KR102188421B1

KR102188421B1 - 연료 인젝터용 볼과 밸브 시트, 및 그 코팅 방법

Info

Publication number: KR102188421B1
Application number: KR1020180110200A
Authority: KR
Inventors: 박헌준; 정해혁; 차성철; 고광율; 정원기
Original assignee: 주식회사 현대케피코; 동우에이치에스티 주식회사
Priority date: 2018-09-14
Filing date: 2018-09-14
Publication date: 2020-12-08
Also published as: KR20200031321A; WO2020054991A1; CN112654735A; DE112019004602T5; US20210254206A1

Abstract

본 발명은, 마찰 계수를 감소시기 위해서 저마찰특성을 갖는 Ta-C:H-SiO 기능층을 최외곽층으로 형성하고, Ta-C:H-SiO 기능층을 모재에 접합하고 지지하기 위한 접합층 및 지지층을 Mo 계열 소재를 적용하여 내열성을 향상시키되, 접합층 및 지지층을 형성하기 위해서 순수한 이온 상태의 Mo 입자만이 증착되도록 구성하여 밀착력 및 접합력을 높여 내구성이 향상된 연료 분사 장치용 볼과 밸브 시트, 및 그 코팅방법에 관한 것이다.

Description

연료 인젝터용 볼과 밸브 시트, 및 그 코팅 방법{BALL AND VALVE SEAT FOR FUEL INJECTOR AND COATING METHOD FOR THE SAME}

본 발명은 연료 인젝터용 볼과 밸브 시트, 및 그 코팅 방법에 관한 것으로 보다 구체적으로, 마찰 저항 감소, 코팅 경도, 및 내구 수명 증대를 위한 코팅재가 적층되는 볼과 밸브 시트의 코팅 구조 및 그 코팅 방법에 관한 것이다.

자동차의 연료 인젝터는 엔진의 행정에 따라 시기 적절하게 연료를 엔진에 공급하기 위한 역할을 하는 핵심 부품 중 하나이다.

이와 관련하여 연료 인젝터의 부품 중에서 특히 접동 부품으로서 볼과 밸브 시트는 소형화되어 가고 있지만, 더 높고 반복적인 하중 및 스트레스에 노출되기 때문에 열충격과 마모 등에 의해서 수명이 급격하게 저하되는 현상이 발생하게 된다.

이러한 접동 부품의 내마모성을 개선하기 위한 방안으로서, 한국공개특허공보 제10-2014-0038084호에는 접동 부품의 모재에 Cr 또는 Ti 접합층을 형성하고, 상기 접합층의 표면에 CrN 또는 WC 지지층을 형성하며, 상기 지지층의 표면에 SiO-DLC 기능층을 형성하여, 접동 부품의 내마모성 및 내열성을 개선하는 코팅재에 관한 구성이 개시되어 있다.

그러나 상기 문헌에 개시된 구성에 따르면, SiO-DLC 기능층이 최외곽층에 구비되어 내마찰 성능이 개선될 수 있으나, Cr, Ti 또는 W 계열의 소재는 충분한 내열성능 및 층간 접합력을 확보할 수 없기 때문에 볼 및 밸브 시트 등과 같이 고온환경 및 고진동성 환경에서 적용되기에는 부적합하다는 문제점이 있다.

한편, 일본국공개특허공보 제1994-25826호에는, 코팅재로서 Cr, Ti 또는 W 계열의 소재 대신 Mo 계열 소재가 적용된 접동 부재의 구성이 개시되어 있다.

상기 문헌에는 Mo 계열 소재의 증착 방법과 관련하여 고에너지 빔을 이용하여 증발시킨 Mo 이온을 모재에 증착시켜 Mo 피막을 형성하는 이온 플레이팅 방식의 물리적 증착법에 관해서 개시되어 있다.

다만, 해당 문헌에 개시된 증착방법의 경우에는 고에너지 빔에 의해서 Mo 타겟으로부터 증발되는 Mo 이온 입자 이외에 상대적으로 직경이 큰 비이온 상태의 입자가 함께 모재에 증착되는 현상이 발생하여 증착되는 입자들의 불균일성이 발생하고, 그로인해 코팅 피막의 조도 악화 및 모재에 대한 접합력 악화 현상이 발생함으로써 전체적으로 코팅 피막의 내구성이 현저히 저하될 가능성이 매우 높다는 문제점이 있다.

한국공개특허공보 제10-2014-0038084호 일본국공개특허공보 제1994-25826호

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 마찰 계수를 감소시기 위해서 저마찰특성을 갖는 Ta-C:H-SiO 기능층을 최외곽층으로 형성하고, Ta-C:H-SiO 기능층을 모재에 접합하고 지지하기 위한 접합층 및 지지층을 Mo 계열 소재를 적용하여 내열성을 향상시키되, 접합층 및 지지층을 형성하기 위해서 순수한 이온 상태의 Mo 입자만이 증착되도록 구성하여 밀착력 및 접합력을 높여 내구성이 향상된 연료 분사 장치용 볼과 밸브 시트, 및 그 코팅방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 모재의 표면에 다층구조의 코팅재가 적층되는, 연료 인젝터용 볼과 밸브 시트로서, 상기 코팅재는, 상기 모재의 표면에 적층되는 Mo 접합층, 상기 Mo 접합층의 외측면에 적층되는 MoN 지지층, 및 상기 MoN 지지층의 외측면에 적층되는 Ta-C:H-SiO 기능층을 포함하고, 상기 Mo 접합층 및 상기 MoN 지지층은 물리적 증착법에 의해서 적층되고, 상기 Ta-C:H-SiO 기능층은 화학적 증착법에 의해서 적층되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 Mo 접합층은 진공 분위기에서 Mo 타켓에 레이저를 조사하여 아크를 유발시켜 증발된 Mo 이온이 상기 모재에 증착되어 형성된다.

