(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材の摺動面に窒化クロム皮膜を形成した摺動部材において、前記窒化クロムはＣｒ2Ｎ構造を有し、その摺動面は下記の計算式Ｘ002で４０ないし１００％からなる前記Ｃｒ2Ｎであることを特徴とする窒化クロム皮膜を形成した摺動部材。
Ｘ002＝｛（ＩＦ002−０．１０３）／０．８９７｝×１００
ＩＦ002＝Ｉ002／（Ｉ110＋Ｉ002＋Ｉ111＋Ｉ112＋Ｉ300＋Ｉ113＋Ｉ302＋Ｉ221）
Ｉhk1：Ｘ線回折強度
【請求項２】
前記基材が鉄基材からなり、また窒化クロム皮膜が質的にＣｒ，Ｎ及びＣよりなることを特徴とする請求項１記載の窒化クロム皮膜を形成した摺動部材。
【請求項３】
前記窒化クロム皮膜が、５．５〜１５．５重量％のＮ、０．５〜６．５重量％のＣ、及び残部Ｃｒとを主成分としていることを特徴とする請求項２記載の窒化クロム皮膜を形成した摺動部材。
【請求項４】
前記窒化クロム皮膜と前記基材の間に炭化クロムが層状または粒状に介在することを特徴とする請求項１から３までの何れか１項記載の窒化クロム皮膜を形成した摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化クロム皮膜を形成した摺動部材に関するものであり、より詳しく述べるならば、窒化クロムの結晶構造と結晶配向の新規な組合せにより耐摩耗性を著しく向上させた摺動部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
窒化クロムを摺動部材の皮膜として使用することは、例えば特開昭６４ー６３６９２号公報にて公知である。この公報ではロータリーコンプレッサーのベーン、ローラ、シャフトの表面にイオンプレーティング又はメタライジングにより窒化クロム層を形成することを開示している。
【０００３】
特開平２ー１２９３６０号公報には、（２２０）面が最大の回折強度を示すＣｒＮ皮膜をイオンプレーティング法で形成した鋼材が開示されている。
【０００４】
同じく、特開平２ー１７５８５８号公報及び特開平２ー１７５８５８号公報には、（２２０）面が最大の回折強度を示すＣｒＮ単相の析出相からなる皮膜を、イオンプレーティング法で形成した鋼材が開示されている。ここではイオンプレーティング条件を調節してＣｒ及びＣｒ2Ｎの析出を抑制し、ＣｒＮ単相の析出相とすることにより耐摩耗性を優れたものとしている。
【０００５】
さらに、特開平７ー１８９９５５号公報はロータリー式コンプレッサーの摺動部品にクロムの炭窒化物の皮膜をイオンプレーティングで形成することを提案する。
【０００６】
上述のように、従来イオンプレーティングで形成された窒化クロム皮膜ではＣｒＮ構造の摺動特性は良好であり、Ｃｒ2Ｎでは摺動特性が不良であった。またＰＶＤ（Physical vapor deposition）で形成された窒化クロムの摩耗特性に関する研究論文（Proc.,Int.Compressor  Eng.Conf.,Purdue(1996)257WEARCHARACTERISTICS  OF  EACH  COMPOSITION  THE  CHROMIUMNITRIDED COATED VANE IN TFE ROTARY COMPRESSOR FOR HFC-134a）においても同様にＣｒ2Ｎは摺動特性はＣｒＮよりも不良であると述べられている。
【０００７】
摺動部材ではないが、金型、治工具、機械部品に窒化クロムを流動層炉技術により形成することが特許第２５８４２１７号（平成９年２月２６日発行）で開示されている。この特許公報では窒化クロムはＸ線回折によりＣｒＮと同定されており、また窒化クロム以外に鉄の窒化物も形成されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来ＰＶＤ法やイオンプレーティング法により形成されたＣｒＮ皮膜をロータリーコンプレッサーの摺動部材に使用することが知られており、この皮膜により従来の表面硬化処理よりも著しく摺動特性が向上した。しかしながら、本発明者の研究によると、ＣｒＮ皮膜は相手部材の鉄合金との摺動や皮膜同士の摺動において微視的に擬着を起こして摩耗が進行することが分かった。
特に混合・境界潤滑条件下での摺動では部品の摺動面は表面の皮膜が相手部材の凹凸部と接触しているので、擬着が進行し易いと言う問題があるので、ロータリーコンプレッサーなどの部品として耐摩耗性をさらに改良する必要がある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
