CN104831278A - 涂覆内燃发动机的缸膛和气缸体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生产涂覆的内表面(4)的方法，特别涉及生产内燃发动机的涂覆的缸膛(1)的方法。建议该方法至少以下列步骤实施：-生产存在于坯件中的主体(3)；-钻出缸膛(1)并对其进行预加工；-向缸膛(1)的内表面(4)施加该搪瓷涂层(2)，以及-对涂覆的缸膛(1)进行后处理，该搪瓷涂层(2)通过相形成冶金地粘接到缸膛(1)的基底材料上。

Description

涂覆内燃发动机的缸膛和气缸体的方法

说明书

本发明涉及一种生产涂覆表面的方法，特别涉及一种涂覆内燃发动机的缸膛的方法，以及还涉及涂覆内燃发动机的气缸体的方法。

在理想地获取理想的摩擦条件的情况下，内燃发动机缸膛应当在其内圆周和在其间往复运动的活塞或活塞环之间具有一致的且小的余隙。

DE 10 2007 023 297 A1号专利文件公开了一种两阶段方法，其具有紧跟预加工进行精密加工的目的。在开始生产不圆的初始形状的第二步骤之前，即，在开始精密加工之前，DE 10 2007 023 297 A1号专利文件提供了滑动层到预加工初始形状的施加。按照DE 10 2007 023 297 A1号专利文件，这可以仅仅通过热喷涂法、利用可以想到的电弧丝喷涂、大气等离子喷涂或高速火焰喷涂实现。等离子体粉末喷涂也可以为适当的喷涂方法。在这方面，DE 10 2007 023 297 A1号专利文件特别指出所施加的层的层厚度不应当小于至少50μm。此外，该表面应当进行热地、机械地、化学地预处理或在涂覆前以喷水器进行辅助的方式进行预处理。

在这些热涂覆法中，熔融的涂层粒子在高温时以及有时在非常高的速度时撞击待涂覆的表面，以便于产生热喷涂层。这清楚地涉及这样的缺点：待涂覆的基底材料事实上经受了不受控制的热处理，使得其材料属性可能改变。此外，其中设置了待涂覆的缸膛的缸体将被加热到非常高的温度，使得对缸体的进一步处理延迟持续必要的冷却阶段的持续时间。

具有摩擦适应性的耐磨层可以通过热喷涂法的手段生产。然而，这种性质的涂层在实践中不用于由灰口铸铁材料(GCI材料)制成的发动机体，因为该磨光的GCI表面由于具有它们的自动润滑功能的石墨薄片，其本身已经容易适应于摩擦条件。因此，在GCI发动机体中的磨损的机筒通过在钢层上的喷涂特别地被恢复到初始状态。接着通过珩磨再次建立初始直径是可行的。由通过热喷涂修复的这样的发动机已知的是它们与通过对缸膛进行精加工珩磨并使用特大号活塞进行修复的发动机相比展示了更低的耗油量或更高的动力。随着该气孔起到储油器的作用并向特别是处在活塞车削点的区域中以及因而在该混合摩擦的区域中的活塞环提供附加油料，其在活塞环和多孔热喷涂层之间建立了进一步降低的摩擦力。

在铝制发动机体的情况下(Al发动机体)，相比之下，该表面在涂覆之前将要被活化并粗糙化，举例来说，通过喷水器的手段或机械粗加工的方式进行此处理是可行的。然而，没有方法被考虑用于GCI发动机体，并且因此以与弯曲珩磨或锻锤涂刷相结合的相对高粗糙度的精加工珩磨是必须的。此外，成本较高的铝镍合金(NiAl)粘接基底材料的薄层必须在通过热方法施加实际功能性涂层之前进行热喷涂。这种两阶段处理使得用于GCI发动机体的涂覆成本增高，作为结果，该热喷涂在此是不利的。相比之下，用于由铝材料制成的发动机体的成本是更优惠的：在此，可以省掉由GCI材料制成的内衬。柔软的铝材料的简单的机械粗加工产生了具有咬边的粗糙轮廓，并因此该涂层可以直接在所述粗糙表面上进行热喷涂。该咬边甚至在没有任何粘接剂基底的情况下产生了非常高的粘合强度。

