在部件表面上的纹理涂层的制作方法

专利名称：在部件表面上的纹理涂层的制作方法
在部件表面上的纹理涂层技术领域
本发明整体上涉及用于在部件表面上形成纹理涂层的方法，更具体涉及用于在受到摩擦的部件的表面上形成纹理涂层的方法。
背景技术：
机器中具有被设计成在运转过程中相互摩擦的部件。一些例子是轴承、齿轮、凸轮、挺杆、活塞、环、燃料喷射器柱塞、轴承、凸轮/随动件、传动部件和如液压泵的液压系统部件。在这些部件中，两个表面互相接触，承载(或承受)负荷，以及相对于彼此运动(以下称为摩擦接触)。这些表面可能从宏观尺度上看是光滑的，而在微观尺度上，它们可能包含很多不平整处(称为粗糙表面)。当微观上粗糙的两个部件表面摩擦接触时，在粗糙表面处进行物理接触和负荷转移。接触点处的局部高压造成粗糙表面的塑性变形，并在接触点处形成微观粘性连接。当这些部件相对运动时，粘性连接受到剪切力并形成新的连接。粘性连接的这种重复剪切和重新建立造成材料去除。这个过程被称为磨损。其它机构的表面摩擦接触时，也可能发生磨损。因为磨损的机构不同，所以部件的尺寸和/或部件的强度可能发生变化。磨损限制摩擦接触的机器部件的耐久性。具有摩擦接触表面的部件被称为磨损部件，而摩擦接触的表面被称为磨损表面。
工程化表面处理应用在摩擦接触的表面以减少摩擦和磨损，进而改善耐久性。这些表面处理可大致分为改变部件表面纹理的处理和改变部件表面化学的处理。改变部件表面纹理的处理的实例包括利用振动抛光、激光微造型、石珩磨、喷丸、机械开槽/切槽等对表面进行化学和/或机械抛光。改变部件表面化学的处理的实例包括摩擦涂层。
摩擦涂层包括掺杂/无掺杂非晶碳(类金刚石碳，“DLC”)、非晶碳氢化合物、金属碳化物、金属氮化物、金属二硫化物、金属硼化物等。通过降低粗糙表面的高度和/或设置小型凹槽存储润滑油和/或残留物，这种表面纹理的改变减少磨损。通过减少粘性连接的形成和设置坚硬的表面防止材料去除，或换句话说，通过增强抗磨损性，摩擦涂层减少部件磨损。为了利用这两种工程化表面处理的抗磨损性，纹理表面可形成在摩擦涂层上。可先在表面上沉积摩擦涂层，然后在涂层上形成纹理。表面纹理技术，如机械加工、激光表面微造型等，常常用于在摩擦涂层上形成纹理表面。
在于2005年8月11日授权给Massler等人的美国专利公开文献 NO.US2005/0175837A1 (以下称为'837公开文献)揭示了纹理摩擦涂层和用于在摩擦接触表面上形成所述涂层的方法。在'837公开文献的方法中，不同摩擦涂层的均匀层使用物理气相沉积法或化学气相沉积法施加在部件表面。然后，使用准分子激光系统进行摩擦涂层的开槽(形成纹理)。虽然'837公开文献中的纹理摩擦涂层可改善部件的抗磨损性，但是'837公开文献中用于形成纹理摩擦涂层的方法具有明显的局限性。例如，使用激光形成纹理表面可能由于局部热量过多而损害部件。在大规模生产部件时，由于设备成本昂贵和生产时间延长/复杂程度提高，造成用激光单独形成凹槽(这些凹槽形成表面纹理)的费用昂贵。此外，'837公开文献中的方法没有揭露在初始涂层磨损时重新施加摩擦涂层的方法。因此，虽然'837专利揭示的方法能提高部件的抗磨损性，但是，当初始纹理摩擦涂层磨损后，可能仍需要更换部件。其它已知的方法基于使用要求温度超过500°C的化学气相沉积法(CVD)，因此，不适用于很多部件或基材。
本申请旨在克服现有技术中纹理摩擦涂层的一个或多个缺陷。发明内容
在一方面，本申请涉及一种用于在部件的表面上形成纹理涂层的方法，所述部件包括但不限于燃料喷射器柱塞、齿轮、活塞、环、轴承、凸轮/随动件、传动部件以及如液压泵的液压系统部件。所述方法包括在表面上施加掩模，和在表面上沉积摩擦涂层。所述方法还包括去除掩模。
在另一方面，本申请涉及一种用于在机器部件的表面形成纹理涂层的方法，所述机器部件包括但不限于燃料喷射器柱塞、齿轮、活塞、环、轴承、凸轮/随动件、传动部件以及如液压泵的液压系统部件。所述方法包括以第一图案在表面上施加第一掩模，和在表面上沉积第一摩擦涂层。为了获得第一摩擦涂层的图案，所述方法还包括去除第一掩模。然后，运转机器部件，使得第一摩擦涂层的图案被磨损。所述方法进一步包括在表面上沉积第二摩擦涂层的图案。
