專(zhuān)利名稱(chēng)：熱噴涂活塞環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用在內(nèi)燃機(jī)和壓縮機(jī)等的活塞環(huán)，更詳細(xì)的說(shuō)本發(fā)明涉及在至少一個(gè)外周滑動(dòng)表面上具有熱噴涂膜的活塞環(huán)。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著引擎高性能化，對(duì)它的耐消耗性和耐磨損性有更高的要求磨損。另一方面，為降低石油消耗量和縮短磨合時(shí)間而降低成本，必須改進(jìn)初始的磨合性能，也就是需要活塞環(huán)和氣缸套早些完成磨合。
因此以往為了改進(jìn)滑動(dòng)部分的初期磨合性，比如說(shuō)為加強(qiáng)活塞環(huán)的初期磨合性，會(huì)在活塞環(huán)最外圍面施以鍍銅膜和軟質(zhì)的熱噴涂膜。
但是，將上述以往施以鍍銅膜的活塞環(huán)用在高性能的柴油機(jī)的情況下，鍍銅膜會(huì)太過(guò)柔軟，在初期磨合完成之前會(huì)磨盡，造成磨損和消耗等問(wèn)題。
而且，如特開(kāi)平11-80921中所示，銅基合金滑動(dòng)面材料的組成如下Al為7～11質(zhì)量％，F(xiàn)e、Ni、Mn之中1種或多種為0.5～8質(zhì)量％，其余部分為Cu。此后通過(guò)等離子或電弧熱噴涂形成熱噴涂膜，作為初期磨合的涂膜來(lái)使用。但該膜硬度太高，膜中又沒(méi)有能夠自己潤(rùn)滑的成分，所以就產(chǎn)生了初期磨合性不夠充分的問(wèn)題。
而且，在如特表2000-507679所示的熱噴涂膜中，石墨等固態(tài)潤(rùn)滑劑5～60％，Ni、Al、Si等金屬接著劑40～95％，任選的有機(jī)接著劑低于15％，使用這種熱噴涂膜來(lái)解決上述問(wèn)題。但該膜與銅膜一樣屬于軟性膜，所以耐消耗性不夠充分，故在初期磨合完成前會(huì)產(chǎn)生膜磨盡等問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，是為解決特開(kāi)平11-80921、特表2000-507679中熱噴涂膜的缺點(diǎn)，提供具有優(yōu)越初期磨合性而且有耐磨損性、耐消耗性的熱噴涂活塞環(huán)。
鑒于上述問(wèn)題，此次研究結(jié)果中，本發(fā)明者將Cu、Sn、石墨以特定的比例來(lái)混合，通過(guò)活塞環(huán)的滑動(dòng)面熱噴涂，可以發(fā)現(xiàn)得到具有優(yōu)越初期磨合性、耐消耗性、耐磨損性的熱噴涂活塞環(huán)，來(lái)完成本發(fā)明。
也就是說(shuō)，本發(fā)明的熱噴涂活塞環(huán)中，Sn為2～40質(zhì)量％、石墨為5～50質(zhì)量％，其余部分由Cu所構(gòu)成的熱噴涂膜至少有外圍滑動(dòng)面為其特征。
熱噴涂膜基本由Cu、Sn以及石墨所構(gòu)成。包含在熱噴涂膜中的石墨會(huì)在熱噴涂層中分散，以提高膜自身潤(rùn)滑性。石墨顆粒防止涂層薄膜在膜和表面形成前被磨掉，膜和表面由于相對(duì)的軸磨損銅基合金而形成。假定熱噴涂膜總質(zhì)量為100％，而石墨的含有量未達(dá)質(zhì)量5％則缺乏自己潤(rùn)滑性效果，若超過(guò)質(zhì)量50％的話，會(huì)成為軟性膜，故初期磨合在完成之前膜會(huì)被磨盡。因此，石墨的含有量最好為5～50質(zhì)量％，5～20質(zhì)量％的含有量為最佳。
