CN1441078A - 内燃机气缸工作表面的表面层以及施加该表面层的方法 - Google Patents

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Abstract

一种内燃机气缸工作表面的表面涂层，其具有以下组合的特征：该涂层通过等离子喷涂来施加；该涂层的表面包括多个开孔；该涂层表面的孔隙率为0.5％～10％；统计平均孔尺寸为1～50μm，由此至少几乎只存在尺寸小于100μm的孔；就所涉及的区域和尺寸两者而言，该孔随机分布在该涂层表面上；该涂层包括所结合氧的含量为0.5～0.8％重量百分比；该涂层包括用作固体润滑剂的FeO和Fe3O4晶体的夹杂物；并且该涂层表面的粗糙度通过机械加工调整到算术平均粗糙度Ra为0.02～0.4μm以及平均峰谷距离Rz为0.5～5μm。该孔形成多个微室，其支承活塞环和气缸壁之间形成的油膜。

Description

内燃机气缸工作表面的表面层以及施加该表面层的方法
技术领域
本发明涉及一种内燃机气缸工作表面的表面层以及涉及施加该表面涂层到内燃机气缸工作表面上的方法。
背景技术
近年来在开发具有延长的使用寿命的新型机油中已经取得与众不同的进展，希望将内燃机的油耗降低到如下程度，使得换油间隔进一步延长。例如可以看出该目的是在60000英里内只换油一次而不需要在发动机中加满油位。
已知也就是气缸壁的构形的表面特性对于油耗有着至关重要的影响。即使通过珩磨可实现高的表面光洁度，当今的气缸工作表面通常不具有更靠近所规定的孔隙率，并至少分别设置许多孔，该孔相对很大，因此不利地影响油耗。
专利公开号WO 99/05339 A1公开了一种用于特别是套筒轴承内壁的热等离子涂层方法，由于氧化物夹杂物偏爱所不希望的孔隙率，因此其目的在于尽可能避免在趋于氧化的涂层表面上形成氧化物。因此努力使得整个孔隙率小于3％，由此孔基本上应该闭合。此外，推荐将所施加的涂层粗糙化成算术平均粗糙度Ra为4～30μm。然而，通过所推荐的方法，油耗不能显著降低，摩擦性能也不能显著改善。
另外，美国专利号No.5,766,693公开了一种等离子涂层方法，其中形成包括金属和在其最低氧化阶段中的金属氧化物的混合层，并且其中金属区域和金属氧化物区域分开。努力使得金属氧化物的含量最多为30％、孔隙率在3～10％之间、孔尺寸在1～6μm之间并且表面粗糙度(算术平均粗糙度)在3.8～14μm(150～550μin)。然而，通过所推荐的方法，油耗不能显著降低，摩擦性能也不能显著改善。
发明内容
本发明的目的在于避免所述现有技术的缺点，即提供一种内燃机气缸工作表面的改进的表面涂层，其提供用于低油耗的有利条件并同时表示出良好摩擦性能。本发明的另一目的在于提供一种施加这种表面涂层到内燃机气缸工作表面的方法。
为了满足这些和其他目的，按照第一方面，本发明提供一种内燃机气缸工作表面的表面涂层，其具有以下组合的特征：
该涂层通过等离子喷涂来施加；该涂层的表面包括多个开孔；该涂层表面的孔隙率为0.5％～10％；统计平均孔尺寸为1～50μm，由此至少几乎只存在尺寸小于100μm的孔；就所涉及的区域和尺寸两者而言，该孔随机分布在该涂层表面上；该涂层包括所结合氧的含量为0.5～0.8％重量百分比；该涂层包括用作固体润滑剂的FeO和Fe3O4晶体的夹杂物；并且该涂层表面的粗糙度通过机械加工调整到算术平均粗糙度Ra为0.02～0.4μm以及平均峰谷距离Rz为0.5～5μm。
按照第二方面，本发明提供一种施加表面涂层到内燃机气缸工作表面上的方法。因此，该涂层的表面包括多个开孔；该涂层表面的孔隙率在0.5％～10％；统计平均孔尺寸在1～50μm之间，由此至少几乎只存在尺寸小于100μm的孔；就所涉及的区域和尺寸两者而言，该孔随机分布在该涂层表面上；该涂层包括所结合氧的含量为0.5～0.8％重量百分比；该涂层包括用作固体润滑剂的FeO和Fe3O4晶体的夹杂物。该方法包括将具有在5～100μm之间的颗粒尺寸的气体或水雾化涂层粉末等离子喷涂在气缸的工作表面上的步骤，由此喷涂距离在20～50mm之间。
在此专利申请中提到的算术平均粗糙度Ra有时简单表示成“平均粗糙度值”或CLA(中心线平均值)。它限定为矩形的高度，该矩形的长度与预定测量路径的长度相对应并且其区域与轮廓中心线和该表面轮廓之间的区域相对应。该平均峰谷距离Rz限定为五个连续测量路径的单个峰谷距离的平均值(参考百科全书“EnzyklopadieNaturewissens chaft und Technik”的第三卷，出版商：“ModerneIndustrie”，Landsberg a.Lech，Germany 1960，ISBN 3-478-41820-X，3063到3065页)。
