(57)【要約】【課題】船舶用ピストンリングにおいて、摺動面の耐摩耗性をより向上させることである。【解決手段】船舶用ピストンリング１０であって、金属材料で形成されるピストンリング本体１２と、ピストンリング本体１２の摺動面１３にイオンプレーティングで被覆され、ＣｒＮで形成されるＣｒＮ被覆層１４と、を備え、ＣｒＮ被覆層１４は、７０μｍ以上の膜厚で形成されており、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度より大きい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
船舶用ピストンリングであって、
金属材料で形成されるピストンリング本体と、
前記ピストンリング本体の摺動面にイオンプレーティングで被覆され、ＣｒＮで形成されるＣｒＮ被覆層と、
を備え、
前記ＣｒＮ被覆層は、７０μｍ以上の膜厚で形成されており、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度より大きいことを特徴とする船舶用ピストンリング。
【請求項２】
請求項１に記載の船舶用ピストンリングであって、
前記ＣｒＮ被覆層は、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上であることを特徴とする船舶用ピストンリング。
【請求項３】
請求項２に記載の船舶用ピストンリングであって、
前記ＣｒＮ被覆層は、前記Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上４．１倍以下であることを特徴とする船舶用ピストンリング。
【請求項４】
請求項３に記載の船舶用ピストンリングであって、
前記ＣｒＮ被覆層は、前記Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上３．７倍以下であることを特徴とする船舶用ピストンリング。
【請求項５】
請求項３に記載の船舶用ピストンリングであって、
前記ＣｒＮ被覆層は、ビッカース硬度で１２１６Ｈｖ以上１６８１Ｈｖ以下であることを特徴とする船舶用ピストンリング。
【請求項６】
請求項４に記載の船舶用ピストンリングであって、
前記ＣｒＮ被覆層は、ビッカース硬度で１３７０Ｈｖ以上１６８１Ｈｖ以下であることを特徴とする船舶用ピストンリング。
【請求項７】
船舶用ピストンリングの製造方法であって、
金属材料でピストンリング本体を形成するピストンリング本体形成工程と、
前記ピストンリング本体の摺動面にＣｒＮで被覆して、ＣｒＮ被覆層を形成するＣｒＮ被覆層形成工程と、
を備え、
前記ＣｒＮ被覆層形成工程は、イオンプレーティングにより金属ＣｒとＮ２ガスとを反応させて、前記ピストンリング本体に印加されるバイアス電圧を−２５Ｖ以上で０Ｖより小さくし、全ガス圧を３Ｐａ以上とし、前記ＣｒＮ被覆層を膜厚７０μｍ以上で形成することを特徴とする船舶用ピストンリングの製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の船舶用ピストンリングの製造方法であって、
前記ＣｒＮ被覆層形成工程は、前記全ガス圧が５Ｐａ以上であることを特徴とする船舶用ピストンリングの製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載の船舶用ピストンリングの製造方法であって、
前記ＣｒＮ被覆層形成工程は、前記バイアス電圧が−２５Ｖ以上−１５Ｖ以下であり、前記全ガス圧が５Ｐａ以上６Ｐａ以下であることを特徴とする船舶用ピストンリングの製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の船舶用ピストンリングの製造方法であって、
前記ＣｒＮ被覆層形成工程は、前記全ガス圧が５Ｐａであることを特徴とする船舶用ピストンリングの製造方法。
【請求項１１】
請求項７から１０のいずれか１つに記載の船舶用ピストンリングの製造方法であって、
前記ＣｒＮ被覆層形成工程は、前記ピストンリング本体における摺動面の温度が４５０℃以上５５０℃以下であることを特徴とする船舶用ピストンリングの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、船舶用ピストンリング及びその製造方法に係り、特に、摺動面にＣｒＮ（窒化クロム）を被覆した船舶用ピストンリング及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
