内燃机不管是压缩点火或是火花点火都需要燃料喷射系统来准确可靠地将燃料输送给发动机燃烧室。需要这种准确性和可靠性来提高燃料效率、使动力输出最大和减少不希望的排放。
燃料喷射系统通常包括燃料泵和一个或多个燃料喷射器。燃料泵将燃料供给喷射器，随后喷射器控制燃料向发动机缸的输送和时间安排。一种常用的喷射器设计成利用往复运动的柱塞来控制燃料向特定燃烧室的输送。
为了改善运行，向燃料系统的部件施加硬涂层以减少磨损。例如，当两个部件的相对的表面彼此接触时，可利用耐磨涂层来减少部件磨损。传统地认为仅需要对两个相对的部件的一个表面施加涂层。另一个相对的表面常由裸露的金属(例如钢基体)或由比施加到相对表面的硬涂层更软的其它材料制成。这样，未被涂覆的裸露的金属表面可被抛光以与被涂覆的表面相适应，减少总的磨损速率。
本领域中已知多种涂覆方法，在1985年9月10日授予Nimmagadda的U.S.专利No.4,540,596(下文称为“’596专利”)中公开了一种方法。’596专利提供了一种用于涂覆支承表面的方法。该方法是一种改良的物理蒸镀(physical vapor deposition，PVD)工艺，其中在不超过400°华氏温度(204℃)的温度下涂覆涂层。这种低温涂覆工艺是有利的，因为该工艺不会显著改变基体结构或影响之前对基体进行的热处理。
尽管’596专利的涂覆方法可对于某些应用提供合适的涂层，但是，’596专利的方法具有多方面的缺点。例如，该方法利用弧电极镀(arc electrodedeposition)工艺来施加涂层。由于与这种工艺相关的高涂镀速率，可能很难利用’596专利的方法制造较薄的涂层。另外，弧电极镀可能是不准确、不精确的工艺，这可能使得该工艺不适用于具有严格的设计容差的零部件。特别地，通过这种工艺涂覆的燃料系统部件可能由于燃料泄漏或压力损失而无效，所述燃料泄漏或压力损失由具有不能被接受地低的工程容差的相对表面造成。

本发明第一方面包括一种制造燃料系统部件的方法。该方法包括提供一基体和一涂层，其中，该基体包括钢，该涂层包括金属氮化物。该方法还包括使用磁控溅射涂镀(magnetron sputtering deposition)工艺向基体的至少一部分施加涂层，该工艺基本在低于约200℃的温度下进行。
本发明第二方面包括一种燃料系统组件，该组件具有第一部件，该第一部件包括第一钢基体和涂镀于该第一钢基体的至少一部分上的第一涂层，其中，第一涂层包括金属氮化物。该组件还包括第二部件，该第二部件具有第二钢基体和涂镀于该第二钢基体的至少一部分上的第二涂层，其中，第二部件可构造成与第一部件以撞击接合和滑动接合中的至少一种方式相接合，第二涂层包括金属氮化物。第一涂层和第二涂层至少其中之一可至少部分地在溅射系统中使用溅射涂镀工艺形成，该工艺基本在低于约200℃的温度下进行。
附图说明
图1是根据一示例性实施例的机械致动的单元喷射器的断面图；
图2是根据一示例性实施例的被涂覆的燃料喷射器柱塞的侧视图；
图3示出了根据本发明另一示例性实施例的、包括钉阀(nail valve)的燃料泵组件；
图4是根据另一示例性实施例的燃料泵的两个部件的断面图，其中包括位于燃料泵的相对表面上的涂层；
图5示出了根据一示例性实施例在涂覆过程中的温度曲线；
图6是根据一示例性实施例的溅射系统的顶视图。

下面将详细参考本发明的示例性实施方式，这些实施方式的示例在附图中示出。在全部附图中，相同的附图标记被用于表示相同的或相似的部件。
