專利名稱：用于熱噴涂層的表面修整的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于使金屬表面粗糙以改善熱噴涂層在所述金屬表面 上的附著的方法，尤其涉及在汽缸孔內(nèi)側(cè)的熱涂覆中制備表面和具有適合 于熱噴涂層沉積的變粗糙的表面的機(jī)動(dòng)車輛金屬構(gòu)件。
背景技術(shù)：
如果在金屬基材上沉積熱噴涂層，那么通常由于噴涂層和基材之間的 大的溫差而出現(xiàn)對(duì)涂層附著有不良影響的高的機(jī)械應(yīng)力。在常見的熱噴涂 方法例如等離子體噴涂、火焰噴涂、高速火焰噴涂或線材電弧噴涂中，熔 液狀態(tài)的噴涂顆粒在冷的基材上沉積并且以高的冷卻速度被淬火。
同樣，涂層和基材的不同的機(jī)械和熱性能特別是在高的機(jī)械或熱交變 栽荷作用下對(duì)涂層的附著有不利的影響。通用的耐磨涂層可以含有陶瓷材
料例如眾1203、 SiC、 TiC或WC，該陶瓷材料和基材金屬的物理兼容性很 小。
所述純金屬涂層通常作為活塞工作面涂層用于內(nèi)燃機(jī)中，但在內(nèi)燃機(jī)
中存在的極端條件下易于脫落。
例如內(nèi)燃機(jī)中的汽缸工作面對(duì)附著強(qiáng)度提出極高的要求。 為了改善熱噴涂層的附著，通常需要使基材表面變粗糙。由此增加基
材材料和涂層材料之間的接觸表面，以及產(chǎn)生一定程度的物理夾緊 (Verklammerung )。
作為粗糙化/打毛的方法，尤其是噴砂、磨削、精車或切削起重要作用。 由DE 195 08 687C2已知一種噴射方法。其中^^開了一種熱噴涂方法，
在該熱噴涂方法中，為了對(duì)由澆鑄鋁合金形成的汽缸孔內(nèi)側(cè)進(jìn)行預(yù)處理，
涉及使用冷鐵屑或其它適當(dāng)?shù)难心ゲ牧侠缪趸X進(jìn)行噴射。
出版物"INDTJSTRIE-Anzeiger，， 34、 35/97， "Hartdrehen statt Feinschleifen，，第48頁,"Maschine und Werkzeug" 6/95， "Hartdrehen tiberholt Feinschleifen"，第57至61頁以及Pfeiffer， F. "H6here SpMren" 在"Maschinenmarkt" ， Wtirzburg 101 (1995)，第2頁、46-49均描述
了通過車銑加工或硬車削對(duì)工件表面進(jìn)行最終加工的方法，亦即描述了品 質(zhì)特別高的表面的加工。在此所述的方法用于代替磨削，或者替代能獲得 Rz值很小的特別光滑的表面的方法。
DE 198 401 17 C2公開了一種用于對(duì)汽缸孔內(nèi)側(cè)進(jìn)行表面處理的方 法，該表面處理用作涂覆熱噴涂層的準(zhǔn)備，其中通過不使用潤(rùn)滑劑的干切 削加工去除形成內(nèi)側(cè)的部分材料，并且形成具有限定結(jié)構(gòu)的表面和/或Rz 值為25至65um的質(zhì)量。所迷機(jī)械加工可通過切削(Ausspinddn)、刷 (Btirsten)、滾花、圓盤銑削或由一種或多種上述方法的組合來實(shí)現(xiàn)。
WO 02/40850 Al公開了 一種用于制備汽缸孔表面的方法。通過兩次切 削加工使表面變粗糙。在此產(chǎn)生粗糙的槽紋結(jié)構(gòu)或波浪結(jié)構(gòu)，并在這些結(jié) 構(gòu)中加工出較精細(xì)的槽紋結(jié)構(gòu)或波浪結(jié)構(gòu)。
用于對(duì)表面進(jìn)行預(yù)處理或修整的已知方法還不足以在熱交變載荷和機(jī) 械應(yīng)力的條件下得到具有足夠附著強(qiáng)度的熱噴涂層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種用于對(duì)金屬表面進(jìn)行修整的方法，以改 善沉積在所述金屬表面上的熱噴涂層的附著能力，以及提供涂層附著性高 的涂覆構(gòu)件。
