专利名称：机器部件的热喷涂的制作方法
技术领域：
本发明关于一种机器部件、尤其是发动机部件，该部件用热喷涂方法涂覆一涂层材料，并将该部件暴露到高温中对上述涂层材料进行热处理。本发明还公开一种将一涂层加到机器部件上的方法。
背景技术：
机器部件必须满足一些特殊要求，这些要求如强度、抗腐蚀性能、抗磨损、使用寿命和材料弹性等。
现在，机器部件通常由铸铁块制成，这些铸件能基本满足加在材料身上的强度和弹性等要求，但是当加热到某一温度限以上时，会产生磨损问题。现在有很多机器部件、如在发动机系统的滑动表面之间，会受到内部摩擦引起的磨损问题。特别是在大型柴油机中，摩擦力可以很大。除了摩擦外，热环境也会降低材料的强度，并迅速导致铸铁材料的机器部件出现很大的磨损，铸铁部件在高温时不具有所需要的抗磨性能。因此铸铁发动机部件在出现磨损的表面上常常设有抗磨层或磨合层。
然而，在铸块材料和抗磨层之间得到足够的结合强度确实出现了很多困难。结合不好会出现问题，这里由于存在着抗磨材料会从铸块材料上磨掉的危险。当出现这种情况时，铸块表面的材料由于磨损而与相邻机器部件接触，这会导致出问题的机器部件大大地缩短寿命。
另一个问题是即使表面之间的连接相当牢固，涂层也会逐渐磨掉，只要抗磨层没有受损，机器部件的磨损进展缓慢，然而一旦该层脱落，机器部件会迅速磨损。结果就很难确定机器部件应该更换的时间。
热喷涂常常用来将涂层加到铁块上。用热喷涂加一涂层的通常出现的问题是所产生的涂层包括一部分松散颗粒。这些松散的颗粒增大了两个机器部件滑动表面之间的“三体磨损”的危险。三体磨损常常引起上面指出的逐步磨损的过程。
在操作中，机器部件，尤其是发动机部件的一些区域会暴露到高温、温差很大和高腐蚀环境的影响中。为了抵抗这些应力诱发原因的影响，除了前面提到的抗磨损外，机器部件的涂层还必须具有很大的可塑性和热稳定性。可塑性可以被理解为在涂层的裂纹开始之前，材料具有最大可能的变形。不仅在操作中，而且在加工期间的热冲击和高温差也可使这些机器部件在热处理时受到类似的影响，下面将对此进行进一步的讨论。
为了在涂层和基板之间提供牢固的结合，人们已对加热后或烧结后的涂层采用了多种方法。US5268045提供了这种先有技术的涂层方法的例子，其中将被涂层的工件进行电化学清洗，再用金属涂覆的热喷涂，然后再进行高温热处理，使金属渗透到工件的表面内。
在此过程中，涂层将达到它的熔化温度，一个危险是影响到下层基板，从而在该基板上产生应力。另外，在这种方法中，会产生一种具有降低的可塑性的刚硬的涂层。
对于在基板上涂层和在弯曲的铸块上涂层常常会出现上述问题。当涂层加到铸块上受热时，铸块也将被加热，因此将会导致机器部件块热膨胀。在热处理后，当机器部件冷却时，它将回到其原来的形状，因此新的结合的涂层将不得不随着机器部件变化。如果涂层是加在弯曲形状的表面上，涂层在冷却时受到拉伸应力，这就有可能开裂或剥离，这会导致机器部件的工作寿命缩短。
与先有技术相关的另一些问题将在该文件中进行更详细的描述。因此要求发现一种方法，它能在机器部件上提供一种牢固结合的并具有寿命延长的抗磨涂层。还有一个目的是发现一种方法，它能在尽量减少的应力的情况下在机器部件上提供一层涂层，同时还可以减少涂层内颗粒松脱和实际裂纹的危险。现在，还没有一种能克服上述问题的在机器部件上加上涂层的方法是已知的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种特别宜用于在机器部件上加上一涂层的方法，它能满足下列必需的要求抗磨损、弹性、抗腐蚀、刚度、热稳定性和可塑性。
另一个目的是提供一个带涂层的机器部件，它不会具有先有技术中出现的上述缺点。从下面对本发明的描述可以更清楚本发明的其它特征和优点。
本发明提供一种将涂层加到一机器部件的至少部分表面上的方法，上述方法包括下列步骤用热喷涂方法加上上述涂层材料，在高温上热处理上述涂层材料，处理的时间长到足以至少使上述涂层材料部分地渗透到下面表面上，为了在上述机器部件表面加上多层同样材料的涂层，再加上一层附加的涂层材料层，在每个上述涂层材料层上均进行热处理，其中上述热处理在至少上述涂层的各颗粒的接触点上产生凹槽形式。
