DE102016123562B4

DE102016123562B4 - Verfahren zur Behandlung eines Verbundkolbenbolzens und oberflächenbehandelter Verbundkolbenbolzen

Info

Publication number: DE102016123562B4
Application number: DE102016123562.8A
Authority: DE
Inventors: Sung Chul Cha; June Ho Yang; Hee Sam Kang; Chi Hoon Choi; Sang Yoon Park; Jong Dae Lim; Seung Hyun Hong
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2016-07-19
Filing date: 2016-12-06
Publication date: 2023-04-27
Anticipated expiration: 2036-12-07
Also published as: CN107627624A; US20180023186A1; US20190242005A1; US10400324B2; DE102016123562A1; KR20180009830A; CN107627624B; KR101866039B1

Abstract

Verfahren zur Behandlung eines Verbundkolbenbolzens, aufweisend:Bereitstellen des Verbundkolbenbolzens, von welchem wenigstens eine Oberflächenschicht ein Verbundmaterial mit einer Verstärkungsfaser und einem Harz aufweist;Verbessern der Rauheit durch Bearbeiten der wenigstens einen Oberflächenschicht des Verbundkolbenbolzens; undBilden einer Auftragsschicht (300) an der bearbeiteten wenigstens einen Oberflächenschicht, um einen Reibungskoeffizienten des Verbundkolbenbolzens zu reduzieren,wobei das Bereitstellen aufweist:einen ersten Rollschritt des Rollens einer ersten Harzmatte (10) mit einer Verstärkungsfaser und einem Harz, um eine Außenfläche einer zylindrischen Form (30) zu umschließen;einen zweiten Rollschritt des Rollens einer zweiten Harzmatte (20) mit einer Verstärkungsfaser, die eine höhere Elastizität als die der Verstärkungsfaser der ersten Harzmatte (10) hat, und einem Harz, um eine Außenfläche der ersten Harzmatte (10) zu umschließen; undeinen Formungsschritt des Setzens der ersten Harzmatte (10) und der zweiten Harzmatte (20), die auf der Form (30) gerollt sind, in einen Ofen und des einstückigen Formens der ersten Harzmatte (10) und der zweiten Harzmatte (20),wobei die Verstärkungsfaser der zweiten Harzmatte (20) parallel zu einer Längsrichtung des Verbundkolbenbolzens ausgerichtet ist,wobei die erste Harzmatte (10) eine erste Schicht, deren Verstärkungsfaser senkrecht zu der Verstärkungsfaser der zweiten Harzmatte (20) ausgerichtet ist, und eine zweite Schicht aufweist, deren Verstärkungsfaser parallel zu der Verstärkungsfaser der zweiten Harzmatte (20) ausgerichtet ist, undwobei ein Dickenverhältnis der aufgerollten ersten Harzmatte (10) und der aufgerollten zweiten Harzmatte (20) 7:3 bis 4:6 ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung eines Verbundkolbenbolzens zum Reduzieren von Reibung durch Verbesserung der Rauheit einer Oberfläche des Verbundkolbenbolzens und Durchführung einer Beschichtungsbehandlung an der Oberfläche, und einen oberflächenbehandelten Verbundkolbenbolzen.
Ein herkömmlicher Kolbenbolzen, der nur aus Stahlmaterial, wie SMC415-Stahl, hergestellt ist, hat ein großes Gewicht und trägt daher nicht zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz bei, wenn er bei einem Fahrzeug verwendet wird, und hat keine zufriedenstellenden Eigenschaften in der Biegesteifigkeit in einer Umfangsrichtung und der Biegesteifigkeit in einer Längsrichtung, die für den Kolbenbolzen erforderlich sind. Daher gibt es einen Bedarf, einen Kolbenbolzen herzustellen, der den vorhandenen Kolbenbolzen ersetzen kann.
Dementsprechend wird ein Verfahren zur Verwendung eines Kolbenbolzens mit einem geringen Gewicht und einer ausgezeichneten Festigkeit und zur Behandlung einer Oberfläche des Kolbenbolzens aus Verbundmaterial vorgeschlagen, um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern, wenn der Kolbenbolzen bei einem Verbrennungsmotor verwendet wird.
Die JP H02-113 170 A , DE 33 16 514 C1 , US 4 362 590 A und US 6 029 346 A beschreiben jeweils ein Verfahren zur Behandlung eines Verbundkolbenbolzens, aufweisend Bereitstellen des Verbundkolbenbolzens, von welchem eine Oberflächenschicht ein Verbundmaterial mit einer Verstärkungsfaser und einem Harz aufweist, Verbessern der Rauheit durch Bearbeiten der Oberflächenschicht des Verbundkolbenbolzens, und Bilden einer Auftragsschicht an der bearbeiteten Oberflächenschicht, um einen Reibungskoeffizienten des Verbundkolbenbolzens zu reduzieren.
Mit der Erfindung werden ein Verfahren zur Behandlung eines Verbundkolbenbolzens zum Reduzieren von Reibung durch Verbesserung der Rauheit einer Oberfläche des Verbundkolbenbolzens und Durchführung einer Beschichtungsbehandlung an der Oberfläche, und ein oberflächenbehandelter Verbundkolbenbolzen geschaffen.
Dies wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren zur Behandlung eines Verbundkolbenbolzens nach den Merkmalen aus dem Anspruch 1 sowie einen oberflächenbehandelten Verbundkolbenbolzen nach den Merkmalen aus dem Anspruch 5 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zur Behandlung eines Verbundkolbenbolzens vorgesehen, aufweisend Bereitstellen des Kolbenbolzens, von welchem wenigstens eine Oberflächenschicht ein Verbundmaterial mit einer Verstärkungsfaser und einem Harz aufweist, Verbessern der Rauheit durch Bearbeiten der Oberflächenschicht des Kolbenbolzens, und Bilden einer Auftragsschicht an der bearbeiteten Oberflächenschicht, um einen Reibungskoeffizienten des Kolbenbolzens zu reduzieren.