또한, 상기 MoN 지지층은, 상기 Mo 접합층의 적층이 완료된 상태에서 상기 레이저 조사를 통해서 상기 Mo 타겟에서 분리된 Mo 이온과, 활성 가스로 주입된 N2 가스에서 분리된 N 이온이 반응하여 형성된 MoN 입자를 상기 Mo 접합층의 외측면에 증착시켜 형성된다.

또한, 상기 Mo 타켓에 상기 레이저를 조사하여 상기 Mo 이온 이외에 비이온 상태의 입자가 생성되며, 상기 비이온 상태의 입자는 전자기적 필터를 통해서 포집됨으로써 상기 비이온 상태의 입자가 상기 모재 또는 상기 Mo 접합층으로 적층되는 것이 방지된다.

또한, 상기 화학적 증착법은 탄화 가스 및 헥사메틸다이사이록산(Hexamethyl Disiloxane, HMDSO) 가스를 이용한 PACVD 법을 포함한다.

또한, 상기 Mo 접합층이 적층되기 전에 플라즈마 상태의 Ar 이온이 상기 모재의 표면이 충돌되어 상기 모재의 표면이 세정된다.

한편, 본 발명은 연료 인젝터용 볼과 밸브 시트의 모재의 표면에 다층구조의 코팅재를 적층하는 코팅 방법으로서, 상기 모재의 외주면에 Mo 접합층이 물리적 증착법에 의해서 적층되는 Mo 접합층 형성 단계, 상기 Mo 접합층의 외측면에 MoN 지지층이 물리적 증착법에 의해서 적층되는 MoN 지지층 형성 단계, 및 상기 MoN 지지층의 외측면에 Ta-C:H-SiO 기능층이 화학적 증착법에 의해서 적층되는 형성되는 Ta-C:H-SiO 기능층 형성 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다,

또한, 상기 Mo 접합층 형성 단계는, 진공 분위기에서 Mo 타겟에 레이저를 조사하여 아크를 유발시켜 증발된 Mo 이온을 생성하는 Mo 이온 생성 단계, 상기 Mo 이온을 상기 모재의 표면으로 이동시키는 Mo 이온 이동 단계, 및 이동된 상기 Mo 이온을 상기 모재의 표면에 증착시키는 Mo 이온 증착 단계를 포함한다.

또한, 상기 MoN 지지층 형성 단계는, 상기 Mo 접합층의 적층이 완료된 상태에서 상기 레이저 조사를 통해서 상기 Mo 타겟에서 분리된 Mo 이온과, 활성 가스로 주입된 N2 가스에서 분리된 N 이온을 반응시켜 MoN 입자를 형성하는 MoN 입자 형성 단계, 및 상기 MoN 입자를 상기 Mo 접합층의 외측면에 증착시키는 MoN 입자 증착 단계를 포함한다.

또한, 상기 Mo 이온 생성 단계에서 상기 Mo 이온 이외에 비이온 상태의 입자가 생성되며, 상기 비이온 상태의 입자는 전자기 필터를 통해서 포집되어, 상기 비이온 상태의 입자가 상기 모재 또는 상기 Mo 접합층으로 적층되는 것이 방지된다.

또한, 상기 화학적 증착법은 탄화 가스 및 HMDSO(Hexamethyl Disiloxane) 가스를 이용한 PACVD 법을 포함한다.

또한, 상기 볼 및 상기 밸브 시트가 반응 챔버의 내부에 배치된 상태에서, 상기 반응 챔버의 내부 분위기를 진공 상태로 유지하는 진공 형성 단계, 상기 반응 챔버의 내부로 Ar 가스를 주입하고, 상기 반응 챔버의 온도를 상승시켜 Ar 이온이 생성되는 플라즈마 상태를 형성하는 플라즈마 형성 단계, 및 상기 Ar 이온을 상기 볼 및 상기 밸브 시트의 모재의 표면에 충돌시켜 상기 모재의 표면을 세정하는 세정 단계를 더 포함한다.

