專利名稱：內(nèi)燃機活塞和活塞表面處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及內(nèi)燃機活塞和該活塞的表面處理方法。
背景技術(shù)：
已提出粘合劑樹脂和固體潤滑劑的多種組合物作為用于改善滑動元件例如內(nèi)燃 機活塞的抗磨損性和抗咬合性的潤滑涂覆組合物。日本特開專利公開No. 07-097517公開了一種這樣的潤滑涂覆組合物，其含有 50-73重量％的聚酰胺-酰亞胺樹脂和聚酰亞胺樹脂中的至少一種作為粘合劑，以及3-15 重量％聚四氟乙烯、20-30重量％二硫化鉬和2-8重量％石墨作為固體潤滑劑(即固體潤滑 劑的總含量落入27-50重量％范圍內(nèi))，以獲得低的摩擦系數(shù)和高的抗磨損性。通過加入二 硫化鉬和石墨可改善該潤滑涂覆組合物的抗咬合性。然而，當將多于必需量的二硫化鉬和 石墨加入到涂覆組合物時，該潤滑涂覆組合物的膜的強度顯著降低。這導致涂覆組合物膜 的磨損量提高。在另一方面，日本特開專利公開No. 2008-056750公開了用于發(fā)動機活塞的雙層 潤滑涂覆組合物，其包括內(nèi)(下)涂層和外(上)涂層，所述內(nèi)涂層形成在活塞的基礎(chǔ)金屬 材料(例如鋁合金)上，并且含有50-79重量％的環(huán)氧樹脂和聚酰胺_酰亞胺樹脂中的至 少一種作為粘合劑以及15-30重量％聚四氟乙烯和5-20重量％二硫化鉬作為固體潤滑劑， 所述外涂層形成在與面向活塞基材的表面相對的內(nèi)(下)涂層表面上，并且含有50-70重 量％的環(huán)氧樹脂和聚酰胺-酰亞胺樹脂中的至少一種作為粘合劑，5-20重量％氮化硼作為 固體潤滑劑以及15-30重量％的氮化硅和氧化鋁中的至少一種作為硬顆粒。這種雙層潤滑 涂覆組合物可兼具有高的抗磨損性和高的抗咬合性。

發(fā)明內(nèi)容
在所公開的雙層潤滑涂覆組合物中，外涂層中氮化硼固體潤滑劑以及氮化硅和/ 或氧化鋁硬顆粒的含量分別控制在5-20重量％和15-30重量％，使得外涂層的表面比基礎(chǔ) 金屬材料例如鋁合金更易受到磨損，但相對硬。因此在外涂層表面抵靠著其相對的元件滑 動期間變得磨損和變平滑之前花費長的時間。結(jié)果，該雙層潤滑涂覆組合物不能夠保證足 夠的初始適應性(即，使滑動表面在開始使用后抵靠著相對的元件發(fā)生滑動期間于短時間 內(nèi)快速磨損和變平滑的能力)。因此本發(fā)明的目的是提供內(nèi)燃機活塞，其中潤滑涂覆組合物對活塞基材具有良好 附著性并且與發(fā)動機汽缸壁具有良好的初始適應性。本發(fā)明的目的還是提供用于這樣的發(fā) 動機活塞的表面處理方法。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種內(nèi)燃機活塞，該內(nèi)燃機活塞包含活塞基材； 和潤滑涂覆組合物的膜，其具有形成在活塞基材表面上的內(nèi)涂層和形成在與面向活塞基材 的表面相對的內(nèi)涂層表面上的外涂層，所述內(nèi)涂層含有聚酰胺-酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹 脂和環(huán)氧樹脂中的至少一種作為粘合劑，以及基于內(nèi)涂層總重量計0-50重量％的石墨和二硫化鉬中的至少一種作為固體潤滑劑，所述外涂層含有聚酰胺-酰亞胺樹脂、聚酰亞胺 樹脂和環(huán)氧樹脂中的至少一種作為粘合劑，以及基于外涂層總重量計50-95重量％的石墨 和二硫化鉬中的至少一種作為固體潤滑劑。