CN105579608A - 形成喷涂铁涂层的方法和涂覆的元件 - Google Patents

形成喷涂铁涂层的方法和涂覆的元件 Download PDF

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Abstract

用通过电弧熔融的线材的液滴在基底(21)上形成铁喷涂涂层(23)的方法，包括：在基底上形成第一铁喷涂涂层(24)的步骤，其中电弧喷涂用线材为含有铁和0.03-0.10质量％碳的第一线材，且压缩气体为惰性气体；和在第一铁喷涂涂层(24)上形成第二铁喷涂涂层(25)的步骤，其中电弧喷涂用线材为含有铁和0.03-0.10质量％碳的第二线材，且压缩气体包含10-21体积％氧气。

Description

形成喷涂铁涂层的方法和涂覆的元件
发明背景
1.发明领域
本发明涉及用电弧喷涂用线材形成铁喷涂涂层的方法，所述铁喷涂涂层通过借助电弧将电弧喷涂用线材熔融并在向熔融线材供应压缩气体的同时将熔融的电弧喷涂用线材喷涂到基底上而形成，还涉及具有铁喷涂涂层的元件，包括涂有铁喷涂涂层的基底。
2.相关技术描述
气缸体的气缸膛内表面涂有通过喷涂技术形成的喷涂涂层，所述喷涂技术涉及借助用电弧、等离子体或气体产生的火焰将各种金属或合金金属瞬间熔融，并借助压缩气体使雾化(使其成为细粒)的喷涂颗粒碰撞/固化和附着，以改进膛内表面的耐腐蚀性、耐磨性等。
例如，日本专利申请公开No.2009-155720(JP2009-155720A)公开了通过等离子体喷涂使用含有0.12质量％或更多碳的材料形成喷涂涂层的方法的示例技术。例如，日本专利申请公开No.2010-275581(JP2010-275581A)公开了形成喷涂涂层的方法，所述喷涂涂层含有：以质量比表示，0.3-0.4％C，0.2-0.5％Si，0.3-1.5％Mn和总计0.5％或更少的Cr和/或Mo，余量为Fe和不可避免的杂质。
尽管如JP2009-155720A和JP2010-275581A使用含有提高量的碳的材料可改进喷涂涂层的耐磨性，但也可能降低喷涂涂层的机械加工性。当用含有提高量的碳的电弧喷涂用线材进行电弧喷涂时，线材本身的强度可被改进，由此降低了生产率。
有了上述认知，日本专利申请公开No.2008-240029(JP2008-240029A)公开了使用含有主要组分Fe、0.01-0.2重量％C和0.25-1.7重量％Si的电弧喷涂用线材形成喷涂涂层的方法。在该方法中，喷涂涂层通过借助电弧将电弧喷涂用线材熔融并在向熔融线材供应压缩空气的同时将熔融的电弧喷涂用线材喷涂到基底上而形成。
然而，JP2008-240029A中公开的形成涂层的方法可能导致喷涂涂层与基底之间的粘附强度降低，这是因为用含有氧气的空气进行喷涂。具体而言，含氧气体的使用导致在基底上不仅附着形成涂层的铁氧化物，而且附着铁氧化物细尘。认为，在涂层与基底之间附着物质在基底上的存在降低涂层与基底之间的金属附着或锚定效果。该现象更明显地表现在使用JP2009-155720A和JP2010-275581A中公开的材料进行喷涂时。
发明概述
本发明提供了形成具有提高的与基底的粘附强度的铁喷涂涂层的方法，和涂覆有铁喷涂涂层的元件。
作为深入研究的结果，发明人注意到在电弧喷涂期间的熔融的电弧喷涂用线材的液滴。具体而言，发明人认为当熔融的电弧喷涂用线材的细雾化液滴附着在基底上时，在液滴到达基底的表面以前，液滴冷却(尽管液滴是飞行的)，导致在碰撞时基底与液滴之间的物理吸附降低和金属之间的附着率降低。
因此，发明人考虑了液滴的粘度和表面张力。具体而言，发明人认为，为使较大的液滴附着在基底上，重要的是提高液滴的粘度和液滴的表面张力。因此，发明人限定了加入铁中的碳的量以提高液滴的粘度，并限定了液滴飞行所借助的压缩气体以提高液滴的表面张力。
本发明第一方面涉及用熔融的电弧喷涂用线材的液滴在基底上形成铁喷涂涂层的方法，通过借助电弧将电弧喷涂用线材熔融并在向熔融线材供应压缩气体的同时将熔融线材喷涂到基底上而制备。该方法包括：使用含有铁和0.03-0.10质量％碳的第一线材作为电弧喷涂用线材和惰性气体作为压缩气体在基底上形成第一铁喷涂涂层的步骤；和使用含有铁和0.03-0.10质量％碳的第二线材作为电弧喷涂用线材和含有10-21体积％氧气的气体作为压缩气体在第一铁喷涂涂层上形成第二铁喷涂涂层的步骤。
根据本发明，在形成第一铁喷涂涂层的步骤中，首先用含有铁和0.03-0.10质量％碳的第一线材作为电弧喷涂用线材和用惰性气体作为压缩气体在基底上形成第一铁喷涂涂层。因此，在基底上可附着其中产生的氧化物的量降低的较大液滴(熔融的第一线材的液滴)。
