JP2008523292A

JP2008523292A - 内燃機関に用いられるピストン並びに該ピストンのボス孔をコーティングするための方法

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Publication number: JP2008523292A
Application number: JP2007544734A
Authority: JP
Inventors: マイアークルト; ローゼラインハルト; ナーゲルグナール
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2004-12-10
Filing date: 2005-12-09
Publication date: 2008-07-03
Also published as: DE502005007439D1; CN101087942A; EP1877659B1; US20080223211A1; BRPI0518959A2; DE102005055365A1; CN101087942B; EP1877659A1; BRPI0518959B1; WO2006061013A1; US7765696B2; KR20070099598A

Abstract

ピストンピンを収容するための、滑り支承面（５）を有するボス孔（３）が設けられている、内燃機関に用いられるピストン（１）において、ピストンピンとボス孔との固定摩損および磨耗が有効性高くかつ廉価に、回転噴霧によって、熱的に加工硬化された、固形潤滑剤粒子を含有する樹脂から成る自己潤滑性のコーティング層（６）が少なくとも部分領域（Ｔｂ）において滑り支承面に直に形成される。

Description

本発明は内燃機関に用いられるピストンであって、ピストンピンを収容するために滑り支承面を有するボス孔が設けられている形式のものに関する。

ボス孔の滑り支承面を直接被覆されたピストンが、先行技術において、たとえばドイツ連邦共和国特許第４１１１３６８号およびドイツ連邦共和国特許出願公開第３３０１３３６号明細書から公知である。ソケットのない構成におけるボス孔の滑り支承のために、金属、特にニッケルから成る支承層が、電気メッキによって少なくとも部分的に滑り面に直に形成される。この滑り面は、支承個所が十分に潤滑されていることが望まれる。さらに鋼または鉄から成るピストン上側部分において、滑り支承面が、０，５〜２，０μｍの表面粗さＲａ（平均粗さ値）の場合にはリン酸塩処理されているということが公知である。この場合、ボス孔は成形孔として構成されている。両構成ではピストンピンはコーティングされていない。

しかしピストンにピンを組み付けるのに必要な寸法を正確に遵守するためには、金属層に、たとえばホーニング加工または精密スピンドル加工による機械的な後加工を施すことが依然として必要である。この機械的な後加工により、この種のピストンハブコーティングの製造手間の明らかな減少は可能ではない。さらに実際には、支承個所における磨耗につき、金属層に十分な耐摩損性と潤滑安全性とをもたらすことはできないので、この種の構成のピンハブ支承個所の寿命は制限されている。

さらにコーティング層の後加工は、最小限の騒音発生しか許容しない、ピストンとピストンピンとの極めて狭幅な遊びの場合にも組付けを保証するために、寸法精度において大きな手間を要する。

構成部材の摩擦特性もしくは滑り特性を改良するために、ドイツ連邦共和国特許出願公開第３９３９７０４号明細書から、吹きつけ後に種々異なる厚さの不規則に斑点状に分配された構成部材表面を形成する層材料が公知である。この場合、高められた厚さを有する領域は、有利には層材料内に混入されている充填粒子により形成される。しかしこの場合、制御できない不規則な層肉厚減少が、乾燥のための焼付け過程により形成されることは不都合である。焼付け過程よって内燃機関のピストンピンとピストンボスとの間の正確な支承遊び調節は保証されていない。

従って、本発明の課題は、内燃機関に用いられるピストン並びに当該ピストンの滑り支承面をコーティングするための方法を改良して、有効性が高くて廉価に、長期の摩損・磨耗防護部を極めて狭幅な組付け遊びにも獲得できるようにすることである。

本発明によれば、この課題は独立請求項１および５記載の特徴により解決される。

本発明に係る内燃機関に用いられるピストンは、ピストンピンを収容するための滑り支承面を有するボス孔が設けられており、滑り支承面が、熱的に加工硬化された、固形潤滑剤粒子を含有する樹脂から成る、ピストン材料と直接結合された自己潤滑性のコーティング層を有している形式のものにおいて、樹脂がポリアミドイミドであり、固形潤滑剤粒子が、それぞれグラファイト、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、ヘキサ窒化ホウ素またはＰＴＦＥのいずれか１つの材料から成っているか、または２つの材料の混合物から成っていることを特徴とする。

