JP2006206978A - 摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを抑え、耐摩耗性、耐スカッフ性及び耐剥離性に優れたＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜が形成された摺動部材の提供。
【解決手段】ピストンリング１は、母材２と、窒化層３と、Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４とから構成されている。母材１は、Ｆｅ系又はＡｌ系の合金、又はＴｉ系合金である。窒化層３は、公知の窒化処理によって母材１の表面層に窒素を拡散させることにより形成されている。Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４は、ＰＶＤ（物理的蒸着）法によって窒化層３の外周摺動面（摺動面相当部）に被覆されている。Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４は、Ｂを０．０５〜１０．０質量％、Ｓｉを０．０５〜１０．０質量％、Ｎを１０．０〜３０．０質量％含有し、残部がＣｒである。
【選択図】図１

Description

本発明は、摺動部材に関し、特に摺動面相当部にＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜が形成された摺動部材に関する。

従来より、エンジン部品、各種機械部品の摺動部には、摺動特性に優れた皮膜を施した摺動材料が使用されている。ピストンリング等の摺動部材の摺動面には、耐久性を改善するため耐摩耗性等の摺動特性の向上を目的とした硬質クロムめっき、窒化処理、ＰＶＤ（物理蒸着）法で形成された窒化クロム（ＣｒＮ）及び窒化チタン（ＴｉＮ）等の表面処理が施されている。耐剥離性（靭性）、耐摩耗性及び耐スカッフ性を向上させることを目的としてＰＶＤ法の１つであるイオンプレーティング法によるＣｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜（Ｂ含有量が０．０５〜２０．０質量％）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、耐摩耗性及び耐スカッフ性を向上させるＣｒ−Ｎ系合金皮膜としてイオンプレーティング法によるＣｒ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜（Ｃｒ：Ｓｉ：Ｎ＝１：０．０５〜１．２：０．１〜１．２（原子比））が提案されている（例えば、特許文献２参照）。これらの合金皮膜は、ピストンリング以外の機械部品やエンジン部品等にも利用されている。

特開２０００−１７６６号公報 特開平５−１９５１９６号公報

しかし、近年の環境対策等の観点から内燃機関の高出力化の要求が高まってきている。これに伴いピストンリング等の摺動部品が使用される環境が更に苛酷になってきている。このため、従来の合金皮膜であっても摺動特性が十分とはいえない状況となっており、さらに摺動特性の優れた合金皮膜が形成された摺動部材の開発が要求されている。

また、従来のＣｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜では、２０．０質量％のＢを含有する場合がある。このような合金皮膜をイオンプレーティング法により形成する場合には、ターゲット合金にＢ量を多く含有させることが必要である。しかしＢ量を多く含有するターゲット合金は脆く割れ易い。更に、Ｂ量を多く含有するターゲット合金を用いると、製造コストが高くなるという問題がある。また、従来のＣｒ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜においては多量のＳｉを含有する場合があり、ターゲット合金にＳｉ量を多く含有させることが必要である。しかし、Ｂを多く含有する場合と同様にイオンプレーティング法においてＳｉ量を多く含有するターゲット合金は脆く割れ易い。更に、Ｓｉ量を多く含有するターゲット合金を用いると、製造コストが高くなるという問題がある。

そこで本発明は、製造コストを抑え、耐摩耗性、耐スカッフ性及び耐剥離性に優れたＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜が形成された摺動部材を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、母材の摺動面相当部に物理蒸着法によって形成されるＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜が被覆された摺動部材であって、該Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜は、Ｂを０．０５〜１０．０質量％、Ｓｉを０．０５〜１０．０質量％、Ｎを１０．０〜３０．０質量％含有し、残部がＣｒからなる摺動部材を提供している。

ここで、該母材の少なくとも摺動面相当部に窒化層が形成され、該窒化層上にＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜が被覆されていることが好ましい。

また、本発明は、上述のＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜を被覆したピストンリングを提供している。

