(57)【要約】【課題】相手材との初期なじみ性に優れるとともに、高負荷での摺動が継続した場合であっても耐スカッフ性と耐摩耗性を継続的に維持できる摺動部材を提供する。【解決手段】少なくとも摺動面１１に、母材１０側より耐摩耗性皮膜２と硬質炭素皮膜３とが繰り返し形成された摺動部材１であって、耐摩耗性皮膜２と硬質炭素皮膜３とからなる層７，…，７を２以上有する摺動部材１により、上記課題を解決した。この摺動部材１において、少なくとも耐摩耗性皮膜２と硬質炭素皮膜３との間に、耐摩耗性皮膜２と硬質炭素皮膜３の中間組成からなる傾斜膜が形成されていることが好ましい。【選択図】図３
2008286354.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも摺動面に、母材側より耐摩耗性皮膜と硬質炭素皮膜とが繰り返し形成された摺動部材であって、前記耐摩耗性皮膜と前記硬質炭素皮膜とからなる層を２以上有することを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
少なくとも前記耐摩耗性皮膜と前記硬質炭素皮膜との間に、前記耐摩耗性皮膜と前記硬質炭素皮膜の中間組成からなる傾斜膜が形成されている、請求項１に記載の摺動部材。
【請求項３】
前記耐摩耗性皮膜の厚さが０．０１μｍ以上０．５μｍ以下であり、前記硬質炭素皮膜の厚さが前記耐摩耗性皮膜の厚さの１／１〜１／１０であり、前記積層膜の全体厚さが１μｍ以上３０μｍ以下である、請求項１又は２に記載の摺動部材。
【請求項４】
前記硬質炭素皮膜の厚さが、前記耐摩耗性皮膜の表面粗さよりも小さい、請求項１〜３のいずれかに記載の摺動部材。
【請求項５】
前記耐摩耗性皮膜と前記硬質炭素皮膜が、スパッタリング法又はイオンプレーティング法で形成されている、請求項１〜４のいずれかに記載の摺動部材。
【請求項６】
前記耐摩耗性皮膜がＣｒ−Ｎ系皮膜又はＣｒ−Ｂ−Ｎ系皮膜である、請求項１〜５のいずれかに記載の摺動部材。
【請求項７】
前記硬質炭素皮膜が、炭素からなる硬質炭素皮膜、又は、炭素と、ケイ素、酸素、水素、窒素、アルゴンのうち少なくとも１種以上とからなる硬質炭素皮膜である、請求項１〜６のいずれかに記載の摺動部材。
【請求項８】
前記摺動部材が内燃機関用ピストンリングである、請求項１〜７のいずれかに記載の摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動部材に関し、更に詳しくは、初期なじみ性、耐スカッフ性及び耐摩耗性に優れた摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、内燃機関である自動車エンジン等の軽量化と高出力化に伴い、厳しい摺動条件下で使用される摺動部材、特に内燃機関用ピストンリングにおいては、耐摩耗性や耐スカッフ性等のさらなる向上が要求されている。
【０００３】
こうした中、ピストンリングの外周摺動面や上下面に、クロムめっき皮膜や窒化層、また、ＰＶＤ法で形成された窒化クロム（ＣｒＮ、Ｃｒ２Ｎ）皮膜、金属クロムを含有した窒化クロム皮膜、窒化チタン（ＴｉＮ）皮膜等の耐摩耗性皮膜を形成することにより、上記の要求に対応している。特にピストンリングの外周摺動面はシリンダライナの内周面に摺動接触することから、特に優れた耐摩耗性が要求され、クロムめっき皮膜、窒化層又はＰＶＤ法で形成された金属窒化物層等の耐摩耗性皮膜が好ましく用いられている。
【０００４】
また、近年では、上記のクロムめっき皮膜等の耐摩耗性皮膜は初期なじみ性が十分でなく、スカッフが発生するおそれがあるとの問題に対し、摩擦係数が低く、耐摩耗性のよい硬質炭素皮膜（ダイヤモンドライクカーボン膜ともいう。）をピストンリングの外周摺動面や上下面に形成する例が提案されている。例えば、下記特許文献１には、ピストンリングの外周摺動面にＣｒめっき皮膜、窒化層、イオンプレーティング皮膜のいずれかを形成し、その上に硬質炭素皮膜を形成してなるピストンリングが提案されている。また、下記特許文献２には、ピストンリングの外周摺動面にＳｉを含有する第１硬質炭素皮膜とＷ又はＷ，Ｎｉを含有する第２硬質炭素皮膜とを積層したピストンリングが提案されている。
【特許文献１】特開平１１−１７２４１３号公報
【特許文献２】特開２００３−１４１２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１で提案されたピストンリングにおいては、外周摺動面に形成する硬質炭素皮膜は成膜速度が遅く厚膜化が困難であり、薄膜としている。硬質炭素皮膜は、耐スカッフ性に優れているが、耐摩耗性が劣るため、摩耗量が増加する傾向にある。その結果、外周摺動面では、硬質炭素皮膜の下の耐摩耗性の表面処理層が露出するので、摩耗は抑制されるが、耐スカッフ性の点で問題が生じる。一方、そうした硬質炭素皮膜を厚くしようとすると、成膜速度が遅いためにコストアップになるという問題がある。
【０００６】
