JP4666788B2

JP4666788B2 - 摺動部材及びその製造方法

Info

Publication number: JP4666788B2
Application number: JP2001049650A
Authority: JP
Inventors: 清行川合
Original assignee: 帝国ピストンリング株式会社
Priority date: 2001-02-26
Filing date: 2001-02-26
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2021-02-26
Also published as: JP2002256967A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トライボロジー特性に優れる硬質皮膜が摺動面に被覆されている摺動部材例えば内燃機関用ピストンリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車エンジンにおける高出力化や排気ガス規制の対応に伴って、ピストンリングをはじめとする摺動部材の使用環境は益々過酷になってきており、異常摩耗や焼き付きの発生、および摺動に伴うクラックや剥離の発生に対する対応が求められている。その対策として、ピストンリングに関しては、従来の硬質Ｃｒめっきや窒化処理と比較し、トライボロジー特性に優れるＣｒＮ皮膜（特開平７−２８６２６２号）や、ＯおよびＣを固溶したＣｒＮ皮膜（特開平１０−３０６３８６号）等を被覆することが提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記皮膜を被覆した場合でも、摺動条件の特に過酷なエンジンにおいては、摩耗、焼き付き、摺動に伴うクラックや剥離等のトライボロジー性能が不足している。
【０００４】
本発明は上記点に鑑みてなされたものであり、その課題は、摺動部における摩耗、焼き付き、および繰り返し負荷を受けることにより生じるクラックや剥離に対する特性に優れる硬質皮膜が被覆された摺動部材を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、次の手段を採る。すなわち、
本発明は、硬質皮膜が摺動面に被覆されている摺動部材において、前記硬質皮膜の組成がＶ、Ｍ、及びＮからなり、前記ＭはＴｉ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｍｏ，及びＷからなる群から選ばれた１種又は２種以上の金属元素であり、前記Ｖ、Ｍ、及びＮの含有量をそれぞれａ原子％、ｂ原子％、ｃ原子％としたとき、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００、３０≦ａ＜６０、５≦ｂ≦２０、および４０≦ｃ≦５５の関係を満足しており、前記皮膜の窒化物がＴｉＮ，ＣｒＮ，ＺｒＮ，Ｍｏ_２Ｎ，及びＷ_２Ｎの中の少なくとも１つとＶＮ、あるいはＶＮのみからなることを特徴とする。
【０００６】
ＶとＮにＴｉ等の金属元素を含有させることで、ＣｒＮを上回る耐摩耗性、耐焼き付き性、耐クラック性及び耐剥離性を示す。Ｖの含有量は３０原子％以上、６０原子％未満が好ましい。６０原子％以上ではＶＮの形成が困難になる。Ｔｉ等の金属元素の含有量は５原子％未満では耐摩耗性、耐焼き付き性、及び耐クラック性と耐剥離性の改善効果が少ないため、５原子％以上とする。成膜時の皮膜の欠けや剥離等を防止する点で２０原子％以下とする。Ｎの含有量は、窒化物の形成される４０〜５５原子％の範囲とする。
【０００７】
上記硬質皮膜はイオンプレーティング法やスパッタリング法等のＰＶＤ法などにより被覆できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態であるピストンリングの一部分を示す縦断面図である。
【０００９】
