CN105102139A - 活塞装置用耐磨的抗磨涂层 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在活塞装置上涂覆抗磨涂层的方法，其包括在活塞表面区域的至少一部分上涂覆抗磨涂层，该抗磨涂层包括粘结基体和固体润滑剂，局部固化能量施加到表面区域的仅一部分上，局部固化能量包括第一固化能量。

Description

活塞装置用耐磨的抗磨涂层

交叉引用

本发明要求在此引用美国在先专利申请No.61/794,459，申请日2013年3月15日，其全文引入作为参考。

技术领域

本发明涉及一种机械系统和设备中使用的抗磨涂层。

背景技术

已知的是，机械系统中的活动部件可能会承受摩擦力。作为非限制性的示例，在正常运转过程中，内燃机中的活塞会承受摩擦力。活塞的面常常直接与汽缸筒的汽缸壁直接接触，该汽缸筒用于容纳活塞。在正常的发动机运转过程中，腔内的活塞运动偶然会将汽缸壁上的润滑膜去除。润滑膜的去除会导致有害的金属与金属的接触同时加速磨损。

在内燃机到达逐渐提高的较高性能时，较高的功率，和较高的运转压力，活塞必须具有完美的耐磨和耐磨损性能。涉及众多活塞及其组件的通常已知的技术问题是，其并不具有足够的耐磨性。机械部件的外表面，通常进行涂覆从而改进部件的性能特性，例如，通过改变表面的摩擦性质或者磨损特性，该机械部件包括但并不限于，内燃机的活塞。已知通过在不同活塞组件上涂覆能够获得改进耐磨性的材料来获得提高的耐磨性。

然而，用于实施这些涂层的许多现有工艺非常昂贵，消耗大量的能源，和/或产生大量的浪费。由于至少的这些原因，仍存在需求，对于改进的系统，方法，成分和设备用于获得耐磨工件，其更加经济和有效率，具有更短的工作时间，和更加不浪费。

附图说明

参考附图中任何一个示例和公开的示例性实施方式的各种特征可以与一个或更多其它附图中示例给出的特征结合，本领域技术人员应该是能够理解的。可替换的方法是能够得到的，虽然该方法没有解释性示例出或者公开。示出的特征组合对于一种或多种可能的应用提供了公开示例。然而，在本发明教导范围内的特征的各种组合和改变对于具体使用和应用也是可以预期的。

图1包括活塞装置的示例性说明；

图2包括活塞装置上抗磨涂层的喷涂应用(sprayapplication)的示例性说明；

图3包括活塞装置上抗磨涂层的丝网应用(silkscreeningapplication)的示例性说明；

图4包括活塞装置上抗磨涂层的红外线辐射固化的示例性说明；

图5包括活塞装置上抗磨涂层的紫外线辐射固化的示例性说明；

图6包括活塞装置上抗磨涂层的感应固化的示例性说明。

具体实施方式

附图示出了示例性实施方式。虽然附图给出了本文的示例性实施方式，但是附图并不需要标尺尺寸，同时某些可能会进行夸大从而更好的示例和解释示例性说明的创新面。另外，本文给出的和下文详细给出的，示例性说明并不是排他性的或者用于限制或者限用附图示出的精确形状和配置。

说明书中涉及到“示例性说明”，“实施例”或相似的语言含义是，与示例性方法结合的具体特征，结构，或特性包括在至少一个实例说明中。在说明书的不同地方出现的“在一种实例中”或类似类型的语言并不是必需的均指相同的实例或实施例。

本文公开的方法的示例性说明，该方法为在表面上应用抗磨涂层，其中涂层通过在表面上应用抗磨涂层材料和应用局部固化能量固化材料生产得到，其中固化能量例如为红外线辐射，紫外线辐射，或感应辐射。在一些方法中，涂层在固化之前通过喷涂应用或丝网方法实施。对于在机加工组件部件的接触摩擦表面上获得高耐磨性能，该涂层是有效的，该机加工组件部件包括但不限于，活塞和相关组件，活塞连接杆，汽缸套，和其它直接接触，磨损倾向表面。

