用于发动机排气系统部件的涂层材料及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于发动机排气系统的部件的涂层材料以及该涂层材料的制备方法。该涂层材料包括由CrN或Ti(C)N制成的第二接合层，由TiAlN/CrN制成并布置在第二接合层的表面上的支承层，以及由TiAlN/CrSiN或TiAlN/CrSiCN制成并布置在支承层的表面上的功能层。该涂层材料使发动机排气系统部件的耐磨损性和抗咬合性得以改进。
【专利说明】用于发动机排气系统部件的涂层材料及其制造方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请基于35U.S.C.§ 119要求于2012年10月4日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2012-110234号的优先权，其公开内容整体地并入本文以作参考。
【技术领域】
[0003]本公开涉及用于发动机排气系统部件的涂层材料及其制造方法，更具体地，涉及用于发动机排气系统部件的多层涂层材料，其包括:由Ti或Cr制成的第一接合层，由CrN或Ti (C) N制成的第二接合层，由TiAlN/CrN制成的支承层，以及由TiAlN/CrSi (C) N制成的功能层，所有这些按顺序层叠。本发明的多层涂层提供了改善的物理特性尤其是对于发动机排气系统的滑动部件而言，例如抗咬合性、耐磨损性和耐热性。
【背景技术】
[0004]近年来，由于关于汽车排气的规章随着比如全球变暖的环境问题上升而逐步加强，因此汽车制造商已尝试开发各种环境友好型车辆，以便到2020年将二氧化碳排放降低至50g/km,这相当于目前二氧化碳排放的35%至50%。
[0005]更具体地，为了满足在2025年前使燃料效率降低至54.5mpg (23.2km/1)的企业平均燃料经济性(CAFE)标准，已经对与缩小尺寸(downsize)或改进燃料效率相关的技术进行了积极研究。 具体地，曾应用废气再循环(EGR)系统来实现发动机燃烧效率的提高和NOx产生的减少。
[0006]EGR系统通常由平板阀、轴、衬套、垫圈、壳体等组成。致动器设置在壳体外部，用于打开/关闭平板阀。在这种情况中，发动机排气系统的部件(例如，平板阀和衬套，或垫圈和衬套)在高温下滑动，从而导致垫圈、平板阀和衬套出现咬合、摩擦和磨损现象。结果，由于垫圈、平板阀和衬套的咬合、摩擦和磨损，平板阀不易打开/关闭。进一步地，平板阀的磨损可能导致品质降低，例如发动机中产生警报音或噪音。
[0007]因此，已做出各种尝试来防止发动机排气系统部件的使用寿命缩短并保持部件性能。更具体地，对表面处理进行了积极研究，以改善物理特性如抗咬合性、耐磨损性、低摩擦性、耐热性等。
[0008]例如，曾应用CrN涂层尝试保持因缺乏高温硬度而容易发生磨损的发动机排气系统部件的性能。然而，即使有CrN涂层，部件硬度也会因为缺乏耐热性而在温度为500°C或更高时下降，并且因抗咬合性低而容易发生部件磨损。
[0009]在尝试解决关于CrN涂层的问题的过程中，还曾利用耐热性涂层材料，例如TiAlN, CrTiSiN或TiAlCrN_CrON。但是，这些耐热性涂层材料在同时改善涂层材料的多种物理特性(耐热性、耐磨损性、抗咬合性、低摩擦性等)方面存在困难，这些特性是滑动部件在高温环境下工作所需的。
[0010]当将常规的涂层材料如CrN涂层材料或TiAlN涂层材料应用至常规的EGR系统部件时，由于存在碳化物，部件表面上容易形成咬合产物。在这种情况下，咬合产物对漏损或损坏引起的部件硬度降低和部件使用寿命缩短有主要责任。
[0011]作为本发明的相关技术而在以上提供的描述仅用于帮助理解本发明的背景，不应将其理解为包含在本领域技术人员知晓的相关技术中。
【发明内容】
[0012]本发明提供了用于发动机排气系统部件的涂层材料及其制造方法。与常规发动机排气系统的部件所使用的涂层材料相比，本发明的涂层材料提供优异的物理特性，例如耐热性、高温稳定性和抗咬合性，因此延长了发动机的使用寿命。
