EP1081367A2 - Engine piston and method for cladding said piston with a hard layer - Google Patents
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- F05C2201/0448—Steel
Definitions
- the invention relates to an aluminum alloy piston for internal combustion engines, in which at least one Ring groove area is provided with an anodized coating. Furthermore, the invention relates to a method for Manufacture a surface reinforcement from a piston Aluminum alloy for internal combustion engines, wherein at least one annular groove area of the piston with one Anodized coating is provided.
- Aluminum alloy pistons have anodized surfaces used as protection against wear and against Friction welding phenomena in particular between one Piston ring and the surface of the associated Ring groove area of the piston should serve.
- Such pistons are, for example, in DE 26 26 131 C2 described. With the constant pursuit of Reduce pollutant emissions from the combustion engine, will also be in the area of the first ring groove Available lubricant supply is increasing decreased.
- the deposited anodized layers are one by anodic oxidation of the aluminum material built up or grown on aluminum oxide layer (e.g. in the corundum structure).
- Aluminum oxide layers relatively higher compared to steel and other materials Friction coefficients and are therefore for sliding or rubbing contact with insufficient lubrication is not suitable. It can therefore in particular under insufficient lubrication abrasive damage to the piston rings as a result of the above piston secondary movement mentioned (between ring and piston) but also to local breakouts of the anodized layer come. It can also damage the under Piston alloy located anodized due to high frictional shear forces come.
- the present invention is the Task based on a piston of the preceding described way to improve that the Disadvantages described above not or at least in occur to a lesser extent.
- DE 692 17 321 T2 describes a method for electrolytic application of a uniform monomolecular PTFE layer on the surface of a Hard anodized layer of an aluminum component.
- a contribution column is just as little mentioned as the application of the method on pistons for internal combustion engines.
- the invention is based on the further object Process for the production of a surface reinforcement of a specify piston according to the invention.
- the solid lubricant is brought into suspension and under Exploitation of capillary forces in suspension Open surface column of the anodized coating introduced by adding a surface area of the anodized coating is wetted with the suspension.
- the method according to the invention is in itself any liquid suitable in which the solid lubricants to be used as fine particles with a diameter of ⁇ 15 or ⁇ 10 ⁇ m and in a particularly advantageous manner with a Particle sizes of 2 - 10 ⁇ m are suspendable. It can are water-borne paints or light oil act. The liquid must of course Wet the anodized surface.
- the Electrolytic bath for the production of the anodized coating Solid lubricant particles to be added in the Electrolyte bath are kept in suspension and as a result when depositing or growing the anodized coating in these are chambered and so alternative or additional Form solid lubricant deposits. These solid lubricant deposits are then removed continuously Anodized layer released and can reduce the coefficient of friction and thus reduce wear.
- FIG. 1 shows a schematic representation of an anodized surface area of an aluminum alloy 2.
- An anodized layer 6 was grown on a surface 4 of the aluminum alloy 2 by anodic oxidation of the aluminum.
- surface components 8 from, for example, primarily precipitated silicon or intermetallic phases, such as. B. nickel aluminides, there is no growth of the aluminum oxide coating at this point, but there are irregular cracks, pores, gaps 10, which are at least largely open to the surface 11 of the anodized layer 6.
- a solid lubricant 12 advantageously in the form of graphite or molybdenum disulfite (MoS 2 ), is introduced into this column.
- the solid lubricant is introduced advantageously using capillary forces, by placing the solid lubricant in particles that are distinct should be smaller than the cross section of column 10 in a liquid suspension is brought, the Suspension wets the anodized layer.
- a paint for example, water-based a polymer binder, or a light oil in question. It is sufficient, if the the solid lubricant particles in a size of 2 - 10 ⁇ m suspension on the anodized surface 11 is sprayed or the plunger briefly into the suspension is immersed.
- FIG. 2 shows a secondary electron image of a section through an anodized surface area of the first annular groove of an aluminum alloy piston.
- the piston alloy 14 and the anodized layer 16 applied to it can be seen.
- Above the anodized layer 16 is shown an investment material 18 which is used only for preparation purposes.
- the surface of the flask was wetted with a water-dilutable lacquer containing MoS 2 .
