EP1817377A1 - Kolbenring mit einer beschichteten lauffläche sowie beschichtungsmittel - Google Patents

Kolbenring mit einer beschichteten lauffläche sowie beschichtungsmittel

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EP1817377A1
EP1817377A1 EP05815850A EP05815850A EP1817377A1 EP 1817377 A1 EP1817377 A1 EP 1817377A1 EP 05815850 A EP05815850 A EP 05815850A EP 05815850 A EP05815850 A EP 05815850A EP 1817377 A1 EP1817377 A1 EP 1817377A1
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EP
European Patent Office
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piston ring
particles
coating
coating composition
composition according
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Withdrawn
Application number
EP05815850A
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English (en)
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Inventor
Kurt Maier
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Mahle International GmbH
Original Assignee
Mahle International GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Mahle International GmbH filed Critical Mahle International GmbH
Publication of EP1817377A1 publication Critical patent/EP1817377A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
    • F16J9/28—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction of non-metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D171/00—Coating compositions based on polyethers obtained by reactions forming an ether link in the main chain; Coating compositions based on derivatives of such polymers
    • C09D171/08—Polyethers derived from hydroxy compounds or from their metallic derivatives
    • C09D171/10—Polyethers derived from hydroxy compounds or from their metallic derivatives from phenols
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D179/00—Coating compositions based on macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing nitrogen, with or without oxygen, or carbon only, not provided for in groups C09D161/00 - C09D177/00
    • C09D179/04—Polycondensates having nitrogen-containing heterocyclic rings in the main chain; Polyhydrazides; Polyamide acids or similar polyimide precursors
    • C09D179/08—Polyimides; Polyester-imides; Polyamide-imides; Polyamide acids or similar polyimide precursors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L77/00—Compositions of polyamides obtained by reactions forming a carboxylic amide link in the main chain; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L77/10—Polyamides derived from aromatically bound amino and carboxyl groups of amino-carboxylic acids or of polyamines and polycarboxylic acids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L79/00—Compositions of macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing nitrogen with or without oxygen or carbon only, not provided for in groups C08L61/00 - C08L77/00
    • C08L79/04—Polycondensates having nitrogen-containing heterocyclic rings in the main chain; Polyhydrazides; Polyamide acids or similar polyimide precursors
    • C08L79/08—Polyimides; Polyester-imides; Polyamide-imides; Polyamide acids or similar polyimide precursors

Definitions

  • the present invention relates to a piston ring whose tread is provided with a coating containing a plastic.
  • the present invention further relates to a coating agent suitable for this purpose.
  • DE 195 06 910 C2 describes a piston / piston ring assembly with a piston ring pair, in which the surfaces of the groove and piston ring pair are coated with a solid lubricant film.
  • This film contains a specific mixture of solid lubricants incorporated in a support of polyamide or epoxy resin in an amount of up to 58% by weight. The solid lubricants ensure the necessary temperature stability of the film.
  • a similar solid lubricant film is described in DE 195 04 803.
  • DE 39 03 722 C2 discloses a piston / piston ring arrangement in which the outer surfaces of the groove and of the piston ring-with the exception of the running surface of the piston ring-are provided with a solid lubricant film based on polyamide or polyimide. As a result, the sticking of the piston to the piston ring is prevented.
  • the object of the present invention is therefore to provide a coated piston ring or a coating agent which are suitable for modern internal combustion engines and improve the intake properties.
  • the solution consists of a piston ring having the features of claim 1 and a coating composition having the features of claim 11.
  • the coating consists of at least one polyamideimide and / or at least one polyetheretherketone with embedded particles.
  • polyamide-imides and polyether-ether ketones meet the increased requirements for sliding layers for modern internal combustion engines.
  • Polyamide-imides or polyether-ether-ketones form sliding layers together with the particles, ie the particles are embedded in a matrix of polyamide-imides or polyether-ether-ketones.
  • the sliding layer is sufficiently temperature resistant (at least up to 25O 0 C) and does not wear too fast. As a result, the sliding properties of the sliding layers remain substantially unimpaired during the running-in phase. This leads to an improved running-in behavior of the internal combustion engine. The emergence of burn marks during the break-in phase is avoided. After completion of the break-in phase, the sliding layer is no longer needed and may therefore be worn.
