本发明涉及一种耐腐蚀装置。
背景技术:
jps51-72618u中所公开的用于内燃发动机的燃料喷射阀包括金属喷嘴,在该金属喷嘴中设置有用于喷射燃料的喷射孔。jps51-72618u描述了喷嘴的表面被镀覆以减少对喷嘴的腐蚀。
然而,在喷嘴具有出现高应力的部分(高应力部分)并且高应力部分被镀覆的构造中,将会出现在镀层中可能发生裂缝的担忧。因此,可能无法确保足够的耐腐蚀性。换句话说,可能难以通过镀覆来确保高应力部分的耐腐蚀性。
技术实现要素:
本公开解决了上述问题中的至少一个。因此,本公开的目的是提供一种耐腐蚀装置,其构造成通过限制在应用到高应力部分的镀层中产生裂缝来充分确保其耐腐蚀性。
根据本公开的一个方面,耐腐蚀装置包括第一构件,该第一构件具有应用到金属基材的镀层。耐腐蚀装置还包括第二构件,该第二构件压靠第一构件的其上应用镀层的一部分。通过将第二构件压靠第一构件而在第一构件中产生的应力被定义为拉伸应力。由拉伸应力引起的镀层破损的概率定义为破损概率。表示镀层的弹性模量与破损概率之间的关系的特征线的斜率是破损概率的增加量与弹性模量的预定量减少的比率并且定义为特征斜率。出现在特征线上的弹性斜率随着弹性模量逐渐减小而从小于预定斜率的斜率变化到预定斜率或更大的变化点被定义为特征变化点。特征变化点处的弹性模量定义为特征变化弹性模量。镀层至少含有铬成分并且具有大于特征变化弹性模量的弹性模量。
在使用铬作为镀覆材料的情况下,通过充分提高镀覆的弹性模量,即使在将镀覆应用至高应力部分时也不太可能发生裂缝。根据上述关注于该点的耐腐蚀装置,镀层至少含有铬成分并且具有大于特征变化弹性模量的弹性模量。因此,该构造使得能够限制在应用到第一构件的被第二构件按压而引起高应力的部分(高应力部分)的镀层中产生裂缝,并且使得能够足以通过镀层来确保耐腐蚀性。
附图说明
从以下参考附图的详细描述中,将使本发明的上述和其他目的、特征和优点变得更加明显。在附图中:
图1是示出了在根据第一实施例燃料喷射阀安装在内燃发动机上的状态的横截面图;
图2是沿图3中ii-ii线截取的示意性地示出图1的横截面图;
图3是沿图2中的箭头iii截取的视图;
图4是示出了表示镀层的压痕弹性模量和破损概率以及不破损概率之间的关系的特征线的试验结果;
图5是示出了根据比较示例的燃料喷射阀的喷嘴本体的横截面图,其示出了由于在基材中产生应力而在镀层中发生裂缝的状态;
图6是示出了根据比较示例的燃料喷射阀的喷嘴本体的横截面图,其示出了由于在镀层中发生裂缝而使基材腐蚀的状态;
图7是示出了根据比较示例的燃料喷射阀的喷嘴本体和保持螺母的横截面图,其示出了基材被腐蚀的状态;
图8是示出了根据第一实施例的燃料喷射阀的喷嘴本体和保持螺母的横截面图,其示出了基材受镀层保护且不受腐蚀的状态;
图9是概略地示出了根据第二实施例的燃料喷射阀的横截面图;
图10是示出了根据第三实施例的燃料喷射阀的喷嘴本体的横截面图,其中下部部分是示出了上部部分中由点划线所示的镀层的一部分的放大图;以及
图11是示出了压痕弹性模量、空隙率和拉伸应力之间的关系的图。
具体实施方式
在下文中,将参考附图描述本公开的多个实施例。相同的附图标记被分配给每个实施例中的对应组件并且可以省略重复的描述。当在每个实施例中仅描述构造的一部分时,上述其他实施例的构造可以应用于该构造的其他部分。
(第一实施例)
根据本实施例的耐腐蚀装置是图1中所示的燃料喷射阀10。燃料喷射阀10设置在安装在车辆上的燃烧系统中。具体地,燃料喷射阀10附接到构成燃烧系统的内燃发动机1的气缸盖2。燃料喷射阀10从喷射孔39朝燃烧室1a直接喷射从共轨供应的高压燃料。
