准备金属表面的方法

关于联邦资助的研究或开发的声明

本发明是在美国能源部车辆技术办公室授予的合同号DE-EE0007754的政府支持下完成的。美国政府对本发明拥有某些权利。

技术领域

本发明涉及准备金属表面的方法。

背景技术

设备具有表面，例如金属表面，其可以用非金属材料涂覆以改善性能、提高耐久性、抵抗侵蚀和其它形式的劣化，并以其它方式增强设备在使用中的特性。

作为非限制性实例，内燃机的活塞可以由钢、铝、钼或其它材料的合金制造。活塞顶可以有利地涂覆有热障涂层，例如陶瓷材料，以与未涂覆活塞相比改善发动机燃烧，提高排气温度，和减少热损失。

热障涂层可以将发动机的缸内效率提高1-2%，并通过提高排气温度再提高2-4%，改善催化剂性能。

活塞的制造可包括锻造、机加工和其它步骤以实现所需尺寸与表面。产生缸内绝热的一种方法采用中空镍微球，烧结在一起以形成90-95%的多孔微球基质。在该微球内存在大约50%的孔隙率，另一半是球体之间的间隙。将这种微球基质涂层施加到铝或钢组件上，例如通过在大约850℃下直接烧结到钢活塞上。在烧结后，可以将钢活塞机加工至它们的最终形状，并通过施加防锈剂来防止氧化以便运输/储存。由此，可以在制造工艺过程中用防锈剂涂覆活塞顶以防止在发动机组装前发生劣化。但是，施加防锈油可能渗入活塞顶上的间隙表面，由此可能影响施加陶瓷材料时使用的水性前体的施加，这可能抑制陶瓷材料结合到活塞顶的表面上。

在用后续陶瓷热障涂层涂覆活塞顶之前，需要从多孔金属表面，例如活塞顶上的微球涂层中除去添加的防锈剂等材料。

发明内容

本文中描述的构思提供了一种系统和相关的方法，用于在用热障涂层涂覆金属表面之前从金属表面除去添加的材料。在一个实施方案中，本文中描述的构思提供了在用陶瓷热障涂层涂覆活塞顶之前从金属表面（例如活塞顶）除去防锈剂材料的方法。

本文中描述的构思包括用于准备设备的金属表面的方法，所述方法包括多次反复执行第一清洁方案和多次反复执行第二清洁方案。第一清洁方案包括将烃溶剂，例如异辛烷溶液施加到设备的金属表面上，在该设备上执行第一超声处理事件，并冲洗该设备的表面。第二清洁方案包括将氯化溶剂施加到设备的金属表面上，在该设备上执行第二超声处理事件, 并冲洗该设备的表面。

本公开的一个方面包括通过将设备的金属表面浸入烃溶剂中来将烃溶剂施加到设备的金属表面上，并通过超声处理浸入烃溶剂中的设备的金属表面第一时间段在该设备上执行第一超声处理事件。

本公开的另一方面包括通过将浸入烃溶剂中的设备的金属表面暴露于超声波20至60分钟的持续时间来超声处理浸入烃溶剂中的设备的金属表面第一时间段。

本公开的另一方面包括通过将该设备暴露于20 kHz至120 kHz的波频率将浸入烃溶剂中的设备暴露于超声波。

本公开的另一方面包括通过在室温环境中将浸入烃溶剂中的设备的金属表面暴露于超声波第一时间段来超声处理设备的金属表面与烃溶剂。

本公开的另一方面包括通过将设备的金属表面浸入容纳烃溶剂的容器中来将烃溶剂施加到设备的金属表面上，并将该容器浸入流体浴中；和通过将容纳该容器的流体浴暴露于超声波第一时间段在该设备上执行第一超声处理事件。

本公开的另一方面包括将容纳该容器的流体浴暴露于超声波20至60分钟的持续时间。

本公开的另一方面包括通过将设备的金属表面浸入容纳烃溶剂的容器中来将烃溶剂施加到设备的金属表面上，并通过将超声探头插入容纳烃溶剂的容器中并经由超声探头将该烃溶剂暴露于超声波第一时间段在该设备上执行第一超声处理事件。

本公开的另一方面包括通过将设备的金属表面浸入氯化溶剂中来将氯化溶剂施加到设备的金属表面上，并通过超声处理浸入氯化溶剂中的设备的金属表面第二时间段在该设备上执行第二超声处理事件。

