CN109486410A - 涂料组合物和由其制造的用于车辆驱动轴的垫圈 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种涂料组合物，包含：量为约5至15重量％的聚酰胺‑酰亚胺，即PAI；量为约5至15重量％的聚四氟乙烯，即PTFE；量为约0.5至1.5重量％的氟硅烷；量为约1至5重量％的陶瓷颗粒；以及溶剂组分，其中所有重量％都基于涂料组合物的总重量。

Description

涂料组合物和由其制造的用于车辆驱动轴的垫圈
技术领域
本发明涉及一种涂料组合物(coating composition)和使用该涂料组合物制造的用于车辆驱动轴的垫圈。涂料组合物可以为垫圈提供显著提高的耐久性和耐腐蚀性。
背景技术
车辆具有将由发动机产生的动力传递到车轮的驱动系统。典型地，联接到车轮的轮毂被安装在驱动系统的端部，并且轮毂联接到驱动轴并因此与该驱动轴一起旋转。
例如，在图1所示的驱动系统的端部中，驱动轴10被插入到轮毂20中并与轮毂20一起旋转，并且轮毂20通过轮毂轴承30连接到与车身连接的转向节50。此时，垫圈100被安装以防止直接联接到驱动轴10的伯菲尔德(Birfield)接头40与轮毂轴承30之间的直接摩擦。垫圈100通常涂覆有各种材料，以使垫圈100具有低摩擦系数和高耐磨性。
在现有技术中，用于驱动轴的垫圈已经利用不锈钢或SPCC制成并且包含PTFE的涂层已经被包含其中。例如，通过利用由包含PAI、PTFE和三聚氰胺的依重量计35％的主要成分和用于分散主要成分的依重量计65％的溶剂组成的涂料溶液来涂覆基体而形成涂层。
然而，由于使用上述涂料溶液形成的涂层可能不足以提供耐磨性，因此垫圈的基体可能被暴露。因此，由于可能发生腐蚀或者可能由于金属之间的摩擦而产生噪音，因此车辆的使用者可能感到不适。
因此，需要具有提高的耐磨性和耐腐蚀性的新型涂料溶液以及由该涂料溶液制造的用于驱动轴的垫圈。
由于在本背景技术部分中公开的以上信息仅用于增强对本发明的背景的理解，因此其可以包含不形成本领域普通技术人员已经知晓的现有技术的信息。
发明内容
在优选的方面，本发明可以提供一种可以提高耐磨性和耐腐蚀性并且因此提高使用寿命和灵敏度的涂料组合物以及使用该涂料组合物制造的用于车辆驱动轴的垫圈。
在一个优选的方面，提供一种用于涂覆车辆驱动轴的垫圈的涂料组合物。涂料组合物可以包含量为约5至15重量％的聚酰胺-酰亚胺(PAI)、量为约5至15重量％的聚四氟乙烯(PTFE)、量为约0.5至1.5重量％的氟硅烷、量为约1至5重量％的陶瓷颗粒以及用于构成涂料组合物的溶剂组分。所有重量％都基于涂料组合物的总重量。
如本文所使用的“溶剂组分”可以包括例如有机溶剂的一种或多种不同的溶剂。优选地，溶剂组分可以包括可以与水混溶的一种或多种有机溶剂。
氟硅烷可以适当地包含全氟癸基三甲氧基硅烷和三氟丙基三甲氧基硅烷中的至少一种。
优选地，氟硅烷可以适当地具有包含有机官能团和无机官能团的分子结构，有机官能团可以结合到聚酰胺-酰亚胺(PAI)或聚四氟乙烯(PTFE)，并且无机官能团可以结合到陶瓷颗粒或垫圈的基体。有机官能团可以包含环氧基、丙烯酰氧基(Acryloxy)、氨基、巯基和氟基(Fluoro)并且最优选的有机官能团是氟基。无机官能团可以包含甲氧基和乙氧基并且最优选的无机官能团是甲氧基。
进一步提供基本上由如上所述的涂料组合物的组分组成或由如上所述的涂料组合物的组分组成的涂料组合物。例如，涂料组合物可以主要由以下组成：量为约5至15重量％的聚酰胺-酰亚胺(PAI)；量为约5至15重量％的聚四氟乙烯(PTFE)；量为0.5至1.5重量％的氟硅烷；量为约1至5重量％的陶瓷颗粒；以及溶剂组分。另外，涂料组合物可以由以下组成：量为约5至15重量％的聚酰胺-酰亚胺(PAI)；量为约5至15重量％的聚四氟乙烯(PTFE)；量为0.5至1.5重量％的氟硅烷；量为约1至5重量％的陶瓷颗粒；以及溶剂组分。
