包括涂在滑動面上的含硬顆粒的聚合物涂層的活塞總成的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種包括活塞本體、連桿以及活塞銷的活塞總成。該活塞本體包括一對形成活塞滑動面的第一橫孔。該連桿包括一形成與活塞本體的第一橫孔軸向對齊的桿滑動面的第二橫孔?；钊N設置在對齊的橫孔中并將活塞本體連接到連桿上。該活塞銷還具有面向桿滑動面和活塞滑動面的銷滑動面。至少一個滑動面上涂有涂層，比如通過浸漬、刷涂、噴霧、噴涂、印刷、或絲網(wǎng)印刷涂上的涂層。該涂層包括聚合物基體，比如聚酰胺酰亞胺(PAI)，以及硬顆粒，比如分布在該聚合物基體中的Fei03。該硬顆粒硬度至少為600HV/0.5。
【專利說明】包括涂在滑動面上的含硬顆粒的聚合物涂層的活塞總成
相關專利的交叉引用
[0001]本申請要求于2011年10月27日提交的第61/551，998號美國臨時申請的權益，其全部內容通過引用整體地合并于此。本申請同時是部分繼續(xù)申請并且要求于2011年6月30日提交的第13/142，887號美國專利申請的權益，其全部內容通過引用整體地合并于此。
【技術領域】
[0002]本發(fā)明大致涉及用于內燃機應用的活塞總成以及該活塞總成的制造方法。
【背景技術】
[0003]用于內燃機應用的活塞總成通常包括:包括橫孔的活塞本體、同樣包括與活塞本體的橫孔對齊的橫孔的連桿、以及位于對齊的橫孔內以連接活塞本體與連桿的活塞銷。過去，通過在橫孔和活塞銷之間壓入襯套來減少沿這些部件的滑動面的摩擦與磨損。最近，為了減少制造的復雜性和成本，襯套被低摩擦的涂層所代替，例如分配給費德羅-莫格爾公司的第7，024，981和6，557，457號美國專利中公開的涂層。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的一個方面提供一種用于內燃機的活塞總成，該活塞總成包括活塞本體和活塞銷。該活塞本體包括至少一個形成活塞滑動面的第一橫孔。該活塞銷位于第一橫孔內并形成一面向活塞滑動面的銷滑動面。至少一個滑動面上涂有涂層。該涂層包括基體內設有硬顆粒的聚合物基體。
[0005]本發(fā)明的另一個方面提供一種活塞總成的制造方法。該方法包括提供包括至少一個形成活塞滑動面的第一橫孔的活塞本體、以及提供形成銷滑動面的活塞銷。該方法進一步包括在至少一個滑動面上設置涂層，該涂層包括在基體中設有硬顆粒的聚合物基體。
[0006]當活塞總成在內燃機應用中使用時，該活塞總成的涂層能夠潤滑滑動面之間的接觸面并且隔開相互移動并相互摩擦的滑動面的表面微凸體。因此，在操作過程中，該涂層減少了由滑動面之間的摩擦引起的滑動面上的磨損、刮傷、高溫以及應力。相較于其他涂層以及不加涂層的滑動面而言，檢測結果表明本發(fā)明的涂層減少了滑動面上的磨損。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]結合附圖參閱以下詳細說明，本發(fā)明的其它優(yōu)點將更易于理解:
[0008]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的活塞本體、連桿以及活塞銷的立體圖以及部分剖視圖；
[0009]圖2是圖1的位于活塞本體上的涂層的剖視圖；
[0010]圖3是圖2的涂層的放大剖視圖；以及
[0011]圖4是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的活寒本體以及活寒銷的立體圖以及部分剖視 監(jiān)
【具體實施方式】
[0012]圖1大致示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例構造的活塞總成20。該活塞總成20包括具有上冠部24和銷殼結構28的活塞本體22。該活塞本體22優(yōu)選地由鋼材料制成并且是澆鑄或鍛造的。但是，該活塞本體22也可由其他金屬形成，比如鋁。該上冠部24形成有環(huán)形槽26以容納環(huán)(圖中未示)。該活塞本體22進一步包括從該上冠部24下垂并與其一體成型的銷殼結構28。該銷殼結構28包括形成活塞滑動面32的第一橫孔30。該活塞滑動面32圍繞中心軸周向延伸并且可提供油槽或夾槽。
