JPH0694130A - 摺動材料及びピストンリング並びに摺動材料の製造方法 - Google Patents
摺動材料及びピストンリング並びに摺動材料の製造方法Info
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- JPH0694130A JPH0694130A JP28954692A JP28954692A JPH0694130A JP H0694130 A JPH0694130 A JP H0694130A JP 28954692 A JP28954692 A JP 28954692A JP 28954692 A JP28954692 A JP 28954692A JP H0694130 A JPH0694130 A JP H0694130A
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- film
- nitrogen
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- sliding
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 摺動材料及びピストンリングのＴｉＮ系皮膜
の初期なじみ、ポリシング性、色調など改良する。 【構成】 皮膜のビッカース硬さが１０００〜２０００
であるＴｉ−Ｎ−Ｏ系皮膜を基体に被覆した摺動材料及
びピストンリング。
の初期なじみ、ポリシング性、色調など改良する。 【構成】 皮膜のビッカース硬さが１０００〜２０００
であるＴｉ−Ｎ−Ｏ系皮膜を基体に被覆した摺動材料及
びピストンリング。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、摺動部における硬質皮
膜を有する摺動材料およびその摺動材料の製造方法に関
するものであり、更に詳しく述べるならば、内燃機械、
動弁部品などの各種機械部品の摺動部において使用され
る摺動材料とその製造方法に関するものである。
膜を有する摺動材料およびその摺動材料の製造方法に関
するものであり、更に詳しく述べるならば、内燃機械、
動弁部品などの各種機械部品の摺動部において使用され
る摺動材料とその製造方法に関するものである。
【０００２】また、本発明は、ピストンリングに関する
ものであり、さらに詳しく述べるならば摺動面の耐摩耗
性、耐焼付性並びに初期なじみを向上させたイオンプレ
ーティング皮膜を被覆した内燃機関用ピストンリングに
関するものである。
ものであり、さらに詳しく述べるならば摺動面の耐摩耗
性、耐焼付性並びに初期なじみを向上させたイオンプレ
ーティング皮膜を被覆した内燃機関用ピストンリングに
関するものである。
【０００３】上記各種機器の高回転化や高出力化により
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、耐焼付性等の摺動特性の改善が期待されており、本
発明の摺動材料はかかる要請に応えるものである。
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、耐焼付性等の摺動特性の改善が期待されており、本
発明の摺動材料はかかる要請に応えるものである。
【０００４】
【従来の技術】従来より主として鉄系摺動材料の摺動特
性改善策として行われている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。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Ｔｉ−Ｎ
系硬質皮膜を作製する方法が検討されている。
性改善策として行われている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。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Ｔｉ−Ｎ
系硬質皮膜を作製する方法が検討されている。
【０００５】ピストンリングは、主に内燃機関の燃焼室
の気密化、シリンダーライナー表面に形成される潤滑用
油膜の膜厚制御、および燃料が燃焼することによって加
熱されたピストンの熱をシリンダーライナーへ伝えて冷
却する等の働きをする。このような働きをするにはピス
トンリングは、それ自体が自己の持つ張力でシリンダー
ライナーに張り出して密着しなければならないので、摺
動面には必然的に大きな面圧が発生し、したがって摩耗
や焼付の発生しやすい状況に曝されて摺動している。ま
た、燃焼工程中に生成する硬い燃焼生成物がピストンリ
ングとシリンダーライナー間の摺動面に達し、アブレッ
シブな摩耗を発生させ、さらにガソリン中に含まれる硫
黄や窒素分が酸化し、硝酸や硫酸になりエンジンオイル
中に混入し腐食摩耗を促進するようになるので、ピスト
ンリングはこのような点でも摩耗や焼付きが発生しやす
い状況に曝されて摺動している。
の気密化、シリンダーライナー表面に形成される潤滑用
