CN107109117A - 在连杆表面施加聚合物涂层以减少磨损 - Google Patents

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Abstract

一种耐磨涂层被施加到连杆的推力面和内孔表面。所述耐磨涂层含有聚合物基质，如聚酰胺酰亚胺(PAI)，固体润滑剂，以及包含Fe2O3的硬颗粒。所述耐磨涂层通常通过喷洒或滚压来施加。所述耐磨涂层与金属粘合良好，并提供润滑作用。这样，在内燃机运转过程中，当活塞往复运动、曲轴旋转时，所述耐磨涂层能够可靠地减少沿连杆表面的磨损、刮擦和咬死。因此降低了由连杆磨损导致的金属碎屑而造成发动机污染的可能性，从而提高了连杆和发动机的使用寿命。

Description

在连杆表面施加聚合物涂层以减少磨损
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年11月3日提交的第62/074,340号美国临时专利申请、2014年11月4提交的第62/074,892号美国临时专利申请以及2015年5月13日提交的第14/710,918号美国发明专利申请的优先权。其全部内容在此通过引用而并入本文。
发明背景
1.发明领域
本发明总体上涉及一种连接内燃机活塞与曲轴的连杆，一种施加在连杆上的防磨损涂层，以及该涂层的制作方法。
2.相关技术
在内燃机中，用连杆连接活塞与曲轴。该连杆将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动。连杆主要包括由金属形成的主体，该主体沿纵向在大端和小端之间延伸。连杆的大端限定了用于接纳曲轴的大孔。该大端还限定围绕大孔的大推力面。连杆的小端限定接纳活塞销的小孔，该活塞销穿过活塞销壳延伸。该小端限定了围绕小孔的小推力面。
在内燃机运行过程中，当活塞往复运动、曲轴旋转时，连杆的推力面和孔容易因为与活塞、轴承以及其他部件接触而受到磨损。为了减少磨损，用于制作连杆的材料会可能会经过硬化或喷丸强化处理。也可以通过在连杆表面涂层来减少磨损。已使用的耐磨涂层例子包括金属喷洒涂层(例如钼合金)，或是硬质涂层(例如氮化铬)。然而，连杆的推力面和孔的耐磨性仍然需要改进。
发明内容
本发明的一方面提供了一种将内燃机活塞与曲轴相连接的连杆。所述连杆包含由金属形成的主体，该主体沿纵向从第一端延伸到第二端。所述主体包括靠近所述第一端的第一推力部分、靠近所述第二端的第二推力部分，以及连接所述第一推力部分和第二推力部分的杆体。所述第一推力部分包括一对第一推力面，所述第一推力面彼此相对并且包围用于接纳曲轴的第一孔。所述第二推力部分包括一对第二推力面，所述第二推力面彼此相对并且包围用于接纳与活塞相连接的活塞销的第二孔。耐磨涂层被施加到至少一个推力面。所述耐磨涂层包含包括聚合物、固体润滑剂和Fe2O3形成的颗粒。
本发明的另一方面提供了一种制作用于将内燃机活塞与曲轴相连接的连杆的方法。所述方法包含提供由金属形成的主体，以及在所述主体的至少一个推力面上施加耐磨涂层的步骤。
耐磨涂层在连杆的至少一个推力面与在内燃机运行过程中塞往复运动、曲轴转时与连杆接触的部件之间提供润滑。测试结果显示耐磨涂层提供了在金属推力表面的优异的附着力。测试结果还表明该耐磨涂层可以可靠地减少连杆沿推力表面的磨损、刮擦和咬死。因此由连杆磨损导致的金属碎屑而造成发动机污染的可能性降低，从而提高了连杆和发动机的使用寿命。
附图简要说明
