WO2018202858A1 - Thermische isolierung eines stahlkolbens mittels einer versiegelten amorphen phosphat-schicht - Google Patents

Thermische isolierung eines stahlkolbens mittels einer versiegelten amorphen phosphat-schicht Download PDF

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WO2018202858A1
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steel
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Margrit Dannenfeldt
Monika BLÜMM
Thomas Fuhrmann
Dominik Leitzmann
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Federal-Mogul Nürnberg GmbH
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    • F02F3/10—Pistons  having surface coverings
    • F02F3/12—Pistons  having surface coverings on piston heads
    • F02F3/14—Pistons  having surface coverings on piston heads within combustion chambers

Definitions

  • the present invention relates to a coating for the thermal insulation of a steel piston, in particular for an internal combustion engine, a method for applying this coating and their use for reducing or
  • Reactions are triggered. For example, on the edge of
  • Combustion cavity in the piston crown formed an oxide layer that can peel off and thereby reduce the
  • the high temperatures in the cooling channel of the piston can cause the oil in the cooling channel to cokote.
  • This carbonization results in the construction of a layer of carbonaceous carbon.
  • the carbon layer reduces the volume of the cooling channel, which in turn leads to poorer cooling of the piston crown and increased carbon deposit.
  • Iron phosphate coating is supposed to be a layer of
  • DE 10 2005 042 474 A1 relates to a coating for thermally and erosively loaded functional surfaces, including steel pistons.
  • the binder phase is chemically bonded to the base material of the functional component and is formed from a polymer of polymerized monoaluminum phosphate and / or monozinc phosphate and / or monomagnesium phosphate and / or sodium phosphate and / or boron phosphate. This is supposed to be an elastic,
  • the phosphates are at least partially added as a binder based on phosphate resin. This coating is intended to prevent the deposition of
  • Polysiloxane-based can be solved.
  • the suitability of an amorphous phosphate layer was not
  • phosphate layers are usually thermally unstable.
  • the phosphate layer begins to decompose already at a piston temperature of 300 ° C., which has led to the detachment of the intact screen-printing coating.
  • the phosphate layer begins to decompose already at a piston temperature of 300 ° C., which has led to the detachment of the intact screen-printing coating.
  • Flask coating was maintained even after prolonged heating to 700 ° C when a polysilazane-water glass or polysiloxane-based coating for sealing the amorphous phosphate layer was applied.
  • the present invention therefore enables a flexible design of the manufacturing process, wherein the
  • Piston surface remains protected from oxidation throughout.
  • the invention thus relates to steel piston, in particular steel piston for an internal combustion engine, wherein a
  • an amorphous phosphate layer which is sealed with a polysilazane, water glass or polysiloxane-based layer, is applied to the region of the bulb. Furthermore, the present invention relates to a method for coating a piston for an internal combustion engine, in which an amorphous phosphate layer is formed on at least a portion of the piston and on the amorphous phosphate layer
  • amorphous phosphate layer means that the layer is an amorphous one in the top view
  • Manganese phosphate or zinc phosphate layers with crystalline Structure The amorphous structure of the layer affects the properties of the layer, such as its roughness and
  • the coating according to the invention can be applied to any desired thickness
  • the edge of the combustion bowl and in particular the entire outer piston crown region is coated.
  • the entire piston crown, including the combustion bowl is coated.
  • the thickness of the amorphous phosphate layer is preferably 0.05 ⁇ m to 5 ⁇ m, and more preferably 0.1 ⁇ m to 3 ⁇ m.
  • the amorphous phosphate layer formed according to the invention has capillaries which are closed by the polysilazane, waterglass or polysiloxane-based sealant.
  • Such an amorphous phosphate layer may be formed by treating the piston surface with a solution containing phosphoric acid.
  • Phosphoric acid-containing solution is not only formed an amorphous phosphate layer, but also roughened the piston surface and freed of existing oxides.
  • the phosphoric acid-containing solution used can by
  • Spraying be applied so that the amorphous phosphate layer can be generated inline.
