CN1387586A - 制造具有至少一个滑动面的机器部件的方法和装置 - 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 部件的方法和装置
本发明涉及一种制造具有至少一个滑动面的机器部件，尤其是发动机，优选二冲程大型柴油发动机的活塞环和/或活塞和/或汽缸衬套的方法和装置，它们在其滑动面区域具有涂覆在基体材料上的涂层。
具有焊接的、例如由铝-青铜组成的单层或多层涂层的机器部件已被公开。不过，通过焊接仅仅一种一致的材料能被涂覆。所获得的涂层性能因此基本上由所焊接材料的性能决定。由多种材料组成的材料混合体是不可能的。
因此，本发明的目的在于，提供一种开头所述形式的方法和装置，其中，涂层的性能相对于纯铝-青铜涂层可被改进。
关于上述方法的目的可通过以下方式达到，即涂层通过铝-青铜和至少一种其它的，在此为未合金化的材料的组合而构成，涂层用热喷涂工艺被喷涂在基体材料上。
在此具有优点的是，可以将多种材料输送给喷射束。用热喷涂工艺喷涂的涂层因此可以具有优点的方式由一种包括多种未合金化的材料的混合体组成。以这种方式，可通过添加其它材料而在一个方向或其它方向上影响作为其他材料的基质材料的铝-青铜的性能。以这种方式，可使涂层的质量相对于仅由铝-青铜组成的涂层不仅在耐磨性，而且在耐腐蚀性和类似性能上大大改善。
具有优点的实施形式和所列措施的拓展在从属权利要求中给出。涂层除铝-青铜外，有利地还含有一种比所用铝-青铜更硬的材料。基于此，大多采用铬合金。铝-青铜相比之下具有良好的磨合性能。通过添加铬合金，其耐磨性和抗腐蚀性及挤压安全性被大大提高。根据需要，铬合金应至少含有Cr、C和Fe元素。这导致，相对于仅由铝-青铜组成的涂层更适合大多数应用场合的耐用度的改进，其中，通过添加或替换单个元素还可使其变化。
通过根据目的应至少含有Al、Fe和Cu元素的铝-青铜合金组成的变化可影响涂层的最终性能。含有9％Al，1％Fe和余量Cu的铝-青铜则形成相对软的基质，它具有特别好的初始性能。含有14％Al，4％Fe，2％Mn和余量Cu的铝-青铜则形成相对硬的基质，其中，通过与某一铬合金组合可使总涂层获得特别大的硬度。
按照上述措施的尤其具有优点的形式，涂层可包含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其它喷涂时熔化的涂层材料一起喷涂。所谓其它涂层材料，在此是指铝-青铜或铝-青铜与其它在喷涂过程中熔化的材料，如上述形式的铬合金的混合体。以粉末形式加入的、根据需要可由例如钨，镍或铬等的碳化物和/或氧化物形成的掺入物使所获得的硬度大大提高。所述掺入物的作用在此大部分是作为导致一定研磨效应的磨粒。以这种方式，在磨合后形成润滑剂可储存其中的油孔，这对于总寿命有好处。
为形成喷射流，有利地两根线丝以相对基体材料预先确定的距离熔化并加载一个对准基体材料的气流，其中，一根线丝由铝-青铜组成，而另一根线丝含有至少一种其它材料。其中，涂层的组成受线丝的进料速度和线丝的厚度影响。
其它影响可能性还在于一定气体的选择上。空气的采用有利于氧化物的形成，这提高了耐磨性。氮的采用大大抑制氧化物，这可获得高的硬度。氩气和/或氦气和/或氢气的采用使得采用特别高的温度成为可能，这形成特别致密的涂层。
根据需要，在线丝之间产生电弧，以熔化线丝。为此，线丝简单地接在相应的强电流源的不同极上，其中，通过正极和负极设在一根或另一根线丝上可使所获得涂层的性能进一步改变。  通常，由铝-青铜组成的线丝接到正极上是有利的。
制造含有不熔化掺入物的涂层的具有优点的措施是，设置成空心线的线丝被熔化，它的空腔含有形成该掺入物的粉末。
本发明实施该方法的装置根据需要设有一个具有一个出口的喷射头，具有一个与出口配套的、可加载高压气体的喷嘴，具有两个与出口配套的输送连接电源不同极、构成涂层材料的线丝的线丝输送管，线丝可通过在出口区形成的电弧熔化。这种结构的装置被证明很简单和耐用。
其它具有优点的实施形式和所述措施的拓展在其余从属 中给出，并可参照图示从后面的实施例看出。
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的一种变化形式。
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。
涂层4可设置成单层涂层或多层涂层，并由一种结合体，即铝-青铜和至少一种其它的不与铝-青铜合金化的材料的混合体组成。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体组成。铝-青铜在此实际上起的是容纳其它材料的基质的作用。从图2可以看出，不同材料在热喷涂工艺中借助一个总的喷射流5被喷涂在要涂层的构件的基体材料上。在此，由不同材料形成的熔体加载指向要涂层的基体材料的气流。要涂层的基体材料是铸造材料或钢材料。
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。
如上面所述，涂层4一方面含有铝-青铜，而另一方面含有至少一种另外的、与所用铝-青铜不合金化的材料。因此，有一根线丝例如由铝-青铜组成的线丝14和另外一根线丝例如由为形成涂层4所采用的材料组成的线丝15。铝-青铜在此形成容纳其它材料的基质。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。通过采用比铝-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。
通过铝-青铜的合金组成的选择，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。
