(57)【要約】高温コーティング（１５０）を有するガスケット（１１０）を作製する方法であり、その方法は、金属材料から形成されてガスケットの形状を有する基板（１２０）を取得することと、基板（１２０）の外側表面（１２４、１２６）上にナノ粒子懸濁液を適用することと、自己保護的酸化コーティング（１６２）のアンダーコート層（１６０）を形成するために第１の上昇した温度まで基板（１２０）を加熱することとを含む。方法は、さらに、アンダーコート層（１６０）上に窒化ホウ素を含む液体を適用することと、オーバーコート層（１７０）を形成するために第２の上昇した温度で窒化ホウ素液体を乾燥させることとを含む。
2016509176.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温コーティングを有するガスケットであって、該ガスケットは、
金属材料から形成されてガスケットの形状を有する基板であって、該基板は、上部表面と、下部表面と、それらを通って形成されるアパーチャとを有する、基板と、
該上部表面および該下部表面のうちの少なくとも１つの表面領域の実質的に全体をカバーするアンダーコート層であって、該アンダーコート層は、該表面に適用される複数のナノ粒子から形成される自己保護的酸化コーティングを備え、該複数のナノ粒子は、該自己保護的酸化コーティングを形成するために第１の上昇した温度まで加熱される、アンダーコート層と、
該アンダーコート層上のオーバーコート層であって、該オーバーコート層は、該ガスケットが約６００℃より大きい温度にさらされるときに該表面に潤滑性を提供し、該オーバーコート層は、窒化ホウ素を含む、オーバーコート層と
を備える、ガスケット。
【請求項２】
前記アンダーコート層は、前記ガスケットが約６００℃より大きい温度にさらされるときに前記基板の前記表面の過剰な酸化を防止するように構成される、請求項１に記載のガスケット。
【請求項３】
キャリア流体内で懸濁される複数のナノ粒子を含むナノ粒子懸濁液内で、前記複数のナノ粒子が前記基板の前記表面に適用された、請求項１に記載のガスケット。
【請求項４】
前記複数のナノ粒子は、約５０ナノメートル未満の平均の粒子サイズを有する、請求項１に記載のガスケット。
【請求項５】
前記複数のナノ粒子は、約２０ナノメートル未満の平均の粒子サイズを有する、請求項１に記載のガスケット。
【請求項６】
前記複数のナノ粒子は、約１０ナノメートル未満の平均の粒子サイズを有する、請求項１に記載のガスケット。
【請求項７】
前記複数のナノ粒子は、酸化セリウムナノ粒子、酸化チタンナノ粒子、酸化アルミニウムナノ粒子、酸化ケイ素ナノ粒子、酸化スカンジウムナノ粒子、酸化イットリウムナノ粒子、酸化ジルコニウムナノ粒子、酸化ニオブナノ粒子、酸化ハフニウムナノ粒子、酸化タンタルナノ粒子、および酸化トリウムナノ粒子から成る群から選択される、請求項１に記載のガスケット。
【請求項８】
前記オーバーコート層は、浮き出しの近位の領域に限定され、該浮き出しは、前記アパーチャを囲っており、かつ前記上部表面および前記下部表面のうちの少なくとも１つから離れて外向きに延在する、請求項１に記載のガスケット。
【請求項９】
高温コーティングを有するガスケットを作製する方法であって、該方法は、
金属材料から形成されてガスケットの形状を有する基板を取得することであって、該基板は、上部表面と、下部表面と、それらを通って形成されるアパーチャとを有する、ことと、
該上部表面および該下部表面のうちの少なくとも１つの表面領域の実質的に全体にわたってナノ粒子懸濁液を適用することであって、該ナノ粒子懸濁液は、キャリア流体内で懸濁される複数のナノ粒子を含む、ことと、
自己保護的酸化コーティングを備えるアンダーコート層を形成するために第１の上昇した温度まで該基板を加熱することと、
該アンダーコート層の少なくとも一部上に窒化ホウ素を含む液体を適用することと、
該アンダーコート層上面上にオーバーコート層を形成するために第２の上昇した温度まで該基板を加熱することであって、該オーバーコート層は、該ガスケットが約６００℃より大きい温度にさらされるときに該アンダーコート層に潤滑性を提供するように構成される、ことと
を含む、方法。
【請求項１０】
前記自己保護的酸化コーティングは、前記基板を形成する金属材料より高い濃度のクロムを有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記複数のナノ粒子は、約５０ナノメートル未満の平均の粒子サイズを有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の上昇した温度は、約８０℃と約６００℃との間を変動する、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の上昇した温度は、約８０℃と約２００℃との間を変動する、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の上昇した温度は、約８０℃と約１００℃との間を変動する、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
窒化ホウ素を含む前記液体を適用することに先立って、乾燥したキャリア流体を取り除くために前記アンダーコート層を形成した後に前記基板を洗浄することをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
前記基板を洗浄することは、超音波部品洗浄器内で該基板を洗浄することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第２の上昇した温度は、約８０℃と約２００℃との間を変動する、請求項９に記載の方法。
【請求項１８】
前記第２の上昇した温度は、約８０℃と約１００℃との間を変動する、請求項９に記載の方法。
