滑動發動機部件的製作方法

2023-05-05 15:37:27

本發明涉及具有塑料聚合物軸承「覆蓋」層的滑動發動機部件，尤其涉及用於滑動軸承組件(諸如軸承殼、襯套、曲柄軸的軸承表面、凸輪軸的軸承表面、連接杆的軸承表面、止推墊圈、凸緣、軸承塊的軸承表面、軸承帽的軸承表面)以及活塞組件部件(諸如活塞圈、活塞裙以及氣缸壁和氣缸襯套)的滑動發動機部件。

背景技術：

在內燃機中，軸承組件典型地每個均包括一對半軸承，其保持繞軸線可旋轉的曲柄軸。每個半軸承是中空大致半柱形軸承殼，以及典型地至少一個是凸緣半軸承，其中，軸承殼在每個軸向端部設置有向外延伸(徑向)的大致半環形止推墊圈。在其他軸承組件中，還公知的是使用環形或者圓形止推墊圈。

軸承殼的軸承表面大致具有層狀構造，在層狀構造中，包括強背襯材料的基板塗覆有一個或多個具有優選摩擦學性能的層以在使用中提供面向協作移動部分的軸承表面，例如曲柄軸頸。在公知軸承殼中，基板包括塗覆有襯套層的背襯，基板又塗覆有覆蓋層。

強背襯材料可以是鋼，可具有的厚度為大約1mm或更多。公知襯套層可以是銅材料(例如銅錫青銅)或者鋁材料(例如鋁或者鋁錫合金)，其粘附至基板(直接粘附至背襯或者粘附至可選夾層)。襯套層的厚度大致的範圍是大約0.05至0.5mm(例如300μm的銅基合金由8％重量比的Sn、1％重量比的Ni組成以及剩餘為Cu，除了附帶雜質之外)。覆蓋層可以為6至25μm的塑料聚合物複合層或者金屬合金層(例如錫基合金覆蓋)。

例如，WO2010066396描述了一種塑料聚合物複合材料，其用作銅或者鋁襯套層上的覆蓋層，銅或者鋁襯套層又粘合至鋼背襯。所描述的覆蓋層包括具有聚醯胺醯亞胺塑料聚合物材料的基體，在整個基體中分布有(％vol比例指定在聚合物已經固化之後相對於覆蓋層的含量)：5至小於15％vol的金屬粉末；1至15％vol的含氟聚合物顆粒，除了附帶雜質剩餘為聚醯胺醯亞胺樹脂(例如具有12μm厚度的層包括12.5％volAl、5.7％volPTFE微粒、4.8％vol矽烷、<0.1％vol其他部件，以及剩餘為(約77％vol)聚醯胺醯亞胺)。

WO2010066396描述了：在沉積之前，在N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)和二甲苯溶劑系統中沉積混合物包括聚醯胺醯亞胺塑料聚合物，固體微粒懸浮在沉積混合物中。可替換地，還公知的是，使用N-甲基-2-吡咯烷酮(NEP)和二甲苯的溶劑混合物。在每個情況下，小比例二甲苯(例如1至2％重量比的沉積混合物)用來增強沉積混合物內微粒的穩定性。這種塑料聚合物覆蓋層可以通過各種不同的方法沉積，包括噴射、移印(一種間接膠印處理，例如，其中矽膠墊將具有塑料聚合物複合材料的層傳遞至滑動軸承基板上)、絲網印刷術或者通過傳遞軋制過程。層可以沉積為單個塗層，或者可以組建為多個單獨塗層，在沉積塗層之後執行閃蒸階段，以移除溶劑以及增強塗層的結構完整性，尤其防止子層跑動並且能夠在固化之前沉積另一塗層。

在覆蓋層沉積已經完成之後，整個聚合物層通過加熱被熱固化以通過誘導聚合物基體的交聯來固定聚合物層。覆蓋層可以在140至280℃下一段持續時間下被固化，持續時間範圍可以從幾分鐘至幾小時(例如10分鐘至2小時)。WO2010066396描述了在190℃下持續30分鐘的示範最終固化。

