CN103132029B - 具有低摩擦的涂层的制造方法 - Google Patents

Abstract

在包括加热、缓冲层涂覆、涂覆和冷却的使用等离子体制备涂层的方法中，制备具有低摩擦的涂层的方法包括：涂覆步骤，在某个涂覆温度下使用Ti电弧源和Ag溅射源在基材的表面上形成TiAgN涂层；组分增加步骤，通过增加偏压和溅射功率并持续一定时间来增加表面上的Ag组分；以及纳米形成步骤，通过将温度保持在比所述某个涂覆温度高50~100℃的温度并持续一定时间而在表面上形成Ag纳米粒子。

Description

具有低摩擦的涂层的制造方法

相关申请的交叉引用

本申请依照35U.S.C.§119（a）要求于2011年11月25日提交的韩国专利申请第10-2011-0124270号的权益，其全部内容并入本文以作参考。

技术领域

本公开涉及一种制备具有低摩擦的涂层的方法，更具体地，本发明涉及一种通过控制工艺条件（偏压、溅射功率等）在表面上形成纳米级Ag粒子以形成涂层的方法。

背景技术

通常而言，等离子体涂敷技术用于在真空条件下利用等离子体现象将材料涂敷在未处理的基材上。这样的涂覆可以增加原始基材所不具有的机械和功能特性。等离子体涂敷技术通常分为CVD（化学气相沉积）和PVD（物理气相沉积）。

对于PVD技术，真空沉积、溅射、离子镀等被广泛使用。离子镀根据等离子体激活方法和涂覆材料电离方法还被进一步分为多种涂覆方法。

一种离子镀技术是电弧离子镀，其中使用电弧放电使涂覆材料（目标物）作为负极而被蒸汽电离。电弧离子镀可用于硬涂层的形成，因为其具有快速蒸发速度，从而引起快速涂覆，因此可得到良好的生产率、以及高电离、撞击（crash）与迁移能量。

DLC（类钻碳）涂层是一种低摩擦涂层，其主要被用于涂覆常规的车辆部件。尽管DLC涂层已经有利地进行了大规模生产，并已被广泛使用，但其在高温与低温下的摩擦特性不足且耐磨损性低。此外，DLC涂层还具有相当长的摩擦稳定区，这点也是问题。

TiN涂覆材料具有优异的耐热性和耐磨性。然而，由于低摩擦特性不足，其在多种驱动部件上的应用被限制。因此，为得到必要的低摩擦特性，使用例如Ag的软金属来形成复合涂层。然而，初始的低摩擦特性仍然有限，而且，难以精确地按照需要控制Ag组分。

本发明涉及一种涂覆方法，其提供期望的低摩擦特性并显著地减少成型后的磨合时间。具体来说，本发明涉及一种通过控制工序条件（偏压、溅射功率等）在表面上形成纳米级Ag粒子以形成涂层的方法，从而改善表面的低摩擦特性。

本发明的此背景技术部分所公开的信息仅为加强对本发明总体背景的理解，而不应该被理解为承认或任何形式地表明这些信息构成本领域技术人员已经知晓的现有技术。

发明内容

致力于解决上述与现有技术相关的问题而作出本发明。本发明的目的是提供一种制备具有低摩擦的涂层的方法，具体而言，本发明涉及一种通过控制工艺条件（偏压、溅射功率等）而在表面上形成纳米级Ag粒子以形成涂层的方法。本发明提供与传统涂层相比具有较好的低摩擦特性的涂层。

基材可以是任何材料，其上可设有涂层以改进低摩擦特性。根据多个方面，本发明提供车辆部件例如发动机和驱动部件上的涂层，因此，涂层可以形成在任何形成这类车辆部件的基材上。

一方面，本发明提供使用等离子体来制备涂层的方法，包括加热、缓冲层涂覆、涂覆（即，低摩擦层涂覆）以及冷却。

根据多个实施方式，低摩擦层涂覆步骤包括：涂覆步骤，使用Ti电弧源和Ag溅射源在合适的温度范围内（“涂覆温度”）在基材的表面上形成TiAgN涂层；组分增加步骤，通过在合适的时间段内增加偏压和溅射功率来增加表层上的Ag组分；以及纳米形成步骤，通过在合适的时间段内将温度保持在高于涂覆温度的合适温度，以在表面上形成Ag纳米粒子。

