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包括涂在滑动面上的含硬颗粒的聚合物涂层的活塞总成.pdf

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包括 滑动 面上 颗粒 聚合物 涂层 活塞 总成
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摘要
申请专利号:

CN201280052567.2

申请日:

2012.10.26

公开号:

CN103917808A

公开日:

2014.07.09

当?#33018;?#24459;状态:

撤回

有效性:

无权

法?#19978;?#24773;: 发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):F16J 1/16申请公布日:20140709|||实质审查的生效IPC(主分类):F16J 1/16申请日:20121026|||公开
IPC分类号: F16J1/16 主分类号: F16J1/16
申请人: 费德罗-莫格尔公司
发明人: 特洛伊·坎托拉; 安德鲁·J·米勒; 史蒂文·克劳斯
地址: 美国密歇根州南菲尔德西北公路26555
优?#28909;ǎ?/td> 2011.10.27 US 61/551,998
专利代理机构: 上海智信专利代理有限公司 31002 代理人: 邓琪
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法律状态
申请(专利)号:

CN201280052567.2

授权公告号:

||||||

法律状态公告日:

2017.02.01|||2014.09.17|||2014.07.09

法律状态类型:

发明专利申请公布后的视为撤回|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明提供一种包括活塞本体、连杆以及活塞销的活塞总成。该活塞本体包括一对形成活塞滑动面的第一横孔。该连杆包括一形成与活塞本体的第一横孔轴向对齐的杆滑动面的第二横孔。活塞销设置在对齐的横孔中并将活塞本体连接到连杆上。该活塞销还具有面向杆滑动面和活塞滑动面的销滑动面。至少一个滑动面上涂有涂层,?#28909;?#36890;过浸渍、刷涂、喷雾、喷涂、印刷、或丝网印刷涂上的涂层。该涂层包括聚合物基体,?#28909;?#32858;酰胺酰亚胺(PAI),以及硬颗粒,?#28909;?#20998;布在该聚合物基体中的Fei03。该硬颗粒硬度至少为600HV/0.5。

权利要求书

权利要求书
1.  一种活塞总成,其特征在于,该活塞总成包括:
一活塞本体,该活塞本体包括至少一个形成活塞滑动面的第一横孔;
一活塞销,该活塞销位于所述至少一个第一横孔中,所述活塞销具有面向所述活塞滑动面的销滑动面;以及
一涂层,该涂层位于至少一个所述滑动面上,所述涂层包括聚合物基体,所述聚合物基体中具有硬颗粒。

2.  根据权利要求1所述的活塞总成,其特征在于,所述涂层的所述硬颗粒在25℃温度下的硬度至少为600HV/0.5

3.  根据权利要求1所述的活塞总成,其特征在于,所述涂层的所述硬颗粒具有按体积计算不大于10.0微米的D50粒径。

4.  根据权利要求1所述的活塞总成,其特征在于,所述涂层的所述硬颗粒在25℃温度下的硬度至少为650HV/0.5,且所述硬颗粒具有按体积计算为0.1-5.0微米的D50粒径。

5.  根据权利要求1所述的活塞总成,其特征在于,所述硬颗粒包括金属氮化物、金属碳化物、金属氧化物、金属硅化物、金属硼化物、金属磷化物、金属互化物、金属氮氧化物、金属碳氮化物、金属碳氧化物、以及Ag、Pb、Au、SnBi和/或Cu金属粉末中的至少一种。

6.  根据权利要求5所述的活塞总成,其特征在于,所述硬颗粒包括Fe2O3。

7.  根据权利要求1所述的活塞总成,其特征在于,所述涂层包括体积占所述涂层总体积0.1-20.0%的所述硬颗粒。

8.  根据权利要求7所述的活塞总成,其特征在于,所述涂层包括体积占所述涂层总体积3.0-8.0%的所述硬颗粒。

9.  根据权利要求1所述的活塞总成,其特征在于,所述聚合物基体包括聚芳酯、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚砜(PES)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚酰亚胺(PI)、?#36153;?#26641;脂、聚苯并咪唑(PBI)和硅树脂中的至少一种。

10.  根据权利要求1所述的活塞总成,其特征在于,所述聚合物基体的熔点至少为210℃。

11.  根据权利要求1所述的活塞总成,其特征在于,所述聚合物基体包括聚酰胺酰亚胺(PAI)。

12.  根据权利要求1所述的活塞总成,其特征在于,所述涂层包括体积占所述涂层总体积至少40%的所述聚合物基体。

13.  根据权利要求1所述的活塞总成,其特征在于,所述涂层包括至少一种体积占所述涂层总体积5.0-40.0%的固体润滑?#31890;?#24182;且所述固体润滑剂包括金属硫化物、六方氮化硼(h-BN)、以及PTFE中的至少一种。