【請求項１９】
高温コーティングを有するガスケットを作製する方法であって、該方法は、
金属材料から形成されてガスケットの形状を有する基板を取得することであって、該基板は、上部表面と、下部表面と、それらを通って形成されるアパーチャとを有する、ことと、
該上部表面および該下部表面のうちの少なくとも１つの表面領域の実質的に全体にわたってナノ粒子懸濁液を適用することであって、該ナノ粒子懸濁液は、キャリア流体内で懸濁される複数のナノ粒子を含む、ことと、
自己保護的酸化コーティングを形成するために約８０℃と約２００℃との間で該基板を加熱することと、
乾燥したキャリア流体を取り除くために該基板を洗浄することと、
該自己保護的酸化コーティングの少なくとも一部上に窒化ホウ素を含む液体を適用することと、
窒化ホウ素を含む該液体を乾燥させてオーバーコート層を形成するために約８０℃と約２００℃との間で該基板を加熱することと
を含む、方法。
【請求項２０】
自己保護的酸化コーティングを形成するために約８０℃と約１００℃との間で前記基板を加熱することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
窒化ホウ素を含む前記液体を乾燥させてオーバーコート層を形成するために約８０℃と約１００℃との間で前記基板を加熱することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記複数のナノ粒子は、約５０ナノメートル未満の平均の粒子サイズを有する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記キャリア流体は、水と界面活性剤との混合物をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
前記基板を洗浄することは、超音波部品洗浄器内で該基板を洗浄することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
この特許出願は、２０１３年２月７日に出願された「Ｇａｓｋｅｔ  ｗｉｔｈ  Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏａｔｉｎｇ」というタイトルの米国仮特許出願第６１／７６１，７２６号の利益を主張し、その出願は、参照により、その全体が本明細書に援用される。
（技術分野）
本願は、高温用途における使用のためのガスケットに概して関連し、いくつかの実施形態において、内燃エンジンのエンジンブロック、ターボチャージャーおよび触媒コンバータ内に見られる排気ポートおよび排気管周りを密閉するためのガスケットに関連する。
【背景技術】
【０００２】
（背景）
トラック、トラクタ、バス、鑿井機、ボーリングマシン、携帯ポンプユニット、非常用発電機などの大型車両および非車両用途のための内燃エンジンは、有意な量の熱を生成することが可能であり、非商業用の車およびトラックによって生じる排気ガスより熱い排気ガスを生じさせる。したがって、そのようなエンジンの排気マニホールド、ターボチャージャー、ＥＧＲシステムおよび触媒コンバータについての排気管接合部は、非常に熱くなる可能性がある。不運にも、排気管ガスケットは、より一般的なステンレススチール合金から作製され、このステンレススチール合金は、非商業用の車およびトラックに見られるより低い排気ガス温度に概して適しており、高負荷の高温用途においてそれらの外側表面の劣化および剥離につながる厳しい酸化腐食を経験する場合がある。結果として、材料のＩｃｏｎｅｌＴＭブランドの下で生産および販売されるオーステナイト系ニッケル‐クロムベースの超合金の部類などの高価で新種の金属合金から形成される特殊な高温ガスケットが必要とされ得る。
【０００３】
その結果、効果的な処理またはコーティングの必要性が存在し、それらは、より一般的なステンレススチールから作製されるより低い費用のガスケット基板に適用されることが可能であり、ガスケットが、上述されている高負荷適用などの高温用途においてガスケットの外側表面の実質的な酸化腐食または劣化あるいは剥離することなく効果的に機能することを可能にする。本開示は、そのような高温コーティングまたは処理に向けられる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
（要旨）
簡単に説明すると、本開示の１つの実施形態は、高温コーティングを有するガスケットを作製する方法を備える。方法は、金属材料から形成されてガスケットの形状を有する基板を取得することと、基板の外側表面上にナノ粒子溶液または懸濁液を適用することとを含む。ナノ粒子懸濁液は、キャリア流体内で懸濁される複数のナノ粒子を含み、ナノ粒子は、約５０ナノメートルまたはそれより小さい平均の粒子サイズを有する可能性がある。方法は、さらに、アンダーコート層を形成するために約８０℃と約６００℃との間である第１の上昇した温度まで基板を加熱することを含む。アンダーコート層は、自己保護的酸化コーティングであることが可能であり、ガスケットが約６００℃またはそれより大きい温度にさらされたときに基板の表面の過剰な酸化を防止するように構成される。
【０００５】
基板およびアンダーコート層を冷却後、方法は、アンダーコート層の少なくとも一部上に窒化ホウ素コーティングを適用することと、窒化ホウ素コーティングを乾燥させてアンダーコート層の上面上のオーバーコート層にするために約８０℃と２００℃との間である第２の上昇した温度まで基板を加熱することとをさらに含む。オーバーコート層は、ガスケットが約６００℃より大きい温度にさらされたときにアンダーコート層および基板に潤滑性を提供するように構成される。
【０００６】