即，使用含有铁和0.03-0.10质量％碳的低碳钢作为电弧喷涂用线材可提高熔融的第一线材的液滴的粘度，另外，使用惰性气体可提高从溶液中脱离和飞走的液滴的表面张力。因此，比常规液滴更粗的液滴在具有降低的氧化物生成的环境下可稳定地从第一线材飞向基底，因此使具有提高量的热的液滴作为铁喷涂涂层的一部分与基底碰撞。因此，可提高基底与铁喷涂涂层之间的物理吸附以及它们之间的金属附着率，由此提高铁喷涂涂层对基底的粘附度。
含有少于0.03质量％碳的第一线材可能不具有足够的硬度(强度)，而含有多于0.10质量％碳的第一线材可能具有不足的粘度，导致细液滴作为铁喷涂涂层的一部分碰撞基底，并导致不足的粘附强度。
接着，在形成第二铁喷涂涂层的步骤中，用含有铁和0.03-0.10质量％碳的第二线材作为电弧喷涂用线材和含有10-21体积％氧气的压缩气体在第一铁喷涂涂层上形成第二铁喷涂涂层。
使用含有10-21体积％氧气的压缩气体允许从溶液中脱离和飞走的液滴(熔融的第二线材的液滴)的表面张力与用惰性气体作为压缩气体得到的熔融液滴相比降低。因此，可降低液滴的尺寸，同时可促进一些液滴的氧化。所得第二铁喷涂涂层可以为用含有比第一铁喷涂涂层更高的氧化物量的细粒形成的铁喷涂涂层，由此产生具有与其中仅包含第一铁喷涂涂层的情况相比提高的滑动性能的铁喷涂涂层。
含有少于0.03质量％碳的第二线材可能不具有足够的强度，而含有多于0.10质量％碳的第二线材可能由于高碳量而抑制涂层的机械加工性。另外，含有少于10体积％氧气的压缩气体可能不提供给铁喷涂涂层足够量的氧化物，而含有多于20体积％氧气的压缩气体不再能提供效果的改进。
如上所述，第一铁喷涂涂层用粗液滴形成，因此具有比常规铁喷涂涂层和一般底涂(undercoated)表面更大的表面粗糙度。因此即使一些熔融的第二线材的液滴氧化，第二铁喷涂涂层的粘附强度也可由于由第一铁喷涂涂层的表面粗糙度产生的锚定效应而被确保。
作为含有铁和0.03-0.10质量％碳的电弧喷涂用线材的第一和第二线材可以不同或相同。当使用相同的线材作为第一和第二线材时，第一和第二铁喷涂涂层可通过将来自惰性气体的压缩气体改变为含有10-21体积％氧气的气体而连续地形成。
第二线材可进一步包含0.8-2.2质量％锰和0.9-1.5质量％硅，且可在供应压缩气体使得熔融的第二线材的液体具有70m/sec或更大的飞行速度的同时形成二铁喷涂涂层。
当第二铁喷涂涂层在该条件下形成时，第二铁喷涂涂层包含含有锰和硅的纳米级氧化物球。因此，由于其中的纳米级氧化物球，第二铁喷涂涂层可具有与含有氧化铁以改进耐刮擦性和耐磨性的铁喷涂涂层相比进一步改进的耐刮擦性和耐磨性。
当液滴具有小于70m/sec的飞行速度时，不能得到含有锰和硅的氧化物球。当锰的量低于上述范围，则所得氧化物球的量可能是不足的，当锰的量高于上述范围时，喷涂性能可能劣化(溅射的入射角可能提高)。当硅的量低于上述范围时，不能得到氧化物球，当硅的量高于上述范围时，喷涂性能可能劣化。
本发明第二方面涉及涂覆的元件，其包含基底、在基底上形成的第一铁喷涂涂层和在第一铁喷涂涂层上形成的第二铁喷涂涂层。第一铁喷涂涂层包含0.07质量％或更少的碳含量。第二铁喷涂涂层包含0.07质量％或更少的碳含量和比第一铁喷涂涂层的氧含量更高的氧含量。第二铁喷涂涂层的晶体粒径小于第一铁喷涂涂层的晶体粒径。
根据本发明，可改进机械加工性，因为第一铁喷涂涂层和第二铁喷涂涂层的碳含量为0.07质量％或更少。第二铁喷涂涂层具有比第一铁喷涂涂层更高的氧含量，且第一铁喷涂涂层具有比第二铁喷涂涂层更大的晶体粒径，导致第二铁喷涂涂层与第一铁喷涂涂层相比具有改进的耐刮擦性和耐磨性以及第一铁喷涂涂层对基底的附着力提高。
第二铁喷涂涂层可进一步包含含有锰和硅的氧化物球。包含氧化物球的第二铁喷涂涂层可具有进一步改进的耐刮擦性和耐磨性。
根据本发明，可得到具有对基底的改进粘附强度的铁喷涂涂层。
附图简述
下面参考附图描述本发明示例实施方案的特征、优点以及技术和工业重要性，其中类似的数字表示类似的元件，且其中：
图1为根据本发明一个实施方案的涂有铁喷涂涂层的元件的示意性概念图；
图2为显示喷涂装置的示意图；
图3为喷枪的放大图；
图4为沿着图3的线IV-IV取得的箭头图；
图5为阐述用图2中所示喷涂装置在气缸膛的内表面上形成铁喷涂涂层的方法的示意性概念图；
图6为根据本发明一个实施方案的喷涂装置所带有的气体供应装置的示意性概念图；
图7为显示加入铁中的碳的量与粘度系数之间的关系的概念图；
图8为显示加入铁中的氧的量与表面张力之间的关系的概念图；
图9为显示根据涂层A至C和涂层a至m的电弧喷涂用线材的碳含量与用线材得到的铁喷涂涂层的粒径之间的关系的图；
图10为显示根据涂层A至C和涂层a至m的粒径与粘附强度之间的关系的图；
图11A为根据涂层B的铁喷涂涂层的组织的照片，图11B为根据涂层f的铁喷涂涂层的组织的照片；