  • the solution used in addition to phosphoric acid (ortho-phosphoric acid) contains a surfactant. In this way, the wetting of the surface can be improved, so that a
  • the solution may contain other ingredients. Have been suitable
  • Nitrates e.g. Sodium nitrate, manganese nitrate and zinc nitrate, and / or sulfonates proved.
  • the concentration of phosphoric acid in the solution is preferably 4% to 14% (g / g), especially 6% to 12% (g / g).
  • the solution preferably has a pH of 1 to 3.
  • the amorphous phosphate layer have a temperature of 30 ° C to 80 ° C, preferably 45 ° C to 65 ° C, and a treatment time of 50 seconds to 500 seconds, preferably 100 seconds to 400 seconds, as particularly suitable proved.
  • the solution e.g. by rinsing, be removed from the surface of the flask.
  • a manganese phosphate layer may be applied to a portion of the surface of the piston. The application of the manganese phosphate layer takes place on the
  • the manganese phosphate layer is applied to a different region of the piston than the inventive amorphous phosphate layer with the
  • an amorphous phosphate layer may be formed in the area to be provided with the manganese phosphate layer.
  • the amorphous phosphate layer is removed and replaced by the method of forming the manganese phosphate layer. It can also be the whole piston after applying the
  • Polysiloxane layer are sealed.
  • the thickness of such a manganese phosphate layer is preferably 0.5 ⁇ m to 14 ⁇ m, more preferably 1 ⁇ m to 12 ⁇ m, and the grain size of the manganese phosphating is preferably 2 ⁇ m to 16 ⁇ m.
  • a sealing layer which comprises a polymer is applied to the amorphous phosphate layer
  • Polysilazane, water glass or polysiloxane base comprises (hereinafter also referred to as coating on polysilazane, water glass or polysiloxane-based). Preferred is a polysilazane-based coating.
  • Polysiloxane-based may be a multi-layer system, wherein for the individual layers different base materials and / or additives are used.
  • a double layer can be used, which consists of a lower, preferably thin, layer
  • inorganic polysilazane and a top layer of organic polysilazane modified with additives are inorganic polysilazane and a top layer of organic polysilazane modified with additives.
  • Polysilazane-based coatings are conventionally used for electronic components. The commercial for it
  • 20% perhydropolysilazane can be used in dibutyl ether (e.g., from Merck).
  • the organic polysilazanes may have different radicals R 1 and R 2 , for example a polysilazane modified with vinyl groups can be used. You can in different
  • Solvents such as butyl acetate, be dissolved. These solutions may optionally contain other organic admixtures. Examples of suitable organic polysilazanes are HTT 1800 (Merck KGaA) and HTA 1500 (KiON Defense
  • the reaction of the polysilazane with atmospheric moisture, water or alcohol forms a polysiloxane layer, which in the case of the inorganic polysilazane is an amorphous quartz glass layer.
  • the basis of the polysiloxane-based coating can be any suitable polysiloxane-based coating.
  • R is either H or an alkyl group, preferably H or Ci-Cio alkyl group, more preferably H or C 1 -C5
  • R 2 and R 3 are each independently H or an alkyl group, preferably H or C 1 -C 10 alkyl group, more preferably H or C 1 -C 5 alkyl group.
  • Preferred is a polysiloxane in which when R 2 is H, R 3 is an alkyl group, and when R 3 is H, R 2 is an alkyl group.
  • the alkyl group of R 1 , R 2 and R 3 is either a branched or unbranched hydrocarbon chain. Furthermore, the alkyl groups may be substituted with halogens such as F, Cl, Br or I
  • a high temperature resistant polysiloxane is used.
  • the seal is made by applying a coating to the amorphous phosphate layer containing a polymer
  • Polysilazane, water glass or polysiloxane base includes.
  • the polymers penetrate into the capillaries of the amorphous phosphate layer and seal them.
  • the thickness of the polysilazane, waterglass or polysiloxane-based coating is preferably 0.2 ⁇ m above the phosphate layer to 40 ym, where high layer thicknesses can usually only be produced by means of organic polysilazanes.