また、特許文献２では、積層の硬質炭素皮膜として性質を変えて初期なじみと耐摩耗性を両立しているが、成膜速度が遅いため皮膜形成の低コスト化に対しては解決できていなかった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、相手材との初期なじみ性に優れるとともに、高負荷での摺動が継続した場合であっても耐スカッフ性と耐摩耗性を継続的に維持できる摺動部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するための本発明の摺動部材は、少なくとも摺動面に、母材側より耐摩耗性皮膜と硬質炭素皮膜とが繰り返し形成された摺動部材であって、前記耐摩耗性皮膜と前記硬質炭素皮膜とからなる層を２以上有することを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、最表面に硬質炭素皮膜を有するので、相手材に対する初期なじみ性を良好なものとすることができる。さらに、耐摩耗性皮膜と硬質炭素皮膜とからなる層を２以上有する積層膜が少なくとも摺動面に形成されているので、高負荷での摺動が継続して最表面の硬質炭素皮膜が部分的に摩耗してその下の耐摩耗性皮膜がその部分に現れた場合であっても、その耐摩耗性皮膜により耐摩耗性を保持することができる。そして、この耐摩耗性皮膜が摩耗した場合には、さらにその下の摩擦特性の良い硬質炭素皮膜がその部分に現れるので、耐スカッフ性と耐摩耗性を継続的に維持できる。
【００１０】
本発明の摺動部材において、少なくとも前記耐摩耗性皮膜と前記硬質炭素皮膜との間に、前記耐摩耗性皮膜と前記硬質炭素皮膜の中間組成からなる傾斜膜が形成されていることが好ましい。この発明によれば、傾斜膜を設けることにより、安定した成膜と皮膜間の密着性を向上させることができる。
【００１１】
本発明の摺動部材において、前記耐摩耗性皮膜の厚さが０．０１μｍ以上０．５μｍ以下であり、前記硬質炭素皮膜の厚さが前記耐摩耗性皮膜の厚さの１／１〜１／１０であり、前記積層膜の全体厚さが１μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましい。この発明によれば、耐摩耗性皮膜よりも成膜速度が遅い硬質炭素皮膜の厚さを上記範囲のように薄くしたので、硬質炭素皮膜の上記効果を奏する状況下で、硬質炭素皮膜の成膜時間を短くすることができる。その結果、成膜時のコストアップを極力抑制できる。
【００１２】
本発明の摺動部材において、前記硬質炭素皮膜の厚さが、前記耐摩耗性皮膜の表面粗さよりも小さいことが好ましい。この発明によれば、硬質炭素皮膜の厚さが耐摩耗性皮膜の表面粗さよりも小さい場合においては、高負荷での摺動が継続して硬質炭素皮膜が部分的に摩耗した場合に、その下の耐摩耗性皮膜やさらにその下の摩擦特性の良い硬質炭素皮膜がその部分に現れ易く、良好な耐スカッフ性と耐摩耗性を継続的に維持できる。
【００１３】
本発明の摺動部材において、前記耐摩耗性皮膜と前記硬質炭素皮膜が、スパッタリング法又はイオンプレーティング法で形成されていることが好ましい。耐摩耗性皮膜と硬質炭素皮膜は物理的蒸着（ＰＶＤ）や化学的蒸着（ＣＶＤ）のいずれでも成膜可能であるが、スパッタリング法やイオンプレーティング法で形成することで成膜条件のコントロールを容易にすることができる。
【００１４】
本発明の摺動部材において、前記耐摩耗性皮膜がＣｒ−Ｎ系皮膜又はＣｒ−Ｂ−Ｎ系皮膜であることが好ましい。
【００１５】
本発明の摺動部材において、前記硬質炭素皮膜が、炭素からなる硬質炭素皮膜、又は、炭素と、ケイ素、酸素、水素、窒素、アルゴンのうち少なくとも１種以上とからなる硬質炭素皮膜であることが好ましい。
【００１６】
本発明の摺動部材において、前記摺動部材が内燃機関用ピストンリングであることが好ましい。この発明によれば、耐摩耗性皮膜と硬質炭素皮膜とからなる層を２以上有する積層膜をピストンリングの外周摺動面に形成することにより、シリンダライナの内周面との初期なじみ性に優れるとともに、耐スカッフ性と耐摩耗性を継続的に維持するピストンリングとして好ましく適用できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の摺動部材によれば、相手材に対する初期なじみ性を良好なものとすることができるとともに、高負荷での摺動が継続して最表面の硬質炭素皮膜が部分的に摩耗してその下の耐摩耗性皮膜がその部分に現れた場合であっても、その耐摩耗性皮膜により耐摩耗性を保持することができ、さらに、その耐摩耗性皮膜が摩耗した場合には、その下の摩擦特性の良い硬質炭素皮膜がその部分に現れるので耐スカッフ性と耐摩耗性を継続的に維持できるという、従来のものでは奏し得ない格別の効果を奏する。特にピストンリングに適用すれば、今後開発が予想される高出力、高温高負荷のエンジンに対応可能なピストンリングを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の摺動部材について図面を参照しつつ説明する。以下に示す実施の形態は本発明の一例であって、本発明の技術的範囲は以下の実施の形態に限定されるものではない。なお、以下においては、摺動部材として内燃機関用ピストンリングを用いて説明するので、摺動部材をピストンリングと読み替えて説明する。
