專(zhuān)利名稱(chēng)：具有熱噴涂涂層的活塞環(huán)及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有熱噴涂涂層的活塞環(huán)，更具體地，該熱噴涂涂層包括固體潤(rùn)滑劑，本發(fā)明還涉及其相應(yīng)的生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
使用熱噴涂層作為滑動(dòng)元件的磨損保護(hù)層在工業(yè)部門(mén)中是常見(jiàn)的。應(yīng)用在引擎中時(shí)，熱噴涂層優(yōu)選地用于活塞環(huán)上的第一和第二凹槽中。研發(fā)中越來(lái)越關(guān)注鐵基材料，以便滿(mǎn)足引擎運(yùn)作中關(guān)于物理特性和成本的需求。用于活塞環(huán)的配合部件也常?；阼F。這增加了焦痕的形成直至被卡住的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樵谀承┡R界條件下(潤(rùn)滑不充分以及高溫)，同類(lèi)金屬可能發(fā)生粘著磨損。
·
相應(yīng)地，層系統(tǒng)需要被發(fā)展，以減小鐵基噴涂層可能被卡住的趨勢(shì)，并且需要具有足夠的韌度以避免持續(xù)的高熱負(fù)載導(dǎo)致的材料失效。仍未發(fā)現(xiàn)在活塞環(huán)上使用通過(guò)熱熱噴涂噴鍍的鐵基涂層；在曲柄驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，目前為止，僅僅已知在汽缸壁上的鐵基涂層，其借助金屬絲電弧噴涂(LDS)生產(chǎn)。借助熱噴涂方法生產(chǎn)磨損保護(hù)層是基本已知的方法?，F(xiàn)今用于該目的的粉末材料基于鑰、碳化鎢、鎳鉻和Cr3C2。然而，較高的碳化物含量會(huì)導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度和斷裂韌度降低。考慮到鑰的較高的市場(chǎng)價(jià)格，在中期需要備選方案。為了解決上述問(wèn)題，該涂層應(yīng)當(dāng)具有以下特征( I)與將被噴涂的基材相似的物理特性；(2)用于系統(tǒng)“具有鐵基汽缸壁、被潤(rùn)滑的熱噴涂活塞環(huán)”的足夠的耐磨性；(3)足以抵抗焦痕和卡?。?4)足夠的斷裂韌度以及改良的疲勞行為。

發(fā)明內(nèi)容
因而，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種生產(chǎn)用于內(nèi)燃機(jī)的活塞環(huán)的方法，包括
_提供基材；以及
-通過(guò)熱噴涂包括固體潤(rùn)滑劑的粉末在基材上施加涂層，其包括的元素比例為
重量比15-30%的鐵，F(xiàn)e ；
重量比15-30%的鎢，W ;
重量比25-35%的鉻，Cr ；
重量比10-35%的鎳，Ni ；
重量比1-5%的鑰，Mo ；
重量比0. 2-3%的鋁，Al ；
重量比3-20%的銅，Cu ；
重量比1-10%的碳，C ；
重量比0. 1-2%的硫，S ;以及重量比0. 1-2%的硅，Si。關(guān)于物理特性(導(dǎo)熱性、熱膨脹系數(shù))，由于最小重量比15%的含鐵基系統(tǒng)，基材和涂層之間存在準(zhǔn)均勻系統(tǒng)。在混合摩擦期間產(chǎn)生的熱量(特別是在上部和底部中央點(diǎn)(0T/UT)的區(qū)域中的熱量)能夠被更好的帶走，并且，通過(guò)引擎中的溫度波動(dòng)能夠保證一致的熱弛豫過(guò)程。基本上，整個(gè)系統(tǒng)包括以下元素鐵(Fe)、鎢(W，如WC或WS2)、鉻(Cr，如Cr或Cr3C2)、鎳(Ni)、鑰(Mo或MoS2)、硅(Si)以及碳(C，部分與Fe、W和Cr結(jié)合形成碳化物)。使用可作為活塞環(huán)基材涂層材料的鐵基合金和碳化物系統(tǒng)，可以生產(chǎn)新型活塞環(huán)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，該粉末包含重量比20-50%的碳化物，該碳化物具有以下濃度 重量比10-30%的碳化鎢，WC,以及 重量比5-20%的Cr3C2。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，該粉末包含固體潤(rùn)滑劑，所述固體潤(rùn)滑劑包括AlCuFe,MoS2,WS2或其混合物。在粉末中的固體潤(rùn)滑劑的比例優(yōu)選地為重量比為5_20%，其被分為以下部分