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種內(nèi)燃機活塞，該內(nèi)燃機活塞包含活塞基 材；和潤滑涂覆組合物的膜，其具有形成在活塞基材表面上的內(nèi)涂層和形成在與面向活塞 基材的表面相對的內(nèi)涂層表面上的外涂層，所述外涂層由比內(nèi)涂層更易受到磨損的材料制 成。根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供了一種用于活塞的表面處理方法，該方法包括提 供活塞基材；在活塞基材表面上形成內(nèi)涂層，該內(nèi)涂層含有聚酰胺_酰亞胺樹脂、聚酰亞 胺樹脂和環(huán)氧樹脂中的至少一種作為粘合劑，以及石墨和二硫化鉬中的至少一種作為固體 潤滑劑；和在與面向活塞基材的表面相對的內(nèi)涂層表面上形成外涂層，該外涂層含有聚酰 胺-酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂和環(huán)氧樹脂中的至少一種作為粘合劑，以及石墨和二硫化 鉬中的至少一種作為固體潤滑劑，所述內(nèi)涂層的形成包括將內(nèi)涂層中固體潤滑劑的含量控 制在基于內(nèi)涂層的總重量計為0-50重量％，所述外涂層的形成包括將外涂層中固體潤滑 劑的含量控制在基于外涂層的總重量計為50-95重量％。由下面的描述還將理解本發(fā)明的其它目的和特征。


圖1是內(nèi)燃機活塞實體零件的橫截面視圖，所述內(nèi)燃機具有用根據(jù)本發(fā)明一個實 施方案的潤滑涂覆組合物涂覆的活塞基材。圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的活塞的正面、局部橫截面視圖。圖3A是顯示關(guān)于潤滑涂覆組合物外涂層中固體潤滑劑的含量和潤滑涂覆組合物 的摩擦系數(shù)之間關(guān)系的試驗結(jié)果的特性坐標圖。圖3B是顯示關(guān)于表面粗糙度(條痕高度)和潤滑涂覆組合物摩擦系數(shù)之間關(guān)系 的試驗結(jié)果的特性坐標圖。圖4A1和4A2是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的具有潤滑涂覆組合物的活塞在磨損前 和磨損后的表面狀態(tài)的示意圖。圖4B1和4B2是具有常規(guī)潤滑涂覆膜的活塞在磨損前和磨損后的表面狀態(tài)的示意 圖。圖4C1和4C2是沒有表面處理的活塞在磨損前和磨損后的表面狀態(tài)的示意圖。圖5是顯示關(guān)于潤滑涂覆組合物內(nèi)涂層中固體潤滑劑的含量和潤滑涂覆組合物 對活塞基材的附著強度之間關(guān)系的試驗結(jié)果的特性坐標圖。
具體實施例方式下面將參考附圖詳細描述本發(fā)明。本發(fā)明的下面實施方案具體涉及如圖1和2中所示設計用于內(nèi)燃機(例如四沖程 汽油發(fā)動機)的活塞1。該活塞1被可滑動地安裝到發(fā)動機的氣缸體2并且通過活塞銷5 和連桿6連接到發(fā)動機的曲軸，以便抵靠氣缸體2的基本為圓柱形的汽缸壁3滑動并且使 曲軸隨活塞1的往復滑動而旋轉(zhuǎn)運動。