图12A为根据涂层B的铁喷涂涂层的组织的照片，图12B为根据涂层l的铁喷涂涂层的组织的照片，图12C为根据涂层m的铁喷涂涂层的组织的照片。
图13为根据涂层B、a、f和h的铁喷涂涂层的表面组织的照片；
图14为显示根据涂层A至C以及涂层a、b和d的电弧喷涂用线材的碳含量与在该条件下形成的铁喷涂涂层的LFW磨损量之间的关系，以及电弧喷涂用线材的碳含量与在该条件下形成的铁喷涂涂层的平均摩擦系数之间的关系的图；
图15为显示根据涂层A至C以及涂层a、b和d的电弧喷涂用线材的碳含量与用线材形成的铁喷涂涂层的硬度之间的关系的图；
图16为显示根据实施例1和2以及对比例1和2的雾化气体中的氧气含量与在该条件下形成的铁喷涂涂层的LFW磨损量之间的关系，以及雾化气体中的氧气含量与在该条件下形成的铁喷涂涂层的平均摩擦系数之间的关系的图；
图17为显示在根据实施例3的涂层形成期间的雾化气体流速与用该流速形成的铁喷涂涂层的硬度之间的关系的图；
图18为显示在根据实施例3的涂层形成期间的雾化气体流速与用该流速形成的铁喷涂涂层的LFW磨损量之间的关系的图；
图19为显示在根据实施例3的涂层形成期间的雾化气体流速与涂层形成期间颗粒的飞行速度之间的关系的图；
图20为在根据实施例3的涂层形成期间的雾化气体流速与用该流速形成的铁喷涂涂层的摩擦系数之间的关系，以及涂层形成期间的雾化气体流速与用该流速形成的铁喷涂涂层在刮擦产生以前的时间之间的关系的图；
图21A和21B显示在实施例3中用700L/min的雾化气体流速形成的涂层的TEM观察结果，图21C为显示涂层中颗粒的EDX分析结果的图；
图22A和22B显示在实施例3中用900L/min的雾化气体流速形成的涂层的TEM观察结果，图22C为显示涂层中颗粒的EDX分析结果的图；
图23为在根据实施例4和5以及对比例3和4的涂层形成期间的雾化气体流速与在该条件下形成的铁喷涂涂层的LFW磨损量之间的关系，以及涂层形成期间的雾化气体流速与在该条件下形成的铁喷涂涂层在刮擦产生以前的时间之间的关系的图。
实施方案详述
图1为根据本发明一个实施方案的涂有铁喷涂涂层的元件的示意性概念图。图2为显示喷涂装置的示意图。图3为喷枪的放大图。图4为沿着图3的线IV-IV取得的箭头图。图5为阐述用图2中所示喷涂装置在气缸膛的内表面上形成铁喷涂涂层的示意性概念图。
如图1所示，根据该实施方案涂有铁喷涂涂层的元件20包含通过电弧喷涂涂覆有铁喷涂涂层23的基底21。基底21可包括铝合金铸件，例如JIS：AC2C和ADC12。基底21的材料不特别受限，只要它容许形成下文所述铁喷涂涂层，并且可以为金属元件，例如铁材料，包括钢和铸铁或锻铝。
铁喷涂涂层23包括在基底21上形成的第一铁喷涂涂层24和在第一铁喷涂涂层24上形成的第二铁喷涂涂层25。第一铁喷涂涂层24和第二喷涂涂层25分别具有0.07质量％或更少的碳含量且第二铁喷涂涂层25具有比第一铁喷涂涂层24更高的氧含量。
更具体而言，第一铁喷涂涂层24为含有铁、至少0.015至0.063质量％碳和0.1-1质量％氧的涂层。第二铁喷涂涂层25优选为含有铁、至少0.008至0.070质量％碳和1-5质量％氧的涂层。第一铁喷涂涂层24具有129μm或更大的晶体粒径，且第一铁喷涂涂层24具有比第二铁喷涂涂层25更大的晶体粒径。
通过如上降低第一铁喷涂涂层24和第二铁喷涂涂层25中的碳含量，铁喷涂涂层23可具有改进的机械加工性。第二铁喷涂涂层25具有比第一铁喷涂涂层24更高的氧含量，因此，第二铁喷涂涂层25具有比第一铁喷涂涂层24更高的硬度。第二铁喷涂涂层25具有比第一铁喷涂涂层24更小的晶体粒径，因此，第二铁喷涂涂层25比第一铁喷涂涂层24更致密。因此，第二铁喷涂涂层25可具有与第一铁喷涂涂层24相比改进的耐刮擦性和耐磨性。
第一铁喷涂涂层24可具有比第二铁喷涂涂层25更高的晶体粒径，因此，不仅可提高由于第一铁喷涂涂层24的锚定效应导致的第一铁喷涂涂层24对基底21的附着力，而且可提高第二铁喷涂涂层25对第一铁喷涂涂层24的附着力。
第二铁喷涂涂层24包含含有锰和硅且具有10-200nm的粒径的氧化物球。由于包含在第二铁喷涂涂层24中的氧化物球，耐刮擦性和耐磨性可进一步改进。
图2为用于形成铁喷涂涂层的喷涂装置的一个实施方案的示意图。该图显示喷涂到圆柱形基底20的内表面上的装置的实例。喷涂装置10一般包括：台座1；固定在台座1上的支撑元件2；沿着支撑元件2上下移动的喷涂工具3；连接在喷涂工具3的末端的喷枪6；控制器4；和基底20安装并固定在其上的底盘7。
支撑元件2提供于台座1上并支撑包括在喷涂工具3中的滑块31使得滑块31可自由地上升和下降。控制器4与下降/上升驱动电机51和旋转驱动电机52连接，所述驱动电机连接在支撑元件2的上部。下降/上升驱动电机51包含连接在驱动电机51的转轴上的螺旋螺杆32，且螺旋螺杆32与固定在滑块31上的支撑33旋在一起。控制器4控制下降/上升驱动电机51的旋转方向和转速，使得喷涂工具3可借助下降/上升驱动电机51的转动而以所需速度上升和下降。
