CN104040014A

CN104040014A - 活塞环的耐磨涂层

Info

Publication number: CN104040014A
Application number: CN201280027403.4A
Authority: CN
Inventors: 迈克尔·津拉博德; 马库斯·肯尼迪; 马克-曼纽尔·马兹
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2014-09-10
Also published as: JP5937683B2; DE102011079016B3; EP2732064B1; KR20140053185A; US20140284882A1; RU2014102039A; EP2732064A1; RU2601358C2; JP2014526019A; US9487855B2; BR112013030907A2; WO2013007401A1; KR101818653B1; PT2732064T

Abstract

本发明涉及一种耐磨涂层，其优选使用于内燃机的活塞环上。该耐磨涂层包括：15-25％重量比的铁（Fe），10-25％重量比的碳化钨（WC），30-40％重量比的铬（Cr），10-25％重量比的镍（Ni），10-25％重量比的钼（Mo），1-10％重量比的碳（C），0.1-2％重量比的硅（Si），其中，Cr是以元素形式和/或作为一种碳化物Cr₂C₃的形式存在。本发明还公开一种用于涂覆该耐磨涂层和具有耐磨涂层的活塞环的方法。

Description

活塞环的耐磨涂层

技术领域

本发明涉及一种耐磨涂层，其优选使用在内燃机的活塞环上。特别地，以涂层的形式描述了活塞环的耐磨涂层，以及涂覆该耐磨涂层的方法和用于生产这种具有耐磨涂层的活塞环的方法。

背景技术

活塞环是内燃机或活塞式压缩机上的活塞的密封元件，例如。在内燃机中，活塞环密封相对于燃烧室的活塞头和汽缸壁之间的间隙。当活塞上下移动时，活塞环的外周面沿着气缸壁滑动，以恒定的弹性与其接触，并在同一时间，由于活塞的倾斜运动，活塞环在其活塞环槽中振荡，以使环的侧面交替地与活塞环槽的上部和下部的侧面接触。在每一情况下，摩擦体相对滑动，一定量的磨损不可避免地发生，这可能差不多主要取决于材料，如果部件未被润滑，这可能会导致划痕，最终损坏发动机。

对于制造承受重应力的内燃机部件来说，如活塞环，最常用的材质有铸铁和铸铁合金。活塞环，尤其是压缩环，其在高应力内燃发动机内，如四冲程和两冲程发动机内，不断遭到增加负载。这样的负载包括最高压缩压力，高的燃烧温度，活塞环上的润滑油膜的减少，所有这些都对功能性能，如耐磨性，耐擦伤性，微型焊接和耐腐蚀性能具有显著的影响。

高点火压力，低排放和燃油直喷呈现进一步加剧活塞环上的负载。其后果是损害活塞的材料和镀层，特别是活塞环的下部侧翼。

随着继续增加活塞环上的机械载荷和动力载荷，越来越多的发动机制造商要求用优质钢（回火的和高合金化的材料类似于材料1.4112）制成活塞环。在这方面，含有小于2.08％（重量比）的碳的铁材料为钢。如果碳含量较高，材料被称为铸铁。钢材料比铸铁具有更好的强度和韧性，因为在基本的微观结构中游离石墨没有阻碍物。制造活塞环最常用的材料是具有高铬合金含量的马氏体钢。

为了进一步改善活塞环相对于气缸壁的滑动和磨损特性，它们的外周表面设有多种材料的涂层。这样的涂层包含，例如，钼，铬，镍，硼，硅，铝，铜和/或碳。名称为MKP200的市售的活塞环涂层是已知的，其包含钼和Cr₂C₃-NiCr的复合物。

然而，为了以满足未来发动机的要求，就耐磨损，抗擦伤和抗腐蚀而言，装设具有这种涂层的活塞环不是理想的。其中一个原因是保护层具有大约10-15％的高孔隙率，并且由于所用的喷涂方法，限制了层中耐磨成分的比例。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种改进的耐磨涂层和涂覆工艺，以及涂有这样的耐磨涂层的活塞环，其中，铁基合金与钼和钨的碳化物一起使用。

