JP2001335878A - 摺動部材 - Google Patents
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- JP2001335878A JP2001335878A JP2000159473A JP2000159473A JP2001335878A JP 2001335878 A JP2001335878 A JP 2001335878A JP 2000159473 A JP2000159473 A JP 2000159473A JP 2000159473 A JP2000159473 A JP 2000159473A JP 2001335878 A JP2001335878 A JP 2001335878A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 摺動特性、特に耐剥離性を向上させた硬質皮
膜を被覆した摺動部材を提供する。 【解決手段】 ピストンリング１の外周面に硬質皮膜３
をアークイオンプレーティングによって被覆する。硬質
皮膜３は、ＣｒＮ型の窒化クロムからなり、結晶の格子
定数が０．４１４５〜０．４２００ｎｍの範囲にあり、
Ｃｒの含有量が３０〜４９原子％である。この硬質皮膜
３は、ＮやＮ以外の元素を１種又は２種以上固溶してい
る。Ｎ以外の固溶元素としては、Ｈｅ，Ｌｉ，Ｂ，Ｃ，
Ｏ，Ｎｅ，Ｍｇ，Ｐ，Ｓ，Ａｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｆ
ｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｓ
ｎ，Ｈｆ，Ｔａ，及びＷがある。固溶元素の含有量は２
〜４０原子％である。
膜を被覆した摺動部材を提供する。 【解決手段】 ピストンリング１の外周面に硬質皮膜３
をアークイオンプレーティングによって被覆する。硬質
皮膜３は、ＣｒＮ型の窒化クロムからなり、結晶の格子
定数が０．４１４５〜０．４２００ｎｍの範囲にあり、
Ｃｒの含有量が３０〜４９原子％である。この硬質皮膜
３は、ＮやＮ以外の元素を１種又は２種以上固溶してい
る。Ｎ以外の固溶元素としては、Ｈｅ，Ｌｉ，Ｂ，Ｃ，
Ｏ，Ｎｅ，Ｍｇ，Ｐ，Ｓ，Ａｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｆ
ｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｓ
ｎ，Ｈｆ，Ｔａ，及びＷがある。固溶元素の含有量は２
〜４０原子％である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、摺動特性、特に耐
剥離性を改善した硬質皮膜が被覆されている摺動部材例
えば内燃機関用ピストンリング等に関する。
剥離性を改善した硬質皮膜が被覆されている摺動部材例
えば内燃機関用ピストンリング等に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、エンジンの高出力化や排気ガス規
制の対応に伴って、ピストンリングの使用環境は益々過
酷になってきており、耐摩耗性や耐焼付性の向上が求め
られる。その対策として、ＰＶＤ法を利用したＣｒＮや
ＴｉＮ等からなる硬質皮膜が提案されている。特に耐久
性が要求されるエンジンでは、厚膜化が可能な窒化クロ
ムからなる硬質皮膜が採用されている。また、窒化クロ
ムの結晶構造中に酸素等の元素を固溶して、摺動特性を
向上させた硬質皮膜が特許第２７５７９７４号や特許第
２９７７０６６号に提案されている。
制の対応に伴って、ピストンリングの使用環境は益々過
酷になってきており、耐摩耗性や耐焼付性の向上が求め
られる。その対策として、ＰＶＤ法を利用したＣｒＮや
ＴｉＮ等からなる硬質皮膜が提案されている。特に耐久
性が要求されるエンジンでは、厚膜化が可能な窒化クロ
ムからなる硬質皮膜が採用されている。また、窒化クロ
ムの結晶構造中に酸素等の元素を固溶して、摺動特性を
向上させた硬質皮膜が特許第２７５７９７４号や特許第
