專利名稱：鋁制止推環(huán)的制作方法
本申請(qǐng)要求申請(qǐng)?zhí)枮?0/229820，申請(qǐng)日為2000年9月5日的專利申請(qǐng)為優(yōu)先權(quán)，并記載了該申請(qǐng)所公開(kāi)的鋁制止推環(huán)。
制造雙金屬止推軸承的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們能夠通過(guò)壓力成型的操作非?？焖偾冶阋说倪M(jìn)行生產(chǎn)。片狀或帶狀的雙金屬材料被沖壓和/或模壓成型，包括在推力面上的任何流體動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)。
在一種已知的應(yīng)用中，止推軸承全部由一塊未知成份的鋁合金機(jī)加工得到。據(jù)信，機(jī)加工的止推軸承不能用在雙金屬型止推環(huán)中使用的傳統(tǒng)壓力成型的操作形成。要意識(shí)到的是，對(duì)單個(gè)止推環(huán)的機(jī)加工的成本和復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)全鋁結(jié)構(gòu)帶來(lái)的任何益處。
依據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的止推軸承克服了或很大的減少了已知現(xiàn)有技術(shù)中的前述的限制。
依據(jù)本發(fā)明另一方面，所述鋁合金優(yōu)選為鋁-硅合金。
依據(jù)本發(fā)明又另一方面，所述鋁-硅合金包含至少2wt％的硅。
還是依據(jù)本發(fā)明再另一方面，所述硅含量范圍從2到20wt％。
依據(jù)本發(fā)明又另一方面，所述鋁-硅合金包含0.1到4wt％的銅。
依據(jù)本發(fā)明又另一方面，鋁-硅墊圈的中的硅顆粒按一定密度和尺寸存在于鋁基體中，其密度和尺寸使得在0.04mm2面積內(nèi)計(jì)數(shù)時(shí)，存在至少四個(gè)尺寸大于5μm的硅顆粒。
仍然依據(jù)本發(fā)明另一方面，硅顆粒存在于整個(gè)基體中，并起到對(duì)曲柄軸的配合端面(counterface)的拋光作用。
依據(jù)本發(fā)明另外的方面，隨著墊圈推力面的磨損，鋁基體發(fā)生磨損并被帶走，而硅顆粒存留鑲嵌在表面，使在推力面的硅顆粒的密度不斷增加。因此，隨著止推環(huán)的磨損，硅顆粒在推力面的積累增強(qiáng)了止推環(huán)的拋光和磨損特性，其軸承性能實(shí)際上提高了。
依據(jù)本發(fā)明的止推環(huán)10包括推力面18和背面20。背面20依靠于支撐結(jié)構(gòu)，例如外殼或發(fā)動(dòng)機(jī)體(未顯示)，它們也是本領(lǐng)域中所熟知和常規(guī)的。推力面18向外面向垂直于止推環(huán)10中央縱向軸A的背面，該軸A對(duì)應(yīng)于軸16的旋轉(zhuǎn)軸。推力面18面向并正對(duì)軸16的配合端面22(圖5-7)，該面與推力面18平行，并在通常方式下，作為比如曲柄軸臂的側(cè)表面。參照

圖1和5，軸按照箭頭24的方向旋轉(zhuǎn)，使得配合端面22相對(duì)于推力面18按照箭頭24的方向旋轉(zhuǎn)。止推環(huán)10至少帶有一個(gè)，并優(yōu)選為至少兩個(gè)舌榫突起或耳狀物26，沿徑向從外表面14向外突出，所述舌榫突起或耳狀物放入機(jī)體或其它支撐結(jié)構(gòu)的沉孔(未顯示)中，以對(duì)止推軸承進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩ㄎ徊⒅我苑乐罐D(zhuǎn)動(dòng)。
推力面18由大量的油流凹槽28構(gòu)成，通過(guò)這些凹槽可以向旋轉(zhuǎn)軸，以及向推力面和配合端面22的界面供油。
