JP4393391B2

JP4393391B2 - Sliding member

Info

Publication number: JP4393391B2
Application number: JP2005022296A
Authority: JP
Inventors: 健相沢
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2005-01-28
Filing date: 2005-01-28
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2025-01-28
Also published as: JP2006206978A

Description

本発明は、摺動部材に関し、特に摺動面相当部にＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜が形成された摺動部材に関する。 The present invention relates to a sliding member, and more particularly to a sliding member in which a Cr-B-Si-N alloy film is formed on a portion corresponding to a sliding surface.

従来より、エンジン部品、各種機械部品の摺動部には、摺動特性に優れた皮膜を施した摺動材料が使用されている。ピストンリング等の摺動部材の摺動面には、耐久性を改善するため耐摩耗性等の摺動特性の向上を目的とした硬質クロムめっき、窒化処理、ＰＶＤ（物理蒸着）法で形成された窒化クロム（ＣｒＮ）及び窒化チタン（ＴｉＮ）等の表面処理が施されている。耐剥離性（靭性）、耐摩耗性及び耐スカッフ性を向上させることを目的としてＰＶＤ法の１つであるイオンプレーティング法によるＣｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜（Ｂ含有量が０．０５〜２０．０質量％）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、耐摩耗性及び耐スカッフ性を向上させるＣｒ−Ｎ系合金皮膜としてイオンプレーティング法によるＣｒ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜（Ｃｒ：Ｓｉ：Ｎ＝１：０．０５〜１．２：０．１〜１．２（原子比））が提案されている（例えば、特許文献２参照）。これらの合金皮膜は、ピストンリング以外の機械部品やエンジン部品等にも利用されている。 Conventionally, a sliding material provided with a film having excellent sliding characteristics has been used for sliding parts of engine parts and various machine parts. The sliding surface of a sliding member such as a piston ring is formed by hard chromium plating, nitriding treatment, PVD (physical vapor deposition) for the purpose of improving the sliding characteristics such as wear resistance in order to improve the durability. Surface treatment such as chromium nitride (CrN) and titanium nitride (TiN) is performed. Cr—B—N alloy film by ion plating method (B content is 0.05 to 20) which is one of PVD methods for the purpose of improving peel resistance (toughness), wear resistance and scuff resistance 0.0 mass%) has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In addition, a Cr—Si—N alloy film (Cr: Si: N = 1: 0.05 to 1.2: 0.0.1) by an ion plating method as a Cr—N based alloy film that improves wear resistance and scuff resistance. 1 to 1.2 (atomic ratio)) has been proposed (for example, see Patent Document 2). These alloy films are also used for machine parts and engine parts other than piston rings.

特開２０００−１７６６号公報JP 2000-1766 特開平５−１９５１９６号公報JP-A-5-195196

しかし、近年の環境対策等の観点から内燃機関の高出力化の要求が高まってきている。これに伴いピストンリング等の摺動部品が使用される環境が更に苛酷になってきている。このため、従来の合金皮膜であっても摺動特性が十分とはいえない状況となっており、さらに摺動特性の優れた合金皮膜が形成された摺動部材の開発が要求されている。 However, there is an increasing demand for higher output of internal combustion engines from the viewpoint of environmental measures in recent years. As a result, the environment in which sliding parts such as piston rings are used has become more severe. For this reason, even if it is the conventional alloy film, it cannot be said that a sliding characteristic is enough, and also development of the sliding member in which the alloy film excellent in the sliding characteristic was formed is requested | required.

また、従来のＣｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜では、２０．０質量％のＢを含有する場合がある。このような合金皮膜をイオンプレーティング法により形成する場合には、ターゲット合金にＢ量を多く含有させることが必要である。しかしＢ量を多く含有するターゲット合金は脆く割れ易い。更に、Ｂ量を多く含有するターゲット合金を用いると、製造コストが高くなるという問題がある。また、従来のＣｒ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜においては多量のＳｉを含有する場合があり、ターゲット合金にＳｉ量を多く含有させることが必要である。しかし、Ｂを多く含有する場合と同様にイオンプレーティング法においてＳｉ量を多く含有するターゲット合金は脆く割れ易い。更に、Ｓｉ量を多く含有するターゲット合金を用いると、製造コストが高くなるという問題がある。 Moreover, in the conventional Cr-BN alloy film, 20.0 mass% B may be contained. When such an alloy film is formed by an ion plating method, it is necessary to contain a large amount of B in the target alloy. However, a target alloy containing a large amount of B is brittle and easily cracked. Furthermore, when a target alloy containing a large amount of B is used, there is a problem that the manufacturing cost increases. Further, a conventional Cr—Si—N alloy film may contain a large amount of Si, and it is necessary to make the target alloy contain a large amount of Si. However, as in the case of containing a large amount of B, the target alloy containing a large amount of Si in the ion plating method is brittle and easily cracked. Furthermore, when a target alloy containing a large amount of Si is used, there is a problem that the manufacturing cost increases.

