JP7280578B2

JP7280578B2 - 耐摩耗被膜を備える摺動部材及び耐摩耗被膜の形成方法

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Publication number: JP7280578B2
Application number: JP2019129105A
Authority: JP
Inventors: 翔子小宮山; 祐司須藤; 優太鈴木
Original assignee: Tohoku University NUC; IHI Corp
Current assignee: Tohoku University NUC; IHI Corp
Priority date: 2019-07-11
Filing date: 2019-07-11
Publication date: 2023-05-24
Anticipated expiration: 2039-07-11
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Description

本開示は、耐摩耗被膜を備える摺動部材及び耐摩耗被膜の形成方法に関する。

過給機等の機械部品の摺動部材には、高温環境下での耐摩耗性の向上のために、耐酸化性に優れた硬質膜の適用が検討されている。このような硬質膜は、通常、Ｃｒ系化合物等からなるセラミックスで形成されている（特許文献１参照）。

特開２００４－２０４３１１号公報

ところで、過給機等の機械部品において、高温環境下に曝される摺動部材には、耐食性等の向上のために、ステンレス鋼が用いられている。ステンレス鋼で形成される摺動部材の摺動面に、Ｃｒ系化合物等のセラミックスで形成される硬質膜を被覆した場合には、高温環境下（例えば、約７００℃から９００℃）に曝されると、ステンレス鋼の塑性変形に硬質膜が追従できなくなり、硬質膜が剥離する可能性がある。これにより、高温環境下での摺動部材の耐摩耗性が低下する場合がある。

そこで本開示の目的は、高温環境下において、ステンレス鋼で形成される摺動部材の耐摩耗性を向上させることが可能な耐摩耗被膜を備える摺動部材及び耐摩耗被膜の形成方法を提供することである。

本開示に係る耐摩耗被膜を備える摺動部材は、ステンレス鋼で形成される摺動部材と、前記摺動部材の摺動面に設けられる耐摩耗被膜と、を備え、前記耐摩耗被膜は、前記摺動部材の摺動面に設けられ、Ｃｒ含有窒素化合物で形成される硬質層を備え、前記摺動部材と、前記硬質層との間に設けられ、Ｃｒ炭化物で形成される界面反応層を有し、前記Ｃｒ含有窒素化合物は、ＡｌＣｒＮまたはＣｒＮであることを特徴とする耐摩耗被膜を備えていることを特徴とする。

本開示に係る耐摩耗被膜を備える摺動部材において、前記界面反応層は、前記摺動部材の摺動面から摺動部材側に向けて凸状に入り込んで形成されていることを特徴とする。

本開示に係る耐摩耗被膜を備える摺動部材において、前記耐摩耗被膜は、前記硬質層の表面に、Ｃｒ炭化物層を有していることを特徴とする。Ｃｒ炭化物層は、Ｆｅ及びＮｉの少なくとも一方を含むＣｒ_２３Ｃ_６と、Ｆｅ及びＮｉの少なくとも一方を含むＣｒ_３Ｃとの少なくとも一方で形成されているとよい。

本開示に係る耐摩耗被膜を備える摺動部材において、前記耐摩耗被膜は、前記Ｃｒ炭化物層の表面に、Ｃｒ酸化物を含む酸化物層を有していることを特徴とする。

本開示に係る耐摩耗被膜を備える摺動部材において、前記界面反応層の厚みは、１μｍ以下であることを特徴とする。

本開示に係る耐摩耗被膜の形成方法は、ステンレス鋼で形成される摺動部材の摺動面に、Ｃｒ含有窒素化合物を被覆する被覆工程と、前記摺動面にＣｒ含有窒素化合物を被覆した摺動部材を、９００℃以上で熱処理する熱処理工程と、を備えることを特徴とする。

