等離子體噴射方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種通過熱噴射尤其是通過等離子體噴射制造涂層的方法，其中，利用合金對組件、尤其是氣缸套進行內(nèi)部涂覆，其中，將等離子體氣體(5)和輸送氣體(9)供給等離子體噴嘴(3)，所述等離子體噴嘴(3)圍繞絲線(4)旋轉(zhuǎn)并能夠沿著孔(16)的縱軸線移動，從而如從內(nèi)部看到的，所述孔(16)被全方位涂覆且沿所述孔(16)的軸向被涂覆。本發(fā)明提出了所述輸送氣體(9)和/或所述等離子體氣體(5)的可變氣流或可變流率，該流率能夠關(guān)于待涂覆的孔(16)的軸向長度(x)來設定。
【專利說明】等離子體噴射方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種通過熱噴射尤其是通過等離子體噴射制造涂層的方法，其中，利用合金優(yōu)選利用鐵合金對組件、尤其是例如由輕金屬制成的內(nèi)燃發(fā)動機的孔(缸孔)進行涂覆，其中，將等離子體氣體和輸送氣體供給等離子體噴嘴，所述等離子體噴嘴圍繞絲線旋轉(zhuǎn)并能夠沿著孔的縱軸線移動，從而如從內(nèi)部看到的，孔被全方位地涂覆且沿孔的軸向被涂覆。
【背景技術(shù)】
[0002]根據(jù)EP1967601A2已知的是，通過實施電弧絲噴射利用鐵合金來涂覆例如鋁發(fā)動機缸體，尤其是其氣缸軸承表面。在此，EP1967601A2建議使用鐵合金，其主要包含525重量％至25重量％的鉻。在EP1967601A2中重要的是，還給熔融的鐵中提供附加粉末，具體為碳化硼。EP1967601A2的電弧絲噴射方法是所謂的TWAS方法，其中，雙絲以如下方式供給噴射頭，即，將電流傳遞至絲上。如果雙絲接觸，則通過持久短路形成電弧，電弧可熔融絲。在噴嘴的下游存在一個噴嘴，壓縮空氣或惰性氣體如氮氣從此噴嘴流出。該氣流使熔融的鐵合金霧化，并且將它與熔融的碳化硼粉末一起供給到待涂層的表面上。
[0003]DE4411296A1和DE4447514A1涉及到借助于等離子體噴射提供的涂層，然而，金屬粉末或填料絲被熔化，并且利用金屬氮化合物向材料混合物供給氮氣，以使涂層硬化。
[0004]EP0858518B1涉及到通過熱噴射由鋼和鑰制成的涂層，在輕金屬體上制造滑動面的方法，其中，利用等離子體噴射施加磨損層。然而，EP0858518B1指出使用鋼粉末與鑰粉末的混合物。
[0005]EP1340834B1描述了用于制造氣缸工作表面層的方法。在此，應用旋轉(zhuǎn)等離子體噴射裝置，因此，待涂覆的發(fā)動機缸體在涂層期間可以靜止。孔隙的比例會根據(jù)例如涂層粉末的顆粒尺寸以目標的方式受到影響。
[0006]FR2924365A1涉及到內(nèi)壁的等離子體噴射，其中，同樣應用另外的噴射粉末。涂層中孔的容量應當是不同的，這應當是可通過等離子體噴射參數(shù)例如金屬微粒或金屬粉末的尺寸、硬度、速度和預熱溫度的變化來實現(xiàn)的。
[0007]目前的內(nèi)燃發(fā)動機或其發(fā)動機缸體可以由金屬或由輕金屬例如鋁或鎂鑄造，其中，尤其是輕金屬缸體在其氣缸孔上具有鐵或金屬層。金屬層可以通過熱方法來噴射。上述方法被稱作熱噴射方法。
[0008]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)之處是所謂的PTWA內(nèi)部涂層方法，即，等離子體轉(zhuǎn)移絲電弧(PTWA:Plasma Transferred Wire Are)。在該方法中可以利用絲狀噴射添加材料從內(nèi)部涂覆孔(氣缸孔)，其中，噴嘴在孔內(nèi)部圍繞絲線旋轉(zhuǎn)并且沿著孔軸線移動。這樣，在環(huán)顧且沿軸向觀察時，內(nèi)壁完全被涂覆。PTWA方法的重要之處是，沒有噴濺金屬粉末，而是熔融均質(zhì)的絲并且其熔滴被輸送至待涂覆的內(nèi)壁并在此撞擊內(nèi)壁，從而構(gòu)成涂層。在這里僅供給唯一的絲狀噴射添加材料。等離子體撞擊預熱的絲狀噴射添加材料。等離子體氣體在大多數(shù)情況下是氬氫混合物。在PTWA方法中，將空氣或壓縮空氣用作為輸送氣體或吹散氣體。利用此方法制造的涂層特征在于孔隙率較低。PTffA內(nèi)部涂層方法目前在氣缸孔尤其是輕金屬缸體的內(nèi)部涂層情況下被證實是有效的。
