JP2006057674A - Sliding member and piston ring - Google Patents
Sliding member and piston ring Download PDFInfo
- Publication number
- JP2006057674A JP2006057674A JP2004238189A JP2004238189A JP2006057674A JP 2006057674 A JP2006057674 A JP 2006057674A JP 2004238189 A JP2004238189 A JP 2004238189A JP 2004238189 A JP2004238189 A JP 2004238189A JP 2006057674 A JP2006057674 A JP 2006057674A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- aluminum alloy
- intermediate layer
- sliding member
- film
- hard carbon
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 45
- 229910021385 hard carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 40
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 28
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 28
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 26
- 239000010687 lubricating oil Substances 0.000 claims abstract description 15
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 15
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 5
- 229910021364 Al-Si alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 3
- 230000023298 conjugation with cellular fusion Effects 0.000 abstract description 5
- 230000013011 mating Effects 0.000 abstract description 5
- 230000021037 unidirectional conjugation Effects 0.000 abstract description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 36
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 29
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 16
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 16
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 13
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 11
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 10
- REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N aluminium(3+) Chemical class [Al+3] REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 229910001366 Hypereutectic aluminum Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 8
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 8
- 238000007733 ion plating Methods 0.000 description 8
- 229910018104 Ni-P Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910018536 Ni—P Inorganic materials 0.000 description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 6
- 238000007373 indentation Methods 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 230000002093 peripheral Effects 0.000 description 6
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 5
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 5
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 5
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 238000005268 plasma chemical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 4
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 4
- 229910018125 Al-Si Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910018520 Al—Si Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011856 silicon-based particle Substances 0.000 description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 3
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 238000001678 elastic recoil detection analysis Methods 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910003465 moissanite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010705 motor oil Substances 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 2
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- 229910001018 Cast iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910019912 CrN Inorganic materials 0.000 description 1
- 210000002381 Plasma Anatomy 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N Silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005296 abrasive Methods 0.000 description 1
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 238000000866 electrolytic etching Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- 150000002736 metal compounds Chemical class 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- TWXTWZIUMCFMSG-UHFFFAOYSA-N nitride(3-) Chemical compound [N-3] TWXTWZIUMCFMSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic Effects 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N tin hydride Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
本発明は潤滑油中においてアルミ合金と摺動する摺動部材、特にピストンリング、並びに摺動部材の組み合わせに関する。 The present invention relates to a sliding member that slides with an aluminum alloy in lubricating oil, in particular, a piston ring, and a combination of sliding members.
近年、環境保全の問題により燃費の向上、エンジンの小型軽量化、排気ガス規制の対応などから自動車用エンジンは高出力化と同時にアルミ化が進んでいる。従来、自動車用多気筒エンジンでは、アルミ鋳物に鋳鉄製などのライナーを鋳込み又は嵌め込みピストンリングと摺動させるシリンダ部構造が主に用いられているが、このようなライナーを有するシリンダ部の構造はシリンダピッチを比較的大きくする必要があることからエンジンの小型軽量化には限界がある。したがって、ライナーによる寸法的制約を解消しエンジンを小型軽量化するためには、アルミ合金からなるシリンダ部にめっきなどの表面処理を施すか又はアルミ合金のシリンダ部とピストンリングを直接摺動して用いることが必要となっている。 In recent years, due to environmental conservation problems, automobile engines have become more aluminum at the same time as higher output due to improvements in fuel economy, smaller and lighter engines, and compliance with exhaust gas regulations. Conventionally, in a multi-cylinder engine for an automobile, a cylinder part structure in which a liner made of cast iron or the like is cast or fitted into an aluminum casting and slides with a piston ring is mainly used. Since it is necessary to make the cylinder pitch relatively large, there is a limit to reducing the size and weight of the engine. Therefore, in order to eliminate the dimensional restrictions due to the liner and reduce the size and weight of the engine, surface treatment such as plating is applied to the cylinder part made of aluminum alloy or the aluminum alloy cylinder part and the piston ring are directly slid. It is necessary to use it.
モーターサイクル用、四輪レース用エンジンなどでは、高出力、シリンダ部の冷却効率向上、軽量化のニーズが非常に強く、ニカジルめっき（ＳｉＣ粒子分散複合Nｉめっき）やＳｉ３Ｎ４粒子分散Co-Ni-P系複合めっきなどをアルミ合金からなるシリンダ部に直接コーティングしたライナーレスタイプが一部で用いられているが、シリンダ部の表面処理は高コストである。 There is a strong need for high output, improved cylinder cooling efficiency, and lighter weight for motorcycle and four-wheel racing engines, etc., and Nikazil plating (SiC particle dispersion composite Ni plating) and Si 3 N 4 particle dispersion Co- The linerless type in which a cylinder part made of an aluminum alloy is directly coated with Ni-P composite plating or the like is used in part, but the surface treatment of the cylinder part is expensive.
アルミ合金製のシリンダブロックは、一般にJIS規格のAC4B材或いはADC12材相当合金などであり、鋳造により製造され、Ａ３９０材などの過共晶アルミ合金ではシリンダブロックを低圧鋳造した後、シリンダ部のアルミマトリックスのみを電解エッチングにより選択的にエッチングして、粒径５０μｍ程度のＳｉ粒子を表面に露出させ、摺動面とする技術が実用化されている。 Cylinder blocks made of aluminum alloy are generally JIS standard AC4B material or ADC12 equivalent alloy, etc., and are manufactured by casting. For hypereutectic aluminum alloys such as A390 material, the cylinder block is low-pressure cast, and then the aluminum in the cylinder part A technique has been put to practical use in which only the matrix is selectively etched by electrolytic etching so that Si particles having a particle size of about 50 μm are exposed on the surface to form a sliding surface.
特許文献１（特許２８６０５３７号）では、Ｓｉを２３から２８ｗｔ％含有する過共晶アルミ合金のシリンダライナ内周を切削加工及びホーニング加工し、表面を化学的にエッチングして用いることが示されている。
特許文献２（特開２００３―１３１６３号）には、粉末アルミ合金により形成されたマトリックス粒子とそのマトリックス中に分散された硬質粒子とを含む粉末アルミ合金製摺動部材のシリンダと、ダイヤモンドライクカーボン皮膜を被着したピストンリングを組み合わせて用いることが開示されている。
Patent Document 1 (Patent No. 2860537) shows that the inner circumference of a hypereutectic aluminum alloy cylinder containing 23 to 28 wt% of Si is cut and honed, and the surface is chemically etched and used. Yes.
Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-13163) discloses a cylinder of a sliding member made of powder aluminum alloy containing matrix particles formed of powdered aluminum alloy and hard particles dispersed in the matrix, and diamond-like carbon. It is disclosed that a piston ring with a coating applied is used in combination.