然而，举例来说，该热喷涂层对于层下腐蚀的问题上展示了瑕疵，在层下腐蚀的问题例如前提是使用腐蚀的、受污染的燃料时产生。在这种情况下，使用作为用于热喷涂涂覆的填充材料的高铬合金粉末或金属丝是必须的，作为结果，产品的成本进一步增加。然而，由于连续的孔隙，其接着可能会是这样：该冷凝物或酸可以通过该层侵蚀基底材料。只有通过对该层的附加浸渍，才可以防止这样的层下腐蚀的问题。

此外，隔热层可以通过使用具有氧化钇稳定性的二氧化锆(Zr-O₂)的等离子体粉末喷涂法进行生产用于内燃发动机或燃汽轮机。通过等离子体粉末喷涂生产的这样的层具有甚至在高于1100℃的非常高的温度时的低的热传导特性。另一方面，通过等离子体粉末喷涂生产的这样的层由于它们的层结构包括微小裂缝这样的事实而不可经受机械负载，其情况为这种类型的热障层不适合作为在缸筒内经受摩擦学负载的涂层。

根据这些观察，用来生产涂覆的缸膛表面的方法，特别是用于给内燃发动机的缸体的缸膛涂覆的方法继续提供了改进的空间。

在这个背景下，该发明基于这样的目标：有利地开发在引言中详述的类型的方法。

所述目标通过具有权利要求1特征的方法并通过具有权利要求11特征的缸体来实现。

应当指出的是，在下列说明书中单独详细说明的特征和措施可以以任何所期望的技术上有意义的方式相互结合并公开本发明的进一步的改进。该说明书——尤其与附图相结合——对本发明及其部分的特征进行进一步的描述并详细说明。

按照本发明在下文中所展示的为一种生产涂覆的表面——尤其是内燃发动机的缸膛——的方法，所述方法至少包含以下步骤：

-生产存在于坯件中的主体；

-钻出缸膛并对其进行预加工；

-向该缸膛的内表面施加搪瓷涂层，以及

-对该涂覆的缸膛进行后处理，该搪瓷涂层通过相形成冶金地粘接到缸膛的基底材料上。

施加在缸膛的内表面上的搪瓷涂层具有特别好的隔热性能和特别好的摩擦性能。此外，层下腐蚀得到可靠地避免，省掉诸如举例来说氧化锆/氧化钇这样的昂贵添加剂是可行的。在这方面，方便地提供一种方法，在该方法中，适当的涂层在最低产品成本的情况下在组件的可靠操作上满足所有需求，然而，对于将要同时集成到现存的生产线用于在避免这些主要问题的情况下生产发动机缸体的根据本发明的方法同样是可行的。

按照本发明的搪瓷涂层优选地为熔融混合物。在该搪瓷温度上，形成玻璃的氧化物融化在一起以形成玻璃熔体。形成玻璃的氧化物在此可以为SiO₂,B₂O₃,Na₂O,K₂O以及Al₂O₃。基底搪瓷包含按重量计大约23-34％的硼砂，按重量计28-52％的长石，按重量计5-20％的石英，按重量计大约5％的氟化物，剩余物为苏打和硝酸钠。Ti,Zr和Mo的氧化物可以作为遮光剂。

为了获得搪瓷涂层牢固地粘接到例如基底材料这样的金属基体的效果，提供例如钴、锰或镍的氧化物组成。使用诸如举例来说铁氧化物、铬氧化物和尖晶石这样的陶瓷颜料也是可行的。

在优选的改进中，所述基体为精磨的及熔融的。该熔融块是淬火的，也就是说其优选地浸入到水中，颗粒状玻璃熔块由此在随后步骤中产生为再次精磨。通过示例的方式，30％-40％的水与粘土和石英粉末被加入到研磨操作中。根据搪瓷的性质，以上提到的遮光剂和着色剂氧化物也被加入。

这形成了搪瓷釉浆，其为了更好地混合应当在该搪瓷釉浆将被再次使用之前静置一定时间，优选为静置几天。适当的改性剂的使用保证了存在均一的层厚度，举例来说在浸渍涂覆之后，使用充水装置的可行的浸入涂覆在下文中更详细地涉及。