【００１９】
［ピストンリング］
図１は、本発明のピストンリングの一例を示す模式断面図であり、図２は、本発明のピストンリングの他の一例を示す模式断面図である。また、図３及び図４は、積層膜の模式的な拡大断面図である。本発明のピストンリング１は、図１〜図４に示すように、外周摺動面１１に、耐摩耗性皮膜２と硬質炭素皮膜３とからなる層７，…，７を２以上有する積層膜６が形成されている。
【００２０】
本発明のピストンリング１は、ピストンに形成されたピストンリング溝に装着され、ピストンの上下運動（往復運動に同じ。）によってシリンダライナの内周面を摺動しながら上下運動する摺動部材である。本発明のピストンリング１は、トップリング、セカンドリング、オイルリングの何れかであっても又はそれらの全てであってもよい。なお、本発明のピストンリング１は、アルミニウム合金製やステンレス鋼製等、各種の材質からなるピストンに装着されるピストンリングとして好ましく用いられる。また、摺動の相手材となるシリンダライナには、鋳鉄、ボロン鋳鉄、鋳鋼、アルミニウム合金等が好ましく用いられ、本発明の所期の目的である、優れた初期なじみ性と耐摩耗性と耐スカッフ性を達成することができる。
【００２１】
（母材）
図１、図２に示すピストンリング１の母材１０は、従来使用されている材質からなるものであればよく特に限定されない。したがって、いかなる材質からなる母材１０に対しても本発明を適用でき、従来好ましく用いられている例えばステンレススチール材、鋳物材、鋳鋼材、鋼材等の母材１０を適用でき、また、母材に予め図３に示す窒化処理を施して窒化層が形成されているものや、母材に予め耐摩耗性皮膜２（下記同様のＣｒ−Ｎ系、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系等）が形成されているものも、積層膜６の形成対象である母材１０として適用できる。
【００２２】
（下地膜）
母材１０上には、図１及び図２に示すように、必要に応じて下地膜５を形成する。この下地膜５は、母材１０上に形成する積層膜６、詳しくは耐摩耗性皮膜２の密着性を向上させるものであり、したがって、下地膜５は耐摩耗性皮膜２が形成される面に形成される。下地膜５の組成は、耐摩耗性皮膜２の組成に対応して選ばれる。例えば、耐摩耗性皮膜２が後述のようなＣｒ−Ｎ系皮膜やＣｒ−Ｂ−Ｎ系皮膜であれば、下地膜５として金属Ｃｒ膜を形成することが密着性の観点から好ましい。下地膜５は種々の形成手段で形成することができ、例えばスパッタリング法やイオンプレーティング法で形成できるが、特にその下地膜５上に形成する耐摩耗性皮膜２と同じ成膜手法で形成することがコストの観点からは好ましい。また、下地膜５の厚さは特に限定されないが、例えば０．０１μｍ以上３μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
【００２３】
（積層膜）
積層膜６は、図１及び図２に示すように、ピストンリング１の少なくとも外周摺動面１１に形成されるが、その他の面、例えば上面１２、下面１３、内周面１４にも任意に形成できる。例えば、図１に示すように外周摺動面１１のみに形成する場合、図２に示すように外周摺動面１１、上面１２及び下面１３に形成する場合、図示しないが外周摺動面１１、上面１２、下面１３及び内周面１４の全周に形成する場合等を挙げることができる。
【００２４】
この積層膜６は、少なくとも外周摺動面１１の母材１０上に直接又は下地膜５を介して設けられたものであり、図３に例示するように、母材側より耐摩耗性皮膜２と硬質炭素皮膜３とが繰り返し形成されたものであって、耐摩耗性皮膜２と硬質炭素皮膜３とからなる層７，…，７を２以上有する多層構造からなる。また、積層膜６には、図４に例示するように、耐摩耗性皮膜２と硬質炭素皮膜３の他、後述の傾斜膜４が含まれていてもよい。積層膜６の全体厚さは、必要に応じて設けられた傾斜膜４を含む厚さであるが、１μｍ以上３０μｍ以下で形成されていることが好ましく、より好ましくは３μｍ以上２０μｍ以下である。積層膜６を構成する層７は、耐摩耗性皮膜２と硬質炭素皮膜３とがその順で積層された単位であり、少なくとも２以上で構成され、それぞれの皮膜の厚さにもよるが、その層７を最大１５００回繰り返した多層構造とすることもできる。なお、製造上、積層膜６を構成する層７，…，７は、１０回〜１００回の範囲で形成されることがコストの面から好ましい。
【００２５】
（耐摩耗性皮膜）
