CN1178256A - 沉积一种被分类为介于可机加工与耐磨损之间的热喷涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
在圆柱形表面的内部热喷涂层的方法,该涂层被分类为介于增强的最佳可机加工性和增强的耐磨性之间。该方法包括步骤:(a)制备一个轻金属基底的圆柱孔表面;(b)采用金属线或粉末状原料(低碳钢或不锈钢)以及一种喷射液滴或颗粒作为一种喷雾的基本雾化气体,在制备好的表面上热喷涂一个金属液滴或颗粒的沉积层;且(c)在两个或多个阶段中改变雾化气体的化学成分,从而相对于液滴和颗粒从基本上为一种金属液滴氧化物形成气体(空气或氧气)变为基本上为一种惰性或非氧化气体(氮气或氩气)。
Description
本发明涉及在金属基底上热喷金属涂层的技术，且更特殊地涉及当附着在轻金属比如铝上时既具有增强的可机加工性，又具有增强的耐磨性的涂层。
已知在铸铝发动机体的汽缸孔上涂上热喷涂层从而改进铝表面的耐磨性能并由此排除(a)插入铸铁衬来承受钢活塞环的滑动接触的需求，或(b)采用高硅含量铝合金的需求，这要求进行处理从而沉淀硬质磨粒来承受滑动接触。热喷涂层可施加相对较薄的厚度，比如100-1000微米(0.1-1.0mm，或0.0004-0.04英寸)，从而在满足性能需求的前提下增进了材料的经济性。
在汽缸孔上采用热喷涂层的缺点之一是已经引起孔涂覆表面加工方法中的显著变化，这部分是由于其增加了的表面硬度。这种增加了的硬度造成在机加工过程中刀具寿命缩短。搪磨(honing)刀具通常是自对准的且被浮动支撑从而跟踪汽缸孔上涂层的几何结构，而不是沿一根与涂覆表面无关的轴来去除材料。这种类型的搪磨是不希望的，因为热喷涂层趋于改变其在孔壁从顶到底及从一侧到另一侧的厚度。这样的搪磨过程会造成沿汽缸壁的非均匀涂层去除和涂层厚度变化。如果精加工后的表面不是绝对与曲柄孔的轴找准，活塞组件的合适装配是困难的或者会导致过早的磨损。如果热喷涂层以这样一种方式被沉积，即允许对以曲柄孔(支承孔)的真实轴为导向的趋于进行直接搪磨或机加工，而不担心涂层会被扭曲或破坏，这是所希望的，且具有有效的成本。
本发明为一种在一个圆柱形表面的内部热喷一个涂层的方法，该方法被分类为介于增强的最佳可机加工性和增强的耐磨性之间。该方法包括步骤：(a)制备一个轻金属(light metal)基底的圆柱孔表面，该表面上的油脂被清洗了并经改性从而改变呈现在其上的任何氧化物膜；(b)采用金属粉末或线状(metal or powder wire)原料以及一种喷射液滴或颗粒作为一种喷雾的基本雾化气体(primary atomizinggas)，在制备好的孔表面上热喷涂一个金属液滴或颗粒的沉积层，所述的液滴或颗粒具有一种与基底金属在金属工艺学上粘结在一起的化学能力，喷雾被定位而沉积由这样的液滴或颗粒构成一个大致均匀的涂层；且(c)在两个或多个阶段中改变雾化气体的化学成分，从而相对于液滴和颗粒从基本上成为一种金属液滴氧化物形成气体称为基本上为一种或惰性或非氧化气体。金属丝或粉末原料可包含低碳钢或不锈钢；金属氧化物形成气体可包含空气或氧气；而惰性气体或非氧化气体可由氮气或氩气组成。氧化物形成气体将促使金属液滴或颗粒首先使铁和Wuestite(FeO)的复合层或分层沉积，它有益地占了涂层重量的10-30％(重量)。当使用惰性或非氧化气体时，FeO所呈现的量远小于10％(重量)且可被认为是氧化物贫化的。虽然氧化物贫化的上层将通过搪磨被除去，而搪磨后下面的复合物将变成注定保留在孔壁上的耐磨损层，好比是牺牲性的而实质上增强搪磨工具的寿命。
附图简述如下：
图1为本发明基本步骤的一个方框图；
图2为本发明的工艺步骤的一个流程图；
图3为用于热沉积本发明涂层的一个喷嘴装置实例的一个放大简图；
图4为根据本发明的一种实施方式涂覆的一个三层涂层系列的一个简要说明；