[0009]涂層通常具有孔，這些孔降低活塞環(huán)和氣缸工作表面之間的摩擦，這是因為孔中會積聚潤滑劑。EP1340834B1、EP0858518B1和FR2924365A1講述了涂層中孔帶來的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]從下列事實出發(fā):涂層中的孔對活塞環(huán)和氣缸工作表面之間的摩擦阻力起決定性作用，本發(fā)明任務在于說明一種前述類型的方法，利用所述方法可以制造在此方面得以改進的涂層。
[0011]根據(jù)本發(fā)明，該目的通過具有獨立權(quán)利要求的特征的方法來實現(xiàn)。本發(fā)明的其他尤其有利的實施方式在從屬權(quán)利要求中公開。[0012]要指出的是，在以下說明中單獨描述的特征能夠以任何技術(shù)上有意義的方式相互組合并且公開了本發(fā)明的其它實施方式。
[0013]本發(fā)明提議一種通過熱噴射尤其是通過等離子體噴射優(yōu)選利用PTWA內(nèi)部涂層方法制造涂層的方法，其中，利用合金優(yōu)選利用鐵合金對組件、尤其是例如由輕金屬制成的內(nèi)燃發(fā)動機的孔進行涂覆,其中,將等離子體氣體和輸送氣體供給等離子體噴嘴,所述等離子
體噴嘴圍繞絲線旋轉(zhuǎn)并能夠沿著孔的縱軸線移動，從而如從內(nèi)部看到的，孔被全方位地涂覆且沿孔的軸向被涂覆，其中，輸送氣體和/或等離子體氣體的可變氣流或者說可變流率能夠在待涂覆的孔的軸向長度上設定(或調(diào)節(jié))。
[0014]有利的是，利用本發(fā)明已了解到，氣流、不論是等離子體氣體氣流和/或輸送氣體氣流，在涂層操作過程中在沿著待涂覆的內(nèi)壁的縱軸線的不同位置可以具有不同的數(shù)值。如果氣體流率可以在孔的軸向長度上變化，那么根據(jù)流率值，可以在涂層中建立不同的孔隙率。利用本發(fā)明，已有利地確認出，較小的氣體流率在涂層內(nèi)產(chǎn)生較高的孔隙率，而相對大的氣體流率在涂層內(nèi)產(chǎn)生較小的孔隙率。當然，內(nèi)部涂層也可以進行后續(xù)加工，例如珩磨和/或摩擦，以僅示例性列舉一些后續(xù)加工過程。
[0015]在氣缸孔內(nèi)，氣缸按已知方式來回運動。活塞環(huán)與氣缸工作表面接觸，即，與涂層接觸。尤其是在氣缸孔的上止點區(qū)域內(nèi)應當存在較小的摩擦(活塞的換向)。因而有利地規(guī)定，上止點區(qū)域內(nèi)的氣體流率的數(shù)值小，從而形成高的孔隙率。在下止點區(qū)域中也可以在涂層內(nèi)提供這種高的孔隙率。相反，在中間區(qū)域中，但也可在上止點區(qū)域上方，可以降低孔隙率，因此可以設定相對高的流率。
[0016]等離子體噴射裝置如前述可在軸向上沿著孔來回運動。這樣可以與旋轉(zhuǎn)一起產(chǎn)生大范圍的內(nèi)涂層。在此，可以在孔的上方區(qū)域開始噴射過程。這里，涂層可以具有小孔隙率，因而氣體的流率可以設定到大數(shù)值，例如11001 /min。
[0017]如果等離子體噴射裝置沿著縱軸線朝向孔的相對端部運動并達到上止點區(qū)域，則有利地規(guī)定，降低流率并且更改至小數(shù)值，例如4501/min，以在涂層中產(chǎn)生高的孔隙率。相對低的流率促使熔融絲滴施加相對小的撞擊能量至內(nèi)壁。