積層膜６を構成する耐摩耗性皮膜２は、相手材であるシリンダライナの内周面との間で、優れた耐摩耗性や耐スカッフ性等の摺動特性を発揮できる化合物皮膜である。具体的には、Ｃｒ−Ｎ系、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系、Ｃｒ−Ｂ−Ｖ−Ｎ系及びＴｉ−Ｎ系から選ばれる皮膜を好ましく適用できる。この耐摩耗性皮膜２は、硬質炭素皮膜３とで構成される層７においては、母材１０側に設けられる。
【００２６】
耐摩耗性皮膜２は種々の形成手段で形成することができ、例えばスパッタリング法、イオンプレーティング法等で形成できる。制御の容易さの観点からは、スパッタリング法とイオンプレーティング法が好ましく、中でも、マグネトロンスパッタリング法や反応性イオンプレーティング法等が好ましい。
【００２７】
上記のＣｒ−Ｎ系耐摩耗性皮膜２は、窒化クロムを主成分とした皮膜であり、例えばマグネトロンスパッタリング法により、クロムターゲットと、導入ガスとしてのアルゴン及び窒素とを用いて成膜できる。ここで、主成分である窒化クロム以外の成分としては、クロム、酸素、炭素、不可避不純物等を挙げることができる。なお、主成分である窒化クロムは、皮膜中におよそ８０原子％以上の割合で含まれている。
【００２８】
また、上記のＣｒ−Ｂ−Ｎ系耐摩耗性皮膜２は、窒素とホウ素のクロム化合物を主成分とした皮膜であり、例えばマグネトロンスパッタリング法により、クロム−ボロン合金ターゲットと、導入ガスとしてのアルゴン及び窒素とを用いて成膜できる。ここで、主成分である窒素とホウ素のクロム化合物以外の成分としては、クロム、ホウ素、酸素、炭素、不可避不純物等を挙げることができる。なお、主成分であるクロム化合物は、皮膜中におよそ８０原子％以上の割合で含まれている。
【００２９】
また、上記のＣｒ−Ｂ−Ｖ−Ｎ系耐摩耗性皮膜２は、窒素とホウ素とバナジウムのクロム化合物を主成分とした皮膜であり、例えばマグネトロンスパッタリング法により、クロム−ボロン−バナジウム合金ターゲットと、導入ガスとしてのアルゴン及び窒素とを用いて成膜できる。ここで、主成分である窒素とホウ素とバナジウムのクロム化合物以外の成分としては、クロム、ホウ素、バナジウム、酸素、炭素、不可避不純物等を挙げることができる。なお、主成分であるクロム化合物は、皮膜中におよそ８０原子％以上の割合で含まれている。
【００３０】
また、上記のＴｉ−Ｎ系耐摩耗性皮膜２は、窒化チタンを主成分とした皮膜であり、例えばマグネトロンスパッタリング法により、チタンターゲットと、導入ガスとしてのアルゴン及び窒素とを用いて成膜できる。ここで、主成分である窒化チタン以外の成分としては、クロム、酸素、炭素、不可避不純物等を挙げることができる。なお、主成分である窒化チタンは、皮膜中におよそ８０原子％以上の割合で含まれている。
【００３１】
耐摩耗性皮膜２の厚さは特に限定されないが、例えば０．０１μｍ以上０．５μｍの範囲内であることが好ましい。この範囲内の厚さで耐摩耗性皮膜２を成膜することにより、ピストンリング１に良好な耐摩耗性を付与することができる。
【００３２】
耐摩耗性皮膜２の表面粗さは、ＪＩＳ  Ｂ０６０１（１９９４）に準拠した十点平均粗さＲｚで、０．１μｍ以上１．０μｍ以下であることが好ましい。耐摩耗性皮膜２はスパッタリング法やイオンプレーティング法等のＰＶＤ法によって好ましく成膜されるので、成膜時の各部の膜厚は均一であり、その結果、表面粗さは主には母材１０の表面粗さに大きく影響する。母材１０の表面粗さは、ラッピング等の研磨手段によって任意に調整できるので、耐摩耗性皮膜２の表面粗さは、上記の範囲内で任意に調整することができる。なお、表面粗さ（十点平均粗さＲｚ）は、表面粗さ測定装置で測定できる。
【００３３】
（硬質炭素皮膜）
積層膜６を構成する硬質炭素皮膜３は、いわゆるダイヤモンドライクカーボン膜（以下、ＤＬＣ膜と称す。）と呼ばれ、アモルファス状の炭素膜のことをいい、相手材であるシリンダライナの内周面に対する摩擦係数が低く、相手材に対する初期なじみ性が良好な皮膜である。具体的には、炭素の他に、ケイ素、酸素、水素、窒素、アルゴンのうち少なくとも１種以上からなる硬質炭素皮膜を好ましく適用できる。この硬質炭素皮膜３は、耐摩耗性皮膜２とで構成される層７においては、母材１０の反対側、すなわち表面側に設けられる。
【００３４】
硬質炭素皮膜３は上記の耐摩耗性皮膜２と同様、種々の形成手段で形成することができ、例えばスパッタリング法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法等で形成できる。制御の容易さの観点からは、スパッタリング法とイオンプレーティング法が好ましく、中でも、マグネトロンスパッタリング法や反応性イオンプレーティング法等が好ましい。
【００３５】
