專利名稱：內(nèi)燃機氣缸工作表面的表面層以及施加該表面層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機氣缸工作表面的表面層以及涉及施加該表面涂層到內(nèi)燃機氣缸工作表面上的方法。
背景技術(shù)：
近年來在開發(fā)具有延長的使用壽命的新型機油中已經(jīng)取得與眾不同的進展，希望將內(nèi)燃機的油耗降低到如下程度，使得換油間隔進一步延長。例如可以看出該目的是在60000英里內(nèi)只換油一次而不需要在發(fā)動機中加滿油位。
已知也就是氣缸壁的構(gòu)形的表面特性對于油耗有著至關(guān)重要的影響。即使通過珩磨可實現(xiàn)高的表面光潔度，當(dāng)今的氣缸工作表面通常不具有更靠近所規(guī)定的孔隙率，并至少分別設(shè)置許多孔，該孔相對很大，因此不利地影響油耗。
專利公開號WO 99/05339 A1公開了一種用于特別是套筒軸承內(nèi)壁的熱等離子涂層方法，由于氧化物夾雜物偏愛所不希望的孔隙率，因此其目的在于盡可能避免在趨于氧化的涂層表面上形成氧化物。因此努力使得整個孔隙率小于3％，由此孔基本上應(yīng)該閉合。此外，推薦將所施加的涂層粗糙化成算術(shù)平均粗糙度Ra為4～30μm。然而，通過所推薦的方法，油耗不能顯著降低，摩擦性能也不能顯著改善。
另外，美國專利號No.5,766,693公開了一種等離子涂層方法，其中形成包括金屬和在其最低氧化階段中的金屬氧化物的混合層，并且其中金屬區(qū)域和金屬氧化物區(qū)域分開。努力使得金屬氧化物的含量最多為30％、孔隙率在3～10％之間、孔尺寸在1～6μm之間并且表面粗糙度(算術(shù)平均粗糙度)在3.8～14μm(150～550μin)。然而，通過所推薦的方法，油耗不能顯著降低，摩擦性能也不能顯著改善。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于避免所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，即提供一種內(nèi)燃機氣缸工作表面的改進的表面涂層，其提供用于低油耗的有利條件并同時表示出良好摩擦性能。本發(fā)明的另一目的在于提供一種施加這種表面涂層到內(nèi)燃機氣缸工作表面的方法。
為了滿足這些和其他目的，按照第一方面，本發(fā)明提供一種內(nèi)燃機氣缸工作表面的表面涂層，其具有以下組合的特征該涂層通過等離子噴涂來施加；該涂層的表面包括多個開孔；該涂層表面的孔隙率為0.5％～10％；統(tǒng)計平均孔尺寸為1～50μm，由此至少幾乎只存在尺寸小于100μm的孔；就所涉及的區(qū)域和尺寸兩者而言，該孔隨機分布在該涂層表面上；該涂層包括所結(jié)合氧的含量為0.5～0.8％重量百分比；該涂層包括用作固體潤滑劑的FeO和Fe3O4晶體的夾雜物；并且該涂層表面的粗糙度通過機械加工調(diào)整到算術(shù)平均粗糙度Ra為0.02～0.4μm以及平均峰谷距離Rz為0.5～5μm。
按照第二方面，本發(fā)明提供一種施加表面涂層到內(nèi)燃機氣缸工作表面上的方法。因此，該涂層的表面包括多個開孔；該涂層表面的孔隙率在0.5％～10％；統(tǒng)計平均孔尺寸在1～50μm之間，由此至少幾乎只存在尺寸小于100μm的孔；就所涉及的區(qū)域和尺寸兩者而言，該孔隨機分布在該涂層表面上；該涂層包括所結(jié)合氧的含量為0.5～0.8％重量百分比；該涂層包括用作固體潤滑劑的FeO和Fe3O4晶體的夾雜物。該方法包括將具有在5～100μm之間的顆粒尺寸的氣體或水霧化涂層粉末等離子噴涂在氣缸的工作表面上的步驟，由此噴涂距離在20～50mm之間。
