DE602004003742T2

DE602004003742T2 - Technik zum Bereitstellen eines Motorkolbenbolzens mit niedrigen Reibungscharakteristiken und Haltbarkeit

Info

Publication number: DE602004003742T2
Application number: DE602004003742T
Authority: DE
Inventors: Takahiro Hamada; Yutaka Mabuchi; Makoto Kano; Hidenori Miyake
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2004-05-04
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2024-05-05
Also published as: DE602004003742D1; US20040261614A1; CN1573064A; CN100352968C; EP1484534A1; US7228786B2; EP1484534B1; JP2004360649A

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Technik zum Bereitstellen eines Motorkolbenbolzens mit niedrigen Reibungscharakteristiken und Haltbarkeit.
Globale Umweltprobleme, wie globale Erwärmung und Zerstörung der Ozonschicht, geraten ins Blickfeld. Die globale Erwärmung wird sehr stark durch CO₂-Emission hervorgerufen, und die Reduzierung der CO₂-Emission (besonders die Festlegung von CO₂-Emissionsnormen) ist für jedes Land zu einer großen Herausforderung geworden.
Hierbei ist eine der Herausforderungen der CO₂-Emissionssteuerung, den Kraftstoffwirkungsgrad eines Fahrzeugs zu verbessern. Die Gleitreibung der Kolbenbolzen gegen den Kolbenbolzenvorsprung in einem Fahrzeugmotor ist weitgehend verantwortlich für mechanische Verluste des Motors. Es ist somit wichtig, die Reibung zwischen den Kolbenbolzen und den Kolbenvorsprüngen zu verringern, um eine direkte Verbesserung des Kraftstoffwirkungsgrads im Fahrzeug bereitzustellen.
Es gibt wirksame Möglichkeiten, die Reibung zwischen den Kolbenbolzen und den Kolbenvorsprüngen zu verringern: eine Möglichkeit ist, die Kolbenbolzen am Blockieren zu hindern, und eine weitere Möglichkeit ist, das Gewicht der Kolbenbolzen zu verringern, während ein Verschleiß der Kolbenbolzen verhindert wird. Zum Beispiel schlägt die japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr. 7-286696 vor, die Kolbenbolzen mit sehr harten Metallbeschichtungen zu bedecken, so dass die Kolbenbolzen widerstandsfähiger gegen Blockieren werden. Außerdem schlägt die japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr. 8-061499 vor, die Kolbenbolzen aus einem keramischen Material zu bilden, so dass die Kolbenbolzen leicht und verschleißbeständig werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Jedoch hat sich erwiesen, dass diese Vorschläge nicht in der Lage waren, eine so deutliche Reibungsreduzierung zu erzeugen, wie erwartet wurde.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Motorkolbenbolzen mit hohem Widerstand gegen Blockierung vorzusehen, um eine deutliche Reibungsreduzierungswirkung zu erhalten.
Als Ergebnis ausführlicher Recherchen wurde von den Erfindern herausgefunden, dass ein Motorkolbenbolzen mit einer harten Kohlenstoffbeschichtung ausgezeichnete, niedrige Reibungseigenschaften bei Vorhandensein eines Schmiermittels, das einen speziellen aschefreien Reibungsmodifikator oder Reibungsmodifikatoren enthält, aufweist. Die vorliegende Erfindung wurde auf der Grundlage der obigen Erkenntnisse erzielt.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Motor-Kolbenbolzen-Gleitstruktur bereitgestellt, umfassend: einen Kolbenbolzen, der gleitfähig in einen Bolzenvorsprung oder eine Bolzennabe eines Motorkolbens eingreift, wobei der Kolbenbolzen eine Bolzenbasis und eine harte Kohlenstoffbeschichtung, die auf der Bolzenbasis ausgebildet ist, aufweist, um so eine Gleitoberfläche zu definieren, die über eine Lageroberfläche des Bolzenvorsprungs oder der Bolzennabe gleiten kann, wobei die harte Kohlenstoffbeschichtung 25 Atom% oder weniger an Wasserstoff enthält; und ein Schmiermittel, das zwischen der Gleitoberfläche des Kolbenbolzens und der Lageroberfläche des Bolzenvorsprungs oder der Bolzennabe eingebracht ist, wobei das Schmiermittel zumindest einen aschefreien Fettester-Reibungsmodifikator und/oder einen aschefreien aliphatischen Amin-Reibungsmodifikator enthält.
Die weiteren Ziele und Merkmale der Erfindung werden auch aus der nachfolgenden Beschreibung verständlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A ist eine Schnittansicht eines Kolbenbolzens gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
1B ist eine Endansicht des Kolbenbolzens gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
1C ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils des Kolbenbolzens gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend im Detail beschrieben. In der nachfolgenden Beschreibung sind alle Prozentangaben (%) auf die Masse bezogen, wenn nicht anders spezifiziert.
Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Kolbenbolzen-Gleitstruktur für einen Fahrzeugmotor vorgesehen, die einen Kolbenbolzen 1, der gleitfähig in ein Kolbenvorsprung oder eine Kolbennabe (im folgenden Kolbenvorsprung) eines Kolbens (nicht gezeigt) des Motors eingreift, und ein Schmiermittel umfasst, das zwischen den Kolbenbolzen und den Kolbenvorsprung eingebracht wird.
Der Kolbenbolzen 1 umfasst eine zylindrische Kolbenbasis 3, die aus einem Stahl- oder Aluminiummaterial gefertigt ist, und eine harte Kohlenstoffbeschichtung 2, die auf der Kolbenbasis 3 ausgebildet ist, wie in 1A, 1B und 1C dargestellt, um so eine Gleitoberfläche zu definieren, die über eine Lageroberfläche des Kolbenvorsprungs gleiten kann.
