滑动轴承衬层的热喷涂涂敷的制作方法
【专利摘要】一种滑动轴承表面可以具有涂敷在该轴承表面上以形成滑动轴承衬层的至少一个热喷涂层。一种形成滑动轴承衬层的方法包括使用热喷涂技术将热喷涂层涂敷在轴承表面上。
【专利说明】滑动轴承衬层的热喷涂涂敷
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2011年9月13日提交的美国临时专利申请N0.61/534，063和2012年9月10日提交的美国发明专利申请N0.13/608，560的优先权，这两件申请的全部内容通过引用方式并入本文。
【技术领域】
[0003]本发明一般地涉及用于轴承的热喷涂层。
【背景技术】
[0004]传统的内燃机依赖于连杆将来自活塞的燃烧动力传递到发动机的曲柄轴。连杆通常由第一端和第二端限定。通常在第一端和第二端中设置有孔。通常，设置在连杆的第一端中的孔比设置在连杆的第二端中的孔小。因此，连杆的第一端中的孔构造为经由活塞销连接在活塞上，并且连杆的弟二端中的孔构造为经由曲柄轴销连接在曲柄轴上。
[0005]连杆的第二端与曲柄轴销之间的连接将曲柄轴的相对运动转化到连杆上。通常，金属轴承定位在曲柄轴销周围并且/或者定位在设置于连杆的第二端中的孔接触表面内。轴承通常包括铸造或金属粉末烧结的轴承衬层。该衬层提供了连杆和曲柄轴之间的滑动轴承表面。然而，铸造或金属粉末烧结的轴承衬层的使用限制了可以用于形成衬层的材料的类型。铸造或金属粉末烧结的轴承衬层还适用于大批量生产。因此，需要一种可以由各种类型的合金形成的轴承衬层，并且需要可以允许更大的尺寸灵活性和更小的生产批量的涂敷工艺。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]图1示出示例性活塞连杆组件。
[0007]图2示出示例性连杆。
[0008]图3示出具有热喷涂层的示例性轴承。
[0009]图4示出将热喷涂层涂敷在轴承上的方法。
【具体实施方式】
[0010]现在参考下面的描述和附图详细地示出说明性方案。虽然附图示出了一些可行方案，但是附图不一定按比例示出并且某些结构可能被放大、去除或局部剖分以更好地解释和说明本发明。此外，在本文中进行的说明并非旨在进行穷举或者将权利要求限制或局限于在附图中示出且在以下详细描述中公开的具体形式和构造。事实上，可以将在本文中所描述的热喷涂滑动轴承衬层涂 敷在如下文更详细地描述的连杆轴承上，或者可以涂敷在任何其他类型的滑动轴承上以及包括但不限于凸轮轴、推力垫圈和其他旋转轴的轴衬上。
[0011]图1示意性地示出活塞连杆组件10。活塞连杆组件10包括具有活塞顶14和活塞裙16的活塞12。活塞顶14可以包括碗形燃烧室(未示出)和构造为密封发动机缸膛的环带部18。活塞裙16通常构造为在发动机工作过程中通过与发动机缸膛的表面接合(配合)来支撑活塞顶14，以便使活塞12在发动机缸膛内稳定地进行往复运动。活塞裙部16可以包括具有构造为接纳活塞销(未示出)的孔22的销毂20。
[0012]图2示出示例性连杆24。连杆24包括活塞销端或小端26和曲柄轴端或大端28。活塞销端26包括限定了活塞销孔表面32的活塞销孔30。曲柄轴端28包括限定了曲柄轴孔表面36的曲柄轴销孔34。连杆24还由在活塞销端26与曲柄轴端28之间延伸的杆身38限定。杆身38可以包括连杆特有的大致I形横截面或者可以是包括其他四边形横截面的任何适当的横截面。因此，连杆24的端部26、28共同限定了连杆24的纵轴线A-A。
