JP2977105B2

JP2977105B2 - 耐摩耗性に優れた摺動部材の製造方法

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Publication number: JP2977105B2
Application number: JP4089737A
Authority: JP
Inventors: 芳夫谷田
Original assignee: Matsuda KK
Current assignee: Matsuda KK
Priority date: 1992-03-12
Filing date: 1992-03-12
Publication date: 1999-11-10
Anticipated expiration: 2014-11-10
Also published as: JPH05255866A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐摩耗性に優れた摺動
部材の製造方法に関し、特に内燃機関のエンジン燃焼室
を構成するピストンリングやシリンダライナ等のシール
摺動面の耐摩耗性、耐スカッフィング性を向上させるた
めの方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、内燃機関においては、性能向上の
ために高圧縮比、高回転が図られ、それにともないピス
トンリングやシリンダライナ等の摺動部品には、従来に
増して耐摩耗性や耐スカッフィング性が要求されてきて
いる。そのため、摺動面に窒化チタン（以下、ＴｉＮと
する）スパッタリングあるいはイオンプレーティング皮
膜を形成することにより、耐摩耗性及び耐スカッフィン
グ性を改善することが注目され、一部に採用されるよう
になってきた。ＴｉＮ皮膜は、硬度が高く自身の摩耗が
少ないうえに、相手側摺動部品の摩耗も少ないという優
れた耐摩耗性を備え、結晶構造が共有結合性であり融点
が極めて高いことから耐スカッフィング性にも優れると
いう特徴を持っている。

【０００３】しかし、ＴｉＮ皮膜は、金属基材との結晶
構造の違いや、皮膜硬度が基材に比べ非常に高くかつ脆
いことなどから、基材に対する密着強度が十分でなく、
摺動中に剥離し欠落しやすいという問題を抱えていた。
皮膜が欠落した部分はスカッフィングを引き起こし易
く、また欠落した皮膜の破片がピストンリングとシリン
ダライナーの間に噛み込むと、アブレッシブ摩耗の原因
となる。

【０００４】ところで、このような基材と皮膜との密着
強度を改善し剥離を防止する手段として、一般に、皮
膜の材質を内側から外側へ連続的に変化させ、基材に近
い内側は基材に対し密着性のよい材質とする（たとえば
特開昭６２ー２２８６４８号公報）、基材の表面に凹
部を形成し、皮膜が機械的に基材に保持されるようにす
る（たとえば特開昭６０ー１８７７４１号公報）、基
材と皮膜の中間に、両者に密着性のよい材質の中間層を
設ける、等の手段が提案されてきた。

【０００５】しかし、これらの手段をピストンリングの
ＴｉＮ皮膜に対し適用するとすれば、上記について
は、皮膜形成処理中の雰囲気ガスの濃度を時間とともに
変える必要があるため、その制御が面倒でありそれがコ
ストの上昇につながるという問題点があった。上記に
ついては、表面に凹部を形成する工程が新たに必要とな
り、しかも凹部形成の際の精度の管理が難しく、コスト
上昇につながるとともに歩留りの点で量産に不向きとい
う問題があった。上記については、ＴｉＮ皮膜と金属
基材の中間にチタン（以下、Ｔｉとする）層を被覆する
ことが知られ、それによりかなり密着性が改善される。
しかし、やはり十分とはいい難く、耐スカッフィング性
に問題が残るとともに、摺動中剥離した皮膜がアブレッ
シブ摩耗を引き起こす恐れがあるという問題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】そこで、上記、すな
わちＴｉ中間層を被覆する場合についてさらに詳細に検
討したところ、金属基材と中間層のＴｉ層の間の密着性
は、双方が金属ということで良好である。一方、Ｔｉ層
とＴｉＮ層の間の密着性は、結晶構造の違いもあり十分
とはいえないが、中間層がない場合に比べかなり改善さ
れることは事実である。そこで、何らかの手段によりＴ
ｉ層とＴｉＮ層の間の結合力をより改善することができ
れば、密着性に優れたＴｉＮ皮膜を得ることができると
考えた。

