包括经表面处理的金属微粒的用于发动机的滑动元件的制作方法

本发明涉及一种具有聚合物基轴承“覆盖”层的滑动发动机部件，尤其是涉及一种具有包括表面处理的金属微粒的聚合物基轴承“覆盖”层的滑动发动机部件。

这种滑动发动机部件可以包括轴承衬套壳、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、推力垫圈、轴承块的轴承表面、轴承盖的轴承表面以及活塞组件部件(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可绕轴线旋转的一对半轴承。每个半轴承是中空的大致半柱形轴承壳，典型地至少一个是凸缘半轴承，轴承壳设置有大致半环形推力垫圈，推力垫圈在每个轴向端部向外(径向)延伸。在其他轴承组件中还公知的是使用环形或者圆形推力垫圈。

滑动轴承的轴承表面通常具有层状构造，在层状构造中，强背衬材料涂覆有在使用中具有优选摩擦学属性的一个或多个层，摩擦学属性提供面向协作的移动部分的轴承表面。在公知的半轴承以及推力垫圈中：强背衬材料可以是钢，具有的厚度为大约1mm或更大；轴承表面涂覆有一层(“覆盖层”)6μm至25μm的塑料聚合物基复合材料层；以及可选地至少一个干涉层(“衬套层”)可以设置在背衬层和覆盖层之间，诸如铝基材料(例如铝-锡合金)或者铜基材料(例如铜锡青铜)，粘附至背衬，可选衬套层的厚度通常的范围是大约0.1mm至0.5mm(例如300μm的铝锡合金)。

本领域公知的是，在钢背衬上使用复合塑料聚合物基覆盖层，其中，覆盖层包括聚合物材料构成的基体，在整个基体上分布有加强机械性能的添加剂，诸如金属粒子以改善耐磨损，硅烷化合物以改善与底层基材的粘附，以及干式润滑剂微粒以在轴承表面和协作的移动部分之间接触的情形下增强润滑。金属粒子可以是银色金属粉末(例如铝)、铜色金属粉末(例如铜)。金属粒子可以给予适应性以及改善整个覆盖层的热分配。代替金属粒子或者除金属离子之外，通过添加其他耐磨微粒可以改善耐磨损。这典型地得到固化的聚合物基体，其在外观上相同或者类似于钢背衬。

还公知的是，添加有色颜料至聚合物基的基体以便对聚合物基覆盖层上色。可以选择颜料的颜色以向聚合物基覆盖层提供与下方基材的颜色不同的颜色。这允许通过观看轴承表面以及观察颜色就易于简单确定聚合物基覆盖层的存在。

例如，wo2015/024898a2描述了一种塑料聚合物基复合材料，用作钢背衬上的覆盖层，其中，该覆盖层包括由聚酰胺/酰亚胺基聚合物构成的基体，在整个基体上分布有：10至15体积百分比的颜料；1至小于15体积百分比的金属微粒(例如金属粉末和/或金属薄片)；1至15体积百分比的含氟聚合物，除了附带杂质，剩下的为聚酰胺/酰亚胺树脂；以及3至6体积百分比的硅烷化合物。例如，聚合物基覆盖层可以包括12.5体积百分比的al、5.7体积百分比的ptfe微粒、4.8体积百分比的硅烷、小于0.1体积百分比的其他成分，除了附带杂质，剩下的为聚酰胺/酰亚胺。

但是，尽管有色颜料施加所选择的颜色至聚合物基的基体，但是其未增强聚合物基覆盖层的任何机械属性。换句话说，有色颜料的使用是将一些非功能性引入聚合物基的基体。此外，已经发现的是，以提供聚合物基覆盖层的颜色不同于下层基材的颜色所需的程度添加有色颜料会损害聚合物基体的结构完整性、耐磨损、疲劳属性以及抗咬合性。还会不利地影响聚合物基体的硬度和/或强度。相反，使用低程度的有色颜料不会改变聚合物基的基体的颜色以使其充分区分于下层基材。当添加有色颜料以对聚合物基覆盖层上色时，颜色的范围和颜色强度因此会被限制。

