JPH06300130A - 硬質被覆材およびそれを被覆した摺動部材ならびにその製造方法 - Google Patents

硬質被覆材およびそれを被覆した摺動部材ならびにその製造方法

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JPH06300130A
JPH06300130A JP10623893A JP10623893A JPH06300130A JP H06300130 A JPH06300130 A JP H06300130A JP 10623893 A JP10623893 A JP 10623893A JP 10623893 A JP10623893 A JP 10623893A JP H06300130 A JPH06300130 A JP H06300130A
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Japan
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hard coating
piston ring
coated
film
coating material
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JP10623893A
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Seido Miyazaki
誠道 宮崎
Nobuyuki Yamashita
信行 山下
Shoji Tanaka
昭二 田中
Hiroto Fukutome
弘人 福留
Hiroshi Tamagaki
浩 玉垣
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Kobe Steel Ltd
Teikoku Piston Ring Co Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
Teikoku Piston Ring Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 CrN皮膜の耐焼付性および靱性を向上させ
る。 【構成】 ピストンリング1の外周面に硬質皮膜2がイ
オンプレーティングによって被覆されている。この硬質
皮膜2はCrNの結晶構造中に2〜11重量%の割合で
炭素〔C〕が固溶されており、ビッカース硬さが160
0〜2200の範囲にある。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、摺動特性と靱性とを改
良した硬質被覆材に関し、例えば内燃機関用ピストンリ
ング等の摺動部材の摺動面等に施す硬質皮膜に使用して
有効なものである。
【0002】
【従来の技術】近年、エンジンの高出力化や排ガス対応
に伴って、ピストンリングの使用環境がますます苛酷に
なっているため、摺動面の表面処理として従来使用され
ているCrめっきや窒化処理等では耐久性能を満足でき
ないエンジンが多くなってきた。この状況に対処するた
め、PVD法を利用したTiNやCrN等の硬質皮膜が
提案されている。特に耐久性が要求されるエンジンでは
厚膜に対応できるCrN皮膜が採用されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】CrN皮膜は耐摩耗
性、耐焼付性に優れ、さらに製造性がよく30μmを超
す厚皮膜も可能である。しかしながら、CrN皮膜は皮
膜自体に脆い性質を有するため、使用中に表面に摺動に
よる過度の繰返応力を受けると、クラックが発生し、表
面剥離に至ることがある。
【0004】本発明の目的は、硬質被覆材としてのCr
Nの摺動特性と靱性とを向上させることにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の硬質被覆材の構
成は、CrNの結晶構造中に2〜11重量%の割合で
〔C〕が固溶されており、ビッカース硬さが1600〜
2200の範囲にあることを特徴とする。
【0006】本発明の摺動部材は、上記硬質被覆材から
なる硬質皮膜が少なくとも摺動面に被覆されているもの
であり、例えば上記硬質被覆材からなる硬質皮膜が被覆
