JPH06330348A - 摺動部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 Ｃｒ−Ｎ系皮膜は耐摩耗性が不良であるため
に、これを補い、Ｃｒを主たる金属成分とする皮膜を被
覆した摺動材料の耐摩耗性および耐焼付性を良好にす
る。 【構成】 Ｃｒ，Ｍ群（Ｔｉ，Ｖ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，
Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ及び／又はＡｌ）及びＮからなり、金属
元素の組成比が原子％比でＭ／（Ｔｉ＋Ｍ）＝１〜５５
％である皮膜を基体に被覆した摺動部材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、摺動部に硬質皮膜を有
する自動車部品やコンプレッサー部品などの機械部品に
用いられる摺動部材に関し、更に詳しく述べるならば、
クロムを主たる金属成分としさらに１種または２種以上
の他の元素からなる窒化物皮膜を被覆した摺動部材に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車の内燃機関やコンプレッサーなど
の高回転化、高出力化等により機械部品などの摺動部
は、益々過酷な条件下での耐摩耗性、耐焼付性といった
摺動特性の改善が期待されている。また切削工具におい
ても切削速度増大により同様に摺動特性の向上が期待さ
れている。従来より摺動特性改善策として、硬質クロム
めっきによる耐摩耗性の改善、窒化またはモリブデン溶
射による耐焼付性の向上などの表面処理が挙げられる。

【０００３】しかしながら、これらの方法では摺動材料
としての十分な摺動特性が得られず、最近物理的気相蒸
着（ＰＶＤ）法あるいは化学気相析出（ＣＶＤ）法によ
り化学的にも比較的安定なＣｒ−Ｎ系、Ｔｉ−Ｎ系硬質
皮膜を作製する方法が検討されている。ところがＣｒ−
Ｎ系皮膜は、皮膜硬さが比較的低いため、皮膜の摩耗が
起こりやすく、この点の改良は試みられているもののい
まだ十分な摺動特性は得られていない。

【０００４】そこで、さらに皮膜硬さが高く、摺動特性
に優れた皮膜の開発が望まれ、Ｔｉ−Ｎ系皮膜が注目さ
れている。しかしながらＴｉ−Ｎ系皮膜は機械部品など
の摺動部材として利用する場合には、皮膜硬さが高すぎ
て相手材を摩耗させてしまうという欠点があり、また皮
膜と接する相手材との「初期なじみ」が悪い欠点もあ
る。ここで「初期なじみ」とは、機械加工または成膜自
体に起因する粗さをもつ摺動部材の表面が摺動開始後の
短時間の内に相手材と摺動接触し表面が微小且つ平滑に
摩耗する結果、接触面積を増加させることにより接触面
圧を低減させて、潤滑油膜切れを起こし難くし、以って
摩耗や焼き付きの発生を防ぐ性能である。Ｔｉ−Ｎ系皮
膜のような皮膜硬さが高すぎる皮膜を被覆した摺動部材
は、初期なじみが悪いことにより、摺動初期において摩
耗や焼付現象を起こしやすいという問題があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の点に
鑑みて、Ｃｒを主たる金属成分とする皮膜を被覆した摺
動材料において、その皮膜の耐摩耗性を補うとともに耐
焼付性、初期なじみ等の摺動特性に優れた硬質皮膜を被
覆することにより上記の問題を解決することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明に係わ
る摺動部材は、クロム、Ｍ群（Ｍ；チタン、バナジウ
ム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ハフニウム、
タンタル、タングステン及びアルミニウムから選択され
た１種または２種以上の金属元素）及び窒素からなる皮
膜を基体に被覆した材料であることを特徴とする。この
皮膜は、Ｍ群の元素を添加することにより耐摩耗性及び
耐焼付性並びに初期なじみを良好にし、その結果とし
て、皮膜の硬さ自体はＣｒＮ皮膜よりも高く、耐摩耗性
及び耐焼付性をＣｒＮ皮膜よりも良好にしたものであ
る。ここでＭ／（Ｃｒ＋Ｍ）の金属元素の組成比が１％
未満であると耐摩耗性向上の効果が少なく、一方５５％
を超えると耐焼付性、初期なじみ性の向上が図れなかっ
たために、金属元素の組成比は１〜５５％の範囲とし
た。

【０００７】基体としてはＦｅ系、Ａｌ系、Ｔｉ系等の
各種材料を使用することができる。Ｃｒ−Ｍ−Ｎ系皮膜
の厚さは特に制限が無いが、１〜５０μｍの範囲内であ
ることが好ましい。同じく皮膜粗さはＲａで１μｍ以下
であることが好ましい。