【０００７】本発明は、上記の考え方を基に、従来技術
の問題点を解決するためになされたもので、金属基材上
に密着性に優れたＴｉＮ皮膜を形成し、もって、摩耗が
少なく耐久性に優れ、かつ耐スカッフィング性に優れた
摺動部材を提供しようとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そのため、本発明の要旨
とするところは、金属基材の表面に、金属Ｔｉ層を形成
したのちこの上にＴｉＮ層を形成し、次にＴｉＮ層の上
から窒化処理を施し、金属Ｔｉ層のＴｉＮ層との境界に
窒化層を形成することを特徴とする、耐摩耗性に優れた
摺動部材の製造方法にある。より具体的には、摺動部材
がピストンリングであることを特徴とするものである。

【０００９】

【作用】本発明においては、金属基材の表面に金属Ｔｉ
層及びＴｉＮ層を形成し、次いで窒化処理を施すので、
窒素（以下、Ｎとする）がＴｉＮ層中を拡散して下層の
Ｔｉ層に到達し、Ｔｉ層のＴｉＮ層との境界に窒化層が
形成される。その結果、ＴｉＮ層とＴｉ層の結晶構造の
相違が緩和され、両層の親和性が向上するとともに、Ｎ
を取り込んで体積膨張したＴｉ層が、ＴｉＮ層中に多数
存在する微細な気孔中に入り込み、ＴｉＮ層とＴｉ層を
機械的に結合することにより、ＴｉＮ層とＴｉ層の密着
性が大きく向上するものと考えられる。

【００１０】

【実施例】以下、図１ないし図５を参照しながら、本発
明をより具体的に説明する。

【００１１】まず図５に示す模式図を参照して、従来の
ピストンリングについて若干の補足説明をすると、この
ピストンリング１は、圧力リングとしてピストン２のリ
ング溝３に装着されたものである。圧力リングとしては
気密性、耐摩耗性、耐スカッフィング性、及び耐折損性
等が一層優れている必要があることは周知であり、その
ためシリンダライナ４の内壁に摺接する外摺面には、Ｔ
ｉ層５及びＴｉＮ層６が設けられ、基材７は成形性及び
耐折損性の観点からＳＵＳ４４０Ｃ相当のマルテンサイ
ト系ステンレス鋼としている。また、基材外側面には窒
化層８が形成されているが、これは、耐錆性と、アルミ
ニウム合金製ピストンのリング溝３に対する耐凝着性及
び耐摩耗性を向上する目的で、必要に応じ適宜形成され
るものである。なお、この窒化層８はＴｉ層５及びＴｉ
Ｎ層６の被覆工程の前に形成されるため、基材３の外周
側にも窒化層８ａが形成されている。

【００１２】一方、本発明に関わるピストンリングは、
図５に示す従来のピストンリングに対し、ＴｉＮ層の外
側からさらに窒化処理を施すことによって得られるもの
であり、その断面模式図を図１に示す。なお、図１にお
いて、上記従来例と異なる部分以外は同じ番号を用い
た。窒化処理により、ＮがＴｉＮ層６中を拡散して下層
のＴｉ層５に到達し、Ｔｉ層５のＴｉＮ層６との境界に
窒化層９が形成される。その結果、さきに述べたよう
に、ＴｉＮ層６とＴｉ層５の結晶構造の相違が緩和さ
れ、両層の親和性が向上するとともに、Ｎを取り込んで
体積膨張したＴｉ層５が、ＴｉＮ層６中に多数存在する
微細な気孔中に入り込み、ＴｉＮ層６とＴｉ層５をその
界面で機械的に結合することにより、ＴｉＮ層６とＴｉ
層５の密着性が大きく向上するものと考えられる。な
お、窒化層９は、Ｔｉ層５の少なくともＴｉＮ層６との
境界に形成されればよく、むろんＴｉ層５全体に形成さ
れてもよい。

