CN109642306A - 在没有预先活化表面的情况下涂覆气缸穿孔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种活塞式内燃机的气缸，其中所述气缸包括至少一个穿孔，所述穿孔具有由基底材料形成的内壳，其中在所述穿孔的区域中，所述基底材料至少部分地设置有层系统，并且由此在基底材料和层系统之间形成第一界面，并且所述层系统包括至少一个热喷涂层，并且该热喷涂层至少部分地形成所述穿孔的壳表面和可以在那里用作功能层，和其中所述第一界面除了由于所述穿孔的制造而产生的表面粗糙度之外不包括用于机械活化表面而施加的轮廓。本发明的特征在于，所述层系统的材料在与基底材料的界面区域中包含下文也称为界面材料的钼和一种其他元素，并且与基底材料通过化学键合而接合，并且界面材料在其组成和/或结构方面不同于功能层的材料。

Description

在没有预先活化表面的情况下涂覆气缸穿孔

一些活塞式内燃机的气缸穿孔通常通过热喷涂设置有涂层，以便使得重量和/或摩擦和/或磨损最小化。由此减少燃料和油的消耗，并且优选地还使得气缸穿孔的表面更耐腐蚀。

然而，该层在气缸材料上的粘附是有问题的，因此该层在运行期间存在剥落的风险。为了将其提高到应用所需的程度，气缸穿孔的表面通常被粗糙化(活化)。这种活化确保了在气缸体的层和基底材料之间产生机械互锁，即实现了形状锁定。这种活化气缸运行表面的预加工步骤增加了涂层的成本。

通过活化实现的在气缸体的层和基底材料之间的交错改善了该层在基底材料上的粘附性，并有助于气缸的长使用寿命。可以使用不同的技术来进行活化。例如，可以将表面借助刚玉喷射、借助激光、借助高压水喷射和/或借助低压水喷射而粗糙化。活化的另一种可能性是为表面提供具有后切(Hinterschnitten)的轮廓(Profilierung)，例如借助切削加工。例如，这里有利地使用燕尾几何形状。

相应地，图1显示了喷涂层3与基底材料1通过在涂覆之前活化基底材料而机械互锁。根据现有技术，这改善了在例如气缸穿孔的基底材料1上的粘附性。

上述活化方法的缺点主要在于它们只能通过增加生产消耗来实现。除了附加步骤所需的增加的处理时间之外，还有用于进行活化的工具和/或机器的额外投资成本。

已经有早期尝试可以通过中间层来避免表面活化。例如，Shepard在US 2588422中公开了钼层作为中间层。它一方面与基底材料和另一方面与喷涂的功能层分别形成界面。除了单质钼是非常软的材料之外，这种方法还存在的问题在于其不能以令人满意的方式必然改善在两个界面处的粘附性。

因此，本发明的目的在于提供一种方法，该方法可以粘附性地将热喷涂层施加在气缸穿孔的壳上，而不需要进行对待涂覆表面通常所需的活化，特别是机械活化。

根据本发明，通过根据权利要求1的本发明的气缸和根据权利要求8的本发明的方法实现了所述目的。权利要求2至7和9至12涉及本发明的进一步有利的实施方案和权利要求13和14涉及相应的发动机或其制造。

所述气缸包括至少一个穿孔，所述穿孔具有由基底材料形成的内壳，其中在所述穿孔的区域中，所述基底材料至少部分地设置有层系统。由此，在基底材料和层系统之间形成第一界面，其中所述第一界面除了由于所述穿孔的制造而产生的表面粗糙度之外不包括用于活化表面而施加的轮廓，特别是不包括用于机械活化表面而施加的轮廓。

所述层系统包括至少一个热喷涂层，特别是借助等离子喷涂而热喷涂的层，优选借助旋转等离子燃烧器而热喷涂的层，并且该热喷涂层至少部分地形成所述穿孔的壳表面和可以在那里用作功能层。在下文中，功能层也可以优选地理解为功能的层，特别优选也理解为热喷涂功能层。

该方法的核心是将粘附层直接施加到气缸穿孔壳的基底材料上，由此粘附层至少与基底材料形成化学键合。所述粘附层可以包含界面材料，特别是由界面材料组成。所述粘附层可以由界面材料构成。由此，在与基底材料的界面上的粘附不是主要通过机械互锁实现，而是基本上通过化学键合而实现。

所述界面材料包含钼(Mo)和至少一种其他元素，但是特别地可以基本上由钼和至少一种其他元素组成，尤其是界面材料可以由钼和至少一种其他元素组成。如果在本说明书或权利要求书中提到了存在另一种元素，则其可以但不是必须以单质形式存在，而是也可以作为分子和/或在化合物中存在。

