(57)【要約】【課題】  耐摩耗性及び耐スカッフ性に優れたＣｒ−Ｂ−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜が形成された摺動部材を提供する。【解決手段】  摺動部材であるピストンリング１は、母材２と、窒化層３と、Ｃｒ−Ｂ−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜４とから構成されている。母材１は、Ｆｅ系又はＡｌ系の合金である。窒化層３は、公知の窒化処理によって母材１の表面層に窒素を拡散させることにより形成されている。Ｃｒ−Ｂ−Ｔｉ−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。Ｃｒ−Ｂ−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜４は、Ｂを０．０５〜１０．０質量％、Ｔｉを５．０〜４０．０質量％、Ｎを１０．０〜３０．０質量％含有し、残部がＣｒである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜が被覆された摺動部材であって、
該Ｃｒ−Ｂ−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜は、Ｂを０．０５〜１０．０質量％、Ｔｉを５．０〜４０．０質量％、Ｎを１０．０〜３０．０質量％含有し、残部がＣｒからなることを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
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−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜が被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
【請求項３】
該Ｃｒ−Ｂ−Ｔｉ−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ことを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動部材に関し、特に摺動面相当部にＣｒ−Ｂ−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜が形成された摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
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（Ｃｒ−Ｎ）及び窒化チタン（Ｔｉ−Ｎ）等の表面処理が施されている。このうち、Ｃｒ−Ｎ系の皮膜においては、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜やＣｒ−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜が知られており、両皮膜とも摺動特性を向上させることを目的としている。具体的に、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜は、ＰＶＤ法の１つであるイオンプレーティング法によるものが知られており、Ｃｒ−Ｎ系の皮膜にＢを添加することにより、耐剥離性（靭性）、耐摩耗性、耐スカッフ性を向上させた皮膜である（例えば、特許文献１参照）。Ｃｒ−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜は、ＰＶＤ法の１つであるイオンプレーティング法によるものが知られており、Ｃｒ−Ｎ系の皮膜にＴｉを添加することにより、耐摩耗性、耐スカッフ性を向上させた皮膜である（例えば、特許文献２参照）。これらの合金皮膜は、ＰＶＤ法の１つであるイオンプレーティング法によって成膜されたものであり、ピストンリングの他、一部の機械部品やエンジン部品等にも利用されるものである。
【特許文献１】特開２０００−１７６６号公報
【特許文献２】特開昭６２−１８８８５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
近年、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。
【０００４】
そこで本発明は、耐摩耗性、耐スカッフ性等の各摺動特性に優れたＣｒ−Ｂ−Ｔｉ−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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜が被覆された摺動部材であって、該Ｃｒ−Ｂ−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜は、Ｂを０．０５〜１０．０質量％、Ｔｉを５．０〜４０．０質量％、Ｎを１０．０〜３０．０質量％含有し、残部がＣｒからなる摺動部材を提供するものである。
【０００６】
ここで、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
−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜が被覆されていることが好ましい。
【０００７】
また、本発明においては、上述のＣｒ−Ｂ−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜が被覆された摺動部材が、ピストンリングであることが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１記載の摺動部材又は請求項３記載のピストンリングは、その摺動面相当部がＣｒ−Ｂ−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜からなり、Ｂを０．０５〜１０．０質量％、Ｔｉを５．０〜４０．０質量％、Ｎを１０．０〜３０．０質量％含有し、残部がＣｒからなる。かかる構成によれば、耐摩耗性、耐スカッフ性に優れたＣｒ−Ｂ−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜が形成された摺動部材又はピストンリングを提供することができる。
【０００９】
また、Ｃｒ−Ｎ系の皮膜にＢ及びＴｉを混合することにより、Ｃｒ−Ｂ−Ｎの耐摩耗性及び靭性に優れ、さらに、Ｃｒ−Ｔｉ−Ｎの耐摩耗性及び耐スカッフ性に優れた皮膜が得られる。この皮膜が形成された摺動部材及びピストンリングは、Ｂ量、Ｔｉ量を極端に増やすことなく、Ｂ量とＴｉ量を特定することにより、従来の皮膜よりも耐摩耗性、耐スカッフ性を向上させた皮膜を得ることができる。
【００１０】
請求項２記載の摺動部材によれば、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−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜が被覆されているので、摺動部材又はピストンリング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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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。
