CN1340110A - 处理部件表面的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种处理部件表面(20)的方法和装置。其中该装置包括一个等离子燃烧器(10)和一个激光器(12),它们是这样设置的,即为了处理表面(20),激光器(12)的一个激光束(18)和等离子燃烧器(10)的一个等离子束(14)在一个工序中对部件的表面(20)进行扫描。

Description

处理部件表面的方法和装置
本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分所述的用于对位于处理区域中的部件表面进行处理的方法，此外本发明还涉及一种按照权利要求19的前序部分所述的用于处理部件表面的装置。
主要用于气缸曲轴箱的亚共晶铝硅合金由于耐磨的硅相成分太少而不适合用于活塞一活塞环一气缸工作面这个系统的摩擦负载。过共晶铝硅合金，例如合金AlSil7Cu4Mg具有足够的硅晶体成分。通过化学的和/或机械的处理步骤，相对于由铝晶体构成的母体，这种硬的耐磨的组织成分得到提高，并且构成一个必要的支承面成分。但是相对于亚共晶合金和准共晶合金，这种合金的缺陷是差的可铸性、差的可处理(可加工)性和高的成本。
克服这些缺陷的一个可能性是铸入耐磨材料，例如灰铸铁合金和过晶体铝合金制成的气缸套。但是此时的问题是缸套和重铸材料之间的结合，这只是通过机械的咬合来保证的。通过采用一种多孔的陶瓷缸套材料，可以在浇铸过程中使该陶瓷缸套材料浸入而形成一种材料间的结合。此时要求对模子进行缓慢的充填和应用高的压力，这使该方法的经济性大大降低。
另一种方法是将亚共晶合金和准共晶合金作为电镀涂层直接涂覆到工作面上。但是这种方法很昂贵并且从摩擦化学上来说其耐磨性不够。还有一种方法是构成热喷涂层，它们同样也是直接施加到工作面上的。但是，由于仅仅是微力学上的连接，这些涂层的粘合强度是不够的。
因此已经有人建议使用激光器对表面进行再熔化、注入合金材料、弥散处理和涂覆涂层，对表面实施改良，例如由文献DE19643029A1中公开的那样。但是此时的缺陷是，这样制成的气缸工作面涂面具有太多的孔眼，并且其浸入深度较小，结果，涂覆的涂层的粘附力较小，不符合要求。
本发明的任务是，提供一种改进的上述种类的方法和一种改进的上述种类的装置，它们克服了前面所提到的缺陷并能在短的处理时间内获得粘附力高和孔眼少的涂层。
按照本发明，这个任务是通过一个具有权利要求1中的特征部分的特征的上述种类的方法和一个具有权利要求19中的特征部分的特征的上述种类的装置解决的。在从属权利要求中给出了本发明的一些有利的方案。
按照本发明，在一个上述种类的方法中，规定在一个工序中不仅采用热喷涂而且采用激光表面处理对部件的表面进行处理。
它的优点在于，这样完成的处理使浸入深度更大，材料进入更好以及用热喷涂涂覆的材料与部件的材料的连接更好。
热喷涂例如包括火焰喷涂、等离子喷涂或高压喷涂。
激光表面处理尤其适合用于在热喷涂的处理区之前的局部区域、在该区域中或在该区域之后的局部区域中实施再熔化处理。为了进一步改善涂覆的材料层的性能，在处理后对部件表面附加地用激光束处理，尤其是再熔化。
例如，部件是用铝制造的，并且尤其是一个活塞式内燃机的曲轴箱，在它的气缸的气缸工作面上要进行涂层处理。此时在一个优选的实施例中，在制造耐磨的表面期间，在曲轴箱的水腔中通流一种冷却介质，尤其是气体氮或者一种冷却液体。
为了制造一个耐磨表面，以尤其有利的方式，借助于热喷涂束将一种粉态材料，尤其是硅或一种硅合金涂布在部件的材料上，此时该部件的材料最好是铝。
依照目的的要求，通过激光表面处理将涂覆区中的部件材料熔化成一个熔池。
例如通过表面处理，在部件的表面上构成一个耐磨表面，尤其是热喷涂层形式的耐磨表面。