そこで本発明は、製造コストを抑え、耐摩耗性、耐スカッフ性及び耐剥離性に優れたＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜が形成された摺動部材を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a sliding member on which a Cr—B—Si—N alloy film excellent in wear resistance, scuff resistance and peel resistance is formed with reduced manufacturing costs.

上記目的を達成するために、本発明は、母材の摺動面相当部に物理蒸着法によって形成されるＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜が被覆された摺動部材であって、該Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜は、Ｂを０．０５〜１０．０質量％、Ｓｉを０．０５〜１０．０質量％、Ｎを１０．０〜３０．０質量％含有し、残部がＣｒからなり、該母材の少なくとも摺動面相当部に窒化層が形成され、該窒化層上にＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜が被覆され、該Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜が被覆された摺動部材は、ピストンリングである摺動部材を提供している。 In order to achieve the above object, the present invention provides a sliding member in which a portion corresponding to a sliding surface of a base material is coated with a Cr—B—Si—N alloy film formed by physical vapor deposition. -B-Si-N alloy film contains 0.05 to 10.0% by mass of B, 0.05 to 10.0% by mass of Si, 10.0 to 30.0% by mass of N, and the balance Ri Cr Tona, at least the nitride layer on the sliding surface equivalent portion is formed of base material, Cr-B-Si-N alloy film is coated on the nitride layer, the Cr-B-Si-N alloy film Is provided with a sliding member that is a piston ring .

請求項１記載のピストンリングである摺動部材によれば、Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜は、Ｂを０．０５〜１０．０質量％、Ｓｉを０．０５〜１０．０質量％、Ｎを１０．０〜３０．０質量％含有している。かかる構成によれば、Ｂ及びＳｉの含有量が多くとも１０．０質量％であるので、Ｂ及びＳｉを含有するターゲット合金を使用する必要がない。従って、摺動部材又はピストンリングの製造コストが高くなるのを抑えることができる。また耐摩耗性、耐スカッフ性及び耐剥離性に優れたＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜が形成されたピストンリングである摺動部材を提供することができる。 According to the sliding member which is the piston ring according to claim 1, the Cr—B—Si—N alloy film has a B content of 0.05 to 10.0 mass% and a Si content of 0.05 to 10.0 mass%. , N is contained in an amount of 10.0 to 30.0% by mass. According to such a configuration, since the content of B and Si is at most 10.0 mass%, it is not necessary to use a target alloy containing B and Si. Therefore, it can suppress that the manufacturing cost of a sliding member or a piston ring becomes high. Moreover , the sliding member which is a piston ring in which the Cr-B-Si-N alloy film excellent in abrasion resistance, scuff resistance, and peeling resistance was formed can be provided.

また、母材の少なくとも摺動面相当部に窒化層が形成され、窒化層上に該Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜が被覆されているので、ピストンリングである摺動部材全体の強度を向上させることができ、耐折損性が良好となる。またピストンリングの外周摺動面に直交する上下面に窒化層を形成すれば、ピストンリング自体の摩耗を防止することができる。 In addition , since a nitride layer is formed at least on the sliding surface equivalent portion of the base material and the Cr—B—Si—N alloy film is coated on the nitride layer, the strength of the entire sliding member that is the piston ring is increased. It can be improved, and the breakage resistance is improved. Further, if the nitride layers are formed on the upper and lower surfaces orthogonal to the outer peripheral sliding surface of the piston ring, the wear of the piston ring itself can be prevented.

本発明の摺動部材をピストンリングに適用した実施の形態ついて図１を参照して説明する。図１は、ピストンリング１のその円周方向に直交する断面図を示している。ピストンリング１は、母材２と、窒化層３と、Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４とから構成されている。母材２は、Ｆｅ系又はＡｌ系の合金、又はＴｉ系合金である。窒化層３は、公知の窒化処理によって母材２の表面層に窒素を拡散させることにより形成され、硬質である。窒化層３を形成することにより、ピストンリング１全体の強度を向上させることができ、耐折損性が良好となる。またピストンリング１の外周摺動面に直交する上面５及び下面６に窒化層３を形成することにより、ピストンリング１自体の摩耗を防止することができる。 An embodiment in which the sliding member of the present invention is applied to a piston ring will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows a cross-sectional view of the piston ring 1 perpendicular to its circumferential direction. The piston ring 1 includes a base material 2, a nitride layer 3, and a Cr—B—Si—N alloy film 4. The base material 2 is an Fe-based or Al-based alloy, or a Ti-based alloy. The nitride layer 3 is formed by diffusing nitrogen into the surface layer of the base material 2 by a known nitriding process, and is hard. By forming the nitride layer 3, the strength of the entire piston ring 1 can be improved, and the breakage resistance is improved. Further, by forming the nitride layer 3 on the upper surface 5 and the lower surface 6 orthogonal to the outer peripheral sliding surface of the piston ring 1, it is possible to prevent the piston ring 1 itself from being worn.

Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４は、ＰＶＤ（物理的蒸着）法によって窒化層３の外周摺動面（摺動面相当部）に被覆されている。ＰＶＤ法としては、イオンプレーティング法、真空蒸着法、スパッタリング法等があり、本実施の形態においては、イオンプレーティング法の一つであるアークイオンプレーティング法を用いている。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、ち密で密着性に優れた皮膜を得ることができる。Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４は、Ｃｒ−Ｂ合金ターゲットとＣｒ−Ｓｉ合金ターゲットとを互いに対向するようにセットし、窒素ガス雰囲気中で、アーク電流を流しＣｒ、Ｂ及びＳｉをイオン化させ、窒化層３を備えた母材２を回転させることにより、窒化層３の外周摺動面に形成される。このときＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４の膜厚は、１〜７０μｍである。また、Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４のビッカース硬さは１３００ＨＶ０．０５〜１９００ＨＶ０．０５であり、より好ましくは１４００ＨＶ０．０５〜１８００ＨＶ０．０５である。 The Cr—B—Si—N alloy film 4 is coated on the outer peripheral sliding surface (sliding surface equivalent portion) of the nitride layer 3 by a PVD (physical vapor deposition) method. As the PVD method, there are an ion plating method, a vacuum deposition method, a sputtering method, and the like. In this embodiment, an arc ion plating method which is one of the ion plating methods is used. The arc ion plating method has a high vapor ionization rate, and can obtain a dense and excellent coating film. The Cr-B-Si-N alloy film 4 is set so that the Cr-B alloy target and the Cr-Si alloy target face each other, and an arc current is passed in a nitrogen gas atmosphere to ionize Cr, B, and Si. The base material 2 provided with the nitride layer 3 is rotated to form the outer peripheral sliding surface of the nitride layer 3. At this time, the film thickness of the Cr—B—Si—N alloy film 4 is 1 to 70 μm. Moreover, the Vickers hardness of the Cr-B-Si-N alloy film 4 is 1300HV0.05-1900HV0.05, More preferably, it is 1400HV0.05-1800HV0.05.

Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４は、Ｂを０．０５〜１０．０質量％、Ｓｉを０．０５〜１０．０質量％、Ｎを１０．０〜３０．０質量％含有し、残部がＣｒである。Ｂが０．０５質量％未満の場合には、Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４の耐剥離性、耐摩耗性、耐スカッフ性が向上せず、１０．０質量％を超えるとＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４の耐剥離性が低下し、ピストンリング１の製造コストが高くなる。 The Cr-B-Si-N alloy film 4 contains 0.05 to 10.0% by mass of B, 0.05 to 10.0% by mass of Si, and 10.0 to 30.0% by mass of N, The balance is Cr. When B is less than 0.05% by mass, the peel resistance, wear resistance, and scuff resistance of the Cr—B—Si—N alloy film 4 are not improved, and when it exceeds 10.0% by mass, Cr— The peel resistance of the B—Si—N alloy film 4 is lowered, and the manufacturing cost of the piston ring 1 is increased.

Ｓｉが０．０５質量％未満の場合には、従来の皮膜よりも優れたＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４の耐摩耗性が得られず、１０．０質量％を超えると脆化し欠け等が発生する恐れがあり、かつピストンリング１の製造コストが高くなる。Ｎが１０．０質量％未満の場合には、従来の皮膜よりも優れたＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜の耐摩耗性が得られず、３０．０質量％を超えると耐摩耗性が悪くなる。よって、Ｂ、Ｓｉ及びＮを上述の質量％で含有することにより、耐摩耗性、耐スカッフ性、耐剥離性を向上させた合金皮膜を得ることができる。 When the Si content is less than 0.05% by mass, the wear resistance of the Cr—B—Si—N alloy film 4 superior to that of the conventional film cannot be obtained. Etc. may occur, and the manufacturing cost of the piston ring 1 increases. When N is less than 10.0% by mass, the wear resistance of the Cr—B—Si—N alloy film superior to that of the conventional film cannot be obtained. Deteriorate. Therefore, by containing B, Si, and N in the above-described mass%, an alloy film with improved wear resistance, scuff resistance, and peel resistance can be obtained.

本実施の形態によるＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４の効果を試す性能試験を行った。表１に示す実施例１−３０、従来例１−７、及び比較例１−６８の組成を有するＣｒ−Ｎ系合金について、耐摩耗性、耐スカッフ性及び耐剥離性の試験を行った。実施例１−３０は、本実施の形態の範囲内の量のＢ、Ｓｉ及びＮを含有するＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金である。従来例１−３はＣｒ−Ｂ−Ｎ合金、従来例４−７はＣｒ−Ｓｉ−Ｎ合金である。更に比較例１−６８は本実施の形態の範囲外の量のＢ、Ｓｉ又はＮの少なくとも一つを含有するＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金である。

A performance test was conducted to test the effect of the Cr—B—Si—N alloy film 4 according to the present embodiment. The Cr—N-based alloys having the compositions of Example 1-30, Conventional Example 1-7, and Comparative Example 1-68 shown in Table 1 were tested for wear resistance, scuff resistance, and peel resistance. Example 1-30 is a Cr—B—Si—N alloy containing B, Si and N in amounts within the scope of the present embodiment. Conventional Example 1-3 is a Cr—B—N alloy, and Conventional Example 4-7 is a Cr—Si—N alloy. Further, Comparative Example 1-68 is a Cr—B—Si—N alloy containing at least one of B, Si or N in an amount outside the range of the present embodiment.

