DE102014225690A1 - Hochtemperatur-Niedrigreibungs-Beschichtung und das Verfahren dafür - Google Patents

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Abstract

Es werden eine Beschichtung offenbart, die eine hervorragende Niedrigreibungseigenschaft bei hoher Temperatur aufweist, sowie ein Verfahren zum Bilden der Beschichtung. Die Hochtemperatur-Niedrigreibungs-Beschichtung kann die Hitzeresistenz, Ermüdungsresistenz, Niedrigreibungseigenschaft und Resistenz gegen Festfressen in einem Turbinenrad eines Turboladers und in Bauteilen, die bei einer hohen Temperatur im Abgassystem eines Motors gleiten, verbessern, das Turboloch verbessern, und die Haltbarkeit von Hochtemperaturbauteilen im Abgassystem eines Motors verbessern. Die Hochtemperatur-Niedrigreibungs-Beschichtung schließt ein: eine CrN-Verbindungsschicht (110), die auf dem nitrifizierten Basismaterial (100) abgeschieden ist; eine TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht (120), die auf der CrN-Verbindungsschicht (110) abgeschieden ist, um die Hitzeresistenz, Ermüdungsresistenz, Abnutzungsresistenz und Zähigkeit der Beschichtung zu erreichen; und eine TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht (130), die auf der TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht (120) abgeschieden ist, um Hitzeresistenz, Oxidationsresistenz, Resistenz gegen Festfressen, Zähigkeit und Niedrigreibungseigenschaft der Beschichtung zu erreichen.

Description

  • VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht gemäß 35 U.S.C. §119 die Priorität der koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2014-82831 , eingereicht am 3. Juli 2014 beim koreanischen Amt für geistiges Eigentum, deren Offenbarung hier vollständig unter Bezugnahme eingeschlossen ist.
  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beschichtung mit niedriger Reibung bei hoher Temperatur und ein Verfahren zum Bilden der Beschichtung. Die Beschichtung kann die Hitzeresistenz, Ermüdungsresistenz, Fähigkeit zur niedrigen Reibung und Resistenz gegen Festfressen von Hochtemperatur-Gleitelementen, wie einem Turbolader und einem Turbinenrad oder Aluminium-Gussformen, verbessern, indem eine CrN-Verbindungsschicht auf ein Basismaterial, eine TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht auf die CrN-Verbindungsschicht und eine TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht auf die TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht aufgebracht wird.
  • HINTERGRUND
  • Die gegenwärtige Fahrzeugindustrie verfolgt die Entwicklung verschiedener umweltfreundlicher Fahrzeuge und zielt auf die Anbringung eines Turboladers und einer Abgasrückführung (exhaust gas recirculation, EGR), um die Verbrennungseffizienz eines Motors durch Erhöhung der Temperatur des Abgases zu verbessern und die Abgasmenge an Kohlendioxid auf etwa 50 g/km oder um etwa 35 bis 50% bis 2020 zu reduzieren, indem NOx reduziert wird und der Motor verkleinert wird.
  • Der Turbolader, eine Vorrichtung zur erneuten Nutzung von Abgas für Fahrleistung, ist ein Element zum Verbessern der Treibstoffeffizienz und Reduzieren des Gewichts oder der Größe eines Motors, indem komprimierte Luft hoher Dichte in einen Zylinder eingebracht wird, um die Leistung des Motors zu verbessern. Für die Teile einer Turbine kann es erforderlich sein, dass sie hoher Temperatur und hohem Druck widerstehen, da sie häufig einem Hochtemperatur-Abgas bei einer Temperatur von etwa 800 bis 1.050°C ausgesetzt sind.
  • Insbesondere kann die Effizienz eines Motors verbessert werden, indem 50% des Gewichts eines Turbinenrads eines Turboladers reduziert werden, das Turboloch kann um etwa 30% oder mehr reduziert werden aufgrund frühem Schalten, das durch schnelles Steigern des Drehmoments des Turbinenrads ermöglicht wird, und dementsprechend kann der Betrieb mit höheren eingelegten Gängen erweitert werden.
  • Materialien auf TiAl-Basis wurden für Beschichtungen zum Reduzieren des Gewichts eines Turbinenrads eingesetzt, doch ihre Hitzeresistenz, Rissresistenz, Hochtemperatur-Ermüdungsresistenz und Zähigkeit sind unzureichend. Dementsprechend war das Erhöhen der Dicke des Turbinenrads und Verringern der Abgastemperatur erforderlich, um diese Eigenschaften zu kompensieren.
  • Fahrzeughersteller haben im wesentlichen Aluminiumelemente benutzt, um das Gewicht zu reduzieren, um die Wettbewerbsfähigkeit im Hinblick auf die Verbesserung der Treibstoffeffizienz und der Abgasnormen zu verbessern. Dementsprechend wurden häufig Aluminium-Gussformen eingesetzt, doch Aluminium-Gussformen können eine Verbesserung der Hochleistungseigenschaften aufgrund harter Bedingungen einschließlich kontinuierlichen hohen Lasten und großen Schockbelastungen erfordern. Allerdings kann ihre Lebensdauer durch die Form-Materialien, Formdesign, Arbeitsbedingungen und thermische Behandlung und Oberflächenbehandlung der Formen beeinflusst werden. Weiterhin kann Hitze-Karorissbildung durch einen thermischen Schock verursacht und entwickelt werden, Festfressen und Abnutzung können durch geschmolzenes Aluminium verursacht werden, und thermische Erweichung von Materialien und Beschichtungen kann durch die Arbeit bei hoher Temperatur verursacht werden, so dass die Härte und die Eigenschaften der Aluminium-Gussformen abnehmen können.
  • Daher wurde die Entwicklung einer Beschichtung mit verbesserter Resistenz gegen Festfressen, Abnutzungsresistenz, Niedrigreibungseigenschaft, Hitzeresistenz und Oxidationsresistenz für Formen aktiv verfolgt. Beispielsweise können Nitride oder Carbide auf Basis von Titan (Ti) oder Chrom (Cr) eingesetzt werden, und insbesondere wurden Titanaluminiumnitrid (TiAlN) oder Aluminiumchromnitrid (AlCrN) für Beschichtungen dieser Aluminium-Gussformen im verwandten Stand der Technik eingesetzt.