图5为根据本发明的另一种实施方式涂覆的一个化学上渐进的(progressively)分层涂层的一个简要说明；
图6为根据本发明沉积的一个多层涂层的横截显微照片(100×)；
图7为比较分层或多层涂层的不同区域显微硬度的一个图示说明；
图8为当加工成层(layered)或分层涂层的不同区域时，比较工具磨损的一个图示说明。
制造根据本发明的分层(graded)涂层的基本方法步骤一般地如图1所示。图2中所示的情况更具体一些，一个拟进行热喷的元件或基底9的表面10通过清洁和/或打毛(roughening)被制备；表面10是一台机动车发动机的一个铸造的轻金属(如铝或镁)缸体的一个汽缸孔的内表面。清洗可以优选地包括在腔12(见步骤1)中蒸汽去油脂或者在水溶液中洗涤从而去除在表面制备前由于铸造和机加工操作而产生的所有脂和油。进一步的制备可以要么包括在该表面上使用一种助熔剂(flux)或化学剥离剂13(见步骤2A)从而当热激活时去除任何表面氧化物，或者通过多种技术中的一种来打毛表面10(见步骤2B)，比如喷砂清理，高压水喷射，或某些其他类型的加工，如粗加工或搪磨14，从而在去除某些表面氧化物的同时将基底的表面粗糙度(Surface Finish)改变成更易于在机械上与想要的涂层相粘接。在热喷前去除任何由打毛步骤残留的表面污染物是重要的。
不论清洗或制备的类型如何，希望在轻金属表面10上涂覆金属化的粘结涂层(见图2的步骤3)，从而完成表面制备。这包括热喷一种金属粘结合金15，该合金对铝衬底而言具有很高的倾向性，能与表面10的轻金属比如镍铝化物(95％Ni/5％Al)或青铜铝化物(90％青铜/10％Al)，在金属工艺学上粘结在一起。通过线弧(wirearc)、线等离子体(wire plasma)，或粉末等离子体喷涂，粘结涂层有益地以约25-75微米的均匀厚度被涂覆上去；该厚度范围由获得一个均匀的粘结涂层范围所需要的最小厚度来确定。
现在，该表面可以进行熔融金属液滴或颗粒19的最后热喷层的沉淀，从而产生所想要的多层或化学分层的上层涂层16(步骤4)。这是通过使用任何采用一种或多种线状或粉末原料17和至少一种将液滴19或粉末喷射到表面10上的基本雾化气体18的热喷技术来进行的。该原料希望是一种低碳或低合金钢，含有0.04-0.2％(重量)的碳，0.025-0.04％的硅，0.2-2.0％的镁，0.0-1.5％的铬，0.0-1.5％的钼，0.0-4.0％的镍，少于0.5％的铜，其余为铁。300或400系列的不锈钢原料对被设计为使用各种燃料(flex flues)的发动机而言尤为有用。热喷的上层16将具有0.008-0.02英寸的优选厚度。
在步骤4中，在两个或多个阶段中改变雾化或喷雾气体的化学成分，从而相对于液滴和颗粒从基本上为一种氧化物形成气体成为基本上为一种惰性气体。这将产生一个分层或逐渐分层次的复合涂层16，该涂层在其暴露在外区域中具有小于1-10％的FexO以及在其内区域10-30％的FexO。FexO在这里是指Wuestite。这种分层或逐渐分层的涂层是所希望的，因为，外区域21具有一个软的，相对无氧化物的可机加工的外区域，而内区域22具有一种较硬的，具有不易于机加工、但提供耐磨损和划伤性能的含氧化物成分。
该多层或分层次的涂层可采用如图3中所描述的热喷枪33来沉积。该枪可以包括一个内喷嘴40，该喷嘴聚焦一个热源，比如火焰或等离子体羽(plume)41。等离子体羽41是由于基本气体42失去电子生成的，当其在阳极43和阴极44中间通过造成高度加热的离子放电或羽。该热源将线的顶端或者粉末45熔化，由此产生的液滴46以一个很高的速度由基本气体42携带。一个加压的第二气体47可以被用来进一步控制喷涂图案。这样的第二气体可以通过在介于阴极和外壳48之间形成的通道被引入。相对于羽的轴，该第二气体被直接朝着径向引导。线熔化的实现是在与阴极一起触发一个电弧49中通过连接该线作为阳极来进行的。最后的涂层将由在薄的FexO壳中的薄片激冷金属层或具有铁合金核的颗粒构成。同样，采用双线电弧粉末等离子体喷涂也能获得同样的涂层结构。
