DE19829058C2

DE19829058C2 - Beschichtete Flachdichtung

Info

Publication number: DE19829058C2
Application number: DE19829058A
Authority: DE
Inventors: Lothar Quick; Peter Nickel; Frank Popielas
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Priority date: 1998-06-29
Filing date: 1998-06-29
Publication date: 2003-10-30
Anticipated expiration: 2018-06-30
Also published as: DE19829058A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Flachdichtung mit mindes tens einem Dichtungsdurchbruch und mindestens einer me tallischen Lage, auf welcher zumindest bereichsweise eine linienförmige und/oder eine flächige Überhöhung in Form einer Beschichtung aufgebracht ist.

Es ist bekannt, daß auf metallischen Lagen einer Flach dichtung auf technologisch einfache Weise flächige oder linienförmige Überhöhungen in Form von Beschichtungen aufgebracht werden können, welche eine stützende Funk tion als z. B. Abstandshalter oder Federwegbegrenzer aufweisen.

In der EP 0 797 029 A1 werden durch Siebdruck hergestellte Federwegbegrenzer beschrieben, welche aus einem Bindemittel und einem oder mehreren Füllstoffen beste hen. Als Füllstoffe werden mineralische Materialien mit einem geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten vorgeschlagen. Der Füllstoffanteil wird möglichst hoch gewählt und ist lediglich durch die Transportfähigkeit der Beschichtungsmischung im Siebdruckverfahren nach oben begrenzt. Durch den hohen Füllstoffanteil resul tiert ein hochbelastbarer, unelastischer Federwegbegrenzer.

In JP 09287663 A ist eine Metalldichtung mit einer wi derstandsfähigen Schicht an einer Sicke, die an mindes tens einer Metalllage ausgebildet ist, beschrieben.

Eine Metall-Zylinderkopf-Dichtung mit einer harten hit zebeständigen Schicht an äußeren Rändern von Durchbre chungen ist aus JP 08178071 A bekannt.

Das US 5,582,415 betrifft eine Metalldichtung mit einer im Siebdruck aufgebrachten Schicht, unter Berücksich tung einer Sicke und eines Stoppers.

In JP 07229564 A ist eine metallische Zylinderkopf- Dichtung beschrieben, bei der eine dünne dichtende Alu minium-Schicht aufgebracht werden soll.

Aus JP 09210205 A ist eine Metalldichtung bekannt, bei der ein Stopper durch Ausfüllen eines Hohlraumes mit einem Harz, um eine Sicke gebildet werden soll.

Nachteilig bei diesen Überhöhungen ist deren zumeist ungenügende thermische Stabilität. Aufgrund des hohen Füllstoffanteiles ist weiterhin nachteilig, daß die Überhöhungen eine nur geringe Anpassungsfähigkeit an Un ebenheiten oder Mikrorisse der abzudichtenden Bauteile oder weiterer metallischer Flachdichtungslagen aufwei sen.

Ausgehend von den Nachteilen des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Flach dichtung und insbesondere eine Zylinderkopfdichtung mit einer eine stützende Funktion besitzenden Überhöhung zu schaffen, welche durch Beschichtungsverfahren aufge bracht werden kann und verbesserte Eigenschaften insbe sondere in bezug auf die Einsatztemperaturen und das Abdichtverhalten aufweist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Flachdichtung ge mäß Anspruch 1. Die jeweiligen Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Er findung.

Es wird eine mindestens eine metallische Lage aufwei sende Flachdichtung vorgeschlagen, die eine Überhöhung in Form einer linienförmigen und/oder flächigen Be schichtung aufweist, welche mindestens einen Du roplasten und mindestens einen metallischen Füllstoff enthält, wobei das Gewichtsverhältnis von Duroplast zu Füllstoff in der Beschichtung größer ist als 1 : 1. Der metallische Füllstoff gewährleistet neben einer Verbes serung der Stützfunktion eine im Vergleich zu minerali schen Füllstoffen verbesserte Wärmeableitung innerhalb der Beschichtung. Daraus resultiert eine verbesserte thermische Stabilität der Überhöhung, da die Wärme von der Beschichtung in die metallische Lage fließen kann und sich auch innerhalb der Beschichtung gleichmäßiger verteilt. Durch die Verwendung des Duroplasten erhält man zudem im Vergleich zu rein metallischen Überhöhun gen die Möglichkeit, die Stützfunktion der Überhöhung gezielt einstellen zu können. Insbesondere ist das Ver formungsverhalten der Überhöhung aufgrund des Du roplastanteiles wesentlich vorteilhafter als bei rein metallischen Überhöhungen.

