为衬底涂布喷涂材料的方法及可用该方法制成的功能层的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种涂布衬底的方法，其中，在电弧中将线形的喷涂材料熔化并将其作为层沉积在所述衬底上。本发明还涉及一种可以用所述方法制成的，具有足够高的硬度及较佳摩擦学属性的耐腐蚀功能层。
【背景技术】
[0002]在制造内燃机时，为提尚能效和减少排放，力求尽可能减小摩擦并提尚耐磨性及耐磨损性。为此，为马达部件，例如气缸孔及其壁部设置运动表面涂层，或者向气缸孔嵌入设置有工作面层的衬套。多数情形下，使用热喷涂，例如电弧线材喷涂来镀覆这种工作面层。采用电弧线材喷涂时，通过施加电压在两个线形的喷涂材料之间产生电弧。此时，线材尖端会发生熔化并例如被喷雾器气体输送至待涂布的表面(例如气缸壁)上并发生沉积。
[0003]DE 10308563B3公开一种用于内燃机的气缸衬套，该气缸衬套具有在工作面上设有磨损防护涂层的本体，该磨损防护涂层基于较硬的具马氏体结构的铁合金，其中，可以采用光弧线材喷涂法来镀覆该磨损防护层，且该涂层的合金的碳含量为0.05至3wt%且铬含量为9至13wt%。
[0004]DE 102007010698A1公开一种用光弧线材喷涂来制造涂层的方法，其中，输入碳化硼含量为0.5至8被％的含铬铁合金。借助输入碳化硼来形成硼化铁，从而提高层硬度。但此举会提高处理成本并降低可切削性。
[0005]众所周知，基于与铸铁表面类似的低合金铁碳合金的市售层系统易于腐蚀。可通过加入铬来应对这一点。另一方面，迄今为止研宄的含铬层仅是通过例如额外加入硬质材料微粒(例如碳化硼)来获得所需的硬度。为此又需要借助粉末输送装置以独立于线材输送的高成本的方式来输送粉末，或者采用高成本的管状/药芯焊丝(FUlldraht)。此外，碳化硼含量会产生脆化效应，即导致用此方法制成的层不断开裂，且与发生摩擦的合作方相比，这类层的摩擦效应更为剧烈。
[0006]为避免这些缺点，DE 102010021300A1中并非加入硼，而是通过所输入的铁合金中至少为0.7被％的较高碳含量来对镀覆的功能层的硬度进行调节。
[0007]但实践证明，使用上述方法制成的功能层至少没有达到柴油机的工作路径涂层所需的足够硬度，且在满足其他摩擦学的要求方面也无法达到对柴油机有利的程度。
【发明内容】
[0008]有鉴于此，本发明的目的是，提供一种经过改进的电弧线材喷涂方法，以及一种可用所述方法制成的功能层。除良好的喷涂特性外，所述功能层的有针对性的属性，特别是良好的可加工性同样是目标所在。层属性还包括足够的耐腐蚀性及足够的硬度，这种硬度应在400至650HV 0.1的范围内。具有这些属性的层不含硼或碳化硼，且制造这些层时不必采用附加的输送装置。
[0009]本发明用以达成上述目的的解决方案是，一种具有权利要求1所述特征的功能层，以及一种具有权利要求3所述特征的为衬底涂布线形喷涂材料的方法。有利改进方案由从属权利要求给出。
[0010]本发明的方法的特征是，应用线形的铁基喷涂材料，所述喷涂材料具有下列以所述舍夫勒图的所述特性参数“镍当量”(Nieq)和“铬当量”(Creq)给定的合金成分:
[0011]-Creq>10.5，以及
[0012]-Nieq>Creq_8，以及
[0013]-Nieq〈21_0.8*Creq
[0014]均以相对于总重量的含量计。
[0015]舍夫勒图是一种常用的、用于显示对合金钢焊缝金属的结构比例给出说明的特性参数的图表，且在本文中示为图1。其中，将形成或促进奥氏体的合金成分镍、碳及锰整合为所谓“镲当量”(=Nieq = Ni 含量[% wt]+30*C 含量[% wt]+0.5*Mn 含量[% wt])，并将形成或促进铁素体的合金成分铬、钼、硅、铌和钛整合为所谓“铬当量”(=Creq = Cr含量[% wt] +Mo 含量[% wt]+1.5*Si 含量[% wt]+0.5*Nb 含量[% wt]+2*Ti 含量[% wt])，并且将根据合金成分构建的马氏体、奥氏体及铁素体的结构比例相互关联地示出。