包含在熱噴涂膜中的Sn，在等離子熱噴涂中不會(huì)形成氧化物等硬質(zhì)物，或者不會(huì)實(shí)質(zhì)形成。在此所謂的不會(huì)實(shí)質(zhì)形成氧化物等硬質(zhì)物，在后述第4圖顯微鏡觀察下，可以認(rèn)定由熱噴涂形成空孔，但還未觀察到硬質(zhì)物。Sn會(huì)預(yù)先和Cu合金化進(jìn)而熱噴涂的情況下，Sn再固溶于銅合金適度硬化銅合金。也就是說(shuō)，原料Cu-Sn合金中，有時(shí)會(huì)生成劣于初期磨合的Cu-Sn系金屬化合物，但熱噴涂時(shí)金屬化合物會(huì)再固溶，故可以固溶或?qū)嵸|(zhì)固溶組織。在此所謂實(shí)質(zhì)固溶狀態(tài)在后述第4圖顯微鏡的觀察下，可以認(rèn)定以熱噴涂生成空孔，但還未觀察到金屬化合物。金屬化合物為硬質(zhì)，所以對(duì)初期磨合性有害，但將Sn固溶的Cu則利于初期磨合性。
另一方面，熱噴涂Sn粉末和Cu粉末的情況下，根據(jù)熱噴涂條件，可以得到Cu和Sn所分散的組織。也就是說(shuō)，此發(fā)明的組成如平衡狀態(tài)圖所示，為Sn-Cu金屬化合物生成范圍，但熱噴涂情形各粉末在尚未完全融合會(huì)急速冷卻，所以金屬化合物不會(huì)實(shí)質(zhì)生成，會(huì)生成利于初期磨合性的Sn。
若熱噴涂膜總量為100質(zhì)量％，而Sn的含有量未達(dá)質(zhì)量2％則膜硬度較低，缺乏耐消耗性；若超過(guò)質(zhì)量40％，則熱噴涂膜中會(huì)分析出多量的Sn，這樣熱噴涂膜會(huì)劣于耐消耗性。因此Sn含有量為2～40質(zhì)量％，以5～25質(zhì)量％為最佳。
上述所記載的Cu-C-Sn成分熱噴涂材料中可以添加P、Sb、Co、Be、Cr、Mn、Si、Cd、Zn、Fe、Ni、Pb等一種以上。P可改善Cu合金的熔鑄性進(jìn)而精密化熱噴涂組織。但是，P含有量若超過(guò)1.0質(zhì)量％的話則合金會(huì)硬化就不理想。P含有量最好在0.03～0.5質(zhì)量％。Pb會(huì)形成軟質(zhì)的Pb相，或者由形成Pb-Sb共晶組織給予初期磨合性良好影響，但不管哪一方面都屬低溶點(diǎn)，所以有可能會(huì)在活塞環(huán)的工作溫度下溶出。因此，Pb含有量應(yīng)該在20質(zhì)量％以下，最好在0.03～5.0質(zhì)量％之間。在本發(fā)明的Sn量范圍，Be沒(méi)有Cu-Be合金的時(shí)效性，最主要是作為強(qiáng)化固溶。其它元素Sb、Co、Cr、Mn、Si、Cd、Zn、Fe、Ni會(huì)在銅內(nèi)合金化狀態(tài)下熱噴涂、再溶解后進(jìn)行固溶強(qiáng)化。這些元素若以單獨(dú)金屬粉末形式熱噴涂的話，特別是Cr、Mn、Fe、Ni等以單獨(dú)金屬分散在熱噴涂組織中提高耐消耗性。但是，以質(zhì)量百分比來(lái)看，Sb超過(guò)5％、Co超過(guò)5％、Be超過(guò)5％、Cr超過(guò)5％、Mn超過(guò)15％、Si超過(guò)15％、Cd超過(guò)15％、Zn超過(guò)15％、Fe超過(guò)5％、Ni超過(guò)20％的話，合金全體硬度會(huì)上升，所以要維持最佳硬度為平均硬度300HV0.1以下最為困難。這些添加元素的總量最好在25質(zhì)量％以下。