Bevorzugt werden Duroplaste verwendet, welche bereits bei Raumtemperatur eine plastische Verformbarkeit zei gen. Die plastische Verformbarkeit sollte bevorzugt bis zum Glaspunkt der Duroplaste konstant bleiben, wobei der Glaspunkt der Duroplaste möglichst hoch und bevor zugt über 150°C liegen sollte, um ein zu frühes Einbre chen der Stützfunktion zu verhindern. In Versuchen stellte sich heraus, daß ein gewisses Maß an plasti schem Verhalten speziell in der Einbauphase der Dich tung von Vorteil ist, da es eine gute Anpassung der Ü berhöhung an Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche der abzudichtenden Bauteile bzw. weiterer Lagen der Flach dichtung erlaubt. Das plastische Verhalten ist auch bei der Herstellung vorteil haft, da das Material nicht spröde ist. Außerdem läßt sich auch eine Sickenprägung nach dem Hardcoating durchführen.

Während die mit Beschichtungsverfahren aufgebrachten Überhöhungen des Standes der Technik einen sehr hohen Füllstoffgehalt aufweisen, um jegliches Fließen der Be schichtung unter Druck zu vermeiden, wird erfindungsge mäß vorgeschlagen, den Gewichtsanteil an Füllstoffen in der Beschichtung zumindest geringfügig geringer als den Gewichtsanteil an Bindemitteln zu wählen. Das Gewichts verhältnis von Füllstoff zu Beschichtungsmaterial ist in der Beschichtung im Bereich von unter 1 : 1 bis 1 : 4 und besonders bevorzugt zwischen 1 : 1,5 und 1 : 3. Es sind auch bei Bindemittelüberschuß ausreichend gute Stützei genschaften der Überhöhung bei gleichzeitig verbesser ten Abdichteigenschaften sowie guter Wärmeableitung in nerhalb der Beschichtung erzielbar.

Vorteilhaft ist die Zugabe eines thermoplastischen Zu schlagsstoffes zu der Beschichtungsmasse. Auf diese Weise läßt sich das Verformungsverhalten der Bes chichtung noch gezielter beeinflussen. Die Verwendung thermoplastischer Polymere erlaubt beispielsweise eine Optimierung des plastischen Verhaltens und auch des Glaspunktes der Beschichtung.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen und Figuren. Es zei gen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäß beschichtete Flach dichtung in Aufsicht; und

Fig. 2-4 erfindungsgemäß beschichtete Flachdichtun gen in Seitenansicht.

In Fig. 1 ist exemplarisch eine Zylinderkopfdichtung mit einer einzigen metallischen Lage 1 dargestellt, welche Brennraumdurchbrüche 4 und Durchgangsöffnungen 5 aufweist. Die Brennraumdurchbrüche 4 sind von Sick en 8 umgeben. Durch ein Beschichtungsverfahren wurden erfindungsgemäße linienförmige Überhöhungen 7 mit wulstartigem Querschnitt sowie flächige Überhöhungen 6 auf die Oberfläche der Lage 1 aufgebracht und an schließend thermisch ausgehärtet. Die Überhöhungen 6, 7 sind auf derselben Seite der Lage 1 angeordnet, auf welcher sich auch die konvexen Bereiche der Sicke 8 befinden.

Die linienförmigen Überhöhungen 7 sind zwischen den Sicken 8 und den Brennraumdurchbrüchen 4 konzentrisch zu den Sicken 8 ausgebildet. Sie fungieren als Ver formungsbegrenzer für die Sicken 8 und besitzen eine Breite von bevorzugt unterhalb 3 mm und eine Dicke zwischen bevorzugt 20 und 200 µm, besonders bevorzugt zwischen 80 und 120 µm. Die flächigen Überhöhungen 6 besitzen die gleiche oder eine andere Dicke wie die linienförmigen Überhöhungen 7.