技術實現要素：

根據第一方案，提供了一種滑動發動機部件，其在基板上具有塑料聚合物複合層，複合層包括：基體，塑料聚合物材料分布在整個基體上；功能化石墨烯納米片。

根據第二方案，提供了一種包括根據第一方案的滑動發動機部件的發動機。

根據第三方案，提供了一種扁平板材元件，其用於形成用於根據第一方案的內燃機的滑動發動機部件。

由於非常薄，功能化石墨烯納米片具有用於與基體鍵合的特別高的表面積(每單位質量)，鍵合性能還大致通過石墨烯納米片的功能化而增強。因此，有利地，功能化石墨烯納米片提供特別增強的複合層的結構加固。此外，在使用中，功能化石墨烯納米片的平面形狀提供了對破裂散布於複合層(例如從軸承表面散布的拉伸疲勞裂紋)增強的阻力，同時，破裂的傳播被橫向於傳播方向放置的石墨烯納米片阻礙。此外，由於如此薄，因此給定質量的功能化石墨烯納米片在複合層內提供了特別高數量的功能化石墨烯納米片，從而在使用在軸承組件內時，在與協作移動部分直接接觸的情形下，提供了增強的潤滑性能。此外，功能化石墨烯納米片可以易於分散在沉積混合物內，沉積混合物在被固化以形成複合層之前沉積至基板上。

功能化石墨烯納米片可以包括石墨烯納米片，其利用-COOH官能團被功能化。有利地，-COOH官能團通過鍵合至塑料聚合物材料的基體(例如聚醯胺醯亞胺樹脂)中的–NH2官能團來加固複合層。

功能化石墨烯納米片可以包括石墨烯納米片，其利用–NH2官能團被功能化。有利地，-NH2官能團通過鍵合至塑料聚合物材料(例如聚醯胺醯亞胺樹脂)的基體中的–COOH官能團來加固複合層。有利地，–NH2官能團在功能化石墨烯納米片上較小，並且由於低空間位阻它們可以提供增強的鍵合至基體中的-COOH官能團。

功能化石墨烯納米片可以包括石墨烯納米片，其利用-COOH和–NH2官能團被功能化。有利地，功能化石墨烯納米片的-COOH官能團還引起鍵合其他功能化石墨烯納米片的–NH2官能團，從而進一步加固複合層。

功能化石墨烯納米片可以包括局部功能化的石墨烯納米片。

滑動發動機部件可以包括0.01至4％重量比的功能化石墨烯納米片。

滑動發動機部件可以包括重量比為0.1至2％重量比的功能化石墨烯納米片。滑動發動機部件可以包括0.1至0.5％重量比的功能化石墨烯納米片。

功能化石墨烯納米片可以具有的最高平面尺寸高達20μm。功能化石墨烯納米片可以具有的最高平面尺寸高達10μm。功能化石墨烯納米片可以具有的最小平面尺寸為1μm。

功能化石墨烯納米片可以具有的厚度為小於50nm。

功能化石墨烯納米片可以包括一平均值平均高達20層。

功能化石墨烯納米片可以包括平均值平均高達4層。有利地，具有高達4層的功能化石墨烯納米片提供複合層強度的最大增強。

功能化石墨烯納米片可以包括平均值平均至少5層以及高達10層。具有5層至10層的功能化石墨烯納米片提供增強複合層強度以及增強複合層的潤滑性能之間的有利平衡，其中，增強複合層強度是通過僅具有少量層的功能化石墨烯納米片提供的，在與協作移動部分(例如曲柄軸頸)直接接觸的情形下，增強複合層的潤滑性能通過較大數量層提供。

功能化石墨烯納米片可以包括平均值平均至少11層以及高達20層。有利地，在與協作移動部分(例如曲柄軸頸)直接接觸的情形下，具有至少11層的功能化石墨烯納米片提供複合層中潤滑性能的最大增強。

複合層可以包括的功能化石墨烯納米片選自多個亞組，多個亞組是從亞組構成的組中選擇的：具有平均值平均高達4層；具有平均值平均至少5層以及高達10層；以及具有平均值平均至少11層以及高達20層。

塑料聚合物材料可以選自以下構成的組：聚醯胺醯亞胺樹脂、丙烯酸脂樹脂、環氧基樹脂、含氟聚合物以及聚苯並咪唑(PBI)。

複合層可以具有的厚度為6至25μm。

滑動發動機部件可以是這樣的滑動軸承組件部件，其選自以下構成的組：軸承殼、襯套、曲柄軸的軸承表面、凸輪軸的軸承表面、連接杆的軸承表面、止推墊圈、凸緣、軸承塊的軸承表面、軸承帽的軸承表面、活塞圈、活塞裙、氣缸壁以及氣缸襯套。

