CN101629497B

CN101629497B - 起阀器及其表面处理方法

Info

Publication number: CN101629497B
Application number: CN2009100030398A
Authority: CN
Inventors: 吕寅雄; 崔圣文; 金�雄; 安正煜; 金炯翼; 安承均; 白洪吉; 郑轸元
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2008-07-18
Filing date: 2009-01-13
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2029-01-13
Also published as: CN101629497A; KR100887851B1; US8109248B2; US20100012064A1

Abstract

本发明提供了一种起阀器，其包括缓冲层、具有0.3～0.6μm的厚度的Me类金刚石碳层、以及具有1～1.5μm的厚度及60～70％的SP3键合部分的类金刚石碳层，这些层顺序形成在经受了碳氮共渗处理的基体上。该起阀器能够显示出优良的低摩擦特性和抗磨损性。

Description

起阀器及其表面处理方法

技术领域

本发明涉及一种用于汽车内燃机的起阀器(valve lifter)及其表面处理方法。

背景技术

用于将凸轮轴的旋转转换为垂直运动的起阀器主要由合金铸铁或碳钢形成。

如图1和图2中所示，起阀器20具有圆柱形结构，并且其顶表面21总是与旋转的凸轮轴10接触，因而连续地经受摩擦。为了减少这种摩擦，起阀器20的表面，尤其是顶表面21典型地经受镜面抛光、类金刚石碳(diamond-like carbon；DLC)涂覆、或CrN(氮化铬)涂覆。

然而，镜面抛光不能提供满意的表面粗糙度。DLC或CrN涂覆表现出低摩擦特性。因此，DLC或CrN涂覆需要专门设计的油，以显示最佳的低摩擦特性，如美国专利申请公开第2005/0098134号中所公开的。

在本背景技术部分中所公开的上述信息，仅仅是为了加强对本发明的背景的了解，因此，其可能包含不形成在本国为本领域普通技术人员所已知的现有技术。

发明内容

因此，本发明是为了解决在现有技术中出现的上述问题而作出的，并且，本发明提供了一种起阀器，其具有优良的低摩擦特性而不需要专门设计的油，并且本发明还提供了一种在这种起阀器的制造中所使用的表面处理方法。

根据本发明的一个方面，起阀器可以包括在其表面上所形成的多个涂层，以显示低摩擦特性，其中，在多个涂层当中的顶涂层为具有60～70％的SP3键合部分(SP3 bonding fraction)的DLC层。

根据本发明的另一方面，起阀器可以包括：缓冲层，其通过在经受了碳氮共渗处理的基体的表面上溅射金属靶而形成；Me类金刚石碳层，其具有0.3～0.6μm的厚度，并且通过在缓冲层上溅射选自W、Cr、Ti、和Mo的靶而形成；以及类金刚石碳层，其形成在Me类金刚石碳层上，具有1～1.5μm的厚度，并且具有60～70％的SP3键合部分。

优选地，经受碳氮共渗处理的基体具有0.01～0.04的表面粗糙度(Ra)，并且，缓冲层为通过溅射Cr靶所形成的Cr涂层。

此外，DLC层可以具有5～15重量％的氢含量和28～32Gpa的硬度。

根据另外的方面，一种处理起阀器的表面的方法可以包括：(a)对基体的表面进行碳氮共渗和回火；(b)对基体进行表面抛光，以产生0.01～0.04的表面粗糙度(Ra)；(c)在基体上形成金属缓冲层，然后，通过溅射选自W、Cr、Ti、和Mo的靶，在金属缓冲层上形成具有0.3～0.6μm的厚度的Me类金刚石碳层；以及(d)在Me类金刚石碳层上形成具有60～70％的SP3键合部分的、且厚度为1～1.5μm的类金刚石碳层。

DLC层可以通过溅射石墨靶而形成，并且可以通过对所提供的乙炔(C₂H₂)的量以及施加到安装起阀器的夹具上的偏置电压的大小进行调节，来控制SP3键合部分。

优选地，缓冲层通过溅射Cr靶而形成。此外，在步骤(a)中，可以在200～250℃的温度进行回火，并且，在步骤(c)和(d)中，在保持在250℃或更低的温度下形成涂层。

附图说明

图1是显示典型的内燃机所用的气门机构系统的部件的视图；

图2是根据本发明的实施例的起阀器的剖面图；

图3是显示根据本发明的涂层的视图；

图4是显示图2的DLC层的碳键结构的视图；

图5A是显示图4的碳键结构的SP2键合的视图，并且图5B是显示其SP3键合的视图；

图6是显示在图2的DLC层的形成中所使用的装置的示意图；

图7是显示对根据本发明的实施例以及对比例的起阀器进行的摩擦试验的结果的图；

图8是显示出耐久性试验之后，对根据本发明的实施例的起阀器的磨损伤痕进行观察的结果的照片。

具体实施方式

下面，将参照附图对起阀器及其表面处理方法给出详细描述。

如图2和3中所示，起阀器20在其外表面上，尤其在其顶表面上具有多层涂层，以显示低摩擦特性。这种涂层被直接形成在起阀器20的表面上，或者作为选择，可以形成在另外设置在与凸轮轴相接触的起阀器20的顶表面上的垫片上。涂层可以包括缓冲层、含金属的DLC层(“Me-DLC层”)以及DLC层，其顺序形成在经碳氮共渗的基体上。

