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Technisches Gebiet
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Diese
Offenbarung betrifft Verfahren zum Herstellen von Kraftstoffsystemkomponenten
und insbesondere Verfahren zum Beschichten von Kraftstoffsystemkomponenten.
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Hintergrund
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Verbrennungsmotoren,
ob Motoren mit Kompressionszündung oder Motoren mit Funkenzündung bzw.
Ottomotoren, erfordern Kraftstoffinjektionssysteme, um den Brennkammern
des Motors präzise und zuverlässig Kraftstoff
zuzuführen. Eine solche Präzision und Zuverlässigkeit
sind erforderlich, um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern, die
Leistungsabgabe zu maximieren und unerwünschte Emissionen
zu vermindern.
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Im
Allgemeinen umfassen Kraftstoffinjektionssysteme eine Kraftstoffpumpe
und einen oder mehrere Kraftstoffinjektor(en). Die Kraftstoffpumpe führt
den Injektoren Kraftstoff zu, die anschließend die Zufuhr
von Kraftstoff an Zylinder des Motors und deren zeitlichen Ablauf
steuern. Eine gebräuchlich verwendete Injektorgestaltung
nutzt einen sich hin- und herbewegenden Kolben, um die Kraftstoffzufuhr zu
einer bestimmten Brennkammer zu steuern.
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Um
den Betrieb zu verbessern, werden Hartbeschichtungen auf Komponenten
von Kraftstoffsystemen aufgebracht, um einen Verschleiß zu
vermindern. Wenn beispielsweise einander zugewandte Oberflächen
von zwei Komponenten in Kontakt kommen, kann eine verschleißfeste
Beschichtung verwendet werden, um den Komponentenverschleiß zu vermindern.
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Herkömmlich
wurde es als erwünscht erachtet, eine Beschichtung nur
auf eine Oberfläche von zwei einander zugewandten Komponenten
aufzubringen. Die andere der einander zugewandten Oberflächen
wurde häufig aus einem blanken Metall (z. B. einem Stahlsubstrat)
oder einem anderen Material hergestellt, das weicher ist als die
Hartbeschichtung, die auf die zugewandte Oberfläche aufgebracht
worden ist. Auf diese Weise konnte die unbeschichtete, blanke Metalloberfläche
poliert werden, so dass sie sich der beschichteten Oberfläche anpasste,
wodurch die Gesamtverschleißrate vermindert wurde.
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Im
Stand der Technik sind verschiedene Beschichtungsverfahren bekannt
und ein Beschichtungsverfahren ist im
US-Patent
Nr. 4,540,596 beschrieben, das für Nimmagadda
am 10. September 1985 erteilt worden ist (nachstehend „das
'596 -Patent”).
Das
'596 -Patent stellt
ein Verfahren zum Beschichten von Lageroberflächen bereit.
Das Verfahren ist ein modifiziertes physikalisches Dampfabscheidungsverfahren
(PVD-Verfahren), durch das eine Beschichtung bei Temperaturen aufgebracht wird,
die 400°Fahrenheit (204°C) nicht übersteigen. Ein
solches Niedertemperatur-Beschichtungsverfahren kann vorteilhaft
sein, da das Verfahren die Substratstruktur nicht signifikant verändert
oder die Wärmebehandlungen, die vorher auf das Substrat
angewandt worden sind, nicht signifikant beeinflusst.
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Obwohl
das Beschichtungsverfahren des
'596 -Patents
für einige Anwendungen geeignete Beschichtungen bereitstellen
mag, kann das Verfahren des
'596 -Patents
schwerwiegende Nachteile aufweisen. Beispielsweise nutzt das Verfahren
einen Lichtbogen-Elektrodenabscheidungsprozess zum Aufbringen der
Beschichtung. Aufgrund der mit solchen Prozessen verbundenen hohen
Abscheidungsgeschwindigkeiten kann es schwierig sein, mit dem Verfahren
des
'596 -Patents dünnere
Beschichtungen zu erzeugen. Ferner kann die Lichtbogen-Elektrodenabscheidung
ein ungenauer und fehlerhafter Prozess sein, der sie für
Teile mit strikten Gestaltungstoleranzen ungeeignet macht. Insbesondere
können Kraftstoffsystemkomponenten, die mit einem solchen
Prozess beschichtet worden sind, aufgrund eines Kraftstoffaustritts
oder eines Druckverlusts versagen, der dadurch verursacht wird,
dass einander zugewandte Oberflächen inakzeptabel geringe
Konstruktionstoleranzen aufweisen.
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Zusammenfassung
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Ein
erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Verfahren
zum Herstellen einer Kraftstoffsystemkomponente. Das Verfahren umfasst das
Bereitstellen eines Substrats und einer Beschichtung, wobei das
Substrat Stahl umfasst und die Beschichtung ein Metallnitrid umfasst.
Das Verfahren umfasst auch das Aufbringen der Beschichtung auf mindestens
einen Teil des Substrats unter Verwendung eines Magnetron-Sputterabscheidungsprozesses,
der im Wesentlichen bei einer Temperatur von weniger als etwa 200 °C
durchgeführt wird.
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Ein
zweiter Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Kraftstoffsystemanordnung
mit einer ersten Komponente, die ein erstes Stahlsubstrat und eine
erste Beschichtung umfasst, die auf mindestens einem Teil des ersten
Stahlsubstrats angeordnet ist, wobei die erste Beschichtung ein
Metallnitrid umfasst. Die Anordnung umfasst auch eine zweite Komponente,
die ein zweites Stahlsubstrat und eine zweite Beschichtung umfasst,
die auf mindestens einem Teil des zweiten Stahlsubstrats angeordnet
ist, wobei die zweite Komponente so aufgebaut sein kann, dass sie
die erste Komponente durch mindestens einen von einem Stoßkontakt
und einem Gleitkontakt kontaktiert, und die zweite Beschichtung ein
Metallnitrid umfasst. Mindestens eine der ersten Beschichtung und
der zweiten Beschichtung kann mindestens teilweise in einem Sputtersystem
unter Verwendung eines Sputterabscheidungsprozesses ausgebildet
werden, der bei einer Temperatur von weniger als etwa 200°C
durchgeführt wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Querschnittsansicht eines mechanisch betätigten Einheitsinjektors
gemäß einer exemplarischen Ausführungsform.