本发明提供了一种包括改善的涂层的燃料系统部件和用于制造这些有涂层的部件的方法。这些涂层设计成改善部件磨损性质和减少燃料系统故障。根据本发明的一种示例性方法，可在总体低于与部件基体材料相关的回火温度的温度下向部件施加涂层。由于较高的基体温度会改变材料性质，或通过热膨胀造成不希望的形状扭曲，因此，与高温涂覆过程相比，低温涂覆过程可更容易地保持所希望的部件性质。与当前使用其它涂覆技术所能达到的相比，在较低温度下利用本发明的方法进行涂覆的燃料系统部件可被制造成具有较高的工程容差。
本发明的部件可包括任何燃料系统部件或构造成与其它部件接触的其它机械部件。例如，合适的燃料系统部件可包括撞击接合或滑动接合的燃料喷射器的部件或燃料泵的部件。在一实施例中，这种涂层可被施加到撞击接合的部件的相对表面上。在另一实施例中，所述部件可包括滑动接合的燃料喷射器内孔和柱塞，它们在相对表面上包括硬涂层，如下面详细说明的。
图1是根据一示例性实施例的机械致动的单元喷射器的断面图。如图所示，喷射器2包括燃料喷射器柱塞14，该柱塞在圆筒形内孔16中往复运动，以在机械运行期间加压和喷射燃料。如下面详细描述的，柱塞14和内孔16的相对表面可包括表面涂层，该涂层构造成用于提供改善的耐磨性和耐腐蚀性。这种涂层还可被选择成与多种不同的燃料和/或其它流体一起操作，包括生物柴油、超低硫燃料、Toyu燃料、低润滑性燃料和/或各种润滑剂。
如图所示，燃料喷射器2经由安装组件40安装在发动机模块6上，该安装组件包括与喷射器2相关联的夹具42和将夹具42固定于发动机模块6上的螺栓44。燃料经由在发动机模块6中形成的燃料供给管道4提供给燃料喷射器2，多余的燃料从喷射器2经由燃料排放管道8排出。燃料供给管道4和燃料排放管道8通过围绕燃料喷射器2的外周的环形的燃料腔10流体连接。
通过燃料供给管道4供给的燃料在喷射周期之间周期性地流向在燃料喷射器2中央形成的总体为圆筒形的燃料加压室12。燃料加压室12中的燃料被在圆筒形内孔16中往复运动的燃料喷射器柱塞14周期性地加压，该圆筒形内孔形成于燃料喷射器体部20的一部分的圆筒体延伸部18中。当柱塞14通过联接于盘22的摇臂(未示出)而被迫向下时，加压室12中的压力增加。该压力增加也使与室12流体连接的喷管腔24中的压力增加。当喷管腔24中的压力达到阈值水平时，流体施加的力造成喷管止回阀(check)26打开，由此造成燃料被喷射到燃烧室(未示出)中。
图2是根据一示例性实施例的被涂覆的燃料喷射器柱塞14的侧视图。如图所示，柱塞14包括主体部28、柱塞端部30和装载端部32。喷射器柱塞14的所述多个部分可从基体34形成或加工出。柱塞14还可包括涂层36，该涂层可被施加于基体34的至少一部分上，以涂覆柱塞14的至少一部分。在一些实施例中，另一部件(未示出)可构造成与柱塞14接合，例如图1所示的内孔16。该另一部件也可至少部分地涂覆有涂层材料，从而彼此接触的两个相对表面都被涂覆。
图3示出了根据本发明另一示例性实施例的、包括钉阀组件52的燃料泵组件50。如图所示，钉阀组件52包括移动的阀56和阀体54。另外，如图所示，阀56与阀体54接合以防止燃料通过泵组件50流动。在运行中，阀56可反复地和强有力地接合阀体54，造成阀56和阀体54的相对表面之间的反复撞击。为防止阀56和阀体54的相配合表面的磨损，这些表面可由涂层制成或包括涂层，该涂层将抵抗撞击磨损和/或滑动磨损。