上記の硬質炭素皮膜３は、炭素を主成分としたＤＬＣ皮膜であり、例えばマグネトロンスパッタリング法により、炭素ターゲットと、導入ガスとしてのアルゴンとを用いて成膜できる。また、必要に応じてメタン等の炭素源を導入ガスとして用いてもよい。ここで、硬質炭素皮膜３の主成分である炭素以外の成分としては、水素と不可避不純物等を挙げることができる。また、アルゴンガスを積極的に導入することにより、アルゴンを含有する硬質炭素皮膜を成膜することができる。同様に、酸素ガスや窒素ガスを導入することにより、酸素や窒素を含有する硬質炭素皮膜３を成膜することができる。なお、主成分である炭素は皮膜中におよそ６０原子％以上の割合で含まれ、水素は皮膜中におよそ４０原子％以下の割合で含まれている。また、アルゴン、酸素、窒素はともに１０原子％以下の割合で含まれていることが好ましい。
【００３６】
また、上記のケイ素を含有した硬質炭素皮膜３は、炭素とケイ素を主成分としたＤＬＣ皮膜であり、例えばマグネトロンスパッタリング法により、炭素ターゲットと、導入ガスとしてのアルゴン及びケイ素化合物ガス（例えば、テトラメチルシラン等）とを用いて成膜したり、炭素とケイ素とからなるターゲットと、導入ガスとしてのアルゴンとを用いて成膜する。また、必要に応じてメタン等の炭素源を導入ガスとして用いたり、ケイ素化合物ガス（例えば、テトラメチルシラン等）をケイ素源として用いてもよい。ここで、主成分である炭素とケイ素以外の成分としては、水素と不可避不純物等を挙げることができる。なお、主成分である炭素は皮膜中におよそ５０原子％〜８０原子％の割合で含まれ、ケイ素は皮膜中におよそ２原子％〜６原子％の割合で含まれている。
【００３７】
硬質炭素皮膜３の厚さは特に限定されないが、前記の耐摩耗性皮膜２の厚さの１／１〜１／１０の範囲内であることが好ましい。この範囲内の厚さで硬質炭素皮膜３を成膜することにより、相手材に対する初期なじみ性を付与することができるとともに、摩擦係数の低下効果による摩耗特性の向上を実現できる。さらに、成膜速度が耐摩耗性皮膜２に比べて相対的に遅い硬質炭素皮膜３の厚さを耐摩耗性皮膜２の厚さよりも薄くしたので、硬質炭素皮膜３の摩擦係数低減効果を奏する状況下で、硬質炭素皮膜３の成膜時間を少なくすることができる。その結果、成膜時のコストアップを極力抑制できる。
【００３８】
さらに、硬質炭素皮膜３の厚さは、上記した耐摩耗性皮膜２の表面粗さ（十点平均粗さＲｚで、０．１μｍ以上１．０μｍ以下）よりも小さいことが好ましい。図５は、積層膜を構成する硬質炭素皮膜が部分的に摩耗した場合の一例を示す模式的な拡大断面図である。こうした厚さで硬質炭素皮膜３を形成することにより、高負荷条件下でのピストンリング１の摺動が継続して、積層膜６を構成する硬質炭素皮膜３が部分的に摩耗した場合であっても、その下の耐摩耗性皮膜２やさらにその下の摩擦特性の良い硬質炭素皮膜３がその部分に現れる。こうした外周摺動面１１には、図５に示すように、耐摩耗性皮膜２と硬質炭素皮膜３とが斑（まだら）に現れるので、硬質炭素皮膜３による摩擦係数低減効果と、耐摩耗性皮膜２による耐摩耗性効果との両方を兼ね備える摺動面を常に有することとなり、本発明のピストンリング１は、優れた摩耗特性を有するものとなる。
【００３９】
また、硬質炭素皮膜３の組成を積層膜６の厚さ方向Ｙ（図３〜図５参照）で変化させてもよい。例えば、硬質炭素皮膜３においては、炭素ターゲットに印加する電流を上げて硬質炭素皮膜３に含まれる炭素の割合を増すことにより硬質炭素皮膜３の硬さを低くしたり、炭素ターゲットに印加する電流を下げて硬質炭素皮膜３に含まれる炭素の割合を減らすことにより硬質炭素皮膜３の硬さを高くしたりすることができる。こうした組成の変化を厚さ方向Ｙで行うことにより、硬質炭素皮膜３の硬さとそれに伴う耐摩耗性や摩擦係数を変化させることができる。また、硬質炭素皮膜３においては、導入ガスとしてメタンガスを用いれば、硬質炭素皮膜３の硬さを増すことができるので、メタンガスの導入量を調整して厚さ方向の特性を変化させることができる。こうした厚さ方向の特性の変化は、成膜条件を変化させることにより行うことも可能である。もちろん他の組成系の硬質炭素皮膜３に対しても同様に行うことができ、また、上述した耐摩耗性皮膜２に対しても同様に行うことができる。
【００４０】
本発明のピストンリング１においては、上記の耐摩耗性皮膜２と硬質炭素皮膜３とで構成される層７を２以上有する積層膜６を少なくともピストンリング１の外周摺動面１１に形成するが、図２に示すように、ピストンリング１の上面１２と下面１３にも形成してもよい。ピストンリング１の上下面１２，１３に積層膜６を形成することにより、ピストンに形成された溝であるピストンリング溝が有する面（ピストンリングの上面と下面がそれぞれ対向する面）に摺動接触した場合の摩耗を防ぐことができる。また、ピストンリング溝がアルミニウム又はその合金で形成された場合に、そのピストンリング溝に対して、優れた耐Ａｌ凝着性を示すことができる。
【００４１】
