CN105247230B

CN105247230B - 滑动发动机部件

Info

Publication number: CN105247230B
Application number: CN201480024312.4A
Authority: CN
Inventors: 罗杰·戈杰斯; 约翰·卡赖; 阿尼尔·拉托德
Original assignee: Mahle International GmbH; Mahle Engine Systems UK Ltd
Current assignee: Mahle International GmbH; Mahle Engine Systems UK Ltd
Priority date: 2013-05-07
Filing date: 2014-05-07
Publication date: 2018-04-27
Anticipated expiration: 2034-05-07
Also published as: WO2014180916A1; CN105247230A; BR112015027662A2; GB2513867A; EP2994655B1; US9982715B2; JP6417400B2; EP2994655A1; US20160084308A1; JP2016518568A; GB201308182D0

Abstract

一种滑动发动机部件，其具有通过塑料聚合物复合材料层(106)设置在基板(102)上的滑动表面，复合材料层包括：塑料聚合物材料的基质，在整个基质上分布有0.1至20％vol的液体填充微囊(108)；以及附带杂质，以及一种制造这种滑动发动机部件的方法。

Description

滑动发动机部件

技术领域

本发明涉及一种具有聚合物轴承材料层的滑动发动机部件，尤其涉及用于滑动轴承组件以及活塞组件部件的滑动发动机部件，滑动轴承组件诸如轴承衬套壳、轴套、曲柄轴的轴承表面、凸轮轴的轴承表面、连接杆的轴承表面、止推垫圈、轴承块的轴承表面、轴承盖的轴承表面，活塞组件部件诸如活塞圈、活塞裙、以及气缸壁以及气缸衬套。

背景技术

在内燃机中，轴承组件典型地均包括保持曲柄轴(绕轴线可旋转)的一对半轴承。每个半轴承包括中空大致半柱形轴承壳，典型地至少一个是凸缘半轴承，其中轴承壳设置有在每个轴向端部向外(径向)延伸的大致半环形止推垫圈。在一些半轴承中，使用轴承壳和止推垫圈构成的单件构造，而在其他半轴承中，轴承壳和止推垫圈用夹状特征被松散地机械接合，在另一类型的半轴承中，止推垫圈通过接合特征的变形而永久地组装至轴承壳。在其他轴承组件中还公知的是使用环形或者圆形止推垫圈。

滑动轴承的轴承表面大致具有分层构造。分层构造经常包括：强背衬材料(诸如，钢)，具有的厚度范围是大约1mm或更多；第一轴承材料的层(“衬套层”)，诸如铜材料(例如铜锡青铜)或者铝材料，粘附至背衬，并且具有的厚度范围大致在大约0.1至0.5mm(例如，300μm，具有8％wtSn的铜合金，1％wt的Ni，以及余量Cu，除了附带杂质)；以及金属或者聚合物轴承材料的第二轴承材料的层(“覆盖层”)，粘附至衬套层的表面并且具有的厚度为小于大约25μm。

第二层的表面形成了实际运行或滑动表面，在使用中其面向协同操作构件(例如曲柄轴体轴颈)的表面。在轴承壳的情形下，例如当其组装在主轴承壳体或者组装在连接杆大端时，背衬提供了强度以及阻力以防止轴承壳的变形。如果第二层被磨穿，那么第一层可以提供合适的轴承运行属性。虽然第一轴承材料提供了抗咬合性和兼容性，但其一般比第二层的材料硬。因而，在其适应轴承表面和轴体轴颈之间小的未对准的能力(符合能力)以及在嵌入润滑油供给中循环的灰尘粒子的能力方面，第一层通常劣于第二层，以便防止被碎片刻痕或者破坏轴颈表面。

第一轴承材料通常选自铝合金(即，具有不多于25％wt的添加剂元素，除了附带杂质，100％wt剩余的为铝，)或者铜合金材料(即具有不多于20％wt的添加剂元素，除了附带杂质，100％wt剩余的为铜)。铝合金一般包括铝合金基质，铝合金基质上具有软金属的第二相位。通常，软金属相位可以选自铅、锡以及铋中的一个或多个，但是，由于铅的环境劣势，其目前为非优选元素。由于这些环境考虑，铜合金(诸如铜铅以及含铅青铜)也最终不受欢迎，例如，可以被无铅铜合金代替。

第二轴承材料层与轴体轴颈形成匹配配合，二者之间具有用于润滑流体的间隙，第二轴承材料层还公知为覆盖层，并且由塑料聚合物材料的基质形成，基质典型地包括实心填料微粒，例如具有的厚度为4至40μm。

WO2010066396描述了一种相关的塑料聚合物复合材料轴承层，其包括聚酰亚胺/酰胺塑料聚合物材料的基质，并且在整个基质中分布有：从5至小于15％vol的金属粉末；1至15％vol的含氟聚合物微粒，除了附带杂质之外，剩余为聚酰亚胺/酰胺树脂(例如12μm厚度的层，包括12.5％vol的Al、5.7％vol的PTFE微粒、4.8％vol的硅烷、<0.1％vol的其他元素，剩余为(约77％vol)聚酰亚胺/酰胺)。虽然WO2010066396的塑料聚合物轴承层的成分提供了高耐磨性和疲劳强度，但是仍期望能够进一步在滑动轴承中增加这种聚合物层的抗咬合性，特别在这种滑动轴承的覆盖层中。

