JPH06293954A

JPH06293954A - 摺動材料及びその製造方法

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Publication number: JPH06293954A
Application number: JP10376393A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Komuro; 寿朗小室; Masanori Oya; 正規大矢; Teruo Imai; 照男今井
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1993-04-07
Filing date: 1993-04-07
Publication date: 1994-10-21
Anticipated expiration: 2020-06-02
Also published as: JP3654918B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【構成】少なくともCrN を含有する窒化クロム系皮膜
を、ＰＶＤ法によりCr及びＮを混合した気相と基材とを
接触させることにより、基材上に形成させ、その皮膜の
破断面結晶が基材表面から皮膜表面に向って柱状の形態
にあり、皮膜が1.５〜２０％の空孔率を有し、かつ単一
相で摺動面に平行な（１１１）面が方位配向しているよ
うに形成させた窒化クロム系皮膜を有する摺動材料及び
その製造方法。【効果】従来から使用されている皮膜に比し、皮膜の
耐剥離性、耐摩耗性、耐焼き付き性に優れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、CrN を主成分とし、Cr
₂Nを含有してなる窒化クロム系皮膜を有する耐摩耗性お
よび耐焼き付き性に優れた摺動材料及びその製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、例えば自動車のエンジン部
品、各種機械部品などの摺動部には摺動特性に優れた皮
膜を表面処理により形成した摺動部品が使用されてい
る。従来より行われている表面処理方法には、窒化処
理、クロムめっき処理、モリブデン溶射処理などの方法
がある。しかし、近年摺動部品の使用条件が高速度化か
つ高荷重化するに伴い、部品に要求される摺動特性はま
すます過酷なものとなり、従来の表面処理では対応でき
ない場合が生じてきて、更に優れた耐摩耗性及び耐焼付
性を有する皮膜が望まれていた。

【０００３】このような要請に対し、最近ＰＶＤ（Phys
ical Vapor Deposition)法により摺動部材の摺動面に金
属窒化物や金属炭化物等の皮膜を被覆することが提案さ
れている。TiN 、TiC 、CrN 等のＰＶＤ皮膜は、優れた
耐摩耗性、耐焼付性を示しており、特に窒化チタンや窒
化クロムなどが実用化可能な皮膜として注目され、一部
の機械部品やエンジン部品で使用されている。

【０００４】しかし、現在では使用条件がさらに苛酷に
なり、これら窒化チタンや窒化クロムを用いても、摺動
特性が充分とは言えない状況が生じている。特に摺動運
動に加え摺動面に法線方向の振動運動が相乗し、接触面
が離れることが生じる場合、または摺動運動において法
線方向の荷重が変動する場合など摺動条件が厳しい使用
条件下では、イオンプレーティングによる窒化クロム皮
膜をはじめとする硬質皮膜において欠け状剥離が発生
し、摺動材料の寿命を短くすることがある。また使用温
度が高かったり、接触荷重が大きく摺動部分に潤滑油膜
が形成されにくい場合など潤滑条件が厳しい使用条件下
でも同様な硬質皮膜の欠け状剥離が観察される。そこで
現状の表面処理よりも耐剥離性に優れたセラミックスコ
ーティング皮膜を被覆した摺動材料が望まれている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、厳しい使用条件下でも欠け状剥離が発生せず、同時
に耐摩耗性、耐焼き付き性に優れた皮膜を被覆した摺動
材料、およびその製造方法を提供することである。

【０００６】

【問題を解決するための手段とその作用】上記問題に鑑
み鋭意研究の結果、本発明者は、ＰＶＤ法によりクロム
および窒素を混合した気相を基材に接触させ、基材の表
面上にCrN を主成分とし、Cr₂Nを含有してなる窒化クロ
ム系皮膜を形成させ、その際、皮膜の破断面結晶が基材
表面から皮膜表面に向かって柱状の形態とすること、さ
らに皮膜の空孔率を1.５〜２０％に限定することによ
り、欠け状剥離が発生しにくく、かつ耐摩耗性、耐焼き
付き性に優れた摺動材料が得られることを見出し、本発
明を完成した。