本開示に係る耐摩耗被膜の形成方法は、前記被覆工程において、前記Ｃｒ含有窒素化合物は、ＡｌＣｒＮまたはＣｒＮであることを特徴とする。

本開示に係る耐摩耗被膜の形成方法において、前記熱処理工程は、酸化性雰囲気で熱処理することを特徴とする。

上記構成によれば、高温環境下においても、耐摩耗被膜と、ステンレス鋼で形成される摺動部材との密着性が向上するので、耐摩耗被膜を備える摺動部材の耐摩耗性が向上する。

本開示の実施の形態において、耐摩耗被膜を備える摺動部材の構成を示す断面図である。本開示の実施の形態において、耐摩耗被膜の形成方法を示すフローチャートである。本開示の実施の形態において、高温摩耗試験方法を説明するための模式図である。本開示の実施の形態において、実施例１及び比較例１の供試体の高温摩耗試験結果を示すグラフである。本開示の実施の形態において、実施例２及び比較例２の供試体の高温摩耗試験結果を示すグラフである。本開示の実施の形態において、各供試体の最大摩耗深さを示すグラフである。本開示の実施の形態において、各供試体のグロー放電発光分析結果を示す図である。本開示の実施の形態において、実施例１の供試体のＳＥＭ観察結果を示す写真である。本開示の実施の形態において、実施例１の供試体における硬質膜と基材との界面近傍の透過電子顕微鏡―エネルギー分散型Ｘ線分光法分析結果を示す図である。

以下に本開示の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、耐摩耗被膜を備える摺動部材１０の構成を示す断面図である。耐摩耗被膜を備える摺動部材１０は、摺動部材１２と、摺動部材１２の摺動面１２ａに設けられる耐摩耗被膜１４と、を備えている。

摺動部材１２は、例えば、ガスタービン部品等に用いられる摺動部材１２である。ガスタービン部品は、航空機用のジェットエンジン部品、車両用の過給機（ターボチャージャ、スーパーチャージャ）、産業用のガスタービン部品等である。このような摺動部材１２の摺動面１２ａには、高温環境下（例えば、約７００℃から約９００℃）で、面圧が負荷されて微小な繰り返し摺動を繰り返すフレッティング摩耗等が発生する。過給機に用いられる摺動部材１２には、例えば、可変容量型ターボチャージャにおいて、ノズルと相対し、ノズルベーン端面と摺動する摺動部材がある。より詳細には、可変容量型ターボチャージャは、タービンハウジング内に、タービンインペラ側へ供給される排気ガスの流量を可変する可変ノズルユニットを備えている。可変ノズルユニットは、一対のリング状部材と、一対のリング状部材の間に回動可能に設けられている複数のノズルベーンを有するノズルと、を備えている。可変容量型ターボチャージャは、高温環境下でリンク機構によるノズルベーンの開閉を繰り返し行うため、ノズルと相対する各リング状部材の面は、ノズルベーンの端面と摺動する。このように、各リング状部材は、ノズルベーンの端面と摺動する摺動部材であり、高温環境下において良好な摩擦摩耗特性が求められている。

摺動部材１２は、耐食性等を向上させるために、ステンレス鋼で形成されている。ステンレス鋼は、合金成分として、Ｆｅ（鉄）と、Ｃｒ（クロム）と、Ｃ（炭素）と、を含んでいればよく、更に、Ｎｉ（ニッケル）を含んでいることが好ましい。Ｃの含有率は、特に限定されないが、例えば、０．５質量％以下、０．１５質量％以下、０．０８質量％以下とすることが可能である。ステンレス鋼には、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、二相ステンレス鋼、析出硬化系ステンレス鋼等を用いることが可能である。ステンレス鋼には、例えば、安価で汎用性が高いことから、ＳＵＳ３１０Ｓ等を用いるとよい。

耐摩耗被膜１４は、摺動部材１２の摺動面１２ａに設けられている硬質層１６と、摺動部材１２と、硬質層１６との間に設けられる界面反応層１８と、を備えている。

硬質層１６は、摺動部材１２の摺動面１２ａに設けられている。硬質層１６は、Ｃｒ含有窒素化合物で形成されている。Ｃｒ含有窒素化合物は硬度が高いことから、硬くて耐摩耗性に優れた硬質層１６を形成することができる。また、Ｃｒ含有窒素化合物はＣｒを含有していることから、高温環境下で耐酸化性に優れたＣｒ_２Ｏ_３等のＣｒ酸化物被膜を形成することができる。Ｃｒ含有窒素化合物は、ＡｌＣｒＮ（アルミクロムナイトライド）またはＣｒＮ（クロムナイトライド）とするとよい。硬質層１６の厚みは、例えば、１μｍから１０μｍとすることが可能である。

硬質層１６は、硬質層１６と、摺動部材１２との界面から硬質層１６の表面側に向けて凹凸状に形成された拡散部１７を有していてもよい。拡散部１７は、硬質層１６のＣｒ含有窒素化合物に含まれるＣｒ等が摺動部材１２側に拡散して形成される。例えば、硬質層１６がＡｌＣｒＮで形成されている場合には、拡散部１７は、ＡｌＣｒＮに含まれるＣｒやＡｌが摺動部材１２側に拡散して形成される。また、例えば、硬質層１６がＣｒＮで形成されている場合には、ＣｒＮのＣｒが摺動部材１２側に拡散して形成される。硬質層１６に拡散部１７を設けることにより、高温環境下において、摺動部材１２と、硬質層１６との塑性変形量の差をより緩衝することができる。