因此需要提供一种用于在更大程度上控制聚合物基覆盖层的颜色的方式，而不损害覆盖层的机械属性。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供了一种滑动发动机元件，其在金属基材上具有聚合物基覆盖层(polymer-basedoverlaylayer)，聚合物基覆盖层包括聚合物基的基体(polymer-basedmatrix)和金属微粒。金属微粒被表面处理。

正如此处使用的，术语“表面处理”或者“表面功能化”意思是以某种方式改变金属微粒的表面。例如，表面处理可以包括添加材料至金属微粒的表面或者从金属微粒的表面移除材料(例如施加涂层)。表面处理可以可替换地是发生在金属微粒的表面的化学反应(例如控制氧化)或者物理处理(例如热处理)的结果。

技术人员将理解的是，聚合物基覆盖层不必须是直接接触金属基材的表面，这是由于，正如下文讨论的，滑动发动机元件可以进一步包括在金属基材和聚合物基覆盖层之间的一个或多个中间层。

已经观察到的是，下述表面处理方法不会显著更改金属微粒的尺寸或者几何形状，这些方法还有利地不期望损害金属微粒的机械属性。

不希望被理论约束，还期望经表面处理的金属微粒将有利地改善存储以及剪切稳定性，改善耐气候性，以及相比于未经表面处理的等同金属微粒在涂覆中呈现较低趋势的结块。

添加经表面处理的金属微粒可以避免需要通过冲压处理或者通过额外印刷或者刻蚀处理将识别特征施加至部件的表面，这会需要额外制造步骤并且会干涉部件的操作。例如，在轴承壳的情形下，冲压到外表面的识别标记会有擦伤内表面的风险，轴承壳构造为与旋转轴瓦协作，具有非常小容差。类似地，印刷或者刻蚀识别标记至轴承壳的外侧会影响轴承壳在使用中置于其壳体内的方式，从而影响性能。

金属基材优选来自强金属以给予轴承元件较大结构刚性。合适的金属基材材料包括：钢、铝、青铜、黄铜、铋、铜、镍、锡、锌、银、金以及铁或者这种材料的合金。基材可以包括两个或多个这种材料或者合金的组合。实施本发明的用于轴承元件的尤其合适的基材材料包括钢、铁、铝、铜合金、青铜以及黄铜合金。

滑动发动机元件可以进一步包括中间层或者轴承衬套层，当使用特定金属基材材料时，中间层或者轴承衬套层可以提供改善的表面用于粘附聚合物基覆盖层。用于可选中间层的合适的材料包括铝、锡、镍、银、铜和/或铁或者包括一个或多个这种材料的合金。可选中间层可以包括两个或多个或者这种材料/合金的组合。中间层还可以包括助粘剂和/或经受预处理，例如磷化处理、铬化处理或者硅化处理。

聚合物基的基体包括聚合材料。合适的聚合材料的例子包含或者可以包括：可交联粘接剂；热固性塑料；高熔点热塑性塑料；具有由至少一个高熔点热塑性材料构成的基体的材料；纤维增强塑料；这些材料的任何组合。其他合适的材料可以想到，并且对技术人员来说将是显而易见的。尤其合适的聚合材料包括：pai(聚酰胺)；pi(聚酰亚胺)；环氧树脂；环氧基树脂；丙烯酸脂树脂；聚酯、含氟聚合物、聚醚醚酮、甲醛树脂、pbi(聚苯并咪唑)；酚醛树脂；硅树脂；或者任何这些材料的组合。这些材料的特征在于高耐温性和良好介质阻力(诸如对润滑剂的化学阻力)。用于实施本发明的轴承元件的一个特别优选聚合材料是聚酰胺(pai)。

除了金属微粒，聚合物基覆盖层可以包括散布在整个聚合物基的基体中的硬质粒子。合适的硬质粒子包括：氮化物；碳化物；硼化物；以及氧化物。其他合适的材料可以想到，并且对技术人员来说将是显而易见的。提供硬质粒子改善了聚合物基覆盖层的耐磨损属性。

