JP2003064469A - 耐摩耗性皮膜及びその皮膜を有する摺動部材 - Google Patents
耐摩耗性皮膜及びその皮膜を有する摺動部材Info
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- JP2003064469A JP2003064469A JP2001249090A JP2001249090A JP2003064469A JP 2003064469 A JP2003064469 A JP 2003064469A JP 2001249090 A JP2001249090 A JP 2001249090A JP 2001249090 A JP2001249090 A JP 2001249090A JP 2003064469 A JP2003064469 A JP 2003064469A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 Cr-N系イオンプレーティング皮膜の腐食摩耗
特性を改良する。 【解決手段】 ３−２０原子％のタングステンを固溶す
るＣｒＮ型窒化クロム結晶からなるCr-N系イオンプレー
ティング皮膜は、固溶したWの作用により硫酸、硝酸な
どの腐食性酸にさらされ摺動する皮膜の摩耗特性を良好
にする。WはX線回折には同定されず、EPMAにより量が確
認できる。
特性を改良する。 【解決手段】 ３−２０原子％のタングステンを固溶す
るＣｒＮ型窒化クロム結晶からなるCr-N系イオンプレー
ティング皮膜は、固溶したWの作用により硫酸、硝酸な
どの腐食性酸にさらされ摺動する皮膜の摩耗特性を良好
にする。WはX線回折には同定されず、EPMAにより量が確
認できる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は耐摩耗性皮膜に関す
るものであり、さらに詳しく述べるならばCr-N系イオン
プレーティング皮膜及び摺動部材に関するものである。
るものであり、さらに詳しく述べるならばCr-N系イオン
プレーティング皮膜及び摺動部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、内燃機関の高出力化や、低燃費
化、排ガス対策等のために、内燃機関の摺動部材には高
い耐摩耗性、低い摩擦力、高い耐食性などが求められて
いる。そのため、従来から用いられてきた硬質クロムめ
っき皮膜や窒化処理皮膜に替わり得る新しい表面改質技
術及び皮膜が研究開発されてきた。
化、排ガス対策等のために、内燃機関の摺動部材には高
い耐摩耗性、低い摩擦力、高い耐食性などが求められて
いる。そのため、従来から用いられてきた硬質クロムめ
っき皮膜や窒化処理皮膜に替わり得る新しい表面改質技
術及び皮膜が研究開発されてきた。
【０００３】特開昭６１−８７９５０号には、イオンプ
レーティングによる窒素及びクロムよりなる各種結晶相
の皮膜が開示されており、ピストンリングに適用された
場合は、いずれの皮膜も硬質クロムめっき皮膜や窒化処
理皮膜以上の摺動性能を有する。イオンプレーティング
法による窒化クロム皮膜は成膜速度が高く、且つ、他の
イオンプレーティング皮膜に比較して密着性に優れるた
め、厚膜での使用が可能であり、ピストンリング等内燃
機関の摺動部材用表面皮膜としては好適なものであっ
た。その結果、多くのイオンプレーティング窒化クロム
皮膜に関する特許出願がなされるに至った。
レーティングによる窒素及びクロムよりなる各種結晶相
の皮膜が開示されており、ピストンリングに適用された
場合は、いずれの皮膜も硬質クロムめっき皮膜や窒化処
理皮膜以上の摺動性能を有する。イオンプレーティング
法による窒化クロム皮膜は成膜速度が高く、且つ、他の
イオンプレーティング皮膜に比較して密着性に優れるた
め、厚膜での使用が可能であり、ピストンリング等内燃
機関の摺動部材用表面皮膜としては好適なものであっ
た。その結果、多くのイオンプレーティング窒化クロム
皮膜に関する特許出願がなされるに至った。
【０００４】特開平６−２９３９５４号は結晶粒を皮膜
表面に向かって柱状結晶相で、且つ、ポーラスな窒化ク
ロム皮膜とすることによって、特開昭６１−８７９５０
号等のイオンプレーティング窒化クロム皮膜の欠点であ
る「皮膜の欠け易さ」を改良したものである。
表面に向かって柱状結晶相で、且つ、ポーラスな窒化ク
ロム皮膜とすることによって、特開昭６１−８７９５０