通过本发明的特征，一方面确保有足够的孔以便容纳所需的油从而在活塞环和气缸壁之间形成油膜，因此保持良好的摩擦性能。另一方面，由于非常小的孔(空腔)，可保持低的绝对油耗。与其中不可或不能影响孔隙率的现有技术气缸工作表面的表面涂层相比，本发明的表面涂层包括多孔的基本结构，其中单个孔的尺寸保持在良好限定区域内。通过机械加工，开启该涂层表面上的孔。
附图说明
以下，将参考附图进一步描述本发明表面层的实施例，附图中：
图1表示代表平均峰谷高度Ra和涂层性能水平之间关系的图表；以及
图2表示气缸工作表面涂层的照片图片。
具体实施方式
本发明基于如下令人惊奇的发现：重要相互技术关系存在于算术平均粗糙度Ra和涂层性能之间。图1的横座标(x-轴)表示算术平均粗糙度Ra，同时图1的纵座标(y-轴)以定性方式而不是以定量方式表示该涂层性能水平L。性能水平L是摩擦系数、油耗和耐磨性的综合。如果该涂层的算术平均粗糙度Ra太低，有着粘接磨损的危险，即所谓的刮伤(图1的区域A)；如果该涂层的算术平均粗糙度Ra过高，油耗不可接受地增加(图1的区域B)。所希望的改进可通过权利要求1限定的特征的组合来实现。
在图2所示气缸工作表面的表面涂层的照片图片的帮助下，以下将进一步解释该表面层的组分的实例以及施加该表面涂层的优选方法。
图2所示的气缸工作表面的表面涂层1通过等离子喷涂设备施加，并包括多个孔2、3、4。孔具有2～30μm之间的尺寸，由此该孔的主要部分具有大约5～20μm之间的尺寸。涂层的孔隙率，即孔的部分与该层整个体积相比，在1～5％之间。类似地，就所涉及的区域而言，与层1的整个区域相比，该孔2、3、4的部分占有1～5％。气缸工作表面的表面涂层1设置成使得只有尺寸小于100μm的孔2、3、4出现。
气缸工作表面的表面涂层1包括含量为0.5～8％重量百分比的结合氧，由此结合氧与铁一起形成用作固体润滑剂的FeO和Fe3O4。最好是，Fe2O3的含量为小于0.2％重量百分比。因此形成氧化物可进一步通过在涂层过程中改变流动通过将要涂层的气缸缸膛的空气组分来改变，特别是通过添加或降低空气在的氧和/或氮的含量来改变。此外，结合在气缸工作表面的表面涂层1内的氧的部分可在涂层过程中进一步通过降低或增加流动通过将要涂层的气缸缸膛的空气流速来控制。如果空气由纯氧来代替，涂层中结合氧的部分降低大约两倍。
主要包括铁的气缸工作表面的表面涂层1基本具有以下化学组分：
C＝0.05～1.5％重量百分比
Mn＝0.05～3.5％重量百分比
Cr＝0.05～18％重量百分比
Si＝0.01～1％重量百分比
S＝0.001～0.4％重量百分比
Fe＝余量～100％重量百分比
最好是，气缸工作表面的表面涂层1包括按照Vickers(HV0.3)的微硬度为350～550N/mm2。
为了通过形成MnS合成物来实现气缸工作表面的表面涂层1的良好加工性能，其最好含有1.2～3.5％重量百分比的锰和0.005～0.4％重量百分比的硫。
就区域和尺寸而言，孔2、3、4随机分布在气缸工作表面的表面涂层1中。为了将表面涂层1施加在气缸的工作表面上，最好使用转动的等离子喷涂设备，其中在涂层操作中将要处理的发动机机体可保持不动。一旦施加完成，气缸工作表面的表面涂层1进行机械加工，特别是珩磨，优选为金刚石珩磨，直到气缸的工作表面的表面涂层1的粗糙度调整到算术平均粗糙度Ra为0.02～0.4μm并且平均峰谷高度Rz为0.5～5μm，优选是算术平均粗糙度Ra为0.02～0.2μm并且平均峰谷高度Rz为1～3μm。
涂层1的孔隙率(即孔的部分与该层整个体积相比)以及孔2、3、4的尺寸(大小)可特别通过改变涂层参数以及涂层粉末的颗粒尺寸来控制。因此，特别是等离子的热函起了很大作用，它主要由等离子气体的氢含量以及等离子体电流确定。
在按照本发明将表面涂层1施加到气缸工作表面的过程中，表面涂层1由等离子喷涂具有5～100μm颗粒尺寸的气体或水雾化涂层粉末来产生，该颗粒尺寸优选为10～50μm，因此也就是等离子喷涂设备的粉末喷射器和将要涂层的表面之间的距离的喷涂距离为20～50mm。
作为等离子气体，最好使用氢含量为0.5～5NLPM(每分钟标准公升)的氩。等离子体电流优选为100～500安培，更优选为260～360安培，电压为35～45伏。
气缸工作表面的这种表面涂层1特别适合施加在包括铸铝合金、锻制铝合金、片状石墨铸铁和铸镁合金的基体上。

