专利名称：具有热喷涂涂层的活塞环及其生产方法
技术领域：
本发明涉及一种具有热喷涂涂层的活塞环，更具体地，该热喷涂涂层包括固体润滑剂，本发明还涉及其相应的生产方法。
背景技术：
使用热喷涂层作为滑动元件的磨损保护层在工业部门中是常见的。应用在引擎中时，热喷涂层优选地用于活塞环上的第一和第二凹槽中。研发中越来越关注铁基材料，以便满足引擎运作中关于物理特性和成本的需求。用于活塞环的配合部件也常常基于铁。这增加了焦痕的形成直至被卡住的风险，因为在某些临界条件下(润滑不充分以及高温)，同类金属可能发生粘着磨损。
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相应地，层系统需要被发展，以减小铁基喷涂层可能被卡住的趋势，并且需要具有足够的韧度以避免持续的高热负载导致的材料失效。仍未发现在活塞环上使用通过热热喷涂喷镀的铁基涂层；在曲柄驱动领域，目前为止，仅仅已知在汽缸壁上的铁基涂层，其借助金属丝电弧喷涂(LDS)生产。借助热喷涂方法生产磨损保护层是基本已知的方法。现今用于该目的的粉末材料基于钥、碳化钨、镍铬和Cr3C2。然而，较高的碳化物含量会导致疲劳强度和断裂韧度降低。考虑到钥的较高的市场价格，在中期需要备选方案。为了解决上述问题，该涂层应当具有以下特征( I)与将被喷涂的基材相似的物理特性；(2)用于系统“具有铁基汽缸壁、被润滑的热喷涂活塞环”的足够的耐磨性；(3)足以抵抗焦痕和卡住；(4)足够的断裂韧度以及改良的疲劳行为。
发明内容
因而，根据本发明的第一方面，提供一种生产用于内燃机的活塞环的方法，包括
_提供基材；以及
-通过热喷涂包括固体润滑剂的粉末在基材上施加涂层，其包括的元素比例为
重量比15-30%的铁，Fe ；
重量比15-30%的钨，W ;
重量比25-35%的铬，Cr ；
重量比10-35%的镍，Ni ；
重量比1-5%的钥，Mo ；
重量比0. 2-3%的铝，Al ；
重量比3-20%的铜，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。关于物理特性(导热性、热膨胀系数)，由于最小重量比15%的含铁基系统，基材和涂层之间存在准均匀系统。在混合摩擦期间产生的热量(特别是在上部和底部中央点(0T/UT)的区域中的热量)能够被更好的带走，并且，通过引擎中的温度波动能够保证一致的热弛豫过程。基本上，整个系统包括以下元素铁(Fe)、钨(W，如WC或WS2)、铬(Cr，如Cr或Cr3C2)、镍(Ni)、钥(Mo或MoS2)、硅(Si)以及碳(C，部分与Fe、W和Cr结合形成碳化物)。使用可作为活塞环基材涂层材料的铁基合金和碳化物系统，可以生产新型活塞环。根据本发明的一个实施方式，该粉末包含重量比20-50%的碳化物，该碳化物具有以下浓度 重量比10-30%的碳化钨，WC,以及 重量比5-20%的Cr3C2。根据本发明的一个实施方式，该粉末包含固体润滑剂，所述固体润滑剂包括AlCuFe,MoS2,WS2或其混合物。在粉末中的固体润滑剂的比例优选地为重量比为5_20%，其被分为以下部分
重量比0-20%的AlCuFe ；
重量比0-5%的MoS2 ;以及 重量比0-5%的WS2。不推荐不具有碳化物或具有更高的固体润滑剂比例的铁基合金，这是由于对应的耐磨性将变得很差。根据本发明的一个实施方式，该固体润滑剂包含具有以下浓度的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。根据本发明的一个实施方式，WS2的重量比为1. 5-3. 5%，并且所述WS2嵌入到镍基中。根据本发明的一个实施方式，MoS2的重量比为1-2. 5%，并且所述MoS2嵌入到镍基中。根据本发明的一个实施方式，粉末的颗粒尺寸为1-100 iim。根据本发明的一个实施方式，固体润滑剂的颗粒尺寸为1-150 U m。根据本发明的一个实施方式，碳化物嵌入到NiCr基中并且碳化物的颗粒尺寸为0. 5-5 u m0根据本发明的一个实施方式，涂层的厚度为20-1000 iim。根据本发明的一个实施方式，热喷涂方法包括高速火焰喷涂法或等离子喷涂法。根据本发明的一个实施方式，根据本发明生产的涂层的硬度为600-1000HV0.1u m。根据本发明的一个实施方式，根据本发明生产的涂层的断裂韧度为2. 5-7. 5 (MPa
m)1/2。
根据本发明的一个实施方式，活塞环为铸铁活塞环或钢活塞环。根据本发明的第二方面，提供一种活塞环，该活塞环由上述方法生产。
