专利名称：一种新型喷油器油针及其表面处理方法
技术领域：
本发明涉及一种发动机喷油器油针及其表面处理方法。
背景技术：
喷油器是柴油机燃油供给系中实现燃油喷射的重要部件，其功用是根据柴油机混合气形成的特点，将燃油雾化成细微的油滴，并将其喷射到燃烧室特定的部位。喷油器应满足不同类型的燃烧室对喷雾特性的要求；一般说来，喷注应有一定的贯穿距离和喷雾锥角， 以及良好的雾化质量，而且在喷油结束时不发生滴漏现象，这就要求喷油器具有优良的配合精度。油针和针阀套是柴油发动机喷油器中一对关键的精密偶件，其配合间隙精度要求很高。在高速运动过程中，油针表面易发生磨损，使其与针阀套的间隙变大，容易导致发动机供油能力下降，效率降低以及油料浪费。近年来，为了提高喷油效率，柴油发动机中喷油器的喷油压力逐渐提高，这使得油针偶件的工况越来越恶劣；加之国内燃油的品质问题，更加剧了油针偶件的磨损，造成使用寿命大大缩短，达不到设计需要。因而提高油针偶件的抗磨损能力和使用寿命对提高喷油器喷油压力，改善喷油效能，满足不断提高的排放要求，实现保护环境节约能源的目标具有重大意义。油针一般由热稳定性好的高速钢或轴承钢制造。但由于油针对尺寸的精度要求较高(特别是圆度，圆柱度要求)；传统的表面改性技术(如喷涂、磷化等)达不到精度要求， 因此需要一种对油针的尺寸精度影响较小又能显著提高其抗磨损能力的新型表面处理方法。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种喷油器油针的改进，该油针应具备高抗磨损能力，同时精度又高的特点。本发明的另一目的是提供一种对喷油器油针表面处理的方法，该方法应能够既满足油针尺寸精度要求，又能有效地提高油针的耐磨性和抗冲蚀性，延长使用寿命。本发明提供的技术方案是一种新型喷油器油针，包括钢质油针；其特征在于油针的外表面沉积着一层厚度为I. 2 3 的无氢非晶碳复合膜，该复合膜包含三层结构，底层为包覆在油针钢质基体表面的纯金属原子过渡层，中间层为碳原子和金属原子组成的成分梯度层，外表层为掺入微量金属原子的纳米多层非晶碳膜；上述金属原子是铬Cr，或钛Ti，或锆Zr，或银Ag。所述纯金属原子过渡层的厚度为0. I I. 5um :所述成分梯度层的厚度为0. 5 2um，其中的碳原子与金属原子的比例为0 60 I ;所述纳米多层非晶碳膜的厚度为
0.6 2. 5um,其中的碳原子与金属原子的比例为50 80 : I。一种新型喷油器油针的表面处理方法，按照以下步骤进行I)采用金属除油清洗剂对油针进行超声波清洗30分钟，然后烘干；
2)预溅射清洗清洗烘干后的油针放入闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备的真空腔中，进行离子溅射清洗，时间为30 60分钟；3)镀膜在闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备的真空腔中，依次对油针进行10 20分钟的金属原子溅射以形成纯金属原子过渡层，50 80分钟的碳原子溅射与金属原子溅射以形成成分梯度层，90 120分钟金属原子溅射以及碳原子溅射以形成掺入微量金属原子的纳米多层非晶碳膜；上述金属原子是铬Cr，或钛Ti，或锆Zr，或银。所述步骤2)中须向真空腔内通入氩气，纯度为99. 99%，流量为25 35sCCm。所述步骤3)中须向真空腔内通入氩气，纯度为99. 99%，流量为15 30sCCm。本发明的有益效果是，由于油针外表面沉积了极薄的无氢非晶碳复合膜，不但可保持油针原有的精度，而且该复合膜层具有极低摩擦系数和抗冲蚀性(摩擦系数为0. 02 0. 08，硬度为1400 2800HV,比磨损率为3X 10_17 9X 10—V/Nm)，能够显著降低油针偶件的运动阻力，提高耐磨性，有效抵御高压喷射燃油的冲蚀和油中杂质微粒的冲击，大幅度延长使用寿命(延长使用寿命2-3倍)。所述处理方法由于采用了闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备，因而能够方便有效地在油针表面均勻沉积无氢非晶碳复合膜，进而显著提高了油针的表面性能和耐磨性，大幅度延长了油针的使用寿命。