号等のイオンプレーティング窒化クロム皮膜の欠点であ
る「皮膜の欠け易さ」を改良したものである。
【０００５】また、特開平６−３３０３４８号は皮膜を
クロムとチタン、バナジウム、ジルコニウム、ニオブ、
モリブデン、ハフニウム、タンタル、タングステン及び
アルミニウムとの複合膜とすることにより、窒化クロム
皮膜以上の耐摩耗性、耐焼付性及び初期馴染み性を得た
ものである。すなわち、Ｃｒ及びＶは窒素ガスと結合し
基体表面に窒化物となって析出すると説明されている
（段落番号００１５）。
クロムとチタン、バナジウム、ジルコニウム、ニオブ、
モリブデン、ハフニウム、タンタル、タングステン及び
アルミニウムとの複合膜とすることにより、窒化クロム
皮膜以上の耐摩耗性、耐焼付性及び初期馴染み性を得た
ものである。すなわち、Ｃｒ及びＶは窒素ガスと結合し
基体表面に窒化物となって析出すると説明されている
（段落番号００１５）。
【０００６】しかしながら、今日、ディーゼルエンジン
においては、更なる排気ガス対策の必要性から、大量の
ＥＧＲを行うようになってきた。この大量ＥＧＲを採用
すると燃焼により生成したススや硫黄酸化物、窒素酸化
物がエンジン内に従来以上の量で戻されることになるの
で、固体燃焼生成物によるアブレシブ摩耗やエンジンの
低温作動時にシリンダ内に発生する硫酸や硝酸による腐
食摩耗が従来以上に顕著になってきた。即ち、燃焼室回
りで摺動が問題となるピストンリング、ライナー、ピス
トンリング溝等では、このような腐食環境においても従
来のイオンプレーティング窒化クロム以上の高い摺動特
性が求められるようになってきており、従来のイオンプ
レーティング窒化クロム皮膜に代わる皮膜が求められて
いる。
においては、更なる排気ガス対策の必要性から、大量の
ＥＧＲを行うようになってきた。この大量ＥＧＲを採用
すると燃焼により生成したススや硫黄酸化物、窒素酸化
物がエンジン内に従来以上の量で戻されることになるの
で、固体燃焼生成物によるアブレシブ摩耗やエンジンの
低温作動時にシリンダ内に発生する硫酸や硝酸による腐
食摩耗が従来以上に顕著になってきた。即ち、燃焼室回
りで摺動が問題となるピストンリング、ライナー、ピス
トンリング溝等では、このような腐食環境においても従
来のイオンプレーティング窒化クロム以上の高い摺動特
性が求められるようになってきており、従来のイオンプ
レーティング窒化クロム皮膜に代わる皮膜が求められて
いる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】窒化物が複合した皮膜
の腐食摩耗は各種窒化物の腐食性により影響される。窒
化物の腐食は金属が窒素から遊離する過程と金属が酸中
でイオン化する過程を伴うと考えられる。窒化クロム自
体は化学的には非常に安定ではあるが、以上のような従
来技術で成膜された従来のイオンプレーティングＣｒ―
Ｎ皮膜は硫酸及び硝酸等の腐食摩耗環境では意外に腐食
摩耗を起こし易いことが分かった。したがって、腐食摩
耗環境下での摺動性能を改善したイオンプレーティング
皮膜を提供することが本発明の課題である。
の腐食摩耗は各種窒化物の腐食性により影響される。窒
化物の腐食は金属が窒素から遊離する過程と金属が酸中
でイオン化する過程を伴うと考えられる。窒化クロム自
体は化学的には非常に安定ではあるが、以上のような従
来技術で成膜された従来のイオンプレーティングＣｒ―
Ｎ皮膜は硫酸及び硝酸等の腐食摩耗環境では意外に腐食
摩耗を起こし易いことが分かった。したがって、腐食摩
耗環境下での摺動性能を改善したイオンプレーティング
皮膜を提供することが本発明の課題である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】Ｃｒ−Ｍ（金属）−Ｎ系
イオンプレーティング皮膜の成膜においてはＣｒもＭも
窒素ガスと接触しているが、Ｍ元素は必ずしも窒化物と
して皮膜中に存在するのではなく金属形態で存在するこ
とが分かった。但し、Ｘ線回析により金属相は同定され
ずＣｒＮ窒化物のみが固定される。このような金属成分
すなわちＷは腐食摩耗条件でのＣｒＮの腐食性を著しく
改善することが分かった。
イオンプレーティング皮膜の成膜においてはＣｒもＭも
窒素ガスと接触しているが、Ｍ元素は必ずしも窒化物と
して皮膜中に存在するのではなく金属形態で存在するこ
とが分かった。但し、Ｘ線回析により金属相は同定され
