JP5225646B2

JP5225646B2 - 摺動部材及びその製造方法

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Publication number: JP5225646B2
Application number: JP2007252886A
Authority: JP
Inventors: 勝明小川; 束平瀬; 宏幸杉浦
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2027-09-28
Also published as: JP2009084604A

Description

本発明は、摺動部材に関し、更に詳しくは、低コストであり、且つ、摺動面に形成されたイオンプレーティング皮膜の耐剥離性と母材の耐摩耗性が良好で、ピストンリングに好ましく用いられる摺動部材に関する。

摺動部材である内燃機関用ピストンリングにおいては、例えば下記特許文献１等に示すように、その外周摺動面にＣｒ_２Ｎを含むＣｒＮのイオンプレーティング皮膜を形成して耐摩耗性を向上させることが提案されている。こうしたイオンプレーティング皮膜は、ピストンリングの外周摺動面に設けられ、その耐摩耗性を向上させている。さらに、このピストンリングの母材としては、通常、鋳鉄やステンレス鋼材（例えば１７クロム鋼、１３クロム鋼、シリコン−クロム鋼）等が用いられている。

しかしながら、鋳鉄やステンレス鋼、シリコン−クロム鋼材等の母材は、イオンプレーティング皮膜を形成する際の処理温度によって、その母材硬さが低下し、例えばピストンリングの上下面の耐摩耗性の低下や、ピストンリングの疲労強度が低下するという問題がある。こうした問題に対し、例えば特許文献２には、ピストンリング母材としてバナジウムやニッケル等を含有する耐熱性のある鋼材を使用し、その外周摺動面に硬質皮膜を形成してなるピストンリングが提案されている。このピストンリングによれば、硬質皮膜の形成時に加わる熱によっても、ピストンリング母材に熱へたりが起こらず、優れた摺動特性とＡｌ凝着防止効果を兼ね備えることができるとされている。
特開平８−２９６０３０号公報特開２００５−６１３８９号公報

しかしながら、上述したピストンリング母材はバナジウムやニッケル等を含有した鋼材であり、高価であり、近年の市場からの低コストの要求には応えることができないものであった。一方、安価な鋼材をピストンリング母材として用いた場合、硬質皮膜の形成時に加わる処理温度により、母材の硬度が低下して耐摩耗性等が低下するおそれがある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、低コストであり、且つ、摺動面に形成されたイオンプレーティング皮膜の耐剥離性と母材の耐摩耗性が良好な摺動部材及びその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の摺動部材の製造方法は、Ｃ：０．６９〜０．８１質量％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５質量％、Ｍｎ：０．３０〜０．９０質量％、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下、残部：鉄及び不可避不純物からなる母材の少なくとも摺動面に、イオンプレーティング皮膜を形成する摺動部材の製造方法であって、前記イオンプレーティング皮膜が、Ｃｒ−Ｎ系、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系及びＴｉ−Ｎ系から選ばれる皮膜であり、前記イオンプレーティング皮膜の形成時の処理温度を４００℃以上４８０℃以下の範囲内とすることを特徴とする。

この発明によれば、上記組成からなる母材の少なくとも摺動面へのイオンプレーティング皮膜の形成時において、その処理温度を上記範囲内とするので、バナジウムやニッケル等を含まない安価な上記母材であっても、イオンプレーティング皮膜の形成時の処理温度による熱へたりがなく、所望の硬度を維持できる摺動部材を製造することができる。さらに、イオンプレーティング皮膜の形成時の処理温度が４００℃以上４８０℃以下の範囲内であるので、成膜されたイオンプレーティング皮膜の耐剥離性も確保することができる。その結果、低コストであり、且つ、摺動面に形成されたイオンプレーティング皮膜の耐剥離性と母材の耐摩耗性が良好な摺動部材を製造することができる。そして、各種の皮膜の形成時についても同様の効果を奏することができる。