如圖1和2所示，活塞1具有通過鍛造基材la例如鋁合金如Al-Si合金AC8A(JIS H 5202)以整體形成的活塞主體，并且包括活塞頭部7(也稱作“活塞頂”)、一對推力側(cè)和 反推力側(cè)活塞裙部8和9以及一對活塞擋板部11和12?；钊^部7具有厚度相對大的基 本圓柱(圓盤)形狀。存在由發(fā)動機汽缸蓋、活塞頭部7的頂部表面7a和汽缸壁3限定的 燃燒室4。在活塞頭部7的頂部表面7a中形成氣門凹坑以避免妨礙發(fā)動機進氣/排氣閥 門。另外，在活塞頭部7的外周表面中形成活塞環(huán)槽7b、7c和7d以將3個活塞環(huán)(例如壓 縮環(huán)、油環(huán)等)容納在其中。活塞裙部8和9與活塞頭部7的底緣一體成形，并且將其設置 成相對于活塞1的軸對稱分布?；钊共?和9中的每一個在幾乎其整體中具有厚度相對 小的基本弧形的橫截面。在膨脹行程期間活塞1向下移動至下止點(BDC)時，由于活塞1 和連桿6之間的角度位置關(guān)系，由于活塞1和連桿6之間的角度關(guān)系，推力側(cè)活塞裙部8適 于向汽缸壁3的推力側(cè)傾斜并且在壓力下與該推力側(cè)接觸。在另一方面，在壓縮行程期間 活塞1向上移動至上止點(TDC)時，反推力側(cè)活塞裙部9適于向汽缸壁3的反推力側(cè)傾斜 并且在壓力下與該反推力側(cè)接觸。因為在燃燒壓力影響下推力側(cè)活塞裙部8與汽缸壁3滑 動接觸，汽缸壁3上的推力側(cè)活塞裙部8的接觸壓力載荷大于汽缸壁3上的反推力側(cè)活塞 裙部8的接觸壓力載荷?；钊麚醢宀?1和12通過連接零件10分別連接到活塞裙部8和 9的周向相對側(cè)。如圖1和2所示，活塞1還具有施加到活塞基材la，特別是在發(fā)動機裙部8和9的 外周表面上的潤滑涂覆組合物20的膜。如圖4A1和4B2所示，所述涂覆組合物20具有形 成在活塞基材la表面上的內(nèi)(下)涂層22和形成在內(nèi)涂層22的與面向活塞基材la的表 面相對的表面上的外(上)涂層21，用以抵靠汽缸壁3滑動。外涂層21和內(nèi)涂層22各自含有聚酰胺-酰亞胺樹脂(PAI)、聚酰亞胺樹脂(PI) 和環(huán)氧樹脂(EP)中的至少一種作為粘合劑，其顯示出高的耐熱性、高的抗磨損性和對活塞 基材la的良好附著性。外涂層21含有石墨(GF)和二硫化鉬(MoS2)中的至少一種或兩種 作為固體潤滑劑，而內(nèi)涂層22優(yōu)選(但并非必須)含有石墨(GF)和二硫化鉬(MoS2)中的 至少一種或兩種作為固體潤滑劑。在本實施方案中，外涂層21的材料比內(nèi)涂層22的材料 更易受到磨損。在初始狀態(tài)中(使用之前)，如圖4A1所示，活塞1顯示出具有條痕的表面粗糙性。在活塞1”如圖4C1所示未經(jīng)表面處理(即沒有向活塞基材la施加涂覆組合物) 的情形中，活塞1”的滑動表面(活塞基材la的表面)將因活塞基材la的相對高的抗磨損 性而不大可能變得磨損和平滑。如圖4C2所示，在抵靠汽缸壁3滑動期間，活塞1”的表面 粗糙度(條痕高度)僅從a0稍微降低到al。未處理的活塞1”不可獲得低摩擦系數(shù)。相比之下，在本實施方案中，活塞1如圖4A1所示用雙層涂覆組合物20進行了表 面處理。雙層涂覆組合物20比活塞基材la更易受到磨損。特別地，外涂層21的材料比內(nèi) 涂層22的材料更易受到磨損。在抵靠汽缸壁3滑動期間，活塞1的滑動表面因涂覆組合物 20(特別是外涂層21)的磨損而變得平滑。如圖4A2所示，活塞1的表面粗糙度(條痕高 度)從初始水平cO顯著降低到較低水平cl (al > cl)。因此可將活塞1的摩擦系數(shù)降低到 比未處理活塞1”的摩擦系數(shù)低得多的值。在活塞1’如圖4B1所示用常規(guī)單層涂覆組合物23進行表面處理的情形中，活塞 1’的滑動表面在抵靠汽缸壁3滑動期間因涂覆組合物23的磨損而變得平滑。常規(guī)單層涂覆組合物23比活塞基材la更易受到磨損，但是不及雙層涂覆組合物20的外涂層21易于 受到磨損。常規(guī)表面處理的活塞1’的表面粗糙度(條痕高度)降低到比未處理的活塞1” 的表面粗糙度低的水平bl，但是不能夠降低到與圖4B2所示活塞1相同的水平(al >bl> cl)。