当结合附图考虑时，通过参考以下的详细说明，很容易领会和更好地理解本发明的其他优点。其中：
图1是根据本发明的一个示例性实施例的连杆的平面图，该连杆包含施加在推力面上的耐磨涂层。
具体实施方式
图1主要显示了根据示例性实施例的连杆20，该连杆用于连接内燃机的活塞和曲轴，也称为曲拐或者曲柄销。耐磨涂层20被施加在连杆20的至少一个推力面24，26上，用来提供润滑，进而减少在内燃机运转过程中活塞往复运动、曲轴旋转时与连杆20相接触部件所导致的磨损、刮擦和咬死。
根据不同的期望用途，连杆20可以包含不同的设计和尺寸。连杆20的主体由金属形成，典型的材料是钢材。该主体沿纵向从第一端28(也称为大端)延伸至第二端30(也称为小端)。主体的第一推力部分32位于靠近第一端28的地方，第二推力部分34位于靠近第二端30的地方。杆体36将第一推力部分32连接至第二推力部分34。
连杆20的第一推力部分32包括一对第一推力面24，所述推力面彼此相对并且包围用于接纳曲轴的第一孔38。第一孔38由第一孔表面40形成，第一孔表面40在第一推力面24之间延伸且垂直于第一推力面24。第一孔表面40围绕第一中轴线A1且限定尺寸可接纳曲轴的第一直径D1。在图1的示例性实施例中，在第一孔38的相对侧，第一推力部分32包含在第一端28处的一对开口42，用于接纳紧固件44，轴承盖46位于第一端28且在开口42之间。
第二推力部分34包括一对第二推力面26，所述推力面彼此相对，并且包围用于接纳活塞销的第二孔48，活塞销将连杆20连接至活塞的销孔。第二孔48由在第二推力面26之间延伸且垂直于第二推力面26的第二孔表面50形成。第二孔表面50围绕与第一中轴线A1平行的第二中轴线A2，并限定第二直径D2。第二直径D2比第一直径D1小，并且其尺寸适于接纳活塞销。
耐磨涂层22被施加在连杆20的至少一个推力面24，26上。耐磨涂层22同样可以被施加在连杆20的至少一个孔表面40，50上。在图1的示例性实施例中，耐磨涂层施加在了每个推力面24，26和每个推力面40，50上。耐磨涂层22可以通过多种不同的方法来施加。典型情况下，耐磨涂层22的施加厚度为5～50微米，优选是5～20微米。
耐磨涂层22的成分包括聚合物、固体润滑剂和Fe2O3形成的颗粒。美国专利申请第13/142,887号和美国专利申请第13/661,598号中公开了可用作耐磨涂层22的示例成分，这些专利申请的全文在此通过引用而结合到本文中。
聚合物典型地形成耐磨涂层22的基质。基于耐磨涂层22的总体积，耐磨涂层22包含至少40vol.％(体积百分比)，或至少50vol.％，或至少60vol.％，或至少80vol.％，或至少85vol.％的聚合物。聚合物基质可以通过一种聚合物，或聚合物、树脂、塑料或硬塑料以及热塑性塑料或热固性聚合物的混合物来形成。聚合物基质还可以包含合成聚合物和交联聚合物。聚合物基质最好具有较高的耐热性和出色的化学稳定性。聚合物基质的熔点典型地至少为210℃，最好是至少220℃，或至少230℃，或至少250℃。在一个实施例中，聚合物基质包含聚芳醚、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚砜(PES)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚酰亚胺(PI)、环氧树脂、聚苯并咪唑(PBI)、硅树脂中的至少一种。在另一个实施例中，聚合物基质包含粘合剂，例如通过紫外线辐射来硬化的不饱和聚酯树脂或是硅酮。在示例性实施例中，基于耐磨涂层22的总体积，聚合物包含至少85vol.％的聚酰胺酰亚胺(PAI)。