燃料喷射阀10包括阀本体20、喷嘴针50、电磁(螺线管)控制阀40以及可移动板60。阀本体20通过利用保持螺母80组装多个金属构件(例如喷射器本体21、流动通道形成构件22、喷嘴本体70和筒部23)而形成。
保持螺母80由金属制成并且具有沿燃料喷射阀10的轴向方向延伸的筒形形状。阴螺纹部分80n设置在保持螺母80的内周表面在轴向方向上的一个端部处,并且螺母锁定部分80a形成在另一端部处。在螺母锁定部分80a锁定作为喷嘴本体70的锁定部分的本体锁定部分70a的状态下,保持螺母80的阴螺纹部分80n紧固到形成在喷射器本体21的外周表面上的阳螺纹部分21n。结果,喷射器本体21、流动通道形成构件22和喷嘴本体70保持在沿轴向方向彼此压靠的状态。
燃料喷射阀10插入气缸盖2的插入孔2a中并且设置在阀本体20的前端处的喷射孔39暴露于燃烧室1a。夹紧构件3的一个端部与喷射器本体21的接合部分21a接合。夹紧构件3的另一端部通过螺钉等固定到气缸盖2。保持螺母80的抵接部分80b抵靠位于气缸盖2的插入孔2a内部的抵接部分2b。该抵接限制燃料喷射阀10沿轴向方向朝燃烧室1a移动。换句话说,燃料喷射阀10在夹设在气缸盖2的抵接部分2b和夹紧构件3之间的同时附接至气缸盖2的插入孔2a。
高压燃料通路31、流入流动通道32、流出流动通道33、控制室35和低压室38设置在阀本体20内部。
高压燃料通路31设置在喷射器本体21、流动通道形成构件22和喷嘴本体70上,并且允许从未示出的共轨供应的高压燃料流动通过喷射孔39。
流入流动通道32通过流动通道形成构件22从高压燃料通路31分支,并且使高压燃料通路31与控制室35连通。流入流动通道32允许高压燃料的流动通过高压燃料通路31的一部分流入控制室35。流出流动通道33使控制室35与低压室38连通以允许燃料流出控制室35。
控制室35是由流动通道形成构件22、筒体23、喷嘴针50等限定的空间。控制室35位于喷射孔39跨越喷嘴针50的相反侧上。控制室35填充有通过流入流动通道32供应的燃料。控制室35中的燃料压力由于燃料通过流入流动通道32流入以及燃料通过流出流动通道33流出而变化。
低压室38是设置在喷射器本体21中的容纳空间。电磁控制阀40容纳在低压室38中。通过流出流动通道33排出的过量燃料流入低压室38,并且低压室38填充有压力低于控制室35的压力的燃料。
喷嘴针50由柱形金属材料制成。喷嘴针50通过控制室35中的燃料压力的变化而相对于阀本体20沿轴向方向移位,并且打开和关闭喷射孔39。喷嘴针50在喷射孔39侧上的前端形成为锥形形状。喷嘴针50容纳在喷嘴本体70中,并且从通过高压燃料通路31供应的高压燃料接收沿着喷射孔39打开的方向(下文中称为“阀打开方向”)的力。喷嘴针50被针弹簧53的推动力沿喷射孔39关闭的方向(下文称为“阀关闭方向”)朝筒体23推动。
电磁控制阀40包括控制阀本体42和驱动单元41,该控制阀本体42容纳在低压室38中用于打开和关闭流出流动通道33,且该驱动单元41用于基于驱动电流使控制阀本体42移位。当没有电力供应到驱动单元41时,控制阀本体42关闭阀以中断从控制室35到低压室38的燃料流出。另一方面,当电力供应到驱动单元41时,控制阀本体42打开阀以允许燃料从控制室35流到低压室38。
可移动板60由盘状金属材料制成。可移动板60设置在控制室35中,并沿喷嘴针50的轴向方向往复运动以打开和关闭流出流动通道33。当流出流动通道33被控制阀本体42打开时,在控制室35中的燃料从流出流动通道33排出到低压室38。
在下文中,将参考图2和图3详细描述喷嘴本体70的结构。