还提供一种垫圈，垫圈可以包括：包含不锈钢的垫圈主体；以及使用如本文所述的涂料组合物形成的涂层。
在本发明的另一方面，提供一种车辆驱动轴中的垫圈的制造方法。方法可以包括：提供包含不锈钢或SPCC的垫圈主体，以及利用涂料组合物在垫圈主体上形成涂层，该涂料组合物包含量为约5至15重量％的聚酰胺-酰亚胺(PAI)、量为约5至15重量％的聚四氟乙烯(PTFE)、量为0.5至1.5重量％的氟硅烷、量为约1至5重量％的陶瓷颗粒以及溶剂组分。所有重量％都基于涂料组合物的总重量。
优选地，涂层可以适当地具有约15至25μm的厚度。
可以通过在约200至300℃的温度下固化涂料组合物来制备涂层。
氟硅烷可以适当地具有包含有机官能团和无机官能团的分子结构，涂层可以具有其中有机官能团可以结合到聚酰胺-酰亚胺(PAI)或聚四氟乙烯(PTFE)并且无机官能团可以结合到陶瓷颗粒或垫圈主体的结构。有机官能团可以包含环氧基、丙烯酰氧基、氨基、巯基和氟基并且最优选的有机官能团是氟基。无机官能团可以包含甲氧基和乙氧基并且最优选的无机官能团是甲氧基。
进一步提供一种包括如本文所述的垫圈的车辆。
在下文中公开本发明的其它方面。
附图说明
从结合附图的以下详细描述中，本发明的以上和其它目标、特征及其它优点将更加清楚地被理解，其中：
图1示出现有技术中的车辆驱动系统的端部的截面结构；
图2示出根据本发明的示例性实施例的示例性垫圈的截面结构；
图3是示出根据本发明的示例的示例性垫圈与根据比较示例的垫圈之间的磨损时间(scuffing time)的比较的图；
图4是示出根据本发明的示例的示例性垫圈与根据比较示例的垫圈之间的盐测试结果的比较的图像；以及
图5是示出当在根据本发明的示例性涂料组合物的成分中氟硅烷(fluorosilane)被另一种类型的硅烷替代时涂层的物理性质变化的图。
具体实施方式
将详细参考本发明的优选实施例，优选实施例的示例在附图中示出。然而，本发明不受这些实施例限制。作为参考，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的元件。在这种规则下，在一个附图中描述的内容可以被引用以用于说明，并且本领域技术人员认为显而易见的内容或重复的内容可以被省略。
本文使用的术语仅被提供来描述某些实施例并且不被解释为限制本发明。除非上下文另有明确说明，否则本文使用的单数形式也旨在涵盖复数形式。将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所述特征、区域、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、区域、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。
进一步地，除非具体阐述或从上下文显而易见，否则如本文所使用的术语“约”被理解为在本领域中的正常公差范围内，例如，在平均值的两个标准偏差内。“约”可以被理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非上下文另外明确表示，否则本文提供的所有数值均由术语“约”修饰。
应当理解的是，如本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语通常包括机动车辆，诸如包括运动型多用途车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的乘用车，包括各种小船和大船的船舶，飞机等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆和其它替代燃料(例如，源自除石油以外的来源的燃料)车辆。如本文所提及的，混合动力车辆是具有两个或更多个动力源的车辆，例如，汽油和电力双动力车辆。
