MX2013015314A

MX2013015314A - Junta de piston.

Info

Publication number: MX2013015314A
Application number: MX2013015314A
Authority: MX
Inventors: Toshikatsu Hayashi; Kouhei SUGIMOTO; Yoshinari Watanabe; Hayato Sasaki
Original assignee: Riken Kk
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2012-10-29
Publication date: 2014-02-20
Also published as: KR20150097817A; CN103492769A; US9709169B2; CN103492769B; JPWO2013065652A1; WO2013065652A1; MX359796B; EP2706272A1; EP2706272B1; JP5391368B2; US20140225329A1; EP2706272A4; KR20130137035A

Abstract

Proporcionar una junta de pistón que, cuando se utiliza en un motor de alto rendimiento, puede sostener un efecto excelente de suprimir adhesión de aluminio sobre un largo periodo. Cualquiera o ambos de los lados superior e inferior de la junta de pistón se cubren con una película basada en resina que contiene un relleno fibroso con un diámetro de fibras promedio de 50 a 500 nm y una proporción de dimensiones de 30 a 500. El contenido de relleno fibroso es 0.5 a 10 en volumen con respecto a la película basada en resina total. También, el relleno fibroso empleado es al menos un tipo seleccionado entre fibras de carbón, fibras de sílice y fibras de nitruro de boro.

Description

JUNTA DE PISTÓN Campo Técnico La presente invención se refiere a una junta de pistón y más específicamente, se refiere a una junta de pistón para un motor de combustión interno.

Técnica Previa El área cerca del anillo superior de un motor que opera con gasolina, alcanza altas temperaturas de 200 grados C o superiores debido a la combustión del combustible. En un motor de combustión interna, impacto repetido ocurre entre la junta de pistón y la superficie de la ranura de junta de pistón (a continuación referida como "superficie de ranura de junta") por presión de combustión bajo dicha alta temperatura, mientras que la superficie de junta de pistón y la superficie de ranura del anillo simultáneamente se deslizan en la dirección circunferencial. Este impacto y deslizamiento dentro del anillo de pistón con alta temperatura, provoca fractura por fatiga en la superficie de ranura del anillo y desprendimiento de proyecciones en la superficie, exponiendo una superficie de aleación de aluminio activa fresca en la superficie de ranura del anillo. También, la superficie de aleación de aluminio fresca expuesta en las tiras de aleación de aluminio caídas y en la ranura del anillo entra en contacto con el lado superior y el lado inferior del anillo del pistón, impactando con el anillo del pistón, y resulta en aún mayor deslizamiento. Esto provoca que las tiras de aleación de aluminio se adhieran en los lados del anillo del pistón creando un estado de "adhesión de aluminio" en donde el cuerpo de la junta de pistón se ancla en la superficie de aleación de aluminio fresca del pistón. La adhesión de aluminio continúa, siempre que se mantenga expuesta la superficie de aleación de aluminio fresca, y adhesión progresiva de aluminio resulta en fijado del anillo del pistón sobre el pistón en la ranura del anillo, que deteriora el desempeño de sello de la junta de pistón. Pérdida de la función del sello de gas, que es uno de los desempeños del sello, resulta en un fenómeno de compresión en donde gas de combustión con alta-presión se escapa de la cámara de combustión al cigüeñal, y esto puede llevar a menor rendimiento del motor. También, pérdida de la función de sello de aceite lleva a incrementado consumo de aceite. Además, adhesión de aluminio resulta en progresivo desgaste de ranura del anillo y pérdida de la propiedad de sello entre los lados superior e inferior del anillo del pistón y la superficie de ranura del anillo, lo que lleva a un incremento en la cantidad de fuga de compresión.

Se han propuesto muchos métodos en el pasado para suprimir la adhesión de aluminio, tales como métodos para evitar contacto directo entre el material base del pistón, es decir la aleación de aluminio, y la junta de pistón y en especial el anillo superior, y método para aliviar impacto de la junta de pistón en la ranura de pistón del anillo.

Como una contra-medida en el lado del pistón, la Literatura de Patente 1 describe un método para realizar tratamiento de oxidación de ánodo (tratamiento de alunita) de la superficie de ranura de junta, y rellenar una sustancia lubricante en los microporos producidos por el tratamiento. El tratamiento de alunita forma una película dura, compuesta primordialmente de óxido de aluminio en la superficie de ranura del anillo, y por lo tanto suprime el desprendimiento de aleación de aluminio que es el material base de pistón pistón, y reduce al mínimo la adhesión sobre la junta de pistón. Sin embargo, el costo necesario para el tratamiento oxidante de ánodo del pistón es elevado, y el óxido de aluminio, que es duro, se asocia con el problema de deficientes propiedades de ajuste inicial.

Por otra parte, como una contra-medida en el lado de la junta de pistón, la Literatura de Patente 2, por ejemplo describe un método para formar en los lados de la junta de pistón, una película que comprende disulfuro de molibdeno o semejante, como un lubricante sólido, disperso en poliamida, poliimida o semejantes como una resina resistente al calor. En la construcción descrita en la Literatura de Patente 2, el lubricante sólido en la película se somete a disociación y desgaste, el coeficiente friccional de la película se reduce, se alivia el ataque en la ranura del anillo y se reduce al mínimo la adhesión de aluminio.

También, la Literatura de Patente 3 ilustra que formar una película de resina de polibenzimidazol que contiene un lubricante sólido en los lados superior y fondo de la junta de pistón puede suprimir efectivamente el fenómeno de adhesión de aluminio. La Literatura de Patente 3 también indica que fibras de carbón o fibras de vidrio pueden agregarse en lugar de un lubricante sólido.

