专利名称：制备用于施以热喷涂层的表面的方法
制备用于施以热喷涂层的表面的方法如权利要求1的前序部分所述，本发明涉及一种在金属工件上制备用于施以热 喷涂层的表面的方法，涉及一种用于实施该方法的锤或冲击刷(percussion brash)，并且 还涉及一种根据所述方法制成的工件。众所周知，金属工件上用于通过热喷涂涂覆的表面必须是恰当制备的。这可以 通过粗化表面来实施。为了达到该目的，工业上使用各种工艺，例如喷砂、高压水喷 射、刷擦(brushing)、研磨和类似的加工工艺。然而，这些加工工艺存在一些问题。例 如，加工工艺产生的碎屑和零料会残留在加工过的表面上的槽或沟中，而且如果它们被 涂层覆盖并且包含在涂层中并且该层被珩磨后，就会带来问题。通过机械粗化制成的槽 和沟的深度约为100 μ m。该区域是平坦且光滑的，因此热喷涂层不能容易地粘附在这些 位置。对于在维修工作过程中发动机不得不通过热喷涂修复的情况，必须加工缸径内 的磨损的内部区，在上述内部区之上和之下保持具有例如经珩磨的原始平滑表面结构的 区域。如果该类型的缸径通过热喷涂修复，则涂层不能粘附到经珩磨的表面。对于由铝 合金组成的具有镶铸气缸套的发动机机体，通过热喷涂修复尤其困难，原因在于与气缸 套部分重叠的铝边(aluminumlip)以及铝边与要涂覆的气缸套的表面区域之间的区域。机 械粗化导致残留膨胀应力，这减小了工件的疲劳强度。一种公知的工艺也是在表面涂层可以通过热喷涂施加之前通过用金刚砂颗粒喷 砂并随后清洗来制备表面。除了相对复杂的表面清洗工艺步骤以外，用金刚砂颗粒喷砂 的主要缺点尤其还有极小的金刚砂颗粒渗入到要涂覆的表面，尽管彻底清洗还是会残 留在那里。在施加表面涂层以后，该类型的喷砂颗粒会明显削弱之前经清洗的表面上的 涂层的拉伸粘附强度。此外，磨料的颗粒还会粘附到要涂覆的工件的表面区域，该区域没有涂覆且相 应地之前也没有对其进行喷砂。当使用工件时，该类型的磨料颗粒会导致相当多的问 题。例如，问题会发生在已经以该形式处理的发动机的气缸运行面上。残留在发动机部 件中或者发动机部件上的金刚砂颗粒因此会导致相当多的问题，并且在特定的情况下， 会引起发动机故障。为了解决该问题，DE 198 40 117 Al号专利文件公开了一种空心体的内侧表面 在准备施加热喷涂层时移除材料的加工工艺，在该工艺中，移除形成空心体的内侧的一 些材料，并且制成具有确定结构和/或质量的表面。然而，该公知的工艺具有这样的缺 点其不能用以制成具有锯齿效果以及底切(undercut)的表面轮廓。然而，由于该类型 的表面结构对于热施加涂层提供拉伸粘附强度的决定性优势，因此这是一种决定性的劣 势。此外，材料移除工艺不能提供表面值(surface values)方面的一致性，因为加工工具 遭受不可避免的磨损量，因此还产生随工件磨损而变化的表面结构。此外，材料移除对 由该工艺制备的表面的机械强度有负面影响。此外，DE 27 12 863 Al号专利文件公开了一种用于从表面移除材料的冲击工 具，所述冲击工具在一端支承一束金属的材料移除针，这些材料移除针在它们的轴向上振动并且因此可以不断地撞击表面。该类型的针设备通常用以从表面中移除铁锈或者油 漆。然而，该类型的针设备还用于清洗混凝土构件。本发明的目的是当在金属工件的特定表面区域中制备用于施以热喷涂层的表面 时，消除前述问题。该目的通过权利要求1的技术特征实现。与传统的刷擦相比，机械粗化和刷擦 的结合提供具有与由喷砂或金刚砂喷砂或喷丸(shot-blasting)(即，用丸或一些其它适当 的磨料喷击)得到的性质非常类似的性质的表面结构。在本方法中，刷子以约3000到 6000转每分钟的极高转速转动，因此冲击丝将大量的局部能量转移到工件的表面。这导 致仅在工件的经加工表面区域内的塑性变形和粗糙程度增加，为了提高随后施加的热喷 涂层的粘附性，破坏粗化的表面上的锋利毛边或者对其至少部分地弯转以形成底切。在 处理过程中，碎屑和零料也从经加工的表面区域中移除，这样导致粘附性进一步提高并 且喷涂涂层的表面强度因而增加。