DE102017223008A1

DE102017223008A1 - Beschichtung für Kolben von Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE102017223008A1
Application number: DE102017223008.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Fuhrmann; Monika Blümm; Dominik Leitzmann; Margrit Dannenfeldt
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2017-12-18
Filing date: 2017-12-18
Publication date: 2019-06-19

Abstract

Es wird ein Kolben für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt, der zumindest abschnittsweise eine Beschichtung aufweist, die einen Polymerfilm, eine Haftschicht auf der dem Kolben zugewandten Seite des Polymerfilms und eine DLC-Schicht auf der gegenüberliegenden Seite des Polymerfilms umfasst.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Beschichtung für einen Kolben eines Verbrennungsmotors, insbesondere eine Beschichtung für den Kolbenschaft.
Stand der Technik
Zur Verringerung von CO₂-Emmissionen von Kraftfahrzeugen ist es notwendig, Energieverluste im Antriebsstrang zu reduzieren. Ein erheblicher Anteil dieser Energieverluste geht auf die Reibung zwischen Kolben und Zylinder zurück. Um diese zu verringern, werden Beschichtungen auf den Kolbenschaft aufgebracht.
Beschichtungen für den Kolbenschaft sollen eine hohe Verschleißbeständigkeit bei gleichzeitig niedrigem Reibungskoeffizienten aufweisen. Insbesondere wird eine hohe Widerstandsfähigkeit bzw. Verschleißbeständigkeit bei Motorbetriebszuständen mit hohem Verschleiß, wie z.B. bei wiederholten Kaltstarts, gefordert. Dabei soll vor allem das Durchlaufen der Beschichtung in den lasttragenden Bereichen des Kolbenschaftes vermieden werden.
Üblicherweise werden derzeit Beschichtungen auf Polymerbasis eingesetzt, in die Festschmierstoffe eingebettet sind. Solche Beschichtungen lassen sich kostengünstig z.B. durch Spritzen oder im Siebdruck aufbringen. Sie sind daher vor allem für die Großserienfertigung vorteilhaft.
Im Stand der Technik werden DLC („Diamond-Like-Carbon“ - diamantähnlicher Kohlenstoff)-Schichten zur Verringerung der Reibung von Kolbenringen eingesetzt (siehe z.B. EP 2 574 685 A1 ).
Für den Kolbenschaft sind DLC-Beschichtungen lediglich aus dem Rennsport bekannt. Beispielsweise offenbart US 2006/0236972 A1 einen Kolben, dessen Schaft eine DLC-Schicht, eine „Diamant-Like“-Nanokomposit-Schicht oder eine Wolframcarbid-Schicht aufweisen kann.
Da DLC-Schichten typischerweise sehr hart sind, führt die dynamische Verformung des Kolbens zu Problemen mit der Haftung. Dies hat zur Folge, dass die Betriebssicherheit und die Lebensdauer für die Anwendung in der Großserie nicht ausreichend sind.
Ferner müssen solche Beschichtungen im Hochvakuum und damit in einem Batchverfahren aufgebracht werden, wobei ggf. zudem eine teilweise individuelle Maskierung der Teile nötig ist. Daher ist die Aufbringung für die Großserie mit zu hohen Kosten verbunden.
Folglich besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die obigen Nachteile zu überwinden und den Einsatz von DLC-Schichten in der Großserie zu ermöglichen.
Zusammenfassung der Erfindung
Überraschend hat sich nun gezeigt, dass sich diese Aufgabe lösen lässt, indem die DLC-Schicht auf einen Polymerfilm aufgebracht wird.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung betrifft daher einen Kolben, insbesondere einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, der zumindest abschnittsweise eine Beschichtung aufweist, die

- einen Polymerfilm,
- eine Haftschicht auf der dem Kolben zugewandten Seite des Polymerfilms und
- eine DLC-Schicht auf der gegenüberliegenden Seite des Polymerfilms