본 발명에 따른 연료 분사 장치용 볼과 밸브 시트, 및 그 코팅방법은, 마찰 계수를 감소시기 위해서 저마찰특성을 갖는 Ta-C:H-SiO 기능층을 최외곽층으로 형성하고, Ta-C:H-SiO 기능층을 모재에 접합하고 지지하기 위한 접합층 및 지지층을 Mo 계열 소재를 적용하여 내열성을 향상시키되, 접합층 및 지지층을 형성하기 위해서 순수한 이온 상태의 Mo 입자만이 증착되도록 구성하여 밀착력 및 접합력을 높여 내구성을 향상시킬 수 있는 효과를 갖게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 볼 및 밸브 시트를 구비한 연료 인젝터의 부분 확대도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 증착된 코팅재가 적층된 볼과 밸브 시트의 단면을 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 증착된 코팅재의 SEM(scanning electron microscope) 사진이다.
도 4는 본 발명의 코팅재를 형성하기 위한 코팅 장치의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 코팅 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료 분사 장치용 볼과 밸브 시트, 및 그 코팅 방법의 구성에 대해 상세히 설명한다.

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.

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.

및/또는이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함할 수 있다.

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.

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.

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.

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.

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.

도 1은 본 발명에 따른 볼 및 밸브 시트가 적용되는 연료 인젝터의 부분 확대도이다.

도 1을 참조하면, 연료 인젝터는 내부에 니들을 수용하는 하우징, 하우징 하단에 형성되는 밸브 시트(C), 및 밸브 시트(C)와 니들(B) 사이에 배치된 볼(A)를 포함한다. 밸브 시트(C)는 볼(A)이 안착되는 밸브 시트면을 구비하며, 밸브 시트(C)에는 연료분사 방향으로 관통하는 노즐이 구비된다.

니들(B)은 도시되지 않은 자기 코일 및 리턴 스프링의 작용으로 볼(A)을 상하방향으로 이동시키면서 밸브 시트(C)에 형성된 노즐을 개폐시키게 된다.

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.

연료 인젝터, 특히 직분사 방식의 연료 인젝터는 연료를 직접 실린더 내부로 분사하기 때문에 볼(A)과 밸브 시트(C)는 고온, 고압의 상태에 노출되어 있고, 일산화탄소, Soot 등의 연소 부산물로 인한 노즐 막힘 등의 현상이 발생할 가능성이 높다.

이와 같이, 볼(A) 및 밸브 시트(C)는 고온 및 고압 상태에 노출되어 있고, 연소 부산물로 인해 마찰 저항이 크게 발생하여, 쉽게 파손될 수 있기 때문에, 본 발명은 도 2에 도시된 바와 같이 볼(A) 및 밸브 시트(C)의 모재(10)에 다층 구조의 코팅재를 적층하여 마찰 저항을 감소시키고, 내구성을 증가시키며, 내열성을 증대시킬 수 있도록 구성된다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 코팅재는, 볼과 밸브 시트의 모재(10)의 표면에 적층되는 Mo 접합층(20), Mo 접합층(20)의 외측면에 적층되는 MoN 지지층(30), 및 MoN 지지층(30)의 외측면에 적층되는 Ta-C:H-SiO 기능층(40)을 포함한다.

이 때, Mo 접합층(20) 및 MoN 지지층(30)은 물리적 증착법, 바람직하게는 FLAD(Filtered Laser Arc Deposition)법에 의해서 적층되고, Ta-C:H-SiO 기능층(40)은 화학적 증착법, 바람직하게는 탄화 가스 및 헥사메틸다이사이록산(Hexamethyl Disiloxane, HMDSO) 가스를 이용한 PACVD(Plasma-Assisted Chemical Vapor Deposition) 법에 의해서 적층된다.

이들 Mo 접합층(20), MoN 지지층(30) 및 Ta-C:H-SiO 기능층(40)을 적층하는 상세 단계는 도 4 및 도 5를 참조하여 후술한다.

Mo 접합층(20)은 볼 및 밸브 시트의 모재(10)와 MoN 지지층(30)을 접합하기 위한 기능을 수행하며, 0.01 내지 0.5㎛ 범위의 두께로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 0.05㎛이지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

Mo 접합층(20)의 두께가 0.01㎛미만인 경우에는 접합력이 저하되어, 내구성이 저하되는 문제가 발생할 수 있으며, 0.5㎛ 초과인 경우에는 코팅 시간이 5시간 이상 소요되는 문제가 발생할 수 있고, 코팅재 내에 후막으로 인한 경도 밸런스가 손실되는 문제가 발생함에 따라 내구성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.

MoN 지지층(30)은 Mo 접합층(20)과 Ta-C:H-SiO 기능층(40)을 지지하는 역할을 하며, 0.1 내지 5㎛ 범위의 두께로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 0.2㎛이지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

MoN 지지층(30)의 두께가 0.1㎛미만인 경우에는 지지층의 두께 부족으로 인해 층간 경도 밸런스가 손실되며, 층간 경도 밸런스의 손실로 인해 내구성이 저하되는 문제 및, 국부적 두께 손실 문제 및 마모흔(마모 기점 작용)이 발생하는 문제가 있다. 또한, MoN 지지층(30)의 두께가 5㎛를 초과하는 경우에는 코팅 시간이 증가하는 문제(5시간 이상 소요) 및 Ta-C:H-SiO 코팅에 약영향을 끼쳐, 주상(columnar) 구조(브리틀한 조직)가 형성되어, 층내 잔류 응력이 증대하는 문제가 발생할 수 있다.

Ta-C:H-SiO(SiO composed tetrahedral hydrogenated amorphous carbon) 기능층(40)은 본 발명에 따른 코팅재의 최외곽층에 해당하며, 저마찰, 내마모 및 내열성을 갖는 기능성 층으로서 역할을 한다.