本公开的另一方面包括通过将浸入氯化溶剂中的设备的金属表面暴露于超声波20至60分钟的持续时间来超声处理浸入氯化溶剂中的设备的金属表面第二时间段。

本公开的另一方面包括通过在室温环境中将浸入氯化溶剂中的设备的金属表面暴露于超声波20至60分钟的持续时间来超声处理设备的金属表面与氯化溶剂。

本公开的另一方面包括通过将设备的金属表面浸入容纳氯化溶剂的容器中来将氯化溶剂施加到设备的金属表面上，并将该容器浸入流体浴中；和通过将容纳该容器的流体浴暴露于超声波第二时间段在该设备上执行第二超声处理事件。

本公开的另一方面包括通过将设备的金属表面浸入容纳氯化溶剂的容器中来将氯化溶剂施加到设备的金属表面；并通过将超声探头插入容纳氯化溶剂的容器中并经由超声探头将该氯化溶剂暴露于超声波第二时间段在该设备上执行第二超声处理事件。

本公开的另一方面包括在执行第二清洁方案之前多次执行第一清洁方案。

本公开的另一方面包括多次执行第二清洁方案。

本公开的另一方面包括通过执行第一清洁方案和执行第二清洁方案从设备的金属表面除去防锈涂层的方法。第一清洁方案包括将设备的金属表面浸入烃溶剂中，在该设备上执行第一超声处理事件第一时间段，并冲洗该设备的表面。第二清洁方案包括将设备的金属表面浸入氯化溶剂中，在该设备上执行第二超声处理事件第二时间段，并冲洗该设备的表面。

本公开的另一方面包括通过将烃溶剂和浸入烃溶剂中的设备的金属表面暴露于超声波第一时间段在该设备上执行第一超声处理事件。

本公开的另一方面包括通过将设备的金属表面浸入容纳烃溶剂的容器中并将该容器浸入流体浴中来将烃溶剂与浸入烃溶剂中的设备的金属表面暴露于超声波第一时间段。在该设备上执行第一超声处理事件包括将容纳该容器的流体浴暴露于超声波第一时间段。

本公开的另一方面包括通过将设备的金属表面浸入容纳烃溶剂的容器中并将超声探头插入该容器中来将烃溶剂与浸入烃溶剂中的设备的金属表面暴露于超声波第一时间段。在该设备上执行第一超声处理事件包括经由超声探头将烃溶剂暴露于超声波第一时间段。

本公开的另一方面包括在执行第二清洁方案之前多次执行第一清洁方案，并多次执行第二清洁方案。

本发明公开了以下技术方案：

方案1．用于准备设备的金属表面的方法，所述方法包括：

多次反复执行第一清洁方案，其中多次反复的每一次包括：

将烃溶剂施加到设备的金属表面上，

在所述设备上执行第一超声处理事件，和

冲洗所述设备的金属表面；和

多次反复执行第二清洁方案，其中多次反复的每一次包括：

将氯化溶剂施加到设备的金属表面上，

在所述设备上执行第二超声处理事件，和

冲洗所述设备的金属表面。

方案2．如方案1所述的方法，其中将烃溶剂施加到设备的金属表面上包括将设备的金属表面浸入烃溶剂中，并且其中在所述设备上执行第一超声处理事件包括超声处理浸入烃溶剂中的设备的金属表面第一时间段。

方案3．如方案2所述的方法，其中超声处理浸入烃溶剂中的设备的金属表面第一时间段包括将浸入烃溶剂中的设备的金属表面暴露于超声波20至60分钟的持续时间。

方案4．如方案3所述的方法，其中将浸入烃溶剂中的设备暴露于超声波包括将所述设备暴露于20 kHz至120 kHz的波频率。

方案5．如方案2所述的方法，进一步包括从烃溶剂中取出所述设备的金属表面并用新鲜量的烃溶剂冲洗所述设备的金属表面；

其中超声处理所述设备的金属表面和烃溶剂第一时间段进一步包括在室温环境下将浸入烃溶剂中的设备的金属表面暴露于超声波20至60分钟的持续时间。

方案6．如方案1所述的方法，其中将烃溶剂施加到设备的金属表面上包括将设备的金属表面浸入容纳烃溶剂的容器中，并将所述容器浸入含有水溶液的流体浴中；并且其中在所述设备上执行第一超声处理事件包括将容纳所述容器的流体浴暴露于超声波第一时间段。

