涂覆活塞環槽的熱噴涂方法、噴涂絲的用途和活塞的制作方法

專利名稱：涂覆活塞環槽的熱噴涂方法、噴涂絲的用途和活塞的制作方法
技術領域：
根據獨立權利要求1、 14和18的前序部分，本發明涉及一種用 于涂覆兩沖程大型柴油機的活塞的活塞環槽的熱噴涂方法，涉及一種 根據本發明的方法的噴涂絲用于生產熱噴涂層的用途，并且涉及一種 用于兩沖程大型柴油機的具有根據本發明的方法制造的熱噴涂層的 活塞。
背景技術：
從現有技術已知的用于大型柴油機的活塞通常配備一組多個活 塞環，這些活塞環彼此層疊設置，每一個活塞環在相應的活塞環槽中。 已知活塞環組通常包括至少兩個活塞環，然而，取決于大型柴油機的 大小及/或功率或取決于操作該機器的要求或特殊操作條件，大部分包 括三個、四個或甚至五個活塞環。
這些活塞環履行不同的功能，諸如在汽缸中引導活塞，分配及/ 或刮掉在汽缸的運行表面上的潤滑劑，相對于活塞下面和曲柄外殼密 封燃燒空間等，這些活塞環在操作狀態容易受到相當大的負荷。因此， 活塞環與汽缸運行表面直接摩擦接觸，燃燒壓力必須被活塞環吸收且 不是最少地活塞環還容易受到相當大的熱、機械和化學負荷。在兩沖 程柴油機中的燃燒期間產生尤其是化學腐蝕性的條件，該兩沖程大型 柴油機燃燒重油、柴油燃料、生物燃料等作為燃料或者在特殊情況下 也燃燒天然氣。
除了在活塞環自身上的磨損防護涂層之外，長期以來已知也向活 塞環槽整個地或部分地提供磨損防護層。就此而論，實質上在高度上 界定活塞環槽的活塞環槽的側表面必須受到保護以防止磨損而且對于活塞環槽的在周向地延伸的后表面需要較少的磨損防護。
在(例如)CH 375 951中介紹了由硬鉻制成的磨損防護層，這些磨 損防護層被廣泛地用于活塞環槽的側表面，尤其是用于柴油機。這樣 的硬鉻層通常在鍍液中電鍍施加且具有許多缺點。用于施加已知硬鉻 層的方法是非常復雜且因此昂貴的，而且另外，電鍍(electro-galvanic) 工藝尤其是不再符合目前所需要的日益嚴格的環境標準。另外，這些 層并不能應付主要在大型柴油機中長期出現的高負荷。高溫結合高 壓、磨粒(例如，其可經由燃料供給或伴隨增壓空氣供給)導致已知硬 鉻層過早磨損。
為了避免這些問題，在EP 1 618 323中提出了在活塞環槽的側表 面上利用熱噴涂層來代替電鍍施加硬鉻層，該熱噴涂層通過高速火焰 噴涂來進行熱噴涂，該高速火焰噴涂是一種通常被稱作HVOF方法(高 速氧燃料)的方法。
當然，使用這種方法可以避免伴隨電鍍施加硬鉻層的許多問題， 然而，已示出這些HVOF層的優點也必然地帶來了新的缺點。
HVOF方法的基本缺點在于它的執行基本上是相對復雜且昂貴 的。因此，根據EP 1 618 323，在施加通過HVOF噴涂的層之后，如 果要生產適當品質的層，必須通過供給保護氣體來進行熱處理。通過 熱處理來防止氧化，特別是在HVOF層與基層材料的連接區中的氧 化，借此應保證磨損防護層改進的粘合。
然而，對于特別是相對較窄和較深活塞環槽的涂覆而言更為關鍵 的是必須被盡可能地成直角地涂覆將要被涂覆的表面(即，在活塞環槽 的情況下，側表面)。即，如果要通過HVOF方法制造高品質的層， 涂覆束必須被盡可能垂直地指向將要涂覆的表面。涂覆角與垂直的偏 離越大，對通過HVOF所產生的層的孔隙度、硬度和最重要的粘合強 度的影響就越不利。
這個事實基本上是非常合理的，因為在HVOF方法中，用于將要 被噴涂的粒子的熔化或表面熔化的熔化能的相當大的部分是通過粒子在將要被涂覆的表面上的沖擊功由粒子的動能轉換成熱能而產生。 如果現在噴涂角顯著偏離粒子在將要被涂覆的區域的表面上的垂直 入射，那么隨著角度變得越來越平坦從動能到熱能的能量轉換效率將 會越來越低，這對層的品質有著相應的負面影響。
