專利名稱：涂覆燃料系統(tǒng)部件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制造燃料系統(tǒng)部件的方法，更特別地涉及用于涂覆燃料系統(tǒng)部件 的方法。
背景技術(shù)：
內(nèi)燃機(jī)不管是壓縮點(diǎn)火或是火花點(diǎn)火都需要燃料噴射系統(tǒng)來準(zhǔn)確可靠地將燃料 輸送給發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室。需要這種準(zhǔn)確性和可靠性來提高燃料效率、使動(dòng)力輸出最大和減少 不希望的排放。燃料噴射系統(tǒng)通常包括燃料泵和一個(gè)或多個(gè)燃料噴射器。燃料泵將燃料供給噴射 器，隨后噴射器控制燃料向發(fā)動(dòng)機(jī)缸的輸送和時(shí)間安排。一種常用的噴射器設(shè)計(jì)成利用往 復(fù)運(yùn)動(dòng)的柱塞來控制燃料向特定燃燒室的輸送。為了改善運(yùn)行，向燃料系統(tǒng)的部件施加硬涂層以減少磨損。例如，當(dāng)兩個(gè)部件的相 對(duì)的表面彼此接觸時(shí)，可利用耐磨涂層來減少部件磨損。傳統(tǒng)地認(rèn)為僅需要對(duì)兩個(gè)相對(duì)的 部件的一個(gè)表面施加涂層。另一個(gè)相對(duì)的表面常由裸露的金屬(例如鋼基體)或由比施加 到相對(duì)表面的硬涂層更軟的其它材料制成。這樣，未被涂覆的裸露的金屬表面可被拋光以 與被涂覆的表面相適應(yīng)，減少總的磨損速率。本領(lǐng)域中已知多種涂覆方法，在1985年9月10日授予Nimmagadda的U. S.專利 No. 4，540，596 (下文稱為“，596專利”)中公開了一種方法。，596專利提供了一種用于涂 覆支承表面的方法。該方法是一種改良的物理蒸鍍(physical vapor deposition,PVD)工 藝，其中在不超過400°華氏溫度(204°C)的溫度下涂覆涂層。這種低溫涂覆工藝是有利 的，因?yàn)樵摴に嚥粫?huì)顯著改變基體結(jié)構(gòu)或影響之前對(duì)基體進(jìn)行的熱處理。盡管’ 596專利的涂覆方法可對(duì)于某些應(yīng)用提供合適的涂層，但是，，596專利的方 法具有多方面的缺點(diǎn)。例如，該方法利用弧電極鍍(arc electrodedeposition)工藝來施加 涂層。由于與這種工藝相關(guān)的高涂鍍速率，可能很難利用’596專利的方法制造較薄的涂層。 另外，弧電極鍍可能是不準(zhǔn)確、不精確的工藝，這可能使得該工藝不適用于具有嚴(yán)格的設(shè)計(jì) 容差的零部件。特別地，通過這種工藝涂覆的燃料系統(tǒng)部件可能由于燃料泄漏或壓力損失 而無效，所述燃料泄漏或壓力損失由具有不能被接受地低的工程容差的相對(duì)表面造成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明第一方面包括一種制造燃料系統(tǒng)部件的方法。該方法包括提供一基體和一涂層，其中，該基體包括鋼，該涂層包括金屬氮化物。該方法還包括使用磁控濺射涂鍍 (magnetron sputtering deposition)工藝向基體的至少一部分施加涂層，該工藝基本在 低于約200°C的溫度下進(jìn)行。本發(fā)明第二方面包括一種燃料系統(tǒng)組件，該組件具有第一部件，該第一部件包括 第一鋼基體和涂鍍于該第一鋼基體的至少一部分上的第一涂層，其中，第一涂層包括金屬 氮化物。該組件還包括第二部件，該第二部件具有第二鋼基體和涂鍍于該第二鋼基體的至少一部分上的第二涂層，其中，第二部件可構(gòu)造成與第一部件以撞擊接合和滑動(dòng)接合中的 至少一種方式相接合，第二涂層包括金屬氮化物。第一涂層和第二涂層至少其中之一可至 少部分地在濺射系統(tǒng)中使用濺射涂鍍工藝形成，該工藝基本在低于約200°C的溫度下進(jìn)行。



