專利名稱：：起閥器及其表面處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種用于汽車內(nèi)燃機(jī)的起閥器(valvelifter)及其表面處理方法。
背景技術(shù)：
：用于將凸輪軸的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為垂直運(yùn)動(dòng)的起閥器主要由合金鑄鐵或碳鋼形成。如圖1和圖2中所示，起闊器20具有圓柱形結(jié)構(gòu)，并且其頂表面21總是與旋轉(zhuǎn)的凸輪軸IO接觸，因而連續(xù)地經(jīng)受摩擦。為了減少這種摩擦，起閥器20的表面，尤其是頂表面21典型地經(jīng)受鏡面拋光、類金剛石碳(diamond-likecarbon;DLC)涂覆、或CrN(氮化絡(luò))涂覆。然而，鏡面拋光不能提供滿意的表面粗糙度。DLC或CrN涂覆表現(xiàn)出低摩擦特性。因此，DLC或CrN涂覆需要專門設(shè)計(jì)的油，以顯示最佳的低摩擦特性，如美國(guó)專利申請(qǐng)公開第2005/0098134號(hào)中所公開的。在本
背景技術(shù)：
部分中所公開的上述信息，僅僅是為了加強(qiáng)對(duì)本發(fā)明的背景的了解，因此，其可能包含不形成在本國(guó)為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所已知的現(xiàn)有技術(shù)。
發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明是為了解決在現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)的上述問題而作出的，并且，本發(fā)明提供了一種起閥器，其具有優(yōu)良的低摩擦特性而不需要專門設(shè)計(jì)的油，并且本發(fā)明還提供了一種在這種起閥器的制造中所使用的表面處理方法。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，起閥器可以包括在其表面上所形成的多個(gè)涂層，以顯示低摩擦特性，其中，在多個(gè)涂層當(dāng)中的頂涂層為具有6070%的SP3鍵合部分(SP3bondingfraction)的DLC層。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，起閥器可以包括緩沖層，其通過在經(jīng)受了碳氮共滲處理的基體的表面上濺射金屬靶而形成；Me類金剛石碳層，其具有0.30.6(im的厚度，并且通過在緩沖層上濺射選自W、Cr、Ti、和Mo的靶而形成；以及類金剛石碳層，其形成在Me類金剛石碳層上，具有11.5pm的厚度，并且具有6070y。的SP3鍵合部分。優(yōu)選地，經(jīng)受碳氮共滲處理的基體具有0.010.04的表面粗糙度(Ra)，并且，緩沖層為通過濺射Cr靶所形成的Cr涂層。此外，DLC層可以具有515重量％的氫含量和2832Gpa的硬度。根據(jù)另外的方面，一種處理起閥器的表面的方法可以包括(a)對(duì)基體的表面進(jìn)行碳氮共滲和回火；(b)對(duì)基體進(jìn)行表面拋光，以產(chǎn)生0.010.04的表面粗糙度(Ra);(c)在基體上形成金屬緩沖層，然后，通過濺射選自W、Cr、Ti、和Mo的靶，在金屬緩沖層上形成具有0.30.6pm的厚度的Me類金剛石碳層；以及(d)在Me類金剛石碳層上形成具有6070%的SP3鍵合部分的、且厚度為11..5pm的類金剛石碳層。DLC層可以通過濺射石墨靶而形成，并且可以通過對(duì)所提供的乙炔(C2//2)的量以及施加到安裝起閥器的夾具上的偏置電壓的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，來控制SP3鍵合部分。優(yōu)選地，緩沖層通過濺射Cr靶而形成。此外，在步驟(a)中，可以在200250。C的溫度進(jìn)行回火，并且，在步驟(c)和(d)中，在保持在25(TC或更低的溫度下形成涂層。