專利名稱：熱和腐蝕性負荷的功能性構件的涂層的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬的功能性構件，其承受熱負荷或者熱與腐蝕 性負荷，并在所述構件上涂覆一種涂層到至少一個表面上，其中所述 涂層由粘結劑相和嵌入到所述粘結劑相中的材料構成。此外本發明涉 及在功能性構件上用于制備涂層的隔離劑和此外一種在功能性構件的 金屬表面上產生涂層的方法。
背景技術：
承受熱負荷或者熱和腐蝕性負荷的并且在此由介質(Medium)流 通(durchstr6men)、沖擊或承受所述介質的構件，發揮例如傳動或 隔板的功能。在所述功能中將其用流動性或膨脹性介質沖擊。在此， 經常發生強烈的溫度波動，以致于所述構件必須滿足耐熱性的條件。 在與流動性介質接觸的部件上還經常發生沉淀，以致于大多用涂層裝 備這些部件。這類功能性構件的典型實例為例如活塞、汽缸蓋球形罩 (Zylinderkopfkalotten)以及在汽車中廢氣再循環管道的整個區域。 除了這些構件的腐蝕性負荷外，這些構件還經受熱負荷和溫度波動。 為了保護這類功能性構件，各種各樣的涂層和涂覆方法是已知的。
由DE 101 24 434 Al已知一種制備涂層的方法以及用于來自汽
車制造和機械制造領域的金屬或合金(如鋼、燒結金屬或鋁合金)的 涂層。涂層的目的在于保護所述材料免于磨損和腐蝕。在此，所述涂 層由無機的基質相(其至少盡可能地由磷酸鹽構成)和嵌入其中的材 料構成。在一個實施方式中所述涂層由磷酸鋁構成的無機的基質相構 成，材料(例如氧化鋁或石墨)嵌入到所述基質相中。這類涂層優選 通過由溶解的磷酸單鋁(Monoaluminiumphosphat)和在其中分散的、 粉末狀的功能性材料構成的水基的凝膠或分散體涂覆到待涂覆的基底 上，干燥并于150匸至500"C的典型的溫度下在爐中煅燒。另一種用于鋁材料的涂層已知于DE 699 08 837 T2。在此，所述 涂層涉及活塞裙的表面，其具有經硬質陽極化的涂層和在經硬質陽極 化的涂層上涂覆的復合聚合物涂層。所述復合聚合物涂層在耐熱聚合 物基質中含有許多固態的和潤滑性的微粒，所述耐熱性聚合物基質可 經受發動機的工作溫度。在此，作為潤滑劑使用已知的潤滑劑-材料 石墨、氮化硼、鉬等。
發明內容
本發明的任務在于開發構件上的熱負荷的或者熱與腐蝕性負荷 的功能性表面的涂層，其與功能性構件的母材形成化學鍵合并因此對 抗內能性構件的腐蝕性和熱負荷。此外，所述涂層應是容易施用的， 并具有對于母材的高粘附性。此外，本發明的任務在于提供一種用于 制備這類層的隔離劑，其可廉價地制備且容易地施用。本發明的另一 個任務是提供一種方法，所述方法能夠產生這類層，且所述方法在粘 結劑和母材之間產生高粘附性。
本發明涉及用涂層裝備的功能性構件的任務如下解決，即所述粘 結劑相與功能性構件的母材化學結合，且所述粘結劑相由聚合物形成， 所述聚合物由經聚合的氟化鋯構成，其中功能性構件為內燃機的部件。 通過本發明的由經聚合的氟化鋯構成的粘結劑相的應用，現在獲得了 這樣的可能性，即建立與母材的化學鍵合，并因此在功能性構件上產 生牢固粘附的層。這類涂層提高了功能性構件的壽命并降低了 (在改 進的效果的情況下)耗費且高成本的用于改進所述母材的溫度突變行 為的方法的使用。此外，借助本發明的層避免了沉積，這又用于汽車 的減排。在有利的本發明的實施方案變化中，將Ah03和/或Si02和/ 或Ti02和/或Zr02形式的結構顆粒結合到所述粘結劑相中。在此，聚 合物鏈包裹所述結構顆粒且將所述結構顆粒粘結到母材上。在此，所 述氟化物與在母材中存在的鐵或者非金屬(例如鋁)形成化學鍵。因 此，在功能性構件上產生牢固粘附的層，其借助與母材的化學鍵和所 述結構元件到聚合物鏈中的包裹形成對于腐蝕性負荷的高的安全性。 在此硬質的結構顆粒(其作為氧化物存在)用作為磨損載體且所述粘結劑相用作為母材與結構元件之間的粘結劑。所述結構顆粒以80nm 至200認的級份存在，并在涂層中以不超過10重量％形成顆粒類材料 的最大份額。所述結構顆粒具有相對粗糙的表面結構，以便一方面彼
的牢固性(Halt) 。 e '"' '
