JP3742220B2 - 摺動部材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摺動部材に関し、特に耐摩耗性、耐スカッフィング性および相手材の摩耗を増加させない特性（以下「相手攻撃性」という。）に優れた例えば内燃機関用の摺動部材の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、内燃機関用の摺動部材であるピストンリングの摺動面には、その耐久性を改善するため、硬質クロムめっき処理や窒化処理などの耐摩耗性を目的とした表面処理が施されている。
【０００３】
しかし近年、エンジン等の内燃機関は、ますます軽量化および高出力化の方向に向かっているので、ピストンリングの摺動環境は非常に過酷になり、上記したような従来の表面処理では耐摩耗性等の機能を充分に満足させることができなくなってきている。
【０００４】
そのため、ピストンリング等の摺動部材には、さらに高い品質、例えば耐摩耗性、耐スカッフィング性および相手攻撃性に優れた皮膜や表面処理が求められている。
【０００５】
こうした問題を解決すべく、一部の内燃機関や部品には、耐摩耗性を向上させるため、ＰＶＤ（物理的蒸着）法で作製された窒化クロム（ＣｒＮ）や窒化チタン（ＴｉＮ）等の硬質皮膜が被覆されている。しかし、これらの皮膜は、それ自身の耐摩耗性を向上させるのには優れているが、時として相手材であるシリンダライナの摩耗を増加させるという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記の点に鑑み、従来の表面処理の欠点を解決し、耐摩耗性、耐スカッフィング性および相手攻撃性に優れた皮膜が被覆された摺動部材を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の摺動部材は、その全周面または少なくとも外周面に窒化層が設けられ、該窒化層上の外周面にクロム（Ｃｒ）−ホウ素（Ｂ）−窒素（Ｎ）合金皮膜が被覆されていることに特徴を有する。このとき、このＣｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜が、物理的蒸着法、特にイオンプレーティング法、真空蒸着法またはスパッタリング法で形成されることが好ましく、Ｂ含有量が、０．０５〜２０重量％であることが好ましい。この発明によれば、摺動部材の外周面に設けられるＣｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜は、耐摩耗性、耐スカッフィング性および相手攻撃性に優れるので、摺動部材の摺動環境が過酷になっても、要求性能を満足させる摺動部材を提供できる。
【０００８】
また、この発明によれば、摺動部材の表面に硬質の窒化層を設けることにより、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜の被覆とあいまって、より一層耐摩耗性、耐スカッフィング性および相手攻撃性に優れた摺動部材とすることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、内燃機関用の摺動部材の一例であるピストンリング１の構成を示すもので、（ａ）は（ｂ）のＩａ部の拡大図であり、（ｂ）は部分破断面を示すピストンリング１の斜視図である。ピストンリング１の母材２の外周面３には、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜４が設けられている。なお、以下ではピストンリングについて説明するが、本発明の摺動部材としては、ピストンリングに限らず、例えば自動車部品やコンプレッサー部品であってもよい。
【００１０】
ピストンリング１の母材２としては、通常、ステンレススチールおよびステンレススチールに窒化処理したものが使用される。窒化処理によってステンレススチールの表面層に窒素を拡散浸炭させ、硬質の窒化層５を形成することができるので、特にピストンリング１等の摺動部材に好んで用いられる。なお、窒化処理は、従来公知の方法で行なうことができる。
【００１１】
Ｃｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜４は、ピストンリング１の外周面３に設けることが好ましい。ピストンリング１の外周面３は、その摺動の際、相手材であるシリンダライナと接触するので、少なくとも外周面３にＣｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜４を設けることによって、耐摩耗性、耐スカッフィング性および相手攻撃性に優れるピストンリング１とすることができる。なお、外周面３以外の面に形成したものであってもよく、特に制限されない。また、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜４は、鋳鉄製やアルミニウム合金製のシリンダライナ等の相手材に対して特に相手攻撃性に優れており、これらの相手材との関係において特に好ましく適用される。
【００１２】
Ｃｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜４の形成は、通常、ＰＶＤ（物理的蒸着）法によってピストンリング１の外周面３上に形成される。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を挙げることができる。形成されるＣｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜４の厚さは、特に限定されるものではないが、通常１〜７０μｍの範囲内であることが好ましい。
【００１３】
得られたＣｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜４は、Ｂ含有量が０．０５〜２０重量％であることが好ましい。ＢがＣｒ−Ｎ合金中に含まれることによって形成されるＣｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜４は、耐摩耗性および耐スカッフィング性に優れると共に、特に相手攻撃性に優れる。Ｂ含有量が０．０５重量％未満では、耐スカッフィング性および相手攻撃性で期待する効果が得られない。Ｂ含有量が２０重量％を超えると、合金皮膜４の内部応力が高く、靱性が低下し、合金皮膜４にクラックおよび層間剥離等が発生し、ピストンリングとしての機能を果たさなくなる。Ｂ含有量の特に好ましい範囲としては、０．５〜１２重量％である。
【００１４】
Ｃｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜４を構成するＣｒ含有量は、７８．４〜６９．３重量％の範囲であることが好ましく、Ｎ含有量は、２１．１〜１８．７重量％の範囲であることが好ましい。
【００１５】
【実施例】
以下、実施例によって本発明を更に具体的に説明する。
【００１６】
先ず、１８ｍｍ×１２ｍｍ×６ｍｍの鋼板平板の片面をラッピングし、１μｍ以下の表面粗さに仕上げ、試験試料とした。試料はあらかじめ有機溶剤液中で超音波洗浄を行った。次いで、以下に説明する手順でアークイオンプレーティング法により、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜４を形成した。
【００１７】
（Ｃｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜の形成手順）
試料をアークイオンプレーティング装置のチャンバ（真空容器）内に取り付け、５×１０^-3Ｔｏｒｒまで真空引きを行った。チャンバ内に内蔵されているヒーターにより、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。所定の組成のＣｒ−Ｂ合金をターゲットとして使用し、その表面でアーク放電を発生させ、ＣｒおよびＢのイオンを放出させた。試料に−８００Ｖ（ボルト）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、アーク放電が起こっているチャンバ中に窒素ガスを導入し、試料に−５０Ｖのバイアス電圧を印加して試料表面にＣｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜４を２０μｍ形成した。
【００１８】
Ｂ含有量を変化させたＣｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜４の形成は、組成の異なるＣｒ−Ｂ合金ターゲットを使用することによって行なった。こうして、０．０５重量％、１０重量％、２０重量％、３０重量％のＢ含有量を有するＣｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜４が形成された試験試料（本発明品）を作製した。
【００１９】
（摩耗試験）
上記方法により作製した試験試料を用いて、下記の摩耗試験条件で耐摩耗性の評価を行った。比較試料として、一部実用化されているＣｒ−Ｎ合金皮膜を形成した試料（比較品）もあわせて機能評価した。
【００２０】
耐摩耗性試験は、アムスラー型摩耗試験機を使用し、試験試料および比較試料（何れも、１８ｍｍ×１２ｍｍ×６ｍｍ）を固定片とし、相手材（回転片）にはドーナツ状（外径４０ｍｍ、内径１６ｍｍ、厚さ１０ｍｍ）のものを用いた。形成された合金皮膜がドーナツ状の回転片に接触するように、試験試料および比較試料をセットした。試験結果を図２に示した。なお、耐摩耗性は、比較試料（比較品）の摩耗量を１００としたときの試験試料（本発明品）の摩耗量を、比較試料（比較品）に対する摩耗指数として比較した。従って、試験試料（本発明品）の摩耗指数が１００より小さいほど摩耗量が少ないので、比較試料（比較品）よりも耐摩耗性に優れることとなる。
【００２１】
まお、このとき、相手材である回転片の摩耗量を測定し、相手攻撃性を評価した。相手攻撃性も耐摩耗性と同様に、比較試料（比較品）を使用したときの回転片の摩耗量を１００とし、試験試料（本発明品）を使用したときの回転片の摩耗量を、比較試料（比較品）を使用したときの摩耗量に対する指数として比較して、図３に示した。従って、試験試料（本発明品）を使用したときの相手攻撃性（指数）が１００より小さいほど、比較試料（比較品）を使用したときよりも相手材の摩耗を増加させないので、相手攻撃性に優れることとなる。
【００２２】
摩耗試験条件；
試験機：アムスラー型摩耗試験機
方法 ：回転片のほぼ半分を油に浸漬し、固定片を接触させ、荷重を負荷して摩耗試験を行う。
相手材：ＦＣ２５（ＨＲＢ９８）
潤滑油：軸受け油
油温 ：８０℃
周速 ：１ｍ／ｓｅｃ（４７８ｒｐｍ）
荷重 ：１５０ｋｇ
時間 ：７Ｈｒ