[0013]根据一方面，用于发动机排气系统的部件的涂层材料包括:布置在基材的表面上并由CrN或Ti (C) N制成的第二接合层；布置在第二接合层的表面上并由TiAlN/CrN制成的支承层；以及布置在支承层的表面上并由TiAlN/CrSiN或TiAlN/CrSiCN制成的功能层。
[0014]根据多个实施方式，第二接合层的厚度为约0.1至约10 μ m,支承层的厚度为约
0.5至约10 μ m,且功能层的厚度为约0.5至约10 μ m。
[0015]根据多个实施方式，该涂层材料还包括布置在基材表面与第二接合层之间的第一接合层。该第一接合层可由Ti或Cr制得。
[0016]根据另一方面，本发明提供了制造用于发动机排气系统的部件的涂层材料的方法，包括:将腔室内部从真空状态转变成等离子体状态，在布置于腔室中的基材的表面上沉积由CrN或Ti (C)N制成的第二接合层，在第二接合层的表面上沉积由TiAlN/CrN制成的支承层，以及在支承层的表面上沉积由TiAlN/CrSiN或TiAlN/CrSiCN制成的功能层。
[0017]根据多个实施方式，第二接合层的厚度为约0.1至约10 μ m，支承层的厚度为约
0.5至约10 μ m,且功能层的厚度为约0.5至约10 μ m。
[0018]根据多个实施方式，通过在基材表面上沉积由Ti或Cr制成的第一接合层，接着沉积第二接合层，从而进行第二接合层的沉积。
[0019]根据多个实施方式，沉积由TiAlN/CrN制成的支承层，使得支承层中T1、Al和Cr的比率为约1: 1: 1，从而进行由TiAlN/CrN制成的支承层的沉积。
[0020]根据多个实施方式，沉积由TiAlN/CrSiN制成的功能层，使得功能层中T1、Al、Cr和Si的比率为约1:1:0.9:1，从而进行由TiAlN/CrSiN制成的功能层的沉积。
[0021]根据多个实施方式，沉积由TiAlN/CrSiCN制成的功能层，使得功能层中T1、Al、Cr、Si和C的比率为约1:1:0.8:0.1:0.1，从而进行由TiAlN/CrSiCN制成的功能层的沉积。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]现在将参考在附图中图示的某些示例性实施方式对本发明的以上和其它特征进行详细说明，下文给出的这些实施方式仅仅用于示例说明，因此不是对本发明的限制，并且其中:
[0023]图1是示出根据本发明一个示例性实施方式的TiAlCrSiCN涂层材料的构造图；
[0024]图2是示出根据本发明一个示例性实施方式的配置为制造涂层材料的物理气相沉积(PVD)系统的图；
[0025]图3是示出通过测试常规涂层材料，随后评估该常规涂层材料的咬合性能而获取的图像；[0026]图4是示出通过测试比较例I的涂层材料的摩擦磨损，随后评估该涂层材料的咬合性能而获取的图像；
[0027]图5是示出通过测试比较例2的涂层材料的摩擦磨损，随后评估该涂层材料的咬合性能而获取的图像；
[0028]图6是示出通过测试比较例3的涂层材料的摩擦磨损，随后评估该涂层材料的咬合性能而获取的图像；
[0029]图7是示出根据本发明的一个示例性实施方式，通过测试实施例1的涂层材料的摩擦磨损，随后评估该涂层材料的咬合性能而获取的图像。
[0030]应当理解，所附的附图并非必然是按比例的，而只是呈现说明本发明的基本原理的各种优选特征的一定程度的简化表示。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体尺寸、方向、位置和形状将部分取决于特定的既定用途和使用环境。
[0031]在附图中，附图标记在附图的几张图中通篇指代本发明的相同或等同部件。
【具体实施方式】
[0032]下面将详细地参照本发明的各个实施方式，其实施例在附图中图示，并在下文加以描述。
[0033]在描述之前，应当理解在说明书和所附权利要求中使用的术语不应该被解释为局限于一般和词典含义，而应该在允许本发明人为最佳解释而适当地对术语进行定义的原则基础上，基于与本发明的技术方面对应的含义和概念进行理解。因此，本文所作描述仅是出于说明性目的的优选实施例，而不是意在限制本发明的范围，所以应该可以理解，在不偏离本发明范围的情况下，可以对其做出其他的等价形式和修改。
