專利名稱：處理部件表面的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種按照權利要求1的前序部分所述的用于對位于處理區(qū)域中的部件表面進行處理的方法，此外本發(fā)明還涉及一種按照權利要求19的前序部分所述的用于處理部件表面的裝置。
主要用于氣缸曲軸箱的亞共晶鋁硅合金由于耐磨的硅相成分太少而不適合用于活塞一活塞環(huán)一氣缸工作面這個系統(tǒng)的摩擦負載。過共晶鋁硅合金，例如合金AlSil7Cu4Mg具有足夠的硅晶體成分。通過化學的和/或機械的處理步驟，相對于由鋁晶體構成的母體，這種硬的耐磨的組織成分得到提高，并且構成一個必要的支承面成分。但是相對于亞共晶合金和準共晶合金，這種合金的缺陷是差的可鑄性、差的可處理(可加工)性和高的成本。
克服這些缺陷的一個可能性是鑄入耐磨材料，例如灰鑄鐵合金和過晶體鋁合金制成的氣缸套。但是此時的問題是缸套和重鑄材料之間的結合，這只是通過機械的咬合來保證的。通過采用一種多孔的陶瓷缸套材料，可以在澆鑄過程中使該陶瓷缸套材料浸入而形成一種材料間的結合。此時要求對模子進行緩慢的充填和應用高的壓力，這使該方法的經(jīng)濟性大大降低。
另一種方法是將亞共晶合金和準共晶合金作為電鍍涂層直接涂覆到工作面上。但是這種方法很昂貴并且從摩擦化學上來說其耐磨性不夠。還有一種方法是構成熱噴涂層，它們同樣也是直接施加到工作面上的。但是，由于僅僅是微力學上的連接，這些涂層的粘合強度是不夠的。
因此已經(jīng)有人建議使用激光器對表面進行再熔化、注入合金材料、彌散處理和涂覆涂層，對表面實施改良，例如由文獻DE19643029A1中公開的那樣。但是此時的缺陷是，這樣制成的氣缸工作面涂面具有太多的孔眼，并且其浸入深度較小，結果，涂覆的涂層的粘附力較小，不符合要求。
本發(fā)明的任務是，提供一種改進的上述種類的方法和一種改進的上述種類的裝置，它們克服了前面所提到的缺陷并能在短的處理時間內獲得粘附力高和孔眼少的涂層。
按照本發(fā)明，這個任務是通過一個具有權利要求1中的特征部分的特征的上述種類的方法和一個具有權利要求19中的特征部分的特征的上述種類的裝置解決的。在從屬權利要求中給出了本發(fā)明的一些有利的方案。
按照本發(fā)明，在一個上述種類的方法中，規(guī)定在一個工序中不僅采用熱噴涂而且采用激光表面處理對部件的表面進行處理。
它的優(yōu)點在于，這樣完成的處理使浸入深度更大，材料進入更好以及用熱噴涂涂覆的材料與部件的材料的連接更好。
熱噴涂例如包括火焰噴涂、等離子噴涂或高壓噴涂。
激光表面處理尤其適合用于在熱噴涂的處理區(qū)之前的局部區(qū)域、在該區(qū)域中或在該區(qū)域之后的局部區(qū)域中實施再熔化處理。為了進一步改善涂覆的材料層的性能，在處理后對部件表面附加地用激光束處理，尤其是再熔化。
例如，部件是用鋁制造的，并且尤其是一個活塞式內燃機的曲軸箱，在它的氣缸的氣缸工作面上要進行涂層處理。此時在一個優(yōu)選的實施例中，在制造耐磨的表面期間，在曲軸箱的水腔中通流一種冷卻介質，尤其是氣體氮或者一種冷卻液體。
為了制造一個耐磨表面，以尤其有利的方式，借助于熱噴涂束將一種粉態(tài)材料，尤其是硅或一種硅合金涂布在部件的材料上，此時該部件的材料最好是鋁。
依照目的的要求，通過激光表面處理將涂覆區(qū)中的部件材料熔化成一個熔池。