Con creciente elevado rendimiento de motores en los últimos años, se están alcanzado superiores temperaturas en el área cercana al anillo superior. Debido a esta situación, fractura por fatiga se vuelve más común debido a menor resistencia de pistón, y se está volviendo difícil el mantener las películas de resina que cubren los anillos de pistón por largos periodos. Aunque un lubricante sólido se agrega como un componente esencial en la Literatura de Patente 2, el propio lubricante sólido se somete a disociación y desgaste como se mencionó anteriormente, de esta manera reduciendo el coeficiente friccional de la película y aliviando ataque en la ranura del anillo. Consecuentemente, la resistencia al desgaste de la película se reduce, y es difícil mantener la película por prolongados periodos y sostener un efecto de suprimir adhesión de aluminio. Además, hay límites respecto a la cantidad de lubricante sólido que puede agregarse para reducir al mínimo este desgaste de película, y por lo tanto limita en el grado en el cual el coeficiente friccional de la película puede reducirse. Consecuentemente, la superficie del material de pistón cuya dureza se ha reducido a alta temperatura se vuelve áspera, y esto puede provocar aún adicional adhesión de aluminio .

Con la película de la Literatura de Patente 3 por igual, un lubricante sólido se agrega como un componente escencial, y por lo tanto la resistencia al desgaste de la película es menor, y es difícil mantener la película por prolongados periodos y sostener un efecto de suprimir adhesión de aluminio. De esta manera, también se ha considerado agregar fibras de carbón o fibras de vidrio con el propósito de incrementar la resistencia al desgaste y fuerza de la película. Sin embargo, fibras ordinarias de carbón tales como fibras de carbón basadas en poliacrilonitrilo (PAN) , fibras de carbón basadas en brea y fibras de carbón basadas en celulosa, o fibras de vidrio tienen diámetros de fibras de 5 a 10 µp?. Cuando se agrega relleno con este diámetro grande de fibras, y los extremos del relleno se proyectan a través de la superficie de la película, esto puede provocar daño potencial y desgaste en la superficie de la ranura de junta. Además, cuando el relleno con este diámetro de fibras se agrega, la película se vuelve gruesa. Sin embargo, hay límites respecto al espesor de película inicial, ya que debe proporcionarse conveniente separación entre el lado de la junta de pistón y la ranura de junta, y no es conveniente engrosar la película a fin de reducir al mínimo incrementar la fuga de compresión o el consumo de aceite que resulta por separación incrementada después de atrición de la película.

Bajo las actuales circunstancias por lo tanto, no ha sido posible obtener una junta de pistón que pueda sostener un efecto excelente de suprimir adhesión de aluminio sobre prolongados periodos para motores de alto rendimiento.

Litera-tura de la Técnica Previa Literatura de Patente Literatura de Patente 1: Publicación de Solicitud de Patente No Examinda Japonesa No. 63-170546 Literatura de Patente 2 : Publicación de Solicitud de Patente No Examinda Japonesa No. 62-233458 Literatura de Patente 3 : Publicación de Solicitud de Patente No Examinda Japonesa No. 7-63266 COMPENDIO DE LA INVENCIÓN Problema Técnico Por lo tanto un objeto de la presente invención es resolver estos problemas y proporcionar una junta de pistón que pueda sostener un efecto de suprimir excelente adhesión de aluminio sobre prolongados periodos para motores de alto rendimiento .

Solución al Problema Como resultado de investigación muy diligente a la luz de los problemas anteriormente descritos, los presentes inventores han encontrado que al cubrir una junta de pistón con una película basada en resina que contiene un relleno fibroso fino con un diámetro de fibras promedio específico y proporción de dimensiones, es posible reducir drásticamente el coeficiente friccional en aceite lubricante y reducir efectivamente el ataque en los materiales contra-parte, y que la película tiene alta resistencia a desgaste y tenacidad y por lo tanto puede sostener un efecto de suprimir la adhesión de aluminio por prolongados periodos, y en esta base, hemos diseñado esta invención. En otras palabras, la junta de pistón de la invención es una junta de pistón que tiene una película basada en resina que cubre cualquiera o ambos de los lados superior e inferior, en donde la película basada en resina contiene un relleno fibroso con un tamaño de fibras promedio de 50-500 nm y una proporción de dimensiones de 30-500.

EFECTOS VENTAJOSOS DE LA INVENCIÓN En una junta de pistón de la invención, cubierta con una película base de resina que contiene un relleno fibroso fino, el desgaste procede desde la sección de resina suave por deslizamiento inicial con el material de pistón, y el relleno fibroso se expone en la superficie de película. Ya que el relleno fibroso se dispone aproximadamente paralelo a la superficie de la película, los lados (secciones del cuerpo) del relleno fibroso se exponen, formando una película de aceite conveniente en la superficie desgastada de las secciones de resina circundantes. En la junta de pistón de la invención, por lo tanto, el coeficiente fricional en aceites lubricantes es bajo y puede reducirse drásticamente en desgaste de los materiales contra-parte. La película de la invención en donde un relleno fibroso se dispersa tiene alta tenacidad de resistencia al desgaste, y por lo tanto mantiene estas propiedades sin pérdida incluso durante operación prolongada. Una junta de pistón incide con la superficie de ranura de junta con sus lados debido a movimiento de arriba-abajo y presión de pistón por combustión, sometiéndose a tensión poderosa por golpe y deslizamiento, pero de acuerdo con la invención, esta tensión se difunde por el relleno fibroso fino intercalado en la superficie de la película, mientras que también se alivia por la matriz de material de resina flexible. Además, ya que el material de pistón se desliza en contacto con los lados lisos del relleno fibroso con una junta de pistón de la invención, una interfase cómoda ideal se forma con la superficie de material de pistón en la etapa inicial, después de lo cual la película se mantiene por prolongados periodos sin desgaste de los materiales contra-parte, de manera tal que puede exhibirse continuamente un efecto excelente de suprimir adhesión de aluminio.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una gráfica que muestra la relación entre el contenido de nanotubos de carbón en la película basada en resina y el coeficiente friccional en aceite lubricante .

