DE112009000062B4

DE112009000062B4 - Beschichtetes Aluminiumprodukt

Info

Publication number: DE112009000062B4
Application number: DE112009000062.2T
Authority: DE
Inventors: Tomoyuki Sato; Tomonori Karasawa; Masashi Suganuma; Shoji Kanai; Akira Matsumoto
Original assignee: Nissei Plastic Industrial Co Ltd; Art Metal Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Nissei Plastic Industrial Co Ltd Jp
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2009-09-02
Publication date: 2016-03-31
Anticipated expiration: 2029-09-03
Also published as: JP2010100927A; US20100255339A1; DE112009000062T5; US20140102905A1; WO2010035631A8; JP5364468B2; WO2010035631A1

Abstract

Beschichtetes Aluminiumprodukt umfassend: ein auf Aluminium basierendes Grundmaterial; und eine auf Eisen basierende Verbundbeschichtung, die ein Kohlenstoffnanomaterial enthält, wobei die Verbundbeschichtung auf das auf Aluminium basierende Grundmaterial durch Verwenden eines auf Eisen basierenden Verbundbeschichtungsbades aufgebracht ist, wobei das Verbundbeschichtungsbad durch das Beimischen eines Kohlenstoffnanomaterials in ein Eisenbeschichtungsbad gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass Kohlenstoffnanomaterial in Form von freiliegenden Kohlenstoffnanofasern (41) aus der Oberfläche der auf Eisen basierenden Verbundbeschichtung herausragt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein beschichtetes Aluminiumprodukt, dessen Abnutzungsresistenz verbessert ist.
Beschreibung des Standes der Technik
Die Kombination eines gusseisernen Zylinders und eines mit Aluminium legierten Kolbens wurde herkömmlich in, zum Beispiel, Verbrennungsmotoren verwendet; jedoch werden Leichtmetalle zunehmend in Zylindern verwendet, als Teil der Bemühungen das Fahrzeuggewicht zu reduzieren um den Kraftstoffverbrauch einzuschränken. Eine Aluminiumlegierung ist ein gängiges Leichtmetall.
Der Kolben bewegt sich in Hochgeschwindigkeit innerhalb des Zylinders in einer Hubbewegung in Achsenrichtung; das Kippen einer Pleuelstange hat zur Folge, dass der Kolben einer Schubkraft in senkrechter Richtung zur Achse unterworfen wird. Die Schubkraft verursacht einen starken Kontakt zwischen einem Mantelabschnitt des Kolbens und des Zylinders, was zu Reibung und zur Abnutzung eines Gleitabschnitts führt. Die Abnutzung des Gleitabschnitts hat Fressen oder andere Probleme zur Folge. Insbesondere wird eine Beschichtung aufgrund der schweren Abnutzung, die zwischen Aluminium legierten Oberflächen auftreten, an inneren Umfangsflächen des Zylinders oder einer Oberfläche des Kolbens aufgebracht.
Techniken zur Anwendung einer Härtebehandlung an einer Fläche eines Aluminiumkolbens sind bereits aus dem japanischen Patent JP 3274718 B und der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung JP 2006-292119 A bekannt.
An einem Kolben, offenbart im japanischen Patent Nr. JP 3274718 B , ist eine Vielzahl von Ring- nuten und Fasenabschnitten an einem Scheitelbereich eines Körpers eines Aluminium legierten Kolbens ausgebildet; eine anodische Oxidschicht ist an mindestens einer oberen Fläche, einem oberen Fasenabschnitt und einer oberen Ringnut ausgebildet und eine Eisenbeschichtung ist an der Oberfläche ausgebildet, ausgenommen eines Abschnittes eines Kolbenbolzenloches eines Mantelabschnitts des Kolbenkörpers. Mit anderen Worten wird in dem japanischen Patent Nr. JP 3274718 B ein Aluminiumkolben offenbart, dessen Oberfläche mit Eisen beschichtet wurde.
Die 14 dieser Anmeldung zeigt einen Kolben, wie er in der JP 2006-292119A offenbart ist. Ein Kolben 100 in 14 ist an einer äußeren Umfangsschicht eines Aluminiumsubstrats mit einer Eisenbeschichtung 102 beschichtet und eine Chrombeschichtung 103 ist auf der Eisenbeschichtung 102 ausgebildet.
Die Eisenbeschichtung 102 hat dennoch eine unzureichende Abnutzungsresistenz (Langlebigkeit), trotz ihrer effektiveren Unterbindung des Fressens (eine Erscheinung bei der ein Teil der Kolbenoberfläche verschweißt, was zu einem Abriebschaden führt) und einer Hochtemperatur-Haftabnutzung. Zusätzlich besteht die Möglichkeit zur Verbesserung in Bezug auf den Energieverlust infolge von Reibungswiderstand, der während dem Gleiten auftritt, was im Zuge der Verringerung des Kraftstoffverbrauchs nicht missachtet werden kann.
Es ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine anodische Oxidschicht (Aluminiumoxid ”alumite”) auf die oberste Kolbenringnut aufgetragen wird, wie es im japanischen Patent Nr. JP 3274718 B offenbart ist. Trotzdem erfordert das Verfahren sowohl einen Verfahrensschritt zur Aluminiumoxidation, als auch einen Schritt zum Beschichten mit Eisen, was Probleme in Bezug auf Kosten und Produktionseffizienz darstellt.
Langlebigkeit kann durch das Aufbringen einer Chrombeschichtung 103, wie sie in der JP 2006-292119A offenbart ist, verbessert werden; dennoch erfordert dies sowohl einen Schritt zur Beschichtung mit Eisen, als auch einen Schritt zur Beschichtung mit Chrom, was höhere Produktionskosten zur Folge hat. Die hohe Giftigkeit von sechswertigem Chrom bedeutet, dass die Entgiftung der Ablaufflüssigkeit ein wichtiger Teil des Chrombeschichtungsprozesses ist, der wiederum zu höheren Produktionskosten führt.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzschicht durch galvanisches Aufbringen einer Beschichtung mit anschließender Beaufschlagung durch Laserstrahlen ist in der DE 103 47 145 B4 offenbart. Bei diesem Verfahren wird zunächst eine aus verschiedenen Legierungskomponenten bestehende Eisen-Beschichtung aufgetragen, welche anschließend einer Kurzpuls-Laserbehandlung unterzogen wird. Bei der galvanischen Abscheidung der Verschleißschutzschicht werden Nano- oder Mikropartikel mit abgeschieden.
Aus der JP 2004-307299 A ist ein Verfahren zur Herstellung von nanogroßen Siliziumcarbidröhren bekannt. Eine große Anzahl von nanogroßen Siliziumcarbidröhren werden bei einer Temperatur, welche zwischen der Herstellungstemperatur von SiC und der Schmelztemperatur von Silizium liegt, zur Reaktion gebracht, wodurch die nanogroße Röhrenstruktur erhalten bleibt.
Es besteht demzufolge der Bedarf an einer Technik zur Beschichtung eines Aluminiumprodukts, das zu angemessener Langlebigkeit und angemessenen Gleiteigenschaften führt und durch die die angemessene Langlebigkeit mit nur einer Eisenbeschichtung erreicht werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen einer Technik zur Beschichtung eines Aluminiumprodukts, das zu angemessener Langlebigkeit durch die Verwendung einer Eisenbeschichtung führt.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen einer Beschichtungstechnik, die den Behandlungsprozess verkürzen kann und Vorteile in Bezug auf Kosten und Effizienz bietet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein beschichtetes Aluminiumprodukt bereitgestellt, das ein auf Aluminium basierendes Grundmaterial und eine auf Eisen basierende Verbundbeschichtung umfasst, die ein Kohlenstoffnanomaterial enthält, wobei die Verbundbeschichtung auf das auf Aluminium basierende Grundmaterial durch die Verwendung eines auf Eisenbasierenden Verbundbeschichtungsbades aufgebracht wird, wobei das Verbundbeschichtungsbad durch das Beimischen eines Kohlenstoffnanomaterials in ein Eisenbeschichtungsbad gebildet wird, wobei das Kohlenstoffmaterial in Form von freiliegenden Kohlenstoffnanofasern aus der Oberfläche der auf Eisen basierenden Verbundbeschichtung herausragt.
