MXPA00003083A - Recubrimiento uv para soportar grandes cargas para empaquetaduras de cabezas de cilindros y la empaquetadura de cabeza que lo incorpora. - Google Patents

Abstract

Se proporciona un recubrimiento para una empaquetadura de cabezas de cilindros, la cual contiene un sistema de silicona modificado que tiene un vinileter incorporado en el mismo. El sistema de silicona modificado es preferiblemete curable por UV, el vinileter preferido en el sistema de silicona es ciclohexanodimetanol divinileter, y el recubrimiento consiste completamente de componentes reactivos antes del curado.

Description

RECUBRIMIENTO UV PARA SOPORTAR GRANDES CARGAS PARA EMPAQUETADURAS DE CABEZAS DE CILINDROS Y LA EMPAQUETADURA DE CABEZA QUE LO INCORPORA CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona generalmente con una empaquetadura de cilindro de motor que tiene un recubrimiento UV para soportar grandes cargas. Más particularmente, la invención se relaciona con un recubrimiento para uso en una empaquetadura de cabezas de cilindros.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Las empaquetadura con frecuencias de utilizan como un sello entre componentes mecánicos en contacto. Una aplicación involucra la colocación de una empaquetadura entre el bloque del motor y las cabezas de cilindros de un motor de combustión interna. El bloque de motor y las cabezas de cilindros se unen por medio de pernos y la empaquetadura se coloca de manera forzada por la conexión con pernos para sellar las diversas aberturas entre los dos componentes coincidentes. En particular, las empaquetaduras de cabezas de cilindros típicamente se extienden alrededor de las perforaciones de cilindros para proporcionar un sello a la combustión, mantener los gases de combustión a altas temperaturas dentro de las perforaciones de los cilindros. Simultáneamente, los empaques también sellan las aberturas de flujo de fluidos tales como las aberturas de refrigerantes y de aceite para evitar el mezclado no deseable. Es típico que una empaquetadura de cabezas de cilindros incluya un cuerpo de empaquetadura principal con una abertura de perforación de cilindros, la periferia de la cual está rodeada por un reborde en forma de U, generalmente metálico. El reborde se acopla a la cara superior y a la cara inferior del cuerpo de la empaquetadura principal. El reborde proporciona protección mejorada al cuerpo de la empaquetadura contra los gases de combustión a alta temperatura y sirve para disipar el calor de combustión dentro del cuerpo de la empaquetadura y alejarlo de la abertura de perforación del cilindro. Se han incorporado recubrimientos para soportar grandes cargas sobre superficies de la empaquetadura de cabezas de cilindros para proporcionar un sello estático de juntas como aquellas para las cuales se utilizan las empaquetaduras de cabezas de cilindros. Estos recubrimientos con frecuencia contienen silicona y normalmente contiene solventes, y requieren calor para curar. En tal caso, se obtiene la propiedad de sellado aumentado de la silicona a costa de una propiedad disminuida de soporte de carga. Además, la debilidad del recubrimiento resulta en la incapacidad de las empaquetaduras de mantener su estructura mecánica una vez que la presión de una carga se retira de la empaquetadura. Como resultado, la empaquetadura con frecuencia debe ser sustituida cuando la presión de una carga se remueve de la empaquetadura durante el mantenimiento o reparación de un motor que utiliza la empaquetadura . En consecuencia, es deseable proporcionar un recubrimiento que tenga una propiedad de sellado elevada, una resistencia y durabilidad aumentadas, una elevada densidad de reticulación cuando cure y una buena propiedad de liberación. También es deseable que el recubrimiento esté disponible fácilmente para uso después de periodos prolongados de almacenamiento. Es deseable además proporcionar una empaquetadura de cabezas de cilindros con una característica de soporte de carga elevada a alta y baja temperaturas y que selle adecuadamente las juntas con las cuales se hace coincidir la empaquetadura .