  • TiAlN (Titanaluminiumnitrid) weist allerdings eine Hitzeresistenz auf, die für den Einsatz als Beschichtung von Aluminium-Gussformen, die einer Hochtemperaturumgebung bei einer Temperatur von maximal etwa 750°C ausgesetzt sind, nicht ausreicht, und andere Eigenschaften verschlechtern sich, wenn es einer solchen Hochtemperaturumgebung ausgesetzt ist, und daher kann sich die thermische Stabilität verschlechtern.
  • Die Resistenz von AlCrN (Aluminiumchromnitrid) gegen Festfressen kann unzureichend sein, so dass geschmolzene Legierungen, wie geschmolzenes Aluminium, einfach an der Oberfläche eines Formungswerkzeugs haften können und die Lebensspanne eines Formungswerkzeugs reduziert sein kann, und die Qualität der geformten Erzeugnisse verschlechtert sein kann.
  • Das Abgasrückführungssystem (EGR) zum Verbessern der Verbrennungseffizienz schließt ein Flachventil, einen Schaft, eine Hülse, einen Spüler und ein Gehäuse ein, in das das Flachventil und die Hülse oder der Spüler und die Hülse bei hoher Temperatur gleiten können. Dementsprechend kann es schwierig sein, das Flachventil zu öffnen und zu schließen, aufgrund von Festfressen und Abnutzung des Spülers oder des Flachventils mit der Hülse bei hoher Temperatur, und die Qualität, wie Lärmentwicklung und Ausgabe, können sich durch die Abnutzung des Flachventils verschlechtern.
  • Inconel713C oder SUS420J2 können ein Material von Bauteilen des EGR in dem verwandten Stand der Technik sein, doch ihnen kann Härte bei hoher Temperatur fehlen, so dass sie anfällig für Abnutzung sind. Zur Lösung dieser Probleme wurde eine CrN-Beschichtung eingesetzt, doch sie kann unzureichende Hitzeresistenz bei einer Temperatur von etwa 500°C oder größer aufweisen, so dass sich die Härte verringert und ein Festfressen durch Reibung und Abnutzung verursacht wird, wodurch sich die Abnutzung beschleunigt.
  • Weiterhin kann eine TiAlN-Beschichtung nicht die zusammengesetzten Anforderungseigenschaften, wie Hitzeresistenz, Abnutzungsresistenz, Resistenz gegen Festfressen und niedrige Reibung bei hoher Temperatur von etwa 700°C erfüllen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Unter einem bevorzugten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Hochtemperatur-Niedrigreibungs-Beschichtung bereit, die das Turboloch durch Änderung der Materialqualität für ein Turbinenrad und Haltbarkeit der Elemente, die bei hoher Temperatur im Abgassystem eines Motors betrieben werden, verbessert. Die Hochtemperatur-Niedrigreibungs-Beschichtung kann die Hitzeresistenz, Ermüdungsresistenz, Niedrigreibungseigenschaft und Resistenz gegen Festfressen verbessern, indem eine Beschichtung auf das Turbinenrad eines Turboladers und die Teile im Abgassystem eines Motors, die bei hoher Temperatur gleiten, aufgebracht wird. Insbesondere kann die Beschichtung einschließen: eine CrN-Verbindungsschicht auf einem Basismaterial, eine TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht auf der CrN-Verbindungsschicht und eine TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht auf der TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht. Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Bilden der Beschichtung bereit.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Hochtemperatur-Niedrigreibungs-Beschichtung einschließen: eine CrN-Verbindungsschicht, die auf einem nitrifizierten Basismaterial abgeschieden ist, um die Nahkontaktfähigkeit der Beschichtung zu verbessern; eine TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht, die auf der CrN-Verbindungsschicht abgeschieden ist, um Hitzeresistenz, Ermüdungsresistenz, Abnutzungsresistenz und Festigkeit der Beschichtung zu erreichen; und eine TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht, die auf der TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht abgeschieden ist, um Hitzeresistenz, Oxidationsresistenz, Resistenz gegen Festfressen, Festigkeit und Niedrigreibungseigenschaft der Beschichtungsschicht zu erreichen.
  • Insbesondere kann die Dicke der TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht (120) im Bereich von etwa 0,5 bis 10 μm liegen, und die Dicke der TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht (130) kann im Bereich von etwa 0,5 bis 10 μm liegen.
  • Der Yttrium- und Kohlenstoff(YC)-Gehalt in der TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht (130) kann in einem Bereich von etwa 2 bis 30 Atom% liegen, auf Basis der gesamten Atome der TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht (130).
  • Das Atomverhältnis von Titan, Aluminium und Chrom (Ti:Al:Cr) der TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht (120) kann etwa 1:1:1 sein.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform kann ein Verfahren zum Bilden der Hochtemperatur-Niedrigreibungs-Beschichtung die folgenden Schritte einschließen: Erzeugen von Vakuum in einer Kammer, Erzeugen eines Plasmazustands von Argonionen durch Injizieren von Argongas und dann Reinigen und Aktivieren der Oberfläche eines nitrifizierten Basismaterials, in dem Argonkationen dazu gebracht werden, auf die Oberfläche des Basismaterials zu treffen; Injizieren von Stickstoffgas (N2) in die Kammer, um N-Ionen bereitzustellen und dann eine CrN-Verbindungsschicht auf der Oberfläche des Basismaterials unter Verwendung eines Cr-Targets, das Cr-Ionen bereitstellt, zu bilden; Bilden einer TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht auf der CrN-Verbindungsschicht durch Verwendung eines TiAl-Targets, das TiAl-Ionen bereitstellt, des Cr-Targets, das Cr-Ionen bereitstellt und eines Y-Targets, das Y-Ionen bereitstellt; und dann weiter Injizieren von Acetylengas (C2H2) in die Kammer, um C-Ionen bereitzustellen und dann die TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht auf der TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht zu bilden unter Verwendung des TiAl-Targets, das TiAl-Ionen bereitstellt, des Cr-Targets, das Cr-Ionen bereitstellt und des Y-Targets, das Y-Ionen bereitstellt.
  • Beim Bilden der TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht kann die TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht in etwa 0,5 bis 10 μm Dicke gebildet werden, und beim Bilden der TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht kann die TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht in einer Dicke von etwa 0,5 bis 10 μm gebildet werden.
  • Beim Bilden der TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht kann ein YC-Gehalt in der TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht in einem Bereich von etwa 2 bis 30 Atom% liegen, auf Basis der gesamten Atome der TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht (130).
  • Beim Bilden der TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht (120) kann das Atomverhältnis von Ti:Al:Cr in der TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht (120) etwa 1:1:1 sein.