第1圖為本發(fā)明一實(shí)例表示活塞環(huán)的概略剖面圖。
第2圖為本發(fā)明另一實(shí)例表示活塞環(huán)的概略剖面圖。
第3圖為本發(fā)明其它實(shí)例表示活塞環(huán)的概略剖面圖。
第4圖為在實(shí)施例中形成等離子熱噴涂膜提供測(cè)驗(yàn)材料的金屬組織的顯微鏡相片。
第5圖表示實(shí)施等離子熱噴涂裝置(等離子槍)的概略剖面圖。
第6圖為超高壓磨損測(cè)驗(yàn)機(jī)的概略圖。
第7圖為第6圖的A-A切矢視剖面圖。
第8圖為在實(shí)施例和比較例的磨損測(cè)驗(yàn)中表示到燃燒時(shí)間的柱狀圖。
第9圖為在實(shí)施例和比較例的磨損測(cè)驗(yàn)中表示燃燒時(shí)測(cè)試件的磨損量。
具體實(shí)施例方式
第1圖和第2圖為本發(fā)明的實(shí)施例表示活塞環(huán)的概略剖面圖?；钊h(huán)1為公知的鑄鐵、不銹鋼所構(gòu)成的活塞環(huán)母材2、而母材2平坦外周滑動(dòng)面或外周滑動(dòng)面內(nèi)面形成熱噴涂膜3。必要時(shí)，熱噴涂膜3也可以形成于上下面。
第3圖本發(fā)明其它實(shí)施例表示活塞環(huán)的概略剖面圖，熱噴涂膜3的基質(zhì)則形成以耐消耗性為目的的鍍白金膜和硬質(zhì)熱噴涂膜等其它膜22。
熱噴涂膜通常可由電弧熱噴涂、火焰熱噴涂、高速火焰熱噴涂、等離子熱噴涂、和減壓等離子熱噴涂所形成，但最好是由石墨分散狀態(tài)由等離子熱噴涂來(lái)形成。
等離子熱噴涂如第5圖所示運(yùn)用等離子槍5來(lái)實(shí)施。等離子槍5是由銅所構(gòu)成的環(huán)狀陽(yáng)極6和鎢等所形成，擁有位于陽(yáng)極6上部的陰極7和電源8。陽(yáng)極6會(huì)形成噴出等離子氣體的噴嘴。型腔(未示出)則在陽(yáng)極6和陰極7內(nèi)部形成，擁有冷卻功能。
實(shí)施等離子熱噴涂，首先在離陽(yáng)極6前端20～300mm距離位置設(shè)置活塞環(huán)母材2。接下來(lái)將Ar等惰性氣體導(dǎo)入噴嘴。在此狀態(tài)下陽(yáng)極6和陰極7之間施以高壓電的話，會(huì)因電弧放電9加熱惰性氣體而等離子化。而等離子化的氣體會(huì)膨脹，由陽(yáng)極6高溫且高速噴出，形成等離子噴射流10。
將原料粉末11混合以提供希望的組合物，并具有5-125μm的平均顆粒直徑，將其裝載在等離子體射流10中。原料由預(yù)合金粉末或單獨(dú)元素的粉末組成。而且石墨粉末鍍上無(wú)電解的銅也可以。粉末11的供給口，如第5圖所示設(shè)在陽(yáng)極6內(nèi)也好，設(shè)在陽(yáng)極6的正下方也可以。粉末11在等離子噴射流10熔融加速后和母材2撞擊。撞擊后的粉末11會(huì)瞬時(shí)扁平化，急速冷卻到母材溫度，形成熱噴涂膜3。