  • the piston rings or coating compositions according to the invention have the advantage that they have a higher strength and toughness. Thus, the abrasion resistance is increased, so that the coating does not wear too quickly.
  • the piston rings or coating compositions according to the invention have a lower coefficient of friction, which favors their tribological behavior.
  • the piston rings or coating compositions according to the invention are also compared to the prior Technology less sensitive to temperature peaks, so that, for example, a short-term heating to temperatures up to 450 0 C is harmless.
  • Polyamide-imides are polymers that carry both amide and imide functionalities in their backbones. Methods for their preparation are well known. For example. They can be prepared by polycondensation of tricarboxylic anhydrides, for example. TrimeHithklareanhydrid, or the chlorides of these carboxylic acids with diisocyanates or diamines. The polymerization takes place in solution. They can be processed directly from the solution. Polyamide-imides are very temperature- and solvent-resistant.
  • Polyetheretherketones are polymers in which phenylene radicals are alternately linked via two ether groups and one keto group. They are prepared in a manner known per se by polycondensation of 4-phenoxybenzoyl chloride or terephthalic acid dichloride and diphenyl ether in the presence of Friedel-Crafts catalysts (eg AICI 3 ). Polyetheretherketones are partially crystalline high-melting thermoplastics with, inter alia, very good heat resistance. They can easily be processed by injection molding. The polyetheretherketones used in accordance with the invention may be substituted as desired on their phenylene radicals.
  • the particles may, for example, serve as polishing agents, lubricants or to increase the strength of the plastic matrix.
  • the offset with the particles of plastic is injected or printed on the tread of the piston ring in a conventional manner.
  • the subject of the present invention is also a piston / piston ring arrangement for an internal combustion engine, wherein at least one piston ring is provided with a coating according to the invention.
  • the layer thickness of the coating can be 1 to 20 ⁇ m, preferably 3 to 8 ⁇ m.
  • the amount of the particles may be about 0.1 to 40 wt .-%, preferably about 0.5 to 20 wt .-%, based on the coating amount. Too high a proportion of particles leads to increased wear of the cylinder surface and the sliding layer and reduces the temperature resistance of the plastic matrix too much. Too little particle content is ineffective.
  • the particle size of the particles is, for example, in the range of about 0.1 to 10 microns, preferably about 0.5 to 2 microns. Again, too high particle sizes lead to increased wear of the cylinder surface and the sliding layer and reduce the temperature resistance of the plastic matrix, while too small particles have no effect.
  • the particles can z.
  • Suitable materials are i.a. Alumina, silicon carbide, silicon nitride, tungsten carbide, diamond, boron carbide or chromium carbide. They cause the cylinder surface to be finely polished, similar to fine honing, so that roughness peaks are removed. In addition, their grain size and their amount should be in the above-mentioned preferred ranges.
  • solid lubricant particles may consist, for example, of graphite, molybdenum sulfide, tungsten sulfide, polytetrafluoroethylene or hexagonal boron nitride.
  • Solid lubricant particles help prevent the formation of burn marks during the start-up phase.
  • the solid lubricant particles should be present in particle sizes and quantity ranges as explained above. In particular, if the amount of solid lubricant particles is too high, the plastic matrix no longer moisten and encase all the particles. As a result, the mechanical strength of the sliding layer is reduced so that it is removed too quickly, ie before the end of the running-in phase.
  • metallic particles of iron, copper, bronze, brass, aluminum, titanium or tin may be included in the sliding layer.
  • the amount and grain size should be in the range mentioned above, so that wear and temperature resistance are not negatively affected.
  • the piston ring itself can consist of all materials suitable for the respective field of application, for example of nitrided steel.
  • the piston ring may be provided with wear-resistant layers known per se on the tread; In this case, the coating according to the invention is applied to the wear-resistant layer.
  • FIGURE shows a schematic, not to scale representation of a section through a piston-piston ring assembly 10.
  • the piston 11 has in a conventional manner piston ring grooves 12.
  • a piston ring 20 is inserted in the piston ring groove 12.
  • the side surface of the piston ring 20 projecting radially outward from the piston ring groove 12 serves as a running surface 21, which is in tri-biological interaction with the cylinder running surface 14 of a cylinder 13.
  • the running surface 21 of the piston ring 20 is provided with a coating 22 of a polyamide imide or a polyetheretherketone.
  • particles 23 are embedded, which consist of a hard material, a solid lubricant and / or a metal or an alloy.