這樣，通過施加雙層涂覆組合物20能夠比施加常規(guī)單層涂覆組合物23更為有效 地改善活塞1的低摩擦和磨損特性。更特別地，外涂層21含有5-50重量％的聚酰胺_酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂和環(huán) 氧樹脂中的至少一種作為粘合劑，和50-95重量％的石墨和二硫化鉬中的任一種或兩種作 為固體潤滑劑。圖3A顯示了關(guān)于外涂層21中石墨和/或二硫化鉬固體潤滑劑的含量和涂覆組合 物20的摩擦系數(shù)之間關(guān)系的試驗結(jié)果；且圖3B顯示了關(guān)于涂覆組合物20的表面粗糙度 (條痕高度)和摩擦系數(shù)之間關(guān)系的試驗結(jié)果。在圖3A和3B中，摩擦系數(shù)表示為與外涂層 不具有固體潤滑劑含量的參照樣品的摩擦系數(shù)之比。(見下述實施例)。如圖3B所示，涂覆組合物20的摩擦系數(shù)唯一定義為涂覆組合物20的條痕高度。 當該條痕高度小于或等于5 u m時，摩擦系數(shù)在最小值處保持基本恒定。因此希望在短時間 內(nèi)快速磨損涂覆組合物20 (特別是外涂層21)的表面，使得涂覆組合物20可獲得低的摩擦 系數(shù)。如圖3A所示，當外涂層21中的固體潤滑劑的含量為50重量％以上時可有效降低 涂覆組合物20的摩擦系數(shù)。特別地，如在圖3A中所看出，使用二硫化鉬作為固體潤滑劑比 石墨和聚四氟乙烯更為有效地降低摩擦系數(shù)。然而，如果外涂層21中的粘合劑樹脂的含量 小于5重量％ (即外涂層21中的固體潤滑劑的含量超過95重量％ )，則外涂層21對內(nèi)涂 層22的附著性隨著粘合劑樹脂的粘合力的降低而降低。如果如前文公開的日本特開專利 公開No. 2008-056750的雙層涂覆組合物的情形，外涂層21中的粘合劑樹脂的含量超過50 重量％ (即外涂層21中的固體潤滑劑的含量小于50重量％ )，則不能有效地促進外涂層1 的磨損從而使涂覆組合物20的初始適應性受到降低。前文公開的雙層涂覆組合物的施加 導致的摩擦系數(shù)低于沒有表面處理時的摩擦系數(shù)，但不能夠達到與施加雙層涂覆組合物20 所致的摩擦系數(shù)相同的水平。因此將外涂層21中的石墨和/或二硫化鉬固體潤滑劑的含 量控制在50-95重量％，以便通過施加本實施方案的雙層涂覆組合物20比通過施加前文公 開的日本特開專利公開No. 2008-056750的雙層涂覆組合物更為有效地改善活塞1的低摩 擦和磨損特性，從而使涂覆組合物20可獲得良好的初始適應性。在另一方面，內(nèi)涂層22含有50-100重量％的聚酰胺-酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂 和環(huán)氧樹脂中的至少一種作為粘合劑，和0-50重量％的石墨和二硫化鉬中的至少一種作 為固體潤滑劑。圖5顯示了關(guān)于內(nèi)涂層22中石墨和/或二硫化鉬固體潤滑劑的含量和內(nèi)涂層22 對活塞基材la的附著強度之間關(guān)系的試驗結(jié)果。在圖3A和3B中，附著強度表示為與內(nèi)涂 層不具有固體潤滑劑含量的參照樣品的附著強度的比值。(見下述實施例)。如圖5所示，如果內(nèi)涂層22中的粘合劑樹脂的含量小于50重量％ (即內(nèi)涂層22 中的固體潤滑劑的含量超過50重量％ )，則內(nèi)涂層22對活塞基材la的附著性顯著降低。 