本開示の別の実施形態は、高温コーティングを有するガスケットを備える。ガスケットは、金属材料から形成されてガスケットの形状を有する基板を含み、基板は、上部表面と、下部表面と、それらを通って形成されるアパーチャを有する。ガスケットは、さらに、上部表面および下部表面の片方または両方の表面領域の実質的に全体をカバーするアンダーコート層を含み、アンダーコート層は、複数のナノ粒子から形成される自己保護的酸化コーティングを備え、複数のナノ粒子は、表面に適用され、約８０℃と６００℃との間であり、好ましくは、約８０℃と１００℃の間である第１の上昇した温度まで所定時間加熱される。ガスケットは、ガスケットが約６００℃より大きい温度にさらされたときに表面に潤滑性を提供するためにアンダーコート層上にオーバーコート層をさらに含み、オーバーコート層は、概して、窒化ホウ素を含む。
【０００７】
本開示の別の実施形態は、高温コーティングを有するガスケットを作製する方法である。方法は、金属材料から形成されてガスケットの形状を有する基板を取得することと、上部表面および下部表面の片方または両方の表面領域の実質的に全体にわたってナノ粒子懸濁液を適用することとを含み、基板は、上部表面と、下部表面と、それらを通って形成されるアパーチャとを有し、ナノ粒子懸濁液は、キャリア流体内で懸濁される複数のナノ粒子を含む。方法は、さらに、自己保護的酸化コーティングを形成するために約８０℃と約２００℃との間の第１の上昇した温度まで基板を加熱し、続いて、任意の乾燥したキャリア流体を取り除くために基板を洗浄することを含む。基板は、超音波部品洗浄器内で洗浄されることが可能である。
【０００８】
方法は、自己保護的酸化コーティングの少なくとも一部上において窒化ホウ素コーティングを適用し、続いて、窒化ホウ素コーティングを乾燥させてオーバーコート層を形成するために約８０℃と約２００℃の間で基板を加熱することをさらに含む。自己保護的酸化コーティングは、ガスケットが約６００℃またはそれより大きい温度にさらされたときに基板の表面の過剰な酸化を防止するように構成されることが可能である一方で、オーバーコート層は、ガスケットが約６００℃より大きい温度にさらされたときにアンダーコート層および基板に潤滑性を提供するように構成されることが可能である。
【０００９】
本発明は、添付された図面と合わせて以下に記載される詳細な説明をレビューしたときにより良く理解され、添付された図面は、以下のとおり簡単に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１Ａ〜１Ｃは、先行技術内に見られるような内燃エンジンについての様々な代表的な排気ガスケットの正面図である。
【図２】図２は、本開示の代表的な実施形態に従って、高温コーティングを有する排気ガスケットの斜視図である。
【図３】図３は、断面線Ａ‐Ａに沿ってとられる、図２の排気ガスケットの断面側面である。
【図４】図４は、本開示の別の代表的な実施形態に従って、高温コーティングを有する複層排気ガスケットの斜視図である。
【図５】図５は、本開示の別の代表的な実施形態に従って、図２〜３の高温コーティングを形成する方法を表しているフローチャートである。
【図６】図６Ａは、８００℃の熱老化前のコーティングのないありのままのステンレススチール試験ブランクの写真であり、図６Ｂは、８００℃の熱老化後のコーティングのないありのままのステンレススチール試験ブランクの写真である。
【図７】図７Ａは、８００℃の熱老化前のナノ粒子コーティングを有するステンレススチール試験ブランクの写真であり、図７Ｂは、８００℃の熱老化後のナノ粒子コーティングを有するステンレススチール試験ブランクの写真である。
【図８】図８Ａは、８００℃の熱老化前の窒化ホウ素コーティングを有するステンレススチール試験ブランクの写真であり、図８Ｂは、８００℃の熱老化後の窒化ホウ素コーティングを有するステンレススチール試験ブランクの写真である。
【図９】図９Ａ〜９Ｂは、８００℃の熱老化後のナノ粒子アンダーコート窒化ホウ素オーバーコートの両方を有するステンレススチール試験ブランクの写真である。
【図１０】図１０は、図６Ａ〜９Ｂに示されている試験ブランクのいくつかの減摩性能を詳述する表である。
【図１１Ａ】図１１Ａ〜１１Ｂは、それぞれ、図８Ａ〜８Ｂおよび９Ａ〜９Ｂに示されている試験コーティングの密閉性能を詳述するグラフである。
【図１１Ｂ】図１１Ａ〜１１Ｂは、それぞれ、図８Ａ〜８Ｂおよび９Ａ〜９Ｂに示されている試験コーティングの密閉性能を詳述するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（詳細な説明）
さて、より詳細に図面に言及すると、いくつかの図にわたって同様の部分が同様の参照数字と同一視され、図１Ａ〜１Ｃは、それぞれ、先行技術内に見られ得るような、内燃エンジンのための様々な代表的な排気ガスケット１０、２０、３０を示している。見られることが可能であるように、これらの排気ガスケット１０、２０、３０は、それぞれ、独特な外側形状または輪郭１２、２２、３２と、それらの特定のエンジン設計に合う構造的特徴とを有する一方で、内燃エンジン用の排気ガスケットの適用に特に適応する複数の共通の特徴を共有する。例えば、排気ガスケット１０、２０、３０は、それぞれ、中心排気アパーチャ１６、２６、３６と２つ以上の留め金具アパーチャまたはボルト穴１７、２７、３７とを含むように穿孔または切断された１つ以上の実質的に平面状の金属基板１４、２４、３４から形成される。排気ガスケット１０、２０、３０は、さらに、典型的には、金属基板内へ形成されるいくつかの形態の浮き出し１８、２８、３８を含み、浮き出し１８、２８、３８は、排気アパーチャ１６、２６、３６を囲っており、排気システムコンポーネントの滑らかなシーリング表面と、排気マニホールドまたは排気管（示されていない）とに接触して据えられる隆起した滑らかな表面を提供することにより、熱い排気ガスがガスケット周りに漏れるのを妨げるシールを提供する。
【００１２】