油膜の膜厚制御、および燃料が燃焼することによって加
熱されたピストンの熱をシリンダーライナーへ伝えて冷
却する等の働きをする。このような働きをするにはピス
トンリングは、それ自体が自己の持つ張力でシリンダー
ライナーに張り出して密着しなければならないので、摺
動面には必然的に大きな面圧が発生し、したがって摩耗
や焼付の発生しやすい状況に曝されて摺動している。ま
た、燃焼工程中に生成する硬い燃焼生成物がピストンリ
ングとシリンダーライナー間の摺動面に達し、アブレッ
シブな摩耗を発生させ、さらにガソリン中に含まれる硫
黄や窒素分が酸化し、硝酸や硫酸になりエンジンオイル
中に混入し腐食摩耗を促進するようになるので、ピスト
ンリングはこのような点でも摩耗や焼付きが発生しやす
い状況に曝されて摺動している。
【０００６】上記のような摺動条件から起こる摩耗や焼
付きの問題を解消するため、ピストンリングはその摺動
面に何らかの表面処理が施されている。従来より行われ
てきた表面処理方法の代表的なものとしては、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が挙げられる。しかしなが
ら、これらの方法で処理されたピストンリングの摺動特
性は現在の要求水準に対しては不十分であるので、最近
イオンプレーティング法によりＣｒ−Ｎ系、Ｔｉ−Ｎ系
の化学的に比較的安定な化合物をピストンリングに硬質
皮膜として施すことが検討されている。しかしながらＣ
ｒ−Ｎ系皮膜は硬さが比較的低いため摩耗が起こりやす
く、いまだ十分な摺動特性は得られていない。皮膜硬さ
が高く、摺動特性に優れた皮膜としてＴｉ−Ｎ系イオン
プレーティング皮膜が提案されている（特公平４−１９
４１２号参照）。
付きの問題を解消するため、ピストンリングはその摺動
面に何らかの表面処理が施されている。従来より行われ
てきた表面処理方法の代表的なものとしては、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が挙げられる。しかしなが
ら、これらの方法で処理されたピストンリングの摺動特
性は現在の要求水準に対しては不十分であるので、最近
イオンプレーティング法によりＣｒ−Ｎ系、Ｔｉ−Ｎ系
の化学的に比較的安定な化合物をピストンリングに硬質
皮膜として施すことが検討されている。しかしながらＣ
ｒ−Ｎ系皮膜は硬さが比較的低いため摩耗が起こりやす
く、いまだ十分な摺動特性は得られていない。皮膜硬さ
が高く、摺動特性に優れた皮膜としてＴｉ−Ｎ系イオン
プレーティング皮膜が提案されている（特公平４−１９
４１２号参照）。
【０００７】上述のようにＴｉ−Ｎ系皮膜をＰＶＤによ
り摺動部材に施すことあるいはイオンプレーティングに
よりピストンリングに施すことが提案されているが、Ｔ
ｉ−Ｎ系皮膜は切削工具として使用実績はあるものの、
機械部品等の摺動部材として使用実績は少ない。本発明
者らはＴｉ−Ｎ系皮膜を施したピストンリングを検討し
たところ、皮膜硬さが高いため皮膜自身の摩耗量は少な
いもののシリンダーライナーを摩耗させてしまい、また
皮膜と接するシリンダーライナーとの「初期なじみ」が
悪い欠点があることが分かった。
り摺動部材に施すことあるいはイオンプレーティングに
よりピストンリングに施すことが提案されているが、Ｔ
ｉ−Ｎ系皮膜は切削工具として使用実績はあるものの、
機械部品等の摺動部材として使用実績は少ない。本発明
者らはＴｉ−Ｎ系皮膜を施したピストンリングを検討し
たところ、皮膜硬さが高いため皮膜自身の摩耗量は少な
いもののシリンダーライナーを摩耗させてしまい、また
皮膜と接するシリンダーライナーとの「初期なじみ」が
悪い欠点があることが分かった。
【０００８】また、本発明者等はＴｉ−Ｎ系ＰＶＤ皮膜
を摺動部材に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欠点があることがわかった。
を摺動部材に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欠点があることがわかった。
【０００９】摺動材料又はピストンリングに施されたＴ
ｉＮ系皮膜との摩耗により粗くなった相手材表面が今度
はＴｉＮ系皮膜をアブレーシブ摩耗させ、両者の間の摺
動条件が悪化して遂には焼き付きが発生してしまうこと
がある。また皮膜硬さが高すぎるために、皮膜と接する
相手材との「初期なじみ」が悪い欠点がある。ここで
「初期なじみ」とは、摺動材料又はピストリンリングの
表面において摺動開始後の短時間内に摺動接触する表面
が微小かつ平滑に摩耗することで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することにより摩耗
や焼き付きの発生を防ぐことである。
ｉＮ系皮膜との摩耗により粗くなった相手材表面が今度
はＴｉＮ系皮膜をアブレーシブ摩耗させ、両者の間の摺
動条件が悪化して遂には焼き付きが発生してしまうこと
がある。また皮膜硬さが高すぎるために、皮膜と接する