为了缩短处理过程的时间，例如在承受较小负荷的区域中只进行部分的处理，此时热喷涂束对要处理的部件表面至少部分地按照一个预定的图样进行扫描。例如预定的图样至少包括对要处理的表面有一次扫描、尤其是两次反向的扫描或者以一个预定的上升角α例如1°-90°多次螺旋形的扫描。该图样的另一种情况或者附加地包括一个对要处理的表面进行的线形的、角形的、交叉状或点状的扫描。当此时要处理的表面是内燃机曲轴箱的一个气缸中与活塞相配合的气缸工作面时，那么按照目的的要求，按照一个预定图样的扫描是在活塞的上死点和下死点之间的一个区域中进行的。
在部件的例如承受高负荷的区域中，热喷涂束对要处理的部件表面的扫描至少部分是全表面的，以便在全表面上实现合金化。如果此时要加工的表面是内燃机曲轴箱的一个气缸中与活塞相配合的气缸工作面，那么，全表面的扫描最好在活塞的上死点和下死点之间的一个区域中进行。此时全表面的扫描例如至少在一个高度上进行，该高度相应于活塞的活塞环组的宽度，其中尤其有利的是全表面扫描要超过活塞的活塞环组的宽度的量为活塞行程的12％，例如大约为5mm。
按照本发明，在一个上述种类的装置中，规定该装置包括一个等离子燃烧器和一个激光器，它们是这样设置的，即为了处理表面，激光器的一个激光束和等离子燃烧器的一个等离子束在一个工序中对部件的表面进行扫描。
它的优点在于，这样完成的处理使浸入深度更大，材料进入得更好以及用等离子束涂覆的材料与部件的材料的连接更好。
在一个优选的实施例中，等离子燃烧器和一个激光器是这样设置的，首先激光器的激光束扫描部件的表面，接着等离子燃烧器的等离子束扫描部件的表面。
例如通过表面处理在部件的表面上构成一个耐磨表面。此外部件尤其包含一种铝硅合金，并且例如该部件是一个活塞式内燃机的一个曲轴箱，在它的气缸的气缸工作面上要进行表面处理。
该部件例如是用铝制造的，此时利用等离子束施加粉态的硅，以便构成一种铝硅合金，作为部件的耐磨表面。尤其有利的是，在本发明的涂覆方法之后再接着实施一个珩磨工序，由此可以磨平涂覆了涂层的表面。
从从属权利要求以及下面对照附图对本发明进行说明中可以得出本发明的其它特征、优点和有利的结构。附图中，
图1是一个本发明的装置的一个优选实施例的示意截面图，
图2是一个处理区的一个放大的视图，
图3是一个第一处理图样的示意图，
图4是一个第二处理图样的示意图，
图5是另一个处理图样的示意图。
在图1示出的本发明的装置的一个优选实施例包括一个等离子燃烧器10和一个激光器12，其中等离子燃烧器10发出带有一种涂层材料16的等离子束14，激光器12发出激光束18。一个要处理的部件在此处是一个未详细示出的具有相应的气缸孔19的曲轴箱，其中要处理的是气缸壁22的表面20。曲轴箱例如是用铝制造的，对表面20的处理是为了在气缸的工作面的区域中构成一个耐磨表面，在这个工作面上一个没有示出的活塞在气缸19中上下运动。为此涂层材料16例如是粉态的硅，它作为被熔化的涂层元件通过等离子束14涂覆到表面20上。为此将等离子燃烧器10伸入到气缸19中并围绕自身轴线转动，如箭头24(见图1)和25(见图2)所示，使等离子束14扫描表面20。等离子束14现时接触的那个区域以下称为处理区或涂层区26。在该区域中涂层材料16进入到气缸壁22的材料中。
在等离子燃烧器10之外附加设置的激光器12是这样布置的，即沿处理方向25激光器12在等离子燃烧器10之前接触表面20。此时是这样选择激光器12的能量的，在激光束18的接触点上气缸壁22的材料被熔化，从而在等离子束14接触之前形成一个熔化区或熔池28。换言之，等离子束14紧跟随激光束18，将等离子体中含有的涂层材料16加入熔化区28中。这样涂层材料16以最佳的方式被合金结合到气缸壁22的材料中。利用激光束产生的熔化也可以在涂覆了涂层材料16之后用等离子束14来完成。
按照本发明，由此一种激光涂覆和一种等离子涂覆相结合并在一个单独的工序中实施。此时激光束18和等离子束14之间的间距是激光功率、所希望的熔化深度、熔化区长度、气缸壁22的材料的反射度和气缸19的直径等因素的函数。
此时按照本发明，由激光束18和等离子束14构成的双束对表面20的扫描不是在整个气缸工作面上全表面地进行的，而是在预定的区域按照预定的图样进行的。图3至5示出了这种图样的例子，作为激光注入合金并涂覆的通道29。