在又一方面，本申请涉及一种用于在机器零件的表面上形成涂层的方法，所述机器零件包括但不限于燃料喷射器柱塞、齿轮、活塞、环、轴承、凸轮/随动件、传动部件以及如液压泵的液压系统部件。所述方法包括在表面上附着树脂掩模，以覆盖表面的第一部分并显露表面的第二部分。所述方法还包括在第二部分上施加涂层，和在施加涂层后从表面去除树脂掩模。


图1示出了用于在部件表面上形成纹理涂层的方法的示例；
图2是用于说明图1中 形成纹理涂层方法的示例应用的流程图；以及
图3是用于说明图1中形成纹理涂层方法的另一示例应用的流程图。
具体实施方式
图1说明了用于在机器部件15的表面20上形成纹理涂层50的方法1000。在本说明书中，术语-纹理涂层，指的是在涂层表面上具有特意形成的图案的摩擦涂层。表面20 可以是部件15的任意表面，部件15诸如但不限于燃料喷射器柱塞、齿轮、活塞、环、轴承、凸轮/随动件、传动部件以及如液压泵的液压系统部件。部件15可以是机器的任意部件或更复杂的部件10，如图1中示出的燃料喷射器。部件15可包括新部件或旧部件。新部件可以是新生产的部件，而旧部件可以是先前使用过的部件。旧部件可以包括因先前的使用造成任何磨损度的部件。机器部件10可以是进行与产业相关的某种操作的机器的任意部位。这样的机器可以用于采矿业、建筑业、农业、运输业或本领域已知的任何其它产业。例如，部件 15可以是用在绿篱机中的马达的轴承或其它类轴承、用于内燃机中的燃料喷射器的柱塞、 传动部件、如液压泵的液压系统部件、活塞、环、或发动机内衬、凸轮或随动轮等。
在机器部件10的常规操作过程中，部件15的表面20可能与另一表面摩擦性接触。也就是说，表面20可能在另一表面上摩擦、滑动和/或滚动。例如，变速箱的齿轮的接触表面在其它齿轮的表面上摩擦、滑动或滚动。为了改进表面的摩擦性能，可在表面20上施加纹理涂层50。
为了施加纹理涂层50，部件15首先可以经过清洁过程100，去除表面20的杂质。 这些杂质包括污垢、油和/或其它残留。清洁过程100可涉及使用清洁液的超声清洁。部件可被浸入清洁液并使用超声波搅动。超声波可在清洁液中形成泡沫和使其破裂(超声空化)，从而使杂质松动并从部件15的表面20被清除(移除)。清洁液可以是水(去离子水或普通的水)，或是溶剂(有机或化学溶剂)。部件15可以在超声过程中被清洁，直到表面 20足够干净。在一些情况下，可以在清洁操作100过程中制定一个或多个检查步骤。这些检查步骤可以涉及视觉分析、物理分析或化学分析，以确定表面20上是否存有杂质。可以设想，在一些实施例中，其它用于清洁表面20的方法也可用在清洁过程100中。
从部件15的表面20上清除杂质后，部件15可以进行掩模施加过程200。在掩模施加过程200中，可在部件15的表面20上施加掩模25。施加掩模25，从而在表面20上形成任意图案。该图案可显露表面20的一些部分(显露区域)，而覆盖掩模下方的表面20的其它部分(阴影区域)。例如，在表面20上施加掩模25，可在表面20上形成线条图案。这些线条可以是直线、曲线、平行线、交叉线或任意类型的线条。表面20上的这些掩模图案可以具有任意宽度、厚度、和斜度的线条。表面20上的掩模25也可形成其它图案，如点或不规则的形状。还可以设想，表面20的不同区域可具有不同的图案。在一些情况下，摩擦模型(流体流模型或其它模型)可用于确定表面20上的掩模25的图案。
掩模25可以是任意材料，该材料可在部件15的表面20上形成图案，能在随后的涂层沉积过程300的条件下存留，并可在随后的掩模去除过程400中被清除。掩模25可包括合成或有机树脂，其可被施加在表面20上。在一些情况下，树脂可包括添加剂，如助粘剂、流动增强剂、粘度调节剂等。在施加到表面20后，掩模25在空气中可以固化或硬化，并粘附在表面20。还可以设想，部件15可暴露在特定的环境条件下，如高温环境，以加速或增强硬化过程。在一些情况下，掩模25可包括施加在部件15的表面20上的墨水或颜料。掩模25也可包括以一定图案粘附在表面20上的胶带。