Descripción de Modalidades La junta de pistón de la invención se explicará con mayor detalle. (1) Material base de junta de pistón El material base de la junta de pistón de la invención no está restringido particularmente, pero de preferencia tiene resistencia requerida ya que el impacto con la ranura de junta ocurre en forma repetida. Materiales preferidos incluyen acero, acero inoxidable martensita, acero inoxidable austenita y hierro vaciado de alto grado. (2) El tratamiento de capa base de junta de pistón A fin de mejorar la adhesividad en la película de la invención con el material base de junta de pistón, una película de fosfato puede formarse en la superficie de material base de junta de pistón. La película de fosfato por ejemplo puede ser una película basada en fosfato de zinc, basada en fosfato de manganeso, o basada en fosfato de calcio. Una película de tratamiento de conversión química o película de óxido también puede formarse además de la película de fosfato. Ya que una película de tratamiento de conversión química no puede formarse en una junta de pistón en donde una película de revestimiento con cromo duro o película de revestimiento de niquelado químico se ha formado en la superficie de material base, se prefiere retirar los contaminantes inorgánicos o los contaminantes orgánicos para asegurar la adhesividad de la película. El tratamiento de ráfaga puede llevarse a cabo para también servir para ajuste de la aspereza superficial.

La rugosidad de la capa base de la película basada en resina de la invención es la altura de diez-puntos de irregularidades con base en JISB0601: '01, z. JIS, que de preferencia es 1.0 a 6.0 µp? y más preferiblemente 1.5 a 4.5 µp?. Si la rugosidad o aspereza de la capa base está en este intervalo, será más fácil que el relleno fibroso en la película basada en resina alinee paralelo con la superficie de la película. De esta manera, adición de una cantidad de trazas de relleno fibroso puede reducir el coeficiente friccional y minimizar la proyección del relleno fibroso, para reducir drásticamente el desgaste de los materiales contra-parte .

Una junta de pistón incide en la superficie de ranura de junta con sus lados debido al movimiento de arriba hacia abajo y presión de combustión del pistón, realizando poderosa tensión por incidencia y deslizamiento, y ambos lados y ranura de junta son sometidos a abrasión. Cuando el desgaste de la película basada en resina de la invención progresa y la película de fosfato de la capa base y la película de tratamiento de conversión química se han expuesto, subsecuente desgaste de la superficie de ranura de junta está regulado por la rugosidad o aspereza de capa base. Una rugosidad de capa base más pequeña puede reducir el coeficiente de fricción y puede reducir efectivamente el desgaste de la superficie de ranura de junta. La rugosidad de la capa base también es un factor que influencia la adhesividad de la película. Una rugosidad de capa base más grande aumenta el contacto de área superficial con la película basada en resina y puede mejorar la adhesividad por un efecto ancla. La rugosidad de capa base también de preferencia está dentro del intervalo anteriormente mencionado tanto para reducir desgaste en la superficie de ranura de junta como soportar la adhesividad de la película basada en resina. (3) Película La película que cubre la junta de pistón de la invención es una película basada en resina que contiene un relleno fibroso con un diámetro de fibras promedio de 50 a 500 nm y una proporción de dimensiones de 30 a 500. En esta película, el relleno fibroso fino se alinea aproximadamente en paralelo a la superficie de la película, y deslizamiento inicial con el material de pistón provoca que el desgaste proceda desde la sección de resina suave, de esta manera exponiendo las secciones laterales del relleno fibroso en la superficie de la película. Bajo condiciones de operación de motor, ocurre una condición en la que una cantidad conveniente de película de aceite se forma en la superficie de la sección de resina alrededor del relleno fibroso fino, y esto por lo tanto puede reducir el coeficiente de fricción y reducir drásticamente el desgaste de los materiales contraparte. La película de la invención en la que el relleno fibroso se dispersa tiene alta tenacidad y resistencia al desgaste y por lo tanto mantiene estas propiedades sin pérdida incluso durante operación prolongada. Una junta de pistón incide en la superficie de ranura de junta con sus lados debido a movimiento de arriba hacia abajo y la presión de combustión de pistón, sometiéndose a tensión poderosa por incidencia y deslizamiento, pero de acuerdo con la invención, esta tensión se difunde por el relleno fibroso fino intercalado en la superficie de la película, mientras que también se alivia por la matriz de material de resina flexible. Además, ya que el material de pistón se desliza en contacto con los lados lisos del relleno fibroso con una junta de pistón de la invención, una interfase cómoda ideal se forma con la superficie de material de pistón en la etapa inicial, después de lo cual la película se mantiene por prolongados periodos sin desgaste de los materiales contraparte, de manera tal que un efecto excelente de suprimir la adhesión de aluminio puede exhibirse en forma continua.

Si el diámetro de fibras promedio del relleno fibroso disperso en la junta de pistón de la invención excede 500 nm, ataque contra los materiales contra-parte tenderá a incrementar y el efecto de reducir el coeficiente friccional en aceite lubricante se reducirá. Si el diámetro promedio de relleno fibroso es menor a 50 nm por otra parte, será difícil lograr dispersión uniforme en la resina, y el efecto de reducir el coeficiente fricional en el aceite lubricante se reducirá. El diámetro de fibras promedio del relleno fibroso a dispersarse en la junta de pistón de la invención, de preferencia es 70 nm a 200 nm.

Si la proporción de dimensiones del relleno fibroso a dispersarse en la película de la invención excede 500, será difícil lograr dispersión uniforme en la resina, y el efecto de reducir el coeficiente friccional en aceite lubricante por dispersión del relleno fino se reducirá. Si la proporción de dimensiones del relleno fibroso es menor a 30, por otra parte, el efecto de refuerzo de fibras se reducirá y será difícil mantener la película por periodos prolongados, mientras que el efecto de alisar el material de pistón en los lados de relleno fibroso también se reducirá. La proporción de dimensiones de relleno fibroso a dispersar en la junta de pistón de la invención, de preferencia es 40 a 200.