[0013]再次参考图1，连杆24可以旋转地连接在活塞12上以形成所示的活塞连杆组件
10。在一个示例性方案中，连杆24可以经由活塞销(未示出)连接在活塞12上。例如，活塞销可以插过销毂20并且接纳在连杆24的活塞销端26中，从而基本上将连杆24固定在活塞12上。虽然在图1中示出了示例性活塞连杆组件10，但是附图所示的示例性部件并非旨在是限制性的。事实上，可以使用附加或可选的部件和/或实施方式。
[0014]在通常的内燃机中，连杆将来自活塞的燃烧动力传递到发动机的曲柄轴，从而将活塞的线性运动转化为曲柄轴的旋转运动。通过注入到燃烧室内的例如汽油等燃料的间歇性点火而产生燃烧动力，从而产生施加在活塞和连杆上的极高压力。因此，连杆24的活塞销孔30与活塞销之间的交界面(交接面)在工作过程中经受连续的径向载荷，并且连杆24的曲柄轴孔34与曲柄轴销之间的交界面在工作过程中经历连续的旋转运动。
[0015]由于力施加在活塞连杆组件10上，因此在活塞销孔30和曲柄轴孔34中可以设置有轴承40。通常，发动机轴承由多层结构构成，这些层具有可以构造为例如提高疲劳强度并改善连杆组件10的抗咬死性和耐磨损性的材料特性。传统上，使用连续铸造工艺和金属粉末烧结工艺生产具有各种衬层的轴承。然而，连续铸造工艺和金属粉末烧结工艺适用于大批量生产。此外，能够应用于使用连续铸造工艺和金属粉末烧结工艺的轴承的材料的类型受到限制。仅仅作为一个实例，使用连续铸造工艺和/或金属粉末烧结工艺的传统方法不能应用于陶瓷材料。由于即使在例如燃烧发动机等高温环境中陶瓷材料的材料特性也允许陶瓷保持强度，因此传统方法存在显著的缺点。然而，陶瓷材料可以制成粉末状，并且可以使用热喷涂工艺涂敷陶瓷材料。
[0016]图3示出表面涂敷有热喷涂层48的轴承40的剖视图。与连续铸造工艺和金属粉末烧结工艺不同，热喷涂工艺允许更小批量的生产并允许使用更大范围的材料形成多层结构。另外，热喷涂工艺还可以减少废料量、降低形成轴承的总投入、并且缩短制造工艺本身的长度。此外，如下面详细所述，当将衬层涂敷在半壳体或管件上时，热喷涂工艺提供了更大的灵活性。
[0017]如图3所示，轴承40包括背衬41和三层结构。基层41通常是能够承受燃烧发动机环境的包括但不限于钢、铸铁、钛、铜及相应合金的金属材料。构成背衬41的材料可以是成卷或预切的扁平物料、连续的扁平带料、半壳体和/或管件的形式。在图3中，衬层42与背衬41接触，阻挡层44涂敷在衬层42上，并且覆盖层46涂敷在阻挡层44上，以便阻挡层44设置在衬层42与覆盖层46之间。这种类型的轴承有时称为三金属轴承，通常用在承受重负载的发动机中。
[0018]衬层42通过将热喷涂层48直接涂敷在背衬41上而形成。热喷涂层48可以由各种合金或任何其他适当的材料形成，这将在下面更详细地讨论。衬层42可以从能够增加轴承40的耐久性的材料中选取。例如，热喷涂层48可以从设计为增大轴承40的疲劳强度、提供抗摩擦特性或者提供耐磨损性和/或抗咬死性的材料中选取。热喷涂层48可以从设计为增加轴承40的通用性(兼容性)的材料中选取。例如，热喷涂层48可以是构造为不仅给轴承40提供强度而且还提供通用性的铜合金、锡合金和铋合金。热喷涂层48的通用性允许轴承40适用于不规则形状的轴或者适应其他不对准的情况。
