(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣｒＮの結晶構造中に〔Ｏ〕が３〜２０重量％および〔Ｃ〕が０．５〜８重量％の割合で固溶されており、ビッカース硬さが１５００〜２２００の範囲にあり、結晶粒径が１μｍ未満であり、ＣｒＮの結晶が（２００）面に配向していることを特徴とする硬質被覆材。
【請求項２】
請求項１記載の硬質被覆材からなる硬質皮膜が少なくとも摺動面に被覆されていることを特徴とする摺動部材。
【請求項３】
前記硬質皮膜が被覆されている部材がピストンリングであることを特徴とする請求項２記載の摺動部材。
【請求項４】
前記硬質皮膜の厚さが１〜６０μｍの範囲にあることを特徴とする請求項３記載の摺動部材。
【請求項５】
請求項１記載の硬質被覆材をイオンプレーティングにより少なくとも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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摺動特性特に耐摩耗性を改良した硬質被覆材に関し、例えば内燃機関用ピストンリング等の摺動部材の摺動面に施して有効なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エンジンの高出力化や排ガス規制対応に伴って、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Ｃｒめっきや窒化処理等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。この状況に対処するため、ＰＶＤ法を利用したＣｒＮ皮膜や、ＣｒＮの結晶構造中に〔Ｏ〕を固溶した硬質皮膜（特開平６−２６５０２３号）あるいはＣｒＮの結晶構造中に〔Ｃ〕を固溶した硬質皮膜（特開平６−３００１３０号）が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＣｒＮの結晶構造中に〔Ｏ〕あるいは〔Ｃ〕を固溶した硬質皮膜は、ＣｒＮ皮膜に比べて摺動特性が改良されている。しかしながら、苛酷なエンジン条件下にあっては、未だに耐摩耗性が劣る問題がある。
【０００４】
本発明の目的は、硬質被覆材としてのＣｒＮ皮膜の摺動特性、特に耐摩耗性を向上させることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の硬質被覆材は、ＣｒＮの結晶構造中に〔Ｏ〕が３〜２０重量％および〔Ｃ〕が０．５〜８重量％の割合で固溶されており、ビッカース硬さが１５００〜２２００の範囲にあり、結晶粒径が１μｍ未満であり、ＣｒＮの結晶が（２００）面に配向していることを特徴とする。
【０００６】
本発明の摺動部材は、上記硬質被覆材からなる硬質皮膜が少なくとも摺動面に被覆されているものであり、例えば上記硬質被覆材からなる硬質皮膜が被覆されたピストンリングは苛酷な条件下においても充分な耐焼付性および耐摩耗性を有する。硬質被覆材の被覆はイオンプレーティングにより行うことができる。
【０００７】
ＣｒＮの結晶構造中に固溶される〔Ｏ〕の含有量が３重量％未満あるいは２０重量％を越えると、耐焼付性が低くなる。ＣｒＮの結晶構造中に固溶される〔Ｃ〕の含有量が０．５重量％未満あるいは８重量％を越えると、耐焼付性が低くなる。ＣｒＮの結晶構造中に〔Ｏ〕と〔Ｃ〕の両方を上記所定の割合で固溶すると、〔Ｏ〕あるいは〔Ｃ〕を単独で固溶している場合よりも、耐摩耗性が優れる。
【０００８】
なお、〔Ｏ〕の含有量は下限が３．５重量％、上限は１５重量％がより好ましい。〔Ｃ〕の含有量の上限は５重量％がより好ましい。
【０００９】
硬さはＨＶ１５００未満では耐摩耗性が低くなり、ＨＶ２２００を越えると、耐焼付性が低くなる。なお、硬さの下限はＨＶ１８００がより好ましい。
【００１０】
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。結晶粒径は０．１μｍ未満がより好ましい。
【００１１】
【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。本実施形態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。
【００１２】