图1是油针的主视结构示意图。图2为闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备的工作原理示意图。
具体实施例方式非晶碳膜主要由sp2、sp3杂化碳組成的非晶态和微晶态结构的无氢碳膜；非晶碳膜具有高硬度、抗耐磨、低摩擦系数、光学透光性及化学惰性等优异的性质，因而广泛应用于各种保护涂层、耐磨涂层、光学窗ロ、磁存储器件、场发射器件及太阳能电池等领域。图1所示的油针结构示意图中，油针10的外表面包覆有厚度为1. 2 3μ m的无氢非晶碳复合膜；该复合膜包含三层结构，底层为粘结在油针钢质基体表面的纯金属原子过渡层，厚度为0. 1 1. 5um ；中间层为碳原子和金属原子組成的成分梯度层，厚度约为 0. 5 2um ；外表层为掺入微量金属原子的纳米多层非晶碳膜，厚度约为0. 6 2. 5um。上述金属原子可以是铬Cr，或钛Ti，或锆Zr，或银Ag。所述成分梯度层中碳原子和金属原子的比例为0 60 1，沿着钢质基体表面法线方向(即由内而外方向)，是ー个碳元素逐渐增多，金属原子逐渐减少的过程；所述纳米多层非晶碳膜中碳原子和金属原子的比例为50 80 1，除特別注明之外，本文所述比例均为原子数量比。本发明所述油针表面沉积的无氢非晶碳复合膜，通过闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备(外购设备)实现。该设备的主要结构为含有四个垂直于水平面且相互以90度角环形排列的磁控祀形成闭合场(如图2所不),其中I和2为金属祀材,3号和4号为石墨靶材；5，6，7为真空腔内安放油针的工件架托盘的旋转轴，各个圆盘在工艺实施过程中同时绕旋转轴旋转；8为安插油针的位置，油针自身在工艺实施过程中间歇性自转；因此油针能够围绕中心旋转轴5形成四次轴旋转，目的在于保证油针的尺寸精度。本发明所述制备工艺主要流程步骤如下一、将加工达到精度要求的油针使用金属除油清洗剂(如丙酮)进行超声波清洗 30分钟，充分干燥后装入夹具，并放入闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备的真空腔内，真空腔抽真空至2 5 X KT5Torr。二、向真空腔内通入氩气；氩气纯度为99. 99%，流量为25 35sccm ;将设备参数调节至离子清洗工艺，具体为脉冲偏压500 600V，脉冲频率150 250KHz，脉冲宽度 500 1000ns，两个金属靶靶电流0. 3 0. 5A，离子溅射清洗时间为30 60分钟。三、将脉冲偏压降低至150 200V，将两个金属靶靶电流提高至4 5A，保持其他参数不变，进行金属靶材的预溅射清洗，时间为5 10分钟。四、将脉冲偏压降低至50 80V，将两个金属靶靶电流提高至5 6A，保持其他参数不变，沉积纯金属原子过渡层，时间为10 20分钟。五、保持步骤四脉冲电压，设定脉冲频率40 80KHz，脉冲宽度1200 1800ns，氩气流量降为15 20SCCm，将两个金属靶靶电流由步骤四的设定值线性降至0. 15 0. 32A， 两个石墨靶靶电流由OA线性升高至6 7A，沉积成分梯度层，时间为50 80分钟。六、保持步骤五最后设定参数，沉积掺入微量金属元素的纳米多层非晶碳膜，时间为90 120分钟。实施例I :钢质油针表面的无氢非晶碳复合膜包含三层结构，底层为包覆在钢质基体上的纯金属原子过渡层，厚度为0. Ium ;中间层为碳原子和金属原子组成的成分梯度层，厚度为 2um，其中的碳原子与金属原子的比例为0 60 1，沿着法线方向是一个碳元素逐渐增多，金属原子逐渐减少的过程；外表层为掺入微量金属原子的纳米多层非晶碳膜，厚度为
0.6um,其中的碳原子与金属原子的比例为80 : I ;上述金属原子是铬Cr。实施例2 钢质油针表面的无氢非晶碳复合膜包含三层结构，底层为包覆在钢质基体上的纯金属原子过渡层，厚度为0. Sum ;中间层为碳原子和金属原子组成的成分梯度层，厚度为 lum，其中的碳原子与金属原子的比例为0 40 1，沿着法线方向是一个碳元素逐渐增多，金属原子逐渐减少的过程；外表层为掺入微量金属原子的纳米多层非晶碳膜，厚度为