DESCRIPCIÓN BREVE DE LA INVENCIÓN Una empaquetadura de cabezas de cilindros, de acuerdo con la presente invención, incluye un cuerpo principal de empaquetadura que tiene una superficie con caras múltiples, y un recubrimiento por encima de la superficie, en donde el recubrimiento contiene un sistema de silicona que tiene viniléter incorporado en el mismo. La empaquetadura también puede incluir una abertura para flujo de fluido definida por una periferia del cuerpo principal de empaquetadura, y un reborde en forma de U generalmente metálico con una superficie exterior, en donde el reborde tiene piernas opuestas separadas por una sección central que se coloca dentro de la abertura de flujo de fluido. La pierna superior se acopla a la cara superior, y la cara inferior se acopla a la cara inferior con una sección central extendiéndose radialmente dentro de la abertura alejándose de la periferia. Cuando el reborde se incorpora con la empaquetadura, el recubrimiento cubre la superficie exterior del reborde en forma de U . En una modalidad preferida de la invención, el recubrimiento cubre por completo tanto la superficie del cuerpo principal de empaquetadura como la superficie exterior del reborde en forma de U. El recubrimiento preferiblemente es un recubrimiento curable por radiación ultravioleta ("UV") . Además el viniléter incorporado en el sistema de silicona preferiblemente es ciclohexanodimetanol diviniléter. Cuando cura, el recubrimiento tiene un espesor efectivo de por lo menos 0.0051 mm (0.0002 pulgadas) . En una modalidad preferida, el espesor después de curado está en el intervalo de hasta 0.0381 mm (0.0015 pulgadas) . Sin embargo, este intervalo puede ampliarse a un límite superior mayor cuando la superficie de la empaquetadura de cabeza es rugosa o cuando un componentes que coincide con la empaquetadura es rugoso. La presente invención también incluye un método de recubrimiento de un sustrato de un componente de soporte de carga de un motor, el cual comprende las etapas de combinar un copolímero de silicona, un compuesto de viniléter, un fotoiniciador y un polímero curable por UV para formar el recubrimiento; aplicar el recubrimiento al sustrato; y curar el recubrimiento a temperatura ambiente. La etapa de aplicación puede incluir realizar una aplicación de recubrimiento tal como una aplicación de cortina, una aplicación de serigrafía, o un recubrimiento por rodillo inverso. La etapa de curado incluye exponer la superficie recubierta a radiación UV. Como se menciona antes, el viniléter preferiblemente es ciclohexanodimetanol diviniléter. El fotoiniciador preferiblemente está en un intervalo de aproximadamente 2 a aproximadamente 4 partes en peso, el polímero curable por UV preferiblemente está en un intervalo de aproximadamente 40 a aproximadamente 80 partes en peso, el copolímero de silicona preferiblemente está en un intervalo de aproximadamente 10 a aproximadamente 50 partes en peso, y el viniléter preferiblemente está en un intervalo de más de 0 a aproximadamente 15 partes en peso. Una ventaja de recubrimiento de la presente invención es que consiste completamente de componentes reactivos antes del curado. En consecuencia, no necesitan estar presentes solventes en el recubrimiento antes de curado, y no necesita aplicarse calor para curar el recubrimiento. El recubrimiento de la invención tiene características de alto sellado y alta densidad 5 de reticulado cuando cura. Además, el recubrimiento tiene una característica de soporte de carga elevada a temperaturas tanto ambiente como operacionales a elevada temperatura del motor. Además, el recubrimiento tiene una muy buena propiedad de liberación posterior al sometimiento de carga continuo y pesada 10 en un sustrato al cual se aplica el recubrimiento. Finalmente, el recubrimiento tiene excelente vida de anaquel, lo que resulta en la capacidad de ser almacenado en un estado no curado durante periodos de tiempo prolongados antes de su uso. 15 DESCRIPCIÓN BREVE DE LOS DIBUJOS Las características y aspectos inventivos de la presente invención serán más evidentes antes la lectura de la siguiente descripción detallada, reivindicaciones y dibujos, de 20 los cuales la siguiente es una descripción breve: La figura 1 es una vista plana de una empaquetadura de cabezas de cilindros, de acuerdo con la presente invención. La figura 2 es una vista en sección transversal parcial de la empaquetadura que muestra una capa de °-* *~feaüSiaa^, revestimiento opcional la cual se aplica al reborde antes de que se conforme en su forma operacional. La figura 3 es una vista en sección transversal parcial de la empaquetadura a lo largo de las líneas 3-3 en la figura 1, que muestra la empaquetadura después de que se a aplicado el recubrimiento final al reborde y no en por lo menos una porción del cuerpo principal de empaquetadura.