特許文献３（特開２００１−２８０４９７号）には、初期なじみ性、耐スカッフ性及び耐摩耗性に優れ、直接摺動できるＳｉ含有量が７から２０ｗｔ％のアルミ合金製シリンダと外周面に、メタンなどの炭化水素ガスを原料として生成されたダイヤモンドライクカーボンからなる硬質皮膜を有するピストンリングを組み合わせることが開示されている。この硬質皮膜はＳｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ及びＶの群から選ばれた１又は２種以上の元素の炭化物が分散し、これら元素の含有比率が５から４０ａｔ％であり、皮膜硬度がＨｖ７００から２０００の範囲である。また摩耗試験結果ではピストンリング試験片もシリンダ試験片もほぼ同じ摩耗量比となっている。 Patent Document 3 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-280497) is excellent in initial conformability, scuff resistance, and wear resistance, and can be directly slid on an aluminum alloy cylinder having an Si content of 7 to 20 wt% and an outer peripheral surface. It is disclosed to combine a piston ring having a hard film made of diamond-like carbon produced using a hydrocarbon gas such as methane as a raw material. This hard coating has a carbide of one or more elements selected from the group of Si, Ti, W, Cr, Mo, Nb and V dispersed therein, and the content ratio of these elements is 5 to 40 at%. The hardness is in the range of Hv 700 to 2000. In the wear test results, the piston ring test piece and the cylinder test piece have almost the same wear amount ratio.
特許文献４（特開２００３−２９３１３６号）には、高Ｓｉ含有アルミ合金を相手材とする水素含有量が３０から５０ａｔ％であり、珪素含有量が５ａｔ％未満であり、珪素炭化物を含有する非晶質硬質炭素皮膜が開示され、密着性を高める目的でＳｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔｉ及びそれらの合金、炭化物からなる中間層を適用し、その上に前記の非晶質硬質炭素皮膜を形成することが開示されている。この実施例及び比較例では、加熱潤滑油中で押し付け圧力を増大させてスカッフ試験が行なわれており、その結果では一旦摩擦係数が減少し、その後増加するときにスカッフが起こっている。 In Patent Document 4 (Japanese Patent Laid-Open No. 2003-293136), the hydrogen content with a high Si content aluminum alloy as a counterpart is 30 to 50 at%, the silicon content is less than 5 at%, and contains silicon carbide. An amorphous hard carbon film is disclosed, and an intermediate layer made of Si, Cr, W, Ti and their alloys and carbides is applied for the purpose of improving adhesion, and the amorphous hard carbon film is formed thereon. Is disclosed. In this example and the comparative example, the scuff test was performed by increasing the pressing pressure in the heated lubricating oil. As a result, the scuffing occurred when the coefficient of friction once decreased and then increased.
特許文献５（特開２００４−１３７５３５号）には、水素量を適切に制御して水素含有量を０.５ａｔ％以下としたＤＬＣ皮膜を形成し、潤滑油（油温80℃）の存在下で良好な低摩擦係数の摺動部材とすることが開示されている。なお、実施例では供試された相手材は浸炭軸受鋼（SUJ2）である。
高出力エンジンでは発熱量が大きく高温となり、冷却が不十分となると潤滑不良によるスカッフが生じやすくなるため、ライナーレス化による冷却効率向上が有効である。ライナーレス化は、シリンダピッチの短縮を可能としエンジンの小型化をはかることができる。
しかしながら、ライナーレス化のためアルミ合金製シリンダ部にＳｉＣやＳｉ３Ｎ４粒子を分散させた複合めっき皮膜を形成したものでは硬質粒子の脱落によるアブレッシブ摩耗の問題がある。また、Ｓｉ３Ｎ４粒子を分散させたCo-Ni-P系複合めっきの場合においてもめっき後の表面粗さを０.８μｍＲｚ（十点平均粗さ）以下にしないと耐摩耗性が悪いという問題があった。また、アルミ合金製シリンダ部を直接摺動面として用いる場合には、アルミ合金の鋳造性、加工性が悪い問題があり、初期の保油性を確保のためのオイル溜まりを形成するホーニング仕上げが必要である。
A high-power engine generates a large amount of heat and becomes high temperature, and if the cooling is insufficient, scuffing due to poor lubrication is likely to occur. Therefore, it is effective to improve the cooling efficiency by reducing the number of liners. The linerless design can reduce the cylinder pitch and reduce the size of the engine.
However, in the case of forming a composite plating film in which SiC or Si 3 N 4 particles are dispersed in an aluminum alloy cylinder for the purpose of linerless, there is a problem of abrasive wear due to falling off of hard particles. In addition, even in the case of Co—Ni—P composite plating in which Si 3 N 4 particles are dispersed, the wear resistance is poor unless the surface roughness after plating is 0.8 μmRz (10-point average roughness) or less. There was a problem. Also, when the aluminum alloy cylinder part is used as a direct sliding surface, there is a problem that the castability and workability of the aluminum alloy are poor, and a honing finish is required to form an oil reservoir to ensure the initial oil retention. It is.
また、Ｓｉ含有量の多い過共晶アルミ合金材、例えばＡ３９０材などにおいてはＡｌを選択エッチングすることによりＳｉや金属化合物からなる粒子を表面に露出させて使用しているが、粒子の脱落による上死点部の摩耗などの問題がある。 Further, in a hypereutectic aluminum alloy material having a high Si content, for example, A390 material, particles made of Si or a metal compound are exposed on the surface by selective etching of Al. There are problems such as wear at the top dead center.
本発明に関連技術分野の上記（非）特許文献の研究結果は次のように整理することができる。先ず、非晶質硬質炭素皮膜の潤滑油中の特性評価は古くは20℃などの常温中で行なわれていた（非特許文献１）が、その後の発表文献（特許文献４，５）では80〜100℃などの高温試験条件が採用されている。また、非晶質硬質炭素皮膜の摺動特性は摩擦係数で評価している研究（特許文献５、非特許文献１）が多いが、特許文献４では摩擦係数と耐スカッフ性の両方により評価が行われている。この結果、高温潤滑油中で摺動されるアルミ合金/非晶質硬質炭素皮膜摺動構造では、摺動初期に摩擦係数が低下する現象が認められた。最近の研究結果を公表する特許文献５では、浸炭鋼相手材に対して水素含有量が制御された非晶質硬質炭素皮膜は、高温潤滑油中で、低い摩擦係数を示すことが開示された。以上の結果から、相手材がアルミ合金の場合は、初期なじみ現象により摩擦係数が下がっても、その後スカッフが起こることがわかる。本発明者らはさらに研究を進めたところ、アルミ合金中のＳｉが意外にも高温潤滑油中で摺動される非晶質硬質炭素皮膜の摩耗に大きな影響を及ぼすという知見を得た。これらの知見に基いて従来技術について次のように評価した。 The research results of the above (non-) patent documents in the technical field related to the present invention can be summarized as follows. First, the evaluation of the characteristics of the amorphous hard carbon film in the lubricating oil was performed at room temperature such as 20 ° C. (Non-Patent Document 1), but in the subsequent published documents (Patent Documents 4 and 5), 80 High temperature test conditions such as ~ 100 ° C are adopted. In addition, many studies (Patent Document 5 and Non-Patent Document 1) evaluate the sliding characteristics of the amorphous hard carbon film by the friction coefficient. However, Patent Document 4 evaluates both by the friction coefficient and the scuff resistance. Has been done. As a result, in the aluminum alloy / amorphous hard carbon film sliding structure that is slid in high-temperature lubricating oil, a phenomenon that the friction coefficient decreases in the early stage of sliding was observed. In Patent Document 5 that publishes recent research results, it has been disclosed that an amorphous hard carbon film whose hydrogen content is controlled with respect to a carburized steel counterpart exhibits a low coefficient of friction in high-temperature lubricating oil. . From the above results, it can be seen that when the mating material is an aluminum alloy, scuffing occurs afterwards even if the friction coefficient decreases due to the initial running-in phenomenon. As a result of further research, the present inventors have found that the Si in the aluminum alloy unexpectedly has a great influence on the wear of the amorphous hard carbon film that is slid in the high temperature lubricating oil. Based on these findings, the prior art was evaluated as follows.