圖1是根據(jù)一示例性實(shí)施例的機(jī)械致動(dòng)的單元噴射器的斷面圖；圖2是根據(jù)一示例性實(shí)施例的被涂覆的燃料噴射器柱塞的側(cè)視圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例的、包括釘閥(nail valve)的燃料泵組 件；圖4是根據(jù)另一示例性實(shí)施例的燃料泵的兩個(gè)部件的斷面圖，其中包括位于燃料 泵的相對(duì)表面上的涂層；圖5示出了根據(jù)一示例性實(shí)施例在涂覆過程中的溫度曲線；圖6是根據(jù)一示例性實(shí)施例的濺射系統(tǒng)的頂視圖。
具體實(shí)施例方式下面將詳細(xì)參考本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，這些實(shí)施方式的示例在附圖中示出。 在全部附圖中，相同的附圖標(biāo)記被用于表示相同的或相似的部件。本發(fā)明提供了一種包括改善的涂層的燃料系統(tǒng)部件和用于制造這些有涂層的部 件的方法。這些涂層設(shè)計(jì)成改善部件磨損性質(zhì)和減少燃料系統(tǒng)故障。根據(jù)本發(fā)明的一種示 例性方法，可在總體低于與部件基體材料相關(guān)的回火溫度的溫度下向部件施加涂層。由于 較高的基體溫度會(huì)改變材料性質(zhì)，或通過熱膨脹造成不希望的形狀扭曲，因此，與高溫涂覆 過程相比，低溫涂覆過程可更容易地保持所希望的部件性質(zhì)。與當(dāng)前使用其它涂覆技術(shù)所 能達(dá)到的相比，在較低溫度下利用本發(fā)明的方法進(jìn)行涂覆的燃料系統(tǒng)部件可被制造成具有 較高的工程容差。本發(fā)明的部件可包括任何燃料系統(tǒng)部件或構(gòu)造成與其它部件接觸的其它機(jī)械部 件。例如，合適的燃料系統(tǒng)部件可包括撞擊接合或滑動(dòng)接合的燃料噴射器的部件或燃料泵 的部件。在一實(shí)施例中，這種涂層可被施加到撞擊接合的部件的相對(duì)表面上。在另一實(shí)施 例中，所述部件可包括滑動(dòng)接合的燃料噴射器內(nèi)孔和柱塞，它們?cè)谙鄬?duì)表面上包括硬涂層， 如下面詳細(xì)說明的。圖1是根據(jù)一示例性實(shí)施例的機(jī)械致動(dòng)的單元噴射器的斷面圖。如圖所示，噴射 器2包括燃料噴射器柱塞14，該柱塞在圓筒形內(nèi)孔16中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以在機(jī)械運(yùn)行期間加壓 和噴射燃料。如下面詳細(xì)描述的，柱塞14和內(nèi)孔16的相對(duì)表面可包括表面涂層，該涂層構(gòu) 造成用于提供改善的耐磨性和耐腐蝕性。這種涂層還可被選擇成與多種不同的燃料和/或 其它流體一起操作，包括生物柴油、超低硫燃料、Toyu燃料、低潤(rùn)滑性燃料和/或各種潤(rùn)滑 劑。如圖所示，燃料噴射器2經(jīng)由安裝組件40安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)模塊6上，該安裝組件包 括與噴射器2相關(guān)聯(lián)的夾具42和將夾具42固定于發(fā)動(dòng)機(jī)模塊6上的螺栓44。燃料經(jīng)由在 發(fā)動(dòng)機(jī)模塊6中形成的燃料供給管道4提供給燃料噴射器2，多余的燃料從噴射器2經(jīng)由燃 料排放管道8排出。燃料供給管道4和燃料排放管道8通過圍繞燃料噴射器2的外周的環(huán)形的燃料腔10流體連接。通過燃料供給管道4供給的燃料在噴射周期之間周期性地流向在燃料噴射器2中央形成的總體為圓筒形的燃料加壓室12。燃料加壓室12中的燃料被在圓筒形內(nèi)孔16中往 復(fù)運(yùn)動(dòng)的燃料噴射器柱塞14周期性地加壓，該圓筒形內(nèi)孔形成于燃料噴射器體部20的一 部分的圓筒體延伸部18中。