  • Suitable polyamideimides are available, for example, under the trade names Torion® and Kermel®.
  • Suitable polyetheretherketones are known, for example, under the trade names Victrex®, Zyex®, Hostatec® and Ketron®.
  • the polyamideimide preferably has the general formula (I)
  • Ar is an aryl group, eg.
  • n is an integer between 2 and 200.
  • the raw material used is preferably a mixture of an amic acid of the general formula (III)
  • NMP N-methyl-pyrrolidone
  • amic acid is imidized, i. converted into the imide with elimination of water.
  • the polyetheretherketone preferably has the general formula (II)
  • n is an integer from 2 to 200.
  • the coating composition can be prepared by methods known to those skilled in the art of preparing paints. In the diluted with a suitable solvent, uncured plastic particles are stirred. Possibly. For example, assistants can be added to achieve a stable dispersion. If necessary, viscosity modifiers and defoamers are added, preferably in small amounts. The viscosity is adjusted by adding solvent according to the later processing method.
  • the thermal curing for example. 15 to 30 minutes at 200 to 22O 0 C. It is advisable to clean the surface to be coated before coating. Residues of oils, fats, particles, salts etc. should be removed carefully.
  • the surface to be coated should be dry.
  • the surface to be coated can also be phosphated or provided with a hard, wear-resistant layer, for example CrN.
  • piston rings of spherulitic cast iron are used.
  • the rings are made according to the state of the art on the tread hard chromed and then ground to size. Then they are carefully cleaned and dried.
  • the coating agent is produced from polyamide basic resin. To an amount containing 100 g of resin solids, 5 g of alumina and 10 g of graphite are added in succession and stirred vigorously. It is advisable to add small amounts of the known paint assistants in order to obtain a stable, non-foaming dispersion with good flow properties. Subsequently, the mixture with the solvent NMP (N-methyl-pyrrolidone) is diluted to a sprayable consistency.
  • NMP N-methyl-pyrrolidone
  • the piston rings are piled up into a column, the ring joints are covered with a template, and the coating agent is sprayed onto the running surface of the rings. Thereafter, the coating is cured in an oven at 200 0 C and 30 minutes residence time. If small bumps have formed on the surface of the coating, they can be removed by brushing.
  • nitrided steel piston rings are provided on the tread with a chromium nitride layer applied by the PVD process.
  • the coating agent is prepared from polyamide basic resin. To an amount containing 100 g of resin solids, 4 g of alumina and 8 g of molybdenum disulfide are added successively and stirred vigorously. It is advisable to add small amounts of the known paint assistants in order to obtain a stable, non-foaming dispersion with good flow properties. Subsequently, a screen-printable consistency is adjusted with a small amount of solvent NMP (N-methylpyrrolidone). The carefully cleaned and dried piston rings are clamped into a mandrel with the joints closed. Then the rings are screen-printed. Thereafter, the coating is cured in an oven at 200 0 C and 30 minutes residence time. If small bumps have formed on the surface of the coating, they can be removed by brushing.
  • NMP N-methylpyrrolidone
  • nitrided steel piston rings are used.
  • the Be Anlagenungsmittei is made of polyetheretherketone base resin.
  • To an amount containing 100 g of resin solids are added other 4 g of brass powder and 10 g of PTFE and stirred vigorously. It is advisable to add small amounts of the known paint assistants in order to obtain a stable, non-foaming dispersion with good flow properties.
  • a screen-printable consistency is adjusted with a small amount of solvent NMP (N-methyl-pyrrolidone).
  • NMP N-methyl-pyrrolidone

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenring (20), dessen Lauffläche (21 ) mit einer einen Kunststoff enthaltenden Beschichtung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (22) aus mindestens einem Polyamidimid und/oder mindestens einem Polyetheretherketon mit eingelagerten Partikeln (23) besteht. Die Partikel können Hartstoff-, Festschmierstoff- oder metallische Partikel sein. Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Kolben-/Kolbenring-Anordnung mit mindestens einem erfindungsgemäßen Kolbenring sowie ein Beschichtungsmittel zur Beschichtung mindestens der Lauffläche eines Kolbenrings.

Description

Kolbenring mit einer beschichteten Lauffläche sowie Beschichtungsmittel
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenring, dessen Lauffläche mit einer einen Kunststoff enthaltenden Beschichtung versehen ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein hierfür geeignetes Beschichtungsmittel.