Die harte Kohlenstoffbeschichtung 2 kann durch verschiedene physikalische Abscheidungsverfahren (PVD) gebildet werden und ist vorzugsweise eine diamantartige Kohlenstoffbeschichtung (DLC), die durch Lichtbogen-Ionenplattierung gebildet wird. Die DLC-Beschichtung ist eine Beschichtung aus amorphen Kohlenstoff, wie ein wasserstofffreier amorpher Kohlenstoff (a-C), ein wasserstoffhaltiger amorpher Kohlenstoff (a-C:H) und ein metallhaltiger Kohlenstoff oder ein Metallcarbid (MeC), das Metallelemente aus z. B. Titan (Ti) oder Molybdän (Mo) enthält. Um eine größere Reibungsverringerungswirkung zu erhalten, ist es wünschenswert, die Menge an Wasserstoff in der DLC-Beschichtung zu minimieren. Der Wasserstoffgehalt der DLC-Beschichtung beträgt vorzugsweise 25 Atom% oder weniger, besser 5 Atom% oder weniger, noch besser 0,5 Atom% oder weniger. Besonders geeignet ist die Verwendung einer wasserstofffreien amorphen Kohlenstoffbeschichtung.
Außerdem reflektiert die Gleitoberfläche des Kolbenbolzens 1, die durch die harte Kohlenstoffbeschichtung 2 definiert ist, die Oberflächenrauheit der Bolzenbasis 3. Wenn die Bolzenbasis 3 eine rechnerisch mittlere Oberflächenrauheit Ra über 0,3 μm aufweist, wird die harte Kohlenstoffbeschichtung 2 aufgrund des erhöhten lokalen Kontakts der Spitzen der Oberflächenrauheit der harten Kohlenstoffbeschichtung 2 mit dem Gegen-Bauteil (d. h. dem Bolzenvorsprung) anfällig gegen Bruch. Es ist somit bevorzugt, die Oberflächenrauheit Ra der Bolzenbasis 3, die mit der harten Kohlenstoffbeschichtung bedeckt werden soll, auf 3 bis 0,03 μm oder weniger einzuschränken.
Andererseits umfasst das Schmiermittel ein Basisöl und zumindest einen aschefreien Fettester-Reibungsmodifikator und/oder einen aschefreien aliphatischen Amin-Reibungsmodifikator, um die Gleitoberfläche des Kolbenbolzens 1 und die Lagerfläche des Bolzenvorsprungs zu schmieren, so das die Gleitoberfläche des Kolbenbolzens einen Gleitkontakt mit der Lageroberfläche des Kolbenvorsprungs über das Schmiermittel herstellt.
Das Basisöl ist nicht besonders beschränkt und kann aus beliebigen, allgemein verwendeten Schmieröl-Verbindungen, wie Mineralölen, synthetischen Ölen und Fetten, ausgewählt werden.
Besondere Beispiele der Mineralöle umfassen normale Parafine und Parafin- oder Naphthenöle, die jeweils durch Extrahieren der Schmiermittelanteile aus Petroleum durch Destillation bei atmosphärischem oder verringertem Druck hergestellt werden, und dann Reinigen der erhaltenen Schmiermittelanteile mit zumindest einer der folgende Behandlungsmethoden: Lösungsmittel-Deasphaltierung, Lösungsmittelextraktion, Hydro-Krackverfahren, Lösungsmittel-Auswachsung, Hydro-Raffinieren, Wachsisomerisation, Schwefelsäurebehandlung und Lehmaffinieren. Auch wenn das lösungsmittel-raffinierte oder hydro-raffinierte Mineralöl häufig als Basisöl verwendet wird, ist es eher wünschenswert, das Mineralöl zu verwenden, das mittels Gas-Flüssig-Wachsisomerisation (GTL – Gas to Liquids) oder tiefes Hydro-Krackverfahren hergestellt wird, um den Anteil von Aromaten im Öl zu verringern.
Besondere Beispiele der synthetischen Öle umfassen: Poly-α-Olefine (PAO), wie 1-Oktan-Oligomer, 1-Dekan-Oligomer und Ethylen-Propylen-Oligomer, und hydrierte Produkte daraus; Iso butan-Oligomer und ein hydriertes Produkt daraus; Isoparafine; Alkylbenzole; Alkylnaphthalene; Diester, wie Ditridecyl-Glutarat; Dioctyl-Adipinat, Diisodecyl-Adipinat, Didtridecyl-Adipinat und Dioctyl-Sebacat; Polyol-Ester, wie Trimethylolpropan-Ester (z. B. Trimethylolpropan-Caprylat, Trimethylolpropan-Pelargonat und Trimethylolpropan-Isostearat) und Pentaerythritol-Ester (z. B. Pentaerythritol-2-Ethyl-Hexanoat und Pentaerythritol-Pelargonat); Polyoxialkylen-Glykole; Dialkyl-Diphenol-Ester; und Polyphenol-Ester. Unter diesen synthetischen Ölzusammensetzungen sind Poly-α-Olefine, wie 1-Oktan-Oligomer und 1-Dekan-Oligomer, und hydrierte Produkte daraus bevorzugt.
Die oben genannten Basisölszusammensetzungen können alleine oder in Kombination miteinander verwendet werden. Im Falle der Verwendung einer Mischung von zwei oder mehr der obigen Basisölzusammensetzungen als Basisöl gibt es keine besondere Beschränkung im Hinblick auf das Mischungsverhältnis der Basisölzusammensetzungen.
Der Schwefelgehalt des Basisöls ist nicht besonders eingeschränkt und liegt vorzugsweise bei 0,2% oder weniger, besser 0,1% oder weniger, am besten 0,05 oder weniger, basierend auf der Gesamtmasse des Basisöls. Es ist wünschenswert, das hydroraffinierte Mineralöl oder das synthetische Öl zu verwenden, da das hydro-raffinierte Mineralöl und das synthetische Öl jeweils einen Schwefelgehalt von nicht mehr als 0,005% oder im Wesentlichen Null aufweist (geringer als eine Nachweisgrenze von z. B. 5 ppm).
