WO1995029271A1 - Coulisse et son procede de fabrication - Google Patents

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WO1995029271A1
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chromium
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nitrogen
coating
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Masaki Ooya
Katsumi Takiguchi
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Kabushiki Kaisha Riken
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    • C23C14/58—After-treatment

Definitions

  • the present invention has excellent abrasion resistance, seizure resistance, and excellent adhesion.
  • the present invention relates to a sliding member having an ion plating film having high hardness and a method for producing the same.
  • the sliding surface of a sliding member such as a piston ring in an internal combustion engine, such as a vane of a compressor, is required to have high sliding performance, and hard chrome plating, 0 has been used conventionally because it has excellent performance.
  • the load on the surface of these sliding members has been increasing due to the increase in output of internal combustion engines, measures against exhaust gas, weight reduction, etc., and due to restrictions on the use of conventional type front gas, etc.
  • TiN film by, Ti C film, such as TiN film by c, 5 PVD method has come to CrN film is used is very hard, brittle upon, poor adhesion due to the high residual stress of the film, If a thick film is used, the film will peel off during use, and if the film surface is rough, the mating material will be worn. For this reason, as described in Japanese Patent Publication No. 4-194412, first, a piston ring base material is manufactured by a conventional method, and the surface 20 roughness is adjusted by polishing or the like. A thin TiN film is formed.
  • Processing after forming the TiN film should be performed in principle, and at most only wrapping should be performed to improve the initial adaptation.c.In this way, in the conventional technology, the roughness of the underlayer surface is adjusted by polishing, etc. Therefore, a deteriorated layer is formed on the base during processing. Modifications thereof 2 5 quality layer, since it can not excluded in Ionbon about bar de a pretreatment with ion plating tee packaging process adhesion between the base and the film is not enough, when the thickness of film , The film is easy to separate. Also, when the film thickness for ensuring the adhesion of the film was reduced, the durability of the sliding member was not sufficient.
  • the present invention solves the above-mentioned problems of a sliding member provided with an ion plating film such as a TiN film or a TiC film, and provides a sliding component having excellent durability and a method of manufacturing the same. It is intended to provide.
  • the sliding member of the present invention has a lower ground surface roughness of 2! !
  • the sliding member made of iron or steel of up to 8 / m has a coating mainly composed of chromium and nitrogen by ion plating on at least the sliding surface, and the surface roughness of the coating is A sliding structure having a thickness of 0.8 m or less and a film thickness of 1 or more, wherein the coating is a mixed structure of chromium metal and chromium nitride.
  • Chromium nitride structure nitrogen concentration from the inside of the coating to the outside of the coating Is an organization that is growing continuously or in stages, including cases where the organization is an amorphous organization. It also comprises a first step of blasting the sliding surface of the sliding member, a second step of coating a film made of chromium and nitrogen by ion plating, and a third step of polishing or other processing the film surface.
  • a method for producing the sliding member characterized in that:
  • the coating thickness is increased by a polishing allowance and the surface is polished to reduce the surface roughness.
  • the ion plating film has a higher internal stress than the electroplated film and a higher film hardness, so that the ion plating film is easily peeled off and the magnitude of the internal stress increases with the film thickness.
  • the damaged layer on the base surface is removed by blasting, and the surface roughness is also reduced to 2 to 8 zm.
  • the surface roughness is 2 or less, the residual stress of the film is high, and the adhesion of the film is poor.
  • the surface roughness is 8; / m or more, the effect of reducing the residual stress of the film is small, and the number of steps required to make the film surface fine and the This is because it is necessary to secure the film thickness, which is considered to be inefficient.
  • the blast can physically remove the affected layer of the groundwork, so that an active surface of the groundwork can be obtained.
  • This active state is not maintained until the time of ion plating, but the activity can be easily restored by the ion bombardment treatment in the ion plating process.
  • Adhesion improves.
  • the contact area with the ion-brading film increases, so that the adhesion to the base is further improved.