  • Gemäß verschiedener beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Hochtemperatur-Niedrigreibungs-Beschichtung verbesserte Hochtemperaturstabilität, Resistenz gegen Hochtemperatur-Festfressen und Hochtemperatur-Reibungsabnutzungsresistenz aufweisen, so dass das Ausmaß der Abnutzung reduziert werden kann und die Lebensdauer von Bauteilen, die bei hoher Temperatur gleiten, wie das Turbinenrad eines Turboladers, ein Hochtemperaturbauteil, ein Bauteil, das bei hoher Temperatur in einen Motor und einem Abgassystem gleitet, ein Aluminiumformguss-Formungswerkzeug und ein Hochtemperatur-Stanzformungswerkzeug, erhöht werden kann.
  • Dementsprechend kann ein Turboloch verbessert werden, weil das Gewicht, beispielsweise eines Turbinenrads, reduziert werden kann. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Beschichtung auf eine Hitzeabschirmung, auf einen oberen Leitschaufelkranz, ein Gehäuse, einen Stift, einen inneren Hebel, einen Walzenabstandhalter und einen Bolzen eines Turboladers, die aus hochpreisigen Hochtemperaturmaterialien hergestellt sind, aufgebracht werden, und kann deren Eigenschaften verbessern. Weiterhin kann die Lebensauer eines Hochtemperatur-Formungswerkzeugs verbessert werden.
  • Es versteht sich, dass eine ”Beschichtung”, wie hier verwendet, selbst mehrere Schichten umfassen kann, beispielsweise kann, wie oben beschrieben, eine Niedrigreibungsbeschichtung 1) eine CrN-Verbindungsschicht, 2) eine TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht und 3) eine TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht umfassen.
  • Weiterhin werden Bauteile, wie ein Turbinenrad, ein Turbolader oder Aluminiumformguss-Formungswerkzeuge bereitgestellt, die die erfindungsgemäße Beschichtung wie hier offenbart umfassen.
  • Außerdem werden Fahrzeuge einschließlich Automobile bereitgestellt, die ein Bauteil umfassen, das die erfindungsgemäße Beschichtung wie hier offenbart enthält.
  • Weiter Aspekte der Erfindung werden unten diskutiert.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 illustriert eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Beschichtung, die ein Basismaterial, eine CrN-Verbindungsschicht, eine TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht und eine TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst.
  • 2 illustriert eine beispielhafte Konfiguration einer Vorrichtung zur physikalischen Gasphasenabscheidung (physical vapor deposition, PVD) zum Bilden einer beispielhaften Beschichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Die 3 bis 5 zeigen fotografische Ansichten von beispielhaften Mustern gemäß beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
  • Die 6 bis 8 zeigen fotografische Ansichten von Testergebnissen des Hochtemperatur-Festfressens auf beispielhaften Mustern gemäß beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die Begriffe und Worte, die in der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen verwendet werden, sollen nicht so interpretiert werden, dass sie auf typische Bedeutungen oder Wörterbuch-Bedeutungen beschränkt sind, sondern sollten so interpretiert werden, dass sie Bedeutungen und Konzepte aufweisen, die für den technischen Bereich der vorliegenden Erfindung relevant sind, auf Basis der Regel, nach der ein Erfinder das Konzept der Begriffe geeigneterweise definieren kann, um den besten Modus, den er oder sie zum Ausführen der Erfindung kennt, am geeignetsten zu beschreiben.
  • Die hier verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck der Beschreibung besonderer Ausführungsformen, und es ist nicht beabsichtigt, dass sie die Erfindung beschränkt. Wie hier verwendet, ist beabsichtigt, dass die Singular-Formen ”ein/eine” und ”der”, ”die” und ”das” auch die Plural-Formen einschließen, solang es der Kontext nicht klar anders anzeigt. Es versteht sich weiterhin, dass der Begriff ”umfassen” und/oder ”umfassend”, wenn in dieser Beschreibung verwendet, das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritt, Operationen, Elemente und/oder Komponenten angibt, aber das Vorhandensein oder das Hinzufügen ein oder mehrerer anderer Merkmale, Zahlen, Schritt, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht ausschließt. Wie hier verwendet zeigt der Begriff ”und/oder” beliebige und alle Kombinationen von ein oder mehreren der damit verbundenen aufgelisteten Punkte an.
  • Wenn nicht anders angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich, versteht sich der Begriff ”etwa”, wie hier verwendet, als innerhalb eines Bereichs der normalen Toleranz des Standes der Technik, beispielsweise innerhalb von 2 Standardabweichungen vom Mittelwert. ”Etwa” kann verstanden werden als innerhalb von 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des angegebenen Werts. Wenn es nicht anhand des Kontexts klar anderweitig ersichtlich ist, sind alle hier angegebenen numerischen Wert durch den Begriff ”etwa” modifiziert.
  • Es versteht sich, dass der Begriff ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere, ähnliche Begriffe wie hier verwendet, Motorfahrzeuge im allgemeinen einschließen, wie Personenwagen einschließlich Sports-Utility-Vehikels (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene gewerbliche Fahrzeuge, Wasserfahrzeuge einschließlich verschiedener Boote und Schiffe, Flugzeuge und ähnliches und Hybridfahrzeuge, elektrische Fahrzeuge, Plug-in-Hybrid-elektrische Fahrzeuge, Wasserstoff-betriebene Fahrzeuge und andere mit alternativem Treibstoff betriebene Fahrzeuge (beispielsweise Treibstoff, die von Ressourcen außer Erdöl abgeleitet sind) einschließt. Wie hier verwendet, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehrere Energiequellen aufweist, beispielsweise Fahrzeuge, die sowohl mit Benzin als auch elektrisch angetrieben sind.
  • Die vorliegende Erfindung wird im folgenden im Detail beschrieben.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochtemperatur-Niedrigreibungs-Beschichtung und ein Verfahren zum Bilden der Beschichtung. Unter einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Hochtemperatur-Niedrigreibungs-Beschichtung zum Verbessern der Hitzeresistenz, Ermüdungsresistenz, Niedrigreibungsfähigkeit und Resistenz gegen Festfressen, beispielsweise für das Turbinenrads eines Turboladers und die Bauelemente, die im Abgassystem eines Fahrzeugmotors bei hoher Temperatur gleiten, bereit.
