JP6286527B2 - ピストンアセンブリ用減摩被覆剤 - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、参照により本明細書に組み込まれる２０１３年３月１５日出願の米国仮出願第６１／７９４４５９号の利益を主張するものである。

本発明は、機械システムおよび装置における減摩抵抗被覆剤の応用に関するものである。

機械システムにおける可動部品が摩擦力にさらされ得ることが知られている。非限定的な例として、通常動作において、内燃エンジンにおけるピストンが摩擦力にさらされる。ピストンの表面は、往々にして、ピストンを収容するボアのシリンダ壁と直接的に接触している。通常のエンジン動作の間、ボア内におけるピストン運動は、場合によっては、シリンダ壁から潤滑膜を取り去る。潤滑油膜の除去は、好ましくない金属同士の接触および加速的な摩耗をもたらす。

内燃エンジンが、ますます、より高い性能、より高い出力、より高い動作ストレスを実現するので、ピストンは優れた摩耗およびすり減りへの耐久性を有さなければならない。多くのピストンおよびその構成要素について広く知られた問題は、それらが摩耗に対して十分な耐久性を有さないことである。内燃エンジンのピストンを含むがこれに限定されるものではない機械部品の外面は、往々にして、例えば表面の摩擦特性または摩耗特性を変更することによって部品の性能特性を向上させるために被覆されている。増大された耐摩耗性が、改善された耐摩耗性を有することを知られた材料で種々のピストン構成要素を被覆することによって実現されてきた。

しかしながら、これらの被覆剤を利用するための多くの現行のプロセスは、高価で、大量のエネルギーを消費し、および／または、多くの廃棄物を生じさせる。少なくともこれらの理由のために、より経済的でエネルギー効率が良く、より短いサイクルタイムを有しかつより無駄の少ない耐摩耗性物質を作り出すための改善されたシステム、方法、構成物および装置に対する満たされていない要求が残されている。

図１は、ピストンアセンブリの代表的な図である。 図２は、ピストンアセンブリへの減摩被覆剤のスプレー塗布の代表的な図である。 図３は、ピストンアセンブリへの減摩被覆剤のシルクスクリーン塗布の代表的な図である。 図４は、ピストンアセンブリ上の減摩被覆剤の赤外線照射硬化の代表的な図である。 図５は、ピストンアセンブリ上の減摩被覆剤の紫外線照射硬化の代表的な図である。 図６は、ピストンアセンブリ上の減摩被覆剤の誘導硬化の代表的な図である。

図示されかつ何れか１つの図面を参照して記載された代表的な実施形態のさまざまな特徴が、当業者によって理解されるように、１つ以上の他の図面に図示された特徴と組み合わせられ得る。明確に図示されまたは記載されていない代替的な方法が提示され得る。例示される特徴の組合せが、１つ以上の可能な用途のための代表的な例を提供する。しかしながら、本開示が教示するものと一致する特徴のさまざまな組合せおよび変更が、特定の用途または実施態様のために望まれ得る。

説明のための例が添付図面に示されている。図面は本明細書に記載する代表的な例を表しているが、図面は必ずしも正確な縮尺ではなく、一定の特徴は、代表例の革新的な面のより良い例示や説明のために強調されている。さらに、以下に記載する代表的な例は、網羅的なものを意図してはおらず、あるいは図面に示す構成および以下の詳細な説明で開示する構成に制限または限定するものではない。

本明細書における「代表的な例」や「例」または似たような語は、代表的な方法を伴う特定の特性、構造、または特徴が少なくとも１つの例に含まれていることを意味する。本明細書におけるさまざまな場所での「例において」というフレーズまたは似たタイプの言葉の出現は、必ずしも同じ例に言及しているわけではない。

本明細書では、表面に減摩被覆剤を適用する方法の代表的な例が提供され、そこでは、表面に減摩被覆剤材料を塗布して、例えば赤外線照射、紫外線照射、または誘導照射のような局所的な硬化エネルギーを印加して当該材料を硬化させることにより被覆が作り出される。ある方法では、被覆剤は、スプレー塗布またはシルクスクリーン手法による硬化の前に適用される。被覆剤は、ピストンおよび関連する要素、ピストンコネクティングロッド、シリンダスリーブ、および他の直接接触して摩耗しがちな表面を含むがこれらに限定されない機械加工された構成要素の接触摩擦面において高い耐摩耗特性を生み出すために有用である。