  • the residual compressive stress of the film is reduced, it is estimated that the release property of the film is weakened. Because of this, the adhesion of the film is increased, so that the film is not separated even if it is polished after the film is formed.
  • the deteriorated layer is removed by blasting, and the surface of the underlayer having a surface roughness of 2 m to 8 m is subjected to ion brazing to form a film on the underlayer, and then the film surface is polished. And adjust the roughness to 0.8 m or less.
  • the thickness of the film formed on the underlayer surface is appropriately selected in relation to the roughness of the underlayer surface and the adjustment of the film surface roughness, but is at least 10 m or more in order to increase the durability of the film. If the thickness is less than this, the surface of the sliding member may not bear the load, and if the film surface roughness exceeds 0.8 HI, the mating material will be adversely affected as the sliding member.
  • the ion plating film is made of chromium and nitrogen.
  • chromium has a much higher vapor pressure than titanium, so it is easy to evaporate, and therefore, the rate of forming an ion plating film is high. Therefore, there is no problem economically to form a film thickness for the polishing allowance.
  • a film composed of chromium and nitrogen is not only suitable as a surface film for sliding members because of its excellent seizure resistance, abrasion resistance, and corrosion resistance. The reason for this is that since the stress is low and the separation resistance is excellent, the film thickness can be increased, so that a sliding component having excellent durability can be obtained.
  • the film composed of chromium and nitrogen is a film composed of Cr, Cr 2 N, CrN and a mixture thereof, where the ratio of Cr and N is from the inside to the outside of the film, and the N concentration is continuous or stepwise. Includes cases where the film structure is amorphous, with the film increasing in number.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of the vane used.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of an ion brazing device.
  • the present invention is carried out by a step of activating the surface by blasting, a step of forming a film made of chromium and nitrogen by ion plating, and a step of polishing the surface by lapping or the like.
  • the average surface roughness can be changed by changing the particle size of the powder such as alumina and silicon carbide, and by changing the pressure and the number of sprays.
  • Table 1 when the average surface roughness is 2 ra or less, the residual stress of the coating is high. It can be seen that the effect of reducing the residual stress of the film is small above 8 m.
  • the surface roughness is too rough, the film thickness must be increased accordingly and the surface polishing takes time, so the surface roughness is optimally from 4 / m to 6; / m. .
  • the outer peripheral surface was activated by sand blast.
  • Sand was a force-borundum # 180, and the outer surface was blasted twice at a pressure of 490 KPa, and the average surface roughness was 4.3.
  • This was rinsed with tri-cloth ethane and steam degreased to completely wash off the sand.
  • the present invention is a useful measure as a pollution control measure.
  • HCD ion plating is applied to the workpiece after the above processing.
  • a film consisting of chromium and nitrogen was coated by the method.
  • the method will be described in detail with reference to FIG.
  • nitrogen gas was introduced from the inlet 10 until a predetermined pressure was reached, and a film composed of chromium and nitrogen was formed on the outer peripheral surface of the ring 2.
  • the formed film thickness was from 20 to 60 rn.
  • heating by a heater was limited to 200. If the nitrogen concentration increases continuously or stepwise from the inside of the film to the outside of the film, the amount of the introduced nitrogen gas is increased over a predetermined coating time, and the nitrogen concentration is increased continuously or stepwise. Coating can be performed by increasing the gas partial pressure.
  • Comparative Examples 1 and 2 are piston rings and vanes manufactured by a conventional method.
  • the outer peripheral surface of the underside of the piston ring and the vane was finished to about 0.18 by rubbing polishing, and then cleaned and degreased with a tri-closure nozzle to perform ion plating.
  • the TiN film was coated with a thickness of about 7 ⁇ m by using this method, and finished by light wrapping.
  • Comparative Example 2 as in Comparative Example 1, a coating mainly composed of chromium and nitrogen was coated.
  • the sliding member of the present invention has excellent durability, is suitable for piston rings, mechanical seals, compressor vanes, etc. used in engines, and has high industrial utility value. .