界面反応層１８は、摺動部材１２と、硬質層１６との間に設けられており、Ｃｒ炭化物で形成されている。界面反応層１８は、摺動部材１２と、硬質層１６との界面に設けられているとよい。界面反応層１８は、摺動部材１２のステンレス鋼に含まれるＣと、硬質層１６のＣｒ含有窒素化合物に含まれるＣｒとが相互拡散して界面反応することにより生成したＣｒ炭化物で形成されている。これにより、摺動部材１２と、硬質層１６との間の密着性を向上させることができる。Ｃｒ炭化物は、Ｃｒ_２３Ｃ_６、Ｃｒ_３Ｃ、Ｃｒ_３Ｃ_２、Ｃｒ_７Ｃ_３等であるとよい。界面反応層１８は、これらのＣｒ炭化物単体で形成されていてもよいし、これらのＣｒ炭化物を複数組み合わせて形成されていてもよい。また、Ｃｒ炭化物の硬さは、Ｃｒ含有窒素化合物の硬さと、ステンレス鋼の硬さとの中間の硬さであるので、高温環境下における摺動部材１２と硬質層１６との間の塑性変形の差を緩衝することができる。

界面反応層１８の厚さは、例えば、１μｍ以下とするとよい。界面反応層１８は、連続層で形成されていてもよいし、不連続層で形成されていてもよい。また、界面反応層１８は、粒状に形成され、局所的に点在していてもよい。界面反応層１８が不連続層や粒状に点在して形成されている場合には、界面反応層１８にマイクロクラック等が発生した場合でもクラックの伝播が抑制されるので、摺動部材１２と硬質層１６との密着性が向上する。

界面反応層１８は、摺動部材１２の摺動面１２ａから摺動部材１２側に向けて凸状に入り込んで形成されているとよい。界面反応層１８が摺動部材１２の摺動面１２ａから摺動部材１２側へ食い込むように形成されていることで、楔止め効果等により摺動部材１２と硬質層１６との密着性を向上させることができる。

耐摩耗被膜１４は、硬質層１６の表面に、Ｃｒ炭化物層２０を設けるようにしてもよい。Ｃｒ炭化物層２０は、Ｃｒ_２３Ｃ_６、Ｃｒ_３Ｃ等であるとよく、摺動部材１２を形成するステンレス鋼の構成元素であるＦｅ及びＮｉの少なくとも一方を含んでも良い。Ｃｒ炭化物層２０は、Ｆｅ及びＮｉの少なくとも一方を含むＣｒ_２３Ｃ_６と、Ｆｅ及びＮｉの少なくとも一方を含むＣｒ_３Ｃとの少なくとも一方で形成されているとよい。より詳細には、Ｃｒ炭化物層２０は、Ｆｅ及びＮｉの少なくとも一方を含むＣｒ_２３Ｃ_６単体で形成されていてもよく、Ｆｅ及びＮｉの少なくとも一方を含むＣｒ_３Ｃ単体で形成されていてもよい。また、Ｃｒ炭化物層２０は、Ｆｅ及びＮｉの少なくとも一方を含むＣｒ_２３Ｃ_６と、Ｆｅ及びＮｉの少なくとも一方を含むＣｒ_３Ｃとの両方で形成されていてもよい。Ｃｒ炭化物層２０の厚みは、例えば、１μｍから２μｍとするとよい。

耐摩耗被膜１４は、Ｃｒ炭化物層２０の表面に、Ｃｒ酸化物を含む酸化物層２２を設けるようにしてもよい。Ｃｒ_２Ｏ_３等のＣｒ酸化物は、高温潤滑性や耐酸化性に優れているので、高温環境下での耐摩耗性を向上させることができる。酸化物層２２は、更に、Ａｌ_２Ｏ_３等のＡｌ酸化物を含んでいてもよい。酸化物層２２がＣｒ酸化物とＡｌ酸化物とを含んでいる場合には、酸化物層２２は、酸化物層２２の表面側から裏面側に向けてＡｌ酸化物の比率が徐々に大きくなるように形成されているとよい。