【０００７】すなわち、本発明の摺動材料は、少なくと
もCrN を主成分とし、Cr₂Nを含有してなる窒化クロム系
化合物を基材上に被覆してなる摺動材料であって、前記
皮膜の破断面結晶が基材表面から皮膜表面に向かって柱
状なる形態を有することおよび制限された皮膜空孔率を
有することを特徴とする。

【０００８】皮膜を被覆する基材は、鉄系材料、アルミ
系材料、および、チタン系材料の中から用途により適宜
選択する。以下詳しく説明するＰＶＤ法は、ＣＶＤ(Che
mical Vapor Deposition) 法などに比べ低温処理に類す
るが、蒸着現象による入熱は避けられないので、できれ
ば耐熱性のある鉄系材料およびチタン材料を基材として
使用することが好ましい。

【０００９】本発明の摺動材料における皮膜は、少なく
ともCrN を主成分とし、Cr₂Nを含有してなる窒化クロム
系化合物よりなり、かつ皮膜破断面の結晶が基材表面か
ら皮膜表面に向かって柱状なる形態を有する。破断面が
柱状結晶で有る皮膜は、ピッチングによると考えられる
欠け状剥離が発生しにくい。また窒化クロム系皮膜は、
緻密性が高くなると皮膜が脆くなり、欠け状剥離が発生
しやすくなる。CrN の理論密度は6.１４ｇ／cm³である
が、剥離を防止するためには、皮膜空孔率を1.５％以上
とすることが必要である。一方、皮膜空孔率をあまり高
くすると、硬さが低下し、耐摩耗性が劣化する。従っ
て、皮膜空孔率の上限を２０％とすることが必要であ
る。空孔率は得られた皮膜の密度を測定することによ
り、理論密度との比として容易に計算できる。皮膜硬さ
は、皮膜の結晶形態、皮膜空孔率、結晶配向により影響
を受ける。本発明皮膜の硬さは、表面から測定してHmV
で約６００から１０００程度である。また窒化クロム系
皮膜において、さらに耐剥離性を向上するために、摺動
面に平行に（１１１）面を方位配向させることは、なお
一層効果がある。

【００１０】皮膜の厚みは１〜８０μｍ、特に好ましく
は３５〜５０μｍであることが好ましい。皮膜の厚みが
１μｍ未満の場合、摩耗により皮膜の寿命が短い。一
方、皮膜の厚みが５０μｍを超える場合、皮膜が剥離し
たり、皮膜に亀裂が生じたりすることがあり、基材との
密着力が低下する。また必要以上に皮膜を厚くすること
は、経済上好ましくない。

【００１１】本発明においては、ＰＶＤ法によりクロム
および窒素を混合した気相と基材とを接触させる。ＰＶ
Ｄ法は、皮膜を形成する技術の一種であり、基本的には
蒸着スパッタリング、イオンプレーティングの三法に分
類できる。特に、本発明においては、クロムの蒸気物質
を窒素と反応させて窒化クロムの皮膜を基材上に堆積さ
せる反応性イオンプレーティング法が最も好ましい。ク
ロムの蒸気は、ＨＣＤガンや電子ビームなどの高エネル
ギービームをクロムに照射し、蒸発させることにより得
る。また陰極アークプラズマ式イオンプレーティング
法、およびスパッタリング法のように、陰極からクロム
粒子を飛出させることにより、クロム蒸気を得てもよ
い。そのクロム蒸気に窒素を混合した気相中でプラズマ
を発生させると、クロムはイオン化し、窒素イオンと化
合し窒化クロム系化合物を生成する。その結果、基材表
面に窒化クロム系の皮膜が形成される。

