專利名稱：一種新型噴油器油針及其表面處理方法
技術領域：
本發明涉及一種發動機噴油器油針及其表面處理方法。
背景技術：
噴油器是柴油機燃油供給系中實現燃油噴射的重要部件，其功用是根據柴油機混合氣形成的特點，將燃油霧化成細微的油滴，并將其噴射到燃燒室特定的部位。噴油器應滿足不同類型的燃燒室對噴霧特性的要求；一般說來，噴注應有一定的貫穿距離和噴霧錐角， 以及良好的霧化質量，而且在噴油結束時不發生滴漏現象，這就要求噴油器具有優良的配合精度。油針和針閥套是柴油發動機噴油器中一對關鍵的精密偶件，其配合間隙精度要求很高。在高速運動過程中，油針表面易發生磨損，使其與針閥套的間隙變大，容易導致發動機供油能力下降，效率降低以及油料浪費。近年來，為了提高噴油效率，柴油發動機中噴油器的噴油壓力逐漸提高，這使得油針偶件的工況越來越惡劣；加之國內燃油的品質問題，更加劇了油針偶件的磨損，造成使用壽命大大縮短，達不到設計需要。因而提高油針偶件的抗磨損能力和使用壽命對提高噴油器噴油壓力，改善噴油效能，滿足不斷提高的排放要求，實現保護環境節約能源的目標具有重大意義。油針一般由熱穩定性好的高速鋼或軸承鋼制造。但由于油針對尺寸的精度要求較高(特別是圓度，圓柱度要求)；傳統的表面改性技術(如噴涂、磷化等)達不到精度要求， 因此需要一種對油針的尺寸精度影響較小又能顯著提高其抗磨損能力的新型表面處理方法。
發明內容
本發明的目的是克服上述背景技術的不足，提供一種噴油器油針的改進，該油針應具備高抗磨損能力，同時精度又高的特點。本發明的另一目的是提供一種對噴油器油針表面處理的方法，該方法應能夠既滿足油針尺寸精度要求，又能有效地提高油針的耐磨性和抗沖蝕性，延長使用壽命。本發明提供的技術方案是一種新型噴油器油針，包括鋼質油針；其特征在于油針的外表面沉積著一層厚度為I. 2 3 的無氫非晶碳復合膜，該復合膜包含三層結構，底層為包覆在油針鋼質基體表面的純金屬原子過渡層，中間層為碳原子和金屬原子組成的成分梯度層，外表層為摻入微量金屬原子的納米多層非晶碳膜；上述金屬原子是鉻Cr，或鈦Ti，或鋯Zr，或銀Ag。所述純金屬原子過渡層的厚度為0. I I. 5um :所述成分梯度層的厚度為0. 5 2um，其中的碳原子與金屬原子的比例為0 60 I ;所述納米多層非晶碳膜的厚度為
0.6 2. 5um,其中的碳原子與金屬原子的比例為50 80 : I。一種新型噴油器油針的表面處理方法，按照以下步驟進行I)采用金屬除油清洗劑對油針進行超聲波清洗30分鐘，然后烘干；
2)預濺射清洗清洗烘干后的油針放入閉合場非平衡磁控濺射離子鍍設備的真空腔中，進行離子濺射清洗，時間為30 60分鐘；3)鍍膜在閉合場非平衡磁控濺射離子鍍設備的真空腔中，依次對油針進行10 20分鐘的金屬原子濺射以形成純金屬原子過渡層，50 80分鐘的碳原子濺射與金屬原子濺射以形成成分梯度層，90 120分鐘金屬原子濺射以及碳原子濺射以形成摻入微量金屬原子的納米多層非晶碳膜；上述金屬原子是鉻Cr，或鈦Ti，或鋯Zr，或銀。所述步驟2)中須向真空腔內通入氬氣，純度為99. 99%，流量為25 35sCCm。所述步驟3)中須向真空腔內通入氬氣，純度為99. 99%，流量為15 30sCCm。本發明的有益效果是，由于油針外表面沉積了極薄的無氫非晶碳復合膜，不但可保持油針原有的精度，而且該復合膜層具有極低摩擦系數和抗沖蝕性(摩擦系數為0. 02 0. 08，硬度為1400 2800HV,比磨損率為3X 10_17 9X 10—V/Nm)，能夠顯著降低油針偶件的運動阻力，提高耐磨性，有效抵御高壓噴射燃油的沖蝕和油中雜質微粒的沖擊，大幅度延長使用壽命(延長使用壽命2-3倍)。所述處理方法由于采用了閉合場非平衡磁控濺射離子鍍設備，因而能夠方便有效地在油針表面均勻沉積無氫非晶碳復合膜，進而顯著提高了油針的表面性能和耐磨性，大幅度延長了油針的使用壽命。
