DE102012209391A1

DE102012209391A1 - Ventil für einen Motor und Verfahren zum Behandeln der Oberfläche desselben

Info

Publication number: DE102012209391A1
Application number: DE102012209391A
Authority: DE
Inventors: Young Joon Kang; Sung Chul Cha; Chang Hyun Shin; Jun Seok Lee
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-06-04
Publication date: 2013-08-29
Also published as: US20130220262A1; US8826880B2; KR20130099763A

Abstract

Die vorliegende Erfindung liefert ein Ventil für einen Motor und ein Verfahren zum Behandeln der Oberfläche desselben. Das Ventil für den Motor enthält eine Pufferschicht, eine Zwischenschicht, eine erste nanostrukturierte TiAlN/CrN-Mehrschicht und eine zweite nanostrukturierte TiAlCN/CrCN-Mehrschicht. Die Pufferschicht wird auf eine Oberfläche eines Schaftteils als unterste Schicht aufgetragen und ist aus Ti oder Cr ausgebildet. Die Zwischenschicht wird auf die Pufferschicht aufgetragen und ist aus CrN, TiN oder TiCN ausgebildet. Die erste nanostrukturierte TiAlN/CrN-Mehrschicht wird auf die Zwischenschicht aufgetragen. Die zweite nanostrukturierte TiAlCN/CrCN-Mehrschicht wird auf die erste nanostrukturierte TiAlN/CrN-Mehrschicht als oberste Schicht aufgetragen.

Description

HINTERGRUND
(a) Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil für einen Motor und ein Verfahren zum Behandeln der Oberfläche des Ventils. Genauer betrifft dieselbe ein Ventil für einen Motor und ein Verfahren zum Behandeln der Oberfläche des Ventils durch Bilden einer Beschichtungsschicht mit einer verbesserten Abriebbeständigkeit, Wärmebeständigkeit und Charakteristiken einer geringen Reibung auf der Oberfläche eines Basismaterials. Die vorliegende Erfindung kann folglich die Qualität eines Ventils sichern und zudem den Abrieb einer Ventilführung verringern.
(b) Hintergrund der Erfindung
In letzter Zeit werden im Einklang mit dem „umweltfreundlichen” Megatrend der Automobilindustrie der nächsten Generation verschiedene umweltfreundliche Fahrzeuge mit dem Ziel entwickelt die CO₂-Emissionen bis 2020 auf ca. 50 g/km zu verringern, was ca. 35% bis 50% des gegenwärtigen Pegels entspricht.
Fahrzeughersteller versuchen außerdem Technologien zum Verkleinern von Fahrzeugen und Verbessern der Kraftstoffeffizienz zu entwickeln, um bis 2025 die Bestimmungen von 54,5 mpg (23,2 km/l) gemäß der amerikanischen Corporate Average Fuel Economy (CAFE) zu erfüllen.
Da die Technologie, wie beispielsweise das Verkleinern, die auf die Motorteile angelegten Lasten erhöht, kann sich jedoch eine Qualitätsminderung aufgrund von Reibung und Abrieb der Teile ergeben und die Haltbarkeit der Teile verkürzt werden.
Diese Beschränkungen wurden auch bei Ventilsystemen demonstriert, welche in Fahrzeugmotoren angewendet werden.
Wie allgemein bekannt ist, sind Einlass-/Aulassventile von Ventilsystemen für Fahrzeugmotoren Teile zum Öffnen/Schließen einer Brennkammer der Motoren durch vertikales Hin- und Herbewegen gemäß der Drehbewegung einer Nockenwelle.
Einlassventile öffnen oder schließen Einlassöffnungen der Motoren derart, dass ein Luft-Kraftstoff-Gemisch in eine Brennkammer zu einem angemessenen Moment zugeführt wird, und Auslassventile öffnen oder schließen Auslassöffnungen derart, dass ein Verbrennungsgas zu einem angemessenen Moment aus der Brennkammer ausgelassen wird.
Die Einlass-/Auslassventile werden in hohle Ventilführungen eingeführt, welche an jeder Öffnung befestigt sind, und bewegen sich in denselben hin und her. In diesem Fall kann die Ventilführung die hin- und hergehende Bewegung des Ventils führen während sie einen Schaftteil des Ventils berührt.
In Bezug auf 1 wird im Allgemeinen als Oberflächenbehandlungsverfahren für ein Auslassventil eines Motors ein Hochfrequenzverfahren an einem Kopfteil 12, d. h. einem oberen Ende eines Ventils 10, durchgeführt und dann ein Verchromverfahren an einem Schaftteil 11 durchgeführt, welcher sich mit einer Ventilführung in Reibungskontakt befindet.
In diesem Fall wird das Verchromen am Schaftteil 11 durchgeführt, welcher den Kopfteil 12 enthält, an welchem das Hochfrequenzverfahren durchgeführt wurde.
Da der verchromte Schaftteil 11 des Ventils 10 mit der inneren Umfangsfläche der Ventilführung Reibung erzeugt, kann jedoch die innere Umfangsfläche der Ventilführung abgerieben werden. Wenn die innere Umfangsfläche der Ventilführung aufgrund langjährigen Antreibens des Motors zu einem bestimmten Pegel oder mehr abgerieben ist, kann sich insbesondere das Ventil während der vertikalen hin- und hergehenden Bewegung horizontal bewegen.
Diese Horizontalbewegung führt zu einer Beschränkung beim Öffnen/Schließen des Ventils und während des Fortschreitens des Abriebs wird die Bewegung des Ventils instabiler.
