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DE102017223008A1 - Coating for pistons of internal combustion engines - Google Patents

Coating for pistons of internal combustion engines Download PDF

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DE102017223008A1
DE102017223008A1 DE102017223008.8A DE102017223008A DE102017223008A1 DE 102017223008 A1 DE102017223008 A1 DE 102017223008A1 DE 102017223008 A DE102017223008 A DE 102017223008A DE 102017223008 A1 DE102017223008 A1 DE 102017223008A1
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adhesive layer
dlc
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Thomas Fuhrmann
Monika Blümm
Dominik Leitzmann
Margrit Dannenfeldt
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Federal Mogul Nuernberg GmbH
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Federal Mogul Nuernberg GmbH
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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.There is provided a piston for an internal combustion engine having, at least in sections, a coating comprising a polymeric film, an adhesive layer on the piston-facing side of the polymeric film, and a DLC layer on the opposite side of the polymeric film.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft eine Beschichtung für einen Kolben eines Verbrennungsmotors, insbesondere eine Beschichtung für den Kolbenschaft.The invention relates to a coating for a piston of an internal combustion engine, in particular a coating for the piston skirt.

Stand der TechnikState of the art

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.To reduce CO 2 emissions from motor vehicles, it is necessary to reduce energy losses in the drive train. A significant proportion of these energy losses are due to the friction between piston and cylinder. To reduce this, coatings are applied to the piston skirt.

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.Coatings for the piston skirt should have a high wear resistance with at the same time a low friction coefficient. In particular, a high resistance or wear resistance in high wear engine operating conditions, e.g. with repeated cold starts, required. In particular, the passage through the coating in the load-bearing areas of the piston skirt should be avoided.

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.Conventionally, polymer-based coatings are currently used in which solid lubricants are embedded. Such coatings can be inexpensively e.g. by spraying or by screen printing. They are therefore particularly advantageous for mass production.

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 ).In the prior art, DLC (diamond-like-carbon) layers are used to reduce the friction of piston rings (see, eg, US Pat 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.For the piston skirt DLC coatings are known only from racing. For example disclosed US 2006/0236972 A1 a piston whose shaft may have a DLC layer, a diamond-like nanocomposite layer or a tungsten carbide layer.

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.Since DLC layers are typically very hard, the dynamic deformation of the piston leads to adhesion problems. This has the consequence that the reliability and the lifetime for the application in mass production are not sufficient.

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.Furthermore, such coatings must be applied in a high vacuum and thus in a batch process, wherein possibly also a partial individual masking of the parts is necessary. Therefore, the application for mass production is associated with excessive costs.

Folglich besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die obigen Nachteile zu überwinden und den Einsatz von DLC-Schichten in der Großserie zu ermöglichen.Consequently, the object of the invention is to overcome the above disadvantages and to enable the use of DLC layers in mass production.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Überraschend hat sich nun gezeigt, dass sich diese Aufgabe lösen lässt, indem die DLC-Schicht auf einen Polymerfilm aufgebracht wird.Surprisingly, it has now been found that this problem can be solved by applying the DLC layer to a polymer film.

Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

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
umfasst.The invention therefore relates to a piston, in particular a piston for an internal combustion engine, which at least partially has a coating which
  • a polymer film,
  • - An adhesive layer on the piston side facing the polymer film and
  • a DLC layer on the opposite side of the polymer film
includes.

Bei der erfindungsgemäßen Beschichtung dienen der Polymerfilm und die Haftschicht als Substrat für die DLC-Schicht bzw. die Verbindung mit dem Kolben.In the case of the coating according to the invention, the polymer film and the adhesion layer serve as substrate for the DLC layer or the connection to the bulb.

Bevorzug wird die erfindungsgemäße Beschichtung auf zumindest einen Abschnitt des Kolbenschafts aufgebracht.Preferably, the coating according to the invention is applied to at least a portion of the piston skirt.

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.In addition to the DLC and the adhesive layer, one or more additional layers can be applied to the polymer film. For example, an intermediate layer and / or a protective layer can be used for the DLC layer. Furthermore, the surface of the piston may also be precoated with one or more other layers, e.g. a protective or adhesive layer.

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. As the DLC layer, a-C, a-C: H, a-C: Me, a-C: H: Me or a-C: H: X layers (classification according to ISO 20523) can be used. Preference is given to layers in which Me is selected from the group consisting of W, Ti, Al, Ta, Cr and / or V, and X is selected from the group consisting of Si, As, Sb, O and / or S.

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.In order to ensure sufficient adhesion of the DLC layer to the polymer film, a comparatively "soft" DLC layer having a hardness according to ISO 14577-1 of ≦ 5,000 HV0,002, more preferably ≦ 3,000 HV0,002, is preferably used.

Die Dicke der DLC-Schicht ist vorzugsweise ≤ 10 µm, bevorzugt 0,3 µm bis 10 µm, besonders bevorzugt 1,2 µm bis 5 µm. The thickness of the DLC layer is preferably ≦ 10 μm, preferably 0.3 μm to 10 μm, particularly preferably 1.2 μm to 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.The polymer film may be made of a polymer conventional in the art. Due to their temperature resistance, polymer films of PAI, epoxy-phenolic resin mixtures, POM, PEEK, PES and PTFE have proven to be particularly suitable.