當(dāng)柱塞14通過聯(lián)接于盤22的搖臂(未示出)而被迫向下時(shí)， 加壓室12中的壓力增加。該壓力增加也使與室12流體連接的噴管腔24中的壓力增加。當(dāng) 噴管腔24中的壓力達(dá)到閾值水平時(shí)，流體施加的力造成噴管止回閥(check) 26打開，由此 造成燃料被噴射到燃燒室(未示出)中。圖2是根據(jù)一示例性實(shí)施例的被涂覆的燃料噴射器柱塞14的側(cè)視圖。如圖所示， 柱塞14包括主體部28、柱塞端部30和裝載端部32。噴射器柱塞14的所述多個(gè)部分可從 基體34形成或加工出。柱塞14還可包括涂層36，該涂層可被施加于基體34的至少一部分 上，以涂覆柱塞14的至少一部分。在一些實(shí)施例中，另一部件(未示出)可構(gòu)造成與柱塞 14接合，例如圖1所示的內(nèi)孔16。該另一部件也可至少部分地涂覆有涂層材料，從而彼此 接觸的兩個(gè)相對(duì)表面都被涂覆。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例的、包括釘閥組件52的燃料泵組件50。 如圖所示，釘閥組件52包括移動(dòng)的閥56和閥體54。另外，如圖所示，閥56與閥體54接合 以防止燃料通過泵組件50流動(dòng)。在運(yùn)行中，閥56可反復(fù)地和強(qiáng)有力地接合閥體54，造成閥 56和閥體54的相對(duì)表面之間的反復(fù)撞擊。為防止閥56和閥體54的相配合表面的磨損，這 些表面可由涂層制成或包括涂層，該涂層將抵抗撞擊磨損和/或滑動(dòng)磨損。圖4是如圖3所示的燃料泵組件50的釘閥組件52的斷面圖。如上所述，閥組件 52包括位于燃料泵組件部件(閥56和閥體54)的相對(duì)表面上的涂層60、60’。如圖所示， 閥56和閥體54可包括位于閥56和閥體54的基體材料上的涂層層60、60’。在一些實(shí)施例 中，涂層60、60’可由硬的耐磨材料制成。另外，在一些實(shí)施例中，涂層60、60’可選擇性地 包括位于涂層60、60’與基體之間的粘合層(未示出)。應(yīng)注意，涂層60、60’可包括硬的耐磨材料。這種材料可選擇成防止那些構(gòu)造成彼 此反復(fù)接合以在兩個(gè)表面之間產(chǎn)生撞擊的機(jī)械部件的磨損。合適的涂層材料還可選擇成用 于構(gòu)造成用于滑動(dòng)接合的部件的一個(gè)或兩個(gè)相對(duì)表面，例如適用于涂層36的材料。涂層36、60、60，的組成可從多種合適的材料中選取。在一些實(shí)施例中，涂層36、 60、60’可包括金屬氮化物。特別地，涂層36、60、60’可包括從氮化鉻、氮化鋯、氮化鉬、碳氮 化It (titanium—carbon—nitride)、或碳?xì)饣?告(zirconium-carbon-nitride)中選取白勺至 少一種金屬氮化物。此外，移動(dòng)的閥56上的涂層60可包括與用于制造閥體54的相對(duì)表面 上的涂層60’相同或類似的材料。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，涂層60和涂層60’可都包括金 屬氮化物。特別地，涂層60和涂層60’可都包括氮化鉻。構(gòu)造用于涂層的各基體可由多種合適的材料制成。例如，基體34、閥體54或閥56 可包括任何合適的鋼，例如低合金鋼、工具鋼、52100鋼、1120鋼、HlO鋼或具有類似性質(zhì)的 任何其它材料。合適的材料可根據(jù)希望的物理性質(zhì)(例如抗變形性)和/或與上面的涂層 相粘合和承受高溫的能力進(jìn)行選擇，所述高溫可能存在于涂層涂鍍或裝置使用期間。在一些實(shí)施例中，包括柱塞14、內(nèi)孔16、閥體54或閥56在內(nèi)的各基體可包括低合 金鋼。這里所用的術(shù)語“低合金”應(yīng)理解為是指其中硬化元素例如錳、鉻、鉬和鎳共同組成少于總的鋼組分的按重量計(jì)約3. 