KR20210080872A

KR20210080872A - 연료 인젝터용 부품과 그 코팅 방법

Info

Publication number: KR20210080872A
Application number: KR1020190172907A
Authority: KR
Inventors: 박한수; 박현준; 차성철
Original assignee: 주식회사 현대케피코
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2019-12-23
Publication date: 2021-07-01
Also published as: KR102299470B1; US11661649B2; US20210190024A1; CN113088881B; CN113088881A; DE102020216227A1

Abstract

본 발명은 연료 인젝터용 부품과 그 코팅 방법에 관한 것으로, 모재, 상기 모재에 적층되는 접합층, 상기 접합층의 외측면에 적층되는 지지층, 및 상기 지지층의 외측면에 NbCN층과 SiCN층이 교대로 적층되는 NbSiCN 기능층을 포함하여 연료 인젝터용 부품의 마찰저감, 고경화도, 내충격성, 내열성 및 내구성이 향상되는 효과가 있다.

Description

연료 인젝터용 부품과 그 코팅 방법 {ASSEMBLY FOR FUEL INJECTOR AND COATING METHOD FOR THE SAME}

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.

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, 접동 부품의 모재에 접합층을 형성하고, 접합층의 표면에 지지층을 형성하며, 지지층의 표면에 기능층을 형성하여, 접동 부품의 내마모성 및 내열성을 개선하는 방법이 있다.

한편, 일본국공개특허공보 제1994-25826호에는, 코팅재로서 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 발생하여 코팅 피막의 조도 악화 및 모재에 대한 접합력 악화 현상이 발생하여 전체적으로 코팅 피막의 내구성이 현저히 저하되는 현상이 발생할 가능성이 매우 높다는 문제점이 있다.

일본국공개특허공보 제1994-25826호

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 마찰저감, 고경화도, 내충격성, 내열성 및 내구성이 향상된 연료 인젝터용 부품을 제공하는데 목적이 있다.

또한, 초소형 부품의 필요부위에 정밀한 코팅을 제공하는 연료 인젝터용 부품의 코팅 방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 연료 인젝터용 부품은 모재, 상기 모재에 적층되는 접합층, 상기 접합층의 외측면에 적층되는 지지층, 및 상기 지지층의 외측면에 NbCN층과 SiCN층이 교대로 적층되는 NbSiCN 기능층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 NbSiCN 기능층은, 규소를 포함하는 타겟 물질을 증착시키는 동시에 탄화수소 가스를 주입하여 형성될 수 있다.

상기 NbSiCN 기능층은, 니오븀을 포함하는 타겟 물질을 증착시키는 동시에 탄화수소 가스를 주입하여 형성될 수 있다.

상기 NbSiCN 기능층은, 규소를 포함하는 타겟 물질과 니오븀을 포함하는 타겟 물질을 교대로 증착시키는 동시에 탄화수소 가스를 주입하여 형성될 수 있다.

상기 NbSiCN 기능층은, 고전력 충격 마그네트론 스퍼터링 방식으로 형성될 수 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 연료 인젝터용 부품의 코팅 방법은, 연료 인젝터용 부품의 모재의 표면에 다층구조의 코팅재를 적층하는 코팅 방법으로서, 상기 모재를 거치시키는 모재 거치 단계, 상기 모재의 외주면에 접합층이 적층되는 접합층 형성 단계, 상기 접합층의 외측면에 지지층이 적층되는 지지층 형성 단계, 및 상기 지지층의 외측면에 NbSiCN 기능층이 적층 형성되는 기능층 형성 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 기능층 형성 단계에서는, 규소를 포함한 타겟물질과 탄화수소 가스를 사용하여 NbSiCN 기능층을 형성시킬 수 있다.

상기 기능층 형성 단계에서는, 니오븀을 포함한 타겟물질과 탄화수소 가스를 사용하여 NbSiCN 기능층을 형성시킬 수 있다.

상기 기능층 형성 단계에서는, 규소를 포함한 타겟물질과 니오븀을 포함한 타겟물질을 사용하여 SiCN층과 NbCN층을 교대로 증착시켜 NbSiCN 기능층을 형성시킬 수 있다.

상기 기능층 형성 단계에서는, 고전력 충격 마그네트론 스퍼터링 방식으로 NbSiCN 기능층을 형성시킬 수 있다.

본 발명에 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 단계를 더 포함할 수 있다.