圖1是顯示典型的內(nèi)燃機(jī)所用的氣門機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的部件的視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的起閥器的剖面圖；圖3是顯示根據(jù)本發(fā)明的涂層的視圖；圖4是顯示圖2的DLC層的碳鍵結(jié)構(gòu)的視圖；圖5A是顯示圖4的碳鍵結(jié)構(gòu)的SP2鍵合的視圖，并且圖5B是顯示其SP3鍵合的視圖6是顯示在圖2的DLC層的形成中所使用的裝置的示意圖；圖7是顯示對(duì)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例以及對(duì)比例的起閥器進(jìn)行的摩擦試驗(yàn)的結(jié)果的圖8是顯示出耐久性試驗(yàn)之后，對(duì)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的起閥器的磨損傷痕進(jìn)行觀察的結(jié)果的照片。具體實(shí)施例方式下面，將參照附圖對(duì)起閥器及其表面處理方法給出詳細(xì)描述。如圖2和3中所示，起閥器20在其外表面上，尤其在其頂表面上具有多層涂層，以顯示低摩擦特性。這種涂層被直接形成在起閥器20的表面上，或者作為選擇，可以形成在另外設(shè)置在與凸輪軸相接觸的起闊器20的頂表面上的墊片上。涂層可以包括緩沖層、含金屬的DLC層("Me-DLC層")以及DLC層，其順序形成在經(jīng)碳氮共滲的基體上。下面參照?qǐng)D3、4、5A和5B，描述上述涂層以及對(duì)起閥器的表面進(jìn)行處理的方法。首先，起閥器在其表面被涂覆之前經(jīng)受表面預(yù)處理。為了對(duì)在其上將形成涂層的基體進(jìn)行硬化和穩(wěn)定化處理，進(jìn)行碳氮共滲處理。即，對(duì)基體的表面進(jìn)行碳氮共滲，然后在20025(TC對(duì)其進(jìn)行回火。對(duì)經(jīng)碳氮共滲的基體表面進(jìn)行表面拋光，以使表面粗糙度(Ra)達(dá)到0.01~0.04|im。如果基體的表面粗糙度小于0.01,，則要通過基體的表面涂覆大幅提高粗糙度，相對(duì)于所產(chǎn)生的效果會(huì)不希望產(chǎn)生過高的成本。相反，如果表面粗糙度超過0.04pm，則由于涂層的粗糙度，使摩擦降低效果下降?；w的表面拋光可以通過磨光(buffing)、振動(dòng)拋光(VF)、超精拋光(superfinishing;SF)等進(jìn)行。接下來，涂覆由此得到的基體表面。為了增加基體與在其上所形成的涂層之間的附著力，在經(jīng)受了表面預(yù)處理的基體表面上形成緩沖層。緩沖層可以由Cr、Ti等形成。具體地，通過濺射Cr靶所形成的Cr涂層的效果較好。通過將乙炔用作碳源，對(duì)具有形成在其上的緩沖層的基體的表面進(jìn)行PACVD(PlasmaAssistedChemicalVaporDeposition;等離子輔助化學(xué)蒸汽沉積)，因而形成Me-DLC層。具體地，通過在將乙炔(q^)作為反應(yīng)氣體供應(yīng)給基體的表面的同時(shí)濺射金屬靶，來形成Me-DLC層。金屬靶的實(shí)例包括W、Cr、Ti和Mo。特別有用的是W或Cr。Me-DLC層起到提高抗沖擊性以及基體與顯示出低摩擦特性的頂部DLC層之間的附著力的作用，其被沉積的厚度為0.30.6pm。如果Me-DLC層的厚度小于0.3拜，則不能充分得到抗沖擊性和附著力。相反，如果Me-DLC層的厚度超過0.6pm，則Me-DLC層自身的殘余應(yīng)力增加，不希望地降低了Me-DLC層的效果。在Me-DLC層上，形成厚度為1.01.5|mi的實(shí)際顯示出低摩擦特性的DLC層。如果DLC層的厚度小于l.Opm，則在內(nèi)燃機(jī)的初始操作的過程中DLC層磨損并消失。相反，如果該厚度超過1.5(am，貝IJDLC層自身的殘余應(yīng)力增加，由此，DLC層脫落。DLC層通過在供應(yīng)乙炔的同時(shí)濺射石墨靶而形成。如圖4所示，DLC層具有SP2鍵合(圖5A)和SP3鍵合(圖5B)的雜化結(jié)構(gòu)(hybridiaztionstructure),其中碳或氫與碳連接。