JP5976328B2 - ピストンリング - Google Patents

Description

本発明は、摺動部材に関し、更に詳しくは、耐摩耗性に優れた表面皮膜の靭性を向上させることができる摺動部材に関する。

内燃機関に用いられるピストンリング等の高温且つ高圧の厳しい環境下で使用される摺動部材において、耐摩耗性や耐スカッフ性等の更なる向上が要求されている。例えば、ピストンリングの外周摺動面は、シリンダライナの内周面に摺動接触することから、特に優れた耐摩耗性が要求され、クロムめっき皮膜、窒化層、又はＰＶＤ法で形成された硬質皮膜等が用いられている。そして、上記の要求に対応するため、ピストンリングの外周摺動面や上下面には、クロムめっき皮膜、窒化処理皮膜、ＰＶＤ法で作製された窒化クロム（ＣｒＮ、Ｃｒ_２Ｎ）や窒化チタン（ＴｉＮ）等の硬質皮膜等が形成されている。

しかし、近年の内燃機関の軽量化や高出力化に伴い、ピストンリングをはじめとする摺動部材は、さらに厳しい条件下で使用されることとなり、靱性及び耐摩耗性に優れた摺動部材が望まれている。

このような課題に対し、例えば、特許文献１には、摺動部表面に耐摩耗性及び靱性の両方を兼ね備えた皮膜を形成し、摺動部材の耐摩耗性及び耐剥離性の向上した摺動部材が提案されている。具体的には、窒化クロムを主成分とする皮膜が摺動面に形成された摺動部材において、その皮膜が、空孔率０．０５％〜３％未満の緻密皮膜と、空孔率３〜１５％のポーラス皮膜とを交互に積層した３層以上の多層構造を備えるようにした技術が提案されている。

また、特許文献２には、相手材との初期なじみ性に優れるとともに高負荷での摺動が継続した場合であっても耐スカッフ性と耐摩耗性を継続的に維持できる摺動部材が提案されている。具体的には、少なくとも摺動面に、母材側より耐摩耗性皮膜と硬質炭素皮膜とが繰り返し形成された摺動部材であって、耐摩耗性皮膜と硬質炭素皮膜とからなる層を２以上有するようにした技術が提案されている。

しかしながら、特許文献１，２の技術は、異なる層を交互に繰り返し積層した多層構造であり、成膜がやや煩雑であった。

なお、高耐久性と低摩擦係数の２つの特性を同時に満足させることのできる摺動部材として、特許文献３には、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）系の摺動皮膜を設けた摺動部材が提案されている。この特許文献３に記載の摺動部材は、硬度が２０ＧＰａ以上４５ＧＰａ以下でヤング率が２５０ＧＰａ以上４５０ＧＰａ以下で膜厚が０．２μｍ以上４．０μｍ以下のＤＬＣからなる下層膜と、硬度が５ＧＰａ以上２０ＧＰａ未満でヤング率が６０ＧＰａ以上２４０ＧＰａ以下で膜厚が１．０μｍ以上１０μｍ以下のＤＬＣからなる上層膜との少なくとも２層の膜から構成された摺動皮膜を有している。

特開２００９−１３３４４５号公報 特開２００８−２８６３５４号公報 特開２００９−１６７５１２号公報

本発明者は、耐摩耗性に優れた摺動部材の研究開発を行っている過程で、耐摩耗性をより一層向上させるために、摺動部材の表面に機械的強度の高い耐摩耗性皮膜を設けた摺動部材の耐摩耗性試験を行った。その結果、機械的強度の高い耐摩耗性皮膜は、耐摩耗性に優れるものの、クラック（亀裂）が生じ易く、そのクラックを起点として皮膜が剥がれて耐摩耗性が低下するという現象を知見した。

本発明は、こうした問題を解決するためになされたものであって、その目的は、耐摩耗性に優れた表面皮膜の靭性を向上させた摺動部材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に係る摺動部材は、母材と、該母材上に設けられた下地層と、該下地層上に設けられた耐摩耗性皮膜とを有し、前記耐摩耗性皮膜の厚さＴ１と前記下地層の厚さＴ２とが下記式１の関係を満たし、且つ前記下地層のヤング率が下記式２の関係を満たすことを特徴とする。

