JP3286097B2 - Sliding member and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、耐摩耗性と靱性とに優
れた摺動部材に関し、例えばピストンリング等の内燃機
関用摺動部材に適用して有効なものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sliding member having excellent wear resistance and toughness, and is effective when applied to a sliding member for an internal combustion engine such as a piston ring.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、エンジンの高出力化や排ガス規制
の対応に伴って、ピストンリングの使用環境がますます
苛酷になっているため、摺動面の表面処理として従来使
用されている硬質Ｃｒめっきや窒化処理では耐久性能を
満足できないエンジンが多くなってきた。2. Description of the Related Art In recent years, the working environment of a piston ring has become more and more severe with the increase in engine output and the compliance with exhaust gas regulations. Many engines that cannot satisfy the durability performance by plating and nitriding are increasing.
【０００３】この状況に対処するため、ＰＶＤ法を利用
した窒化チタン皮膜や窒化クロム皮膜を被覆したピスト
ンリング（特開昭５７−５７８６７号参照）が提案され
ている。また、更に、長寿命を実現するために、窒化ク
ロムよりも耐摩耗性の高い窒化モリブデン皮膜を被覆し
たピストンリング（特開平２−１３４４６８号、特開平
６−１７９３３号、特開平６−２５８２６号参照）が提
案されている。To cope with this situation, there has been proposed a piston ring coated with a titanium nitride film or a chromium nitride film using a PVD method (see JP-A-57-57867). Further, in order to realize a longer life, a piston ring coated with a molybdenum nitride film having higher wear resistance than chromium nitride (Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2-134468, 6-17933 and 6-25826). See).
【０００４】更に、金属モリブデン中に炭化物、窒化物
あるいは酸化物からなる硬質粒子を分散させた溶射皮膜
が知られているが、これらは硬質粒子あるいは金属粒子
が１μｍ以上の複合組織であり、摺動部の耐脱落性およ
び皮膜の密着性が劣る。[0004] Further, a thermal sprayed coating in which hard particles made of carbide, nitride or oxide are dispersed in molybdenum metal is known. However, these are composite structures having hard particles or metal particles of 1 µm or more. Poor drop-off resistance of moving parts and adhesion of film.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】窒化モリブデン皮膜は
非常に硬くて耐摩耗性に優れているが、脆い性質がある
ため、摺動による過度の繰り返し応力を受けると皮膜に
欠けやクラックが発生し、その欠けまたはクラックが進
行して剥離に到る場合がある。The molybdenum nitride film is very hard and excellent in abrasion resistance, but has a brittle property, so that the film is chipped or cracked when subjected to excessive repeated stress due to sliding. In some cases, the chipping or cracking may progress to cause peeling.
【０００６】本発明の目的は、耐摩耗性と靱性の両方に
優れた硬質皮膜を被覆した摺動部材およびその製造方法
を提供することにある。An object of the present invention is to provide a sliding member coated with a hard film having both excellent wear resistance and toughness, and a method for producing the same.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明は、少なくとも摺
動面に硬質皮膜が被覆されている摺動部材であって、前
記硬質皮膜が、重量比で、Ｃｒ１〜２５％、Ｎ４〜１
５．５％、残Ｍｏからなる三元系皮膜であり、少なくと
も窒化モリブデン（ＭｏＸＮＹ）と窒化クロム（ＣｒＸ
ＮＹ）とを含み、皮膜硬さがビッカース硬さ（ＨＶ）で
１６００〜２６００であり、結晶粒径が１μｍ未満であ
ることを特徴とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is directed to a sliding member having a hard coating coated on at least a sliding surface, wherein the hard coating has a weight ratio of Cr 1 to 25% and N 4 to 1
5.5%, a ternary film made from the remaining Mo, at least a molybdenum nitride (Mo X N Y) and chromium nitride (Cr X
N Y ), the coating hardness is 1600 to 2600 in Vickers hardness (HV), and the crystal grain size is less than 1 μm.
【０００８】なお、上記において、Ｃｒの含有量は下限
が５重量％、上限は１５重量％がより好ましく、Ｎの含
有量は下限が６．５重量％、上限は１３．０重量％がよ
り好ましい。In the above, the lower limit of the Cr content is preferably 5% by weight and the upper limit thereof is more preferably 15% by weight, and the lower limit of the N content is 6.5% by weight and the upper limit thereof is more preferably 13.0% by weight. preferable.
【０００９】また、皮膜硬さはビッカース硬さで、下限
が１７００、上限は２４００がより好ましい。The film hardness is Vickers hardness, and the lower limit is more preferably 1700 and the upper limit is more preferably 2400.
【００１０】また、皮膜を形成する窒化モリブデンや窒
化クロム等の結晶粒径は０．１μｍ未満がより好まし
い。The grain size of molybdenum nitride, chromium nitride, or the like forming the film is more preferably less than 0.1 μm.