なお、上記構成では、耐摩耗被膜１４は、硬質層１６の上にＣｒ炭化物層２０と、酸化物層２２とを有しているが、勿論、耐摩耗被膜１４は、Ｃｒ炭化物層２０や酸化物層２２を設けないで構成されていてもよい。例えば、耐摩耗被膜１４は、酸化物層２２を設けずに、硬質層１６と、界面反応層１８と、Ｃｒ炭化物層２０とから構成されていてもよい。また、耐摩耗被膜１４は、Ｃｒ炭化物層２０と酸化物層２２とを設けずに、硬質層１６と、界面反応層１８とから構成されていてもよい。

次に、耐摩耗被膜１４の形成方法について説明する。図２は、耐摩耗被膜１４の形成方法を示すフローチャートである。耐摩耗被膜１４の形成方法は、被覆工程（Ｓ１０）と、熱処理工程（Ｓ１２）と、を備えている。

被覆工程（Ｓ１０）は、ステンレス鋼で形成される摺動部材１２の摺動面１２ａに、Ｃｒ含有窒素化合物を被覆する工程である。摺動部材１２の摺動面１２ａにＣｒ含有窒素化合物を被覆することにより、硬質層１６を形成する。ＡｌＣｒＮやＣｒＮ等のＣｒ含有窒素化合物は、摺動部材１２の摺動面１２ａに、物理蒸着法（ＰＶＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）等の一般的な被膜形成方法で被覆可能である。物理蒸着法（ＰＶＤ）の場合には、スパッタリング法、イオンプレーティング法、真空蒸着法等を適用可能である。Ｃｒ含有窒素化合物を被覆する前に、摺動部材１２の摺動面１２ａを有機溶剤等で脱脂等して洗浄するとよい。

次に、例として、アークイオンプレーティング法により摺動部材１２の摺動面１２ａに、ＡｌＣｒＮやＣｒＮ等のＣｒ含有窒素化合物を被覆する場合について説明する。アークイオンプレーティング法によれば、緻密で密着性の良い被膜を形成することができる。アークイオンプレーティング装置は、ワークを収容する真空チャンバと、ターゲット材（蒸発原料）を蒸発させるための蒸発源と、アーク電源と、ワークに負のバイアス電圧を印加するためのバイアス電源と、アルゴンガス等の不活性ガスや、窒素等のガスを真空チャンバ内に供給するためのガス供給装置と、を備えている。

まず、真空チャンバ内に摺動部材１２を収容した後に真空引きし、真空チャンバ内を真空雰囲気にする。摺動部材１２については、Ｃｒ含有窒素化合物を被覆する摺動面１２ａ以外の部位を、予めマスキングしておくとよい。そして、摺動部材１２にバイアス電圧を印加し、真空チャンバ内に窒素ガスを導入すると共に、ターゲット材（蒸発原料）を陰極として、真空中でアーク放電により蒸発させて、摺動部材１２の摺動面１２ａにＣｒ含有窒素化合物を成膜する。ターゲット材（蒸発原料）については、Ｃｒを含有する材料を用いるとよい。Ｃｒ含有窒素化合物としてＡｌＣｒＮを成膜する場合にはＡｌＣｒ合金を用いるとよく、ＣｒＮを成膜する場合には、Ｃｒを用いるとよい。

熱処理工程（Ｓ１２）は、摺動面１２ａにＣｒ含有窒素化合物を被覆した摺動部材１２を９００℃以上で熱処理する工程である。摺動面１２ａにＣｒ含有窒素化合物を被覆した摺動部材１２を９００℃以上で熱処理することにより、摺動部材１２のステンレス鋼に含まれるＣと、硬質層１６のＣｒ含有窒素化合物に含まれるＣｒとが相互拡散することにより界面反応して、摺動部材１２と硬質層１６との界面にＣｒ炭化物からなる界面反応層１８が形成される。また、摺動部材１２のステンレス鋼に含まれるＣ等が、更に、硬質層１６の表面側まで拡散して偏析することにより、硬質層１６の表面にＣｒ炭化物層２０が形成されるようにしてもよい。Ｃｒ炭化物層２０は、Ｆｅ及びＮｉの少なくとも一方を含むＣｒ_２３Ｃ_６と、Ｆｅ及びＮｉの少なくとも一方を含むＣｒ_３Ｃとの少なくとも一方で形成されるとよい。例えば、摺動部材１２のステンレス鋼の合金成分がＦｅ、Ｃｒ，Ｎｉ及びＣを含む場合には、Ｆｅ、Ｃｒ，Ｎｉ及びＣが硬質層１６の表面側まで拡散して、Ｆｅ及びＮｉの少なくとも一方を含むＣｒ_２３Ｃ_６と、Ｆｅ及びＮｉの少なくとも一方を含むＣｒ_３ＣとからなるＣｒ炭化物層２０を形成することができる。