当锋利毛边和经机械粗化的表面上的凹陷是由加工形成的槽、且冲击丝主要是 平行撞击槽时，情况尤其如此。当冲击丝撞击槽间形成的槽网的表面时，导致槽网表面 塑性变形的动能转移，因此槽网的材料流入任意侧上至少一个槽的区域中。这也可以看 作是槽网在槽的方向上的局部限定的凸缘，因此形成增加粘附强度所需的底切。由于冲击丝平行于槽进行撞击，因此产生底切的有利形式，因为槽网的材料藉 此主要横向相对于槽流动，并且因此产生底切的有利形式。在本发明中，主要是平行的 应该理解为冲击丝在主要是平行于槽方向的方向上移动的意思。例如，就转动的刷子而 言，当刷子的转动轴主要平行于表面取向并且主要横向相对于槽方向取向时，情况就是 如此。例如当表面被折起、钻孔或研磨时，例如当加工缸径时，槽制成沟。同样地， 槽还可以通过辊压或者挤压来制成。在本发明的范围内，将适当的槽结构引入表面的所 有方法均适于制成经机械粗化的表面。槽有利地具有梯形到矩形的横截面。在这样的横截面形式的情况下，如果平行 方式撞击的冲击丝使槽网的边缘和毛边横向相对于槽方向变形，则所需要的底切非常容 易形成。尤其是给定一种矩形横截面时，形成底切仅需要槽网横向相对于槽方向的槽网 的较小变形。梯形横截面的优点是其容易产生，然而所需的底切可以通过冲击刷擦产生。冲击丝的直径有利地大于槽宽度。在这里，槽宽度看作是槽网之间的平均距 离。在这种情况下，冲击丝从不会撞击槽的基底，而是总是撞击至少一个槽网以便在那 里产生底切，而对于平行刷擦而言，撞击槽的基底在理论上是可能的。在该情况下，冲击丝的直径还可以相当于槽间距的至少一倍，优选为槽间距的 两到三倍。该类型的冲击丝将总是碰撞一个槽网，但也可以碰撞两个槽网。因为槽网的 大区域塑形地变形，由于直径相对于槽间距相对较大，所以形成宽的底切。槽间距应当 理解为从槽中心到槽中心的距离或从槽网中心到槽网中心的距离的意思。有利地，槽深度与槽宽度的比率在0.2和1之间，优选为0.5和0.7。槽深度理 解为表示槽网的表面和槽的基底之间的平均距离。给定这些比例，可以将槽容易地引入 表面，不过还具有足够的深度，以形成要通过喷涂而施加的层与产生的底切之间的足够
5的紧密连接。非常深的槽可能不会被喷涂材料填满；至于非常浅的槽，底切将是没有用 的，因为喷涂材料不会到达它们的后面。有利地，槽间距与槽宽度的比率在1.2和4之间，优选为1.8和2.2之间。本发 明中，槽间距为平均槽宽度加上槽网的平均宽度。槽网和槽因此具有相似的宽度。宽度 可以选择，使得首先，用喷涂材料对槽的良好填充得以确保，其次，槽网的宽度足以稳 固地接合喷涂层和基底材料。有利地，槽间距为0.1mm和Imm之间，优选为0.15mm和0.25mm之间。由此
得到的槽和槽网易于生产，可以以有利的方式用冲击丝变形成底切，可以容易地被喷涂 材料填满并且具有足够的强度以保持喷涂层。结合的锤刷擦方法还在经加工的表面区域产生残留压应力(compressive stresses),因此，各种部件的疲劳强度增加。为了改善加工质量和长期负荷强度，锤或 冲击刷的冲击丝或主枝弹簧在丝的表面具有包含约53%的铬(对应于约1800的维氏硬度 (Vickers hardness)HV)的扩散硬镀铬，使得刷子的使用寿命尽可能高并且阻止了可能在 其它情况下导致电蚀问题的钢、铝载体的任何污染。尤其当修复发动机机体时，如果仅在磨损的气缸运行面的区域进行表面加工， 而其上方和/或其下方珩磨的气缸面依然存在保持未加工，也是尤其有利的。这阻止了 涂层的粘附问题，在磨光表面区域中的涂层非常薄的情况下，这些问题会频繁地在其它 情况下发生。根据本发明的方法允许非常有效地加工要涂覆的区域，而不破坏或粗化邻 近的、珩磨的气缸面。因此，由于用冲击刷加工表面，仅在磨损气缸运行面施加与发动机机体粘附得 非常好的热喷涂层是可能的。尤其地，根据本发明的方法适于制备由PTWA丝等离子喷 涂工艺制成的热喷涂层。根据本发明用于实施本方法的锤或冲击刷的优选示例性实施例示意性地表示在 附图中，其中