Das Bereitstellen weist auf: einen ersten Rollschritt des Rollens einer ersten Harzmatte (Prepreg) mit einer Verstärkungsfaser und einem Harz, um eine Außenfläche einer zylindrischen Form zu umschließen, einen zweiten Rollschritt des Rollens einer zweiten Harzmatte (Prepreg) mit einer Verstärkungsfaser, die eine höhere Elastizität als die der Verstärkungsfaser der ersten Harzmatte hat, und einem Harz, um eine Außenfläche der ersten Harzmatte zu umschließen, und einen Formungsschritt des Setzens der ersten Harzmatte und der zweiten Harzmatte, die auf der Form aufgerollt sind, in einen Ofen und des einstückigen Formens der ersten Harzmatte und der zweiten Harzmatte.
Das Verbessern kann aufweisen: einen Schleifschritt des Schleifens der Oberflächenschicht des Kolbenbolzens, einen ersten Polierschritt des Polierens der geschliffenen Oberflächenschicht des Kolbenbolzens mittels einer Polierlösung mit Ra (Oberflächenrauheit) gleich wie oder kleiner als 6 µm, und einen zweiten Polierschritt des Polierens der Oberflächenschicht des Kolbenbolzens mittels einer Polierlösung mit Ra gleich wie oder kleiner als 1 µm.
Das Bilden der Auftragsschicht kann aufweisen: einen ersten Beschichtungsschritt des Auftragens einer Bindeschicht aus Cr oder Ti an der Oberflächenschicht, einen zweiten Beschichtungsschritt des Auftragens einer Trägerschicht aus CrN oder WC an der Bindeschicht, und einen dritten Beschichtungsschritt des Auftragens einer Funktionsschicht aus (SiO)-diamantartigem Kohlenstoff (DLC) an der Trägerschicht.
Das Bilden der Auftragsschicht kann bei einer Temperatur von 100 bis 240°C durchgeführt werden.
Gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein oberflächenbehandelter Verbundkolbenbolzen vorgesehen, aufweisend eine Verbundinnenschicht, die eine Rohrform hat und eine Verstärkungsfaser und ein Harz aufweist, eine Verbundaußenschicht, die derart konfiguriert ist, dass sie mit der Verbundinnenschicht entlang einer Außenfläche der Verbundinnenschicht verbunden ist, eine Oberflächenrauheit Ra gleich wie oder kleiner als 0,42 µm hat, und eine Verstärkungsfaser, die eine höhere Elastizität als die der Verstärkungsfaser der Verbundinnenschicht hat, und ein Harz aufweist, und eine Auftragsschicht, die derart konfiguriert ist, dass sie an einer Oberfläche der Verbundaußenschicht aufgetragen ist, um einen Reibungskoeffizienten zu reduzieren.
Die Auftragsschicht kann aufweisen: eine Bindeschicht, die derart konfiguriert ist, dass sie an der Oberfläche der Verbundaußenschicht aufgetragen ist und aus Cr oder Ti ist, eine Trägerschicht, die derart konfiguriert ist, dass sie an der Bindeschicht aufgetragen ist und aus CrN oder WC ist, und eine Funktionsschicht, die derart konfiguriert ist, dass sie an der Trägerschicht aufgetragen ist und aus (SiO)-DLC ist.
Das Harz, das in der Verbundinnenschicht und der Verbundaußenschicht enthalten ist, kann ein Epoxidgemisch und Zyanatester aufweisen.
Die Verstärkungsfaser der Verbundaußenschicht kann parallel zu einer Längsrichtung eines Rohres ausgerichtet sein, und die Verbundinnenschicht kann aufweisen: eine erste Schicht, die derart konfiguriert ist, dass sie eine Verstärkungsfaser aufweist, die senkrecht zu der Verstärkungsfaser der Verbundaußenschicht ausgerichtet ist und mit der Verbundaußenschicht entlang einer innenseitigen Fläche der Verbundaußenschicht verbunden ist, und eine zweite Schicht, die derart konfiguriert ist, dass sie eine Verstärkungsfaser aufweist, die parallel zu der Verstärkungsfaser der Verbundaußenschicht ausgerichtet ist und mit der ersten Schicht entlang einer innenseitigen Fläche der ersten Schicht verbunden ist.
Die Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1 ein Schema, das ein Erscheinungsbild einer Auftragsschicht gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt;
2 ein Schema, das einen ersten Rollschritt und einen zweiten Rollschritt gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt; und
3 ein Schema, das einen oberflächenbehandelten Verbundkolbenbolzen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung darstellt.

Es versteht sich, dass die angehängten Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu sind und eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener Eigenschaften darstellen, welche die grundlegenden Prinzipien der Erfindung aufzeigen. Die speziellen Gestaltungsmerkmale der vorliegenden Erfindung, die zum Beispiel spezielle Abmessungen, Ausrichtungen, Positionen und Formen umfassen, wie sie hierin offenbart sind, werden teilweise durch die jeweils beabsichtigte Anwendung und Nutzungsumgebung bestimmt.
In den Figuren sind gleiche oder äquivalente Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Nachfolgend wird nun auf verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich Bezug genommen, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und nachstehend beschrieben sind. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben ist, versteht es sich, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu bestimmt ist, die Erfindung auf diese beispielhaften Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegenteil ist die Erfindung dazu bestimmt, nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen, sondern auch verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und andere Ausführungsformen abzudecken, welche im Sinn und Bereich der Erfindung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, enthalten sein können.
Mit Bezug auf die Zeichnung wird nun eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Ein Verfahren zur Behandlung eines Verbundkolbenbolzens gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst das Bereitstellen des Kolbenbolzens, von welchem wenigstens eine Oberflächenschicht ein Verbundmaterial mit einer Verstärkungsfaser und einem Harz aufweist, Verbessern der Rauheit durch Bearbeiten der Oberflächenschicht des Kolbenbolzens, und Bilden einer Auftragsschicht an der bearbeiteten Oberflächenschicht, um einen Reibungskoeffizienten des Kolbenbolzens zu reduzieren.
