(57)【要約】【課題】ＣｒＮ皮膜の機械的特性をさらに向上させた摺動部材を提供する。【解決手段】イオンプレーティング法により窒化クロムを主成分とする皮膜が摺動面に形成された摺動部材であって、その皮膜は、ＣｒＮの｛２００｝面を主配向とするものであり、ホウ素を０．０５質量％以上２０質量％以下含有し、空孔率が０．５％以上２０％以下であるように構成して、上記課題を解決した。なお、皮膜は、酸素と炭素のいずれか一方又は両方の含有量が１５質量％以下であるように構成することが好ましく、内燃機関用ピストンリングとして好ましく用いられる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンプレーティング法により窒化クロムを主成分とする皮膜が摺動面に形成された摺動部材であって、
前記皮膜は、ＣｒＮの｛２００｝面を主配向とするものであり、ホウ素を０．０５質量％以上２０質量％以下含有し、空孔率が０．５％以上２０％以下であることを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
前記皮膜は、酸素と炭素のいずれか一方又は両方の含有量が１５質量％以下である、請求項１に記載の摺動部材。
【請求項３】
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、更に詳しくは、摺動面に対して平行に加わる力に強い窒化クロム膜が摺動面に形成された、内燃機関用ピストンリングとして用いられる摺動部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関用ピストンリング等の摺動部材において、その外周摺動面に、イオンプレーティング法によりＣｒ２Ｎを含むＣｒＮの皮膜を形成して耐摩耗性を向上することが、下記特許文献１により提案されている。また、イオンプレーティング法により｛１１１｝面を主配向とするＣｒＮの皮膜を形成し、そのＣｒＮの皮膜にＢを０．０５〜２０質量％含有させて耐剥離性を向上させることが、下記特許文献２により提案されている。このＣｒ−Ｂ−Ｎからなる皮膜には、ＣｒＮが｛１１１｝面を主配向とするものと｛１００｝面を主配向とするものの２種類があるが、｛１１１｝面を主配向とするものは、｛１００｝面を主配向とするものに比べて、耐摩耗性と耐スカッフ性には優れているが、内部応力が高く、耐剥離性に劣るという難点がある。他方、｛１００｝面を主配向とするものは、｛１１１｝面を主配向とするものに比べて、耐摩耗性と耐スカッフ性には劣るが、気孔率の制御が容易であるため、耐剥離性には優れている。
【特許文献１】特開平８−２９６０３０号公報
【特許文献２】特開２０００−１３６８７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記特許文献２に記載のＣｒＮが｛１１１｝面を主配向とするイオンプレーティング皮膜は、結晶構造が柱状晶になるため、皮膜が形成された後の表面の凹凸（表面粗さ）が大きくなる傾向があり、耐相手攻撃性の点でやや劣ることになる。また、ＣｒＮが｛１１１｝面を主配向とするイオンプレーティング皮膜は、皮膜面の放線方向からの力に対しては強いが、摺動面である皮膜面に対して平行に加わる力に対しては弱いという難点がある。こうした力に弱いということは、例えばスクラッチ試験で評価される耐剥離性が十分ではなく、また、耐摩耗性も十分ではないものと考えられる。
【０００４】
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、イオンプレーティング法により形成された窒化クロムを主成分とする皮膜の機械的特性をさらに向上させた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】
【０００５】
上記課題を解決するための本発明の摺動部材は、イオンプレーティング法により窒化クロムを主成分とする皮膜が摺動面に形成された摺動部材であって、前記皮膜は、ＣｒＮの｛２００｝面を主配向とするものであり、ホウ素を０．０５質量％以上２０質量％以下含有し、空孔率が０．５％以上２０％以下であることを特徴とする。
【０００６】