【００１１】上記硬質皮膜はＰＶＤ法により被覆するこ
とができる。なお、ＰＶＤ法には蒸着法、スパッタリン
グ法、イオンプレーティング法がある。The hard coating can be coated by a PVD method. Note that the PVD method includes a vapor deposition method, a sputtering method, and an ion plating method.
【００１２】例えばイオンプレーティング法で上記硬質
皮膜を被覆する場合には、蒸発源として、Ｍｏ金属から
なる蒸発源、Ｃｒ金属からなる蒸発源、およびＭｏ−Ｃ
ｒ合金からなる蒸発源のうちの少なくとも２つの蒸発源
を設け、各蒸発源におけるアーク電流の大きさを適宜の
値に設定し、窒素雰囲気中で行うことができる。なお、
所定比率のＭｏ−Ｃｒ合金からなる１つの蒸発源を使用
して窒素雰囲気中で行うこともできる。For example, when the hard coating is coated by an ion plating method, as an evaporation source, an evaporation source made of Mo metal, an evaporation source made of Cr metal, and an Mo-C
At least two of the evaporation sources made of the r alloy are provided, the magnitude of the arc current in each evaporation source is set to an appropriate value, and the evaporation can be performed in a nitrogen atmosphere. In addition,
It can also be performed in a nitrogen atmosphere using one evaporation source made of a predetermined ratio of a Mo—Cr alloy.
【００１３】[0013]
【作用】本発明の摺動部材は硬質皮膜が窒化モリブデン
と窒化クロムを含んでいるＭｏ−Ｃｒ−Ｎの三元系皮膜
であることにより、耐摩耗性に優れており、窒化クロム
が含まれていることによって靱性にも優れる。The sliding member of the present invention is excellent in wear resistance because the hard film is a ternary film of Mo-Cr-N containing molybdenum nitride and chromium nitride. It is also excellent in toughness.
【００１４】皮膜中のＣｒの含有量は、１重量％未満で
は窒化モリブデンの靱性を向上させる効果がなく、２５
重量％を越えると耐摩耗性が低下する。If the content of Cr in the coating is less than 1% by weight, the effect of improving the toughness of molybdenum nitride is not obtained.
If the amount is more than 10% by weight, the wear resistance is reduced.
【００１５】皮膜中のＮが４重量％未満、あるいは１
５．５重量％を越えると、皮膜の靱性が低下する。[0015] N in the film is less than 4% by weight, or
If the content exceeds 5.5% by weight, the toughness of the film decreases.
【００１６】また、皮膜硬さがビッカース硬さで２６０
０を越えると皮膜靱性が低下し、１６００未満では皮膜
の靱性が低下するとともに、皮膜の摩耗量が多くなり、
耐摩耗性が低下する。The film hardness is Vickers hardness of 260
If it exceeds 0, the film toughness decreases, and if it is less than 1600, the film toughness decreases and the wear amount of the film increases,
Abrasion resistance decreases.
【００１７】また、皮膜を形成する窒化モリブデンや窒
化クロム等の結晶粒径が１μｍ以上であると、摺動部の
耐脱落性および皮膜の密着性が劣る。Further, when the crystal grain size of molybdenum nitride, chromium nitride, or the like forming the coating is 1 μm or more, the falling resistance of the sliding portion and the adhesion of the coating are inferior.
【００１８】[0018]
【実施例】図１は本発明の一実施例であるピストンリン
グの一部分を示す縦断面図である。本実施例におけるピ
ストンリング１は鋼、鋳鉄、チタンあるいはチタン合金
等で形成されている矩形断面リングである。ピストンリ
ング１の外周面にはアークイオンプレーティングによっ
て硬質皮膜２が被覆されている。1 is a longitudinal sectional view showing a part of a piston ring according to an embodiment of the present invention. The piston ring 1 in the present embodiment is a rectangular cross-section ring made of steel, cast iron, titanium, a titanium alloy or the like. The outer peripheral surface of the piston ring 1 is coated with a hard coating 2 by arc ion plating.
【００１９】硬質皮膜２は重量比で、Ｃｒ１〜２５％、
Ｎ４〜１５．５％、残Ｍｏからなる皮膜であり、少なく
とも窒化モリブデン（ＭｏX ＮY ）と窒化クロム（Ｃｒ
X ＮY ）とを含み、皮膜硬さがビッカース硬さで１６０
０〜２６００であり、結晶粒径が１μｍ未満である。そ
して硬質皮膜２の膜厚は５μｍ〜８０μｍが好適であ
る。The hard coating 2 has a weight ratio of Cr 1 to 25%,
N4 to 15.5%, a film consisting of residual Mo, at least molybdenum nitride (Mo X N Y ) and chromium nitride (Cr
Comprises X N Y) and, 160 film hardness in Vickers hardness
0 to 2600, and the crystal grain size is less than 1 μm. The thickness of the hard coating 2 is preferably 5 μm to 80 μm.