如从图3中可见，在一个未示出的活塞的上死点30(OT)和下死点32(UT)的区域中的扫描是在全表面上进行的，并且扫描的高度相应于活塞环组的高度34加上例如5毫米，相当于活塞行程的12％。在OT30和UT32之间的区域中对表面20的扫描是在一个1至90度的上升角α下螺旋地进行的。
在图4的图样中，是沿着两条相对的螺旋线对表面20扫描的。此时在一个没有示出的优选结构中，还采用三条或多条螺旋线。按照图5的实施例，对表面20的扫描是线形地、角形地、交叉地或点状地进行的。
在承受较小负荷区域中对表面20只进行部分扫描，一方面保证气缸工作面具有足够的耐磨表面，另一方面缩短了制造中的处理时间，相应地降低了费用。
按照本发明，利用激光器12是为了提高亚共晶铝合金和准共晶铝合金的边缘层着的硅成分16。为此在一个所示的单步骤的方法中，在用激光处理期间，以合适的供入量将铝硅粉施加到产生的熔化区28中。根据负荷的情况此时可以实现2毫米以上的涂层厚度。此时与基础材料的混合程度的要求很小。在供入的粉中的硅成分含量在20％和40％之间的范围中。如果要求具有高混合程度的极小的涂层厚度，则将采用硅成分含量在40％和60％之间的粉16。由于粉粒16应该在熔化区28中完全溶解，因此所选择的加工参数如前移速度和激光功率必须保证有一个最小的熔池寿命。选择一个合适的束强度分布有利于降低处理的费用。此外，具有尽可能直角横截面的熔核以及由此产生很少的线路交叉重叠点是有利的。
除了根据需要对整个气缸工作面进行全表面的合金处理之外，主要是进行部分的处理。在活塞上下转向点处(上死点30和下死点32)的高负荷区域是全表面再熔化的，而在其之间的低负荷区域只设置了个别的激光处理线路(例如菱形图样，参见图3至5)，它在此处提供了足够的摩擦保护。这种做法大大地缩短了加工时间，因为只需要处理很小部分的工作面表面。如果整个工作面表面或大部分都需要进行激光表面处理，那么就需要对曲轴箱进行冷却，例如这可以通过使一种冷却介质流过曲轴箱的现存的冷却水系统来实现。在只进行部分处理时，除了从上下侧除去带入的能量外，例如通过与水冷却的铜板接触来除去该能量就足够了。
总之，本发明提出了一种热喷涂(等离子喷涂)和激光表面处理的组合。此时，通过再熔化先前涂覆的喷涂层，避免了涂层的多孔性，并且在足够大的熔化深度下与基础金属产生了连接。合适的是只在高负荷区域用激光器12进行全表面的再熔化，而在其余区域不做再熔化或者只在一个图样型例如菱形、阴影部分和点状图样的区域中进行再熔化。
不是仅仅存在这样的可能性，即对已涂覆的喷涂层进行补充性的再熔化处理。在沿着前移方向25直接位于等离子涂覆区的前面，由激光束12产生的熔池28导致以固态或液态供入的粉粒16与基层产生金属性连接。在高的前移速度下，涂层结构是由基层材料、具有溶解的和仅仅部分地熔化的原粉粒16的薄的合金区以及一个相对较厚的喷涂层构成的。由于在相应选择的加工参数下使微咬合得到改善，通过该中间涂层可以使喷涂层和合金层之间的涂层粘附力大大提高，这就省去了以前为了使喷涂层达到足够的涂层粘附力而对要涂覆的涂层表面20必须做昂贵的、高成本的预处理(清洗和照射)。为了磨光已涂覆涂层的表面，可以在本发明的涂覆处理之后进行珩磨处理，利用它的这些处理步骤能够再次实现各种不同的表面质量。
对优选实施例的上述说明应理解为只是用例子解释本发明。本发明的一个实质性核心在于，在一个工序中将热喷涂和激光表面处理结合起来。激光束和热喷涂的应用例如是同时进行的，亦即，激光束18和通过热喷涂法，例如等离子喷涂产生的微粒束14射到相同的点上。另一种情况下，激光束和热喷涂的应用是前后相继进行的，亦即首先例如在全表面或部分表面上涂覆一个热喷涂层，接着在全表面或部分表面上用激光束18进行再熔化或者在表面中注入合金材料。因此热喷涂仅仅是将涂层材料涂覆到表面上，因此在部件表面和涂覆的材料之间只产生一种机械的咬合。但是，紧接在涂覆之后的附加的、增补的激光处理使部件表面熔化，从而附加地进行了一个合金过程。