[0019]事实上，热喷涂层48可以包括任何适当类型的合金、多相合金和/或它们的组合。此类材料的实例包括但不限于铜合金、铝合金、白色金属、铅、铋、锡、锌、磷、锰、钨、钥、铁、镍、钴、铬、钛、银、陶基材料、硅和聚合物。热喷涂层48可以涂敷为使衬层42具有基于发动机类型和/或活塞类型的适当厚度。在一个示例性方案中，衬层42可以具有在约100微米-1000微米范围内的厚度。
[0020]此外，热喷涂层48可以使用下面的热喷涂涂敷方法进行涂敷:高速氧燃料技术(HV0F)、等离子喷涂技术、电弧喷涂技术和/或火焰喷涂技术。可以将为形成所需热喷涂层48而选择的材料引入到喷涂装置中，以便使得材料熔化或部分熔化。因此，当材料接触轴承40时，热喷涂层48形成衬层42。还可以使用这种方法将其他层添加到轴承上。
[0021]涂敷热喷涂层48的喷涂技术的使用可能需要进行热处理。热处理对由热喷涂层48形成的衬层42进行常化(正火)和强化，以便消除衬层42内的残余应力。热处理还可以防止衬层42在热喷涂层48冷却之后脱离基层41。在涂敷完热喷涂层48之后还可以进行机械加工。通常，热喷涂层48在轴承40上形成粗糙层。由于轴承40的尺寸公差较小，因此热喷涂层48可能需要进行机械加工以形成大致光滑的表面。可以使用任何适当的机械加工技术。
[0022]在氢气与例如氮气等惰性气体的气氛中进行的热处理还可以进一步减少氧化物。在一个示例性方案中，氢气含量约占总气氛的1% — 10%而气氛的其余成分基本上是氮气。在一个更具体的示例性方案中，为了进行热处理，氢气含量约占气氛的3%而其余成分基本上是氮气。在实践中，本申请的发明人已经发现:在这种气氛中进行的热处理不仅减少了氧化物的形成，而且实际上还能将氧化物转变成金属状态，从而增强整个涂层。因此，不仅使氧化物的形成减少甚至最小化，而且还可以基本上使氧化物发生逆转。
[0023]轴承40还可以包括阻挡层44。阻挡层44可以涂敷在衬层42上。在一个示例性方案中，阻挡层44可以涂敷为热喷涂层。也就是说，通过使用任何适当的热喷涂技术，可以将第二热喷涂层涂敷在热喷涂层48上以形成阻挡层44。还可以使用任何其他适当的工艺涂敷阻挡层44。例如，可以将阻挡层电镀在衬层42上，或者可以使用通常称为溅镀的使阻挡层沉积的物理气相沉积(PVD)方法。与衬层相似，阻挡层44可以涂敷为具有基于发动机类型的适当厚度。在一个示例性方案中，阻挡层44可以具有在约5.0微米以下范围内的厚度。如果借助于第二热喷涂层形成阻挡层44，则可以对阻挡层44进行机械加工。
[0024]阻挡层44可以由包括上面对衬层42列出的合金在内的各种合金形成或者由任何其他适当的材料形成。通常，阻挡层44由相对于形成衬层42的材料呈惰性或非反应性的材料构成。然而，形成阻挡层的材料仍然能够与衬层42结合。因此，需要限制阻挡层44与衬层42之间的化学反应。因此，在一个示例性方案中，可以使用有时称为镍堰的镍扩散阻挡层。[0025]阻挡层44构造为防止构成覆盖层46的材料蔓延或沉积到衬层42中。这种材料的不必要的迁移对轴承40可能具有不利的影响。例如，衬层42可以由包括铜、铅和锡的混合物的热喷涂层48形成，并且覆盖层46可以主要由具有一些锡和铜的铅基混合物构成。如果没有阻挡层，则覆盖层46中的锡可以自由地迁移到衬层42中，从而降低了覆盖层46中的锡的含量。降低锡的含量可能会降低覆盖层46的耐腐蚀性和覆盖层46的强度，这使得轴承40更容易咬死和磨损。因此，阻挡层44构造为保持覆盖层46的材料特性和衬层42的材料特性。
