KR100444566B1

KR100444566B1 - 미끄럼 부재

Info

Publication number: KR100444566B1
Application number: KR10-2001-7013953A
Authority: KR
Inventors: 다카무라히로유키; 오미야다카오; 오노다모토노부
Original assignee: 닛폰 피스톤 린구 가부시키가이샤
Priority date: 1999-12-27
Filing date: 2000-12-26
Publication date: 2004-08-16
Also published as: US20020197504A1; KR20020013531A; EP1253220A1; EP1253220A4; WO2001048267A1

Abstract

미끄럼면의 마모가 진행되어도 표면의 오목부가 소멸되지 않아 내(耐)시저(seizure)성을 양호하게 유지하는 것이 가능하며, 또한 종래의 다공질(多孔質) 크롬 도금층이 형성된 미끄럼 부재보다도 내스커피성, 내마모성 및 강도의 각 특성이 양호한 미끄럼 부재를 제공한다. 본 발명은 미끄럼면에 복수의 경질(硬質) Cr 도금층이 적층된 적층 경질 Cr 도금층을 가지며, 각 경질 Cr 도금층 표면에는 미소(微小) 균열이 형성되고, 각 경질 Cr 도금층의 미소 균열은 성막(成膜) 방향으로 독립된 미소한 공동(空洞)을 형성하는 미끄럼 부재에 있어서, 상기 적층 경질 Cr 도금층의 단면에서의 공극률(空隙率)을 0.5~4.5%로 했다.

Description

미끄럼 부재 {SLIDING MEMBER}

최근, 내연 기관의 경량화와 고출력화에 따라, 피스톤 링 등의 미끄럼 부재에 요구되는 품질이 고도화 되고 있다. 종래, 내연 기관용 피스톤 링 등의 미끄럼 부재에는, 그 내구성을 개선하는 수단으로서 미끄럼면에 경질 Cr 도금 처리나 질화(窒化) 처리 등의 내(耐)마모성 표면 처리가 실시되고 있다. 이들의 표면 처리 중 특히 질화 처리는 우수한 내마모 특성을 나타내기 때문에, 가혹한 운전 조건 하에서 사용되는 피스톤 링 등 미끄럼 부재의 표면 처리로서 주목되며, 널리 실용에 기여하고 있다.

그러나, 그러한 질화 처리는 내마모 특성이 우수한 반면, 내(耐)시저(seizure)성(내스카핑(scarfing)성)에 관해서는 반드시 충분하다고 할 수 없어, 가혹한 운전 조건에서의 사용에 있어서 이상 마모를 발생시키는 일이 있어, 개선이 요망되고 있었다. 또, 종래의 경질 크롬 도금층(이하, 경질 Cr 도금층으로 하는 경우가 있음)은 질화 처리와 비교하여 다소 내시저성(내스카핑성)이 양호하지만, 내마모성에 있어서는 충분하다고는 할 수 없어, 가혹한 운전 조건에서의 사용에 있어서 개선이 요망되고 있었다.

이러한 점에 대해서는, 종래의 경질 Cr 도금층에 윤활유받이 통으로서 기능하는 미세한 오목부를 표면에 형성한 다공질(多孔質) 크롬 도금이 내시저성과 내마모성을 개선하기 위해 검토되어 일부 실용화되고 있다.

그러나, 종래의 다공질 크롬 도금은 표면에만 오목부가 존재하고, 미끄럼 특성 개선에 효과적인 오목부는 도금층 내부에는 존재하고 있지 않다. 따라서, 연삭(硏削) 가공 등을 가하거나 미끄럼면이 마모되어 가면, 도금층 표면의 오목부가 존재하지 않는 솔리드 부분(solid portion)이 나타나, 내시저성이나 내마모성이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 미끄럼면에 복수의 경질(硬質) Cr 도금층이 적층된 미끄럼 부재에 관한 것이다. 특히, 내연 기관용 피스톤 링에 바람직하게 적용되는 미끄럼 부재에 관한 것이다.

도 1은 각 경질 Cr 도금층의 표면에 형성된 미소 균열의 일례를 나타내는 표면 사진이다.

도 2는 Rz 3㎛인 모재 표면에 적층된 경질 Cr 도금층의 적층 상태의 일례를 나타내는 단면 사진이다.

도 3은 Rz 20㎛인 모재 표면에 적층된 경질 Cr 도금층의 적층 상태의 일례를 나타내는 단면 사진이다.

도 4는 NPR식 충격 시험 장치(일본국 특공소 36(1961)-19046호 공보 기재의 도금 밀착도의 정량적(定量的) 시험 장치)의 개량 시험기를 나타내는 개략 설명도이다.

본 발명은 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것이며, 연삭 가공 등을 가하거나 미끄럼면의 마모가 진행되어도 표면의 오목부가 소멸되지 않아, 내시저성과 내마모성을 양호하게 유지하는 것이 가능하고, 또한 종래의 다공질 크롬 도금층이 형성된 미끄럼 부재보다도 내시저성, 내마모성 및 강도의 각 특성이 양호한 미끄럼 부재를 제공하는 것을 주목적으로 하는 것이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 청구의 범위 제1항에 기재하는 것과 같이, 미끄럼면에 복수의 경질 Cr 도금층이 적층된 적층 경질 Cr 도금층을 가지며, 각 경질 Cr 도금층의 표면에는 미소(微小) 균열이 형성되고, 또한 각 경질 Cr 도금층의 미소 균열은 성막(成膜) 방향(복수의 Cr 도금층이 적층되어 Cr 도금막이 형성되는 방향, 즉 도금막의 표면으로부터 볼 때는 깊이방향, 도금막의 수직단면으로부터 볼 때는 상하방향)으로 독립된 미소한 공동(空洞)을 형성하는 미끄럼 부재에 있어서, 상기 적층 경질 Cr 도금층의 단면(斷面)에서의 공극률(空隙率)이 0.5~4.5%인 것을 특징으로 하는 미끄럼 부재를 제공한다.