図１を参照すると、同図は、ピストンアセンブリとして表現された部品アセンブリ１０の代表的な図である。ピストンアセンブリ１０は、ピストンクラウン１４または「ランド」、およびピストンスカート１６を有するピストン１２を備え得る。ピストンクラウン１４は、その外側周縁面周りに形成され、対応するピストンリングを収容してそれによりエンジンボアのシリンダ壁に対してシールするように構成された複数のピストン溝を有し得る。ピストンスカート１６は、エンジン動作中において、ボア内での往復運動の間ピストンを安定させるためにシリンダ壁の対応する表面と整合することにより、ピストンクラウン１４を支持するように概して構成されている。

代表的なコネクティングロッド２０は、ピストンピン端部または小端部２２と、クランクシャフト端部または大端部２４とを有し得る。ピストンピン端部２２は、ピストンピンボア面２８を規定するピストンピンボア２６を有し得る。クランクシャフト端部２４は、クランクシャフトボア面３２を規定するクランクシャフトピンボア３０を有し得る。コネクティングロッドは、ピストンピン端部とクランクシャフト端部との間を延びるビーム３４によってさらに特徴づけられ得る。

コネクティングロッドは、ピストンおよびコネクティングロッドのアセンブリを形成するために、ピストンに対して回転可能に連結され得る。コネクティングロッドは、ピストンピン３６を介してピストンに連結され得る。ピストンピン３６は、ピストンピンボス３８を通って挿入されてコネクティングロッドのピストンピン端部２２に収容され得、それによりコネクティングロッド２０をピストン２３に概して固定する。

内燃エンジンにおいて、コネクティングロッドは、ピストンからエンジンのクランクシャフトへ燃焼力を伝達し、それによりピストンの直線運動をクランクシャフトの回転運動に変換する。燃焼力は、燃焼室内に噴射される例えばガソリンのような可燃性燃料の断続的な燃焼から生じ、当該燃焼力は、ピストンおよびコネクティングロッドに作用する非常に大きな圧力を生じさせる。

現代の内燃エンジンにおいて、ピストンには、熱的にも機械的にも特定の程度まで負荷がかかる。このことは、また、特にピストン摺動面とシリンダ壁摺動面との間の干渉における、ピストンスカート１６およびその摺動面にも当てはまる。このことは摺動面の疲労をもたらす。この疲労を抑制するために、機械的および熱的負荷に耐えかつシリンダ壁摺動面に対するピストンの摩擦挙動を改善するように意図された被覆を摺動面に施すことが知られている。

図２を参照すると、同図は、減摩被覆剤を塗布するある方法の代表的な図である。ある代表的な方法では、部品１０またはピストンアセンブリの表面領域の少なくとも一部に減摩被覆剤５０が塗布されることが意図されている。減摩被覆剤５０は、制御されたスプレー技術の利用を適用されて示されている。この代表的な実施形態では、スプレーアセンブリ５２は、減摩被覆剤５０をピストンスカート１６に向けるために利用されている。他の代表的な方法では、図３に示すシルクスクリーン工程を利用して減摩被覆剤５０が塗布され得ることが意図されている。この代表的な例では、減摩被覆剤５０は、シルクスクリーンアセンブリ５４を使用してピストンスカート１６に塗布される。

ある実例となる例では、減摩被覆剤５０が、結合基材および固体潤滑剤を含み得ることが意図されている。有用な結合システムの例としてはこれらに限定されないが、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、および／または、異なる化学式のエポキシ樹脂、および／または、そのような材料の任意の組合せの族からのポリマーが挙げられる。固体潤滑剤は、例えば、六方晶窒化ホウ素（「ｈＢＮ」）、グラファイト、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）、二硫化タングステン（ＷＳ_２）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、ポリテトラフルオロエチレンを含み得る。