特許文献２の開示から、摺動部材において、摺動面に水素を含有する非晶質硬質炭素皮膜を用いたものは表面平滑性やアルミ合金との耐凝着性は優れているといえる。しかしながら、摺動条件が過酷な近年のエンジンにおいては特許文献２で提案された非晶質硬質炭素皮膜は耐凝着性も十分ではなく、耐剥離性にも問題を有している。この皮膜に密着性を高める目的で中間層を適用しても耐剥離性は十分ではない。また、この皮膜は比較的軟質であるために耐摩耗性が悪い。 From the disclosure of Patent Document 2, it can be said that the sliding member using an amorphous hard carbon film containing hydrogen on the sliding surface is excellent in surface smoothness and adhesion resistance with an aluminum alloy. However, in recent engines with severe sliding conditions, the amorphous hard carbon film proposed in Patent Document 2 has insufficient adhesion resistance and has a problem in peeling resistance. Even if an intermediate layer is applied to the film for the purpose of improving adhesion, the peel resistance is not sufficient. Moreover, since this film is relatively soft, the wear resistance is poor.
摺動部材の摺動面に金属を含有した非晶質硬質炭素皮膜を用いたものでは、添加された金属が主として非晶質炭素のネットワーク中で金属炭化物の状態で膜中に存在するため、高面圧下での摺動時に硬質の炭化物粒子を起点として欠けや剥離を生じやすいという問題がある。特に、金属炭化物を５から４０ａｔ％程度の高濃度に含有し、皮膜硬度がＨｖ７００から２０００の範囲では耐摩耗性に問題があった。 In the case of using an amorphous hard carbon film containing metal on the sliding surface of the sliding member, the added metal is present in the film in the form of metal carbide mainly in the amorphous carbon network. There is a problem that chipping or peeling is likely to occur starting from hard carbide particles when sliding under high surface pressure. In particular, when the metal carbide is contained at a high concentration of about 5 to 40 at% and the film hardness is in the range of Hv 700 to 2000, there is a problem in wear resistance.
摺動面に、水素含有量を０.５ａｔ％以下とした特許文献５の非晶質硬質炭素皮膜は上述のように鋼材からなる相手材に適用するものであるが、その他にも密着性や相手材摩耗に問題があった。 The amorphous hard carbon film of Patent Document 5 having a hydrogen content of 0.5 at% or less on the sliding surface is applied to the mating material made of steel as described above. There was a problem with wear of the mating material.
本発明は、初期なじみ性、耐スカッフ性、耐凝着性及び耐摩耗性に優れ、アルミ合金製相手材と直接摺動させることができる非晶質硬質炭素膜被覆摺動部材を提供することを課題とする。 The present invention provides an amorphous hard carbon film-coated sliding member that is excellent in initial conformability, scuff resistance, adhesion resistance, and wear resistance and that can be directly slid with an aluminum alloy counterpart. Is an issue.
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、アルミ合金からなる部材を相手材とし潤滑油中で使用される摺動部材において、少なくとも摺動部表面に中間層を有し、且つ中間層を介して水素を含有しない非晶質硬質炭素皮膜を被覆したことを特徴とする摺動部材である。前記摺動部材は、内燃機関用ピストンリングなどが好適である。ここで水素を含有しない非晶質硬質炭素皮膜とは、ＨＦＳ（Hydrogen Forward Scattering）法による分析で、水素が検出限界以下（実質０.５at%以下）であり、炭素から構成される非晶質硬質炭素膜である。非晶質硬質炭素皮膜は膜中の水素の有無にかかわらず、炭素の結合状態はｓp3（ダイヤモンド）結合とｓｐ２（グラファイト）結合の２つが存在しているが、水素を含有している非晶質硬質炭素はｓｐ２結合が多くなる。このためｓｐ２結合によるグラファイト的性質による自己潤滑性により、相手材との凝着が少ない。一方、水素を含まない非晶質硬質炭素皮膜はＨｖ１５００から８０００程度の硬度を有し、水素を含む非晶質硬質炭素皮膜に比べ耐摩耗性に優れる。特にＨｖ２０００を超える硬度を有する非晶質硬質炭素皮膜は、面粗度を適度に調整することにより、適度な相手攻撃性を付与することができる。即ち、高硬度非晶質硬質炭素皮膜は高温潤滑油中で相手材のAl-Si合金中のＳｉにより異常摩耗せず、むしろ相手材のＡｌ−Ｓｉを平滑にする初期なじみ性に優れる。 The present invention has been made in order to solve the above problems, and in a sliding member used in lubricating oil with a member made of an aluminum alloy as a counterpart material, at least a surface of the sliding portion has an intermediate layer, and The sliding member is characterized in that an amorphous hard carbon film not containing hydrogen is coated through an intermediate layer. The sliding member is preferably a piston ring for an internal combustion engine. Here, the amorphous hard carbon film not containing hydrogen is an amorphous material composed of carbon whose hydrogen is below the detection limit (substantially 0.5 at% or less) in analysis by the HFS (Hydrogen Forward Scattering) method. It is a hard carbon film. An amorphous hard carbon film has two sp3 (diamond) and sp2 (graphite) bonds, regardless of the presence or absence of hydrogen in the film. Hard carbon has more sp2 bonds. For this reason, there is little adhesion with a counterpart material due to the self-lubricating property due to the graphite-like properties due to sp2 bonds. On the other hand, an amorphous hard carbon film containing no hydrogen has a hardness of about Hv 1500 to 8000, and is excellent in wear resistance as compared with an amorphous hard carbon film containing hydrogen. In particular, an amorphous hard carbon film having a hardness exceeding Hv2000 can impart moderate opponent attack by adjusting the surface roughness appropriately. That is, the high hardness amorphous hard carbon film does not wear abnormally due to Si in the counterpart Al—Si alloy in the high temperature lubricating oil, but rather has excellent initial conformability for smoothing the counterpart Al—Si.
本発明において少なくとも摺動部表面に形成される中間層は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｗからなる群から選択された１種以上の元素を含むものであり、イオンプレーティングにより主に前記元素からなる金属層もしくは合金層である。中間層の厚さは０.１から０.３μmであることが好ましい。中間層の厚さが０.３μmより厚いと、摺動時に中間層上に成膜される水素を含有しない非晶質硬質炭素皮膜を介して中間層に高いせん断力が作用すると中間層が塑性流動して剥離を発生しやすくなる可能性がある。０.１μm未満では密着性低下して相手材のアルミ合金の摩耗が増大する可能性がある。 In the present invention, at least the intermediate layer formed on the surface of the sliding portion contains one or more elements selected from the group consisting of Cr, Ti, Si, and W, and mainly contains the above elements by ion plating. A metal layer or an alloy layer. The thickness of the intermediate layer is preferably 0.1 to 0.3 μm. When the thickness of the intermediate layer is greater than 0.3 μm, the intermediate layer becomes plastic when a high shearing force acts on the intermediate layer through an amorphous hard carbon film that does not contain hydrogen that is formed on the intermediate layer during sliding. There is a possibility that it will flow and be easily peeled off. If the thickness is less than 0.1 μm, the adhesion may be reduced, and the wear of the aluminum alloy material may increase.
