JP2022072110A - Surface coating member and nozzle body for injector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、表面被覆部材およびインジェクタ用ノズルボデーに関する。 The present invention relates to a surface covering member and a nozzle body for an injector.
従来、様々な技術分野において、鉄または鉄合金より構成される鉄基材と、鉄基材の表面を覆う被覆材と、鉄基材と被覆材との間に介在する混合層と、を有する表面被覆部材が使用されている。 Conventionally, in various technical fields, an iron base material made of iron or an iron alloy, a coating material covering the surface of the iron base material, and a mixed layer interposed between the iron base material and the coating material are provided. Surface covering members are used.
例えば、特許文献1には、鉄基材と被覆材との間にFe原子とO原子とを含む混合層を有する表面被覆部材を、インジェクタのノズルボデーに用いる技術が開示されている。同文献には、鉄基材の表面を、水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液などにてアルカリ処理することにより、混合層を形成する技術が記載されている。
For example,
従来技術は、鉄基材と被覆材との密着力の確保に関し、以下の点で未だ改善の余地がある。すなわち、従来技術は、鉄基材表面の改質から被覆材の成膜までの保管時間が比較的短い場合には、鉄基材と被覆材との密着力を確保することができる。しかしながら、従来技術は、鉄基材表面の改質から被覆材の成膜までの保管時間が比較的長くなると、鉄基材と被覆材との密着力が低下する。そのため、従来技術は、保管時間を延長することが困難であり、生産性が悪い。 The prior art still has room for improvement in the following points regarding ensuring the adhesion between the iron base material and the covering material. That is, in the prior art, when the storage time from the modification of the surface of the iron base material to the film formation of the coating material is relatively short, the adhesion between the iron base material and the coating material can be ensured. However, in the prior art, when the storage time from the modification of the surface of the iron base material to the film formation of the coating material becomes relatively long, the adhesive force between the iron base material and the coating material decreases. Therefore, it is difficult to extend the storage time of the prior art, and the productivity is poor.
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、鉄基材表面の改質から被覆材の成膜までの保管時間を長くした場合でも、鉄基材と被覆材との密着力を確保することが可能な表面被覆部材、また、これを用いたインジェクタ用ノズルボデーを提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of the above problems, and secures the adhesion between the iron base material and the coating material even when the storage time from the modification of the surface of the iron base material to the formation of the coating material is lengthened. It is an object of the present invention to provide a surface covering member capable of being used, and a nozzle body for an injector using the surface covering member.
本発明の一態様は、鉄または鉄合金より構成される鉄基材(2)と、
上記鉄基材の表面を覆う被覆材(4)と、
上記鉄基材と上記被覆材との間に介在する混合層(3)と、を有しており、
上記混合層は、
FeとFe2O3とを含み、
Fe2O3比率が52.6%以下である、
表面被覆部材(1)にある。
One aspect of the present invention is an iron base material (2) made of iron or an iron alloy.
The covering material (4) that covers the surface of the iron base material and
It has a mixed layer (3) interposed between the iron base material and the covering material, and has.
The above mixed layer
Including Fe and Fe 2 O 3
Fe 2 O 3 ratio is 52.6% or less,
It is on the surface covering member (1).
本発明の他の態様は、上記表面被覆部材より構成されており、
上記鉄基材は、燃料を噴射するための貫通孔(111)を有しており、
少なくとも上記貫通孔の内表面(112)に、上記混合層および上記被覆材が形成されている、インジェクタ用ノズルボデー(5)にある。
Another aspect of the present invention is composed of the above-mentioned surface covering member.
The iron base material has a through hole (111) for injecting fuel, and has a through hole (111).
The injector nozzle body (5) has the mixed layer and the covering material formed at least on the inner surface (112) of the through hole.
上記表面被覆部材は、上記構成を有する。そのため、上記表面被覆部材によれば、鉄基材表面の改質から被覆材の成膜までの保管時間を長くした場合でも、鉄基材と被覆材との密着力を確保することができる。 The surface covering member has the above configuration. Therefore, according to the surface covering member, the adhesion between the iron base material and the coating material can be ensured even when the storage time from the modification of the surface of the iron base material to the film formation of the coating material is lengthened.
上記インジェクタ用ノズルボデーは、上記構成を有する。そのため、上記インジェクタ用ノズルボデーによれば、鉄基材表面の改質から被覆材の成膜までの保管時間を長くした場合でも、鉄基材と被覆材との密着力を確保することができる。 The injector nozzle body has the above configuration. Therefore, according to the injector nozzle body, the adhesion between the iron base material and the coating material can be ensured even when the storage time from the modification of the surface of the iron base material to the film formation of the coating material is lengthened.
なお、特許請求の範囲および課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。 The reference numerals in parentheses described in the scope of claims and the means for solving the problem indicate the correspondence with the specific means described in the embodiments described later, and limit the technical scope of the present invention. It's not a thing.
本実施形態の表面被覆部材は、鉄または鉄合金より構成される鉄基材と、鉄基材の表面を覆う被覆材と、鉄基材と被覆材との間に介在する混合層と、を有している。混合層は、FeとFe2O3とを含み、Fe2O3比率が52.6%以下である。 The surface covering member of the present embodiment includes an iron base material made of iron or an iron alloy, a covering material covering the surface of the iron base material, and a mixed layer interposed between the iron base material and the covering material. Have. The mixed layer contains Fe and Fe 2 O 3 , and the Fe 2 O 3 ratio is 52.6% or less.