請求項１記載の摺動部材又は請求項３記載のピストンリングによれば、Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜は、Ｂを０．０５〜１０．０質量％、Ｓｉを０．０５〜１０．０質量％、Ｎを１０．０〜３０．０質量％含有している。かかる構成によれば、Ｂ及びＳｉの含有量が多くとも１０．０質量％であるので、Ｂ及びＳｉを含有するターゲット合金を使用する必要がない。従って、摺動部材又はピストンリングの製造コストが高くなるのを抑えることができる。また耐摩耗性、耐スカッフ性及び耐剥離性に優れたＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜が形成された摺動部材又はピストンリングを提供することができる。

請求項２記載の摺動部材によれば、母材の少なくとも摺動面相当部に窒化層が形成され、窒化層上に該Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜が被覆されているので、摺動部材又はピストンリング全体の強度を向上させることができ、耐折損性が良好となる。またピストンリングの外周摺動面に直交する上下面に窒化層を形成すれば、ピストンリング自体の摩耗を防止することができる。

本発明の摺動部材をピストンリングに適用した実施の形態ついて図１を参照して説明する。図１は、ピストンリング１のその円周方向に直交する断面図を示している。ピストンリング１は、母材２と、窒化層３と、Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４とから構成されている。母材２は、Ｆｅ系又はＡｌ系の合金、又はＴｉ系合金である。窒化層３は、公知の窒化処理によって母材２の表面層に窒素を拡散させることにより形成され、硬質である。窒化層３を形成することにより、ピストンリング１全体の強度を向上させることができ、耐折損性が良好となる。またピストンリング１の外周摺動面に直交する上面５及び下面６に窒化層３を形成することにより、ピストンリング１自体の摩耗を防止することができる。

Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４は、ＰＶＤ（物理的蒸着）法によって窒化層３の外周摺動面（摺動面相当部）に被覆されている。ＰＶＤ法としては、イオンプレーティング法、真空蒸着法、スパッタリング法等があり、本実施の形態においては、イオンプレーティング法の一つであるアークイオンプレーティング法を用いている。アークイオンプレーティング法は蒸気のイオン化率が高く、ち密で密着性に優れた皮膜を得ることができる。Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４は、Ｃｒ−Ｂ合金ターゲットとＣｒ−Ｓｉ合金ターゲットとを互いに対向するようにセットし、窒素ガス雰囲気中で、アーク電流を流しＣｒ、Ｂ及びＳｉをイオン化させ、窒化層３を備えた母材２を回転させることにより、窒化層３の外周摺動面に形成される。このときＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４の膜厚は、１〜７０μｍである。また、Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４のビッカース硬さは１３００ＨＶ０．０５〜１９００ＨＶ０．０５であり、より好ましくは１４００ＨＶ０．０５〜１８００ＨＶ０．０５である。

Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４は、Ｂを０．０５〜１０．０質量％、Ｓｉを０．０５〜１０．０質量％、Ｎを１０．０〜３０．０質量％含有し、残部がＣｒである。Ｂが０．０５質量％未満の場合には、Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４の耐剥離性、耐摩耗性、耐スカッフ性が向上せず、１０．０質量％を超えるとＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４の耐剥離性が低下し、ピストンリング１の製造コストが高くなる。

Ｓｉが０．０５質量％未満の場合には、従来の皮膜よりも優れたＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４の耐摩耗性が得られず、１０．０質量％を超えると脆化し欠け等が発生する恐れがあり、かつピストンリング１の製造コストが高くなる。Ｎが１０．０質量％未満の場合には、従来の皮膜よりも優れたＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜の耐摩耗性が得られず、３０．０質量％を超えると耐摩耗性が悪くなる。よって、Ｂ、Ｓｉ及びＮを上述の質量％で含有することにより、耐摩耗性、耐スカッフ性、耐剥離性を向上させた合金皮膜を得ることができる。

本実施の形態によるＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４の効果を試す性能試験を行った。表１に示す実施例１−３０、従来例１−７、及び比較例１−６８の組成を有するＣｒ−Ｎ系合金について、耐摩耗性、耐スカッフ性及び耐剥離性の試験を行った。実施例１−３０は、本実施の形態の範囲内の量のＢ、Ｓｉ及びＮを含有するＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金である。従来例１−３はＣｒ−Ｂ−Ｎ合金、従来例４−７はＣｒ−Ｓｉ−Ｎ合金である。更に比較例１−６８は本実施の形態の範囲外の量のＢ、Ｓｉ又はＮの少なくとも一つを含有するＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金である。