5%的鋼種類。另外，由于這種鋼的相對(duì)較低的成本和高的 可靠性，低合金鋼可被選擇用于燃料系統(tǒng)部件。此外，用于形成部件基體的材料可以根據(jù)涂層材料的一個(gè)或多個(gè)性質(zhì)進(jìn)行選擇。 例如，一種基體材料可根據(jù)基體材料與涂層材料的相容性進(jìn)行選擇。相容性可基于撞擊動(dòng) 量特性(energy impact response)、硬度、耐磨性、熱膨脹性、粘合性、或與涂層或基體相關(guān) 的其它物理參數(shù)。在一些實(shí)施例中，可使用設(shè)計(jì)成至少部分地保持涂層與基體的相容性的 涂覆方法將這些涂層應(yīng)用于合適的基體。例如，一種涂層和基體可選擇成基本保持一種或 多種物理性質(zhì)，例如硬度或物理尺寸。這種部件在進(jìn)行涂覆方法之前和之后可具有大體類 似的物理性質(zhì)。應(yīng)注意，根據(jù)燃料噴射器或燃料泵部件52的目標(biāo)應(yīng)用和環(huán)境，可在涂覆涂層36、 60,60'之前向基體施加一粘合層(未示出)。例如，合適的粘合層可包括(涂覆于)柱塞 14、內(nèi)孔16、閥56或閥體54的基體的一層鉻或其它合適的金屬層，以改善涂層36、60、60’ 的粘合性。在使用時(shí)，可使用涂鍍工藝應(yīng)用可選的粘合層材料，以產(chǎn)生厚度總體介于約0. 05 微米和約0.5微米之間的層。另外，當(dāng)在燃料系統(tǒng)部件的樣品上通過球磨弧坑試驗(yàn)(Ball Crater Test)在部件的多個(gè)部位進(jìn)行測(cè)試時(shí)，柱塞14、內(nèi)孔16、閥56或閥體54上的涂層 30、60、60’的厚度應(yīng)特別均勻。可選擇地，均勻的涂層厚度可使用在燃料泵部件的選定斷面 的樣品上進(jìn)行的掃描電子顯微鏡測(cè)量方法或通過使用X射線熒光進(jìn)行證明。涂層36、60、60’可具有合適的厚度范圍。例如，這些涂層可通常具有不大于約5. 0 微米、且通常可介于約0. 5微米與約1. 7微米之間、或介于約0. 5微米與約1. 0微米之間的 厚度。除了厚度外，對(duì)涂層36、60、60’和被涂覆的部件基體的一些或全部物理性質(zhì)的控 制也可能與制造高度可靠且成本有效的部件相關(guān)。例如，涂層粘合性、涂層硬度、基體硬度、 表面紋理、熱膨脹性和摩擦系數(shù)是這些物理性質(zhì)中的一些，它們可被監(jiān)測(cè)和控制以制造具 有所需物理性質(zhì)的部件。需要特定性質(zhì)的部件可能需要某些類型的涂覆方法，因?yàn)椴皇撬?有的方法都能制造出高質(zhì)量的涂層和保持所需的基體性質(zhì)。圖5示出了根據(jù)一示例性實(shí)施例的涂層制造過程102。在一些實(shí)施例中，涂層制造 過程102可應(yīng)用于一種或多種燃料系統(tǒng)部件，例如控制閥。特別地，涂覆過程102可應(yīng)用于 燃料噴射器柱塞14、燃料噴射器內(nèi)孔16、閥體54或釘閥56的一個(gè)或多個(gè)表面。如圖5所示，涂層制造過程102包括通常/總體小于200°C的溫度。如果該溫度可 通常/總體保持成低于基體材料的回火溫度，則在涂層制造過程102之前由熱處理或其它 熱工藝造成的機(jī)械性質(zhì)可被保持。盡管通常與一些涂覆方法相關(guān)的高涂覆溫度會(huì)削弱基體 材料的所需物理性質(zhì)或使基體變形，但是低溫涂覆可有助于保持在基體涂覆之前實(shí)現(xiàn)的所 需物理性質(zhì)或減少基體的熱變形。在一些實(shí)施例中，涂層制造過程102可包括大于200°C的 溫度。如果保持相對(duì)較短的時(shí)間段、或如果這種高溫不顯著影響材料性質(zhì)或之前進(jìn)行的熱 處理，則該溫度是可能的。在涂覆過程102之前，可選擇相容的基體和涂層材料，如前所述。