Claims (24)

1.在一个处理区中处理部件表面的方法，其特征在于，在一个工序中不仅用热喷涂而且用一种激光表面处理对部件表面进行处理。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，热喷涂借助于火焰喷涂、等离子喷涂或高压(HV)喷涂进行实施。
3.按照权利要求1或2的方法，其特征在于，激光表面处理，尤其是再熔化，是在热喷涂进行的处理区域的前面的局部、在该区域中和/或在该区域的后面的局部中进行实施的。
4.按照前述权利要求中之一的方法，其特征在于，部件是一个活塞式内燃机的一个曲轴箱，涂层是在它的气缸的气缸工作面上实施的。
5.按照权利要求4的方法，其特征在于，在处理期间，使一种冷却介质，尤其是气体氮或者一种冷却液体在曲轴箱的水腔中流动。
6.按照前述权利要求中之一的方法，其特征在于，借助于热喷涂束将一种粉态材料，尤其是硅或一种硅合金涂覆到部件材料上。
7.按照前述权利要求中之一的方法，其特征在于，利用激光表面处理将涂层区中的部件材料熔化成一个熔池。
8.按照前述权利要求中之一的方法，其特征在于，部件是用铝制造的。
9.按照前述权利要求中之一的方法，其特征在于，通过表面处理，在部件的表面上构成一个耐磨表面，尤其是热喷涂层形式的耐磨表面。
10.按照前述权利要求中之一的方法，其特征在于，热喷涂束对要处理的部件表面至少部分地按照一个预定的图样进行扫描。
11.按照权利要求10的方法，其特征在于，预定的图样至少包括对要处理的表面有一次扫描、尤其是两次反向的扫描或者以一个预定的上升角的多次螺旋形的扫描。
12.按照权利要求10或11的方法，其特征在于，上升角α包括一个1°-90°的角。
13.按照权利要求10至12中之一的方法，其特征在于，要处理的表面是内燃机曲轴箱的一个气缸中与一个活塞相配合的气缸工作面，按照一个预订图样的扫描是在活塞的上死点和下死点之间的一个区域中进行的。
14.按照权利要求10至13中之一的方法，其特征在于，图样包括线形地、角形地、交叉地和/或点状地扫描要处理的表面。
15.按照前述权利要求中之一的方法，其特征在于，一个热喷涂束对要处理的部件表面至少部分地全表面地进行扫描。
16.按照权利要求15的方法，其特征在于，要处理的表面是内燃机曲轴箱的一个气缸中与一个活塞相配合的气缸工作面，全表面的扫描是在活塞的上死点和/或下死点的一个区域中进行的。
17.按照权利要求16的方法，其特征在于，全表面的扫描至少在一个高度上进行，该高度相应于活塞的活塞环组的宽度。
18.按照权利要求17的方法，其特征在于，全表面的扫描超过活塞的活塞环组的宽度的量为活塞行程的12％，例如大约为5mm。
19.用于处理部件表面(20)的装置，其特征在于，该装置包括一个等离子燃烧器(10)和一个激光器(12)，它们是这样设置的，即为了处理表面(20)，激光器(12)的一个激光束(18)和等离子燃烧器(10)的一个等离子束(14)在一个工序中对部件的表面(20)进行扫描。
20.按照权利要求19的装置，其特征在于，等离子燃烧器(10)和一个激光器(12)是这样设置的，首先激光器(12)的激光束(18)扫描部件的表面(20)，接着等离子燃烧器(10)的等离子束(14)扫描部件的表面(20)。
21.按照权利要求19或20的装置，其特征在于，通过对表面(20)的处理在部件的表面(20)上构成一个耐磨表面。
22.按照权利要求19至21中之一的装置，其特征在于，部件是用铝制造的，为了构成一种作为部件的耐磨表面的铝硅合金，用等离子束(14)施加粉态的硅。
23.按照权利要求19至22中之一的装置，其特征在于，部件是一个活塞式内燃机的一个曲轴箱，在它的气缸(19)的气缸工作面上对表面(20)进行处理。
24.按照权利要求1的方法，其特征在于，在对表面的热处理工序之后接着对已涂覆涂层的表面实施一个珩磨处理。
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