用于受強應(yīng)力的滑動系統(tǒng)的熱噴涂粉末的制作方法
【專利說明】用于受強應(yīng)力的滑動系統(tǒng)的熱噴涂粉末
[0001]本發(fā)明涉及制備含氮化鉻的噴涂粉末的方法、可以通過這種方法獲得的含氮化鉻的噴涂粉末以及通過借助該粉末熱涂敷部件來制造經(jīng)表面涂敷的部件的方法。此外，本發(fā)明涉及可以通過這種涂敷方法獲得的經(jīng)涂敷的部件以及該粉末用于部件，尤其活塞式發(fā)動機中的組件，例如活塞環(huán)等和受摩擦學應(yīng)力的部件，例如液壓缸的表面涂敷的用途。
[0002]相關(guān)的受摩擦學應(yīng)力的部件配備有涂層，以改善摩擦性能和磨損性能。類似于實心(Massiv)材料，涂層的特征在于多種和可憑經(jīng)驗確定的性能。其中例如包括硬度、耐磨性和不同環(huán)境中的耐腐蝕性或者可加工性。常見的涂敷方法例如為熱噴涂、激光涂敷焊接和物理或者化學氣相沉積(PVD、CVD) ο
[0003]然而在多種使用情況中，面對第二摩擦配合件的涂層的摩擦性能是特別重要的。這例如是在鋼或者鑄鐵的導(dǎo)套中運動的經(jīng)涂敷的活塞桿。例如在經(jīng)涂敷的活塞環(huán)在例如灰口鑄鐵或者AlSi合金的套筒中運動的內(nèi)燃發(fā)動機中，摩擦畐涂層/摩擦配合件”的性能是極重要的。特別在此類應(yīng)用中，CrN被證明是特別合適的。因此，由CrN構(gòu)成或者含有其的涂層很大程度地經(jīng)由PVD (物理氣相沉積)施涂到內(nèi)燃發(fā)動機、活塞式壓氣機或者類似的活塞式發(fā)動機的活塞環(huán)上，而且也施涂到例如用于塑料加工或者有色金屬加工的擠出機螺桿和類似部件上。這種層在最小磨損的同時允許高的運行功率或者使用壽命，并且例如安置于機動車領(lǐng)域中。然而缺點是對于設(shè)備技術(shù)的高的資本需求，這僅對于大的件數(shù)和小尺寸的部件而言是經(jīng)濟的。對于較大尺寸的部件或者較厚的層而言，迄今還不能夠借助PVD經(jīng)濟地施涂CrN。此外，在PVD層中隨著增大的層厚度產(chǎn)生應(yīng)力，其原因在于待涂敷的基材和層材料的不同的熱膨脹系數(shù)。這樣的應(yīng)力導(dǎo)致裂紋形成直至層脫落。其結(jié)果是對于多種應(yīng)用，在受強應(yīng)力的摩擦副中由于過小的層厚度不是足夠耐磨損(Verschleifireserven)的。
[0004]作為PVD的替代品，熱噴涂對于制備涂層而言是合適的。通過熱噴涂施涂的涂層可以具有最大若干100 Mm的層厚度。
[0005]熱噴涂理解為將材料施涂到通常金屬的表面上，其中該材料在撞擊到表面上之前輸送到通常為燃燒器火焰或等離子體火焰的能量源中，并且通過該能量源的熱能完全或者部分地熔化，并且繼續(xù)地通過氣體流的動能獲得朝向基材表面的加速。如果粉末經(jīng)由熱噴涂過程直接地施涂到基材上，人們稱之為熱噴涂粉末。
[0006]常見的熱噴涂方法例如是粉末或者用粉末充填充的線材的用空氣或者氧氣的高能火焰噴涂、等離子體噴涂或者電弧噴涂。在此，將粉狀顆粒引入到指向應(yīng)涂敷的(通常金屬的)基材的燃燒火焰或者等離子體火焰中。在此，該顆粒在火焰中完全或者部分地熔化，撞擊到基材上，在那里凝固，并且以凝固的餅狀物(所謂的“薄片冷激金屬(Splats)”)的形式形成涂層。所提及的方法提供施涂約50 Mffl至約2000 Mffl的涂層的可能性，并且允許通過有目標地選擇方法和粉末，對于特定的應(yīng)用研發(fā)最佳的層。
