CN1620520A - 活塞环的热喷涂 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种活塞环(1)，通过热喷涂工艺涂覆一种涂层材料，在一增高温度下暴露该涂层材料一定时间，以便至少部分地使该涂层材料扩散入活塞环表面或底层，并且，补充施加涂层材料层，使每一层经受连续的热处理，以便在活塞环表面形成多层所述涂层材料。

Description

活塞环的热喷涂
本发明的领域
本发明涉及一个活塞环以及在一个活塞环上涂覆一种涂层材料的方法，上述的方法包括下列步骤：借助热喷涂工艺涂覆上述的涂层材料以及上述活塞环的上述的涂层材料的热处理。
技术背景
非常特殊的愿望可以借助高温使用活塞环而满足，它有意地使用于例如船舰柴油发动机，尤其是涉及强度、抗腐蚀性、耐磨性、韧性以及材料的弹性。当使用在一个柴油发动机时，活塞环设置为一方面依靠在相关的活塞槽内，另一方面顶住一个发动机气缸筒。因此，活塞环应是耐磨的，尤其是在接近气缸筒的界面处，在此处当发动机工作时产生高的摩擦。
活塞环因此也应具有固有的延伸和弹性，借此活塞环应经常地被强迫向外，进入依靠顶住气缸筒。此外，在发动机的每个***冲程中，活塞环经受相当大的径向向外力，进入依靠顶住气缸筒，带有随后的应力增加。由于在发动机内高的工作温度，以及尤其是由于产生热量的冲击，它来自在过程中活塞环和气缸内衬之间的接触，许多材料丧失某些它们的屈服强度，以及显示出软化。
现在，活塞环通常是由一个铸铁毛坯制造的，它基本上能满足对材料的要求，比如有关强度和弹性，但总体上是不够的，尤其是当加热时，在它的面对气缸筒的表面上的耐磨性是不够的。铸铁不具有在高温下所需的热稳定性。一个铸铁活塞环毛坯因此经常在最暴露于磨损的表面上设置一个耐磨层。然而，困难出现在毛坯材料和耐磨层材料之间达到足够强的接合，它引起一些问题，因为耐磨层的材料存在由毛坯材料撕失的危险。当此事发生时，毛坯材料表面内的较软的材料暴露在顶住气缸筒的接触区，其结果是相当大地缩短活塞环的寿命。
另一个结果是，涂层逐渐地磨失，即使表面之间的接合是较强的。只要耐磨涂层是完整的，在活塞环上的磨损是逐渐地缓慢地进行，但是一旦此层损坏，就会非常迅速地磨损。作为其结果是难以及时地确定何时活塞环应该更换。
热喷涂可以方便地用于涂覆涂层到活塞环上。通常，使用热喷涂用于涂覆涂层的一个结果是，最终的涂层具有一部分松散的颗粒。这些松散的颗粒增加了“三物体磨损”的危险，它例如产生在涂覆的活塞环和气缸内衬之间。三物体磨损经常是以上所述的逐渐磨损过程的一个起源。
在工作中，特别是在活塞环和气缸筒或内衬材料之间的某些接触区暴露至高温，至相当大的温差，以及至高度腐蚀的环境作用。为了抵抗这些应力诱发源，因此活塞环除了前面所述的耐磨性之外，还必须显示出相当大的韧性和热稳定性。就韧性而言此处应理解为材料在开裂开始前的最大可能的变形。因此希望将一个涂层使用于活塞环，它能够耐磨损、热堵塞、腐蚀和氧化。已经知道各种方法用于在涂覆涂层后基体的后热处理或烧结，以提供涂层和基体之间牢固的接合。专利U.S.5,268,045提供这种现有技术涂层方法的一个实例，其中准备涂覆的一个工件进行电化学清洗，用一种或多种金属热喷涂，以提供一个覆盖涂层以及在高温下的后热处理，经约两小时，使上述的一种或多种金属扩散进入工件的表面。
在这种过程中，涂层将达到其熔化温度，以及这里有一个危险是底层的基体也受影响，以这样一种方式诱发基体内的应力，这点尤其是对于活塞环毛坯是一个结果。有关现有技术的其它结果将在文献中较详细地说明。因此，希望的是发现一种在活塞环上涂覆涂层的方法，并且能减少在活塞环毛坯内的诱发应力以及还可降低在涂层内松散颗粒的危险。在现在，还没有已知的在活塞环上涂覆涂层的方法可以克服上述的缺点。