船舶用ディーゼルエンジン等のピストン上部側面には、エンジン燃焼室内の気密を保ちガス漏れを防止するためにピストンリングが使用されている。図７は、ピストン５０とピストンリング５２との関係を示す断面図である。ピストンリング５２は、ピストン５０の上部側面に形成されるピストンリング溝内に嵌め込まれており、シリンダライナ５４と摺接する。そのため、ピストンリング５２の摺動面５６には、一般的に、炭化物や窒化物等の耐摩耗性や耐焼き付き性を有する被覆層が設けられている。
【０００３】
特許文献１には、ピストンリングの摺動面にＣ、Ｃｒ３Ｃ２、またはＣｒ３Ｃ２とＭｏ粉末を塗布した後にレーザ熱処理することにより、摺動面の表面硬度を８００から９００Ｈｖ程度まで向上させることが記載されている。
【０００４】
特許文献２には、ピストンリングの表面にＣｒ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｃｒ３Ｃ２等の被覆材料を溶射して被覆層を形成することが記載されている。
【０００５】
特許文献３には、従来形ピストンリングとして、鋳鉄リング、摺動面にクロムメッキを施したクロムメッキング、摺動面にタングステンカーバイト（ＷＣ）を溶射したＷＣ溶射リング等が使用されていることが記載されている。
【０００６】
特許文献４には、ピストンリング本体の摺動面上に、イオンプレーティングやスパッタリング等のＰＶＤ法によりＴｉＮ，ＴｉＣ，ＣｒＮ等の被膜を５μｍの膜厚で形成することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３６６６０５２号公報
【特許文献２】特許第４２６７４５９号公報
【特許文献３】特許第２７７２１２２号公報
【特許文献４】特開昭５７−５７８６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、ピストンリングの摺動面の被覆には、耐摩耗性や耐焼き付き性が良好なことからＣｒＮ被膜が多く使用されている。また、船舶用ピストンリングは、舶用大型ディーゼルエンジン等の過酷な環境で長期間の無開放運転で使用される（例えば、特許文献３には、舶用大型ディーゼルエンジン機関においては機関の無開放運転が少なくとも４年間継続することが記載されている）。船舶用ピストンリングでは、長期間の使用における耐磨耗性を確保するために、その摺動面にＣｒＮ被膜を厚膜で形成する必要がある。
【０００９】
上述した特許文献１に記載の粉末塗布後の熱処理で形成される被膜や、特許文献２、３に記載の溶射法により形成される被膜は、被膜形成時に空気等のガスを巻き込むために被膜内部に空孔が多く形成される。このように、溶射法等による被膜形成では摺動面に緻密な被膜を形成できないので、船舶用ピストンリングにおける摺動面の耐摩耗性を向上させることは難しい。
【００１０】
イオンプレーティングやスパッタリング等のＰＶＤ法による成膜法によれば、溶射法等の成膜方法よりも緻密な被膜を形成することができる。しかし、ＰＶＤ法による成膜法では、厚膜を形成しようとすると被膜の内部応力が大きくなることから、厚膜の形成が難しく、厚膜を形成しようとしても被膜が剥離しやすいので、例えば、特許文献４に記載されたＣｒＮ被膜のように膜厚５μｍの薄膜しか形成することができない。このように、従来のＰＶＤ法ではＣｒＮ被膜を厚膜で形成することが難しいために、船舶用ピストンリングにおける摺動面の耐摩耗性を向上させることは難しい。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、摺動面の耐摩耗性をより向上させた船舶用ピストンリング及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る船舶用ピストンリングは、金属材料で形成されるピストンリング本体と、前記ピストンリング本体の摺動面にイオンプレーティングで被覆され、ＣｒＮで形成されるＣｒＮ被覆層と、を備え、前記ＣｒＮ被覆層は、７０μｍ以上の膜厚で形成されており、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度より大きいことを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る船舶用ピストンリングにおいて、前記ＣｒＮ被覆層は、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上であることが好ましい。
【００１４】