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2 ist
eine Seitenansicht eines beschichteten Kraftstoffinjektorkolbens
gemäß einer exemplarischen Ausführungsform.
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3 veranschaulicht
eine Kraftstoffpumpenanordnung, die ein Nadelventil umfasst, gemäß einer
weiteren, exemplarisch offenbarten Ausführungsform.
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4 ist
eine Querschnittsansicht von zwei Komponenten einer Kraftstoffpumpe,
die Beschichtungen auf einander zugewandten Oberflächen
der Kraftstoffpumpe umfassen, gemäß einer weiteren
exemplarischen Ausführungsform.
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5 veranschaulicht
ein Temperaturprofil während eines Beschichtungsvorgangs
gemäß einer exemplarischen Ausführungsform.
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6 ist
eine Draufsicht auf ein Sputtersystem gemäß einer
exemplarischen Ausführungsform.
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Detaillierte Beschreibung
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Nachstehend
wird detailliert auf die vorliegenden exemplarischen Ausführungsformen
Bezug genommen, wobei Beispiele dafür in den beigefügten Zeichnungen
veranschaulicht sind. Wo immer dies möglich ist, werden
in allen Zeichnungen die gleichen Bezugszeichen verwendet, um die
gleichen oder entsprechende Teile zu bezeichnen.
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft Kraftstoffsystemkomponenten, die
verbesserte Beschichtungen umfassen, sowie Verfahren zum Herstellen dieser
beschichteten Komponenten. Die Beschichtungen sind so gestaltet,
dass sie die Verschleißeigenschaften einer Komponente verbessern
und das Versagen eines Kraftstoffsystems verringern. Gemäß eines
exemplarischen Verfahrens der vorliegenden Offenbarung können
Beschichtungen auf Komponenten bei Temperaturen aufgebracht werden,
die im Allgemeinen niedriger sind als Anlasstemperaturen für
die Komponentensubstratmaterialien. Da höhere Substrattemperaturen
Materialeigenschaften verändern können oder eine
unerwünschte Formveränderung durch eine Wärmeausdehnung
verursachen können, können Niedertemperatur-Beschichtungsverfahren
gewünschte Eigenschaften einer Komponente einfacher bewahren
als Beschichtungsverfahren bei höherer Temperatur. Kraftstoffsystemkomponenten,
die bei niedrigeren Temperaturen unter Verwendung der Verfahren
der vorliegenden Offenbarung beschichtet werden, können
mit höheren Konstruktionstoleranzen hergestellt werden,
als sie gegenwärtig unter Verwendung anderer Beschichtungstechniken
erreichbar sind.
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Die
Komponenten der vorliegenden Offenbarung können jedwede
Kraftstoffsystemkomponenten oder andere Maschinenkomponenten umfassen,
die so aufgebaut sind, dass sie andere Komponenten kontaktieren.
Beispielsweise können geeignete Kraftstoffsystemkomponenten
Komponenten von Kraftstoffinjektoren oder Kraftstoffpumpen umfassen,
die sich in einem Stoß- oder Gleitkontakt befinden. In
einer Ausführungsform können solche Beschichtungen auf
einander zugewandte Oberflächen von Komponenten aufgebracht
werden, die sich in einem Stoßkontakt befinden. In anderen
Ausführungsformen können Komponenten eine Bohrung
und einen Kolben eines Kraftstoffinjektors umfassen, die Hartbeschichtungen
auf einander zugewandten Oberflächen umfassen, die sich
in einem Gleitkontakt befinden, wie es nachstehend detailliert beschrieben
ist.
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Die 1 ist
eine Querschnittsansicht eines mechanisch betätigten Einheitsinjektors
gemäß einer exemplarischen Ausführungsform.
Wie es gezeigt ist, umfasst ein Injektor 2 einen Kraftstoffinjektorkolben 14,
der sich innerhalb einer zylindrischen Bohrung 16 hin und
her bewegt, um während des Betriebs der Maschine Kraftstoff
mit Druck zu beaufschlagen und einzuspritzen. Wie es nachstehend
detailliert beschrieben ist, können einander zugewandte
Oberflächen des Kolbens 14 und der Bohrung 16 Oberflächenbeschichtungen
umfassen, die so aufgebaut sind, dass sie eine verbesserte Beständigkeit
gegenüber einem Verschleiß und einer Korrosion
bereitstellen. Solche Beschichtungen können auch so ausgewählt
werden, dass sie mit einer Anzahl verschiedener Kraftstoffe und/oder
anderer Fluide, einschließlich Biodiesel, Kraftstoffe mit
ultraniedrigem Schwefelgehalt, Toyu-Kraftstoff, Kraftstoffe mit
niedrigem Schmiervermögen und/oder verschiedene Schmiermittel,
eingesetzt werden können.
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Wie
es gezeigt ist, ist ein Kraftstoffinjektor 2 auf einem
Motorblock 6 mittels einer Montageanordnung 40 montiert,
die ein Klemmstück 42, das an einem Injektor 2 angebracht
ist, und eine Schraube 44 umfasst, die das Klemmstück 42 an
dem Motorblock 6 fixiert. Dem Kraftstoffinjektor 2 wird
Kraftstoff über einen Kraftstoffzuführungskanal 4,
der in dem Motorblock 6 ausgebildet ist, zugeführt,
und überschüssiger Kraftstoff läuft von
dem Injektor 2 über einen Kraftstoffablaufkanal 8 ab.
Der Kraftstoffzuführungskanal 4 und der Kraftstoffablaufkanal 8 stehen
mittels eines ringförmigen Kraftstoffhohlraums 10,
der den äußeren Umfang des Kraftstoffinjektors 2 umgibt,
in Fluidverbindung.
