球形环密封件及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于汽车排气管的球形管接头内的球形环密封件，以及制造球形环密 封件的方法。
【背景技术】
[0002] 关于汽车发动机的废气，图19中示出汽车发动机的排气通道的一个实例，发动机 的相应气缸（未示出）内产生的废气被收集在废气歧管催化净化器600内并通过排气管 601和排气管602送到辅助消音器603。穿过该辅助消音器603的废气再通过排气管604 和排气管605被送往消音器606,并通过该消音器606排放至大气。
[0003] 诸如这些排气管601和602以及604和605、辅助消音器603、消音器606之类的 排气系统构件会由于发动机的颠簸特性和振动而反复地经受应力。尤其是在高速转动且高 输出发动机的情形中，施加到排气系统构件上的应力变得相当大。因而，排气系统构件可能 产生疲劳损坏，且发动机振动会使排气系统构件共振，由此在某些情况下增大车厢内的噪 音。为了克服这些问题，废气歧管催化净化器600与排气管601之间的连接部分607和排 气管604与排气管605之间的连接部分608通过诸如排气管球形接头或波纹管型接头之类 的振动吸收机构可动地连接，由此提供的优点在于，吸收了由于诸如汽车发动机的颠簸特 性和振动使排气系统构件反复经受的应力，由此防止这些废气系统构件的疲劳损坏等的可 能性，并克服了发动机振动使废气系统构件共振并增大汽车车厢内部噪声的问题。 现有技术文献 专利文献
[0004] 专利文献 I :JP-A-54-76759 专利文献 2 :JP-B-4-48973
【发明内容】
本发明所要解决的问题
[0005] 作为上述振动吸收机构的一个实例，能够引用专利文献1中描述的排气管接头和 用在该接头内的密封件。与波纹管型接头相比，专利文献1中描述的排气管接头中使用的 密封件的优点在于，其能够实现制造成本的降低且耐用性优异。但是，该密封件是这样形成 的：由膨胀石墨制成的耐热材料和由金属丝网制成的加固件被压缩成使耐热材料填充加固 件的金属丝网的网眼，且耐热材料和加固件由此以混合形式形成一体。因此，除了因为诸如 加固件与耐热材料的比例以及耐热材料和加固件的压缩程度造成的该密封件具有废气通 过球形环密封件本身泄漏的问题之外，由于局部凸出球形表面的与匹配件可滑动地接触的 表面上存在有耐热材料而产生异常摩擦噪音的问题。例如，如果加固件与耐热材料的比例 大，或者，耐热材料的压缩程度很低，则存在着这样的可能：耐热材料相对于加固件周围产 生的无限小通道（间隙）的密封程度降低而会发生初始泄漏；由于高温下耐热材料的氧化 磨损，废气在早期阶段就会泄漏。此外，如果耐热材料相对于加固件在局部凸出球形表面的 暴露率非常大，则会发生黏滑现象，可能造成黏滑现象造成的异常摩擦噪声的产生。
[0006] 作为克服这种密封件的缺点的密封件，专利文献2中所公开的密封件这样形成： 将由金属丝网制成的加固件重叠在其中填充有且其上涂有聚四氟乙烯树脂的膨胀石墨制 成的板状耐热材料上，从而形成带形组成物，通过卷绕该带形组成物使得其中填充有且其 上涂有聚四氟乙烯树脂的表面放置在外侧，从而形成中空圆筒层叠件，并使该中空圆筒层 叠件沿层叠件的轴向经受压缩模制，使得其中填充有且其上涂有聚四氟乙烯树脂的表面暴 露在构成滑动表面的外周表面上（密封表面）。对于该密封件，涂敷和形成在表面上的聚四 氟乙烯树脂呈现诸如降低摩擦系数和防止形成基底件的耐热材料转移到匹配件的表面上 的操作效果。此外，由于聚四氟乙烯树脂的摩擦阻力不会出现相对于滑动速度的负阻力，得 到附加效果：可抑制基于黏滑现象（粘附-滑移）的自激振动的产生，联合上述操作效果， 由此有助于防止异常噪声的产生。
[0007] 上述专利文献2中描述的密封件克服了专利文献1中所描述的密封件的问题。但 是，抑制基于黏滑现象的自激振动的产生和由此有助于防止异常噪声产生的效果，即专利 文献2中所公开的密封件的操作效果限于用在作用在密封件上的环境温度小于聚四氟乙 烯树脂的熔化点（327°C)的情况，在用于环境温度（高温区域）超过熔化点情况下，这样会 不可避免地造成由于聚四氟乙烯树脂产生的黏滑现象造成的自激振动的产生，以及由于到 排气管的随后振动传播造成的异常噪声的产生。