Claims (21)

1.一种内燃机气缸工作表面的表面涂层，其特征在于，具有以下组合的特征：
该涂层通过等离子喷涂来施加；
该涂层的表面包括多个开孔；
该涂层表面的孔隙率为0.5％～10％；
统计平均孔尺寸为1～50μm，由此至少几乎只存在尺寸小于100μm的孔；
就所涉及的区域和尺寸两者而言，该孔随机分布在该涂层表面上；
该涂层包括结合氧含量为0.5～0.8％重量百分比；
该涂层包括用作固体润滑剂的FeO和Fe3O4晶体的夹杂物；
该涂层表面的粗糙度通过机械加工调整到算术平均粗糙度Ra为0.02～0.4μm以及平均峰谷距离Rz为0.5～5μm。
2.如权利要求1所述的表面涂层，其特征在于，统计平均孔尺寸为1～10μm，并且孔隙率为0.5％～5％；
3.如权利要求1所述的表面涂层，其特征在于，该涂层表面的粗糙度调整到算术平均粗糙度Ra为0.05～0.2μm以及平均峰谷距离Rz为1～3μm。
4.如权利要求1所述的表面涂层，其特征在于，该涂层表面的粗糙度通过珩磨调整。
5.如权利要求1所述的表面涂层，其特征在于，该涂层表面的粗糙度通过金刚石珩磨调整。
6.如权利要求1所述的表面涂层，其特征在于，该涂层具有Vickers微硬度HV0.3为350～550N/mm2。
7.如权利要求1所述的表面涂层，其特征在于，该涂层另外包括C、Mn、Cr、Si和S。
8.如权利要求7所述的表面涂层，其特征在于，该涂层具有以下化学组分：
C＝0.05～1.5％重量百分比
Mn＝0.05～3.5％重量百分比
Cr＝0.05～18％重量百分比
Si＝0.01～1％重量百分比
S＝0.001～0.4％重量百分比
Fe＝余量～100％重量百分比
9.如权利要求7所述的表面涂层，其特征在于，该涂层具有以下化学组分：
C＝0.05～0.8％重量百分比
Mn＝0.05～1.8％重量百分比
Cr＝11.5～18％重量百分比
Si＝0.01～1％重量百分比
S＝0.002～0.2％重量百分比
Fe＝余量～100％重量百分比
10.如权利要求1所述的表面涂层，其特征在于，为改善加工性能，该涂层含有1.2～3.5％重量百分比的Mn和0.005～0.4％重量百分比的S。
11.一种施加表面涂层到内燃机气缸工作表面上的方法，该表面涂层具有多个开孔；该涂层表面的孔隙率在0.5％～10％；统计平均孔尺寸在1～50μm之间，由此至少几乎只存在尺寸小于100μm的孔；就所涉及的区域和尺寸两者而言，该孔随机分布在该涂层表面上；该涂层包括所结合氧的含量在0.5～0.8％重量百分比之间；该涂层包括用作固体润滑剂的FeO和Fe3O4晶体的夹杂物，其特征在于，该方法包括将具有5～100μm颗粒尺寸的气体或水雾化涂层粉末等离子喷涂在气缸的工作表面上的步骤，由此喷涂距离为20～50mm。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该涂层粉末的颗粒尺寸为10～50μm。
13.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，该涂层粉末具有以下化学组分：
C＝0.05～1.5％重量百分比
Mn＝0.05～3.5％重量百分比
Cr＝0.05～18％重量百分比
Si＝0.01～1％重量百分比
S＝0.001～0.4％重量百分比
Fe＝余量～100％重量百分比
14.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，该涂层具有以下化学组分：
C＝0.05～0.8％重量百分比
Mn＝0.05～1.8％重量百分比
Cr＝11.5～18％重量百分比
Si＝0.01～1％重量百分比
S＝0.002～0.2％重量百分比
Fe＝余量～100％重量百分比
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该涂层表面的粗糙度通过金刚石珩磨机械加工。
16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，改变该涂层粉末颗粒的尺寸和/或该涂层粉末材料的化学组分和/或等离子的热函以便产生涂层所需的特性并调整孔的尺寸和/或孔隙率。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，通过改变等离子体电流和/或改变等离子气体中氢的部分来改变等离子的热函。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，通过改变等离子体电流来改变等离子的热函，由此等离子体电流可调整到100～500安培之间的一数值。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，等离子体电流可调整到260～320安培之间的一数值。
20.如权利要求11所述的方法，其特征在于，具有氢含量为0.5～5NLPM(每分钟标准公升)的等离子体气体输送到等离子喷涂设备中。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，使用氩作为等离子气体。
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