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STAND DER TECHNIK
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bilden einer Eisen-Spritzbeschichtung, die mit einem Draht zum Lichtbogenspritzen gebildet wird, indem der Draht zum Lichtbogenspritzen mittels eines Lichtbogens abgeschmolzen wird und der abgeschmolzene Draht zum Lichtbogenspritzen auf ein Substrat gespritzt wird, während dem abgeschmolzenen Draht Druckgas zugeführt wird, und ein Element mit der Eisen-Spritzbeschichtung, das ein Substrat umfasst, das mit der Eisen-Spritzbeschichtung beschichtet ist.
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Beschreibung des technischen Gebiets
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Die Innenflächen von Zylinderbohrungen von Zylinderblöcken werden mit Spritzbeschichtungen beschichtet, die durch die Spritztechnik gebildet werden, die ein unmittelbares Schmelzen verschiedener Metalle oder Metalllegierungen umfassen, mittels Flammen, die mit einem Lichtbogen, Plasma oder Gas erzeugt werden, und welche die Kollision/Verfestigung und Anlagerung der gespritzten Partikel ermöglicht, die mittels Druckgas zerstäubt (in feine Partikel zerlegt) werden, um die Beständigkeit gegenüber Korrosion, Abnutzung und Ähnlichem der Innenflächen der Bohrungen zu verbessein.
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Beispielsweise offenbart die japanische Patentanmeldung
JP 2009- 155 720 A eine beispielhafte Technik eines Verfahrens zum Bilden einer Spritzbeschichtung durch Plasmaspritzen unter Verwendung eines Materials, das 0,12 Massen-% oder mehr Kohlenstoff enthält. Beispielsweise offenbart die japanische Patentanmeldung
JP 2010-275 581 A ein Verfahren zum Bilden einer Spritzbeschichtung, die als Massenverhältnis 0,3 bis 0,4 % C enthält, 0,2 bis 0,5 % Si, 0,3 bis 1,5 % Mn und 0,5 % oder weniger Cr und/oder Mo insgesamt, wobei der Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen sind.
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Auch wenn die Verwendung von Materialien, die eine erhöhte Menge Kohlenstoff enthalten, wie bei der
JP 2009- 155 720 A und der
JP 2010- 275 581 A , die Abnutzungsbeständigkeit der Spritzbeschichtungen verbessern kann, kann dadurch auch die maschinelle Bearbeitungsfähigkeit verringert werden. Wenn Lichtbogenspritzen mit Drähten zum Lichtbogenspritzen durchgeführt wird, die eine erhöhte Menge Kohlenstoff enthalten, kann die Stärke der Drähte selbst verbessert sein, wodurch die Produktivität vermindert wird.
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Unter Berücksichtigung der obigen Ausführungen offenbart die japanische Patentanmeldung
JP 2008- 240 029 A ein Verfahren zum Bilden einer Spritzbeschichtung unter Verwendung eines Drahtes zum Lichtbogenspritzen, der eine Hauptkomponente aus Fe enthält, 0,01 bis 0,2 Gew.-% C und 0,25 bis 1,7 Gew.-% Si. In diesem Verfahren wird die Spritzbeschichtung durch Schmelzen des Drahtes zum Lichtbogenspritzen mittels eines Lichtbogens und dem Spritzen des abgeschmolzenen Drahts zum Lichtbogenspritzen auf ein Substrat, während dem abgeschmolzenen Draht Druckluft zugeführt wird, gebildet.
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Jedoch kann das Verfahren zum Bilden einer Beschichtung, das in der
JP 2008-240 029 A offenbart wird, zu einer verminderten Haftstärke zwischen der Spritzbeschichtung und dem Substrat führen, da das Spritzen mit Luft durchgeführt wird, die Sauerstoff enthält. Insbesondere führt die Verwendung von Sauerstoff enthaltendem Gas zu einer Anhaftung auf dem Substrat nicht nur des Eisenoxids, das die Beschichtung bildet, sondem auch von feinem Eisenoxidstaub. Es wird davon ausgegangen, dass die Gegenwart dieser anhaftenden Substanzen auf dem Substrat zwischen der Beschichtung und dem Substrat die Anhaftung des Metalls oder den Verankerungseffekt zwischen der Beschichtung und dem Substrat vermindern. Dieses Phänomen tritt wesentlich deutlicher auf, wenn die in der
JP 2009 -
155 720 A und der
JP 2010 -
275 581 A offenbarten Materialien verwendet werden. Ein Verfahren zur Abscheidung einer Eisenoxid-haltigen Beschichtung auf einem Leichtmetallsubstrat unter Verwendung eines thermischen Lichtbogenspritzens von Draht, wobei zerstäubte Tropfen mittels eines Zerstäubergases angetrieben werden, ist aus der
DE 196 37 737 A1 bekannt. Dieses Verfahren umfasst folgende Schritte: Vorbereiten mindestens einer Leichtmetallsubstratoberfläche, um eine freiliegende, im Wesentlichen nicht oxidierte Substratoberfläche zu erhalten, und thermisches Spritzen der geschmolzenen Tropfen des Stahldrahts als Ausgangsmaterial auf die vorbereitete Oberfläche eines thermischen Lichtbogenspritzens von Draht, zur Abscheidung einer Komposit-Schicht, wobei die Gase zur Regelung des Sauerstoff-Ausgesetzt-Seins der Tropfen in ihrer Zusammensetzung gesteuert werden, so dass FexO im Wesentlichen das einzige während des Spritzens gebildete Eisenoxid ist, wobei x zwischen 0,5 und 1,5 liegt. Weiterer Stand der Technik findet sich in der
US 8 082 768 B2 sowie der
JP 2012 -
41 617 A .
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Bilden einer Eisen-Spritzbeschichtung bereit, die eine erhöhte Haftstärke an einem Substrat aufweist, und ein Element, das mit der Eisen-Spritzbeschichtung beschichtet ist.
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Die Erfinder haben, als Ergebnis umfassender Studien, den Schwerpunkt auf die Tröpfchen aus abgeschmolzenem Draht zum Lichtbogenspritzen während des Lichtbogenspritzens gelegt. Insbesondere gingen die Erfinder davon aus, dass, wenn fein zerstäubte Tröpfchen des abgeschmolzenen Drahts zum Lichtbogenspritzen sich an ein Substrat anlagern, die Tröpfchen abgekühlt werden, bevor die Tröpfchen die Oberfläche des Substrats erreichen (während die Tröpfchen fliegen), was zu einer Verminderung der physischen Adsorption zwischen dem Substrat und den Tröpfchen zum Zeitpunkt der Kollision und einer Verminderung der Verbindungsrate zwischen den Metallen führt.
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Daher berücksichtigten die Erfinder die Viskosität und die Oberflächenspannung der Tröpfchen. Insbesondere gingen die Erfinder davon aus, dass es, um größere Tröpfchen an ein Substrat anzulagern, wichtig sei, die Viskosität der Tröpfchen und die Oberflächenspannung der Tröpfchen zu erhöhen. Daher haben die Erfinder die Menge von Kohlenstoff definiert, die dem Eisen hinzugegeben wird, um die Viskosität der Tröpfchen zu erhöhen, und haben Druckgas definiert, durch das die Tröpfchen fliegen, um die Oberflächenspannung der Tröpfchen zu erhöhen.
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Der erste Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bilden einer Eisen-Spritzbeschichtung auf einem Substrat mit Tröpfchen eines abgeschmolzenen Drahtes zum Lichtbogenspritzen, die durch Schmelzen eines Drahtes zum Lichtbogenspritzen mittels eines Lichtbogens hergestellt wurden, und durch Spritzen des abgeschmolzenen Drahtes auf das Substrat, während dem abgeschmolzenen Draht Druckgas zugeführt wird. Das Verfahren umfasst: einen Schritt des Bildens einer ersten Eisen-Spritzbeschichtung auf dem Substrat unter Verwendung eines ersten Drahts, der Eisen und 0,03 bis 0,10 Massen-% Kohlenstoff enthält, als Draht zum Lichtbogenspritzen und eines inerten Gases als Druckgas; und einen Schritt des Bildens einer zweiten Eisen-Spritzschicht auf der ersten Eisen-Spritzschicht, unter Verwendung eines zweiten Drahtes, der Eisen und 0,03 bis 0,10 Massen-% Kohlenstoff enthält, als Draht zum Lichtbogenspritzen und eines Gases, das 10 bis 21 Volumen-% Sauerstoffgas enthält, als Druckgas.
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Nach der Erfindung wird bei dem Schritt des Bildens der ersten Eisen-Spritzschicht zunächst die Eisen-Spritzschicht auf dem Substrat mit dem Draht zum Lichtbogenspritzen gebildet, welcher der erste Draht ist, der Eisen und 0,03 bis 0,10 Massen-% Kohlenstoff enthält und mit dem Druckgas, das inertes Gas ist. Entsprechend können größere Tröpfchen (Tröpfchen des abgeschmolzenen ersten Drahtes), in denen die Menge der produzierten Oxide vermindert ist, auf dem Substrat angelagert werden.
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Und zwar kann die Verwendung des Drahtes zum Lichtbogenspritzen, der aus wenig Kohlenstoff enthaltendem Stahl besteht, der Eisen und 0,03 bis 0,10 Massen-% Kohlenstoff enthält, die Viskosität der Tröpfchen des abgeschmolzenen ersten Drahts erhöhen, und zusätzlich kann die Verwendung von inertem Gas die Oberflächenspannung der gelösten und von einer Lösung wegfliegenden Tröpfchen erhöhen. Entsprechend können Tröpfchen, die gröber als konventionelle Tröpfchen sind, auf stabile Weise von dem ersten Draht zu dem Substrat unter einer Umgebung mit einer reduzierten Oxidproduktion fliegen, und somit wird zugelassen, dass Tröpfchen, die eine erhöhte Wärmemenge als Teil der Eisen-Spritzbeschichtung aufweisen, mit dem Substrat kollidieren. Folglich kann die physische Adsorption zwischen dem Substrat und der Eisen-Spritzbeschichtung sowie die Rate der Verbindung des Metalls dazwischen erhöht werden, wodurch die Haftung der Eisen-Spritzbeschichtung an dem Substrat erhöht wird.
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Ein erster Draht, der weniger als 0,03 Massen-% Kohlenstoff enthält, kann nicht eine ausreichende Härte (Stärke) aufweisen, während der erste Draht, der mehr als 0,10 Massen-% Kohlenstoff enthält, eine unzureichende Viskosität aufweisen kann, was zu einer Kollision feiner Tröpfchen als Teil einer Eisen-Spritzbeschichtung mit dem Substrat führen kann und eine unzureichende Haftstärke zur Folge hat.