图4是如图3所示的燃料泵组件50的钉阀组件52的断面图。如上所述，阀组件52包括位于燃料泵组件部件(阀56和阀体54)的相对表面上的涂层60、60’。如图所示，阀56和阀体54可包括位于阀56和阀体54的基体材料上的涂层层60、60’。在一些实施例中，涂层60、60’可由硬的耐磨材料制成。另外，在一些实施例中，涂层60、60’可选择性地包括位于涂层60、60’与基体之间的粘合层(未示出)。
应注意，涂层60、60’可包括硬的耐磨材料。这种材料可选择成防止那些构造成彼此反复接合以在两个表面之间产生撞击的机械部件的磨损。合适的涂层材料还可选择成用于构造成用于滑动接合的部件的一个或两个相对表面，例如适用于涂层36的材料。
涂层36、60、60’的组成可从多种合适的材料中选取。在一些实施例中，涂层36、60、60’可包括金属氮化物。特别地，涂层36、60、60’可包括从氮化铬、氮化锆、氮化钼、碳氮化钛(titanium-carbon-nitride)、或碳氮化锆(zirconium-carbon-nitride)中选取的至少一种金属氮化物。此外，移动的阀56上的涂层60可包括与用于制造阀体54的相对表面上的涂层60’相同或类似的材料。例如，在一个实施例中，涂层60和涂层60’可都包括金属氮化物。特别地，涂层60和涂层60’可都包括氮化铬。
构造用于涂层的各基体可由多种合适的材料制成。例如，基体34、阀体54或阀56可包括任何合适的钢，例如低合金钢、工具钢、52100钢、1120钢、H10钢或具有类似性质的任何其它材料。合适的材料可根据希望的物理性质(例如抗变形性)和/或与上面的涂层相粘合和承受高温的能力进行选择，所述高温可能存在于涂层涂镀或装置使用期间。
在一些实施例中，包括柱塞14、内孔16、阀体54或阀56在内的各基体可包括低合金钢。这里所用的术语“低合金”应理解为是指其中硬化元素例如锰、铬、钼和镍共同组成少于总的钢组分的按重量计约3.5％的钢种类。另外，由于这种钢的相对较低的成本和高的可靠性，低合金钢可被选择用于燃料系统部件。
此外，用于形成部件基体的材料可以根据涂层材料的一个或多个性质进行选择。例如，一种基体材料可根据基体材料与涂层材料的相容性进行选择。相容性可基于撞击动量特性(energy impact response)、硬度、耐磨性、热膨胀性、粘合性、或与涂层或基体相关的其它物理参数。在一些实施例中，可使用设计成至少部分地保持涂层与基体的相容性的涂覆方法将这些涂层应用于合适的基体。例如，一种涂层和基体可选择成基本保持一种或多种物理性质，例如硬度或物理尺寸。这种部件在进行涂覆方法之前和之后可具有大体类似的物理性质。
应注意，根据燃料喷射器或燃料泵部件52的目标应用和环境，可在涂覆涂层36、60、60’之前向基体施加一粘合层(未示出)。例如，合适的粘合层可包括(涂覆于)柱塞14、内孔16、阀56或阀体54的基体的一层铬或其它合适的金属层，以改善涂层36、60、60’的粘合性。在使用时，可使用涂镀工艺应用可选的粘合层材料，以产生厚度总体介于约0.05微米和约0.5微米之间的层。另外，当在燃料系统部件的样品上通过球磨弧坑试验(Ball Crater Test)在部件的多个部位进行测试时，柱塞14、内孔16、阀56或阀体54上的涂层30、60、60’的厚度应特别均匀。可选择地，均匀的涂层厚度可使用在燃料泵部件的选定断面的样品上进行的扫描电子显微镜测量方法或通过使用X射线荧光进行证明。
涂层36、60、60’可具有合适的厚度范围。例如，这些涂层可通常具有不大于约5.0微米、且通常可介于约0.5微米与约1.7微米之间、或介于约0.5微米与约1.0微米之间的厚度。