Eine auf Eisen basierende Verbundbeschichtung, die ein Kohlenstoffnanomaterial enthält, hat dadurch einen geringeren Reibungskoeffizienten und eine größere Langlebigkeit als eine reine Eisenbeschichtung. Ein beschichtetes Aluminiumprodukt mit hoher Langlebigkeit und außergewöhnlichen Gleiteigenschaften kann in einem einzigen Beschichtungsprozess erlangt werden.
Das Kohlenstoffnanomaterial ist vorzugsweise ein mit Teilchen beschichtetes Kohlenstoffnanomaterial, dessen Oberfläche vorab mit SiC Teilchen beschichtet wurde. Falls das mit Teilchen beschichtete Kohlenstoffnanomaterial in geringerem Anteil als das Kohlenstoffnanomaterial hinzugefügt wurde, ergibt sich ein beschichtetes Aluminiumprodukt mit hoher Langlebigkeit und außergewöhnlichen Gleiteigenschaften.
Erstrebenswert ist, dass das auf Aluminium basierende Grundmaterial vorzugsweise ein Zylinder in einem Motorblock oder ein Kolben ist, der sich entlang des Zylinders bewegt. Dafür kann ein fertiger Aluminiumzylinder oder ein Aluminiumkolben als ein Motorbauteil verwendet werden, da das Problem der Langlebigkeit behoben werden kann. Aluminium hat ein geringeres spezifisches Gewicht als Eisen, was hilft das Gewicht des Motors zu reduzieren.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Schnittansicht eines Kolbens und eines Zylinders gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Bereichs 2 der 1;
3 ist eine schematische Ansicht einer Galvanisierungsvorrichtung;
4 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung von mit Teilchen beschichteten Kohlenstoffnanofasern zeigt;
5 ist eine schematische Ansicht einer vollständig ausgebildeten, mit Teilchen beschichteten, Kohlenstoffnanofaser (teilweise geschnitten);
6 ist eine vergrößerte Ansicht einer Oberfläche von Probe B;
7 stellt ein Verfahren der Messung während eines Langlebigkeitstest dar;
8 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Anteil der zugegebenen Kohlenstoffnanofasern und dem Gleitreibungskoeffizienten zeigt;
9 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Anteil der zugegebenen Kohlenstoffnanofasern und der Tiefe der Abnutzungsmarkierungen zeigt;
10 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Anteil der zugegebenen Kohlenstoffnanofasern und der Oberflächenrauheit zeigt;
11 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Anzahl der freiliegenden Kohlenstoffnanofasern und dem Gleitreibungskoeffizienten zeigt;
12 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Anzahl der freiliegenden Kohlenstoffnanofasern und der Tiefe der Abnutzungsmarkierungen zeigt;
13 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Anzahl der freiliegenden Kohlenstoffnanofasern und der Oberflächenrauheit zeigt; und
14 ist eine Schnittansicht eines herkömmlichen Kolbens.
Beste Ausführungsform der Erfindung
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Ein Kolben und ein Zylinder eines Verbrennungsmotors werden als anschauliches Beispiel eines auf Aluminium basierenden Grundmaterials dargestellt. Allerdings ist der Anwendungsbereich des auf Aluminium basierenden Grundmaterials nicht auf einen Kolben oder einen Zylinder beschränkt.
Wie 1 zeigt, wird ein Aluminiumkolben 10, der als beschichtetes Aluminiumprodukt verwendet wird, mit einer auf Eisen basierenden Verbundbeschichtung 11 beschichtet. Ein Zylinder 12 besteht entweder aus Gusseisen oder Aluminium. Auf dem Kolben 10 sind drei Ringnuten bereitgestellt, in die zwei Druck- bzw. Verdichtungsringe 14, 15 und ein Ölring 16 (Kolbenring) eingepasst sind.
Wie 2 zeigt, ist eine Ringnut 17, die den Verdichtungsring 14 aufnimmt, mit der auf Eisen basierenden Verbundbeschichtung 11 beschichtet. Der Verdichtungsring 14 ist ein Dichtungselement, das verhindert, dass Verbrennungsgas von oben nach unten, in Bezug auf 2, zwischen den Kolben 10 und den Zylinder 12 strömt. Ein Spalt (Zwischenraum) C ist zwischen einer Unterkante der Ringnut 17 und dem Verdichtungsring 14 bereitgestellt, damit die Dichtfunktion (des Verdichtungsrings 14) aufrechterhalten wird, auch wenn sich der Kolben 10 thermisch ausdehnt und sich der Außendurchmesser ändert. Die Ringnut 17 kann dabei Abnutzung erfahren, da der Verdichtungsring 14 in den Spalt C rutscht:
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Ringnut 17 mit einer auf Harteisen basierenden Verbundbeschichtung 11 beschichtet, was den Bedarf an der Ausbildung einer anodischen Oxidschicht oder an einem Verfahren zum Beschichten mit dieser vermeidet. Somit kann der Behandlungsprozess erheblich verkürzt werden und es entstehen Vorteile in Bezug auf Produktionskosten und Herstellungseffizienz. Zusätzlich können die Abnutzungsresistenz und die Wärmeleitfähigkeit verbessert werden, da die Eisenbeschichtung Kohlenstoffnanofasern enthält, und Wärme aus der oberen Fläche des Kolbens kann wirksam von der Ringnut 17 über den Kolbenring abgeleitet werden. Die Anordnung des Verdichtungsrings 14, wie sie oben beschrieben ist, trifft auch für den Verdichtungsring 15 und den Ölring 16 zu, die in 1 gezeigt sind.
Einzelheiten der auf Eisen basierenden Verbundbeschichtung, die oben dargestellt ist, werden jetzt beschrieben.
3 ist eine schematische Darstellung einer Galvanisierungsvorrichtung. Eine Galvanisierungsvorrichtung 30 ist eine Vorrichtung, in der eine Eisenplatte 32, die als positive Elektrode verwendet wird, in ein Beschichtungsbecken 31 herabgelassen ist. Ein auf Aluminium basierendes Grundmaterial 33, das als Kathode verwendet wird, ist in das Beschichtungsbecken herabgelassen, eine Spannungsquelle 34 ist mit der Eisenplatte 32 und dem auf Aluminium basierenden Grundmaterial 33 verbunden und das Beschichtungsbecken 31 ist mit der folgenden Verbundbeschichtungslösung (im Folgenden ”Beschichtungslösung”) 35 gefüllt. Misch- und Zirkulationshilfsmittel sind zum mischen und zirkulieren der Beschichtungslösung 35 notwendig, auf eine Beschreibung wird aber verzichtet, da bekannte Hilfsmittel verwendet werden können.
Die Beschichtungslösung 35 ist eine Verbundbeschichtungslösung die auf ein Eisenbeschichtungsbad (Wasser, Eisensulfat, Ammoniumsulfat und Harnstoff) basiert, in das eine geeignete Menge von Kohlenstoffnanofasern oder von mit Teilchen beschichteten Kohlenstoffnanofasern zugemischt wird. Ein Verfahren zur Herstellung der mit Teilchen beschichteten Kohlenstoffnanofasern wird jetzt beschrieben.
4 zeigt ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung der mit Teilchen beschichteten Kohlenstoffnanofasern.

