggressivität gegen die Zylinderinnenwand, mit der der Kolben in gleitendem Kontakt steht (Reduzierung im Abriebgrad der Zylinderinnenwand), erzielt werden sowie einen Kolben für einen Verbrennungsmotor zur Verfügung zu stellen, der mittels dieses Verfahrens behandelt wurde.
  • Zusammenfassende Darstellung der Erfindung
  • Um das obige Ziel zu erreichen, wird bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zur Oberflächenbehandlung eines Mantelabschnitts eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor der Mantelabschnitt eines Kolbens eines Verbrennungsmotors, welcher insbesondere aus einer Aluminiumlegierung besteht, behandelt, wobei der Kolben insbesondere durch Gießen oder Schmieden hergestellt wurde. Dieses Verfahren umfasst:
    das Durchführen einer Basisbehandlung bei der feine Partikel aus Metall oder Keramik mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 20 μm bis 400 μm mit Druckluft oder Stickstoff unter Druck als ein Fluidgemisch auf den Mantelabschnitt mit einer Strahlgeschwindigkeit von 80 m/s oder mehr oder einem Strahldruck von 0,2 MPa oder mehr injiziert werden, so dass sie mit dem Mantelabschnitt kollidieren und dabei eine einheitliche Mikrostruktur auf dem Basismaterial des Kolbens erzeugen, welche feinkörnig ist mit einer Tiefe in einem Bereich von 1 μm bis 15 μm von der Oberfläche des Mantelabschnitts aus betrachtet, und Aktivieren der Oberfläche zur Ausbildung einer modifizierten Schicht;
    und Ausbilden einer Gleitschicht aus einer Kunstharzbeschichtung mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten an der Oberfläche des Mantelabschnitts nach der Basisbehandlung, wodurch die Oberfläche der modifizierten Schicht aktiviert wird.
  • Weiterhin umfasst ein anderes Verfahren zur Oberflächenbehandlung des Mantelabschnitts eines Kolbens eines Verbrennungsmotors gemäß der vorliegenden Erfindung
    das Ausbilden einer modifizierten Schicht als Basisbehandlung einschließlich Bildung einer unten beschriebenen Metalloxidschicht;
    Durchführen einer anderen Basisbehandlung zur Ausbildung einer Metalloxidschicht mit einer aktivierten Oberfläche durch Injizieren feiner Partikel enthaltend elementares Sn, Zn oder Zr und mit einem mittleren Durchmesser von 20 μm bis 400 μm mit Druckluft oder Stickstoff unter Druck als Fluidmischung auf den Mantelabschnitt, der die modifizierte Schicht aufweist mit einer Strahlgeschwindigkeit von 80 m/s oder mehr oder einem Strahldruck von 0,2 MPa oder mehr, welche mit dem Mantelabschnitt kollidiert, wodurch das elementare Sn, Zn oder Zr verteilt wird und in die modifizierte Schicht eindringt und oxidiert wird; und
    Ausbilden einer Gleitschicht bestehend aus einer Kunstharzbeschichtung mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten an der Oberfläche des Mantelabschnitts nach der anderen Basisbehandlung, wobei die Metalloxidschicht aktiviert wird.
  • Weiterhin hat der Kolben des Verbrennungsmotors gemäß der vorliegenden Erfindung eine modifizierte Schicht bei der die Mikrostruktur des Basismaterials des Kolbens eine einheitliche Feinkörnung aufweist in einem Tiefenbereich von 1 μm bis 15 μm von der Oberfläche des Mantelabschnitts aus betrachtet durch Injizieren feiner metallischer oder keramischer Partikel mit einem mittleren Durchmesser von 20 μm bis 400 μm mit Druckluft oder Stickstoff unter Druck als Fluidgemisch auf den Mantelabschnitt des Verbrennungsmotors, bestehend aus einer Aluminiumlegierung und hergestellt durch Gießen oder Schmieden, mit einer Strahlgeschwindigkeit von 80 m/s oder mehr oder einem Strahldruck von 0,2 MPa oder mehr zur Erzeugung einer Kollision und
    eine aus einer Kunstharzbeschichtung zusammengesetzte Gleitschicht mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten, welche auf der Oberfläche des Mantelabschnitts gebildet ist, wobei die Oberfläche der modifizierten Schicht aktiviert wird.
  • Bei der oben beschriebenen Konfiguration der vorliegenden Erfindung werden die nachfolgenden bemerkenswerten Effekte erzielt. Die auf dem Mantelabschnitt ausgebildete Gleitschicht zeigt eine hohe Adhäsivkraft bezüglich des Mantelabschnitts und hat eine größere Beständigkeit, so dass ein Kolben für einen Verbrennungsmotor zur Verfügung gestellt wird, der stabile niedrige Reibeigenschaften über einen langen Zeitraum zeigt.
  • Außerdem ist es durch Ausbilden der modifizierten Schicht auch dann, wenn die Gleitschicht beispielsweise ohne Waschen des zu behandelnden Kolbens ausgebildet wird, möglich die Gleitschicht mi einer hohen Adhäsivkraft auszubilden. Somit kann eine Gleitschicht mit hoher Adhäsivkraft zu niedrigen Kosten unter Auslassen des Waschschritts ausgebildet werden.
  • Weiterhin zeigt bei einem Kolben für einen Verbrennungsmotor, der eine solche Oberflächenbehandlung erhalten hat, auch wenn die modifizierte Schicht mit der Innenwand des Zylinders in Kontakt gebracht wird und Abrieb der auf der Oberfläche gebildeten Gleitschicht entsteht, die modifizierte Schicht niedrige Reibeigenschaften, sie hat einen höheren Abriebwiderstand, Antifresseigenschaften und die Aggressivität gegenüber der Zylinderinnenwand kann reduziert werden, die das Gegenstück im gleitenden Kontakt mit dieser Oberfläche darstellt.
  • Die Härte nahe der Oberfläche wird erhöht durch Oxidation der Al-Komponente nahe der Oberfläche des Basismaterials, wenn die Partikel zur Ausbildung der modifizierten Schicht mit Druckluft injiziert werden und durch Nitridierung der Al-Komponente nahe der Oberfläche des Basismaterials, wenn die Partikel mit Stickstoff unter Druck injiziert werden, was zu einer weiteren Verbesserung der Abriebbeständigkeit führt.
  • Es ist festzuhalten, dass trotz der wesentlichen Erhöhung der Härte des Al durch Oxidieren oder Nitridieren, verglichen mit derjenigen des unoxidierten oder unnitridierten Zustands, die Oxidierung oder Nitridierung des Al ein Gefälle aufweist, wobei die gebundene Menge an Sauerstoff oder Stickstoff abnimmt von der Oberfläche des Basismaterials zum Inneren hin betrachtet, so dass die modifizierte Schicht eine Struktur hat, bei der die Härte im Oberflächenbereich mit hoher gebundener Menge an Sauerstoff oder Stickstoff hoch ist und die Härte zum Inneren hin allmählich abnimmt. Folglich wird eine scharfe Differenz an Härte zwischen unoxidiertem oder unnitridiertem Basismaterial und der modifizierten Schicht, in der die Oxidation oder die Nitridierung entsteht, verhindert. Im Ergebnis daraus wird ein Abschälen oder dergleichen der modifizierten Schicht aufgrund einer Differenz in der Härte verhindert.
  • Weiterhin wird die Oberflächenrauigkeit der modifizierten Schicht auf 0,5 μm bis 2,5 μm gebracht, ausgedrückt als mittlere Rauigkeit (Ra) der Mittellinie, durch einstellen des durchschnittlichen Partikeldurchmessers der Partikel für die Ausbildung der modifizierten Schicht auf 20 μm bis 400 μm. Dies führt dazu, dass die auf dieser modifizierten Schicht gebildete Gleitschicht eine Oberflächenrauigkeit Ra von 1,0 μm oder weniger aufweist. Diese Oberflächenrauigkeit der Gleitschicht ist ein Niveau, welches die Reduzierung der Reibung bei gleitendem Kontakt mit der Innenwand des Zylinders unter Ölbedingungen ermöglicht.
  • Außerdem fungieren die feinen Unebenheiten mit einem Ra von 0.5 μm bis 2.5 μm auf der modifizierten Schicht als Ölreservoirs, wenn die modifizierte Schicht in direkten Kontakt mit der Innenwand des Zylinders kommt bei Abrieb der Gleitschicht. Dies kann einen Effekt erzeugen, bei dem das Ablaufen des Ölfilms verhindert wird.
  • Bei einer Konfiguration, bei der weiterhin eine Schicht aus einem Metalloxid des Sn, Zn oder Zr auf der modifizierten Schicht ausgebildet wird, bevor die Gleitschicht geformt wird, werden zusätzlich zu den bereits genannten Effekten die niedrigen Reibeigenschaften, Abriebbeständigkeit und Antifressverhalten nach dem Abrieb der Gleitschicht weiter verbessert.
  • Zudem fungiert, da Sn, Zn und Zr in dem Al durch das Oxidieren in beträchtlichem Ausmaß in ihrer Härte gegenüber dem nicht oxidierten Zustand erhöht werden, die Metalloxidschicht als eine harte Beschichtung für den Schutz der Oberfläche des Mantelabschnitts, wenn die Metalloxidschicht durch Abrieb der Gleitschicht der Oberfläche ausgesetzt wird. Gleichzeitig wird die durch das oben genannte Verfahren geschaffene Metalloxidschicht durch Diffusion und Eindringen eines Elements wie beispielsweise Sn in die modifizierte Schicht gebildet und hat dabei eine hohe Adhäsionskraft. Zudem hat die Metalloxidschicht eine Struktur mit einem Gefälle, bei der die mit Sauerstoff gebundene Menge von der Oberfläche ausgehend zum Inneren hin abnimmt, so dass auch ein Gefälle in der Härte besteht, welche allmählich vom Oberflächenbereich mit hoher gebundener Menge an Sauerstoff bis zum Inneren hin abnimmt, so dass ein scharfer Unterschied in der Härte zum Basismaterial vermieden werden kann.