既然只是由于相對較窄和4史深活塞環槽的單純的幾何原因，無論 如何不能夠以接近垂直方式將涂覆束導向到將要被涂覆的側表面上，
那么，在EP 1 618 323中所公開的HVOF方法中關于噴涂到活塞環槽 的側表面上的磨損防護層的品質必須做出折衷。
即，既然出于單純的幾何原因，在窄活塞環槽中的側表面必須總 是以顯著偏離直角的角度噴涂，且，例如，通常成大約45。的角度， 當使用HVOF方法時基本上不可能制造出具有高品質和令人滿意的 產品壽命的層，這些層通過壓力、溫度、化學4曼蝕、磨粒等耐受巨大 負荷，諸如在兩沖程大型柴油^L的操作期間不可避免地發生的負荷。
另外，通過HVOF施加到活塞環槽的側表面上的層的品質還由于 以下事實而進一步降級，這個事實是，通常，在側表面的整個深度上 (換言之，從外活塞套表面到活塞環槽的周圍后表面)不能夠以恒定的 噴涂角來噴涂這些側表面。
在凹槽的較深內部，大部分被噴涂的材料以比在外活塞套表面附 近外緣處更淺的角度沖擊在側表面上。這導致層的品質在朝向活塞中 心的方向或在相反方向中改變。這在層中導致內應力并導致磨損防護 層的不均勻磨損，因此，在一段較短的操作時間之后，活塞環在活塞 環槽中的引導就以不可接受的方式惡化，以致很早就需要復雜的維修 和修理措施，這是很不經濟的，而且最終，如果未能及時認識到這種 過早磨損，甚至可能會導致與安全性或與發動機的嚴重的二次損害相 關的問題。

發明內容
根據現有技術，因此，本發明的目的在于提出一種用于涂覆活塞環槽的改進的熱噴涂方法和一種相應的改進活塞，利用該活塞避免了 上述缺點且因此也確保了兩沖程大型柴油機的更為經濟的操作、大型 柴油機和相關部件的更長的維^^間隔和最終更長的工作壽命。
滿足這個目的的本發明的主旨由獨立權利要求1、 14和18的特 征來表征。
從屬權利要求涉及本發明的特別有利的實施例。
因此，本發明涉及一種熱噴涂方法，其用于涂覆兩沖程大型柴油 機的活塞的活塞環槽，在該方法中，為了在該活塞環槽中容納并引導 活塞環，該活塞環槽被鄰近燃燒空間的第一側表面，遠離該燃燒空間 的第二側表面和在活塞套中在周向地延伸的后表面界定，該方法的特
征在于，通過熱式絲噴涂工藝(thermal wire spraying process)向該活塞 環槽的至少該第 一側表面和/或該第二側表面提供熱噴涂層。
對于本發明而言重要的是i人識到通過絲噴涂工藝所噴涂的層的 品質對于噴涂角變化的反應非常不敏感，這些層以較廣角度范圍中的 噴涂角施加到村底上。
已特別地示出所噴涂的層的品質特征，諸如使用絲噴涂工藝所涂 覆的活塞環槽的側表面的硬度、孔隙度、粘合強度也基本上不會由于 噴涂角而惡化，該噴涂角顯著從相對于相關側表面的表面法線的0° 偏離，即，也成顯著偏離垂線的噴涂角。
就此而論，在本申請的上下中術語噴涂角應被理解為始于絲噴涂 槍的噴涂材料束的濺射軸線與將要^C涂覆的層的表面法線所形成的 角度。
因此，使用根據本發明的方法，第一次也可不產生問題地將熱噴 涂層施加到活塞環槽的相對較寬的側表面上，即使在顯著大于0°的
噴涂角的情況下，這些熱噴涂層具有極好的品質，例如，關于在側表 面的整個區域上層的硬度、孔隙度、粘合強度和均勻性的要求。 因此，可以不產生問題地噴涂一流的層，例如，以相對于側表面
的法線成70°的噴涂角，其中這種層在它們的品質方面與在實馬《/測試中使用同樣的絲噴涂工藝以垂直沖擊(換言之，以0°噴涂角)所噴涂
的層實際上是相同的。
因此，不只是可以不產生任何問題地顧及將要被涂覆的側表面的
較難的幾何形狀而且所噴涂的層遠比從現有技術已知的HVOF層更 加均勻。這是由于以下事實(例如)在周向地延伸后壁附近的凹槽深 處(在此很可能發生較大噴涂角)與外活塞表面附近邊緣處(在此很可 能預期是較小的噴涂角)之間的噴涂材料的不同入射角實際上對所噴 涂的層的特征沒有影響。