最后(见图2的步骤5)，该涂层通过一种半精加工或精加工操作，比如一种典型的镗削操作，从而去除0.005-0.02英寸的上涂层，由此加工掉外区域中含最少量FexO的部分，这样更易于进行机加工。机加工产生0.5-5.0微米Ra的最终表面粗糙度和与机体的曲柄孔轴的中心线23相一致的最终表面准直。这样的机加工可以采用常规的硬质合金或硬质涂覆(hard coated)的工具来进行。因为上涂层的氧化物含量被降低且工具接触很少的硬质内涂层，所以这样的工具的磨损下降了。
生成具有可机加工上层的多层FexO复合涂层的一种优选方法由以下方法来实施。在表面按如上所述被制备后，涂上一层厚度约0.001-0.003英寸(25-75微米)的粘接层从而增强涂层的粘着性。该可机加工、耐磨损的上涂层采用至少两个步骤的操作来涂覆。通过采用空气作为基本雾化气体热喷钢质原材料来沉积底层，中间的硬质Fe/FexO耐磨损抗划伤涂层的涂覆厚度为0.004-0.10英寸(100-200微米)。然后，通过采用氮气和氩气作为基本雾化气体热喷钢质原材料来生成一个软的，相对而言，无氧化物的，可机加工的上层，来沉积一牺牲的和可机加工的外层。如图4简示，最后生成的多层涂层(如图4和6所示)要求由0.002英寸(50微米)的粘接涂层30，0.010英寸(250微米)厚的Fe/FexO中间层31，和0.010英寸(250微米)可机加工的上层32组成。中间的耐磨损和抗划伤涂层将含有介于10-30％(体积)的FexO氧化物相(oxide phase)，而可机加工的上层将含有小于1-10％(体积)的FexO氧化物相。对一个常规的发动机应用来讲，低碳和低合金钢原料可以被用来沉积这种适用于发动机汽缸孔应用的铁/铁氧化物复合多层涂层。对更具腐蚀性的环境，300和400系列不锈钢原料可以被用来沉积FexCry/FexCryO2和FexCryNi2FewCrx/NiyO2复合多层涂层，该多层涂层对可灵活地使用超过一种燃料，比如甲醇和乙醇的混合物，以及含有高硫和/或其他腐蚀性化合物的燃料的发动机来讲，具有增强了的抗腐蚀性。
为了热喷一个分层次的化学复合涂层，要涂上同样类型的粘接涂层30。然后，采用一单个步骤的操作涂覆可机加工的耐磨损复合物。通过初始采用空气作为基本雾化气体热喷钢质原料，生成含有高达30％的自润滑相FexO的硬质Fe/FexO耐磨损和抗划伤涂层34。随着热喷的进行，基本气体逐渐与不断增加的氮气和/或氩气相混合从而产生一个分层次的组合物。气体混合物的成分将逐渐从100％的空气变为100％的氮气和/或氩气。随着喷枪33的多次通过，即在旋转的同时下降和升高，热喷的分层次涂层34在气体从100％的空气转变为100％的氮气和/或氩气的同时连续地沉积。所生成的涂层(见图5)是在化学上分层次的，从含有高达30％的FexO的混合Fe/FexO复合区域34到含有小于1％FexO的最外部区域36。这种化学上分层次的涂层在精加工或精搪后在最外的区域将具有增强了的可机加工性，同时提供耐磨损和抗划伤特征，这对最终的汽缸孔来讲是所希望的。
图7所示为介于降低了氧化物的可机加工外涂层和较高氧化物的耐磨损、抗划伤涂层之间的涂层硬度差别。如果应用于319Al汽缸孔衬底，在机加工过程中，0.010英寸的牺牲/可机加工上涂层被去除，从而确定汽缸孔的位置和尺寸。图8所示为与加工采用空气和氮气雾化气体沉积的热喷钢质涂层相关的相对工具磨损。当与采用空气雾化沉积的涂层相比较时，与加工采用氮气雾化气体的热喷钢质涂层相关的工具磨损减小6倍。
本发明的特殊实施方案已经被说明和描述，然而对本领域的熟练者而言，显然在不偏离本发明的情况下，可以进行多种改变和修正，且在所附的权利要求中，将要覆盖所有那些落入本发明的真实精神和范围的修正和等同情况。
