DE102013206799A1

DE102013206799A1 - Haftungsoptimierte Beschichtungszusammensetzung zur Kolbenbeschichtung

Info

Publication number: DE102013206799A1
Application number: DE102013206799.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Fuhrmann; Dominik Leitzmann; Monika Blümm; Margrit Dannenfeldt
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2013-04-16
Filing date: 2013-04-16
Publication date: 2014-10-16

Abstract

Es wird eine Beschichtungszusammensetzung für einen Kolben, insbesondere einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, bereitgestellt, umfassend: – ein Phenolharz, – zumindest einen Festschmierstoff, und – ein Silan der folgenden Formel 1,(Formel 1) worin R entweder Phenyl-(CH2)m- oder R3O- ist, R1, R2 und R3 unabhängig voneinander eine C1-4-Alkylgruppe darstellen, und n und m unabhängig voneinander 0 oder eine ganze Zahl von 1–4 darstellen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Beschichtungszusammensetzung mit verbesserter Haftung für einen Kolben, insbesondere für einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, bevorzugt für den Kolbenschaft, einen beschichteten Kolben sowie ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Kolbens.
Stand der Technik
Zur Reduzierung der zwischen Kolbenschaft und Zylinderlauffläche im System Kolben-Zylinderlaufbuchse auftretenden Reibung in einem Verbrennungsmotor wird üblicherweise eine Beschichtung (z. B. ein Gleitlack) auf den Kolbenschaft aufgebracht. Typischerweise werden für solche Beschichtungen Polymerverbindungen verwendet, die auf die zu beschichtende Oberfläche aufgetragen und dann unter Zufuhr von Energie vernetzt werden, so dass eine stabile Oberflächenbeschichtung ausgebildet wird.
Die Reibleistung bzw. das Reibverhalten zwischen Kolbenschaft und Zylinderlauffläche beeinflusst direkt den Energie- bzw. den Kraftstoffbedarf des Verbrennungsmotors. Aus diesem Grunde hat die Optimierung des Reibverhaltens im Zuge der Bemühungen, den Kraftstoffbedarf sowie den damit verbundenen CO₂-Ausstoß von Verbrennungsmotoren zu senken, große Aufmerksamkeit gefunden. Dabei sind insbesondere Beschichtungen von Kolben und Kolbenschaft als eine der direkt an der Erzeugung der Reibleistung beteiligten Oberflächen in den Mittelpunkt des Interesses gerückt. Durch Beschichtungen, die Festschmierstoffpartikel, beispielweise Graphit, MoS₂, WS₂, BN, PTFE oder Mischungen daraus, enthalten, konnten die tribologischen Eigenschaften wesentlich verbessert und eine Verringerung der Reibleistung erzielt werden. Eine optimierte für Kolben verwendete Beschichtung umfasst somit heute üblicherweise eine Polymermatrix und Festschmierstoffpartikel. Eine solche Beschichtung wird auch als Gleitlack bezeichnet.
Beispielsweise beschreibt die DE 10 2009 002 716 A1 eine Beschichtungszusammensetzung umfassend ein Phenolharz, zumindest einen Festschmierstoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Graphit, MoS₂, WS₂, BN und PTFE, und Carbonfasern.