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE UNA MODALIDAD PREFERIDA En la figura 1 se ilustra una empaquetadura 20 de cabezas de cilindros, de acuerdo con la presente invención. La empaquetadura 20 tiene un cuerpo 22 principal, y una pluralidad de aberturas de flujo de fluido, las aberturas incluyen aberturas 24 de perforación de combustión. Se puede recibir un reborde 26 generalmente en forma de U dentro de una de las aberturas 24 y se puede colocar alrededor de la periferia 28 interior. La empaquetadura 20 normalmente se utiliza como un sello entre un bloque de motor y unas cabezas de cilindros de un motor de combustión interna (no mostrado) . El bloque del motor y las cabezas de cilindros se unen por pernos. La empaquetadura 20 se coloca en base a la fuerza de la conexión por pernos para sellar las diversas aberturas entre dos componentes coincidentes. Está dentro del alcance de la invención que se puedan utilizar sus principios para otras empaquetaduras o componentes de motor, particularmente aquellas que estén sometidos a condiciones de soporte de carga elevada. La relación entre el reborde 26 y el cuerpo 22 principal se ilustra mejor en la figura 2. El cuerpo 22 principal incluye una cara 30 superior y una cara 32 inferior. El reborde 26 en forma de U tiene una superficie 34 exterior y piernas 36, 38 opuestas, separadas por una sección 40 central. La pierna 36 se acopla a la cara 30 y la pierna 38 se acopla a la cara 32 inferior. La sección 40 central generalmente está arqueada y se extiende radialmente hacia adentro, al interior de la abertura 24 alejándose de la periferia 28. El reborde 26 proporciona una protección mejorada al cuerpo 22 principal de los gases de combustión a alta temperatura y sirve para disipar el calor de combustión dentro del cuerpo 22 principal y alejarlo de la abertura 24 de perforación del cilindro. Como se muestra en la figura 2, la superficie 40 exterior del reborde 26 puede tener una capa 44 de revestimiento opcional. Una capa 44 de revestimiento podría ser una que comprende predominantemente níquel, particularmente cuando el cuerpo 22 principal se forma de grafito. La capa 44 de revestimiento opcional protege el interior del reborde 26 de los elementos corrosivos que se encuentran en el grafito, tales como cloro y azufre. Como se muestra en la figura 3, la empaquetadura 20 incluye un recubrimiento 46 exterior colocado alrededor de la superficie 40 exterior del reborde 26. En una modalidad de la invención, el recubrimiento 46 exterior cubre el reborde 26 y tal vez una porción del cuerpo 22 principal de la empaquetadura 20. En otra modalidad de la invención, el recubrimiento 46 exterior cubre la totalidad de las superficies expuestas tanto del reborde 26 como del cuerpo 22 principal. El recubrimiento 46 incluye la incorporación de viniléter en un sistema curable por ultravioleta ("UV") modificado por silicona. En una modalidad preferida, el viniléter incorporado en el sistema curable por UV con silicona es ciclohexanodimetanol diviniléter. En una modalidad preferida de la invención, el compuesto de silicona es un copolímero de silicona, presente en un intervalo desde aproximadamente 10 hasta aproximadamente 50 partes en peso, y el viniléter está presente en un intervalo desde más 0 hasta aproximadamente 15 partes en peso. En tal caso, el recubrimiento también incluye un fotoiniciador, en un intervalo desde aproximadamente 2 hasta aproximadamente 4 partes en peso, y un polímero curable por UV, en un intervalo de aproximadamente 40 a aproximadamente 80 partes en peso. Preferiblemente, el cuerpo 22 principal se forma como un material compuesto que tiene conductividad térmica mejorada cuando se compara con únicamente un componente metálico. Por ejemplo, el cuerpo 22 principal se puede formar de grafito. También se pueden colocar una pluralidad de espigas 42 metálicas opcionales dentro del cuerpo 22 principal. Además, el recubrimiento 46 también se puede adherir a sustratos de papel o sustratos de plástico alrededor del material compuesto metálico, grafito o núcleo de acero perforado, por ejemplo. La preparación y aplicación del recubrimiento de la modalidad preferida de la presente invención incluye las etapas de combinar un copolímero de silicona, un compuesto de viniléter, ua fotoiniciador y un polímero curable por UV, aplicar el recubrimiento a un sustrato; y curar el recubrimiento a temperatura ambiente, al exponer el sustrato recubierto a radiación UV.. La aplicación de recubrimiento al sustrato se puede llevar a cabo utilizando una aplicación de recubrimiento tal como una aplicación de cortina, una aplicación de serigrafía o un recubrimiento de rodillo inverso. De acuerdo con el método de la presente invención, el fotoiniciador preferiblemente está en un intervalo desde aproximadamente 2 a aproximadamente 4 partes en peso, el polímero curable por UV está preferiblemente en un intervalo de aproximadamente 40 a aproximadamente 80 partes en peso, el copolímero de silicona preferiblemente está en un intervalo de aproximadamente 10 a aproximadamente 50 partes en peso, y el viniléter preferiblemente está en un intervalo de más 0 a aproximadamente 15 partes en peso. El pigmento también se puede adherir a la mezcla hasta aproximadamente 10 partes en peso y aun así adherirse a los principios de la invención.

