CN101087942A - 用于内燃机的活塞及为其销孔涂敷涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于内燃机的活塞(1)，它包括具有滑动轴承面(5)的用来装入活塞销的活塞销孔(3)。为了高效和成本低廉地防止活塞销和活塞销孔间发生咬住和磨损，直接在滑动轴承面的至少一个区段(Tb)上，利用旋转喷涂涂敷一层由其中掺有固体润滑材料颗粒的热硬化树脂构成的自润滑涂层(6)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机的活塞，其包括具有滑动轴承面的用于装入活塞销的活塞销孔。
背景技术
在现有技术中，在活塞销孔的滑动轴承面上直接设置涂层在例如德国专利文献DE 41 11 368 C2及DE 33 01 366 A1中得到公开。众所周知，为在不带衬套的活塞销孔的滑动轴承面(至少部分滑动面)上通过电镀直接敷设上金属涂层，特别是镍涂层，其作用应当是给轴承部位提供充分润滑。此外，这项技术在由钢或铁制成的活塞上部件中得到应用，其中表面粗糙度Ra(平均值)在0.5到2.0μm的滑动轴承面经过磷化处理，并且活塞销孔是成形孔。在所述两种结构形式中，活塞销都没有涂敷涂层。
为了在活塞中保持装配活塞销的尺寸精度，金属镀层大多数一如既往地需要通过精磨或精车进行机械精加工，显然这将会提高这种活塞销座镀层的加工成本。此外在实践中已经证明，金属镀层由于在轴承中发生磨损而不能保证防咬和润滑的安全，从而限制了这种结构形式中活塞销-销座-轴承的使用寿命。
另外，金属镀层的精加工要求在尺寸精确性方面投入大量的成本，确保活塞与活塞销以最小噪音生成许可的两者间的最小间隙进行安装。
为了改善构件的摩擦和滑动特性，根据德国专利DE 39 39 704 A1已知有一种涂层材料，这种材料在喷镀后要在构件表面上产生不同厚度的不均匀斑状分布。这时，较厚的区域优选用其中掺有涂层材料的填充材料颗粒构成。但这样做的缺点在于，在干燥的预备阶段会产生不受控制的不均匀的涂层厚度减小的现象，以至不能保证内燃机的活塞销与活塞销座间进行精确轴承间隙。
发明内容
因此，本发明的任务是，提供一种用于内燃机的活塞及为其滑动轴承面涂敷涂层的方法，以便配合件即使在最小的安装间隙下也能高效和成本低廉地实现长期的抗咬合和耐磨损。
根据本发明，上述任务是通过独立权利要求1和5中所述的特征来解决的。
通过直接在活塞销孔的轴承面上涂敷一种以润滑漆生成的自润滑涂层，这种涂层由其中掺有固体润滑材料颗粒的热硬化树脂构成，基本上可以获得以下优点：
-不需轴承衬套就能达到足够的润滑和防咬住可靠性；
-不需要为了改进润滑漆的粘附性而在滑动轴承面上涂敷一层粘附层；
-不必对涂敷的润滑漆表面进行精加工，就能达到要求的尺寸精度(如涂层层厚)、轴承间隙的调整等，以及达到要求的表面质量，如表面粗糙度、波纹度等；
-相比已知的金属合金镀层，由于改进了润滑特性而提高了涂层的稳定性，因而使活塞-活塞销-轴承获得了较长的使用寿命。
根据要求，掺入的固体润滑材料颗粒可以分别由石墨、二硫化钼、二硫化钨、六方氮化硼或PTFE(聚四氟乙烯)材料中的一种或两种的混合物构成，其中，滑动轴承面上的硬化涂层包含占50重量％到60重量％的固体润滑材料颗粒，以确保活塞销-活塞销座-轴承的理想润滑。为此，在由硬化的润滑漆构成的涂层厚度为10-15μm的情况下，固体润滑材料颗粒的粒度大小应为1到3μm。此时，涂层厚度的最大公差为±1μm，由此达到最小的安装间隙。
根据本发明所述的方法，润滑漆通过旋转喷涂法涂敷到活塞销孔的滑动轴承面上是有利的，这样，可以得具较小直径的活塞销孔的涂层。
