JP2000001767A - 摺動部材 - Google Patents

摺動部材

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JP2000001767A JP10170930A JP17093098A JP2000001767A JP 2000001767 A JP2000001767 A JP 2000001767A JP 10170930 A JP10170930 A JP 10170930A JP 17093098 A JP17093098 A JP 17093098A JP 2000001767 A JP2000001767 A JP 2000001767A
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元伸 小野田
Katsuaki Ogawa
勝明 小川
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    • Y10T428/12785Group IIB metal-base component

Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐摩耗性、耐スカッフィング性および相手材
の摩耗を増加させない特性(相手攻撃性)に優れた皮膜
が被覆された摺動部材を提供する。 【解決手段】 摺動部材の外周面3にCr−V−B−N
合金皮膜4を被覆することによって、上記課題を解決す
る。このとき、Cr−V−B−N合金皮膜が、物理的蒸
着法、特にイオンプレーティング法、真空蒸着法または
スパッタリング法で形成されることが好ましく、V含有
量が0.1〜30重量%およびB含有量が0.05〜2
0重量%であることが好ましい。摺動部材の外周面3に
設けられるCr−V−B−N合金皮膜4は、耐摩耗性、
耐スカッフィング性および相手攻撃性に優れるので、摺
動部材の摺動環境が過酷になっても、要求性能を満足さ
せる摺動部材を提供できる。また、摺動部材の全周面又
は少なくとも外周面3に窒化層5が設けられ、窒化層5
上にCr−V−B−N合金皮膜4が被覆されていること
が好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、摺動部材に関し、
特に耐摩耗性、耐スカッフィング性および相手材の摩耗
を増加させない特性(以下「相手攻撃性」という。)に
優れた例えば内燃機関用の摺動部材の改良に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】従来より、内燃機関用の摺動部材である
ピストンリングの摺動面には、その耐久性を改善するた
め、硬質クロムめっき処理や窒化処理などの耐摩耗性を
目的とした表面処理が施されている。
【0003】しかし近年、エンジン等の内燃機関は、ま
すます軽量化および高出力化の方向に向かっているの
で、ピストンリングの摺動環境は非常に過酷になり、上
記したような従来の表面処理では耐摩耗性等の機能を充
分に満足させることができなくなってきている。
【0004】そのため、ピストンリング等の摺動部材に
は、さらに高い品質、例えば耐摩耗性、耐スカッフィン
グ性および相手攻撃性に優れた皮膜や表面処理が求めら
れている。
【0005】こうした問題を解決すべく、一部の内燃機
関や部品には、耐摩耗性を向上させるため、PVD(物
理的蒸着)法で作製された窒化クロム(Cr−N)や窒
化チタン(Ti−N)等の硬質皮膜が被覆されている。
しかし、これらの皮膜は、それ自身の耐摩耗性を向上さ
せるのには優れているが、時として相手材であるシリン
ダライナの摩耗を増加させるという問題がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
の点に鑑み、従来の表面処理の欠点を解決し、耐摩耗
性、耐スカッフィング性および相手攻撃性に優れた皮膜
が被覆された摺動部材を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の摺動部材は、そ
の外周面にクロム(Cr)−バナジウム(V)−ホウ素