Como un ejemplo de la modalidad preferida de la invención, se mezclan diviniléter de 1, 4-ciclohexanodimetanol y copolímero de silicona que contiene una cadena de polidimetilsiloxano con funcionalidad epoxi, junto con una solución de sal de yodonio fotoactiva y un polímero curable con UV, sin solvente. Más particularmente, se mezclan juntas 10 partes en peso de diviniléter de 1 , 4-ciclohexanodimetanol, 2.6 partes en peso de la solución de sal de yodonio fotoactiva, 56.8 partes en peso de UV9425MR, producido por GE SiliconesMR, como el polímero curable por UV, sin solvente, y 30.6 partes en peso de UV9300MR producido por GE Silicones R, como el copolímero de silicona. Una vez mezclados homogéneamente, el recubrimiento se aplica a las superficies de una empaquetadura de cilindro de cabeza de un motor de combustión interna utilizando un recubrimiento de rodillo inverso. Los empaques recubiertos después se colocan en un transportador el cual transporta las empaquetaduras recubiertas a través de una cámara de curado por UV, a aproximadamente 10.2 cm/seg (20 pies por minuto), por lo que exponen las empaquetaduras recubiertas a radiación UV durante aproximadamente 2 segundos. Cuando se prepara el recubrimiento 46, los compuestos presenten en la mezcla son todos sustancias reactivas, sin que se requieran solventes. Debido a que no estás presentes solventes en el sistema, no es necesario calor para curar el recubrimiento. Como un resultado, se incrementa las características de soporte de carga del recubrimiento curado, pues el calor durante el calor tiende a disminuir las propiedades de soporte de carga del sistema. El sistema curable por UV proporciona la ventaja de un curado más rápido (segundos en lugar de minutos) en relación a los sistemas de silicona curados por calor. Debido a que el sistema de silicona modificado de la presente invención incorpora viniléter, y no requiere calor para curado, se mejoran en gran medida la resistencia, durabilidad y densidad de reticulado del sistema curado en comparación con otros sistemas sin incorporación de viniléter en los mismos, así como aquellos que requieren calor para curar el recubrimiento. Los resultados experimentales también han demostrado que el sistema de la presente invención tiene una mejoría notable en las características de soporte de carga tanto a temperatura ambiente como a temperaturas elevadas de operación del motor. Cuando se incorpora ciclohexanodimetanol diviniléter dentro del sistema curable por UV modificado con silicona y se aplica a la superficie de una empaquetadura 20 de cabezas de cilindros de acuerdo con los principios de la presente invención, se obtiene una mejoría de 90% a partir de las pruebas de compresión en caliente a 300°C, en comparación con el tipo de recubrimiento que no incorpora un viniléter. También se realizaron pruebas comparando la capacidad de compresión y recuperación de una empaquetadura con el recubrimiento curado a 34473 kPa (5000 psi), la capacidad de sellado (fuga en cc/min) de la empaquetadura utilizando el recubrimiento bajo una presión de nitrógeno interna de 414 kPa (60 psi) con fuerzas de tensión de 3447 kPa (500 psi) y 6894 kPa (1000 psi), el porcentaje de relajación viscosa a altas temperaturas, y la adhesión del recubrimiento después de sometimiento a inmersiones en fluido de motor común durante 70 horas a diversas temperaturas. En cada caso en el que se incorporó ciclohexanodimetanol diviniléter en el sistema curable por UV modificado con silicona, los resultados fueron aproximadamente iguales a, o mejores que los resultados utilizando un recubrimiento que no incorpora un viniléter. Preferiblemente, el recubrimiento 46 tiene un espesor de película curada mayor de aproximadamente 0.0051 mm (0.0002 pulgadas) . Un intervalo superior efectivo para el espesor de la película curada es de 0.381 mm (0.0015 pulgadas) . Sin embargo, el intervalo superior puede ser mayor cuando la superficie la cual se adhiere la película curada es especialmente rugoso o requiere de alguna otra manera una película más gruesa para completar la cobertura y protección. Habiéndose descrito una modalidad de la invención, debe entenderse que la invención no se limita a algunas de las modalidades precisas descritas en la presente. Se pueden llevar a cabo varios cambios y modificaciones por aquellos expertos en la técnica sin apartarse del espíritu o alcance de la invención como se define en la reivindicaciones anexas.