  • 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Beschichtung, die ein nitrifiziertes Basismaterial (100), eine CrN-Verbindungsschicht (110), eine TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht (120) und eine TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht (130) einschließt. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die erfindungsgemäße Hochtemperatur-Niedrigreibungs-Beschichtung einschließen: die CrN-Verbindungsschicht (110), die auf dem nitrifizierten Basismaterial (100) abgeschieden ist, um die Nahkontaktfähigkeit einer Beschichtung zu verbessern; die TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht (120), die auf der CrN-Verbindungsschicht (110) abgeschieden ist, um die Hitzeresistenz, Ermüdungsresistenz, Abnutzungsresistenz und Zähigkeit der Beschichtung zu erreichen; und die TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht (130), die auf der TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht (120) abgeschieden ist, um Hitzeresistenz, Oxidationsresistenz, Resistenz gegen Festfressen, Zähigkeit und Niedrigreibungsfähigkeit der Beschichtung zu erreichen.
  • (1) CrN-Verbindungsschicht (110)
  • Die CrN-Verbindungsschicht (110), wie hier verwendet, kann die Verbindungskraft zwischen dem Basismaterial (110) und der TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht (120) verbessern. Die CrN-Verbindungsschicht (110) kann ebenso die verbleibende Spannung in der Beschichtung reduzieren und regulieren, und verbessert Zähigkeit, Ermüdungsresistenz und Schockresistenz.
  • (2) TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht (120)
  • Die TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht (120), wie hier verwendet, kann verbesserte Hitzeresistenz, Ermüdungsresistenz, Abnutzungsresistenz, Resistenz gegen Festfressen und Zähigkeit für die Beschichtung bereitstellen. Insbesondere wenn die Beschichtung hoher Temperatur ausgesetzt ist, kann Yttrium (Y) anfänglich in die Basis der Beschichtung eindringen und das Eindringen anderer Komponenten verhindern, indem es als Diffusionsblockierer fungiert, so dass die Resistenz gegen Festfressen und Zähigkeit der Beschichtung verbessert werden kann.
  • Die Dicke der TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht (120) kann in einem Bereich von etwa 0,5 bis 10 μm liegen. Wenn die Dicke der TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht (120) weniger als etwa 0,5 μm ist, so kann sie anfällig für lokale Belastungen sein, so dass die Beschichtung abgetrennt werden kann, wenn eine Last auf die Beschichtung ausgeübt wird. Wenn andererseits die Dicke der TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht (120) größer als etwa 10 μm ist, kann der innere Druck der Beschichtung ansteigen, so dass die Zähigkeit, Härte und das Elastizitätsmodul der Beschichtung abnehmen kann, und die Verarbeitungszeit kann beträchtlich ansteigen, was die ökonomische Effizienz reduziert.
  • Das Atomverhältnis von Ti:Al:Cr in der TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht (120) kann etwa 1:1:1 sein.
  • Die TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht (120) kann in einer Mehrfach-Nanoschichtkonfiguration vorliegen, die durch alternierendes Überlappen einer TiAlN-Nanoschicht und einer CrYN-Nanoschicht gebildet wird.
  • (3) TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht (130)
  • Die TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht (130), wie hier verwendet, kann verbesserte Hitzeresistenz, Oxidationsresistenz, Resistenz gegen Festfressen, Zähigkeit und Niedrigreibungsfähigkeit der Beschichtung bereitstellen. Wie oben beschrieben kann, wenn die Beschichtung einer hohen Temperatur ausgesetzt ist, Yttrium (Y) anfänglich in die Basis der Beschichtung eindringen und das Eindringen anderer Komponenten verhindern, indem es als Diffusionsblockierer fungiert, so dass es die Resistenz gegen Festfressen und die Zähigkeit der Beschichtung verbessern kann. Weiterhin kann Kohlenstoff (C) die Resistenz gegen Festfressen, chemische Resistenz, Niedrigreibungseigenschaft und Abnutzungsresistenz zusammen mit Yttrium (Y) verbessern.
  • Die Dicke der TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht (130) kann im Bereich von etwa 0,5 bis 10 μm liegen. Wenn die Dicke der TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht (130) weniger als etwa 0,5 μm ist, so kann sie anfällig für lokale Belastung sein, so dass die Beschichtung abgetrennt werden kann, wenn eine Last auf die Beschichtung ausgeübt wird. Wenn andererseits die Dicke der TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht (130) größer als etwa 10 μm ist, kann der innere Druck der Beschichtung ansteigen, so dass die Zähigkeit, Härte und das Elastizitätsmodul der Beschichtung abnehmen kann, und die Verarbeitungszeit kann beträchtlich ansteigen, wodurch die ökonomische Effizienz reduziert wird.
  • Auf Basis der gesamten Atome der TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht (130) können der Y-Gehalt und der C-Gehalt in der TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht (130) im Bereich von etwa 1 bis 10 Atom% bzw. etwa 1 bis 20 Atom% liegen. Insgesamt kann der YC-Gehalt in der TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht (130) im Bereich von etwa 2 bis 30 Atom% in Bezug auf die gesamten Atome der TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht (130) liegen. Wenn der Gehalt von YC weniger als etwa 2 Atom% ist, so können die Niedrigreibungseigenschaft und die Resistenz gegen Festfressen abnehmen, und wenn der Gehalt an YC größer als etwa 30 Atom% ist, so können die Härte und Hitzeresistenz abnehmen.
  • Die TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht (130) kann eine Mehrfach-Nanoschichtkonfiguration aufweisen, die durch alternierendes Überlappen einer TiAlN-Nanoschicht und einer CrYN-Nanoschicht gebildet wird.
  • Die erfindungsgemäße Hochtemperatur-Niedrigreibungs-Beschichtung kann auf eine Hitzeabschirmung, einen oberen Schaufelkranz, ein Gehäuse, einen Stift, einen inneren Hebel, einen Walzenabstandhalter und einen Bolzen eines Turboladers, die aus hochpreisigen Hochtemperaturmaterialien hergestellt sind, aufgebracht werden und kann deren Eigenschaften verbessern. Weiterhin kann die Beschichtung auf das Abgassystem eines Motors, das ein Bauteil ist, das bei hoher Temperatur gleitet, aufgebracht werden und die gewünschte Lebensdauer des Motors erhöhen.
  • Unter einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bilden der Hochtemperatur-Niedrigreibungs-Beschichtung bereit.
  • Das Verfahren zur Beschichtung der Oberfläche eines Basismaterials mit einer Beschichtung kann in physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) und chemische Gasphasenabscheidung (CVD) eingeteilt werden.