Der Aromatengehalt des Basisöls ist ebenfalls nicht besonders eingeschränkt. Hier wird der Aromatengehalt als die Menge eines Aromatenanteils, bestimmt gemäß ASTM D2549, definiert. Damit das Schmiermittel die niedrigen Reibungseigenschaften im Zeitablauf beibehalten kann, ist der Aromatengehalt des Basisöls vorzugsweise 15% oder weniger, besser 10% oder weniger, und am besten 5% oder weniger, basierend auf der Gesamtmasse des Basisöls. Die Oxidationsstabilität des Schmiermittels verschlechtert sich in unerwünschter Weise, wenn der Aromatengehalt des Basisöls 15% übersteigt.
Die kinematische Viskosität des Basisöls ist nicht besonders eingeschränkt. Die kinematische Viskosität des Basisöls ist vorzugsweise 2 mm²/s oder höher, besser 3 mm²/s, gemessen bei 100°C. Zur gleichen Zeit ist die kinematische Viskosität des Basisöls vorzugsweise 20 mm²/s oder weniger, besser 10 Öl oder weniger, am besten 8 oder weniger, gemessen bei 100°C. Wenn die kinematische Viskosität des Basisöls bei 100°C geringer als 2 mm²/s beträgt, besteht die Möglichkeit, dass das Schmiermittel die ausreichende Verschleißfestigkeit nicht bereitstellen kann und einen erheblichen Verdunstungsverlust verursacht. Wenn die kinematische Viskosität des Basisöls bei 100°C 20 mm²/s übersteigt, besteht die Möglichkeit, dass das Schmiermittel die niedrigen Reibungseigenschaften nicht bereitstellen kann und die Leistung bei niedriger Temperatur verschlechtert ist. Im Falle der kombinierten Verwendung von zwei oder mehreren der oben genannten Basisölzusammensetzungen ist es nicht notwendig, die kinematische Viskosität jedes Basisölbestandteils innerhalb eines solchen bestimmten Bereichs einzuschränken, solange die kinematische Viskosität der Mischung der Basisölzusammensetzungen bei 100°C in dem festgelegten Bereich liegt.
Der Viskositätsindex des Basisöls ist nicht besonders beschränkt und liegt vorzugsweise bei 80 oder mehr, besser 100 oder mehr, am besten 120 oder mehr, damit das Schmiermittel die verbesserte Ölverbrauchsleistung sowie die Viskositätseigenschaften bei niedriger Temperatur erzielen kann.
Als der Fettester-Reibungsmodifikator und der aliphatische Amin-Reibungsmodifikator können Fettsäure-Ester und aliphati sche Amine verwendet werden, die jeweils C₆-C₃₀-Kohlenwasserstoffe mit offener gerader oder verzweigter Kette aufweisen, vorzugweise C₈-C₂₄-Kohlenwasserstoffe mit offener gerader oder verzweigter Kette, besser C₁₀-C₂₀-Kohlenwasserstoffe mit offener gerader oder verzweigter Kette. Wenn die Kohlenstoffmenge der Kohlenwasserstoffkette des Reibungsmodifikator nicht innerhalb des Bereichs von 6 bis 30 liegt, entsteht ein Problem, dass ein gewünschter Reibungsreduzierungseffekt nicht erzeugt wird. Besondere Beispiele der C₆-C₃₀-Kohlenwasserstoffe mit offener gerader oder verzweigter Kette umfassen: Alkylgruppen, wie Hexyl, Heptyl, Otyl, Nonyl, Decyl, Undecyl, Dodecyl, Tridecyl, Tetradecyl, Pentadecyl, Hexadecyl, Heptadecyl, Octadecyl, Nonadecyl, Icosyl, Heneicosyl, Docosyl, Tricosyl, Tetracosyl, Pentacosyl, Hexacosyl, Heptacosyl, Octacosyl, Nonacosyl und Triacontyl; und Alkylengruppen, wie Hexenyl, Heptenyl, Octenyl, Nonenyl, Decenyl, Undecenyl, Dodecenyl, Tridecenyl, Tetradecenyl, Pentadecenyl, Hexadecenyl, Heptadecenyl, Octadecenyl, Nonadecenyl, Icosenyl, Heneicosenyl, Docosenyl, Tricosenyl, Tetracosenyl, Pentacosenyl, Hexacosenyl, Heptacosenyl, Octacosenyl, Nonacosenyl und Triacontenyl. Die obigen Aklyl- und Alylengruppen umfassen alle möglichen Isomere.
Der Fettsäure-Ester wird beispielhaft durch Ester oder Fettsäuren mit den obigen Kohlenwasserstoffgruppen und monofunktionalen aliphatischen Alkohole oder aliphatischen Polyole dargestellt. Besondere Beispiele solcher Fettsäure-Ester umfassen Glycerol-Monolat, Glycerol-Diolat, Sorbitan-Monolat und Sorbitan-Diolat.
Das aliphatische Amin wird beispielhaft durch aliphatische Monoamine und Alkylenoxid-Addukte davon, aliphatische Polyamine, Imidazoline und Derivate davon, jeweils mit den obigen Kohlenwasserstoffgruppen, dargestellt. Besondere Beispiele solcher aliphatischen Amine umfassen: aliphatische Amin-Zusammensetzungen, wie Laurylamin, Lauryldiethylamin, Lauryldietha nolamin, Dodecyldipropanolamin, Palmitylamin, Stearylamin, Stearyl-Tetraethylen-Pentamin, Oleylamin, Oleylpropylendiamin, Oleyldiethanolamin und N-Hydroxy-Ethylol-Eylimidazolyn; Alkylenoxid-Addukte der obigen aliphatischen Aminzusammensetzungen, wie N,N-Dipolyoxylalkylene-N-Alkyl oder Alkenyl (C₆-C₂₆) Amine; und säuremodifizierte Zusammensetzungen, hergestellt durch Reaktion der obigen aliphatischen Aminzusammensetzungen mit C₂-C₃₀ Monocarboxyl-Säuren (wie Fettsäuren) oder C₂-C₃₀ Polycarboxyl-Säuren (wie Oxalsäure, Phthalsäure, Trimellit-Säure und Pyromellit-Säure), um alle oder einen Teil der verbleibenden Amino- und/oder Iminogruppen zu neutralisieren oder zu amidieren. Vor allen anderen wird N,N-Dipolyoxyethylen-N-Oleylamin vorzugsweise verwendet.
