CN1185361C - 制造具有至少一个滑动面的机器部件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有至少一个滑动面的机器部件，尤其是发动机，特别是二冲程大型柴油发动机的活塞环(3)和/或活塞和/或汽缸衬套的制造方法，这些部件在其滑动面区域具有涂覆在基体材料上的、含有铝-青铜的涂层(4)，通过该方法，涂层的性能相对于由纯铝-青铜组成的涂层在任何所希望的方向上都有所改进，该涂层(4)通过铝-青铜与至少一种其它的，在此为非合金化材料的组合而构成，该涂层(4)作为单层涂层或多层涂层用热喷涂工艺喷涂在基体材料上。

Description

制造具有至少一个滑动面的机器 部件的方法
                     技术领域
本发明涉及一种具有至少一个滑动面的机器部件，尤其是发动机，特别是二冲程大型柴油发动机的活塞环和/或汽缸衬套的制造方法，这些部件在其滑动面区域具有以热喷涂法涂覆在基体材料上的涂层，该涂层通过铝-青铜与至少一种未与其合金化的其它材料的组合而构成，其中，涂层含有比其它涂层材料更硬的掺入物，它以在喷涂过程中不熔化的粉末形式与喷涂时熔化的其它涂层材料一起喷涂。
                     背景技术
这种类型的方法是已知的。JP 01 1163 26A示出了一种在滑动区域被涂层的制动盘。形成涂层时使用了一种粉末混合物，其中所有涂层材料都是粉末形式，包括由铝-青铜构成的部分、由铬合金构成的部分和由碳化物和/或氧化物等构成的部分，粉末混合物以热喷涂工艺涂覆在基体材料上。
US-A 3941 903包括一种轴承部件的耐磨涂层。形成涂层时这里也可以使用一种粉末混合物，其中所有涂层材料都是粉末形式，包括由铝-青铜构成的部分和由氧化物、碳化物等构成的部分，粉末混合物以等离子喷涂工艺、火焰喷涂法或爆炸法涂覆在载体材料上。
申请人的WO98/25 017 A中包括了一种柴油发动机的汽缸部件，如汽罐衬套、活塞和活塞环等，它们在其滑动面区域具有以热喷涂法涂上的铝-青铝涂层，其中可嵌有氧化物、碳化物等形式的硬质颗粒。从该国际公开文本中不知道如何将喷涂过程中熔化的材料和喷涂过程中不熔化的材料进行混合。
                     发明内容
因此，本发明的目的在于，改进开头所述类型的方法，使得可以简单和成本有利地制备出含有相对于在喷涂过程中熔化的其它涂层材料较硬的为在喷涂过程中不熔化粉末形式的掺入物。
该目的通过这样的特征得到了解决，即为形成喷涂流，至少一根设置成空心线的线丝被熔化，它的空腔含有形成掺入物的粉末。
使用其空腔中含有形成掺入物的粉末的空心线确保了该粉末在空心线熔化时自动进入熔体中并因此到达喷涂钢，从而与其熔化材料一起喷涂。这样，额外的混合费用就可以有利地不再需要。另一优点在于，可以简单的方式使掺入物可靠地计量加入并均匀分布。
                       附图说明
其它具有优点的实施形式在后面给出，下面参照图示对几个实施例进行说明。
图1.大型发动机的汽缸截面图形式的实施例，
图2.实施本发明方法的装置的示意图，
图3.图2装置的一种构成形式。
                    具体实施方式
本发明的主要应用领域是大型发动机，如用于船舶驱动的二冲程大型柴油发动机，其中尤其是指带有滑动面的部件，如汽缸衬套，活塞，活塞环等。图1中的实施例示出了一个汽缸衬套1，它具有一个活塞2，该活塞具有一个活塞环3。在此，它们在其圆周区域的滑动面具有涂层4，该涂层可延长其使用寿命。当然也可考虑，同时或二者选择其一地将汽缸衬套1的滑动面和/或活塞外面涂层。
图2中的装置有一个在此为平台6形式的容纳装置，它用来容纳要涂层的、在此为活塞环3的基体材料。在平台6上方一定间隔内，设有一个喷射头7。它具有一个管形的、在其朝向平台的前端锥形变小的并具有出口8的壳体9。它可设有一个在此未进一步示出的手动操纵手把或被可移动地容纳在为平台6配置的台座上。当然，也可考虑，喷射头7设置成静止的，而平台6设置一个可推移的工件容纳孔。
出口8处有两个线丝导管10，11，它们以较小间隔截止于出口8。线丝导管10，11可分别传送由一个所设滚筒12，13抽出的线丝14，15。线丝推进分别由一个送丝装置16完成。