如上所述，在现有技术的聚合物基覆盖层中，金属微粒典型地像干式粉末添加至塑料聚合物基的基体溶液。但是，已经发现的是，在金属微粒是经表面处理的金属微粒的情况下，有利的是将金属微粒像浆液(slurry)一样添加至塑料聚合物基的基体溶液。已经发现的是，像浆液一样添加经表面处理的金属微粒有利地导致更好地分布金属微粒，这导致在整个聚合物基的基体中得到更好的颜色分散。

聚合物基覆盖层被沉积而作为塑料聚合物基的基体材料以及悬浮材料的混合物，可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型(例如二甲苯、甲苯)，极性非质子型(例如丙酮、n-乙基-2-吡咯烷酮{nep}、n-甲基-2-吡咯烷酮{nmp}、丁内酯、二丙二醇二甲醚)或者极性质子型(例如水、酒精、乙二醇)。溶剂能够以各种比例采用以实现混合物的特定期望黏性而用于涂覆至基材。

聚合物基覆盖层还可以包括硅烷材料。硅烷材料已经发现能够促进聚酰胺/酰亚胺基体的稳定性，还发现能够促进将聚酰胺/酰亚胺树脂材料粘附至基材。合适的硅烷材料可以是γ-氨丙基三乙氧基硅烷(例如3-氨丙基三乙氧基硅烷)。合适的可替换硅烷材料可以包括双(γ-三甲氧基硅丙基)胺。

聚合物基覆盖层可以进一步包括1至20wt％的干式润滑剂微粒，优选范围为8至12wt％。干式润滑剂微粒可以包括在覆盖层中，用于其对材料摩擦属性以及其自润滑效应的有益效应。合适的干式润滑剂微粒包括含氟聚合物、二硫化钼(mos2)、二硫化钨(ws2)、六角氮化硼(h-bn)、具有层结构的金属硫化物以及石墨或者任何这些材料的组合。含氟聚合物微粒添加物可以优选通过聚四氟乙烯(ptfe)构成，因为其在降低聚合物基覆盖层的摩擦系数以及改善自润滑属性方面是最有效的含氟聚合物。但是，如果期望可以使用其他合适的含氟聚合物，诸如氟化乙烯丙烯(fep)。其他合适的材料可以想到，对技术人员来说将是显而易见的。

低于1wt％的干式润滑剂微粒对改善耐磨损和摩擦学属性不显著。高于20wt％的干式润滑剂微粒会损害聚合物基覆盖层的结构完整性。干式润滑剂微粒的粒子尺寸期望地位于1μm至5μm的范围，优选2μm至4μm的尺寸范围。

聚合物基覆盖层可以进一步包括其他成分，诸如匀化剂。当存在匀化剂时，其存在的量小于1wt％，优选小于0.5wt％。例如，聚合物基覆盖层可以包括大约0.1wt％匀化剂。匀化剂是表面涂层添加剂，设计成当聚合物基的基体施加至基材时改善金属基材上的聚合物基的基体的湿度。改善湿度有利地得到具有更均匀厚度的聚合物基覆盖层。

优选地，经表面处理的金属微粒施加颜色至聚合物基覆盖层。

正如此处使用的，术语“施加颜色”意思是通过添加经表面处理的金属微粒大致确定聚合物基覆盖层的颜色。

优选地，聚合物基覆盖层的颜色不同于金属基材的颜色。

选择金属微粒的表面处理，使得其施加颜色至聚合物基覆盖层。

提供经表面处理的金属微粒材料以给予聚合物基覆盖层颜色是有利的，这是由于其不需要添加单独颜料，添加单独颜料会损害覆盖层的机械属性。颜色可以通过机器或者人工检测。

通过促进涂覆及未涂覆有复合聚合物基覆盖层的滑动发动机部件之间的视觉区分，以及具有不同涂层的滑动发动机部件之间的区分，向聚合物基覆盖层提供颜色的经表面处理的金属微粒的设置使得能够在制造期间得到增强的可靠性。这促进了在自动化质量控制处理中具有不同颜色的滑动发动机部件之间的区分。这能够有助于防止制造期间的错误组装。经表面处理的金属微粒引起的颜色可以被机器(诸如组件机器人)识别，因此可以辅助自动部件的自动化制造。