熱処理温度が９００℃以上であるのは、熱処理温度が９００℃より低いと、摺動部材１２のステンレス鋼に含まれるＣと、硬質層１６のＣｒ含有窒素化合物に含まれるＣｒとの相互拡散が小さくなり、Ｃｒ炭化物からなる界面反応層１８が形成され難くなるからである。熱処理温度は、１０００℃以上であることが好ましい。熱処理温度が１０００℃以上では、摺動部材１２のステンレス鋼に含まれるＣと、硬質層１６のＣｒ含有窒素化合物に含まれるＣｒとの相互拡散が大きくなるので、界面反応層１８がより多く形成されて密着性が向上するからである。例えば、熱処理温度は、９００℃以上１１００℃以下とすることが可能であり、１０００℃以上１１００℃以下とするとよい。

熱処理時間は、１時間以上とするとよく、５時間以上とすることが好ましい。熱処理時間が１時間より短い場合には、摺動部材１２のステンレス鋼に含まれるＣと、硬質層１６のＣｒ含有窒素化合物に含まれるＣｒとの相互拡散が小さくなるので、界面反応層１８が形成され難くなるからである。熱処理時間は、例えば、１時間以上１０時間以下とすることが可能である。

熱処理雰囲気は、真空雰囲気、アルゴンガス雰囲気等の不活性雰囲気、または大気雰囲気等の酸化性雰囲気とすることが可能である。熱処理雰囲気を酸化性雰囲気とすることにより、Ｃｒ炭化物層２０の表面に、酸化物層２２を形成することができる。より詳細には、硬質層１６がＣｒ含有窒素化合物で形成されていることや、Ｃｒ炭化物層２０がＣｒを含む炭化物で形成されていることから、酸化性雰囲気で熱処理することにより、硬質層１６及びＣｒ炭化物層２０の少なくとも一方から、Ｃｒ炭化物層２０の表面側にＣｒが拡散して、高温潤滑性や耐酸化性に優れるＣｒ_２Ｏ_３等のＣｒ酸化物が形成される。また、硬質層１６が、ＡｌＣｒＮ等のＡｌを含むＣｒ含有窒素化合物で形成されている場合には、硬質層１６からＣｒ炭化物層２０の表面側にＡｌが拡散して、Ｃｒ酸化物と共に、Ａｌ_２Ｏ_３等のＡｌ酸化物も形成されるので、高温潤滑性や耐酸化性が更に向上する。これにより、耐摩耗被膜を備える摺動部材１０が実環境に曝される前に、耐摩耗被膜１４の表面側には酸化物層２２が設けられているので、耐摩耗性や耐酸化性を更に向上させることができる。熱処理装置には、一般的な真空炉、雰囲気炉、大気炉等を用いることが可能である。このようにして摺動部材１２の摺動面１２ａに、耐摩耗被膜１４を形成することができる。

次に、耐摩耗被膜１４の作用について説明する。

耐摩耗被膜を備える摺動部材１０が、高温環境下（例えば、約７００℃から約９００℃）で摩擦摩耗等に曝されると、まず、ステンレス鋼で形成されている摺動部材１２の塑性変形量が大きくなる。より詳細には、高温環境下では、ステンレス鋼の降伏応力やヤング率が低下し、ステンレス鋼の塑性変形量が大きくなる。一方、硬質層１６は、Ｃｒ含有窒素化合物からなるセラミックスで形成されているので、高温環境下に曝されても変形量が小さくなる。このことから、高温環境下では、摺動部材１２と、硬質層１６との変形量の差が大きくなる。

摺動部材１２と硬質層１６との間に界面反応層１８が設けられていない場合には、摺動部材１２の塑性変形に硬質層１６が追従できずに、硬質層１６が剥離する可能性がある。耐摩耗被膜１４は、摺動部材１２と硬質層１６との間に、ＣとＣｒとの相互拡散により生成したＣｒ炭化物で形成される界面反応層１８を有しているので、界面反応層１８が変形抵抗等となり密着性を向上させることができる。これにより、耐摩耗被膜１４の剥離が抑制されて、耐摩耗被膜を備える摺動部材１０の高温環境下での耐摩耗性を向上させることが可能となる。また、耐摩耗被膜１４の表面側に酸化物層２２が設けられている場合には、実環境に曝される前に、耐摩耗被膜１４の表面側に酸化物層２２を有しているので、耐摩耗被膜を備える摺動部材１０の耐摩耗性や耐酸化性を更に向上させることができる。