因此，使用根據本發明的方法，在第一噴涂角大約為0°且第二 噴涂角為40°的情況下，制造出實際上具有相同粘合強度的熱噴涂 層。就此而論，測量到超過5000 psi的粘合強度，在不同情況下超過 6000 psi的粘合強度和甚至超過7500 psi的粘合強度值(psi =磅每平方 英寸)。
另外，已示出使用絲噴涂工藝，根據本發明噴涂的層也不再必須 經受復雜的熱處理。即使不進行熱處理，這些層在互連區也展示卓越 的抗氧化性，其中同時還可不產生任何問題地達成900維氏和更高的 硬度，特別是在使用納米鋼(nano-steel)的情況下。
就此而論，在裝置方面復雜的絲噴涂工藝從根本上比HVOF方法 更經濟，即使是對于非高素質的工作人員也更易于操作，而且在市場 上可購買到以噴涂絲形式的噴涂材料的更廣泛的選擇，這些絲噴涂材 料廉價而且易于獲得。
在這個設置中，根據本發明的熱噴涂層實際上是耐磨層。在特殊 情況下，它也可能是防污層或其它層，其中，在特殊情況下，也可能 是多功能層，這些多功能層同時履行多種功能。
具體而言，特別地，火焰絲噴涂方法、等離子絲噴涂方法或電弧 絲噴涂方法被討論成絲噴涂方法，它們均是本身熟知的且在K. Smolka， Deutscher Verlag fQr schweisstechnik GmbH 的 "Therm、sches Spritzen:("Thermal Spraying")"中詳細介紹。就此而^侖，已示出電弧絲噴涂方法特別適于涂覆活塞環槽。
原則上，所有適當噴涂絲^支討i侖成噴涂絲，它們也同樣特別地在
上文所引用的Smolka的專著中介紹，其中填充焊絲的使用(它實際上 是本領域一般技術人員已知的)在實踐中自身被顯示為非常有利的，特 別是那些包括納米粒子和/或非晶相和/或硬體相的填充焊絲。通過這 種方法，可制造出具有明確特征的層，換言之，這樣的一些層具有750 HV或更高的硬度，且就此而論例如同時具有足夠高的延性，良好的 粘合性且在它們的膨脹系數方面類似于活塞的基層材料，因此即使在 較大溫度負荷情況下，諸如較大溫差或較大溫度波動情況下，在根據
就此而論，特別適合的噴涂絲優選地由元素C、 Cr、 Mn、 Mo、 B、 W、 Nb、 Si和Fe組成，其中噴涂絲可具有以下成分 C-按重量計2。/o到6% Cr-按重量計10 %到30% Mn =按重量計2.5 %到7.5 % Mo-按重量計5%到15% B"姿重量計2.5o/o到7.5% W-按重量計4.5。/。到13.5% Nb =按重量計4.5 %到13.5 % Si-按重量計1%到3% Fe-按重量計到100%的差值。
使用特別適于涂覆活塞環槽的噴涂絲在測試中關于該層的粘合 強度、耐磨性、持久性可達成最佳結果和750 HV到遠高于900 HV的 硬度，這種特別適于涂覆活塞環槽的噴涂絲具有以下成分
。=按重量計2%到4%
Cr-按重量計10 %到20%
Mn =按重量計2.5 %到5 %
Mo-按重量計5%到10% -8 =按重量計2.5%到5% \￥ =按重量計4.5%到9% Nb-按重量計4.5。/o到9% Si-按重量計1%到2% Fe-按重量計到100%的差值。
就此而i侖，通過噴涂絲的津青確成分的適當選擇，可以相應地優化 或調節相關特征，諸如，硬度、延性、粘合強度、孔隙度等。
如已在上文中詳細解釋的那樣，使用根據本發明的方法，可相對 于活塞環槽的第一側表面和/或第二側表面的表面法線成一定角度來 熱噴涂該熱噴涂層，特別地，相^"于活塞環槽的第一側表面和/或第二 側表面的表面法線成O。與80°之間的角度，尤其是30°與70°之 間的角度，特別是50°與60°之間的角度。
