形成喷涂铁涂层的方法和涂覆的元件的制作方法
【专利说明】形成喷涂铁涂层的方法和涂覆的元件
[0001]发明背景
[0002] 1.发明领域
[0003] 本发明涉及用电弧喷涂用线材形成铁喷涂涂层的方法，所述铁喷涂涂层通过借助 电弧将电弧喷涂用线材熔融并在向熔融线材供应压缩气体的同时将熔融的电弧喷涂用线 材喷涂到基底上而形成，还涉及具有铁喷涂涂层的元件，包括涂有铁喷涂涂层的基底。
[0004] 2.相关技术描述
[0005] 气缸体的气缸膛内表面涂有通过喷涂技术形成的喷涂涂层，所述喷涂技术涉及借 助用电弧、等离子体或气体产生的火焰将各种金属或合金金属瞬间熔融，并借助压缩气体 使雾化(使其成为细粒)的喷涂颗粒碰撞/固化和附着，以改进膛内表面的耐腐蚀性、耐磨性 等。
[0006] 例如，日本专利申请公开No.2009-155720(JP 2009-155720 A)公开了通过等离子 体喷涂使用含有0.12质量％或更多碳的材料形成喷涂涂层的方法的示例技术。例如，日本 专利申请公开No.2010-275581(JP 2010-275581 A)公开了形成喷涂涂层的方法，所述喷涂 涂层含有：以质量比表示，0.3-0.4%(：，0.2-0.5%51，0.3-1.5%]\111和总计0.5%或更少的〇 和/或Mo，余量为Fe和不可避免的杂质。
[0007] 尽管如JP 2009-155720 A和JP 2010-275581 A使用含有提高量的碳的材料可改 进喷涂涂层的耐磨性，但也可能降低喷涂涂层的机械加工性。当用含有提高量的碳的电弧 喷涂用线材进行电弧喷涂时，线材本身的强度可被改进，由此降低了生产率。
[0008] 有了上述认知，日本专利申请公开No.2008-240029(JP 2008-240029 A)公开了使 用含有主要组分Fe、0.01-0.2重量％(：和0.25-1.7重量％Si的电弧喷涂用线材形成喷涂涂 层的方法。在该方法中，喷涂涂层通过借助电弧将电弧喷涂用线材熔融并在向熔融线材供 应压缩空气的同时将熔融的电弧喷涂用线材喷涂到基底上而形成。
[0009] 然而，JP 2008-240029 A中公开的形成涂层的方法可能导致喷涂涂层与基底之间 的粘附强度降低，这是因为用含有氧气的空气进行喷涂。具体而言，含氧气体的使用导致在 基底上不仅附着形成涂层的铁氧化物，而且附着铁氧化物细尘。认为，在涂层与基底之间附 着物质在基底上的存在降低涂层与基底之间的金属附着或锚定效果。该现象更明显地表现 在使用JP 2009-155720 A和JP 2010-275581 A中公开的材料进行喷涂时。
[0010] 发明概述
[0011] 本发明提供了形成具有提高的与基底的粘附强度的铁喷涂涂层的方法，和涂覆有 铁喷涂涂层的兀件。
[0012] 作为深入研究的结果，发明人注意到在电弧喷涂期间的熔融的电弧喷涂用线材的 液滴。具体而言，发明人认为当熔融的电弧喷涂用线材的细雾化液滴附着在基底上时，在液 滴到达基底的表面以前，液滴冷却(尽管液滴是飞行的），导致在碰撞时基底与液滴之间的 物理吸附降低和金属之间的附着率降低。
[0013]因此，发明人考虑了液滴的粘度和表面张力。具体而言，发明人认为，为使较大的 液滴附着在基底上，重要的是提高液滴的粘度和液滴的表面张力。因此，发明人限定了加入 铁中的碳的量以提高液滴的粘度，并限定了液滴飞行所借助的压缩气体以提高液滴的表面 张力。
[0014] 本发明第一方面涉及用熔融的电弧喷涂用线材的液滴在基底上形成铁喷涂涂层 的方法，通过借助电弧将电弧喷涂用线材熔融并在向熔融线材供应压缩气体的同时将熔融 线材喷涂到基底上而制备。该方法包括:使用含有铁和0.03-0.10质量％碳的第一线材作为 电弧喷涂用线材和惰性气体作为压缩气体在基底上形成第一铁喷涂涂层的步骤;和使用含 有铁和0.03-0.10质量％碳的第二线材作为电弧喷涂用线材和含有10-21体积％氧气的气 体作为压缩气体在第一铁喷涂涂层上形成第二铁喷涂涂层的步骤。
[0015] 根据本发明，在形成第一铁喷涂涂层的步骤中，首先用含有铁和0.03-0.10质量％ 碳的第一线材作为电弧喷涂用线材和用惰性气体作为压缩气体在基底上形成第一铁喷涂 涂层。因此，在基底上可附着其中产生的氧化物的量降低的较大液滴(熔融的第一线材的液 滴)。