２９７７０６６号に提案されている。
【０００３】特許第２７５７９７４号では、Ｃｒ：Ｎ：
Ｏ＝１：０．９〜０．１：１．２（原子％比）であり、
特許第２９７７０６６号では、Ｍ群（Ｔｉ，Ｖ，Ｚｒ，
Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ及びＡｌから選択された１
種又は２種以上の金属元素）の組成比が原子％比でＭ／
（Ｃｒ＋Ｍ）＝１〜５５％である。
Ｏ＝１：０．９〜０．１：１．２（原子％比）であり、
特許第２９７７０６６号では、Ｍ群（Ｔｉ，Ｖ，Ｚｒ，
Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ及びＡｌから選択された１
種又は２種以上の金属元素）の組成比が原子％比でＭ／
（Ｃｒ＋Ｍ）＝１〜５５％である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記皮
膜を被覆した場合でも、過酷なエンジン条件下にあって
は、使用中に表面に摺動による過度の繰り返し応力を受
けると、クラックが発生し、その後、剥離が発生する場
合がある。
膜を被覆した場合でも、過酷なエンジン条件下にあって
は、使用中に表面に摺動による過度の繰り返し応力を受
けると、クラックが発生し、その後、剥離が発生する場
合がある。
【０００５】本発明は上記点に鑑みてなされたものであ
り、その課題は、摺動特性、特に耐剥離性を向上させた
硬質皮膜を被覆した摺動部材を提供することである。
り、その課題は、摺動特性、特に耐剥離性を向上させた
硬質皮膜を被覆した摺動部材を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、次の手段を採る。すなわち、本発明は、
ＣｒＮ型の窒化クロムの格子定数を０．４１４５〜０．
４２００ｎｍの範囲とすることにより、硬質皮膜の耐剥
離性を改善した。格子定数が０．４１４５ｎｍ未満では
耐剥離性の改善効果が無く、０．４２００ｎｍを越える
と耐剥離性の改善効果が無いと共に、製造時に欠け等の
不具合が発生する場合がある。
決するために、次の手段を採る。すなわち、本発明は、
ＣｒＮ型の窒化クロムの格子定数を０．４１４５〜０．
４２００ｎｍの範囲とすることにより、硬質皮膜の耐剥
離性を改善した。格子定数が０．４１４５ｎｍ未満では
耐剥離性の改善効果が無く、０．４２００ｎｍを越える
と耐剥離性の改善効果が無いと共に、製造時に欠け等の
不具合が発生する場合がある。
【０００７】ちなみに、ＣｒＮ型の窒化クロムの格子定
数は、ＪＣＰＤＳカードでは、０．４１４０ｎｍであ
る。 ＪＣＰＤＳ：Ｊｏｉｎｔ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ ｏｎ
Ｐｏｗｄｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ
数は、ＪＣＰＤＳカードでは、０．４１４０ｎｍであ
る。 ＪＣＰＤＳ：Ｊｏｉｎｔ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ ｏｎ
Ｐｏｗｄｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ
【０００８】格子定数を上記所定の範囲とするには、次
の少なくとも一方の手段を採ることで実現できる。 ＣｒＮの原子間に元素を侵入させる（侵入型固溶
体）。 格子を形成しているクロムをクロムのイオン半径より
も大きい元素で置換する（置換型固溶体）。 具体的には、侵入型固溶体の場合は、Ｎ，Ｈｅ，Ｂ，
Ｃ，Ｏ，Ｎｅ，Ｐ，Ｓ，及びＡｒからなる群から選択さ
れた１種又は２種以上を固溶させる。また、置換型固溶
体の場合は、Ｌｉ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃ
ｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｓｎ，Ｈ
ｆ，Ｔａ，及びＷからなる群から選択された１種又は２
種以上を固溶させる。