本発明者らの研究成果によれば、鉄基材表面の改質から被覆材の成膜までの保管時間が比較的短い場合に、鉄基材と被覆材との密着力を確保することができても、鉄基材表面の改質から被覆材の成膜までの保管時間が比較的長くなると、鉄基材と被覆材との密着力が低下することが判明した。この原因についてさらに調査を進めた結果、本発明者らは、混合層中に含まれるFe2O3量により、保管時間との関係において鉄基材と混合層との密着力が変化することを見出した。本実施形態の表面被覆部材は、かかる知見に基づいてなされたものである。本実施形態の表面被覆部材は、上記構成を有するため、鉄基材表面の改質から被覆材の成膜までの保管時間を長くした場合でも、鉄基材と混合層との密着力を確保することができ、鉄基材と被覆材との密着力を確保することができる。 According to the research results of the present inventors, it is possible to secure the adhesion between the iron base material and the coating material when the storage time from the modification of the surface of the iron base material to the film formation of the coating material is relatively short. Even if it was possible, it was found that when the storage time from the modification of the surface of the iron base material to the formation of the coating material was relatively long, the adhesion between the iron base material and the coating material was lowered. As a result of further investigation into the cause, the present inventors have found that the adhesion between the iron substrate and the mixed layer changes depending on the amount of Fe 2 O 3 contained in the mixed layer in relation to the storage time. I found it. The surface covering member of the present embodiment is made based on such knowledge. Since the surface covering member of the present embodiment has the above configuration, the adhesion between the iron base material and the mixed layer is ensured even when the storage time from the modification of the surface of the iron base material to the formation of the coating material is lengthened. It is possible to secure the adhesion between the iron base material and the covering material.
本実施形態のインジェクタ用ノズルボデーは、本実施形態の表面被覆部材より構成されており、鉄基材は、燃料を噴射するための噴孔としての貫通孔を有しており、少なくとも貫通孔の内表面に、混合層および被覆材が形成されている。 The injector nozzle body of the present embodiment is composed of the surface covering member of the present embodiment, and the iron base material has a through hole as a injection hole for injecting fuel, and at least inside the through hole. A mixed layer and a covering material are formed on the surface.
本実施形態のインジェクタ用ノズルボデーは、上記構成を有するため、鉄基材表面の改質から被覆材の成膜までの保管時間を長くした場合でも、鉄基材と混合層との密着力を確保することができ、鉄基材と被覆材との密着力を確保することができる。 Since the injector nozzle body of the present embodiment has the above configuration, the adhesion between the iron substrate and the mixed layer is ensured even when the storage time from the modification of the iron substrate surface to the film formation of the coating material is lengthened. It is possible to secure the adhesion between the iron base material and the covering material.
以下、本実施形態の表面被覆部材、インジェクタ用ノズルボデーについて、図面を用いて詳細に説明する。なお、本実施形態の表面被覆部材、インジェクタ用ノズルボデーは、以下の例示によって限定されるものではない。 Hereinafter, the surface covering member and the nozzle body for the injector of the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings. The surface covering member and the injector nozzle body of the present embodiment are not limited by the following examples.
(実施形態1)
実施形態1の表面被覆部材について、図1および図2を用いて説明する。図1および図2に例示されるように、本実施形態の表面被覆部材1は、鉄基材2と、鉄基材2の表面を覆う被覆材4と、鉄基材2と被覆材4との間に介在する混合層3と、を有している。
(Embodiment 1)
The surface covering member of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. As illustrated in FIGS. 1 and 2, the
表面被覆部材1の層構成は、基本的には、表面被覆部材1の表面に垂直な断面を、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて観察することにより把握することができる。また、鉄基材2と混合層3との境界、および、混合層3と被覆材4との境界は、不明瞭な場合がある。そのため、図1および図2においては、鉄基材2と混合層3との境界、および、混合層3と被覆材4との境界を破線により示している。鉄基材2と混合層3との境界、および、混合層3と被覆材4との境界が不明瞭な場合、各境界は、透過型電子顕微鏡(TEM)-エネルギー分散型X線分析(EDX分析)による元素マッピングの結果から決定することができる。
