球形環(huán)密封件及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于汽車排氣管的球形管接頭內(nèi)的球形環(huán)密封件，以及制造球形環(huán)密 封件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 關(guān)于汽車發(fā)動機的廢氣，圖19中示出汽車發(fā)動機的排氣通道的一個實例，發(fā)動機 的相應(yīng)氣缸（未示出）內(nèi)產(chǎn)生的廢氣被收集在廢氣歧管催化凈化器600內(nèi)并通過排氣管 601和排氣管602送到輔助消音器603。穿過該輔助消音器603的廢氣再通過排氣管604 和排氣管605被送往消音器606,并通過該消音器606排放至大氣。
[0003] 諸如這些排氣管601和602以及604和605、輔助消音器603、消音器606之類的 排氣系統(tǒng)構(gòu)件會由于發(fā)動機的顛簸特性和振動而反復(fù)地經(jīng)受應(yīng)力。尤其是在高速轉(zhuǎn)動且高 輸出發(fā)動機的情形中，施加到排氣系統(tǒng)構(gòu)件上的應(yīng)力變得相當(dāng)大。因而，排氣系統(tǒng)構(gòu)件可能 產(chǎn)生疲勞損壞，且發(fā)動機振動會使排氣系統(tǒng)構(gòu)件共振，由此在某些情況下增大車廂內(nèi)的噪 音。為了克服這些問題，廢氣歧管催化凈化器600與排氣管601之間的連接部分607和排 氣管604與排氣管605之間的連接部分608通過諸如排氣管球形接頭或波紋管型接頭之類 的振動吸收機構(gòu)可動地連接，由此提供的優(yōu)點在于，吸收了由于諸如汽車發(fā)動機的顛簸特 性和振動使排氣系統(tǒng)構(gòu)件反復(fù)經(jīng)受的應(yīng)力，由此防止這些廢氣系統(tǒng)構(gòu)件的疲勞損壞等的可 能性，并克服了發(fā)動機振動使廢氣系統(tǒng)構(gòu)件共振并增大汽車車廂內(nèi)部噪聲的問題。 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn) 專利文獻(xiàn)
[0004] 專利文獻(xiàn) I :JP-A-54-76759 專利文獻(xiàn) 2 :JP-B-4-48973

【發(fā)明內(nèi)容】
本發(fā)明所要解決的問題
[0005] 作為上述振動吸收機構(gòu)的一個實例，能夠引用專利文獻(xiàn)1中描述的排氣管接頭和 用在該接頭內(nèi)的密封件。與波紋管型接頭相比，專利文獻(xiàn)1中描述的排氣管接頭中使用的 密封件的優(yōu)點在于，其能夠?qū)崿F(xiàn)制造成本的降低且耐用性優(yōu)異。但是，該密封件是這樣形成 的：由膨脹石墨制成的耐熱材料和由金屬絲網(wǎng)制成的加固件被壓縮成使耐熱材料填充加固 件的金屬絲網(wǎng)的網(wǎng)眼，且耐熱材料和加固件由此以混合形式形成一體。因此，除了因為諸如 加固件與耐熱材料的比例以及耐熱材料和加固件的壓縮程度造成的該密封件具有廢氣通 過球形環(huán)密封件本身泄漏的問題之外，由于局部凸出球形表面的與匹配件可滑動地接觸的 表面上存在有耐熱材料而產(chǎn)生異常摩擦噪音的問題。例如，如果加固件與耐熱材料的比例 大，或者，耐熱材料的壓縮程度很低，則存在著這樣的可能：耐熱材料相對于加固件周圍產(chǎn) 生的無限小通道（間隙）的密封程度降低而會發(fā)生初始泄漏；由于高溫下耐熱材料的氧化 磨損，廢氣在早期階段就會泄漏。此外，如果耐熱材料相對于加固件在局部凸出球形表面的 暴露率非常大，則會發(fā)生黏滑現(xiàn)象，可能造成黏滑現(xiàn)象造成的異常摩擦噪聲的產(chǎn)生。