の少なくとも一方の手段を採ることで実現できる。 ＣｒＮの原子間に元素を侵入させる（侵入型固溶
体）。 格子を形成しているクロムをクロムのイオン半径より
も大きい元素で置換する（置換型固溶体）。 具体的には、侵入型固溶体の場合は、Ｎ，Ｈｅ，Ｂ，
Ｃ，Ｏ，Ｎｅ，Ｐ，Ｓ，及びＡｒからなる群から選択さ
れた１種又は２種以上を固溶させる。また、置換型固溶
体の場合は、Ｌｉ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃ
ｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｓｎ，Ｈ
ｆ，Ｔａ，及びＷからなる群から選択された１種又は２
種以上を固溶させる。
【０００９】Ｃｒの含有量は３０〜４９原子％の範囲と
するのが好ましい。３０原子％未満では耐摩耗性が不足
する場合があり、４９原子％を越えると耐剥離性の改善
効果がない。
するのが好ましい。３０原子％未満では耐摩耗性が不足
する場合があり、４９原子％を越えると耐剥離性の改善
効果がない。
【００１０】固溶元素の含有量は２〜４０原子％の範囲
とするのが好ましい。２原子％未満では格子定数の増加
の効果が少なく、４０原子％を越えると密着性が悪くな
り製造上好ましくない。
とするのが好ましい。２原子％未満では格子定数の増加
の効果が少なく、４０原子％を越えると密着性が悪くな
り製造上好ましくない。
【００１１】上記摺動部材においては、硬質皮膜の下
に、Ｃｒ、Ｃｒ２Ｎ及びＣｒＮの中の少なくとも１つか
らなる密着性の良好な下地皮膜が形成されるのが好まし
い。
に、Ｃｒ、Ｃｒ２Ｎ及びＣｒＮの中の少なくとも１つか
らなる密着性の良好な下地皮膜が形成されるのが好まし
い。
【００１２】また、前記皮膜の結晶が、被覆面に平行に
（２００）面の優先方位を持つのが耐剥離性の点で望ま
しい。
（２００）面の優先方位を持つのが耐剥離性の点で望ま
しい。
【００１３】また、前記皮膜の破断面の結晶が、母材側
から皮膜表面に向かって柱状に成長している柱状組織を
呈しているのが耐剥離性の点で望ましい。
から皮膜表面に向かって柱状に成長している柱状組織を
呈しているのが耐剥離性の点で望ましい。
【００１４】硬質皮膜の厚さは、１〜１２０μｍの範囲
にあるのが望ましい。１μｍ未満では耐久性が不足し、
１２０μｍを越えると耐剥離性に対し不利になる。
にあるのが望ましい。１μｍ未満では耐久性が不足し、
１２０μｍを越えると耐剥離性に対し不利になる。
【００１５】上記硬質皮膜はイオンプレーティング法や
スパッタリング法等のＰＶＤ法、あるいはＣＶＤ法等に
より被覆できる。
スパッタリング法等のＰＶＤ法、あるいはＣＶＤ法等に
より被覆できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】図１（ａ）は本発明の一実施形態
であるピストンリングの一部分を示す縦断面図である。
であるピストンリングの一部分を示す縦断面図である。
【００１７】本実施形態のピストンリング１は鋼、鋳
鉄、チタンあるいはチタン合金等で形成されている矩形
断面リングである。ピストンリング１の全周面にはビッ
カース硬さ７００以上の窒化層２が形成されており、外
周面の窒化層２上に、硬質皮膜３がアークイオンプレー
ティングによって被覆されている。
鉄、チタンあるいはチタン合金等で形成されている矩形
断面リングである。ピストンリング１の全周面にはビッ
カース硬さ７００以上の窒化層２が形成されており、外
周面の窒化層２上に、硬質皮膜３がアークイオンプレー
ティングによって被覆されている。
【００１８】硬質皮膜３は、ＣｒＮ型の窒化クロムから
なり、結晶の格子定数が０．４１４５〜０．４２００ｎ
ｍの範囲にあり、Ｃｒの含有量が３０〜４９原子％であ
る。この硬質皮膜３は、ＮやＮ以外の元素を１種又は２
種以上固溶している。Ｎ以外の固溶元素としては、Ｈ
ｅ，Ｌｉ，Ｂ，Ｃ，Ｏ，Ｎｅ，Ｍｇ，Ｐ，Ｓ，Ａｒ，Ｔ
ｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｚｒ，