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。硬質皮膜２はＣｒＮの結晶構造中に〔Ｏ〕を３〜２０重量％および〔Ｃ〕を０．５〜８重量％の割合で固溶しており、結晶粒径が１μｍ未満である。ＣｒＮの結晶は（２００）面に配向している。硬質皮膜２の硬さはビッカース硬さで１５００〜２２００の範囲にあり、膜厚は１〜６０μｍが好適である。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
したがって、真空チャンバ１０内において、陰極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１１の表面上にアークスポットを形成し、陰極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、反応ガス分子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。
【００１６】
本実施形態においては、上記アークイオンプレーティング装置において、陰極１１材料としてＣｒ金属が使用され、プロセスガスとして窒素源にＮ2 ガス、酸素源にＯ2 ガス、炭素源にＣＨ4 ガス、Ｃ2 Ｈ4 ガスあるいはＣ2 Ｈ2 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、ＣｒＮの結晶構造中に〔Ｏ〕と〔Ｃ〕が固溶された硬質皮膜を被覆することができる。
【００１７】
〔Ｏ〕の濃度および〔Ｃ〕の濃度のコントロールは、イオンプレーティングの際の酸素源と炭素源の分圧をコントロールすることによって行うことができる。それぞれ分圧を高くすると濃度は上昇する。
【００１８】
皮膜硬度のコントロールはバイアス電圧を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。
【００１９】
上記硬質皮膜２の耐摩耗性を評価するために、往復動摩擦試験機を使用して耐摩耗性試験を行った。
【００２０】
（１）往復動摩擦試験機
図３に往復動摩擦試験機の構成を示す。ピン状の上試験片２０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、下試験片２３に押接される。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により往復動させられる。２６はロードセルである。
【００２１】
0003642917.tif 000002
【００２２】
（３）試験条件
ならし：５０Ｎ×１００ｃｐｍ×５ｍｉｎ
本試験：３００Ｎ×６００ｃｐｍ×６０ｍｉｎ
潤滑油：軽油相当粘度油
【００２３】
（４）試験結果
試験結果を表１に示す。
表１に示されているように、比較例４（〔Ｃ〕のみ固溶、〔Ｃ〕：５．３％），比較例５（〔Ｏ〕：２０．３％、硬さ：２３１０），比較例６（〔Ｃ〕：０．４％），比較例７（〔Ｃ〕：８．２％），および比較例９（硬さ：ＨＶ１４８０）は、比較例１（〔Ｏ〕のみ固溶、〔Ｏ〕：５．８％）より、上試験片および下試験片の少なくともどちらか一方の摩耗量が多い。これに対して、実施例１〜６は、上試験片（ピストンリングに相当）の摩耗量が比較例１より少なく、下試験片（シリンダに相当）の摩耗量が比較例１と同等であるか、比較例１より少ない。
【００２４】
なお、比較例２（〔Ｏ〕：２．８％）は摩耗量が少ないが、後述するように、耐焼付性が低い。比較例３（〔Ｏ〕と〔Ｃ〕：０％）も、摩耗量は比較例１と同等であるが、後述するように、耐焼付性が低い。比較例８（硬さ：ＨＶ２２８０）も摩耗量は少ないが、後述するように、耐焼付性が低い。
【００２５】
0003642917.tif 000003
比較例および実施例とも、硬質皮膜の結晶粒径は０．１μｍ未満である。
摩耗試験結果における摩耗比は、比較例１の摩耗量を１としたときの比である。
【００２６】
次に、硬質皮膜２の耐焼付性を評価するために、高面圧焼付試験機を使用して皮膜の耐焼付性試験を行った。
【００２７】
（１）高面圧焼付試験機
図４に高面圧焼付試験機の構成を示す。ステータ３０はロータ３１側の面に円形状の凹部を備えており、この凹部にディスク３２（鋳鉄材：ＦＣ２５０）が固定されている。ディスク３２はロータ３１側に突出しており、ロータ３１側の表面は垂直な平坦面をなしている。ディスク３２の中心部には油孔３３がステータ３０の軸方向に形成されており、この油孔３３に連通する細長い油孔３４がステータ３０に斜めに形成されている。これらの油孔３３，３４を通じて、ステータ３０のディスク３２と後述するピン３５との接触部に潤滑油が供給される。