優選將Al203和/或Si02和/或ZnO和/或1402和/或Zr02和/或CeO 形式的基礎顆粒與結構顆粒一起引入到所述粘結劑相中。所述基礎顆 粒置入到所述結構顆粒之間的空隙中。特別是通過2nm至80nm的基礎 顆粒尺寸，所述基礎顆粒最佳適合于用作為結構顆粒之間的填充物。 由此產生非常平滑的表面，其又對抗腐蝕和對抗沖擊功能性構件的(在 例如廢氣再循環管道的廢氣中含有的)炭黑顆粒的沉積。所述非常平 滑且耐久的表面因此成就本發明的優點，即用本發明的涂層裝備的功 能性構件具有長的壽命。所述基礎顆粒優選以1重量％至3重量％的 份額存在于所述涂層中。
在其它有利的本發明的實施方案變化中，在粘結劑相中結合入氮 化硼和/或鎂鋁硅酸鹽和/或二硫化鉬和/或硅酸鹽礦(例如云母)形式 的滑動顆粒。在所述涂層中以不超過5重量％的份額含有所述滑動顆 粒。具有2)im至15pm范圍(Ausdehnung )的大得多的滑動顆粒同樣 通過聚合物鏈固定或處于所述涂層中的結構顆粒之間。
作為層厚優選設計厚度為lpm和80nm之間。在功能性構件的 表面上優選厚度為25mhi和60jum之間。功能性構件為例如構件(如 活塞、汽缸蓋球形軍或汽車中的廢氣再循環管道)。在此功能性構件 由鋁合金或由鋼形成。同樣可能的是，在功能性構件上的本發明的涂 層由鑄鐵，特別是GG、 GGG、 GGV形式的鑄鐵形成。
本發明涉及用于制備在功能性構件上的涂層的隔離劑的任務如下 解決，即所述隔離劑由全脫鹽的水形成并含有下列成分
-成酸劑，特別是以鈉堿液和/或鉀堿液和/或氯化鋁形式的 -由氟化鋯(特別是以H2Zr^形式的)構成的粘結劑， -有機分散劑(例如明膠)。借助成酸劑可以調節酸含量并以此調節所述隔離劑的pH值，并因 此控制反應速度和聚合物的形成。優選調節在隔離劑中的pH值為4 至5。通過使用隔離劑現在可以制備根據權利要求1所述的涂層。在 優選的實施方式中在隔離劑中含有結構顆粒以及基礎顆粒，其借助噴 涂或浸漬所述功能部件而施加到功能性構件的材料表面上。有利的是 同樣引入氮化硼和/或鎂鋁硅酸鹽和/或二硫化鉬形式的滑動顆粒。在 此，所述結構顆粒的級份處于80nm至200nm之間，所述基礎構件的級 份處于2nm至80nm之間和所述滑動顆粒的級份處于2lam至15)am之 間。在此獨立地(selbstandig)形成納米顆粒的明膠是有利的。在從 屬權利要求中給出的范圍粘結劑以不超過5重量o/。的最大份額 (Gr6IJenanteil)添加到所述隔離劑中。將不超過10重量％的結構 顆粒，不超過3重量％的基礎顆粒和不超過5重量％份額的滑動顆粒 添加到隔離劑中。
通過結構顆粒、基礎顆粒、滑動顆粒和作為粘結劑的氟化鋯的添 加的有針對性的選擇可以制備隔離劑，其具有高的流動性并優選用簡 單的方法噴涂到功能性構件的表面上。
關于在功能性構件的表面上制備涂層的方法，本發明的涂層經此 制備，即所述表面首先用隔離劑沖擊并隨后將功能性構件加熱到至少 200匸的溫度，以便進行氟化物與母材的化學鍵合和粘結劑的聚合。有 利地所述加熱借助高頻電場產生，即例如以電容或電感方式施加到功 能性構件的表面上。通過直接的加熱(例如在電感加熱的情況下進行)， 可非常均勻地加熱所述表面。在此，優選的借助高頻電場用于加熱的 頻率區間為100kHz至lOMHz，其中優選4吏用約4MHz。在用4MHz加熱 的情況下因此產生0. 2至0. 3mm的氟化物滲透深度。因此，在功能性 構件的表面上產生非常好的粘附性涂層。
聚合物鏈一方面用于所述層的內聚力且另 一方面所述聚合物鏈 是有利的，因為其在熱負荷下增長并因此提高所述層的彈性。因此， 在循環的熱負荷下不出現由所述涂層的裂縫形成而造成的過早的構件 失效，因為本發明的涂層可彈性地跟隨母材伸展。通過本發明所述層的結構可達到直至約1300r的耐熱性。所使用的氟化物粘結劑體系具 有約220。C的聚合溫度和830X:的玻璃化溫度。在此，對母材的粘附性 在接近玻璃化或者玻璃化的狀態下通過對母材的化學鍵合而確保。但 是，優選注意在功能性構件的使用區域內的運行溫度低于所述玻璃化 溫度，由此所述涂層在彈性區域內并因此其膨脹系數類似于所述母材 的膨脹系數。
權利要求