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Description

明 細 書
摺動部材及びその製造方法
技術分野
本発明は、 耐摩耗性、 耐焼き付き性に優れ、 且つ密着性に優れ
5 た高硬度のイオンプレーティ ング皮膜を有する摺動部材及びその 製造方法に関する。
背景技術
内燃機関におけるピス トンリ ングゃ圧縮機のベーンのような摺 動部材の摺動表面は高い摺動性能が要求され、 硬質クロムめつき , 0 が優れた性能を有することから、 従来から用いられてきた。 しか し、 近年内燃機関の高出力化や排気ガス対策、 軽量化などから、 また、 従来タイプのフロ ンガスの使用規制等からこれら摺動部材 表面の受ける負荷は増大してきており、 イオンブレーティ ングに よる TiN膜、 Ti C膜、 CrN 膜が用いられるように成ってきている c , 5 P V D法による TiN 膜などは非常に硬く、 脆いうえ、 皮膜の残 留応力が高いので密着性が悪く、 厚膜で使用すると、 使用時膜が 剝離したり、 皮膜表面粗さが粗いと相手材を摩耗させるという問 題を生じる。 このため特公平 4 - 1 9 4 1 2号公報に記載された ように、 先ず常法により ピストンリ ング母材を製造し、 その表面 2 0 粗さを研摩等により調節し、 その上に非常に薄い Ti N皮膜を形成 させている。 TiN 皮膜を形成した後の加工は原則として行はず、 せいぜい初期なじみを改善するためラッ ピングを施す程度である c このように従来技術においては、 下地表面の粗さを研摩等によ り加工調節するため、 加工時に下地に変質層を発生する。 その変 2 5 質層は、 イオンプレーティ ング工程での前処理であるイオンボン バー ド程度では除く ことが出来ないので下地と膜との密着性が十 分でなくなり、 皮膜の膜厚を厚くすると、 皮膜が剝離し易く なり . また皮膜の密着性を確保するための膜厚を薄くすると、 摺動部材 の耐久性が十分でなかつた。
発明の開示
本発明は、 TiN 膜や Ti C膜等のイオンプレーティ ング膜が施さ れた摺動部材が有する上記のような問題点を解消し、 耐久性に優 れた摺動部品とその製造方法を提供することを目的としている。 本発明の摺動部材は、 下地面の粗さが 2 ！!！ 〜 8 / m の铸鉄ま たは鋼からなる摺動部材の少なく とも摺動する面に、 イオンプレ —ティ ングによるクロムと窒素を主成分とする皮膜を有し、 該皮 膜の表面粗さを 0. 8 m 以下、 膜厚を 1 以上とした摺動部 材であって、 該皮膜が金属クロムと窒化クロムからなる混合組織. 窒化クロム組織、 皮膜内部より皮膜外部に向かって、 窒素濃度が 連続的または段階的に増えている組織であり、 その組織がァモル フ ァス組織である場合も含まれている。 また、 摺動部材の摺動面 をブラスチングする第一工程、 イオンプレーティ ングにより クロ ムと窒素からなる皮膜を被覆する第二工程、 皮膜表面を研摩等の 加工をする第三工程よりなることを特徴とする該摺動部材の製造 方法である。
一般的に、 耐摩耗性皮膜を有する摺動部材の摺動面の形成方法 としては、 皮膜厚さを研摩代分厚く コーティ ングし、 表面を研摩 仕上げにより表面粗さを細かくすることが考えられるが、 イオン プレーティ ング膜は膜の内部応力が電気めつき皮膜に比べ高く、 また皮膜硬度も高いので、 剝がれやすいうえ、 内部応力の大きさ は膜厚さと共に増大するので、 上記方法では一層研摩時に皮膜の 剝離が発生するということと、 また、 TiN 膜や Ti C膜は Tiの蒸発 速度が遅いためイオンプレーティ ングでの膜形成速度は遅いので 研摩代分厚く コーティ ングすることは工業的には得策ではないと 0