摩耗量測定：粗さ計による段差プロフィールで摩耗量（μｍ）を測定
【００２３】
（耐スカッフィング性試験）
上述の試験試料（本発明品）および比較試料（比較品）を使用し、耐スカッフィング性を下記のスカッフィング試験条件で評価した。試験結果を図２に示した。なお、耐スカッフィング性は、比較試料（比較品）のスカッフ発生荷重を１００とし、試験試料（本発明品）のスカッフ発生荷重を、比較試料（比較品）に対するスカッフ指数として比較した。従って、試験試料（本発明品）のスカッフ指数が１００より大きいほど、スカッフ発生荷重が大きくなり、比較試料（比較品）よりも耐スカッフィング性に優れることとなる。
【００２４】
スカッフィング試験条件；
試験機：アムスラー型摩耗試験機
方法 ：試験片に潤滑油を付着させ、スカッフ発生まで荷重を負荷させる。
相手材：ＦＣ２５（ＨＲＢ９８）
潤滑油：２号スピンドル油
油温 ：成り行き
周速 ：１ｍ／ｓｅｃ（４７８ｒｐｍ）
荷重 ：スカッフ発生まで
時間 ：成り行き
【００２５】
（剥離性試験）
上述の試験試料（本発明品）および比較試料（比較品）を使用し、耐剥離性を下記の剥離試験条件で評価した。試験結果を図３に示した。なお、耐剥離性は、比較試料（比較品）の剥離発生回数を１００としたとき、試験試料（本発明品）の剥離発生回数を、比較試料（比較品）に対する耐剥離性（指数）として比較した。従って、試験試料（本発明品）の耐剥離性（指数）が１００より小さくなると、比較試料（比較品）よりも少ない回数で剥離が発生することとなるので、耐剥離性に劣ることとなる。ＮＰＲ式衝撃試験装置を図４に示す。
【００２６】
剥離試験条件；
試験機：ＮＰＲ式衝撃試験装置（特開昭３６−１９０４６号、めっき密着度の定量的試験装置）の改良試験機。
方法 ：ＰＶＤ合金皮膜表面に、１回当たり４３．１ｍＪ（４４ｋｇ／ｍｍ）の衝撃エネルギーを加え、剥離発生迄の回数で評価。
剥離の有無：表面を１５倍に拡大して観察し、評価した。
【００２７】
（試験結果）
Ｂ含有量が０．０５重量％のＣｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜４を形成した試験試料（本発明品）は、摩耗指数および相手攻撃性（指数）の低下とスカッフ指数の上昇がみられ、耐摩耗性、耐スカッフィング性、相手攻撃性に優れていた。
【００２８】
また、Ｂ含有量が２０重量％を超えたＣｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜４を形成した試験試料（本発明品）は、耐剥離性（指数）が小さくなり、耐剥離性に劣った。
【００２９】
従って、Ｂ含有量が０．０５重量％以上２０重量％以下のＣｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜４を形成した試験試料（本発明品）は、耐摩耗性、耐スカッフィング性、相手攻撃性および耐剥離性の何れにおいても優れていた。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の摺動部材によれば、摺動面にＣｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜が設けられているので、一部実用化されているＣｒ−Ｎ合金皮膜より、耐摩耗性、耐スカッフィング性および相手攻撃性において、より優れた効果・機能を有する。
【００３１】
本発明の摺動部材は、今後開発が予想される高出カ・高温高負荷のエンジンに対しても十分に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内燃機関用摺動部材の一例の拡大断面図（ａ）と部分破断面を示した斜視図（ｂ）である。
【図２】耐摩耗性（摩耗指数）および耐スカッフィング性（スカッフ指数）を示すグラフである。
【図３】耐剥離性（耐剥離性指数）および相手攻撃性（相手攻撃性指数）を示すグラフである。
【図４】ＮＰＲ式衝撃試験装置を使用した剥離性試験を表す概略図である。
【符号の説明】
１ ピストンリング
２ 母材
３ 外周面
４ Ｃｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜
５ 窒化層
１１ 圧子
１２ 当金

Claims (4)

1. 摺動部材の全周面または少なくとも外周面に窒化層が設けられ、該窒化層上の外周面にＣｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜が被覆されていることを特徴とする摺動部材。
2. 前記Ｃｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜が、物理的蒸着法によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
3. 前記物理的蒸着法が、イオンプレーティング法、真空蒸着法またはスパッタリング法であることを特徴とする請求項２に記載の摺動部材。
4. 前記Ｃｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜中のＢ含有量が、０．０５〜２０重量％であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の摺動部材。

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