【００２０】アークイオンプレーティング法はイオンプ
レーティングの一つで、真空アーク放電を利用して、陰
極の皮膜材料を蒸気化、イオン化して、被コーティング
物の表面に皮膜を形成するものである。このアークイオ
ンプレーティング法は蒸気のイオン化率が高く、緻密で
密着性に優れた皮膜が得られる特長がある。The arc ion plating method is a type of ion plating in which a film material of a cathode is vaporized and ionized by using vacuum arc discharge to form a film on the surface of the object to be coated. . This arc ion plating method has a feature that the ionization rate of steam is high, and a dense and excellent coating film can be obtained.
【００２１】図２に基づいて、アークイオンプレーティ
ング装置の基本的構成を説明する。真空チャンバ１０内
に、皮膜を形成する材料からなる陰極（蒸発源）１１
と、皮膜が形成される被コーティング物１２が設置され
ている。陰極（蒸発源）１１は真空チャンバ１０の外側
に設置されているアーク供給源１３に接続されており、
アーク供給源１３には図示外の陽極が接続されている。
被コーティング物１２にはバイアス電圧供給源１４によ
って負のバイアス電圧が印加されるように構成されてい
る。真空チャンバ１０にはプロセスガスの供給源に接続
されているガス入口１５と、ポンプに接続されている排
気口１６とが設けられている。The basic configuration of the arc ion plating apparatus will be described with reference to FIG. A cathode (evaporation source) 11 made of a material for forming a film is placed in a vacuum chamber 10.
And a coating object 12 on which a film is formed is provided. The cathode (evaporation source) 11 is connected to an arc supply source 13 installed outside the vacuum chamber 10,
An anode (not shown) is connected to the arc supply source 13.
The coating object 12 is configured so that a negative bias voltage is applied by a bias voltage supply source 14. The vacuum chamber 10 is provided with a gas inlet 15 connected to a process gas supply source and an exhaust port 16 connected to a pump.
【００２２】したがって、真空チャンバ１０内におい
て、陰極（蒸発源）１１と陽極との間でアーク放電が起
こされると、アークは陰極（蒸発源）１１の表面上にア
ークスポットを形成し、陰極（蒸発源）１１の表面上を
ランダムにかつ高速に移動する。アークスポットに集中
するアーク電流（数十〜数百Ａ）のエネルギーにより、
陰極（蒸発源）１１の材料は瞬時に蒸発すると同時に金
属イオン１７となり、真空中に飛び出す。一方、バイア
ス電圧が被コーティング物１２に印加されることによ
り、金属イオン１７は加速され、反応ガス粒子１８とと
もに被コーティング物１２の表面に密着し、緻密な皮膜
が生成される。Therefore, when an arc discharge is generated between the cathode (evaporation source) 11 and the anode in the vacuum chamber 10, the arc forms an arc spot on the surface of the cathode (evaporation source) 11 and the cathode (evaporation source). It moves on the surface of the evaporation source 11 at random and at high speed. Due to the energy of the arc current (tens to hundreds of amps) concentrated on the arc spot,
The material of the cathode (evaporation source) 11 evaporates instantaneously and becomes metal ions 17 at the same time, and jumps out into a vacuum. On the other hand, when the bias voltage is applied to the object to be coated 12, the metal ions 17 are accelerated and adhere to the surface of the object to be coated 12 together with the reaction gas particles 18, so that a dense film is generated.
【００２３】本発明においては、上記アークイオンプレ
ーティング装置において、真空チャンバ１０内にＭｏ金
属からなる陰極（蒸発源）、Ｃｒ金属からなる陰極（蒸
発源）、およびＭｏ−Ｃｒ合金からなる陰極（蒸発源）
のうちの少なくとも２つの陰極（蒸発源）が設置されて
おり（図は２つの陰極を有するものを示してある。）、
プロセスガスとして窒素ガスが使用されることにより、
被コーティング物１２としてのピストンリングに、重量
比で、Ｃｒ１〜２５％、Ｎ４〜１５．５％、残Ｍｏから
なり、少なくとも窒化モリブデン（ＭｏX ＮY ）と窒化
クロム（ＣｒXＮY ）とを含み、皮膜硬さがビッカース
硬さで１６００〜２６００であり、結晶粒径が１μｍ未
満である硬質皮膜を被覆することができる。なお、各陰
極（蒸発源）１１におけるアーク電流の大きさは独立し
て調節できるように構成されている。In the present invention, in the arc ion plating apparatus, a cathode made of Mo metal (evaporation source), a cathode made of Cr metal (evaporation source), and a cathode made of Mo-Cr alloy (evaporation source) are placed in the vacuum chamber 10. Evaporation source)
And at least two cathodes (evaporation sources) are provided (the figure shows one having two cathodes), and
By using nitrogen gas as process gas,
The piston ring as a material to be coated 12, in a weight ratio, Cr1~25%, N4~15.5%, made from the remaining Mo, at least a molybdenum nitride (Mo X N Y) and chromium nitride (Cr X N Y) And a hard coating having a Vickers hardness of 1600 to 2600 and a crystal grain size of less than 1 μm. In addition, the magnitude of the arc current in each cathode (evaporation source) 11 is configured to be independently adjustable.