In den Fig. 2 bis 4 sind weitere Möglichkeiten für die Anordnung einer erfindungsgemäßen linienförmigen Überhöhung 7 zur Federwegbegrenzung und/oder lokalen Erhöhung des Anpreßdruckes dargestellt. Gemäß Fig. 2 wird die Überhöhung 7 zur zumindest teilweisen Füllung der Sicke 8 einer metallischen Lage 1 einer Flachdichtung verwendet. Auf diese Weise wird eine Stabilisierung und Stützung der Sicke 8 erreicht. Erfindungsgemäß wird auch bei der in Fig. 2 darge stellten Anordnung von dem Herstellen einer Über höhung 7 gesprochen, da die Gesamtdicke von Be schichtung und Lage 1 im Bereich der Sicke 8 größer ist als die Nominalstärke der Lage 1 im unbeschich teten Bereich.

Die in Fig. 3 dargestellte dreilagige Flachdichtung weist zwei gesickte Lagen 1, 3 und eine mittlere, ungesickte Lage 2 auf. Der konvexe Bereich der Sicken 8 der beiden Decklagen 1, 3 zeigt jeweils in Richtung auf die mittlere Lage 2. Unmittelbar angrenzend an den Brennraumdurchbruch 4 der mittleren Lage 2 sind auf deren beiden Oberflächen linienförmige Überhöhun gen 7 aufgebracht, die im eingebauten Zustand der Flachdichtung lokal um den Brennraumdurchbruch 4 den Anpreßdruck erhöhen und weiterhin als Federwegbegren zer für die Sicken 8 dienen. Die in Fig. 4 darge stellte Flachdichtung entspricht der Flachdichtung von Fig. 3, wobei auf die obere Lage 3 verzichtet wurde und die Beschichtung 7 nicht auf der Lage 2, sondern auf einem an den Brennraumdurchbruch 4 angrenzenden Bereich der Lage 1 aufgebracht ist. Die Beschichtung 7 kann vom Brennraumdurchbruch 4 aus gesehen sowohl hinter als auch vor der Sicke 8 an geordnet werden.

Die Überhöhungen 6, 7 werden bevorzugt durch Sieb druck im Flachbett- oder Rotationsverfahren vor oder nach dem Ausbilden der Sicken 8 aufgebracht, wobei die Beschichtungsdicke durch die Dicke der Siebdruck maske vorgegeben werden kann. Im Anschluß an das Aufbringen wird die Beschichtungsmasse ausgehärtet, was bevorzugt durch eine Temperaturbehandlung unterhalb von 250°C und besonders bevorzugt zwischen 150 und 250°C geschieht. Die Dauer der Temperaturbehandlung beträgt bevorzugt zwischen 20 und 180 Minuten. Durch die Temperaturbehandlung kann auf die Art der Vernet zung der Beschichtungsmasse und damit auch auf den Glaspunkt Einfluß genommen werden. So erhält man beispielsweise für eine Beschichtung auf Epoxid harzbasis bei einer Temperaturbehandlung für 30 Minuten bei 120°C einen Glaspunkt von 130°C und bei einer Temperaturbehandlung für 3 Stunden bei 160°C einen Glaspunkt von 150°C.

Als Duroplaste kommen Harze wie insbesondere Silikon harz, Polyamidimidharz und Epoxidharz in Frage. Be vorzugt werden niedrigviskose, lösungsmittelfreie und bei Raumtemperatur plastische verformbare Epoxid harze, z. B. auf Bisphenol-A-Basis, verwendet. Als metallische Füllstoffe eignen sich Metallpulver und/oder Metallfasern. So können Aluminiumpulver (z. B. lamellar, non-leafing, durchschnittliche Teil chengröße 10-20 µm) und/oder Messingpulver (z. B. lamellar, durchschnittliche Teilchengröße unterhalb 10 µm) und/oder Wiskerfasern (z. B. mit einer Faser länge unterhalb 10 µm) verwendet werden.