본 발명에서는, 이와 같이 표면에 미소 균열이 형성된 복수의 경질 Cr 도금층이 적층되고, 또한 각 층 내의 미소 균열은 성막 방향으로 독립된 미소한 공동을 형성하고 있으므로, 마모가 진행되어 미소 균열이 소실되어도 곧 표면에 다른 미소 균열이 나타난다. 따라서, 연삭 가공 등을 가하거나 장기간 사용해도 표면에는 항상 윤활유받이 통으로서 기능하는 미소 균열이 존재하고 있으므로, 내시저성과 내마모성에 문제가 발생하는 일이 없다. 또, 이 적층 경질 Cr 도금층의 단면에서의 공극률이 0.5~4.5%이므로, 내시저성, 내마모성 및 강도의 각 특성을 만족시키는 미끄럼 부재로 할 수 있다.

상기 청구의 범위 제1항 기재의 미끄럼 부재에 있어서는, 청구의 범위 제2항에 기재하는 것과 같이, 상기 경질 Cr 도금층의 표면에서의 공극률이 0.5~30%이며, 또한 상기 표면의 미소 균열의 수가 50~1200개/10mm의 범위 내인 것이 바람직하다.

이 발명에 의하면, 공극률 및 미소 균열의 수를 상기 범위 내로 함으로써, 전술한 단면에서의 공극률과 마찬가지로, 내시저성, 내마모성 및 강도의 각 특성을 만족시키는 적층 경질 Cr 도금층으로 할 수 있다. 또, 다수의 미소 균열이 경질 크롬 도금층의 표면에 형성되어 있으므로, 내시저성과 내마모성의 문제가 발생하지 않는다.

상기 청구의 범위 제1항 또는 제2항 기재의 미끄럼 부재에 있어서는, 청구의 범위 제3항에 기재하는 것과 같이, 상기 경질 크롬 도금층의 1층당 막 두께가0.1~60㎛의 범위 내인 것이 바람직하다.

이 발명에서, 0.1㎛보다 얇은 경우에는, 필요한 두께의 적층 경질 Cr 도금층을 얻기 위해, 다수의 경질 Cr 도금층을 적층시킬 필요가 있어, 코스트면에 문제가 발생할 가능성이 있다. 또, 60㎛보다 두꺼운 막 두께의 경우에는, 미소 균열이 마모에 의해 소실된 후 다음 층의 미소 균열이 나타날 때까지의 두께가 너무 두껍게 되어 버리기 때문에, 그동안에 내시저성이나 내마모성의 문제가 발생할 가능성이 있다.

또, 본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 청구의 범위 제4항에 기재하는 것과 같이, 미끄럼면에 복수의 경질 Cr 도금층이 적층된 적층 경질 Cr 도금층을 가지며, 각 경질 Cr 도금층의 표면에는 미소 균열이 형성되고, 또한 각 경질 Cr 도금층의 미소 균열은 성막 방향으로 독립된 미소한 공동을 형성하는 미끄럼 부재에 있어서, 상기 적층 경질 Cr 도금층의 표면에서의 공극률이 0.5~5.0%이며, 또한 상기 표면의 미소 균열의 수가 50~1200개/10mm의 범위 내인 것을 특징으로 하는 미끄럼 부재를 제공한다.

본 발명에서는, 이와 같이 표면에 미소 균열이 형성된 복수의 경질 Cr 도금층이 적층되고, 또한 각층 내의 미소 균열은 성막 방향으로 독립된 미소한 공동을 형성하고 있으므로, 마모가 진행되어 미소 균열이 소실되어도, 곧 표면에 다른 미소 균열이 나타난다. 따라서, 연삭 가공 등을 가하거나 장기간 사용해도 표면에는 항상 윤활유받이 통으로서 기능하는 미소 균열이 존재하고 있으므로, 내시저성과 내마모성에 문제가 발생하는 일이 없다. 또, 각 경질 Cr 도금층 표면의 미소 균열에 따른 표면의 공극률이 0.5~5.0%이며, 또한 상기 미소 균열의 수가 50~1200개/10mm의 범위 내이기 때문에 본 발명에서의 경질 Cr 도금층 표면의 균열은 미소 균열이 다수 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 이와 같이 다수의 미소 균열이 경질 Cr 도금층의 표면에 형성되어 있으므로, 미소 균열에 따른 표면의 공극률이 0.5~5.0%로 비교적 낮은 비율임에도 불구하고, 내시저성과 내마모성에 문제가 발생하지 않는다. 또, 표면에서의 공극률이 이와 같이 낮은 비율이고, 또한 균열이 미소하기 때문에 내박리성 등의 경질 Cr 도금층의 강도에 관한 특성이 비약적으로 향상된다. 이러한 특징을 가지는 본 발명은 자동차용의 피스톤 링 등과 같이, 적층 경질 Cr 도금층 전체의 두께가 비교적 얇은 두께로 되는 용도의 경우에 특히 바람직하게 적용된다.

