根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分，本發(fā)明涉及具有軸的用于內(nèi)燃機(jī)的活塞。本發(fā)明還涉及具有至少一個這樣的活塞的內(nèi)燃機(jī)以及用于將涂層施加至一個這樣的活塞的軸的方法。

背景技術(shù)：

一段時間以來，已知用于確保磨合以及應(yīng)急操作性能的具有功能的/平緩的結(jié)構(gòu)的涂層，并且這樣的涂層的成分必須打破摩擦最小化以及耐磨性能之間的平衡。出于這個原因，諸如連接桿的高耐磨部件特別具有碳纖維加強(qiáng)涂層，例如，具有高粗糙度，但是這對于過程監(jiān)控可能是不利的。另外，這樣的硬碳纖維在鋁相對面上具有研磨效果，這能夠?qū)е虏黄谕钠使庑Ч蛘甙疾鄣男纬伞?/p>

wo2012/041769a2公開了用于內(nèi)燃機(jī)的通用的活塞，其具有軸涂層，所述軸涂層具有耐磨內(nèi)層和外層，所述耐磨內(nèi)層由帶有散布有陶瓷顆粒的聚合母體、芳綸纖維和/或碳纖維組成，所述外層由帶有散布有固態(tài)潤滑劑的聚合母體組成。目的為設(shè)置功能內(nèi)層以及耐磨外層(基層)，所述功能內(nèi)層直接施加至活塞的表面，通過所述耐磨外層改進(jìn)了磨合性能以及特別是耐磨強(qiáng)度。在內(nèi)燃機(jī)的操作期間，摩擦最小化的涂層也意在允許燃油消耗以及二氧化碳排放的減少。

從ep1894987a1已知進(jìn)一步的具有雙層軸涂層的通用的活塞。

然而，現(xiàn)有技術(shù)中已知的活塞的缺點(diǎn)是涂層的制造是相對耗能的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明因此意在為通用類型的活塞提供改進(jìn)的或至少替代的實(shí)施例，其特征在于更加經(jīng)濟(jì)的制造。

根據(jù)本發(fā)明，該問題通過獨(dú)立權(quán)利要求1的主題解決。有益的實(shí)施例為從屬權(quán)利要求的主題。

本發(fā)明基于如下的主要構(gòu)思：向內(nèi)燃機(jī)的活塞的軸施加具有內(nèi)層和外層的雙層涂層，通過將外層例如通過噴灑或涂刷，即以液態(tài)形式施加至內(nèi)層，并且構(gòu)造為使得其能夠在空氣中干燥或硬化，相比于現(xiàn)有技術(shù)中已知的涂層允許了明顯的能源節(jié)約。另外，相比于內(nèi)層，外層示出了急劇減少的耐磨性，使得其能夠在只有1到6秒的非常短的磨合階段之后在高應(yīng)力區(qū)域中實(shí)現(xiàn)間隙，并且因此能夠急劇地減少摩擦損失。根據(jù)本發(fā)明的雙層涂層的內(nèi)層包括有機(jī)粘接劑以及固態(tài)潤滑劑，以及二硫化鎢(ws2)、碳化鎢(wc)、碳化硅(sic)和/或氧化鋁(al2o3)的硬質(zhì)材料顆粒。相比之下，外層包括無機(jī)粘接劑，并且由于其相比于內(nèi)層的極高的磨損傾向，其適于允許活塞的快速磨合。具有無機(jī)粘接劑的外層的構(gòu)造特別允許空氣干燥，這顯著地減少了制造根據(jù)本發(fā)明的活塞的加工成本。在磨合階段之后，根據(jù)本發(fā)明的雙層涂層在以下方面也是有益的：容易磨損的外層(特別是在高應(yīng)力區(qū)域中)至少部分地磨損并且在表面或朝向與內(nèi)層的界面更加光滑，這允許了在活塞軸與汽缸之間實(shí)現(xiàn)更大的接觸表面。