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Als nächstes wird in dem Schritt des Bildens der zweiten Eisen-Spritzbeschichtung die zweite Eisen-Spritzbeschichtung auf der ersten Eisen-Spritzbeschichtung gebildet, mit dem Draht zum Lichtbogenspritzen, welcher der zweite Draht ist und 0,03 bis 0,10 Massen-% Kohlenstoff enthält, und Druckgas, das 10 bis 21 Volumen-% Sauerstoffgas.
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Die Verwendung des Druckgases, das 10 bis 21 Volumen-% Sauerstoffgas enthält, ermöglicht eine Verminderung der Oberflächenspannung der Tröpfchen (Tröpfchen des abgeschmolzenen zweiten Drahtes), die sich losgelöst haben und von einer Lösung wegfliegen, im Vergleich zu der der abgeschmolzenen Tröpfchen, die mit Druckgas erhalten wird, das inertes Gas ist. Entsprechend kann die Größe der Tröpfchen vermindert werden, während die Oxidierung einiger der Tröpfchen erleichtert werden kann. Die erhaltene zweite Eisen-Spritzschicht kann mit feinen Partikeln gebildet werden, die eine größere Menge an Oxiden enthalten als die erste Eisen-Spritzschicht, was dazu führt, dass die Eisen-Spritzschicht erhöhte Gleiteigenschaften im Vergleich zu einem Fall, in dem nur die erste Eisen-Spritzschicht enthalten ist, aufweist.
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Ein zweiter Draht, der weniger als 0,03 Massen-% Kohlenstoff enthält, kann nicht eine ausreichende Stärke aufweisen, während ein zweiter Draht, der mehr als 0,10 Massen-% Kohlenstoff enthält, die maschinelle Bearbeitungsfähigkeit der Beschichtung durch die hohe Kohlenstoffmenge hemmen kann. Zusätzlich kann Druckgas, das weniger als 10 Volumen-% Sauerstoffgas enthält, einer Eisen-Spritzbeschichtung nicht eine ausreichende Menge an Oxiden zur Verfügung stellen, während Druckgas, das mehr als 20 Volumen-% Sauerstoffgas enthält, nicht mehr verbesserte Wirkungen zur Verfügung stellen kann.
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Die erste Eisen-Spritzbeschichtung wird mit, wie dies oben beschrieben ist, groben Tröpfchen gebildet und hat somit eine Oberflächenrauheit, die größer ist als die von konventionellen Eisen-Spritzbeschichtungen und allgemein grundierten Oberflächen. Daher kann, auch wenn einige Tröpfchen des abgeschmolzenen zweiten Drahtes oxidiert sind, die Haftstärke der zweiten Eisen-Spritzbeschichtung durch den Verankerungseffekt, der sich aus der Oberflächenrauheit der ersten Eisen-Spritzbeschichtung ergibt, sichergestellt werden.
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Der erste und zweite Draht, die Drähte zum Lichtbogenspritzen sind, die Eisen und 0,03 bis 0,10 Massen-% Kohlenstoff enthalten, können unterschiedlich oder dieselben sein. Wenn derselbe Draht als erster und zweiter Draht verwendet wird, kann die erste und zweite Eisen-Spritzbeschichtung kontinuierlich gebildet werden, indem für das Druckgas von inertem Gas zu Gas gewechselt wird, das 10 bis 21 Volumen-% Sauerstoffgas enthält.
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Der zweite Draht kann ferner 0,8 bis 2,2 Massen-% Mangan und 0,9 bis 1,5 Massen-% Silicium enthalten, und die zweite Eisen-Spritzbeschichtung kann gebildet werden, während das Druckgas zugeführt wird, so dass Tröpfchen des abgeschmolzenen zweiten Drahts eine Fluggeschwindigkeit von 70 m/s oder mehr aufweisen.
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Wenn die zweite Eisen-Spritzbeschichtung unter den Bedingungen gebildet wird, enthält die zweite Eisen-Spritzbeschichtung Oxidkugeln in Nanogröße, die Mangan und Silicium enthalten. Folglich kann durch die darin enthaltenen Oxidkugeln in Nanogröße die zweite Eisen-Spritzbeschichtung eine weiter verbesserte Beständigkeit gegen Oberflächenverschleiß und Abnutzung im Vergleich zu einer Eisen-Spritzbeschichtung, die Eisenoxid enthält, aufweisen, um so die Beständigkeit gegen Oberflächenverschleiß und Abnutzung zu verbessern.
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Wenn die Tröpfchen eine Fluggeschwindigkeit von weniger als 70 m/s aufweisen, können die Oxidkugeln, die Mangan und Silicium enthalten, nicht erhalten werden. Wenn die Menge von Mangan unter dem oben beschriebenen Bereich liegt, kann die Menge der erhaltenen Oxidkugeln nicht ausreichend sein, und wenn die Menge von Mangan über dem oben beschriebenen Bereich liegt, könnten die Spritzeigenschaften schlechter sein (das Auftreten von Sputtern kann erhöht sein). Wenn die Menge von Silicium unter dem oben beschriebenen Bereich liegt, können die Oxidkugeln nicht erhalten werden, und wenn die Menge von Silicium über dem oben beschriebenen Bereich liegt, könnten die Spritzeigenschaften schlechter sein.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein beschichtetes Element, das ein Substrat umfasst, eine erste Eisen-Spritzbeschichtung, die auf dem Substrat gebildet wurde, und eine zweite Eisen-Spritzbeschichtung, die auf der ersten Eisen-Spritzbeschichtung gebildet wurde. Die erste Eisen-Spritzbeschichtung weist einen Kohlenstoffgehalt von 0,07 Massen-% oder weniger auf. Die zweite Eisen-Spritzbeschichtung weist einen Kohlenstoffgehalt von 0,07 Massen-% oder weniger und einen Sauerstoffgehalt, der höher als ein Sauerstoffgehalt der ersten Eisen-Spritzbeschichtung ist, auf. Eine Kristall-Partikelgröße der zweiten Eisen-Spritzbeschichtung ist kleiner als eine Kristall-Partikelgröße der ersten Eisen-Spritzbeschichtung.
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Nach der Erfindung kann die maschinelle Bearbeitungsfähigkeit verbessert sein, da der Kohlenstoffgehalt der ersten Eisen-Spritzbeschichtung und der zweiten Eisen-Spritzbeschichtung 0,07 Massen-% oder weniger beträgt. Die zweite Eisen-Spritzbeschichtung weist einen Sauerstoffgehalt auf, der höher ist als der der ersten Eisen-Spritzbeschichtung und die erste Eisen-Spritzbeschichtung weist eine Kristall-Partikelgröße auf, die größer ist als die der zweiten Eisen-Spritzbeschichtung, was dazu führt, dass die Beständigkeit gegenüber Oberflächenverschleiß und Abnutzung der zweiten Eisen-Spritzbeschichtung im Vergleich zu der ersten Eisen-Spritzbeschichtung verbessert ist und die Haftung der ersten Eisen-Spritzbeschichtung an dem Substrat erhöht ist.
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Die zweite Eisen-Spritzbeschichtung kann ferner Oxidkugeln enthalten, die Mangan und Silicium enthalten. Die zweite Eisen-Spritzbeschichtung, welche die Oxidkugeln enthält, kann ferner verbesserte Beständigkeit gegenüber Oberflächenverschleiß und Abnutzung aufweisen.
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Nach der Erfindung kann die Eisen-Spritzbeschichtung, die eine verbesserte Haftstärke an einem Substrat aufweist, erhalten werden.