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Der
von dem Kraftstoffzuführungskanal 4 zugeführte
Kraftstoff strömt periodisch zwischen Einspritzzyklen zu
einer im Wesentlichen zylindrischen Kraftstoffdruckbeaufschlagungskammer 12,
die im Zentrum des Kraftstoffinjektors 2 ausgebildet ist.
Der Kraftstoff in der Druckbeaufschlagungskammer 12 wird
durch den Kraftstoffinjektorkolben 14 periodisch mit Druck
beaufschlagt, der sich innerhalb der zylindrischen Bohrung 16,
die in einer zylindrischen Verlängerung 18 eines
Abschnitts des Kraftstoffinjektorkörpers 20 ausgebildet
ist, hin und her bewegt. Wenn der Kolben 14 durch einen
Kipphebel (nicht gezeigt), der an einer Scheibe 22 angebracht
ist, nach unten gedrückt wird, nimmt der Druck in der Druckbeaufschlagungskammer 12 zu.
Diese Druckzunahme erhöht auch den Druck in einem Düsenhohlraum 24, der
mit der Kammer 12 in Fluidverbindung steht. Wenn der Druck
in dem Düsenhohlraum 24 einen Schwellenwert erreicht,
führt die Kraft, die durch das Fluid ausgeübt
wird, dazu, dass sich eine Düsensperre 26 öffnet,
wodurch Kraftstoff in eine Brennkammer (nicht gezeigt) eingespritzt
wird.
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Die 2 ist
eine Seitenansicht eines beschichteten Kraftstoffinjektorkolbens 14 gemäß einer exemplarischen
Ausführungsform. Wie es gezeigt ist umfasst der Kolben 14 einen
Hauptkörperabschnitt 28, einen Kolbenendabschnitt 30 und
einen Beschickungsendabschnitt 32. Die verschiedenen Abschnitte
des Kraftstoffinjektorkolbens 14 können aus einem Substrat 34 geformt
oder durch spanende Bearbeitung gebildet werden. Ferner kann der
Kolben 14 eine Beschichtung 36 umfassen, die auf
mindestens einen Teil des Substrats 34 aufgebracht werden kann,
um mindestens einen Teil des Kolbens 14 zu beschichten.
In einigen Ausführungsformen könnte eine andere
Komponente (nicht gezeigt), so aufgebaut sein, dass sie mit dem
Kolben 14 in Kontakt kommt, wie z. B. eine Bohrung 16,
wie sie in der 1 gezeigt ist. Die andere Komponente
könnte auch mindestens teilweise mit einem Beschichtungsmaterial
beschichtet sein, so dass die zwei einander zugewandten Oberflächen,
die einander kontaktieren, beide beschichtet sind.
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Die 3 veranschaulicht
eine Kraftstoffpumpenanordnung 50, die eine Nadelventilanordnung 52 umfasst,
gemäß einer weiteren exemplarisch offenbarten
Ausführungsform. Wie es gezeigt ist, umfasst die Nadelventilanordnung 52 ein
sich bewegendes Ventil 56 und einen Ventilkörper 54.
Ferner kontaktiert, wie es gezeigt ist, das Ventil 56 den Ventilkörper 54,
so dass eine Kraftstoffströmung durch die Pumpenanordnung 50 verhindert
wird. Während des Betriebs kann das Ventil 56 wiederholt und
erzwungen den Ventilkörper 54 kontaktieren, wodurch
ein wiederholter Stoß zwischen den einander zugewandten
Oberflächen des Ventils 56 und des Ventilkörpers 54 verursacht
wird. Um einen Verschleiß der sich berührenden
Oberflächen des Ventils 56 und des Ventilkörpers 54 zu
verhindern, können diese Oberflächen aus einer
Beschichtung hergestellt sein oder eine solche umfassen, die eine
Beständigkeit gegen einen Stoß- und/oder Gleitverschleiß bereitstellt.
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Die 4 ist
eine Querschnittsansicht einer Nadelventilanordnung 52 einer
Kraftstoffpumpenanordnung 50, wie sie in der 3 gezeigt
ist. Wie es vorstehend beschrieben worden ist, umfasst die Ventilanordnung 52 Beschichtungen 60, 60' auf
einander zugewandten Oberflächen der Kraftstoffpumpenanordnungskomponenten
(Ventil 56 und Ventilkörper 54). Wie
es gezeigt ist, können das Ventil 56 und der Ventilkörper 54 Beschichtungsschichten 60, 60' umfassen,
die auf Substratmaterialien des Ventils 56 und des Ventilkörpers 54 angeordnet
sind. In einigen Ausführungsformen können die
Beschichtungen 60, 60' aus harten, verschleißfesten
Materialien hergestellt werden. Ferner können in einigen
Ausführungsformen die Beschichtungen 60, 60' gegebenenfalls eine
Bindungsschicht (nicht gezeigt) zwischen den Beschichtungen 60, 60' und
Substraten umfassen.
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Wie
es angegeben worden ist, können die Beschichtungen 60, 60' harte,
verschleißfeste Materialien umfassen. Solche Materialien
können so ausgewählt werden, dass sie einen Verschleiß von
Maschinenkomponenten verhindern, die so aufgebaut sind, dass sie
einander wiederholt kontaktieren, so dass zwischen den zwei Oberflächen
ein Stoß erzeugt wird. Geeignete Beschichtungsmaterialien können
auch für eine oder beide der einander zugewandten Oberflächen
von Komponenten ausgewählt werden, die für einen
Gleitkontakt aufgebaut sind, wie z. B. Materialien, die für
die Beschichtung 36 geeignet sind.
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Die
Zusammensetzung der Beschichtungen 36, 60, 60' kann
aus verschiedenen geeigneten Materialien ausgewählt werden.
In einigen Ausführungsformen könnten die Beschichtungen 36, 60, 60' ein Metallnitrid
umfassen. Insbesondere können die Beschichtungen 36, 60, 60' mindestens
ein Metallnitrid umfassen, das aus Chromnitrid, Zirkoniumnitrid,
Molybdännitrid, Titan-Kohlenstoff-Nitrid oder Zirkonium-Kohlenstoff-Nitrid
ausgewählt ist.