  • Wenn der als zu behandelndes Objekt dienende Kolben aus einer Aluminiumlegierung auf Basis Al-Si besteht, kann verhindert werden, dass der Legierungsbestandteil Si sich abscheidet, wenn das Basismaterial eine feinkörnige Mikrostruktur aufweist, so dass die Verteilung der Si-Komponente gleichmäßig gemacht wird. Demgemäß werden die Anhaft-Eigenschaften einheitlicher gemacht einschließlich der physikalisch-chemischen Bindung, um dadurch das Abschälen der Gleitschicht zu verhindern und auch die Brüchigkeit aufgrund der Abscheidung der Legierungskomponente wird verringert durch Erhöhung der mechanischen Festigkeit, insbesondere der Abriebbeständigkeit. Weiterhin kann eine Gleitschicht mit großer Adhäsionfestigkeit zur Verfügung gestellt werden, wenn die Gleitschicht innerhalb von drei Stunden nach der Basisbehandlung ausgebildet wird.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die Ziele und die Vorteile der Erfindung werden verständlich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen für gleiche Elemente stehen, wobei:
  • 1 ein schematisches Diagramm zeigt, welches eine Schichtstruktur eines Mantelabschnitts eines Kolbens eines Verbrennungsmotors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 2 ein schematisches Diagramm ist, welches eine andere Schichtstruktur eines Mantelabschnitts eines Kolbens eines Verbrennungsmotors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 3 ein erläuterndes Diagramm zur Erklärung des Mechanismus des Auftretens einer Uneinheitlichkeit in der Adhäsivkraft einer Gleitschicht aufgrund Uneinheitlichkeit der Mikrostruktur des Basismaterials ist;
  • 4 eine graphische Darstellung ist, die die Beziehung zwischen der vergangenen Zeit nach der Basisbehandlung und der Veränderung in der Adhäsivkraft zeigt;
  • 5 ein schematisches erläuterndes Diagramm einer Testapparatur ist, die bei einem Test zur Messung des Reibungskoeffizienten verwendet wird;
  • 6 eine graphische Darstellung ist, die die Ergebnisse des Tests zur Messung des Reibungskoeffizienten zeigt;
  • 7 ist eine graphische Darstellung, die die Ergebnisse eines Tests zur Messung des Abriebs zeigt;
  • 8 ist ein schematisches erläuterndes Diagramm einer Testapparatur, die in einem Test zur Messung des effektiven Drucks der Reibungsmittel verwendet wird;
  • 9 ist eine Graphik, die die Messergebnisse und die Beziehung zwischen der Oberflächenrauigkeit und dem Reibmitteldruck (FMEP) zeigt;
  • 10A und 10B sind jeweils erläuternde Diagramme betreffend die physikalisch-chemischen Bindungen, wobei 10A eine Wasserstoffbindung zeigt und 10B eine van der Waals Bindung zeigt; die funktionelle Gruppe des PAI-Moleküls in 10B wird als Dipol betrachtet, C und O des PAI-Moleküls werden jeweils positiv und negativ polarisiert.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
  • Zu behandelndes Objekt (Kolben eines Verbrennungsmotors)
  • Ein Kolben für einen Verbrennungsmotor, der als zu behandelndes Objekt gemäß der vorliegenden Erfindung dient, ist nicht in irgendeiner Weise auf Kolben eines bestimmten Motorentyps beschränkt, wie beispielsweise Benzinmotor oder Dieselmotor. Verschiedene Kolbentypen können behandelt werden, solange diese Verbrennungsmotoren betreffen.
  • Der zu behandelnde Kolben des Verbrennungsmotors besteht aus einer Aluminiumlegierung, wobei gegossene oder geschmiedete Kolben nach der Erfindung behandelt werden können. Hinsichtlich des Typs der Aluminiumlegierung gibt es keine besonderen Beschränkungen und es kann jegliches Material, welches für Kolben benutzt wird, zur Anwendung kommen.
  • Insbesondere bei Al-Si-basierten Legierungen, Al-Cu-basierten Legierungen und Al-Mg-basierten Legierungen, die jeweils eine eutektische Zusammensetzung haben und gewöhnlich als Aluminiumlegierungen für den Guss verwendet werden, werden Al-Dendrit-Kristalle und eine eutektische Zusammensetzung aus Al und Si, Cu oder Mg als Legierungskomponenten erzeugt. Somit besteht die Tendenz, dass Segregation der Legierungskomponente und eine Vergröberung der Mikrostruktur auftreten, jedoch kann eine Erhöhung in der physikalisch-chemischen Bindungskraft der Gleitschicht durch die Oberflächenbehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung erwartet werden. Daher können die oben genannten Legierungen als zu behandelnde Ob jekte eingesetzt werden. Insbesondere ist ein Kolben aus einer Al-Si-Legierung, einem typischen Material für Kolben zu behandelnder Gegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Der behandelte Bereich des Kolbens ist der Mantelabschnitt. Dieser Mantelabschnitt ist ein Bereich, in dem ein Gleiten auftritt im Kontakt mit der Innenwand des Zylinders und eine Reduzierung des Reibungswiderstands in dieser Region ist wirksam, um die Reibung des Kolbens zu verringern.
  • Behandlungsprozess
  • Dir Behandlung des zuvor beschriebenen Kolbens erfolgt nach dem folgenden Verfahren.
  • Basisbehandlung
  • Bevor wie unten beschrieben die aus einer Kunstharzbeschichtung mit niedrigem Reibungskoeffizienten bestehende Gleitschicht ausgebildet wird, wird bei dem Mantelabschnitt die nachfolgende Basisbehandlung durchgeführt. Diese Basisbehandlung kann lediglich die Ausbildung einer modifizierten Schicht sein, durch feinkörnig machen der Mikrostruktur einer Oberflächenregion des Basismaterials des Kolbens (1), oder es kann weiterhin die Ausbildung einer Metalloxidschicht zusätzlich zu der modifizierten Schicht (2) vorgesehen sein.
  • Ausbildung der modifizierten Schicht
  • Dies ist ein Schritt der Ausbildung einer modifizierten Schicht durch Injizieren metallischen oder keramischer feiner Partikel mit einem mittleren Durchmesser von 20 μm bis 400 μm mit Druckluft oder Stickstoff unter Druck als Fluidgemisch auf die Oberfläche des Mantelabschnitts eines Kolbens mit einer Strahlgeschwindigkeit von 80 m/s oder mehr bei einem Strahldruck von 0,2 MPa oder mehr, zwecks Kollision mit der Oberfläche des Mantelabschnitts, wobei die Mikrostruktur des Kolbens einheitlich feinkörnig gemacht wird in einem Tiefenbereich von 1 μm bis 15 μm von der Oberfläche des Mantelabschnitts aus betrachtet und Ausbilden der modifizierten Schicht mit einer aktivierten Oberfläche.
  • Als Partikel, die injiziert werden, können solche auf keramischer Basis, wie beispielsweise SiC oder metallischer Basis wie beispielsweise Stahl verwendet werden, sowie jeglicher Typ von Partikel, die eine Mikrostruktur in einem Tiefenbereich von 1 μm bis 15 μm von der Oberfläche des Mantelabschnitts aus erzeugen kann.
  • Die Form der verwendeten Partikel zur Ausbildung der modifizierten Schicht ist nicht besonderen Beschränkungen unterworfen, im allgemeinen ist diese jedoch sphärisch. Als komprimiertes Gas für das Einstrahlen wird komprimierte Luft oder Stickstoff unter Druck verwendet.
  • Wie oben beschrieben wurde, werden bei einer Aluminiumlegierung für das Gießen, die generell eine eutektische Zusammensetzung hat, wenn ein Kolben hergestellt wird, Al-Dendrit-Kristalle zunächst erzeugt in dem geschmolzenen Metall während des Verfestigungsprozesses und diese wachsen beim Abkühlen, um dabei gröber zu werden. Gleichzeitig wird, wenn das verbleibende geschmolzene Metall, dessen Konzentration als Legierungskomponente relativ erhöht wird entsprechend der Erzeugung von Dendrit-Kristallen, eine eutektische Zusammensetzung erreicht (11,7 Massen % Si in der Al-Si-basierten Legierung, 33 Massen % Cu in der Al-Cu-basierten Legierung und 35 Massen % Mg in der Al-Mg-basierten Legierung), eine eutektische Zusammensetzung aus Al und der Legierungskomponente erzeugt und dabei wird die Legierungskomponente in der Mikrostruktur abgeschieden. Jedoch wird wie oben beschrieben die Mikrostruktur der als das Basismaterial dienenden Aluminiumlegierung auf der Oberfläche des Mantelabschnitts feinkörnig gemacht, durch Injizieren der metallischen oder keramischen Partikel gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung und kollidieren mit der Oberfläche des Mantelabschnitts, wobei auch die Verteilung der abgeschiedenen Legierungskomponente einheitlich gemacht wird durch feinkörnig machen der Mikrostruktur.
  • Weiterhin wird angenommen, dass eine neu erzeugte Oberfläche in der Kollisionsregion der Oberfläche des Mantelabschnitts exponiert wird, dort wo Kollision und Reibung mit den eingestrahlten Partikeln auftritt und Elektronen (Exoelektronen) emittiert werden (Kramereffekt), um diesen Bereich zu aktivieren. Somit macht die Bildung der modifizierten Schicht die Mikrostruktur der Oberfläche des Mantelabschnitts feinkörnig und aktiviert sie, was es ermöglicht, die Adhäsiveigenschaften der nachfolgend gebildeten Gleitschicht, die unten beschrieben wird, zu erhöhen, wenn diese gebildet wird.