[0007]通過這種方法制備的涂層，所謂的厚層，通常由一種或者多種通常陶瓷和/或金屬的組分構(gòu)成。在此，該金屬組分能夠通過彈性變形或者塑性流動來減少層中的應(yīng)力，而陶瓷硬質(zhì)相調(diào)節(jié)該層的最佳磨損性能。好的層品質(zhì)的特征是單種組分的基本上均勻的分散以及小的多孔率。此外從各種應(yīng)用中出現(xiàn)特定的要求，例如關(guān)于耐磨性和/或耐腐蝕性。
[0008]用于熱涂敷的粉末，以下稱為“噴涂粉末”可以根據(jù)制備方法以不同的特征形式存在。常見的特征形式例如為“附聚/燒結(jié)”或者“緊密燒結(jié)”、“熔融”、“氣體霧化或者水霧化“。這樣的特征形式的常見內(nèi)部結(jié)構(gòu)在DIN EN 1274中是明顯的。
[0009]此外，可以混合不同性質(zhì)的噴涂粉末。但是，此類所謂的“摻合物”導(dǎo)致層中的單種組分的不均勻分布，這對于多種應(yīng)用而言是不利的。此外，在粉末輸送期間和在噴涂期間可能出現(xiàn)混合物分離，以致層的組成可能局部地不同于粉末混合物的組成。
[0010]通過使用由不同的單種組分構(gòu)成的附聚和隨后自身燒結(jié)的噴涂粉末(“附聚/燒結(jié)的噴涂粉末”)，可以顯著地改善層均勻度，因為通過使用細的單種組分，可以在燒結(jié)的粒料中和在噴涂層中達到單種成分的最佳分布。通常通過單種組分的水性分散體的噴霧干燥，發(fā)生附聚。通過在附聚時選擇過程參數(shù)，可以有目標地調(diào)節(jié)顆粒尺寸分布和適應(yīng)噴涂體系。通過最佳的噴涂參數(shù)，可以顯著地提高撞擊效率。
[0011]此外，附聚/燒結(jié)的噴涂粉末或者燒結(jié)的噴涂粉末提供這樣的優(yōu)點，即通過選擇單種組分有目標地調(diào)節(jié)層的組成。廣泛普遍的是基于例如WC-C0 (-Cr)或者Cr3C2-NiCr的附聚/燒結(jié)的噴涂粉末。
[0012]相比于附聚/燒結(jié)的噴涂粉末，霧化的粉末在其組成方面比附聚/燒結(jié)的噴涂粉末更統(tǒng)一，因為其由均勻熔體形成。通過以非氧化的形式提供組分(其例如可以是金屬、鐵合金、石墨、母合金等)，使其共同熔化，并且然后將該熔體噴霧為小液滴形式，制備霧化的粉末。這些小液滴在飛行中通過保護氣體氣氛冷卻，或者在水中凝固，并且然后被收集。水霧化的粉末由于其突然的冷卻具有濺射狀(spratzig)的形態(tài)，而氣體霧化的粉末通常是很好的球形的。
[0013]如在附聚時那般，通過在霧化時選擇過程參數(shù)，同樣可以有目標地調(diào)整顆粒尺寸分布。由于氣體霧化的合金的球形顆粒形狀，其通常是自由流動的，并且可以有利地輸送和加工。對于霧化的粉末的常見噴涂方法例如是等離子體噴涂以及高能火焰噴涂。
[0014]相比于附聚/燒結(jié)的噴涂粉末，霧化的粉末的單個顆粒幾乎不具有內(nèi)部多孔性。相比于由附聚/燒結(jié)的噴涂粉末構(gòu)成的可比較的層，由霧化的噴涂粉末構(gòu)成的層是更均勻和更貧孔隙的。因為由均勻的熔體來獲得霧化的粉末，僅可以非常有限地以該方式制備由多種組分構(gòu)成的復(fù)合粉末。