この発明によれば、耐摩耗性皮膜と下地層が上記式１，２の関係を満たすことにより、その下地層上に設けられた耐摩耗性皮膜は、クラック（亀裂）が生じ難くなり、クラックを起点として耐摩耗性皮膜が剥がれて耐摩耗性が低下するという現象を抑制することができ、優れた耐摩耗性を実現できた。また、耐摩耗性皮膜のクラックを低減できるので、より硬い皮膜（硬度、ヤング率）を耐摩耗性皮膜として設けることができた。

本発明に係る摺動部材において、前記耐摩耗性皮膜が、２００ＧＰａ以上のヤング率と８００ＨＶ（０．０５）以上のビッカース硬度とを有することが好ましい。

本発明に係る摺動部材において、前記耐摩耗性皮膜が、クロムめっき皮膜、窒化クロム系合金皮膜、窒化チタン系合金皮膜、及び硬質炭素皮膜から選ばれるいずれかである。

本発明に係る摺動部材において、前記耐摩耗性皮膜の厚さＴ１が、０．５μｍ以上４０μｍ以下であることが好ましい。

本発明に係る摺動部材によれば、耐摩耗性皮膜と下地層が上記式１，２の関係を満たすことにより、その下地層上に設けられた耐摩耗性皮膜は、クラック（亀裂）が生じ難くなり、クラックを起点として耐摩耗性皮膜が剥がれて耐摩耗性が低下するという現象を抑制することができ、優れた耐摩耗性を実現できた。また、耐摩耗性皮膜のクラックを低減できるので、より硬い皮膜（硬度、ヤング率）を耐摩耗性皮膜として設けることができた。

本発明に係る摺動部材の摺動面の一例を示す模式的な断面図である。 本発明に係る摺動部材を構成する母材と下地層と耐摩耗性皮膜とのヤング率の関係を示す説明図である。 本発明に係る摺動部材の摺動面の他の例を示す模式的な断面図である。 ピストンリングに適用した場合の例を示す模式的な断面図である。 （Ａ）は実施例１の摺動面の断面写真であり、（Ｂ）は比較例１の摺動面の断面写真であり、（Ｃ）は実施例１の摺動面のクラック非発生形態であり、（Ｄ）は比較例１の摺動面のクラック発生形態である。 剥離試験測定に用いるスクラッチ試験機の構成原理図である。 摩耗試験及びスカッフ荷重測定に用いた回転式平面滑り摩擦試験機の構成原理図である。

本発明に係る摺動部材について、図面を参照しつつ説明する。本発明は、その技術的特徴を有する限り、以下の実施形態に限定されない。

本発明に係る摺動部材１０は、図１及び図３に示すように、母材１と、母材１上に設けられた下地層２と、下地層２上に設けられた耐摩耗性皮膜３とを少なくとも有している。そして、耐摩耗性皮膜３の厚さＴ１と下地層２の厚さＴ２とが後述する式１の関係を満たし、且つ下地層２のヤング率が後述する式２の関係を満たすことに特徴がある。

以下、本発明に係る摺動部材の構成要素について詳しく説明する。

（母材）
母材１としては、摺動部材１０の母材として用いられている各種のものを挙げることができ、特に限定されない。例えば、ステンレススチール鋼としては、質量％にて、Ｃ：０．８〜０．９５、Ｓｉ：０．５以下、Ｍｎ：０．２５〜０．４０、Ｃｒ：１７．００〜１８．５０、Ｍｏ：１．００〜１．２５、Ｖ：０．０８〜０．１５、Ｐ：０．０４以下、Ｓ：０．０４以下、残部Ｆｅ及び不可避不純物、又は、Ｃ：０．６〜０．７、Ｓｉ：０．２５〜０．５０、Ｍｎ：０．２０〜０．５０、Ｃｒ：１３．００〜１４．００、Ｍｏ：０．２０〜０．４０、Ｐ：０．０３以下、Ｓ：０．０３以下、残部Ｆｅ及び不可避不純物を用いることが好ましい。また、鋼材としては、Ｃ：０．５〜０．６、Ｓｉ：１．２〜１．６、Ｍｎ：０．５〜０．８、Ｃｒ：０．５〜０．８、Ｐ：０．０３以下、Ｓ：０．０３以下、残部Ｆｅ及び不可避不純物を用いることが好ましい。また、母材１に予め窒化処理を施して窒化層（図示しない）が形成されているものや、母材１に予め皮膜（下記同様のＣｒ−Ｎ系、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系等）が形成されているものも、母材１として適用できる。