如上所述,喷射器本体21和保持螺母80在保持螺母80和喷嘴本体70彼此锁定的状态下旋拧在一起。结果,喷射器本体21、流动通道形成构件22和喷嘴本体70沿轴向方向彼此压靠。以这种方式,本体锁定部分70a处于压靠螺母锁定部分80a的状态,并且按压力(推力)通过阴螺纹部分80n和阳螺纹部分21n之间的螺纹接合而沿轴向方向施加。喷嘴本体70对应于“第一构件”,而保持螺母80对应于“第二构件”。
喷嘴本体70具有基材71和镀层72,并且喷嘴本体70通过将镀层72应用到基材71的外表面而形成。基材71由铁基金属制成。镀层72是基于铬的硬铬镀覆。镀层72设置在喷嘴本体70的外表面的从设置喷射孔39的部分到本体锁定部分70a的整个区域中,即,本体锁定部分70a以及喷射孔侧上沿轴向方向始自本体锁定部分70a的整个部分中。换句话说,镀层72被应用到喷嘴本体70的外表面的从设置喷射孔39的部分到压靠保持螺母80的部分的区域中。喷射孔39的内部和基材71的内表面未被镀覆。
间隙cl1设置在镀层72和插入孔2a的内周表面之间。间隙cl2也设置在保持螺母80的螺母锁定部分80a的内周表面和镀层72之间。镀层72位于形成本体锁定部分70a的部分中的表面72a接触螺母锁定部分80a并且由上述按压力按压。表面72a具有垂直于轴向方向延伸的形状以及围绕中心轴线环形延伸的形状。
接下来,将描述用于在基材71上形成镀层72的制造过程。首先,对基材71的除待形成镀层72的部分之外的部分进行掩模处理(掩模过程)。另外,制备由熔融铬制成的sargent浴,并将即是熔融铬温度的浴温设定为目标温度(浴温调节过程)。接下来,将基材71浸入经温度调节的sargent浴中,并且将基材71电连接到阴极(浸渍过程)。接下来,随着对阳极和阴极的通电,熔融的铬沉淀在基材71的表面的未经过掩模处理的部分上(通电过程)。
在这种情况下,镀层72具有微小划痕,例如在沉淀过程中产生的细小裂缝和空隙。可以通过调节镀覆在通电过程中的沉淀率来调节这种微小划痕发生的程度。可以通过在浴温调节过程中调节浴温以及在通电过程中调节与通电相关的电流值来调节沉淀率。可以通过调节沉淀率来调节镀层72的弹性模量。
弹性模量是国际标准化组织(iso)14577中定义的压痕弹性模量。换句话说,当镀层72通过将压头按压入镀层72以给予负载并且然后移除负载以恢复形变而形变时测量负载移除量和恢复量。将以这种方式测量的负载移除量除以恢复量所获得的比率定义为压痕弹性模量。镀层72的按压接触压头的一部分跟随压头的形状塑性形变。镀层72的围绕与压头接触的部分的一部分弹性形变。用于上述测量的压头的具体示例包括由国际标准化组织(iso)14577定义的berkovich型和vickers压头。压痕弹性模量是在镀覆的泊松比为0.3,压头的泊松比为0.070,压头的弹性模量为1.14×106n/mm2的条件下测量的。
镀层72的压痕弹性模量设定为大于1.6×105n/mm2(参见图4)。下面将参照图4至图8描述压痕弹性模量的技术意义。
如图5中的箭头所示,本体锁定部分70a的基材71可以通过由上述按压力引起的内应力(拉伸应力)而形变。另外,基材71也可以通过上述夹紧构件3的按压力而形变。随后,随着基材71的形变,本体锁定部分70a的镀层72x不会弹性形变,并且如图5所示,在镀层72x中出现裂缝72h。当裂缝72h从表面72a穿透镀层72x到达基材71时,附着在表面72a上的湿气w将渗透到裂缝72h中并到达基材71。结果,如图6所示,基材71腐蚀,并且由于腐蚀可能产生空穴71h。
图5和图6示出了其中裂缝72h出现在镀层72x与保持螺母80接触的部分中的示例。另一方面,图7示出了其中裂缝72h出现在镀层72x未与保持螺母80接触的一部分中以及出现在基材71以直角弯曲的一部分(弯曲部分70b)中的示例。在图7的情况下,类似于图5和图6,基材71因弯曲部分70b中产生的内应力而形变,并且镀层72x在该形变后不会弹性形变,并且在镀层72x中产生裂缝72h。由于湿气w渗入裂缝72h并到达基材71,基材71腐蚀并产生空穴71h。