前記中間層を介して成膜される水素を含有しない非晶質硬質炭素皮膜の膜厚は、０.３μｍから１μｍであることが好ましい。膜厚０.３μm未満では均一な皮膜が形成されず、初期摺動による摩滅などが発生する可能性がある。１μmより厚いと皮膜の内部応力により剥離の可能性があり、また中間層との相乗効果による相手材の摩耗低減が得られないため膜厚は１μm以下が好ましい。 The film thickness of the amorphous hard carbon film not containing hydrogen formed through the intermediate layer is preferably 0.3 μm to 1 μm. If the film thickness is less than 0.3 μm, a uniform film is not formed, and wear due to initial sliding may occur. If it is thicker than 1 μm, there is a possibility of peeling due to the internal stress of the film, and since the wear of the counterpart material cannot be reduced due to a synergistic effect with the intermediate layer, the film thickness is preferably 1 μm or less.
相手材のアルミ合金には、亜共晶Al-Si系アルミ合金又は過共晶Al-Si系アルミ合金の鋳造材、押出材などが適用できる。 As the counterpart aluminum alloy, a hypoeutectic Al—Si based aluminum alloy or a hypereutectic Al—Si based aluminum alloy casting material, extruded material, or the like can be applied.
図１は本発明の一実施例について示したものである。図１（ａ）はアルミ合金からなる部材を相手材とし、潤滑油中で使用される摺動部材で、基材１の表面に中間層２を介して水素を含有しない非晶質硬質炭素（以下「H-free a-Ｃ」という）皮膜３を被覆する。
中間層はＣｒ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｗからなる群から選ばれた１以上の元素を含むものであり、スパッタリング法や真空アーク蒸発源を用いたイオンプレーティング法により膜厚０.１から０.３μｍに成膜する。中間層は、イオンプレーティングにより主に前記元素からなる金属層もしくは合金層を形成するのが好ましい。
FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) is a sliding member used in lubricating oil with a member made of an aluminum alloy as a counterpart material. Amorphous hard carbon that does not contain hydrogen via the intermediate layer 2 on the surface of the substrate 1 (FIG. (Hereinafter referred to as “H-free a-C”).
The intermediate layer contains one or more elements selected from the group consisting of Cr, Ti, Si, and W, and has a film thickness of 0.1 to 0.00 by a sputtering method or an ion plating method using a vacuum arc evaporation source. A film is formed to 3 μm. The intermediate layer is preferably formed by ion plating to form a metal layer or alloy layer mainly composed of the above elements.
H-free a-Ｃ皮膜は、ＰＶＤ法すなわち固体カーボンをカソード蒸発源とした真空アークを用いたイオンプレーティング法により膜厚０.３μｍから１μｍで形成する。このH-free a-Ｃ皮膜は、上記中間層を介してコーティングする。膜厚は１μｍ以下が好適であるが、より好ましくは０.５μｍ以下が良い。
H-free a-Ｃの硬度はＨｖ１５００〜８０００が好適であり、耐摩耗性、適度な相手攻撃性の観点からＨｖ２０００を超える硬度がより好ましい。また、H-free a-Ｃ皮膜の表面粗さは０.２μｍＲｚ（十点平均粗さ）から０.５μｍＲｚが好適である。０.２μmＲｚ未満は仕上加工に時間を要するため生産性の問題があり、０.５μｍＲｚを超えると、皮膜硬度と相まって相手攻撃性が強くなる可能性がある。０.２μｍＲｚから０.３μｍＲｚが初期なじみ性に優れるのでより好ましい。
The H-free a-C film is formed with a film thickness of 0.3 μm to 1 μm by a PVD method, that is, an ion plating method using a vacuum arc using solid carbon as a cathode evaporation source. This H-free a-C film is coated via the intermediate layer. The film thickness is preferably 1 μm or less, more preferably 0.5 μm or less.
The hardness of H-free a-C is preferably Hv 1500 to 8000, and the hardness exceeding Hv 2000 is more preferable from the viewpoint of wear resistance and moderate opponent attack. The surface roughness of the H-free a-C film is preferably from 0.2 μm Rz (10-point average roughness) to 0.5 μm Rz. If it is less than 0.2 μm Rz, there is a problem in productivity because time is required for finishing. 0.2 μm Rz to 0.3 μm Rz is more preferable because of excellent initial conformability.
図２は相手材となるシリンダ断面について示したものである。シリンダ4の材質としては下記のＳｉ含有量が９から２８ｗｔ％の亜共晶アルミ合金又は過共晶アルミ合金などが適用可能であり、これらのアルミ合金をシリンダに用いる場合には、通常はホーニング加工、エッチング処理などが実施される。 FIG. 2 shows a cylinder cross-section as a counterpart material. As the material of the cylinder 4, hypoeutectic aluminum alloy or hypereutectic aluminum alloy having the following Si content of 9 to 28 wt% can be applied. When these aluminum alloys are used for the cylinder, they are usually honed. Processing, etching, and the like are performed.
１）Ｓｉ９.６から１２ｗｔ％、Ｃｕ１.５から３.５ｗｔ％、不可避不純物６ｗｔ％以下、残部Ａｌからなる亜共晶アルミ合金（ＡＤＣ１２）。
２）Ｓｉ２３から２８ｗｔ％、Ｃｕ３.０から４.５ｗｔ％、Ｍｇ０.８から２.０ｗｔ％、Ｆｅ０.２５ｗｔ％以下、Ｍｎ、Ｎｉ及びＺｎ０.０１ｗｔ％以下、残部Ａｌからなる過共晶アルミ合金。
３）Ｓｉ２３から２８ｗｔ％、Ｃｕ３.０から４.５ｗｔ％、Ｍｇ０.８から２.０ｗｔ％、Ｆｅ１.０から１.４ｗｔ％、Ｎｉ１.０から５.０ｗｔ％、Ｍｎ、及びＺｎ０.０１ｗｔ％以下、残部Ａｌからなる過共晶アルミ合金。
４）Ｓｉ１４.５から１５.５ｗｔ％、Ｃｕ２.５から４.０ｗｔ％、不可避不純物６ｗｔ％以下、残部Ａｌからなる過共晶アルミ合金。
５）Ｓｉ１６から１８ｗｔ％、Ｃｕ４から５ｗｔ％、Ｍｇ０.４５から０.６５ｗｔ％、不可避不純物６ｗｔ％以下、残部Ａｌからなる過共晶アルミ合金（Ａ３９０）。
６）Ｓｉ３Ｎ４などの硬質粒子を分散した粉末アルミ合金。
1) A hypoeutectic aluminum alloy (ADC12) comprising Si 9.6 to 12 wt%, Cu 1.5 to 3.5 wt%, inevitable impurities 6 wt% or less, and the balance Al.
