[发明专利]喷涂材料、热喷涂层和具有热喷涂层的汽缸

说明书

技术领域

本发明涉及用于热涂基体的喷涂材料(spray material)，具体涉及用于热涂往复式活塞内燃机的汽缸的运行表面的喷涂材料，热喷涂层和具有根据各项独立权利要求前序部分的热喷涂层的汽缸。

背景技术

热喷涂提供的涂层用于许多应用已知有很长时间。因此，其中，例如，一段时间以来，已通过使用等离子体喷涂涂覆机动车发动机的油润滑汽缸运行表面的表面，其中所述层特别显著地减小活塞环和汽缸壁之间的摩擦系数，因此，显著减小活塞环和汽缸的磨损，这使发动机的运行寿命延长，也使维修操作(例如换油)之间的时间延长，在一定程度上显著改善发动机性能。

在现有技术中，这可通过不同措施达到。例如，用于油润滑内燃机的这些层可包括基质(basic matrix)中固体润滑剂的混合物，其中基质可提供有用作油袋的另外可预调节大小的孔，并与相对软的混合固体润滑剂一起，显著减小活塞环和汽缸壁之间的摩擦。其中尤其包含固体润滑剂和孔的基质本身在该方面由硬基质物质组成，基质保证汽缸运行表面和活塞环的长期寿命。这种现代高性能汽缸运行表面详细描述于例如EP 1340834。

用于热喷涂提供表面的更多一般应用是具有磨损保护层的涡轮机部件的涂层和油润滑轴承的部件的隔热层，例如，曲轴或经受特殊物理、化学或热负荷的其他工件的涂层。根据层需要起的作用，使用某些类型材料，这些一般为具有所需具体性质和组成的喷粉或金属喷镀线的形式，以产生要喷的表面层的所需性质。

对于较大制备体积，粉末材料的价格起到与涂层经济效率相关的重要作用，特别是用等离子体喷涂方法APS涂覆汽缸的运行表面，特别在涂覆较大发动机的情况下(例如，柴油机卡车)。

粉末的生产成本一方面取决于原料的价格，另一方面，取决于将原料加工成可行材料所需的加工要求，该可行材料适用于实施所选择的方法。

在利用金属材料气体雾化的已知方法(通过气体或水)时，降低能量成本可实际上只受提高粉末产率影响。在此方面，粒度分布的技术要求起关键作用。如今，使用最佳条件，一定品质(例如用于内燃机的汽缸的内涂层所需的品质)的金属粉末的生产成本几乎不会减到低于US$10/kg。因为该原因，预期进一步降低成本会遇到某些限制。

另一方面，喷涂材料的性能要求随时间增加。具体地讲，涂层的摩擦性能将随增加温度变得甚至更加重要，因为润滑剂的作用随着壁温度升高显著降低。原则上，在最高350℃壁温度适用的摩擦溶液是可能的。在此方面，层材料的抗磨性能起关键作用。

作为成本有效的制备方法，特别是用于热喷涂的陶瓷粉末和/或非金属粉末，一般可使用分级和过滤，甚至在金属氧化物的较大量陶瓷喷涂的情况下。在某些材料的情况下，可在粉末中使用矿物，而不用进行另外的熔炼。

作为用于汽缸运行表面的可能材料，以前已知可使用钛酸铁FeTiO₃，也被称为钛铁矿。钛铁矿由约53％TiO₂和47％FeO形成，并在六角形结晶系统中结晶。钛铁矿晶体的硬度为约650HV，这意味着400至500HV值在用于最佳化参数的层中是可能的。

因为该原因，在UA 74987中已提出通过热喷涂方法形成耐腐蚀涂层的钛铁矿喷涂材料。在WO 2004/106711中，申请人提出用钛铁矿部分地与其他金属陶瓷材料和/或氧化物组合作为超负荷发动机汽缸运行表面涂层所用的喷涂材料。然而，这些涂层不是为高和/或强波动温度负荷增加摩擦需要设计的，而主要是为了改善涂覆表面的硬度和/或耐腐蚀性设计的。

从此现有技术开始，申请人在PCT/EP2009/058565中已提出基于铁的显著改善的喷涂材料，该喷涂材料用FeTiO₃作为基础材料热涂往复式活塞内燃机的汽缸的运行表面。在该方面，PCT/EP2009/058565的改善的喷涂材料包含至少一种含硫化物的第一固体润滑剂和含氟化物的第二固体润滑剂。

此发明可首次证明，在钛铁矿与至少硫化物和氟化物混合作为固体润滑剂时，基于钛酸铁(即，基于具有化学式FeTiO₃的所谓的钛铁矿)的喷涂材料特别好的适用于，尤其适用于热涂内燃机部件。在此方面，由此产生的层特征尤其为具有与粘着磨损相关的极佳的一致性。除了硫化物和氟化物加到固体润滑剂外，也可例如另外加入氮化物，这其中尤其允许显著提高工作状态汽缸运行表面的壁温度，使得这些涂层也特别好的适用于绝热发动机。

通过在PCT/EP2009/058565的喷涂材料中同时使用至少一种硫化物和氟化物，可保证热喷涂层分别具有对不同温度区域比较好的摩擦性能。