再制造的部件和用于再制造的部件的FeAlSiC熱噴涂金屬絲的制作方法
【專利摘要】一種使用的部件，如發(fā)動機(jī)缸體(30)或發(fā)動機(jī)缸蓋(20)，具有至少一種與部件的尺寸規(guī)格不匹配的尺寸(12，112)。FeAlSiC的熱噴涂涂層(13，113)應(yīng)用于構(gòu)建尺寸(12，112)。將過量的涂層(13，113)銑削掉以使本體(11，111)和涂層(13，113)具有與部件的尺寸規(guī)格匹配的第二形狀。涂層(13，113)具有有序的DO3晶體結(jié)構(gòu)，該晶體結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定的氧化鋁皮，該氧化鋁皮在約700℃時產(chǎn)生抗氧化性。
【專利說明】再制造的部件和用于再制造的部件的FeAISiC熱噴涂金屬絲

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開一般涉及再制造的部件，并且更具體地涉及一種可銑削的并且在約700°C時抗氧化的FeAlSiC熱噴涂涂層。

【背景技術(shù)】
[0002]因?yàn)橹圃煨虏考赡苁菢O其昂貴的，所以工程師們在不斷地尋找途徑來翻新或再制造使用的部件以作為新的部件與部件的工藝規(guī)格和尺寸規(guī)格匹配。例如，在發(fā)動機(jī)工業(yè)中一直在努力尋找新的且更經(jīng)濟(jì)的途徑來再制造部件，如發(fā)動機(jī)缸體和發(fā)動機(jī)缸蓋。再制造金屬部件通常需要向使用的本體添加材料以構(gòu)建不再滿足部件的尺寸規(guī)格的表面。例如，就發(fā)動機(jī)缸體而言，端面與曲柄軸支撐孔的中心線之間的距離在使用的缸體的整個壽命期間可能稍微縮短。因此，為了再制造發(fā)動機(jī)缸體，需要向端面添加材料，并且然后處理的部件通常需要通過去除一些添加的材料重新成形以將所有尺寸恢復(fù)至規(guī)格。雖然存在許多不同的用于再制造部件的技術(shù)，但是新添加的材料通常還必須顯示匹配或超過原始部件的金屬材料的性能。例如，就發(fā)動機(jī)缸蓋或發(fā)動機(jī)缸體而言，添加的材料必須成功地進(jìn)行從環(huán)境溫度加熱到約700°C的量級的燃燒溫度的多次循環(huán)，被暴露于腐蝕性氣體，并且這樣做的同時沒有降解為與基礎(chǔ)金屬材料同等水平，該基礎(chǔ)金屬材料可以為鋼或鑄鐵。除了這些考慮，添加的材料的成本以及所添加的材料的形狀在經(jīng)濟(jì)上被制成回到規(guī)格的能力可以為約束條件。因此，找到一種添加材料的技術(shù)，并且找到一種在再制造過程中用于添加的適當(dāng)?shù)慕饘俨牧?，同時滿足許多不同的但通常矛盾的約束條件(包括成本)可能是極其難以實(shí)現(xiàn)的。
[0003]本公開的目的是解決上述問題中的一個或多個。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在一方面，再制造的部件包括具有由于使用部件而形成的第一形狀的本體。第一形狀由第一金屬材料限定并且具有與部件的尺寸規(guī)格不匹配的至少一種尺寸。第二金屬材料的涂層粘附至并覆蓋本體上的第一金屬材料的至少一部分并且具有銑削的外表面。第二金屬材料包括FeAlSiC并且具有可銑削的、主體有序的D03晶體結(jié)構(gòu)，該D03晶體結(jié)構(gòu)具有基本上穩(wěn)定的氧化鋁皮，該氧化鋁皮在約700°C時產(chǎn)生抗氧化性。本體和涂層具有與部件的尺寸規(guī)格基本上匹配的第二形狀。
[0005]在另一方面，熱噴涂金屬絲包括形狀和尺寸被制成與金屬絲電弧熱噴涂機(jī)兼容的FeAlSiC金屬絲的線圈。金屬絲具有6-8%的鋁、2.2-4.2%的硅、1.6-2.4%的碳，以及余量的鐵。