  • the thickness of the coating in particular when using inorganic polysilazane, is preferably 0.2 .mu.m to 10 .mu.m and more preferably 0.5 .mu.m to 2 .mu.m.
  • the total thickness of the layer consisting of amorphous phosphate and polysilazane, water glass or polysiloxane is thus the sum of the phosphate layer thickness plus the covering polymer layer. It is possible the polysilazane, polysiloxane or waterglass-based layer by adding additives
  • layer thicknesses of up to 100 ⁇ m can be achieved if a filler, for example ZrO 2 and / or glass powder (also glass hollow spheres), is added. In this way, if necessary, a layer with particularly good thermal insulation effect can be generated.
  • a filler for example ZrO 2 and / or glass powder (also glass hollow spheres)
  • the glass powders are preferably selected so that their coefficient of thermal expansion corresponds approximately to that of the steel piston.
  • the average size of the glass particles is preferably in the range of 3 to 10 ⁇ m. suitable
  • Glass systems are e.g. 8472 (lead borate glass), 8470
  • G018-198 lead-free passivation glass
  • G018-311 barium silicate glass
  • the present invention relates to a method for producing the layer and its use for reduction or preventing the oxidation of the piston in one
  • Combustion engine These methods include forming an amorphous phosphate layer and applying the above
  • the polysilazane, polysiloxane or waterglass-based layer may be cured at room temperature in a manner known to those skilled in the art, e.g. be applied by wiping, spraying, dipping or brushing.
  • the composition thus applied is preferably heated to a temperature of 15 ° C to 255 ° C for crosslinking.
  • the polysilazane-based coating converts to a Si0 2 -based coating in the following days under the action of atmospheric moisture, water or alcohol. In all three cases Si0 2 ⁇ networks are formed which have a very low thermal conductivity.
  • the prepared polysilazane, polysiloxane or waterglass-based layer is non-porous and therefore gas-tight, contrary to those known in the art, which are produced by means of a sol-gel process, so that oxidation of the piston is prevented.
  • Phosphate layer becomes the compound of the layer

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Abstract

Es wird eine Beschichtung zur thermischen Isolierung und zum Schutz vor Oxidation eines Stahlkolbens für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt. Diese Beschichtung umfasst eine amorphe Phosphat-Schicht, die mit einer Schicht auf Polysilazan-, Wasserglas- oder Polysiloxan-Basis versiegelt ist.

Description

Thermische Isolierung eines Stahlkolbens mittels einer versiegelten amorphen Phosphat-Schicht
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beschichtung zur thermischen Isolierung eines Stahlkolbens, insbesondere für einen Verbrennungsmotor, ein Verfahren zur Aufbringung dieser Beschichtung und deren Verwendung zur Verringerung bzw.
Verhinderung der Oxidation des Kolbens.
Stand der Technik Stahlkolben werden im Motor aufgrund ihrer geringeren
Wärmeleitfähigkeit viel heißer als Aluminiumkolben. Dies hat zur Folge, dass an der Stahloberfläche verschiedene
Reaktionen ausgelöst werden. So wird z.B. am Rand der
Verbrennungsmulde im Kolbenboden eine Oxidschicht gebildet, die sich ablösen kann und dabei zu einer Verringerung der
Materialschichtdicke an dieser Stelle führt. Im schlimmsten Fall bekommt der Kolben dadurch Risse, was zu einem
Materialversagen führt. Den Folgen dieser Oxidation kann bisher nur durch Maßnahmen begegnet werden, die teuer oder aus anderen Gründen
nachteilig sind. Eine Möglichkeit besteht in einer
verstärkten Dimensionierung des Kolbens, wodurch dieser schwerer wird. Speziell bei LVD-Kolben, d.h. bei Kolben für Dieselmotoren in PKW oder leichten Nutzfahrzeugen, ist jedoch ein geringes Gewicht des Kolbens vorteilhaft. Eine andere Möglichkeit zur Verringerung der Oxidation ist die Verwendung von speziellen Legierungen mit hohem Chrom- und Nickelgehalt. Solche Legierungen sind jedoch teuer.