次に、耐摩耗性試験及び耐スカッフ性試験に用いたテストピースの作製方法について説明する。まず、７ｍｍ×８ｍｍ×５ｍｍの鋼板平板（母材２に相当）の片面をラッピングし、１μｍ以下の表面粗さに仕上げた。次に平板を有機溶剤液中で超音波洗浄を行い、ガス窒化（５５０℃で２時間保持）で窒化層（窒化層３に相当）を拡散層を含め８０μｍ形成させ、白層を除去した。次に以下に説明する方法で、実施例１−３０のＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜、従来例１−７のＣｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜及びＣｒ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜、比較例１−６８のＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜を窒化層上にそれぞれ２０μｍ形成した。 Next, a method for producing a test piece used in the wear resistance test and the scuff resistance test will be described. First, one surface of a 7 mm × 8 mm × 5 mm steel plate (corresponding to the base material 2) was lapped and finished to a surface roughness of 1 μm or less. Next, the flat plate was subjected to ultrasonic cleaning in an organic solvent solution, and a nitride layer (corresponding to the nitride layer 3) including the diffusion layer was formed to 80 μm by gas nitriding (held at 550 ° C. for 2 hours), and the white layer was removed. Next, by the method described below, the Cr—B—Si—N alloy film of Example 1-30, the Cr—B—N alloy film and the Cr—Si—N alloy film of Conventional Example 1-7, Comparative Example 1 Each of -68 Cr-B-Si-N alloy films was formed on the nitride layer by 20 μm.

実施例１−３０のＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜の形成方法について説明する。まず、上記の窒化層が形成された試料をアークイオンプレーティング装置のチャンバ内に取り付け、その後チャンバ内を５×１０^−３Ｔｏｒｒまで減圧した。次にチャンバ内に内蔵されたヒータにより、試料表面に付着あるいは吸着しているガスを放出させた。次に試料を挟んで互いに対向するように配置されたＣｒ−Ｂ合金ターゲットとＣｒ−Ｓｉ合金ターゲットとの表面にアーク放電を発生させ、Ｃｒ、Ｂ及びＳｉのイオンを放出させた。 A method for forming the Cr—B—Si—N alloy film of Example 1-30 will be described. First, the sample on which the nitride layer was formed was mounted in the chamber of the arc ion plating apparatus, and then the pressure in the chamber was reduced to 5 × 10 ⁻³ Torr. Next, the gas adhering to or adsorbing to the sample surface was released by a heater built in the chamber. Next, arc discharge was generated on the surfaces of the Cr—B alloy target and the Cr—Si alloy target disposed so as to face each other with the sample interposed therebetween, and ions of Cr, B, and Si were released.

次に、試料に−８００Ｖを印加して試料表面をスパッタクリーニング（イオンボンバード）した。その後、アーク放電が発生しているチャンバ中に窒素ガスを導入し、試料を回転させかつ試料に−１０Ｖのバイアスを印加して試料表面にＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜を形成した。Ｃｒ−Ｂ合金ターゲットとＣｒ−Ｓｉ合金ターゲットは、組成を変えることにより、Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜中のＢ及びＳｉの含有量を変化させることができる。これにより表１の実施例１−３０に示す量のＢ、Ｓｉ及びＮを含有するＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜を形成し、テストピース（図２に示すテストピース１１に相当する）を作製した。 Next, -800 V was applied to the sample, and the sample surface was sputter cleaned (ion bombardment). Thereafter, nitrogen gas was introduced into the chamber in which arc discharge occurred, the sample was rotated, and a −10 V bias was applied to the sample to form a Cr—B—Si—N alloy film on the sample surface. The Cr-B alloy target and the Cr-Si alloy target can change the contents of B and Si in the Cr-B-Si-N alloy film by changing the composition. Thus, a Cr—B—Si—N alloy film containing B, Si and N in the amounts shown in Example 1-30 in Table 1 was formed, and a test piece (corresponding to the test piece 11 shown in FIG. 2) was formed. Produced.