根據(jù)本發(fā)明，所述目的通過一種具有權(quán)利要求1所述特征的用于使金 屬表面變粗糙以改善熱噴涂層在所述金屬表面上的附著的方法來實(shí)現(xiàn)，其 中在第一工步中以材料切削或材料去除的處理在表面中加工出凹部或凹陷 (2)，使得所述表面的突起的金屬形成突出的微結(jié)構(gòu)(3),尤其是凸起、 槽紋、外翻或隆起；所述目的還通過一種具有權(quán)利要求13所述特征的帶有
變粗糙的表面的機(jī)動(dòng)車輛金屬構(gòu)件來實(shí)現(xiàn)，該表面適合于沉積熱噴涂層； 以及所述目的通過一種具有權(quán)利要求15所述特征的帶有熱噴涂摩擦層或 耐磨涂層的機(jī)動(dòng)車輛金屬構(gòu)件來實(shí)現(xiàn)。
因此，根據(jù)本發(fā)明提供了一種用于表面處理的多工步的方法。在第一 工步中，以材料切削或材料去除的處理在表面中加工凹部或者凹陷。由此 該表面的突起金屬形成突出的微結(jié)構(gòu)，尤其是凸起、槽紋、外翻或隆起。 根據(jù)本發(fā)明，隨后進(jìn)行至少另一工步，該工步形成側(cè)凹/底切的結(jié)構(gòu)。在第 二工步中，以變形和/或折斷的方法對(duì)突出的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行再加工，使得大部 分結(jié)構(gòu)相對(duì)于表面形成側(cè)凹。第二工步也可以包括材料去除，但是該材料 切除與第一工步相比較少。
側(cè)凹使得稍后沉積的涂層可非常優(yōu)良和有效地物理夾緊。因?yàn)闊釃娡?層的噴射顆粒在沉積時(shí)基本上仍為液態(tài)，所以其也能夠沉積在所述側(cè)凹的 區(qū)域中。其中，側(cè)凹容積內(nèi)的涂層材料的一小部分就使附著強(qiáng)度很明顯地 加強(qiáng)。側(cè)凹的作用在沉積熱噴涂層時(shí)特別重要，因?yàn)殡S著涂層的冷卻，涂 層材料也會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈收縮。通過側(cè)凹極大地阻止了涂層材料從基材表面收 縮掉，由此明顯改善了附著。
側(cè)凹結(jié)構(gòu)的 一 小部分就展示出根據(jù)本發(fā)明的改善的涂層表面附著的效 果。優(yōu)選的是，至少5%的突出微結(jié)構(gòu)具有至少一個(gè)側(cè)凹區(qū)域。特別優(yōu)選 的是，超過50%的微結(jié)構(gòu)具有側(cè)凹。整個(gè)側(cè)凹的面在平行于金屬表面的平 面中優(yōu)選占至少3%，特別優(yōu)選占超過5%。
在第一工步中，關(guān)于加工突出的微結(jié)構(gòu)，用于使金屬表面變粗糙的常 見方法原則上是適用的。其中包括例如切削、刷、滾花、圓盤銑削或類似 方法的才幾械加工方法。噴石少也同樣適用。
另一種適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ歉邏?jc射，特別是帶研磨顆粒的高壓水射。
第一工步用于去除材料，而第二工步被設(shè)計(jì)成使得僅從基材去除很少 量的材料或者盡可能根本不去除任何材料。第二工步的目的在于，改變微 結(jié)構(gòu)的形狀，從而形成新的側(cè)凹。
在該第二工步之后，也可以銜接可選的其它工步，所述其它工步用于
進(jìn)一步形成側(cè)凹或者用于平整表面。


借助示意圖和顯微鏡照片示例性地詳細(xì)說明本發(fā)明。圖中示出
圖1示出在第一工步之后具有凹部或凹陷(2)以及突出的微結(jié)構(gòu)(3) 的金屬表面(1);
圖2示出在第二工步之后具有凹部或凹陷(2)以及突出的孩t結(jié)構(gòu)(3) 的金屬表面(1)，該微結(jié)構(gòu)(3)具有加寬尖端形式的側(cè)凹(4);
圖3示出在第一工步之后具有凹部或凹陷(2)以及突出的微結(jié)構(gòu)(3) 的金屬表面(1);
圖4示出在第二工步之后具有凹部或凹陷(2)以及突出的微結(jié)構(gòu)(3) 的金屬表面(1)，該微結(jié)構(gòu)(3)具有彎曲尖端形式的側(cè)凹(4);
圖5示出在第二工步之后具有帶有側(cè)凹(4)的凹部或凹陷(2)的金 屬表面(1);