重量比0-20%的AlCuFe ；
重量比0-5%的MoS2 ;以及 重量比0-5%的WS2。不推薦不具有碳化物或具有更高的固體潤(rùn)滑劑比例的鐵基合金，這是由于對(duì)應(yīng)的耐磨性將變得很差。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，該固體潤(rùn)滑劑包含具有以下濃度的AlCuFe
重量比80-95%的Cu ；
重量比5-20%的Al ；
重量比1-5%的Fe ;以及 重量比0. 1-3%的氧，O。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，WS2的重量比為1. 5-3. 5%，并且所述WS2嵌入到鎳基中。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，MoS2的重量比為1-2. 5%，并且所述MoS2嵌入到鎳基中。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，粉末的顆粒尺寸為1-100 iim。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，固體潤(rùn)滑劑的顆粒尺寸為1-150 U m。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，碳化物嵌入到NiCr基中并且碳化物的顆粒尺寸為0. 5-5 u m0根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，涂層的厚度為20-1000 iim。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，熱噴涂方法包括高速火焰噴涂法或等離子噴涂法。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的涂層的硬度為600-1000HV0.1u m。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的涂層的斷裂韌度為2. 5-7. 5 (MPa
m)1/2。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，活塞環(huán)為鑄鐵活塞環(huán)或鋼活塞環(huán)。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種活塞環(huán)，該活塞環(huán)由上述方法生產(chǎn)。


圖1示出根據(jù)第一實(shí)施方式的熱噴涂層的顯微組織圖(500 1)；圖2示出根據(jù)第二實(shí)施方式的熱噴涂層的顯微組織圖(500 1)；圖3示出根據(jù)第三實(shí)施方式的熱噴涂層的顯微組織圖(500 1)；圖4示出根據(jù)第四實(shí)施方式的熱噴涂層的顯微組織圖(500 :1)。
具體實(shí)施例方式進(jìn)行的測(cè)試粉末通過(guò)高速火焰噴涂法(高速氧燃料，HV0F)進(jìn)行熱噴涂，并且檢測(cè)了不同試樣的化學(xué)成分(表格I)、顯微組織(圖1-4)、孔隙率和硬度(表格2)。在使用的所有粉末中，碳化物的重量比約為40%。表格I示出在該測(cè)試中使用的層系統(tǒng)的固體潤(rùn)滑劑的化學(xué)成分和比例。
權(quán)利要求
1.一種用于熱噴涂的噴涂粉末，其中，所述粉末包含重量比5-20%的固體潤(rùn)滑劑，所述粉末的元素比例為重量比15-30%的鐵，F(xiàn)e ；重量比15-30%的鎢，W ;重量比25-35%的鉻，Cr ；重量比10-35%的鎳，Ni ；重量比1-5%的鑰，Mo ；重量比O. 2-3%的鋁，Al ；重量比3-20%的銅，Cu ；重量比1-10%的碳，C ；重量比O. 1-2%的硫，S ;以及重量比O. 1-2%的硅，Si。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的噴涂粉末，其中，所述粉末包含重量比為20-50%的碳化物， 所述碳化物具有以下濃度重量比10-30%的碳化鎢，WC,以及重量比5-20%的Cr3C2。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的噴涂粉末，其中，所述粉末包含固體潤(rùn)滑劑，所述固體潤(rùn)滑劑包括AlCuFe、MoS2、WS2或其混合物，其中，所述重量比為5-20%的固體潤(rùn)滑劑分為以下部分重量比0-20%的AlCuFe ；重量比0-5%的MoS2 ;以及重量比0-5%的WS2。