積層膜６の硬さは、耐摩耗性皮膜２と硬質炭素皮膜３との存在割合、すなわち厚さの程度によって異なるので一概に言えないが、例えばＣｒ−Ｎ系、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系、Ｃｒ−Ｂ−Ｖ−Ｎ系及びＴｉ−Ｎ系から選ばれる耐摩耗性皮膜２は、ビッカース硬さで１０００Ｈｖ（０．０５）以上２０００Ｈｖ（０．０５）以下の範囲で容易に制御可能であり、炭素からなる硬質炭素皮膜３、又は、炭素と、ケイ素、水素、酸素、窒素、アルゴンのうちの少なくとも１種以上とからなる硬質炭素皮膜３は、ビッカース硬さで１０００Ｈｖ（０．０５）以上４０００Ｈｖ（０．０５）以下の範囲で容易に制御可能である。特に硬質炭素皮膜３は硬いので、より硬度を高める場合には、積層膜６を構成する硬質炭素皮膜３の厚さ割合を増せばよく、硬度を下げたい場合には、積層膜６を構成する硬質炭素皮膜３の厚さ割合を減らせばよい。また、こうした積層膜６の硬さを、積層膜６の厚さ方向Ｙで変化させてもよく、その場合には、上記のように厚さ方向Ｙでの硬質炭素皮膜３の厚さ割合を変化させたり、既述のように各皮膜の組成を変化させたりして制御することができる。
【００４２】
積層膜６を構成する層７の厚さ（耐摩耗性皮膜２と硬質炭素皮膜３との合計厚さ）は、積層するにつれて薄くしていってもよいし、厚くしていってもよい。また、層７を構成する耐摩耗性皮膜２の厚さと硬質炭素皮膜３の厚さも、積層するにつれて変化させてもよい。例えば、積層初期の積層膜６では耐摩耗性皮膜２を厚くして硬質炭素皮膜３を薄くした層７とし、積層後期の積層膜６では耐摩耗性皮膜２を積層初期に比べて相対的に薄くして硬質炭素皮膜３を積層初期に比べて相対的に厚くした層７とすれば、摺動初期時には高い初期なじみ性を持たせることができるとともに、摺動継続時には安定した耐摩耗性を持たせることができるという効果がある。
【００４３】
こうした積層膜６を有するピストンリングによれば、最表面に硬質炭素皮膜３を有するので、相手材に対する初期なじみ性を良好なものとすることができ、さらに、高負荷での摺動が継続して最表面の硬質炭素皮膜３が部分的に摩耗した場合であっても、その下の耐摩耗性皮膜２やさらにその下の摩擦特性の良い硬質炭素皮膜３がその部分に現れるので、耐スカッフ性と耐摩耗性を継続的に維持できる。
【００４４】
（傾斜膜）
層７を構成する耐摩耗性皮膜２と硬質炭素皮膜３との間には、密着性を向上させる等の目的で傾斜膜４が形成されていることが好ましい。すなわち、傾斜膜４は、耐摩耗性皮膜２上に少なくとも設けられており、その１つ上に設けられている硬質炭素皮膜３の下に設けられている。こうした構成とすることにより、硬質炭素皮膜３を傾斜膜４上に密着性よく安定して成膜することができ、密着性を向上させることができる。また、傾斜膜４は、積層方向の耐摩耗性皮膜２と硬質炭素皮膜３との間に設けられていてもよいし、積層方向の硬質炭素皮膜３と耐摩耗性皮膜２との間に必ず設けられていてもよいし、下側や上側の任意の部分にのみ設けられていてもよい。
【００４５】
傾斜膜４は、上記の耐摩耗性皮膜２や硬質炭素皮膜３と同様の形成手段で形成することが好ましく、例えばスパッタリング法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法等で形成できる。この傾斜膜４は、耐摩耗性皮膜２と硬質炭素皮膜３との中間組成からなるものであり、積層膜６の厚さ方向Ｙで一定の組成であってもよいし、厚さ方向Ｙで各傾斜膜の組成を変化させてもよいし、一つの傾斜膜４における組成を耐摩耗性皮膜２に接触する側から硬質炭素皮膜３に接触する側に向かって徐々に変化させてもよい。
【００４６】
例えば硬質炭素皮膜３が炭素を主成分とする皮膜であり、耐摩耗性皮膜２がＣｒ−Ｎ系皮膜である場合には、耐摩耗性皮膜２上に形成する傾斜膜４の組成は、Ｃｒ−Ｎ系の耐摩耗性皮膜２内に所定量の炭素を含有させたものであることが好ましい。この場合の炭素含有量としては、例えば３０原子％〜６０原子％の割合とすることが好ましく、窒素含有量としては、例えば０原子％〜２０原子％の割合とすることが好ましい。こうした組成は、所定の圧力のアルゴンガス導入下でクロムターゲットに電流を印加してＣｒ−Ｎ系の耐摩耗性皮膜２を形成した後に、クロムターゲットとは別に設けられた炭素ターゲットにも電流を印加することにより形成することができる。また、組成の変化は、成膜条件を変化させることにより容易に行うことができる。
【００４７】
また、硬質炭素皮膜３がケイ素を含有する皮膜であり、耐摩耗性皮膜２がＣｒ−Ｎ系皮膜である場合には、耐摩耗性皮膜２上に形成する傾斜膜４の組成は、Ｃｒ−Ｎ系の耐摩耗性皮膜２内に所定量の炭素やケイ素を含有させたものであることが好ましい。他の系の組合せについても同様の傾斜膜組成にすることができる。
【００４８】
傾斜膜４の厚さは特に限定されないが、例えば０．０１μｍ以上２０μｍの範囲内であることが好ましい。
【００４９】
以上説明したピストンリング１は本発明に係る摺動部材の一例であり、上記の構成は他の摺動部材、例えばシリンダライナの内周摺動面、ロッカーアームの摺動面、カムシャフトの摺動面、コンプレッサー用ベーンの摺動面等の負荷の大きい過酷な摺動環境に用いられる摺動部材に好ましく適用できる。
【実施例】
【００５０】
