ИЗНОСОСТОЙКИЙ АНТИФРИКЦИОННЫЙ ЛАК ДЛЯ ПОКРЫТИЯ ПОРШНЯ ДВИГАТЕЛЯ
WEAR-RESISTANT ANTI-FRICTION VARNISH FOR ENGINE PISTON COATING

Область техники
Изобретение касается покрытия для поршней, в частности, покрытия для направляющей части поршня двигателя внутреннего сгорания.
Уровень техники
Покрытия для направляющей части поршня должны характеризоваться высокой износостойкостью при одновременно низком коэффициенте трения. В особенности, высокая сопротивляемость или износостойкость требуется при режиме работы двигателя с высоким износом, как, например, при повторяющихся запусках холодного двигателя. При этом прежде всего следует избегать изнашивания покрытия в нагруженных областях направляющей части поршня.
Из уровня техники известны различные покрытия для поршней двигателей внутреннего сгорания.
2
Так, в US 5486299 описана композиция смазочного материала для покрытия поверхности поршней и/или цилиндров двигателей, которые в качестве топлива используют спирт или продукты, основанные не на нефти. Эта композиция смазочного материала включает смесь из графита, MoS, ПТФЭ в матрице из полиамидимидной смолы (ПАИ-смолы).
В европейской заявке EP 1469050 A1 описана композиция для покрытия поршней, которую получают смешением неотвержденного полиамидимида (ПАИ) с твердым смазочным материалом, как, например, ПТФЭ, порошок оксида титана, и силановым аппретом.
2
2
2
В заявке Германии DE 102005026664 A1 также описано покрытие для поршней на основе ПАИ-лака. Это покрытие не содержит ПТФЭ и содержит 5-15 вес.% сульфида цинка, 5-15 вес.% графита или MoS и 5-15 вес.% TiO. Как сульфид цинка, так и TiO могут быть использованы в форме мелких частиц с размером частиц ≤0,7 мкм.
2
В заявке Германии DE 4343439 A1 описано устройство из поршней, которое характеризуется поршнем с рельефно сформированной направляющей частью поршня с перегородками, покрытым твердым смазочным материалом из графита, MoS, BN в эпоксидной смоле.
В EP 0976795 A2 описан смазочный материал для шарниров или др., защищающий от коррозии, который в качестве смазки содержит смесь из фенольной смолы, эпоксидной смолы, поливинилбутиральной смолы и полиолефинового воска. Далее покрытие содержит частицы алюминия, цинка или фосфат металла в качестве ингибитора коррозии и растворитель.
2
2
3
2
3
4
В заявке Германии DE 10329228 A1 описан композиционный материал для подшипника скольжения с полимерной матрицей, которая может состоять, например, из эпоксидной смолы или ПЭЭК (полиэфирэфиркетона). В эту полимерную матрицу введены наполнитель и наноразмерные частицы. В качестве наполнителя могут быть использованы арамидные волокна, стекловолокно, углеродные волокна, стеклянные шарики, ПТФЭ, графит и силиконы (Silkone). Наноразмерные частицы могут быть образованы из TiO, AlO, MgO, ZeO, SiC, SiN, BN, стекла и металлических твердых сплавов.
Сущность изобретения
В основе изобретения лежит задача изготовить композицию для покрытия поршней, которая характеризуется улучшенной износостойкостью и сводит к минимуму потери на трение в двигателе.
Эта задача решается посредством композиции для покрытия согласно пункту 1 формулы изобретения.
Неожиданно оказалось, что такие композиции дают покрытия для поршней с малыми потерями на трение, износостойкие и хорошо прилипающие, в особенности покрытия для направляющей части поршня, свойства которых равноценны по сравнению с системами из уровня техники или даже превосходят их.
Композиция согласно изобретению включает термически отверждаемую фенольную смолу. Термически отверждаемые фенольные смолы, так называемые резолы, в противоположность новолакам, могут сшиваться через гидроксильные группы. Предпочтительно используют фенольные смолы со средним молекулярным весом 500-1500 г/моль.