Ｎｂ，Ｍｏ，Ｓｎ，Ｈｆ，Ｔａ，及びＷがある。固溶元
素の含有量は２〜４０原子％である。また、硬質皮膜３
の結晶は、被覆面に平行に（２００）面の優先方位をも
っている。また、硬質皮膜３の破断面の結晶は母材側か
ら皮膜表面に向かって柱状に成長している柱状組織を呈
している。膜厚は１〜１２０μｍの範囲にある。
なり、結晶の格子定数が０．４１４５〜０．４２００ｎ
ｍの範囲にあり、Ｃｒの含有量が３０〜４９原子％であ
る。この硬質皮膜３は、ＮやＮ以外の元素を１種又は２
種以上固溶している。Ｎ以外の固溶元素としては、Ｈ
ｅ，Ｌｉ，Ｂ，Ｃ，Ｏ，Ｎｅ，Ｍｇ，Ｐ，Ｓ，Ａｒ，Ｔ
ｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｚｒ，
Ｎｂ，Ｍｏ，Ｓｎ，Ｈｆ，Ｔａ，及びＷがある。固溶元
素の含有量は２〜４０原子％である。また、硬質皮膜３
の結晶は、被覆面に平行に（２００）面の優先方位をも
っている。また、硬質皮膜３の破断面の結晶は母材側か
ら皮膜表面に向かって柱状に成長している柱状組織を呈
している。膜厚は１〜１２０μｍの範囲にある。
【００１９】上記硬質皮膜３には意図せぬ不純物とし
て、ＣｒＮ型の窒化クロム以外の金属相や化合物相が微
量に含まれる場合がある。
て、ＣｒＮ型の窒化クロム以外の金属相や化合物相が微
量に含まれる場合がある。
【００２０】硬質皮膜３のビッカース硬さは９００〜２
２００の範囲にある。ビッカース硬さが９００未満では
耐摩耗性が低下し、２２００を越えると密着性が低下す
る。皮膜の結晶粒径は１μｍ未満である。結晶粒径は耐
剥離性の点で１μｍ未満が望ましく、０．１μｍ以下が
より望ましい。
２００の範囲にある。ビッカース硬さが９００未満では
耐摩耗性が低下し、２２００を越えると密着性が低下す
る。皮膜の結晶粒径は１μｍ未満である。結晶粒径は耐
剥離性の点で１μｍ未満が望ましく、０．１μｍ以下が
より望ましい。
【００２１】図１（ｂ）は本発明の別の実施形態である
ピストンリングの一部分を示す縦断面図である。
ピストンリングの一部分を示す縦断面図である。
【００２２】本実施形態のピストンリング１は、上記実
施形態のピストンリング１における窒化層２と硬質皮膜
３との間に、Ｃｒ、Ｃｒ２Ｎ及びＣｒＮの中の少なくと
も１つからなる密着性の良好な下地皮膜４を形成したも
ので、他の構成は上記実施形態のピストンリングと同じ
である。
施形態のピストンリング１における窒化層２と硬質皮膜
３との間に、Ｃｒ、Ｃｒ２Ｎ及びＣｒＮの中の少なくと
も１つからなる密着性の良好な下地皮膜４を形成したも
ので、他の構成は上記実施形態のピストンリングと同じ
である。
【００２３】以下、ピストンリングに硬質皮膜３を被覆
する方法を説明する。
する方法を説明する。
【００２４】硬質皮膜３はアークイオンプレーティング
法によって被覆する。図２に基づいて、アークイオンプ
レーティング装置の基本的構成を説明する。真空チャン
バ１０内に、蒸発させる材料からなる陰極１１と、被コ
ーティング物１２が設置されている。陰極１１は、真空
チャンバ１０の外側に設置されているアーク供給源１３
に接続されており、アーク供給源１３には図示外の陽極
が接続されている。被コーティング物１２にはバイアス
電圧供給源１４によって負のバイアス電圧が印加される
ように構成されている。真空チャンバ１０にはプロセス
ガスの供給源に接続されているガス入り口１５と、ポン
プに接続されている排気口１６とが設けられている。１
７は陰極１１の材料が蒸発してイオン化した金属イオ
ン、１８は反応ガス分子である。なお、各陰極１１にお
けるアーク電流の大きさは、独立して調節できるように
構成されている。
法によって被覆する。図２に基づいて、アークイオンプ
レーティング装置の基本的構成を説明する。真空チャン
バ１０内に、蒸発させる材料からなる陰極１１と、被コ
ーティング物１２が設置されている。陰極１１は、真空
チャンバ１０の外側に設置されているアーク供給源１３
に接続されており、アーク供給源１３には図示外の陽極
が接続されている。被コーティング物１２にはバイアス