节约燃料操作计划已经变得对于自动发动机来说越来越流行，这增加了发动机启动的频率。在“停止-启动”操作计划中，停止以及重新启动车辆移动还导致发动机停止以及重新启动。在“混合”操作计划中，当车辆能够通过可替换电源供能(通常是供电)时，发动机关闭。在这种操作计划中利用发动机启动的较大频率导致了对止推垫圈以及轴承壳的性能渐增的需求，增加了相关网以及曲柄轴的轴颈的配合端面分别接触止推垫圈和轴承壳的频率，因此引起相应地增加了运行表面的磨损。

在活塞组件中，公知的是降低活塞裙和气缸壁之间划痕的可能性，更为公知的是从曲柄箱中的润滑油提供活塞和气缸壁之间的润滑。此外，公知的是提供具有耐磨涂层的发动机部件。例如，公知的是用涂覆活塞气缸衬套，是电镀镍亲脂性的基质碳化硅涂层。类似地，正如WO2005042953描述的，公知的是利用材料涂覆活塞裙以辅助润滑以及避免两个部件之间金属对金属的接触，从而降低磨损，改善气缸内的润滑和/或热属性。

四冲程发动机通常在每个活塞上使用三个活塞圈，三个活塞圈是两个压缩圈和一个油圈。压缩圈的任务是防止燃烧气体进入曲柄箱，而油圈的功能是从气缸壁刮掉多余油以及使多余油返回曲柄箱，控制油的“膜”的厚度并且防止其过度燃烧。圈的另一重要的功能是充当桥以将热从活塞传递至依靠冷却***消散的气缸壁或者气缸衬套(还公知为气缸套筒)。正如WO2011000068描述的，在活塞圈上，尤其在压缩圈上，公知的是至少在接触到气缸壁的外周上施加涂覆层。

发明内容

根据本发明的第一方案提供了具有通过塑料聚合物复合材料层设置于基板上的滑动表面的滑动发动机部件，复合材料层包括：

塑料聚合物材料的基质，在整个基质中分布有：

0.1至20％vol的液体填充微囊；以及

附带杂质。

根据本发明的第二方案提供了用于形成滑动发动机部件的扁平板材元件，滑动发动机部件具有通过塑料聚合物复合材料层设置于基板上的滑动表面，复合材料层包括：

塑料聚合物材料的基质，在整个基质中分布有：

0.1至20％vol的液体填充微囊；以及

附带杂质。

根据本发明的第三方案提供了制造滑动发动机部件的方法，滑动发动机部件的具有通过塑料聚合物复合材料层设置于基板上的滑动表面，复合材料层包括：

塑料聚合物材料的基质，在整个基质中分布有：

0.1至20％vol的液体填充微囊；以及

附带杂质，

这些步骤的方法包括：

制作包括塑料聚合物树脂材料和液体填充微囊的混合物；

将混合物涂覆至基板上；以及，

处理以便凝固塑料聚合物材料基质以形成复合材料层。

有利地，当要求时(即“根据需要”)使用微囊提供了液体润滑的局部释放，从而降低了相对于彼此以高度移动的部件(即，摩擦配合件)之间的咬合风险。特别有利的是紧急润滑是局部的，设置在滑动发动机部件和协作构件之间的接触点。

20％vol液体填充微囊的上限涉及复合材料层的结构完整性，因为高于该水平的话，微囊会引起复合材料层的抗疲劳性的显著降低。从微囊释放的液体的有益性质(例如抗咬合性、抗腐蚀性或者抗裂性)在低水平降低，低于0.1％vol的液体填充微囊无法提供显著利益。

复合材料层可以包括0.5至5％vol的液体填充微囊。该范围在获得具有液体填充微囊的利益以及最小化任何抗疲劳性降低之间提供了特别有利的折衷。

微囊可以具有不多于复合材料层的厚度的一半的平均直径。微囊可以具有不多于复合材料层的厚度的四分之一的平均直径。微囊可以是大致球形。

液体填充微囊可以具有0.5至10μm的平均直径。微囊的平均直径小于复合材料层(或者子层)的厚度。

复合材料层可以具有6至40μm的厚度，优选6至20μm。

有利地，提供显著小于复合材料层厚度的微囊能够使微囊变得暴露，当滑动发动机部件的表面逐渐磨损时释放液体内含物。

复合材料层可以包括多个不同的子层。多个层可以包括两个不同的子层。有利地，可以选择子层以当复合材料层磨损时提供不同的性能属性。

子层可以包括不同体积百分比浓度的微囊。

子层可以包括不同体积百分比浓度的金属微粒。

子层可以包括不同的液体填充微囊(例如，具有不同成分的填充液体)。

靠近基板的子层可以比远离基板的子层包括较低比例的润滑剂液体。靠近基板的子层可以包括较少润滑剂的微囊以及较高比例的微粒(例如金属粉末)以改善耐磨性。

微囊内的液体可以包括液体润滑剂(例如矿物质油，合成聚α-烯烃(POA)油)。液体可以包括在100℃具有≥5.6mm²/s(即≥5.6cSt)黏度的油，例如油符合汽车工程师协会类SAE20及以上标准。有利地，微囊内的油比发动机的曲柄箱中发动机润滑油具有更高黏度，以在复合材料层磨损的情形下提供增强的润滑。更高黏度的油能够向复合材料层提供改进的润滑。