[0013]該活塞本體22還包括一自上冠部24縱向延伸的裙部34。在一個實施例中，比如在圖1和圖2所示的實施例中，該裙部34與上冠部24分開形成。該裙部34還包括一對各自形成活塞滑動面32的第一橫孔30。如圖1所不,該銷殼結構28的第一橫孔30位于裙部34的一對第一橫孔30之間。該裙部34的第一橫孔30與銷殼結構28的第一橫孔30軸向對齊。該裙部34可由不同于上冠部24的鋼材料的材料(比如鋁)制成。或者，該裙部34和單獨的上冠部24均由鋼制成。
[0014]該活塞總成20包括將裙部34連接到上冠部24的活塞銷36。該活塞銷36穿過第一橫孔30延伸以提供一鉸接結構。在圖4示出的另一個實施例中，活寒本體22包括在一單塊結構中與上冠部24 —體成型的裙部34。該單塊結構的裙部34包括一對對立且各自具有活寒滑動面32的軸向對齊的第一橫孔30。該單塊結構也可由不同材料制成，比如鋼、鋁、或者其他金屬。在又另一個實施例中，該活寒總成20包括一固定的活寒銷36(圖中未示)，其中該活寒銷36通過過盈配合固定于第一橫孔30。
[0015]該活塞總成20還包括用于連接活塞本體22與內燃機的曲柄軸(圖中未示)的連桿38。該連桿38包括軸40，該軸具有小端，該小端形成有用于與銷殼結構28和裙部34的第一橫孔30對齊的第二橫孔42。該第二橫孔42呈現(xiàn)一桿滑動面44。該連桿38優(yōu)選地由鋼或其它金屬通過澆鑄或鍛造形成。
[0016]該活塞總成20這樣形成:將活塞本體22的第一橫孔30與連桿38的第二橫孔42對齊，然后將該活塞銷36置入對齊的橫孔30、42中。因此，該活塞銷36將連桿38連接至活塞本體22。如果活塞本體22包括單塊結構，則該活塞銷36將該單塊結構連接至連桿38。該活塞銷36還具有向外面向活塞滑動面32和桿滑動面44的銷滑動面46。該活塞銷36還優(yōu)選地由鋼或其它金屬制成?；蛘?，該活塞總成20可包括具有滑動面的其它結構或者可由其他材料制成。
[0017]隨后在至少一個滑動面32、44、46上設置包括聚合物基體50 (該聚合物基體50內遍布硬顆粒52)的涂層48，并且優(yōu)選地至少在活塞滑動面32上設置涂層48。該涂層48可沿至少一個滑動面32、44、46延伸360°，從而包圍整個滑動面32、44、46。或者，該涂層48可沿至少一個滑動面32、44、46延伸少于360°，比如沿至少一個滑動面32，44，46的一小部分延伸。
[0018]在一個實施例中，如圖1所示，該涂層48沿著第一橫孔30的活塞滑動面32連續(xù)設置。圖4的實施例還包括沿著對齊的第一橫孔30的活寒滑動面32連續(xù)設置的涂層48。在另一個實施例中，該涂層48位于活塞銷36的銷滑動面46和/或連桿38的桿滑動面44上。該涂層48可選擇性地位于所有滑動面32、44、46上或者位于滑動面32、44、46的任意組合上。在一個實施例中，該涂層48的厚度為4-20微米。
[0019]該涂層48包括聚合物基體50以及多個分布在聚合物基體50中的硬顆粒52。第W02010/076306號國際公開文本和第13/142,887號美國專利申請文本中公開了涂層48的示例，其全部內容通過引用合并于此。在一個實施例中，按涂層48的體積百分比(vol.%)計算，涂層48包括占涂層48總體積至少40% (或者至少50%、或者至少60%、或者至少80%、或者至少85% )的聚合物基體50。該聚合物基體50可由單獨的聚合物制成，或者由聚合物、樹脂、塑料、或者杜羅塑料(duroplastics)、以及熱塑性塑料或者熱固性聚合物之一的混合物形成。該聚合物基體50還可包括合成聚合物以及交聯(lián)聚合物。優(yōu)選地，聚合物基體50具有耐高溫性和極好的耐化學性。該聚合物基體50典型地具有至少為210°C的熔點，優(yōu)選為至少220°C、或者至少230°C、或者至少250°C。在一個實施例中，該聚合物基體50包括聚芳酯、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚砜(PES)、聚酰胺酰亞胺(PAI)、聚酰亞胺(PI)、環(huán)氧樹脂、聚苯并咪唑(PBI)和硅樹脂中的至少一種。在另一個實施例中，該聚合物基體50包括粘合劑，比如通過紫外線硬化的不飽和聚酯樹脂或者硅樹脂。