（耐摩耗性皮膜）
耐摩耗性皮膜３は、摺動部材１の摺動面である最表面に設けられた皮膜であり、後述する下地層２上に設けられている。この耐摩耗性皮膜３は、図１及び図３（Ａ）に示すように、後述する下地層２上に設けられていてもよいし、図３（Ｂ）に示すように、下地層２上に他の層４を介して設けられていてもよい。なお、摺動部材１がピストンリング１５である場合には、図４に示すように、耐摩耗性皮膜３は、ピストンリング１５の少なくとも外周摺動面１１に形成されるが、その他の面、例えば上面１２、下面１３、内周面１４にも任意に形成できる。例えば、図４（Ａ）に示すように外周摺動面１１のみに形成する場合、図４（Ｂ）に示すように外周摺動面１１、上面１２及び下面１３に形成する場合、図示しないが外周摺動面１１、上面１２、下面１３及び内周面１４の全周に形成する場合等を挙げることができる。

耐摩耗性皮膜３は、相手材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できる皮膜であり、後述する式２の関係を満たす耐摩耗性の皮膜であれば特に限定されないが、例えば、硬質クロムめっき皮膜、Ｃｒ−Ｎ系、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系、Ｃｒ−Ｂ−Ｖ−Ｎ系等の窒化クロム系合金皮膜、ＴｉＮ等の窒化チタン系合金皮膜、及び硬質炭素皮膜（以下、ダイヤモンドライクカーボン系皮膜又はＤＬＣ系皮膜ともいう。）から選ばれる皮膜を好ましく適用できる。

耐摩耗性皮膜３は種々の形成手段で形成することができる。例えば、硬質クロムめっき皮膜の場合には、電気めっき法等で形成できる。また、窒化クロム系合金皮膜、窒化チタン系合金皮膜及びＤＬＣ系皮膜の場合には、スパッタリング法、イオンプレーティング法等で形成できる。

これらのうち、Ｃｒ−Ｎ系の耐摩耗性皮膜３は、窒化クロムを主成分とした皮膜であり、例えばアークイオンプレーティング法により、クロムターゲットと、導入ガスである窒素、又は窒素及びアルゴンとを用いて成膜できる。また、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系の耐摩耗性皮膜３は、窒素とホウ素のクロム化合物を主成分とした皮膜であり、例えばアークイオンプレーティング法により、クロム−ボロン合金ターゲットと、導入ガスである窒素、又は窒素及びアルゴンとを用いて成膜できる。また、Ｃｒ−Ｂ−Ｖ−Ｎ系の耐摩耗性皮膜３は、窒素とホウ素とバナジウムのクロム化合物を主成分とした皮膜であり、例えばアークイオンプレーティング法により、クロム−ボロン−バナジウム合金ターゲットと、導入ガスである窒素、又は窒素及びアルゴンとを用いて成膜できる。

また、Ｔｉ−Ｎ系の耐摩耗性皮膜３は、窒化チタンを主成分とした皮膜であり、例えばアークイオンプレーティング法により、チタンターゲットと、導入ガスである窒素、又は窒素及びアルゴンとを用いて成膜できる。

また、ＤＬＣ系の耐摩耗性皮膜３は、アモルファス状の炭素膜のことをいい、相手材に対する摩擦係数が低く、相手材に対する初期なじみ性が良好な皮膜である。具体的には、炭素の他に、ケイ素、酸素、水素、窒素、アルゴンのうち少なくとも１種以上からなるＤＬＣ系皮膜を好ましく適用できる。

ＤＬＣ系皮膜のうち、炭素を主成分としたＤＬＣ系皮膜は、例えばアークイオンプレーティング法により、炭素ターゲットと、導入ガスとしてのアルゴンとを用いて成膜できる。また、必要に応じてメタン等の炭素源を導入ガスとして用いてもよい。ここで、ＤＬＣ系皮膜の主成分である炭素以外の成分としては、水素と不可避不純物等を挙げることができる。また、アルゴンガスを積極的に導入することにより、アルゴンを含有するＤＬＣ系皮膜を成膜することができる。同様に、酸素ガスや窒素ガスを導入することにより、酸素や窒素を含有するＤＬＣ系皮膜を成膜することができる。

また、ケイ素を含有したＤＬＣ系皮膜は、炭素とケイ素を主成分としたＤＬＣ皮膜であり、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により、例えばメタン等の炭化水素ガスとケイ素化合物ガス（例えば、テトラメチルシラン等）を用いて成膜できる。ここで、主成分である炭素とケイ素以外の成分としては、水素と不可避不純物等を挙げることができる。