[0008] 鉴于上述方面设计了本发明，且其目的是提供一种球形环密封件，其使得即使在 超过聚四氟乙烯树脂熔化点的环境温度下使用的情况下，在与匹配件滑动时也能够减轻自 激振动并消除异常噪声的产生，并呈现稳定的密封特性，还提供了一种制造球形环密封件 的方法。 解决问题的方法
[0009] 根据本发明的球形环密封件是用于排气管接头中的一种球形环密封件，该球形环 密封件包括：球形环基底件，该球形环基底件由圆柱形内表面、局部凸出球形表面和局部凸 出球形表面的大直径侧和小直径侧的环形端面限定；以及外层，该外层在该球形环基底件 的局部凸出球形表面上一体地形成，其中，球形环基底件包括由金属丝网制成的加固件以 及含有膨胀石墨的耐热材料，该耐热材料被压缩成填充加固件的金属丝网的网眼并与加固 件以混合形式形成一体，其中，在外层中，含有膨胀石墨的耐热材料，由含聚四氟乙烯树脂、 四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、和六方氮化硼的润滑组合物构成的固体润滑剂，以及由金属 丝网制成的加固件被压缩成使得耐热材料和固体润滑剂填充到加固件的网眼内，并使得加 固件、耐热材料、以及固体润滑剂以混合形式形成一体，以及其中，在聚四氟乙烯树脂、四氟 乙烯-六氟丙烯共聚物、和六方氮化硼的三元成分图中，润滑组合物中的聚四氟乙烯树脂、 四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、和六方氮化硼的成分比落入对应于由四边形界定的内部区 域的数值范围内，四边形具有以下各成分点作为顶点：1〇质量％的聚四氟乙烯树脂、10质 量％的四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、以及80质量％的六方氮化硼的成分点；10质量％的 聚四氟乙烯树脂、45质量％的四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、以及45质量％的六方氮化硼的 成分点；45质量％的聚四氟乙稀树脂、45质量％的四氟乙稀-六氟丙稀共聚物、以及10质 量％的六方氮化硼的成分点；40质量％的聚四氟乙稀树脂、10质量％的四氟乙稀-六氟丙 烯共聚物、以及50质量％的六方氮化硼的成分点。
[0010] 根据本发明的球形环密封件，由于润滑组合物的成分比落入对应于由三元成分图 中具有四个成分点作为顶点的四边形界定的内部区域的数值范围内，不可能造成对匹配件 表面的损坏，且尤其因为由含分别具有不同熔点的聚四氟乙烯树脂（此后称为PTFE)、四氟 乙烯-六氟丙烯共聚物（此后称为FEP)、和六方氮化硼（此后称为h-BN)的润滑组合物构 成的固体润滑剂，能够减轻自激振动并防止产生异常噪声，且能够在高温区域获得优异滑 动性能。
[0011] 即，根据本发明，当在某个温度区域使用球形环密封件时，尽管FEP熔化且软化， 且由于其粘性而显现弹性，但PTFE不熔化且处于固态，此时FEP的弹性被处于固态的PTFE 抑制，从而限制与匹配件滑动时的黏滑。同时，当在PTFE会熔化、软化且由于其粘性呈现弹 性的温度以上使用球形环密封件时，FEP进一步熔化且其粘性显著下降，由于PTFE的粘性 导致润滑性增加并抑制弹性，从而类似地限制与匹配件滑动时的黏滑。这样，在从PTFE和 EFP不熔化的低温区域到PTFE和FEP熔化的高温区域的范围内使用球形环密封件时，能够 由于PTFE和FEP的协同效应而减轻自激振动并防止异常噪声的产生。此外，由于PTFE、FEP 和h-BN的相应高润滑性，尤其是h-BN在高温下的高润滑性，使得即使在高温下也能够以低 摩擦阻力与匹配件平滑地滑动，且通过膨胀石墨与金属丝网之间的协作而呈现稳定的密封 特性。