图1表示加工内燃机上的气缸套时锤或冲击刷的使用，图2表示该类型的刷子的透视侧视图，图3和图3a表示该类型的刷子的刷体的侧视图和相关的端视图，图4和图4a表示相对于图3和图3a放大的刷体的局部侧视图和相关的端视图，图5表示刷体的局部侧视图，图5a表示根据图5中所示的剖面线V-V得到的截 面图，图6表示之前附图中所示的设置在端部的刷盘的端视图，图6a表示根据图6中 所示的剖面线VI-VI得到的截面图，图7和图7a表示刷体的侧视图以及相关端视图，其中刷体具有刷轴和焊接到刷 体的刷盘，图8表示具有刷轴和焊接的刷盘的完整刷体的侧视图，图9表示具有改进的刷体的锤或冲击刷的另一实施例的透视图，图10是图9中的放大片段X，其表示根据依照本发明的方法，加工工件表面 时，该类型的刷子的冲击丝的设计和操作模式，同时图11表示改进的具有主枝(limb)弹簧形式的冲击丝的图9所示的锤或冲击刷的另一实施例，图12表示其中一根主枝弹簧的透视图，图13和图14分别表示其中一根主枝弹簧的两个相关纵向侧视图，以及图15表示通过根据本发明具备喷涂层的表面的横截面。权利要求所述的方法用于在金属工件1上通过刷擦制备预先机械粗化的表面以 用于施加热喷涂层。所述方法以以下事实为特征工件1上要加工的表面2通过利用具 有多个径向向外的冲击丝4的转动的锤或冲击刷3的锤或冲击刷擦通过以下方式进行加 工，破坏毛边的边缘或者使其至少部分弯折以形成底切以便提高随后施加的热喷涂层的 粘附性。刷子3以约3000到6000转每分钟的高转速转动，并且在加工操作过程中，刷 子3以其转动轴13相对于工件1的表面2相距以下这样的恒定的平行的距离并通过以下 方式横向移动，分散在刷子3周围的冲击丝4的端部5以小于90°的斜角连续地急剧撞击 工件1上的邻近表面区域。如图10和图11所示，冲击丝4安装在刷体7上以便在转动方向6上可自由转 动，当它们撞击工件并与其端部5—起沿要加工的表面滑动时弹性弯曲，以便随后由于 弹性弯曲而从表面立即离开，当刷子3继续转动时，沿与转动方向6相反的方向退回，然 后由于离心力而为新的表面接触回复到它们的径向方向。从图10和图11中同样可以看出，刷子的冲击丝4的长度使得当刷子快速转动时 以及在丝急剧撞击要加工的表面2之后，可以在刷子3的转动方向6上沿所述表面的部分 拉这些丝，以便当刷子继续转动并且因此完成冲击行为时再次从加工表面离开。在所有示出的实施例中，刷子3包含实质上呈圆柱形、转动对称的刷体7，刷体 7具有多个轴向平行的支承杆11，支承杆11在刷子的整个周围夹在设置在端部的刷盘9、 10之间，并且支承杆11中的每一个在刷子3的轴向方向支承多个靠近设置的冲击丝4。在图1到8所示的实施例中，以高转速转动的锤或冲击刷3包含实质上呈圆柱 形、转动对称的刷体7，刷体7具有多个轴向平行的纵向沟8，在每个这些纵向沟8中， 用于多个在刷子的轴向方向靠近设置的冲击丝4的轴向平行的支承杆11(图1、图2和图 9)夹在设置在端部的刷盘9、10之间。所示的锤或冲击刷3具有六个纵向沟8，它们均 勻地分布在刷体7的整个周围上并且同样具有六个支承杆11，在支承杆11上以可自由转 动的方式安装有冲击丝4。冲击丝4的主枝(limb)4a、4b具有相同的长度，并且支承杆 11具有圆形横截面，使得冲击丝4可以在刷子的转动方向6上在支承杆11上来回自由运 动。在图9和图10所示的示例性实施例中，冲击丝4是具有两个间隔开的平行主枝4a、 4b的U形设计，并且因此它们以环眼4c环绕支承杆11。刷子3的冲击丝4在丝表面具 有包含约53% Cr且具有至少1800的维氏硬度HV的镀硬铬。同样如图5和图5a所示，用于支承杆11的端部的托12在至少一个刷盘9或10 上形成，从而使其可通过可调节的轴瓦14相对于刷子3的转动轴13径向调节。此外， 具有刷盘9、10、支承杆11、冲击丝和刷轴15的刷体7方便地由高强度、高级别不锈钢 组成。