14.  根据权利要求1所述的活塞总成,其特征在于,所述活塞总成还包括连杆,所述连杆包括形成杆滑动面的第二横孔,所述第二横孔与所述活塞本体的所述至少一个第一横孔轴向对齐,并且其中所述活塞销位于所述对齐的横孔内并将所述活塞本体连接到所述连杆。

15.  一种活塞总成,其特征在于,该活塞总成包括:
一活塞本体,所述活塞本体由金属材料制成并且包括多个分别形成一活塞滑动面的第一横孔;
所述活塞本体包括一上冠部以及一从所述上冠部下垂并与其形成一体的销壳结构;
所述销壳结构包括所述第一横孔中的一个;
所述活塞本体包括一?#36816;?#36848;上冠部纵向?#30001;?#30340;裙部;
所述裙部包括一对分别形成所述活塞滑动面并与所述销壳结构的所述第一横孔轴向对齐的所述第一横孔;
所述销壳结构的所述第一横孔位于所述裙部的所述一对第一横孔之间;
一连杆,所述连杆包括一具有小端的轴,所述小端形成有用于与该活塞本体的第一横孔对齐的第二横孔;
所述第二横孔形成一杆滑动面;
一活塞销,所述活塞销贯穿所述第一横孔和所述第二横孔?#30001;歟?#20197;将所述裙部连接到所述上冠部,并将所述活塞本体连接到所述连杆;
所述活塞销包括一面向所述杆滑动面的销滑动面;
一涂层,所述涂层位于至少一个所述滑动面上;
所述涂层包括聚合物基体,所述聚合物基体中分布有硬颗粒;所述涂层包括体积占所述涂层总体积至少40.0%的所述聚合物基体;
所述聚合物基体的熔点至少为210℃;
所述聚合物基体包括聚芳酯、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚砜(PES)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚酰亚胺(PI)、?#36153;?#26641;脂、聚苯并咪唑(PBI)和硅树脂 中的至少一种;
所述涂层包括体积占所述涂层总体积0.1-20.0%的所述硬颗粒;
所述硬颗粒在25℃温度下的硬度至少为600HV/0.5,且所述硬颗粒具有按体积计算不大于10.0微米的D50粒径;
所述硬颗粒包括金属氮化物、金属碳化物、金属氧化物、金属硅化物、金属硼化物、金属磷化物、金属互化物、金属氮氧化物、金属碳氮化物、金属碳氧化物、以及Ag、Pb、Au、SnBi和/或Cu金属粉末中的至少一种。
所述涂层包括至少一种体积占所述涂层总体积5.0-40.0%的固体润滑?#31890;?BR>所述固体润滑剂包括金属硫化物、六方氮化硼(h-BN)、以及PTFE中的至少一种;以及
所述涂层的厚度为4-20微米。

16.  一种活塞总成的制造方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
提供包括至少一个形成活塞滑动面的第一横孔的活塞本体、以及形?#19978;?#28369;动面的活塞销;以及
在至少一个所述滑动面之上设置包括具有硬颗粒的聚合物基体的涂层。

17.  根据权利要求16所述的方法,其特征在于,所述方法包括提供包括形成杆滑动面的第二横孔的连杆;将所述连杆的所述第二横孔与所述活塞本体的至少一个活塞滑动面轴向对齐;以及将活塞销置入对齐的横孔内以连接活塞本体和连杆。

18.  根据权利要求16所述的方法,其特征在于,所述涂层包括体积占所述涂层总体积0.1-20.0%的硬颗粒,所述硬颗粒在25℃温度下的硬度至少为600HV/0.5,且所述硬颗粒具有按体积计算不大于10.0微米的D50粒径。

19.  根据权利要求16所述的方法,其特征在于,所述涂层通过下述至少一种步骤涂上:浸渍、刷涂、雾化、喷涂、印刷以及丝网印刷

20.  根据权利要求16所述的方法,其特征在于,所述硬颗粒包括金属氮化物、金属碳化物、金属氧化物、金属硅化物、金属硼化物、金属磷化物、金属互化物、金属氮氧化物、金属碳氮化物、金属碳氧化物、以及Ag、Pb、Au、SnBi和/或Cu金属粉末中的至少一种。