可以选择对于施加搪瓷涂层——即搪瓷釉浆——的不同程序。一方面，该含水的搪瓷釉浆可以通过旋转装置的手段施加，当以缸膛的垂直方向围绕旋转装置的纵轴旋转时，选择装置可以在其中往复运动。该装置可以为矛状物状的形式，其对于待施加于多个通道——即层——中的材料是可行的。在其施加端，该矛状物便利地具有至少一个排出口，搪瓷釉浆可以从该排出口出现。可以说，该搪瓷釉浆通过旋转在待涂覆的表面上广布。当然还可行的是，提供多个排出口，当在圆周方向上看以及同样在其垂直方向上看时其可以设置在矛状物上。在可行的改进中，可以首先提供施加特定的材料厚度，其接着在施加下一层——即另外的材料——之前被干燥。举例来说，该层可以举例来说利用电感器来干燥。当然同样可行的是，提供在单个步骤中施加该搪瓷涂层。

然而，按照已经提到的，在另一方面，该搪瓷涂层还可以施加于浸入操作中。对于这个目的，在优选的改进中，其中存在一个或多个待涂覆的缸膛的整个气缸体可以与其的缸盖端首先引入到搪瓷釉浆浴中。在此种情况下还不可避免的是使气缸体的外部被涂覆，但是这对于减少材料总量来说是不利的。然而，如果该缸膛充满了搪瓷釉浆则是有利的，这在本发明的背景下同样被称为利用充水装置的浸入操作。在这种情况下，整个气缸体随其缸盖端首先在充水装置上而被设置。该充水装置便利地具有至少一个室，其带有至少一个排出口，并设置有进料口。管线连接到进料口并运载该搪瓷釉浆到充水装置使得在其中——即室中——存在这样的压力，使搪瓷釉浆从排出口从下面进入到待涂覆的缸膛中。有利的是例如在改进中以密封唇口的形式的密封元件也设置在充水装置上，对于待涂覆的缸膛的壁在圆周方向上抵靠所述密封元件是可行的，使得该缸膛相对于其壁上的充水装置被密封。该整个缸膛，即其内表面，因此涂覆有搪瓷釉浆。在这种情况下，同样可行的是提供利用可选择的、以上提到的各个局部层的中间烘干以及在一个步骤中的搪瓷涂层的施加组成的多级层。该缸膛因此从底部向上被浸没。当然可行的是以搪瓷釉浆从顶部向下浸没该缸膛。为了这个目的，该搪瓷釉浆被引入到顶部的缸膛开口中，这同样被看做是在本发明背景下的浸入操作。

如果该整个缸膛具有在其整个圆周上和整个深度范围上的搪瓷涂层是有利的。

如果主体——即气缸体——由灰铸铁利用适合作为生产方法的沙模铸造法生产则同样是有利的。这通常是已知的，并且因此没有在这方面的进一步细节被提供。缸膛——即气缸膛——接着被钻出并进行预加工，该缸膛通过精加工钻孔钻出1到2mm直径的超大型号。如果缸膛的区域中的表面——即内缸膛表面——通过车削轴具有Ra 6到7μm的粗糙度，则在本发明的背景下是有利的。

在预加工之后，施加该搪瓷涂层。该搪瓷涂层作为水性悬液施加并接着在连续式加热炉中干燥，例如在T＝90℃的温度持续大约10分钟。通过辐射加热器进行干燥或通过以上提到的感应线圈的手段进行加热也是可行的。接着，该组件优选地在连续式加热炉中以T＝840℃的温度退火10分钟，使得该搪瓷涂层可以通过相形成冶金地粘接到气缸体的GCI基体材料上。这个烧制操作导致密集、封闭的氧化物涂层的形成，该涂层对于冷凝物或腐蚀性的替代燃料具有非常好的抗腐蚀作用。按照本发明的搪瓷涂层与电镀涂层或热喷涂涂层的不同之处在于它们不可被渗透。如果热施加的喷涂层被渗透，则Fe氧化物相可以在涂层下形成，导致与热喷涂涂层的剥落相关联的量的大大增加。相比之下，按照本发明的搪瓷涂层不会经受进一步的破坏，前提是该层通过局部破坏被向下移动到基底材料上。锈蚀损害将接着仅在搪瓷层不存在的区域内出现，但是其不会进一步散布。

