[发明专利]高温低摩擦涂层及其方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119要求于2014年7月3日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2014-82831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

本发明涉及在高温下具有低摩擦的涂层和形成该涂层的方法。通过在基材上涂覆CrN粘合层、在CrN粘合层上涂覆TiAlCrYN纳米多层支撑层和在TiAlCrYN纳米多层支撑层上涂覆TiAlCrYCN纳米多层功能层，涂层可改善诸如涡轮增压器和涡轮叶轮或铝压铸模的高温滑动部件的耐热性、耐疲劳性、低摩擦性和胶着性(seizureresistance)。

背景技术

当前车辆工业进行着各种环境友好型车辆的开发，并且目的在于安装涡轮增压器和排气再循环(EGR)，以通过增加排气温度来提高发动机的燃烧效率，并且通过减少NOx和精简发动机(downsizing)，以在2020年之前将二氧化碳量减少至约50g/km或减少约35％至50％。

涡轮增压器(将排气再循环用于驱动功率的装置)是用于通过供应高密度压缩空气到汽缸中来提高燃料效率并且减小发动机重量或尺寸从而提高发动机性能的部件。涡轮的部件可能需要耐受高温热量和高压，因为它们经常暴露于在约800℃至1050℃温度的高温排气。

具体地，可以通过降低涡轮增压器的涡轮叶轮的50％重量来提高发动机的效率，由于通过迅速增加涡轮叶轮的扭矩而实现的早期变速，涡轮迟滞(turbo-lag)可以改善约30％或更大，因此以更高档位接合的操作时间能够延长。

基于TiAl的材料已经用于涂层以减轻涡轮叶轮的重量，但它们的耐热性、耐裂性、高温耐疲劳性和韧性是不充分的。因此，已经要求增加涡轮叶轮的厚度并且降低排气温度以便补偿这些属性。

汽车制造商已大幅使用铝制部件来减轻重量，从而提高涉及燃料效率改善和排气法规的竞争力。因此，已经经常使用铝压铸模，但由于包括连续高负荷和强冲击的苛刻条件，铝压铸模可能需要在高水平性能上有所改进。然而，它们的寿命可能受模具材料、模具设计、作业条件和热处理及模具表面处理影响。另外，可能因热冲击、胶着(seizure)而导致热裂形成并发展，可能因熔融铝引起磨损，并且可能因在高温作业而引起材料和涂层的热软化，导致铝压铸模的硬度和性质可能降低。

因此，开发具有用于模具的改善的胶着性、耐磨损性、低摩擦性、耐热性和抗氧化性的涂层已经在积极进展。例如，可以使用基于钛(Ti)和铬(Cr)的氮化物或碳化物，具体地，氮化钛铝(TiAlN)或氮化铬铝(AlCrN)已被用于现有技术中的这些铝压铸模的涂层。

然而TiAlN(氮化钛铝)的耐热性不足以用于暴露于最高约750℃温度的高温环境的铝压铸模的涂层，并且当暴露于这种高温环境时，其它性质变差，因此热稳定性可能变差。

AlCrN(氮化铬铝)的胶着性可能不足，导致诸如熔融铝的熔融合金可能容易附着到模具表面，模具的寿命可能会下降，并且模塑产品的质量可能会下降。

用于提高燃烧效率的EGR包括扁平阀、轴、衬套(bush)、垫圈和壳体，其中扁平阀和衬套或垫圈和衬套可在高温滑动。相应地，由于高温下垫圈或扁平阀与衬套的胶着和磨损，扁平阀可能难以打开/关闭，并且诸如噪声和输出的质量可能因扁平阀的磨损而恶化。

Inconel713C或SUS420J2可以是在现有技术中EGR部件的材料，但它可能缺乏高温硬度，因此它容易受到磨损。CrN涂层已被用于解决这些问题，但它可能在约500℃或更高的温度下不具有足够的耐热性，导致硬度降低，并且因摩擦和磨损引起胶着，从而加速磨损。

另外，TiAlN涂层可能无法满足复合需求特性，诸如在约700℃的耐热性、耐磨损性、胶着性以及低摩擦。

发明内容

在优选的方面，本发明提供了高温低摩擦涂层，其可通过改变用于涡轮叶轮的材料质量来改善涡轮迟滞(turbo-lag)并改善在发动机排气系统中在高温下运转的部件的耐久性。高温低摩擦涂层可通过将涂层应用到涡轮增压器的涡轮叶轮和在发动机排气系统中在高温下滑动的部件，来改善耐热性、耐疲劳性、低摩擦性和胶着性。具体地，涂层可包括：在基材上的CrN粘合层、在CrN粘合层上的TiAlCrYN纳米多层支撑层和在TiAlCrYN纳米多层支撑层上的TiAlCrYCN纳米多层功能层。本发明还提供形成涂层的方法。