KR102583763B1 - Assembly for fuel injector and coating method for the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료 인젝터용 부품과 그 코팅 방법에 관한 것으로, 상세하게는 지르코늄을 그래디언트 구조로 ta-C(:H)-Zr 기능층에 첨가하여 접합층/지지층과의 접합력이 향상되면서 ta-C(:H)-Zr 기능층의 외측 표면에서의 저마찰성, 내열성, 내식성이 우수한 연료 인젝터용 부품과 그 코팅 방법을 제공한다.
The present invention relates to fuel injector parts and a coating method thereof. Specifically, zirconium is added to the ta-C(:H)-Zr functional layer in a gradient structure to improve bonding strength with the bonding layer/support layer and ta-C Provided are fuel injector parts with excellent low friction, heat resistance, and corrosion resistance on the outer surface of the (:H)-Zr functional layer, and a coating method thereof.
Description
본 발명은 연료 인젝터용 부품과 그 코팅 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마찰 저항 감소, 코팅 경도 및 내구 수명 증대를 위한 코팅재가 적층되는 연료 인젝터용 부품과 그 코팅 방법에 관한 것이다.The present invention relates to fuel injector parts and a coating method thereof, and more specifically, to a fuel injector part and a coating method thereof in which a coating material is laminated to reduce frictional resistance, increase coating hardness and durability.
자동차의 연료 인젝터는 엔진의 행정에 따라 시기 적절하게 연료를 엔진에 공급하기 위한 역할을 하는 핵심 부품 중 하나이다.A car's fuel injector is one of the key components that supplies fuel to the engine in a timely manner according to the engine's stroke.
이와 관련하여 연료 인젝터의 부품 중에서 특히 접동 부품으로서 볼과 밸브 시트는 소형화되어 가고 있지만, 엔진 성능의 향상으로 인하여 더 높고 반복적인 하중 및 스트레스에 노출되기 때문에 열충격과 마모 등에 의해서 수명이 급격하게 저하되는 현상이 발생하게 된다. In relation to this, among fuel injector parts, especially sliding parts, balls and valve seats are becoming smaller, but due to improvements in engine performance, they are exposed to higher and repetitive loads and stresses, and their lifespan is rapidly reduced due to thermal shock and wear. phenomenon occurs.
이러한 접동 부품의 내마모성을 개선하기 위한 방안으로서, 접동 부품의 모재에 접합층을 형성하고, 접합층의 표면에 지지층을 형성하며, 지지층의 표면에 기능층을 형성하여, 접동 부품의 내마모성 및 내열성을 개선하는 방법이 있다.As a way to improve the wear resistance of these sliding parts, a bonding layer is formed on the base material of the sliding parts, a support layer is formed on the surface of the bonding layer, and a functional layer is formed on the surface of the support layer to improve the wear resistance and heat resistance of the sliding parts. There are ways to improve.
한편, 한국공개특허 제10-2015-0057249호에서는 내마모성을 확보하기 위하여 중간층으로 크롬을 사용하고, 표면층에 DLC(Diamond-Like Carbon)를 코팅하여 그라디언트로 형성하여 DLC와의 모재를 향상한 기술이 개시되어 있다.Meanwhile, Korean Patent Publication No. 10-2015-0057249 discloses a technology that improves the base material with DLC by using chromium as an intermediate layer to ensure wear resistance and coating the surface layer with DLC (Diamond-Like Carbon) to form a gradient. It is done.
그러나 크롬을 코팅한 후, CH4 가스 및 C2H2 가스를 사용하여 DLC를 형성하면 고내구성에도 불구하고, 내열성이 낮아 연료 인젝터 등의 구동부품의 작동 과정에서 표면이 박리되거나 파티클이 발생하는 문제점으로 인하여 내구성이 저하되는 문제가 있다.However, after coating chrome, when CH 4 gas and C 2 H 2 gas are used to form DLC, despite its high durability, heat resistance is low and the surface may peel off or particles may be generated during the operation of driving parts such as fuel injectors. There is a problem that durability is reduced due to the problem.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 연료 인젝터용 부품과 그 코팅 방법을 적용하는 경우 엔진 성능의 향상으로 접동 부품이 마모되어 발생하는 성능 저하 및 교체 비용 등의 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로, 지르코늄을 그래디언트 구조로 ta-C(:H)에 첨가하여 접합층/지지층과의 접합력이 향상되면서 ta-C(:H) 외부표면에서의 저마찰성, 내열성, 내식성이 우수한 연료 인젝터용 부품을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention was created to improve problems such as performance degradation and replacement costs caused by wear of sliding parts due to improved engine performance when applying the conventional fuel injector parts and their coating method as described above, using zirconium. By adding it to ta-C(:H) in a gradient structure, the bonding strength with the bonding layer/support layer is improved, and it provides fuel injector parts with excellent low friction, heat resistance, and corrosion resistance on the external surface of ta-C(:H). There is a purpose.
또한, 초소형 부품의 필요부위에 정밀한 코팅을 제공하는 연료 인젝터용 부품의 코팅 방법을 제공하는데 목적이 있다.In addition, the purpose is to provide a coating method for fuel injector parts that provides precise coating to necessary areas of ultra-small parts.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 실시예에 의한 연료 인젝터용 부품은, 모재; 상기 모재의 표면에 적층되는 접합층; 상기 접합층의 외측면에 적층되는 지지층; 및 상기 지지층의 외측면에 적층되는 ta-C(:H)-Zr 기능층;을 포함하고, 상기 ta-C(:H)-Zr 기능층은 표면부 방향으로 지르코늄의 조성 구배가 형성된다.In order to achieve the above-described object, a fuel injector component according to the first embodiment of the present invention includes a base material; A bonding layer laminated on the surface of the base material; A support layer laminated on the outer surface of the bonding layer; and a ta-C(:H)-Zr functional layer laminated on the outer surface of the support layer, wherein the ta-C(:H)-Zr functional layer has a zirconium composition gradient toward the surface.
상기 접합층은 지르코늄을 포함하는 타겟에 아크 방전이 인가되어 증발된 금속 이온이 상기 모재 상에 증착되어 형성될 수 있다.The bonding layer may be formed by applying an arc discharge to a target containing zirconium and depositing evaporated metal ions on the base material.
상기 지지층은 지르코늄을 포함하는 타겟에 아크 방전이 인가되어 증발된 금속 이온과, 활성 가스로 주입된 질소 가스에서 분리된 질소 이온이 반응하여 형성된 금속질화물 입자가 상기 접합층 상에 증착되어 형성될 수 있다.The support layer may be formed by depositing metal nitride particles on the bonding layer, which are formed by reacting metal ions evaporated by applying an arc discharge to a target containing zirconium and nitrogen ions separated from nitrogen gas injected as an active gas. there is.
상기 ta-C(:H)-Zr 기능층은 흑연을 포함하는 타겟 및 지르코늄이 포함된 타겟에 동시에 아크 방전이 인가되어 증발된 탄소 입자 및 지르코늄 입자가 상기 지지층 상에 적층되어 형성될 수 있다.The ta-C(:H)-Zr functional layer may be formed by simultaneously applying an arc discharge to a target containing graphite and a target containing zirconium, thereby stacking evaporated carbon particles and zirconium particles on the support layer.
상기 ta-C(:H)-Zr 기능층은 지르코늄 0원자% 초과 20원자% 이하, 수소 0원자% 초과 30원자% 이하를 포함하고, 잔부가 탄소 및 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.The ta-C(:H)-Zr functional layer may contain more than 0 atomic% but not more than 20 atomic% zirconium and more than 0 atomic% but less than 30 atomic% hydrogen, and the balance may be made up of carbon and inevitable impurities.