例如通過表面處理，在部件的表面上構成一個耐磨表面，尤其是熱噴涂層形式的耐磨表面。
為了縮短處理過程的時間，例如在承受較小負荷的區(qū)域中只進行部分的處理，此時熱噴涂束對要處理的部件表面至少部分地按照一個預定的圖樣進行掃描。例如預定的圖樣至少包括對要處理的表面有一次掃描、尤其是兩次反向的掃描或者以一個預定的上升角α例如1°-90°多次螺旋形的掃描。該圖樣的另一種情況或者附加地包括一個對要處理的表面進行的線形的、角形的、交叉狀或點狀的掃描。當此時要處理的表面是內燃機曲軸箱的一個氣缸中與活塞相配合的氣缸工作面時，那么按照目的的要求，按照一個預定圖樣的掃描是在活塞的上死點和下死點之間的一個區(qū)域中進行的。
在部件的例如承受高負荷的區(qū)域中，熱噴涂束對要處理的部件表面的掃描至少部分是全表面的，以便在全表面上實現(xiàn)合金化。如果此時要加工的表面是內燃機曲軸箱的一個氣缸中與活塞相配合的氣缸工作面，那么，全表面的掃描最好在活塞的上死點和下死點之間的一個區(qū)域中進行。此時全表面的掃描例如至少在一個高度上進行，該高度相應于活塞的活塞環(huán)組的寬度，其中尤其有利的是全表面掃描要超過活塞的活塞環(huán)組的寬度的量為活塞行程的12％，例如大約為5mm。
按照本發(fā)明，在一個上述種類的裝置中，規(guī)定該裝置包括一個等離子燃燒器和一個激光器，它們是這樣設置的，即為了處理表面，激光器的一個激光束和等離子燃燒器的一個等離子束在一個工序中對部件的表面進行掃描。
它的優(yōu)點在于，這樣完成的處理使浸入深度更大，材料進入得更好以及用等離子束涂覆的材料與部件的材料的連接更好。
在一個優(yōu)選的實施例中，等離子燃燒器和一個激光器是這樣設置的，首先激光器的激光束掃描部件的表面，接著等離子燃燒器的等離子束掃描部件的表面。
例如通過表面處理在部件的表面上構成一個耐磨表面。此外部件尤其包含一種鋁硅合金，并且例如該部件是一個活塞式內燃機的一個曲軸箱，在它的氣缸的氣缸工作面上要進行表面處理。
該部件例如是用鋁制造的，此時利用等離子束施加粉態(tài)的硅，以便構成一種鋁硅合金，作為部件的耐磨表面。尤其有利的是，在本發(fā)明的涂覆方法之后再接著實施一個珩磨工序，由此可以磨平涂覆了涂層的表面。
從從屬權利要求以及下面對照附圖對本發(fā)明進行說明中可以得出本發(fā)明的其它特征、優(yōu)點和有利的結構。附圖中，

圖1是一個本發(fā)明的裝置的一個優(yōu)選實施例的示意截面圖，圖2是一個處理區(qū)的一個放大的視圖，圖3是一個第一處理圖樣的示意圖，圖4是一個第二處理圖樣的示意圖，圖5是另一個處理圖樣的示意圖。
在圖1示出的本發(fā)明的裝置的一個優(yōu)選實施例包括一個等離子燃燒器10和一個激光器12，其中等離子燃燒器10發(fā)出帶有一種涂層材料16的等離子束14，激光器12發(fā)出激光束18。一個要處理的部件在此處是一個未詳細示出的具有相應的氣缸孔19的曲軸箱，其中要處理的是氣缸壁22的表面20。曲軸箱例如是用鋁制造的，對表面20的處理是為了在氣缸的工作面的區(qū)域中構成一個耐磨表面，在這個工作面上一個沒有示出的活塞在氣缸19中上下運動。為此涂層材料16例如是粉態(tài)的硅，它作為被熔化的涂層元件通過等離子束14涂覆到表面20上。為此將等離子燃燒器10伸入到氣缸19中并圍繞自身軸線轉動，如箭頭24(見圖1)和25(見圖2)所示，使等離子束14掃描表面20。等離子束14現(xiàn)時接觸的那個區(qū)域以下稱為處理區(qū)或涂層區(qū)26。在該區(qū)域中涂層材料16進入到氣缸壁22的材料中。