【００１２】以下において、イオンプレーティング法を
例にとって説明するが、本発明はこれに限定されない。
まず、基材を洗浄し、表面に付着した汚れを取り、充分
清浄化してイオンプレーティング装置の真空チャンバー
内に挿入する。チャンバー内圧力が1.３×１０ ^-3〜５×
１０^-3Paになるまで真空引きを行なってから、イオンプ
レーティング装置に内蔵されているヒーターにより加熱
して基材の内在ガスを放出させる。加熱温度は３００〜
５００℃とするのが好ましい。その後１００〜４００℃
まで冷却する。チャンバー内圧力が４×１０^-3Pa以下に
なった時点でターゲットであるクロムを陰極として、そ
の表面でアーク放電を発生させクロムイオンを飛び出さ
せる。この際、基材にはバイアス電圧を印加しておき、
陰極より飛び出した金属イオンを基板表面に高エネルギ
ーで衝突させる方法、いわゆるボンバードクリーニング
により基材表面の酸化物除去と活性化処理を行う。その
ときのバイアス電圧は−７００〜−９００Ｖとするのが
好ましい。その後バイアス電圧を低下させ、クロムイオ
ンを基材表面に堆積させながら、窒素ガスをチャンバー
内に導入し、プラズマ内を通過させる。それにより窒素
をイオン化して、窒素分圧を1.３×１０^-1〜１3.３Pa程
度にして、バイアス電圧を０〜−１００Ｖ印加して基材
表面にイオンプレーティング皮膜を形成させる。皮膜形
成後、真空チャンバー内で２００℃以下になるまで冷却
してから、摺動材料をチャンバーから取り出す。皮膜の
空孔率は使用する圧力を調整することにより制御でき
る。以上の方法により、皮膜破断面結晶が柱状の形態を
示し、所定の空孔率を有する耐摩耗性及び焼き付き性に
優れた窒化クロム系の皮膜を摺動材料の摺動面に形成す
ることができる。

【００１３】以上が窒化クロム系皮膜を皮膜破断面の結
晶が柱状なる形態で基材に形成させる方法であるが、本
発明においては皮膜と基材との間に金属下地層を介在さ
せてもよい。上述における皮膜形成の工程中、窒素ガス
の導入前にイオンプレーティングを行うと基材にクロム
金属の下地層が形成される。このクロム金属の下地層
は、熱膨張率が基材に近く、熱応力の影響を受けにくい
ため、密着性は良好で柔軟性に富む。クロム金属の下地
層は0.１〜２μｍの厚さに形成するのが好ましい。0.１
μｍ未満では効果が密着性向上の効果が薄く、0.１〜２
μｍの厚さで充分な効果を示す。また２μｍを超えても
それ以上の効果を得ることはできず、また経済上も好ま
しくない。このように皮膜と基材との間に、密着性およ
び柔軟性に富む下地層を形成することは、皮膜の剥離防
止に効果がある。

【００１４】

【実施例】本発明を以下に、具体的実施例によりさらに
詳細に説明する。（実施例１）本実施例では、材質がＳＵＳ４４０材の基
材を使用した。ＰＶＤ処理は、陰極アークプラズマ式イ
オンプレーティング装置を用いた。基材をフロン洗浄
し、イオンプレーティング装置の真空チャンバー内に挿
入した。チャンバー内圧力が1.３×１０^-3Paになるまで
真空引きを行なってから、イオンプレーティング装置に
内蔵されているヒーターにより３００〜５００℃で加熱
して基材の内在ガスを放出させ、その後２００℃まで冷
却した。チャンバー内圧力が４×１０^-3Pa以下になった
時点でバイアス電圧を−７００〜９００Ｖ印加してお
き、アーク放電を発生させクロムイオンを飛び出させ
る。その後チャンバー内に導入した窒素ガス分圧を1.３
×１０^-1〜１3.３Pa程度の範囲で変化させ、バイアス電
圧を０〜−１００Ｖ印加して基材表面に厚さ５μｍのイ
オンプレーティング皮膜を形成させた。皮膜形成後、真
空チャンバー内で２００℃以下になるまで冷却して摺動
材料を得た。得られた皮膜の、破断面形態、組成、空孔
率、表面微小硬さを調べた。皮膜の破断面を走査型電子
顕微鏡により二次電子像を観察した。母材から皮膜表面
に向かって柱状なる結晶を確認できた。また、Ｘ線回折
により組成を分析した結果、CrN の単一相でかつ摺動面
に平行な（１１１）面が方位配向していることも確認し
た。さらに空孔率は、3.９％でその表面硬さはHmV ７７
０であった。