Beim Bereitstellen wird der Kolbenbolzen, der ein Verbundmaterial mit der Verstärkungsfaser und dem Harz aufweist, vorbereitet. Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung betreffen ein Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche aus einem Verbundmaterial, die ein zu bearbeitendes Objekt ist, und daher kann der Kolbenbolzen, von welchem die Oberflächenschicht, welche die äußerste Seite des Kolbenbolzens bildet, das Verbundmaterial aufweist, bereitgestellt werden.
Wenn der Kolbenbolzen, von welchem die wenigstens eine Oberflächenschicht das Verbundmaterial aufweist, bereitgestellt ist, wird die Verbesserung der Rauheit durch Bearbeiten der Oberflächenschicht des Kolbenbolzens durchgeführt. Dies kann durchgeführt werden, um die Kohäsion zwischen der Oberflächenschicht und der Auftragsschicht zu erhöhen, wenn die Auftragsschicht an der bearbeiteten Oberflächenschicht aufgetragen wird, um eine Reibung zu reduzieren.
Das Verbessern kann einen Schleifschritt des Schleifens der Oberflächenschicht des Kolbenbolzens, einen ersten Polierschritt des Polierens der geschliffenen Oberflächenschicht des Kolbenbolzens mittels einer Polierlösung mit Ra gleich wie oder kleiner als 6 µm, und einen zweiten Polierschritt des Polierens der Oberflächenschicht des Kolbenbolzens mittels einer Polierlösung mit Ra gleich wie oder kleiner als 1 µm umfassen.
Zuerst wird die Oberflächenschicht des Kolbenbolzens, von welchem die wenigstens eine Oberflächenschicht das Verbundmaterial aufweist, mittels eines Schleifmittels, eines sogenannten Schleifsteins, geschliffen. Durch den Vorgang kann die Rauheit der Oberflächenschicht derart gebildet werden, dass sie gleich wie oder kleiner als etwa 0,63 µm ist.
Wenn der Schleifschritt vollendet ist, kann der Vorgang des Polierens der geschliffenen Oberflächenschicht durchgeführt werden, und kann fortlaufend über mehrere Schritte durchgeführt werden.
In dem ersten Polierschritt kann eine Polierlösung verwendet werden, die hochreines Aluminiumoxid von 98% oder mehr ist und eine Korngröße mit Ra gleich wie oder kleiner als 6 µm haben kann, und die Oberflächenschicht kann durch ein Schema des Einpressens des Kolbenbolzens in eine Poliervorrichtung und des anschließenden Drehens des Kolbenbolzens in einer Richtung mit einer Drehzahl von etwa 200 bis 400 U/min poliert werden.
Der erste Polierschritt kann an einem Kolbenbolzen mit einem Außendurchmesser von etwa 20 mm und einer Länge von etwa 50 mm für etwa 30 Sekunden mittels einer Polierlösung mit Ra (Rauheit der Oberflächenschicht) gleich wie oder kleiner als 6 µm durchgeführt werden, und kann an einem Kolbenbolzen mit einem Außendurchmesser von etwa 40 mm und einer Länge von etwa 90 mm für etwa 60 Sekunden durchgeführt werden.
Wenn der erste Polierschritt vollendet ist, kann die Oberflächenschicht, die durch den ersten Polierschritt eine Rauheit unter einem vorbestimmten Niveau hat, durch den zweiten Polierschritt mittels einer Polierlösung, die hochreines Aluminiumoxid von 98% oder mehr ist und eine Korngröße mit Ra gleich wie oder kleiner als 6 µm haben kann, durch ein Schema des Einpressens des Kolbenbolzens in eine Poliervorrichtung und des anschließenden Drehens des Kolbenbolzens in einer Richtung mit einer Drehzahl von etwa 200 bis 400 U/min noch einmal poliert werden.
Der zweite Polierschritt kann an einem Kolbenbolzen mit einem Außendurchmesser von etwa 20 mm und einer Länge von etwa 50 mm für etwa 20 Sekunden mittels einer Polierlösung mit Ra (Rauheit der Oberflächenschicht) gleich wie oder kleiner als 1 µm durchgeführt werden, und kann an einem Kolbenbolzen mit einem Außendurchmesser von etwa 40 mm und einer Länge von etwa 90 mm für etwa 40 Sekunden durchgeführt werden.
Mit Bezug auf 1 wird, wenn das Verbessern der Rauheit der Oberflächenschicht vollendet ist, das Beschichten zum Reduzieren des Reibungskoeffizienten der Oberflächenschicht durchgeführt. Beim Bilden der Auftragsschicht wird eine Bindeschicht 310 an der Oberflächenschicht gebildet, um den Reibungskoeffizienten des Kolbenbolzens zu reduzieren.
Das Bilden der Auftragsschicht kann einen ersten Beschichtungsschritt des Auftragens der Bindeschicht 310 aus Cr oder Ti an der Oberflächenschicht, einen zweiten Beschichtungsschritt des Auftragens einer Trägerschicht 320 aus CrN oder WC an der Bindeschicht 310, und einen dritten Beschichtungsschritt des Auftragens einer Funktionsschicht 330 aus (SiO)-diamantartigem Kohlenstoff (DLC) an der Trägerschicht 320 umfassen.
Die Oberflächenschicht wird aktiviert durch Einpressen des Kolbenbolzens mit der verbesserten Rauheit der Oberflächenschicht in eine Beschichtungsanlage mit einer Vakuumkammer, Bilden der Kammer derart, dass sie einen Plasmazustand durch Argon(Ar)gas hat, und anschließendes Aufheizen der Kammer auf etwa 80°C. Zuerst wird ein Vorgang des Reinigens der Oberflächenschicht durchgeführt, indem ein Argon(Ar)ion an der aktivierten Oberflächenschicht aufprallt, um eine Vorspannung daran anzulegen.
