CN103384728A - 具有固体润滑剂颗粒分散物的热喷涂层 - Google Patents

Abstract

本文描述了热喷涂层。所述涂层包含至少一种具有厚度的基础材料。在至少部分所述厚度中具有固体润滑剂颗粒分散物。可将所述热喷涂层施加至部件的至少一部分上，其中该部件具有与另一部件相配合的配合面。所述配合面可导致所述热喷涂层磨耗并变薄。随着该涂层变薄，夹带在所述基础材料更深位置中的固体润滑剂颗粒就会变为暴露出来，并且为所述部件赋予减摩性。

Description

具有固体润滑剂颗粒分散物的热喷涂层

相关申请的交叉引用

本申请要求了2011年1月18日提交的美国临时专利申请No.61/433,781的优先权，其全部内容通过引用的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及热喷涂层，该热喷涂层包含分散于其中的固体润滑剂颗粒。

背景技术

有许多机械系统（包括但不限于火花点火式发动机和柴油发动机）包括要在配合面之间做往复、滑动或旋转运动的部件。这类部件可包括的非限制性例子为活塞环、轴承、衬垫、活塞、连杆和凸轮轴。

这些系统的连续使用会导致在配合面上产生磨耗和磨损，并且可能会影响机械系统的效率和/或整体性能。因此，这类系统的制造商希望能够制造或从供应商处购买到具有低摩擦系数的部件，从而使磨耗和磨损最小化、提高效率、和/或具有更高的抗咬合性。

已经将热喷涂层施加于部件上，以通过（尤其是）削弱配合面之间的摩擦来延长部件的寿命。然而，可通过进一步降低摩擦系数来对传统的热喷涂层进行改进。已经尝试过将润滑膜施加于部件上。但是，在高性能应用中，很多这样的润滑膜不能持续很长时间。这至少在部分程度上可能归因于润滑剂组合物和部件表面之间的结合作用的性质和强度。这至少在部分程度上也可能是由于这样的事实：一旦润滑膜耗尽，所述系统基本上就没有润滑剂了。换言之，随着配合面不断地接触以及热喷涂层不断被磨耗并变得越来越薄，所述热喷涂层中并没有额外的润滑剂。

附图简要说明

通过对实施方案的不同的例子进行讨论，能够更好地理解各个方面，但是权利要求并不受限于示例的实施方案。现在参照附图，详细地示出了示例性实施方案。尽管这些附图显示出了实施方案，但是这些附图并不一定按比例绘制，并且为了更好地示例和解释实施方案的创新方面，可能会放大某些特性。此外，本文所述的实施方案并非意在穷举或者以其他方式限制于或局限于附图中示出的和下文详细说明中公开的精确形式和构造。通过参照以下附图，对本发明的示例性实施方案进行详细说明。

图1描绘了位于部件的至少部分表面上的示例性热喷涂层。

图2描绘了位于部件的至少部分表面上的被部分磨耗的示例性热喷涂层。

图3描绘了施加具有固体润滑剂颗粒分散物的热喷涂层的示例性方法。

图4描绘了施加具有固体润滑剂颗粒分散物的热喷涂层的另一种示例性方法。

具体实施方式

通过对不同的例子加以讨论，能够更好地理解各个方面，但是权利要求并不受限于示例性例子。现在结合下面的讨论和附图，详细地示出了所述系统和方法的示例性方案。尽管这些附图显示出了某些可能的方案，但是这些附图并不一定按比例绘制，并且为了更好地示例和解释例子的创新方面，可能会对某些特性进行放大、移除或部分截取。此外，这里所列的说明并非意在穷举或者以其他方式将权利要求限制于或局限于附图中示出和下文详细说明中公开的精确形式和构造。

参照图1，部件12具有表面，在至少部分所述表面上具有热喷涂层16。热喷涂层16包含位于至少一种基础材料10的至少部分厚度内的固体润滑剂颗粒分散物14。参照图1和2，示出了这样的例子：经过使用，图1中初始施加的热喷涂层16逐渐磨耗并变薄，图2示 出了其结果。图2中的暴露的固体润滑剂颗粒14不同于图1中的暴露的固体润滑剂颗粒。图1中的一些暴露的固体润滑剂颗粒14已经被磨耗因而不存在于图2中。在热喷涂层16被磨耗和磨损之后，夹带在基础材料10的厚度更深处的固体润滑剂颗粒14就会变为暴露出来，由此，随着热喷涂层16逐渐磨耗，能够提供供机械系统中的配合面使用的贮存于热喷涂层16中的润滑剂。因此，本文公开的热喷涂层16可提供下列益处中的一种或多种：在热喷涂层16的使用寿命期间减少摩擦，提高部件12的耐磨损性，以及延长部件12的抗磨寿命。