基于耐磨涂层22的总体积，耐磨涂层22中的固体润滑剂典型地占5.0～40.0vol.％，或5.0～30.0vol.％，或多达30.0vol.％，或多达9.5vol.％。固体润滑剂典型地由以下组的一种或多种成分组成：MoS2、石墨、WS2、六方氮化硼(h-BN)、聚四氟乙烯和层状结构的金属硫化物。
耐磨涂层22还包括硬颗粒，其中至少一部分硬颗粒包含Fe2O3颗粒。硬颗粒主要由在25℃下，硬度至少为600HV/0.5，更优选至少为620HV/0.5，再优选至少为650HV/0.5的材料形成。硬颗粒的颗粒尺寸足以至少影响涂层的延展性、耐磨性和强度中的至少一种特性。在一个实施例中，硬颗粒的D50尺寸不大于10.0微米，或者不大于8.0微米，或者不大于6.0微米，最好在1.0～5.0微米之间。D50颗粒尺寸是硬颗粒的等效球面直径，也被称为D50直径，其中硬颗粒中50.0wt.％(重量百分比)的颗粒具有较大的等效球面直径，50.0wt.％的颗粒具有较小的等效球面直径。在遵照常见测试习惯对硬颗粒进行任何处理之前，由硬颗粒的颗粒尺寸分布显示而确定D50直径。在一个实施例中，硬颗粒包括多种颗粒尺寸的混合物，例如第一组颗粒的尺寸小于第二组颗粒的尺寸。这第一组和第二组硬颗粒典型地均匀遍布在聚合物基质中。
除了Fe2O3颗粒，耐磨涂层22中的硬颗粒还可以包括以下物质中的至少一种：金属氮化物，诸如立方BN和Si3N4；金属碳化物，诸如SiC和B4C；金属氧化物，诸如TiO2和SiO2；金属硅化物，诸如MoSi2；金属硼化物；金属磷化物，诸如Fe3P；金属间化物；金属氮氧化物；金属碳氮化物；和银、铅、金、SnBi和/或铜的金属粉末。
基于耐磨涂层22的总体积，耐磨涂层22典型地包含0.1～20.0vol.％，或3.0～8.0vol.％的硬颗粒。在示例性实施例中，基于耐磨涂层22的总体积，耐磨涂层22包含的Fe2O3颗粒的D50颗粒尺寸为01～50微米，含量为0.1～15.0vol.％，或0.5～8.0vol.％。基于耐磨涂层22的总体积，与Fe2O3颗粒不同的其余硬颗粒的存在量典型地多达5.0vol.％，或3.0～5.0vol.％。
耐磨涂层22作为液体或粉末被施加在至少一个推力面24，26上，并可选地施加在至少一个孔表面40，50上。液体或粉末可以通过喷洒或滚压来施加，也可以替代性地通过浸渍、涂刷、喷雾和印刷来施加。耐磨涂层22可以被直接施加在连杆20的金属表面24，26，40，50上，或者可选地将另外一种涂层设置在金属表面24，26，40，50和耐磨涂层22之间。举例来说，在施加耐磨涂层22之前，可以先施加底剂。在另一个例子中，在施加耐磨涂层22之前或之后，可以施加一层不含有Fe2O3颗粒或是固体润滑剂的聚合物。
典型地，一层或两层耐磨涂层22会被施加到连杆20的推力面24，26和孔表面40，50上，使得耐磨涂层的总厚度为5到50微米。然而，也可以施加额外的层，各个层的成分可以相同也可以彼此不同。在一个示例性实施例中，几层耐磨涂层22被施加在表面24，26，40，50上，层特性在耐磨涂层22的厚度方向上连续变化，形成梯度。举例来说，基层内硬颗粒的量比顶层内的硬颗粒的量多，或是顶层硬颗粒的量比基层的多。
