Стальной поршень, имеющий слой фосфата
Изобретение относится к стальному поршню, имеющему слой аморфного фосфата, в частности для двигателя внутреннего сгорания, а также к способу для его производства. Стальной поршень для двигателя внутреннего сгорания содержит слой аморфного фосфата, имеющий толщину 0,05–3 мкм, который получен путем распыления раствора, содержащего фосфорную кислоту, на поверхность поршня, и в котором антифрикционное покрытие нанесено на слой аморфного фосфата. Благодаря этому слою улучшается адгезия антифрикционного покрытия. 3 н. и 7 з.п. ф-лы.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к стальному поршню, имеющему слой аморфного фосфата, в частности для двигателя внутреннего сгорания, а также к способу для его производства.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Стальные поршни для двигателей внутреннего сгорания обычно снабжаются покрытием юбки поршня для уменьшения трения о цилиндр, а также для предотвращения заклинивания. Например, часто используется антифрикционное покрытие, содержащее один или более твердых смазочных материалов, таких как графит или MoS2. Когда оно наносится прямо на поршень, антифрикционное покрытие прилипает прежде всего за счет механической адгезии.
Для того, чтобы гарантировать адгезию антифрикционного покрытия в течение всего срока службы поршня, поршень должен быть предварительно обработан. В предшествующем уровне техники для этого используется, например, нанесение фосфата марганца с помощью способа погружения. Для выполнения этого процесса погружения необходимо прервать нормальный процесс производства и обработать поршень вручную. Это может привести к загрязнению поверхности поршня.
В качестве альтернативы можно просто подвергнуть стальной поршень нейтральной, щелочной и/или кислотной промывке перед нанесением антифрикционного покрытия. Поскольку этот процесс только удаляет смазку с поверхности, и не истирает ее, в результате этого зачастую получается неудовлетворительная адгезия антифрикционного покрытия.
По этим причинам существует потребность в создании простого и недорогого способа, который приводил бы к улучшенной адгезии антифрикционного покрытия к поршню.
Эта цель неожиданно достигается с помощью конкретного способа фосфатирования и получаемого таким образом стального поршня, имеющего аморфный фосфатный слой.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к стальному поршню, предпочтительно к стальному поршню для двигателя внутреннего сгорания, содержащему слой аморфного фосфата по меньшей мере в одной его области. Кроме того, настоящее изобретение относится к способу для производства такого стального поршня.
В соответствии с настоящим изобретением термин «слой аморфного фосфата» означает, что этот слой имеет аморфную структуру на виде сверху.
Из–за этой аморфной структуры фосфатный слой в соответствии с настоящим изобретением отличается от обычных слоев фосфата марганца или фосфата цинка с кристаллической структурой. Аморфная структура слоя оказывает влияние на свойства слоя, такие как его шероховатость и толщина.
Способ в соответствии с настоящим изобретением содержит следующие стадии:
(1) формирование слоя аморфного фосфата посредством обработки раствором, содержащим фосфорную кислоту;
(2) при необходимости, нанесение антифрикционного покрытия; и
(3) при необходимости, формирование слоя фосфата марганца.
В результате обработки раствором, содержащим фосфорную кислоту, как на стадии (1), будет не только сформирован слой аморфного фосфата, но и поверхность поршня также будет истираться, и любые присутствующие на ней оксиды будут удалены.
Слой аморфного фосфата, сформированный в соответствии с настоящим изобретением, имеет капилляры, и тем самым способствует лучшему закреплению антифрикционного покрытия, которое, следовательно, может также выдерживать высокое напряжение. Кроме того, слой аморфного фосфата действует в качестве слоя пассивирования, так что повторное окисление поршня предотвращается.
С использованием настоящего изобретения может быть нанесен тонкий слой аморфного фосфата. В частности, он может быть более тонким чем, обычный слой кристаллического фосфата. Это в свою очередь позволяет уменьшить производственные допуски. Предпочтительно слой аморфного фосфата имеет толщину 0,05–5 мкм, и особенно предпочтительно 0,1–3 мкм.
В рамках настоящего изобретения слой аморфного фосфата может быть нанесен на весь поршень или на его отдельные области, такие как, например, юбка поршня или отверстие для пальца. Предпочтительно этот слой наносится на весь поршень.
При желании антифрикционное покрытие (2) также может быть нанесено на слой аморфного фосфата. На стадии (3) слой фосфата марганца опционально наносится на полученный таким образом поршень.
Поршень, конечно, также может быть покрыт только антифрикционным покрытием.
Раствор, содержащий фосфорную кислоту, который используется в соответствии с настоящим изобретением, может быть нанесен посредством распыления, так, чтобы слой аморфного фосфата мог создаваться на производственной линии. Это устраняет необходимость ручной обработки поршня и уменьшает риск загрязнения поверхности поршня. Кроме того, способ в соответствии с настоящим изобретением может быть интегрирован в процесс для производства поршня без значительных дополнительных затрат.