解决根据本发明的这个目的是提供一种耐磨涂层，其包括下列所示比例的元素：

15-25％（重量比）的铁（Fe），

10-25％（重量比）的碳化钨（WC），

30-40％（重量比）的铬（Cr），

10-25％（重量比）的镍（Ni），

10-25％（重量比）的钼（Mo），

1-10％（重量比）的碳（C），

0.1-2％（重量比）的硅（Si），

其中，Cr是以元素形式和/或作为一种碳化物Cr₂C₃的形式存在。

以这样的方式包含了所有的组分，以致于所有的起始原料，组分，成分，元素，和添加物，包括前面列出且明确提到的那些元素，在所有情况下共计为重量比100％。起始原料，组分，成分，元素，和添加物的比例，本领域技术人员可通过本领域中已知的各种方法进行调整。

在本发明的一个实施例中，以下的碳化物浓度包含的总比例为15～50％重量比的碳化物：

10-25％重量比的WC以及5-30％重量比的Cr₂C₃。

在本发明的耐磨涂层中使用碳化物进一步增加耐擦伤和耐磨损性。

为了涂覆该耐磨涂层，优选热喷涂工艺，在本文中特别优选HVOF工艺（来自于高流速的氧气燃料），也就是说高速火焰喷涂。用来制造的耐磨涂层的成分的包含物是粉末材料。使用HVOF工艺致使在要被涂敷的基体上形成特别致密的热涂层。

所使用的粉末的颗粒尺寸优选为1-80微米的范围内。个别碳化物，优选为0.1～5微米的颗粒尺寸，并且可以嵌入在镍铬基体中。碳化物可以以凝结和烧结的颗粒，或作为主要析出的碳化物被提供。优选地，它们嵌入在镍铬基体中。

关于耐磨涂层的物理性能（如热导率，热膨胀系数），最低比例为含铁15％重量比的基本体系在该基体与涂层之间产生一个准均相体系。例如，在这种方式中，混合摩擦产生的热能，特别是在活塞发动机中的上死点和下死点的区域，更有效地散去，通过发动机中的温度变化保证了均匀的热驰豫过程。

因此，就耐磨，抗擦伤和抗腐蚀而言，使用铁基合金与钼和钨的碳化物作为本发明的活塞环的耐磨涂层的涂层材料提供了具有改进的耐磨性能的新型活塞环。

因此，本发明还提供了一种涂覆有耐磨涂层的活塞环。在这方面，要被涂敷的活塞环可以是任何类型的活塞环，例如，铸铁或钢活塞环。该活塞环优选在热喷涂工艺中，优选HVOF工艺中，特别优选通过根据本发明的涂覆工艺涂覆耐磨涂层。

这种活塞环上的涂层的层厚度优选为在20-1000微米的范围内。

根据本发明的一个实施例，本发明涂有耐磨涂层的活塞环的耐磨涂层的硬度在550HV1～950HV1（维氏硬度试验）的范围内。

这类涂覆的活塞环主要用于在内燃机中。在这些条件下，在这类应用中，含硫的油的存在导致该活塞环的耐磨涂层中钼与硫发生反应，形成二硫化钼（MoS₂），由于它的晶体结构这也是一个优异的固体润滑剂。该反应有助于进一步改善摩擦学体系中的擦伤或刻痕的倾向。二硫化钼（MoS₂）具有典型的层状晶格，该层状晶格是由平行于六方晶系的基底平面（001）的硫-金属-硫平面阵列组成。强共价键存在于这些平面中。然而，这些平面只通过弱的范德华相互作用彼此连接。这种类似石墨的各向异性层结构决定了沿着晶面（001）低的材料硬度和优异的易裂性，其结果是，实现了优异的应急运行特征。

具体实施方式

实施例：

1、耐磨涂层

以下的耐磨涂层进行相互比较：

V1：一种钼和Cr₂C₃-NiCr复合材料，（商用名称：MKP200，来自联邦摩高公司（Federal-Mogul）的标准产品）作为参考；

V2：两相混合物（第1相：Mo+Cr₂C₃-NiCr；第2相：FeCr基体+WC/Cr₂C₃-NiCr），其中，

V2a：将第1相/第2相=40/60混合，

V2b：将第1相/第2相=25/75混合。

通过等离子喷涂涂覆变体1，在HVOF工艺中涂覆变体2a和2b。

表1示出试验中所用的耐磨涂层的化学成分。

表1：各种耐磨涂层的化学成分

2、实验

为了不同的变体，测试了微观结构，孔隙率和硬度，以及磨损和擦伤性能。

在第一个实验中，使用光镜和扫描电子显微镜检查显微组织和相分布。

在图1中，通过光学显微镜，变体V1的微观结构（根据村上工艺（Murakamiprocess）蚀刻横截面）表明变体1具有很少的未熔化颗粒，在镍铬基体中也有与钼一起均匀分布的Cr₂C₃区域。孔隙率检测发现变体1的孔隙率不超过10％。