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Figurenliste
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Merkmale, Vorteile und die technische und industrielle Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Ziffern gleiche Elemente bezeichnen, und wobei:
- 1 ein schematisches konzeptionelles Diagramm eines Elements ist, das mit einer Eisen-Spritzbeschichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung beschichtet wurde;
- 2 ein schematisches Diagramm ist, das eine Spritzvorrichtung zeigt;
- 3 eine vergrößerte Ansicht einer Spritzpistole ist;
- 4 eine Pfeilansicht entlang der Linie IV-IV in 3 ist;
- 5 ein schematisches konzeptionelles Diagramm ist, das ein Verfahren zum Bilden einer Eisen-Spritzbeschichtung auf einer Innenfläche einer Zylinderbohrung mit der in 2 gezeigten Spritzvorrichtung veranschaulicht;
- 6 ein schematisches konzeptionelles Diagramm einer Gaszuführvorrichtung ist, die einer Spritzvorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung bereitgestellt wird;
- 7 ein konzeptionelles Diagramm ist, das die Korrelation zwischen der Menge des zu dem Eisen hinzugegebenen Kohlenstoffs und dem Viskositätskoeffizienten zeigt;
- 8 ein konzeptionelles Diagramm ist, das die Korrelation zwischen der Menge des zu dem Eisen hinzugegebenen Sauerstoffs und der Oberflächenspannung zeigt;
- 9 ein Graph ist, der die Korrelation zwischen dem Kohlenstoffgehalt der Drähte zum Lichtbogenspritzen nach den Beschichtungen A bis C und den Beschichtungen a bis m und die Partikelgröße der Eisen-Spritzbeschichtungen, die mit den Drähten erhalten werden, zeigt;
- 10 ein Graph ist, der die Korrelation zwischen der Partikelgröße und der Haftstärke nach den Beschichtungen A bis C und den Beschichtungen a bis m zeigt;
- 11A eine Fotografie des Gewebes der Eisen-Spritzbeschichtung nach der Beschichtung B ist und 11B eine Fotografie des Gewebes der Eisen-Spritzbeschichtung nach der Beschichtung f ist;
- 12A eine Fotografie des Gewebes der Eisen-Spritzbeschichtung nach der Beschichtung B ist, 12B eine Fotografie des Gewebes der Eisen-Spritzbeschichtung nach der Beschichtung 1 ist, und 12C eine Fotografie des Gewebes der Eisen-Spritzbeschichtung nach der Beschichtung m ist;
- 13 Fotografien der Oberflächengewebe der Eisen-Spritzbeschichtungen nach der Beschichtung B, a, f und h sind;
- 14 ein Graph ist, der die Korrelation zwischen dem Kohlenstoffgehalt der Drähte zum Lichtbogenspritzen nach den Beschichtungen A bis C und den Beschichtungen a, b und d und die LFW-Abnutzungsmenge der Eisen-Spritzbeschichtungen, die unter den Bedingungen gebildet werden, zeigt, und die Korrelation zwischen dem Kohlenstoffgehalt der Drähte zum Lichtbogenspritzen und dem durchschnittlichen Reibungskoeffizienten der Eisen-Spritzbeschichtungen, die unter den Bedingungen gebildet werden, zeigt;
- 15 ein Graph ist, der die Korrelation zwischen dem Kohlenstoffgehalt der Drähte zum Lichtbogenspritzen nach den Beschichtungen A bis C und den Beschichtungen a, b und d und der Härte der Eisen-Spritzbeschichtungen, die mit den Drähten gebildet werden, zeigt;
- 16 ein Graph ist, der die Korrelation zwischen dem Sauerstoffgehalt in Zerstäubungsgasen nach den Beispielen 1 und 2 und den Vergleichenden Beispielen 1 und 2 und der LFW-Abnutzungsmenge der Eisen-Spritzbeschichtungen, die unter den Bedingungen gebildet werden, zeigt, und die Korrelation zwischen dem Sauerstoffgehalt und dem durchschnittlichen Reibungskoeffizienten der Eisen-Spritzbeschichtungen, die unter diesen Bedingungen gebildet werden;
- 17 ein Graph ist, der die Korrelation zwischen der Durchflussrate des Zerstäubungsgases während des Bildens der Beschichtungen nach Beispiel 3 und der Härte der Eisen-Spritzbeschichtungen, die mit den Durchflussraten gebildet wurden, zeigt;
- 18 ein Graph ist, der die Korrelation zwischen der Durchflussrate des Zerstäubungsgases während des Bildens der Beschichtungen nach Beispiel 3 und der LFW-Abnutzungsmenge der Eisen-Spritzbeschichtungen, die mit den Durchflussraten gebildet wurden, zeigt;
- 19 ein Graph ist, der die Korrelation zwischen der Durchflussrate des Zerstäubungsgases während des Bildens der Beschichtungen nach Beispiel 3 und der Fluggeschwindigkeit der Partikel während des Bildens der Beschichtungen zeigt;
- 20 ein Graph ist, der die Korrelation zwischen der Durchflussrate des Zerstäubungsgases während des Bildens der Beschichtungen nach Beispiel 3 und dem Reibungskoeffizienten der Eisen-Spritzbeschichtungen, die mit den Durchflussraten gebildet wurden, zeigt, und der die Korrelation zwischen der Durchflussrate des Zerstäubungsgases während des Bildens der Beschichtungen und der Zeit zeigt, bevor Oberflächenverschleiß der Eisen-Spritzbeschichtungen, die mit den Durchflussraten gebildet wurden, auftritt;
- 21A und 21B die Ergebnisse der TEM-Betrachtung der Beschichtung, die mit der Durchflussrate des Zerstäubungsgases von 700 l/min in Beispiel 3 gebildet wurde, zeigen, und 21C ein Graph ist, der das Ergebnis der EDS-Analyse der Partikel in der Beschichtung zeigt;
- 22A und 22B die Ergebnisse der TEM-Betrachtung der Beschichtung, die mit der Durchflussrate des Zerstäubungsgases von 900 l/min in Beispiel 3 gebildet wurde, zeigen, und 22C ein Graph ist, der das Ergebnis der EDS-Analyse der Partikel in der Beschichtung zeigt; und
- 23 ein Graph ist, der die Korrelation zwischen der Durchflussrate des Zerstäubungsgases während des Bildens der Beschichtungen nach Beispiel 4 und 5 und den Vergleichenden Beispielen 3 und 4 und der LFW-Abnutzungsmenge der Eisen-Spritzbeschichtungen, die unter den Bedingungen gebildet wurden, zeigt, und die Korrelation zwischen der Zerstäubungsgas-Durchflussrate während des Bildens der Beschichtungen und der Zeit, bevor Oberflächenverschleiß der Eisen-Spritzbeschichtungen, die unter den Bedingungen gebildet wurden, auftritt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 ist ein schematisches konzeptionelles Diagramm eines Elements, das mit einer Eisen-Spritzbeschichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung beschichtet wurde. 2 ist ein schematisches Diagramm, das eine Spritzvorrichtung zeigt. 3 ist eine vergrößerte Ansicht einer Spritzpistole. 4 ist eine Pfeilansicht entlang der Linie IV-IV aus 3. 5 ist ein schematisches konzeptionelles Diagramm, das ein Verfahren zum Bilden einer Eisen-Spritzbeschichtung auf einer Innenfläche einer Zylinderbohrung mit der in 2 gezeigten Spritzvorrichtung bildlich darstellt.
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Wie die in 1 gezeigt ist, umfasst ein Element 20, das mit einer Eisen-Spritzbeschichtung nach der Ausführungsform beschichtet ist, ein Substrat 21, das durch Lichtbogenspritzen mit einer Eisen-Spritzbeschichtung 23 beschichtet wird. Das Substrat 21 kann eine Aluminium-Gusslegierung wie JIS: AC2C und ADC12 einschließen. Das Material des Substrats 21 unterliegt keinen besonderen Einschränkungen, sofern es das Bilden der nachfolgend beschriebenen Eisen-Spritzbeschichtung ermöglicht, und kann ein Metallelement sein, wie Eisenmaterialien, einschließlich Stahl und Gusseisen oder eine Aluminium-Knetlegierung.
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Die Eisen-Spritzbeschichtung 23 umfasst eine erste Eisen-Spritzbeschichtung 24, die auf dem Substrat 21 gebildet wird, und eine zweite Eisen-Spritzbeschichtung 25, die auf der ersten Eisen-Spritzbeschichtung 24 gebildet wird. Die erste Eisen-Spritzbeschichtung 24 und die zweite Eisen-Spritzbeschichtung 25 weisen jeweils einen Kohlenstoffgehalt von 0,07 Massen-% oder weniger auf, und die zweite Eisen-Spritzbeschichtung 25 weist einen Sauerstoffgehalt auf, der höher ist als der der ersten Eisen-Spritzbeschichtung 24.
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Genauer gesagt ist die erste Eisen-Spritzbeschichtung 24 eine Beschichtung, die Eisen enthält, mindestens 0,015 bis 0,063 Massen-% Kohlenstoff und 0,1 bis 1 Massen-% Sauerstoff. Die zweite Eisen-Spritzbeschichtung 25 ist bevorzugt eine Beschichtung, die Eisen enthält, mindestens 0,008 bis 0,070 Massen-% Kohlenstoff und 1 bis 5 Massen-% Sauerstoff. Die erste Eisen-Spritzbeschichtung 24 hat eine Kristall-Partikelgröße von 129 µm oder mehr, und die erste Eisen-Spritzbeschichtung 24 hat eine Kristall-Partikelgröße, die größer ist als die der zweiten Eisen-Spritzbeschichtung 25.
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Indem die Kohlenstoffgehalte in der ersten Eisen-Spritzbeschichtung 24 und der zweiten Eisen-Spritzbeschichtung 25 wie oben vermindert werden, kann die Eisen-Spritzbeschichtung 23 eine verbesserte maschinelle Bearbeitungsfähigkeit aufweisen. Die zweite Eisen-Spritzbeschichtung 25 weist einen Sauerstoffgehalt auf, der höher ist als der der ersten Eisen-Spritzbeschichtung 24, und daher weist die zweite Eisen-Spritzbeschichtung 25 eine höhere Härte als die erste Eisen-Spritzbeschichtung 24 auf. Die zweite Eisen-Spritzbeschichtung 25 weist eine Kristall-Partikelgröße auf, die kleiner ist als die der ersten Eisen-Spritzbeschichtung 24, und damit ist die zweite Eisen-Spritzbeschichtung 25 dichter als die der ersten Eisen-Spritzbeschichtung 24. Daher kann die zweite Eisen-Spritzbeschichtung 25 eine verbesserte Beständigkeit gegenüber Oberflächenverschleiß und Abnutzung im Vergleich zu der ersten Eisen-Spritzbeschichtung 24 aufweisen.
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Die erste Eisen-Spritzbeschichtung 24 kann eine höhere Kristall-Partikelgröße aufweisen als die der zweiten Eisen-Spritzbeschichtung 25, und somit kann nicht nur die Haftung der ersten Eisen-Spritzbeschichtung 24 an dem Substrat 21 durch den Verankerungseffekt der ersten Eisen-Spritzbeschichtung 24, sondern auch die Haftung der zweiten Eisen-Spritzbeschichtung 25 an der ersten Eisen-Spritzbeschichtung 24 erhöht werden.
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Die zweite Eisen-Spritzbeschichtung 25 enthält Oxidkugeln, die Mangan und Silikon enthalten und eine Partikelgröße von 10 bis 200 nm aufweisen. Durch die Oxidkugeln, die in der zweiten Eisen-Spritzbeschichtung 25 enthalten sind, kann die Beständigkeit gegenüber Oberflächenverschleiß und Abnutzung weiter verbessert werden.
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2 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer Spritzvorrichtung, die zum Bilden der Eisen-Spritzbeschichtung verwendet wird. Diese Figur zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung, die auf eine Innenfläche eines zylindrischen Substrats 20 spritzt. Die Spritzvorrichtung 10 umfasst allgemein eine Plattform 1; ein Tragelement 2, das auf der Plattform 1 fixiert ist; ein Spritzwerkzeug 3, das sich entlang dem Tragelement 2 nach oben und unten bewegt, eine Spritzpistole 6, die an einer Spitze des Spritzwerkzeugs 3 befestigt ist, einen Regler 4; und eine Palette 7, auf der das Substrat 20 montiert und fixiert ist.
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Das Tragelement 2 wird auf der Plattform 1 bereitgestellt und trägt ein Gleitstück 31, das in dem Spritzwerkzeug 3 eingeschlossen ist, so dass sich das Gleitstück 31 frei nach oben und unten bewegen kann. Der Regler 4 ist mit einem Antriebsmotor zum Bewegen nach oben/unten 51 und einem Antriebsmotor zum Drehen 52 verbunden, die an dem oberen Teil des Tragelements 2 befestigt sind. Der Antriebsmotor zum Bewegen nach oben/unten 51 umfasst eine Spiralschraube 32, die an einer Rotationsachse des Antriebsmotors zum Drehen 52 befestigt ist, und die Spiralschraube 32 ist mit einem Träger 33 verschraubt, der an dem Gleitstück 31 fixiert ist. Der Regler 4 regelt die Drehrichtung und die Drehgeschwindigkeit des Antriebsmotors zum Bewegen nach oben/unten 51, so dass sich das Spritzwerkzeug 3 mit einer gewünschten Geschwindigkeit mittels der Drehung des Antriebsmotors zum Bewegen nach oben/unten 51 nach oben und unten bewegen kann.