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Ferner
kann die Beschichtung 60 auf dem sich bewegenden Ventil 56 das
gleiche oder ein ähnliches Material umfassen, wie es zur
Erzeugung der Beschichtung 60' auf der zugewandten Oberfläche des
Ventilkörpers 54 verwendet worden ist. Beispielsweise
können in einer Ausführungsform die Beschichtung 60 und
die Beschichtung 60' beide Metallnitrid umfassen. Insbesondere
können die Beschichtung 60 und die Beschichtung 60' beide
Chromnitrid umfassen.
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Verschiedene
Substrate, die zum Beschichten konfiguriert sind, können
aus einer Anzahl geeigneter Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann
das Substrat 34, der Ventilkörper 54 oder
das Ventil 56 jedweden geeigneten Stahl, wie z. B. einen niedriglegierten
Stahl, einen Werkzeugstahl, 52100-Stahl, 1120-Stahl, H10-Stahl oder
jedwedes andere Material, das entsprechende Eigenschaften aufweist,
umfassen. Geeignete Materialien können auf der Basis gewünschter
physikalischer Eigenschaften (z. B. einer Verformungsbeständigkeit) und/oder
des Vermögens zur Bindung an darüber liegende
Beschichtungen und zur Beständigkeit gegenüber
erhöhten Temperaturen, wie sie während der Beschichtungsabscheidung
oder des Gebrauchs der Vorrichtung vorliegen können, ausgewählt
werden.
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In
einigen Ausführungsformen können verschiedene
Substrate, einschließlich des Kolbens 14, der
Bohrung 16, des Ventilkörpers 54 oder
des Ventils 56, einen niedriglegierten Stahl umfassen.
Der Begriff niedriglegiert, wie er hier verwendet wird, ist so zu
verstehen, dass er sich auf Stahlqualitäten bezieht, bei
denen Elemente, die eine Härtung bzw. Härtbarkeit
bewirken, wie z. B. Mangan, Chrom, Molybdän und Nickel,
zusammen weniger als etwa 3,5 Gew.-% der gesamten Stahlzusammensetzung
ausmachen. Ferner kann niedriglegierter Stahl aufgrund der relativ
niedrigen Kosten und der hohen Zuverlässigkeit eines solchen
Stahls für Kraftstoffsystemkomponenten ausgewählt
werden.
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Darüber
hinaus können Materialien, die zur Bildung eines Komponentensubstrats
verwendet werden, auf der Basis einer oder mehrerer Eigenschaft(en)
der Beschichtungsmaterialien ausgewählt werden. Beispielsweise
kann ein Substratmaterial auf der Basis der Kompatibilität
eines Substratmaterials mit einem Beschichtungsmaterial ausgewählt werden.
Die Kompatibilität kann auf der Reaktion auf einen Energieeintrag,
der Härte, der Verschleißfestigkeit, der Wärmeausdehnung,
der Haftung oder anderen physikalischen Parameter der Beschichtung oder
des Substrats beruhen. In einigen Ausführungsformen können
diese Beschichtungen auf ein geeignetes Substrat unter Verwendung
eines Beschichtungsverfahrens aufgebracht werden, das so aufgebaut
ist, dass die Kompatibilitätseigenschaften der Beschichtung
und des Substrats zumindest teilweise bewahrt werden. Beispielsweise
können eine Beschichtung und ein Substrat so ausgewählt
werden, dass eine oder mehrere physikalische Eigenschaft(en), wie
z. B. die Härte oder eine physische Abmessung, im Wesentlichen
beibehalten werden. Solche Komponenten können vor und nach
einem Beschichtungsverfahren im Allgemeinen ähnliche physikalische
Eigenschaften aufweisen.
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Wie
es beschrieben worden ist, kann abhängig von der vorgesehenen
Anwendung und Umgebung des Kraftstoffinjektors oder der Kraftstoffpumpenkomponente 52 eine
Bindungsschicht (nicht gezeigt) auf das Substrat aufgebracht werden,
bevor die Beschichtungen 36, 60, 60' aufgebracht
werden. Beispielsweise können geeignete Bindungsschichten eine
Schicht aus Chrom oder eine andere geeignete Metallschicht umfassen,
die auf das Substrat des Kolbens 14, der Bohrung 16,
des Ventils 56 oder des Ventilkörpers 54 aufgebracht
wird, um eine verbesserte Haftung der Beschichtungen 36, 60, 60' bereitzustellen.
Wenn es verwendet wird, kann das optionale Bindungsschichtmaterial
unter Verwendung eines Abscheidungsprozesses aufgebracht werden,
so dass eine Schicht mit einer Dicke von im Allgemeinen zwischen
etwa 0,05 Mikrometer und etwa 0,5 Mikrometer erhalten wird. Ferner sollte
die Dicke der Beschichtungen 36, 60, 60' auf
dem Kolben 14, der Bohrung 16, dem Ventil 56 oder
dem Ventilkörper 54 ziemlich einheitlich sein,
und zwar gemessen bei einer Probe der Kraftstoffsystemkomponenten
mit dem Kugeleindrucktest an einer Mehrzahl von Stellen auf den
Komponenten. Alternativ kann eine einheitliche Beschichtungsdicke
unter Verwendung von Rasterelektronenmikroskopiemessungen mit einer
Probe von ausgewählten Querschnitten der Kraftstoffpumpenkomponenten
oder durch die Verwendung von Röntgenfluoreszenz gezeigt
werden.
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Die
Beschichtungen 36, 60, 60' können
einen Bereich geeigneter Dicken aufweisen. Beispielsweise können
diese Beschichtungen im Allgemeinen eine Dicke von nicht mehr als
etwa 5,0 Mikrometer aufweisen und allgemein zwischen etwa 0,5 Mikrometer
und etwa 1,7 Mikrometer oder zwischen etwa 0,5 Mikrometer und etwa
1,0 Mikrometer dick sein.