Im Stand der Technik ist es bekannt, Kolbenringe oder zumindest deren Laufflächen mit einer selbstschmierenden Gleitschicht aus Kunstharz mit eingelagertem Graphit zu versehen. Derartige Gleitschichten sind bspw. in der schweizerischen Patentschrift CH 577 565 beschrieben. In modernen Verbrennungsmotoren genügen derartige Gleitschichten aber nicht mehr den Anforderungen an mechanische Festigkeit und Temperaturstabilität.
Die DE 195 06 910 C2 beschreibt eine Kolben-/Kolbenringanordnung mit einem Kolbenringpaar, bei welcher die Oberflächen von Nut und Kolbenringpaar mit einem Festschmierstoff-Film überzogen sind. Dieser Film enthält eine spezifische Mischung aus Festschmierstoffmitteln, die in einen Träger aus Polyamid oder Epoxidharz in einem Anteil bis zu 58 Gew.-% eingelagert sind. Die Festschmierstoffmittel sorgen für die notwendige Temperaturstabilität des Films. Ein ähnlicher Festschmierstoff-Film ist in der DE 195 04 803 beschrieben.
Die DE 39 03 722 C2 offenbart eine Kolben-/Kolbenringanordnung, bei der die O- berflächen der Nut und des Kolbenrings - mit Ausnahme der Lauffläche des Kolbenrings - mit einem Festschmierstoff-Film auf der Basis von Polyamid oder Polyi- mid versehen sind. Dadurch wird das Ankleben des Kolbens am Kolbenring verhindert.
Derartige Festschmierstoff-Filme können jedoch nicht für die Laufflächen von Kolbenringen eingesetzt werden, weil an das Tribosystem Kolbenring-/Zylinderlaufflä- che ganz andere Anforderungen gestellt werden als an das Tribosystem Kolbenring/Nut.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen beschichteten Kolbenring bzw. ein Beschichtungsmittel bereitzustellen, welche für moderne Verbrennungsmotoren geeignet sind und die Einlaufeigenschaften verbessern.
Die Lösung besteht aus einem Kolbenring mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. einem Beschichtungsmittel mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Beschichtung aus mindestens einem Polya- midimid und/oder mindestens einem Polyetheretherketon mit eingelagerten Partikeln besteht.
Es hat sich herausgestellt, dass Polyamidimide und Polyetheretherketone den gesteigerten Anforderungen an Gleitschichten für moderne Verbrennungsmotoren genügen. Polyamidimide bzw. Polyetheretherketone bilden zusammen mit den Partikeln Gleitschichten, d.h. die Partikel sind in eine Matrix aus Polyamidimiden bzw. Polyetheretherketonen eingebettet. Die Gleitschicht ist ausreichend temperaturbeständig (mindestens bis 25O0C) und verschleißt nicht zu schnell. Dadurch bleiben die Gleiteigenschaften der Gleitschichten während der Einlaufphase im Wesentlichen unbeeinträchtigt bestehen. Dies führt zu einem verbesserten Einlaufverhalten des Verbrennungsmotors. Die Entstehung von Brandspuren während der Einlaufphase wird vermieden. Nach Beendigung der Einlaufphase wird die Gleitschicht nicht mehr benötigt und kann daher verschlissen sein.
Gegenüber den im Stand der Technik bekannten Polyimiden haben die erfindungsgemäßen Kolbenringe bzw. Beschichtungsmittel den Vorteil, dass sie eine höhere Festigkeit und Zähigkeit aufweisen. Damit ist auch die Abriebbeständigkeit erhöht, so dass die Beschichtung nicht zu schnell verschleißt. Außerdem haben die erfindungsgemäßen Kolbenringe bzw. Beschichtungsmittel einen niedrigeren Reibungskoeffizienten, was ihr tribologisches Verhalten begünstigt. Die erfindungsgemäßen Kolbenringe bzw. Beschichtungsmittel sind zudem gegenüber dem Stand der Technik weniger empfindlich gegenüber Temperaturspitzen, so dass bspw. eine kurzzeitige Erwärmung auf Temperaturen bis zu 4500C unschädlich ist.