Claims (20)

REIVINDICACIONES

1. Una empaquetadura de cabezas de cilindros, que comprende : un cuerpo de empaquetadura principal que tiene una superficie que comprende una cara superior y una cara inferior; y un recubrimiento alrededor de la superficie, el recubrimiento comprende un compuesto de silicona y un compuesto de viniléter.

2. La empaquetadura como se describe en la reivindicación 1, que comprende además: una abertura de flujo de fluido definida por una periferia del cuerpo de empaquetadura principal; y un reborde metálico generalmente en forma de U con una superficie exterior, el reborde tiene piernas opuestas separadas por una sección central colocada dentro de la abertura de flujo de fluido, una pierna superior se acopla a la cara superior, y una pierna inferior se acopla a la cara inferior con la sección central extendiéndose radialmente dentro de la abertura alejándose de la periferia, y en donde el recubrimiento alrededor de la superficie cubre la superficie exterior del reborde en fcrma de U.

3. La empaquetadura como se describe en la reivindicación 2, en donde el recubrimiento cubre por completo la superficie del cuerpo de empaquetadura principal y cubre por completo la superficie exterior del reborde en forma de U.

. La empaquetadura como se describe en la reivindicación 1, en donde el recubrimiento es un recubrimiento curable por UV.

5. La empaquetadura como se describe en la reivindicación 4, en donde el viniléter es ciclohexanodimetanol diviniléter .

6. La empaquetadura como se describe en la reivindicación 4, en donde el recubrimiento comprende además: un fotoiniciador, en un intervalo desde aproximadamente 2 hasta 4 partes en peso; y un polímero curable por UV, en un intervalo de aproximadamente 40 a aproximadamente 80 partes en peso, en donde el compuesto de silicona es un copolímero de silicona, presente en un intervalo de aproximadamente 10 a aproximadamente 50 partes en peso, y en donde el viniléter está presente en un intervalo de más de 0 a aproximadamente 15 partes en peso. i ..

. La empaquetadura como se describe en la reivindicación 1, en donde el recubrimiento tiene un espesor de película curada entre por lo menos aproximadamente 5 µm (0.0002 pulgadas) y aproximadamente 381 µm (0.015 pulgadas).

8. La empaquetadura como se describe en la reivindicación 4, en donde el recubrimiento consiste de únicamente componentes reactivos antes del curado.

9. La empaquetadura como se describe en la reivindicación 4, en donde no están presentes solventes en el recubrimiento antes del curado.

10. Un recubrimiento para un sustrato de un componente que soporta carga de un motor, el cual comprende: un compuesto de silicona; y un compuesto de viniléter.

11. El recubrimiento como se describe en la reivindicación 10, en donde el recubrimiento es curable por radiación UV.

12. La empaquetadura como se describe en la reivindicación 11, en donde el recubrimiento comprende además: un fotoiniciador, en un intervalo de aproximadamente 2 a aproximadamente 4 partes en peso; y un polímero curable por UV, en un intervalo de aproximadamente 40 a aproximadamente 80 partes en peso, en donde el compuesto de silicona es un copolímero de silicona, presente en un intervalo de aproximadamente 10 a aproximadamente 50 partes en peso, y el viniléter está presente en un intervalo de más de 0 a aproximadamente 15 partes en peso.

13. El recubrimiento como se describe en la reivindicación 11, en donde el viniléter es ciclohexanodimetanol diviniléter .

14. El recubrimiento como se describe en la 'reivindicación 11, en donde el recubrimiento consiste de únicamente componentes activos antes del curado.

15. El recubrimiento como se describe en la reivindicación 11, en donde no están presentes solventes en el recubrimiento antes del curado.

16. Un método para recubrir un sustrato de un componente que soporta una carga de un motor, el cual comprende las etapas de: a) combinar: i—'íj* i) un copolímero de silicona, íi) un compuesto de viniléter, iii) un fotoiniciador, y iv) un polímero curable por UV, para formar el recubrimiento; b) aplicar el recubrimiento al sustrato; y c) curar el recubrimiento a temperatura ambiente.

17. El método como se describe en la reivindicación 16, en donde el viniléter es ciclohexanodimetanol diviniléter.

18. El método como se describe en la reivindicación 16, en donde el fotoiniciador está en el intervalo de aproximadamente 2 a aproximadamente 4 partes en peso, el copolímero curable por UV está en el intervalo de aproximadamente 40 a aproximadamente 80 partes en peso, el copolímero de silicona está en un intervalo de aproximadamente 10 a aproximadamente 50 partes en peso, y el viniléter está en un intervalo de más 0 a aproximadamente 15 partes en peso.

19. El método como se describe en la reivindicación 16, en donde el curado en la etapa c) comprende exponer el sustrato recubierto a radiación UV.

20. El método como se describe en la reivindicación 16, en donde la aplicación en la etapa b) comprende realizar una aplicación de recubrimiento que se selecciona del aplicación en cortina, aplicación de serigrafía y recubrimiento con rodillo inverso.