圖1是油針的主視結構示意圖。圖2為閉合場非平衡磁控濺射離子鍍設備的工作原理示意圖。
具體實施例方式非晶碳膜主要由sp2、sp3雜化碳組成的非晶態和微晶態結構的無氫碳膜；非晶碳膜具有高硬度、抗耐磨、低摩擦系數、光學透光性及化學惰性等優異的性質，因而廣泛應用于各種保護涂層、耐磨涂層、光學窗ロ、磁存儲器件、場發射器件及太陽能電池等領域。圖1所示的油針結構示意圖中，油針10的外表面包覆有厚度為1. 2 3μ m的無氫非晶碳復合膜；該復合膜包含三層結構，底層為粘結在油針鋼質基體表面的純金屬原子過渡層，厚度為0. 1 1. 5um ；中間層為碳原子和金屬原子組成的成分梯度層，厚度約為 0. 5 2um ；外表層為摻入微量金屬原子的納米多層非晶碳膜，厚度約為0. 6 2. 5um。上述金屬原子可以是鉻Cr，或鈦Ti，或鋯Zr，或銀Ag。所述成分梯度層中碳原子和金屬原子的比例為0 60 1，沿著鋼質基體表面法線方向(即由內而外方向)，是ー個碳元素逐漸增多，金屬原子逐漸減少的過程；所述納米多層非晶碳膜中碳原子和金屬原子的比例為50 80 1，除特別注明之外，本文所述比例均為原子數量比。本發明所述油針表面沉積的無氫非晶碳復合膜，通過閉合場非平衡磁控濺射離子鍍設備(外購設備)實現。該設備的主要結構為含有四個垂直于水平面且相互以90度角環形排列的磁控祀形成閉合場(如圖2所不),其中I和2為金屬祀材,3號和4號為石墨靶材；5，6，7為真空腔內安放油針的工件架托盤的旋轉軸，各個圓盤在工藝實施過程中同時繞旋轉軸旋轉；8為安插油針的位置，油針自身在工藝實施過程中間歇性自轉；因此油針能夠圍繞中心旋轉軸5形成四次軸旋轉，目的在于保證油針的尺寸精度。本發明所述制備工藝主要流程步驟如下一、將加工達到精度要求的油針使用金屬除油清洗劑(如丙酮)進行超聲波清洗 30分鐘，充分干燥后裝入夾具，并放入閉合場非平衡磁控濺射離子鍍設備的真空腔內，真空腔抽真空至2 5 X KT5Torr。二、向真空腔內通入氬氣；氬氣純度為99. 99%，流量為25 35sccm ;將設備參數調節至離子清洗工藝，具體為脈沖偏壓500 600V，脈沖頻率150 250KHz，脈沖寬度 500 1000ns，兩個金屬靶靶電流0. 3 0. 5A，離子濺射清洗時間為30 60分鐘。三、將脈沖偏壓降低至150 200V，將兩個金屬靶靶電流提高至4 5A，保持其他參數不變，進行金屬靶材的預濺射清洗，時間為5 10分鐘。四、將脈沖偏壓降低至50 80V，將兩個金屬靶靶電流提高至5 6A，保持其他參數不變，沉積純金屬原子過渡層，時間為10 20分鐘。五、保持步驟四脈沖電壓，設定脈沖頻率40 80KHz，脈沖寬度1200 1800ns，氬氣流量降為15 20SCCm，將兩個金屬靶靶電流由步驟四的設定值線性降至0. 15 0. 32A， 兩個石墨靶靶電流由OA線性升高至6 7A，沉積成分梯度層，時間為50 80分鐘。六、保持步驟五最后設定參數，沉積摻入微量金屬元素的納米多層非晶碳膜，時間為90 120分鐘。實施例I :鋼質油針表面的無氫非晶碳復合膜包含三層結構，底層為包覆在鋼質基體上的純金屬原子過渡層，厚度為0. Ium ;中間層為碳原子和金屬原子組成的成分梯度層，厚度為 2um，其中的碳原子與金屬原子的比例為0 60 1，沿著法線方向是一個碳元素逐漸增多，金屬原子逐漸減少的過程；外表層為摻入微量金屬原子的納米多層非晶碳膜，厚度為
0.6um,其中的碳原子與金屬原子的比例為80 : I ;上述金屬原子是鉻Cr。實施例2 鋼質油針表面的無氫非晶碳復合膜包含三層結構，底層為包覆在鋼質基體上的純金屬原子過渡層，厚度為0. Sum ;中間層為碳原子和金屬原子組成的成分梯度層，厚度為 lum，其中的碳原子與金屬原子的比例為0 40 1，沿著法線方向是一個碳元素逐漸增多，金屬原子逐漸減少的過程；外表層為摻入微量金屬原子的納米多層非晶碳膜，厚度為
