CN1341156A - 制造耐磨表面的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在铝硅合金构件上且尤其是活塞式内燃机曲轴箱(18)气缸(16)的气缸工作面(14)上形成耐磨表面的方法和装置。在这里,设置了一个导热装置(30,36),它与构件(18)导热接触并包含冷却介质。

Description

制造耐磨表面的方法和装置
本发明涉及一种如权利要求1前序所述的在铝硅合金构件上制造耐磨表面的方法，其中耐磨表面是借助热喷涂且尤其是火焰喷涂、等离子喷涂或HV喷涂或激光束被涂覆上去的。本发明还涉及一种如权利要求11前序所述的在铝硅合金构件且尤其是在活塞式内燃机曲轴箱气缸的气缸工作面上制造耐磨表面的装置。
主要用于气缸曲轴箱的亚共晶铝硅合金因耐磨的硅相含量低而不适用于活塞-活塞环-气缸滑动表面系统的摩擦学要求。过共晶合金如AlSi17Cu4Mg合金具有足够多的硅晶体。这种耐磨的坚硬组织成分通过化学和/或机械加工步骤而比由铝混晶组成的基质突出并且形成了所需的承压面成分，但却表现出了相对亚共晶和类共晶合金而言缺乏可铸性、弱加工性能以及高昂的合金成本。
由耐磨材料如灰铸铁合金与过共晶铝合金构成的气缸套的铸入是一种处理这个问题的可行方案。但是，缸套与重铸物之间的复合是有问题的，它只是通过机械啮合来保证的。通过使用多孔陶瓷缸套材料，可以在铸造时对其进行渗透并且获得材料复合。为此，需要缓慢的型腔填充以及使用高压，这明显降低了该方法的经济性。
另一种选择方案是，镀层的亚共晶和类共晶合金直接被涂覆到气缸滑动面上。但是，这很昂贵并且在摩擦化学方面不耐用。另一个替换方案是热喷涂层，它也直接被涂到气缸滑动面上。但这些层的附着性能因都是微观力学地粘接而不够充分。
在此，已有人提出了，通过使用激光器进行表面改良重熔、合金化、弥散、涂覆，如DE19643029A1所公开的那样。在这里，由激光束传递如曲轴箱或气缸工作面的能量必须足够快地散发出去。高能激光束中的太高的热输入可能导致了在曲轴箱子中出现不希望有的组织改变。为此，DE19643029A1已提出了，通过曲轴箱的冷却水流道来冷却构件表面。
本发明的任务是提供一种上述类型的改进方法以及一种上述类型的改进装置，它允许使用高能涂覆装置如大功率激光器而没有因热导致构件材质变化地进行构件涂覆。
根据本发明，通过具有权利要求1特征部分特征的上述类型的方法以及具有权利要求11特征部分特征的上述类型装置完成了上述任务。在从属权利要求中给出了本发明的有利设计方案。
在上述类型的方法中，根据本发明地提出了，在制造耐磨表面时，使至少一个导热装置与所述构件导热接触并且有效地冷却该导热装置。
这具有以下优点，即在涂覆过程中可以利用提高冷却效率的良好散热，从而尤其是可以没有由热引起的曲轴箱材质的组织改变地进行激光熔融和激光涂覆。由此一来，也可以用较高能量进行涂覆，从而例如实现了涂层物质渗入构件材料中更深以及涂层与构件材料之间的更好复合和/或更大的层厚度。
为了进一步改善涂层性能，在形成成热喷涂层形式的耐磨表面后，还用激光束加工且尤其是重熔所述耐磨表面。
在一个优选实施例中，重熔、合金化、弥散和/或涂覆是借助激光束或通过热喷涂进行的。
例如，构件是活塞式内燃机的曲轴箱，在其气缸的工作面上进行涂覆。在这种情况下，在一个优选实施例中，在形成耐磨表面的过程中，冷却介质且尤其是气体、氮气或冷却液流过曲轴箱的流水腔。
在另一个替换实施例中，导热装置具有至少一块具有用于冷却介质的槽的冷却板，所述槽至少在气缸开口端所在的那一侧开设于曲轴箱上。
在另一个替换实施例中，导热装置具有至少一个对应于气缸横截面的冷却芯杆，使它在气缸轴向上跟在涂覆区后面地和/或后跟有涂覆区地接触气缸工作面。
在另一个替换实施例中，导热装置具有一个冷却介质容槽，曲轴箱在制造耐磨表面时如此浸泡在该冷却介质容槽中，即在气缸中的冷却介质液面在重力方向上位于涂覆区的下面。在这种情况下，如此跟踪控制曲轴箱浸入冷却介质容槽的深度，即在涂覆区与冷却介质液面之间保持一段固定不变的预定距离。
有利的是，导热装置的有效冷却是利用气体、氮气和/或冷却液进行的。
在上述类型的装置中，根据本发明地规定了，设有一个导热装置，它与构件导热接触并且它包含冷却介质。
这具有以下优点，即在涂覆过程中可以利用提高冷却效率的良好散热，从而尤其是可以没有由热引起的曲轴箱材质的组织改变地进行激光熔融和激光涂覆。由此一来，也可以用较高能量进行涂覆，从而例如实现了涂层物质渗入构件材料中更深以及涂层与构件材料之间的更好复合和/或更大的层厚度。
有利的是，所述冷却介质是气体、氮气和/或冷却液。