滚筒12，13和从此抽出的线丝14，15连接电源17的不同极。电源17的电流强度这样限定，即在从线丝导管10，11出来的线丝的末端之间产生电弧18，它导致，线丝14，15的前端甚至在形成线丝14或15的材料的不同熔化温度情况下也熔化。形成线丝14及15的材料的熔化温度因此可以是不同的。通常，铝-青铜的熔化温度低于所述铬合金的熔化温度。
因为线丝14，15被连续推进，因此连续形成熔体。熔体借助朝向平台6的气流以小滴的形式被吹走。这样形成的喷射流5在碰到要涂层的基体材料面时形成涂层4，它既含有线丝14的材料，又含有线丝15的材料。为形成所希望的气流，在线丝14，15熔化末端的上方设有以喷嘴形式结尾的钢管24，它与一个适合的、未示出的压力气体源连接。
在图2所示实施例中，对两根线丝仅设有一个喷射头7，两根线丝之间点燃电弧18。但也可考虑，为每根丝线设一个单独的喷头，其中，可在两个喷头部件之间，如在一个线丝出口嘴和一个包围它的套管之间点燃一个电弧，该电弧可通过从套管流过的气流熄灭。
在简单情况下，涂层4设置成单层就够了，因为，在许多情况下通过适当的材料混合体就可获得所希望的性能。这种形式的涂层可以有利的方式在一个工序涂完。涂层4也可采用多层，如两层形式，且这样通常更具优点。
对于多层涂层而言，可根据需要设置一层相对较软的第一层，并在其上面设置一层相对较硬的层。在此，第一层使较外一层与基体形成良好连接。对于较外层，因此可采用能获得很高硬度的材料混合体，它在没有较软的第一层的情况下会造成散裂的危险。在此，较外侧层的硬度可达到基体材料硬度的3至5倍，这产生良好的稳定性。第一层的材料混合体有利地这样选择，即其硬度介于基体材料和外侧层硬度之间并形成相应较小的硬度跃迁。通过相应材料的选择也可影响耐腐蚀性。
在多层涂层中，可以具有优点的方式获得较大的涂层总厚度。这样的涂层可在涂覆过程后被挤压，这有利地导致硬度的提高。为此目的的挤压可通过例如磨削加工过程实现，或在工作期间，尤其在进气阶段自身完成。在单层涂层中，这种挤压即使在尺寸小和厚度薄的情况下也是可以的。
涂层4分别由织-青铜和至少一种未与以熔体形式涂覆的铝-青铜合金化的其它材料的组合构成。每一情况下都具有在喷涂过程中不熔化的硬质掺入物。另外，可具有至少一种可熔化但与铝-青铜不形成合金的、比铝-青铜更硬的其它材料，例如铝合金。在多层涂层中每一层可分别由相同材料混合体或不同材料混合物构成。在此，铝-青铜的作用实际上是作为容纳其它材料的基质。
线丝14在所示实施例中应由铝-青铜组成，另一根线丝15含有另外的、与铝-青铜不合金化的形成涂层4的材料。通过这种彼此不合金化的材料的组合，形成基质材料的铝-青铜的质量在每个所希望的方向被改善。铝-青铜通常具有良好的磨合性能。通过另外采用涂层时熔化的比铝-青铜更硬的其它材料，如铬合金，可获得更大的硬度并因此获得更好的耐磨性和耐腐蚀性。通过相应材料的选择也可影响耐腐蚀性。通过上述还要硬的掺入物还可加强上述效果。
通过铝-青铜的合金组分的选择，可影响由铝-青铜组成的基质的性能。含有7％至12％，最好是9％Al，0.5％至2％，最好是1％Fe，和余量为Cu的铝-青铜则形成相对较软的基质。如想获得相对较硬的基质，可采用含有13％至18％，最好是14％Al，2％至8％，最好是4％Fe，0.5％至5％，最好是2％Mn和余量Cu的铝-青铜。
价格适合的铬合金可含有10％至15％，最好是13％Cr，0.2％至0.5％，最好是0.35％C和余量的Fe。为提高硬度，可改变其含量和添加或更换其它元素。因此，含有25％至35％，最好是28％Cr，2％至7％，最好是5％C，0.5％至3％，最好是1％Mn和余量的Fe的铬合金具有比上述铬合金更大的硬度。进一步的提高可采用含有25％至35％，最好是28％Cr，2％Mn，3.7％B，1.7％Si和余量Fe的铬合金实现，其中，Mn，B和Si的含量可变化±1％。含有40％至50％Cr，6％至12％Mo，2％至5％C，2％至5％Fe和余量Ni的铬合金具有特别大的硬度。在此最好含有45％Cr，9％Mo，3.5％C，3.5％Fe和余量Ni。喷涂过程中，不熔化的掺入物最好是由碳化物和/或氧化物组成。