[0026]轴承40还可以包括覆盖层46。覆盖层46涂敷在阻挡层44上。在一个示例性方案中，覆盖层可以涂敷为热喷涂层。也就是说，通过使用任何适当的喷涂技术，可以将热喷涂层涂敷在阻挡层44上。还可以将覆盖层46电镀在阻挡层44上，或者可以使用物理气相沉积(PVD)方法。与阻挡层44相似，覆盖层46可以涂敷为具有基于发动机类型的适当厚度。在一个示例性方案中，覆盖层46可以具有在约1.0微米一 30微米范围内的厚度。如果借助于热喷涂层形成覆盖层46，则可以对覆盖层46进行机械加工。
[0027]覆盖层46可以由包括上面对衬层42列出的合金在内的各种合金形成或者由任何其他适当的材料形成。通常，覆盖层46由抵抗轴承40与轴之间咬死的材料和/或在工作过程中减少磨损或提高轴承40内的嵌入性的材料构成。与衬层42相似，覆盖层46还可以从设计为增加轴承40的通用性的材料中选取。例如，覆盖层46可以是主要由铝和锡的混合物构成。锡给覆盖层46提供柔性或韧性，以便轴承40能够适用于不规则形状的轴或者适应其他不对准的情况。然而，铝的存在给覆盖层46提供一定硬度，使得在轴承使用过程中覆盖层46不会发生磨损。因此，覆盖层46可以包括构造为平衡该层的所需特性的不同元素和材料的混合物。
[0028]可以基于发动机可能承受的负载和各层的功能来确定对多层结构和用于形成多层结构的材料的选择。除了提高疲劳强度、抗咬死性和耐磨损性之外，多层结构还可以构造为耐腐蚀和耐气蚀。尽管已经详细地描述了具有基层41和三材料结构的轴承40，然而轴承40可以包括小于三层或大于三层的结构。在一个示例性方案中，轴承40可以包括结合层。结合层可以用于辅助将热喷涂层48涂敷在基层41上以形成衬层42。结合层的使用可以排除在涂敷之后对热喷涂层48进行热处理的需要。
[0029]在另一个示例性方案中，轴承40可以包括双层结构。双层轴承通常用在承受中负载至高负载的发动机(例如柴油机客运车辆)中。双层轴承可以包括衬层42和覆盖层46。例如，衬层42可以由包括铜、锡和铋的混合物的热喷涂层48形成，并且覆盖层46可以包括铝、锡和铜的混合物。在这个示例性方案中，可以使用热喷涂工艺将覆盖层46直接涂敷在衬层42上，也可以进行电镀，或者可以使用PVD方法进行涂敷。在这个方案中，不需要阻挡层44，因为各元素在基于混合物的双层之间几乎不会发生蔓延。因此，可以去除阻挡层44。
[0030]参考图4，图4示出了将轴承衬层涂敷(施加)在轴承40的基层41上的示例性方法。在步骤50中，选择背衬材料。如上所述，用于形成背衬40的材料可以是适于承受燃烧发动机环境的包括但不限于钢、铸铁、钛、铜及相应合金的任何材料。背衬材料可以是成卷或预切的扁平物料、连续的扁平带料、半壳体和/或管件的形式。如上所述，当将热喷涂层48涂敷在背衬材料上时，特别是当使用半壳体和管件时，下面的方法提供更大的灵活性。对于半壳体而言，可以预成型半壳体或者可以通过冲压、滚压成型和/或机械加工扁平物料或管件来制造半壳体。
[0031]可以准备好背衬41以涂敷热喷涂层48。也就是说，在涂敷之前，可以清洗形成背衬41的扁平物料、连续扁平带料、半壳体和/或管件并且清除它们的油污。在一些示例性方案中，可以对扁平物料、连续的扁平带料、预成型的半壳体和/或管件的暴露表面进行粗糙化处理，以便允许更好地放置和/或固定热喷涂层48。可以使用激光刻蚀工艺、水射流喷丸工艺、粗砂喷丸工艺、化学刻蚀工艺或任何其他适当的机械手段中的任何一种。在涂敷热喷涂层48之前，可以再次清洗扁平物料、连续扁平带料、半壳体和/或管件并且清除它们的油污。