結合基材および固体潤滑剤に加えて、減摩被覆剤５０は、また、耐摩耗性を向上させるために、結合基材および固体潤滑剤の硬度と比べると硬い粒子を含み得る。ある非限定的な例は、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）を含み得る。例えば炭素短繊維のような材料は、また、ある実施形態において使用され得る。加えて、単なる一例として、リン酸亜鉛のような反応要因は、そのようなシステムの摺動特性を改善し得る。特定の条件下で、反応要因は、摺動要素を形成するために同等要因と化学的根拠において反応する。例えば、リン酸亜鉛は、ステアリン酸亜鉛を形成するためにステアリン酸（油中に存在する場合）と反応し得る。

代表的な方法では、減摩被覆剤５０は、図４に示すように、局所的な硬化エネルギーにさらされる。図４は、ピストン１０の局所化領域のみに赤外線照射６４を向けるために対応する焦点レンズアセンブリ６２を利用する赤外線照射発生器６０の使用を示している。代表的な例では、この局所化領域はピストンスカート１６である。赤外線照射６４は、それが全体を加熱するよりむしろピストンスカート１６にぶつかる局所的な硬化熱エネルギーを生み出す。このことは、より迅速でより正確な硬化プロセスの制御を許容する。ある実例となる例では、赤外線照射６４は、集束ビームの形態で出力され得る。他の方法では、よりいっそう正確な制御のために赤外線レーザが使用され得ることが意図されている。

１つ以上の赤外線照射発生要素６０を組み合わせて使用すること（例えば、３つのそのような要素が要素６０，６０’，６０”として図示されている）が意図されている。これら複数の赤外線照射発生要素６０，６０’，６０”の各々は、部品１０のさまざまな部分が異なる態様で硬化されるように、選択的に従事させられ得る。このことは、減摩被覆剤が、選択的な領域のみにおいて硬化すること、または部品の外面を横切ってさまざまな硬化特性を有することを許容する。減摩被覆剤５０が、局所的な硬化熱エネルギーを生じさせるために赤外線照射６４に反応する金属顔料または他の粒子を含み得ることがさらに意図されている。金属顔料は、これらに限定されるものではないが、アルミニウム、銅、ニッケル、銀、ステンレスまたは任意の他の平坦な合金を含み得る。

単一の赤外線照射が減摩被覆剤５０を迅速に硬化させるのに十分であり得るが、少なくとも１つの例の実施形態は複数の異なる温度／時間のランプ（ｒａｍｐｓ）の使用を意図している。例えば１００℃で２分間の第１ステップおよび２３０℃で３分間の第２ステップ等の少なくとも２つの温度ステップが意図されている。このことは、従来の硬化（熱風対流）よりも非常に短い時間における硬化の達成を許容する。加えて、代表的な例は、全体を加熱するのとは対照的に、局所的な硬化熱エネルギーのみを生じさせるので、硬化がより正確に制御されかつより効率的であり得る。

類似する態様において、赤外線照射６４が、例えば図５に示す紫外線照射のような他の形態の硬化照射と置換され得ることが意図されている。図５は、紫外線照射発生要素７０が、例えばスカート１６のようなピストン１０の局所化領域のみに紫外線照射７２を集中させる代表的な実施形態を示している。

加えて、別の例は、図６に示すように、局所的な硬化熱エネルギーの発生を容易にするための誘導照射の使用を意図している。誘導アセンブリ７０は、内側誘導コイル７２および外側誘導コイル７４を有している。ピストン１０は、硬化が望まれる局所化領域が内側誘導コイル７２と外側誘導コイル７４との間に位置するように、誘導アセンブリ７０内に配置されている。この態様では、局所化領域は、全体を加熱することなく硬化熱エネルギーを発生させ得る。