掩模25可通过任意施加方法施加在表面20上。在一些情况下,掩模25的图案可在表面20上绘出、刷出或画出。也可通过模板或网板将掩模材料印到表面20上(与丝网印刷术类似)，从而在表面20上形成图案。模板可以是具有孔的部件，所述孔以一定的图案设置，该图案与表面20上的所需掩模图案对应。模板可设置在表面20顶上，一定量的掩模材料置于模板顶上。然后，可用橡胶滚轴使掩模材料横过模板顶部均匀地展开，从而在表面20上形成孔的图像。在部件15的表面20是弯曲的情况下，当橡胶滚轴移动掩模材料横过模板时，也可转动或旋转部件15。模板的厚度和/或橡胶滚轴横过模板时的速度可控制施加在表面20的掩模25的厚度。还可以设想，其它自动、半自动、或手动过程可用于将掩模25施加到部件15的表面20上。例如，如果掩模25是胶带，那么它可粘在部件的表面20 上。
掩模25以所需图案施加到表面20后，可在涂层沉积过程300中将涂层30沉积在部件15上。涂层30可通过本领域已知的任意技术沉积在表面20上。例如，可用气相沉积技术，如化学气相沉积法或物理气相沉积法，使涂层30沉积在表面20上。沉积的涂层30可以与施加掩模25后的表面20的形状相符。涂层沉积过程300可将涂层材料沉积在表面 20的显露区域和掩模25的显露表面上。
虽然可以出于任意目的施加涂层30，但在一些应用中，涂层30能提高表面20的摩擦性能。涂层30可由耐磨材料和/或固体润滑材料制成。涂层材料可包括掺杂/无掺杂非晶碳(DLC)、非晶碳氢化合物、金属碳化物、金属氮化物、金属二硫化物、金属硼化物或陶瓷材料。涂层30还可包括一种材料嵌入另一种材料中的颗粒。例如，涂层30可包括嵌入DLC基质中的碳化钨颗粒。碳化钨颗粒可以提供耐磨性，而非晶碳基质可以提供润滑性并影响吸收性。涂层30还可包括多层涂层。例如，涂层30可由铬层紧接着含有碳化钨的 DLC层制成。含有碳化钨的DLC层可改善表面20的摩擦性，而铬层可用作粘附层，用于改善将含有碳化钨的DLC层粘着到表面20的粘着性。可以设想，涂层30可包括本领域中使用的任意单层或多层涂层，用于改善表面的摩擦性。
在涂层30沉积在部件15的表面20上之后，可以在掩模去除过程400中去除掩模 25。掩模去除过程400可以涉及用溶剂洗涤/清洁部件15。在一些应用中，将部件15浸入溶剂中，并使用超声清洁器搅动。产生的超声空化可从表面20上移除掩模25。随着掩模 25被移除，在掩模25上沉积的涂层30部分也被去除。在掩模去除过程400中使用的溶剂可以是有利于从表面20上去除掩模25的任何溶液。在一些情况下，酒精和/或水可用作溶剂。在一些应用中，掩模去除过程还可包括清洁/漂洗过程(步骤500，图2)。清洁/漂洗过程(步骤500)可涉及在水(去离子水或普通的水)中漂洗部件，从而去除掩模、溶剂和其它材料的所有痕迹。在一些应用中，如果部件在掩模去除过程400后已经足够干净，可省略单独的清洁步骤。在掩模去除过程400后，部件15的表面20上可以具有一层纹理涂层50。表面20上的纹理涂层50的图案对应于表面20的显露区域(未被掩模覆盖的表面的区域)。即，纹理涂层50的图案可以是掩模25的图案的负像。
工业实用性
所揭示的用于在部件15的表面20上 形成纹理涂层50的方法1000可被用于与另一表面摩擦接触的任意表面20，所述部件15包括但不限于燃料喷射器柱塞、齿轮、活塞、 环、轴承、凸轮/随动件、传动部件以及如液压泵的液压系统部件。虽然表面20通常可以由金属制成，但也可由其它材料制成。本方法提供一种用于改善接触表面的摩擦性却不损害部件的低成本方式。本方法还提供一种方式，用于当涂层30磨损后在表面20上重新施加纹理涂层50，由此延长部件15的寿命。通过设置耐磨层和在耐磨层上设置润滑剂和/或残留物的凹槽，纹理涂层50改善表面20的摩擦性。
通过两个实施例，说明所揭示方法的应用。第一个实施例描述了用于在图1中的燃料喷射器(机器部件10)的柱塞(部件15)的弯曲表面(表面20)上形成纹理DLC涂层的方法。第二个实施例描述了，当初始涂层磨损，用于在柱塞的表面20上重新施加纹理DLC 涂层的方法。
图2说明用于在柱塞的表面20上形成纹理涂层50的方法1000中所涉及的步骤。 首先，在超声清洁器中用去离子水清洁柱塞(步骤100)。清洁后，可目视检查柱塞表面20 是否有杂质。在一些应用中，为了清除表面20上的大部分杂质，可清洁表面20约半个小时。