喷涂工具3的工具主体34在其末端具有喷枪6，且工具主体34和喷枪6借助旋转驱动电机52围绕其轴(图中的方向Y)转动。底盘7连接在台座1上并固定安装在其上的基底20。当工具主体34和喷枪6在转动时上升和下降(图中的方向X)通过基底20的中空部分29时，颗粒被喷涂到中空部分29的内表面上。
图3为喷枪6的放大图，图4为其侧面视图。当喷涂装置10进行喷涂时，电力线(未显示)通电，在电弧喷涂用线材(线材W)末端的接触部分处产生电弧(电弧)，并且线材W的末端借助电弧的热而熔融。然后借助供应辊(未显示)的转动将线材W从卷轴上牵拉以补充消耗的部分。当将气体供入软管(未显示)时，辅助喷嘴63喷出辅助气体A1以及置于喷枪6的末端元件61上的雾化喷嘴62喷出雾化气体A2(参见图4)。图3示意性地显示了将线材W的末端熔融且辅助喷嘴63喷出作为辅助气体A1的压缩气体的情况。
如图4所示，雾化喷嘴62然后将雾化气体A2喷向熔融液滴W1以将熔融液滴W1分散成细喷涂颗粒W2。在这种情况下，在喷涂工具3在基底20的中空部分29中以一定速度上升或下降时的同时，转动喷枪6，喷涂颗粒W2喷涂到中空部分29的内表面上。喷涂颗粒W2附着在中空部分29的内表面上以形成铁喷涂涂层。
例如如图5所示，当进行喷涂至气缸体C中缸膛C2的内表面上时，将喷枪6从缸膛C2的一端插入，使得喷枪6在其中上升和下降，同时转动，且粉尘和烟A3从另一端被送出，由此在缸膛C2的内表面上形成铁喷涂涂层。
电弧喷涂用线材供应的压缩气体(即辅助气体A1和雾化气体A2)由图6中所示的气体供应装置提供。图6为根据本发明实施方案的喷涂装置所带有的气体供应装置的示意性概念图。
如图6所示，将压缩空气供入气体供应装置7中，其包括分成两个通道74和75的通道。待供给喷涂装置10的气体可通过控制阀71、72和76的操作而选择。
通道75与阀76连接，在其附近布置气体流量计77以测量氧气含量。通道74包含氧气吸附剂73。在该实施方案中，吸附在氧气吸附剂73上的气体，即氧气(富氧气体)可流过通道75。聚集在积聚器79中的气体的氧气含量可通过打开阀71(关闭阀72)以及调整阀76的开口量，同时用流量计77测量流速而调整。
在图2至6中所示装置的情况下，形成根据所述实施方案的铁喷涂涂层23。具体而言，为形成涂层，借助电弧将电弧喷涂用线材W熔融，并向熔融的电弧喷涂用线材供应压缩气体，其为雾化气体A2，同时将雾化气体A2喷向基底20以在基底20上由熔融的电弧喷涂用线材W的液滴W1形成由第一铁喷涂涂层24和第二喷涂用线材25形成的铁喷涂涂层23。
首先，在基底20上形成第一铁喷涂涂层24。具体而言，所用电弧喷涂用线材W包含铁和相对于100质量％电弧喷涂用线材W为0.03-0.10质量％的碳，且所用压缩气体为惰性气体，由此在基底20上形成第一铁喷涂涂层24。
惰性气体由图6所示气体供应装置7供应。具体而言，打开图6中所示阀71并关闭阀72和76。因此，压缩气体中的氧气被吸附在氧气吸附剂73上，因此产生具有非氧化性能的气体(氮气)用于熔融电弧喷涂用线材(第一喷涂用线材)。此时，聚集在通道75中的氧气可通过安全阀排出。尽管在该实施方案中通过由空气除去氧气而产生氮气，但也可使用惰性气体如氦气和氩气，只要熔融的电弧喷涂用线材不被氧化。
通过如上所述形成第一铁喷涂涂层24，包含降低量的产生的氧化物的较大尺寸的液滴(熔融的第一喷涂用线材的液滴)可附着在基底21上。
如图7所示，当加入铁中的碳的量提高时，液滴(熔融金属)的粘度降低。在该实施方案中，当电弧喷涂用线材为含有铁和0.03-0.10质量％碳的低碳钢时，熔融的第一喷涂用线材的液滴可具有提高的粘度。
另外，如图8所示，当加入铁中的氧的量提高时，液滴的表面张力降低。因此，在该实施方案中，惰性气体的使用可提高从溶液中脱离和飞走的液滴的表面张力。
如上所述，熔融的第一喷涂用线材的液滴具有提高的粘度以及具有提高的在液滴从溶液中脱离和飞走时的表面张力。因此，比常规液滴更粗的液滴可在其难以被氧化的环境下稳定地从第一喷涂用线材飞向基底。因此，容许具有提高热量的液滴作为铁喷涂涂层的一部分与基底碰撞。因此，可提高基底与铁喷涂涂层之间的物理吸附，并且还可提高它们之间的金属附着率，此外还可提高铁喷涂涂层对基底的粘附。
含有少于0.03质量％碳的第一喷涂用线材不能具有足够的强度，而含有多于0.10质量％碳的第一喷涂用线材可能具有不足的粘度，导致细液滴作为铁喷涂涂层的一部分与基底碰撞并导致不足的粘附强度。