根据多个实施方式，进行3~7分钟的组分增加步骤，从而来升高偏压和溅射功率。

根据多个实施方式，在比涂覆温度高出约50~100℃的温度下进行纳米形成步骤。根据多个实施方式，涂覆温度为约250~350℃且涂覆步骤进行约10~20分钟。

在纳米形成步骤之后，可进行冷却步骤，其中温度被降低到合适的温度，例如室温。该冷却步骤可以在腔室内进行。根据多个实施方式，可以使用单一的腔室来进行方法中的多个步骤，甚至所有步骤（即，加热、缓冲层涂覆、涂覆和冷却）。然而，如果需要的话，也可以提供多个腔室用于不同步骤。

根据多个实施方式，加热步骤包括，通过将腔室内的条件保持在约300℃或更高的温度持续约40分钟或更长来使腔室内的温度分布均匀。

在加热步骤之后，可进行缓冲层涂覆步骤。根据实施方式，缓冲层涂覆步骤包括，通过Ti电弧源将Ti涂层沉积在基材的表面上。

附图说明

现在将参考附图所图示的本发明的某些示例性实施方式来详细地描述本发明的上述和其它特征，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，其中：

图1是根据本发明一个实施方式的实施具有低摩擦的涂层的制备方法的涂覆装置的构造图；

图2a是示出根据比较例的TiAgN涂层的微结构的照片，图2b是示出根据本发明涂覆的TiAgN涂层的微结构的照片；

图3是根据比较例的TiAgN涂层以及根据本发明涂覆的TiAgN涂层在室温和高温（400℃）下的摩擦系数图；

图4是示出根据比较例的TiAgN涂层以及根据本发明的TiAgN涂层的磨合时间的图。

应当理解到，所附的附图并非必然是按比例的，其呈现了说明本发明基本原理的各种优选特征的一定程度上简化的表示。

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

在下文中，现在将参考附图对根据本发明优选实施方式的制备具有低摩擦的涂层的方法进行详细说明。

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。

图1是根据本发明一个实施方式的用来实施低摩擦涂层的制备方法的涂覆装置的构造图。具体而言，根据一个实施方式的用于低摩擦涂覆的方法主要包括，使用该装置进行加热、缓冲层涂覆、涂覆和冷却。

在加热步骤中，使腔室内的条件保持在合适的升高的温度下，例如约300℃或更高的温度，持续约40分钟或更长，从而提供均匀的温度分布。也就是说，腔体内的温度保持在约300℃或更高来平稳地进行N（氮）的反应，其中N元素是用来实现耐热性的，且加热持续时间设定为约40分钟或更长以在待涂覆的试样的表面和内部提供均匀的温度分布。

接下来，在清洁步骤中清洁试样以除去杂质，从而改善缓冲涂层与基材之间的粘合性。根据多个实施方式，可以使用乙醇和丙酮来进行清洁步骤，其中使用合适时间的离子枪，例如20分钟或更长。

在清洁之后，使用电弧离子源进行Ti缓冲层涂覆步骤，以提供使TiAgN层的粘合性改善的功能涂层，其随后通过施加高偏压而被涂覆在试样的基材上。

根据多个实施方式，通过激活Ti和Ag这两种离子源在约250~350℃下进行TiAgN涂覆（即，低摩擦层涂覆）。根据示例性实施方式，TiAgN涂覆的厚度优选为2μm或更薄。根据传统的涂覆方法（在下文中有时被作为比较例，并在图2~4中有提及），通过在涂覆步骤后立即进行冷却步骤而完成涂覆。另一方面，根据本发明，在涂覆步骤之后，进行以下组分增加步骤和纳米形成步骤，以显著地改善低摩擦特性。

具体而言，根据多个实施方式，涂覆法是使用等离子体来制备涂层的方法，其包括：涂覆步骤，使用Ti电弧源和Ag溅射源于一定温度在基材的表面上形成TiAgN涂层；组分增加步骤，通过在一定时间段内增加偏压和溅射功率来增加表面层上的Ag组分；以及纳米形成步骤，通过在某个时间段内将温度保持在高于涂覆步骤温度的一定温度，以在表面上形成Ag纳米粒子。