【００１２】
ピストンリング１は、母材２と、窒化層３と、Ｃｒ−Ｂ−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜４とから構成されている。母材２は、通常、Ｆｅ系の合金、Ａｌ系の合金又はＴｉ系の合金である。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。
【００１３】
Ｃｒ−Ｂ−Ｔｉ−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、分子線蒸着（ＭＢＥ）法、イオンビーム蒸着法、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−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜４は、Ｃｒ−Ｂ合金ターゲットとＴｉ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Ｔｉ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。なお、Ｃｒ−Ｂ−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜４は、Ｃｒ−Ｂ−Ｔｉ合金ターゲットをセットし、窒素ガス雰囲気中で、アーク電流を流してＣｒ、Ｂ及びＴｉ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せてもよい。
【００１４】
このとき、Ｃｒ−Ｂ−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜４の膜厚は、１〜７０μｍが好ましい。また、Ｃｒ−Ｂ−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜４のビッカース硬さは１４００ＨＶ０．０５〜２０００ＨＶ０．０５であり、より好ましくは１５００ＨＶ０．０５〜１９００ＨＶ０．０５である。
【００１５】
Ｃｒ−Ｂ−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜４は、Ｂを０．０５〜１０．０質量％、Ｔｉを５．０〜４０．０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−Ｔｉ−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−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜４の耐剥離性が低下するとともにターゲット材が脆くなり、割れ易くなる。Ｂは、より好ましくは０．２０〜６．０質量％皮膜４に含有される。
【００１６】
Ｔｉが５．０質量％未満の場合には、従来の皮膜よりも優れたＣｒ−Ｂ−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜４の耐摩耗性、耐スカッフ性が得にくく、４０．０質量％を超えると耐相手攻撃性が上がるとともに、組織が緻密になるため、脆化し欠け等が発生する恐れがある。Ｔｉは、より好ましくは１０．０〜３５．０質量％皮膜４に含有される。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−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜の耐摩耗性が得にくく、３０．０質量％を超えると耐摩耗性が悪くなる。Ｎは、より好ましくは１５．０〜２５．０質量％皮膜４に含有される。よって、Ｂ、Ｔｉ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。
【００１７】
図１においては、ピストンリング１の母材２に窒化層３を形成し、ピストンリング１の外側摺動面にＣｒ−Ｂ−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜４を形成した例を示しているが、本発明におけるピストンリング１の形態はこれに限定されない。具体的に、図２に示すピストンリング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−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜４を形成することができる。また、図３に示すピストンリング２０１のように、母材２に窒化層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、母材２の外周摺動面に直接Ｃｒ−Ｂ−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜４を形成することができる。
【００１８】
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−Ｔｉ−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、上述した他の物理蒸着法を用いても良い。
【実施例】
【００１９】
本実施の形態によるＣｒ−Ｂ−Ｔｉ−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１−１０、従来例１−６、及び比較例１−６の組成を有するＣｒ−Ｎ系合金について、耐摩耗性および耐スカッフ性の試験を行った。実施例１−１０は、本実施の形態の範囲内の量のＢ、Ｔｉ及びＮを含有するＣｒ−Ｂ−Ｔｉ−Ｎ合金である。従来例１−３はＣｒ−Ｂ−Ｎ合金、従来例４−７はＣｒ−Ｔｉ−Ｎ合金である。更に比較例１−６は本実施の形態の範囲外の量のＢ、Ｔｉ又はＮの少なくとも一つを含有するＣｒ−Ｂ−Ｔｉ−Ｎ合金である。表１に示す各組成は、母材に形成された皮膜の合金組成である。
【００２０】
【表１】
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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１−１０のＣｒ−Ｂ−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜、従来例１−６のＣｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜及びＣｒ−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜、比較例１−６のＣｒ−Ｂ−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜を窒化層上にそれぞれ２０μｍ形成した。
【００２１】
実施例１−１０のＣｒ−Ｂ−Ｔｉ−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（真空容器）内に取り付け、その後チャンバ内を５×１０−３Ｔｏｒｒまで真空引きを行った。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Ｔｉターゲットとの表面にアーク放電を発生させ、Ｃｒ、Ｂ及びＴｉのイオンを放出させた。
