JPH11189860A - 摺動部材 - Google Patents

摺動部材

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JPH11189860A
JPH11189860A JP9366438A JP36643897A JPH11189860A JP H11189860 A JPH11189860 A JP H11189860A JP 9366438 A JP9366438 A JP 9366438A JP 36643897 A JP36643897 A JP 36643897A JP H11189860 A JPH11189860 A JP H11189860A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＣｒＮ系のＰＶＤ皮膜の耐剥離性、耐クラッ
ク性を改善し、耐久性に優れた摺動部材を提供する。 【解決手段】 ピストンリング１の全表面にガス窒化層
２を形成し、外周面のガス窒化層２上にＣｒＮ系のＰＶ
Ｄ皮膜３を被覆する。ＰＶＤ皮膜３はＣｒＮの結晶中に
０．５〜２０重量％の酸素を固溶しており、空孔が１〜
１５％分散しており、ＣｒＮの結晶は被覆面に平行に
（２００）の優先方位を有する。ＰＶＤ皮膜３の硬度は
ＨＶ１０００〜１８００の範囲にある。ピストンリング
１の外周面に被覆する耐摩耗性皮膜４例えば窒化クロム
系のＰＶＤ皮膜（ＣｒＮ系やＣｒ2 Ｎ系のＰＶＤ皮膜）
の下地皮膜として前記ＣｒＮ系のＰＶＤ皮膜３を被覆す
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＣｒＮ系のＰＶＤ
皮膜を被覆した摺動部材（例えば内燃機関用のピストン
リングあるいは回転圧縮機のベーン）に関する。
【０００２】
【従来の技術】摺動部材に被覆するＣｒＮ系のＰＶＤ皮
膜の改良について以下の技術がある。 １．特開平６−２４８４２５号 空孔率が１．５〜２０％であるＣｒＮからなり、厚さが
１〜８０μｍの皮膜を、ピストンリングの外周面に形成
して、ピッチング疲労に起因する皮膜剥離を抑制する。
この皮膜は、次の特徴を有している。 ・皮膜の厚さ方向に成長した柱状結晶組織を有する。 ・外周面に平行な（１１１）優先方位を有する。 ・イオンプレーティング法により、被覆する。 ・硬度がＨＶ６００〜１０００である。 なお、（１１１）優先方位に関しては、特開平６−２９
３９５４号も重要な要件であることを記載している。 ２．特開平６−２６５０２３号 ＣｒＮの結晶構造中に３〜２０重量％の酸素を固溶させ
て、耐焼き付き性と靱性を改良する。皮膜はＨＶ１６０
０〜２２００の硬度を有する。
【０００３】上記先行技術には、被覆面に平行に（２０
０）優先方位を有するＣｒＮ系のＰＶＤ皮膜が耐クラッ
ク性に優れていることの記載は無く、（２００）優先方
位と指定の空孔率を備えた皮膜が耐クラック性に優れて
いることについての示唆は全くない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、より
過酷な条件で使用できるよう、ＣｒＮ系のＰＶＤ皮膜の
耐クラック性、耐剥離性を改善し、耐久性に優れた摺動
部材を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、ＣｒＮ系のＰ
ＶＤ皮膜が被覆された摺動部材において、前記ＣｒＮの
結晶中に０．５〜２０重量％の酸素が固溶されており、
前記皮膜中に空孔が１〜１５％分散しており、前記Ｃｒ
Ｎの結晶が被覆面に平行に（２００）の優先方位を持つ
ことを特徴とする。
【０００６】前記ＰＶＤ皮膜の硬度はＨＶ１０００以
上、ＨＶ１８００以下が好ましく、ＨＶ１６００以下が
より望ましい。ＨＶ１０００未満では耐摩耗性が低下
し、ＨＶ１８００を越えると相手攻撃性が増す不都合を
生じる。
【０００７】空孔率は硬度およびクラック発生荷重に影
響する。空孔率が１％未満であるとクラック抑制の効果
が無く、１５％を越えると硬度低下や耐摩耗性が低下す
る不都合がある。空孔率が３〜１５％で、皮膜硬度がＨ
Ｖ１０００〜１６００の範囲にあるのがより望ましい。
【０００８】酸素の固溶量は、耐焼き付き性および皮膜
の靱性に影響する。酸素固溶量が０．５重量％を下回る
と耐焼き付き性および皮膜の靱性の改善効果が得られ
ず、２０重量％を越えるとクロム酸化物が析出して皮膜
の靱性が低下する。より望ましい範囲は２〜１５重量％
である。
【０００９】ＣｒＮの結晶は（２００）の優先方位を持
つのがよく、ＣｒＮの結晶が（１１１）、（３１１）、
（２２０）の優先方位を持つ皮膜は（２００）の優先方