  • PVD ist ein Verfahren vom Trocken-Typ, das eine Kathode mit einem Target-Basismaterial verbindet, gasförmiges ionisiertes Metall zuführt und das ionisierte Metall auf der Oberfläche des Basismaterials unter Verwendung elektrischer Anziehung abscheidet. Dementsprechend kann eine gleichförmige Beschichtung auf der Oberfläche eines Basismaterials erhalten werden, und die Nahkontaktkraft kann unter Verwendung von Mikroionenpartikeln erhöht werden.
  • Dementsprechend kann PVD, das einen Lichtbogen, Hochleistungsimpulsmagnetron-Sputtern (HIPIMS) und induktiv gekoppeltes Plasma (ICP) einsetzt, verwendet werden, um Nano- große Partikel einer Beschichtung und Hochgeschwindigkeitsbeschichten zu erreichen.
  • 2 illustriert eine beispielhafte Konfiguration einer PVD-Vorrichtung zur Bildung einer erfindungsgemäßen Beschichtung. Wie in 2 illustriert, kann die PVD-Vorrichtung einschließen: eine Kammer (200); eine Pumpe (210), ein TiAl-Target (220), ein Cr-Target (230), ein Y-Target (240), eine Gasinjektionseinheit (250) und eine Heizeinheit (260), die auf der Kammer (200) angebracht sind; und eine drehbaren Halter (270), mit dem ein nitrifiziertes Basismaterial (100) im Inneren der Kammer (200) platziert werden kann.
  • Ein Verfahren zum Bilden der Hochtemperatur-Niedrigreibungs-Beschichtung unter Verwendung der PVD-Ausrüstung kann einschließen: Erzeugen von Vakuum im Inneren der Kammer (200), Erzeugen eines Plasmazustandes von Argonionen durch Injizieren von Argongas, und dann Reinigen und Aktivieren der Oberfläche des Basismaterials (100), in dem Argonionen dazu gebracht werden, auf die Oberfläche des nitrifizierten Basismaterials (100) aufzutreffen; Injizieren von Stickstoffgas (N2) in die Kammer (200), um N-Ionen bereitzustellen und dann Bildung der CrN-Verbindungsschicht (110) auf der Oberfläche des Basismaterials (100) durch Verwendung des Cr-Targets (230), das Cr-Ionen bereitstellt; Bilden der TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht (120) auf der CrN-Verbindungsschicht (110) durch Verwendung des TiAl-Targets (220), das TiAl-Ionen bereitstellt, des Cr-Targets (230), das Cr-Ionen bereitstellt und des Y-Targets (240), das Y-Ionen bereitstellt; und Injizieren von Acetylengas (C2H2) in die Kammer (200), um C-Ionen bereitzustellen und dann Bilden der TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht (130) auf der TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht (120) durch Verwendung des TiAl-Targets (220), das TiAl-Ionen bereitstellt, des Cr-Targets (230), das Cr-Ionen bereitstellt und des Y-Targets (240), das Y-Ionen bereitstellt.
  • Wenn die TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht (120) gebildet wird, so kann die TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht (120) in einer Dicke von etwa 0,5 bis 10 μm gebildet werden, und wenn die TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht (130) gebildet wird, so kann die TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht (130) in einer Dicke von etwa 0,5 bis 10 μm gebildet werden.
  • Im Detail kann als Vorverfahren des Beschichtens das Innere der Kammer (200) durch die Pumpe (210) in einen Vakuumzustand gesetzt werden, und dann kann ein Plasmazustand von Argonionen durch Injizieren von Argongas durch die Gasinjektionseinheit (250) erzeugt werden.
  • Die Kammer (200) kann durch die Heizeinheit (260) erwärmt werden, und die Oberfläche des Basismaterials (100) kann gereinigt und aktiviert werden, indem die Argonkationen durch Anlegen einer Vorspannung auf die Form dazu gebracht werden, gegen die Oberfläche des Basismaterials (100) zu treffen.
  • Im Anschluss kann eine Stickstoffatmosphäre durch Injizieren von Stickstoffgas (N2) in die Kammer (200) durch die Gasinjektionseinheit (250) gebildet werden, und die CrN-Verbindungsschicht (110), die die verbleibende Spannung aufgrund des Beschichtens reduzieren und regeln kann und die Zähigkeit, Ermüdungsresistenz und Schockresistenz verbessern kann, kann auf der Oberfläche des Basismaterials (100) unter Verwendung des Cr-Targets (230), das Cr-Ionen bereitstellt, gebildet werden.
  • Die TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht (120) kann in einer Dicke von etwa 0,5 bis 10 μm auf der CrN-Verbindungsschicht (110) unter Verwendung des TiAl-Targets (220), das TiAl-Ionen bereitstellt, des Cr-Targets (230), das Cr-Ionen bereitstellt und des Y-Targets (240), das Y-Ionen bereitstellt, gebildet werden. Insbesondere kann das Atomverhältnis von Ti:Al:Cr etwa 1:1:1 sein.
  • Acetylengas (C2H2) kann weiterhin neben dem Stickstoffgas (N2) durch die Gasinjektionseinheit (250) injiziert werden, um C bereitzustellen, und dann kann die TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht (130) in einer Dicke von etwa 0,5 bis 10 μm auf der TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht (120) unter Verwendung des TiAl-Targets (220), das TiAl-Ionen bereitstellt, des Cr-Targets (230), das Cr-Ionen bereitstellt und des Y-Targets (240), das Y-Ionen bereitstellt, gebildet werden.
  • Auf Basis der gesamten Atome in der TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht (130) kann der Y-Gehalt in der TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht (130) etwa 1 bis 10 Atom% sein, und C-Gehalt kann etwa 1 bis 20 Atom% sein, und der YC-Gehalt zu den gesamten Atomen in der TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht (130) kann zu etwa 2 bis 30 Atom% bestimmt werden.
  • BEISPIEL
  • Die vorliegende Erfindung wird im folgenden in weiteren Details durch Ausführungsformen beschrieben. Diese Ausführungsformen sind lediglich Beispiele der vorliegenden Erfindung, und es ist für den Fachmann ersichtlich, dass der Bereich der vorliegenden Erfindung nicht so interpretiert werden soll, dass er auf die Ausführungsformen beschränkt ist.