因為內(nèi)涂層22具有確保對活塞基材la和對外涂層21的附著的作用，所以在內(nèi)涂層22中并非必須含有固體潤滑劑，但是優(yōu)選將其加入以在可確保內(nèi)涂層22對活塞基材la和對外 涂層21的附著的范圍內(nèi)改善涂覆膜特性。例如，通過石墨和二硫化鉬的協(xié)同作用可有利地 改善涂覆組合物20的抗咬合性。因此在本實施方案中，通過將內(nèi)涂層22和外涂層21的粘合劑樹脂含量和固體潤 滑劑含量控制在上面規(guī)定的范圍內(nèi)，能夠既確保涂覆組合物20對活塞基材la的良好附著 性，又改善涂覆組合物20與汽缸壁3的初始適應性?？砂慈缦滦纬赏扛步M合物20 (外涂層21和內(nèi)涂層22)。涂層21和22的材料各自通過如下制備將粘合劑樹脂與有機溶劑摻混，以及通過 使用珠磨機等將固體潤滑劑和任選的硬顆粒混合并分散在該樹脂溶液中。此時，粘合劑樹 脂、固體潤滑劑和硬顆粒的量基于涂層21、22的總重量(作為100重量％ )以重量百分數(shù) 計。如果需要，可以用有機溶劑將涂層21、22的材料稀釋成涂料。將如此獲得的內(nèi)涂層22 和外涂層21的材料相繼施涂到活塞基材la的外周表面(活塞裙部8和9)并然后通過焙 燒或干燥使其硬化，從而形成其中內(nèi)涂層22和外涂層21層合在活塞基材la上的涂覆組合 物20。對有機溶劑不存在特定限制?？墒褂萌魏斡袡C溶劑，只要其能夠?qū)⒄澈蟿渲?涂覆材料溶于其中。對焙燒溫度和時間也不存在特定限制?？勺们樵O定焙燒溫度和時間?？赏ㄟ^甚至 在200°C以下的溫度焙燒來形成涂覆組合物20，并且因此可將其合適地用于其中基材la為 鋁合金的活塞1。另外，可酌情設定涂覆組合物20的厚度。鑒于可加工性和成本，涂覆組合物20的 厚度優(yōu)選為約5-40 u m。例如，活塞1滿足t2彡a-5 ( y m)且tl彡2 ( y m)的尺寸條件，其 中tl是內(nèi)涂層22的厚度；t2是外涂層21的厚度；a是在涂覆組合物20磨損之前初始狀態(tài) 中的條痕高度。下面是用于形成涂覆組合物20的特定表面處理技術(shù)。[表面處理技術(shù)1]首先，通過預處理例如溶劑除油污或堿除油污從活塞基材la的表面除去污物和 油。接著，通過任何已知的方法例如空氣噴涂或絲網(wǎng)印制在活塞基材la的表面上形成內(nèi) 涂層22。隨后通過任何已知的方法在內(nèi)涂層22的表面上形成外涂層21。將涂層22和21 進行干燥以從其除去有機溶劑，并然后在預定條件下(例如在180°C下持續(xù)30分鐘或者在 200°C下持續(xù)20分鐘)于爐中同時進行焙燒。就此完成了涂覆組合物20。[表面處理技術(shù)2]首先，通過預處理例如溶劑除油污或堿除油污從活塞基材la的表面除去污物和 油。接著，通過任何已知的方法例如空氣噴涂或絲網(wǎng)印制在活塞基材la的表面上形成內(nèi) 涂層22。然后在預定條件下(例如在180°C下持續(xù)30分鐘或者在20(TC下持續(xù)20分鐘) 于爐中焙燒內(nèi)涂層22。將具有內(nèi)涂層22的活塞基材la從爐中取出。在活塞基材la達到 50-120°C的溫度時，通過任何已知的方法在內(nèi)涂層22的表面上形成外涂層21。干燥該外涂 層21而不焙燒。就此完成了涂覆組合物20。如果需要，可以選擇焙燒外涂層21。涂覆組合物20的使用不限于內(nèi)燃機的活塞1。涂覆組合物20適用于滑動部件在 油潤滑條件下和在干式潤滑條件下的許多用途。雖然在上述實施方案中使用鋁合金作為活塞基材la，但是鑒于涂覆組合物20的粘合劑樹脂(聚酰胺_酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂、環(huán) 氧樹脂)對活塞基材la具有良好附著性的事實，可使用任何其它基材例如鑄鐵、鋼或銅合 金替代鋁合金。