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.For the adhesive layer, an adhesive is preferably used. Particularly suitable are adhesives based on the above-mentioned polymers. Particularly preferably, the same polymer is used for the polymer film and the adhesive layer.

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.Both the DLC layer and the adhesive layer can be applied to the polymer film in a continuous process. The polymer film provided with the DLC and the adhesive layer can then be applied directly to the piston, similar to an adhesive tape. This application can be carried out under the usual conditions for mass production.

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.Alternatively, it is also possible to provide the polymer film with only the DLC layer. In this case, the adhesive layer is created on the piston. Advantageously, in this case, a polymer paste is prepared by a method known to the person skilled in the art, e.g. Spraying or screen printing, applied to the flask and then applied the DLC-coated polymer film. Subsequently, the polymer paste is optionally cured together with the polymer film. In this way, a particularly good bond between the adhesive layer and the polymer film.

Folglich betrifft die vorliegende Erfindung ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, das die folgenden Schritte umfasst:

  1. 1) Bereitstellen eines Polymerfilms;
  2. 2) Aufbringen einer DLC-Schicht auf eine Seite des Polymerfilms;
  3. 3) Aufbringen einer Haftschicht auf die gegenüberliegende Seite des Polymerfilms oder den Kolben;
  4. 4) gegebenenfalls Ausrichten des beschichteten Polymerfilms, so dass die Haftschicht in Richtung des Kolbens zeigt;
  5. 5) Aufbringen des beschichteten Polymerfilms auf den Kolben; und
  6. 6) gegebenenfalls Aushärten der Haftschicht, bevorzugt Aushärten der Haftschicht und des Polymerfilms, auf dem Kolben.
Accordingly, the present invention further relates to a method for manufacturing a piston for an internal combustion engine, comprising the following steps:
  1. 1) providing a polymer film;
  2. 2) applying a DLC layer to one side of the polymer film;
  3. 3) applying an adhesive layer to the opposite side of the polymer film or piston;
  4. 4) optionally aligning the coated polymer film so that the adhesive layer faces towards the piston;
  5. 5) applying the coated polymer film to the piston; and
  6. 6) optionally curing the adhesive layer, preferably curing the adhesive layer and the polymer film, on the piston.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die DLC-Schicht beispielsweise durch Bedampfen erzeugt werden.In the context of the method according to the invention, the DLC layer can be produced for example by vapor deposition.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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

Claims (10)

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.Piston, in particular piston for an internal combustion engine, which has at least partially a coating, the a polymer film, - An adhesive layer on the piston side facing the polymer film and - Includes a DLC layer on the opposite side of the polymer film. 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.Piston according to Claim 1 where an aC, aC: H, aC: Me, aC: H: Me or aC: H: X layer is used. Kolben gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die DLC-Schicht eine Härte von ≤ 5000 HV0,002 gemäß ISO 14577-1 aufweist.Piston according to Claim 1 or 2 , wherein the DLC layer has a hardness of ≤ 5000 HV0.002 according to ISO 14577-1. Kolben gemäß Anspruch 3, wobei die DLC-Schicht eine Härte von ≤ 3000 HV0,002 gemäß ISO 14577-1 aufweist.Piston according to Claim 3 , wherein the DLC layer has a hardness of ≤ 3000 HV0.002 according to ISO 14577-1. Kolben gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei als Polymer PAI, Epoxid-Phenolharzmischungen, POM, PEEK, PES oder PTFE eigesetzt wird.Piston according to one of Claims 1 to 4 , wherein the polymer used is PAI, epoxy-phenolic resin mixtures, POM, PEEK, PES or PTFE. Kolben gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Haftschicht und der Polymerfilm, dasselbe Polymer umfassen.Piston according to one of Claims 1 to 5 wherein the adhesive layer and the polymer film comprise the same polymer. Kolben gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Beschichtung auf zumindest einen Abschnitt des Kolbenschafts aufgebracht ist.Piston according to one of Claims 1 to 6 wherein the coating is applied to at least a portion of the piston skirt. 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.Method for producing a piston according to one of the Claims 1 to 7 comprising the steps of: 1) providing a polymer film; 2) applying a DLC layer to one side of the polymer film; 3) applying an adhesive layer to the opposite side of the polymer film or piston; 4) optionally aligning the coated polymer film so that the adhesive layer faces towards the piston; and 5) applying the coated polymer film to the piston. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die DLC-Schicht durch Bedampfung aufgebracht wird.Method according to Claim 8 wherein the DLC layer is applied by vapor deposition. Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, ferner umfassend einen Schritt 6) des Aushärtens der Haftschicht und gegebenenfalls des Polymerfilms auf dem Kolben.Method according to Claim 8 or 9 further comprising a step 6) of curing the adhesive layer and optionally the polymer film on the piston.
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