CN112969810A - 滑动构件用热喷涂被膜和具有该滑动构件用热喷涂被膜的滑动装置 - Google Patents

滑动构件用热喷涂被膜和具有该滑动构件用热喷涂被膜的滑动装置 Download PDF

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Abstract

本发明的滑动构件用热喷涂被膜由含铬(Cr)的铁基合金构成。其中，所述铬含量为8质量％以上，所述热喷涂被膜中具有晶粒的平均粒径为3μm以下的组织，且维氏硬度为300Hv以上且耐磨性优异。

Description

滑动构件用热喷涂被膜和具有该滑动构件用热喷涂被膜的滑 动装置
技术领域
本发明涉及滑动构件用热喷涂被膜，更具体而言，涉及包含含有铬并且耐腐蚀性得到提高的铁基合金的滑动构件用热喷涂被膜。
背景技术
由铝或铝合金制成的内燃机的气缸体在其气缸孔的内周表面上设有铸铁衬套，以提高诸如强度、耐磨性和滑动性的功能。
但是，由于基于气缸体的制造方法，铸铁衬套需要一定的厚度，所以整个气缸体的重量会增加，并且在与气缸体的接合面上容易产生空隙，导致导热性容易下降。
因此，代替铸铁衬套，在气缸孔的内周表面上形成热喷涂被膜以减轻气缸体的重量。
专利文献1记载了一种在气缸孔的内表面上进行热喷涂的热喷涂线。
其中，含有铬(Cr)的不锈钢热喷涂被膜可以防止由高硫含量的低品质燃料引起的热喷涂被膜腐蚀，但同时也会减小形成热喷涂被膜的热喷涂液滴之间的结合力，从而降低热喷涂被膜的耐剥离性。但是，同时也公开了可通过包含预定量的锰(Mn)来防止热喷涂液滴之间的结合力降低。
现有技术文献
专利文献
[专利文献1]日本特开第2012-41617号
发明内容
本发明所要解决的技术问题
然而，专利文献1中记载的热喷涂被膜的强度不足，容易从表面发生部分剥离，产生的磨耗粉成为进一步使热喷涂被膜磨损的研磨剂。
本发明鉴于现有技术的问题，旨在提供一种具有耐腐蚀性，且耐磨性提高的铁基滑动构件用热喷涂被膜。
解决技术问题的技术手段
为了达成所述目的，通过锐意研究的结果，本发明人发现，不仅只是增加热喷涂被膜的硬度，还可以通过细微化热喷涂被膜中的晶粒来实现所述目，最终完成了本发明。
也就是说，本发明的滑动构件用热喷涂被膜由含铬(Cr)的铁基合金构成。
其特征在于，所述铬含量为8质量％以上，所述热喷涂被膜中具有晶粒的平均粒径为3μm以下的组织，且维氏硬度为300Hv以上。
另外，本发明的滑动装置，是在基材上具有被膜的滑动构件与在基材上具有被膜的配合构件彼此滑动的滑动装置。
其特征在于，所述配合构件的被膜是硬质碳膜，所述滑动构件的被膜是所述滑动构件用热喷涂被膜。
发明效果
根据本发明，通过将热喷涂被膜的组织设为晶粒的平均粒径为3μm以下，且将热喷涂被膜的维氏硬度设为300Hv以上，能够提供一种耐磨性提高的铁基滑动构件用热喷涂被膜。
附图说明
[图1]是实施例1的热喷涂被膜的晶粒的粒度分布。
[图2]是实施例3的热喷涂被膜的晶粒的粒度分布。
[图3]是比较例1的热喷涂被膜的晶粒的粒度分布。
[图4]是比较例2的热喷涂被膜的晶粒的粒度分布。
本发明的具体实施方式
以下将详细说明本发明的滑动构件用热喷涂被膜。
所述滑动构件用热喷涂被膜(以下，简称为“热喷涂被膜”)包含以铁(Fe)为主要成分并且铬(Cr)含量为8质量％以上且具有耐腐蚀性的铁基合金，并且具有所述热喷涂被膜中的晶粒的平均粒径为3μm以下的组织，且维氏硬度为300Hv以上。需要说明的是，在本发明中，“主要成分”是指含量为50质量％以上的成分。
所述热喷涂被膜不仅具有300Hv以上的维氏硬度，而且具有晶粒细微化的组织，不易因滑动产生塑性变形，因此具有优秀的耐磨性。
也就是说，热喷涂被膜组织中的每个晶粒具有不同的晶体取向，并且对于每个晶粒而言，由于滑动引起的拉伸方向与晶体取向之间的关系是不同的。因此，即使由于滑动而在晶粒中产生滑移，在晶粒边界附近也会产生空隙和重叠，从而滑移无法越过晶粒边界而是在晶粒边界处停止。
如上所述，通过使热喷涂被膜组织中的晶粒细微化，使得即使发生滑动引起的塑性变形的位错滑动，该位错滑动的量也很小，不易产生塑性变形，从而提高了强度，抑制了磨耗粉的产生并且提高了耐磨性。
所述晶粒的粒径可以通过热喷涂液滴的冷却速度和铁基合金的组成来调节。
具体而言，通过对铝或铝合金等热导率高的基材进行热喷涂并迅速冷却热喷涂液滴，来使晶粒细微化，并且，通过使铁基合金的组成为容易马氏体化的组成来使晶粒细微化。