Polyamidimide (PAI) sind Polymere, die in ihren Hauptketten sowohl Amid- als auch Imid-Funktionalitäten tragen. Verfahren zu ihrer Herstellung sind allgemein bekannt. Bspw. können sie durch Polykondensation von Tricarbonsäureanhydriden, bspw. TrimeHithsäureanhydrid, oder den Chloriden dieser Carbonsäuren mit Diisocyana- ten bzw. Diaminen hergestellt werden. Die Polymerisation erfolgt in Lösung. Sie können direkt aus der Lösung verarbeitet werden. Polyamidimide sind sehr tempe- ratur- und lösemittelbeständig.
Polyetheretherketone (PEEK) sind Polymere, bei denen Phenylenreste abwechselnd jeweils über zwei Ether- und eine Keto-Gruppe verknüpft sind. Sie werden in an sich bekannter Weise durch Polykondensation von 4-Phenoxybenzoylchlorid oder Terephthalsäuredichlorid und Diphenylether in Gegenwart von Friedel-Crafts- Katalysatoren (bspw. AICI3) hergestellt. Polyetheretherketone sind teilkristalline hochschmelzende Thermoplaste mit u.a. sehr guter Wärmeformbeständigkeit. Sie können leicht durch Spritzgießen verarbeitet werden. Die erfindungsgemäß verwendeten Polyetheretherketone können an ihren Phenylenresten beliebig substituiert sein.
Die Partikel können je nach Anwendung bspw. als Poliermittel, Schmiermittel oder zur Erhöhung der Festigkeit der Kunststoffmatrix dienen. Der mit den Partikeln versetzte Kunststoff wird auf die Lauffläche des Kolbenrings in an sich bekannter Weise gespritzt oder gedruckt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Kolben-/Kolbenringanord- nung für einen Verbrennungsmotor, wobei mindestens ein Kolbenring mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung versehen ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Bevorzugt kommen Polyamidimide bzw. Polyetheretherketone zum Einsatz, die thermisch ausgehärtet sind bzw. nach dem Auftragen des Beschichtungsmittels auf den Kolbenring thermisch ausgehärtet werden. Dies erleichtert die Verarbeitung. Die Schichtdicke der Beschichtung kann 1 bis 20 μm, vorzugsweise 3 bis 8 μm betragen.
Die Menge der Partikel kann etwa 0,1 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise etwa 0,5 bis 20 Gew.-%, bezogen auf die Beschichtung, betragen. Ein zu hoher Partikelanteil führt zu einem erhöhten Verschleiß der Zylinderlauffläche und der Gleitschicht und setzt die Temperaturbeständigkeit der Kunststoffmatrix zu sehr herab. Ein zu geringer Partikelanteil ist wirkungslos.
Die Korngröße der Partikel liegt bspw. im Bereich von etwa 0,1 bis 10 μm, vorzugsweise etwa 0,5 bis 2 μm. Auch hier gilt, dass zu hohe Partikelgrößen zu einem erhöhten Verschleiß der Zylinderlauffläche und der Gleitschicht führen und die Temperaturbeständigkeit der Kunststoffmatrix herabsetzen, während zu kleine Partikel keine Wirkung zeigen.
Die Partikel können z. Bsp. Hartstoffpartikel sein. Geeignete Materialien sind u.a. Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Wolframcarbid, Diamant, Borcarbid oder Chromcarbid. Sie bewirken, dass die Zylinderlauffläche fein poliert wird, ähnlich wie beim Feinhonen, so dass Rauheitsspitzen abgetragen werden. Dazu sollten ihre Korngröße und ihre Menge in den oben erwähnten bevorzugten Bereichen liegen.
Stattdessen oder zusätzlich können auch Festschmierstoffpartikel eingelagert sein, die bspw. aus Graphit, Molybdänsulfid, Wolframsulfid, Polytetrafluorethylen oder hexagonalem Bornitrid bestehen können. Festschmierstoffpartikel tragen dazu bei, die Entstehung von Brandspuren während der Einlaufphase zu verhindern. Um dies besonders wirkungsvoll unterstützen zu können, sollten die Festschmierstoffpartikel in Korngrößen und Mengenbereichen wie oben erläutert vorliegen. Insbesondere wenn die Menge der Festschmierstoffpartikel zu hoch ist, vermag die Kunststoff- matrix nicht mehr alle Partikel zu benetzen und zu umschließen. Dadurch wird die mechanische Festigkeit der Gleitschicht herabgesetzt, so dass sie zu schnell, d.h. vor Beendigung der Einlaufphase abgetragen wird. Der gleiche nachteilige Effekt wird beobachtet, wenn die Korngröße zu gering wird. Die Gesamtoberfläche der Partikel wird dann so groß, dass die Partikel von der Kunstharzmatrix ebenfalls nicht mehr zuverlässig benetzt und eingebunden werden. Ist die Korngröße hingegen zu hoch, insbesondere größer als die Schichtdicke, entstehen raue, inhomogene Schichten mit geringer Schmierwirkung.