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.

또한, 얇은 두께의 코팅만으로로 내구성 및 내열성, 내충격성을 유지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 인젝터용 부품을 구비한 연료 인젝터의 부분 확대도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 증착된 코팅재가 적층된 연료 인젝터용 부품의 단면을 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 증착된 코팅재의 SEM(scanning electron microscope) 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 인젝터용 부품의 코팅 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

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/또는"이라는 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 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 인젝터용 부품을 구비한 연료 인젝터의 부분 확대도가 개시되어 있다.

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 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.

도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따라 증착된 코팅재가 적층된 연료 인젝터용 부품의 단면을 도시한 개략도가 개시되어 있고, 도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따라 증착된 코팅재의 SEM(scanning electron microscope) 사진이 개시되어 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 인젝터용 부품은 모재(100), 접합층(200), 지지층(300) 및 NbSiCN 기능층(400)을 포함한다.

상기 모재(100)는 상기 접합층(200), 상기 지지층(300) 및 상기 NbSiCN 기능층(400)이 적층될 수 있다.

한편, 본 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.

상기 접합층(200)은 상기 모재(100)에 적층되고, 상기 지지층(300)은 상기 접합층(200)의 외측면에 적층될 수 있다.

본 실시예에서는 상기 접합층(200)의 소재로 Cr을 사용하고, 상기 지지층(300)의 소재로 CrN 을 사용하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 접합층(200)의 소재로 Mo를 사용하고, 상기 지지층(300)의 소재로 MoN을 사용하는 것도 가능하다.

이 때, 상기 접합층(200) 및 상기 지지층(300)은 물리적 증착법, 바람직하게는 PVD( Physical Vapor Deposition)에 의해서 적층될 수 있다.

이들 접합층(200), 지지층(300) 및 NbSiCN 기능층(400)을 적층하는 상세 단계는 도 4를 참조하여 후술한다.

상기 접합층(200)은 상기 모재(100)와 상기 지지층(300)을 접합하기 위한 기능을 수행하고, 0.01 내지 0.5㎛ 범위의 두께로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 0.05㎛이지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 접합층(200)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 저하(두께의 25% 이상 손실)되는 문제가 발생할 수 있다.

상기 지지층(300)은 상기 접합층(200)과 NbSiCN 기능층(400)을 지지하는 역할을 하며, 0.1 내지 5㎛ 범위의 두께로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 0.2㎛이지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 지지층(300)의 두께가 0.1㎛미만인 경우에는 지지층의 두께 부족으로 인해 층간 경도 밸런스가 손실되며, 층간 경도 밸런스의 손실로 인해 내구성이 저하(두께 20% 이상 손실)되는 문제 및, 국부적 두께 손실 문제 및 마모흔(마모 기점 작용)이 발생하는 문제가 있다. 또한, 지지층(220)의 두께가 5㎛를 초과하는 경우에는 코팅 시간이 증가하는 문제(5시간 이상 소요) 및 상기 NbSiCN 기능층(400)의 적층에 약영향을 끼쳐, 주상(columnar) 구조(브리틀한 조직)가 형성되어, 층내 잔류 응력이 증대하는 문제가 발생할 수 있다.

상기 NbSiCN 기능층(400)은 상기 지지층(300)의 외측면에 적층되며, 저마찰, 내마모, 내열성 및 내 충격성을 갖는 기능성 층으로서 역할을 한다.

상기 NbSiCN 기능층(400)은 고전력 충격 마그네트론 스퍼터링 방식으로 형성될 수 있다. 상세하게는, 상기 NbSiCN 기능층(400)은, 규소를 포함하는 타겟 물질(Si 또는 SiC)과 니오븀(Nb)을 포함하는 타겟 물질을 교대로 증착시키는 동시에 탄화수소 가스(CxHy) 및 질소(N₂)를 공정가스로 주입하여 형성될 수 있다.

따라서, 상기 NbSiCN 기능층(400)은 상기 지지층(300)의 외측면에 SiCN층(410)과 NbCN(420)층이 교대로 적층되어 형성될 수 있다.

상기 NbSiCN 기능층(400)의 두께는 0.1 내지 10㎛이며, 바람직하게는 0.8㎛이나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 NbSiCN 기능층(400)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.

이하 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 연료 인젝터용 부품의 코팅 방법을 단계별로 설명한다.