说明书

说明书包括涂在滑动面上的含硬颗粒的聚合物涂层的活塞总成
相关专利的交叉引用
本申请要求于2011年10月27日提交的第61/551,998号美国临时申请的权益,其全部内容通过引用整体地合并于此。本申请同时是部分继续申请并且要求于2011年6月30日提交的第13/142,887号美国专利申请的权益,其全部内容通过引用整体地合并于此。
?#38469;?#39046;域
本发明大致涉及用于内燃机应用的活塞总成以及该活塞总成的制造方法。
背景?#38469;?
用于内燃机应用的活塞总成通常包括:包括横孔的活塞本体、同样包括与活塞本体的横孔对齐的横孔的连杆、以及位于对齐的横孔内以连接活塞本体与连杆的活塞销。过去,通过在横孔和活塞销之间压入衬套来减少沿这些部件的滑动面的摩擦与磨损。最近,为了减少制造的复?#26377;?#21644;成本,衬套被低摩擦的涂层所代替,例如分配给费德罗-莫格尔公司的第7,024,981和6,557,457号美国专利中公开的涂层。
发明内容
本发明的一个方面提供一种用于内燃机的活塞总成,该活塞总成包括活塞本体和活塞销。该活塞本体包括至少一个形成活塞滑动面的第一横孔。该活塞销位于第一横孔内并形成一面向活塞滑动面的销滑动面。至少一个滑动面上涂有涂层。该涂层包括基体内设有硬颗粒的聚合物基体。
本发明的另一个方面提供一种活塞总成的制造方法。该方法包括提供包括至少一个形成活塞滑动面的第一横孔的活塞本体、以及提供形?#19978;?#28369;动面的活塞销。该方法进一步包括在至少一个滑动面上设置涂层,该涂层包括在基体中设有硬颗粒的聚合物基体。
当活塞总成在内燃机应用中使用?#20445;?#35813;活塞总成的涂层能够润滑滑动面之间的接触面并且隔开相互移动并相互摩擦的滑动面的表面微凸体。因此,在操作过程中,该涂层减少了由滑动面之间的摩擦引起的滑动面上的磨损、刮伤、高温以及应力。相较于其他涂层以?#23433;?#21152;涂层的滑动面而言,检测结果表明本发明的涂层减少了滑动面上的磨损。
附图说明
结合附图参阅以下详?#26438;?#26126;,本发明的其它优点将更易于理解:
图1是根据本发明一个实施例的活塞本体、连杆以及活塞销的立体图以?#23433;?#20998;剖视图;
图2是图1的位于活塞本体上的涂层的剖视图;
图3是图2的涂层的放大剖视图;以及
图4是根据本发明另一个实施例的活塞本体以及活塞销的立体图以及部分剖视图。
具体实施方式
图1大致示出了根据本发明一个实施例构造的活塞总成20。该活塞总成20包括具有上冠部24和销壳结构28的活塞本体22。该活塞本体22优选地由钢材料制成并且是浇铸或锻造的。但是,该活塞本体22?#37096;?#30001;其他金属形成,?#28909;?#38109;。该上冠部24形成有环形槽26以容纳环(图中未示)。该活塞本体22进一步包括从该上冠部24下垂并与其一体成型的销壳结构28。该销壳结构28包括形成活塞滑动面32的第一横孔30。该活塞滑动面32围绕?#34892;?#36724;周向?#30001;?#24182;且可提供油槽或夹槽
该活塞本体22还包括一自上冠部24纵向?#30001;?#30340;裙部34。在一个实施例中,?#28909;?#22312;图1和图2所示的实施例中,该裙部34与上冠部24分开形成。该裙部34还包括一对各自形成活塞滑动面32的第一横孔30。如图1所示,该销壳结构28的第一横孔30位于裙部34的一对第一横孔30之间。该裙部34的第一横孔30与销壳结构28的第一横孔30轴向对齐。该裙部34可由不同于上冠部24的钢材料的材料(?#28909;?#38109;)制成。或者,该裙部34和单独的上冠部24均由钢制成。
该活塞总成20包括将裙部34连接到上冠部24的活塞销36。该活塞 销36穿过第一横孔30?#30001;?#20197;提供一铰接结构。在图4示出的另一个实施例中,活塞本体22包括在一单块结构中与上冠部24一体成型的裙部34。该单块结构的裙部34包括一对对立且各自具有活塞滑动面32的轴向对齐的第一横孔30。该单块结构?#37096;?#30001;不同材料制成,?#28909;?#38050;、铝、或者其他金属。?#33267;?#19968;个实施例中,该活塞总成20包括一固定的活塞销36(图中未示),其中该活塞销36通过过盈配合固定于第一横孔30。