Ferner stört ein hoher Chromgehalt die Schichtbildung während der Oberflächenbehandlung und erhöht außerdem den mit der Pflege des Bades verbundenen Aufwand. Auch das Aufbringen einer galvanischen Schutzschicht auf den Stahlkolben ist mit hohen Kosten verbunden.
Des Weiteren können die hohen Temperaturen im Kühlkanal des Kolbens dazu führen, dass das Öl im Kühlkanal verkokt. Diese Verkokung resultiert im Aufbau einer Ölkohleschicht. Die Ölkohleschicht verringert das Volumen des Kühlkanals, welches wiederum zu einer schlechteren Kühlung des Kolbenbodens und zu einer verstärkten Ölkohleablagerung führt. Durch
ungenügende Kühlung des Kolbens kann es dann zu einem
Versagen des Kolbens durch Überhitzung kommen. Die Verkokung des Kühlkanals konnte bisher nur durch
ausreichende Dimensionierung des Kühlkanaldurchmessers und durch ausreichende Öleinspritzung auf ein erträgliches Maß reduziert werden. Der Nachteil dieser Maßnahmen ist eine Vergrößerung des Kolbens und das damit verbundene höhere Gewicht desselben. Zudem ist durch die größere
Dimensionierung kein zuverlässiger Schutz gewährleistet, da eine stetige Verengung des Kühlkanals durch Verkokung nicht vermieden werden kann. US 5,014,605 beschreibt ein Verfahren zur Beschichtung von Magnesiumkolben mittels Eisen-Phosphatierung . Auf der
Eisenphosphat-Beschichtung soll sich eine Schicht aus
Verbrennungsprodukten ablagern, was zum Aufbau einer
Passivierungsschicht in Form von Ölkohle führen soll. Auf diese Weise sollen die Oxidation, Erosion und Verbrennung des Magnesiums vermieden und der Kolbenverschleiß reduziert werden. Dieses Verfahren bezieht sich jedoch ausschließlich auf die Verwendung von Magnesiumkolben und die Beschichtung soll gerade den erfindungsgemäß unerwünschten Effekt der Anlagerung von Verbrennungsrückständen aufweisen. DE 10 2005 042 474 AI bezieht sich auf eine Beschichtung für thermisch und erosiv belastete Funktionsoberflächen u.a. auch Stahlkolben. Bei dieser Beschichtung ist die Binderphase chemisch mit dem Grundwerkstoff des Funktionsbauteils verbunden und wird aus einem Polymer aus polymerisiertem Monoaluminiumphosphat und/oder Monozinkphosphat und/oder Monomagnesiumphosphat und/oder Natriumphosphat und/oder Borphosphat gebildet. Dies soll zu einer elastischen,
Einbettung der Partikel und damit zu erhöhter Stabilität der keramischen Schicht führen. Es wird hingegen kein Bezug auf eine Beizphosphatierung zur Bildung der Phosphatschicht genommen .
DE 196 29 399 B4 behandelt die Beschichtung von
Aluminiumkolben mittels einer Schicht bestehend aus
Polyphosphat und einem anorganischen Lack, welcher
Aluminiumpartikel enthält. Die Phosphate werden zumindest teilweise als Bindemittel auf Phosphatharzbasis zugegeben. Diese Beschichtung soll die Ablagerung von
Verbrennungsprodukten (Verkokung) sowie die Oxidierung der Kolbenoberfläche verhindern. Es handelt sich hierbei jedoch ausschließlich um Aluminiumkolben.
Es gibt das Bedürfnis nach einer Beschichtung für
Stahlkolben, die zu einer guten thermischen Isolierung und zu einem Oxidationsschutz führt und ggf. auch als
Korrosionsschutz dienen kann.