【００１５】（実施例２、３、比較例１）本発明材料の
耐焼付性を評価する。ＳＫＤ６１材からなり、縦５mm×
横５mm×高さ５mmのピン状突起１０（図１、図２参照）
を同心円上に等間隔に三個配置した試験片５を用いて、
５mm角の正方形端面に本発明による皮膜を厚さ１０μｍ
形成した試験片を作成して、超高圧摩耗試験機によって
耐焼付性試験を行なった。試験片の皮膜は、実施例１に
記述した方法により形成し、破断面の結晶が基材表面か
ら皮膜表面に向かって柱状の形態を有し、かつCrN 単一
相で摺動面に平行な（１１１）面が方位配向している、
皮膜空孔率が3.９％である皮膜（実施例２）、および破
断面の結晶が基材表面から皮膜表面に向かって柱状の形
態を有し、皮膜空孔率が2.３％である皮膜（実施例３）
であった。皮膜の表面微小硬さは実施例２なる皮膜がHm
V ７７０、実施例３なる皮膜がHmV ８４５であった。比
較例として、試験片の５mm角の端面に厚さ１００μｍの
クロムめっき皮膜（比較例１）を形成した試験片を用い
て同様な試験を行なった。本試験に用いた超高圧摩耗試
験機の装置と試験条件は次の通りである。試験装置は図
１および図１のＡ−Ａ矢視断面図である図２に要部を図
解的に示すものであって、ステータホルダ１に取外し可
能に取り付けられた直径８０mm×厚さ１０mmの研磨仕上
げを施した円盤２（相手材）の中央には、裏側から注油
口３を通して潤滑油が注油される。ステータホルダ１に
は図示しない油圧装置によって図において右方に向けて
所定圧力で押圧力Ｐが作用するようにしてある。円盤２
に相対向してロータ４があり、図示しない駆動装置によ
って所定速度で回転するようにしてある。ロータ４には
試験片５が表面処理層を形成した５mm角の正方形の端面
を摺動面として円盤２に対し摺動自在に取り付けてあ
る。このような装置において、ステータホルダ１に所定
の押圧力Ｐをかけ、所定の面圧で円盤２と試験片５のピ
ン状突起１０とが接触するようにしておいて、注油口３
から摺動面に所定給油速度で給油しながらロータ４を回
転させる。一定時間毎にステータホルダ１に作用する圧
力を段階的に増加していき、ロータ４の回転によって試
験片５と相手の円盤２との摩擦によってステータホルダ
１に生ずるトルクＴをステンレスファイバー６を介して
ロードセル７に作用せしめ、その変化を動歪計８で読取
り、記録計９に記録させる。トルクＴが急激に上昇した
とき焼付が発生したものとして、この時の接触面圧をも
って耐焼付特性の良否を判断する。相手材としては、鉄
系ＦＣ２５材を用いた。試験条件は次の通りである。摩擦速度：８ｍ／秒相手材：ＦＣ２５接触面圧：２０kg／cm²でならした後、焼付発生まで１
０kg／cm²ずつ増圧。各面圧に３分間保持。潤滑油：モーターオイル＃３０油温８０℃、供給量２５０cc／分表１に試験結果を示した。