연료 인젝터용 부품의 코팅 방법은 모재 거치 단계(S10), 진공 형성 단계(S20), 플라즈마 형성 단계(S30), 세정 단계(S40), 접합층 형성 단계(S50), 지지층 형성 단계(S60) 및 기능층 형성 단계(S70)를 포함한다.

먼저, 상기 모재 거치 단계(S10)에서는 모재(100)를 거치시킨다. 이때, 상기 모재(100)를 거치시키기 위한 치구(도면 미기재)를 사용하여 거치시킬 수 있다(S10). 상세하게는, 자석이 구비된 치구를 이용하여 금속 소재로 형성된 상기 모재(100)에 자기장에 의한 인력을 작용시켜 상기 모재(100)를 고정시킬 수 있다.

상기 진공 형성 단계(S20)에서는 반응 챔버 내부에 상기 모재(100)가 거치된 치구를 배치하고, 반응 챔버의 내부 분위기를 진공 상태로 형성 및 유지할 수 있다(S20).

다음으로 상기 플라즈마 형성 단계(S30)에서는 공정 가스로서 Ar 가스를 공급하고, 항온장치를 이용하여 온도를 상승시켜 Ar 이온이 형성된 플라즈마 상태를 형성할 수 있다(S30).

바람직하게는 항온장치를 이용하여 반응 챔버의 내부를 80℃로 유지한다.

이후 상기 세정 단계(S40)에서는 바이어스 전극에 바이어스 전압을 인가하고, Ar 이온이 상기 모재(100)의 표면에 충돌하도록 가속하여, 모재 표면을 세정할 수 있다(S40).

이는, 상기 모재(100) 표면에 자연적으로 형성되는 산화층 및 불순물을 제거하기 위한 에칭 과정을 우선적으로 수행하여, 코팅재와 모재 사이에 접착력을 높이기 위함이다.

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 모재를 세정한 이후(S40), 모재의 표면에 물리적 증착법, 바람직하게는 PVD 방식을 통해서 Cr 이온을 적층하여 상기 접합층(200)을 형성하는 접합층 형성 단계(S50)가 진행될 수 있다.

한편, 본 실시예의 접합층 형성 단계(S50)에서는, 스퍼터링 방식으로 접합층을 형성시킨다. 즉, 진공 상태에서 불활성 가스를 주입하고 Cr(타겟)에 마이너스 전압을 인가하여 방전시킴으로써 이온화된 Cr이 상기 모재(100)의 표면에 박막을 형성할 수 있다.

한편, 본 실시예와 다른 실시예로 접합층 형성 단계(S50)에서 Mo 이온을 이용하여 접합층을 형성하는 것도 가능하다.

다음으로, 접합층 형성 단계(S50)에서 형성된 상기 접합층(200)의 외측면에 상기 지지층(300)이 물리적 증착법, 바람직하게는 PVD 방식을 통해서 적층되는 지지층 형성 단계(S60)가 진행될 수 있다.

상세하게는, 상기 지지층 형성 단계(S60)에서는, 상기 접합층(200)의 적층이 완료된 상태에서 상기 접합층 형성 단계(S50)와 마찬가지로 스퍼터링 방식으로 생성된 Cr 이온과, 활성 가스로 주입된 질소(N2) 가스에서 분리된 N 이온을 반응시켜 CrN 입자를 형성하고, CrN 입자를 상기 접합층(200)의 외측면에 코팅시켜 상기 지지층(300)을 형성할 수 있다.

한편, 본 실시예와 다른 실시예로 지지층 형성 단계(S60)에서는 Mo 이온과 N을 반응시켜 MoN 입자를 증착시켜 지지층을 형성하는 것도 가능하다.

다음으로, 상기 지지층(300)의 외측면에 상기 NbSiCN 기능층(400)이 고전력 충격 마그네트론 스퍼터링(HiPIMS : High Power Impulse Magnetron Sputtering)방식으로 적층 형성되는 기능층 형성 단계(S70)가 진행될 수 있다.

고전력 충격 마그네트론 스퍼터링은 코팅 시 부가 전력 중 수 킬로와트의 짧은 펄스만 코팅 대상체에 사용되는 효과가 있다. 즉, 플라스마 조밀도를 높게 생성시켜 타겟 이온의 함량을 높일 수 있고, 그 결과 모재와 층간 결합력이 우수한 효과가 있다.

