CN104379794B - 再制造的部件和用于再制造的部件的FeAlSiC热喷涂金属丝 - Google Patents
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Abstract
一种使用的部件，如发动机缸体(30)或发动机缸盖(20)，具有至少一种与部件的尺寸规格不匹配的尺寸(12，112)。FeAlSiC的热喷涂涂层(13，113)应用于构建尺寸(12，112)。将过量的涂层(13，113)铣削掉以使本体(11，111)和涂层(13，113)具有与部件的尺寸规格匹配的第二形状。涂层(13，113)具有有序的DO3晶体结构，该晶体结构具有稳定的氧化铝皮，该氧化铝皮在约700℃时产生抗氧化性。
Description
技术领域
本公开一般涉及再制造的部件，并且更具体地涉及一种可铣削的并且在约700℃时抗氧化的FeAlSiC热喷涂涂层。
背景技术
因为制造新部件可能是极其昂贵的，所以工程师们在不断地寻找途径来翻新或再制造使用的部件以作为新的部件与部件的工艺规格和尺寸规格匹配。例如，在发动机工业中一直在努力寻找新的且更经济的途径来再制造部件，如发动机缸体和发动机缸盖。再制造金属部件通常需要向使用的本体添加材料以构建不再满足部件的尺寸规格的表面。例如，就发动机缸体而言，端面与曲柄轴支撑孔的中心线之间的距离在使用的缸体的整个寿命期间可能稍微缩短。因此，为了再制造发动机缸体，需要向端面添加材料，并且然后处理的部件通常需要通过去除一些添加的材料重新成形以将所有尺寸恢复至规格。虽然存在许多不同的用于再制造部件的技术，但是新添加的材料通常还必须显示匹配或超过原始部件的金属材料的性能。例如，就发动机缸盖或发动机缸体而言，添加的材料必须成功地进行从环境温度加热到约700℃的量级的燃烧温度的多次循环，被暴露于腐蚀性气体，并且这样做的同时没有降解为与基础金属材料同等水平，该基础金属材料可以为钢或铸铁。除了这些考虑，添加的材料的成本以及所添加的材料的形状在经济上被制成回到规格的能力可以为约束条件。因此，找到一种添加材料的技术，并且找到一种在再制造过程中用于添加的适当的金属材料，同时满足许多不同的但通常矛盾的约束条件(包括成本)可能是极其难以实现的。
本公开的目的是解决上述问题中的一个或多个。
发明内容
在一方面，再制造的部件包括具有由于使用部件而形成的第一形状的本体。第一形状由第一金属材料限定并且具有与部件的尺寸规格不匹配的至少一种尺寸。第二金属材料的涂层粘附至并覆盖本体上的第一金属材料的至少一部分并且具有铣削的外表面。第二金属材料包括FeAlSiC并且具有可铣削的、主体有序的DO3晶体结构，该DO3晶体结构具有基本上稳定的氧化铝皮，该氧化铝皮在约700℃时产生抗氧化性。本体和涂层具有与部件的尺寸规格基本上匹配的第二形状。
在另一方面，热喷涂金属丝包括形状和尺寸被制成与金属丝电弧热喷涂机兼容的FeAlSiC金属丝的线圈。金属丝具有6-8％的铝、2.2-4.2％的硅、1.6-2.4％的碳，以及余量的铁。
在又一方面，一种再制造部件的方法包括确定与部件的尺寸规格不匹配的本体的尺寸。本体具有由于使用部件而形成的第一形状，并且第一形状由第一金属材料限定。将第二金属材料热喷涂至本体上以构建超出部件的尺寸规格的尺寸。第二金属材料由FeAlSiC组成。将第二金属材料的一部分铣削掉，直到涂层和本体具有与部件的尺寸规格基本上匹配的第二形状。涂层具有主体有序的DO3晶体结构，该DO3晶体结构具有基本上稳定的氧化铝皮，该氧化铝皮在约700℃时产生抗氧化性。
附图说明
图1为根据本公开的一方面的再制造的发动机缸体的部分截面侧视图；
图2为根据本公开的另一方面的再制造的发动机缸盖的部分截面侧视图；
图3为运行中的金属丝电弧热喷涂机的侧视示意图；以及
图4为铝-铁-硅在600℃时所计算的等温截面。
具体实施方式
存在许多不同的部件，特别是发动机部件，这些部件可以被再制造并且恢复至第二次使用寿命的服务，该第二次使用寿命甚至可超过新制造部件的使用寿命。使用的部件通常将具有均匀的本体，该均匀的本体具有由于使用部件而形成的第一形状。本领域的技术人员将会认识到，通常在工程图中确定了部件的尺寸规格，工程图通常指定材料、表面光洁度、多个尺寸，并且通常指定本领域已知的那些尺寸和其他规格的公差。根据部件，由于使用而形成的部件的本体的第一形状可由磨损和/或降解，以及从本体去除附加的材料中的至少一种原因导致，以便适当地制备用于再制造的表面。例如，可能期望去除一些原始的第一金属材料，以使铣削之后产生的涂层具有某个最小厚度。在任何情况下，本体的形状将包括至少一种与部件的尺寸规格不匹配的尺寸。可进行再制造的零件包括但不局限于发动机缸盖、发动机缸体、轴、油冷却器、泵/涡轮/发动机壳体、盖体、进气/排气接头和许多其他零件。