Schließlich können zur weiteren Verfestigung der Gleitschicht metallische Partikel aus Eisen, Kupfer, Bronze, Messing, Aluminium, Titan oder Zinn in der Gleitschicht enthalten sein. Auch hier sollte die Menge und Korngröße im oben erwähnten Bereich liegen, damit Verschleiß und Temperaturbeständigkeit nicht negativ beein- flusst werden.
Der Kolbenring selbst kann aus allen für den jeweiligen Anwendungsbereich geeigneten Materialien, bspw. aus nitriertem Stahl, bestehen. Zusätzlich kann der Kolbenring mit an sich bekannten verschleißbeständigen Schichten an der Lauffläche versehen sein; hierbei ist die erfindungsgemäße Beschichtung auf die verschleißbeständige Schicht aufgetragen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt in schematischer, nicht maßstabsgerechter Darstellung einen Schnitt durch eine Kolben- Kolbenringanordnung 10. Der Kolben 11 weist in an sich bekannter Weise Kolbenringnuten 12 auf. In die Kolbenringnut 12 ist ein Kolbenring 20 eingesetzt. Die radial nach außen aus der Kolbenringnut 12 ragende Seitenfläche des Kolbenrings 20 dient als Lauffläche 21 , die mit der Zylinderlauffläche 14 eines Zylinders 13 in tri— bologischer Wechselwirkung steht. Die Lauffläche 21 des Kolbenrings 20 ist mit einer Beschichtung 22 aus einem Po- lyamidimid oder einem Polyetheretherketon versehen. In die Beschichtung 22 sind Partikel 23 eingelassen, die aus einem Hartstoff, einem Festschmierstoff und/oder einem Metall bzw. einer Legierung bestehen.
Geeignete Polyamidimide sind bspw. unter den Handelsnamen Torion® und Ker- mel® erhältlich. Geeignete Polyetheretherketone sind bspw. unter den Handelsnamen Victrex®, Zyex®, Hostatec® und Ketron® bekannt.
Das Polyamidimid hat vorzugsweise die allgemeine Formel (I)
wobei Ar für eine Arylgruppe steht, bspw.
und n eine ganze Zahl zwischen 2 und 200 ist.
Der verwendete Rohstoff ist vorzugsweise eine Mischung aus einer Amidsäure der allgemeinen Formel (III)
und einem Imid der allgemeinen Formel (I).
Diese Mischung wird in einem aprotischen Lösemittel gelöst. Bevorzugt ist N- Methyl-pyrrolidon (NMP), weil es geruchsarm und wenig toxisch ist. Die Mischung wird thermisch ausgehärtet, wobei gleichzeitig drei Prozesse ablaufen: 1. Das Lösemittel wird entfernt, da es verdampft.
2. Die Amidsäure wird imidisiert, d.h. unter Abspaltung von Wasser in das Imid umgewandelt.
3. Gleichzeitig findet ein Kettenwachstum statt, so dass das Molekulargewicht des Polyamidimids erhöht wird.
Das Polyetheretherketon hat vorzugsweise die allgemeine Formel (II)
Wobei die Phenylenreste beliebig substituiert sein können und n eine ganze Zahl von 2 bis 200 ist.
Das Beschichtungsmittel kann nach Methoden hergestellt werden, wie sie dem Fachmann zur Herstellung von Lacken bekannt sind. In den mit einem geeigneten Lösemittel verdünnten, nicht ausgehärteten Kunststoff werden die Partikel eingerührt. Ggf. können Hilfsmittel zum Erzielen einer stabilen Dispersion hinzugefügt werden. Falls erforderlich, werden, vorzugsweise in geringen Mengen, Viskositätsstellmittel und Entschäumer zugesetzt. Die Viskosität wird durch Zugabe von Lösemittel entsprechend der späteren Verarbeitungsmethode eingestellt.