(B)−窒素(N)合金皮膜が被覆されていることに特
徴を有する。このとき、このCr−V−B−N合金皮膜
が、物理的蒸着法、特にイオンプレーティング法、真空
蒸着法またはスパッタリング法で形成されることが好ま
しく、V含有量が0.1〜30重量%およびB含有量が
0.05〜20重量%であることが好ましい。この発明
によれば、摺動部材の外周面に設けられるCr−V−B
−N合金皮膜は、耐摩耗性、耐スカッフィング性および
相手攻撃性に優れるので、摺動部材の摺動環境が過酷に
なっても、要求性能を満足させる摺動部材を提供でき
る。
【0008】また、前記摺動部材の全周面または少なく
とも外周面に窒化層が設けられ、該窒化層上に前記Cr
−V−B−N合金皮膜が被覆されていることが好まし
い。この発明によれば、摺動部材の表面に硬質の窒化層
を設けることにより、Cr−V−B−N合金皮膜の被覆
とあいまって、より一層耐摩耗性、耐スカッフィング性
および相手攻撃性に優れた摺動部材とすることができ
る。
【0009】
【発明の実施の形態】図1は、内燃機関用の摺動部材の
一例であるピストンリング1の構成を示すもので、
(a)は(b)のIa部の拡大図であり、(b)は部分
破断面Iaを示すピストンリング1の斜視図である。ピ
ストンリング1の母材2の外周面3には、Cr−V−B
−N合金皮摸4が設けられている。なお、以下ではピス
トンリングについて説明するが、本発明の摺動部材とし
ては、ピストンリングに限らず、例えば自動車部品やコ
ンプレッサー部品であってもよい。
【0010】ピストンリング1の母材2としては、通
常、ステンレススチールおよびステンレススチールに窒
化処理したものが使用される。窒化処理によってステン
レススチールの表面層に窒素を拡散浸炭させ、硬質の窒
化層5を形成することができるので、特にピストンリン
グ1等の摺動部材に好んで用いられる。なお、窒化処理
は、従来公知の方法で行なうことができる。
【0011】Cr−V−B−N合金皮摸4は、ピストン
リング1の外周面3に設けることが好ましい。ピストン
リング1の外周面3は、その摺動の際、相手材であるシ
リンダライナと接触するので、少なくとも外周面3にC
r−V−B−N合金皮摸4を設けることによって、耐摩
耗性、耐スカッフィング性および相手攻撃性に優れるピ
ストンリング1とすることができる。なお、外周面3以
外の面に形成したものであってもよく、特に制限されな
い。また、Cr−V−B−N合金皮膜4は、鋳鉄製やア
ルミニウム合金製のシリンダライナ等の相手材に対して
特に相手攻撃性に優れており、これらの相手材との関係
において特に好ましく適用される。
【0012】Cr−V−B−N合金皮摸4の形成は、通
常、PVD(物理的蒸着)法によってピストンリング1
の外周面3上に形成される。PVD法としては、イオン
プレーティング法、真空蒸着法、スパッタリング法等を
挙げることができる。形成されるCr−V−B−N合金
皮摸4の厚さは、特に限定されるものではないが、通常
1〜70μmの範囲内であることが好ましい。
【0013】得られたCr−V−B−N合金皮摸4は、
V含有量が0.1〜30重量%およびB含有量が0.0
5〜20重量%であることが好ましい。VおよびBがC
r−N合金中に含まれることによって形成されるCr−
V−B−N合金皮摸4は、耐摩耗性および耐スカッフィ
ング性に優れると共に、特に相手攻撃性に優れる。V含
有量が0.1重量%未満且つB含有量が0.05重量%
未満では、VおよびBの好ましい作用乃至機能を充分に
発揮することができず、耐スカッフィング性および相手
攻撃性で期待する効果が得られない。V含有量が30重
量%を超え且つB含有量が20重量%を超えると、合金
皮膜4の内部応力が高く、靱性が低下し、合金皮膜4に
クラックおよび層間剥離等が発生し、ピストンリングと
しての機能を果たさなくなる。V含有量の特に好ましい
範囲としては1〜25重量%であり、B含有量の特に好
ましい範囲としては0.8〜12重量%である。
【0014】Cr−V−B−N合金皮摸4を構成するC
r含有量は、77.4〜49.6重量%の範囲であるこ
