Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stahlkolben,

insbesondere für einen Verbrennungsmotor, mit einer amorphen Phosphat-Schicht und ein Verfahren zur Erzeugung derselben.

Stand der Technik 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 M0S ₂ , enthält. Bei direktem Aufbringen auf den Kolben haftet der Gleitlack überwiegend durch mechanische Adhäsion.

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. 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.

Überraschenderweise wird diese Aufgabe durch ein spezielles Phosphatierungsverfahren und einen Stahlkolben mit einer dadurch erhältlichen, amorphen Phosphat-Schicht gelöst.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Stahlkolben, bevorzugt einen Stahlkolben für einen Verbrennungsmotor, der zumindest in einem Bereich eine amorphe Phosphat-Schicht umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Stahlkolbens.

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

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 .

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden

Schritte :

(1) das Bilden einer amorphen Phosphat-Schicht durch

Behandlung mit einer Lösung, die Phosphorsäure enthält ;

(2) optional das Aufbringen eines Gleitlacks; und

(3) optional das Bilden einer Manganphosphat-Schicht. 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.

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.

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.

Bevorzugt hat die amorphe Phosphat-Schicht eine Dicke von 0,05 ym bis 5 ym, besonders bevorzugt 0,1 ym bis 3 ym.

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.

Wenn gewünscht, kann ferner ein Gleitlack (2) auf die amorphe Phosphat-Schicht aufgebracht werden. Auf den so erhaltenen Kolben wird gegebenenfalls in Schritt (3) eine

Manganphosphat-Schicht aufgebracht.

Selbstverständlich kann der Kolben auch ausschließlich mit dem Gleitlack beschichtet werden. Die erfindungsgemäß eingesetzte Phosphorsäure-haltige Lösung kann durch Sprühen aufgebracht werden, 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.

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. 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. 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.

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

Gegebenenfalls kann im Anschluss an Schritt (1) mittels eines optionalen Schrittes (2) ein Gleitlack aufgebracht werden. In diesem Fall wird Schritt (2) mit einem dem Fachmann bekannten Verfahren durchgeführt.

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

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.

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.

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, M0S2, WS2, -BN. Ferner können Polymere, wie z.B. PTFE eingesetzt werden.

Geeignete Gleitlacke, deren Haftung mittels der

erfindungsgemäßen amorphen Phosphat-Schicht verbessert werden kann, sind z.B. in der DE 10 2009 002 716 AI und 10 2009 002 715 AI beschrieben.