专利名称：低摩擦涂覆系统及方法
技术领域：
本发明大体上涉及一种低摩擦涂覆系统以及一种在金属基底上形成低摩擦涂覆 的方法。
背景技术：
车辆系统通常包括可旋转部件。例如，车辆转向系统可包括相对于等速(CV)万 向节可旋转的车轮轴承，和/或相对于车轮可旋转的转子(rotor)。这种部件可通过垫圈例 如扭矩垫圈连接以在两个部件之间分配载荷和/或阻止一个部件自由旋转。所述部件相对于彼此的旋转产生了摩擦和热，因此也可能产生听觉噪音，和/或 在所述部件的配合表面上引起磨损和侵蚀。
发明内容
一种在金属基底上形成低摩擦涂覆的方法，该方法包括铁素体氮碳共渗金属基底 以形成金属基底的表面，其中该表面包括复合区和设置在复合区下方的扩散区。在铁素体 氮碳共渗之后，该方法包括氧化复合区以形成限定多个孔的多孔部，以及，在氧化之后，采 用聚四氟乙烯对多孔部涂覆。另外，该方法包括固化聚四氟乙烯以从而形成低摩擦涂覆。一种低摩擦涂覆系统，包括金属基底，金属基底具有包括复合区和设置在所述复 合区下方的扩散区的表面，其中所述复合区包括限定多个孔的多孔部。该低摩擦涂覆系统 还包括固化膜，由充足地设置在所述多孔部上的聚四氟乙烯形成以至少部分地填充所述多 个孔中的至少一个。在一个变型中，该低摩擦涂覆系统构造为在部件旋转期间最小化来自摩擦的听觉 噪音。该低摩擦涂覆系统包括第一部件和第二部件。第二部件设置成与第一部件接触并能 够相对于第一部件旋转。低摩擦涂覆系统还包括扭矩垫圈，扭矩垫圈设置成与第一部件和 第二部件中的每一个接触。扭矩垫圈具有表面，该表面包括复合区和设置在所述复合区下 方的扩散区，其中所述复合区包括限定该多个孔的多孔部。低摩擦涂覆系统还包括固化膜， 固化膜由充足地设置在所述多孔部上的聚四氟乙烯形成以至少部分地填充该多个孔中的 至少一个。扭矩垫圈在第二部件相对于第一部件旋转期间最小化了来自摩擦的听觉噪音。该方法和系统在部件旋转期间最小化了两个部件之间的听觉噪音。特别是，该方 法和系统最小化了可旋转部件之间的粘滑状态。另外，低摩擦系统的扭矩垫圈显示了低摩 擦系数、极佳的强度、刚度和耐蚀性、耐磨性以及耐热性。另外，扭矩垫圈在部件旋转期间保 持了部件之间的极佳夹紧力，同时显示了极佳的耐磨性和低摩擦系数。而且，该方法和系统 有成本效益。联系附图时，从上述对实施本发明的最佳模式的详细描述很容易看出本发明的特 征和优点以及其他特征和优点。本发明还提供了以下方案
1. 一种在金属基底上形成低摩擦涂覆的方法，所述方法包括铁素体氮碳共渗金属基底以形成金属基底的表面，所述表面包括复合区和设置在所述 复合区下方的扩散区；
在铁素体氮碳共渗之后，氧化所述复合区以形成限定多个孔的多孔部； 在氧化之后，采用聚四氟乙烯对所述多孔部进行涂覆；以及 在涂覆之后，固化聚四氟乙烯从而形成低摩擦涂覆。2.根据方案1所述的方法，其中氧化将所述复合区暴露于氧以形成多孔部。3.根据方案2所述的方法，其中所述多孔部与所述扩散区间隔并具有所述复合 区厚度的大约10%至大约50%的厚度。4.根据方案2所述的方法，其中氧化将所述复合区在大约425°C至大约430°C的 温度下暴露于氧化盐浴大约10分钟至大约30分钟以形成所述多孔部。5.根据方案4所述的方法，其中对于100份重量的氧化盐浴，氧化盐浴包括从大 约2份重量至大约20份重量的硝酸根离子。6.根据方案4所述的方法，其中对于100份重量的氧化盐浴，氧化盐浴包括从大 约25份重量至大约40份重量的碳酸盐离子。