以这样的方式产生的涂层具有均匀的层厚和非常好的表面质量。同样，将被涂敷区域的深度也能较好地确定。较之通常的涂敷方式，这种涂敷方法非常经济。
有利的其它方案在从属权利要求中进行说明。
附图说明
下面根据附图进一步说明本发明的结构实例。示出的有：
图1所示的为活塞的一个剖视图，活塞带有通过活塞销与之铰接的活塞裙；
图2所示的为根据图1活塞上截取的活塞销孔部分的剖视图；
图3所示的为根据图2带有润滑孔的活塞销孔部分的剖视图；
图4所示的为给活塞销孔的滑动轴承面涂敷涂层的工具。
具体实施方式
图1中举例示出的活塞1(该活塞可以是德国斯图加特MAHLE公司的全用钢制成的FERROTHERM-活塞或MONOTHERM-活塞，或钢制活塞上部，或者通常的轻金属制成的活塞)包括有带有滑动轴承面5的活塞销座4，其上设置有活塞销孔3，活塞销孔3根据要求或是成形孔和/或是竖向椭圆或横向椭圆孔。表面粗糙度Ra(平均值)可以相当于在德国专利DE 41 11 368 A1中规定的表面粗糙度，其中，一般对于小于30mm的活塞销孔直径来说，Ra值为0.63μm，对于30-60mm的活塞销孔直径来说，Ra值可达0.8μm。具有长度为A的活塞销孔3可以设计成圆柱环形或者具有较小椭圆度的圆柱形，而且可以带有或不带扩展的孔端区域B、C。
滑动轴承面5示出有自润滑涂层6，该涂层由一种润滑漆构成，润滑漆由其中掺有固体润滑材料颗粒的热硬化树脂构成。树脂是一种聚酰胺亚胺，固体润滑材料颗粒分别由石墨、二硫化钼、二硫化钨、六方氮化硼或PTFE(聚四氟乙烯)材料中的一种或两种的混合物构成。
为了将发明所述的涂层涂敷到活塞销座4的滑动轴承面5上，要使用一种旋转喷涂工具10。喷涂工具10具有一个基体11，基体11逐渐过渡到一个设置有轴承12、喷嘴14和喷嘴出口15的可旋转的喷嘴体13。用驱动装置23驱动旋转喷嘴体13。基体11分别拥有润滑漆输送通道17和压缩空气输送通道18，通道能分别确定润滑漆和压缩空气的使用量，最终在混合室19中完成两者的混合以及配量。与混合室19接通的喷出通道20与冲击板16垂直设置，冲击板16与喷嘴体13间隔开，以产生宽度为0.5mm的环状间隙22，该间隙用于喷出润滑漆喷射流24。
带有喷嘴14的喷嘴体13借助驱动装置23以每分钟14000到18000转的转速进行旋转，因此，通过在环形缝隙出口处形成的离心力，润滑漆-压缩空气混合物被加速，并形成圆盘状的喷射流24沿径向向外喷出。喷嘴直径D是这样选择的，即它大约相当于在其滑动轴承面上涂敷涂层的活塞销孔直径的一半。喷涂工具可以喷嘴深度T伸进到被涂敷涂层的连杆头孔中。由于喷射流在轴向细窄，因此，可以通过简单地打开和关闭涂料输入在轴向严格限制涂层的面积。伴随直到50mm的喷嘴深度，喷嘴直径可以在5到25mm的范围内进行选择，因此，使用喷涂工具可为各种发动机机型的活塞销孔涂敷涂层。
实施例1
为活塞销孔的滑动轴承面涂敷完整的涂层：
活塞销孔用已知的方式进行机械精加工，并相应其直径生成上述的表面粗糙度。活塞销孔直径在涂敷涂层前是这样选定的，即活塞销要有30-40μm的径向间隙。活塞连同其活塞销座要这样进行清洁，即完全清除切屑、微粒、切削油和类似物。
涂敷涂层前，要在活塞销孔3的两侧安装与活塞销座4的外形轮廓相匹配的挡板21。挡板21用来防止活塞销座的外侧被误涂。
由具有很高的温度稳定性的基体树脂聚酰胺亚胺构成的润滑漆包含一种作为固体润滑材料的由粒度大小为1-3μm的二硫化钼和石墨构成的混合物。润滑漆的粘度是这样调整的，即它不能成滴，但又足以能够涂敷。
