輕金屬合金滑動面的制作方法

專利名稱：輕金屬合金滑動面的制作方法
技術領域：
本發明涉及權利要求1所概述的方法。
本發明還涉及權利要求11的活塞式機械，特別是內燃機。
從DE-4440713A1中已知一種在鑄鐵件上制作滑動面的方法，這種方法通過多步工序在滑動面上加工出潤滑穴，后者在運行中保證流體動力學的潤滑作用。該多步工序包括表面的機加工處理，然后在適于除光澤的壓力下用一種化學和電化學穩定的液體處理。通過液流噴射和磨鍍組合作用在相應表面上出現潤滑穴，這些潤滑穴共同構成流體動力學所要求保證的微壓潤滑穴系統。通過打磨加工使碳化鈦和氮化鈦從表面上拉脫，從而達到材料產生紋路的目的，其間所產生的焊口通過進一步處理重新涂平，其后的液流噴射和磨鍍再加深這些凹坑。
從US-A-5080056獲知，用高速火焰噴射可在鎂合金作成的工件上涂上一層基本上無孔隙的鋁-青銅合金，其層厚約為1mm，經打磨處理后，其最終厚度約為127μm。
已知，與微壓力潤滑穴系統相反，例如在內燃機汽缸鏡面上通過打磨處理形成一種相關的系統。在這種情況下產生相互交叉的小溝，通過交叉區相互連接，匯總形成一個開式系統。其缺點在于，在滑動面上滑動的工件，例如內燃機活塞的活塞環，使小溝中的油隨之移動，從而只能形成有限的流體動力學油壓。其結果是處溝邊緣，參與滑動的一對工件之間產生無潤滑摩擦。對灰口鑄鐵工件廣泛應用的混摩擦-潤滑系統，由于重量原因改用鎂合金的工件時則不能應用。
由US-A 2588422公布的一種鋁發動機組，其汽缸鏡面擁有熱噴射涂層。這種由厚約1mm的鋼質滑動層和厚約50μm含鉬的中間涂層組成的雙涂層是處于未經處理的發動機組表面上。含至少60％鉬的中間層雖不起滑動層作用，但對與鋁相組聯結硬滑動層卻是必需的。這種聯結層應優選純鉬。滑動層為一硬的金屬層，例如碳鋼，青銅或不銹鋼，而鋼可以是例如鎳，鉻，釩或鉬的合金鋼。原則上講，雖然用這種層結構可以提供良好的滑動層，但雙涂層的費用是相當大。
GB 2050434A公布了厚度為0.5-2.5mm的各種熱噴涂制得的涂層。這些涂層涂于內燃機的鋼件或鑄件上，例如活塞環或汽缸滑動襯套上。肯定的講，由等量鉬粉和碳鋼粉在上述材料上組成的涂層的耐磨性能比由含0.5-4.5％(重量)鉬以及還含20-97％(重量)的金屬碳化物(有時還含鐵或含鐵合金)所組成之涂層要小得多。至于這種涂層應用于鎂合金上的情況則應參考已提及的US-A 2588422。
GB-PS 1478287描述了對鋼-或鑄件，例如活塞環，汽缸體或汽缸滑動襯套，等離子噴涂所用的粉末混合物，噴涂厚度約為762-1270μm。粉末為鉬，硼和鑄鐵的混合物，其中所含鑄鐵至少與鉬等；一般硼的含量處于鉬和鑄鐵總和的3％。但如GB2050434 A例1所示，這種涂層已不能滿足目前質量要求。
DE-AS 2146153公布了另一種汽缸滑動襯套涂層，其中描述了除含有65％(重量)鉬之外，還含有鎳和鉻，硼，硅；有時還含有鐵的等離子噴涂層。灰口鑄鐵制成的汽缸滑動襯套的涂層擁有0.1-2μm的微孔，其總的孔隙度為15％，此涂層與上面提及的英國文獻中的涂層相當。
如上所述，已知有各種不同的等離子涂層用于鋁合金上。但將這些涂層轉用于鎂合金上原則上講是不可能的，因為鎂合金的熱膨脹系數約比鋁合金大1/3。相應地，等離子涂層與鎂合金的熱膨脹系數之比約為1∶3，這樣，可以預期，在等離子噴涂層和鎂合金之間將有較大的應力。
本發明的任務是提供一種在鎂合金或鋁合金上制作滑動面的方法，而且一次噴涂。其次本發明的任務還涉及鎂合金或鋁合金發動機體的往復式汽缸。
權利要求1的措施可解決此任務。