ピストンリング１はステンレス鋼や炭素鋼等の鋼、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の全周面にはビッカース硬さ７００以上の窒化層２が形成されており、外周面の窒化層２上に、硬質皮膜３がアークイオンプレーティングによって被覆されている。
【００１０】
硬質皮膜３は、Ｖ、Ｍ、及びＮからなり、前記ＭはＴｉ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｍｏ，及びＷからなる群から選ばれた１種又は２種以上の金属元素であり、前記Ｖ、Ｍ、及びＮの含有量をそれぞれａ原子％、ｂ原子％、ｃ原子％としたとき、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００、３０≦ａ＜６０、５≦ｂ≦２０、および４０≦ｃ≦５５の関係を満足しており、前記皮膜の窒化物がＴｉＮ，ＣｒＮ，ＺｒＮ，Ｍｏ_２Ｎ，及びＷ_２Ｎの中の少なくとも１つとＶＮ、あるいはＶＮのみからなる。
【００１１】
図２は本発明の別の実施形態であるピストンリングの一部分を示す縦断面図である。
【００１２】
本実施形態のピストンリング１は、上記実施形態のピストンリング１における窒化層２と硬質皮膜３との間に、密着性を良好とするために、ＶＮからなる下地皮膜４を形成したもので、他の構成は上記実施形態のピストンリングと同じである。
【００１３】
なお、上記において、硬質皮膜３や下地皮膜４の下に窒化層を形成しないこともある。
【００１４】
以下、アークイオンプレーティング法を用いて、ピストンリングに硬質皮膜３を被覆する方法を説明する。
【００１５】
超音波洗浄により脱脂、洗浄されたピストンリング（以下、ワークという。）を成膜チャンバ内の試料テーブル上に設置し、真空引きを開始する．真空度が１．３×１０^−３Ｐａ程度に達したら、ヒータによりワークを４７３〜７７３Ｋに加熱し、同時に試料テーブルを自転又は自公転させる。ワーク表面に吸着したガスの放出により、一時的に真空度が低下するが、再び真空度が５×１０^−３Ｐａ程度まで上昇したら、少量のＮ_２ガスを導入し、Ｖのターゲットが取り付けられたカソード及びＶ以外の金属のターゲットが取り付けられたカソードとアノードとの間にアーク放電を発生させる。このとき、ワークには−６００〜−１０００Ｖのバイアス電圧を印加し、アーク放電により生じたＶイオン及びＶ以外の金属イオンを加速してワーク表面に衝突させ、イオンボンバードクリーニングを行う。イオンボンバードクリーニングはＶ又はＶ以外の金属単独で行っても構わない。この後、バイアス電圧を０〜−１００Ｖ程度まで低下させ、また内圧が０．７〜４Ｐａ程度となるようにＮ_２ガス導入量を増やし、各カソードとアノード間を同時にアーク放電させ、目的の皮膜を形成する。また、こうして作製した皮膜が、基材との密着性に劣る場合は、最初にＶのカソードとアノード間のみにアーク放電させ、下地としてＶＮ層を形成した後、Ｖのカソード及びＶ以外の金属のカソードとアノード間をアーク放電させ、目的の皮膜を形成するとよい。膜厚については特に規定はされないが、５〜８０μｍ程度が好ましい。
【００１６】
上記の方法で試料を作製し、図３に示す往復動摩擦試験機を使用して耐摩耗性評価を行った。本試験機は、ピストンリングに対応する上試験片１０と、上試験片１０が油圧シリンダ１１によって押し付けられる下試験片１２とを有し、下試験片１２が往復運動されるように構成されている。
【００１７】
試験方法は、上試験片１０を油圧シリンダ１１により下試験片１２に押し付け、下試験片１２を一定時間往復運転し、試験終了後、表面粗さ計で摩耗量を測定した。試験条件は下記に示す通りであり、上試験片１０に施す皮膜の詳細および試験結果を表１に示す。なお、上試験片１０は炭素鋼からなり、下試験片１２は鋳鉄からなる。試験結果は、比較例１（ＣｒＮ）の結果を１として、その相対量で示してある。皮膜の結晶構造はＸ線回折で調べた。組成はＥＰＭＡで測定した。
（試験条件）
荷重：１００Ｎ
速度：６００ｃｐｍ
時間：６０ｍｉｎ
【００１８】
表１より明らかなように、本発明は耐摩耗性に優れる。
【００１９】
【表１】