いう ことにより行われていなかった。
そこで、 本発明では、 第一にブラス トにより下地表面の加工変 質層の除去を行い、 あわせて表面粗さを 2 m から 8 z m の粗さ とする。 表面粗さが 2 以下では皮膜の残留応力が高く、 皮膜 の密着性が悪く、 8 ；/ m 以上では皮膜の残留応力低下の効果が少 なく、 皮膜表面を細かくするのにかかる工数及びそのための膜厚 確保が必要となり、 効率が悪いと考えられるからである。 ブラス トにより下地加工変質層は物理的に削り取れるので、 下地の活性 な面が得られる。 この活性な状態はイオンブレーティ ング時まで 保たれるわけでは無いが、 イオンプレーティ ング工程でのイオン ボンバー ド処理により容易に活性が取り もどせるので、 イオンプ レ一ティ ング膜と下地との密着性が良くなる。 また表面粗さが粗 くなることによってイオンブレーティ ング膜との接触面積が増加 するので下地と密着性はさらに良くなる。 同時に、 皮膜の残留圧 縮応力は小さ くなるので、 皮膜の剝離性は弱くなつているものと 推定される。 このようなことから、 皮膜の密着性が高まるので、 皮膜形成後に研摩しても剝離することはない。 本発明ではブラス ト処理により加工変質層を除去し、 表面粗さを 2 z m から 8 m とした下地表面にイオンブレーティ ング処理を施して下地表面に 皮膜を形成させた後、 皮膜表面を研摩しその粗さを 0. 8 m 以下 に調節する。 下地表面に形成する皮膜の厚さは、 下地表面の粗さ 及び皮膜表面粗さの調節に関連して適宜選択されるが、 膜の耐久 性を上げるため少なく とも 1 0 m 以上である。 これ未満の厚さ では、 摺動部材表面として負荷に耐えない場合を生じ、 又皮膜表 面粗さが 0. 8 HI を越すと摺動部材として相手材に悪影響を与え る
第二に、 本発明ではイオンプレーティ ング皮膜をクロムと窒素 を主成分とする皮膜とする。 クロムと窒素よりなる皮膜とした理 由は、 クロムはチタンに比べ非常に高い蒸 圧をもつているので 蒸発しやすく、 従って、 イオンプレーティ ング皮膜形成速度も速 い。 そのため、 研摩代分の膜厚を形成することは経済的にも問題 が無い。 また、 クロムと窒素より成る皮膜は、 耐焼き付き性、 耐 摩耗性、 耐食性に優れているので摺動部材の表面皮膜として適し ているばかりでなく、 また T i N膜や Ti C膜に比べ内部応力が低く、 耐剝離性に優れるので、 膜厚を厚くすることができることから、 耐久性に優れた摺動部品を得ることが出来るからである。 クロム と窒素よりなる皮膜とは、 Cr, Cr 2N, CrN 及びそれらの混合物よ りなる皮膜であり、 Crと Nとの比率が皮膜内部より皮膜外部に向 つて、 N濃度が連続的または段階的に増加している皮膜を含み、 皮膜組織がァモルファス組織である場合も含まれている。
図面の簡単な説明
図 1 は、 使用したベ一ンの斜視概略図である。
図 2は、 イオンブレーティ ング装置の概略図である。
発明を実施するための最良の形態
本発明は、 ブラストにより表面を活性にする工程、 イオンブレ —ティ ングによりクロムと窒素よりなる皮膜を形成する工程、 表 面をラッ ピング等により研摩する工程より実施される。