図１Ａ〜１Ｃに示されている先行技術の排気ガスケット１０、２０、３０は、それぞれ、より典型的な排気ガスケット用途における使用に適し得、そこで、作動温度は、６００℃未満である。しかしながら、これらの同一のガスケットは、高温用途に適しておらず、高温用途において、排気ガスケットは、常に６００℃を超える温度の動作中にシールを維持する必要があり、このとき、必要な性能標準を満たさなくなる。例えば、６００℃を超える温度の動作中にシールを維持するように構成された高温排気ガスケットの性能基準は、他のファクタの中で、粘着性、潤滑性および密閉性を含むことが可能である。
【００１３】
粘着性は、概して、ガスケットの外側表面、具体的には、外側シーリング表面の構造的一体性を維持するガスケットの能力に関連する。例えば、高温試験を通して、基板の外側表面、典型的な金属ガスケットの表面処理またはコーティングは、上昇した温度において厳しい酸化腐食を経験する可能性があることが示されてきており、これは、概して、経時的に裂けて破砕して薄片になる厚い酸化コーティングという結果となり、薄片は、所望のシールを維持することが不可能である凹凸表面を形成するように分離する。
【００１４】
潤滑性は、概して、エンジンブロックと排気システムおよび管の様々な部分との間の熱誘起移動を調節するガスケットの能力に関連する。これらのエンジンコンポーネントは、しばしば、異なる熱膨張係数を有する異なる材料から作られ得、これは、例えばエンジンブロックの排気ポートを横切る熱誘起移動につながる可能性がある。したがって、排気ガスケットの外側表面は、片方または両方のコンポーネントシーリング表面が浮き出しの隆起した接触表面上のコーティングをひっかくことも、えぐることもまたは引き裂くこともなくガスケット上を滑ることを可能にするのに十分な潤滑性を提供するべきである。１つの側面において、排気ガスケットの表面の潤滑性は、摩擦係数（ＣＯＦ）として測定されることが可能であり、高温用途において０．２より小さいＣＯＦが望ましく、これは、排気ポートを横切る有意な熱誘起移動を提示することが可能である。
【００１５】
密閉性は、概して、浮き出しの隆起した滑らかな表面と、排気マニホールドまたは排気管上のエンジンブロックまたはフランジの略平面状の滑らかなシーリング表面との間の境界面に沿った排気ガスの漏出を制限するガスケットの能力に関連する。エンジン排気用途の温度は、概して、弾力的で適合性があるガスケット材料の使用を不可能にするので、ステンレススチールなどの剛性材料が要求され、金属ガスケットとエンジンコンポーネントのシーリング表面との間のメタルオンメタル接触という結果となる。このため、典型的に、全ての漏出を除去する完全なシールを設けることは不可能である。しがたって、ガスケットの密閉性は、どれくらい良くガスケットが漏出率を許容可能レベルまで制限することが可能であるかの尺度である。１つの側面において、密閉性は、組み立て後であるが動作前に、排気システム全体についての漏洩率を測定する加圧空気試験を通して測定することが可能である。試験フィクスチャに取り付けられた単一のガスケットを横切る漏出を測定する加圧空気試験も実施されることが可能である。
【００１６】
いくつかの例において、代表的な先行技術排気ガスケット１０、２０、３０の金属基板１４、２４、３４は、６００℃未満である典型的な動作環境において、排気ガスケットと、排気マニホールドまたは排気管上のエンジンブロックまたはフランジの滑らかなシーリング表面との間の直接のメタルオンメタル接触を通して他の態様で利用可能であるものより良いシールをガスケットが形成することを可能にする表面処理またはコーティングを提供され得る。しかしながら、これらの同一の先行技術処理またはコーティングは、高負荷内燃エンジン用途において遭遇され得るような６００℃を超え得る高温用途において、必要なシーリングおよび減摩性能を維持するように示されなかった。
【００１７】
本開示の１つの代表的な実施形態に従って、図２および図３は、金属材料から形成される基板１２０を有する一般的な形状のガスケット１１０を示している。基板１２０は、上述されている欠点を克服する高温コーティング１５０を提供された。１つの側面において、基板１２０は、外側縁部１２２、上部表面１２４、下部表面１２６、および上部表面１２４から下部表面１２６まで基板１２０を通って形成される排気アパーチャ１３０と実質的に平面状であることが可能である。排気アパーチャ１３０は、ガスケット１１０によって密閉される作動流体（例えば、排気ガス）と概して接触する内側縁部１３２を有することが可能である。基板１２０は、さらに、排気アパーチャ１３０から離間された１つ以上の留め金具アパーチャまたはボルト穴１３６を含むことが可能であり、そこを通って、ボルトまたは同様の留め金具が、ガスケットによって密閉されるコンポーネントを共に引き締めるように延在することが可能である。基板１２０は、アパーチャ１３０を囲っておりかつ上部表面１２４および下部表面１２６のうちの少なくとも１つから離れて外向きに延在する浮き出し１４０をさらに含むことが可能である。浮き出し１４０は、作動流体がガスケット１１０周りに漏れるのを妨げるシールを提供するために、結合されるコンポーネントの滑らかなシーリング表面に対して接触して据えられる隆起した滑らかな最外表面１４２を提供することが可能である。
【００１８】
図２〜３に示されている高温コーティング１５０を有するガスケット１１０は、概して、エンジンブロック内の排気ポートから出る排気ガスを密閉するための、排気システムコンポーネントと排気マニホールドまたは排気管（示されていない）との間に適用するための排気ガスケットとして構成される。しかしながら、ガスケット１１０およびコーティング１５０は、多種多様な異なる高温シーリング用途と、様々な作動流体に対する密閉とに適し得ると考えられ、それぞれは、本開示の範囲内に入るように考慮され得る。
【００１９】