除非另有限定，否则本文使用的包括技术术语和科学术语的所有术语具有与本发明所属领域的技术人员通常理解的含义相同的含义。除非另有定义，否则在通常使用的字典中定义的术语也被解释为具有对应于现有技术和本发明中公开的内容的含义和概念，而不是过于理想化或者正式的含义。
在下文中，将参照附图描述根据本发明的各个示例性实施例的涂料组合物和由该涂料组合物制造的用于车辆驱动轴的垫圈。
在一个方面，涂料组合物可以包含量为约5至15重量％的聚酰胺-酰亚胺(PAI)、量为约5至15重量％的聚四氟乙烯(PTFE)、量为约0.5至1.5重量％的氟硅烷、量为约1至5重量％的陶瓷颗粒以及溶剂组分。所有重量％都基于涂料组合物的总重量。
具有以上限定的组成的涂料组合物可以适当地具有约1.04g/cm3的密度和约200至300℃的固化温度。可以通过将涂料组合物涂覆到基体并固化来形成涂层。优选地，由此形成的涂层可以适当地具有约1.70g/cm3的密度。
将描述添加涂料组合物的各个成分并且将各个成分的含量限制在范围内的原因。
本文使用的聚酰胺-酰亚胺(PAI)可以是粘合剂并且可以被添加以提高涂层的耐磨性。当添加的PAI的量小于约5重量％时，涂层的耐磨性可能劣化，并且当PAI的量大于约15重量％时，涂层的摩擦系数可能增大，因此使耐磨性和耐久性劣化。
本文使用的聚四氟乙烯(PTFE)可以被添加作为润滑剂以减小摩擦。当添加的PTFE的量小于约5重量％时，摩擦系数可能不能充分减小，并且当PTFE的量大于约15重量％时，涂层的耐磨性可能由于PTFE的低耐磨性而劣化。
氟硅烷可以包括基于硅原子的有机官能团和无机官能团。优选地，有机官能团可以结合到聚酰胺-酰亚胺(PAI)或聚四氟乙烯(PTFE)，并且无机官能团可以结合到稍后描述的陶瓷颗粒或垫圈的基体，例如，铁原子。有机官能团可以包含环氧基、丙烯酰氧基、氨基、巯基和氟基并且最优选的有机官能团是氟基。无机官能团可以包含甲氧基和乙氧基并且最优选的无机官能团是甲氧基。
由于涂料组合物中的化学基团和垫圈或涂层的组分通过氟硅烷强有力地结合并形成网络，因此涂层的总强度和耐久性以及涂层对基体的粘附可以显著提高。另外，致密的结合结构可以防止外部水分接触垫圈基体，从而提高耐腐蚀性。当添加的氟硅烷的量小于约0.5重量％时，可能不能充分形成网络结合结构，并且当氟硅烷的量大于约1.5重量％时，效果可能饱和，并且可能不能获得性能的进一步提高。
本文使用的陶瓷颗粒可以在分散在涂层中时增强分散，从而提高涂层的强度。陶瓷颗粒可以适当地选自包含诸如Al2O3或Fe2O3的氧化物、诸如Si3N4或BN的氮化物、诸如SiC的碳化物、MoS2、石墨等的各种材料。当添加的陶瓷颗粒的量小于约1重量％时，陶瓷颗粒可能不能起到提高分散的作用，并且当陶瓷颗粒的量大于约5重量％时，颗粒可能由于聚集而成团，并且可能不能起到提高分散的作用，并且涂层的耐久性可能由于结合到氟硅烷的颗粒的数量减少而劣化。
本文使用的有机溶剂可以均匀地分散诸如PAI、PTFE、氟硅烷或陶瓷颗粒的上述主要成分。优选的有机溶剂可以适当地包含N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)。在涂料组合物被固化后，由于有机溶剂蒸发，因此最终的涂层可以包含聚酰胺-酰亚胺(PAI)、聚四氟乙烯(PTFE)、氟硅烷和陶瓷颗粒。
优选地，根据本发明的涂料组合物不包含作为传统涂料组合物中的组分的三聚氰胺，固化温度可以降低，从而减少工艺所需的能量。
图1示出现有技术中的车辆驱动系统的端部的截面，并且图2示出根据本发明的示例性实施例的示例性垫圈的截面。
如图1和图2所示，垫圈100可以包括垫圈主体110和涂层120。因为垫圈主体110的上表面和下表面直接地接触轮毂轴承30或伯菲尔德接头40，因此涂层120可以优选地形成在垫圈主体110的上表面和下表面上。本发明不限于此，并且涂层120可以形成在垫圈主体110的上表面和下表面以及垫圈主体110的两侧的整个表面上。