  • Weiterhin wird die so geformte modifizierte Oberfläche mit einem modifizierten Oberflächeneffekt ausgestattet durch Kugelstrahlen, was bei dieser eine Restdruckbelastung erzeugt. Weiterhin reagiert die Aluminiumkomponente in dem Basismaterial mit Sauerstoff um so Aluminiumoxid zu bilden, da das Basismaterial in der Region der Kollision mit den Partikeln Wärme erzeugt, wenn Druckluft für das Injizieren der Partikel verwendet wird, was zu einer Erhöhung der Oberflächenhärte der modifizierten Schicht führt. Zudem wird bei Verwendung von Stickstoff unter Druck die Aluminiumkomponente im Basismaterial reagieren mit dem Stickstoff unter Bildung von Aluminiumnitrid (AlN), welches ein bekanntes keramisches Material auf Stickstoffbasis ist, was zu einer verbesserten mechanischen Festigkeit, größerer Härte und Abriebbeständigkeit der Oberfläche des Basismaterials führt.
  • Schließlich hat die durch das Einstrahlen der Partikel mit dem oben genannten Durchmesser gebildete modifizierte Schicht eine Oberflächenrauigkeit von 0,5 μm bis 2,5 μm, ausgedrückt als mittlere Rauigkeit (Ra) der Mittellinie.
  • Ausbildung der Metalloxidschicht
  • Die unten beschriebene Gleitschicht kann direkt auf der Oberfläche der zuvor beschriebenen modifizierten Schicht auf der Oberfläche des Mantelabschnitts ausgebildet werden, aber eine Metalloxidschicht aus Zinnoxid oder Zinkoxid wird durch injizieren feiner Partikel umfassend Sn, Zn oder Zr gebildet, bevor die Ausbildung der unten beschriebenen Gleitschicht erfolgt.
  • Eine derartige Metalloxidschicht kann ausgebildet werden durch Einstrahlen feiner Partikel enthaltend elementares Sn, Zn, oder Zr mit einem mittleren Durchmesser von 20 μm bis 400 μm auf den Mantelabschnitt, der die modifizierte Schicht aufweist, mit einer Einstrahlgeschwindigkeit von 80 m/s oder mehr oder einem Strahldruck von 0.2 MPa oder mehr, wobei diese Partikel dann zur Kollision gelangen. Somit dringt das elementare Sn, Zn oder Zr in den Partikeln in die modifizierte Schicht ein, verteilt sich und wird oxidiert, um so eine Metalloxidschicht zu bilden mit einer aktivierten Oberfläche.
  • Die für das Einstrahlen verwendeten Partikel können rein metallische Partikel sein, die nur aus den oben erwähnten Metallen Sn, Zn oder Zr bestehen oder aus einer beliebige dieser Metalle enthaltenden Legierung.
  • Die zu verwendende Form der Partikel ist nicht eingeschränkt, so dass jegliche Partikel verwendet werden können, wie beispielsweise sphärische oder polygonale Formen oder solche, die eine große Anzahl an amorphen Partikeln enthalten.
  • Wie oben erwähnt prallen die Partikel enthaltend elementares Sn, Zn oder Zr bei der Kollision mit der Oberfläche des Mantelabschnitts nach der Kollision zurück. Bei dieser Kollision wird in der beaufschlagten Region durch die Kollisionsenergie zwischen den Partikeln und der Oberfläche des Mantelabschnitts Wärme erzeugt und das elementare Sn, Zn oder Zr in den Partikeln reagiert mit dem Sauerstoff aus der Luft unter Bildung eines Metalloxids. Das Metalloxid diffundiert und dringt von der Oberfläche der modifizierten Schicht des Mantelabschnitts in tiefere Bereiche ein und wird legiert unter Ausbildung einer Metalloxidschicht.
  • In der so geformten Metalloxidschicht ist der Grad der Anhaftungskraft im Hinblick auf die Oberfläche des Mantelabschnitts hoch, da die Schicht ausgebildet wird durch Legieren des Oxids des Elements Sn, Zn oder Zr mit dem Metall aus dem Mantelabschnitt, so dass die Metalloxidschicht kaum abgeschält wird durch beispielsweise gleitenden Kontakt mit der Innenwand des Zylinders.
  • Weiterhin steigt die Härte des Sn, Zn oder Zr bedeutend an durch oxidiert werden, verglichen mit dem nicht oxidierten Zustand. Jedoch wird die durch das obige Verfahren ausgebildete Metalloxidschicht durch Diffusion und Eindringen des elementaren Sn, Zn oder Zr in die modifizierte Schicht geformt und hat eine Struktur mit einem Gefälle, in der der Bindungsgrad mit Sauerstoff allmählich von der Oberfläche der Metalloxidschicht ausgehend zum Inneren hin abnimmt. Somit ergibt sich eine Struktur mit veränderlicher Härte, bei der an der Oberflächenseite große Härte vorliegt, dort wo der Bindungsgrad mit Sauerstoff hoch ist, wobei diese allmählich zum Inneren hin abnimmt.
  • Infolgedessen wird kein scharfer Unterschied in der Härte erzeugt zwischen den jeweiligen Schichten und den Schichten und dem Basismaterial, von dem nicht modifizierten Bereich des Basismaterials zur modifizierten Schicht und zur Metalloxidschicht. Daher tritt kaum ein Abschälen aufgrund einer scharfen (plötzlichen) Differenz an Härte auf.
  • Zudem weist die so gebildete Metalloxidschicht eine feinkörnige Mikrostruktur auf, die die gleiche ist wie bei der oben beschriebenen modifizierten Schicht und die Oberfläche der Metalloxidschicht wird durch Kollision mit den Sn, Zn oder Zr enthaltenden Partikeln aktiviert.
  • Als komprimiertes Gas zur Ausbildung der oben beschriebenen Metalloxidschicht kann Druckluft oder Stickstoff unter Druck verwendet werden, wobei Stickstoff bevorzugt ist. Die Verwendung von Stickstoff unter Druck hat den Effekt, dass wenigstens teilweise die Al-Komponente in dem Basismaterial des Kolbens wie oben beschrieben nitridiert wird. Dies führt zu einer weiteren Verstärkung der Haftkraft der ausgebildeten Metalloxidschicht und hat auch den Effekt, die mechanische Festigkeit nahe der Oberfläche des Basismaterials zu verbessern.
  • Zudem wird, wenn die Sn, Zn oder Zr enthaltenden Partikel mittels Stickstoff unter Druck eingestrahlt werden, die Stickstoffkonzentration in der Atmosphäre in der Kollisionsregion zwischen den Partikeln und der Oberfläche des Mantelabschnitts erhöht. Jedoch ruft der komprimierte Stickstoff, der durch eine Strahlpistole injiziert wird, Turbulenzen in der Luft um die Strahlpistole herum hervor und nach dem Einstrahlen erfolgt ein Wechsel zu einem Fluidgemisch mit Luft. Gleichzeitig werden das elementare Sn, Zn oder Zr durch den in der Luft anwesenden Sauerstoff in dem Kollisions bereich oxidiert. Im Falle des Einstrahlens von Stickstoff unter Druck sind daher sowohl das Nitridieren der Al-Komponente, die das Basismaterial des Kolbens bildet, als auch das Oxidieren des elementaren Sn, Zn oder Zr möglich.
  • Außerdem wird die Oberflächenrauigkeit der gebildeten Metalloxidschicht auf 0,5 μm bis 2,5 μm gebracht, ausgedrückt als mittlere Rauigkeit (Ra) der Mittellinie, indem der mittlere Durchmesser der Sn, Zn oder Zr enthaltenden Partikel auf 20 μm bis 400 μm gebracht wird.
  • Ausbildung der Gleitschicht
  • Auf die mittels der zuvor beschriebenen Behandlung ausgebildete modifizierte Schicht oder Metalloxidschicht wird eine Gleitschicht aus einer Kunstharzbeschichtung mit einem niedrigen Reibkoeffizienten aufgebracht.
  • Das die Gleitschicht bildende Kunstharz mit niedrigem Reibkoeffizienten muss eine Wärmebeständigkeit aufweisen, die ein Standhalten gegenüber der bei einem Kolben im Betrieb eines Verbrennungsmotors erzeugten Hitze ermöglicht. Beispielsweise kann ein Harz auf Epoxybasis oder ein Polyamid-Imid-Harz (nachfolgend als „PAI”-Harz bezeichnet) verwendet werden.
  • Die Gleitschicht wird gebildet durch Aufbringen eines Kunstharzes welches die Gleitschicht ausbildet mittels an sich bekannter Methoden, wie beispielsweise Injizieren, Aufsprühen oder Drucken, so dass die Stärke der gebildeten Schicht bei 8 μm bis 17 μm liegt. Beispielsweise im Falle des Ausbildung einer Gleitschicht aus dem zuvor genannten PAI-Harz wird ein durch Verdünnen eines PAI-Harzes mit einem Lösungsmittel (N-Methylpyrrolidon) hergestellter Lack auf die modifizierte Schicht oder die Metalloxidschicht aufgebracht, gefolgt von Einbrennen und Trocknen zur Ausbildung der Schicht.
  • Die Oberfläche der derart ausgebildeten Gleitschicht ist vorzugsweise glatt und die Oberflächenrauigkeit wird eingestellt auf 1,0 μm oder weniger, ausgedrückt als mittlere Rauigkeit (Ra) der Mittellinie, durch Ausbilden der Gleitschicht auf der modifizier ten Schicht oder der Metalloxidschicht welche eine Oberflächenrauigkeit von 0,5 μm bis 2,5 μm aufweist, ausgedrückt als mittlere Rauigkeit (Ra) der Mittellinie, wie oben beschrieben.
  • Effekte usw.
  • Bei einem Kolben eines Verbrennungsmotors, bei dem der Mantelabschnitt wie zuvor beschrieben eine Basisbehandlung erhält und dann eine Gleitschicht erhält bestehend aus einem oben beschriebenen Kunstharz mit niedrigem Reibkoeffizienten, zeigt die Gleitschicht eine hohe Adhäsivkraft bezüglich der modifizierten Schicht oder der Metalloxidschicht, die als Basis dient und die Gleitschicht trägt weiterhin zu einer Reduzierung der Reibung des Kolbens bei.