次に従来例１−３のＣｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜の形成方法について説明する。まず、上記の窒化層が形成された試料をアークイオンプレーティング装置のチャンバ内に取り付け、その後チャンバ内を５×１０^−３Ｔｏｒｒまで減圧した。次にチャンバ内に内蔵されたヒータにより、試料表面に付着あるいは吸着しているガスを放出させた。次にＣｒ−Ｂ合金ターゲットとの表面にアーク放電を発生させ、Ｃｒ及びＢのイオンを放出させた。 Next, a method for forming the Cr—B—N alloy film of Conventional Example 1-3 will be described. First, the sample on which the nitride layer was formed was mounted in the chamber of the arc ion plating apparatus, and then the pressure in the chamber was reduced to 5 × 10 ⁻³ Torr. Next, the gas adhering to or adsorbing to the sample surface was released by a heater built in the chamber. Next, arc discharge was generated on the surface of the Cr—B alloy target, and Cr and B ions were released.

次に、試料に−８００Ｖを印加して試料表面をスパッタクリーニング（イオンボンバード）した。その後、アーク放電が発生しているチャンバ中に窒素ガスを導入し、試料を回転させかつ試料に−１０Ｖのバイアスを印加して試料表面にＣｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜を形成した。Ｃｒ−Ｂ合金ターゲットの組成を変えることにより、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜中のＢの含有量を変化させることができる。これにより、表１の従来例１−３に示す量のＢ及びＮを含有するＣｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜を形成し、テストピース（図２に示すテストピース１１に相当する）を作製した。 Next, -800 V was applied to the sample, and the sample surface was sputter cleaned (ion bombardment). Thereafter, nitrogen gas was introduced into the chamber in which arc discharge occurred, the sample was rotated, and a −10 V bias was applied to the sample to form a Cr—B—N alloy film on the sample surface. By changing the composition of the Cr—B alloy target, the B content in the Cr—B—N alloy film can be changed. Thus, a Cr—B—N alloy film containing B and N in amounts shown in Conventional Example 1-3 in Table 1 was formed, and a test piece (corresponding to the test piece 11 shown in FIG. 2) was produced.

次に従来例４−７のＣｒ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜の形成方法について説明する。まず、上記の窒化層が形成された試料をアークイオンプレーティング装置のチャンバ内に取り付け、その後チャンバ内を５×１０^−３Ｔｏｒｒまで減圧した。次にチャンバ内に内蔵されたヒータにより、試料表面に付着あるいは吸着しているガスを放出させた。次にＣｒ−Ｓｉ合金ターゲットとの表面にアーク放電を発生させ、Ｃｒ及びＳｉのイオンを放出させた。 Next, a method for forming a Cr—Si—N alloy film of Conventional Example 4-7 will be described. First, the sample on which the nitride layer was formed was mounted in the chamber of the arc ion plating apparatus, and then the pressure in the chamber was reduced to 5 × 10 ⁻³ Torr. Next, the gas adhering to or adsorbing to the sample surface was released by a heater built in the chamber. Next, arc discharge was generated on the surface with the Cr—Si alloy target, and ions of Cr and Si were released.

次に、試料に−８００Ｖを印加して試料表面をスパッタクリーニング（イオンボンバード）した。その後、アーク放電が発生しているチャンバ中に窒素ガスを導入し、試料を回転させかつ試料に−１０Ｖのバイアスを印加して試料表面にＣｒ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜を形成した。Ｃｒ−Ｓｉ合金ターゲットの組成を変えることにより、Ｃｒ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜中のＳｉの含有量を変化させることができる。これにより、表１の従来例４−７に示す量のＢ及びＮを含有するＣｒ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜を形成し、テストピース（図２に示すテストピース１１に相当する）を作製した。 Next, -800 V was applied to the sample, and the sample surface was sputter cleaned (ion bombardment). Thereafter, nitrogen gas was introduced into the chamber in which arc discharge occurred, the sample was rotated, and a bias of −10 V was applied to the sample to form a Cr—Si—N alloy film on the sample surface. By changing the composition of the Cr—Si alloy target, the Si content in the Cr—Si—N alloy film can be changed. Thus, a Cr—Si—N alloy film containing B and N in amounts shown in Conventional Example 4-7 in Table 1 was formed, and a test piece (corresponding to the test piece 11 shown in FIG. 2) was produced.

表１の比較例１−６８に示す量のＢ、Ｓｉ及びＮを含有するＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜は、実施例１−３０のＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜の形成方法において、組成の異なるＣｒ−Ｂ合金ターゲット及びＣｒ−Ｓｉ合金ターゲットとを用いて形成し、テストピース（図２に示すテストピース１１に相当する）を作製した。 The Cr—B—Si—N alloy film containing B, Si and N in the amounts shown in Comparative Example 1-68 of Table 1 is the same as the Cr—B—Si—N alloy film formation method of Example 1-30. A test piece (corresponding to the test piece 11 shown in FIG. 2) was prepared using a Cr—B alloy target and a Cr—Si alloy target having different compositions.