El contenido de relleno fibroso en la película de preferencia es 0.5 a 10% en volumen con respecto a toda la película. Si el contenido de relleno fibroso está dentro de este intervalo, el coeficiente friccional de la película en aceite lubricante se reducirá más. Además, el área expuesta del relleno fibroso en la película se optimizará, y el efecto de alisar el material de pistón se incrementará adicionalmente . Además, limitar el contenido de relleno fibroso dentro de este intervalo logrará que la resina de matriz y el relleno fibroso estén en contacto hermético más rígido, de esta manera mejorando adicionalmente la resistencia a desgaste de la película. Esto estabilizará y mantendrá a la película por más prolongados periodos, y permitirá un efecto excelente de suprimir adhesión de aluminio que se exhiba en forma continua. Si el contenido de relleno fibroso es menor a 0.5% en volumen, no habrá efecto significante en reducir el coeficiente friccional, y el efecto de alisar el material de pistón también puede ser reducido. Si excede 10% en volumen, por otra parte, el poder de retención del relleno fibroso en la resina de matriz puede ser reducido y reducir la resistencia a desgaste, y esto puede arriesgarse a incrementar ataque en el material de pistón.

La rugosidad superficial de la película basada en resina formada en la junta de pistón de la invención de preferencia no es mayor a 6.0 µp? y más preferiblemente no mayor a 4.0 µp, como los diez puntos de altura de irregularidades con base en JISB0601 : ' 01 , Rz. JIS. Con una película basada en resina que tiene una rugosidad de superficie en este intervalo, el relleno fibroso se alineará en una forma más paralela respecto a la superficie de la película. De esta manera, la proyección de las fibras desde la superficie de película se minimiza, y el desgaste de la ranura de junta provocado por ataque en la superficie de la ranura de junta por fibras proyectantes puede reducirse efectivamente .

El relleno fibroso a dispersar en la película de la invención no se restringe particularmente siempre que sea un material que tiene el diámetro de fibras promedio y proporción de dimensiones anteriormente mencionados, y pueden mencionarse de fibras de carbón, fibras de sílice, fibras de nitruro de boro, fibras de alúmina, fibras de titanato de potasio, fibras de boro y fibras de carburo de silicio. Entre estas se prefieren fibras de carbón, fibras de sílice y fibras de nitruro de boro, con las fibras de carbón que se prefieren en especial por su resistencia a la adhesión y excelente lubricidad, que tienen baja reactividad con materiales basados en aluminio empleados como materiales de pistón.

Cuando las fibras de carbón se emplean como el relleno fibroso, ya pueden ser fibras sólidas o fibras huecas . Fibras huecas pueden ser nanotubos de carbón de una sola pared (SW Ts = single-wall carbón nanotubes) o nanotubos de carbón de múltiples paredes (MW Ts = multi-wall carbón nanotubes) . Nanotubos de carbón de baja cristalinidad que tienen una capa superficial amorfa se prefieren en particular por excelente adhesividad con su matriz de material de resina. Productos de nanotubos de carbón comerciales incluyen VGCF y VGCF-H (por Showa Denko K.K.) .

El material de resina de la película de la invención de preferencia es un polímero resistente al calor con un anillo aromático o anillo heterocíclico aromático en la cadena principal, ya que la temperatura cerca de la ranura de la junta de pistón alcanza a 190 grados C o más, es adecuado para utilizar un polímero amorfo con una temperatura de transición vitrea de 190 grados C o superior, o un polímero cristalino o polímero cristalino líquido con un punto de fusión de 190 grados C o superior. Específicamente, esto incluye mezclas o complejos que incluyen al menos uno de entre poliimidas (PI) , poliéterimidas , poliamideimidas (PAI) , polisulfonas , poliétersulfonas , poliarilatos , polifenilen sulfuro, poliéter éter cetonas, poliésteres aromáticos, poliamidas aromáticas, polibenzimidazoles (PBI) , polibenzooxazoles , policianuratos aromáticos, politiocianuratos aromáticos y poliguanaminas aromáticas. También, con una resina híbrida orgánica-inorgánica que tiene un material inorgánico tal como sílice, alúmina, óxido de titanio u óxido de circonio dispersos en este material de resina a nivel molecular, es posible además mejorar la adhesividad con los materiales base, la resistencia al calor y la resistencia. Ya que la temperatura cerca de la ranura de junta puede alcanzar 250 grados C o superior en ciertos casos, el material de resina de preferencia es PBR termo-estable altamente resistente al calor, PI o PAI, y más preferible es PI en consideración al coeficiente friccional. También, para preparar una solución de revestimiento, es preferiblemente soluble en solventes orgánicos y de preferencia PI o PAI, comercialmente disponible como barnices se emplean. Productos comerciales de PI incluyen ü-Varnish-A y U-Varnish-S (producto de Ube Industries, Ltd.), la Serie HCI (producto de Hitachi Chemical Co., Ltd.), el Barniz de Poliimida Fina FC-114 (productos de Fine Chemical Japan Co., Ltd.), H850D (producto de Arakawa Chemical Industries, Ltd.), y RC5057, RC5097 y RC5019 (productos de I.S.T Co., Ltd.). Para PAI, productos incluyen las Series HPC (producto de Hitachi Chemical Co., Ltd.) y VYLOMAX (producto de Toyobo, Ltd.), y la Serie COMPOCERAN H800 y H900 (productos de Arakawa Chemical Industries, Ltd.), que son resinas híbridas con sílice en poliimida o poliamidaimida.