就此而論，在特殊情況下，也可自然地涂覆該活塞環槽的在周向 地延伸的后表面，或者也可利用擋塊來覆蓋該活塞的特定區域。
然而，由于已示出當使用從現有技術已知的擋塊時，在實踐中常 常會產生一大堆的問題，特別;也，不只是在擋塊邊緣附近，層粘合性 較差或傾向于剝落，活塞的表面優選地完全被涂覆熱噴涂層且隨后再 次從不要被涂覆的表面區域移除該熱噴涂層。
因此，例如在涂覆工藝中可簡單地也涂覆該活塞環槽的在周向地 延伸的后表面和/或該活塞的外表面的一部分。然后，例如，通過研磨、 拋光、珩磨、切屑形成方法或4壬何其它適當方法來再次移除該防護層 使得在周向地延伸的槽和外表面再次沒有防護層。因此，避免了對熱 噴涂層的上述負面影響，尤其是在層的邊緣區域。
在非常特殊的情況下或者選擇性地對于活塞的特定表面區域，如 果預期掩模不會造成任何缺點(例如，由于特殊的幾何形狀的原因)， 不要被涂覆的表面區域可自然地被擋塊覆蓋。
就此而論，根據本發明的熱噴涂層可具有非常高的硬度，例如， 高于600 HV的硬度，特殊地高于750 HV的硬度，通過使用根據^本發明的方法，甚至可以無任何問題地制造出硬度大于900 HV的層。
熱噴涂層的典型層厚介于0. 1 mm與1 mm之間，特別地介于0.3 mm與0.6 mm之間。
本發明還涉及通過上文所詳細解釋的根據本發明的方法的用于 至少在活塞環槽的側表面上生產熱噴涂層的包括元素C、 Cr、 Mn、 Mo、 B、 W、 Nb、 Si和Fe的噴涂絲的用途。
所用噴涂絲優選地具有上文已詳細指定的特殊化學成分，且同樣 如已提到，可以是填充焊絲，特別是填充有納米粒子的填充焊絲和/ 或填充有非晶相的填充焊絲和/或填充有硬質相的填充焊絲。
另外，本發明涉及一種用于兩沖程大型柴油機具有使用上文所述 的根據本發明的方法所制造的熱噴涂層的活塞。


現將在附圖的幫助下在下文中更詳細地介紹本發明，在附圖中示 意示出
圖1是處于內置狀態具有才艮據本發明的熱噴涂層的活塞； 圖2是根據本發明用于活塞環槽的側表面的涂覆方法。
具體實施例方式
在圖1中，部分以截面圖示意說明了處于內置狀態具有根據本發 明的熱噴涂層的兩沖程大型柴油機的活塞。
活塞l以本身已知的方式i殳置在汽缸6上，其中該活塞1^皮設置 成可沿著汽缸運行表面61往復移動。活塞環3設置于活塞環槽2中， 在兩沖程大型柴油機的操作狀態，該活塞環3與汽缸運行表面61直 接摩擦接觸。
在圖l所示的實施例中，活塞環組僅包括在兩個活塞環槽2中的 兩個活塞環3，在這兩個活塞環槽2中的每一個活塞環槽中，涂覆鄰 近燃燒空間的第一側表面21和遠離燃燒空間的第二側表面，而并不涂覆在活塞裙100中的在周向地延伸的后表面23,該周向延伸的后表 面23在活塞1未示出中心軸線的方向界定活塞環槽2。
應了解在另一實施例中，活塞1也可具有多于或少于兩個的活塞 環3或活塞環槽2,且特別地也可向在周向地延伸的后表面23提供熱 噴涂層4或可能一點都不涂覆某一活塞環槽2，例如引導不容易受到 非常高應力的活塞環3的活塞環槽2。在另一示例中，可只是向鄰近 燃燒空間7的第一側表面21(例如出于效率的原因)提供根據本發明的 熱噴射涂層，而并不涂覆遠離燃燒室7的第二側表面22，或者可只是 向遠離燃燒室7的第二側表面22提供根據本發明的熱噴射涂層，而 并不涂覆鄰近燃燒室7的第一側表面21。
然而，根據本發明，在圖l的示例中，通過熱絲噴射方法，不僅 向兩個活塞環槽2的第一側表面21而且也向第二側表面22提供熱噴 射層4。
在圖2示意示出活塞環槽2的側表面22的根據本發明的涂覆工 藝。側表面21尚未被涂覆且僅在隨后的第二作業步驟中被涂覆根據 本發明的熱噴涂層4。