  • Um die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Niedrigreibungs-Beschichtung zu vergleichen, wurden die Muster von Beispiel 1, Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 durch PVD hergestellt, und ihre Eigenschaften wurden verglichen. [Tabelle 1]
    Gesichtspunkt Beispiel 1 Vergleichsbeispiel 1 Vergleichsbeispiel 2
    Oberfächenbeschichtungslage TiAlCrYCN TiAlN TiAlCrSiCN
    Dicke der gesamten Beschichtung (μm) 9,8 (2,6 CrN- 4,1 TiAlCrYN- 3,1 TiAlCrYCN) 10,2 (4,9 CrN- 5,3 TiAlN) 10,3 (4 CrN- 4,1 TiAlCrN- 2,2 TiAlCrSiCN)
    Verbindungskraft (N) 50 oder mehr 50 oder mehr 50 oder mehr
    Härte (HV), (Raumtemperatur) 2740 2940 3050
    Hochtemperaturhärte (HV) unter 900°C/6 Stunden 2712 2147 2752
    Härtereduktionsrate (%) 1,0 27,0 9,8
  • Tabelle 1 zeigt den Vergleich der Eigenschaften von Beispiel 1, das eine TiAlCrYCN-Beschichtung einschließt, Vergleichsbeispiel 1, das eine TiAlN-Beschichtung des verwandten Standes der Technik einschließt und Vergleichsbeispiel 2, das eine TiAlCrSiCN-Beschichtung einschließt.
  • Die Verbindungskraft wurde berechnet, indem eine Rillenlinie auf den Beschichtungsoberflächen der Muster von Beispiel 1, Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 durch Erhöhen einer Last mit einer Diamantspitze gebildet wurde, und dann die ausgeübte Last gemessen wurde, bis sich die Beschichtungen als erstes trennten.
  • Die Dicke der Beschichtungen wurden anhand von Kratern gemessen, die durch Pressen einer Stahlkugel in die Muster von Beispiel 1, Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 gebildet wurden.
  • Die Härte wurde durch Berechnung von Rillen gemessen, die durch Drücken eines eines Eindringkörpers mit einer Tiefe von etwa 0,7 μm in die Muster von Beispiel 1, Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 unter einer Last von etwa 0,05 N gebildet wurden.
  • Die Hochtemperaturhärte wurde gemessen, indem die Muster von Beispiel 1, Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 in einem Ofen bei einer Temperatur von etwa 900°C über etwa 6 Stunden belassen wurden, auf Raumtemperatur abgekühlt wurden, woraufhin die Härte auf die gleiche Weise wie vorher gemessen wurde, und die Reduktionsrate der Härte und die Hochtemperaturhärte, gemessen bei hoher Temperatur, wurde gemessen.
  • Gemäß der Testergebnisse von Beispiel 1, Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 war die bei Raumtemperatur gemessene Härte von Beispiel 1, das die erfindungsgemäße TiAlCrYCN-Schicht einschließt, geringer als die von Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2, und die Differenz zwischen der bei hoher Temperatur von etwa 900°C gemessenen Härte und der bei Raumtemperatur gemessenen Härte war die geringste, und es wurde ein Niveau gehalten, das gleich der Hochtemperaturhärte in Vergleichsbeispiel 2 war. Dementsprechend konnte die Hochtemperaturstabilität in Beispiel 1 deutlich verbessert werden.
  • Insbesondere kann die erfindungsgemäße TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsbeschichtung, wie in Beispiel 1 gezeigt, eine Hochtemperatur-Hitzeresistenz bei einer Temperatur von etwa 900°C und eine Hochtemperaturstabilität aufweisen, oder eine Reduktionsrate der Härte, die gegenüber derjenigen der TiAlN-Schicht siebenundzwanzigfach und gegenüber derjenigen der TiAlCrSiCN-Schicht etwa zehnfach verbessert ist.
  • Die 3 bis 5 zeigen fotografische Ansichten beispielhafter Muster von Beispiel 1, Vergleichsbeispiel 1 bzw. Vergleichsbeispiel 2, und die 6 bis 8 zeigen fotografische Ansichten der Muster von Beispiel 1, Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 nach einem Test des Hochtemperatur-Festfressens durch Eintauchen und Rotieren in geschmolzenem ADC12 (Aluminium) bei einer Temperatur von etwa 850°C für eine vorbestimmte Zeit und dann Reinigen mit Natriumhydroxid (NaOH), um das anhaftende Aluminium zu entfernen.
  • Wie in den 3 bis 8 gezeigt, hat das Muster des Vergleichsbeispiels 1 nach dem Test des Hochtemperatur-Festfressens eine beträchtliche Menge an festgefressenen Abschnitten, und die festgefressenen Abschnitte wurden nach der Reinigung mit Natriumhydroxid aufgelöst. Das Muster von Vergleichsbeispiel 2 hatte eine geringere Menge an festgefressenen Abschnitten, und eine geringe Menge der festgefressenen Abschnitte wurden nach dem Reinigen aufgelöst, doch es wurden deutlich Oberflächendefekte erzeugt.
  • In Beispiel 1, das einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform entspricht, wurden allerdings festgefressene Abschnitte kaum gebildet, und kein aufgelöster Abschnitt und Oberflächendefekt wurde gefunden, da die Resistenz des Basismaterials gegen Festfressen deutlich durch die erfindungsgemäße Beschichtung, insbesondere die TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsbeschichtung, verbessert war. [Tabelle 2]
    Gesichtspunkt Beispiel 1 Vergleichsbeispiel 1 Vergleichsbeispiel 2
    Oberfächenbeschichtungslage TiAlCrYCN TiAlN TiAlCrSiCN
    Ausmaß der Abnutzung der Beschichtung (Scheibe) (mg) 1,52 34,2 10,3
    Ausmaß der Abnutzung des Gegenmaterials (Nadel) (mg) 3,45 94,6 31,4
    Gesamtes Ausmaß der Abnutzung (mg) 4,97 128,8 41,7
    Reibungskoeffizient der Beschichtung 0,28 0,75 0,39
  • Tabelle 2 zeigt den Vergleich des Hochtemperatur-Reibungsabnutzungstests mit Beispiel 1, Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2.
  • Der Hochtemperatur-Reibungsabnutzungstest wurde durch Messen des Ausmaßes der Reibung und des Reibungskoeffizienten zwischen den Beschichtungen (Scheibe) und den Nadeln (WC-Material) von Beispiel 1, Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 durchgeführt, unter Verwendung eines Nadel-auf-Scheibe-Reibungsabnutzungstesters. Die Testbedingungen umfasst eine Last von etwa 20 N, eine Strecke von etwa 2 km, eine Geschwindigkeit von etwa 0,1 m/Sekunde und eine Temperatur von etwa 850°C.