  • Weiterhin hat der Kolben mit einem Mantelabschnitt, der eine solche Oberflächenbehandlung erhalten hat, auch wenn die aus einem Kunstharz bestehende Gleitschicht aufgrund des Abriebs oder Abschälens verloren geht und der Mantelabschnitt damit in direkten Kontakt mit der Innenwand des Zylinders kommt, eine hohe Abriebbeständigkeit, günstige Reibeigenschaften und Antifresseigenschaften und die Aggressivität gegenüber dem Gegenpart (der Innenwand des Zylinders) im gleitenden Kontakt ist niedrig, das heißt, die Innenwand des Zylinders wird nicht abgerieben.
  • Erhöhung der Adhäsivkraft
  • Der Mechanismus zum Erzielen der oben beschriebenen Erhöhung der Adhäsivkraft ist nicht ganz klar, aber es wird angenommen, dass die Adhäsivkraft synergistisch erhöht wird durch Ausbildung feiner Unebenheiten mit einem Ra von etwa 0,5 μm bis 2,5 μm, entsprechend dem Partikeldurchmesser der Partikel, auf der Oberfläche des Mantelabschnitts durch die Kollision mit den Partikeln. Wenn die Mikrostruktur der Oberfläche feinkörnig gemacht wird und die Verteilung der Legierungskomponente einheitlich wird durch Kollision mit den Partikeln, führt dies zu einer Aktivierung der Oberfläche.
  • Verbesserung der Adhäsiveigenschaften durch Ausbildung von Unebenheiten
  • Wie oben beschrieben gilt ein Ankereffekt als ein Grund für die erhöhte Adhäsivkraft der Gleitschicht auf der Oberfläche des Mantelabschnitts. Das heißt, dass wie oben beschrieben das Einstrahlen und die Kollision der Partikel gegen den Mantelabschnitt zahllose feine Vertiefungen erzeugt, in die das auf die Oberfläche des Mantelabschnitts aufgebrachte Kunstharz eindringt, so dass es sich dort festsetzt. Daher wird angenommen, dass der Ankereffekt zu einer Erhöhung der Haftfestigkeit der Gleitschicht beiträgt.
  • Verbesserung der Adhäsiveigenschaften durch Mikrokristallisation oder dergleichen der Mikrostruktur der Oberfläche
  • Wie zuvor beschrieben treten bei einer Al-Si, Al-Cu oder Al-Mg-Legierung oder dergleichen bei einer eutektischen Zusammensetzung, die in der Regel für das Gießen als Aluminiumlegierung verwendet wird, Al-Dendrit-Kristalle auf sowie eutektische Kristalle von Al und der Legierungskomponente und die Kristalle (Kristallkörner) in der Legierungskomponente sind nicht einheitlich in dem Basismaterial verteilt, sondern abgesondert wie in 3 dargestellt.
  • Wenn ein eine Gleitschicht bildendes Kunstharzmaterial beispielsweise direkt auf die Oberfläche des Mantelabschnitts in einem solchen nicht einheitlichen Zustand aufgebracht wird, dann wird die physikalisch-chemische Bindungskraft zwischen dem Basismaterial und dem Kunstharz variieren entsprechend der Abweichung in der Mikrostruktur in dem Bereich, in dem das Kunstharzmaterial kontaktiert wird. Demgemäß werden ein Bereich mit zufriedenstellenden Adhäsiveigenschaften erzeugt und ein Bereich mit schlechteren Adhäsiveigenschaften und es tritt ein Abschälen der Gleitschicht auf, welches in der Region mit schlechten Adhäsiveigenschaften beginnt.
  • Andererseits wird nach der vorliegenden Erfindung angenommen, dass bessere Adhäsiveigenschaften erhalten werden können, indem der Bereich in dem das Abschälen beginnt eliminiert wird, indem die Mikrostruktur einheitlich feinkörnig gemacht wird nahe der Grenzfläche mit der Gleitschicht, durch Ausbilden einer modifizierten Schicht vor der Bildung der Gleitschicht oder durch Ausbilden einer Metalloxidschicht und gleichzeitig vereinheitlichen der Adhäsiveigenschaften er Gleitschicht in Bezug auf die modifizierte Schicht oder die Metalloxidschicht, durch Vereinheitlichen der Verteilung der abgeschiedenen (entmischten) Legierungskomponente.
  • Oberflächenaktivierung
  • Weiterhin wird angenommen, dass beim Kollidieren der Partikel mit dem Mantelabschnitt wie zuvor beschrieben eine neu erzeugte Oberfläche der Aluminiumlegierung in der Kollisionsregion auftritt durch Reibung usw. und aufgrund der Kollision mit den Partikeln, und dass Elektronen (Exoelektronen) ausgesandt werden (Kramereffekt) um so diesen Bereich zu aktivieren.
  • Es wird angenommen, dass diese Aktivierung (Elektronenemission) die oben beschriebene physikalisch-chemische Bindung zu dem die Gleitschicht bildenden Kunstharz erhöht, was in erhöhten Adhäsiveigenschaften und einer verbesserten Adhäsivkraft resultiert.
  • Die Schlussfolgerung, dass eine solche Erhöhung der Adhäsiveigenschaften durch eine Aktivierung der Oberfläche hervorgerufen wird, durch das Aussetzen der oben genannten neu geschaffenen Oberfläche, wird gestützt durch die Tatsache, dass je mehr Zeit vergeht von der Vervollständigung der Basisbehandlung bis zur Ausbildung der Gleitschicht (je geringer demgemäß die Aktivierung ist), um so weniger die Adhäsiveigenschaften und die Anhaftungsfestigkeit erhöht werden (der Effekt wird verringert), wie in dem Abschnitt „Bestätigungstest betreffend die Beziehung zwischen der Adhäsivkraft der Gleitschicht und der vergangenen Zeit”, gezeigt wird, siehe unten (4).
  • Zudem ist zu erwarten, dass bei Erhöhung der Adhäsiveigenschaften verursacht durch die Aktivierung der Oberfläche wie oben beschrieben, sogar in dem Fall, in dem das Einstrahlen mit Partikeln mit einem mittleren Durchmesser von 800 μm bis 1000 μm erfolgt, umfasst von dem Partikeldurchmesserbereich wie er gewöhnlich bei einer Strahlbehandlung erfolgt, was größer ist als die bei der vorliegenden Erfindung zum Einstrahlen verwendete Partikelgröße, die Adhäsivkraft erhöht werden kann durch Emission von Elektronen (Exoelektronen) durch den zuvor erwähnten Kramereffekt. Jedoch zeigen die Ergebnisse der Experimente, dass die Verbesserungen bei den Adhäsiveigenschaften und der Anhaftungsstärke durch Einstrahlen von Partikeln, die einen mittleren Durchmesser in dem oben genannten Bereich haben, gering waren und dass keine nennenswerte Verbesserung erzielt werden konnte.
  • Aufgrund der obigen Ergebnisse wird in der vorliegenden Erfindung das Oberflächenareal pro Gewichtseinheit an Partikeln erhöht, indem feine Partikel verwendet werden mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 20 μm bis 400 μm und das Oberflächenareal einer neu generierten Oberfläche der Aluminiumlegierung, die der Oberfläche des Basismaterials ausgesetzt wird, wird ebenfalls durch die Kollision mit den Partikeln erhöht. Im Ergebnis wird die Emission an Elektronen (Exoelektronen) verstärkt, die die Bindung zu der Gleitschicht erhöhen. Weiterhin wird angenommen, dass beispielsweise eine Differenz zwischen der bei Verwendung von feinen Partikeln erzeugten Kollisionsenergie und der bei Verwendung von Partikeln mit einem großen Durchmesser erzeugten Kollisionsenergie einen Einfluss hat auf die Erzielung einer nennenswerten Verbesserung bei den Adhäsiveigenschaften der Gleitschicht.
  • Verringerung der Reibung der Oberfläche der Gleitschicht
  • Wenn man den mittleren Partikeldurchmesser der beim Einstrahlen verwendeten Teilchen kontrolliert und innerhalb eines Bereichs von 20 μm bis 400 μm hält, wird die Oberflächenrauigkeit der Oberfläche der durch die Kollision mit den Partikeln auf der Oberfläche des Mantelabschnitts gebildeten modifizierten Schicht oder der Metalloxidschichtrelativ klein gehalten (Ra: 0,5 μm bis 2,5 μm). Als Ergebnis daraus absorbiert das die Gleitschicht bildende Kunstharz die Oberflächenrauigkeit, wenn das Kunstharz auf die Oberfläche des Mantelabschnitts aufgebracht wird und die Gleitschicht wird so bearbeitet, dass eine glatte Oberfläche mit einer Oberflächenrauigkeit Ra von 1,0 μm oder weniger entsteht, was zu einer geringen Reibung bei gleitendem Kontakt und Ölbedingungen führt.
  • Verbesserung der Abriebbeständigkeit des Basismaterials des Mantelabschnitts des Kolbens
  • Der Mantelabschnitt des Kolbens, der einer Oberflächenbehandlung nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung unterzogen wird, zeigte einen hohen Abriebwiderstand, gute Reibeigenschaften und Antifresseigenschaften und hat eine reduzierte Aggressivität gegenüber der Innenwand des Zylinders (Abrieb der Innenwand des Zylinders), auch dann, wenn die modifizierte Schicht oder die Metalloxidschicht, die als Basis für die Gleitschicht dient, in direkten gleitenden Kontakt mit der Innenwand des Zylinders kommt durch Verlust der aus einem Kunstharz bestehenden Gleitschicht aufgrund von Abrieb oder Abschälen.
