STAHLKOLBEN MIT EINER PHOSPHAT-SCHICHT

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stahlkolben, insbesondere für einen Verbrennungsmotor, mit einer amorphen Phosphat-Schicht und ein Verfahren zur Erzeugung derselben.

Stand der Technik

[0002] Stahlkolben für Verbrennungsmotoren werden zur Verringerung der Reibung gegen den Zylinder und zur Vermeidung des Fressens in der Regel mit einer Schaftbeschichtung versehen. Häufig wird ein Gleitlack eingesetzt, der einen oder mehrere Festschmierstoffe, z.B. Graphit oder MoS₂, enthält. Bei direktem Aufbringen auf den Kolben haftet der Gleitlack überwiegend durch mechanische Adhäsion. Die WO 2006/061013 A1 offenbart einen Kolben mit einem Gleitlack. Die DE 10 2012 215666 A1 offenbart einen Gleitlack auf einer Phosphatschicht.

[0003] Um die Haftung des Gleitlacks über die gesamte Lebensdauer des Kolbens zu gewährleisten, muss der Kolben vorbehandelt werden. Im Stand der Technik wird dazu beispielsweise eine Manganphosphatierung verwendet, die mittel Tauchverfahren aufgebracht wird. Um den Tauchprozess durchführen zu können, ist eine Unterbrechung des üblichen Herstellungsprozesses und eine manuelle Handhabung des Kolbens notwendig. Dadurch kann es zu Verunreinigungen auf der Oberfläche des Kolbens kommen. Alternativ besteht die Möglichkeit, den Stahlkolben vor dem Aufbringen des Gleitlacks lediglich einem neutralen, alkalischen und/oder saurem Waschen zu unterziehen. Da bei diesem Vorgang die Oberfläche lediglich entfettet, aber nicht aufgeraut wird, wird so häufig nur eine unzureichende Haftung des Gleitlacks erreicht.

[0004] Aus diesen Gründen besteht das Bedürfnis ein einfach auszuführendes und mit geringem Kostenaufwand verbundenes Verfahren bereitzustellen, das zu einer verbesserten Haftung des Gleitlacks auf dem Kolben führt.

[0005] Überraschenderweise wird diese Aufgabe durch ein spezielles Phosphatierungsverfahren und einen Stahlkolben mit einer dadurch erhältlichen, amorphen Phosphat-Schicht, auf die der Gleitlack aufgebracht wird, gelöst.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0006] Die Erfindung betrifft einen Stahlkolben, bevorzugt einen Stahlkolben für einen Verbrennungsmotor, der zumindest in einem Bereich eine amorphe Phosphat-Schicht mit einer Dicke von 0,05 µm bis 3 µm umfasst, wobei die amorphe Phosphat-Schicht dadurch erhältlich ist, dass eine Phosphorsäure-haltige Lösung auf die Kolbenoberfläche gesprüht wird, und wobei auf die amorphe Phosphat-Schicht ein Gleitlack aufgebracht ist.

[0007] Erfindungsgemäß bedeutet der Begriff "amorphe Phosphat-Schicht", dass die Schicht in der Aufsicht eine amorphe Struktur aufweist.

[0008] 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.

[0009] Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Stahlkolbens umfasst die folgenden Schritte:

(1) das Bilden einer amorphen Phosphat-Schicht durch Sprühen einer Lösung, die Phosphorsäure enthält, auf die Kolbenoberfläche;

(2) das Aufbringen eines Gleitlacks; und

(3) optional das Bilden einer Manganphosphat-Schicht.

[0010] Durch die Behandlung mit der Phosphorsäure-haltigen Lösung in Schritt (1) wird nicht nur eine amorphe Phosphat-Schicht gebildet, sondern die Kolbenoberfläche zusätzlich aufgeraut und von vorhandenen Oxiden befreit.

[0011] Die erfindungsgemäß gebildete, amorphe Phosphat-Schicht weist Kapillaren auf und ermöglicht dadurch eine bessere Verankerung des Gleitlacks, der somit auch hohen Belastungen standhält. Ferner wirkt die amorphe Phosphat-Schicht als Passivierungsschicht, so dass eine erneute Oxidation des Kolbens vermieden wird.

[0012] Mittels der Erfindung kann eine dünne, amorphe Phosphat-Schicht aufgebracht werden. Insbesondere kann diese dünner sein als eine herkömmliche, kristalline Phosphat-Schicht. Dies wiederum ermöglicht geringere Fertigungstoleranzen. Die amorphe Phosphat-Schicht hat eine Dicke von 0,05 µm bis 3 µm, bevorzugt 0,1 µm bis 3 µm.

[0013] Im Rahmen der Erfindung kann die amorphe Phosphat-Schicht auf den gesamten Kolben oder einzelne Bereiche, beispielsweise den Kolbenschaft oder die Bolzenbohrung, aufgebracht werden. Bevorzugt wird die Schicht auf den gesamten Kolben aufgebracht.