以10-20mm/sec的进给将喷嘴居中***活塞销孔3，以便润滑漆涂敷到已预热到50至80℃的活塞上。润滑漆在硬化状态包含占50-60重量％的固体润滑材料。没有涂料输入时，喷嘴将随后返回。整个涂敷过程在小于5秒钟的时间内完成。
然后，涂层在烘炉内进行热硬化，此时，活塞必须保持在200℃的温度持续加热10到20分钟。这样获得的涂层大约为10μm厚，涂层厚度的公差为±1μm。尽管润滑层厚度由于涂层的收缩而减小，但仍能达到10-20μm这样小的径向活塞间隙。
实施例2
为活塞销孔的滑动轴承面部分涂敷涂层：
活塞基本上按照实施例1进行加工和清洁。
涂敷涂层前，要在活塞销孔3的两侧安装与活塞销座4的外形轮廓相匹配的挡板21。挡板21用来防止活塞销座的外侧被误涂。
由具有很高的温度稳定性基体树脂聚酰胺亚胺构成的润滑漆包含一种作为固体润滑材料的粒度大小为1-3μm的石墨。润滑漆的粘度是这样调整的，即它不能成滴，但又足以能够涂敷。
活塞销孔的圆柱区域应当借助喷涂工具11涂敷上润滑漆。
喷嘴14在图3中设置在活塞销座的一侧，从左向右移动，直到活塞销孔3的区域C末端不进行喷涂，接着涂敷润滑漆直到活塞销座区域B的起始位置。接着停止输送涂料，喷嘴返回，并将喷嘴中的残留涂料喷洒到挡板上。润滑漆应涂敷到已预热到50至80℃的活塞上。
接着，涂层在烘炉内进行热硬化，此时，活塞1必须保持在200℃的温度加热10到20分钟。这样获得的涂层大约为10μm厚，涂层厚度公差为±1μm。虽然润滑层厚度由于涂层的收缩而减小，但仍能达到10-20μm这样小的径向活塞间隙。这样小的径向间隙特别有利，能够避免活塞销发出的敲击噪声。涂层能保证在间隙狭小的情况下不会出现咬住现象。
实施例3
为带有润滑槽的活塞销孔的滑动轴承面涂敷涂层：
活塞基本上按照实施例1进行加工和清洁。在活塞销座4中用已知的方法加工了附加孔7，以便对图1中没有示出的活塞销进行油润滑。
涂敷涂层前，要在活塞销孔的两侧安装与活塞销座4的外形轮廓相匹配的挡板21。挡板21用来防止活塞销座的外侧被误涂。
由具有很高的温度稳定性的基体树脂聚酰胺亚胺构成的润滑漆包含一种作为固体润滑材料的粒度大小为1-3μm的石墨。润滑漆的粘度是这样调整的，即它不能成滴，但又足以能够涂敷。
滑动漆料不应堵塞在活塞销孔3的中部设置的润滑油孔7。由于这个原因，以及为了能使润滑油更好地分布在活塞销孔与活塞销之间的空隙中，涂层6在润滑油孔的区域被沿径向环绕的“润滑槽”分开，如在图3中所示。同样，通过运用相应的掩模，可以实现在具有一个或多个和活塞销孔的轴线平行设置的润滑槽或它们的组合的表面上进行涂敷。涂敷涂层要使用喷涂工具11。
喷嘴14放置在活塞的K1侧，并直到在活塞销孔3中深度为T1的地方不进行喷涂。接着在范围d内涂敷润滑漆。在挡板21的区域并在活塞的K2侧停止涂料的输送，将喷嘴14中的残留涂料喷洒到挡板21上。接着，喷嘴14在没有涂料输送的情况下返回到深度T2处，并从该处在区域e开始喷涂。剩余的润滑漆在挡板21的区域喷洒在活塞K1侧。润滑漆涂敷到已预热到50至80℃的活塞上。
接着，涂层在烘炉内进行热硬化，此时，活塞必须保持在200℃的温度加热10到20分钟。这样获得的涂层大约为10μm厚，涂层厚度公差为±1μm。尽管滑层厚度由于涂覆层的收缩而减小，但仍能达到10-20μm这样小的径向活塞间隙。这样小的间隙特别有利于避免活塞销发出的敲击噪声。涂层能保证在间隙狭小的情况下不会出现咬住现象。
实施例4
为活塞销孔滑动轴承面偏心涂敷涂层：
活塞1基本上按照实施例1进行加工和清洁。