Die Menge des Fettester-Reibungsmodifikator und/oder des aliphatischen Amin-Reibungsmodifikator, die dem Schmiermittel zugefügt werden, ist nicht besonders beschränkt, und liegt vorzugsweise zwischen 0,05 und 3,0%, besser zwischen 0,1 und 2,0% und am besten zwischen 0,5 und 1,4%, basierend auf der Gesamtmasse des Schmiermittels. Wenn die Menge des Fettester-Reibungsmodifikators und/oder des aliphatischen Amin-Reibungsmodifikators im Schmiermittel geringer als 0,05% ist, besteht eine Möglichkeit, dass eine ausreichende Reibungsreduzierungswirkung nicht erhalten werden kann. Wenn die Menge des Fettester-Reibungsmodifikators und/oder des aliphatischen Amin-Reibungsmodifikators im Schmiermittel 3,0% übersteigt, besteht eine Möglichkeit, dass die Löslichkeit des Reibungsmodifikators oder der Modifikatoren in dem Basisöl so niedrig wird, dass sich die Lagerstabilität des Schmiermittels verschlechtert, so dass Ausfällungen verursacht werden.
Das Schmiermittel umfasst vorzugsweise Polybutenyl-Succimid und/oder ein Derivat davon als ein aschefreies Dispergiermittel.
Als das Polybutenyl-Succimid können Zusammensetzungen verwendet werden, die durch die folgenden allgemeinen Formeln (1) und (2) dargestellt werden:
In den Formeln (1) und (2) repräsentiert PIB eine Polybutylen-Gruppe, hergeleitet aus Polybuten mit einem numerischen durchschnittlichen Molekulargewicht von 900 bis 3500, vorzugsweise 1000 bis 2000, die durch Polymerisieren von hochreinem Isobuten oder einer Mischung aus 1-Buten und Isobuten bei Vorhandensein eines Bor-Fluorid-Katalysators oder eines Aluminium-Chlorid-Katalysators hergestellt werden kann. Wenn das numerische durchschnittliche Molekulargewicht des Polybuten geringer als 900 ist, besteht eine Möglichkeit, dass ein ausreichender Reinigungseffekt nicht bereitgestellt werden kann. Wenn das numerische durchschnittliche Molekulargewicht des Polybuten 3500 übersteigt, neigt Polybutenyl-Succinimid dazu, seine Niedertemperatur-Fließeigenschaften zu verschlechtern. Das Polybuten kann gereinigt werden, bevor es für die Herstellung des Polybutenyl-Succinimids verwendet wird, indem geringste Mengen von Fluor- und Chlorresten, die durch den oben erwähnten Polybuten-Herstellungskatalysator entstehen, mit einer beliebigen geeigneten Behandlung (z. B. ein Absorptionsvorgang oder ein Waschvorgang) so entfernt werden, dass die Menge der Fluorund Chlorreste in dem Polybuten auf 50 ppm oder weniger eingeschränkt wird, vorzugsweise 10 ppm oder weniger, und noch besser 1 ppm oder weniger.
Ferner repräsentiert n eine ganze Zahl von 1 bis 5, vorzugsweise 2 bis 4, in den Formeln (1) und (2) im Hinblick auf die Reinigungswirkung.
Das Herstellungsverfahren des Polybutenyl-Succinimids ist nicht besonders eingeschränkt. Zum Beispiel kann das Polybuteny-Succinimid durch Reaktion eines Chlorids des Polybutens hergestellt werden, oder Reaktion des Polybutens, aus dem Fluor- und Chlorreste ausreichend entfernt wurden, mit Maleinsäureanhydrid bei 100 bis 200°C, um Polybutenyl-Succinat zu bilden, und dann Reaktion des so gebildeten Polybutenyl-Succinats mit Polyamin (wie Diethylen-Triamin, Triethylen-Tetramin, Tetraethylen-Pentamin oder Pentaethylen-Hexamin).
Als Derivat des Polybutenyl-Succinimids können bor- oder säuremodifizierte Zusammensetzungen verwendet werden, die durch Reaktion der Polybutenyl-Succinimide der Formeln (1) oder (2) mit Borzusammensetzungen oder sauerstoffenthaltenden organischen Zusammensetzungen erhalten werden, um so alle oder einen Teil der verbleibenden Amino- und/oder Imidgruppen zu neutralisieren oder amidieren. Unter anderem werden vorzugsweise boronhaltige Polybutenyl-Succinimide, insbesondere boronhaltiges Bis(Polybutenyl)Succinimid verwendet. Das Verhältnis des Anteils von Stickstoff zu Bor (B/N) in der Masse in der borhaltigen Polybutenyl-Succinimid-Zusammensetzung ist üblicherweise 0,1 zu 3, vorzugsweise 0,2 zu 1.
Die Borzusammensetzung, die zur Herstellung des oben genannten Polybutenyl-Succinimid-Derivats verwendet wird, kann eine Borsäure, ein Borat oder ein Borsäuresester sein. Besondere Beispiele der Borsäure umfassen Orthoborsäure, Metaborsäure und Tetraborsäure. Besondere Beispiele des Borats umfassen: Ammoniumsalze, wie Ammoniumborate, z. B. Ammonium-Metaborat, Ammonium-Tetarborat, Ammonium-Pentaborat und Ammonium-Octaborat. Besondere Beispiele des Borsäureesters umfassen: Ester von Borsäuren und Alkylalkoholen (vorzusweise C₁-C₆ Aklylalkohole), wie Monomethyl-Borat, Dimethyl-Borat, Trimetyl-Borat, Monoethyl-Borat, Diethyl-Borat, Triethyl-Borat, Monopropyl-Borat, Dipropyl-Borat, Tripropyl-Borat, Monobutyl-Borat, Dibutyl-Borat und Tributyl-Borat.