  • Es wird angenommen, dass ein solches Phänomen beispielswiese synergistisch erreicht wird durch Verbesserungen in den mechanischem Eigenschaften der Oberfläche des Mantelabschnitts, wie beispielsweise Verbesserung der Brüchigkeit, indem die Mikrostruktur der Oberfläche des Basismaterials feinkörnig gemacht wird und indem die Verteilung der Legierungskomponente durch die Kollision der eingestrahlten Partikel einheitlich gemacht wird. Es wird weiterhin erreicht durch Verbesserungen bei den mechanischen Eigenschaften der Oberfläche des Mantelabschnitts, die durch Kugelstrahlen erreicht wird, da dieser insbesondere eine Restdruckspannung verliehen wird, die vermutlich auch durch die Kollision mit den zuvor genannten Partikeln erzielt wird. Weiterhin ergibt sich eine Erhöhung der Härte nahe der Oberfläche des Mantelabschnitts durch Erzeugung von Aluminiumoxid durch Oxidation der Al-Komponente in dem Basismaterial, indem diese mit Sauerstoff gebunden wird, wenn Druckluft bei dem Einstrahlen der Partikel eingesetzt wird, oder durch Erzeugung von Aluminiumnitrid durch Nitridieren der Al-Komponente in dem Basismaterial, wenn Stickstoff unter Druck für das Einstrahlen verwendet wird, aufgrund der in der Kollisionsregion mit den oben beschriebenen eingestrahlten Partikeln erzeugten Wärme.
  • Insbesondere in dem Beispiel, in dem die Metalloxidschicht zusätzlich auf die modifizierte Schicht aufgebracht wird, ist das Wirkprinzip nicht klar, aber Abriebbeständigkeit, niedrige Reibeigenschaften und Antifressverhalten können verbessert werden und der Abrieb der Innenwand des Zylinders, welche mit dem Mantelabschnitt in gleitendem Kontakt steht, kann reduziert werden.
  • Außerdem dienen wie zuvor beschrieben die feinen Unebenheiten der Oberfläche, die eine Oberflächenrauigkeit Ra von 0,5 μm bis 2,5 μm der modifizierten Schicht oder der Metalloxidschicht erreichen, als Ölreservoire, wenn die modifizierte Schicht oder die Metalloxidschicht der Oberfläche ausgesetzt wird durch Abrieb der Gleitschicht und dadurch mit der Innenwand des Zylinders in Kontakt kommt, was den Effekt hat, dass das Laufen des Ölfilms verhindert wird.
  • Experimente
  • Nachfolgend werden Leistungsbewertungstests beschrieben, die an Kolben durchgeführt wurden, deren Oberflächen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt wurden.
  • Messtest betreffend die Adhäsivkraft der Gleitschicht
  • Proben
  • Kolben (gegossenes Produkt) aus einer Legierung auf Al-Si-Basis (AC8A) wurden verwendet und die Oberflächen der Mantelabschnitte wurden unter den in Tabelle 1 bis 6 gezeigten Bedingungen behandelt. Die Adhäsivkraft der gebildeten Gleitschicht wurde gemessen.
  • Weiterhin wurden, um die Möglichkeit der Kostenersparnis durch Auslassen des Waschschritts zu untersuchen, Proben in den Ausführungsbeispielen 1 bis 4 und Vergleichsbeispiel 2 ohne vorhergehendes Waschen behandelt.
  • Tabelle 1
  • Bedingungen für die Oberflächenbehandlung des Kolbens nach Ausführungsbeispiel 1 (modifizierte Schicht und Gleitschicht)
  • Modifizierte Schicht
  • Eingestrahlte Partikel
    • Material: Hochgeschwindigkeitsstahl
    • Durchschnittlicher Partikeldurchmesser: 50 μm
    • Form: sphärisch
  • Bedingungen beim Einstrahlen
    • Einstrahlvorrichtung: Strahlvorrichtung vom Typ SG, hergestellt von Fuji Manufacturing Co. Ltd.
    • Düsendurchmesser: φ 9 mm, Einstrahlentfernung: 100 mm
    • Einstrahlgas: Druckluft
    • Einstrahldruck: 0,6 MPa
    • Einstrahlzeit: 10 s für jede Seite
  • Gleitschicht
    • Material: PAI Kunstharz
    • Aufbringungsverfahren: Aufbringung durch Drucken eines Lacks, hergestellt durch Verdünnen mit N-methylpyrrolidon, nachfolgendes Einbrennen und Trocknen
    • Zeit bis zur Aufbringung nach der Ausbildung der modifizierten Schicht: 30 min
    • Dicke der Gleitschicht: 15 μm
  • Tabelle 2
  • Bedingungen der Oberflächenbehandlung des Kolbens in Ausführungsbeispiel 2 (modifizierte Schicht, Zinnoxidschicht und Gleitschicht)
  • Modifizierte Schicht
    • Einstrahlpartikel: die gleichen wie bei Ausführungsbeispiel 1
    • Bedingungen des Einstrahlens: die gleichen wie in Ausführungsbeispiel 1
  • Metalloxidschicht
  • Einstrahlpartikel
    • Material: Zinn
    • Mittlerer Partikeldurchmesser: 60 μm
    • Form: sphärisch
  • Bedingungen beim Einstrahlen
    • Die gleichen wie in Ausführungsbeispiel 1
    • Gleitschicht: die gleiche wie in Ausführungsbeispiel 1
  • Tabelle 3
  • Bedingungen für die Oberflächenbehandlung des Kolbens in Ausführungsbeispiel 3 (modifizierte Schicht, Zinkoxidschicht und Gleitschicht)
  • Modifizierte Schicht
    • Einstrahlpartikel: die gleichen wie bei Ausführungsbeispiel 1
    • Bedingungen des Einstrahlens: die gleichen wie in Ausführungsbeispiel 1
  • Metalloxidschicht
  • Einstrahlpartikel
    • Material: Zink
    • Mittlerer Partikeldurchmesser: 45 μm
    • Form: polygonal
  • Bedingungen beim Einstrahlen
    • Die gleichen wie in Ausführungsbeispiel 1
    • Gleitschicht: die gleiche wie in Ausführungsbeispiel 1
  • Tabelle 4
  • Bedingungen für die Oberflächenbehandlung des Kolbens in Ausführungsbeispiel 4 (modifizierte Schicht, Zirkonoxidschicht und Gleitschicht)
  • Modifizierte Schicht
    • Einstrahlpartikel: die gleichen wie bei Ausführungsbeispiel 1
    • Bedingungen des Einstrahlens: die gleichen wie in Ausführungsbeispiel 1
  • Metalloxidschicht
  • Einstrahlpartikel
    • Material: Zirkonium
    • Mittlerer Partikeldurchmesser: 50 μm
    • Form: polygonal
  • Bedingungen beim Einstrahlen
    • Die gleichen wie in Ausführungsbeispiel 1
    • Gleitschicht: die gleiche wie in Ausführungsbeispiel 1
  • Tabelle 5:
  • Bedingungen für die Oberflächenbehandlung des Kolbens in Vergleichsbeispiel 1 (nur Gleitschicht)
  • Vorbehandlung
    • Die Oberfläche wird entfettet, mit Wasser gewaschen, dann getrocknet
  • Gleitschicht
    • Material: PAI Kunstharz
    • Aufbringungsmethode: Aufbringung durch Drucken eines Lacks hergestellt durch Verdünnen mit N-mehtylpyrrolidon, nachfolgendes Einbrennen und trocknen
    • Dicke der Gleitschicht: 15 μm
  • Tabelle 6:
  • Bedingungen für die Oberflächenbehandlung des Kolbens in Vergleichsbeispiel 2 (modifizierte Schicht und Gleitschicht)
  • Vorbehandlung
  • Einstrahlpartikel
    • Material: Stahl
    • Mittlerer Partikeldurchmesser: 800 μm
    • Form: sphärisch
  • Bedingungen beim Einstrahlen
    • Die gleichen wie in Ausführungsbeispiel 1
    • Gleitschicht: die gleiche wie in Ausführungsbeispiel 1
  • Prüfmethode
  • Die Adhäsivkraft wurde mittels eines Wassersprühtests gemessen. Der Wassersprühtest wird durchgeführt durch Eindüsen von Wasser mit hohem Druck aus einer Düse auf die Oberfläche einer auf einem Mantelabschnitt ausgebildeten Gleitschicht und Messen der Adhäsivkraft.
  • Testergebnisse
  • Tabelle 7 zeigt die Ergebnisse der Messung der Adhäsivkraft der Gleitschichten mittels der oben beschriebenen Methode. Zusätzlich zeigt die Tabelle den Düsendruck (MPa) des eingedüsten Wassers, „o” gibt an, dass kein Abschälen der Gleitschicht auftritt und „x” gibt das Auftreten von Abschälen in der Gleitschicht an. Tabelle 7 Messergebnisse für die Adhäsivkraft der Gleitschicht Proben
    Adhäsivkraft (MPa) Ausführungsbeispiele 1 2 3 4 Vergleichsbeispiel 1 Vergleichsbeispiel 2
    100 o o o o o o
    120 o o o o o o
    140 o o o o x x
  • Nachfolgend wird auch auf die 1 bis 3 Bezug genommen. Durch die obigen Ergebnisse wurde bestätigt, dass in dem Beispiel von 1, in dem eine modifizierte Schicht 11 gebildet wurde, bevor eine Gleitschicht 10 geformt wurde (Ausführungsbeispiel 1), dem Beispiel, in dem eine Zinnoxidschicht 14 zusätzlich zu einer modifizierten Schicht 11 ausgebildet wurde (Ausführungsbeispiel 2), dem Beispiel, in dem eine Zinkoxidschicht gebildet wurde anstelle der Zinnoxidschicht (Ausführungsbeispiel 3) und in dem Beispiel, in dem ein Zirkonoxidschicht gebildet wurde anstelle der Zinnoxidschicht oder der Zinkoxidschicht (Ausführungsbeispiel 4) (siehe dazu 2), die Adhäsiveigenschaften nennenswert verbessert wurden verglichen mit dem Vergleichsbeispiel 1 (siehe auch 3), bei dem die Gleitschicht 10 direkt auf der unbehandelten Oberfläche des Mantelabschnitts (Basismaterial 12) ausgebildet wurde, ohne dass zuvor eine andere Schicht aufgebracht wurde.