[0006]在又一方面，一種再制造部件的方法包括確定與部件的尺寸規(guī)格不匹配的本體的尺寸。本體具有由于使用部件而形成的第一形狀，并且第一形狀由第一金屬材料限定。將第二金屬材料熱噴涂至本體上以構(gòu)建超出部件的尺寸規(guī)格的尺寸。第二金屬材料由FeAlSiC組成。將第二金屬材料的一部分銑削掉，直到涂層和本體具有與部件的尺寸規(guī)格基本上匹配的第二形狀。涂層具有主體有序的D03晶體結(jié)構(gòu)，該D03晶體結(jié)構(gòu)具有基本上穩(wěn)定的氧化鋁皮，該氧化鋁皮在約700°C時產(chǎn)生抗氧化性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1為根據(jù)本公開的一方面的再制造的發(fā)動機(jī)缸體的部分截面?zhèn)纫晥D；
[0008]圖2為根據(jù)本公開的另一方面的再制造的發(fā)動機(jī)缸蓋的部分截面?zhèn)纫晥D；
[0009]圖3為運(yùn)行中的金屬絲電弧熱噴涂機(jī)的側(cè)視示意圖；以及
[0010]圖4為鋁-鐵-硅在600°C時所計(jì)算的等溫截面。

【具體實(shí)施方式】
[0011]存在許多不同的部件，特別是發(fā)動機(jī)部件，這些部件可以被再制造并且恢復(fù)至第二次使用壽命的服務(wù)，該第二次使用壽命甚至可超過新制造部件的使用壽命。使用的部件通常將具有均勻的本體，該均勻的本體具有由于使用部件而形成的第一形狀。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會認(rèn)識到，通常在工程圖中確定了部件的尺寸規(guī)格，工程圖通常指定材料、表面光潔度、多個尺寸，并且通常指定本領(lǐng)域已知的那些尺寸和其他規(guī)格的公差。根據(jù)部件，由于使用而形成的部件的本體的第一形狀可由磨損和/或降解，以及從本體去除附加的材料中的至少一種原因?qū)е拢员氵m當(dāng)?shù)刂苽溆糜谠僦圃斓谋砻?。例如，可能期望去除一些原始的第一金屬材料，以使銑削之后產(chǎn)生的涂層具有某個最小厚度。在任何情況下，本體的形狀將包括至少一種與部件的尺寸規(guī)格不匹配的尺寸?？蛇M(jìn)行再制造的零件包括但不局限于發(fā)動機(jī)缸蓋、發(fā)動機(jī)缸體、軸、油冷卻器、泵/潤輪/發(fā)動機(jī)殼體、蓋體、進(jìn)氣/排氣接頭和許多其他零件。
[0012]在一個具體的示例中，針對氣缸蓋或氣缸體的目前的再制造策略可利用420根不銹鋼以構(gòu)建本體，該本體被磨損或機(jī)械加工成不符合尺寸規(guī)格。雖然這種策略運(yùn)行良好，但是環(huán)境及其他問題促使工業(yè)采用再制造的材料，所述再制造的材料避免、限制或減少鉻或鎳的使用。盡管對于所有部件進(jìn)行再制造未必可行，但是例如發(fā)動機(jī)缸蓋和缸體應(yīng)該能在約700°C時顯示出良好的抗氧化性。術(shù)語“約”表示四舍五入至最接近的有效數(shù)字的數(shù)。因此，749°C約為700°C，而760°C并不約為700°C。
[0013]參照圖1，發(fā)動機(jī)缸體30包括本體11，本體11具有由于使用發(fā)動機(jī)缸體而形成的第一形狀，并且發(fā)動機(jī)缸體30具有至少一種與發(fā)動機(jī)缸體的尺寸規(guī)格不匹配的尺寸12。由于本領(lǐng)域已知的任意多種原因，這些原因包括氧化損耗，需要制備用于添加附加材料的本體表面的機(jī)械加工和本領(lǐng)域已知的任何其他原因，尺寸12可小于所需的尺寸規(guī)格。在所示的實(shí)施例中，尺寸12與端面和通過缸體30的曲柄軸支撐孔的中心線之間的距離有關(guān)。本體11通常可為鑄件，如鐵鑄件，但也可由包括鋁或鋼的其他金屬材料制成，而不脫離本公開范圍。在再制造過程中，熱噴涂第二金屬材料的涂層13以粘附至并覆蓋本體11上的第一金屬材料的至少一部分。第二金屬材料應(yīng)該為可銑削的以使涂層過程添加過量的材料，然后將所述過量的材料銑削至尺寸。在再制造過程后，本體11和涂層13將具有與發(fā)動機(jī)缸體的尺寸規(guī)格基本上匹配的第二形狀。