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Ein Werkzeug-Hauptkörper 34 des Spritzwerkzeugs 3 weist an dessen Spitze die Spritzpistole 6 auf, und der Werkzeug-Hauptkörper 34 und die Spritzpistole 6 rotieren um die Achsen davon mittels des Antriebsmotors zum Drehen 52 (die Richtung Y in der Figur). Die Palette 7 ist auf der Plattform 1 befestigt und fixiert das darauf montierte Substrat 20. Wenn sich der Werkzeug-Hauptkörper 34 und die Spritzpistole 6 nach oben und unten fahren (die Richtung X in der Figur), durch einen hohlen Teil 29 des Substrats 20 während dem Drehen, werden Partikel auf die Innenfläche des hohlen Teils 29 gespritzt.
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3 ist eine vergrößerte Ansicht der Spritzpistole 6, und 4 ist eine Seitenansicht davon. Wenn die Spritzvorrichtung 10 das Spritzen durchführt, wird eine Stromleitung (nicht gezeigt) unter Spannung gesetzt, ein Bogen (Lichtbogen) wird an dem Kontaktteil an den Spitzen der Drähte zum Lichtbogenspritzen (Drähte W) erzeugt, und die Spitzen der Drähte W werden durch die Hitze mittels des Lichtbogens abgeschmolzen. Die Drähte W werden dann durch das Drehen einer Zuführwalze (nicht gezeigt) von einer Spule gezogen, um die verbrauchten Teile zu ergänzen. Wenn das Gas zu Schlauchleitungen (nicht gezeigt) zugeführt wird, sprüht eine Hilfsdüse 63 Hilfsgas A1, und eine Zerstäubungsdüse 62, die auf dem Spitzenelement 61 der Spritzpistole 6 angeordnet ist, sprüht Zerstäubungsgas A2 (siehe 4). 3 zeigt schematisch die Situation, in der die Spitzen der Drähte W abgeschmolzen werden und die Hilfsdüse 63 Druckgas sprüht, das Hilfsgas A1 ist.
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Wie dies in 4 gezeigt ist, sprüht die Zerstäubungsdüse 62 dann Zerstäubungsgas A2 zu einem abgeschmolzenen Tröpfchen W1, um das abgeschmolzene Tröpfchen W1 in feine zerstäubte Partikel W2 aufzulösen. Wenn in dieser Situation die Spritzpistole 6 gedreht wird, während sich das Spritzwerkzeug 3 mit einer bestimmten Geschwindigkeit in dem hohlen Teil 29 des Substrats 20 nach oben oder unten bewegt, werden die gespritzten Partikel W2 auf die Innenfläche des hohlen Teils 29 gespritzt. Die gespritzten Partikel W2 lagern sich an der Innenfläche des hohlen Teils 29 an, um die Eisen-Spritzbeschichtung zu bilden.
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Wenn beispielsweise bei dem in 5 gezeigten Beispiel das Spritzen auf einer Innenfläche einer Bohrung C2 in einem Zylinderblock C durchgeführt wird, wird die Spritzpistole 6 in die Bohrung C2 von einem Ende eingeführt, so dass sich die Spritzpistole 6 darin nach oben und nach unten bewegt, während sie gedreht wird, und Staub und Dämpfe A3 werden von dem anderen Ende abgesaugt, wodurch die Eisen-Spritzbeschichtung 23 auf der Innenfläche der Bohrung C2 gebildet wird.
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Druckgas (nämlich Hilfsgas A1 und Zerstäubungsgas A2), das den Drähten zum Lichtbogenspritzen zugeführt wird, wird von einer Gaszuführvorrichtung 7 zur Verfügung gestellt, die in 6 gezeigt wird. 6 ist ein schematisches konzeptionelles Diagramm einer Gaszuführvorrichtung 7, die der Spritzvorrichtung 10 nach der Ausführungsform der Erfindung bereitgestellt wird.
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Wie dies in 6 gezeigt ist, wird Druckluft der Gaszuführvorrichtung 7 zugeführt, die einen Durchgang einschließt, der sich in zwei Durchgänge 74 und 75 verzweigt. Das Gas, das der Spritzvorrichtung 10 zugeführt wird, kann durch Steuerung des Betriebs der Ventile 71, 72 und 76 ausgewählt werden.
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Der Durchgang 75 ist mit dem Ventil 76 verbunden, in dessen Umgebung ein Gas-Durchflussmesser 77 angeordnet ist, um den Sauerstoffgehalt zu messen. Der Durchgang 74 enthält ein Sauerstoffadsorptionsmittel 73. In der Ausführungsform kann das zu dem Sauerstoffadsorptionsmittel 73 absorbierte Gas, d. h. Sauerstoffgas (sauerstoffreiches Gas) durch den Durchgang 75 fließen. Der Sauerstoffgasgehalt des in einem Akkumulator 79 gesammelten Gases kann durch Öffnen des Ventils 71 (Schließen des Ventils 72) angepasst werden, und durch Anpassen der Öffnungsweite des Ventils 76, während der Durchfluss mit dem Durchflussmesser 77 gemessen wird.
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Mit der in den 2 bis 6 gezeigten Vorrichtung wird die Eisen-Spritzbeschichtung 23 nach der Ausführungsform gebildet. Insbesondere werden, um die Beschichtung 23 zu bilden, Drähte zum Lichtbogenspritzen W mittels eines Lichtbogens abgeschmolzen, und Druckgas, das Zerstäubungsgas A2 ist, wird den abgeschmolzenen Drähten zum Lichtbogenspritzen zugeführt, während das Zerstäubungsgas A2 zu dem Substrat 20 gesprüht wird, um die Eisen-Spritzbeschichtung 23 zu bilden, die durch die erste Eisen-Spritzbeschichtung 24 gebildet wird, und der zweite Draht zum Lichtbogenspritzen 25 wird auf dem Substrat 20 mit Tröpfchen W1 der abgeschmolzenen Drähte zum Lichtbogenspritzen W gebildet.
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Die erste Eisen-Spritzbeschichtung 24 wird auf dem Substrat 20 gebildet. Insbesondere enthalten die verwendeten Drähte zum Lichtbogenspritzen W Eisen und 0,03 bis 0,10 Massen-% Kohlenstoff in Bezug auf 100 Massen-% der Drähte zum Lichtbogenspritzen W, und Druckgas wird als inertes Gas verwendet, wobei die erste Eisen-Spritzbeschichtung 24 auf dem Substrat 20 gebildet wird.
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Das inerte Gas wird von der Gaszuführvorrichtung 7 zugeführt, die in 6 gezeigt wird. Insbesondere wird das Ventil 71, das in 6 gezeigt wird, geöffnet, und die Ventile 72 und 76 werden geschlossen. Entsprechend wird Sauerstoffgas in Druckgas zu dem Sauerstoffadsorptionsmittel 73 absorbiert, so dass Gas (Stickstoffgas), das nicht oxidierende Eigenschaften aufweist, für die abgeschmolzenen Drähte zum Lichtbogenspritzen (erster Draht zum Spritzen) produziert wird. Zu dieser Zeit wird Sauerstoffgas im Durchgang 75 gesammelt und kann durch ein Ablassventil abgelassen werden. Auch wenn das Stickstoffgas aus Luft durch Entfernen von Sauerstoffgas in der Ausführungsform produziert wird, kann ebenso inertes Gas wie Helium und Argon verwendet werden, sofern der abgeschmolzene Draht zum Lichtbogenspritze nicht oxidiert wird.
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Durch das Bilden der ersten Eisen-Spritzbeschichtung 24 wie oben aufgeführt können Tröpfchen (Tröpfchen des abgeschmolzenen ersten Drahts zum Lichtbogenspritzen) einer größeren Größe, die eine verminderte Oxidmenge enthalten, an dem Substrat 21 angelagert werden.
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Wie dies in 7 gezeigt ist, wird die Viskosität der Tröpfchen (abgeschmolzenes Metall) vermindert, wenn die dem Eisen hinzugegebene Kohlenstoffmenge erhöht wird. In der Ausführungsform können die Tröpfchen des abgeschmolzenen ersten Drahts zum Spritzen eine erhöhte Viskosität aufweisen, wenn der Draht zum Lichtbogenspritzen ein wenig Kohlenstoff enthaltender Stahl ist, der Eisen und 0,03 bis 0,10 Massen-% Kohlenstoff enthält.
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Zusätzlich, wie dies in 8 gezeigt ist, wird die Oberflächenspannung der Tröpfchen vermindert, wenn die Menge des dem Eisen hinzugegebenen Sauerstoffs erhöht wird. Daher kann in der Ausführungsform die Verwendung von inertem Gas die Oberflächenspannung von Tröpfchen, die sich ablösen und von einer Lösung wegfliegen, erhöhen.
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Wie dies oben beschrieben ist, weisen die Tröpfchen des abgeschmolzenen ersten Drahts zum Lichtbogenspritzen eine erhöhte Viskosität sowie eine erhöhte Oberflächenspannung auf, wenn die Tröpfchen sich loslösen und von einer Lösung wegfliegen. Daher können die Tröpfchen, die gröber als konventionelle Tröpfchen sind, stabil von dem ersten Draht zum Lichtbogenspritzen zu dem Substrat 21 in einer Umgebung fliegen, in der es schwer ist, die Tröpfchen zu oxidieren. Folglich wird zugelassen, dass die Tröpfchen, die eine erhöhte Menge Wärme als Teil der Eisen-Spritzbeschichtung 23 aufweisen, mit dem Substrat 21 kollidieren. Entsprechend kann die physische Adsorption zwischen dem Substrat 21 und der Eisen-Spritzbeschichtung 23 erhöht werden, und die Rate der Metallanlagerung dazwischen kann ebenso erhöht werden, und des Weiteren kann die Anhaftung der Eisen-Spritzbeschichtung 23 an dem Substrat 21 ebenso erhöht werden.
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Ein erster Draht zum Lichtbogenspritzen, der weniger als 0,03 Massen-% Kohlenstoff enthält, kann nicht eine ausreichende Stärke aufweisen, während ein erster Draht zum Spritzen, der mehr als 0,10 Massen-% Kohlenstoff enthält, eine unzureichende Viskosität aufweisen kann, wodurch eine Kollision feiner Tröpfchen als Teil einer Eisen-Spritzbeschichtung auf dem Substrat verursacht wird, was zu einer unzureichenden Haftstärke führt.