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Die
Steuerung bzw. Einstellung einiger oder aller physikalischer Eigenschaften
der Beschichtungen 36, 60, 60' und der
beschichteten Komponentensubstrate, die von der Dicke verschieden
sind, kann auch relevant sein, um eine sehr zuverlässige
und wirtschaftliche Komponente herzustellen. Beispielsweise sind
die Beschichtungshaftung, die Beschichtungshärte, die Substrathärte,
die Oberflächentextur, die Wärmeausdehnung und
die Reibungskoeffizienten einige der physikalischen Eigenschaften,
die überwacht und gesteuert bzw. eingestellt werden können,
um Komponenten mit gewünschten physikalischen Eigenschaften
herzustellen. Komponenten, die spezifische Eigenschaften erfordern,
können bestimmte Arten von Beschichtungsverfahren erfordern,
da nicht alle Verfahren eine hochqualitative Beschichtung erzeugen
können und gewünschte Substrateigenschaften bewahren.
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Die 5 veranschaulicht
ein Beschichtungserzeugungsverfahren 102 gemäß einer
exemplarischen Ausführungsform. In einigen Ausführungsformen
kann das Beschichtungserzeugungsverfahren 102 auf eine
oder mehrere Kraftstoffsystemkomponente(n), wie z. B. ein Steuerventil, angewandt werden.
Insbesondere kann das Beschichtungsverfahren 102 auf eine
oder mehrere Oberfläche(n) des Kraftstoffinjektorkolbens 14,
der Kraftstoffinjektorbohrung 16, des Ventilkörpers 54 oder
des Nadelventils 56 angewandt werden.
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Gemäß der 5 umfasst
das Beschichtungserzeugungsverfahren 102 Temperaturen von
im Allgemeinen weniger als 200°C. Wenn solche Temperaturen
allgemein unterhalb der Anlasstemperatur eines Substrats gehalten
werden können, können mechanische Eigenschaften,
die durch eine Wärmebehandlung oder eine andere thermische
Verarbeitung vor dem Beschichtungserzeugungsverfahren 102 erzeugt
worden sind, bewahrt werden. Während hohe Beschichtungstemperaturen,
die herkömmlich mit einigen Beschichtungsverfahren einhergehen, gewünschte
physikalische Eigenschaften des Substratmaterials verschlechtern
oder das Substrat verformen können, kann eine Niedertemperatur-Beschichtung
bei der Bewahrung von gewünschten physikalischen Eigenschaften
unterstützen, die vor dem Beschichten des Substrats erreicht
worden sind, oder sie kann eine thermische Verformung des Substrats vermindern.
In einigen Ausführungsformen kann das Beschichtungserzeugungsverfahren 102 Temperaturen
von mehr als 200°C umfassen. Solche Temperaturen sind gegebenenfalls
möglich, wenn sie für relativ kurze Zeiträume
aufrechterhalten werden, oder wenn solche höheren Temperaturen
Materialeigenschaften oder eine im Vorhinein angewandte Wärmebehandlung
nicht signifikant beeinflussen.
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Vor
dem Beschichtungsverfahren 102 können ein Substrat
und Beschichtungsmaterialien ausgewählt werden, die kompatibel
sind, wie es vorstehend beschrieben worden ist. Das Substratmaterial kann
dann in einer Form hergestellt werden, die so aufgebaut ist, dass
sie mit einer anderen Komponente in Kontakt kommt, wobei die andere
Komponente beschichtet oder unbeschichtet sein kann. Das Inkontaktkommen
kann ein Gleiten oder einen Stoß von einander zugewandten
Komponentenoberflächen umfassen. Ferner können
verschiedene andere Herstellungsprozesse auf das Substratmaterial
oder das geformte Substrat vor dem Beschichtungsverfahren 102 angewandt
werden. Beispielsweise kann ein Reinigen des Substrats durch eine
Anzahl herkömmlicher Verfahren erreicht werden, wie z.
B. Entfetten, Sandstrahlen, Ätzen, chemisch unterstützte Vibrationstechniken,
Ultraschallreinigen mit einer alkalischen Lösung und dergleichen.
Das Reinigen könnte auch einen Überprüfungsschritt
umfassen, um eine geeignete Reinigung zu bestätigen.
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Das
Beschichtungsverfahren 102 kann eine(n) oder mehrere Phasen
oder Teilprozesse umfassen. Wie es in der 5 gezeigt
ist, kann das Beschichtungsverfahren 102 einen Vorwärmprozess 104,
einen Targetreinigungsprozess 106, einen Erwärmungsprozess 108,
einen Plasmaätzprozess 110 und einen Beschichtungsprozess 112 umfassen.
In anderen Ausführungsformen kann das Beschichtungsverfahren 102 weniger
Prozesse, wiederholte Prozesse oder andere Prozesse umfassen, die
vor, nach oder während des Beschichtungsprozesses 112 eingesetzt
werden.
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Der
Vorwärmprozess 104 kann zu Beginn ein Erwärmen
einer Komponente, wie z. B. eines Substrats 34, auf einen
ausgewählten Temperaturbereich umfassen, um die Temperatur
einer Komponente zur Vorbereitung des Beschichtungsprozesses 112 zu erhöhen,
oder um bei der Entfernung von Oberflächenverschmutzungen
zu unterstützen. Das Beschichtungsverfahren 102 kann
auch einen oder mehrere Erwärmungsprozess(e) 108 oder
Kühlprozesse (nicht gezeigt) umfassen, um die Komponententemperatur
oder die Umgebungstemperatur zu steuern bzw. einzustellen, wie es
nachstehend detailliert beschrieben ist. Eine solche gesteuerte
Wärmebehandlung kann dabei unterstützen, unerwünschte Veränderungen
der Substratabmessungen während des Beschichtungsverfahrens 102 zu
vermindern.