部件12可为机械系统中的各种各样的部件中的任何部件，包括但不限于诸如火花点火式发动机和柴油发动机等机械系统中所用的部件。示例性部件包括但不限于活塞环、阀门、轴承、衬垫、活塞、连杆和凸轮轴。

多种材料都可适合作为热喷涂层16的基础材料10。例如，基础材料10可包含钼基、镍基、铬基、钨基、铁基、钴基和/或铜基材料。基础材料10还可包含一种或多种金属的碳化物、氧化物或氮化物。基础材料10可包含合金，例如（非限制性的例子）CrC/NiCr、WC/Co(Cr)、Mo/Ni合金和CrN/Ni。其他含有陶瓷的材料和含有金属的材料也可适合作为基础材料10。

基础材料10可具有大致均匀的厚度。根据要被热喷涂层16涂覆的具体部件12，不同的厚度可能更适合于不同的应用。例如，如果部件12是活塞环，那么基础材料10（以及热喷涂层16）的厚度可最高达125微米，如果需要的话还可以更厚。在部件12为活塞环的另一个例子中，厚度可为25-75微米或更小。在部件12的使用中，热喷涂层16与机械系统中另一个部件的表面相配合，那么热喷涂层16的厚度无疑会变小。

多种固体润滑剂颗粒14都可适合于分散到基础材料10的至少部分厚度中，从而形成热喷涂层16。例如，固体润滑剂颗粒14可包含二硫化钨、石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯、滑石、氮化硼、氟化钙、氟化钡和氟化铈中的一种或多种。固体润滑剂颗粒14可具有这样的静摩擦系数和动摩擦系数：与其中没有分散固体润滑剂颗粒14的带涂层部件12相比较，固体润滑剂颗粒14的静摩擦系数和动摩擦系数足以降低带涂层部件12的摩擦系数。例如，二硫化钨粉末具有约0.03的动摩擦系数和约0.07的静摩擦系数。

固体润滑剂可以为粉末的形式。固体润滑剂颗粒14可以具有多种多样的形状，包括但不限于不规则的形状和大体为球形的形状。根据部件12的应用，可以使用不同平均粒径的粉末。例如，较大的平均粒径可能更适合于例如部件12为粗糙的切割面的情况，而较小的平均粒径可能更适合于例如部件12被精整过的情况。平均粒径应当适合于充分地分散到基础材料10中，并且不应当小至产生过早氧化。平均粒径可取决于固体润滑剂颗粒14的化学组成。在二硫化钨粉末的例子中，平均粒径可包括直径介于约0.5微米和约50微米之间的颗粒，尤其是包括平均直径为约1微米、约5微米、约10微米或约25微米的二硫化钨颗粒。可根据ASTM B330（金属粉末和相关化合物的费歇尔值的标准测试方法）所述，使用费氏微筛分粒器（FisherSub-Sieve Sizer，FSSS）来测定所述粒径。

相对于整体热喷涂层16的重量，多种重量百分比的固体润滑剂颗粒14都可适用，这取决于部件12的应用以及表面的低摩擦性质与结构强度和整体性之间的相关平衡。在示例性的活塞环中，热喷涂层16中固体润滑剂颗粒14的重量百分比可为小于约50重量%、小于约40重量%、小于约20重量%、小于约10重量%、或小于约5重量%。

在热喷涂层16中，除了含有基础材料10和固体润滑剂颗粒14之外，可还包含任选的材料。任选的材料可包括（非限制性的例子）用于固体润滑剂颗粒14的有机粘结剂材料、表面活性剂和其他材料。