されたピストンリングは苛酷な条件下においても充分な
耐久性を具備する。上記硬質被覆材の被覆はイオンプレ
ーティングにより行うことができる。
【0007】
【作用】前記した手段によれば、CrN中に〔C〕が所
定の割合で固溶されることにより、耐焼付性と靱性が向
上される。
【0008】
【実施例】図1は本発明の一実施例であるピストンリン
グの一部分を示す縦断面図である。本実施例におけるピ
ストンリング1は鋼、鋳鉄、チタンあるいはチタン合金
等で形成されている矩形断面リングである。ピストンリ
ング1の外周面にはアークイオンプレーティングによっ
て硬質皮膜2が被覆されている。硬質皮膜2はCrNの
結晶構造中に2〜11重量%の割合で炭素〔C〕が固溶
されているもので、ビッカース硬さが1600〜220
0の範囲にある。硬質皮膜2の膜厚は10μm〜70μ
mが好適である。
【0009】アークイオンプレーティング法はイオンプ
レーティングの一つで、真空アーク放電を利用して、陰
極の皮膜材料を蒸気化、イオン化して、被コーティング
物の表面に皮膜を形成するものである。このアークイオ
ンプレーティング法は蒸気のイオン化率が高く、緻密で
密着性に優れた皮膜が得られる特長がある。
【0010】図2に基づいて、アークイオンプレーティ
ング装置の基本的構成を説明する。真空チャンバ10内
に、皮膜を形成する材料からなる陰極11と、皮膜が形
成される被コーティング物12が設置されている。陰極
11は真空チャンバ10の外側に設置されているアーク
供給源13に接続されており、アーク供給源13には図
示外の陽極が接続されている。被コーティング物12に
はバイアス電圧供給源14によって負のバイアス電圧が
印加されるように構成されている。真空チャンバ10に
はプロセスガスの供給源に接続されているガス入口15
と、ポンプに接続されている排気口16とが設けられて
いる。
【0011】したがって、真空チャンバ10内におい
て、陰極11と陽極との間でアーク放電が起こされる
と、アークは陰極11の表面上にアークスポットを形成
し、陰極11の表面上をランダムにかつ高速に移動す
る。アークスポットに集中するアーク電流(数十〜数百
A)のエネルギーにより、陰極11の材料は瞬時に蒸発
すると同時に金属イオン17となり、真空中に飛び出
す。一方、バイアス電圧が被コーティング物12に印加
されることにより、金属イオン17は加速され、反応ガ
ス粒子18とともに被コーティング物12の表面に密着
し、緻密な皮膜が生成される。
【0012】本発明においては、上記アークイオンプレ
ーティング装置において、陰極11の材料としてCr金
属が使用され、プロセスガスとしてN2 ガスとメタンガ
スとが使用されることにより、被コーティング物12と
してのピストンリングに、CrN中に〔C〕が固溶され
た硬質皮膜を被覆することができる。
【0013】炭素〔C〕の濃度のコントロールは、イオ
ンプレーティングの際のメタン分圧をコントロールする
ことによって行うことができる。メタン分圧を高くする
と、〔C〕の濃度が上昇する。
【0014】皮膜硬度のコントロールは、イオンプレー
ティングの際のメタン分圧およびバイアス電圧をコント
ロールすることによって行うことができる。メタン分圧
を高くすると、硬度は上昇する(表1参照)。また、バ
イアス電圧を高くすると、硬度は上昇する(表2参
照)。
【0015】
【0016】
【0017】上記硬質皮膜2の皮膜靱性を評価するため
に、ファンデアホルスト摩擦試験機を使用して皮膜靱性
評価試験を行った。ファンデアホルスト摩擦試験機を使
用して行う試験の概要を図3に基づいて説明する。
【0018】ピストンリング1が、水平軸を中心に回転
するロータ(鋳鉄材:JIS FC250)20の外周
面21の上端にロータ20の軸心に沿って配設され、ピ
ストンリング1に荷重Pが作用されてロータ20の外周
面21上に押接される。この状態で、ピストンリング1
とロータ20の接触部分に潤滑油を供給しながらロータ
20を回転させる。
【0019】このロータ20の摺動速度を変動していっ
たとき、ピストンリング1の硬質皮膜2にクラックが発
生したときの摺動速度を測定した。測定は皮膜中の
〔C〕含有量が異なる7種類のピストンリングについて
行った。なお、この測定に使用されたピストンリングの
硬質皮膜の膜厚は50μm、表面粗さは0.6μmRz