本発明に係る船舶用ピストンリングにおいて、前記ＣｒＮ被覆層は、前記Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上４．１倍以下であることが好ましい。
【００１５】
本発明に係る船舶用ピストンリングにおいて、前記ＣｒＮ被覆層は、前記Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上３．７倍以下であることが好ましい。
【００１６】
本発明に係る船舶用ピストンリングにおいて、前記ＣｒＮ被覆層は、前記Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上４．１倍以下であり、ビッカース硬度で１２１６Ｈｖ以上１６８１Ｈｖ以下であることが好ましい。
【００１７】
本発明に係る船舶用ピストンリングにおいて、前記ＣｒＮ被覆層は、前記Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上３．７倍以下であり、ビッカース硬度で１３７０Ｈｖ以上１６８１Ｈｖ以下であることが好ましい。
【００１８】
本発明に係る船舶用ピストンリングの製造方法は、金属材料でピストンリング本体を形成するピストンリング本体形成工程と、前記ピストンリング本体の摺動面にＣｒＮで被覆して、ＣｒＮ被覆層を形成するＣｒＮ被覆層形成工程と、を備え、前記ＣｒＮ被覆層形成工程は、イオンプレーティングにより金属ＣｒとＮ２ガスとを反応させて、前記ピストンリング本体に印加されるバイアス電圧を−２５Ｖ以上で０Ｖより小さくし、全ガス圧を３Ｐａ以上とし、前記ＣｒＮ被覆層を膜厚７０μｍ以上で形成することを特徴とする。
【００１９】
本発明に係る船舶用ピストンリングの製造方法において、前記ＣｒＮ被覆層形成工程は、前記全ガス圧が５Ｐａ以上であることが好ましい。
【００２０】
本発明に係る船舶用ピストンリングの製造方法において、前記ＣｒＮ被覆層形成工程は、前記バイアス電圧が−２５Ｖ以上−１５Ｖ以下であり、前記全ガス圧が５Ｐａ以上６Ｐａ以下であることが好ましい。
【００２１】
本発明に係る船舶用ピストンリングの製造方法において、前記ＣｒＮ被覆層形成工程は、前記全ガス圧が５Ｐａであることが好ましい。
【００２２】
本発明に係る船舶用ピストンリングの製造方法において、前記ＣｒＮ被覆層形成工程は、前記ピストンリング本体における摺動面の温度が４５０℃以上５５０℃以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
上記構成によれば、摺動面にイオンプレーティングでＣｒＮ被覆層を形成する際に、ＣｒＮ被膜の結晶方位をミラー指数で示すＣｒＮ（２００）面に優先配向させることによりＣｒＮ被覆層の内部応力が低減されて、摺動面に７０μｍ以上の厚膜で緻密なＣｒＮ被覆層を形成できるので、船舶用ピストンリングにおける摺動面の耐磨耗性をより向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態において、船舶用ピストンリングの構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態において、船舶用ピストンリングの製造方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態において、アークイオンプレーティング装置の構成を示す概略図である。
【図４】本発明の実施の形態において、代表的なＣｒＮ被膜の断面組織写真である。
【図５】本発明の実施の形態において、各成膜条件で成膜したＣｒＮ被膜のＸ線回折分析結果を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態において、ＣｒＮ被膜の結晶配向性とビッカース硬さとの関係との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施の形態において、ピストンとピストンリングとの関係を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、船舶用ピストンリング１０の構成を示す断面図である。船舶用ピストンリング１０は、ピストンリング本体１２と、ピストンリング本体１２の摺動面１３に被覆されるＣｒＮ被覆層１４とを備えている。
【００２６】
ピストンリング本体１２は、金属材料でリング状に形成されている。金属材料には、例えば、炭素鋼、合金鋼、鋳鉄等の鉄系材料が用いられる。
【００２７】
