DE19610055C1

DE19610055C1 - Lubricant coating for working surface of cylinders of reciprocating engine,

Info

Publication number: DE19610055C1
Application number: DE1996110055
Authority: DE
Inventors: Werner Kroemmer; Peter Dipl Ing Heinrich
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde Gas AG
Priority date: 1996-03-14
Filing date: 1996-03-14
Publication date: 1997-04-03
Anticipated expiration: 2016-03-15

Abstract

A lubricating coating for the working surfaces of cylinders of reciprocating engines contains 1-50 wt.% of a fluoro-polymer.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleitbeschichtung für Zylinderlaufflächen von Kolben motoren und ihre Verwendung.The invention relates to a sliding coating for cylinder running surfaces of pistons engines and their use.

Es ist bekannt, Schmieröle für Zylinder mit Additiven wie PTFE zu versehen, um das Gleiten der Kolben auf den Zylinderlaufflächen zu erleichtern.It is known to provide lubricating oils for cylinders with additives such as PTFE in order to Facilitate sliding of the pistons on the cylinder liners.

In der Motortechnik werden zunehmend beschichtete Zylinderlaufflächen eingesetzt, beispielsweise Laufflächen von in Leichtbauweise aus Aluminium gefertigten Zylindern. An beschichteten Laufflächen werden in der Regel mehrere Anforderungen gestellt: Zunächst müssen sie ein druckdichtes Gleiten der Kolben ermöglichen, gleichzeitig sollten sie aber eine gewisse Härte aufweisen, um einen übermäßigen Verschleiß und Abrieb zu verhindern und damit eine lange Lebensdauer sicherzustellen, da die Lauf flächen beim Einsatz in der Regel großen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Desweiteren müssen die Zylinderlaufflächen den hohen thermischen Belastungen beim Einsatz standhalten, d. h. die Beschichtung muß einen hohen Grad an ther mischer und mechanischer Belastung verkraften. Im betriebswarmen, aber auch bereits im kalten Zustand des Motors muß ein möglichst reibungs-loses Gleiten des Kolbens in der Zylinderlauffläche gewährleistet sein.Coated cylinder surfaces are increasingly being used in engine technology, For example, treads of cylinders made of lightweight aluminum. There are usually several requirements for coated treads: First, they must allow the pistons to slide in a pressure-tight manner, at the same time but they should have a certain hardness to prevent excessive wear and tear To prevent abrasion and thus ensure a long life, as the barrel surfaces are usually exposed to high mechanical loads. Furthermore, the cylinder running surfaces must withstand the high thermal loads withstand use, d. H. the coating must have a high degree of ther Can handle mixer and mechanical loads. In warm, but also Already when the engine is cold, the friction should slide as smoothly as possible Piston in the cylinder running surface can be guaranteed.

Es wurden bislang galvanisch erzeugte Nickel-Beschichtungen mit PTFE-Einlagerun gen eingesetzt, die allerdings den genannten hohen Anforderungen nur teilweise genügen.So far, there have been electroplated nickel coatings with PTFE deposits gene used, but only partially the high requirements mentioned are enough.

So beschreibt die Patentschrift US-4,666,786 Gleitbeschichtungen von Kraftfahrzeug-Teilen wie Motorzylinder oder Kolben mit über ein Tauchbad stromlos abgeschieden Ni-P-Legierungen, in die abriebfeste Partikel wie SiC, TiC, WC, BC₄, TiN oder Al₂O₃ und Gleitstoffpartikel wie BN, MoS₂ oder PTFE eingelagert sind.For example, US Pat. No. 4,666,786 describes sliding coatings on motor vehicle parts such as engine cylinders or pistons, which are electrolessly deposited using an immersion bath Ni-P alloys, in the abrasion-resistant particles such as SiC, TiC, WC, BC₄, TiN or Al₂O₃ and lubricant particles such as BN, MoS₂ or PTFE are embedded.