[0016]为使所述待制造功能层具备所追求的耐腐蚀性，铬当量至少必须为10。为此，在选择所述喷涂线材中的Cr含量时，必须满足该工艺期间的蒸发。研宄表明，在定义所述喷涂线材的合金成分时，必须将所述线材中最高达0.5被％的铬的蒸发考虑在内。因此，所述喷涂线材的最小铬当量为10.5。
[0017]待制造功能层一方面应具有足以应对柴油机的负荷的硬度，即硬度至少处于350至400HV 0.1的数量级，优选高于该数量级。另一方面，所述功能层应具有足够的摩擦学属性，特别是尽可能小的相对摩擦对象/摩擦合作方的粘附倾向，亦即，就工作路径涂层而言，其不易与活塞发生局部熔接。出于上述原因且为调节所需的最小硬度，所述功能层应大致为马氏体结构并应尽可能避免奥氏体比例。同样需要尽可能避免铁素体比例，但较小的铁素体比例是可以容忍的。
[0018]此外，所述功能层采用马氏体组织结构还有其他三个有利理由:
[0019]马氏体的热膨胀系数远低于奥氏体。这样便减小了功能层在冷却时比衬底更为剧烈地收缩从而脱落的危险，而这种危险存在于奥氏体中。
[0020]在所述功能层中会产生因马氏体转变而导致的残余压应力/内应力，其有助于改善与衬底的连接性，此外还对涂层的开裂起抑制作用。
[0021]与奥氏体结构相比，马氏体状态中的导热性显著提高。这有助于从气缸壁散热至水套，从而又对部件热负荷及所述工作路径相对活塞/活塞环的摩擦学特性产生有利影响。
[0022]试验表明，就所述功能层的以舍夫勒图的特性参数镍当量和铬当量给出的合金成分而言，当满足以下框架条件时，便可以实现上述属性:
[0023]19-0.8Creq>Nieq>Creq_9。
[0024]即使是在此情形下，也必须将热涂布期间所述喷涂线材的合金成分的蒸发考虑在内。研宄表明，所述喷涂线材中的C蒸发量最高可达0.25wt%。就所述喷涂线材的其他成分而言存在相似的情况。有鉴于此，应用于所述方法中的喷涂线材的框架条件如下:
[0025]21-0.8*Creq>Nieq>Creq_8。
[0026]下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
【附图说明】
[0027]图1为具有针对适宜的功能层的合金成分的框架条件的舍夫勒图。
【具体实施方式】
[0028]根据本实施例，使用电弧线材喷涂(LDS)来沉积所述功能层。在进行电弧线材喷涂时，将两个线形的喷涂材料输入涂布头。在所述线形的喷涂材料之间将电弧点火。此时，所述线形的喷涂材料熔化，并被运载气体针对性地施加/涂敷至待涂布的衬底上，在所述衬底上冷却、凝固并形成所述功能层。
[0029]所述线形的喷涂材料主要包括铁铬合金。所述喷涂材料至少借助碳以某种方式构成为微合金，使得在所述喷涂材料冷却时，绝大部分马氏体就已产生，近乎不存在奥氏体且仅存在较小的铁素体比例。
[0030]以舍夫勒图的特性参数得出的所述功能层的成分如下:
[0031]Creq = 12.9 且 Nieq = 5.9
[0032]其中，所述铬当量从12.3wt%的铬含量和0.38被％的硅含量得出。所述镍当量从0.3界1:%的镲含量、0.18wt%的碳含量及0.4界1:%的猛含量得出。
[0033]该示范性功能层的其他合金成分为含量均略低于0.lwt%的Cu、Al、V，以及微量的 P、W、Co、Mo 和 S0
[0034]所述合金的主要成分为铁。
[0035]若未另行说明，含量均以相对总重量而言的重量百分比计。
[0036]本发明的功能层的特征尤其在于硬度较高，且针对具有500至100ppm的较高硫含量的柴油燃料具有耐受性，而现有技术中的功能层在与这种燃料接触的情况下会很快发生磨损和腐蚀。