在一个优选实施例中，导热装置包括至少一块冷却板，它具有冷却介质流过的槽，其中冷却板至少在气缸开口端所在的那一侧被设置在曲轴箱上。
为了在缸孔周围良好地散热，冷却板如此成环形，即它对准一个对应气缸孔地压在其环行边缘上。
在一个替换的优选实施例中，导热装置具有至少一个对应于一个气缸孔的横截面的且具有冷却介质流经其中的槽的冷却芯杆，所述槽在气缸的轴向上如此布置在涂覆区的一侧或两侧，即形成了在冷却芯杆之间与气缸工作面的导热接触。
为了在气缸工作面附近进行高效冷却，冷却介质流经其中的槽成螺旋线循环形状。
为了接收多余的涂层物质，给一个在重力方向上位于涂覆区下方的冷却芯杆配备了一个用于多余涂覆材料的收集槽。
为了接收多余涂层物质并将其送入收集槽中，在面对涂覆区的冷却芯杆外周那侧上，形成了一道收集沟。
为了提高冷却芯杆的冷却效果，冷却芯杆在其面对气缸工作面的外周面上配设了冷却硬毛。有利的是，冷却硬毛由导热材料且尤其是铜制成。
在另一个替换实施例中，导热装置具有至少一个冷却介质容槽，构件如此浸没在该冷却介质容槽中，即冷却介质液面离涂覆区有一段预定距离。
有利的是，在根据本发明的涂覆方法之后进行表面珩磨(Hon-Vorgang)，以使涂层表面光滑。
从从属权利要求、以下对发明的说明以及附图中得到了本发明的其它特征优点和有利设计方案，其中：
图1以截面图表示本发明装置的第一优选实施例，它实现了附加冷却的三种优选实施方式。
图2以截面图表示本发明装置的第二优选实施例。
图1所示的本发明装置的优选实施例包括一个涂覆装置10，它借助等离子束12如激光束来涂覆曲轴箱18气缸18的缸壁15的气缸工作面14。涂覆装置10可以绕一条纵轴线20并如箭头22所示地转动并且可以如箭头24所示地沿纵轴线20移动。曲轴箱18具有一个用于冷却介质的流水腔26。通过涂覆装置10相对缸壁15的转动和平移，可以在预定区域内涂覆气缸工作面14。在这里，以下将其中等离子束或激光束撞击气缸工作面14的涂覆装置10的实际工作区称为加工区28。
根据本发明，该装置具有一块冷却板30，它是利用板系或机加工或浇铸而成的，它具有冷却介质流经其中的冷却槽32。这样一来，冷却板被有效冷却并且仅通过导热就有效地散发热能。冷却槽例如具有矩形和/或圆形横截面并且尤其是开设于在冷却板30与缸壁15之间的接触面34上方。冷却板30设置在气缸16开口端的一侧或两侧上。此外，冷却板对应于气缸横截面成环形，从而它们压在环行缸壁15上并且在环中提供了一个通入涂覆装置10的孔。在图1下面的冷却板30在环形设计结构中具有以下优点，即工作气体和在气缸工作面14上没有熔化或没有附着的多余涂层物质可以沿重力方向在图1中向下地被送出。
根据本发明，所述装置还具有冷却芯杆36，它对应于气缸横截面是如此形成的，即冷却芯杆36可以插入气缸16中并在那里沿周向贴着缸壁15。作为替换方式地或者除了冷却芯杆36直接贴靠缸壁15外，在冷却芯杆36的外周面上还设置了如铜制的冷却硬毛38，它们接触缸壁15的表面，这样一来，热量从缸壁15被散发给冷却芯杆36。在冷却芯杆中，还设置了冷却介质流经其中的冷却槽40，它按照上述方式用于有效冷却和散热。成螺旋线循环地形成了冷却槽。
借助在图1中成形于冷却芯杆36下的收集槽42，没有附着在缸壁15上的颗粒被收集起来。在收集槽42中，也适当地填充了冷却介质。一道附加的收集沟44将多余的掉落涂层物质引入收集槽42中。为在收集槽42和/或冷却槽40中的冷却介质设置了一个冷却介质供应管46和冷却介质排放管48。根据本发明，如箭头50所示地，图1所示冷却芯杆36中的一个或两个冷却芯杆按照涂覆装置进给速度在箭头24方向上被带动。
为了使涂覆表面平滑，还在涂覆后进行了珩磨，其中珩磨可能根据所需的表面质量而包括多个步骤。
在图2所示的另一个替换实施例中，设置了成冷却介质容槽52形式的导热装置，曲轴箱18浸泡在该冷却介质容槽中。在这种情况下，根据涂覆装置10的进给情况，如此进行浸入的跟踪控制(箭头58)，即冷却介质液面54总是距离涂覆区28有一段固定不变的预定距离如20毫米。在这种情况下，仍然通过曲轴箱18的浸入冷却来进行散热。
此外，根据本发明，可以择其一地或任意组合地在本发明的唯一装置中设计上述三种冷却选择方式。
在本发明的一个优选改进方案中还规定了，在用等离子束12或激光束涂覆气缸工作面14时，使冷却流体如气体、氮气或冷却液流经流水腔26，所述冷却流体导致了继续冷却缸壁15并进而还从涂覆区中散热。

Claims (22)