本発明の摺動部材の製造方法の好ましい態様は、前記イオンプレーティング皮膜を形成した後、前記母材に化成処理皮膜を形成する。この発明によれば、上記組成からなる母材に化成処理皮膜が形成されているので、相手材との間で生じることのある凝着現象の発生を防ぐことができる。

上記課題を解決するための本発明に係る摺動部材は、イオンプレーティング皮膜が少なくとも摺動面に形成された摺動部材であって、当該摺動部材の母材は、Ｃ：０．６９〜０．８１質量％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５質量％、Ｍｎ：０．３０〜０．９０質量％、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下、残部：鉄及び不可避不純物からなり、ビッカース硬度が４５０ＨＶ０．１以上であることを特徴とする。

この発明によれば、イオンプレーティング皮膜が少なくとも摺動面に形成された上記組成からなる母材それぞれの硬度がビッカース硬度で４５０ＨＶ０．１以上であるように構成されているので、バナジウムやニッケル等を含まない安価な上記母材にイオンプレーティング皮膜が形成された摺動部材であっても、母材の耐摩耗性を維持できる安価な摺動部材を提供することができる。

本発明の摺動部材の好ましい態様は、前記摺動部材がピストンリングとして用いられるものであって、前記イオンプレーティング皮膜は、その形成時の処理温度が４００℃以上４８０℃以下の範囲内で成膜されてなり、前記ピストンリングの合口の一端を固定し、その合口の反対側の部位を軸として前記合口の他端を旋回させて捻るツイスト試験によっても、前記部位の母材とイオンプレーティング皮膜との間に剥離が生じない。この発明によれば、イオンプレーティング皮膜が上記範囲内の処理温度で成膜されたものであるので、耐剥離性に優れたイオンプレーティング皮膜を有する安価な摺動部材を提供することができる。

本発明の摺動部材及びその製造方法によれば、バナジウムやニッケル等を含まない従来から使用されている安価な母材であっても、イオンプレーティング皮膜の形成時の処理温度による熱へたりがなく、所望の硬度を維持することができ、さらに、成膜されたイオンプレーティング皮膜の耐剥離性も確保することができる。その結果、低コストであり、且つ、摺動面に形成されたイオンプレーティング皮膜の耐剥離性と母材の耐摩耗性が良好な摺動部材を製造することができる。

以下、本発明の摺動部材及びその製造方法について図面を参照しつつ説明する。以下に示す実施の形態は本発明の一例であって、本発明の技術的範囲は以下の実施の形態に限定されるものではない。なお、以下においては、摺動部材としてピストンリングを用いて説明するので、摺動部材をピストンリングと読み替えて説明する。

［ピストンリングの製造方法］
図１は、本発明の製造方法によって得られたピストンリングの形態を示す断面図である。本発明のピストンリング１０の製造方法は、下記第１又は第２の母材１の外周摺動面１１にイオンプレーティング皮膜２を形成する工程において、そのイオンプレーティング皮膜２の形成時の処理温度を４００℃以上４８０℃以下の範囲内で行う。

第１の母材１は、その組成が、Ｃ：０．５０〜０．６０質量％、Ｓｉ：１．２０〜１．６０質量％、Ｍｎ：０．５０〜０．８０質量％、Ｃｒ：０．５０〜０．８０質量％、Ｃｕ：０．２０質量％以下、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下、残部：鉄及び不可避不純物からなる鋼材である。この鋼材は、ＪＩＳＧ３５６１（１９９４）で規定されたＳＷＯＳＣ−Ｖ材相当のシリコン−クロム鋼であり、一般的には弁ばね用Ｓｉ−Ｃｒ鋼オイルテンパー線と呼ばれる鋼材である。