除了该良好的抗腐蚀性之外，按照本发明的搪瓷涂层由于典型地为600-800HV0.1的高的层硬度以良好的耐磨性为特征。这代表了高于在GCI基底材料的情况下的三倍的硬度。

在生产搪瓷涂层的进一步的程序中，便利地提供执行进一步的热处理。为了这个目的，具有干燥搪瓷涂层的气缸体在保护性气体炉中被加热到800-900℃并保持在这个温度持续大约10-20分钟。其接着进行快速冷却——优选地在中进行，使得该气缸体具有与常规的GCI材料的情况下相比的相当更高的强度。意外的是，该搪瓷烧制处理和这个热处理在相同的温度/时间窗口中进行，以及其被本发明利用。在这方面，该搪瓷烧制处理和热处理相互结合，使得这个烧制和淬火操作因此引发具有增加的机械强度的气缸体以及还具有良好的隔热性和良好耐磨、耐腐蚀性的气缸膛。该热处理按照贝氏体灰铸铁热处理被便利地执行(AGI热处理＝等温淬火灰铸铁热处理)。

在搪瓷涂层的烧制之后，该发动机体被精加工并在机筒中磨光成最终的尺寸。

500-1000μm的层厚度被优选地施加。搪瓷涂层越厚，则其隔热功能越强。该隔热通过诸如Si,Ti和Ca氧化物这样的氧化物的使用而出现，并且通过在凝固的玻璃基体中典型的气泡内含物出现。该硬且易碎的层可以通过金刚石珩磨条非常容易地加工，伴随着这些气泡被切割并暴露。重点尤其应当放置在这样的事实上：其没有包含如在被热施加的喷涂层的情况下的相互连接的孔或孔群，以及因此高流动压力可以按照本发明在搪瓷涂层的孔中加强并且该油膜不可以通过活塞环被压离进入到所连接的孔中。

由于显著的耐腐蚀、耐磨性，良好的隔热性以及还有良好的摩擦性能，按照本发明的该方法适于涂覆内燃发动机的气缸筒。此外，搪瓷涂层的烧制周期可以与AGI热处理相结合，使得该气缸体于是具有更高强度。搪瓷涂层的组成可以通过添加坚硬的碳化物以这样的方式来改变：可以提升耐磨性，例如，在增压式发动机中的使用。与锆氧化物粉末(目前为60€/kg以及昂贵的粉末等离子体喷涂方法的使用)相比，搪瓷的湿浆液(目前为2-4€/kg)是非常节省成本的。

本发明因而提供了一种生产由灰铸铁材料制成的内燃发动机的气缸体的缸膛中的耐磨及耐腐蚀涂层的方法。按照本发明，这个涂层至少满足以下需要：由于低导热系数，其降低了燃烧过程中的热损耗并因此使按照热力学更好地利用燃烧过程中的热能以便获得更高效率成为可能。此外，然而，这个涂层还具有良好的摩擦性能，以便于抵抗活塞组的摩擦磨损状况。这些需求按照本发明通过可能的硬的搪瓷涂层的烧制来满足。此外，按照本发明的情况是所需要的搪瓷涂层的烧制处理与AGI热处理相结合，并且因此对于该上釉来说仅产生非常低的成本，同时，该气缸体获得了比常规的GCI材料制成的气缸体更高的强度。同样可以想到的是，提供由铝制成带有搪瓷涂层的气缸体，即，其气缸筒。

可选择地，搪瓷涂层的表面还可以经受最终的处理，即，在烧制步骤后的精加工。优选地提供通过车削对摩擦表面进行加工并移除由于退火处理形成的鳞状层。同样可行的是通过后研磨对缸膛进行后加工，其中在此情况下可行的是使用金刚石或硬质材料杯形砂轮。可以想到的是通过中空车削或精加工钻孔的手段实施后加工，在给予PCD(多晶金刚石)可转位刀片优先的情况下，其不考虑基于脆度的高硬度是可行的。