液体可以包括液体润滑剂和液体添加剂。液体可以包括构造为与摩擦配和件的表面起反应的溶解固体添加剂(例如胺类，其是固体盐)，例如以加硬或者润滑该表面。

液体添加剂可以包括腐蚀抑制剂。一些发动机润滑油(例如有机派生的“生物油”)包括氧化剂，其能够引起金属部件(诸如沉积复合材料层的基板)的腐蚀。在复合材料层变得破裂或者磨穿的情况下，腐蚀能够蔓延至金属基板，从而降低轴承性能。此外，这种腐蚀能够沿着基板的表面蔓延到复合材料层下方，从而引起复合材料层的分层，还降低轴承性能。有利地，腐蚀抑制剂能够在其从微囊释放处附近起作用以防止这种腐蚀和效果。

液体添加剂可以包括自修复添加剂，例如用于基质的聚合物的粘着剂或者单体。有利地，自修复添加剂能够填充出现于复合材料层中的破裂以维持复合材料层的结构完整性。例如，从被裂缝破裂的微囊所释放出的液体单体能够流动至裂缝并且密封裂缝，以抑制有害液体(例如水，劣质油产品，来自燃料的乙醇)的不利进入，或者抑制来自轴承间隙的腐蚀性润滑剂流入而接触轴承壳的基板。

液体填充微囊的壳可以包括聚合材料(例如聚酯、多尿、聚氨酯、纤维素、聚乙烯，聚丙烯、聚苯乙烯)。有利地，聚合材料兼容塑料聚合物基质材料以及用于基质的合适溶剂***(即，壳不溶解在溶剂中)。

液体填充微囊的壳可以包括功能化外表面或者设置有涂层，这促进在复合材料层沉积在基板上之前微囊悬浮在复合材料层的溶液内。

表面功能化可以是供应阴离子或者阳离子表面电荷，例如向所有微囊提供共用表面电荷将引起相互排斥，从而降低凝聚，以及提供更均匀分布的悬浮。表面功能化可以供应亲水性或者疏水表面。涂层可以通过非电解浸镀方法提供，在该方法中，胶囊的外表面被金属化。

塑料聚合物基质材料可以选自由聚酰亚胺/酰胺树脂、丙烯酸脂树脂、环氧基树脂、聚氨酯、含氟聚合物、聚醚醚酮以及酚醛树脂组成的组中。

期望地，溶剂混合物具有合适的黏度，施加溶剂混合物至基板的涂覆技术导致形成塑料聚合物复合材料层的最终厚度，而无需机加工来形成期望的最终壁厚度。但是，如果需要的话，塑料聚合物材料可以进行机加工。

复合材料层可以包括至少60％vol的塑料聚合物材料。

塑料聚合物树脂材料和液体填充微囊的混合物可以进一步包括可以利于形成混合物的溶剂。合适的溶剂可以是非极性的(例如二甲苯、甲苯)、极性非质子的(例如丙酮，N-乙基-2-吡咯烷酮{NEP}、N-甲基-2-吡咯烷酮{NMP})或者极性质子的(例如水、乙醇、乙二醇)。为了实现用于涂覆至基板的混合物的特定期望黏度，溶剂能够采用各种比例。

塑料聚合物混合物还可以包含添加的硅烷材料。已经发现硅烷材料能够促进聚酰亚胺/酰胺基质的稳定性，并且已经发现其还能够促进将聚酰亚胺/酰胺树脂材料粘接至基板。合适的硅烷材料可以是γ-氨基丙基三乙氧基硅烷(例如，3-氨基丙基三乙氧基硅烷)，3至6％vol范围可以添加至混合物。合适的可替换硅烷材料可以包括二(γ-三甲氧基甲硅烷基丙基)胺。

复合材料层可以进一步包括0.5至15％vol的干式润滑剂微粒，优选2至8％vol的范围。

由于其对材料摩擦属性的有益效果以及其自润滑效果，干式润滑剂微粒可以包括在复合材料层中。干式润滑剂微粒可以含氟聚合物、Mo₂S或者石墨烯。含氟聚合物微粒添加可以优选由聚四氟乙烯(PTFE)构成，因为在降低复合材料层的摩擦系数以及改善自润滑属性方面这是最有效的含氟聚合物。但是，如果期望的话，可以使用其他合适的含氟聚合物，诸如全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)。

低于0.5％vol的干式润滑剂微粒对改善耐磨性和摩擦学属性不显著。高于15％vol的干式润滑剂微粒可以折衷复合材料层的结构完整性。太高含量的干式润滑剂微粒因不可接受程度会降低基质硬度和强度。