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Der
Targetreinigungsprozess 106 kann jedweden Prozess umfassen,
der so gestaltet ist, dass er ein Sputtertarget zumindest teilweise
reinigt. Der Reinigungsprozess 106 kann jedwede Anzahl
von Schritten umfassen und einige Schritte können mehrmals
wiederholt werden, um ein geeignetes Reinigen zu erreichen.
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Das
Beschichtungsverfahren 102 kann auch einen oder mehrere
Oberflächenbehandlungsprozess(e) bei verschiedenen Stufen
des Komponentenbeschichtens umfassen. Oberflächenbehandlungen können
durchgeführt werden, um die Beschichtungshaftung zu verstärken
oder um die Beschichtungsstruktur zu beeinflussen. Beispielsweise
kann eine sehr glatte Substratoberfläche durch einen Schleifprozess
oder durch Ionenätzen der Oberfläche unter Verwendung
von Argon erzeugt werden. In einigen Ausführungsformen
kann ein Plasmaätzprozess 110 eingesetzt werden,
bei dem eine Substratoberfläche mit einem Hochgeschwindigkeitsplasmastrahl
beschossen wird (gepulst). Vor dem Beschichtungsprozess 112 können
auch andere entsprechende Verfahren angewandt werden.
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Der
Beschichtungsprozess 112 kann jedweden geeigneten Sputterabscheidungsprozess
umfassen, wie z. B. ein Magnetronsputtern. In einigen Ausführungsformen
kann der Beschichtungsprozess 112 im Wesentlichen bei einer
Temperatur von weniger als etwa 200°C durchgeführt
werden. In anderen Ausführungsformen kann, wie es in der 5 gezeigt ist,
der Beschichtungsprozess 112 im Wesentlichen bei einer
Temperatur von weniger als etwa 160°C durchgeführt
werden. Ferner können Hybridverfahren eingesetzt werden,
durch die mindestens ein Teil der Beschichtung unter Verwendung
eines Sputterabscheidungsprozesses aufgebracht wird, der bei einer
Temperatur von weniger als etwa 200°C durchgeführt
wird.
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Geeignete
Sputterprozesse umfassen im Allgemeinen das Beschießen
eines Targetmaterials mit energetischen Ionen üblicherweise
eines Inertgases, wie z. B. Argon. Atome in dem Targetmaterial werden dann
aufgrund des Beschießens in die Gasphase ausgestoßen.
Diese Atome werden dann in Richtung eines Substrats beschleunigt
und kleine Mengen des Targetmaterials werden auf einer Substratoberfläche abgeschieden.
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Sputterquellen
können Magnetrone umfassen, die starke elektrische und
magnetische Felder nutzen, um Elektronen nahe an der Oberfläche
des Magnetrontargets einzufangen. Magnetrone erfordern im Allgemeinen
ein relativ hohes Niveau an Substrat-Ionenbeschießung,
das durch Erhöhen der an das Target abgegebenen Leistung
oder durch Vermindern des Abstands zu dem Target erreicht werden kann.
In einigen Ausführungsformen kann der Beschichtungsprozess 112 auch
ein unausgeglichenes („unbalanced”) Magnetronsputtern
umfassen.
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Die 6 ist
eine Draufsicht auf ein Sputtersystem 150 gemäß einer
exemplarischen Ausführungsform. In einigen Ausführungsformen
kann das Sputtersystem 150 ein unausgeglichenes Magnetronsputtersystem
(UBMS-System) 152 umfassen. Ein UBMS-System 152 kann
eine Beschichtungskammer 154, einen Substrattisch 156,
ein oder mehrere Sputtertarget(s) 158, eine Mehrzahl von
unausgeglichenen Magnetronen 160, einen Magnetronmagnet 161,
eine Plasmaquelle 162, ein oder mehrere Heizelement(e) 164,
eine Gaszuführung 166 und eine Inertgaszuführung 168 umfassen.
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Die
Beschichtungskammer 154 kann jedwede geeignete Vakuumkammer
umfassen, die so aufgebaut ist, dass sie mit einem UBMS-Beschichtungsprozess
zusammenwirkt. Die Beschichtungskammer 154 kann ferner
so aufgebaut sein, dass darin ein Substrattisch 156 untergebracht
ist, der so aufgebaut ist, dass er eine oder mehrere zu beschichtende Komponente(n)
(nicht gezeigt) hält. In einigen Ausführungsformen
kann sich der Substrattisch 156 drehen oder sich relativ
zu einem oder mehreren Sputtertarget(s) 158 bewegen.
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Die
Sputtertargets 158 können jedwedes geeignete Material
umfassen, das mit dem Sputtersystem 150 eingesetzt werden
kann, wie z. B. ein Material, das Chrom enthält. Verschiedene
Materialien können auf der Basis der spezifischen Anforderungen
des Sputterprozesses, des zu beschichtenden Substrats oder des Beschichtungsmaterials
ausgewählt werden. Die Sputtertargets 158 werden üblicherweise
angrenzend an die unausgeglichenen Magnetrone 160 angeordnet.
Die unausgeglichenen Magnetfelder, die durch die Magnetrone 160 erzeugt werden,
verursachen eine Ausdehnung des Plasmas weg von der Oberfläche
des Targets 158 in Richtung des Substrattischs 156 und
des zu beschichtenden Substrats (nicht gezeigt).
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In
einigen Ausführungsformen können Magnetronmagnete 161 mit
benachbarten alternierenden Polen angeordnet werden, was zu verbundenen
oder geschlossenen Feldlinien zwischen verschiedenen Magnetronen 160 führt.
Diese Feldlinien können ein Austreten von Elektronen zu
den Wänden der Kammer 154 verhindern, was zu höheren
Ionenstromdichten und härteren, gut haftenden Beschichtungen führt.
Geeignete UBMS-Systeme werden von TEER Coatings Ltd. (Worcester,
Vereinigtes Königreich) hergestellt.