1.2um,其中的碳原子與金屬原子的比例為60 : I ;上述金屬原子是鈦Ti。實施例3 鋼質油針表面的無氫非晶碳復合膜包含三層結構，底層為包覆在鋼質基體上的純金屬原子過渡層，厚度為I. 5um ;中間層為碳原子和金屬原子組成的成分梯度層，厚度為
0.5um，其中的碳原子與金屬原子的比例為0 50 1，沿著法線方向是一個碳元素逐漸增多，金屬原子逐漸減少的過程；外表層為摻入微量金屬原子的納米多層非晶碳膜，厚度為
2.5um,其中的碳原子與金屬原子的比例為50 : I ;上述金屬原子是錯Zr。實施例4
鋼質油針表面的無氫非晶碳復合膜包含三層結構，底層為包覆在鋼質基體上的純金屬原子過渡層，厚度為0. 5um ；中間層為碳原子和金屬原子組成的成分梯度層，厚度為 1.5um，其中的碳原子與金屬原子的比例為0 60 1，沿著法線方向是ー個碳元素逐漸增多，金屬原子逐漸減少的過程；外表層為摻入微量金屬原子的納米多層非晶碳膜，厚度為 2. Oum，其中的碳原子與金屬原子的比例為70 1 ；上述金屬原子是銀Ag。
權利要求
1.ー種新型噴油器油針，包括鋼質油針(10)；其特征在于油針的外表面沉積著ー層厚度為1. 2 3 μ m的無氫非晶碳復合膜，該復合膜包含三層結構，底層為包覆在油針鋼質基體表面的純金屬原子過渡層，中間層為碳原子和金屬原子組成的成分梯度層，外表層為摻入微量金屬原子的納米多層非晶碳膜；上述金屬原子是鉻Cr，或鈦Ti，或鋯Zr，或銀Ag。
2.根據權利要求1所述的ー種新型噴油器油針，其特征在于所述純金屬原子過渡層的厚度為0. 1 1. 5um 所述成分梯度層的厚度為0. 5 2um，其中的碳原子與金屬原子的比例為0 60 1 ；所述納米多層非晶碳膜的厚度為0.6 2. 5um，其中的碳原子與金屬原子的比例為50 80 1。
3.ー種新型噴油器油針的表面處理方法，按照以下步驟進行1)采用金屬除油清洗劑對油針進行超聲波清洗30分鐘，然后烘干；2)預濺射清洗清洗烘干后的油針放入閉合場非平衡磁控濺射離子鍍設備的真空腔中，進行離子濺射清洗，時間為30 60分鐘；3)鍍膜在閉合場非平衡磁控濺射離子鍍設備的真空腔中，依次對油針進行10 20分鐘的金屬原子濺射以形成純金屬原子過渡層，50 80分鐘的碳原子濺射與金屬原子濺射以形成成分梯度層，90 120分鐘金屬原子濺射以及碳原子濺射以形成摻入微量金屬原子的納米多層非晶碳膜；上述金屬原子是鉻Cr，或鈦Ti，或鋯Zr，或銀。
4.根據權利要求3所述的ー種新型噴油器油針的表面處理方法，其特征在于所述步驟2)中須向真空腔內通入氬氣，純度為99. 99%，流量為25 35sCCm。
5.根據權利要求4所述的ー種新型噴油器油針的表面處理方法，其特征在于所述步驟3)中須向真空腔內通入氬氣，純度為99. 99%，流量為15 30SCCm。
全文摘要
本發明涉及一種發動機噴油器油針及其表面處理方法。目的是提供的油針應具備高抗磨損能力；提供的方法應能夠有效地提高油針的耐磨性和抗沖蝕性。技術方案是一種新型噴油器油針，包括鋼質油針；其特征在于油針的外表面沉積著一層無氫非晶碳復合膜，該復合膜包含三層結構，底層為純金屬原子過渡層，中間層為成分梯度層，外表層為納米多層非晶碳膜。一種新型噴油器油針的表面處理方法，按照以下步驟進行1)采用金屬除油清洗劑對油針進行超聲波清洗30分鐘，然后烘干；2)預濺射清洗清洗烘干后的油針放入閉合場非平衡磁控濺射離子鍍設備的真空腔中，進行離子濺射清洗，時間為30~60分鐘；3)鍍膜。
文檔編號C23C14/35GK102536569SQ20121001608
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月19日 優先權日2012年1月19日
發明者于磊, 周丹華, 張碧云, 朱欣蔚, 李凡巧 申請人:浙江匯錦梯爾鍍層科技有限公司