상기 ta-C(:H)-Zr 기능층은 표면부 방향으로 지르코늄의 조성이 연속적으로 증가하는 조성 구배가 형성될 수 있다.The ta-C(:H)-Zr functional layer may have a composition gradient in which the zirconium composition continuously increases toward the surface.
또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제2 실시예에 의한 연료 인젝터용 부품의 코팅 방법은, 연료 인젝터용 부품의 모재의 표면에 다층구조의 코팅재를 적층할 수 있도록, 상기 모재를 반응챔버의 내부에 거치시키는 모재거치단계; 상기 모재의 외주면에 접합층이 적층되는 접합층 형성단계; 상기 접합층의 외측면에 지지층이 적층되는 지지층 형성단계; 상기 지지층의 외측면에 ta-C(:H)-Zr 기능층을 적층하는 기능층 형성단계;를 포함한다.In addition, in order to achieve the above-described object, the coating method for fuel injector parts according to the second embodiment of the present invention is to laminate a multi-layered coating material on the surface of the base material of the fuel injector part. A base material mounting step of mounting the inside of the reaction chamber; A bonding layer forming step of stacking a bonding layer on the outer peripheral surface of the base material; A support layer forming step of laminating a support layer on the outer surface of the bonding layer; It includes a functional layer forming step of laminating a ta-C(:H)-Zr functional layer on the outer surface of the support layer.
상기 접합층 형성단계는 지르코늄을 포함하는 타겟에 아크 방전을 가해 증발된 금속 이온이 모재의 표면으로 이동하여 금속층을 형성할 수 있다.In the bonding layer forming step, an arc discharge is applied to a target containing zirconium, and evaporated metal ions move to the surface of the base material to form a metal layer.
상기 지지층 형성단계는 지르코늄을 포함하는 타겟에 아크 방전을 가해 증발된 금속 이온과, 활성 가스로 주입된 질소 가스에서 분리된 질소 이온을 반응시켜 형성된 금속질화물 입자가 모재의 표면으로 이동하여 금속질화물층을 형성할 수 있다.In the support layer forming step, metal ions evaporated by applying an arc discharge to a target containing zirconium react with nitrogen ions separated from nitrogen gas injected as an active gas, and the metal nitride particles formed move to the surface of the base material to form a metal nitride layer. can be formed.
상기 기능층 형성단계는 흑연을 포함하는 타겟 및 지르코늄을 포함하는 타겟에 동시에 아크 방전을 인가하여 증발된 탄소 입자 및 지르코늄 입자가 상기 지지층 상에 적층되어 ta-C(H)-Zr 기능층을 형성할 수 있다.In the functional layer forming step, an arc discharge is simultaneously applied to a target containing graphite and a target containing zirconium, so that evaporated carbon particles and zirconium particles are stacked on the support layer to form a ta-C(H)-Zr functional layer. can do.
상기 기능층 형성단계는 상기 흑연을 포함하는 타겟에 인가되는 전류가 60A 이상 100A 이하의 범위에서 연속적으로 변화되고, 상기 지르코늄을 포함하는 타겟에 인가되는 전류가 80A 이상 110A 이하의 범위에서 연속적으로 변화할 수 있다.In the functional layer forming step, the current applied to the target containing the graphite is continuously changed in the range of 60A to 100A, and the current applied to the target containing zirconium is continuously changed in the range of 80A to 110A. can do.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 의한 연료 인젝터용 부품의 코팅 방법은, 상기 모재 거치 단계 후, 상기 모재가 챔버의 내부에 배치된 상태에서, 상기 챔버의 내부 분위기를 진공 상태로 유지하는 진공 형성 단계; 상기 반응 챔버의 내부로 Ar 가스를 주입하고, 챔버의 온도를 상승시켜 Ar 이온이 생성되는 플라즈마 상태를 형성하는 플라즈마 형성 단계; 및 상기 Ar 이온을 상기 모재의 표면에 충돌시켜 상기 모재의 표면을 세정하는 세정 단계;를 더 포함할 수 있다.In addition, the coating method of fuel injector parts according to the second embodiment of the present invention is a vacuum in which, after the base material mounting step, the internal atmosphere of the chamber is maintained in a vacuum state while the base material is placed inside the chamber. formation stage; A plasma forming step of injecting Ar gas into the reaction chamber and raising the temperature of the chamber to form a plasma state in which Ar ions are generated; and a cleaning step of colliding the Ar ions with the surface of the base material to clean the surface of the base material.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 연료 인젝터용 부품과 그 코팅 방법에 의하면, 연료 인젝터용 부품의 마찰저감, 고경화도, 내충격성, 내열성 및 내구성이 향상되는 효과가 있다.As described above, the fuel injector parts and coating method according to the present invention have the effect of improving friction reduction, high hardness, impact resistance, heat resistance, and durability of the fuel injector parts.
또한, 얇은 두께의 코팅만으로로 내구성 및 내열성, 내충격성을 유지할 수 있다. Additionally, durability, heat resistance, and impact resistance can be maintained with only a thin coating.
도 1은 본 발명에 따른 연료 인젝터용 부품을 구비한 연료 인젝터의 부분 확대도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따라 증착된 코팅재가 적층된 연료 인젝터용 부품의 단면을 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따라 증착된 코팅재의 전자주사현미경(Scannng Electron Microscope, SEM) 사진이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 인젝터용 부품의 코팅 방법을 설명하기 위한 순서도이다.1 is a partially enlarged view of a fuel injector equipped with fuel injector parts according to the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram showing a cross section of a fuel injector component on which a coating material deposited according to the first embodiment of the present invention is laminated.
Figure 3 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a coating material deposited according to the first embodiment of the present invention.
Figure 4 is a flowchart for explaining a method of coating fuel injector parts according to a second embodiment of the present invention.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 의도는 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. Since the present invention can make various changes and have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. This is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be interpreted as including all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.
본 발명을 설명함에 있어서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. In describing the present invention, terms such as first and second may be used to describe various components, but the components may not be limited by the terms. The above terms are solely for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first component may be named a second component, and similarly, the second component may also be named a first component without departing from the scope of the present invention.
"및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함할 수 있다. The term “and/or” may include any of a plurality of related stated items or a combination of a plurality of related stated items.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다. When a component is said to be "connected" or "connected" to another component, it means that it may be directly connected to or connected to that other component, but that other components may also exist in between. It can be understood. On the other hand, when a component is referred to as being “directly connected” or “directly connected” to another component, it can be understood that there are no other components in between.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. The terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention. Singular expressions may include plural expressions, unless the context clearly indicates otherwise.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다. In this application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, and one or more other features It can be understood that it does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않을 수 있다. Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, may have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries can be interpreted as having meanings consistent with the meanings they have in the context of related technologies, and unless clearly defined in this application, are interpreted as having an ideal or excessively formal meaning. It may not work.
아울러, 이하의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.In addition, the following examples are provided to provide a more complete explanation to those with average knowledge in the art, and the shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clearer explanation.
도 1에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 인젝터용 부품을 구비한 연료 인젝터의 부분 확대도가 개시되어 있다.1 shows a partially enlarged view of a fuel injector equipped with fuel injector parts according to a first embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 연료 인젝터는 내부에 니들을 수용하는 하우징, 상기 하우징의 하단에 형성된 밸브 시트(C) 및 밸브 시트(C)와 니들(B) 사이에 배치된 볼(A)를 포함한다. Referring to FIG. 1, the fuel injector includes a housing that accommodates a needle therein, a valve seat (C) formed at the bottom of the housing, and a ball (A) disposed between the valve seat (C) and the needle (B). .