[0018]如果等離子體噴射裝置已經(jīng)朝向孔的相對端部離開上止點區(qū)域，則可以繼而設定具有大數(shù)值例如11001/min的流率，從而類似地實現(xiàn)具有低孔隙率的涂層。然后，可以以這種高流量值涂覆孔的內(nèi)壁的剩余部分。[0019]如已經(jīng)提到的，可以在下止點區(qū)域中將流率降至4501/min的小數(shù)值，從而在涂層中存在高的孔隙率。這尤其在上止點區(qū)域內(nèi)是有利的，其中，具有低孔隙率的涂層在下止點區(qū)域內(nèi)是充足的。
[0020]因此，在本發(fā)明中有利的是，在待涂覆的孔的軸向長度上可以獲得具有不同的孔隙率的涂層區(qū)域，其中，尤其是上止點區(qū)域具有尤其高的孔隙率。這在本發(fā)明方法中通過氣體的可變流率實現(xiàn)，其中，在上止點區(qū)域內(nèi)可以調(diào)節(jié)小的流率，例如4501/min。
[0021]有利的是，輸送氣體在其流率方面是可變調(diào)節(jié)的。也可以想到，等離子體氣體與輸送氣體一起或者其自身在其流率方面是可變調(diào)節(jié)的。
[0022]通過控制元件可以實現(xiàn)流率的可變調(diào)節(jié)，控制元件接收適當?shù)男盘枺匝刂扛驳目讓娚溲b置的相應位置調(diào)節(jié)期望的或最有利的流率。在優(yōu)選的實施例中，控制元件可以是可快速操作的電磁閥，電磁閥優(yōu)選地無階梯地控制流量。在有利的實施例中，控制元件設置在相應氣體的相應輸入管路中。
[0023]不言而喻，根據(jù)本發(fā)明的方法也可以用于涂覆其他組件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]根據(jù)附圖，本發(fā)明的其他細節(jié)變得明顯。在圖中:
[0025]圖1示出了用于執(zhí)行所述方法的等離子體噴射裝置的示意圖；和
[0026]圖2示出了具有根據(jù)所述方法制造的涂層的氣缸孔的示意性剖面圖。
【具體實施方式】
[0027]圖1不出了 PTWA內(nèi) 部涂層設備的噴嘴單兀I。PTffA(Plasma Transferred WireAre)涂覆系統(tǒng)是用于噴射孔、尤其是內(nèi)燃發(fā)動機的發(fā)動機缸體中的氣缸的系統(tǒng)。噴嘴單元I包括陰極2、等離子體噴嘴3和作為陽極的導電合金絲4，導電合金絲4是垂直于等離子體噴嘴3供給的。例如，用于陰極2的材料優(yōu)選為鎢，鎢還可以摻雜釷。等離子體氣體5(例如氬和氫的混合物)通過在噴嘴主體6中形成的且相對于外周切向布置的孔來供給。陰極支撐件7使陰極2與噴嘴主體6絕緣。合金絲4可絲供給部15中引導，從而合金絲4可以旋轉(zhuǎn)運動且可以縱向地移位。
[0028]該過程通過高壓放電開始，高壓放電將合金絲4、噴嘴主體6和陰極2之間的等離子體氣體5電離和離解。如此產(chǎn)生的等離子體以高速度流過等離子體噴嘴3。在此方法中，朝向垂直于噴嘴3連續(xù)供給的合金絲4輸送等離子體氣體5，由此形成電弧。
[0029]另外，通過供給通道10和輔助噴嘴11向從等離子體噴嘴3噴出的等離子流8供給輸送氣體9或者霧化氣體9。
[0030]在這種情況下，合金絲4的熔融和霧化被兩種現(xiàn)象影響。合金絲4首先通過大的電流強度(典型的是65安培至90安培)按電阻方式加熱。等離子體射流8碰撞預熱后的合金絲4，使其在合金絲端部12熔融。換言之，在等離子體噴嘴3內(nèi)部利用高壓放電產(chǎn)生等離子體。沿著放電路徑流動的目標氮氣(即，輸送氣體9)將等離子體和已熔融的噴射材料13輸送至待涂覆的氣缸孔的表面14上。