在图11到图14所示的锤或冲击刷的另一示例性实施例中，冲击丝4是主枝弹簧 的形式，主枝弹簧具有在支承杆11的轴向上彼此靠近设置的平行主枝4a、4b，并且同样 地以环眼4c环绕支承杆11。当它们在要加工的表面2上撞击时，所述冲击丝弯曲，然后接着在转动方向6相反的方向在邻近支承杆11的方向上弹回。在该示例性实施例中，刷体7包含两个刷盘9、10，刷盘9、10紧固在刷轴15 上，并且用于冲击丝或主枝弹簧4的支承杆11以其两端在容器12中紧固到刷盘9、10 上，容器12同样均勻地分散在刷体7的整个周围。在该情况下，用于支承杆11的端部 的容器12在刷盘9或10中的至少一个上也可以通过可调节的轴瓦14相对于刷体的转动 轴13径向调节。类似地，具有刷盘9、10、支承杆11、冲击丝或主枝弹簧4和刷轴15 的刷体7由高强度、高级别不锈钢组成。此外，用于刷子的材料具有与如图1到图10所 示的刷子相同的品质。图15表示通过根据本发明具有喷涂层16的工件1的表面2的横截面，表面2横 向相对于槽17。槽网18每隔一定的间隔设置在槽17之间。槽17由其平均槽宽度B、 平均槽间距A、槽网18的平均宽度S、平均槽深度T和平均槽网高度H确定，槽间距A 相当于槽宽度B和槽网18的宽度S之和，并且槽深度T与槽网高度H相同。在这里，
“平均”宽度或深度或高度表示粗略平均值通过表示槽17的横截面区或槽网18的横截面 区的每种情况下用两种平均值形成的意思。由于在槽边缘21上冲击刷擦而产生的塑性变形20可以在槽网18的表面19上看 到，并且由于这些变形，在槽17中形成底切22。一俟喷涂层16a填满槽17，喷涂层16 作为一个整体扣紧在这些底切22上，并且喷涂层16因此紧固地连接到工件1。可以看 到塑性变形20不规则地相对于槽17横向生成。这也适用于相对于槽17的纵向方向， 在该方向，根据刷擦强度，塑性变形20程度不同地频繁地引入槽结构中。总的来说，该 具有不规则底切22的表面结构导致工件1上喷涂层16的非常高的粘附强度。根据图15中的比例可以得到，槽17大体上具有0.2mm的槽宽度B、0.5mm的 槽间距A，因此槽网18的宽度S为0.3mm，且槽深度T或槽网高度H为0.09mm。在 第一工艺步骤施加的该宏观结构具有为此工艺优选的量级值宽度0.1-1_，深度约 0.05-0.2mm。在第二工艺步骤中由刷擦产生的塑性变形20在槽网18的表面19上具有约 5-50 μ m的宏观尺寸。以与喷砂表面类似的方式的槽网18的塑性变形的表面19具有具 备残留压应力的层。附图标记列表1工件
2表面
3锤或冲击刷
4冲击丝——主枝弹簧
4a形成为主枝弹簧的冲击丝的主枝
4b形成为主枝弹簧的冲击丝的主枝
4c冲击丝或主枝弹簧的环眼
5冲击丝4的端部
6刷子转动的方向
7刷体
8纵向沟
9刷盘
10刷盘
11支承杆——轴
12用于支承杆11的托
13转动轴
14轴瓦
15刷轴
16喷涂层
16a槽中的喷涂层
17槽
18槽网
19槽网的表面
20槽边缘21的塑性变形
21槽边缘
22底切
说明书
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权利要求
1.一种在金属工件(1)上制备预先经机械粗化的表面(2)以用于施加热喷涂层的方 法，其中，表面(2)具有锋利的毛边和凹陷，经粗化的表面(2)通过利用具有多个径向向 外的弹性冲击丝(4)的快速转动的锤或冲击刷(3)的锤或冲击刷擦通过以下方式进行加 工，破坏毛边的边缘并且/或者使其至少部分弯折以形成底切(22)以便提高随后施加的 热喷涂层的粘附性，其特征在于，经机械粗化的表面(2)上的锋利的毛边和凹陷是通过加工形成的槽(17)，并且冲击 丝(4)主要是平行于槽进行撞击。
2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于，槽(17)具有梯形到矩形的横截面。
3.根据权利要求1或2所述的方法， 其特征在于，冲击丝(4)的直径大于槽宽度(B)。