ガスケットの基板１２０は、概して、ステンレススチール合金などの金属基礎材料１２１から形成されることが可能であり、金属基礎材料１２１は、６００℃より大きい高温においてバルク特性を維持する。ステンレススチール合金、特に鉄のステンレススチール合金が、好まれる実施形態とみなされ得る一方で、基板は、さらに、アルミニウム、ニッケルまたはチタンの合金などの他の耐高温金属から、またはセラミックなどの他の耐高温非金属材料から形成され得る。
【００２０】
ガスケット１１０の高温コーティング１５０は、概して、基板１２０の上部表面１２４および下部表面１２６と密接に接触する第１の層、すなわちアンダーコート１６０と、アンダーコート１６０をカバーする第２の層、すなわちオーバーコート１７０を含む複層コーティングシステムを備えることが可能である。アンダーコート１６０は、高温用途において基板１２０の外側表面１２４、１２６上に他の態様で生じる厳しい酸化腐食に抵抗するために、基板１２０を形成している基礎合金１２１上に保護の層を提供することが可能である。したがって、アンダーコート１６０は、ガスケット１１０の粘着基準を満たすようにかつその外側表面１２４、１２６の構造的一体性を維持するように構成されることが可能である。加えて、オーバーコート１７０は、典型的に、結合されるコンポーネントのシーリング表面と接触する減摩または潤滑層であり、概して、ガスケット１１０の潤滑性および密閉性基準の両方を満たす特質を提供することが可能である。
【００２１】
概して、アンダーコート１６０およびオーバーコート１７０の両方は、基板１２０を形成している基礎合金１２１に最大の保護を提供するために、上部表面１２４、下部表面１２６ならびに基板１２０の外部および内部側縁部１２２、１３２の全てを実質的にカバーする。しかしながら、ガスケット１１０と、結合されるコンポーネントのシーリング表面と間の接触の主領域は、浮き出し１４０の隆起した接触表面１４２の近位に位置し得るので、いくつかの側面において、オーバーコート１７０は、局所的に、または基板１２０の外側表面１２４、１２６の他の部分ではなく浮き出し１４２の近位にのみ適用され得ると考えられる。
【００２２】
第１の層、すなわちアンダーコート１６０は、溶液または懸濁液（以下、より正確に「ナノ粒子懸濁液」または「懸濁液」と呼ぶ）内で基板１２０の外側表面（および縁部）に適用された複数のナノ粒子から形成される保護的コーティングを備えることが可能である。懸濁液は、基板上へのばされるか、吹き付けられるかあるいはブラシをかけられることが可能であるか、または基板１２０は、懸濁液内へディップコーティングされることが可能である。１つの側面において、ナノ粒子懸濁液の一回の適用は、概して、基板１２０の表面１２４、１２６、１２２、１３２上へ所望の量のナノ粒子を堆積させるのに十分である可能性がある。しかしながら、他の側面において、ナノ粒子懸濁液は、基板の表面上へ堆積させられた材料が所望のカバー範囲および濃度に達するまで複数回適用されて乾燥されることが可能であり、基板は、周囲の温度で空気乾燥されるか、または概して１００℃未満である温度で加熱乾燥される。次いで、基板１２０および適用されたナノ粒子は、基板１２０の表面１２４、１２６、１２２、１３２上に他の態様で生じる厳しい酸化腐食に抵抗する保護的アンダーコート１６０を形成するために第１の上昇した温度まで所定時間共に加熱されることが可能である。
【００２３】
１つの側面において、ナノ粒子の平均サイズは、５０ナノメートルまたはそれより小さい可能性がある。他の側面において、ナノ粒子の平均サイズは、２０ナノメートルあるいはそれより小さいか、またはちょうど１０ナノメートルあるいはそれより小さい可能性がある。さらに、ナノ粒子は、概して、酸化セリウムナノ粒子、酸化チタンナノ粒子、酸化アルミニウムナノ粒子、酸化ケイ素ナノ粒子、酸化スカンジウムナノ粒子、酸化イットリウムナノ粒子、酸化ジルコニウムナノ粒子、酸化ニオブナノ粒子、酸化ハフニウムナノ粒子、酸化タンタルナノ粒子、および酸化トリウムを含むがこれらに限定されない元素の酸化物である可能性がある。
【００２４】
本開示の１つの実施形態において、個々のナノ粒子は、連続する層を形成することなく、基板の表面上に広く散在するかまたは分散されることが可能である。次いで、分散されて散在するナノ粒子は、薄い自己保護的酸化コーティング１６２を形成するように、第１の上昇した温度まで加熱している間、基板１２０の基礎合金１２１と相互作用することが可能である。酸化コーティング１６２は、２０１２年６月１２日に発行された米国特許第８，１９７，６１３号に説明されているように、実質的に完璧に基板の表面をカバーするように成長または形成する。この特許は、参照により、その全体が本明細書に全ての目的のために援用される。
【００２５】
任意の特定のメカニズムまたは理論に縛られることなく、基板の表面上に散在して分散されているナノ粒子は、加熱プロセス中の基礎合金１２１の酸化の結果として形成する微粒子状の均一な安定した熱酸化コーティング１６２の発展および成長のための核生成部位として役立つと考えられる。１つの側面において、第１の上昇した温度は、約６００℃またはそれより大きく、約１分〜約４８時間に及ぶ期間であることが可能である。さらに別の側面において、第１の上昇した温度は、約８００℃またはそれより大きく、約１分〜約４８時間に及ぶ期間であることが可能である。
【００２６】
