專利名稱：制造耐磨表面的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種如權利要求1前序所述的在鋁硅合金構件上制造耐磨表面的方法，其中耐磨表面是借助熱噴涂且尤其是火焰噴涂、等離子噴涂或HV噴涂或激光束被涂覆上去的。本發明還涉及一種如權利要求11前序所述的在鋁硅合金構件且尤其是在活塞式內燃機曲軸箱氣缸的氣缸工作面上制造耐磨表面的裝置。
主要用于氣缸曲軸箱的亞共晶鋁硅合金因耐磨的硅相含量低而不適用于活塞-活塞環-氣缸滑動表面系統的摩擦學要求。過共晶合金如AlSi17Cu4Mg合金具有足夠多的硅晶體。這種耐磨的堅硬組織成分通過化學和/或機械加工步驟而比由鋁混晶組成的基質突出并且形成了所需的承壓面成分，但卻表現出了相對亞共晶和類共晶合金而言缺乏可鑄性、弱加工性能以及高昂的合金成本。
由耐磨材料如灰鑄鐵合金與過共晶鋁合金構成的氣缸套的鑄入是一種處理這個問題的可行方案。但是，缸套與重鑄物之間的復合是有問題的，它只是通過機械嚙合來保證的。通過使用多孔陶瓷缸套材料，可以在鑄造時對其進行滲透并且獲得材料復合。為此，需要緩慢的型腔填充以及使用高壓，這明顯降低了該方法的經濟性。
另一種選擇方案是，鍍層的亞共晶和類共晶合金直接被涂覆到氣缸滑動面上。但是，這很昂貴并且在摩擦化學方面不耐用。另一個替換方案是熱噴涂層，它也直接被涂到氣缸滑動面上。但這些層的附著性能因都是微觀力學地粘接而不夠充分。
在此，已有人提出了，通過使用激光器進行表面改良重熔、合金化、彌散、涂覆，如DE19643029A1所公開的那樣。在這里，由激光束傳遞如曲軸箱或氣缸工作面的能量必須足夠快地散發出去。高能激光束中的太高的熱輸入可能導致了在曲軸箱子中出現不希望有的組織改變。為此，DE19643029A1已提出了，通過曲軸箱的冷卻水流道來冷卻構件表面。
本發明的任務是提供一種上述類型的改進方法以及一種上述類型的改進裝置，它允許使用高能涂覆裝置如大功率激光器而沒有因熱導致構件材質變化地進行構件涂覆。
根據本發明，通過具有權利要求1特征部分特征的上述類型的方法以及具有權利要求11特征部分特征的上述類型裝置完成了上述任務。在從屬權利要求中給出了本發明的有利設計方案。
在上述類型的方法中，根據本發明地提出了，在制造耐磨表面時，使至少一個導熱裝置與所述構件導熱接觸并且有效地冷卻該導熱裝置。
這具有以下優點，即在涂覆過程中可以利用提高冷卻效率的良好散熱，從而尤其是可以沒有由熱引起的曲軸箱材質的組織改變地進行激光熔融和激光涂覆。由此一來，也可以用較高能量進行涂覆，從而例如實現了涂層物質滲入構件材料中更深以及涂層與構件材料之間的更好復合和/或更大的層厚度。
為了進一步改善涂層性能，在形成成熱噴涂層形式的耐磨表面后，還用激光束加工且尤其是重熔所述耐磨表面。
在一個優選實施例中，重熔、合金化、彌散和/或涂覆是借助激光束或通過熱噴涂進行的。
例如，構件是活塞式內燃機的曲軸箱，在其氣缸的工作面上進行涂覆。在這種情況下，在一個優選實施例中，在形成耐磨表面的過程中，冷卻介質且尤其是氣體、氮氣或冷卻液流過曲軸箱的流水腔。
在另一個替換實施例中，導熱裝置具有至少一塊具有用于冷卻介質的槽的冷卻板，所述槽至少在氣缸開口端所在的那一側開設于曲軸箱上。
在另一個替換實施例中，導熱裝置具有至少一個對應于氣缸橫截面的冷卻芯桿，使它在氣缸軸向上跟在涂覆區后面地和/或后跟有涂覆區地接觸氣缸工作面。