ＣｒＮ被覆層１４は、イオンプレーティングによりＣｒＮ（窒化クロム）で形成されている。ピストンリング本体１２の摺動面１３にＣｒＮ被覆層１４を設けることにより、摺動面１３の耐焼き付き性や耐摩耗性を向上させることができる。また、ＣｒＮ被覆層１４をイオンプレーティングで形成することにより、溶射法等で成膜するよりも緻密なＣｒＮ被膜を形成することができる。
【００２８】
ＣｒＮ被覆層１４は、７０μｍ以上の膜厚で形成されている。ＣｒＮ被覆層１４を摺動面１３に７０μｍ以上の膜厚で形成することにより、舶用大型ディーゼルエンジン等の過酷な長期間の使用環境でも船舶用ピストンリング１０における摺動面１３の耐摩耗性をより向上させることができる。ＣｒＮ被覆層１４の膜厚は、７０μｍ以上４００μｍ以下であることが好ましい。
【００２９】
ＣｒＮ被覆層１４は、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度より大きく、ＣｒＮの結晶方位がＣｒＮ（２００）面に優先配向して形成されている。ＣｒＮの結晶方位をＣｒＮ（２００）面に優先配向させることによりＣｒＮ被覆層１４の内部応力をより小さくすることができるので、イオンプレーティングによる成膜中にＣｒＮ被膜の剥離等を生じさせずに、ピストンリング本体１２の摺動面１３に７０μｍ以上の膜厚でＣｒＮ被覆層１４を形成することができる。
【００３０】
ＣｒＮ被覆層１４は、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上であることが好ましい。Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上とすることにより、ＣｒＮ被覆層１４の内部応力を更に小さくすることができるので、イオンプレーティングにより摺動面１３にＣｒＮ被覆層１４をより厚膜で形成することができる。また、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍より小さい場合には、ＣｒＮ被覆層１４のビッカース硬度が１６８１Ｈｖより大きくなり、ＣｒＮ被覆層１４中の気孔率が低くなる（ＣｒＮ被覆層１４が緻密になりすぎる）ので、船舶用ピストンリング１０とシリンダライナとが焼き付きやすくなるからである。
【００３１】
ＣｒＮ被覆層１４は、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上４．１倍以下であることがより好ましい。Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して４．１倍より大きい場合には、ＣｒＮ被覆層１４のビッカース硬度が１２１６Ｈｖより小さくなるので、シリンダライナとの摺動時にＣｒＮ被覆層１４の摩耗量がより大きくなるからである。
【００３２】
ＣｒＮ被覆層１４は、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上３．７倍以下であることが更に好ましい。Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上３．７倍以下とすることにより、ＣｒＮ被覆層１４のビッカース硬度が１３７０Ｈｖ以上１６８１Ｈｖ以下となるので、シリンダライナとの摺動時のＣｒＮ被覆層１４の欠けや割れを抑えると共に、シリンダライナとの焼き付きを抑制し、ＣｒＮ被覆層１４の磨耗量をより低減させることができるからである。
【００３３】
次に、船舶用ピストンリング１０の製造方法について説明する。
【００３４】
図２は、船舶用ピストンリング１０の製造方法を示すフローチャートである。船舶用ピストンリング１０の製造方法は、ピストンリング本体１２を形成するピストンリング本体形成工程（Ｓ１０）と、ピストンリング本体１２の摺動面１３にＣｒＮ被覆層１４を形成するＣｒＮ被覆層形成工程（Ｓ１２）と、を備えている。
【００３５】
ピストンリング本体形成工程（Ｓ１０）は、金属材料でピストンリング本体１２を形成する工程である。ピストンリング本体１２は、例えば、上述した鉄系材料を、塑性加工、鋳造、粉末冶金等でリング状に成形して形成される。
【００３６】
ＣｒＮ被覆層形成工程（Ｓ１２）は、ピストンリング本体１２の摺動面１３にイオンプレーティングでＣｒＮ被覆層１４を形成する工程である。イオンプレーティングによれば、金属クロムを蒸発させてイオン化させた後、Ｎ２ガスと反応させてＣｒＮを成膜することにより、溶射法等でＣｒＮを成膜するよりも緻密な皮膜を形成することができる。
【００３７】