[0020]該涂層48的硬顆粒52典型地由在25°C溫度下硬度至少為600HV/0.5的材料形成，更優(yōu)選地至少為620HV/0.5,乃至更優(yōu)選地為至少650HV/0.5。硬顆粒52還具有足以影響涂層48的延展性、耐磨性以及強度中的至少一種的粒徑。在一個實施例中，硬顆粒52具有按體積計算不大于10.0微米、或者不大于8.0微米、或者不大于6.0微米、以及優(yōu)選
0.1-5.0微米的D50粒徑。
[0021]按體積計的D50粒徑是硬顆粒52的當量球徑，也稱為D50直徑，其中質量百分比為50%的硬顆粒52具有較大的當量球徑，質量百分比為50%的硬顆粒52具有較小的當量球徑。在對硬顆粒52進行任何加工之前，該D50直徑根據(jù)常規(guī)測試實踐由硬顆粒52的粒徑分布確定。在一個實施例中，硬顆粒52包括不同粒徑的混合，比如第一組顆粒具有比第二組顆粒更小的粒徑。第一組和第二組硬顆粒52典型地均勻分布于聚合物基體50中。
[0022]在一個實施例中，涂層48的硬顆粒52包括以下成分中的至少一種:金屬氮化物，比如立方BN、以及Si3N4 ;金屬碳化物，比如SiC以及B4C ;金屬氧化物，比如Ti02、Fe203以及SiO2 ;金屬娃化物，比如MoSi2 ;金屬硼化物；金屬磷化物，比如Fe3P ;金屬間化合物；金屬氮氧化物；金屬碳氧化物；金屬含氧碳化物；Ag、Pb、Au、SnBi和/或Cu金屬粉末；以及這些成分的混合物。涂層48典型地包括體積占涂層48總體積0.1-20.0%的硬顆粒。在一個實施例中，涂層48包括體積占涂層28總體積0.1-15.0%、或者0.5-8.0%的Fe2O3作為其中一種硬顆粒52，以及其他體積占涂層48總體積多達5.0%、或者3.0-5.0%的硬顆粒48。
[0023]涂層48還典型地包括至少一種固體潤滑劑，比如MoS2、石墨、WS2、六方氮化硼(h-BN)，以及PTFE。固體潤滑劑還可包括具有分層結構的金屬硫化物。在一個實施例中，按涂層48的體積百分比計，涂層48包括體積占涂層48總體積5.0-40.0 %、或者5.0-30.0%、或者高達30.0 %、或者高達9.5%的固體潤滑劑。
[0024]涂層48涂敷于分別具有滑動面32、44、46的活塞本體22、裙部34、連桿38的至少一個滑動面32、44、46上。涂層48可作為液體或者粉末涂敷，而且典型地根據(jù)US2010/076306公開的方法或其他方法涂敷。例如，涂層48可通過浸潰、刷涂、噴霧、噴涂、印刷或者絲網(wǎng)印刷涂敷至滑動面32、44、46上。涂層48可沿著至少一個滑動面32、44、46涂敷360°，從而包圍了整個滑動面32、44、46?；蛘?，涂層48可沿著至少一個滑動面32、44、46涂敷小于360°，比如滑動面32、44、46的一小部分。在一個實施例中，如圖2所示，涂層48直接涂敷于活塞滑動面32上，活塞滑動面32與涂層48之間未設其它層。在另一個實施例中，當活塞總成20包括固定的活塞銷36時，該方法可包括在將活塞銷36固定于活塞滑動面32之前，將涂層48涂敷于活塞滑動面32和/或銷滑動面46上。在該活塞銷36沿著活塞滑動面32滑動并貫穿第一橫孔30之前，活塞銷36還可被加熱。
[0025]但是，在另一個實施例中，如W02010/076306所公開的，多層涂層48被涂覆于至少一個滑動面32、44、46上。這些層的組分可以是相同的或者彼此不同的。例如，在涂層48被涂覆之前可在活塞滑動面32上涂覆底漆。在另一個示例中，在涂敷含有硬顆粒52的涂層48之前，或者在涂敷含有硬顆粒52的涂層48之后，將不含硬顆粒52的聚合物基體50層涂敷于活塞滑動面32上?；蛘撸繉?8的幾層形成梯度被涂敷于活塞滑動面32上，各層的性能沿著涂層48的厚度連續(xù)變化。例如，底層中硬顆粒52的數(shù)量高于頂層，或者頂層中硬顆粒52的數(shù)量高于底層。在一個實施例中，涂層48包括多層，其中底層中Fe2O3的數(shù)量高于頂層中Fe2O3的數(shù)量。