Als nächstes wird in dem ersten Beschichtungsschritt die Bindeschicht 310 aus Cr oder Ti an der Oberflächenschicht durch ein PVD(Physikalische Dampfabscheidung)-Verfahren aufgetragen. Die Bindeschicht 310 dient zur Verbesserung einer Adhäsion zwischen der Oberflächenschicht des Kolbenbolzens und der Trägerschicht 320, die an der Bindeschicht 310 aufzutragen ist. Eine Dicke der Bindeschicht 310 kann derart gebildet werden, dass sie 0,01 bis 0,5 µm ist. Wenn die Dicke kleiner als 0,01 µm ist, ist der Effekt der Verbesserung der Adhäsion nicht groß, während, wenn die Dicke 0,5 µm überschreitet, die Dicke der Bindeschicht 310 ziemlich stark, und daher kann die Adhäsion reduziert werden.
In dem zweiten Beschichtungsschritt wird die Trägerschicht 320 aus CrN oder WC an der Bindeschicht 310 durch das PVD-Verfahren aufgetragen. Indem das Arbeitsgas N2 in die Kammer eingeströmt wird, kann eine CrN-Schicht mittels einer CR-Zielvorgabe bildet werden, oder eine WC-Schicht kann mittels einer WC-Zielvorgabe gebildet werden. Die Trägerschicht 320 dient zur Verbesserung der Dauerfestigkeit und der Schlagfestigkeit zwischen der Bindeschicht 310 und der Funktionsschicht 330, die an der Trägerschicht 320 aufzutragen ist. Eine Dicke der Trägerschicht 320 kann derart gebildet werden, dass sie 0,1 bis 0,5 µm ist. Wenn die Dicke kleiner als 0,1 µm ist, kann die Trägerschicht 320 bei Ausübung einer Belastung aufgeblättert (delaminiert) werden, während, wenn die Dicke 0,5 µm überschreitet, ein Innendruck erhöht wird, und daher kann die Zähigkeit, die Härte oder dergleichen reduziert werden.
In dem dritten Beschichtungsschritt wird die Funktionsschicht 330 aus (SiO)-DLC an der Trägerschicht 320 durch das PVD-Verfahren oder ein PACVD (Plasma-unterstützte chemische Dampfabscheidung)-Verfahren aufgetragen. Eine chemische Reaktion wird mittels einer Si-Zielvorgabe oder einer C-Zielvorgabe und Schwelgas und Hexamethyldisiloxan(HMDSO)-Gas durchgeführt, um die Funktionsschicht 330 zu bilden. Die Funktionsschicht 330 dient zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit, der Niedrigreibungseigenschaft, der Wärmebeständigkeit oder dergleichen. Eine Dicke der Funktionsschicht 330 kann derart gebildet werden, dass sie 0,1 bis 10 µm ist. Wenn die Dicke kleiner als 0,1 µm ist, ist der Verbesserungseffekt in der Verschleißfestigkeit, der Niedrigreibungseigenschaft, der Wärmebeständigkeit und dergleichen nicht groß, während, wenn die Dicke 10 µm überschreitet, die Aufblätterungserscheinung hervorgerufen werden kann.
Das Bilden der Auftragsschicht kann bei einer Temperatur von 100 bis 240°C durchgeführt werden. Wenn die Beschichtungsbehandlung bei weniger als 100°C durchgeführt wird, kann bei einer Verwendung des Kolbenbolzens in dem Verbrennungsmotor die Verschleißfestigkeit in der entsprechenden Umgebung nicht angemessen sein, und wenn die Beschichtungsbehandlung bei über 240°C durchgeführt wird, kann ein Verschleiß auftreten.
Im Detail kann das Bereitstellen einen ersten Rollschritt des Rollens einer ersten Harzmatte (Prepreg) 10 mit einer Verstärkungsfaser und einem Harz, um eine Außenfläche einer zylindrischen Form 30 zu umschließen, einen zweiten Rollschritt des Rollens einer zweiten Harzmatte (Prepreg) 20 mit einer Verstärkungsfaser, die eine höhere Elastizität als die der Verstärkungsfaser der ersten Harzmatte 10 hat, und einem Harz, um eine Außenfläche der ersten Harzmatte 10 zu umschließen, und einen Formungsschritt des Setzens der ersten Harzmatte 10 und der zweiten Harzmatte 20, die auf der Form 30 gerollt sind, in einen Ofen und des einstückigen Formens dieser umfassen.
Zuerst wird durch den ersten Rollschritt die erste Harzmatte 10 an einer Außenfläche der zylindrischen Form 30 aufgerollt. Nachdem die folienartige erste Harzmatte 10 mit einer vorbestimmten Breite weit ausgebreitet ist und die Form 30 an einem Endabschnitt angeordnet ist, wird die erste Harzmatte 10 aufgerollt und umschließt daher die Außenfläche der Form 30.
Als nächstes wird durch den zweiten Rollschritt die zweite Harzmatte 20 mit einer Verstärkungsfaser, die eine relativ höhere Elastizität hat, an der Außenfläche der ersten Harzmatte 10 aufgerollt. Nachdem die folienartige zweite Harzmatte 20 mit einer vorbestimmten Breite weit ausgebreitet ist und die Form 30, die von der ersten Harzmatte 10 umschlossen ist, an dem Endabschnitt angeordnet ist, wird die zweite Harzmatte 20 aufgerollt und umschließt daher die Außenfläche der ersten Harzmatte 10.
Durch den ersten Rollschritt und den zweiten Rollschritt kann die zweite Harzmatte 20 aus der Verstärkungsfaser mit relativ hoher Elastizität an einer Außenschicht positioniert sein, und die erste Harzmatte 10 aus der Verstärkungsfaser mit relativ niedriger Elastizität kann an einer Innenschicht positioniert sein.
Wie in 2 gezeigt, werden die erste Harzmatte 10 und die zweite Harzmatte 20 weit ausgebreitet, ein Endabschnitt der ersten Harzmatte 10 und ein Endabschnitt der zweiten Harzmatte 20 werden derart miteinander verbunden, dass sie einander überlappen, und dann können die erste Harzmatte 10 und die zweite Harzmatte 20 um die Form 30 gerollt werden.
Nach dem zweiten Rollschritt kann eine wärmebeständige Folie auf die Außenfläche der aufgerollten zweiten Harzmatte 20 gewickelt werden. Die Folie kann aus einer Wärmeschrumpfungsfolie mit Wärmebeständigkeit konfiguriert sein.