[0014]參照圖2，第二示例部件20為包括本體111的發(fā)動機(jī)缸蓋，該本體由于使用而形成的其形狀具有與發(fā)動機(jī)缸蓋的尺寸規(guī)格不匹配的尺寸112。如同發(fā)動機(jī)缸體30，發(fā)動機(jī)缸蓋20可由任何適合的第一金屬材料(如鐵鑄件)制成。第二金屬材料的涂層113粘附至并覆蓋本體11上的第一金屬材料的至少一部分并且具有銑削的外表面。因此，本公開的再制造策略教導(dǎo)添加過量的可銑削的第二金屬材料以使本體和涂層可被銑削至與發(fā)動機(jī)缸蓋的尺寸規(guī)格基本上匹配的第二形狀。如在本公開中使用的，術(shù)語銑削或可銑削的表示除了研磨以外的機(jī)器技術(shù)。通?？梢岳眠m合的旋轉(zhuǎn)切削工具或類似物在單程中將可銑削的部件制成形，而研磨通常會要求在研磨表面和接地的一部分之間長期和反復(fù)的接觸，這樣會增加成本并延長處理時間，同時也可減少快速達(dá)到最終尺寸形狀的確定性。
[0015]本公開教導(dǎo)了將第二金屬材料應(yīng)用在熱噴涂涂層中的策略，如利用本領(lǐng)域中眾所周知的類型的雙金屬絲電弧熱噴涂技術(shù)。例如，圖3示出了從兩個線軸40拉出金屬絲41的雙或成對金屬絲電弧熱噴涂機(jī)42，并且不斷地在合適的氣體的噴涂前面饋送這些金屬絲41，同時兩根金屬絲之間的電弧形成熔融金屬材料，通過噴涂將該熔融金屬材料作為霧化粒子流朝著工件噴射。然后，這些粒子粘附至涂層13中的底部本體11。
[0016]而不是不銹鋼作為再制造第二金屬材料，本公開教導(dǎo)了圖3的成對金屬絲電弧熱噴涂機(jī)中的FeAlSiC金屬絲的使用。通過適當(dāng)?shù)剡x擇鐵、鋁和硅的比例，涂層13，113將是可銑削的，并且具有主體有序的D03晶體結(jié)構(gòu)，該D03晶體結(jié)構(gòu)具有基本上穩(wěn)定的氧化鋁皮，該氧化鋁皮在約700°C時產(chǎn)生抗氧化性。就發(fā)動機(jī)缸蓋20或發(fā)動機(jī)缸體30而言，術(shù)語“穩(wěn)定的氧化鋁皮”表示涂層可進(jìn)行從環(huán)境溫度加熱高達(dá)約700°C的至少100次循環(huán)，而涂層沒有任何實(shí)質(zhì)性的重量損失。例如，這些溫度循環(huán)中的一個可涉及發(fā)動機(jī)從冷啟動到正常運(yùn)行狀態(tài)，并且然后在關(guān)閉后恢復(fù)到環(huán)境狀態(tài)。
[0017]—種適合用于再制造發(fā)動機(jī)缸蓋20和發(fā)動機(jī)缸體30的運(yùn)行良好的FeAlSiC金屬絲的具體組成包括6-8%的鋁、2.2-4.2%的硅、1.6-2.4%的碳以及余量的鐵。然而，存在將顯示有序的D03晶體結(jié)構(gòu)的這些元素的其他組合，該D03晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生具有穩(wěn)定的氧化鋁皮的可銑削的金屬材料。圖4示出了針對各百分比的鐵、硅和鋁在600°C時所計(jì)算的等溫截面，該等溫截面具有顯示位于所計(jì)算的等溫截面左下方的有序的D03晶體結(jié)構(gòu)的區(qū)域。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會認(rèn)識到，圖4示出了所計(jì)算的示圖，并且如果通過實(shí)驗(yàn)創(chuàng)建圖4中所示的類型的實(shí)際示圖，那么實(shí)際材料可顯示或產(chǎn)生不同的數(shù)據(jù)。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會認(rèn)識到，圖4的示圖中所示的主體有序的D03晶體結(jié)構(gòu)區(qū)域可具有在一定程度上不同于圖4所預(yù)測的所計(jì)算的等溫區(qū)域的邊界線。