【００２０】
次に、上記と同じ往復動摩擦試験機を使用して耐焼き付き性を評価した。試験方法は、上試験片１０を油圧シリンダ１１により下試験片１２に押し付け、下試験片１２を一定時間往復運転し、焼き付きが発生しない場合は荷重を増す作業を繰り返し、焼き付き発生時の荷重を測定した。試験条件は下記に示す通りであり、上試験片１０に施す皮膜の詳細および試験結果を表２に示す。なお、上試験片１０は炭素鋼からなり、下試験片１２は鋳鉄からなる。試験結果は、比較例１（ＣｒＮ）の結果を１として、その相対量で示してある。皮膜の結晶構造はＸ線回折で調べた。組成はＥＰＭＡで測定した。
（試験条件）
荷重：初期荷重２０Ｎ、１分毎に２０Ｎずつ増加
速度：１００ｃｐｍ
時間：焼き付きが発生するまで
【００２１】
表２より明らかなように、本発明は耐焼き付き性に優れる。
【００２２】
【表２】

【００２３】
次に、図４に示されているファンデアホルスト摩擦試験機を使用して耐クラック性及び耐剥離性評価を行った。本試験機は、ピストンリングを切断して得た試験片２０が重錘によってロータ２１の外周面２２上に押し付けられ、ロータ２１が回転するように構成されている。
【００２４】
試験方法は、荷重Ｐで試験片２０の外周面がロータ２１上に押接された状態で、試験片２０とロータ２１の接触部分に潤滑油を供給しながらロータ２１を一定速度で回転させる。そして、試験片２０への荷重Ｐを変えて試験を行い、試験片２０の硬質皮膜にクラック又は剥離が発生したときの荷重Ｐを測定した。試験条件は下記に示す通りであり、試験片２０に施す皮膜の詳細および試験結果を表３に示す。なお、試験片２０はステンレス鋼からなり、窒化処理が施されている。試験結果は、比較例１（ＣｒＮ）の結果を１として、その相対量で示してある。皮膜の結晶構造はＸ線回折で調べた。組成はＥＰＭＡで測定した。
（試験条件）
荷重：初期荷重４０Ｎ、クラックや剥離が発生しなければ２０Ｎずつ増加
速度：１０００ｒｐｍ
時間：１ｍｉｎ
【００２５】
表３より明らかなように、本発明は耐クラック性及び耐剥離性に優れる。
【００２６】
【表３】

【００２７】
上記実施形態では、摺動部材としてピストンリングを示したが、本発明はピストンリングに限ることはなく、この他、内燃機関の動弁系部品であるタペットやカム等、あるいは圧縮機のベーン等の摺動部材に適用できる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の摺動部材は、耐摩耗性、耐焼き付き性、耐クラック性、及び耐剥離性に優れる。従って、本発明のピストンリング等の摺動部材は、過酷な条件下においても、充分な耐久性を具備する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すピストンリングの一部分を示す縦断面図である。
【図２】本発明の別の実施形態を示すピストンリングの一部分を示す縦断面図である。
【図３】往復動摩擦試験機の構成を示す図である。
【図４】ファンデアホルスト摩擦試験機の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ピストンリング
２窒化層
３硬質皮膜
４下地皮膜
１０上試験片
１１油圧シリンダ
１２下試験片
２０試験片
２１ロータ
２２ロータ外周面

Claims

硬質皮膜が摺動面に被覆されている摺動部材において、前記硬質皮膜の組成がＶ、Ｍ、及びＮからなり、前記ＭはＴｉ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｍｏ，及びＷからなる群から選ばれた１種又は２種以上の金属元素であり、前記Ｖ、Ｍ、及びＮの含有量をそれぞれａ原子％、ｂ原子％、ｃ原子％としたとき、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００、３０≦ａ＜６０、５≦ｂ≦２０、および４０≦ｃ≦５５の関係を満足しており、前記皮膜の窒化物がＴｉＮ，ＣｒＮ，ＺｒＮ，Ｍｏ_２Ｎ，及びＷ_２Ｎの中の少なくとも１つとＶＮ、あるいはＶＮのみからなることを特徴とする摺動部材。
前記摺動部材がピストンリングであることを特徴とする請求項１記載の摺動部材。
請求項１又は２記載の摺動部材の製造方法において、自転方式又は自公転方式の回転試料テーブルと複数の蒸発源とを有しているＰＶＤ装置を使用して、前記硬質皮膜を摺動面に被覆することを特徴とする摺動部材の製造方法。