[0026]當活塞總成20在內燃機應用中使用時，活塞總成20的涂層48潤滑了滑動面32、44,46之間的交界面并且隔開了相互移動并相互摩擦的滑動面32、44、46上的表面微凸體。聚合物基體50中的硬顆粒52可重疊于或者覆蓋于相鄰滑動面32、44、46的表面微凸體，因此影響其載重比并且減少摩擦。硬顆粒52還可通過增加滑動面32、44、46的表面面積來減小局部壓力。因此，涂層48減小了在操作過程中由滑動面32、44、46之間的摩擦引起的滑動面32、44、46上的磨損、刮傷、高溫以及應力。相較于其他涂層以及未涂涂層的金屬滑動面，檢測結果表面本發(fā)明的涂層48在滑動面32、44、46上提供了減小的磨損。通過活塞總成20還為固定的活塞銷36提供了其他優(yōu)點。在本案例中，涂層48提高了活塞銷36在第一橫孔30中的匹配度，提高了潤滑性，并且減少了活塞總成20在操作過程中的噪音。涂層48還補償了沿著活塞滑動面32的不完整性和表面粗糙變化，并因此減少了制造成本。
[0027]顯然，根據(jù)以上教導本發(fā)明存在許多修改和變化，應該理解，本發(fā)明還可以通過除具體描述的方式以外的其它方式實施。
【權利要求】
1.一種活塞總成，其特征在于，該活塞總成包括: 一活塞本體，該活塞本體包括至少一個形成活塞滑動面的第一橫孔； 一活塞銷，該活塞銷位于所述至少一個第一橫孔中，所述活塞銷具有面向所述活塞滑動面的銷滑動面；以及 一涂層，該涂層位于至少一個所述滑動面上，所述涂層包括聚合物基體，所述聚合物基體中具有硬顆粒。
2.根據(jù)權利要求1所述的活塞總成，其特征在于，所述涂層的所述硬顆粒在25°C溫度下的硬度至少為600HV/0.5。
3.根據(jù)權利要求1所述的活塞總成，其特征在于，所述涂層的所述硬顆粒具有按體積計算不大于10.0微米的D50粒徑。
4.根據(jù)權利要求1所述的活塞總成，其特征在于，所述涂層的所述硬顆粒在25°C溫度下的硬度至少為650HV/0.5,目.所沭硬顆粒具有桉體積計算為0.1-5.0微米的D50粒徑。
5.根據(jù)權利要求1所述的活塞總成，其特征在于，所述硬顆粒包括金屬氮化物、金屬碳化物、金屬氧化物、金屬硅化物、金屬硼化物、金屬磷化物、金屬互化物、金屬氮氧化物、金屬碳氮化物、金屬碳氧化物、以及Ag、Pb、Au、SnBi和/或Cu金屬粉末中的至少一種。
6.根據(jù)權利要求5所述的活塞總成，其特征在于，所述硬顆粒包括Fe203。
7.根據(jù)權利要求1所述的活塞總成，其特征在于，所述涂層包括體積占所述涂層總體積0.1-20.0%的所述硬顆粒。
8.根據(jù)權利要求7所述的活塞總成，其特征在于，所述涂層包括體積占所述涂層總體積3.0-8.0%的所述硬顆粒。
9.根據(jù)權利要求1所述的活塞總成，其特征在于，所述聚合物基體包括聚芳酯、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚砜(PES)、聚酰胺酰亞胺(PAI)、聚酰亞胺(PI)、環(huán)氧樹脂、聚苯并咪唑(PBI)和硅樹脂中的至少一種。
10.根據(jù)權利要求1所述的活塞總成，其特征在于，所述聚合物基體的熔點至少為210。。。
11.根據(jù)權利要求1所述的活塞總成，其特征在于，所述聚合物基體包括聚酰胺酰亞胺(PAI)。
12.根據(jù)權利要求1所述的活塞總成，其特征在于，所述涂層包括體積占所述涂層總體積至少40%的所述聚合物基體。
13.根據(jù)權利要求1所述的活塞總成，其特征在于，所述涂層包括至少一種體積占所述涂層總體積5.0-40.0%的固體潤滑劑，并且所述固體潤滑劑包括金屬硫化物、六方氮化硼(h-BN)、以及PTFE中的至少一種。