代替的に、実験および実施を通して、以前に考慮されたそれらの上昇した温度よりはるかに低い温度で自己保護的酸化コーティングを形成することも可能であり得ることが見出された。例えば、任意の特定のメカニズムまたは理論に再び縛られることなく、さらに、基板は、薄い自己保護的酸化コーティング１６２を形成するために、２００℃の低さの温度までか、または８０℃〜１００℃の低さの温度まで加熱することを単に要求し得ると考えられる。したがって、１つの代表的な実施形態において、自己保護的酸化コーティング、すなわちアンダーコート層を形成するための第１の上昇した温度は、約８０℃と約６００℃との間を変動することが可能である一方で、別の実施形態において、第１の上昇した温度は、約８０℃と２００℃との間を変動することが可能であり、さらに別の実施形態において、第１の上昇した温度は、約８０℃と約１００℃との間を変動することが可能である。上の実施形態において、ナノ粒子溶液内でコーティングされた基板は、約５分〜約３０分に及ぶ時間、第１の上昇した温度に維持されることが可能であり、好まれる時間は、製造中に自己保護的酸化コーティングを形成するのに必要とされる時間および費用を減少させるために、範囲のより短い端部付近、すなわち約５分である。
【００２７】
アンダーコート層１６０を形成するために使用されるナノ粒子の懸濁液は、基板１２０の表面１２４、１２６、１２２、１３２上へナノ粒子を堆積させるように常温で容易に蒸発することが可能であるトルエンなどの揮発性キャリア流体内で懸濁するナノ粒子を含むことが可能である。この実施形態において、キャリア流体は、保護的アンダーコートを形成する加熱ステップ中に簡単に蒸発または燃焼することが可能である。
【００２８】
他の実施形態において、キャリア流体は、保護的アンダーコートを生成するために使用される加熱ステップ中に基板上に残留物が残る可能性がある、水と界面活性剤（石鹸など）との混合物を含むことが可能である。界面活性剤残留物は、保護的アンダーコート層と潤滑オーバーコート層との間の結合に影響を及ぼす可能性があるので、残留物は、アンダーコート１６０上に第２の層、すなわちオーバーコート１７０を適用することに先立って残留物を取り除くように基板を洗浄することによって基板から取り除かれると良い。１つの側面において、基板は、清浄水または他の洗浄剤で満たされている超音波部品洗浄器内で洗浄されて、次いで、第２の層、すなわちオーバーコート１７０の適用に先立って乾燥されることが可能である。
【００２９】
本開示のさらに別の実施形態において、第１の層、すなわちアンダーコート１６０は、薄いが測定可能な厚さを有するナノ粒子の実質的に連続する層を形成するのに十分な量および濃度において基板１２０の外側表面１２４、１２６（および縁部）に適用された複数のナノ粒子から形成されることが可能である。次いで、基板１２０および適用されたナノ粒子は、約６００℃またはそれより低くあり得る第１の上昇した温度まで加熱されることが可能である。再び、任意の特定のメカニズムまたは理論に縛られることなく、ナノ粒子の連続する層は、より高い作動温度における厳しい酸化から基礎合金１２１をカバーして保護するナノ粒子の薄い保護的コーティングまたはフィルム１６４を形成する加熱プロセス中に乾燥および焼成されると考えられる。
【００３０】
第１の層、すなわちアンダーコート１６０が、ナノ粒子の適用および加熱を通して基板１２０の外側表面１２４、１２６上に形成された後、第２の層、すなわちオーバーコート１７０が、ガスケットが約６００℃より大きい温度にさらされたときにガスケット１１０の外側表面１１４、１１６に潤滑性および密閉性を提供するようにアンダーコート１６０上に適用されることが可能である。本開示の１つの側面において、減摩または潤滑オーバーコート１７０は、窒化ホウ素を含むことが可能であり、窒化ホウ素は、図３に示されているように、実質的にアンダーコート１６０の表面領域全体にわたって適用されることが可能であるか、または基板１２０内へ形成され得る任意の浮き出し１４０の隆起した接触表面１４２に対する適用に限定され得る。
【００３１】
ナノ粒子溶液を用いるとき、オーバーコート１７０は、窒化ホウ素を含む溶液などの液体として基板１２０の表面に適用されることが可能であり、その溶液は、基板上へのばされるか、吹き付けられるかまたはブラシをかけられることが可能であるか、または基板１２０は、その溶液内へディップコーティングされることが可能である。適用後、次いで、液体オーバーコートは、１つの側面において約８０℃と約２００℃との間を変動することが可能である第２の上昇した温度で加熱乾燥されることが可能である。別の側面において、第２の上昇した温度は、約８０℃と約１００℃との間を変動することが可能である。少なくとも部分的にオーバーコート層によってコーティングされている自己保護的アンダーコート層１６０を有する基板は、約５分〜約３０分に及ぶ時間、第２の上昇した温度に維持されることが可能であり、好まれる時間は、製造中に減摩または潤滑オーバーコート１７０を形成するのに必要とされる時間および費用を減少させるために、範囲のより短い端部付近、すなわち約５分である。概して、オーバーコートの一回の適用は、上面自己保護的アンダーコート層１６０上に潤滑オーバーコート１７０を形成するのに十分である可能性がある。しかしながら、複数の適用も可能であり、本開示の範囲内に入るように考慮される。
【００３２】
本開示のさらに別の実施形態において、外側表面上へナノ粒子の層および窒化ホウ素の層を堆積させるようにキャリア流体を蒸発させるため以外の基板の有意な加熱に先立って、第１の層、すなわちアンダーコート１６０を形成するナノ粒子は、基板１２０の表面１２４、１２６（および縁部１２２、１３２）に適用され得、第２の層、すなわちオーバーコート１７０を形成する窒化ホウ素コーティングが直に続く。次いで、基板１２０、ナノ粒子の層、窒化ホウ素の層は、保護的アンダーコート１６０および密閉可能な減摩オーバーコート１７０を同時に発展させるために第１の上昇した温度まで共に加熱されることが可能であり、したがって、複層高温コーティング１５０を形成する。この実施形態において、窒化ホウ素の層は、酸素がナノ粒子および基礎合金１２１に達してそれらと反応することを妨げるバリアとして働き得、その結果、保護的な第１の層、すなわちアンダーコート１６０は、有意な酸素が存在することなく、第１の上昇した温度における加熱ステップ中に発展する。第１の上昇した温度までガスケット１１０を加熱する最終ステップは、通常の製造プロセス中に制御された環境内で行われることが可能であるか、または代替として、上述されているエンジン排気用途などの用途に取り付けられた後にガスケット１１０の第１の使用中に行われ得る。