优选地，颜色在视觉上可以区别于金属基材的颜色。

这在聚合物基覆盖层可以以其他方式匹配或者类似于金属基材的颜色(例如以其他方式在银色基材上是银色层)的方面是有利的。此外，由于聚合物基覆盖层的颜色在视觉上可区别于金属基材的颜色，因此用户能够通过简单的视觉检查来识别实施本发明的滑动元件。这还可以帮助用户在已经设置有不同涂层的若干部件之间进行视觉区分，其中一个涂层是本发明优选实施例的聚合物基覆盖层。这可以有利地帮助防止制造期间的错误组装。

优选地，经表面处理的金属微粒相比没有经表面处理的相同金属微粒呈现不同的颜色。

这允许经表面处理的金属微粒本身区分于还未经表面处理的金属微粒，这可以简化聚合物基覆盖层的制造。

优选地，在聚合物基覆盖层的所有其他元件保持相同的情况下，经表面处理的金属微粒引起聚合物基覆盖层呈现与包括未经表面处理的相同金属微粒的覆盖层本身呈现的颜色不同的颜色。

这可以有利地实现可区分的具有相同或者类似机械属性添加剂的不同覆盖层(例如使用经表面处理的金属微粒能够使得人工或者自动识别不同的固化制度)。添加经表面处理的金属微粒能够使滑动发动机部件区分于那些不同的地方，因此加强了可追踪性。

优选地，经表面处理的金属微粒引起聚合物基覆盖层呈现除了银、白或灰之外的颜色。

这是有利的，因为金属基材本身会呈现银、白或者灰，意味着覆盖层将清楚地区分于金属基材本身。

优选地，经表面处理的金属微粒引起聚合物基覆盖层呈现金色、橙色或者黄色。可选地，经表面处理的金属微粒可以引起聚合物基覆盖层呈现淡黄色。

提供这些颜色是有利的，因为它们均非常不同于金属基材和不具有经表面处理的金属微粒的聚合物基的基体的颜色。特定聚合物基覆盖层的存在将因此在任何使用这些颜色的地方清楚地显现。

优选地，聚合物基覆盖层包括大约5wt％至大约40wt％之间的经表面处理的金属微粒。更优选地，大约10wt％至大约30wt％之间的经表面处理的金属微粒。更优选地，大约24wt％至大约28wt％之间的经表面处理的金属微粒。例如，聚合物基覆盖层可以包括26wt％的经表面处理的金属微粒。

正如此处使用的，描述为重量百分比(wt％)的成分的量指的是成分在最终固化涂层中的重量百分数，即当溶剂已经被移除且聚合物基的基体已经被固化时。

有利地，金属微粒增强覆盖层的传热性。金属微粒可以进一步增强覆盖层的耐磨性以及抗咬合力。低于5wt％的金属微粒对改善耐磨性以及抗咬合力不显著。高于大约40wt％的金属微粒会损害聚合物基覆盖层的结构完整性。

可以从铝、铝合金、铜、铜合金、银、钨、不锈钢中选择金属微粒。已经发现的是，铝微粒给出最好结果。金属微粒可以是任何金属微粒，但是优选包括金属薄片。微粒的薄片状性质通常导致凭借大致平行于轴承表面定向的薄片的平面引起金属微粒最大面积暴露于共同操作的轴瓦。在聚合物基覆盖层内提供大致平行于轴承表面的薄片可以通过聚合物基覆盖层的喷射沉积来提供。

金属微粒的薄片形态的进一步优势为，薄片凭借每个单个薄片的较大表面积更牢固地结合至聚合物基的基体，因而防止金属薄片在发动机操作期间变得从聚合物基的基体被拉拽出来。

优选地，金属微粒包括铝薄片。

优选地，经表面处理的铝薄片沿着最大尺寸具有大约5μm至大约30μm之间的d50尺寸。更优选地，沿着最大尺寸大约10μm至大约20μm之间的d50尺寸。这已经被发现能够提供金属微粒添加的尤其合适的形式。d50是铝薄片的粒子尺寸分布的中位直径。