方案7．如方案6所述的方法，包括将容纳所述容器的流体浴暴露于超声波20至60分钟的持续时间。

方案8．如方案1所述的方法，其中将烃溶剂施加到设备的金属表面上包括将设备的金属表面浸入容纳烃溶剂的容器中；并且其中在所述设备上执行第一超声处理事件包括将超声探头插入容纳烃溶剂的容器中并经由超声探头使所述烃溶剂暴露于超声波。

方案9．如方案1所述的方法，其中将氯化溶剂施加到设备的金属表面上包括将设备的金属表面浸入氯化溶剂中，并且其中在所述设备上执行第二超声处理事件包括超声处理浸入氯化溶剂中的设备的金属表面第二时间段。

方案10．如方案9所述的方法，其中超声处理浸入氯化溶剂中的设备的金属表面第二时间段包括将浸入氯化溶剂中的设备的金属表面暴露于超声波20至60分钟的持续时间。

方案11．如方案9所述的方法，其中超声处理所述设备的金属表面和氯化溶剂第二时间段进一步包括在室温环境下将浸入氯化溶剂中的设备的金属表面暴露于超声波20至60分钟的持续时间。

方案12．如方案1所述的方法，其中将氯化溶剂施加到设备的金属表面上包括将设备的金属表面浸入容纳氯化溶剂的容器中，并将所述容器浸入流体浴中；并且其中在所述设备上执行第二超声处理事件包括将容纳所述容器的流体浴暴露于超声波第二时间段。

方案13．如方案1所述的方法，其中将氯化溶剂施加到设备的金属表面上包括将设备的金属表面浸入容纳氯化溶剂的容器中；并且其中在所述设备上执行第二超声处理事件包括将超声探头插入容纳氯化溶剂的容器中并经由超声探头使所述氯化溶剂暴露于超声波。

方案14．如方案1所述的方法，其中在执行第二清洁方案之前多次反复执行第一清洁方案。

方案15．用于从设备的金属表面除去防锈涂层的方法，所述方法包括：

执行第一清洁方案，包括：

将设备的金属表面浸入烃溶剂中，

在所述设备上执行第一超声处理事件第一时间段，和

冲洗所述设备的金属表面；和

执行第二清洁方案，包括：

将设备的金属表面浸入氯化溶剂中，

在所述设备上执行第二超声处理事件第二时间段，和

冲洗所述设备的金属表面。

方案16．如方案15所述的方法，其中在所述设备上执行第一超声处理事件包括将烃溶剂和浸入烃溶剂中的设备的金属表面暴露于超声波第一时间段。

方案17．如方案15所述的方法，其中将烃溶剂和浸入烃溶剂中的设备的金属表面暴露于超声波第一时间段包括将设备的金属表面浸入容纳烃溶剂的容器中，并将所述容器浸入含有水溶液的流体浴中；并且其中在所述设备上执行第一超声处理事件包括将流体浴中的水溶液暴露于超声波第一时间段。

方案18．如方案15所述的方法，其中将烃溶剂和浸入烃溶剂中的设备的金属表面暴露于超声波第一时间段包括将设备的金属表面浸入容纳烃溶剂的容器中，并将超声探头插入所述容器中；并且其中在所述设备上执行第一超声处理事件包括经由超声探头将所述烃溶剂暴露于超声波第一时间段。

方案19．如方案15所述的方法，其中在执行第二清洁方案之前多次执行第一清洁方案。

方案20．如方案15所述的方法，其中在执行第一清洁方案之后多次执行第二清洁方案。

以上概述并非意在代表本公开的每种可能的实施方案或每一方面。相反，上述概述意在例示本文中公开的一些新颖方面和特征。本公开的上述特征和优点以及其它特征和优点在结合附图与权利要求书时将由代表性实施方案和实施本公开的方式的以下详述中显而易见。

附图说明

现在将参照附图作为实例描述一个或多个实施方案，其中：

图1示意性示出了根据本公开的用于准备设备的金属表面的方法的工艺流程图。

图2示意性示出了根据本公开的用于执行准备设备的金属表面的参照图1描述的方法的系统的要素。

附图不一定按比例绘制，并且可以在一定程度上简化地表示本文中公开的本公开的各种优选特征，包括例如具体尺寸、取向、定位和形状。与此类特征相关的细节将部分由特定的预期应用和使用环境来决定。