本发明进一步有利的细节和效果将以附图中所示的各种示例性的实施例为基础在以下进行更详细的描述。在附图中：

图1示出了使用搪瓷涂层涂覆缸膛的程序，

图2示出了使用搪瓷涂层涂覆缸膛的另外的程序，以及

图3示出了具有搪瓷涂层的缸膛的纵切面。

在不同的附图中，同样的部件通常具有相同的附图标记，以及这样的所述部件通常也仅进行一次描述。

图1示出了利用搪瓷涂层2涂覆缸膛1的方法。该缸膛1在气缸体3中形成，其可以以图2中的基本略图的形式看到。在图1中，可以看到的气缸体3的唯一部件是缸膛1的内表面4。

该气缸体3作为主体3由灰铸铁以砂模铸造法生产。该缸膛1以精加工钻孔钻出1到2mm直径的超大型号。此外，在该缸膛1的区域中的表面4通过车削轴具有Ra 6到7μm的粗糙度。

所给出的值无疑仅仅通过示例的方式提及。按照本发明，该缸膛1具有搪瓷涂层2。

在图1中所示的示例性实施例中，该搪瓷涂层2通过旋转装置6的手段以含水的搪瓷釉浆的形式施加，当以缸膛2的垂直方向围绕其轴旋转时，旋转装置6可以在其中往复运动。就旋转以及往复运动而言的运动箭头在图1中示出。该装置6可以被称为矛状物6，将材料——即含水的搪瓷釉浆——施加在多个通道——即层——中是可行的。在可行的改进中，提供首先施加特定的材料厚度，其在施加下一层——即另外的材料——之前接着被干燥。举例来说，该层可以以电感器干燥。提供在单一步骤中施加搪瓷涂层同样无疑是可行的。

然而，如可以从图2中推测的，在另一方面，该搪瓷涂层2还可以以浸入操作来施加。在图2中可以看到，该缸膛1可以利用搪瓷浆从下面充满，这在本发明背景下的被称为浸入操作。在这个情况下，整个气缸体3与其缸盖端7一起垂直设置于充水装置8上。

该充水装置8便利地具有至少一个室9，其具有排出口10，并设置有进料口11。管线12被连接到进料口11并运载该搪瓷釉浆携带到充水装置8使得在其中——即室9中——存在压力，使搪瓷釉浆从排出口10从下面进入到待涂覆的缸膛1中。有利的是，例如在改进中以密封唇口13的形式的密封元件13还设置在充水装置8上，对于在待涂覆的缸膛1的壁14——即其端侧——的圆周方向上倚靠所述密封元件13使得该缸膛1相对于其壁部14上的该充水装置8被密封是可行的。该整个缸膛1——即其内表面4——因此涂覆有搪瓷釉浆。在这种情况下，同样可行的是，提供利用选择的、以上提及的各个局部层的中间干燥以及在一个步骤中的搪瓷涂覆的施加组成的多级层。

在选自图2的视图中，仅仅可以看到充水装置8的室9。然而，该内燃发动机——即缸体3——可行地具有超过一个的气缸膛1，这也在本发明的背景中。在这方面，该充水装置8还可以具有超过一个可以看到的室9，并且这些室可以被一个接一个地和/或相互并排地设置。这取决于内燃发动机的类型，例如，如直列式发动机那样或如V型发动机那样。无疑可行的是，带有单一的室9的分开的充水装置8被提供用于每个缸膛1。如果所有的缸膛1同时地具有该搪瓷涂层2则是有利的，无疑还可行的是，对此可以连续地进行。然而，尽可能同时进行的涂覆在热处理的背景下是有利的。

如果整个缸膛1具有搪瓷涂层2，则是有利的。

接着，提供对涂覆的缸膛1进行后处理，该搪瓷涂层通过相形成冶金地粘接到缸膛的基底材料。这个后处理在随后的淬火的情况下与热处理相结合。两种处理——即搪瓷烧制操作和所述的热处理——在相同的温度/时间窗口中进行，使得该烧制和淬火操作因此造成气缸体具有增强的机械强度以及还使气缸膛具有良好的隔热、耐磨以及抗腐蚀性能。该热处理有利地执行为贝氏体灰铸铁热处理(AGI热处理＝等温淬火灰铸铁热处理)。