本发明的概述
本发明的目的是提供一种涂覆涂层的方法，尤其是有意地用于活塞环，它能够满足所需的要求，涉及耐磨性、弹性、抗腐蚀性、硬度、热稳定性和韧性。
另一个目的是提供一种涂覆的活塞环，它不产生现有技术中遇到的上述的缺点。本发明的其它的特点和优点将通过本发明的下列说明而明确表达出来。
本发明提供一种在一个活塞环表面上涂覆一种涂层材料的方法，上述的方法包括下列的步骤：借助热喷涂工艺涂覆上述的涂层材料以及在高温上述涂层材料的热处理，以及经一段时间以有效地至少部分地扩散上述的涂层材料进入底层表面，以及涂覆一个补充的涂层材料层，进行每个上述的涂层材料层的顺序的热处理，以便在上述的活塞环表面上涂覆一系列的相同的上述的涂层材料层。按照本发明的方法可以达到涂层材料和活塞环表面之间一个牢固的接合，以及在涂层内的内牢固的接合。借助控制涂层材料暴露的热量，当在活塞环上涂覆时，涂层材料将在上述的涂层的颗粒和活塞环表面之间的接触点产生缩颈(显微焊滴)，导致上述颗粒之间一个牢固的接合。根据涂层和活塞环的材料，上述的触点颈是产生在暴露上述的材料至加热温度低于或接近涂层材料的熔点。一种特意用于活塞环的涂层材料典型地含有一种基体材料和一种增强材料。习惯地，但不是唯一的，在活塞环上的涂层材料的高温热处理是在涂层的增强材料的熔化温度范围的60至80％。基体材料因此也将暴露于接近其熔化温度经一个短时间期限以引起材料内上述的缩颈的形成。按照本发明的方法，提供的一种涂层含有在涂层的颗粒之间的开放孔隙。此外，按照本发明的方法，降低一个活塞环的涂层内的松散颗粒的目的可以满足。
最好，在对上述的活塞环涂覆上述的涂层材料和热处理时，活塞环是相对于热喷涂设备和热处理设备移动。借助移动暴露在热中的时间能够按一个希望的方式控制。
最好，活塞环是相对于热喷涂设备和热处理设备是围绕它们的轴转动，而这时连续地涂覆上述的涂层材料和热处理。
为了提供上述的活塞环的希望的高温热处理，最好使用电感应。感应热处理被认为是经济有效的，但技术熟练人员所知的其它代替的方式也可以使用。
使用本发明的方法的另一利益是最终的活塞环涂层具有均匀分布的疏松。最好，上述的最终的活塞环涂层具有疏松率在1至15vol％范围内。含有产生的孔隙的涂层材料因此具有能力以吸收由诱发应力引起的变形和不完整性。
开放的孔隙也可以使用作为润滑剂的缓冲器，以提供使用中活塞环的润滑作用，以及因此减少摩擦。然而封闭的孔隙不容易接收外部供给的润滑剂，以及因此较少使用于希望润滑的活塞环。
再者，上述的涂层材料层典型地具有一个厚度在0.005至0.10mm之间。按照本发明方法的涂层的厚度最好为0.01mm左右。按照本发明方法的涂层的厚度一般地在0.005至0.10mm范围内，以便在热暴露时在涂层的颗粒之间的接触点处产生希望的缩颈。
按照本发明的一个优选的方法，当供给至上述的热喷涂工艺时，涂层材料是粉末型的。当供给至上述的热喷涂时代替的上述的涂层材料具有一个丝材的形状，以达到有效的和控制的制造过程。
按照本发明还提供一个活塞环，带有用热喷涂工艺涂覆的一种涂层材料，暴露以在高温热处理上述的涂层材料，经一段时间以有效地至少部分地扩散上述的涂层材料进入底层表面以及涂覆一个补充的涂层材料层，进行每个上述的涂层材料层的顺序的热处理，以便在上述的活塞环表面上涂覆一系列的相同的上述的涂层材料层。