次に、耐摩耗性試験及び耐スカッフ性試験に用いたテストピースの作製方法について説明する。まず、７ｍｍ×８ｍｍ×５ｍｍの鋼板平板（母材２に相当）の片面をラッピングし、１μｍ以下の表面粗さに仕上げた。次に平板を有機溶剤液中で超音波洗浄を行い、ガス窒化（５５０℃で２時間保持）で窒化層（窒化層３に相当）を拡散層を含め８０μｍ形成させ、白層を除去した。次に以下に説明する方法で、実施例１−３０のＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜、従来例１−７のＣｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜及びＣｒ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜、比較例１−６８のＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜を窒化層上にそれぞれ２０μｍ形成した。

実施例１−３０のＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜の形成方法について説明する。まず、上記の窒化層が形成された試料をアークイオンプレーティング装置のチャンバ内に取り付け、その後チャンバ内を５×１０^−３Ｔｏｒｒまで減圧した。次にチャンバ内に内蔵されたヒータにより、試料表面に付着あるいは吸着しているガスを放出させた。次に試料を挟んで互いに対向するように配置されたＣｒ−Ｂ合金ターゲットとＣｒ−Ｓｉ合金ターゲットとの表面にアーク放電を発生させ、Ｃｒ、Ｂ及びＳｉのイオンを放出させた。

次に、試料に−８００Ｖを印加して試料表面をスパッタクリーニング（イオンボンバード）した。その後、アーク放電が発生しているチャンバ中に窒素ガスを導入し、試料を回転させかつ試料に−１０Ｖのバイアスを印加して試料表面にＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜を形成した。Ｃｒ−Ｂ合金ターゲットとＣｒ−Ｓｉ合金ターゲットは、組成を変えることにより、Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜中のＢ及びＳｉの含有量を変化させることができる。これにより表１の実施例１−３０に示す量のＢ、Ｓｉ及びＮを含有するＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜を形成し、テストピース（図２に示すテストピース１１に相当する）を作製した。

次に従来例１−３のＣｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜の形成方法について説明する。まず、上記の窒化層が形成された試料をアークイオンプレーティング装置のチャンバ内に取り付け、その後チャンバ内を５×１０^−３Ｔｏｒｒまで減圧した。次にチャンバ内に内蔵されたヒータにより、試料表面に付着あるいは吸着しているガスを放出させた。次にＣｒ−Ｂ合金ターゲットとの表面にアーク放電を発生させ、Ｃｒ及びＢのイオンを放出させた。

次に、試料に−８００Ｖを印加して試料表面をスパッタクリーニング（イオンボンバード）した。その後、アーク放電が発生しているチャンバ中に窒素ガスを導入し、試料を回転させかつ試料に−１０Ｖのバイアスを印加して試料表面にＣｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜を形成した。Ｃｒ−Ｂ合金ターゲットの組成を変えることにより、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜中のＢの含有量を変化させることができる。これにより、表１の従来例１−３に示す量のＢ及びＮを含有するＣｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜を形成し、テストピース（図２に示すテストピース１１に相当する）を作製した。

次に従来例４−７のＣｒ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜の形成方法について説明する。まず、上記の窒化層が形成された試料をアークイオンプレーティング装置のチャンバ内に取り付け、その後チャンバ内を５×１０^−３Ｔｏｒｒまで減圧した。次にチャンバ内に内蔵されたヒータにより、試料表面に付着あるいは吸着しているガスを放出させた。次にＣｒ−Ｓｉ合金ターゲットとの表面にアーク放電を発生させ、Ｃｒ及びＳｉのイオンを放出させた。