Folglich wird ein Verfahren zum Verhindern dieses Abriebs erfordert.
Die obigen Informationen, welche in diesem Hintergrundabschnitt offenbart sind, dienen nur zur Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und können daher Informationen enthalten, welche nicht den Stand der Technik bilden, welcher jemandem mit gewöhnlichen technischen Fähigkeiten hierzulande bereits bekannt ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Erfindung liefert ein Ventil eines Motors und ein Verfahren zum Behandeln der Oberfläche des Ventils durch Bilden einer Beschichtungsschicht mit einer verbesserten Abriebbeständigkeit, Wärmebeständigkeit und Charakteristiken einer geringen Reibung auf der Oberfläche eines Basismaterials des Ventils. Dieses Verfahren und sich ergebende Ventil können die Qualität des Ventils gewährleisten und zudem den Abrieb einer Ventilführung verringern, welche sich mit dem Ventil in Reibungskontakt befindet.
In einem Aspekt liefert die vorliegende Erfindung ein Ventil für einen Motor mit: einem Schaftteil, welcher eine auf der Oberfläche desselben als unterste Schicht aufgetragene Pufferschicht; eine auf der Pufferschicht aufgetragene Zwischenschicht; eine erste nanostrukturierte Mehrschicht, welche auf der Zwischenschicht aufgetragen wird; und eine zweite nanostrukturierte Mehrschicht, welche auf der ersten nanostrukturierten Mehrschicht als oberste Schicht aufgetragen wird, aufweist. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Pufferschicht aus Ti und Cr, die Zwischenschicht aus CrN, TiN oder TiCN, die erste nanostrukturierte Mehrschicht aus TiAlN/CrN und die zweite nanostrukturierte Mehrschicht aus TiAlCN/CrCN ausgebildet.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann die zweite nanostrukturierte Mehrschicht aus TiAlCN/CrCN ausgebildet sein und nanostrukturierte TiAlCN-Schichten und nanostrukturierte CrCN-Schichten enthalten, welche auf abwechselnde Weise wiederholt aufgetragen werden. Jegliche Anzahl an abwechselnden Schichten kann in geeigneten Stärken vorgesehen werden, wobei die nanostrukturierten TiAlCN-Schichten und nanostrukturierten CrCN-Schichten einander gleichen und eine konstante Stärke oder variierende Stärken aufweisen.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist die zweite nanostrukturierte Mehrschicht aus TiAlCN/CrCN gebildet und kann eine Stärke von ca. 0,1 μm bis ca. 10 μm aufweisen, wobei nanostrukturierte TiAlCN-Schichten und nanostrukturierte CrCN-Schichten mit individuellen Stärken von ca. 10 nm bis ca. 50 nm abwechselnd und wiederholt aufgetragen werden. In einigen Ausführungsformen weisen diese Schichten überall in der zweiten nanostrukturierten Schicht im Allgemeinen eine konstante Stärke auf. Natürlich kann es Abweichungen in den Stärken unter den Schichten innerhalb des erwähnten Stärkenbereiches geben, wenn erwünscht.
In noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist die erste nanostrukturierte Mehrschicht aus TiAlN/CrN ausgebildet und kann nanostrukturierte TiAlN-Schichten und nanostrukturierte CrN-Schichten enthalten, welche eine Stärke von ca. 10 nm bis ca. 50 nm aufweisen und wiederholt auf abwechselnde Weise aufgetragen werden. Wie bei der ersten nanostrukturierten Mehrschicht kann jegliche Anzahl an abwechselnden Schichten in geeigneten Stärken vorgesehen werden, wobei die nanostrukturierten TiAlN-Schichten und nanostrukturierten CrN-Schichten einander gleichen und eine konstante Stärke oder variierende Stärken aufweisen.
In einem anderen Aspekt liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Behandeln einer Oberfläche eines Ventils für einen Motor, welches Folgendes enthält: Auftragen einer aus Ti oder Cr ausgebildeten Pufferschicht auf eine Oberfläche eines Schaftteils des Ventils; Auftragen einer aus CrN, TiN oder TiCN ausgebildeten Zwischenschicht auf die Pufferschicht; Auftragen einer ersten nanostrukturierten TiAlN/CrN-Schicht auf die Zwischenschicht; und Auftragen einer zweiten nanostrukturierten TiAlCN/CrCN-Schicht auf die erste nanostrukturierte TiAlN/CrN-Schicht.
