针对无衬套连杆的高磷化学镀镍(hpen)处理的制作方法
【专利摘要】一种用于处理无衬套连接杆(120)的方法，其中无衬套连接杆包括细长杆，细长杆具有被配置成与活塞(111)连接的销端以及被配置成与曲轴连接的曲柄端。销端包括具有内径的孔(200)。该方法包括清理销端孔，通过弹性分隔物来掩蔽和固定销端孔以及在销端孔的内径上提供高磷镍合金涂层。该方法可应用于原始装备或者经历改制过程的磨损的发动机。
【专利说明】针对无衬套连杆的高磷化学镀镍(HPEN)处理
【技术领域】
[0001]本公开涉及用于改善内燃机的部件的耐磨性的方法，更具体地，涉及用高磷化学镀镍处理无衬套连杆的方法。
【背景技术】
[0002]通过在发动机燃烧室内的一系列爆燃，内燃机将燃料中的化学能转换成机械能。这些爆燃致使发动机的活塞在被称为汽缸的封闭空间内往复运动。每个活塞通常通过连杆被连接至曲轴，使得活塞的移动导致曲轴的旋转。活塞一般包括主体，该主体具有冠部和从冠部下垂的裙部以定义活塞的主体的下半部。销孔形成于裙部中。销孔对应于连杆一端处的类似的孔。销被放置成穿过对应孔以将活塞附接至连杆。具有活塞销孔的连杆的端部通常被称为“销端”。被紧固至曲轴的连杆的另一端通常被称为“曲柄端”。
[0003]在发动机操作期间，当来自爆燃的力被机械地转移至曲轴时，每个连杆在对应的活塞的负荷下承受巨大的应力。通常，该应力在较高的发动机速度和发动机燃烧压力的情况下加大。在常规条件下，小端枢转点接收最大量的应力，因为其在从上止点到下止点的循环以及返回期间适应于促进连杆相对活塞销和活塞裙部的角度运动。高负荷、温度、气压以及位于该枢转点的惯性力的组合要求连杆的小端保持与强度、耐磨性、热应力以及润滑有关的提尚的特性。
[0004]为减少摩擦和促进顺畅的角度运动，通常在连杆的小端的孔和活塞销之间采用青铜合金或层压衬套。然而，衬套增加了该枢转点的重量并且在发动机的制造和组装中要求有额外的步骤，这两点通常是不合需要的。为了克服这些缺点，本领域中已研发出无衬套连杆。这些连杆通常被设计成铁对钢接触，具有油膜作为隔离介质。无衬套连杆因其制造的低初始成本而具有很大程度的吸引力。然而，油膜作为润滑油具有有限的效果，因此无衬套连杆在安装后的早期磨损并不少见。
[0005]此外，一旦发动机到达其原始寿命的尽头并且返回改制时，无衬套连杆通常因为成本问题大多不再进行抢修，而所述成本问题与在销孔的有限尺寸限制内的高质量表面重修相关联。在未获得预期成功的情况下已探索的可能的抢修方法包括金属沉淀和使用常规的衬套。金属沉淀并不能在目标孔的表面内进行高精度应用，反而在有限尺寸的孔内形成过多的材料堆积，而这些堆积必须通过另外的加工处理被移除，导致成本增加。类似地，常规衬套的安装因过多材料移除致使销端减弱而导致具有高的失败概率。
[0006]根据本公开的无衬套连杆的处理的方法解决了本领域所提及的上述和/或其它问题中的一个或多个问题。
【发明内容】
[0007]公开的无衬套连接杆包括细长杆，该细长杆具有被配置成与活塞连接的销端以及被配置成与曲轴连接的曲柄端。销端包括具有内径的孔。在销端孔的内径上提供高磷镍合金涂层。
[0008]公开用于改制磨损的无衬套连接杆的方法，其中每个磨损的无衬套连接杆包括细长杆，该细长杆具有被配置成与活塞连接的销端以及被配置成与曲轴连接的曲柄端。销端包括具有内径的孔。该方法包括清理销端孔，通过弹性分隔物来掩蔽和固定销端孔以及在销端孔的内径上提供高磷镍合金涂层。
[0009]公开用于处理多个无衬套连接杆的方法，其中每个无衬套连接杆包括细长杆，该细长杆具有被配置成与活塞连接的销端以及被配置成与曲轴连接的曲柄端。销端包括具有内径的孔。该方法包括清理每个无衬套连杆的销端孔，通过弹性分隔物来掩蔽和固定每个销端孔，堆叠多个无衬套连杆，使得销孔对齐并且在每个销端孔的内径上提供高磷镍合金涂层。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是根据本公开的方法的可被处理的发动机和无衬套连杆的剖面图。
[0011]图2是根据本公开的方法的可被处理的销端孔的示意图。
【具体实施方式】
[0012]图1示出发动机102。发动机102被描绘在图1中并且在本文中被描述为柴油内燃机。然而，可以设想发动机102可以采用任何其它类型的内燃机诸如，例如，汽油或气体燃料发动机。可以设想发动机102可包括任何数量的燃烧室并且燃烧室可被设置为“直线”构造、“V形”构造或任何其它常规构造。