[0034]应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它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、氢动力车和其它代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。
[0035]本文使用的术语仅仅是为了说明【具体实施方式】，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(a、an、the)”也意在包括复数形式，除非上下文中另外清楚指明。还应当理解的是，在说明书中使用的术语“包括(compr i s e s和/或compr i s i ng ) ”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、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组合。
[0036]除非特别说明或从上下文明显得到，否则本文所用的术语“约”理解为在本领域的正常容许范围内，例如在均值的2个标准差范围内。“约”可以理解为在所述数值的10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0.5%、0.1%、0.05% 或 0.01% 内。除非另外从上下文清楚得到，本文提供的所有数值都由术语“约”修饰。
[0037]本发明的一方面提供了用于发动机排气系统的部件的涂层材料，包括由TiAlCrSi (C)N制成的功能层作为主层。
[0038]根据本发明的实施方式,发动机排气系统的部件(例如,平板阀、轴、衬套、垫圈等)具有为应对发动机排气系统部件可能适用的恶劣环境所需的高质量的物理特性。通过利用可改善部件多种物理特性例如耐热性、耐磨损性和抗咬合性的改进涂层材料，使这些部件具有这样的特性。
[0039]根据本发明的一些方面，提供了由TiAlCrSi (C)N制成的涂层材料。
[0040]在本发明中，术语“TiAlCrSi(C) N”指的是 TiAlCrSiN 或 TiAlCrSiCN,术语“TiAIN/CrSi (C) N” 指的是 TiAlN/CrSiN 或 TiAlN/CrSiCN，且术语 “Ti (C) N” 指的是 TiN 或 TiCN。
[0041]图1是示出根据本发明一个示例性实施方式的TiAlCrSiCN涂层材料的构造的图。
[0042]如图1所示，根据本发明一个示例性实施方式的涂层材料包括:由CrN或Ti (C)N制成并且布置在基材100的表面上的第二接合层120，由TiAlN/CrN制成的支承层130，以及由TiAlN/CrSi (C)N制成的功能层140，所有这些都按顺序进行层叠。优选地，根据本发明一个示例性实施方式的涂层材料还包括布置在基材100的表面与第二接合层120之间的第一接合层110。优选地，该第一接合层110由Ti或Cr制成。
[0043]根据本发明的实施方式，当基材100由氮化材料制成时，可通过氮化工序，形成厚度约80至约120 μ m的氮化层。
[0044]可使用由Ti或Cr制成的第一接合层110来提高涂层与基材100间的粘合力。可使用由CrN或Ti (C)N制成的第二接合层120来使涂层的残余应力最小化并改进物理特性比如韧性、耐疲劳性和耐冲击性。
[0045]根据多个实施方式，由TiAlN/CrN制成的支承层130可形成多层纳米结构。支承层可用来提高发动机排气系统部件(例如平板阀或衬套)所需的物理特性，例如韧性、耐热性、抗氧化性和耐磨损性。
[0046]根据多个实施方式，由TiAlN/CrSiN或TiAlN/CrSiCN制成的功能层140可以是多层纳米结构形式。功能层140可通过使用硅(Si)而使材料具有抗咬合性，通过使用碳(C)而使其具有低摩擦性，以及使材料具有耐热性、抗氧化性和耐磨损性。
[0047]第二接合层120的厚度优选在约0.1至约10 μ m的范围内。当第二接合层120的厚度小于0.1 μ m时，第二接合层120的组分含量不足而不能表现出所需功能。另一个方面，当第二接合层120的厚度超过10 μ m时,涂层材料与基材100间的粘合力可能降低。