7.根据方案4所述的方法，其中对于100份重量的氧化盐浴，氧化盐浴包括从大 约40至大约73份重量的氢氧化物离子。8.根据方案1所述的方法，其中采用聚四氟乙烯的涂覆至少部分地填充了所述 多个孔中的至少一个。9.根据方案1所述的方法，其中铁素体氮碳共渗将氮和碳扩散进金属基底。10.根据方案9所述的方法，其中铁素体氮碳共渗将金属基底在大约550°C至大 约590°C的温度下暴露于含氮气体和含碳气体。11.根据方案9所述的方法，其中铁素体氮碳共渗将金属基底在大约550°C至大 约590°C的温度下暴露于含氮和含碳盐浴。12.根据方案1所述的方法，还包括在铁素体氮碳共渗之前为金属基底除锈。13.根据方案1所述的方法，还包括在氧化之后以及涂覆之前冷却金属基底。14.根据方案1所述的方法，还包括在氧化之后和涂覆之前预处理金属基底。15. 一种低摩擦涂覆系统，包括
金属基底，其具有表面，所述表面包括复合区和设置在所述复合区下方的扩散区，其中 所述复合区包括限定多个孔的多孔部；以及
固化膜，其由充足地设置在所述多孔部上的聚四氟乙烯形成以至少部分地填充所述多 个孔中的至少一个。16.根据方案15所述的低摩擦涂覆系统，其中所述多孔部与所述扩散区间隔，并 具有所述复合区的厚度的大约10%至大约50%的厚度。17.根据方案15所述的低摩擦涂覆系统，其中所述金属基底是含铁的。18.根据方案15所述的低摩擦涂覆系统，其中所述金属基底构造为扭矩垫圈。19. 一种构造为在部件旋转期间最小化来自摩擦的听觉噪音的低摩擦涂覆系统， 所述低摩擦涂覆系统包括
第一部件；
第二部件，其设置成与所述第一部件接触并能够相对于所述第一部件旋转；扭矩垫圈，其设置成与所述第一部件和所述第二部件中的每一个接触并具有表面，所 述表面包括复合区和设置在所述复合区下方的扩散区，其中所述复合区包括限定多个孔的 多孔部；以及
固化膜，其由充足地设置在所述多孔部上的聚四氟乙烯形成以至少部分地填充所述多 个孔中的至少一个；
其中所述扭矩垫圈在所述第二部件相对于所述第一部件旋转期间最小化了来自摩擦 的听觉噪音。20.根据方案19所述的低摩擦涂覆系统，其中当设置成与所述第一部件接触时， 扭矩垫圈具有大约0. 09的摩擦系数。
图1是包括金属基底的低摩擦涂覆系统的示意性平面图，其中金属基底构造为扭 矩垫圈；
图IA是图1的低摩擦涂覆系统沿着切割线IA的放大的示意性横截面视图，包括具有 复合区和设置在复合区下方的扩散区的表面，其中复合区包括限定多个孔的多孔部；以及
图2是图1的低摩擦涂覆系统的另一个变型的示意性横截面视图，包括设置成与车辆 的每个车轮轴承和等速万向节接触的扭矩垫圈。
具体实施例方式参照附图，其中相似的附图标记指相似的元件，这里公开了一种在金属基底上形 成低摩擦涂覆的方法。该方法可用于形成低摩擦涂覆系统，在图1中总体上以10示出。如 下文更详细阐述的，该方法和低摩擦涂覆系统10可最小化旋转部件之间的摩擦和听觉噪 音。同样，该方法和低摩擦涂覆系统10可用于汽车应用，诸如用于转向和传动系。但是，该 方法和低摩擦涂覆系统10也可用于非汽车应用，诸如但不限于旋转式泵和涡轮。参照图1，低摩擦涂覆系统10包括金属基底12。金属基底12可以是含铁的，并可 能是例如碳钢、合金钢、不锈钢、工具钢、铸铁以及它们的组合。在一种变型中，金属基底12 可构造为扭矩垫圈。扭矩垫圈12可通过任何适当的方法诸如但不限于铸造、机械加工、热 轧钢板、冷轧钢板、冷轧棒料、冷冲压、热成形、压制成形、螺杆机械加工等形成。