1.一种在铝硅合金构件上制造耐磨表面的方法，其中所述耐磨表面是借助热喷涂或激光束涂覆上的，其特征在于，在制造耐磨表面时，使至少一个导热装置与所述构件导热接触并且有效地冷却该导热装置。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在形成热喷涂层形式的耐磨表面后，还用激光束加工尤其是重熔该表面。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，重熔、合金化、弥散和/或涂覆是借助激光束或通过热喷涂进行的。
4.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述构件是活塞式内燃机的曲轴箱，在其气缸的气缸工作面上进行涂覆。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在制造耐磨表面的过程中，冷却介质且尤其是气体、氮气或冷却液流过曲轴箱的流水腔。
6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，导热装置具有至少一块具有用于冷却介质的槽的冷却板，所述槽至少在气缸开口端所在的那一侧开设于曲轴箱上。
7.如权利要求4-6之一所述的方法，其特征在于，导热装置具有至少一个对应于气缸横截面的冷却芯杆，使它在气缸轴向上跟在涂覆区后面地和/或后跟有涂覆区地接触气缸工作面。
8.如权利要求4-7之一所述的方法，其特征在于，导热装置具有一个冷却介质容槽，曲轴箱在制造耐磨表面时如此浸泡在该冷却介质容槽中，即在气缸中的冷却介质液面在重力方向上位于涂覆区的下面。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，如此跟踪控制曲轴箱浸入冷却介质容槽的深度，即在涂覆区与冷却介质液面之间保持一段固定不变的预定距离。
10.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，导热装置的有效冷却是利用气体、氮气和/或冷却液进行的。
11.一种在由铝硅合金构件上且尤其是活塞式内燃机的曲轴箱(18)的气缸(16)的缸工作面(14)上制造耐磨表面的装置，其特征在于，设有一个导热装置(30，36，52)，它与构件(18)导热接触并且包含冷却介质。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述冷却介质是气体、氮气和/或冷却液。
13.如权利要求11或12所述的装置，其特征在于，导热装置包括至少一块冷却板(30)，它具有冷却介质流过的槽(32)，其中冷却板(30)至少在气缸(16)开口端所在的那一侧被设置在曲轴箱(18)上。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，冷却板(30)如此成环形，即它对准一个对应气缸孔(16)地压在其环行边缘上。
15.如权利要求11-14之一所述的装置，其特征在于，导热装置具有至少一个对应于一个气缸孔(16)横截面的且具有冷却介质流经其中的槽(40)的冷却芯杆(36)，所述槽在气缸(16)的轴向上如此布置在涂覆区(28)的一侧或两侧，即形成了在冷却芯杆(36)之间与气缸工作面(14)的导热接触。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，冷却介质流经其中的槽(40)成螺旋线循环形状。
17.如权利要求15或16所述的装置，其特征在于，给一个在重力方向上位于涂覆区(28)下方的冷却芯杆(36)配备了一个用于多余涂覆材料的收集槽(42)。
18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，在面对涂覆区(28)的冷却芯杆(36)外周那侧上，形成了一道收集沟(44)。
19.如权利要求15-18之一所述的装置，其特征在于，冷却芯杆(36)在其面对气缸工作面(14)的外周面上配设了冷却硬毛(38)，其与气缸工作面(14)处于刷式接触。
20.如权利要求19所述的装置，其特征在于，冷却硬毛(38)由导热材料且尤其是铜制成。
21.如权利要求11-20之一所述的装置，其特征在于，导热装置具有至少一个冷却介质容槽(52)，构件(18)如此浸没在该冷却介质容槽中，即冷却介质液面(54)离涂覆区有一段预定距离(56)。
22.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在构件的表面热处理后，接着进行表面珩磨。
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