Aus der deutschen Patentschrift DE 44 13 306 C1 ist die Beschichtung von Zylinder laufflächen aus Leichtmetallegierungen wie Aluminium- oder Magnesiumlegierungen bekannt, die mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzens eines Gemisches aus Metallegierungspulver, aus Verstärkungspartikeln wie SiC, Al₂O₃, B₄C, MgO und/oder TiB₂, gegebenenfalls aus Gleitstoffpartikel wie BN oder Graphit und aus das Däm pfungsverhalten gezielt beeinflussende Polymerpartikeln wie Fluorkohlenstoff-Poly mere, insbesondere PTFE hergestellt wird.From the German patent DE 44 13 306 C1 is the coating of the cylinder Treads made of light metal alloys such as aluminum or magnesium alloys known from high-speed flame spraying of a mixture Metal alloy powder, made of reinforcing particles such as SiC, Al₂O₃, B₄C, MgO and / or TiB₂, optionally made of lubricant particles such as BN or graphite and from the insulation polymer particles such as fluorocarbon poly that specifically influence mere, especially PTFE is produced.

Im deutschen Gebrauchsmuster DE-GM 73 24 829 wird eine Schutzbeschichtung von Gleitflächen beschrieben, die wechselnden Temperaturen und Lasten und hohe Gleit geschwindigkeiten standhalten sollen, wobei die Gleitflächen mittels Plasmaspritzen, Flammspritzen oder eines Flame-Plating-Verfahrens mit einem Gemisch aus Metallen mit Metalloxiden und/oder Spinellen und Festschmierstoffen wie PTFE beschichtet werden.In German utility model DE-GM 73 24 829 a protective coating of Described sliding surfaces, the changing temperatures and loads and high sliding should withstand speeds, the sliding surfaces using plasma spraying, Flame spraying or a flame plating process with a mixture of metals coated with metal oxides and / or spinels and solid lubricants such as PTFE will.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gleitbeschichtung der eingangs genannten Art aufzuzeigen, welche eine Verbesserung hinsichtlich der Gleit eigenschaften, der thermischen Belastbarkeit oder der Lebensdauer sicherstellen. Darüber hinaus sollten die Beschichtungen wiederholbar mit gleichen Eigenschaften herzustellen sein.The present invention has for its object a slide coating to point out the type mentioned above, which is an improvement in terms of sliding properties, thermal resilience or service life. In addition, the coatings should be repeatable with the same properties to be manufactured.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Lauffläche der Zylinder zumindest teilweise eine Fluorpolymere enthaltende Beschichtung mit einem Anteil zwischen 1 und 50 Gew.-% umfaßt.This object is achieved in that the tread of the cylinder at least partially a coating containing fluoropolymers with a proportion between 1 and 50% by weight.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß Laufflächen mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung den auftretenden mechanischen und thermischen Belastungen prob lemlos standhalten und zusätzlich wesentlich verbesserte Gleiteigenschaften bei jeder Betriebstemperatur des Motors aufweisen. Die Gleitparameter zwischen Kolben und Zylinderlauffläche sind aufgrund der erfindungsgemäßen Beschichtung wesentlich weniger von der Temperatur und Viskosität des Schmieröls abhängig. Beim Einsatz der erfindungsgemäßen Beschichtung der Zylinderlauffläche kann weitgehend auf teuere gleitverbessernde Zusätze im Öl verzichtet werden.Surprisingly, it has been found that treads with an inventive Coating the occurring mechanical and thermal loads prob Resist without hesitation and additionally significantly improved sliding properties for everyone Operating temperature of the engine. The sliding parameters between piston and Cylinder tread are essential due to the coating according to the invention less dependent on the temperature and viscosity of the lubricating oil. When using The coating of the cylinder running surface according to the invention can largely be based on expensive slide-improving additives in the oil can be dispensed with.