電圧供給源１４によって負のバイアス電圧が印加される
ように構成されている。真空チャンバ１０にはプロセス
ガスの供給源に接続されているガス入り口１５と、ポン
プに接続されている排気口１６とが設けられている。１
７は陰極１１の材料が蒸発してイオン化した金属イオ
ン、１８は反応ガス分子である。なお、各陰極１１にお
けるアーク電流の大きさは、独立して調節できるように
構成されている。
【００２５】上記アークイオンプレーティング装置にお
いて、陰極の一つに金属Ｃｒを取り付け、別の陰極に固
溶元素からなる金属を取り付ける。ピストンリングをア
セトン溶液中で超音波洗浄後、アークイオンプレーティ
ング装置の炉内にセットし、真空引きを行う。炉内圧力
を１×１０−３Ｐａ以下に減圧した後、ピストンリング
を４７３〜７７３Ｋに加熱する。加熱により、炉内圧力
は一時的に上昇するが、減圧によって再び圧力が低下す
る。圧力が低下して５×１０−３Ｐａ以下になった後、
Ｎ２ガスを導入して、−８００〜−１０００Ｖのバイア
ス電圧を印加し、陰極と陽極との間でアーク放電を発生
させ、メタルイオンボンバード処理を行う。その後、バ
イアス電圧を−５０〜−１５０Ｖとし、Ｎ２ガスを８×
１０−１〜２．０Ｐａになるまで導入し、所定時間被覆
を行う。これにより、ＣｒＮ型の窒化クロムに所定の金
属元素が固溶された硬質皮膜がピストンリングに被覆さ
れる。
いて、陰極の一つに金属Ｃｒを取り付け、別の陰極に固
溶元素からなる金属を取り付ける。ピストンリングをア
セトン溶液中で超音波洗浄後、アークイオンプレーティ
ング装置の炉内にセットし、真空引きを行う。炉内圧力
を１×１０−３Ｐａ以下に減圧した後、ピストンリング
を４７３〜７７３Ｋに加熱する。加熱により、炉内圧力
は一時的に上昇するが、減圧によって再び圧力が低下す
る。圧力が低下して５×１０−３Ｐａ以下になった後、
Ｎ２ガスを導入して、−８００〜−１０００Ｖのバイア
ス電圧を印加し、陰極と陽極との間でアーク放電を発生
させ、メタルイオンボンバード処理を行う。その後、バ
イアス電圧を−５０〜−１５０Ｖとし、Ｎ２ガスを８×
１０−１〜２．０Ｐａになるまで導入し、所定時間被覆
を行う。これにより、ＣｒＮ型の窒化クロムに所定の金
属元素が固溶された硬質皮膜がピストンリングに被覆さ
れる。
【００２６】なお、図２は２つの陰極の例を示したが、
陰極が３つ以上あれば、２種以上の金属元素を固溶でき
る。また、陰極に、Ｃｒ金属と固溶させる元素との複合
ターゲットを用いれば、１種以上の元素を固溶できる。
陰極が３つ以上あれば、２種以上の金属元素を固溶でき
る。また、陰極に、Ｃｒ金属と固溶させる元素との複合
ターゲットを用いれば、１種以上の元素を固溶できる。
【００２７】また、Ｎ以外のガス成分を固溶させる場合
は、メタルイオンボンバード処理後、Ｎ２ガス中に他の
ガスを混入させればよい。この場合、上記のように、Ｃ
ｒ金属からなる陰極と、固溶元素からなる金属で形成さ
れた陰極とが設けられていると、金属元素とＮ以外のガ
ス成分とが固溶され、陰極がＣｒ金属のみから形成され
ていると、Ｎ以外のガス成分が固溶される。
は、メタルイオンボンバード処理後、Ｎ２ガス中に他の
ガスを混入させればよい。この場合、上記のように、Ｃ
ｒ金属からなる陰極と、固溶元素からなる金属で形成さ
れた陰極とが設けられていると、金属元素とＮ以外のガ
ス成分とが固溶され、陰極がＣｒ金属のみから形成され
ていると、Ｎ以外のガス成分が固溶される。
【００２８】また、Ｎを固溶させる場合は、メタルイオ
ンボンバード処理後、Ｎ２ガスを２．５〜２．８Ｐａに
なるまで導入すればよい。
ンボンバード処理後、Ｎ２ガスを２．５〜２．８Ｐａに
なるまで導入すればよい。
【００２９】上記において、元素の固溶量と格子定数の
関係は、元素の種類、ガス流量及びバイアス電圧により
変化するので、これらを調整して格子定数を所定の範囲
になるようにする。
関係は、元素の種類、ガス流量及びバイアス電圧により
変化するので、これらを調整して格子定数を所定の範囲
になるようにする。
【００３０】なお、Ｃｒ、Ｃｒ２Ｎ及びＣｒＮの中の少