  • Die Ergebnisse bestätigen die Effektivität der Oberflächenbehandlung nach dem Ver fahren gemäß der vorliegenden Erfindung, durch welches die Adhäsiveigenschaften der Gleitschicht erhöht werden.
  • Weiterhin werden durch das Einstrahlen der Partikel, welches vor der Ausbildung einer Gleitschicht erfolgt, die Adhäsiveigenschaften der auf dem Mantelabschnitt ge bildeten Gleitschicht bei dem Kolben von Vergleichsbeispiel 2 nicht verbessert, wo die eingestrahlten Partikel einen mittleren Durchmesser von 800 μm haben, was außerhalb des Bereichs für die Partikeldurchmesser liegt, die nach der vorliegenden Erfindung zur Ausbildung der modifizierten Schicht verwendet werden. Daher wurde bestätigt, dass es effektiv ist, die modifizierte Schicht unter Verwendung vergleichsweise feiner Partikel mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 20 μm bis 400 μm auszubilden.
  • Weiterhin ist ersichtlich, dass bei den Ausführungsbeispielen 1 bis 4, bei denen die Kolben vor der Ausbildung der modifizierten Schicht nicht gewaschen wurden, die Gleitschichten eine hohe Adhäsivkraft haben, sogar dann, wenn die erfindungsgemäße Oberflächenbehandlung ohne vorheriges Waschen der Kolben erfolgte, was verdeutlicht, dass eine Verringerung in den Kosten aufgrund des Weglassens des Waschschritts erzielbar ist.
  • Bestätigungstest für die Beziehung zwischen der Adhäsivkraft der Gleitschicht und der vergangenen Zeit
  • Um zu bestätigen, dass die Ausbildung der Gleitschicht nach der Bildung der modifizierten Schicht und während die modifizierte Schicht aktiviert wird, effektiv ist, um die Adhäsivkraft der Gleitschicht zu erhöhen, wurde die durch eine Veränderung in der vergangenen Zeit verursachte Veränderung in der Adhäsivkraft gemessen, indem die Zeit zwischen der Ausbildung der modifizierten Schicht und dem Beginn der Bildung der Gleitschicht gemessen wurde. Während diese Zeit verstreicht, wurde der Kolben, auf dem die modifizierte Schicht ausgebildet wurde, in der Kammer belassen, bis zum Beginn der Ausbildung der Gleitschicht.
  • Die Behandlung der Proben, die bei dieser Messung verwendet wurden, wurde unter den gleichen Bedingungen durchgeführt wie sie in Tabelle 1 wiedergegeben sind, mit der Ausnahme, dass die Zeit zwischen der Bildung der modifizierten Schicht und dem Beginn der Bildung der Gleitschicht variiert wurde.
  • 4 zeigt die Ergebnisse der oben angegebenen Messung. Wie in 4 dargestellt nahm die Adhäsivkraft etwa drei Stunden oder mehr nach der Ausbildung der modifizierten Schicht stark ab und bildete dann ein Plateau bei einem im wesentlichen konstanten Wert nach einer Periode von etwa vier Stunden.
  • Dies bestätigt, dass der Effekt der Erhöhung der Adhäsivkraft, der durch die Aktivierung der Oberfläche durch die Ausbildung der modifizierten Schicht erzielt wurde, etwa drei Stunden nach der Ausbildung der modifizierten Schicht abnimmt und dass es vorzuziehen ist, dass die Ausbildung der Gleitschicht innerhalb von drei Stunden nach der Ausbildung der modifizierten Schicht erfolgt, vorzugsweise sofort nach der Ausbildung der modifizierten Schicht.
  • Weiterhin wird in der Graphik gemäß 4 gezeigt, dass bestätigt werden kann, dass bei Ausbildung der modifizierten Schicht vor der Bildung der Gleitschicht, auch bei einer verstrichenen Zeit von mehr als vier Stunden, die Proben einen vergleichbaren Grad an Anhaftung zeigten mit einer Adhäsivkraft von 120 (siehe Tabelle 7) in Vergleichsbeispiel 1, bei dem die Gleitschicht direkt auf dem unbehandelten Kolben ausgebildet wurde.
  • Bei der Probe von Vergleichsbeispiel 1 wurde vor der Ausbildung der Gleitschicht die Oberfläche gereinigt durch Entfetten, Waschen und Trocknen des Mantelabschnitts. Bei denjenigen Kolben, die einer Oberflächenbehandlung mittels des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung unterzogen wurden, wurde jedoch die Behandlung direkt durchgeführt ohne Entfetten, Waschen und Trocknen der Mantelabschnitte. Wenn daher die Erhöhung der Adhäsivkraft nur auf die Aktivierung der Oberfläche zurückzuführen ist, kann man erwarten, dass die Adhäsivkraft vier Stunden nach der Ausbildung der modifizierten Schicht oder später, wenn die Aktivierung bereits verloren ging, niedriger wird als diejenige bei der Probe von Vergleichsbeispiel 1.
  • Aber wie die 4 zeigt ist die Größe der Adhäsivkraft vier Stunden nach der Ausbildung der modifizierten Schicht oder danach ähnlich derjenigen in Vergleichsbeispiel 1, bei dem die Gleitschicht auf dem Mantelabschnitt gebildet wurde, welcher zuvor entfettet, gewaschen und getrocknet wurde. Somit ist ersichtlich, dass bei dem einer Oberflächenbehandlung nach der erfindungsgemäßen Methode unterzogenen Kolben, zusätzlich zu der Erhöhung der Adhäsivkraft, verursacht durch die Aktivierung der Oberfläche, die Erhöhung der Adhäsiveigenschaften auch erzielt wird durch einen Effekt, der das Auslassen des vorhergehenden Waschschritts kompensiert (ein Ankereffekt durch die feinen Vertiefungen in der Oberfläche des Basismaterials, wenn die modifizierte Schicht gebildet wird oder durch das feinkörnig machen der Oberfläche des Basismaterials).
  • Test zur Messung des Reibungskoeffizienten
  • Um zu verifizieren, dass der einer Oberflächenbehandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogene Kolben niedrige Reibeigenschaften aufweist, auch nach dem Abrieb der Gleitschicht, wurde der Reibungskoeffizient gemessen.
  • Die Messung wurde durchgeführt unter Verwendung einer Vorrichtung wie sie in 5 gezeigt ist. Es wurden plattenförmige Prüfstücke 18 hergestellt durch Schneiden der Mantelabschnitte der Kolben gemäß den Ausführungsbeispielen 1 bis 3, welche eine Oberflächenbehandlung erhielten wie sie in den Tabellen 1 bis 3 aufgeführt ist (jedoch ohne Ausbildung einer Gleitschicht) und zum Vergleich eines unbehandelten Mantelabschnitts. Ein säulenförmiges Teststück 19 in Scheibenform (Durchmesser: 5 mm, Länge: 12 mm) aus dem gleichen Material wie dasjenige der Zylinderbuchse (Material: FC250 äquivalent) wurde in senkrechten Kontakt mit jedem der plattenförmigen Prüfstücke 18 gebracht. Motoröl 120 W-30 wurde mit einem Baumwolllappen nur zu Beginn des Tests aufgebracht und das säulenförmige Prüfstück wurde unter einer Last 20 von 5 N gleitend mit einem Hub von 10 mm bewegt und einer Umkehrrate von 60 Zyklen/min. Die vom Beginn des Versuchs bis zur Änderung des Reibkoeffizienten verstrichene Zeit wurde gemessen.
  • 6 zeigt die Ergebnisse der Messung. Es ist offensichtlich aus 6, dass bei dem unbehandelten Mantelabschnitt der Reibkoeffizient allmählich zunahm mit der vom Beginn des Versuchs verstrichenen Zeit, bis etwa zum zweifachen des Reibko effizienten zum Zeitpunkt 30 min nach Beginn des Versuchs, verglichen mit dem Wert zu Beginn des Versuchs.
  • Andererseits blieb bei dem Mantelabschnitt gemäß Ausführungsbeispiel 1, bei dem die modifizierte Schicht gebildet wurde, und bei den Mantelabschnitten der Ausführungsbeispiele 2 und 3, bei denen zusätzlich zu der modifizierten Schicht noch die Metalloxidschicht gebildet wurde, der Reibkoeffizient im wesentlichen vom Beginn des Versuchs an bis zum Zeitablauf von 30 Minuten konstant, wodurch bestätigt werden konnte, dass niedrige Reibeigenschaften realisiert werden konnten.
  • Es wurde insbesondere bestätigt, dass bei den Proben, bei denen die Zinnoxidschicht oder die Zinkoxidschicht zusätzlich auf der modifizierten Schicht ausgebildet wurde (Ausführungsbeispiele 2 und 3) der anfängliche Reibwiderstandswert verringert wurde und dass der Reibkoeffizient selbst reduziert wurde im Vergleich zu der Probe, bei der nur die modifizierte Schicht ausgebildet wurde (Ausführungsbeispiel 1).
  • Weiterhin wurde bestätigt, dass der niedrige Reibkoeffizient in Ausführungsbeispiel 2, bei dem die Zinnoxidschicht ausgebildet wurde, sogar niedriger war verglichen mit Ausführungsbeispiel 3, bei dem die Zinkoxidschicht ausgebildet wurde. Hieraus ergibt sich, dass im Vergleich zu dem Kolben von Ausführungsbeispiel 1, bei dem nur die modifizierte Schicht gebildet wurde, die Kolben der Ausführungsbeispiele 2 und 3, bei denen die Metalloxidschicht gebildet wurde, niedrigere Reibeigenschaften zeigten, sogar nach Abrieb der Gleitschicht.
  • Versuch zur Messung des Abriebs
  • Ein Versuch wurde durchgeführt um zu bestätigen, dass die einer Oberflächenbehandlung durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung unterzogenen Kolben eine Abriebbeständigkeit aufweisen auch nach dem Abrieb der Gleitschicht und dass sie gleichzeitig keine Aggressivität zeigen gegenüber dem Material der Zylinderbuchse (die Zylinderbuchse nicht verschleißen), die den Gegenpart im gleitenden Kontakt mit dem Kolben bildet.