还提供了一种制造图1中所示的具有耐磨涂层22的连杆20的方法。该方法主要包括提供具有推力面24，25和孔38，48的主体，以及至少在一个金属推力面24，26上施加耐磨涂层22。提供主体的步骤典型地包括将金属材料铸造或锻造成期望的形状和尺寸。然后该方法包括将耐磨涂层22施加在至少一个推力面24，26上，例如可以通过喷洒、滚压、浸渍、涂刷、喷雾或印刷的方法来施加。
在示例性实施例中，该方法首先包括对将要在其上施加耐磨涂层22的金属主体的表面24，26，40，50进行超声波清洗及干燥处理。清洗步骤典型地需要进行约30秒，之后进行约5分钟的风干。该示例方法接下来包括对将要涂层的金属主体的表面24，26，40，50进行喷砂处理。典型地，两次喷砂处理就足够了。之后用空气吹掉松散的金属材料，再对经过喷砂处理的金属主体进行另外30秒的超声波清洗。
一旦连杆20的表面24，26，40，50准备就绪，将施加耐磨涂层22。在示例性实施例中，施加耐磨涂层22的步骤包括用手持的空气刷涂器将液体形式的耐磨涂层22喷洒在推力面24，26和孔表面40，50上。使用40～80PSI的空气进行两次喷洒处理，之后进行15秒的空气聚合物热干燥处理，然后是另外两次喷洒和15秒的热空气聚合物干燥处理。
在施加耐磨涂层22之后，该方法包括在200℃温度下，在强制空气循环炉内对连杆20上的耐磨涂层22进行约30分钟的固化。连杆20被竖直悬挂在炉里，在第二端30内支撑。从炉中取出后，对施加了涂层的连杆20进行约30分钟的空气冷却。
实验
进行实验来测试耐磨涂层22与连杆20的推力面24，26之间的粘合度。被测试的连杆22由钢形成并包括杆分割接头。耐磨涂层22包含由PAI形成的聚合物基质、Fe2O3颗粒和固体润滑剂。根据上述的示例方法将耐磨涂层22施加到第一推力面24和第二推力面26上。在喷砂处理和涂层过程中，在孔38，48内安装轴承来保护孔表面40，50免受喷砂处理处理的介质损害。
会在涂层处理之前和之后，以及打开连杆20来取出轴承之前和之后分别记录下杆分割接头的情况。评估涂层处理的连杆20的推力面24，26，测试结果显示耐磨涂层22没有沿着连杆的破裂面剥落。之后在涂层处理的推力面24，26中的一个上进行粘合度测试，也称为胶带测试，该测试遵照标准聚合物轴承粘合测试程序。根据该程序，胶带条被贴在涂层的推力面的一部分上，之后再撕掉。耐磨涂层22只有一些小点被胶带粘走，并且耐磨涂层22没有因为印痕而被粘走。除此以外，连杆20被碎裂打开，耐磨涂层22沿着连杆裂开的地方精细地分离。破裂界面没有观察到有耐磨涂层22剥落。因此，测试结果表明当耐磨涂层22使用在期望的发动机应用中时，应当能够获得可接受等级的粘合度。
很明显，根据以上教导，本发明可能进行很多修改或变化，并且可以不同于具体说明的方式来实施，而仍然落入所附权利要求的范围。

Claims (20)

1.一种连接曲轴和内燃机活塞的连杆，其特征在于，所述连杆包括：
由金属形成的主体，所述主体沿纵向从第一端延伸到第二端；
所述主体包括靠近所述第一端的第一推力部分、靠近所述第二端的第二推力部分，以及连接所述第一推力部分和所述第二推力部分的杆体；
所述第一推力部分包括一对第一推力面，所述第一推力面彼此相对并且包围用于接纳曲轴的第一孔，
所述第二推力部分包括一对第二推力面，所述第二推力面彼此相对并且包围用于接纳活塞销的第二孔；以及
施加到至少一个所述推力面上的耐磨涂层，所述耐磨涂层包括聚合物、固体润滑剂和Fe2O3形成的颗粒。