[0013]发动机102可包括发动机组104，该发动机组至少部分地定义汽缸108和设置在汽缸108内的汽缸套110。燃烧室112可以形成于汽缸套110内，并且活塞111可被定位成在燃烧室112内往复运动。发动机组104可以还包括燃烧空气入口(未示出)、空气吹扫通道(未示出)以及可以与燃烧室112连通的排气出口(未示出)。活塞111可以包括将活塞111连接至杆组件118的活塞销116。
[0014]杆组件118可以包括细长的连杆120、顶盖122以及多个连杆螺栓123。连杆120可包括第一端部124和相对的第二端部125。第一端部124可以包括容纳轴承128的开口126。轴承128可具有的尺寸被设计成用于接收活塞销116。第二端部125可以包括具有半圆形轴承部分132和一对肩部133的托架130。顶盖122可还包括半圆形轴承部分134，该部分连同半圆形轴承部分132可以定义圆形开口 136，用于接收发动机102的曲轴(未示出)。圆形开口 136可还包括轴承138。轴承138可以是由可塑性材料例如铝制造的摩擦型轴承。然而，应当注意的是任何其它合适的材料均可替代地用于轴承138。顶盖122可以包括一对肩部140，该对肩部可被设置成大体与开口 136的相对侧上的肩部133平行。
[0015]图2是根据本公开的方法的可被处理的销端孔200的示意图。内径205是通过高磷化学镀镍溶液进行处理的表面。本公开的方法保护涂覆高磷化学镀镍材料的表面203。
[0016]本公开可涉及通过高磷化学镀镍而为发动机部件提供耐磨涂层的方法。在一个方面，本公开涉及通过高磷化学镀镍处理无衬套连杆的方法。具体地，本公开的方法涉及轻型无衬套连接杆的销孔的处理。本公开还涉及通过其销孔的新颖的预处理方法来延长连杆的第一设计寿命的方法。在另一个方面，本公开涉及抢修磨损的无衬套连杆的改进的方法，其中无衬套连杆经历不规则的销孔磨损或销孔冠部修整。
[0017]在一个方面，根据本公开的方法包括以下步骤，即清理待被处理的孔，以确保孔基本上不含油和其它污染物；通过精密粗镗将孔制备成预定内径和表面光洁度；使用弹性分隔物掩蔽目标孔并将其固定，以确保电镀过程并不影响非目标区域；通过高磷化学镀镍电镀孔；将电镀孔精密珩磨成原始打印内径和期望的表面光洁度；去毛边并且清理被处理的孔；过程中的检查和审计测定以确保被涂覆孔的质量和一致性；以及按要求在组装之前预润滑配偶件。
[0018]在许多示例性实施例中，本公开要求在处理之前清理目标孔的表面。清理可包括各种过程，并且所选的清理过程的持续时间和类型可以根据待被处理的无衬套连杆是原始部件还是使用的部件而改变。例如，目标孔的表面可以通过化学溶剂诸如丙酮而去油。另选的，目标孔可以通过包括碱性和/或酸性洗涤的电化过程进行清理。可以使用喷丸清理、去油、溶剂洗涤、电化学清理或任何其它合适的技术。
[0019]在许多示例性实施例中，通过准确的测量和精镗将目标孔制备为预定的直径、填充图案以及表面光洁度。在许多示例性实施例中，通过“弹性分隔物”固定和掩蔽目标孔。弹性分隔物是指耐化学腐蚀材料件，其按形状和大小形成以准确地覆盖在加工处理中将不被电镀的销孔区域。示例性形状是油炸圈饼样形状、盘样形状以及垫圈形状。可以使用对高磷化学镀镍溶液耐化学腐蚀的任何弹性材料。可以使用的弹性材料的非穷举式清单包括氯丁橡胶、橡胶、氟橡胶以及EPDM (三元乙丙橡胶)。
[0020]在许多示例性实施例中，本公开提供在同一时间同时电镀多于一个连杆的方法。在这些示例性实施例中，固定的和掩蔽的无衬套连杆垂直地堆叠，从而确保目标孔彼此对齐。该堆叠被夹紧为支持面。在某些实施例中，杆的堆叠被夹紧通过曲柄孔。在一个实施例中，六个无衬套连杆堆叠并且同时进行电镀。在另一个实施例中，九个无衬套连杆堆叠并且同时进行电镀。杆的数量以及它们以何种方式夹紧和电镀可以是不同的。
[0021]化学镀镍是化学还原过程，其取决于在不使用电能的情况下，水溶液(包含化学还原剂)内的镍离子的催化还原过程以及镍金属的后续沉淀。在化学镀镍过程中，由溶液中的化学还原剂提供镍金属离子还原及其沉积的驱动力。化学镀镍，即磷化学镀镍的最常见形式，产生磷镍合金涂层。化学镀镍涂层内的磷含量可以不同。本公开涉及使用高磷化学镀镍处理无衬套连杆。高磷化学镀镍提供抗高度腐蚀，从而使其适于高腐蚀性的酸性环境诸如石油钻探和煤矿开采。高磷化学镀镍中的典型的磷浓度大于10%。在某些实施例中，高磷化学镀镍溶液具有范围在约10%到约13%的磷浓度。可商购获得的高磷化学镀镍溶液可用于本公开的方法中。