ブラス ト工程で、 砂と空気との混合高圧ガスを、 摺動部材の摺 動下地面に吹き付け、 下地面の汚れ、 酸化物等の皮膜密着性の阻 害物質を除去し、 下地の活性面を得る。 ここで、 アルミナ、 シリ コンカーバイ ト等の粉の粒度を変えることにより、 また、 圧力、 吹きかけ回数を変化させることにより、 平均表面粗さを変えるこ とが出来る。 表 1 に示すように、 平均表面粗さが 2 ra 以下では 皮膜の残留応力が高く、 平均表面粗さが 2 m 以上になると皮膜 の残留応力は徐々 に弱く なり、 8 m 以上では皮膜の残留応力低 下の効果が少ないことがわかる。 しかし表面粗さが粗すぎると、 それだけ皮膜の膜厚さを厚く しなければ成らないこと及び表面研 摩に時間がかかることから、 表面粗さは 4 / m から 6 ；/ m が最適 である。
〔表 1 〕
Figure imgf000007_0001
鋼製ピス トンリ ング （外径 8 5 ø x上下厚さ 2画 x径方向厚さ 3. 1 mm) を約 1 0 0本、 外周を揃えて上下方向にス夕ッ ク し両サ ィ ドを円盤を介してナツ トにより抑え被処理物とした。 また、 同 様に鋼製 （窒化済） 口一タ リーコンプレッサー用べーン （ 5 0隨 X 3 0 mm x 5 mm) (図 1 に示した） を約 5 0枚を R摺動面を揃え、 束ねて治具にセッ ト し被処理物とした。
まず、 サン ドブラス トにより外周面を活性化した。 サン ドは力 —ボランダムの # 1 8 0を用い、 圧力 4 9 0 KPa で外周面を 2度 ブラス ト した表面粗さは平均 4. 3 お であった。 これをト リ クロ 口エタンのリ ンス洗浄及び蒸気脱脂を行い、 サン ドを完全に洗い 流した。 なお、 ク リーンな圧縮空気等によりサン ドを除去出来れ ば、 ト リ クロロェタンによる洗浄は必要ではなく、 従って、 本発 明は公害対策としても有益な手段である。
続いて、 上記処理後の被処理物に H C Dイオンプレーティ ング 法により、 クロムと窒素よりなる皮膜をコーティ ングした。 以下 その方法について図 2に基づき詳述する。
該リ ングを真空装置 1 内に設置後、 図示しない真空ポンプによ り 1 X 1 0 - 4 t or r以下に減圧し、 ヒーター 3により約 4 0 0 DCに 加熱。 所定時間経過後アルゴンガスを約 1 X 1 0—2 t orrまで導入 口 9 より導入して、 直流電圧を印加し、 グロ一放電を起こさせ、 アルゴンイオンによる下地表面のボンバー ドを行なった。 つぎに ホロ一力ソー ド 4で電子ビームを発生させ、 水冷式銅るつぼ 5中 の金属クロム 6に当てクロムを蒸発させた。 尚、 電子ビームはコ ィル 7により収束されている。 続いて、 窒素ガスを所定圧に成る まで導入口 1 0 より導入し、 クロムと窒素からなる皮膜をリ ング 2の外周面に形成した。 成形膜厚は 2 0から 6 0 rn とした。 なお、 クロムと窒素からなるァモルファス皮膜をコ一ティ ング する場合は、 ヒータ一による加熱は 2 0 0 までとした。 また窒 素濃度が皮膜内部より皮膜外部に向けて連続的或いは段階的に増 大する皮膜の形成の場合は、 導入窒素ガス量を所定コーティ ング 時間をかけ、 連続的に或いは段階的に所定窒素ガス分圧まで増や すことによりコーティ ングすることが出来る。
以上のようにして、 表 2に示すような、 各種の条件によりクロ ムと窒素を主成分とする皮膜をコーティ ングしたピス トンリ ング 及びべ一ンを作成した。 〔表 2〕
Figure imgf000009_0001
次に、 上記条件により作成したピス トンリ ング及びべ一ンをラ ッ ビング研摩により表面粗さを 0. 8 m 以下に仕上げた。 これら ピス ト ンリ ング及びべ一ンの皮膜を調査した結果を表 3に示す。 皮膜の組成分析は E P M A、 組織分析は X線解析、 硬度は皮膜断 面をマイクロビッカース硬度計で、 膜厚さは金属顕微鏡で測定し た。