Als Fluorpolymere eignen sich insbesondere Polyfluortetraethylen (PTFE), Ethylen fluortetraethylen (ETFE), Perfluoralkoxid (PFA) und/oder fluoriniertes Ethylenpropylen (FEP).Polyfluorotetraethylene (PTFE) and ethylene are particularly suitable as fluoropolymers fluorotetraethylene (ETFE), perfluoroalkoxide (PFA) and / or fluorinated ethylene propylene (FEP).

Zusätzliche Vorteile ergeben sich dadurch, daß die Laufflächen mittels eines ther mischen Spritzverfahrens, insbesondere mittels autogenen Flammspritzens oder Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens, mittels Lichtbogen- oder Plasmaspritzens, mittels Detonationsspritzens oder mittels Laserspritzens beschichtet werden.Additional advantages result from the fact that the treads by means of a ther mix spraying process, in particular by means of autogenous flame spraying or High-speed flame spraying, by means of arc or plasma spraying, be coated by means of detonation spraying or by means of laser spraying.

Thermische Spritzverfahren sind beispielsweise ausThermal spray processes are out, for example

Overview and introduction to "thermal spraying", Peter Heinrich, Linde reports from technology and science, 52/1982, pages 29 to 37,
or
Thermal spraying - facts and state of the art, Peter Heinrich, Yearbook Surface Technology, Volume 48, Metall-Verlag GmbH,
known.

Thermische Spritzverfahren zeichnen sich im wesentlichen dadurch aus, daß sie gleichmäßig aufgetragene Beschichtungen ermöglichen. Durch thermische Spritz verfahren aufgetragene Beschichtungen können durch Variation der Spritzmaterialien an unterschiedliche Anforderungen angepaßt werden. Die Spritzmaterialien können dabei in Form von Drähten, Stäben oder bevorzugt als Pulver verarbeitet werden. Beim thermischen Spritzen kann zusätzlich eine thermische Nachbehandlung vorgesehen sein.Thermal spray processes are essentially characterized in that they enable evenly applied coatings. By thermal spray Process applied coatings can be achieved by varying the spray materials can be adapted to different requirements. The spray materials can can be processed in the form of wires, rods or preferably as a powder. Thermal spraying can also be followed by a thermal aftertreatment be provided.

Ein Zylinder mit einer erfindungsgemäß fluorpolymer-haltigen Beschichtung auf der Lauffläche erhält durch das Auftragen der Beschichtung mittels eines thermischen Spritzverfahrens eine Gleitbeschichtung, die einerseits dank der darin enthaltenen Fluorpolymere wesentlich verbesserte Gleiteigenschaften aufweist und andererseits aufgrund des verwendeten Auftragsverfahrens eine Gleichmäßigkeit (hinsichtlich der Schichtdicke, aber auch hinsichtlich der Materialverteilung in der Beschichtung) sicherstellt. Dies ist bei den bislang bekannten Beschichtungen beispielsweise durch galvanischen Auftrag nur schwer oder unzureichend erreichbar. Zusätzlich kann bei Verwendung von thermischen Spritzverfahren zur Erzeugung der Beschichtung durch Variation der eingesetzten Spritzmaterialien eine Anpassung an spezielle Anforderun gen in einem weiten Bereich erfolgen. So können beispielsweise die Gleiteigenschaf ten der Beschichtung hinsichtlich der beim Einsatz des Kolbenmotors herrschenden Temperaturen optimiert werden.A cylinder with a coating containing fluoropolymer according to the invention on the Tread is obtained by applying the coating using a thermal Spraying a sliding coating, on the one hand thanks to the contained therein Fluoropolymers have significantly improved sliding properties and on the other hand due to the application method used, a uniformity (with regard to the Layer thickness, but also with regard to the material distribution in the coating) ensures. This is the case, for example, with the coatings known to date galvanic application difficult or insufficiently accessible. In addition, at Use of thermal spraying processes to produce the coating by Varying the spray materials used to adapt them to special requirements conditions take place in a wide range. For example, the sliding property ten of the coating with regard to the prevailing when using the piston engine Temperatures can be optimized.