得到的扭矩 垫圈12可具有任何适当的形状并可包括一个或多个突舌14，适于抵靠第一部件16 (图2) 保持扭矩垫圈12，如下文更详细阐述的。例如，突舌14可抵靠第一部件16 (图2)接合扭 矩垫圈12以最小化移位。参照图1A，金属基底12具有总体以S示出的表面，可具有从大约3微米至大约25 微米的厚度ts，例如，从大约10微米至大约20微米的厚度。再次参照图1，应该理解表面S 总体上指金属基底12的外部的外边界。因此，扭矩垫圈12可具有例如至少一个顶部表面 和底部表面S。再次参照图1A，表面S包括复合区18，S卩，白色层。复合区18是表面S的外部，通 常为金属基底12提供极佳的耐磨性和耐蚀性。特别是，复合区18可包括ε碳氮化物相 (epsilon carbonitride phase)，例如，Fe3N, γ，氮化物(gamma prime nitride) Fe4N,碳 化铁!^e3C以及合金碳化物和氮化物。复合区18可通过铁素体氮碳共渗形成，如在下文更详细阐述的。参照图1A，表面S还包括设置在复合区18下方的扩散区20。即，扩散区20设置 在复合区18之下，并且与复合区18相比更接近金属基底12的中心核。扩散区20总体上 为金属基底12提供了极佳的疲劳强度，并且也可以通过铁素体氮碳共渗形成，如下文更详 细阐述的。参照图1A，复合区18包括限定多个孔M的多孔部22。多孔部22可与扩散区20 间隔开。即，多孔部22可设置在复合区的最外面区域，即最远离金属基底12的中心核，并 为附加涂覆层提供受体区域。即，该多个孔M提供可用附加涂覆层填充的孔穴。每个孔M 都可具有任何尺寸和/或形状，并可以具有与其他孔M相同或不同的尺寸和/或形状。多 孔部22可具有复合区18厚度t。的大约10%至大约50%的厚度tp。多孔部22可通过氧化 复合区18形成，如在下文更详细阐述的。再次参照图1A，低摩擦涂覆系统10还包括由聚四氟乙烯形成的固化膜沈，固化膜 基本上设置在多孔部22上以至少部分地填充该多个孔M中的至少一个。即，沿着金属基 底12的表面S的外边缘的多孔部22的一个或多个孔M可为由聚四氟乙烯形成的固化膜 26起受体部位的作用。因此，多孔部22从而促进固化膜沈至复合区18的粘附。由聚四氟 乙烯形成的固化膜26可具有从大约15微米至大约20微米，例如大约15微米的干膜厚度 tptfe。多孔部22的存在为复合区18和固化聚四氟乙烯膜沈之间提供了极佳的粘附。并且， 因此，由聚四氟乙烯形成的固化膜沈为低摩擦涂覆系统10的金属基底12提供了极佳滑 爽。适当的聚四氟乙烯可从宾夕法尼亚州，商标为Xylan 1014的Elverson，Pennsylvania 的Whitford公司商业购得。现在参照图2，在一个变型中，低摩擦涂覆系统10构造成最小化在部件旋转期间 来自摩擦的听觉噪音。在这个变型中，低摩擦涂覆系统10包括第一部件16和设置成与第 一部件16接触并相对于第一部件16可旋转的第二部件28。例如，对于汽车应用，第一部件 16可为包括花键半轴30的等速(CV)万向节，以及第二部件观可为构造成相对于CV万向 节旋转的车轮轴承。即，如图2所示，车轮轴承可为包括壳体、滚子轴承、套筒和/或用于引 起夹紧力的螺栓的组合的组件。车轮轴承可通过花键半轴30连接至CV万向节。同样地， 尽管未示出，第一部件16可为转子，第二部件观可为构造用于相对于转子旋转的车轮。