次に、耐摩耗性試験、耐スカッフ性試験及び耐剥離性試験について説明する。耐摩耗性試験には、図２に示すアムスラー型試験機１０を用いた。ピストンリング１に相当する上記の方法により作製した実施例１−３０、従来例１−７及び比較例１−６８の合金皮膜を形成したテストピース１１（寸法７ｍｍ×８ｍｍ×５ｍｍ）を固定片とし、シリンダライナに相当する相手材１２（回転片）にはドーナツ状の（外径４０ｍｍ、内径１６ｍｍ、軸方向の厚さ１０ｍｍ）のものを用いた。 Next, an abrasion resistance test, a scuff resistance test, and a peel resistance test will be described. For the abrasion resistance test, an Amsler type tester 10 shown in FIG. 2 was used. The test piece 11 (dimensions 7 mm × 8 mm × 5 mm) formed with the alloy film of Example 1-30, Conventional Example 1-7 and Comparative Example 1-68 produced by the above method corresponding to the piston ring 1 is used as a fixed piece. The counterpart material 12 (rotating piece) corresponding to the cylinder liner was doughnut-shaped (outer diameter 40 mm, inner diameter 16 mm, axial thickness 10 mm).

試験機１０の図示せぬ容器には潤滑油１３を溜め、潤滑油１３に相手材１２を部分的に浸して一定速度で回転させ、相手材１２の外周面にテストピース１１を接触させかつ荷重Ｐを負荷した。そして、一定時間経過後にテストピース１１の摩耗量を測定した。摩耗量の測定は、粗さ計による段差プロフィールで摩耗量（μｍ）を測定した。耐摩耗性試験の試験条件は以下に示すとおりである。
試験条件
試験機：アムスラー型試験機相手材：ボロン鋳鉄
潤滑油：１号スピンドル油相当品油温：８０℃
周速：１．０ｍ／ｓ荷重：１５０ｋｇｆ
時間：７時間 Lubricating oil 13 is stored in a container (not shown) of the testing machine 10, the counterpart material 12 is partially immersed in the lubricating oil 13 and rotated at a constant speed, the test piece 11 is brought into contact with the outer peripheral surface of the counterpart material 12, and the load P was loaded. And the wear amount of the test piece 11 was measured after progress for a fixed time. The amount of wear was measured by a step profile using a roughness meter. The test conditions for the wear resistance test are as follows.
Test condition test machine: Amsler test machine Counterpart material: Boron cast iron lubricant: No. 1 spindle oil equivalent Oil temperature: 80 ° C
Peripheral speed: 1.0 m / s Load: 150 kgf
Time: 7 hours

耐摩耗性試験の結果を表１に示している。表１の摩耗指数は、従来例１のテストピース１１の摩耗量を１００とし、従来例１のテストピース１１の摩耗量に対する各テストピース１１の摩耗量を相対比として算出することにより求めた。従って、各テストピース１１の摩耗指数が１００より小さいほど摩耗量が少なく、耐摩耗性に優れていることを表している。 The results of the abrasion resistance test are shown in Table 1. The wear index in Table 1 was obtained by calculating the wear amount of each test piece 11 relative to the wear amount of the test piece 11 of the conventional example 1 as a relative ratio, with the wear amount of the test piece 11 of the conventional example 1 being 100. Therefore, the smaller the wear index of each test piece 11 is, the smaller the wear amount is, and the better the wear resistance is.

次に、耐スカッフ性試験について説明する。耐スカッフ性試験は、耐摩耗性試験と同様のアムスラー試験機１０を用いて行った。耐スカッフ性試験の試験方法は、耐摩耗性試験とほぼ同様であり、テストピース１１に負荷する荷重をスカッフが発生するまで順次増加させていく点において異なる。そして、テストピース１１がスカッフを発生する限界荷重を測定した。耐スカッフ性試験の試験条件は以下に示すとおりである。
試験条件
試験機：アムスラー型試験機相手材：ボロン鋳鉄
潤滑油：１号スピンドル油相当品を塗布周速：１．０ｍ／ｓ Next, the scuff resistance test will be described. The scuff resistance test was performed using the Amsler tester 10 similar to the wear resistance test. The test method of the scuff resistance test is substantially the same as the wear resistance test, and is different in that the load applied to the test piece 11 is sequentially increased until the scuff is generated. And the limit load which the test piece 11 generate | occur | produces a scuff was measured. The test conditions for the scuff resistance test are as follows.
Test condition testing machine: Amsler type testing machine Counterpart material: Boron cast iron lubricating oil: No. 1 spindle oil or equivalent applied Peripheral speed: 1.0 m / s

耐スカッフ性試験の結果を表１に示している。表１の耐スカッフ指数は、従来例１のテストピース１１のスカッフ限界荷重を１００とし、従来例１に対する各テストピース１１のスカッフ限界荷重を相対比として算出することにより求めた。従って、各テストピース１１の耐スカッフ指数が１００より大きいほどスカッフ限界荷重が大きくなり、耐スカッフ性に優れていることを表している。 The results of the scuff resistance test are shown in Table 1. The scuff resistance index in Table 1 was obtained by calculating the scuffing limit load of each test piece 11 relative to Conventional Example 1 as a relative ratio, with the scuffing limit load of Test Piece 11 of Conventional Example 1 being 100. Therefore, as the scuff resistance index of each test piece 11 is larger than 100, the scuff limit load increases, indicating that the scuff resistance is excellent.