图1示出根据第一实施方式的热喷涂层的显微组织图(500 1)；图2示出根据第二实施方式的热喷涂层的显微组织图(500 1)；图3示出根据第三实施方式的热喷涂层的显微组织图(500 1)；图4示出根据第四实施方式的热喷涂层的显微组织图(500 :1)。
具体实施例方式进行的测试粉末通过高速火焰喷涂法(高速氧燃料，HV0F)进行热喷涂，并且检测了不同试样的化学成分(表格I)、显微组织(图1-4)、孔隙率和硬度(表格2)。在使用的所有粉末中，碳化物的重量比约为40%。表格I示出在该测试中使用的层系统的固体润滑剂的化学成分和比例。
权利要求
1.一种用于热喷涂的喷涂粉末，其中，所述粉末包含重量比5-20%的固体润滑剂，所述粉末的元素比例为重量比15-30%的铁，Fe ；重量比15-30%的钨，W ;重量比25-35%的铬，Cr ；重量比10-35%的镍，Ni ；重量比1-5%的钥，Mo ；重量比O. 2-3%的铝，Al ；重量比3-20%的铜，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.根据权利要求1中所述的喷涂粉末，其中，所述粉末包含重量比为20-50%的碳化物， 所述碳化物具有以下浓度重量比10-30%的碳化钨，WC,以及重量比5-20%的Cr3C2。
3.根据前述权利要求中任一项所述的喷涂粉末，其中，所述粉末包含固体润滑剂，所述固体润滑剂包括AlCuFe、MoS2、WS2或其混合物，其中，所述重量比为5-20%的固体润滑剂分为以下部分重量比0-20%的AlCuFe ；重量比0-5%的MoS2 ;以及重量比0-5%的WS2。
4.根据权利要求3中所述的喷涂粉末，其中，所述固体润滑剂包含具有以下浓度的 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.根据权利要求3或4所述的喷涂粉末，其中，所述WS2的重量比为1.5-3. 5%，并且所述WS2嵌入到镍基中。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的喷涂粉末，其中，所述MoS2的重量比为1-2.5%， 并且所述MoS2嵌入到镍基中。
7.根据前述权利要求中任一项所述的喷涂粉末，其中，所述粉末的颗粒尺寸为 1-100 μ mD
8.根据权利要求4至9中任一项所述的喷涂粉末，其中，所述固体润滑剂的颗粒尺寸为 1—150 μ m0
9.根据权利要求2至8中任一项所述的喷涂粉末，其中，所述碳化物嵌入到NiCr基中并且碳化物的颗粒尺寸为O. 5-5 μ m。
10.一种活塞环，包括基材和涂层，所述涂层通过粉末的热喷涂喷镀在基材上，其中，所述粉末包含重量比为5-20%的固体润滑剂，所述粉末的元素比例为重量比15-30%的铁，Fe ；重量比15-30%的钨，W ;重量比25-35%的铬，Cr ；重量比10-35%的镍，Ni ；重量比1-5%的钥，Mo ；重量比O. 2-3%的铝，Al ；重量比3-20%的铜，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.根据权利要求10所述的活塞环，其中，所述涂层的厚度为20-1000μ m。
12.根据权利要求10或11所述的活塞环，其中，所述热喷涂方法包括高速火焰喷涂法或等离子喷涂法。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的活塞环，其中，所述涂层的硬度为 600-1000HV0.1 μ m。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的活塞环，其中，所述涂层的断裂韧度为2.6-7. O (MPa m) 1/2。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的活塞环，其中，所述活塞环为铸铁活塞环或钢活塞环。
全文摘要
本发明涉及一种生产用于内燃机的活塞环的方法，包括提供基材；通过热喷涂包括固体润滑剂的粉末在基材上施加涂层，粉末包括的元素比例为重量比15-30%的铁，Fe；重量比15-30%的钨，W；重量比25-35%的铬，Cr；重量比10-35%的镍，Ni；重量比1-5%的钼，Mo；重量比0.2-3%的铝，Al；重量比3-20%的铜，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。
文档编号C22C33/02GK103025909SQ201180035653
公开日2013年4月3日 申请日期2011年6月20日 优先权日2010年7月22日
发明者马库斯·肯尼迪, 迈克尔·津拉博德, 马克-曼钮尔·马兹 申请人:联邦摩高布尔沙伊德公司