EP3619416A1 - Stahlkolben mit einer phosphat-schicht - Google Patents

Stahlkolben mit einer phosphat-schicht

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EP3619416A1
EP3619416A1 EP18722516.4A EP18722516A EP3619416A1 EP 3619416 A1 EP3619416 A1 EP 3619416A1 EP 18722516 A EP18722516 A EP 18722516A EP 3619416 A1 EP3619416 A1 EP 3619416A1
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steel piston
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Federal Mogul Nuernberg GmbH
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    • F02F3/00—Pistons 
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    • C10N—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS C10M RELATING TO LUBRICATING COMPOSITIONS
    • C10N2080/00—Special pretreatment of the material to be lubricated, e.g. phosphatising or chromatising of a metal

Definitions

  • the present invention relates to a steel piston
  • Eating usually provided with a shaft coating.
  • a bonded coating which contains one or more solid lubricants, eg graphite or M0S 2 .
  • solid lubricants eg graphite or M0S 2 .
  • the piston In order to ensure the adhesion of the bonded coating over the entire service life of the piston, the piston must be pretreated.
  • a manganese phosphating is used, which is applied by means of dipping method.
  • an interruption of the usual manufacturing process and manual handling of the piston is necessary. This can lead to contamination on the surface of the piston.
  • the steel piston it is possible for the steel piston to be only neutral, before applying the lubricating varnish.
  • this object is achieved by a special phosphating process and a steel piston with an available, amorphous phosphate layer.
  • the invention relates to a steel piston, preferably a steel piston for an internal combustion engine, which comprises an amorphous phosphate layer at least in one region. Furthermore, the invention relates to a method for producing such a steel piston.
  • amorphous phosphate layer means that the layer has an amorphous structure in plan view.
  • Manganese phosphate or zinc phosphate layers with crystalline structure with crystalline structure.
  • the amorphous structure of the layer affects the properties of the layer, e.g. their roughness and
  • the method according to the invention comprises the following
  • step (3) optionally forming a manganese phosphate layer.
  • the amorphous phosphate layer formed according to the invention has capillaries and thereby enables a better
  • the amorphous phosphate layer acts as a passivation layer, so that a renewed oxidation of the piston is avoided.
  • a thin, amorphous phosphate layer can be applied.
  • it may be thinner than a conventional, crystalline phosphate layer. This in turn allows lower manufacturing tolerances.
  • the amorphous phosphate layer has a thickness of 0.05 ym to 5 ym, more preferably 0.1 ym to 3 ym.
  • the amorphous phosphate layer can be applied to the entire piston or individual regions, for example the piston skirt or the pin bore.
  • the layer is applied to the entire piston
  • a lubricating varnish (2) may further be applied to the amorphous phosphate layer. If appropriate, in step (3) on the piston thus obtained
  • the piston can also be coated exclusively with the lubricating varnish.
  • the phosphoric acid-containing solution used according to the invention can be applied by spraying, so that the amorphous phosphate layer can be generated inline. By doing so leaves avoid manual handling of the piston, and the risk of contamination of the surface of the piston is reduced.
  • the inventive method can be integrated into the process for producing the piston without great expense.
  • the solution used in step (1) preferably contains a surfactant in addition to phosphoric acid (ortho-phosphoric acid). In this way, the wetting of the surface can be improved, so that a more uniform layer is formed. Further, the solution may contain other ingredients.
  • Suitable nitrates e.g. Sodium nitrate, manganese nitrate and
  • Zinc nitrate, and / or sulfonates proved.
  • the nitrate, and / or sulfonates proved.
  • the solution preferably has a pH of from 1 to 3.
  • step (1) After completion of step (1), the solution, e.g. by rinsing, be removed from the surface of the flask.
  • step (2) is carried out by a method known to the person skilled in the art.
  • a manganese phosphate layer can subsequently be formed in a further step (3).
  • This process can be carried out in a manner known to those skilled in the art.
  • the treatment according to the invention of the steel piston leads to a better adhesion of the lubricating varnish.
  • the lubricating varnish is preferably one
  • Anti-friction varnish comprising a polymer matrix.
  • a polymer matrix the usual starting materials for piston coatings, such as phenolic resins, epoxy resins, polyamide,
  • Polyamide-imide and / or PTFE are used, preferred are phenolic resins and / or epoxy resins.
  • a crosslinkable polymer is used as the matrix for the coating, then it is crosslinked after application.
  • the crosslinking of the matrix can be effected thermally or by means of radiation, for example by UV or IR radiation.
  • the bonded coating further particularly preferred
  • Solid lubricant (s) preferably substances with a laminar crystallizing structure used, such as graphite, M0S2, WS2, -BN. Furthermore, polymers such as e.g. PTFE can be used.
  • amorphous phosphate layer according to the invention can be improved, are e.g. in DE 10 2009 002 716 AI and 10 2009 002 715 AI described.