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Die zweite Eisen-Spritzbeschichtung 25 wird dann auf der ersten Eisen-Spritzbeschichtung 24 gebildet. Insbesondere wird die zweite Eisen-Spritzbeschichtung 25 auf der ersten Eisen-Spritzbeschichtung 24 mit dem Draht zum Lichtbogenspritzen W gebildet, welcher der zweite Draht zum Lichtbogenspritzen ist und Eisen und 0,03 bis 0,10 Massen-% Kohlenstoff in Bezug auf 100 Massen-% des zweiten Drahtes enthält, und mit Druckgas, das 10 bis 21 Volumen-% Sauerstoffgas enthält. Wenn der erste Draht zum Spritzen und der zweite Draht zum Spritzen derselbe sind, kann die zweite Eisen-Spritzbeschichtung 25 kontinuierlich nach der Bildung der ersten Eisen-Spritzbeschichtung 24 gebildet werden.
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Das Sauerstoff enthaltende Gas wird so angepasst, dass es Sauerstoffgas in dem oben beschriebenen Bereich in inertem Gas enthält, indem, wie dies oben beschrieben ist, die Öffnungsweite des Ventils 76 angepasst wird, während der Durchfluss mit dem Durchflussmesser 77 gemessen wird.
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Die Verwendung von Druckgas, das 10 bis 21 Volumen-% Sauerstoffgas enthält, ermöglicht es, die Oberflächenspannung der Tröpfchen (Tröpfchen des abgeschmolzenen zweiten Drahtes zum Spritzen), die sich loslösen und von einer Lösung wegfliegen, zu vermindern, im Vergleich zu der der Tröpfchen, die mit Druckgas erhalten werden, das inertes Gas ist. Folglich kann die Größe der Tröpfchen vermindert werden, während die Oxidation einiger der Tröpfchen erleichtert werden kann. Die erhaltene zweite Eisen-Spritzbeschichtung 25 kann eine Eisen-Spritzbeschichtung sein, die mit feinen Partikeln gebildet wird, die eine höhere Menge Oxide erhält als die erste Eisen-Spritzbeschichtung 24, was dazu führt, dass die Eisen-Spritzbeschichtung erhöhte Gleiteigenschaften im Vergleich zu einem Fall, in dem nur die erste Eisen-Spritzbeschichtung 24 enthalten ist, aufweist.
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Ein zweiter Draht zum Spritzen, der weniger als 0,03 Massen-% Kohlenstoff enthält, kann nicht eine ausreichende Stärke aufweisen, während der zweite Draht zum Spritzen, der mehr als 0,10 Massen-% Kohlenstoff enthält, die maschinelle Bearbeitungsfähigkeit der Beschichtung aufgrund der hohen Kohlenstoffmenge hemmen kann. Zusätzlich kann Druckgas, das weniger als 10 Volumen-% Sauerstoffgas enthält, nicht eine ausreichende Menge an Oxiden für eine Eisen-Spritzbeschichtung zur Verfügung stellen, und auch, wenn das Druckgas mehr als 20 Volumen-% Sauerstoffgas enthält, können zusätzliche Wirkungen hinsichtlich der Zurverfügungstellung weiterer Verbesserungen nicht erwartet werden.
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Die erste Eisen-Spritzbeschichtung 24 wird, wie dies oben beschrieben ist, mit groben Tröpfchen gebildet und hat somit eine Oberflächenrauheit, die größer ist als die der konventionellen Eisen-Spritzbeschichtungen und allgemein grundierter Oberflächen. Daher kann, auch wenn einige Tröpfchen des abgeschmolzenen zweiten Drahtes zum Spritzen oxidiert werden, die Haftstärke der zweiten Eisen-Spritzbeschichtung 25 durch die Verankerungswirkung, die sich aus der Oberflächenrauheit der ersten Eisen-Spritzbeschichtung 24 ergibt, gesichert werden.
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Es wird zugelassen, dass der zweite Draht zum Spritzen 0,8 bis 2,2 Massen-% Mangan und 0,9 bis 1,5 Massen-% Silicium enthält, und die zweite Eisen-Spritzbeschichtung 25 wird gebildet, während das Druckgas zugeführt wird, so dass die Tröpfchen aus abgeschmolzenem zweiten Draht zum Spritzen eine Fluggeschwindigkeit von 70 m/s oder mehr aufweisen.
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Wenn die zweite Eisen-Spritzbeschichtung 25 unter den Bedingungen gebildet wird, enthält die zweite Eisen-Spritzbeschichtung 25 Oxidkugeln in Nanogröße (Partikeldurchmesser: 10 bis 200 nm), die Mangan und Silicium enthalten. Folglich kann, aufgrund der Oxidkugeln in Nanogröße darin, die zweite Eisen-Spritzbeschichtung 25 eine weiter verbesserte Beständigkeit gegenüber Oberflächenverschleiß und Abnutzung aufweisen, im Vergleich zu einer Eisen-Spritzbeschichtung, die Eisenoxid zum Zwecke der Verbesserung der Beständigkeit gegenüber Oberflächenverschleiß und Abnutzung enthält.
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Zu der Erfindung zugehörige Beispiele werden nachfolgend beschrieben.
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<Beschichtung A>
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Eine Innenfläche einer Zylinderbohrung eines Zylinderblocks (Substrat), das ein Aluminiumguss war (JIS: ADC12), die einen Innendurchmesser von 82 mm aufwies, wurde einer Vorbehandlung (Aufrauungsbehandlung) mit einem Wasserstrahl unter der Bedingung von Spritzdruck von 300 MPa unterzogen, um die Oberflächenrauheit (Mittellinien-Durchschnittsrauheit Ra) von 5 µm vor dem Bilden einer Eisen-Spritzbeschichtung zu erhalten.
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Danach wurden Drähte zum Lichtbogenspritzen (Fe-0,03 C-0,9 Si-1,4 Mn), die 0,03 Massen-% Kohlenstoff, 0,9 Massen-% Silicium und 1,4 Massen-% Mangan enthielten, wobei der Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen waren, mittels eines Lichtbogens mit einer (zweidrahtigen) Spritzvorrichtung abgeschmolzen, wie dies in 5 gezeigt ist. Gleichzeitig wurden die abgeschmolzenen Drähte zum Lichtbogenspritzen auf das Substrat gespritzt, während Druckgas, das inertes Gas war (Stickstoffgas: 99,9 Volumen%), den abgeschmolzenen Drähten zugeführt wurde, um eine Eisen-Spritzbeschichtung auf dem Substrat mit den abgeschmolzenen Drähten zum Lichtbogenspritzen zu bilden. Entsprechend wurde das Element, das mit der Eisen-Spritzbeschichtung beschichtet ist, vorbereitet.
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Die Bedingungen zum Bilden der Beschichtung waren Folgende: eine Drahtzuführgeschwindigkeit während des Spritzens: 100 mm/s; ein Drahtdurchmesser: ϕ 1,6 mm; angelegte Spannung: 30 V und Strom: 280 A für den Lichtbogen; Geschwindigkeit der Auf- und Abwärtsbewegung der Spritzpistole: 8 mm/s; Drehgeschwindigkeit der Spritzpistole: 300 U/min; und Durchflussrate des Zerstäubungsgases: 700 l/min. Das Spritzen mit der Spritzpistole wurde mit 2 Durchgängen durchgeführt (1 Zyklus vor und zurück), um so die Stärke der Eisen-Spritzbeschichtung von 0,5 mm zu erhalten.
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<Beschichtung B>
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Ein mit einer Eisen-Spritzbeschichtung beschichtetes Element wurde auf dieselbe Weise wie bei Beschichtung A hergestellt, außer dass die verwendeten Drähte zum Lichtbogenspritzen Drähte zum Lichtbogenspritzen (Fe-0,06 C-1,0 Si-1,3 Mn) waren, die 0,06 Massen-% Kohlenstoff, 1,0 Massen-% Silicium und 1,3 Massen-% Mangan enthielten, wobei der Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen waren.
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< Beschichtung C>
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Ein mit einer Eisen-Spritzbeschichtung beschichtetes Element wurde auf dieselbe Weise wie bei Beschichtung A hergestellt, außer dass die verwendeten Drähte zum Lichtbogenspritzen Drähte zum Lichtbogenspritzen (Fe-0,1 C-1,2 Si-0,8 Mn) waren, die 0,1 Massen-% Kohlenstoff, 1,2 Massen-% Silicium und 0,8 Massen-% Mangan enthielten, wobei der Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen waren.
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< Beschichtung a>
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Ein mit einer Eisen-Spritzbeschichtung beschichtetes Element wurde auf dieselbe Weise wie bei Beschichtung A hergestellt, außer dass die verwendeten Drähte zum Lichtbogenspritzen Drähte zum Lichtbogenspritzen (Fe-0,12 C-1,0 Si-1,3 Mn) waren, die 0,12 Massen-% Kohlenstoff, 1,0 Massen-% Silicium und 1,3 Massen-% Mangan enthielten, wobei der Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen waren.
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< Beschichtung b>
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Ein mit einer Eisen-Spritzbeschichtung beschichtetes Element wurde auf dieselbe Weise wie bei Beschichtung A hergestellt, außer dass die verwendeten Drähte zum Lichtbogenspritzen Drähte zum Lichtbogenspritzen (Fe-0,2 C-0,9 Si-1,4 Mn) waren, die 0,2 Massen-% Kohlenstoff, 0,9 Massen-% Silicium und 1,4 Massen-% Mangan enthielten, wobei der Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen waren.
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< Beschichtung c>
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Ein mit einer Eisen-Spritzbeschichtung beschichtetes Element wurde auf dieselbe Weise wie bei Beschichtung A hergestellt, außer dass die verwendeten Drähte zum Lichtbogenspritzen Drähte zum Lichtbogenspritzen (Fe-0,3 C-0,8 Si-1,3 Mn) waren, die 0,3 Massen-% Kohlenstoff, 0,8 Massen-% Silicium und 1,3 Massen-% Mangan enthielten, wobei der Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen waren.
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< Beschichtung d>
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Ein mit einer Eisen-Spritzbeschichtung beschichtetes Element wurde auf dieselbe Weise wie bei Beschichtung A hergestellt, außer dass die verwendeten Drähte zum Lichtbogenspritzen Drähte zum Lichtbogenspritzen (Fe-0,08 C-0,7 Si-1,0 Mn) waren, die 0, 8 Massen-% Kohlenstoff, 0,7 Massen-% Silicium und 1,0 Massen-% Mangan enthielten, wobei der Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen waren.