  • Dieser Versuch wurde durchgeführt indem die Abriebmengen der Prüfstücke (der säulenförmigen Prüfstücke in Scheibenform aus dem Zylinderbuchsenmaterial und der plattenförmigen Prüfstücke, die aus den Mantelabschnitten herausgeschnitten wurden), nach der Vervollständigung des oben beschriebenen Tests zur Messung des Reibungskoeffizienten, gemessen wurden.
  • Die Menge an Abrieb des säulenförmigen Prüfstücks in Scheibenform, welches der Zylinderbuchse entsprach, wurde gemessen, indem die gleitende Kontaktfläche mit einem Lasermikroskop beobachtet wurde und die gesamte Fläche (mm2) des abgeriebenen Bereichs gemessen wurde, und die Menge des Abriebs der plattenförmigen Prüfstücke (welche aus dem Mantelabschnitt geschnitten wurden) wurde gemessen anhand des Vertiefungsvolumens (μm) des abgeriebenen Bereichs, gemessen mit einem Rauigkeitsmessgerät.
  • 7 zeigt die Messergebnisse für die Mengen an Abrieb, die durch die zuvor genannten Verfahren erhalten wurden. Wie sich aus 7 ergibt, konnte bestätigt werden, dass die Mengen an Abrieb sowohl in dem Mantelabschnitt als auch in der Zylinderbuchse, verglichen mit dem nicht behandelten Mantelabschnitt, reduziert wurden in den Fällen, in denen die Mantelabschnitte, die mit einer modifizierten Schicht versehen waren (Ausführungsbeispiel 1) und die Mantelabschnitte, die weiter mit einer Metalloxidschicht versehen waren zusätzlich zu der modifizierten Schicht (Ausführungsbeispiele 2 und 3), verwendet wurden.
  • Es wurde insbesondere bestätigt, dass die Mengen an Abrieb sowohl des Mantelabschnitts als auch der Zylinderbuchse gering waren, wenn die Metalloxidschicht gebildet wurde, verglichen mit dem Fall, in dem nur die modifizierte Schicht ausgebildet wurde (Ausführungsbeispiel 1).
  • Weiterhin wurde bei dem Mantelabschnitt gemäß Ausführungsbeispiel 3, bei dem die Zinkoxidschicht gebildet wurde, kein Abrieb an dem Mantelabschnitt beobachtet, wodurch bestätigt werden konnte, dass die Abriebbeständigkeit extrem hoch war. Ande rerseits wurde bestätigt, dass die Menge an Abrieb an dem säulenförmigen Prüfstück, welches der Zylinderbuchse entsprach, das heißt dem Gegenstück, größer war als in dem Ausführungsbeispiel 2, bei dem eine Zinnoxidschicht ausgebildet wurde.
  • Aus diesen Ergebnissen wurde bestätigt, dass angesichts der Aggressivität gegen die Zylinderbuchse, die der Gegenpart im gleitenden Kontakt mit ihm ist, der Mantelabschnitt, der mit der Zinnoxidschicht versehen ist (Ausführungsbeispiel 2) zu bevorzugende Ergebnisse zeigt.
  • Versuch zur Messung des Reibmitteldrucks (FMEP)
  • Um zu bestätigen, dass die einer Oberflächenbehandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogenen Kolben niedrige Reibeigenschaften haben, wurde der Reibmitteldruck (friction mean effective Pressure FMEP) gemessen in einer Bewertung unter Einsatz einer aktuellen Einrichtung.
  • Die Messung wurde durchgeführt unter Verwendung einer Messvorrichtung wie sie in 8 gezeigt ist, wobei die Reibkraft zwischen der Zylinderbuchse des Zylinders 21 und dem Mantelabschnitt 23 des Kolbens 22 aus Ausführungsbeispiel 1 bestimmt wurde, welcher einer Oberflächenbehandlung unterzogen wurde wie sie in Tabelle 1 gezeigt ist oder diejenige des Kolbens aus Vergleichsbeispiel 1, welcher einer in Tabelle 5 wiedergegebenen Oberflächenbehandlung unterzogen wurde unter Verwendung von Kraftmessdosen 24.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass der Reibmitteldruck (FMEP) ein Wert ist, der durch dividieren der Reibarbeit, welche durch erzeugt die Bewegung eines Kolbens erzeugt wird, durch den Hubraum des Motors erhalten wird.
  • Aus den Ergebnissen des obigen Messversuchs wurde bestätigt, dass der Reibmitteldruck bei dem Kolben von Ausführungsbeispiel 1 etwa 14,5 kPa betrug und der Reibmitteldruck bei dem Kolben von Vergleichsbeispiel 1 etwa 16,8 kPa betrug, was zeigt, dass die Reibung bei dem Kolben von Ausführungsbeispiel 1 im Vergleich zu dem des Kolbens aus Vergleichsbeispiel 1 reduziert wurde.
  • Da die auf dem Mantelabschnitt von Ausführungsbeispiel 1 ausgebildete Gleitschicht und die Gleitschicht auf dem Mantelabschnitt von Vergleichsbeispiel 1 beide aus dem gleichen Material bestehen (PAI Kunstharz in beiden Fällen), wird angenommen, dass diese Reduzierung in der Reibung durch die Differenz in der Oberflächenrauigkeit der gebildeten Gleitschichten verursacht wird.
  • Folglich wurde die Oberflächenrauigkeit beider Gleitschichten gemessen und es wurde gefunden, dass Ra bei Ausführungsbeispiel 1 etwa 0,6 μm betrug und der Ra in dem Vergleichsbeispiel 1 etwa 1,7 μm betrug.
  • Bei der Oberflächenbehandlungsmethode gemäß der vorliegenden Erfindung wurde die Oberflächenrauigkeit der modifizierten Schicht relativ fein eingestellt durch Verwendung vergleichsweise feiner Partikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 20 μm bis 400 μm (50 μm in Ausführungsbeispiel 1), wobei die modifizierte Schicht gebildet wurde. Als Ergebnis daraus wurde diese Oberflächenrauigkeit durch das auf die Oberfläche des Mantelabschnitts bei Bildung der Gleitschicht auf dieser modifizierten Schicht aufgebrachte Kunstharz absorbiert und dadurch konnte die Oberflächenrauigkeit der gebildeten Gleitschicht niedrig gehalten werden, wobei anzunehmen ist, dass dies zu der Verringerung in der Reibung geführt hat.
  • Weiterhin zeigt 9 die obigen Messergebnisse für Ausführungsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 in einer Graphik dargestellt, deren vertikale Achse der Reibmitteldruck (FMEP) ist und deren horizontale Achse die Oberflächenrauigkeit (Ra) ist.
  • Die Oberflächenrauigkeit der auf jedem Mantelabschnitt der Kolben ausgebildeten Gleitschicht kann auf einen Ra-Wert von 1,0 μm oder weniger verringert werden durch die Oberflächenbehandlung nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung. Dabei kann bei Annahme, dass der Reibmitteldruck mit der Veränderung in der Oberflächenrauigkeit (Ra) entlang einer geraden Linie variiert, die durch die in 9 gezeigten Darstellungen verläuft, gesehen werden, dass ein die Reibung reduzierender Effekt bei jedem Kolben, der einer Oberflächenbehandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen wird, erreicht werden kann, im Vergleich zu dem Kolben, bei dem die Gleitschicht direkt auf dem Mantelabschnitt ausgebildet wurde (Vergleichsbeispiel 1).
  • Somit richten sich die breitesten nachfolgenden Ansprüche nicht auf eine Vorrichtung, die in einer spezifischen Art und Weise aufgebaut ist. Vielmehr ist beabsichtigt, durch die weitestgehenden Ansprüche das Herz oder die Essenz dieser durchschlagenden Erfindung zu schützen. Die Erfindung ist klar neu und gewerblich anwendbar. Außerdem legt für einen Fachmann auf diesem Gebiet der Stand der Technik zum Zeitpunkt der Erfindung in seiner Gesamtheit die Erfindung nicht nahe.
  • Auf Grund der revolutionären Natur der Erfindung handelt es sich in jedem Fall um eine Pioniererfindung. Folglich sollen die nachfolgenden Ansprüche sehr breit ausgelegt werden, um nach Maßgabe des Gesetzes den Kern dieser Erfindung zu schützen.
  • Es wird ersichtlich, dass die oben genannten Aufgaben und Ziele der Erfindung so wie sie aus der vorhergehenden Beschreibung entnehmbar sind, in effizienter Weise erzielt werden. Wenn gewisse Änderungen in der obigen Konstruktion vorgenommen werden, ohne den Schutzumfang der obigen Erfindung zu verlassen, sollen alle Ausführungen in der vorhergehenden Beschreibung und das was in den beiliegenden Zeichnungen gezeigt ist nur als erläuternd angesehen werden und keine beschränkende Wirkung haben.
  • Es versteht sich außerdem, dass beabsichtigt ist, dass die nachfolgenden Ansprüche alle allgemeinen und spezifischen Merkmale der Erfindung wie sie hierin beschrieben sind umfassen, ebenso wie alle Lösungen in den Schutzumfang der Erfindung fallen sollen, die bei sprachlicher Auslegung unter diese Ansprüche fallen können.
  • Obwohl außerdem in den Ansprüchen individuelle Merkmale genannt sein mögen, können diese gegebenenfalls in vorteilhafter Weise kombiniert werden und deren Einschluss in verschiedenen Ansprüchen bedeutet nicht, dass nicht eine Kombination dieser Merkmale sinnvoll und vorteilhaft ist. Bezugnahmen auf den Singular sollen die Mehrzahl nicht ausschließen. Somit schließen Wörter wie beispielsweise „ein” „eine”, „erster”, „zweiter” etc. die Mehrzahl nicht aus.