В одной предпочтительной форме выполнения композиция согласно изобретению далее включает эпоксидную смолу. Добавка эпоксидной смолы в общем улучшает прилипание слоев на металлические поверхности, а также их эластичность. Для этой цели предпочтительно используют эпоксидные смолы на основе бисфенола А с молекулярным весом 2000-4000 г/моль и эпоксиэквивалентом >700 г/моль.
В рамках изобретения эти смолы предпочтительно используют в качестве раствора в растворителе. Выбор растворителя в основном ориентируется на способ применения лака и не оказывает влияния на свойства отвержденного покрытия. Покрытие поршней часто проводят методом трафаретной печати. Для этого применения  особенно предпочтительны растворители с высокой температурой кипения. Пригодными растворителями являются, например, бутилгликольацетат, этилгликольацетат, дипропиленгликоль, простой бутиловый эфир дипропиленгликоля, бутоксиэтанол.
Фенольная смола и, факультативно, эпоксидная смола альтернативно также могут быть использованы в виде разбавленных водных дисперсий.
2
2
В качестве твердого смазочного материала используют композицию графита, MoS, WS, BN и/или ПТФЭ. При этом специалистом с помощью твердого смазочного материала могут быть введены известные свойства. Предпочтительно используют графит со средним размером зерен 1-100 мкм, особенно предпочтительно 5-50 мкм. Дисульфид молибдена предпочтительно используют со средним размером зерен 0,1-50 мкм, особенно предпочтительно 0,1-10 мкм. Нитрид бора в гексагональной модификации предпочтительно используют со средним размером зерен в области 1-100 мкм, особенно предпочтительно в области 1-20 мкм. Исходный политетрафторэтилен (ПТФЭ) предпочтительно используют со средним размером зерен 1-100 мкм, особенно предпочтительно 1-20 мкм.
Если в качестве твердого смазочного материала используют графит, то его предпочтительно используют в количестве 2-8 вес.% в расчете на общий вес композиции.
2
Если в качестве твердого смазочного материала используют MoS, то его предпочтительно используют в количестве 10-20 вес.% в расчете на общий вес композиции.
Размер зерен вышеупомянутого твердого смазочного материала может быть измерен посредством метода светорассеяния известным специалисту способом.
Кроме того, композиция согласно изобретению содержит углеродное волокно. Предпочтительно его используют в количестве 2-10 вес.%, в особенности 3-8 вес.% в расчете на общий вес композиции. Предпочтительным является углеродное волокно со средней толщиной волокна ≤100 мкм, предпочтительно 1-10 мкм, а также со средней длиной волокна ≤1000 мкм, предпочтительно 10-500 мкм. Композиция согласно изобретению также может содержать так называемые углеродные нановолокна, средняя толщина которых, в противоположность традиционному углеволокну, лежит ниже 1 мкм, предпочтительно в области 10-500 нм. При этом толщину и длину традиционного углеволокна определяют с помощью оптического микроскопа. У углеродных нановолокон эти размеры могут быть определены с помощью растровой электронной микроскопии.
Помимо вышеназванных компонентов композиция может содержать присадки и вспомогательные вещества, как, например, присадки, способствующие растеканию, пеногасители, смачиватели, диспергаторы или также присадки для улучшения реологии.