[0018]圖4的示圖表明用于FeAlSiC金屬絲中的鋁和硅的精確數(shù)值范圍也許是實(shí)際不可能的。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會認(rèn)識到，那些材料的特定比例應(yīng)當(dāng)顯示主體有序的D03晶體結(jié)構(gòu)并且具有在約700°C時產(chǎn)生抗氧化性的基本上穩(wěn)定的氧化鋁皮，以便適合作為根據(jù)本公開的熱噴涂涂層。如果選擇與圖4中所示的有序的D03晶體結(jié)構(gòu)區(qū)域偏離太遠(yuǎn)的鐵、鋁和硅的組合，那么可預(yù)料到將產(chǎn)生不合適的結(jié)果的無序的α結(jié)構(gòu)的量增加。人們相信，適當(dāng)?shù)匿X與硅的比例有助于加速專用氧化鋁皮的所需D03晶體形成。據(jù)猜測，在涂層中少量的碳導(dǎo)致稍高的硬度，可使其為更可銑削的。這使得涂層13，113適合在再制造部件(如發(fā)動機(jī)缸蓋20和發(fā)動機(jī)缸體30)中的應(yīng)用。人們相信，少量的硅降低了良好的抗氧化性所需的鋁的量。這表現(xiàn)為協(xié)同效應(yīng)。通常，可能期望鋁與硅的比例低于I。
[0019]再次參照圖3，F(xiàn)eAlSiC金屬絲41可以為形狀和尺寸被制成與金屬絲電弧熱噴涂機(jī)42兼容的線圈40。金屬絲可為本領(lǐng)域已知的類型的實(shí)心金屬絲，或帶芯金屬絲，而不脫離本公開。
[0020]工業(yè)適用性
[0021]本公開在任何再制造策略中找到了潛在的適用性，其中關(guān)于涂層的應(yīng)用和機(jī)械加工期望以下項(xiàng)中的至少一項(xiàng):減少涂層材料的成本、減少成本或提高效率，并且最終可能是有關(guān)環(huán)境的期望:避免或減少鉻的使用。本公開在以下方面找到了具體的應(yīng)用:用本公開的FeAlSiC涂層替代過去可能使用的不銹鋼以再制造發(fā)動機(jī)部件，如發(fā)動機(jī)缸蓋和發(fā)動機(jī)缸體。
[0022]作為再制造過程的一部分，可以確定與部件的尺寸規(guī)格不匹配的尺寸12或112(圖1和圖2)。FeAlSiC金屬材料的熱噴涂涂層被噴涂在本體11，111上以構(gòu)建超過部件的尺寸規(guī)格的尺寸12，112。接著，銑削掉涂層的一部分直到涂層13，113和本體11，111具有與部件的尺寸規(guī)格基本上匹配的第二形狀。在進(jìn)行熱噴涂過程之前，可能期望熱噴涂完成后將掩膜施加到原始部件的特征以避免附加的處理。熱噴涂過程之后，可去除任何掩膜，并且將組合的本體和涂層銑削到與部件的尺寸規(guī)格匹配的第二形狀。此后，部件可恢復(fù)第二使用壽命的使用，并且甚至可在以后的日子再進(jìn)行第二次再制造。
[0023]應(yīng)當(dāng)理解，以上描述僅是出于解釋的目的，而并不以任何方式限制本公開的范圍。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會認(rèn)識到，通過研究附圖、公開內(nèi)容以及所附權(quán)利要求書可以獲得本公開的其他方面。
【權(quán)利要求】