特別地，涂覆組合物20適合應用于內(nèi)燃機的活塞1，尤其是上述活塞1的推 力側(cè)的裙部8和反推力側(cè)的裙部9。將通過參考下面實施例更為詳細地描述本發(fā)明。然而應注意，下面實施例僅僅是 說明性的并且不意欲將本發(fā)明限制于此。[樣品No. 1-21]通過使用聚酰胺-酰亞胺樹脂(PAI)作為粘合劑以及石墨(GF)、二硫化鉬(MoS2) 或聚四氟乙烯(PTFE)作為固體潤滑劑制備了外涂層材料。該外涂層材料的固體潤滑劑含 量為0-95重量％。通過使用聚酰胺-酰亞胺樹脂(PAI)作為粘合劑和石墨(GF)作為固體 潤滑劑制備了內(nèi)涂層材料。將內(nèi)涂層材料的固體潤滑劑含量設定為33重量％。將制備的 內(nèi)涂層材料和外涂層材料各自加入到有機溶劑中并通過珠磨30分鐘將其分散在該有機溶 劑中，從而獲得內(nèi)涂層涂料材料和外涂層涂料材料。另外，制備了鋁合金AC8A(JIS H 5202)的試驗工件作為基材。通過下面的表面處理按圖4A1中所示用雙層涂覆組合物膜涂覆樣品No. 1-20的試 驗工件。首先將內(nèi)涂層涂料材料施加到試驗工件的表面以形成厚度為3-6 ym的內(nèi)涂層。在 爐中將該內(nèi)涂層在190°C下焙燒30分鐘。之后，將外涂層涂料材料施加到所述內(nèi)涂層的表 面以形成厚度為5-11 y m的外涂層。將該外涂層空氣干燥而不焙燒。樣品No. 21的試驗工 件如圖4C1中所示按原狀使用，沒有表面處理。每個試驗工件具有表面粗糙度(條痕高度) 為lOiim的表面輪廓，如圖4A1和4C1所示。通過摩擦-磨損試驗測量樣品No. 1-21的試驗工件的摩擦系數(shù)。在本文中，使用 環(huán)片(chip-on-ring)型摩擦和磨損試驗機在下面條件下進行摩擦-磨損試驗。[試驗條件]滑動速率2m/秒相對元件FC250(JISG 5501)滑動距離600m表面壓力l.3MPa潤滑(機油滴加速率)5mg/min在摩擦-磨損試驗后還評價試驗工件的表面粗糙度(條痕高度)。在表1以及圖3A和3B中顯示了涂覆組合物的粘合劑樹脂含量和固體潤滑劑含量 以及試驗/評價結(jié)果。在表1以及圖3A和3B中，摩擦系數(shù)表示為與樣品No. 1 (其中外涂 層的固體潤滑劑含量為0重量％)的摩擦系數(shù)之比。樣品No. 21的未處理試驗工件的條痕高度在摩擦_磨損試驗期間從10 ii m降低到 9i!m(g卩，摩擦-磨損試驗期間未處理的試驗工件的磨損量僅為lym)。樣品No.21的未處 理試驗工件具有非常高的摩擦系數(shù)值，即162%。在另一方面，樣品No. 4-7和10-13的表面處理試驗工件(其中外涂層含有50_95 重量％的石墨或二硫化鉬作為固體潤滑劑)比樣品No. 21的未處理試驗工件受到更大磨 損。在摩擦_磨損試驗后樣品No. 4-7和10-13的表面處理試驗工件的條痕高度比樣品 No. 21的未處理試驗工件的條痕高度小。樣品No. 4-7和10-13的表面處理試驗工件的摩