Als nächstes werden in dem Formungsschritt die erste Harzmatte 10 und die zweite Harzmatte 20, die von der Folie umwickelt sind, in den Ofen gesetzt und einstückig geformt. Die wärmebeständige Folie ist an der Außenfläche der zweiten Harzmatte 20 gewickelt und wird daher durch Wärme kontrahiert, wenn die erste und die zweite Harzmatte in dem Ofen geformt werden, so dass Poren, die in der ersten Harzmatte 10 und der zweiten Harzmatte 20 vorhanden sind, entfernt werden können. Das Formen in dem Ofen kann bei einer Temperatur von etwa 200 bis 250°C für etwa 1 Stunde durchgeführt werden.
Nach dem Formungsschritt kann ein Schritt des Trennens der wärmebeständigen Folie und der Form 30 von der ersten Harzmatte 10 und der zweiten Harzmatte 20, die geformt sind, und des anschließenden Schneidens dieser auf eine vorbestimmte Länge durchgeführt werden. Die erste Harzmatte 10 und die zweite Harzmatte 20, die geformt sind, werden aus dem Ofen herausgeholt, und dann wird die wärmebeständige Folie, die an der Außenfläche der zweiten Harzmatte 20 gewickelt ist, entfernt, und die Form 30, die von der ersten Harzmatte 10 umschlossen ist, wird getrennt, um die erste Harzmatte 10 und die zweite Harzmatte 20 für die Benutzung zu schneiden.
Mit dem Verfahren zur Behandlung eines Verbundkolbenbolzens gemäß der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Reibung in Reaktion auf die Reduzierung des Reibungskoeffizienten reduziert werden, wodurch die Kraftstoffeffizienz verbessert wird, wenn der Verbundkolbenbolzen bei einem Fahrzeug verwendet wird.
Mit Bezug auf 3 umfasst ein oberflächenbehandelter Verbundkolbenbolzen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung eine Verbundinnenschicht 100, die eine Rohrform hat und eine Verstärkungsfaser und ein Harz aufweist, eine Verbundaußenschicht 200, die mit der Verbundinnenschicht 100 entlang der Außenfläche der Verbundinnenschicht 100 verbunden ist, eine Oberflächenrauheit Ra gleich wie oder kleiner als 0,42 µm hat, und eine Verstärkungsfaser, die eine höhere Elastizität als die der Verstärkungsfaser der Verbundinnenschicht 100 hat, und ein Harz aufweist, und eine Auftragsschicht 300, die an einer Oberfläche der Verbundaußenschicht 200 aufgetragen ist, um einen Reibungskoeffizienten zu reduzieren.
Das Harz, das in der Verbundinnenschicht 100 und der Verbundaußenschicht 200 enthalten ist, kann ein Epoxidgemisch und Zyanatester aufweisen.
Ferner ist die Verstärkungsfaser der Verbundaußenschicht 200 parallel zu einer Längsrichtung des Rohres ausgerichtet, und die Verbundinnenschicht 100 kann eine erste Schicht 110, deren Verstärkungsfaser senkrecht zu der Verstärkungsfaser der Verbundaußenschicht 200 ausgerichtet ist und die mit der Verbundaußenschicht 200 entlang der Innenfläche der Verbundaußenschicht 200 verbunden ist, und eine zweite Schicht 120 aufweisen, deren Verstärkungsfaser parallel zu der Verstärkungsfaser der Verbundaußenschicht 200 ausgerichtet ist und die mit der ersten Schicht 110 entlang der Innenfläche der ersten Schicht 110 verbunden ist.
Gemäß dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren kann die Verbundinnenschicht 100 der ersten Harzmatte 10 entsprechen, welche die Verstärkungsfaser mit der relativ niedrigeren Elastizität aufweist. Die Verstärkungsfaser kann wenigstens eine von einer Kohlefaser, einer Glasfaser, einer Aramidfaser und einer Naturfaser aufweisen. Jedoch ist die Verstärkungsfaser nicht darauf beschränkt. Das Harz kann wenigstens eines von einem duroplastischen Harz, wie Polyurethan, und einem thermoplastischen Harz, wie Polypropylen, aufweisen.
Gemäß dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren kann die Verbundaußenschicht 200 der zweiten Harzmatte 20 entsprechen, welche die Verstärkungsfaser mit der relativ höheren Elastizität aufweist. Ferner kann durch den Verbesserungsschritt die Oberflächenrauheit Ra derart gebildet werden, dass sie gleich wie oder kleiner als 0,42 µm ist. Die Verstärkungsfaser ist wenigstens eine von einer Kohlefaser, einer Glasfaser, einer Aramidfaser und einer Naturfaser. Jedoch ist die Verstärkungsfaser nicht darauf beschränkt. Das Harz kann wenigstens eines von einem duroplastischen Harz, wie Polyurethan, und einem thermoplastischen Harz, wie Polypropylen, aufweisen.
Gemäß der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung weisen zum unterschiedlichen Bilden der Elastizität der Verbundaußenschicht 200 und der Verbundinnenschicht 100 die Verstärkungsfasern der Verbundaußenschicht 200 und der Verbundinnenschicht 100 die Kohlefaser auf, und die Kohlefaser der Verbundaußenschicht 200 kann eine Pech-basierte Kohlefaser sein, und die Kohlefaser der Verbundinnenschicht 100 kann eine PAN(Polyacrylnitril)-basierte Kohlefaser sein.
Die Pech-basierte Kohlefaser kann einen Elastizitätsmodul von etwa 640 GPa oder mehr haben. Die Pech-basierte Kohlefaser kann ein hohes Verhältnis von Kohlenstoff haben, und hat daher eine hohe Elastizität und erhöht somit die Biegesteifigkeit in einer Umfangsrichtung und die Materialfestigkeit, wodurch das Auftreten einer Ellipse unterbunden wird, was eine Verformung des Bolzens in Abhängigkeit von der Belastung verursacht, wenn die Belastung auf die Pech-basierte Kohlefaser ausgeübt wird, und eine Biegeverformung unterdrückt wird.