Die sauerstoffhaltige organische Zusammensetzung, die zur Herstellung des obigen Polybutenyl-Succinimid-Derivats verwendet wird, kann jede beliebige C₁-C₃₀ Monocarbonsäure sein, wie Ameisensäure, Essigsäure, Glykolsäure, Propionsäure, Milchsäure, Buttersäure, Valeriansäure, Capronsäure, Önathsäure, Caprylsäure, Pelargonsäure, Kaprinsäure, Undecylsäure, Laurinsäure, Tridecansäure, Myristinsäure, Pentadecansäure, Palmitinsäure, Margarinsäure, Stearinsäure, Ölsäure, Nonadecansäure und Eicosansäure; C₂-C₃₀ Polycarbonsäuren, wie Oxalsäure, Phthalsäure, Trimellitsäure und Pyromellitsäure, und Anhydride und Ester davon; C₂-C₆ Alkylenoxide; und Hydroxy(poly)oxyalkylen-Karbonate.
Die Menge des Polybutenyl-Succinimids und/oder seiner Derivate, die dem Schmiermittel zugegeben werden, ist nicht besonders eingeschränkt und liegt vorzugsweise bei 0,1 bis 15%, besser 1,0 bis 12%, basierend auf der Gesamtmasse des Schmiermittels. Wenn die Menge des Polybutenyl-Succinimids und/oder seines Derivats im Schmiermittel geringer als 0,1% ist, besteht eine Möglichkeit, dass ein ausreichender Reinigungseffekt nicht erzielt werden kann. Wenn die Menge des Polybute nyl-Succinimids und/oder seines Derivats in dem Schmiermittel 15% übersteigt, kann sich die Demulgierungsfähigkeit des Schmiermittels verschlechtern. Zusätzlich besteht eine Möglichkeit, dass eine Reinigungswirkung proportional zur Menge des zugefügten Polybutenyl-Succinimids und/oder seines Derivats nicht erhalten werden kann.
Weiterhin umfasst das Schmiermittel vorzugsweise Zink-Dithiophosphat, dargestellt durch die folgende allgemeine Formel (3), als Antioxidationsmittel und als ein Antiverschleißmittel.
In der allgemeinen Formel (3) repräsentieren R⁴, R⁵, R⁶ und R⁷ jeweils C₁-C₂₄-Kohlenwasserstoffgruppen. Die C₁-C₂₄-Kohlenwasserstoffgruppe ist bevorzugt eine C₁-C₂₄-Alkylgruppe mit offener gerader Kette oder verzweigter Kette, eine C₃-C₂₄-Alkenylgruppe mit offener gerader Kette oder verzweigter Kette, eine C₅-C₁₃-Cycloalkyl- oder eine Alkylcycloalkyl-Gruppe mit offener gerader oder verzweigter Kette, eine C₆-C₁₈-Aryl- oder eine Alkylaryl-Gruppe mit offener gerader oder verzweigter Kette, oder eine C₇-C₁₉-Arylalkyl-Gruppe. Die obige Alkylgruppe oder Alkenylgruppe kann primär, sekundär oder tertiär sein. Besondere Beispiele von R⁴, R⁵, R⁶ und R⁷ umfassen: Alkylgruppen, wie Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl, Pentyl, Hexyl, Heptyl, Octyl, Nonyl, Decyl, Undecyl, Dodecyl, Tridecyl, Tetradecyl, Pentadecyl, Hexadecyl, Heptadecyl, Octadecyl, Nonadecyl, Eicosyl, Heneicosyl, Docosyl, Tricosyl und Tetracosyl; Alkenylgruppen, wie Propenyl, Isopropenyl, Butenyl, Butadienyl, Pentenyl, Hexenyl, Heptenyl, Octenyl, Nonenyl, Decenyl, Undecenyl, Dodecenyl, Tridecenyl, Tetradecenyl, Pentadecenyl, He xadecenyl, Heptadecenyl, Octadecenyl (Oleyl), Nonadecenyl, Icosenyl, Heneicosenyl, Decosenyl, Tricosenyl und Tetracosenyl; Cycloalkylgruppen, wie Cyclopentyl, Cyclohexyl und Cycloheptyl; Alkylcycloalkyl-Gruppen, wie Methylcyclopentyl, Dimethylcyclopentyl, Ethylcyclopentyl, Propylcyclopentyl, Ethylmethylcyclopentyl, Trimethylcyclopentyl, Diethylcyclopentyl, Ethyldimethylcyclopentyl, Propylmethylcyclopentyl, Propylethylcyclopentyl, Di-Propylcyclopentyl, Propylethylmethylcyclopentyl, Methylcyclohexyl, Dimethylcyclohexyl, Ethylcyclohexyl, Propylcyclohexyl, Ethylmethylcyclohexyl, Trimethylcyclohexyl, Diethylcyclohexyl, Ethyldimethylcyclohexyl, Propylmethylcyclohexyl, Propylethylcyclohexyl, Di-Propylcyclohexyl, Propylethylmethylcyclohexyl, Methylcycloheptyl, Dimethylcycloheptyl, Ethylcycloheptyl, Propylcycloheptyl, Ethylmethylcycloheptyl, Trimethylcycloheptyl, Diethylcycloheptyl, Ethyldimethylcycloheptyl, Propylmethylcycloheptyl, Propylethylcycloheptyl, Di-Propylcycloeheptyl und Propylethylmethylcycloheptyl; Arylgruppen, wie Phenyl und Naphthyl; Alkylarylgruppen, wie Tolyl, Xylyl, Ethylphenyl, Propylphenyl, Ethylmethylphenyl, Trimethylphenyl, Butylphenyl, Propylmethylphenyl, Diethylphenyl, Ethyldimethylphenyl, Tetramethylphenyl, Pentylphenyl, Hexylphenyl, Heptylphenyl, Octylphenyl, Nonylphenyl, Decylphenyl, Undecylphenyl und Dedecylphenyl; und Arylalkyl-Gruppen, wie Benzyl, Methylbenzyl, Dimethylbenzyl, Phenethyl, Methylphenethyl und Dimethylphenethyl. Die obigen Kohlenwasserstoffgruppen umfassen alle möglichen Isomere. Vor allen anderen sind eine C₁-C₁₈-Alkylgruppe mit offener gerader oder verzweigter Kette oder eine C₆-C₁₈-Alkylarylgruppe mit offener gerader oder verzweigter Kette bevorzugt.