ずＣｒＮ窒化物のみが固定される。このような金属成分
すなわちＷは腐食摩耗条件でのＣｒＮの腐食性を著しく
改善することが分かった。
【０００９】上述の新たな知見に基づく本発明において
は、少なくともその摺動面に、クロム、タングステン及
び窒素を主な構成元素するイオンプレーティング皮膜で
あって、皮膜結晶相が３−２０原子％のタングステンを
固溶するＣｒＮ型窒化クロム皮膜であるイオンプレーテ
ィング皮膜を有する摺動部材とすることで課題を解決す
ることが出来る。
は、少なくともその摺動面に、クロム、タングステン及
び窒素を主な構成元素するイオンプレーティング皮膜で
あって、皮膜結晶相が３−２０原子％のタングステンを
固溶するＣｒＮ型窒化クロム皮膜であるイオンプレーテ
ィング皮膜を有する摺動部材とすることで課題を解決す
ることが出来る。
【００１０】
【作用】本発明に係る皮膜の結晶相はＸ線回折法により
ＣｒＮ型窒化クロムと同定できる。Ｗは、Ｘ線回折では
同定できず、Ｘ線マイクロアナライザー等によりその存
在量を確認することができる。また、Ｗが３原子％以下
ではＣｒＮ皮膜の耐食性は向上せず、また、２０原子％
以上では成膜速度が遅くなるので得策ではない。最適
な、Ｗ成分範囲は５から１５原子％である。ＣｒＮ結晶
相中に固溶したＷはＣｒＮ皮膜の耐食性を向上させる。
成膜速度上の問題はあるが、固溶限を超えてＷが含まれ
る皮膜も耐食性は良好であるので、Ｗ自体がCrNイオン
プレーティング皮膜より耐食性に優れていることが分か
った。
ＣｒＮ型窒化クロムと同定できる。Ｗは、Ｘ線回折では
同定できず、Ｘ線マイクロアナライザー等によりその存
在量を確認することができる。また、Ｗが３原子％以下
ではＣｒＮ皮膜の耐食性は向上せず、また、２０原子％
以上では成膜速度が遅くなるので得策ではない。最適
な、Ｗ成分範囲は５から１５原子％である。ＣｒＮ結晶
相中に固溶したＷはＣｒＮ皮膜の耐食性を向上させる。
成膜速度上の問題はあるが、固溶限を超えてＷが含まれ
る皮膜も耐食性は良好であるので、Ｗ自体がCrNイオン
プレーティング皮膜より耐食性に優れていることが分か
った。
【００１１】皮膜形成法はＰＶＤの一種であるイオンプ
レーティング法を用いる。スパッタリング法等も用いる
ことは出来るが、密着性が劣ることや成膜速度か遅いこ
とから、ＣｒＮ皮膜のメリットを生かせない。従って、
イオンプレーティング法が望ましい。各種のイオンプレ
ーティング方法の中でも特にアークイオンプレーティン
グ法が最も望ましい。これは合金ターゲットを用いるこ
とで、安定した組成比の皮膜を得ることが出来るからで
ある。上述のように、特開平６−３３０３４８号におい
ては、クロムとクロム以外の金属も窒素と反応すると考
えられていたが、３０原子％以下のＷ含有範囲ではタン
グステン窒化物はＸ線回折により同定されない。以下、
実施例に基づき説明する。
レーティング法を用いる。スパッタリング法等も用いる
ことは出来るが、密着性が劣ることや成膜速度か遅いこ
とから、ＣｒＮ皮膜のメリットを生かせない。従って、
イオンプレーティング法が望ましい。各種のイオンプレ
ーティング方法の中でも特にアークイオンプレーティン
グ法が最も望ましい。これは合金ターゲットを用いるこ
とで、安定した組成比の皮膜を得ることが出来るからで
ある。上述のように、特開平６−３３０３４８号におい
ては、クロムとクロム以外の金属も窒素と反応すると考
えられていたが、３０原子％以下のＷ含有範囲ではタン
グステン窒化物はＸ線回折により同定されない。以下、
実施例に基づき説明する。
【００１２】
【実施例】焼結法にてＣｒ−５原子％Ｗ、Ｃｒ−１０原
子％Ｗ、Ｃｒ−２０原子％Ｗ、Ｃｒ−２５原子％Ｗ、Ｃ
ｒ−３０原子％Ｗの各ターゲット１（陰極）を作成し成
膜を行った。図１は成膜に用いたアークイオンプレーテ
ィング装置を示す。SUS440B相当材の先端部が１０Ｒの
５×５×１０ｍｍ摺動試験用テストピースを用意した。
摺動用テストピース２のＲ面に皮膜が形成されるように
セットし成膜を行った。成膜前に、Ａｒガス１０ｍTor
r、バイアス電圧―７５０Ｖで１０分間ボンバード処理
を行った後、引き続きヒーター８により成膜温度を７０
０℃にセットし、バイアス電源７によりバイアス電圧―
１０Ｖとした。さらに、ガス入口６から窒素ガスを流入
し、排気ポンプにより排気量を調整することにより窒素
圧を１０ｍTorrに調整した。アーク電源４により陽極３
と陰極１の間にアーク電流２００Aを発生し、処理時間