Además del relleno fibroso, pueden esta disperso en la película de la invención un polvo de resina basado en flúor tal como politetrafluoroetileno (PTFE) . Polvos de resina basadas en flúor incluyen además de PTFE, también un copolímero de tetrafluoroetilen-perfluoroalquilvinil éter (PFA) , copolímero tetrafluoroetilen-hexafluoropropileno (FEP) , copolímero de tetrafluoroetilen-etileno (ETFE) y policlorotrifluoroetileno (PCTFE) . Estos productos de preferencia son productos finos, y de preferencia tienen tamaños de partículas promedio de 0.1 a 1 µp?. El contenido de un polvo de resina basado en flúor de preferencia es 1 a 10% en volumen y más preferiblemente 2 a 5% en volumen respecto a toda la película. Si el polvo de resina basado en flúor se agregan dentro de este intervalo, el coeficiente friccional puede además reducirse mientras que se mantiene la excelente resistencia al desgaste de la película. Productos de polvo de PTFE comerciales incluyen KTL-500F (tamaño de partículas promedio: 0.3 µ??, producto de Kitamura, Ltd.), y Disperse EZ-200 (tamaño de partículas promedio: 0.2 µ??, producto de Techno Chemical Corp.).

El espesor (de un solo lado) de la película que cubre la junta de pistón de la invención de preferencia es 2 a 30 µt? y más preferiblemente 4 a 20 µ??. Si el espesor de la película es menor que 2 µp?, la película se someterá a atrición hasta que la superficie de la ranura de junta se alisa, y puede no ser posible que exhiba un efecto suficientemente de suprimir adhesión de aluminio. Si el espesor de la película excede 30 µ?t?, pueden ocurrir inconveniencias cuando la junta de pistón se monta en la ranura de junta y no será efectivo en costo.

El efecto de la invención también puede obtenerse al cubrir la película en al menos un lado, ya sea el lado superior o inferior de la junta de pistón, pero un efecto de supresión de adhesión de aluminio de mayor excelencia puede ser exhibido al cubrir el lado inferior. (4) Método para formar la película El método para fomar una película de acuerdo con la invención no está restringido particularmente, y métodos conocidos tales como revestimiento por rocío, revestimiento por centrifugado, revestimiento con rodillo, revestimiento por inmersión y métodos de impresión pueden ser empleados. Métodos de impresión se prefieren desde el punto de vista de excelente eficiencia al revestimiento y reducción al mínimo de los puntos de revestimiento. Por conveniencia, revestimiento por rocío se prefiere desde el punto de vista de facilitar control del estado de alineamiento del relleno fibroso. En revestimiento por rocío, una presión de rocío conveniente para la película pueden seleccionarse para permitir alineamiento paralelo del relleno fibroso.

El método de preparar la solución de revestimiento o tinta no se restringe en particular y por lo ejemplo, de preferencia el relleno fibroso se dispersa en un barniz tal como una poliimida comercialmente disponible, y después un solvente se agrega de ser necesario para ajuste a la viscosidad óptima. El solvente o adhesivos empleados para ajustar la viscosidad de la solución de revestimiento o tinta pueden seleccionarse en forma apropiada o dependiendo del método de revestimiento o método de impresión. El método de dispersión no se restringe particularmente, y métodos conocidos que emplean un molino de arena, molino de perlas, molino de bolas o molino de rodillos pueden emplearse. De ser necesario, un agente dispersante puede agregarse según sea apropiado. Por dispersión uniforme del relleno fibroso en la resina, el coeficiente friccional en aceites lubricantes se reduce adicionalmente y un efecto de mayor excelencia de alisamiento en la superficie de material de pistón se obtiene, mientras que el efecto de suprimir la adhesión de aluminio también se incrementa adicionalmente.

Después de revestir con la solución de revestimiento o después de impresión, los procesos de secado y curado se llevan a cabo. La temperatura de curado se elige como sea apropiado dependiendo del material de resina.

Ej emplos Aunque la invención se explicará adicionalmente con los siguientes ejemplos, la invención no se limita a estos ej emplos .

(Ejemplo 1) Una pieza de prueba plana y una junta de pistón se fabricarán para una prueba de abrasión, como se describe a continuación. [1] Fabricación de pieza de prueba plana para prueba de abrasión Una tira de SK-3 cortada en la longitud de 60 mm, un ancho de 10 mm y un espesor de 5 mm se pulen a Rz (JIS82) ajustada a 0.8 µ?? a 1.5 µp?. A continuación, después de desengrasado con álcali, se sumerge por aproximadamente 5 minutos en una solución de fosfato de manganeso acuosa que se ha calentado a aproximadamente 80 grados C, para formar una película de fosfato de manganeso con un espesor de aproximadamente 2 µt? en toda la superficie de la tira de prueba de abrasión. [2] Fabricación de junta de pistón Una película de CrN con un espesor de aproximadamente 30 µp? se formó por revestimiento con hierro en la superficie periférica de una junta de pistón elaborada a partir de acero de bajo contenido de cromo. la junta de pistón obtenido fue desengrasado con álcali y después sumerge por 5 minutos en una solución de fosfato de manganeso acuosa que se ha calentado a aproximadamente 80 grados C, para formar una película de fosfato de manganeso con un espesor de aproximadamente 2 µt? en la superficie de la junta de pistón diferente a la superficie periférica. La rugosidad superficial de la película de fosfato de manganeso, es decir la rugosidad de capa base de la película basada en resina de la invención, fue 2.5 µ?? como la altura de diez puntos de irregularidades Rz. jis (JISB0601: ' 01) . [3] Preparación de solución de revestimiento y formación de película Después de agregar una cantidad conveniente de N-metil-2 -pirrolidona a barniz de poliimida (PI) (U-Varnish por Ube Industries, Ltd.) para dilución, nanotubos de carbón se agregaron y mezclaron y se empleó un dispersador de alta presión para dispersión uniforme de los nanotubos de carbón para preparar una solución de revestimiento. Los nanotubos de carbón empleados fueron VGCF-H (diámetro de fibras promedio: 120 nm, longitud de fibras: 6 µt?, proporción de dimensiones: 50) por Showa Denko K.K., y se prepararon a 0.3% con respecto al volumen de toda la película formadora.