Bei einem solchen Gleitlack müssen die Festschmierstoffpartikel so in der Polymermatrix fixiert werden, dass eine ausreichende Verschleißbeständigkeit gegen mechanischen Abrieb gewährleistet ist. Insbesondere die anorganischen Festschmierstoffe, wie Graphit, MoS₂, WS₂ und BN, zeigen jedoch eine geringere Affinität zu der Polymermatrix. Zusätzlich wirkt sich der Gehalt an anorganischem Festschmierstoff nachteilig auf die Haftung des Gleitlacks auf der Kolbenoberfläche aus.
Im Stand der Technik wird eine Optimierung der Haftung eines Beschichtungssystems auf dem Kolben bzw. dem Kolbenschaft durch Vergrößern der zu beschichtenden Oberfläche des Kolbens erreicht. Die erzielte Oberflächenvergrößerung sorgt für eine bessere physikalische Verbindung zwischen der zu beschichtenden Kolbenoberfläche und der Beschichtung.
Hierfür wird der Kolben bzw. die Kolbenoberfläche einer chemischen und/oder mechanischen Behandlung unterzogen. Besonders bevorzugt wird beispielsweise ein chemischer Beizprozess in Folge eines Waschprozesses angewendet. Dabei wird üblicherweise der Kolben vor dem Aufbringen der Beschichtung gereinigt, um grobe Verschmutzungen aus vorgelagerten Bearbeitungsprozessen zu entfernen. Im Rahmen dieser Reinigung erfolgt eine chemische Anätzung bzw. Aktivierung der Oberfläche durch die verwendeten Reinigungschemikalien. Durch diese Anätzung/Aktivierung werden auch eventuell vorhandene Oxidschichten (z. B. auf Aluminium) entfernt und so eine chemisch reaktivere Oberfläche erzielt, die eine bessere Anbindung der aufzutragenden Beschichtung am Kolben ermöglichen soll.
In der Regel führen die Verfahren des Standes der Technik zu einer zufriedenstellenden Haftung des Gleitlacks am Kolben. Für bestimmte Anwendungen ist jedoch eine stärkere Anbindung des Gleitlacks an den Kolben wünschenswert.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, das Haftvermögen der Beschichtung auf der Kolbenoberfläche, insbesondere auf der Kolbenschaftoberfläche, zu verbessern. Insbesondere liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine sichere Haftung auf der Kolbenoberfläche, insbesondere auf der Kolbenschaftoberfläche, auch dann zu gewährleisten, wenn die Beschichtung einen hohen Gehalt an Festschmierstoffpartikeln enthält.
Darstellung der Erfindung
Überraschend hat sich herausgestellt, dass sich die oben beschriebenen Ziele erreichen lassen, wenn der Beschichtungszusammensetzung ein spezielles Silan als Haftvermittler zugesetzt wird. Das Silan kompensiert dabei die wegen der Anwesenheit von nichtbindenden Festschmierstoffpartikeln verringerte Bindung zwischen der Polymermatrix und der Kolbenoberfläche, insbesondere der Kolbenschaftoberfläche.
Erfindungsgemäß wird daher eine Beschichtungszusammensetzung für einen Kolben, insbesondere einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, bereitgestellt, umfassend:

– ein Phenolharz,
– zumindest einen Festschmierstoff, und
– ein Silan der folgenden Formel 1,
(Formel 1) worin R entweder Phenyl-(CH₂)_m- oder R³O- ist, R¹, R² und R³ unabhängig voneinander eine C_1-4-Alkylgruppe darstellen, und n und m unabhängig voneinander 0 oder eine ganze Zahl von 1–4 darstellen.

In dem Silan der Formel 1 stellt R Phenyl-(CH₂)_m- oder R³O-, bevorzugt Phenyl- oder R³O-, dar.
Phenylreste können entweder subsituiert oder unsubstituiert sein, bevorzugt sind sie unsubstituiert.
R¹, R² und R³ stellen unabhängig voneinander eine C_1-4-Alkylgruppe dar, beispielweise Methyl, Ethyl, Propyl, iso-Propyl, Butyl, iso-Butyl oder tert-Butyl, bevorzugt Methyl.
n und m stellen unabhängig voneinander 0 oder eine ganze Zahl von 1–4 dar. Bevorzugt sind n und m gleich 0.
Besonders bevorzugte Ausführungsformen des Silans der Formel 1 sind Phenyltrimethoxysilan und Diphenyldimethoxysilan, insbesondere Phenyltrimethoxysilan.
Das Silan wird in einer Menge von 0,1 bis 10 Gew.-%, besonders bevorzugt von 1 bis 5 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmenge der Beschichtungszusammensetzung zugesetzt.
Das Silan wirkt als Haftvermittler und ist durch seine chemische Struktur an die Anforderungen und die Bestandteile der Beschichtung angepasst. In dem Silan der Formel 1 dienen die Alkoxy-Gruppen, bevorzugt die Methoxygruppen, als Haftvermittler zu der Kolbenoberfläche, während die Phenylgruppen in der fertigen Beschichtung die Haftung zur organischen Polymermatrix vermitteln. So zeigen im Fall des Phenyltrimethoxysilans die Methoxy-Substituenten eine erhöhte Affinität zu der oxidierten oder hydroxylierten Oberfläche des Kolbens, während der Phenolrest eine deutlich attraktive Wechselwirkung zu der verwendeten Phenolharzmatrix aufweist.
Das in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung enthaltene Phenolharz ist bevorzugt ein thermisch härtbares Phenolharz. Thermisch härtbare Phenolharze, sogenannte Resole, können im Gegensatz zu den Novolaken über Hydroxylgruppen vernetzen. Bevorzugt werden Phenolharze mit einem mittleren Molekulargewicht von 500–1500 g/mol eingesetzt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Zusammensetzung ferner ein Epoxidharz. Der Zusatz von Epoxidharzen verbessert im Allgemeinen die Haftung der Schichten auf metallischen Oberflächen sowie deren Flexibilität. Zu diesem Zweck werden bevorzugt Epoxidharze auf Basis von Bisphenol A mit einem Molekulargewicht von 2000–4000 g/mol und einem Epoxyäquivalent > 700 g/mol eingesetzt.
Im Rahmen der Erfindung werden diese Harze bevorzugt als Lösung in einem Lösungsmittel eingesetzt. Die Wahl des Lösungsmittels richtet sich im Wesentlichen nach der Art der Lackapplikation und hat keinen Einfluss auf die Eigenschaften der ausgehärteten Beschichtung. Die Beschichtung von Kolben wird häufig im Siebdruckverfahren durchgeführt. Für diese Anwendung sind insbesondere Lösungsmittel mit hohem Siedepunkt bevorzugt. Geeignete Lösungsmittel sind z. B. Butylglycolacetat, Ethylglycolacetat, Dipropylenglycol, Dipropylenglycolbutylether und Butoxyethanol.
Das Phenolharz und ggf. das Epoxidharz können alternativ auch als wasserverdünnbare Dispersion eingesetzt werden.
Die Beschichtungszusammensetzung umfasst weiterhin Festschmierstoffpartikel. Erfindungsgemäß werden als Festschmierstoff(e) Feststoffe mit mit einer laminarartig kristallisierenden Struktur eingesetzt, beispielsweise Graphit, MoS₂, WS₂ und α-BN. Ferner können Polymere, wie z. B. PTFE eingesetzt werden. Erfindungsgemäß sind Graphit, MoS₂, WS₂, α-BN und Mischungen daraus besonders bevorzugt.
Ferner kann die Beschichtungszusammensetzung funktionelle Bestandteile, beispielsweise Poliermedien und/oder mit Flüssigschmierstoff gefüllte Partikel enthalten. Erfindungsgemäß werden als Poliermedien Korund, kubisches BN oder irgendein beliebiger anderer bekannter Hartstoffpartikel wie beispielsweise TiN, TiCN, TiAlN, CN, ZrN, HfN, WC, TaC und TiC oder Mischungen daraus verwendet. Diese Poliermedien werden in Form von Partikeln eingesetzt.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die erfindungsgemäße Zusammensetzung weiter Carbonfasern. Bevorzugt sind Carbonfasern mit einer mittleren Faserdicke ≤ 100 μm, bevorzugt von 1–10 μm, sowie einer mittleren Faserlänge ≤ 1000 μm, bevorzugt von 10–500 μm. Die erfindungsgemäße Zusammensetzung kann auch sogenannte Carbon-Nanofasern enthalten, deren mittlere Faserdicke im Gegensatz zu herkömmlichen Carbonfasern unterhalb 1 μm liegt, bevorzugt in einem Bereich von 10–500 nm. Dabei werden die Dicke und die Länge der Carbonfasern mit einem Lichtmikroskop bestimmt. Bei Carbon-Nanofasern können diese mittels Rasterelektronenmikroskopie bestimmt werden.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird die das Silan enthaltende Beschichtungszusammensetzung zumindest abschnittsweise auf die Kolbenoberfläche, bevorzugt die Kolbenschaftoberfläche und/oder den Feuersteg, aufgebracht.
Folglich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Beschichtung eines Kolbens, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, umfassend die folgenden Schritte:

(1) das zumindest abschnittsweise Aufbringen einer erfindungsgemäßen Beschichtungszusammensetzung auf den Kolben, insbesondere auf den Kolbenschaft, und
(2) das Aushärten der Beschichtungszusammensetzung.