- the lacquer was drawn into the gaps using capillary forces, and solid lubricant was introduced into the gaps in this way.
- An EDX spectrum which is shown in FIG. 3, was produced at the point marked with "X".
- molybdenum K- ⁇ and -K- ⁇ lines can also be seen. This is proof that molybdenum disulphite has been introduced as a solid lubricant into the open cracks in the surface of the anodized layer using capillary forces.
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Kolben aus Aluminiumlegierung für Verbrennungskraftmaschinen, bei dem zumindest ein Ringnutbereich mit einer Eloxalbeschichtung versehen ist; um den Verschleiß zu reduzieren, ist der Kolben so ausgebildet, dass in die oberflächenoffene Spalte der Eloxalbeschichtung ein Festschmierstoff eingelagert ist. <IMAGE>The invention relates to a piston made of aluminum alloy for internal combustion engines, in which at least one annular groove area is provided with an anodized coating; In order to reduce wear, the piston is designed in such a way that a solid lubricant is embedded in the surface-open column of the anodized coating. <IMAGE>
Description
Die Erfindung betrifft einen Kolben aus Aluminiumlegierung für Verbrennungskraftmaschinen, bei dem zumindest ein Ringnutbereich mit einer Eloxalbeschichtung versehen ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Oberflächenarmierung eines Kolbens aus Aluminiumlegierung für Verbrennungskraftmaschinen, wobei zumindest ein Ringnutbereich des Kolbens mit einer Eloxalbeschichtung versehen wird.The invention relates to an aluminum alloy piston for internal combustion engines, in which at least one Ring groove area is provided with an anodized coating. Furthermore, the invention relates to a method for Manufacture a surface reinforcement from a piston Aluminum alloy for internal combustion engines, wherein at least one annular groove area of the piston with one Anodized coating is provided.
Bei Kolben aus Aluminiumlegierung werden Eloxaloberflächen eingesetzt, die als Schutz gegen Verschleiß und gegen Reibschweißerscheinungen insbesondere zwischen einem Kolbenring und der Oberfläche des zugeordneten Ringnutbereichs des Kolbens dienen sollen. Man versteht hierunter die infolge Relativbewegung zwischen Kolbenring und Ringnut hervorgerufenen Verschleißerscheinungen. Derartige Kolben sind beipielsweise in der DE 26 26 131 C2 beschrieben. Mit dem stetigen Bestreben, die Schadstoffemission des Verbrennungsmotors zu reduzieren, wird außerdem das im Bereich der ersten Ringnut zur Verfügung stehende Schmiermittelangebot zunehmend verringert.Aluminum alloy pistons have anodized surfaces used as protection against wear and against Friction welding phenomena in particular between one Piston ring and the surface of the associated Ring groove area of the piston should serve. One understands including those due to relative movement between the piston ring and ring groove caused wear. Such pistons are, for example, in DE 26 26 131 C2 described. With the constant pursuit of Reduce pollutant emissions from the combustion engine, will also be in the area of the first ring groove Available lubricant supply is increasing decreased.
Bei den abgeschiedenen Eloxalschichten handelt es sich um eine durch anodische Oxidation des Aluminiumwerkstoffs aufgebaute oder auf gewachsene Aluminumoxidschicht (z. B. in der Korundstruktur). Aluminiumoxidschichten besitzen gegenüber Stahl und anderen Werkstoffen relativ höhere Reibungskoeffizienten und sind daher für gleitenden bzw. reibenden Kontakt unter Mangelschmierung nicht geeignet. Es kann daher im Besonderen unter Mangelschmierung zu abrasiver Schädigung der Kolbenringe infolge der vorstehend erwähnten Kolbensekundärbewegung (zwischen Ring und Kolben) aber auch zu lokalen Ausbrechungen der Eloxalschicht kommen. Es kann ferner zur Schädigung der unter der Eloxalschicht befindlichen Kolbenlegierung infolge hoher reibungsbedingter Scherkräfte kommen.The deposited anodized layers are one by anodic oxidation of the aluminum material built up or grown on aluminum oxide layer (e.g. in the corundum structure). Have aluminum oxide layers relatively higher compared to steel and other materials Friction coefficients and are therefore for sliding or rubbing contact with insufficient lubrication is not suitable. It can therefore in particular under insufficient lubrication abrasive damage to the piston rings as a result of the above piston secondary movement mentioned (between ring and piston) but also to local breakouts of the anodized layer come. It can also damage the under Piston alloy located anodized due to high frictional shear forces come.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kolben der vorausgehend beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, dass die vorstehend beschriebenen Nachteile nicht oder zumindest in geringerem Maße auftreten.Proceeding from this, the present invention is the Task based on a piston of the preceding described way to improve that the Disadvantages described above not or at least in occur to a lesser extent.