4.根据前述任一权利要求所述的方法， 其特征在于，冲击丝⑷的直径相当于槽间距㈧的至少一倍，优选为槽间距(A)的两到三倍。
5.根据前述任一权利要求所述的方法， 其特征在于，槽深度(T)与槽宽度(B)的比率为0.2到1之间，优选为0.5到0.7之间。
6.根据前述任一权利要求所述的方法， 其特征在于，槽间距(A)与槽宽度⑶的比率为1.2到4之间，优选为1.8到2.2之间。
7.根据前述任一权利要求所述的方法， 其特征在于，槽间距(A)为0.1mm到Imm之间，优选为0.15mm到0.25mm之间。
8.根据前述任一权利要求所述的方法， 其特征在于，刷子(3)以约3000到6000转每分钟的高转速转动，并且以其转动轴(13)相对于工 件(1)的表面(2)相距以下这样的恒定平行的距离并通过以下方式横向移动，分散在刷子 ⑶周围的冲击丝⑷的端部(5)以小于90°的斜角连续地急剧撞击工件⑴上的邻近表 面区域。
9.根据前述任一权利要求所述的方法， 其特征在于，安装的冲击丝(4)在刷子(3)的转动方向(6)上可自由转动，当它们撞击工件并与其 端部(5) —起沿要加工的表面滑动时弹性弯曲，然后由于弹性弯曲而从表面立即离开， 当刷子(3)继续转动时，沿与转动方向(6)相反的方向退回，然后由于离心力而为新的表 面接触回复到它们的径向方向。
10.一种转动锤或冲击刷，尤其是用于实现权利要求1到9中一个或多个权利要求所述的方法的转动锤或冲击刷，其特征在于，刷子(3)包含实质上呈圆柱形、转动对称的刷体(7)，刷体(7)具有多个轴向平行的 支承杆(11)，支承杆(U)在刷子的整个周围夹在设置在端部的刷盘(9、10)之间，并且 支承杆(11)中的每一个在刷子(3)的轴向方向支承多个靠近设置的冲击丝(4)。
11.根据权利要求10所述的锤或冲击刷，其特征在于，支承杆(11)具有圆形横截面。
12.根据权利要求10或11所述的锤或冲击刷，其特征在于，冲击丝(4)安装在支承杆(11)上，从而在刷子的转动方向(6)上是可自由转动的。
13.根据权利要求10到12中任一权利要求所述的锤或冲击刷，其特征在于，冲击丝(4)是具有两个间隔开的平行主枝(4a、4b)的U形设计，并且以环眼(4c)环 绕支承杆(11)。
14.一种工件，具有由权利要求1到9中任一权利要求所述的方法和/或利用权利要 求10到13中任一权利要求所述的锤或冲击刷制成的表面(2)，其中表面(2)用于施加热 喷涂层(16)、尤其是由PTWA丝等离子喷涂方法制成的热喷涂层。
15.根据权利要求14所述的工件，其特征在于，表面(2)是内燃机的发动机机体的气 缸运行面。
全文摘要
本发明涉及一种在金属工件(1)上制备预先以机械方式粗化的表面以用于施加热喷涂层的方法，该表面包含锋利的毛边和凹陷。经粗化的层(2)通过用具有多个径向向外的弹性冲击丝(4)的快速转动锤或冲击刷(3)的锤或冲击刷擦进行加工，为了改善随后施加热喷涂层的粘附性，破坏毛边的边缘或者至少使其弯曲以形成后截面。刷子(3)以每分钟约3000-6000转的高转速转动，并且以其转动轴(13)相对于工件(1)的表面(2)相距以下这样的恒定平行的距离并通过以下方式横向移动，使得分散在刷子(3)外围的冲击丝(4)的端部(5)以小于90°的斜角连续地快速撞击邻近工件(1)的表面区域。刷子(3)包含实质上呈圆柱形、转动对称的刷体(7)，刷体(7)具有多个平行于轴的支承杆(11)，支承杆(11)安装在刷子的外围前侧刷盘(9、10)之间，并且在刷子(3)的轴向方向支承靠近设置的多个冲击丝(4)。所述支承杆(11)具有圆形截面，使得冲击丝(4)以在刷子的转动方向(6)上自由转动的方式安装在所述支承杆(11)上。
文档编号C23C4/02GK102016098SQ200980114059
公开日2011年4月13日 申请日期2009年4月20日 优先权日2008年4月21日
发明者克莱门斯·玛丽亚·瓦普特, 斯宾塞·林登, 马克·希尔克 申请人:福特全球技术公司