在一个具体的示例中，针对气缸盖或气缸体的目前的再制造策略可利用420根不锈钢以构建本体，该本体被磨损或机械加工成不符合尺寸规格。虽然这种策略运行良好，但是环境及其他问题促使工业采用再制造的材料，所述再制造的材料避免、限制或减少铬或镍的使用。尽管对于所有部件进行再制造未必可行，但是例如发动机缸盖和缸体应该能在约700℃时显示出良好的抗氧化性。术语“约”表示四舍五入至最接近的有效数字的数。因此，749℃约为700℃，而760℃并不约为700℃。
参照图1，发动机缸体30包括本体11，本体11具有由于使用发动机缸体而形成的第一形状，并且发动机缸体30具有至少一种与发动机缸体的尺寸规格不匹配的尺寸12。由于本领域已知的任意多种原因，这些原因包括氧化损耗，需要制备用于添加附加材料的本体表面的机械加工和本领域已知的任何其他原因，尺寸12可小于所需的尺寸规格。在所示的实施例中，尺寸12与端面和通过缸体30的曲柄轴支撑孔的中心线之间的距离有关。本体11通常可为铸件，如铁铸件，但也可由包括铝或钢的其他金属材料制成，而不脱离本公开范围。在再制造过程中，热喷涂第二金属材料的涂层13以粘附至并覆盖本体11上的第一金属材料的至少一部分。第二金属材料应该为可铣削的以使涂层过程添加过量的材料，然后将所述过量的材料铣削至尺寸。在再制造过程后，本体11和涂层13将具有与发动机缸体的尺寸规格基本上匹配的第二形状。
参照图2，第二示例部件20为包括本体111的发动机缸盖，该本体由于使用而形成的其形状具有与发动机缸盖的尺寸规格不匹配的尺寸112。如同发动机缸体30，发动机缸盖20可由任何适合的第一金属材料(如铁铸件)制成。第二金属材料的涂层113粘附至并覆盖本体11上的第一金属材料的至少一部分并且具有铣削的外表面。因此，本公开的再制造策略教导添加过量的可铣削的第二金属材料以使本体和涂层可被铣削至与发动机缸盖的尺寸规格基本上匹配的第二形状。如在本公开中使用的，术语铣削或可铣削的表示除了研磨以外的机器技术。通常可以利用适合的旋转切削工具或类似物在单程中将可铣削的部件制成形，而研磨通常会要求在研磨表面和接地的一部分之间长期和反复的接触，这样会增加成本并延长处理时间，同时也可减少快速达到最终尺寸形状的确定性。
本公开教导了将第二金属材料应用在热喷涂涂层中的策略，如利用本领域中众所周知的类型的双金属丝电弧热喷涂技术。例如，图3示出了从两个线轴40拉出金属丝41的双或成对金属丝电弧热喷涂机42，并且不断地在合适的气体的喷涂前面馈送这些金属丝41，同时两根金属丝之间的电弧形成熔融金属材料，通过喷涂将该熔融金属材料作为雾化粒子流朝着工件喷射。然后，这些粒子粘附至涂层13中的底部本体11。
而不是不锈钢作为再制造第二金属材料，本公开教导了图3的成对金属丝电弧热喷涂机中的FeAlSiC金属丝的使用。通过适当地选择铁、铝和硅的比例，涂层13，113将是可铣削的，并且具有主体有序的DO3晶体结构，该DO3晶体结构具有基本上稳定的氧化铝皮，该氧化铝皮在约700℃时产生抗氧化性。就发动机缸盖20或发动机缸体30而言，术语“稳定的氧化铝皮”表示涂层可进行从环境温度加热高达约700℃的至少100次循环，而涂层没有任何实质性的重量损失。例如，这些温度循环中的一个可涉及发动机从冷启动到正常运行状态，并且然后在关闭后恢复到环境状态。
一种适合用于再制造发动机缸盖20和发动机缸体30的运行良好的FeAlSiC金属丝的具体组成包括6-8％的铝、2.2-4.2％的硅、1.6-2.4％的碳以及余量的铁。然而，存在将显示有序的DO3晶体结构的这些元素的其他组合，该DO3晶体结构产生具有稳定的氧化铝皮的可铣削的金属材料。图4示出了针对各百分比的铁、硅和铝在600℃时所计算的等温截面，该等温截面具有显示位于所计算的等温截面左下方的有序的DO3晶体结构的区域。本领域的技术人员将会认识到，图4示出了所计算的示图，并且如果通过实验创建图4中所示的类型的实际示图，那么实际材料可显示或产生不同的数据。因此，本领域的技术人员将会认识到，图4的示图中所示的主体有序的DO3晶体结构区域可具有在一定程度上不同于图4所预测的所计算的等温区域的边界线。