再次参照图2，在该变型中，低摩擦涂覆系统10还包括扭矩垫圈12，扭矩垫圈设置 成与第一部件16和第二部件28中的每一个接触。即，扭矩垫圈12可设置在CV万向节即 第一部件16和车轮轴承即第二部件之间的界面32上。如上文所阐述的，并参照图1A，扭矩 垫圈12具有包括复合区18和设置在复合区18下方的扩散区20的表面S。并且，复合区包 括限定多个孔对的多孔部22。当设置成与第一部件接触时，扭矩垫圈12可具有大约0. 09的摩擦系数。因此，由 于低摩擦涂覆，即固化膜沈(图1A)由设置在复合区18 (图1A)的多孔部22 (图1A)上的 聚四氟乙烯形成，所以扭矩垫圈12相对于第一部件16显示了极佳的滑爽。因此，在第二部 件观相对于第一部件16的旋转期间，扭矩垫圈12最小化了摩擦产生的听觉噪音。因为在 车辆运动时，车轮轴承和CV万向节能够旋转，所以部件16、观之间的摩擦会产生粘滑状态， 即，摩擦能量引起旋转部件16J8首先粘着，随后滑动的状态。粘滑状态会产生由此引起的 听觉噪音，例如咯嚓声。包括固化膜26的扭矩垫圈12最小化了咯嚓音，其中固化膜由设置在多孔部22上的聚四氟乙烯形成。另外，低摩擦涂覆系统10的扭矩垫圈12保持第一部件16和第二部件28之间在 旋转时的极佳的夹紧力，同时显示了极佳的耐磨性，如通过扩散区20提供的，以及低摩擦 系数，如固化膜26提供的，其中固化膜由设置在复合区18的多孔部22上的聚四氟乙烯形 成。即，扭矩垫圈12的极佳的耐磨性和低摩擦系数最小化了旋转部件16、28的表面上的微 动磨损。由于表面磨损时夹紧力会变糟，因此扭矩垫圈16为万向节提供了极佳的夹紧力。 极佳的夹紧力对于包括车轮轴承和CV万向节的应用特别重要，因为连贯的夹紧力保持极 佳的车辆轴承性能，例如密封性和刚度。大体上参照图1和图IA来描述在金属基底12上形成低摩擦涂覆的方法。该方法 包括铁素体氮碳共渗金属基底12以形成金属基底12的表面S，其中表面S包括复合区18 和设置在复合区18下方的扩散区20，如上文所阐述的。铁素体渗碳将氮和碳扩散到金属 基底12中。即，铁素体氮碳共渗是热化学扩散过程，其将氮和碳引入金属基底12以形成复 合区18和扩散区20。更特别地，如下文更详细阐述的，铁素体氮碳共渗捕获在金属基底12 的间隙晶格空间(未示出)中扩散的氮和碳原子。可通过适当的方法，例如固态、液态和/或气态铁素体氮碳共渗而对金属基底12 铁素体氮碳共渗。铁素体氮碳共渗产生了表面S，其可被称为表面硬化的表面S，包括复合 区18和扩散区20。更特别地，气态铁素体氮碳共渗可将金属基底12在从大约550°C至大约590°C的 温度下，暴露于含氮气体例如氨和含碳气体例如碳氢化合物诸如甲烷或丙烷中。例如，金属 基底12可在大约570°C的温度下暴露于包括氨、甲烷和氧的混合气体中。暴露于混合气体 会引起裂解氨气在金属基底12的表面S离解并根据下面的反应与碳氢化合物气体反应。特别是，氨根据反应(1)在金属基底12的表面S上离解。NH3 — N + 3/2 H2(1) 并且根据水-气反应(2)产生了二氧化碳。CO2 + H2 H2 + CO(2)
此外，当金属基底12暴露于包括氨和吸热型气体混合物的气态大气时，其中热型气体 混合物包含一氧化碳，在大约为570°C下发生了显著的渗碳反应(3)。如在这里使用的，渗 碳指将碳扩散到金属基底12的表面S中。CO + H2 ^ C + H2O(3)
特别是，渗碳根据由公式(4)表示的关系发生。
权利要求