圖6示出機(jī)動(dòng)車輛金屬構(gòu)件的橫向于具有熱噴涂的摩擦涂層或耐磨涂 層(5)、滲透層(6)、微結(jié)構(gòu)(3)和側(cè)凹(4)的表面(1)的顯微照片；
圖7示出機(jī)動(dòng)車輛金屬構(gòu)件的橫向于具有熱噴涂的摩擦層或耐磨損涂 層(5)、滲透層(6)、微結(jié)構(gòu)(3)和側(cè)凹(4)的表面(1)的顯微照片； 以及
圖8示出機(jī)動(dòng)車輛金屬構(gòu)件的橫向于具有熱噴涂的摩擦層或耐磨損涂 層(5)、滲透層(6)和蘑菇狀或按鈕狀^t結(jié)構(gòu)(3)的顯孩炎照片。
具體實(shí)施例方式
在第二工步的一種優(yōu)選實(shí)施例中，使用固態(tài)和/或液態(tài)介質(zhì)對(duì)通過第一 工步變粗糙的表面進(jìn)行滾壓、擠壓或者噴射。
在圖4中示意性示出該第二工步的可能效果。在第一工步中，在表面 中加工槽紋(圖3)。然后使槽紋形狀的突出微結(jié)構(gòu)(3)側(cè)向彎曲。這例 如通過滾壓工藝進(jìn)行。對(duì)彎曲或壓彎的微結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)選定向同樣也可以
通過傾斜作用的噴射工藝或者擠壓工藝實(shí)現(xiàn)。
其中，噴射特別適合于使突出的結(jié)構(gòu)在所有方向上均勻地彎曲或者壓 彎。適當(dāng)?shù)膰娚浣橘|(zhì)例如是精細(xì)的近乎圓形的粉末，具有很小的研磨作用， 特別是和噴丸相比。
同樣可以使用柔和的研磨條件進(jìn)行第二工步的噴射，例如通過噴砂、 高壓7JC射或帶研磨顆粒的高壓7jC射。其中研磨顆粒的平均粒度大小應(yīng)優(yōu)選
和待噴射表面的表面粗糙度處于相同的數(shù)量級(jí)或者與"M目比更精細(xì)。優(yōu)選 的是，在此不會(huì)增加表面粗糙度，而是僅使微結(jié)構(gòu)的表面變粗糙。
在本發(fā)明的另一種實(shí)施例中，第二工步的側(cè)凹的形成通過熱力學(xué)方法 實(shí)現(xiàn)。其中，作為第二工步進(jìn)行表面熱處理，該表面熱處理使得微結(jié)構(gòu)的 尖端熔化。
所述方法變型的效果在圖1中示例給出。在第一工步中，這里在表面
中加工槽紋(圖3)。隨后例如通過向表面噴射火焰使」微結(jié)構(gòu)(3)局部熔 化。由此形成熔化孩支滴，該熔化微滴的形狀在熔液凝固后保留下來(圖2)。 微結(jié)構(gòu)(3)具有蘑菇狀或按鈕狀結(jié)構(gòu)并形成側(cè)凹(4)。
其它適當(dāng)?shù)臒崃W(xué)方法特別是激光或等離子體火焰處理。 在第二工步的另一種變型中，使用切削加工方法。其中關(guān)鍵是，將部
分切屑僅不完全地從材料上除去。這樣將突出的微結(jié)構(gòu)部分壓彎和彎曲， 并通過切屑的形成而產(chǎn)生附加的側(cè)凹。如果為第 一和第二工步分別^f吏用切 削加工方法，則第二切削刃必須相應(yīng)地設(shè)計(jì)成精細(xì)得多。
第 一工步可以根據(jù)對(duì)第二步驟的選擇產(chǎn)生較粗糙的表面，因?yàn)橥ǔ５?二工步使Rz值減小。典型地，表面粗糙度的Rz值在20至1000um的范 圍內(nèi)。優(yōu)選的是Rz值設(shè)定在20至500um的范圍內(nèi)，特別優(yōu)選的是第一工 步之后的Rz值在40至100um的范圍內(nèi)。
優(yōu)選的是，執(zhí)行第二工步使粗糙度減少。如果例如執(zhí)行滾壓作為第二 工步，則通過使^t結(jié)構(gòu)彎曲或壓彎而明顯減小粗糙度。優(yōu)選的是，第二工 步4吏表面粗糙度減小至少30%。特別優(yōu)選的是，第二工步將Rz值減小到 20至100um范圍中。
在第一和第二工步的優(yōu)選組合中，首先通過噴砂和/或高壓7JC射或者帶 研磨顆粒的高壓水射在表面中加工出凹部，并在第二工步中通過射能較低 的高壓7jC射挖空所述凹部。圖5示出在第二工步之后的相應(yīng)的典型結(jié)構(gòu)。 類似結(jié)構(gòu)例如也可以通過噴砂和/或高壓水射與隨后的擠壓、滾壓或火焰加 工的組合獲得。由此可產(chǎn)生特別是按鈕狀的表面結(jié)構(gòu)。