在另一個替換實施例中，導熱裝置具有一個冷卻介質容槽，曲軸箱在制造耐磨表面時如此浸泡在該冷卻介質容槽中，即在氣缸中的冷卻介質液面在重力方向上位于涂覆區的下面。在這種情況下，如此跟蹤控制曲軸箱浸入冷卻介質容槽的深度，即在涂覆區與冷卻介質液面之間保持一段固定不變的預定距離。
有利的是，導熱裝置的有效冷卻是利用氣體、氮氣和/或冷卻液進行的。
在上述類型的裝置中，根據本發明地規定了，設有一個導熱裝置，它與構件導熱接觸并且它包含冷卻介質。
這具有以下優點，即在涂覆過程中可以利用提高冷卻效率的良好散熱，從而尤其是可以沒有由熱引起的曲軸箱材質的組織改變地進行激光熔融和激光涂覆。由此一來，也可以用較高能量進行涂覆，從而例如實現了涂層物質滲入構件材料中更深以及涂層與構件材料之間的更好復合和/或更大的層厚度。
有利的是，所述冷卻介質是氣體、氮氣和/或冷卻液。
在一個優選實施例中，導熱裝置包括至少一塊冷卻板，它具有冷卻介質流過的槽，其中冷卻板至少在氣缸開口端所在的那一側被設置在曲軸箱上。
為了在缸孔周圍良好地散熱，冷卻板如此成環形，即它對準一個對應氣缸孔地壓在其環行邊緣上。
在一個替換的優選實施例中，導熱裝置具有至少一個對應于一個氣缸孔的橫截面的且具有冷卻介質流經其中的槽的冷卻芯桿，所述槽在氣缸的軸向上如此布置在涂覆區的一側或兩側，即形成了在冷卻芯桿之間與氣缸工作面的導熱接觸。
為了在氣缸工作面附近進行高效冷卻，冷卻介質流經其中的槽成螺旋線循環形狀。
為了接收多余的涂層物質，給一個在重力方向上位于涂覆區下方的冷卻芯桿配備了一個用于多余涂覆材料的收集槽。
為了接收多余涂層物質并將其送入收集槽中，在面對涂覆區的冷卻芯桿外周那側上，形成了一道收集溝。
為了提高冷卻芯桿的冷卻效果，冷卻芯桿在其面對氣缸工作面的外周面上配設了冷卻硬毛。有利的是，冷卻硬毛由導熱材料且尤其是銅制成。
在另一個替換實施例中，導熱裝置具有至少一個冷卻介質容槽，構件如此浸沒在該冷卻介質容槽中，即冷卻介質液面離涂覆區有一段預定距離。
有利的是，在根據本發明的涂覆方法之后進行表面珩磨(Hon-Vorgang)，以使涂層表面光滑。
從從屬權利要求、以下對發明的說明以及附圖中得到了本發明的其它特征優點和有利設計方案，其中
圖1以截面圖表示本發明裝置的第一優選實施例，它實現了附加冷卻的三種優選實施方式。
圖2以截面圖表示本發明裝置的第二優選實施例。
圖1所示的本發明裝置的優選實施例包括一個涂覆裝置10，它借助等離子束12如激光束來涂覆曲軸箱18氣缸18的缸壁15的氣缸工作面14。涂覆裝置10可以繞一條縱軸線20并如箭頭22所示地轉動并且可以如箭頭24所示地沿縱軸線20移動。曲軸箱18具有一個用于冷卻介質的流水腔26。通過涂覆裝置10相對缸壁15的轉動和平移，可以在預定區域內涂覆氣缸工作面14。在這里，以下將其中等離子束或激光束撞擊氣缸工作面14的涂覆裝置10的實際工作區稱為加工區28。
根據本發明，該裝置具有一塊冷卻板30，它是利用板系或機加工或澆鑄而成的，它具有冷卻介質流經其中的冷卻槽32。這樣一來，冷卻板被有效冷卻并且僅通過導熱就有效地散發熱能。冷卻槽例如具有矩形和/或圓形橫截面并且尤其是開設于在冷卻板30與缸壁15之間的接觸面34上方。冷卻板30設置在氣缸16開口端的一側或兩側上。此外，冷卻板對應于氣缸橫截面成環形，從而它們壓在環行缸壁15上并且在環中提供了一個通入涂覆裝置10的孔。在圖1下面的冷卻板30在環形設計結構中具有以下優點，即工作氣體和在氣缸工作面14上沒有熔化或沒有附著的多余涂層物質可以沿重力方向在圖1中向下地被送出。