この発明によれば、ＣｒＮの｛２００｝面を主配向とし且つ所定量のホウ素を含有する皮膜が摺動面に形成された結果、耐摩耗性と耐スカッフ性に優れ、特に摺動面に対して平行に加わる力に対して強く、耐剥離性に優れた皮膜を摺動面に形成することができた。この皮膜が耐剥離性に優れる理由としては、炭素、酸素、窒素に比べ、クロム中におけるホウ素の生成自由エネルギーが高いと考えられているため、ホウ素はホウ化物を形成し難く、クロム中に若しくはＣｒｘＮ（窒化クロム）中に固溶する。したがって、炭素、酸素、窒素に比べ、基地強化に及ぼす作用は大となり、皮膜の耐剥離性が向上すると考えられる。さらに、この皮膜は、ＣｒＮの｛２００｝面を主配向とするが、そうした配向を有する皮膜は、ＣｒＮの｛１１１｝面を主配向とする皮膜よりも緻密な膜として得ることができるので、特に摺動面に対して平行に加わる力に対して強く、耐剥離性に優れた皮膜とすることができる。さらに、この発明によれば、こうした空孔率の範囲で、優れた耐剥離性、耐摩耗性及び耐スカッフ性を奏する。
【０００７】
本発明の摺動部材において、前記皮膜は、酸素と炭素のいずれか一方又は両方の含有量が１５質量％以下であるように構成することが好ましい。この発明によれば、こうした含有量の範囲で、優れた耐剥離性、耐摩耗性及び耐スカッフ性を奏する。
【０００８】
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、イオンプレーティング法による皮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、優れた耐剥離性、耐摩耗性及び耐スカッフ性を奏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】
【０００９】
本発明の摺動部材によれば、ＣｒＮの｛２００｝面を主配向とする皮膜が所定量のホウ素を含有するので、従来のＣｒＮの｛１１１｝面を主配向とする皮膜に比べて空孔率が小さく、緻密な膜として得ることができ、その結果、優れた耐剥離性、耐摩耗性及び耐スカッフ性を奏する皮膜とすることができ、特に、摺動面に対して水平及び平行に加わる力に対して強い皮膜とすることができる。また、本発明の摺動部材は、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として適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明のピストンリングについて図面を参照しつつ説明する。なお、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、本願において、「皮膜」とは、特にことわらない限り、イオンプレーティング法によって形成された皮膜を指す。
【００１１】
（摺動部材）
本発明の摺動部材は、イオンプレーティング法により窒化クロムを主成分とする皮膜が摺動面に形成されたものであり、そして、その皮膜が、ＣｒＮの｛２００｝面を主配向とし、ホウ素を０．０５質量％以上２０質量％以下含有する。この皮膜には、酸素と炭素のいずれか一方又は両方の含有量が１５質量％以下であってもよい。
【００１２】
皮膜は、イオンプレーティング法で成膜された化合物皮膜であり、本発明においては、窒化クロムを主成分とした皮膜である。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、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、主成分である窒化クロムは、皮膜中におよそ８０％以上の質量割合で含まれている。
【００１３】
皮膜は、空孔率が０．５％以上２０％以下であるように構成されている。この範囲の空孔率を有する皮膜は、ＣｒＮの｛１１１｝面を主配向とする皮膜よりも空孔率が小さく、緻密な膜として得ることができるので、優れた耐剥離性、耐摩耗性及び耐スカッフ性を奏し、特に摺動面に対して平行に加わる力に対して強く、耐剥離性に優れている。皮膜の空孔率が０．５％未満では、皮膜が緻密になりすぎて脆くなり、欠けや剥離等が発生しやすくなる。一方、皮膜の空孔率が２０％を超えると、緻密とはいいにくい膜となり、特に摺動面に対して平行に加わる力に対して弱くなり、耐剥離性に優れているとはいえなくなることがある。なお、空孔率が０．５％以上２０％以下の範囲内では、皮膜強度の観点から０．５％以上１５％以下が好ましく、耐摩耗性の観点から０．５％以上１０％以下が好ましい。なお、本願において、皮膜の空孔率は、皮膜表面あるいは皮膜断面に現れる白黒を画像解析して空孔率を測定したものである。
【００１４】