按照本发明的活塞环的一个优选的实施例可以达到涂层材料和活塞环表面之间一个牢固的接合以及涂层内的内牢固的接合。借助涂层材料暴露的热量，当活塞环上涂覆时，涂层材料将在上述的涂层的颗粒和活塞环表面之间的接触点产生缩颈(显微焊滴)导致上述的颗粒之间一个牢固的接合。根据涂层和活塞环的材料，触点颈是产生在暴露上述的材料至加热温度低于材料的熔点。方便地，但不是唯一的，在活塞环上的涂层材料的高温热处理是在涂层的增强材料的熔化温度范围的60至80％。按照本发明的方法，提供的一种涂层含有在涂层的颗粒之间的开放孔隙。
再者，按照本发明，涂层材料含有一种金属化合物，选择自含Cr2O3和Al2O3的一组。这些化合物和合金已证明可导致高质量的活塞环涂层。按照一个优选的实施例的涂层具有一个混合物，部分为金属形状，部分为增强剂形状。按照本发明的一个优选的实施例，涂层材料是一种金属陶瓷。金属陶瓷是一组涂层，它组合一个陶瓷和一个金属或合金。一个经常使用的实例是在一个镍/铬基体内的碳化铬(陶瓷组分)。可以预料，技术熟练人员可以使用其它的陶瓷化合物、合金和金属陶瓷(在此处没有详细地说明)以提供一个按照本发明的一个活塞环上的涂层。
此外，提供一个按照本发明的活塞环，其中每个上述的涂层材料层典型地具有一个厚度在0.005至0.10mm之间。最好，按照本发明的活塞环的涂层厚度为0.01mm左右。按照本发明的活塞环的涂层厚度一般地在0.005至0.10mm之间以便在制造时在涂层的颗粒之间的接触点处产生希望的缩颈。
附图的简要说明
现在本发明的优选的实施例将参见附图较详细地说明，其中：
图1是一个示意图，示出按照本发明使用涂覆一种涂层材料至一个活塞环的方法时的一种排列；
图2是一个示意图，示出使用一种现有技术方法的最终涂层的一个实例；
图3是一个示意图，示出一个活塞环的一部分，含有按照本发明的一个涂层；
图4是一个示意图，示出按照本发明的图3的放大的部分图。
优选的实施例的详细说明
现在按照本发明的优选的方法结合按照本发明的一个活塞环的一个优选的实施例说明，并且参见附图。
参见图1，一个活塞环安排用于涂覆一个涂层。涂层的制造装置还包括一个热喷涂设备3和一个热处理设备5。最好，但不是必须的一个保护罩2设置用于覆盖周围的元件，例如喷涂的。还有一个感应器组成此热处理设备5。感应器5可以用一系列方式使用，它取决于活塞环1的尺寸。在本实施例中，示出多个感应器5。一个清洁的活塞环1设置在涂层装置内。活塞环1可转动地设置在涂层装置内。按照本发明的优选的实施例，一个涂层材料4借助热喷涂涂覆到活塞环1的希望的部分上。热喷涂设备3习惯上使用例如等离子、电弧、高速氧焰(HVOF)或火焰喷涂工艺，它们是一个技术熟练人员已知的。
在喷涂时活塞环1转动，以及立即使涂层材料经受高温热处理。按照一个优选的方法，被涂覆的活塞环表面的周边速度在涂覆涂层和热处理时为20m/min左右。因此，转速最好根据现有的活塞环的直径调节。按照优选的实施例的涂层具有一个混合物，部分为金属形状，部分为增强剂形状。涂层材料最好在上述的涂层材料内的增强材料的熔化温度的60至80％加热经一个短的时间阶段。对于一个普通直径尺寸的活塞环，涂覆涂层材料4和加热涂层材料4的约20个循环将因此在1分钟达到。
每个循环将导致活塞环表面上一个新的涂层24，如图3所示。在图3内仅示出三个涂层24以说明原理，但通常是涂覆多于10层，以及最好多于50层。涂层24的数目当然取决于，例如涂层24的厚度和活塞环1的尺寸等。对于按照本发明的一个优选的实施例的一个正常的活塞环1，涂覆在活塞环1上的涂层的总厚度最好为0.8mm左右。然而，这些指示仅是以实例的方式给出，以给出准备使用的性能的一个概念，以及一个技术熟练人员应该理解，有可能调节涂层的性能，比如涂层24的厚度，制造涂层时活塞环的转速，以及涂层的数目等，这要根据被涂覆的现在的活塞环1的特殊的要求而定。
