JP2002256967A

JP2002256967A - 摺動部材及びその製造方法

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Publication number: JP2002256967A
Application number: JP2001049650A
Authority: JP
Inventors: Kiyoyuki Kawai; 清行川合
Original assignee: Teikoku Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Teikoku Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2001-02-26
Filing date: 2001-02-26
Publication date: 2002-09-11
Anticipated expiration: 2021-02-26
Also published as: JP4666788B2

Abstract

(57)【要約】【課題】耐摩耗性、耐焼き付き性、耐クラック性、及
び耐剥離性に優れる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、Ｖ、Ｍ、及びＮからなり、前記ＭはＴｉ，Ｃ
ｒ，Ｚｒ，Ｍｏ，及びＷからなる群から選ばれた１種又
は２種以上の金属元素であり、前記Ｖ、Ｍ、及びＮの含
有量をそれぞれａ原子％、ｂ原子％、ｃ原子％としたと
き、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００、１５≦ａ＜６０、０＜ｂ≦３
０、および４０≦ｃ≦５５の関係を満足しており、前記
皮膜の結晶構造がＴｉＮ，ＣｒＮ，ＺｒＮ，Ｍｏ_２Ｎ，
及びＷ_２Ｎの中の少なくとも１つとＶＮ、あるいはＶＮ
のみからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トライボロジー特
性に優れる硬質皮膜が摺動面に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に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車エンジンにおける高出力化や排気
ガス規制の対応に伴って、ピストンリングをはじめとす
る摺動部材の使用環境は益々過酷になってきており、異
常摩耗や焼き付きの発生、および摺動に伴うクラックや
剥離の発生に対する対応が求められている。その対策と
して、ピストンリングに関しては、従来の硬質Ｃｒめっ
きや窒化処理と比較し、トライボロジー特性に優れるＣ
ｒＮ皮膜（特開平７−２８６２６２号）や、ＯおよびＣ
を固溶したＣｒＮ皮膜（特開平１０−３０６３８６号）
等を被覆することが提案されている。

【０００３】

【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、摺動条件の特に過酷なエンジン
においては、摩耗、焼き付き、摺動に伴うクラックや剥
離等のトライボロジー性能が不足している。

【０００４】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、摺動部における摩耗、焼き付き、およ
び繰り返し負荷を受けることにより生じるクラックや剥
離に対する特性に優れる硬質皮膜が被覆された摺動部材
を提供することである。

【０００５】

【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、
硬質皮膜が摺動面に被覆されている摺動部材において、
前記硬質皮膜の組成がＶ、Ｍ、及びＮからなり、前記Ｍ
はＴｉ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｍｏ，及びＷからなる群から選ば
れた１種又は２種以上の金属元素であり、前記Ｖ、Ｍ、
及びＮの含有量をそれぞれａ原子％、ｂ原子％、ｃ原子
％としたとき、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００、１５≦ａ＜６０、
０＜ｂ≦３０、および４０≦ｃ≦５５の関係を満足して
おり、前記皮膜の結晶構造がＴｉＮ，ＣｒＮ，ＺｒＮ，
Ｍｏ_２Ｎ，及びＷ_２Ｎの中の少なくとも１つとＶＮ、あ
るいはＶＮのみからなることを特徴とする。

【０００６】ＶとＮにＴｉ等の金属元素を含有させるこ
とで、ＣｒＮを上回る耐摩耗性、耐焼き付き性、耐クラ
ック性及び耐剥離性を示す。Ｖの含有量は１５原子％未
満ではＶＮの形成が困難となるので１５原子％以上が好
ましく、３０原子％以上がより好ましい。ただし、６０
原子％以上ではＶＮの形成が困難になるので、６０原子
％未満が好ましい。Ｔｉ等の金属元素の含有量は５原子
％未満では耐摩耗性、耐焼き付き性、及び耐クラック性
と耐剥離性の改善効果が少ないため、５原子％以上が好
ましい。３０原子％を越えると、自身の摩耗量は減少す
るが、相手材の摩耗量の増加、耐焼き付き性の低下、お
よび成膜時に皮膜の欠けや剥離等の不具合を発生する場
合があるため、３０原子％以下が好ましい。成膜時の皮
膜の欠けや剥離等を防止する点では２０原子％以下がよ
り好ましい。Ｎの含有量は、窒化物の形成される４０〜
５５原子％の範囲とする。

【０００７】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法などにより被覆できる。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１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。