相手材との「初期なじみ」が悪い欠点がある。ここで
「初期なじみ」とは、摺動材料又はピストリンリングの
表面において摺動開始後の短時間内に摺動接触する表面
が微小かつ平滑に摩耗することで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することにより摩耗
や焼き付きの発生を防ぐことである。
【００１０】Ｔｉ−Ｎ系皮膜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き付き現象を起こし易
いという摺動特性の問題に加えて、Ｔｉ−Ｎ皮膜には製
造上の問題がある。
より、摺動初期において摩耗や焼き付き現象を起こし易
いという摺動特性の問題に加えて、Ｔｉ−Ｎ皮膜には製
造上の問題がある。
【００１１】このような摺動特性の問題点に加えて、Ｃ
ｒ−Ｎ系、Ｔｉ−Ｎ系皮膜には製造上の問題がある。一
般に硬質の薄い皮膜を被覆した後には、初期なじみを良
好にしかつ相手材の過度の摩耗を招かないようにポリシ
ング等で皮膜の摺動面を平滑化する必要があるが、皮膜
硬さが高いために平滑化が困難である。したがってこの
ポリシング加工には長時間を要し、しかも一様な仕上取
り代にならず、膜厚が不均一になり部分的には皮膜を無
くしてしまい、不良品となる率が高い。
ｒ−Ｎ系、Ｔｉ−Ｎ系皮膜には製造上の問題がある。一
般に硬質の薄い皮膜を被覆した後には、初期なじみを良
好にしかつ相手材の過度の摩耗を招かないようにポリシ
ング等で皮膜の摺動面を平滑化する必要があるが、皮膜
硬さが高いために平滑化が困難である。したがってこの
ポリシング加工には長時間を要し、しかも一様な仕上取
り代にならず、膜厚が不均一になり部分的には皮膜を無
くしてしまい、不良品となる率が高い。
【００１２】さらにＣｒ−Ｎ系皮膜は銀色ないし銀白
色、Ｔｉ−Ｎ系は皮膜は金色ないし薄黄色であり、摺動
部材の下地の金属色との色調差が少ないため、皮膜の微
小な剥離や、前述のポリシングによって皮膜が無くなっ
た部分を検出する手段として、画像解析装置等で自動化
することができなかった。このため顕微鏡で拡大し肉眼
で検査する方法がとる必要があり、性能保証面で大きな
問題があった。
色、Ｔｉ−Ｎ系は皮膜は金色ないし薄黄色であり、摺動
部材の下地の金属色との色調差が少ないため、皮膜の微
小な剥離や、前述のポリシングによって皮膜が無くなっ
た部分を検出する手段として、画像解析装置等で自動化
することができなかった。このため顕微鏡で拡大し肉眼
で検査する方法がとる必要があり、性能保証面で大きな
問題があった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
点に鑑みて比較的安価なＴｉを主成分とし、初期なじみ
性に優れたＴｉ−Ｎ−Ｏ系皮膜を被覆した各種機器用摺
動材料及び内燃機関用ピストンリングの開発を目的とし
て検討を行ったものであり、特にその皮膜の耐摩耗性お
よび耐焼付性等の摺動特性を改良するとともに、下地金
属との色調差を大きくすることで工業生産における性能
保証面の問題を解決することを目的としている。
点に鑑みて比較的安価なＴｉを主成分とし、初期なじみ
性に優れたＴｉ−Ｎ−Ｏ系皮膜を被覆した各種機器用摺
動材料及び内燃機関用ピストンリングの開発を目的とし
て検討を行ったものであり、特にその皮膜の耐摩耗性お
よび耐焼付性等の摺動特性を改良するとともに、下地金
属との色調差を大きくすることで工業生産における性能
保証面の問題を解決することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明は、機械部品の摺
動部に、耐摩耗性および耐焼付性等の摺動特性に優れ且
つ初期なじみが良好で、製造上の加工性が良く、下地金
属との色調差が大きい皮膜を設けることにより、上記課
題を解決するものである。すなわち、本発明に係わる摺
動材料は、摺動面に、チタン、窒素および酸素からな
り、ビッカース硬さが１０００以上２０００以下の皮膜
を形成させることを特徴とする。
動部に、耐摩耗性および耐焼付性等の摺動特性に優れ且
つ初期なじみが良好で、製造上の加工性が良く、下地金
属との色調差が大きい皮膜を設けることにより、上記課
題を解決するものである。すなわち、本発明に係わる摺
動材料は、摺動面に、チタン、窒素および酸素からな
り、ビッカース硬さが１０００以上２０００以下の皮膜
を形成させることを特徴とする。
【００１５】また、本発明は、少なくともシリンダーラ
イナーと摺動するピストンリングの摺動面に、耐摩耗性
および耐焼付性等の摺動特性に優れ且つ初期なじみが良
好で、下地金属との色調差が大きい皮膜を設けることに
より、上記課題を解決するものである。すなわち、本発
明に係わる内燃焼機関用ピストンリングは、少なくとも
シリンダーライナーとの外周摺動面に、チタン、窒素お
よび酸素からなり、ビッカース硬さが１０００以上２０
００以下であり、厚さが１〜５０μｍのイオンプレーテ
ィング皮膜を形成させることを特徴とする。