然后可將該基體 材料制造成設(shè)計(jì)用于與另一部件接合的形狀，其中另一部件可被涂覆或不被涂覆。接合可 包括相對(duì)的部件表面的滑動(dòng)或撞擊。另外，在涂覆過程102之前可向基體材料或成型的基 體進(jìn)行其它各種制造工藝。例如，可通過多種傳統(tǒng)方法例如除油污、噴砂、蝕刻、化學(xué)輔助振動(dòng)技術(shù)、利用堿溶液的超聲清洗等完成基體清潔。清潔還可包括確認(rèn)合適的清潔的檢查步 馬聚O涂覆過程102可包括一個(gè)或多個(gè)階段或子工藝/子程序。如圖5所示，涂覆過程 102可包括預(yù)加熱工藝110和涂覆工藝112。在另一實(shí)施例中，涂覆過程102可包括較少的 工藝、反復(fù)進(jìn)行的工藝、或在涂覆工藝112之前、之后或期間進(jìn)行的其它工藝。預(yù)加熱工藝104可包括在開始時(shí)將一部件例如基體34加熱到選擇的溫度范圍，以 提高部件的溫度為涂覆工藝112做準(zhǔn)備或幫助除去表面污物。涂覆過程102還可包括一個(gè) 或多個(gè)加熱工藝108或冷卻工藝(未示出)，以控制部件溫度或周圍溫度，如下面詳細(xì)描述 的。這種受控制的熱處理可有助于減少涂覆過程102期間的基體尺寸的不希望的變化。靶清潔工藝106可包括設(shè)計(jì)成至少部分地清潔濺射靶的任何工藝。清潔工藝106 可包括任何數(shù)量的步驟，一些步驟可被反復(fù)進(jìn)行多次，以實(shí)現(xiàn)合適的清潔。
涂覆過程102還可在部件涂覆期間的不同階段包括一個(gè)或多個(gè)表面處理工藝。表 面處理可被進(jìn)行以增強(qiáng)涂層粘合性或影響涂層結(jié)構(gòu)。例如，通過研磨工藝或通過使用氬來 離子蝕刻表面，可制造出高度光滑的基體表面。在一些實(shí)施例中，可應(yīng)用等離子蝕刻工藝 110，其中高速的等離子流朝向基體表面發(fā)射(以脈沖形式)。在涂覆工藝112之前還可進(jìn) 行其它類似的工藝。涂覆工藝112可包括任何合適的濺射涂鍍工藝，例如磁控濺射。在一些實(shí)施例中， 涂覆工藝112可基本在小于約200°C的溫度下進(jìn)行。在其它實(shí)施例中，如圖5所示，涂覆工 藝112可基本在小于約160°C的溫度下進(jìn)行。另外，可使用混合型過程，從而使用在小于約 200°C的溫度下進(jìn)行的濺射涂鍍工藝施加至少一部分涂層。合適的濺射工藝通常包括使用高能離子轟擊靶材，所述高能離子通常是不活潑氣 體例如氬。然后，靶材中的原子由于轟擊而被噴射到氣相中。這些原子然后朝向基體加速， 少量靶材被涂鍍?cè)诨w表面上。濺射源可包括利用強(qiáng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的磁控管(磁電管，magnetron)，以在磁控靶的 表面附近捕獲電子。磁控管通常需要相對(duì)較高水平的基體離子轟擊，這可通過增加去向靶 的能量或減小離開靶的距離來實(shí)現(xiàn)。在一些實(shí)施例中，涂覆工藝112還可包括非平衡磁控 濺射。圖6是根據(jù)一示例性實(shí)施例的濺射系統(tǒng)150的頂視圖。在一些實(shí)施例中，濺射系 統(tǒng)150可包括非平衡磁控濺射(UBMS)系統(tǒng)152。UBMS系統(tǒng)152可包括涂覆室154、基體臺(tái) 156、一個(gè)或多個(gè)濺射靶158、多個(gè)非平衡磁控管160、磁控管磁體161、等離子源162、一個(gè)或 多個(gè)加熱元件164、氣體供給裝置166和不活潑氣體供給裝置168。涂覆室154可包括任何合適的真空室，該真空室設(shè)計(jì)成利用UBMS涂覆工藝進(jìn)行操 作。涂覆室154還可構(gòu)造成容納基體臺(tái)156，該基體臺(tái)設(shè)計(jì)成保持待涂覆的一個(gè)或多個(gè)部件 (未示出)。