Andere Aspekte und beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden unten erörtert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Obige und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun in Bezug auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen derselben detailliert beschrieben werden, welche in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht sind, die nachstehend nur zu Veranschaulichung dienen und folglich die vorliegende Erfindung nicht beschränken und in welchen:
1 eine Ansicht ist, welche einen üblichen Oberflächenbehandlungsteil und ein übliches Oberflächenbehandlungsverfahren veranschaulicht;
2 eine Ansicht ist, welche einen Oberflächenbehandlungsteil nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
3 eine Querschnittansicht ist, welche die Struktur einer Beschichtungsschicht eines Ventils nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
4 eine Ansicht ist, welche eine PVD-Beschichtungsvorrichtung für einen Oberflächenbehandlungsprozess nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
5 eine Ansicht ist, welche die Textur einer Beschichtungsschicht nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
6 eine Ansicht ist, welche eine zweite nanostrukturierte TiAlCN/CrCN-Mehrschicht veranschaulicht, welche die oberste Oberflächenschicht einer Beschichtungsschicht nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
Die in den Zeichnungen dargelegten Bezugsnummern beinhalten den Bezug auf die folgenden Elemente, die nachstehend weiter erörtert werden:
Bezugszeichenliste

10: Ventil
11: Schaftteil
12: Kopfteil
14: Pufferschicht
15: Zwischenschicht
16: erste nanostrukturierte Mehrschicht
16a: nanostrukturierte TiAlN-Schicht
16b: nanostrukturierte CrN-Schicht
17: zweite nanostrukturierte Mehrschicht (oberste Oberflächenschicht)
17a: nanostrukturierte TiAlCN-Schicht
17b: nanostrukturierte CrCN-Schicht

Es sollte klar sein, dass die beiliegenden Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu sind und eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener bevorzugter Merkmale darstellen, welche für die grundlegenden Prinzipien der Erfindung veranschaulichend sind. Die spezifischen Ausgestaltungsmerkmale der vorliegenden Erfindung, die hierin offenbart sind und beispielsweise bestimmte Maße, Orientierungen, Plätze und Formen enthalten, werden zum Teil durch die bestimmte vorgesehene Anwendung und Einsatzumgebung bestimmt werden.
In den Figuren beziehen sich die Bezugsnummern überall in den mehreren Figuren der Zeichnung auf gleiche oder ähnliche Teile der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nachstehend wird nun auf verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detailliert Bezug genommen werden, deren Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht und unten beschrieben sind. Zwar wird die Erfindung in Verbindung mit den beispielhaften Ausführungsformen beschrieben werden, aber es wird klar sein, dass die vorliegende Beschreibung die Erfindung nicht auf diese beispielhaften Ausführungsformen beschränken soll. Die Erfindung soll im Gegenteil nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen sondern auch verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und andere Ausführungsformen decken, welche innerhalb des Wesens und Bereiches der Erfindung enthalten sein können, die durch die beiliegenden Ansprüche definiert ist.
Es sollte klar sein, dass der Ausdruck „Fahrzeug” oder „Fahrzeug-” oder ein anderer ähnlicher Ausdruck, der hierin verwendet wird, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen enthält, wie beispielsweise Personenkraftwagen, welche Geländefahrzeuge (SW), Busse, Lastwagen, verschiedene Geschäftswagen enthalten, Wasserfahrzeuge, welche eine Vielzahl an Booten und Schiffen enthalten, Luftfahrzeuge und Ähnliches, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, elektrische Plug-In-Hybridfahrzeuge, Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb und andere Fahrzeuge mit alternativen Brennstoffen enthält (z. B. Brennstoffe, welche aus anderen Rohstoffen als Erdöl gewonnen werden). Wie hierin bezeichnet, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, welches zwei oder mehr Leistungsquellen aufweist, wie beispielsweise sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch betriebene Fahrzeuge.
Die obigen und andere Merkmale der Erfindung werden unten erörtert.
Nachstehend werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil für einen Fahrzeugmotor und ein Verfahren zum Behandeln der Oberfläche des Ventils, welches durch das Bilden einer Beschichtungsschicht auf einem Ventil gekennzeichnet ist und dadurch eine verbesserte Abriebbeständigkeit und Wärmebeständigkeit liefert und die Reibung mit einer Ventilführung verringert, welche ein Gegenstück bei der Reibung/dem Abrieb ist.
Zum effektiven Beibehalten der Luftundurchlässigkeit eines Ventils durch das Verringern des Abriebs einer Ventilführung, welcher durch Reibung mit dem Ventil verursacht wird, kann eine Beschichtungsschicht auf der Oberfläche eines Schaftteils 11 eines Ventils 12 ausgebildet werden (siehe Querschnittansicht der 2). Die Beschichtungsschicht kann mit Charakteristiken einer geringen Reibung versehen werden, welche die Aggressivität des Ventils gegen die Ventilführung aufgrund von Reibung zwischen denselben verringern kann.
Die Ventile eines Motors können Wärmebeständigkeit gegen eine hohe Temperatur, wie beispielsweise eine Temperatur von ca. 450°C oder mehr, und Abriebbeständigkeit erfordern.
Zum Erhöhen der Wärmebeständigkeit und Abriebbeständigkeit kann folglich eine Beschichtungsschicht, welche eine zweite nanostrukturierte TiAlCN/CrCN-Mehrschicht enthält, auf die Oberfläche des Schaftteils (einschließlich eines Kopfteils) 11 aufgetragen werden, welcher aus einem Basismaterial ausgebildet ist. Das Basismaterial kann jedes allgemein verwendete Basismaterial sein, welches zum Ausbilden solcher Schaftteile verwendet wird. Die Beschichtungsschicht kann Wärmebeständigkeit und Abriebbeständigkeit des Ventils liefern und auch die Reibung mit der Ventilführung verringern, welche ein Gegenstück bei der Reibung/dem Abrieb ist.
Nach Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die in 3 gezeigt sind, kann die Beschichtungsschicht genauer eine Ti- oder Cr-Pufferschicht 14, eine Zwischenschicht 15, eine erste nanostrukturierte TiAlN/CrN-Mehrschicht 16 und eine zweite nanostrukturierte TiAlCN/CrCN-Mehrschicht 17 enthalten. Die Ti- oder Cr-Pufferschicht 14 kann eine unterste Schicht sein, welche auf die Oberfläche des Schaftteils 11 aufgetragen wird. Die Zwischenschicht 15 kann auf die Ti- oder Cr-Pufferschicht 14 aufgetragen werden und aus CrN, TiN oder TiCN ausgebildet sein. Die erste nanostrukturierte TiAlN/CrN-Mehrschicht 16 kann auf die Zwischenschicht 15 aufgetragen werden. Die zweite nanostrukturierte TiAlCN/CrCN-Mehrschicht 17 kann auf die erste nanostrukturierte TiAlN/CrN-Mehrschicht 16 als oberste Oberflächenschicht aufgetragen werden.