The layer structure of the
鉄基材2は、鉄または鉄合金より構成されている。鉄合金としては、例えば、炭素鋼、クロムモリブデン鋼などを用いることができる。
The
鉄基材2の表面は、被覆材4に覆われている。被覆材4は、その材質に応じて、例えば、表面被覆部材1の耐腐食性を向上させる、潤滑性を向上させる、電気絶縁性を高めるなどの作用効果を奏することができる。図1では、被覆材4が1層より構成されている例が示されている。また、図2では、被覆材4が、混合層3に接する第1層41と、第1層41に接する第2層42との2層より構成されている例が示されている。つまり、被覆材4は、1層または2層以上の複数層から構成されることができる。被覆材4は、例えば、原子層堆積(atomic layer deposition:ALD)法などによって形成されたものとすることができる。被覆材4は、例えば、Ta2O5、HfO2、Nb2O5、TiO2、Al2O3、SiO2等の金属酸化物などより構成することができる。
The surface of the
ここで、混合層3は、FeとFe2O3とを含んでいる。また、混合層3は、鉄基材2に由来するFe以外の原子(Fe以外の金属原子等)、被覆材4に由来する原子(金属原子等)をさらに含んでいてもよい。混合層3におけるFe2O3比率は、52.6%以下とされる。Fe2O3比率は、鉄基材2と混合層3との密着力の確保による鉄基材2と被覆材4との密着力の確保を確実なものとするなどの観点から、好ましくは、28%以下、より好ましくは、25%以下、さらに好ましくは、20%以下、さらにより好ましくは、15%以下、さらにより好ましくは、10.3%以下、さらにより好ましくは、10%以下、さらにより好ましくは、5%以下、さらにより好ましくは、3.6%以下、さらにより好ましくは、3%以下、さらにより好ましくは、2%以下、さらにより好ましくは、1.3%以下とすることができる。なお、鉄基材2と混合層3との密着力の確保の観点からは、Fe2O3比率は、少ないほどよいが、混合層3に含まれるFe2O3を完全に無くすことは製造上難しい。そのため、混合層3におけるFe2O3比率の下限は、特に限定されない。なお、混合層3は、Fe2O3以外の酸化鉄として、FeO、および/または、Fe3O4などを含むことができる。
Here, the
混合層3におけるFe2O3比率は、透過型電子顕微鏡(TEM)-電子エネルギー損失分光法(EELS)による元素分析、化学結合状態解析によって測定することができる。具体的には、表面被覆部材1の表面に垂直な断面を有する測定サンプルを準備し、混合層3の一部を含むようにスペクトル画像領域を定める。この際、スペクトル画像領域は、例えば、縦100nm~1000nm、横100nm~1000nmの大きさとすることができる。次いで、スペクトル画像領域について、Fe、および、酸化鉄の成分マッピングを求める。次いで、Fe成分マッピング、Fe2O3成分マッピング、FeO成分マッピング、Fe3O4成分マッピングにおける同箇所に同じ長さの線を引き、その線範囲におけるFe成分強度、Fe2O3成分強度、FeO成分強度、Fe3O4成分強度をそれぞれ求める。この際、上記線範囲は、100nm~1000nmの範囲とすることができる。次いで、得られたFe成分強度分布から上記線範囲におけるFe成分強度の面積値を求める。また、得られたFe2O3成分強度分布から上記線範囲におけるFe2O3成分強度の面積値を求める。また、得られたFeO成分強度分布から上記線範囲におけるFeO成分強度の面積値を求める。また、得られたFe3O4成分強度分布から上記線範囲におけるFe3O4成分強度の面積値を求める。次いで、100×(Fe2O3成分強度の面積値)/(Fe成分強度の面積値とFe2O3成分強度の面積値とFeO成分強度の面積値とFe3O4成分強度の面積値の合計値)の式から、Fe2O3比率を算出する。なお、FeO比率またはFe3O4比率は、上記式における分子を(FeO成分強度の面積値)または(Fe3O4成分強度の面積値)と置き換えることによってそれぞれ算出することができる。
The Fe 2 O 3 ratio in the
混合層3の厚み(膜厚)は、50nm以上とすることができる。混合層の厚みが50nm以上であると、鉄基材2表面の改質から被覆材4の成膜までの保管時間が比較的長くされた場合でも、鉄基材2と被覆材4との密着力を確保しやすくなる。混合層3の厚みは、上記効果をより確実なものとするなどの観点から、好ましくは、70nm以上、より好ましくは、90nm以上、さらに好ましくは、100nm以上、さらに好ましくは、110nm以上、さらにより好ましくは、120nm以上、さらにより一層好ましくは、130nm以上とすることができる。また、混合層3の厚みは、700nm以下とすることができる。混合層の厚みが700nm以下であると、鉄基材2表面の改質から被覆材4の成膜までの保管時間が比較的長くされた場合でも、鉄基材2と混合層3との密着力を確保しやすくなる。混合層3の厚みは、上記効果をより確実なものとするなどの観点から、好ましくは、650nm以下、より好ましくは、600nm以下、さらに好ましくは、550nm以下、さらにより好ましくは、500nm以下、さらにより好ましくは、450nm以下、さらにより好ましくは、400nm以下、さらにより好ましくは、350nm以下、さらにより好ましくは、300nm以下とすることができる。
The thickness (thickness) of the
上述した混合層3の厚みは、表面被覆部材1の表面に垂直な断面を、透過型電子顕微鏡(TEM)により観察した際の、任意の10か所の混合層3の厚み測定値の算術平均値である。
The thickness of the
表面被覆部材1において、鉄基材2の形状は特に限定されることはなく、表面被覆部材1の用途に応じた形状とすることができる。例えば、鉄基材2は、貫通孔、有底孔、および、溝から選択される少なくとも1種の開口部(図1および図2では不図示)を有することができる。なお、貫通孔とは、鉄基材2を貫通する孔をいい、有底孔とは、鉄基材2を貫通せず、底部を有する孔をいう。
In the
被覆材4は、鉄基材2の表面の一部を覆っていてもよいし、全部を覆っていてもよい。鉄基材2が上述した開口部を有する場合、少なくとも開口部の内表面に、混合層および被覆材が形成されている構成とすることができる。この構成によれば、例えば、開口部を通じて高圧の流体を移動させる場合であっても、鉄基材2と混合層3との密着力が優れるため、移動する高圧の流体によるせん断力によって鉄基材2から被覆材4が剥離し難くなり、鉄基材2と被覆材4との密着力に優れる。そのため、この構成によれば、鉄基材2が開口部を有している表面被覆部材1の耐久性を高めることができる。
The covering
表面被覆部材1は、例えば、以下のようにして製造することができる。
The
本実施形態の表面被覆部材1の製造方法は、準備した鉄基材2の表面をアルカリ処理液に接触させるアルカリ処理を行う第1の工程と、アルカリ処理後の鉄基材2の表面に原子層堆積法により被覆材4を形成する第2の工程と、を有することができる。
The method for producing the
準備する鉄基材2は、必要に応じて、洗浄や脱脂処理等の前処理を施すことができる。
The
