专利名称：轻金属合金滑动面的制作方法
技术领域：
本发明涉及权利要求1所概述的方法。
本发明还涉及权利要求11的活塞式机械，特别是内燃机。
从DE-4440713A1中已知一种在铸铁件上制作滑动面的方法，这种方法通过多步工序在滑动面上加工出润滑穴，后者在运行中保证流体动力学的润滑作用。该多步工序包括表面的机加工处理，然后在适于除光泽的压力下用一种化学和电化学稳定的液体处理。通过液流喷射和磨镀组合作用在相应表面上出现润滑穴，这些润滑穴共同构成流体动力学所要求保证的微压润滑穴系统。通过打磨加工使碳化钛和氮化钛从表面上拉脱，从而达到材料产生纹路的目的，其间所产生的焊口通过进一步处理重新涂平，其后的液流喷射和磨镀再加深这些凹坑。
从US-A-5080056获知，用高速火焰喷射可在镁合金作成的工件上涂上一层基本上无孔隙的铝-青铜合金，其层厚约为1mm，经打磨处理后，其最终厚度约为127μm。
已知，与微压力润滑穴系统相反，例如在内燃机汽缸镜面上通过打磨处理形成一种相关的系统。在这种情况下产生相互交叉的小沟，通过交叉区相互连接，汇总形成一个开式系统。其缺点在于，在滑动面上滑动的工件，例如内燃机活塞的活塞环，使小沟中的油随之移动，从而只能形成有限的流体动力学油压。其结果是处沟边缘，参与滑动的一对工件之间产生无润滑摩擦。对灰口铸铁工件广泛应用的混摩擦-润滑系统，由于重量原因改用镁合金的工件时则不能应用。
由US-A 2588422公布的一种铝发动机组，其汽缸镜面拥有热喷射涂层。这种由厚约1mm的钢质滑动层和厚约50μm含钼的中间涂层组成的双涂层是处于未经处理的发动机组表面上。含至少60％钼的中间层虽不起滑动层作用，但对与铝相组联结硬滑动层却是必需的。这种联结层应优选纯钼。滑动层为一硬的金属层，例如碳钢，青铜或不锈钢，而钢可以是例如镍，铬，钒或钼的合金钢。原则上讲，虽然用这种层结构可以提供良好的滑动层，但双涂层的费用是相当大。
GB 2050434A公布了厚度为0.5-2.5mm的各种热喷涂制得的涂层。这些涂层涂于内燃机的钢件或铸件上，例如活塞环或汽缸滑动衬套上。肯定的讲，由等量钼粉和碳钢粉在上述材料上组成的涂层的耐磨性能比由含0.5-4.5％(重量)钼以及还含20-97％(重量)的金属碳化物(有时还含铁或含铁合金)所组成之涂层要小得多。至于这种涂层应用于镁合金上的情况则应参考已提及的US-A 2588422。
GB-PS 1478287描述了对钢-或铸件，例如活塞环，汽缸体或汽缸滑动衬套，等离子喷涂所用的粉末混合物，喷涂厚度约为762-1270μm。粉末为钼，硼和铸铁的混合物，其中所含铸铁至少与钼等；一般硼的含量处于钼和铸铁总和的3％。但如GB2050434 A例1所示，这种涂层已不能满足目前质量要求。
DE-AS 2146153公布了另一种汽缸滑动衬套涂层，其中描述了除含有65％(重量)钼之外，还含有镍和铬，硼，硅；有时还含有铁的等离子喷涂层。灰口铸铁制成的汽缸滑动衬套的涂层拥有0.1-2μm的微孔，其总的孔隙度为15％，此涂层与上面提及的英国文献中的涂层相当。
如上所述，已知有各种不同的等离子涂层用于铝合金上。但将这些涂层转用于镁合金上原则上讲是不可能的，因为镁合金的热膨胀系数约比铝合金大1/3。相应地，等离子涂层与镁合金的热膨胀系数之比约为1∶3，这样，可以预期，在等离子喷涂层和镁合金之间将有较大的应力。
本发明的任务是提供一种在镁合金或铝合金上制作滑动面的方法，而且一次喷涂。其次本发明的任务还涉及镁合金或铝合金发动机体的往复式汽缸。
权利要求1的措施可解决此任务。
有关的权利要求给出了此方法之有效实施方案。