然后在第一铁喷涂涂层24上形成第二铁喷涂涂层25。具体而言，在第一铁喷涂涂层24上用电弧喷涂用线材W和含有10-21体积％氧气的压缩气体形成第二铁喷涂涂层25，所述电弧喷涂用线材W为含有铁和相对于100质量％第二线材为0.03-0.10质量％的碳的第二喷涂用线材。当第一喷涂用线材和第二喷涂用线材相同时，可在形成第一铁喷涂涂层24以后连续地形成第二铁喷涂涂层25。
通过如上所述调整阀76的开口量，同时用流量计77测量流速而调整含氧气体以在惰性气体中包含上述范围内的氧气。
与用惰性气体作为压缩气体得到的液滴相比，含有10-21体积％氧气的压缩气体的使用容许从溶液中脱离和飞走的液滴(熔融的第二喷涂用线材的液滴)的表面张力降低。因此，可降低液滴的尺寸，同时可促进一些液滴的氧化。所得第二铁喷涂涂层25可以为由包含比第一铁喷涂涂层24更高的量的氧化物的细粒形成的铁喷涂涂层，由此导致铁喷涂涂层具有与其中仅包含第一铁喷涂涂层24的情况相比提高的滑动性能。
含有少于0.03质量％碳的第二喷涂用线材25不能具有足够的强度，而含有多于0.10质量％碳的第二喷涂用线材25可能由于高碳量而抑制涂层的机械加工性。另外，含有少于10体积％氧气的压缩气体不能提供给铁喷涂涂层足量的氧化物，并且即使压缩气体含有多于20体积％氧气，不能预期提供更多改进的额外效果。
第一铁喷涂涂层24如上所述用粗液滴形成，因此具有比常规铁喷涂涂层和一般底涂表面更大的表面粗糙度。因此，即使熔融的第二喷涂用线材的一些液滴被氧化，由于由第一铁喷涂涂层24的表面粗糙度产生的锚定效应，第二铁喷涂涂层25的粘附强度也可被确保。
进一步容许第二喷涂用线材包含0.8-2.2质量％锰和0.9-1.5质量％硅，并且在供应压缩气体使得熔融的第二喷涂用线材的液滴具有70m/sec或更大的飞行速度的同时形成第二铁喷涂涂层25。
当第二铁喷涂涂层25在该条件下形成时，第二铁喷涂涂层25包含含有锰和硅的纳米级(粒径：10-200nm)氧化物球。因此，由于其中的纳米级氧化物球，第二铁喷涂涂层25可显示出与包含氧化铁以改进耐刮擦性和耐磨性的铁喷涂涂层相比进一步改进的耐刮擦性和耐磨性。
下文描述涉及本发明的实施例。
<涂层A>
在形成铁喷涂涂层以前，使气缸体的气缸膛的内表面(基底)经受喷水预处理(糙化处理)，气缸体为铝铸件(JIS：ADC12)，具有82mm的内径，预处理在300MPa喷射压力的条件下进行，得到5μm的表面粗糙度(中心线平均粗糙度Ra)。
随后，借助图5中所示(双线材)喷涂装置用电弧将电弧喷涂用线材(Fe-0.03C-0.9Si-1.4Mn)熔融，所述电弧喷涂用线材含有0.03质量％碳、0.9质量％硅和1.4质量％锰，余量为铁和不可避免的杂质。同时，在向熔融线材供应惰性气体(氮气：99.9体积％)压缩气体的同时，将熔融的电弧喷涂用线材喷涂到基底上，以由熔融的电弧喷涂用线材的液滴在基底上形成铁喷涂涂层。因此，制得涂有铁喷涂涂层的元件。
形成涂层的条件为：喷涂期间的线材供应速度：100mm/sec；线材直径：对电弧而言，施加的电压：30V且电流：280A；喷枪的下降/上升速度：8mm/sec；喷枪的转速：300rpm；雾化气体流速：700L/min。用喷枪喷涂以双程进行(1个往复循环)，得到0.5mm的铁喷涂涂层厚度。
<涂层B>
以与涂层A相同的方式制备涂有铁喷涂涂层的元件，不同的是所用电弧喷涂用线材为含有0.06质量％碳、1.0质量％硅和1.3质量％锰，余量为铁和不可避免的杂质的电弧喷涂用线材(Fe-0.06C-1.0Si-1.3Mn)。
<涂层C>
以与涂层A相同的方式制备涂有铁喷涂涂层的元件，不同的是所用电弧喷涂用线材为含有0.1质量％碳、1.2质量％硅和0.8质量％锰，余量为铁和不可避免的杂质的电弧喷涂用线材(Fe-0.1C-1.2Si-0.8Mn)。
<涂层a>
以与涂层A相同的方式制备涂有铁喷涂涂层的元件，不同的是所用电弧喷涂用线材为含有0.12质量％碳、1.0质量％硅和1.3质量％锰，余量为铁和不可避免的杂质的电弧喷涂用线材(Fe-0.12C-1.0Si-1.3Mn)。
<涂层b>
以与涂层A相同的方式制备涂有铁喷涂涂层的元件，不同的是所用电弧喷涂用线材为含有0.2质量％碳、0.9质量％硅和1.4质量％锰，余量为铁和不可避免的杂质的电弧喷涂用线材(Fe-0.2C-0.9Si-1.4Mn)。
<涂层c>
以与涂层A相同的方式制备涂有铁喷涂涂层的元件，不同的是所用电弧喷涂用线材为含有0.3质量％碳、0.8质量％硅和1.3质量％锰，余量为铁和不可避免的杂质的电弧喷涂用线材(Fe-0.3C-0.8Si-1.3Mn)。
<涂层d>
以与涂层A相同的方式制备涂有铁喷涂涂层的元件，不同的是所用电弧喷涂用线材为含有0.8质量％碳、0.7质量％硅和1.0质量％锰，余量为铁和不可避免的杂质的电弧喷涂用线材(Fe-0.8C-0.7Si-1.0Mn)。
<涂层e至k>