Ta-C:H-SiO 기능층(40)의 두께는 0.1 내지 10㎛이며, 바람직하게는 0.8㎛이지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

Ta-C:H-SiO 기능층(40)의 두께가 0.1㎛ 미만인 경우에는 기능층의 두께 부족으로 인한 마모 증대 및 마찰 계수의 증가로 내구성이 저하되는 문제가 발생하며, 10㎛ 초과인 경우, 코팅 시간의 증대(5시간 이상 소요), 원가 상승의 문제 및 층내 잔류 응력 증대의 문제가 발생할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 Ta-C:H-SiO 기능층(40)은 100중량%를 기준으로, 탄소(C) 50~85 중량%, 수소(H) 1~4 중량%, 실리콘(Si) 1~25 중량%, 산소(O) 1~25 중량%의 성분비를 갖도록 구성된다.

이는, 탄소(C)가 50 중량% 미만의 함량을 갖게 되면 Ta-C:H-SiO 기능층(40)의 경도 및 윤활성이 부족하게 되며, 85 중량%를 초과하는 함량을 갖게 되면 Ta-C:H-SiO 기능층(40)의 경도가 과도하게 되어 취성을 갖게 되고 내열성 및 내소착성이 부족하게 되는 문제가 발생할 수 있기 때문이다.

또한, 수소(H)가 1 중량% 미만의 함량을 갖게 되면 Ta-C:H-SiO 기능층(40)의 마찰 계수가 증가되고 내마모성이 부족하게 되며, 40 중량%를 초과하는 함량을 갖게 되면 Ta-C:H-SiO 기능층(40)의 윤활성, 내열성 및 내소착성이 부족하게 되는 문제가 발생할 수 있다.

또한, 실리콘(Si)가 1 중량% 미만의 함량을 갖게 되면 Ta-C:H-SiO 기능층(40)의 마찰 계수가 증가되고 내열성 및 내습성이 부촉하게 되며, 25 중량%를 초과하는 함량을 갖게 되면 Ta-C:H-SiO 기능층(40)의 경도 및 윤활성이 부족하게 되는 문제가 발생할 수 있다.

또한, 산소(O)가 1 중량% 미만의 함량을 갖게 되면 Ta-C:H-SiO 기능층(40)의 내소착성이 부촉하게 되고 투명성(미관)을 저해하게 되고 스크래치에 대한 저항성이 부족하게 되는 문제가 있으며, 25 중량%를 초과하는 함량을 갖게 되면 Ta-C:H-SiO 기능층(40)의 경도 및 윤활성이 부촉하게 되는 문제가 발생할 수 있다.

본 발명은, 이와 같이 접합층 및 지지층으로 Mo 소재를 적용하고, 최외곽층의 기능층으로서 Ta-C:H-SiO를 적용으로서, 종래와 같이 Cr, Ti 또는 W 계열의 소재가 적용되는 경우에 비해서 연료 엔적터용 볼 및 밸브 시트의 코팅재로서 충분한 내열성능, 내마모성능 및 내구성능을 동시에 확보할 수 있게 된다.

이하, 도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 연료 분사 장치용 볼과 밸브 시트의 코팅 방법 및 코팅 장치에 대해서 상술한다.

먼저 도 4에 도시된 코팅 장치를 이용하여 본 발명에 따른 자동차용 볼 및 밸브 시트의 모재(10)에 코팅재를 형성할 수 있다.

도 4를 참조하면, 도시된 코팅 장치는 반응 챔버(100), 반응 챔버(100)의 내부에 고정되는 Mo 타켓(T), 반응 챔버(100)의 내부로 공정 가스를 주입하기 위한 가스 주입구(110), 잔여 공정 가스를 배출하기 위한 가스 배출구(120), 바이어스 전극(200), Mo 타켓(T)에 레이저를 조사하기 위한 레이저 발생 장치(300), 볼 및 밸브 시트의 모재(10)를 지지하는 턴 테이블(400), Mo 타켓(T)으로부터 분리된 비이온 상태의 입자를 포집하기 위한 전자기 필터(500) 등을 포함하여 구성된다.

반응 챔버(100)는 내부 공간을 외부 공간과 분리시켜 내부에 소정의 코팅 조건(온도 및 압력)을 형성하는 역할을 한다.

바이어스 전극(200)은 한 쌍으로 구비되어 후술하는 바와 같이 모재(10)의 표면을 세정하기 위해서 Ar 이온을 가속하여 모재의 표면에 충돌시킬 수 있도록 소정의 바이어스 전압차를 형성하는 역할을 한다. 바이어스 전극(200)은 도시되지 않은 바이어스 전원에 연결되어 있으며, 후술하는 바와 같이 한 상의 바이어스 전극(200) 사이의 바이어스 전압은 200 내지 400V의 범위로 유지된다.

레이저 발생 장치(300)는 Mo 타켓(T)에 레이저를 조사하여 아크를 유발시키고, Mo 타켓(T)의 표면을 증발시켜 Mo 타켓(T)으로부터 기체 상태의 Mo 이온을 생성하는 역할을 한다.