(a): Kohlenstoffnanofasern 41 werden in einer Menge von beispielsweise 10 g bereitgestellt.
(b): Ein Si-Pulver 42 werden als Teilchen, die mit Kohlenstoff reagieren und einen Verbund bilden, bereitgestellt. Das Pulver wird in einer Menge von z. B. 10 g verwendet.
(c): Die Kohlenstoffnanofaser 41 und das Si Pulver 42 kommen in einen Mörser und werden mit einem Stößel 15 bis 30 Minuten lang vermischt.
(d): Eine resultierende Mischung 45 kommt in einen Behälter 46 aus Aluminiumoxid und wird mit einem Deckel 47 aus Aluminiumoxid abgedeckt. Der Deckel 47 ist nicht Luftdicht, so dass Luft zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Behälters 46 zirkulieren kann.
(e): Es sind ein Vakuumofen 50 und eine Vakuumpumpe 54 bereitgestellt, wobei der Vakuumofen einen abgedichteten Ofen 51, Heizmittel 52 zum Erwärmen des Inneren des Ofens 51 und Absätze 53, 53, auf denen der Behälter 46 platziert ist, umfasst. Der Behälter 46 wird innerhalb des Ofens 50 platziert.

Erwärmen unter Vakuum bringt das Si Pulver in dem Gemisch 45 dazu, zu verdunsten. Das verdunstete Si berührt eine Oberfläche der Kohlenstoffnanofasern, bildet einen Verbund und haftet als SiC Teilchen an.
5 ist eine schematische Darstellung einer vollständig ausgebildeten und mit Teilchen beschichteten Kohlenstoffnanofaser (teilweise Schnittansicht) und zeigt die Ansicht unter einem Elektronenmikroskop. Die mit Teilchen beschichtete Kohlenstoffnanofaser 56 umfasst eine Kohlenstoffnanofaser 41, die den Kern bildet, und eine Teilchenschicht 57, die die Oberfläche der Kohlenstoffnanofaser im Wesentlichen gleichmäßig bedeckt. Die Dicke T der Teilchenschicht 57 beträgt zwischen 20 nm und 80 nm, mit einer durchschnittlichen Dicke von 50 nm.
Wenn die mit Teilchen beschichtete Kohlenstoffnanofaser einer Röntgenstrahlenbeugung ausgesetzt wurden, war keine Si Spitze zu beobachten, wohingegen C und SiC Spitzen beobachtet wurden. Die Si Teilchen wandelten sich wahrscheinlich in Folge des Kontakts in SiC um.
Es wurde ein Experiment durchgeführt, um zu untersuchen, ob es bei den Eigenschaften (besonders Abnutzungsresistenz (Langlebigkeit) und Haftreibungskoeffizient (Gleiteigenschaft)) der ergebenden, auf Eisen basierenden Verbundbeschichtung einen Unterschied gibt zwischen dem Fall, in dem mit Teilchen beschichtete Kohlenstoffnanofasern, wie sie oben beschrieben sind, einem Eisenbeschichtungsbad zugeführt werden, dem Fall, in dem übliche Kohlenstoffnanofasern (z. B. welche ohne Teilchenbeschichtung) einem Eisenbeschichtungsbad zugeführt werden und dem Fall, in dem ein Eisenbeschichtungsbad verwendet wird, ohne dass etwas zugeführt wird. In dem Experiment wurde eine auf Si basierende Aluminium Platte (AC8A) als auf Aluminium basierendes Grundmaterial verwendet.
Beispiel eines Experiments
Ein Beispiel für ein Experiment bezüglich der vorliegenden Erfindung wird jetzt beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf den Anwendungsbereich des Beispiels des Experiments beschränkt.
Bildung der Proben A bis J:

Es wurde eine Vielzahl von Proben gebildet um die Haftreibungskoeffizienten und Tiefe der Abnutzungsmarkierungen zu messen. Die zugehörigen Einzelheiten sind in der nachfolgenden Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle 1

Probe	Grundmaterial	Beschichtungslösung		Behandlungsbedingungen			Anzahl freiliegender CNFs/(30 μm × 30 μm)
Probe	Grundmaterial	Basis	Zumischung	Bad temp.	Stromdichte	Zeit (min)	Anzahl freiliegender CNFs/(30 μm × 30 μm)
A	Auf Si basierende Al Platte (AC8A)	Eisenbeschichtungsbad	keine	55°C	15 A/dm²	5	-
B			CNF, 1,0 g/L	55°C	2 A/dm²	10	30
C			CNF, 1,5 g/L	40°C	2 A/dm²	10	123
D			CNF, 2,0 g/L	40°C	4 A/dm²	5	141
E			Si-CNF, (1:5) 1,2 g/L (*1,0 g/L)	55°C	4 A/dm²	10	47
^F			Si-CNF, (1:2) 1,5 g/L (*1,0 g/L)	55°C	5 A/dm²	10	67
G			Si-CNF, (1:1) 2,0 g/L (*1,0 g/L)	55°C	4 A/dm²	5	89
H			CNF, 3,0 g/L	55°C	4 A/dm²	5	53
I			CNF, 3,0 g/L	55°C	2 A/dm²	10	119
J			CNF, 5,0 g/L	55°C	2 A/dm²	10	222