以与涂层A至C和涂层a至d相同的方式制备涂有根据涂层e至涂层k的铁喷涂涂层的元件，所述涂层e至涂层k分别对应于相对于涂层A至C和涂层a至d的对比例，不同的是如下由熔融的电弧喷涂用线材的液滴在基底上形成铁喷涂涂层：在供应空气(氧气：21体积％，氮气：余量)作为压缩气体的同时将熔融的电弧喷涂用线材喷涂到基底上。
<涂层l和m>
涂层l对应于涂有包括根据JP2009-155720A所述方法形成的铁喷涂涂层的铁喷涂涂层的元件，涂层m对应于涂有包括根据DE102008053642所述方法形成的铁喷涂涂层的铁喷涂涂层的元件。涂层l与涂层A不同的是铁喷涂涂层用具有1.5质量％的碳含量的喷涂用材料在含有氧气的气氛下形成。涂层m与涂层A不同的是使用具有0.9质量％的碳含量的喷涂用材料。
[显微镜法]
在光学显微镜下观察具有涂层A至C和涂层e至m的铁喷涂涂层的膛内表面上初始进行喷涂的上部(对粉尘的影响较不敏感的部位，因为粉尘从底部被吸出)的截面组织。其代表性结果显示于图11A、11B和12A-12C中。图11A为根据涂层B的铁喷涂涂层的组织的照片，图11B为根据涂层f的铁喷涂涂层的组织的照片。图12A为根据涂层B的铁喷涂涂层的组织的照片，图12B为根据涂层l的铁喷涂涂层的组织的照片，图12C为根据涂层m的铁喷涂涂层的组织的照片。
[粒径的测量]
根据JISZ8827-1，测量涂层A至C和涂层a至k的铁喷涂涂层的粒度。具体而言，将显微镜图像放大并与透明板叠加，在所述透明板上画出喷涂颗粒的颗粒边界。使画出的颗粒边界的照片经受图像加工以测定粒度。如本文所用粒度为根据JISZ8827-1的最大Feret直径，其对应于扁平化颗粒的最长直径(最大直径)的平均值(约100个取样点)。结果显示于图9和表1中。图9为显示根据涂层A至C和涂层a至m的电弧喷涂用线材的碳含量与用该线材得到的铁喷涂涂层的粒径之间的关系的图。
[表1]
压缩气体 线材碳含量(质量％) 粒径(μm)
涂层A 惰性气体 0.03 141
涂层B 惰性气体 0.06 135
涂层C 惰性气体 0.10 129
涂层a 惰性气体 0.12 103
涂层b 惰性气体 0.20 102
涂层c 惰性气体 0.30 90
涂层d 惰性气体 0.80 72
涂层e 含氧气体 0.03 83
涂层f 含氧气体 0.06 83
涂层g 含氧气体 0.10 81
涂层h 含氧气体 0.12 76
涂层i 含氧气体 0.20 73
涂层j 含氧气体 0.30 68
涂层k 含氧气体 0.80 36
[粘附强度的测量]
从涂有涂层A至C和涂层a至k的铁喷涂涂层的元件上切下粘附试验试样以通过刮擦试验测量铁喷涂涂层的粘附强度。结果显示于表2和图10中。图10为显示根据涂层A至C和涂层a至m的粒径与粘附强度之间的关系的图。
[表2]
[表面组织的观察]
使涂有根据涂层B、a、f和h的铁喷涂涂层的元件的铁喷涂涂层表面经受通过钻孔切割以及打磨(粗抛光(finishing)、半抛光和Plateau抛光)，并评估铁喷涂涂层表面的凹陷产生。其代表性结果显示于图13中。图13为根据涂层B、a、f和h的铁喷涂涂层的表面组织的照片。
[摩擦和磨损试验和硬度试验]
从涂有涂层A至C以及涂层a、b和d的铁喷涂涂层的元件下切下试验块，测量铁喷涂涂层表面的硬度，然后通过LFW摩擦试验(环块试验)测量摩擦系数和磨损量。结果显示于图14中。
图14为显示根据涂层A至C以及涂层a、b和d的电弧喷涂用线材的碳含量与在该条件下形成的铁喷涂涂层的LFW磨损量之间的关系，以及电弧喷涂用线材的碳含量与在该条件下形成的铁喷涂涂层的平均摩擦系数之间的关系的图。图15为显示根据涂层A至C以及涂层a、b和d的电弧喷涂用线材的碳含量与用线材形成的铁喷涂涂层的硬度之间的关系的图。
[碳含量的结果]
涂层A至C和涂层a至k的铁喷涂涂层的碳含量通过X射线光谱测量。结果显示于下表3中。
[表3]
压缩气体 线材碳含量(质量％) 涂层碳含量(质量％)
涂层A 惰性气体 0.03 0.015
涂层B 惰性气体 0.06 0.035
涂层C 惰性气体 0.10 0.063
涂层a 惰性气体 0.12 0.074
涂层b 惰性气体 0.20 0.080
涂层c 惰性气体 0.30 0.179
涂层d 惰性气体 0.80 0.500
涂层e 含氧气体 0.03 0.008
涂层f 含氧气体 0.06 0.035
涂层g 含氧气体 0.10 0.070
涂层h 含氧气体 0.12 0.090
涂层i 含氧气体 0.20 0.163
涂层j 含氧气体 0.30 0.254
涂层k 含氧气体 0.80 0.709
[结果1和讨论1]
如图9、11A、11B和12A-12C中所示，当电弧喷涂用线材具有降低的碳含量时，形成铁喷涂涂层的颗粒的粒度提高，并且当使用惰性气体时，形成铁喷涂涂层的颗粒的粒度与使用含氧气体的情况相比提高。