  • Gemäß des Hochtemperatur-Reibungsabnutzungstests war Ausmaß der Abnutzung der Beschichtung (Scheibe) und das Ausmaß der Abnutzung des Gegenmaterials (Nadel) in Beispiel 1 deutlich geringer als diejenigen von Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2, und der Reibungskoeffizient von Beispiel 1 war ebenfalls am niedrigsten.
  • Folglich kann die Hochtemperatur-Reibungsabnutzungsresistenz der Beschichtung gemäß einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform deutlich verbessert werden im Hinblick auf die Tatsache, dass die Hochtemperatur-Reibungsabnutzung von Beispiel 1, das die erfindungsgemäße TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsbeschichtung einschließt, am geringsten war und der Reibungskoeffizient am geringsten ist.
  • Im Detail war die Resistenz gegen Hochtemperatur-Festfressen bei einer Temperatur von etwa 850°C bei der TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsbeschichtung von Beispiel 1 gemäß einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform deutlich verbessert im Vergleich mit der TiAlN-Schicht von Vergleichsbeispiel 1 und der TiAlCrSiCN-Schicht von Vergleichsbeispiel 2. Als solche betrachtet, wurden die Hochtemperatur-Niedrigreibungseigenschaft und die Abnutzungsresistenz bei einer Temperatur von ungefähr 850°C des Beispiels um das etwa 26-fache im Vergleich zu Vergleichsbeispiel 1 und das etwa 8,4-fache oder mehr im Vergleich zu Vergleichsbeispiel 2 verbessert, auf der Basis des Abnutzungsbetrags. Weiterhin war die Hochtemperatur-Niedrigreibungseigenschaft und die Abnutzungsresistenz bei einer Temperatur von etwa 850°C von Beispiel 1 um das etwa 2,7-fach und das etwa 1,4-fache oder mehr im Vergleich zu Vergleichsbeispiel 1 bzw. Vergleichsbeispiel 2 verbessert, auf Basis des Reibungskoeffizienten. [Tabelle 3]
    Gesichtspunkt Beispiel 1 Beispiel 2 Vergl.-beispiel 3 Vergl.-beispiel 4 Vergl.-beispiel 5 Vergl.-beispiel 6
    Dicke der TiAlCrYCN-Funktionsschicht (μm) 8 10 0,4 12 8 8
    Dicke der TiAlCrYN-Supportschicht (μm) 8 10 8 8 0,4 12
    Elastizitätsindex (H/E) 0,086 0,082 0,091 0,064 0,075 0,064
    Beschichtungszeit (Stunden) 8 10 4,2 13 4,4 13
    Ablösung der Beschichtung unter lokaler Last nein nein ja nein ja nein
    H: Härte E: Elastizitätsmodul
  • Tabelle 3 zeigt den Vergleich des Elastizitätsindex und der Beschichtungszeit in Abhängigkeit von der Dicke der TiAlCrYCN-Funktionsschicht und der TiAlCrYN-Supportschicht. Beispiel 2 und Vergleichsbeispiele 3 bis 6 in Tabelle 3 haben die gleiche Konfiguration wie Beispiel 1, doch die Dicken der TiAlCrYCN-Funktionsschicht oder der TiAlCrYN-Supportschicht sind unterschiedlich.
  • Weiterhin ist die Dicke der TiAlCrYCN-Funktionsschicht in Vergleichsbeispiel 3 weniger als etwa 0,5 μm, während die Dicke der TiAlCrYCN-Funktionsschicht in Vergleichsbeispiel 4 größer als etwa 10 μm ist. Weiterhin ist die Dicke der TiAlCrYN-Supportschicht im Vergleichsbeispiel 5 weniger als etwa 0,5 μm, während die Dicke der TiAlCrYN-Supportschicht in Vergleichsbeispiel 6 größer als etwa 10 μm ist.
  • Da die Dicken der TiAlCrYCN-Funktionsschicht und der TiAlCrYN-Supportschicht in den Beispielen 1 bis 2 im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 10 μm gemäß einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform liegen, war der Elastizitätsindex, der die Zähigkeit anzeigt, größer als diejenigen der Vergleichsbeispiel 4 bis 6 und geringer als der von Vergleichsbeispiel 3. Indessen wurde in Vergleichsbeispiel 3 die Beschichtung unter lokaler Last abgelöst.
  • Die Elastizitätsindizes (H/E) in den Vergleichsbeispielen 4 bis 6 sind geringer als diejenigen in Beispiel 1 bis 2, da die Dicke der TiAlCrYCN-Funktionsschicht oder der TiAlCrYN-Supportschicht größer als 10 μm war, und die Spannung aufgrund eines Anstiegs des inneren Drucks zunahm.
  • Wenn eine lokale Last auf die Beschichtungen in Vergleichsbeispielen 3 bis 5 ausgeübt wird, kann sich die Beschichtung ablösen, da die Beschichtungslagen einer angelegten Last nicht widerstehen können, wenn die Dicke der TiAlCrYCN-Funktionsschicht oder der TiAlCrYN-Supportschicht weniger als 0,5 μm ist.
  • Die Beschichtungszeit der TiAlCrYCN-Funktionsschicht oder der TiAlCrYN-Supportschicht nimmt proportional zur Dicke der Beschichtung innerhalb des Bereichs von etwa 0,5 bis 10 μm gemäß einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform zu. Wenn allerdings die Dicke der Beschichtung größer als etwa 10 μm ist, so kann weiterhin eine etwa 50 größere Beschichtungszeit erforderlich sein. Dementsprechend kann die Dicke von etwa 0,5 bis 10 μm der TiAlCrYCN-Funktionsschicht oder der TiAlCrYN-Supportschicht in Bezug auf die Kosten optimal sein. [Tabelle 4]
    Gesichtspunkt Beispiel 1 Vergleichsbeispiel 7 Vergleichsbeispiel 8
    YC-Gehalt von TiAlCrYCN-Funktionsschicht (Atom%) 15 1 32
    Hochtemperatur-Niedrigreibungskoeffizient bei 850°C 0,48 0,54 0,35
    Härte (HV, Raumtemperatur) 2740 2886 2421
    Hochtemperaturhärte (HV) unter 900°C/6 Stunden 2712 2646 2164
    Reduktionsrate der Härte (%) 1,0 8,3 10,6
    Test des Festfressens mit geschmolzenem Aluminium unter 850°C/30 Stunden kein Oberflächendefekt zu viele Oberflächendefekte zu viel Festfressen kein Oberflächendefekt
    Anmerkung hervorragende Niedrigreibungseigenschaft, Resistenz gegen Festfressen, Härte- und Hitzeresistenz Niedrigreibungseigenschaft und Resistenz gegen Festfressen reduziert Härte- und Hitzeresistenz reduziert
  • Tabelle 4 zeigt den Vergleich des Hochtemperatur-Reibungskoeffizienten, der Härte, Hochtemperaturhärte, Reduktionsrate der Härte und Testergebnis zum Festfressen in Abhängigkeit vom YC-Gehalt in der TiAlCrYCN-Funktionsschicht.