在根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案的有益的改進(jìn)中，內(nèi)層的有機(jī)粘接劑從如下的組中挑選：聚酰胺(pai)、聚醚酮(pek)、聚醚醚酮(peek)和/或聚芳基甲酮(paek)、硅的環(huán)氧化合物、聚苯并咪唑(pbi)，或者pai與硅樹脂的混合物，或者進(jìn)一步的與pai系統(tǒng)的混合物。聚酰胺的示例是具有沿主鏈定期重復(fù)酰胺鍵的線性聚合物。其特征尤其在于強(qiáng)度高，剛度高，韌性高，在化學(xué)品上的穩(wěn)定性和良好的加工性。聚酰胺通過可逆的水吸收或釋放對濕度做出反應(yīng)。聚醚酮為在其中存在交替的酮和乙醚功能群的分子主鏈(molecularbackbone)的聚合物。最普遍的類型是聚醚醚酮(peek)和聚芳基甲酮(paek)，所述聚醚醚酮(peek)為耐高溫的熱塑樹脂。pek、peek以及paek對于有機(jī)和無機(jī)化學(xué)制品也具有高耐性。

在根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案的有益的改進(jìn)中，內(nèi)層的固態(tài)潤滑劑包括二硫化鉬(mos2)和/或石墨。二硫化鉬為化學(xué)元素鉬的灰黑色晶體硫化物，其具有0.5μm至5μm的顆粒直徑，其特別適用于工業(yè)干性潤滑劑。特別地，這樣的干性潤滑劑在潤滑油供給停止時改進(jìn)了活塞的應(yīng)急操作性能。石墨也提供了這樣的干性潤滑劑特性，因此確保了配備有該涂層的活塞的應(yīng)急操作性能。

純理論地，當(dāng)然，這樣的具有比內(nèi)層更高的磨損傾向的固態(tài)潤滑劑的外層也可以包括二硫化鉬和/或石墨。

在根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案的進(jìn)一步有益的實(shí)施例中，外層在-180℃至+450℃的溫度范圍中是耐熱的。該實(shí)施例使得能夠確保外層，特別是在運(yùn)行期間或磨合階段不被產(chǎn)生的溫度消極地影響。而且，在內(nèi)燃機(jī)的操作期間在活塞軸上的涂層區(qū)域中產(chǎn)生的溫度不超過450℃，使得在該區(qū)域中也不存在消極影響。

本發(fā)明還基于以下的主要構(gòu)思：提供一種用于將上述的雙層涂層施加至活塞的軸的方法，其中內(nèi)層首先被施加至活塞的軸，例如通過諸如特別是絲網(wǎng)印刷的通常的標(biāo)準(zhǔn)方法。隨后將外層以液態(tài)的形式施加至活塞的軸，特別是噴灑、涂刷、或通過移印方法施加。

由于外層中的無機(jī)粘接劑，該層現(xiàn)在能夠在空氣中干燥，關(guān)于制造涂層所需的能量提供顯著的益處，并且涂層的第二層不需要以耗能的方式(例如通過加熱或紅外輻射)被硬化。

本發(fā)明的進(jìn)一步重要的特征和益處在從屬權(quán)利要求、附圖以及參照附圖的隨附的附圖描述中給出。

能夠理解的是，在不離開本發(fā)明的范圍的情況下，上述特征以及那些留待在下文中說明的特征不僅能夠用在分別描述的結(jié)合中，而且還能夠用在其他結(jié)合中或者單獨(dú)使用。

附圖說明

本發(fā)明的優(yōu)選示例性的實(shí)施例示出在附圖中并且將在下面進(jìn)一步詳細(xì)地說明，相同的附圖標(biāo)記指代相同的或功能上相同的部件。