イオンプレーティングには、アークイオンプレーティング法を用いることが好ましい。アークイオンプレーティング法は、蒸発源（ターゲット）を陰極として真空中のアーク放電によって蒸発させる方式であり、被処理物に負のバイアス電圧をかけてイオン化した蒸発材料を加速させて成膜する方式である。真空アーク放電により蒸発材料のイオン化率が高くなり、緻密で密着性の高い被膜を被処理物に形成することができる。
【００３８】
図３は、アークイオンプレーティング装置２０の構成を示す概略図である。アークイオンプレーティング装置２０は、真空容器２２と、被処理物２４を配置するための回転可能なテーブル２６と、蒸発源（ターゲット）２８と、を備えている。図３に示すアークイオンプレーティング装置２０では、蒸発源２８が１箇所に設けられているが、真空容器２２内の複数箇所に蒸発源２８を設けるようにしてもよい。
【００３９】
真空容器２２には、反応ガスを導入する反応ガス導入口３０と、作動ガスを導入する作動ガス導入口３２と、真空容器内のガスを排気するガス排気口３４が設けられている。テーブル２６は、被処理物２４へバイアス電圧を供給するバイアス電圧供給源３６と電気的に接続されている。蒸発源２８は、アーク放電電源３８と電気的に接続されている。アークイオンプレーティング装置２０には、一般的なアークイオンプレーティング装置を用いることができる。
【００４０】
ピストンリング本体１２は、ＣｒＮ被覆層１４を形成する前に摺動面１３が有機溶剤等で脱脂洗浄されることが好ましい。脱脂洗浄されたピストンリング本体１２は、アークイオンプレーティング装置２０における真空容器２２内のテーブル２６にセットされる。
【００４１】
ＣｒＮ被覆層１４を形成するための蒸発源（ターゲット）２８には、例えば、金属クロム等が用いられる。反応ガスには、例えば、Ｎ２ガス等が用いられる。作動ガスには、例えば、Ａｒガス等の不活性ガスが用いられる。
【００４２】
ピストンリング本体１２を真空容器２２内のテーブル２６にセットした後、真空容器２２内のガスをガス排気口３４から排気する。次に、真空容器２２内に作動ガス導入口３２から不活性ガスを導入する。アーク放電電源３８を作動させて真空中のアーク放電により、蒸発源の金属クロムを蒸発させてイオン化させる。そして、バイアス電圧供給源３６を作動させてピストンリング本体１２にバイアス電圧を印加し、ピストンリング本体１２の摺動面１３をＣｒイオンでエッチング処理してクリーニングする。また、ＣｒＮ被膜の密着性を高めるために、ピストンリング本体１２の摺動面１３にＣｒ層を形成することが好ましい。
【００４３】
ピストンリング本体１２の摺動面１３をエッチング処理した後、摺動面１３にＣｒＮの成膜を開始する。アーク放電電源３８を作動させて真空中のアーク放電により、蒸発源の金属クロムを蒸発させてイオン化させる。また、バイアス電圧供給源３８を作動させて、ピストンリング本体１２にバイアス電圧を印加させる。反応ガスであるＮ２ガスを反応ガス導入口３０から真空容器２２内に導入し、ＣｒイオンとＮ２ガスを反応させてＣｒＮを生成し、摺動面１３にＣｒＮ被膜を成膜する。
【００４４】
ＣｒＮ被膜の成膜条件は、ピストンリング本体１２に印加されるバイアス電圧が−２５Ｖ以上で０Ｖより小さく、真空容器２２内の全ガス圧が３Ｐａ以上である。なお、ＣｒＮ被膜の成膜中は、不活性ガスを真空容器２２内に導入しないで成膜するため、全ガス圧はＮ２ガスの圧力である。ピストンリング本体１２における摺動面１３の温度は４５０℃以上５５０℃以下であることが好ましい。また、アーク電流は、８０Ａであることが好ましい。
【００４５】
この成膜条件でＣｒＮ被膜を成膜することにより、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度より大きく、ＣｒＮの結晶方位がＣｒＮ（２００）面に優先配向されるので、ＣｒＮ被覆層１４の内部応力をより小さくしてＣｒＮ被覆層１４を７０μｍ以上の厚膜で形成することができる。
【００４６】
また、ピストンリング本体１２に印加される負のバイアス電圧をより小さくし、真空容器２２内の全ガス圧をより大きくするほど、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して更に大きくなり、ＣｒＮの結晶方位の優先配向性が高くなるので、ＣｒＮ被覆層１４の内部応力をより小さくしてＣｒＮ被覆層１４をより厚膜で形成することができる。
【００４７】