参照图3和4，描述将具有基础材料10和固体润滑剂颗粒分散物14的热喷涂层16施加至部件12的示例性方法。在图3中，热喷枪20具有至少一个用于散布热喷涂料的喷嘴。在图3的例子中，两个附加的空气加压喷嘴22A和22B直接或间接地（例如通过喷枪操纵器）安装在喷枪20上。喷嘴22A和22B以这样的方式定位：所述喷嘴和它们的出口不会干扰热喷枪的喷射流（plume）。固体润滑剂颗粒14通过管线24A和24B供给，并且在经由管线26A和26B所提供的加压空气的推动下通过喷嘴22A和22B。可以预期的是，在本文公开的系统中可以使用更少或更多的用于固体润滑剂颗粒14的喷嘴。

当热喷枪20准备好开始涂覆部件12时，开启所述的枪20并将粉末（一种或多种基础材料的粉末）注入到热喷枪喷射流中，该喷射流将被施加至部件12的至少部分表面上作为涂层16。当枪操纵器开始在部件12上移动时，启动空气加压喷嘴22A和22B以开启润滑剂干粉流。在喷枪20若干次地通过部件12时，固体润滑剂颗粒14被施加并且夹带和分散在整个热喷涂层16的基础材料10的至少部分厚度中。固体润滑剂颗粒14的施加与构成涂层16的一种或多种基础材料10的颗粒的施加可以基本上同时进行。在示例性施加的热喷涂层16中，分散物是遍布基础材料10的至少部分厚度的二硫化钨颗粒细分散物。

参照图4，描绘了另一种示例性施加方法。在该例子中，部件12绕轴旋转。喷枪30通过至少一个喷嘴施加热喷涂层16的一种或多种基础材料10。在该例子中，单独受控的喷枪30A（可以通过单独的枪操纵器进行控制）通过至少一个喷嘴施加固体润滑剂颗粒14，所述固体润滑剂颗粒14通过管线34供给并由通过管线36供给的空气加压。将固体润滑剂颗粒14施加到部件12上的操作与将构成涂层16的基础材料10的颗粒施加在部件12上的操作可以基本上同时进行。颗粒14变成分散并夹带在涂层16的基础材料10的至少部分厚度内。在示例性施加的热喷涂层16中，分散物为遍布基础材料10的至少部分厚度的二硫化钨颗粒细分散物。

不受理论的束缚，与常规施加的固体润滑剂膜层相比，夹带的固体润滑剂颗粒14可使部件12获得更好的润滑性和更长的部件寿命，这是因为，固体润滑剂颗粒14分散遍及热喷涂层16的基础材料10的某些或整个厚度，而不是以单独的薄膜层存在。例如，传统的二硫化钨薄膜层可具有约0.5微米的厚度。在该薄层中，形成层的化合物可通过相对较弱的分子键与基材结合，润滑剂薄层磨耗相对较快，并且随着涂层16通过磨耗和磨损而变得越来越薄，润滑剂可能会变得被完全从剩余的热喷涂层16上移除。相反，在本文公开的热喷涂层16中，夹带固体润滑剂颗粒14可以通过基础材料10来提供固体润滑剂颗粒14的物理加强作用，从而支援否则就会相对较弱的分子键。此外，随着热喷涂层16在部件12的使用中逐渐磨耗和变薄，遍布基础材料10的至少部分厚度而物理夹带的固体润滑剂颗粒14可以提供长效的处于热喷涂层16中的减摩化合物。也就是说，本发明的方法包括：将固体润滑剂颗粒14施加到热喷涂层16内，其中所述热喷涂层16在基础材料10的至少部分厚度中夹带或截留固体润滑剂颗粒14，这样，随着涂层16变得越来越薄，夹带在涂层16更深位置中的新的固体润滑剂颗粒14就会暴露在带涂层部件12的表面上，从而有助于使部件12的配合面之间保持低的摩擦系数。

说明书中提到的“一个例子”、“例子”、“一个实施方案”或“实施方案”是指在所述例子中提到的具体的特性、结构或特征包括在至少一个例子中。在说明书的不同位置中出现的短语“在一个例子中”并不一定是指其每次出现时都为相同的例子。

关于本文所述的工艺、系统、方法、推断等，应当理解的是，尽管已说明这些工艺等的步骤按照某种有序的顺序发生，但是所述工艺可以按照本文所述顺序以外的顺序来进行所述步骤。还应当理解的是，某些步骤可以同时进行，可以添加其他步骤，或者可以省略本文所述的某些步骤。换言之，本文对工艺的描述是为了示例某些实施方案，而决不应理解为是对所要求保护的发明的限制。