【００２４】上記において、ＣｒとＭｏの成分量は次の
ようにして決定できる。図３はアーク電流と成膜スピー
ドとの関係を示す。陰極（蒸発源）の材料がＭｏ金属
で、バイアス電圧が３０Ｖの場合を示している。なお、
陰極（蒸発源）の材料がＣｒ金属やＭｏ−Ｃｒ合金であ
る場合もほぼ同等の結果を示す。図３に示されているよ
うに、成膜スピードすなわち陰極（蒸発源）の蒸発量は
アーク電流（４０Ａ〜２００Ａ）の増加に伴って略比例
的に上昇している。なお、アーク電流が４０Ａ以下では
アークが発生しない。In the above, the component amounts of Cr and Mo can be determined as follows. FIG. 3 shows the relationship between the arc current and the film forming speed. The case where the material of the cathode (evaporation source) is Mo metal and the bias voltage is 30 V is shown. In addition,
When the material of the cathode (evaporation source) is Cr metal or Mo—Cr alloy, almost the same results are obtained. As shown in FIG. 3, the film formation speed, that is, the amount of evaporation of the cathode (evaporation source) increases almost proportionally with an increase in the arc current (40 A to 200 A). When the arc current is 40 A or less, no arc is generated.
【００２５】上記で明らかなように、陰極（蒸発源）の
蒸発量はアーク電流の大きさを変更することによって調
整することができる。したがって、ＭｏとＣｒの成分量
の調整は、各陰極（蒸発源）におけるアーク電流の大き
さを調整することによって行える。ＭｏとＣｒの含有量
に対応する、各陰極（蒸発源）におけるアーク電流の大
きさは、図３、およびＣｒ金属蒸発源、Ｍｏ−Ｃｒ合金
蒸発源における図３に対応する図（図示していないが、
前述したように図３と略同じ結果を示す。）に基づいて
容易に決定できる。As apparent from the above, the amount of evaporation of the cathode (evaporation source) can be adjusted by changing the magnitude of the arc current. Therefore, the amounts of Mo and Cr can be adjusted by adjusting the magnitude of the arc current at each cathode (evaporation source). The magnitude of the arc current at each cathode (evaporation source) corresponding to the contents of Mo and Cr is shown in FIG. 3 and the diagram corresponding to FIG. 3 in the Cr metal evaporation source and the Mo—Cr alloy evaporation source (shown in FIG. No,
As described above, substantially the same results as in FIG. 3 are shown. ) Can easily be determined.
【００２６】表１は、各陰極（蒸発源）の材料と各陰極
におけるアーク電流の大きさの具体的な一例を示してい
る。Table 1 shows a specific example of the material of each cathode (evaporation source) and the magnitude of the arc current at each cathode.
【００２７】 [0027]
【００２８】また、Ｎの含有量の調整は、窒素雰囲気で
ある真空チャンバ１０内の圧力を０〜２０ｍＴｏｒｒの
範囲で調整することによって行うことができる。The N content can be adjusted by adjusting the pressure in the vacuum chamber 10, which is a nitrogen atmosphere, in the range of 0 to 20 mTorr.
【００２９】皮膜硬度の調整は、イオンプレーティング
の際のバイアス電圧を５〜２００Ｖの範囲でコントロー
ルすることによって行うことができる。バイアス電圧を
高くすると、硬度は上昇する。The adjustment of the film hardness can be performed by controlling the bias voltage at the time of ion plating in the range of 5 to 200 V. As the bias voltage increases, the hardness increases.
【００３０】以下、硬質皮膜の耐摩耗性および靱性を評
価するために行った各種試験について説明する。Hereinafter, various tests performed for evaluating the wear resistance and toughness of the hard coating will be described.
【００３１】表２、表３および表４に、皮膜靱性試験、
耐摩耗性試験、耐久試験に使用する硬質皮膜の組成、Ｃ
ｒ含有量、Ｎ含有量、皮膜硬さを示す。なお、皮膜の成
分はＣｒ、Ｎの他はＭｏである。また、皮膜を形成する
窒化モリブデン、窒化クロム、Ｍｏ、Ｃｒの結晶粒径は
それぞれ０．１μｍ未満であった。Tables 2, 3 and 4 show the film toughness test,
Composition of hard coating used for abrasion resistance test and durability test, C
The r content, N content, and film hardness are shown. The components of the film are Mo except Cr and N. The crystal grain sizes of molybdenum nitride, chromium nitride, Mo, and Cr forming the film were each less than 0.1 μm.