[0032]在步骤52中，可以使用高速氧燃料技术、等离子喷涂技术、电弧喷涂技术或火焰喷涂技术将热喷涂层48涂敷在背衬41上。还可以进行热处理操作，以常化和强化由热喷涂层48形成的衬层42，从而消除衬层42内的残余应力。如上所述，在氢气/惰性气体的气氛中，热处理还可以进一步减少氧化物。热处理还可以防止衬层42在热喷涂层48冷却之后脱离背衬41。在涂敷热喷涂层48之前还可以进行预热处理。在一个示例性方案中，为了防止气蚀，可以在涂敷热喷涂层48之前进行预热，以除去扁平物料、连续扁平带料、半壳体和/或管件的表面上的水分。进行预热还可以减少背衬41与热喷涂层48之间的温度差，以防止背衬41与衬层42之间的分离。
[0033]在涂敷完热喷涂层48之后，可以机械加工衬层42以去除由涂布而形成的任何粗糙表面。事实上，可以使用任何适当的轴承机械加工工艺将衬层42形成为大致光滑的表面，以便轴承40保持在公差范围内。此后，如步骤54所示，可以将其他层涂敷在衬层42上。
[0034]根据所需的轴承40的类型，可以通过使用热喷涂工艺、电镀工艺或PVD方法将阻挡层44涂敷在衬层42上。如果使用热喷涂层形成阻挡层44，则还需要根据活塞连杆组件的公差对阻挡层44进行机械加工。轴承40还可以包括覆盖层46。如上所述，覆盖层46可以直接涂敷在衬层42上或者覆盖层46可以通过阻挡层44与衬层42隔开。与阻挡层44相似，可以通过使用热喷涂工艺、电镀工艺或PVD方法涂敷覆盖层46。如果覆盖层46由热喷涂层形成，则覆盖层46可能需要机械加工。
[0035]在涂敷完衬层42、覆盖层46和/或阻挡层44之后，可以将轴承40设置在连杆24内。然而，对于由管件形成的半壳体而言，为了在安装之前形成轴承40，管件可能需要分成两个相等的长度。可以将分离的两个部分成型或拉伸以便为轴承半壳体产生压紧量高度或保持不变的尺寸。必要时，可以使用任何适当的轴承机械加工工艺对形成的半壳体进行机械加工。然后，可以使用任何适当的手段将轴承40设置在连杆中。因此，上述轴承40可以构造为用于插入到活塞销孔30和/或曲柄轴销孔34中。
[0036]关于本文中所述的过程、系统、方法、推演等，应当理解的是:尽管已将这些过程等的步骤描述为根据具有一定顺序的序列来执行，然而也可以在上述步骤以与文中所述顺序不同的顺序执行的情况下实施这些过程。还应当理解的是:可以同时执行某些步骤，可以增加其他步骤，或者可以省略文中所述的某些步骤。换言之，本文中对过程的描述是为了说明某些实施例而提供的，而不应当被视为对要求保护的发明进行限制。
[0037]因此，应该理解的是:以上描述旨在进行说明而非加以限制。在阅读以上描述后，不同于所提供的实例的许多实施例和应用都是可行的。本发明的范围不应当参考以上描述来确定，而应当参考所附权利要求以及由这些权利要求赋予的等同内容的全部范围来确定。可以预期和想到的是:在本文所述领域中将出现未来的开发并且本文所公开的系统和方法将结合在这些未来的实施例中。总之，应当理解的是:本发明能够进行修改和变更并且仅仅由前面的权利要求限定。
【权利要求】