上述每一种铬合金可分别与上述每一种铝-青铜组合。其中，在与较硬的铝-青铜组合时，也可获得较大的硬度，反之也可以。以这种方式，可获得适合各种场合的涂层。试验表明，上述铝-青铜中的一种与上述第一种含有最好是13％Cr，0.2％至10.5％C和余量Fe的铬合金组合可获得尤其好的活塞裙涂层，其中，可通过采用一种或其它种铝-青铜影响它的硬度。上述形式的一种或其它种铝-青铜与第二种或第三种含有最好28％Cr，5％C，1％Mn和余量的Fe的铬合金或含有最好28％Cr，2％Mn，3.7％B，1.7％Si和余量Fe的铬合金的组合获得尤其适合活塞环的涂层。
上述形式的一种或其它种铝-青铜与含有40％至50％Cr，6％至12％Mo，2％至5％C，2％至5％Fe和余量Ni的铬合金或最好含有45％Cr，9％Mo，3.5％C，3.5％Fe和余量Ni的铬合金的组合获得尤其好的汽缸衬套涂层，其中，和在其它应用场合一样，可通过采用最好含有9％Al，1％Fe和余量Cu的铝-青铜使总硬度下降和通过采用最好含有14％Al，4％Fe，2％Mn和余量Cu的铝-青铜使总硬度增加。
影响涂层性能的其它可能性在于所用吹送气体的选择。在简单场合下，可采用空气。也可考虑N2，氩气，氦气或氢气或这些气体的组合体。采用空气有利于形成氧化物，这改善了耐磨强度。采用N2形成的氧化物更少，这可获得相对较大的硬度。采用氩气和/或氦气和/或氢气时，可使用较高的温度，这使所制得的涂层获得更高的致密性。
在采用上述铝-青铜的一种与含有最好13％Cr，0.2％至0.5％C和余量Fe的铬合金组合时，证明用空气作为吹送气体尤其适合。对于含有最好28％Cr，5％C，1％Mn和余量Fe的铬合金，证明用N2作为吹送气体尤其适合。对于含有最好28％Cr，2％Mn，3.7％B，1.7％Si和余量Fe的铬合金，按本发明用氩气作为吹送气体尤其适合。对于含有最好45％Cr，9％Mo，3.5％C，3.5％Fe和余量Ni的铬合金，用氦气或氦气和/或氩气和/或N2的组合作为吹送气体尤其适合。
其它变化可能性在于线丝14，15进给速度和/或线丝14，15的厚度的选择。这些参数根据需要这样选择，即铝-青铜相对于涂层的含量为至少50％，最好大于50％，以至为其它要加入的材料提供一个大容量基质。
上面阐述的关于涂层的一般性内容，既适合于多层涂层，也适合于每一单层。
在图3中，两根线丝19，20的前端被熔化，其中一根线丝19设置成实心的、由上述形式的铝-青铜组成的线丝。另一根线丝20设置成空心线、它由上述形式的铬合金，最好是由含有40％至50％Cr，6％至12％Mo，2％至5％C，2％至5％Fe和余量Ni的铬合金组成。它具有上述铬合金中的最大硬度。空心线20的空腔含有填料21，它们由粉末状碳化物或氧化物，如WoC，CrC，NiC或CrO组成。这些粉末在线丝19、20熔化时散开，而本身不熔化并与熔化材料滴一起由送入的气流吹走。
粉末状碳化物或氧化物则相应地与熔化的材料一起涂覆在基体材料上，以便形成涂层22，这里为汽缸衬套，并在此形成嵌入涂层22中的颗粒23，该颗粒比铝-青铜和铬合金形式的其它涂层材料硬。一旦涂层的机器部件在操作时使与熔化的、构成线丝19和空心线20的材料一起涂覆的粉末状碳化物或氧化物暴露，将导致一定的研磨效应，通过研磨，磨合阶段后在相对配合件表面上存在的磨合残留物被去掉。同时，形成油孔，它确保了可靠的润滑。
上面虽然进一步说明了几种优先实施形式，不过不应仅局限于此。对于专业人员存在一系列使一般解决方案适合于每种场合的可能性。例如可以考虑，涂层或涂层中的一层仅仅由铝-青铜和上述颗粒23形式的掺入物组成。为制得上述形式的涂层，可采用例如一种由所需铝-青铜组成的空心线，它填充有形成上述掺入物的粉末材料。

Claims (32)

1.一种具有至少一个滑动面的机器部件的制造方法，这些部件在其滑动面区域具有以热喷涂法涂覆在基体材料上的涂层(22)，该涂层(22)通过铝-青铜与至少一种未与其合金化的其它材料的组合而构成，其中，涂层(22)含有比其它涂层材料更硬的掺入物(23)，它以在喷涂过程中不熔化的粉末形式与喷涂时熔化的其它涂层材料一起喷涂，其特征是，为形成喷涂流，至少一根设置成空心线的线丝(20)被熔化，它的空腔含有形成掺入物(23)的粉末。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征是，涂层(22)除铝-青铜外还含有其硬度大于所用的铝-青铜的在喷涂过程熔化的其它材料。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征是，这种喷涂过程中熔化的其它材料为铬合金。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征是，铬合金至少含有元素Cr、C和Fe。