밸브 시트(C)는 볼(A)이 안착되는 밸브 시트면을 구비하며, 밸브 시트(C)에는 연료분사 방향으로 관통하는 노즐이 구비된다.The valve seat (C) has a valve seat surface on which the ball (A) is seated, and a nozzle penetrating the valve seat (C) in the fuel injection direction is provided.
니들(B)은 도시되지 않은 자기 코일 및 리턴 스프링의 작용으로 볼(A)을 상하방향으로 이동시키면서 밸브 시트(C)에 형성된 노즐을 개폐시키게 된다.The needle (B) opens and closes the nozzle formed on the valve seat (C) while moving the ball (A) in the vertical direction under the action of a magnetic coil and return spring (not shown).
도 1에는 구체 형상을 갖는 볼(A)이 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 어려 다양한 형상을 갖는 밸브체가 제한 없이 적용 가능하며 이들은 모두 본 발명의 범위에 속한다고 볼 것이다. 편의상 이하에서는 구체 형상을 갖는 볼(A)에 관한 실시예를 기준으로 설명한다.Although a ball A having a spherical shape is shown in Figure 1, the present invention is not limited to this, and other valve elements having various shapes can be applied without limitation, and all of them will be considered to fall within the scope of the present invention. For convenience, the following description will be based on an embodiment of a ball (A) having a spherical shape.
연료 인젝터, 특히 직분사 방식의 연료 인젝터는 연료를 직접 실린더 내부로 분사하기 때문에 볼(A)과 밸브 시트(C)는 고온, 고압의 상태에 노출되며, 일산화탄소, Soot 등의 연소 부산물로 인한 노즐 막힘 등의 현상이 발생할 가능성이 높다. Fuel injectors, especially direct injection type fuel injectors, inject fuel directly into the cylinder, so the ball (A) and valve seat (C) are exposed to high temperature and pressure, and the nozzle is exposed to combustion by-products such as carbon monoxide and soot. There is a high possibility that phenomena such as blockage will occur.
이와 같이, 볼(A) 및 밸브 시트(C)는 고온 및 고압 상태에 노출되고, 연소 부산물로 인해 마찰 저항이 크게 발생하여, 반복적인 구동으로 인하여 크리프 또는 산화 등 열화현상에 의하여 쉽게 파손될 수 있기 때문에, 본 발명은 도 2와 같이 볼(A) 및 밸브 시트(C)의 모재(100)에 다층 구조의 코팅재를 적층하여 마찰 저항을 감소시키고, 내구성을 증가시키며, 내열성을 증대시킬 수 있도록 구성된다. In this way, the ball (A) and valve seat (C) are exposed to high temperature and high pressure, and generate a large frictional resistance due to combustion by-products, so they can be easily damaged by deterioration phenomena such as creep or oxidation due to repeated driving. Therefore, the present invention is configured to reduce frictional resistance, increase durability, and increase heat resistance by laminating a multi-layered coating material on the
도 2에는 본 발명의 제1 실시예에 따라 증착된 코팅재가 적층된 연료 인젝터용 부품의 단면을 도시한 개략도가 개시되어 있고, 도 3에는 본 발명의 제1 실시예에 따라 증착된 코팅재가 적층된 연료 인젝터용 부품의 단면을 촬영한 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진이 개시되어 있다.Figure 2 shows a schematic diagram showing a cross section of a fuel injector component on which a coating material deposited according to the first embodiment of the present invention is laminated, and Figure 3 shows a coating material deposited according to the first embodiment of the present invention. A SEM (Scanning Electron Microscope) photograph of a cross-section of a fuel injector part is disclosed.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 인젝터용 부품은 모재(100), 상기 모재(100)의 표면에 적층되는 접합층(200), 상기 접합층(200)의 외측면에 적층되는 지지층(300) 및 상기 지지층(300)의 외측면에 적층되는 ta-C(:H)-Zr 기능층(400)을 포함하고, 상기 ta-C(:H)-Zr 기능층(400)은 표면부 방향으로 지르코늄의 조성 구배가 형성된 것을 특징으로 한다.2 and 3, the fuel injector component according to the first embodiment of the present invention includes a
상세히 설명하면, 상기 모재(100) 상에는 상기 접합층(200), 상기 지지층(300)과 상기 ta-C(:H)-Zr 기능층(400)이 순차적으로 적층된 다층구조의 코팅재가 형성되어, 연료 인젝터용 부품의 내구성을 높일 수 있다.In detail, a multi-layer coating material is formed on the
제1 실시예에서 상기 모재(100)는 인젝터 볼에 사용되도록 구형으로 형성되었으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 인젝터 밸브시트, 고압 펌프에 사용되는 다양한 부품에 적용 가능하도록 다양한 형태로 형성되는 것을 모두 포함할 수 있다.In the first embodiment, the
상기 모재(100)의 재질은 스테인리스 스틸, 크롬이 포함된 철 또는 알루미늄을 포함하여 내식성이 향상될 수 있는 금속일 수 있으며, 종래 공지된 기술에 포함된 금속 재질을 사용할 수 있다.The material of the
상기 접합층(200)은 상기 모재(100)의 외측에 적층되고, 상기 지지층(300)은 상기 접합층(200)의 외측면에 적층될 수 있다.The
상세하게는, 본 실시예에서는 상기 접합층(200)의 소재로 지르코늄(Zr)을 사용하고, 상기 지지층(300)의 소재로 지르코늄질화물(ZrN)을 사용하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것을 아니며 상기 접합층(200)의 소재로 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 크롬(Cr) 또는 몰리브덴(Mo)을 사용하고, 상기 지지층(300)의 소재로 티타늄질화물(TiN), 텅스텐(WN), 크롬질화물(CrN) 또는 몰리브덴질화물(MoN)을 사용할 수 있다.Specifically, in this embodiment, zirconium (Zr) was used as a material for the
이 때, 상기 접합층(200), 상기 지지층(300) 또는 상기 ta-C(:H)-Zr 기능층(400)은 물리적 증착법을 사용하여 형성할 수 있으며, 바람직하게는 물리기상증착법(PVD, Physical Vapor Deposition)을 활용할 수 있다.At this time, the
상기 물리기상증착법은 아크 이온플레이팅(AIP, Arc Ion Plating), 스퍼터링(Sputtering), 레이저를 이용한 레이저증발법(PLD, Pulsed Laser Deposition) 아크 등 다양한 방법으로 사용하여 형성될 수 있으며, 본 실시예에서는 고압 아크 방전을 활용한 아크 이온플레이팅을 활용하였으나 이에 한정되는 것은 아니며 종래에 알려진 물리기상증착법을 활용하여 상기 접합층(200), 상기 지지층(300) 또는 상기 ta-C(:H)-Zr 기능층(400)을 형성할 수 있다.The physical vapor deposition method can be formed using various methods such as arc ion plating (AIP, Arc Ion Plating), sputtering, and pulsed laser deposition (PLD) using a laser. In this embodiment, Arc ion plating using high-pressure arc discharge was used, but it is not limited to this, and a conventionally known physical vapor deposition method was used to form the