〔表 3〕
Figure imgf000010_0001
(—は以上を示す）
尚、 比較例 1、 2は従来の方法により製造したピス ト ンリ ング 及びべ一ンである。 比較例 1 は、 ピス トンリ ング及びべ一ンの下 地外周面を、 ラッ ビング研摩により、 約 0. 1 8 に仕上げたの ち、 ト リ クロ口ェ夕ンにより洗浄脱脂しイオンプレーティ ングに より TiN膜を約 7 〃m コーティ ングし、 軽いラッ ピングにより仕 上げた。 また、 比較例 2は、 比較例 1 と同様にして、 クロムと窒 素を主成分とする皮膜をコーティ ングしたものである。
上記、 実施例で製作したビス トンリ ング及びべ一ンを実機によ り評価を行った。 従来の方法による皮膜をコ一ティ ングしたビス トンリ ング及びべーン （比較例 1 及び比較例 2 ) も同時に評価を 実施した。 その結果を表 4、 表 5に示す。 本発明によるピス ト ン リ ング及びべ一ンの耐摩耗性は従来品 （比較例 1 ) とく らベても 劣ることは無く、 従って膜厚の厚い分耐久性が良好と成っている, また、 従来品の耐久性向上品は、 皮膜に剝離が発生しており、 評 価時間が長くなれば相手材を摩耗させることが想定される。 〔表 4 〕
実機評価条件
評価ェンジン 2 8 0 0 ccデーゼルェンジン 回転数 X負荷 2 5 0 0回転 X 4 / 4
評冷冷回時時間 1 0 0時間
燃価媒転凍間料 軽油
機数コ
油ン サ
Figure imgf000011_0001
(→は以上を示している）
〔表 5〕
密閉型冷媒圧縮機
1, 1, 1,2-テ トラフルォロエタ ン ボリアルキレングリ コール系 2 0 0 rpm
2 0 0時間
Figure imgf000011_0002
(—は以上を示している） —1 o—
産業上の利用可能性
以上のように、 本発明の摺動部材は、 耐久性に優れたものであ り、 エンジンに用いる ピス ト ン リ ング、 メカニカルシール、 圧縮 機のベーン等に適し、 その工業的利用価値は高い。

Claims

請求の範囲
1 . 下地面の粗さが 2 m 〜 8 m の铸鉄または鋼からなる摺動 部材の少なく とも摺動する面にイオンプレーティ ングによるク ロムと窒素を主成分とする皮膜を被覆せしめ、 該皮膜の表面粗 5 さを 0. 以下、 膜厚を 1 0 m 以上とした摺動部材。
2 . 下地面の粗さが 4 ζ π！ 〜 6 z m である請求項 1 の摺動部材。
3 . クロムと窒素を主成分とする皮膜が金属クロムと窒化クロム からなる混合組織でなることを特徴とする請求項 1 又は 2に記 載の摺動部材。
1 0 4 . クロムと窒素を主成分とする皮膜が窒化クロムであることを 特徴とする請求項 1 又は 2に記載の摺動部材。
5 . クロムと窒素を主成分とする皮膜が皮膜内部より皮膜外部に 向かって、 窒素濃度が連続的または段階的に増えていることを 特徴とする請求項 1又は 2に記載の摺動部材。
> 5 6 . クロムと窒素を主成分とする皮膜がアモルフ ァス組織である ことを特徴とする請求項 3乃至 5の何れか 1項に記載の摺動部 材。
7 . 摺動部材の摺動面をブラスチングする第一工程、 イオンプレ —ティ ングにより クロムと窒素からなる皮膜を被覆する第二ェ
2 0 程、 皮膜表面を研摩等の加工する第三工程よりなることを特徴 とする請求項 1乃至 6のいずれか 1項に記載の摺動部材の製造 方法 o
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