アルカリ処理液には、鉄キレートを形成可能な鉄キレート剤を含むpH14以上のアルカリ液を用いることができる。これにより、鉄基材2と被覆材4との間に、上述した混合層3を形成することができる。これは、以下のメカニズムによるものと推察される。上記アルカリ処理液を用いることにより、鉄基材2の表面において、アルカリにより鉄が溶け、溶け出た鉄イオンが鉄キレート剤により捕捉されて鉄キレートとなる。そして、鉄基材2の表面から鉄キレートが離れた状態で、鉄基材2の表面のアルカリによるエッチングが進行する。その結果、アルカリ処理液に鉄キレート剤を用いない場合に比べ、鉄基材2の表面におけるFeO、Fe3O4、Fe2O3の生成が抑制される。具体的には、FeO、Fe3O4はほとんど生成しなくなり(FeO、Fe3O4はほとんど検出されなくなり)、Fe2O3は生成するものの(Fe2O3は検出されるものの)、アルカリ処理液に鉄キレート剤を用いない場合に比べ、Fe2O3の生成が十分に抑制される。つまり、上記アルカリ処理液によるアルカリ処理により、鉄基材2の表面のエッチングと改質とが同時に行われ、混合層3中の酸化鉄の低減が図られる。そのため、鉄基材2の表面の物理的な密着力向上と、鉄基材2の表面のアルカリ改質による密着力向上とにより、鉄基材2の表面の改質から被覆材の成膜までの保管時間を長くした場合でも、鉄基材2と混合層3との密着力を高めることができる。また、混合層3の厚みも、比較的厚く形成することができる。
As the alkaline treatment liquid, an alkaline liquid having a pH of 14 or higher containing an iron chelating agent capable of forming an iron chelate can be used. As a result, the above-mentioned
アルカリ処理液に用いるアルカリとしては、例えば、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液および水酸化テトラメチルアンモニウムのメタノール水溶液などを例示することができる。また、アルカリ処理液に用いる鉄キレート剤としては、鉄イオン封鎖能力が高いものを用いることができ、例えば、グルコン酸ナトリウム、グルコン酸カリウム、トリエタノールアミン、ジエタノールアミン、エチレンジアミン四酢酸(EDTA)、ヒドロキシエチルエチレンジアミン三酢酸(HEDTA)、ジエチレントリアミン五酢酸(DTPA)、ニトリロ三酢酸(NTA)、ヒドロキシエチルイミノ二酢酸(HIDA)、L-アスパラギン酸-N、N-二酢酸(ADSA)、ヒドロキシイミノジコハク酸(HIDS)などを例示することができる。これらは1種または2種以上併用することができる。なお、アルカリ処理液は、具体的には、アルカリ水溶液とすることができる。 Examples of the alkali used in the alkali treatment liquid include an aqueous solution of sodium hydroxide, an aqueous solution of potassium hydroxide, an aqueous solution of tetramethylammonium hydroxide, and an aqueous solution of tetramethylammonium in methanol. Further, as the iron chelating agent used in the alkali treatment liquid, one having a high iron ion blocking ability can be used, for example, sodium gluconate, potassium gluconate, triethanolamine, diethanolamine, ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), hydroxy. Ethylenediaminetriacetic acid (HEDTA), diethylenetriaminetetraacetic acid (DTPA), nitrilotriacetic acid (NTA), hydroxyethyliminodiacetic acid (HIDA), L-aspartic acid-N, N-diacetate (ADSA), hydroxyiminodicohaku Acid (HIDS) and the like can be exemplified. These can be used alone or in combination of two or more. Specifically, the alkaline treatment liquid can be an alkaline aqueous solution.
アルカリ処理による処理時間は、例えば、1分以上30分以下とすることができる。この場合には、比較的厚い混合層3が形成されやすくなり、鉄基材2表面の改質から被覆材4の成膜までの保管時間を比較的長くした場合でも、鉄基材2と被覆材4との密着力を向上させやすい。アルカリ処理液による処理時間は、上記効果を確実なものとするなどの観点から、好ましくは、1.5分以上、より好ましくは、2分以上、さらに好ましくは、2.5分以上とすることができる。アルカリ処理液による処理時間は、混合層3の過度な膜厚増加による鉄基材2と被覆材4との密着力の低下を抑制するなどの観点から、好ましくは、30分未満、より好ましくは、25分以下、さらに好ましくは、20分以下とすることができる。
The treatment time by alkaline treatment can be, for example, 1 minute or more and 30 minutes or less. In this case, a relatively thick
アルカリ処理による処理温度は、例えば、40℃以上90℃以下とすることができる。この場合には、比較的厚い混合層3が形成されやすくなり、鉄基材2表面の改質から被覆材4の成膜までの保管時間を比較的長くした場合でも、鉄基材2と被覆材4との密着力を向上させやすい。アルカリ処理液による処理温度は、上記効果を確実なものとするなどの観点から、好ましくは、50℃以上、より好ましくは、55℃以上、さらに好ましくは、60℃以上とすることができる。アルカリ処理液による処理温度は、混合層3の過度な膜厚増加による鉄基材2と被覆材4との密着力の低下を抑制するなどの観点から、好ましくは、85℃以下、より好ましくは、80℃以下、さらに好ましくは、75℃以下とすることができる。なお、アルカリ処理は、大気雰囲気中にて実施することができる。
The treatment temperature by the alkaline treatment can be, for example, 40 ° C. or higher and 90 ° C. or lower. In this case, a relatively thick
第2の工程における原子層堆積法は、被処理物の表面に被覆材4の前駆体を含む原料ガスを接触させて前駆体を被処理物の表面に吸着させる吸着工程と、被処理物の表面に吸着した前駆体を表面上で反応させる反応工程とを含むことができる。第2の工程においては、吸着工程と反応工程とを交互に繰り返すこともできる。被処理物の表面において前駆体を反応させることにより、被処理物の表面に層状の被覆材4を形成することができる。
The atomic layer deposition method in the second step includes an adsorption step in which the raw material gas containing the precursor of the