【００３２】 [0032]
【００３３】 [0033]
【００３４】 [0034]
【００３５】硬質皮膜２の靱性を評価するために、ファ
ンデアホルスト摩擦試験機を使用して皮膜靱性試験を行
った。ファンデアホルスト摩擦試験機を使用して行う試
験の概要を図４に基づいて説明する。In order to evaluate the toughness of the hard coating 2, a coating toughness test was performed using a van der Horst friction tester. An outline of a test performed using the van der Horst friction tester will be described with reference to FIG.
【００３６】ピストンリング１が、水平軸を中心に回転
するロータ（鋳鉄材：ＪＩＳ ＦＣ２５０）３０の外周
面３１の上端にロータ３０の軸心に沿って配設され、ピ
ストンリング１に荷重Ｐが作用されてロータ３０の外周
面３１上に押接される。この状態で、ピストンリング１
とロータ３０の接触部分に潤滑油を供給しながらロータ
３０を回転させる。そして種々の荷重で試験を行い、ピ
ストンリング１の硬質皮膜を顕微鏡観察（１００倍）
し、損傷（欠けやクラック）が認められたときの荷重を
皮膜損傷荷重とした。The piston ring 1 is disposed along the axis of the rotor 30 at the upper end of an outer peripheral surface 31 of a rotor (cast iron material: JIS FC250) 30 which rotates about a horizontal axis. It is pressed against the outer peripheral surface 31 of the rotor 30 by being acted on. In this state, the piston ring 1
The rotor 30 is rotated while supplying lubricating oil to a contact portion between the rotor 30 and the rotor 30. The test was conducted under various loads, and the hard coating of the piston ring 1 was observed with a microscope (100 times).
The load when damage (chipping or cracking) was observed was defined as the coating damage load.
【００３７】測定は表２、表３および表４に示す硬質皮
膜を被覆したピストンリングについて行った。The measurements were performed on the piston rings coated with the hard coatings shown in Tables 2, 3 and 4.
【００３８】試験条件は下記の通りである。 荷重 ：５０〜１８０Ｎ（５Ｎ毎） 回転数：１０００ｒｐｍ 時間 ：３ｍｉｎ 潤滑 ：１０ｗ ディーゼルエンジンオイルThe test conditions are as follows. Load: 50-180N (every 5N) Revolution: 1000 rpm Time: 3 min Lubrication: 10 w Diesel engine oil
【００３９】（Ｃｒ含有量と耐クラック荷重）図５に、
Ｃｒ含有量と耐クラック荷重との関係について、上記フ
ァンデアホルスト摩擦試験機を使用して行った試験結果
（Ｎ：１０．０％、なお、Ｃｒが１０．０％のものは実
施例３）を示す。(Cr content and crack load resistance)
Regarding the relationship between the Cr content and the crack resistance, the results of a test performed using the van der Horst friction tester described above (N: 10.0%, where Cr is 10.0% are Example 3). Is shown.
【００４０】図５の試験結果に示されているように、Ｃ
ｒ含有量が１．０重量％以上でクラック発生荷重が大き
く、摺動時の皮膜靱性が優れていることがわかる。As shown in the test results of FIG.
It can be seen that when the r content is 1.0% by weight or more, the crack generation load is large, and the film toughness during sliding is excellent.
【００４１】（Ｎ含有量と耐クラック荷重）図６に、Ｎ
含有量と耐クラック荷重との関係について、上記ファン
デアホルスト摩擦試験機を使用して行った試験結果（Ｃ
ｒ：１０．０％、なお、Ｎが１０．０％のものは実施例
３）を示す。(N Content and Crack Resistance) FIG.
Regarding the relationship between the content and the crack load resistance, test results (C) performed using the above van der Horst friction tester
r: 10.0%, where N is 10.0% indicates Example 3).
【００４２】図６の試験結果に示されているように、Ｎ
含有量が４〜１５．５重量％の範囲でクラック発生荷重
が大きく、摺動時の皮膜靱性が優れていることがわか
る。As shown in the test results of FIG.
It can be seen that when the content is in the range of 4 to 15.5% by weight, the crack generation load is large and the film toughness during sliding is excellent.