Особенно предпочтительные формы выполнения композиций для покрытий согласно изобретению приведены в следующих таблицах (количественные данные в г/100 г общей рецептуры; количество смолы в расчете на содержание твердого вещества):
г/100г
А1
А2
А3
А4
А5
А6
А7
Фенольная смола
15-25
15-25
15-25
15-25
25-30
25-30
10-15
Эпоксидная смола
10-15
10-15
10-15
10-15
15-25
Графит
9-14
6-8
MoS<sub>2</sub>
9-14
12-16
12-16
BN
9-14
ПТФЭ
9-14
6-8
C-волокно
6-8
6-8
6-8
6-8
7-9
7-9
6-8
C-нановолокно
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
1-2
TiO<sub>2</sub>
Растворитель/присадки
38-60
38-60
38-60
38-60
45-56
43-55
36-57
г/100г
А8
А9
А10
А11
Фенольная смола
10-15
10-15
10-15
10-15
Эпоксидная смола
15-25
15-25
15-25
15-25
Графит
4-6
4-6
4-6
9-14
MoS<sub>2</sub>
12-18
12-18
12-18
BN
ПТФЭ
C-волокно
4-6
4-6
6-8
C-нановолокно
3-5
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
TiO<sub>2</sub>
6-8
Растворитель/присадки
30-55
22-49
31-56
38-60
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>: дисперсия наночастиц керамического оксида алюминияTiO<sub>2</sub>: дисперсия диоксида титана (рутил); дисперсность <5 мкм
Далее изобретение поясняется с помощью примеров, причем эти примеры не должны ограничивать объекты изобретения.
Примеры
Все количества даны в вес.% в расчете на общую рецептуру. Количество смолы относится к содержанию твердого вещества. Количество присадок и вспомогательных веществ дано в расчете на поставленную форму (Lieferform).
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7
Фенольная смола
20
20
20
20
26
26
12
Эпоксидная смола
13
13
13
13
19
ПАИ
Графит
11
7
MoS<sub>2</sub>
11
14
14
BN
11
ПТФЭ
11
7
C-волокно
7
7
7
7
8
8
7
C-нановолокно
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
1,5
TiO<sub>2</sub>
Растворитель/присадки
49
49
49
49
52
50,5
48
Содержание твердого вещества
51
51
51
51
48
49,5
52
B8
B9
B10
B11
Ср1
Ср2
Фенольная смола
12
12
12
13
12
Эпоксидная смола
19
19
19
19
19
ПАИ
30
Графит
4
4
4
11
18
15
MoS<sub>2</sub>
14
14
14
BN
ПТФЭ
C-волокно
5
4
6
7
C-нановолокно
5
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
TiO<sub>2</sub>
6
Растворитель/присадки
46
41
46
51
51
48
Содержание твердого вещества
54
59
54
49
49
52
ПАИ: термически отверждаемая полиамидимидная смолаAl<sub>2</sub>O<sub>3</sub>: дисперсия наночастиц керамического оксида алюминияTiO<sub>2</sub>: дисперсия диоксида титана (рутил); дисперсность <5 мкм
Трибологические свойства слоев исследовали с помощью триботестера Cameron Plint TE-77 (тест на износостойкость посредством вибрации). Для этого образцы алюминия покрывали составами лака согласно изобретению и измеряли коэффициенты трения слоев в сопряжении с чугунным литьем в качестве сопряженного элемента. Измерения проводили под нагрузкой 150 Н и при частоте колебаний 25 Гц в незамасленном (unbeölt) состоянии.
о
Помимо коэффициента трения, решающее значение имеет износостойкость покрытия при условиях работы двигателя. Для этого соответствующие поршни подвергали тесту на износостойкость на испытательном стенде двигателей. Он состоял из 50 следующих друг за другом запусков холодного двигателя при -10С в стандартном 4-цилиндровом бензиновом двигателе. Об истирании покрытия из лака для смазки на направляющей части поршня в этом тесте судили визуально и оценивали в баллах от 1 до 5. При этом балл 1 означал, что нет видимого истирания слоев, а балл 5 - высокое истирание вплоть до материала поршня во всей нагруженной области направляющей части поршня.
B1
B2
B3
B4
B5
B6
Коэффициент трения
0,14
0,14
0,18
0,17
0,12
0,13
Оценка износа*
2
2
3
3
1
2
B7
B8
B9
B10
B11
Коэффициент трения
0,17
0,14
0,15
0,17
0,14
Оценка износа*
2
2
2
2
2
Ср1
Ср2
Коэффициент трения
0,19
0,24
Оценка износа*
4
3
*Оценка: 1: низкий износ, … 5: высокий износ