代表的な例では、独特な硬化プロファイルを生成するためおよび同時にピストン１０の異なる箇所において種々の組成で減摩被覆剤を硬化させるために、記載された個々の硬化手法がさまざまな組合せにおいて利用され得る。したがって、ピストンアセンブリ１０は、まず一つのタイプの硬化エネルギー（例えば、赤外線、紫外線または誘導照射）によって硬化され、そして引き続き、別の硬化手法（例えば、照射の異なる形態または適用）あるいは従来の熱風硬化にさらされる。このことは、ピストン１０の各々の局所化領域において目的に合った硬化プロファイルが実現されることを許容する。この態様で処理されたピストン１０は、動作中にさらされる領域に特に適当な各々の表面領域において異なるあつらえの減摩被覆剤５０を有し得る。

最後に、減摩被覆剤５０は、さまざまな組成から構成されていてもよく、また、異なる範囲の厚みに塗布されていてもよい。例として単独で提示された複数の例では、減摩被覆剤５０がおよそ５〜４０μｍの厚みを有する被覆層を含み得ることが意図されている。組成がさまざまな様式（例えば、ポリアミドイミド＋グラファイト＋アルミニウム顔料、ポリアミドイミド＋グラファイト＋二硫化モリブデン、ポリアミドイミド＋ポリエーテルエーテルケトン＋グラファイト＋二硫化タングステン、ポリアミドイミド＋グラファイト＋二硫化モリブデン＋リン酸亜鉛）で組み合わせられ得ることがさらに意図されている。

次の表は、非限定的なものとしての減摩被覆剤５０の５つのサンプル配合を示している。本明細書に記載するこれらの配合は、いかなる他の実例となる実施形態または素材をも排除するものではない。

本明細書に記載されたプロセス、システム、方法、発見的方法等に関しては、そのようなプロセス等のステップは一定の順序に従って起こるように記載されているが、そのようなプロセスは本明細書に記載された順序以外の順序でも実行され得る。さらに、一定のステップが同時に実行されてもよく、他のステップが追加されてもよく、あるいは本明細書に記載された一定のステップが省略されてもよい。換言すれば、本明細書におけるプロセスの説明は、一定の実施形態を例示するためのものであり、クレームされた発明を限定するものと解釈されてはならない。

したがって、上記の説明は、説明的なものであって限定的なものではないことを意図していることを理解されたい。提供された例以外の多くの実施形態およびアプリケーションが、上記の説明の中に存在するだろう。発明の範囲は、上記の説明を参照して決められるものではなく、その代わりに添付されたクレームを参照して決められるべきであり、そのようなクレームによって権利が与えられる均等物の全範囲に沿って決められるべきである。本明細書で述べた技術における将来的な開発が予想されまたは意図されるが、開示されたシステムおよび方法はそのような将来的な実施形態にも含まれる。要するに、本発明は、変更および変形が可能であって、下記のクレームによってのみ限定されることが理解されるべきである。

クレームで用いられる全ての用語は、本明細書における相容れない明白な指示がない限り、その最も広い妥当な構成、および、当業者によって理解されるその通常の意味を与えるように意図されている。特に、クレームにおける明確な相容れない限定がない限り、名詞は、単数および複数の両方を含む。

Claims (17)