ＣｒＮ被膜の成膜条件は、ピストンリング本体１２に印加されるバイアス電圧が−２５Ｖ以上で０Ｖより小さく、真空容器２２内の全ガス圧が５Ｐａ以上であることが好ましい。この成膜条件でＣｒＮ被膜を成膜することにより、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上となるので、ＣｒＮ被覆層１４の内部応力をより小さくして更に厚膜に形成できると共に、ＣｒＮ被覆層１４のビッカース硬度を１６８１Ｈｖ以下とすることができる。
【００４８】
ＣｒＮ被膜の成膜条件は、ピストンリング本体１２に印加されるバイアス電圧が−２５Ｖ以上−１５Ｖ以下であり、真空容器２２内の全ガス圧が５Ｐａ以上６Ｐａ以下であることがより好ましい。この成膜条件でＣｒＮ被膜を成膜することにより、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上４．１倍以下となるので、ＣｒＮ被覆層１４のビッカース硬度を１２１６Ｈｖ以上１６８１Ｈｖ以下とすることができる。
【００４９】
ＣｒＮ被膜の成膜条件は、ピストンリング本体１２に印加されるバイアス電圧が−２５Ｖ以上−１５Ｖ以下であり、真空容器２２内の全ガス圧が５Ｐａであることが更に好ましい。この成膜条件でＣｒＮ被膜を成膜することにより、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上３．７倍以下となるので、ＣｒＮ被覆層１４のビッカース硬度を１３７０Ｈｖ以上１６８１Ｈｖ以下とすることができる。
【００５０】
所定の膜厚（例えば、７０μｍ）のＣｒＮ被膜を成膜した後、真空容器２２を開放し、摺動面１３にＣｒＮ被覆層１４が設けられたピストンリング本体１２を取り出す。以上により、船舶用ピストンリング１０の製造が完了する。
【００５１】
上記構成の船舶用ピストンリング１０によれば、金属材料で形成されるピストンリング本体と、ピストンリング本体の摺動面にイオンプレーティングで被覆され、ＣｒＮで形成されるＣｒＮ被覆層と、を備え、ＣｒＮ被覆層におけるＸ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度をＣｒＮ（１１１）面のピーク強度より大きくして、ＣｒＮの結晶方位をＣｒＮ（２００）面に優先配向させることにより、ＣｒＮ被覆層の内部応力を低減させてＣｒＮ被覆層１４を７０μｍ以上の膜厚で形成することができる。
【００５２】
上記構成における船舶用ピストンリングの製造方法によれば、金属材料でピストンリング本体を形成するピストンリング本体形成工程と、ピストンリング本体の摺動面にＣｒＮで被覆して、ＣｒＮ被覆層を形成するＣｒＮ被覆層形成工程と、を備え、ＣｒＮ被覆層形成工程は、イオンプレーティングによりピストンリング本体に印加されるバイアス電圧が−２５Ｖ以上０Ｖより小さく、全ガス圧が３Ｐａ以上とし、金属ＣｒとＮ２ガスとを反応させてＣｒＮ被覆層を形成する。それにより、ＣｒＮ被覆層におけるＸ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度をＣｒＮ（１１１）面のピーク強度より大きくして、ＣｒＮの結晶方位をＣｒＮ（２００）面に優先配向させることにより、ＣｒＮ被膜の内部応力を低減させてＣｒＮ被覆層を７０μｍ以上の膜厚で形成することができる。
【実施例】
【００５３】
次に、ピストンリング本体１２を模擬した基板にＣｒＮ被膜を成膜してＣｒＮ被膜の特性について評価した。
【００５４】
（ＣｒＮ成膜試験）
基板には、高速度工具鋼（ＨＳＳ）で形成した切り欠きを有するリング状の平板を使用した。基板のサイズを、リング径５００ｍｍ、厚み１５ｍｍとした。基板表面を有機溶剤で脱脂洗浄した後、アークイオンプレーティング装置でＣｒＮ被膜を成膜した。Ｃｒの供給源には、金属Ｃｒを用いた。作動ガスにはＡｒガスを使用し、反応ガスにはＮ２ガスを使用した。なお、ＣｒＮ被膜を基板に成膜する前に、基板にＣｒイオンでエッチング処理を行い、基板表面をクリーニングした。エッチング処理条件は、基板に印加させるバイアス電圧を−９００Ｖ、Ａｒガス圧を１．５Ｐａ、処理時間を１０分間とした。
【００５５】
ＣｒＮ被膜の成膜について、４種類（実施例１から３、比較例１）の成膜条件で行った。表１に、４種類のＣｒＮ被膜の成膜条件を示す。
【表１】
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【００５６】
基板に印加させるバイアス電圧を−１００Ｖから−１５Ｖとした（実施例１と２では−１５Ｖ、実施例３では−２５Ｖ、比較例１では−１００Ｖ）。真空容器内の全ガス圧を２Ｐａから６Ｐａとした（実施例１では５〜６Ｐａ、実施例２と３では５Ｐａ、比較例１では２Ｐａ）。ＣｒＮ被膜中では、Ａｒガスを導入せず、Ｎ２ガスのみ導入した。このため、全ガス圧は、Ｎ２ガスのガス圧である。なお、実施例１の全ガス圧を、実施例２、３の全ガス圧より少し高いより５〜６Ｐａに設定した。また、基板温度は、いずれの成膜条件の場合も同じ温度である５５０℃とした。アーク電流は、いずれの成膜条件の場合も同じ８０Ａとした。