在第二工步之后，原則上接著其它工步。例如可以后接另一變形工步。 但是，表面處理優(yōu)選這樣進(jìn)行，即在第二工步之后可緊接著涂覆熱噴
涂層(5)。其中也須注意去除有時(shí)可能附著的噴射顆?；蜚娤鳉埩粑?。
特別適當(dāng)?shù)膰娡糠椒òɑ鹧鎳娡俊⒏咚倩鹧鎳娡?、濺射、等離子體 噴涂和線材電弧噴涂。這些方法的優(yōu)點(diǎn)在于，使能容易地滲入側(cè)凹中的非 常精細(xì)的熔液微滴或軟微滴或者噴涂顆粒沉積。
必要時(shí)，第二工步也可以限于整個(gè)構(gòu)件表面的區(qū)域。
本發(fā)明的另 一方面涉及帶有變粗糙的表面的構(gòu)件。根據(jù)本發(fā)明的帶有
面上具有隆起狀、蘑菇狀、按鈕狀或者鉤狀的、數(shù)量級(jí)在20至400um的 突出微結(jié)構(gòu)。其中，微結(jié)構(gòu)中的大部分具有側(cè)凹。
在另 一種根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，機(jī)動(dòng)車輛金屬構(gòu)件具有適合于沉積 熱噴涂層的變粗糙的表面，其中所述變粗糙的表面具有量級(jí)為20至400um 的盆狀或者向上部分閉合的凹部和凹陷。所述盆和部分閉合的結(jié)構(gòu)形成相 對(duì)于構(gòu)件表面的側(cè)凹。
在一種優(yōu)選實(shí)施例中，側(cè)凹的面在平行于金屬表面的平面中占至少 3%。特別優(yōu)選的是，側(cè)凹的面在5至30%的范圍內(nèi)。
另一方面涉及具有熱噴涂摩擦層或者耐磨涂層的機(jī)動(dòng)車輛金屬構(gòu)件， 所述涂層沉積在變粗糙的、設(shè)有側(cè)凹的表面上。
在圖6至8中以橫向于涂層面的顯孩史照片示出這種涂覆構(gòu)件的典型例 子。在摩擦層或耐磨涂層(5)的基底上設(shè)有滲透層(6)，數(shù)量級(jí)在20 至400um的隆起狀、蘑菇狀、按鈕狀或鉤狀微結(jié)構(gòu)(3 )從表面(1)伸入 到該滲透層(6)中。
為了產(chǎn)生根據(jù)圖6至7的視圖所示的結(jié)構(gòu)，采用車削作為第一工步， 其中在表面中加工出槽紋。微結(jié)構(gòu)的寬度約為20至100um，高度約為30 至U0um。借助于線材電弧噴涂沉積的涂層(5)也在側(cè)凹區(qū)域(4)上覆 蓋表面地延伸。
根據(jù)圖8的表面微結(jié)構(gòu)通過帶研磨顆粒的高壓7JC射和隨后的高壓7jC射
的組合產(chǎn)生。涂層的沉積通過高速火焰噴涂實(shí)現(xiàn)。與圖6和7中的結(jié)構(gòu)相 比，該結(jié)構(gòu)明顯更精細(xì)。
權(quán)利要求
1. 一種用于使金屬表面變粗糙以改善熱噴涂層在所述金屬表面上的附著的方法，其中在第一工步中以材料切削或材料去除的處理在表面中加工凹部或凹陷(2)，使得所述表面的突起金屬形成突出的微結(jié)構(gòu)(3)，尤其是凸起、槽紋、外翻或隆起，其特征在于，在至少一個(gè)第二工步中以變形和/或折斷的方法對(duì)所述微結(jié)構(gòu)進(jìn)行再加工，使得所述結(jié)構(gòu)的大部分相對(duì)于表面形成側(cè)凹(4)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，第二工步選自滾壓、 擠壓或者用固態(tài)和/或液態(tài)介質(zhì)的噴射。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，作為第二工步對(duì)表面 進(jìn)行熱處理，該表面熱處理使微結(jié)構(gòu)的尖端熔化。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，采用切削加工方法作 為第二工步，其中部分切屑僅不完全地從材料去除。
5. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過第二 工步形成隆起狀、蘑菇狀、按鈕狀或鉤狀的突出的微結(jié)構(gòu)。
6. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，執(zhí)行第一 工步，直到表面粗糙度的Rz值在20至400um的范圍內(nèi)。
7. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，第二工步 使表面粗糙度降低至少三分之一 。
8. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在第一工 步中加工槽紋結(jié)構(gòu)，而在第二工步中將槽紋峰或尖端至少部分地壓彎、彎 曲或者傾斜。
9. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述彎曲沿著優(yōu)選方 向在與所述表面平行的平面內(nèi)進(jìn)行。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，第二工 步通過高壓水射或者帶研磨顆粒的高壓水射進(jìn)行。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在第一 工步中通過噴砂和/或高壓水射在所述表面中加工凹部，而在第二工步中通 過射能較低的高壓7jC射挖空所述凹部。
12. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在第二工 步之后緊接著涂覆熱噴涂層(5 )。
13. —種具有變粗糙的表面的機(jī)動(dòng)車輛金屬構(gòu)件，該變粗糙的表面適 合于沉積熱噴涂層，其特征在于，所述變粗糙的表面具有數(shù)量級(jí)為20至 400um的隆起狀、蘑菇狀、按鈕狀或鉤狀的突出的微結(jié)構(gòu)(3),所述微 結(jié)構(gòu)(3)的大部分形成側(cè)凹。
14. 一種具有變粗糙的表面的機(jī)動(dòng)車輛金屬構(gòu)件，該變粗糙的表面適 合于沉積熱噴涂層，其特征在于，所述表面的大部分具有數(shù)量級(jí)為20至 400um的盆狀或向上部分閉合的凹部和凹陷。
15. —種根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的機(jī)動(dòng)車輛金屬構(gòu)件，其特征在 于，所述側(cè)凹的面(4)在與金屬表面(1)平行的平面內(nèi)占至少5%。
16. —種具有熱噴涂摩擦層或耐磨涂層(5)的機(jī)動(dòng)車輛金屬構(gòu)件， 其特征在于，在所述涂層的基底上設(shè)有滲透層(6),其中數(shù)量級(jí)在20至 400um的隆起狀、蘑菇狀、按鈕狀或鉤狀的金屬微結(jié)構(gòu)(3)伸入到所述 摩擦層或耐磨涂層(5 )中。
17. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的機(jī)動(dòng)車輛金屬構(gòu)件作為汽缸工作表面或 滑動(dòng)軸承在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于使金屬表面變粗糙以改善熱噴涂層在所述金屬表面上的附著的方法，其中在第一工步中以材料切削或材料去除的處理在表面中加工凹部或凹陷(2)，使得所述表面的突起金屬形成突出的微結(jié)構(gòu)(3)，尤其是凸起、槽紋、外翻或隆起，其中在至少一個(gè)第二工步中以變形和/或折斷的方法對(duì)所述微結(jié)構(gòu)進(jìn)行再加工，使得所述結(jié)構(gòu)的大部分相對(duì)于表面形成側(cè)凹(4)。
文檔編號(hào)C23C4/02GK101379212SQ200780004172
公開日2009年3月4日 申請(qǐng)日期2007年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月2日
發(fā)明者D·施靈, J·博姆, K·侯蒂克, M·哈特維格, M·格呂納, P·伊茲奎爾多, T·海爾克, W·佩爾科菲爾 申請(qǐng)人:戴姆勒股份公司