干式润滑剂微粒的粒子尺寸期望地在1至5μm的范围，优选2至3μm的尺寸范围。

复合材料层可以进一步包括从0.5至小于15％vol的金属粉末。有利地，金属粉末(特定地呈金属薄片的形式)增强复合材料层的传热性。金属粉末可以进一步增强复合材料层的耐磨性。低于0.5％vol的金属粉末对改善耐磨性和摩擦学属性不显著。高于15％vol的金属粉末可以折衷复合材料层的结构完整性。在本发明的塑料聚合物复合材料层的优选实施例中，金属粉末含量可以是2至25％vol的范围，更优选地是5至15％vol的范围。

金属粉末可以选自铝、铝合金、铜、铜合金、银、钨、不锈钢。我们已经发现，纯铝粉末的效果最佳。

铝粉末具有大约1至5μm尺寸呈薄片板形式的粒子，优选2至3μm的尺寸，提供了金属粉末添加的合适形式。粉末的薄片性质通过薄片的平面大致平行于轴承表面定位而导致金属粉末的最大面积暴露于协同操作的轴体轴颈。可以通过复合材料层的喷射沉积来实现将薄片设置在大致平行于轴承表面的复合材料层内。

铝粉末的板薄片形态的另一优势是，由于每个各粒子的相对较大的表面积，粒子更可靠地粘合至基质，因而在发动机操作期间防止铝粒子从基质中被拔出。

不希望被任何特定理论限制，应认识的是，形成在铝薄片的表面上的氧化铝膜可以提供增强的耐磨性。应认识的是，滑动发动机部件的复合材料层中的氧化铝提供了非常良好的研磨剂，该研磨剂趋向于打磨协作构件的表面(例如轴体轴颈表面)上的机械粗糙部，从而使轴体轴颈表面较少摩擦聚合物复合材料层，因而降低其磨损率。

复合材料层可以包括聚酰亚胺/酰胺塑料聚合物材料的基质，并且在整个基质中分布有：从0.5至小于15％vol的金属粉末；0.5至15％vol的含氟聚合物微粒，除了附带杂质之外剩余为聚酰亚胺/酰胺树脂。

复合材料层可以包括12.5％vol的Al粉末、5.7％vol的PTFE微粒、4.8％vol的硅烷粉末、<0.1％vol的其他元素，剩余为聚酰亚胺/酰胺。

复合材料层可以包括0.5至10％vol的无机微粒，优选3至5％vol的范围。有利地，无机微粒可以增加复合材料层的耐磨性。

无机微粒可以是硬无机微粒。硬无机微粒可以选自由TiCN、SiC、NbC、Si₃N₄、Al₂0₃(氧化铝)、Fe₂0₃、Ti0₂、BaS0₄、TiN、B₄C、WC以及BN组成的组中。硬无机微粒可以包括纳米黏土(即，分层矿物质硅酸盐的纳米粒子，例如蒙脱石矿物质沉积，其公知为具有板状结构，板状结构的平均尺寸为厚度1nm以及宽度70至150nm)。有利地，纳米黏土可以充当触变剂，当其沉积至基板下方时使用于复合材料层的溶液更有粘性，这可以利于沉积更厚层的溶液以形成更厚复合材料层。无机微粒可以是滑石粉(含水硅酸镁)。

氧化铝表现为具有的有益效果在于，其轻轻地打磨协作钢构件(例如钢轴体轴颈)的表面以使该表面较少摩擦滑动发动机部件(例如轴承壳)的表面，从而降低发动机部件的磨损。

硼氮化物可以是有益的，特别在粒子形态为板形式时。以板形式的六边形晶体结构的硼氮化物可以与润滑剂协同操作以提供增强的兼容性，从而导致更好地咬合以及抗咬合性，呼应于通过液体填充微囊所提供的抗咬合性。

滑石粉虽然是非常软的材料，但是与硼氮化物不同，例如，滑石粉看起来可加强聚合物基质，尤其是在邻近轴向轴承端部的轴承壳的边缘处可加强聚合物基质，否则当滑石粉不存在时在固化聚合物期间会发生一些收缩从而导致在使用中较大的边缘磨损。但是，还已经发现的是，硼氮化物还履行最小化轴承边缘的收缩以及磨损效果的功能。

复合材料层可以进一步包括0.1至5％vol的碳纳米结构(即，碳结构，具有至少次微米的一个尺寸，优选小于100nm的尺寸)，例如碳纳米管。有利地，并入碳纳米结构至聚合物基质可增加复合材料层的强度、硬度以及耐磨性，同时仍允许具有润滑轴承的油中携带的任何微粒的良好嵌入能力。

