DE102013206801A1 - Method for producing a coated piston - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Kolbens bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst: (1) das zumindest abschnittsweise Behandeln des Kolbens, insbesondere des Kolbenschafts, mit einem Plasmastrahl, wobei mittels Pyrolyse eines siliziumhaltigen Präkursors eine siliziumhaltige Schicht auf den behandelten Bereich aufgebracht wird; (2) das Aufbringen einer Beschichtung auf den behandelten Bereich des Kolbens.A method for producing a coated piston is provided, which comprises the following steps: (1) treating the piston, in particular the piston skirt, at least in sections with a plasma jet, a silicon-containing layer being applied to the treated area by means of pyrolysis of a silicon-containing precursor ; (2) applying a coating to the treated area of the piston.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft die Verbesserung des Haftvermögens von Kolbenbeschichtungen und Kolbenschaftbeschichtungen, sowie Verfahren zur Herstellung beschichteter Kolben und Kolbenschäfte.The invention relates to improving the adhesion of piston coatings and piston skirt coatings, as well as methods of making coated pistons and piston shafts.
Stand der TechnikState of the art
Zur Reduzierung der Reibung zwischen Kolbenschaft und Zylinderlauffläche wird bei Verbrennungsmotoren (Otto- und Dieselmotoren) üblicherweise eine Beschichtung auf den Kolbenschaft aufgebracht. Durch das Aufbringen eines Gleitlacks lässt sich das durch übermäßige Reibung zwischen Kolbenschaft und Zylinderlauffläche verursachte Auftreten von sogenannten Fressern reduzieren oder sogar ganz vermeiden.To reduce the friction between the piston skirt and the cylinder surface, a coating is usually applied to the piston skirt in internal combustion engines (petrol and diesel engines). By applying a lubricating varnish, the occurrence of so-called scavengers caused by excessive friction between piston skirt and cylinder surface can be reduced or even completely avoided.
Ein solcher Gleitlack umfasst üblicherweise eine Polymermatrix, der zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften Festsschmierstoffpartikel, beispielweise aus Graphit, MoS2, WS2, α-BN, PTFE und Mischungen daraus, zugesetzt werden. Diese müssen in der Polymermatrix fixiert werden und wirken sich häufig nachteilig auf die Haftung des Gleitlacks am Kolben aus.Such a bonded coating usually comprises a polymer matrix to which solid lubricant particles, for example of graphite, MoS 2 , WS 2 , α-BN, PTFE and mixtures thereof, are added in order to improve the tribological properties. These must be fixed in the polymer matrix and often have an adverse effect on the adhesion of the bonded coating on the piston.
Das Aufbringen des Gleitlacks auf den Kolben erfolgt in mehreren Verfahrensschritten. Zunächst wird der noch nicht vernetzte Gleitlack z. B. durch ein Siebdruck- oder Sprühverfahren aufgetragen. Anschließend wird der Gleitlack je nach Technik thermisch oder mittels Strahlung, beispielsweise durch ultraviolettes Licht oder Infrarotstrahlung, vernetzt und dadurch stabilisiert.The application of the lubricating varnish on the piston takes place in several process steps. First, the not yet cross-linked lubricating varnish z. B. applied by a screen printing or spraying. Subsequently, depending on the technique, the bonded coating is crosslinked thermally or by means of radiation, for example by ultraviolet light or infrared radiation, and is thereby stabilized.
