等离子体喷射方法
【专利摘要】本发明涉及一种通过热喷射尤其是通过等离子体喷射制造涂层的方法，其中，利用合金对组件、尤其是气缸套进行内部涂覆，其中，将等离子体气体(5)和输送气体(9)供给等离子体喷嘴(3)，所述等离子体喷嘴(3)围绕丝线(4)旋转并能够沿着孔(16)的纵轴线移动，从而如从内部看到的，所述孔(16)被全方位涂覆且沿所述孔(16)的轴向被涂覆。本发明提出了所述输送气体(9)和/或所述等离子体气体(5)的可变气流或可变流率，该流率能够关于待涂覆的孔(16)的轴向长度(x)来设定。
【专利说明】等离子体喷射方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种通过热喷射尤其是通过等离子体喷射制造涂层的方法，其中，利用合金优选利用铁合金对组件、尤其是例如由轻金属制成的内燃发动机的孔(缸孔)进行涂覆，其中，将等离子体气体和输送气体供给等离子体喷嘴，所述等离子体喷嘴围绕丝线旋转并能够沿着孔的纵轴线移动，从而如从内部看到的，孔被全方位地涂覆且沿孔的轴向被涂覆。
【背景技术】
[0002]根据EP1967601A2已知的是，通过实施电弧丝喷射利用铁合金来涂覆例如铝发动机缸体，尤其是其气缸轴承表面。在此，EP1967601A2建议使用铁合金，其主要包含525重量％至25重量％的铬。在EP1967601A2中重要的是，还给熔融的铁中提供附加粉末，具体为碳化硼。EP1967601A2的电弧丝喷射方法是所谓的TWAS方法，其中，双丝以如下方式供给喷射头，即，将电流传递至丝上。如果双丝接触，则通过持久短路形成电弧，电弧可熔融丝。在喷嘴的下游存在一个喷嘴，压缩空气或惰性气体如氮气从此喷嘴流出。该气流使熔融的铁合金雾化，并且将它与熔融的碳化硼粉末一起供给到待涂层的表面上。
[0003]DE4411296A1和DE4447514A1涉及到借助于等离子体喷射提供的涂层，然而，金属粉末或填料丝被熔化，并且利用金属氮化合物向材料混合物供给氮气，以使涂层硬化。
[0004]EP0858518B1涉及到通过热喷射由钢和钥制成的涂层，在轻金属体上制造滑动面的方法，其中，利用等离子体喷射施加磨损层。然而，EP0858518B1指出使用钢粉末与钥粉末的混合物。
[0005]EP1340834B1描述了用于制造气缸工作表面层的方法。在此，应用旋转等离子体喷射装置，因此，待涂覆的发动机缸体在涂层期间可以静止。孔隙的比例会根据例如涂层粉末的颗粒尺寸以目标的方式受到影响。
[0006]FR2924365A1涉及到内壁的等离子体喷射，其中，同样应用另外的喷射粉末。涂层中孔的容量应当是不同的，这应当是可通过等离子体喷射参数例如金属微粒或金属粉末的尺寸、硬度、速度和预热温度的变化来实现的。
[0007]目前的内燃发动机或其发动机缸体可以由金属或由轻金属例如铝或镁铸造，其中，尤其是轻金属缸体在其气缸孔上具有铁或金属层。金属层可以通过热方法来喷射。上述方法被称作热喷射方法。
[0008]本发明与现有技术相关之处是所谓的PTWA内部涂层方法，即，等离子体转移丝电弧(PTWA:Plasma Transferred Wire Are)。在该方法中可以利用丝状喷射添加材料从内部涂覆孔(气缸孔)，其中，喷嘴在孔内部围绕丝线旋转并且沿着孔轴线移动。这样，在环顾且沿轴向观察时，内壁完全被涂覆。PTWA方法的重要之处是，没有喷溅金属粉末，而是熔融均质的丝并且其熔滴被输送至待涂覆的内壁并在此撞击内壁，从而构成涂层。在这里仅供给唯一的丝状喷射添加材料。等离子体撞击预热的丝状喷射添加材料。等离子体气体在大多数情况下是氩氢混合物。在PTWA方法中，将空气或压缩空气用作为输送气体或吹散气体。利用此方法制造的涂层特征在于孔隙率较低。PTffA内部涂层方法目前在气缸孔尤其是轻金属缸体的内部涂层情况下被证实是有效的。
[0009]涂层通常具有孔，这些孔降低活塞环和气缸工作表面之间的摩擦，这是因为孔中会积聚润滑剂。EP1340834B1、EP0858518B1和FR2924365A1讲述了涂层中孔带来的影响。
【发明内容】
[0010]从下列事实出发:涂层中的孔对活塞环和气缸工作表面之间的摩擦阻力起决定性作用，本发明任务在于说明一种前述类型的方法，利用所述方法可以制造在此方面得以改进的涂层。
[0011]根据本发明，该目的通过具有独立权利要求的特征的方法来实现。本发明的其他尤其有利的实施方式在从属权利要求中公开。[0012]要指出的是，在以下说明中单独描述的特征能够以任何技术上有意义的方式相互组合并且公开了本发明的其它实施方式。