现在参考图1，其为部件装置10的示例性说明，该部件装置作为活塞装置描述。该活塞装置10可以包括活塞12，该活塞12包括活塞顶14，或“环”，和活塞裙16。活塞顶14可以包括多个活塞槽18，活塞槽沿其外表面形成，配置用于接收相应地活塞环，并因此相对于发动机内腔的汽缸壁密封。在发动机运转期间，活塞裙16通常配置用于支撑活塞顶14，通过与汽缸壁的相应表面相交界，在内腔中往复运动期间来稳定活塞。

一种示例性的连接杆20可以包括活塞销端22和一种曲轴端或大头端24，该活塞销端22可以包括活塞销孔26，其限定了活塞销孔表面28。该曲轴端24包括曲轴销孔30，其限定了曲轴孔表面32。连接杆可以进一步由梁34限定，该梁在活塞销端和曲轴端之间延伸。

连接杆可以以可旋转形式与活塞连接，从而形成活塞和连接杆装置。连接杆可以通过活塞销36与活塞相连。活塞销36可以插入到活塞销孔38中，并插入到连接杆的活塞销端22中，因此总体将连接杆20固定到活塞23上。

在内燃机中，连接杆可以从活塞传输燃烧能至发动机的曲轴，因此将活塞的线性运动转变为曲轴的转动运动。燃烧能是由燃料的间歇点火产生的，燃料例如汽油，其注入到燃烧室内，从而产生极端压力，应用到活塞和连接杆上。

在现代内燃机中，活塞无论是在热度上还是机械负载上都达到了特定的范围。其还应用到活塞裙16和其接触面，特别是在活塞接触面和汽缸壁接触面之间交界期间，这就导致了接触面疲劳。为了抵消这种疲劳，已知的是提供给接触面涂层，其用于耐机械和热载荷，同时改良活塞相对于汽缸壁接触面的摩擦行为。

现在参考图2，其是实施抗磨涂层方法的一个示例性说明。在一种示例性的方法中，希望得到的是，抗磨涂层50实施到部件10或活塞装置的表面区域的至少一部分。示例的该抗磨涂层50利用可控喷涂技术实施，在该示例性的实施方式中，使用喷涂装置52将抗磨涂层50喷涂到活塞裙16上，在其它示例性的方法中，希望得到的是，抗磨涂层50可以利用丝网工艺实施，如图3中所示。在该示例性说明中，抗磨涂层50利用丝网装置54实施到活塞裙16上。

在一种示例性实施例中打算，抗磨涂层50可以包括粘结基体和固体润滑剂。有效的粘结系统的实施例包括，但是不限于，选自于聚酰胺亚胺(“PAI”)，聚醚醚酮(“PEEK”)，聚芳醚酮(“PEK”)，聚芳醚双酮(“PEKK”)，聚芳基甲酮(“PAEK”)族的聚合物，和/或不同化学式的环氧树脂，和/或所述材料的任意组合。该固体润滑剂可以包括的例子例如为，六角硼化氮(“hBN”)，石墨，二硫化钼(MoS₂)，二硫化钨(WS₂)，硫化锌(ZnS)，PTFE。

除了粘结基体和固体润滑剂外，抗磨涂层50可以还包括与粘结基体和固体润滑剂的硬度相比的硬质颗粒，用于提高耐磨性。一些非限制性的实施例可以包括碳化钨(WC)，碳化硅(SiC)，氮化硅(Si₃N₄)，碳化硼(B₄C)，立方氮化硼(cBN)，氧化铝(Al₂O₃)，二氧化钛(TiO₂)，氮化钛(TiN)。例如短碳纤维的材料也可以在一些实施方式中使用。另外，活性物质(reactivecontributor)，仅作为一个实施方式，磷酸锌，可以改良所述系统的滑动性能。在特定的环境下，活性物质可以基于化学原理与配对物反应从而形成滑动组件。例如，磷酸锌可以与硬脂酸反应(如果在油中存在)从而形成硬脂酸锌。