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Das
UBMS-System 152 kann auch eine Plasmaquelle 162 umfassen,
die so konfiguriert ist, dass sie eine Quelle für ein Plasma
bereitstellt. Das Heizelement 164 kann so aufgebaut sein,
dass die Kammer 154 auf jedwede geeignete Temperatur erwärmt
wird, wie z. B. auf das Temperaturprofil 100, wie es in
der 5 gezeigt ist. Das UBMS-System 152 kann
ferner eine oder mehrere Gaszuführung(en) umfassen. Wie
es in der 6 gezeigt ist, stehen die Gaszuführung 166 und
die Inertgaszuführung 168 mit der Kammer 154 in
Fluidverbindung. Beispielsweise könnte die Gaszuführung 166 eine Argongaszuführung
umfassen und die Inertgaszuführung 168 könnte
eine Stickstoffgaszuführung umfassen. Die Gaszuführungen 166, 168 können
jeweils Ventile (nicht gezeigt) oder andere Vorrichtungen (nicht
gezeigt) umfassen, die so aufgebaut sind, dass sie den Gasstrom
in die Kammer 154 unabhängig steuern.
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Zum
Bilden einer Beschichtung mit einer geeigneten Qualität
können Parameter im Zusammenhang mit einem Sputterabscheidungsprozess
auf der Basis der Art des Substratmaterials oder der Betriebsanforderungen
der Kraftstoffsystemkomponente ausgewählt werden. Einige
Substrate können durch erhöhte Temperaturen beeinflusst
werden und der Beschichtungsprozess 112 kann so ausgewählt
werden, dass negative Effekte des Prozesses auf ausgewählte Substrate
minimiert werden, z. B. durch Beschränken der Prozesstemperatur
oder der Beschichtungszeit. Sputterprozesse können so ausgewählt
werden, dass Chromnitrid(CrN)-Beschichtungen erzeugt werden, und
geeignete Prozesse können so ausgewählt werden,
dass Temperaturen unter 160°C gehalten werden, um Abmessungsänderungen
in darunter liegenden Substraten oder einen Verlust an gewünschten
mechanischen Eigenschaften zu vermindern.
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Im
Allgemeinen können mehrere Parameter im Zusammenhang mit
dem Betrieb des UBMS-Systems 152 den Beschichtungsprozess 112 beeinflussen.
Insbesondere können spezielle „Vorgaben” von Parametereinstellungen
verwendet werden, um beschichtete Komponenten mit bestimmten Eigenschaften
herzustellen. In einigen Ausführungsformen kann die Beschichtungsqualität
durch den Gasdruck, die Magnetronstärke und die Substratvorspannung beeinflusst
werden. Verschiedene Vorgaben oder Parametereinstellungen in Verbindung
mit dem UBMS-System 152 können abgestimmt werden,
so dass Komponenteneigenschaften, wie z. B. die Härte,
der Young'sche Modul, die Sprödigkeit, die Verschleißfestigkeit
oder die Reibungskoeffizienten, optimiert werden. Die Steuerung
des Gasdrucks, der Magnetronstärke oder der Substratvorspannung kann
die Plasmaeigenschaften des Beschichtungsprozesses beeinflussen
und folglich die Beschichtungsabscheidungsgeschwindigkeit, die chemische
Abscheidung und die Materialmikrostruktur so beeinflussen, dass
die mechanischen und tribologischen Eigenschaften des beschichteten
Produkts variiert werden.
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Geeignete
Vorgaben zur Verwendung mit dem UBMS-System 152 können
auch durch das Substratmaterial und die allgemeine Temperatur beeinflusst
werden, die während des Beschichtungsprozesses 112 aufrechterhalten
wird. Beispielsweise kann eine CrN-Beschichtung auf einem Stahlsubstrat gebildet
werden, wenn der Beschichtungsprozess 112 im Allgemeinen
bei einer Temperatur von weniger als etwa 160°C durchgeführt
wird und wenn das System 152 einen Gasdruck von etwa 3 × 10–3 mbar, einen Stickstoffpartialdruck
von etwa 3 × 10–5 mbar, eine
Kathodenleistungsdichte von etwa 1 bis 3 W/cm2,
eine Substratvorspannung von etwa 100 bis 150 Volt aufweist und
der Beschichtungsprozess 112 für etwa 4 bis 8
Stunden aufrechterhalten wird. Eine solche Vorgabe kann zu einer
harten CrN-Beschichtung mit einer Dicke von etwa 1 bis 2 μm
und einer Nanohärte von etwa 20 GPa führen, während
die Wärmeausdehnung des Substrats bis zu Konstruktionstoleranzen
von weniger als etwa 1 μm aufrechterhalten wird.
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Die
Steuerung von mindestens einigen der physikalischen oder chemischen
Eigenschaften der Beschichtung oder des Substrats, die von der Dicke verschieden
sind, können zur Erzeugung einer sehr zuverlässigen
und wirtschaftlichen Komponente ebenfalls relevant sein. Beispielsweise
sind die Beschichtungshaftung, die Beschichtungshärte,
die Substrathärte, die Oberflächentextur und die
Reibungskoeffizienten einige der physikalischen Eigenschaften, die überwacht
und gesteuert werden können, um gewünschte Kraftstoffinjektorkomponenten zu
erzeugen. Ferner können verschiedene Anwendungen verschiedene
physikalische oder chemische Eigenschaften erfordern.
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Wie
es vorstehend angegeben worden ist, sollte jedwede gebildete Beschichtung
im Allgemeinen frei von Oberflächendefekten sein. Ferner
kann die Beschichtung abhängig von der vorgesehenen Verwendung
der Komponente spezifischen Oberflächentexturbewertungen
oder Oberflächentexturmessungen unterzogen werden. Beispielsweise
können Oberflächendefekte im Allgemeinen bei einer
Probe von beschichteten Substraten durch die Untersuchung einer
Mehrzahl von Punkten auf der Oberfläche der Proben bei
einer etwa hundertfachen Vergrößerung festgestellt
werden. Die Oberflächenuntersuchungen können mit
verschiedenen Klassifizierungsstandards verglichen werden, um sicherzustellen, dass
die Beschichtung im Wesentlichen frei von Oberflächendefekten
ist. Darüber hinaus sollte die Beschichtung im Allgemeinen
am ausgewählten Substratmaterial haften. Die Beschichtungshaftung kann
für eine gegebene Anzahl von Kraftstoffsystemkomponenten
z. B. unter Verwendung von Standard-Härtetests (z. B. Rockwell
C-Härtemessungen) bewertet werden, bei denen Aufprallstellen
auf Komponentenoberflächen untersucht und mit verschiedenen
Haftungsklassifizierungsstandards verglichen werden.