【００２８】
ロータ３１は水平軸を中心に回転し、ステータ３０側の面に円形状の凹部が形成されており、この凹部に円盤形状のピンホルダ３６がロータ３１に同心状に固定されている。ピンホルダ３６のステータ３０側の面には、同一円上に等間隔をおいて４つの凹部が形成されており、これらの凹部にそれぞれ試験片としてのピン３５（φ８ｍｍ）が挿入されて固定されている。各ピン３５はピンホルダ３６の表面からステータ３０側に水平に突出されている。
【００２９】
各ピン３５の突出端面には表２に示す硬質皮膜が形成されており、この端面がステータ３０のディスク３２面に接触している。なお、比較例および実施例とも、表１と表２に示す番号は対応しており、同じ番号のものは同じ皮膜である。
【００３０】
したがって、ステータ３０に荷重Ｐをかけてディスク３２をピン３５に押接し、ピン３５とディスク３２の接触部分に油孔３３，３４を通じて潤滑油を供給しながらロータ３１を回転させる。
【００３１】
このロータ３１の摺動速度を一定にして、荷重Ｐを変動していったとき、ピン３５が焼き付いたときの焼付発生荷重を測定した。
【００３２】
0003642917.tif 000004
【００３３】
（３）試験結果
試験結果を表２に示す。
表２に示されているように、比較例２，３，７，８は比較例１より耐焼付性が劣る。実施例１〜６は比較例１と同等の耐焼付性を有している。
【００３４】
0003642917.tif 000005
焼付試験結果における焼付面圧比は、比較例１の焼付面圧を１としたときの比である。
【００３５】
次に、実機試験結果について説明する。
表３に示す硬質皮膜を外周面に被覆したトップリングを、φ９３ｍｍの直列４気筒４サイクルディーゼルエンジンに組み込み、全負荷の条件で３００時間の耐久試験を行った。なお、比較例および実施例とも、表１と表３に示す番号は対応しており、同じ番号のものは同じ皮膜である。
【００３６】
試験結果を表３に示す。
表３に示されているように、実施例１〜６は比較例１よりもトップリングの摩耗が少ない。
【００３７】
0003642917.tif 000006
実機試験結果における摩耗比は、比較例１の摩耗量を１としたときの比である。
【００３８】
以上のように、実施例の硬質皮膜は、従来の硬質皮膜の中で耐焼付性および耐摩耗性が優れている皮膜（ＣｒＮの結晶構造中に〔Ｏ〕を固溶）と耐焼付性が同等であり、耐摩耗性はより優れている。
【００３９】
なお、上記実施形態では、ピストンリング１の外周面に硬質皮膜２を被覆した例を示したが、ピストンリングの外周面と上下面とに硬質皮膜を被覆してもよいし、さらには、ピストンリングの外周面と上下面と内周面とに硬質皮膜を被覆するようにしてもよい。
【００４０】
また、上記実施形態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。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の硬質被覆材は耐焼付性に優れるとともに、耐摩耗性が特に優れている。したがって、この硬質被覆材を摺動部材例えばピストンリングに被覆することによって、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】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。
【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ための図である。
【図３】往復動摩擦試験機の構成を示す図である。
【図４】高面圧焼付試験機の構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１  ピストンリング
２  硬質皮膜
１０  真空チャンバ
１１  陰極
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  反応ガス分子
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
３０  ステータ
３１  ロータ
３２  ディスク
３３，３４  油孔
３５  ピン
３６  ピンホルダ
【図１】
0003642917.tif 000007
【図２】
0003642917.tif 000008
【図３】
0003642917.tif 000009
【図４】
0003642917.tif 000010