즉, 본 발명은 후술하는 바와 같이 Mo 이온 및 MoN 입자를 물리적 증착법을 통해, 바람직하게는 레이저 아크 증착법을 통해 증착하기 위해 레이저 발생 장치를 이용한다.

레이저 발생 장치(300)는, Mo 타켓(T)으로부터 기체 상태의 Mo 이온을 생성할 수 있는 정도의 출력을 갖는 것이라면 제한 없이 본 발명에 적용 가능하다.

한편, 전자기 필터(500)는 레이저 발생 장치(300)에 의해서 Mo 타켓(T)으로부터 분리된 Mo 이온 이외에 비이온 상태의 Mo 입자를 포집하기 위한 수단으로서, 전술한 레이저 아크 증착법(Laser Arc Deposition)에 더하여 전자기 필터링이 가미되는 FLAD(Filtered Laser Arc Deposition)을 구현하기 위한 수단이다.

즉, 레이저 발생 장치(300)를 통해 레이저를 Mo 타켓(T)에 조사하여 아크를 발생시키면, 증발된 기체 상태의 Mo 이온 이외에 상대적으로 직경이 더 크면서 직경이 균일하지 않은 상태의 다수의 비이온 상태의 Mo 입자가 형성된다.

이러한 비이온 상태의 Mo 입자가 Mo 이온과 함께 모재(10)에 증착되는 경우에는 증착 표면의 불균일성이 발생하여 증착층의 표면 조도가 악화되고 증착층의 접착력이 저하되는 문제점이 발생할 가능성이 높다.

따라서 본 발명은 Mo 타켓(T)으로부터 분리된 순수한 상태의 Mo 이온만이 모재에 증착되도록 하기 위해서, 비이온 상태의 Mo 입자가 전자기 필터(500)를 통해 포집되도록 하는 FLAD증착법을 통해 Mo 접합층 및 MoN 지지층을 형성하도록 구성하는 것이다.

도시된 바와 같이 전자기 필터(500)는 Mo 타켓(T)과 턴 테이블(400) 사이의 Mo 이온의 이동 경로 상에 배치된다.

한편, 도시되어 있지 않으나 반응 챔버(100)의 내부에는 턴 테이블(400)에 인접하여 항온장치가 구비되어, 이를 통해 반응 챔버(100)의 내부 온도를 최대 600℃까지 상승시킬 수 있다.

이하 도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 연료 분사 장치용 볼과 밸브 시트의 코팅 방법을 단계별로 설명한다.

먼저, 반응 챔버(200)의 내부의 턴 테이블(400)에 볼 및 밸브 시트의 모재(10)를 배치하고, 반응 챔버(200)의 내부 분위기를 진공 상태로 형성 및 유지한다. (S1)

다음으로, 공정 가스(300)로서 Ar 가스를 가스 주입구(110)를 통해 공급하고, 항온장치를 이용하여 온도를 상승시켜 Ar 이온이 형성된 플라즈마 상태를 형성한다. (S2)

바람직하게는 항온장치를 이용하여 반응 챔버(100)의 내부를 80℃로 유지한다.

이후, 바이어스 전극(200)에 바이어스 전압을 인가하고, Ar 이온이 볼 및 밸브 시트의 모재의 표면에 충돌하도록 가속하여, 볼 및 밸브 시트의 모재 표면을 세정한다. (S3)

이는, 볼 및 밸브 시트의 모재 표면에 자연적으로 형성되는 산화층 및 불순물을 제거하기 위한 에칭 과정을 우선적으로 수행하여, 코팅재와 모재 사이에 접착력을 높이기 위한 목적을 갖는다.

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.

Ar 이온으로 볼 및 밸브 시트의 모재를 세정한 이후, 모재의 표면에 물리적 증착법, 바람직하게는 전술한 FLAD 증착법을 통해서 Mo 이온을 적층하여 Mo 접합층을 형성하는 Mo 접합층 형성 단계(S3)가 진행된다.

세부적으로, 상기 Mo 접합층 형성 단계(S3)는, 진공 챔버(100)에 형성된 진공 분위기에서 Mo 타겟에 레이저를 조사하여 아크를 유발시켜 증발된 Mo 이온을 생성하는 Mo 이온 생성 단계(S41)와, 생성된 Mo 이온을 턴 테이블(400) 상에 배치된 모재의 표면으로 이동시키는 Mo 이온 이동 단계(S42)와, 및 이동된 Mo 이온을 모재의 표면에 증착시키는 Mo 이온 증착 단계(S43)로 구분될 수 있다.

다음으로, Mo 접합층 형성 단계(S3)에서 형성된 Mo 접합층의 외측면에 MoN 지지층이 물리적 증착법, 바람직하게는 레이저 아크 증착법을 통해서 적층되는 MoN 지지층 형성 단계(S5)가 진행된다.

세부적으로, MoN 지지층 형성 단계(S5)는, Mo 접합층(20)의 적층이 완료된 상태에서 레이저 조사를 통해서 Mo 타겟에서 분리된 Mo 이온과, 가스 주입구(110)를 통해서 활성 가스로 주입된 N2 가스에서 분리된 N 이온을 반응시켜 MoN 입자를 형성하는 MoN 입자 형성 단계(S51)와, 형성된 MoN 입자를 Mo 접합층(20)의 외측면에 증착시키는 MoN 입자 증착 단계(S52)로 구분될 수 있다.