상기 기능층 형성 단계(S70)에서는 섭씨 80도 이상, 섭씨 500도 이하의 온도 조건, 바람직하게는 섭씨 200도의 온도 조건에서 공정을 진행할 수 있다. 공정 온도가 섭씨 80도 미만인 경우에는 기능층의 접합력이 저하되고, 두께의 부족에 따른 내구성 저하 문제가 발생하며, 공정에 필요한 시간이 증가되는 문제가 있다. 반면, 공정 온도가 섭씨 500도를 초과하는 경우에는 코팅층의 잠열에 의한 내부 응력 및 변형의 가능성이 발생한다.

상기 기능층 형성 단계(S70)에서는 Si(규소) 또는 SiC(탄화규소) 또는 Nb(니오븀)을 타겟 물질로 사용할 수 있다.

이때, 타겟 물질로 Si(규소) 또는 SiC(탄화규소)를 사용하는 경우에는 SiCN층이 형성되고, 타겟 물질로 Nb(니오븀)을 사용하는 경우에는 NbCN층이 형성될 수 있다.

특히, 본 실시예의 상기 기능층 형성 단계(S70)에서는, 규소를 포함한 타겟물질(Si 또는 SiC)과 니오븀(Nb)을 포함한 타겟물질을 교대로 사용하여 SiCN층(410)과 NbCN층(420)을 교대로 증착시켜 복수개의 층으로 구성된 상기 NbSiCN 기능층(400)을 형성시킬 수 있다.

상기 기능층 형성 단계(S70)에서는 전원공급 500Hz, 펄스 폭 100ms, 평균 전력 100W 이상 300W 이하(피크 전류 0.2A, 피크 전압 652V)의 고전력 충격을 발생시킬 수 있다.

평균 전력이 100W 미만일 경우에는 기능층의 접합력이 저하되고, 두께의 부족에 따른 내구성 저하 문제가 발생하며, 공정에 필요한 시간이 증가되는 문제가 있다. 반면, 평균 전력이 300W를 초과하는 경우에는 기능층의 표면에 버블 등의 결함이 발생할 수 있고, 기능층 내에 잔류응력이 증가될 수 있다.

반응성 가스(공정 가스)로 탄화수소(C_XH_Y) 가스 및 Ar 가스를 주입하여 상기 NbSiCN 기능층(400)을 형성시킬 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 탄화수소 가스로 메탄(CH₄) 또는 에탄(C₂H₆)이 대표적으로 사용되나, 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

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 표면을 세정하였다.

그 후, PVD 방식을 통해 증발된 Cr 이온을 모재의 표면에 Cr 성분의 상기 접합층(200)을 0.05㎛의 두께로 적층하였다.

그리고, 챔버의 내부로 공정 가스인 N₂를 주입하고, Cr 타겟에서 증발된 Cr 이온과 반응시켜 CrN 성분의 상기 지지층(300)을 0.2㎛의 두께로 코팅하였다.

그 후, 규소를 포함하는 타겟물질과 니오븀을 포함하는 타겟 물질을 사용하여 HiPIMS 방식으로 증착함과 동시에 탄화수소 가스 및 Ar 가스를 반응 챔버 내부로 주입하여, 상기 NbSiCN 기능층(400)을 형성하였다.

비교예 1

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

비교예 2

모재의 표면에 PVD 방식으로 Cr 접합층을 형성하고, 상기 Cr 접합층의 외주면에 PVD 방식으로 CrN 지지층을 형성하고, 이후, PVD 방식을 통해 CW(텅스텐카바이드) 기능층을 형성하였다.

비교예 3

SUS440C 스테인레스 모재에 실시예와 같이 동일한 두께를 갖는 코팅재를 형성하고, 모재의 표면에 PVD 방식으로 Cr 접합층을 형성하고, 상기 Cr 접합층의 외주면에 PVD 방식으로 CrN 지지층을 형성하고, 이후, PACVD 방식을 통해 CrN 지지층의 표면에 Si0-DLC 기능층을 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	Cr/CrN/NbSiCN	SUS440C(코팅 無)	Cr/CrN/WCC	Cr/CrN/SiO-DLC
두께(um)	1.1	-	1.9	2.0
코팅 공정	PVD + HiPIMS	-	PVD	PVD & PACVD
내구성능평가결과 (Dry-run test)	두께:0%손실 육안:마모흔無	마모흔 大	두께:50%손실 육안:마모흔 有	두께:27%손실 육안:마모흔 有

상기 표 1에 따르면, 내구 성능 실험 결과 본 발명의 실시예에 따른 연료 인젝터용 부품은 코팅재의 두께가 0% 손실되고, 마모흔이 발견되지 않는다는 것이 확인되었다.