在一种示例性方法中，对抗磨涂层50实施局部固化能量，如图4中所示。图4示意了红外线辐射产生器60的使用方法，其利用对应聚焦镜片装置62指引红外线辐射64至仅活塞10的局部区域。在示例性说明中，该局部区域为活塞裙16。红外线辐射64产生了区域固化热能，其中其对活塞裙16产生作用而不是加热整个部件。如此获得了固化工艺的更加快速和更精确的控制。在一种示意性实施例中，红外线辐射64可以以聚焦射线的形式传输，在其它方法中，希望得到的是，可以使用红外线激光以期获得更加精确的控制。

希望得到的是，一种或更多红外线辐射产生组件60可以结合使用(例如，三个所述组件，图示为元件60，60’，和60”)。这些红外线辐射产生组件60，60’，60”中的每一个可以选择性的结合，从而部件10的各种部位可以以不同形式固化。这就允许抗磨涂层仅在选定的区域中固化，或者沿部件10的外表面具有变化的固化性质。进一步的打算是，抗磨涂层50可以包括金属颜料(metallicpigment)或者其它颗粒，其反应于红外线辐射64从而产生区域固化热能。该金属颜料可以包括，但是不限于，铝，铜，镍，银，不锈钢或其它任何扁平形金属合金。

虽然单一红外线照射可以足以快速的固化抗磨涂层50，但是至少一种示例性实施方式打算使用多种不同的温度/时间坡形。打算的是，使用至少两个温度阶段，例如100℃的2分钟第一阶段，和230℃的3分钟第二阶段。这就允许在相对较快的时间内完成固化，与传统固化相比(热空气对流)。另外，由于示例性说明仅产生区域固化热能，而不是加热整个部件，因此，固化可以更加精确地控制同时更加有效。

在类似的方式中，打算的是，红外线辐射64可以以其他形式的固化辐射替代，例如图5中示出的紫外线辐射。图5图示了一种示例性实施方式，其中紫外线辐射产生组件70仅在活塞10的局部区域上聚焦紫外线72辐射，例如在裙16上。

另外，其它实施例使用了感应辐射从而有利于局部固化热能的产生，如图6中所示。感应装置70包括内感应线圈72和外感应线圈74。活塞10安置在感应装置70内，从而固化所在的局部区域位于内感应线圈72和外感应线圈74之间。以这种形式，局部区域可以产生固化热能而不用加热整个部件。

在一种示例性说明中，公开的各种固化方法可以以各种组合形式使用，从而产生唯一的固化分布图以及在活塞10的不同部位立即固化具有各种成分的抗磨涂层50。因此，活塞装置10可以首先通过一种固化能量(例如，红外线，紫外线或感应辐射)进行固化，然后进行另一种固化技术(例如，辐射不同的形式或应用)或进行甚至传统的热空气固化。这就允许在活塞10的每个局部区域上实施专用的固化分布。以这种形式处理的活塞10在每个表面，可以具有不同的定制耐磨涂层50，所述每个表面特别适用于区域操作照射。

最后，抗磨涂层50可以包括多种组合物，同时以各种范围的厚度实施。在一些通过实施例单独给出的示例中，希望得到的是，抗磨涂层50可以包括具有厚度约5-40μm的涂层。进一步计划的是，组合物可以以各种形式结合，例如：

PAI+石墨+Al-颜料

PAI+石墨+MoS₂+Al-颜料

PAI+PEEK+石墨+WS₂

PAI+石墨+MoS₂+Zn-磷酸。

下表示出了抗磨涂层50的五个试样配方，其并非是限制性的。本文公开的这些配方并不与其他任何示例性实施方式或主题冲突。

涉及到本文公开的工艺，系统，方法，推断等，应该理解的是，虽然这些工艺等的步骤已经根据具体顺序公开了，但是所述工艺应该可以利用公开的步骤而同时使用非本文公开的顺序。还应该理解的是，某些步骤应该同时实施，其它步骤应该添加或某些本文公开的步骤可以省略。换句话说，本文公开的工艺说明提供用于示例某些实施方式的目的，而无论如何不应解释为对本发明的限制。