本発明に係るボス孔の滑り支承面をコーティングするための方法は、特に内燃機関のピストン（１）のためのボス孔の滑り支承面をコーティングするための方法であって、自己潤滑性のコーティング層を、熱的に加工硬化された、固形潤滑剤粒子を含有する樹脂から、回転噴霧によって滑り支承面に直に形成することを特徴とする。

本発明に係るコーティング層の使用は、該コーティング層が、熱的に加工硬化された、固形潤滑剤粒子を含有する樹脂から形成され、滑り支承層として内燃機関のピストンのボス孔において使用されることを特徴とする。

滑りラッカとして構成された自己潤滑性のコーティング層を、熱的に加工硬化可能な、固形潤滑剤粒子を含有する樹脂から、ピストンのボス孔の滑り支承面に直に形成することにより、実質的に以下の利点が得られる：
−十分な潤滑安全性と摩損耐性とを達成するために、支承ソケットが不要となる。

−滑りラッカの付着の改良のために、滑り支承面に付着層を形成する必要はない。

−所望の寸法精度、コーティング層の層肉厚、支承遊びの調節等を行うために、塗布された滑りラッカの表面の後加工は不要であり、かつ粗さ、うねり等の表面品質の後加工は不要である。

−公知の金属合金層と比べて改良された潤滑特性に基づき耐久性は改良され、ひいてはピストンピン支承個所のより長い寿命が獲得される。

要求に関連して、含有されている固形潤滑剤粒子は、それぞれグラファイト、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、ヘキサ窒化ホウ素またはＰＴＦＥのいずれか１つの材料から成っているか、または２つの材料の混合物から成っていてよい。この場合、滑り支承面の加工硬化されたコーティング層は、５０〜６０質量％の固形潤滑剤粒子を含有していて、これによってピストンピンボス支承の最適の潤滑が保証される。そのために、固形潤滑剤粒子は、加工硬化された１０〜１５μｍの滑りラッカの層肉厚において、１〜３μｍの粒子サイズを有している。この場合、層肉厚公差は最大でプラス／マイナス１μｍであり、これにより、最も狭幅の組付け遊びが獲得可能である。

本発明による方法によれば、滑りラッカは、有利には回転噴霧法によりボス孔の滑り支承面に被着される。これにより比較的小さな直径を有するボス孔のコーティングも達成可能である。

こうして形成された層は均一な層肉厚と、極めて良好な表面品質とを有している。同様に、コーティングしようとする領域の深さは良好に限定可能である。コーティング法は、従来のコーティング形式と比べて極めて経済的である。

本発明に係る内燃機関に用いられるピストンは、有利には、コーティング層が、滑り支承面の少なくとも部分領域に配置されている。

本発明に係るピストンは、有利には、滑り支承面のコーティング層が、５０〜６０質量％の固形潤滑剤粒子を含有しており、固形潤滑剤粒子が、１〜３μｍの粒子サイズを有している。

本発明に係るピストンは、有利には、コーティング層の層肉厚が１０〜１５μｍである。

本発明に係るピストンは、有利には、層肉厚が、プラス／マイナス１μｍの公差を有している。

本発明に係るボス孔の滑り支承面をコーティングするための方法は、有利には、樹脂がポリアミドイミドであって、固形潤滑剤粒子を、それぞれグラファイト、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、ヘキサ窒化ホウ素またはＰＴＦＥのいずれか１つの材料から形成するか、または２つの材料の混合物から形成し、個々の成分と樹脂とから成る混合物を、滑りラッカとしてボス孔の滑り支承面に塗布する。

本発明に係る方法は、有利には、滑りラッカを、完全に脱脂され、洗浄されかつ削り屑と堆積物のないピストンの滑り支承面に、０，６３μｍ（平均粗さ値）より小さな表面粗さＲａで塗布する。