なくとも１つからなる密着性の良好な下地皮膜を硬質皮
膜の下に被覆する場合は、炉内圧力が２．０Ｐａ以下に
なるように窒素流量を調整すればよい。炉内圧力が８×
１０−１〜２．０Ｐａの範囲ではＣｒＮ皮膜、３×１０
−１〜７．９×１０−１Ｐａの範囲ではＣｒＮとＣｒ ２
Ｎとの混合皮膜、１．５×１０−１〜２．９×１０−１
Ｐａの範囲ではＣｒ２Ｎ皮膜、８×１０−２〜１．４×
１０−１Ｐａの範囲ではＣｒ２ＮとＣｒとの混合皮膜、
７．９×１０−２Ｐａ以下ではＣｒ皮膜がそれぞれ被覆
できる。
なくとも１つからなる密着性の良好な下地皮膜を硬質皮
膜の下に被覆する場合は、炉内圧力が２．０Ｐａ以下に
なるように窒素流量を調整すればよい。炉内圧力が８×
１０−１〜２．０Ｐａの範囲ではＣｒＮ皮膜、３×１０
−１〜７．９×１０−１Ｐａの範囲ではＣｒＮとＣｒ ２
Ｎとの混合皮膜、１．５×１０−１〜２．９×１０−１
Ｐａの範囲ではＣｒ２Ｎ皮膜、８×１０−２〜１．４×
１０−１Ｐａの範囲ではＣｒ２ＮとＣｒとの混合皮膜、
７．９×１０−２Ｐａ以下ではＣｒ皮膜がそれぞれ被覆
できる。
【００３１】上記下地皮膜はイオンプレーティング法の
他に、真空蒸着法やスパッタリング法等のＰＶＤ法、プ
ラズマＣＶＤ法等のＣＶＤ法、あるいは湿式めっき法等
により被覆できる。
他に、真空蒸着法やスパッタリング法等のＰＶＤ法、プ
ラズマＣＶＤ法等のＣＶＤ法、あるいは湿式めっき法等
により被覆できる。
【００３２】次に、硬質皮膜の耐剥離性試験を説明す
る。
る。
【００３３】耐剥離性試験は、ファンデアホルスト摩擦
試験機を使用して行った。試験の概要を図３に基づいて
説明する。
試験機を使用して行った。試験の概要を図３に基づいて
説明する。
【００３４】ピストンリング１が、水平軸を中心に回転
するロータ２０の外周面２１上に配置され、ピストンリ
ング１に荷重Ｐが作用されてピストンリング１の外周面
がロータ２０上に押接される。この状態で、ピストンリ
ング１とロータ２０の接触部分に潤滑油を供給しながら
ロータ２０を一定速度で回転させる。そして、ピストン
リング１への荷重Ｐを変えて試験を行い、ピストンリン
グ１の硬質皮膜にクラック又は剥離が発生したときの荷
重Ｐを測定した。
するロータ２０の外周面２１上に配置され、ピストンリ
ング１に荷重Ｐが作用されてピストンリング１の外周面
がロータ２０上に押接される。この状態で、ピストンリ
ング１とロータ２０の接触部分に潤滑油を供給しながら
ロータ２０を一定速度で回転させる。そして、ピストン
リング１への荷重Ｐを変えて試験を行い、ピストンリン
グ１の硬質皮膜にクラック又は剥離が発生したときの荷
重Ｐを測定した。
【００３５】試験条件は下記の通りであった。 試験片（ピストンリング） 材質 ：１７Ｃｒマルテンサイト鋼 下地処理 ：窒化処理 硬質皮膜厚さ：５０μｍ 表面粗さ ：０．６μｍＲＺ 硬質皮膜特性：表１参照。 ロータ 材質：鋳鉄（ＦＣ２５０相当） 表面：鏡面仕上げ 潤滑油 日石ハイディーゼルＳ３ １０Ｗエンジンオイル 荷重 ３０Ｎ〜２００Ｎの範囲 初期荷重３０Ｎで１分間行い、クラック及び剥離の発生
がない場合、更に１０Ｎずつステップアップし、試験を
行う。クラック又は剥離が発生するまで、又は試験荷重
が２００Ｎまで続行する。 時間 各荷重で１分 速度 ５．０ｍ／ｓ 温度 室温
がない場合、更に１０Ｎずつステップアップし、試験を
行う。クラック又は剥離が発生するまで、又は試験荷重
が２００Ｎまで続行する。 時間 各荷重で１分 速度 ５．０ｍ／ｓ 温度 室温
【００３６】表１に実施例及び比較例の皮膜特性を示
す。固溶元素欄のＮの含有量（原子％）はＮ総原子％か
ら格子を形成しているＮすなわちＣｒと同量のＮ原子％
を引いた値である。
す。固溶元素欄のＮの含有量（原子％）はＮ総原子％か
ら格子を形成しているＮすなわちＣｒと同量のＮ原子％
を引いた値である。
【００３７】
【表１】
【００３８】上記格子定数の測定は次の方法で行った。
外径９６ｍｍ、幅２．５ｍｍ、厚さ３．４ｍｍのピス
トンリングの外周面に表１の硬質皮膜を３５μｍ被覆