推力面18可進(jìn)一步由流體動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，在圖2，4和5中大體上顯示于30，與軸16的旋轉(zhuǎn)配合端面22配合，工作時(shí)在推力面18和配合端面22之間形成油膜，為配合端面22提供流體動(dòng)力學(xué)推力支撐。這種流體動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)30可能與US5192136中公開(kāi)的一樣或相似，該專利轉(zhuǎn)讓于本發(fā)明的受讓人，并在此作為參考引入其記載的內(nèi)容。圖4和5顯示了圖2的推力面的放大剖面圖，其中流體動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)包括有角度的表面截面32，它作為斜坡沿箭頭24的方向，向鄰接的隆起臺(tái)階(land)表面34送油。臺(tái)階表面34可以是平的或圓的，但優(yōu)選是平的。油被配合端面22抽上斜面32，并進(jìn)入配合端面22和隆起臺(tái)階表面34形成的窄軸向通道35(圖5)。所引起的圓周向油的流動(dòng)增加了臺(tái)階表面34上的油壓，進(jìn)而獲得了適于處理相對(duì)高的推力載荷的流體動(dòng)力學(xué)支撐作用。這種效應(yīng)有時(shí)被稱為薄膜邊緣流體動(dòng)力學(xué)潤(rùn)滑。流體動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)30和凹槽28的具體形狀取決于每個(gè)具體的應(yīng)用和需要產(chǎn)生的流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。因此，圖中所示的流體動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)30只用于說(shuō)明，并不會(huì)將本發(fā)明限定在流線特征動(dòng)力學(xué)特征30。
依據(jù)本發(fā)明，整體止推環(huán)結(jié)構(gòu)10由適合作為止推環(huán)材料的單一材料制成。更加具體的，止推環(huán)10全部由鋁合金軸承材料制成，該材料能夠經(jīng)壓力成型為止推環(huán)10的形狀，包括提供所需的推力面表面的凹槽28和流體動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)30。使用這種“單一金屬”構(gòu)造，不存在通常雙金屬構(gòu)造的止推環(huán)的鋼制背襯層。
依據(jù)本發(fā)明的可鍛鋁基體包括鋁-硅合金。優(yōu)選的硅含量范圍從2到20wt％，但更加優(yōu)選的在9.5到11.5wt％之間。鋁-硅合金單一金屬止推環(huán)結(jié)構(gòu)10進(jìn)一步優(yōu)選包含0.4到4wt％之間的銅，其余的組成為鋁?？蛇x的，鋁-硅合金可選的包括一種或幾種選自錫，鉛，鉻，釩，錳和鎂的添加劑，存在的量為合金的0到5wt％。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，基體包括9.5到11.5wt％的硅，0.75到1.25wt％的銅，其余的為純鋁。
優(yōu)選的鋁-硅合金最好使用快速凝固工藝澆注成帶狀，例如在兩個(gè)相對(duì)旋轉(zhuǎn)的冷卻軋輥之間澆注。澆注之后，材料在某個(gè)溫度下熱處理一段時(shí)間，處理時(shí)間足以使硅顆粒在鋁基體中生長(zhǎng)到具有特定尺寸和分散密度。熱處理的帶隨后進(jìn)行冷軋，以得到最終材料的最終硅顆粒尺寸和密度。依據(jù)本發(fā)明，分散在止推環(huán)結(jié)構(gòu)全部厚度(即，在推力面18和背面20之間)中的硅顆粒最初為均勻分散。最終材料有至少一些指定平均顆粒尺寸為至少5μm或更大的硅顆粒，并以一定密度存在于整個(gè)鋁基體中，使平均在基體中0.04mm2的面積內(nèi)存在至少4個(gè)指定尺寸的硅顆粒。合金材料的代表性微結(jié)構(gòu)顯示于圖3，其中硅顆粒用36表示，鋁基體為38。在止推環(huán)10最初形成時(shí)(即，使用前)，均勻分散的硅顆粒38在圖6中作了示意性說(shuō)明，圖中可以看到推力面18的硅顆粒36的密度與止推環(huán)10的整個(gè)厚度的硅顆粒36的密度大致相同。
