JP2002003976A - 摺動部材 - Google Patents

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、ＴｉＮ型の窒化チタンからなり、結晶の格子
定数が０．４２５５〜０．４３５５ｎｍの範囲にあり、
Ｔｉ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，Ｖ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃ
ｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｓｎ，Ｈ
ｆ，Ｔａ，及びＷがある。固溶元素の含有量は２〜４０
原子％である。

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。

【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。特に耐摩
耗性や耐焼付性が要求されるエンジンでは、ＴｉＮ型の
窒化チタンからなる硬質皮膜が提案されている。また、
窒化チタン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開平６−９４１３０号
や特開平６−３３０３４７号に提案されている。更に
は、タービン等の高温回転機械において、ＴｉＮ皮膜の
耐高温腐食性を向上させるために、ＴｉＮの結晶構造中
にＡｌ，Ｃｒ，Ｚｒ及びＨｆから選択された１種又は２
種以上の元素を固溶させ、結晶の格子定数を所定の範囲
としたＴｉＮ皮膜が特開２０００−１２９４２０号に提
案されている。

【０００３】特開平６−９４１３０号では、Ｔｉ：Ｎ：
Ｏ＝１：０．９〜０．３：０．３〜１．０（原子％比）
であり、特開平６−３３０３４７号では、Ｍ群（Ｃｒ，
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／（Ｔｉ＋Ｍ）＝１〜４５％である。また、特
開２０００−１２９４２０号では、上記固溶元素の含有
量は２〜３０原子％であり、格子定数が０．４１４〜
０．４２３ｎｍの範囲である。

【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。

【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。

【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、
ＴｉＮ型の窒化チタンの格子定数を適切な範囲に設定す
ることにより、硬質皮膜の耐剥離性を改善した。即ち、
本発明は、ＴｉＮ型の窒化チタンの格子定数を０．４２
５５〜０．４３５５ｎｍ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０．４２５５ｎ
ｍ未満では耐剥離性の改善効果が無く、０．４３５５ｎ
ｍ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、ＴｉＮ型の窒化チタンの格子定
数は、ＪＣＰＤＳカードでは、０．４２４０ｎｍ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。 ＴｉＮ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ＴｉをＴｉ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，Ｖ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎ
ｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｓｎ，Ｈｆ，Ｔ
ａ，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】Ｔｉ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。

【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。

【００１１】上記摺動部材においては、硬質皮膜と母材
との密着性を向上させるために、硬質皮膜の下に、Ｔｉ
の含有量が４９原子％を越えるＴｉＮ皮膜や、格子定数
が０．４２５４以下のＴｉＮ皮膜、あるいはＣｒ、Ｃｒ
_２Ｎ及びＣｒＮの中の少なくとも１つからなる皮膜等の
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。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】

【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。

【００１６】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。

【００１７】硬質皮膜３は、ＴｉＮ型の窒化チタンから
なり、結晶の格子定数が０．４２５５〜０．４３５５ｎ
ｍの範囲にあり、Ｔｉ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，
Ｖ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｚｒ，Ｎ
ｂ，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
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１〜１２０μ
ｍの範囲にある。

【００１８】上記硬質皮膜３には意図せぬ不純物とし
て、ＴｉＮ型の窒化チタン以外の金属相や化合物相が微
量に含まれる場合がある。

【００１９】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
耐摩耗性が不足し、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。

【００２０】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。

【００２１】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、Ｔｉの含有量が４９原子％を越えるＴｉＮ
皮膜や、格子定数が０．４２５４以下のＴｉＮ皮膜、あ
るいはＣｒ、Ｃｒ_２Ｎ及びＣｒＮの中の少なくとも１つ
からなる皮膜等の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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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Ｔｉを取り付け、別の陰極に固
溶元素からなる金属、あるいは固溶元素とＴｉとの合金
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、Ｎ_２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−５
０〜−１５０Ｖとし、Ｎ_２ガスを７×１０^−１〜１．８
Ｐａになるまで導入し、所定時間被覆を行う。これによ
り、ＴｉＮ型の窒化チタン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。

【００２５】なお、図２は２つの陰極の例を示したが、
陰極を３つ以上とすることも可能で、これにより種々の
金属元素を固溶できる。

【００２６】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、Ｎ_２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、Ｔ
ｉ金属からなる陰極と、固溶元素からなる金属あるいは
固溶元素とＴｉとの合金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Ｔｉ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。

【００２７】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、Ｎ_２ガスを２．０〜２．４Ｐａに
なるまで導入すればよい。

【００２８】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。

【００２９】なお、Ｔｉの含有量が４９原子％を越える
ＴｉＮ皮膜や、格子定数が０．４２５４以下のＴｉＮ皮
膜を密着性の良好な下地皮膜として硬質皮膜の下に被覆
する場合は、炉内圧力が１．８Ｐａ以下になるように窒
素流量を調整すればよい。また、Ｃｒ、Ｃｒ_２Ｎ及びＣ
ｒＮ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、陰極の蒸発材料
を金属Ｃｒとし、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_２Ｎとの
混合皮膜、１．５×１０^−１〜２．９×１０^−１Ｐａの
範囲ではＣｒ_２Ｎ皮膜、８×１０^−２〜１．４×１０
^−１Ｐａの範囲ではＣｒ_２Ｎ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。

【００３０】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。

【００３１】次に、硬質皮膜の耐剥離性試験を説明す
る。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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 ５．５ｍ／ｓ 温度 室温

【００３５】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Ｔｉと同量のＮ原子％
を引いた値である。

【００３６】

【表１】

【００３７】上記格子定数の測定は次の方法で行った。 外径９６．５ｍｍ、幅２．４ｍｍ、厚さ３．３ｍｍ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）〜（３１１）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（ｃｏｓ^２
θ／ｓｉｎθ＋ｃｏｓ^２θ／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。

【００３８】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１４０Ｎ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１６０Ｎ以上であ
り、耐剥離性が優れている。

【００３９】

【表２】

【００４０】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２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。

【００４１】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９６．５ｍｍ、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

【００４２】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２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。

【００４３】

【表３】

【００４４】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。

【００４５】

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【符号の説明】 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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3J044 AA02 AA20 BB06 BB14 BB27 BB29 BB30 BB31 BC07 DA09 4K029 AA02 BA02 BA06 BA08 BA09 BA11 BA12 BA15 BA16 BA17 BA18 BA32 BA33 BA34 BA60 BC02 BD04 CA03 DD06 EA01

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＴｉＮ型の窒化チタンからなる硬質皮膜
   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０．４２５５〜０．４３５５ｎｍの範
   囲にあり、Ｔｉの含有量が３０〜４９原子％であること
   を特徴とする摺動部材。
2. 【請求項２】 前記ＴｉＮ型の窒化チタンに含まれる固
   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。
3. 【請求項３】 前記ＴｉＮ型の窒化チタンに含まれる固
   溶元素が、Ｎ，Ｈｅ，Ｌｉ，Ｂ，Ｃ，Ｏ，Ｎｅ，Ｍｇ，
   Ｐ，Ｓ，Ａｒ，Ｖ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚ
   ｎ，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。
4. 【請求項４】 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１〜３のいずれかに記載の
   摺動部材。
5. 【請求項５】 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１〜４のいずれかに記載
   の摺動部材。
6. 【請求項６】 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１〜５のいずれかに記載の摺動部
   材。