La solución de revestimiento se aplicó por revestimiento con rocío en un lado de la pieza de prueba plana y los lados superior e inferior de la junta de pistón, y seco a 100°C por 10 minutos, y calentó adicionalmente por 1 hora en un horno eléctrico a 350°C para curar. El espesor de película de la pieza de prueba en placa plana fue de aproximadamente 10 µp?, y el espesor de película de la junta de pistón (un lado) fue de aproximadamente 5 µ??. También, la rugosidad superficial de cada película fue 2.3 µp? y 2.0 µt?, como la altura de diez puntos de irregularidades Rz. JIS (JISB0601: ' 01) .

La pieza de prueba de placa plana obtenida se empela para medición del coeficiente friccional y una prueba de abrasión, y la junta de pistón obtenido se emplea se utiliza para una prueba de motor (prueba de uso actual) . Los detalles por cada prueba fueron como sigue. Los resultados se muestran en la Tabla 1. El coeficiente friccional y la extensión de desgaste de película se expresaron como valores relativos con respecto a 100 como los valores para el Ejemplo Comparativo 1 descrito a continuación, cubierto con una película de PI sin relleno o carga agregado.

(Ejemplos 2 a 8) Una película se formó en un lado de una pieza de prueba de placa plana y los lados superior e inferior de una junta de pistón en la misma forma que el Ejemplo 1, excepto porque la cantidad de nanotubos de carbón agregada se cambió a 0.5% en volumen (Ejemplo 2), 1% en volumen (Ejemplo 3), 3% en volumen (Ejemplo 4), 5% en volumen (Ejemplo 5), 8% en volumen (Ejemplo 6) , 10% en volumen (Ejemplo 7) y 12% en volumen (Ejemplo 8) respectivamente, con respecto al volumen de toda la película formada. La pieza de prueba de placa plana obtenida se empleó para medición del coeficiente friccional y una prueba de abrasión, y la junta de pistón obtenido se empela para una prueba de motor actual. Los resultados se ilustran en la Tabla 1. El coeficiente friccional y la extensión de desgaste de película se expresaron como valores relativos respecto a 100 como los valores para el Ejemplo Comparativo 1 descrito a continuación, cubierto por una película de PI sin relleno agregado.

(Ejemplo 9) Se produjeron nanotubos de nitruro de boro (BNNT) utilizando Deposición de Vapor Químico (CVD = Chemical Vapor Deposition) , de acuerdo con un método existente. Boro y amoniaco se emplearon como materiales de partida. La reacción de boro a 1300°C en un tubo de reacción que contiene polvo de óxido de magnesio produce B202 gas y partículas de magnesio. Al introducir gas argón y amoniaco en el tubo de reacción, BNNT crecen las partículas de magnesio. El tamaño de fibras promedio de BNNT obtenido fue 90 nm, la longitud de fibras fue 5 µ?? y la proporción de dimensiones fue 55.

Una solución de revestimiento se prepara y se forma una película en un lado de una pieza de prueba de placa plana y los lados superior e inferior de una junta de pistón, en la misma forma que el Ejemplo 4, excepto que los nanotubos de carbón del Ejemplo 4 se reemplazaron con los B T anteriormente mencionados . La pieza de prueba de placa plana obtenida se utiliza para medición del coeficiente friccional y una prueba de abrasión, y la junta de pistón obtenido se utiliza para la prueba de motor actual. Los resultados se muestran en la Tabla 1. El coeficiente friccional y la extensión de desgaste de película se expresan como valores relativos respecto a 100 como los valores para el Ejemplo Comparativo 1 descrito a continuación, cubierto con una película de PI sin relleno o carga agregados.

(Ejemplo 10) Nanotubos de sílice se producen de acuerdo con un método existente (Publicación de Patente Japonesa Número 3821223) . El precursor de sílice empleado fue tetraetoxisilano, que se agregó a fibras helicoidales compuestas por un material orgánico pre-sintetizado, y adsorben sobre la superficie de las fibras. Después de permitir que la mezcla de reacción repose por 5 días, se agrega dietilamina como un catalizador de reacción para promover reacción de polimerización de tetraetoxisilano, produciendo sílice. A continuación, la fibra helicoidal se consume por combustión mediante quemado para obtener nanotubos de sílice. El diámetro de fibras promedio de los nanotubos de sílice obtenidos fue 70 nm, la longitud de fibras fue 10 µp? y la proporción de dimensiones fue 140.

Se preparó una solución de revestimiento y se forma una película en un lado de una pieza de prueba de placa plana y los lados superior e inferior de la junta de pistón, en la misma forma que el Ejemplo 4, excepto porque los nanotubos de carbón del Ejemplo 4 se reemplazaron con los nanotubos de sílice anteriormente mencionados. La pieza de prueba de placa plana obtenida se emplea para medición del coeficiente friccional y una prueba de abrasión, y la junta de pistón obtenido se emplea para una prueba de motor actual . Los resultados se muestran en la Tabla 1. El coeficiente friccional y la extensión de desgaste de película se expresan como valores relativos respecto a 100 como los valores para el Ejemplo Comparativo 1 descrito a continuación, cubierto con una película de PI sin relleno o carga agregados.

(Ejemplo Comparativo 1) Una solución de revestimiento que comprende solo PI y solvente, sin adición de nanotubos de carbón, se utiliza para formar una película en un lado de una pieza de prueba de placa plana y los lados superior e inferior de una junta de pistón, en la misma forma que el Ejemplo 1. La pieza de prueba de placa plana obtenida se empleó para medición del coeficiente friccional y una prueba de abrasión, y la junta de pistón obtenido se utiliza para la prueba de motor actual. Los resultados se ilustran en la Tabla 1. El coeficiente friccional y la extensión de desgaste de película se expresaron como valores relativos respecto a 100 como los valores para este ejemplo Comparativo.