Diese Aufgabe wird bei einem Kolben der genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in oberflächenoffene Poren und Spalte der Eloxalbeschichtung ein Festschmierstoff eingelagert ist.This task is carried out with a piston of the type mentioned solved according to the invention in that in open surfaces Pores and crevices of the anodized coating Solid lubricant is stored.
Hierbei handelt es sich vorteilhafterweise um Graphit, Molybdändisulfid (MoS2) oder PTFE, wobei den beiden zuerst genannten Festschmierstoffen der Vorzug zu geben ist, da sie eine bessere Ölanhaftung zeigen als PTFE.This is advantageously graphite, molybdenum disulphide (MoS 2 ) or PTFE, preference being given to the first two solid lubricants, since they show better oil adhesion than PTFE.
DE 692 17 321 T2 beschreibt zwar ein Verfahren zum elektrolytischen Aufbringen einer gleichmäßig monomolekularen PTFE-Schicht auf die Oberfläche einer Harteloxalschicht eines Aluminiumbauteils. Eine Einbringung in Spalte ist aber ebensowenig erwähnt wie die Anwendung des Verfahrens auf Kolben für Verbrennungskraftmaschinen.DE 692 17 321 T2 describes a method for electrolytic application of a uniform monomolecular PTFE layer on the surface of a Hard anodized layer of an aluminum component. A contribution column is just as little mentioned as the application of the method on pistons for internal combustion engines.
Mit der Erfindung wurde erkannt, dass solche Spalte, Risse bzw. Poren einer Eloxalbeschichtung, die oberflächenoffen sind und sich im Wesentlichen in Wachstumsrichtung der Eloxalschicht erstrecken, hervorragend zur Aufnahme von Festschmierstoffen geeignet sind. Die mit Festschmierstoffen gefüllten Spalte der Eloxalbeschichtung stellen Festschmierstoffdepots dar, die im Wesentlichen über die gesamte Betriebsdauer, d. h. bis zu einem vollständigen Abtrag der Eloxalschicht infolge Verschleißes zur Verfügung stehen, da sie sich quasi bis zu der Aluminiumlegierung des Kolbens erstrecken. Der Grund für die Ausbildung dieser oberflächenoffenen Spalte, Risse bzw. Poren ist, wie rasterelektronenmikroskopische Schliffbildaufnahmen zeigen, das Aufwachsen der Eloxalschicht ausgehend von der Oberfläche der Aluminiumlegierung des Kolbens. Es handelt sich dabei um "Wachstumsstörungen" der Eloxalschicht, die sich, ausgehend und oberhalb von in der Oberfläche befindlichen Siliziumausscheidungen oder intermetallischen Phasen, wie z. B. Nickel-Aluminiden, befinden. Diese Spalte, Risse bzw. Poren werden nun nach der Erfindung gezielt zur Aufnahme, Bereithaltung und zur gleichmäßigen Freigabe von Festschmierstoffen während der Lebensdauer des Kolbens genutzt. With the invention it was recognized that such gaps, cracks or pores of an anodized coating that are open to the surface and are essentially in the growth direction of Stretch anodized layer, excellent for receiving Solid lubricants are suitable. With Solid lubricant filled column of the anodized coating represent solid lubricant deposits, which are essentially over the entire service life, d. H. up to one complete removal of the anodized layer due to wear are available because they are almost up to the Extend aluminum piston alloy. The reason for the formation of these open gaps, cracks or Pores is like scanning electron microscopy Micrographs show the growing up of the Anodized layer starting from the surface of the Aluminum alloy of the piston. It is about "Growth disorders" of the anodized layer, starting out and above those in the surface Silicon deposits or intermetallic phases, such as e.g. B. nickel aluminides. This column, cracks or According to the invention, pores are now specifically targeted for Availability and for the uniform release of Solid lubricants during the life of the piston used.
Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Oberflächenarmierung eines erfindungsgemäßen Kolbens anzugeben.The invention is based on the further object Process for the production of a surface reinforcement of a specify piston according to the invention.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass der Festschmierstoff in Suspension gebracht wird und unter Ausnutzung kapillarer Kräfte in Suspension befindlich in oberflächenoffene Spalte der Eloxalbeschichtung eingebracht wird, indem ein Oberflächenbereich der Eloxalbeschichtung mit der Suspension benetzt wird. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist an sich jede Flüssigkeit geeignet, in der die zu verwendenden Festschmierstoffe als feine Partikel mit einem Durchmesser von < 15 bzw. < 10 µm und in besonders vorteilhafter Weise mit einer Partikelgröße von 2 - 10 µm suspendierbar sind. Es kann sich hierbei um wasserverdünnbare Lacke oder um Leichtöl handeln. Die Flüssigkeit muss selbstverständlich die Eloxaloberfläche benetzen.This object is achieved according to the invention in that the solid lubricant is brought into suspension and under Exploitation of capillary forces in suspension Open surface column of the anodized coating introduced by adding a surface area of the anodized coating is wetted with the suspension. To carry out the The method according to the invention is in itself any liquid suitable in which the solid lubricants to be used as fine particles with a diameter of <15 or <10 µm and in a particularly advantageous manner with a Particle sizes of 2 - 10 µm are suspendable. It can are water-borne paints or light oil act. The liquid must of course Wet the anodized surface.
Es wurde ferner festgestellt, dass ein kurzzeitiges Eintauchen des Kolbens in eine Suspension oder ein Aufsprühen der Suspension auf den erfindungsgemäß zu behandelnden Oberflächenbereich des Kolbens hinreichend ist, um unter Ausnutzung der Kapillarkraft die Suspension und damit die Festschmierstoffe in die Spalte, Risse oder Poren der Eloxalschicht hineinzuziehen. It was also found that a short-term Immerse the piston in a suspension or a Spraying the suspension on to the invention sufficient surface area of the piston is to take up the suspension using the capillary force and thus the solid lubricants in the gaps, cracks or Pull pores in the anodized layer.
Unabhängig von dem vorstehend beschriebenen Verfahren besteht ein weiterer Erfindungsgedanke darin, dem Elektrolytbad zur Herstellung der Eloxalbeschichtung Festschmierstoffpartikel zuzugeben, die in dem Elektrolytbad in Schwebe gehalten werden und infolgedessen beim Abscheiden bzw. Aufwachsen der Eloxalbeschichtung in dieser gekammert werden und so alternative oder zusätzliche Festschmierstoffdepots bilden. Diese Festschmierstoffdepots werden dann beim kontinuierlichen Abtragen der Eloxalschicht freigesetzt und können den Reibwert und damit den Verschleiß reduzieren.Regardless of the procedure described above is another idea of the invention, the Electrolytic bath for the production of the anodized coating Solid lubricant particles to be added in the Electrolyte bath are kept in suspension and as a result when depositing or growing the anodized coating in these are chambered and so alternative or additional Form solid lubricant deposits. These solid lubricant deposits are then removed continuously Anodized layer released and can reduce the coefficient of friction and thus reduce wear.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen sowie aus der zeichnerischen Darstellung und nachfolgenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigt:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung eines eloxierten und erfindungsgemäß behandelten Oberflächenbereichs aus Aluminiumlegierung;
- Fig. 2
- ein Sekundärelektronenbild eines Schliffs durch die Oberfläche einer eloxierten ersten Ringnut eines erfindungsgemäßen Kolbens;
- Fig. 3
- ein EDX-Spektrum, welches an der mit "X" gekennzeichneten Stelle der Fig. 2 genommen wurde.