Die Probe A wurde durch das Tauchen einer Aluminiumplatte in ein Eisenbeschichtungsbad (ohne Zusätze) und dem Auftragen einer Eisenbeschichtung gebildet. Die Badtemperatur betrug 55°C, die Stromdichte betrug 15 A/dm² und die Zeit betrug 5 Minuten.
Für Probe B wurde ein Verbundbeschichtungsbad verwendet, das sich aus der Zuführung von Kohlenstoffnanofasern (CNF) in ein Eisenbeschichtungsbad in einem Verhältnis von 1,0 g pro Liter ergeben hat. Die Probe B wurde durch das Tauchen einer Aluminiumplatte in das Verbundbeschichtungsbad und dem Auftragen einer Eisenbeschichtung gebildet. Die Badtemperatur betrug 55°C, die Stromdichte betrug 2 A/dm² und die Zeit betrug 10 Minuten.
6 ist eine vergrößerte konzeptionelle Darstellung der Oberfläche von Probe B. Unter einem Mikroskop wurden freiliegende Kohlenstoffnanofasern 41 festgestellt, die aus der Oberfläche der Probe B wie Haare heraustreten. Das Zählen der freiliegenden Kohlenstoffnanofasern 41 ergab, dass es 30 Stück pro 30 μm × 30 μm Fläche sind. Dieser Wert ist in der dritten Zeile der rechtesten Spalte der Tabelle 1 aufgeführt.
Die Probe C wurde durch die Veränderung des Verhältnisses, in dem die Kohlenstoffnanofasern in der Probe B zugeführt wurden, auf 1,5 g/L, durch das Verändern einiger Behandlungsbedingungen und das Auftragen einer auf Eisen basierenden Verbundbeschichtung, gebildet. Die Anzahl freiliegender CNFs betrug 123.
Die Probe D wurde durch die Veränderung des Verhältnisses, in dem die Kohlenstoffnanofasern in der Probe B zugeführt wurden, auf 2,0 g/L, durch das Verändern einiger Behandlungsbedingungen und das Auftragen einer auf Eisen basierenden Verbundbeschichtung, gebildet. Die Anzahl freiliegender CNFs betrug 141.
Für die Probe E wurde ein Verbundbeschichtungsbad verwendet, das durch die Zugabe von mit Teilchen beschichteten Kohlenstoffnanofasern (Si-CNF) in ein Eisenbeschichtungsbad in einem Verhältnis von 1,2 g pro Liter gebildet wurde. Es wurde ein Si-CNF Anteil von 1:5 für Probe E verwendet. Eine Umrechnung (1,2 × (5/6) = 1) zeigt, dass in Probe E die Kohlenstoffnanofasern in einem Verhältnis von 1,0 g pro Liter in das Eisenbeschichtungsbad gemischt wurden.
Die Probe E wurde durch das Tauchen einer Aluminiumplatte in ein Verbundbeschichtungsbad und das Auftragen einer auf Eisen basierenden Verbundbeschichtung gebildet. Die Badtemperatur betrug 55°C, die Stromdichte betrug 4 A/dm² und die Zeit betrug 10 Minuten. Die Anzahl freiliegender CNFs (oder genauer, der Anzahl von mit Teilchen beschichteten Kohlenstoffnanofasern) betrug 47.
Für die Probe F wurde ein Verbundbeschichtungsbad verwendet, dass durch die Zugabe von mit Teilchen beschichteten Kohlenstoffnanofasern (Si-CNF) in ein Eisenbeschichtungsbad in einem Verhältnis von 1,5 g pro Liter gebildet wurde. Es wurde ein Si-CNF Anteil von 1:2 für die Probe F verwendet. Eine Umrechnung (1,5 × (2/3) = 1) zeigt, dass in Probe E die Kohlenstoffnanofasern in einem Verhältnis von 1,0 g pro Liter in das Eisenbeschichtungsbad gemischt wurden.
Die Probe F wurde durch das Tauchen einer Aluminiumplatte in ein Verbundbeschichtungsbad und das Auftragen einer auf Eisen basierenden Verbundbeschichtung gebildet. Die Badtemperatur betrug 55°C, die Stromdichte betrug 4 A/dm² und die Zeit betrug 10 Minuten. Die Anzahl freiliegender CNFs (oder genauer, der Anzahl von mit Teilchen beschichteten Kohlenstoffnanofasern) betrug 67.
Für die Probe G wurde ein Verbundbeschichtungsbad verwendet, dass durch die Zugabe von mit Teilchen beschichteten Kohlenstoffnanofasern (Si-CNF) in ein Eisenbeschichtungsbad in einem Verhältnis von 2,0 g pro Liter gebildet wurde. Es wurde ein Si-CNF Anteil von 1:1 für die Probe G verwendet. Eine Umrechnung (2,0 × (1/2) = 1,0) zeigt, dass in Probe G die Kohlenstoffnanofasern in einem Verhältnis von 1,0 g pro Liter in das Eisenbeschichtungsbad gemischt wurden.
Die Probe G wurde durch das Tauchen einer Aluminiumplatte in ein Verbundbeschichtungsbad und das Auftragen einer auf Eisen basierenden Verbundbeschichtung gebildet. Die Badtemperatur betrug 55°C, die Stromdichte betrug 4 A/dm² und die Zeit betrug 5 Minuten. Die Anzahl freiliegender CNFs (oder genauer, der Anzahl von mit Teilchen beschichteten Kohlenstoffnanofasern) betrug 89.
Die Probe H wurde durch das Auftragen einer auf Eisen basierenden Verbundbeschichtung gebildet, wobei die Bedingungen von Probe B so geändert wurden, dass das Verhältnis in dem die Kohlenstoffnanofasern zugemischt wurden 3,0 g/L betrug, die Stromdichte bei 4 A/dm² lag und die Zeit 10 Minuten war. Die Anzahl der freiliegenden CNFs betrug 53.
Die Probe I wurde durch das Auftragen einer auf Eisen basierenden Verbundbeschichtung gebildet, wobei das Verhältnis, in dem die Kohlenstoffnanofasern bei Probe B zugemischt wurden, auf 3,0 g/L geändert wurde. Die Anzahl der freiliegenden CNFs betrug 119.
Die Probe J wurde durch das Auftragen einer auf Eisenbasierenden Verbundbeschichtung gebildet, wobei das Verhältnis, in dem die Kohlenstoffnanofasern bei Probe B zugemischt wurden, auf 5,0 g/L geändert wurde. Die Anzahl der freiliegenden CNFs betrug 222.
7 zeigt eine Veranschaulichung eines Verfahrens zur Messung während eines Langlebigkeitstests. Ein Prüfstab 59, der durch eine strichpunktierte Linie dargestellt ist, ist in der Nähe der Proben A bis J bereitgestellt, in denen ein auf Aluminium basierendes Grundmaterial 33 mit einer Eisenbeschichtung oder einer auf Eisen basierenden Verbundbeschichtung 11 beschichtet ist. Der Test wird durchgeführt indem der Prüfstab 59 auf der Eisenbeschichtung oder auf der Eisen basierenden Verbundbeschichtung 11 gerieben wird. Es wurde ein Prüfstab 59 aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) mit einem Distalende, das mit einer kugelförmigen Oberfläche mit einem Durchmesser von 10 mm (in der Zeichnung unteres Ende) versehen ist, als Prüfstab 59 verwendet. Der Prüfstab 59 wurde für einen Kontakt (mit der Beschichtung) mit einem Druck von 50 g ausgelegt, und mit hin- und hergehenden Bewegungen für 50 Durchläufe über eine Distanz von 4 mm bei einer Geschwindigkeit von 0,5 mm/s ohne Schmierung bewegt.
Der gemessene Wert des Haftreibungskoeffizienten weist große Schwankungen innerhalb der ersten 5 Durchgänge auf, stabilisiert sich aber nach 20 bis 40 Durchgängen; ein stabiler Wert wurde mit 50 Durchgängen erreicht.
Die Tiefe einer Abnutzungsmarkierung, die auf der Oberfläche der Eisenbeschichtung oder auf Eisen basierenden Verbundbeschichtung 11 erschien, wurde unter der Verwendung eines Lasermikroskops gemessen.
Die Oberflächenrauheit der Probe (vor der Langlebigkeitstestmessung) wurde mit einem Oberflächenrauheitsmessgerät gemessen.