また、第２の母材１は、Ｃ：０．６９〜０．８１質量％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５質量％、Ｍｎ：０．３０〜０．９０質量％、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下、残部：鉄及び不可避不純物からなる鋼材である。この鋼材は、一般的には、硬鋼線と呼ばれる鋼材である。なお、この鋼材は、さらに、ＪＩＳＧ３５０６（１９９６）で規定されたＳＷＲＨ７２Ａ材と呼ばれる、Ｃ：０．６９〜０．７６質量％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５質量％、Ｍｎ：０．３０〜０．６０質量％、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下、残部：鉄及び不可避不純物からなる鋼材と、ＪＩＳＧ３５０６（１９９６）で規定されたＳＷＲＨ７７Ｂ材とよばれる、Ｃ：０．７４〜０．８１質量％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５質量％、Ｍｎ：０．６０〜０．９０質量％、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下、残部：鉄及び不可避不純物からなる鋼材とを包含する。

上記第１の母材１及び第２の母材１は、それぞれのＪＩＳ規格によって組成が定められた鋼材であり、その硬さは、前処理によっても異なるが、一般には、後述のイオンプレーティング処理に供される状態でおよそビッカース硬度４８０ＨＶ０．１〜５８０ＨＶ０．１である。こうした鋼材にはバナジウム、ニッケルやモリブデン等が含まれていないので、安価であり、ピストンリング母材１として好ましく用いることができる。さらに、本発明のピストンリングの製造方法は、上記の鋼材の他、ピストンリング用の母材１として使用可能な他の低コスト鋼材に対しても適用できる。

イオンプレーティング皮膜２は、ピストンリング母材１の外周摺動面１１に形成される化合物皮膜であり、本発明においては、Ｃｒ−Ｎ系、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系及びＴｉ−Ｎ系から選ばれる皮膜を適用することが好ましい。イオンプレーティング皮膜２を外周摺動面１１に形成することにより、相手材であるシリンダライナとの間で、優れた耐摩耗性や耐スカッフ性等の摺動特性を発揮することができる。なお、イオンプレーティング皮膜２が外周摺動面以外に形成されていても構わない。

イオンプレーティング皮膜２の成膜は、４００℃以上４８０℃以下の処理温度の範囲内で行う。この範囲内での成膜は、イオンプレーティング皮膜２の耐剥離性を確保することができるとともに、ピストンリング母材１の熱へたりを防ぐことができる。処理温度が４００℃未満では、イオンプレーティング皮膜２のピストンリング母材１への密着が劣り、ピストンリング母材１から剥離しやすくなる。一方、処理温度が４８０℃を超えると、ピストンリング母材１の熱へたりが生じ、ピストンリング母材１の硬度が低下して、耐摩耗性が低下する。したがって、イオンプレーティング皮膜２を４００℃以上４８０℃以下の範囲内で成膜することにより、イオンプレーティング皮膜２の耐剥離性とピストンリング母材１の耐摩耗性を良好なものとすることができる。

なお、上記温度範囲内で成膜したイオンプレーティング皮膜２の耐剥離性の評価方法としては、例えば、ピストンリング母材１の合口の一端を固定し、その合口の反対側の部位を軸としてその合口の他端を旋回させて捻るツイスト試験を挙げることができる。本発明においては、この評価方法によっても、前記の部位の母材１とイオンプレーティング皮膜２との間に剥離が生じない。

また、上記温度範囲内での熱処理によって、上述したピストンリング母材１のビッカース硬度が約５００ＨＶ０．１となり、４５０ＨＶ０．１以上の値を維持できる。また、その硬さの上限は特に限定されないが、イオンプレーティング処理に供される前の硬さと同程度であり、例えばビッカース硬度で約５００ＨＶ０．１程度の値を例示できる。ビッカース硬度が４５０ＨＶ０．１以上のピストンリング母材１は、良好な耐摩耗性を維持することができる。