Üblicherweise werden die Kolben vor dem Aufbringen des Gleitlacks gereinigt, um grobe Verschmutzungen aus vorgelagerten Bearbeitungsprozessen zu entfernen. Im Rahmen dieser Reinigung erfolgt in der Regel auch eine chemische Anätzung bzw. Aktivierung der Oberfläche durch die verwendeten Reinigungschemikalien. Durch diese Anätzung/Aktivierung werden eventuell vorhandene Oxidschichten (z. B. auf Aluminium) entfernt und so eine chemisch reaktivere Oberfläche erzielt, die eine bessere Anbindung der aufzutragenden Beschichtung am Kolben ermöglicht. Ferner wird die Oberfläche vergrößert und so eine bessere physikalische Haftung der Beschichtung (z. B. des Gleitlacks) erreicht. In der Regel erfolgt diese Reinigung einschließlich des Anätzungs-/Aktivierungsvorganngs nicht selektiv, d. h. es wird der gesamte Kolben behandelt.Usually, the pistons are cleaned before applying the lubricating varnish to remove coarse contaminants from upstream machining processes. As part of this cleaning is usually also a chemical etching or activation of the surface by the cleaning chemicals used. This etching / activation removes any oxide layers (eg on aluminum) that may be present and thus achieves a chemically more reactive surface, which enables better bonding of the coating to the piston to be applied. Furthermore, the surface area is increased and thus a better physical adhesion of the coating (eg of the bonded coating) is achieved. In general, this cleaning, including the etching / activation process, is not selective, i. E. H. it is treated the entire piston.
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.In general, the methods of the prior art lead to a satisfactory adhesion of the bonded coating on the piston. For certain applications, however, a stronger connection of the lubricating varnish to the piston is desirable.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, das Haftvermögen der Oberfläche des Kolbens zu verbessern. Weiterhin hat die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, die zielgerichtete Applikation des Gleitlacks auf den Kolben, insbesondere den Kolbenschaft, zu ermöglichen.The present invention is therefore based on the object to improve the adhesion of the surface of the piston. Furthermore, the present invention has for its object to enable the targeted application of the bonded coating on the piston, in particular the piston skirt.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Überraschend hat sich herausgestellt, dass sich die oben beschriebenen Ziele erreichen lassen, wenn die Oberfläche des Kolbens, insbesondere des Kolbenschafts, unmittelbar vor dem Aufbringen der Beschichtung, beispielsweise eines Gleitlacks, mithilfe des Pyrosilverfahrens gezielt mit einer haftvermittelnden siliziumhaltigen Schicht überzogen wird. Bei dem Pyrosilverfahren handelt es sich um eine Flammenpyrolyse, mit der eine siliziumhaltige Schicht auf dem Substratmaterial erzeugt wird. Die zu behandelnde Oberfläche wird hierfür durch den oxidierenden Bereich eines Plasmastrahls geführt, in welchen eine siliziumhaltige Substanz, der ”Präkursor”, eindosiert ist. Die so auf der Substratoberfläche erzeugte siliziumhaltige Schicht sorgt für eine bessere mechanische Verankerung der nachfolgend aufgebrachten Beschichtung (des Gleitlacks).Surprisingly, it has been found that the objectives described above can be achieved if the surface of the piston, in particular of the piston shaft, is directly coated with an adhesion-promoting silicon-containing layer by means of the Pyrosil process immediately before the application of the coating, for example a bonded coating. The pyrosil method is a flame pyrolysis that creates a silicon-containing layer on the substrate material. For this purpose, the surface to be treated is passed through the oxidizing region of a plasma jet, in which a silicon-containing substance, the "precursor", is metered in. The silicon-containing layer thus produced on the substrate surface provides better mechanical anchoring of the subsequently applied coating (the lubricating varnish).
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- (1) das zumindest abschnittsweise Behandeln des Kolbens, insbesondere des Kolbenschafts, mit einem Plasmastrahl, wobei mittels Pyrolyse eines siliziumhaltigen Präkursors eine siliziumhaltige Schicht auf den behandelten Bereich aufgebracht wird;
- (2) das Aufbringen einer Beschichtung, bevorzugt eines Gleitlacks, auf den behandelten Bereich des Kolbens.
- (1) treating the piston, in particular the piston shaft, at least in sections with a plasma jet, wherein a silicon-containing layer is applied to the treated area by pyrolysis of a silicon-containing precursor;
- (2) the application of a coating, preferably a lubricating varnish, to the treated area of the piston.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird das Substrat mit einem Plasmastrahl behandelt. Die Plasmastrahlbehandlung wird bevorzugt abschnittsweise auf zuvor definierten Bereichen des Kolbens, bevorzugt des Kolbenschafts, durchgeführt. Hierbei kommt das Pyrosilverfahren zur Anwendung.In the method according to the invention, the substrate is treated with a plasma jet. The plasma jet treatment is preferably carried out in sections on previously defined regions of the piston, preferably the piston shaft. Here, the Pyrosilverfahren is used.