Als Verarbeitungsmethode eignen sich insbesondere Sprühen und Siebdruck. Nach dem Aufbringen der Beschichtung erfolgt die thermische Aushärtung, bspw. 15 bis 30 Minuten bei 200 bis 22O0C. Es empfiehlt sich, die zu beschichtende Fläche vor dem Beschichten zu reinigen. Rückstände von Ölen, Fetten, Partikeln, Salzen etc. sollten sorgfältig entfernt werden. Die zu beschichtende Fläche sollte trocken sein. Die zu beschichtende Fläche kann auch phosphatiert oder mit einer harten, verschleißbeständigen Schicht, bspw. CrN, versehen sein.
In einem ersten Ausführungsbeispiel werden Kolbenringe aus sphärolitischem Gusseisen eingesetzt. Die Ringe werden nach dem Stand der Technik an der Laufflä- che hartverchromt und anschließend auf Maß geschliffen. Danach werden sie sorgfältig gereinigt und getrocknet. Das Beschichtungsmittel wird hergestellt aus PoIy- amidimid-Grundharz. Zu einer Menge, die 100 g Harz-Feststoffe enthalten, werden nacheinander 5 g Aluminiumoxid und 10 g Graphit gegeben und intensiv gerührt. Es empfiehlt sich, geringe Mengen der an sich bekannten Lackhilfsmittel zuzusetzen, um eine stabile, nicht schäumende Dispersion mit guten Verlaufseigenschaften zu erhalten. Anschließend wird die Mischung mit dem Lösemittel NMP (N- Methyl-Pyrrolidon) auf eine spritzfähige Konsistenz verdünnt. Die Kolbenringe werden zu einer Säule aufgestapelt, die Ringstöße mit einer Schablone abgedeckt, und das Beschichtungsmittel auf die Lauffläche der Ringe aufgespritzt. Danach wird die Beschichtung in einem Ofen bei 2000C und 30 Minuten Verweilzeit ausgehärtet. Wenn sich kleine Unebenheiten auf der Schichtoberfläche gebildet haben, können diese durch Bürsten entfernt werden.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel werden Kolbenringe aus nitriertem Stahl, die an der Lauffläche mit einer im PVD-Verfahren aufgebrachten Chromnitridschicht versehen sind, eingesetzt. Das Beschichtungsmittel wird hergestellt aus Polyami- dimid-Grundharz. Zu einer Menge, die 100 g Harz-Feststoffe enthalten, werden nacheinander 4 g Aluminiumoxid und 8 g Molybdändisulfid gegeben und intensiv gerührt. Es empfiehlt sich, geringe Mengen der an sich bekannten Lackhilfsmittel zuzusetzen, um eine stabile, nicht schäumende Dispersion mit guten Verlaufseigenschaften zu erhalten. Anschließend wird mit wenig Lösemittel NMP (N-Methyl- Pyrrolidon) eine siebdruckfähige Konsistenz eingestellt. Die sorgfältig gereinigten und getrockneten Kolbenringe werden zu einem Dorn verspannt, wobei die Stöße geschlossenen sind. Dann werden die Ringe im Siebdruckverfahren beschichtet. Danach wird die Beschichtung in einem Ofen bei 200 0C und 30 Minuten Verweilzeit ausgehärtet. Wenn sich kleine Unebenheiten auf der Schichtoberfläche gebildet haben, können diese durch Bürsten entfernt werden.
In einem dritten Ausführungsbeispiei werden Kolbenringe aus nitriertem Stahl eingesetzt. Das Beschichtungsmittei wird hergestellt aus Polyetheretherketon- Grundharz. Zu einer Menge, die 100 g Harz-Feststoffe enthalten, werden nachein- ander 4 g Messingpulver und 10 g PTFE gegeben und intensiv gerührt. Es empfiehlt sich, geringe Mengen der an sich bekannten Lackhilfsmittel zuzusetzen, um eine stabile, nicht schäumende Dispersion mit guten Verlaufseigenschaften zu erhalten. Anschließend wird mit wenig Lösemittel NMP (N-Methyl-Pyrrolidon) eine siebdruckfähige Konsistenz eingestellt. Die sorgfältig gereinigten und getrockneten Kolbenringe werden zu einem Dorn verspannt, wobei die Stöße geschlossenen sind. Dann werden die Ringe im Siebdruckverfahren beschichtet. Danach wird die Beschichtung in einem Ofen bei 200 0C und 30 Minuten Verweilzeit ausgehärtet. Wenn sich kleine Unebenheiten auf der Schichtoberfläche gebildet haben, können diese durch Bürsten entfernt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Kolbenring (20), dessen Lauffläche (21 ) mit einer einen Kunststoff enthaltenden Beschichtung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschich- tung (22) aus mindestens einem Polyamidimid und/oder mindestens einem Polyetheretherketon mit eingelagerten Partikeln (23) besteht.