이 경우에, Mo 이온 생성 단계(S41)에서 생성된 비이온 상태의 입자는 전술한 바와 같이 전자기 필터(500)를 통해서 포집되어, 비이온 상태의 입자가 모재 또는 Mo 접합층으로 적층되는 것이 방지된다.

다음으로, MoN 지지층(30)의 외측면에 Ta-C:H-SiO 기능층(40)이 화학적 증착법, 바람직하게는 PACVD법에 의해서 적층되는 형성되는 Ta-C:H-SiO 기능층 형성 단계(S6)가 진행된다.

구체적으로 Ta-C:H-SiO 기능층(40)은 반응 챔버(100)의 내부로 가스 주입구(110)를 통해 공정 가스인 탄화 가스(C_XH_Y) 및 HMDSO(Hexamethyl Disiloxane) 가스를 주입하여 Ta-C:H-SiO 기능층(40)을 형성함으로써 최종적으로 본 발명에 따른 코팅재의 형성이 완료된다.

Ta-C:H-SiO 기능층(40)은 탄소 성분의 가스를 이용하여, 진공 상태에서 플라즈마를 발생시켜 표면에 코팅막을 증착시키며, 표면에 다이아몬드와 유사한 구조의 탄소막을 형성하는 것으로, 본 발명에서는 Ta-C:H-SiO 기능층(40)을 형성하기 위해 반응 챔버(100)의 내부로 탄화가스를 주입함과 동시에 HMDSO 가스를 주입하는 방식으로 통해 Ta-C:H-SiO 기능층(40)이 형성되도록 구성된다.

이 경우에 탄화 가스는 예를 들어, 메탄(CH₄) 가스 및 에탄 가스(C₂H₆)가 바람직하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.

이하에서는 본 발명의 코팅 방법이 적용되어 제조된 실시예와, 종래 기술에 따라 제조된 비교예에 대한 내구성 평가비교 및 물성 평가비교 결과를 설명하도록 한다.

실시예

반응 챔버(100)의 내부가 진공인 상태에서 Ar가스를 이용하여 플라즈마 상태를 만들고, 반응 챔버(100)의 내부를 80℃로 가열하여 SUS440C 스테인레스 철 소재로 된 모재(10)의 표면을 활성화시킨 후, Ar이온이 표면에 충돌하도록 300V의 바이어스 전압을 가하여 모재 표면을 세정하였다.

그 후, FLAD증착법을 통해 증발된 Mo 이온을 모재의 표면에 Mo 접합층을 0.05㎛의 두께로 적층하였다.

그리고, 반응 챔버(100)의 내부로 공정 가스인 N₂를 주입하여, Mo 타겟에서 증발된 Mo 이온과 반응시켜 MoN 지지층(20)을 0.2㎛의 두께로 코팅하였다. (비이온 상태의 Mo 입자는 전자기 필터로 포집됨)

그 후, 탄화 가스 및 HMDSO 가스를 반응 챔버 내부로 주입하여, Ta-C:H-SiO 기능층(40)을 0.8㎛ 두께로 적층하였다.

비교예 1

본 발명에 따른 실시예와 달리 볼 및 밸브 시트의 모재에 코팅재를 형성하지 않은 것을 특징으로 한다. 상기 볼 및 밸브 시트의 모재는 실시예와 동일하게 SUS440C 스테인레스 철로 구성된다.

비교예 2

동일한 볼 및 밸브 시트의 SUS440C 스테인레스 모재에 실시예와 같이 동일한 두께를 갖는 코팅재를 형성하나, Mo 대신 Cr을 이용하여, 볼 및 밸브 시트의 모재의 표면에 Cr 접합층을 형성하고, 상기 Cr 접합층의 외주면에 CrN 지지층을 형성하고, 이후, 반응 챔버(100)의 내부로 탄화가스를 주입함과 동시에 HMDSO 가스를 주입하는 방식으로 통해 CrN 지지층의 표면에 Si0-DLC 기능층을 형성하였다.

비교예 3

본 발명의 실시예와 동일하게 볼 및 밸브 시트의 SUS440C 스테인레스 모재에 Mo 접합층, 및 MoN 지지층을 포함하는 코팅재가 적층되나, 본 발명의 실시예와는 달리 Mo 접합층, MoN 지지층은 기존의 일반적인 물리적 증착법(PVD)을 통해 증착하였고(별도의 전자기 필터가 적용되지 않음), 최외곽층으로서 Si0-DLC 층을 형성하였다.

내구 성능 평가 실험

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 3를 대상으로 하기의 시험 조건으로 동일하게 진행하였다.

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.

판정 기준으로 코팅재 표면의 박리 등과 같은 손상이 있는지 여부를 육안으로 확인하고, 코팅 두께를 평가하였다.

코팅 두께는 제품의 0°, 180° 2곳의 평균값과 상기 2곳 코팅재의 두께 편차를 측정하였다. 두께는 칼로테스터를 이용하여 측정하였다.