(Ejemplo Comparativo 2) Se forma una película en un lado de una pieza de prueba de placa plana y los lados superior e inferior de una junta de pistón, en la misma forma que el Ejemplo 5, excepto que las Fibras de Carbón HT C413 (diámetro de fibras promedio: 6 µp?, longitud de fibras: 150 µt?, proporción de dimensiones: 25) por Toho Tenax Co. , Ltd., se emplearon en lugar de nanotubos de carbón. La pieza de prueba de placa plana obtenida se empela para medición del coeficiente friccional y la prueba de abrasión, y la junta de pistón obtenida se utiliza para una prueba de motor actual. Los resultados se ilustran en la Tabla 1. El coeficiente friccional y la extensión de desgaste de película se expresan como valores relativos respecto a 100 como los valores para el Ejemplo Comparativo 1.

(Ejemplo Comparativo 3) Una película se formó en un lado de un pieza de prueba de placa plana y los lados superior e inferior de una junta de pistón, en la misma forma que el Ejemplo 5, excepto porque FloTube900 (diámetro de fibras promedio: 11 nm, longitud de fibras: 10 µp?, proporción de dimensiones: 90) por Cnano Co. se emplearon como los nanotubos de carbón. Las piezas de prueba de placa plana obtenidas se emplean para medición del coeficiente friccional y una prueba de abrasión, y la junta de pistón obtenido se utiliza para una prueba de motor actual. Los resultados de ilustran en la Tabla 1. El coeficiente friccional y la extensión de desgaste de película se expresan como valores relativos con respecto a 100 como los valores para el Ejemplo Comparativo 1.

(Ejemplo Comparativo 4) Se forma una película en un lado de una pieza de prueba de placa plana y los lados superior e inferior de una junta de pistón, en la misma forma que el Ejemplo 5, excepto por que Grafito Artificial HAG-150 (tamaño de partículas promedio: 0.7 µp?) por Nippon Grap ite Industries, Ltd., se emplea en lugar de nanotubos de carbón. La pieza de prueba de placa plana obtenida se utiliza para medición del coeficiente friccional y una prueba de abrasión, y la junta de pistón obtenida se utiliza para una prueba de motor actual . Los resultados se muestran en la Tabla 1. El coeficiente friccional y la extensión de desgaste de película se expresan como valores relativos con respecto to 100 como los valores para el Ejemplo Comparativo 1.

(Medición de coeficiente friccional y prueba de abrasión) El coeficiente friccional se midió utilizando un probador de abrasión reciprocante. Cada uno de los lados de las piezas de prueba planas de los Ejemplos 1 a 10 y los Ejemplos Comparativos 1 a 4 cubiertos con películas, se prensaron con una carga fija load utilizando una esfera de aluminio de f .5 mm, mientras que reciproca la pieza de prueba bajo condiciones específicas a continuación, y medir la fuerza friccional de un medidor de tensión de brazo que ancla la esfera de aluminio. El coeficiente friccional se calcula a partir de la fuerza de fricción y la carga de prueba después de 10 recorridos. Los resultados se ilustran en la Figura 1.

Temperatura de prueba: 260°C, recorrido: 40 mm, velocidad de frotación: 70 mm/s, condiciones de lubricación: aceite lubricante, operaciones: 250 operaciones recíprocas.

La extensión de desgaste de la película se determinó al retirar la pieza de prueba después de la prueba, eliminar el polvo de abrasión por limpieza ultrasónica en etanol, secar, dejar que enfríe, utilizar un medidor de rugosidad o aspereza para medir la forma en sección transversal y la dirección de eje corto de la pieza de prueba, y calcular el área en sección transversal de las pistas de desgaste generadas por la prueba de abrasión.

Medición de la forma en sección transversal se realiza entre sitios por cada pista de desgaste, el área en sección transversal de la pista de desgaste más grande se registra como la extensión de desgaste de película.

(Prueba de motor) Cada uno de los anillos de pistón de los Ejemplos 1 a 10 y los Ejemplos Comparativos 1 a 4 se montaron en la ranura de junta superior de un pistón de aleación de aluminio (AC8A-T6) , y montan en un motor de 4 cilindros de 1.5 litros. El motor se emplea por 100 a 400 horas de operación intermitente a una velocidad rotacional de 6400 rpm. Después de operación, la adhesión de aluminio en los lados del anillo pistón y la aspereza de la ranura de junta superior del pistón se observaron. El segundo anillo y el anillo de aceite empleados tuvieron las siguientes especificaciones. (1) Segundo anillo Material: SWOSC-V, Tratado con fosfato de zinc en toda la superficie (2) Junta de aceite Riel lateral Material: JIS G3502 SWRS82A-K, película de CrN formadas por revestimiento iónico en la superficie periférica.

Expansor separador Material: SUS304 Los resultados de prueba se muestran en la Tabla 1. Los criterios empleados para los resultados en la Tabla 1 fueron como sigue.

