活塞裝置用耐磨的抗磨涂層的制作方法
【專利說明】
[0001] 奪叉引用
[0002] 本發(fā)明要求在此引用美國在先專利申請No.61/794, 459,申請日2013年3月15 日，其全文引入作為參考。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及一種機(jī)械系統(tǒng)和設(shè)備中使用的抗磨涂層。
【背景技術(shù)】
[0004] 已知的是，機(jī)械系統(tǒng)中的活動(dòng)部件可能會承受摩擦力。作為非限制性的示例，在正 常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，內(nèi)燃機(jī)中的活塞會承受摩擦力。活塞的面常常直接與汽缸筒的汽缸壁直接 接觸，該汽缸筒用于容納活塞。在正常的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，腔內(nèi)的活塞運(yùn)動(dòng)偶然會將汽缸 壁上的潤滑膜去除。潤滑膜的去除會導(dǎo)致有害的金屬與金屬的接觸同時(shí)加速磨損。
[0005] 在內(nèi)燃機(jī)到達(dá)逐漸提高的較高性能時(shí)，較高的功率，和較高的運(yùn)轉(zhuǎn)壓力，活塞必須 具有完美的耐磨和耐磨損性能。涉及眾多活塞及其組件的通常已知的技術(shù)問題是，其并不 具有足夠的耐磨性。機(jī)械部件的外表面，通常進(jìn)行涂覆從而改進(jìn)部件的性能特性，例如，通 過改變表面的摩擦性質(zhì)或者磨損特性，該機(jī)械部件包括但并不限于，內(nèi)燃機(jī)的活塞。已知通 過在不同活塞組件上涂覆能夠獲得改進(jìn)耐磨性的材料來獲得提高的耐磨性。
[0006] 然而，用于實(shí)施這些涂層的許多現(xiàn)有工藝非常昂貴，消耗大量的能源，和/或產(chǎn)生 大量的浪費(fèi)。由于至少的這些原因，仍存在需求，對于改進(jìn)的系統(tǒng)，方法，成分和設(shè)備用于獲 得耐磨工件，其更加經(jīng)濟(jì)和有效率，具有更短的工作時(shí)間，和更加不浪費(fèi)。
【附圖說明】
[0007] 參考附圖中任何一個(gè)示例和公開的示例性實(shí)施方式的各種特征可以與一個(gè)或更 多其它附圖中示例給出的特征結(jié)合，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該是能夠理解的?？商鎿Q的方法是 能夠得到的，雖然該方法沒有解釋性示例出或者公開。示出的特征組合對于一種或多種可 能的應(yīng)用提供了公開示例。然而，在本發(fā)明教導(dǎo)范圍內(nèi)的特征的各種組合和改變對于具體 使用和應(yīng)用也是可以預(yù)期的。
[0008] 圖1包括活塞裝置的示例性說明；
[0009] 圖2包括活塞裝置上抗磨涂層的噴涂應(yīng)用（spray application)的示例性說明；
[0010] 圖3包括活塞裝置上抗磨涂層的絲網(wǎng)應(yīng)用（silk screening application)的示 例性說明；
[0011] 圖4包括活塞裝置上抗磨涂層的紅外線輻射固化的示例性說明；
[0012] 圖5包括活塞裝置上抗磨涂層的紫外線輻射固化的示例性說明；
[0013] 圖6包括活塞裝置上抗磨涂層的感應(yīng)固化的示例性說明。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 附圖示出了示例性實(shí)施方式。雖然附圖給出了本文的示例性實(shí)施方式，但是附圖 并不需要標(biāo)尺尺寸，同時(shí)某些可能會進(jìn)行夸大從而更好的示例和解釋示例性說明的創(chuàng)新 面。另外，本文給出的和下文詳細(xì)給出的，示例性說明并不是排他性的或者用于限制或者限 用附圖示出的精確形狀和配置。
[0015] 說明書中涉及到"示例性說明"，"實(shí)施例"或相似的語言含義是，與示例性方法結(jié) 合的具體特征，結(jié)構(gòu)，或特性包括在至少一個(gè)實(shí)例說明中。在說明書的不同地方出現(xiàn)的"在 一種實(shí)例中"或類似類型的語言并不是必需的均指相同的實(shí)例或?qū)嵤├?br>[0016] 本文公開的方法的示例性說明，該方法為在表面上應(yīng)用抗磨涂層，其中涂層通過 在表面上應(yīng)用抗磨涂層材料和應(yīng)用局部固化能量固化材料生產(chǎn)得到，其中固化能量例如為 紅外線輻射，紫外線輻射，或感應(yīng)輻射。在一些方法中，涂層在固化之前通過噴涂應(yīng)用或絲 網(wǎng)方法實(shí)施。對于在機(jī)加工組件部件的接觸摩擦表面上獲得高耐磨性能，該涂層是有效的， 該機(jī)加工組件部件包括但不限于，活塞和相關(guān)組件，活塞連接桿，汽缸套，和其它直接接觸， 磨損傾向表面。