2. Kolbenring nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (22) mindestens ein Polyamidimid der allgemeinen Formel (I)
aufweist, wobei der Rest Ar ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend
und n eine ganze Zahl von 2 bis 200 ist.
3. Kolbenring nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (22) mindestens ein Polyetheretherketon der allgemeinen Formel (II)
aufweist, wobei die aromatischen Reste beliebige Substituenten tragen können und n eine ganze Zahl von 2 bis 200 ist.
4. Kolbenring nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Beschichtung (22) 1 bis 20 μm, vorzugsweise 3 bis 8 μm beträgt.
5. Kolbenring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Polyamidimid bzw. das mindestens eine Polyetheretherketon thermisch ausgehärtet ist.
6. Kolbenring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge der Partikel (23) 0,1 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise 0,5 bis 20 Gew.-% bezogen auf die Beschichtung (22) beträgt.
7. Kolbenring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße der Partikel (23) 0,1 bis 10 μm, vorzugsweise 0,5 bis 2 μm beträgt.
8. Kolbenring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (23) Hartstoffpartikel und/oder Festschmierstoffpartikel und/oder metallische Partikel sind.
9. Kolbenring nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel aus Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Wolframcarbid, Diamant, Borcarbid oder Chromcarbid bestehen.
10. Kolbenring nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Festschmier- stoffpartikel aus Graphit, Molybdänsulfid, Wolframsulfid, Polytetrafluorethylen oder Bornitrid bestehen.
11. Kolbenring nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Partikel aus Eisen, Kupfer, Bronze, Messing, Aluminium, Titan oder Zinn bestehen.
12. Kolbenring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er aus nitriertem, ggf. mit einer harten, verschleißbeständigen Schicht versehenen Stahl besteht.
13. Beschichtungsmittel für eine tribologische Lauffläche, dadurch gekennzeichnet, dass es aus mindestens einem Polyamidimid oder mindestens einem Po- lyetheretherketon mit eingelagerten Partikeln sowie ggf. Zusatz- und Hilfsstof- fen besteht.
14. Beschichtungsmittel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens ein Polyamidimid der allgemeinen Formel (I) ff
enthält, wobei der Rest Ar ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend
und n eine ganze Zahl zwischen 2 und 200 ist.
15. Beschichtungsmittel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens ein Polyetheretherketon der allgemeinen Formel (II)
enthält, wobei die aromatischen Reste beliebige Substituenten tragen können und n eine ganze Zahl von 2 bis 200 ist.
16. Beschichtungsmittel nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Polyamidimid bzw. das mindestens eine Polyetheretherketon thermisch aushärtbar ist.
17. Beschichtungsmittel nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge der Partikel 0,1 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise 0,5 bis 20 Gew.-% bezogen auf das Beschichtungsmaterial beträgt.
18. Beschichtungsmittel nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße der Partikel 0,1 bis 10 μm, vorzugsweise 0,5 bis 2 μm beträgt.
19. Beschichtungsmittel nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel Hartstoffpartikel und/oder Festschmierstoffpartikel und/oder metallische Partikel sind.
20. Beschichtungsmittel nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel aus Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Wolfram- carbid, Diamant, Borcarbid oder Chromcarbid bestehen.
21. Beschichtungsmittel nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Festschmierstoffpartikel aus Graphit, Molybdänsulfid, Wolframsulfid, Polytetra- fluorethylen oder Bornitrid bestehen.
22. Beschichtungsmittel nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Partikel aus Eisen, Kupfer, Bronze, Messing, Aluminium, Titan oder Zinn bestehen.
23. Verwendung eines Beschichtungsmittels nach einem der Ansprüche 11 bis 18 zur Beschichtung der Lauffläche eines Kolbenrings (20). 4. Kolben-/Kolbenringanordnung (10) für einen Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben-/Kolbenringanordnung (10) mindestens einen Kolbenring (Verdichtungsring oder Ölring) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist.
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