Beim Pyrosilverfahren wird das zu beschichtende Substrat kurzeitig mit einem Plasmastrahl behandelt, der in geringem Abstand über das Substrat bewegt wird.In the pyrosil method, the substrate to be coated is briefly treated with a plasma jet which is moved a short distance over the substrate.
Erfindungsgemäß ist aufgrund der verringerten thermischen Belastung eine kurze Behandlungszeit des Kolbens vorteilhaft. So sollte die Behandlungszeit bevorzugt 5 bis 100 Sekunden und besonders bevorzugt 5 bis 20 Sekunden betragen.According to the invention, a short treatment time of the piston is advantageous due to the reduced thermal load. Thus, the treatment time should preferably be 5 to 100 seconds and more preferably 5 to 20 seconds.
Das Plasma kann mit jedem bekannten und geeigneten Verfahren zur Herstellung von Plasma erzeugt werden, beispielsweise durch Verwendung einer Feinstrahlplasmaquelle. Eine solche Feinstrahlsplasmaquelle besteht aus zwei konzentrisch angeordneten Elektroden, zwischen denen eine Hochfrequenzentladung zum Bilden eines Hohlkathodenplasmas gezündet wird. Ein eingeleiteter Trägergasstrom ermöglicht das Herausführen des gebildeten Hohlkathodenplasmas in Form eines Plasmastrahls aus der Elektrodenanordnung und hin zum zu beschichtenden Substrat. Weiterhin kann ein Plasma auch mithilfe einer dielektrisch gehinderten Entladung erzeugt werden. Hierbei wird zwischen zwei Elektroden ein Trägergasstrom hindurchgeleitet. Der Gasstrom dient als Dielektrikum, so dass zwischen den Elektroden mithilfe von Hochfrequenzhochspannung eine Plasmaentladung erzeugt werden kann. The plasma can be generated by any known and suitable method for producing plasma, for example by using a fine jet plasma source. Such a fine jet plasma source consists of two concentrically arranged electrodes between which a high-frequency discharge for forming a hollow cathode plasma is ignited. An introduced carrier gas stream makes it possible to lead out the hollow cathode plasma formed in the form of a plasma jet from the electrode arrangement and toward the substrate to be coated. Furthermore, a plasma can also be generated by means of a dielectrically hindered discharge. In this case, a carrier gas flow is passed between two electrodes. The gas stream serves as a dielectric, so that a plasma discharge can be generated between the electrodes by means of high frequency high voltage.
Als Trägergas können beispielweise Luft oder Inertgase, wie Stickstoff, Argon, Neon, Helium etc., eingesetzt werden.As a carrier gas, for example, air or inert gases, such as nitrogen, argon, neon, helium, etc., can be used.
Während der Plasmabehandlung wird ein siliziumhaltiger Präkursor in die Reaktionskammer eingebracht. Beispielsweise kann der siliziumhaltige Präkursor in den oben beschriebenen Verfahren dem eingeleiteten Trägergasstrom bereits vor der Plasmaerzeugung zugeführt werden. Ebenso besteht die Möglichkeit, den Präkursor dem Plasma erst nach der Erzeugung zuzusetzen. Der siliziumhaltige Präkursor kann in jedem beliebigen Zustand zugegeben werden, beispielweise gasförmig, als Aerosol, fest, pulverförmig oder flüssig. Bevorzugt werden nicht gasförmige Präkursoren jedoch vor der Zugabe in einen gasförmigen Zustand überführt, beispielweise durch Verdampfung.During the plasma treatment, a silicon-containing precursor is introduced into the reaction chamber. For example, in the methods described above, the silicon-containing precursor can be supplied to the introduced carrier gas stream even before plasma generation. It is also possible to add the precursor to the plasma only after the generation. The silicon-containing precursor can be added in any state, for example gaseous, as an aerosol, solid, pulverulent or liquid. However, non-gaseous precursors are preferably converted into a gaseous state before addition, for example by evaporation.