[0013]本发明提议一种通过热喷射尤其是通过等离子体喷射优选利用PTWA内部涂层方法制造涂层的方法，其中，利用合金优选利用铁合金对组件、尤其是例如由轻金属制成的内燃发动机的孔进行涂覆,其中,将等离子体气体和输送气体供给等离子体喷嘴,所述等离子
体喷嘴围绕丝线旋转并能够沿着孔的纵轴线移动，从而如从内部看到的，孔被全方位地涂覆且沿孔的轴向被涂覆，其中，输送气体和/或等离子体气体的可变气流或者说可变流率能够在待涂覆的孔的轴向长度上设定(或调节)。
[0014]有利的是，利用本发明已了解到，气流、不论是等离子体气体气流和/或输送气体气流，在涂层操作过程中在沿着待涂覆的内壁的纵轴线的不同位置可以具有不同的数值。如果气体流率可以在孔的轴向长度上变化，那么根据流率值，可以在涂层中建立不同的孔隙率。利用本发明，已有利地确认出，较小的气体流率在涂层内产生较高的孔隙率，而相对大的气体流率在涂层内产生较小的孔隙率。当然，内部涂层也可以进行后续加工，例如珩磨和/或摩擦，以仅示例性列举一些后续加工过程。
[0015]在气缸孔内，气缸按已知方式来回运动。活塞环与气缸工作表面接触，即，与涂层接触。尤其是在气缸孔的上止点区域内应当存在较小的摩擦(活塞的换向)。因而有利地规定，上止点区域内的气体流率的数值小，从而形成高的孔隙率。在下止点区域中也可以在涂层内提供这种高的孔隙率。相反，在中间区域中，但也可在上止点区域上方，可以降低孔隙率，因此可以设定相对高的流率。
[0016]等离子体喷射装置如前述可在轴向上沿着孔来回运动。这样可以与旋转一起产生大范围的内涂层。在此，可以在孔的上方区域开始喷射过程。这里，涂层可以具有小孔隙率，因而气体的流率可以设定到大数值，例如11001 /min。
[0017]如果等离子体喷射装置沿着纵轴线朝向孔的相对端部运动并达到上止点区域，则有利地规定，降低流率并且更改至小数值，例如4501/min，以在涂层中产生高的孔隙率。相对低的流率促使熔融丝滴施加相对小的撞击能量至内壁。
[0018]如果等离子体喷射装置已经朝向孔的相对端部离开上止点区域，则可以继而设定具有大数值例如11001/min的流率，从而类似地实现具有低孔隙率的涂层。然后，可以以这种高流量值涂覆孔的内壁的剩余部分。[0019]如已经提到的，可以在下止点区域中将流率降至4501/min的小数值，从而在涂层中存在高的孔隙率。这尤其在上止点区域内是有利的，其中，具有低孔隙率的涂层在下止点区域内是充足的。
[0020]因此，在本发明中有利的是，在待涂覆的孔的轴向长度上可以获得具有不同的孔隙率的涂层区域，其中，尤其是上止点区域具有尤其高的孔隙率。这在本发明方法中通过气体的可变流率实现，其中，在上止点区域内可以调节小的流率，例如4501/min。
[0021]有利的是，输送气体在其流率方面是可变调节的。也可以想到，等离子体气体与输送气体一起或者其自身在其流率方面是可变调节的。
[0022]通过控制元件可以实现流率的可变调节，控制元件接收适当的信号，以沿着待涂覆的孔对喷射装置的相应位置调节期望的或最有利的流率。在优选的实施例中，控制元件可以是可快速操作的电磁阀，电磁阀优选地无阶梯地控制流量。在有利的实施例中，控制元件设置在相应气体的相应输入管路中。
[0023]不言而喻，根据本发明的方法也可以用于涂覆其他组件。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]根据附图，本发明的其他细节变得明显。在图中:
[0025]图1示出了用于执行所述方法的等离子体喷射装置的示意图；和
[0026]图2示出了具有根据所述方法制造的涂层的气缸孔的示意性剖面图。
【具体实施方式】
[0027]图1不出了 PTWA内 部涂层设备的喷嘴单兀I。PTffA(Plasma Transferred WireAre)涂覆系统是用于喷射孔、尤其是内燃发动机的发动机缸体中的气缸的系统。喷嘴单元I包括阴极2、等离子体喷嘴3和作为阳极的导电合金丝4，导电合金丝4是垂直于等离子体喷嘴3供给的。例如，用于阴极2的材料优选为钨，钨还可以掺杂钍。等离子体气体5(例如氩和氢的混合物)通过在喷嘴主体6中形成的且相对于外周切向布置的孔来供给。阴极支撑件7使阴极2与喷嘴主体6绝缘。合金丝4可丝供给部15中引导，从而合金丝4可以旋转运动且可以纵向地移位。