當(dāng)SP3鍵合部分為6070%時(shí)，顯示出最大的低摩擦特性。如果SP3鍵合部分小于60%，則DLC層的硬度極大地降低，由此，起閥器的表面不希望地被磨損。相反，如果SP3鍵合部分超過70X，則DLC層固有的低摩擦特性顯著下降。作為參考，通過PACVD所形成的DLC層具有7080X的SP3鍵合部分，并且通過PVD(PhysicalVaporDeposition;物理蒸汽沉積)所形成的DLC層具有至少80%的SP3鍵合部分。通過精確地供應(yīng)乙炔并調(diào)節(jié)施加到在其上安裝起閥器的夾具的偏置電壓，來控制SP3鍵部分。DLC層的SP3鍵合部分與所供應(yīng)的氫的量成正比，并且與偏置電壓的大小成反比。只考慮DLC層的低摩擦特性，乙炔應(yīng)以少量供應(yīng)，并且應(yīng)施加高的偏置電壓。然而，DLC層的硬度也依賴于偏置電壓并且在特定的偏置電壓下被最大化。實(shí)驗(yàn)上，只有當(dāng)在綜合考慮硬度和SP3鍵合部分之下得到最佳值時(shí)，才能形成在耐磨損性和低摩擦特性上均優(yōu)良的DLC層。參照?qǐng)D6，在用于形成DLC層的PVD裝置中，石墨靶位于真空腔室中，并且起閥器以預(yù)定距離與石墨靶隔開。將偏置電壓(-)施加到石墨靶上，并且將偏置電壓(-Vsb)施加到在其上安裝起閥器的夾具(jig)上。將氬供應(yīng)給真空腔室的一側(cè)，以與已被施加了負(fù)偏置電壓的石墨靶相碰撞，從而發(fā)生濺射；并且將乙炔供應(yīng)給真空腔室的另一側(cè)，用于氫的控制。使用這種裝置，當(dāng)調(diào)節(jié)施加到夾具上的偏置電壓的大小和所供應(yīng)的乙炔的量，并且將DLC層的SP3鍵合部分控制為至少80%時(shí)，DLC層包含515重量X的氫。此外，DLC層的硬度大約為2832Gpa。作為參考，通過PACVD所形成的DLC層具有大約2530重量％的氫含量，并且通過PVD所形成的DLC層具有大約05%的氫含量。為了檢查通過上述表面處理方法所涂覆的起閥器的低摩擦特性，加工六個(gè)由相同材料所形成的起閥器，每一個(gè)均經(jīng)受如下表1中所示的表面處理并且然后經(jīng)受摩擦扭矩試驗(yàn)。1<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>在對(duì)比例1禾n2中，僅進(jìn)行了表面預(yù)處理；并且在對(duì)比例3至5以及本發(fā)明的實(shí)施例中，進(jìn)行了表面預(yù)處理和多次涂覆(緩沖層、Me-DLC層、DLC層)。在對(duì)比例3中的基體的表面粗糙度和作為頂部涂層的DLC層的SP3鍵合部分，以及在對(duì)比例4和5中的DLC層的SP3鍵合部分，均落在根據(jù)本發(fā)明的范圍之外。在本發(fā)明的實(shí)施例中，在根據(jù)本發(fā)明的范圍內(nèi)加工起閥器，并且DLC層的SP3鍵合部分為64%。使用發(fā)動(dòng)機(jī)頭系統(tǒng)(engineheadsystem)對(duì)對(duì)比例1至5和本發(fā)明的實(shí)施例的每個(gè)起閥器進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)(rigtest)。試驗(yàn)條件示出在下表2中，并且對(duì)試驗(yàn)結(jié)果作圖于圖7中。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>在圖7中，橫軸表示發(fā)動(dòng)機(jī)速度(rpm)，縱軸表示摩擦扭矩(Nm)。在本發(fā)明的實(shí)施例中，低摩擦特性大大高于對(duì)比例1至3的低摩擦特性，此外，與只是DLC層的SP3鍵合部分不同的對(duì)比例4和5相比，顯示出更高的摩擦降低效果。此外，將實(shí)施例的起閥器安裝于實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)上，并且進(jìn)行500小時(shí)的耐久性試驗(yàn)，之后，觀察起閥器表面的磨損傷痕。