皮膜を構成する窒化クロムは、Ｃｒ２Ｎを含むが、主としてＣｒＮからなり、そのＣｒＮは｛２００｝面を主配向としている。ここで、「主配向」とは、ＣｒＮについてのＩＣＤＤ（International Center for Diffraction Data）と比較し、ＩＣＤＤに対する回折強度の相対値で比較したときに、最も大きな相対値を示した面を指している。したがって、ＣｒＮの｛２００｝面を主配向とした皮膜は、ＩＣＤＤに対する回折強度の相対値が、ＣｒＮの｛２００｝面が最も大きい値を示したものである。なお、本願において、結晶配向は、Ｘ線回折法で解析することができる。
【００１５】
本発明においては、ＣｒＮの｛２００｝面を主配向とする皮膜が摺動面に設けられている。こうした皮膜は、ＣｒＮの｛１１１｝面を主配向とする皮膜よりも空孔率が小さく、緻密な膜として得ることができる。その結果、本発明に係る皮膜は、摺動面に対して平行に加わる力に対して強く、耐剥離性に優れているという利点がある。
【００１６】
ホウ素は、皮膜内に０．０５質量％以上２０質量％以下含まれている。ホウ素含有量が０．０５質量％未満では、皮膜の耐剥離性は向上せず、ホウ素含有量が２０質量％を超えると、皮膜の耐剥離性が逆に相当に低下することがある。ホウ素含有量を上記範囲内に限定した理由として、クロム中におけるホウ素の生成自由エネルギーは高く、ホウ素はホウ化物を形成し難く、クロム中に若しくはＣｒｘＮ（窒化クロム）中に固溶することから、炭素、酸素、窒素等に比べ、基地強化に及ぼす作用が大となり、その結果、皮膜の耐剥離性が向上すると考えられる。したがって、ホウ素は、Ｃｒ中又はＣｒｘＮ（窒化クロム）中に固溶した状態で存在している。なお、本願において、皮膜中に含まれるホウ素、酸素、炭素等の成分組成は、後方散乱測定装置を用いて定量することができ、また、表面形態は、金属顕微鏡又はＸ線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いて観察することができる。
【００１７】
皮膜は、酸素と炭素のいずれか一方又は両方の含有量が１５質量％以下であるように構成することが好ましい。酸素と炭素のいずれか一方又は両方の含有量をこの範囲内とすることにより、優れた耐剥離性、耐摩耗性及び耐スカッフ性を奏する皮膜を得ることができる。酸素と炭素のいずれか一方又は両方の含有量が１５質量％を超えると、皮膜の耐剥離性が低下する。
【００１８】
皮膜の厚さは特に限定されず、通常１μｍ以上７０μｍ以下である。その厚さは、本発明の摺動部材の用途にもよっても異なるが、例えば内燃機関用ピストンリングとして適用される場合には、３μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。
【００１９】
以上説明した本発明の摺動部材は、ピストンリングとして用いられることが好ましい。本発明に係る皮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、優れた耐剥離性、耐摩耗性及び耐スカッフ性を奏するピストンリングとして好ましく適用できる。
【００２０】
内燃機関用ピストンリングとして適用した場合におけるピストンリングの構成は特に限定されない。例えば、ピストンリング母材の材質や、下地として形成される窒化層や下地膜の種類等も各種の形態を採用することができ、少なくともその外周摺動面に、本発明に係る皮膜が形成されていればよい。また、トップリング、セカンドリング、オイルリングのいずれにも適用可能である。
【００２１】
（摺動部材の製造方法）
本発明の摺動部材の代表的な製造例は、イオンプレーティング法のターゲットにクロムホウ素合金を使用し、窒素雰囲気下で、摺動部材の外周摺動面に、ホウ素を含有する窒化クロム皮膜を形成することにより製造でき、また、他の形成方法としては、ターゲットとしてクロムターゲットを使用し、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）ガス及び窒素ガス雰囲気下でも製造できる。本発明の摺動部材は上記構成要素を有するものであれば、必ずしもこの製造方法に限定されず、他の製造方法によって製造されたものであってもよい。
【００２２】
イオンプレーティング法により成膜された皮膜のホウ素含有量の制御は、通常は、ホウ素含有量を変化させたターゲットを用いてイオンプレーティングを行うことにより、皮膜中のホウ素含有量を容易に調整することができる。具体的には、クロムホウ素合金中のホウ素含有量を調整することにより行うことができる。また、成膜条件を変化させて、さらに調整することも可能である。