按照本发明的方法，在涂层材料和机器部件表面之间形成牢固的结合，在涂层内也形成内部牢固的结合。通过控制加到机器部件上涂层的加热温度，该涂层材料将在上述涂层中和机器部件表面的颗粒之间的接触点(微件焊接)产生凹槽，从而在上述颗粒之间产生牢固的结合。按照涂层材料和机器部件的不同，将上述材料暴露到低于或接近于涂层材料熔点的加热温度中可产生接触点凹槽。一种可用于机器部件上的涂层材料通常包括一种基材和一种增强材料。通常但不是绝对的，加到机器部件上的涂层材料在涂层的增强材料的熔化温度的60％～80％的范围内。因此基材将在短时间内被加热到它的熔化温度上，届时在材料上产生上述凹槽形式。采用本发明的方法，提供了一种涂层，它在涂层的颗粒之间包括敞开的微孔。另外按照本发明的方法，达到了减少机器部件涂层中的松散的颗粒的目的。
热喷涂装置和热处理装置最好连接在一起并相对于机器部件移动，同时对上述机器部件加上上述涂层材料并进行热处理。
通过控制移动可以需要的方式来控制热暴露时间。
为了对上述机器部件提供所需要的高温热处理，最好采用感应加热。感应加热的热处理被认为是有效的和省钱的，但也采用本专业技术人员公知的其它方法，一个其它方法是激光。
本发明方法的另一好处是所得到的机器部件的涂层具有均匀分布的孔隙。上述所得到的机器部件的涂层最好具有1～15％之间的体积的孔隙率。该涂层材料包括产生的微孔，因此就能吸收在使用中由于产生的应力而引起的变形和缺陷。
敞开的微孔还可用作润滑物质的缓冲件，从而在机器部件使用时提供润滑剂的效果，因此可减小摩擦和磨损。然而封闭的微孔不易接纳外部送入的润滑剂，因此在需要时很少使用。
另外，每个上述涂层材料层通常具有的厚度为0.005-0.40mm之间。按照本发明方法的一层厚度最好在0.01mm左右。为了在热暴露期间在涂层的颗粒之间的接触点产生所需要的凹槽，本发明方法的一层涂层厚度在0.005-0.10mm之间。
在本发明的一种优选方法中，在送到上述热喷涂过程中时，涂层材料是粉状的。为了获得一种有效的和受控制的制造过程，在送到上述热喷射过程时，上述涂层材料还可具有象细丝那样的形式。
在本发明的一种特别推荐的方法中，该方法用于一个包括弯曲形表面的机器部件上，上述涂层材料加到上述弯曲形表面的至少部分区域上。对于这种机器部件，本方法特别适用，这是因为如背景技术部分中提到的，在弯曲形状的机器部件上采用传统涂层技术伴随诱导应力的问题是非常困难的。为了进一步减小诱导应力，在加上上述涂层材料的步骤之前预热上述机器部件。
按照本发明，还提供一种机器部件，它通过热喷涂过程涂覆涂层材料，将上述涂层材料进行高温热处理，处理的时间足以至少使部分上述涂层材料渗透到下面的表面中，另外再加上一层涂层材料，并接着对每层上述涂层材料进行热处理，从而在上述机器部件表面上提供多层上述涂层材料，上述涂层材料包括在至少上述涂层中的颗粒之间的接触点上的凹槽。
按照本发明机器部件涂层的一个优选实施例，可在涂层材料和机器表面之间获得牢固的结合，以及在涂层内获得牢固的结合。通过控制加到机器部件上的涂层材料上的热量，该涂层材料在上述涂层和机器部件表面中的颗粒之间的接触点(微件焊接)产生凹槽，从而在颗粒之间产生牢固的结合。按照所用涂层和所用机器部件选择的材料的不同，通过使上述材料暴露到低于材料熔点的热量中来产生接触点的凹槽。
通常但不是绝对的，机器部件上的涂层材料的高温热处理的温度范围在用作涂层的增强材料的熔化温度的60-80％的范围内。采用本发明的方法，在涂层的颗粒之间提供了材料产生的敞开的微孔。涂层材料可从下列材料的至少一组中选出金属、金属合金、碳化物、硅酸盐、陶瓷、氯化物、金属陶瓷和它们的混合物。