在本发明的一个实施方案中，界面材料中的钼的比例，特别是粘附层中的钼的比例可以为30至90重量％，并且界面材料中的其他元素的比例，特别是在粘附层中的其他元素的比例可以为70至10重量％；优选地，界面材料中的钼的比例可以为40至80重量％，和界面材料中的其他元素的比例可以为60至20重量％；特别优选地，界面材料中的钼的比例可以为50至70重量％，和界面材料中的其他元素的比例可以为50至30重量％。特别地，界面材料中的钼的比例可以为55至65重量％或58至62重量％或60重量％，和界面材料中的其他元素的比例可以为45至35重量％或42至38重量％或40重量％。所述界面材料此外还可以包含0.01至0.2重量％，优选0.01至0.1重量％的杂质如S和P的比例。

在本发明的一个实施方案中，所述其他元素和/或功能层可以包含以下材料，特别是可以由以下材料组成：

对于其他元素和/或功能层，可以使用粉末形式的材料，优选铁基材料(下文中也称为Fe-基材)，特别是具有以下化学组成的气雾化(gasverdüst)粉末：

C＝0.4至1.5重量％

Cr＝0.2至2.5重量％

Mn＝0.2至3重量％

Fe＝补足至100重量％，

特别地，所述粉末另外可以包含：

S＝0.01至0.2重量％

P＝0.01至0.1重量％。

优选地，对于其他元素和/或功能层，可以使用粉末形式的Fe-基材，特别是具有以下化学组成的气雾化粉末：

C＝0.1至0.8重量％

Cr＝11至18重量％

Mn＝0.1至1.5重量％

Mo＝0.1至5重量％

Fe＝补足至100重量％，

特别地，所述粉末另外可以包含：

S＝0.01至0.2重量％

P＝0.01至0.1重量％。

然而，所述其他元素和/或功能层也可以是具有以下化学组成的Fe-基材材料：Fe0.2C1.4Cr1.4Mn，特别是还可以含有Mo＝0.1-5重量％。

所述其他元素和/或功能层的粉末的粒度可以为5至25μm或10至45μm或15至60μm。

然而，所述其他元素和/或功能层也可以包含以下材料，特别是由以下材料组成：

·Fe-基材+30％Mo-特别是Fe0.2C1.4Cr1.4Mn+30％Mo

·MMC＝由Fe-基材和氧化物陶瓷(特别是摩擦氧化物陶瓷)构成的金属基质复合材料，优选由TiO2或由Al2O3TiO2和/或Al2O3ZrO2和/或Al2O3-20ZrO2-合金体系组成的氧化物陶瓷，和/或在所用材料(特别是粉末)中氧化物陶瓷的比例为5至50重量％，优选35重量％。特别地，MMC可以是Fe14Cr2Mo和5至50重量％，优选35重量％的氧化物陶瓷。

·全陶瓷，如TiO2或Cr2O3

·Cr3C2-25NiCr，特别是Cr3C2-25NiCr和20％Mo

·AlSi和陶瓷(如TiO2，ZnO2)，特别是AlSi和20重量％的Mo和陶瓷。

如果在本说明书或权利要求书提及粘附层(例如在层系统内)，除非另外定义，否则其不一定必须构成为具有明确限定的与层系统的一个或多个其他层的界面。例如，它可以通过组成梯度过渡到另一个层，或者由于界面轮廓而可能缺少明确限定的层。

如果在本说明书或权利要求书提及存在化学元素，则其不一定必须以单质的形式存在，而是也可以存在于化合物中。

根据本发明优选的第一实施方案，另外如此选择粘附层的材料，使得该材料还与待施加的热喷涂功能层的材料形成化学键合并由此粘附。

根据另一个同样优选的第二实施方案，粘附层如此构成，使得其具有表面粗糙度，该表面粗糙度可以使得待施加的热喷涂功能层以足够的程度至少机械地粘附到粘附层上。例如，可以通过有针对性的柱状生长来实现相应的粗糙度。还可以通过增加孔隙率来实现粘附层的粗糙度。

图2显示了根据本发明的一个实施方案，根据该实施方案，通过粘附层5和基底材料1之间的化学键合和通过粘附层5和功能层3之间的机械结合和/或化学键合，在没有活化基底材料1的表面的情况下确保了喷涂功能层3在基底材料1上的粘附。