    • 10
    Gleitschicht (Kunstharzbeschichtung)
    11
    modifizierte Schicht
    12
    Basismaterial (Aluminiumlegierung)
    13
    Kristallkörner (Legierungskomponente)
    14
    Metalloxidschicht
    15
    Zonen schwacher Bindung
    16
    Kraftmessdose (Vorrichtung zur Messung des Reibungskoeffizienten)
    17
    Hub
    18
    plattenförmiges Prüfstück
    19
    säulenförmiges Prüfstück
    20
    einwirkende Last (5 N)
    21
    Zylinder
    22
    Kolben
    23
    Mantelabschnitt
    24
    Kraftmessdose als Detektor
    25
    Polyamid-imid-Molekül (PAI)
    26
    Wasserstoffbindung
    27
    Seite des Basismaterials (Aluminiumlegierung)
    28
    Variante Hydroxid
    29
    Variante Oxid
    30
    van der Waals-Bindung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 2005-330941 [0005]

Claims (11)

  1. Verfahren für die Oberflächenbehandlung des Mantelabschnitts eines Kolbens eines Verbrennungsmotors, umfassend: das Durchführen einer Basisbehandlung durch Einstrahlen feiner metallischer oder keramischer Partikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 20 μm bis 400 μm mit Druckluft oder Stickstoff unter Druck als ein Fluidgemisch auf den Mantelabschnitt eines Kolbens eines Verbrennungsmotors, welcher aus einer Aluminiumlegierung besteht, mit einer Strahlgeschwindigkeit von 80 m/s oder mehr oder einem Strahldruck von 0,2 MPa, so dass die Partikel mit dem Mantelabschnitt kollidieren und dabei eine einheitliche Mikrostruktur auf dem Basismaterial des Kolbens erzeugen, welche feinkörnig ist in einem Tiefenbereich von 1 μm bis 15 μm von der Oberfläche des Mantelabschnitts aus betrachtet, und Ausbildung einer modifizierten Schicht mit einer aktivierten Oberfläche; das Ausbilden einer Gleitschicht aus einer Kunstharzbeschichtung mit einem niedrigen Reibkoeffizienten auf der Oberfläche des Mantelabschnitts nach der Basisbehandlung, wobei eine neu erzeugte Fläche an der Oberfläche der modifizierten Schicht geschaffen und aktiviert wird.
  2. Verfahren für die Oberflächenbehandlung des Mantelabschnitts eines Kolbens eines Verbrennungsmotors, umfassend: das Durchführen einer Basisbehandlung zur Ausbildung einer modifizierten Schicht durch Einstrahlen feiner metallischer oder keramischer Partikel mit einem mittleren Durchmesser von 20 μm bis 400 μm mittels Druckluft oder Stickstoff unter Druck als ein Fluidgemisch auf den Mantelabschnitt des Kolbens eines Verbrennungsmotors, welcher aus einer Aluminiumlegierung besteht, mit einer Strahlgeschwindigkeit von 80 m/s oder mehr oder einem Strahldruck von 0,2 MPa oder mehr, so dass die Partikel mit dem Mantelabschnitt kollidieren und dabei eine einheitliche Mikrostruktur auf dem Basismaterial des Kolbens erzeugen, welche feinkörnig ist in einem Tiefenbereich von 1 μm bis 15 μm von der Oberfläche des Mantelabschnitts aus betrachtet und Ausbilden einer Metalloxidschicht mit einer aktivierten Oberfläche durch Einstrahlen feiner Partikel enthaltend Sn, Zn oder Zr mit einem mittleren Durchmesser von 20 μm bis 400 μm mittels Druckluft oder Stickstoff unter Druck als ein Fluidgemisch auf den mit der modifizierten Schicht versehenen Mantelabschnitt mit einer Strahlgeschwindigkeit von 80 m/s oder mehr oder einem Strahldruck von 0,2 MPa oder mehr, so dass diese mit dem Mantelabschnitt kollidieren und dabei das elementare Sn, Zn oder Zr eindringt und sich verteilt in der modifizierten Schicht und dabei oxidiert wird; und das Ausbilden einer Gleitschicht aus einer Kunstharzbeschichtung mit einem niedrigen Reibkoeffizienten auf der Oberfläche des Mantelabschnitts nach der Basisbehandlung, wodurch die Metalloxidschicht aktiviert wird.
  3. Verfahren für die Oberflächenbehandlung des Mantelabschnitts eines Kolbens eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung eine Al-Si-basierte Legierung ist und eine modifizierte Schicht ausgebildet wird, in der die Mikrostruktur feinkörnig gemacht wird, so dass die Si-Komponente in dem Basismaterial einheitlich verteilt ist.
  4. Verfahren für die Oberflächenbehandlung des Mantelabschnitts eines Kolbens eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht innerhalb von drei Stunden nach der Basisbehandlung ausgebildet wird.
  5. Kolben für einen Verbrennungsmotor, umfassend: eine modifizierte Schicht, ausgebildet durch Einstrahlen feiner metallischer oder keramischer Partikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 20 μm bis 400 μm mit Druckluft oder Stickstoff unter Druck als ein Fluidgemisch auf den Mantelabschnitt eines Kolbens eines Verbrennungsmotors, welcher aus einer Aluminiumlegierung besteht, mit einer Strahlgeschwindigkeit von 80 m/s oder mehr oder einem Strahldruck von 0,2 MPa, so dass die Partikel mit dem Mantelabschnitt kollidieren und dabei eine einheitliche Mikrostruktur auf dem Basismaterial des Kolbens erzeugen, welche feinkörnig ist in einem Tiefenbereich von 1 μm bis 15 μm von der Oberfläche des Mantelabschnitts aus betrachtet; und eine Gleitschicht bestehend aus einer Kunstharzbeschichtung mit einem niedrigen Reibkoeffizienten, geformt auf der Oberfläche des Mantelabschnitts, wobei die Oberfläche der modifizierten Schicht aktiviert wird.
  6. Kolben für einen Verbrennungsmotor, umfassend: eine modifizierte Schicht, ausgebildet durch Einstrahlen feiner metallischer oder keramischer Partikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 20 μm bis 400 μm mit Druckluft oder Stickstoff unter Druck als ein Fluidgemisch auf den Mantelabschnitt eines Kolbens eines Verbrennungsmotors, welcher aus einer Aluminiumlegierung besteht, mit einer Strahlgeschwindigkeit von 80 m/s oder mehr oder einem Strahldruck von 0,2 MPa, so dass die Partikel mit dem Mantelabschnitt kollidieren und dabei eine einheitliche Mikrostruktur auf dem Basismaterial des Kolbens erzeugen, welche feinkörnig ist in einem Tiefenbereich von 1 μm bis 15 μm von der Oberfläche des Mantelabschnitts aus betrachtet; eine Metalloxidschicht mit einer aktivierten Oberfläche, ausgebildet durch Einstrahlen feiner Partikel enthaltend Sn, Zn oder Zr mit einem mittleren Durchmesser von 20 μm bis 400 μm mittels Druckluft oder Stickstoff unter Druck als ein Fluidgemisch auf den mit der modifizierten Schicht versehenen Mantelabschnitt mit einer Strahlgeschwindigkeit von 80 m/s oder mehr oder einem Strahldruck von 0,2 MPa oder mehr, so dass diese Partikel mit dem Mantelabschnitt kollidieren und dabei das elementare Sn, Zn oder Zr eindringt und sich verteilt in der modifizierten Schicht und dabei oxidiert wird; und eine Gleitschicht bestehend aus einer Kunstharzbeschichtung mit einem niedrigen Reibkoeffizienten, geformt auf der Oberfläche des Mantelabschnitts nach der Ausbildung der Metalloxidschicht, wobei eine Oberfläche der Metalloxidschicht aktiviert wird.
  7. Kolben für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumbegierung eine Al-Si-basierte Legierung ist und die Mikrostruktur feinkörnig gemacht wird, so dass die Si-Komponente aus dem Basismaterial in der modifizierten Schicht einheitlich verteilt ist.
  8. Verfahren für die Oberflächenbehandlung des Mantelabschnitts eines Kolbens eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur nahe einer Grenzschicht mit der Gleitschicht einheitlich feinkörnig gemacht wird durch Ausbilden einer modifizierten Schicht vor der Ausbildung der Gleitschicht oder durch Ausbilden einer Metalloxidschicht, und dass ein Bereich, von dem aus ein Abschälen beginnt, durch vereinheitlichen der Adhäsiveigenschaften der Gleitschicht bezüglich der modifizierten Schicht oder der Metalloxidschicht eliminiert wird, indem eine Verteilung einer abgeschiedenen Legierungskomponente vereinheitlicht wird.
  9. Verfahren für die Oberflächenbehandlung des Mantelabschnitts eines Kolbens eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenrauigkeit der Oberfläche der modifizierten Schicht oder einer Metalloxidschicht, die auf der Oberfläche des Mantelabschnitts ausgebildet wurde, auf ein Ra von 0,5 μm bis 2,5 μm gebracht wird, und ein Kunstharz für die Ausbildung einer Gleitschicht auf die Oberfläche des Mantelabschnitts aufgebracht wird, welches die Oberflächenrauigkeit absorbiert, so dass die Gleitschicht eine glatte Oberfläche mit einer Rauigkeit Ra von 1,0 μm oder weniger aufweist.
  10. Kolben für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelabschnitt des Kolbens einen Reibmitteldruck von etwa 14,5 kPa aufweist.
  11. Kolben für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche einer modifizierten Schicht oder einer Metalloxidschicht, die auf der Oberfläche des Mantelabschnitts ausgebildet ist, eine Oberflächenrauigkeit Ra von 0,5 μm bis 2,5 μm aufweist und ein Kunstharz für die Ausbildung der Gleitschicht auf die Oberfläche des Mantelabschnitts aufgebracht ist, wobei dieses die Oberflächenrauigkeit absorbiert, so dass die Gleitschicht eine glatte Oberfläche mit einer Oberflächenrauigkeit Ra von 1,0 μm oder weniger aufweist.
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