[0006] 作為克服這種密封件的缺點的密封件，專利文獻(xiàn)2中所公開的密封件這樣形成： 將由金屬絲網(wǎng)制成的加固件重疊在其中填充有且其上涂有聚四氟乙烯樹脂的膨脹石墨制 成的板狀耐熱材料上，從而形成帶形組成物，通過卷繞該帶形組成物使得其中填充有且其 上涂有聚四氟乙烯樹脂的表面放置在外側(cè)，從而形成中空圓筒層疊件，并使該中空圓筒層 疊件沿層疊件的軸向經(jīng)受壓縮模制，使得其中填充有且其上涂有聚四氟乙烯樹脂的表面暴 露在構(gòu)成滑動表面的外周表面上（密封表面）。對于該密封件，涂敷和形成在表面上的聚四 氟乙烯樹脂呈現(xiàn)諸如降低摩擦系數(shù)和防止形成基底件的耐熱材料轉(zhuǎn)移到匹配件的表面上 的操作效果。此外，由于聚四氟乙烯樹脂的摩擦阻力不會出現(xiàn)相對于滑動速度的負(fù)阻力，得 到附加效果：可抑制基于黏滑現(xiàn)象（粘附-滑移）的自激振動的產(chǎn)生，聯(lián)合上述操作效果， 由此有助于防止異常噪聲的產(chǎn)生。
[0007] 上述專利文獻(xiàn)2中描述的密封件克服了專利文獻(xiàn)1中所描述的密封件的問題。但 是，抑制基于黏滑現(xiàn)象的自激振動的產(chǎn)生和由此有助于防止異常噪聲產(chǎn)生的效果，即專利 文獻(xiàn)2中所公開的密封件的操作效果限于用在作用在密封件上的環(huán)境溫度小于聚四氟乙 烯樹脂的熔化點（327°C)的情況，在用于環(huán)境溫度（高溫區(qū)域）超過熔化點情況下，這樣會 不可避免地造成由于聚四氟乙烯樹脂產(chǎn)生的黏滑現(xiàn)象造成的自激振動的產(chǎn)生，以及由于到 排氣管的隨后振動傳播造成的異常噪聲的產(chǎn)生。
[0008] 鑒于上述方面設(shè)計了本發(fā)明，且其目的是提供一種球形環(huán)密封件，其使得即使在 超過聚四氟乙烯樹脂熔化點的環(huán)境溫度下使用的情況下，在與匹配件滑動時也能夠減輕自 激振動并消除異常噪聲的產(chǎn)生，并呈現(xiàn)穩(wěn)定的密封特性，還提供了一種制造球形環(huán)密封件 的方法。 解決問題的方法
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的球形環(huán)密封件是用于排氣管接頭中的一種球形環(huán)密封件，該球形環(huán) 密封件包括：球形環(huán)基底件，該球形環(huán)基底件由圓柱形內(nèi)表面、局部凸出球形表面和局部凸 出球形表面的大直徑側(cè)和小直徑側(cè)的環(huán)形端面限定；以及外層，該外層在該球形環(huán)基底件 的局部凸出球形表面上一體地形成，其中，球形環(huán)基底件包括由金屬絲網(wǎng)制成的加固件以 及含有膨脹石墨的耐熱材料，該耐熱材料被壓縮成填充加固件的金屬絲網(wǎng)的網(wǎng)眼并與加固 件以混合形式形成一體，其中，在外層中，含有膨脹石墨的耐熱材料，由含聚四氟乙烯樹脂、 四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、和六方氮化硼的潤滑組合物構(gòu)成的固體潤滑劑，以及由金屬 絲網(wǎng)制成的加固件被壓縮成使得耐熱材料和固體潤滑劑填充到加固件的網(wǎng)眼內(nèi)，并使得加 