2.根据权利要求1所述的连杆，其特征在于，基于所述耐磨涂层的总体积，所述耐磨涂层包括至少40vol.％的聚合物、5.0～40.0vol.％的固体润滑剂和0.1～15.0vol.％的Fe2O3颗粒。
3.根据权利要求2所述的连杆，其特征在于，基于所述耐磨涂层的总体积，所述聚合物包括至少85vol.％的聚酰胺酰亚胺(PAI)；基于所述耐磨涂层的总体积，所述固体润滑剂包含总量为5.0～30.0vol.％的、选自以下组的一种或多种成分：MoS2、石墨、WS2、六方氮化硼(h-BN)、聚四氟乙烯和金属硫化物；基于所述耐磨涂层的总体积，所述Fe2O3颗粒具有D50颗粒尺寸为0.1～5.0微米并且其含量为3.0～8.0vol.％。
4.根据权利要求1所述的连杆，其特征在于，所述聚合物包含以下成分中的至少一种：聚芳酯、聚醚酮(PEEK)、聚醚砜(PES)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚酰亚胺(PI)、环氧树脂、聚苯并咪唑(PBI)、硅树脂、聚酯和硅酮。
5.根据权利要求4所述的连杆，其特征在于，所述耐磨涂层的聚合物包含聚酰胺酰亚胺(PAI)。
6.根据权利要求1所述的连杆，其特征在于，所述耐磨层中的固体润滑剂包含以下成分中的至少一种：MoS2、石墨、WS2、六方氮化硼(h-BN)、聚四氟乙烯和金属硫化物。
7.根据权利要求1所述的连杆，其特征在于,所述Fe2O3颗粒具有的D50颗粒尺寸为0.1～5.0微米。
8.根据权利要求1所述的连杆，其特征在于，所述耐磨涂层的施加厚度为5～50微米。
9.根据权利要求1所述的连杆，其特征在于，每一个所述孔都由垂直于所述推力面延伸的孔表面形成，并且所述耐磨涂层被施加到至少一个所述孔表面上。
10.根据权利要求1所述的连杆，其特征在于，所述主体由钢材形成，所述第一孔由垂直于所述第一推力面延伸的第一孔表面形成，所述第一孔表面围绕第一中轴线且限定第一直径，所述第二孔由垂直于所述第二推力面延伸的第二孔表面形成，所述第二孔表面围绕与所述第一中轴线平行的第二中轴线并限定比所述第一直径小的第二直径。
11.一种连接曲轴和内燃机活塞的连杆，其特征在于，所述连杆包括：
由钢材形成的主体，所述主体沿纵向从第一端延伸到第二端；
所述主体包括靠近所述第一端的第一推力部分、靠近所述第二端的第二推力部分，以及连接所述第一推力部分和第二推力部分的杆体；
所述第一推力部分包括一对第一推力面，所述第一推力面彼此相对且包围用于接纳曲轴的第一孔，所述第一孔由位于所述第一推力面之间垂直于所述第一推力面延伸的第一孔表面形成，所述第一孔表面围绕第一中轴线且限定第一直径，
在所述第一孔的相对侧，所述第一推力部分在所述第一端处包含用于接纳紧固件的一对开口；
在所述开口之间，所述第一推力部分包含在所述第一端处的轴承盖；
所述第二推力部分包括一对第二推力面，所述第二推力面彼此相对且包围用于接纳活塞销的第二孔，所述第二孔由在所述第二推力面之间垂直于所述第二推力面延伸的第二孔表面形成，所述第二孔表面围绕与所述第一中轴线平行的第二中轴线并限定比所述第一直径小的第二直径；
施加到所述主体的推力面和孔表面的耐磨涂层；
所述耐磨涂层的厚度为5～20微米；
基于所述耐磨涂层的总体积，所述耐磨涂层包含至少80.0vol.％的聚酰胺酰亚胺(PAI)；
基于所述耐磨涂层的总体积，所述耐磨涂层包含总量为5.0vol.％～30.0vol.％的、选自以下组的一种或多种成分：MoS2、石墨、WS2、六方氮化硼(h-BN)、聚四氟乙烯和金属硫化物；