2) A hypereutectic aluminum alloy consisting of Si 23 to 28 wt%, Cu 3.0 to 4.5 wt%, Mg 0.8 to 2.0 wt%, Fe 0.25 wt% or less, Mn, Ni and Zn 0.01 wt% or less, and the balance Al. .
3) Si 23 to 28 wt%, Cu 3.0 to 4.5 wt%, Mg 0.8 to 2.0 wt%, Fe 1.0 to 1.4 wt%, Ni 1.0 to 5.0 wt%, Mn, and Zn 0.01 wt% Hereinafter, a hypereutectic aluminum alloy composed of the remaining Al.
4) A hypereutectic aluminum alloy consisting of Si 14.5 to 15.5 wt%, Cu 2.5 to 4.0 wt%, inevitable impurities 6 wt% or less, and the balance Al.
5) A hypereutectic aluminum alloy (A390) composed of Si16 to 18 wt%, Cu4 to 5 wt%, Mg 0.45 to 0.65 wt%, inevitable impurities 6 wt% or less, and the balance Al.
6) Powdered aluminum alloy in which hard particles such as Si 3 N 4 are dispersed.
図３（ａ）は、外周面にＣｒめっき、イオン窒化又はラジカル窒化などの下地層10と、Ｃr、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｗからなる群の１以上の元素を含んだ中間層2及び前記中間層2を介してH-free a-Ｃ皮膜3が形成されたピストンリングについて示したものである。
図３（ｂ）は、全面にガス窒化層などを形成した下地層10の場合で、外周面の下地層上にＣr、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｗからなる群の１以上の元素を含んだ中間層2及び前記中間層2を介してH-free a-C皮膜3が形成されたピストンリングについて示したものである。
また、図３（ｃ）は下地層10を形成せずにリング基材に直接Ｃr、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｗからなる群の１以上の元素を含んだ中間層2及び前記中間層2を介してH-free a-C皮膜3を形成したピストンリングについて示したものである。
FIG. 3A shows an underlayer 10 such as Cr plating, ion nitriding or radical nitriding on the outer peripheral surface, an intermediate layer 2 containing one or more elements of the group consisting of Cr, Ti, Si, W and the intermediate layer. 2 shows a piston ring in which an H-free a-C film 3 is formed through 2.
FIG. 3B shows an underlayer 10 in which a gas nitride layer or the like is formed on the entire surface, and an intermediate layer containing one or more elements of the group consisting of Cr, Ti, Si, and W on the underlayer on the outer peripheral surface. 2 and the piston ring in which the H-free aC film 3 is formed via the intermediate layer 2.
FIG. 3C shows an intermediate layer 2 containing one or more elements of the group consisting of Cr, Ti, Si, and W directly on the ring base material without forming the underlayer 10 and the intermediate layer 2. This shows a piston ring on which an H-free aC film 3 is formed.
ピストンリングにおいては、少なくとも外周摺動面に本発明の構成の中間層と前記中間層を介してH-free a-C皮膜を形成することが必要であるが、側面、内周面或いは側面と内周面の両方についてもコーティング処理を行っても良い。
ピストンリング材としては、ＪＩＳ−ＳＷＲＳ８２Ａ、ＳＵＳ４４０Ｂ相当等の材料が好適である。また、下地層としては、Ｃｒめっき、窒化（ガス窒化、ガス軟窒化、イオン窒化、ラジカル窒化）、ＴｉＮ皮膜、ＣｒＮ皮膜などを適用することができる。
In the piston ring, it is necessary to form an H-free aC film at least on the outer peripheral sliding surface via the intermediate layer having the structure of the present invention and the intermediate layer. You may perform a coating process also about both surfaces.
As the piston ring material, materials such as JIS-SWRS82A and SUS440B are suitable. As the underlayer, Cr plating, nitriding (gas nitriding, gas soft nitriding, ion nitriding, radical nitriding), TiN coating, CrN coating, or the like can be applied.
以下、本発明による摺動部材について密着性、摺動特性の評価を結果について述べる。
（密着性）
Hereinafter, the results of the evaluation of the adhesion and sliding characteristics of the sliding member according to the present invention will be described.
(Adhesion)
表１は中間層及び前記中間層上に形成した非晶質硬質炭素皮膜による密着性についてロックウェル圧痕試験（基材：ＳＫＨ５１、圧子：ロックウェルＣスケール、試験荷重：１５０ｋｇｆ）により評価した結果について示したものである。判定方法としては、圧痕周辺部の剥離の状態から判断している。
実施例１から４は、イオンプレーティング法により膜厚０.３μmのＣｒ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｗの金属からなる中間層を成膜し、前記中間層上に真空アーク法により膜厚０.５μmのH-free a-Ｃ皮膜を形成した場合である。いずれもロックウェル圧痕周辺部で剥離の発生はなく良好な密着性を有する。
一方、比較例１は中間層を成膜せずに真空アーク法によりH-free a-C皮膜を成膜した場合であるが、圧痕周辺部に剥離が発生している。比較例２から５は、イオンプレーティング法により膜厚０.３μmのＣｒ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｗの金属からなる中間層を成膜し、前記中間層上にプラズマＣＶＤ法により膜厚０.５μmの水素を含有する非晶質硬質炭素皮膜を形成したものであり、比較例６は中間層を成膜せずにプラズマＣＶＤ法により膜厚０.５μmの水素を含有する非晶質硬質炭素皮膜を形成したものについて示している。
中間層上に水素を含有する非晶質硬質炭素皮膜を形成した比較例２から５は、中間層を成膜しない比較例６に比べて剥離は少ないが圧痕周辺部に剥離が発生し、実施例１から４の中間層を有し且つH-free a-C皮膜を形成した場合に比べ密着性は著しく悪い。尚、圧痕試験に用いた実施例及び比較例は、下地層に窒化処理を行ったものを用いた。
Table 1 shows the results of evaluation by the Rockwell indentation test (base material: SKH51, indenter: Rockwell C scale, test load: 150 kgf) for the adhesion by the intermediate layer and the amorphous hard carbon film formed on the intermediate layer. It is shown. As a determination method, it is determined from the state of peeling around the indentation.
In Examples 1 to 4, an intermediate layer made of a metal of Cr, Ti, Si, W having a film thickness of 0.3 μm was formed by an ion plating method, and a film thickness of 0.5 μm was formed on the intermediate layer by a vacuum arc method. This is a case where an H-free a-C film was formed. In either case, no peeling occurs at the periphery of the Rockwell indentation, and the adhesiveness is good.
On the other hand, Comparative Example 1 is a case where an H-free aC film was formed by a vacuum arc method without forming an intermediate layer, but peeling occurred in the periphery of the indentation. In Comparative Examples 2 to 5, an intermediate layer made of Cr, Ti, Si, and W metal having a film thickness of 0.3 μm was formed by an ion plating method, and a film thickness of 0.5 μm was formed on the intermediate layer by a plasma CVD method. In Comparative Example 6, an amorphous hard carbon film containing 0.5 μm thick hydrogen was formed by plasma CVD without forming an intermediate layer. It shows about what formed.