【００３３】
図４は、本開示の別の代表的な実施形態の斜視図であり、一般的な形状の排気ガスケット２１０は、連接メカニズム２１７、２１９を用いてガスケットの対向端部付近で共に連接される複数の基板２２０、２３０、２４０を含む。連接メカニズム２１７、２１９は、排気ポートを横切る結合されるコンポーネントの熱誘起移動を調節するために、基板２２０、２３０、２４０間の制限された相対移動を可能にすることが可能である。１つの側面において、２層高温コーティング２５０は、上部基板２２０の上面および底面２２４、２２６のそれぞれ、中部基板３３０の上面および底面２３４、２３６のそれぞれ、および下部基板２４０の上面および底面２４４、２４６のそれぞれに適用されることが可能である。別の側面において、２層高温コーティング２５０は、ガスケット２１０の外側表面、すなわち、上部基板２２０の上面２２４および下部基板２４０の底面２４６のみに適用され得る。複数基板ガスケットの全ての表面に保護的アンダーコート２６０が適用される一方で、別の基板とまたは結合されるコンポーネント（例えば、エンジンブロックおよび排気マニホールドまたは排気管）のシーリング表面との滑り接触を経験する隆起した接触表面２２８におけるアンダーコート２６０上にのみオーバーコート２７０が適用されるなどの他の構成も可能である。
【００３４】
図５は、本開示の別の代表的な実施形態に従って、図２〜３の高温コーティングを有するガスケットを形成する代表的な方法３００を表しているフローチャートである。方法３００は、金属材料から形成されてガスケットの形状を有する基板を取得するステップ３０２を含み、基板は、上部表面と、下部表面と、それらを通って形成されるアパーチャとを有する。方法３００は、さらに、上部表面および下部表面の片方または両方の表面領域の実質的に全体にわたってナノ粒子懸濁液を適用するステップ３０４を含み、ナノ粒子懸濁液は、キャリア流体内で懸濁される複数のナノ粒子を含む。必要に応じて、方法は、さらに、基板の表面と接触して複数のナノ粒子を堆積させるようにナノ粒子懸濁液を乾燥または蒸発させることが可能である。適用可能な場合、ナノ粒子懸濁液を適用して乾燥するステップ３０４が、所望の量のナノ粒子が基板の表面上に分配されるまで複数回行われることが可能である。
【００３５】
所望の量のナノ粒子が基板の表面上へ堆積させられた後、基板およびナノ粒子溶液／ナノ粒子は、アンダーコート層を形成するために第１の上昇した温度まで所定時間加熱される（３０６）。本開示の１つの側面において、第１の上昇した温度は、約１分〜約４８時間に及ぶ期間、約８０℃と約６００℃との間を変動することが可能である。好まれる実施形態において、第１の上昇した温度は、約５分の間に約８０℃と約１００℃との間を変動することが可能である。この温度処理は、基板の表面を実質的にカバーし得る基礎合金から形成される薄い自己保護的酸化コーティングを生じさせ、ガスケットが約６００℃またはそれより大きい温度にさらされるときに基板の表面の過剰な追加の酸化を防止するように構成されると考えられる。
【００３６】
方法３００は、アンダーコート層の少なくとも一部上に窒化ホウ素を含む液体を適用するステップ３０８と、アンダーコート層上に潤滑オーバーコート層を形成するために第２の上昇した温度まで基板を加熱するステップ３１０とをさらに含む。本開示の１つの側面において、第２の上昇した温度は、約１分〜約３０分に及ぶ期間、約８０℃と約１００℃との間を変動することが可能である。この温度処理は、窒化ホウ素液体を乾燥させてアンダーコート層の上面上のオーバーコート層にし、オーバーコート層は、ガスケットが約６００℃またはそれより大きい温度にさらされるときにアンダーコート層および基板に潤滑性を提供するように構成される。
【００３７】
図６Ａおよび６Ｂ〜１１Ａおよび１１Ｂは、上述されているコーティングと加熱処理との様々な組み合わせをされたステンレススチール試験ブランク上で行われ、次いで、高温排気ガスケットについての性能基準、すなわち粘着性、潤滑性および密閉性に従って評価された研究室試験の結果を示している。写真は、さらに、試験コーティングの粘着性能の視覚的な表示を提供する。
【００３８】
まず、図６Ａ〜６Ｂおよび７Ａ〜７Ｂは、対照およびベースラインの目的のために行われた試験を示している。例えば、図６Ａは、ありのままで、いずれのコーティングもなく任意の加熱処理に先立つステンレススチール試験ブランク４１０の写真である。未処理かつ未加熱の試験ブランク４１０の表面４１２は、滑らかで光沢があり、０．２０のＣＯＦを有する。対照的に、図６Ｂは、同様のステンレススチール試験ブランク４２０の写真であり、ステンレススチール試験ブランク４２０も、ありのままで、いずれのコーティングもなく、それは、試験オーブン内で１００時間８００℃で熱老化された。未加熱試験ブランク４１０と対照的に、熱老化試験ブランク４２０の表面４２２は、特により黒ずんだ領域４２４において広範な非均一酸化を経験し、鈍くなり、粗くなり、シールを形成するのに概して適さなくなった。熱老化試験ブランクは、さらに、０．５５の有意により高いＣＯＦを有する。図６Ｂは、より高い作動温度にさらされたときに非保護ステンレススチールに発生する可能性があるダメージを示している。
【００３９】