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Abstract

Es wird ein Stahlkolben für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt, der zumindest in einem Bereich eine amorphe Phosphat-Schicht umfasst. Durch diese Schicht wird die Haftung eines Gleitlacks verbessert.

Description

Stahlkolben mit einer Phosphat-Schicht
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stahlkolben,
insbesondere für einen Verbrennungsmotor, mit einer amorphen Phosphat-Schicht und ein Verfahren zur Erzeugung derselben.
Stand der Technik Stahlkolben für Verbrennungsmotoren werden zur Verringerung der Reibung gegen den Zylinder und zur Vermeidung des
Fressens in der Regel mit einer Schaftbeschichtung versehen. Häufig wird ein Gleitlack eingesetzt, der einen oder mehrere Festschmierstoffe, z.B. Graphit oder M0S2, enthält. Bei direktem Aufbringen auf den Kolben haftet der Gleitlack überwiegend durch mechanische Adhäsion.
Um die Haftung des Gleitlacks über die gesamte Lebensdauer des Kolbens zu gewährleisten, muss der Kolben vorbehandelt werden. Im Stand der Technik wird dazu beispielsweise eine Manganphosphatierung verwendet, die mittel Tauchverfahren aufgebracht wird. Um den Tauchprozess durchführen zu können, ist eine Unterbrechung des üblichen Herstellungsprozesses und eine manuelle Handhabung des Kolbens notwendig. Dadurch kann es zu Verunreinigungen auf der Oberfläche des Kolbens kommen.
Alternativ besteht die Möglichkeit, den Stahlkolben vor dem Aufbringen des Gleitlacks lediglich einem neutralen,
alkalischen und/oder saurem Waschen zu unterziehen. Da bei diesem Vorgang die Oberfläche lediglich entfettet, aber nicht aufgeraut wird, wird so häufig nur eine unzureichende Haftung des Gleitlacks erreicht. Aus diesen Gründen besteht das Bedürfnis ein einfach
auszuführendes und mit geringem Kostenaufwand verbundenes Verfahren bereitzustellen, das zu einer verbesserten Haftung des Gleitlacks auf dem Kolben führt.
Überraschenderweise wird diese Aufgabe durch ein spezielles Phosphatierungsverfahren und einen Stahlkolben mit einer dadurch erhältlichen, amorphen Phosphat-Schicht gelöst.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Stahlkolben, bevorzugt einen Stahlkolben für einen Verbrennungsmotor, der zumindest in einem Bereich eine amorphe Phosphat-Schicht umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Stahlkolbens.
Erfindungsgemäß bedeutet der Begriff „amorphe Phosphat- Schicht", dass die Schicht in der Aufsicht eine amorphe Struktur aufweist.
Durch diese amorphe Struktur unterscheidet sich die
erfindungsgemäße Phosphat-Schicht von herkömmlichen
Manganphosphat- oder Zinkphosphat-Schichten mit kristalliner Struktur. Die amorphe Struktur der Schicht beeinflusst die Eigenschaften der Schicht, wie z.B. deren Rauheit und
Schichtdicke .
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden
Schritte :
(1) das Bilden einer amorphen Phosphat-Schicht durch
Behandlung mit einer Lösung, die Phosphorsäure enthält ;
(2) optional das Aufbringen eines Gleitlacks; und
(3) optional das Bilden einer Manganphosphat-Schicht. Durch die Behandlung mit der Phosphorsäure-haltigen Lösung in Schritt (1) wird nicht nur eine amorphe Phosphat-Schicht gebildet, sondern die Kolbenoberfläche zusätzlich aufgeraut und von vorhandenen Oxiden befreit.
Die erfindungsgemäß gebildete amorphe Phosphat-Schicht weist Kapillaren auf und ermöglicht dadurch eine bessere
Verankerung des Gleitlacks, der somit auch hohen Belastungen standhält. Ferner wirkt die amorphe Phosphat-Schicht als Passivierungsschicht , so dass eine erneute Oxidation des Kolbens vermieden wird.
Mittels der Erfindung kann eine dünne, amorphe Phosphat- Schicht aufgebracht werden. Insbesondere kann diese dünner sein als eine herkömmliche, kristalline Phosphat-Schicht. Dies wiederum ermöglicht geringere Fertigungstoleranzen.