在一个实施方案中，所述气缸穿孔的涂层，特别是所述层系统可以以逐渐过渡和/或梯度的形式构成，特别是在化学组成和/或结构构造方面。以这种方式，实际上只有一个组成和/或形态逐渐变化的层，即渐变层，特别是渐变层系统。渐变层，特别是渐变层系统因此可以理解为该渐变层在紧挨着第一界面处包含与气缸的基底材料的表面形成化学键合的材料，即特别是粘附层的材料，即界面材料。随着与该表面的距离增加，即随着层厚度的增加，所述层材料然后逐渐过渡到实际待施加的热喷涂保护层的层材料，优选功能层。

在本发明的一个实施方案中，具有逐渐变化的组成(即具有逐渐过渡和/或梯度)的渐变层，特别是渐变层系统可以包括以下两种变体：

变体1

界面材料逐渐过渡到功能层的材料，特别是功能层，其中适用于：

具有逐渐变化的组成的层在第一界面处起始具有0重量％的功能层材料和100重量％的界面材料，其中界面材料可以包含60重量％的钼和40重量％的其他元素；优选地，界面材料可以由60重量％的钼和40重量％的Ni5Al组成。具有逐渐变化的组成的层的末端具有100重量％比例的功能层和0重量％比例的界面材料，从而使得渐变层的末端至少部分地形成气缸的穿孔的壳表面并且可以在那里作为功能层。

变体2

界面材料可以包含钼和其他元素，特别是由它们组成，其中所述其他元素优选地可以对应于功能层的材料，并且界面材料逐渐过渡到功能层的材料，特别是功能层中的粘附层，其中适用于：

具有逐渐变化的组成的层在第一界面处起始具有40重量％比例的其他元素和50至70重量％，优选60重量％的钼。具有逐渐变化的组成的层的末端具有0至40重量％比例的钼和60至100重量％比例的其他元素(该其他元素特别是对应于功能层的材料)，优选20至40重量％比例的钼和60至80重量％比例的其他元素，特别优选30重量％比例的钼和70重量％比例的其他元素，从而使得渐变层的末端至少部分地形成气缸的穿孔的内壳表面并且可以在那里作为功能层。

例如，变体2可以具有以下化学组成和以下变化：

实例1：

其他元素＝Fe-基材，特别是功能层＝其他元素＝Fe-基材

起始：Fe-基材和60重量％的钼，优选Fe0.2C1.4Cr1.4Mn+60％Mo

末端：Fe-基材，优选Fe0.2C1.4Cr1.4Mn。

实例2：

其他元素＝Fe-基材，特别是功能层＝其他元素＝Fe-基材

起始：Fe-基材和60重量％的钼，优选Fe0.2C1.4Cr1.4Mn+60％钼

末端：Fe-基材和30重量％的钼，优选Fe0.2C1.4Cr1.4Mn+30％钼。

在本发明的一个实施方案中，界面材料的比例在具有逐渐变化的组成的渐变层处可以优选地从起始到末端线性地或指数地降低，尤其是在变体1和/或变体2的情况下，和/或功能层的比例在具有逐渐变化的组成的层处可以优选地从起始到末端线性地或指数地增加，特别是在变体1和/或变体2的情况下。

根据本发明特别优选的第三实施方案，气缸穿孔的涂层构成为梯度的形式。在紧挨着界面处，待施加的层包含与气缸的基底材料的表面形成化学键合的材料，即特别是粘附层的材料。随着与该表面的距离增加，即随着层厚度的增加，层材料逐渐过渡到实际待施加的热喷涂保护层的层材料。例如，这可以通过双重注射来实现，其中粘附层的注射随时间减少和/或功能层的注射随时间增加。以这种方式，实际上只有一个组成和/或形态逐渐改变的层，即渐变层，特别是渐变层系统。

在本发明的一个实施方案中，具有逐渐变化的组成(即逐渐过渡)的层，即渐变层也可以通过单重注射实现，其中可以使用用于粘附层的材料和功能层的两个单独的进料装置，特别是两个粉末输送机，它们以Y形部件组合在一起。

作为这种粘附层的实例，可以提供包含NiAl和Mo的材料组合物。

在本发明的一个实施方案中，界面材料可以包含钼和Ni5Al，优选由钼和Ni5Al组成。下面的表1显示了在常规已知的活化(机械，刚玉)和界面材料由钼和Ni5Al组成的情况下平均所达到的粘附拉伸强度；特别地，所述界面材料也可以由钼和Ni5Al和比例范围为0.1至0.3重量％的杂质组成。