在等離子燃燒器10之外附加設置的激光器12是這樣布置的，即沿處理方向25激光器12在等離子燃燒器10之前接觸表面20。此時是這樣選擇激光器12的能量的，在激光束18的接觸點上氣缸壁22的材料被熔化，從而在等離子束14接觸之前形成一個熔化區(qū)或熔池28。換言之，等離子束14緊跟隨激光束18，將等離子體中含有的涂層材料16加入熔化區(qū)28中。這樣涂層材料16以最佳的方式被合金結合到氣缸壁22的材料中。利用激光束產(chǎn)生的熔化也可以在涂覆了涂層材料16之后用等離子束14來完成。
按照本發(fā)明，由此一種激光涂覆和一種等離子涂覆相結合并在一個單獨的工序中實施。此時激光束18和等離子束14之間的間距是激光功率、所希望的熔化深度、熔化區(qū)長度、氣缸壁22的材料的反射度和氣缸19的直徑等因素的函數(shù)。
此時按照本發(fā)明，由激光束18和等離子束14構成的雙束對表面20的掃描不是在整個氣缸工作面上全表面地進行的，而是在預定的區(qū)域按照預定的圖樣進行的。圖3至5示出了這種圖樣的例子，作為激光注入合金并涂覆的通道29。
如從圖3中可見，在一個未示出的活塞的上死點30(OT)和下死點32(UT)的區(qū)域中的掃描是在全表面上進行的，并且掃描的高度相應于活塞環(huán)組的高度34加上例如5毫米，相當于活塞行程的12％。在OT30和UT32之間的區(qū)域中對表面20的掃描是在一個1至90度的上升角α下螺旋地進行的。
在圖4的圖樣中，是沿著兩條相對的螺旋線對表面20掃描的。此時在一個沒有示出的優(yōu)選結構中，還采用三條或多條螺旋線。按照圖5的實施例，對表面20的掃描是線形地、角形地、交叉地或點狀地進行的。
在承受較小負荷區(qū)域中對表面20只進行部分掃描，一方面保證氣缸工作面具有足夠的耐磨表面，另一方面縮短了制造中的處理時間，相應地降低了費用。
按照本發(fā)明，利用激光器12是為了提高亞共晶鋁合金和準共晶鋁合金的邊緣層著的硅成分16。為此在一個所示的單步驟的方法中，在用激光處理期間，以合適的供入量將鋁硅粉施加到產(chǎn)生的熔化區(qū)28中。根據(jù)負荷的情況此時可以實現(xiàn)2毫米以上的涂層厚度。此時與基礎材料的混合程度的要求很小。在供入的粉中的硅成分含量在20％和40％之間的范圍中。如果要求具有高混合程度的極小的涂層厚度，則將采用硅成分含量在40％和60％之間的粉16。由于粉粒16應該在熔化區(qū)28中完全溶解，因此所選擇的加工參數(shù)如前移速度和激光功率必須保證有一個最小的熔池壽命。選擇一個合適的束強度分布有利于降低處理的費用。此外，具有盡可能直角橫截面的熔核以及由此產(chǎn)生很少的線路交叉重疊點是有利的。
除了根據(jù)需要對整個氣缸工作面進行全表面的合金處理之外，主要是進行部分的處理。在活塞上下轉向點處(上死點30和下死點32)的高負荷區(qū)域是全表面再熔化的，而在其之間的低負荷區(qū)域只設置了個別的激光處理線路(例如菱形圖樣，參見圖3至5)，它在此處提供了足夠的摩擦保護。這種做法大大地縮短了加工時間，因為只需要處理很小部分的工作面表面。如果整個工作面表面或大部分都需要進行激光表面處理，那么就需要對曲軸箱進行冷卻，例如這可以通過使一種冷卻介質流過曲軸箱的現(xiàn)存的冷卻水系統(tǒng)來實現(xiàn)。在只進行部分處理時，除了從上下側除去帶入的能量外，例如通過與水冷卻的銅板接觸來除去該能量就足夠了。