在此專利申請中提到的算術(shù)平均粗糙度Ra有時簡單表示成“平均粗糙度值”或CLA(中心線平均值)。它限定為矩形的高度，該矩形的長度與預(yù)定測量路徑的長度相對應(yīng)并且其區(qū)域與輪廓中心線和該表面輪廓之間的區(qū)域相對應(yīng)。該平均峰谷距離Rz限定為五個連續(xù)測量路徑的單個峰谷距離的平均值(參考百科全書“EnzyklopadieNaturewissens chaft und Technik”的第三卷，出版商“ModerneIndustrie”，Landsberg a.Lech，Germany 1960，ISBN 3-478-41820-X，3063到3065頁)。
通過本發(fā)明的特征，一方面確保有足夠的孔以便容納所需的油從而在活塞環(huán)和氣缸壁之間形成油膜，因此保持良好的摩擦性能。另一方面，由于非常小的孔(空腔)，可保持低的絕對油耗。與其中不可或不能影響孔隙率的現(xiàn)有技術(shù)氣缸工作表面的表面涂層相比，本發(fā)明的表面涂層包括多孔的基本結(jié)構(gòu)，其中單個孔的尺寸保持在良好限定區(qū)域內(nèi)。通過機械加工，開啟該涂層表面上的孔。


以下，將參考附圖進一步描述本發(fā)明表面層的實施例，附圖中圖1表示代表平均峰谷高度Ra和涂層性能水平之間關(guān)系的圖表；以及圖2表示氣缸工作表面涂層的照片圖片。
具體實施例方式
本發(fā)明基于如下令人驚奇的發(fā)現(xiàn)重要相互技術(shù)關(guān)系存在于算術(shù)平均粗糙度Ra和涂層性能之間。圖1的橫座標(biāo)(x-軸)表示算術(shù)平均粗糙度Ra，同時圖1的縱座標(biāo)(y-軸)以定性方式而不是以定量方式表示該涂層性能水平L。性能水平L是摩擦系數(shù)、油耗和耐磨性的綜合。如果該涂層的算術(shù)平均粗糙度Ra太低，有著粘接磨損的危險，即所謂的刮傷(圖1的區(qū)域A)；如果該涂層的算術(shù)平均粗糙度Ra過高，油耗不可接受地增加(圖1的區(qū)域B)。所希望的改進可通過權(quán)利要求1限定的特征的組合來實現(xiàn)。
在圖2所示氣缸工作表面的表面涂層的照片圖片的幫助下，以下將進一步解釋該表面層的組分的實例以及施加該表面涂層的優(yōu)選方法。
圖2所示的氣缸工作表面的表面涂層1通過等離子噴涂設(shè)備施加，并包括多個孔2、3、4。孔具有2～30μm之間的尺寸，由此該孔的主要部分具有大約5～20μm之間的尺寸。涂層的孔隙率，即孔的部分與該層整個體積相比，在1～5％之間。類似地，就所涉及的區(qū)域而言，與層1的整個區(qū)域相比，該孔2、3、4的部分占有1～5％。氣缸工作表面的表面涂層1設(shè)置成使得只有尺寸小于100μm的孔2、3、4出現(xiàn)。
氣缸工作表面的表面涂層1包括含量為0.5～8％重量百分比的結(jié)合氧，由此結(jié)合氧與鐵一起形成用作固體潤滑劑的FeO和Fe3O4。最好是，F(xiàn)e2O3的含量為小于0.2％重量百分比。因此形成氧化物可進一步通過在涂層過程中改變流動通過將要涂層的氣缸缸膛的空氣組分來改變，特別是通過添加或降低空氣在的氧和/或氮的含量來改變。此外，結(jié)合在氣缸工作表面的表面涂層1內(nèi)的氧的部分可在涂層過程中進一步通過降低或增加流動通過將要涂層的氣缸缸膛的空氣流速來控制。如果空氣由純氧來代替，涂層中結(jié)合氧的部分降低大約兩倍。
主要包括鐵的氣缸工作表面的表面涂層1基本具有以下化學(xué)組分C＝0.05～1.5％重量百分比Mn＝0.05～3.5％重量百分比Cr＝0.05～18％重量百分比Si＝0.01～1％重量百分比S＝0.001～0.4％重量百分比Fe＝余量～100％重量百分比最好是，氣缸工作表面的表面涂層1包括按照Vickers(HV0.3)的微硬度為350～550N/mm2。
為了通過形成MnS合成物來實現(xiàn)氣缸工作表面的表面涂層1的良好加工性能，其最好含有1.2～3.5％重量百分比的錳和0.005～0.4％重量百分比的硫。