特别地,燃烧室1a含有由燃烧产生的湿气,并且湿气含有酸性成分,例如氮化合物和硫化合物。因此,当湿气通过间隙cl1和cl2到达弯曲部分70b和本体锁定部分70a时,上述腐蚀容易进行。当如上所述在基材71中产生空穴71h时,喷嘴本体70可能由于强度降低而损坏。
因此,在本实施例中,为了减少裂缝72h在镀层72x中的产生,镀层72的弹性模量形成得足够大。结果,如图8所示,由于镀层72可以通过随着基材71的形变而充分地弹性形变,因此在镀层72中不会产生或者产生更少的裂缝,并且保护基材71免受腐蚀。
在图1所示的燃料喷射阀10中,拉伸应力为1100mpa。在这种情况下,如果镀层72的压痕弹性模量大于1.6×105n/mm2,则可以充分降低下面待描述的破损概率。破损概率是由于拉伸应力而在镀层72中产生诸如裂缝等的损坏的概率。不破损概率是由于拉伸应力而在镀层72中不发生诸如裂缝等的损坏的概率,并且例如,破损概率为30%的情况与不破损概率为70%的情况同义。
图4中的实线是表示镀层72的压痕弹性模量与破损概率之间的关系的特征线l1和l2。特征线l1是拉伸应力为1100mpa的情况下的特征线,并且来自由附图中的白色圆圈所示的试验结果。特征线l2是拉伸应力为800mpa时的特征线并且来自由图中的黑色圆圈所示的试验结果。如图4所示,压痕弹性模量越高,破损概率越低。然而,即使压痕弹性模量大于后面将描述的变化点p1和p2处的压痕弹性模量,破损概率也不会降低太多。
特征线l1和l2的斜率被定义为特征斜率,这些斜率中的每个是破损概率的增加量与压痕弹性模量的预定量减少的比率。出现在特征线l1和l2上的随着压痕弹性模量逐渐减小特征斜率从小于预定斜率的斜率变化到预定斜率或更大的变化点被定义为特征变化点p1和p2。特征变化点p1和p2处的压痕弹性模量被定义为特征变化弹性模量e1和e2。
在根据本实施例的燃料喷射阀10中,由于拉伸应力为1100mpa,因此根据特征线l1将镀层72的压痕弹性模量设定为大于1.6×105n/mm2。另一方面,例如,在其中拉伸应力为800mpa的燃料喷射阀的情况下,希望根据特征线l2将镀层72的压痕弹性模量设定为大于1.2×105n/mm2。通过调节浴温和电流值来调节镀覆的沉淀率,以获得这种压痕弹性模量。将镀层72的膜厚度调节为0.1μm或以上且小于10μm。
如上所述,根据本实施例,镀层72至少包括铬成分并且具有大于特征变化弹性模量e1的压痕弹性模量。因此,可以限制在应用到喷嘴本体70(第一构件)的保持螺母80(第二构件)所压靠且变得高压力的一部分(高应力部分)的镀层72中产生裂缝72h。结果,可以充分确保镀层72的耐腐蚀性。
此外,在本实施例中,燃料喷射阀10安装在具有内燃发动机1的燃烧系统上,并且喷嘴本体70安装在燃烧系统上以暴露于内燃发动机的废气。因此,由于含有诸如氮化合物或硫化合物的酸性成分的湿气w附着至喷嘴本体70,因此喷嘴本体70对耐腐蚀性的要求高。因此,适当地表现出上述“可以确保足够的耐腐蚀性”的效果。
此外,在本实施例中,第一构件和第二构件设置在燃料喷射阀10中,用于将燃料喷射到内燃发动机1的燃烧室1a中。作为用于指定特征线l1和l2的条件的拉伸应力是在燃料喷射阀10安装在燃烧系统上的状态下产生的幅值。如上所述,大拉伸应力作用在燃料喷射阀10上,并且对耐腐蚀性的要求高,使得适当地表现出上述“可以确保足够的耐腐蚀性”的效果。
此外,在本实施例中,当燃料喷射阀10安装在燃烧系统上时引起的拉伸应力是1100mpa,并且特征线l1中的特征变化弹性模量是1.6×105n/mm2。因此,在本实施例中,由于弹性模量设定为大于1.6×105n/mm2,因此可以减少镀层72中产生裂缝72h。
