ИЗНОСОСТОЙКИЙ АНТИФРИКЦИОННЫЙ ЛАК ДЛЯ ПОКРЫТИЯ ПОРШНЯ ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2014 года по МПК C09D161/00 C08L61/00 C08K3/00 C08K3/04 

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.

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, MoS₂, 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.

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 MoS₂ и 5-15 вес.% TiO₂. Как сульфид цинка, так и TiO₂ могут быть использованы в форме мелких частиц с размером частиц ≤0,7 мкм.

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, MoS₂, 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.

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 TiO₂, Al₂O₃, MgO, ZeO₂, SiC, Si₃N₄, 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.

В качестве твердого смазочного материала используют композицию графита, MoS₂, WS₂, 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.

Если в качестве твердого смазочного материала используют MoS₂, 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 MoS₂   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               Al₂O₃           1-2   TiO₂               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 MoS₂ 12-18 12-18 12-18   BN         ПТФЭ         C-волокно 4-6 4-6   6-8 C-нановолокно     3-5   Al₂O₃         TiO₂   6-8     Растворитель/присадки 30-55 22-49 31-56 38-60 Al₂O₃: дисперсия наночастиц керамического оксида алюминия
TiO₂: 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 MoS₂   11     14 14   BN     11         ПТФЭ       11     7 C-волокно 7 7 7 7 8 8 7 C-нановолокно               Al₂O₃           1,5   TiO₂               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 MoS₂ 14 14 14       BN             ПТФЭ             C-волокно 5 4   6   7 C-нановолокно     5       Al₂O₃             TiO₂   6         Растворитель/
присадки 46 41 46 51 51 48 Содержание твердого вещества 54 59 54 49 49 52

ПАИ: термически отверждаемая полиамидимидная смола
Al₂O₃: дисперсия наночастиц керамического оксида алюминия
TiO₂: 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.

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 -10^оС 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

Изобретение касается покрытия для поршней, в частности покрытия для направляющей части поршня двигателя внутреннего сгорания. Композиция для покрытия поршня содержит: а) термически отверждаемую фенольную смолу, b) по меньшей мере, один твердый смазочный материал, выбранный из группы, состоящей из графита, MoS₂, WS₂, BN и ПТФЭ и c) углеродное волокно. Композиция применяется для минимизации потерь на трение в двигателе внутреннего сгорания. Полученное покрытие характеризуется предпочтительной износостойкостью и предпочтительным коэффициентом трения. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 табл., 1 пр.

1. Композиция для покрытия поршня, содержащая:
a) термически отверждаемую фенольную смолу;
b) по меньшей мере, один твердый смазочный материал, выбранный из группы, состоящей из графита, MoS₂, WS₂, BN и ПТФЭ и
c) углеродное волокно.

2. Композиция по п.1, в которой углеродное волокно является углеводородным волокном со средней толщиной 1-10 мкм и средней длиной ≤1000 мкм или углеродным нановолокном, имеющим толщину менее 1 мкм.

3. Композиция по п.1, в которой углеродное волокно является углеводородным волокном с толщиной ≤100 мкм и длиной ≤500 мкм.

4. Композиция по любому из пп.1-3, которая дополнительно содержит присадки и вспомогательные вещества.

5. Композиция по любому из пп.1-3, которая дополнительно содержит эпоксидную смолу.

6. Композиция по любому из пп.1-3, где твердый смазочный материал(ы) используется(используются) в количестве 10-30 вес.% в расчете на общий вес композиции.

7. Композиция по любому из пп.1-3, где углеродное волокно использовано в количестве 3-10 вес.% в расчете на общий вес композиции.

8. Поршень с нанесенным покрытием из композиции по любому из пп.1-7.

9. Поршень по п.8, где покрытие нанесено на направляющую часть поршня.

10. Поршень по п.8, где поршень относится к двигателю внутреннего сгорания.

11. Применение композиции для покрытия поршня по любому из пп.1-7 для минимизации потерь на трение в двигателе внутреннего сгорания.