CN101379212A - 用于热喷涂层的表面修整 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于使金属表面变粗糙以改善热喷涂层在所述金属表面上的附着的方法，其中在第一工步中以材料切削或材料去除的处理在表面中加工凹部或凹陷(2)，使得所述表面的突起金属形成突出的微结构(3)，尤其是凸起、槽纹、外翻或隆起，其中在至少一个第二工步中以变形和/或折断的方法对所述微结构进行再加工，使得所述结构的大部分相对于表面形成侧凹(4)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于使金属表面粗糙以改善热喷涂层在所述金属表面上的附着的方法，尤其涉及在汽缸孔内侧的热涂覆中制备表面和具有适合于热喷涂层沉积的变粗糙的表面的机动车辆金属构件。
背景技术
如果在金属基材上沉积热喷涂层，那么通常由于喷涂层和基材之间的大的温差而出现对涂层附着有不良影响的高的机械应力。在常见的热喷涂方法例如等离子体喷涂、火焰喷涂、高速火焰喷涂或线材电弧喷涂中，熔液状态的喷涂颗粒在冷的基材上沉积并且以高的冷却速度被淬火。
同样，涂层和基材的不同的机械和热性能特别是在高的机械或热交变载荷作用下对涂层的附着有不利的影响。通用的耐磨涂层可以含有陶瓷材料例如Al2O3、SiC、TiC或WC，该陶瓷材料和基材金属的物理兼容性很小。
所述纯金属涂层通常作为活塞工作面涂层用于内燃机中，但在内燃机中存在的极端条件下易于脱落。
例如内燃机中的汽缸工作面对附着强度提出极高的要求。
为了改善热喷涂层的附着，通常需要使基材表面变粗糙。由此增加基材材料和涂层材料之间的接触表面，以及产生一定程度的物理夹紧(Verklammerung)。
作为粗糙化/打毛的方法，尤其是喷砂、磨削、精车或切削起重要作用。
由DE 195 08 687 C2已知一种喷射方法。其中公开了一种热喷涂方法，在该热喷涂方法中，为了对由浇铸铝合金形成的汽缸孔内侧进行预处理，涉及使用冷铁屑或其它适当的研磨材料例如氧化铝进行喷射。
出版物“INDUSTRIE-Anzeiger”34、35/97，“Hartdrehen stattFeinschleifen”第48页，“Maschine und Werkzeug”6/95，“Hartdrehenüberholt Feinschleifen”，第57至61页以及Pfeiffer，F.“
”在:“Maschinenmarkt”，Würzburg 101(1995)，第2页、46-49均描述了通过车铣加工或硬车削对工件表面进行最终加工的方法，亦即描述了品质特别高的表面的加工。在此所述的方法用于代替磨削，或者替代能获得Rz值很小的特别光滑的表面的方法。
DE 198 401 17 C2公开了一种用于对汽缸孔内侧进行表面处理的方法，该表面处理用作涂覆热喷涂层的准备，其中通过不使用润滑剂的干切削加工去除形成内侧的部分材料，并且形成具有限定结构的表面和/或Rz值为25至65um的质量。所述机械加工可通过切削(Ausspindeln)、刷(Bürsten)、滚花、圆盘铣削或由一种或多种上述方法的组合来实现。
WO 02/40850A1公开了一种用于制备汽缸孔表面的方法。通过两次切削加工使表面变粗糙。在此产生粗糙的槽纹结构或波浪结构，并在这些结构中加工出较精细的槽纹结构或波浪结构。
用于对表面进行预处理或修整的已知方法还不足以在热交变载荷和机械应力的条件下得到具有足够附着强度的热喷涂层。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于对金属表面进行修整的方法，以改善沉积在所述金属表面上的热喷涂层的附着能力，以及提供涂层附着性高的涂覆构件。