具体实施方式

如本文中描述和示出的公开的实施方案的组件可以以各种不同的配置来安置和设计。由此，以下详述并非意在限制要求保护的本公开的范围，而仅仅是代表其可能的实施方案。此外，虽然在以下描述中列出了许多具体细节以提供对本文中公开的实施方案的透彻理解，但一些实施方案可以在没有这些细节的情况下实施。此外，为了清楚起见，并未详细描述某些在相关技术中已了解的技术材料以避免不必要地掩盖本公开。仅为方便和清楚起见，方向性术语如顶部、底部、左、右、向上、上方、上、下方、以下、后和前可相对于附图来使用。这些和类似的方向性术语不应解释为限制本公开的范围。此外，如本文中示出和描述的那样，本公开可以在缺少未在本文中具体公开的要素的情况下实施。以下详述仅仅是示例性的，而非意在限制其应用和用途。

在本文中可以就功能和/或逻辑块组件和各种处理步骤来描述示例性实施方案。应当理解的是，此类块组件可以由任意数量、组合或集合的被配置为执行指定的功能的机械和电气硬件、软件和/或固件组件来实现。为了简洁起见，在本文中可能不会详细描述常规的组件和技术以及该系统的其它功能方面（以及该系统的单个操作组件）。此外，本文中所含各个图中显示的连接线意在代表各种要素之间的示例性功能关系和/或物理接合。应该注意的是，在本公开的一个实施方案中，可能存在许多替代或附加的功能关系或物理连接。使用诸如第一、第二和第三的序号不一定意味着排序的含义，而可能仅是区分行为或结构的多个实例。

参照附图，其中相同的附图标记在多个附图中对应于相同或相似的组件，图1示意性示出了用于准备设备10的金属表面的方法100的工艺流程图，图2示意性示出了用于执行准备设备10的金属表面的方法100的系统200的要素。该方法100包括执行第一清洁方案20并随后执行第二清洁方案40以便从设备10的金属表面除去一种或多种添加剂材料和/或污染物。在一个实施方案中，该方法100从设备的金属表面除去防锈涂层形式的制造添加剂，例如从内燃机活塞的金属顶表面除去防锈油。从活塞的金属顶表面除去防锈油有利地在临向活塞顶表面施加陶瓷密封层或施加热障涂层之前执行以增强陶瓷材料对其的结合。

图2示意性示出了系统200的要素，并包括用于将设备10浸入溶剂212中的容器210，含有水溶液222的浴220，和超声发生器230。该系统200的一个实施方案可用于执行第一清洁方案20，该系统200的另一实施方案可用于执行第二清洁方案40。在执行第一清洁方案20的过程中，溶剂212是烃溶剂，例如异辛烷。 在执行第二清洁方案40的过程中，溶剂212是氯化溶剂，例如二氯甲烷。二氯甲烷（DCM或亚甲基氯）是具有式CH

在一个替代实施方案中，该超声发生器230为插入浴220所含水溶液222中的超声探头（未显示）的形式。

在一个替代实施方案中，该超声发生器230为插入容器210容纳的溶剂212中的超声探头（未显示）的形式。

当系统200用于执行第一清洁方案20时，用于浸入设备10的容器210容纳的溶剂212为烃溶剂，例如异辛烷溶液，且浴220含有水溶液222，当系统200用于执行第二清洁方案40时，用于浸入设备10的容器210容纳的溶剂212含有氯化溶剂溶液，且浴220含有水溶液222。

超声发生器230能够产生并向浴220中的水溶液222传递超声振动能量预定的时间段，该能量传递至容器210中容纳的溶剂212。在一个实施方案中，超声振动的频率范围为20kHz至120 kHz，并且预定时间段的持续时间为20至60分钟。第一清洁方案20的超声振动频率范围和时间段是应用特异性的，并有利地基于设备10的金属表面的分析，所述分析显示从其除去一种或多种添加剂材料和/或污染物的功效。

再参照图2，第一清洁方案20包括至少将设备10的金属表面浸入烃溶剂中（S22），在设备10上执行第一超声处理事件第一时间段（S24），并用新鲜量的烃溶剂冲洗该设备10的表面（S26）。第一清洁方案20的步骤S22、S24和S26重复X遍。在一个实施方案中，在进行第二清洁方案40之前，重复第一清洁方案20的步骤S22、S24和S26三遍。或者，在进行第二清洁方案40之前，将第一清洁方案20的步骤S22、S24和S26重复1、2、4、5、6遍或另一遍数。第一清洁方案20的重复数X是应用特异性的，并有利地基于设备10的金属表面的分析，所述分析显示从其除去一种或多种添加剂材料和/或污染物的功效。在一个实施方案中，第一清洁方案20的步骤S22、S24和S26和第二清洁方案40的步骤S42、S44和S46在室温环境下执行，例如在20℃下或大约20℃下。在一个实施方案中，第一时间段的持续时间为20分钟至60分钟。

