JP2019515980A - エンジンのピストンをコーティングするための減摩潤滑剤 - Google Patents

エンジンのピストンをコーティングするための減摩潤滑剤 Download PDF

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Abstract

本発明は、内燃機関のピストンのためのコーティング組成物に関する。前記組成物は、フェノール樹脂を１０〜３０質量％、エポキシ樹脂を１０〜３０質量％、グラファイト、ＭｏＳ２、ＷＳ２およびＢＮからなる群から選択される少なくとも１つの固体潤滑剤を１０〜３０質量％、およびＦｅ２Ｏ３粒子を５〜３０質量％で備える。

Description

本発明は、内燃機関のピストン、特にピストンシャフトのためのコーティング組成物に関する。
自動車のＣＯ２排出量を減少させるためには、とりわけパワートレイン（power train）のエネルギー損失を減らす必要がある。大量のエネルギー損失は、ピストンシャフトとシリンダとの間の摩擦によって引き起こされる。
したがって、ピストンシャフトのためのコーティングは、低い摩擦係数を有さなければならない。コーティングの十分な耐用年数を保証するために、コーティングは同時に高い耐摩耗性を有さなければならない。高い抵抗または耐摩耗性は、特に、例えば繰り返される冷間始動（cold starts）に起因する高い摩耗度を有するエンジンの運転状態に必要である。ピストンシャフトの耐荷重領域でのコーティングの通過（passage）は、特に避けるべきである。
この目的のために使用することができる種々のピストンコーティングは、先行技術において知られている。
特許文献１には、例えば、低摩擦性の外側馴染み層（outer running-in layer）と低摩耗性の内側層とからなるピストンコーティングが記載されている。内側層は、セラミック粒子、アラミド繊維および／または炭素繊維が組み込まれたポリマーマトリクスからなり、外側層は固体潤滑剤粒子が分散されたポリマーマトリクスからなる。
特許文献２に記載のコーティングにおいて、固体潤滑剤粒子および炭素繊維は、フェノール樹脂をベースとするマトリックス中で使用される。
特許文献３には、少なくとも１つの摺動層が塗布された基材を備える摺動要素が開示されている。この摺動層は、架橋結合剤、高融点熱可塑性樹脂またはマトリックスとしてデュロプラスト（duroplast）を備える減摩ラッカである。このマトリックスは、Ｆｅ２Ｏ３を含有する。
独国特許出願公開第１０２０１００４７２７９号 独国特許出願公開第１０２００９００２７１６号 独国特許出願公開第１０２００８０５５１９４号
本発明の目的は、既知のコーティングよりも優れ、ピストンシャフトの使用に最適化されたピストンのためのコーティング組成物を提供することである。特に、コーティング組成物は、容易に製造され、印刷法を利用して容易に塗布され、良好な摩擦特性および磨耗特性を有するものが提供されるべきである。
この目的は、請求項１に記載のコーティング組成物によって解決される。
本発明による組成物は、例えば柔軟性、接着性、耐摩耗性および摩擦係数などの特性がピストンの状態に最適に適合されたコーティングをもたらすことは驚くべきことであった。本発明の組成物は、さらに簡単で費用効率の良い方法で製造することができ、印刷法を利用してピストンに容易に塗布することができる。これらの特性は、特定量の成分（フェノール樹脂、エポキシ樹脂、固体潤滑剤およびＦｅ２Ｏ３）を用いることによって達成される。したがって、例えばＦｅ２Ｏ３の含有率を低くすることは、耐摩耗性が低くなることなどの特性の低下を招く。
本発明による組成物は、マトリックス材料として好ましくは熱硬化性フェノール樹脂を備える。熱硬化性フェノール樹脂、いわゆるレゾールは、ノボラックとは対照的に、ヒドロキシ基を介して架橋することができる。好ましくは、５００〜１５００ｇ／ｍｏｌの平均分子量を有するフェノール樹脂が使用される。
さらなるマトリックス材料として、本発明による組成物はエポキシ樹脂を備える。エポキシ樹脂の添加は、その可撓性だけでなく金属表面への層の接着性も増加させる。この目的のために、２０００〜４０００ｇ／ｍｏｌの分子量、および７００ｇ／ｍｏｌを超えるエポキシ当量を有するビスフェノールＡをベースとするエポキシ樹脂が好ましく使用される。
本発明では、これらの樹脂は溶剤中の溶液として使用することが好ましい。溶剤の選択は、塗布されるコーティングの種類に大きく向けられ、硬化コーティングの特性に影響を及ぼさない。ピストンのコーティングは、スクリーン印刷法を利用して行われることがよくある。高沸点を有する溶剤は、この塗布のために特に好ましい。適切な溶剤は、例えば、ブチルグリコールアセテート、エチルグリコールアセテート、ジプロピレングリコール、ジプロピレングリコールブチルエーテルおよびブトキシエタノールである。
代替的には、フェノール樹脂および／またはエポキシ樹脂は、水で希釈可能な分散液としても使用することもできる。本発明では、使用されるポリマー分散液は、純水または水溶媒組成物中に希釈された形態で提供することができる。助溶媒は、例えば、ブチルグリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコールまたはｎ−ブチルエーテルまたはホワイトスピリットであり得る。水／溶媒比は、好ましくは１：２以上、最も好ましくは１：１以上である。
エポキシ樹脂だけでなくフェノール樹脂も、組成物全体を基準として１０〜３０質量％の含有率で使用される。
特に好ましい実施形態では、本発明による組成物は、フェノール樹脂およびエポキシ樹脂を１：３〜３：１の比率で含有する。
グラファイト、ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＢＮ、またはそれらの混合物が固体潤滑剤として組成物に添加される。グラファイトとＭｏＳ２との混合物が好ましく使用される。当業者に一般的に知られているグレードの固体潤滑剤を使用することができる。好ましくは、１〜１００μｍ、最も好ましくは５〜５０μｍの平均粒径を有するグラファイトが使用される。好ましくは、０．１〜５０μｍ、最も好ましくは０．１〜１０μｍの平均粒径を有する二硫化モリブデンが使用される。好ましくは、１〜１００μｍの範囲、最も好ましくは１〜２０μｍの範囲の平均粒径を有する六方晶の窒化ホウ素が使用される。
上述の固体潤滑剤の粒径は、当業者に知られた方法で散乱光法を利用して測定することができる。
固体潤滑剤または固体潤滑剤組成物は、組成物全体を基準として１０〜３０質量％、好ましくは１５〜２０質量％の含有率で使用される。
さらなる成分として、本発明による組成物は、５〜３０質量％、好ましくは１０〜１５質量％でＦｅ２Ｏ３粒子を備える。
上述の成分に加えて、組成物は、添加剤および助剤、例えば流量制御添加剤（flow-control additives）、消泡剤、湿潤剤、分散剤またはレオロジー添加剤をもさらに備えることができる。これらの種類の添加剤は、通常、ピストンコーティングに使用され、当業者に知られている。
本発明によるコーティング組成物は、アルミニウムまたはスチールのピストンのために使用することができる。
コーティング組成物をピストンに塗布することは、コーティングを表面に塗布するための既知の手法によって行うことができる。これは、好ましくは、スクリーン印刷または溶射工程（spraying processes）を用いて行われる。まず、未架橋のコーティング組成物を、コートされる表面に塗布する。次に、コーティング組成物は、硬化させるかまたは架橋させる。硬化または架橋は、熱的にまたは放射、例えばＵＶ放射またはＩＲ放射を利用して実施することができる。好ましくは、熱的にまたはＩＲ放射によって行われる。
本発明による組成物の個々の成分は、柔軟性、ピストンへの接着性、耐摩耗性、摩擦係数および塗布性が印刷工程によってピストンにおける状態に最適に適合されるように有利に相互作用する。