在组分增加步骤中，通过在涂覆工序的最后部分（例如，最后的5分钟、4.5分钟、4分钟、3.5分钟、5.5分、6分钟等，或在其他合适的最后部分）增加偏压和溅射功率而增加上表面层上的Ag组分。此外，在完成涂覆工序后，使涂覆工序的温度升高到比涂覆步骤的温度（例如，其中涂覆步骤的温度可以是约250~350℃）高出约50~100℃，并使升高的温度保持一段合适的时间（例如，约10~20分钟），以在表面上形成Ag纳米粒子。

根据多个实施方式，优选进行组分增加步骤使偏压和溅射功率增加约3~7分钟，并将纳米形成步骤中保持在约300~450℃的温度并持续约10~20分钟。

在纳米形成步骤后，该方法还可以包括将涂覆的基材冷却至室温的冷却步骤。该冷却步骤可以在例如进行前面步骤中的一个或多个步骤的同一个腔室内进行，或者在单独的腔室内进行。

根据多个实施方式，本发明的涂覆法还可以在低摩擦涂层步骤之前包括加热步骤，通过将腔室内的条件保持在约300℃或更高的温度持续约40分钟或更长来使温度分布均匀。此外，在加热步骤之后并在低摩擦涂层步骤之前，该方法还可另外包括缓冲层涂覆步骤，通过Ti电弧源来将Ti涂层沉积在基材的表面上。

图2是示出根据比较例的TiAgN涂层以及根据本发明涂覆的TiAgN涂层的微结构照片，其中（a）是没有进行组分增加步骤和纳米形成步骤而形成的比较例中的涂层表面照片，而（b）是本发明中通过包括组分增加步骤和纳米形成步骤的本发明方法而形成的涂层的表面照片。如照片所示，在本发明的涂层上明显具有更多的Ag纳米粒子，由此，通过这样的涂覆来改善低摩擦特性。

图3是根据比较例涂覆的TiAgN涂层以及根据本发明涂覆的TiAgN涂层在室温和高温（400℃）下的摩擦系数图。如图所示，其证实本发明使得室温下的摩擦特性比比较例（“现有TiAgN”）改善25%或更多。

此外，图4是示出根据比较例涂覆的TiAgN涂层以及根据本发明涂覆的TiAgN涂层的磨合时间的图。如图4所示，本发明使磨合时间（摩擦测试时间）比比较例减少8倍或更多。

根据用于制备低摩擦涂层的本发明方法，可以改善由表面Ag纳米粒子提供的低摩擦特性而无需在现有的TiAgN涂层生产过程中进行大的改变。此外，由于表面上Ag纳米粒子的形成，本发明可以显著减少磨合时间。

尽管结合示例性实施方式描述本发明，但应当理解，本说明书无意于将本发明局限于这些示例性实施方式。相反，本发明不仅要涵盖这些示例性实施方式，还要涵盖由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种替代形式、修改、等效形式和其它实施方式。

Claims (8)

1.一种使用等离子体在基材的表面上制备低摩擦涂层的方法，包括：

低摩擦涂层步骤，在250～350℃的温度下使用Ti电弧源和Ag溅射源在所述基材的表面上形成TiAgN涂层，

组分增加步骤，通过在所述低摩擦涂层步骤的最后部分增加偏压和溅射功率并持续一定时间使所述表面上的Ag组分增加，以及

纳米形成步骤，通过使温度保持在比所述涂覆温度高出50～100℃并持续一定时间而在所述表面上形成Ag纳米粒子。

2.如权利要求1所述的方法，其中在所述组分增加步骤中，使所述偏压和溅射功率增加3～7分钟。

3.如权利要求1所述的方法，其中在所述纳米形成步骤中，所述温度保持10～20分钟。

4.如权利要求1所述的方法，其在所述纳米形成步骤之后还包括冷却到室温的冷却步骤。

5.如权利要求1所述的方法，其在所述低摩擦涂层步骤之前还包括将温度保持在300℃或高于300℃并持续40分钟或长于40分钟的加热步骤。

6.如权利要求5所述的方法，其在所述加热步骤之后还包括通过Ti电弧源使Ti涂层沉积在所述基材的表面上的缓冲层涂覆步骤。

7.一种根据权利要求1所述的方法制备的低摩擦涂层。

8.一种车辆部件，包括涂覆有权利要求7所述的低摩擦涂层的基材。