1.2um,其中的碳原子与金属原子的比例为60 : I ;上述金属原子是钛Ti。实施例3 钢质油针表面的无氢非晶碳复合膜包含三层结构，底层为包覆在钢质基体上的纯金属原子过渡层，厚度为I. 5um ;中间层为碳原子和金属原子组成的成分梯度层，厚度为
0.5um，其中的碳原子与金属原子的比例为0 50 1，沿着法线方向是一个碳元素逐渐增多，金属原子逐渐减少的过程；外表层为掺入微量金属原子的纳米多层非晶碳膜，厚度为
2.5um,其中的碳原子与金属原子的比例为50 : I ;上述金属原子是错Zr。实施例4
钢质油针表面的无氢非晶碳复合膜包含三层结构，底层为包覆在钢质基体上的纯金属原子过渡层，厚度为0. 5um ；中间层为碳原子和金属原子組成的成分梯度层，厚度为 1.5um，其中的碳原子与金属原子的比例为0 60 1，沿着法线方向是ー个碳元素逐渐增多，金属原子逐渐减少的过程；外表层为掺入微量金属原子的纳米多层非晶碳膜，厚度为 2. Oum，其中的碳原子与金属原子的比例为70 1 ；上述金属原子是银Ag。
权利要求
1.ー种新型喷油器油针，包括钢质油针(10)；其特征在于油针的外表面沉积着ー层厚度为1. 2 3 μ m的无氢非晶碳复合膜，该复合膜包含三层结构，底层为包覆在油针钢质基体表面的纯金属原子过渡层，中间层为碳原子和金属原子組成的成分梯度层，外表层为掺入微量金属原子的纳米多层非晶碳膜；上述金属原子是铬Cr，或钛Ti，或锆Zr，或银Ag。
2.根据权利要求1所述的ー种新型喷油器油针，其特征在于所述纯金属原子过渡层的厚度为0. 1 1. 5um 所述成分梯度层的厚度为0. 5 2um，其中的碳原子与金属原子的比例为0 60 1 ；所述纳米多层非晶碳膜的厚度为0.6 2. 5um，其中的碳原子与金属原子的比例为50 80 1。
3.ー种新型喷油器油针的表面处理方法，按照以下步骤进行1)采用金属除油清洗剂对油针进行超声波清洗30分钟，然后烘干；2)预溅射清洗清洗烘干后的油针放入闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备的真空腔中，进行离子溅射清洗，时间为30 60分钟；3)镀膜在闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备的真空腔中，依次对油针进行10 20分钟的金属原子溅射以形成纯金属原子过渡层，50 80分钟的碳原子溅射与金属原子溅射以形成成分梯度层，90 120分钟金属原子溅射以及碳原子溅射以形成掺入微量金属原子的纳米多层非晶碳膜；上述金属原子是铬Cr，或钛Ti，或锆Zr，或银。
4.根据权利要求3所述的ー种新型喷油器油针的表面处理方法，其特征在于所述步骤2)中须向真空腔内通入氩气，纯度为99. 99%，流量为25 35sCCm。
5.根据权利要求4所述的ー种新型喷油器油针的表面处理方法，其特征在于所述步骤3)中须向真空腔内通入氩气，纯度为99. 99%，流量为15 30SCCm。
全文摘要
本发明涉及一种发动机喷油器油针及其表面处理方法。目的是提供的油针应具备高抗磨损能力；提供的方法应能够有效地提高油针的耐磨性和抗冲蚀性。技术方案是一种新型喷油器油针，包括钢质油针；其特征在于油针的外表面沉积着一层无氢非晶碳复合膜，该复合膜包含三层结构，底层为纯金属原子过渡层，中间层为成分梯度层，外表层为纳米多层非晶碳膜。一种新型喷油器油针的表面处理方法，按照以下步骤进行1)采用金属除油清洗剂对油针进行超声波清洗30分钟，然后烘干；2)预溅射清洗清洗烘干后的油针放入闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备的真空腔中，进行离子溅射清洗，时间为30~60分钟；3)镀膜。
文档编号C23C14/35GK102536569SQ20121001608
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月19日 优先权日2012年1月19日
发明者于磊, 周丹华, 张碧云, 朱欣蔚, 李凡巧 申请人:浙江汇锦梯尔镀层科技有限公司