イオンプレーティング皮膜の形成は所定のガス雰囲気下でアーク電流とバイアス電圧を印加して行うが、上記処理温度は、アーク電流とヒーター温度によって制御することができる。なお、イオンプレーティング皮膜２には、さらに、酸素と炭素のいずれか一方又は両方が含まれていてもよい。これらは、イオンプレーティングの成膜工程でのガス雰囲気を制御して行うことができる。酸素と炭素の含有量の調整は、チャンバー内に導入する各ガス圧を調整することにより行うことができる。また、イオンプレーティング皮膜２の厚さは特に限定されず、通常５μｍ以上８０μｍ以下であり、１０μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。

また、本発明においては、図１（ｂ）に示すように、イオンプレーティング皮膜２を形成した後、ピストンリング母材１の上下面１２，１３や内周面１４に化成処理皮膜３を形成することが好ましい。こうした化成処理皮膜３は、相手材との間で生じることのある凝着現象の発生を防ぐという作用がある。化成処理皮膜３は、ピストンリング母材１のままでも、ピストンリング母材１に窒化層を有したものであっても、容易に施すことができる。

化成処理皮膜３とその処理方法は特に限定されず、通常の方法が適用できる。例えば、リン酸マンガン系やリン酸亜鉛系のリン酸塩皮膜、Ｆｅ_３Ｏ_４等の酸化鉄皮膜が挙げられる。また、処理方法としては、浸漬法やスプレー法が挙げられる。この化成処理皮膜３は、図１（ｂ）に示すように、ピストンリング１０の上下面１２，１３に好ましく設けられるが、内周面１４に形成されていてもよい。

こうして得られたピストンリング１０は、少なくとも外周摺動面１１に上記処理温度で形成されたイオンプレーティング皮膜２が形成されていればよく、トップリング、セカンドリング、オイルリングのいずれにも適用可能である。

以下、実施例と比較例と従来例とにより、本発明を詳しく説明する。

（参考例１）
Ｃ：０．５５質量％、Ｓｉ：１．４０質量％、Ｍｎ：０．７５質量％、Ｐ：０．０１５質量％、Ｓ：０．０１質量％、Ｃｒ：０．６５質量％、残部：鉄及び不可避不純物からなり、図１（ｂ）に示す断面となるピストンリング母材を準備した。このピストンリング母材の硬さは、ビッカース硬度で５００ＨＶ０．１であった。

次に、上記ピストンリング母材の外周摺動面のみにイオンプレーティング皮膜を形成した。イオンプレーティング皮膜は、アークイオンプレーティング装置を用いて成膜し、成膜条件は、ターゲット：純Ｃｒ、窒素ガス圧：２５ｍＴｏｒｒ、バイアス電圧：−１５Ｖ、アーク電流：１３００Ａ、処理温度：４００℃、処理時間：１７０分の条件下で、厚さ１０μｍとなるように成膜時間を調整して行った。なお、処理温度は、熱電対をワークテーブル上に設置して測定した。形成したイオンプレーティング皮膜の組成は、Ｃｒ：３．２質量％、ＣｒＮ：９５．４質量％、Ｃｒ_２Ｎ：１．４質量％であった。

次に化成処理膜として、ピストンリングを加熱した強アルカリ性塩浴液に浸漬し、四三酸化鉄被膜をピストンリング上下面及び内周面に形成した。

（参考例２，３、比較例１，２、従来例１）
参考例１において、イオンプレーティング皮膜を形成する際のヒーター温度とアーク電流を変更し、イオンプレーティング皮膜形成時の処理温度を表１に示す値に変更した他は、参考例１と同様にして、それぞれのピストンリングを得た。

（実施例１）
Ｃ：０．７５質量％、Ｓｉ：０．２８質量％、Ｍｎ：０．６０質量％、Ｐ：０．０１質量％、Ｓ：０．０１質量％、残部：鉄及び不可避不純物からなり、図１（ｂ）に示す断面となるピストンリング母材を準備した。このピストンリング母材の硬さは、ビッカース硬度で５００ＨＶ０．１であった。

（実施例２、比較例４，５、従来例２）
実施例１において、イオンプレーティング皮膜を形成する際のヒーター温度とアーク電流を変更し、イオンプレーティング皮膜形成時の処理温度を表１に示す値に変更した他は、実施例１と同様にして、それぞれのピストンリングを得た。