按照本发明，涂层材料最好包括从下组中选出的金属化合物Cr3C2，Cr2O3，CuAl和Al2O3。已经证明，这些化合物和金属合金非常适于制造具有高性能的机器部件涂层，它们具有极佳的抗磨损和滑动性能。本实施例的涂层包括部分形式的金属、部分形式的增强件的混合。按照本发明的一个优选实施例，该涂层材料是金属陶瓷。金属陶瓷是一组涂层，它结合了陶瓷和金属或合金。常常使用的例子是在镍/铬基上的碳化铬(陶瓷组份)。可以看出，一个本专业技术人员可以采用其它陶瓷化合物、合金和金属陶瓷(这里未提及的)来在机器部件上提供本发明的涂层。
另外，按照本发明，提供了一种机器部件，其中每一个上述涂层材料层通常具有的厚度在0.005-0.10mm之间。本发明的机器部件上的一层涂层的厚度在0.01mm左右。为了在制造时在涂层的颗粒之间的接触点产生所需要的凹槽，本发明的机器部件上的涂层厚度通常在0.005-0.10mm之间。涂层的总厚度按机器部件的尺寸和类型而定。对于用在船上的柴油发动机而言，涂层的总厚度可高达5mm左右。
下面将参照附图详细描述本发明的优选实施例。
图1概略表示本发明的将一涂层材料加到机器部件上所用方法的设备。
图2概略示出包括本发明涂层的部分机器部件。
图3概略示出按照本发明的图2部件的放大示图。
图4概略示出采用另一先有技术的方法得出的涂层的例子。
优选实施例的详细描述下面将参照附图详细描述本发明的优选方法及本发明的机器部件的一个优选实施例。
参见图1，机器部件1正在提供一涂层。涂层制造设备还包括一个喷涂装置3和一个热处理装置5。最好但不是必须的，提供一个保护盖(未示出)来盖住喷涂时的周围构件。另外，一个感应器构成热处理装置5。根据机器部件1的尺寸不同可以多种方式加上感应器5。在本实施例中，示出了多于一个的感应器5。一个清洁后的机器部件1安置成该涂层设备来处理。该机器部件最好是一个铸铁块。按照本发明的一个优选实施例，采用热喷涂方法将涂层材料4加到机器部件1的所需要的部分上。热喷涂装置3通常采用等离子、电弧、HVOF或火焰喷射技术，这对于一个本专业普通技术人员来说，可以认为是公知的。
在喷涂时机器部件1连续地相对于喷涂装置3和热处理装置5移动，涂层材料总是可受到高温热处理。按照一个优选方法，在加上涂层和热处理时，被涂层的机器部件表面相对于热喷涂装置3的边缘速度在20米/分钟左右。
一个优选实施例的涂层包括部分金属形式、部分增强材料形式的混合物。该涂层材料最好在短时间内加热到上述涂层中的增强材料熔化温度的60-80％之间。
每个加上涂层材料4和加热涂层材料4的循环将在机器部件表面上产生一层新的涂层24，如图2所示。在图2中仅示出3层24来说明原理，但通常将加上10层以上，最好多于50层。当然层24的数量取决于层24的厚度等因素。按照本发明的一个优选实施例，每个涂层24的厚度通常为0.01mm。机器部件1所加的涂层24a的总厚度最好在0.8mm左右，但也可能高达5mm左右。然而这些示图仅以示例形式给出所用特性的概念，本专业技术人员应该看到按照将被涂层的该机器部件1的特殊要求，调整这些特性、如层24的厚度，涂层制造时的边缘速度以及层24的数量等等均是可能的。
另外，按照本发明，涂层材料4包括从下组中选出的金属化合物如Cr2O3和Al2O3。已经证明，这些化合物和金属合金可产生高性能的金属部件涂层。按照本发明的一个优选实施例，涂层材料是金属陶瓷。该金属陶瓷是一组涂层，使涂层是至少一种陶瓷和至少一种金属或合金的结合。常常使用的例子是在镍/铬基中的碳化铬(陶瓷成分)，应该看到，本专业技术人员可以采用其它陶瓷化合物、合金和金属陶瓷(这里未详细描述的)，来提供本发明的在机器部件上的涂层。
按照本发明的机器部件1的一个优选实施例，可获得涂层材料4和机器部件表面22之间的牢固的结合，也可以获得涂层内的内部的牢固的结合。通过控制在涂层材料4加到机器部件1上时加到涂层材料上的热量，将迫使上述涂层和机器部件表面上的颗粒之间的接触点上产生凹槽(微件焊接)，在上述颗粒之间产生牢固的结合。通常但不是绝对的，机器部件上涂层材料的高的热处理温度在上述涂层材料的至少增强材料的熔化温度的60-80％范围内。