本発明に係る方法は、有利には、回転噴霧を、ボス孔内に同心的に挿入する回転式のノズルによって、１０〜２０ｍｍ／秒の送りにおいて実施する。

本発明に係る方法は、有利には、滑りラッカの噴霧を、１分間に１４０００〜１８０００回転のノズルの回転速度において実施する。

本発明に係る方法は、有利には、滑りラッカを、滑り支承面に対して垂直に吹きつける。

本発明に係る方法は、有利には、ピストンを、滑りラッカの回転噴霧前および回転噴霧中に予め加熱し、回転噴霧の終了後にピストンを、直接加熱処理する。

本発明に係る方法は、有利には、ピストンの予加熱を、ピストン温度が５０〜８０℃に到達するまで行い、加熱処理を、１０〜２０分間、２００℃の温度で行う。

本発明に係る方法は、有利には、滑りラッカの加工硬化後の層肉厚公差を、プラス／マイナス１μｍになるようにする。

本発明に係るコーティング層の使用は、有利には、樹脂がポリアミドイミドであって、固形潤滑剤粒子が、それぞれグラファイト、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、ヘキサ窒化ホウ素またはＰＴＦＥのいずれか１つの材料から成っているか、または２つの材料の混合物から成っている。

有利な改良形が従属請求項から明らかになる。

以下に、本発明の実施例を添付図面につき詳細に説明する。

図１に例示的に示してあるピストン１は、マーレ社（Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ）の鋼から成るフェロサームピストン^（Ｒ）またはモノサームピストン^（Ｒ）であるか、または鋼ピストン上側部分、または一般的には軽金属ピストンであってよく、滑り支承面５を有するボス孔３を備えたボス４を有している。ボス孔３はその要求に相応して成形穿孔されている、および／またはピストン１の運動方向に対して縦方向に延びる楕円形状に、またはピストン１の運動方向に対して横方向に延びる楕円形状に構成されている。表面粗さＲａ（平均粗さ値）は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第４１１１３６８号明細書に記載されている通りであってよい。この場合、一般的に３０ｍｍの小ささのボス孔直径に対しては、Ｒａ値は０，６３μｍであり、３０〜６０ｍｍのボス孔直径に対しては、Ｒａ値は０，８μｍに達する。長さＡを有するボス孔３は、シリンダ状に円形に形成されているか、またはシリンダ状に僅かな楕円率をもって形成されていて、拡開された孔端部領域Ｂ，Ｃを有してかまたは有さずに形成されていてよい。

滑り支承面５は自己潤滑性のコーティング層６を示している。このコーティング層６は、熱的に加工硬化された、固形潤滑剤粒子（滑りラッカと呼称）を含有する樹脂から形成されている。この樹脂はポリアミドイミドであって、固形潤滑剤粒子は、それぞれグラファイト、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、ヘキサ窒化ホウ素またはＰＴＦＥのうちのいずれか１つの材料から成っているか、または２つの材料の混合物から成っている。

本発明によるコーティング層をボス４の滑り支承面５に形成するために、回転噴霧する装置１０が用いられる。この装置１０はベースボディ１１を有している。このベースボディ１１は、支承部１２と、ノズル１４と、ノズル流出部１５とを備えた回転可能なノズルボディ１３内に移行している。このノズルボディ１３を回転させるために、駆動装置２３が働く。ベースボディ１１は、それぞれ供給通路１７，１８を有している。これらの供給通路１７，１８は、滑りラッカおよび圧縮空気のためのものであり、調量および混合のための混合室１９に通じている。この混合室１９と結合した噴出通路２０は、衝突プレート１６に対して垂直に通じている。この衝突プレート１６は、滑りラッカ噴射噴流２４を噴出するための０，５ｍｍの幅をもった環状のギャップ２２を形成するために、ノズルボディ１３から離間して配置されている。

ノズルボディ１３のノズル１４は、駆動装置２３によって１分間に１４０００〜１８０００回転の回転数範囲で回転するので、環状のギャップの流出開口に生じる遠心力により、滑りラッカ圧縮空気混合は加速され、ディスク状の噴射噴流２４として半径方向に流出する。この場合、ノズル直径Ｄはコーティングしようとする滑り支承面のボス孔直径のほぼ半分の直径に相当するように選択される。装置は、ノズル深さＴまでコーティングしようとするコネクティングロッドアイ内に進入することができる。噴射噴流は軸線方向で幅狭くなっているので、軸線方向でコーティングしようとする面を、ラッカ供給部の単純な開閉により厳密に制限することができる。ノズル直径は、最大で５０ｍｍのノズル深さをもって５ｍｍ〜２５ｍｍの範囲で提供可能であるので、装置１０で全てのエンジンタイプのピストン用のボス孔をコーティングすることができる。