就區(qū)域和尺寸而言，孔2、3、4隨機分布在氣缸工作表面的表面涂層1中。為了將表面涂層1施加在氣缸的工作表面上，最好使用轉(zhuǎn)動的等離子噴涂設(shè)備，其中在涂層操作中將要處理的發(fā)動機機體可保持不動。一旦施加完成，氣缸工作表面的表面涂層1進行機械加工，特別是珩磨，優(yōu)選為金剛石珩磨，直到氣缸的工作表面的表面涂層1的粗糙度調(diào)整到算術(shù)平均粗糙度Ra為0.02～0.4μm并且平均峰谷高度Rz為0.5～5μm，優(yōu)選是算術(shù)平均粗糙度Ra為0.02～0.2μm并且平均峰谷高度Rz為1～3μm。
涂層1的孔隙率(即孔的部分與該層整個體積相比)以及孔2、3、4的尺寸(大小)可特別通過改變涂層參數(shù)以及涂層粉末的顆粒尺寸來控制。因此，特別是等離子的熱函起了很大作用，它主要由等離子氣體的氫含量以及等離子體電流確定。
在按照本發(fā)明將表面涂層1施加到氣缸工作表面的過程中，表面涂層1由等離子噴涂具有5～100μm顆粒尺寸的氣體或水霧化涂層粉末來產(chǎn)生，該顆粒尺寸優(yōu)選為10～50μm，因此也就是等離子噴涂設(shè)備的粉末噴射器和將要涂層的表面之間的距離的噴涂距離為20～50mm。
作為等離子氣體，最好使用氫含量為0.5～5NLPM(每分鐘標(biāo)準(zhǔn)公升)的氬。等離子體電流優(yōu)選為100～500安培，更優(yōu)選為260～360安培，電壓為35～45伏。
氣缸工作表面的這種表面涂層1特別適合施加在包括鑄鋁合金、鍛制鋁合金、片狀石墨鑄鐵和鑄鎂合金的基體上。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)燃機氣缸工作表面的表面涂層，其特征在于，具有以下組合的特征該涂層通過等離子噴涂來施加；該涂層的表面包括多個開孔；該涂層表面的孔隙率為0.5％～10％；統(tǒng)計平均孔尺寸為1～50μm，由此至少幾乎只存在尺寸小于100μm的孔；就所涉及的區(qū)域和尺寸兩者而言，該孔隨機分布在該涂層表面上；該涂層包括結(jié)合氧含量為0.5～0.8％重量百分比；該涂層包括用作固體潤滑劑的FeO和Fe3O4晶體的夾雜物；該涂層表面的粗糙度通過機械加工調(diào)整到算術(shù)平均粗糙度Ra為0.02～0.4μm以及平均峰谷距離Rz為0.5～5μm。
2.如權(quán)利要求1所述的表面涂層，其特征在于，統(tǒng)計平均孔尺寸為1～10μm，并且孔隙率為0.5％～5％；
3.如權(quán)利要求1所述的表面涂層，其特征在于，該涂層表面的粗糙度調(diào)整到算術(shù)平均粗糙度Ra為0.05～0.2μm以及平均峰谷距離Rz為1～3μm。
4.如權(quán)利要求1所述的表面涂層，其特征在于，該涂層表面的粗糙度通過珩磨調(diào)整。
5.如權(quán)利要求1所述的表面涂層，其特征在于，該涂層表面的粗糙度通過金剛石珩磨調(diào)整。
6.如權(quán)利要求1所述的表面涂層，其特征在于，該涂層具有Vickers微硬度HV0.3為350～550N/mm2。
7.如權(quán)利要求1所述的表面涂層，其特征在于，該涂層另外包括C、Mn、Cr、Si和S。
8.如權(quán)利要求7所述的表面涂層，其特征在于，該涂層具有以下化學(xué)組分C＝0.05～1.5％重量百分比Mn＝0.05～3.5％重量百分比Cr＝0.05～18％重量百分比Si＝0.01～1％重量百分比S＝0.001～0.4％重量百分比Fe＝余量～100％重量百分比
9.如權(quán)利要求7所述的表面涂層，其特征在于，該涂層具有以下化學(xué)組分C＝0.05～0.8％重量百分比Mn＝0.05～1.8％重量百分比Cr＝11.5～18％重量百分比Si＝0.01～1％重量百分比S＝0.002～0.2％重量百分比Fe＝余量～100％重量百分比
10.如權(quán)利要求1所述的表面涂層，其特征在于，為改善加工性能，該涂層含有1.2～3.5％重量百分比的Mn和0.005～0.4％重量百分比的S。