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< Beschichtung e bis k>
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Elemente, die mit Eisen-Spritzbeschichtungen nach Beschichtung e bis Beschichtung k beschichtet wurden, die jeweils den Vergleichenden Beispielen in Bezug auf die Beschichtungen A bis C und den Beschichtungen a bis d entsprechen, wurden auf dieselbe Weise wie die Beschichtungen A bis C gebildet, abgesehen davon, dass die Eisen-Spritzbeschichtungen auf den Substraten mit Tröpfchen der abgeschmolzenen Drähte zum Lichtbogenspritzen gebildet wurden, indem die abgeschmolzenen Drähte zum Lichtbogenspritzen auf die Substrate gespritzt wurden, während Druckgas zugeführt wurde, das Luft war (Sauerstoffgas: 21 Volumen-%, Stickstoffgas: der Rest).
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< Beschichtung l und m>
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Die Beschichtung
1 entspricht einem Element, das mit einer Eisen-Spritzbeschichtung beschichtet wurde, das eine Eisen-Spritzbeschichtung einschließt, die nach dem in der
JP 2009- 155 720 A offenbarten Verfahren gebildet wurde, und die Beschichtung m entspricht einem Element, das mit einer Eisen-Spritzbeschichtung beschichtet wurde, die nach dem in
DE 10 2008 053642 offenbarten Verfahren gebildet wurde. Die Beschichtung
1 unterscheidet sich von der Beschichtung A dadurch, dass die Eisen-Spritzbeschichtung mit einem Material zum Spritzen gebildet wurde, das einen Kohlenstoffgehalt von 1,5 Massen-% aufwies, unter einer Sauerstoffgas enthaltenden Atmosphäre. Die Beschichtung m unterscheidet sich von der Beschichtung A dadurch, dass ein Material zum Spritzen, das einen Kohlenstoffgehalt von 0,9 Massen-% aufwies, verwendet wurde.
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[Mikroskopie]
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Die Querschnittsgewebe der oberen Teile (die Stellen, die weniger anfällig für die Staubwirkung waren, da Staub von unten abgesaugt wurde), wo das Spritzen an den Innenflächen der Bohrungen begonnen wurde, die Eisen-Spritzbeschichtungen der Beschichtungen A bis C und der Beschichtungen e bis m aufwiesen, wurden unter einem Lichtmikroskop betrachtet. Repräsentative Ergebnisse davon werden in den 11A, 11B und 12A bis 12C gezeigt. 11A ist eine Fotografie des Gewebes der Eisen-Spritzbeschichtung nach der Beschichtung B und 11B ist eine Fotografie des Gewebes der Eisen-Spritzbeschichtung nach der Beschichtung f. 12A ist eine Fotografie des Gewebes der Eisen-Spritzbeschichtung nach der Beschichtung B, 12B ist eine Fotografie des Gewebes der Eisen-Spritzbeschichtung nach der Beschichtung 1 und 12C ist eine Fotografie des Gewebes der Eisen-Spritzbeschichtung nach der Beschichtung m.
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[Messung der Partikelgröße]
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Nach JIS Z8827-1 wurde die Partikelgröße der Eisen-Spritzbeschichtungen der Beschichtungen A bis C und der Beschichtungen a bis k gemessen. Insbesondere wurden die Mikroskop-Bilder vergrößert und mit einem transparenten Bogen überlagert, auf dem die Korngrenzen der gespritzten Partikel eingezeichnet wurden. Die Fotografien der gezeichneten Korngrenzen wurden einer Bildverarbeitung unterzogen, um die Partikelgröße zu bestimmen. Die Partikelgröße, wie sie hierin verwendet wird, ist der maximale Feret-Durchmesser nach JIS Z8827-1, der dem Durchschnitt (etwa 100 Probenahmestellen) der Durchmesser längs (maximale Durchmesser) der abgeflachten Partikel entspricht. Die Ergebnisse werden in
9 und Tabelle 1 gezeigt.
9 ist ein Graph, der die Korrelation zwischen dem Kohlenstoffgehalt der Drähte zum Lichtbogenspritzen nach den Beschichtungen A bis C und der Beschichtungen a bis m und den Partikeldurchmesser der Eisen-Spritzbeschichtungen zeigt, die mit den Drähten erhalten wurden.
[Tabelle 1]
| | Druckgas | Draht Kohlenstoffgehalt (Massen-%) | PartikelDurchmesser (µm) |
| Beschichtung A | Inertes Gas | 0,03 | 141 |
| Beschichtung B | Inertes Gas | 0,06 | 135 |
| Beschichtung C | Inertes Gas | 0,10 | 129 |
| Beschichtung a | Inertes Gas | 0,12 | 103 |
| Beschichtung b | Inertes Gas | 0,20 | 102 |
| Beschichtung c | Inertes Gas | 0,30 | 90 |
| Beschichtung d | Inertes Gas | 0,80 | 72 |
| Beschichtung e | Sauerstoff enthaltendes Gas | 0,03 | 83 |
| Beschichtung f | Sauerstoff enthaltendes Gas | 0,06 | 83 |
| Beschichtung g | Sauerstoff enthaltendes Gas | 0,10 | 81 |
| Beschichtung h | Sauerstoff enthaltendes Gas | 0,12 | 76 |
| Beschichtung i | Sauerstoff enthaltendes Gas | 0,20 | 73 |
| Beschichtung j | Sauerstoff enthaltendes Gas | 0,30 | 68 |
| Beschichtung k | Sauerstoff enthaltendes Gas | 0,80 | 36 |
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[Messung der Haftstärke]
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Proben zur Prüfung der Haftung wurden aus den mit der Eisen-Spritzbeschichtung beschichteten Elementen der Beschichtungen A bis C und der Beschichtungen a bis k herausgeschnitten, um die Eisen-Spritzbeschichtungen durch einen Kratztest zu prüfen. Die Ergebnisse werden in Tabelle 2 und
10 gezeigt.
10 ist ein Graph, der die Korrelation zwischen dem Partikeldurchmesser und der Haftstärke nach den Beschichtungen A bis C und den Beschichtungen a bis m zeigt.
[Tabelle 2]
| | Druckgas | Draht Kohlenstoffgehalt (Massen-%) | Haftstärke (MPa) |
| Beschichtung A | Inertes Gas | 0,03 | 118 |
| Beschichtung B | Inertes Gas | 0,06 | 120 |
| Beschichtung C | Inertes Gas | 0,10 | 119 |
| Beschichtung a | Inertes Gas | 0,12 | 84 |
| Beschichtung b | Inertes Gas | 0,20 | 80 |
| Beschichtung c | Inertes Gas | 0,30 | 76 |
| Beschichtung d | Inertes Gas | 0,80 | 73 |
| Beschichtung e | Sauerstoff enthaltendes Gas | 0,03 | 75 |
| Beschichtung f | Sauerstoff enthaltendes Gas | 0,06 | 73 |
| Beschichtung g | Sauerstoff enthaltendes Gas | 0,10 | 71 |
| Beschichtung h | Sauerstoff enthaltendes Gas | 0,12 | 70 |
| Beschichtung i | Sauerstoff enthaltendes Gas | 0,20 | 68 |
| Beschichtung j | Sauerstoff enthaltendes Gas | 0,30 | 66 |
| Beschichtung k | Sauerstoff enthaltendes Gas | 0,80 | 62 |
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[Betrachtung der Oberflächengewebe]
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Die Oberflächen der Eisen-Spritzbeschichtungen der Elemente, die mit den Eisen-Spritzbeschichtungen nach den Beschichtungen B, a, f und h beschichtet wurden, wurden Schneidvorgängen durch Bohren sowie durch Honen unterzogen (Grobschlichten, Vorschlichten und Plateau-Honen), und die Oberfläche der Eisen-Spritzbeschichtungen wurde auf die Entstehung von Vertiefungen hin bewertet. Repräsentative Ergebnisse davon werden in 13 gezeigt. 13 sind Fotografien der Oberflächengewebe der Eisen-Spritzbeschichtungen nach den Beschichtungen B, a, f und h.
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[Reibungs- und Abnutzungsprüfung und Härteprüfung]
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Testblockteile wurden aus den mit den Eisen-Spritzbeschichtungen der Beschichtungen A bis C und den Beschichtungen a, b und d beschichteten Elementen herausgeschnitten, die Härte der Oberfläche der Eisen-Spritzbeschichtungen wurde gemessen, und dann wurde der Reibungskoeffizient und die Abnutzungsmenge durch den LFW-Reibungstest (Block-auf-Ring-Prüfung) gemessen. Die Ergebnisse werden in 14 gezeigt.
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14 ist ein Graph, der die Korrelation zwischen dem Kohlenstoffgehalt der Drähte zum Lichtbogenspritzen nach den Beschichtungen A bis C und den Beschichtungen a, b und d und der LFW-Abnutzungsmenge der Eisen-Spritzbeschichtungen, die unter den Bedingungen gebildet werden, zeigt, und die Korrelation zwischen dem Kohlenstoffgehalt der Drähte zum Lichtbogenspritzen und dem durchschnittlichen Reibungskoeffizienten der Eisen-Spritzbeschichtungen, die unter den Bedingungen gebildet werden. 15 ist ein Graph, der die Korrelation zwischen Kohlenstoffgehalt der Drähte zum Lichtbogenspritzen nach den Beschichtungen A bis C und den Beschichtungen a, b und d und der Härte der Eisen-Spritzbeschichtungen, die mit den Drähten gebildet werden, zeigt.
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[Ergebnisse für den Kohlenstoffgehalt]
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Der Kohlenstoffgehalt der Eisen-Spritzbeschichtungen der Beschichtungen A bis C und der Beschichtungen a bis k wurde durch Röntgenspektroskopie gemessen. Die Ergebnisse werden in Tabelle 3 weiter unten gezeigt.