상기 접합층(200)은 지르코늄을 포함하는 타겟에 아크 방전이 인가되어 증발된 금속 이온이 상기 모재(100) 상에 증착되어 형성되는 것을 특징으로 한다.The
상기 접합층(200)은 두께가 0.01㎛ 이상 0.5㎛ 이하로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 0.05㎛로 형성될 수 있으나 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.The
상기 접합층(200)의 두께가 0.01㎛ 미만으로 형성되는 경우, 모재(100)와 지지층(300) 간의 접착력이 감소(HF 경도 2~3, 접합력 16N)하여 내구성이 저하되고, 모재(100) 상에 코팅된 코팅재의 두께가 30% 이상 손실될 수 있다.When the thickness of the
상기 접합층(200)의 두께가 0.5㎛를 초과하여 형성되는 경우, 코팅시간이 증대(5시간 초과)되며 코팅재 구조 내에서 경도 밸런스가 소실되어 내구성이 저하되고, 두께가 25% 이상 손실될 수 있다.When the thickness of the
싱기 지지층(300)은 상기 ta-C(:H)-Zr 기능층(400)을 지지하는 역할을 수행하도록 지르코늄을 포함하는 타겟에 아크 방전이 인가되어 증발된 금속 이온과, 활성 가스로 주입된 질소 가스에서 분리된 질소 이온이 반응하여 형성된 금속질화물 입자가 상기 접합층(200) 상에 증착되어 형성된다.The supporting
상기 지지층(300)은 두께가 0.1㎛ 이상 5㎛ 이하로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 0.2㎛로 형성될 수 있으나 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. The
상기 지지층(300)의 두께가 두께가 0.1㎛ 미만으로 형성되는 경우 두께 부족으로 인하여 코팅재 내에서 층 간의 경도 균형이 소실되어 내구성이 저하(두께의 20% 이상 손실)될 수 있으며 국부적 두께 손실이나 마모흔이 발생한다.If the thickness of the
상기 지지층(300)의 두께가 5㎛를 초과하여 형성되는 경우 코팅시간이 증대되어 과도하게 길어지고, 취성(Brittle)인 주상조직 구조(Columnar Structure)가 형성되면서 층 내 잔류응력이 증대되어 상기 ta-C(:H)-Zr 기능층(400)에 악영향(내구성 저하)을 줄 수 있다.If the thickness of the
상기 ta-C(:H)-Zr 기능층(400)은 흑연을 포함하는 타겟 및 지르코늄이 포함된 타겟에 동시에 아크 방전이 인가되어 증발된 탄소 입자 및 지르코늄 입자가 상기 지지층(300) 상에 동시에 적층되어 형성된 것을 특징으로 한다.The ta-C(:H)-Zr
상기 ta-C(:H)-Zr 기능층(400)은 지르코늄 0원자% 초과 20원자% 이하를 포함하고, 잔부가 탄소 및 불가피한 불순물로 이루어진다.The ta-C(:H)-Zr
상기 ta-C(:H)-Zr 기능층(400)에서 지르코늄의 조성이 20원자%를 초과하면, 지르코늄이 과다하여 강도가 저하되고, 고가의 지르코늄 금속이 불필요하게 소요되는 문제점이 있다.If the zirconium composition of the ta-C(:H)-Zr
상기 ta-C(:H)-Zr 기능층(400)이 탄소 및 불가피한 불순물로만 이루어지는 경우 외부 물체와의 마찰로 인하여 마모가 발생하며, 마찰열에 의하여 발생하는 고온에서 내열성이 부족한 문제가 있다.If the ta-C(:H)-Zr
또한, 상기 ta-C(:H)-Zr 기능층(400)의 표면에서 지르코늄의 조성은 1원자% 이상 20원자% 이하를 만족하는 것을 특징으로 한다.In addition, the zirconium composition on the surface of the ta-C(:H)-Zr
상기 ta-C(:H)-Zr 기능층(400)의 표면에서 지르코늄의 조성이 1원자% 미만이면, 기능층의 내열성이 취약해져 표면에서의 마찰로 인해 발생하는 고열에 의해 손상될 수 있다.If the zirconium composition on the surface of the ta-C(:H)-Zr
상기 ta-C(:H)-Zr 기능층(400)은 표면부 방향으로 지르코늄의 조성이 연속적으로 증가하는 조성 구배가 형성된 것을 특징으로 한다.The ta-C(:H)-Zr
상세하게는, 상기 ta-C(:H)-Zr 기능층(400)에서 지르코늄의 조성은 사면체 수소화 비정질 탄소(tetragonal hydrogenated carbon, ta-C(:H))(이하, '수소화된 비정질 탄소'이라 지칭함)와 지르코늄의 공용체를 100원자%로 하여 ta-C(:H)-Zr 기능층(400)에 포함된 지르코늄의 원자 비율로 나타낸 것이다In detail, the composition of zirconium in the ta-C(:H)-Zr
상기 ta-C(:H)-Zr 기능층(400)은 상기 지지층(300)과 접합되는 계면에서 지르코늄 함량이 최소값을 가지므로 상기 지지층(300)과의 접합력이 향상되어 외부 충격에 의한 손상이 방지된다.Since the ta-C(:H)-Zr
반대로, 상기 ta-C(:H)-Zr 기능층(400)은 외측 표면에서 지르코늄 함량이 최대값을 가지므로, 내마모성, 내열성 및 내구성이 향상되어 외부 물체와의 마찰 시 마모량이 감소된다.Conversely, the ta-C(:H)-Zr
예를 들어, 상기 ta-C(:H)-Zr 기능층(400)에서 수소화된 비정질 탄소와 지르코늄의 원자비는 표면 방향으로 100:0에서 90:10으로 변화되어, 상기 지지층(300)과 접촉되는 내측 계면에서 지르코늄이 포함되지 않은 수소화된 비정질 탄소로 형성되고, 외측 표면 방향으로 갈수록 수소화된 비정질 탄소에 포함된 지르코늄의 양이 증가하여 외측에서 지르코늄이 최대로 포함될 수 있다.For example, the atomic ratio of hydrogenated amorphous carbon and zirconium in the ta-C(:H)-Zr
상기 ta-C(:H)-Zr 기능층(400)에서 조성 구배는 수소화된 비정질 탄소에 지르코늄이 고용된 고용체에서 지르코늄의 함유량이 선형 또는 곡선 등의 어떠한 형태로 변화되는 것을 나타낸다.The compositional gradient in the ta-C(:H)-Zr
예를 들어, 수소화된 비정질 탄소에 지르코늄이 고용된 고용체에서 지르코늄의 함유량은 상기 지지층(300)과의 계면에서 대기와 접하는 외측 표면으로 향하여 직선형, 곡선형으로 증가 또는 감소되거나 교대로 증가 또는 감소되는 경우를 모두 조성 구배가 형성된 것으로 지칭할 수 있다.For example, in a solid solution in which zirconium is dissolved in hydrogenated amorphous carbon, the content of zirconium increases or decreases in a straight line, curve, or alternately increases or decreases from the interface with the
이하 도 4를 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 인젝터용 부품의 코팅 방법을 단계별로 설명한다.Hereinafter, with reference to FIG. 4, a method of coating fuel injector parts according to a second embodiment of the present invention will be described step by step.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 인젝터용 부품의 제조방법은, 연료 인젝터용 부품의 모재(100)의 표면에 다층구조의 코팅재를 적층하도록 상기 모재(100)를 반응챔버의 내부에 거치시키는 모재 거치단계(S10), 상기 모재(100)의 외주면에 접합층(200)이 적층되는 접합층 형성단계(S50), 상기 접합층(200)의 외측면에 지지층(300)이 적층되는 지지층 형성단계(S60), 상기 지지층(300)의 외측면에 ta-C(:H)-Zr 기능층(400)을 적층하는 기능층 형성단계(S70)를 포함한다.Referring to FIG. 4, the method of manufacturing fuel injector parts according to the second embodiment of the present invention involves reacting the
먼저, 상기 모재 거치단계(S10)에서는 반응챔버에 모재(100)를 거치시킨다. 이때, 상기 모재(100)를 거치시키기 위한 치구(도면 미기재)를 사용하여 거치시킬 수 있다. 상세하게는, 자석이 구비된 치구를 이용하여 금속 소재로 형성된 상기 모재(100)에 자기장에 의한 인력을 작용시켜 상기 모재(100)를 고정시킬 수 있다.First, in the base material mounting step (S10), the
상기 접합층 형성단계(S50)에서는, 스퍼터링 방식으로 접합층(200)을 형성시킨다. 즉, 진공 상태에서 불활성 가스를 주입하고 지르코늄(Zr) 타겟에 마이너스 전압을 인가하여 방전시킴으로써 이온화된 지르코늄이 상기 모재(100)의 표면에 박막을 형성할 수 있다.In the bonding layer forming step (S50), the
본 실시예에서는 지르코늄(Zr) 타겟을 사용하였으나, 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 크롬(Cr) 또는 몰리브덴(Mo) 타겟 중 어느 하나 이상을 이용하여 형성할 수 있다.In this embodiment, a zirconium (Zr) target was used, but it can be formed using any one or more of titanium (Ti), tungsten (W), chromium (Cr), or molybdenum (Mo) targets.