Die Menge des zugegebenen siliziumhaltigen Präkursors beträgt 0,01 bis 20 Vol.%, bevorzugt 0,1 bis 10 Vol.% und besonders bevorzugt 1 bis 5 Vol.% des Trägergasstroms.The amount of the silicon-containing precursor added is 0.01 to 20% by volume, preferably 0.1 to 10% by volume and more preferably 1 to 5% by volume of the carrier gas stream.
Als Folge der Plasmareaktion wird aufgrund der Pyrolyse des Präkursors eine siliziumhaltige Schicht auf das Substrat, d. h. auf den Kolben und insbesondere auf den Kolbenschaft, aufgebracht. Das Pyrosilverfahren ermöglicht dabei die Aufbringung dünner, aber sowohl bezüglich Dicke als auch lokaler Ausbreitung definierter Schichten.As a result of the plasma reaction, due to the pyrolysis of the precursor, a silicon-containing layer on the substrate, i. H. on the piston and in particular on the piston skirt applied. The pyrosil method allows the application of thin layers, but both in thickness and local distribution.
Typischerweise beträgt die Dicke der erzeugten siliziumhaltigen Schicht 20 bis 500 nm, bevorzugt 20 bis 100 nm und besonders bevorzugt 20 bis 40 nm.The thickness of the silicon-containing layer produced is typically 20 to 500 nm, preferably 20 to 100 nm and particularly preferably 20 to 40 nm.
Als zu verwendende Präkursoren kommen alle bekannten siliziumhaltigen Präkursoren in Betracht, insbesondere siliziumorganische Verbindungen, Siloxane, Silane oder Siliziumhydride. Bevorzugt werden Hexamethyldisiloxan, Tetramethylsilan, Tetramethoxysilan und Tetraethoxysilan verwendet. Besonders bevorzugt kommt Hexamethyldisiloxan zum Einsatz.Suitable precursors to be used are all known silicon-containing precursors, in particular organosilicon compounds, siloxanes, silanes or silicon hydrides. Hexamethyldisiloxane, tetramethylsilane, tetramethoxysilane and tetraethoxysilane are preferably used. Hexamethyldisiloxane is particularly preferably used.
Die erzeugte silizumhaltige Schicht besteht dabei bevorzugt aus einer Art Silan. Die Schicht ist dadurch gekennzeichnet, dass sie sowohl Siliziumatome als auch Hydroxy-Gruppen enthält. Die Siliziumatome dienen dabei zur Anbindung an die Oberfläche, beispielsweise die Metalloberfläche, des Substrats. Die Hydroxy-Gruppen hingegen dienen als Haftvermittler zu einer weiteren Beschichtung, beispielsweise zu einem Gleitlack. Unter den beschriebenen Bedingungen im Pyrosilverfahren können sich auch Silikatstrukturen der allgemeinen Zusammensetzung SiOx in der Schicht bilden.The silicon-containing layer produced preferably consists of a type of silane. The layer is characterized by containing both silicon atoms and hydroxy groups. The silicon atoms serve for the connection to the surface, for example the metal surface, of the substrate. The hydroxy groups, on the other hand, serve as adhesion promoters for a further coating, for example for a bonded coating. Under the conditions described in the Pyrosilverfahren can also form silicate structures of the general composition SiO x in the layer.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird nach der Plasmabehandlung des Kolbens (Schritt (1) des Verfahrens) eine weitere Beschichtung, beispielweise ein Gleitlack, auf die behandelten Bereiche aufgebracht (Schritt (2) des Verfahrens). Für die Aufbringung eines Gleitlacks kann jedes dafür bekannte Verfahren eingesetzt werden, z. B. ein Siebdruckprozess oder ein Sprühverfahren. Aus Gründen der Schichtdickenstabilität, Prozesssicherheit, Prozessgeschwindigkeit und des Preises kommt bevorzugt ein Siebdruckprozess zu Anwendung.In the method according to the invention, after the plasma treatment of the piston (step (1) of the method), a further coating, for example a lubricating varnish, is applied to the treated areas (step (2) of the method). For the application of a lubricating varnish, any known method can be used, for. B. a screen printing process or a spray process. For reasons of layer thickness stability, process reliability, process speed and price, a screen printing process is preferably used.