原子層堆積法において使用する前駆体は、上述した被覆材4の材質に応じて適宜選択することができる。例えば、上述した金属酸化物を被覆材4とする場合には、前駆体として、上述した金属酸化物を構成する金属原子を含む揮発性有機金属化合物を使用することができる。前駆体としての揮発性有機金属化合物を被処理物の表面に吸着させた後、この前駆体を酸素ガスや水蒸気等の反応ガスと反応させることにより、金属酸化物を層状に堆積させることができる。
The precursor used in the atomic layer deposition method can be appropriately selected depending on the material of the above-mentioned
被覆材4の形成時には、必要に応じて鉄基材2を加熱することができる。この際、鉄基材2の温度は、300℃以下とすることができる。また、被覆材4の形成雰囲気は、例えば、真空中とすることができる。
At the time of forming the covering
なお、第1の工程後、第2の工程前に、鉄基材2の表面に付着したアルカリ処理液を除去するため、必要に応じて水などにより鉄基材2の表面を洗浄することができる。また、鉄基材2の表面から除去しきれなかった鉄キレートは、原子層堆積法による被覆材4の形成時に鉄基材2の表面から除去されることができる。また、第1の工程と第2の工程との間に、アルカリ処理後の鉄基材2を保管(放置)する工程を入れることができる。この場合、保管は、例えば、大気中にて実施することができる。また、保管時間は、例えば、好ましくは、168時間以下、より好ましくは、120時間以下、さらに好ましくは、96時間以下とすることができ、Fe2O3比率の低減による鉄基材と被覆材との密着力向上などの観点から、さらにより好ましくは、72時間以下とすることができる。
After the first step and before the second step, in order to remove the alkaline treatment liquid adhering to the surface of the
(実施形態2)
実施形態2のインジェクタ用ノズルボデー(以下、単にノズルボデーという。)について、図3および図4を用いて説明する。本実施形態のノズルボデー5は、図3および図4に例示されるように、内燃機関において燃焼室内に燃料を噴射するためのインジェクタに用いられるものであり、上述した実施形態1の表面被覆部材より構成されることができる。以下に具体的に説明する。
(Embodiment 2)
The injector nozzle body of the second embodiment (hereinafter, simply referred to as a nozzle body) will be described with reference to FIGS. 3 and 4. As illustrated in FIGS. 3 and 4, the
ノズルボデー5を構成する表面被覆部材1の鉄基材2は、燃料を噴射するための貫通孔111を有しており、貫通孔111の内表面に、混合層3および被覆材4が形成されている。なお、貫通孔111は、噴孔と称されることもある。
The
本実施形態において、ノズルボデー5は、具体的には、筒状を呈する鉄基材2と、鉄基材2を覆う被覆材4と、鉄基材2と被覆材4との間に介在する混合層3と、を有している。被覆材4は、混合層3に接する第1層41と、第1層41に接する第2層42との2層より構成されている。筒状を呈する鉄基材2の先端に貫通孔111が形成されている。貫通孔111は、鉄基材2を貫通している。貫通孔111の内径Dは、例えば、1mm以下とすることができる。本実施形態では、鉄基材2の全面、つまり、図3に示す外部空間に面した外表面21、筒内空間Sに面した内表面22、および、図4に示す貫通孔111の内表面112は、混合層3、被覆材4により覆われている。
In the present embodiment, the
鉄基材2は、具体的には、例えば、炭素鋼、クロムモリブデン鋼などから構成されることができる。また、被覆材4のうち、第1層41は、例えば、Al2O3など、第2層42は、例えば、Ta2O5またはHfO2などから構成されることができる。なお、便宜上、図3においては、混合層3、被覆材4の記載が割愛されている。同様に、図4においては、混合層3の記載が割愛されるとともに、被覆材4の記載が簡略化されている。
Specifically, the
ノズルボデー5は、その筒内空間Sに、その長手方向に往復移動するノズルニードル6を配置することにより、インジェクタを構成することができる。インジェクタは、ノズルボデー5の筒内空間Sにおいてノズルニードル6を往復移動させ、貫通孔111の開閉を切り替えることにより燃料の噴射を間欠的に行うことができる。
The
本実施形態のノズルボデー5によれば、鉄基材2の表面の改質から被覆材4の成膜までの保管時間を長くした場合でも、鉄基材2と混合層3との密着力を確保できるので、鉄基材2と被覆材4との密着力を確保することができる。そのため、本実施形態のノズルボデー5によれば、インジェクタに組み込まれて使用される際における高圧燃料による被覆材4の耐剥離性を向上させることができ、耐腐食性の高いインジェクタを構成することが可能になる。
According to the
(実験例1)
インジェクタ用ノズルボデーに用いる、筒状を呈する鉄基材(材質:クロムモリブデン鋼)を準備した。鉄基材の先端には噴孔としての貫通孔が形成されている。準備した鉄基材は、アセトン中に15分間浸漬することにより洗浄および脱脂処理を行った。次いで、鉄基材をアルカリ処理液に浸漬することによりアルカリ処理を行った。アルカリ処理液には、鉄キレート剤としてグルコン酸ナトリウムを含む水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液、または、鉄キレート剤を含まない水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液を用いた。アルカリ処理条件の詳細は、表1に示す通りとした。
(Experimental Example 1)
A cylindrical iron base material (material: chrome molybdenum steel) used for the injector nozzle body was prepared. A through hole as a jet hole is formed at the tip of the iron base material. The prepared iron substrate was washed and degreased by immersing it in acetone for 15 minutes. Next, the iron base material was immersed in an alkaline treatment liquid to perform alkaline treatment. As the alkaline treatment liquid, a sodium hydroxide (NaOH) aqueous solution containing sodium gluconate as an iron chelating agent or a sodium hydroxide (NaOH) aqueous solution containing no iron chelating agent was used. The details of the alkaline treatment conditions are as shown in Table 1.