[0037]根据本发明，使所述线形的喷涂材料在电弧中熔化并将其作为功能层沉积在所述衬底上，以此来对所述衬底进行涂布。优选在至少9000W的熔化功率下，特别是采用至少250A的电流强度及/或至少36V的电压在电弧中将所述线形的喷涂材料熔化。这样便能在熔化时产生非常微细的颗粒，从而形成非常厚的层结构。
[0038]为将吸取设备对所述非常微细的颗粒的吸取保持在尽可能小的程度，优选快速构建所述颗粒束(高空速)。可以采用例如在DE 102008004607A1中描述的拉瓦尔喷嘴来实现这一点。
[0039]优选以最大12m/s的速度来输送所述线形的喷涂材料4，并以最大20m/s的速度来吸取所述熔化颗粒的束。这些参数极限能确保构建优选的层结构，而不会将主要的合金成分吸取或蒸发。
[0040]另一有利方案是，通过在加热炉中进行调温或者通过局部感应式加热来产生所述功能层的残余压应力，因为这些残余压应力会提高所述功能层在所述衬底上的附着力。
【主权项】
1.一种减小摩擦功率的功能层， 包括一铁基合金， 所述铁基合金主要为马氏体结构， 具有下列以所述舍夫勒图的所述特性参数镍当量(Nieq)和铬当量(Creq)给定的合金成分: -Creq>10,以及 -Nieq>Creq-9,以及 -Nieq〈19_0.8*Creq 均以相对于总重量的含量计。
2.根据权利要求1所述的功能层， 其特征在于， 包含 -含量为0.3界1:%至2界1:%的，优选为0.3至0.8wt%的猛，以及/或者-含量为0.01界1:%至1界1:%的，优选为0.2至0.6wt%的娃，以及/或者-含量为0.01界1:%至1界1:%的，优选为0.2至0.6wt%的钼，以及/或者-含量为0.0^^%至Iwt%的，优选为0.2至0.6wt%的铌，其中，铌含量与镍含量之和<lwt%,以及/或者 -含量为0.00^^%至0.02￥丨％的，优选为0.005至0.01wt%的钛，均以相对于总重量的含量计。
3.—种涂布衬底的方法，其中，使线形的喷涂材料在电弧中熔化并将其作为功能层沉积在所述衬底上，其特征在于，应用具有下列以所述舍夫勒图的所述特性参数镍当量(Nieq)和络当量(Creq)给定的合金成分的铁基喷涂线材: -Creq>10.5，以及 -Nieq>Creq-8,以及 -Nieq〈21_0.8*Creq 均以相对于总重量的含量计。
4.根据权利要求3所述的方法， 其特征在于， 所述线形的喷涂材料包括以下附加合金成分: -含量为0.3界1:%至2界1:%的，优选为0.3至0.8wt%的猛，以及/或者-含量为0.01界1:%至1界1:%的，优选为0.2至0.6wt%的娃，以及/或者-含量为0.01界1:%至1界1:%的，优选为0.2至0.6wt%的钼，以及/或者-含量为0.0^^%至Iwt%的，优选为0.2至0.6wt%的铌，其中，铌含量与镍含量之和<lwt%,以及/或者 -含量为0.00^^%至0.02￥丨％的，优选为0.005至0.01wt%的钛，均以相对于总重量的含量计。
【专利摘要】本发明涉及一种涂布衬底的方法，其中，在电弧中将线形的喷涂材料熔化并将其作为功能层沉积在所述衬底上，以及一种可用所述方法在所述衬底上制成的功能层。所述功能层具有较高的硬度，且针对硫含量较高的柴油燃料具有较高的耐腐蚀性。
【IPC分类】C23C4-12, B23K35-30, B23K35-02, C23C4-06
【公开号】CN104603318
【申请号】CN201380034644
【发明人】E·A·奥兹丹尼兹, R·竹斯, W·汉森, M·沃克, U·阿凯
【申请人】戴姆勒股份公司
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2013年5月28日
【公告号】DE102012013020B3, EP2867383A2, US20150152539, WO2014000849A2, WO2014000849A3