1. 金屬的功能性構件，其承受熱負荷或者熱和腐蝕性負荷，并在所述構件上將一種由粘結劑相和嵌入到所述粘結劑相中的材料構成的涂層涂覆到至少一個表面上，其特征在于，所述功能性構件是內燃機的部件，且所述粘結劑相與所述功能性構件的母材化學結合，并形成由經聚合的氟化鋯構成的聚合物形成的粘結劑相。
2. 根據權利要求1所述的功能性構件，其特征在于，嵌入到粘結 劑相中的材料是80nm至200nm級份的人1203和/或Si。2和/或Ti。2和/ 或Zr02形式的結構顆粒，其中所述結構顆粒由聚合物包袞。
3. 根據權利要求2所述的功能性構件，其特征在于，嵌入到粘結 劑相中的材料由2nm至80nm級份的A1203、 Si02、 ZnO、 Zr02、 CeO、 Ti02 形式的基礎顆粒形成，其中所迷基礎顆粒置入到結構顆粒之間的空隙 中且所述基礎顆粒由聚合物包裹。
4. 根據權利要求1或2或2和3所迷的功能性構件，其特征在于， 嵌入到粘結劑相中的材料為2)im至15)im級份的氮化硼和/或鎂鋁硅 酸鹽和/或二硫化鉬形式的滑動顆粒，其中所述滑動顆粒由聚合物包 裹。
5. 根據權利要求1-4中一項或多項所述的功能性構件，其特征在 于，所述功能性構件由鋁合金或鋼或鑄鐵，特別是GG、 GGG、 GGV形式 的鑄鐵形成。
6. 根據權利要求5所述的功能性構件，其特征在于，所述功能性 構件為含鐵的構件，且涂層借助經結合的氟化鐵與母材粘結。
7. 根據權利要求1-4中一項或多項所述的功能性構件，其特征在 于，所述層以lpm至80jLim,優選25Mm至60 p m的厚度存在于表面上。
8. 根據權利要求1-5中一項或多項所述的功能性構件，其特征在 于，所述構件為活塞、汽缸蓋球形軍或廢氣再循環管道部件。
9. 用于制備在功能性構件上的涂層的隔離劑，其特征在于，所述隔離劑由全脫鹽的水形成并至少含有下列成分-成酸劑，特別是以鈉堿液和/或鉀堿液和/或氯化鋁形式和， -由氟化鋯構成的粘結劑。
10. 根據權利要求9所述的隔離劑，其特征在于，在所述隔離劑中 含有80nm至200nm級份的Al力3和/或Si02形式的結構顆粒的組分。
11. 根據權利要求10所述的隔離劑，其特征在于，在所述隔離劑 中含有2nm至80nm的級份的Al^和/或Si(^和/或ZnO和/或Ti02和/ 或ZrOs和/或CeO形式的基礎顆粒的組分。
12. 根據權利要求9-10中一項或多項所述的隔離劑，其特征在于， 在所述隔離劑中含有2lam至15jam的級份的氮化硼和/或鎂鋁硅酸鹽 和/或二硫化鉬形式的滑動顆粒的組分。
13. 根據權利要求9-12中一項或多項所述的隔離劑，其特征在于， 在所述隔離劑中借助成酸劑將pH值調節到4至5。
14. 根據權利要求9-13中一項或多項所述的隔離劑，其特征在于， 所述粘結劑的份額在隔離劑中少于或等于5重量％。
15. 根據權利要求9-14中一項或多項所述的隔離劑，其特征在于， 所述結構顆粒的份額在隔離劑中少于或等于10重量％。
16. 根據權利要求9-15中一項或多項所述的隔離劑，其特征在于， 所述基礎顆粒的份額在隔離劑中少于或等于3重量％,且優選在1重 量％和3重量％之間。
17. 根據權利要求9-16中一項或多項所述的隔離劑，其特征在于，所述滑動顆粒的份額在隔離劑中少于或等于5重量％。
18. 在根據權利要求1-8中一項或多項所述的功能性構件的金屬 表面上，借助根據權利要求9-17中一項或多項所述的隔離劑制備涂 層的方法，其特征在于，-首先，將所述表面用隔離劑沖擊，和-隨后將功能性構件加熱到至少200X:的溫度，以便在隔離劑中進行氟化物與母材的化學鍵合和粘結劑的聚合。
19. 根據權利要求18所述的方法，其特征在于，所述加熱借助高頻電場在100kHz至10MHz的頻率范圍內，優選在領Hz的頻率范圍內， 以電感或電容方式進行。
全文摘要
本發明涉及一種金屬的功能性構件，其承受熱負荷或者熱和腐蝕性負荷并在所述構件上涂覆一種涂層到至少一個表面上，其中所述涂層由具有氟化鋯的粘結劑相和置入到所述粘結劑相中的材料構成。此外，本發明涉及一種用于制備這類涂層的隔離劑，以及一種涂覆所述涂層到功能性構件上的方法。
文檔編號C09D5/18GK101501246SQ200780013797
公開日2009年8月5日 申請日期2007年2月15日 優先權日2006年3月7日
發明者M·勞登克勞斯 申請人:Ks鋁技術有限公司;格利達股份公司