【０００９】ピストンリング１はステンレス鋼や炭素鋼
等の鋼、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。

【００１０】硬質皮膜３は、Ｖ、Ｍ、及びＮからなり、
前記ＭはＴｉ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｍｏ，及びＷからなる群か
ら選ばれた１種又は２種以上の金属元素であり、前記
Ｖ、Ｍ、及びＮの含有量をそれぞれａ原子％、ｂ原子
％、ｃ原子％としたとき、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００、１５≦
ａ＜６０、０＜ｂ≦３０、および４０≦ｃ≦５５の関係
を満足しており、前記皮膜の結晶構造がＴｉＮ，Ｃｒ
Ｎ，ＺｒＮ，Ｍｏ_２Ｎ，及びＷ_２Ｎの中の少なくとも１
つとＶＮ、あるいはＶＮのみからなる。

【００１１】図２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。

【００１２】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、密着性を良好とするために、ＶＮからなる
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。

【００１３】なお、上記において、硬質皮膜３や下地皮
膜４の下に窒化層を形成しないこともある。

【００１４】以下、アークイオンプレーティング法を用
いて、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。

【００１５】超音波洗浄により脱脂、洗浄されたピスト
ンリング（以下、ワークという。）を成膜チャンバ内の
試料テーブル上に設置し、真空引きを開始する．真空度
が１．３×１０^−３Ｐａ程度に達したら、ヒータにより
ワークを４７３〜７７３Ｋに加熱し、同時に試料テーブ
ルを自転又は自公転させる。ワーク表面に吸着したガス
の放出により、一時的に真空度が低下するが、再び真空
度が５×１０^−３Ｐａ程度まで上昇したら、少量のＮ_２
ガスを導入し、Ｖのターゲットが取り付けられたカソー
ド及びＶ以外の金属のターゲットが取り付けられたカソ
ードとアノードとの間にアーク放電を発生させる。この
とき、ワークには−６００〜−１０００Ｖのバイアス電
圧を印加し、アーク放電により生じたＶイオン及びＶ以
外の金属イオンを加速してワーク表面に衝突させ、イオ
ンボンバードクリーニングを行う。イオンボンバードク
リーニングはＶ又はＶ以外の金属単独で行っても構わな
い。この後、バイアス電圧を０〜−１００Ｖ程度まで低
下させ、また内圧が０．７〜４Ｐａ程度となるようにＮ
_２ガス導入量を増やし、各カソードとアノード間を同時
にアーク放電させ、目的の皮膜を形成する。また、こう
して作製した皮膜が、基材との密着性に劣る場合は、最
初にＶのカソードとアノード間のみにアーク放電させ、
下地としてＶＮ層を形成した後、Ｖのカソード及びＶ以
外の金属のカソードとアノード間をアーク放電させ、目
的の皮膜を形成するとよい。膜厚については特に規定は
されないが、５〜８０μｍ程度が好ましい。

【００１６】上記の方法で試料を作製し、図３に示す往
復動摩擦試験機を使用して耐摩耗性評価を行った。本試
験機は、ピストンリングに対応する上試験片１０と、上
試験片１０が油圧シリンダ１１によって押し付けられる
下試験片１２とを有し、下試験片１２が往復運動される
ように構成されている。

【００１７】試験方法は、上試験片１０を油圧シリンダ
１１により下試験片１２に押し付け、下試験片１２を一
定時間往復運転し、試験終了後、表面粗さ計で摩耗量を
測定した。試験条件は下記に示す通りであり、上試験片
１０に施す皮膜の詳細および試験結果を表１に示す。な
お、上試験片１０は炭素鋼からなり、下試験片１２は鋳
鉄からなる。試験結果は、比較例１（ＣｒＮ）の結果を
１として、その相対量で示してある。皮膜の結晶構造は
Ｘ線回折で調べた。組成はＥＰＭＡで測定した。（試験条件）荷重：１００Ｎ速度：６００ｃｐｍ時間：６０ｍｉｎ