14.根據(jù)權利要求1所述的活塞總成，其特征在于，所述活塞總成還包括連桿，所述連桿包括形成桿滑動面的第二橫孔，所述第二橫孔與所述活塞本體的所述至少一個第一橫孔軸向對齊，并且其中所述活塞銷位于所述對齊的橫孔內并將所述活塞本體連接到所述連桿。
15.一種活塞總成，其特征在于，該活塞總成包括: 一活塞本體，所 述活塞本體由金屬材料制成并且包括多個分別形成一活塞滑動面的第一橫孔 ；所述活塞本體包括一上冠部以及一從所述上冠部下垂并與其形成一體的銷殼結構； 所述銷殼結構包括所述第一橫孔中的一個； 所述活塞本體包括一自所述上冠部縱向延伸的裙部； 所述裙部包括一對分別形成所述活塞滑動面并與所述銷殼結構的所述第一橫孔軸向對齊的所述第一橫孔； 所述銷殼結構的所述第一橫孔位于所述裙部的所述一對第一橫孔之間； 一連桿，所述連桿包括一具有小端的軸，所述小端形成有用于與該活塞本體的第一橫孔對齊的第二橫孔； 所述第二橫孔形成一桿滑動面； 一活塞銷，所述活塞銷貫穿所述第一橫孔和所述第二橫孔延伸，以將所述裙部連接到所述上冠部，并將所述活塞本體連接到所述連桿； 所述活塞銷包括一面向所述桿滑動面的銷滑動面； 一涂層，所述涂層位于至少一個所述滑動面上； 所述涂層包括聚合物基體，所述聚合物基體中分布有硬顆粒；所述涂層包括體積占所述涂層總體積至少40.0 %的所述聚合物基體； 所述聚合物基體的熔點至少為210°C ； 所述聚合物基體包括聚芳酯、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚砜(PES)、聚酰胺酰亞胺(PAI)、聚酰亞胺(PD、環(huán)氧樹脂、聚苯并咪唑(PBI)和硅樹脂中的至少一種； 所述涂層包括體積占所述涂層總體積0.1-20.0 %的所述硬顆粒； 所述硬顆粒在25°C溫度下的硬度至少為600HV/0.5，且所述硬顆粒具有按體積計算不大于10.0微米的D50粒徑； 所述硬顆粒包括金屬氮化物、金屬碳化物、金屬氧化物、金屬硅化物、金屬硼化物、金屬磷化物、金屬互化物、金屬氮氧化物、金屬碳氮化物、金屬碳氧化物、以及Ag、Pb、Au、SnBi和/或Cu金屬粉末中的至少 一種。 所述涂層包括至少一種體積占所述涂層總體積5.0-40.0%的固體潤滑劑； 所述固體潤滑劑包括金屬硫化物、六方氮化硼(h-BN)、以及PTFE中的至少一種；以及 所述涂層的厚度為4-20微米。
16.一種活塞總成的制造方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 提供包括至少一個形成活塞滑動面的第一橫孔的活塞本體、以及形成銷滑動面的活塞銷；以及 在至少一個所述滑動面之上設置包括具有硬顆粒的聚合物基體的涂層。
17.根據(jù)權利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法包括提供包括形成桿滑動面的第二橫孔的連桿；將所述連桿的所述第二橫孔與所述活塞本體的至少一個活塞滑動面軸向對齊；以及將活塞銷置入對齊的橫孔內以連接活塞本體和連桿。
18.根據(jù)權利要求16所述的方法，其特征在于，所述涂層包括體積占所述涂層總體積0.1-20.0 %的硬顆粒，所述硬顆粒在25°C溫度下的硬度至少為600HV/0.5,目.所沭硬顆粒具有按體積計算不大于10.0微米的D50粒徑。
19.根據(jù)權利要求16所述的方法，其特征在于，所述涂層通過下述至少一種步驟涂上:浸淸、刷涂、霧化、噴涂、印刷以及絲網(wǎng)印刷。
20.根據(jù)權利要求16所述的方法，其特征在于，所述硬顆粒包括金屬氮化物、金屬碳化物、金屬氧化物、金屬娃化物、金屬硼化物、金屬磷化物、金屬互化物、金屬氮氧化物、金屬碳氮化物、金屬碳氧化物、以及Ag、Pb、Au、SnBi和/或Cu金屬粉末中的至少一種。
【文檔編號】F16J1/16GK103917808SQ201280052567
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2012年10月26日 優(yōu)先權日:2011年10月27日
【發(fā)明者】特洛伊·坎托拉, 安德魯·J·米勒, 史蒂文·克勞斯 申請人:費德羅-莫格爾公司