权利要求11解决了有关往复式汽缸的任务。
镁合金一般含有不少于20％(重量)镁，而且镁是合金的主要成份，铝合金亦类似。
虽然镁合金的热膨胀系数约为27·10-6K-1，铝合金的热膨胀系数约为21·10-6K-1，而涂层的热膨胀系数约为10·10-6K-1，但本发明的涂层在轻金属合金上是具有很好的附着力。曾经表明，对于这种含钼涂层，只要轻金属合金表面具有一定的粗糙度，就能足以使轻金属合金和所形成的涂层之间保持良好的附着性。为达到特别好以附着性建议通过系列试验确定具体的轻金属合金和含钼涂层的最佳轻合金表面粗糙度。同样，为达到良好的附着亦应通过系列试验，如在通用等离子喷涂技术上，使喷涂条件最佳化。例如，在利用粉末作喷涂介质的情况下，就粉末颗粒大小、钼对钢的比例以及钢种，经过少量试验，一般就能求得最佳值。
本发明的方法提供一种相对简单的微压腔系统，其中在轻合金工件上通过热喷涂(如DIN 32530，Okt.89所描述)涂上耐磨层，最后通过机加工使微压腔系统的润滑腔的露出部分被部分的剥除，从而在工件上加工成滑动面，这种滑动面具有轻金属合金不能达到的耐磨性能，通过热喷涂及其后的机械加工产生大量纹路，它只有一小部分在机加工中被平整，从而提供了足够数量的凹穴组成微压系统。
这样在滑动面上产生的微压腔穴系统的类型和方式与前面提及的技术，规定必须有钛部件存在下是完全不同的。
本发明的优选实施方案中，耐磨层采用等离子喷涂，特别是采用常压等离子喷涂成膜。通过打磨产生纹路，从而能在涂层的表面造成微压腔穴系统。
US-A-5080056中建议的高速火焰喷涂，由于例如在内燃机汽缸镜面上，带入较高的能量而不适用于多数工件中，因为它能引起汽缸镜面的变形。
本发明的方法避免有环境污染的电涂工艺。利用适宜的等离子喷涂粉末以及合适的打磨参数可制作粗糙度极小的极平的滑动面，极小的粗糙度可供上述微压润滑穴系统作液流润滑用。
本发明明确提出，钢粉和钼粉的混合物特别适用于热喷涂制作镁合金滑动面，混合物由10-70％钼粉和90-30％钢粉组成，特别优选20-50％钼粉和80-50％钢粉。有时混合物中还补加其它组份，其优选量小于总混合物的50％(重量)。50∶50的混合物是最适宜的混合物。在目前的技术水平下这种混合物虽不适用于铸铁基材，即不能形成耐磨涂层(参见GB-2050434A)，但这种涂层在轻合金上却特别牢固，并与微压润滑穴系统结合仍然耐磨。这样，按照本发明可直接在轻金属合金沉积层上得到滑动面，而不需如US 2588422对铝所描述的要求有中间层。本发明的特点在于，能在较软的轻金属合金基材上直接喷涂牢固的耐磨层。本发明包括往复式活塞机的轻金属-发动机的涂层，其中利用了本方法的涂层。
本发明之热喷涂优选采用等离子喷涂，其中特别选用粉末作喷涂金属混合物。由于喷涂过程中粉末至少以熔融态喷于工件表面上，规定一定的颗粒大小(分布)对保证工作的质量是有利的。可根据所用的等离子通过系列试验确定合适的颗粒形状。
本发明对通用钢是特别有利的，而且还可在系列试验中最佳化的适应于所用钢材的性能。通用钢可在轻金属底材上良好的附着。
其次，按本发明制作的滑动涂层的有利准则是喷涂参数和工件的底材。对喷涂基材表面进行预处理将是特别有利的，其中使表面变粗糙不是通过打磨，而是通过颗粒流动或通过液体流动形成。在等离子喷涂前应使表面变粗糙这是众所周知的，但特别是对轻金属基材(铝合金)通常是不必进行有利的简单表面清理。