此外,在本实施例中,镀层72被应用至从喷嘴本体70的形成喷射孔39的部分到喷嘴本体70的压靠保持螺母80的部分的范围中。由于上述范围是暴露于废气的部分,因此含有酸性成分的湿气w可以粘附至该范围。因此,适当地表现出上述“可以确保足够的耐腐蚀性”的效果。
此外,在本实施例中,镀层72的膜厚度为0.1μm或以上且小于10μm。这使得可以限制耐腐蚀性和耐磨性由于过薄的膜厚度而变得不充分。例如,在与本实施例相反镀层72的膜厚度小于0.1μm的情况下,即使不会产生裂缝72h,但仍存在湿气w穿过镀层72中存在的空穴到达基材71的担忧。另一方面,在本实施例中,由于镀层72的膜厚度为0.1μm或以上,因此可以减少上述担忧。此外,由于镀层72的膜厚度小于10μm,因此可以限制由于膜厚度过厚而使镀覆的沉淀时间变得比需要更长。
(第二实施例)
在第一实施例中,在保持螺母80的表面上没有形成镀层,而在本实施例中,镀层也形成在保持螺母80的表面上。在下面的描述中,包括在喷嘴本体70中的基材71和镀层72被称为第一基材和第一镀层,并且包括在保持螺母80中的基材和镀层被称为第二基材和第二镀层。
如图9所示,根据本实施例的保持螺母80包括由金属制成的第二基材81以及应用至第二基材81的第二镀层82。第二镀层82应用至第二基材81压靠喷嘴本体70的至少一部分。换句话说,第二镀层82压靠第一镀层。第二镀层82不仅应用于压靠上述第一镀层的整个部分,而且还应用于第二基材81的提供间隙cl2的整个部分、接触气缸盖2的整个部分以及外周表面的一部分。
第二镀层82的材料和膜厚度与第一镀层的材料和膜厚度相同。制造第二镀层82的方法也与第一镀层的方法相同,并且可以通过调节镀覆的沉淀率来调节第二镀层82的弹性模量。
以与图5中的箭头所示的拉伸应力相同的方式,保持螺母80压靠喷嘴本体70,由此在保持螺母80中也产生内应力。在这些内应力中,在螺母锁定部分80a中产生的应力被称为第二拉伸应力。由第二拉伸应力引起的第二镀层82破损的概率被定义为第二破损概率。表示第二弹性模量(第二镀层82的弹性模量)与第二破损概率之间的关系的第二特征线与图4所示的特征线l1和l2(第一特征线)的相同。
因此,第二特征线的作为第二破损概率的增加量与第二弹性模量的预定量减少的比率的斜率与第一特征线的特征斜率(第一特征斜率)相同。作为出现在第二特征线上的变化点并且在此随着第二弹性模量逐渐减小第二特征斜率从小于预定斜率的斜率变化到预定斜率或更大斜率的第二特征变化点也是与出现在第一特征线上的特征变化点p1和p2(第一特征变化点)相同。将第二特征变化点处的第二弹性模量定义为第二特征变化弹性模量,并且第二镀层82形成为使得第二镀层82的第二弹性模量大于第二特征变化弹性模量。
如上所述,根据本实施例,第二镀层82至少包括铬成分并且具有大于第二特征变化弹性模量的第二压痕弹性模量。这使得可以限制在应用到保持螺母80(第二构件)的在此喷嘴本体70(第一构件)被按压入高应力的部分(高应力部分)的第二镀层82中产生裂缝。结果,可以充分确保第二镀层82的耐腐蚀性。
另外,也可以限制应用到保持螺母80的在此气缸盖2被按压入高应力的部分的第二镀层82由于应力而产生裂缝。
(第三实施例)
与第一实施例类似,在根据本实施例的燃料喷射阀10中,在本体锁定部分70a的基材71中引起的内应力(拉伸应力)是1100mpa。类似地,根据本实施例的镀层72至少含有铬成分并且其压痕弹性模量设定为大于1.6×105n/mm2。另外,如下面详细描述的,镀层72形成为具有设定为等于或小于0.5%的空穴率。