２４０分の条件で成膜処理を行った。また、比較例とし
てＣｒ１００％のターゲットを用い実施例の条件で成膜
したものも用意した。
子％Ｗ、Ｃｒ−２０原子％Ｗ、Ｃｒ−２５原子％Ｗ、Ｃ
ｒ−３０原子％Ｗの各ターゲット１（陰極）を作成し成
膜を行った。図１は成膜に用いたアークイオンプレーテ
ィング装置を示す。SUS440B相当材の先端部が１０Ｒの
５×５×１０ｍｍ摺動試験用テストピースを用意した。
摺動用テストピース２のＲ面に皮膜が形成されるように
セットし成膜を行った。成膜前に、Ａｒガス１０ｍTor
r、バイアス電圧―７５０Ｖで１０分間ボンバード処理
を行った後、引き続きヒーター８により成膜温度を７０
０℃にセットし、バイアス電源７によりバイアス電圧―
１０Ｖとした。さらに、ガス入口６から窒素ガスを流入
し、排気ポンプにより排気量を調整することにより窒素
圧を１０ｍTorrに調整した。アーク電源４により陽極３
と陰極１の間にアーク電流２００Aを発生し、処理時間
２４０分の条件で成膜処理を行った。また、比較例とし
てＣｒ１００％のターゲットを用い実施例の条件で成膜
したものも用意した。
【００１３】尚、Ｗが３０原子％固溶しているターゲッ
トについても成膜を行ったが、アーク放電が安定しない
ので皮膜形成を途中で中止した。以上の皮膜を成膜した
後、Ｒ表面をＲｚ０．４μｍ以下に研磨により仕上げ、
摺動用テストピースとし腐食摩耗試験を行った。
トについても成膜を行ったが、アーク放電が安定しない
ので皮膜形成を途中で中止した。以上の皮膜を成膜した
後、Ｒ表面をＲｚ０．４μｍ以下に研磨により仕上げ、
摺動用テストピースとし腐食摩耗試験を行った。
【００１４】まず最初に、Ｘ線回折により各皮膜の結晶
相を調査した。その結果、いずれの皮膜もＣｒＮ型窒化
クロムであった。ついで、Ｘ線マイクロアナライザーに
よりＷ量を求めた。これら結果を表１に示す。
相を調査した。その結果、いずれの皮膜もＣｒＮ型窒化
クロムであった。ついで、Ｘ線マイクロアナライザーに
よりＷ量を求めた。これら結果を表１に示す。
【００１５】
【表１】
【００１６】次に、各皮膜の腐食摩耗試験を図２に示す
ようなピン−ドラム摩耗試験機で行った。図において、
１２は支点、１３はシャフト、１４は荷重、１５は摩耗
テストピース、１６バランス、１７は回転軸、１８はド
ラム、１９は潤滑水（硫酸水溶液）である。円筒状の相
手材（１８）ＦＣ２５０の外周面に摺動用テストピース
１５のＲ面を周速０．２５ｍ／秒、荷重４０Ｎで押しつ
け、潤滑として ｐＨ＝２の硫酸水溶液を０．５ｃｃ／
分で滴下し、摺動時間６時間の条件で摩耗試験を行っ
た。試験後の１０Ｒ面の当たり幅を摩耗量の目安とし
た。その結果を表２示す。
ようなピン−ドラム摩耗試験機で行った。図において、
１２は支点、１３はシャフト、１４は荷重、１５は摩耗
テストピース、１６バランス、１７は回転軸、１８はド
ラム、１９は潤滑水（硫酸水溶液）である。円筒状の相
手材（１８）ＦＣ２５０の外周面に摺動用テストピース
１５のＲ面を周速０．２５ｍ／秒、荷重４０Ｎで押しつ
け、潤滑として ｐＨ＝２の硫酸水溶液を０．５ｃｃ／
分で滴下し、摺動時間６時間の条件で摩耗試験を行っ
た。試験後の１０Ｒ面の当たり幅を摩耗量の目安とし
た。その結果を表２示す。
【００１７】
【表２】
【００１８】表２から解るように、本発明に係る窒化ク
ロム結晶中にＷを固溶させた皮膜は腐食環境下の摩耗性
能に優れ、約５原子％以上のＷを固溶すればＣｒＮを以
上の性能であることが解る。尚、Ｗが３０原子％のター
ゲットを用いたイオンプレーティングでは皮膜の作成が
出来なかった。
ロム結晶中にＷを固溶させた皮膜は腐食環境下の摩耗性
能に優れ、約５原子％以上のＷを固溶すればＣｒＮを以
上の性能であることが解る。尚、Ｗが３０原子％のター
ゲットを用いたイオンプレーティングでは皮膜の作成が
出来なかった。
【００１９】
【発明の効果】以上のように、本発明による皮膜を有す
る摺動部材は、耐硫酸及び硝酸腐食特性と摺動特性の両
方が同時に要求される、エンジン用部品、特に、ピスト
ンリング、シリンダーライナー、バルブリフター等で良
好な摺動性能を示すことが期待される。
る摺動部材は、耐硫酸及び硝酸腐食特性と摺動特性の両
方が同時に要求される、エンジン用部品、特に、ピスト
ンリング、シリンダーライナー、バルブリフター等で良
好な摺動性能を示すことが期待される。
【図１】 アークイオンプレーティング装置を示す図面
