專利名稱：具有帶涂層工作面的活塞環(huán)以及涂層劑的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種活塞環(huán)，其工作面上設有包含合成材料的涂層。本發(fā)明還涉及適用于此的涂層劑。
背景技術：
在現(xiàn)有技術中公知的是，在活塞環(huán)或者至少其工作面上設置由其中嵌入石墨的合成樹脂制成的自潤滑磨合層。例如，在瑞士的專利說明書CH 577 565中描述了這種磨合層。但是，在現(xiàn)代內(nèi)燃機中，這種磨合層不再能滿足對機械強度和溫度穩(wěn)定性的要求。
DE 195 06 910 C2描述了一種帶有活塞環(huán)對的活塞-/活塞環(huán)裝置，其中，活塞環(huán)槽和活塞環(huán)對的表面都覆蓋有固體潤滑劑-膜。該膜包含由固體潤滑劑材料制成的特殊混合物，所述固體潤滑劑材料以高達58重量％的重量百分比存在于由聚酰胺或環(huán)氧樹脂制成的載體內(nèi)。該固體潤滑劑材料為膜提供必要的溫度穩(wěn)定性。在DE 195 04 803中描述了另一種類似的固體潤滑劑-膜。
DE 39 03 722 C2公開了一種活塞-/活塞環(huán)裝置，其中，除了活塞環(huán)的工作面以外，活塞環(huán)槽和活塞環(huán)的表面都設有基于聚酰胺或聚酰亞胺的固體潤滑劑-膜。由此防止活塞粘結到活塞環(huán)上。
但是，這種固體潤滑劑-膜不能用于活塞環(huán)的工作面，這是因為對活塞環(huán)-/氣缸工作面摩擦系統(tǒng)的要求與對活塞環(huán)/活塞環(huán)槽摩擦系統(tǒng)的要求完全不同。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的任務是提供一種帶涂層的活塞環(huán)或涂層劑，它們適合于現(xiàn)代的內(nèi)燃機并且會改善磨合特性。
該任務通過具有權利要求1特征的活塞環(huán)或具有權利要求11特征的涂層劑解決。根據(jù)本發(fā)明，涂層由其中嵌入顆粒的至少一種聚酰胺酰亞胺和/或至少一種聚醚醚酮制成。
已經(jīng)證明，聚酰胺酰亞胺和聚醚醚酮能夠滿足對現(xiàn)代內(nèi)燃機的磨合層所提出的高要求。聚酰胺酰亞胺或聚醚醚酮與顆粒一起構成磨合層，也就是說，顆粒嵌入在由聚酰胺酰亞胺或聚醚醚酮形成的基體中。該磨合層具有足夠的耐熱性(至少可達250℃)，并且不會過快地磨損。由此，磨合層的磨合特性在磨合階段保持基本上不受影響。這改善了內(nèi)燃機的磨合性能。避免了在磨合階段產(chǎn)生燒損痕跡。磨合階段結束后，就不再需要磨合層了，因此磨合層可以被磨損掉。
相對于現(xiàn)有技術中已知的聚酰亞胺，根據(jù)本發(fā)明的活塞環(huán)或者涂層劑具有如下優(yōu)點，即具有更高的強度和韌性。由此還提高了抗磨損性，使得涂層不會過快地磨損。此外，根據(jù)本發(fā)明的活塞環(huán)或涂層劑具有更低的摩擦系數(shù)，這有利于其摩擦性能。此外，與現(xiàn)有技術相比，根據(jù)本發(fā)明的活塞環(huán)或涂層劑對峰值溫度的敏感性更低，使得例如短時間內(nèi)加熱到450℃的溫度也不會造成損害。