【０００８】さらに、相手材としては特に制限がなく、
鋳鉄、鋼材、Ｃｒめっきを施したこれらの材料、溶射皮
膜付材料などが使用可能である。また、本発明の皮膜は
十分に清浄化された基体上にＰＶＤ又はＣＶＤ好ましく
はＰＶＤで成膜されるものである。

【０００９】

【作用】ＴｉＮ系皮膜は初期なじみ性が悪く、一方Ｃｒ
Ｎ皮膜は耐摩耗性が低いために、いずれも焼き付きを起
こしやすいが、Ｃｒと他の金属元素Ｍを共存させたＣｒ
−Ｍ−Ｎ系皮膜とすることにより焼き付きが発生し難く
なった。また耐摩耗性が良好になっているためになじみ
が実現した以降の摩耗は少なくなった。

【００１０】以下、金属元素（Ｍ）としてＶを選んだ実
施例により本発明を詳しく説明する。

【００１１】

【実施例】本実施例で使用した皮膜形成の基体は高クロ
ム鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ−２）である。基体はあらかじ
めフロン液中で超音波洗浄を行い、鏡面仕上げされた基
体表面に以下に説明する手順で陰極アークプラズマ式イ
オンプレーティングによりＣｒ−Ｖ−Ｎ系硬質皮膜を形
成した。

【００１２】超音波洗浄された基体をイオンプレーティ
ング装置の真空容器（チャンバ）内に取り付け、続いて
チャンバ内圧力が１．３×１０-3Ｐａ（パスカル）とな
るまで真空引きを行った。この真空度が達成された時点
から、チャンバ内に内蔵されているヒーターにより基体
を３００〜６００℃まで加熱して、基体表面に付着ある
いは吸着しているガス成分を放出させ、その後２００℃
まで冷却した。

【００１３】チャンバ内圧力が４×１０-3Ｐａ以下とな
った時点で、陰極とした各種組成のＣｒ−Ｖ合金ターゲ
ットの表面でアーク放電を発生させ、ＣｒおよびＶの大
部分がイオン化された状態でこれらの元素をターゲット
表面から飛出させた。

【００１４】この時基体に装着した治具には−７００〜
−１０００Ｖのバイアス電圧を印加しておき、ターゲッ
トから飛び出すイオン化したＣｒおよびＶを基体と治具
の表面に吸引し、さらにこれらのイオンを高速で被処理
面に衝突させた。このようなイオン化した金属の衝突に
より被処理面の酸化物などを削るいわゆるスパッタクリ
ーニングにより基体表面の活性化処理を行った。

【００１５】その後、アーク放電が起こっているチャン
バ中に少量の窒素ガスを導入することにより一部のイオ
ン化したＣｒおよびＶは、窒素ガスと結合し基体表面に
窒化物皮膜となって析出した。その後、さらに窒素ガス
流量を増やして０．７〜４．０Ｐａ程度の圧力とし、ま
た０〜−１００Ｖのバイアス電圧を基体に印加して基体
表面にＣｒ−Ｖ−Ｎ系硬質皮膜を１〜５０μｍの厚さに
形成させた。所定膜厚形成後、チャンバ内温度が１５０
℃以下になるまで冷却してから、膜被覆された基体をチ
ャンバ外に取り出した。皮膜の硬度はＨｖ＝１１００〜
２２００の範囲であった。

【００１６】上記方法により得られた皮膜を用いて、摺
動試験を行った。

【００１７】実施例２ ねずみ鋳鉄（ＦＣ２５）を相手材としてピンオンディス
ク型摩擦試験機によりスカッフ試験を行った。スカッフ
試験条件は、以下の通りであった。 潤滑方法：モーターオイル＃３０、油温８０℃、油量４
ｃｃ／ｓｅｃ 摩擦速度：８ｍ／ｓｅｃ 接触荷重：初期２ＭＰａから１ＭＰａごとに焼付まで増
加させる 摩擦時間：各荷重で１８０ｓｅｃ保持 表１にスカッフ試験結果を示す。

【００１８】

【表１】 Ｎｏ． Ｖ／（Ｃｒ＋Ｖ） スカッフ値 本 １ Ｃｒ−Ｖ−Ｎ １５ １．４ 発 ２ Ｃｒ−Ｖ−Ｎ ３０ １．７ 明 ３ Ｃｒ−Ｖ−Ｎ ５０ ２．０ 比 Ｃｒ−Ｎ ０ １．０ 較 スカッフ値は、比較対象であるＣｒ−Ｎを１．０とした
時の値である。