因此，应当理解的是，上述说明旨在示例，而非限制。在阅读了上述说明书的情况下，除了提供的例子以外的许多实施方案和应用对于本领域的技术人员来说是明显的。本发明的范围不应该按照上述描述来确定，而应当按照随附的权利要求书以及该权利要求书等价物的全部范围来确定。可以预期和想到的是，在本文所讨论的技术中会发生进一步的发展，并且所公开的系统和方法将被并入到这些未来的实施方案中。总之，应当理解的是，本发明能够具有变型和变体，并且本发明仅通过随附的权利要求书来限定。

除非本文给出了相反的明确指示，否则权利要求书中使用的所有术语旨在给予它们最宽泛合理的解释以及所属领域的技术人员所理解的通常含义。特别是，除非权利要求给出了相反的明确限制，否则诸如“一种”、“该”、“所述”等单数冠词的使用应当理解为指一个或多个所提到的要素。

Claims (20)

1.一种热喷涂层，包含：

至少一种基础材料，所述基础材料具有夹带在该基础材料的厚度内的固体润滑剂颗粒，使得随着所述热喷涂层变得越来越薄，所夹带的固体润滑剂颗粒变为暴露出来。

2.根据权利要求1所述的热喷涂层，其中，所述基础材料为陶瓷和金属材料中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的热喷涂层，其中，所述基础材料选自于由钼基、镍基、铬基、钨基、铁基、钴基和铜基材料构成的组。

4.根据权利要求1所述的热喷涂层，其中，所述基础材料选自于由碳化物、氧化物和氮化物材料构成的组。

5.根据权利要求1所述的热喷涂层，其中，所述固体润滑剂颗粒包含二硫化钨、石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯、滑石、氮化硼、氟化钙、氟化钡和氟化铈中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的热喷涂层，其中，所述固体润滑剂颗粒具有足以在所述基础材料的至少部分厚度中形成分散物的平均粒径。

7.根据权利要求1所述的热喷涂层，其中，所述固体润滑剂颗粒具有直径小于约50微米的平均粒径。

8.根据权利要求1所述的热喷涂层，其中，所述固体润滑剂颗粒以足够为所涂覆的部件赋予减摩性的量存在于所述涂层中。

9.根据权利要求1所述的热喷涂层，其中，所述固体润滑剂颗粒在所述涂层中的存在量为小于所述涂层的重量的约50%。

10.一种为部件赋予减摩性的方法，包括：

将至少一种基础材料热喷射到所述部件上；以及

使至少一种固体润滑剂颗粒在所述基础材料的至少部分厚度中产生分散，由此制成其中夹带有固体润滑剂颗粒的涂层。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，产生分散包括：通过至少一个喷嘴喷射所述固体润滑剂颗粒，同时，通过至少一个不同的喷嘴喷射所述基础材料。

12.根据权利要求10所述的方法，还包括：通过使用共享的喷枪操纵器来控制所述至少一种基础材料的热喷射和所述产生分散的操作。

13.根据权利要求10所述的方法，还包括：通过使用独立受控的喷枪操纵器来控制所述至少一种基础材料的热喷射和所述产生分散的操作。

14.一种通过权利要求10所述的方法被至少部分涂覆的部件。

15.一种带涂层的部件，包括：

具有表面的部件，至少部分所述表面在其上具有热喷涂层，所述涂层包含具有厚度的基础材料，所述基础材料在厚度中包含固体润滑剂颗粒分散物。

16.根据权利要求15所述的部件，其中，所述部件是柴油发动机的部件或火花点火式发动机的部件。

17.根据权利要求16所述的部件，其中，所述部件选自于由活塞环、轴承、衬垫、活塞、连杆和凸轮轴构成的组。

18.根据权利要求15所述的部件，其中，所述基础材料选自于由钼基、镍基、铬基、钨基、铁基、钴基和铜基材料构成的组。

19.根据权利要求15所述的部件，其中，所述基础材料选自于由碳化物、氧化物和氮化物材料构成的组。

20.根据权利要求15所述的部件，其中，所述固体润滑剂颗粒包含二硫化钨、石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯、滑石、氮化硼、氟化钙、氟化钡和氟化铈中的至少一种。

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