複合層作為沉積混合物沉積至基板上。塑料聚合物樹脂材料以及碳納米結構的沉積混合物可以進一步包括溶劑系統，其可以利於形成沉積混合物。溶劑系統能夠採用各種比例以實現用於塗布至基板上的混合物的特定期望黏性。溶劑系統可以包括從由N-甲基-2-吡咯烷酮以及N-甲基-2-吡咯烷酮構成的組中選擇的至少一個溶劑，以及可選地水和/或小比例二甲苯。本發明並不限於聚醯胺醯亞胺聚合物完全溶解於溶劑系統的情形，聚醯胺醯亞胺聚合物可以僅局部溶解或者其無法溶解。在這種情形下，其將呈現為懸浮固體，雖然這是不太優選的。因此沉積混合物可以是溶液、懸浮液或者乳狀液或者任何兩個或多個這些形式的混合物。

複合層可以包括乾式潤滑劑微粒，其選自由以下構成的組：含氟聚合物、MoS2、石墨或者h-BN。

複合層可以包括二甲苯(即o-二甲苯、p-二甲苯、m-二甲苯或者其任何兩個或者所有三個的混合物)。

複合層還可以包含添加的矽烷材料。已經發現矽烷材料可以促進穩定性聚醯亞胺/醯胺基體，還可以促進粘接聚醯亞胺/醯胺樹脂材料至基板。合適的矽烷材料可以是γ-氨丙基三乙氧基矽烷(例如3-氨丙基三乙氧基矽烷)。合適的可替換矽烷材料可以包括b-(γ-丙基三甲氧基矽烷)胺。

複合層可以包括從由鋁粉、SiC、WC、c-BN以及CaCO3構成的組中選擇的硬質微粒。硬質微粒可以包括鋁薄片。

附圖說明

在下文中，參考附圖進一步描述本發明的實施例，其中：

圖1A示出了軸承殼，其是根據本發明的滑動發動機部件的實施例；

圖1B示出了通過圖1A的軸承殼的部分的截面圖；以及

圖2示出了使用在根據本發明的覆蓋層中的示範功能化石墨烯納米片的掃描電子顯微鏡照片。

具體實施方式

圖1A示意地圖示了呈中空半柱形軸承殼形式的軸承殼100(例如示範滑動發動機部件)，其還通常稱為「半軸承」，圖1B圖示了通過軸承殼的部分的截面圖。

半軸承100在包括鋼構成的強背襯102的基板上具有塑料聚合物覆蓋層(一種複合層)106。基板可以可選地包括背襯102和覆蓋層106之間的另一層。在圖示的例子中，示出了可選襯套層104，其可以是銅材料(例如銅錫青銅)、鋁材料(例如鋁或者鋁錫合金)或者粘附至鋼背襯102的另一聚合物層。

例如，當其組裝在主軸承殼體或者連接杆大端部中時，背襯102對軸承殼100的變形提供了強度以及阻力。

如果由於任何原因覆蓋層106變得徹底磨損，基板包括在背襯102上的可選襯套層104，以提供合適的軸承運行屬性。

覆蓋層106構造為在包含軸承殼100的車輛的整個壽命中提供面向軸承組件中的協作移動部分的運行表面(即滑動表面)。在使用中，在組裝軸承內，軸承殼100的覆蓋層106與帶軸頸式軸相互協作，利用潤滑油的中間膜。覆蓋層106尤其適合適應軸承表面和軸頸(符合能力)之間的小的未對準，並且能夠接收以及嵌入潤滑油供給中循環的粒子，以便防止因碎片而刻劃或者破壞軸瓦表面(汙垢嵌入性)。如果中間油膜發生故障，覆蓋層106還提供了軸承100和軸頸之間的合適的摩擦學性能。

覆蓋層106是包括塑料聚合物材料基體的複合層，功能化石墨烯納米片108分布在整個聚合物材料中。覆蓋層106還可以包括(可選)另一分布在整個塑料聚合物材料(未圖示)的基體中的微粒，例如固體潤滑劑以及硬質微粒。在圖示的例子中，覆蓋層106中的塑料聚合物體材料是聚醯胺醯亞胺樹脂。

功能化石墨烯納米片108是小板材石墨烯，其具有的平均原子層數從1至約20個原子層。功能化石墨烯納米片具有用於鍵合至基體材料的特別高的表面積，從而加固複合覆蓋層。在使用中，功能化石墨烯納米片有利地抵抗最初會開始於軸承表面106A的疲勞破裂分散在整個複合材料覆蓋層中。