再者按照本发明，涂层材料含有一个金属化合物，选择自含Cr2O3和Al2O3的一组。这些化合物和合金已证明可导致高质量的活塞环涂层。按照一个优选的实施例，涂层材料是一种金属陶瓷。金属陶瓷是一组涂层，它组合至少一个陶瓷和至少一个金属或合金。一个经常使用的实例是一个镍/铬基体内的碳化铬(陶瓷组分)。可以预料，技术熟练人员可以使用其它的陶瓷化合物、合金和金属陶瓷(在此处没有详细地说明)，以提供一个按照本发明的一个活塞环上的涂层。
按照本发明的活塞环1的一个优选的实施例可以达到涂层材料4和活塞环表面22之间一个牢固的接合，以及在涂层内的内牢固的接合。借助控制涂层材料暴露的热量，当在活塞环1上涂覆时，涂层材料4将被迫在上述的涂层的颗粒和活塞环表面之间的接触点产生缩颈(显微焊滴)，导致上述的颗粒之间一个牢固的接合。习惯地，但不是唯一的，在活塞环上的涂层材料的高温热处理是在上述涂层材料的至少增强材料的熔化温度范围的60至80％。
这点进一步示于图4，其中示出在一个涂层24内的颗粒21之间的接合的放大图。按照本发明的方法提供在一个活塞环上的一个涂层，该涂层具有在涂层的颗粒21之间的开放的孔隙。根据涂层和活塞环1的材料，借助暴露上述的材料至低于材料的熔点的热量而产生触点颈23。触点颈23对涂层提供补充的强度。暴露涂层至一个高温的步骤与正常地仅借助热喷涂达到的机械接合比较，将因此导至一个强得多的接合。
在图2内示出施加过度的热量的作用，它对于其它的用途可能是有益的，但对于活塞环涂层，对于所示基体上的一个涂层或整个涂层却不是这样。当在一个基体上涂覆时施加过度的热量，涂层材料将熔化。为了能够比较图2所示的涂覆部分的尺寸，它具有的尺寸大致与图4的相等。可以看出，图2的涂层显示孔隙率极大的减少，孔隙率不是均匀分布的，以及孔隙是封闭的。
封闭的孔隙一般不能够提供任何的润滑作用。并且，带有较少和不均匀分布的孔隙的涂层提供的韧性通常不够使用于活塞环涂层。虽然在此种涂层内的接合将是牢固的，以上所述的其它特性却不适合满足使用于活塞环的条件。已经发现，在按照本发明的热处理时在多层的涂层内和之间由于缩颈的形成，能够达到一个牢固接合的涂层，并带有优异的韧性和耐磨性。
此外，当使用过度的热量涂覆一个涂层时，活塞环的其它性能有产生负面作用的危险。按照本发明提供一种方法，它涂覆一个涂层到一个活塞环上，带有对活塞环毛坯有限的损害，并带有良好的粘接性，开放的孔隙和充分的孔隙率。
虽然本发明已结合特定的实施例详细地说明，对于一个技术熟练人员可以理解，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，能够作出各种改变。因此可以理解，各种方法，比如等离子，HVOF和电弧喷涂或其它相关的方法能够使用于涂覆本发明的涂层成分至一个活塞环。在活塞环1上涂覆涂层和加热涂层用的装置和方法当然可以调节至现在的需要，以及不应局限于以上所述的方法，它仅以实例的方式给出。

Claims (26)

1.在一个活塞环(1)的一个表面(22)上涂覆一种涂层材料的一种方法，上述的方法包括下列的步骤：借助热喷涂工艺涂覆上述的涂层材料，
在高温下对上述的涂层材料进行热处理，以及经一段时间以有效地至少部分地扩散上述的涂层材料进入底层表面，以及
涂覆一个补充的涂层材料层(24)，进行每个上述的涂层材料层的顺序的热处理，以便在上述的活塞环表面(22)上涂覆一系列的相同的上述的涂层材料层(24)。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，上述的活塞环(1)相对于一个热喷涂设备(3)和一个热处理设备(5)移动，同时喷涂上述的涂层材料(4)和热处理上述的活塞环(1)。
