JP2771947B2 - 摺動部材 - Google Patents
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Description
性に優れ、且つ密着性に優れ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に関する。
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、硬質クロムめっき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、イオンプレー
ティングによる TiN膜、TiC膜、CrN 膜が用いられるよ
うに成ってきている。
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、使用時膜が剥離したり、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4−19412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
粗さを研摩等により調節し、その上に非常に薄い TiN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。
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、皮膜が剥離し易くな
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った。
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
部品を提供することを目的としている。
発明は、鋳鉄または鋼からなる母材の表面にイオンプレ
ーティングによるクロムと窒素とを主成分とする皮膜を
被覆させた摺動部材において、皮膜を被覆させる母材の
表面粗さがブラスチング処理によるな2μm〜8μmであ
り、皮膜の表面粗さを0.8μm以下とし、且つ膜厚を
10μm〜60μmとしたことを特徴とする摺動部材を提
供する。
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っき皮膜に比べ高く、また皮膜
硬度も高いので、剥がれやすいうえ、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
に皮膜の剥離が発生するということと、また、TiN 膜や
TiC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いうことにより行
われていなかった。
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2μm から8μm の粗さとする。表面粗さが2μm
以下では皮膜の残留応力が高く、皮膜の密着性が悪く、
8μm 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
イオンプ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、イオンプレーティ
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プ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、皮膜の剥離
性は弱くなっ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
ても剥離することはない。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2μm から8μm と
した下地表面にイオンプ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0.8μm 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10μm 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0.8μm を越すと摺動部材として相手材に悪影響を
与える。
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
べ非常に高い蒸気圧をもっ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 TiN膜や T
iC膜に比べ内部応力が低く、耐剥離性に優れるので、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,Cr2N,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
外部に向って、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、皮膜組織がアモルファス組織である場
合も含まれている。
明する。
工程、イオンプレー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。
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2μ
m 以下では皮膜の残留応力が高く、平均表面粗さが2μ
m 以上になると皮膜の残留応力は徐々に弱くなり、8μ
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4μm から6μm が最適
である。
さ2mm×径方向厚さ3.1mm)を約100本、外周を揃え
て上下方向にスタックし両サイドを円盤を介してナット
により抑え被処理物とした。また、同様に鋼製(窒化
済)ロータリーコンプレッサー用ベーン(50mm×30
mm×5mm)(図1に示した)を約50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。
化した。サンドはカーボランダムの#180を用い、圧
力490KPa で外周面を2度ブラストした表面粗さは平
均4.3μm であった。これをトリクロロエタンのリンス
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、トリクロロエ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。
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1×10-4torr以下に減圧し、
ヒーター3により約400℃に加熱。所定時間経過後ア
ルゴンガスを約1×10-2torrまで導入口9より導入し
て、直流電圧を印加し、グロー放電を起こさせ、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
にホローカソード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、電子ビームはコイル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10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20から60μm とした。
皮膜をコーティングする場合は、ヒーターによる加熱は
200℃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
リング及びベーンを作成した。
ング及びベーンをラッピング研摩により表面粗さを0.8
μm 以下に仕上げた。これらピストンリング及びベーン
の皮膜を調査した結果を表3に示す。皮膜の組成分析は
EPMA、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。
したピストンリング及びベーンである。比較例1は、ピ
ストンリング及びベーンの下地外周面を、ラッピング研
摩により、約0.18μm に仕上げたのち、トリクロロエ
タ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7μm 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。
びベーンを実機により評価を行った。従来の方法による
皮膜をコーティングしたピストンリング及びベーン(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
びベーンの耐摩耗性は従来品(比較例1)とくらべても
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、皮膜に剥離
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。
久性に優れたものであり、その工業的利用価値は高い。
Claims (6)
- 【請求項1】 鋳鉄または鋼からなる母材の表面にイオ
ンプレーティングによるクロムと窒素とを主成分とする
皮膜を被覆させた摺動部材において、皮膜を被覆させる
母材の表面粗さがブラスチング処理による2μm〜8μm
であり、皮膜の表面粗さを0.8μm以下とし、且つ膜
厚を10μm〜60μmとしたことを特徴とする摺動部
材。 - 【請求項2】 下地面の粗さが4μm〜6μmである請求
項1の摺動部材。 - 【請求項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。 - 【請求項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。 - 【請求項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。 - 【請求項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。
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