位を持つ皮膜に比較して脆弱である。
【００１０】前記ＰＶＤ皮膜は例えば摺動面に被覆さ
れ、その厚さは１〜１２０μｍの範囲にあるのが好まし
い。
【００１１】前記ＰＶＤ皮膜は摺動部材の最表面に形成
する他、前記ＰＶＤ皮膜を、摺動面に被覆される耐摩耗
性皮膜例えば窒化クロム系のＰＶＤ皮膜（ＣｒＮ系やＣ
ｒ2Ｎ系のＰＶＤ皮膜）の下に被覆することにより、耐
剥離性を改善することができる。
【００１２】なお、本発明のＣｒＮ系のＰＶＤ皮膜は、
本発明の効果を損なわない範囲内であれば、ＰＶＤ過程
で不可避的に形成されるマイクロバーティクルによるＣ
ｒ相やＣｒ2 Ｎ相が混入した皮膜も含むものとする。
【００１３】前記摺動部材としては、例えばピストンリ
ング等の内燃機関構成部品や回転圧縮機のベーン等があ
る。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図１に
より説明する。
【００１５】図１（ａ）において、ピストンリング１の
全表面にガス窒化層２が２０〜９０μｍの厚さで形成さ
れており、外周面のガス窒化層２上にＣｒＮ系のＰＶＤ
皮膜３が１〜１２０μｍの厚さで被覆されている。Ｃｒ
Ｎ系のＰＶＤ皮膜３は、ＣｒＮの結晶中に０．５〜２０
重量％の酸素が固溶されており、皮膜中に空孔が１〜１
５％分散しており、ＣｒＮの結晶が被覆面に平行に（２
００）の優先方位を有しており、硬度はＨＶ１０００〜
１８００の範囲にある。
【００１６】図１（ｂ）は別の例を示しており、耐摩耗
性皮膜の耐剥離性を改善するために耐摩耗性皮膜の下に
上記ＣｒＮ系のＰＶＤ皮膜を被覆する。すなわち、ピス
トンリング１の全表面にガス窒化層２が２０〜９０μｍ
の厚さで形成されており、外周面のガス窒化層２上に前
記ＣｒＮ系のＰＶＤ皮膜３が１〜５０μｍの厚さで被覆
されており、更にその上に、耐摩耗性皮膜４例えば窒化
クロム系のＰＶＤ皮膜（ＣｒＮ系やＣｒ2 Ｎ系のＰＶＤ
皮膜）が１〜９０μｍの厚さで被覆されている。
【００１７】上記酸素を固溶したＣｒＮ系のＰＶＤ皮膜
は、金属Ｃｒを蒸発源とし、窒素ガスと酸素ガスをプロ
セスガスとするイオンプレーティング法によって被覆す
ることができる。ＰＶＤ皮膜中に空孔を分布させるに
は、バイアス電圧を小さくし、プロセスガス圧力を大き
くすることで可能である。ＰＶＤ法により析出するＣｒ
Ｎ結晶の優先方位は、一般的に、バイアス電圧、プロセ
スガス等の要因によって複雑に変化するといわれてい
る。本発明者がアークイオンプレーティング装置を使用
して試験したところ、優先方位は、バイアス電圧とプロ
セスガス中の酸素分圧比によってコントロールするのが
最も容易であった。表１は、種々の条件において析出す
るＣｒＮ結晶の優先方位を示したものである。
【００１８】 （注）全圧は１．３３Ｐａで一定。
【００１９】以下、アークイオンプレーティング装置を
使用して作製した種々のＣｒＮ系のＰＶＤ皮膜の特性
と、ファンデアホルスト摩擦試験機によってクラックの
発生荷重を測定した結果を説明する。
【００２０】皮膜の結晶組織および優先方位は、Ｘ線デ
ィフラクトメータによる回折図形で決定した。また、空
孔率は、表面をラッピング後、画像解析装置を用いて測
定した。酸素量の分析は、Ｘ線マイクロアナライザで行
った。
【００２１】測定した皮膜の結晶組織、酸素固溶量、空
孔率、優先方位および皮膜硬度の特性と、クラック発生
荷重を一括して表２に示す。
【００２２】クラック発生荷重の測定で使用したファン
デアホルスト摩擦試験機を図２により説明する。試験片
１０であるピストンリングが水平軸を中心に回転するロ
ータ１１の外周面１２の上端に配設され、試験片１０で
あるピストンリングに荷重Ｐが作用されてロータ１１の
外周面１２上に押接される。この状態で、試験片１０で
あるピストンリングとロータ１１の接触部分に潤滑油を
供給しながらロータ１１を回転させる。種々の荷重で所
定時間運転したとき、摺動面にクラックが発生している
かどうかを顕微鏡で観察した。
【００２３】試験条件は次の通りである。 試験片（ピストンリング） 材質 ：１７Ｃｒマルテンサイト鋼 下地処理：窒化処理 皮膜厚さ：５０μｍ 表面粗さ：０．６μｍＲｚ ロータ 材質 ：鋳鉄（ＦＣ２５０相当） 表面 ：鏡面仕上げ 潤滑油 ：日石ハイディーゼルＳ３ １０Ｗ エンジンオイル 荷重 ：３０〜１５０Ｎの範囲 最初は３０Ｎで１分間行い、クラックの発生が無い場合、更 に荷重を１０Ｎ増加し、クラックが発生するまで、または荷 重が１５０Ｎまで試験を続行。 時間 ：各荷重で１分 速度 ：３ｍ／ｓ 温度 ：室温