Claims (9)

  1. コーティング組成物、特に内燃機関のピストンのためのコーティング組成物であって、前記組成物全体を基準として、
    ａ）フェノール樹脂を１０〜３０質量％、
    ｂ）エポキシ樹脂を１０〜３０質量％、
    ｃ）グラファイト、ＭｏＳ２、ＷＳ２およびＢＮからなる群から選択される少なくとも１つの固体潤滑剤を１０〜３０質量％、および
    ｄ）Ｆｅ２Ｏ３粒子を５〜３０質量％で備える、コーティング組成物。
  2. グラファイトおよびＭｏＳ２の固体潤滑剤組成物が使用される、請求項１に記載のコーティング組成物。
  3. 溶媒および添加剤をさらに備える、請求項１または２に記載のコーティング組成物。
  4. 前記溶媒および前記添加剤を、前記組成物全体を基準として２０〜６０質量％の含有率で備える、請求項３に記載のコーティング組成物。
  5. 前記固体潤滑剤を１５〜２０質量％で備える、請求項１〜４のいずれかに記載のコーティング組成物。
  6. 前記Ｆｅ２Ｏ３粒子を１０〜１５質量％で備える、請求項１〜５のいずれかに記載のコーティング組成物。
  7. 前記フェノール樹脂と前記エポキシ樹脂との比は１：３〜３：１である、請求項１〜６のいずれかに記載のコーティング組成物。
  8. ピストン、特に内燃機関のためのピストンであって、請求項１〜７のいずれか１項に記載のコーティング組成物を少なくとも部分で備える、ピストン。
  9. ピストンシャフトがコートされている、請求項８に記載のピストン。
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