然而，母材2的表面以先形成噴丸(shot blast)等10～20μm大小的凹凸面為適宜者。以此熔融粒子撞擊到母材的凸部時(shí)，凸部會(huì)產(chǎn)生局部熔融容易合金化，而且因熔融粒子的凝固收縮力而機(jī)械性的產(chǎn)生固定(anchor)效果，膜接著力也更強(qiáng)韌。而且熱噴涂之前將母材2預(yù)先加熱到400～550℃的高溫，由移動(dòng)電弧清潔母材2表面的話，表面會(huì)活性化，熱噴涂后母材2和熱噴涂膜3之間會(huì)形成相互擴(kuò)散層，母材2和熱噴涂膜3會(huì)接合得更牢固。
熱噴涂膜3的厚度最好為50～500μm，100～300μm為最佳。
由以下具體實(shí)施例更詳細(xì)的說(shuō)明本發(fā)明。
實(shí)施例1本實(shí)施例如第6圖所示由超高壓磨損測(cè)驗(yàn)機(jī)實(shí)施燃燒測(cè)驗(yàn)。
本測(cè)驗(yàn)所用的超高壓磨損測(cè)驗(yàn)機(jī)和測(cè)驗(yàn)條件如下。
測(cè)驗(yàn)裝置為第6圖和第6圖A-A切矢剖面圖且圖解要部表示于第7圖，脫落于固定支持器(stator holder)12后，直徑80mm×厚度100mm圓盤(pán)13中央，由內(nèi)側(cè)透過(guò)注油口14倒入潤(rùn)滑油。在圓盤(pán)13中通過(guò)無(wú)圖示的油壓裝置，在圖中向右方以特定的壓力實(shí)施壓力P。與圓盤(pán)13相對(duì)的是回轉(zhuǎn)器15，由無(wú)圖示的驅(qū)動(dòng)裝置以特定的速度回轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)器15中，測(cè)驗(yàn)片16形成表面處理層5mm正方形，其單面以滑動(dòng)面可以自在的滑動(dòng)。
在此裝置下，將所定的施壓力P加在固定支持器(stator holder)12上，以所定的面壓和圓盤(pán)13及測(cè)驗(yàn)片16之突起21接觸，旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)器15。以一定壓力，藉由回轉(zhuǎn)器15的回轉(zhuǎn)及測(cè)驗(yàn)片16與圓盤(pán)13的摩擦，在固定支持器(stator holder)12產(chǎn)生扭矩(torque)T。而扭矩(torque)T透過(guò)不銹鋼纖維17作用于測(cè)力計(jì)(load cell)18，以測(cè)動(dòng)計(jì)19讀取其變化，記錄在記錄儀20。扭矩(torque)T急速上升時(shí)燃燒所產(chǎn)生的東西，這時(shí)所用時(shí)間來(lái)判斷初期磨合性的好壞，而且在這之前以膜的消耗量來(lái)判斷耐消耗性的好壞。
測(cè)驗(yàn)條件如下摩擦速度8m/秒材料FC25接觸面壓2MPa保持三分鐘，增壓到3MPa，保持到燃燒情形發(fā)生。
潤(rùn)滑油機(jī)油#30供給量初期涂在1cc圓盤(pán)旁邊，之后無(wú)潤(rùn)滑準(zhǔn)備的粉末如下混合粉末1Sn粉末8質(zhì)量％、石墨粉末20質(zhì)量％、以及Cu粉末72質(zhì)量％混合粉末2Cr3C2粉末30質(zhì)量％、Mo粉末60質(zhì)量％、Ni-Cr合金粉末質(zhì)量10％(Ni80質(zhì)量％、Cr20質(zhì)量％)然而，各自粉末為325網(wǎng)眼(mesh)。