基板可以包括强背衬材料层，复合材料层可以设置在背衬材料层上。强背衬材料可以是钢、铜(例如铜合金)或者铝。

基板(特别在滑动轴承的情形下)可以包括强背衬材料层和金属衬套层，复合材料层可以设置在金属衬套层上。金属衬套层可以是铝或者铜轴承合金。

在仅使用强背衬层而没有***金属衬套层的情形下，复合材料层可以比沉积在金属衬套层上的情形下沉积为更厚的层。

衬套层可以包括无铅Cu基合金(Cu基合金具有不多于20％wt的添加剂元素，100％wt中剩余为Cu；例如8％wt的Sn、1％wt的Ni以及剩余为Cu)，具有的厚度在300μm的范围中(例如200至400μm)。

可替换地，衬套层可以包括无铅Al基合金(Al基合金具有不多于25％wt的添加剂元素，100％wt中剩余为Al，例如6.5％wt的Sn、1％wt的Cu、1％wt的Ni、2.5％wt的Si、<2％wt的Mn、<2％wt的V，剩余为AI)，并且具有的厚度在300μm范围中(例如200至400μm)。

衬套层可以通过公知方法设置在背衬上，例如：(i)在高熔炉中烧结粉末至背衬上(通常伴随机械滚动步骤)；(ii)在热机械作业处理期间进行轧制结合处理(典型地之后是热处理步骤)；或者(iii)进行铸造处理，其中熔化的金属蔓延至背衬上并且被淬火。烧结以及铸造处理典型地用于Cu基衬套层，轧制结合处理典型地用于Al基衬套层。典型地，用于各个轴承的坯件是由包括背衬层的线圈裁剪而成，背衬层上形成有Cu基或Al基衬套层。然后对坯件定形以形成半缸或者其他适当形状，然后典型地在沉积任何夹层和聚合物覆盖涂层之前被脱脂。但是，将理解的是，可以以其他适当的顺序进行制造步骤。

滑动发动机部件可以是滑动轴承组件部件。滑动轴承组件部件可以选自由轴承衬套壳(例如半柱形半轴承壳)、轴套(例如管状衬套)、曲柄轴的轴承表面、凸轮轴的轴承表面、连接杆的轴承表面、止推垫圈(例如大致半环形止推垫圈)、轴承块的轴承表面(例如构造为无需***式轴承壳或者管状衬套就可接收轴颈轴的梯架)以及轴承盖的轴承表面组成的组中。

滑动发动机部件轴承可以是活塞组件部件。活塞组件部件可以选自由活塞圈、活塞裙、气缸壁以及气缸衬套组成的组中。

复合材料层至衬套层的粘接可以通过在复合材料层沉积之前对衬套层喷砂处理来增强。可替换地，可以提供粘接加强夹层，例如基板可以包括非溅射涂覆的金属基底层(例如强背衬层或者金属衬套层)，复合材料层可以通过溅射涂覆的Al中间层被粘合至非溅射涂覆的金属基底层。溅射涂覆的Al中间层可以具有的厚度为小于20μm。

复合材料层可以具有的厚度为小于100μm，优选4至40μm，更优选地4至15μm，仍然更优选地6至12μm。较薄复合材料层可以在发动机的寿命终结之前磨穿，较厚复合材料层可以具有较低抗疲劳性。

在描述的成分中，聚合物、微囊以及复合材料层的任何其他元素的比例(即％vol和％wt)是在溶剂已经基本移除之后保留在最终材料中的这些比例。

涂覆的方法可以选自由喷射、印刷(例如丝网印刷或者转移印刷)以及轧制组成的组中。

塑料聚合物树脂材料和液体填充微囊的混合物可以进一步包括溶剂，方法可以包括处理滑动发动机部件以在混合物已经涂覆至基板之后移除溶剂的步骤。

在喷射的情形下，层厚度的控制还可以通过喷射多个单独层至基板而实施。

用于形成滑动发动机部件的扁平板材元件可以是扁平条或者扁平板材，在涂覆步骤之后，可以通过挤压和/或冲压操作由扁平条或者扁平板材形成这种滑动发动机部件。

附图说明

下文参考附图进一步描述本发明的实施例，其中：

·图1A示出了半柱形轴承壳的透视图；

·图1B示出了图1A的轴承壳的部分的示意截面图；

·图1C示出了包括两个不同复合材料子层的轴承壳的部分的示意截面图；

·图1D示出了包括另外两个不同复合材料子层的轴承壳的部分的示意截面图；

·图2A示出了活塞气缸内活塞的剖视图；以及

·图2B示出了图2A的活塞的透视图。

具体实施方式

在描述的实施例中，类似特征已经识别为类似标记。

图1A示意地图示了呈中空半柱形轴承衬套壳的形式(通常称为“半轴承”)的滑动轴承100(例如滑动发动机部件)。图1B示出了图1A的滑动轴承100的截面图。

半轴承100包括：基板，其包括强钢背衬102；铜轴承衬套层104，其位于背衬的凹形内表面上；以及塑料聚合物复合材料“覆盖”层106，其包括直接设置在衬套层(即基板)上的液体填充微囊108。

复合材料覆盖层106的粘接可以通过在沉积复合材料覆盖层之前应用表面制备技术至轴承衬套层104的表面而增强，诸如喷砂处理。可替换地，额外的铝溅射层(未示出)可以在复合材料覆盖层106之前直接设置在衬套层104上。