とが好ましく、N含有量は、20.8〜13.4重量%
の範囲であることが好ましい。
【0015】
【実施例】以下、実施例によって本発明を更に具体的に
説明する。
【0016】先ず、18mm×12mm×6mmの鋼板
平板の片面をラッピングし、1μm以下の表面粗さに仕
上げ、試験試料とした。試料はあらかじめ有機溶剤液中
で超音波洗浄を行った。次いで、以下に説明する手順で
アークイオンプレーティング法により、Cr−V−B−
N合金皮膜4を形成した。
【0017】(Cr−V−B−N合金皮膜の形成手順)
試料をアークイオンプレーティング装置のチャンバ(真
空容器)内に取り付け、5×10-3Torrまで真空引
きを行った。チャンバ内に内蔵されているヒーターによ
り、試料表面に付着あるいは吸着しているガスを放出さ
せた。所定の組成のCr−V−B合金をターゲットとし
て使用し、その表面でアーク放電を発生させ、Cr、V
およびBのイオンを放出させた。試料に−800V(ボ
ルト)を印加して試料表面をスパッタクリーニング(イ
オンボンバード)した。その後、アーク放電が起こって
いるチャンバ中に窒素ガスを導入し、試料に−50Vの
バイアス電圧を印加して試料表面にCr−V−B−N合
金皮膜4を20μm形成した。
【0018】V含有量およびB含有量を変化させたCr
−V−B−N合金皮膜4の形成は、組成の異なるCr−
V−B合金ターゲットを使用することによって行なっ
た。こうして、表1に示す組成比からなる本発明品のC
r−V−B−N合金皮膜4を形成し、試料No.1〜4
とした。また、比較品として、一部実用化されているC
r−N合金皮膜を形成し、試料No.5とした。
【0019】
【表1】
【0020】(摩耗試験)上記方法により作製した試料
No.1〜5を用いて、下記の摩耗試験条件で耐摩耗性
の評価を行った。
【0021】耐摩耗性試験は、アムスラー型摩耗試験機
を使用し、試料(何れも、18mm×12mm×6m
m)を固定片とし、相手材(回転片)にはドーナツ状
(外径40mm、内径16mm、厚さ10mm)のもの
を用いた。形成された合金皮膜がドーナツ状の回転片に
接触するように、試料をセットした。試験結果を図2に
示した。なお、耐摩耗性は、試料No.5(比較品)の
摩耗量を100としたときの試料No.1〜4(本発明
品)の摩耗量を、試料No.5(比較品)に対する摩耗
指数として比較した。従って、試料No.1〜4(本発
明品)の摩耗指数が100より小さいほど摩耗量が少な
いので、試料No.5(比較品)よりも耐摩耗性に優れ
ることとなる。
【0022】まお、このとき、相手材である回転片の摩
耗量を測定し、相手攻撃性を評価した。相手攻撃性も耐
摩耗性と同様に、試料No.5(比較品)を使用したと
きの回転片の摩耗量を100とし、試料No.1〜4
(本発明品)を使用したときの回転片の摩耗量を、試料
No.5(比較品)を使用したときの摩耗量に対する指
数として比較して、図3に示した。従って、試料No.
1〜4(本発明品)を使用したときの相手攻撃性指数が
100より小さいほど、試料No.5(比較品)を使用
したときよりも相手材の摩耗を増加させないので、相手
攻撃性に優れることとなる。
【0023】摩耗試験条件; 試験機:アムスラー型摩耗試験機 方法 :回転片のほぼ半分を油に浸漬し、固定片を接触
させ、荷重を負荷して摩耗試験を行う。 相手材:FC25(HRB98) 潤滑油:軸受け油 油温 :80℃ 周速 :1m/sec(478rpm) 荷重 :150kg 時間 :7Hr 摩耗量測定:粗さ計による段差プロフィールで摩耗量
(μm)を測定
【0024】(耐スカッフィング性試験)上述の試料N
o.1〜4(本発明品)および試料No.5(比較品)
を使用し、耐スカッフィング性を下記のスカッフィング
試験条件で評価した。試験結果を図4に示した。なお、
耐スカッフィング性は、試料No.5(比較品)のスカ
ッフ発生荷重を100とし、試料No.1〜4(本発明
品)のスカッフ発生荷重を、試料No.5(比較品)に
対するスカッフ指数として比較した。従って、試料N
o.1〜4(本発明品)のスカッフ指数が100より大
きいほど、スカッフ発生荷重が大きくなり、試料No.