（測定及び結果）
得られた参考例１〜３、実施例１，２、比較例１〜４及び従来例１，２のピストンリングについて、母材の硬さ、上下面の摩耗指数、耐剥離性を評価し、その総合評価を行った。なお、その評価方法は以下の通りである。得られた結果を表１に示す。

ビッカース硬度：ビッカース硬さは、微小ビッカース硬度計を用い、ピストンリング母材の断面に荷重０．１ｋｇ（１００ｇ）のダイヤモンド圧子を押し当てて測定した。参考例１〜３のピストンリングは、母材のビッカース硬度がそれぞれ５００ＨＶ０．１、４９０ＨＶ０．１、４５５ＨＶ０．１であり、特に比較例２や従来例１よりも硬いことを示している。

耐摩耗性：図２に示すアムスラー型摩耗試験機２０を使用し、ピストンリングの上下面における耐摩耗性を評価した。測定試料は、イオンプレーティング皮膜が形成されていないピストンリングの上下面を試験面とするように切り出したものを用いた。そして、その測定試料２１を固定片とし、相手材２２（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、測定試料２１と相手材２２とを接触させ、荷重Ｐを負荷して行った。測定試料２１としては、各試料を使用した。各測定試料２１を用いた摩擦試験条件は、相手材２２：ＦＣ２５、潤滑油２３：タービンオイル＃１００（１号スピンドル油相当品）、油温：８０℃、周速：１ｍ／秒（４７８ｒｐｍ）、荷重：７８４．８Ｎ（８０ｋｇ）、試験時間：７時間の条件下で行った。相手材２２は、所定形状に研削加工した後、研削砥石の細かさを変えて順次表面研削を行い、最終的に２μｍＲｚ（十点平均粗さ。ＪＩＳＢ０６０１（１９９４）に準拠。）となるように調整した。

表１に示す摩耗指数は、各測定試料の摩耗量の結果を指数で示したものであり、従来例１，２の測定試料の摩耗量を１００とし、それに対する各試料の摩耗量を相対比として比較した。従って、各測定試料の摩耗指数が１００より小さいほど摩耗量が小さく、耐摩耗性に優れていることを表す。参考例１〜３、実施例１，２のピストンリングは、その上下面の摩耗指数が小さいことがわかる。この結果より、摩耗指数は、上記のビッカース硬度と相関があることがわかる。

耐剥離性（ツイスト試験）：図３に示すツイスト試験機３０を使用したツイスト試験により耐剥離性を評価した。このツイスト試験は、ピストンリングに形成されたイオンプレーティング皮膜の密着性を評価する試験であり、その測定は、ピストンリング３１の合口３２ａの相対向する合口端部３２ｂを掴持具３３ａ、３３ｂで掴持し、掴持具３３ａを固定しておいて掴持具３３ｂをピストンリング３１の直径方向で合口の反対側３２ｃを軸として一点鎖線で示されるように回転させ、ピストンリング３１を所定の捻り角度にて捻る方法で行った。そして、捻り後に、このピストンリング３１の合口反対側３２ｃを切断し、切断面（破面）におけるイオンプレーティング皮膜がピストンリング母材から剥離するか否かを目視で観察した。なお、このときの捻り角度は９０°とした。

耐剥離性（衝撃試験）：図４に示す衝撃試験装置４０を使用した衝撃試験により耐剥離性を評価した。この衝撃試験も、ピストンリングに形成されたイオンプレーティング皮膜の密着性を評価する試験であり、その測定は、図４中の矢印で示すように、当金４４にのせた試料４１のイオンプレーティング皮膜表面にスプリング４２で付勢した圧子４３を衝突させる。衝突１回当り４３．１ｍＪ（４．４ｋｇ／ｍｍ）の衝撃エネルギーを加え、イオンプレーティング皮膜に剥離が発生するまでの回数を測定した。剥離有無の判定はイオンプレーティング皮膜をルーペにて１５倍に拡大して観察することにより行った。