[0012] 在PTFE、FEP、和h-BN的三元成分图中，润滑组合物中的PTFE、FEP、和h-BN的成 分比较佳地落入对应于由六边形界定的内部区域的数值范围内，所述六边形具有以下各成 分点作为顶点：25质量％的PTFE、15质量％的FEP、以及60质量％的h-BN的成分点；12质 量％的PTFE、28质量％的FEP、以及60质量％的h-BN的成分点；10质量％的PTFE、40质 量％的FEP、50质量％的h-BN的成分点；20质量％的PTFE、40质量％的FEP、以及40质量％ 的h-BN的成分点；38质量^^^PTFE、22质量^^^FEP、以及40质量的成分点；以 及35质量％的PTFE、15质量％的FEP、以及50质量％的h-BN的成分点。更佳地，PTFE为 25质量％，FEP为25质量％，而h-BN为50质量％。
[0013] 此外，在本发明中，润滑组合物可包含不超过20质量％比例的水合氧化铝。这种 水合氧化铝本身不呈现润滑性，而是通过改进固体润滑剂在球形环基底件的局部凸出球形 表面上的粘着性而呈现形成牢固外层的效果，并具有通过促进h-BN的片状晶体层之间的 滑动而呈现得到h-BN润滑性作用的效果。
[0014] 水合氧化铝是一种复合物，其化学组成式可表示为Al2O3 · ηΗ20 (在该成分公式中， 0<n< 3)。在此化合物式中，η通常是大于0(零）而小于3的数，较佳地为0.5至2,最 佳地为0. 7至1. 5或左右。就水合氧化铝来说，可以例举出例如勃姆石（Al2O3 ·ηΗ20)和水 铝石（Al2O3 · H2O)的一水合氧化铝（氢氧化铝氧化物），例如，三水铝石（Al2O3 ·3Η20)和三 羟铝石（Al2O3 ·3Η20)的三水合氧化铝，假勃姆石等。其中至少一种可以是适用的。
[0015] 在根据本发明的球形环密封件中，在球形环基底件和外层内，由金属丝网制成的 加固件被包含的比例为40至65重量％，固体润滑剂和含有膨胀石墨的耐热材料被包含的 比例为35至65重量％，而球形环基底件和外层中的耐热材料和固体润滑剂具有的密度为 1. 20至2. 00Mg/m3。此外，在外层中，由金属丝网制成的加固件被包含的比例为60至75重 量％，且固体润滑剂和含有膨胀石墨的耐热材料被包含的比例为25至40重量％。
[0016] 在根据本发明的球形环密封件中，耐热材料除了膨胀石墨之外还可包含0. 1至 16. O质量％的磷酸盐或0. 05至5质量％的五氧化二磷，或0. 1至16. O质量％的磷酸盐和 0. 05至5质量％的五氧化二磷作为氧化抑制剂。
[0017] 含有作为氧化抑制剂的磷酸盐和五氧化二磷中至少一个和膨胀石墨的耐热材料， 能够提高球形环密封件本身的耐热性和氧化磨损特性，并允许在高温区域中使用球形环密 封件。
[0018] 在根据本发明的球形环密封件中，外层可具有由暴露表面形成的外表面，在暴露 表面中由加固件构成的区域和由固体润滑剂构成的区域以混合形式存在。在该情况下，外 表面中由固体润滑剂构成的区域可通过由加固件构成的区域保持，且能够适当地实现使固 体润滑剂从外层的外表面到匹配件的表面上的转移以及使转移到匹配件的表面上的过量 固体润滑剂的刮落，于是能够确保长时期的平滑滑动，并可进一步降低与匹配件滑动时异 常噪声的产生。在本发明中，外层可替代地具有形成光滑表面的外表面，光滑表面由覆盖加 固件的固体润滑剂构成。在该情况下，能够令人满意地确保与外层的外表面接触（滑动） 的匹配件平滑地滑动。
[0019] 在本发明中，由润滑组合物组成的固体润滑剂可不烧结，但是可在超过FEP的熔 点的温度下烧结。
[0020] 一种制造根据本发明的球形环密封件的方法，该球形环密封件用于排气管接头 中，并包括球形环基底件和外层，球形环基底件由圆柱形内表面、局部凸出的球形表面、和 局部凸出的球形表面的大直径侧和小直径侧的环形端面限定；外层在球形环基底件的局部 凸出的球形表面上一体地形成，该方法包括如下步骤：（a)制备用作耐热材料的膨胀石墨 板；(b)制备金属丝网，该金属丝网用作加固件并通过编织或编结细金属丝得到，且在将金 属丝网重叠在膨胀石墨板上形成重叠组件之后，将重叠组件卷绕成中空圆筒形，以由此形 成管状基底件；（c)制备润滑组合物的水性分散体，所述润滑组合物由PTFE粉末、FEP粉末、 h-BN粉末、表面活性剂和水组成；（d)制备用作耐热材料的另一膨胀石墨板，将水性分散体 施加到另一膨胀石墨板的一表面上，并使水性分散体干燥，以由此在另一膨胀石墨板的表 