イナーと摺動するピストンリングの摺動面に、耐摩耗性
および耐焼付性等の摺動特性に優れ且つ初期なじみが良
好で、下地金属との色調差が大きい皮膜を設けることに
より、上記課題を解決するものである。すなわち、本発
明に係わる内燃焼機関用ピストンリングは、少なくとも
シリンダーライナーとの外周摺動面に、チタン、窒素お
よび酸素からなり、ビッカース硬さが１０００以上２０
００以下であり、厚さが１〜５０μｍのイオンプレーテ
ィング皮膜を形成させることを特徴とする。
【００１６】また、本発明によれば、真空蒸着、スパッ
タ、イオンプレーティングなどのＰＶＤ法により、チタ
ンの蒸気と、窒素ガス及び酸素ガスあるいは少なくとも
窒素と酸素を含むガスとを混合した気相と基体を接触さ
せることにより上記摺動材料を製造することができる。
イオンプレーティングは陰極イオンプレーティングが好
ましいが、これに限定されず改訂５版金属便覧第９０３
頁に例示されているような各種方式を使用することがで
きる。皮膜を施す基材は鉄系材料が好ましく使用できる
がチタン系、アルミニウム系などであっても使用可能で
ある。さらに摺動部材の相手材は鉄系材料、アルミニウ
ム系材料など各種材料からなるものであってよい。
タ、イオンプレーティングなどのＰＶＤ法により、チタ
ンの蒸気と、窒素ガス及び酸素ガスあるいは少なくとも
窒素と酸素を含むガスとを混合した気相と基体を接触さ
せることにより上記摺動材料を製造することができる。
イオンプレーティングは陰極イオンプレーティングが好
ましいが、これに限定されず改訂５版金属便覧第９０３
頁に例示されているような各種方式を使用することがで
きる。皮膜を施す基材は鉄系材料が好ましく使用できる
がチタン系、アルミニウム系などであっても使用可能で
ある。さらに摺動部材の相手材は鉄系材料、アルミニウ
ム系材料など各種材料からなるものであってよい。
【００１７】またイオンプレーティング皮膜を形成する
ためにはチタンとその他の成分は別別の供給源からガス
化する必要がある。窒素と酸素は別々のガスとして供給
してもよくあるいはＮＯ2 、ＮＯなどの化合物として供
給してもよい。また、ピストンリングに施されるイオン
プレーティング皮膜の厚さを１〜５０μｍとしたのは、
この範囲下限未満であると摺動性能が不十分であり、上
限を越えても性能の向上がないからである。上記したチ
タン、窒素および酸素の比率は原子％比でＴｉ：Ｎ：Ｏ
＝ｌ：０．９〜０．３：０．３〜１．０の範囲であるこ
とが好ましい。
ためにはチタンとその他の成分は別別の供給源からガス
化する必要がある。窒素と酸素は別々のガスとして供給
してもよくあるいはＮＯ2 、ＮＯなどの化合物として供
給してもよい。また、ピストンリングに施されるイオン
プレーティング皮膜の厚さを１〜５０μｍとしたのは、
この範囲下限未満であると摺動性能が不十分であり、上
限を越えても性能の向上がないからである。上記したチ
タン、窒素および酸素の比率は原子％比でＴｉ：Ｎ：Ｏ
＝ｌ：０．９〜０．３：０．３〜１．０の範囲であるこ
とが好ましい。
【００１８】
【作用】チタンは窒素及び酸素と安定した硬質物質を作
る。特に窒素はチタンの硬度を著しく高める。その量が
少な過ぎても多過ぎても皮膜の硬さが低下し、皮膜の耐
摩耗性が低下するので、ビッカース硬さが１０００未満
とならないように、窒素含有量を定める必要がある。酸
素は窒素と共存すると、皮膜の硬度を下げ、ポリシング
を容易にしかつ相手材の摩耗や初期なじみなどの摺動特
性を改良しさらに皮膜色調を暗色（非金属色）にする。
酸素の量は微量でも摺動特性向上に有効ではあるが少な
過ぎると色調変化の作用が十分に発揮されないから、色
調の変化が検出できるように酸素を添加する必要があ
る。一方酸素の量が多過ぎると皮膜の硬さが低くなりす
ぎるので、ビッカース硬さで１０００以下とならないよ
うに酸素量を定める必要がある。また皮膜の硬さがビッ
カース硬さで２０００を超えると相手材の摩耗が多くな
るので、窒素添加量はこの硬さ以下となるようにする必
要がある。
る。特に窒素はチタンの硬度を著しく高める。その量が
少な過ぎても多過ぎても皮膜の硬さが低下し、皮膜の耐
摩耗性が低下するので、ビッカース硬さが１０００未満
とならないように、窒素含有量を定める必要がある。酸
素は窒素と共存すると、皮膜の硬度を下げ、ポリシング
を容易にしかつ相手材の摩耗や初期なじみなどの摺動特
性を改良しさらに皮膜色調を暗色（非金属色）にする。
酸素の量は微量でも摺動特性向上に有効ではあるが少な
過ぎると色調変化の作用が十分に発揮されないから、色
調の変化が検出できるように酸素を添加する必要があ
る。一方酸素の量が多過ぎると皮膜の硬さが低くなりす
ぎるので、ビッカース硬さで１０００以下とならないよ
うに酸素量を定める必要がある。また皮膜の硬さがビッ
カース硬さで２０００を超えると相手材の摩耗が多くな
るので、窒素添加量はこの硬さ以下となるようにする必
要がある。
【００１９】以下、Ｔｉ−Ｎ系イオンプレーティング皮
膜を比較対象として酸素を導入することによる作用をよ