该活塞总成20还包括用于连接活塞本体22与内燃机的曲柄轴(图中未示)的连杆38。该连杆38包括轴40,该轴具有小端,该小端形成有用于与销壳结构28和裙部34的第一横孔30对齐的第二横孔42。该第二横孔42呈现一杆滑动面44。该连杆38优选地由?#21482;?#20854;它金属通过浇铸或锻造形成。
该活塞总成20这样形成:将活塞本体22的第一横孔30与连杆38的第二横孔42对齐,然后将该活塞销36置入对齐的横孔30、42中。因此,该活塞销36将连杆38连接至活塞本体22。如果活塞本体22包括单块结构,则该活塞销36将该单块结构连接至连杆38。该活塞销36还具有向外面向活塞滑动面32?#36879;?#28369;动面44的销滑动面46。该活塞销36还优选地由?#21482;?#20854;它金属制成。或者,该活塞总成20可包括具有滑动面的其它结构或者可由其他材料制成。
随后在至少一个滑动面32、44、46上设置包括聚合物基体50(该聚合物基体50内遍布硬颗粒52)的涂层48,并且优选地至少在活塞滑动面32上设置涂层48。该涂层48可沿至少一个滑动面32、44、46?#30001;?60°,从而包围整个滑动面32、44、46。或者,该涂层48可沿至少一个滑动面32、44、46?#30001;?#23569;于360°,?#28909;?#27839;至少一个滑动面32,44,46的一小部分?#30001;臁?
在一个实施例中,如图1所示,该涂层48沿着第一横孔30的活塞滑动面32连续设置。图4的实施例还包括沿着对齐的第一横孔30的活塞滑动面32连续设置的涂层48。在另一个实施例中,该涂层48位于活塞销36的销滑动面46和/或连杆38的杆滑动面44上。该涂层48可选择性地位于所有滑动面32、44、46上或者位于滑动面32、44、46的?#25105;?#32452;合上。在一个实施例中,该涂层48的厚度为4-20微米。
该涂层48包括聚合物基体50以及多个分布在聚合物基体50中的硬颗粒52。第WO2010/076306号国际公开文本和第13/142,887号美国专利申请文本中公开了涂层48的示例,其全部内容通过引用合并于此。在一个实施 例中,按涂层48的体积百分比(vol.%)计算,涂层48包括占涂层48总体积至少40%(或者至少50%、或者至少60%、或者至少80%、或者至少85%)的聚合物基体50。该聚合物基体50可由单独的聚合物制成,或者由聚合物、树脂、塑料、或者杜罗塑料(duroplastics)、以及?#20154;芐运?#26009;或者热固性聚合物之一的混合物形成。该聚合物基体50还可包括合成聚合物以及交联聚合物。优选地,聚合物基体50具有?#36879;?#28201;性和极好的耐化学性。该聚合物基体50典型地具有至少为210℃的熔点,优选为至少220℃、或者至少230℃、或者至少250℃。在一个实施例中,该聚合物基体50包括聚芳酯、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚砜(PES)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚酰亚胺(PI)、?#36153;?#26641;脂、聚苯并咪唑(PBI)和硅树脂中的至少一种。在另一个实施例中,该聚合物基体50包括粘合?#31890;热?#36890;过紫外线硬化的不饱和聚酯树脂或者硅树脂。
该涂层48的硬颗粒52典型地由在25℃温度下硬度至少为600HV/0.5的材料形成,更优选地至少为620HV/0.5,乃至更优选地为至少650HV/0.5。硬颗粒52还具有足以影响涂层48的延展性、耐磨性以及强度中的至少一种的粒径。在一个实施例中,硬颗粒52具有按体积计算不大于10.0微米、或者不大于8.0微米、或者不大于6.0微米、以及优选0.1-5.0微米的D50粒径。
按体积计的D50粒径是硬颗粒52的当?#22771;?#24452;,也称为D50?#26412;叮?#20854;中质量百分比为50%的硬颗粒52具有较大的当?#22771;?#24452;,质量百分比为50%的硬颗粒52具有较小的当?#22771;?#24452;。在对硬颗粒52进行任何加工之前,该D50?#26412;?#26681;据常规测试实践由硬颗粒52的粒径分布确定。在一个实施例中,硬颗粒52包括不同粒径的混合,?#28909;?#31532;一组颗粒具有比第二组颗粒更小的粒径。第一组和第二组硬颗粒52典型地均匀分布于聚合物基体50中。