Die Haftreibungskoeffizienten, die Tiefen der Abnutzungsmarkierungen und die Oberflächenrauheiten, die wie oben gemessen wurden, sind in Tabelle 2 dargestellt. In die Tabelle 2 wurden die Einträge für ”Zumischung” und ”freiliegende CNFs”, wie sie in Tabelle 1 angegeben sind, rechts neben die Spalte für die Probe übertragen. Tabelle 2

Experiment Nr.	Probe	Zumischung	Anzahl freiliegender CNFs	Haftreibungskoeffizient	Tiefe der ^Abnutzungs ^erscheinun gen	Oberflächenrauheit
1	A	Keine	-	0,50	0,92 μm	0,084 μm
2	B	CNF, 1,0 g/L	30	0,31	0,63 μm	0,131 μm
3	C	CNF, 1,5 g/L	123	0,20	0,20 μm	0,206 μm
4	D	CNF, 2,0 g/L	141	0,18	0,06 μm	0,187 μm
5	E	*CNF, 1,0 g/L	47	0,25	0,12 μm	0,139 μm
6	F	*CNF, 1,0 g/L	67	0,20	0,08 μm	0,096 μm
7	G	*CNF, 1,0 g/L	89	0,22	0,05 μm	0,082 μm
8	H	CNF, 3,0 g/L	53	0,21	0,24 μm	0,139 μm
9	I	CNF, 3,0 g/L	119	0,15	0,21 μm	0,131 μm
10	J	CNF, 5,0 g/L	222	0,14	0,26 μm	0,220 μm