구분	실시예	비교예 1	비교예 2	비교예 3
구분	Mo/MoN/Ta-C:H-SiO	SUS440C (코팅 無)	Cr/CrN/SiO-DLC	Mo/MoN/SiO-DLC
두께 (um)	1.0	-	2.0	2.0
코팅 시간	< 4h	-	< 6h	< 6h
코팅 공정	FLAD & PACVD	-	PVD & PACVD	PVD & PACVD
내구성능 평가결과 (Dry-run test)	두께: 0% 손실 육안: 마모흔 無	마모흔 大	두께: 27% 손실 육안: 마모흔 有	두께: 19% 손실 육안: 마모흔 有

상기 표 1에 따르면, 내구 성능 실험 결과 본 발명의 실시예예 따른 코팅재가 적용된 볼 및 밸브 시트는 코팅재의 두께가 0% 손실되고, 마모흔이 발견되지 않음을 확인되었다.

반면, 비교예 2의 경우, 코팅재의 두께가 27% 손실되었으며, 다소의 마모흔이 발견되었음을 확인되었다.

또한, 비교예 3의 경우, 코팅재의 두께가 19% 손실되었으며, 다소의 마모흔이 발견되었음을 확인되었다.

결과적으로, 볼 및 밸브 시트에 코팅재에 대한 내구 성능을 테스트한 결과, 본 발명의 실시예는 비교예들에 비해서 상대적으로 적은 코팅 시간이 소요되었음에도 불구하고 코팅재의 손실률이 매우 낮으며 매우 우수한 내구 성능을 갖는 것으로 확인되었다.

물성 평가

코팅재의 물성을 평가하기 위해, 물성 평가를 진행하였다.

마찰 계수 도출을 위해 10N, 0.1m/s, 2km 및 SUS440C pin을 이용하여 Plate on disk 실험을 진행하였다.

경도 측정을 위해 마이크로 인덴터(0.05N, 0.7㎛ 인덴팅 뎁스(indenting depth)를 이용하였다.

접합력 측정을 위해 스크래치 테스터 및 로크웰C 테스터(HF1: 고접합력, HF5: 저접합력)를 이용하였다.

구분	실시예	비교예 1	비교예 2	비교예 3
구분	Mo/MoN/Ta-C:H-SiO	SUS440C (코팅 無)	Cr/CrN/SiO-DLC	Mo/MoN/SiO-DLC
경도 (HV)	4642 (45.52 GPa)	772 (7.32 GPa)	2173 (30.63 GPa)	2281 (21.66 GPa)
내열온도	600℃	-	400℃	400℃
조도Ra (um)	0.022	0.2	0.043	0.040
마찰계수 건식	0.05	0.45	0.13	0.11
마찰계수 오일	0.025	0.22	0.06	0.05
밀착력	HF 1 38 N	-	HF 1-2 31 N	HF 1-2 33 N

상기 표 2에 나타낸 바와 같이,

본 발명의 실시예는 경도 수치가 비교예들에 비해 우수하고, 마찰 계수도 상대적으로 낮게 측정되어, 마찰 저항을 감소시킴이 확인되었다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 코팅재의 밀착력은 38N으로서 다른 비교예들, 특히 비교예 3의 밀착력 33N에 비해 우수한 것으로 평가되는데, 이는 본원의 FLAD 증착법에 따라 증착된 실시예의 표면 조도가 매우 낮게 유지될 수 있기 때문인 것으로 분석된다.

10: 모재 20: Mo 접합층
30: MoN 지지층 40; Ta-C:H-SiO 기능층
100: 반응 챔버 110: 가스 주입구
120: 가스 배출구 200: 전극
300: 레이저 발생 장치 400: 턴 테이블
500; 전자기 필터 T; Mo 타겟