5.按照权利要求3或4所述的方法，其特征是，铬合金含有10％至15％的Cr，0.2％至0.5％的C和余量的Fe。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征是，铬合金含有13％的铬，0.35％的C和余量的Fe。
7.按照权利要求3或4所述的方法，其特征是，铬合金含有25％至35％的Cr，2％至7％的C，0.5％至3％的Mn和余量的Fe。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征是，铬合金含有28％的Cr，5％的C，1％的Mn和余量的Fe。
9.按照权利要求3所述的方法，其特征是，铬合金含有25％至35％的Cr，2％的Mn，3.7％的B，1.7％的Si和余量的Fe。
10.按照权利要求9所述的方法，其特征是，Cr含量为28％。
11.按照权利要求3所述的方法，其特征是，铬合金含有40％至50％的Cr，6％至12％的Mo，2％至5％的C，2％至5％的Fe和余量的Ni。
12.按照权利要求11所述的方法，其特征是，铬合金含有45％的Cr，9％的Mo，3.5％的Fe和余量的Ni。
13.按照权利要求1所述的方法，其特征是，铝-青铜至少含有元素Al，Fe和Cu。
14.按照权利要求1所述的方法，其特征是，铝-青铜含有7％至12％的Al，0.5％至2％的Fe和余量的Cu。
15.按照权利要求14所述的方法，其特征是，铝-青铜含有9％的Al，1％的Fe和余量的Cu。
16.按照权利要求1所述的方法，其特征是，铝-青铜含有13％至18％的Al，2％至8％的Fe，0.5％至5％的Mn和余量的Cu。
17.按照权利要求16的所述的方法，其特征是，铝-青铜含有14％的Al，4％的Fe，2％的Mn和余量的Cu。
18.按照权利要求1所述的方法，其特征是，铝-青铜在涂层中的含量至少为50％。
19.按照权利要求12所述的方法，其特征是，喷涂过程中不熔化的掺入物(23)由碳化物和/或氧化物组成。
20.按照权利要求1所述的方法，其特征是，为形成喷射流(5)，两根线丝(19，20)以相对基体材料预先确定的距离被熔化并由至少一束对准基体材料的气流加载，其中，有一根至少含铝-青铜的线丝(19)和一根含至少一种其它材料的线丝(20)。
21.按照权利要求1所述的方法，其特征是，为熔化线丝(19，20)，将产生至少一种电弧(18)。
22.按照权利要求21所述的方法，其特征是，线丝(19，20)连接在一电源(17)的不同极上。
23.按照上述权利要求20至22之任一项所述的方法，其特征是，铝-青铜线丝(19)的直径大于其它线丝(20)的直径。
24.按照权利要求20所述的方法，其特征是，用来喷射的气流含有空气和/或氮气和/或氩气和/或氦气和/或氢气。
25.按照权利要求1所述的方法，其特征是，涂层(22)被喷涂成多层。
26.按照权利要求25所述的方法，其特征是，在多层涂层(22)中，较外侧层比较内侧层更厚。
27.按照权利要求25或26所述的方法，其特征是，在多层涂层(22)中，较外侧层比较内侧层更硬。
28.按照权利要求1所述的方法，其特征是，涂层(22)喷涂成单层。
29.按照权利要求1所述的方法，其特征是，涂层(22)喷涂后将被致密化。
30.按照权利要求1所述的方法，其特征是，所述机器部件是发动机的活塞环(3)和/或活塞(2)和/或汽缸衬套(1)。
31.按照权利要求30所述的方法，其特征是，所述发动机是二冲程大型柴油发生机。
32.按照权利要求22所述的方法，其特征是，铝-青铜线丝(19)接在正极上，而其它线丝(20)接在负极上。
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