根据本发明，所述目的通过一种具有权利要求1所述特征的用于使金属表面变粗糙以改善热喷涂层在所述金属表面上的附着的方法来实现，其中在第一工步中以材料切削或材料去除的处理在表面中加工出凹部或凹陷(2)，使得所述表面的突起的金属形成突出的微结构(3)，尤其是凸起、槽纹、外翻或隆起；所述目的还通过一种具有权利要求13所述特征的带有变粗糙的表面的机动车辆金属构件来实现，该表面适合于沉积热喷涂层；以及所述目的通过一种具有权利要求15所述特征的带有热喷涂摩擦层或耐磨涂层的机动车辆金属构件来实现。
因此，根据本发明提供了一种用于表面处理的多工步的方法。在第一工步中，以材料切削或材料去除的处理在表面中加工凹部或者凹陷。由此该表面的突起金属形成突出的微结构，尤其是凸起、槽纹、外翻或隆起。根据本发明，随后进行至少另一工步，该工步形成侧凹/底切的结构。在第二工步中，以变形和/或折断的方法对突出的微结构进行再加工，使得大部分结构相对于表面形成侧凹。第二工步也可以包括材料去除，但是该材料切除与第一工步相比较少。
侧凹使得稍后沉积的涂层可非常优良和有效地物理夹紧。因为热喷涂层的喷射颗粒在沉积时基本上仍为液态，所以其也能够沉积在所述侧凹的区域中。其中，侧凹容积内的涂层材料的一小部分就使附着强度很明显地加强。侧凹的作用在沉积热喷涂层时特别重要，因为随着涂层的冷却，涂层材料也会出现强烈收缩。通过侧凹极大地阻止了涂层材料从基材表面收缩掉，由此明显改善了附着。
侧凹结构的一小部分就展示出根据本发明的改善的涂层表面附着的效果。优选的是，至少5％的突出微结构具有至少一个侧凹区域。特别优选的是，超过50％的微结构具有侧凹。整个侧凹的面在平行于金属表面的平面中优选占至少3％，特别优选占超过5％。
在第一工步中，关于加工突出的微结构，用于使金属表面变粗糙的常见方法原则上是适用的。其中包括例如切削、刷、滚花、圆盘铣削或类似方法的机械加工方法。喷砂也同样适用。
另一种适当的方法是高压水射，特别是带研磨颗粒的高压水射。
第一工步用于去除材料，而第二工步被设计成使得仅从基材去除很少量的材料或者尽可能根本不去除任何材料。第二工步的目的在于，改变微结构的形状，从而形成新的侧凹。
在该第二工步之后，也可以衔接可选的其它工步，所述其它工步用于进一步形成侧凹或者用于平整表面。
附图说明
借助示意图和显微镜照片示例性地详细说明本发明。图中示出:
图1示出在第一工步之后具有凹部或凹陷(2)以及突出的微结构(3)的金属表面(1)；
图2示出在第二工步之后具有凹部或凹陷(2)以及突出的微结构(3)的金属表面(1)，该微结构(3)具有加宽尖端形式的侧凹(4)；
图3示出在第一工步之后具有凹部或凹陷(2)以及突出的微结构(3)的金属表面(1)；
图4示出在第二工步之后具有凹部或凹陷(2)以及突出的微结构(3)的金属表面(1)，该微结构(3)具有弯曲尖端形式的侧凹(4)；
图5示出在第二工步之后具有带有侧凹(4)的凹部或凹陷(2)的金属表面(1)；
图6示出机动车辆金属构件的横向于具有热喷涂的摩擦涂层或耐磨涂层(5)、渗透层(6)、微结构(3)和侧凹(4)的表面(1)的显微照片；
图7示出机动车辆金属构件的横向于具有热喷涂的摩擦层或耐磨损涂层(5)、渗透层(6)、微结构(3)和侧凹(4)的表面(1)的显微照片；以及
图8示出机动车辆金属构件的横向于具有热喷涂的摩擦层或耐磨损涂层(5)、渗透层(6)和蘑菇状或按钮状微结构(3)的显微照片。
具体实施方式
在第二工步的一种优选实施例中，使用固态和/或液态介质对通过第一工步变粗糙的表面进行滚压、挤压或者喷射。
在图4中示意性示出该第二工步的可能效果。在第一工步中，在表面中加工槽纹(图3)。然后使槽纹形状的突出微结构(3)侧向弯曲。这例如通过滚压工艺进行。对弯曲或压弯的微结构的一种优选定向同样也可以通过倾斜作用的喷射工艺或者挤压工艺实现。
其中，喷射特别适合于使突出的结构在所有方向上均匀地弯曲或者压弯。适当的喷射介质例如是精细的近乎圆形的粉末，具有很小的研磨作用，特别是和喷丸相比。