如图10所示,镀层72包含多个空穴72l和72s。作为小空穴的小空穴72s几乎不会对镀层72的耐腐蚀性产生影响。相反,作为大空穴的大空穴72l会随着占比增大而降低耐腐蚀性。大空穴72l表示在镀层72的任意横截面中出现的空穴72l和72s中的其中每个具有0.001μm2或更大体积的空穴。空穴率表示存在于任意横截面的每单位面积中的大空穴72l的比率。
认为在用于形成镀层72的制造过程中的沉淀过程中产生空穴72l和72s。可以通过调节通电过程中的镀覆的沉淀率来调整大空穴72l的产生比率。可以通过调节浴温调节过程中的浴温和通电过程中实施的通电中的电流值来调节沉淀率。因此,可以通过调节沉淀率来调节空穴率。
如上所述,根据本实施例,镀层72形成为使得空穴率等于或小于0.5%,从而能够进一步增强镀层72的耐腐蚀性。
尽管上面已经描述了本公开的多个实施例,但是不仅在每个实施例的描述中明确示出的构造的组合,而且如果组合中没有特别的问题,多个实施例的构造也可以部分地组合在一起,即使未明确示出这些组合。在以下描述中还公开了在多个实施例和修改中描述的构造的未指定组合。将描述上述实施例的修改。
在第一实施例中,当燃料喷射阀10安装在燃烧系统上时引起的拉伸应力是1100mpa,但是例如可以是800mpa。特征线l2中的特征变化弹性模量为1.2×105n/mm2(参见图4)。因此,当拉伸应力为800mpa时,希望镀层72的弹性模量设定为大于1.2×105n/mm2。
在拉伸应力为800mpa的情况下,镀层72至少含有铬成分,其压痕弹性模量设定为1.2×105n/mm2以上,此外,镀层72可以形成为使空穴率等于或小于1.0%。
在图11中,左侧所示的纵轴表示特征变化点处的压痕弹性模量(特征变化弹性模量)。如图11所示,随着在燃料喷射阀10中引起的拉伸应力变大,特征变化弹性模量变大。换句话说,假设拉伸应力是变量x,并且特征变化弹性模量是变量y1,则由y1=f1(x)表示的函数f1是线性函数,其中随着变量x变大,变量y1变大。线性函数f1具有400/3的倾斜度以及40000/3的截距。镀层72可以形成为使得镀层72具有大于由线性函数f1指定的特征变化弹性模量的弹性模量。
在图11中,右侧所示的纵轴表示在不破损概率为90%的条件下的空穴率。如图11所示,随着在燃料喷射阀10中引起的拉伸应力变大,在不破损概率为90%的条件下的空穴率变小。换句话说,假设拉伸应力是变量x,并且在不破损概率为90%的条件下的空穴率是变量y2,由y2=f2(x)表示的函数f2是线性函数,其中随着变量x变大,变量y2变小。线性函数f2具有-1/600的倾斜度以及7/3的截距。假设由线性函数f2指定的空穴率被设定为上限值,则镀层72可以形成为使得镀层72具有小于该上限值的空穴率。
在上述第一实施例中,镀层72的弹性模量是当镀层72被加载和形变且然后移除负载以恢复形变时的负载移除量与恢复量的比率。另一方面,镀层72的弹性模量可以是当镀层72被加载和形变时的负载施加量和形变量的比率。而且,压痕弹性模量不限于由国际标准组织(iso)14577定义的压痕弹性模量。
应用耐腐蚀装置的燃烧系统可以具有废气再循环机构,用于将内燃发动机1的废气中的一部分作为再循环气体混合到进气中。当设置在耐腐蚀装置中的第一构件设置成暴露于再循环气体时,可以适当地表现出上述提高耐腐蚀性的影响。
应当理解,尽管本公开的实施例的过程在本文中已经描述为包括特定的步骤序列,但是包括这些步骤的各种其他序列和/或本文未公开的附加步骤的其他替换实施例旨在处于本公开的步骤内。
虽然已经参考本公开的实施例描述了本公开,但是应该理解,本公开不限于这些实施例和构造。本公开旨在涵盖各种修改和等同布置。另外,各种组合和构造,包括更多,更少或仅单个元件的其他组合和构造也在本公开的精神和范围内。