Die Gesamtstärke der Beschichtungsschicht, welche die Pufferschicht 14, die Zwischenschicht 15, die erste nanostrukturierte Mehrschicht 16 und die zweite nanostrukturierte Mehrschicht 17 enthält, kann von ca. 0,31 μm bis ca. 25,5 μm reichen.
Die auf der Oberfläche des Schaftteils 11 als unterste Schicht ausgebildete Pufferschicht 14 kann dazu dienen, die Eigenspannung der Beschichtung zu verringern und zu steuern und als Bindeschicht bzw. Schicht zur Verbindung mit dem Basismaterial, d. h. dem Schaftteil 11, dienen. Folglich kann die Pufferschicht 14 aus Ti oder Cr mit einer starken Haftfestigkeit mit dem Basismaterial ausgebildet werden. Andere ähnliche Materialien, welche diese Eigenschaften liefern, können auch entsprechend verwendet werden, wenn erwünscht.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Stärke der Pufferschicht 14 in einem Bereich von ca. 0,01 μm bis ca. 0,5 μm liegen, um die Eigenspannung zu verringern und eine ausgezeichnete Bindefestigkeit zu liefern.
Wenn die Stärke der Pufferschicht 14 weniger als ca. 0,01 μm beträgt, kann die Haftfestigkeit der Beschichtungsschicht verringert werden. Andererseits kann die weiche Pufferschicht 14 verdickt werden, wenn die Stärke der Pufferschicht 14 mehr als ca. 0,5 μm beträgt. Folglich kann die Ermüdungsbeständigkeit und Stoßfestigkeit der gesamten Beschichtungsschicht verringert werden, wenn die Stärke der Pufferschicht 14 außerhalb des erwähnten Bereiches liegt.
Die CrN- oder Ti(C)N-Zwischenschicht 15, mit welcher die Pufferschicht 14 beschichtet ist, kann Zähigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und Stoßfestigkeit liefern. Folglich kann die Zwischenschicht 15 eine Stärke von ca. 0,1 μm bis ca. 0,5 μm aufweisen, um solche Charakteristiken zu erfüllen.
Wenn die Stärke der Zwischenschicht 15 weniger als ca. 0,1 μm beträgt, kann in diesem Fall die Ermüdungsbeständigkeit und Stoßfestigkeit ungenügend sein. Wenn die Stärke der Zwischenschicht 15 mehr als ca. 0,1 μm beträgt, kann auch die Eigenspannung derselben zunehmen, was die Ermüdungsbeständigkeit und die Stoßfestigkeit für die Zwischenschicht 15 verringert.
Ferner kann die erste nanostrukturierte Mehrschicht 16 nanostrukturierte TiAlN-Schichten 16a, welche aus TiAlN ausgebildet sind, und nanostrukturierte CrN-Schichten 16b, welche aus CrN ausgebildet sind, enthalten, welche abwechselnd und wiederholt in derselben gestapelt sind. Die erste nanostrukturierte Mehrschicht kann wärmebeständige Elemente (z. B. TiAl und Cr) mit einer ausgezeichneten Wärmebeständigkeit und Abriebbeständigkeit enthalten und eine ausgezeichnete Zähigkeit liefern. Die Gesamtstärke der ersten nanostrukturierten Mehrschicht 16 kann in einem Bereich von ca. 0,1 μm bis ca. 10 μm liegen.
Wenn die Gesamtstärke der ersten nanostrukturierten Mehrschicht 16 weniger als ca. 0,1 μm beträgt, kann die Wärmebeständigkeit und Abriebbeständigkeit ungenügend sein. Wenn die Gesamtstärke der ersten nanostrukturierten Mehrschicht 16 mehr als ca. 10 μm beträgt, kann ferner die Eigenspannung derselben zunehmen. Wenn die Stärke der dünnen Schicht nicht innerhalb des erwähnten Bereiches liegt, kann dieselbe zudem aufgrund von Ermüdung und Erschütterung beschädigt werden.
Die Stärke jeder nanostrukturierten Schicht 16a und 16b kann vorgesehen sein, um eine Wärmebeständigkeit und Abriebbeständigkeit (oder hohe Härte) angemessen zu liefern. Es wurde herausgefunden, dass zum Liefern solcher Charakteristiken die Stärken jeder Schicht in einem Bereich von ca. 10 nm bis ca. 50 nm geeignet sind.
Wenn die Stärke jeder nanostrukturierten Schicht 16a und 16b weniger als ca. 10 nm beträgt, kann die nanostrukturierte Schicht instabil sein und folglich die Wärmebeständigkeit und Härte verringert werden. Wenn die Stärke jeder nanostrukturierten Schicht 16a und 16b mehr als ca. 50 nm beträgt, können ferner die nanostrukturierte TiAlN-Schicht und die nanostrukturierte CrN-Schicht nicht gut aneinander angepasst werden und folglich kann auch die Wärmebeständigkeit und Härte verringert werden.
Die Anzahl der nanostrukturierten Schichten 16a und 16b, welche die erste nanostrukturierte Schicht 16 bilden, ist nicht beschränkt.