Überraschenderweise hat sich nun gezeigt, dass dieses Problem durch die Kombination einer amorphen Phosphat-Schicht mit einer Versiegelung auf Polysilazan- Wasserglas- oder
Polysiloxan-Basis gelöst werden kann. Die Eignung einer amorphen Phosphat-Schicht war nicht
erwartbar, da Phosphatschichten üblicherweise thermisch instabil sind. So wurde bei Aluminiumkolben beobachtet, dass sich die Phosphatschicht bereits ab einer Kolbentemperatur von 300°C zu zersetzen beginnt, was zur Ablösung der intakten Siebdruckbeschichtung geführt hat. Hingegen hat sich
überraschend gezeigt, dass die Stabilität der
Kolbenbeschichtung auch bei längerem Erhitzen auf 700°C erhalten blieb, wenn eine Beschichtung auf Polysilazan- Wasserglas- oder Polysiloxan-Basis zur Versiegelung der amorphen Phosphat-Schicht aufgebracht wurde.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht daher eine flexible Gestaltung des Fertigungsprozesses, wobei die
Kolbenoberfläche durchgehend vor Oxidation geschützt bleibt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung betrifft folglich Stahlkolben, insbesondere Stahlkolben für einen Verbrennungsmotor, wobei auf einen
Bereich des Kolbens eine amorphe Phosphat-Schicht aufgebracht ist, die mit einer Schicht auf Polysilazan- , Wasserglas- oder Polysiloxan-Basis versiegelt ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Beschichtung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, in dem eine amorphe Phosphat-Schicht auf mindestens einem Bereich des Kolbens erzeugt wird und auf die amorphe Phosphat-Schicht eine
Schicht auf Polysilazan-, Wasserglas- oder Polysiloxan-Basis aufgebracht wird.
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 . Die erfindungsgemäße Beschichtung kann auf beliebige
Oberflächen des Stahlkolbens aufgebracht werden. Auf
vorteilhafte Weise lassen sich im Rahmen der Erfindung insbesondere der Muldenrand und die anschließenden
Oberflächen schützen, die durch Oxidation am stärksten geschädigt werden. Daher wird erfindungsgemäß bevorzugt der Rand der Verbrennungsmulde und insbesondere der gesamte äußere Kolbenbodenbereich beschichtet. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der gesamte Kolbenboden inklusive der Verbrennungsmulde beschichtet.
Die Dicke der amorphen Phosphat-Schicht bevorzugt 0,05 ym bis 5 ym, und bevorzugter 0,1 ym bis 3 ym beträgt.
Die erfindungsgemäß gebildete amorphe Phosphat-Schicht weist Kapillaren auf, die durch die Versiegelung auf Polysilazan- , Wasserglas- oder Polysiloxan-Basis verschlossen werden.
Dadurch wird eine gute Haftung der Polysilazan-, Wasserglasoder Polysiloxan-Schicht auf der Kolbenoberfläche erreicht. Eine solche amorphe Phosphat-Schicht kann durch Behandlung der Kolbenoberfläche mit einer Lösung, die Phosphorsäure enthält gebildet werden. Durch die Behandlung mit der
Phosphorsäure-haltigen Lösung wird nicht nur eine amorphe Phosphat-Schicht gebildet, sondern die Kolbenoberfläche zusätzlich aufgeraut und von vorhandenen Oxiden befreit.
Die 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. Bevorzugt enthält die 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.
Die Konzentration von Phosphorsäure in der Lösung beträgt bevorzugt 4% bis 14% (g/g) , insbesondere 6% bis 12% (g/g) . Die Lösung hat bevorzugt einen pH-Wert von 1 bis 3.
Für die Bildung der amorphen Phosphat-Schicht 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.
Anschließend muss die Lösung, z.B. durch Spülen, von der Oberfläche des Kolbens entfernt werden.