覆盖层106构造为在滑动轴承100的整个寿命周期(例如整个发动机寿命周期)中提供运行表面，不同于较低鲁棒性的磨合层，磨合层用于短期使用以在寿命开始时起到磨合作用。覆盖层106是半轴承的最内层，构造为面向轴承组件中的移动元件(例如，覆盖层接收组装轴承中的轴颈轴，利用居间油膜，它们一起协作)。

复合材料覆盖层106包括塑料聚合物复合材料材料的基质，在整个基质中分布有液体填充微囊。复合材料层包括2％vol的液体填充微囊、12.5％vol的Al粉末、5.7％vol的PTFE微粒、4.8％vol的硅烷粉末、<0.1％vol的其他元素，除了附带杂质之外剩余为聚酰亚胺/酰胺塑料聚合物。

聚酰亚胺/酰胺材料应用为具有溶剂的混合物。合适的溶剂可以包括N-甲基吡咯烷酮、二甲苯，为了实现适合于涂覆至基板上的混合物的特定期望黏度，能够采用各种比例。应该注意的是，在塑料聚合物复合材料覆盖层106的成本的上述说明中，成分指的是在覆盖层已经完全固化之后(例如溶剂已经基本移除)保持的成分。

混合物由溶剂中的聚酰亚胺/酰胺、微囊以及其他元素形成。在涂覆轴承基板之前，可以搅拌混合物以维持元素悬浮。复合材料覆盖层106是通过喷射涂覆处理建立的，在该涂覆处理中，以闪蒸相位干涉薄的喷射涂层的重复沉积以移除溶剂。在最后的涂覆沉积步骤之后，在150至250℃时滑动轴承被最终固化大约30分钟以凝固塑料聚合物基质。

可替换地，塑料聚合物复合材料层106的沉积能够通过丝网印刷(即，通过掩罩)、转移印刷处理(即，间接偏置印刷处理，例如，其中硅垫将塑料聚合物复合材料材料的图案层传递至滑动轴承基板上)或者通过轧制处理来进行。

在额外地提供了夹层的可替换情况下，通过溅射涂覆处理沉积的夹层具有的厚度为2至3μm，并且牢固地粘附至轴承衬套层104。夹层可以包括1.5％wt的Mn，除了附带杂质之外100％wt剩余为Al。(在可替换情况下：夹层可以包括6％wt的Sn、1％wt的Cu、1％wt的Ni以及2％wt的Si，除了附带杂质之外100％wt剩余为Al；或者除了附带杂质之外，夹层可以包括纯Al)。

微囊108包括填充有液体108B的壳108A。壳108B内的液体108B优选为液体润滑剂，可包括其他油添加剂。壳包括聚合材料(例如聚酯、多尿、聚氨酯、纤维素、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯)，具有涂层或者功能化表面，该表面在其沉积至基板之前促进微囊在复合材料层的溶液内的悬浮。微囊108嵌入整个复合材料层106，并且微囊暴露在复合材料层的表面110。复合材料层106具有厚度T1，并且所嵌入的液体填充微囊108具有直径T2，直径T2不多于复合材料层的厚度的一半。

图1B示意地图示了相对于滑动轴承在箭头A的方向上移动的单独协作部件112(即，摩擦配合件，例如曲柄轴的一部分)。图1B图示了部件112接触滑动轴承的表面110的情形。在接触期间，部件112磨蚀地磨损滑动轴承100的表面110，从而暴露了裂开的微囊108，导致另一液体润滑剂108B从壳108A中释放出。释放的液体108B提供了它们接触的部件112和表面110之间的局部紧急润滑，从而降低了在部件和滑动轴承100之间发生咬合(即局部微焊接)的风险。

图1C示意地图示了滑动轴承100'的截面图，滑动轴承100'与图1A和1B的滑动轴承100的不同之处在于，复合材料层包括两个不同的子层106A'和106B'。下子层106A'邻近基板(即邻近轴承衬套层104)，比上子层106B'具有更高浓度的微囊108。上子层106B和下子层106A'都包括第一类型(例如填充有液体润滑剂)的微囊108-1，下子层106A'额外地包括第二类型(例如填充有润滑剂以及自修复添加剂)的微囊108-2。如果上子层106B'变得被磨穿，那么下子层106A'将变得暴露，更高浓度的微囊可以提供增强水平的润滑以及抗咬合性。此外，如果裂缝贯穿至下子层106A'，那么可以释放自修复添加剂以密封破裂，以防止轴承间隙中的腐蚀性润滑油贯穿裂缝而到达基板的轴承衬套层104。

图1D示意地图示了滑动轴承100"的截面图，滑动轴承100"与图1A和1B的滑动轴承100的不同之处在于，复合材料层包括两个不同的子层106A"和106B"。子层106A"和106B"都包含微囊108和金属微粒112(例如铝薄片)。下子层106A"具有比上子层106B"更低浓度的微囊108。下子层106A"比上子层106B"具有更高浓度的金属微粒112。如果上子层106B"变得被磨穿，那么下子层106A"将变得暴露，更高浓度的金属微粒可以提供增强水平的耐磨性。