以上、上記構成の耐摩耗被膜を備える摺動部材によれば、ステンレス鋼で形成される摺動部材と、摺動部材の摺動面に設けられる耐摩耗被膜と、を備え、耐摩耗被膜は、摺動部材の摺動面に設けられ、Ｃｒ含有窒素化合物で形成される硬質層を備え、摺動部材と硬質層との間に、Ｃｒ炭化物で形成される界面反応層を有しているので、高温環境下でも、耐摩耗被膜と摺動部材との間の密着性が向上して、耐摩耗被膜の剥離を抑制することが可能となる。これにより、高温環境下において、耐摩耗被膜を備える摺動部材の耐摩耗性を向上させることができる。

上記構成の耐摩耗被膜の形成方法によれば、ステンレス鋼で形成される摺動部材の摺動面に、Ｃｒ含有窒素化合物を被覆する被覆工程と、摺動面にＣｒ含有窒素化合物を被覆した摺動部材を、９００℃以上で熱処理する熱処理工程と、を備えていることから、耐摩耗被膜の密着性を熱処理により容易に向上させることが可能となる。

耐摩耗被膜の耐摩耗性について評価した。まず、実施例１，２及び比較例１，２の供試体の作製方法について説明する。各実施例及び比較例の基材は、いずれもステンレス鋼であるＳＵＳ３１０Ｓで形成した。ＳＵＳ３１０Ｓは、Ｆｅと、Ｃｒと、Ｎｉと、約０．３６原子％のＣと、を含むステンレス鋼である。基材の形状は、矩形状とした（幅３５ｍｍ×長さ１２ｍｍ×板厚６ｍｍ^ｔ）。

次に、各供試体の基材の表面に、Ｃｒ含有窒素化合物で硬質膜を被覆した。実施例１及び比較例１の供試体については、ＡｌＣｒＮで硬質膜を形成した。実施例２及び比較例２の供試体については、ＣｒＮで硬質膜を形成した。硬質膜の形成は、アークイオンプレーティング法により行った。硬質膜の膜厚は、約３μｍとした。

実施例１，２の供試体については、硬質膜を被覆した後に、大気雰囲気中、１０００℃で熱処理して耐摩耗被膜を形成した。比較例１，２の供試体については、硬質膜を被覆した後に、熱処理を行わず、成膜ままの状態（as-deposited）とした。

次に、各供試体について高温摩耗試験を行った。まず、高温摩耗試験方法について説明する。図３は、高温摩耗試験方法を説明するための模式図である。各供試体の被膜側の表面に、円柱体を配置した。円柱体には、硬質膜を被覆していないオーステナイト系ステンレス鋼を用いた。円柱体に荷重５０Ｎを付加した状態で、円柱体を供試体の幅方向（長手方向）に沿って繰返し摺動させた。図３の矢印は、円柱体の摺動方向を示している。円柱体の寸法は、直径１２ｍｍ×高さ２０ｍｍとした。高温摩耗試験の試験温度は、８００℃とした。

次に、高温摩耗試験の結果について説明する。図４は、実施例１及び比較例１の供試体の高温摩耗試験結果を示すグラフである。図５は、実施例２及び比較例２の供試体の高温摩耗試験結果を示すグラフである。図４、５のグラフでは、横軸に試験時間を取り、縦軸に摩擦係数を取り、各供試体の試験時間に対する摩擦係数の変化を示している。なお、実施例１，２の供試体の摩擦係数を灰色で示し、比較例１，２の供試体の摩擦係数を黒色で示している。

図４に示すように、比較例１の供試体では、試験中に硬質膜の剥離が生じて、円柱体と基材表面とが直接摺動したことにより摩擦係数が大きくなった。これに対して、実施例１の供試体では、試験中に耐摩耗被膜の剥離が生じず、摩擦係数も小さく安定していた。また、図５に示すように、比較例２の供試体では、試験中に硬質膜の剥離が生じて、円柱体と基材表面とが直接摺動したことにより摩擦係数が大きくなった。これに対して、実施例２の供試体では、試験中に耐摩耗被膜の剥離が生じず、摩擦係数も小さく安定していた。