同样可以使用柔和的研磨条件进行第二工步的喷射，例如通过喷砂、高压水射或带研磨颗粒的高压水射。其中研磨颗粒的平均粒度大小应优选和待喷射表面的表面粗糙度处于相同的数量级或者与之相比更精细。优选的是，在此不会增加表面粗糙度，而是仅使微结构的表面变粗糙。
在本发明的另一种实施例中，第二工步的侧凹的形成通过热力学方法实现。其中，作为第二工步进行表面热处理，该表面热处理使得微结构的尖端熔化。
所述方法变型的效果在图1中示例给出。在第一工步中，这里在表面中加工槽纹(图3)。随后例如通过向表面喷射火焰使微结构(3)局部熔化。由此形成熔化微滴，该熔化微滴的形状在熔液凝固后保留下来(图2)。微结构(3)具有蘑菇状或按钮状结构并形成侧凹(4)。
其它适当的热力学方法特别是激光或等离子体火焰处理。
在第二工步的另一种变型中，使用切削加工方法。其中关键是，将部分切屑仅不完全地从材料上除去。这样将突出的微结构部分压弯和弯曲，并通过切屑的形成而产生附加的侧凹。如果为第一和第二工步分别使用切削加工方法，则第二切削刃必须相应地设计成精细得多。
第一工步可以根据对第二步骤的选择产生较粗糙的表面，因为通常第二工步使Rz值减小。典型地，表面粗糙度的Rz值在20至1000um的范围内。优选的是Rz值设定在20至500um的范围内，特别优选的是第一工步之后的Rz值在40至100um的范围内。
优选的是，执行第二工步使粗糙度减少。如果例如执行滚压作为第二工步，则通过使微结构弯曲或压弯而明显减小粗糙度。优选的是，第二工步使表面粗糙度减小至少30％。特别优选的是，第二工步将Rz值减小到20至100um范围中。
在第一和第二工步的优选组合中，首先通过喷砂和/或高压水射或者带研磨颗粒的高压水射在表面中加工出凹部，并在第二工步中通过射能较低的高压水射挖空所述凹部。图5示出在第二工步之后的相应的典型结构。类似结构例如也可以通过喷砂和/或高压水射与随后的挤压、滚压或火焰加工的组合获得。由此可产生特别是按钮状的表面结构。
在第二工步之后，原则上接着其它工步。例如可以后接另一变形工步。
但是，表面处理优选这样进行，即在第二工步之后可紧接着涂覆热喷涂层(5)。其中也须注意去除有时可能附着的喷射颗粒或铣削残留物。
特别适当的喷涂方法包括火焰喷涂、高速火焰喷涂、溅射、等离子体喷涂和线材电弧喷涂。这些方法的优点在于，使能容易地渗入侧凹中的非常精细的熔液微滴或软微滴或者喷涂颗粒沉积。
必要时，第二工步也可以限于整个构件表面的区域。
本发明的另一方面涉及带有变粗糙的表面的构件。根据本发明的带有适合于沉积热喷涂层的粗糙表面的机动车辆金属构件在大部分变粗糙的表面上具有隆起状、蘑菇状、按钮状或者钩状的、数量级在20至400um的突出微结构。其中，微结构中的大部分具有侧凹。
在另一种根据本发明的实施例中，机动车辆金属构件具有适合于沉积热喷涂层的变粗糙的表面，其中所述变粗糙的表面具有量级为20至400um的盆状或者向上部分闭合的凹部和凹陷。所述盆和部分闭合的结构形成相对于构件表面的侧凹。
在一种优选实施例中，侧凹的面在平行于金属表面的平面中占至少3％。特别优选的是，侧凹的面在5至30％的范围内。
另一方面涉及具有热喷涂摩擦层或者耐磨涂层的机动车辆金属构件，所述涂层沉积在变粗糙的、设有侧凹的表面上。
在图6至8中以横向于涂层面的显微照片示出这种涂覆构件的典型例子。在摩擦层或耐磨涂层(5)的基底上设有渗透层(6)，数量级在20至400um的隆起状、蘑菇状、按钮状或钩状微结构(3)从表面(1)伸入到该渗透层(6)中。
为了产生根据图6至7的视图所示的结构，采用车削作为第一工步，其中在表面中加工出槽纹。微结构的宽度约为20至100um，高度约为30至120um。借助于线材电弧喷涂沉积的涂层(5)也在侧凹区域(4)上覆盖表面地延伸。