下面参照图3、4、5A和5B，描述上述涂层以及对起阀器的表面进行处理的方法。

首先，起阀器在其表面被涂覆之前经受表面预处理。

为了对在其上将形成涂层的基体进行硬化和稳定化处理，进行碳氮共渗处理。即，对基体的表面进行碳氮共渗，然后在200～250℃对其进行回火。对经碳氮共渗的基体表面进行表面抛光，以使表面粗糙度(Ra)达到0.01～0.04μm。如果基体的表面粗糙度小于0.01μm，则要通过基体的表面涂覆大幅提高粗糙度，相对于所产生的效果会不希望产生过高的成本。相反，如果表面粗糙度超过0.04μm，则由于涂层的粗糙度，使摩擦降低效果下降。基体的表面抛光可以通过磨光(buffing)、振动抛光(VF)、超精抛光(super finishing；SF)等进行。

接下来，涂覆由此得到的基体表面。

为了增加基体与在其上所形成的涂层之间的附着力，在经受了表面预处理的基体表面上形成缓冲层。缓冲层可以由Cr、Ti等形成。具体地，通过溅射Cr靶所形成的Cr涂层的效果较好。

通过将乙炔用作碳源，对具有形成在其上的缓冲层的基体的表面进行PACVD(Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition；等离子辅助化学蒸汽沉积)，因而形成Me-DLC层。具体地，通过在将乙炔(C₂H₂)作为反应气体供应给基体的表面的同时溅射金属靶，来形成Me-DLC层。金属靶的实例包括W、Cr、Ti和Mo。特别有用的是W或Cr。Me-DLC层起到提高抗冲击性以及基体与显示出低摩擦特性的顶部DLC层之间的附着力的作用，其被沉积的厚度为0.3～0.6μm。如果Me-DLC层的厚度小于0.3μm，则不能充分得到抗冲击性和附着力。相反，如果Me-DLC层的厚度超过0.6μm，则Me-DLC层自身的残余应力增加，不希望地降低了Me-DLC层的效果。

在Me-DLC层上，形成厚度为1.0～1.5μm的实际显示出低摩擦特性的DLC层。如果DLC层的厚度小于1.0μm，则在内燃机的初始操作的过程中DLC层磨损并消失。相反，如果该厚度超过1.5μm，则DLC层自身的残余应力增加，由此，DLC层脱落。

DLC层通过在供应乙炔的同时溅射石墨靶而形成。如图4所示，DLC层具有SP2键合(图5A)和SP3键合(图5B)的杂化结构(hybridiaztion structure)，其中碳或氢与碳连接。当SP3键合部分为60～70％时，显示出最大的低摩擦特性。如果SP3键合部分小于60％，则DLC层的硬度极大地降低，由此，起阀器的表面不希望地被磨损。相反，如果SP3键合部分超过70％，则DLC层固有的低摩擦特性显著下降。作为参考，通过PACVD所形成的DLC层具有70～80％的SP3键合部分，并且通过PVD(Physical Vapor Deposition；物理蒸汽沉积)所形成的DLC层具有至少80％的SP3键合部分。

通过精确地供应乙炔并调节施加到在其上安装起阀器的夹具的偏置电压，来控制SP3键部分。DLC层的SP3键合部分与所供应的氢的量成正比，并且与偏置电压的大小成反比。只考虑DLC层的低摩擦特性，乙炔应以少量供应，并且应施加高的偏置电压。然而，DLC层的硬度也依赖于偏置电压并且在特定的偏置电压下被最大化。实验上，只有当在综合考虑硬度和SP3键合部分之下得到最佳值时，才能形成在耐磨损性和低摩擦特性上均优良的DLC层。

参照图6，在用于形成DLC层的PVD装置中，石墨靶位于真空腔室中，并且起阀器以预定距离与石墨靶隔开。将偏置电压(-)施加到石墨靶上，并且将偏置电压(-Vsb)施加到在其上安装起阀器的夹具(jig)上。将氩供应给真空腔室的一侧，以与已被施加了负偏置电压的石墨靶相碰撞，从而发生溅射；并且将乙炔供应给真空腔室的另一侧，用于氢的控制。使用这种装置，当调节施加到夹具上的偏置电压的大小和所供应的乙炔的量，并且将DLC层的SP3键合部分控制为至少80％时，DLC层包含5～15重量％的氢。此外，DLC层的硬度大约为28～32Gpa。作为参考，通过PACVD所形成的DLC层具有大约25～30重量％的氢含量，并且通过PVD所形成的DLC层具有大约0～5％的氢含量。