상기 지지층 형성단계(S60)에서는, 지르코늄을 포함하는 타겟에 아크 방전을 가해 증발된 금속 이온과, 활성 가스로 주입된 질소 가스에서 분리된 질소 이온을 반응시켜 형성된 금속질화물 입자가 모재(100)의 표면으로 이동하여 금속질화물층을 형성한다.In the support layer forming step (S60), metal nitride particles formed by reacting metal ions evaporated by applying an arc discharge to a target containing zirconium and nitrogen ions separated from nitrogen gas injected as an active gas are of the
상세하게 상기 지지층 형성단계(S60)에서는 상기 접합층(200)의 적층이 완료된 상태에서 상기 접합층 형성단계(S50)와 마찬가지로 스퍼터링 방식으로 형성된 지르코늄 이온과, 활성 가스로 주입된 질소(N2) 가스에서 분리된 N 이온을 반응시켜 ZrN 입자를 형성하고, ZrN 입자를 상기 접합층(200)의 외측면에 코팅시켜 상기 지지층(300)을 형성할 수 있다.In detail, in the support layer forming step (S60), when the lamination of the
한편, 본 실시예와 다른 실시예로 지지층 형성 단계(S60)에서는 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 크롬(Cr) 또는 몰리브덴(Mo) 중 어느 하나 이상의 금속 이온과 N을 반응시켜 지지층(300)을 형성하는 것도 가능하다.Meanwhile, in this embodiment and another embodiment, in the support layer forming step (S60), one or more metal ions of titanium (Ti), tungsten (W), chromium (Cr), or molybdenum (Mo) are reacted with N to form the support layer 300. ) is also possible to form.
다음으로, 상기 지지층(300)의 외측면에 상기 ta-C(:H)-Zr 기능층(400)이 적층되도록 흑연을 포함하는 타겟 및 지르코늄을 포함하는 타겟에 동시에 아크 방전을 인가하여 증발된 탄소 입자 및 지르코늄 입자가 상기 지지층(300) 상에 적층되어 ta-C(:H)-Zr 기능층(400)을 형성하는 기능층 형성단계(S70)가 수행될 수 있다.Next, an arc discharge is simultaneously applied to the target containing graphite and the target containing zirconium so that the ta-C(:H)-Zr
상기 기능층 형성단계(S70)에서는 FCVA(Filtered Cathodic Vacuum Arc)와 같은 물리기상증착(Physical Vapor Deposition, PVD)을 활용하여 흑연을 포함하는 타겟 및 지르코늄을 포함하는 타겟이 열증발, 아크증발, 스터터링에 의하여 증착될 수 있다.In the functional layer forming step (S70), a target containing graphite and a target containing zirconium are subjected to thermal evaporation, arc evaporation, and stirrup using physical vapor deposition (PVD) such as FCVA (Filtered Cathodic Vacuum Arc). It can be deposited by terring.
FCVA(Filtered Cathodic Vacuum Arc)은 코팅 시 강한 아크 증발에 의하여 발생하는 거대 입자성분 등을 자기필터에 의하여 제거하고, 균일성이 향상된 미세입자를 가속하여 대상 물체에 충돌시켜 증착하므로 표면이 균일한 고경도 코팅을 구현할 수 있다.FCVA (Filtered Cathodic Vacuum Arc) removes large particles generated by strong arc evaporation during coating through a magnetic filter, accelerates fine particles with improved uniformity and deposits them by colliding with the target object, resulting in a uniform high diameter surface. coating can also be implemented.
상기 기능층 형성단계(S70)는 상기 흑연을 포함하는 타겟에 인가되는 전류가 60A 이상 100A 이하의 범위에서 연속적으로 변화되고, 상기 지르코늄을 포함하는 타겟에 인가되는 전류가 80A 이상 110A 이하의 범위에서 연속적으로 변화한다.In the functional layer forming step (S70), the current applied to the target containing the graphite is continuously changed in the range of 60A to 100A, and the current applied to the target containing the zirconium is changed in the range of 80A to 110A. changes continuously.
예를 들어, 상기 흑연을 포함하는 타겟이 인가되는 전류가 100A에서 60A로 연속적으로 감소되고, 상기 지르코늄을 포함하는 타겟에 인가되는 전류는 80A에서 110A로 증가하므로, 수소화된 비정질 탄소에 고용된 지르코늄의 조성이 수소화된 비정질 탄소 100원자% 대비하여 선형으로 증가할 수 있다.For example, since the current applied to the target containing the graphite continuously decreases from 100A to 60A, and the current applied to the target containing zirconium increases from 80A to 110A, zirconium dissolved in hydrogenated amorphous carbon The composition can increase linearly compared to 100 atomic% hydrogenated amorphous carbon.
본 실시예에서는 선형으로 타겟에 인가되는 전류가 증가 또는 감소될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 곡선형으로 선형으로 타겟에 인가되는 전류가 증가하거나 선형으로 타겟에 인가되는 전류의 증감을 반복할 수 있다.In this embodiment, the current applied to the target may be linearly increased or decreased, but the present invention is not limited to this, and the current applied to the target may be increased linearly in a curved manner or the current applied to the target linearly may be increased or decreased. It can be repeated.
상기 흑연을 포함하는 타겟에 인가되는 전류가 60A 미만이거나, 상기 지르코늄을 포함하는 타겟에 인가되는 전류가 80A 미만인 경우 타겟에서 아크 증발이 충분히 일어나지 않아 ta-C(:H)-Zr 기능층(400)이 균일하게 형성되지 않을 수 있다.If the current applied to the target containing graphite is less than 60A or the current applied to the target containing zirconium is less than 80A, arc evaporation does not sufficiently occur in the target and the ta-C(:H)-Zr functional layer (400 ) may not be formed uniformly.