上記した各材料からなる耐摩耗性皮膜３は、２００ＧＰａ以上のヤング率であることが好ましい。耐摩耗性皮膜３のヤング率の上限は特に限定されないが、例えば４５０ＧＰａ以下である。こうした範囲内の耐摩耗性皮膜３は、優れた耐摩耗性を実現できる。耐摩耗性皮膜３のうち、例えばＣｒ−Ｎ系、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系、Ｃｒ−Ｂ−Ｖ−Ｎ系及びＴｉ−Ｎ系から選ばれる窒化物系皮膜は、ヤング率で２２０ＧＰａ以上３００ＧＰａ以下の範囲で容易に制御可能であり、炭素からなるＤＬＣ系皮膜、又は、炭素と、ケイ素、水素、酸素、窒素、アルゴンのうちの少なくとも１種以上とからなるＤＬＣ系皮膜は、ヤング率で２００ＧＰａ以上３００ＧＰａ以下の範囲で容易に制御可能である。

なお、ヤング率は、ナノインデンテーション法により測定でき、測定荷重１から１００ｍＮの範囲で負荷−除荷曲線を測定して算出できる。

また、上記した各材料からなる耐摩耗性皮膜３は、８００ＨＶ（０．０５）以上のビッカース硬度であることが特に好ましい。耐摩耗性皮膜３のビッカース硬度の上限も特に限定されないが、例えば４０００ＨＶ（０．０５）以下である。こうした範囲内の耐摩耗性皮膜３は、優れた耐摩耗性を実現できる。耐摩耗性皮膜３のうち、例えばＣｒ−Ｎ系、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系、Ｃｒ−Ｂ−Ｖ−Ｎ系及びＴｉ−Ｎ系から選ばれる窒化物系皮膜は、ビッカース硬さで１０００ＨＶ（０．０５）以上２０００ＨＶ（０．０５）以下の範囲で容易に制御可能であり、炭素からなるＤＬＣ系皮膜、又は、炭素と、ケイ素、水素、酸素、窒素、アルゴンのうちの少なくとも１種以上とからなるＤＬＣ系皮膜は、ビッカース硬さで１０００ＨＶ（０．０５）以上４０００ＨＶ（０．０５）以下の範囲で容易に制御可能である。

なお、ビッカース硬度は、微小ビッカース硬さ試験機（株式会社アカシ製）等を用いて測定することができる。「ＨＶ（０．０５）」は、５０ｇｆ荷重時のビッカース硬度を示すことを意味している。

耐摩耗性皮膜３の厚さＴ１は特に限定されないが、摺動部材１としての通常の厚さである０．５μｍ以上４０μｍ以下であることが好ましい。この範囲内の厚さで耐摩耗性皮膜３を成膜することにより、摺動部材１に良好な耐摩耗性を付与することができる。

（下地層）
下地層２は、図１に示すように、母材１と耐摩耗性皮膜３との間に形成されている。この下地層２を設けることにより、耐摩耗性皮膜３のクラックの発生を抑制することができる。下地層２は、下記式２を満たすことを条件にして、各種の層の中から選ばれる。

式２は、下地層２のヤング率を特定している。下地層のヤング率（ＧＰａ）は、要するに、耐摩耗性皮膜３のヤング率（ＧＰａ）と母材１のヤング率（ＧＰａ）とを平均した値の０．９２％以上１０８％以下の範囲内の値である。この範囲内のヤング率を持つ下地層２を耐摩耗性皮膜３の下に設けることにより、耐摩耗性皮膜３のクラックの発生を抑制できる。その理由は明確ではないが、耐摩耗性皮膜３のみに加わる応力集中が、下地層２にも分担されるためではないかと考えられる。なお、ヤング率の測定箇所は、各層の厚さ方向の中央位置で測定した値を用いる。

図２の例では、母材１のヤング率が２００ＧＰａで、耐摩耗性皮膜３のヤング率が３００ＧＰａである場合、下地層２のヤング率を、その平均の２５０ＧＰａの９２％値である２３０ＧＰａ以上、１０８％値である２７０ＧＰａ以下の範囲を示している。

こうしたヤング率を示す下地層２は、式２の関係を満たすように、各種の材料で形成できる。例えば、耐摩耗性皮膜３の同様の、硬質クロムめっき皮膜、窒化クロム系合金皮膜、窒化チタン系合金皮膜、ＤＬＣ系皮膜等を用いてもよい。