【００１６】

【表１】

【００１７】ＦＣ２５相手で本発明品は接触面圧２８０
および２８３kg／cm²で焼付が発生した。比較品のクロ
ムめっきの耐焼付面圧２５３kg／cm²以上であり、耐焼
付性が優れている。

【００１８】（実施例４、比較例２）科研式摩耗試験機
により本発明材料の腐食摩耗試験を実施した。基板材質
がＳＫＤ−６１材で、形状は縦５mm×横５mm×高さ２０
mm、長手方向の一方の先端をＲ６mmの曲面とした試験片
を用い、実施例１に記述した方法により、試験片の先端
に、破断面の結晶が基材表面から皮膜表面に向かって柱
状の形態を有し、かつCrN 単一相で摺動面に平行な（１
１１）面が方位配向している。皮膜空孔率が3.９％であ
る皮膜（実施例４）を１０μｍの厚さで被覆した。皮膜
の表面微小硬さはHmV ７７０であった。比較例として試
験片先端Ｒ部に厚さ１００μｍのクロムめっき試験片を
用いて同様な試験を行なった。試験は、表面処理を施し
た試験片の先端Ｒ部をドラム状に加工した相手材の外周
部に曲面同士が線接触するように合わせ、所定荷重を加
え、所定速度で回転する。潤滑は、ＰＨ＝２に調整した
硫酸水溶液を接触部に一定量滴下して行ない、酸雰囲気
とした。試験条件は次の通りである。摺動相手材：ＦＣ２５材摩擦速度：0.２５ｍ／秒摩擦時間：６時間接触荷重：４kg 雰囲気：摺動部にＰＨ＝2.０に調整した硫酸水溶液を1.
５cc／分滴下皮膜摩耗量の測定値を表２に示した。結果はクロムめっ
き皮膜の摩耗量を１００とした相対値で示した。比較品
であるクロムめっき品に比べ、本発明品は摩耗量が約１
／３０と大幅に減少している。

【００１９】

【表２】

【００２０】（実施例５、６、比較例３）すべりを伴う
転がり疲労試験機（ローラーピッチング試験機）により
本発明材料に被覆した皮膜の耐剥離性を評価した。試験
片の基板材質はＳＣＭ４２０材を浸炭処理した材料で、
形状はφ２６mm×２８mmのローラー状でその外周表面に
本発明皮膜を４５μｍの厚さ処理した。試験片の皮膜
は、実施例１に記述した方法により形成し、破断面の結
晶が基材表面から皮膜表面に向かって柱状の形態を有
し、かつCrN 単一相で摺動面に平行な（１１１）面が方
位配向している、皮膜空孔率が3.９％である皮膜（実施
例５）、および破断面の結晶が基材表面から皮膜表面に
向かって柱状の形態を有し、皮膜空孔率が2.３％である
皮膜（実施例６）であった。また皮膜の表面微小硬さは
実施例５なる皮膜がHmV ７７０、実施例６なる皮膜がHm
V ８４５であった。比較例として実施例５、６と同材質
の試験片本体外周に、破断面の形態が柱状ではなく皮膜
空孔率が0.２％程度と極めて低いCrN 皮膜を４２μｍ被
覆し、実施例５、６と同様に耐剥離性を測定した。本試
験に用いたピッチング試験機の装置と試験条件は次の通
りである。試験装置は、図３は要部を図解的に示すもの
であって、φ２６mm×２８mmの試験片１３を取り付けた
テストローラー１１と相対向して負荷ローラー１２があ
り、所定圧力で押圧力が作用するようにしてある。テス
トローラー１１は、図示しない駆動装置により所定速度
で回転するようにしてあり、その試験片１３の外周には
表面処理相を形成する。負荷ローラー１２は、φ１３０
×１８の大きさで、外周はＲ３００mmの形状をして微視
的には試験片１３と点接触し、大きな押圧力をかけられ
るようになっている。また負荷ローラー１２はテストロ
ーラー１１に対し図示しない歯車を介して従動し、相対
的に滑りながら回転するようになっている。滑り率は試
験片周速（Ｕ₁₃）と負荷ローラー周速（Ｕ₁₂）により、
（Ｕ₁₃−Ｕ₁₂）／Ｕ₁₃で表され、任意に選定できる。試
験片１１と負荷ローラー１２の接触部には、図示しない
注油口を通して潤滑油が注がれる。このような装置にお
いて、試験片１３に所定の押圧力をかけ、所定の面圧で
試験片１３と負荷ローラー１２とが接触するようにして
おいて、接触部に所定注油速度で注油しながらテストロ
ーラーを所定速度で回転させるとともに、所定滑り率で
負荷ローラー１２を回転させる。試験中定期的に試験片
表面を注意深く観察し、試験片の表面に欠け状剥離が発
生するまでの回転の累計より耐剥離性の良否を判断す
る。相手材である負荷ローラーの材質はＦＣ２５材を用
いた。試験条件は次の通りである。試験条件面圧（ヘルツ圧力）：１６０kgf ／mm² 試験片周速：８２ｍ／ｓ滑り率：２０％使用オイル：＃３０（ベースオイル）オイル流量：１２００cc／分オイル温度：８０℃ 表３に試験結果を示した。本発明品は、比較例に対し、
耐剥離性が非常に優れている。

