专利名称：热涂层方法
技术领域：
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的用于将功能层涂覆到工件表面上的热涂层方法。
背景技术：
由现有技术，内燃机曲轴箱的气缸工作面的涂层方法是众所周知的。通过对气缸工作面的涂层，活塞与曲轴箱的稳定性应该得到提高并且同时活塞在气缸内的滑动摩擦阻力应该得到降低。已知的有所谓的物理气相沉积法、等离子体处理法或者其他的热涂层法，借助这些方法可以产生单层或者多层的层厚在I μ m至5 μ m之间或者层厚在Imm与3mm之间的涂层系统。通常为了实现尽可能均匀的磨损性能和稳定性以及为了使涂层中的材料应力降低到最小，力求达到的是高度致密和少孔的涂层。
这种致密结构涂层的制造是很麻烦的。为了防止预凝固和氧化物的生成，通常情况下必须在真空中或者在惰性气体环境中作业。在对气缸工作面进行涂层后，这些气缸工作面通常还要进行精整加工。通常情况下这种精整加工通过搪磨或者研磨实施，而这又使得涂层变得很光滑和平坦。而气缸工作面不可太光滑和平坦。出于这个原因，通常情况下，经研磨或者经搪磨的气缸工作面紧接着被有限制地打毛或者具有一定的结构，例如通过激光搪磨、激光加点、高峰珩磨或者其他的方法，它们的相当麻烦和相当昂贵。发明内容
本发明的目的是，提供一种热涂层方法，该方法特别适合作为将工作面涂层涂覆到内燃机曲轴箱的气缸工作面上的涂层方法，并且该涂层方法不需要或者仅仅需要比较少的精整加工(即后续处理)费用。
这个目的通过权利要求1的特征得以实现。本发明的有益设计和发展在从属权利要求中得以阐述。
本发明的出发点是一种用于将功能层涂覆到工件表面上的热涂层方法，特别是用于将工作面涂层涂覆到内燃机曲轴箱的气缸工作面上的热涂层方法。工作面涂层由这样一种涂层材料构成，该涂层材料首先借助一个熔化装置被熔化。涂层材料例如可以由含铁的材料构成，该材料具有线材形状或者是粉末状。涂层材料在一个连续的工序中被熔化。为此，例如可以在两根或者多根由涂层材料构成的线材之间产生电弧，该电弧使线材端部连续熔化。被熔化的涂层材料然后借助一个气体射流被传送到待涂层的工件表面上。在这种情况下，微小的“涂层材料小滴”从熔化位置起，即从熔化装置的线材端部起被弹射到工件表面上。为了对气缸工作面进行涂覆，熔化装置例如可以被构造成所谓的“旋转枪”(Drehlanze)的形状，该旋转枪可以沿待涂层的气缸工作面的圆周方向旋转并且可以沿气缸纵方向移动。通过旋转枪沿气缸圆周方向的旋转和通过该旋转枪沿气缸纵方向的重叠轴向移动，气缸的整个工作面能够被均匀地涂层。
本发明的核心在于 :涂层材料小滴在它们从熔化位置至工件表面传送的过程中被冷却或者被急冻。于是与现有技术的众所周知的涂层方法不同，利用以限定的方式被预凝固或者被凝固的涂层材料小滴实施作业。例如可以在一个低温环境-冷却室-中或者利用一个被限定预先冷却的气体射流使涂层材料小滴加速传送到待涂层的工件表面上。
冷却室可以具有在-40°C与+ 5°C之间范围内的温度。优选冷却室具有约-20°C的温度。
因此涂层或者功能层由大量的预凝固的或者急速凝固的涂层材料小滴构成，就是说由液态的或者稠液状的、变形的熔滴(也被称作糊饼(Fladen)或者片层(Lamellen))和预凝固的球状熔滴的混合物构成，这些涂层材料小滴在功能层被搪磨之后具有0.5mm或者更深的深度并且产生圆形的“油腔”。
如果利用预凝固的涂层材料小滴作业的话，那么可以制造出比较厚的、被限定多孔的、片层状的涂层，这种涂层非常良好地适合作为气缸工作面。