Als Zink-Dithiophosphat werden beispielhaft Zink-Diisopropyldithiophosphat, Zink-Diisobutyldithiophosphat, Zink-Di-Sec-Butyldithiophosphat, Zink-Di-Sec-Pentyldithiophosphat, Zink-Di-n-Hexyldithiophosphat, Zink-Di-Sec-Hexyldithiophosphat, Zink-Di-Octyldithiophosphat, Zink-Di-2-Etyhlhexyldithiophosphat, Zink-Di-n-Decyldithiophosphat, Zink-Di-n-Dodecyldithiophosphat und Zink-Diisotridecyldithiophosphat genannt.
Die Menge des Zink-Dithiophosphats, das dem Schmiermittel zugegeben wird, ist nicht besonders eingeschränkt. Um eine größere Reibungsverringerungswirkung zu erhalten, ist das Zink-Dithiophosphat vorzugsweise in einer Menge von 0,1% oder weniger enthalten, besser in einer Menge von 0,06% oder weniger, am besten in einer minimalen wirksamen Menge, bezüglich des Phosphorelements auf der Grundlage der Gesamtmasse des Schmiermittels. Wenn die Menge des Zink-Dithiophosphats in dem Schmiermittel 0,1% übersteigt, besteht eine Möglichkeit, dass die Wirkung des aschefreien Fettester-Reibungsmodifikators und/oder des aschefreien aliphatischen Amin-Reibungsmodifikators behindert wird.
Das Herstellungsverfahren des Zink-Dithiophosphats ist nicht besonders eingeschränkt und das Zink-Dithiophosphat kann durch jedes bekannte Verfahren hergestellt werden. Zum Beispiel kann das Zink-Dithiophosphat durch Reaktion von Alkoholen oder Phenolen mit den obigen R⁴, R⁵, R⁶ und R⁷ Kohlenwasserstoffgruppen mit Phosphor-Pentasulfid, um Dithiophosphorsäure zu bilden, und dann Neutralisieren der so gebildeten Dithiophosphorsäure mit Zinkoxid hergestellt werden. Es sei angemerkt, dass sich die Molekularstruktur des Zink-Dithiophosphats in Abhängigkeit von den Alkoholen und Phenolen, die als Rohmaterial für die Zink-Dithiophosphat-Herstellung verwendet werden, unterscheidet.
Die oben erwähnten Zink-Dithiophosphat-Zusammensetzungen können allein oder in der Form eine Mischung aus zwei oder mehr davon verwendet werden. Im Falle der kombinierten Verwendung von zwei oder mehr der obigen Zink-Dithiophosphat-Zusammensetzungen gibt es keine besondere Beschränkung des Mischungsverhältnisses der Zink-Dithiophosphat-Zusammensetzungen.
Das Schmiermittel kann ferner jedes andere Additiv oder Additive enthalten, wie ein metallisches Reinigungsmittel, ein Antioxidationsmittel, einen Viskositätsindex-Verbesserer, einen Reibungsmodifikator außer dem oben erwähnten Fettester-Reibungsmodifikator und aliphatischen Amin-Reibungsmodifikator, ein aschefreies Detergens außer dem oben erwähnten Polybutenyl-Succinimid und dessen Derivat, ein Antiverschleißmittel oder ein Extremdruckmittel, einen Rosthemmer, ein nichtionisches Tensid, einen Demulgator, einen Metalldeaktivator und/oder ein Antischaummittel, um die Leistungsanforderungen an das Schmiermittel zu erfüllen.
Das metallische Reinigungsmittel kann aus einer beliebigen metallischen Reinigungsmittelzusammensetzung gewählt werden, die üblicherweise für Motorschmiermittel verwendet werden. Bestimmte Beispiele des metallischen Reinigungsmittels umfassen Sulfonate, Phenate und Salicylate von alkalischen Metallen, wie Natrium (Na) und Kalium (K), oder alkalische Erdmetalle, wie Kalzium (Ca) und Magnesium (Mg); und eine Mischung von zwei oder mehr davon. Unter anderen werden Natrium- und Kalziumsulfonate, Natrium- und Kalziumphenate und Natrium- und Kalziumsalicylate entsprechend genutzt. Die gesamte Basiszahl und Menge des metallischen Reinigungsmittels kann in Übereinstimmung mit der vom Schmiermittel geforderten Leistung gewählt werden. Die gesamte Basiszahl des metallischen Reinigungsmittels beträgt normalerweise 0 bis 500 mgKOH/g, vorzugsweise 150 bis 400 mgKOH/g, gemessen durch das Perchloridverfahren gemäß ISO 3771. Die Menge des metallischen Reinigungsmittels ist üblicherweise 0,1 bis 10% auf der Grundlage der Gesamtmasse des Schmiermittels.
Das Antioxidationsmittel kann aus jeder beliebigen Zusammensetzung gewählt werden, die üblicherweise für Motorschmiermittel verwendet wird. Besondere Beispiele des Antioxidationsmit tels umfassen: Phenol-Antioxidationsmittel, wie 4,4'-Methylenbis(2,6-di-tert-Butylphenol) und Octadecyl-3-(3,5-di-tert-Butyl-4-Hydroxypheyl)Propionat; Amin-Antioxidationsmittel, wie Phenyl-α-Naphthylamin, Alkylphenyl-α-Naphthylamin und Alkyldiphenylamin; und Mischungen aus zwei oder mehr derselben. Die Menge des Antioxidationsmittels beträgt normalerweise 0,01 bis 5%, basierend auf der Gesamtmasse des Schmiermittels.