Claims (8)
1、一种在圆柱形表面的内部热喷一个涂层的方法，该涂层被分类为介于增强的最佳可机加工性和增强的耐磨性之间，该方法包括步骤：(a)制备一个轻金属基底的圆柱孔表面，该表面上的油脂已被清洗了并经改性从而改变呈现在其上的任何氧化物膜；(b)采用(i)金属线状或粉末原料以及(ii)一种喷射液滴或颗粒作为一种喷雾的雾化气体，在所述的制备好的表面上热喷涂一个金属液滴或颗粒的沉积层，所述的液滴或颗粒具有与所述的轻金属在金属工艺学上粘结在一起的能力，所述的喷雾被定位而沉积由这样的液滴或颗粒构成一个大致均匀的涂层；且(c)在两个或多个阶段中改变所述气体的化学成分，从而允许初始喷涂的液滴或颗粒具有高的硬度和耐磨损性，同时伴随有下降了的可机加工性，而较后阶段喷涂的液滴或颗粒具有下降了的硬度，同时伴随有增加了的可机加工性。
2、如权利要求1的方法，进一步包括步骤(d)，其中材料的去除是在喷涂的液滴或颗粒的较后阶段的一个显著部分上进行的，从而准直这些孔、去除多余的材料并呈现一个具有高耐磨性的最终完成的表面。
3、如权利要求1的方法，其中在一个铝或镁合金的发动机机体中的轻重量金属衬底包括多个要涂覆的汽缸孔表面。
4、如权利要求2的方法，其中汽缸孔表面作为制备的一部分被改变，采用的方法要么是(i)通过喷砂清理，高压水喷射或机加工来机械地打毛这些表面从而破坏呈现在表面上的任何氧化物膜，或(ii)在所述的汽缸孔表面上化学剥离任何氧化物膜，然后在其上沉积一个金属粘接层。
5、如权利要求1的方法，其中线状原料是钢且在两个或多个阶段中气体被调节从初始阶段的铁氧化物形成气体变为较后阶段基本上为惰性气体。
6、如权利要求4的方法，其中的铁氧化物形成气体是空气，当其与钢质液滴或颗粒接触时形成介于10-30％(体积)的FexO，且，选自氮气或氩气的惰性气体将在所述的液滴或颗粒中形成的任何氧化物限制在小于1-10％(体积)。
7、如权利要求5的方法，其中所述的钢选自(i)低碳低合金钢(ii)低合金不锈钢，和(iii)300或400系列不锈钢。
8、一种在一个圆柱形表面的内部热喷一个涂层的方法，该涂层被分类为介于增强的可机加工性和增强的耐磨性之间，包括：(a)制备一个轻金属基底的圆柱孔表面，该表面上的油脂已被清洗并经改性从而改变呈现在其上的任何氧化物膜；(b)热喷涂一种材料的粘接涂层，该材料具有一种与轻金属基底在金属工艺学上的亲和力，所述的粘接涂层被沉积的厚度为0.001-0.003英寸且采用惰性雾化气体来热喷；及(c)采用线弧技术且采用空气作为雾化气体热喷上涂层的一个底层，该底层被沉积的厚度为0.004-0.010英寸且包括10-30％(体积)的FexO；(d)采用线弧技术且采用惰性气体作为雾化气体热喷上涂层的外层，该外层具有的厚度范围为0.004-0.010英寸且具有的FexO含量少于1-10％(体积)，所述的线弧热喷涂采用一种低碳合金钢原料，且(e)机加工掉外层的一个显著部分从而呈现具有高耐磨损特征的最终完成的表面。
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| CN106282881A (zh) * | 2015-06-29 | 2017-01-04 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司 | 磷化或阳极氧化以改善发动机缸膛上热喷涂图层的粘合 |
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1997
- 1997-06-06 CN CN97112154A patent/CN1178256A/zh active Pending
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