根据本发明的一种发展设计，涂层材料小滴在它们从熔化位置至工件表面传送的过程中被如此强度地冷却，即它们在接近表面的区域内凝固。在这种情况下，涂层材料小滴的熔滴外壳凝固，而熔滴内部的涂层材料还是液态的。涂层材料小滴被如此强度地冷却，即涂层材料小滴的体积的2%至15%，优选大约或者刚好10%在从熔化位置到工件表面的“飞行时间”内预凝固。
实验证明:在包围涂层材料小滴的“环境(气氛)”与涂层材料的液相线温度之间的温差应该为至少300K。“液相线温度”被理解为这样的温度，从低于该温度起液态的涂层材料开始凝固。优选熔化位置，即线材端部处的被熔化的涂层材料小滴的温度与包围的环境的温度，即气流或者冷却室的温度的差别为至少300K。
为了实现涂层材料小滴的接近表面的区域的所期望的预凝固，涂层材料小滴的“飞行时间”，即涂层材料小滴从熔化位置直到工件表面所需要的经过时间应该为至少0.2秒，优选为0.5秒。如果熔化位置与待涂层的工件表面之间的距离在5mm与200mm之间范围内的话，会获得良好的结果。在实验中约4cm的距离被证明是有利的。如果利用这种预凝固的涂层材料小滴进行作业的话，那么这些涂层材料小滴在撞在工件表面上时由于它们的动能熔滴接着熔滴地变形并彼此连接起来，而不与邻近的熔滴熔合。结果是因此形成一个涂层，该涂层中布满了 大小和尺寸被限定的、细小的片层和裂纹。
这种“无定形的”涂层的优点在于:在后续的涂层表面加工中限定数量的预凝固的熔滴从涂层中被剔除，通过这种方式产生具有大量的侧凹和比较“深的”油腔(该油腔的深度大于0.5mm)的表面形状，这在作为内燃机的活塞的工作面使用时是有利的。就是说润滑油可以积聚在侧凹内或者油腔内。在内燃机运行过程中，这就导致在活塞环与气缸工作面之间构成一层均匀的润滑油膜。
下文将参照附图进一步阐述本发明。附图中:
图1为本发明的热涂层装置的示意图2a、2b为被涂层的气缸工作面的不同比例的剖面图2c、2d为沿图2b中所示剖切线A-A穿过在图2a或者2b中所示出的剖面图的显微图。
具体实施方式
图1示出的是热涂层装置I的示意图，该涂层装置被用于对此处未被进一步示出的内燃机的曲轴箱3的气缸工作面2进行涂层。涂层装置I具有两根线形电极4、5，在它们之间产生一个电弧6。两根线形电极4、5由涂层材料构成，例如铁基。线形电极4、5在电弧6的区域内被熔化。借助气流7最细的涂层材料小滴8被弹射到工件表面2上。涂层装置I可以构造成所谓的“旋转枪”，该旋转枪可以沿气缸圆周方向旋转以及沿气缸纵方向轴向移动，通过这种方式气缸内侧面可以被均匀地涂层。
根据本发明，涂层材料小滴被一种“冷却环境”包围。例如可以通过如下方式实现冷却环境，即在一个冷却室中实施涂层。作为此外的可选或者对此的补充，也可以利用一个冷气流7进行作业。重要的是，涂层材料小滴8在它们从熔化位置、亦即从线材端部或者电弧6的区域至工件表面2传送的过程中被冷却以及表面上至少稍微地预凝固。
为了达到足够的表面预凝固，电弧6区域内的熔化的涂层材料小滴8的温度与气流7的温度之间的差别至少为300K。换言之，气流7的(吹出_)温度应该至少比涂层材料的液相线温度低300K。
如果使用这种预凝固的涂层材料小滴作业的话，那么这些涂层材料小滴在撞击在工件表面2上时由于它们的动能而产生变形，但不会同时相互熔合在一起。形象地说，也就是一个变形的涂层材料小滴被“拍打”在另一涂层材料小滴上。如从图2a、2b中可以看出的那样，由此在待涂层的工件3上产生一层相对多孔的、有片层、裂纹和包夹物的功能层9。图2a、2b示出的是被涂层的气缸壁的气缸纵断面。