次に、試料に−８００Ｖを印加して試料表面をスパッタクリーニング（イオンボンバード）した。その後、アーク放電が発生しているチャンバ中に窒素ガスを導入し、試料を回転させかつ試料に−１０Ｖのバイアスを印加して試料表面にＣｒ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜を形成した。Ｃｒ−Ｓｉ合金ターゲットの組成を変えることにより、Ｃｒ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜中のＳｉの含有量を変化させることができる。これにより、表１の従来例４−７に示す量のＢ及びＮを含有するＣｒ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜を形成し、テストピース（図２に示すテストピース１１に相当する）を作製した。

表１の比較例１−６８に示す量のＢ、Ｓｉ及びＮを含有するＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜は、実施例１−３０のＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜の形成方法において、組成の異なるＣｒ−Ｂ合金ターゲット及びＣｒ−Ｓｉ合金ターゲットとを用いて形成し、テストピース（図２に示すテストピース１１に相当する）を作製した。

次に、耐摩耗性試験、耐スカッフ性試験及び耐剥離性試験について説明する。耐摩耗性試験には、図２に示すアムスラー型試験機１０を用いた。ピストンリング１に相当する上記の方法により作製した実施例１−３０、従来例１−７及び比較例１−６８の合金皮膜を形成したテストピース１１（寸法７ｍｍ×８ｍｍ×５ｍｍ）を固定片とし、シリンダライナに相当する相手材１２（回転片）にはドーナツ状の（外径４０ｍｍ、内径１６ｍｍ、軸方向の厚さ１０ｍｍ）のものを用いた。

試験機１０の図示せぬ容器には潤滑油１３を溜め、潤滑油１３に相手材１２を部分的に浸して一定速度で回転させ、相手材１２の外周面にテストピース１１を接触させかつ荷重Ｐを負荷した。そして、一定時間経過後にテストピース１１の摩耗量を測定した。摩耗量の測定は、粗さ計による段差プロフィールで摩耗量（μｍ）を測定した。耐摩耗性試験の試験条件は以下に示すとおりである。
試験条件
試験機：アムスラー型試験機 相手材：ボロン鋳鉄
潤滑油：１号スピンドル油相当品 油温：８０℃
周速：１．０ｍ／ｓ 荷重：１５０ｋｇｆ
時間：７時間

耐摩耗性試験の結果を表１に示している。表１の摩耗指数は、従来例１のテストピース１１の摩耗量を１００とし、従来例１のテストピース１１の摩耗量に対する各テストピース１１の摩耗量を相対比として算出することにより求めた。従って、各テストピース１１の摩耗指数が１００より小さいほど摩耗量が少なく、耐摩耗性に優れていることを表している。

次に、耐スカッフ性試験について説明する。耐スカッフ性試験は、耐摩耗性試験と同様のアムスラー試験機１０を用いて行った。耐スカッフ性試験の試験方法は、耐摩耗性試験とほぼ同様であり、テストピース１１に負荷する荷重をスカッフが発生するまで順次増加させていく点において異なる。そして、テストピース１１がスカッフを発生する限界荷重を測定した。耐スカッフ性試験の試験条件は以下に示すとおりである。
試験条件
試験機：アムスラー型試験機 相手材：ボロン鋳鉄
潤滑油：１号スピンドル油相当品を塗布 周速：１．０ｍ／ｓ

耐スカッフ性試験の結果を表１に示している。表１の耐スカッフ指数は、従来例１のテストピース１１のスカッフ限界荷重を１００とし、従来例１に対する各テストピース１１のスカッフ限界荷重を相対比として算出することにより求めた。従って、各テストピース１１の耐スカッフ指数が１００より大きいほどスカッフ限界荷重が大きくなり、耐スカッフ性に優れていることを表している。

次に、耐剥離性試験について説明する。耐剥離性試験には、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すＮＰＲ式衝撃試験機２０（特公昭３６−１９０４６号）の改良試験機を用いた。本実施の形態によるピストンリング１を当て金２１上に置いて、突子２２の下端に設けられた圧子２３をピストンリング１の外周摺動面に衝突させた（図３（ｂ））。一回当たりの圧子２３のストロークは１．５ｍｍとし、衝突エネルギーは４３．１ｍＪ（４．４ｋｇｆ・ｍｍ）とした。そして、ピストンリング１のＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４（図１）が剥離するまで圧子２３を衝突させ、衝突の回数を測定した。剥離の有無は、ピストンリング１の外周面を１．５倍に拡大して観察し評価した。また、本実施の形態によるピストンリング１以外に、従来例１−７及び比較例１−６８の合金皮膜を形成したピストンリングについても同様に耐剥離性試験を行った。