し、その表面を表面あらさが０．６μｍＲｚ以下になる
ようにラッピング仕上げを行い、任意の長さに切断した
ものを試料とした。それをＣｕ管球（特性Ｘ線の波長は
０．１５４０２５ｎｍ）を用いたＸ線回折装置にて、ス
キャン角度（２θ）が３０〜９０度の範囲で測定した。
測定後、Ｘ線回折図形をスムージング処理及びバック
グランド除去のデータ処理を行い、接線法により回折角
度（θ）を決定した。格子定数は（１１１）〜（３１
１）までの４ピークを用いて決定した。各格子面の回折
角度θを式（ｃｏｓ２θ／ｓｉｎθ＋ｃｏｓ２θ／θ）
に挿入して求めた値と各格子面の格子定数から最小自乗
法により外挿曲線の式を求め、そのｙ切片を格子定数と
した。
外径９６ｍｍ、幅２．５ｍｍ、厚さ３．４ｍｍのピス
トンリングの外周面に表１の硬質皮膜を３５μｍ被覆
し、その表面を表面あらさが０．６μｍＲｚ以下になる
ようにラッピング仕上げを行い、任意の長さに切断した
ものを試料とした。それをＣｕ管球（特性Ｘ線の波長は
０．１５４０２５ｎｍ）を用いたＸ線回折装置にて、ス
キャン角度（２θ）が３０〜９０度の範囲で測定した。
測定後、Ｘ線回折図形をスムージング処理及びバック
グランド除去のデータ処理を行い、接線法により回折角
度（θ）を決定した。格子定数は（１１１）〜（３１
１）までの４ピークを用いて決定した。各格子面の回折
角度θを式（ｃｏｓ２θ／ｓｉｎθ＋ｃｏｓ２θ／θ）
に挿入して求めた値と各格子面の格子定数から最小自乗
法により外挿曲線の式を求め、そのｙ切片を格子定数と
した。
【００３９】表２に試験結果を示す。比較例１〜４の硬
質皮膜は試験荷重１５０Ｎ以下でクラック又は剥離が発
生した。これに対し、実施例１〜５の硬質皮膜は、クラ
ック又は剥離が発生したのは試験荷重１７０Ｎ以上であ
り、耐剥離性が優れている。
質皮膜は試験荷重１５０Ｎ以下でクラック又は剥離が発
生した。これに対し、実施例１〜５の硬質皮膜は、クラ
ック又は剥離が発生したのは試験荷重１７０Ｎ以上であ
り、耐剥離性が優れている。
【００４０】
【表２】
【００４１】次に、前述した耐剥離性試験で使用した実
施例２，３，４の硬質皮膜と比較例１の硬質皮膜とを、
トップリングの外周面に被覆して、エンジン実験を行っ
た。
施例２，３，４の硬質皮膜と比較例１の硬質皮膜とを、
トップリングの外周面に被覆して、エンジン実験を行っ
た。
【００４２】使用したエンジンと試験条件は、次の通り
である。エンジン：ボア径９６ｍｍ、４気筒、４ストロ
ークディーゼルエンジン試験条件：全負荷、３００時間
である。エンジン：ボア径９６ｍｍ、４気筒、４ストロ
ークディーゼルエンジン試験条件：全負荷、３００時間
【００４３】運転後のトップリング外周面を観察した結
果を表３に示す。比較例１の硬質皮膜はクラック及び剥
離が発生したが、実施例２，３，４の硬質皮膜はクラッ
ク及び剥離が発生しなかった。
果を表３に示す。比較例１の硬質皮膜はクラック及び剥
離が発生したが、実施例２，３，４の硬質皮膜はクラッ
ク及び剥離が発生しなかった。
【００４４】
【表３】
【００４５】上記実施形態では、摺動部材としてピスト
ンリングを示したが、本発明はピストンリングに限るこ
とはなく、この他、内燃機関の動弁系部品であるタペッ
トやカム等、あるいは圧縮機のベーン等に適用される。
ンリングを示したが、本発明はピストンリングに限るこ
とはなく、この他、内燃機関の動弁系部品であるタペッ
トやカム等、あるいは圧縮機のベーン等に適用される。
【００４６】
【発明の効果】以上説明したように本発明の摺動部材
は、硬質皮膜の摺動特性、特に耐剥離性に優れる。従っ
て、この硬質皮膜を被覆したピストンリング等の摺動部
材は、過酷な条件下においても、充分な耐久性を具備す
る。
は、硬質皮膜の摺動特性、特に耐剥離性に優れる。従っ
て、この硬質皮膜を被覆したピストンリング等の摺動部
材は、過酷な条件下においても、充分な耐久性を具備す
る。
【図１】本発明の実施形態を示し、（ａ）及び（ｂ）は
それぞれピストンリングの一部分を示す縦断面図であ
る。
それぞれピストンリングの一部分を示す縦断面図であ
る。