除了厚度外，对涂层36、60、60’和被涂覆的部件基体的一些或全部物理性质的控制也可能与制造高度可靠且成本有效的部件相关。例如，涂层粘合性、涂层硬度、基体硬度、表面纹理、热膨胀性和摩擦系数是这些物理性质中的一些，它们可被监测和控制以制造具有所需物理性质的部件。需要特定性质的部件可能需要某些类型的涂覆方法，因为不是所有的方法都能制造出高质量的涂层和保持所需的基体性质。
图5示出了根据一示例性实施例的涂层制造过程102。在一些实施例中，涂层制造过程102可应用于一种或多种燃料系统部件，例如控制阀。特别地，涂覆过程102可应用于燃料喷射器柱塞14、燃料喷射器内孔16、阀体54或钉阀56的一个或多个表面。
如图5所示，涂层制造过程102包括通常/总体小于200℃的温度。如果该温度可通常/总体保持成低于基体材料的回火温度，则在涂层制造过程102之前由热处理或其它热工艺造成的机械性质可被保持。尽管通常与一些涂覆方法相关的高涂覆温度会削弱基体材料的所需物理性质或使基体变形，但是低温涂覆可有助于保持在基体涂覆之前实现的所需物理性质或减少基体的热变形。在一些实施例中，涂层制造过程102可包括大于200℃的温度。如果保持相对较短的时间段、或如果这种高温不显著影响材料性质或之前进行的热处理，则该温度是可能的。
在涂覆过程102之前，可选择相容的基体和涂层材料，如前所述。然后可将该基体材料制造成设计用于与另一部件接合的形状，其中另一部件可被涂覆或不被涂覆。接合可包括相对的部件表面的滑动或撞击。另外，在涂覆过程102之前可向基体材料或成型的基体进行其它各种制造工艺。例如，可通过多种传统方法例如除油污、喷砂、蚀刻、化学辅助振动技术、利用碱溶液的超声清洗等完成基体清洁。清洁还可包括确认合适的清洁的检查步骤。
涂覆过程102可包括一个或多个阶段或子工艺/子程序。如图5所示，涂覆过程102可包括预加热工艺110和涂覆工艺112。在另一实施例中，涂覆过程102可包括较少的工艺、反复进行的工艺、或在涂覆工艺112之前、之后或期间进行的其它工艺。
预加热工艺104可包括在开始时将一部件例如基体34加热到选择的温度范围，以提高部件的温度为涂覆工艺112做准备或帮助除去表面污物。涂覆过程102还可包括一个或多个加热工艺108或冷却工艺(未示出)，以控制部件温度或周围温度，如下面详细描述的。这种受控制的热处理可有助于减少涂覆过程102期间的基体尺寸的不希望的变化。
靶清洁工艺106可包括设计成至少部分地清洁溅射靶的任何工艺。清洁工艺106可包括任何数量的步骤，一些步骤可被反复进行多次，以实现合适的清洁。
涂覆过程102还可在部件涂覆期间的不同阶段包括一个或多个表面处理工艺。表面处理可被进行以增强涂层粘合性或影响涂层结构。例如，通过研磨工艺或通过使用氩来离子蚀刻表面，可制造出高度光滑的基体表面。在一些实施例中，可应用等离子蚀刻工艺110，其中高速的等离子流朝向基体表面发射(以脉冲形式)。在涂覆工艺112之前还可进行其它类似的工艺。
涂覆工艺112可包括任何合适的溅射涂镀工艺，例如磁控溅射。在一些实施例中，涂覆工艺112可基本在小于约200℃的温度下进行。在其它实施例中，如图5所示，涂覆工艺112可基本在小于约160℃的温度下进行。另外，可使用混合型过程，从而使用在小于约200℃的温度下进行的溅射涂镀工艺施加至少一部分涂层。