1.一種再制造的部件(10，110)，包括: 本體(11，111)，其具有由于使用所述部件而形成的第一形狀，所述第一形狀由第一金屬材料限定并且具有與所述部件的尺寸規(guī)格不匹配的至少一種尺寸(12，112)； 第二金屬材料的涂層(13，113)，所述第二材料包括FeAlSiC并且具有可銑削的、主體有序的D03晶體結(jié)構(gòu)，所述D03晶體結(jié)構(gòu)具有基本上穩(wěn)定的氧化鋁皮，所述氧化鋁皮在約700°C時產(chǎn)生抗氧化性，并且所述涂層(13，113)粘附至并覆蓋所述本體(11，111)上的所述第一金屬材料的至少一部分并且具有銑削的外表面；并且 所述本體(11，111)和所述涂層(13，113)具有與所述部件的尺寸規(guī)格基本上匹配的第二形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的再制造的發(fā)動機(jī)部件，其中，所述第二材料具有6-8%的鋁、2.2-4.2%的硅、1.6-2.4%的碳，以及余量的鐵。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的再制造的發(fā)動機(jī)部件，其中，所述第一金屬材料為鑄件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的再制造的發(fā)動機(jī)部件，其中，所述鑄件為鐵鑄件。
5.一種熱噴涂金屬絲，包括: 形狀和尺寸被制成與金屬絲電弧熱噴涂機(jī)(42)兼容的FeAlSiC金屬絲(41)的線圈(40);并且 其中，所述金屬絲具有6-8%的鋁、2.2-4.2%的硅、1.6-2.4%的碳，以及余量的鐵。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱噴涂金屬絲，其中，所述金屬絲為帶芯金屬絲。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱噴涂金屬絲，其中，所述金屬絲為實(shí)心金屬絲。
8.一種再制造部件的方法，包括以下步驟: 確定本體(11，111)的尺寸(12，112)，所述本體(11，111)具有由于使用所述部件而形成的第一形狀，所述尺寸(12，112)與所述部件的尺寸規(guī)格不匹配，其中所述第一形狀由第一金屬材料限定； 將包括FeAlSiC的第二金屬材料的涂層(13，113)熱噴涂至所述本體(11，111)上以構(gòu)建超出所述部件的尺寸規(guī)格的所述尺寸(12，112)； 將所述第二金屬材料的一部分銑削掉，直到所述涂層(13，113)和所述本體(11，111)具有與所述部件的尺寸規(guī)格基本上匹配的第二形狀； 其中所述涂層(13，113)具有主體有序的D03晶體結(jié)構(gòu)，所述D03晶體結(jié)構(gòu)具有基本上穩(wěn)定的氧化鋁皮，所述氧化鋁皮在約700°C時產(chǎn)生抗氧化性。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述第二金屬材料具有6-8%的鋁、2.2-4.2%的硅、1.6-2.4%的碳，以及余量的鐵。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述第一金屬材料為鑄件。
【文檔編號】C23C4/08GK104379794SQ201380032527
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2013年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月19日
【發(fā)明者】R·E·夏普, K·J·盧克, M·B·比爾德斯利, K·A·希普爾, D·J·索德勒特, J·D·莫斯, M·D·維利茲 申請人:卡特彼勒公司