在一些實(shí)施例中，基體臺(tái)156可相對(duì)于一個(gè)或多個(gè)濺射靶158轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)。濺射靶158可包括可與濺射系統(tǒng)150 —起操作的任何合適的材料，例如含鉻的材 料。各種材料可根據(jù)濺射工藝、待涂覆的基體、或涂覆材料的具體需要進(jìn)行選擇。濺射靶 158通常鄰近非平衡磁控管160定位。由磁控管160產(chǎn)生的非平衡磁場(chǎng)造成等離子遠(yuǎn)離靶 158表面并朝向基體臺(tái)156和基體(未示出)膨脹。在一些實(shí)施例中，磁控管磁體161可與鄰近的交替的極一起設(shè)置，在各磁控管160之間得到相關(guān)聯(lián)的或封閉的場(chǎng)線。這些場(chǎng)線可防止電子逃逸到室154的壁，造成更 高的離子流密度和更硬的粘合良好的涂層。合適的UBMS系統(tǒng)由TEER Coating有限公司 (Worcester, UK)制造。UBMS系統(tǒng)152還可包括等離子源162，其設(shè)計(jì)成提供等離子的源。加熱元件164 可設(shè)計(jì)成將室154加熱到任何合適的溫度，例如圖5所示的溫度曲線100。UBMS系統(tǒng)152 還可包括一個(gè)或多個(gè)氣體供給裝置。如圖6所示，氣體供給裝置166和不活潑氣體供給裝 置168流體連接到室154。例如，氣體供給裝置166可包括氬氣供給裝置，不活潑氣體供給 裝置168可包括氮?dú)夤┙o裝置。氣體供給裝置166、168可分別包括設(shè)計(jì)成獨(dú)立地控制進(jìn)入 室154中的氣體流的閥(未示出)或其它裝置(未示出)。為了形成具有合適質(zhì)量的涂層，與濺射涂鍍工藝相關(guān)的參數(shù)可根據(jù)基體材料的類 型或燃料系統(tǒng)部件的運(yùn)行要求進(jìn)行選擇。一些基體可能受到升高的溫度的影響，涂覆工藝 112可選擇成例如通過限制工藝溫度或涂覆時(shí)間來使工藝對(duì)所選基體的不利影響最小。濺 射工藝可選擇成產(chǎn)生氮化鉻(CrN)涂層，可選擇合適的工藝來保持溫度低于160°C，以減少 位于下面的基體的尺寸變化或所需機(jī)械性質(zhì)的損失。通常，與UBMS系統(tǒng)152的運(yùn)行相關(guān)的多個(gè)參數(shù)可影響涂覆工藝112。特別地，特定 的參數(shù)設(shè)置“配方(recipe)”可用于制造具有特定性質(zhì)的被涂覆部件。在一些實(shí)施例中，涂 覆質(zhì)量可受到氣體壓力、磁控強(qiáng)度(magnetron strength)和基體偏壓(substrate bias) 的影響。與UBMS系統(tǒng)152相關(guān)的不同的“配方”或參數(shù)設(shè)置可被權(quán)衡，以優(yōu)化部件性質(zhì)例 如硬度、楊氏(Young's)模量、脆性、耐磨性或摩擦系數(shù)?？刂茪怏w壓力、磁控強(qiáng)度或基體偏 壓可影響涂覆工藝的等離子特性，并因此影響涂層涂鍍速率、化學(xué)涂鍍和材料微結(jié)構(gòu)，以改 變被涂覆產(chǎn)品的機(jī)械和摩擦學(xué)性質(zhì)。用于與UBMS系統(tǒng)152 —起使用的合適的“配方”也可受到基體材料和涂覆工藝112 期間所保持的總體溫度的影響。例如，當(dāng)涂覆工藝112總體在小于約160°C的溫度下進(jìn)行 時(shí)，以及當(dāng)系統(tǒng)152具有約3E-3mbar的氣體壓力、約3E_5mbar的氮分壓力、約l_3W/cm2的 陰極能量密度、約100-150伏特的基體偏壓時(shí)，以及涂覆工藝112保持約4-8小時(shí)，可在鋼 基體上形成CrN涂層。這種“配方”可導(dǎo)致厚度為約1-2 μ m、納米硬度為約20GPa的硬CrN 涂層，而同時(shí)保持基體的熱膨脹小于約Ιμπι的工程容差。