【００４３】（皮膜硬さと耐クラック荷重）図７に、皮
膜硬さと耐クラック荷重との関係について、上記ファン
デアホルスト摩擦試験機を使用して行った試験結果（Ｃ
ｒ：２５．０％，Ｎ：６．０％、Ｃｒ：１０．０％，
Ｎ：１０．０％、Ｃｒ：１．０％，Ｎ：１５．５％）を
示す。(Coating Hardness and Crack Resistance) FIG. 7 shows the test results (C) of the relationship between coating hardness and crack resistance using the above van der Horst friction tester.
r: 25.0%, N: 6.0%, Cr: 10.0%,
N: 10.0%, Cr: 1.0%, N: 15.5%).
【００４４】図７の試験結果に示されているように、皮
膜硬さがビッカース硬さで１６００〜２６００の範囲で
クラック発生荷重が大きく、摺動時の皮膜靱性が優れて
いることがわかる。As shown in the test results of FIG. 7, when the coating hardness is in the range of 1600 to 2600 in Vickers hardness, the load for generating cracks is large and the coating toughness during sliding is excellent.
【００４５】次に、硬質皮膜２の耐摩耗性を評価するた
めに、図８に示す往復動摩擦試験機を使用して耐摩耗性
試験を行った。Next, in order to evaluate the wear resistance of the hard coating 2, a wear resistance test was performed using a reciprocating friction tester shown in FIG.
【００４６】図８に示す往復動摩擦試験機の概要を説明
すると、ピストンリングに対応するピン状の上試験片２
０は、固定ブロック２１により保持され、上方から油圧
シリンダ２２により下向きの荷重が加えられて、後述す
る下試験片２３に押接される。一方、シリンダに対応す
る矩形の平盤形状の下試験片２３は可動ブロック２４に
より保持され、クランク機構２５により往復動せしめら
れる。２６はロードセルである。The outline of the reciprocating friction tester shown in FIG. 8 will be described. A pin-shaped upper test piece 2 corresponding to a piston ring is described.
Numeral 0 is held by the fixed block 21, a downward load is applied from above by the hydraulic cylinder 22, and is pressed against a lower test piece 23 described later. On the other hand, the lower test piece 23 having a rectangular flat plate shape corresponding to the cylinder is held by the movable block 24 and reciprocated by the crank mechanism 25. 26 is a load cell.
【００４７】上試験片２０の摩耗量は図９（ａ）に示す
如く、上試験片２０の試験前形状２７と試験後形状２８
を測定し、その差を測定することにより算出する。下試
験片２３の摩耗量は図９（ｂ）に示す如く、摺動部分に
おいて離間する３ケ所Ａ，Ｂ，Ｃの凹み量を測定し、そ
の平均値で示す。As shown in FIG. 9 (a), the wear amount of the upper test piece 20 was determined by the shape 27 before the test and the shape 28 after the test.
Is calculated by measuring the difference. As shown in FIG. 9 (b), the amount of wear of the lower test piece 23 is measured by measuring the amount of dent at three places A, B, and C separated from each other in the sliding portion, and is represented by the average value.
【００４８】試験条件は以下の通りである。 １．供試試料 Ａ．下試験片：シリンダブロック用鋳鉄製（ＦＣ２５０
相当材）平板（寸法：長さ７０ｍｍ、幅１７ｍｍ、厚さ
１４ｍｍ）の試験面をバフ研磨し、面粗さを０．１μｍ
以下にしたもの。なお、硬さはロックウエル硬さ（ＨR
Ｂ）で９０である。 Ｂ．上試験片：ピストンリング用鋼棒（寸法：直径８ｍ
ｍ、長さ２３ｍｍ）の端面を１８ｍｍＲの球面仕上げし
たもの。鋼棒はマルテンサイト系１７Ｃｒステンレス材
であり、鋼棒の表面に表２、表３および表４に記載の硬
質皮膜を被覆した。The test conditions are as follows. 1. Test sample A. Lower specimen: Cast iron for cylinder block (FC250
Equivalent material) A test surface of a flat plate (dimensions: length 70 mm, width 17 mm, thickness 14 mm) is buff-polished to have a surface roughness of 0.1 μm.
What you did below. Note that hardness Rockwell hardness (H R
B) is 90. B. Upper specimen: Steel rod for piston ring (Dimension: 8m in diameter)
(m, 23 mm in length) with a spherical finish of 18 mmR. The steel rod was a martensitic 17Cr stainless steel material, and the surface of the steel rod was coated with a hard coating described in Tables 2, 3 and 4.
【００４９】２．摩耗試験条件 ならし：５０Ｎ×１００ｃｐｍ×５ｍｉｎ 本試験：２００Ｎ×６００ｃｐｍ×６０ｍｉｎ 潤滑 ：軽油相当粘度油2. Abrasion test conditions Run-in: 50N x 100 cpm x 5 min Main test: 200 N x 600 cpm x 60 min Lubrication: Light oil equivalent viscosity oil
【００５０】図１０に、上記の往復動摩擦試験を行った
試験結果（Ｎ：１０．０％、なお、Ｃｒが１０．０％の
ものは実施例３）を示す。FIG. 10 shows the results of the reciprocating friction test (N: 10.0%, and Cr: 10.0%, Example 3).