以下に、本発明に係る摺動部材について、実施例と比較例と従来例を挙げてさらに詳しく説明する。
【００５１】
（実施例１）
Ｃ：０．８５質量％、Ｓｉ：０．４質量％、Ｍｎ：０．３質量％、Ｃｒ：１７．５質量％、Ｍｏ：１．１質量％、Ｖ：０．１質量％、Ｐ：０．０２質量％、Ｓ：０．０２質量％、残部：鉄及び不可避不純物からなるＳＵＳ４４０Ｂ相当（１７Ｃｒステンレス鋼）製で、予めガス窒化処理してなる母材１０を使用した。この母材１０の外周摺動面１１に、下地膜５として、厚さ０．５μｍの金属Ｃｒ膜を形成した。この金属Ｃｒ膜は、マグネトロンスパッタリング装置を用い、アルゴンを導入ガスとした圧力０．５Ｐａの条件下で、チャンバー内のクロムターゲットに−５０Ｖのバイアス電圧を印加して成膜した。
【００５２】
次いで、その下地膜５上に、耐摩耗性皮膜２として厚さ０．１μｍのＣｒ−Ｎ皮膜（Ｃｒ：７．４原子％、Ｃｒ２Ｎ：４．５原子％、ＣｒＮ：８８．１原子％）を形成した後、耐摩耗性皮膜２上に厚さ０．０３μｍの傾斜膜４（Ｃ：４２．７原子％、Ｃｒ：３８．８原子％、Ｈその他：１８．５原子％）を形成した。さらにその上に硬質炭素皮膜３として厚さ０．０４μｍの炭素を主成分とするＤＬＣ皮膜（Ｃ：９７．２原子％、Ｈその他：２．７原子％）を形成して層７とした。次いで、硬質炭素皮膜３上にも厚さ０．０３μｍの傾斜膜４（Ｃ：４２．７原子％、Ｃｒ：３８．８原子％、Ｈその他：１８．５原子％）を形成した。こうした、耐摩耗性皮膜２と硬質炭素皮膜３の間に傾斜膜４を形成し、それらを繰り返して積層膜６を形成した。これらの層７を２５回繰り返して形成し、合計厚さ５μｍの積層膜６を形成した。こうして実施例１のピストンリングを形成した。
【００５３】
なお、各皮膜はマグネトロンスパッタリング装置を用いて成膜した。具体的には、Ｃｒ−Ｎ皮膜は、アルゴンと窒素を導入ガスとした圧力０．５Ｐａの条件下で、チャンバー内のクロムターゲットに−１００Ｖのバイアス電圧を印加して成膜し、また、炭素を主成分とするＤＬＣ皮膜は、アルゴンとメタンを導入ガスとした圧力０．８Ｐａの条件下で、チャンバー内の炭素ターゲットに−２００Ｖのバイアス電圧を印加して成膜し、また、傾斜膜４は、アルゴンとメタンの導入ガスに窒素を加えた圧力０．８Ｐａの条件下で、チャンバー内の炭素ターゲットに−５０Ｖのバイアス電圧を印加するとともに、チャンバー内のクロムターゲットに−５０Ｖのバイアス電圧を印加して成膜した。また、Ｃｒ−Ｎ皮膜を構成する組成、炭素を主成分とする硬質炭素皮膜の組成、傾斜膜の組成は、後方散乱測定装置（日新ハイボルテージ株式会社製）を用いて定量した結果である。
【００５４】
（実施例２）
実施例１において、硬質炭素皮膜３の厚さを０．０４μｍから０．１μｍに変更した他は、実施例１と同様にして実施例２のピストンリングを作製した。なお、積層膜６の総厚さは実施例１と同様の５μｍとするため、層７の形成を１９回繰り返した。
【００５５】
（実施例３）
実施例２において、硬質炭素皮膜３の組成を原子比でＣ９９．７原子％、Ｈその他０．３原子％とした他は、実施例２と同様にして実施例３のピストンリングを作製した。なお、こうした組成は、アルゴンとメタンを導入ガスとした圧力０．８Ｐａの条件下で、チャンバー内の炭素ターゲットに−２００Ｖのバイアス電圧を印加して成膜した。
【００５６】
（比較例１）
実施例１において、下地膜５上に、耐摩耗性皮膜２として厚さ４μｍのＣｒ−Ｎ皮膜（Ｃｒ：７．４原子％、Ｃｒ２Ｎ：４．５原子％、ＣｒＮ：８８．１原子％）を同様の条件で形成した後、その上に硬質炭素皮膜３として厚さ１μｍの炭素を主成分とするＤＬＣ皮膜（Ｃ：９７．２原子％、Ｈその他：２．７原子％）を同様の条件で形成し、合計厚さ５μｍの２層膜を形成した。こうして比較例１のピストンリングを形成した。なお、耐摩耗性皮膜２と硬質炭素皮膜３は各１層であり、耐摩耗性皮膜２と硬質炭素皮膜３との間に傾斜膜４を形成した。この傾斜膜の組成は、Ｃ：４２．７原子％、Ｃｒ：３８．８原子％、Ｈその他：１８．５原子％である。
【００５７】
（従来例１）
実施例１において、下地膜５上に、耐摩耗性皮膜２として厚さ５μｍのＣｒ−Ｎ皮膜（Ｃｒ：７．４原子％、Ｃｒ２Ｎ：４．５原子％、ＣｒＮ：８８．１原子％）を同様の条件で形成して従来例１のピストンリングを形成した。なお、耐摩耗性皮膜２は単一層であり、硬質炭素皮膜３と傾斜膜４は形成しなかった。
【００５８】
（従来例２）
実施例１において、下地膜５上に、硬質炭素皮膜３として厚さ５μｍの炭素を主成分とするＤＬＣ皮膜（Ｃ：９７．２原子％、Ｈその他：２．７原子％）を同様の条件で形成して従来例２のピストンリングを形成した。なお、硬質炭素皮膜３は単一層であり、耐摩耗性皮膜２と傾斜膜４は形成しなかった。
【００５９】
（摩耗試験）