除了厚度之外，對(duì)涂層或基體的至少一些物理或化學(xué)性質(zhì)的控制也可與制造高度 可靠和成本有效的部件相關(guān)。例如，涂層粘合性、涂層硬度、基體硬度、表面紋理和摩擦系數(shù) 是這些物理性質(zhì)中的一些，它們可被監(jiān)測(cè)和控制以制造所需的燃料噴射器部件。另外，不同 的應(yīng)用可能需要不同的物理或化學(xué)性質(zhì)。如上所述，任何成型涂層應(yīng)總體上沒有表面缺陷。另外，根據(jù)部件的目標(biāo)應(yīng)用，該 涂層可包括特定的表面紋理等級(jí)或表面紋理量度。例如，通?？稍诒煌扛驳幕w的樣品上 通過以100倍的放大率觀察樣品表面的多個(gè)點(diǎn)來觀察表面缺陷。該表面觀察可與各種分類 標(biāo)準(zhǔn)相比較以確保涂層基本沒有表面缺陷。此外，涂層應(yīng)通常附著在選定的基體材料上。對(duì) 于給定群組的燃料系統(tǒng)部件，可例如通過使用標(biāo)準(zhǔn)硬度測(cè)試(例如Rockwell C硬度測(cè)量) 來評(píng)估涂層粘合性，其中，觀察部件表面上的撞擊部位，并將該撞擊部位與不同的粘合性分 類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。最后應(yīng)注意，盡管本發(fā)明的涂層被描述成用于與柱塞14、內(nèi)孔16、閥體54和釘閥56 一起使用，但是，本發(fā)明的涂層可與經(jīng)受反復(fù)的撞擊和/或滑動(dòng)接合的任何機(jī)械部件一 起使用。另外，這種涂層可在存在各種碳?xì)淙剂匣蛉剂咸砑游锏那闆r下與經(jīng)受這些形式的 磨損的任何機(jī)械部件一起使用。例如，這種部件可包括用在燃料泵、燃料噴射器或其它發(fā)動(dòng) 機(jī)部件中的、可能經(jīng)受磨損的任何閥或其它部件。工業(yè)適用性本發(fā)明提供了 一種用于燃料系統(tǒng)部件的低溫涂覆方法。這種低溫工藝可有助于保 持由在前的、作用于部件的熱處理造成的材料性質(zhì)，由此提高耐磨性和減少故障率。該部件 可包括基體和涂鍍到基體上的涂層。該涂層可包括多種合適的硬材料，例如金屬氮化物材 料。在一些實(shí)施例中，可向鋼基體涂覆氮化鉻涂層。低溫涂覆工藝可包括任何合適的濺射涂鍍技術(shù)，例如磁控濺射或非平衡磁控濺 射。在涂覆之前，基體材料可根據(jù)需要被清潔、加熱和/或表面處理。在涂覆過程中，可在溫 度保持低于約200°C的同時(shí)涂覆基體。在一些實(shí)施例中，涂覆溫度可以為約160°C。同時(shí)， 可使用這種涂覆工藝涂覆兩個(gè)部件的一個(gè)或全部?jī)蓚€(gè)相對(duì)表面。如前面所述，與只有一個(gè) 表面被涂覆時(shí)相比，滑動(dòng)或撞擊接合的部件在兩個(gè)相對(duì)表面都被涂覆時(shí)可顯示出顯著減少 的部件磨損性。該涂鍍系統(tǒng)的某些參數(shù)可被改變以允許在部件基體的至少一部分上形成硬的、薄 的涂層，如前面所述。用于運(yùn)行濺射系統(tǒng)的特定“配方”可制造具有顯著改善的物理性質(zhì)的 部件。例如，燃料系統(tǒng)部件可被部分地涂覆有厚度介于0.05μπι與2μπι之間的涂層。在 存在常規(guī)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的情況下，以及在存在替換燃料例如低潤(rùn)滑性燃料、Caterpillar燃 料、生物柴油、Toyu燃料、JP8和Kl燃料的情況下，在相對(duì)表面上使用本發(fā)明的涂層可提供 低的部件磨損速率。本領(lǐng)域技術(shù)人員將能顯見，可對(duì)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法做出多種變形和改變而不偏離本發(fā)明的范圍。通過閱讀說明書和公開的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能顯見本發(fā)明的 系統(tǒng)和方法的其它實(shí)施例。說明書和示例僅應(yīng)被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真實(shí)范圍由所 附權(quán)利要求及其等同方案限定。