Neben Duroplasten und metallischen Füllstoffen können fakultative Komponenten wie Additive (Entschäumer auf Basis von z. B. Siloxan oder Silikon, Benetzer oder Primer), Vernetzungsmittel (Härter wie insbesondere aromatische Polyamine oder metallorganische Verbin dungen wie Butyltitanat, Vulkanisationshilfen), Lö sungsmittel (z. B. Cyclohexanon, N-Methylpyrrolidon) und/oder die bereits angesprochenen thermoplastischen Zuschlagsstoffe wie PTFE-, PE-, PP- und PA-Pulver in der Beschichtungsmasse vorhanden sein.

In der Beschichtungsmasse sind die verschiedenen Kom ponenten bevorzugt mit den folgenden Gewichtsan teilen enthalten:
Bindemittel: maximal 80%, bevorzugt weniger als 66%;
Füllstoff: maximal 80%, bevorzugt mehr als 20%;
Additive: maximal 10%;
Vernetzungsmittel: maximal 20%;
Lösungsmittel: maximal 50%;
Thermoplastische Zuschlagsstoffe: maximal 30%, bevorzugt weniger als 20%.

Rezepturbeispiele von Siebdruckbeschichtungsmassen

a) anpassungsfähige Beschichtungsmasse für Einsatz temperaturen bis 200°C, T_G = 150°C

Flüssiges Epoxidharz 50,0 Gew.-%

Polyaminhärter 17,0 Gew.-%

Messingpulver 32,5 Gew.-%

Entschäumer 0,5 Gew.-%
b) plastifizierte anpassungsfähige Beschichtungsmasse für Einsatztemperaturen bis maximal 180°C, TG = 140°C

Flüssiges Epoxidharz 52,0 Gew.-%

Polyaminhärter 18,0 Gew.-%

Messingpulver 25,0 Gew.-%

PTFEPulver 5,0 Gew.-%

Claims

1. Flachdichtung mit mindestens einem Dichtungs durchbruch und mindestens einer metallischen La ge, auf welcher zumindest bereichsweise eine li nienförmige und/oder eine flächige Überhöhung in Form einer Beschichtung aufgebracht ist, die mindestens einen Duroplasten und mindestens ei nen metallischen Füllstoff enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis von Duroplast zu Füllstoff in der Beschichtung größer ist als 1 : 1.

2. Flachdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Beschichtung mindestens einen thermoplastischen Zuschlagsstoff enthält.

3. Flachdichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der thermoplastische Zuschlags stoff mit einem Gewichtsanteil von weniger als 30% in der Beschichtungsmasse vorhanden ist.

4. Flachdichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine thermoplastische Zuschlagsstoff ausgewählt ist aus PTFE-, PE-, PP- und PA-Pulver.

5. Flachdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Duroplast bei Raumtemperatur plastisch verformbar ist.

6. Flachdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Duroplast ausge wählt ist aus Epoxidharz, Silikonharz und Polya midimidharz.

7. Flachdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Duroplast ein Epoxidharz auf Bisphenol-A-Basis ist.

8. Flachdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine metallische Füllstoff Metallpulver und/oder Me tallfasern enthält.

9. Flachdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung o der die Beschichtungsmasse mindestens ein Addi tiv und/oder mindestens ein Vernetzungsmittel und/oder mindestens ein Lösungsmittel enthält.

10. Flachdichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß das Vernetzungsmittel ein aromati scher Härter ist.

11. Flachdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Be schichtung zwischen 20 und 200 µm beträgt.

12. Flachdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch Siebdruck aufgebracht ist.

13. Flachdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachdichtung Sicken aufweist.

14. Flachdichtung nach Anspruch 13, dadurch gekenn zeichnet, daß die Beschichtung auf einer dem konvexen Bereich einer Sicke zugewandten Seite einer metallischen Lage angeordnet ist.

15. Flachdichtung nach Anspruch 13, dadurch gekenn zeichnet, daß die Beschichtung in den Sicken an geordnet ist.