將混合粉末2作粘合(bond)層來(lái)使用，而本發(fā)明的混合粉末1為外涂層，由等離子熱噴涂于測(cè)驗(yàn)片16突起21的表面形成約100μm厚度的熱噴涂膜。熱噴涂條件如下。
熱噴涂條件使用槍METECO公司所制造的9MB的等離子熱噴涂槍。
電壓70V電流500A所用氣體Ar母材預(yù)熱溫度400℃得到的測(cè)驗(yàn)片16的彎曲面中金屬組織的顯微鏡相片如第4圖所示。由第4圖可以得知，粘合層部22(相片下方)和熱噴涂膜4的接合部合金化后擴(kuò)散結(jié)合，膜3中空孔極少?；旌戏勰?的熱噴涂膜的平均硬度為150Hv0.05。熱噴涂膜4中黑色部分(相片約中央位置)為石墨。
其中，熱噴涂膜為多層所構(gòu)成，其下層膜上具有熱噴涂時(shí)的粗糙度，無(wú)需機(jī)械加工即可形成上層膜。
將測(cè)驗(yàn)片16以及FC25所形成的圓盤(pán)13貼在上述的超高壓磨損測(cè)驗(yàn)機(jī)，以以上的測(cè)驗(yàn)條件進(jìn)行燃燒測(cè)驗(yàn)。測(cè)驗(yàn)片16及圓盤(pán)13的燃燒時(shí)間結(jié)果如第8圖所示、燃燒發(fā)生時(shí)測(cè)驗(yàn)片的消耗量如第9圖所示。
比較例1和實(shí)施例中測(cè)驗(yàn)片16同樣取材，準(zhǔn)備Si粉末8.5質(zhì)量％、石墨粉末23質(zhì)量％、Al合金粉末68.5質(zhì)量％所構(gòu)成的混合粉末3，和Cr3C2粉末30質(zhì)量％、Mo粉末60質(zhì)量％、Ni-Cr合金粉末10質(zhì)量％(Ni80質(zhì)量％、Cr20質(zhì)量％)所構(gòu)成的混合粉末4?；旌戏勰?以粘合層、混合粉末3以外涂層，由等離子熱噴涂于測(cè)驗(yàn)片16突起21的表面形成約100μm厚度的熱噴涂膜。熱噴涂條件如下。混合粉末3熱噴涂膜的硬度為110Hv0.05。
熱噴涂條件使用槍METECO公司所制造的9MB的等離子熱噴涂槍。
電壓70V電流500A所用氣體Ar
母材預(yù)熱溫度400℃和實(shí)施例一樣將測(cè)驗(yàn)片16和圓盤(pán)13組合，和實(shí)施例一樣進(jìn)行燃燒測(cè)驗(yàn)。測(cè)驗(yàn)片16和圓盤(pán)13燃燒發(fā)生時(shí)間結(jié)果如圖8、燃燒發(fā)生時(shí)測(cè)驗(yàn)片16的磨耗量如圖9。
比較例2和實(shí)施例測(cè)驗(yàn)片16一樣同樣取材，記載于特愿平10-31600中，準(zhǔn)備Al粉末9質(zhì)量％、Fe粉末1質(zhì)量％、Cu合金粉末90質(zhì)量％所構(gòu)成的混合粉末5，和Cr3C2粉末質(zhì)量10％、Mo粉末質(zhì)量31％、Ni-Cr合金粉末質(zhì)量10％(Ni80質(zhì)量％、Cr20質(zhì)量％)所構(gòu)成混合粉末6?；旌戏勰?以粘合層、混合粉末5以外涂層，由等離子熱噴涂于測(cè)驗(yàn)片16彎曲面形成約100μm厚度的熱噴涂膜。
熱噴涂條件如下。
熱噴涂條件使用槍METECO公司所制造的9MB的等離子熱噴涂槍。
電壓70V電流500A所用氣體Ar母材預(yù)熱溫度400℃和實(shí)施例一樣將測(cè)驗(yàn)片16和圓盤(pán)13組合，和實(shí)施例一樣進(jìn)行燃燒測(cè)驗(yàn)。測(cè)驗(yàn)片16和圓盤(pán)13燃燒發(fā)生時(shí)間結(jié)果如圖8、燃燒發(fā)生時(shí)測(cè)驗(yàn)片16的磨損量如圖9。