Ferner kann optional eine Manganphosphat-Schicht auf einen Bereich der Oberfläche des Kolbens aufgebracht werden. Die Aufbringung der Mangan-Phosphat-Schicht erfolgt auf dem
Fachmann bekannte Weise. Bevorzugt wird die Manganphosphat- Schicht auf einen anderen Bereich des Kolbens aufgebracht als die erfindungsgemäße amorphe Phosphat-Schicht mit der
Versiegelung auf Polysilazan- , Wasserglas- oder Polysiloxan- Basis. Gegebenenfalls kann auch in dem Bereich der mit der Manganphosphat-Schicht versehen werden soll, zuerst eine amorphe Phosphat-Schicht gebildet werden. In diesem Fall wird die amorphe Phosphat-Schicht durch das Verfahren zum Bilden der Manganphosphat-Schicht entfernt und durch diese ersetzt. Es kann auch der ganze Kolben nach Aufbringen der
erfindungsgemäßen Schicht aus amorpher Phosphat-Schicht mit Versiegelung auf Polysilazan-, Wasserglas- oder Polysiloxan- Basis in einem Tauchverfahren mit Mangan-Phosphat behandelt werden. Mangan-Phosphat wird sich nur auf den Bereichen bilden, die nicht mit Polysilazan-, Wasserglas- oder
Polysiloxan-Schicht versiegelt sind. Die Dicke einer solchen Manganphosphat-Schicht beträgt bevorzugt 0,5 ym bis 14 ym, bevorzugter 1 ym bis 12 ym, wobei die Korngröße der Manganphosphatierung bevorzugt 2 ym bis 16 ym beträgt. Erfindungsgemäß wird auf die amorphe Phosphat-Schicht eine Versiegelungsschicht aufgebracht, die ein Polymer auf
Polysilazan-, Wasserglas- oder Polysiloxan-Basis umfasst (im Folgenden auch jeweils als Beschichtung auf Polysilazan-, Wasserglas- oder Polysiloxan-Basis bezeichnet) . Bevorzugt ist eine Beschichtung auf Polysilazan-Basis .
Bei der Schicht auf Polysilazan-, Wasserglas- oder
Polysiloxan-Basis kann es sich um ein Mehrschichtsystem handeln, wobei für die einzelnen Schichten unterschiedliche Basismaterialien und/oder Zusatzstoffe eingesetzt werden.
Beispielsweise kann eine Doppelschicht eingesetzt werden, die aus einer unteren, bevorzugt dünnen, Schicht aus
anorganischem Polysilazan und einer oberen Schicht aus organischem Polysilazan, die mit Additiven modifiziert wurde, besteht.
a. Beschichtung auf Polysilazan-Basis Als Basis kann sowohl anorganisches als auch ein organisches Polysilazan eingesetzt werden. Das erfindungsgemäß
eingesetzte anorganische Polysilazan bildet ein amorphes Netzwerk aus Si- und N-Atomen, das Bausteine der Formel
-(H2Si-NH)n- aufweist und auch als Perhydropolysilazan bezeichnet wird. Bei den organischen Polysilazanen ist das Netzwerk durch organische Gruppen modifiziert, so dass sich Bausteine der Formel - (R1R2Si-NH) - ergeben. Selbstverständlich können auch Polymere eingesetzt werden, die nur eine organische Gruppe pro Monomer enthalten.
Beschichtungen auf Polysilazan-Basis werden herkömmlich für Elektronikbauteile verwendet. Die dafür kommerziell
erhältlichen Produkte können im Rahmen der Erfindung
eingesetzt werden.
Zur Bildung von anorganischem Polysilazan werden Lösungen von Perhydropolysilazan in Lösungsmitteln eingesetzt. Zum
Beispiel kann 20%iges Perhydropolysilazan in Dibutylether (z.B. von Merck) eingesetzt werden.
Die organischen Polysilazane können unterschiedliche Reste R1 und R2 aufweisen, z.B. ist ein mit Vinylgruppen modifiziertes Polysilazan einsetzbar. Sie können in unterschiedlichen
Lösungsmitteln, wie zum Beispiel Butylacetat, gelöst sein. Diese Lösungen können ggf. weitere organische Beimischungen enthalten. Beispiele für geeignete organische Polysilazane sind HTT 1800 (Merck KGaA) sowie HTA 1500 (KiON Defense
Technologies) .