In Comparative Examples 2 to 5 in which an amorphous hard carbon film containing hydrogen was formed on the intermediate layer, the peeling was less in comparison with Comparative Example 6 in which the intermediate layer was not formed, but peeling occurred in the periphery of the indentation. The adhesion is remarkably worse than when the intermediate layer of Examples 1 to 4 is provided and an H-free aC film is formed. In addition, the Example and comparative example which were used for the indentation test used what performed the nitriding process to the base layer.
（耐摩耗性）
表２はピン・オン・ディスク式摩擦摩耗試験装置による評価及びピン・オン・ディスク式スカッフ試験装置による評価に用いた実施例と比較例の組み合わせを示している。また、表３はこれらの評価試験の結果を示したものである。
(Abrasion resistance)
Table 2 shows combinations of examples and comparative examples used for evaluation by a pin-on-disk type frictional wear test apparatus and evaluation by a pin-on-disk type scuff test apparatus. Table 3 shows the results of these evaluation tests.
ピン・オン・ディスク式摩擦摩耗試験装置による評価に用いたピンは、材質ＳＫＨ５１材、サイズ：５ｍｍ×３.５ｍｍ×２０ｍｍ、先端Ｒ２０のものを使用し、ディスクは内燃機関シリンダ用に好適なアルミ合金材を表面粗さ０.５μmＲｚ（十点平均粗さ）に仕上げ使用し、荷重：９８.１Ｎ/ｍｍ、周速：０.５ｍ/ｓｅｃ、潤滑油：５Ｗ−３０エンジンオイル、油温：９０℃で行った。 The pin used for the evaluation by the pin-on-disk type friction and wear test apparatus is the material SKH51, the size: 5 mm × 3.5 mm × 20 mm, the tip R20, and the disk is an aluminum suitable for an internal combustion engine cylinder. The alloy material is finished to a surface roughness of 0.5 μm Rz (ten-point average roughness), load: 98.1 N / mm, peripheral speed: 0.5 m / sec, lubricating oil: 5W-30 engine oil, oil temperature: Performed at 90 ° C.
実施例５から９は、ピン材に窒化処理による下地層を形成後、イオンプレーティング法により膜厚０.３μmの金属Ｃｒからなる中間層を成膜し、前記中間層上に真空アーク法により膜厚０.８μmのH-free a-Ｃ皮膜を形成したものである。ディスク材には内燃機関のシリンダ用に好適なＳｉ含有量が９から２８ｗｔ％のアルミ合金を使用した。
比較例７はピン材に窒化処理による下地層を形成後、中間層を成膜せずに真空アーク法により膜厚０.８μmのH-free a-Ｃ皮膜を形成している。
比較例８、９はピン材に窒化処理による下地層を形成後、イオンプレーティング法により膜厚０.３μmのＣｒの金属からなる中間層を成膜し、前記中間層上にスパッタリング法、プラズマＣＶＤ法により水素を含有する非晶質硬質炭素皮膜を形成した。
比較例１０はピン材の材質をＳＵＳ４４０材とし窒化処理を施したものである。
比較例１１及び１２は、ＳＫＨ５１材にＣｒめっき、Ｓｉ３Ｎ４粒子を分散させたCo-Ni-P系複合めっきをそれぞれ施したものである。
In Examples 5 to 9, after forming a base layer by nitriding treatment on the pin material, an intermediate layer made of metal Cr having a thickness of 0.3 μm is formed by ion plating, and a vacuum arc method is formed on the intermediate layer. An H-free a-C film having a thickness of 0.8 μm is formed. As the disk material, an aluminum alloy having a Si content of 9 to 28 wt% suitable for an internal combustion engine cylinder was used.
In Comparative Example 7, an H-free a-C film having a film thickness of 0.8 μm was formed by a vacuum arc method without forming an intermediate layer after forming a base layer by nitriding on the pin material.
In Comparative Examples 8 and 9, after forming a base layer by nitriding treatment on the pin material, an intermediate layer made of Cr metal having a film thickness of 0.3 μm was formed by ion plating, and sputtering and plasma were formed on the intermediate layer. An amorphous hard carbon film containing hydrogen was formed by CVD.
Comparative Example 10 is a pin material made of SUS440 and subjected to nitriding treatment.
In Comparative Examples 11 and 12, SKH51 material was subjected to Cr plating and Co—Ni—P composite plating in which Si 3 N 4 particles were dispersed.
図４はピン・オン・ディスク式摩擦摩耗試験におけるピン側、ディスク側の摩耗状況について示したものである。実施例５はピン側の摩耗は少ないが、ディスク材にＳｉ量が少なく軟質なアルミ合金を用いているためディスク側に摩耗が見られる。実施例６、７はディスク材にＳｉ量が多いアルミ合金を使用してホーニング後にエッチング処理によりＳｉ一次結晶を露出させたもので、ディスク側の摩耗は少ないがピン側の摩耗が実施例５よりもやや多い。実施例８、９はディスク材にＳｉ量１６〜１８ｗｔ％のアルミ合金を用いたもので、ピン側の摩耗が少なく且つディスク側の摩耗は殆ど見られない。これらの実施例は、ピン側及びディスク側のトータル摩耗の観点から比較例よりも良好である。
比較例７〜１２は実施例９と同じＳｉ量１６〜１８ｗｔ％のアルミ合金をディスク材としている。比較例７は、ディスク側及びピン側とも摩耗が多い。これは皮膜の密着性が悪いため試験中に皮膜が剥離したことに起因する。
比較例８はピン側に水素を含む非晶質硬質炭素皮膜（プロセス：スパッタリング、硬度Ｈｖ２０００、膜厚1μｍ）を適用したもので、ピン側の（水素を含む）非晶質硬質炭素皮膜は、Ｃｒめっき（比較例１１）及びCo-Ni-P系複合めっき（比較例１２）よりも多く摩滅しディスク側も摩耗が見られた。
比較例９はピン側に水素を含む非晶質硬質炭素皮膜（プロセス：プラズマＣＶＤ、硬度Ｈｖ１９００、膜厚５μｍ）を形成したもので、ディスク側に殆ど摩耗は見られずピン側の相手攻撃性は殆ど示さないがピン側の自己摩耗が比較的多い。
比較例１０はピン側の自己摩耗は殆ど見られないが、ディスク側の摩耗が非常に多くピン側の相手攻撃性が大きい。
比較例１１はピン側及びディスク側共に摩耗が非常に多く、ピン側の自己摩耗及び相手材攻撃性が大きい。
比較例１２のＳｉ３Ｎ４粒子分散Co-Ni-P系複合めっきではピン側及びディスク側共に比較例１０の半分程度であるが摩耗が多いレベルで、ピン側の自己摩耗及び相手材攻撃性が大きい。
FIG. 4 shows pin and disk side wear conditions in a pin-on-disk friction and wear test. In Example 5, although wear on the pin side is small, wear is seen on the disk side because a soft aluminum alloy with a small amount of Si is used for the disk material. In Examples 6 and 7, an aluminum alloy with a large amount of Si was used for the disk material, and the Si primary crystal was exposed by etching after honing. The wear on the pin side was less than that in Example 5 although the wear on the disk side was small. Slightly more. In Examples 8 and 9, an aluminum alloy having a Si content of 16 to 18 wt% was used for the disk material, so that the pin side wear was small and the disk side wear was hardly observed. These examples are better than the comparative examples from the viewpoint of total wear on the pin side and the disk side.