り詳しく説明する。
膜を比較対象として酸素を導入することによる作用をよ
り詳しく説明する。
【００２０】表１に実施例の方法により作製されたＴｉ
−Ｎ系またはＴｉ−Ｎ−Ｏ系の皮膜の一例を示す。Ｔ
ｉ，ＮおよびＯの原子％比は皮膜中の比率であり、ＥＳ
ＣＡ分析により決定した。表面粗さおよび成膜速度（Ｒ
ｄｅｐ）は、酸素原子％比の大小に関わらず同程度であ
った。皮膜硬さは酸素原子％比が大きくなるにしたがっ
て低下する傾向を示した。また皮膜の色調は酸素原子％
比が大きくなるにしたがって紫色が濃くなった。その他
の特性は酸素原子％比との関連はなかった。
−Ｎ系またはＴｉ−Ｎ−Ｏ系の皮膜の一例を示す。Ｔ
ｉ，ＮおよびＯの原子％比は皮膜中の比率であり、ＥＳ
ＣＡ分析により決定した。表面粗さおよび成膜速度（Ｒ
ｄｅｐ）は、酸素原子％比の大小に関わらず同程度であ
った。皮膜硬さは酸素原子％比が大きくなるにしたがっ
て低下する傾向を示した。また皮膜の色調は酸素原子％
比が大きくなるにしたがって紫色が濃くなった。その他
の特性は酸素原子％比との関連はなかった。
【００２１】 表１ ガス比 表面粗さ μm 膜厚 Rdep 皮膜硬さ 色調 No Ti: N: O Ra Rmax Rz μm μm ／min HmV 1:1.1:0.0 0.14 2.34 1.45 3.81 0.29 1813 金色 1:0.7:0.5 0.09 2.86 2.04 3.96 0.30 1636 薄紫色 1:0.6:0.7 0.15 2.08 1.66 4.23 0.33 1560 紫色
【００２２】これらの皮膜のＸ線回折パターンを図１に
示す。基体として用いた高クロム鋼の鉄のピークをＦｅ
（ｓｕｂ）で示した。Ｔｉ−Ｎ系皮膜は、ＴｉＮ（１
１１）をメインピークとする皮膜である。酸素原子％比
が０．５のＴｉ−Ｎ−Ｏ系皮膜では、ＴｉＮ（２０
０）のピークがメインとなった。さらに酸素原子％比が
０．７のＴｉ−Ｎ−Ｏ系皮膜では、ＴｉＮ（２２０）
のピークがメインとなっており、また図中矢印で示した
が、２θ＝６２°付近に未同定ではあるが窒素酸化チタ
ン相と思われるピークが検出された。ここでＴｉ−Ｎ−
Ｏ系皮膜において、酸素を導入しながらもＴｉの酸化物
相のピークがみられないこと、またＴｉＮ（２００）の
ピークに着目すると、酸素原子％比が大きくなるにした
がってピーク位置が２θの高角側にシフトしていること
から判断して、窒素と原子半径が比較的近い酸素はＴｉ
Ｎ相のＮサイトで一部置き換わっているものと考えられ
る。導入する酸素原子％比がある値以上になるとＮと置
き換わりきれない酸素により窒素酸化チタン相を形成す
るものと判断される。
示す。基体として用いた高クロム鋼の鉄のピークをＦｅ
（ｓｕｂ）で示した。Ｔｉ−Ｎ系皮膜は、ＴｉＮ（１
１１）をメインピークとする皮膜である。酸素原子％比
が０．５のＴｉ−Ｎ−Ｏ系皮膜では、ＴｉＮ（２０
０）のピークがメインとなった。さらに酸素原子％比が
０．７のＴｉ−Ｎ−Ｏ系皮膜では、ＴｉＮ（２２０）
のピークがメインとなっており、また図中矢印で示した
が、２θ＝６２°付近に未同定ではあるが窒素酸化チタ
ン相と思われるピークが検出された。ここでＴｉ−Ｎ−
Ｏ系皮膜において、酸素を導入しながらもＴｉの酸化物
相のピークがみられないこと、またＴｉＮ（２００）の
ピークに着目すると、酸素原子％比が大きくなるにした
がってピーク位置が２θの高角側にシフトしていること
から判断して、窒素と原子半径が比較的近い酸素はＴｉ
Ｎ相のＮサイトで一部置き換わっているものと考えられ
る。導入する酸素原子％比がある値以上になるとＮと置
き換わりきれない酸素により窒素酸化チタン相を形成す
るものと判断される。
【００２３】これらの皮膜について、２００から７００
℃の温度で空気中において１時間の熱処理を行った。熱
処理温度と皮膜硬さの関係を図２に示す。Ｔｉ−Ｎ系皮
膜、Ｔｉ−Ｎ−Ｏ系皮膜、いずれの皮膜も５００℃まで
はほとんど皮膜硬さの低下はみられない。Ｔｉ−Ｎ系皮
膜は熱処理温度５００から７００℃の間で約６０％程度
の皮膜硬さの低下がみられた。
℃の温度で空気中において１時間の熱処理を行った。熱
処理温度と皮膜硬さの関係を図２に示す。Ｔｉ−Ｎ系皮
膜、Ｔｉ−Ｎ−Ｏ系皮膜、いずれの皮膜も５００℃まで
はほとんど皮膜硬さの低下はみられない。Ｔｉ−Ｎ系皮
膜は熱処理温度５００から７００℃の間で約６０％程度
の皮膜硬さの低下がみられた。
【００２４】これに対し、酸素原子％比が０．７のＴｉ
−Ｎ−Ｏ系皮膜の皮膜硬さの低下は約３０％程度であっ
た。７００℃における皮膜硬さは両皮膜で同程度の値を
示しており、酸素導入することによる高温領域での皮膜
硬さの急激な低下のないことから、Ｔｉ−Ｎ−Ｏ系皮膜
は摺動面の昇温に伴う摺動特性の劣化が少なくなること
がわかった。以下、実施例により本発明を詳しく説明す
る。
−Ｎ−Ｏ系皮膜の皮膜硬さの低下は約３０％程度であっ
た。７００℃における皮膜硬さは両皮膜で同程度の値を
示しており、酸素導入することによる高温領域での皮膜
