锆复合材料涂层和形成涂层的方法
【专利说明】锆复合材料涂层和形成涂层的方法
[0001] 相关申请的夺叉引用
[0002] 本申请根据35 U.S.C. § 119要求于2014年4月7日提交于韩国知识产权局的韩 国专利申请第10-2014-41202号的优先权，在此将其公开内容全文并入作为参考。 发明领域
[0003] 本发明涉及一种锆复合材料涂层以及形成该涂层的方法，该锆复合材料涂层可应 用于车辆传动系部件的摩擦部位等。具体地，涂层可包括接触力大大改善的中间层和摩擦 系数低且耐久性改善的功能层。
【背景技术】
[0004] 车辆的机械部件例如发动机和变速器起到通过联锁机械运动将动能传递至车轮 的作用。但是，在机械部件之间，由于滑动运动、转动运动、往复运动等过程中产生的摩擦， 相当大部分的动能损失，并且部件受到磨损。
[0005] 为了解决这些问题，已通过各种方式使用了低摩擦和高耐久性表面处理，以降低 机械部件互相接触而导致摩擦的摩擦部位的摩擦。因此，摩擦造成的能量损失得以降低， 车辆的燃料效率、机械部件的耐久性寿命等均得以改善。典型地，已使用了镀铬（Cr)、渗氮 (nitriding)处理、涂覆氮化物例如CrN等，但不能充分得到低摩擦特性，并且应用上述方 法的部件的耐久性可能降低。
[0006] 在相关领域，已经开发出摩擦特性和耐久性比CrN涂层更好的DLC(类金刚石碳） 涂层。但是，通过使用PVD(物理气相沉积）法形成DLC涂层时，涂层形成效率较低，并且成 本竞争力也会较低，这是石墨革E材的派射效率（sputtering yield)相当低导致处理时间可 以是大约12小时或更长。
[0007] 而且，当通过使用CVD (化学气相沉积）法形成DLC涂层时，处理率与PVD法相比 会较大，但形成的DLC涂层的硬度和耐久性会降低。
[0008] 由于DLC本身在残余应力较高方面的这些劣势，基本上可提供中间层，例如Cr、 CrN和WCC。但是，由于要插入由不同材料制成的中间层，制造效率会降低。
[0009] 正因如此，高度需要可以因沉积速率高于DLC而得以实现生产效率、并且在改善 摩擦部件的低摩擦和耐磨性方面有效的涂层。
【发明内容】
[0010] 本发明提供了通过提供厚度最优的有效涂层来降低摩擦部位的摩擦等并增加耐 久性等的技术方案。
[0011] 在一示例性实施方式中，锆复合材料涂层可以包括：ZrCuAlMo层，其是用于增加 基材和ZrCuAlMoN层之间的紧密接触力并与基材的上表面接触的中间层；和ZrCuAlMoN层， 其是摩擦系数低于基材并与ZrCuAlMo层的上表面接触的功能层。具体地，ZrCuAlMoN层可 以包括混合层，该混合层是通过使氮（N)含量从与ZrCuAlM0层接触的一表面到另一表面逐 渐增加而形成的浓度梯度层。
[0012] 在某些示例性实施方式中，ZrCuAlMo层可以包括锆（Zr)、铜（Cu)、铝（Al)和钼 (Mo)，ZrCuAlMoN 层可以包括锆（Zr)、铜（Cu)、铝（Al)、钼（Mo)和氮（N)。
[0013] 在某些示例性实施方式中，ZrCuAlMo层的厚度可以是大于大约Ομπι且小于或等 于大约0. 5 μ m。ZrCuAlMoN层的厚度可以是大约0. 1 μ m至大约10 μ m。
[0014] 在某些示例性实施方式中，涂层可以是具有以下结构的多层薄膜涂层：其中 ZrCuAlMo层和ZrCuAlMoN层是反复层压的。在另外某些示例性实施方式中，多层薄膜涂层 的ZrCuAlMo层和ZrCuAlMoN层可以独立地为大于大约0 μ m且小于或等于大约0. 5 μ m。
[0015] 在另一示例性实施方式中，提供了形成锆复合材料涂层的方法。该方法可包括 以下步骤：第一步骤，将氩（Ar)气注入涂覆室（coating chamber)，然后形成具有氩离子 (Ar+)的等离子体态；第二步骤，对涂覆室进行加热，以活化锆（Zr)、铜（Cu)、铝（Al)和钼 (Mo)靶材并使其离子化；第三步骤，将离子化的铜（Cu)、铝（Al)和钼（Mo)离子沉积在基材 的一表面上，形成ZrCuAlMo层；和第四步骤，逐渐增加涂覆室中氮气（N2)的浓度，形成包括 混合层的ZrCuAlMoN层。具体地，在混合层中，氮含量可以从ZrCuAlMo层的上表面逐渐增 加，使得ZrCuAlMoN层与所述ZrCuAlMo层的上表面接触。
[0016] 在某些示例性实施方式中，在降低涂覆室中氮气（N2)的浓度以在ZrCuAlMoN层 的上表面上形成ZrCuAlMo层之后，通过逐渐增加氮气（N2)浓度在所形成的ZrCuAlMo层 的上表面上形成ZrCuAlMoN层，这一过程可以反复进行，以形成具有通过将ZrCuAlMo层和 ZrCuAlM0N层至少两次或更多次地反复层压在基材的上表面上而形成的结构的多层薄膜涂 层。