接着，该搪瓷涂层2可以经受例如通过金刚石珩磨条的手段进行的精加工。如图3中所示，在这个过程中，出现在搪瓷涂层2中的孔/气泡15被切割并暴露。图3示出了缸膛1的内表面4，该搪瓷涂层2以及设置在其间的过度区域16。在图3中还可以看到的是，所述孔/气泡15不是如在热施加的喷涂层的情况下的相互连接的孔或孔群，以及因此高流体压力可以在按照本发明的搪瓷涂层的切割的和暴露孔/气泡过程中产生，以及该油膜不可以通过活塞环被压离进入到连接的气孔中。

Claims (13)

1.一种生产涂覆的内表面(4)的方法，特别是生产内燃发动机的涂覆的缸膛(1)的方法，所述方法至少包含以下步骤：

-生产存在于坯件中的主体(3)；

-钻出缸膛(1)并对其进行预加工；

-向缸膛(1)的内表面(4)施加搪瓷涂层(2)，以及

-对涂覆的缸膛(1)进行后处理，该搪瓷涂层(2)通过相形成冶金地粘接到缸膛(1)的基底材料上。

2.如权利要求1所述的方法，其中该缸膛(1)通过精加工钻孔的手段钻出1-2mm直径的超大型号。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中

该缸膛(1)通过车削轴在其内表面(4)上设置有Ra 6到7μm的粗糙度。

4.如前述任一权利要求所述的方法，其中

该搪瓷涂层(2)作为含水的搪瓷釉浆被施加到内表面(4)并接着在连续式加热炉中在T＝80到100℃并优选在T＝90℃的温度，持续干燥8到12分钟，优选地为10分钟。

5.如前述任一权利要求所述的方法，其中该搪瓷涂层(2)通过往复运动的旋转施加装置的手段被施加。

6.如权利要求1到4中任一所述的方法，其中

该搪瓷涂层(2)使用充水装置(8)以浸入操作被施加，该充水装置(8)具有至少一个室(9)，其具有至少一个排出口(10)，并提供进料口(11)，进料口(11)通过管线(12)连接，使得从室(9)的排出口(10)出现的进入到缸膛(1)的含水的搪瓷釉浆可以被引入到室(9)中。

7.如前述任一权利要求所述的方法，其中

整个缸膛(1)设置有搪瓷涂层(2)。

8.如前述任一权利要求所述的方法，其中

该搪瓷涂层(2)与由GCI基体材料制成的主体(3)一起在连续式加热炉中在750℃和900℃之间，优选在T＝840℃的温度退火5到30分钟，该搪瓷涂层可以通过相形成冶金地粘接到缸膛(1)的基底材料上。

9.如权利要求1到7的任一所述的方法，其中

该搪瓷涂层(2)与由铝合金制成的主体(3)一起在连续式加热炉中在480℃和560℃的温度之间，优选在T＝540℃的温度退火5到30分钟，使得该搪瓷涂层可以通过相形成冶金地粘接到缸膛(1)的基底材料上。

10.如前述任一权利要求所述的方法，其中

该主体(3)与干燥的搪瓷涂层(2)一起输送给加热装置，在该加热装置中该主体(3)被加热到800到900℃并保持在这个温度持续10到20分钟，其接着被快速冷却。

11.一种具有缸膛(1)的内燃发动机的气缸体，其具有涂覆的内表面(4)，尤其通过前述任一权利要求所述的方法进行生产，其中

缸膛(1)的内表面(4)上的涂层为搪瓷涂层(2)。

12.如权利要求11所述的气缸体，

其中

该搪瓷涂层包含至少一个形成玻璃的氧化物，其选自由SiO₂,B₂O₃,Na₂O,K₂O以及Al₂O₃组成的群组。

13.如权利要求11或12所述的气缸体，其中

该气缸体包含基底材料，其选自由以下材料组成的群组：镁合金，铝合金，灰铸铁以及铸钢。