Bevorzugt hat die amorphe Phosphat-Schicht eine Dicke von 0,05 ym bis 5 ym, besonders bevorzugt 0,1 ym bis 3 ym.
Im Rahmen der Erfindung kann die amorphe Phosphat-Schicht auf den gesamten Kolben oder einzelne Bereiche, beispielsweise den Kolbenschaft oder die Bolzenbohrung, aufgebracht werden. Bevorzugt wird die Schicht auf den gesamten Kolben
aufgebracht.
Wenn gewünscht, kann ferner ein Gleitlack (2) auf die amorphe Phosphat-Schicht aufgebracht werden. Auf den so erhaltenen Kolben wird gegebenenfalls in Schritt (3) eine
Manganphosphat-Schicht aufgebracht.
Selbstverständlich kann der Kolben auch ausschließlich mit dem Gleitlack beschichtet werden. Die erfindungsgemäß eingesetzte Phosphorsäure-haltige Lösung kann durch Sprühen aufgebracht werden, so dass die amorphe Phosphat-Schicht inline erzeugt werden kann. Dadurch lässt sich eine manuelle Handhabung des Kolbens vermeiden, und die Gefahr der Verunreinigung der Oberfläche des Kolbens wird reduziert. Ferner lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren ohne große Kosten in den Ablauf zur Herstellung des Kolbens integrieren.
Bevorzugt enthält die in Schritt (1) eingesetzte Lösung neben Phosphorsäure (ortho-Phosphorsäure) ein Tensid. Auf diese Weise lässt sich die Benetzung der Oberfläche verbessern, sodass eine gleichmäßigere Schicht gebildet wird. Ferner kann die Lösung weitere Bestandteile enthalten. Als geeignet haben sich Nitrate, z.B. Natriumnitrat, Mangannitrat und
Zinknitrat, und/oder Sulfonate erwiesen. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die
Konzentration von Phosphorsäure in der Lösung 4% bis
14% (g/g) , insbesondere 6% bis 12% (g/g) . Die Lösung hat bevorzugt einen pH-Wert von 1 bis 3. Für die Durchführung von Schritt (1) haben sich eine
Temperatur von 30°C bis 80°C, bevorzugt 45°C bis 65°C, und eine Behandlungsdauer von 50 Sekunden bis 500 Sekunden, bevorzugt 100 Sekunden bis 400 Sekunden, als besonders geeignet erwiesen.
Nach Beendigung des Schrittes (1) muss die Lösung, z.B. durch Spülen, von der Oberfläche des Kolbens entfernt werden.
Gegebenenfalls kann im Anschluss an Schritt (1) mittels eines optionalen Schrittes (2) ein Gleitlack aufgebracht werden. In diesem Fall wird Schritt (2) mit einem dem Fachmann bekannten Verfahren durchgeführt.
Auf dem mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen Kolben kann anschließend in einem weiteren Schritt (3) eine Manganphosphat-Schicht gebildet werden. Dieser Vorgang kann in einer dem Fachmann bekannten Weise durchgeführt werden. Wie oben ausgeführt, führt die erfindungsgemäße Behandlung des Stahlkolbens zu einer besseren Haftung des Gleitlacks.
Bei dem Gleitlack handelt es sich bevorzugt um einen
Gleitlack, der eine Polymermatrix umfasst. Als Polymermatrix können die üblichen Ausgangsstoffe für Kolbenbeschichtungen, wie beispielsweise Phenolharze, Epoxidharze, Polyamid,
Polyamidimid und/oder PTFE eingesetzt werden, bevorzugt sind Phenolharze und/oder Epoxidharze.
Wird als Matrix für die Beschichtung ein vernetzbares Polymer eingesetzt, so wird diese nach dem Aufbringen vernetzt. Das Vernetzen der Matrix kann thermisch oder mittels Strahlung, beispielsweise durch UV- oder IR-Strahlung, erfolgen.
Der Gleitlack umfasst weiterhin besonders bevorzugt
funktionelle Bestandteile, beispielsweise einen oder mehrere Festschmierstoffe. Erfindungsgemäß werden als
Festschmierstoff (e) bevorzugt Stoffe mit einer laminarartig kristallisierenden Struktur eingesetzt, wie beispielsweise Graphit, M0S2, WS2, -BN. Ferner können Polymere, wie z.B. PTFE eingesetzt werden.
Geeignete Gleitlacke, deren Haftung mittels der
erfindungsgemäßen amorphen Phosphat-Schicht verbessert werden kann, sind z.B. in der DE 10 2009 002 716 AI und 10 2009 002 715 AI beschrieben.