虽然图示的滑动轴承是半柱形轴承壳，但是本发明还可以应用于其他滑动轴承，包括止推垫圈、管状衬套、连接杆的轴承表面、构造为用于轴承中的轴颈的轴、轴承块以及轴承盖。

虽然图示了预成型的轴承壳的情形，但是将理解的是，本发明还可应用于形成滑动轴承的坯件，例如扁平条或者板材材料，在涂覆步骤之后然后可以由扁平条或者板材材料形成这种滑动轴承。

本发明还涉及活塞组件部件，例如活塞圈、活塞裙或者气缸体的气缸壁。图2A图示了包括滑动发动机部件的活塞组件220，图2B图示了对应的活塞222。

活塞组件220适于在内燃机226的气缸224内往复移动活塞222。活塞222包括：主体228，其具有形成在主体228的最上边缘处的顶点230和从顶点230下垂的裙232。活塞222进一步包括环槽234，环槽234绕着主体228的圆周延伸并且适于保持活塞圈236。销孔238延伸通过主体228的下边缘并且适于接收活塞销240。

活塞裙232包括外圆周，其具有大致彼此相对设置形成在裙的外周上的主推力侧242和次推力侧244。活塞222尤其裙232适于相对于气缸246的壁进行相对滑动运动。

连接杆248适于互连活塞222和曲柄轴(未示出，但在本领域中通常是公知的)。连接杆248使用螺栓250紧固至曲柄轴。连接杆248在相反端部还包括镗孔252(其可以对准平面衬套滑动轴承)。活塞销240通过对准销孔238可操作地接收在活塞222和镗孔252中，延伸通过连接杆248。

在使用中，燃料在气缸224内燃烧，引起活塞222的往复运动。活塞222驱动连接杆248，连接杆248驱动曲柄轴，引起曲柄轴相对于由发动机226支撑的轴承旋转。以该方式，功率可以经由曲柄轴从活塞传递以驱动车辆或者其他设备。具体地，气缸224内的燃烧压力向下驱动活塞222大致进行线性运动。但是，除了活塞222的大致线性运动，由于活塞裙232的外表面和气缸224的内部壁246之间的间隙(即容差)，还存在一些横向移动。

由于气缸224内活塞222横向移动，在动力冲程以及返回移动期间，活塞裙232按压气缸壁246。活塞222的在主和次推力移动期间可以接触气缸壁246的表面区域是主推力侧242和次推力侧244。尽管润滑油一般防止活塞裙232和气缸壁246之间的金属对金属接触，但是诸如负荷、温度以及不足够润滑等因素会降低或者消除润滑剂层，并且引起对活塞裙232和/或气缸壁246的表面的划痕。该区域中的划痕会最终引起发动机226咬合或者故障。

因此，重要的是保持活塞裙232的主推力侧242和次推力侧244的润滑。为此，本发明的活塞222包括设置在活塞裙232上的涂层206以便并置在裙232和气缸224之间以改善活塞222和气缸224之间的润滑。虽然图2A和2B图示了活塞裙232上的涂层206未被图案化的布置，都是可以提供涂层的其他布置，其中涂层被图案化，例如在裙上利用凹槽将涂层分为涂层的各孤立区。

类似地，润滑涂层206'可以至少设置在活塞圈236的外周表面上(例如本发明的涂层206'可以设置在最靠近销孔238的两个活塞圈上；最靠近活塞的顶点的活塞圈可以具有无机陶瓷涂层)。虽然未图示，但是气缸壁(或者在带内衬/带套筒的活塞气缸的情形下气缸衬套)和连接杆248的轴承表面也可以设置根据本发明的涂层。根据本发明，这些润滑涂层206和206'是包括液体填充微囊208和208'的塑料聚合物复合材料层。

此处提供的图是示意而不是按比例的。

在整个说明书以及该说明的权利要求中，词语"包括"以及"包含"以及它们的变型意味着"包括但不限于"，它们不旨在(并且不会)排除其他部分、添加元件、部件、整数或者步骤。在整个说明书以及该说明的权利要求中，单数包含多个，除非内容以其他方式要求。尤其，使用不定冠词时，说明书还应理解为包含复数和单数，除非内容另有规定。

结合本发明特定方案、实施例或者例子描述的特征、整数、特性、化合物，化学部分或者组合应理解为能够应用于此处描述的任何其他方案、实施例或者例子，除非不兼容。该说明书(包括任何附随权利要求，摘要以及附图)中公开的所有特征和/或公开的任何方法或者处理的所有这些步骤可以以任何组合结合，除了至少一些这种特征和/或步骤相互排斥的组合之外。本发明不限制至任何前述实施例的细节。本发明延伸至该说明书(包括任何附随权利要求，摘要以及附图)中公开的任何新颖的一个特征或者特征的任何新颖组合，或者公开的任何方法或者处理的任何新颖步骤或布置的任何新颖组合。