図７Ａは、任意の加熱処理に先立って、ナノ粒子の層でコーティングされたステンレススチール試験ブランク５１０の写真である。未加熱試験ブランク５１０の表面５１２は、ナノ粒子が目に見えないので依然として滑らかで光沢があり、０．１６の改善されたＣＯＦを有する。図７Ｂは、同様のステンレススチール試験ブランク５２０の写真であり、ステンレススチール試験ブランク５２０も、ナノ粒子の層でコーティングされ、次いで、試験オーブン内で１００時間８００℃で熱老化された。ありのままの表面を有する熱老化試験ブランク４２０と対照的に、ナノ粒子層を有する熱老化試験ブランク５２０の外側表面５２２は、上述されている微粒子状の均一な安定した熱酸化コーティングへの酸化を経験したが、未処理ステンレススチールと同様に高い０．５３のＣＯＦを有していた。
【００４０】
図８Ａは、任意の熱処理に先立って、ナノ粒子アンダーコート層なしに窒化ホウ素のコーティングを受けたステンレススチール試験ブランク６１０の写真である。未加熱試験ブランク６１０の表面６１２は、基礎金属が窒化ホウ素コーティングによってカバーされており、もはや目に見えないので、依然として滑らかだがもはや光沢はない。未加熱の窒化ホウ素コーティングされた試験ブランク６１０は、０．１５のＣＯＦを有する。図８Ｂは、同様のステンレススチール試験ブランク６２０の写真であり、ステンレススチール試験ブランク６２０も、ナノ粒子アンダーコート層なしに窒化ホウ素のコーティングを受け、次いで、試験オーブン内で１００時間８００℃で熱老化された。
【００４１】
図８Ｂに見られることが可能であるように、熱老化試験ブランク６２０の外側表面６２２は、ブランクの中心付近に実質的に不変のままである窒化ホウ素コーティングの部分６２４を含み、０．２２の比較的低いＣＯＦを有する。しかしながら、ブランク６２０の外側縁部付近に窒化ホウ素コーティングの他の領域６２６が存在し、そこでは、コーティングが、下にある基板に粘着するコーティングの能力を失って、代わりに、劣化して破砕して剥離し始めた。劣化は、窒化ホウ素コーティングとの境界付近のステンレススチールブランクの酸化の結果であり、これにより、コーティングが、コーティング自身の劣化ではなく、基板に粘着するコーティングの能力をゆるめると考えられる。
【００４２】
図９Ａおよび９Ｂは、ステンレススチール試験ブランク７１０、７２０の写真であり、ステンレススチール試験ブランク７１０、７２０は、ナノ粒子アンダーコート層および窒化ホウ素オーバーコート層の両方を受け、次いで、試験オーブン内で１００時間８００℃で熱老化された。示されていないが、コーティングされた試験ブランクは、熱老化に先立って、図８Ａの試験ブランク６１０に示された外観および摩擦係数に類似する外観および摩擦係数を有する。図９Ｂのブランク７２０は、ステンレススチールブランクおよびナノ粒子アンダーコート層が３０分間８００℃の第１の上昇した温度まで中間加熱され、次いで、窒化ホウ素オーバーコート層の適用に先立って冷却されたという点で、以前の試験と異なる。この中間加熱は、図９Ａの試験ブランク７１０に適用されなかった。
【００４３】
図９Ａに見られることが可能であるように、中間加熱処理を受けなかった試験ブランク７１０の表面７１２は、０．２４の比較的低いＣＯＦを有する不変中心部分７１４を有したが、依然として、外側縁部付近の領域７１６内にいくつかの破砕および粘着不足が表れた。対照的に、中間加熱処理を受けた試験ブランク７２０の表面７２２によって最良の総合結果が実証された。示されているように、外側表面７２２は、縁部領域７２６においてその一体性および粘着性の両方を維持したと同時に、熱老化サンプルのいずれかの中心シーリング部分７２４付近に最も低いＣＯＦ（０．２１）を提供した。
【００４４】
図１０は、図６Ａおよび６Ｂ〜９Ａおよび９Ｂに示されている試験結果についての数値データを示す表８００であり、これは、複数の試験ブランクまたはサンプル上で行われた。表８００は、さらに、いくつかの追加の試験ブランクがたった１６時間のより短い期間熱老化された後にとられた試験データを含む。
【００４５】
図１１Ａは、ナノ粒子アンダーコート層および窒化ホウ素オーバーコート層の両方を受け、次いで、試験オーブン内で１６時間８００℃で熱老化された試験ブランク上で行われた密閉性試験「前および後」の結果のグラフ９１０である。線９１２は、熱老化に先立って試験ブランク上で行われた窒素漏洩試験についての結果を示している一方で、線９１４は、熱老化後の高温コーティングについての密閉性における改善を示している。グラフ９１０（図１１Ａ）内で評価された試験ブランクは、上述されている中間加熱を受けなかった。
【００４６】
図１１Ｂは、ナノ粒子アンダーコート層、中間加熱および窒化ホウ素アンダーコート層を受けた試験ブランク上で行われ、次いで、試験オーブン内で１６時間８００℃の熱老化された密閉性試験「前および後」の結果のグラフ９２０である。線９２２は、長期の熱老化に先立って試験ブランク上で行われた窒素漏洩試験についての結果を示している一方で、線９２４は、熱老化後の高温コーティングについての密閉性における改善を再び示している。したがって、密閉性についての基準に関して、ナノ粒子アンダーコート層および窒化ホウ素オーバーコート層の両方を受けた試験ブランクが、中間加熱の有無に関わらず、同様に良い性能を示した。
【００４７】
本発明は、本発明を成し遂げる最良の形態を提示するように発明者によって考慮される好まれる実施形態および方法論に関して説明されてきた。多種多様な付加、削除および改変が、示されている実施形態に対して本発明の範囲内で当業者によってよくなされ得る。例えば、ガスケットの基板は、高温コーティングのナノ粒子層の適用に先立って様々に表面処理（例えば、サンドブラスティングおよび酸エッチング）され得る。これらおよび他の修正は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく当業者によってなされ得、以下の請求項によってのみ制限される。
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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