下地層２の厚さＴ２は、その上に設けられる耐摩耗性皮膜３の厚さＴ１との間で下記式１の関係を持たしている。すなわち、下地層２の厚さＴ２は、耐摩耗性皮膜３と下地層２との合計厚さ（Ｔ１＋Ｔ２）の２０％以上８０％以下である。

上記したように、耐摩耗性皮膜３の厚さＴ１が例えば１μｍである場合は、下地層２の厚さＴ２は０．２μｍ以上４μｍ以下であり、耐摩耗性皮膜３の厚さＴ１が例えば２０μｍである場合は、下地層２の厚さＴ２は５μｍ以上８０μｍ以下である。この範囲内の厚さで下地層２を成膜することにより、耐摩耗性皮膜３のクラックの発生を抑制できる。

下地層２は、その成膜材料に応じて種々の形成手段で形成することができ、例えばスパッタリング法やイオンプレーティング法で形成できる。特にその下地層２上に形成する耐摩耗性皮膜３と同じ成膜手法で形成することがコストの観点からは好ましい。

（その他の層）
中間層４は、図３に示すように、本発明の趣旨を阻害しないことを条件に、摺動部材１の摺動面に任意に設けることができる。例えば、図３（Ａ）に示すように、母材１と下地層２との間に設けてもよいし、図３（Ｂ）に示すように、下地層２と耐摩耗性皮膜３との間に設けてもよい。

中間層４が設けられた場合には、下地層２と中間層４とで下地層２’を構成する。したがって、下地層２と中間層４とのヤング率の平均値が上記式２の関係を満たし、その合計厚さが上記式１の関係を満たすことが望ましい。

こうした中間層４としては、例えば、耐摩耗性皮膜３と同じ組成系の傾斜膜、下地層２と同じ組成系の傾斜膜等を挙げることができる。

中間層４が傾斜膜である場合は、上記の耐摩耗性皮膜３や下地層２と同様の形成手段で形成することが好ましく、例えばスパッタリング法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法等で形成できる。この傾斜膜は、耐摩耗性皮膜３や下地層２の中間組成からなるものであり、厚さ方向で一定の組成であってもよいし、厚さ方向で各傾斜膜の組成を変化させてもよいし、一つの傾斜膜における組成を耐摩耗性皮膜３や下地層２に接触する側からその反対側に向かって徐々に変化させてもよい。

中間層４の厚さは特に限定されないが、例えば０．０１μｍ以上２０μｍの範囲内であることが好ましい。

以上説明したように、本発明に係る摺動部材１０が有する耐摩耗性皮膜３と下地層２とが上記式１，２の関係を満たすことにより、その下地層２上に設けられた耐摩耗性皮膜３は、クラック（亀裂）が生じ難くなり、クラックを起点として耐摩耗性皮膜３が剥がれて耐摩耗性が低下するという現象を抑制することができ、優れた耐摩耗性を実現できた。また、耐摩耗性皮膜３のクラックを低減できるので、より硬い皮膜（硬度、ヤング率）を耐摩耗性皮膜３として設けることができた。

こうした摺動部材１を構成する摺動面構造は、各種の摺動部材に適用できる。例えば、ドリル刃をはじめとする切削工具、研削工具等の加工治具、塑性加工用金型、バルブコックやキャプスタンローラのような無潤滑環境下で使用される摺動部材、等の応用することができる。また、例えば、図４に示すようなピストンリング１５の外周摺動面、シリンダライナの内周摺動面、ロッカーアームの摺動面、カムシャフトの摺動面、コンプレッサー用ベーンの摺動面等のように、負荷の大きい過酷な摺動環境に用いられる摺動部材に好ましく適用できる。

以下に、本発明に係る摺動部材について、実施例と比較例と従来例を挙げてさらに詳しく説明する。

［実施例１］
Ｃ：０．８５質量％、Ｓｉ：０．４質量％、Ｍｎ：０．３質量％、Ｃｒ：１７．５質量％、Ｍｏ：１．１質量％、Ｖ：０．１質量％、Ｐ：０．０２質量％、Ｓ：０．０２質量％、残部：鉄及び不可避不純物からなるＳＵＳ４４０Ｂ相当（１７Ｃｒステンレス鋼）製で、予めガス窒化処理してなる母材１を使用した。この母材１上に、下地層２として、厚さ５μｍのＣｒ−Ｂ−Ｎ系合金のポーラスな柱状晶を形成した。このＣｒ−Ｂ−Ｎ系合金皮膜は、アークイオンプレーティング装置を用い、クロム−ボロン合金ターゲットを使用し、窒素ガスをパージしたチャンバー内で、バイアス電圧を変化させる等して形成した。この下地層２の組成をＥＰＭＡで定量分析したところ、Ｂが１．１質量％、Ｎが３４．３質量％、残部がＣｒであった。