当表面20看起来没有杂质时，可以将掩模25施加到干净的表面20上(步骤200)。 在一些应用中，Sharpie 牌钢笔的墨水可用作掩模25。可以在表面20上勾勒出掩模图案。在一些应用中，使用的图案可以是在表面20上的一系列墨水点。而且，任意掩模材料和任意图案都能施加到表面20上。
在掩模图案施加到表面20上后,涂层30可被施加到具有掩模的干净的表面20上 (步骤300)。虽然任意沉积法都可用于涂覆表面20，但是，为了使过程温度保持在500° 以下，如300°以下或甚至约200°及以下，大多数应用中可以使用物理气相沉积(PVD)技术。柱塞可置于含有碳化钨靶和铬靶的闭合场非平衡磁控溅射系统的腔室中。腔室可以被排空至压力介于约10_6毫巴和约10_4之间，且氩气的前体可以约200-400SCCM的流速被泵送到腔室中。数百伏的负偏压可以施加在柱塞的表面20上约20分钟。负偏压可以使氩离子冲击柱塞的表面20，并清洁表面20上的玷污，如氧化物。约20分钟的清洁结束后，可以移除表面20上的负偏压，并且清空腔室中的氩气。可以将乙炔气以100-200SCCM的流速导入腔室中，并且负偏压施加到铬靶。施加到铬靶的负偏压可以使离子轰击所述靶，释放铬原子(溅射)，所述铬原子可沉积在表面20上。约5分钟后，可以将偏压从铬转移到碳化钨靶。然后，可以溅射碳化钨约3-4小时。乙炔气可与被溅射的碳化钨原子一起向涂层30提供碳。在表面20上形成的涂层30可包括约100纳米的铬层，接着是约I微米的碳化钨原子层(1-10原子百分比)嵌入非晶碳(DLC)基质。碳化钨原子可提供涂层30的硬度和耐磨性，而DLC基质可提供润滑性。其它沉积条件可用于控制所形成的涂层30的厚度和/或性能。还可以设想，其它涂层材料也可沉积在表面20上。
在涂层30沉积在表面20上后，可去除掩模25 (墨水)(步骤400)。为了去除墨水，可将柱塞浸入装有乙醇的烧杯中，并使用超声清洁器进行清洁。清洁过程中，可目视检查表面20。在一些应用中，在不到I小时的清洁之后，可去除掩模25和沉积在掩模25上的涂层30。然后，可以在去离子水中漂洗柱塞(步骤500)，并使其干燥。可以将得到的在表面上具有纹理涂层50的柱塞安装在燃料喷射器内(步骤600)。
在燃料喷射系统使用一段时间后，由于涂层30不可避免的磨损，纹理涂层的有效性减弱。涂层30的磨损可使涂层厚度变薄，从而在表面上形成凹槽的深度。在极端情况下， 涂层30还可能从表面20上基本被磨损。
图3描述了用于当涂层30的有效性减弱时在表面20上重新施加纹理涂层所涉及的步骤。可以检查涂层30的磨损度(步骤70)。可以在原位进行检查，或可以涉及将部件 15从机器部位移除进行检查。检查涂层30可涉及目视检查表面20以检测磨损痕迹，或者使用测量工具测量一些参数。例如，可以用表面光度仪检查涂层30的深度或表面纹理。
当检查表明表面30被磨损(步骤80)时，可以重新施加纹理涂层50。用于检测表面30磨损的检查法可以是直接目视检查法，或是基于传感器或其它工具。可基于经验或数学模型确定何时重新施加涂层30。在一些应用中，可定期地重新施加涂层30。如果检查表明需要重新施加涂层30时，可以从机器部件10移除部件15(步骤90)。在检查步骤(步骤 70)涉及从机器部件10移除部件15的应用中，省略该步骤。移除后，如上所述，可清洁部件10 (步骤100)，施加掩模(步骤200)，施加涂层(步骤300)，去除掩模(步骤400)，和漂洗(步骤500)。在表面上重新施加纹理涂层50后，可以将部件15重新安装在机器部件10 内(步骤650)。在重新施加过程中，可以在表面20上施加相同或不同的纹理涂层50。还可无数次反复重新施加纹理涂层50。
所揭示的用于在部件15的表面20上形成纹理涂层50的方法1000不将部件15显露在不利于部件15的条件下。因为用于形成纹理表面的所述方法不涉及材料去除过程， 如机械加工或激光微造型，所以部件表面不会显露于可能损害部件15的局部高温下。
所揭示的用于形成纹理涂层50的方法1000在涂覆过程300期间在表面上形成纹理。不需要附加的过程步骤(如机械加工)形成纹理图案。省略形成纹理的过程步骤能简化所述方法，并能在表面上形成复杂的纹理图案。为了能选择性地阻止涂层沉积在一些区域上(从而形成纹理图案)，使用相对简单且廉价的掩模，这样就无需使用昂贵的设备(如基于激光的或其它机械加工设备)形成图案。