본 발명에서는 청구의 범위 제5항에 기재하는 것과 같이, 청구의 범위 제4항에 기재된 미끄럼 부재에 있어서, 상기 경질 크롬 도금층의 1층당 막 두께가 0.1~60㎛의 범위 내인 것이 바람직하다.

이 발명에서 0.1㎛보다 얇은 경우에는, 필요한 두께의 적층 경질 Cr 도금층을 얻기 위해, 다수의 경질 Cr 도금층을 적층시킬 필요가 있어, 코스트적으로 문제가 발생할 가능성이 있다. 또, 60㎛보다 두꺼운 막 두께인 경우에는, 미소 균열이 마모에 의해 소실된 후 다음 층의 미소 균열이 나타날 때까지의 두께가 너무 두꺼워 지기 때문에, 그 동안에 내시저성이나 내마모성의 문제가 발생할 가능성이 있다.

이하, 본 발명의 미끄럼 부재에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 미끄럼 부재에서의 제1 특징은 미끄럼면에 복수의 경질 Cr 도금층이 적층된 적층 경질 Cr 도금층을 가지며, 각 경질 Cr 도금층의 표면에는 미소 균열이 형성되고, 각 경질 Cr 도금층의 미소 균열은 성막 방향으로 독립된 미소한 공동을 가지는 점에 있다.

본 발명의 미끄럼 부재는 제1도에 나타내는 것과 같이, 표면에 미소 균열을 가지는 경질 Cr 도금층을 적층하여 이루어지는 것이다. 따라서, 예를 들면 경질 Cr 도금층을 1층만 미끄럼면에 가지는 미끄럼 부재인 경우에는, 마모에 의해 단기간에 미소 균열의 대부분이 소실되어 버리므로, 내시저성이나 내마모성이 저하되어 버린다고 하는 문제가 발생하게 된다. 그러나, 본 발명에서는 이와 같은 미소 균열의표면에 가진 복수의 경질 Cr 도금층을 적층함으로써, 표면의 미소 균열 부분이 마모나 가공에 의해 소실되어도 다음 층의 표면에서의 미소 균열(성막 방향으로 독립된 미소한 공동을 구성하는 것)이 나타나도록 하여, 장기간에 걸쳐 양호한 내시저성과 내마모성을 유지할 수 있다고 하는 효과를 가진다.

본 발명에서는 이 경질 Cr 도금층의 1층당 막 두께는 0.1~60㎛의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 이 경우에 있어서, 자동차용의 피스톤 링 등과 같이, 적층 경질 Cr 도금층 전체의 두께가 비교적 얇은 두께로 되는 용도인 경우에는, 경질 Cr 도금층의 1층당 막 두께를 0.1~15㎛의 범위 내로 하는 것이 바람직하고, 2~15㎛의 범위 내로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또, 선박용 피스톤 링 등과 같이, 적층 경질 Cr 도금층 전체의 두께가 비교적 두꺼운 두께로 되는 용도인 경우에는, 경질 Cr 도금층의 1층당 막 두께를 15~60㎛의 범위 내로 하는 것이 바람직하고, 15~40㎛의 범위 내로 하는 것이 보다 바람직하다.

경질 Cr 도금층의 1층당 막 두께가 상기 범위보다 얇은 경우에는, 소정 두께의 적층 경질 Cr 도금층을 형성하는 데 있어서, 다수의 층을 적층할 필요가 있기 때문에, 코스트면에서 문제가 될 가능성이 있는 동시에, 각층이 얇은 경우에는 각층의 강도면에서의 문제가 발생할 가능성이 있기 때문에 바람직하지 않다. 한편, 상기 범위보다 막 두께가 두꺼운 경우에는, 미소 균열의 대부분이 마모의 진행에 의해 소실되고 나서, 다음 층 표면의 미소 균열이 나타날 때까지 시간이 걸리기 때문에, 이 사이에 내시저성의 문제가 발생할 가능성이 있기 때문에 바람직하지 않다.

그리고, 본 발명에서는 모재의 표면 부분이 평면인 것이 바람직하다. 모재 표면에 어느 정도의 미소한 요철이 있고, 그 위에 소정 수의 경질 Cr 도금층이 적층된 후, 랩 다듬질 등에 의해 평활화된 것이라도 된다. 이와 같이 모재 표면에 미소한 요철(凹凸)이 있으면, 각층의 경질 Cr 도금층에도 요철이 발생하여, 마모가 진행되었을 때 미소 균열이 단숨에 소실될 가능성이 적어져, 내시저성을 향상시키는 경우가 있기 때문이다. 또, 도 2 및 도 3에 나타내는 것과 같이, 후술하는 방법으로 적층되는 본 발명에 관한 경질 Cr 도금층은 그 도금 조건에 따라서도 상이하지만, 그 두께 방향의 거의 전역에 미소한 공동이 형성되는 것이 관찰되고 있기 때문에, 미소한 공동이 존재하지 않는 솔리드 부분이 나타나기 어렵다. 그러므로, 모재 표면이 Rz(10점 평균 거칠음) 0.3~20㎛ 범위 내의 요철로 이루어지는 것이라도 바람직하게 적용할 수 있다. 이 경우에 있어서, 자동차용의 피스톤 링 등과 같이, 적층 경질 Cr 도금층 전체의 두께가 비교적 얇은 두께로 되는 용도인 경우에는, 모재 표면의 Rz가 0.3~3.0㎛의 범위 내인 것이 보다 바람직하다. 또, 선박용의 피스톤 링 등과 같이, 적층 경질 Cr 도금층 전체의 두께가 비교적 두꺼운 두께로 되는 용도인 경우에는, 모재 표면의 Rz가 1~20㎛의 범위 내인 것이 보다 바람직하다.