従来の窒化クロム皮膜においてＣｒ2Ｎは摺動特性がＣｒＮより劣ることが定説であったが、本発明者は摺動面をＣｒ2Ｎの特定の結晶配向面とすることによりむしろＣｒＮよりも摺動特性が改良されることを発見し、本発明を完成した。
【００１０】
即ち、本発明は、基材摺動面に窒化クロム皮膜を形成した摺動部材において、前記窒化クロムはＣｒ2Ｎ構造を有し、その摺動面は下記の計算式Ｘ002で４０ないし１００％からなる前記Ｃｒ2Ｎであることを特徴とする窒化クロム皮膜を形成した摺動部材を提供するものである。
Ｘ002＝｛（ＩＦ002−０．１０３）／０．８９７｝×１００
ＩＦ002＝Ｉ002／（Ｉ110＋Ｉ002＋Ｉ111＋Ｉ112＋Ｉ300＋Ｉ113＋Ｉ302＋Ｉ221）
Ｉhk1：Ｘ線回折強度
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
まず、Ｃｒ2Ｎの物理的性質を説明する。Ｃｒ2Ｎは六方晶構造を有する。Ｃｒ2Ｎ粉末のＸ線回折チャート（ＡＳＴＭパウダーデータカード３５ー０８０３）を第１図に示す。
【００１２】
本発明の一実施例に係るＣｒ2Ｎ皮膜のＸ線回折チャート（測定条件ーＣｕ管球、管電圧３０ｋＶ、管電流１５０ｍＡ）を第２図に示す。第１図、第２図を比較すると、第１図で見られる（１１１）、（１１０）、（１１２）、（３００）、（１１３）などのピークが第２図では消失し、第２図では約４０°における（００２）ピークが強く、（００４）のピークが僅かに認められる。したがって第２図の皮膜は（００２）に強く配向している。
【００１３】
摺動面と平行に六方晶の（００２）面が配向したＣｒ2Ｎ皮膜では、摺動はＣｒ原子面とＮ原子面が交互に積層した（００２）面内方向で起こる（第３図参照）。これに対して、従来技術の（２２０）配向のＣｒＮではＣｒ原子とＮ原子が混在する立方晶の（２２０）面内方向で起こるから、原子のすべり面が本発明のものと異なっている。このように差があるために本発明では摺動面のＣｒとＮのすべりが生じ易いため擬着を摩耗が起こり難いと考えられる。
【００１４】
本発明において（００２）面配向とは、摺動面と平行な（００２）のピーク強度が他の指数のピークより高いことであり、より好ましくは下記計算式Ｘ002にて好ましくは４０〜１００％であり、より好ましくは６０〜１００％である。
Ｘ002＝｛（ＩＦ002−０．１０３）／０．８９７｝×１００
ここで、ＩＦ002＝Ｉ002／（Ｉ110＋Ｉ002＋Ｉ111＋Ｉ112＋Ｉ300＋Ｉ113＋Ｉ302＋Ｉ221）であり、Ｉhk1はＸ線回折強度である。
【００１５】
本発明におけるＣｒ2Ｎ皮膜とは、皮膜の表面で、第２図に関して説明した条件のＸ線回折によりＣｒ2Ｎ構造が同定できるものである。この構造が同定できるならば、Ｃｒ、Ｎ、Ｃ以外の元素、例えばＦｅ，ＯなどがＣｒ2Ｎに少量固溶していてもよい。Ｃｒ2Ｎ以外の金属クロムなどは存在しない方が好ましい。本発明においては、Ｃｒ2Ｎの皮膜は厚さが１〜３０μｍが好ましく、より好ましくは３〜１５μｍである。
【００１６】
本発明における基材は、鉄、炭素綱、合金綱、鋳鉄及びこれらの焼結材料などを使用することができる。またこれらの材料の表面を予め窒化することによりＣｒ2Ｎの窒素を基材側からも供給することができる。
【００１７】
続いて摺動面が（００２）配向したＣｒ2Ｎ皮膜の製造方法を説明する。
本発明者らは前掲特許第２５８４２１７号に開示された流動層炉法において、反応温度を８００〜１０００℃に設定して（００２）配向したＣｒ2Ｎを製造することに成功した。しかし、（００２）配向を有するＣｒ2Ｎの形成は前記流動層炉法によらず粉末パック法やＰＶＤ法により行ってもよい。
【００１８】
さらに、摺動部材の基材が綱材からなる場合は、窒化クロム皮膜が実質的にＣｒ、Ｎ及びＣよりなることができる。すなわち綱材の炭素量が多いときは窒化クロム皮膜形成中に綱材の炭素が皮膜中に取り込まれるが、炭素は析出せずに皮膜はＣｒ2Ｎ構造を維持しているか、あるいは後述のようにＣｒ2Ｎと綱基材の間にクロム炭化物として析出することがある。Ｃｒ2Ｎ皮膜中の炭素は皮膜の硬度を増大させることにより摺動特性をさらに良好にする。本発明においては、窒化クロム皮膜の組成は、５．５〜１７．５重量％のＮ、０．５〜６．５重量％のＣ、及び残部Ｃｒよりなることが好ましい。
【００１９】