噴槍8是本身已知的電弧絲噴涂槍8，其中在兩個填充焊絲5之 間點燃電弧，這使噴涂絲5熔化。通過在霧化軸線81的方向中的霧 化氣體將熔化材料射到將要被涂覆的表面22上。
角度a,在本文中也^皮稱作噴涂角a,;波定義為在涂覆側表面22 期間在側表面22的表面法線N與霧化軸線81之間的角度a。在目前 的情況下，噴涂角a等于大約45。。在噴涂層4的已噴涂層區域400(換 言之，位于更靠近在周向地延伸的后表面23的區域400中)的先前噴 涂工藝中的噴涂角a較大。這表示在噴涂工藝中噴涂角a根據活塞環 槽2的幾何形狀進行調適，如上文所解釋，當使用根據本發明的方法 時，這對熱噴涂層4的品質絕對沒有負面的影響。
在這種設置中，圖2的噴涂層4具有厚度D(即，例如，0.5 mm 厚)且具有超過900 HV的硬度。 1不言而喻，在本申請中所介紹的根據本發明的示例應被理解為舉
權利要求
1.一種熱噴涂方法，用于涂覆兩沖程大型柴油機的活塞(1)的活塞環槽(2)，其中，為了在所述活塞環槽(2)中容納并引導活塞環(3)，所述活塞環槽(2)被靠近燃燒空間的第一側表面(21)、遠離所述燃燒空間的第二側表面(22)和在活塞套(100)中在周向地延伸的后表面(23)界定，其特征在于，通過熱式絲噴涂工藝來向所述活塞環槽(2)的至少所述第一側表面(21)和/或所述第二側表面(2)提供熱噴涂層(4)。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述熱噴涂層(4) 是磨損防護層(4)。
3. 根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述絲噴涂 方法是火焰絲噴涂工藝、等離子絲噴涂工藝，特別是電弧絲噴涂工藝。
4. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，填充 焊絲^f皮用作所述噴涂絲(5)，特別是具有納米粒子的填充焊絲和/或具有 非晶相的填充焊絲和/或填充有^^質相的填充焊絲(5)。
5. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述 噴涂絲(5)由元素C、 Cr、 Mn、 Mo、 B、 W、 Nb、 Si和Fe組成。
6. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述 噴涂絲(5)具有以下成分。=按重量計2%到6% & =按重量計10 %到30% Mn =按重量計2.5 %到7.5 % Mo-按重量計5%到15% 8 =按重量計2.5%到7.5% W-按重量計4.5。/。到13.5% Nb-按重量計4.5Q/o到13.5% Si =按重量計1 %到3 % Fe =按重量計到100 %的差值。
7. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述 噴涂絲(5)具有以下成分。=按重量計2%到4% Cr-按重量計10 %到20% Mn-按重量計2.5 %到5% Mo-按重量計5%到10% 8 =按重量計2.5%到5% W-按重量計4.5。/。到9% Nb-按重量計4.5o/o到9% Si-按重量計1%到2% Fe =按重量計到100 %的差值。
8. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，相對 于所述活塞環槽(2)的所述第一側表面(21)和/或所述第二側表面(22)的 表面法線(N)傾斜地熱噴涂所述熱噴涂層，特別地相對于所述活塞環槽 (2)的所述第一側表面(21)和/或所述第二側表面(22)的表面法線(N)成 介于0°與80°之間的噴涂角(a),尤其成介于30。與70°之間的噴 涂角(a),特別地成介于50。與60°之間的噴涂角(a)。
9. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述 活塞(1)的表面(1000)被完全涂覆所述熱噴涂層(4)，且隨后從不要被涂 覆的表面區域(1001)再次移除所述熱噴涂層。
10. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在涂 覆工藝中，通過掩沖莫來隔離不要被涂覆的表面區域(IOOI)。
11. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，熱噴 涂層(4)被噴涂成具有大于600 HV的硬度，尤其具有大于750 HV的 硬度，特別地大于900HV的硬度。
12. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述 熱噴涂層(4)具有大于5000 psi，尤其是大于6000 psi,特別的大于7500 psi的粘合強度。
13. 根據前述權利要求中任—項所述的方法，其特征在于，所述 熱噴涂層(4)被噴涂成介于0.1 mm與1 mm之間的厚度(D)，特別地具 有0.3 mm與0.6 mm之間的厚度。
14. 一種噴涂絲(5)的用途，所述噴涂絲包括元素C、 Cr、 Mn、 Mo、 B、 W、 Nb、 Si和Fe,用于根據權利要求1至13中任一項來產 生熱噴涂層(4)。
15. 根據權利要求14所迷的用途，其特征在于，所述噴涂絲(5) 具有以下成分C-按重量計2y。到6% Cr-按重量計10 %到30% Mn =按重量計2.5 %到7.5 % Mo-按重量計5%到15% B-按重量計2V/o到7.5% W-按重量計4.5。/。到13.5% Nb-按重量計4.5。/。到13,5% Si-4姿重量計1%到3% Fe-按重量計到100%的差值。
16. 根據權利要求14或15所述的用途，其特征在于，所述噴涂 絲(5)具有以下成分0 =按重量計2%到4% Cr-按重量計10 %到20% Mn -按重量計2.5 %到5 % Mo -按重量計5 %到10 % B-按重量計2.5。/o到5% W-按重量計4.5。/。到9% Nb-按重量計4.5y。到9% Si-按重量計1%到2% Fe-按重量計到100%的差值。
17. 根據權利要求14至16中任一項所述的用途，其特征在于， 所述噴涂絲是填充焊絲(5),特別是填充有納米粒子的填充焊絲和/或填 充有非晶相的填充焊絲和/或填充有硬質相的填充焊絲。
18. —種用于兩沖程大型柴油^/L的活塞，所述活塞具有^f吏用根據 權利要求1至13中任一項所述的方法制造的熱噴涂層(4)。
全文摘要
本發明涉及一種涂覆活塞環槽的熱噴涂方法，其用于涂覆兩沖程大型柴油機的活塞(1)的活塞環槽(2)，在該方法中，為了在該活塞環槽(2)中容納并引導活塞環(3)，該活塞環槽(2)被靠近燃燒空間的第一側表面(21)、遠離該燃燒空間的第二側表面(22)和在活塞套(100)中的在周向地延伸的后表面(23)界定，該方法通過熱式絲噴涂工藝來向該活塞環槽(2)的至少該第一側表面(21)和/或該第二側表面(2)提供熱噴涂層(4)。本發明還涉及噴涂絲(5)的用途和根據本發明的方法所涂覆的活塞(1)。
文檔編號C23C4/06GK101285162SQ20081009220
公開日2008年10月15日 申請日期2008年4月11日 優先權日2007年4月13日
發明者D·施拉杰 申請人:瓦特西拉瑞士股份有限公司