であった。
【0020】CrN皮膜中の〔C〕の測定は主としてE
PMAで行い、また、ESCAでも確認した。
【0021】試験条件は下記の通りである。 潤滑油 :日石ハイディーゼルS3 10W エンジ
ンオイル 荷重(P):5ポンド 摺動速度 :0〜7m/sの範囲で変動 摺動距離 :360m 温度 :室温
【0022】表3に試験結果を示し、図4にそれをグラ
フ表示したものを示す。
【0023】図4の試験結果に示されているように、C
rN中に〔C〕を固溶させることによって摺動時の皮膜
靱性は向上することがわかる。
【0024】本発明における硬質皮膜は靱性を充分に確
保するために、CrN中に固溶させる〔C〕の含有量を
2〜11重量%とした。
【0025】硬質皮膜の硬さはHV 1600未満では皮
膜が緻密でなく、ピット等の欠陥を含んでおり、HV
200を越えると製造加工中にエッジ剥離が発生しやす
くなるため、硬質皮膜の硬さの範囲をビッカース硬度で
1600〜2200の範囲とした。
【0026】次に、硬質皮膜の耐焼付性を評価するため
に、高面圧焼付試験機を使用して皮膜の耐焼付評価試験
を行った。高面圧焼付試験機を使用して行う試験の概要
を図5に基づいて説明する。
【0027】ステータ30は後述するロータ31側の面
に円形状の凹部を備えており、この凹部にディスク32
(鋳鉄材:JIS FC250)が固定されている。デ
ィスク32はロータ31側に突出しており、ロータ31
側の表面は垂直な平坦面をなしている。ディスク32の
中心部には油孔33がステータ30の軸方向に形成され
ており、この油孔33に連通する細長い油孔34がステ
ータ30に斜めに形成されている。これらの油孔33,
34を通じて、ステータ30のディスク32と後述する
ピン35との接触部に潤滑油が供給される。
【0028】ロータ31は水平軸を中心に回転し、ステ
ータ30側の面に円形状の凹部が形成されており、この
凹部に円盤形状のピンホルダ36がロータ31に同心状
に固定されている。ピンホルダ36のステータ30側の
面には、同一円上に等間隔をおいて4つの凹部が形成さ
れており、これらの凹部にそれぞれ試験片としてのピン
35(8mmφ)が挿入されて固定されている。各ピン
35はピンホルダ36の表面からステータ30側に水平
に突出されている。
【0029】各ピン35の突出端面には各種の表面処理
皮膜37が形成されており、この端面がステータ30の
ディスク32面に接触している。
【0030】したがって、ステータ30に荷重Pをかけ
てディスク32をピン35に押接し、ピン35とディス
ク32の接触部分に油孔33,34を通じて潤滑油を供
給しながらロータ31を回転させる。
【0031】このロータ31の摺動速度を一定にして、
荷重Pを変動していったとき、ピン35が焼き付いたと
きの焼付発生荷重を測定した。測定はCrめっき皮膜、
ステンレス鋼の窒化層、炭素〔C〕を皮膜中に固溶して
いないCrN皮膜をそれぞれ備える比較材としてのピン
と、炭素〔C〕を皮膜中に固溶しているCrN皮膜を備
える本発明に係るピンとについて下記の試験条件によっ
て焼付試験を行った。
【0032】試験条件は次の通りである。 潤滑油 :日石ハイディーゼルS3 10W エンジ
ンオイル 油温 80℃ 荷重(P):初期20kgfから3分間隔で10kgf
ずつステップアップ 摺動速度 :8m/s const 温度 :室温
【0033】図6の試験結果に示されているように、C
rめっき皮膜や窒化層に比べてCrN皮膜の方が耐焼付
性が優れていることがわかる。さらにCrN皮膜にあっ
ては、皮膜中に〔C〕を固溶している本発明の方が
〔C〕を固溶していない皮膜よりも耐焼付性に優れてい
ることがわかる。
【0034】図7の(a)は本発明の別の実施例である
ピストンリングの一部分を示す縦断面図である。この実
施例におけるピストンリング1は外周面と上下面とに硬
質皮膜2がアークイオンプレーティングによって被覆さ
れているものである。硬質皮膜2はCrNの結晶構造中
に2〜11重量%の割合で炭素〔C〕が固溶されている
もので、ビッカース硬さが1600〜2200の範囲に
ある。硬質皮膜2の膜厚は10μm〜70μmが好適で
ある。
【0035】図7の(b)は本発明のさらに別の実施例
であるピストンリングの一部分を示す縦断面図である。