涂敷涂层前，要在活塞销孔3的两侧安装与活塞销座4的外形轮廓相匹配的挡板21。挡板21用来防止活塞销座的外侧被误涂。
由具有很高的温度稳定性的基体树脂聚酰胺亚胺构成的润滑漆包含一种作为固体润滑材料的粒度大小为1-3μm的石墨。润滑漆的粘度是这样调整的，即它不能成滴，但又足以能够涂敷。
以10-20mm/sec的进给将喷嘴14偏心***活塞销孔3。偏心度为喷嘴直径D的四分之一，同时，喷嘴的轴在向着活塞销孔顶点的方向上移动。润滑漆被涂敷到已被预热到50至80℃的活塞上。润滑漆在硬化状态包含占50-60重量％的固体润滑材料。没有涂料输入时，喷嘴随后返回。整个涂敷过程在小于5秒钟的时间内完成。
接着，涂层在烘炉内进行热硬化，此时，活塞1必须保持在200℃的温度加热10到20分钟。这样获得的涂层6在活塞销孔顶点方向上的厚度约为15μm，在活塞销孔最低点方向上的厚度为5μm。在活塞销孔的赤道圆方向上的涂层厚度约为10μm。这样，在承受最高机械负荷的范围内涂覆了较厚的涂层，而在机械负荷最小的范围内涂敷了较薄涂层。
德国基尔希海姆(Kirchheim)的Sprimag公司生产的离心式装置(Schleuderapparat)S-520适合于涂敷工艺的实施。规定的涂层也可以涂敷在活塞销孔3的已经经过磷化处理的滑动轴承面上，此时，磷化层和涂层7的层厚必须分别与活塞销-活塞销座-轴承的安装间隙相协调。此时，活塞销不进行涂敷。
在本发明的范围内，涂敷涂层同样可适用于带销座衬套的活塞。衬套的工作面也可用给定的方法涂敷涂层。
附图标记
1活塞
2活塞裙部
3活塞销孔
4活塞销座
5活塞销孔的滑动轴承面
6涂层，自润滑(润滑漆)
7润滑油孔/润滑油槽
10旋转喷涂工具
11基体
12喷嘴体的轴承
13喷嘴体
14喷嘴
15喷嘴出口
16冲击板
17润滑漆的输入通道
18压缩空气的输入通道
19混合室
20喷出通道
21挡板
22间隙
23驱动装置
24喷射流
D喷嘴直径
T喷嘴深度
Da喷嘴轴线
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种内燃机的活塞(1)，包括具有滑动轴承面(4)的装入活塞销的活塞销孔(3)；其中，滑动轴承面(5)具有直接与活塞材料相连的自润滑涂层(6)，该涂层由其中掺有固体润滑材料颗粒的热硬化树脂构成，其特征在于，树脂是一种聚酰胺亚胺，固体润滑材料颗粒分别由石墨、二硫化钼、二硫化钨、六方氮化硼或PTFE(聚四氟乙烯)材料中的一种或两种的混合物构成。
2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，至少在滑动轴承面(5)的一个区段上涂敷有所述的自润滑涂层(6)。
3.根据权利要求2所述的活塞，其特征在于，滑动轴承面的涂层含有占50重量％到60重量％的固体润滑材料颗粒，其中，固体润滑材料颗粒的粒度大小为1到3μm。
4.根据上述诸项权利要求之一所述的活塞，其特征在于，涂层的层厚为10-15μm。
5.根据权利要求4所述的活塞，其特征在于，涂层厚度的公差为±1μm。
6.在活塞销孔(3)的滑动轴承面(5)上，特别是在用于内燃机的活塞(1)的活塞销孔(3)的滑动轴承面(5)上涂敷涂层的方法，其特征在于，利用旋转喷涂将由其中掺有固体润滑材料颗粒的热硬化树脂构成的自润滑涂层(6)直接涂敷到滑动轴承面(5)上。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，树脂是一种聚酰胺亚胺，固体润滑材料颗粒分别由石墨、二硫化钼、二硫化钨、六方氮化硼或PTFE(聚四氟乙烯)材料中的一种或两种的混合物构成，其中，由各种成分和树脂构成的混合物被作为润滑漆涂敷在活塞销孔