[Tabelle 3]
| | Druckgas | Draht Kohlenstoffgehalt (Massen-%) | Beschichtung Kohlenstoffgehalt (Massen-%) |
| Beschichtung A | Inertes Gas | 0,03 | 0,015 |
| Beschichtung B | Inertes Gas | 0,06 | 0,035 |
| Beschichtung C | Inertes Gas | 0,10 | 0,063 |
| Beschichtung a | Inertes Gas | 0,12 | 0,074 |
| Beschichtung b | Inertes Gas | 0,20 | 0,080 |
| Beschichtung c | Inertes Gas | 0,30 | 0,179 |
| Beschichtung d | Inertes Gas | 0,80 | 0,500 |
| Beschichtung e | Sauerstoff enthaltendes Gas | 0,03 | 0,008 |
| Beschichtung f | Sauerstoff enthaltendes Gas | 0,06 | 0,035 |
| Beschichtung g | Sauerstoff enthaltendes Gas | 0,10 | 0,070 |
| Beschichtung h | Sauerstoff enthaltendes Gas | 0,12 | 0,090 |
| Beschichtung i | Sauerstoff enthaltendes Gas | 0,20 | 0,163 |
| Beschichtung j | Sauerstoff enthaltendes Gas | 0,30 | 0,254 |
| Beschichtung k | Sauerstoff enthaltendes Gas | 0,80 | 0,709 |
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[Ergebnis 1 und Diskussion 1]
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Wie dies in den 9, 11A, 11B und 12A bis 12C gezeigt ist, wurde die Größe der Partikel, welche die Eisen-Spritzbeschichtungen bilden, erhöht, wenn die Drähte zum Lichtbogenspritzen verminderte Kohlenstoffgehalte aufwiesen, und die Größe der Partikel, welche die Eisen-Spritzbeschichtungen bilden, wurde erhöht, wenn inertes Gas verwendet wurde, im Vergleich zu dem Fall, in dem Sauerstoff enthaltendes Gas verwendet wurde. Wie dies in 10 gezeigt ist, war die Haftstärke der Eisen-Spritzbeschichtungen nach den Beschichtungen A bis C höher als die der Beschichtungen a bis m und mit der Scherspannung bei Versagen des Substrats vergleichbar (ADC12).
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Und zwar wird davon ausgegangen, dass, auch wenn die Eisen-Spritzbeschichtungen nach den Beschichtungen A bis C maschineller Bearbeitung unterzogen werden oder bei der Verwendung lokal beaufschlag werden, die Eisen-Spritzbeschichtungen und die Substrate vereinigt sind und die Eisen-Spritzbeschichtungen von daher schwer von den Substraten zu lösen sind.
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Insbesondere wird davon ausgegangen, dass durch Definition des Kohlenstoffgehalts in den Drähten zum Lichtbogenspritzen auf 0,03 bis 0,1 Massen-% wie in den Beschichtungen A bis C die Tröpfchen der abgeschmolzenen Drähte zum Spritzen eine erhöhte Viskosität aufwiesen, und dass bei Verwendung eines inerten Gases die Oxidation der abgeschmolzenen Tröpfchen unterdrückt wurde, als die Tröpfchen abgelöst wurden und von der Lösung wegflogen, was zu einer Erhöhung der Oberflächenspannung der Tröpfchen führte.
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Entsprechend wird davon ausgegangen, dass grobe Tröpfchen im Fall der Beschichtungen A bis C stabil von den Drähten zum Spritzen zu dem Substrat unter einer weniger oxidierenden Umgebung fliegen, im Vergleich zu dem Fall der Beschichtungen a bis k. Als Ergebnis kann zugelassen werden, dass die Tröpfchen, die eine erhöhte Menge Wärme als ein Teil der Eisen-Spritzbeschichtungen aufweisen, mit den Substraten kollidieren. Entsprechend wird davon ausgegangen, dass die physische Adsorption zwischen den Substraten und den Eisen-Spritzbeschichtungen erhöht werden könnte, ebenso könnte die Rate der Anlagerung von Metall dazwischen erhöht werden, wodurch die Haftung der Eisen-Spritzbeschichtungen an den Substraten erhöht wird. Des Weiteren, wie dies in Tabelle 1 gezeigt ist, wird davon ausgegangen, dass die Eisen-Spritzbeschichtungen der Beschichtungen A bis C Kohlenstoffgehalte von 0,07 Massen-% oder weniger aufwiesen, und somit wiesen die Eisen-Spritzbeschichtungen eine bevorzugte maschinelle Bearbeitungsfähigkeit auf.
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Jedoch wies, wie dies in 13 gezeigt ist, die Beschichtung B größere Oberflächenvertiefungen auf und zeigte eine geringere Oberflächenhärte der Eisen-Spritzbeschichtung als andere Beschichtungen, da die Beschichtung durch Kollision von groben Tröpfchen wie oben beschrieben gebildet wurde. Entsprechend wurde in den 16 und 17 gezeigt, dass, wenn die Beständigkeit gegen Abnutzung und eine Verminderung des Reibungskoeffizienten erforderlich sind, es bevorzugt ist, eine erste Eisen-Spritzbeschichtung als eine Unterschicht (Zwischenschicht) zu bilden, die eine Eisen-Spritzbeschichtung nach einer der Beschichtungen A bis C ist, und eine zweite Eisen-Spritzbeschichtung, die über Beständigkeit gegenüber Abnutzung verfügt, darüber zu bilden.
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Beispiele der Bildung einer ersten Eisen-Spritzbeschichtung und einer zweiten Eisen-Spritzbeschichtung werden nachfolgend beschrieben.
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<Beispiele 1>
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Ein Element, das mit einer Eisen-Spritzbeschichtung aus Beispiel 1 beschichtet wurde, wurde auf dieselbe Weise wie die Beschichtung A hergestellt, außer, dass die erste Eisen-Spritzbeschichtung, welche die Eisen-Spritzbeschichtung der Beschichtung A war, mit der Bewegungsgeschwindigkeit von 16 mm/s gebildet wurde, und dann wurde die Eisen-Spritzbeschichtung ähnlich gebildet, unter Verwendung einer Gaszuführvorrichtung, die in 6 gezeigt wird, um Sauerstoffgas enthaltendes Gas der Spritzvorrichtung zuzuführen.
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Die Bedingungen zum Bilden der zweiten Eisen-Spritzbeschichtung waren Folgende: eine Draht-Zuführgeschwindigkeit während des Spritzens: 100 mm/s; ein Drahtdurchmesser: ϕ 1,6 mm; angelegte Spannung: 30 V und Strom: 280 A für den Lichtbogen; Geschwindigkeit beim Auf- und Abwärtsbewegen der Spritzpistole: 5,4 mm/s; Drehgeschwindigkeit der Spritzpistole: 300 U/min; Durchflussrate des Zerstäubungsgases 700 l/min; und Druckgas: Stickstoffgas, das 10 Volumen-% Sauerstoff enthielt. Die Eisen-Spritzbeschichtung des mit Spritzbeschichtung beschichteten Elements wurde dann Schneidvorgängen durch Bohren sowie durch Honen unterzogen (Grobschlichten, Vorschlichten und Plateau-Honen).
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<Beispiel 2>
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Ein Element, das mit einer Eisen-Spritzbeschichtung aus Beispiel 2 beschichtet wurde, wurde wie in Beispiel 1 hergestellt, außer dass das verwendete Druckgas Stickstoffgas war, das 21 Volumen-% Sauerstoff enthielt.
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<Vergleichendes Beispiel 1>
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Ein Element, das mit einer Eisen-Spritzbeschichtung des Vergleichenden Beispiels 1 beschichtet wurde, wurde wie in Beispiel 1 hergestellt, außer dass das verwendete Druckgas Stickstoffgas war, das 0,1% Volumen-% Sauerstoff enthielt.
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<Vergleichendes Beispiel 2>
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Ein Element, das mit einer Eisen-Spritzbeschichtung des Vergleichenden Beispiels 2 beschichtet wurde, wurde wie in Beispiel 1 hergestellt, außer dass das verwendete Druckgas Stickstoffgas war, das 5% Volumen-% Sauerstoff enthielt.
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Die Elemente, die mit den Eisen-Spritzbeschichtungen nach den Beispielen 1 und 2 und den Vergleichenden Beispielen 1 und 2 beschichtet wurden, wurden Reibungs- und Abnutzungsprüfungen wie die Beschichtung A unterzogen. Die Ergebnisse werden in 16 gezeigt. 16 ist ein Graph, der die Korrelation zwischen dem Sauerstoffgehalt in Zerstäubungsgasen nach den Beispielen 1 und 2 und den Vergleichenden Beispielen 1 und 2 und der LFW-Abnutzungsmenge der Eisen-Spritzbeschichtungen zeigt, die unter den Bedingungen gebildet wurden, und die Korrelation zwischen dem Sauerstoffgehalt in den Zerstäubungsgasen und dem durchschnittlichen Reibungskoeffizienten der Eisen-Spritzbeschichtungen, die unter den Bedingungen gebildet wurden.
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[Ergebnis 2 und Diskussion 2]
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Wie dies in 16 gezeigt ist, wiesen die Beispiele 1 und 2, in denen die zweiten Eisen-Spritzbeschichtungen auf den ersten Eisen-Spritzbeschichtungen unter Verwendung des Druckgases gebildet wurden, das 10 bis 21 Volumen-% Sauerstoffgas enthielt, verbesserte Beständigkeit gegen Abnutzung sowie einen verminderten Reibungskoeffizienten im Vergleich zu den Vergleichenden Beispielen 1 und 2 auf. Es wird angenommen, dass die Verwendung von Gas, das Sauerstoffgas mit dem oben beschriebenen Gehalt enthält, eine verminderte Oberflächenspannung der Tröpfchen (Tröpfchen des abgeschmolzenen zweiten Drahtes zum Spritzen), die sich ablösten und von einer Lösung wegflogen, zuließ, im Vergleich zu der Verwendung von Druckgas, das ein inertes Gas war. Entsprechend wird angenommen, dass die Größe der Tröpfchen vermindert werden könnte, während die Oxidierung einiger der abgeschmolzenen Tröpfchen erleichtert werden könnte. Folglich kann die erhaltene zweite Eisen-Spritzbeschichtung die Eisen-Spritzbeschichtung sein, die mit feinen Partikeln gebildet wurde, die eine höhere Menge Oxide enthält als die erste Eisen-Spritzbeschichtung, was somit dazu führt, dass die Eisen-Spritzbeschichtungen erhöhte Gleiteigenschaften im Vergleich zu den Vergleichenden Beispielen 1 und 2 aufweisen.
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<Beispiel 3>
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Elemente, die mit Eisen-Spritzbeschichtungen von Beispiel 3 beschichtet wurden, wurden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer, dass die Durchflussrate des Zerstäubungsgases 600 l/min, 700 l/min, 900 l/min, 1000 l/min oder 1100 l/min betrug. Die Eisen-Spritzbeschichtungen der Elemente, die mit den Eisen-Spritzbeschichtungen beschichtet wurden, wurden der Härteprüfung und derselben Reibungs- und Abnutzungsprüfung, wie Beschichtung A auch dieser Prüfung unterzogen wurde, und des Weiteren wurden die Beschichtungen auch der Prüfung auf Beständigkeit gegenüber Oberflächenverschleiß (die Zeit, bevor Oberflächenverschleiß entsteht) unterzogen, um die Eigenschaften hinsichtlich der Fressbeständigkeit zu bewerten. Die Fluggeschwindigkeit der Tröpfchen, die abhängig von dem Zerstäubungsgas war, wurde mit einer Spraywatch-System von Osier gemessen. Die Eisen-Spritzbeschichtungen wurden durch TEM betrachtet und einer Elementanalyse durch EDX-Analyse unterzogen. Die Ergebnisse werden in den 17 bis 22 gezeigt.