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所示实施例中，两根线丝19，20同样被熔化，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。在图3所示实施例中，要涂层的工件为一在其滑动面区域具有涂层22的汽缸衬套1。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在此形成嵌入涂层22中的颗粒23。一旦它们暴露，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，它确保了润滑。
对于多层涂层而言，磨合阶段后带的仅仅最外层或外侧层中的一层具有颗粒23形式的掺入物。
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 (25)

1.一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(2)和/或汽缸衬套(1)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或22)，其中，该涂层(4或22)通过铝-青铜与至少一种其它的，在此为非合金化的材料的组合而构成，该涂层(4或22)用热喷涂工艺喷射在基体材料上。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征是，涂层(4，22)除铝-青铜外还含有其硬度大于所用的铝-青铜的其它材料，最好是铬合金。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征是，铬合金至少含有元素Cr、C和Fe。
4.按照上述权利要求之任一项所述的方法，其特征是，铬合金含有10％至15％，最好是13％的Cr，0.2％至0.5％，最好是0.35％的C和余量的Fe。
5.按照权利要求1至3之任一项所述的方法，其特征是，铬合金含有25％至35％，最好是28％的Cr，2％至7％，最好是5％的C，0.5％至3％，最好是1％Mn和余量的Fe。
6.按照权利要求1和2之任一项所述的方法，其特征是，铬合金含有25％至35％，最好是28％的Cr，大约2％，最好是精确2％的Mn，大约3.7％，最好是精确3.7％的B，大约1.7％，最好是精确1.7％的Si和余量的Fe。
7.按照权利要求1或2之任一项所述的方法，其特征是，铬合金含有40％至50％，最好是45％的Cr，6％至12％，最好是9％的Mo，2％至5％，最好是3.5％的C，2％至5％，最好是3.5％的Fe和余量的Ni。
8.按照上述权利要求之任一项所述的方法，其特征是，铝-青铜至少含有元素Al，Fe和Cu。
9.按照上述权利要求之任一项所述的方法，其特征是，铝-青铜含有7％至12％，最好是9％的Al，0.5％至2％，最好是1％的Fe和余量的Cu。
10.按照上述权利要求1至8之任一项所述的方法，其特征是，铝-青铜含有13％至18％，最好是14％的Al，2％至8％，最好是4％的Fe，0.5％至5％，最好是2％的Mn和余量的Cu。
11.按照上述权利要求之任一项所述的方法，其特征是，铝-青铜在涂层中的含量至少为50％，最好是大于50％。
12.按照上述权利要求之任一项所述的方法，其特征是，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其它喷涂时融化的涂层材料一起喷涂。
13.按照权利要求12所述的方法，其特征是，掺入物(23)由碳化物和/或氧化物组成。
14.按照上述权利要求之任一项所述的方法，其特征是，为形成喷射流(5)，两根线丝(14，15；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，有一根铝-青铜线丝(14，19)和一根含至少一种其它材料的线丝(15，20)。
15.按照上述权利要求之任一项所述的方法，其特征是，为熔化线丝(14，15；19，20)，将产生至少一种电弧(18)。
16.按照权利要求15所述的方法，其特征是，线丝(14，15；19，20)连接在一电源(17)的不同极上，其中最好是，铝-青铜线丝(14，19)接在正极上，而其它线丝(15，20)接在负极上。
17.按照上述权利要求14至16之任一项所述的方法，其特征是，铝-青铜线丝(14，19)的直径大于其它线丝(15，20)的直径。
18.按照上述权利要求12至17之任一项所述的方法，其特征是，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。
19.按照上述权利要求之任一项所述的方法，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。
20.按照上述权利要求之任一项所述的方法，其特征是，涂层(4，22)被喷涂成多层，最好为两层。
21.按照权利要求20所述的方法，其特征是，在多层涂层(4，22)中，较外侧层比较内侧层更厚。
22.按照权利要求20或21所述的方法，其特征是，在多层涂层(4，22)中，较外侧层比较内侧层更硬。
23.按照上述权利要求1至19之任一项所述的方法，其特征是，涂层(4，22)喷涂成单层。
24.按照上述权利要求之任一项所述的方法，其特征是，涂层(4，22)喷涂后将被致密化。
25.实施上述权利要求之任一项所述方法的装置，其特征是至少一个具有一个出口(8)的喷头(7)，它具有至少一个与出口(8)配套的、可供给高压气体的喷嘴(24)和两个与出口(8)配套的输送连接电源(17)的不同极的线丝(14，15；19，20)的线丝输送管(10，11)，线丝通过在出口(8)区域形成的电弧(18)熔化。
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