硬さの急激な低下のないことから、Ｔｉ−Ｎ−Ｏ系皮膜
は摺動面の昇温に伴う摺動特性の劣化が少なくなること
がわかった。以下、実施例により本発明を詳しく説明す
る。
【００２５】
実施例１ 鏡面仕上された高クロム鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）から
なる基体を予めフロン液中で超音波洗浄を行い、以下に
説明する手順で摺動面にアーク式イオンプレーティング
法によりＴｉ−Ｎ−Ｏ系硬質皮膜を形成した。
なる基体を予めフロン液中で超音波洗浄を行い、以下に
説明する手順で摺動面にアーク式イオンプレーティング
法によりＴｉ−Ｎ−Ｏ系硬質皮膜を形成した。
【００２６】基体を超音波洗浄した後、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。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Ｔｉタ−ゲットの表面でア
ーク放電を発生させ、Ｔｉの大部分がイオン化された状
態でターゲット表面から飛出させた。この時基体を取り
付けた治具には−７００〜−１０００Ｖのバイアス電圧
を印加しておき、タ−ゲットから飛出したイオン化した
Ｔｉ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。
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。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Ｔｉタ−ゲットの表面でア
ーク放電を発生させ、Ｔｉの大部分がイオン化された状
態でターゲット表面から飛出させた。この時基体を取り
付けた治具には−７００〜−１０００Ｖのバイアス電圧
を印加しておき、タ−ゲットから飛出したイオン化した
Ｔｉ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。
【００２７】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
ングにより表面の活性化処理を行った。また、アーク放
電発生と同時に少量の窒素ガスをチャンバ内に導入する
ことにより一部のイオン化したＴｉは、窒素ガスと結合
し基体表面にＴｉ−Ｎ系皮膜となって析出される。その
後、さらに窒素ガス流量を増やし、酸素ガスを所定量導
入し１．３Ｐａ程度の圧力として、−２０〜−１００Ｖ
のバイアス電圧を印加して基体表面にＴｉ−Ｎ−Ｏ系硬
質皮膜を形成させた。所定の膜厚形成後、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。比較のため、従来よ
り行われてきた酸素を導入しないＴｉ−Ｎ系皮膜につい
ても同じ条件で作製した。
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
ングにより表面の活性化処理を行った。また、アーク放
電発生と同時に少量の窒素ガスをチャンバ内に導入する
ことにより一部のイオン化したＴｉは、窒素ガスと結合
し基体表面にＴｉ−Ｎ系皮膜となって析出される。その
後、さらに窒素ガス流量を増やし、酸素ガスを所定量導
入し１．３Ｐａ程度の圧力として、−２０〜−１００Ｖ
のバイアス電圧を印加して基体表面にＴｉ−Ｎ−Ｏ系硬
質皮膜を形成させた。所定の膜厚形成後、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。比較のため、従来よ
り行われてきた酸素を導入しないＴｉ−Ｎ系皮膜につい
ても同じ条件で作製した。
【００２８】これらの供試材を用いてねずみ鋳鉄（ＦＣ
２５）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い、各皮膜の初期なじみ性及び耐
焼付性を評価した。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（スカ
ッフ）に至るまで増加させた。 摩擦時間：各荷重で１８０ｓｅｃ保持
２５）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い、各皮膜の初期なじみ性及び耐
焼付性を評価した。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（スカ
ッフ）に至るまで増加させた。 摩擦時間：各荷重で１８０ｓｅｃ保持
【００２９】上記方法により得られた結果を図３に示
す。酸素導入しないＴｉ−Ｎ系皮膜では２０ＭＰａ程度
のスカッフ値を示したが、酸素原子％比が０．５のＴｉ
−Ｎ−Ｏ系皮膜では２７ＭＰａ、酸素原子％比が０．７
のＴｉ−Ｎ−Ｏ系皮膜では３４ＭＰａのスカッフ値を示
し、傾斜皮膜では耐焼付性は向上することがわかった。
す。酸素導入しないＴｉ−Ｎ系皮膜では２０ＭＰａ程度
のスカッフ値を示したが、酸素原子％比が０．５のＴｉ
−Ｎ−Ｏ系皮膜では２７ＭＰａ、酸素原子％比が０．７
