CN102588175A

CN102588175A - 一种新型喷油泵控制阀套及其表面处理方法

Info

Publication number: CN102588175A
Application number: CN2012100168802A
Authority: CN
Inventors: 于磊; 周丹华; 朱欣蔚; 李凡巧; 张碧云
Original assignee: ZHEJIANG HUIJIN TEER COAT TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: ZHEJIANG HUIJIN TEER COAT TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2012-07-18

Abstract

本发明涉及一种柴油机的喷油泵控制阀套及其表面处理方法。所要解决的技术问题是提供的控制阀套应具有高表面硬度的特点；提供的方法应能够方便有效地在控制阀套表面沉积纳米多层梯度复合膜。技术方案是：一种新型喷油泵控制阀套；包括钢质阀套本体；其特征在于该阀套本体的表面包覆有纳米多层梯度复合膜，该复合膜包含三层结构，底层为粘结在阀套本体表面的金属铬打底层，厚度为0.1~2μm；中间层为CrN成分梯度过渡层，厚度为0.2~2μm；外表层为CrN/MoN纳米多层复合结构层，厚度为1.4~10μm。表面处理方法；包括以下步骤：1）溶液清洗；2）离子清洗；3）镀膜。

Description

一种新型喷油泵控制阀套及其表面处理方法

技术领域

本发明涉及一种柴油机部件，尤其是柴油机的喷油泵控制阀套及其表面处理方法。

背景技术

喷油泵的功用是按照柴油机的运行工况和气缸工作顺序，以一定的规律，定时定量地向喷油器输送高压燃油。控制阀套与出油阀座是喷油泵中一对精密偶件，称为控制阀偶件。在高速运动过程中，控制阀套的密封面易发生磨损和穴蚀，使其与出油阀座的间隙变大，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，柴油发动机中喷油泵的喷油压力逐渐提高，这使得控制阀套的工况越来越恶劣，加之国内燃油的品质问题，更加剧了出油阀偶件的磨损，造成使用寿命大大缩短，达不到设计需要。因而提高控制阀套的抗磨损能力和使用寿命，对提高喷油泵喷油压力，改善喷油效能，满足不断提高的排放要求，对于保护环境、节能减排具有重大意义。

一般控制阀套用优质合金钢制造，经过精细加工和配对研磨。但由于控制阀套密封面对尺寸的精度要求较高，传统的表面改性技术（如喷涂、磷化等）达不到精度要求；另外，传统表面处理技术也无法满足控制阀套愈发恶劣的工作环境的要求，因此需要一种对控制阀套密封面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

本发明的目的在于提供一种新型喷油泵控制阀套，该控制阀套应具有高表面硬度、高耐磨性和高抗穴蚀性的特点，并且使用寿命长。

本发明的另一目的是提供一种新型喷油泵控制阀套的表面处理方法，该方法应能够方便有效地在控制阀套表面沉积纳米多层梯度复合膜，以提高控制阀套的各项机械性能。

本发明提供的技术方案是：一种新型喷油泵控制阀套；包括钢质阀套本体；其特征在于该阀套本体的表面包覆有纳米多层梯度复合膜，该复合膜包含三层结构，底层为粘结在阀套本体表面的金属铬打底层，厚度为0.1~2um；中间层为CrN成分梯度过渡层，厚度为0.2~2um；外表层为CrN/MoN纳米多层复合结构层，厚度为1.4~10um。

所述金属铬打底层由铬原子组成；所述CrN成分梯度过渡层中，氮原子与铬原子的比例为0~1:1；所述CrN/MoN纳米多层复合结构层中氮化铬与氮化钼的分子数量比例为1~2:1，其中CrN中铬原子与氮原子的比例为0.5~1:1，MoN中钼原子与氮原子的比例为0.5~2:1。

所述纳米多层梯度复合膜的厚度为1.7~10μm。

一种新型喷油泵控制阀套及其表面处理方法；包括以下步骤：

1）溶液清洗

采用金属除油清洗剂对钢质阀套本体进行超声波清洗30分钟；

2）离子清洗

清洗后的阀套本体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20~60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，依次对阀套本体进行3~30分钟的铬离子溅射以形成金属铬打底层，逐渐通入氮气进行20~80分钟的铬离子溅射以形成CrN成分梯度过渡层，保持氮气量不变进行45~180分钟铬离子溅射、钼离子溅射以形成CrN/MoN纳米多层复合结构层。

形成CrN/MoN纳米多层复合结构层时，阀套本体由工件架托盘带动着运动，以利于复合膜的厚度均匀。

本发明的有益效果是，由于控制阀套表面沉积了纳米多层梯度复合膜，该复合膜层具有低摩擦系数、高硬度和高结合强度的特点（硬度为1800HV~2800HV，摩擦系数为0.18~0.55，比磨损率为1.6×10^-16~8×10^-16 m³/Nm），能够显著提高控制阀套表面硬度和耐磨性，延长使用寿命，有效抵御高压喷射燃油的冲蚀和油中杂质微粒的冲击。

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控制阀套表面沉积纳米多层梯度复合膜，进而显著提高了控制阀套的表面硬度和耐磨性，大幅度延长了控制阀套的使用寿命。