본 발명의 미끄럼 부재에서의 적층 경질 Cr 도금층의 적층수는 필요한 경질 Cr 도금층의 막 두께를 각층의 막 두께로 나눈 수이며, 미끄럼 부재의 사용 상황 등에 의해 적당히 선정되는 것이다. 일반적인 적층수로서는 5층부터 30층 정도이며, 바람직하게는 8~20층 정도이다. 적층수가 상기 범위보다 많은 경우에는, 경질 Cr 도금을 행하는 데 시간과 수고가 들기 때문에, 코스트적으로 문제가 발생할 가능성이 있고, 또 적층수가 상기 범위보다 적은 경우에는, 일반적으로는 각층의 막 두께가 두꺼워지는 것이 예상되기 때문에 전술한 것과 같이 내시저성이 저하된다고 하는 가능성이 있다.

본 발명의 미끄럼 부재에 의한 제2 특징은 적층 경질 Cr 도금층의 단면에서의 공극률이 0.5~4.5%의 범위 내에 있는 점이다.

보통, 미끄럼면에 사용되는 다공질 크롤 도금층에서 그 내시저성이나 내마모성의 문제를 무시한 경우, 내박리성 등의 다공질 크롬 도금층 자체의 강도에 관계되는 특성면에서, 표면에 존재하는 균열 등의 오목부는 적으면 적을수록 양호하다. 특히, 선박용의 미끄럼 부재 등과 같이 사용 조건이 엄격한 경우에는, 특히 강도에 관계되는 특성이 중요하게 된다. 그러나, 내시저성이나 내마모성의 문제를 무시할 수 없는 경우에는, 다공질 크롬 도금층의 미소 균열을 적게 하면 내시저성이나 내마모성이 저하된다고 하는 커다란 문제가 발생한다. 따라서, 이 다공질 크롬 도금층 중의 미소 균열의 수는 강도, 내시저성 및 내마모성의 각 특성을 만족시키기 위한 중요한 인자로 된다. 본 발명은 이 경질 Cr 도금층 중의 미소 균열의 수를 적층 경질 Cr 도금층의 단면에서의 공극률에 의해 평가한 것이며, 적층 경질 Cr 도금층의 단면에서의 공극률이 0.5~4.5%의 범위 내인 경우에, 특히 전술한 강도면의 특성, 내시저성 및 내마모성을 양호하게 유지할 수 있는 것을 발견한 것이다.

이와 같이, 본 발명에서의 적층 경질 Cr 도금층의 단면에서의 공극률은 0.5~4.5%의 범위 내일 필요가 있으며, 단면에서의 공극률이 0.5% 미만인 경우에는 내시저성이나 내마모성이 뒤떨어지고, 단면에서의 공극률이 4.5%를 초과하는 경우에는 강도가 저하되어, 파손이나 균열이 발생하여 버린다.

여기에서, 본 발명에서 말하는 적층 경질 Cr 도금층의 단면에서의 공극률(포러스도(porous degree)라고도 함)이란 단면에 먼저 내수 연마지를 사용한 연마를 #180, #240, #320, #600, #800, #1000의 순서로 행하고, 이어서 입도(粒度) 1㎛ 이하의 알루미나로 버프 연마(buffing)를 20초 행하고, 마지막으로 입도 0.1㎛ 이하의 알루미나로 버프 연마를 7초 행한 후의 단면을 화상 해석 장치에 의해 해석하여 구한 것으로 한다.

이와 같이 정의(定義)한 것은 적층 경질 Cr 도금층의 단면 공극률을 측정할 때, 시료의 연마 조건, 시간 등에 의해 상당히 공극률의 수치가 변화되는 것이 실험적으로 명백하게 되어, 이 연마의 조건을 일정하게 할 필요가 발생했기 때문이다. 본 발명에서의 적층 경질 Cr 도금층의 단면 공극률이란, 모두 상기 정의와 같이 연마한 후의 공극률을 나타내는 것이다.

또한, 본 발명에서는 적층 경질 Cr 도금층 표면에서의 공극률이 0.5~30%의 범위 내이며, 또한 상기 표면에서의 미소 균열의 수가 50~1200개/10mm의 범위 내인 것이 바람직하다.

표면의 공극률이 0.5% 미만에서는 내시저성이나 내마모성이 뒤떨어지고, 표면에서의 공극률이 30%를 초과하는 경우에는 강도가 저하되어 파손이나 균열이 발생하여 버린다. 이 경우에 있어서, 자동차용의 피스톤 링 등과 같이, 적층 경질 Cr 도금층 전체의 두께가 비교적 얇은 두께로 되는 용도인 경우에는, 공극률이 0.5~5.0%의 범위 내인 것이 바람직하고, 2.0~4.5%의 범위 내인 것이 보다 바람직하다. 또, 선박용의 피소톤 링 등과 같이, 적층 경질 Cr 도금층 전체의 두께가 비교적 두꺼운 두께로 되는 용도인 경우에는, 공극률이 5~30%의 범위 내인 것이 바람직하고, 10~20%의 범위 내인 것이 보다 바람직하다. 또, 표면에서의 미소 균열의 수를 상기 범위 내로 함으로써, 다수의 미소 균열이 경질 크롬 도금층 상에 형성되어 있으므로, 내시저성 과 내마모성의 문제가 발생하지 않는다.