Claims

모재의 표면에 다층구조의 코팅재가 적층되는, 연료 인젝터용 볼에 있어서,
상기 코팅재는,
상기 모재의 표면에 적층되는 Mo 접합층;
상기 Mo 접합층의 외측면에 적층되는 MoN 지지층; 및
상기 MoN 지지층의 외측면에 적층되는 Ta-C:H-SiO 기능층을 포함하고,
상기 Mo 접합층 및 상기 MoN 지지층은 물리적 증착법에 의해서 적층되고, 상기 Ta-C:H-SiO 기능층은 화학적 증착법에 의해서 적층되며,
상기 Mo 접합층은,
진공 분위기에서 Mo 타겟에 레이저를 조사하여 아크를 유발시켜 증발된 Mo 이온이 상기 모재에 증착되어 형성되고,
상기 MoN 지지층은,
상기 Mo 접합층의 적층이 완료된 상태에서 상기 레이저 조사를 통해서 상기 Mo 타겟에서 분리된 Mo 이온과, 활성 가스로 주입된 N2 가스에서 분리된 N 이온이 반응하여 형성된 MoN 입자를 상기 Mo 접합층의 외측면에 증착시켜 형성되며,
상기 Mo 접합층 및 상기 MoN 지지층은,
접착력 향상을 위하여 전자기 필터로 비이온 상태의 Mo 입자를 포집 제거하여 적층 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 인젝터용 볼.
제1항에 있어서,
상기 화학적 증착법은 탄화 가스 및 헥사메틸다이사이록산(Hexamethyl Disiloxane, HMDSO) 가스를 이용한 PACVD 법을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 인젝터용 볼.
제1항에 있어서,
상기 Mo 접합층이 적층되기 전에 플라즈마 상태의 Ar 이온이 상기 모재의 표면이 충돌되어 상기 모재의 표면이 세정되는 것을 특징으로 하는 연료 인젝터용 볼.
모재의 표면에 다층구조의 코팅재가 적층되는, 연료 인젝터용 밸브 시트로서,
상기 코팅재는,
상기 모재의 표면에 적층되는 Mo 접합층;
상기 Mo 접합층의 외측면에 적층되는 MoN 지지층; 및
상기 MoN 지지층의 외측면에 적층되는 Ta-C:H-SiO 기능층을 포함하고,
상기 Mo 접합층 및 상기 MoN 지지층은 물리적 증착법에 의해서 적층되고, 상기 Ta-C:H-SiO 기능층은 화학적 증착법에 의해서 적층되며,
상기 Mo 접합층은,
진공 분위기에서 Mo 타겟에 레이저를 조사하여 아크를 유발시켜 증발된 Mo 이온이 상기 모재에 증착되어 형성되고,
상기 MoN 지지층은,
상기 Mo 접합층의 적층이 완료된 상태에서 상기 레이저 조사를 통해서 상기 Mo 타겟에서 분리된 Mo 이온과, 활성 가스로 주입된 N2 가스에서 분리된 N 이온이 반응하여 형성된 MoN 입자를 상기 Mo 접합층의 외측면에 증착시켜 형성되며,
상기 Mo 접합층 및 상기 MoN 지지층은,
접착력 향상을 위하여 전자기 필터로 비이온 상태의 Mo 입자를 포집 제거하여 적층 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 인젝터용 밸브 시트.
제4항에 있어서,
상기 화학적 증착법은 탄화 가스 및 헥사메틸다이사이록산(Hexamethyl Disiloxane, HMDSO) 가스를 이용한 PACVD 법을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 인젝터용 밸브 시트.
제4항에서,
상기 Mo 접합층이 적층되기 전에 플라즈마 상태의 Ar 이온이 상기 모재의 표면이 충돌되어 상기 모재의 표면이 세정되는 것을 특징으로 하는 연료 인젝터용 밸브 시트.
연료 인젝터용 볼과 밸브 시트의 모재의 표면에 다층구조의 코팅재를 적층하는 코팅 방법으로서,
상기 모재의 외주면에 Mo 접합층이 물리적 증착법에 의해서 적층되는 Mo 접합층 형성 단계;
상기 Mo 접합층의 외측면에 MoN 지지층이 물리적 증착법에 의해서 적층되는 MoN 지지층 형성 단계; 및
상기 MoN 지지층의 외측면에 Ta-C:H-SiO 기능층이 화학적 증착법에 의해서 적층되는 형성되는 Ta-C:H-SiO 기능층 형성 단계;
를 포함하고,
상기 Mo 접합층 형성 단계는,
진공 분위기에서 Mo 타겟에 레이저를 조사하여 아크를 유발시켜 증발된 Mo 이온을 생성하는 Mo 이온 생성 단계;
상기 Mo 이온을 상기 모재의 표면으로 이동시키는 Mo 이온 이동 단계; 및
이동된 상기 Mo 이온을 상기 모재의 표면에 증착시키는 Mo 이온 증착 단계;
를 포함하며,
상기 MoN 지지층 형성 단계는,
상기 Mo 접합층의 적층이 완료된 상태에서 상기 레이저 조사를 통해서 상기 Mo 타겟에서 분리된 Mo 이온과, 활성 가스로 주입된 N2 가스에서 분리된 N 이온을 반응시켜 MoN 입자를 형성하는 MoN 입자 형성 단계; 및
상기 MoN 입자를 상기 Mo 접합층의 외측면에 증착시키는 MoN 입자 증착 단계;
를 포함하고,
상기 Mo 이온 생성 단계에서는,
접착력 향상을 위하여 전자기 필터로 비이온 상태의 Mo 입자를 포집 제거하는 것을 특징으로 하는 연료 인젝터용 볼과 밸브 시트의 코팅 방법.
삭제
삭제
삭제
제7항에서,
상기 화학적 증착법은 탄화 가스 및 HMDSO(Hexamethyl Disiloxane, HMDSO) 가스를 이용한 PACVD 법을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 인젝터용 볼과 밸브 시트의 코팅 방법.
제7항에서,
상기 볼 및 상기 밸브 시트가 반응 챔버의 내부에 배치된 상태에서, 상기 반응 챔버의 내부 분위기를 진공 상태로 유지하는 진공 형성 단계;
상기 반응 챔버의 내부로 Ar 가스를 주입하고, 상기 반응 챔버의 온도를 상승시켜 Ar 이온이 생성되는 플라즈마 상태를 형성하는 플라즈마 형성 단계; 및
상기 Ar 이온을 상기 볼 및 상기 밸브 시트의 모재의 표면에 충돌시켜 상기 모재의 표면을 세정하는 세정 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 인젝터용 볼과 밸브 시트의 코팅 방법.