合适的溅射工艺通常包括使用高能离子轰击靶材，所述高能离子通常是不活泼气体例如氩。然后，靶材中的原子由于轰击而被喷射到气相中。这些原子然后朝向基体加速，少量靶材被涂镀在基体表面上。
溅射源可包括利用强电场和磁场的磁控管(磁电管，magnetron)，以在磁控靶的表面附近捕获电子。磁控管通常需要相对较高水平的基体离子轰击，这可通过增加去向靶的能量或减小离开靶的距离来实现。在一些实施例中，涂覆工艺112还可包括非平衡磁控溅射。
图6是根据一示例性实施例的溅射系统150的顶视图。在一些实施例中，溅射系统150可包括非平衡磁控溅射(UBMS)系统152。UBMS系统152可包括涂覆室154、基体台156、一个或多个溅射靶158、多个非平衡磁控管160、磁控管磁体161、等离子源162、一个或多个加热元件164、气体供给装置166和不活泼气体供给装置168。
涂覆室154可包括任何合适的真空室，该真空室设计成利用UBMS涂覆工艺进行操作。涂覆室154还可构造成容纳基体台156，该基体台设计成保持待涂覆的一个或多个部件(未示出)。在一些实施例中，基体台156可相对于一个或多个溅射靶158转动或移动。
溅射靶158可包括可与溅射系统150一起操作的任何合适的材料，例如含铬的材料。各种材料可根据溅射工艺、待涂覆的基体、或涂覆材料的具体需要进行选择。溅射靶158通常邻近非平衡磁控管160定位。由磁控管160产生的非平衡磁场造成等离子远离靶158表面并朝向基体台156和基体(未示出)膨胀。
在一些实施例中，磁控管磁体161可与邻近的交替的极一起设置，在各磁控管160之间得到相关联的或封闭的场线。这些场线可防止电子逃逸到室154的壁，造成更高的离子流密度和更硬的粘合良好的涂层。合适的UBMS系统由TEER Coating有限公司(Worcester，UK)制造。
UBMS系统152还可包括等离子源162，其设计成提供等离子的源。加热元件164可设计成将室154加热到任何合适的温度，例如图5所示的温度曲线100。UBMS系统152还可包括一个或多个气体供给装置。如图6所示，气体供给装置166和不活泼气体供给装置168流体连接到室154。例如，气体供给装置166可包括氩气供给装置，不活泼气体供给装置168可包括氮气供给装置。气体供给装置166、168可分别包括设计成独立地控制进入室154中的气体流的阀(未示出)或其它装置(未示出)。
为了形成具有合适质量的涂层，与溅射涂镀工艺相关的参数可根据基体材料的类型或燃料系统部件的运行要求进行选择。一些基体可能受到升高的温度的影响，涂覆工艺112可选择成例如通过限制工艺温度或涂覆时间来使工艺对所选基体的不利影响最小。溅射工艺可选择成产生氮化铬(CrN)涂层，可选择合适的工艺来保持温度低于160℃，以减少位于下面的基体的尺寸变化或所需机械性质的损失。
通常，与UBMS系统152的运行相关的多个参数可影响涂覆工艺112。特别地，特定的参数设置“配方(recipe)”可用于制造具有特定性质的被涂覆部件。在一些实施例中，涂覆质量可受到气体压力、磁控强度(magnetron strength)和基体偏压(substrate bias)的影响。与UBMS系统152相关的不同的“配方”或参数设置可被权衡，以优化部件性质例如硬度、杨氏(Young’s)模量、脆性、耐磨性或摩擦系数。控制气体压力、磁控强度或基体偏压可影响涂覆工艺的等离子特性，并因此影响涂层涂镀速率、化学涂镀和材料微结构，以改变被涂覆产品的机械和摩擦学性质。