【００１３】このピストンリングを得るための工程は、
まず、ＳＵＳ４４０Ｃ相当のマルテンサイト系ステンレ
ス鋼基材７に対し窒化処理を行い、基材表面に窒化層８
を形成する。この窒化処理は、ガス窒化、塩浴窒化、イ
オン窒化等の公知の方法を用いて行うことができる。次
に、スパッタリングあるいはイオンプレーティング等の
適宜の手段により、Ｔｉ層５、ついでＴｉＮ層６を基材
７上に形成する。Ｔｉ層５は、ＴｉＮ層６をピストンリ
ング基材７に対し密着させるための中間層にすぎないこ
とから薄くてよく、１〜２μｍ程度でよい。一方、Ｔｉ
Ｎ層６は、余りに薄いと耐久性に欠け、厚くしすぎると
剥離し易くなることから、５〜１０μｍ程度でよい。次
の窒化処理も、基材７に対する最初の窒化処理と同様、
いずれの方法をも用いることができ、ＴｉＮ層６を通っ
て拡散したＮが、Ｔｉ層５に到達し窒化層９を成長させ
るまで行われる。なお、この窒化処理により鋼基材７表
面に窒化層８を形成することもできるので、最初の窒化
処理を省略することができる。

【００１４】（実施例）さて、本実施例では、まずＳＵ
Ｓ４４０Ｃ相当のマルテンサイト系ステンレス鋼試験片
に対し窒化処理を行い、次にＴｉ層及びＴｉＮ層を高周
波スパッタリングにより形成した。本実施例に使用した
高周波スパッタリング装置の概要を図２に示す。この装
置１０は、チャンバー１１と、チャンバー１１内に対向
して設置され冷却水パイプを内蔵する電極１２及び基盤
ホルダー１３と、チャンバー１１に接続されたガス導入
系１４及び真空系１５と、電極１２に接続した高周波電
源（１３．５６ＭＨｚ）１６とから構成される。

【００１５】しかして、試験片１７をホルダー１３上に
置き、ターゲット１８としてＴｉ（純度９９．９９％）
を電極１２に取り付け、まずチャンバー１１内を１×１
０^-4Ｐａ程度の真空に排気した後、アルゴン（純度９
９．９９９９％）ガスを導入し、通水冷却しながら３分
間プレスパッタを行い、試験片１７とターゲット１８の
表面を清浄化する。次ぎに、アルゴンガス圧３Ｐａ、電
圧４ＫＶ、電流２５０ｍＡの条件下で１０分間スパッタ
リングを行い、試験片１７表面に厚さ約１μｍのＴｉ皮
膜を形成した。上記工程後、いったん真空排気したうえ
で窒素ガスを導入し、窒素ガス圧４００Ｐａ、電圧４０
０Ｖ、電流１Ａの条件下で５０分間スパッタリングを行
い、Ｔｉ皮膜表面に厚さ約１０μｍのＴｉＮ皮膜を形成
した。

【００１６】最後に試験片に対し、ガス窒化又は塩浴窒
化処理を施した。ガス窒化処理は、試験片を十分清浄に
したのち、常法に従い窒化箱に挿入し、温度５００℃の
条件下で１０時間行った。つまり試験片は相互に接触し
ないよう配列し、蓋をしてから箱内にＮＨ₃（アンモニ
ア）ガスを充填し漏洩のないことを確認し、炉内に挿入
する。次に、窒化箱中の空気がＮＨ₃で完全に置換した
ことを排ガス分析で確認したのち、温度を上昇させる。
窒化中のＮＨ₃流量は、排ガス中に未分解のＮＨ₃が７０
〜８０重量％残留し、５０〜８０ｍｍＨｇの圧力となる
よう調節する。予定時間終了後、炉温を下げ窒化箱内温
度が１５０℃以下となってから、ＮＨ₃の流入を止め試
験片を取り出す。塩浴窒化処理は、４７０℃のタフトラ
イド（商品名、日本パーカライジング株式会社製）中
で、６時間行った。

【００１７】（摩耗試験）以上の工程を経た試験片（実
施例）及び最後の窒化処理工程のみ省略した試験片（従
来例）に対し、ピン／ディスク摩耗試験法により摩耗試
験を行い、スカッフィングが発生し始める荷重を調べ
た。試験片１７は、図３（ａ）に示すように、断面形状
ｗ×ｌが３ｍｍ×５ｍｍ、先端Ｒが２ｍｍ、基材の硬さ
Ｈｖ３６０（１Ｋｇｆ、１５ｓｅｃ）、被覆層の硬さＨ
ｖ７００以上（５０ｇｆ、１５ｓｅｃ）である。