Das Spritzmaterial kann prinzipiell ausschließlich aus Fluorpolymeren bestehen. Bevorzugt wird jedoch eine Mischung aus Fluorpolymeren und Metallen, Metall legierungen, Oxiden wie Al₂O₃ und/oder TiO₂, Carbiden und/oder keramischen Materialien. Dabei wird im Unterschied zur Verwendung von gleitverbessernde Zusätze wie PTFE im Öl bei Auftrag durch thermisches Spritzen sichergestellt, daß die Fluorpolymere in der Beschichtung im wesentlichen homogen verteilt sind und eine Verbesserung der Gleitreibungskoeffizienten über die ganze beschichtete Lauffläche erzielt wird. Zusätzlich zu den Fluorpolymeren können die Beschichtungen ins besondere umfassen: Molybdän, Wolfram, Kobalt, Nickel, Chrom, Eisen, Bor, Silizium, Mangan, Tantal, Zinn, Kupfer, Blei und/oder Kohlenstoff, Legierungen der vorgenannten Metalle, deren Oxide und/oder Carbide. Diese Spritzmaterialzusätze tragen zur Erhöhung der Härte der Beschichtung bei. Besonders eignet sich eine Beschichtung, die Fluorpolymere mit einem Anteil zwischen 5 und 20 Gew.-% umfaßt.In principle, the spray material can consist exclusively of fluoropolymers. However, a mixture of fluoropolymers and metals, metal, is preferred alloys, oxides such as Al₂O₃ and / or TiO₂, carbides and / or ceramic Materials. This differs from the use of slip-improving Additives such as PTFE in the oil when applied by thermal spraying ensure that the Fluoropolymers in the coating are distributed essentially homogeneously and one Improvement of the coefficient of sliding friction over the entire coated tread is achieved. In addition to the fluoropolymers, the coatings can be ins special include: molybdenum, tungsten, cobalt, nickel, chromium, iron, boron, silicon, Manganese, tantalum, tin, copper, lead and / or carbon, alloys of the aforementioned metals, their oxides and / or carbides. These spray material additives contribute to increasing the hardness of the coating. One is particularly suitable Coating comprising fluoropolymers in a proportion between 5 and 20% by weight.

Erfindungsgemäß umfaßt ein Kolbenmotor mit zumindest einem Zylinder eine oder gegebenenfalls mehrere Zylinderlaufflächen mit einer Gleitbeschichtung, wie sie oben beschrieben wurde.According to the invention, a piston engine with at least one cylinder comprises one or if necessary, several cylinder running surfaces with a sliding coating, as described above has been described.

Claims

1. Sliding coating for cylinder running surfaces of piston engines, characterized in that the coating of the running surface of the cylinders at least partially comprises fluoropolymers in a proportion between 1 and 50% by weight.

2. Sliding coating according to claim 1, characterized in that the Coating by means of a thermal spray process, in particular using autogenous flame spraying or high-speed flame spraying, by means of arc or plasma spraying, by means of detonation spraying or coating applied by means of laser spraying.

3. slide coating according to claim 1 or 2, characterized in that the Fluoropolymers of the coating polyfluorotetraethylene (PTFE), ethylene fluorotetra ethylene (ETFE), perfluoroalkoxide (PFA) and / or fluorinated ethylene propylene (FEP).

4. Sliding coating according to one of claims 1 to 3, characterized in that the coating of metals, metal alloys, oxides, especially Al₂O₃ and / or Includes TiO₂, carbides and / or ceramic materials.

5. Sliding coating according to one of claims 1 to 4, characterized in that the coating of fluoropolymers in a proportion between 5 and 20% by weight includes.

6. Sliding coating according to one of claims 2 to 4, characterized in that the coating one by means of a thermal spray process during processing of a powder applied coating.

7. Use of a sliding coating according to one of claims 1 to 6 for Piston engine treads with at least one cylinder.