固件、耐熱材料、以及固體潤滑劑以混合形式形成一體，以及其中，在聚四氟乙烯樹脂、四氟 乙烯-六氟丙烯共聚物、和六方氮化硼的三元成分圖中，潤滑組合物中的聚四氟乙烯樹脂、 四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、和六方氮化硼的成分比落入對應(yīng)于由四邊形界定的內(nèi)部區(qū) 域的數(shù)值范圍內(nèi)，四邊形具有以下各成分點作為頂點：1〇質(zhì)量％的聚四氟乙烯樹脂、10質(zhì) 量％的四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、以及80質(zhì)量％的六方氮化硼的成分點；10質(zhì)量％的 聚四氟乙烯樹脂、45質(zhì)量％的四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、以及45質(zhì)量％的六方氮化硼的 成分點；45質(zhì)量％的聚四氟乙稀樹脂、45質(zhì)量％的四氟乙稀-六氟丙稀共聚物、以及10質(zhì) 量％的六方氮化硼的成分點；40質(zhì)量％的聚四氟乙稀樹脂、10質(zhì)量％的四氟乙稀-六氟丙 烯共聚物、以及50質(zhì)量％的六方氮化硼的成分點。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的球形環(huán)密封件，由于潤滑組合物的成分比落入對應(yīng)于由三元成分圖 中具有四個成分點作為頂點的四邊形界定的內(nèi)部區(qū)域的數(shù)值范圍內(nèi)，不可能造成對匹配件 表面的損壞，且尤其因為由含分別具有不同熔點的聚四氟乙烯樹脂（此后稱為PTFE)、四氟 乙烯-六氟丙烯共聚物（此后稱為FEP)、和六方氮化硼（此后稱為h-BN)的潤滑組合物構(gòu) 成的固體潤滑劑，能夠減輕自激振動并防止產(chǎn)生異常噪聲，且能夠在高溫區(qū)域獲得優(yōu)異滑 動性能。
[0011] 即，根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)在某個溫度區(qū)域使用球形環(huán)密封件時，盡管FEP熔化且軟化， 且由于其粘性而顯現(xiàn)彈性，但PTFE不熔化且處于固態(tài)，此時FEP的彈性被處于固態(tài)的PTFE 抑制，從而限制與匹配件滑動時的黏滑。同時，當(dāng)在PTFE會熔化、軟化且由于其粘性呈現(xiàn)彈 性的溫度以上使用球形環(huán)密封件時，F(xiàn)EP進(jìn)一步熔化且其粘性顯著下降，由于PTFE的粘性 導(dǎo)致潤滑性增加并抑制彈性，從而類似地限制與匹配件滑動時的黏滑。這樣，在從PTFE和 EFP不熔化的低溫區(qū)域到PTFE和FEP熔化的高溫區(qū)域的范圍內(nèi)使用球形環(huán)密封件時，能夠 由于PTFE和FEP的協(xié)同效應(yīng)而減輕自激振動并防止異常噪聲的產(chǎn)生。此外，由于PTFE、FEP 和h-BN的相應(yīng)高潤滑性，尤其是h-BN在高溫下的高潤滑性，使得即使在高溫下也能夠以低 摩擦阻力與匹配件平滑地滑動，且通過膨脹石墨與金屬絲網(wǎng)之間的協(xié)作而呈現(xiàn)穩(wěn)定的密封 特性。