如從圖8中顯而易見的，在實(shí)施例的具有高抗磨損性的起閥器中，幾乎觀察不到磨損傷痕。如上所述，本發(fā)明提供了一種起閥器及其表面處理方法。根據(jù)本發(fā)明，起閥器能夠顯示出優(yōu)良的低摩擦特性，而無需使用特定條件下的油的常規(guī)要求。此外，根據(jù)本發(fā)明的起閥器能夠顯示出優(yōu)良的抗磨損性。盡管為解釋性的目的已經(jīng)公開了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到，能夠做出各種修改、添加和替換，而不背離在所附的權(quán)利要求中所公開的本發(fā)明的范圍和構(gòu)思。權(quán)利要求1.一種起閥器，其包括基體和設(shè)置在所述基體上的涂層，所述涂層包括緩沖層，其通過在經(jīng)受了碳氮共滲處理的所述基體的表面上濺射金屬靶而形成；Me類金剛石碳層，其具有0.3～0.6μm的厚度，并且通過在所述緩沖層上濺射選自W、Cr、Ti、和Mo的靶而形成；以及類金剛石碳層，其形成在所述Me類金剛石碳層上，具有1～1.5μm的厚度，并且具有60～70％的SP3鍵合部分。2.如權(quán)利要求1所述的起閥器，其中，經(jīng)受了碳氮共滲處理的所述基體具有0.010.04的表面粗糙度(Ra)。3.如權(quán)利要求1所述的起閥器，其中，所述緩沖層為通過濺射Cr靶所形成的Cr涂層。4.如權(quán)利要求1所述的起閥器，其中，所述類金剛石碳層具有515重量。/^的氫含量和2832Gpa的硬度。5.—種起閥器，其包括基體和設(shè)置在所述基體上的涂層，其中，所述涂層的頂部涂層是具有6070。/。的SP3鍵合部分的類金剛石碳層。6.如權(quán)利要求5所述的起閥器，其中，所述類金剛石碳層具有11.5pm的厚度。7.如權(quán)利要求5所述的起閥器，其中，所述類金剛石碳層具有515重量％的氫含量和2832Gpa的硬度。8.—種對(duì)起閥器進(jìn)行表面處理的方法，其包括(a)對(duì)基體的表面進(jìn)行碳氮共滲和回火；(b)對(duì)所述基體進(jìn)行表面拋光，以產(chǎn)生0.010.04的表面粗糙度(Ra);(c)在所述基體上形成金屬緩沖層，然后，通過濺射選自W、Cr、Ti、和Mo的靶，在所述金屬緩沖層上形成具有0.30.6jim的厚度的Me類金剛石碳層；以及(d)在所述Me類金剛石碳層上形成具有6070%的SP3鍵合部分和11.5nm的厚度的類金剛石碳層。9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，在所述步驟(d)中通過濺射石墨靶形成所述類金剛石碳層，并且，通過調(diào)節(jié)乙炔(C2//2)的量以及施加到安裝所述起閥器的夾具上的偏置電壓的大小，來控制所述SP3鍵合部分。10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述緩沖層通過濺射Cr耙而形成。11.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，在所述步驟(a)中，在20025(TC的溫度進(jìn)行所述回火。12.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，在所述歩驟(c)和(d)中，以維持在25(TC或更低的涂覆溫度，進(jìn)行用于形成所述緩沖層、所述Me類金剛石碳層和所述類金剛石碳層的處理。全文摘要本發(fā)明提供了一種起閥器，其包括緩沖層、具有0.3～0.6μm的厚度的Me類金剛石碳層、以及具有1～1.5μm的厚度及60～70％的SP3鍵合部分的類金剛石碳層，這些層順序形成在經(jīng)受了碳氮共滲處理的基體上。該起閥器能夠顯示出優(yōu)良的低摩擦特性和抗磨損性。文檔編號(hào)F01L1/14GK101629497SQ200910003039公開日2010年1月20日申請(qǐng)日期2009年1月13日優(yōu)先權(quán)日2008年7月18日發(fā)明者呂寅雄,安承均,安正煜,崔圣文,白洪吉,鄭軫元,雄金,金炯翼申請(qǐng)人:現(xiàn)代自動(dòng)車株式會(huì)社;起亞自動(dòng)車株式會(huì)社