[0017] 在某些示例性实施方式中，在第三步骤中形成的ZrCuAlMo层可以包括锆（Zr)、 铜（Cu)、错（Al)和钼（Mo)，ZrCuAlMo层的厚度可以是大于大约Ομπι且小于或等于大约 0. 5 μ m。在另外某些示例性实施方式中，在第四步骤中形成的ZrCuAlMoN层包括锆（Zr)、铜 (Cu)、铝（Al)、钼（Mo)和氮（N)，ZrCuAlMoN层的厚度为大约0. 1 μπι至大约10 μπι。
[0018] 在某些示例性实施方式中，在第四步骤中，当形成混合层时，氮气（N2)的浓度可以 从基于氩气（Ar)体积的大约Ovol%至大约50vol%逐渐增加。
[0019] 在另外某些示例性实施方式中，在第四步骤中，当形成ZrCuAlMoN层时，氮气（N2) 的浓度可以是基于氩气（Ar)体积的大约5vol%至大约50vol%。
[0020] 如上所述，根据本发明的各示例性实施方式，摩擦部位的摩擦得以降低，从而提高 耐磨性、耐久性寿命等。而且，可以得到改善的与基材的紧密接触力，并可以提高耐冲击性 等。
【附图说明】
[0021] 根据以下详述并结合附图可以更清楚地理解本公开的上述和其他方面、特征和其 他优势，在附图中：
[0022] 图1显示了根据本发明示例性实施方式的示例性锆复合材料涂层的横截面视图。
[0023] 图2是显示了根据本发明示例性实施方式的ZrCuAlMo层20和包括混合层40的 ZrCuAlMoN层30中的氮（N)含量变化的示例图。
[0024] 图3显示了根据本发明示例性实施方式的示例性多层薄膜涂层的横截面视图。显 示的是反复层压的示例性锆复合材料涂层。
[0025] 图4示意性地显示了根据本发明示例性实施方式的示例性涂覆装置的横截面视 图。
[0026] 图5是在根据本发明示例性实施方式的实施例1中在紧密接触力测试之后的显微 视图。
【具体实施方式】
[0027] 在本说明书和权利要求书中使用的术语或词不应该解读为限制于通常的含义或 词典中的含义，而是应该解读为基于发明者能够适当定义术语的概念从而以最佳方式描述 他/她自己的发明的原则具有符合本发明的技术精神的含义和概念。
[0028] 本文使用的术语仅出于说明【具体实施方式】的目的，而不是意在限制本发明。如本 文所使用的，单数形式"一个、一种、该"也意在包括复数形式，除非上下文中另外明确指明。 还应当理解的是，在说明书中使用的术语"包括、包含、含有"是指存在所述特征、整数、步 骤、操作、元素和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、 元素、部件和/或其群组。如本文所使用的，术语"和/或"包括一个或多个相关所列项的 任何和所有结合。
[0029] 除非具体指出或从上下文明显得到，否则本文使用的术语"约"应理解为在本领域 的正常容许范围内，例如在均值的2个标准差内。"约"可以理解为在所述值的10%、9%、 8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0· 5%、0· 1%、0· 05%或0· 01% 内。除非另外从上下文 明显得到，否则本文中提供的所有数值都被术语"约"修饰。
[0030] 应理解，本文使用的术语"车辆"或"车辆的"或其他类似术语包括通常的机动车， 例如，包括多功能运动车（SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶 的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其 他代用燃料车（例如，来源于石油以外的资源的燃料）。本文中提到的混合动力车是具有两 种或更多种动力来源的车辆，例如具有汽油动力和电动力的车辆。
[0031] 在下文中，将参照表格、附图等对本发明进行详细描述。
[0032] 本发明涉及锆复合材料涂层以及形成涂层的方法。在一方面，本发明提供锆复合 材料涂层，其可以降低车辆传动系部件等的摩擦部位的摩擦，并提高其耐磨性。
[0033] 通常，为了降低发动机、变速器等中摩擦部位的摩擦，并提高这些部件的耐久性寿 命等，在摩擦部位等的表面上形成涂层等。
[0034] 图1是显示根据本发明示例性实施方式的锆复合材料涂层的截面的横截面视图。 如图1所示，涂层可以包括：ZrCuAlMo层20,其与基材10的上表面--基材10表面的上部 接触。由于与其他相邻的材料接触，基材表面上部可能发生摩擦。ZrCuAlMo层20也可以 是用于增加基材10和功能层ZrCuAlMoN层30之间的紧密接触力的中间层。具体地，根据