実施例１：
ボス孔の滑り支承面の完全なコーティング：
公知にはボス孔３は機械的に完成加工され、ボス孔３の直径に相応して、前記表面粗さを有している。この場合、コーティング前のボス孔直径は、ピストンピンが３０〜４０μｍの直径上の遊びを得るように選択される。ピストンのボスは、削り屑、粒子、加工オイルおよびそのような物が完全に除去されている状態に洗浄されている。

コーティングの準備のために、ボス孔３の両側にカバーステンシル２１が取り付けられる。このカバーステンシル２１はボス４の外側輪郭に適合している。カバーステンシル２１が、ボスの外面のコーティングを防ぐ。

極めて耐熱性のあるベース樹脂であるポリアミドイミドから構成されている滑りラッカは、固形潤滑剤として１〜３μｍの粒子サイズを有する二硫化モリブデンとグラファイトとから成る混合物を含有している。滑りラッカの粘性は、滴は形成されないが、十分に塗布できるように調節されている。

１０〜２０ｍｍ／秒の送りによって、ノズルはボス孔３内に同心的に挿入され、その結果、滑りラッカが、５０〜８０℃に予め加熱されたピストンに塗布される。滑りラッカは加工硬化された状態では５０〜６０質量％の固形潤滑剤を含有している。ラッカ供給が行われないとノズルは続いて後退する。全コーティング過程は５秒以内に行われる。

その後、層は熱的に炉内で加工硬化される。この場合、ピストンは１０〜２０分間、２００℃の温度に保持されなければならない。こうして得られた層の厚さは約１０μｍである。この場合、プラス／マイナス１μｍの層肉厚公差を達成する。層の収縮に基づく滑りラッカの肉厚減少にもかかわらず、狭幅な直径上のピン遊びが得られる。このピン遊びは１０〜２０μｍである。

実施例２：
ボス孔の滑り支承面の部分的なコーティング：
ピストンはほぼ実施例１に基づき加工され洗浄される。

コーティングの準備のために、ボス孔３の両側にカバーステンシル２１が取り付けられる。このカバーステンシル２１はボス４の外側輪郭に適合している。カバーステンシル２１は、ボスの外面のコーティングを防ぐ。

極めて耐熱性のあるベース樹脂であるポリアミドイミドから構成されている滑りラッカは、固形潤滑剤として粒子サイズ１〜３μｍの粒子サイズを有するグラファイトを含有している。滑りラッカの粘性は、滴は形成されないが、十分に塗布できるように調節されている。

ボス孔のシリンダ状の領域は、滑りラッカによりコーティングされることが望ましく、この場合、装置１０が使用される。

ノズル１４は一方のボス側に置かれ（図３では左側から右側に運動するように）、滑りラッカ供給なしでボス孔３の領域Ｃの端部にまで進入し、続いて滑りラッカが、ボス領域Ｂの始端に達するまで被着される。その後、ラッカ供給は停止し、ノズルは後退して、このノズル内に残留するラッカ残部はステンシルに吹きつけられる。滑りラッカの塗布は、５０〜８０℃に予め加熱されたピストンに対して行われる。

その後、層は熱的に炉内で加工硬化される。この場合、ピストンは１０〜２０分間、２００℃の温度に保持されなければならない。こうして得られた層の厚さは約１０μｍである。この場合、プラス／マイナス１μｍの層肉厚公差が得られる。層の収縮に基づく滑りラッカの肉厚減少にもかかわらず、狭幅な直径上のピン遊びが得られる。このピン遊びは１０〜２０μｍである。この狭幅な遊びは、ピンのがたつきによる騒音を回避するためには特に有利である。コーティング層は、狭幅な遊びにもかかわらず摩損がもたらさないことを保証する。

実施例３：
切り欠かれた潤滑溝を備えたボス孔の滑り支承面のコーティング：
ピストンはほぼ実施例１に基づき加工され洗浄される。公知にはボス４にピストンピンの潤滑オイル供給のための付加的な孔７（図１には示さず）が加工されている。