有關的權利要求給出了此方法之有效實施方案。
權利要求11解決了有關往復式汽缸的任務。
鎂合金一般含有不少于20％(重量)鎂，而且鎂是合金的主要成份，鋁合金亦類似。
雖然鎂合金的熱膨脹系數約為27·10-6K-1，鋁合金的熱膨脹系數約為21·10-6K-1，而涂層的熱膨脹系數約為10·10-6K-1，但本發明的涂層在輕金屬合金上是具有很好的附著力。曾經表明，對于這種含鉬涂層，只要輕金屬合金表面具有一定的粗糙度，就能足以使輕金屬合金和所形成的涂層之間保持良好的附著性。為達到特別好以附著性建議通過系列試驗確定具體的輕金屬合金和含鉬涂層的最佳輕合金表面粗糙度。同樣，為達到良好的附著亦應通過系列試驗，如在通用等離子噴涂技術上，使噴涂條件最佳化。例如，在利用粉末作噴涂介質的情況下，就粉末顆粒大小、鉬對鋼的比例以及鋼種，經過少量試驗，一般就能求得最佳值。
本發明的方法提供一種相對簡單的微壓腔系統，其中在輕合金工件上通過熱噴涂(如DIN 32530，Okt.89所描述)涂上耐磨層，最后通過機加工使微壓腔系統的潤滑腔的露出部分被部分的剝除，從而在工件上加工成滑動面，這種滑動面具有輕金屬合金不能達到的耐磨性能，通過熱噴涂及其后的機械加工產生大量紋路，它只有一小部分在機加工中被平整，從而提供了足夠數量的凹穴組成微壓系統。
這樣在滑動面上產生的微壓腔穴系統的類型和方式與前面提及的技術，規定必須有鈦部件存在下是完全不同的。
本發明的優選實施方案中，耐磨層采用等離子噴涂，特別是采用常壓等離子噴涂成膜。通過打磨產生紋路，從而能在涂層的表面造成微壓腔穴系統。
US-A-5080056中建議的高速火焰噴涂，由于例如在內燃機汽缸鏡面上，帶入較高的能量而不適用于多數工件中，因為它能引起汽缸鏡面的變形。
本發明的方法避免有環境污染的電涂工藝。利用適宜的等離子噴涂粉末以及合適的打磨參數可制作粗糙度極小的極平的滑動面，極小的粗糙度可供上述微壓潤滑穴系統作液流潤滑用。
本發明明確提出，鋼粉和鉬粉的混合物特別適用于熱噴涂制作鎂合金滑動面，混合物由10-70％鉬粉和90-30％鋼粉組成，特別優選20-50％鉬粉和80-50％鋼粉。有時混合物中還補加其它組份，其優選量小于總混合物的50％(重量)。50∶50的混合物是最適宜的混合物。在目前的技術水平下這種混合物雖不適用于鑄鐵基材，即不能形成耐磨涂層(參見GB-2050434A)，但這種涂層在輕合金上卻特別牢固，并與微壓潤滑穴系統結合仍然耐磨。這樣，按照本發明可直接在輕金屬合金沉積層上得到滑動面，而不需如US 2588422對鋁所描述的要求有中間層。本發明的特點在于，能在較軟的輕金屬合金基材上直接噴涂牢固的耐磨層。本發明包括往復式活塞機的輕金屬-發動機的涂層，其中利用了本方法的涂層。
本發明之熱噴涂優選采用等離子噴涂，其中特別選用粉末作噴涂金屬混合物。由于噴涂過程中粉末至少以熔融態噴于工件表面上，規定一定的顆粒大小(分布)對保證工作的質量是有利的。可根據所用的等離子通過系列試驗確定合適的顆粒形狀。
本發明對通用鋼是特別有利的，而且還可在系列試驗中最佳化的適應于所用鋼材的性能。通用鋼可在輕金屬底材上良好的附著。
其次，按本發明制作的滑動涂層的有利準則是噴涂參數和工件的底材。對噴涂基材表面進行預處理將是特別有利的，其中使表面變粗糙不是通過打磨，而是通過顆粒流動或通過液體流動形成。在等離子噴涂前應使表面變粗糙這是眾所周知的，但特別是對輕金屬基材(鋁合金)通常是不必進行有利的簡單表面清理。