또한, 상기 흑연을 포함하는 타겟에 인가되는 전류가 100A를 초과하거나, 상기 지르코늄을 포함하는 타겟에 인가되는 전류가 110A를 초과하는 경우 타겟에서 아크 증발이 급속하게 일어나므로 ta-C(:H)-Zr 기능층(400)이 과도하게 두꺼운 두께를 가질 수 있다.In addition, when the current applied to the target containing graphite exceeds 100A or the current applied to the target containing zirconium exceeds 110A, arc evaporation occurs rapidly in the target, so ta-C(:H) The -Zr
상기 기능층 형성단계(S70)는 섭씨 100도 이상 섭씨 400도 이하의 온도 조건에서 진행될 수 있다.The functional layer forming step (S70) may be carried out under temperature conditions of 100 degrees Celsius or more and 400 degrees Celsius or less.
상기 기능층 형성단계(S70)가 섭씨 100도 미만에서 수행되는 경우, 모재(100)와 코팅재와의 접합력이 저하되고, 공정시간이 길어질 수 있어 공정 생산성이 떨어질 수 있다.If the functional layer forming step (S70) is performed at less than 100 degrees Celsius, the adhesion between the
상기 기능층 형성단계(S70)가 섭씨 400도를 초과하여 수행되는 경우, 온도를 유지하기 위한 사용 전력이 증가하여, 유지비가 상승하는 요인으로 작용하고 고온에서 내부응력이 증가하거나 변형이 발생할 수 있다.If the functional layer forming step (S70) is performed at a temperature exceeding 400 degrees Celsius, the power used to maintain the temperature increases, which acts as a factor in increasing maintenance costs and internal stress may increase or deformation may occur at high temperatures. .
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 인젝터용 부품의 제조방법은, 상기 모재 거치단계(S10) 후, 상기 모재(100)가 상기 반응챔버의 내부에 배치된 상태에서, 상기 반응챔버의 내부 분위기를 진공 상태로 유지하는 진공 형성단계(S20), 상기 반응챔버의 내부로 Ar 가스를 주입하고, 챔버의 온도를 상승시켜 Ar 이온이 생성되는 플라즈마 상태를 형성하는 플라즈마 형성단계(S30) 및 상기 Ar 이온을 상기 모재(100)의 표면에 충돌시켜 상기 모재(100)의 표면을 세정하는 세정 단계(S40)를 더 포함한다.In addition, the method of manufacturing fuel injector parts according to the second embodiment of the present invention includes, after the base material mounting step (S10), in a state where the
상기 진공 형성단계(S20)에서는 반응챔버 내부에 상기 모재(100)가 거치된 치구를 배치하고, 반응챔버의 내부 분위기를 진공 상태로 형성 및 유지할 수 있다.In the vacuum forming step (S20), the fixture on which the
다음으로 상기 플라즈마 형성단계(S30)에서는 공정 가스로서 Ar 가스를 공급하고, 항온장치를 이용하여 온도를 상승시켜 Ar 이온이 형성된 플라즈마 상태를 형성할 수 있다.Next, in the plasma forming step (S30), Ar gas is supplied as a process gas, and the temperature is raised using a thermostat to form a plasma state in which Ar ions are formed.
이후 상기 세정 단계(S40)에서는 바이어스 전극에 바이어스 전압을 인가하고, Ar 이온이 상기 모재(100)의 표면에 충돌하도록 가속하여, 모재(100) 표면을 세정할 수 있다.Afterwards, in the cleaning step (S40), a bias voltage is applied to the bias electrode and Ar ions are accelerated to collide with the surface of the
이는, 상기 모재(100) 표면에 자연적으로 형성되는 산화층 및 불순물을 제거하기 위한 에칭 과정을 우선적으로 수행하여, 코팅재와 모재(100) 사이에 접착력을 높이기 위함이다. This is to increase the adhesion between the coating material and the
또한, 이 경우에 바이어스 전압은 200 내지 400V의 범위로 유지할 수 있다. 바이어스 전압이 200V 미만이면 Ar 이온의 가속 전압이 떨어져서 코팅재의 경도가 낮아지고, 바이어스 전압이 400V를 초과하면 격자 배열이 불규칙해져 밀착성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.Also, in this case, the bias voltage can be maintained in the range of 200 to 400V. If the bias voltage is less than 200V, the acceleration voltage of Ar ions decreases, lowering the hardness of the coating material, and if the bias voltage exceeds 400V, the lattice arrangement becomes irregular, which may cause a problem of reduced adhesion.
이하에서는 본 발명에 따른 연료 인젝터용 부품의 코팅 방법이 적용되어 제조된 실시예와, 종래 기술에 따라 제조된 비교예에 대한 내구성 평가비교 및 물성 평가비교 결과를 설명하도록 한다.Hereinafter, the results of durability evaluation and physical property evaluation will be described for an example manufactured by applying the coating method for fuel injector parts according to the present invention and a comparative example manufactured according to the prior art.
실시예Example
먼저, 구형의 모재(100)를 거치하고, 챔버의 내부가 진공인 상태에서 Ar가스를 이용하여 플라즈마 상태를 만들고, 챔버의 내부를 80℃로 가열하여 SUS440C 스테인레스 철 소재로 된 모재(100)의 표면을 활성화시킨 후, Ar이온이 표면에 충돌하도록 300V의 바이어스 전압을 가하여 모재(100) 표면을 세정하였다. First, a
그 후, PVD 방식을 통해 증발된 Zr 이온으로, 모재(100)의 표면에 Zr 성분의 상기 접합층(200)을 0.05㎛의 두께로 적층하였다. Afterwards, the
그리고, 챔버의 내부로 공정 가스인 N2를 주입하고, Zr 타겟에서 증발된 Zr 이온과 반응시켜 ZrN 성분의 상기 지지층(300)을 0.2㎛의 두께로 코팅하였다.Then, N 2 , a process gas, was injected into the chamber and reacted with Zr ions evaporated from the Zr target to coat the
그 후, 탄소를 포함하는 타겟물질과 지르코늄을 포함하는 타겟 물질을 아크 증발시켜 증착함과 동시에 탄화수소 가스 및 Ar 가스를 반응 챔버 내부로 주입하여, 상기 ta-C(:H)-Zr 기능층(400)을 형성하였다.Thereafter, the target material containing carbon and the target material containing zirconium are deposited by arc evaporation, and at the same time, hydrocarbon gas and Ar gas are injected into the reaction chamber to form the ta-C(:H)-Zr functional layer ( 400) was formed.