次に、その下地層２上に、耐摩耗性皮膜３として、厚さ５μｍのＣｒ−Ｂ−Ｎ系合金の緻密な柱状晶を形成した。このＣｒ−Ｂ−Ｎ系合金皮膜も、アークイオンプレーティング装置を用い、クロム−ボロン合金ターゲットを使用し、窒素ガスをパージしたチャンバー内で、母材１へのバイアス電圧を変化させる等して形成した。この耐摩耗性皮膜３の組成をエネルギー分散型ＥＰＭＡで定量分析したところ、Ｂが１．２質量％、Ｎが３４．５質量％、残部がＣｒであった。

なお、この緻密な柱状晶と、前記したポーラスな柱状晶とは、バイアス電圧と窒素ガス圧力とを変化させて制御した。具体的には、チャンバー内の窒素ガス圧力を５０ｍＴｏｒｒに維持して、ポーラス皮膜を形成する場合にはバイアス電圧を−７Ｖとし、緻密皮膜を形成する場合には窒素ガス圧力を２５ｍＴｏｒｒ、バイアス電圧を−７Ｖにしてそれぞれ形成した。また、ポーラス皮膜は、チャンバー内の窒素ガス圧力を２５ｍＴｏｒｒとし且つバイアス電圧を０Ｖとして形成することもできる。また、緻密皮膜を形成する場合は、チャンバー内の窒素ガス圧力を９ｍＴｏｒｒとし且つバイアス電圧を−１０Ｖとして形成することもできる。

こうして得られた摺動部材１を断面研磨し、各部のヤング率とビッカース硬度を測定数ｎ＝５にて測定し、その平均値を求めた。母材１は、ヤング率が２０７ＧＰａ、ビッカース硬度が１１００ＨＶ（０．０５）であり、下地層２は、ヤング率が２３５ＧＰａ、ビッカース硬度が１４５０ＨＶ（０．０５）であり、耐摩耗性皮膜３は、ヤング率が２６８ＧＰａ、ビッカース硬度が１８００ＨＶ（０．０５）であった。

［実施例２］
実施例１と同じ母材１の外周摺動面１１に、下地層２として、厚さ５μｍのＣｒ−Ｎ系皮膜を形成した。このＣｒ−Ｎ系皮膜は、アークイオンプレーティング装置で形成した。この下地層２の組成をＥＰＭＡで定量分析したところ、Ｎが３３．０質量％、残部がＣｒであった。

次に、その下地層２上に、耐摩耗性皮膜３として、厚さ５μｍのＣｒ−Ｎ系合金皮膜を形成した。このＣｒ−Ｎ系合金皮膜は、アークイオンプレーティング装置で形成した。この耐摩耗性皮膜３の組成をＥＰＭＡで定量分析したところ、Ｎが３２．３質量％、残部がＣｒであった。

こうして得られた摺動部材１を断面研磨し、各部のヤング率とビッカース硬度を測定数ｎ＝５にて測定し、その平均値を求めた。母材１は、ヤング率が２０７ＧＰａ、ビッカース硬度が１１００ＨＶ（０．０５）であり、下地層２は、ヤング率が２３３ＧＰａ、ビッカース硬度が１１００ＨＶ（０．０５）であり、耐摩耗性皮膜３は、ヤング率が２４１ＧＰａ、ビッカース硬度が１６００ＨＶ（０．０５）であった。

［実施例３］
実施例１において、下地層２の厚さを５μｍに変更し、耐摩耗性皮膜３の厚さを１０μｍに変更した他は、実施例１と同様にして実施例３の摺動部材１を作製した。

［実施例４］
実施例２において、下地層２の厚さを５μｍに変更し、耐摩耗性皮膜３の厚さを１０μｍに変更した他は、実施例２と同様にして実施例４の摺動部材１を作製した。