再者，按本發明至關重要的噴涂參數是涂層的孔隙率的選擇，特別是包在其中的氧化物的含量；在涂層和制備中閉孔以及優異的孔徑范圍。根據目前的技術水平，孔隙率為0-15％，而且應用含鉬涂層(在灰鑄鐵基材上)，噴涂孔隙率約為15％(DE-AS-2146153)。本發明還確定，在這樣高的孔隙率下將造成發動機運行時較高的油耗。原則上，多數孔為封閉式并處在一定的厚度范圍是有利的。此點是本發明與上所述各種技術水平的區別，后者因其孔體積比例高而相互連通(開孔)，而且多數孔處于0.1-2μm范圍。這樣的孔對本發明鉬/鋼涂層的微壓腔穴系統的結構是不太適宜的。
GB 2050434A公布了鋼涂層與鉬組合概況，這種混合物在鐵基材所獲得的結果甚差。但這種等離子涂層與微壓潤滑穴系統在輕合金上卻顯出特別好的效果。鋼除C之外，還含有至少一種，優選至少兩種下列元素Cr，Si，Mo，W，Mn，B的鋼是有利的。
本發明所用之鉬，可以是純鉬，鉬的合金，或鉬的混合物。在這種情況下，利用含鉬大于50％(重量)的合金或混合物，其中合金或混合物原則上可以是能與鉬接合的所有金屬。合金或混合物中鉬成份優選為至少60％(重量)。例如鉬-鎢或鉬-鐵式鉬合金，其中所有組分比例基本上可處在上述給定的范圍內。
特別有利的是鉬和鋼以粉末狀噴射。這種可比已知的鋼絲噴涂層取得更好的效果。
本發明原則上適用于所有的輕金屬合金，而且特別適用于下列鎂合金AlSi6Cu4AZ91含9％Al和1％Zn，AS21含2％Al和1％Si，AE42含4％Al和2％稀土元素。
用本發明可制造無環境污染的輕金屬發動機組組成的內燃機，其汽缸孔壁擁有的，特別牢固的滑動層。這種滑動涂層可用一步噴涂工序完成，并只要稍許后加工(打磨)，特別是既不要電涂，又不用其它有環保問題的工藝。
下面根據附圖詳細敘述實施例子說明本發明的優點。


圖1表示在一種輕金屬合金上用等離子噴涂層的結構，圖2表示現有技術水平下工件表面限制性的流體潤滑的溝流系統，圖3表示類似圖2的本發明的微壓潤滑穴系統。
金屬工件1，應在其上可制作出供流體潤滑的滑動層2，它可作為內燃機汽缸曲軸箱的汽缸滑動面。這種輕金屬材料的曲軸箱采用壓鑄工藝制成(例中為AlSi6Cu4)。
為了在汽缸滑動面上涂上一層適應操作條件的涂層，在工件1上采用等離子噴涂上一層耐磨層3。
圖1表示高倍放大的工件1的剖面，其上涂有耐磨層3。可以看出，耐磨層上由力學夾緊緊靠在工件1上，因為如液狀的耐磨層的噴涂顆粒嵌入到表面粗糙的和側凹的工件表面中。耐磨層凝固后，在這些位置上形成閉合式連接。此外在耐磨層3內形成收縮應力，這種應力導至工件1和抗磨層3之間產生強力結合。
耐磨層3還含有雜質4以及未融化的噴涂顆粒5，同時6表示較薄的氧化層。
為形成耐磨層3所采用的噴涂粉末由一定體積百分比的鉬粉和余額的鋼粉組成。后者可以是由，例如鐵，鉬，鉻，鎳，硅和硼組成，這些元素形成硬度很高的鋼粉。此外，還可選用由鐵，鉬，鎢和鉻組成的合金工具鋼。同樣亦可采用，例如鐵、鉻，錳和碳為基礎的低合金鋼。
耐磨層可由20-60％鉬粉和相應的鋼粉組成，30-50％鉬粉和相應的70-50％合金工具鋼所組成的鋼粉也能取得特別好的結果。
在耐磨層3凝固后，可通過打磨形式的機械加工，如在DE-4440713A1所公布的例子那樣，將耐磨層3整平到所希望的最終尺寸。在打磨過程中從有利的方式將那些經過整平而露出的各個凝固的金屬微粒的殘骸從表面上除去，從而空出很多潤滑穴7形式的小凹穴。
這些獨立的潤滑穴7有利的組成滑動面2上的微壓潤滑穴系統，在這些潤滑穴7和平面8之間的滑動面2上具有極小的凹凸。其它一些工序，例如使由于機械加工而被填平的潤滑穴重新顯露的液體噴射，是不需要了。