8擦系數(shù)比樣品No.21的未處理試驗工件的摩擦系數(shù)低。例如，在摩擦_磨損試驗期間，樣品 No. 6的試驗工件被磨損7 u m從而使該試驗工件的條痕高度從10 y m降低到3 u m,并且因 此具有低得多的摩擦系數(shù)值，即60%。在摩擦-磨損試驗期間，樣品No. 2、3、8和9的表面處理試驗工件(其中外涂層含 有小于50重量％的石墨或二硫化鉬作為固體潤滑劑)比樣品No. 21的未處理試驗工件受 到更大磨損。在摩擦_磨損試驗期間，樣品No. 14-20的表面處理試驗工件(其中外涂層含 有聚四氟乙烯作為固體潤滑劑)也比樣品No. 21的未處理試驗工件受到更大磨損。然而，樣品No. 2、3、8和9和14_20的表面處理試驗工件的磨損量小于樣品No. 4-7 和10-13的表面處理試驗工件的磨損量。樣品No. 2、3、8、9和14-20的表面處理試驗工件 的條痕高度比樣品No. 21的未處理試驗工件的條痕高度小，但比樣品No. 4-7和10-13的表 面處理試驗工件的條痕高度大。樣品No. 2、3、8、9和14-20的表面處理試驗工件的摩擦系 數(shù)沒有降低到與樣品No. 4-7和10-13的表面處理試驗工件相同的水平。通過上述實驗證實，通過將外涂層21中的石墨和/或二硫化鉬固體潤滑劑的含量 控制在50-95重量％范圍內(nèi)可有效地改善雙層潤滑涂覆組合物20的低摩擦和磨損特性例 如初始適應性。 [樣品 No. 22-59]通過使用聚酰胺-酰亞胺樹脂(PAI)作為粘合劑以及石墨(GF)、二硫化鉬(MoS2)或聚四氟乙烯(PTFE)作為固體潤滑劑制備了內(nèi)涂層材料。內(nèi)涂層材料的固體潤滑劑含量 為0-95重量％。通過使用聚酰胺-酰亞胺樹脂(PAI)作為粘合劑以及二硫化鉬(MoS2)作 為固體潤滑劑制備了外涂層材料。內(nèi)涂層材料的固體潤滑劑含量設定為95重量％。按與樣品No. 1-20的那些試驗工件相同的方式對樣品No. 22-40的試驗工件進行 表面處理，不同之處在于使用所制得的內(nèi)涂層材料在試驗工件上僅形成內(nèi)涂層(即樣品 No. 22-40的試驗工件涂覆有單層涂覆組合物膜)。另外，使用所制得的內(nèi)涂層材料和外涂 層材料按與樣品No. 1-20的那些試驗工件相同的方式對樣品No. 41-59的試驗工件進行表 面處理。
就涂覆組合物膜對基材的附著強度對樣品No. 22-59的試驗工件中的每一個進行試驗。在表2和圖5中顯示了涂覆組合物的粘合劑樹脂含量和固體潤滑劑含量以及試 驗/評價結(jié)果。在表2和圖5中，附著強度表示為與樣品No. 22或41的附著強度(即 AC8A-T6(JIS H 5202)的鋁合金基材和PAI粘合劑樹脂之間的附著強度)之比。樣品No. 22-25、29-31、35-37、41-44、48-50 和 54-56 的試驗樣品(其中內(nèi)涂層中 的固體潤滑劑的含量為0-50重量％)在基材和涂覆組合物膜之間具有良好的附著性。特 別地，樣品No. 22-25、29-31、41-44和48-50的試驗樣品(其中使用石墨或二硫化鉬作為內(nèi) 涂層的固體潤滑劑)與樣品No. 35-37和54-56的試驗樣品(其中使用聚四氟乙烯作為內(nèi) 涂層的固體潤滑劑)的那些相比相對高。在另一方面，樣品No. 26-28、32-34、38-40、45-47、51-53、57-59 的試驗樣品(其中 內(nèi)涂層中的固體潤滑劑含量超過50重量％ )在基材和涂覆組合物膜之間具有差的附著性， 且不適合于實際應用。通過上述實驗證實，通過將內(nèi)涂層22中的石墨和/或二硫化鉬固體潤滑劑的含量 控制在0-50重量％范圍內(nèi)可有效地確保雙層潤滑涂覆組合物20對基材Ia的良好附著性。
如上所述，本實施方案的涂覆組合物20能夠兼具有對活塞基材Ia的良好附著性 以及改善的低摩擦和磨損特性例如與汽缸壁3的初始適應性。
日本專利申請No. 2009-063764(2009年3月17日提交)的全部內(nèi)容通過引用并 入本文。雖然參考了本發(fā)明的上述特定實施方案描述了本發(fā)明，但本發(fā)明不限于這些示例性實施方案。本領(lǐng)域技術(shù)人員按照上述教導可得到上述實施方案的各種修改和變化。例如， 任何其它固體潤滑劑如聚四氟乙烯(PTFE)可與石墨和/或二硫化鉬組合使用。本發(fā)明的 范圍根據(jù)下列權(quán)利要求加以限定。