图3进一步示出在一层24中的颗粒之间的结合的放大图。采用了本发明的方法，提供了一种机器部件的涂层，该涂层在涂层的颗粒21之间包括敞开的微孔。按照涂层材料和机器部件1，该接触点凹槽23通过将上述材料暴露到低于材料熔点的温度上而产生。该接触点凹槽23对涂层提供了附加的强度。因此，将涂层暴露到高温中的步骤，将产生比仅通过热喷涂正常得到的机械结合大得多的更牢固的结合。
图4中示出将过量的热量加到涂层或基板的整个涂层上产生的影响，这种情况对其它应用来说可能是有利的，但对这些类型的机器部件涂层来说不是的。当在基板上涂层时，如加上过量的热量，涂层材料将熔化。为了能与图3所示的涂层部分的尺寸相比较，图3的尺寸大约等于图4的尺寸。可以看出，图4的涂层中的微孔大量减少，这些微孔也不均匀分布而且还是封闭的。
封闭的微孔通常不能提供润滑效果。另外，这种具有很少的不均匀分布的微孔的涂层所提供的可塑性通常不足以用到机器部件的涂层中。当然在这种涂层中结合是很牢固的，但如上所述的其它特性不能满足用到一个机器部件上的条件。已经发现，由于在本发明的热处理中在多层涂层之间及其内部形成凹槽，可以获得一种具有极佳可塑性的牢固结合的涂层。
另外，在采用过量的热量加到一个涂层上时对机器部件的特性还可能有其它负面影响。因此本发明提供了一种方法，机器部件上的涂层对机器部件的损害有限，具有良好的粘接性能、敞开的微孔和足够的孔隙率。
本发明的涂层还宜加在机器部件的经受磨损的滑动表面上。这种涂层最好用在泵、液压泵和消防泵的滑动表面上。本发明的涂层尤其适用于涂覆内燃机中的机器部分，更适用于船用柴油机上。
按照本发明的一个优选实施例，该涂层加到气缸衬的至少部分滑动表面上。该气缸衬或完全涂覆或在需要的部分上涂覆预定图案。这种涂覆图案的一个例子是在气缸衬内表面上的螺旋的几何构形。
按照本发明的另一优选实施例，该机器部件是一个活塞、活塞杆或活塞裙。可以认为，本发明的涂层特别适用于提供在活塞的环形槽中。按照本发明的又一优选实施例，该涂层部分或完全地加到填料箱密封环的内滑动表面上。
还有其它的实施例，如本发明的涂层可用在凸轮轴和/或曲轴的至少是合适的表面上和凸轮轴凸轮的滑动表面上。
另外，将本发明的涂层用到一根轴的滑动表面上是有利的。根据本发明的一个实施例，一个燃料泵的滑动表面上设有本发明的涂层材料。按照本发明的另一实施例，该涂层可用到进口阀和/或出口阀的受到热和磨损载荷的部件上，这些阀门最好用在大型两冲程柴油发动机上。
在参照特殊实施例详细描述本发明的同时，本专业技术人员可以看出，在不超出本发明的精神和范围内可进行各种变化和修改。因此应该理解，各种方法，如等离子、HVOF和电弧喷涂或其它相关方法均可用来将本发明的组份加到机器部件上。当然对在机器部件1上加上涂层或加热的设备和方法也可按需要进行调整，并不仅限于上述方法，上面仅给出一些例子。因此采用激光设备可认为是加上涂层的另一可能的方案。
权利要求
1.一种将涂层材料加到机器部件(1)尤其是发动机工作部分的至少部分表面(22)上的方法，上述方法包括下列步骤通过热喷涂方法加上上述涂层材料，在高温上热处理上述涂层材料，处理的时间足以使上述涂层材料部分地渗透到下面的表面内，和加上附加的涂层材料层(24)，再对每个上述涂层材料层(24)进行热处理，从而在上述机器部件表面上加上多层(24)的相同的上述涂层材料，其中上述热处理在至少上述涂层的颗粒(21)之间的接触点上产生凹槽形式。
2.按照权利要求1的方法，其中机器部件的涂层材料的高的热处理温度在涂层材料熔化温度的60-80％的范围内。
3.按照权利要求1-2中任何一个的方法，其中上述热喷涂装置(3)和热处理装置(5)连在一起并相对于机器部件(1)移动，同时加上上述涂层材料(4)和对上述机器部件(1)进行热处理。
4.按照权利要求1-3中任何一个的方法，其中上述机器部件的上述热处理是通过感应加热来提供的。