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17 ist ein Graph, der die Korrelation zwischen der Durchflussrate des Zerstäubungsgases während der Bildung der Beschichtungen nach Beispiel 3 und der Härte der Eisen-Spritzbeschichtungen, die mit den Durchflussraten gebildet wurden, zeigt. 18 ist ein Graph, der die Korrelation zwischen der Durchflussrate des Zerstäubungsgases während der Bildung der Beschichtungen nach Beispiel 3 und der LFW-Abnutzungsmenge der Eisen-Spritzbeschichtungen, die mit den Durchflussraten gebildet wurden, zeigt. 19 ist ein Graph, der die Korrelation zwischen der Durchflussrate des Zerstäubungsgases während der Bildung der Beschichtungen nach Beispiel 3 und der Fluggeschwindigkeit der Partikel während der Bildung der Beschichtungen zeigt. 20 ist ein Graph, der die Korrelation zwischen der Durchflussrate des Zerstäubungsgases während der Bildung der Beschichtungen nach Beispiel 3 und des Reibungskoeffizienten der Eisen-Spritzbeschichtungen, die mit den Durchflussraten gebildet wurden, zeigt, sowie die Korrelation zwischen der Durchflussrate des Zerstäubungsgases während der Bildung der Beschichtungen und der Zeit, bis Oberflächenverschleiß der Eisen-Spritzbeschichtungen, die mit den Durchflussraten gebildet wurden, entsteht.
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Ferner sind 21A und 21B die Ergebnisse der TEM-Betrachtung der Beschichtung, die mit einer Durchflussrate des Zerstäubungsgases von 700 l/min in Beispiel 3 gebildet wurde, und 22A und 22B sind die Ergebnisse der TEM-Betrachtung der Beschichtung, die mit einer Durchflussrate des Zerstäubungsgases von 900 l/min in Beispiel 3 gebildet wurde. 21C und 22C sind Graphen, welche die Ergebnisse von EDX-Analysen der Partikel in den Beschichtungen, die jeweils unter Bedingungen hinsichtlich der Durchflussrate des Zerstäubungsgases von 700 l/min und 900 l/min gebildet wurden, zeigen.
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[Ergebnis 3 und Diskussion 3]
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17, 18 und 19 zeigen, dass beim Bilden der zweiten Eisen-Spritzbeschichtungen mit einer Durchflussrate des Zerstäubungsgases von 900 l/m oder mehr, d. h. durch Zuführen von Druckgas, so dass die Fluggeschwindigkeit der Tröpfchen des abgeschmolzenen zweiten Drahtes zum Sprühen 70 m/s oder mehr beträgt, die zweiten Eisen-Spritzbeschichtungen eine erhöhte Härte aufwiesen. Folglich wurde nicht nur die LFW-Abnutzungsmenge gemindert, auch der durchschnittliche Reibungskoeffizient wurde reduziert, und die Zeit vor der Entstehung von Oberflächenverschleiß wurde ebenso verlängert.
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Wie dies in 21A und 21B gezeigt ist, wurden die Beschichtungen mit vieleckigen Partikeln gebildet, unter der Bedingung der Durchflussrate des Zerstäubungsgases von 700 l/min (d. h. Fluggeschwindigkeit von weniger als 70 m/s), während, wie dies in den 22A und 22B gezeigt ist, die Beschichtungen mit kugelförmigen Nanopartikein von etwa 10 bis 200 nm unter der Bedingung der Durchflussrate des Zerstäubungsgases von 900 l/min (d. h. die Fluggeschwindigkeit von 70 m/s oder mehr) gebildet wurden.
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Wie dies in 21C gezeigt ist, enthalten die vieleckigen Partikel Eisencarbid (FeCx), während, wie dies in 22C gezeigt ist, die kugelförmigen Nanopartikel Oxidkugeln sind, die Mangan und Silicium enthalten (MnxSiyOz). Wenn die Fluggeschwindigkeit der Tröpfchen 70 m/s oder mehr beträgt, können die Tröpfchen Sauerstoff enthalten, das in dem Zerstäubungsgas enthalten ist, um die Sauerstoffkugeln zu erzeugen. Es wird angenommen, dass die Oxidkugeln in Nanogröße in der zweiten Eisen-Spritzbeschichtung die Beständigkeit gegenüber Oberflächenverschleiß und Abnutzung weiter verbessein können.
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Nach den oben aufgeführten Experimenten der Erfinder enthält der Draht zum Zerstäubungsspritzen bevorzugt Mangan im Bereich von 0,8 bis 2,2 Massen-% und Silicium im Bereich von 0,9 bis 1,5 Massen-%. Wenn der Mangangehalt unter 0,8 Massen-% liegt, kann die Eisen-Spritzbeschichtung eine verminderte Härte aufweisen, und wenn der Gehalt über 2,2 Massen-% liegt, können die Oxidkugeln nicht erhalten werden. Wenn der Bereich des Siliciums unter 0,9 Massen-% liegt, können die Oxidkugeln eventuell nicht erhalten werden, und wenn der Bereich des Siliciums mehr als 1,5 Massen-% beträgt, können die Spritzeigenschaften verschlechtert sein.
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<Beispiel 4>
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Ein Element, das mit einer Eisen-Spritzbeschichtung beschichtet wurde, wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer dass die Durchflussrate von Stickstoffgas, das 10 Volumen-% Sauerstoff enthielt, 900 l/min betrug.
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<Beispiel 5>
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Ein Element, das mit einer Eisen-Spritzbeschichtung beschichtet wurde, wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer dass die Durchflussrate von Stickstoffgas, das 21 Volumen-% Sauerstoff enthielt, 900 l/min betrug.
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<Vergleichendes Beispiel 3>
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Ein Element, das mit einer Eisen-Spritzbeschichtung beschichtet wurde, wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 4 hergestellt, außer dass das verwendete Druckgas Stickstoffgas war, das 0,1 Volumen-% Sauerstoff enthielt.
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<Vergleichendes Beispiel 4>
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Ein Element, das mit einer Eisen-Spritzbeschichtung beschichtet wurde, wurde auf dieselbe Weise wie in Beispiel 4 hergestellt, außer dass das verwendete Druckgas Stickstoffgas war, das 5 Volumen-% Sauerstoff enthielt.
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Tabelle 4 zeigt Bedingungen zum Bilden der zweiten Eisen-Spritzbeschichtungen der Beispiele 1 bis 5 und der Vergleichenden Beispiele 1 bis 4.
[Tabelle 4]
| | Bedingungen zum Bilden der zweiten Eisen-Spritzbeschichtung |
| Druckgas | Gas- Durchflussrate |
| Beispiel 1 | N2 + 10 Vol-% O2 | 700 l/min |
| Beispiel 2 | N2 + 21 Vol-% O2 | 700 l/min |
| Beispiel 3 | N2 + 10 Vol-% O2 | 600 l/min |
| 700 l/min |
| 900 l/min |
| 1000 l/min |
| 1100 l/min |
| Beispiel 4 | N2 + 10 Vol-% O2 | 900 l/min |
| Beispiel 5 | N2 + 21 Vol-% O2 | 900 l/min |
| Vergleichendes Beispiel 1 | N2 + 0,1 Vol-% O2 | 700 l/min |
| Vergleichendes Beispiel 2 | N2 + 5 Vol-% O2 | 700 l/min |
| Vergleichendes Beispiel 3 | N2 + 0,1 Vol-% O2 | 900 l/min |
| Vergleichendes Beispiel 4 | N2 + 5 Vol-% O2 | 900 l/min |
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Die Eisen-Spritzbeschichtungen der Elemente, die mit Eisen-Spritzbeschichtungen beschichtet wurden, wurden der Prüfung der Beständigkeit gegenüber Reibung und Abnutzung unterzogen (die Zeit, bis Oberflächenverschleiß entsteht), um die Beständigkeitseigenschaften gegenüber Festfressen der Eisen-Spritzbeschichtungen in Beispiel 3 zu bewerten. Die Ergebnisse werden in 23 gezeigt.
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23 ist ein Graph, der die Korrelation zwischen der Durchflussrate des Zerstäubungsgases während der Bildung der Beschichtungen nach den Beispielen 4 und 5 und den Vergleichenden Beispielen 3 und 4 und der LFW-Abnutzungsmenge der Eisen-Spritzbeschichtungen, die unter den Bedingungen gebildet werden, und die Korrelation zwischen der Durchflussrate des Zerstäubungsgases während der Bildung der Beschichtungen und der Zeit bis zur Entstehung von Oberflächenverschleiß der Eisen-Spritzbeschichtungen, die unter den Bedingungen gebildet werden, zeigt.
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[Ergebnis 4 und Diskussion 4]
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Wie dies in 23 gezeigt ist, wird davon ausgegangen, dass die Eisen-Spritzbeschichtungen nach den Beispielen 4 und 5 verbesserte Beständigkeit gegenüber Abnutzung und Oberflächenverschleiß aufgrund von Oxidkugeln in Nanogröße aufweisen, verglichen mit den Vergleichenden Beispielen 3 und 4.
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Die Ausführungsformen der Erfindung wurden spezifisch weiter oben beschrieben. Jedoch ist die Erfindung nicht auf die oben genannten Ausführungsformen beschränkt und kann auf verschiedene Arten modifiziert werden.
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Beispielsweise, auch wenn die oben genannten Beispiele Bildungen der ersten und zweiten Eisen-Spritzbeschichtung betreffen, kann auch nur die erste Eisen-Spritzbeschichtung auf einem Teil gebildet werden, auf dem überwiegend eine Haftung erforderlich ist. Eine Beschichtung, die aus einem unterschiedlichen Material als die erste Eisen-Spritzbeschichtung hergestellt wurde, und die härter als die erste Eisen-Spritzbeschichtung ist, kann darauf gebildet werden. Des Weiteren kann nur die zweite Schicht auf einem Teil gebildet werden, auf dem überwiegend eine Abnutzungsbeständigkeit der Eisen-Spritzbeschichtung mit einem geringen Kohlenstoffgehalt erforderlich ist.