반면, 비교예 2의 경우, 코팅재의 두께가 50% 손실되었으며, 다소의 마모흔이 발견되었음이 확인되었다.

또한, 비교예 3의 경우, 코팅재의 두께가 27% 손실되었으며, 다소의 마모흔이 발견되었음이 확인되었다.

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.

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	Cr/CrN/NbSiCN	SUS440C(코팅 無)	Cr/CrN/WCC	Cr/CrN/SiO-DLC
경도(HV)	4826(47.33GPa)	772(7.32GPa)	1305(12.35GPa)	2173(20.63GPa)
내열온도(℃)	700	-	300	400
조도 Ra(um)	0.024	0.2	0.052	0.043
마찰계수 건식	0.1	0.45	0.16	0.13
마찰계수 오일	0.022	0.22	0.07	0.06
밀착력	HF1 52N	-	HF1-2 28N	HF1-2 31N

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 52 N으로서 다른 비교예들, 특히 비교예 3의 밀착력 31 N에 비해 우수한 것으로 평가되는데, 이는 본원의 HiPIMS 방식에 따라 증착된 실시예의 표면 조도가 매우 낮게 유지될 수 있기 때문인 것으로 분석된다.

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.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

100 : 모재
200 : 접합층
300 : 지지층
400 : NbSiCN 기능층
410 : SiCN층
420 : NbCN층

Claims

모재;
상기 모재에 적층되는 접합층;
상기 접합층의 외측면에 적층되는 지지층; 및
상기 지지층의 외측면에 NbCN층과 SiCN층이 교대로 적층되는 NbSiCN 기능층;
을 포함하는 연료 인젝터용 부품.
제1항에 있어서,
상기 SiCN층은,
규소를 포함하는 타겟 물질을 증착시키는 동시에 탄화수소 가스를 주입하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 인젝터용 부품.
제1항에 있어서,
상기 NbCN층은,
니오븀을 포함하는 타겟 물질을 증착시키는 동시에 탄화수소 가스를 주입하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 인젝터용 부품.
제1항에 있어서,
상기 NbSiCN 기능층은,
규소를 포함하는 타겟 물질과 니오븀을 포함하는 타겟 물질을 교대로 증착시키는 동시에 탄화수소 가스를 주입하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 인젝터용 부품.
제1항에 있어서,
상기 NbSiCN 기능층은,
고전력 충격 마그네트론 스퍼터링 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 인젝터용 부품.
연료 인젝터용 부품의 모재의 표면에 다층구조의 코팅재를 적층하는 코팅 방법으로서,
상기 모재를 거치시키는 모재 거치 단계;
상기 모재의 외주면에 접합층이 적층되는 접합층 형성 단계;
상기 접합층의 외측면에 지지층이 적층되는 지지층 형성 단계; 및
상기 지지층의 외측면에 NbSiCN 기능층이 적층 형성되는 기능층 형성 단계;
를 포함하는 연료 인젝터용 부품의 코팅 방법.
제6항에 있어서,
상기 기능층 형성 단계에서는,
규소를 포함한 타겟물질과 탄화수소 가스를 사용하여 NbSiCN 기능층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 연료 인젝터용 부품의 코팅 방법.
제6항에 있어서,
상기 기능층 형성 단계에서는,
니오븀을 포함한 타겟물질과 탄화수소 가스를 사용하여 NbSiCN 기능층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 연료 인젝터용 부품의 코팅 방법.
제6항에 있어서,
상기 기능층 형성 단계에서는,
규소를 포함한 타겟물질과 니오븀을 포함한 타겟물질을 사용하여 SiCN층과 NbCN층을 교대로 증착시켜 상기 NbSiCN 기능층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 연료 인젝터용 부품의 코팅 방법.
제6항에 있어서,
상기 기능층 형성 단계에서는,
고전력 충격 마그네트론 스퍼터링 방식으로 상기 NbSiCN 기능층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 연료 인젝터용 부품의 코팅 방법.
제6항에 있어서,
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 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 인젝터용 부품의 코팅 방법.