【００１９】本発明によるＮｏ．１，２および３のＣｒ
−Ｖ−Ｎ系皮膜は、皮膜中の金属元素に対するＶ原子％
（以後、単に「Ｖ原子％」と称す）がそれぞれ１５、３
０および５０％であった。比較例としてＶを含まないＣ
ｒ−Ｎ系皮膜について同じ条件でスカッフ試験を行っ
た。Ｃｒ−Ｎ系皮膜のスカッフ値（焼付面圧）１．０に
対して、Ｎｏ．１のＣｒ−Ｖ−Ｎ系皮膜ではスカッフ値
が１．４と向上した。さらにＶ原子％を高くするにした
がってスカッフ値は向上し、Ｖ原子％が５０％のＣｒ−
Ｖ−Ｎ系皮膜では、Ｃｒ−Ｎ系皮膜の２倍ものスカッフ
値を示した。

【００２０】実施例３ ピン−ドラム式摩耗試験機により、ドラムにねずみ鋳鉄
（ＦＣ２５）を用いて摩耗試験を行った。摩耗試験条件
は以下の通りであった。 潤滑方法：モーターオイル＃３０、油温８０℃、油量８
ｃｃ／ｓｅｃ ドラム回転速度：５ｍ／ｓｅｃ 接触荷重：１．５ＭＰａ 試験時間：３０ｋｓｅｃ 表２に摩耗試験結果を示す。

【００２１】

【表２】 Ｎｏ． Ｖ／（Ｃｒ＋Ｖ） ピン摩耗量 ドラム摩耗量 本 １ Ｃｒ−Ｖ−Ｎ １５ ０．９ ０．９ 発 ２ Ｃｒ−Ｖ−Ｎ ３０ ０．８ ０．７ 明 ３ Ｃｒ−Ｖ−Ｎ ５０ ０．６ ０．６ 比 Ｃｒ−Ｎ ０ １．０ １．０ 較 ピン摩耗量およびドラム摩耗量は、比較対象であるＴｉ
−Ｎを１．０とした時の値である。

【００２２】本発明によるＣｒ−Ｖ−Ｎ系皮膜（Ｎｏ．
１、２および３）は、皮膜中のＶ原子％がそれぞれ１
５、３０および５０％であった。比較例としてＶを含ま
ないＣｒ−Ｎ系皮膜について同条件で摩耗試験を行っ
た。ここで、皮膜を被覆したピンの摩耗量は摩耗した接
触面のドラム回転方向の幅、ドラムの摩耗量はドラムの
摩耗深さより求めた。ピンの摩耗量に着目すると、Ｃｒ
−Ｎ系皮膜に比べＣｒ−Ｖ−Ｎ系皮膜は、やや摩耗量が
低減しＶ原子が５０％のＣｒ−Ｖ−Ｎ皮膜ではＣｒ−Ｎ
系皮膜のほぼ半分に低下している。一方ドラムの摩耗量
に着目すると、やはりＣｒ−Ｎ系皮膜の場合に比べＣｒ
−Ｖ−Ｎ系皮膜の場合には摩耗量がやや低減し、Ｖ原子
％が５０％のＣｒ−Ｖ−Ｎ系皮膜では、Ｃｒ−Ｎ系皮膜
のほぼ半分に近い摩耗量に抑えられている。

【００２３】以上のスカッフ試験および摩耗試験の結果
から、Ｃｒ−Ｎ系皮膜に比べＣｒ−Ｖ−Ｎ系皮膜は、耐
焼付性に優れ、初期なじみが良好で、摺動部相手材の摩
耗を抑えられる皮膜であることがわかった。

【００２４】

【発明の効果】以上のように、摺動面にＣｒを主たる金
属成分としさらに他の金属元素を含む窒化物皮膜を被覆
することにより、従来のＣｒ−Ｎ系皮膜を被覆するより
も相手材を摩耗させることがなく、初期なじみが良好
で、耐摩耗性および耐焼付性等の摺動特性に優れた摺動
部材が得られる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 クロム、Ｍ群（Ｍ；チタン、バナジウ
   ム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ハフニウム、
   タンタル、タングステン及びアルミニウムから選択され
   た１種または２種以上の金属元素）及び窒素からなり、
   金属元素の組成比が原子％比でＭ／（Ｃｒ＋Ｍ）＝１〜
   ５５％である皮膜を基体に被覆したことを特徴とする摺
   動部材。