表面处理可以包括改变得到的聚合物基覆盖层的颜色的任何表面处理工艺。

优选地，金属微粒是通过可控氧化工艺进行表面处理。例如，铝薄片可以在控制条件下被氧化以在薄片的表面上形成铝氧化物层。已经发现的是，在聚合物基覆盖层中提供已经在控制条件下被氧化的铝薄片能够给予覆盖层黄色或者浅黄色。

在铝薄片被氧化的情况下，例如可以在碱水溶液中执行控制氧化，得到包括铝氧化物和氢氧化铝的层。

可替换地或者此外，金属微粒是通过用另一材料涂覆金属微粒的表面而进行表面处理。金属氧化物是用于涂覆微粒尤其合适的材料。涂覆可以使用任何合适的方法施加，例如喷射或者浸渍微粒。

金属氧化物可以是任何金属氧化物，但是优选地，金属氧化物是与金属微粒中的金属不同的金属的。这有利地提供了用于聚合物基覆盖层的较大颜色选择。

优选地，金属氧化物是有色过渡金属氧化物。

已经发现的是，通过在聚合物基覆盖层中提供用有色过渡金属氧化物涂覆的铝薄片表面能够给予覆盖层金色或者橙色。

有色过渡金属氧化物的例子包括但不限于：铁氧化物、镍氧化物、铬氧化物以及铜氧化物。

金属微粒可以包括多个不同的经表面处理的金属微粒。例如，金属微粒可以包括已经经受控制氧化的铝薄片以及涂覆有有色过渡金属氧化物的铝薄片。金属微粒可以进一步包括未被表面处理的金属粒子。例如，金属微粒可以包括未被表面处理的铝薄片。

可以选择相对数量的具有不同表面处理的金属微粒以及未经有表面处理的金属微粒，以便定制聚合物基覆盖层的颜色。可想到的是，经表面处理的金属微粒的传热性可以不同于未经表面处理的同等金属微粒的传热性。因此，可以选择相对数量的具有以及不具有表面处理的金属微粒，以便定制聚合物基覆盖层的传热性。

优选地，聚合物基覆盖层具有大约3μm至大约17μm之间的厚度。更优选地，大约6μm至大约12μm之间。例如，聚合物基覆盖层可以具有大约10μm的厚度。

在本发明的第二方面中，提供了一种发动机，其包括根据本发明的第一方面的滑动发动机元件。

在本发明的第三方面中，提供了生产滑动发动机元件的方法。该方法包括以下步骤：提供聚合物基的基体，提供包括经表面处理的金属微粒的浆液，将浆液和聚合物基的基体组合，将聚合物基的基体以及浆液的组合施加至金属基材，固化聚合物基的基体以及浆液的组合以形成包括经表面处理的金属微粒的聚合物基覆盖层，其中，经表面处理的金属微粒引起聚合物基覆盖层呈现不同于金属基材的表面的颜色。

聚合物基的基体可以通过多个不同的方法施加至金属基材。合适的方法包括喷射、移印(间接胶印工艺，例如其中，硅树脂垫将塑料聚合物复合材料的图案层传递至滑动轴承基材)、丝网印刷或者通过转移轧制处理。沉积步骤可以包括沉积若干子层以构建总体聚合物基覆盖层。所述方法可以进一步包括每个子层沉积之间的闪蒸阶段以移除溶剂。每个子层可以包括聚合物基的基体的相同成分。可替换地，每个子层可以包括聚合物基的基体的不同成分。

固化步骤可以发生在大约140℃至300℃。热固化可以通过在炉中烘烤或者利用红外辐射照射滑动发动机元件提供。可替换地，聚合物基覆盖层可以通过非热处理固化，例如通过暴露至紫外线光而被固化。固化步骤可以采用大约2分钟和大约2.5小时之间。例如，固化步骤可以采用大约2小时。

应该理解的是，本发明的一个方面的任何特征可以以任何适当的组合应用于本发明的其他方面。尤其，方法方面可以施加至装置方面，反之亦然。此外，在一个方面中的任何、一些和/或所有特征能够以任何适当的组合施加至任何其他方面中的任何、一些和/或所有特征。

