CN112996942A - 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包含以铁(Fe)为主要成分的铁基合金。并且，本发明提供一种滑动构件用喷涂被膜，其包含10质量％以上且20质量％以下的铬(Cr)，0.1质量％以上且0.5质量％以下的硅(Si)，且所述热喷涂被膜中的氧化物比例为1面积％以下，其耐烧结性提高且具有耐腐蚀性。

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，涉及包含铬并且耐腐蚀性提高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
专利文件1中记载的热喷涂被膜是通过压缩空气对液滴进行热喷涂而形成的被膜，并且可以通过锰的牺牲氧化来减少诸如铁和铬等其他金属的氧化。
然而，由于所述热喷涂液滴在其表面上形成锰氧化物，所以氧化物介于热喷涂液滴之间的界面中。因此，热喷涂液滴之间的金属键被所述氧化物破坏，不能充分获得热喷涂液滴之间的结合力，从而导致热喷涂被膜的耐剥离性降低。
然后，如果热喷涂被膜的表面部分脱落并在滑动面混入异物，则摩擦力会上升，会发生发热和润滑不良等导致的油膜破裂而发生局部熔着，最后发生烧结。
本发明鉴于现有技术中的这些问题，旨在提供一种铁基滑动构件用热喷涂被膜，其具有耐腐蚀性和改善的耐烧结性。
解决技术问题的技术手段
本发明的发明人为实现上述目的进行了锐意研究，最终发现，通过将铁基热喷涂被膜中的氧化物的含量设置为1质量％以下，可以形成被膜整体通过金属键结合并且均匀的被膜结构，其可以达成上述目的，以此完成了本发明。
也就是说，本发明的滑动构件用热喷涂被膜由含铬(Cr)和硅(Si)的铁基合金构成。
另外，其特征在于，所述铬(Cr)的含量为10质量％以上且20质量％以下，所述硅(Si)的含量为0.1质量％以上且0.5质量％以下，所述热喷涂被膜的截面中的氧化物比例为1面积％以下。
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。
另外，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，由于将包含含预定量的铬和硅的铁基合金的热喷涂被膜中的氧化物比例调整在1面积％以下，因此可提供一种耐烧结性提高且具有耐腐蚀性的滑动构件用热喷涂被膜。
本发明的具体实施方式
<滑动部件用热喷涂被膜>
下文将详细说明本发明的滑动构件用热喷涂被膜。
所述滑动部件用热喷涂被膜(以下简称为“热喷涂被膜”)包含以铁(Fe)为主要成分并含有铬(Cr)和硅(Si)的铁基合金，铬(Cr)的含量为10质量％以上且20质量％以下，硅(Si)的含量为0.1质量％以上且0.5质量％以下，另外热喷涂被膜截面的氧化物比例在1面积％以下。需要说明的是，本发明中的“主要成分”是指包含50质量％以上的成分。
通常，热喷涂被膜通过在高温下熔化热喷涂丝来形成，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。但是，本发明的热喷涂被膜的氧化物比例为1面积％以下，所以具有高耐剥离性和优异的耐烧结性。
所述热喷涂被膜中的氧化物比例可通过热喷涂环境来调节。
如上所述，热喷涂被膜中的氧化物不是源自热喷涂丝的组成，而是主要由高温的热喷涂液滴氧化产生的。
因此，为了防止飞行中的热喷涂液滴被氧化，可在将氮气等非氧化性气体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产生。
由于本发明的热喷涂被膜是通过使用非氧化性气体进行热喷涂而形成的，因此当热喷涂液滴飞行时，不易在高热喷涂液滴的表面上形成具有高熔点并且易于固化的氧化膜，热喷涂液滴在到达目标时充分变形。
结果，热喷涂液滴之间的结合面积增加，形成了所述热喷涂液滴之间牢固结合并且空隙少的致密热喷涂被膜。
另外，这样的热喷涂被膜由于热喷涂被膜中的金属键没有被氧化物破坏，热喷涂被膜中的所有热喷涂液滴彼此通过金属键结合，而形成均匀的被膜结构，所以具有高被膜强度和优异的耐剥离性。
所述热喷涂被膜中的氧化物比例通过以下方法确定：根据热喷涂被膜的截面的光学显微图像，基于亮度的差异识别氧化物，将所述截面图像二值化以进行定量，然后测定截面的面积％，以此作为氧化物比例。
所述热喷涂被膜铬(Cr)的含量为10质量％以上且20质量％以下。
由于在铬的含量小于10质量％的情况下，不能充分形成可利用铬自我修复的钝化膜，因此耐腐蚀性降低、变得容易被来自例如NOx或燃料的硫成分的酸等腐蚀。
另一方面，如果铬的含量超过20质量％，则在热喷涂被膜表面形成的铬钝化膜为铬的氧化物、氢氧化物，由于在固相的最外表面上具有羟基，因此存在与润滑油的亲和性降低，变得难以获得润滑油的保护的风险。此外，由于铁素体相增加，几乎不形成马氏体相。这导致了被膜硬度和耐烧结性降低。另外，奥氏体相也同时增加，这导致热膨胀系数增加、被膜的密合性显着降低。
所述热喷涂被膜硅(Si)的含量为0.1质量％以上且0.5质量％以下。
如果硅含量小于0.1质量％，则热喷涂膜的拉伸强度降低，而如果硅含量超过0.5质量％，则耐烧结性降低。
虽然原因尚且不明，但是以下可能是原因之一，硅是公知的铁素体稳定元素，从其增加热喷涂被膜的铁素体比例，或者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等点来看，特别是在使用氮气作为热喷涂液滴喷涂用的气体等进行热喷涂的情况下容易形成氮化硅。认为尽管该氮化硅具有高强度和高韧性，但是氮化硅中包含的玻璃相容易因滑动而破裂，从晶界发生微观破裂，从而导致氮化硅粒子容易脱落。