超声处理是指施加声能以搅拌液体中的粒子或不连续纤维的过程。采用超声频率，即大于20 kHz的频率，由此该过程也被称为超声处理。可以使用超声浴或超声探头（即超声仪）来进行超声处理。

第一清洁方案20包括至少将设备10的金属表面浸入含有烃溶剂的浴中（S22），其中在一个实施方案中，该烃溶剂可以是异辛烷材料。或者，这可以替代地至少将设备10的金属表面浸入含有另一溶剂的浴中（S22）。

第一清洁方案20包括通过运行超声发生器230以产生并向浴220中的烃溶剂传递超声振动，在设备10上执行第一超声处理事件第一时间段（S24）。第一清洁方案20的超声振动频率范围和时间段是应用特异性的，并有利地基于设备10的金属表面的分析，所述分析显示从其除去一种或多种添加剂材料和/或污染物的功效。

在第一超声处理事件（S24）后，第一清洁方案20包括用新鲜量的烃溶剂冲洗该设备的表面（S26），并以容器210中的烃溶剂的形式用新鲜量的溶剂212重复工艺步骤S22、S24和S26。在第一清洁方案20的工艺步骤S22、S24和S26重复X遍之后，该方法100前进至执行第二清洁方案40。

第二清洁方案40包括将设备10的金属表面浸入容纳氯化溶剂（例如二氯甲烷）形式的溶剂212的容器210中（S42），在设备10上执行第二超声处理事件第二时间段（S44），并用新鲜量的氯化溶剂冲洗该设备10的表面（S46）。第二清洁方案40的步骤S42、S44和S46重复Y遍。在一个实施方案中，第二清洁方案40的步骤S42、S44和S46重复3遍。或者，可以将第二清洁方案40的步骤S42、S44和S46重复1、2、4、5、6遍或另一遍数。第二清洁方案40的重复数Y是应用特异性的，并有利地基于设备10的金属表面的分析，所述分析显示从其除去一种或多种添加剂材料和/或污染物的功效。在一个实施方案中，第二时间段的持续时间为20分钟至60分钟。

第二清洁方案40包括至少将设备10的金属表面浸入容纳氯化溶剂形式的溶剂212的容器210中（S42）。在一个实施方案中，这包括至少将设备10的金属表面浸入容纳该氯化溶剂，例如二氯甲烷的容器210中（S42）。

第二清洁方案40包括通过运行超声发生器230以产生并向浴220中的水溶液222传递超声振动，在设备10上执行第二超声处理事件第二时间段（S44）。第二清洁方案40的超声振动频率范围和第二时间段是应用特异性的，并有利地基于设备10的金属表面的分析，所述分析显示从其除去一种或多种添加剂材料和/或污染物的功效。

在第二超声处理事件（S44）后，第二清洁方案40包括用新鲜量的氯化溶剂（例如二氯甲烷）冲洗该设备的表面（S46），并重复工艺步骤S42、S44和S46。在工艺步骤S42、S44和S46的多次重复后，该方法100结束，并将最终的工件10’交付至后续步骤。在一个实施方案中，第一清洁方案20的步骤S22、S24和S26和第二清洁方案40的步骤S42、S44和S46在室温环境下执行，例如在20℃下或大约20℃下。在一个实施方案中，第一时间段和第二时间段的持续时间为20分钟至60分钟。

第一时间段和第二时间段是应用特异性的，并有利地基于设备10的金属表面的分析，所述分析显示从其除去一种或多种添加剂材料和/或污染物的功效。第一清洁方案20和第二清洁方案40的温度是应用特异性的，并有利地基于设备10的金属表面的分析，所述分析显示从其除去一种或多种添加剂材料和/或污染物的功效。

下文和附图中描述的流程、方法和过程仅代表在特定实施方案中可以实施的功能。在其它实施方案中，可以在该流程、方法和过程中实施附加功能。本公开的各种实施方案考虑了任何适于完成本文中描述的功能的信号机制。本文中示出的一些功能在适当的情况下可以在该流程、方法和过程中重复、组合、修改或删除。此外，在不脱离特定实施方案的范围的情况下，可以在该流程、方法和过程中以任何合适的顺序实施功能。

详述和附图或图是对本教导的支持和描述，但本教导的范围仅由权利要求书限定。虽然已经详细描述了实施本教导的教导的一些最佳方式和其它实施方案，但存在各种替代设计和实施方案来实施权利要求中限定的本教导。