【００２２】
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のバイアス電圧を印加して試料表面にＣｒ−Ｂ−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜を形成した。皮膜組成の変化については、Ｃｒ−Ｂ合金ターゲットの組成を変えること、または、Ｃｒ−Ｂ合金ターゲットとＴｉターゲットのアーク電流の大きさを変えることにより、Ｃｒ−Ｂ−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜中のＢ及びＴｉ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１−１０に示す量のＢ、Ｔｉ及びＮを含有するＣｒ−Ｂ−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜を形成し、テストピース（図４に示すテストピース１１に相当する）を作製した。
【００２３】
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まで真空引きした。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。
【００２４】
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のバイアス電圧を印加して試料表面にＣｒ−Ｂ−Ｎ合金皮膜を形成した。皮膜組成の変化については、Ｃｒ−Ｂ合金ターゲットの組成を変えること、または、アーク電流の大きさ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４に示すテストピース１１に相当する）を作製した。
【００２５】
次に従来例４−７のＣｒ−Ｔｉ−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まで真空引きした。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−Ｔｉ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Ｔｉのイオンを放出させた。
【００２６】
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のバイアス電圧を印加して試料表面にＣｒ−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜を形成した。皮膜組成の変化については、Ｃｒ−Ｔｉ合金ターゲットの組成を変えること、または、アーク電流の大きさを変えることにより、Ｃｒ−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜中のＴｉ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−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜を形成し、テストピース（図４に示すテストピース１１に相当する）を作製した。
【００２７】
表１の比較例１−６に示す量のＢ、Ｔｉ及びＮを含有するＣｒ−Ｂ−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜は、実施例１−１０のＣｒ−Ｂ−Ｔｉ−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Ｔｉ合金ターゲットとを用いて形成し、テストピース（図４に示すテストピース１１に相当する）を作製した。
【００２８】
次に、耐摩耗性試験及び耐スカッフ性試験について説明する。耐摩耗性試験には、図４に示すアムスラー型摩耗試験機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１−１０、従来例１−６及び比較例１−６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。
【００２９】
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：アムスラー型摩耗試験機                  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
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。一方、摩耗指数が１００よりも大きくなると、摩耗が発生しやすくなることを示している。
【００３０】
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型摩耗試験機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Ｐ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：アムスラー型摩耗試験機                  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
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。一方、スカッフ指数が１００よりも小さくなると、スカッフが発生しやすくなることを示している。
【００３１】
耐摩耗性試験及び耐スカッフ性試験の結果を示した表１より、従来例１−６及び比較例１−６に比べ、実施例１−６は、摩耗指数及び耐スカッフ指数において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−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜４を形成することによって、耐摩耗性及び耐スカッフ性に優れたピストンリング１を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】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である。
【図２】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である。
【図３】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である。
【図４】本発明の実施の形態によるＣｒ−Ｂ−Ｔｉ−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摩耗試験機を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３３】
１、１０１、２０１  ピストンリング
２  母材
３、２０３  窒化層
４  Ｃｒ−Ｂ−Ｔｉ−Ｎ合金皮膜
５  上面
６  下面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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