In der vorliegenden Erfindung ist die aufgebrachte Beschichtung bevorzugt ein Gleitlack, der eine Matrix, besonders bevorzugt eine Polymermatrix, umfasst. Als Polymermatrix können die üblichen Ausgangsstoffe für Kolbenbeschichtungen, wie beispielsweise Phenolharze, Epoxidharze, Polyamid, Polyamidimid und/oder PTFE eingesetzt werden, bevorzugt sind Phenolharze und/oder Epoxidharze.In the present invention, the applied coating is preferably a bonded coating comprising a matrix, more preferably a polymer matrix. As the polymer matrix, the usual starting materials for piston coatings, such as phenolic resins, epoxy resins, polyamide, polyamide-imide and / or PTFE can be used, preferably phenolic resins and / or epoxy resins.
Wird als Matrix für die Beschichtung ein vernetzbares Polymer eingesetzt, so wird diese nach dem Aufbringen vernetzt. Das Vernetzen der Matrix kann thermisch oder mittels Strahlung, beispielsweise durch UV- oder IR-Strahlung, erfolgen.If a crosslinkable polymer is used as the matrix for the coating, then it is crosslinked after application. The crosslinking of the matrix can be effected thermally or by means of radiation, for example by UV or IR radiation.
Der Gleitlack umfasst weiterhin besonders bevorzugt funktionelle Bestandteile, beispielsweise einen oder mehrere Festschmierstoffe. Erfindungsgemäß werden als Festschmierstoff(e) bevorzugt Stoffe mit einer laminarartig kristallisierenden Struktur eingesetzt, wie beispielsweise Graphit, MoS2, WS2, α-BN. Ferner können Polymere, wie z. B. PTFE eingesetzt werden. Erfindungsgemäß sind Graphit, MoS2, WS2, α-BN und Mischungen daraus besonders bevorzugt.The bonded coating furthermore particularly preferably comprises functional constituents, for example one or more solid lubricants. According to the invention, preference is given to substances having a structure which crystallizes like a laminar structure, such as, for example, graphite, MoS 2 , WS 2 , α-BN, as solid lubricant (s). Furthermore, polymers, such as. B. PTFE can be used. According to the invention, graphite, MoS 2 , WS 2 , α-BN and mixtures thereof are particularly preferred.
Geeignete Gleitlacke sind z. B. in der
Die Beschichtung (bevorzugt der Gleitlack) weist üblicherweise eine Schichtdicke von 5 bis 50 Mikrometern, bevorzugt von 10 bis 25 Mikrometern auf. The coating (preferably the bonded coating) usually has a layer thickness of 5 to 50 micrometers, preferably 10 to 25 micrometers.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Plasmaverfahren z. B. das Pyrosil-Verfahren bevorzugt unmittelbar vor dem Aufbringen des Gleitlacks in die Fertigungskette des Kolbens integriert. Dies ermöglicht das Entfernen möglicher, während des Abkühlungsprozesses nach dem Waschen auftretender Verschmutzungen durch den Plasmabeschuss. Die frisch aufgebrachte siliziumhaltige Schicht wird so unmittelbar mit der Beschichtung (bevorzugt dem Gleitlack) belegt, was in einer wesentlich verbesserten Anhaftung der Beschichtung (bevorzugt des Gleitlacks) an der Kolbenoberfläche resultiert und eine maximale Wirksamkeit der Vorbehandlung zur Folge hat.To carry out the method according to the invention, the plasma process z. B. the Pyrosil method preferably integrated immediately prior to the application of the lubricating varnish in the production chain of the piston. This allows the removal of possible soiling caused by the plasma shot during the cooling process after washing. The freshly applied silicon-containing layer is thus coated directly with the coating (preferably the lubricating varnish), which results in a significantly improved adhesion of the coating (preferably the lubricating varnish) to the piston surface and results in maximum effectiveness of the pretreatment.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Kolben, der unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens erhalten wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Kolben insbesondere am Kolbenschaft abschnittsweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt, um so einen erfindungsgemäßen Kolben zu erzeugen.Another object of the invention is a piston which is obtained using the method described above. In a preferred embodiment, the piston is in particular treated on the piston skirt in sections with the method according to the invention, so as to produce a piston according to the invention.