그리고, 전술한 경우에 있어서, 형성된 미소 균열의 폭은 표면의 공극률이 0.5~30%이고 미소 균열의 수가 50~1200개/10mm인 경우에 0.42~2.5㎛이며, 표면의 공극률이 0.5~5.0%이고 미소 균열의 수가 50~1200개/10mm인 경우에 0.42~1.0㎛이며, 표면의 공극률이 5.0~30%이고 미소 균열의 수가 50~1200개/10mm인 경우에 1.0~2.5㎛이다.

본 발명의 미끄럼 부재에 있어서, 특히, 자동차용의 피스톤 링 등과 같이, 적층 경질 Cr 도금층 전체의 두께가 비교적 얇은 두께로 되는 용도에 적용되는 미끄럼 부재에 있어서는, 전술한 것과 같이, 단면에서의 공극률을 명확히 특정하지 않아도, 표면의 미소 균열에 따른 표면의 공극률(표면 면적 비율이라고도 함)과 미소 균열의 수를 특정함으로써 본 발명의 목적을 달성하는 것도 가능하다. 즉, 청구의 범위 제4항 기재와 같이, 각 경질 Cr 도금층의 표면에 형성된 미소 균열에 따르는 표면의 공극률이 0.5~5.0%이며, 또한 상기 미소 균열의 수가 50~1200개/10mm의 범위 내로 함으로써 목적을 달성할 수 있다.

전술한 제2 특징의 경우와 동일하게, 보통, 미끄럼면에 사용되는 다공질 크롬 도금층에 있어서, 그 내시저성이나 내마모성의 문제를 무시한 경우, 내박리성등의 다공질 크롬 도금층의 강도에 관계되는 특성면에서, 표면에 존재하는 균열 등의 오목부는 적으면 적을수록 양호하다. 그러나, 내시저성과 내마모성이 매우 중요한 특성이기 때문에, 어느 정도 내박리성 등의 도금층 자체에서의 강도면의 저하를 허용해도, 경질 Cr 도금층 표면에, 예를 들면, 역전류(逆電流) 처리 등에 의해 크랙을 형성하고, 소정의 공극률(표면 면적 비율)이 되는 오목부를 형성하고 있는 것이다.

청구의 범위 제4항 기재의 발명에 있어서는, 이와 같은 표면의 오목부를 미소 균열로 함으로써, 보통보다 적은 오목부에 따른 공극률이라도, 내시저성과 내마모성에 문제가 발생하지 않는다고 하는 새로운 식견을 발견한 것이며, 내시저성과 내마모성을 저하시키지 않고, 내박리성 등 도금층 자체의 강도를 향상시키도록 한 것에 큰 특징을 가지는 것이다.

이와 같은 미소 균열로서는, 전술한 것과 같이, 각 경질 Cr 도금층 표면의 미소 균열에 따르는 표면의 공극률이 0.5~5.0%인 경우에 미소 균열의 수가 50~1200개/10mm로 되는 균열이며, 더욱 바람직한 범위로서는 그 공극률이 2.0~4.5%인 경우에 미소 균열의 수가 150~800개/10mm의 범위 내이다. 그리고, 이 경우에 있어서, 형성된 미소 균열의 폭은 표면의 공극률이 0.5~5.0%이고 미소 균열의 수가 50~1200개/10mm인 경우에 0.42~1.0㎛이다.

이상 설명한 본 발명의 미끄럼 부재는 모재 상에 Cr 도금욕을 사용하고, 경질 Cr 도금 공정과 역전류 처리 등의 에칭 공정을 소정 회수 반복하여 행하고, 경질 Cr 도금층을 적층함으로써 제조된다. 이와 같이, 경질 Cr 도금층 상에 다시 경질 Cr 도금층을 형성하면, 도금층 사이에 우수한 밀착성을 얻을 수 있다. 본 발명에 나타나는 단면 내지 표면에서의 공극률을 가지는 경질 Cr 도금층은 이 도금 공정의 조건 및 역전류 처리 등의 에칭 공정 조건을 조정함으로써 얻어진다.

그리고, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시 형태는 예시이며, 본 발명의 특허 청구의 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 가지고, 동일한 작용 효과를 나타내는 것은 어떠한 것이라도 본 발명의 기술적 범위에 표함된다.

실시예

이하, 실시예 및 비교예를 나타내고, 본 발명을 구체적으로 설명한다.