面上形成固体润滑剂的涂层，该固体润滑剂由PTFE、FEP、h-BN组成；（e)将具有涂层的另 一膨胀石墨板重叠在用作加固件并通过编织或编结细金属丝制成的另一金属丝网上，并通 过一对辊轮对另一膨胀石墨板和另一金属丝网的重叠组件加压，以由此形成扁平外层形成 件，在扁平外层形成件中另一膨胀石墨板和涂层填充到另一金属丝网的网眼内；（f)将外 层形成件围绕管状基底件的外周表面卷绕，使其涂层面向外，以由此形成圆筒形预制件；以 及（g)将圆筒形预制件配装在模具内芯的外周表面上，将内芯放入所述模具内，并沿内芯 的轴向方向将圆筒形预制件在模具内压缩模制，其中由于膨胀石墨板和金属丝网被压缩并 彼此缠结，球形环基底件被形成为提供结构一体性，以及其中，在外层中，另一膨胀石墨板、 涂层、以及另一金属丝网被压缩成使得膨胀石墨板和涂层填充在另一金属丝网的网眼内， 并使得另一金属丝网、另一膨胀石墨板、以及涂层以混合形式形成一体。
[0021] 根据本发明的制造球形环密封件的方法，能够制造这样的球形环密封件，即使用 在高于FEP的熔点的环境温度下或高于PTFE的熔点的环境温度下，也能够减轻自激振动并 消除与匹配件滑动时的异常噪声的产生，并呈现稳定的密封特性。
[0022] 在根据本发明制造球形环密封件的方法中，涂在另一膨胀石墨板的一表面上的润 滑组合物的水性分散体由通过乳液聚合法得到的平均颗粒大小为〇. 01至I ym的PTFE粉 末、平均颗粒大小为0.0 l至1 μ m的FEP粉末、平均颗粒大小为0. 1至20 μ m的h-BN粉末、 表面活性剂和水组成。在该水性分散体中还可包含水合氧化铝粉末，且在该水性分散体中 可包含含水有机溶剂。
[0023] 在水性分散体中，与表面活性剂和水一起含有含PTFE、FEP、和h-BN的润滑组合 物的粉末，粉末中成分比在三元成分图中落入对应于由四边形界定的内部区域的数值范围 内，所述四边形具有以下各成分点作为顶点：1〇质量％的PTFEUO质量％的FEP、以及80 质量％的h-BN的成分点；10质量％的PTFE、45质量％的FEP、以及45质量％的h-BN的成 分点；45质量^^^PTFE、45质量^^^FEP、以及10质量的成分点；40质量％的 PTFE、10质量％的FEP、以及50质量％的h-BN的成分点。较佳地，与表面活性剂和水一起含 有含PTFE、FEP、和h-BN的润滑组合物的粉末，粉末中成分比在三元成分图中落入对应于由 六边形界定的内部区域的数值范围内，所述六边形具有以下各成分点作为顶点：25质量％ 的PTFE、15质量％的FEP、以及60质量％的h-BN的成分点；12质量％的PTFE、28质量％的 FEP、以及60质量％的h-BN的成分点；10质量％的PTFE、40质量％的FEP、以及50质量％ 的h-BN的成分点；20质量％的PTFE、40质量％的FEP、以及40质量％的h-BN的成分点；38 质量％的PTFE、22质量％的FEP、以及40质量％的h-BN的成分点；以及35质量％的PTFE、 15质量％的FEP、以及50质量％的h-BN的成分点。更佳地，与表面活性剂和水一起含有用 于润滑组合物的粉末，该润滑组合物含有25质量％的PTFE粉末、25质量％的FEP粉末、以 及50质量％的h-BN粉末。
[0024] 上述水性分散体中润滑组合物的粉末还可包含比例不超过20质量％的水合氧化 铝粉末。水合氧化铝粉末的含量较佳地为1至10质量％，更佳地为2至3质量％。
[0025] 在根据本发明的制造球形环密封件的方法中，通过将水性分散体借助于辊涂、刷 涂、喷涂等施加到另一膨胀石墨板的一表面上而形成的由润滑组合物组成的涂层可在干燥 之后在高于FEP熔点的温度下在加热炉内被烧结，可通过使用烧结涂层作为涂层来执行所 述步骤（e)、（f)和（g)。在该情况下，由于膨胀石墨板和金属丝网被压缩并彼此缠结，球形 环基底件形成为提供结构一体性，以及其中，在外层中，另一膨胀石墨板、烧结涂层、以及另 一金属丝网被压缩成使得膨胀石墨板和烧结涂层填充在另一金属丝网的网眼内，并使得另 一金属丝网、另一膨胀石墨板、以及烧结涂层以混合形式形成一体。
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