この実施例におけるピストンリング1は外周面と上下面
と内周面とに硬質皮膜2がアークイオンプレーティング
によって被覆されているものである。硬質皮膜2はCr
Nの結晶構造中に2〜11重量%の割合で炭素〔C〕が
固溶されているもので、ビッカース硬さが1600〜2
200の範囲にある。硬質皮膜2の膜厚は10μm〜7
0μmが好適である。
【0036】上記実施例ではピストンリングに硬質皮膜
を被覆した例を示したが、硬質皮膜はピストンリングに
被覆するに限らず、他の摺動部材、例えば内燃機関の動
弁系部品であるタペットやカム等の少なくとも摺動面に
被覆すれば有効である。
【0037】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の硬質被覆
材は耐摩耗性、耐焼付性および靱性が優れている。した
がって、この硬質被覆材を摺動部材例えばピストンリン
グに被覆することによって、苛酷な条件下においても充
分な耐久性を具備させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例であるピストンリングの一部
分を示す縦断面図である。
【図2】アークイオンプレーティング装置の構成を説明
するための図である。
【図3】(a)はファンデアホルスト摩擦試験の概要を
説明するための一部断面正面図、(b)は同側面図であ
る。
【図4】ファンデアホルスト摩擦試験機を使用して行っ
た試験結果を示すグラフである。
【図5】高面圧焼付試験機を示す縦断面図である。
【図6】高面圧焼付試験機を使用して行った試験結果を
示すグラフである。
【図7】(a)および(b)はそれぞれ本発明の別の実
施例であるピストンリングの一部分を示す縦断面図であ
る。
【符号の説明】
1 ピストンリング 2 硬質皮膜 10 真空チャンバ 11 陰極 12 被コーティング物 13 アーク供給源 14 バイアス電圧供給源 15 ガス入口 16 排気口 17 金属イオン 18 反応ガス粒子 20 ロータ 21 ロータ外周面 30 ステータ 31 ロータ 32 ディスク 33、34 油孔 35 ピン 36 ピンホルダ 37 表面処理皮膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 昭二 東京都中央区八重洲一丁目9番9号 帝国 ピストンリング株式会社内 (72)発明者 福留 弘人 東京都中央区八重洲一丁目9番9号 帝国 ピストンリング株式会社内 (72)発明者 玉垣 浩 兵庫県高砂市荒井町新浜2−3−1 株式 会社神戸製鋼所高砂製作所内

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 CrNの結晶構造中に2〜11重量%の
    割合で〔C〕が固溶されており、ビッカース硬さが16
    00〜2200の範囲にあることを特徴とする硬質被覆
    材。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の硬質被覆材からなる硬質
    皮膜が少なくとも摺動面に被覆されていることを特徴と
    する摺動部材。
  3. 【請求項3】 前記硬質皮膜が被覆されている部材がピ
    ストンリングであり、硬質皮膜が形成されている面が外
    周面であることを特徴とする請求項2記載の摺動部材。
  4. 【請求項4】 前記硬質皮膜が被覆されている部材がピ
    ストンリングであり、硬質皮膜が形成されている面が外
    周面と上下面であることを特徴とする請求項2記載の摺
    動部材。
  5. 【請求項5】 前記硬質皮膜が被覆されている部材がピ
    ストンリングであり、硬質皮膜が形成されている面が外
    周面と上下面と内周面であることを特徴とする請求項2
    記載の摺動部材。
  6. 【請求項6】 請求項1記載の硬質被覆材をイオンプレ
    ーティングにより少なくとも摺動面に被覆することを特
    徴とする摺動部材の製造方法。
JP10623893A 1993-03-15 1993-04-08 硬質被覆材およびそれを被覆した摺動部材ならびにその製造方法 Pending JPH06300130A (ja)

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