Erfindungsgemäß besteht die Oberfläche des zu beschichtenden Kolbens bzw. Kolbenschafts bevorzugt aus Aluminium, Stahl oder Legierungen davon, besonders bevorzugt aus Aluminium.According to the invention, the surface of the piston or piston shaft to be coated preferably consists of aluminum, steel or alloys thereof, particularly preferably of aluminum.
Da das erfindungsgemäße Verfahren das Haftvermögen des Gleitlacks am Kolben verbessert, ermöglicht es die Verwendung eines höheren Anteils an den funktionellen Zusätzen, wie Festschmierstoffen, in der Polymermatrix.Since the process of the present invention improves the adhesion of the lubricating varnish to the piston, it allows the use of a higher proportion of the functional additives, such as solid lubricants, in the polymer matrix.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass durch die Plasmastrahlbehandlung sowohl eine räumlich definierte Reinigung der Oberfläche als auch eine Oberflächenmodifizierung erfolgt. Durch die Möglichkeit der gezielten Applikation der Plasmastrahlbehandlung lässt sich die Oberflächenmodifizierung nur an den zuvor genau definierten Oberflächen des Kolbens, beispielsweise am Kolbenschaft, durchführen, die anschließend auch mit der zusätzlichen Beschichtung (bevorzugt dem Gleitlack) versehen werden sollen. Andere Stellen des Kolbens, beispielsweise der Kolbenboden, werden nicht behandelt, so dass ein nachteiliger Effekt der Behandlung vermieden werden kann. So hätte eine Behandlung des Kolbenbodens den Nachteil, dass sich die siliziumhaltige Schicht aufgrund ihrer vergleichsweise reaktiven Oberfläche und der daraus resultierenden katalytischen Aktivität negativ auf den Verbrennungsprozess auswirkt.A further advantage of the present invention is that the plasma jet treatment results both in a spatially defined cleaning of the surface and in a surface modification. Due to the possibility of targeted application of the plasma jet treatment, the surface modification can be carried out only on the previously precisely defined surfaces of the piston, for example on the piston shaft, which are then also to be provided with the additional coating (preferably the lubricating varnish). Other locations of the piston, such as the piston crown, are not treated, so that a detrimental effect of the treatment can be avoided. Thus, a treatment of the piston crown would have the disadvantage that the silicon-containing layer due to their relatively reactive surface and the resulting catalytic activity has a negative effect on the combustion process.
Ferner können durch die Möglichkeit, einzelne Bereiche des Kolbens selektiv zu behandeln, Einflüsse wie sie bei den bekannten nasschemischen Vorbehandlungen auftreten vermieden werden. Beispielsweise ist dadurch ein vor der Oberflächenvorbehandlung aufgebrachter Datamatrixcode nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens einfacher entzifferbar. Aus diesen Gründen ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht-selektiven Oberflächenbehandlungsverfahren klar überlegen.Furthermore, the possibility of selectively treating individual regions of the piston can avoid influences such as occur in the known wet-chemical pretreatments. For example, this makes it easier to decipher a data matrix code applied before the surface pretreatment after carrying out the method according to the invention. For these reasons, the process according to the invention is clearly superior to non-selective surface treatment processes.
Zusätzlich wird durch die selektive Beschichtung der Ressourceneinsatz minimiert.In addition, the selective coating minimizes the use of resources.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017068121A1 (en) * | 2015-10-21 | 2017-04-27 | Ks Kolbenschmidt Gmbh | Composite material for a piston |
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