のＴｉ−Ｎ−Ｏ系皮膜では３４ＭＰａのスカッフ値を示
し、傾斜皮膜では耐焼付性は向上することがわかった。
【００３０】またピン−ドラム式摩耗試験機を用い、ド
ラムをねずみ鋳鉄（ＦＣ２５）としまたピンをイオンプ
テーティング皮膜を被着した上記供試材として３回摩耗
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
ラムをねずみ鋳鉄（ＦＣ２５）としまたピンをイオンプ
テーティング皮膜を被着した上記供試材として３回摩耗
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
【００３１】皮膜を被覆したピンの摩耗量とドラムの摩
耗量をそれぞれ摩耗したピン接触面のドラム回転方向の
幅、ドラムの摩耗深さより求め図４に示す。図４に示さ
れたドラムの摩耗量は、Ｔｉ−Ｎ系皮膜に対して酸素原
子％比を大きくするにしたがって少なくなっている。一
方、ピンの摩耗量は酸素原子％比を大きくしてもほとん
ど変化は見られなかった。
耗量をそれぞれ摩耗したピン接触面のドラム回転方向の
幅、ドラムの摩耗深さより求め図４に示す。図４に示さ
れたドラムの摩耗量は、Ｔｉ−Ｎ系皮膜に対して酸素原
子％比を大きくするにしたがって少なくなっている。一
方、ピンの摩耗量は酸素原子％比を大きくしてもほとん
ど変化は見られなかった。
【００３２】また、これらの皮膜の色調をみると、酸素
を導入しないＴｉ−Ｎ系皮膜では金色であったのに対
し、酸素原子％比が０．５のＴｉ−Ｎ−Ｏ系皮膜では薄
紫色、酸素原子％比が０．７のＴｉ−Ｎ−Ｏ系皮膜では
紫色を呈しており、酸素原子％比が大きくなるにしたが
って濃色になっていた。
を導入しないＴｉ−Ｎ系皮膜では金色であったのに対
し、酸素原子％比が０．５のＴｉ−Ｎ−Ｏ系皮膜では薄
紫色、酸素原子％比が０．７のＴｉ−Ｎ−Ｏ系皮膜では
紫色を呈しており、酸素原子％比が大きくなるにしたが
って濃色になっていた。
【００３３】実施例２ ステンレス鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＳ４４０Ｃ）からなるピ
ストンリングで呼び径×幅×厚さ＝φ８６ｍｍ×２ｍｍ
×３ｍｍのものを実施例１と同じ方法により処理し、そ
して実施例１と同様にスカッフ試験及び摩耗試験を行っ
た。結果をそれぞれ図５及び６に示す。これらの図に示
された本発明ピストンリングの特性は図３及び４にそれ
ぞれ示されたところと同様であった。
ストンリングで呼び径×幅×厚さ＝φ８６ｍｍ×２ｍｍ
×３ｍｍのものを実施例１と同じ方法により処理し、そ
して実施例１と同様にスカッフ試験及び摩耗試験を行っ
た。結果をそれぞれ図５及び６に示す。これらの図に示
された本発明ピストンリングの特性は図３及び４にそれ
ぞれ示されたところと同様であった。
【００３４】
【発明の効果】以上の説明したように、本発明はピスト
ンリングの少なくとも外周摺動面にＴｉ−Ｎ−Ｏ系皮膜
を被覆しまた摺動材料にはＴｉ−Ｎ−Ｏ系皮膜を被覆す
ることにより、従来のＴｉ−Ｎ系皮膜よりも皮膜硬さが
低いことからシリンダーライナーなどの相手材を摩耗さ
せることなく、初期なじみが良好で耐摩耗性および耐焼
付性に優れた製品が得られる。また、Ｔｉ−Ｎ−Ｏ系皮
膜を被覆した製品は、高温領域での皮膜硬さの低下率が
小さく、摺動面の昇温に伴う摺動特性の劣化を防ぐこと
ができる。さらに、皮膜と下地金属との色調差が大きい
ことから皮膜の自動検査が可能となり、性能保証面で優
位性の高い製品が得られる。
ンリングの少なくとも外周摺動面にＴｉ−Ｎ−Ｏ系皮膜
を被覆しまた摺動材料にはＴｉ−Ｎ−Ｏ系皮膜を被覆す
ることにより、従来のＴｉ−Ｎ系皮膜よりも皮膜硬さが
低いことからシリンダーライナーなどの相手材を摩耗さ
せることなく、初期なじみが良好で耐摩耗性および耐焼
付性に優れた製品が得られる。また、Ｔｉ−Ｎ−Ｏ系皮
膜を被覆した製品は、高温領域での皮膜硬さの低下率が
小さく、摺動面の昇温に伴う摺動特性の劣化を防ぐこと
ができる。さらに、皮膜と下地金属との色調差が大きい
ことから皮膜の自動検査が可能となり、性能保証面で優
位性の高い製品が得られる。
【図１】 陰極アークプラズマ方式イオンプレーティン
グにより作製されたＴｉ−Ｎ−Ｏ系皮膜のＸ線回折パタ
ーンである。
グにより作製されたＴｉ−Ｎ−Ｏ系皮膜のＸ線回折パタ
ーンである。
【図２】 陰極アークプラズマ方式イオンプレーティン
グにより作製されたＴｉ−Ｎ−Ｏ系皮膜の熱処理温度と
皮膜硬さの関係を示す図である。
グにより作製されたＴｉ−Ｎ−Ｏ系皮膜の熱処理温度と
皮膜硬さの関係を示す図である。
【図３】 摺動部材の焼き付き試験結果を示す図であ
る。
る。
【図４】 本発明摺動部材であるピンと相手材であるド
ラムの摩耗試験結果を示す図である。
ラムの摩耗試験結果を示す図である。
【図５】 ピストンリングの焼き付き試験結果を示す図
である。
である。
【図６】 ピストンリング材料を供試材としたピンと相
手材であるドラムの摩耗試験結果を示す図である。