(실시예 1)

크롬 도금욕으로서는, 60℃의 일정 온도로 유지된 규불화욕(珪弗化浴)(CrO₃: 250g/L, H₂SO₄: 1.5g/L, NaSiF₆: 5g/L)을 사용했다. 먼저, 맨처음 모재 표면의 활성화 처리로서, 전류 밀도 60A/dm²로 역전류 처리를 30초간 행하고(역전류 처리 1), 이어서 전류 밀도 60A/dm²로 포지티브 전류 처리를 17분간 행하였다(포지티브 전류 처리 1). 다음에, 전류 밀도 60A/dm²로 역전류 처리를 60초간 행하였다(역전류 처리 2). 미리 설정된 필요한 도금 두께로 되도록 포지티브 처리 1과 역전류 처리 2를 17회 반복해서 행하여, 본 발명의 미끄럼 부재에 사용하는 적층된 경질 Cr 도금층을 형성했다.

얻어진 적층 경질 Cr 도금층은 1층당 약 10㎛, 적층 경질 Cr 도금층으로서의 두께는 약 170㎛였다. 표면의 미소 균열에 따르는 표면의 공극률은 약 3.0%이며, 미소 균열의 수는 약 600개/10mm였다. 그리고, 이 때 단면의 공극률을 측정한 바 약 3.0%였다.

(실시예 2)

크롬 도금욕으로서는, 65℃의 일정 온도로 유지된 규불화욕(CrO₃: 259g/L, H₂SO₄: 1.5g/L, NaSiF₆: 1g/L)을 사용했다. 먼저, 맨처음 모재 표면의 활성화 처리로서, 전류 밀도 60A/dm²로 역전류 처리를 30초간 행하고(역전류 처리 1), 이어서 전류 밀도 60A/dm²로 포지티브 전류 처리를 18분간 행하였다(포지티브 전류 처리 1). 다음에, 전류 밀도 60A/dm²로 역전류 처리를 60초간 행하였다(역전류 처리 2). 미리 설정된 필요한 도금 두께로 되도록 포지티브 전류 처리 1과 역전류 처리 2를 17회 반복해서 행하여, 본 발명의 미끄럼 부재에 사용하는 적층된 경질 Cr 도금층을 형성했다.

얻어진 적층 경질 Cr 도금층은 1층당 약 10㎛, 적층 경질 Cr 도금층으로서의 두께는 약 170㎛였다. 표면의 미소 균열에 따르는 표면의 공극률은 약 0.5%이며, 미소 균열의 수는 약 50개/10mm였다. 그리고, 이 때, 단면의 공극률을 측정한 바 약 0.55였다.

(실시예 3)

크롬 도금욕으로서는, 50℃의 일정 온도로 유지된 규불화욕(CrO₃: 250g/L, H₂SO₄: 1.5g/L, NaSiF₆: 8g/L)을 사용했다. 먼저, 맨처음 모재 표면의 활성화 처리로서, 전류 밀도 60A/dm²로 역전류 처리를 30초간 행하고(역전류 처리 1), 이어서 전류 밀도 60A/dm²로 포지티브 전류 처리를 16분간 행하였다(포지티브 전류 처리 1). 다음에, 전류 밀도 60A/dm²로 역전류 처리를 60초간 행하였다(역전류 처리 2). 미리 설정된 필요한 도금 두께로 되도록 포지티브 전류 처리 1과 역전류 처리 2를 17회 반복해서 행하여, 본 발명의 미끄럼 부재에 사용하는 적층된 경질 Cr 도금층을 형성했다.

얻어진 적층 경질 Cr 도금층은 1층당 약 10㎛, 적층 경질 Cr 도금층으로서의 두께는 약 170㎛였다. 표면의 미소 균열에 따르는 표면의 공극률은 약 4.5%이며, 미소 균열의 수는 약 1200개/10mm였다. 그리고, 이 때, 단면의 공극률은 측정한 바 약 4.5%였다.

(실시예 4)

크롬 도금욕으로서는, 56℃~58℃로 유지된 도금욕(CrO₃: 256.7g/L, 3가(價) 크롬 : 3.47g/L, H₂SO₄: 3.00g/L, 철 : 9.20g/L)을 사용했다. 먼저, 맨처음 전류 밀도 30A/dm²로 포지티브 전류 처리를 110분간 행하였다( 포지티브 전류 처리 1). 다음에, 전류 밀도 30A/dm²로 역전류 처리를 3분간 행하였다(역전류 처리 1). 이어서, 동일하게 전류 밀도 30A/dm²로 포지티브 전류 처리를 80분간 행하고(포지티 전류 처리 2), 또한 다음에 전류 밀도 30A/dm²로 역전류 처리를 3분간 행하였다(역전류 처리 1), 미리 설정된 필요한 도금 두께로 되도록 이 포지티브 전류 처리 2와 역전류 처리 1을 다시 11회 반복해서 행하여, 미끄럼 부재에 적층된 경질 Cr 도금층을 가지는 미끄럼 부재를 형성했다.

얻어진 적층 경질 Cr 도금층은 제1층이 약 50㎛이며, 제2층 이후가 1층당 약 30㎛였다. 결과로서 얻어진 적층 경질 Cr 도금층으로서의 두께는 약 410㎛였다. 이 적층 경질 Cr 도금층의 단면을 전술한 방법에 의해 연마하여 단면의 공극률을 측정한 바 2.1%였다. 그리고, 이 때, 표면의 공극률을 측정한 바 약 15%였다.