在所述热喷涂被膜组织中，晶粒的粒度分布的半峰宽度(频率为粒径频率的最大值的50％的两点之间的间隔)优选为2.5μm以下，更优选为1.2μm以下。
通过晶粒粒度分布集中的粗晶粒的减少，来抑制热喷涂被膜局部的大塑性变形，提高热喷涂被膜整体的强度和耐磨性。
也可以通过铁基合金的组成来调节晶粒的粒度分布。通过使铁基合金包含碳、锰，来形成细微的马氏体，粗大的奥氏体组织会变得不易残留，晶粒的粒度分布变得集中。
所述热喷涂被膜的硬度的上限没有特别限制，但如果热喷涂被膜过硬，则从表面发生部分剥离时，产生的磨耗粉可能会作为硬质研磨剂产生作用，降低耐磨性。
硬度的上限虽然也取决于产生磨耗粉的容易程度等，但是优选为600Hv以下，更优选为450Hv以下，进一步优选为400Hv以下。
所述热喷涂被膜的截面的氧化物比例优选为1％以下。
通常，热喷涂被膜是通过在高温下熔化热喷涂丝而形成的，因此热喷涂液滴氧化而形成的热喷涂被膜中的氧化物容易增加。然而，本发明的热喷涂被膜的氧化物比例为1面积％以下，因此具有优异的耐磨性。
由于所述氧化物的导热率比金属低，且熔点高容易固化，因此如果热喷涂液滴的表面形成氧化物，则会阻碍热喷涂液滴落在基板上时从热喷涂液滴到基板的热传递、热喷涂液滴的变形以及热喷涂液滴之间的金属键。
由于热喷涂被膜中的氧化物的比例小，所以当热喷涂液滴落在基材上时，热喷涂液滴的热量被基材带走而迅速冷却，从而形成晶粒细微化的组织。此外，热喷涂液滴充分变形并致密地沉积以增加热喷涂液滴之间的结合面积的同时，金属键不会被所述氧化物破坏，热喷涂被膜中的所有热喷涂液滴均以金属键更牢固地结合在一起，因此提高了被膜强度并防止了部分从表面剥离。
可以通过热喷涂环境来调节所述热喷涂被膜的氧化物比例。
如上所述，热喷涂被膜中的氧化物并非源自热喷涂金属丝的组成，而是主要由高温的热喷涂液滴的氧化而产生。
因此，为防止飞行中的热喷涂液滴被氧化，可在以非氧化性气体例如氮气作为保护气体流通的同时，使用所述非氧化性气体作为载气进行热喷涂来抑制氧化物的生成。
所述热喷涂被膜中的氧化物比例通过以下方法确定：根据热喷涂被膜截面的光学显微镜图像中的亮度差异识别氧化物，通过二值化对所述截面图像进行定量，然后测量截面的面积％，以此作为氧化物比例。
接下来，将说明铁基合金的组成。
所述铁基合金包含8质量％以上的铬，并且根据需要，可以包含其他元素，例如碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、镍(Ni)和钼(Mo)等。
所述铁基合金包含铬(Cr)时，会形成可自我更新的钝化被膜，从而提高对源自NOx或燃料硫成分的酸等的耐蚀性。所述铁基合金更优选包含10质量％以上的铬。
铬含量的上限没有特别限制，但是当铬的量增加时，奥氏体组织增加，马氏体组织变得难以形成，并且晶粒的晶粒尺寸变得容易增加，因此优选含量为20质量％以下，更优选为18质量％以下。
所述碳含量优选为0.005质量％以上且0.2质量％以下，更优选为0.01质量％以上且0.1质量％以下。
如果碳含量低于0.005质量％，则热喷涂被膜的硬度容易降低，可能难以获得足够的耐磨性；如果碳含量超过0.2质量％，则热喷涂被膜的硬度会增加，配合攻击性可能会增加。此外，当配合构件的被膜是后述的硬质碳膜时，与配合构件的被膜的亲和性会变高，可能发生粘附而降低耐磨性。
所述硅(Si)的含量优选为0.1质量％以上且0.5质量％以下。如果硅含量小于0.1质量％，则热喷涂被膜的拉伸强度可能降低，并且如果硅含量超过0.5质量％，则耐磨性可能降低。
尽管其原因尚不清楚，但是以下可能是原因之一，硅几乎不固溶在铁基合金中，并且不均匀地分布在热喷涂液滴的表面上，因此以比铁基热喷涂被膜更脆且强度更低的单质的硅、氮化硅、氧化硅等为起点，在晶界上产生微观破裂，从而使得其容易从热喷涂液滴的界面发生裂纹和脱离。
所述锰(Mn)的含量优选为0.3质量％以上且4质量％以下。锰均匀地固溶在整个热喷涂被膜中，促进热喷涂被膜组织的马氏体化，以使晶粒细微化，并且不易残留粗大的奥氏体组织，晶粒的粒度分布变得集中。
所述热喷涂被膜的被膜厚度优选为100μm以上且400μm以下。
如果热喷涂被膜的被膜厚度小于100μm，则难以形成足够高的凹凸以增强耐剥离性，如果超过400μm，则在热喷涂过程中会滞留热量，从而可能降低被膜强度和耐磨性。
此外，由于构成热喷涂被膜的铁基合金的热导率比后述的铝或铝合金制的基材小，因此随着热喷涂被膜的层厚度变厚，冷却效率降低。