【００５７】
実施例１から３の成膜条件では、いずれの成膜条件においてもＣｒＮ被膜を７０μｍの膜厚で基板に成膜することができた。図４は、代表的なＣｒＮ被膜の断面組織写真である。成膜後の外観観察結果では、ＣｒＮ被膜と基板との間に剥離や割れ等は認められなかった。これに対して比較例１の成膜条件では、ＣｒＮ被膜を７０μｍまで成膜しようとしたところＣｒＮ被膜が基板から剥離した。そのため比較例１の成膜条件では、ＣｒＮ被膜の厚みを５μｍとした。
【００５８】
この成膜試験結果より、基板に印加されるバイアス電圧が−２５Ｖ以上で０Ｖより小さく、真空容器内の全ガス圧が３Ｐａ以上である成膜条件でＣｒＮ被膜を成膜することにより、ＣｒＮ被膜を７０μｍ以上の膜厚で成膜できることがわかった。これに対して比較例１の成膜条件では、ＣｒＮ被膜中の内部応力が大きくなるので、厚膜形成できないことがわかった。
【００５９】
（Ｘ線回折分析）
各成膜条件で成膜したＣｒＮ被膜の結晶配向性についてＸ線回折で分析した。Ｘ線回折装置には、リガク製Ｓｍａｒｔ  Ｌａｂ（スマートラボ）を使用した。なお、Ｘ線源にはＣｕＫα線を使用し、印加電圧４０ｋＶ、印加電流３０ｍＡ、スキャンステップ０．０４度、スキャン速度１．４秒/度、走査範囲３０度から９０度とした。図５は、各成膜条件で成膜したＣｒＮ被膜のＸ線回折分析結果を示すグラフである。図５のグラフでは、横軸に回折角（２θ）を取り、グラフの縦軸にＸ線強度（任意目盛）を取り、グラフの上から順に実施例１、実施例２、実施例３、比較例１における成膜条件で成膜したＣｒＮ被膜のＸ線回折パターンを示している。なお、比較例１のＸ線強度のスケールは、実施例１から３のＸ線強度のスケールの１００分の１で表わしている。この理由は、比較例１の成膜条件で成膜したＣｒＮ被膜の厚みが、実施例１から３の成膜条件で成膜したＣｒＮ被膜の厚みよりも小さいことによるものである。
【００６０】
図５のグラフから明らかなように、いずれの成膜条件においてもＣｒＮ（２００）面のピークと、ＣｒＮ（１１１）面のピークが検出された。実施例１から実施例３の成膜条件では、ＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度よりも大きく、ＣｒＮの結晶方位がＣｒＮ（２００）面に優先配向していることが認められた。これに対して比較例１の成膜条件では、ＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度よりも小さく、ＣｒＮの結晶方位がＣｒＮ（１１１）面に優先配向していることが認められた。
【００６１】
次に、ＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対するＣｒＮ（２００）面のピーク強度の比を成膜条件ごとに求めた。各成膜条件のＣｒＮ（２００）ピーク強度／ＣｒＮ（１１１）ピーク強度を以下に示す。
実施例１：  ４．１
実施例２：  ３．７
実施例３：  ２．９
比較例１：  ０．８
【００６２】
このＸ線回折分析結果より、基板に印加されるバイアス電圧が−２５Ｖ以上で０Ｖより小さく、真空容器内の全ガス圧が３Ｐａ以上である成膜条件でＣｒＮ被膜を成膜することにより、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度より大きくなり、ＣｒＮの結晶方位がＣｒＮ（２００）面に優先配向することがわかった。
【００６３】
基板に印加されるバイアス電圧が−２５Ｖ以上で０Ｖより小さく、真空容器内の全ガス圧が５Ｐａ以上である成膜条件でＣｒＮ被膜を成膜することにより、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上となることがわかった。
【００６４】
基板に印加されるバイアス電圧が−２５Ｖ以上−１５Ｖ以下であり、真空容器内の全ガス圧が５Ｐａ以上６Ｐａ以下である成膜条件でＣｒＮ被膜を成膜することにより、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上４．１倍以下となることがわかった。
【００６５】