Durch die Reaktion des Polysilazans mit Luftfeuchte, Wasser oder Alkohol bildet sich eine Polysiloxan-Schicht , bei der es sich im Falle des anorganischen Polysilazans um eine amorphe Quarzglasschicht handelt.
b. Beschichtung auf Wasserglas-Basis
Als Basis kann Natrium-, Kali- oder Lithiumwasserglas
eingesetzt werden, wobei Kaliwasserglas bevorzugt wird. c. Beschichtung auf Polysiloxan-Basis
Die Basis der Beschichtung auf Polysiloxan-Basis können
Polysiloxane der folgenden Formel sein:
Figure imgf000010_0001
worin R entweder H oder eine Alkylgruppe ist, bevorzugt H oder Ci-Cio Alkylgruppe, noch bevorzugter H oder C1-C5
Alkylgruppe; und
R2 und R3 jeweils unabhängig voneinander entweder H oder eine Alkylgruppe ist, bevorzugt H oder C1-C10 Alkylgruppe, noch bevorzugter H oder C1-C5 Alkylgruppe. Bevorzugt ist ein Polysiloxan, in dem, wenn R2 H ist, R3 eine Alkylgruppe darstellt, und wenn R3 H ist, R2 eine Alkylgruppe darstellt .
Die Alkylgruppe von R1, R2 und R3 ist entweder eine verzweigte oder unverzweigte Kohlenwasserstoffkette . Des Weiteren können die Alkylgruppen mit Halogenen wie F, Cl, Br oder I
substituiert sein, vorzugsweise mit F.
Bevorzugt wird ein hochtemperaturbeständiges Polysiloxan eingesetzt.
Die Versiegelung erfolgt durch Auftragung einer Beschichtung auf die amorphe Phosphat-Schicht, die ein Polymer auf
Polysilazan- , Wasserglas- oder Polysiloxan-Basis beinhaltet.
Die Polymere dringen dabei in die Kapillaren der amorphen Phosphat-Schicht ein und versiegeln diese. Die Dicke der Beschichtung auf Polysilazan-, Wasserglas- oder Polysiloxan- Basis beträgt oberhalb der Phosphat-Schicht bevorzugt 0,2 ym bis 40 ym, wobei hohe Schichtdicken in der Regel nur mittels organischen Polysilazanen hergestellt werden können.
Bevorzugt beträgt die Dicke der Beschichtung, insbesondere bei Einsatz von anorganischem Polysilazan, 0,2 ym bis 10 ym und besonders bevorzugt 0,5 ym bis 2 ym. Die Gesamtdicke der Schicht bestehend aus amorphem Phosphat und Polysilazan, Wasserglas oder Polysiloxan beträgt somit die Summe aus der Phosphat-Schichtdicke plus der deckenden Polymerschicht. Es ist möglich die Schicht auf Polysilazan-, Polysiloxan- oder Wasserglas-Basis durch Zugabe von Additiven zu
modifizieren, beispielsweise durch die Zugabe von ZrÜ2, BN, Emailleglaspulver, Glashohlkugeln, Korundpulver, T1O2 o.ä. Diese Pulver haben vorteilhafterweise eine Partikelgröße von 0,1 ym bis 25 ym. Auf diese Weise lassen sich dickere
Schichten erzeugen.
Mittels organischer Polysilazane lassen sich Schichtdicken bis zu 100 ym erzielen, wenn ein Füllstoff, beispielsweise ZrÜ2 und/oder Glaspulver (auch Glashohlkugeln), zugesetzt wird. Auf diese Weise kann, wenn nötig, eine Schicht mit besonders guter thermischer Isolierwirkung erzeugt werden.
Dabei werden die Glaspulver bevorzugt so ausgewählt, dass ihr Wärmeausdehnungskoeffizient ungefähr dem des Stahlkolbens entspricht. Die durchschnittliche Größe der Glaspartikel liegt bevorzugt im Bereich von 3 bis 10 ym. Geeignete
Glassysteme sind z.B. 8472 (Blei-Borat-Glas), 8470
(Borosilikatglas) , G018-198 (bleifreies Passivierungsglas ) und G018-311 (Bariumsilikatglas) von Schott.