需要说明的是，在本发明中，可以在气缸孔的内周表面上设置凹凸，以提高热喷涂被膜的耐剥离性，当设置有凹凸时，热喷涂被膜的被膜厚度是从凹凸的底部开始计算的厚度。
<滑动装置>
本发明的滑动装置具有彼此滑动的滑动构件和配合构件。
所述配合构件在基材上具有硬质碳膜，所述滑动构件在基材上具有所述滑动构件用热喷涂被膜。
与具有所述热喷涂被膜的滑动构件发生滑动的配合构件的滑动面是硬质碳膜，因此提高了耐烧结性。一般而言，已知组合使用相同种类的材料会降低耐烧结性。认为这是因为当组合相同种类的材料时，由于它们的高亲和性而容易发生粘附，容易产生磨耗粒子。
然而，不同类型材料的组合的耐烧结性不仅受不同类型材料之间的亲和性的影响，而且还受诸如材料的机械性质和化学性质等材料因素，以及力学因素等非常多的因素的影响，因此很难预测不同类型材料的组合的耐烧结性。
就所述滑动构件用热喷涂被膜而言，滑动的配合材料为硬质碳膜(DLC)，因此与滑动的配合材料的被膜为铬(Cr)被膜、氮化铬(CrN)被膜等通常用于活塞环的其他被膜的情况相比，不易发生粘附并且耐磨性显着提高。
所述硬质碳膜的表面粗糙度(Ra)优选为0.1μm以下。由于硬质碳膜具有较高硬度，因此如果表面粗糙度(Ra)超过0.1μm，则可能配合攻击性容易变高而耐磨性容易变低。
本发明的滑动装置可适用于内燃机中使用的活塞和气缸体，举例而言，通过设为所述活塞在活塞环等配合构件的滑动面上具有硬质碳膜，所述气缸体等滑动构件在与所述活塞滑动的孔的内表面上具有所述热喷涂被膜的滑动装置，来获得优异的耐磨性。
所述气缸体和活塞的基材可以优选铝或铝合金，从而可以减轻内燃机的重量。
[实施例]
在下文中，将参考实施例详细说明本发明，但是本发明不限于以下实施例。
在由ADC12合金制汽油发动机用气缸体的气缸孔的内周表面上进行沟槽加工，以形成高度约85μm的凹凸。
使用具有表1所示组成的热喷涂线，通过电弧热喷涂法形成从凹凸底部算起的被膜厚度为270μm的热喷涂被膜。
该热喷涂如下进行：在将所述气缸体预热至120℃之后，在室温下将喷嘴插入气缸孔内，使用氮气散射热喷涂液滴，并以1200L/min的速度喷涂热喷涂液滴，将作为保护气体的氮气以500L/min的速度充入的条件下在大气中进行。
对形成的热喷涂被膜进行研磨加工以使除热喷涂被膜特有的凹坑外的平坦部分的表面粗糙度(Ra)达到0.05μm以下。
<评价>
通过以下方法评价所述被膜。评价结果与热喷涂被膜的组成一起示于表1。
(热喷涂被膜的组成)
将从气缸体刮下的热喷涂被膜片溶解在硝酸中，通过电感耦合等离子体分析(IPC分析)对热喷涂被膜的组成进行定量。
此外，对热喷涂线进行相同的IPC分析，以确认热喷涂被膜和热喷涂线具有相同的组成。
需要说明的是，在所述IPC分析中，氧和氮含量低于检测极限。
(维氏硬度)
参照维氏硬度试验(JIS Z 2244)，选择热喷涂被膜中不受气孔影响的部分，在50g的载荷下进行测量。
(晶粒的粒度分布的测量)
使用电子探针显微分析仪(EPMA)对热喷涂被膜的截面进行面分析，以晶体取向偏离5度以上的不连续面作为晶粒边界，并基于晶粒的面积计算粒径，绘制基于面积比例的粒度分布(直方图)，求出晶粒的平均粒径和半峰宽度。实施例1、实施例3、比较例1和比较例2的粒度分布分别在图1至图4中示出。
(氧化物比例的测定)
使用电子探针微分析仪(EPMA)对热喷涂被膜的截面进行面分析，以检测氧化物。
接下来，将热喷涂被膜的截面放大20倍，并通过光学显微镜计算氧化物比例(面积％)。基于通过电子探针分析仪识别出的氧化物的亮度差异，从光学显微镜图像对截面图像进行二值化以计算图像中的氧化物比例(面积％)。
实施例1至4以及比较例1和2的氧化物比例为0.03至0.5面积％。
(耐磨性)
将热喷涂被膜与基材一起以15mm×20mm的尺寸切出，并使之与从具有0.1μm以下表面粗糙度(Ra)的硬质碳膜的活塞环中切出的试验片滑动。测量滑动60分钟后热喷涂被膜的磨损深度。
该试验以25Hz，冲程3mm的往复运动进行，在300N的恒定载荷下，并使用100℃运动粘度为4cst的PAO(poly-alpha-olefin)作为润滑油进行。
[表1]
Figure BDA0003046512960000071
从表1中可以看出，满足晶粒的平均粒径为3μm以下，并且维氏硬度为300Hv以上的实施例1至4的热喷涂被膜的磨损深度浅，耐磨耗性优异。
此外，实施例2的热喷涂被膜虽然比实施例1的热喷涂被膜硬，但是由于晶粒的平均粒径大，所以磨损深度比实施例1的热喷涂被膜深。