Die zweite nanostrukturierte TiAlCN/CrCN-Schicht 17, welche Kohlenstoff (C) mit ausgezeichneten Charakteristiken einer geringen Reibung enthält, kann die oberste Oberflächenschicht der Beschichtungsschicht sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann Kohlenstoff der zweiten nanostrukturierten TiAlCN/CrCN-Schicht 17 mit einem Gehalt von ca. 5 at% bis 30 at% hinzugefügt werden. Nach verschiedenen Ausführungsformen kann die Stärke der zweiten nanostrukturierten TiAlCN/CrCN-Schicht 17 in einem Bereich von ca. 0,1 μm bis ca. 10 μm liegen.
Wenn die Stärke der zweiten nanostrukturierten TiAlCN/CrCN-Schicht 17 weniger als ca. 0,1 μm beträgt, können die Charakteristiken einer geringen Reibung ungenügend sein. Wenn die Stärke der zweiten nanostrukturierten TiAlCN/CrCN-Schicht 17 mehr als ca. 10 μm beträgt, kann die Eigenspannung zunehmen und folglich die dünne Schicht aufgrund von Ermüdung und Erschütterung beschädigt werden.
Wenn der Gehalt des in der zweiten nanostrukturierten TiAlCN/CrCN-Schicht 17 enthaltenen Kohlenstoffs weniger als ca. 5 at% beträgt, kann die zweite nanostrukturierte TiAlCN/CrCN-Schicht 17 in eine kristalline oder polykristalline Textur umgewandelt werden, was dann zu einer Verringerung der Härte der Schicht führen kann. Wenn der Gehalt des in der zweiten nanostrukturierten TiAlCN/CrCN-Schicht 17 enthaltenen Kohlenstoffs mehr als ca. 30 at% beträgt, kann die zweite nanostrukturierte TiAlCN/CrCN-Schicht 17 ferner in eine amorphe Textur umgewandelt werden, welche auch die Härte der Schicht verringern kann.
Die zweite nanostrukturierte TiAlCN/CrCN-Schicht 17 kann nanostrukturierte TiAlCN-Schichten 17a und nanostrukturierte CrCN-Schichten 17b enthalten, welche wiederholt auf abwechselnde Weise aufgetragen werden. Die Stärke der nanostrukturierten TiAlCN-Schicht 17a und nanostrukturierten CrCN-Schicht 17b kann variieren bzw. in verschiedenen Ausführungsformen in einem Bereich von ca. 10 nm bis ca. 50 nm liegen. Nach Ausführungsformen der Erfindung kann die Gesamtstärke der zweiten nanostrukturierten TiAlCN/CrCN-Schicht 17 in einem Bereich von ca. 0,1 μm bis ca. 10 μm liegen. Folglich könnte beispielsweise jede Kombination an Stärken und Anzahlen an abwechselnden Schichten angemessen ausgewählt werden, um die erwünschte Gesamtstärke der zweiten nanostrukturierten Schicht 17 zu liefern.
Nachstehend wird ein Verfahren zum Beschichten eines Ventils nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
Die physikalische Gasphasenabscheidung (nachstehend als PVD bezeichnet), welche ein allgemein bekanntes Verfahren zum Bilden einer Dünnschicht ist, kann zum Bilden von Schichten in einer Beschichtungsschicht nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Die allgemeinen Schritte und Konditionen zum Ausführen des PVD-Prozesses zum Bilden der verschiedenen Schichten der vorliegenden Erfindung können basierend auf diesen bekannten Verfahren angemessen ausgewählt werden.
Beispiele verfügbarer PVD-Beschichtungsverfahren enthalten Lichtbogenverfahren zum Erzeugen eines Plasmas mit einer hohen Dichte, um das Einstellen auf Nanogröße (nanosizing) von Beschichtungsmaterialpartikeln und die Hochgeschwindigkeitsbeschichtung zu implementieren, Hochenergieimpulsmagnetronsputtern (HIPIMS) und das Induktiv-Gekoppelte-Plasma-Magnetronsputtern (ICP-Magnetronsputtern) und das vorliegende Verfahren kann ein Beliebiges derselben wie erwünscht verwenden.
4 ist eine Ansicht, welche eine PVD-Beschichtungsvorrichtung für einen Oberflächenbehandlungsprozess nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Wie in 4 gezeigt, kann das Beschichten in einer Vakuumbeschichtungsvorrichtung durchgeführt werden, welche ein Ti- oder Cr-Target und ein TiAl-Target sowie Ar-, N2- und Kohlenwasserstoff-Prozessgas (CξHψ, z. B., C2H2) wie eine PVD verwendet.
Die Schichten in der oben beschriebenen Beschichtungsschicht können nacheinander auf die Oberfläche des Ventils durch die PVD-Beschichtungsvorrichtung aufgetragen werden. Zunächst kann in einem Vakuumzustand vor dem Beschichten, ein Plasmazustand unter Verwendung von Ar-Gas vorbereitet werden und dann eine Beschichtungskammer auf eine geeignete Temperatur erhitzt werden, wie beispielsweise eine Temperatur von ca. 80°C, um die Oberfläche des Ventilschaftteils 11 zu aktivieren. Die Ventiloberfläche kann zudem durch das Anlegen einer Vorspannung gereinigt werden während zugelassen wird, dass Ar-Ionen mit der Oberfläche kollidieren (Härten & Reinigen).