[0014] Auf die amorphe Phosphat-Schicht wird ein Gleitlack (2) aufgebracht. Auf den so erhaltenen Kolben wird gegebenenfalls in Schritt (3) eine Manganphosphat-Schicht aufgebracht.

[0015] Selbstverständlich kann der Kolben auch ausschließlich mit dem Gleitlack beschichtet werden.

[0016] Erfindungsgemäß wird die eingesetzte Phosphorsäure-haltige Lösung durch Sprühen aufgebracht, 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. Ferner lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren ohne große Kosten in den Ablauf zur Herstellung des Kolbens integrieren.

[0017] Bevorzugt enthält die in Schritt (1) 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.

[0018] In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Konzentration von Phosphorsäure in der Lösung 4% bis 14% (g/g), insbesondere 6% bis 12% (g/g). Die Lösung hat bevorzugt einen pH-Wert von 1 bis 3.

[0019] Für die Durchführung von Schritt (1) 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.

[0020] Nach Beendigung des Schrittes (1) muss die Lösung, z.B. durch Spülen, von der Oberfläche des Kolbens entfernt werden.

[0021] Im Anschluss an Schritt (1) wird mittels des Schrittes (2) ein Gleitlack aufgebracht. Schritt (2) wird mit einem dem Fachmann bekannten Verfahren durchgeführt.

[0022] Auf dem mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen Kolben kann anschließend in einem weiteren Schritt (3) eine Manganphosphat-Schicht gebildet werden. Dieser Vorgang kann in einer dem Fachmann bekannten Weise durchgeführt werden.

[0023] Wie oben ausgeführt, führt die erfindungsgemäße Behandlung des Stahlkolbens zu einer besseren Haftung des Gleitlacks.

[0024] Bei dem Gleitlack handelt es sich bevorzugt um einen Gleitlack, der eine Polymermatrix umfasst. Als Polymermatrix können die üblichen Ausgangsstoffe für Kolbenbeschichtungen, wie beispielsweise Phenolharze, Epoxidharze, Polyamid, Polyamidimid und/oder PTFE eingesetzt werden, bevorzugt sind Phenolharze und/oder Epoxidharze.

[0025] Wird als Matrix für die Beschichtung ein vernetzbares Polymer eingesetzt, so wird diese nach dem Aufbringen vernetzt. Das Vernetzen der Matrix kann thermisch oder mittels Strahlung, beispielsweise durch UV- oder IR-Strahlung, erfolgen.

[0026] Der Gleitlack umfasst weiterhin besonders bevorzugt funktionelle Bestandteile, beispielsweise einen oder mehrere Festschmierstoffe. Erfindungsgemäß werden als Festschmierstoff(e) bevorzugt Stoffe mit einer laminarartig kristallisierenden Struktur eingesetzt, wie beispielsweise Graphit, MoS₂, WS₂, α-BN. Ferner können Polymere, wie z.B. PTFE eingesetzt werden.

[0027] Geeignete Gleitlacke, deren Haftung mittels der erfindungsgemäßen amorphen Phosphat-Schicht verbessert werden kann, sind z.B. in der DE 10 2009 002 716 A1 und 10 2009 002 715 A1 beschrieben.

Ansprüche

1. Stahlkolben, insbesondere Stahlkolben für einen Verbrennungsmotor, der zumindest in einem Bereich eine amorphe Phosphat-Schicht mit einer Dicke von 0,05 µm bis 3 µm umfasst, wobei die amorphe Phosphat-Schicht dadurch erhältlich ist, dass eine Phosphorsäure-haltige Lösung auf die Kolbenoberfläche gesprüht wird, und wobei auf die amorphe Phosphat-Schicht ein Gleitlack aufgebracht ist.

2. Stahlkolben gemäß Anspruch 1, wobei die amorphe Phosphat-Schicht eine Dicke von 0,1 µm bis 3 µm hat.

3. Stahlkolben gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei auf die amorphe Phosphat-Schicht ferner eine Manganphosphat-Schicht aufgebracht ist.

4. Stahlkolben gemäß Anspruch 1 bis 3, wobei die Schicht(en) zumindest auf den Kolbenschaft und/oder die Bolzenbohrung, bevorzugt auf den gesamten Kolben, aufgebracht ist/sind.

5. Verfahren zur Herstellung eines Stahlkolbens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 umfassend:

(1) das Bilden einer amorphen Phosphat-Schicht durch Sprühen einer Lösung, die Phosphorsäure enthält, auf die Kolbenoberfläche;

(2) das Aufbringen eines Gleitlacks; und

(3) optional das Bilden einer Manganphosphat-Schicht.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die in Schritt (1) eingesetzte Lösung ferner ein Tensid enthält.

7. Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei die Phosphorsäure Konzentration in der Lösung 4% bis 14% (g/g) beträgt.

8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die in Schritt (1) eingesetzte Lösung einen pH-Wert von 1 bis 3 hat.

9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Behandlung in Schritt (1) bei einer Temperatur von 30°C bis 80°C für 50 Sekunden bis 500 Sekunden durchgeführt wird.

10. Verwendung einer amorphen Phosphat-Schicht zur Verbesserung der Haftung eines Gleitlacks auf einem Stahlkolben, wobei die Phosphat-Schicht eine Dicke von 0,05 µm bis 3 µm hat und dadurch erhältlich ist, dass eine Phosphorsäure-haltige Lösung auf die Kolbenoberfläche gesprüht wird, und wobei der Gleitlack auf die amorphe Phosphat-Schicht aufgebracht wird.

Claims

1. Steel piston, in particular a steel piston for an internal combustion engine, having, at least in one region, an amorphous phosphate coating with a thickness of 0.05 µm to 3 µm, wherein the amorphous phosphate coating can be obtained in that a phosphoric acid-containing solution is sprayed onto the piston surface, and wherein an anti-friction coating is applied to the amorphous phosphate coating.

2. Steel piston according to claim 1, wherein the amorphous phosphate coating has a thickness of 0.1 µm to 3 µm.

3. Steel piston according to claim 1 or 2, wherein a manganese phosphate coating is further applied to the amorphous phosphate coating.

4. Steel piston according to claim 1 to 3, wherein the coating(s) is/are applied at least to the piston shaft and/or the pin bore, preferably to the entire piston,.

5. Method for the production of a steel piston according to one of the claims 1 to 4, comprising:

(1) forming an amorphous phosphate coating by spraying a solution containing phosphoric acid onto the piston surface;

(2) applying an anti-friction coating; and

(3) optionally, forming a manganese phosphate coating.

6. Method according to claim 5, wherein the solution used in step (1) also contains a surfactant.

7. Method according to claim 5 or 6, wherein the phosphoric acid concentration in the solution is 4% to 14% (g/g).

8. Method according to one of the claims 5 to 7, wherein the solution used in step (1) has a pH value of 1 to 3.

9. Method according to one of the claims 5 to 8, wherein the treatment in step (1) is carried out at a temperature of 30°C to 80°C for 50 seconds to 500 seconds.

10. Use of an amorphous phosphate coating to improve the adhesion of an anti-friction coating to a steel piston, wherein the phosphate coating has a thickness of 0.05 µm to 3 µm and can be obtained in that a phosphoric acid-containing solution is sprayed onto the piston surface, and wherein the anti-friction coating is applied to the amorphous phosphate coating.

Revendications

1. Piston en acier, en particulier piston en acier pour un moteur à combustion interne, qui comprend au moins dans une zone une couche de phosphate amorphe d'une épaisseur de 0,05 µm à 3 µm, dans lequel la couche de phosphate amorphe peut être obtenue par pulvérisation d'une solution contenant de l'acide phosphorique sur la surface de piston, et dans lequel un vernis lubrifiant est appliqué sur la couche de phosphate amorphe.

2. Piston en acier selon la revendication 1, dans lequel ladite couche de phosphate amorphe présente une épaisseur de 0,1 µm à 3 µm.

3. Piston en acier selon la revendication 1 ou 2, dans lequel une couche de phosphate de manganèse est en outre appliquée sur la couche de phosphate amorphe.

4. Piston en acier selon les revendications 1 à 3, dans lequel la(/les) couche(s) est (/sont) appliquée(s) au moins sur la tige de piston et/ou l'alésage d'axe, de préférence sur l'ensemble du piston.

5. Procédé de fabrication d'un piston en acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant les étapes consistant à :

(1) former une couche de phosphate amorphe par pulvérisation d'une solution contenant de l'acide phosphorique sur la surface de piston ;

(2) appliquer un vernis lubrifiant ; et

(3) former facultativement une couche de phosphate de manganèse.

6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel la solution utilisée dans l'étape (1) contient en outre un tensioactif.

7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, dans lequel la concentration en acide phosphorique dans la solution est de 4 % à 14 % (p/p).

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel la solution utilisée dans l'étape (1) présente un pH de 1 à 3.

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, dans lequel le traitement dans l'étape (1) est effectué à une température de 30 °C à 80 °C pendant 50 secondes jusqu'à 500 secondes.

10. Utilisation d'une couche de phosphate amorphe pour améliorer l'adhérence d'un vernis lubrifiant sur un piston en acier, dans laquelle la couche de phosphate présente une épaisseur de 0,05 µm à 3 µm et peut être obtenue par pulvérisation d'une solution contenant de l'acide phosphorique sur la surface de piston, et dans laquelle le vernis lubrifiant est appliqué sur la couche de phosphate amorphe.