聚酰胺酰亞胺(PAI)是一種聚合物，其主鏈既具有酰胺官能度又具有酰亞胺官能度。其制造方法是公知的。例如，其可通過三羧酸酐(例如偏苯三甲酸酐)或羧酸的氯化物與二異氰酸酯或二胺的縮聚反應來制備。在溶液中完成該聚合反應。其可直接從溶液中得到。聚酰胺酰亞胺具有非常高的耐熱性和耐溶劑性。
聚醚醚酮是一種聚合物，其中苯撐交替地分別由兩個醚基和一個酮基連接在一起。以本身已知的方式，在存在弗里德爾-克拉夫茨催化劑(例如AlCl3)的情況下，通過使4-苯氧基苯甲酰氯或?qū)Ρ蕉姿岫然锖投矫丫酆蟻碇圃炀勖衙淹?。聚醚醚酮是具有特別良好的抗熱成型性的、部分結晶的、高熔點的熱塑性塑料。其可非常容易地通過注射模塑法加工。根據(jù)本發(fā)明使用的聚醚醚酮中的苯撐可被任意取代。
根據(jù)用途，顆?？梢杂米髂ス鈩?、潤滑劑或用于提高合成材料基體的強度。混有顆粒的合成材料可以以本身已知的方式噴涂或印刷在活塞環(huán)的工作面上。
本發(fā)明還涉及內(nèi)燃機用的活塞-/活塞環(huán)裝置，其中，至少一個活塞環(huán)設有根據(jù)本發(fā)明的涂層。
從屬權利要求給出了有利的改進方案。
優(yōu)選使用聚酰胺酰亞胺或聚醚醚酮，它們熱固化，或者在向活塞環(huán)涂覆涂層劑之后熱固化。這使得加工更容易。涂層的層厚可以為1到20微米，優(yōu)選為3到8微米。
顆粒的量可以占涂層的0.1重量％到40重量％，優(yōu)選為0.5重量％到20重量％。顆粒太多會導致氣缸工作面和磨合層的磨損加大，并且會過度地降低合成材料基體的耐熱性。而顆粒太少則沒有作用。
顆粒的粒度例如在0.1到10微米的范圍內(nèi)，優(yōu)選在0.5到2微米的范圍內(nèi)。同樣，粒度太大會導致氣缸工作面和磨合層的磨損加大，并且會降低合成材料基體的耐熱性。而粒度太小則沒有作用。
顆粒可以是例如硬質(zhì)材料顆粒。合適的材料特別是氧化鋁、碳化硅、氮化硅、碳化鎢、金剛石、碳化硼或碳化鉻。與精細珩磨類似，顆粒用于精細拋光氣缸工作面，以便去除粗糙尖峰。為此，顆粒的粒度和量應該位于上述優(yōu)選的范圍內(nèi)。
作為代替或者另外，還可以嵌入固體潤滑材料顆粒，固體潤滑材料顆?？捎衫缡?、硫化鉬、硫化鎢、聚四氟乙烯或六方氮化硼制成。固體潤滑材料顆粒有助于避免在磨合階段產(chǎn)生燒損痕跡。為能夠特別有效地避免產(chǎn)生燒損痕跡，固體潤滑材料顆粒的粒度和用量應處于上述范圍內(nèi)。特別是，當固體潤滑材料顆粒的量過多時，合成材料基體不再能夠濕潤和包圍全部的顆粒。從而降低了磨合層的機械強度，導致磨合層磨損過快，即在磨合階段結束之前被磨損掉。當粒度過小時，也觀察到了同樣的不利影響。顆粒的總表面積會大到導致這樣的結果，即合成材料基體同樣也不再能夠有效地濕潤和粘結顆粒。相反，如果粒度過大，特別是比層厚還大，那么會產(chǎn)生滑潤作用低的粗糙且不均勻的層。
最后，為進一步加強磨合層，可在磨合層中包含由鐵、銅、青銅、黃銅、鋁、鈦或鋅制成的金屬顆粒。這里，顆粒的量和粒度也要處于上述范圍內(nèi)，以便不會對耐磨性和耐熱性產(chǎn)生負面影響。
活塞環(huán)本身可由所有適合各個應用的材料(例如鋼)制成。另外，活塞環(huán)的工作面上可設置本身已知的耐磨層；在此，根據(jù)本發(fā)明的涂層可涂覆在所述耐磨層上。