附图说明

图1是控制阀套的主视结构示意图。

图2是控制阀套的俯视结构示意图。

图3是闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备的工作原理图。

具体实施方式

图1、图2所示的新型喷油泵控制阀套示意图中，钢质阀套本体10的表面包覆有纳米多层梯度复合膜（其中的锥面10-1为尤其重要的配合工作面，必须包覆纳米多层梯度复合膜），该复合膜包含三层结构，底层为粘结在阀套本体表面的金属铬打底层，厚度为0.1~2um；中间层为CrN成分梯度过渡层，厚度为0.2~2um；外表层为CrN/MoN纳米多层复合结构层；厚度为1.4~10um。

所述金属铬打底层由铬原子组成；所述CrN成分梯度过渡层为氮原子逐渐增多的过程，其中氮原子与铬原子的比例为0~1:1；所述CrN/MoN纳米多层复合结构层中氮化铬与氮化钼的分子数量比例为1~2:1，其中CrN中铬原子与氮原子的比例为0.5~1:1，MoN中钼原子与氮原子的比例为0.5~2:1。

除特别注明之外，本文所述比例均为原子数量比。

本发明所述控制阀套表面沉积的纳米多层梯度复合膜，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靶形成闭合场（如图3所示），其中1和2为金属铬靶，3和4为金属钼靶；5，6为真空腔内安放控制阀套的工件架托盘的旋转轴。

整个处理方法的流程如下：

一、将钢质阀套本体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，然后置入闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备的真空腔内，抽真空至2~5×10^-5Torr。

二、向真空腔内通入氩气，纯度为99.99%，流量为30sccm；将设备参数调节至离子清洗工艺，具体为：脉冲偏压400~800V，脉冲频率100~300KHz，脉冲宽度350~1500ns，四个金属靶靶电流0.2~0.8A，离子溅射清洗时间为20~60分钟。

三、将脉冲偏压降低至150~300V，将两个铬靶靶电流提高至2~5A，保持其他参数不变，对阀套本体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45~120V，将两个铬靶靶电流调整至3~8A，保持其他参数不变，沉积金属铬打底层，时间为8~30分钟。

五、向真空腔内通入氮气，纯度为99.99%，保持其他参数不变，利用设备自身的光谱监测系统自动控制氮气流量大小，以获得CrN成分梯度过渡层，时间为20~80分钟。

六、将两个钼靶靶电流调整至3~8A，随着工件架的旋转，在阀套本体表面沉积CrN/MoN纳米多层复合结构层，时间为45~180分钟。

实施例1：

钢质阀套本体表面的纳米多层梯度复合膜包含三层结构，底层为覆盖在控制阀套本体上的金属铬打底层，厚度为0.1um，由铬原子组成；中间层为CrN成分梯度过渡层，厚度为2um，其中氮原子与铬原子的比例为0~1:1；外表层为CrN/MoN纳米多层复合结构层，厚度为1.4um，其中的氮化铬与氮化钼的分子数量比例为1:1，其中CrN中铬原子与氮原子的比例为0.5:1，MoN中钼原子与氮原子的比例为0.5:1。

实施例2：

钢质阀套本体表面的纳米多层梯度复合膜包含三层结构，底层为覆盖在控制阀套本体上的金属铬打底层，厚度为1um，由铬原子组成；中间层CrN成分梯度过渡层，厚度为1um，其中氮原子与铬原子的比例为0~0.5:1；外表层为CrN/MoN纳米多层复合结构层，厚度为6um，其中的氮化铬与氮化钼的分子数量比例为1.5:1，其中CrN中铬原子与氮原子的比例为0.7:1，MoN中钼原子与氮原子的比例为1:1。

实施例3：

钢质阀套本体表面的纳米多层梯度复合膜包含三层结构，底层为覆盖在控制阀套本体上的金属铬打底层，厚度为2um，由铬原子组成；中间层CrN成分梯度过渡层，厚度为1.2um，其中氮原子与铬原子的比例为0~1:1；外表层为CrN/MoN纳米多层复合结构层，厚度为10um，其中的氮化铬与氮化钼的分子数量比例为2:1，其中CrN中铬原子与氮原子的比例为1:1，MoN中钼原子与氮原子的比例为2:1。

Claims

1.一种新型喷油泵控制阀套；包括钢质阀套本体（10）；其特征在于该阀套本体的表面包覆有纳米多层梯度复合膜，该复合膜包含三层结构，底层为粘结在阀套本体表面的金属铬打底层，厚度为0.1~2um；中间层为CrN成分梯度过渡层，厚度为0.2~2um；外表层为CrN/MoN纳米多层复合结构层，厚度为1.4~10um。

2.根据权利要求1所述的一种新型喷油泵控制阀套，其特征在于：所述金属铬打底层由铬原子组成；所述CrN成分梯度过渡层中，氮原子与铬原子的比例为0~1:1；所述CrN/MoN纳米多层复合结构层中氮化铬与氮化钼的分子数量比例为1~2:1，其中CrN中铬原子与氮原子的比例为0.5~1:1，MoN中钼原子与氮原子的比例为0.5~2:1。

3.根据权利要求2所述的一种新型喷油泵控制阀套，其特征在于：所述纳米多层梯度复合膜的厚度为1.7~10μm。

4.一种新型喷油泵控制阀套的表面处理方法；包括以下步骤：

1）溶液清洗

2）离子清洗

3）镀膜

5.根据权利要求4所述的一种新型喷油泵控制阀套的表面处理方法，其特征在于：形成CrN/MoN纳米多层复合结构层时，阀套本体由工件架托盘带动着运动，以利于复合膜的厚度均匀。