In Comparative Examples 7 to 12, the same aluminum amount of 16 to 18 wt% as in Example 9 is used as the disk material. In Comparative Example 7, there is much wear on both the disk side and the pin side. This is because the film peeled off during the test due to poor adhesion of the film.
In Comparative Example 8, an amorphous hard carbon film containing hydrogen on the pin side (process: sputtering, hardness Hv2000, film thickness 1 μm) was applied, and the amorphous hard carbon film (containing hydrogen) on the pin side was It was more worn out than Cr plating (Comparative Example 11) and Co—Ni—P based composite plating (Comparative Example 12), and the disk side was also worn.
In Comparative Example 9, an amorphous hard carbon film containing hydrogen on the pin side (process: plasma CVD, hardness Hv1900, film thickness 5 μm) was formed. Shows little self-wear on the pin side.
In Comparative Example 10, there is almost no self-wear on the pin side, but the wear on the disk side is very large and the opponent attack on the pin side is great.
In Comparative Example 11, both the pin side and the disk side have a great amount of wear, and the pin side self-wear and the counterpart material attack are large.
In the Si 3 N 4 particle-dispersed Co—Ni—P composite plating of Comparative Example 12, both the pin side and the disk side are about half of Comparative Example 10, but the level of wear is high. Is big.
（耐スカッフ性）
ピン・オン・ディスク式スカッフ試験による評価に用いたピンは材質ＳＫＨ５１材、サイズ５ｍｍ×３．５ｍｍ×２０ｍｍ、先端Ｒ２０のもの使用し、ディスクは内燃機関シリンダ用に好適なアルミ合金材を表面粗さ０.５μmＲｚに仕上げ使用し、荷重：１〜３０ＭＰａ、０.２ＭＰａステップ（３０ｓｅｃ保持）、周速：８ｍ/ｓｅｃ、潤滑油：５Ｗ−３０エンジンオイル、油温：９０℃で行った。
(Scuff resistance)
The pin used in the pin-on-disk scuff test was made of material SKH51, size 5 mm x 3.5 mm x 20 mm, tip R20, and the disk was made of an aluminum alloy material suitable for internal combustion engine cylinders. Finishing to 0.5 μm Rz, load: 1 to 30 MPa, 0.2 MPa step (30 sec holding), peripheral speed: 8 m / sec, lubricating oil: 5W-30 engine oil, oil temperature: 90 ° C.
図５はスカッフ発生面圧についての評価結果を示した図である。
実施例６、７はディスク材のアルミ合金のＳｉ量が比較的多く、硬質な一次析出Ｓｉ粒子によりピン側のH-free a-Ｃ皮膜の摩耗が進行するため、スカッフ発生面圧が他の実施例より若干低下する傾向であるが比較例よりも良好である。実施例８、９ではＳｉ量１６〜１８ｗｔ％のアルミ合金であり、スカッフ発生面圧は高く良好である。
比較例８は水素を含む非晶質硬質炭素皮膜（プロセス：スパッタリング、硬度Ｈｖ２０００、膜厚1μｍ）、比較例９は水素を含む非晶質硬質炭素皮膜（プロセス：プラズマＣＶＤ、硬度Ｈｖ１９００、膜厚５μｍ）を適用したものである。膜厚が薄い場合には、膜が早期に摩滅するためスカッフ発生面圧は低い。膜厚の厚い比較例９では、スカッフ発生面圧は比較例８よりも高いが実施例に比べて低い。比較例１０、１１、１２の窒化、Ｃｒめっき、Ｓｉ３Ｎ４粒子分散Co-Ni-P系複合めっきの場合もスカッフ発生面圧は低くなる。
FIG. 5 is a diagram showing the evaluation results for the scuffing surface pressure.
In Examples 6 and 7, the amount of Si in the aluminum alloy of the disk material is relatively large, and the wear of the H-free a-C film on the pin side proceeds due to hard primary precipitated Si particles. Although it tends to be slightly lower than the examples, it is better than the comparative examples. Examples 8 and 9 are aluminum alloys having a Si content of 16 to 18 wt%, and the scuff generation surface pressure is high and good.
Comparative Example 8 is an amorphous hard carbon film containing hydrogen (process: sputtering, hardness Hv2000, film thickness 1 μm), and Comparative Example 9 is an amorphous hard carbon film containing hydrogen (process: plasma CVD, hardness Hv1900, film thickness). 5 μm) is applied. When the film thickness is small, the scuffing surface pressure is low because the film is worn away at an early stage. In Comparative Example 9 having a large film thickness, the scuffing surface pressure is higher than that in Comparative Example 8, but is lower than that in the Example. In the case of nitriding, Cr plating, and Si 3 N 4 particle-dispersed Co—Ni—P composite plating in Comparative Examples 10, 11, and 12, the scuffing surface pressure is also low.
本発明による摺動部材は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｗからなる群から選択された１以上の元素を含む中間層を有し且つ中間層上に水素を含まない高硬度な非晶質硬質炭素皮膜を被覆したことにより、潤滑油中でＳｉ含有した各種アルミ合金材料と用いたときに、皮膜の密着性が向上するばかりでなく、自己摩耗且つ相手攻撃性が少なく耐摩耗性及び耐スカッフ性に優れ、更に相手材が摺動表面に硬質Ｓｉ粒子や金属間化合物粒子が露出したようなアルミ合金や硬質粒子を分散した粉末アルミ合金の場合においても十分な摺動特性を確保することができる。
本発明による摺動部材は、ピストンリングに好適であるほか、ベーン、シューなどのコンプレッサーに用いられる往復動圧縮機部品などにおいてもアルミ合金と摺動する部位に適用することができる。
The sliding member according to the present invention has a high-hardness amorphous hard carbon having an intermediate layer containing one or more elements selected from the group consisting of Cr, Ti, Si, and W, and containing no hydrogen on the intermediate layer. By coating the film, when used with various aluminum alloy materials containing Si in the lubricating oil, not only the adhesion of the film is improved, but also the wear resistance and scuffing resistance are low due to self-wearing and counter attack. In addition, sufficient sliding characteristics can be secured even when the counterpart material is an aluminum alloy in which hard Si particles or intermetallic compound particles are exposed on the sliding surface, or a powder aluminum alloy in which hard particles are dispersed. .
The sliding member according to the present invention is suitable for a piston ring, and can also be applied to a part that slides with an aluminum alloy in a reciprocating compressor component used in a compressor such as a vane or a shoe.