图4的示图表明用于FeAlSiC金属丝中的铝和硅的精确数值范围也许是实际不可能的。然而，本领域的技术人员将会认识到，那些材料的特定比例应当显示主体有序的DO3晶体结构并且具有在约700℃时产生抗氧化性的基本上稳定的氧化铝皮，以便适合作为根据本公开的热喷涂涂层。如果选择与图4中所示的有序的DO3晶体结构区域偏离太远的铁、铝和硅的组合，那么可预料到将产生不合适的结果的无序的α结构的量增加。人们相信，适当的铝与硅的比例有助于加速专用氧化铝皮的所需DO3晶体形成。据猜测，在涂层中少量的碳导致稍高的硬度，可使其为更可铣削的。这使得涂层13，113适合在再制造部件(如发动机缸盖20和发动机缸体30)中的应用。人们相信，少量的硅降低了良好的抗氧化性所需的铝的量。这表现为协同效应。通常，可能期望铝与硅的比例低于1。
再次参照图3，FeAlSiC金属丝41可以为形状和尺寸被制成与金属丝电弧热喷涂机42兼容的线圈40。金属丝可为本领域已知的类型的实心金属丝，或带芯金属丝，而不脱离本公开。
工业适用性
本公开在任何再制造策略中找到了潜在的适用性，其中关于涂层的应用和机械加工期望以下项中的至少一项：减少涂层材料的成本、减少成本或提高效率，并且最终可能是有关环境的期望：避免或减少铬的使用。本公开在以下方面找到了具体的应用：用本公开的FeAlSiC涂层替代过去可能使用的不锈钢以再制造发动机部件，如发动机缸盖和发动机缸体。
作为再制造过程的一部分，可以确定与部件的尺寸规格不匹配的尺寸12或112(图1和图2)。FeAlSiC金属材料的热喷涂涂层被喷涂在本体11，111上以构建超过部件的尺寸规格的尺寸12，112。接着，铣削掉涂层的一部分直到涂层13，113和本体11，111具有与部件的尺寸规格基本上匹配的第二形状。在进行热喷涂过程之前，可能期望热喷涂完成后将掩膜施加到原始部件的特征以避免附加的处理。热喷涂过程之后，可去除任何掩膜，并且将组合的本体和涂层铣削到与部件的尺寸规格匹配的第二形状。此后，部件可恢复第二使用寿命的使用，并且甚至可在以后的日子再进行第二次再制造。
应当理解，以上描述仅是出于解释的目的，而并不以任何方式限制本公开的范围。因此，本领域的技术人员将会认识到，通过研究附图、公开内容以及所附权利要求书可以获得本公开的其他方面。
Claims (7)
1.一种再制造的部件(10，110)，包括：
本体(11，111)，其具有由于使用所述部件而形成的第一形状，所述第一形状由第一金属材料限定并且具有与所述部件的尺寸规格不匹配的至少一种尺寸(12，112)；
第二金属材料的涂层(13，113)，所述第二材料包括FeAlSiC并且具有可铣削的、主体有序的DO3晶体结构，所述DO3晶体结构具有基本上稳定的氧化铝皮，所述氧化铝皮在约700℃时产生抗氧化性，并且所述涂层(13，113)粘附至并覆盖所述本体(11，111)上的所述第一金属材料的至少一部分并且具有铣削的外表面；并且
所述本体(11，111)和所述涂层(13，113)具有与所述部件的尺寸规格基本上匹配的第二形状。
2.根据权利要求1所述的再制造的部件(10，110)，其中，所述第二材料具有6-8％的铝、2.2-4.2％的硅、1.6-2.4％的碳，以及余量的铁。
3.根据权利要求2所述的再制造的部件(10，110)，其中，所述第一金属材料为铸件。
4.根据权利要求3所述的再制造的部件(10，110)，其中，所述铸件为铁铸件。
5.一种再制造部件的方法，包括以下步骤：
确定本体(11，111)的尺寸(12，112)，所述本体(11，111)具有由于使用所述部件而形成的第一形状，所述尺寸(12，112)与所述部件的尺寸规格不匹配，其中所述第一形状由第一金属材料限定；
将包括FeAlSiC的第二金属材料的涂层(13，113)热喷涂至所述本体(11，111)上以构建超出所述部件的尺寸规格的所述本体(11，111)的尺寸(12，112)；
将所述第二金属材料的一部分铣削掉，直到所述涂层(13，113)和所述本体(11，111)具有与所述部件的尺寸规格基本上匹配的第二形状；
其中所述涂层(13，113)具有主体有序的DO3晶体结构，所述DO3晶体结构具有基本上稳定的氧化铝皮，所述氧化铝皮在约700℃时产生抗氧化性。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第二金属材料具有6-8％的铝、2.2-4.2％的硅、1.6-2.4％的碳，以及余量的铁。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第一金属材料为铸件。
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