ボス孔３の中央に加工された潤滑オイル孔７に、滑りラッカが付加されることは望まれない。この理由から、および潤滑オイルがボス孔とピストンピンとの間のギャップに、より良好に分配できるように、コーティング層６は潤滑オイル孔の領域において半径方向で全周にわたって延びている「潤滑溝」として切り欠かれる（図３参照）。同じくボス孔の軸線に対して平行に延びている１つまたは複数の潤滑溝、またはこれらの組合せも相応なマスクの使用により実現可能である。コーティングするためには装置１０が使用される。

ノズル１４は一方のピストン側Ｋ１に置かれ、滑りラッカ供給なしでボス孔３の深さＴ１にまで進入する。その後、滑りラッカは領域ｄにおいて被着される。ピストン面Ｋ２のカバーステンシル２１の領域においてラッカ供給は停止し、ノズル１４内に残留しているラッカ残部はカバーステンシル２１に対して吹きつけられる。続いてノズル１４はラッカ供給なしで深さＴ２にまで戻り運動し、そこから領域ｅは滑りラッカで吹きつけられる。滑りラッカ残部は、カバーステンシル２１の領域でピストン面Ｋ１に対して吹きつけられる。滑りラッカの塗布は、５０〜８０℃に予め加熱されたピストンに対して行われる。

その後、層は熱的に炉内で加工硬化される。この場合、ピストンは１０〜２０分間、２００℃の温度に保持されなければならない。こうして得られた層の厚さは約１０μｍである。この場合、プラス／マイナス１μｍの層肉厚公差が得られる。層の収縮に基づく滑りラッカの肉厚減少にもかかわらず、狭幅な直径上のピン遊びが得られる。この遊びは１０〜２０μｍである。この狭幅な遊びは、ピンのがたつきによる騒音を回避するためには特に有利である。コーティング層は、狭幅な遊びにもかかわらず摩損がもたらされないことを保証する。

実施例４：
ボス孔の滑り支承面の偏心的なコーティング：
ピストンはほぼ実施例１に基づき加工され洗浄される。

１０〜２０ｍｍ／秒の送りによって、ノズル１４は偏心的にボス孔３内に進入する。偏心度はノズル直径Ｄの４分の１であり、この場合、ノズルの軸線はボス孔天頂の方向で移動する。滑りラッカは５０〜８０℃に予め加熱されたピストンに塗布される。滑りラッカは加工硬化された状態で５０〜６０質量％の固形潤滑剤を含有している。続いてラッカ供給なしでノズルは後退する。全コーティング過程は５秒以内に行われる。

次いで、層は熱的に炉内で加工硬化される。この場合、ピストンは１０〜２０分間、２００℃の温度に保持されなければならない。こうして得られたコーティング層６は、ボス孔天頂の方向で約１５μｍの厚さを有していて、ボス孔天底の方向で５μｍの厚さを有している。従って、機械的な負荷が著しくかかる領域に、より肉厚の層が形成され、機械的な負荷が僅かしかかからない領域では肉薄な層が形成される。

コーティング方法を実施するために、Ｓｐｒｉｍａｇ社（Ｋｉｒｃｈｈｅｉｍ）の遠心式ガンＳ−５２０が適している。既述のコーティングは、ボス孔３の既にリン酸塩処理された滑り支承表面においても可能である。この場合、リン酸層とコーティング層６との層肉厚は、ピストンピンボス支承の各組付け遊びに合わせることができる。この場合、ピストンピンはコーティングされていない。

コーティングは、ボスソケットを備えたピストンにも使用可能であるということは本発明の範囲内である。既述の形式でソケットの摺動面をコーティングすることができる。

ピストンピンを介して枢着されたピストン軸部を有するピストンの断面図である。図１のピストンのボス孔領域の部分断面図である。潤滑孔を備えたボス孔領域の図２の部分断面図である。ボス孔の滑り支承面にコーティング層を形成するための装置である。