根據本發明，所述裝置還具有冷卻芯桿36，它對應于氣缸橫截面是如此形成的，即冷卻芯桿36可以插入氣缸16中并在那里沿周向貼著缸壁15。作為替換方式地或者除了冷卻芯桿36直接貼靠缸壁15外，在冷卻芯桿36的外周面上還設置了如銅制的冷卻硬毛38，它們接觸缸壁15的表面，這樣一來，熱量從缸壁15被散發給冷卻芯桿36。在冷卻芯桿中，還設置了冷卻介質流經其中的冷卻槽40，它按照上述方式用于有效冷卻和散熱。成螺旋線循環地形成了冷卻槽。
借助在圖1中成形于冷卻芯桿36下的收集槽42，沒有附著在缸壁15上的顆粒被收集起來。在收集槽42中，也適當地填充了冷卻介質。一道附加的收集溝44將多余的掉落涂層物質引入收集槽42中。為在收集槽42和/或冷卻槽40中的冷卻介質設置了一個冷卻介質供應管46和冷卻介質排放管48。根據本發明，如箭頭50所示地，圖1所示冷卻芯桿36中的一個或兩個冷卻芯桿按照涂覆裝置進給速度在箭頭24方向上被帶動。
為了使涂覆表面平滑，還在涂覆后進行了珩磨，其中珩磨可能根據所需的表面質量而包括多個步驟。
在圖2所示的另一個替換實施例中，設置了成冷卻介質容槽52形式的導熱裝置，曲軸箱18浸泡在該冷卻介質容槽中。在這種情況下，根據涂覆裝置10的進給情況，如此進行浸入的跟蹤控制(箭頭58)，即冷卻介質液面54總是距離涂覆區28有一段固定不變的預定距離如20毫米。在這種情況下，仍然通過曲軸箱18的浸入冷卻來進行散熱。
此外，根據本發明，可以擇其一地或任意組合地在本發明的唯一裝置中設計上述三種冷卻選擇方式。
在本發明的一個優選改進方案中還規定了，在用等離子束12或激光束涂覆氣缸工作面14時，使冷卻流體如氣體、氮氣或冷卻液流經流水腔26，所述冷卻流體導致了繼續冷卻缸壁15并進而還從涂覆區中散熱。
權利要求
1.一種在鋁硅合金構件上制造耐磨表面的方法，其中所述耐磨表面是借助熱噴涂或激光束涂覆上的，其特征在于，在制造耐磨表面時，使至少一個導熱裝置與所述構件導熱接觸并且有效地冷卻該導熱裝置。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在形成熱噴涂層形式的耐磨表面后，還用激光束加工尤其是重熔該表面。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，重熔、合金化、彌散和/或涂覆是借助激光束或通過熱噴涂進行的。
4.如前述權利要求之一所述的方法，其特征在于，所述構件是活塞式內燃機的曲軸箱，在其氣缸的氣缸工作面上進行涂覆。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，在制造耐磨表面的過程中，冷卻介質且尤其是氣體、氮氣或冷卻液流過曲軸箱的流水腔。
6.如權利要求4或5所述的方法，其特征在于，導熱裝置具有至少一塊具有用于冷卻介質的槽的冷卻板，所述槽至少在氣缸開口端所在的那一側開設于曲軸箱上。
7.如權利要求4-6之一所述的方法，其特征在于，導熱裝置具有至少一個對應于氣缸橫截面的冷卻芯桿，使它在氣缸軸向上跟在涂覆區后面地和/或后跟有涂覆區地接觸氣缸工作面。