用于与UBMS系统152一起使用的合适的“配方”也可受到基体材料和涂覆工艺112期间所保持的总体温度的影响。例如，当涂覆工艺112总体在小于约160℃的温度下进行时，以及当系统152具有约3E-3mbar的气体压力、约3E-5mbar的氮分压力、约1-3W/cm2的阴极能量密度、约100-150伏特的基体偏压时，以及涂覆工艺112保持约4-8小时，可在钢基体上形成CrN涂层。这种“配方”可导致厚度为约1-2μm、纳米硬度为约20GPa的硬CrN涂层，而同时保持基体的热膨胀小于约1μm的工程容差。
除了厚度之外，对涂层或基体的至少一些物理或化学性质的控制也可与制造高度可靠和成本有效的部件相关。例如，涂层粘合性、涂层硬度、基体硬度、表面纹理和摩擦系数是这些物理性质中的一些，它们可被监测和控制以制造所需的燃料喷射器部件。另外，不同的应用可能需要不同的物理或化学性质。
如上所述，任何成型涂层应总体上没有表面缺陷。另外，根据部件的目标应用，该涂层可包括特定的表面纹理等级或表面纹理量度。例如，通常可在被涂覆的基体的样品上通过以100倍的放大率观察样品表面的多个点来观察表面缺陷。该表面观察可与各种分类标准相比较以确保涂层基本没有表面缺陷。此外，涂层应通常附着在选定的基体材料上。对于给定群组的燃料系统部件，可例如通过使用标准硬度测试(例如Rockwell C硬度测量)来评估涂层粘合性，其中，观察部件表面上的撞击部位，并将该撞击部位与不同的粘合性分类标准进行比较。
最后应注意，尽管本发明的涂层被描述成用于与柱塞14、内孔16、阀体54和钉阀56一起使用，但是，本发明的涂层可与经受反复的撞击和/或滑动接合的任何机械部件一起使用。另外，这种涂层可在存在各种碳氢燃料或燃料添加物的情况下与经受这些形式的磨损的任何机械部件一起使用。例如，这种部件可包括用在燃料泵、燃料喷射器或其它发动机部件中的、可能经受磨损的任何阀或其它部件。
工业适用性
本发明提供了一种用于燃料系统部件的低温涂覆方法。这种低温工艺可有助于保持由在前的、作用于部件的热处理造成的材料性质，由此提高耐磨性和减少故障率。该部件可包括基体和涂镀到基体上的涂层。该涂层可包括多种合适的硬材料，例如金属氮化物材料。在一些实施例中，可向钢基体涂覆氮化铬涂层。
低温涂覆工艺可包括任何合适的溅射涂镀技术，例如磁控溅射或非平衡磁控溅射。在涂覆之前，基体材料可根据需要被清洁、加热和/或表面处理。在涂覆过程中，可在温度保持低于约200℃的同时涂覆基体。在一些实施例中，涂覆温度可以为约160℃。同时，可使用这种涂覆工艺涂覆两个部件的一个或全部两个相对表面。如前面所述，与只有一个表面被涂覆时相比，滑动或撞击接合的部件在两个相对表面都被涂覆时可显示出显著减少的部件磨损性。
该涂镀系统的某些参数可被改变以允许在部件基体的至少一部分上形成硬的、薄的涂层，如前面所述。用于运行溅射系统的特定“配方”可制造具有显著改善的物理性质的部件。例如，燃料系统部件可被部分地涂覆有厚度介于0.05μm与2μm之间的涂层。在存在常规的发动机燃料的情况下，以及在存在替换燃料例如低润滑性燃料、Caterpillar燃料、生物柴油、Toyu燃料、JP8和K1燃料的情况下，在相对表面上使用本发明的涂层可提供低的部件磨损速率。
本领域技术人员将能显见，可对本发明的系统和方法做出多种变形和改变而不偏离本发明的范围。通过阅读说明书和公开的实施方式，本领域技术人员将能显见本发明的系统和方法的其它实施例。说明书和示例仅应被认为是示例性的，本发明的真实范围由所附权利要求及其等同方案限定。