[0016] 即，使用含有铁和0.03-0.10质量％碳的低碳钢作为电弧喷涂用线材可提高熔融 的第一线材的液滴的粘度，另外，使用惰性气体可提高从溶液中脱离和飞走的液滴的表面 张力。因此，比常规液滴更粗的液滴在具有降低的氧化物生成的环境下可稳定地从第一线 材飞向基底，因此使具有提高量的热的液滴作为铁喷涂涂层的一部分与基底碰撞。因此，可 提高基底与铁喷涂涂层之间的物理吸附以及它们之间的金属附着率，由此提高铁喷涂涂层 对基底的粘附度。
[0017] 含有少于0.03质量％碳的第一线材可能不具有足够的硬度（强度），而含有多于 0.10质量％碳的第一线材可能具有不足的粘度，导致细液滴作为铁喷涂涂层的一部分碰撞 基底，并导致不足的粘附强度。
[0018] 接着，在形成第二铁喷涂涂层的步骤中，用含有铁和0.03-0.10质量％碳的第二线 材作为电弧喷涂用线材和含有10-21体积％氧气的压缩气体在第一铁喷涂涂层上形成第二 铁喷涂涂层。
[0019] 使用含有10-21体积％氧气的压缩气体允许从溶液中脱离和飞走的液滴(熔融的 第二线材的液滴)的表面张力与用惰性气体作为压缩气体得到的熔融液滴相比降低。因此， 可降低液滴的尺寸，同时可促进一些液滴的氧化。所得第二铁喷涂涂层可以为用含有比第 一铁喷涂涂层更高的氧化物量的细粒形成的铁喷涂涂层，由此产生具有与其中仅包含第一 铁喷涂涂层的情况相比提高的滑动性能的铁喷涂涂层。
[0020] 含有少于0.03质量％碳的第二线材可能不具有足够的强度，而含有多于0.10质 量％碳的第二线材可能由于高碳量而抑制涂层的机械加工性。另外，含有少于10体积％氧 气的压缩气体可能不提供给铁喷涂涂层足够量的氧化物，而含有多于20体积％氧气的压缩 气体不再能提供效果的改进。
[0021] 如上所述，第一铁喷涂涂层用粗液滴形成，因此具有比常规铁喷涂涂层和一般底 涂(undercoated)表面更大的表面粗糙度。因此即使一些熔融的第二线材的液滴氧化，第二 铁喷涂涂层的粘附强度也可由于由第一铁喷涂涂层的表面粗糙度产生的锚定效应而被确 保。
[0022]作为含有铁和0.03-0.10质量％碳的电弧喷涂用线材的第一和第二线材可以不同 或相同。当使用相同的线材作为第一和第二线材时，第一和第二铁喷涂涂层可通过将来自 惰性气体的压缩气体改变为含有10-21体积％氧气的气体而连续地形成。
[0023] 第二线材可进一步包含0.8-2.2质量％锰和0.9-1.5质量％硅，且可在供应压缩气 体使得熔融的第二线材的液体具有70m/sec或更大的飞行速度的同时形成二铁喷涂涂层。
[0024]当第二铁喷涂涂层在该条件下形成时，第二铁喷涂涂层包含含有锰和硅的纳米级 氧化物球。因此，由于其中的纳米级氧化物球，第二铁喷涂涂层可具有与含有氧化铁以改进 耐刮擦性和耐磨性的铁喷涂涂层相比进一步改进的耐刮擦性和耐磨性。
[0025]当液滴具有小于70m/SeC的飞行速度时，不能得到含有锰和硅的氧化物球。当锰的 量低于上述范围，则所得氧化物球的量可能是不足的，当锰的量高于上述范围时，喷涂性能 可能劣化(派射的入射角可能提高）。当娃的量低于上述范围时，不能得到氧化物球，当娃的 量高于上述范围时，喷涂性能可能劣化。
[0026] 本发明第二方面涉及涂覆的元件，其包含基底、在基底上形成的第一铁喷涂涂层 和在第一铁喷涂涂层上形成的第二铁喷涂涂层。第一铁喷涂涂层包含0.07质量％或更少的 碳含量。第二铁喷涂涂层包含0.07质量％或更少的碳含量和比第一铁喷涂涂层的氧含量更 高的氧含量。第二铁喷涂涂层的晶体粒径小于第一铁喷涂涂层的晶体粒径。
[0027] 根据本发明，可改进机械加工性，因为第一铁喷涂涂层和第二铁喷涂涂层的碳含 量为0.07质量％或更少。第二铁喷涂涂层具有比第一铁喷涂涂层更高的氧含量，且第一铁 喷涂涂层具有比第二铁喷涂涂层更大的晶体粒径，导致第二铁喷涂涂层与第一铁喷涂涂层 相比具有改进的耐刮擦性和耐磨性以及第一铁喷涂涂层对基底的附着力提高。
[0028] 第二铁喷涂涂层可进一