Claims (16)
1.一种内燃机的活塞(1)，包括具有滑动轴承面(4)的装入活塞销的活塞销孔(3)；其特征在于，滑动轴承面(5)至少在一个区段内具有直接与活塞材料相连的自润滑涂层(6)，该涂层由其中掺有固体润滑材料颗粒的热硬化树脂构成。
2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，树脂是一种聚酰胺亚胺，固体润滑材料颗粒分别由石墨、二硫化钼、二硫化钨、六方氮化硼或PTFE(聚四氟乙烯)材料中的一种或两种的混合物构成。
3.根据权利要求2所述的活塞，其特征在于，滑动轴承面的涂层含有占50重量％到60重量％的固体润滑材料颗粒，其中，固体润滑材料颗粒的粒度大小为1到3μm。
4.根据上述诸项权利要求之一所述的活塞，其特征在于，涂层的层厚为10-15μm。
5.根据权利要求4所述的活塞，其特征在于，涂层厚度的公差为±1μm。
6.在活塞销孔(3)的滑动轴承面(5)上，特别是在用于内燃机的活塞(1)的活塞销孔(3)的滑动轴承面(5)上涂敷涂层的方法，其特征在于，利用旋转喷涂将由其中掺有固体润滑材料颗粒的热硬化树脂构成的自润滑涂层(6)直接涂敷到滑动轴承面(5)上。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，树脂是一种聚酰胺亚胺，固体润滑材料颗粒分别由石墨、二硫化钼、二硫化钨、六方氮化硼或PTFE(聚四氟乙烯)材料中的一种或两种的混合物构成，其中，由各种成分和树脂构成的混合物被作为润滑漆涂敷在活塞销孔(3)的滑动轴承面(5)上。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，润滑漆被涂敷在完全去油污的、清洁的和没有切屑和沉积物的活塞的滑动轴承面上，其表面粗糙度Ra(平均值)＜0.63μm。
9.根据上述诸项权利要求之一所述的方法，其特征在于，旋转喷涂借助居中***活塞销孔(3)的旋转喷嘴(14)以10-20mm/sec的进给进行。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，润滑漆的喷涂在喷嘴以每分钟14,000到18,000转的转速下进行。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，润滑漆垂直于滑动轴承面(5)进行喷涂。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在喷涂润滑漆前和在喷涂过程中，活塞(1)被预热，旋转喷涂结束后，活塞被直接进行热处理。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，预热活塞使其达到50到80℃，另外，热处理应在200℃时保持10到20分钟。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在润滑漆硬化后，涂层厚度的公差达到±1μm。
15.由其中掺有固体润滑材料颗粒的热硬化树脂构成的涂层(6)，在内燃机活塞(1)的活塞销孔(3)中作为滑动轴承层的应用。
16.根据权利要求13所述的涂层的应用，其特征在于，树脂是一种聚酰胺亚胺，固体润滑材料颗粒分别由石墨、二硫化钼、二硫化钨、六方氮化硼或PTFE(聚四氟乙烯)材料中的一种或两种材料的混合物构成。
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