表１に示す耐剥離性は、上記ツイスト試験と衝撃試験との結果を以下の評価基準で表したものである。「○」はツイスト試験で剥離が無く、３０回の衝撃試験でも剥離が無いもの、「△」はツイスト試験で剥離が無く、３０回の衝撃試験で剥離が発生したもの、「×」はツイスト試験で剥離が発生したもの、とした。表１に示すように、比較例１が耐剥離性に劣る結果となった。

総合評価：総合評価は以下の評価基準で表した。「○」は上下面の耐摩耗性に優れ、イオンプレーティング皮膜の耐剥離性も優れるもの、「△」は上下面の耐摩耗性は従来と同程度であり、イオンプレーティング皮膜の耐剥離性に優れるもの、「×」はイオンプレーティング皮膜の耐剥離性が△又は×のもの、とした。表１に示すように、比較例１，２及び従来例１が劣る結果となった。

なお、本願において、イオンプレーティング皮膜中の成分組成は、後方散乱測定装置（日新ハイボルテージ株式会社製）を用いて定量した。また、イオンプレーティング皮膜の厚さは、前記の断面観察から算出した。

本発明の製造方法によって得られたピストンリングの形態を示す断面図である。測定に用いたアムスラー型摩耗試験機の構成原理図である。測定に用いたツイスト試験機の構成原理図である。測定に用いた衝撃試験装置の構成原理図である。

符号の説明

１ピストンリング母材
２イオンプレーティング皮膜
３化成処理皮膜
１０ピストンリング
１１外周摺動面
１２上面
１３下面
１４内周面
２０アムスラー型摩耗試験機
２１測定試料
２２相手材
２３潤滑油
３０ツイスト試験機
３１ピストンリング
３２ａ合口
３２ｂ合口端部
３２ｃ反対側の合口
３３ａ，３３ｂ掴持具
４０衝撃試験装置
４１試料
４２スプリング
４３圧子
４４当金

Claims

Ｃ：０．６９〜０．８１質量％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５質量％、Ｍｎ：０．３０〜０．９０質量％、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下、残部：鉄及び不可避不純物からなる母材の少なくとも摺動面に、イオンプレーティング皮膜を形成する摺動部材の製造方法であって、
前記イオンプレーティング皮膜が、Ｃｒ−Ｎ系、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系及びＴｉ−Ｎ系から選ばれる皮膜であり、前記イオンプレーティング皮膜の形成時の処理温度を４００℃以上４８０℃以下の範囲内とすることを特徴とする摺動部材の製造方法。
前記イオンプレーティング皮膜を形成した後、前記母材に化成処理皮膜を形成する、請求項１に記載の摺動部材の製造方法。
形成時の処理温度が４００℃以上４８０℃以下の範囲内で成膜されてなるイオンプレーティング皮膜が少なくとも摺動面に形成された摺動部材であって、当該摺動部材の母材は、Ｃ：０．６９〜０．８１質量％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５質量％、Ｍｎ：０．３０〜０．９０質量％、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下、残部：鉄及び不可避不純物からなり、前記イオンプレーティング皮膜が、Ｃｒ−Ｎ系、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系及びＴｉ−Ｎ系から選ばれる皮膜であり、ビッカース硬度が４５０ＨＶ０．１以上であることを特徴とする摺動部材。
前記摺動部材がピストンリングとして用いられるものであって、
前記イオンプレーティング皮膜は、その形成時の処理温度が４００℃以上４８０℃以下の範囲内で成膜されてなり、前記ピストンリングの合口の一端を固定し、その合口の反対側の部位を軸として前記合口の他端を旋回させて捻るツイスト試験によっても、前記部位の母材と前記イオンプレーティング皮膜との間に剥離が生じない、請求項３に記載の摺動部材。