次に、耐剥離性試験について説明する。耐剥離性試験には、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すＮＰＲ式衝撃試験機２０（特公昭３６−１９０４６号）の改良試験機を用いた。本実施の形態によるピストンリング１を当て金２１上に置いて、突子２２の下端に設けられた圧子２３をピストンリング１の外周摺動面に衝突させた（図３（ｂ））。一回当たりの圧子２３のストロークは１．５ｍｍとし、衝突エネルギーは４３．１ｍＪ（４．４ｋｇｆ・ｍｍ）とした。そして、ピストンリング１のＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４（図１）が剥離するまで圧子２３を衝突させ、衝突の回数を測定した。剥離の有無は、ピストンリング１の外周面を１．５倍に拡大して観察し評価した。また、本実施の形態によるピストンリング１以外に、従来例１−７及び比較例１−６８の合金皮膜を形成したピストンリングについても同様に耐剥離性試験を行った。 Next, the peel resistance test will be described. In the peel resistance test, an improved tester of NPR impact tester 20 (Japanese Patent Publication No. 36-19046) shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b) was used. The piston ring 1 according to the present embodiment was placed on the backing metal 21, and the indenter 23 provided at the lower end of the protrusion 22 was caused to collide with the outer peripheral sliding surface of the piston ring 1 (FIG. 3B). The stroke of the indenter 23 per stroke was 1.5 mm, and the collision energy was 43.1 mJ (4.4 kgf · mm). And the indenter 23 was made to collide until the Cr-B-Si-N alloy membrane | film | coat 4 (FIG. 1) of the piston ring 1 peeled, and the frequency | count of collision was measured. The presence or absence of peeling was evaluated by observing the outer peripheral surface of the piston ring 1 with a magnification of 1.5 times. In addition to the piston ring 1 according to the present embodiment, a peel resistance test was similarly performed on the piston rings formed with the alloy films of Conventional Examples 1-7 and Comparative Examples 1-68.

耐剥離性試験の結果を表１に示している。表１の耐剥離指数は、従来例１の合金皮膜を形成したピストンリングに剥離が生じるまでの圧子２３の衝突回数を１００とし、従来例１に対する実施例１−３０、従来例２−７及び比較例１−６８の合金皮膜を形成したピストンリングに剥離が生じるまで圧子２３の衝突回数を相対比として算出することにより求めた。従って、各ピストンリングの耐剥離指数が１００より大きいほど圧子２３の衝突回数が多くなり、耐剥離性に優れていることを表している。 The results of the peel resistance test are shown in Table 1. The anti-peeling index in Table 1 is defined as 100 for the number of collisions of the indenter 23 until peeling occurs on the piston ring on which the alloy film of Conventional Example 1 is formed. It calculated | required by calculating the frequency | count of collision of the indenter 23 as a relative ratio until peeling generate | occur | produces in the piston ring which formed the alloy film of the comparative example 1-68. Therefore, as the peel resistance index of each piston ring is larger than 100, the number of collisions of the indenter 23 increases, indicating that the peel resistance is excellent.

表１から明らかなように、従来例２−７及び比較例１−６８の摩耗指数、耐スカッフ指数及び耐剥離指数の少なくとも一つは、従来例１よりも劣っており、実施例１−３０は摩耗指数、耐スカッフ指数及び耐剥離指数の全てにおいて、従来例１よりも優れていることが分かる。よって、図１の窒化層３の外周摺動面に、Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４を形成することによって、耐摩耗性、耐スカッフ性および耐剥離性に優れたピストンリング１を提供することができる。 As is clear from Table 1, at least one of the wear index, scuff resistance index, and peel resistance index of Conventional Example 2-7 and Comparative Example 1-68 is inferior to Conventional Example 1, and Example 1-30 It can be seen that is superior to Conventional Example 1 in all of the wear index, scuff resistance index and peel resistance index. Therefore, by forming the Cr—B—Si—N alloy film 4 on the outer peripheral sliding surface of the nitride layer 3 in FIG. 1, the piston ring 1 having excellent wear resistance, scuff resistance and peeling resistance is provided. can do.

次に、実施例１０、２２、２８とほぼ同様の組成を有し、ピストンリング１の変形例である図４のピストンリング１０１のように、窒化層を形成せずに母材２の外周摺動面に直接Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４を形成させた実施例３１、３２、３３についても上記と同様の耐剥離性試験を行った。その結果を表２に示す。

Next, as in the piston ring 101 of FIG. 4 which is a modified example of the piston ring 1 and has almost the same composition as in Examples 10, 22, and 28, the outer periphery of the base material 2 is formed without forming a nitrided layer. The same peel resistance test as described above was performed on Examples 31, 32, and 33 in which the Cr—B—Si—N alloy film 4 was directly formed on the moving surface. The results are shown in Table 2.