由圖8圖9可得知，實(shí)施例的測(cè)驗(yàn)片比比較例的測(cè)驗(yàn)片16更富有耐消耗性、耐磨損性、更利于初期磨合性。
產(chǎn)業(yè)上利用的可能性如上所述，將Cu、Sn、石墨以所定的比例混合后熱噴涂出來(lái)的膜形成于外周滑動(dòng)面的活塞環(huán)，富有耐消耗性、耐磨損性、更利于初期磨合性。
權(quán)利要求
1.一種熱噴涂活塞環(huán)，其特征在于具有熱噴涂膜，該膜包含2～40質(zhì)量％Sn、5～50質(zhì)量％石墨，其余部分基本由Cu所構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求第1項(xiàng)所述的熱噴涂活塞環(huán)，其特征在于熱噴涂膜形成于最外圍表面。
3.如權(quán)利要求1或2所述的熱噴涂活塞環(huán)，其特征在于體積比為至少5％或更多的前述石墨顆粒分散在熱噴涂膜中。
4.如權(quán)利要求1～3的任一項(xiàng)所述的熱噴涂活塞環(huán)，其特征在于除了一般的雜質(zhì)錫青銅以外，前述熱噴涂膜含有P、Sb、Co、Be、Cr、Mn、Si、Cd、Zn、Fe、Ni、Pb等中的一種或多種，其這些成分的含量為P最大1.0質(zhì)量％、Sb最大5質(zhì)量％、Co最大5質(zhì)量％、Be最大5質(zhì)量％、Cr最大5質(zhì)量％、Mn最大15質(zhì)量％、Si最大15質(zhì)量％、Cd最大15質(zhì)量％、Zn最大15質(zhì)量％、Fe最大5質(zhì)量％、Ni最大20質(zhì)量％、Pb最大20質(zhì)量％，其余為Cu。
5.如權(quán)利要求4所述的熱噴涂活塞環(huán)，其特征在于選自P、Sb、Co、Be、Cr、Mn、Si、Cd、Zn、Fe、Ni、Pb等中的一種或多種元素的總量最多為25質(zhì)量％。
6.如權(quán)利要求1～5的任一項(xiàng)所述的熱噴涂活塞環(huán)，其特征在于熱噴涂膜平均硬度為300HV0.1或更小。
7.如權(quán)利要求1～6的任一項(xiàng)所述的熱噴涂活塞環(huán)，其特征在于前述熱噴涂膜為多層組成，上層涂層形成在上層之上，其下層涂層具有熱噴涂時(shí)的粗糙度，無(wú)需機(jī)械加工。
8.如權(quán)利要求1～7的任一項(xiàng)所述的熱噴涂活塞環(huán)，其特征在于其熱噴涂膜的厚度為50～500μm。
全文摘要
本發(fā)明提供一種熱噴涂活塞環(huán)，其具有優(yōu)越的初期磨合性，而且形成具有耐磨損性、耐消耗性的熱噴涂膜。活塞環(huán)1的熱噴涂膜3含有為2～40質(zhì)量％的Sn以及為5～50質(zhì)量％的石墨，必要時(shí)還可含有P、Sb、Co、Be、Cr、Mn、Si、Cd、Zn、Fe、Ni、以及Pb，其余部分由Cu所構(gòu)成。
文檔編號(hào)C23C4/04GK1617989SQ0380239
公開(kāi)日2005年5月18日 申請(qǐng)日期2003年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月18日
發(fā)明者小原亮 申請(qǐng)人:株式會(huì)社理研