[0012] 在PTFE、FEP、和h-BN的三元成分圖中，潤滑組合物中的PTFE、FEP、和h-BN的成 分比較佳地落入對應(yīng)于由六邊形界定的內(nèi)部區(qū)域的數(shù)值范圍內(nèi)，所述六邊形具有以下各成 分點作為頂點：25質(zhì)量％的PTFE、15質(zhì)量％的FEP、以及60質(zhì)量％的h-BN的成分點；12質(zhì) 量％的PTFE、28質(zhì)量％的FEP、以及60質(zhì)量％的h-BN的成分點；10質(zhì)量％的PTFE、40質(zhì) 量％的FEP、50質(zhì)量％的h-BN的成分點；20質(zhì)量％的PTFE、40質(zhì)量％的FEP、以及40質(zhì)量％ 的h-BN的成分點；38質(zhì)量^^^PTFE、22質(zhì)量^^^FEP、以及40質(zhì)量的成分點；以 及35質(zhì)量％的PTFE、15質(zhì)量％的FEP、以及50質(zhì)量％的h-BN的成分點。更佳地，PTFE為 25質(zhì)量％，F(xiàn)EP為25質(zhì)量％，而h-BN為50質(zhì)量％。
[0013] 此外，在本發(fā)明中，潤滑組合物可包含不超過20質(zhì)量％比例的水合氧化鋁。這種 水合氧化鋁本身不呈現(xiàn)潤滑性，而是通過改進(jìn)固體潤滑劑在球形環(huán)基底件的局部凸出球形 表面上的粘著性而呈現(xiàn)形成牢固外層的效果，并具有通過促進(jìn)h-BN的片狀晶體層之間的 滑動而呈現(xiàn)得到h-BN潤滑性作用的效果。
[0014] 水合氧化鋁是一種復(fù)合物，其化學(xué)組成式可表示為Al2O3 · ηΗ20 (在該成分公式中， 0<n< 3)。在此化合物式中，η通常是大于0(零）而小于3的數(shù)，較佳地為0.5至2,最 佳地為0. 7至1. 5或左右。就水合氧化鋁來說，可以例舉出例如勃姆石（Al2O3 ·ηΗ20)和水 鋁石（Al2O3 · H2O)的一水合氧化鋁（氫氧化鋁氧化物），例如，三水鋁石（Al2O3 ·3Η20)和三 羥鋁石（Al2O3 ·3Η20)的三水合氧化鋁，假勃姆石等。其中至少一種可以是適用的。
[0015] 在根據(jù)本發(fā)明的球形環(huán)密封件中，在球形環(huán)基底件和外層內(nèi)，由金屬絲網(wǎng)制成的 加固件被包含的比例為40至65重量％，固體潤滑劑和含有膨脹石墨的耐熱材料被包含的 比例為35至65重量％，而球形環(huán)基底件和外層中的耐熱材料和固體潤滑劑具有的密度為 1. 20至2. 00Mg/m3。此外，在外層中，由金屬絲網(wǎng)制成的加固件被包含的比例為60至75重 量％，且固體潤滑劑和含有膨脹石墨的耐熱材料被包含的比例為25至40重量％。
[0016] 在根據(jù)本發(fā)明的球形環(huán)密封件中，耐熱材料除了膨脹石墨之外還可包含0. 1至 16. O質(zhì)量％的磷酸鹽或0. 05至5質(zhì)量％的五氧化二磷，或0. 1至16. O質(zhì)量％的磷酸鹽和 0. 05至5質(zhì)量％的五氧化二磷作為氧化抑制劑。
[0017] 含有作為氧化抑制劑的磷酸鹽和五氧化二磷中至少一個和膨脹石墨的耐熱材料， 能夠提高球形環(huán)密封件本身的耐熱性和氧化磨損特性，并允許在高溫區(qū)域中使用球形環(huán)密 封件。