图2c、2d分别以不同比例示出沿切线A-A (参照图2b)的剖面图。(特别是在图2d中)可以很清晰地看到大量的包夹物或者侧凹，它们在作为气缸工作面的使用中起到油腔的作用，润滑油可以积聚在这些油腔内。通过这种方式，在内燃机运行中在活塞环与气缸工作面之间实现了非常良好且均 匀的润滑。
权利要求
1.用于将功能层(9)涂覆到工件表面上的热涂层方法，特别是用于将工作面涂层涂覆到内燃机的曲轴箱的气缸工作面上的热涂层方法，包括如下步骤: -借助熔化装置(I)使涂层材料熔化， -借助指向工件表面(2 )的气体射流(7 )将涂层材料小滴(8 )涂覆到所述工件表面(2 )上，所述气体射流将涂层材料小滴(8)从所述熔化装置(I)的熔化位置(6)吹到所述工件表面(2)上， 其特征在于:涂层材料小滴(8)在它们从熔化位置(6)至工件表面(2)传送的过程中被冷却或者被急冻。
2.如权利要求1所述的热涂层方法，其特征在于:涂层材料小滴(8)在它们从熔化位置(6)至工件表面(2)传送的过程中被如此强度地冷却，使得它们在撞击到工件表面(2)上时是至少预凝固的或者是凝固的。
3.如权利要求1或2所述的热涂层方法，其特征在于:涂层材料小滴(8)的体积的至少2%至15%在它们从熔化位置(6)至工件表面(2)传送的过程中凝固。
4.如权利要求1至3之任一项所述的热涂层方法，其特征在于:在熔化位置(6)与工件表面(2)之间的区域内形成一种包围、冷却涂层材料小滴(8)的环境。
5.如权利要求4所述的热涂层方法，其特征在于:通过在一冷却室内实施涂层而形成该冷却的环境。
6.如权利要求4或5所述的热涂层方法，其特征在于:通过利用被相应地冷却的气体射流(7)进行作业而形成该冷却的环境。
7.如权利要求1至6之任一项所述的热涂层方法，其特征在于:所述气体射流是压缩气体射流或者氮气射流。
8.如权利要求4至7之任一项所述的热涂层方法，其特征在于:该冷却的环境与涂层材料的液相线温度之间存在至少300K的温差。
9.如权利要求1至8之任一项所述的热涂层方法，其特征在于:涂层材料小滴从熔化位置(6)至工件表面的飞行时间为至少0.2秒，特别是为0.5秒。
10.如权利要求1至9之任一项所述的热涂层方法，其特征在于:熔化位置(6)与待涂层的工件表面(2)之间的距离为约5cm。
11.如权利要求3所述的热涂层方法，其特征在于:涂层材料小滴(8)的体积的10%在它们从熔化位置(6)至工件表面(2)传送的过程中凝固。
12.如权利要求5所述的热涂层方法，其特征在于:涂层在这样的冷却室内实施，该冷却室具有在-40°C与+ 5°C之间范围内的温度，特别是具有约-20°C的温度。
全文摘要
本发明涉及一种用于将功能层涂覆到工件表面上的热涂层方法，特别是用于将工作面涂层涂覆到内燃机的曲轴箱的气缸工作面上的热涂层方法，包括如下步骤借助熔化装置使涂层材料熔化；借助指向工件表面的气体射流将涂层材料小滴涂覆到工件表面上，所述气体射流将涂层材料小滴从熔化装置的熔化位置吹到工件表面上。涂层材料小滴在它们从熔化位置至工件表面传送的过程中被冷却或者被急冻。
文档编号B23K9/04GK103108987SQ201180044112
公开日2013年5月15日 申请日期2011年8月5日 优先权日2010年9月14日
发明者W·布吕姆勒胡贝尔, W·瓦格纳 申请人:宝马股份公司