次に、アルカリ処理後の鉄基材を、大気中(65℃、湿度60RH%)、後述の表1に示す保管時間(放置時間)にて保管(放置)した後、鉄基材の表面に、原子層堆積法にてAl2O3層(厚み100nm)、Ta2O5(厚み200nm)を順に成膜することにより、被覆材を形成した。これにより、表1に示す試験体A1~A14を作製した。
Next, the alkali-treated iron base material is stored (leaved) in the atmosphere (65 ° C.,
次に、作製した各試験体の表面に垂直な断面(鉄基材の厚み方向に沿う断面)をTEMにより観察した。その結果、後述の図13(a)~図16(a)などに示されるように、各試験体は、鉄基材と、鉄基材の表面を覆う被覆材と、鉄基材と被覆材との間に介在する混合層とを有していた。また、上述した方法により、混合層の厚みを測定した。 Next, a cross section perpendicular to the surface of each prepared test piece (a cross section along the thickness direction of the iron substrate) was observed by TEM. As a result, as shown in FIGS. 13 (a) to 16 (a) described later, each test piece has an iron base material, a covering material covering the surface of the iron base material, and an iron base material and a covering material. It had a mixed layer intervening between and. In addition, the thickness of the mixed layer was measured by the method described above.
次に、VDI3198規格に準拠し、被覆材の密着力を判定した。具体的には、ロックウェル硬度計(Dスケール)を用い、荷重980.7Nにて圧子(ダイヤモンド圧子)を押し込んだ際に生じる圧痕周囲の被覆材の剥離状況を500倍から700倍の倍率で観察し、図5に示す判定表に従ってランク付けした。なお、被覆材の剥離状況の観察には、走査型電子顕微鏡を用いた。また、図6に、試験体のインジェクタ用ノズルボデーにおける噴孔としての貫通孔の断面の一例、貫通孔断面に形成した圧痕の一例を示す。 Next, the adhesion of the covering material was determined in accordance with the VDI3198 standard. Specifically, using a Rockwell hardness tester (D scale), the peeling condition of the covering material around the indentation that occurs when the indenter (diamond indenter) is pushed under a load of 980.7 N is measured at a magnification of 500 to 700 times. They were observed and ranked according to the judgment table shown in FIG. A scanning electron microscope was used to observe the peeling state of the coating material. Further, FIG. 6 shows an example of a cross section of a through hole as a injection hole in a nozzle body for an injector of a test piece, and an example of an indentation formed on the cross section of the through hole.
上述の図5において、HF1~HF4までは許容できる欠陥であり、密着力を有すると判断した。なお、HF1では、微小亀裂のみが見られる。HF2では、微小亀裂に囲まれた圧痕周囲の被膜剥離が見られる。HF3では、微小亀裂に囲まれた圧痕周囲の連続した被膜剥離が見られる。HF4では、微小亀裂に囲まれた圧痕周囲の連続した被膜剥離が微小亀裂領域内で外側に広がっている。したがって、HF4<HF3<HF2<HF1の順で密着力が高くなる。また、HF5およびH6は、許容できない剥離であり、密着力を有さないと判断した。なお、HF5では、圧痕周囲の連続した被膜剥離は部分的に微小亀裂領域よりも外側に広がっている。HF6では、圧痕周囲で微小亀裂が残存しない広範囲の剥離が見られる。表1に密着力の測定結果を示す。また、図7に、試験体A1における被覆材の剥離状況を示す。図8に、試験体A12における被覆材の剥離状況を示す。図9に、試験体A14における被覆材の剥離状況を示す。また、図10に、混合層の厚み[nm](横軸)と密着力[Lv](縦軸)との関係を示す。 In FIG. 5 described above, it was determined that HF1 to HF4 are acceptable defects and have adhesion. In HF1, only microcracks can be seen. In HF2, peeling of the film around the indentation surrounded by microcracks is observed. In HF3, continuous film peeling is seen around the indentation surrounded by microcracks. In HF4, continuous film peeling around the indentation surrounded by microcracks spreads outward within the microcrack region. Therefore, the adhesion increases in the order of HF4 <HF3 <HF2 <HF1. Further, it was determined that HF5 and H6 were unacceptable peeling and had no adhesion. In HF5, the continuous film peeling around the indentation partially extends outward from the microcracked region. In HF6, a wide range of exfoliation is observed around the indentation with no residual microcracks. Table 1 shows the measurement results of the adhesion force. Further, FIG. 7 shows the peeling state of the covering material in the test piece A1. FIG. 8 shows the peeling state of the covering material in the test piece A12. FIG. 9 shows the peeling state of the covering material in the test piece A14. Further, FIG. 10 shows the relationship between the thickness [nm] (horizontal axis) of the mixed layer and the adhesion force [Lv] (vertical axis).
表1、および、図5~図9によれば、次のことがわかる。すなわち、鉄キレート剤を含まないアルカリ処理液を用いた試験体A12~試験体14は、鉄基材表面のアルカリ処理による改質から被覆材の成膜までの保管時間が比較的短い場合に、鉄基材と被覆材との密着力を確保することができている。しかし、試験体A12~試験体14は、鉄基材表面のアルカリ処理による改質から被覆材の成膜までの保管時間が比較的長くなると、鉄基材と被覆材との密着力が低下した。また、アルカリ処理の処理時間が比較的長いにもかかわらず、形成される混合層の厚みが比較的薄かった。 According to Table 1 and FIGS. 5 to 9, the following can be seen. That is, when the test bodies A12 to the test body 14 using the alkaline treatment liquid containing no iron chelating agent have a relatively short storage time from the modification of the iron substrate surface by the alkaline treatment to the formation of the coating material, the storage time is relatively short. The adhesion between the iron base material and the covering material can be ensured. However, in the test bodies A12 to 14, when the storage time from the modification of the iron base material surface by alkaline treatment to the film formation of the coating material was relatively long, the adhesion between the iron base material and the coating material decreased. .. Moreover, although the treatment time of the alkali treatment was relatively long, the thickness of the formed mixed layer was relatively thin.