[0015]摩擦系統(tǒng)內(nèi)部，例如液壓缸或者活塞式發(fā)動機內(nèi)部的廣泛普遍的現(xiàn)有技術(shù)是基于Cr3C2或者基于Mo 2C與金屬和合金的組合的熱噴涂層，該金屬和合金例如為Ni ,Mo或者NiCr或者自流動的合金例如NiCrBSi或者它們的組合。通常使用附聚/燒結(jié)的噴涂粉末，但有時也使用摻合物。
[0016]EP0960954B1公開了粉末，其基本上由Cr、Ni和C構(gòu)成，并且通過氣體霧化以及隨后的用于使碳化物沉積的熱處理來制備。
[0017]DE102008064190A1公開了制備水霧化的適合于熱噴涂的具有碳含量為4-9 %以及尤其具有Si作為其它成分的Fe基粉末的方法。這種粉末含有細的碳化物或硅化物沉積物作為硬質(zhì)材料成分，而氮僅作為合金成分而非硬質(zhì)材料成分。此外缺點是，可熱噴涂性通過之后的機械或者熱處理來建立，此外在該處理中根據(jù)本發(fā)明申請的氮化鉻分解。然而，具有嵌入的硬質(zhì)材料成分和尤其具有氮化物作為硬質(zhì)材料相的其它霧化粉末是未知的。
[0018]由于其分子結(jié)構(gòu)和其因此伴隨的顯著的化學惰性，CrN具有針對摩擦磨損以及微型焊接的出色耐受性。此外，其適用于腐蝕環(huán)境以及潤滑劑的存在下。因此，例如由冷加工鋼構(gòu)成的變形工具或者例如用于塑料加工的工具通常配備有CrN或者Cr2N的薄層。此類經(jīng)由PVD施涂的層，所謂的薄層的特征在于例如在加工有色金屬時的出色的耐磨性，并且通常實現(xiàn)最小量潤滑或者變換為水性乳液作為潤滑劑。通常，經(jīng)由PVD施涂的薄層具有僅約2-10 Mm的常見厚度。隨著增大的層厚度，層壓力(Schichtdruck)固有應(yīng)力也增大。當層壓力固有應(yīng)力接近層粘附強度時，可能出現(xiàn)層脫落或者層破碎。通過施涂多個結(jié)構(gòu)化的子層(Lagen)可以減小固有應(yīng)力，由此也可以經(jīng)由PVD施涂具有足夠的粘附強度的〉10 Mm的層。
[0019]EP1774053B1公開了在活塞環(huán)上產(chǎn)生層的方法，其允許經(jīng)由改進的PVD方法施涂較厚的CrN層。以此方法應(yīng)能夠產(chǎn)生10至80 Mm的層厚度。
[0020]還已知其中嵌入細的由鎳構(gòu)成的分散質(zhì)的薄層，其通過彈性變形或者塑性流動減少層固有應(yīng)力，并且由此有目標地降低層硬度(A Plasma assisted MOCVD Process forsynthesis of CrN/Ni Composite Coatings，A.Dasgupta，P.Kuppusami，IGCAR)。
[0021]還已知的是N1-CrN(Cr2N)的PVD-復(fù)合層，其尤其用作電鍍的硬鉻層的替代品。
[0022]PVD方法的缺點是限制于具有有限尺寸的基材上，因為PVD涂敷過程在封閉的爐中發(fā)生。此外，該過程是非常費時的，尤其對于結(jié)構(gòu)化或者多子層的層而言。因此，經(jīng)由PVD產(chǎn)生和維修層