【００１８】表１より明らかなように、本発明は耐摩耗
性に優れる。

【００１９】

【表１】

【００２０】次に、上記と同じ往復動摩擦試験機を使用
して耐焼き付き性を評価した。試験方法は、上試験片１
０を油圧シリンダ１１により下試験片１２に押し付け、
下試験片１２を一定時間往復運転し、焼き付きが発生し
ない場合は荷重を増す作業を繰り返し、焼き付き発生時
の荷重を測定した。試験条件は下記に示す通りであり、
上試験片１０に施す皮膜の詳細および試験結果を表２に
示す。なお、上試験片１０は炭素鋼からなり、下試験片
１２は鋳鉄からなる。試験結果は、比較例１（ＣｒＮ）
の結果を１として、その相対量で示してある。皮膜の結
晶構造はＸ線回折で調べた。組成はＥＰＭＡで測定し
た。（試験条件）荷重：初期荷重２０Ｎ、１分毎に２０Ｎずつ増加速度：１００ｃｐｍ時間：焼き付きが発生するまで

【００２１】表２より明らかなように、本発明は耐焼き
付き性に優れる。

【００２２】

【表２】

【００２３】次に、図４に示されているファンデアホル
スト摩擦試験機を使用して耐クラック性及び耐剥離性評
価を行った。本試験機は、ピストンリングを切断して得
た試験片２０が重錘によってロータ２１の外周面２２上
に押し付けられ、ロータ２１が回転するように構成され
ている。

【００２４】試験方法は、荷重Ｐで試験片２０の外周面
がロータ２１上に押接された状態で、試験片２０とロー
タ２１の接触部分に潤滑油を供給しながらロータ２１を
一定速度で回転させる。そして、試験片２０への荷重Ｐ
を変えて試験を行い、試験片２０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。試験条件
は下記に示す通りであり、試験片２０に施す皮膜の詳細
および試験結果を表３に示す。なお、試験片２０はステ
ンレス鋼からなり、窒化処理が施されている。試験結果
は、比較例１（ＣｒＮ）の結果を１として、その相対量
で示してある。皮膜の結晶構造はＸ線回折で調べた。組
成はＥＰＭＡで測定した。（試験条件）荷重：初期荷重４０Ｎ、クラックや剥離が発生しなけれ
ば２０Ｎずつ増加速度：１０００ｒｐｍ時間：１ｍｉｎ

【００２５】表３より明らかなように、本発明は耐クラ
ック性及び耐剥離性に優れる。

【００２６】

【表３】

【００２７】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の摺動部材に適
用できる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明の摺動部材
は、耐摩耗性、耐焼き付き性、耐クラック性、及び耐剥
離性に優れる。従って、本発明の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】本発明の一実施形態を示すピストンリングの一
部分を示す縦断面図である。

【図２】本発明の別の実施形態を示すピストンリングの
一部分を示す縦断面図である。

【図３】往復動摩擦試験機の構成を示す図である。

【図４】ファンデアホルスト摩擦試験機の構成を示す図
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上試験片１１油圧シリンダ１２下試験片２０試験片２１ロータ２２ロータ外周面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】硬質皮膜が摺動面に被覆されている摺動
部材において、前記硬質皮膜の組成がＶ、Ｍ、及びＮか
らなり、前記ＭはＴｉ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｍｏ，及びＷから
なる群から選ばれた１種又は２種以上の金属元素であ
り、前記Ｖ、Ｍ、及びＮの含有量をそれぞれａ原子％、
ｂ原子％、ｃ原子％としたとき、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００、
１５≦ａ＜６０、０＜ｂ≦３０、および４０≦ｃ≦５５
の関係を満足しており、前記皮膜の結晶構造がＴｉＮ，
ＣｒＮ，ＺｒＮ，Ｍｏ_２Ｎ，及びＷ_２Ｎの中の少なくと
も１つとＶＮ、あるいはＶＮのみからなることを特徴と
する摺動部材。
【請求項２】前記ｂが５≦ｂ≦３０を満足することを
特徴とする請求項１記載の摺動部材。
【請求項３】前記ｂが５≦ｂ≦２０を満足することを
特徴とする請求項１記載の摺動部材。
【請求項４】前記ａが３０≦ａ＜６０を満足すること
を特徴とする請求項１記載の摺動部材。
【請求項５】前記ａが３０≦ａ＜６０、ｂが５≦ｂ≦
３０を満足することを特徴とする請求項１記載の摺動部
材。
【請求項６】前記ａが３０≦ａ＜６０、ｂが５≦ｂ≦
２０を満足することを特徴とする請求項１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の何れかに記載の摺動部
材。
【請求項８】請求項１〜７の何れかに記載の摺動部材
の製造方法において、自転方式又は自公転方式の回転試
料テーブルと複数の蒸発源とを有しているＰＶＤ装置を
使用して、前記硬質皮膜を摺動面に被覆することを特徴
とする摺動部材の製造方法。