每個功能化石墨烯納米片108中原子層的數量影響由它們的含量提供的性能效益。具有較少數量原子層(例如高達5層)的功能化石墨烯納米提供特定增強複合層的強度。具有更高數量原子層(例如11至20層)的功能化石墨烯納米片提供了特定增強複合層的潤滑屬性。中間數量原子層(例如6至10層)可以提供複合層強度以及潤滑屬性之間的有利平衡。

納米片具有的平均厚度小於50nm。

納米片的最高平面尺寸(即納米片的平面中的最大尺寸)具有的值為20μm，優選10μm，這有利地提供了特別增強的複合材料覆蓋層中的強度。納米片的最小平面尺寸為1μm，這有利地提供給功能化石墨烯納米片特別增強的分散性能，不太容易結塊。

添加功能化石墨烯納米片有利地增強複合層的性能。功能化石墨烯納米片通過提供潤滑功能對暴露在軸承表面的地方提供改善的捕捉性能。此外，功能化石墨烯納米片增強複合層的傳熱性，能夠增強整個複合層的散熱。此外，功能化石墨烯納米片改善疲勞性能，阻礙複合材料覆蓋層中破裂的傳播，以及降低複合材料覆蓋層的材料磨損。

石墨烯納米片利用-COOH官能團和/或–NH2官能團被功能化。在塑料聚合物材料沉積之前，通過降低片之間的吸引作用，石墨烯納米片的功能化將增強沉積混合物內各片的分散。有利地，降低石墨烯納米片在沉積混合物中的傳播能夠增強沉積層中片的分配的統一性。

功能化石墨烯納米片108被局部功能化(即僅每個片的外表面上的活性位點的一部分被官能團佔據)。有利地，局部功能化提供了良好的分散性能，同時還向基體材料提供良好的鍵合性能。

覆蓋層106包括的功能化石墨烯納米片(％重量比的比例指定為在已經固化之後相對於形成層的含量)為0.01至4％重量比，優選重量比為0.1至2％，或者0.1至0.5％重量比。

有利地，在使用中，包括功能化石墨烯納米片的塑料聚合物複合層相比於現有技術層提供了增強的疲勞阻力和磨損阻力，同時仍然允許潤滑軸承的油中攜帶的任何微粒的良好嵌入性。暴露功能化石墨烯納米片，在軸承表面，增加自由表面的潤滑屬性，降低複合層的摩擦，在軸瓦軸接觸軸承表面的情況下，例如當軸承未充分供給潤滑油時，當發動機啟動以及在潤滑油已經升高至作業壓力之前其能夠發生。

圖2示出了使用在覆蓋層106中的示範功能化石墨烯納米片108的掃描電子顯微鏡照片。

在功能化之前，當每個碳sp2雜交時石墨烯包括一個或多個填充在六方晶系晶格中的一個原子厚的碳原子平面層，並且與三角平面構型中三個相鄰碳原子間的每個形成一個鍵。一旦功能化層典型地變成非平面的(例如，利用周期性分布的官能團，層可以變得收縮或者起皺)，尤其在功能化附接至層的這些區域中。典型地，晶格中的被功能化的任何碳原子將被sp3雜交，與三個相鄰碳原子中的每個形成一個鍵，並且與官能團形成為另一個鍵(例如-NH2或者-COOH團)，因而採用非平面的四面體構型。

功能化石墨烯納米片可以通過等離子體功能化處理而形成，其中，平面表面和/或納米片邊緣上的活性位點有很多官能團，提供完全或者局部浸透納米片外側上的可獲得的活性位點。

利用-COOH和/或–NH2官能團功能化的納米片特別適合於與聚醯胺醯亞胺樹脂基體化學鍵合，提供特別增強的加固複合材料覆蓋層。

塑料聚合物複合層還可以包含添加矽烷材料。已經發現矽烷材料能夠促進聚醯胺醯亞胺基體的穩定性，促進潤溼，因而粘接聚醯胺醯亞胺樹脂材料至基板以及任何微粒，以及促進在固化期間聚醯胺醯亞胺基體的交聯。合適的矽烷材料可以是γ-氨丙基三乙氧基矽烷(例如3-氨丙基三乙氧基矽烷)，以及可以在3至6％vol範圍內添加至沉積混合物。合適的可替換矽烷材料可以包括b-(γ-丙基三甲氧基矽烷)胺。