總之，本發(fā)明提出了一種熱噴涂(等離子噴涂)和激光表面處理的組合。此時，通過再熔化先前涂覆的噴涂層，避免了涂層的多孔性，并且在足夠大的熔化深度下與基礎金屬產(chǎn)生了連接。合適的是只在高負荷區(qū)域用激光器12進行全表面的再熔化，而在其余區(qū)域不做再熔化或者只在一個圖樣型例如菱形、陰影部分和點狀圖樣的區(qū)域中進行再熔化。
不是僅僅存在這樣的可能性，即對已涂覆的噴涂層進行補充性的再熔化處理。在沿著前移方向25直接位于等離子涂覆區(qū)的前面，由激光束12產(chǎn)生的熔池28導致以固態(tài)或液態(tài)供入的粉粒16與基層產(chǎn)生金屬性連接。在高的前移速度下，涂層結構是由基層材料、具有溶解的和僅僅部分地熔化的原粉粒16的薄的合金區(qū)以及一個相對較厚的噴涂層構成的。由于在相應選擇的加工參數(shù)下使微咬合得到改善，通過該中間涂層可以使噴涂層和合金層之間的涂層粘附力大大提高，這就省去了以前為了使噴涂層達到足夠的涂層粘附力而對要涂覆的涂層表面20必須做昂貴的、高成本的預處理(清洗和照射)。為了磨光已涂覆涂層的表面，可以在本發(fā)明的涂覆處理之后進行珩磨處理，利用它的這些處理步驟能夠再次實現(xiàn)各種不同的表面質量。
對優(yōu)選實施例的上述說明應理解為只是用例子解釋本發(fā)明。本發(fā)明的一個實質性核心在于，在一個工序中將熱噴涂和激光表面處理結合起來。激光束和熱噴涂的應用例如是同時進行的，亦即，激光束18和通過熱噴涂法，例如等離子噴涂產(chǎn)生的微粒束14射到相同的點上。另一種情況下，激光束和熱噴涂的應用是前后相繼進行的，亦即首先例如在全表面或部分表面上涂覆一個熱噴涂層，接著在全表面或部分表面上用激光束18進行再熔化或者在表面中注入合金材料。因此熱噴涂僅僅是將涂層材料涂覆到表面上，因此在部件表面和涂覆的材料之間只產(chǎn)生一種機械的咬合。但是，緊接在涂覆之后的附加的、增補的激光處理使部件表面熔化，從而附加地進行了一個合金過程。
權利要求
1.在一個處理區(qū)中處理部件表面的方法，其特征在于，在一個工序中不僅用熱噴涂而且用一種激光表面處理對部件表面進行處理。
2.按照權利要求1的方法，其特征在于，熱噴涂借助于火焰噴涂、等離子噴涂或高壓(HV)噴涂進行實施。
3.按照權利要求1或2的方法，其特征在于，激光表面處理，尤其是再熔化，是在熱噴涂進行的處理區(qū)域的前面的局部、在該區(qū)域中和/或在該區(qū)域的后面的局部中進行實施的。
4.按照前述權利要求中之一的方法，其特征在于，部件是一個活塞式內燃機的一個曲軸箱，涂層是在它的氣缸的氣缸工作面上實施的。
5.按照權利要求4的方法，其特征在于，在處理期間，使一種冷卻介質，尤其是氣體氮或者一種冷卻液體在曲軸箱的水腔中流動。
6.按照前述權利要求中之一的方法，其特征在于，借助于熱噴涂束將一種粉態(tài)材料，尤其是硅或一種硅合金涂覆到部件材料上。
7.按照前述權利要求中之一的方法，其特征在于，利用激光表面處理將涂層區(qū)中的部件材料熔化成一個熔池。
8.按照前述權利要求中之一的方法，其特征在于，部件是用鋁制造的。