1.一种在金属基底上形成低摩擦涂覆的方法，所述方法包括铁素体氮碳共渗金属基底以形成金属基底的表面，所述表面包括复合区和设置在所述 复合区下方的扩散区；在铁素体氮碳共渗之后，氧化所述复合区以形成限定多个孔的多孔部；在氧化之后，采用聚四氟乙烯对所述多孔部进行涂覆；以及在涂覆之后，固化聚四氟乙烯从而形成低摩擦涂覆。
2.根据权利要求1所述的方法，其中氧化将所述复合区暴露于氧以形成多孔部。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述多孔部与所述扩散区间隔并具有所述复合区 厚度的大约10%至大约50%的厚度。
4.根据权利要求2所述的方法，其中氧化将所述复合区在大约425°C至大约430°C的温 度下暴露于氧化盐浴大约10分钟至大约30分钟以形成所述多孔部。
5.根据权利要求4所述的方法，其中对于100份重量的氧化盐浴，氧化盐浴包括从大约 2份重量至大约20份重量的硝酸根离子。
6.根据权利要求4所述的方法，其中对于100份重量的氧化盐浴，氧化盐浴包括从大约 25份重量至大约40份重量的碳酸盐离子。
7.根据权利要求4所述的方法，其中对于100份重量的氧化盐浴，氧化盐浴包括从大约 40至大约73份重量的氢氧化物离子。
8.根据权利要求1所述的方法，其中采用聚四氟乙烯的涂覆至少部分地填充了所述多 个孔中的至少一个。
9.一种低摩擦涂覆系统，包括金属基底，其具有表面，所述表面包括复合区和设置在所述复合区下方的扩散区，其中 所述复合区包括限定多个孔的多孔部；以及固化膜，其由充足地设置在所述多孔部上的聚四氟乙烯形成以至少部分地填充所述多 个孔中的至少一个。
10.一种构造为在部件旋转期间最小化来自摩擦的听觉噪音的低摩擦涂覆系统，所述 低摩擦涂覆系统包括第一部件；第二部件，其设置成与所述第一部件接触并能够相对于所述第一部件旋转；扭矩垫圈，其设置成与所述第一部件和所述第二部件中的每一个接触并具有表面，所 述表面包括复合区和设置在所述复合区下方的扩散区，其中所述复合区包括限定多个孔的 多孔部；以及固化膜，其由充足地设置在所述多孔部上的聚四氟乙烯形成以至少部分地填充所述多 个孔中的至少一个；其中所述扭矩垫圈在所述第二部件相对于所述第一部件旋转期间最小化了来自摩擦 的听觉噪音。
全文摘要
本发明涉及一种低摩擦涂覆系统及方法，具体地，提出了一种在金属基底上形成低摩擦涂覆的方法，包括铁素体氮碳共渗金属基底以形成该金属基底的表面，其中该表面包括复合区和设置在该复合区下方的扩散区。在铁素体氮碳共渗之后，该方法包括氧化该复合区以形成限定多个孔的多孔部，以及，在氧化后，用聚四氟乙烯对该多孔部涂覆。该方法还包括在涂覆后固化该聚四氟乙烯以从而形成低摩擦涂覆。一种低摩擦涂覆系统包括金属基底和固化膜，金属基底具有包括复合区和设置在所述复合区下方的扩散区的表面，其中所述复合区包括限定孔的多孔部，固化膜由聚四氟乙烯形成，固化膜充足地设置在多孔部上以至少部分地填充该多个孔中的至少一个。
文档编号B05D3/10GK102101106SQ20101059392
公开日2011年6月22日 申请日期2010年12月17日 优先权日2009年12月17日
发明者B·K·巴特尼克, C·S·贾沃罗维奇, D·N·里德, M·L·霍利, R·G·萨瑟林, S·S·萨克 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司