DE102012207819A1

DE102012207819A1 - Gleitlack für die Beschichtung von Triebwerksmodulen und Beschichtungsverfahren

Info

Publication number: DE102012207819A1
Application number: DE201210207819
Authority: DE
Inventors: Zeynep Kara; Reinhard Rose
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2013-11-14

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gleitlack für die Beschichtung von Triebwerksmodulen, insbesondere Kolben, gegebenenfalls mit Buchsen in der Nabenbohrung, mit Ringen und Bolzen, Zylinderlaufbuchsen und Pleuel, gegebenenfalls mit Lagerschalen oder Buchsen, umfassend zumindest einen Festschmierstoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Graphit, MoS2, WS2, hBN, PTFE und ZnS, gegebenenfalls ein thermisch aushärtbares Polymer ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus PAI, PEEK, PEK, PEKK, PAEK und ein Lösemittel. Erfindungswesentlich ist der Zusatz von plättchenförmigen Metallpigmenten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al, Cu, Ni, Ag, Fe oder Legierungen derselben zu dem Gleitlack. Die Erfindung betrifft auch ein Beschichtungsverfahren für die Beschichtung von Triebwerksmodulen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleitlack für die Beschichtung von Triebwerksmodulen, insbesondere Kolben mit Ringen und Bolzen, Zylinderlaufbuchsen und Pleuel mit Lagerschalen. Die Erfindung betrifft auch ein Beschichtungsverfahren für die Beschichtung von Triebwerksmodulen.
Gleitlacke sind grifftrockene Schmierstofflösungen, die nach ihrer Applikation und Aushärtung eine dünne, reibungs- und verschleißmindernde Schmierstoffschicht bilden. Gattungsgemäße Gleitlacke enthalten Festschmierstoffe als Pigmente, Harze als Bindemittel sowie Lösemittel. Als Pigmente werden vorwiegend Molybdänsulfid, Graphit und Polytetrafluorethylen (PTFE) oder eine Festschmierstoffkombination eingesetzt. Als organische oder anorganische Bindemittel dienen insbesondere Harze; Lösemittel sind demgemäß entweder wässriger oder organischer Natur. Weitere Bestandteile von Gleitlacken können beispielsweise farbgebende Stoffe oder Korrosions-Inhibitoren sein.
Gleitlacke finden Anwendung in Triebwerksmodulen, insbesondere bei Kolben mit Ringen und Bolzen, Zylinderlaufbuchsen und Pleuel mit Lagerschalen. Die tribologisch aktiven Modulkomponenten werden üblicherweise durch Eintauchen, Streichen, Aufspritzen, Elektrotauchlackieren oder durch elektrostatische Rotations- oder Luftzerstäubung mit dem Gleitlack beschichtet, der anschließend mittels einer Wärmebehandlung ausgehärtet wird.
Die DE 100 47 324 A1 offenbart neben einem Tauchverfahren bei dem das komplette Teil in die Suspension getaucht wird und anschließend zentrifugiert und getrocknet wird, ein Verfahren für die Beschichtung von Teilen mit Gleitmittel, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ausgewählte Flächen des Bauteils mit dem Gleitmittel besprüht werden.
Die EP 1 877 659 A1 offenbart ein Verfahren für die Beschichtung von Gleitlagerflächen einer Nabenbohrung, insbesondere für einen Kolben eines Verbrennungsmotors, das dadurch gekennzeichnet ist, dass mittels Rotationszerstäubung eine selbstschmierende Beschichtung aus einem thermisch ausgehärteten Harz mit darin eingelagerten Festschmierstoffpartikel, die jeweils aus einem oder einer Mischung von zwei der Materialien Graphit, Molybdändisulfid, Wolframdisulfid, hexagonales Bornitrid oder PTFE gebildet sind, wobei die aus einzelnen Komponenten und dem Harz bestehende Mischung als Gleitlack auf die Gleitlagerflächen der Nabenbohrung aufgebracht wird. Nachteilig an den bekannten Beschichtungsverfahren ist die lange Aushärtzeit der Beschichtung.