【００５１】図１０の試験結果に示されているように、
Ｃｒの含有量が２５重量％以下で摩耗量が少なく、摺動
時の耐摩耗性が優れていることがわかる。As shown in the test results of FIG.
It can be seen that the amount of wear is small when the content of Cr is 25% by weight or less, and the wear resistance during sliding is excellent.
【００５２】次に、表２、表３および表４に示す硬質皮
膜を外周面に被覆したピストンリングをエンジンテスト
に供した。すなわち、φ８６ｍｍの直列４気筒ディーゼ
ルエンジンに前記ピストンリングを組み込み、全負荷の
条件で２５０時間の耐久試験を行った。Next, the piston rings whose outer peripheral surfaces were coated with the hard coatings shown in Tables 2, 3 and 4 were subjected to an engine test. That is, the piston ring was assembled in an in-line 4-cylinder diesel engine of φ86 mm, and a durability test was performed for 250 hours under a full load condition.
【００５３】図１０に、上記耐久試験を行った摩耗結果
（Ｎ：１０．０％、なお、Ｃｒが１０．０％のものは実
施例３）を示す。FIG. 10 shows the abrasion results of the above durability test (N: 10.0%, Cr: 10.0%, Example 3).
【００５４】図１０の試験結果に示されているように、
ピストンリングは硬質皮膜のＣｒ含有量が２５重量％以
下で皮膜摩耗量が少なく、耐摩耗性が優れていることが
わかる。As shown in the test results of FIG.
It can be seen that the piston ring has a small amount of abrasion when the hard coating has a Cr content of 25% by weight or less and has excellent abrasion resistance.
【００５５】また、表５、表６および表７に皮膜損傷結
果を示す。Tables 5, 6 and 7 show the results of film damage.
【００５６】 [0056]
【００５７】 [0057]
【００５８】 [0058]
【００５９】表５、表６および表７の試験結果に示され
ているように、本実施例におけるピストンリングは硬質
皮膜に欠けやクラックの発生は無く、靱性が優れている
ことがわかる。As shown in the test results in Tables 5, 6 and 7, it can be seen that the piston ring in the present example has no chipping or cracks in the hard coating and has excellent toughness.
【００６０】なお、上記実施例ではピストンリングの外
周面に硬質皮膜を被覆した例を示したが、硬質皮膜はピ
ストンリングの外周面と上下面、さらには外周面と上下
面と内周面とに被覆するようにしてもよい。In the above embodiment, an example is shown in which the outer peripheral surface of the piston ring is coated with a hard coating. May be coated.
【００６１】また、上記実施例ではピストンリングに硬
質皮膜を被覆した例を示したが、硬質皮膜はピストンリ
ングに被覆するに限らず、他の摺動部材、例えば内燃機
関の動弁系部品であるタペットやカム等の少なくとも摺
動面に被覆すれば有効である。In the above embodiment, the piston ring is coated with a hard coating. However, the hard coating is not limited to coating the piston ring, but may be formed by other sliding members, for example, a valve train component of an internal combustion engine. It is effective to cover at least the sliding surface of a certain tappet or cam.
【００６２】[0062]
【発明の効果】以上説明したように、本発明の摺動部材
における硬質皮膜は耐摩耗性と靱性が優れている。した
がって、本発明を例えばピストンリングに適用すること
によって、苛酷な条件下においても充分な耐久性を具備
させることができる。As described above, the hard coating of the sliding member of the present invention has excellent wear resistance and toughness. Therefore, by applying the present invention to, for example, a piston ring, sufficient durability can be provided even under severe conditions.
【図１】本発明の一実施例であるピストンリングの一部
分を示す縦断面図である。FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a part of a piston ring according to an embodiment of the present invention.
【図２】アークイオンプレーティング装置の構成を説明
する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of an arc ion plating apparatus.
【図３】アーク電流と成膜スピードとの関係を示すグラ
フである。FIG. 3 is a graph showing a relationship between an arc current and a film forming speed.
【図４】（ａ）はファンデアホルスト摩擦試験機の概要
を示す一部断面正面図、（ｂ）は同側面図である。FIG. 4 (a) is a partial cross-sectional front view showing an outline of a van der Horst friction tester, and FIG. 4 (b) is a side view thereof.
【図５】Ｃｒ含有量とクラック発生荷重との関係を示す
グラフである。FIG. 5 is a graph showing a relationship between a Cr content and a crack generation load.
【図６】Ｎ含有量とクラック発生荷重との関係を示すグ
ラフである。FIG. 6 is a graph showing a relationship between an N content and a crack generation load.