还应该理解的是，描述以及限定在本发明的任何方面中的各种特征的特定组合能够独立实施和/或应用和/或使用。

该说明书在整个说明书以及权利要求中，词语“包括”以及“包含”及其变型意思是“包括但不限于”，它们不旨在(以及不)排除其他项目、添加剂、成分、整数或者步骤。该说明书在整个说明书以及权利要求中，单数包含复数，除非内容以其他方式要求。尤其，在使用不确定词的地方，说明书将被理解为考虑复数以及单数，除非内容以其他方式要求。

连同特定方面描述的特征、完整性、特性、化合物、化学根或者基团，本发明的实施例或者例子应理解为适用于此处描述的任何其他方面、实施例或者例子，除非相矛盾。公开于该说明书(包括任何附随权利要求、摘要以及附图)中的所有特征和/或这样公开的任何方法或者处理的所有这些步骤可以结合任何组合，除了至少一些这种特征和/或步骤相互排除的组合。本发明不限制于任何前述实施例的细节。本发明延伸至公开于该说明书(包括任何附随权利要求，摘要以及附图)的特征的任何一个新颖方面或者任何新颖的组合，或者这样公开的任何方法或者处理的步骤的任何新颖的一个或者任何新颖的组合。

附图说明

将进一步仅参考附随附图依靠例子描述本发明，其中：

图1示出了根据本发明的优选实施例的轴承壳的立体图。此处提供的图是示意性的，未按比例绘制。

具体实施方式

图1示意地图示了呈中空半柱形轴承衬套壳(通常称为“半轴承”)形式的滑动轴承100(例如滑动发动机部件)。轴承元件的许多可替换形状和构造可以想到，并且对技术人员来说将是显而易见的。滑动轴承100具有由钢形成的金属基材102。滑动轴承100进一步包括轴承衬套层104，其位于金属基材102的凹形内表面上。轴承衬套层104包括铝-锡合金。聚合物基覆盖层106设置在基材102上。覆盖层106构造为在滑动轴承100的使用寿命期间提供运行表面。覆盖层106是半轴承的最内层，构造为面向轴承组件(未示出)中的协作移动部分(例如，覆盖层接收组装轴承中的轴瓦轴，组装轴承与润滑油的干涉膜相互协作)。

覆盖层106包括由聚酰胺(pai)形成的聚合物基的基体。覆盖层106进一步包括铝薄片，铝薄片已经涂覆了有色过渡金属氧化物层以形成经表面处理的金属微粒。可替换地，铝薄片的表面可以已经经受可控氧化工艺。铝薄片具有沿着最大尺寸大约10μm至大约20μm之间的d50尺寸。覆盖层106包括均匀地散布在整个聚合物基的基体中的26wt％的铝薄片。覆盖层106进一步包括10wt％的聚四氟乙烯(ptfe)以充当干式润滑剂。干式润滑剂具有大约3μm的粒子尺寸。覆盖层106进一步包括小于0.5wt％的匀化剂以及硅烷作为粘附剂。

覆盖层106具有大约10μm厚度并由于涂覆的铝薄片而表现为金色。

为了形成具有聚合物基覆盖层106的滑动轴承100，将聚合物(pai)添加至预混合溶剂共混物以形成溶液。干式润滑剂和匀化剂添加至溶液以形成悬液。铝薄片与预混合溶剂共混物制成浆液，将该浆液添加至溶液。然后将硅烷添加至溶液。

聚合物基的基体溶液然后施加至可以已经在其内表面上具有轴承衬套层104的金属基材102。通过喷射施加聚合物基的基体溶液以形成一系列子层。在沉积每个子层之后，通过闪蒸阶段移除溶剂。在沉积之后，通过加热滑动轴承100固化聚合物基的基体溶液。

尽管图1图示了半轴承壳，本发明等同地应用于其他滑动发动机部件，包括半环形、环形或者圆形推力垫圈以及衬套。散布在聚合物基的基体内的机械性能加强添加剂(例如干式润滑剂微粒、硅烷以及金属微粒)提供对滑动发动机部件的机械性能的显著增强，诸如耐磨损、促进粘附、耐磨性以及摩擦属性。