垫圈主体110的材料和形状没有特别的限制，并且可以类似于传统方法通过气体软化SPCC不锈钢来获得，或者选自诸如不锈钢(SUS)或SK5M不锈钢的各种材料。
可以通过利用上述涂料组合物涂覆垫圈主体110并且然后在约200至300℃的温度下固化来制备涂层120，并且涂料组合物的组成和详细描述在上文中已经描述并且因此省略。
涂层120可以适当地具有约15至25μm的厚度。当厚度小于约15μm时，可能不能获得涂层120的足够的耐磨性和耐腐蚀性。另外，由于通过单次涂覆获得的涂层120的厚度受到限制，因此可能需要若干次涂覆操作以形成具有大于约25μm的厚度的涂层，因此导致在涂覆操作期间形成的若干涂层之间的分离。
在下文中，将详细描述根据本发明的用于车辆驱动轴的垫圈的物理性质。
图3是示出使用传统涂料组合物的比较示例和使用根据本发明的涂料组合物的示例之间的磨损时间的比较的图，图4是示出比较示例和示例的盐测试结果的图像，并且图5是示出当在根据本发明的涂料组合物的成分中氟硅烷被另一种硅烷替代时涂层的物理性质变化的图。
示例
在下文中，将详细描述根据本发明的示例性涂料组合物和由该示例性涂料组合物制造的用于车辆驱动轴的垫圈。
1.示例
由10重量％的聚酰胺-酰亚胺(PAI)、10重量％的聚四氟乙烯(PTFE)、1重量％的氟硅烷、5重量％的陶瓷颗粒和余量的有机溶剂构成的涂料溶液被涂敷到由SPCC-SD制成的基体并且在200℃的温度下固化2小时以制备涂层。示例1包含全氟癸基三甲氧基硅烷作为氟硅烷，示例2包含三氟丙基三甲氧基硅烷作为氟硅烷。此时，涂层的厚度为20μm。
2.比较示例
包含总重量的35％的包含聚酰胺-酰亚胺(PAI)、聚四氟乙烯(PTFE)和三聚氰胺的主要成分以及余量的有机溶剂的涂料溶液被涂敷到由SPCC-SD制成的基体并且然后在320℃的温度下固化2小时以制备涂层。
此时，比较示例1的涂层的厚度为10μm，并且比较示例2的涂层的厚度为20μm。
3.测试
(1)磨损测试(旋转摩擦测试)
在干摩擦条件下使用SUJ2轴承钢作为对象材料(counter material)在800N的载荷和500rpm的转速下测试比较示例1、比较示例2和示例。当发生磨损时停止测试。
(2)扭转耐久性测试
各自设置有在比较示例2和示例中形成的涂层的垫圈与实际应用于车辆的驱动轴、轮毂、轮毂轴承和伯菲尔德接头联接，并且然后在水平方向上反复地旋转预定角度的同时观察到涂层磨耗和噪声形成。
(3)盐测试
在35℃的温度下，在1.0kgf/cm2的喷涂压力下，将5％NaCl溶液喷涂到设置有涂敷到比较示例2和示例的涂层的不锈钢材料上400小时。获得结果。
4.结果
(1)如图3所示，与示例相比，在磨损测试期间使用传统涂料溶液的比较示例1和比较示例2呈现出不良的磨损时间。即，可以看出，与传统涂层相比，由根据本发明的涂料溶液制备的涂层呈现出优异的耐久性。
(2)作为扭转耐久性测试的结果，在比较示例2中，在扭转耐久性测试的118次循环之后测到噪声，并且在20,000次循环时涂层被磨穿，基体暴露并且生锈。
另一方面，在示例中，即使在16,000次扭转耐久性测试时，基体也未暴露，未测到噪声，并且因此耐久性是传统涂层的耐久性的8倍之多。
(3)如图4所示，在比较示例2中，由于基体的腐蚀，表面变形并且锈液流动，而在示例中，未观察到基体的表面变形或生锈。
另一方面，图5示出摩擦测试中的摩擦系数和磨耗程度。如图5所示，与比较示例相比，根据本发明的示例呈现出低摩擦系数和高耐磨性。
图5所示的示例1示出其中全氟癸基三甲氧基硅烷被用作关于图3和图4中使用的示例的组合物的氟硅烷的情况，并且示例2示出其中三氟丙基三甲氧基硅烷被用作氟硅烷的情况。
比较示例2包含与图3和4中使用的比较示例2相同的氟硅烷，并且比较示例3包含氨丙基三甲氧基硅烷，即氨基硅烷，而不是图3和4中使用的示例的氟硅烷。事实上，与通过传统方法制备的比较示例2或者使用氨基硅烷的比较示例3相比，将氟硅烷用于涂料溶液的示例1和示例2呈现出低摩擦系数和高耐磨性。