[0022]在一个实施例中，一旦无衬套连杆堆叠时，期望的高磷化学镀镍溶液量便注入由对齐的目标孔所形成的井内。允许该溶液在足以实现约0.0001英寸至约0.0008英寸范围之间的涂层厚度的时间段内与孔反应并且电镀孔。更具体地，已发现约0.0001英寸至约0.0003英寸的最终涂层厚度是可取的。用于电镀的高磷化学镀镍溶液的量可取决于各种参数，包括待被处理的无衬套连杆的数量、表面条件、期望的涂层厚度以及溶液的具体应用和浓度。
[0023]在一个实施例中，根据本公开的处理方法还提供被处理孔的后处理。后处理步骤的非限制性示例包括精密珩磨电镀孔以实现被处理孔的期望的最终直径和表面光洁度、去毛边以及清理。
[0024]工业实用性
[0025]在一个方面，本公开涉及耐磨无衬套连杆，其具有表现出提供较高耐磨性的高磷镍合金涂层的销孔。根据本公开的方法的预处理新的无衬套连杆可减少磨损并且提供延长的第一设计寿命，而不添加与常规衬套相关联的成本和重量。磷成分保持润滑并且支持油膜保留，而镍成分在配以硬轴或销时提供耐用的基础。在一个实施例中，被处理的无衬套连杆为原始制造部件并且提供可以长于传统连杆的第一设计寿命。在另一个实施例中，被处理的无衬套连杆为由粉末金属制造的原始制造部件。
[0026]在另一个方面，本公开涉及改制或抢修无衬套连杆，从而提供高磷镍合金涂层。抢修无衬套连杆可提供扩展的耐磨性，通常等于或大于改制发动机所预期的耐磨性。公开过程的使用可允许在改制过程期间抢修磨损的连杆，而不是被认为是废弃零件。
[0027]因此，本公开涉及通过高磷化学镀镍处理原始装备并且修复磨损无衬套连杆的改善的方法。本公开的方法可涉及通过堆叠被掩蔽的连杆而同时电镀多个无衬套连杆，使得对齐的孔形成“反应室”，其中可添加高磷化学镀镍溶液用于电镀。因此，本公开的方法允许高磷电镀溶液的有效使用以及允许同时处理多个连杆的有效加工处理。
[0028]本说明书和实例应当仅被认为是示例性的，本公开的真实范围由随附的权利要求及其等效形式来指明。从说明书和本文公开的本发明的实践考虑，本发明的其它实施例对本领域技术人员而言将是显而易见的。本说明书和实例应当仅被认为是示例性的，本发明的真实范围和精神由随附的权利要求来指明。
【权利要求】
1.一种无衬套连杆(120)，其包括: 细长杆，其具有被配置成与活塞(111)连接的销端，以及被配置成与曲轴连接的曲柄端，其中所述销端包括具有内径的孔(200)，以及所述销端孔的内径上的高磷镍合金涂层。
2.根据权利要求1所述的无衬套连杆，其中所述高磷镍涂层包括量大于约10%的磷。
3.根据权利要求2所述的无衬套连杆，其中所述高磷镍涂层包括量范围从约10%到约13%的磷。
4.根据权利要求1所述的无衬套连杆，其中所述高磷镍涂层具有范围从约0.0001英寸到约0.0008英寸的厚度。
5.根据权利要求4所述的无衬套连杆，其中所述高磷镍涂层具有范围从约0.0001英寸到约0.0003英寸的厚度。
6.—种用于改制磨损的无衬套连杆(120)的方法，其中每个磨损的无衬套连杆包括细长杆，该细长杆具有被配置成与活塞(111)连接的销端以及被配置成与曲轴连接的曲柄端，其中所述销端包括具有内径的孔(200)，所述方法包括: 清理所述销端孔； 通过弹性分隔物来掩蔽和固定所述销端孔；以及 在所述销端孔的内径上提供高磷镍合金涂层。
7.根据权利要求6所述的方法，其中通过高磷化学镀镍提供所述高磷镍合金涂层。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述高磷镍涂层包括量大于约10%的磷。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述高磷镍涂层包括量范围从约10%到约13%的磷。
10.根据权利要求6所述的方法，其中所述高磷镍涂层具有范围从约0.0001英寸到约.0.0008英寸的厚度。
【文档编号】F16C5/00GK104487720SQ201380036641
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2013年7月11日 优先权日:2012年7月11日
【发明者】B·J·科斯基, G·D·卡斯特纳, M·A·怀特 申请人:卡特彼勒公司