權(quán)利要求
一種內(nèi)燃機活塞，該內(nèi)燃機活塞包含活塞基材；和潤滑涂覆組合物的膜，其具有形成在活塞基材表面上的內(nèi)涂層和形成在與面向活塞基材的表面相對的內(nèi)涂層表面上的外涂層，所述內(nèi)涂層含有聚酰胺-酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂和環(huán)氧樹脂中的至少一種作為粘合劑，以及基于內(nèi)涂層總重量計0-50重量％或更少的石墨和二硫化鉬中的至少一種作為固體潤滑劑，所述外涂層含有聚酰胺-酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂和環(huán)氧樹脂中的至少一種作為粘合劑，以及基于外涂層總重量計50-95重量％的石墨和二硫化鉬中的至少一種作為固體潤滑劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的內(nèi)燃機活塞，其中所述潤滑涂覆組合物的膜施加在活塞裙部的外 周表面。
3.一種內(nèi)燃機活塞，該活塞包含活塞基材；和潤滑涂覆組合物的膜，其具有形成在活塞基材表面上的內(nèi)涂層和形成在與面向活塞基 材的表面相對的內(nèi)涂層表面上的外涂層，其中所述外涂層的材料比所述內(nèi)涂層的材料更易受到磨損。
4.一種活塞表面處理方法，該方法包括提供活塞基材；在活塞基材表面上形成內(nèi)涂層，該內(nèi)涂層含有聚酰胺-酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂和 環(huán)氧樹脂中的至少一種作為粘合劑，以及石墨和二硫化鉬中的至少一種作為固體潤滑劑； 禾口在與面向活塞基材的表面相對的內(nèi)涂層表面上形成外涂層，該外涂層含有聚酰胺-酰 亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂和環(huán)氧樹脂中的至少一種作為粘合劑，以及石墨和二硫化鉬中的 至少一種作為固體潤滑劑，所述內(nèi)涂層的形成包括將內(nèi)涂層中的固體潤滑劑含量控制在基于內(nèi)涂層的總重量計 為0-50重量％，所述外涂層的形成包括將外涂層中的固體潤滑劑含量控制在基于外涂層的總重量計 為50-95重量％。
全文摘要
本發(fā)明涉及內(nèi)燃機活塞和活塞表面處理方法。所述內(nèi)燃機活塞包括活塞基材和潤滑涂覆組合物的膜。所述涂覆組合物具有形成在活塞基材表面上的內(nèi)涂層和形成在該內(nèi)涂層表面上的外涂層。內(nèi)涂層和外涂層各自含有聚酰胺-酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂和環(huán)氧樹脂中的至少一種作為粘合劑。所述內(nèi)涂層含有0-50重量％的石墨和二硫化鉬中的至少一種作為固體潤滑劑，而所述外涂層含有50-95重量％的石墨和二硫化鉬中的至少一種作為固體潤滑劑。
文檔編號C10M103/02GK101839188SQ201010143459
公開日2010年9月22日 申請日期2010年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月17日
發(fā)明者佐佐木正登 申請人:日立汽車系統(tǒng)株式會社