1. ピストンアセンブリに減摩被覆剤を塗布する方法であって、
   ピストンの表面領域の少なくとも一部に減摩被覆剤を塗布することを含み、上記減摩被覆剤は、結合基材および固体潤滑剤を有し、
   上記表面領域の一部のみに局所的な硬化エネルギーを適用することを含み、上記局所的な硬化エネルギーは、第１の硬化エネルギーを有し、
   上記第１の硬化エネルギーを適用した後に、上記表面領域に減摩被覆剤を塗布することなく、上記ピストンを第２の硬化エネルギーにさらすことをさらに含んでいる
   ことを特徴とする方法。
2. ピストンアセンブリに減摩被覆剤を塗布する方法であって、
   ピストンの表面領域の少なくとも一部に減摩被覆剤を塗布することを含み、上記減摩被覆剤は、結合基材および固体潤滑剤を有し、
   上記表面領域の一部のみに局所的な硬化エネルギーを適用することを含み、上記局所的な硬化エネルギーは、第１の硬化エネルギーを有し、
   上記局所的な硬化エネルギーが、複数の温度・時間ステップであって、該複数の温度・時間ステップの間には上記表面領域に減摩被覆剤が塗布されない複数の温度・時間ステップにおいて適用される
   ことを特徴とする方法。
3. 請求項１または２において、
   上記第１の硬化エネルギーが、赤外線照射、紫外線照射、および誘導照射のいずれか１つを含んでいる
   ことを特徴とする方法。
4. 請求項１において、
   上記第２の硬化エネルギーが、熱風対流を含んでいる
   ことを特徴とする方法。
5. 請求項１において、
   上記第２の硬化エネルギーが、赤外線照射、紫外線照射、および誘導照射のいずれか１つを含んでいる
   ことを特徴とする方法。
6. 請求項１または２において、
   上記結合基材が、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリアリールエーテルケトン、およびエポキシ樹脂のいずれか１つを含む高分子マトリックスを有している
   ことを特徴とする方法。
7. 請求項１または２において、
   上記減摩被覆剤が、金属顔料をさらに含んでいる
   ことを特徴とする方法。
8. 請求項７において、
   上記金属顔料が、局所的な硬化熱エネルギーを生み出すために上記局所的な硬化エネルギーと反応する
   ことを特徴とする方法。
9. 請求項１または２において、
   上記局所的な硬化エネルギーが、制御されたビームを用いて適用される
   ことを特徴とする方法。
10. 請求項１または２において、
    上記局所的な硬化エネルギーを生み出すために、複数の硬化エネルギー源から少なくとも１つのエネルギー源を選択することをさらに含んでいる
    ことを特徴とする方法。
11. 請求項１または２において、
    上記減摩被覆剤が、炭化タングステン、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ホウ素、立方晶窒化ホウ素、酸化アルミニウム、二酸化チタン、および窒化チタンのいずれか１つを含む硬質粒子をさらに有している
    ことを特徴とする方法。
12. 請求項１または２において、
    上記減摩被覆剤が、少なくとも１つの反応性成分をさらに含んでいる
    ことを特徴とする方法。
13. 部品アセンブリに減摩被覆剤を塗布する方法であって、
    部品の表面領域の少なくとも一部に減摩被覆剤を塗布することを含み、上記減摩被覆剤は、結合基材および固体潤滑剤を有し、
    局所的な硬化熱エネルギーを生み出すために上記表面領域の一部のみに局所的な硬化エネルギーを適用することを含み、上記局所的な硬化エネルギーは、第１の硬化エネルギーを有し、
    上記第１の硬化エネルギーを適用した後に、上記表面領域に減摩被覆剤を塗布することなく、上記部品を第２の硬化エネルギーにさらすことをさらに含んでいる
    ことを特徴とする方法。
14. 請求項１３において、
    上記第１の硬化エネルギーが、赤外線照射、紫外線照射、および誘導照射のいずれか１つを含んでいる
    ことを特徴とする方法。
15. 請求項１３において、
    上記第２の硬化エネルギーが、赤外線照射、紫外線照射、誘導照射、および熱風対流のいずれか１つを含んでいる
    ことを特徴とする方法。
16. 請求項１３において、
    上記局所的な硬化エネルギーが、制御されたビームを用いて適用される
    ことを特徴とする方法。
17. ピストンアセンブリに減摩被覆剤を塗布する方法であって、
    ピストンの表面領域の少なくとも一部に減摩被覆剤を塗布することを含み、上記減摩被覆剤は、結合基材と固体潤滑剤と金属顔料とを有し、
    上記表面領域の一部のみに局所的な硬化エネルギーを適用することを含み、上記局所的な硬化エネルギーは、赤外線照射、紫外線照射、および誘導照射のいずれか１つを有していて、局所的な硬化熱エネルギーを生み出すために上記金属顔料と反応し、
    上記局所的な硬化エネルギーが、複数の温度・時間ステップであって、該複数の温度・時間ステップの間には上記表面領域に減摩被覆剤が塗布されない複数の温度・時間ステップにおいて適用される
    ことを特徴とする方法。