図６は、各供試体の最大摩耗深さを示すグラフである。図６のグラフでは、縦軸に最大摩耗深さを取り、各供試体の最大摩耗深さを黒色で示し、円柱体の最大摩耗深さを斜線で示し、各供試体と円柱体とを合わせた最大摩耗深さを白色で示している。実施例１の供試体の最大摩耗深さは、比較例１の供試体より小さくなった。円柱体の最大摩耗深さについても、実施例１の供試体を用いたものは、比較例１の供試体を用いたものより小さくなった。また、実施例２の供試体の最大摩耗深さは、比較例２の供試体より小さくなった。円柱体の最大摩耗深さについても、実施例２の供試体を用いたものは、比較例２の供試体を用いたものより小さくなった。

この高温摩耗試験結果から、実施例１、２の供試体は、高温環境下での耐摩耗性に優れていることがわかった。一方、比較例１，２の供試体は、高温環境下では硬質膜が剥離することにより、耐摩耗性が低下することがわかった。したがって、硬質膜の被覆後に熱処理して耐摩耗被膜を形成することにより基材との密着性が高められ、耐摩耗性が向上することが明らかとなった。

次に、実施例１、比較例１の供試体について、供試体断面のグロー放電発光分析（ＧＤ－ＯＥＳ）を行った。また、比較例３の供試体として、比較例１の供試体と同様にしてＡｌＣｒＮを被覆した後に、８００℃で熱処理して作製した供試体についても同様に分析を行った。図７は、各供試体のグロー放電発光分析結果を示す図である。図７（ａ）は、比較例１の供試体の分析結果であり、図７（ｂ）は、比較例３の供試体の分析結果であり、図７（ｃ）は、実施例１の供試体の分析結果である。なお、図７（ａ）から図７（ｃ）の横軸には、各供試体の被膜表面からの距離（深さ）を取り、縦軸には、各元素（Ｈ，Ｎ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｏ，Ｃ，Ｆｅ，Ｃｒ）の強度を取り、各元素の強度を実線等で示している。

実施例１の供試体では、硬質層と基材との界面に、ＣとＣｒとが偏析しており、Ｃｒ炭化物からなる界面反応層が形成されていた。実施例１の供試体では、硬質層の表面側にもＣとＣｒとが偏析していることから、硬質層の表面にＣｒ炭化物層が形成されていた。Ｃｒ炭化物層は、Ｆｅ及びＮｉの少なくとも一方を含むＣｒ_２３Ｃ_６と、Ｆｅ及びＮｉの少なくとも一方を含むＣｒ_３Ｃとから形成されていた。それらＣｒ炭化物に含まれるＦｅ、Ｎｉ及びＣは、基材に含まれるＦｅ、Ｎｉ及びＣが硬質層中を拡散して硬質層の表面側に到達したものと考えられる。

Ｃｒ炭化物層の表面側では、酸素（Ｏ）が濃化しており、酸化物層が形成されていた。酸素（Ｏ）が濃化している箇所では、ＣｒとＡｌとの偏析が認められることから、酸化物層は、Ｃｒ酸化物とＡｌ酸化物とを含んで形成されていた。また、酸化物層は、酸化物層の表面側ではＣｒ酸化物が主体で形成されており、酸化物層の表面側から裏面側に向けてＡｌ酸化物の比率が徐々に大きくなるように傾斜して形成されていた。

これに対して、比較例１の供試体では、硬質膜と基材との界面には、ＣとＣｒとの偏析が認められなかった。比較例３の供試体では、硬質膜と基材との界面には、炭素Ｃの偏析が若干認められたものの、Ｃｒの偏析は認められなかった。このことから、比較例１、３の供試体では、硬質膜と基材との界面にはＣｒ炭化物からなる界面反応層が形成されていなかった。また、比較例１、３の供試体では、硬質膜の表面側にも、Ｃの偏析が認められず、実施例１の供試体のようなＣｒ炭化物層が形成されていなかった。更に、比較例１、３の供試体では、硬質膜の表面側に酸素（Ｏ）の濃化が認められず、実施例１の供試体のような酸化物層が形成されていなかった。

この分析結果から、硬質膜の被覆後に８００℃で熱処理した場合には、硬質膜のＣｒと基材のＣとの相互拡散が殆ど生じず、硬質膜と基材との間に、Ｃｒ炭化物からなる界面反応層が形成されないことがわかった。したがって、硬質膜のＣｒと基材のＣとの相互拡散を生じさせて、硬質膜と基材との間に、Ｃｒ炭化物からなる界面反応層を形成するためには、熱処理温度を９００℃以上とするとよく、１０００℃以上とすることが好ましいことがわかった。