Das Aufbringen der Beschichtungszusammensetzung auf den Kolben kann durch jedes bekanntes Verfahren zur Aufbringung von Beschichtungen auf Oberflächen erfolgen. Bevorzugt kommen Siebdruck- oder Sprühverfahren zum Einsatz. Hierbei wird zunächst die noch nicht vernetzte Beschichtungszusammensetzung auf die zu beschichtende Oberfläche aufgetragen. Anschließend wird die Beschichtungszusammensetzung ausgehärtet bzw. vernetzt. Das Härten bzw. Vernetzen kann thermisch oder mittels Strahlung, beispielsweise durch UV- oder IR-Strahlung, erfolgen. Bevorzugt erfolgt es thermisch oder mittels IR-Strahlung.
Erfindungsgemäß besteht die Oberfläche des zu beschichtenden Kolbens bzw. Kolbenschafts und/oder Feuerstegs bevorzugt aus Aluminium, Stahl oder Legierungen davon, besonders bevorzugt aus Aluminium.
Die erhaltene Beschichtung weist üblicherweise eine Schichtdicke von 5 bis 50 Mikrometern, bevorzugt von 10 bis 25 Mikrometern auf.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Kolben, insbesondere ein Kolben für einen Verbrennungsmotor, der zumindest abschnittsweise eine Beschichtung aus der erfindungsgemäßen Zusammensetzung aufweist. Ein solcher Kolben zeichnet sich dadurch aus, dass die aufgetragene Beschichtung trotz eines hohen Gehalts an anorganischen Partikeln, insbesondere Festschmierstoffpartikeln, sicher an dem Kolben, bevorzugt dem Kolbenschaft, haftet.
Die vorliegende Erfindung verbessert die Anbindung von mit funktionellen Zusätzen, insbesondere Festschmierstoffpartikeln, versehenen Beschichtungszusammensetzungen an die Oberfläche eines Substrats, beispielsweise eines Kolbens, bevorzugt eines Kolbenschafts. Da das erfindungsgemäße Verfahren das Haftvermögen der Beschichtungszusammensetzung auf einem Kolben, bevorzugt auf einem Kolbenschaft verbessert, ermöglicht es die Verwendung eines höheren Gehalts an Festschmierstoffen und anderen funktionellen Zusätzen, wie beispielsweise Poliermedien, in der Polymermatrix ohne die Hafteigenschaften zum Untergrund zu schwächen. Durch den Einsatz größerer Mengen Festschmierstoffpartikel lässt sich die Reibleistung zwischen Kolbenschaft und Zylinderlauffläche (stark) reduzieren, was einen geringeren Energie- bzw. Kraftstoffbedarf und somit einen geringeren CO₂-Ausstoß des Verbrennungsmotors zur Folge hat.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009002716 A1 [0004]

Claims

Beschichtungszusammensetzung für einen Kolben, insbesondere einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, umfassend: – ein Phenolharz, – zumindest einen Festschmierstoff, und – ein Silan der folgenden Formel 1,
(Formel 1) worin R entweder Phenyl-(CH₂)_m- oder R³O- ist, R¹, R² und R³ unabhängig voneinander eine C_1-4-Alkylgruppe darstellen, und n und m unabhängig voneinander 0 oder eine ganze Zahl von 1–4 darstellen.
Beschichtungszusammensetzung gemäß Anspruch 1, wobei die Beschichtungszusammensetzung einen oder mehrere Festschmierstoff(e) ausgewählt aus Graphit, MoS₂, WS₂, α-BN und Mischungen daraus umfasst.
Beschichtungszusammensetzung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Beschichtungszusammensetzung weiter ein Epoxidharz umfasst.
Beschichtungszusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Beschichtungszusammensetzung weiter Carbonfasern umfasst.
Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 4, wobei die Carbonfasern eine Dicke von ≤ 100 μm und eine Länge von ≤ 500 μm aufweisen.
Beschichtungszusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Silan Phenyltrimethoxysilan oder Diphenyldimethoxysilan ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens, insbesondere eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, umfassend die folgenden Schritte: (1) das zumindest abschnittsweise Aufbringen einer Beschichtungszusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf den Kolben, insbesondere auf den Kolbenschaft, und (2) das Aushärten der Beschichtungszusammensetzung.
Kolben, insbesondere Kolben für einen Verbrennungsmotor, der zumindest abschnittsweise, bevorzugt zumindest abschnittsweise am Kolbenschaft, eine Beschichtung aus der Beschichtungszusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfasst.
Kolben gemäß Anspruch 8, erhältlich mittels des Verfahrens nach Anspruch 7.
Verwendung eines Silans der Formel 1 nach Anspruch 1, bevorzugt von Phenyltrimethoxysilan oder Diphenyldimethoxysilan, zur Verbesserung der Haftung einer Beschichtungszusammensetzung, die ein Phenolharz und zumindest einen Festschmierstoff umfasst, an einem Kolben, insbesondere an einem Kolben für einen Verbrennungsmotor, bevorzugt an einem Kolbenschaft, wobei der Haftvermittler der Beschichtungszusammensetzung zugesetzt wird.