これに対し、鉄キレート剤を含むアルカリ処理液を用いた試験体A1~試験体A4は、鉄基材表面のアルカリ処理による改質から被覆材の成膜までの保管時間を比較的長くした場合でも、鉄基材と被覆材との密着力の低下が見られなかった。また、密着力の判定結果がHF4となる保管時間は、鉄キレート剤を含むアルカリ処理液を用いた試験体A5では168時間であった。これに対し、鉄キレート剤を含ないアルカリ処理液を用いた試験体A14では、保管期間72時間で密着力の判定結果がH5となった。これらの結果から、鉄キレート剤を含むアルカリ処理液を用いて鉄基材表面をアルカリ処理することにより、保管期間を延長できることがわかる。また、比較的厚みの厚い混合層を形成できることもわかる。 On the other hand, in the test bodies A1 to A4 using the alkaline treatment liquid containing an iron chelating agent, the storage time from the modification of the iron substrate surface by the alkaline treatment to the film formation of the coating material is relatively long. However, no decrease in the adhesion between the iron base material and the covering material was observed. The storage time for which the determination result of the adhesion was HF4 was 168 hours for the test piece A5 using the alkaline treatment solution containing the iron chelating agent. On the other hand, in the test body A14 using the alkaline treatment liquid containing no iron chelating agent, the determination result of the adhesion was H5 after the storage period of 72 hours. From these results, it can be seen that the storage period can be extended by alkali-treating the surface of the iron substrate with an alkali-treated solution containing an iron chelating agent. It can also be seen that a relatively thick mixed layer can be formed.
また、鉄キレート剤を含むアルカリ処理液を用いた試験体A1、試験体A6~試験体A11同士を比較すると、次のことがわかる。図10に示されるように、混合層の厚みが50nm以上700nm以下であると、鉄基材表面の改質から被覆材の成膜までの保管時間を比較的長くした場合でも、鉄基材2と被覆材4との密着力を確保しやすくなることがわかる。これは、鉄基材と混合層との密着力が向上したためである。
Further, when the test body A1 and the test body A6 to the test body A11 using the alkaline treatment liquid containing the iron chelating agent are compared, the following can be found. As shown in FIG. 10, when the thickness of the mixed layer is 50 nm or more and 700 nm or less, the
(実験例2)
実験例1における試験体A4の混合層について、上述した方法にて透過型電子顕微鏡(TEM)-電子エネルギー損失分光法(EELS)による元素分析、化学結合状態解析を行った。その結果を、図11および図12に示す。図11に示されるように、試験体A4の混合層は、TEM-EELS分析により、主にFeとFe2O3とを含んでいることがわかる。また、混合層には、FeO、Fe3O4も含まれていることがわかる。図12を用い、上述した方法により算出した混合層におけるFe2O3比率は、28%であった。また、保管時間が試験体A4よりも短い試験体A1~試験体A3は、保管時における鉄基材表面の酸化が少ないため、混合層におけるFe2O3比率は28%以下となった。一方、保管時間が試験体A4よりも長い、試験体A5は、保管時における鉄基材表面の酸化が進み、混合層におけるFe2O3比率は28%を超えた。なお、表1中、試験体A6~試験体A11におけるFe2O3比率の「-」の記号は、Fe2O3比率の測定が未測定であることを意味する。
(Experimental Example 2)
The mixed layer of the test body A4 in Experimental Example 1 was subjected to element analysis and chemical bond state analysis by a transmission electron microscope (TEM) -electron energy loss spectroscopy (EELS) by the above-mentioned method. The results are shown in FIGS. 11 and 12. As shown in FIG. 11, it can be seen by TEM-EELS analysis that the mixed layer of the test body A4 mainly contains Fe and Fe 2 O 3 . It can also be seen that the mixed layer also contains FeO and Fe 3 O 4 . The Fe 2 O 3 ratio in the mixed layer calculated by the above method using FIG. 12 was 28%. Further, since the test bodies A1 to A3 having a shorter storage time than the test body A4 had less oxidation of the iron substrate surface during storage, the Fe 2 O 3 ratio in the mixed layer was 28% or less. On the other hand, in the test body A5 having a storage time longer than that of the test body A4, the iron substrate surface was oxidized during storage, and the Fe 2 O 3 ratio in the mixed layer exceeded 28%. In Table 1, the symbol "-" of the Fe 2 O 3 ratio in the test body A6 to the test body A11 means that the measurement of the Fe 2 O 3 ratio has not been measured.
上記の結果によれば、混合層中に含まれるFe2O3量により、保管時間との関係において鉄基材と混合層との密着力が変化するといえる。そして、混合層におけるFe2O3比率を52.6%以下とすることにより、鉄基材表面の改質から被覆材の成膜までの保管時間を長くした場合でも、鉄基材と混合層との密着力を確保することができるため、鉄基材と被覆材との密着力を確保することができることがわかる。とりわけ、混合層におけるFe2O3比率を28%以下とすることにより、鉄基材表面の改質から被覆材の成膜までの保管時間を長くした場合でも、鉄基材と混合層との密着力を十分に確保することができるため、鉄基材と被覆材との密着力を十分に確保することができることがわかる。 According to the above results, it can be said that the adhesion between the iron substrate and the mixed layer changes depending on the amount of Fe 2 O 3 contained in the mixed layer in relation to the storage time. By setting the Fe 2 O 3 ratio in the mixed layer to 52.6% or less, even when the storage time from the modification of the iron substrate surface to the film formation of the coating material is lengthened, the iron substrate and the mixed layer are formed. It can be seen that the adhesion between the iron base material and the covering material can be ensured because the adhesion with the iron base material can be secured. In particular, by setting the Fe 2 O 3 ratio in the mixed layer to 28% or less, even when the storage time from the modification of the surface of the iron substrate to the film formation of the coating material is lengthened, the iron substrate and the mixed layer can be kept together. It can be seen that since the adhesive force can be sufficiently secured, the adhesive force between the iron base material and the covering material can be sufficiently secured.