根据图8的表面微结构通过带研磨颗粒的高压水射和随后的高压水射的组合产生。涂层的沉积通过高速火焰喷涂实现。与图6和7中的结构相比，该结构明显更精细。
Claims (17)
1.一种用于使金属表面变粗糙以改善热喷涂层在所述金属表面上的附着的方法，其中在第一工步中以材料切削或材料去除的处理在表面中加工凹部或凹陷(2)，使得所述表面的突起金属形成突出的微结构(3)，尤其是凸起、槽纹、外翻或隆起，其特征在于，在至少一个第二工步中以变形和/或折断的方法对所述微结构进行再加工，使得所述结构的大部分相对于表面形成侧凹(4)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第二工步选自滚压、挤压或者用固态和/或液态介质的喷射。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，作为第二工步对表面进行热处理，该表面热处理使微结构的尖端熔化。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用切削加工方法作为第二工步，其中部分切屑仅不完全地从材料去除。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过第二工步形成隆起状、蘑菇状、按钮状或钩状的突出的微结构。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，执行第一工步，直到表面粗糙度的Rz值在20至400um的范围内。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，第二工步使表面粗糙度降低至少三分之一。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在第一工步中加工槽纹结构，而在第二工步中将槽纹峰或尖端至少部分地压弯、弯曲或者倾斜。
9.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述弯曲沿着优选方向在与所述表面平行的平面内进行。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，第二工步通过高压水射或者带研磨颗粒的高压水射进行。
11.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，在第一工步中通过喷砂和/或高压水射在所述表面中加工凹部，而在第二工步中通过射能较低的高压水射挖空所述凹部。
12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在第二工步之后紧接着涂覆热喷涂层(5)。
13.一种具有变粗糙的表面的机动车辆金属构件，该变粗糙的表面适合于沉积热喷涂层，其特征在于，所述变粗糙的表面具有数量级为20至400um的隆起状、蘑菇状、按钮状或钩状的突出的微结构(3)，所述微结构(3)的大部分形成侧凹。
14.一种具有变粗糙的表面的机动车辆金属构件，该变粗糙的表面适合于沉积热喷涂层，其特征在于，所述表面的大部分具有数量级为20至400um的盆状或向上部分闭合的凹部和凹陷。
15.一种根据权利要求13或14所述的机动车辆金属构件，其特征在于，所述侧凹的面(4)在与金属表面(1)平行的平面内占至少5％。
16.一种具有热喷涂摩擦层或耐磨涂层(5)的机动车辆金属构件，其特征在于，在所述涂层的基底上设有渗透层(6)，其中数量级在20至400um的隆起状、蘑菇状、按钮状或钩状的金属微结构(3)伸入到所述摩擦层或耐磨涂层(5)中。
17.根据权利要求17所述的机动车辆金属构件作为汽缸工作表面或滑动轴承在内燃机中的应用。
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