8.如權利要求4-7之一所述的方法，其特征在于，導熱裝置具有一個冷卻介質容槽，曲軸箱在制造耐磨表面時如此浸泡在該冷卻介質容槽中，即在氣缸中的冷卻介質液面在重力方向上位于涂覆區的下面。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，如此跟蹤控制曲軸箱浸入冷卻介質容槽的深度，即在涂覆區與冷卻介質液面之間保持一段固定不變的預定距離。
10.如前述權利要求之一所述的方法，其特征在于，導熱裝置的有效冷卻是利用氣體、氮氣和/或冷卻液進行的。
11.一種在由鋁硅合金構件上且尤其是活塞式內燃機的曲軸箱(18)的氣缸(16)的缸工作面(14)上制造耐磨表面的裝置，其特征在于，設有一個導熱裝置(30，36，52)，它與構件(18)導熱接觸并且包含冷卻介質。
12.如權利要求11所述的裝置，其特征在于，所述冷卻介質是氣體、氮氣和/或冷卻液。
13.如權利要求11或12所述的裝置，其特征在于，導熱裝置包括至少一塊冷卻板(30)，它具有冷卻介質流過的槽(32)，其中冷卻板(30)至少在氣缸(16)開口端所在的那一側被設置在曲軸箱(18)上。
14.如權利要求13所述的裝置，其特征在于，冷卻板(30)如此成環形，即它對準一個對應氣缸孔(16)地壓在其環行邊緣上。
15.如權利要求11-14之一所述的裝置，其特征在于，導熱裝置具有至少一個對應于一個氣缸孔(16)橫截面的且具有冷卻介質流經其中的槽(40)的冷卻芯桿(36)，所述槽在氣缸(16)的軸向上如此布置在涂覆區(28)的一側或兩側，即形成了在冷卻芯桿(36)之間與氣缸工作面(14)的導熱接觸。
16.如權利要求15所述的裝置，其特征在于，冷卻介質流經其中的槽(40)成螺旋線循環形狀。
17.如權利要求15或16所述的裝置，其特征在于，給一個在重力方向上位于涂覆區(28)下方的冷卻芯桿(36)配備了一個用于多余涂覆材料的收集槽(42)。
18.如權利要求17所述的裝置，其特征在于，在面對涂覆區(28)的冷卻芯桿(36)外周那側上，形成了一道收集溝(44)。
19.如權利要求15-18之一所述的裝置，其特征在于，冷卻芯桿(36)在其面對氣缸工作面(14)的外周面上配設了冷卻硬毛(38)，其與氣缸工作面(14)處于刷式接觸。
20.如權利要求19所述的裝置，其特征在于，冷卻硬毛(38)由導熱材料且尤其是銅制成。
21.如權利要求11-20之一所述的裝置，其特征在于，導熱裝置具有至少一個冷卻介質容槽(52)，構件(18)如此浸沒在該冷卻介質容槽中，即冷卻介質液面(54)離涂覆區有一段預定距離(56)。
22.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在構件的表面熱處理后，接著進行表面珩磨。
全文摘要
本發明涉及一種在鋁硅合金構件上且尤其是活塞式內燃機曲軸箱(18)氣缸(16)的氣缸工作面(14)上形成耐磨表面的方法和裝置。在這里,設置了一個導熱裝置(30,36),它與構件(18)導熱接觸并包含冷卻介質。
文檔編號C23C4/18GK1341156SQ00804004
公開日2002年3月20日 申請日期2000年1月26日 優先權日1999年2月19日
發明者R·海尼曼, K·費貝爾, T·海德 申請人:大眾汽車有限公司