權(quán)利要求
一種涂覆燃料系統(tǒng)部件的方法，包括選擇基體(34)和涂層(36)，其中基體包括鋼，涂層包括金屬氮化物；和使用磁控濺射涂鍍工藝向基體的至少一部分施加涂層，所述涂鍍工藝基本在低于約200℃的溫度下進(jìn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述涂鍍工藝基本在低于約160°C的溫度下進(jìn)行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述涂鍍工藝包括提供約為3E-3mbar的氣體 壓力和約為3E-5mbar的氮分壓力。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述涂鍍工藝包括提供介于約lW/cm2與約3W/ cm2之間的陰極能量密度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述涂鍍工藝包括提供介于約100伏特與約 150伏特之間的基體偏壓。
6.一種燃料系統(tǒng)組件，包括第一部件，該第一部件包括第一鋼基體(34)和涂鍍?cè)诘谝讳摶w的至少一部分上的 第一涂層(36)，其中第一涂層包括第一金屬氮化物；第二部件，該第二部件包括第二鋼基體和涂鍍?cè)诘诙摶w的至少一部分上的第二涂 層，其中第二部件設(shè)計(jì)成與第一部件以撞擊接合和滑動(dòng)接合至少其中之一的方式相接合， 第二涂層包括第二金屬氮化物；和第一涂層和第二涂層至少其中之一至少部分地在濺射系統(tǒng)(152)中使用基本在小于 約200°C的溫度下進(jìn)行的濺射涂鍍工藝形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的燃料系統(tǒng)組件，其特征在于，第一和第二金屬氮化物至少其中之 一包括從包含氮化鉻、氮化鋯、氮化鉬、碳氮化鈦、和碳氮化鋯的組中選取的材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的燃料系統(tǒng)組件，其特征在于，第一鋼基體和第二鋼基體至少其中 之一包括從包含低合金鋼、工具鋼、52100鋼、1120鋼和HlO鋼的組中選取的材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的燃料系統(tǒng)組件，其特征在于，所述涂鍍工藝包括磁控濺射和非平 衡磁控濺射至少其中之一。
10.根據(jù)權(quán)利要求6的燃料系統(tǒng)組件，其特征在于，第一鋼基體和第二鋼基體至少其中 之一還利用基本在小于約200°C的溫度下進(jìn)行的涂覆工藝進(jìn)行處理，其中該涂覆工藝從包 含預(yù)加熱工藝、加熱工藝和等離子蝕刻工藝的組中選取。
全文摘要
本發(fā)明包括一種制造燃料系統(tǒng)部件的方法。該方法包括提供基體(34)和涂層(36)，其中基體包括鋼，涂層包括金屬氮化物。該方法還包括使用磁控濺射涂鍍工藝向基體的至少一部分施加涂層，所述涂鍍工藝基本在低于約200℃的溫度下進(jìn)行。
文檔編號(hào)F02M61/16GK101821425SQ200880109317
公開日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2008年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月28日
發(fā)明者B·馮, J·P·維爾納, L·V·戴維斯, S·C·泰勒 申請(qǐng)人:卡特彼勒公司