상기 탄소를 포함하는 타겟물질에 인가되는 전류는 시간에 따라 감소되고, 싱기 지르코늄을 포함하는 타겟 물질에 인가되는 전류는 시간에 따라 증가하여 상기 지지층(300)과의 접합계면에서는 수소화된 비정질 탄소와 지르코늄의 원자비가 100:0으로 형성되고, 표면 방향으로 지르코늄이 증가하는 구배 구조(그라디언트)가 형성되어 상기 ta-C(:H)-Zr 기능층(400)의 표면에서 수소화된 비정질 탄소와 지르코늄의 원자비는 90:10으로 형성된다.The current applied to the target material containing carbon decreases with time, and the current applied to the target material containing zirconium increases with time, so that hydrogenated amorphous carbon and hydrogenated amorphous carbon are formed at the junction interface with the
비교예 1Comparative Example 1
본 발명에 따른 실시예와 달리 모재(100)에 탄소를 포함하는 타겟물질과 지르코늄을 포함하는 타겟 물질에 인가되는 전류가 일정하게 유지되어 상기 ta-C(:H)-Zr 기능층(400)의 두께 방향으로 전 영역에 걸쳐 수소화된 비정질 탄소와 지르코늄의 원자비가 90:10으로 형성된다.Unlike the embodiment according to the present invention, the current applied to the target material containing carbon and the target material containing zirconium in the
이를 제외하고, 모재(100), 접합층(200), 지지층(300)은 실시예와 동일하게 구성된다.Except for this, the
비교예 2Comparative Example 2
본 발명에 따른 실시예와 달리 모재(100)에 코팅재를 형성하지 않은 것을 특징으로 한다. 상기 모재(100)는 실시예와 동일하게 SUS440C 스테인레스 철로 구성된다.Unlike the embodiment according to the present invention, a coating material is not formed on the
내구 성능 평가 실험Durability performance evaluation experiment
내구 성능 평가를 진행하기 위해, 건조 공기 작동 내구 시험(Dry-run test)를 진행하였다. 해당 내구 시험은 각 코팅재의 내구성을 단기간에 평가하기 위한 실험으로, 실시예, 비교예 1 내지 비교예 2를 대상으로 하기의 시험 조건으로 동일하게 진행하였다. To evaluate durability performance, a dry-run test was conducted. The durability test was an experiment to evaluate the durability of each coating material in a short period of time, and was conducted under the following test conditions for Examples and Comparative Examples 1 to 2.
시험 가스는 공기 또는 질소이며, 공급 압력은 5bar이고, 시험 온도는 상온에서 진행하였으며, 드라이버 스테이지로 PHID(Peak&Hold, 1.2A&0.6A 전류 제어 방식)을 이용하였으며, 공급 전압은 14.0V이며, 펄스 간격(period) 5.0ms, 펄스 너비(width) 2.5ms이며, 작동 시간은 30분 이상이다. The test gas is air or nitrogen, the supply pressure is 5 bar, the test temperature is at room temperature, PHID (Peak&Hold, 1.2A&0.6A current control method) is used as the driver stage, the supply voltage is 14.0V, and the pulse interval is 14.0V. (period) is 5.0ms, pulse width (width) is 2.5ms, and the operating time is more than 30 minutes.
판정 기준으로 코팅재 표면의 박리 등과 같은 손상이 있는지 여부를 육안으로 확인하고, 코팅 두께를 평가하였다. As a criterion, it was visually confirmed whether there was any damage such as peeling of the surface of the coating material, and the coating thickness was evaluated.
코팅 두께는 제품의 0°, 180° 2곳의 평균값과 상기 2곳 코팅재의 두께 편차를 측정하였다. 두께는 칼로테스터를 이용하여 측정하였다.The coating thickness was measured by measuring the average value at 0° and 180° of the product and the thickness deviation of the coating material at the two locations. Thickness was measured using a calo tester.
물성 평가Physical property evaluation
코팅재의 물성을 평가하기 위해, 물성 평가를 진행하였다. In order to evaluate the physical properties of the coating material, a physical property evaluation was conducted.
마찰 계수 도출을 위해 10N, 0.1m/s, 2km 및 SUS440C pin을 이용하여 Plate on disk 실험을 진행하였다. To derive the friction coefficient, a plate on disk experiment was conducted using 10N, 0.1m/s, 2km, and SUS440C pin.
경도 측정을 위해 마이크로 인덴터(0.05N, 0.7㎛ 인덴팅 뎁스(indenting depth))를 이용하였다. A micro indenter (0.05N, 0.7㎛ indenting depth) was used to measure hardness.
접합력 측정을 위해 스크래치 테스터 및 로크웰C 테스터(HF1: 고접합력, HF5: 저접합력)를 이용하였다. A scratch tester and a Rockwell C tester (HF1: high bonding force, HF5: low bonding force) were used to measure bonding force.
그래디언트Zr/ ZrN/ta-C(:H)-Zr
gradient
(49.5 GPa)5042
(49.5 GPa)
(40.6 GPa)4138
(40.6 GPa)
(7.3 GPa)769
(7.3 GPa)
45 NHF 1
45N
35 NHF 1
35N
(Dry-run test)Durability evaluation results
(Dry-run test)
육안: 마모흔 無Thickness: 0% loss
Visually: No wear marks
육안: 마모흔 小Thickness: 5% loss
Visually: small wear marks
상기 표 1에 따르면, 내구 성능 실험 결과 본 발명의 실시예에 따른 연료 인젝터용 부품은 코팅재의 두께가 0% 손실되고, 마모흔이 발견되지 않는다는 것이 확인되었다. According to Table 1, as a result of the durability performance test, it was confirmed that the fuel injector parts according to the embodiment of the present invention lost 0% of the thickness of the coating material and no wear marks were found.
반면, 비교예 1의 경우, 코팅재의 두께가 5% 손실되었으며, 다소의 마모흔이 발견되었음이 확인되었다. On the other hand, in the case of Comparative Example 1, it was confirmed that the thickness of the coating material was lost by 5% and some wear marks were found.
또한, 비교예 2의 경우, 많은 마모흔이 발견되어 내구 성능 과정에서 크게 마모되었음이 확인되었다.In addition, in the case of Comparative Example 2, many wear marks were found, confirming that it was significantly worn during the durability performance process.
결과적으로, 연료 인젝터용 부품에 대한 내구 성능을 테스트한 결과, 본 발명의 실시예는 비교예들에 비해서 코팅재의 손실률이 매우 낮은 것으로서 매우 우수한 내구 성능을 갖는 것으로 확인되었다.As a result, as a result of testing the durability performance of fuel injector parts, it was confirmed that the embodiment of the present invention had a very low loss rate of the coating material compared to the comparative examples and had very excellent durability performance.
또한, 본 발명의 실시예는 경도 수치가 비교예들에 비해 우수하고, 마찰 계수도 상대적으로 낮게 측정되어, 마찰 저항을 감소시킴이 확인되었다. In addition, the hardness value of the Example of the present invention was superior to that of the Comparative Examples, and the coefficient of friction was measured to be relatively low, confirming that the frictional resistance was reduced.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 코팅재의 밀착력은 45N으로서 다른 비교예들, 특히 비교예 1의 밀착력 35N에 비해 우수한 것으로 평가되는데, 이는 본원발명의 ta-C(:H)-Zr 기능층(400)이 그라디언트 구조로 형성되므로 상기 지지층과의 접합력이 향상된 것으로 분석된다.In addition, the adhesion of the coating material according to the embodiment of the present invention is 45N, which is evaluated to be superior to the adhesion of 35N in other comparative examples, especially Comparative Example 1, which is the ta-C(:H)-Zr functional layer of the present invention ( Since 400) is formed in a gradient structure, it is analyzed that the bonding strength with the support layer is improved.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명은 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다.Although the present invention has been described in detail through specific examples, this is for detailed explanation of the present invention, and the present invention is not limited thereto, and the present invention is intended to be understood by those skilled in the art within the technical spirit of the present invention. It is clear that modifications and improvements are possible.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다. All simple modifications or changes of the present invention fall within the scope of the present invention, and the specific scope of protection of the present invention will be made clear by the appended claims.
A : 볼
B : 니들
C : 밸브 시트
100 : 모재
200 : 접합층
300 : 지지층
400 : ta-C(:H)-Zr 기능층A: ball
B: Needle
C: valve seat
100: Base material
200: bonding layer
300: support layer
400: ta-C(:H)-Zr functional layer
Claims (13)
상기 모재의 표면에 적층되는 접합층;
상기 접합층의 외측면에 적층되는 지지층; 및
상기 지지층의 외측면에 적층되는 ta-C(:H)-Zr 기능층;
을 포함하고,
상기 ta-C(:H)-Zr 기능층은,
표면부 방향으로 지르코늄의 조성 구배가 형성되고,
상기 ta-C(:H)-Zr 기능층은,
표면부 방향으로 지르코늄의 조성이 연속적으로 증가하는 조성 구배가 형성되고,
상기 ta-C(:H)-Zr 기능층은,
지르코늄 1원자% 이상 20원자% 이하를 포함하는 연료 인젝터용 부품.