(비교예 1)

크롬 도금욕으로서는, 55℃의 일정 온도로 유지된 규불화욕(CrO₃: 250g/L, H₂SO₄: 2.5g/L, NaSiF₆: 8g/L)을 사용했다. 먼저, 맨처음 피(被)도금재를 양극, 주석-납합금으로 이루어지는 대극(對極)을 음극으로하고, 60A/dm²에 상당하는 선택적 일정 전류를 전류 제어 전원 장치로부터 1분간 인가(印加)하여, 피도금재 표면을 전해 용출함으로써 전해 연마했다. 그 후, 음양극을 급속 반전시키고, 60A/dm²의 선택적 일정 전류를 전류 제어 전원 장치에 의해 소정 두께의 경질 Cr 도금층을 석출(析出)시킬 때까지 인가했다.

이렇게 하여, 연속적으로 성막된 종래의 단층 크롬 도금층을 얻었다.

(비교예 2)

크롬 도금욕으로서는, 55℃의 일정 온도로 유지된 규불화욕(CrO₃: 250g/L, H₂SO₄: 2.5g/L, NaSiF₆: 8g/L)을 사용했다. 먼저, 맨처음 피도금재를 양극, 주석-납합금으로 이루어지는 대극을 음극으로하고, 60A/dm²의 선택적 일정 전류를 전류 제어 전원 장치로부터 1분간 인가하여, 피도금재 표면을 전해 용출함으로써 전해 연마했다. 그 후, 음양극을 급속 반전시키고, 60A/dm²에 상당하는 선택적 일정 전류를 전류 제어 전원 장치에 의해 17분간 인가하여, 소정 두께의 경질 Cr 도금층을 1층 석출시켰다. 이어서, 재차 음양극을 급속 반전시키고, 60A/dm²에 상당하는 선택적 일정 전류를 전류 제어 전원 장치에 의해 1분간 인가하여, 석출된 경질 Cr 도금층의 표면을 전해 용출시켰다. 이어서, 소정 두께의 Cr 도금층을 석출시킬 때까지 전술한 석출 공정 및 전해 용출 공정을 연속적으로 반복하고, 최후는 석출 공정으로 종료시켰다.

이렇게 하여, 경질 크롬 도금층이 1층당 10㎛의 층 두께로 구성되고, 또한 연속되는 2층 사이에 그 미소 균열이 연속되지 않고 독립하여 존재하는 다층 구조를 가지는 종래의 크롬 도금층을 얻었다.

(비교예 3)

크롬 도금욕으로서는, 55℃의 일정 온도로 유지된 규불화욕(CrO₃: 250g/L, H₂SO₄: 2.5g/L, NaSiF₆: 8g/L)에 세라믹스 입자(치수 : 0.05~1.0㎛, 현탁 농도 :100g/L)를 가한 도금욕을 사용했다. 도금은 에어레이션(aeration)의 교반을 하면서 행하였다. 먼저, 처음에 피도금재를 양극, 주석-납함금으로 이루어지는 대극을 음극으로하고, 60A/dm²의 선택적 일정 전류를 전류 제어 전원 장치로부터 1분간 인가하여, 피도금재 표면을 전해 용출함으로써 전해 연마했다. 이어서, 음양극을 급속 반전시키고, 60A/dm²에 상당하는 선택적 일정 전류를 전류 제어 전원 장치에 의해 17분간 인가하여, 소정 두께의 경질 Cr 도금층을 1층 석출시켰다. 이어서, 재차 음양극을 급속 반전시키고, 60A/dm²에 상당하는 선택적 일정 전류를 전류 제어 전원 장치에 의해 1분간 인가하여, 석출된 경질 Cr 도금층의 표면을 전해 용출시켰다. 이어서, 소정 두께의 Cr 도금층을 석출시킬 때까지 전술한 석출 공정 및 전해 용출 공정을 연속적으로 반복하고, 최후는 석출 공정으로 종료시켰다.

이렇게 하여, 다층 구조를 가지는 Cr 도금막을 구성하고 있는 Cr 도금층의 각층에서, 그 크롬 도금 미소 균열 중의 공극(空隙)에 세라믹 입자(치수 : 0.05~1.0㎛)를 유지하고 있는 종래의 Cr 도금막을 얻었다.

(시험 방법 및 그 조건)

전술한 것과 같이 하여 얻어진 Cr 도금층을 실시예 1~4 및 비교예 1~3으로 하고, 이에 대하여 마모 시험, 스카프 시험(scarfing test) 및 내박리성 시험을 행하였다. 이들의 시험 조건은 하기와 같다.

1. 마모 시험:

시험기 및 방법; 앰슬러(Amsler)형 마모 시험기를 사용하고, 회전피스(rotary piece)의 거의 절반을 오일에 침지(浸漬)하여, 고정 피스(fixing piece)를 접촉시키고, 하중을 부하(負荷)하여 마모 시험을 행하였다.

상대 재료; FC 25(HRB 98)

윤활유; 터빈유(#100)

오일 온도; 80℃

원주 속도; 1m/sec(478rpm)

하중; 80kg

시간; 7hr

마모량 측정: 조도계(粗度計)에 의한 단차(段差) 프로필로 마모량(㎛)을 측정했다.

2. 스카프 시험

시험기 및 방법; 앰슬러형 마모 시험기를 사용하여, 회전 피스에 오일을 일정량 도포한 후 스카프 발생까지의 하중을 부하시켰다.

상대 재료; FC25(HRB 98)

윤활유: 2호 스핀들유

오일 온도; 되어가는 형편에 맡김

원주 속도 ; 1m/sec(478rpm)

하중 및 시간; 스카프 발생까지 하중을 5kg/min의 비율로 선형 연속적으로 증가시키고, 스카프에 의해 시저 신호 발생 시의 하중을 스카프 하중으로 했다.