[0048]另外，由TiAlN/CrN制成的支承层130和由TiAlN/CrSi (C)N制成的功能层140(两者均可具有多层纳米结构)各个的厚度可以是约0.5至约10 μ m。当支承层130和功能层140中各个的厚度小于约0.5 μ m时，会由于两个不同层发生混合而不易形成多层纳米结构，致使难以提供本发明的期望作用。另一方面，当支承层130和功能层140中各个的厚度超过约10 μ m时，两层之间的相干应变可能不平衡而导致硬度降低。
[0049]通常很难同时改进相冲突的物理特性，例如耐磨损性和耐冲击性。但是，本发明能实现这种同时改进，具体是通过利用具有优异的耐冲击性的由CrN或Ti (C)N制成的第二接合层120、以及具有优异的耐磨损性的由TiAlN/CrN制成的支承层130和由TiAlN/CrSi (C)N制成的功能层140而实现。
[0050]本发明的另一方面提供了制造用于发动机排气系统部件的涂层材料的方法。该涂层材料可通过利用PVD方法进行制备，并可包括由TiAlCrSi (C)N制成的功能层作为主层。
[0051]用涂层材料涂覆金属基材表面的方法可主要划分为物理气相沉积(PVD)方法和化学气相沉积(CVD)方法。[0052]PVD是一种干处理方法，其对靶材(基材)提供负极性并在提供汽态的离子化金属材料时，利用电引力将该离子化的金属材料沉积到靶材表面上。在这种情况中，利用细离子颗粒，离子化金属材料可均匀地涂覆于基材100的表面上，并且可以提高粘合力。
[0053]根据优选实施方式，本发明利用电弧高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)或电感耦合等离子体(ICP)方法。这些方法产生高密度的等离子体，其允许形成纳米结构并实现涂层材料颗粒的高速涂覆。
[0054]图2是示出根据本发明一个示例性实施方式的配置为制备涂层材料的PVD系统的图。如图2所示，该PVD系统可包括泵210、Cr靶220、TiAl靶230、CrSi靶240、Ti靶280、气体进口 250和布置在腔室200上的加热单元260、以及布置在腔室200内的旋转台270。此处，基材100被置于旋转台270上。
[0055]将构成涂层材料的各层的所需离子供应至各靶，并将所需的气体例如氮气或烃类气体(在一些实施方式中优选乙炔气体)通过气体进口 250引入到腔室200中。在这种情况下，氮(N)离子可以以氮气供应且碳(C)离子可以以烃类气体供应。
[0056]根据多个实施方式，在涂层步骤前进行氮化处理的材料可以在经过氮化处理之后进行涂覆接着除去化合物层。
[0057]根据示例性方法，首先，作为涂覆的预处理工序，利用泵210等等将腔室200内部变成真空状态，然后通过经气体进口 250引入氩气等等而变成等离子体状态。
[0058]然后，利用加热单元260，将腔室200加热至适宜温度，例如约80°C，以使基材100的表面活化。然后通过施加偏压使正氩离子与基材100表面发生碰撞，从而对基材100的表面进行清洗(烘烤&清洁)。
[0059]此后，通过气体进口 250将氮气引入到腔室250中，从而在腔室200中形成氮气氛围。然后，在基材100的表面上沉积第二接合层120。例如，可利用氮气和Cr靶220来沉积CrN接合层120。或者，可利用氮气和Ti靶280在基材100的表面上沉积TiN第二接合层120。优选地，第二接合层120被沉积为其厚度为约0.1至约10 μ m。此处，当乙炔气体与氮气一起引入时，可沉积由TiCN制成的第二接合层120 (PVD方法)。
[0060]根据一些实施方式，在沉积第二接合层120之前，利用Ti靶280或Cr靶220，进一步在基材100的表面上沉积由Ti或Cr制成的第一接合层110 (PVD方法)。该第一接合层110是任选的。
[0061]接着，沉积由TiAlN/CrN制成的支承层130。根据示例性实施方式，所提供的支承层130具有如下的多层纳米结构，其中，利用旋转台270，在氮气氛围下，通过使其上沉积了第二接合层120 (并且在一些实施方式中沉积有第一和第二接合层110、120)的基材100部分暴露于TiAl靶230和Cr靶220，使得TiAlN层和CrN层交替地层叠在第二接合层120的表面上。根据优选实施方式，沉积支承层130使其厚度为约0.5至约10 μ m (PVD方法)。