［比較例１］
実施例１において、下地層２を設けないで、母材１上に厚さ１０μｍの耐摩耗性皮膜３を形成した他は、実施例１と同様にして、比較例１の摺動部材を作製した。こうして得られた摺動部材を断面研磨し、各部のヤング率とビッカース硬度を測定数ｎ＝５にて測定し、その平均値を求めた。母材１は、ヤング率が２０７ＧＰａ、ビッカース硬度が１１００ＨＶ（０．０５）であり、耐摩耗性皮膜３は、ヤング率が２６８ＧＰａ、ビッカース硬度が１８００ＨＶ（０．０５）であった。

［比較例２］
実施例２において、下地層２を設けないで、母材１上に厚さ１０μｍの耐摩耗性皮膜３を形成した他は、実施例２と同様にして、比較例２の摺動部材を作製した。こうして得られた摺動部材を断面研磨し、各部のヤング率とビッカース硬度を測定数ｎ＝５にて測定し、その平均値を求めた。母材１は、ヤング率が２０７ＧＰａ、ビッカース硬度が１１００ＨＶ（０．０５）であり、耐摩耗性皮膜３は、ヤング率が２４１ＧＰａ、ビッカース硬度が１６００ＨＶ（０．０５）であった。

［比較例３］
実施例１において、下地層２の厚さを１３μｍに変更し、耐摩耗性皮膜３の厚さを２μｍに変更した他は、実施例１と同様にして比較例３の摺動部材を作製した。

［比較例４］
実施例２において、下地層２の厚さを１３μｍに変更し、耐摩耗性皮膜３の厚さを２μｍに変更した他は、実施例２と同様にして比較例４の摺動部材を作製した。

［比較例５］
実施例１において、下地層２の厚さを１μｍに変更し、耐摩耗性皮膜３の厚さを１５μｍに変更した他は、実施例１と同様にして比較例５の摺動部材を作製した。

［比較例６］
実施例２において、下地層２の厚さを１μｍに変更し、耐摩耗性皮膜３の厚さを１５μｍに変更した他は、実施例２と同様にして比較例６の摺動部材を作製した。

［スクラッチ試験］
スクラッチ試験では、皮膜剥離が発生する限界荷重を求めて、剥離耐性を表すスクラッチ指数（耐剥離指数）を評価した。スクラッチ試験は、皮膜が形成された摺動面に対して平行（水平）に加わる力に対する試験方法であり、図６に示すスクラッチ試験装置２０を使用して実施した。図６に示すスクラッチ試験装置２０は、テーブル２２上に載せた試料２３（２０ｍｍ×１０ｍｍ×厚さ５ｍｍ）上から圧子２１を押し当て、その状態で試料２３を移動させ、そのときにＡＥ（アコースティックエミッション）検出器２４で検知するための装置である。ここでは、荷重負荷速度（１００Ｎ／分）、テーブル速度（１０ｍｍ／分）、ＡＥ感度（１．２）、圧子先端（Ｒ０．２ｍｍ）、の条件で測定した。評価は、スクラッチ試験によるＡＥ発生を検知した時の荷重を剥離荷重（スクラッチ荷重）とした。

スクラッチ指数（耐剥離指数）は、実施例１，３及び比較例３，５のスクラッチ荷重を比較例１のスクラッチ荷重に対する相対比として表し、実施例２，４及び比較例４，６のスクラッチ荷重を比較例２のスクラッチ荷重に対する相対比として表した。結果を表１及び表２に示した。スクラッチ指数が１より大きいほどスクラッチ荷重が大きく、耐剥離性が高い。表１に示すように、比較例１，３，５の耐剥離性よりも実施例１，３の耐剥離性が優れており、表２に示すように、比較例２，４，６の耐剥離性よりも実施例２，４の耐剥離性が優れていた。

［摩耗試験］
摩耗試験は、図７に示すアムスラー型摩耗試験機３０を使用し、上記実施例１〜４及び比較例１〜６で得られた摺動部材１と同じ条件で得た供試材３１（７ｍｍ×８ｍｍ×５ｍｍ）を固定片とし、相手材３２（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、供試材３１と相手材３２を接触させ、荷重Ｐを負荷して行った。各供試材３１を用いた摩耗試験条件は、潤滑油２３：クリセフＨ８（１号スピンドル油相当品）、油温：８０℃、周速：１ｍ／秒（４７８ｒｐｍ）、荷重：１４７１．５Ｎ、試験時間：７時間の条件下で、ボロン鋳鉄を相手材３２として行った。このボロン鋳鉄からなる相手材３２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。ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９９４）に準拠。）となるように調整した。評価は、試験前後の摩耗量で行った。