5.按照权利要求1-4中任何一个的方法，其中上述已产生的机器部件的涂层具有均匀分布的孔隙。
6.按照权利要求1-5中任何一个的方法，其中上述已产生的机器部件的涂层的孔隙在体积的1-15％之间。
7.按照权利要求1-6中任何一个的方法，其中上述已产生的机器部件的涂层的微孔的至少10％是敞开的微孔(23)。
8.按照权利要求1-7中任何一个的方法，其中每个上述涂层材料层(24)的厚度通常在0.005-0.4mm之间。
9.按照权利要求1-8中任何一个的方法，其中上述涂层材料在送到上述热喷涂过程中时是粉状的。
10.按照权利要求1-8中任何一个的方法，其中上述涂层材料在送到上述热喷涂过程中时是细丝状的。
11.按照权利要求1-10中任何一个的方法，其中上述涂层材料包括下列材料的至少一种金属、金属合金、碳化物、硅酸盐、陶瓷、金属陶瓷及它们的混合物。
12.按照权利要求1-11中任何一个的方法，其中上述涂层材料包括从下组中选出的一种金属化合物Cr3C2，Cr2O3，CuAl和Al2O3。
13.按照权利要求1-12中任何一个的方法，其中上述金属部件(1)在加上上述涂层材料之前进行预热。
14.按照权利要求1-13中任何一个的方法，其中上述机器部件(1)包括一个弯曲形状的表面，上述涂层材料加到上述弯曲形状表面的至少一些区域上。
15.一种机器部件(1)，用热喷涂方法涂覆涂层材料，将上述涂层材料暴露在高温下进行热处理，处理的时间足以使部分上述涂层材料渗透到下面的表面内；再加上涂层材料层(24)并对每个上述涂层材料进行热处理，从而在上述机器部件表面(22)上提供多层(24)的同样的上述涂层材料，上述涂层材料在至少上述涂层中的颗粒(21)之间的接触点形成凹槽(23)。
16.按照权利要求15的机器部件(1)，其中机器部件的涂层材料的高热处理温度在涂层材料熔化温度的60-80％范围内。
17.按照权利要求15-16的机器部件(1)，其中上述机器部件的上述热处理通过感应加热进行的。
18.按照权利要求15-17中任何一个的机器部件(1)，其中上述机器部件的涂层具有均匀分布的孔隙。
19.按照权利要求15-18中任何一个的机器部件(1)，其中上述机器部件的涂层具有体积为1-15％之间的孔隙。
20.按照权利要求15-19中任何一个的机器部件(1)，其中上述所产生的机器部件的涂层的微孔的至少10％是敞开的微孔(23)。
21.按照权利要求15-20中任何一个的机器部件(1)，其中每个上述涂层材料层(24)通常具有0.005-0.4mm的厚度。
22.按照权利要求15-21中任何一个的机器部件(1)，其中上述涂层材料包括至少一种金属、金属合金、碳化物、硅酸盐、陶瓷、金属陶瓷、氧化物和它们的混合物。
23.按照权利要求15-22中任何一个的机器部件(1)，其中上述涂层材料包括从下列一组中选出的金属化合物Cr3C2，Cr2O3，CuAl、Al2O3和它们的混合物。
24.按照权利要求15-23中任何一个的机器部件(1)，其中上述涂层材料是金属陶瓷。
25.按照权利要求15-24中任何一个的机器部件(1)，其中上述涂层加在上述机器部件(1)的至少部分弯曲形状的表面上。
全文摘要
本发明公开了一种机器部件表面(22)，该表面至少部分用热喷涂方法涂有涂层材料。上述涂层材料暴露到高温上进行热处理，处理时间足以使部分上述涂层材料渗透到下面的表面上，从而在涂层材料和下面表面之间产生凹槽。加上附加的涂层材料层(24)并对每个涂层材料层进行热处理，从而使上述机器部件表面(22)上具有多层(24)同样的上述涂层材料，涂层材料在颗粒(21)之间和至少上述涂层的各层之间的接触点上形成凹槽(23)。还公开了一种在机器部件表面上产生这种涂层的方法。
文档编号C23C4/12GK1630734SQ02828367
公开日2005年6月22日 申请日期2002年2月28日 优先权日2002年2月28日
发明者莱赫·莫丘尔斯基, 米夏埃尔·E·本佐恩 申请人:曼B与W狄赛尔公司