Предпочтительно раствор, используемый на стадии (1), в дополнение к фосфорной кислоте (ортофосфорной кислоте) содержит поверхностно–активное вещество. В результате смачивание поверхности улучшается, так что формируется более ровный слой. Этот раствор может также содержать дополнительные компоненты. Подходящие дополнительные компоненты, которые оказались пригодными, включают нитраты, такие как нитрат натрия, нитрат марганца и нитрат цинка, и/или сульфонаты.
В одном предпочтительном варианте осуществления концентрация фосфорной кислоты в растворе составляет 4–14% (г/г), в частности 6–12 % (г/г). Этот раствор предпочтительно имеет значение рН 1–3.
Температура 30–80°C, предпочтительно 45–65°C, и продолжительность обработки 50–500 с, предпочтительно 100–400 с, оказались особенно подходящими для выполнения стадии (1).
Сразу же после завершения стадии (1) раствор должен быть удален с поверхности поршня, например посредством ополаскивания.
После стадии (1) антифрикционное покрытие может быть нанесено на необязательной стадии (2). В этом случае стадия (2) выполняется с использованием способа, известного специалистам в данной области техники.
Затем, на следующей стадии (3), слой фосфата марганца может быть сформирован на поршне, полученном посредством способа в соответствии с настоящим изобретением. Этот процесс может быть выполнен с использованием способа, известного специалистам в данной области техники. Как было указано выше, обработка стального поршня в соответствии с настоящим изобретением приводит к улучшению адгезии антифрикционного покрытия.
Антифрикционное покрытие предпочтительно является антифрикционным покрытием, содержащим полимерную матрицу. Обычные исходные материалы для поршневых покрытий, такие, например, как фенольные смолы, эпоксидные смолы, полиамид, полиамидоимид и/или PTFE, могут использоваться в качестве полимерной матрицы; и предпочтительно использовать фенольные смолы и/или эпоксидные смолы.
Если в качестве матрицы для покрытия используется сшиваемый полимер, то он сшивается после нанесения. Сшивание матрицы может осуществляться термически или посредством излучения, например посредством ультрафиолетового излучения или инфракрасного излучения.
Антифрикционное покрытие также особенно предпочтительно содержит функциональные компоненты, такие как один или более твердых смазочных материалов. В соответствии с настоящим изобретением в качестве твердого смазочного материала (материалов) предпочтительно используются вещества с ламинарной кристаллизующейся структурой, например такие, как графит, MoS2, WS2 и α–BN. Также могут использоваться полимеры, например такие, как PTFE.
Подходящие антифрикционные покрытия, адгезия которых может быть улучшена посредством слоя аморфного фосфата в соответствии с настоящим изобретением, описаны, например, в патентных документах DE 10 2009 002 716 A1 и 10 2009 002 715 A1.
1. Стальной поршень, в частности стальной поршень для двигателя внутреннего сгорания, содержащий слой аморфного фосфата, имеющий толщину 0,05–3 мкм, по меньшей мере в одной его области, причем слой аморфного фосфата получен путем распыления раствора, содержащего фосфорную кислоту, на поверхность поршня, и в котором антифрикционное покрытие нанесено на слой аморфного фосфата.
2. Стальной поршень по п. 1, в котором слой аморфного фосфата имеет толщину 0,1–3 мкм.
3. Стальной поршень по п. 1 или 2, в котором на слой аморфного фосфата дополнительно нанесен слой фосфата марганца.
4. Стальной поршень по пп. 1–3, в котором этот слой (слои) нанесен(ы) по меньшей мере на юбку поршня и/или отверстие для пальца, предпочтительно на весь поршень.
5. Способ для производства стального поршня по одному из пп. 1–4, включающий:
(1) формирование слоя аморфного фосфата путем распыления раствора, содержащего фосфорную кислоту, на поверхность поршня;
(2) нанесение антифрикционного покрытия; и
(3) при необходимости, формирование слоя фосфата марганца.
6. Способ по п. 5, в котором раствор, используемый на стадии (1), также содержит поверхностно–активное вещество.
7. Способ по п. 5 или 6, в котором концентрация фосфорной кислоты в растворе составляет 4–14% (г/г).
8. Способ по любому из пп. 5–7, в котором раствор, используемый на стадии (1), имеет значение рН 1–3.
9. Способ по одному из пп. 5–8, в котором обработку на стадии (1) выполняют при температуре 30–80°C в течение 50–500 с.
10. Применение слоя аморфного фосфата, имеющего толщину 0,05–3 мкм, для улучшения адгезии антифрикционного покрытия к стальному поршню, в котором формирование слоя аморфного фосфата осуществляют путем распыления раствора, содержащего фосфорную кислоту, на поверхность поршня при температуре 30–80°C в течение 50–500 с.