[0018] 在根據(jù)本發(fā)明的球形環(huán)密封件中，外層可具有由暴露表面形成的外表面，在暴露 表面中由加固件構(gòu)成的區(qū)域和由固體潤滑劑構(gòu)成的區(qū)域以混合形式存在。在該情況下，外 表面中由固體潤滑劑構(gòu)成的區(qū)域可通過由加固件構(gòu)成的區(qū)域保持，且能夠適當(dāng)?shù)貙崿F(xiàn)使固 體潤滑劑從外層的外表面到匹配件的表面上的轉(zhuǎn)移以及使轉(zhuǎn)移到匹配件的表面上的過量 固體潤滑劑的刮落，于是能夠確保長時期的平滑滑動，并可進(jìn)一步降低與匹配件滑動時異 常噪聲的產(chǎn)生。在本發(fā)明中，外層可替代地具有形成光滑表面的外表面，光滑表面由覆蓋加 固件的固體潤滑劑構(gòu)成。在該情況下，能夠令人滿意地確保與外層的外表面接觸（滑動） 的匹配件平滑地滑動。
[0019] 在本發(fā)明中，由潤滑組合物組成的固體潤滑劑可不燒結(jié)，但是可在超過FEP的熔 點的溫度下燒結(jié)。
[0020] 一種制造根據(jù)本發(fā)明的球形環(huán)密封件的方法，該球形環(huán)密封件用于排氣管接頭 中，并包括球形環(huán)基底件和外層，球形環(huán)基底件由圓柱形內(nèi)表面、局部凸出的球形表面、和 局部凸出的球形表面的大直徑側(cè)和小直徑側(cè)的環(huán)形端面限定；外層在球形環(huán)基底件的局部 凸出的球形表面上一體地形成，該方法包括如下步驟：（a)制備用作耐熱材料的膨脹石墨 板；(b)制備金屬絲網(wǎng)，該金屬絲網(wǎng)用作加固件并通過編織或編結(jié)細(xì)金屬絲得到，且在將金 屬絲網(wǎng)重疊在膨脹石墨板上形成重疊組件之后，將重疊組件卷繞成中空圓筒形，以由此形 成管狀基底件；（c)制備潤滑組合物的水性分散體，所述潤滑組合物由PTFE粉末、FEP粉末、 h-BN粉末、表面活性劑和水組成；（d)制備用作耐熱材料的另一膨脹石墨板，將水性分散體 施加到另一膨脹石墨板的一表面上，并使水性分散體干燥，以由此在另一膨脹石墨板的表 面上形成固體潤滑劑的涂層，該固體潤滑劑由PTFE、FEP、h-BN組成；（e)將具有涂層的另 一膨脹石墨板重疊在用作加固件并通過編織或編結(jié)細(xì)金屬絲制成的另一金屬絲網(wǎng)上，并通 過一對輥輪對另一膨脹石墨板和另一金屬絲網(wǎng)的重疊組件加壓，以由此形成扁平外層形成 件，在扁平外層形成件中另一膨脹石墨板和涂層填充到另一金屬絲網(wǎng)的網(wǎng)眼內(nèi)；（f)將外 層形成件圍繞管狀基底件的外周表面卷繞，使其涂層面向外，以由此形成圓筒形預(yù)制件；以 及（g)將圓筒形預(yù)制件配裝在模具內(nèi)芯的外周表面上，將內(nèi)芯放入所述模具內(nèi)，并沿內(nèi)芯 的軸向方向?qū)A筒形預(yù)制件在模具內(nèi)壓縮模制，其中由于膨脹石墨板和金屬絲網(wǎng)被壓縮并 彼此纏結(jié)，球形環(huán)基底件被形成為提供結(jié)構(gòu)一體性，以及其中，在外層中，另一膨脹石墨板、 涂層、以及另一金屬絲網(wǎng)被壓縮成使得膨脹石墨板和涂層填充在另一金屬絲網(wǎng)的網(wǎng)眼內(nèi)， 并使得另一金屬絲網(wǎng)、另一膨脹石墨板、以及涂層以混合形式形成一體。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的制造球形環(huán)密封件的方法，能夠制造這樣的球形環(huán)密封件，即使用 在高于FEP的熔點的環(huán)境溫度下或高于PTFE的熔點的環(huán)境溫度下，也能夠減輕自激振動并 消除與匹配件滑動時的異常噪聲的產(chǎn)生，并呈現(xiàn)穩(wěn)定的密封特性。