[0062]在这种情况下，提供由TiAlN/CrN制成的支承层130，从而提高基材100的韧性、耐热性、抗氧化性和耐磨损性。在优选实施方式中，基于各层的交替层叠，支承层130中T1、Al和Cr以1:1:1的比率沉积，从而使各层的作用达到最大。
[0063]此后，在支承层的表面上提供功能层140。根据示例性实施方式，功能层140由TiAlN/CrSiN制成，且优选具有多层纳米结构，其中TiAlN层和CrSiN层交替地层叠在支承层130的表面上。根据本发明的方法，利用旋转台270，在氮气氛围下，通过使其上沉积了支承层130的基材100部分暴露于TiAl靶230和CrSi靶240，来使TiAlN层和CrSiN层交替地层叠在支承层130的表面上。根据示例性实施方式，沉积支承层130使其厚度为约
.0.5至约10μm。当乙炔气体与氮气一起引入时,可沉积由TiAlN/CrSiCN制成的功能层140(PVD方法)。
[0064]在这种情况下，可提供由TiAlN/CrSi (C)N制成的功能层140，以便提高抗咬合性和低摩擦性以及物理特性，比如耐热性、抗氧化性和耐磨损性。根据优选实施方式，在各层的交替层叠布置中，功能层140中所沉积的T1、Al、Cr和Si，或者T1、Al、Cr、Si和C的比率为1:1:0.9:0.1或1:1:0.8:0.1:0.1，从而使其期望作用达到最大。
[0065]表1
【权利要求】
1.一种用于发动机排气系统的部件的涂层材料，包括: 由CrN或Ti (C)N制成的第二接合层； 由TiAlN/CrN制成并且布置在所述第二接合层的表面上的支承层；以及 由TiAlN/CrSiN或TiAlN/CrSiCN制成并且布置在所述支承层的表面上的功能层。
2.根据权利要求1所述的用于发动机排气系统的部件的涂层材料，其中所述第二接合层的厚度为约0.1至约10 μ m,所述支承层的厚度为约0.5至约10 μ m,且所述功能层的厚度为约0.5至约10 μ m。
3.根据权利要求1所述的用于发动机排气系统的部件的涂层材料，还包括由Ti或Cr制成的第一接合层，所述第二接合层布置在所述第一接合层的表面上。
4.一种制备用于发动机排气系统的部件的涂层材料的方法，包括: 使腔室内部从真空状态转变成等离子体状态； 任选地，在布置于所述腔室中的基材的表面上沉积由Ti或Cr制成的第一接合层； 在所述第一接合层的表面上或在所述基材的表面上沉积由CrN或Ti (C)N制成的第二接合层； 在所述第二接合层的表面上沉积由TiAlN/CrN制成的支承层；以及 在所述支承层的表面上沉积由TiAlN/CrSiN或TiAlN/CrSiCN制成的功能层。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第二接合层以约0.1至约10 μ m的厚度沉积，所述支承层以约0.5至约10 μ m的厚度沉积,且所述功能层以约0.5至约10 μ m的厚度沉积。
6.根据权利要求4所述的方法，其中首先将所述第一接合层沉积在所述基材的表面上，接着将所述第二接合层沉积在所述第一接合层的表面上。
7.根据权利要求4所述的方法，其中沉积所述支承层使得所述支承层中的T1、Al和Cr的比率为1:1:1，从而沉积由TiAlN/CrN制成的支承层。
8.根据权利要求4所述的方法，其中沉积所述功能层使得所述功能层中的T1、Al、Cr和Si的比率为1:1:0.9:0.1，从而沉积由TiAlN/CrSiN制成的功能层。
9.根据权利要求4所述的方法，其中沉积所述功能层使得所述功能层中的T1、Al、Cr、Si和C的比率为1:1:0.8:0.1:0.1，从而沉积由TiAlN/CrSiCN制成的功能层。
【文档编号】C23C14/14GK103707568SQ201210593623
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年12月31日 优先权日:2012年10月4日
【发明者】车星澈 申请人:现代自动车株式会社