基于所述耐磨涂层的总体积，所述耐磨涂层包含3.0～8.0vol.％的、由Fe2O3形成的颗粒；
所述Fe2O3颗粒具有的D50颗粒尺寸为0.1～5.0微米；并且
基于所述耐磨涂层的总体积，除Fe2O3颗粒以外，所述耐磨涂层还包含3.0～5.0vol.％的至少一种硬颗粒；
所述至少一种额外的硬颗粒选自以下成分：金属氮化物、金属碳化物；金属氧化物、金属硅化物、金属硼化物、金属磷化物、金属间化物、金属氮氧化物、金属碳氮化物、金属碳氧化物，以及银、铅、金、SnBi和/或铜的金属粉末。
12.一种用于制造连接曲轴和内燃机活塞的连杆的方法，所述方法包括以下步骤：
提供由金属形成的主体，所述主体沿纵向从第一端延伸到第二端，所述主体包括靠近所述第一端的第一推力部分、靠近所述第二端的第二推力部分，以及连接所述第一推力部分和第二推力部分的杆体，所述第一推力部分包括一对第一推力面，所述第一推力面彼此相对且包围用于接纳曲轴的第一孔，所述第二推力部分包括一对第二推力面，所述第二推力面彼此相对且包围用于接纳活塞销的第二孔；以及
向所述主体的至少一个推力面施加耐磨涂层，所述耐磨涂层包含聚合物、固体润滑剂以及由Fe2O3形成的颗粒。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述施加耐磨涂层的步骤包括以液体或粉末的形式提供耐磨涂层，并将所述液体或粉末施加到至少一个推力面。
14.根据权利要求13所述方法，其特征在于，所述向至少一个推力面施加耐磨涂层的步骤包括以下至少一项：喷洒、滚压、浸渍、涂刷、喷雾和印刷。
15.根据权利要求12所述方法，其特征在于，所述施加耐磨涂层的步骤包括将耐磨涂层施加至5至50微米的厚度。
16.根据权利要求12所述方法，其特征在于，所述方法包括在将耐磨涂层施加到至少一个推力面之后使所述耐磨涂层固化。
17.根据权利要求12所述方法，其特征在于，所述孔由垂直于所述推力面延伸的孔表面形成，所述方法进一步包含将耐磨涂层施加到至少一个所述孔表面的步骤。
18.根据权利要求12所述方法，其特征在于，基于所述耐磨涂层的总体积，所述耐磨涂层包含至少40vol.％的聚合物、5.0～40.0vol.％的固体润滑剂和0.1～15.0vol.％的Fe2O3颗粒。
19.根据权利要求18所述方法，其特征在于，所述聚合物包括以下物质中的至少一种：聚芳酯、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚砜(PES)、聚酰胺酰亚胺(PAI)，聚酰亚胺(PI)、环氧树脂、聚苯并咪唑(PBI)、硅树脂、聚酯、硅酮；所述固体润滑剂包括以下物质中的至少一种：MoS2、石墨、WS2、六方氮化硼(h-BN)、聚四氟乙烯和金属硫化物；所述Fe2O3颗粒具有的D50颗粒尺寸为0.1～5.0微米。
20.根据权利要求19所述方法，其特征在于，基于所述耐磨涂层的总体积，所述聚合物包含至少85vol.％的聚酰胺酰亚胺(PAI)；所述固体润滑剂包含总量为5.0～30.0vol.％的、选自以下组的一种或多种成分：MoS2、石墨、WS2、六方氮化硼(h-BN)、聚四氟乙烯和金属硫化物；所述Fe2O3颗粒具有的D50颗粒尺寸为0.1～5.0微米并且其含量为3.0～8.0vol.％。
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