表1：在常规已知的活化和界面材料由钼和Ni5Al组成的情况下粘附拉伸强度的比较。

现在参考实施例并借助附图详细说明本发明。

图1显示了迄今为止的现有技术

图2显示了本发明的第一具体实施例

图3显示了本发明的第二具体实施例。

该实施例涉及根据第一实施方案的发明。涂覆气缸的穿孔，其中气缸的基底材料是铝合金，穿孔的直径为85mm，穿孔的深度为170mm。该穿孔应涂有铁基的热喷涂层(95％Fe，1.5％Cr，1％Mn，1％C)，其厚度为200至300微米。大气等离子喷涂(APS)应用作热喷涂的涂覆方法。在这种情况下，粉末状的涂覆材料在能量和工艺气体的供应下在等离子体中连续熔化，以液体形式雾化，然后内部施加到气缸壁的基底材料上，其在那里固化和形成封闭层。等离子燃烧器在熔化过程中旋转，从而使气缸壁的内部四周均匀地加载有层。

如果使用所述方法将该层简单地直接施加到基底材料上，则它不会充分粘附到基底材料上。根据现有技术，这时可以将基底材料的表面粗糙化或轮廓化。

与之相对地，在根据本发明的本实施例中，直接在基底材料上施加5至150微米厚的由钼和镍-铝粉末的混合物构成的粘附层。该材料的优点在于它与基底材料和实际的层材料形成化学键合。在与基底材料的界面处，产生例如离子性质的化合物；并且在粘附层与层材料的界面处，同样产生离子键以及由于粗糙的喷涂层的另外机械互锁。由此，确保了在两个界面处的足够粘附。

Claims (14)

1.活塞式内燃机的气缸，其中所述气缸包括至少一个穿孔，所述穿孔具有由基底材料形成的内壳，其中在所述穿孔的区域中，所述基底材料至少部分地设置有层系统，并且由此在基底材料和层系统之间形成第一界面，并且所述层系统包括至少一个热喷涂层，并且该热喷涂层至少部分地形成所述穿孔的壳表面和可以在那里用作功能层，和其中所述第一界面除了由于所述穿孔的制造而产生的表面粗糙度之外不包括用于活化表面而施加的轮廓，其特征在于，所述层系统的材料在与基底材料的界面区域中包含下文也称为界面材料的钼和至少一种其他元素，并且与基底材料通过化学键合而接合，并且界面材料在其组成和/或结构方面不同于功能层的材料。

2.根据权利要求1所述的气缸，其特征在于，在所述层系统内提供用于连接层系统的结构措施。

3.根据权利要求2所述的气缸，其特征在于，所述结构措施包括化学键合和/或界面粗糙度，所述化学键合和/或界面粗糙度优选地通过界面材料的施用过程和/或通过从界面材料向功能层材料的逐渐过渡而产生。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的气缸，其特征在于，界面材料在基底材料上的化学键合通过离子键和/或通过共价键实现。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的气缸，其特征在于，在所述界面材料中存在至少一种化学元素，该化学元素对应于所述基底材料中的化学元素。

6.根据前述权利要求中任一项所述的气缸，其特征在于，所述层系统跨从第一界面经由功能层直至壳表面的层厚度在化学组成和/或结构构造方面至少部分地形成至少一个梯度。

7.根据前述权利要求中任一项所述的气缸，其特征在于，在界面材料中存在至少一种化学元素，该化学元素对应于所述功能层中的化学元素。

8.用于制造活塞式内燃机的具有穿孔的气缸的方法，其中所述方法包括以下步骤：

-提供具有穿孔的气缸，其中穿孔的内壳由基底材料形成，并且除了由于所述穿孔的制造而产生的表面粗糙度之外，其表面不包括用于活化表面的轮廓，

-给穿孔的内壳加载层系统，该层系统在与基底材料的界面处包含界面材料，并且其中至少所述层系统的形成气缸孔表面的层被热喷涂和形成功能层，

其特征在于，所述界面材料包含钼和至少一种其他元素，并且如此选择，以使得它与基底材料形成化学键合，并且如此施加层系统，以使得界面材料和功能层的材料在组成和/或结构方面在化学上不同。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在基底材料和功能层之间的包含界面材料的区域作为形成与功能层的第二界面的基底层而制造，更确切地如此构成，以使得所述第二界面具有适用于机械活化的结构，例如孔隙率和/或粗糙度和/或柱状度。

10.根据权利要求8和9中任一项所述的方法，其特征在于，所述层系统完全通过热喷涂而施加。

11.根据权利要求8和10中任一项所述的方法，其特征在于，所述层系统在层厚度的方向上至少部分地形成为梯度层。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，从界面材料到功能层的材料的过渡的层系统以梯度的形式形成。

13.发动机，其具有根据权利要求1至7中任一项所述的气缸。

14.制造发动机的方法，其特征在于，所述方法包括根据权利要求8至12中任一项所述的方法步骤。