Experiment 1 wurde mit Probe A (Eisenbeschichtung, die keine CNF enthält) durchgeführt. Der Haftreibungskoeffizient betrug 0,50, die Tiefe der Abnutzungsmarkierung war 0,92 μm und die Oberflächenrauheit lag bei 0,084 μm.
Die Experimente 2, 3 und 4 wurden mit den Proben B, C und D durchgeführt, welche eine auf Eisen basierende Verbundbeschichtung mit CNFs haben und es wurden die Haftreibungskoeffizienten, Tiefen der Abnutzungsmarkierungen und Oberflächenrauheiten erzielt, die in Tabelle 2 dargestellt sind.
Die Experimente 5, 6 und 7 wurden mit den Proben E, F und G durchgeführt, welche eine auf Eisen basierende Verbundbeschichtung mit Teilchen beschichteten CNFs haben und es wurden die Haftreibungskoeffizienten, Tiefen der Abnutzungsmarkierungen und Oberflächenrauheiten erzielt, die in Tabelle 2 dargestellt sind.
Die Experimente 8, 9 und 10 wurden mit den Proben H, I und J durchgeführt, welche eine auf Eisen basierende Verbundbeschichtung mit CNFs haben und es wurden die Haftreibungskoeffizienten, Tiefen der Abnutzungsmarkierungen und Oberflächenrauheiten erzielt, die in Tabelle 2 dargestellt sind.
Als nächstes wurden die Zusammenhänge zwischen dem Verhältnis der Zumischung der Kohlenstoffnanofasern und dem Haftreibungskoeffizienten, der Tiefe der Abnutzungsmarkierungen und der Oberflächenrauheit untersucht.
8 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Verhältnis der Zumischung der Kohlenstoffnanofasern und dem Haftreibungskoeffizienten zeigt; ein Punkt der mit ”Exp. 1” im Diagramm gekennzeichnet ist, entspricht einem Haftreibungskoeffizienten von 0,50 bei Probe A gemäß Tabelle 2. Der Probe A sind keine Kohlenstoffnanofasern zugemischt. Dafür wurde der Punkt ”Exp. 1” mit den Koordinaten 0 auf der horizontalen Achse und 0,5 auf der vertikalen Achse eingezeichnet. Die Punkte ”Exp. 2” bis ”Exp. 10” wurden in gleicher Weise wie ”Exp. 1” eingezeichnet.
Bezüglich des Haftreibungskoeffizienten resultiert ein größerer Wert in einem größeren Verlust an mechanischer Energie im Motor, so dass ein kleinerer Wert zu bevorzugen ist.
Bei der Probe A wurde eine Eisenbeschichtung, die keine Zumischungen enthält, auf ein auf Aluminium basierendes Grundmaterial aufgetragen. Es wurde ein Haftreibungskoeffizient von 0,50 als Ergebnis von Experiment 1 erzielt, der unter der Verwendung von Probe A durchgeführt wurde. Ein Haftreibungskoeffizient, der deutlich kleiner ist als 0,50, wird als Errungenschaft der Erfindung beansprucht. Dafür wurde ein Wert, der halb so groß ist wie der, der in Experiment 1 erreicht wurde (0,50/2), als obere Grenze für den Wert des Haftreibungskoeffizienten gesetzt. Eine Linie, die der oberen Grenze von 0,25 entspricht, ist in dem Diagramm dargestellt.
Ein Wert unterhalb dieser Linie, die die obere Grenze darstellt, ist zu bevorzugen. Besonders die Haftreibungskoeffizienten der Experimente 3, 4, 8, 9 und 10 sind ausreichend klein. Da das Verhältnis, in dem die CNF im Experiment 3 zugemischt wurden, 1,5 g/L betrug und das Verhältnis, in dem die CNF im Experiment 10 zugemischt wurden, 5,0 g/L betrug, kann das Verhältnis, in dem die CNF zugemischt wurden, im Bereich von 1,5 bis 5,0 g/L liegen.
9 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Verhältnis der Zumischung der Kohlenstoffnanofasern und der Tiefe der Abnutzungsmarkierungen zeigt. Die Tiefe der Abnutzungsmarkierungen beeinflusst die Lebensdauer und ist ein Kennzeichen der Langlebigkeitsmessung.
Vom Gesichtspunkt der Langlebigkeit ist eine geringere Tiefe der Abnutzungsmarkierungen zu bevorzugen. Die Tiefe der Abnutzungsmarkierung die in Experiment 1 bei der Verwendung von Probe A erzielt wurde betrug 0,92 μm. Eine Abnutzungsmarkierungstiefe von deutlich unter 0,92 μm wird als Errungenschaft der Erfindung beansprucht. Dafür wurde ein Wert, der halb so groß ist wie der, der für die Tiefe der Abnutzungsmarkierung in Experiment 1 erreicht wurde (0,92/2), als obere Grenze für den Wert der Tiefe der Abnutzungsmarkierung gesetzt. Eine Linie, die der oberen Grenze von 0,46 entspricht, ist in dem Diagramm dargestellt.
Ein Wert unterhalb dieser Linie, die die obere Grenze darstellt, ist zu bevorzugen. Besonders die Tiefen der Abnutzungsmarkierungen der Experimente 3, 4, 8, 9 und 10 sind ausreichend gering. Da das Verhältnis der Zugabe von CNF 1,5 g/L in Experiment 3 betrug und das Verhältnis der Zugabe von CNF 5,0 g/L in Experiment 10 betrug, kann das Verhältnis, in dem die CNF zugemischt wurden, im Bereich von 1,5 bis 5,0 g/L liegen.
Es gibt einen Tiefpunkt zwischen den Experimenten 3, 4, 8 und 9. Das Verhältnis, in dem CNFs zugemischt wurden, war 1,5 g/L bei Experiment 3 und 3,0 g/L bei Experiment 9; deshalb kann das Verhältnis, in dem Kohlenstoffnanofasern zugemischt werden, im Bereich von 1,5 bis 3,0 g/L liegen.