材料一旦經(jīng)過(guò)熱處理和冷軋，止推環(huán)結(jié)構(gòu)10被從帶上切下，經(jīng)壓力成型為所需的形狀并包含所需的特征，例如凹槽28和流體動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)30。壓力成型操作可以與雙金屬型止推環(huán)中使用的壓力成型相同，該操作為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所熟知，并可以包括模壓操作。
依據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，任何在止推環(huán)10成型中產(chǎn)生的廢棄材料被循環(huán)使用，來(lái)生產(chǎn)其它的止推環(huán)10。換句話講，任何切下的廢棄材料和/或不滿意的止推環(huán)10被回收，再次熔化并重新澆鑄，然后進(jìn)行熱處理，以為生產(chǎn)另外的止推環(huán)10提供材料。通過(guò)這種方式，不存在廢棄的止推環(huán)材料。
止推環(huán)10的鋁基體具有的機(jī)械性能使其具有足夠的強(qiáng)度構(gòu)成止推環(huán)，而無(wú)須背襯材料?；w的性能也使鋁基體可以被磨損掉，留下硅顆粒暴露在推力面18，使推力面18的硅顆粒密度隨止推環(huán)10的使用而增加。
在使用中，隨著配合端面22相對(duì)推力面18(該面顯示于圖6和7，但實(shí)際上與圖5所示的為對(duì)立關(guān)系)旋轉(zhuǎn)，存在于推力面18的硅顆粒36作為研磨劑將配合端面22拋光。通過(guò)對(duì)配合端面22的拋光，配合端面22變的更光滑，使配合端面22和推力面18之間的流體動(dòng)力學(xué)作用增強(qiáng)，進(jìn)而改善了止推環(huán)10的止推軸承性能。對(duì)配合端面22的拋光也去除了配合端面上的任何缺陷，并使止推環(huán)10磨損。隨著時(shí)間，引起止推環(huán)10的某種程度的磨損，并引起了表面鋁基體材料31被帶走。然而，如圖7中示意的，硅顆粒36仍然鑲嵌在鋁基體31中，而不被帶走，并在推力面18上積累。最終，隨著止推環(huán)10的磨損，推力面18的硅顆粒36的密度不斷增加。這種磨損狀態(tài)在圖7中說(shuō)明，圖中可見(jiàn)，在止推環(huán)結(jié)構(gòu)10的整個(gè)剩余部分，推力面18的硅顆粒36的密度更大。結(jié)果，推力面18上增加的硅顆粒密度提高了止推環(huán)10的拋光作用，使在墊圈10磨損后的配合端面22的拋光程度比止推環(huán)10是新的時(shí)更為顯著(圖6)。這種增強(qiáng)的拋光作用繼續(xù)提高流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，并實(shí)際上減輕了止推環(huán)10的連續(xù)磨損，使止推環(huán)10的使用壽命相對(duì)于沒(méi)有這種硅顆粒存在的鋁合金材料延長(zhǎng)。
顯而易見(jiàn)的，根據(jù)上述內(nèi)容的對(duì)本發(fā)明的修改和改變是可能的。所以，需要理解在附加的權(quán)利要求范圍內(nèi)，本發(fā)明可能會(huì)不按照具體描述的進(jìn)行操作。本發(fā)明由權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1.一種鋁制止推環(huán)包括可鍛鋁基體，包括2到20重量百分比的硅；0.1到4重量百分比的銅；其余的為鋁；所述鋁制止推環(huán)由單一金屬形成，沒(méi)有背襯層。