Claims

Patentansprüche
Stahlkolben, insbesondere Stahlkolben für einen
Verbrennungsmotor, der zumindest in einem Bereich eine amorphe Phosphat-Schicht umfasst.
Stahlkolben gemäß Anspruch 1, wobei die amorphe
Phosphat-Schicht eine Dicke von 0,05 ym bis 5 ym, bevorzugt 0,1 ym bis 3 ym, hat
Stahlkolben gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei auf die amorphe Phosphat-Schicht ein Gleitlack—und/oder eine Manganphosphat-Schicht, bevorzugt ein Gleitlack, aufgebracht ist/sind.
Stahlkolben gemäß Anspruch 1 bis 3, wobei die
Schicht (en) zumindest auf den Kolbenschaft und/oder die Bolzenbohrung, bevorzugt auf den gesamten Kolben, aufgebracht ist/sind.
Verfahren zur Herstellung eines Stahlkolbens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 umfassend:
(1) das Bilden einer amorphen Phosphat-Schicht durch
Behandlung mit einer Lösung, die Phosphorsäure enthält ;
(2) optional das Aufbringen eines Gleitlacks; und
(3) optional das Bilden einer Manganphosphat-Schicht
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die in Schritt (1) eingesetzte Lösung ferner ein Tensid enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei die
Phosphorsäure Konzentration in der Lösung 4% bis 14% (g/g) beträgt.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die in Schritt (1) eingesetzte Lösung einen pH-Wert von 1 bis 3 hat.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Behandlung in Schritt (1) bei einer Temperatur von 30°C bis 80°C für 50 Sekunden bis 500 Sekunden durchgeführt wird .
10. Verwendung einer amorphen Phosphat-Schicht zur
Verbesserung der Haftung eines Gleitlacks auf einem Stahlkolben .
11. Stahlkolben gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4,
erhältlich durch das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9.
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