11.一種施加表面涂層到內(nèi)燃機氣缸工作表面上的方法，該表面涂層具有多個開孔；該涂層表面的孔隙率在0.5％～10％；統(tǒng)計平均孔尺寸在1～50μm之間，由此至少幾乎只存在尺寸小于100μm的孔；就所涉及的區(qū)域和尺寸兩者而言，該孔隨機分布在該涂層表面上；該涂層包括所結(jié)合氧的含量在0.5～0.8％重量百分比之間；該涂層包括用作固體潤滑劑的FeO和Fe3O4晶體的夾雜物，其特征在于，該方法包括將具有5～100μm顆粒尺寸的氣體或水霧化涂層粉末等離子噴涂在氣缸的工作表面上的步驟，由此噴涂距離為20～50mm。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，該涂層粉末的顆粒尺寸為10～50μm。
13.如權(quán)利要求11或12所述的方法，其特征在于，該涂層粉末具有以下化學(xué)組分C＝0.05～1.5％重量百分比Mn＝0.05～3.5％重量百分比Cr＝0.05～18％重量百分比Si＝0.01～1％重量百分比S＝0.001～0.4％重量百分比Fe＝余量～100％重量百分比
14.如權(quán)利要求11或12所述的方法，其特征在于，該涂層具有以下化學(xué)組分C＝0.05～0.8％重量百分比Mn＝0.05～1.8％重量百分比Cr＝11.5～18％重量百分比Si＝0.01～1％重量百分比S＝0.002～0.2％重量百分比Fe＝余量～100％重量百分比
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，該涂層表面的粗糙度通過金剛石珩磨機械加工。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，改變該涂層粉末顆粒的尺寸和/或該涂層粉末材料的化學(xué)組分和/或等離子的熱函以便產(chǎn)生涂層所需的特性并調(diào)整孔的尺寸和/或孔隙率。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，通過改變等離子體電流和/或改變等離子氣體中氫的部分來改變等離子的熱函。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，通過改變等離子體電流來改變等離子的熱函，由此等離子體電流可調(diào)整到100～500安培之間的一數(shù)值。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，等離子體電流可調(diào)整到260～320安培之間的一數(shù)值。
20.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，具有氫含量為0.5～5NLPM(每分鐘標(biāo)準(zhǔn)公升)的等離子體氣體輸送到等離子噴涂設(shè)備中。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，使用氬作為等離子氣體。
全文摘要
一種內(nèi)燃機氣缸工作表面的表面涂層，其具有以下組合的特征該涂層通過等離子噴涂來施加；該涂層的表面包括多個開孔；該涂層表面的孔隙率為0.5％～10％；統(tǒng)計平均孔尺寸為1～50μm，由此至少幾乎只存在尺寸小于100μm的孔；就所涉及的區(qū)域和尺寸兩者而言，該孔隨機分布在該涂層表面上；該涂層包括所結(jié)合氧的含量為0.5～0.8％重量百分比；該涂層包括用作固體潤滑劑的FeO和Fe
文檔編號C23C4/18GK1441078SQ0310664
公開日2003年9月10日 申請日期2003年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月27日
發(fā)明者G·巴貝扎特 申請人:蘇舍美特科公司