摩耗試験は、図６に示すアムスラー型摩耗試験機２０を使用し、上記実施例１〜３、比較例１、従来例１，２で得られたピストンリングと同じ条件で得た供試材２１（７ｍｍ×８ｍｍ×５ｍｍ）を固定片とし、相手材２２（回転片）にはドーナツ状（外径４０ｍｍ、内径１６ｍｍ、厚さ１０ｍｍ）のものを用い、供試材２１と相手材２２を接触させ、荷重Ｐを負荷して行った。各供試材２１を用いた摩擦係数試験条件は、潤滑油２３：クリセフＨ８（１号スピンドル油相当品）、油温：８０℃、周速：１ｍ／秒（４７８ｒｐｍ）、荷重：１４７１．５Ｎ、試験時間：７時間の条件下で、ボロン鋳鉄を相手材２２として行った。このボロン鋳鉄からなる相手材２２は、所定形状に研削加工した後、研削砥石の細かさを変えて順次表面研削を行い、最終的に２μｍＲｚ（十点平均粗さ。ＪＩＳ  Ｂ０６０１（１９９４）に準拠。）となるように調整した。摩擦係数は、摩擦抵抗を荷重で割ることにより算出した。
【００６０】
表１に示す耐摩耗指数は、実施例１〜３、比較例１、従来例２に相当する各供試材の摩耗指数を、従来例１に対応する供試材の摩耗指数に対しての相対比として比較し、耐摩耗指数とした。従って、各供試材の耐摩耗指数が１００より小さいほど摩耗量が小さいことを表す。実施例１〜３に対応する各供試材は、耐摩耗指数が小さく、比較例１、従来例１，２に対応する供試材よりも耐摩耗性に優れていた。結果を表１に示した。
【００６１】
（スカッフ試験）
スカッフ試験も、上記の摩耗試験で使用したアムスラー型摩耗試験機２０と、上記同様の供試材２１を用い、その供試材に潤滑油を付着させ、スカッフ発生まで荷重を負荷させて行った。供試材としては、上記の摩耗試験で用いた供試材を用いてスカッフ試験を行い、耐スカッフ性の評価を行った。試験条件は、潤滑油：クリセフＨ８（１号スピンドル油相当品）、周速：１ｍ／秒（４７８ｒｐｍ）の条件下で、ボロン鋳鉄を相手材として行った。このボロン鋳鉄も上述の方法により最終的に２μｍＲｚとなるように調整した。
【００６２】
耐スカッフ性は、従来例１に対応する供試材のスカッフ発生荷重を１００とし、実施例１〜３、比較例１、従来例２に相当する各供試材のスカッフ発生荷重を従来例１に対応する供試材の結果に対する耐スカッフ指数として比較した。従って、各供試材の耐スカッフ指数が１００より大きいほど、スカッフ発生荷重が大きくなり、従来例１に対応する供試材よりも耐スカッフ性に優れることとなる。実施例１〜３に対応する各供試材は、耐スカッフ指数が大きく、比較例１、従来例１，２に対応する供試材よりも耐スカッフ性に優れていた。結果を表１に示した。
【００６３】
（摩擦係数試験）
摩擦係数試験も、上記摩耗試験で使用したアムスラー型摩耗試験機２０と、上記同様の供試材２１とを用い、同様の方法で行った。この摩擦係数試験は、上記の摩耗試験において、各供試材のトルク（摩擦抵抗）を荷重Ｐで割ることにより算出した。
【００６４】
摩擦係数は、実施例１、比較例１の各供試材の摩摩擦係数を、従来例１に対応する供試材の摩擦係数に対しての相対比として比較し、摩擦係数指数とした。従って、各供試材の摩擦係数指数が１００より小さいほど摩擦係数が小さいことを表す。実施例１と比較例１の供試材の摩擦係数指数は９０であり、従来例１の供試材の結果に比べて小さい摩擦係数を示していた。その結果を表１に示した。
【００６５】
（その他の評価）
硬さ測定は、微小ビッカース硬さ試験機（株式会社アカシ製）を用いて測定した。厚さは、断面観察から算出し、表面粗さは、ＪＩＳ  Ｂ０６０１（１９９４）に準拠し、表面粗さ測定装置（株式会社東京精密製）で測定し、十点平均粗さＲｚで評価した。
【００６６】
以上の結果より、本発明に係る実施例１〜３の測定試料は、従来例１，２及び比較例１に比べて優れた耐摩耗性と耐スカッフ性を持つ、摩擦係数の小さい皮膜とすることができる、という結果が得られた。
【００６７】
【表１】
2008286354.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明のピストンリングの一例を示す模式断面図である。
【図２】本発明のピストンリングの他の一例を示す模式断面図である。
【図３】積層膜の模式拡大図の一例である。
【図４】積層膜の模式拡大図の他の一例である。
【図５】積層膜を構成する硬質炭素皮膜が部分的に摩耗した場合の一例を示す模式的な拡大断面図である。
【図６】測定に用いたアムスラー型摩耗試験機の構成原理図である。
【符号の説明】
【００６９】
１  ピストンリング
２  耐摩耗性皮膜
３  硬質炭素皮膜
４  傾斜膜
５  下地膜
６  積層膜
７  層（耐摩耗性皮膜と硬質炭素皮膜からなる層）
１０  母材
１１  外周摺動面
１２  上面
１３  下面
１４  内周面
２０  アムスラー型摩耗試験機
２１  測定試料
２２  相手材
２３  潤滑油
【図１】
2008286354.tif 000004
【図２】
2008286354.tif 000005
【図３】
2008286354.tif 000006
【図４】
2008286354.tif 000007
【図５】
2008286354.tif 000008
【図６】
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