基板に印加されるバイアス電圧が−２５Ｖ以上−１５Ｖ以下であり、真空容器内の全ガス圧が５Ｐａである成膜条件でＣｒＮ被膜を成膜することにより、Ｘ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上３．７倍以下となることがわかった。
【００６６】
（ビッカース硬さ試験）
次に、各成膜条件で成膜したＣｒＮ被膜についてビッカース硬度を測定した。ビッカース硬度の測定には、フィッシャー（Ｆｉｓｃｈｅｒ）製硬度計ＨＭ１００型を使用した。また、ビッカース硬さ試験の試験荷重を１００ｍＮとした。各成膜条件で成膜したＣｒＮ被膜のビッカース硬度を以下に示す。
実施例１：１２１６Ｈｖ
実施例２：１３７０Ｈｖ
実施例３：１６８１Ｈｖ
比較例１：２５８３Ｈｖ
【００６７】
（ＣｒＮ被膜の結晶配向性とビッカース硬度との関係）
図６は、ＣｒＮ被膜の結晶配向性とビッカース硬度との関係との関係を示すグラフである。図６のグラフでは、横軸にＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対するＣｒＮ（２００）面のピーク強度の比であるＣｒＮ（２００）ピーク強度／ＣｒＮ（１１１）ピーク強度を取り、縦軸にビッカース硬度（Ｈｖ）を取り、各成膜条件で成膜したＣｒＮ被膜のデータを黒四角形でプロットして表している。
【００６８】
ＣｒＮ（２００）ピーク強度／ＣｒＮ（１１１）ピーク強度の値が大きくなるのに伴って、ＣｒＮ被膜のビッカース硬度が小さくなっている。この結果から、ＣｒＮの結晶方位をＣｒＮ（２００）面により優先配向させることにより、ＣｒＮ被膜中の気孔率がより大きくなり、ＣｒＮ被膜の内部応力をより小さくできることがわかった。また、ＣｒＮ（２００）ピーク強度／ＣｒＮ（１１１）ピーク強度の値が小さくなるのに伴って、ＣｒＮ被膜のビッカース硬度が大きくなることから、ＣｒＮ（２００）面への優先配向の度合いが小さくなるほどＣｒＮ被膜中の気孔率がより小さくなり（ＣｒＮ被膜がより緻密になる）、ＣｒＮ被膜の内部応力がより大きくなることがわかった。
【００６９】
全ガス圧５ＰａでＣｒＮ被膜を成膜した実施例２と実施例３とを比較すると、実施例２の成膜条件で成膜したＣｒＮ被膜のほうが、実施例３の成膜条件で成膜したＣｒＮ被膜よりも、ＣｒＮ（２００）ピーク強度／ＣｒＮ（１１１）ピーク強度の値が大きく、ＣｒＮ被膜のビッカース硬度が小さくなっている。この結果から、基板に印加する負のバイアス電圧をより小さくすることにより、ＣｒＮの結晶方位をＣｒＮ（２００）面により優先配向させて、ＣｒＮ被膜の内部応力をより小さくできることがわかった。
【００７０】
基板に印加するバイアス電圧−１５ＶでＣｒＮ被膜を成膜した実施例１と実施例２とを比較すると、実施例１の成膜条件で成膜したＣｒＮ被膜のほうが、実施例２の成膜条件で成膜したＣｒＮ被膜よりも、ＣｒＮ（２００）ピーク強度／ＣｒＮ（１１１）ピーク強度の値が大きく、ＣｒＮ被膜のビッカース硬度が小さくなっている。この結果から、真空容器内の全ガス圧をより大きくすることにより、ＣｒＮの結晶方位をＣｒＮ（２００）面により優先配向させて、ＣｒＮ被膜の内部応力をより小さくできることがわかった。
【００７１】
ＣｒＮ被膜のＸ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上となるとき、ＣｒＮ被覆層１４のビッカース硬度が１６８１Ｈｖ以下になることがわかった。
【００７２】
ＣｒＮ被膜のＸ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上４．１倍以下となるとき、ＣｒＮ被膜のビッカース硬度が１２１６Ｈｖ以上１６８１Ｈｖ以下となることがわかった。
【００７３】
ＣｒＮ被膜のＸ線回折によるＣｒＮ（２００）面のピーク強度がＣｒＮ（１１１）面のピーク強度に対して２．９倍以上３．７倍以下となるとき、ＣｒＮ被膜のビッカース硬度が１３７０Ｈｖ以上１６８１Ｈｖ以下となることがわかった。
【符号の説明】
【００７４】
１０  船舶用ピストンリング、１２  ピストンリング本体、１３、５６  摺動面、１４  ＣｒＮ被覆層、２０  アークイオンプレーティング装置、２２  真空容器、２４  被処理物、２６  テーブル、２８  蒸発源、３０  反応ガス導入口、３２  不活性ガス導入口、３４  ガス排気口、３６  バイアス電圧供給源、３８  アーク放電電源、５０  ピストン、５２  ピストンリング、５４  シリンダライナ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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