如图2和图3所示，通过反射电子显微镜(REM)显示出变体V2a和变体V2b的微观结构，可以看出，碳化物和钼均匀分布在变体V2a和变体V2b中。镍铬基体中的WC和Cr₂C₃区域也存在。未熔化的颗粒是不可见的。孔隙度检测显示两个变体V2a和V2b的孔隙率约为1％。

在图1至图3中，较粗的明亮的区域对应碳化钨；非常平坦也明亮区域对应钼；浅灰色区域对应镍，以及深灰色区域表示Cr₂C₃或含FeCr相。

从图3中，较粗大的明亮区域（对应于碳化钨）清楚地表明在第2相中增加了，也就是说，FeCr基体+WC/Cr₂C₃-NiCr的含量导致耐磨涂层中碳化物浓度的增加。

表2概述了关于孔隙率和机械性能的计算值。

表2：各种耐磨涂层的性能

根据表2可以得出以下结论。首先，简单地通过使用HVOF工艺（在等离子喷涂工艺中涂覆V1）成功地降低了孔隙率，其次，碳化物浓度的增加导致耐磨涂层硬度的增加。

除了在前面所描述的试验中，磨损和擦伤试验在发动机外部进行。对于这一点，有涂层的滑动体段被固定在支架上，并在油浴中以恒定的力和速度针对于对立体（counterbody)进行振动。如图4和图5中的结果显示，其中，图4表示在润滑环/气缸系统中在发动机外部测试之后，该活塞环和气缸衬套上的磨损，以及，图5显示出了在润滑不充分的活塞环/气缸系统中的耐擦伤性。

相对于现有技术中已知的保护层，本发明使用的耐磨涂层具有改进的组合物，能够实现显著改善的耐磨性（参见图4）。这将导致减少了活塞环和气缸衬套的磨损。

在另一项试验中，对擦伤性能进行了研究。对于这一点，在原则上，磨损试验中使用相同的实验装置。然而，在恒定的时间间隔内，设立不足够的润滑条件和增加负载。一旦滑动摩擦系数达到大于0.3就停止测量。变体V2a和V2b显示出比变体V1（见图5）显著的更好的磨损性能。变体V2a中较低的碳化物的含量比例和较低的熔点导致比变体V2b更低的耐擦伤性。

从上面的实验结果可以看出，本发明的耐磨涂层有显著的更好的性能，并且涂有耐磨涂层的活塞环显示出了增强的耐磨性和耐擦伤性。

Claims

1.一种活塞环的耐磨涂层，包括：

15-25％重量比的铁（Fe），

10-25％重量比的碳化钨（WC），

30-40％重量比的铬（Cr），

10-25％重量比的镍（Ni），

10-25％重量比的钼（Mo），

1-10％重量比的碳（C），

0.1-2％重量比的硅（Si），

2.如权利要求1所述的耐磨涂层，其特征在于，在占总比例的重量比15～50％的碳化物中，包含以下的碳化物浓度：10-25％重量WC和5-30％重量Cr₂C₃。

3.一种涂覆如权利要求1或2所述的耐磨涂层的方法，该方法包括以下步骤：

（i）以粉末形式提供各种成分，及

（ⅱ）利用高速火焰喷涂（HVOF工艺）将这些成分喷涂到基体上。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述元素粉末的颗粒大小为在1-80微米的范围内，使用的碳化物的颗粒尺寸在0.1-5微米的范围内。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述碳化物呈现为团聚和烧结颗粒或作为主要析出的碳化物。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述碳化物嵌入在NiCr基体中。

7.如权利要求3-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述基体为活塞环。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述活塞环是铸铁或钢活塞环。

9.一种活塞环，其特征在于，该活塞环涂有如权利要求1或2所述的耐磨涂层。

10.如权利要求9所述的活塞环，其特征在于，所述耐磨涂层的层厚度是在20-1000微米的范围内。

11.如权利要求9或10所述的活塞环，其特征在于，所述耐磨涂层的硬度是在550HV1～950HV1的范围内。

12.如权利要求9-11任意一项所述的活塞环，其特征在于，所述耐磨涂层采用HVOF工艺。

13.如权利要求9-11任意一项所述的活塞环，其特征在于，所述耐磨涂层采用如权利要求3～6任意一项所述的方法涂覆。

14.如权利要求9-13任意一项所述的活塞环，其特征在于，所述活塞环是铸铁或钢活塞环。