[0017] 現(xiàn)在參考圖1，其為部件裝置10的示例性說明，該部件裝置作為活塞裝置描述。該 活塞裝置10可以包括活塞12,該活塞12包括活塞頂14,或"環(huán)"，和活塞裙16?；钊?4 可以包括多個(gè)活塞槽18,活塞槽沿其外表面形成，配置用于接收相應(yīng)地活塞環(huán)，并因此相對 于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)腔的汽缸壁密封。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間，活塞裙16通常配置用于支撐活塞頂14， 通過與汽缸壁的相應(yīng)表面相交界，在內(nèi)腔中往復(fù)運(yùn)動(dòng)期間來穩(wěn)定活塞。
[0018] -種示例性的連接桿20可以包括活塞銷端22和一種曲軸端或大頭端24,該活塞 銷端22可以包括活塞銷孔26,其限定了活塞銷孔表面28。該曲軸端24包括曲軸銷孔30， 其限定了曲軸孔表面32。連接桿可以進(jìn)一步由梁34限定，該梁在活塞銷端和曲軸端之間延 伸。
[0019] 連接桿可以以可旋轉(zhuǎn)形式與活塞連接，從而形成活塞和連接桿裝置。連接桿可以 通過活塞銷36與活塞相連?；钊N36可以插入到活塞銷孔38中，并插入到連接桿的活塞 銷端22中，因此總體將連接桿20固定到活塞23上。
[0020] 在內(nèi)燃機(jī)中，連接桿可以從活塞傳輸燃燒能至發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸，因此將活塞的線性 運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。燃燒能是由燃料的間歇點(diǎn)火產(chǎn)生的，燃料例如汽油，其注入到 燃燒室內(nèi)，從而產(chǎn)生極端壓力，應(yīng)用到活塞和連接桿上。
[0021] 在現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)中，活塞無論是在熱度上還是機(jī)械負(fù)載上都達(dá)到了特定的范圍。其 還應(yīng)用到活塞裙16和其接觸面，特別是在活塞接觸面和汽缸壁接觸面之間交界期間，這就 導(dǎo)致了接觸面疲勞。為了抵消這種疲勞，已知的是提供給接觸面涂層，其用于耐機(jī)械和熱載 荷，同時(shí)改良活塞相對于汽缸壁接觸面的摩擦行為。
[0022] 現(xiàn)在參考圖2,其是實(shí)施抗磨涂層方法的一個(gè)示例性說明。在一種示例性的方法 中，希望得到的是，抗磨涂層50實(shí)施到部件10或活塞裝置的表面區(qū)域的至少一部分。示例 的該抗磨涂層50利用可控噴涂技術(shù)實(shí)施，在該示例性的實(shí)施方式中，使用噴涂裝置52將抗 磨涂層50噴涂到活塞裙16上，在其它示例性的方法中，希望得到的是，抗磨涂層50可以利 用絲網(wǎng)工藝實(shí)施，如圖3中所示。在該示例性說明中，抗磨涂層50利用絲網(wǎng)裝置54實(shí)施到 活塞裙16上。
[0023] 在一種示例性實(shí)施例中打算，抗磨涂層50可以包括粘結(jié)基體和固體潤滑劑。有效 的粘結(jié)系統(tǒng)的實(shí)施例包括，但是不限于，選自于聚酰胺亞胺（"PAI")，聚醚醚酮（"PEEK")， 聚芳醚酮（"PEK"），聚芳醚雙酮（"PEKK"），聚芳基甲酮（"PAEK"）族的聚合物，和/或不 同化學(xué)式的環(huán)氧樹脂，和/或所述材料的任意組合。該固體潤滑劑可以包括的例子例如為， 六角硼化氮（"hBN"），石墨，二硫化鉬（MoS 2)，二硫化鎢（WS2)，硫化鋅（ZnS)，PTFE。
[0024] 除了粘結(jié)基體和固體潤滑劑外，抗磨涂層50可以還包括與粘結(jié)基體和固體潤滑 劑的硬度相比的硬質(zhì)顆粒，用于提高耐磨性。一些非限制性的實(shí)施例可以包括碳化鎢（WC)， 碳化硅（SiC)，氮化硅（Si 3N4),碳化硼（B4C),立方氮化硼（cBN)，氧化鋁（Al2O 3),二氧化鈦 (TiO2)，氮化鈦（TiN)。例如短碳纖維的材料也可以在一些實(shí)施方式中使用。另外，活性物質(zhì) (reactive contributor)，僅作為一個(gè)實(shí)施方式，磷酸鋅，可以改良所述系統(tǒng)的滑動(dòng)性能。 在特定的環(huán)境下，活性物質(zhì)可以基于化學(xué)原理與配對物反應(yīng)從而形成滑動(dòng)組件。例如，磷酸 鋅可以與硬脂酸反應(yīng)（如果在油中存在）從而形成硬脂酸鋅。
[0025] 在一種示例性方法中，對抗磨涂層50實(shí)施局部固化能量，如圖4中所示。圖4示 意了紅外線輻射產(chǎn)生器60的使用方法，其利用對應(yīng)聚焦鏡片裝置62指引紅外線輻射64至 僅活塞10的局部區(qū)域。在示例性說明中，該局部區(qū)域?yàn)榛钊?6。紅外線輻射64產(chǎn)生了 區(qū)域固化熱能，其中其對活塞裙16產(chǎn)生作用而不是加熱整個(gè)部件。如此獲得了固化工藝的 更加快速和更精確的控制。在一種示意性實(shí)施例中，紅外線輻射64可以以聚焦射線的形式 傳輸，在其它方法中，希望得到的是，可以使用紅外線激光以期獲得更加精確的控制。
[0026] 希望得到的是，一種或更多紅外線輻射產(chǎn)生組件60可以結(jié)合使