Base material;
A bonding layer laminated on the surface of the base material;
A support layer laminated on the outer surface of the bonding layer; and
A ta-C(:H)-Zr functional layer laminated on the outer surface of the support layer;
Including,
The ta-C(:H)-Zr functional layer is,
A compositional gradient of zirconium is formed toward the surface,
The ta-C(:H)-Zr functional layer is,
A composition gradient is formed in which the composition of zirconium continuously increases toward the surface,
The ta-C(:H)-Zr functional layer is,
Parts for fuel injectors containing 1 atomic% or more and 20 atomic% or less zirconium.
상기 접합층은,
지르코늄을 포함하는 타겟에 아크 방전이 인가되어 증발된 금속 이온이 상기 모재 상에 증착되어 형성되는 연료 인젝터용 부품.
In claim 1,
The bonding layer is,
A fuel injector component formed by applying an arc discharge to a target containing zirconium and depositing evaporated metal ions on the base material.
상기 지지층은,
지르코늄을 포함하는 타겟에 아크 방전이 인가되어 증발된 금속 이온과, 활성 가스로 주입된 질소 가스에서 분리된 질소 이온이 반응하여 형성된 금속질화물 입자가 상기 접합층 상에 증착되어 형성되는 연료 인젝터용 부품.
In claim 1,
The support layer is,
A fuel injector component formed by depositing metal nitride particles formed by reacting metal ions evaporated by applying an arc discharge to a target containing zirconium and nitrogen ions separated from nitrogen gas injected as an active gas, and depositing them on the bonding layer. .
상기 ta-C(:H)-Zr 기능층은,
흑연을 포함하는 타겟 및 지르코늄이 포함된 타겟에 동시에 아크 방전이 인가되어 증발된 탄소 입자 및 지르코늄 입자가 상기 지지층 상에 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 연료 인젝터용 부품.
In claim 1,
The ta-C(:H)-Zr functional layer is,
A part for a fuel injector, wherein an arc discharge is simultaneously applied to a target containing graphite and a target containing zirconium, and evaporated carbon particles and zirconium particles are stacked on the support layer.
상기 ta-C(:H)-Zr 기능층은,
수소 0원자% 초과 30원자% 이하를 포함하고, 잔부가 탄소 및 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료 인젝터용 부품.
In claim 1,
The ta-C(:H)-Zr functional layer is,
Parts for fuel injectors, characterized in that they contain more than 0 atomic% but not more than 30 atomic% hydrogen, and the balance consists of carbon and inevitable impurities.
상기 모재를 반응챔버의 내부에 거치시키는 모재거치단계;
상기 모재의 외주면에 접합층이 적층되는 접합층 형성단계;
상기 접합층의 외측면에 지지층이 적층되는 지지층 형성단계; 및
상기 지지층의 외측면에 ta-C(:H)-Zr 기능층을 적층하는 기능층 형성단계;
를 포함하고,
상기 기능층 형성단계는,
흑연을 포함하는 타겟 및 지르코늄을 포함하는 타겟에 동시에 아크 방전을 인가하여 증발된 탄소 입자 및 지르코늄 입자가 상기 지지층 상에 적층되어 ta-C(:H)-Zr 기능층을 형성하고,
상기 기능층 형성단계는,
상기 ta-C(:H)-Zr 기능층이 표면부 방향으로 지르코늄의 조성이 연속적으로 증가하는 조성 구배가 형성되도록 상기 지르코늄을 포함하는 타겟에 인가되는 전류가 80A 이상 110A 이하의 범위에서 연속적으로 변화하는 연료 인젝터용 부품의 코팅 방법.
A coating method of laminating a multi-layered coating material on the surface of the base material of fuel injector parts,
A base material mounting step of placing the base material inside the reaction chamber;
A bonding layer forming step of stacking a bonding layer on the outer peripheral surface of the base material;
A support layer forming step of laminating a support layer on the outer surface of the bonding layer; and
A functional layer forming step of laminating a ta-C(:H)-Zr functional layer on the outer surface of the support layer;
Including,
The functional layer forming step is,
By simultaneously applying an arc discharge to a target containing graphite and a target containing zirconium, evaporated carbon particles and zirconium particles are stacked on the support layer to form a ta-C(:H)-Zr functional layer;
The functional layer forming step is,
The current applied to the target containing zirconium is continuously applied in the range of 80A to 110A so that the ta-C(:H)-Zr functional layer forms a composition gradient in which the composition of zirconium continuously increases in the direction of the surface portion. Changing coating methods for fuel injector components.
상기 접합층 형성단계는,
지르코늄을 포함하는 타겟에 아크 방전을 가해 증발된 금속 이온이 모재의 표면으로 이동하여 금속층을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 인젝터용 부품의 코팅 방법.
In claim 7,
The bonding layer forming step is,
A coating method for fuel injector parts, characterized in that metal ions evaporated by applying an arc discharge to a target containing zirconium move to the surface of the base material to form a metal layer.
상기 지지층 형성단계는,
지르코늄을 포함하는 타겟에 아크 방전을 가해 증발된 금속 이온과, 활성 가스로 주입된 질소 가스에서 분리된 질소 이온을 반응시켜 형성된 금속질화물 입자가 모재의 표면으로 이동하여 금속질화물층을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 인젝터용 부품의 코팅 방법.
In claim 7,
The support layer forming step is,
Metal nitride particles formed by reacting metal ions evaporated by applying an arc discharge to a target containing zirconium and nitrogen ions separated from nitrogen gas injected as an activation gas move to the surface of the base material to form a metal nitride layer. Coating method for fuel injector parts.
상기 기능층 형성단계는,
상기 흑연을 포함하는 타겟에 인가되는 전류가 60A 이상 100A 이하의 범위에서 연속적으로 변화되는 것을 특징으로 하는 연료 인젝터용 부품의 코팅 방법.
In claim 7,
The functional layer forming step is,
A coating method for fuel injector parts, characterized in that the current applied to the target containing the graphite is continuously changed in the range of 60A or more and 100A or less.
상기 모재 거치 단계 후, 상기 모재가 상기 반응챔버의 내부에 배치된 상태에서, 상기 반응챔버의 내부 분위기를 진공 상태로 유지하는 진공 형성 단계;
상기 반응챔버의 내부로 Ar 가스를 주입하고, 상기 반응챔버의 온도를 상승시켜 Ar 이온이 생성되는 플라즈마 상태를 형성하는 플라즈마 형성 단계; 및
상기 Ar 이온을 상기 모재의 표면에 충돌시켜 상기 모재의 표면을 세정하는 세정 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 인젝터용 부품의 코팅 방법.In claim 7,
After the base material mounting step, a vacuum forming step of maintaining the internal atmosphere of the reaction chamber in a vacuum state while the base material is placed inside the reaction chamber;
A plasma forming step of injecting Ar gas into the reaction chamber and raising the temperature of the reaction chamber to form a plasma state in which Ar ions are generated; and
A cleaning step of colliding the Ar ions with the surface of the base material to clean the surface of the base material;
A coating method for parts for fuel injectors, further comprising:
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