Indessen ist ein Verhältnis von 1,0 g/L, in dem die Kohlenstoffnanofasern zugemischt werden, ausreichend für die Experimente 5, 6 und 7 (gekennzeichnet durch das Dreieck), die eine auf Eisen basierende Verbundbeschichtung haben, die mit Teilchen beschichtete CNFs enthält. Mit anderen Worten resultieren die Experimente 5 bis 7, die auf Eisen basierende Verbundbeschichtungen mit Teilchen beschichteten Kohlenstoffnanofaser verwenden, in hoher Langlebigkeit, trotz der geringen Anzahl an freiliegenden Kohlenstoffnanofasern.
10 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Verhältnis der Zumischung der Kohlenstoffnanofasern und der Oberflächenrauheit zeigt. Die Oberflächenrauheit ist im Experiment 1, das keine Zugaben enthielt, am geringsten. Es wurde erwartet, dass sich die Oberflächenrauheit in den Experimenten 2 bis 10, die Zugaben enthielten, erhöht. Das Diagramm zeigt, dass, wie erwartet, die Oberflächenrauheit in Proportion zu dem Verhältnis ansteigt, in dem die Kohlenstoffnanofasern beigemischt wurden. Dennoch bleibt. die Oberflächenrauheit sogar in Experiment 10 bei einer Tiefe von 0,220 μm, was darauf hinweist, dass die Rauheit an der unteren Grenze bleibt, die kein Problem für den praktischen Gebrauch darstellt.
Die Experimente 5, 6 und 7 (auf Eisen basierende Verbundbeschichtung, die Teilchen beschichtete CNF beinhaltet) bestätigen, dass die Oberflächenrauheit ausreichend klein bleibt.
Gemäß der oben erwähnten Experimente kann ein beschichtetes Aluminiumprodukt in einem Beschichtungsvorgang bereitgestellt werden, indem eine geeignete Menge an Kohlenstoffnanofasern oder mit Teilchen beschichteten Kohlenstoffnanofasern in ein Eisenbeschichtungsbad hinzu gegeben werden. Da es nur einen Beschichtungsvorgang gibt, können die Produktionskosten bezüglich des Beschichtungsvorgangs reduziert werden.
Als nächstes wurden die Zusammenhänge zwischen der Anzahl der freiliegenden Kohlenstoffnanofasern und dem Haftreibungskoeffizienten, der Tiefe der Abnutzungsmarkierungen und der Oberflächenrauheit untersucht.
11 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Verhältnis der Anzahl der freiliegenden Kohlenstoffnanofasern und dem Haftreibungskoeffizienten zeigt; ein Punkt der mit ”Exp. 2” im Diagramm gekennzeichnet ist, entspricht einem Haftreibungskoeffizienten von 0,31 bei Probe B gemäß Tabelle 2. Die Anzahl der freiliegenden Kohlenstoffnanofasern für Probe B war 30. Deshalb wurde der Punkt an die Stelle mit den Koordinaten 30 auf der horizontalen Achse und 0,31 auf der vertikalen Achse eingezeichnet. Punkt 1 und die Punkte 3 bis 10 wurden in gleicher Weise wie Punkt 2 eingezeichnet. Es wurde bestätigt, dass der Haftreibungskoeffizient im Wesentlichen bei einer kleineren Anzahl an freiliegenden Kohlenstoffnanofasern geringer war.
12 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Verhältnis der Anzahl der freiliegenden Kohlenstoffnanofasern und der Tiefe der Abnutzungsmarkierungen zeigt. Es wurde bestätigt, dass die Tiefe der Abnutzungsmarkierungen im Wesentlichen bei einer größeren Anzahl an freiliegenden Kohlenstoffnanofasern geringer war. Dennoch muss die Zugabe an Kohlenstoffnanofasern erhöht werden um die Anzahl der freiliegenden Kohlenstoffnanofasern zu erhöhen; eine angemessene Anzahl an freiliegenden Kohlenstoffnanofasern liegt zwischen 50 (Experiment 8) und 220 (Experiment 10). Die Verwendung von mit Teilchen beschichteten Kohlenstoffnanofasern, gekennzeichnet durch die Dreiecksymbole, erlaubt eine ausreichende Wirkung, die bei der Verwendung einer geringeren Anzahl an freiliegenden Kohlenstoffnanofasern (50 bis 90) beobachtet werden kann.
Das Obige deutet an, dass freiliegende Kohlenstoffnanofasern eine schmierende Wirkung haben.
13 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Verhältnis der Anzahl der freiliegenden Kohlenstoffnanofasern und der Oberflächenrauheit zeigt. Die Oberflächenrauheit ist im Experiment 1 am geringsten, da es dort keine freiliegenden Kohlenstoffnanofasern gibt. Es wurde erwartet, dass sich die Oberflächenrauheit in den Experimenten 2 bis 10, bei denen freiliegende Kohlenstoffnanofasern beobachtet wurden, erhöht. Das Diagramm zeigt, dass sich die Oberflächenrauheit, wie erwartet, im Wesentlichen proportional zur Anzahl der freiliegenden Kohlenstoffnanofasern erhöht. Dennoch bleibt die Oberflächenrauheit bei einer Tiefe von 0,220 μm, sogar bei Experiment 10, was andeutet, dass das kein Problem für den praktischen Gebrauch darstellt.
Die Experimente 5, 6 und 7 (auf Eisen basierende Verbundbeschichtung, die mit Teilchen beschichtete CNF enthält) bestätigen, dass die Oberflächenrauheit angemessen niedrig bleibt.
Als nächstes wurden die thermischen Eigenschaften eines beschichteten Aluminiumprodukts gemäß der vorliegenden Erfindung untersucht.
Ein Kolben der durch Verbrennungsgas erwärmt wird, wird durch die Abführung von Wärme auf den Zylinder über den Kolbenring in einem thermischen Gleichgewicht gehalten. Die Kühlwirkung auf den Kolben ist höher bei einer höheren thermischen Leitfähigkeit des Kolbens auf den Kolbenring, oder vom Kolbenring zum Zylinder. Dafür muss die Wirkung einer auf Eisen basierenden Verbundbeschichtung, die den Kolben oder den Zylinder bedeckt, untersucht werden.