塑料聚合物覆蓋層可以進一步包括乾式潤滑劑微粒。由於其對材料摩擦屬性的有益效應以及其自潤滑效應，乾式潤滑劑微粒可以包括在塑料聚合物層中。乾式潤滑劑微粒可以是含氟聚合物、MoS2、石墨或者h-BN(六方結晶氮化硼)。乾式潤滑劑微粒的粒子尺寸期望地位於1至5μm的範圍，以及優選尺寸範圍為2至4μm(例如聚四氟乙烯(PTFE)或者聚全氟乙丙烯(FEP))。在覆蓋層從包括含氟聚合物微粒的懸浮液沉積的情況下，溶劑系統優選還包括1至2％重量比的二甲苯，這穩定懸浮在沉積混合物內的含氟聚合物微粒。

為了增強磨損阻力，複合層可以進一步包括從由：鋁粉(例如鋁薄片)、SiC、WC、c-BN(立方晶硼氮化物)以及CaCO3構成的組中選擇的硬質顆粒。

複合材料覆蓋層106通過沉積包括溶解於溶劑系統中的塑料聚合物材料的混合物而形成，功能化石墨烯納米片(以及任何其他微粒)懸浮在溶劑系統中。在圖示的例子中，溶劑系統包括N-甲基-2-吡咯烷酮(NEP)和/或N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、小比例二甲苯溶劑以及可選地水。溶劑系統能夠採用各種比例，相對於塑料聚合物以及功能化石墨烯納米片(以及任何其他懸浮固體微粒)以實現用於塗布至基板的沉積混合物的特定期望黏性。在沉積之前，優選通過煽動沉積混合物維持功能化石墨烯納米片(以及任何其他懸浮固體微粒)懸浮。溶劑系統利於形成以及沉積混合物，選擇溶劑與混合物中聚合物(以及任何微粒)的比例以優化沉積性能。

覆蓋層通過從噴槍噴射塗層而沉積至基板上。可替換地，塑料聚合物複合層可以通過絲網印刷術(即通過罩子)、移印處理(即間接膠印工藝，例如，其中，矽膠墊傳遞塑料聚合物複合材料的圖案層至滑動軸承基板上)或者通過傳遞軋制過程而沉積。

雖然覆蓋層可以在單個沉積步驟中沉積，但是，用於較大厚度，覆蓋層可以可替換地通過沉積連續的子層而創建，閃蒸階段設置在隨後的沉積之間以從子層移除溶劑。

固化沉積的塑料聚合物複合層誘導塑料聚合物中的分子交聯。固化還從覆蓋層移除大致所有溶劑，包括來自閃蒸子層的任何殘餘雙溶劑。

固化塑料-聚合物覆蓋層106可以具有的厚度為4至12μm，具有由連續子層形成的較厚層。例如，具有8至12μm厚度的覆蓋層106可以通過沉積兩個或者三個子層而創建。

雖然附圖中圖示了關於半軸承殼，但是，本發明同樣適用於其他滑動發動機部件，包括半環形、環形或者圓形止推墊圈以及襯套。

此處提供的附圖是示意性的並且未按比例繪製。

在該說明書的整個說明書以及權利要求中，詞語「包括」、「包含」以及它們的變型意思是「包括但不限於」，並且它們不旨在(以及不)排除其他基團、添加物、部件、整體或者步驟。在該說明書的整個說明書以及權利要求中，單數包含複數，除非內容以其他方式要求。尤其，在使用不定冠詞的地方，說明書應當理解為視為複數以及單數，除非內容以其他方式要求。

結合特定方案、本發明的實施例或者例子描述的特徵、整體、特性、化合物、化學基團或者團，應該理解為適用於此處描述的任何其他方案、實施例或者例子，除非與此不相容。公開於該說明書(包括任何附隨權利要求、摘要以及附圖)中的所有特徵，和/或這樣公開的任何方法或者處理的所有這些步驟，可以以任何組合而組合，除了至少一些這種特徵和/或步驟相互排斥的組合。本發明不限於任何前述實施例的細節。本發明延伸至具有公開於該說明書(包括任何附隨權利要求，摘要以及附圖)中的特徵的任何新穎的一個，或者任何新穎的組合，或者具有這樣公開的任何方法或者處理的這些步驟的任何新穎的一個或者任何新穎的組合。

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