读者的注意集中于结合本申请的说明书同时申请或之前申请且公开于公众的所有文件以及文献，所有这种文件以及文献的内容通过参考并入此处。

Claims

1.一种滑动发动机部件，其具有通过塑料聚合物复合材料层设置在基板上的滑动表面，所述复合材料层包括：

塑料聚合物材料的基质，在整个所述基质上分布有：

0.1至20％vol的液体填充微囊；以及

附带杂质，

其中，所述液体填充微囊的壳包括功能化外表面或者设置有涂层，这促进在所述复合材料层沉积至所述基板之前所述微囊悬浮在所述复合材料层的溶液内。

2.根据权利要求1所述的滑动发动机部件，包括0.5至5％vol的所述液体填充微囊。

3.根据权利要求1或者2所述的滑动发动机部件，其中，所述微囊具有的平均直径不多于所述复合材料层的厚度的一半。

4.根据权利要求1或者2所述的滑动发动机部件，其中，所述液体填充微囊具有的平均直径为0.5至10μm。

5.根据权利要求1或者2所述的滑动发动机部件，其中，所述复合材料层具有的厚度为6至40μm。

6.根据权利要求1所述的滑动发动机部件，其中，所述复合材料层包括多个不同的子层。

7.根据权利要求6所述的滑动发动机部件，其中，所述子层包括不同体积百分比浓度的所述微囊。

8.根据权利要求6或者7所述的滑动发动机部件，其中，所述子层包括不同体积百分比浓度的金属微粒。

9.根据权利要求6或者7所述的滑动发动机部件，其中，所述子层包括不同的所述液体填充微囊。

10.根据权利要求1或者2所述的滑动发动机部件，其中，所述液体包括液体润滑剂。

11.根据权利要求10所述的滑动发动机部件，其中，所述液体包括液体添加剂。

12.根据权利要求11所述的滑动发动机部件，其中，所述液体添加剂包括腐蚀抑制剂。

13.根据权利要求11或者12所述的滑动发动机部件，其中，所述液体添加剂包括自修复添加剂。

14.根据权利要求1或者2所述的滑动发动机部件，其中，所述液体填充微囊的壳包括聚合材料。

15.根据权利要求1或者2所述的滑动发动机部件，其中，所述塑料聚合物基质材料选自由聚酰亚胺/酰胺树脂、丙烯酸脂树脂、环氧基树脂、含氟聚合物、聚醚醚酮以及酚醛树脂构成的组中。

16.根据权利要求1或者2所述的滑动发动机部件，其中，所述复合材料层还包括0.5至15％vol的干式润滑剂微粒。

17.根据权利要求1或者2所述的滑动发动机部件，其中，所述复合材料层还包括从0.5至小于15％vol的金属粉末。

18.根据权利要求1或者2所述的滑动发动机部件，包括0.1至5％vol的碳纳米结构。

19.根据权利要求1或者2所述的滑动发动机部件，其中，所述复合材料层包括聚酰亚胺/酰胺塑料聚合物材料的基质，在整个所述基质中分布有：从0.5至小于15％vol的金属粉末；0.5至15％vol的含氟聚合物微粒，除了附带杂质之外剩余为聚酰亚胺/酰胺树脂。

20.根据权利要求1或者2所述的滑动发动机部件，包括0.5至10％vol的无机微粒。

21.根据权利要求1或者2所述的滑动发动机部件，其中，所述基板包括强背衬材料层，所述复合材料层设置在所述背衬材料层上。

22.根据权利要求1或者2所述的滑动发动机部件，其中，所述基板包括强背衬层和金属衬套层，所述复合材料层设置在所述金属衬套层上。

23.根据权利要求1或者2所述的滑动发动机部件，其中，所述基板包括非溅射涂覆的金属基底层，所述复合材料层通过溅射涂覆的Al中间层粘合至所述非溅射涂覆的金属基底层。

24.根据权利要求1或者2所述的滑动发动机部件，其中，所述滑动发动机部件是从由轴承衬套壳、轴套、曲柄轴的轴承表面、凸轮轴的轴承表面、连接杆的轴承表面、止推垫圈、轴承块的轴承表面以及轴承盖的轴承表面构组成的组中选择的滑动轴承组件部件。

25.根据权利要求1或者2所述的滑动发动机部件，其中，所述滑动发动机部件是从由活塞圈、活塞裙和气缸壁组成的组中选择的活塞组件部件。

26.一种用于形成根据前述权利要求中任一项所述的滑动发动机部件的扁平板材元件。

27.一种制造在基板上具有塑料聚合物复合材料层的滑动发动机部件的方法，所述复合材料层包括：

塑料聚合物材料的基质，在整个所述基质上分布有：0.1至20％vol的液体填充微囊；以及

附带杂质，

所述方法包括这些步骤：

制作包括塑料聚合物树脂材料以及液体填充微囊的混合物；

涂覆所述混合物至基板上；以及，

处理以便凝固所述塑料聚合物材料基质以形成复合材料层，

28.根据权利要求27所述的方法，

所述塑料聚合物树脂材料以及所述液体填充微囊的所述混合物进一步包括溶剂，以及

在所述混合物已经涂覆至所述基板之后处理所述滑动发动机部件以移除所述溶剂的步骤。