実施例１の供試体について、供試体断面のＳＥＭ観察を行った。試料は、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いて作製した。図８は、実施例１の供試体のＳＥＭ観察結果を示す写真である。図８に示すように、硬質層と基材との界面に、界面反応層が形成されているのが認められた。界面反応層は、硬質層と基材との界面に沿って不連続層で形成されていた。界面反応層は、硬質層と基材との界面から基材側へ向けて凸状に入り込んで楔状に形成されていた。界面反応層の厚みは、１μｍ以下であった。また、硬質層は、硬質層と基材との界面から硬質層の表面側に向けて凹凸状に形成され、Ａｌ、Ｃｒ等が拡散した拡散部を有していた。

次に、実施例１の供試体について、供試体断面における硬質層と基材との界面近傍を、透過電子顕微鏡―エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＴＥＭ－ＥＤＸ）で分析した。図９は、実施例１の供試体における硬質層と基材との界面近傍の透過電子顕微鏡―エネルギー分散型Ｘ線分光法分析結果を示す図である。図９（ａ）は、イメージ像であり、図９（ｂ）は、Ｆｅ像であり、図９（ｃ）は、Ｃｒ像であり、図９（ｄ）は、Ａｌ像であり、図９（ｅ）は、Ｎ像であり、図９（ｆ）は、Ｃ像であり、図９（ｇ）は、Ｏ（酸素）像であり、図９（ｈ）は、観察領域である。図９（ｃ）のＣｒ像に示されているように、界面反応層が形成されている箇所では、Ｃｒの濃化が認められた。また、図９（ｂ）のＦｅ像に示されているように、界面反応層が形成されている箇所では、Ｆｅは殆ど認められなかった。この結果からも界面反応層がＣｒ炭化物で形成されていることが明らかとなった。

１０耐摩耗被膜を備える摺動部材
１２摺動部材
１４耐摩耗被膜
１６硬質層
１７拡散部
１８界面反応層
２０Ｃｒ炭化物層
２２酸化物層

Claims

耐摩耗被膜を備える摺動部材であって、
ステンレス鋼で形成される摺動部材と、
前記摺動部材の摺動面に設けられる耐摩耗被膜と、
を備え、
前記耐摩耗被膜は、
前記摺動部材の摺動面に設けられ、Ｃｒ含有窒素化合物で形成される硬質層を備え、
前記摺動部材と、前記硬質層との間に設けられ、Ｃｒ炭化物で形成される界面反応層を有していることを特徴とする耐摩耗被膜を備える摺動部材であって、前記Ｃｒ含有窒素化合物は、ＡｌＣｒＮまたはＣｒＮであることを特徴とする耐摩耗被膜を備える摺動部材。
請求項１に記載の耐摩耗被膜を備える摺動部材であって、
前記界面反応層は、前記摺動部材の摺動面から摺動部材側に向けて凸状に入り込んで形成されていることを特徴とする耐摩耗被膜を備える摺動部材。
請求項１から２のいずれか１つに記載の耐摩耗被膜を備える摺動部材であって、
前記耐摩耗被膜は、前記硬質層の表面に、Ｃｒ炭化物層を有していることを特徴とする耐摩耗被膜を備える摺動部材。
請求項３に記載の耐摩耗被膜を備える摺動部材であって、
前記耐摩耗被膜は、前記Ｃｒ炭化物層の表面に、Ｃｒ酸化物を含む酸化物層を有していることを特徴とする耐摩耗被膜を備える摺動部材。
請求項１から４のいずれか１つに記載の耐摩耗被膜を備える摺動部材であって、
前記界面反応層の厚みは、１μｍ以下であることを特徴とする耐摩耗被膜を備える摺動部材。
耐摩耗被膜の形成方法であって、
ステンレス鋼で形成される摺動部材の摺動面に、Ｃｒ含有窒素化合物を被覆する被覆工程と、
前記摺動面にＣｒ含有窒素化合物を被覆した摺動部材を、９００℃以上で熱処理する熱処理工程と、
を備えることを特徴とする耐摩耗被膜の形成方法。
請求項６に記載の耐摩耗被膜の形成方法であって、
前記被覆工程において、前記Ｃｒ含有窒素化合物は、ＡｌＣｒＮまたはＣｒＮであることを特徴とする耐摩耗被膜の形成方法。
請求項６または７に記載の耐摩耗被膜の形成方法であって、
前記熱処理工程は、酸化性雰囲気で熱処理することを特徴とする耐摩耗被膜の形成方法。