Aufgabe der Erfindung ist es einen Gleitlack für die Beschichtung von Triebwerksmodulen, insbesondere Kolben mit Ringen und Bolzen, Zylinderlaufbuchsen und Pleuel mit Lagerschalen, mit verbesserten tribologischen Eigenschaften, insbesondere im Hinblick auf die Verschleißbeständigkeit, anzugeben. Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein Beschichtungsverfahren für einen Gleitlack für die Beschichtung von Triebwerksmodulen anzugeben, das kostengünstig und einfach anzuwenden ist.
Zur Lösung der Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Gleitlack der eingangs genannten Art vorgesehen, der gekennzeichnet ist, durch plättchenförmige Metallpigmente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al, Cu, Ni, Ag, Fe oder Legierungen derselben.
Zur Lösung der Aufgabe ist erfindungsgemäß ferner ein Beschichtungsverfahren für die Beschichtung von Triebwerksmodulen vorgesehen, das nach der Beschichtung des jeweiligen Triebwerkmoduls mit dem erfindungsgemäßen Gleitlack ein Aushärten mittels einer Wärmebehandlung durch IR-Bestrahlung vorsieht.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass durch den Zusatz von plättchenförmigen Metallpigmenten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al, Cu, Ni, Ag, Fe oder Legierungen derselben Gleitlacke erhältlich sind, die reibungsarm, verschleißfest und gut haftend sind. Die Metallpigmente begünstigen im dem ausgehärteten Gleitlack auch die thermische Leitfähigkeit, was zu einer geringeren thermischen Belastung der Gleitflächen durch eine erhöhte Wärmeableitung führt. Die Metallpigmente erhöhen zudem die Ermüdungsfestigkeit, die insbesondere bei Lagerschalen gefragt ist. Die erfindungsgemäßen Gleitlacke eignen sich für die Beschichtung aller Triebwerksmodule aber auch für andere Bauteile im Motor.
Ferner hat sich gezeigt, dass die plättchenförmigen Metallpigmente in den erfindungsgemäßen Gleitlacken die Aushärtung durch eine verbesserte Reflexion der IR-Strahlen begünstigen. Demnach wirken die IR-Strahlen insbesondere da, wo eine Beschichtung mit Gleitlack erfolgte, und weniger da wo keine Beschichtung mit Gleitlack besteht. Im Vergleich zu einer thermischen Aushärtung nach dem Stand der Technik wird das Triebwerksmodul nur da erwärmt, wo eine Erwärmung auch benötigt wird. Im Ergebnis wird damit eine schnellere Aus- bzw. Durchhärtung des Gleitlacks bei einem geringeren Energiebedarf erreicht.
Die plättchenförmigen Metallpigmente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al, Cu, Ni, Ag, Fe oder Legierungen derselben, beispielsweise (MeI)_x(MeII)_y.
Neben den Festschmierstoffen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Graphit, MoS₂, WS₂, hBN, PTFE und ZnS und/oder Sulfide oder Phosphate anderer Metalle, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dem erfindungsgemäßen Gleitlack zusätzlich zumindest einen Hartstoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus WC, SiC, Si₃N₄, B₄C, cBN und Al₂O₃. zuzusetzen. Diese temperaturbeständigen Hartstoffe bewirken neben einer verbesserten Verschleißbeständigkeit auch eine verbesserte Härtung. Bei einer tribologischen Beanspruchung erfolgt dann ein Übertrag der eingebundenen Festschmierstoffe auf den Gegenkörper, wobei sich ein sogenannter Transferfilm ausbildet, der zu einer Reduzierung der Scherkräfte und somit zu verminderten Reibwerten führt.