Die PAN-basierte Kohlefaser kann einen Elastizitätsmodul von etwa 240 GPa oder mehr haben. Im Allgemeinen hat die PAN-basierte Kohlefaser hohe Druckfestigkeitseigenschaften, und ist daher an der innersten Seite des Verbundkolbenbolzens positioniert, um zum Abstützen der Verbundaußenschicht 200 und zum Tragen der Belastung zu dienen, wodurch die Biegesteifigkeit in der Umfangsrichtung erhöht wird. Daher ist es möglich, das Auftreten der Ellipse in Abhängigkeit von der Belastung zu unterbinden. Die PAN-basierte Kohlefaser ist relativ preisgünstiger und kann daher Kosten sparen.
Wenn das Harz der Verbundinnenschicht 100 und der Verbundaußenschicht 200 das Epoxidgemisch und den Zyanatester aufweist, wird die Wärmebeständigkeit verbessert, und wenn der Zyanatester, der die Fließfähigkeit des Harzes erhöht, hinzugefügt wird, um die Verstärkungsfaser zu imprägnieren, wird ein Luftspalt reduziert, und die Gleichförmigkeit der Verstärkungsfaser wird verbessert.
Infolge der Hinzufügung des Zyanatesters wird die Glasübergangstemperatur Tg erhöht. Hier ist die Glasübergangstemperatur Tg eine Temperatur, die einem Glasübergang zugeordnet ist, bei welchem ein Polymermaterial von einem festen Zustand in einen flüssigen Zustand übergeht. Daher versteht es sich, dass, je höher die Glasübergangstemperatur Tg ist, desto besser die Wärmebeständigkeit ist. Wenn die Wärmebeständigkeit bei Harzen, welche die Verstärkungsfaser imprägnieren, verbessert wird, wird in dem Formungsschritt kein Brand plötzlich erzeugt, und daher kann der Luftspalt reduziert werden, und die Gleichförmigkeit der Verstärkungsfaser kann verbessert werden.
Ein Mischungsverhältnis des Epoxidgemisches und des Zyanatesters in den Harzen kann im Bereich von 1 :0,82 bis 1:1,22 liegen. Wenn das Mischungsverhältnis des Zyanats in Bezug auf das Epoxidgemisch nicht 0,82 erreicht, wird die Glasübergangstemperatur Tg reduziert, und daher kann, wenn die Verstärkungsfaser imprägniert ist, der Luftspalt in großen Mengen auftreten, und die Gleichförmigkeit der Faser kann reduziert werden. Andererseits wird, wenn das Mischungsverhältnis des Zyanats 1,22 überschreitet, die Fließfähigkeit der Harze erhöht, und daher ist die Formbarkeit nicht gut, und die Viskosität der Harze ist übermäßig niedrig, so dass es schwierig ist, ein Verbundteil mit einer einheitlichen Form herzustellen. Daher kann das Mischungsverhältnis des Epoxidgemisches und des Zyanatesters in den Harzen im Bereich von 1:0,82 bis 1:1,22 liegen.
Die Ausrichtung der Verstärkungsfaser der Verbundaußenschicht 200 ist parallel zu einer Längsrichtung des Rohres, die Verbundinnenschicht 100 ist derart konfiguriert, dass sie eine mehrschichtige Struktur hat, in dem Falle, in dem die erste Schicht 110 mit der Innenfläche der Verbundaußenschicht 200 verbunden ist, ist die Verstärkungsfaser der ersten Schicht 110 senkrecht zu der Verstärkungsfaser der Verbundaußenschicht 200 ausgerichtet, und in dem Falle, dass die zweite Schicht 120 mit der Innenfläche der ersten Schicht 110 verbunden ist, ist die Verstärkungsfaser der zweiten Schicht 120 parallel zu der Verstärkungsfaser der Verbundaußenschicht 200 ausgerichtet, so dass die Verstärkungsfasern der Verbundaußenschicht 200, der ersten Schicht 110 und der zweiten Schicht 120 die Ausrichtung von 0°, 90° und 0° von der Verbundaußenschicht 200 haben. Daher kann die Steifigkeit des Verbundkolbenbolzens verbessert werden, und die Belastung, die von einer Längsrichtung des Verbundkolbenbolzens ausgeübt wird, und die Belastung, die von der Breitenrichtung des Verbundkolbenbolzens ausgeübt wird, können eingerichtet werden.
Die Auftragsschicht 300, die an der Oberfläche der Verbundaußenschicht 200 aufgetragen ist, um den Reibungskoeffizienten zu reduzieren, kann die Bindeschicht 310, die an der Oberfläche der Verbundaußenschicht 200 aufgetragen ist und aus Cr oder Ti ist, die Trägerschicht 320, die an der Bindeschicht 310 aufgetragen ist und aus CrN oder WC ist, und die Funktionsschicht 330 umfassen, die an der Trägerschicht 320 aufgetragen ist und aus (SiO)-DLC ist. Die Beschreibung der Auftragsschicht 300 wird durch die Beschreibung des Bildens der Auftragsschicht in dem Herstellungsverfahren ersetzt.
Die Dickenverhältnisse der Verbundinnenschicht 100 und der Verbundaußenschicht 200 können jeweils 7:3 bis 4:6 sein. Wenn die Dicke der Verbundinnenschicht 100 auf 1 gesetzt ist, kann das Dickenverhältnis durch 1:0,429 bis 1:1,5 dargestellt werden.

Die folgende Tabelle 1 zeigt den Vergleich der Steifigkeit, der Zähigkeit, der Wärmebeständigkeit und des Reibungskoeffizienten, während das Dickenverhältnis der Verbundinnenschicht 100 und der Verbundaußenschicht 200 unterschiedlich gestaltet ist. [Tabelle 1]

Dickenverhältnis von Verbundinnenschicht und Verbundaußenschicht	Steifigkeit	Zähigkeit	Wärmebeständigkeit	Reibungskoeffizient nass (GF4 Öl)
9:1	Ausgefallen	Bestanden	Ausgefallen	0.066
8:2	Ausgefallen	Bestanden	Ausgefallen	0.064
7:3	Bestanden	Bestanden	Bestanden	0.060
6:4	Bestanden	Bestanden	Bestanden	0.059
5:5	Bestanden	Bestanden	Bestanden	0.061
4:6	Bestanden	Bestanden	Bestanden	0.058
3:7	Bestanden	Ausgefallen	Bestanden	0.059

Mit Bezug auf die obige Tabelle 1 kann bestätigt werden, dass der Reibungskoeffizient an einer Grenze der Dickenverhältnisse von 8:2 und 7:3 sicher reduziert wird, und der Reibungskoeffizient wird an einer Grenze der Dickenverhältnisse von 4:6 und 3:7 vielmehr erhöht.