在一个实施例中,涂层48的硬颗粒52包括以下成分中的至少一种:金属氮化物,?#28909;?#31435;方BN、以及Si3N4;金属碳化物,?#28909;鏢iC以及B4C;金属氧化物,?#28909;鏣iO2、Fe2O3以及SiO2;金属硅化物,?#28909;鏜oSi2;金属硼化物;金属磷化物,?#28909;鏔e3P;金属间化合物;金属氮氧化物;金属碳氧化物;金属含氧碳化物;Ag、Pb、Au、SnBi和/或Cu金属粉末;以及这些成分的混合物。涂层48典型地包括体积占涂层48总体积0.1-20.0%的硬颗粒。在一个实施例中,涂层48包括体积占涂层28总体积0.1-15.0%、或者0.5-8.0%的Fe2O3作为其中一种硬颗粒52,以及其他体积占涂层48总体积多达5.0%、或者3.0-5.0%的硬颗粒48。
涂层48还典型地包括至少一种固体润滑?#31890;热鏜oS2、石墨、WS2、六方氮化硼(h-BN),以及PTFE。固体润滑剂还可包括具有分层结构的金属硫化物。在一个实施例中,按涂层48的体积百分比计,涂层48包括体积占涂层48总体积5.0-40.0%、或者5.0-30.0%、或者高达30.0%、或者高达9.5%的固体润滑剂。
涂层48涂敷于分别具有滑动面32、44、46的活塞本体22、裙部34、连杆38的至少一个滑动面32、44、46上。涂层48可作为液体或者粉末涂敷,而?#19994;?#22411;地根据US2010/076306公开的方法或其他方法涂敷。例如,涂层48可通过浸渍、刷涂、喷雾、喷涂、印刷或者丝网印刷涂敷至滑动面32、44、46上。涂层48可沿着至少一个滑动面32、44、46涂敷360°,从而包围了整个滑动面32、44、46。或者,涂层48可沿着至少一个滑动面32、44、46涂敷小于360°,?#28909;?#28369;动面32、44、46的一小部分。在一个实施例中,如图2所示,涂层48直接涂敷于活塞滑动面32上,活塞滑动面32与涂层48之间未设其它层。在另一个实施例中,当活塞总成20包括固定的活塞销36?#20445;?#35813;方法可包括在将活塞销36固定于活塞滑动面32之前,将涂层48涂敷于活塞滑动面32和/或销滑动面46上。在该活塞销36沿着活塞滑动面32滑动并贯穿第一横孔30之前,活塞销36还可被加热。
但是,在另一个实施例中,如WO2010/076306所公开的,多层涂层48被涂覆于至少一个滑动面32、44、46上。这些层的组分可以是相同的或者彼此不同的。例如,在涂层48被涂覆之前可在活塞滑动面32上涂覆底漆。在另一个示例中,在涂敷含有硬颗粒52的涂层48之前,或者在涂敷含有硬颗粒52的涂层48之后,将不含硬颗粒52的聚合物基体50层涂敷于活塞滑动面32上。或者,涂层48的几层形成梯度被涂敷于活塞滑动面32上,各层的性能沿着涂层48的厚度连续变化。例如,底层中硬颗粒52的数量高于顶层,或者顶层中硬颗粒52的数量高于底层。在一个实施例中,涂层48包括多层,其?#26800;?#23618;中Fe2O3的数量高于顶层中Fe2O3的数量。
当活塞总成20在内燃机应用中使用?#20445;?#27963;塞总成20的涂层48润滑了滑动面32、44、46之间的交界面并且隔开了相互移动并相互摩擦的滑动面32、44、46上的表面微凸体。聚合物基体50中的硬颗粒52可重叠于或者覆盖于相邻滑动面32、44、46的表面微凸体,因此影响其载重比并且减少摩擦。硬颗粒52还可通过增加滑动面32、44、46的表面面积来减小局部压力。因 此,涂层48减小了在操作过程中由滑动面32、44、46之间的摩擦引起的滑动面32、44、46上的磨损、刮伤、高温以及应力。相较于其他涂层以及未涂涂层的金属滑动面,检测结果表面本发明的涂层48在滑动面32、44、46上提供了减小的磨损。通过活塞总成20还为固定的活塞销36提供了其他优点。在本案例中,涂层48提高了活塞销36在第一横孔30中的匹配度,提高了润滑性,并且减少了活塞总成20在操作过程中的噪音。涂层48还补偿?#25628;?#30528;活塞滑动面32的不完整性和表面粗糙变化,并因此减少了制造成本。
显然,根据以上教导本发明存在许多修改和变化,应?#32654;?#35299;,本发明还可以通过除具体描述的方式以外的其它方式实施。

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