【００２１】

【表３】

【００２２】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明は基材表面に被覆される窒化クロム系皮膜の破断
面の結晶を基材表面から皮膜表面に向かって柱状の形態
とし、さらに皮膜空孔率を限定することによって、従来
から使用されている皮膜に比較して、耐剥離性に優れた
摺動材料を提供するものでありならびに、その摺動材料
を製造し得る方法を提供できる。本発明材料は、ピスト
ンリング、カムフォロアなどのエンジン部品さらにはシ
ューディスクなどのコンプレッサー部品をはじめとする
摺動部品や切削工具などに好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】超高圧摩耗試験機による破砕試験の説明図であ
る。

【図２】図１のＡ−Ａ矢視断面図である。

【図３】転がり疲労試験機の概要説明図である。

【図４】本発明で使用するピストンリングの外周面に形
成された窒化クロム層の金属組織の顕微鏡写真である。

【図５】比較例３に使用したピストンリングの外周面に
形成された柱状でない窒化クロム層の金属組織の顕微鏡
写真である。

【符号の説明】

１ステータホルダ２円盤（相手材）３注油口４ロータ５試験片６ステンレスファイバー７ロードセル８動歪計９記録計１０試験片のピン状突起（５mm角）１１テストローラー１２負荷ローラー１３試験片

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくともCrN を含有する窒化クロム系
の皮膜を基材上に被覆してなる摺動材料であって、前記
皮膜の破断面結晶が基材表面から皮膜表面に向かって柱
状の形態を有することを特徴とする摺動材料。
【請求項２】請求項１に記載の摺動材料において、窒
化クロム系皮膜の空孔率が1.５〜２０％であることを特
徴とする摺動材料。
【請求項３】請求項１又は２に記載の摺動材料におい
て、前記皮膜がCrN組成でかつ摺動面に平行な（１１
１）面が方位配向していることを特徴とする摺動材料。
【請求項４】請求項１から３の何れか一項に記載の摺
動材料において前記皮膜の微小硬さが表面から測定して
HmV ６００〜１０００の値を有することを特徴とする摺
動材料。
【請求項５】請求項１から４の何れか一項に記載の摺
動材料において、前記皮膜と前記基材との間にクロムか
らなる下地層が介在することを特徴とする摺動材料。
【請求項６】請求項１から５の何れか一項記載の摺動
材料において、前記皮膜をＰＶＤ法によりクロム及び窒
素を混合した気相と基材を接触させることにより形成す
ることを特徴とする摺動材料の製造方法。