具體實施例方式
下面借助附圖
進一步說明本發(fā)明的實施例。唯一的附圖示意性地、未與實際尺寸成比例地示出了活塞-/活塞環(huán)裝置10的剖面圖。活塞11以本身已知的方式具有活塞環(huán)槽12。在活塞環(huán)槽12中安裝有活塞環(huán)20。從活塞環(huán)槽12徑向向外伸出的活塞環(huán)20的側面用作工作面21，該工作面與氣缸13的氣缸工作面14相互摩擦。
活塞環(huán)20的工作面21設有由聚酰胺酰亞胺或聚醚醚酮制成的涂層22。涂層22中嵌有顆粒23，顆粒23由硬質(zhì)材料、固體潤滑材料和/或金屬或合金制成。
合適的聚酰胺酰亞胺是例如可購買到的商品名稱為Torlon和Kermel的產(chǎn)品。合適的聚醚醚酮是例如商品名稱為Victrex、Zyex、Hostatec和Ketron的產(chǎn)品。
聚酰胺酰亞胺優(yōu)選具有通式(I) 其中Ar表示芳基，例如 并且，n是2到200之間的整數(shù)。
使用的原料最好是由具有通式(III)的酰胺酸和具有通式(I)的酰亞胺構成的混合物，所述通式(III)為
該混合物溶解在疏質(zhì)子溶劑中。優(yōu)選使用N-甲基吡咯烷酮(NMP)，因為其氣味小且毒性小。使所得的混合物熱固化，其中同時發(fā)生下述三個過程1、溶劑被除去，即蒸發(fā)掉。
2、使酰胺酸酰亞胺化，即在分離出水的情況下轉換成酰亞胺。
3、同時進行鏈增長，使得聚酰胺酰亞胺的分子量增加。
聚醚醚酮優(yōu)選具有下面的通式(II) 其中，苯撐可被任意取代，并且n是從2到200的整數(shù)。
還可以按照已知的用于制造清漆的方法來制造涂層劑。在經(jīng)過適合的溶劑稀釋但尚未固化的合成材料中拌入顆粒。必要時，還可以添加用于獲得穩(wěn)定分散體的助劑。如果需要，可以優(yōu)選少量添加粘性調(diào)節(jié)劑和消泡劑?？赏ㄟ^根據(jù)后面的加工方法添加溶劑的方式來調(diào)節(jié)粘性。
合適的加工方法特別是噴涂和絲網(wǎng)印刷。涂覆涂層之后，在200到220℃進行例如15到30分鐘的熱固化。建議在施加涂層之前清潔待涂表面。應該完全清除油、潤滑脂、顆粒、鹽等的殘留物。待涂表面應該是干燥的。待涂表面還可被磷酸化處理，或者設有硬質(zhì)耐磨層。
在第一實施例中，活塞環(huán)由球粒鑄鐵制成。根據(jù)現(xiàn)有技術，該活塞環(huán)在工作面上鍍硬鉻，并隨后磨削到規(guī)定的尺寸。然后，將活塞環(huán)完全清潔并使其干燥。對于包含100克固體樹脂的量，相繼添加5克的氧化鋁和10克的石墨，并且強烈攪拌。建議添加少量本身已知的清漆助劑，以得到具有良好流動性的不起泡的分散體。隨后，用溶劑NMP(N-甲基吡咯烷酮)將混合物稀釋到可噴涂的濃度。將活塞環(huán)堆積在柱子上，用模板遮蓋活塞環(huán)切口，并將涂層劑噴涂到活塞環(huán)的工作面上。然后，使涂層在200℃的烘箱內(nèi)停留30分鐘，以便固化?？赏ㄟ^刷子去除在層表面上出現(xiàn)的小的不平整處。