Als ZrÜ2 können beispielsweise Pulver mit einer
durchschnittlichen Partikelgröße von 0,3 bis 4 ym verwendet werden .
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Schicht und deren Verwendung zur Verringerung bzw. Verhinderung der Oxidation des Kolbens in einem
Verbrennungsmotor. Diese Verfahren umfassen das Bilden einer amorphen Phosphat-Schicht und das Aufbringen der oben
beschriebenen Schicht auf Polysilazan- , Polysiloxan- oder Wasserglas-Basis.
Die Schicht auf Polysilazan-, Polysiloxan- oder Wasserglas- Basis kann bei Raumtemperatur in einer dem Fachmann bekannt Weise, z.B. durch Wischen, Sprühen, Tauchen oder Pinseln aufgetragen werden.
Die so aufgebrachte Zusammensetzung wird zur Vernetzung vorzugsweise auf eine Temperatur von 15°C bis 255°C erwärmt. Die Beschichtung auf Polysilazan-Basis wandelt sich in den folgenden Tagen unter Einwirkung von Luftfeuchte, Wasser oder Alkohol in eine Beschichtung auf Si02-Basis um. In allen drei Fällen bilden sich somit Si02~Netzwerke, die eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen.
Die hergestellte Schicht auf Polysilazan-, Polysiloxan- oder Wasserglas-Basis ist entgegen denen im Stand der Technik bekannten Schichten, die mittels eines Sol-Gel-Prozesses hergestellt werden, nicht porös und daher gasdicht, so dass eine Oxidation des Kolbens verhindert wird.
Mittels der als Haftvermittler eingesetzten amorphen
Phosphat-Schicht wird die Verbindung der Schicht auf
Polysilazan-, Polysiloxan- oder Wasserglas-Basis mit dem Kolben wirksam verbessert.

Claims

Patentansprüche
Stahlkolben, insbesondere Stahlkolben für einen
Verbrennungsmotor, wobei auf einen Bereich des Kolbens eine amorphe Phosphat-Schicht aufgebracht ist, die mit einer Schicht auf Polysilazan- , Wasserglas- oder
Polysiloxan-Basis versiegelt ist.
Stahlkolben gemäß Anspruch 1, wobei die Beschichtung auf einen Bereich des Kolbenbodens aufgebracht ist.
Stahlkolben gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest der Rand der Verbrennungsmulde, bevorzugt die gesamte
Verbrennungsmulde, mit der Beschichtung versehen ist.
Stahlkolben gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zur Versiegelung eine Schicht auf Polysilazan-Basis, bevorzugt eine Schicht aus organischem Polysilazan mit ZrÜ2 und/oder einem Glaspulver, eingesetzt wird.
Stahlkolben gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Dicke der Schicht auf Polysilazan-, Wasserglas- oder Polysiloxan-Basis 0,2 ym bis 100 ym beträgt.
Stahlkolben gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei es sich um einen Kolben aus einem CrMo-legierten Stahl, insbesondere einen Kolben aus 42CrMo4, handelt.
Stahlkolben gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die amorphe Phosphat-Schicht erhältlich ist durch Behandeln der Oberfläche mit einer Lösung, die Phosphorsäure enthält .
Verfahren zur Herstellung eines Stahlkolbens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, welches das Aufbringen einer amorphen Phosphat-Schicht durch Behandlung mit einer Lösung, die Phosphorsäure enthält, und daran
anschließend das Aufbringen einer Schicht auf
Polysilazan- , Wasserglas- oder Polysiloxan-Basis
umfasst .
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die Phosphorsäure
enthaltende Lösung ferner ein Tensid enthält.
10. Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei die Schicht auf Polysilazan-Basis nach dem Aufbringen zumindest
teilweise in eine Schicht auf Polysiloxan-Basis
umgewandelt wird.
11. Verfahren zur thermischen Isolierung und zur
Verringerung oder Verhinderung der Oxidation der
Oberfläche eines Stahlkolbens, welches das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10 umfasst.
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