【００２３】
皮膜の結晶配向の制御は、成膜条件を変化させて行うことができ、後述する実施例においては、アーク電流を制御してＣｒＮの｛２００｝面配向とＣｒＮの｛１１１｝面配向を作り分けている。
【００２４】
また、イオンプレーティングにおけるガス雰囲気は、窒素と酸素の混合ガス雰囲気、窒素と炭化水素の混合ガス雰囲気、又は、窒素と酸素と炭化水素の混合ガス雰囲気を挙げることができ、こうしたガス雰囲気下でイオンプレーティングを行うことによって、イオンプレーティング法により成膜された皮膜に、酸素と炭素のいずれか一方又は両方を含有させることができる。酸素と炭素の含有量の調整は、チャンバー内に導入する各ガス圧を調整することにより行うことができる。
【実施例】
【００２５】
以下に、実施例と比較例と従来例の摺動部材を各種の試験により説明する。
【００２６】
アークイオンプレーティング装置を用いて同一のピストンリング母材上に、実施例に係る試料として１０種類の皮膜を形成し、比較例に係る試料として８種類の皮膜を形成し、従来例に係る試料として６種類の皮膜を形成した。ピストンリング母材には、１７Ｃｒステンレス鋼（Ｃ：０．９質量％、Ｓｉ：０．４質量％、Ｍｎ：０．３０質量％、Ｃｒ：１７．５質量％、Ｍｏ：１．１０質量％、Ｖ：０．１０質量％、Ｐ：０．０２質量％、Ｓ：０．０２質量％、残部：鉄及び不可避不純物）を用いた。このとき、各試料には−２５Ｖのバイアス電圧を印加し、厚さ２０μｍとなるように成膜時間を調整して形成した。
【００２７】
皮膜のＣｒＮの配向は、実施例と比較例については、アーク電流を２００Ａにして、｛２００｝面が主配向となるように調整し、従来例については、アーク電流を１５０Ａにして、｛１１１｝面が主配向となるように調整した。皮膜中の成分組成は、ホウ素含有量については、ターゲットであるクロムホウ素合金の組成によって制御し、酸素と炭素の含有量については、雰囲気ガス中の窒素、酸素、メタンの比率によりそれぞれ調整した。
【００２８】
各試料の配向面、組成、空孔率、及び各特性を表１に示す。また、各特性の試験方法を以下に示す。
【００２９】
【表１】
2008241014.tif 000002
【００３０】
（摩耗試験）
摩耗試験は、図１に示すアムスラー型摩耗試験機２０を使用し、測定試料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、皮膜を形成した測定試料２１と相手材２２とを接触させ、荷重Ｐを負荷して行った。測定試料２１としては、各試料を使用した。各測定試料２１を用いた摩擦係数試験条件は、相手材２２：ボロン鋳鉄（Ｃ：３．３５質量％、Ｓｉ：２．０８質量％、Ｍｎ：０．８２質量％、Ｐ：０．３６質量％、Ｓ：０．０７質量％、Ｂ：０．０８質量％、残部：鉄及び不可避不純物）、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（１５０Ｋｇ）、試験時間：７時間の条件下で行った。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。
【００３１】
表１に示す耐摩耗指数は、各測定試料の摩耗量の結果を指数で示したものであり、従来例２の測定試料の摩耗量を１００とし、それに対する各試料の摩耗量を相対比として比較した。従って、各測定試料の耐摩耗指数が１００より小さいほど摩耗量が小さく、耐摩耗性に優れていることを表す。ＣｒＮの｛２００｝面を主配向とする実施例１〜１０や比較例１〜８の各測定試料は、耐摩耗指数が小さく、ＣｒＮの｛１１１｝面を主配向とする従来例１〜６の測定試料よりも耐摩耗性に優れていた。
【００３２】
（剥離試験：垂直方向）
剥離試験は、イオンプレーティング法による皮膜が形成されたピストンリング外周摺動面に対して垂直に加わる力に対する剥離試験であり、図２に示す衝撃試験装置３１を使用して実施した。図２において矢印で示すように、当金３５にのせた試料の皮膜表面３２にスプリング３３で付勢した圧子３４を衝突させる。衝突１回当り４３．１ｍＪ（４．４Ｋｇｆｍｍ）の衝撃エネルギーを加え、皮膜表面３２に剥離が発生するまでの回数を測定した。剥離有無の判定は皮膜表面３２を１５倍に拡大して観察することにより行った。
【００３３】