摩耗指数は、実施例１，３及び比較例３，５に相当する各供試材の摩耗量を、比較例１に対応する供試材の摩耗量に対する相対比として表し、実施例２，４及び比較例４，６に相当する各供試材の摩耗量を、比較例２に対応する供試材の摩耗量に対する相対比として表した。結果を表１及び表２に示した。各供試材の摩耗指数が１より小さいほど摩耗量が小さく、耐摩耗性に優れる。表１に示すように、比較例１，３，５の耐摩耗性よりも実施例１，３の耐摩耗性が優れており、表２に示すように、比較例２，４，６の耐摩耗性よりも実施例２，４の耐摩耗性が優れていた。

［スカッフ試験］
スカッフ試験も、上記の摩耗試験で使用したアムスラー型摩耗試験機３０と、上記同様の供試材３１を用い、その供試材に潤滑油を付着させ、スカッフ発生まで荷重（スカッフ発生荷重）を負荷させて行った。供試材としては、上記の摩耗試験で用いた供試材を用いてスカッフ試験を行い、耐スカッフ性の評価を行った。試験条件は、潤滑油：クリセフＨ８（１号スピンドル油相当品）、周速：１ｍ／秒（４７８ｒｐｍ）の条件下で、ボロン鋳鉄を相手材として行った。このボロン鋳鉄も上述の方法により最終的に２μｍＲｚとなるように調整した。

スカッフ指数は、実施例１，３及び比較例３，５に相当する各供試材のスカッフ発生荷重を、比較例１に対応する供試材のスカッフ発生荷重に対する相対比として表し、実施例２，４及び比較例４，６に相当する各供試材のスカッフ発生荷重を、比較例２に対応する供試材のスカッフ発生荷重に対する相対比として表した。結果を表１及び表２に示した。各供試材のスカッフ指数が１より大きいほどスカッフ発生荷重が大きく、耐スカッフ性が優れる。表１に示すように、比較例１，３，５の耐スカッフ性よりも実施例１，３の耐スカッフ性が優れており、表２に示すように、比較例２，４，６の耐スカッフ性よりも実施例２，４の耐スカッフ性が優れていた。

［ヤング率と硬度］
ヤング率は、ナノインデンテーション法により測定した。測定荷重１ｍＮ〜１００ｍＮの範囲で負荷−除荷曲線を測定してヤング率を算出した。硬さ測定は、微小ビッカース硬さ試験機（株式会社アカシ製）を用いて測定した。厚さは、断面観察から算出した。なお、図５（Ａ）は実施例１の摺動面の断面写真であり、図５（Ｂ）は比較例１の摺動面の断面写真であり、図５（Ｃ）は実施例１の摺動面のクラック非発生形態であり、図５（Ｄ）は比較例１の摺動面のクラック発生形態である。

以上の結果より、本発明に係る実施例１〜４の測定試料は、比較例１〜６に比べて優れた耐剥離性、耐摩耗性及び耐スカッフ性を持つことができる、という結果が得られた。

１ 母材
２ 下地層
３ 耐摩耗性皮膜
４ 中間層
１０，１０Ａ，１０Ｂ 摺動部材
１１ 外周摺動面
１２ 上面
１３ 下面
１４ 内周面
１５，１５Ａ，１５Ｂ ピストンリング
２０ スクラッチ試験器
２１ 圧子
２２ テーブル
２３ 試験片
２４ ＡＥ検出器
３０ 回転式平面滑り摩擦試験機
３１ 試験片
３２ 相手材
３３ 潤滑油
Ｐ 荷重

Claims (2)

1. 母材と、該母材上に設けられた下地層と、該下地層上に設けられた耐摩耗性皮膜とを有するピストンリングであって、
   前記母材がステンレススチール鋼又は鋼材であり、
   前記下地層及び前記耐摩耗性皮膜がＣｒ−Ｂ−Ｎ系合金皮膜であり、
   前記耐摩耗性皮膜が、２２０ＧＰａ以上３００ＧＰａ以下のヤング率と、１０００ＨＶ（０．０５）以上２０００ＨＶ（０．０５）以下のビッカース硬度とを有し、
   前記耐摩耗性皮膜の厚さＴ１と前記下地層の厚さＴ２とが下記式１の関係を満たし、且つ前記下地層のヤング率が下記式２の関係を満たすことを特徴とするピストンリング。
   
   
2. 前記耐摩耗性皮膜の厚さＴ１が、０．５μｍ以上４０μｍ以下である、請求項１に記載のピストンリング。