Bei der erfindungsgemäßen Beschichtung dienen der Polymerfilm und die Haftschicht als Substrat für die DLC-Schicht bzw. die Verbindung mit dem Kolben.
Bevorzug wird die erfindungsgemäße Beschichtung auf zumindest einen Abschnitt des Kolbenschafts aufgebracht.
Neben der DLC- und der Haftschicht können auf den Polymerfilm eine oder mehrere zusätzliche Schichten aufgebracht werden. Beispielsweise kann eine Zwischenschicht und/oder eine Schutzschicht für die DLC-Schicht eingesetzt werden. Ferner kann auch die Oberfläche des Kolbens vor dem Aufbringen der erfindungsgemäßen Beschichtung bereits eine oder mehrere andere Schichten, z.B. eine Schutz- oder Haftschicht, aufweisen.
Als DLC-Schicht können a-C, a-C:H, a-C:Me, a-C:H:Me oder a-C:H:X-Schichten (Klassifizierung nach ISO 20523) verwendet werden. Bevorzugt sind Schichten, bei denen Me aus der Gruppe bestehend aus W, Ti, Al, Ta, Cr und/oder V, und X aus der Gruppe bestehend aus Si, As, Sb, O und/oder S ausgewählt ist.
Um eine ausreichende Adhäsion der DLC-Schicht auf dem Polymerfilm zu gewährleisten, wird bevorzugt eine vergleichsweise „weiche“ DLC-Schicht mit einer Härte gemäß ISO 14577-1 von ≤ 5.000 HV0,002, besonders bevorzugt ≤ 3.000 HV0,002, eingesetzt.
Die Dicke der DLC-Schicht ist vorzugsweise ≤ 10 µm, bevorzugt 0,3 µm bis 10 µm, besonders bevorzugt 1,2 µm bis 5 µm.
Der Polymerfilm kann aus einem auf dem Fachgebiet üblichen Polymer bestehen. Aufgrund deren Temperaturbeständigkeit haben sich Polymerfilme aus PAI, Epoxid-Phenolharzmischungen, POM, PEEK, PES und PTFE als besonders geeignet erwiesen.
Für die Haftschicht wird vorzugsweise ein Klebstoff eingesetzt. Geeignet sind vor allem Klebstoffe auf Basis der oben genannten Polymere. Besonders bevorzugt wird für den Polymerfilm und die Haftschicht dasselbe Polymer eingesetzt.
Sowohl die DLC-Schicht als auch die Haftschicht können auf den Polymerfilm im Durchlaufverfahren aufgebracht werden. Der mit der DLC- und der Haftschicht versehene Polymerfilm kann anschließend direkt - ähnlich wie ein Klebeband - auf den Kolben appliziert werden. Diese Applikation kann unter den für eine Serienfertigung üblichen Bedingungen erfolgen.
Alternativ ist es auch möglich, den Polymerfilm lediglich mit der DLC-Schicht zu versehen. In diesem Fall wird die Haftschicht auf dem Kolben erzeugt. Vorteilhafterweise wird hierbei eine Polymerpaste mit einem dem Fachmann bekannten Verfahren, z.B. Spritzen oder Siebdruck, auf den Kolben aufgetragen und dann der DLC-beschichtete Polymerfilm aufgebracht. Anschließend wird die Polymerpaste ggf. zusammen mit dem Polymerfilm ausgehärtet. Auf diese Weise entsteht eine besonders gute Verbindung zwischen der Haftschicht und dem Polymerfilm.
Folglich betrifft die vorliegende Erfindung ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, das die folgenden Schritte umfasst:

1) Bereitstellen eines Polymerfilms;
2) Aufbringen einer DLC-Schicht auf eine Seite des Polymerfilms;
3) Aufbringen einer Haftschicht auf die gegenüberliegende Seite des Polymerfilms oder den Kolben;
4) gegebenenfalls Ausrichten des beschichteten Polymerfilms, so dass die Haftschicht in Richtung des Kolbens zeigt;
5) Aufbringen des beschichteten Polymerfilms auf den Kolben; und
6) gegebenenfalls Aushärten der Haftschicht, bevorzugt Aushärten der Haftschicht und des Polymerfilms, auf dem Kolben.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die DLC-Schicht beispielsweise durch Bedampfen erzeugt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2574685 A1 [0005]
US 2006/0236972 A1 [0006]

Claims

Kolben, insbesondere Kolben für einen Verbrennungsmotor, der zumindest abschnittsweise eine Beschichtung aufweist, die - einen Polymerfilm, - eine Haftschicht auf der dem Kolben zugewandten Seite des Polymerfilms und - eine DLC-Schicht auf der gegenüberliegenden Seite des Polymerfilms umfasst.
Kolben gemäß Anspruch 1, wobei eine a-C, a-C:H, a-C:Me, a-C:H:Me oder a-C:H:X-Schicht eingesetzt wird.
Kolben gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die DLC-Schicht eine Härte von ≤ 5000 HV0,002 gemäß ISO 14577-1 aufweist.
Kolben gemäß Anspruch 3, wobei die DLC-Schicht eine Härte von ≤ 3000 HV0,002 gemäß ISO 14577-1 aufweist.
Kolben gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei als Polymer PAI, Epoxid-Phenolharzmischungen, POM, PEEK, PES oder PTFE eigesetzt wird.
Kolben gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Haftschicht und der Polymerfilm, dasselbe Polymer umfassen.
Kolben gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Beschichtung auf zumindest einen Abschnitt des Kolbenschafts aufgebracht ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, das die folgenden Schritte umfasst: 1) Bereitstellen eines Polymerfilms; 2) Aufbringen einer DLC-Schicht auf eine Seite des Polymerfilms; 3) Aufbringen einer Haftschicht auf die gegenüberliegende Seite des Polymerfilms oder den Kolben; 4) gegebenenfalls Ausrichten des beschichteten Polymerfilms, so dass die Haftschicht in Richtung des Kolbens zeigt; und 5) Aufbringen des beschichteten Polymerfilms auf den Kolben.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die DLC-Schicht durch Bedampfung aufgebracht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, ferner umfassend einen Schritt 6) des Aushärtens der Haftschicht und gegebenenfalls des Polymerfilms auf dem Kolben.