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Schließlich
sollte beachtet werden, dass die offenbarten Beschichtungen mit
jedweden Maschinenkomponenten verwendet werden können,
die einem wiederholten Stoß- und/oder Gleitkontakt ausgesetzt
sind, obwohl die offenbarten Beschichtungen zur Verwendung mit einem
Kolben 14, einer Bohrung 16, einem Ventilkörper 54 und
einem Nadelventil 56 beschrieben sind. Ferner können
solche Beschichtungen mit jedweden Maschinenkomponenten verwendet
werden, die diesen Formen von Verschleiß in der Gegenwart
von verschiedenen Kohlenwasserstoffkraftstoffen oder Kraftstoffadditiven
unterliegen. Beispielsweise können solche Komponenten jedwede
Ventile oder andere Komponenten umfassen, die in Kraftstoffpumpen,
Kraftstoffinjektoren oder anderen Motoren- bzw. Maschinenkomponenten
eingesetzt werden, die einem Verschleiß unterliegen können.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft ein Niedertemperatur-Beschichtungsverfahren
für Kraftstoffsystemkomponenten. Eine solche Niedertemperaturverarbeitung
kann bei der Bewahrung von Materialeigenschaften unterstützen,
die durch vorhergehende Wärmebehandlungen erzeugt wurden,
die auf die Komponenten angewandt worden sind, wodurch die Verschleißfestigkeit
verbessert und Ausfallraten vermindert werden. Die Komponente kann
ein Substrat und eine auf dem Substrat abgeschiedene Beschichtung
umfassen. Die Beschichtung kann eine Anzahl geeigneter harter Materialien
umfassen, wie z. B. ein Metallnitridmaterial. In einigen Ausführungsformen kann
eine Beschichtung aus Chromnitrid auf ein Stahlsubstrat aufgebracht
werden.
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Das
Niedertemperatur-Beschichtungsverfahren kann jedwede geeignete Sputterabscheidungstechnik
umfassen, wie z. B. ein Magnetronsputtern oder ein unausgeglichenes
Magnetronsputtern. Vor dem Beschichten kann ein Substratmaterial je
nach Erfordernis gereinigt, erwärmt und/oder oberflächenbehandelt
werden. Während eines Beschichtungsprozesses kann das Substrat
beschichtet werden, während die Temperatur unter etwa 200°C bleibt.
In einigen Ausführungsformen kann die Beschichtungstemperatur
etwa 160°C betragen. Ferner kann eine oder können
beide der einander zugewandten Oberflächen von zwei Komponenten
unter Verwendung eines solchen Beschichtungsprozesses beschichtet
werden. Wie es vorstehend angegeben worden ist, können
Komponenten, die sich in einem Gleitkontakt oder einem Stoßkontakt
befinden und bei denen beide einander zugewandten Oberflächen beschichtet
sind, verglichen mit dem Fall, bei dem nur eine Oberfläche
beschichtet ist, einen signifikant verminderten Komponentenverschleiß zeigen.
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Bestimmte
Parameter des Abscheidungssystems können so modifiziert
werden, dass die Bildung einer harten, dünnen Beschichtung
auf mindestens einem Teil eines Komponentensubstrats ermöglicht
wird, wie es vorstehend beschrieben worden ist. Bestimmte Vorgaben
für den Betrieb von Sputtersystemen können Komponenten
mit signifikant verbesserten physikalischen Eigenschaften erzeugen.
Beispielsweise kann eine Kraftstoffsystemkomponente mit einer Beschichtung
mit einer Dicke zwischen 0,05 μm und 2 μm teilweise
beschichtet werden. Die Verwendung der Beschichtungen der vorliegenden
Offenbarung auf einander zugewandten Oberflächen kann in
der Gegenwart herkömmlicher Motorenkraftstoffe, jedoch
auch in der Gegenwart alternativer Kraftstoffe, wie z. B. Kraftstoffen
mit niedrigem Schmiervermögen, Caterpillar-Kraftstoffen,
Biodiesel, Toyu-Kraftstoffen, JP8 und K1-Kraftstoff, niedrige Komponentenverschleißraten
bereitstellen.
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Für
Fachleute ist offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und
Variationen an den offenbarten Systemen und Verfahren vorgenommen werden
können, ohne vom Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen.
Andere Ausführungsformen der offenbarten Systeme und Verfahren
sind für Fachleute in Anbetracht der Beschreibung und bei Ausführung
der hier offenbarten Ausführungsformen offensichtlich.
Die Beschreibung und die Beispiele sollen lediglich als exemplarisch
aufgefasst werden, wobei der tatsächliche Schutzbereich
der Offenbarung durch die folgenden Ansprüche und deren Äquivalente
festgelegt ist.
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Zusammenfassung
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VERFAHREN ZUM BESCHICHTEN
VON KRAFTSTOFFSYSTEMKOMPONENTEN
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Die
vorliegende Offenbarung umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer
Kraftstoffsystemkomponente. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen
eines Substrats (34) und einer Beschichtung (36),
wobei das Substrat Stahl umfasst und die Beschichtung ein Metallnitrid
umfasst. Das Verfahren umfasst auch das Aufbringen der Beschichtung
auf mindestens einen Teil des Substrats unter Verwendung eines Magnetron-Sputterabscheidungsprozesses,
der im Wesentlichen bei einer Temperatur von weniger als etwa 200 °C
durchgeführt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4540596 [0006, 0006, 0006, 0007, 0007, 0007]