Als Viskositätsindex-Verbesserer können verwendet werden: Polymethacylat-Viskositätsindex-Verbesserer vom Nicht-Dispersionstyp, wie Copolymere einer oder mehrerer Arten von Methacrylaten und hydrierte Produkte davon; Polymethacrylat-Viskositätsindex-Verbesserer vom Dispersionstyp, wie Copolymere von Methacrylaten, die ferner Stickstoffzusammensetzungen umfassen; und andere Viskositätsindex-Verbesserer, wie Copolymere von Ethylen und α-Olefinen (z. B. Propylen, 1-Buten und 1-Penten) und hydrierte Produkte davon, Polyisobuthylene und hydrierte Produkte davon, hydrierte Styren-Dien-Copolymere, anhydrierte Styren-Maleat-Copolymere und Polyalkylstyrene. Das Molekulargewicht des Viskositätsindex-Verbesserers muss im Hinblick auf die Scherfestigkeit gewählt werden. Zum Beispiel liegt das durchschnittliche Molekulargewicht des Viskositätsindex-Verbesserers vorzugsweise in einem Bereich von 5.000 bis 1.000.000, besser bei 100.000 bis 800.000 für die Polymethacrylate vom Dispersions- oder Nichtdispersionstyp; in einem Bereich von 800 bis 5.000 für Polyisobutylen oder ein hydriertes Produkt davon; und in einem Bereich von 800 bis 300.000, besser von 10.000 bis 200.000 für das Ethylen/α-Olefin-Copolymer oder ein hydriertes Produkt davon. Die obigen, den Viskositätsindex verbessernden Zusammensetzungen können alleine oder in der Form einer Mischung von zwei oder mehr derselben verwendet werden. Die Menge des Viskositätsindex-Verbesserers beträgt vorzugsweise 0,1 bis 40,0%, basierend auf der Gesamtmasse des Schmiermittels.
Der Reibungsmodifikator außer dem oben erwähnten Fettester-Reibungsmodifikator und aliphatischen Amin-Reibungsmodifikator kann jeder beliebige aschefreie Reibungsmodifikator sein, wie Borsäure-Ester, höherwertige Alkohole und aliphatische Ester, und metallische Reibungsmodifikatoren, wie Molybdän-Dithiophosphat, Molybdän-Dithiocarbamat und Molybdän-Disulfid.
Das aschefreie Detergens außer dem oben erwähnten Polybutenyl-Succinimid und seinen Derivaten kann jedes beliebige Polybutenylbenzylamin und Polybutenylamin sein, jeweils mit Polybutenylgruppen, deren durchschnittliches Molekulargewicht 900 bis 3.500 beträgt, Polybutenyl-Succinimide mit Polybutenyl-Gruppen, deren durchschnittliches Molekulargewicht geringer als 900 ist, und Derivate davon.
Als Antireibungsmittel und Extremdruckmittel können verwendet werden: Disulfide, geschwefelte Fette, Olefinsulfide, Phophatester mit einer bis drei C₂-C₂₀-Kohlenwasserstoffgruppen, Thiophosphatester, Phosphitester, Thiophosphit-Ester und Aminosalze dieser Ester.
Als Rosthemmer können verwendet werden: Alkylbenzen-Sulfonate, Dinonylnaphthalen-Sulfonate, Ester von Alkenylsuccinic-Säuren und Ester von Polyalkoholen.
Als nicht-ionisches Tensid und Demulgator können verwendet werden: nichtionische Polyalkylen-Glykol-Tenside, wie Polyoxyethylen-Alkylether, Polyoxyethylen-Alkylphenylether und Polyoxyethylen-Alkylnaphthylether. Als Metalldeaktivator kann beispielhaft Imidazolin, Pyrimidinderivate, Thiazol und Benoztriazol genannt werden.
Als Antischaummittel kann beispielhaft Silikon, Fluorsilikon und Fluoralkylether genannt werden.
Jeder der Reibungsmodifikatoren außer den Fettester- und aliphatischen Amin-Reibungsmodifikatoren, das aschefreie Detergens außer dem Polybutenyl-Succinimid und dessen Derivate, das Antiverschleißmittel oder Extremdruckmittel, der Rosthemmer und der Demulgator sind normaleweise in einer Menge von 0,01 bis 5% enthalten, basierend auf der Gesamtmasse des Schmiermittels, der Metaldeaktivator ist normalerweise in einer Menge von 0,005 bis 1% basierend auf der Gesamtmasse des Schmiermittels enthalten, und das Antischaummittel ist üblicherweise in einer Menge von 0,0005 bis 1% basierend auf der Gesamtmasse des Schmiermittels enthalten.
Die vorliegende Erfindung wird genauer unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Beispiele beschrieben. Jedoch sollte angemerkt werden, dass die nachfolgenden Beispiele nur erläuternd sind und die Erfindung nicht auf diese beschränkt sein soll.
Beispiel
Ein Kolbenbolzen wurde durch Schneiden einer zylindrischen Bolzenbasis aus einem SCr-Stahlmaterial (in Übereinstimmung mit JIS G4052) und dann Ausbilden einer DLC-Beschichtung auf der Bolzenbasis durch Lichtbogen-Ionenplattierung hergestellt. Die Bolzenbasis hatte einen Durchmesser von 18 mm und eine Länge von 22 mm, und die DLC-Beschichtung wies einen Wasserstoffgehalt von 0,5 Atom% oder weniger auf, eine Knoop-Härte Hk von 2170 kg/mm², eine Oberflächenrauheit Ry von 0,03 μm und eine Dicke von 0,5 μm auf. Während es mit einem Schmiermittel A geschmiert wurde, wurde der so erhaltene Kolbenbolzen dann dem folgenden Reibungs-/Verschleißtest unterworfen. Die chemische Zusammensetzung des Schmiermittels A ist in Tabelle 1 angegeben.