为了检查通过上述表面处理方法所涂覆的起阀器的低摩擦特性，加工六个由相同材料所形成的起阀器，每一个均经受如下表1中所示的表面处理并且然后经受摩擦扭矩试验。

表1

	基体的热处理	表面粗糙度(Ra)	顶部涂层	SP3部分
					对比例1	渗碳	0.1	-	-
对比例2	渗碳	0.03	-	-
					对比例3	碳氮共渗	0.1	DLC	75％
对比例4	碳氮共渗	0.03	DLC	75％
					对比例5	碳氮共渗	0.03	DLC	82％
实施例	碳氮共渗	0.03	DLC	64％

在对比例1和2中，仅进行了表面预处理；并且在对比例3至5以及本发明的实施例中，进行了表面预处理和多次涂覆(缓冲层、Me-DLC层、DLC层)。在对比例3中的基体的表面粗糙度和作为顶部涂层的DLC层的SP3键合部分，以及在对比例4和5中的DLC层的SP3键合部分，均落在根据本发明的范围之外。在本发明的实施例中，在根据本发明的范围内加工起阀器，并且DLC层的SP3键合部分为64％。

使用发动机头系统(engine head system)对对比例1至5和本发明的实施例的每个起阀器进行台架试验(rig test)。试验条件示出在下表2中，并且对试验结果作图于图7中。

表2

试验发动机	2升直列4缸头
		起阀器	直接作用型
台架类型(rig type)	电动机运行状态
		发动机速度	800～6000rpm
油&冷却水温度	90℃
		油压	1bar
油	5W20

在图7中，横轴表示发动机速度(rpm)，纵轴表示摩擦扭矩(Nm)。在本发明的实施例中，低摩擦特性大大高于对比例1至3的低摩擦特性，此外，与只是DLC层的SP3键合部分不同的对比例4和5相比，显示出更高的摩擦降低效果。

此外，将实施例的起阀器安装于实际的发动机上，并且进行500小时的耐久性试验，之后，观察起阀器表面的磨损伤痕。如从图8中显而易见的，在实施例的具有高抗磨损性的起阀器中，几乎观察不到磨损伤痕。

如上所述，本发明提供了一种起阀器及其表面处理方法。根据本发明，起阀器能够显示出优良的低摩擦特性，而无需使用特定条件下的油的常规要求。此外，根据本发明的起阀器能够显示出优良的抗磨损性。

尽管为解释性的目的已经公开了本发明的优选实施方式，但是，本领域技术人员将意识到，能够做出各种修改、添加和替换，而不背离在所附的权利要求中所公开的本发明的范围和构思。

Claims

1.一种起阀器，其包括基体和设置在所述基体上的涂层，其中，所述涂层包括：

缓冲层，其通过在经受了碳氮共渗处理的所述基体的表面上溅射金属靶而形成；

Me类金刚石碳层，其具有0.3～0.6μm的厚度，并且通过在所述缓冲层上溅射选自W、Cr、Ti、和Mo的靶而形成；以及

类金刚石碳层，其形成在所述Me类金刚石碳层上，具有1～1.5μm的厚度，并且具有60～70％的SP3键合部分。

2.如权利要求1所述的起阀器，其中，经受了碳氮共渗处理的所述基体具有0.01～0.04的表面粗糙度(Ra)。

3.如权利要求1所述的起阀器，其中，所述缓冲层为通过溅射Cr靶所形成的Cr涂层。

4.如权利要求1所述的起阀器，其中，所述类金刚石碳层具有5～15重量％的氢含量和28～32Gpa的硬度。

5.一种起阀器，其包括基体和设置在所述基体上的涂层，其中，所述涂层的顶部涂层是具有60～70％的SP3键合部分的类金刚石碳层。

6.如权利要求5所述的起阀器，其中，所述类金刚石碳层具有1～1.5μm的厚度。

7.如权利要求5所述的起阀器，其中，所述类金刚石碳层具有5～15重量％的氢含量和28～32Gpa的硬度。

8.一种对起阀器进行表面处理的方法，其包括：

(a)对基体的表面进行碳氮共渗和回火；

(b)对所述基体进行表面抛光，以产生0.01～0.04的表面粗糙度(Ra)；

(c)在所述基体上形成金属缓冲层，然后，通过溅射选自W、Cr、Ti、和Mo的靶，在所述金属缓冲层上形成具有0.3～0.6μm的厚度的Me类金刚石碳层；以及

(d)在所述Me类金刚石碳层上形成具有60～70％的SP3键合部分和1～1.5μm的厚度的类金刚石碳层。

9.如权利要求8所述的方法，其中，在所述步骤(d)中通过溅射石墨靶形成所述类金刚石碳层，并且，通过调节乙炔(C₂H₂)的量以及施加到安装所述起阀器的夹具上的偏置电压的大小，来控制所述SP3键合部分。

10.如权利要求8所述的方法，其中，所述缓冲层通过溅射Cr靶而形成。

11.如权利要求8所述的方法，其中，在所述步骤(a)中，在200～250℃的温度进行所述回火。

12.如权利要求8所述的方法，其中，在所述步骤(c)和(d)中，以维持在250℃或更低的涂覆温度，进行用于形成所述缓冲层、所述Me类金刚石碳层和所述类金刚石碳层的处理。