JP2008533349A - 内燃機関の燃焼室内の、排ガス腐食に対する保護層 - Google Patents

Abstract

本発明は、摩擦学的に高負荷可能な構成部分の被膜に関する。この場合、本発明によれば、前記被膜が、構成部分に被着した後で熱分解可能な、有機・無機プレポリマーより成るセラミック被膜である。

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載した、内燃機関の摩擦学的（tribologisch）に高負荷可能な構成部分の被膜（コーティング）に関する。

内燃機関の燃焼室内の、高温の燃焼ガスにさらされる面（特に、ピストンの構造とは無関係に、内燃機関のピストンのピストンヘッド）は、基本的に酸化する傾向がある。またこのような酸化は、鋼ピストン及び軽量ピストンにおいても同様に生じる。発生した高熱ガス腐食に基づいて、及びその結果生じるピストンヘッドの領域特に縁部領域の熱機械的な負荷に基づいて、ピストンが燃焼室凹部を有している場合、ピストンヘッドの領域に破壊が生じる。

これに対して既に様々は措置が講じられているが、これらの措置は従来ではすべて不満足なものであった。ドイツ連邦共和国特許公開第１９６２９３９９号明細書によれば、ポリ燐酸塩、クロム酸塩、アルミニウム粉体をベースとした、温度安定性の高温耐熱塗料が公知である。しかしながらこの高温耐熱塗料は、環境保護規定に基づいて、リサイクルすることが困難である。ドイツ連邦共和国特許第４００３０３８号明細書によれば、種々異なる材料から、ベース層と中間層並びにカバー層とから成る多層の層が公知であり、この層は、ピストン製造時に高価な費用をかけて被着することができる。ドイツ連邦共和国特許公開第１００２９８１０号明細書によれば、プラズマ溶射によって形成された層が公知であるが、このような層は同様に製造費用が高価である。ドイツ連邦共和国特許第１９８５２２８５号明細書によれば、相応の方法によって、ガラスと金属とセラミックとの熱膨張係数を適合させることが公知であるが、この場合、内燃機関との関連性については記載されていない。

そこで本発明の課題は、摩擦学的に高負荷可能な構成部分の被膜で、このような構成部分のための高温耐熱性の腐食保護層を提供することである。

この課題は本発明によれば、被膜が、構成部分に被着した後で熱分解可能な、有機・無機プレポリマーより成るセラミック被膜であることによって解決された。

金属は、Ｓｉ（ケイ素）、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｓｎ（錫）又はＣｅ（Ｃｅｒ）のグループであってよい。この配列は完全ではない。金属は、特に燃焼室内の温度が２００℃〜４５０℃の間である場合、燃焼（熱分解）中に、完全に又は部分的に酸化物に変換され、互いに焼結されるので、高熱ガス腐食に対する高温耐熱性の保護層が形成される。

この構成部分に、有機・無機プレポリマーより成る薄い被膜が施され、次いで熱分解される。このような被膜の特別な利点は一方では、この被膜が非常に薄く、他方では燃焼プロセス（熱分解）が構成部分の製造時に強制的に行われる必要はなく、構成部分の組み込み後及び構成部分の運転開始後に行われる、という点にある。内燃機関のピストンにこのような被膜を施す場合、この被膜はピストン製造業者によって行われ、これに対して、本来の熱分解は、ピストンが内燃機関に組み込まれて、運転開始されてから行われる。最初の燃焼後に、被膜は焼成され、内燃機関の燃焼室内の高熱ガス腐食に対してピストンヘッドを高温耐熱性の保護層を提供するので、ピストンの耐用年数は著しく高められる。この場合、本発明に従って、ピストンヘッドの全体に（燃焼室凹部を有していても、有していなくても同じである）、本発明による被膜を備えるようにする必要がある。ピストンが燃焼室凹部を有していれば、燃焼室凹部だけを完全に被膜で被覆するか、又は特に高熱ガス腐食にさらされる領域を効果的に保護するために、燃焼室凹部の凹部縁部領域だけを完全に被膜で被覆する必要がある。