Dafür wurden eine runde Aluminiumlegierungsplatte (AC8A), mit einer Dicke von 2,0 mm, und eine beschichtete runde Platte bereitgestellt, wobei die beschichtete runde Platte durch das Beschichten einer Oberfläche einer 2,0 mm dicken Aluminiumlegierungsplatte (AC8A) mit einer durchschnittlich 20 μm dicken und auf Eisen basierenden, Kohlenstoffnanomaterial (gebildet durch die Verwendung einer Lösung mit 1,0 g/L CNF) beinhaltenden Verbundbeschichtung gemacht wurde, und die thermische Leitfähigkeit von jeder der zwei Platten wurde gemessen. Es wurde eine herkömmliche Messvorrichtung benutzt um die thermische Leitfähigkeit zu messen. Ergebnisse der Messungen sind in Tabelle 3 unterhalb dargestellt. Tabelle 3

Experiment Nr.	Probe		Thermische Leitfähigkeit	Bewertung
Experiment Nr.	Grundmaterial	Beschichtung	Thermische Leitfähigkeit	Bewertung
11	2,0 mm Si-basierende Al Platte (AC8A	keine	114 W/m·K	1,0
12	2,0 mm Si-basierende Al Platte (AC8A	Durchschnittlich 20 μm CNF, 1,0 g/L	144 W/m·K	1,3

In Experiment 11, in dem keine Beschichtung aufgetragen wurde, lag die thermische Leitfähigkeit bei 114 W/m·K. In Experiment 12, in dem eine auf Eisen basierende Verbundbeschichtung, die Kohlenstoffnanomaterial enthält, aufgetragen wurde, lag die thermische Leitfähigkeit bei 144 W/m·K. Es wurde eine 1,3-fache Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit beobachtet, als die auf Eisen basierende Beschichtung aufgetragen wurde, verglichen mit einem Fall, in dem keine Beschichtung aufgetragen wurde. Das Kohlenstoffnanomaterial ist eine erhebliche Ursache der Erhöhung.
Die Beschichtungstechnologie gemäß der vorliegenden Erfindung wird für einen Kolben oder einen Zylinder eines Verbrennungsmotors verwendet; dennoch kann die Technologie für ein anderes Fahrzeugteil oder ein Teil einer industriellen Gerätschaft verwendet werden.
Eine Wirkung ähnlich jener der Kohlenstoffnanofasern wurde erzielt, als ein Experiment mit Kohlenstoffnanorohren oder Kohlenstoffnanofullerenen anstelle von Kohlenstoffnanofasern durchgeführt wurde, obwohl Einzelheiten des Experiments hier nicht bereitgestellt werden. Deshalb kann das Kohlenstoffnanomaterial irgendein in nano-Größe vorliegendes Kohlenstoffmaterial, wie Kohlenstoffnanofasern, Kohlenstoffnanorohre oder Fullerene, sein, unabhängig von Form und Ausführung.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung ist geeignet zur Verwendung an einem Aluminiumkolben.

Claims

Beschichtetes Aluminiumprodukt umfassend: ein auf Aluminium basierendes Grundmaterial; und eine auf Eisen basierende Verbundbeschichtung, die ein Kohlenstoffnanomaterial enthält, wobei die Verbundbeschichtung auf das auf Aluminium basierende Grundmaterial durch Verwenden eines auf Eisen basierenden Verbundbeschichtungsbades aufgebracht ist, wobei das Verbundbeschichtungsbad durch das Beimischen eines Kohlenstoffnanomaterials in ein Eisenbeschichtungsbad gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass Kohlenstoffnanomaterial in Form von freiliegenden Kohlenstoffnanofasern (41) aus der Oberfläche der auf Eisen basierenden Verbundbeschichtung herausragt.
Aluminiumprodukt nach Anspruch 1, wobei das Kohlenstoffnanomaterial ein mit Teilchen beschichtetes Kohlenstoffnanomaterial ist, dessen Oberfläche vorab mit SiC Teilchen beschichtet wurde.
Aluminiumprodukt nach Anspruch 1, wobei das auf Aluminium basierende Grundmaterial ein Zylinder in einem Motorblock oder ein Kolben ist, der sich entlang des Zylinders bewegt.