Vergleichsbeispiel 1
Ein Kolbenbolzen wurde in gleicher Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt. Dann wurde der hergestellte Kolbenbolzen den nachfolgenden Reibungs-/Verschleißtest unterworfen, während er mit einem Schmiermittel B geschmiert wurde. Die chemische Zusammensetzung des Schmiermittels B ist in Tabelle 1 angegeben.
Vergleichsbeispiel 2
Ein Kolbenbolzen wurde in gleicher Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt, außer dass keine DLC-Beschichtung auf dem Kolbenbolzen ausgebildet wurde. Während er mit dem Schmiermittel B geschmiert wurde, wurde der Kolbenbolzen dem nachfolgenden Reibungs-/Verschleißtest unterworfen.
Vergleichsbeispiel 3
Ein Kolbenbolzen wurde in gleicher Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt, außer dass die DLC-Beschichtung einen Wasserstoffgehalt von 2 Atom% oder mehr aufwies. Während er mit dem Schmiermittel B geschmiert wurde, wurde der Kolbenbolzen dem nachfolgenden Reibungs-/Verschleißtest unterworfen.
Leistungsauswertung
Der Reibungs-/Verschleißtest wurde unter Verwendung eines Schwingungsreibungs- und Verschleißtesters unter den folgenden Bedingungen durchgeführt, wobei ein Reibungskoeffizient und eine maximale nicht-blockierende Last jedes der Kolbenbolzen des Beispiels und der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 gemessen wurden. Die Testergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.
Testbedingungen

Gegenstück: Scheibenplatte aus Al-Legierung: AC8A (in Übereinstimmung mit JIS H5202) und mit einem Durchmesser von 24 mm und einer Dicke von 7 mm
Frequenz: 50 Hz
Temperatur: 25°C
Lastmodus: Stufenweise Belastung (Die Last wurde um 130 N/Min erhöht, bis der Kolbenbolzen blockierte)
Hub: 1 mm

Tabelle 1

Anmerkung: Die Menge jedes Bestandteils in dem Schmiermittel wird in Bezug auf die Gesamtmasse des Schmiermittels angegeben.

Tabelle 2
Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, wies der Kolbenbolzen des Beispiels einen viel geringeren Reibungskoeffizienten und eine viel größere maximale, nicht blockierende Last als die der Vergleichsbeispiels 1, 2 und 3 auf. Es kann somit daraus geschlossen werden, dass der Kolbenbolzen des Beispiels ausgezeichnete geringe Reibungseigenschaften und höheren Widerstand gegen Blockierung aufweist.
Wie oben beschrieben, ist es möglich, einen mit einem harten Kohlenstoff beschichteten Kolbenbolzen bereitzustellen, der sehr stark widerstandsfähig gegen Blockierung ist, um eine größere Reibungsreduzierungswirkung in Kombination mit einem bestimmten Schmiermittels gemäß der vorliegenden Erfindung zu erhalten.
Auch wenn die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf ein bestimmtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Verschiedene Modifikationen und Variationen des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels werden den Fachleuten auf dem Gebiet im Lichte der obigen Lehre in den Sinn kommen. Der Umfang der Erfindung ist unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Ansprüche definiert.

Claims

Motor-Kolbenbolzen-Gleitstruktur, umfassend: einen Kolbenbolzen (1), der gleitfähig in einen Bolzenvorsprung oder eine Bolzennabe eines Motorkolbens eingreift, wobei der Kolbenbolzen (1) eine Bolzenbasis (3) und eine harte Kohlenstoffbeschichtung (2), die auf der Bolzenbasis (3) ausgebildet ist, aufweist, um so eine Gleitoberfläche zu definieren, die über eine Lageroberfläche des Bolzenvorsprungs oder der Bolzennabe gleiten kann, wobei die harte Kohlenstoffbeschichtung (2) 25 Atom% oder weniger an Wasserstoff enthält; und ein Schmiermittel, das zwischen der Gleitoberfläche des Kolbenbolzens (1) und der Lageroberfläche des Bolzenvorsprungs oder der Bolzennabe eingebracht ist, wobei das Schmiermittel zumindest einen aschefreien Fettester-Reibungsmodifikator und/oder einen aschefreien aliphatischen Amin-Reibungsmodifikator enthält.
Motor-Kolbenbolzen-Gleitstruktur nach Anspruch 1, wobei die harte Kohlenstoffbeschichtung (2) 5 Atom% oder weniger an Wasserstoff enthält.
Motor-Kolbenbolzen-Gleitstruktur nach Anspruch 2, wobei die harte Kohlenstoffbeschichtung (2) 0,5 Atom% oder weniger an Wasserstoff enthält.
Motor-Kolbenbolzen-Gleitstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der zumindest eine aschefreie Fettester-Reibungsmodifikator und/oder eine aschefreie aliphatische Amin-Reibungsmodifikator eine C₆-C₃₀-Kohlenwasserstoffgruppe aufweist und in einer Menge von 0,05 bis 3,0% der Masse auf der Grundlage der Gesamtmasse des Schmiermittels enthalten ist.
Motor-Kolbenbolzen-Gleitstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Schmiermittel ferner Polybuten-Succinimid und/oder ein Derivat desselben enthält.
Motor-Kolbenbolzen-Gleitstruktur nach Anspruch 5, wobei das Polybuten-Succinimid und/oder das Derivat desselben in einer Menge von 0,1 bis 15% auf der Grundlage der Gesamtmasse des Schmiermittels enthalten ist.
Motor-Kolbenbolzen-Gleitstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Schmiermittel ferner 0,1% oder weniger an Zink-Dithiophosphat in Form von Phosphor auf der Grundlage der Gesamtmasse des Schmiermittels enthält.
Motor-Kolbenbolzen-Gleitstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die harte Kohlenstoffbeschichtung (2) eine diamantartige Kohlenstoffbeschichtung, gebildet durch Lichtbogen-Ionenplattierung, ist.
Motor-Kolbenbolzen-Gleitstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Bolzenbasis (3) eine Oberflächenrauheit Ra von 0,03 μm oder geringer aufweist.