如图10所示，根据涂层A至C的铁喷涂涂层的粘附强度比涂层a至m的更高，并且与对基底(ADC12)的断裂剪切应力相当。
即，认为即使使根据涂层A至C的铁喷涂涂层经受机械加工或者在使用期间对其施加局部应力，铁喷涂涂层和基底结合在一起，因此铁喷涂涂层难以与基底分离。
特别地，认为通过将电弧喷涂用线材的碳含量限定为0.03-0.1质量％，如涂层A至C中那样，熔融的喷涂用线材的液滴具有提高的粘度，并且通过使用惰性气体，抑制了液滴从溶液中脱离和飞走时熔融液滴的氧化，导致液滴的表面张力提高。
因此，认为在涂层A至C的情况下，与涂层a至k的情况相比，粗的液滴在较低氧化环境中稳定地由喷涂用线材飞向基底。因此，可容许具有提高热量的液滴作为铁喷涂涂层的一部分与基底碰撞。因此，认为基底与铁喷涂涂层的物理吸附可提高，以及它们之间的金属附着率也可提高，由此提高铁喷涂涂层对基底的粘附。此外，如表1中所示，认为涂层A至C的铁喷涂涂层具有0.07质量％或更少的碳含量，因此铁喷涂涂层具有优选的机械加工性。
然而，如图13所示，涂层B具有比其它涂层更大的表面凹陷并且显示出更低的铁喷涂涂层表面硬度，这是因为该涂层通过如上所述粗液滴的碰撞形成。因此，如图16和17所示，当要求耐磨性和降低的摩擦系数时，优选形成为根据涂层A至C中任一个的铁喷涂涂层的第一铁喷涂涂层作为下层(中间层)并在其上形成具有耐磨性的第二铁喷涂涂层。
下面描述形成第一铁喷涂涂层和其上的第二铁喷涂涂层的实施例。
<实施例1>
涂有实施例1的铁喷涂涂层的元件以与涂层A相同的方式制备，不同的是：以16mm/sec的移动速度形成第一铁喷涂涂层，其为涂层A的铁喷涂涂层，然后使用图6所示气体供应装置将含氧气体供入喷涂装置中类似地形成铁喷涂涂层。
形成第二铁喷涂涂层的条件为：喷涂期间的线材供应速度：100mm/sec；线材直径：对于电弧，施加的电压：30V且电流：280A；喷枪的下降/上升速度：5.4mm/sec；喷枪的转速：300rpm；雾化气体流速：700L/min；和压缩气体：含有10体积％氧气的氮气。然后使喷涂涂层涂覆的元件的铁喷涂涂层经受通过钻孔切割以及打磨(粗略抛光、半抛光和Plateau抛光)。
<实施例2>
涂有实施例2的铁喷涂涂层的元件如实施例1中制备，不同的是所用压缩气体为含有21体积％氧气的氮气。
<对比例1>
涂有对比例1的铁喷涂涂层的元件如同实施例1中制备，不同的是所用压缩气体为含有0.1体积％氧气的氮气。
<对比例2>
涂有对比例2的铁喷涂涂层的元件如同实施例1中制备，不同的是所用压缩气体为含有5体积％氧气的氮气。
使涂有根据实施例1和2以及对比例1和2的铁喷涂涂层的元件如同涂层A经受摩擦和磨损试验。结果显示于图16中。图16为显示根据实施例1和2以及对比例1和2的雾化气体中的氧含量与在该条件下形成的铁喷涂涂层的LFW磨损量之间的关系，以及雾化气体中的氧含量与在该条件下形成的铁喷涂涂层的平均摩擦系数之间的关系的图。
[结果2和讨论2]
如图16中所示，其中使用含有10-21体积％氧气的压缩气体在第一铁喷涂涂层上形成第二铁喷涂涂层的实施例1和2与对比例1和2相比具有改进的耐磨性和降低的摩擦系数。认为，使用包含上述含量的氧气的气体与使用惰性气体作为压缩气体相比容许从溶液中脱离和飞走的液滴(熔融的第二喷涂用线材的液滴)的表面张力降低。因此，认为液滴的尺寸可降低，同时可促进一些熔融液滴的氧化。因此，所得第二铁喷涂涂层可以为用包含比第一铁喷涂涂层更高量的氧化物的细粒形成的铁喷涂涂层，由此产生与对比例1和2相比具有提高的滑动性能的铁喷涂涂层。
<实施例3>
涂有实施例3的铁喷涂涂层的元件以与实施例1相同的方式制备，不同的是雾化气体流速为600L/min、700L/min、900L/min、1000L/min或1100L/min。使涂有铁喷涂涂层的元件的铁喷涂涂层经受硬度试验以及摩擦和磨损试验，如同涂层A经受的那些试验，此外，还使涂层经受耐刮擦性试验(刮擦产生以前的时间)以评估抗seizure性能。取决于雾化气体流速的液滴飞行速度用来自Osier的SprayWatch测量。通过TEM观察铁喷涂涂层并通过EDX分析经受元素分析。结果显示于图17-22中。
图17为显示根据实施例3的涂层形成期间的雾化气体流速与以该流速形成的铁喷涂涂层的硬度之间的关系的图。图18为显示根据实施例3的涂层形成期间的雾化气体流速与以该流速形成的铁喷涂涂层的LFW磨损量之间的关系的图。图19为显示根据实施例3的涂层形成期间的雾化气体流速与涂层形成期间颗粒的飞行速度之间的关系的图。图20为根据实施例3的涂层形成期间的雾化气体流速与以该流速形成的铁喷涂涂层的摩擦系数之间的关系，以及涂层形成期间的雾化气体流速与以该流速形成的铁喷涂涂层的刮擦产生以前的时间之间的关系的图。