Als nächstes kann zum Liefern einer Haftfestigkeit mit dem Basismaterial des Ventils und zum Verringern der Eigenspannung der Beschichtung die Pufferschicht 14 aufgetragen werden. Für die Pufferschicht 14 kann eine Ti- oder Cr-Schicht auf die Oberfläche des Schaftteils 11 des Ventils unter Verwendung nur eines Ti- oder Cr-Targets aufgetragen werden.
Als nächstes kann ein Prozessgas N2 in die Kammer eingeleitet werden, um die Zwischenschicht 15 aufzutragen, welche für die Zähigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und Stoßfestigkeit verantwortlich ist. In diesem Fall kann das Prozessgas N2 mit Cr-Ionen vom Cr-Target reagieren, um eine CrN-Schicht aufzutragen, oder C2H2 und N2 zusammen eingeleitet werden, um mit Ti-Ionen von Ti-Target zu reagieren und folglich eine TiN-Schicht oder TiCN-Schicht aufzutragen.
Als nächstes kann die erste nanostrukturierte TiAlN/CrN-Mehrschicht 16, welche eine ausgezeichnete Zähigkeit liefert und wärmebeständige Elemente (TiAl und Cr) mit einer ausgezeichneten Wärmebeständigkeit und Abriebbeständigkeit enthält, auf die Zwischenschicht 15 aufgetragen werden. Für diesen Schritt können die nanostrukturierte TiAlN-Schicht 16a und die nanostrukturierte CrN-Schicht 16b abwechselnd und wiederholt in einer geeigneten Stärke, wie beispielsweise eine Stärke von ca. 10 nm bis ca. 50 nm, unter Verwendung des TiAl-Targets und Cr-Targets und des Prozessgases N2 aufgetragen werden. Die Gesamtstärke der ersten nanostrukturierten Mehrschicht 17 kann von ca. 0,1 μm bis ca. 10 μm reichen.
Als nächstes kann die oberste TiAlCrCN-Oberflächenschicht 17, welche Kohlenstoff (C: ca. 5 at% bis ca. 30 at%) mit ausgezeichneten Charakteristiken einer geringen Reibung aufweist, auf die erste nanostrukturierte Mehrschicht 16 aufgetragen werden. Für diesen Schritt können die nanostrukturierte TiAlCN-Schicht 17a und die nanostrukturierte CrCN-Schicht 17b abwechselnd und wiederholt in einer geeigneten Stärke, wie beispielsweise eine Stärke von ca. 10 nm bis ca. 50 nm, unter Verwendung des TiAl-Targets und Cr-Targets und der Prozessgase C2H2 und N2 aufgetragen werden. Die Gesamtstärke der zweiten nanostrukturierten Mehrschicht 17 kann von ca. 0,1 μm bis ca. 10 μm reichen.
Da die erste nanostrukturierte TiAlN/CrN-Mehrschicht 16 mit einer ausgezeichneten Zähigkeit und wärmebeständigen Elementen (TiAl und Cr) mit einer ausgezeichneten Wärmebeständigkeit und Abriebbeständigkeit in der Beschichtungsschicht des Schaftteils des Ventils aufgetragen wird und die zweite nanostrukturierte TiAlCN/CrCN-Mehrschicht 17, welche Kohlenstoff (C) mit ausgezeichneten Charakteristiken einer geringen Reibung an der obersten Oberfläche des Schaftteils des Ventils aufgetragen wird, können folglich die Wärmebeständigkeit gegenüber einer hohen Temperatur, wie beispielsweise eine Temperatur von mindestens 600°C, die Abriebbeständigkeit und Charakteristiken einer geringen Reibung in dem folglich ausgebildeten Ventil sichergestellt werden.
Insbesondere kann die zweite nanostrukturierte TiAlCN/CrCN-Mehrschicht 17 verhindern, dass die Charakteristiken einer geringen Reibung verringert werden, was sich üblicherweise aufgrund eines durch Reibung verursachten Temperaturanstiegs ergibt.
Nachstehend wird eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben werden.
Ausführungsform
Ein Auslassventil für einen Dieselmotor wurde hergestellt und dann wurde eine Beschichtungsschicht auf der Oberfläche des Schaftteils 11, welche aus einem Basismaterial gebildet ist, nach dem oben beschriebenen Oberflächenbehandlungsverfahren (Beschichtungsverfahren) ausgebildet. Die Cr-Pufferschicht 14 mit einer Stärke von ca. 0,5 μm, die CrN-Zwischenschicht 15 mit einer Stärke von ca. 5 μm, die erste nanostrukturierte TiAlN/CrN-Mehrschicht 16 mit einer Gesamtstärke von ca. 2,5 μm und die zweite nanostrukturierte TiAlCN/CrCN-Mehrschicht 17 mit einer Gesamtstärke von ca. 2,5 μm wurden nacheinander auf die Oberfläche des Basismaterials aufgetragen. Die Textur der folglich ausgebildeten Beschichtungsschicht wird in den 5 und 6 gezeigt.
5 ist eine Ansicht, welche die Textur der Beschichtungsschicht nach dieser Ausführungsform veranschaulicht. 6 ist eine Ansicht, welche die zweite nanostrukturierte TiAlCN/CrCN-Mehrschicht, welche die oberste Oberflächenschicht der Beschichtungsschicht nach dieser Ausführungsform ist, veranschaulicht.