- Fig. 1
- a schematic representation of an anodized and treated according to the invention surface area made of aluminum alloy;
- Fig. 2
- a secondary electron image of a section through the surface of an anodized first annular groove of a piston according to the invention;
- Fig. 3
- an EDX spectrum, which was taken at the point marked "X" in FIG. 2.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines eloxierten
Oberflächenbereichs einer Aluminiumlegierung 2. Auf eine
Oberfläche 4 der Aluminiumlegierung 2 wurde durch anodische
Oxidation des Aluminiums eine Eloxalschicht 6 aufgewachsen.
Infolge von Oberflächenbestandteilen 8 aus bspw. primär
ausgeschiedenem Silizium oder intermetallischen Phasen, wie
z. B. Nickelaluminiden, findet an dieser Stelle kein
Wachstum der Aluminiumoxid-Beschichtung statt, sondern es
bilden sich unregelmäßige Risse, Poren, Spalte 10, die
wenigstens zum großen Teil zur Oberfläche 11 der
Eloxalschicht 6 hin offen sind. In diese Spalte wird nach
der Erfindung ein Festschmierstoff 12, vorteilhafter Weise
in Form von Graphit oder Molybdändisulfit (MoS2)
eingebracht.1 shows a schematic representation of an anodized surface area of an
Die Einbringung des Festschmierstoffes erfolgt
vorteilhafterweise unter Ausnutzung kapillarer Kräfte,
indem der Festschmierstoff in Partikeln, die deutlich
kleiner sein sollten als der Querschnitt der Spalte 10 in
eine Flüssigkeitssuspension gebracht wird, wobei die
Suspension die Eloxalschicht benetzt. Als derartige
Flüssigkeit kommt bspw. ein Lack, bspw. auf Wasserbasis mit
einem Polymerbinder, oder ein Leichtöl in Frage. Es genügt,
wenn die die Festschmierstoffpartikel in einer Größe von
2 - 10 µm umfassende Suspension auf die Eloxaloberfläche 11
gesprüht wird oder der Kolben kurzzeitig in die Suspension
eingetaucht wird. Zusätzlich kann es sich als vorteilhaft
erweisen, die so behandelte Oberfläche abzuwischen oder
abzurakeln, bspw. unter Verwendung eines
Kunststoffwerkzeugs, um überschüssiges Material zu
entfernen.The solid lubricant is introduced
advantageously using capillary forces,
by placing the solid lubricant in particles that are distinct
should be smaller than the cross section of
Fig. 2 zeigt ein Sekundärelektronenbild eines Schliffs
durch einen eloxierten Oberflächenbereich der ersten
Ringnut eines Kolbens aus Aluminiumlegierung. Man erkennt
die Kolbenlegierung 14 und die darauf aufgebrachte
Eloxalschicht 16. Über der Eloxalschicht 16 ist eine
lediglich Präparationszwecken dienende Einbettmasse 18
abgebildet. Die Kolbenoberfläche wurde mit einem
wasserverdünnbaren MoS2-haltigen Lack benetzt. Der Lack
wurde unter Ausnutzung kapillarer Kräfte in die Spalte
hineingezogen, und es wurde auf diese Weise
Festschmierstoff in die Spalte eingebracht. An der mit "X"
gekennzeichneten Stelle wurde ein EDX-Spektrum angefertigt,
das in Fig. 3 dargestellt ist. Man erkennt die Schwefel-K-α-Linie
30, die etwa deckungsgleich ist mit der Molybdän-L-Linie.
Auch die Molybdän-K-α und -K-β-Linien sind
ersichtlich. Dies stellt den Nachweis dafür dar, dass
Molybdändisulfit als Festschmierstoff unter Ausnutzung
kapillarer Kräfte in die oberflächenoffenen Risse, Spalte
der Eloxalschicht eingebracht wurde.FIG. 2 shows a secondary electron image of a section through an anodized surface area of the first annular groove of an aluminum alloy piston. The
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DE1999141626 DE19941626C5 (en) | 1999-09-01 | 1999-09-01 | Piston for internal combustion engines and method for producing the surface reinforcement of a piston |
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EP1081367A3 EP1081367A3 (en) | 2002-01-30 |
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