表２から明らかなように、剥離性に関して、窒化層を形成していない（図４）実施例３１、３２、３３においても、従来例１よりも優れていることが分かる。また、ピストンリング外周摺動面に窒化層を形成している（図１）実施例１０、２２、２８の方が、窒化層を形成していない（図４）実施例３１、３２、３３よりも優れていることが分かる。よって、図１の窒化層の外周摺動面にＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４を形成することによって、耐剥離性に優れたピストンリングを提供することができる。 As can be seen from Table 2, it can be seen that the peelability is superior to Conventional Example 1 in Examples 31, 32, and 33 in which no nitride layer is formed (FIG. 4). Further, the nitride layer is formed on the outer peripheral sliding surface of the piston ring (FIG. 1). Examples 10, 22, and 28 have no nitride layer (FIG. 4) from Examples 31, 32, and 33. It can be seen that it is excellent. Therefore, by forming the Cr—B—Si—N alloy film 4 on the outer peripheral sliding surface of the nitride layer in FIG. 1, it is possible to provide a piston ring having excellent peeling resistance.

本発明による摺動部材は、上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。例えば、図１のピストンリング１は、窒化層３の外周摺動面にＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４を形成したが、窒化層３を形成した後にピストンリング１の外周摺動面側の窒化層３を研削して、図５のピストンリング２０１に示すような窒化層２０３にして、母材２に直接Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４を形成しても良い。 The sliding member by this invention is not limited to embodiment mentioned above, A various deformation | transformation and improvement are possible in the range described in the claim. For example, in the piston ring 1 of FIG. 1, the Cr—B—Si—N alloy film 4 is formed on the outer peripheral sliding surface of the nitride layer 3, but after the nitride layer 3 is formed, the outer peripheral sliding surface side of the piston ring 1 is formed. The nitride layer 3 may be ground to form a nitride layer 203 as shown in the piston ring 201 of FIG. 5, and the Cr—B—Si—N alloy film 4 may be formed directly on the base material 2.

また、本実施の形態において摺動部材をピストンリングに適用したが、これに限られずカムシャフト、シリンダライナ、自動車部品及びコンプレッサ部品であっても良い。またＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜４は、イオンプレーティング法により形成したが、真空蒸着法、スパッタリング法であっても良い。 In this embodiment, the sliding member is applied to the piston ring. However, the present invention is not limited to this, and a camshaft, a cylinder liner, an automobile part, and a compressor part may be used. The Cr—B—Si—N alloy film 4 is formed by an ion plating method, but may be a vacuum deposition method or a sputtering method.

本発明の実施の形態によるピストンリングの円周方向に直交する要部断面図。The principal part sectional drawing orthogonal to the circumferential direction of the piston ring by embodiment of this invention. 本発明の実施の形態によるＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜の効果を試す試験を行うためのアムスラー型試験機を示す概略図。Schematic which shows the Amsler type | mold tester for performing the test which tests the effect of the Cr-B-Si-N alloy membrane | film | coat by embodiment of this invention. 本発明の実施の形態によるＣｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜の耐剥離性試験を行うためのＮＰＲ式衝撃試験機の改良試験機を示す概略図。Schematic which shows the improvement test machine of the NPR type impact tester for performing the peeling-proof test of the Cr-B-Si-N alloy film by embodiment of this invention. 図３（ａ）における圧子をピストンリングに衝突させた状態を示す図。The figure which shows the state which made the indenter in Fig.3 (a) collide with a piston ring. 本発明の実施の形態によるピストンリングの変形例を示す要部断面図。The principal part sectional drawing which shows the modification of the piston ring by embodiment of this invention. 本発明の実施の形態によるピストンリングの他の変形例を示す要部断面図。The principal part sectional drawing which shows the other modification of the piston ring by embodiment of this invention.

Explanation of symbols

１ピストンリング
２母材
３窒化層
４Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｎ合金皮膜
５上面
６下面 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piston ring 2 Base material 3 Nitride layer 4 Cr-B-Si-N alloy film 5 Upper surface 6 Lower surface

Claims

A sliding member in which a Cr-B-Si-N alloy film formed by a physical vapor deposition method is coated on a portion corresponding to a sliding surface of a base material,
The Cr—B—Si—N alloy film contains 0.05 to 10.0% by mass of B, 0.05 to 10.0% by mass of Si, and 10.0 to 30.0% by mass of N. Ri balance Cr Tona,
A nitride layer is formed on at least a portion corresponding to the sliding surface of the base material, and a Cr—B—Si—N alloy film is coated on the nitride layer,
The sliding member, wherein the sliding member coated with the Cr-B-Si-N alloy film is a piston ring .