再者，按本发明至关重要的喷涂参数是涂层的孔隙率的选择，特别是包在其中的氧化物的含量；在涂层和制备中闭孔以及优异的孔径范围。根据目前的技术水平，孔隙率为0-15％，而且应用含钼涂层(在灰铸铁基材上)，喷涂孔隙率约为15％(DE-AS-2146153)。本发明还确定，在这样高的孔隙率下将造成发动机运行时较高的油耗。原则上，多数孔为封闭式并处在一定的厚度范围是有利的。此点是本发明与上所述各种技术水平的区别，后者因其孔体积比例高而相互连通(开孔)，而且多数孔处于0.1-2μm范围。这样的孔对本发明钼/钢涂层的微压腔穴系统的结构是不太适宜的。
GB 2050434A公布了钢涂层与钼组合概况，这种混合物在铁基材所获得的结果甚差。但这种等离子涂层与微压润滑穴系统在轻合金上却显出特别好的效果。钢除C之外，还含有至少一种，优选至少两种下列元素Cr，Si，Mo，W，Mn，B的钢是有利的。
本发明所用之钼，可以是纯钼，钼的合金，或钼的混合物。在这种情况下，利用含钼大于50％(重量)的合金或混合物，其中合金或混合物原则上可以是能与钼接合的所有金属。合金或混合物中钼成份优选为至少60％(重量)。例如钼-钨或钼-铁式钼合金，其中所有组分比例基本上可处在上述给定的范围内。
特别有利的是钼和钢以粉末状喷射。这种可比已知的钢丝喷涂层取得更好的效果。
本发明原则上适用于所有的轻金属合金，而且特别适用于下列镁合金AlSi6Cu4AZ91含9％Al和1％Zn，AS21含2％Al和1％Si，AE42含4％Al和2％稀土元素。
用本发明可制造无环境污染的轻金属发动机组组成的内燃机，其汽缸孔壁拥有的，特别牢固的滑动层。这种滑动涂层可用一步喷涂工序完成，并只要稍许后加工(打磨)，特别是既不要电涂，又不用其它有环保问题的工艺。
下面根据附图详细叙述实施例子说明本发明的优点。
图1表示在一种轻金属合金上用等离子喷涂层的结构，图2表示现有技术水平下工件表面限制性的流体润滑的沟流系统，图3表示类似图2的本发明的微压润滑穴系统。
金属工件1，应在其上可制作出供流体润滑的滑动层2，它可作为内燃机汽缸曲轴箱的汽缸滑动面。这种轻金属材料的曲轴箱采用压铸工艺制成(例中为AlSi6Cu4)。
为了在汽缸滑动面上涂上一层适应操作条件的涂层，在工件1上采用等离子喷涂上一层耐磨层3。
图1表示高倍放大的工件1的剖面，其上涂有耐磨层3。可以看出，耐磨层上由力学夹紧紧靠在工件1上，因为如液状的耐磨层的喷涂颗粒嵌入到表面粗糙的和侧凹的工件表面中。耐磨层凝固后，在这些位置上形成闭合式连接。此外在耐磨层3内形成收缩应力，这种应力导至工件1和抗磨层3之间产生强力结合。
耐磨层3还含有杂质4以及未融化的喷涂颗粒5，同时6表示较薄的氧化层。
为形成耐磨层3所采用的喷涂粉末由一定体积百分比的钼粉和余额的钢粉组成。后者可以是由，例如铁，钼，铬，镍，硅和硼组成，这些元素形成硬度很高的钢粉。此外，还可选用由铁，钼，钨和铬组成的合金工具钢。同样亦可采用，例如铁、铬，锰和碳为基础的低合金钢。
耐磨层可由20-60％钼粉和相应的钢粉组成，30-50％钼粉和相应的70-50％合金工具钢所组成的钢粉也能取得特别好的结果。
在耐磨层3凝固后，可通过打磨形式的机械加工，如在DE-4440713A1所公布的例子那样，将耐磨层3整平到所希望的最终尺寸。在打磨过程中从有利的方式将那些经过整平而露出的各个凝固的金属微粒的残骸从表面上除去，从而空出很多润滑穴7形式的小凹穴。
这些独立的润滑穴7有利的组成滑动面2上的微压润滑穴系统，在这些润滑穴7和平面8之间的滑动面2上具有极小的凹凸。其它一些工序，例如使由于机械加工而被填平的润滑穴重新显露的液体喷射，是不需要了。