Die folgende Tabelle 2 zeigt den Vergleich von Rauheit, Reibungskoeffizient, Wärmebeständigkeitsbewertung und Auftreten von Reibung und Verschleiß an Beispielen und Vergleichsbeispielen unter verschiedenen Bedingungen. [Tabelle 2]

	Beispiel 1	Beispiel 2	Vorhandenes Material	Vergleichsbeispiel 1	Vergleichsbeispiel 2	Vergleichsbeispiel 3	Vergleichsbeispiel 4	Vergleichsbeispiel 5
Rauheit Ra(µm)	0.44	0.45	0.43	0.94	0.63	0.42	0.72	0.53
Reibungskoeffizient trocken	0.30	0.25	0.90	0.80	0.40	0.35	0.32	0.45
Reibungskoeffizient nass (GF4Öl)	0.04	0.03	0.10	0.098	0.08	0.06	0.04	0.08
Wärmebeständigkeitsbewertung (>250 °C)	Bestanden	Bestanden	Bestanden	Bestanden	Bestanden	Bestanden	Bestanden	Bestanden
Auftreten von Reibung und Verschleiß	Keine Änderung	Keine Änderung	Auftreten von Verschleiß	Auftreten von Verschleiß	Keine Änderung	Keine Änderrung	Keine Änderung	Auftreten von Verschleiß

In den Beispielen 1 und 2 wurde der Verbundkolbenbolzen durch das Behandlungsverfahren gemäß der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung oberflächenbehandelt. In dem Beispiel 1 wurde die Bewertung durch Durchführung des Bildens der Auftragsschicht bei etwa 120°C vorgenommen, und in dem Beispiel 2 wurde die Bewertung durch Durchführung des Formens der Auftragsschicht bei etwa 190°C vorgenommen.
Im Falle des vorhandenen Materials wurde die Bewertung unter Verwendung des Kolbenbolzens mit dem Stahlmaterial vorgenommen, das Vergleichsbeispiel 1 nahm die Bewertung durch Schleifen der Oberfläche des Verbundkolbenbolzens und anschließendes Sandstrahlen des Verbundkolbenbolzens vor, und das Vergleichsbeispiel 2 nahm die Bewertung durch Schleifen der Oberfläche des Verbundkolbenbolzens vor.
Ferner nahm das Vergleichsbeispiel 3 die Bewertung durch Schleifen des Verbundkolbenbolzens gemäß dem Verbesserungsschritt der Erfindung und anschließendes Polieren des geschliffenen Verbundkolbenbolzens vor, das Vergleichsbeispiel 4 nahm die Bewertung durch Weglassen des Verbesserungsschrittes der Erfindung und Durchführen des Bildens der Auftragsschicht an dem Verbundkolbenbolzen vor, und das Vergleichsbeispiel 5 nahm die Bewertung durch Oberflächenbehandeln des Verbundkolbenbolzens gemäß dem Behandlungsverfahren der Erfindung und Durchführen des Bildens der Auftragsschicht an dem oberflächenbehandelten Verbundkolbenbolzens bei etwa 250°C vor.
Im Vergleich zu den Beispielen versteht es sich, dass das vorhandene Material den hohen Reibungskoeffizienten hat, und der Verschleiß bei dem Test der Bestätigung, ob die Reibung und der Verschleiß auftreten, durch Bewertung der Haltbarkeit des Verbrennungsmotors für etwa 320 Stunden auftritt.
Im Vergleich zu den Beispielen waren im Falle des Vergleichsbeispiels 1 die Rauheit und der Reibungskoeffizient hoch, und der Verschleiß trat bei dem Test der Bestätigung, ob die Reibung und der Verschleiß auftreten, auf.
Im Falle des Vergleichsbeispiels 2 trat kein Verschleiß bei dem Test der Bestätigung, ob die Reibung und der Verschleiß auftreten, auf, jedoch im Vergleich zu den Beispielen waren die Rauheit und der Reibungskoeffizient hoch.
Im Falle des Vergleichsbeispiels 3 war die Auftragsschicht 300 nicht vorhanden, und daher war im Vergleich zu den Beispielen die Rauheit gering, jedoch war der Reibungskoeffizient hoch.
Im Falle des Vergleichsbeispiels 4 war der Reibungskoeffizient auf demselben Niveau wie die Beispiele, jedoch war die Rauheit hoch, da der Verbesserungsschritt nicht durchgeführt wurde.
Im Vergleich zu den Beispielen waren im Falle des Vergleichsbeispiels 5 die Rauheit und der Reibungskoeffizient hoch, und der Verschleiß trat bei dem Test der Bestätigung, ob die Reibung und der Verschleiß auftreten, auf.
Wie oben beschrieben, kann das Verfahren zur Behandlung eines Verbundkolbenbolzens gemäß der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung die Rauheit der Oberfläche des Verbundkolbenbolzens verbessern und die Beschichtungsbehandlung an der Oberfläche durchführen, um die Reibung zu reduzieren, wodurch die Kraftstoffeffizienz verbessert wird, wenn der Kolbenbolzen bei einem Fahrzeug verwendet wird.
Zur Vereinfachung der Erläuterung und genauen Definition in den beigefügten Ansprüchen werden die Begriffe „oben“, „unten“, „innen“, „außen“, „vorn“, „hinten“ usw. verwendet, um die Merkmale der beispielhaften Ausführungsformen in Bezug auf die Positionen dieser Merkmale in den Figuren zu beschreiben.