9.按照前述權利要求中之一的方法，其特征在于，通過表面處理，在部件的表面上構成一個耐磨表面，尤其是熱噴涂層形式的耐磨表面。
10.按照前述權利要求中之一的方法，其特征在于，熱噴涂束對要處理的部件表面至少部分地按照一個預定的圖樣進行掃描。
11.按照權利要求10的方法，其特征在于，預定的圖樣至少包括對要處理的表面有一次掃描、尤其是兩次反向的掃描或者以一個預定的上升角的多次螺旋形的掃描。
12.按照權利要求10或11的方法，其特征在于，上升角α包括一個1°-90°的角。
13.按照權利要求10至12中之一的方法，其特征在于，要處理的表面是內燃機曲軸箱的一個氣缸中與一個活塞相配合的氣缸工作面，按照一個預訂圖樣的掃描是在活塞的上死點和下死點之間的一個區(qū)域中進行的。
14.按照權利要求10至13中之一的方法，其特征在于，圖樣包括線形地、角形地、交叉地和/或點狀地掃描要處理的表面。
15.按照前述權利要求中之一的方法，其特征在于，一個熱噴涂束對要處理的部件表面至少部分地全表面地進行掃描。
16.按照權利要求15的方法，其特征在于，要處理的表面是內燃機曲軸箱的一個氣缸中與一個活塞相配合的氣缸工作面，全表面的掃描是在活塞的上死點和/或下死點的一個區(qū)域中進行的。
17.按照權利要求16的方法，其特征在于，全表面的掃描至少在一個高度上進行，該高度相應于活塞的活塞環(huán)組的寬度。
18.按照權利要求17的方法，其特征在于，全表面的掃描超過活塞的活塞環(huán)組的寬度的量為活塞行程的12％，例如大約為5mm。
19.用于處理部件表面(20)的裝置，其特征在于，該裝置包括一個等離子燃燒器(10)和一個激光器(12)，它們是這樣設置的，即為了處理表面(20)，激光器(12)的一個激光束(18)和等離子燃燒器(10)的一個等離子束(14)在一個工序中對部件的表面(20)進行掃描。
20.按照權利要求19的裝置，其特征在于，等離子燃燒器(10)和一個激光器(12)是這樣設置的，首先激光器(12)的激光束(18)掃描部件的表面(20)，接著等離子燃燒器(10)的等離子束(14)掃描部件的表面(20)。
21.按照權利要求19或20的裝置，其特征在于，通過對表面(20)的處理在部件的表面(20)上構成一個耐磨表面。
22.按照權利要求19至21中之一的裝置，其特征在于，部件是用鋁制造的，為了構成一種作為部件的耐磨表面的鋁硅合金，用等離子束(14)施加粉態(tài)的硅。
23.按照權利要求19至22中之一的裝置，其特征在于，部件是一個活塞式內燃機的一個曲軸箱，在它的氣缸(19)的氣缸工作面上對表面(20)進行處理。
24.按照權利要求1的方法，其特征在于，在對表面的熱處理工序之后接著對已涂覆涂層的表面實施一個珩磨處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種處理部件表面(20)的方法和裝置。其中該裝置包括一個等離子燃燒器(10)和一個激光器(12),它們是這樣設置的,即為了處理表面(20),激光器(12)的一個激光束(18)和等離子燃燒器(10)的一個等離子束(14)在一個工序中對部件的表面(20)進行掃描。
文檔編號C23C4/02GK1340110SQ00803916
公開日2002年3月13日 申請日期2000年1月26日 優(yōu)先權日1999年2月19日
發(fā)明者R·海尼曼, K·費貝爾, T·海德 申請人:大眾汽車有限公司