[0031]在這種等離子體噴射裝置的情況下，根據(jù)本發(fā)明，等離子體氣體5和/或輸送氣體9的流率沿孔的縱軸線是可變的。[0032]圖2示出具有涂層14的氣缸孔16的示意性剖面圖，其中，涂層14是利用沿著軸向長度X變化的一種或多種氣體的流率制造的。原則上，僅通過舉例的方式，涂層被分為五個區(qū)域，其中，示出的區(qū)域的尺寸，即，它們的軸向延伸，僅是示例性的。利用PTWA內(nèi)部涂覆工藝的噴射過程在上蓋區(qū)域17中已經(jīng)開始。噴射裝置已經(jīng)從上蓋區(qū)域17朝向相對端部18的方向運動，其中，噴嘴單元I如上述旋轉(zhuǎn)。上止點區(qū)域19是可見的，上止點區(qū)域19與上蓋區(qū)域17鄰接。中間區(qū)域20與上止點區(qū)域19鄰接，下止點區(qū)域21與中間區(qū)域20鄰接。下腳區(qū)域22與下止點區(qū)域21鄰接。
[0033]在上蓋區(qū)域17中，但也在中間區(qū)域20和下腳區(qū)域22中以高流率執(zhí)行噴射，因此涂層在該相應區(qū)域具有低孔隙率。相反，在上止點區(qū)域19和下止點區(qū)域21中以低流率執(zhí)行噴射，因此涂層在該相應區(qū)域具有高孔隙率。區(qū)域21是可選的，從而涂層也可以僅包括區(qū)域17、19和20，其中，中間區(qū)域20直至通向端部18，并且其中利用大流率執(zhí)行噴射，因此涂層可以在該相應區(qū)域17和20中(直至端部18)具有低孔隙率。
【權(quán)利要求】
1.一種通過熱噴射尤其是通過等離子體噴射制造涂層的方法，其中，利用合金對組件、尤其是氣缸套進行內(nèi)部涂覆，其中，將等離子體氣體(5)供給等離子體噴嘴(3)，并且將輸送氣體(9)供給輔助噴嘴(11)，所述等離子體噴嘴(3)和所述輔助噴嘴(11)圍繞絲線(4)旋轉(zhuǎn)并能夠沿著孔(16)的縱軸線移動，從而如從內(nèi)部看到的，所述孔(16)被全方位涂覆且沿所述孔(16)的軸向被涂覆， 其中， 所述輸送氣體(9)和/或所述等離子體氣體(5)的可變氣流或可變流率能夠在待涂覆的孔(16)的軸向長度(X)上被調(diào)節(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述等離子體噴射是PTWA內(nèi)部涂覆。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述絲線(4)是均質(zhì)絲線。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，利用所述等離子體氣體(5)和/或所述輸送氣體(9)的高流率能夠在涂層中調(diào)節(jié)低孔隙率。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，上止點區(qū)域(12)中的流率值小，例如為4501/min。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，上蓋區(qū)域(10)和中間區(qū)域(13)中的流率值大，例如為11001/min。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，設有控制元件，所述控制元件根據(jù)等離子體噴射裝置(I)在所述孔(16)內(nèi)的軸向位置來控制所述等離子體氣體(5)和/或所述輸送氣體(9)的流率，其中，所述控制元件能夠被實施為電磁閥。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的`方法，其特征在于，所述輸送氣體(9)和/或所述等離子體氣體(5)的可變氣流或可變流率在涂覆操作過程中能夠根據(jù)在待涂覆的孔(16)內(nèi)部的軸向位置可變地設定。
【文檔編號】C23C4/12GK103890222SQ201280052953
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年10月2日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月27日
【發(fā)明者】林德·施拉姆, 克萊門斯·瑪麗亞·韋普特, 大衛(wèi)·庫克 申請人:福特全球技術(shù)公司