酸化物マトリックス内において、前駆物質内に混合された抗酸化性の金属粒子は、Ａｌ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｎｉ又はＣｏより成っている。この場合も配列は完全ではない。しかも、前記金属粒子より成る合金が使用され、この合金は、熱膨張係数に適合させるために、また熱分解時における収縮割れを避けるための充填材として使用される。これによって、前記材料を混合することによって、一方では被膜の熱膨張係数が構成部分の材料に適合せしめられ、他方では材料応力特に収縮割れが効果的に避けられる。

本発明の実施態様によれば、前記被膜にインキの色素が混合されている。この場合、混合されたインキ色素は同様に耐熱性であることは自明である。従って例えば、放射線を吸収するための黒又はその他の暗い色素が使用され、その結果、熱放射が改善される。

本発明の実施態様によれば、金属の色素が混合されている。このような金属の色素は、反射率を高め、構成部分の温度を低下させることによって、同様に高熱ガス腐食を効果的に阻止することができる。しかも、金属の色素によって、構成部分の熱膨張係数と被膜の熱膨張係数とが互いに適合せしめられるので、被膜と構成部分との間の熱応力が低下される。

本発明の実施態様によれば、前記被膜に、セラミックの充填材（粒子）が混合される。セラミックの充填材（特にナノ粒子）は被膜の滑動性を高めるので、高熱ガス腐食を阻止するだけではなく、被膜の摩耗も低下させる。

本発明の別の実施例によれば、前記種類の複数の色素が互いに組み合わされていてもよい。

簡単かつ安価な製造プロセスは、被膜は、例えば吹きつけ（Ｓｐｒｉｔｚｅｎ）、浸漬（Ｔａｕｃｈｅｎ）、塗り（Ｒａｋｅｌｎ）又はこれと類似の工程で構成部分に施される、という点にある。次いで乾燥が行われ、この際に、乾燥後に構成部分は熱処理され、それによって被膜が焼き付けされる。これは勿論、構成部分特にピストンの製造業者においては省くことができる。つまり、構成部分を組み付け、かつ組み付けられた構成部分が運転状態において熱処理にさらされることになる、ピストンの製造業者に構成部分が供給される場合は、前記熱処理工程は省かれる。通常の場合、自動車製造業者の部品製造業者がピストンを製造し、製造したピストンに本発明による被膜を施し、これを乾燥させるだけでよい。ピストンが自動車製造業者に若しくは内燃機関の製造業者に供給される場合、ピストンは組み付けられ、この際に、被膜の焼成は、内燃機関の最初の運転時に行われる。焼き付けのためのその他の手段はもはや必要ないので、内燃機関の運転によって高温耐熱性の腐食保護層が提供される。

Claims (9)

1. 摩擦学的に高負荷可能な構成部分の被膜において、
   該被膜が、構成部分に被着した後で熱分解可能な、有機・無機プレポリマーより成るセラミック被膜であることを特徴とする、高負荷可能な構成部分の被膜。
2. 前記被膜が、有機溶剤内において、重合可能な有機金属の化合物及び／又は燃焼可能な金属・アルコキシドより製造可能である、請求項１記載の被膜。
3. 前記被膜に、金属の色素が混合されている、請求項１又は２記載の被膜。
4. 前記被膜に、インキの色素が混合されている、請求項１又は２記載の被膜。
5. 前記被膜に、セラミックの粒子特にナノ粒子が混合されている、請求項１又は２記載の被膜。
6. 前記被膜に、少なくとも２種類の色素が混合されている、請求項３から５までのいずれか１項記載の被膜。
7. 内燃機関のピストンにおいて、請求項１から６までのいずれか１項に従ってピストンのピストンヘッドに被膜が施されていることを特徴とする、内燃機関のピストン。
8. 内燃機関のピストンにおいて、請求項１から６までのいずれか１項に従って、ピストンのピストンヘッドに存在する燃焼室凹部の少なくとも１つの縁部に被膜が施されていることを特徴とする、内燃機関のピストン。
9. 請求項１から６までのいずれか１項に従って燃焼室凹部の全体に被膜が施されている、請求項８記載のピストン。