2.依據(jù)權(quán)利要求1的鋁制止推環(huán)，其中所述鋁基體包含9.5到11.5％的硅，0.75到1.25重量百分比的銅，其余的為鋁。
3.依據(jù)權(quán)利要求1的鋁制止推環(huán)，其中所述鋁基體中分散有硅顆粒，使在0.04mm2的面積內(nèi)存在有至少四個(gè)尺寸大于5微米的硅顆粒。
4.依據(jù)權(quán)利要求3的鋁制止推環(huán)，其中所述硅顆粒具有15微米的最大尺寸。
5.依據(jù)權(quán)利要求1的鋁制止推環(huán)，其中所述鋁基體材料磨損掉，留下硅顆粒暴露于推力面上；因此，隨著鋁制止推環(huán)的使用，在所述推力面上的硅顆粒密度不斷增加。
6.依據(jù)權(quán)利要求1的鋁制止推環(huán)，其中所述鋁基體材料還包括0到5重量百分比的一種或幾種選自錫，鉛，鉻，釩，錳，鎂的元素。
7.依據(jù)權(quán)利要求1的鋁制止推環(huán)，所述鋁制止推環(huán)通過(guò)下述步驟形成澆鑄所述鋁基體，然后對(duì)所述鋁基體進(jìn)行熱處理和冷軋以獲得具有所需硅顆粒分散的合金帶，隨后壓制所述合金帶以形成所述的鋁制止推環(huán)。
8.依據(jù)權(quán)利要求1的鋁制止推環(huán)，其中所述鋁基體有足夠的強(qiáng)度以得到?jīng)]有背襯的單一金屬結(jié)構(gòu)，且其中所述基體足夠的軟使所述鋁基體材料磨損掉，隨著所述止推環(huán)的使用，留下硅顆粒暴露于所述鋁制止推環(huán)的推力面。
9.依據(jù)權(quán)利要求1的鋁制止推環(huán)，其中所述鋁基體具有45到65的維氏硬度。
10.依據(jù)權(quán)利要求1的鋁制止推環(huán)，其中所述鋁制止推環(huán)包括其上形成的流體動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)。
11.依據(jù)權(quán)利要求1的鋁制止推環(huán)，其中所述鋁制止推環(huán)包括在其上形成的凹槽。
12.一種鋁制止推環(huán)，包括可鍛鋁基體，包括2到20重量百分比的硅；0.1到4重量百分比的銅；其余的為鋁；所述鋁制止推環(huán)由單一金屬構(gòu)成，沒(méi)有背襯層，且其中所述鋁基體中分散有硅顆粒，使在0.04mm2的面積內(nèi)存在有至少四個(gè)尺寸大于5微米的硅顆粒。
13.一種鋁制止推環(huán)，包括可鍛鋁基體，包括2到20重量百分比的硅；0.1到4重量百分比的銅；其余的為鋁；所述鋁制止推環(huán)由單一金屬構(gòu)成，沒(méi)有背襯層，且其中所述鋁基體具有足夠的強(qiáng)度以得到?jīng)]有背襯的單一金屬結(jié)構(gòu)，且其中所述基體足夠的軟使所述鋁基體材料磨損掉，隨著止推環(huán)的使用，留下硅顆粒暴露于所述鋁制止推環(huán)的推力面。
全文摘要
一種鋁制止推環(huán)，有鍛壓的鋁基體，其中包括2到20重量百分比的硅，0.1到4重量百分比的銅，其余的為純鋁。鋁制止推環(huán)由單一金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)成，沒(méi)有背襯層?？慑戜X基體具有的機(jī)械性能使鋁基體磨損掉，隨著止推環(huán)的使用，留下的硅顆粒不斷的增加。
文檔編號(hào)F16C33/10GK1476517SQ01815999
公開(kāi)日2004年2月18日 申請(qǐng)日期2001年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月5日
發(fā)明者R·J·湯普森, R J 湯普森 申請(qǐng)人:聯(lián)邦莫沃爾公司