1.一种滑动轴承表面，包括: 背衬； 热喷涂层，其涂敷在所述基层上；以及 材料层，其涂敷在所述热喷涂层上。
2.根据权利要求1所述的滑动轴承表面，还包括抗氧化物。
3.根据权利要求1所述的滑动轴承表面，其中，所述热喷涂层在所述基层上形成衬层。
4.根据权利要求3所述的滑动轴承表面，其中，所述衬层具有在约100微米一1000微米范围内的厚度。
5.根据权利要求1所述的滑动轴承表面，其中，扁平物料、连续的扁平带料、预成型的半壳体和管件构造为形成所述轴承。
6.根据权利要求5所述的滑动轴承表面，其中，所述扁平物料、所述连续的扁平带料、所述预成型的半壳体和所述管件是钢、铸铁、铝和铜中的一种。
7.根据权利要求1所述的滑动轴承表面，其中，涂敷在所述热喷涂层上的所述材料层是阻挡层。
8.根据权利要求7所述的滑动轴承表面，其中，通过热喷涂工艺、电镀工艺和物理气相沉积工艺中的一种来涂敷所述阻挡层。
9.根据权利要求1所述的滑动轴承表面，其中，涂敷在所述热喷涂层上的所述材料层是覆盖材料层。
10.根据权利要求9所述的滑动轴承表面，其中，通过热喷涂工艺、电镀工艺和物理气相沉积工艺中的一种来涂敷所述覆盖材料层。
11.根据权利要求1所述的滑动轴承表面，其中，在所述热喷涂层与覆盖材料层之间设置有阻挡层。
12.根据权利要求1所述的滑动轴承表面，其中，使用高速氧燃料技术、等离子喷涂技术、电弧喷涂技术和火焰喷涂技术中的一种来涂敷所述热喷涂层。
13.根据权利要求1所述的滑动轴承表面，其中，所述热喷涂层是铜、铝、白色金属、铅、铋、锡、锌、磷、锰、钨、钥、铁、镍、钴、铬、钛、银、陶基材料、硅和聚合物中的一种。
14.根据权利要求1所述的滑动轴承表面，其中，构成所述热喷涂层的材料可以是合金、多相合金及其任意组合中的一种。
15.—种形成滑动轴承表面的方法，包括: 将热喷涂层涂敷在构造为形成轴承的扁平物料、连续的扁平带料、半壳体和管件中的一种上， 其中，将所述热喷涂层直接涂敷在背衬上以便形成滑动轴承衬层。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括将第二材料层涂敷在所述热喷涂层上，其中，通过热喷涂工艺、电镀工艺、物理气相沉积工艺和聚合物涂布工艺中的一种来涂敷所述第二材料层。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括使用高速氧燃料技术、等离子喷涂技术、电弧喷涂技术和火焰喷涂技术中的一种来涂敷所述热喷涂层。
18.根据权利要求15所述的方法，还包括机械加工所述热喷涂层以形成大致光滑的表面。
19.根据权利要求15所述的方法，还包括将第三材料层涂敷在所述热喷涂层上，其中，通过热喷涂工艺、电镀工艺、物理气相沉积工艺和聚合物涂布工艺中的一种来涂敷所述第三材料层。
20.根据权利要求15所述的方法，还包括:在氢气含量大致占1%- 10%且其余成分基本上是惰性气体的气氛中对所述热喷涂层进行热处理，以便在至少减少氧化物形成的同时常化和强化所 述衬层。
【文档编号】F16C17/12GK103890420SQ201280050479
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年9月12日 优先权日:2011年9月13日
【发明者】罗纳德·G·布罗克二世, 丹尼尔·M·洛诺斯基, 大卫·多曼丘克, 托马斯·斯特朗 申请人:马勒国际公司