[0028]该过程通过高压放电开始，高压放电将合金丝4、喷嘴主体6和阴极2之间的等离子体气体5电离和离解。如此产生的等离子体以高速度流过等离子体喷嘴3。在此方法中，朝向垂直于喷嘴3连续供给的合金丝4输送等离子体气体5，由此形成电弧。
[0029]另外，通过供给通道10和辅助喷嘴11向从等离子体喷嘴3喷出的等离子流8供给输送气体9或者雾化气体9。
[0030]在这种情况下，合金丝4的熔融和雾化被两种现象影响。合金丝4首先通过大的电流强度(典型的是65安培至90安培)按电阻方式加热。等离子体射流8碰撞预热后的合金丝4，使其在合金丝端部12熔融。换言之，在等离子体喷嘴3内部利用高压放电产生等离子体。沿着放电路径流动的目标氮气(即，输送气体9)将等离子体和已熔融的喷射材料13输送至待涂覆的气缸孔的表面14上。
[0031]在这种等离子体喷射装置的情况下，根据本发明，等离子体气体5和/或输送气体9的流率沿孔的纵轴线是可变的。[0032]图2示出具有涂层14的气缸孔16的示意性剖面图，其中，涂层14是利用沿着轴向长度X变化的一种或多种气体的流率制造的。原则上，仅通过举例的方式，涂层被分为五个区域，其中，示出的区域的尺寸，即，它们的轴向延伸，仅是示例性的。利用PTWA内部涂覆工艺的喷射过程在上盖区域17中已经开始。喷射装置已经从上盖区域17朝向相对端部18的方向运动，其中，喷嘴单元I如上述旋转。上止点区域19是可见的，上止点区域19与上盖区域17邻接。中间区域20与上止点区域19邻接，下止点区域21与中间区域20邻接。下脚区域22与下止点区域21邻接。
[0033]在上盖区域17中，但也在中间区域20和下脚区域22中以高流率执行喷射，因此涂层在该相应区域具有低孔隙率。相反，在上止点区域19和下止点区域21中以低流率执行喷射，因此涂层在该相应区域具有高孔隙率。区域21是可选的，从而涂层也可以仅包括区域17、19和20，其中，中间区域20直至通向端部18，并且其中利用大流率执行喷射，因此涂层可以在该相应区域17和20中(直至端部18)具有低孔隙率。
【权利要求】
1.一种通过热喷射尤其是通过等离子体喷射制造涂层的方法，其中，利用合金对组件、尤其是气缸套进行内部涂覆，其中，将等离子体气体(5)供给等离子体喷嘴(3)，并且将输送气体(9)供给辅助喷嘴(11)，所述等离子体喷嘴(3)和所述辅助喷嘴(11)围绕丝线(4)旋转并能够沿着孔(16)的纵轴线移动，从而如从内部看到的，所述孔(16)被全方位涂覆且沿所述孔(16)的轴向被涂覆， 其中， 所述输送气体(9)和/或所述等离子体气体(5)的可变气流或可变流率能够在待涂覆的孔(16)的轴向长度(X)上被调节。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述等离子体喷射是PTWA内部涂覆。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述丝线(4)是均质丝线。
4.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，利用所述等离子体气体(5)和/或所述输送气体(9)的高流率能够在涂层中调节低孔隙率。
5.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，上止点区域(12)中的流率值小，例如为4501/min。
6.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，上盖区域(10)和中间区域(13)中的流率值大，例如为11001/min。
7.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，设有控制元件，所述控制元件根据等离子体喷射装置(I)在所述孔(16)内的轴向位置来控制所述等离子体气体(5)和/或所述输送气体(9)的流率，其中，所述控制元件能够被实施为电磁阀。
8.根据前述权利要求之一所述的`方法，其特征在于，所述输送气体(9)和/或所述等离子体气体(5)的可变气流或可变流率在涂覆操作过程中能够根据在待涂覆的孔(16)内部的轴向位置可变地设定。
【文档编号】C23C4/12GK103890222SQ201280052953
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年10月2日 优先权日:2011年10月27日
【发明者】林德·施拉姆, 克莱门斯·玛丽亚·韦普特, 大卫·库克 申请人:福特全球技术公司