手材であるドラムの摩耗試験結果を示す図である。
Claims (5)
- 【請求項１】 チタン、窒素および酸素からなり、皮膜
のビッカース硬さが１０００〜２０００であるＴｉ−Ｎ
−Ｏ系皮膜を基体に被覆したことを特徴とする摺動材
料。 - 【請求項２】 前記チタン、窒素および酸素の原子％比
が、Ｔｉ：Ｎ：Ｏ＝ｌ：０．９〜０．３：０．３〜１．
０の範囲であることを特徴とする請求項１記載の摺動材
料。 - 【請求項３】 少なくとも外周摺動面に、チタン、窒素
および酸素からなり、皮膜のビッカース硬さが１０００
〜２０００であるイオンプレーティング皮膜が１〜５０
μｍの厚さに形成されていることを特徴とするピストン
リング。 - 【請求項４】 前記チタン、窒素および酸素の原子％比
が、Ｔｉ：Ｎ：Ｏ＝ｌ：０．９〜０．３：０．３〜１．
０の範囲であることを特徴とする請求項３記載のピスト
ンリング。 - 【請求項５】 ＰＶＤ法により、チタンの蒸気と、窒素
ガス及び酸素ガスあるいは少なくとも窒素と酸素を含む
ガスとを混合した気相と基体を接触させることを特徴と
する請求項１又は２記載の摺動材料の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28954692A JPH0694130A (ja) | 1992-07-22 | 1992-10-02 | 摺動材料及びピストンリング並びに摺動材料の製造方法 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21575492 | 1992-07-22 | ||
| JP4-215754 | 1992-07-22 | ||
| JP28954692A JPH0694130A (ja) | 1992-07-22 | 1992-10-02 | 摺動材料及びピストンリング並びに摺動材料の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0694130A true JPH0694130A (ja) | 1994-04-05 |
Family
ID=26521036
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28954692A Pending JPH0694130A (ja) | 1992-07-22 | 1992-10-02 | 摺動材料及びピストンリング並びに摺動材料の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0694130A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4819612A (en) * | 1986-05-08 | 1989-04-11 | Asahi Kasei Kogyo Kabushiki Kaisha | Self-heating container |
| WO2012176847A1 (ja) * | 2011-06-24 | 2012-12-27 | 株式会社リケン | ピストンリング |
| WO2012176846A1 (ja) * | 2011-06-24 | 2012-12-27 | 株式会社リケン | ピストンリング |
| CN114635115A (zh) * | 2022-03-21 | 2022-06-17 | 山东大学 | 一种与润滑油摩擦改性添加剂强协同作用的减摩耐磨涂层 |
-
1992
- 1992-10-02 JP JP28954692A patent/JPH0694130A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4819612A (en) * | 1986-05-08 | 1989-04-11 | Asahi Kasei Kogyo Kabushiki Kaisha | Self-heating container |
| WO2012176847A1 (ja) * | 2011-06-24 | 2012-12-27 | 株式会社リケン | ピストンリング |
| WO2012176846A1 (ja) * | 2011-06-24 | 2012-12-27 | 株式会社リケン | ピストンリング |
| US9347559B2 (en) | 2011-06-24 | 2016-05-24 | Kabushiki Kaisha Riken | Piston ring |
| US9371797B2 (en) | 2011-06-24 | 2016-06-21 | Kabushiki Kaisha Riken | Piston ring |
| CN114635115A (zh) * | 2022-03-21 | 2022-06-17 | 山东大学 | 一种与润滑油摩擦改性添加剂强协同作用的减摩耐磨涂层 |
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