4.根據(jù)權(quán)利要求3中所述的噴涂粉末，其中，所述固體潤(rùn)滑劑包含具有以下濃度的 AlCuFe 重量比80-95%的Cu ；重量比5-20%的Al ；重量比1-5%的Fe ;以及重量比O. 1-3%的氧，O。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的噴涂粉末，其中，所述WS2的重量比為1.5-3. 5%，并且所述WS2嵌入到鎳基中。
6.根據(jù)權(quán)利要求3至5中任一項(xiàng)所述的噴涂粉末，其中，所述MoS2的重量比為1-2.5%， 并且所述MoS2嵌入到鎳基中。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的噴涂粉末，其中，所述粉末的顆粒尺寸為 1-100 μ mD
8.根據(jù)權(quán)利要求4至9中任一項(xiàng)所述的噴涂粉末，其中，所述固體潤(rùn)滑劑的顆粒尺寸為 1—150 μ m0
9.根據(jù)權(quán)利要求2至8中任一項(xiàng)所述的噴涂粉末，其中，所述碳化物嵌入到NiCr基中并且碳化物的顆粒尺寸為O. 5-5 μ m。
10.一種活塞環(huán)，包括基材和涂層，所述涂層通過(guò)粉末的熱噴涂噴鍍?cè)诨纳?，其中，所述粉末包含重量比?-20%的固體潤(rùn)滑劑，所述粉末的元素比例為重量比15-30%的鐵，F(xiàn)e ；重量比15-30%的鎢，W ;重量比25-35%的鉻，Cr ；重量比10-35%的鎳，Ni ；重量比1-5%的鑰，Mo ；重量比O. 2-3%的鋁，Al ；重量比3-20%的銅，Cu ；重量比1-10%的碳，C ；重量比O. 1-2%的硫，S ;以及重量比O. 1-2%的硅，Si。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的活塞環(huán)，其中，所述涂層的厚度為20-1000μ m。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的活塞環(huán)，其中，所述熱噴涂方法包括高速火焰噴涂法或等離子噴涂法。
13.根據(jù)權(quán)利要求10至12中任一項(xiàng)所述的活塞環(huán)，其中，所述涂層的硬度為 600-1000HV0.1 μ m。
14.根據(jù)權(quán)利要求10至13中任一項(xiàng)所述的活塞環(huán)，其中，所述涂層的斷裂韌度為2.6-7. O (MPa m) 1/2。
15.根據(jù)權(quán)利要求10至14中任一項(xiàng)所述的活塞環(huán)，其中，所述活塞環(huán)為鑄鐵活塞環(huán)或鋼活塞環(huán)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)用于內(nèi)燃機(jī)的活塞環(huán)的方法，包括提供基材；通過(guò)熱噴涂包括固體潤(rùn)滑劑的粉末在基材上施加涂層，粉末包括的元素比例為重量比15-30%的鐵，F(xiàn)e；重量比15-30%的鎢，W；重量比25-35%的鉻，Cr；重量比10-35%的鎳，Ni；重量比1-5%的鉬，Mo；重量比0.2-3%的鋁，Al；重量比3-20%的銅，Cu；重量比1-10%的碳，C；重量比0.1-2%的硫，S；以及重量比0.1-2%的硅，Si。
文檔編號(hào)C22C33/02GK103025909SQ201180035653
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2011年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月22日
發(fā)明者馬庫(kù)斯·肯尼迪, 邁克爾·津拉博德, 馬克-曼鈕爾·馬茲 申請(qǐng)人:聯(lián)邦摩高布爾沙伊德公司