Die Bindefestigkeit, Härte, der Reibungskoeffizient und die Abriebbeständigkeit wurden in Bezug auf eine beschichtete Probe gemessen und mit denen einer Probe eines üblichen Ventils als Vergleichsbeispiel in Bezug auf verschiedene Punkte verglichen. Die Messergebnisse werden unten in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1

	Vergleichsbeispiel	Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
Oberflächenbehandlung	Verchromen	TiAlCrCN-Beschichtung (oberste Oberflächenschicht)
Bearbeitungsverfahren	Nassplattieren	PVD
Stärke (μm)	4	10,5(0,5Cr-5CrN-2,5TiAlCrN-2,5TiAlCrCN)
Haftfestigkeit (N)	50	50
Härte (HV)	860	3,458
Reibungskoeffizient (trocken)	0,5	0,35
HochtemperaturAbriebbeständigkeit (μm/h)	2,0	0,5

Der Reibungskoeffizient wurde durch das Erzeugen von Reibung zwischen einer Probe eines Ventilführungsmaterials und einer beschichteten Oberfläche einer Probe der Ausführungsform oder einer plattierten Oberfläche einer Probe des Vergleichsbeispiels unter Verwendung eines Platte-auf-Scheibe(plate-on-disc) Reibungs-/Abrieb-Prüfgerätes gemessen. Die Prüfung wurde unter trockenen Konditionen der Last von ca. 10 N, einem Abstand von ca. 2000 m, einem Radius von ca. 6 mm und einer Lineargeschwindigkeit von ca. 100 mm/s durchgeführt.
Die Hochtemperatur-Abriebbeständigkeit wurde unter Verwendung eines sich hin- und herbewegenden Reibungs-/Abrieb-Prüfgerätes gemessen. Die beschichtete Oberfläche der Probe der Ausführungsform und die plattierte Oberfläche der Probe des Vergleichsbeispiels wurden gegen die Probe des Ventilführungsmaterials durch ein Verfahren zum hin- und herbewegenden Gleiten gerieben und die Prüfung wurde für ca. 1 Stunde unter dem Ölzustand der Last von ca. 150 N, einer Temperatur von ca. 450°C und einer Pendel- bzw. Hinundherbewegungsperiode von ca. 5 Hz durchgeführt.
Wie in Tabelle 1 gezeigt, beträgt der Reibungskoeffizient des TiAlCrCN in der Probe der Ausführungsform 30% weniger als der des Verchromens. Folglich würde der Abrieb der Ventilführung, welche sich mit einem Ventil nach der vorliegenden Erfindung in Reibungskontakt befindet, im Vergleich zu dem des Vergleichsbeispiels verringert werden.
Wie weiter aufgezeigt, war die Abriebbeständigkeit von TiAlCrCN bei der Probe der Ausführungsform besser (zumindest zweimal höher) als beim Verchromen (2 pm/h → 0,5 μm/h). Da Elemente mit einer ausgezeichneten Wärmebeständigkeit aufgetragen werden, kann die Wärmebeständigkeit gegenüber einer Temperatur von 600°C oder mehr sichergestellt werden, um die Wärmebeständigkeit und Charakteristiken einer geringen Reibung im Vergleich zum üblichen Verchromen zu verbessern (Verringerung der Charakteristiken einer geringen Reibung aufgrund eines durch Reibung verursachten Temperaturanstiegs kann verhindert werden).
Obwohl die oben erwähnten Charakteristiken eines Ventils nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beibehalten und sichergestellt werden können, können auch zusätzliche Vorteile, wie beispielsweise das Auslassen einer Hochfrequenzbearbeitung an einem Kopfabschnitt, erzielt werden.
Nach den Ausführungsformen können die Wärmebeständigkeit, Abriebbeständigkeit und Charakteristiken einer geringen Reibung durch das Auftragen einer ersten nanostrukturierten TiAlN/CrN-Mehrschicht mit einer ausgezeichneten Wärmebeständigkeit, Abriebbeständigkeit und Zähigkeit auf die Oberfläche eines Schaftteils eines Ventils und Auftragen einer zweiten nanostrukturierten TiAlCN/CrCN-Mehrschicht mit ausgezeichneten Charakteristiken einer geringen Reibung auf die oberste Oberfläche des Schaftteils zusammen sichergestellt werden.
Folglich kann der Abrieb des Ventils und der Ventilführung aufgrund von Reibung erheblich verringert und auch die Haltbarkeit derselben verlängert werden. Auch die Luftundurchlässigkeit des Ventils kann verbessert werden.
Da ein typischer Hochfrequenzprozess an einem Kopfteil und ein üblicher Verchromungsprozess an einem Schaftteil durch den vorliegenden Beschichtungsprozess vollkommen ersetzt werden können, kann auch der Gesamtprozess verringert und vereinfacht werden.
Das Ventil und Verfahren zum Behandeln der Oberfläche des Ventils kann auf Auslassventile für Fahrzeugmotoren, insbesondere Auslassventile für Dieselmotoren, und Verfahren zum Herstellen der Auslassventile brauchbar angewendet werden.
Die Erfindung wurde in Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen derselben detailliert beschrieben. Jemand mit technischen Fähigkeiten wird jedoch einsehen, dass an diesen Ausführungsformen Änderungen vorgenommen werden können, ohne von den Prinzipien und dem Wesen der Erfindung abzuweichen, deren Bereich in den beiliegenden Ansprüchen und Äquivalenten derselben definiert ist.

Claims

Ventil für einen Motor, aufweisend: einen Schaftteil; eine Pufferschicht, welche auf eine Außenfläche des Schaftteils aufgetragen wird, wobei die Pufferschicht aus Ti oder Cr besteht; eine Zwischenschicht, welche auf die Pufferschicht aufgetragen wird, wobei die Zwischenschicht aus CrN, TiN oder TiCN ausgebildet ist; eine erste nanostrukturierte TiAlN/CrN-Mehrschicht, welche auf die Zwischenschicht aufgetragen wird; und eine zweite nanostrukturierte TiAlCN/CrCN-Mehrschicht, welche auf die erste nanostrukturierte TiAlN/CrN-Mehrschicht aufgetragen wird.