Desgaste de ranuras : Ninguno: O (marca de círculo) Presente pero mínimo: ? (marca triangular) Presente: x (marca de cruz) Adhesión: Adhesión presente: Sí Adhesión ausente: No [Tabla 1] En los Ejemplos 1 a 8 de la invención, en donde la cobertura fue con una película que contiene nanotubos de carbón agregados con un diámetro de partículas promedio de 120 nm y una proporción de dimensiones de 50, los coeficientes fricciónales en aceite lubricante y grados de desgaste de película se reducen drásticamente en todos los casos, en comparación con el Ejemplo Comparativo 1 en donde la cubierta fue con una película de PI que no contiene relleno agregado. También, mientras que el desgaste de ranura y adhesión ocurrieron en el Ejemplo Comparativo 1, ninguno ocurrió en cualquiera de los Ejemplos 1 a 8. La razón para esto se considera que es como sigue. En las películas que contienen nanotubos de carbón, deslizamiento inicial con el material de pistón se sometió a abrasión de las secciones de resina suave, exponiendo las secciones del lado fino de los nanotubos de carbón en la superficie de película, y una película de aceite suficiente se formó en la superficie de resina circundante. Supuestamente, esta condición de superficie de película optimiza el deslizamiento con el material de contraparte, resultando en un menor coeficiente friccional. Además, se conjetura que la baja ficción permitió abrasión de deslizamiento con el material de contraparte se reduzca en forma significativa, y que la alta tenacidad de resistencia a desgaste de las películas en los Ejemplos 1 a 8 en donde se dispersaron nanotubos de carbón, se mantuvieron en forma estable incluso en la prueba de abrasión. En la prueba del motor, por otra parte, una interfase cómoda ideal formada entre la superficie de material de pistón debido a deslizamiento con los lados de los nanotubos de carbón en la etapa inicial y baja fricción, se mantiene posteriormente por igual. Una junta de pistón pega con la superficie de ranura de junta, con sus lados por el movimiento ascendente-descendente o de arriba abajo y la presión de combustión del pistón, sometiéndose a esfuerzo poderoso por incidencia y deslizamiento, pero en los ejemplos de la invención, esta tensión se difunde por los nanotubos de carbón intercalados en la superficie de película, mientras que también se alivia por la matriz de PI . Por lo tanto se conjetura que en la junta de pistón de la invención, la película se mantuvo en forma estable sin provocar desgaste de material de contraparte (ranura) , y se mantuvo en forma continua un efecto excelente de suprimir adhesión de aluminio, de esta manera evitando desgaste de ranura y adhesión. Además, ya que la adición de nanotubos de carbón mejora la conductividad térmica de la película, es posible liberar rápidamente el calor generado al lado del cilindro. De esta manera, el aumento de temperatura mínima de la película y el desgaste reducido se consideran factores responsables para permitir que la película se mantenga por periodos prolongados .

La Figura 1 es una gráfica que muestra la relación entre contenidos de nanotubos de carbón y coeficiente friccional en aceite lubricante, para las películas de los Ejemplos 1 a 8. La ordenada representa el valor relativo respecto a 100 como el valor para el Ejemplo Comparativo 1 en el que no se agregaron nanotubos de carbón. Esto muestra que con un intervalo de contenido de nanotubo de carbón de 0.5 a 10% en volumen, el coeficiente friccional no fue mayor que 1/2 respecto al Ejemplo Comparativo 1, indicando que el efecto reductor de coeficiente friccional es especialmente notable en este intervalo. Esto se atribuyó a optimización del área expuesta de los nanotubos de carbón en la película. En este intervalo, el grado de desgaste de película también se redujo adicionalmente a no mayor que 15% en comparación con el Ejemplo Comparativo 1. Al aplicar esta película, deberá ser posible mantener un efecto de suprimir adhesión de aluminio por periodos prolongados incluso en motores de alta carga .

Además, en el Ejemplo 9 y Ejemplo 10 que utilizan B T y nanotubos de sílice, respectivamente como el relleno o carga fibrosa, en lugar de nanotubos de carbón, reducción similar en el coeficiente friccional y extensión de desgaste de película se observaron como en el Ejemplo 4, y no se vió desgaste de ranura o adhesión en la prueba del motor.

Por otra parte, en el Ejemplo Comparativo 2, que utiliza fibras de carbón con un diámetro de fibras de aproximadamente 6 µp?, el coeficiente friccional y la extensión de desgaste de película se incrementaron frente al Ejemplo Comparativo 1, y desgaste de ranura y adhesión se vieron en la prueba del motor. Esto es posible debido al gran diámetro de fibras del relleno o carga que resulta en ataque incrementado en el material contra-parte. También, en el Ejemplo Comparativo 3 que utiliza nanotubos de carbón con un diámetro de fibras de 11 nm, el coeficiente friccional y grado de desgaste de película se reducen ligeramente por 10% y 5%, respectivamente en comparación con el Ejemplo Comparativo 1, pero se vió moderado desgaste de ranura en la prueba del motor. La causa de esto puede ser que debido a que los nanotubos de carbón son tamaño micro, el área de contacto con el material de pistón fue baja y no se observó un efecto de lubricación suficiente.

Además, en el Ejemplo Comparativo 4 que utiliza polvo de carbón con un tamaño de partículas promedio de 0.7 µ?, el coeficiente friccional y extensión de desgaste de película se reducen en comparación con el Ejemplo Comparativo 1, pero el por ciento de reducción fue menor que en los ejemplos, y se observó desgaste de ranura moderado en la prueba del motor.

Estos resultados confirman que la adición de un relleno fibroso con un tamaño de fibras y proporción de dimensiones predeterminados son efectivos para reducir el coeficiente friccional de una película basada en resina en aceite lubricante, y que supresión continua de adhesión de aluminio por periodos prolongados es posible con un anillo de pistón de la invención cubierto con dicha película de resina.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una junta de pistón que tiene una película basada en resina que cubre al menos uno de los lados superior e inferior, en donde la película basada en resina contiene un relleno fibroso con un diámetro de fibras promedio de 50 a 500 nm y una proporción de dimensiones de 30 a 500.

2. Una junta de pistón de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el contenido de relleno fibroso es 0.5 a 10% en volumen respecto a toda la película basada en resina.

3. Una junta de pistón de conformidad con la reivindicación 1 o 2, caracterizada porque el relleno fibroso es al menos un tipo seleccionado del grupo que consiste de fibras de carbón, fibras de sílice y fibras de nitruro de boro .

4. Una junta de pistón de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque la película basada en resina es al menos una selección del grupo que consiste de poliimidas, poliéterimidas , poliamideimidas , polisulfonas , poliétersulfonas , poliarilatos , polifenilen sulfuros, políéter éter cetonas, poliésteres aromáticos, poliamidas aromáticas, polibenzimidazoles, polibenzooxazoles, policianuratos aromáticos, politiocianuratos aromáticos y poliguanaminas aromáticas .

5. Una junta de pistón de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque la rugosidad de la tapa base de la película basada en resina es 1.0 a 6.0 µp?, como la altura de diez puntos de irregularidades Rz. JIS.

6. Una junta de pistón de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque la rugosidad superficial de la película basada en resina no es mayor a 6.0 µt?, como la altura de diez puntos de irregularidades Rz. JIS.