3.按照权利要求1-2任何一项的方法，其特征在于，上述的活塞环(1)是相对于一个热喷涂设备(3)和一个热处理设备(5)围绕其轴线转动的。
4.按照权利要求1-3任何一项的方法，其特征在于，上述的活塞环(1)的上述的热处理是借助电感应进行的。
5.按照权利要求1-4任何一项的方法，其特征在于，上述的最终的活塞环涂层具有一个均匀分布的孔隙率。
6.按照权利要求1-5任何一项的方法，其特征在于，上述的最终的活塞环涂层具有一个孔隙率在1至15vol％之间。
7.按照权利要求1-6任何一项的方法，其特征在于，上述的最终的活塞环涂层具有开放的孔隙(23)。
8.按照权利要求1-7任何一项的方法，其特征在于，每个上述的涂层材料层(24)典型地具有一个厚度在0.005至0.4mm。
9.按照权利要求1-8任何一项的方法，其特征在于，当供给至上述的热喷涂工艺时，上述的涂层材料是粉末型的。
10.按照权利要求1-8任何一项的方法，其特征在于，当供给至上述的热喷涂工艺时，上述的涂层材料具有一个丝材的形状。
11.按照权利要求1-10任何一项的方法，其特征在于，上述的热处理导致至少在上述的涂层内的颗粒(21)之间在接触点处的缩颈(23)。
12.按照权利要求1-11任何一项的方法，其特征在于，上述的涂层材料含有一种金属化合物，选择自含Cr2O3和Al2O3的一组。
13.按照权利要求1-12任何一项的方法，其特征在于，上述的涂层材料是一种金属陶瓷。
14.一个活塞环(1)，借助一个热喷涂工艺涂覆一种涂层材料，
暴露上述涂层材料的高温热处理，以及经一段时间以有效地至少部分地扩散上述的涂层材料进入底层表面，以及
涂覆一个补充的涂层材料层(24)，进行每个上述的涂层材料层的顺序的热处理，以便在上述的活塞表面(22)上涂覆一系列的相同的上述的涂层材料层(24)。
15.按照权利要求14的活塞环(1)，其特征在于，上述的活塞环(1)是相对于一个热喷涂设备(3)和一个热处理设备(5)移动的。
16.按照权利要求14-15任何一项的活塞环(1)，其特征在于，上述的活塞环(1)是围绕它的轴转动的，而这时连续地涂覆上述的涂层材料和热处理。
17.按照权利要求14-16任何一项的活塞环(1)，其特征在于，上述的热处理是借助电感应进行的。
18.按照权利要求14-17任何一项的活塞环(1)，其特征在于，上述的活塞环涂层具有一个均匀分布的孔隙率。
19.按照权利要求14-18任何一项的活塞环(1)，其特征在于，上述的活塞环涂层具有一个孔隙率在1至15vol％之间。
20.按照权利要求14-19任何一项的活塞环(1)，其特征在于，上述的活塞环涂层具有开放的孔隙(23)。
21.按照权利要求14-20任何一项的活塞环(1)，其特征在于，上述的活塞环涂层材料(24)典型地具有一个厚度在0.005至0.4mm之间。
22.按照权利要求14-21任何一项的活塞环(1)，其特征在于，当供给至上述的热喷涂工艺时，上述的涂层材料是粉末型的。
23.按照权利要求14-21任何一项的活塞环(1)，其特征在于，当供给至上述的热喷涂工艺时，上述的涂层材料具有一个丝材的形状。
24.按照权利要求14-23任何一项的活塞环(1)，其特征在于，至少在上述的涂层内的颗粒(21)之间在接触点处具有缩颈(23)。
25.按照权利要求14-24任何一项的活塞环(1)，其特征在于上述的涂层材料含有一种金属化合物选择自含Cr2O3和Al2O3的一组。
26.按照权利要求14-25任何一项的活塞环(1)，其特征在于，上述的涂层材料是一种金属陶瓷。
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