5(比較品)よりも耐スカッフィング性に優れることと
なる。
【0025】スカッフィング試験条件; 試験機:アムスラー型摩耗試験機 方法 :試験片に潤滑油を付着させ、スカッフ発生まで
荷重を負荷させる。 相手材:FC25(HRB98) 潤滑油:2号スピンドル油 油温 :成り行き 周速 :1m/sec(478rpm) 荷重 :スカッフ発生まで 時間 :成り行き
【0026】(剥離性試験)上述の試料No.1〜4
(本発明品)および試料No.5(比較品)を使用し、
耐剥離性を下記の剥離試験条件で評価した。試験結果を
図5に示した。なお、耐剥離性は、試料No.5(比較
品)の剥離発生回数を100としたとき、試料No.1
〜4(本発明品)の剥離発生回数を、試料No.5(比
較品)に対する剥離性指数として比較した。従って、試
料No.1〜4(本発明品)の剥離性指数が100より
小さくなると、試料No.5(比較品)よりも少ない回
数で剥離が発生することとなるので、耐剥離性に劣るこ
ととなる。NPR式衝撃試験装置を図6に示す。
【0027】剥離試験条件; 試験機:NPR式衝撃試験装置(特開昭36−1904
6号、めっき密着度の定量的試験装置)の改良試験機。 方法 :PVD合金皮膜表面に、1回当たり43.1m
J(44kg/mm)の衝撃エネルギーを加え、剥離発
生迄の回数で評価。 剥離の有無:表面を15倍に拡大して観察し、評価し
た。
【0028】(試験結果)V含有量が0.1〜30重量
%であり且つB含有量が0.05〜20重量%である本
発明の範囲のCr−V−B−N合金皮膜4を形成した試
料No.1〜4(本発明品)は、摩耗指数および相手攻
撃性指数の低下と、スカッフ指数の上昇がみられ、耐摩
耗性、耐スカッフィング性、相手攻撃性に優れていた。
【0029】また、耐剥離性においても試料No.5と
同じであり、耐剥離性においても優れていた。
【0030】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の摺動部材
によれば、摺動面にCr−V−B−N合金皮膜が設けら
れているので、一部実用化されているCr−N合金皮膜
より、耐摩耗性、耐スカッフィング性および相手攻撃性
において、より優れた効果・機能を有する。
【0031】本発明の摺動部材は、今後開発が予想され
る高出カ・高温高負荷のエンジンに対しても十分に使用
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の内燃機関用摺動部材の一例の拡大断面
図(a)と部分破断面を示した斜視図(b)である。
【図2】耐摩耗性(摩耗指数)を示すグラフである。
【図3】相手攻撃性(相手攻撃性指数)を示すグラフで
ある。
【図4】耐スカッフィング性(スカッフ指数)を示すグ
ラフである。
【図5】耐剥離性(剥離性指数)を示すグラフである。
【図6】NPR式衝撃試験装置を使用した剥離性試験を
表す概略図である。
【符号の説明】
1 ピストンリング 2 母材 3 外周面 4 Cr−V−B−N合金皮膜 5 窒化層 11 圧子 12 当金
【手続補正書】
【提出日】平成10年7月28日(1998.7.2
8)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0009
【補正方法】変更
【補正内容】
【0009】
【発明の実施の形態】図1は、内燃機関用の摺動部材の
一例であるピストンリング1の構成を示すもので、
(a)は(b)のIa部の拡大図であり、(b)は部分
破断面Iaを示すピストンリング1の斜視図である。ピ
ストンリング1の母材2の外周面3には、Cr−V−B
−N合金皮4が設けられている。なお、以下ではピス
トンリングについて説明するが、本発明の摺動部材とし
ては、ピストンリングに限らず、例えば自動車部品やコ
ンプレッサー部品であってもよい。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0011
【補正方法】変更
【補正内容】
【0011】Cr−V−B−N合金皮4は、ピストン
リング1の外周面3に設けることが好ましい。ピストン
リング1の外周面3は、その摺動の際、相手材であるシ
リンダライナと接触するので、少なくとも外周面3にC