【図２】アークイオンプレーティング装置の構成を示す
図である。
図である。
【図３】ファンデアホルスト摩擦試験機の概要を示し、
（ａ）は一部断面正面図、（ｂ）は側面図である。
（ａ）は一部断面正面図、（ｂ）は側面図である。
１ ピストンリング ２ 窒化層 ３ 硬質皮膜 ４ 下地皮膜 １０ 真空チャンバ １１ 陰極 １２ 被コーティング物 １３ アーク供給源 １４ バイアス電圧供給源 １５ ガス入り口 １６ 排気口 １７ 金属イオン １８ 反応ガス分子 ２０ ロータ ２１ ロータ外周面
Claims (7)
- 【請求項１】 ＣｒＮ型の窒化クロムからなる硬質皮膜
が被覆されている摺動部材において、前記硬質皮膜は、
結晶の格子定数が０．４１４５〜０．４２００ｎｍの範
囲にあり、Ｃｒの含有量が３０〜４９原子％であること
を特徴とする摺動部材。 - 【請求項２】 前記ＣｒＮ型の窒化クロムに含まれる固
溶元素の含有量が２〜４０原子％であることを特徴とす
る請求項１記載の摺動部材。 - 【請求項３】 前記ＣｒＮ型の窒化クロムに含まれる固
溶元素が、Ｎ，Ｈｅ，Ｌｉ，Ｂ，Ｃ，Ｏ，Ｎｅ，Ｍｇ，
Ｐ，Ｓ，Ａｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃ
ｕ，Ｚｎ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｓｎ，Ｈｆ，Ｔａ，及び
Ｗからなる群から選択された１種又は２種以上からなる
ことを特徴とする請求項１又は２記載の摺動部材。 - 【請求項４】 前記皮膜の結晶が被覆面に平行に（２０
０）面の優先方位を持つことを特徴とする請求項１，
２，又は３記載の摺動部材。 - 【請求項５】 前記皮膜の破断面の結晶が母材側から皮
膜表面に向かって柱状に成長している柱状組織を呈して
いることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の
摺動部材。 - 【請求項６】 前記皮膜の厚さが１〜１２０μｍの範囲
にあることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載
の摺動部材。 - 【請求項７】 前記摺動部材がピストンリングであるこ
とを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の摺動部
材。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000159473A JP2001335878A (ja) | 2000-05-30 | 2000-05-30 | 摺動部材 |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001335878A true JP2001335878A (ja) | 2001-12-04 |
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ID=18663786
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000159473A Pending JP2001335878A (ja) | 2000-05-30 | 2000-05-30 | 摺動部材 |
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| Country | Link |
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| JP (1) | JP2001335878A (ja) |
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-
2000
- 2000-05-30 JP JP2000159473A patent/JP2001335878A/ja active Pending
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