根据本发明的各个示例性实施例，可以通过使用示例性涂料组合物形成具有显著提高的耐磨性和耐腐蚀性以及显著减小的摩擦系数的涂层。因此，用于车辆驱动轴的垫圈的使用寿命预期可以显著延长，可以抑制噪音的形成并且因此可以提高灵敏度。
因此，可以被插置在轮毂轴承与伯菲尔德接头之间的垫圈可以由于提高的涂层的耐磨性和耐腐蚀性而具有更长的使用寿命。另外，由于涂层的高耐磨性，可以防止由于金属之间的摩擦而产生噪声。涂料溶液还可以容易地用于制造垫圈的传统工艺。
虽然已经参照附图公开本发明的示例性实施例，但是本领域技术人员将理解的是，在不脱离本发明的技术构思和基本特征的情况下，本发明可以以不同的实施例来实施。
因此，上述实施例被提供仅用于说明并且不应被解释为限制本发明的范围。应当理解的是，本发明的范围不是由本发明的具体实施方式限定而是由权利要求来限定，并且包括权利要求的含义和范围以及可以从等同物中推断的所有改变或替换。

Claims (11)

1.一种用于涂覆车辆驱动轴的垫圈的涂料组合物，包含：
量为约5至15重量％的聚酰胺-酰亚胺，即PAI；
量为约5至15重量％的聚四氟乙烯，即PTFE；
量为约0.5至1.5重量％的氟硅烷；
量为约1至5重量％的陶瓷颗粒；以及
溶剂组分，
所有重量％都基于所述涂料组合物的总重量。
2.根据权利要求1所述的涂料组合物，其中，所述氟硅烷包含全氟癸基三甲氧基硅烷和三氟丙基三甲氧基硅烷中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的涂料组合物，其中，所述氟硅烷具有包含有机官能团和无机官能团的分子结构，
所述有机官能团结合到所述聚酰胺-酰亚胺，即PAI，或所述聚四氟乙烯，即PTFE，并且
所述无机官能团结合到所述陶瓷颗粒或所述垫圈的基体。
4.一种用于涂覆车辆驱动轴的垫圈的涂料组合物，由以下组成：
量为约5至15重量％的聚酰胺-酰亚胺，即PAI；
量为约5至15重量％的聚四氟乙烯，即PTFE；
量为约0.5至1.5重量％的氟硅烷；
量为约1至5重量％的陶瓷颗粒；以及
溶剂组分，
所有重量％都基于所述涂料组合物的总重量。
5.一种垫圈，包括：
垫圈主体，包含不锈钢；以及涂层，通过使用涂料组合物形成，
其中，所述涂料组合物包含：量为约5至15重量％的聚酰胺-酰亚胺，即PAI；量为约5至15重量％的聚四氟乙烯，即PTFE；量为约0.5至1.5重量％的氟硅烷；量为约1至5重量％的陶瓷颗粒；以及溶剂组分，所有重量％都基于所述涂料组合物的总重量。
6.根据权利要求5所述的垫圈，其中所述涂层具有约15至25μm的厚度。
7.一种用于车辆驱动轴的垫圈的制造方法，包括：
提供包含不锈钢的垫圈主体；以及
利用涂料组合物在所述垫圈主体上形成涂层，所述涂料组合物包含：量为约5至15重量％的聚酰胺-酰亚胺，即PAI；量为约5至15重量％的聚四氟乙烯，即PTFE；量为约0.5至1.5重量％的氟硅烷；量为约1至5重量％的陶瓷颗粒；以及溶剂组分，其中所有重量％都基于所述涂料组合物的总重量。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述涂层具有约15至25μm的厚度。
9.根据权利要求7所述的方法，其中在约200至300℃的温度下通过固化所述涂料组合物来形成所述涂层。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述氟硅烷具有包含有机官能团和无机官能团的分子结构，并且
所述涂层具有以下结构：其中所述有机官能团结合到所述聚酰胺-酰亚胺，即PAI，或聚四氟乙烯，即PTFE，并且所述无机官能团结合到所述陶瓷颗粒或所述垫圈主体。
11.一种车辆，包括根据权利要求5所述的垫圈。
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