１ 基材
２ 中間層
３ 水素含有しない硬質炭素皮膜
４ シリンダ
１０ 下地層
１２ ピストンリング
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Base material 2 Intermediate | middle layer 3 Hard carbon film which does not contain hydrogen 4 Cylinder 10 Underlayer 12 Piston ring
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2004238189A JP2006057674A (en) | 2004-08-18 | 2004-08-18 | Sliding member and piston ring |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2004238189A JP2006057674A (en) | 2004-08-18 | 2004-08-18 | Sliding member and piston ring |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2006057674A true JP2006057674A (en) | 2006-03-02 |
Family
ID=36105327
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2004238189A Pending JP2006057674A (en) | 2004-08-18 | 2004-08-18 | Sliding member and piston ring |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2006057674A (en) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008277014A (en) * | 2007-04-26 | 2008-11-13 | Toshiba Corp | Gas-blast circuit breaker and its manufacturing method |
| JP2013119633A (en) * | 2011-12-06 | 2013-06-17 | Toyota Motor Corp | Sliding member |
| WO2014133095A1 (en) * | 2013-02-28 | 2014-09-04 | 日本ピストンリング株式会社 | Hard carbon coating film |
| JP5627148B1 (en) * | 2013-07-24 | 2014-11-19 | 株式会社リケン | Piston ring and manufacturing method thereof |
| US20150037568A1 (en) * | 2010-11-30 | 2015-02-05 | Nomura Plating Co., Ltd. | Conductive Hard Carbon Film and Method for Forming the Same |
| WO2015041215A1 (en) * | 2013-09-20 | 2015-03-26 | 株式会社リケン | Combination of cylinder bore and piston ring |
| WO2015045745A1 (en) | 2013-09-30 | 2015-04-02 | 株式会社リケン | Piston ring |
| WO2015121944A1 (en) * | 2014-02-13 | 2015-08-20 | 日本アイ・ティ・エフ株式会社 | Piston ring and process for producing same |
| EP3128175A4 (en) * | 2014-05-12 | 2017-03-08 | Daikin Industries, Ltd. | Compressor |
| US10246767B2 (en) * | 2014-04-02 | 2019-04-02 | Mahle Metal Leve S/A | Sliding element, internal combustion engine and process for obtaining sliding element |
-
2004
- 2004-08-18 JP JP2004238189A patent/JP2006057674A/en active Pending
Cited By (26)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008277014A (en) * | 2007-04-26 | 2008-11-13 | Toshiba Corp | Gas-blast circuit breaker and its manufacturing method |
| US20150037568A1 (en) * | 2010-11-30 | 2015-02-05 | Nomura Plating Co., Ltd. | Conductive Hard Carbon Film and Method for Forming the Same |
| US9183965B2 (en) * | 2010-11-30 | 2015-11-10 | Nomura Plating Co., Ltd. | Conductive hard carbon film and method for forming the same |
| JP2013119633A (en) * | 2011-12-06 | 2013-06-17 | Toyota Motor Corp | Sliding member |
| CN104903631A (en) * | 2013-02-28 | 2015-09-09 | 日本活塞环株式会社 | Hard carbon coating film |
| CN107587107B (en) * | 2013-02-28 | 2020-01-21 | 日本活塞环株式会社 | Hard carbon coating |
| CN107587107A (en) * | 2013-02-28 | 2018-01-16 | 日本活塞环株式会社 | Hard carbon coating |
| US9863534B2 (en) | 2013-02-28 | 2018-01-09 | Nippon Piston Ring Co., Ltd. | Hard carbon coating film |
| JPWO2014133095A1 (en) * | 2013-02-28 | 2017-02-02 | 日本ピストンリング株式会社 | Hard carbon film |
| WO2014133095A1 (en) * | 2013-02-28 | 2014-09-04 | 日本ピストンリング株式会社 | Hard carbon coating film |
| JP5627148B1 (en) * | 2013-07-24 | 2014-11-19 | 株式会社リケン | Piston ring and manufacturing method thereof |
| CN105308367A (en) * | 2013-07-24 | 2016-02-03 | 株式会社理研 | Piston ring and manufacturing method therefor |
| EP3026302A4 (en) * | 2013-07-24 | 2017-04-05 | Kabushiki Kaisha Riken | Piston ring and manufacturing method therefor |
| EP3026302A1 (en) * | 2013-07-24 | 2016-06-01 | Kabushiki Kaisha Riken | Piston ring and manufacturing method therefor |
| JP2015059544A (en) * | 2013-09-20 | 2015-03-30 | 株式会社リケン | Combination of cylinder bore and piston ring |
| CN105555989A (en) * | 2013-09-20 | 2016-05-04 | 株式会社理研 | Combination of cylinder bore and piston ring |
| WO2015041215A1 (en) * | 2013-09-20 | 2015-03-26 | 株式会社リケン | Combination of cylinder bore and piston ring |
| WO2015045745A1 (en) | 2013-09-30 | 2015-04-02 | 株式会社リケン | Piston ring |
| US10100929B2 (en) | 2013-09-30 | 2018-10-16 | Kabushiki Kaisha Riken | Piston ring |
| CN106062441A (en) * | 2014-02-13 | 2016-10-26 | 本田技研工业株式会社 | Piston ring and process for producing same |
| JPWO2015121944A1 (en) * | 2014-02-13 | 2017-03-30 | 日本アイ・ティ・エフ株式会社 | Piston ring and manufacturing method thereof |
| WO2015121944A1 (en) * | 2014-02-13 | 2015-08-20 | 日本アイ・ティ・エフ株式会社 | Piston ring and process for producing same |
| CN106062441B (en) * | 2014-02-13 | 2018-08-28 | 本田技研工业株式会社 | Piston ring and its manufacturing method |
| US10077839B2 (en) | 2014-02-13 | 2018-09-18 | Honda Motor Co., Ltd. | Piston ring and process for producing same |
| US10246767B2 (en) * | 2014-04-02 | 2019-04-02 | Mahle Metal Leve S/A | Sliding element, internal combustion engine and process for obtaining sliding element |
| EP3128175A4 (en) * | 2014-05-12 | 2017-03-08 | Daikin Industries, Ltd. | Compressor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2006057674A (en) | Sliding member and piston ring | |
| JP5030439B2 (en) | Sliding member | |
| JP5013445B2 (en) | Piston ring, piston with the same, and method of using them | |
| JP2000120870A (en) | Piston ring | |
| JPWO2009069703A1 (en) | Combination structure of piston ring and cylinder liner of internal combustion engine | |
| JP5564099B2 (en) | Combination of cylinder and piston ring | |
| JP4334354B2 (en) | Piston ring with PVD coating layer | |
| JP2008241032A (en) | Piston ring and its manufacturing method | |
| US7833636B2 (en) | Piston ring with sulphonitriding treatment | |
| JP4901207B2 (en) | piston ring | |
| JP2001280497A (en) | Combination of cylinder made of aluminum alloy and piston ring | |
| JP4374153B2 (en) | piston ring | |
| JP2007032758A (en) | Combination of sliding members and internal combustion engine using combination of sliding members and sliding bearing mechanism | |
| JP2004060619A (en) | Piston ring set for internal combustion engine | |
| JP3180921B2 (en) | Cylinder for internal combustion engine using alcohol fuel | |
| JP4374160B2 (en) | piston ring | |
| JP2003343353A (en) | Cylinder and piston-ring combination of internal combustion engine | |
| Igartua et al. | Tribological tests to simulate wear on piston rings | |
| JP2006207691A (en) | Hard film coated sliding member | |
| JP2004176848A (en) | Combination of amorphous hard carbon coated member and ferrous member | |
| JP3547583B2 (en) | Cylinder liner | |
| JP6339812B2 (en) | piston ring | |
| JP2865419B2 (en) | piston ring | |
| CN111512056B (en) | Low-friction sliding mechanism | |
| JP4462077B2 (en) | Combination sliding member |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Effective date: 20070517 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20090717 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090728 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20100119 |