  • In den Vergleichsbeispielen 7 bis 8 ist die Konfiguration die gleiche wie in Beispiel 1, doch der YC-Gehalt oder der Gesamtgehalt an Y (Yttrium) und C (Kohlenstoff) in der TiAlCrYCN-Funktionsschicht ist außerhalb des Bereichs von etwa 2 bis 30 Atom% zu den gesamten Atomen der TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht.
  • Im Detail waren die Niedrigreibungseigenschaft, Hitzeresistenz und Resistenz gegen Festfressen in Beispiel 1, das den YC-Gehalt der TiAlCrYCN-Funktionsschicht innerhalb des Bereichs gemäß einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform aufweist, deutlich verbessert. Im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen 7 bis 8 war der Reibungskoeffizient in Beispiel 1 niedriger, die Hochtemperaturhärte war größer, die Härtereduktionsrate war am geringsten und es wurde kein Oberflächendefekt beim Test zum Festfressen in geschmolzenem Aluminium gefunden.
  • Im Kontrast dazu war im Vergleichsbeispiel 7, das den YC-Gehalt in der TiAlCrYCN-Funktionsschicht von weniger als etwa 2 Atom% aufweist, der Reibungskoeffizient größer als der von Beispiel 1, die Niedrigreibungseigenschaft ist geringer und im Test zum Festfressen in geschmolzenem Aluminium wurden erheblich Oberflächendefekte des Musters und Festfressen gebildet, so dass die Resistenz gegen Festfressen unterlegen ist.
  • Ebenso war im Vergleichsbeispiel 8, das den YC-Gehalt in der TiAlCrYCN-Funktionsschicht von größer als etwa 30 Atom% aufweist, der Reibungskoeffizient niedriger als der von Beispiel 1, die Niedrigreibungseigenschaft ist geringfügig verbessert gegenüber Beispiel 1, doch die Härte ist unterlegen und das Reduktionsverhältnis der Härte nimmt stark ab, so dass die Hochtemperaturstabilität unterlegen ist.
  • Obgleich die vorleigende Erfindung unter Bezugnahme auf detaillierte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Die oben beschriebenen Ausführungsformen können geändert oder vom Fachmann modifiziert werden, ohne vom Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen, und können auf verschiedene Arten geändert und modifiziert werden innerhalb des Bereichs, der dem Geist der vorliegenden Erfindung und der unten aufzuführenden Ansprüche gleicht.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • KR 10-2014-82831 [0001]

Claims (11)

  1. Hochtemperatur-Niedrigreibungs-Beschichtung, umfassend: eine CrN-Verbindungsschicht, die auf einem nitrifizierten Basismaterial abgeschieden ist, zum Verbessern der Nahkontaktfähigkeit der Beschichtung; eine TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht, die auf der CrN-Verbindungsschicht abgeschieden ist, um Hitzeresistenz, Ermüdungsresistenz, Abnutzungsresistenz und Zähigkeit der Beschichtung zu erreichen; und eine TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht, die auf der TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht abgeschieden ist, um Hitzeresistenz, Oxidationsresistenz, Resistenz gegen Festfressen, Zähigkeit und Niedrigreibungseigenschaft der Beschichtung zu erreichen.
  2. Beschichtung gemäß Anspruch 1, worin die Dicke der TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht (120) in einem Bereich von etwa 0,5 bis 10 μm liegt und die Dicke der TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht in einem Bereich von etwa 0,5 bis 10 μm liegt.
  3. Beschichtung gemäß Anspruch 1, worin der YC-Gehalt in der TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht in einem Bereich von etwa 2 bis 30 Atom% auf Basis der gesamten Atome der TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht liegt.
  4. Beschichtung gemäß Anspruch 1, worin das Atomverhältnis von Ti:Al:Cr in der TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht etwa 1:1:1 ist.
  5. Verfahren zum Bilden einer Hochtemperatur-Niedrigreibungs-Beschichtung, umfassend: Erzeugen von Vakuum im Inneren einer Kammer, Erzeugen eines Plasmazustands von Argonionen durch Injizieren von Argongas, und dann Reinigen und Aktivieren der Oberfläche eines nitrifizierten Basismaterials, indem Argonkationen dazu gebracht werden, auf die Oberfläche des Basismaterials zu treffen; Injizieren von Stickstoffgas (N2) in die Kammer, um N-Ionen bereitzustellen und dann Bilden einer CrN-Verbindungsschicht auf der Oberfläche des Basismaterials durch Verwendung eines Cr-Targets, das Cr-Ionen bereitstellt; Bilden einer TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht auf der CrN-Verbindungsschicht durch Verwendung eines TiAl-Targets, das TiAl-Ionen bereitstellt, des Cr-Targets, das Cr-Ionen bereitstellt und eines Y-Targets, das Y-Ionen bereitstellt; und Injizieren von Acetylengas (C2H2) in die Kammer, um C-Ionen bereitzustellen und dann Bilden einer TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht auf der TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht durch Verwendung des TiAl-Targets, das TiAl-Ionen bereitstellt, des Cr-Targets, das Cr-Ionen bereitstellt und des Y-Targets, das Y-Ionen bereitstellt.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 5, worin beim Bilden der TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht, die TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht in einer Dicke von etwa 0,5 bis 10 μm gebildet wird, und beim Bilden der TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht die TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht in einer Dicke von etwa 0,5 bis 10 μm gebildet wird.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 5, worin beim bilden der TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht der YC-Gehalt in der TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht etwa 2 bis 30 Atom% auf Basis der gesamten Atome in der TiAlCrYCN-Nano-Multifunktionsschicht ist.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 5, worin beim Bilden der TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht das Atomverhältnis von Ti:Al:Cr in der TiAlCrYN-Nano-Multisupportschicht etwa 1:1:1 ist.
  9. Bauteil, das eine Beschichtung gemäß Anspruch 1 umfasst.
  10. Bauteil gemäß Anspruch 9, das einen Turbolader, ein Turbinenrad oder ein Aluminiumformguss-Formungswerkzeug ist.
  11. Fahrzeug, das ein Bauteil gemäß Anspruch 9 umfasst.
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