である。
である。
【図２】 ピン−ドラム腐食摩耗試験機を示す図面であ
る。
る。
１．陰極
２．基板
３．陽極
４．アーク電源
５．真空チャンバー
６．窒素ガス導入口
７．バイアス電源
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
Ｆターム(参考） 3J044 AA02 BA01 BB14 BB20 BB28
BB36 BB40 BC06 DA06
4K029 BA58 BB07 BC02 BD04 CA04
Claims (3)
- 【請求項１】クロム、タングステン及び窒素を主な構成
元素とする皮膜であって、３−２０原子％のタングステ
ンを固溶するＣｒＮ型窒化クロム結晶からなることを特
徴とする耐摩耗性皮膜。 - 【請求項２】イオンプレーティング法により成膜された
ことを特徴とする請求項１記載の耐摩耗性皮膜。 - 【請求項３】少なくとも摺動面に、クロム、タングステ
ン及び窒素を主な構成元素とし、皮膜結晶相が３−２０
原子％のタングステンを固溶するＣｒＮ型窒化クロムで
あるイオンプレーティング皮膜を有する摺動部材。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001249090A JP4288024B2 (ja) | 2001-08-20 | 2001-08-20 | 耐摩耗性皮膜及びその皮膜を有する摺動部材 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001249090A JP4288024B2 (ja) | 2001-08-20 | 2001-08-20 | 耐摩耗性皮膜及びその皮膜を有する摺動部材 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003064469A true JP2003064469A (ja) | 2003-03-05 |
| JP4288024B2 JP4288024B2 (ja) | 2009-07-01 |
Family
ID=19078144
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001249090A Expired - Fee Related JP4288024B2 (ja) | 2001-08-20 | 2001-08-20 | 耐摩耗性皮膜及びその皮膜を有する摺動部材 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4288024B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008024976A (ja) * | 2006-07-19 | 2008-02-07 | Kobe Steel Ltd | 除膜性に優れた硬質皮膜 |
| WO2011125657A1 (ja) * | 2010-03-31 | 2011-10-13 | 日立ツール株式会社 | 耐食性に優れた被覆物品の製造方法および被覆物品 |
-
2001
- 2001-08-20 JP JP2001249090A patent/JP4288024B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008024976A (ja) * | 2006-07-19 | 2008-02-07 | Kobe Steel Ltd | 除膜性に優れた硬質皮膜 |
| JP4704970B2 (ja) * | 2006-07-19 | 2011-06-22 | 株式会社神戸製鋼所 | 除膜性に優れた硬質皮膜 |
| WO2011125657A1 (ja) * | 2010-03-31 | 2011-10-13 | 日立ツール株式会社 | 耐食性に優れた被覆物品の製造方法および被覆物品 |
| CN102803546A (zh) * | 2010-03-31 | 2012-11-28 | 日立工具股份有限公司 | 耐腐蚀性优异的被覆物品的制造方法及被覆物品 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4288024B2 (ja) | 2009-07-01 |
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