Claims

Verfahren zur Behandlung eines Verbundkolbenbolzens, aufweisend: Bereitstellen des Verbundkolbenbolzens, von welchem wenigstens eine Oberflächenschicht ein Verbundmaterial mit einer Verstärkungsfaser und einem Harz aufweist; Verbessern der Rauheit durch Bearbeiten der wenigstens einen Oberflächenschicht des Verbundkolbenbolzens; und Bilden einer Auftragsschicht (300) an der bearbeiteten wenigstens einen Oberflächenschicht, um einen Reibungskoeffizienten des Verbundkolbenbolzens zu reduzieren, wobei das Bereitstellen aufweist: einen ersten Rollschritt des Rollens einer ersten Harzmatte (10) mit einer Verstärkungsfaser und einem Harz, um eine Außenfläche einer zylindrischen Form (30) zu umschließen; einen zweiten Rollschritt des Rollens einer zweiten Harzmatte (20) mit einer Verstärkungsfaser, die eine höhere Elastizität als die der Verstärkungsfaser der ersten Harzmatte (10) hat, und einem Harz, um eine Außenfläche der ersten Harzmatte (10) zu umschließen; und einen Formungsschritt des Setzens der ersten Harzmatte (10) und der zweiten Harzmatte (20), die auf der Form (30) gerollt sind, in einen Ofen und des einstückigen Formens der ersten Harzmatte (10) und der zweiten Harzmatte (20), wobei die Verstärkungsfaser der zweiten Harzmatte (20) parallel zu einer Längsrichtung des Verbundkolbenbolzens ausgerichtet ist, wobei die erste Harzmatte (10) eine erste Schicht, deren Verstärkungsfaser senkrecht zu der Verstärkungsfaser der zweiten Harzmatte (20) ausgerichtet ist, und eine zweite Schicht aufweist, deren Verstärkungsfaser parallel zu der Verstärkungsfaser der zweiten Harzmatte (20) ausgerichtet ist, und wobei ein Dickenverhältnis der aufgerollten ersten Harzmatte (10) und der aufgerollten zweiten Harzmatte (20) 7:3 bis 4:6 ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verbessern aufweist: einen Schleifschritt des Schleifens der wenigstens einen Oberflächenschicht des Verbundkolbenbolzens; einen ersten Polierschritt des Polierens der geschliffenen wenigstens einen Oberflächenschicht des Verbundkolbenbolzens mittels einer Polierlösung mit Ra gleich wie oder kleiner als 6 µm; und einen zweiten Polierschritt des Polierens der wenigstens einen Oberflächenschicht des Verbundkolbenbolzens mittels einer Polierlösung mit Ra gleich wie oder kleiner als 1 µm.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Bilden der Auftragsschicht (300) aufweist: einen ersten Beschichtungsschritt des Auftragens einer Bindeschicht (310) aus Cr oder Ti an der wenigstens einen Oberflächenschicht; einen zweiten Beschichtungsschritt des Auftragens einer Trägerschicht (320) aus CrN oder WC an der Bindeschicht (310); und einen dritten Beschichtungsschritt des Auftragens einer Funktionsschicht (330) aus (SiO)-diamantartigem Kohlenstoff (DLC) an der Trägerschicht (320).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Bilden der Auftragsschicht (300) bei einer Temperatur von 100 bis 240°C durchgeführt wird.
Oberflächenbehandelter Verbundkolbenbolzen, aufweisend: eine Verbundinnenschicht (100), die derart konfiguriert ist, dass sie eine Rohrform hat und eine Verstärkungsfaser und ein Harz aufweist; eine Verbundaußenschicht (200), die derart konfiguriert ist, dass sie mit der Verbundinnenschicht (100) entlang einer Außenfläche der Verbundinnenschicht (100) verbunden ist, eine Oberflächenrauheit Ra gleich wie oder kleiner als 0,42 µm hat, und eine Verstärkungsfaser, die eine höhere Elastizität als die der Verstärkungsfaser der Verbundinnenschicht (100) hat, und ein Harz aufweist; und eine Auftragsschicht (300), die derart konfiguriert ist, dass sie an einer Oberfläche der Verbundaußenschicht (200) aufgetragen ist, um einen Reibungskoeffizienten zu reduzieren, wobei ein Dickenverhältnis der Verbundinnenschicht (100) und der Verbundaußenschicht (200) 7:3 bis 4:6 ist.
Oberflächenbehandelter Verbundkolbenbolzen nach Anspruch 5, wobei die Auftragsschicht (300) aufweist: eine Bindeschicht (310), die derart konfiguriert ist, dass sie an der Oberfläche der Verbundaußenschicht (200) aufgetragen ist und aus Cr oder Ti ist; eine Trägerschicht (320), die derart konfiguriert ist, dass sie an der Bindeschicht (310) aufgetragen ist und aus CrN oder WC ist; und eine Funktionsschicht (330), die derart konfiguriert ist, dass sie an der Trägerschicht (320) aufgetragen ist und aus (SiO)-DLC ist.
Oberflächenbehandelter Verbundkolbenbolzen nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Harz, das in der Verbundinnenschicht (100) und der Verbundaußenschicht (200) enthalten ist, ein Epoxidgemisch und Zyanatester aufweist.
Oberflächenbehandelter Verbundkolbenbolzen nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Verstärkungsfaser der Verbundaußenschicht (200) parallel zu einer Längsrichtung eines Rohres ausgerichtet ist, und wobei die Verbundinnenschicht (100) aufweist: eine erste Schicht (110), die derart konfiguriert ist, dass sie eine Verstärkungsfaser aufweist, die senkrecht zu der Verstärkungsfaser der Verbundaußenschicht (200) ausgerichtet ist und mit der Verbundaußenschicht (200) entlang einer innenseitigen Fläche der Verbundaußenschicht (200) verbunden ist; und eine zweite Schicht (120), die derart konfiguriert ist, dass sie eine Verstärkungsfaser aufweist, die parallel zu der Verstärkungsfaser der Verbundaußenschicht (200) ausgerichtet ist und mit der ersten Schicht (110) entlang einer innenseitigen Fläche der ersten Schicht (110) verbunden ist.