Die Zusammensetzung der Festschmierstoffe und der Hartstoffe bzw. deren Mischungsverhältnis ist in Abhängigkeit der Anforderungen des Gleitlacks von einem Fachmann zu ermitteln. In vorteilhafterweise enthält der ausgehärtete Gleitlack 50 bis 60 Gew.-% Festschmierstoffpartikel bzw. eine Mischung an Festschmierstoffpartikel mit einer Partikelgröße von 0,5 bis 10 µm und Hartstoffpartikeln mit einer Partikelgröße von 0,2 bis 1 µm). Die Schicht-dicke des ausgehärteten Gleitlacks liegt bevorzugt zwischen 10 und 30 μm.
Die erfindungsgemäßen Gleitlacke umfassen zumindest ein thermisch aushärtbares Polymer ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus PAI (Polyamidimide), PEK, PEEK PAEK, PEEK (Polyetheretherketone). Zu Verbesserung der Haftung der Gleitlacke auf den metallischen Oberflächen kann in vorteilhafterweise den erfindungsgemäßen Gleitlacken zumindest ein Epoxidharz zugesetzt sein. Als Lösemittel dienen beispielsweise Benzine, verschiedene Ester oder Wasser.
Eine Additivierung der erfindungsgemäßen Gleitlacke mit Reaktivstoffen, wie beispielsweise Zinkphosphaten, erhöht die Gleitfähigkeit, da derartige Reaktivstoffe mit dem Gegenlaufpartner reagieren und zusätzlich einen gleitfähigen Schmierfilm ausbilden. So bildet sich beispielsweise durch den Zusatz von Zinkphosphat als Additiv und Stearinsäure im Motoröl Zinkstearat aus, das einen vorteilhaften Schmierfilm darstellt. Alle bekannten Additivtype, wie beispielsweise Hartstoffe, Festschmierstoffe, CNT’s und Reaktivstoffe können singulär oder in Kombination mit Additivtypen aus anderen Klassen eingesetzt werden, wobei die Gleitlacke noch weitere Additive und Hilfsstoffe, wie beispielsweise Netzmittel, Entschäumer, Verlaufsadditive oder Dispergierhilfsmittel aufweisen können.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält der erfindungsgemäße Gleitlack Kohlenstoffnanoröhren, sog. CNTs. Es wurde gefunden, dass durch den Zusatz von CNTs in dem ausgehärteten Gleitlack in vorteilhafterweise die thermische Leitfähigkeit weiter verbessert wird. Da diese stark verbesserte Wärmeableitung auf der Kühlseite der Bauteile, insbesondere der Triebwerksmodule erfolgt, sinkt entsprechend auf der Warmseite die lokale thermische Belastung. Damit verbunden sind auch Vorteile in der Festigkeit der Bauteile bzw. im Kontakt mit Motorölen durch eine deutlich geringere Gefahr der Bildung von Ölkohle oder anderen wärmeisolierenden Schichten. Der Gleitlack besteht bevorzugt aus einer polymeren Matrix, in die die hochwärmeleitenden CNTs eingelagert sind. Das CNT-Material kann dabei aus ein- und/oder mehrwandigen CNTs (SWCNT = single-walled CNT, DWCNT = double-walled CNT, MWCNT = multi-walled CNT) oder aus einem Gemisch dieser Komponenten bestehen. Sowohl Einzelformen als auch Agglomerate können verwendet werden. Die eingelagerten Materialien können als Pulver, tubes, sheets oder in ähnlicher Form vorliegen. Zudem besteht die Möglichkeit bei CNTs oberflächenaktiviertes Material zu verwenden, um eine bessere Einbettung in die Matrix zu gewährleisten.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält der erfindungsgemäße Gleitlack Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) und WC als Hartstoff. Neben der stark verbesserten Wärmeableitung auf der Kühlseite zeigen derartige Gleitlacke auch ein Maximum an Verschleißbeständigkeit und Härte. In Abhängigkeit von dem zu beschichtenden Modul wird WC in nanoskaliger oder aber in gröberer Form eingesetzt.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird zudem gelöst von einem Beschichtungsverfahren für die Beschichtung von Triebwerksmodulen, insbesondere Kolben mit Ringen und Bolzen, Zylinderlaufbuchsen und Pleuel mit Lagerschalen, mit einem erfindungsgemäßen Gleitlack, das durch zumindest folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:

a) Beschichtung des jeweiligen Triebwerkmoduls mit Gleitlack durch Eintauchen, Streichen, Aufspritzen, Elektrotauchlackieren, elektrostatische Rotations- oder Luftzerstäubung und
b) Aushärten des Gleitlacks mittels einer Wärmebehandlung durch IR-Bestrahlung.

Grundsätzlich kann die Beschichtung des jeweiligen Triebwerkmoduls mit dem erfindungsgemäßen Gleitlack durch Beschichtungsverfahren gemäß dem Stand der Technik erfolgen. Hierunter fallen beispielsweise Streichen, Aufspritzen, Elektrotauchlackieren, elektrostatisches Rotations- oder Luftzerstäubung oder dergleichen. Sind die hochwärmeleitenden Komponenten, insbesondere die plättchenförmigen Metallpigmente und/oder die Kohlenstoffnanoröhren in eine hochtemperaturstabile Polymer-Matrix eingebunden, kann die Beschichtung mit dem Gleitlack, insbesondere bei komplizierten Modulgeometrien, auch durch Drucken oder Aufschleudern erfolgen.
Grundsätzlich kann die Beschichtung mit einem pulverförmigen Gleitlack auch durch Aufblasen oder Aufstreuen erfolgen, wenn auf das zu beschichtende Triebwerksmodul zunächst ein Basislack aufgetragen wurde.
Bevorzugt wird der erfindungsgemäße Gleitlack im Siebdruck aufgebracht alternativ oder zusätzlich kann dieser auch im Spritzen aufgebracht werden. Diese Applikationsform erzeugt eine annährend konstante Schichtdicke mit einer sehr guten Oberflächengüte.
Erfindungswesentlich ist das Aushärten des Gleitlacks mittels einer Wärmebehandlung durch IR-Bestrahlung. Bevorzugt wird das zu beschichtende Triebwerksmodul mit IR-Bestrahlung beaufschlagt, da die plättchenförmigen Metallpigmente die Aushärtung durch eine verbesserte Reflexion der IR-Strahlen begünstigen. Demnach wirken die IR-Strahlen insbesondere da, wo eine Beschichtung mit Gleitlack erfolgte, und weniger da wo keine Beschichtung mit Gleitlack besteht. Im Ergebnis werden damit wesentlich kürzere Behandlungszeiten bei geringerem Energiebedarf erreicht. Zum Aushärten der erfindungsgemäßen Gleitlacke werden vorzugsweise zwischen 2 und 3 Temperaturrampen gefahren. Gegebenenfalls kann das zu beschichtende Modul vorgeheizt werden, beispielsweise auf eine Temperatur von 50 bis 80°C.
In Abhängigkeit der Gleitlackzusammensetzung können die Temperaturrampen beispielsweise 100°C für 2 min und anschließend 230°C für 3 min zu einer vollständigen Aus- und Durchhärtung des Gleitlacks ausreichen. Im Vergleich dazu benötigt ein konventionelles Verfahren ohne den erfindungsgemäßen Zusatz bis zu 45 min. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich daher kostengünstig in die Serienfertigung einbinden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10047324 A1 [0004]
EP 1877659 A1 [0005]

Claims

Gleitlack für die Beschichtung von Triebwerksmodulen, insbesondere Kolben, gegebenenfalls mit Buchsen in der Nabenbohrung, mit Ringen und Bolzen, Zylinderlaufbuchsen und Pleuel, gegebenenfalls mit Lagerschalen umfassend zumindest einen Festschmierstoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Graphit, MoS₂, WS₂, hBN, PTFE und ZnS, gegebenenfalls ein thermisch aushärtbares Polymer ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus PAI, Epoxyverbindungen, PEEK, PEK, PEKK, PAEK und ein Lösemittel, gekennzeichnet, durch plättchenförmige Metallpigmente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al, Cu, Ni, Ag, Fe oder Legierungen derselben.
Gleitlack nach Patentanspruch 1, zusätzlich umfassend zumindest einen Hartstoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus WC, SiC, Si₃N₄, B₄C, cBN und Al₂O₃.
Gleitlack nach Patentanspruch 1 oder 2, zusätzlich umfassend zumindest einen Reaktivstoff.
Gleitlack nach Patentanspruch 1, 2 oder 3, zusätzlich umfassend ein- und/oder mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren oder ein Gemisch dieser Komponenten.
Gleitlack nach Patentanspruch nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die plättchenförmigen Metallpigmente eine mittlere Teilchengröße von 0,5 bis 10 μm und die Hartstoffe eine mittlere Teilchengröße von 0,2 bis 2 µm haben.
Beschichtungsverfahren für die Beschichtung von Triebwerksmodulen, insbesondere Kolben mit Ringen und Bolzen, Zylinderlaufbuchsen und Pleuel mit Lagerschalen mit einem Gleitlack nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch zumindest folgende Verfahrensschritte: a) Beschichtung des jeweiligen Triebwerkmoduls mit Gleitlack durch Siebdruck, Eintauchen, Streichen, Aufspritzen, Elektrotauchlackieren, elektrostatisches Rotations- oder Luftzerstäubung und b) Aushärten des Gleitlacks mittels einer Wärmebehandlung durch IR-Bestrahlung.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch zwei Temperaturrampen, einer ersten Rampe von 80 bis 120°C für 1 bis 3 min und einer zweiten Rampe von 200 bis 250°C für 2 bis 4 min.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Triebwerkmoduls bei der Beschichtung eine Temperatur von Raumtemparatur bis 80°C aufweist.