在第二實施例中，使用由氮化鋼制成的活塞環(huán)，活塞環(huán)的工作面上設有用PVD法施加的氮化鉻層。利用聚酰胺酰亞胺基礎樹脂制造涂層劑。對于包含100克固體樹脂的量，相繼添加4克氧化鋁和8克硫化鉬，并強烈攪拌。建議添加少量本身已知的清漆助劑，以得到具有良好流動性的不起泡的分散體。隨后，用少量溶劑NMP(N-甲基吡咯烷酮)進行調(diào)整以獲得可絲網(wǎng)印刷的濃度。將完全清潔和干燥的活塞環(huán)支撐在心軸上，其中活塞環(huán)切口閉合。然后，用絲網(wǎng)印刷法涂覆活塞環(huán)。然后，使涂層在200℃的烘箱內(nèi)停留30分鐘，以便固化?？赏ㄟ^刷子去除在層表面上出現(xiàn)的小的不平整處。
在第三實施例中，使用由氮化鋼制成的活塞環(huán)。用聚醚醚酮基礎樹脂制造涂層劑。對于包含100克固體樹脂的量，相繼添加4克黃銅粉和10克PTFE，并強烈攪拌。建議添加少量本身已知的清漆助劑，以得到具有良好流動性的不起泡的分散體。隨后，用少量溶劑NMP(N-甲基吡咯烷酮)進行調(diào)整以獲得可絲網(wǎng)印刷的濃度。將完全清潔和干燥的活塞環(huán)支撐在心軸上，其中活塞環(huán)切口閉合。然后，用絲網(wǎng)印刷法涂覆活塞環(huán)。然后，使涂層在200℃的烘箱內(nèi)停留30分鐘，以便固化。可通過刷子去除在層表面上出現(xiàn)的小的不平整處。
權利要求
1.一種活塞環(huán)(20)，其工作面(21)設有包含合成材料的涂層(22)，其特征在于，所述涂層由其中嵌入顆粒(23)的至少一種聚酰胺酰亞胺和/或至少一種聚醚醚酮制成。
2.根據(jù)權利要求1中所述的活塞環(huán)，其特征在于，涂層(22)具有至少一種由下面的通式(I)表示的聚酰胺酰亞胺， 其中，基團Ar選自一個群組，該群組包括 并且，n是從2到200的整數(shù)。
3.根據(jù)權利要求1中所述的活塞環(huán)，其特征在于，涂層(22)具有至少一種由下面的通式(II)表示的聚醚醚酮， 其中芳香基可帶有任意的取代基，并且n是從2到200的整數(shù)。
4.根據(jù)權利要求1中所述的活塞環(huán)，其特征在于，涂層(22)的層厚為1到20微米，優(yōu)選為3到8微米。
5.根據(jù)前述權利要求之一中所述的活塞環(huán)，其特征在于，所述至少一種聚酰胺酰亞胺或至少一種聚醚醚酮是熱固化的。
6.根據(jù)前述權利要求之一中所述的活塞環(huán)，其特征在于，顆粒(23)的量占涂層(22)的0.1重量％到40重量％，優(yōu)選為0.5重量％到20重量％。
7.根據(jù)前述權利要求之一中所述的活塞環(huán)，其特征在于，顆粒(23)的粒度為0.1到10微米，優(yōu)選為0.5到2微米。
8.根據(jù)前述權利要求之一中所述的活塞環(huán)，其特征在于，顆粒(23)為硬質(zhì)材料顆粒和/或固體潤滑材料顆粒和/或金屬顆粒。
9.根據(jù)權利要求6中所述的活塞環(huán)，其特征在于，硬質(zhì)材料顆粒由氧化鋁、碳化硅、氮化硅、碳化鎢、金剛石、碳化硼或碳化鉻制成。
10.根據(jù)權利要求6中所述的活塞環(huán)，其特征在于，固體潤滑材料顆粒由石墨、硫化鉬、硫化鎢、聚四氟乙烯或氮化硼制成。