符号の説明

１ピストン、２ピストン軸部分、３ボス孔、４ボス、５ボス孔の滑り支承面、６自己潤滑性のコーティング層（滑りラッカ）、７潤滑オイル孔／潤滑オイル溝、１０回転噴霧するための装置、１１ベースボディ、１２ノズルボディのための支承部、１３ノズルボディ、１４ノズル、１５ノズル流出部、１６衝突プレート、１７滑りラッカ供給通路、１８圧縮空気供給通路、１９混合室、２０噴出通路、２１ステンシル、２２ギャップ、２３駆動装置、２４噴射噴流、Ｄノズル直径、Ｔノズル深さ、Ｄａノズル軸線

Claims

内燃機関に用いられるピストン（１）であって、ピストンピンを収容するための滑り支承面（５）を有するボス孔（３）が設けられており、滑り支承面（５）が、熱的に加工硬化された、固形潤滑剤粒子を含有する樹脂から成る、ピストン材料と直接結合された自己潤滑性のコーティング層（６）を有している形式のものにおいて、
樹脂がポリアミドイミドであり、固形潤滑剤粒子が、それぞれグラファイト、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、ヘキサ窒化ホウ素またはＰＴＦＥのいずれか１つの材料から成っているか、または２つの材料の混合物から成っていることを特徴とする、内燃機関に用いられるピストン。
コーティング層（６）が、滑り支承面（５）の少なくとも部分領域に配置されている、請求項１記載のピストン。
滑り支承面のコーティング層が、５０〜６０質量％の固形潤滑剤粒子を含有しており、該固形潤滑剤粒子が、１〜３μｍの粒子サイズを有している、請求項２記載のピストン。
コーティング層の層肉厚が１０〜１５μｍである、請求項１から３までのいずれか一項記載のピストン。
層肉厚が、プラス／マイナス１μｍの公差を有している、請求項４記載のピストン。
特に内燃機関のピストン（１）のためのボス孔（３）の滑り支承面（５）をコーティングするための方法であって、
自己潤滑性のコーティング層（６）を、熱的に加工硬化された、固形潤滑剤粒子を含有する樹脂から、回転噴霧によって滑り支承面（５）に直に形成することを特徴とする、ピストンのボス孔をコーティングするための方法。
樹脂がポリアミドイミドであって、固形潤滑剤粒子を、それぞれグラファイト、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、ヘキサ窒化ホウ素またはＰＴＦＥのいずれか１つの材料から形成するか、または２つの材料の混合物から形成し、個々の成分と樹脂とから成る混合物を、滑りラッカとしてボス孔（３）の滑り支承面（５）に塗布する、請求項６記載の方法。
滑りラッカを、完全に脱脂され、洗浄されかつ削り屑と堆積物のないピストンの滑り支承面に、０，６３μｍ（平均粗さ値）より小さな表面粗さＲａで塗布する、請求項６記載の方法。
回転噴霧を、ボス孔（３）内に同心的に挿入する回転式のノズル（１４）によって、１０〜２０ｍｍ／秒の送りにおいて実施する、請求項６から８までのいずれか一項記載の方法。
滑りラッカの噴霧を、１分間に１４０００〜１８０００回転のノズル（１４）の回転速度において実施する、請求項８記載の方法。
滑りラッカを、滑り支承面（５）に対して垂直に吹きつける、請求項９記載の方法。
ピストン（１）を、滑りラッカの回転噴霧前および回転噴霧中に予め加熱し、回転噴霧の終了後にピストンを、直接加熱処理する、請求項１０記載の方法。
ピストンの予加熱を、ピストン温度が５０〜８０℃に到達するまで行い、加熱処理を、１０〜２０分間、２００℃の温度で行う、請求項１１記載の方法。
滑りラッカの加工硬化後の層肉厚公差を、プラス／マイナス１μｍになるようにする、請求項１２記載の方法。
コーティング層（６）の使用であって、該コーティング層（６）が、熱的に加工硬化された、固形潤滑剤粒子を含有する樹脂から形成され、滑り支承層として内燃機関のピストン（１）のボス孔（３）において使用されることを特徴とする、コーティング層の使用。
樹脂がポリアミドイミドであって、固形潤滑剤粒子が、それぞれグラファイト、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、ヘキサ窒化ホウ素またはＰＴＦＥのいずれか１つの材料から成っているか、または２つの材料の混合物から成っている、請求項１５記載のコーティング層の使用。