在附圖中，全部為示意圖：

圖1示出了在軸上具有根據(jù)本發(fā)明的雙層涂層的根據(jù)本發(fā)明的活塞的側(cè)視圖，

圖2示出了穿過施加了內(nèi)層后的涂層區(qū)域中的活塞的截面圖，以及

圖3示出了與圖2相同的視圖，但是是在施加了外層之后。

具體實(shí)施方式

根據(jù)圖1至圖3，根據(jù)本發(fā)明的用于內(nèi)燃機(jī)2的活塞1具有軸3。根據(jù)本發(fā)明，帶有內(nèi)層5和外層6的雙層涂層4(同樣參見圖3)現(xiàn)在施加至軸3。內(nèi)層5包括有機(jī)粘接劑和固態(tài)潤滑劑，諸如二硫化鉬(mos2)和/或石墨，并且因此具有可靠的操作所需的干性的潤滑性能，對于如果潤滑供給系統(tǒng)關(guān)閉時的至少某段時期這確保了應(yīng)急操作特性。而且，內(nèi)層5還包括由例如二硫化鎢(ws2)、碳化鎢(wc)、碳化硅(sic)和/或氧化鋁(al2o3)組成的硬質(zhì)材料顆粒，這急劇地增加了內(nèi)層5的耐磨性。硫化鎢為來自鎢化合物和硫的組的化學(xué)化合物。碳化鎢為由元素鎢和元素碳形成的中間結(jié)晶相或者非氧化物陶瓷。在該情況下，碳化鎢特別用于高應(yīng)力組分，但也能夠以顆粒形式使用，從而急劇地改進(jìn)涂層(此處為內(nèi)層5)的耐磨性。外層6包括無機(jī)粘接劑，為空氣硬化，并且相比于內(nèi)層5示出了急劇減少的耐磨性，使得其能夠?qū)崿F(xiàn)只達(dá)到6個小時的內(nèi)燃機(jī)2中的活塞1的顯著減少的磨合階段。在該磨合階段中，外層6已經(jīng)以在軸3與汽缸壁之間(特別是高應(yīng)力區(qū)域)提供急劇增大的接觸表面的程度被磨損，因此特別有助于急劇地減少性能損失。

在該情況下，內(nèi)層5的有機(jī)粘接劑能夠從如下的組中挑選：聚酰胺(pai)、聚醚酮(pek)、聚醚醚酮(peek)和/或聚芳基甲酮(paek)、硅的環(huán)氧化合物、聚苯并咪唑(pbi)，或者pai與硅樹脂的混合物，或者進(jìn)一步的與pai系統(tǒng)的混合物。即使該非詳盡的列表給出了針對內(nèi)層5的有機(jī)粘接劑設(shè)置的廣泛的可能性的構(gòu)思，因?yàn)樗鼈兙哂懈邚?qiáng)度、高韌性以及高耐磨性。

固態(tài)潤滑劑包括諸如具有0.5μm至5μm的直徑的二硫化鉬顆粒或者石墨顆粒。通過微粒的固態(tài)潤滑劑顆粒，能夠急劇地增加干性潤滑性能以及因此尤其是應(yīng)急操作性能。與之相比，內(nèi)層5的硬質(zhì)材料顆粒具有500nm至1000nm的顆粒尺寸并且因此遠(yuǎn)小于固態(tài)潤滑劑的顆粒。硬質(zhì)材料顆粒的小顆粒尺寸使其能夠急劇地改進(jìn)內(nèi)層5的強(qiáng)度性能以及因此的內(nèi)層5的耐磨性。

如下地制造涂層4。

首先將內(nèi)層5施加至活塞1的軸3，例如通過絲網(wǎng)印刷，隨后在對流加熱爐中或通過紅外輻射硬化。隨后將外層6以初始的液態(tài)的形式施加至活塞1的軸3，特別是通過噴灑或涂刷，或者通過構(gòu)成最有吸引力的方案的移印方法。由于外層6的特殊構(gòu)造，該層現(xiàn)在能夠在空氣中硬化而無需額外的能量輸入。特別地，空氣硬化外層6允許大大地減少加工成本。

在接下來的內(nèi)燃機(jī)2的磨合操作中，外層6由于其低耐磨性而被相對快速地磨損，因此使得能夠?qū)崿F(xiàn)一方面軸3與另一方面圓柱狀壁之間的間隙，這在摩擦性能損失方面具有積極的效果。在外層6的至少部分的磨損后，內(nèi)層5承擔(dān)增加耐磨性的任務(wù)，并且還通過嵌入其中的固態(tài)潤滑劑(諸如二硫化鉬或石墨)而確保應(yīng)急操作性能的任務(wù)。在該情況下，涂層4的厚度d通常為5μm至30μm，并且優(yōu)選大約為15μm。

因此，根據(jù)本發(fā)明的雙層涂層4使得能夠更加柔和地施加耐磨層，并且具有急劇降低的能量需求，以及因此通過成本降低和節(jié)能的方式。