11.根據(jù)權利要求6中所述的活塞環(huán)，其特征在于，金屬顆粒由鐵、銅、青銅、黃銅、鋁、鈦或鋅制成。
12.根據(jù)前述權利要求之一中所述的活塞環(huán)，其特征在于，該活塞環(huán)由氮化鋼制成，其中必要時在所述氮化鋼上設置硬質(zhì)耐磨層。
13.一種用于摩擦工作面的涂層劑，其特征在于，該涂層劑由其中嵌入顆粒的至少一種聚酰胺酰亞胺或至少一種聚醚醚酮、以及必要時的添加劑和助劑制成。
14.根據(jù)權利要求13中所述的涂層劑，其特征在于，該涂層劑包含至少一種由下面的通式(I)表示的聚酰胺酰亞胺 其中，基團Ar選自一個群組，該群組包括 并且，n是從2到200的整數(shù)。
15.根據(jù)權利要求13中所述的涂層劑，其特征在于，該涂層劑包含至少一種由下面的通式(II)表示的聚醚醚酮， 其中芳香基可帶有任意的取代基，并且n是從2到200的整數(shù)。
16.根據(jù)權利要求11中所述的涂層劑，其特征在于，所述至少一種聚酰胺酰亞胺或至少一種聚醚醚酮是可熱固化的。
17.根據(jù)權利要求11或12中所述的涂層劑，其特征在于，顆粒的量占涂層材料的0.1重量％到40重量％，優(yōu)選為0.5重量％到20重量％。
18.根據(jù)權利要求11至13中之一所述的涂層劑，其特征在于，顆粒的粒度為0.1到10微米，優(yōu)選為0.5到2微米。
19.根據(jù)權利要求11至14中之一所述的涂層劑，其特征在于，顆粒為硬質(zhì)材料顆粒和/或固體潤滑材料顆粒和/或金屬顆粒。
20.根據(jù)權利要求15中所述的涂層劑，其特征在于，硬質(zhì)材料顆粒由氧化鋁、碳化硅、氮化硅、碳化鎢、金剛石、碳化硼或碳化鉻制成。
21.根據(jù)權利要求15中所述的涂層劑，其特征在于，固體潤滑材料顆粒由石墨、硫化鉬、硫化鎢、聚四氟乙烯或氮化硼制成。
22.根據(jù)權利要求15中所述的涂層劑，其特征在于，金屬顆粒由鐵、銅、青銅、黃銅、鋁、鈦或鋅制成。
23.根據(jù)權利要求11至18中之一所述的涂層劑在涂覆活塞環(huán)(20)的工作面中的應用。
24.一種內(nèi)燃機用的活塞-/活塞環(huán)裝置(10)，其特征在于，該活塞-/活塞環(huán)裝置(10)具有至少一種根據(jù)權利要求1到10中之一所述的活塞環(huán)(氣環(huán)或油環(huán))。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種活塞環(huán)(20)，該活塞環(huán)的工作面(21)設有包含合成材料的涂層，其特征在于，所述涂層(22)由其中嵌入顆粒(23)的至少一種聚酰胺酰亞胺和/或至少一種聚醚醚酮制成。所述顆?？梢允怯操|(zhì)材料顆粒、固體潤滑材料顆?；蚪饘兕w粒。本發(fā)明還涉及帶有至少一種根據(jù)本發(fā)明的活塞環(huán)的活塞－/活塞環(huán)裝置，以及用于涂覆至少活塞環(huán)的工作面的涂層劑。
文檔編號C08L79/08GK101065448SQ200580040869
公開日2007年10月31日 申請日期2005年11月28日 優(yōu)先權日2004年11月30日
發(fā)明者庫爾特·邁爾 申請人:馬勒國際公司