表１に示す垂直方向の耐剥離指数は、各測定試料の剥離試験の結果を指数で示したものであり、従来例２の測定試料の皮膜表面が剥離するまでの回数を１００とし、それに対する各試料の剥離回数を相対比として比較した。従って、各測定試料の耐剥離指数が１００より大きいほど剥離しにくく、耐剥離性に優れていることを表す。この耐剥離性は、主に皮膜の垂直方向からの耐剥離性を示しているが、表１の結果から、所定量のホウ素や酸素乃至炭素を含有する実施例１〜１０の試料は、所定量のホウ素や酸素乃至炭素を含有しない比較例１〜８の試料よりも垂直方向の耐剥離性に優れていることがわかる。
【００３４】
（剥離試験：水平方向）
この剥離試験は、イオンプレーティング法による皮膜が形成された摺動面に対して平行（水平）に加わる力に対する剥離試験であり、図３に示すスクラッチ試験装置４１を使用して実施した。図３に示すスクラッチ試験装置４１は、テーブル４３上に乗せた測定試料４４（２０ｍｍ×１０ｍｍ×厚さ５ｍｍ）上から圧子４２を押し当て、その状態で、試料４４を移動させ、そのときにＡＥ（アコースティックエミッション）検出器４５で検知するための装置である。本願においては、荷重負荷速度：１００Ｎ／ｍｉｎ、テーブル速度：１０ｍｍ／ｍｉｎ、ＡＥ感度：１．２、圧子先端：Ｒ０．２ｍｍ、の条件で測定した。評価は、スクラッチ試験による亀裂の発生数を算出し、所定面積あたりの発生数を比較して指数評価した。図４は、スクラッチ試験後の試料表面の顕微鏡写真であり、（Ａ）は実施例２の試料の測定結果を示し、（Ｂ）は従来例２の試料の測定結果を示している。また、図５は、図４で示した試料の断面写真である。
【００３５】
表１に示す水平方向の耐剥離指数は、各測定試料のスクラッチ試験の結果を指数で示したものであり、従来例２の測定試料の亀裂の発生数を１００とし、それに対する各試料の亀裂の発生数を相対比として比較した。従って、各測定試料の耐剥離指数が１００より小さいほど亀裂が発生しにくく、耐剥離性（耐亀裂発生性ともいうことができる。）に優れていることを表す。この耐剥離性は、主に皮膜の水平方向からの耐剥離性を示しているが、表１の結果から、所定範囲の空孔率を有する実施例１〜１０や比較例１〜８の試料は、所定範囲の空孔率を有しない従来例１〜６の試料よりも水平方向の耐剥離性に優れていることがわかる。また、図４及び図５に示す写真から、空孔率の程度を観察することができる。
【００３６】
（その他の評価）
ＣｒＮの配向は、Ｘ線回折装置（リガク社製、型番：ＲＩＮＴ２５００）により測定し、ＣｒＮについてのＩＣＤＤ（International Center for Diffraction Data）と比較して評価し、ＩＣＤＤに対する回折強度の相対値で比較したときに、最も大きな相対値を示した面で表示した。その結果を表１に示した。また、皮膜中のＢ，Ｏ，Ｃ等の成分組成は、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。また、皮膜の空孔率は、皮膜断面に現れる白黒を画像解析して空孔率を測定したものであり、その時の空孔は、図５に示すような黒色部として表れる形態で観察される。なお、皮膜の厚さは、前記の断面観察から算出した。
【００３７】
以上の結果より、本発明に係る実施例１〜１０の測定試料は、従来のＣｒＮの｛１１１｝面を主配向とする皮膜に比べて空孔率が小さく、緻密な膜として得ることができ、その結果、優れた耐剥離性、耐摩耗性及び耐スカッフ性を奏する皮膜とすることができ、特に、摺動面に対して水平及び平行に加わる力に対して強いという結果が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】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。
【図２】測定に用いた衝撃試験装置の構成原理図である。
【図３】測定に用いたスクラッチ試験装置の構成原理図である。
【図４】スクラッチ試験後の試料表面の電子顕微鏡写真である。
【図５】図４で示した測定試料の断面写真である。
【符号の説明】
【００３９】
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
３１  衝撃試験装置
３２  皮膜表面
３３  スプリング
３４  圧子
３５  当金
４１  スクラッチ試験装置
４２  圧子
４３  テーブル
４４  測定試料
４５  ＡＥ検出器
【図１】
2008241014.tif 000003
【図２】
2008241014.tif 000004
【図３】
2008241014.tif 000005
【図４】
2008241014.tif 000006
【図５】
2008241014.tif 000007