【００２４】試験結果は表２に示されている通りであ
る。表中の比較例１，２は、それぞれ従来技術の項で説
明した、特開平６−２４８４２５号、特開平６−２６５
０２３号の皮膜である。比較例３は比較例２の皮膜を更
に改善したものであり、ＣｒＮ結晶中に酸素が固溶した
ＰＶＤ皮膜の酸素固溶量を母材側から表面側に向かって
増加させている。これらのクラック発生荷重は１２０Ｎ
以下である。比較例４，５，６は酸素固溶量が指定範囲
を外れたものであり、クラック発生荷重は５０Ｎ以下で
ある。比較例７，８は空孔率が指定範囲を外れたもので
あり、クラック発生荷重は１００Ｎである。比較例９は
優先方位が（２００）以外のものであり、クラック発生
荷重は１００Ｎである。
【００２５】これに対して、実施例１，２，３，４，
５，６はクラック発生荷重が１３０Ｎ以上であり、特
に、実施例１，２，３はクラック発生荷重が１５０Ｎよ
り大きい結果を示している。
【００２６】 （注）欄中の→記号は、硬度および酸素固溶量が母材側から表面側に向かって 変化していることを示している。
【００２７】次に、エンジン実験を行った結果を説明す
る。
【００２８】前記試験で使用した比較例の中で最もクラ
ック発生荷重が高かった比較例３の皮膜と、実施例１，
２，３の皮膜とを、トップリングの外周面に被覆して、
エンジン実験を行った。エンジンはボア径９４ｍｍ、４
気筒、４ストロークのディーゼルエンジンを使用した。
このエンジンを全負荷の条件で３００時間運転した後、
トップリングの外周面を観察した。その結果を表３に示
す。表３に示されているように、実施例１〜３はクラッ
クおよび剥離がない。
【００２９】
【００３０】
【発明の効果】以上説明したように本発明のＣｒＮ系の
ＰＶＤ皮膜を被覆した摺動部材は、皮膜の耐クラック
性、耐剥離性が優れ、優れた耐久性を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示しており、（ａ）および
（ｂ）はそれぞれピストンリングの一部分を示す縦断面
図である。
【図２】ファンデアホルスト摩擦試験機の構成を示して
おり、（ａ）は一部断面正面図、（ｂ）は側面図であ
る。
【符号の説明】
１ ピストンリング ２ ガス窒化層 ３ ＣｒＮ系のＰＶＤ皮膜 ４ 耐摩耗性皮膜 １０ 試験片 １１ ロータ １２ 外周面

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ＣｒＮ系のＰＶＤ皮膜が被覆された摺動
    部材において、前記ＣｒＮの結晶中に０．５〜２０重量
    ％の酸素が固溶されており、前記皮膜中に空孔が１〜１
    ５％分散しており、前記ＣｒＮの結晶が被覆面に平行に
    （２００）の優先方位を持つことを特徴とする摺動部
    材。
  2. 【請求項２】 前記ＰＶＤ皮膜の硬度がＨＶ１０００〜
    １８００の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の
    摺動部材。
  3. 【請求項３】 前記ＰＶＤ皮膜の硬度がＨＶ１０００〜
    １６００の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の
    摺動部材。
  4. 【請求項４】 前記ＰＶＤ皮膜が摺動面に被覆されてい
    ることを特徴とする請求項１，２または３記載の摺動部
    材。
  5. 【請求項５】 前記ＰＶＤ皮膜の厚さが１〜１２０μｍ
    の範囲にあることを特徴とする請求項４記載の摺動部
    材。
  6. 【請求項６】 前記ＰＶＤ皮膜が摺動面に被覆されてい
    る耐摩耗性皮膜の下に被覆されていることを特徴とする
    請求項１，２または３記載の摺動部材。
  7. 【請求項７】 前記耐摩耗性皮膜がＰＶＤ皮膜であるこ
    とを特徴とする請求項６記載の摺動部材。
  8. 【請求項８】 前記耐摩耗性皮膜が窒化クロム系のＰＶ
    Ｄ皮膜であることを特徴とする請求項６記載の摺動部
    材。
  9. 【請求項９】 前記摺動部材がピストンリングであるこ
    とを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の摺動部
    材。
  10. 【請求項１０】 前記摺動部材がピストンリングである
    ことを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の摺動
    部材。
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