3. 내박리성 시험

시험기; NPR식 충역 시험 장치(일본국 특공소 36(1961)-19046호, 도금 밀착도의 정량적 시험 장치)의 개량 시험기(도 4를 참조)를 사용했다.

방법: 피막(皮膜) 표면에 1회당 43.1mJ(44kg/mm)의 충격 에너지를 가해 박리 발생까지의 회수로 평가했다.

박리의 유무; 표면을 15배로 확대하여 관찰하고 평가했다.

(시험 결과)

내마모성은 실시예 1의 시험 피스의 마모량을 1.00으로 했을 때의 다른 시험 피스(실시예 2~4 및 비교예 1~3)의 마모량을 실시예 1의 시험 피스에 대한 마모 지수로서 평가했다. 시험 결과를 표 1에 나타냈다. 표 1 중, 마모 지수가 1.00보다 작을수록 마모량이 적은 것을 나타내고 있다.

내시저성은 실시예 1의 시험 피스의 시저 발생 하중을 1.00으로 했을 때의 다른 시험 피스(실시예 2~4 및 비교예 1~3)의 시저 발생 하중을 실시예 1의 시험 피스에 대한 내시저성 지수로서 비교했다. 결과를 표 1에 나타냈다. 표 1 중, 내시저성 지수가 1.00보다 클수록 시저 발생 하중이 큰 것을 나타내고, 내시저성이 우수한 것이 나타난다.

내박리성은 실시예 1의 시험 피스를 사용한 경우의 박리 발생 회수를 1.00으로 했을 때의 다른 시험 피스(실시예 2~4 및 비교예 1~3)의 박리 발생 회수를 실시예 1의 시험 피스에 대한 내박리성 지수로서 비교했다. 결과를 표 1에 나타냈다. 표 1 중, 내박리성 지수가 1.00보다도 작은 것은 실시예 1의 시험 피스보다도 적은 회수로 박리가 발생한 것이 되므로 내박리성이 뒤떨어지게 된다.

표 1에서 명백한 것과 같이, 실시예 1~4의 각 시험 피스는 전술한 3종류의 시험 결과의 종합 평가에 의하면, 비교예 1~3의 시험 피스보다도 우수한 것이 확인되었다. 종합 평가로서 판단한 것은, 실제의 기기에 있어서는 1항목이라도 나쁜 특성을 가지고 있으면, 비록 다른 2항목이 우수해도 문제점이 발생할 가능성이 있기 때문이며, 그러므로, 가장 뒤떨어져 있는 특성을 가지고 종합 평가로 했다.

전술한 것과 같이, 본 발명의 미끄럼 부재는 미끄럼면에 복수의 경질 Cr 도금층이 적층된 적층 경질 Cr 도금층을 가지며, 각 경질 Cr 도금층 표면에는 미소 균열이 형성되고, 각 경질 Cr 도금층의 미소 균열은 성막 방향으로 독립된 미소한 공동을 형성하는 미끄럼 부재에 있어서, 상기 적층 경질 Cr 도금층의 단면에서의 공극률이 0.5~4.5%인 것에 특징을 가진다. 따라서, 강도면에서의 특성, 내시저성 및 내마모성의 성능이 양호한 미끄럼 부재를 얻을 수 있어, 고출력 엔진, 고온 고부하 엔진 등 사용 조건이 엄격한 자동차용 피스톤 링 및 선박용 피스톤 링 등에 바람직하게 사용할 수 있다.

Claims

미끄럼면에 복수의 경질(硬質) Cr 도금층이 적층된 적층 경질 Cr 도금층을 가지며, 각 경질 Cr 도금층의 표면에는 미소(微小) 균열이 형성되고, 또한 각 경질 Cr 도금층의 미소 균열은 성막(成膜) 방향으로 독립된 미소한 공동(空洞)을 형성하는 미끄럼 부재에 있어서,

상기 적층 경질 Cr 도금층의 단면(斷面)에서의 공극률(空隙率)이 0.5~4.5%인 것을 특징으로 하는 미끄럼 부재.
제1항에 있어서,

상기 경질 Cr 도금층의 표면에서의 공극률이 0.5~30%이며, 또한 상기 표면의 미소 균열의 수가 50~1200개/10mm의 범위 내인 것을 특징으로 하는 미끄럼 부재.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 경질 Cr 도금층의 1층당 막 두께가 0.1~60㎛인 것을 특징으로 하는 미끄럼 부재.
미끄럼면에 복수의 경질 Cr 도금층이 적층된 적층 경질 Cr 도금층을 가지며, 각 경질 Cr 도금층의 표면에는 미소 균열이 형성되고, 또한 각 경질 Cr 도금층의 미소 균열은 성막 방향으로 독립된 미소한 공동을 형성하는 미끄럼 부재에 있어서,

상기 적층 경질 Cr 도금층의 표면에서의 공극률이 0.5~5.0%이며, 또한 상기 표면의 미소 균열의 수가 50~1200개/10mm의 범위 내인 것을 특징으로 하는 미끄럼 부재.
제4항에 있어서,

상기 경질 Cr 도금층의 1층당 막 두께가 0.1~60㎛인 것을 특징으로 하는 미끄럼 부재.