圖3表示工件1的汽缸鏡面的剖面，工件擁有滑動面2和由潤滑穴7以及位于其間的平面8所組之微壓潤滑穴系統。圖中表示出活塞環部分9及其運動方向10，前者在內燃機工作時相對于滑動面2運動。在潤滑穴7中聚集的潤滑油通過活塞環段9的漂浮保證，提供流體力學潤滑。
與此相反，圖2表示目前技術水平的一種開啟式溝流系統。可以看出經過打磨加工形成的交叉溝槽11，其中潤滑油通過活塞環段9沿箭頭所示方向的運動隨活塞環流動。由此只能形成有限的流體動力學壓力，從而可能使處在溝邊緣區的活塞環和汽缸鏡面之間產生無潤滑摩擦。
確定合適的工藝參數，特別是耐磨層3和打磨磨損的組成，使本發明方法有可能以較少和較簡單的工序制作一種保證流體動力學潤滑的微壓潤滑穴系統。特別是噴涂耐磨層的組成對形成滑動層硬度有直接影響；打磨磨損可由于例如增加鉬粉份額而得到增加。
所有被采用的噴涂涂層的比琢磨磨損值，即精磨的磨損量和為此所需時間的比值，都是足夠高的，從而能在汽缸曲軸箱制造周期內保證打磨加工的進行。
如US 2588422所描述的那樣，原則上鉬可用作鉬組份，也就是說，它可達到40％合金成分。優選用含鉬大于90％(重量百分比)的鉬，特別優先選用其雜質組分≤1％，而鉬含量大于95％的鉬。
權利要求
1.在一個基材上用熱噴涂鋼和鉬的涂層制作滑動層的方法，其特征是，將一種混合物噴涂于鎂合金或鋁合金上形成滑動層擁有的涂層，在鎂合金上，其混合物含有10-70％(重量)鉬和90-30％(重量)鋼在鋁合金上，混合物含有20-60％(重量)鉬和80-40％(重量)鋼。
2.權利要求1的方法，其特征是，噴涂在鎂-或鋁合金上的混合物含有30-50％(重量)鉬和70-50％(重量)鋼。
3.權利要求1或2的方法，其特征是，用合金鋼，特別是工具鋼作鋼粉。
4.權利要求3的方法，其特征是，用由鐵、鉬、鎢、鉻組成的工具鋼或由鐵、鉻、錳和碳組成的低合金鋼作鋼粉。
5.按上述權利要求之一的方法，其特征是，往復式活塞機，特別是內燃機的汽缸鏡面擁有涂于滑動面上之涂層。
6.按上述權利要求之一的方法，其特征是，滑動面上的涂層是用等離子噴涂涂上的。
7.按上述權利要求之一的方法，其特征是，進一步對組成滑動面的涂層進行機加工。
8.按權利要求7的方法，其特征是，進一步加工使閉孔開放和/或使層上封閉的紋路得以形成，這些孔隙組成一種油膜微壓潤滑穴系統。
9.按上述權利要求之一的方法，其特征是，采用粉末狀混合物進行噴涂。
10.按權利要求9的方法，其特征是，采用粉末狀鉬和鋼各組分的混合物進行噴涂。
11.往復活塞機，特別是內燃機，其曲軸箱由鎂合金或鋁合金制成，曲軸箱擁有汽缸鏡面，后者具有鋼鉬涂層，涂層是通過熱噴涂將一種混合物涂敷于合金之上，對于鎂合金，這種混合物含10-70％(重量)鉬和90-30％(重量)鋼對于鋁合金，這種混合物含20-60％(重量)鉬和80-40％(重量)鋼。
12.按權利要求11的往復活塞機，其特征是，混合物以單個組份的粉末狀噴涂。
13.利用由20-60％鉬粉和80-40％鋼粉組成的混合物在鋁合金上熱噴涂形成滑動面的涂層。
全文摘要
內燃機鎂合金或鋁合金發動機組的活塞滑動面可由灰口鑄鐵襯套組成。本發明將10—70%鉬粉和90—30%鋼粉組成的涂層用熱噴射,特別是等離子噴射直接涂于輕金屬合金上作為滑動層。涂層的抗磨損性能高、并能牢固附著在輕金屬合金上。本發明可應用于具有輕金屬合金發動機組的往復式活塞機中。
文檔編號C23C4/18GK1200772SQ96197935
公開日1998年12月2日 申請日期1996年10月30日 優先權日1995年10月31日
發明者M·克羅夫特, R·斯特里赫, U·施勒格爾 申請人:大眾汽車有限公司