【図７】皮膜硬さとクラック発生荷重との関係を示すグ
ラフである。FIG. 7 is a graph showing a relationship between a film hardness and a crack generation load.
【図８】往復動摩擦試験機の概要を示す正面図である。FIG. 8 is a front view showing an outline of a reciprocating friction tester.
【図９】（ａ）は上試験片の摩耗量算出説明図、（ｂ）
は下試験片の摩耗量算出説明図である。FIG. 9A is an explanatory diagram of calculating the amount of wear of the upper test piece, and FIG.
FIG. 4 is an explanatory diagram for calculating a wear amount of a lower test piece.
【図１０】Ｃｒ含有量と摩耗量との関係を示すグラフで
ある。FIG. 10 is a graph showing the relationship between the Cr content and the wear amount.
１ ピストンリング ２ 硬質皮膜 １０ 真空チャンバ １１ 陰極（蒸発源） １２ 被コーティング物 １３ アーク供給源 １４ バイアス電圧供給源 １５ ガス入口 １６ 排気口 １７ 金属イオン １８ 反応ガス粒子 ２０ 上試験片 ２１ 固定ブロック ２２ 油圧シリンダ ２３ 下試験片 ２４ 可動ブロック ２５ クランク機構 ２６ ロードセル ２７ 上試験片の試験前形状 ２８ 上試験片の試験後形状 ３０ ロータ ３１ ロータ外周面 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piston ring 2 Hard film 10 Vacuum chamber 11 Cathode (evaporation source) 12 Coating object 13 Arc supply source 14 Bias voltage supply source 15 Gas inlet 16 Exhaust port 17 Metal ion 18 Reactive gas particles 20 Upper test piece 21 Fixed block 22 Hydraulic pressure Cylinder 23 Lower test piece 24 Movable block 25 Crank mechanism 26 Load cell 27 Shape before test of upper test piece 28 Shape after test of upper test piece 30 Rotor 31 Rotor outer peripheral surface
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−300130（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−265023（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−78821（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−17933（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−57006（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−8747（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F16J 9/26 Continuation of the front page (56) References JP-A-6-300130 (JP, A) JP-A-6-265023 (JP, A) JP-A-5-78821 (JP, A) JP-A-6-17933 (JP) JP-A-52-57006 (JP, A) JP-A-4-8747 (JP, U) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) F16J 9/26
Claims (5)
ている摺動部材であって、 前記硬質皮膜が、重量比で、Ｃｒ１〜２５％、Ｎ４〜１
５．５％、残Ｍｏからなる三元系皮膜であり、少なくと
も窒化モリブデンと窒化クロムとを含み、皮膜硬さがビ
ッカース硬さで１６００〜２６００であり、結晶粒径が
１μｍ未満であることを特徴とする摺動部材。1. A sliding member in which at least a sliding surface is coated with a hard coating, wherein the hard coating has a weight ratio of Cr 1 to 25% and N 4 to 1
5.5%, a ternary film consisting of residual Mo, containing at least molybdenum nitride and chromium nitride, having a film hardness of 1600 to 2600 in Vickers hardness and a crystal grain size of less than 1 μm. A sliding member characterized by the following.
って、前記硬質皮膜をＰＶＤ法により被覆することを特
徴とする摺動部材の製造方法。2. The method for manufacturing a sliding member according to claim 1, wherein said hard coating is coated by a PVD method.
であることを特徴とする請求項２記載の摺動部材の製造
方法。3. The method according to claim 2, wherein said PVD method is an ion plating method.
なる蒸発源、およびＭｏ−Ｃｒ合金からなる蒸発源のう
ちの少なくとも２つの蒸発源を有しており、各蒸発源に
おけるアーク電流の大きさを適宜の値に設定し、窒素雰
囲気中でイオンプレーティングを行うことを特徴とする
請求項３記載の摺動部材の製造方法。4. It has at least two evaporation sources of an evaporation source made of Mo metal, an evaporation source made of Cr metal, and an evaporation source made of Mo—Cr alloy, and the magnitude of the arc current in each evaporation source. 4. The method for manufacturing a sliding member according to claim 3, wherein the value is set to an appropriate value, and the ion plating is performed in a nitrogen atmosphere.
おり、窒素雰囲気中でイオンプレーティングを行うこと
を特徴とする請求項３記載の摺動部材の製造方法。5. The method according to claim 3, further comprising an evaporation source made of a Mo—Cr alloy, and performing the ion plating in a nitrogen atmosphere.
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|---|---|---|---|
| JP33626594A JP3286097B2 (en) | 1994-12-22 | 1994-12-22 | Sliding member and manufacturing method thereof |
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| GB9526216A GB2296257B (en) | 1994-12-22 | 1995-12-21 | Sliding member and manufacturing method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
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- 1994-12-22 JP JP33626594A patent/JP3286097B2/en not_active Expired - Fee Related
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