耐剥離性試験の結果を表１に示している。表１の耐剥離指数は、従来例１の合金皮膜を形成したピストンリングに剥離が生じるまでの圧子２３の衝突回数を１００とし、従来例１に対する実施例１−３０、従来例２−７及び比較例１−６８の合金皮膜を形成したピストンリングに剥離が生じるまで圧子２３の衝突回数を相対比として算出することにより求めた。従って、各ピストンリングの耐剥離指数が１００より大きいほど圧子２３の衝突回数が多くなり、耐剥離性に優れていることを表している。

表１から明らかなように、従来例２−７及び比較例１−６８の摩耗指数、耐スカッフ指数及び耐剥離指数の少なくとも一つは、従来例１よりも劣っており、実施例１−３０は摩耗指数、耐スカッフ指数及び耐剥離指数の全てにおいて、従来例１よりも優れていることが分かる。よって、図１の窒化層３の外周摺動面に、Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４を形成することによって、耐摩耗性、耐スカッフ性および耐剥離性に優れたピストンリング１を提供することができる。

次に、実施例１０、２２、２８とほぼ同様の組成を有し、ピストンリング１の変形例である図４のピストンリング１０１のように、窒化層を形成せずに母材２の外周摺動面に直接Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４を形成させた実施例３１、３２、３３についても上記と同様の耐剥離性試験を行った。その結果を表２に示す。

表２から明らかなように、剥離性に関して、窒化層を形成していない（図４）実施例３１、３２、３３においても、従来例１よりも優れていることが分かる。また、ピストンリング外周摺動面に窒化層を形成している（図１）実施例１０、２２、２８の方が、窒化層を形成していない（図４）実施例３１、３２、３３よりも優れていることが分かる。よって、図１の窒化層の外周摺動面にＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４を形成することによって、耐剥離性に優れたピストンリングを提供することができる。

本発明による摺動部材は、上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。例えば、図１のピストンリング１は、窒化層３の外周摺動面にＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４を形成したが、窒化層３を形成した後にピストンリング１の外周摺動面側の窒化層３を研削して、図５のピストンリング２０１に示すような窒化層２０３にして、母材２に直接Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４を形成しても良い。

また、本実施の形態において摺動部材をピストンリングに適用したが、これに限られずカムシャフト、シリンダライナ、自動車部品及びコンプレッサ部品であっても良い。またＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４は、イオンプレーティング法により形成したが、真空蒸着法、スパッタリング法であっても良い。

本発明の実施の形態によるピストンリングの円周方向に直交する要部断面図。 本発明の実施の形態によるＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜の効果を試す試験を行うためのアムスラー型試験機を示す概略図。 本発明の実施の形態によるＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜の耐剥離性試験を行うためのＮＰＲ式衝撃試験機の改良試験機を示す概略図。 図３（ａ）における圧子をピストンリングに衝突させた状態を示す図。 本発明の実施の形態によるピストンリングの変形例を示す要部断面図。 本発明の実施の形態によるピストンリングの他の変形例を示す要部断面図。

符号の説明

１ ピストンリング
２ 母材
３ 窒化層
４ Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜
５ 上面
６ 下面

Claims (3)

1. 母材の摺動面相当部に物理蒸着法によって形成されるＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜が被覆された摺動部材であって、
   該Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜は、Ｂを０．０５〜１０．０質量％、Ｓｉを０．０５〜１０．０質量％、Ｎを１０．０〜３０．０質量％含有し、残部がＣｒからなることを特徴とする摺動部材。
2. 該母材の少なくとも摺動面相当部に窒化層が形成され、該窒化層上にＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜が被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
3. 該Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜が被覆された摺動部材は、ピストンリングであることを特徴とする請求項１乃至２に記載の摺動部材。

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