(実験例3)
本実験例は、鉄キレート剤を含むアルカリ処理液を用いた試験体A1と、鉄キレート剤を含ないアルカリ処理液を用いた試験体A12における混合層について、実験例2と同様のTEM-EELS分析を行ったものである。その結果を、図13および図14に示す。なお、試験体A1および試験体A12における保管時間は同じである。また、本実験例は、鉄キレート剤を含むアルカリ処理液を用いた試験体A4と、鉄キレート剤を含ないアルカリ処理液を用いた試験体A14における混合層について、実験例2と同様のTEM-EELS分析を行ったものである。その結果を、図15および図16に示す。なお、試験体A4および試験体A14における保管時間は同じである。
(Experimental Example 3)
In this experimental example, the same TEM-EELS as in Experimental Example 2 is obtained for the mixed layer in the test body A1 using the alkaline treatment liquid containing an iron chelating agent and the test body A12 using the alkaline treatment liquid containing no iron chelating agent. It is an analysis. The results are shown in FIGS. 13 and 14. The storage time of the test body A1 and the test body A12 is the same. Further, in this experimental example, the same TEM as in Experimental Example 2 is used for the mixed layer in the test body A4 using the alkaline treatment liquid containing an iron chelating agent and the test body A14 using the alkaline treatment liquid containing no iron chelating agent. -EELS analysis was performed. The results are shown in FIGS. 15 and 16. The storage time of the test body A4 and the test body A14 is the same.
上記の結果によれば、鉄キレート剤を含むアルカリ処理液を用いた試験体A1、試験体A4、鉄キレート剤を含まないアルカリ処理液を用いた試験体A12、試験体A14は、いずれも、混合層がFeとFe2O3とを含んでいる。しかし、鉄キレート剤を含むアルカリ処理液を用いた試験体A1、試験体A4では、Fe2O3は微量に検出される程度であった。また、試験体A1、試験体A4では、FeO、Fe3O4は、ほとんど検出されなかった。これに対し、鉄キレート剤を含まないアルカリ処理液を用いた試験体A12、試験体A14では、混合層が10nmと薄く、Fe2O3、FeO、Fe3O4などの酸化鉄も多量に検出された。 According to the above results, the test body A1 and the test body A4 using the alkaline treatment liquid containing the iron chelating agent, the test body A12 and the test body A14 using the alkali treatment liquid not containing the iron chelating agent are all. The mixed layer contains Fe and Fe 2 O 3 . However, in the test body A1 and the test body A4 using the alkaline treatment liquid containing the iron chelating agent, Fe 2 O 3 was detected in a trace amount. Further, in the test body A1 and the test body A4, FeO and Fe 3 O 4 were hardly detected. On the other hand, in the test body A12 and the test body A14 using the alkaline treatment liquid containing no iron chelating agent, the mixed layer is as thin as 10 nm, and a large amount of iron oxide such as Fe 2 O 3 and Fe O 3 O 4 is also contained. was detected.
本発明は、上記各実施形態、各実験例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、各実施形態、各実験例に示される各構成は、それぞれ任意に組み合わせることができる。 The present invention is not limited to each of the above embodiments and experimental examples, and various modifications can be made without departing from the gist thereof. In addition, each configuration shown in each embodiment and each experimental example can be arbitrarily combined.
1 表面被覆部材
2 鉄基材
3 混合層
4 被覆材
5 インジェクタ用ノズルボデー
111 貫通孔
112 貫通孔の内表面
1
Claims (5)
上記鉄基材の表面を覆う被覆材(4)と、
上記鉄基材と上記被覆材との間に介在する混合層(3)と、を有しており、
上記混合層は、
FeとFe2O3とを含み、
Fe2O3比率が52.6%以下である、
表面被覆部材(1)。 An iron base material (2) composed of iron or an iron alloy, and
The covering material (4) that covers the surface of the iron base material and
It has a mixed layer (3) interposed between the iron base material and the covering material, and has.
The above mixed layer
Including Fe and Fe 2 O 3
Fe 2 O 3 ratio is 52.6% or less,
Surface covering member (1).
請求項1に記載の表面被覆部材。 The thickness of the mixed layer is 50 nm or more.
The surface covering member according to claim 1.
請求項1または請求項2に記載の表面被覆部材。 The thickness of the mixed layer is 700 nm or less.
The surface covering member according to claim 1 or 2.
少なくとも上記開口部の内表面(112)に、上記混合層および上記被覆材が形成されている、
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の表面被覆部材。 The iron substrate has at least one opening selected from through holes, bottomed holes, and grooves.
The mixed layer and the covering material are formed at least on the inner surface (112) of the opening.
The surface covering member according to any one of claims 1 to 3.
上記鉄基材は、燃料を噴射するための貫通孔(111)を有しており、
少なくとも上記貫通孔の内表面(112)に、上記混合層および上記被覆材が形成されている、インジェクタ用ノズルボデー(5)。 It is composed of the surface covering member according to any one of claims 1 to 3.
The iron base material has a through hole (111) for injecting fuel, and has a through hole (111).
An injector nozzle body (5) in which the mixed layer and the covering material are formed at least on the inner surface (112) of the through hole.
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