【００１８】これを図３（ｂ）に示すように、一定速度
Ｖで回転するディスク１９表面に押し付け、試験荷重Ｐ
を段階的に大きくしていく。その一方で、試験片にかか
る水平方向のトルクを常時測定し、トルクがＰ×０．２
を超えたとき、すなわち、摩擦係数が０．２を超えたと
きスカッフィング発生と判定した。試験荷重Ｐは、図３
（Ｃ）に示すように、当初１０Ｋｇｆでスタートし、３
０秒ごとに１０Ｋｇｆづつ増加させた。ディスクの周速
Ｖは１０ｍ／秒とした。また、できるだけ実際のピスト
ンリングとシリンダライナーの摺動条件に近い条件とす
るため、ディスク材料は硬質クロムメッキ（Ｈｖ９００
（１Ｋｇｆ、１５ｓｅｃ））したものを用い、潤滑はオ
イル１０Ｗ３０、油温１００℃、３００ｃｃ／分の条件
で行った。

【００１９】試験結果を図４に示す。最後の窒化処理を
行わなかった従来例のものが、５０Ｋｇｆでスカッフィ
ングが発生したのに対し、本発明の実施例のものは、８
０Ｋｇｆまでスカッフィングが発生せず、耐スカッフィ
ング性が大きく向上した。なお、ガス窒化処理及び塩浴
窒化処理の双方とも、スカッフィング荷重は同じ値を示
した。

【００２０】（皮膜欠落評価）また、上記摩耗試験と平
行して皮膜欠落評価を行った。これは試験片の摺動面の
プロフィールをあらさ計で測定し、荒れが大きいと皮膜
が欠落していると判定したもので、摩耗試験開始後スカ
ッフィング発生前と発生後に摺動面を測定した。その結
果、従来例の試験片は、スカッフィング発生前でも表面
が少なからず荒れており、スカッフィング発生後は荒れ
の状態からみてかなり皮膜の欠落が発生しているものと
判定された。これに対して、本発明の実施例の試験片
は、スカッフィング発生前は滑らかであり、スカッフィ
ング発生後でも荒れの程度が少なく、皮膜の欠落が少な
いと判定された。

【００２１】以上、本発明の実施例について記述した
が、本発明においては基材に対する最初の窒化処理を行
うかどうかは任意の事項に過ぎない。また、たとえば特
開平１−１１７９７１号公報に記載されたＴｉ層のよう
な軟質の皮膜をＴｉＮ層上に積層すれば、ピストンリン
グの初期なじみ性を向上させることができる。

【００２２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、金属基
材上に密着性に優れたＴｉＮ皮膜を形成することがで
き、摩耗が少なく耐久性に優れ、かつ耐スカッフィング
性に優れた摺動部材を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に関わるピストンリングの断面模式図で
ある。

【図２】本発明の実施例に用いた高周波スパッタリング
装置の概略説明図である。

【図３】摩耗試験に用いる試験片と摩耗試験の説明図で
ある。

【図４】本発明の実施例と比較例のスカッフィング発生
荷重を示す図である。

【図５】従来例のピストンリングの断面模式図と装着状
態を示す図である。

【符号の説明】

１ピストンリング５チタン層６窒化チタン層７基材８８ａ窒化層９窒化層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＦ０２Ｆ 5/00 Ｆ０２Ｆ 5/00 ＦＦ１６Ｊ 9/26 Ｆ１６Ｊ 9/26 Ｃ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】金属基材の表面に、金属チタン層を形成
したのちこの上に窒化チタン層を形成し、次に窒化チタ
ン層の上から窒化処理を施し、金属チタン層の窒化チタ
ン層との境界に窒化層を形成することを特徴とする、耐
摩耗性に優れた摺動部材の製造方法。
【請求項２】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に記載の方法。