r−V−B−N合金皮4を設けることによって、耐摩
耗性、耐スカッフィング性および相手攻撃性に優れるピ
ストンリング1とすることができる。なお、外周面3以
外の面に形成したものであってもよく、特に制限されな
い。また、Cr−V−B−N合金皮膜4は、鋳鉄製やア
ルミニウム合金製のシリンダライナ等の相手材に対して
特に相手攻撃性に優れており、これらの相手材との関係
において特に好ましく適用される。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0012
【補正方法】変更
【補正内容】
【0012】Cr−V−B−N合金皮4の形成は、通
常、PVD(物理的蒸着)法によってピストンリング1
の外周面3上に形成される。PVD法としては、イオン
プレーティング法、真空蒸着法、スパッタリング法等を
挙げることができる。形成されるCr−V−B−N合金
4の厚さは、特に限定されるものではないが、通常
1〜70μmの範囲内であることが好ましい。
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0013
【補正方法】変更
【補正内容】
【0013】得られたCr−V−B−N合金皮4は、
V含有量が0.1〜30重量%およびB含有量が0.0
5〜20重量%であることが好ましい。VおよびBがC
r−N合金中に含まれることによって形成されるCr−
V−B−N合金皮4は、耐摩耗性および耐スカッフィ
ング性に優れると共に、特に相手攻撃性に優れる。V含
有量が0.1重量%未満且つB含有量が0.05重量%
未満では、VおよびBの好ましい作用乃至機能を充分に
発揮することができず、耐スカッフィング性および相手
攻撃性で期待する効果が得られない。V含有量が30重
量%を超え且つB含有量が20重量%を超えると、合金
皮膜4の内部応力が高く、靱性が低下し、合金皮膜4に
クラックおよび層間剥離等が発生し、ピストンリングと
しての機能を果たさなくなる。V含有量の特に好ましい
範囲としては1〜25重量%であり、B含有量の特に好
ましい範囲としては0.8〜12重量%である。
【手続補正5】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0014
【補正方法】変更
【補正内容】
【0014】Cr−V−B−N合金皮4を構成するC
r含有量は、77.4〜49.6重量%の範囲であるこ
とが好ましく、N含有量は、20.8〜13.4重量%
の範囲であることが好ましい。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金光 圭一 埼玉県与野市本町西5−2−6 日本ピス トンリング株式会社与野工場内 Fターム(参考) 4K029 AA02 AA21 BA21 BA31 BB02 BC02 BD04 CA01 CA03 CA05 DC04 DD06 EA02 EA04 4K044 AA02 AB05 BA02 BA18 BB03 BC01 CA12 CA13

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 外周面にCr−V−B−N合金皮膜が被
    覆されていることを特徴とする摺動部材。
  2. 【請求項2】 前記Cr−V−B−N合金皮膜が、物理
    的蒸着法によって形成されることを特徴とする請求項1
    に記載の摺動部材。
  3. 【請求項3】 前記物理的蒸着法が、イオンプレーティ
    ング法、真空蒸着法またはスパッタリング法であること
    を特徴とする請求項2に記載の摺動部材。
  4. 【請求項4】 前記Cr−V−B−N合金皮膜におい
    て、V含有量が0.1〜30重量%であり、B含有量が
    0.05〜20重量%であることを特徴とする請求項1
    乃至請求項3の何れかに記載の摺動部材。
  5. 【請求項5】 前記摺動部材の全周面または少なくとも
    外周面に窒化層が設けられ、該窒化層上に前記Cr−V
    −B−N合金皮膜が被覆されていることを特徴とする請
    求項1乃至請求項4の何れかに記載の摺動部材。
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