[0022] 在根據(jù)本發(fā)明制造球形環(huán)密封件的方法中，涂在另一膨脹石墨板的一表面上的潤 滑組合物的水性分散體由通過乳液聚合法得到的平均顆粒大小為〇. 01至I ym的PTFE粉 末、平均顆粒大小為0.0 l至1 μ m的FEP粉末、平均顆粒大小為0. 1至20 μ m的h-BN粉末、 表面活性劑和水組成。在該水性分散體中還可包含水合氧化鋁粉末，且在該水性分散體中 可包含含水有機溶劑。
[0023] 在水性分散體中，與表面活性劑和水一起含有含PTFE、FEP、和h-BN的潤滑組合 物的粉末，粉末中成分比在三元成分圖中落入對應(yīng)于由四邊形界定的內(nèi)部區(qū)域的數(shù)值范圍 內(nèi)，所述四邊形具有以下各成分點作為頂點：1〇質(zhì)量％的PTFEUO質(zhì)量％的FEP、以及80 質(zhì)量％的h-BN的成分點；10質(zhì)量％的PTFE、45質(zhì)量％的FEP、以及45質(zhì)量％的h-BN的成 分點；45質(zhì)量^^^PTFE、45質(zhì)量^^^FEP、以及10質(zhì)量的成分點；40質(zhì)量％的 PTFE、10質(zhì)量％的FEP、以及50質(zhì)量％的h-BN的成分點。較佳地，與表面活性劑和水一起含 有含PTFE、FEP、和h-BN的潤滑組合物的粉末，粉末中成分比在三元成分圖中落入對應(yīng)于由 六邊形界定的內(nèi)部區(qū)域的數(shù)值范圍內(nèi)，所述六邊形具有以下各成分點作為頂點：25質(zhì)量％ 的PTFE、15質(zhì)量％的FEP、以及60質(zhì)量％的h-BN的成分點；12質(zhì)量％的PTFE、28質(zhì)量％的 FEP、以及60質(zhì)量％的h-BN的成分點；10質(zhì)量％的PTFE、40質(zhì)量％的FEP、以及50質(zhì)量％ 的h-BN的成分點；20質(zhì)量％的PTFE、40質(zhì)量％的FEP、以及40質(zhì)量％的h-BN的成分點；38 質(zhì)量％的PTFE、22質(zhì)量％的FEP、以及40質(zhì)量％的h-BN的成分點；以及35質(zhì)量％的PTFE、 15質(zhì)量％的FEP、以及50質(zhì)量％的h-BN的成分點。更佳地，與表面活性劑和水一起含有用 于潤滑組合物的粉末，該潤滑組合物含有25質(zhì)量％的PTFE粉末、25質(zhì)量％的FEP粉末、以 及50質(zhì)量％的h-BN粉末。
[0024] 上述水性分散體中潤滑組合物的粉末還可包含比例不超過20質(zhì)量％的水合氧化 鋁粉末。水合氧化鋁粉末的含量較佳地為1至10質(zhì)量％，更佳地為2至3質(zhì)量％。
[0025] 在根據(jù)本發(fā)明的制造球形環(huán)密封件的方法中，通過將水性分散體借助于輥涂、刷 涂、噴涂等施加到另一膨脹石墨板的一表面上而形成的由潤滑組合物組成的涂層可在干燥 之后在高于FEP熔點的溫度下在加熱爐內(nèi)被燒結(jié)，可通過使用燒結(jié)涂層作為涂層來執(zhí)行所 述步驟（e)、（f)和（g)。在該情況下，由于膨脹石墨板和金屬絲網(wǎng)被壓縮并彼此纏結(jié)，球形 環(huán)基底件形成為提供結(jié)構(gòu)一體性，以及其中，在外層中，另一膨脹石墨板、燒結(jié)涂層、以及另 一金屬絲網(wǎng)被壓縮成使得膨脹石墨板和燒結(jié)涂層填充在另一金屬絲網(wǎng)的網(wǎng)眼內(nèi)，并使得另 一金屬絲網(wǎng)、另一膨脹石墨板、以及燒結(jié)涂層以混合形式形成一體。
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