Claims (7)

1.一种滑动构件用热喷涂被膜，其由含铬(Cr)的铁基合金构成，
所述滑动构件用热喷涂被膜中，所述铬的含量为8质量％以上，
所述滑动构件用热喷涂被膜中具有晶粒的平均粒径为3μm以下的组织，并且所述滑动构件用热喷涂被膜的维氏硬度为300Hv以上。
2.权利要求1所述的滑动构件用热喷涂被膜，其中，
所述晶粒的粒度分布的半峰宽度为2.5μm以下。
3.权利要求1或2所述的滑动构件用热喷涂被膜，其中，
所述热喷涂被膜的截面中的氧化物比例为1面积％以下。
4.一种滑动装置，其为在基材上具有被膜的滑动构件与在基材上具有被膜的配合构件彼此滑动的滑动装置，其中，
所述配合构件的被膜是硬质碳膜，
所述滑动构件的被膜为权利要求1至3中任一项所述的滑动构件用热喷涂被膜。
5.权利要求4所述的滑动装置，其中，
所述硬质碳膜的表面粗糙度(Ra)为0.1μm以下。
6.权利要求4或5所述的滑动装置，其中，
所述滑动构件和/或所述配合构件的基材是铝或铝合金。
7.权利要求4至6中的任一项所述的滑动装置，其中，
所述滑动构件是活塞，所述配合构件是气缸体。
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