另外，图21A和21B为实施例3中以700L/min的雾化气体流速形成的涂层的TEM观察结果，图22A和22B为实施例3中以900L/min的雾化气体流速形成的涂层的TEM观察结果。图21C和22C为显示分别在700L/min和900L/min的雾化气体流速条件下形成的涂层中颗粒的EDX分析结果的图。
[结果3和讨论3]
图17、18和19显示，通过以900L/m或更大的雾化气体流速形成第二铁喷涂涂层，即通过供应压缩气体使得熔融的第二喷涂用线材的液滴的飞行速度为70m/sec或更大，第二铁喷涂涂层具有提高的硬度。因此，不仅LFW磨损量降低，而且平均摩擦系数降低，且刮擦产生以前的时间也延长。
如图21A和21B所示，涂层在700L/min的雾化气体流速(即小于70m/sec的飞行速度)条件下由多边形颗粒形成，而如图22A和22B所示，涂层在900L/min的雾化气体流速(即70m/sec或更大的飞行速度)条件下由约10-200nm的球形纳米颗粒形成。
如图21C中所示，多边形颗粒包含碳化铁(FeCx)，而如图22C中所示，球形纳米颗粒为含有锰和硅的氧化物球(MnxSiyOz)。当液滴的飞行速度为70m/sec或更大时，液滴可包含雾化气体中所含的氧气以产生氧化物球。认为第二铁喷涂涂层中的纳米级氧化物球可进一步改进耐刮擦性和耐磨性。
根据发明人的以上实验，用于雾化喷涂的线材优选包含0.8-2.2质量％的锰和0.9-1.5质量％的硅。当锰含量小于0.8质量％时，铁喷涂涂层可具有降低的硬度，当含量多于2.2质量％时，不能得到氧化物球。当硅的范围低于0.9质量％时，不能得到氧化物球，当硅的范围多于1.5质量％时，喷涂性能可能劣化。
<实施例4>
涂有铁喷涂涂层的元件以与实施例1相同的方式制备，不同的是含有10体积％氧气的氮气的流速为900L/min。
<实施例5>
涂有铁喷涂涂层的元件以与实施例1相同的方式制备，不同的是使用含有21体积％氧气的氮气，其流速为900L/min。
<对比例3>
涂有铁喷涂涂层的元件以与实施例4相同的方式制备，不同的是所用压缩气体为含有0.1体积％氧气的氮气。
<对比例4>
涂有铁喷涂涂层的元件以与实施例4相同的方式制备，不同的是所用压缩气体为含有5体积％氧气的氮气。
表4显示形成实施例1-5和对比例1-4的第二铁喷涂涂层的条件。
[表4]
如同实施例3中使涂有铁喷涂涂层的元件的铁喷涂涂层经受摩擦和磨损试验和耐刮擦性试验(刮擦产生以前的时间)以评估铁喷涂涂层的抗seizure性能。结果显示于图23中。
图23为显示根据实施例4和5以及对比例3和4的涂层形成期间的雾化气体流速与在该条件下形成的铁喷涂涂层的LFW磨损量之间的关系，以及涂层形成期间的雾化气体流速与在该条件下形成的铁喷涂涂层的刮擦产生以前的时间之间的关系的图。
[结果4和讨论4]
如图23所示，认为根据实施例4和5的铁喷涂涂层由于纳米级氧化物球而具有与对比例3和4相比改进的耐磨性和耐刮擦性。
如上文具体地描述了本发明的实施方案。然而，本发明不限于以上实施方案，并且可以不同地改进。
例如，尽管以上实施例涉及第一和第二铁喷涂涂层的形成，可在主要要求附着力的部分上仅形成第一铁喷涂涂层。可在其上形成由不同于第一铁喷涂涂层的材料制成且比第一铁喷涂涂层更硬的涂层。另外，可在主要要求低碳含量铁喷涂涂层的耐磨性的部分上仅形成第二铁喷涂涂层。

Claims (5)

1.用熔融的电弧喷涂用线材的液滴在基底上形成铁喷涂涂层的方法，通过借助电弧将电弧喷涂用线材熔融，并在向熔融的线材供应压缩气体的同时将熔融的线材喷涂到基底上而制备，所述方法包括：
使用含有铁和0.03-0.10质量％碳的第一线材作为电弧喷涂用线材和使用惰性气体作为压缩气体在基底上形成第一铁喷涂涂层；和
使用含有铁和0.03-0.10质量％碳的第二线材作为电弧喷涂用线材和使用含有10-21体积％氧气的气体作为压缩气体在第一铁喷涂涂层上形成第二铁喷涂涂层。
2.根据权利要求1的涂层形成方法，其中使用相同的线材作为第一线材和第二线材。
3.根据权利要求1或2的涂层形成方法，其中：
第二线材进一步包含0.8-2.2质量％锰和0.9-1.5质量％硅，且在供应压缩气体使得熔融的第二线材的液滴具有70m/sec或更大的飞行速度的同时形成第二铁喷涂涂层。
4.涂覆的元件，其包含：
基底；
在基底上形成的第一铁喷涂涂层，所述第一铁喷涂涂层包含0.07质量％或更少的碳含量；和
在第一铁喷涂涂层上形成的第二铁喷涂涂层，所述第二铁喷涂涂层包含0.07质量％或更少的碳含量和比第一铁喷涂涂层的氧含量更高的氧含量，且第二铁喷涂涂层的晶体粒径小于第一铁喷涂涂层的晶体粒径。
5.根据权利要求4的涂覆的元件，其中第二铁喷涂涂层包含含有锰和硅的氧化物球。
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