Ventil für den Motor nach Anspruch 1, wobei die zweite nanostrukturierte TiAlCN/CrCN-Mehrschicht abwechselnde Schichten aus nanostrukturierten TiAlCN-Schichten und nanostrukturierten CrCN-Schichten aufweist.
Ventil für den Motor nach Anspruch 2, wobei die zweite nanostrukturierte TiAlCN/CrCN-Mehrschicht eine Gesamtstärke von ca. 0,1 μm bis ca. 10 μm aufweist und wobei die nanostrukturierten TiAlCN-Schichten und die nanostrukturierten CrCN-Schichten jeweils eine Stärke von ca. 10 nm bis ca. 50 nm aufweisen.
Ventil für den Motor nach Anspruch 1, wobei: eine Stärke der Pufferschicht von ca. 0,01 μm bis ca. 0,5 μm reicht; eine Stärke der Zwischenschicht 15 von ca. 0,1 μm bis ca. 5 μm reicht; und eine Stärke der ersten nanostrukturierten TiAlN/CrN-Mehrschicht von ca. 0,1 μm bis ca. 10 μm reicht.
Ventil für den Motor nach Anspruch 1, wobei die Gesamtstärke der Beschichtungsschicht von ca. 0,31 μm bis ca. 25,5 μm reicht.
Ventil für den Motor nach Anspruch 1, wobei die erste nanostrukturierte TiAlN/CrN-Mehrschicht nanostrukturierte TiAlN-Schichten und nanostrukturierte CrN-Schichten mit einer Stärke von ca. 10 nm bis ca. 50 nm aufweist, welche auf abwechselnde Weise wiederholt aufgetragen werden.
Ventil für den Motor nach Anspruch 1, wobei die zweite nanostrukturierte TiAlCN/CrCN-Mehrschicht Kohlenstoff mit einem Gehalt von ca. 5 at% bis ca. 30 at% aufweist.
Ventil für den Motor nach Anspruch 4, wobei die erste nanostrukturierte TiAlN/CrN-Mehrschicht nanostrukturierte TiAlN-Schichten und nanostrukturierte CrN-Schichten mit einer Stärke von ca. 10 nm bis ca. 50 nm aufweist, welche auf abwechselnde Weise wiederholt aufgetragen werden.
Verfahren zum Behandeln einer Oberfläche eines Ventils für eine Motor, aufweisend: Auftragen einer Ti- oder Cr-Pufferschicht auf eine Außenfläche eines Schaftteils des Ventils; Auftragen einer CrN-, TiN- oder TiCN-Zwischenschicht auf die Pufferschicht; Auftragen einer ersten nanostrukturierten TiAlN/CrN-Schicht auf die Zwischenschicht; und Auftragen einer zweiten nanostrukturierten TiAlCN/CrCN-Schicht auf die erste nanostrukturierte TiAlN/CrN-Schicht.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt zum Auftragen der zweiten nanostrukturierten TiAlCN/CrCN-Mehrschicht das abwechselnde Auftragen von nanostrukturierten TiAlCN-Schichten und nanostrukturierten CrCN-Schichten aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die zweite nanostrukturierte TiAlCN/CrCN-Mehrschicht in einer Stärke von ca. 0,1 μm bis ca. 10 μm aufgetragen wird, in welcher jede der nanostrukturierten TiAlCN-Schichten und nanostrukturierten CrCN-Schichten in einer Stärke von ca. 10 nm bis ca. 50 nm aufgetragen werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei: die Pufferschicht, die Zwischenschicht, die erste nanostrukturierte TiAlN/CrN-Mehrschicht und die zweite nanostrukturierte TiAlCN/CrCN-Mehrschicht aufgetragen werden, um eine Gesamtbeschichtungsschicht mit einer Stärke von ca. 0,31 μm bis ca. 25,5 μm zu bilden; die Pufferschicht in einer Stärke von ca. 0,01 μm bis ca. 0,5 μm aufgetragen wird; die Zwischenschicht in einer Stärke von ca. 0,1 μm bis ca. 5 μm aufgetragen wird; und die zweite nanostrukturierte TiAlCN/CrCN-Mehrschicht in einer Stärke von ca. 0,1 μm bis ca. 10 μm aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt zum Auftragen der ersten nanostrukturierten TiAlN/CrN-Mehrschicht das abwechselnde Auftragen von nanostrukturierten TiAlN-Schichten und nanostrukturierten CrN-Schichten aufweist, wobei jede der nanostrukturierten TiAlN-Schichten und nanostrukturierten CrN-Schichten in einer Stärke von ca. 10 nm bis ca. 50 nm aufgetragen werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die zweite nanostrukturierte TiAlCN/CrCN-Mehrschicht Kohlenstoff mit einem Gehalt von ca. 5 at% bis ca. 30 at% aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt zum Auftragen der ersten nanostrukturierten TiAlN/CrN-Mehrschicht das abwechselnde Auftragen von nanostrukturierten TiAlN-Schichten und nanostrukturierten CrN-Schichten aufweist, wobei jede der nanostrukturierten TiAlN-Schichten und nanostrukturierten CrN-Schichten in einer Stärke von ca. 10 nm bis ca. 50 nm aufgetragen werden.