所揭示的用于形成纹理涂层50的方法1000还能增强部件15的耐久性，因为当现有的涂层30减少时，其能提供一种方式重新施加纹理涂层50。不同于机械加工形成的纹理图案，重新施加纹理涂层50可以重复实施。因此，部件15的耐久性不因纹理涂层50的耐久性而被限制。
显而易见，本领域技术人员知道，可以对所揭示的方法做出不同的修饰和变化。鉴于上述对用于形成纹理涂层的方法的明确说明和具体应用，本领域技术人员容易想到其它具体实施例。所述说明和示例只用作举例说明，且权利要求和其等效说明限定真 正的范围。
权利要求
1.一种用于在机器部件(10，15)的磨损表面(20)上形成纹理涂层(50)的方法，所述方法包括 提供机器部件(10，15)，所述机器部件(10，15)选自包括燃料喷射器柱塞、齿轮、活塞、环、轴承、凸轮、随动件、传动部件(10，15)以及液压泵的组， 在所述机器部件(10，15)的磨损表面(20)上选择性地施加掩模(25)，用于形成所述磨损表面(20)的显露部分的图案； 在所述磨损表面(20)的显露部分的图案上沉积摩擦涂层(30);以及 去除所述掩模(25)，以在所述磨损表面(20)上保留所述摩擦涂层(30)的图案， 其中，所述图案提供抗磨损性，并且所述显露部分提供能够积聚润滑剂和/或残留物的区域。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述图案还包括阴影部分，所述阴影部分被所述掩模(25)覆盖，而所述显露部分不被所述掩模(25)覆盖。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述图案包括一系列相交线。
4.根据权利要求1至4中任意一项所述的方法，其中，沉积摩擦涂层(30)包括 在所述显露部分上沉积所述摩擦涂层(30)，以及 在所述掩模(25)上沉积所述摩擦涂层(30)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，去除所述掩模(25)包括连同沉积在所述掩模(25)上的所述摩擦涂层(30) —起去除所述掩模(25)。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的方法，其中，沉积所述摩擦涂层(30)包括在低于500°C的温度条件下使用物理气相沉积法沉积所述摩擦涂层(30)。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的方法，还包括 检查所述摩擦涂层(30)，用于发现表明所述摩擦涂层(30)磨损的状态，以及当所述状态表明有磨损时，在所述表面(20)上的所述图案内重新施加所述摩擦涂层(30)。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的方法，还包括 运转所述机器部件(10，15)，使得所述摩擦涂层(30)图案被磨损；以及 在所述机器部件(10，15)的所述磨损表面(20)上沉积第二摩擦涂层(30)图案， 其中，所述图案提供抗磨损性，且所述显露部分提供能够积聚润滑剂和/或残留物的区域。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，沉积所述第二摩擦涂层(30)图案包括 以第二图案在所述表面(20)上施加第二掩模(25)， 在所述柱塞的所述磨损表面(20)上沉积第二摩擦涂层(30)，以及 去除所述第二掩模(25)，以获得第二摩擦涂层(30)图案。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述摩擦涂层(30)或所述第二摩擦涂层(30)中的至少一个包括类金刚石碳。
全文摘要
本发明涉及一种用于在部件的磨损表面上形成纹理涂层的方法。所述方法包括在表面上施加掩模，以及在表面上沉积摩擦涂层。所述方法还包括去除掩模。
文档编号F16C33/30GK103038386SQ201180024602
公开日2013年4月10日 申请日期2011年5月10日 优先权日2010年5月17日
发明者S·刘, C·Q·达姆, 冯暴, D·华 申请人:卡特彼勒公司