由此，可以理解的是，上述内容的目的是示例性的，而非限制性的。除已提供的实施例外的许多实施方式和应用基于上述内容也是可以得到的。本发明的范围不应该参考上述说明书内容确定，而是应该参考权利要求书确定，所有权利的范围应该与授权的权利要求书一致。预期和打算是，将来的改进将会发生在本文给出的领域，同时公开的系统和方法将会加入到该未来实施方式中。总而言之，应该理解的是，发明能够进行修改和调整，同时仅由权利要求书限定。

权利要求书中使用的所有术语应该赋予其最广的合理含义，同时本领域技术人员应该理解其常规含义，除非本文给出明显相反地指示。具体的，单数名词的使用，例如“一”，“这”，“所述”，等应该被解读为叙述一个或多个指定的元件，除非权利要求给出了明显相反的限制。

Claims (20)

1.一种将抗磨涂层应用到活塞装置上的方法，包括：

应用抗磨涂层至活塞表面区域的至少一部分上，所述抗磨涂层包括粘结基体和固体润滑剂；

应用局部固化能量至所述表面区域的仅一部分上，所述局部固化能量包括第一固化能量。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一固化能量包括红外线辐射，紫外线辐射，和感应辐射中的一种。

3.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

在实施完所述第一固化能量后，对所述活塞实施第二固化能量。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述第二固化能量包括热空气对流。

5.如权利要求3所述的方法，其中所述第二固化能量包括红外线辐射，紫外线辐射，和感应辐射中的一种。

6.如权利要求1所述的方法，其中粘结基体包括聚合物基体，该聚合物基体包括聚酰胺亚胺，聚醚醚酮，聚芳醚酮，聚芳醚双酮，聚芳基甲酮环氧树脂。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述抗磨涂层进一步包括金属颜料。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述金属颜料与所述局部固化能量反应从而产生区域固化热能。

9.如权利要求1所述的方法，其中利用可控激光实施所述局部固化能量。

10.如权利要求1所述的方法，其中进一步包括：

从多种固化能量中选择至少一种能量源来产生所述局部固化能量。

11.如权利要求1所述的方法，其中所述抗磨涂层进一步包括硬质颗粒，该硬质颗粒包括碳化钨，碳化硅，氮化硅，碳化硼，立方氮化硼，氧化铝，二氧化钛和氮化钛中的一种。

12.如权利要求1所述的方法，其中所述抗磨涂层进一步包括至少一种活性组分。

13.如权利要求1所述的方法，其中所述局部固化能量以多种温度-时间步骤实施。

14.一种将抗磨涂层应用到一种部件上的方法，包括：

应用抗磨涂层至部件表面区域的至少一部分上，所述抗磨涂层包括粘结基体和固体润滑剂；

应用局部固化能量至所述表面区域的仅一部分上，从而产生区域固化热能，所述局部固化能量包括第一固化能量。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述第一固化能量包括红外线辐射，紫外线辐射，和感应辐射中的一种。

16.如权利要求14所述的方法，进一步包括：

在实施完所述第一固化能量后，对所述部件实施第二固化能量

17.如权利要求15所述的方法，其中所述第二固化能量包括红外线辐射，紫外线辐射，感应辐射和热空气对流中的一种。

18.如权利要求14所述的方法，其中利用可控激光实施所述局部固化能量。

19.一种将抗磨涂层应用到活塞装置上的方法，包括：

应用抗磨涂层至活塞表面区域的至少一部分上，所述抗磨涂层包括粘结基体和固体润滑剂和金属颜料；

应用局部固化能量至所述表面区域的仅一部分上，所述局部固化能量包括红外线辐射，紫外线辐射，和感应辐射中的一种，所述局部固化能量与所述金属颜料反应从而产生区域固化热能。

20.如权利要求19所述的方法，其中所述局部固化能量以多种温度-时间步骤实施。