图3表示工件1的汽缸镜面的剖面，工件拥有滑动面2和由润滑穴7以及位于其间的平面8所组之微压润滑穴系统。图中表示出活塞环部分9及其运动方向10，前者在内燃机工作时相对于滑动面2运动。在润滑穴7中聚集的润滑油通过活塞环段9的漂浮保证，提供流体力学润滑。
与此相反，图2表示目前技术水平的一种开启式沟流系统。可以看出经过打磨加工形成的交叉沟槽11，其中润滑油通过活塞环段9沿箭头所示方向的运动随活塞环流动。由此只能形成有限的流体动力学压力，从而可能使处在沟边缘区的活塞环和汽缸镜面之间产生无润滑摩擦。
确定合适的工艺参数，特别是耐磨层3和打磨磨损的组成，使本发明方法有可能以较少和较简单的工序制作一种保证流体动力学润滑的微压润滑穴系统。特别是喷涂耐磨层的组成对形成滑动层硬度有直接影响；打磨磨损可由于例如增加钼粉份额而得到增加。
所有被采用的喷涂涂层的比琢磨磨损值，即精磨的磨损量和为此所需时间的比值，都是足够高的，从而能在汽缸曲轴箱制造周期内保证打磨加工的进行。
如US 2588422所描述的那样，原则上钼可用作钼组份，也就是说，它可达到40％合金成分。优选用含钼大于90％(重量百分比)的钼，特别优先选用其杂质组分≤1％，而钼含量大于95％的钼。
权利要求
1.在一个基材上用热喷涂钢和钼的涂层制作滑动层的方法，其特征是，将一种混合物喷涂于镁合金或铝合金上形成滑动层拥有的涂层，在镁合金上，其混合物含有10-70％(重量)钼和90-30％(重量)钢在铝合金上，混合物含有20-60％(重量)钼和80-40％(重量)钢。
2.权利要求1的方法，其特征是，喷涂在镁-或铝合金上的混合物含有30-50％(重量)钼和70-50％(重量)钢。
3.权利要求1或2的方法，其特征是，用合金钢，特别是工具钢作钢粉。
4.权利要求3的方法，其特征是，用由铁、钼、钨、铬组成的工具钢或由铁、铬、锰和碳组成的低合金钢作钢粉。
5.按上述权利要求之一的方法，其特征是，往复式活塞机，特别是内燃机的汽缸镜面拥有涂于滑动面上之涂层。
6.按上述权利要求之一的方法，其特征是，滑动面上的涂层是用等离子喷涂涂上的。
7.按上述权利要求之一的方法，其特征是，进一步对组成滑动面的涂层进行机加工。
8.按权利要求7的方法，其特征是，进一步加工使闭孔开放和/或使层上封闭的纹路得以形成，这些孔隙组成一种油膜微压润滑穴系统。
9.按上述权利要求之一的方法，其特征是，采用粉末状混合物进行喷涂。
10.按权利要求9的方法，其特征是，采用粉末状钼和钢各组分的混合物进行喷涂。
11.往复活塞机，特别是内燃机，其曲轴箱由镁合金或铝合金制成，曲轴箱拥有汽缸镜面，后者具有钢钼涂层，涂层是通过热喷涂将一种混合物涂敷于合金之上，对于镁合金，这种混合物含10-70％(重量)钼和90-30％(重量)钢对于铝合金，这种混合物含20-60％(重量)钼和80-40％(重量)钢。
12.按权利要求11的往复活塞机，其特征是，混合物以单个组份的粉末状喷涂。
13.利用由20-60％钼粉和80-40％钢粉组成的混合物在铝合金上热喷涂形成滑动面的涂层。
全文摘要
内燃机镁合金或铝合金发动机组的活塞滑动面可由灰口铸铁衬套组成。本发明将10—70%钼粉和90—30%钢粉组成的涂层用热喷射,特别是等离子喷射直接涂于轻金属合金上作为滑动层。涂层的抗磨损性能高、并能牢固附着在轻金属合金上。本发明可应用于具有轻金属合金发动机组的往复式活塞机中。
文档编号C23C4/18GK1200772SQ96197935
公开日1998年12月2日 申请日期1996年10月30日 优先权日1995年10月31日
发明者M·克罗夫特, R·斯特里赫, U·施勒格尔 申请人:大众汽车有限公司