所述热喷涂被膜的锰(Mn)的含量优选为0.6质量％以下。
由于锰是易氧化的元素，因此减少锰的含量能够减少在热喷涂液滴飞行过程中产生的氧化物量，由于热喷涂被膜中的氧化物的绝对量减少，整个热喷涂被膜通过金属键而结合，因此被膜强度提高。
另外，所述热喷涂被膜优选包含3质量％以上的锰。
如上所述，尽管锰是易氧化的元素，但是处于非氧化状态的锰会固溶在热喷涂被膜中促进淬火使热喷涂被膜结构马氏体化，因此含有3质量％以上的锰可以提高被膜强度。
根据需要，所述热喷涂被膜可以包含其他元素，例如碳(C)、镍(Ni)和钼(M o)等。
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，则难以形成具有足以增强耐剥离性的高度的凹凸，并且如果该被膜厚度超过400μm，则在进行热喷涂时会积聚热量，从而可能降低被膜强度和耐剥离性。
另外，由于构成热喷涂被膜的铁基合金的热导率低于后述的铝或铝合金制的基材，因此如果热喷涂膜的厚度增加，则冷却效率会随之降低。
需要说明的是，在本发明中，可以在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，在设置凹凸的情况下，热喷涂被膜的被膜厚度为从凹凸的底部算起的厚度。
所述热喷涂被膜的表面粗糙度(Ra)优选为0.05μm以下。
如果表面粗糙度超过0.05μm，则凸部因滑动而在滑动方向上延伸而变形，所述延伸部分容易脱落，滑动面可能混入异物，导致耐烧结性降低。
<滑动装置>
本发明的滑动装置具有相互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一起滑动的配合构件的滑动面为硬质碳膜，从而提高了耐烧结性。通常，已知相同类型材料的组合会降低耐烧结性。认为这是因为当相同类型的材料的组合时，由于亲和性高而容易发生粘附并且容易产生磨耗粒子。
但是，不同类型材料的组合的耐烧结性不仅受到不同类型材料相互之间的亲和力的影响，而且还受到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，滑动的配合构件的被膜为硬质碳膜(DLC)，因此与滑动的配合构件的被膜为铬(Cr)被膜、氮化铬(CrN)被膜等其他被膜的情况相比，耐烧结性大大提升。
所述硬质碳膜优选包含95质量％以上的碳。
所述硬质碳膜是无定形膜，其中碳原子键合形式为金刚石键(sp3键)和石墨键(sp2键)混有，其具有与金刚石相似的硬度、耐磨性和化学稳定性，同时具有与石墨相似的固体润滑性和低摩擦系数。碳含量为95质量％以上可提高硬度、耐磨性和化学稳定性。
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，所述气缸体之类的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，来获得优异的耐烧结性。
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：将所述气缸体预热至120℃，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。
另外，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，氧和氮的溶解量太少并低于检测极限，因此计算组成比时排除了氧和氮。
(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％)。
(耐烧结性)
在下列条件下使在活塞环的表面具有含碳量95质量％以上的硬质碳膜的活塞与在孔的内表面形成了热喷涂被膜的所述气缸体相互滑动以测定烧结负载，并评价耐烧结性。
滑动条件为，使用粘度等级为5W-30的发动机油，以20mm的冲程和1000rpm的速度作往复运动，期间每5分钟增加负载，将在冲程方向上的负载突然上升时的负载作为烧结负载。
[表1]
Figure BDA0003046156740000071
根据表1，铬含量为10至20质量％，硅含量为0.1至0.5质量％，且氧化物比例为1面积％以下的实施例的热喷涂被膜具有优异的耐烧结性，实施例3和比较例3的比较表明，在铬含量超过20质量％的情况下，耐烧结性迅速降低。
认为这是因为，比较例2至4的热喷涂被膜因铬含量高，没有被润滑油充分保护，所以耐烧结性降低。
另外，认为比较例1的热喷涂被膜由于硅含量高，因此在滑动面上产生异物，导致耐烧结性降低。

Claims (7)

1.一种滑动构件用热喷涂被膜，其由含铬(Cr)和硅(Si)的铁基合金构成，其中，
所述铬(Cr)的含量为10质量％以上且20质量％以下，
所述硅(Si)的含量为0.1质量％以上且0.5质量％以下，
所述热喷涂被膜的截面中的氧化物比例为1面积％以下。
2.权利要求1所述的滑动构件用热喷涂被膜，其中，
以0.6质量％以下的比例包含锰(Mn)。
3.权利要求1所述的滑动构件用热喷涂被膜，其中，
以3质量％以上的比例包含锰(Mn)。
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，
所述硬质碳膜含有95质量％以上的碳(C)。
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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