本発明においては、窒化クロム皮膜と基材の間に炭化クロムを層状または粒状に介在させることにより、窒化クロム皮膜の密着を高めることができる。また炭化クロムの形成は処理条件と基材の炭素量により制御できる。
【００２０】
【実施例】
以下、実施例によりさらに詳しく本発明を説明する。
実施例１
熱間加工用ダイス綱（ＳＫＤ６１）ピン（直径６ｍｍ、表面粗さ０．８μｍＲｚ）の窒化した基材を使用し下記条件で流動層炉反応を行った。なお、窒化は５８０℃、４時間のガス軟窒化処理とした。
（ａ）反応温度：１０００℃
（ｂ）処理時間：１ｈ
（ｃ）処理剤：Ｃｒ粉（粒度＃１００〜１５０）：アルミナ粉（粒度＃８０）
（ｄ）反応促進剤：ＮＨ4Ｃｌ（供給量８ｇ／分）
（ｅ）攪拌用アルゴンガス：流量４Ｌ／ｍｉｎ・ｃｍ2
【００２１】
この結果、組織を第４図に示す厚さが１３．５μｍのＣｒ2Ｎ層が形成された。Ｃｒ2ＮのＸ線回折チャートを第２図に示す。この解析チャートは、ＣｕのＫαを用いて得られたＣｒ2Ｎ層層の表面にその表面から入射角度２０．１５度でＸ線を投射して得られたものである。これより第２図に示すとおりその表面は（００２）面と平行であることが同定された。またＣｒ2Ｎ皮膜の硬度はＨｖ１４５０〜１６５０、粗さは２．０μｍＲｚであった。
【００２２】
Ｃｒ2Ｎ皮膜を形成したＳＫＤ６１ピンをバレル研磨により１．０μｍＲｚに研磨後、第５図に示すように密閉された試験容器内にて相手材リング２（ＦＣ２５０鋳鉄：粗さ１．０μｍＲｚ）と９８０Ｎで接触させ、冷媒と冷凍機油の混合液３中に半分浸漬した相手材リング２を５００ｒｐｍで回転させて摩耗試験を行った。この評価条件では混合・境界潤滑条件になっていることを摩擦係数より推定した。
【００２３】
比較のために下記の皮膜も同様に熱間加工用ダイス綱に形成した。
（イ）Ｃｒ2Ｎ（ＰＶＤ法により成膜）
（ロ）立方晶ＣｒＮ（ＰＶＤ法により成膜）
（ハ）立方晶ＴｉＮ（ＰＶＤ法により成膜）
（ニ）立方晶Ｖ4Ｃ3（溶融塩法により成膜）
（ホ）Ｃｒ23Ｃ6、Ｃｒ7Ｃ3（クロマイジング法により成膜）
【００２４】
さらに、比較例として高速度綱（ＳＫＨ５１熱処理）をピンとしたものを試験した。
試験の結果を第６図に示す。第６図より本発明による摺動面が（００２）配向Ｃｒ2Ｎで形成されたものは摩耗量が少ない。これは、ほとんど配向性を示さないＰＶＤ法によるＣｒ2Ｎ（第７図）に比べて、摩耗量は半分以下になっている。本発明による摺動面が（００２）配向Ｃｒ2Ｎで形成されたものは、その他のどの比較例よりも摩耗量が少なく、特に従来最も耐摩耗性が優れていると言われるＰＶＤ−ＣｒＮよりも耐摩耗性が良好であることが分かる。
【００２５】
実施例２
実施例１で試験したＣｒ2Ｎ、炭化バナジウム、炭化クロム成膜を形成した熱間加工用ダイス綱ピンおよび高速度工具綱材熱処理綱材ピンにつき第８図に示すディスク／ピンタイプ試験法で摩耗量を測定した。
【００２６】
第８図において、６は上記のピンであり、７が相手材ディスク（ＦＣ２５０鋳鉄：粗さ１．０μｍＲｚ）である。試験条件は荷重８８０Ｎ、ディスク回転速度１．０ｍ／ｓ、低粘度油の噴霧潤滑であった。
第９図に試験結果を示す。この結果は第６図と同様の傾向を示す。
【００２７】
実施例３
実施例１における処理条件を以下のように変更しかつ基材の炭素量を増減して流動層炉反応を行った。なお、窒素含有量ＳＵＨ３５以外は実施例１のＳＫＤ６１と同様の窒化処理を実施した。
（ａ）反応温度：１０００℃
（ｂ）処理時間：１〜４ｈ
（ｃ）処理剤：Ｃｒ粉（粒度＃１００〜１５０）：アルミナ粉（粒度＃８０）
（ｄ）反応促進剤：ＮＨ4Ｃｌ（供給量８ｇ／ｍｉｎ）
（ｅ）攪拌用アルゴンガス：流量４Ｌ／ｍｉｎ・ｃｍ2
【００２８】
その後下記圧痕法による密着性の試験を行った。圧痕の周辺部に生ずるクラックの大きさから判定して結果を第１１図に示す。
第１１図の棒グラフにおいて白抜部は基材のＣとＣｒにより結合された炭化物の膜厚を示し、黒塗つぶしは窒化クロム皮膜の膜厚を示す。第１１図の結果より、窒化物クロムが基材と窒化クロム層の間に介在していると、より密着性が良好であることが分かる。また、介在する炭化クロムが層状に生成するよりも粒状に分布している方が窒化クロム皮膜の形成速度が高く、皮膜の密着を高める。
【００２９】
炭化クロムの形成状態は鉄基材中の炭素と窒素の含有量により大きく異なる。窒素量が一定量存在し、炭素量が異なる場合、形成される皮膜は炭素量が少ないと皮膜と基材の界面に近いところにクロム炭化物が粒状ないし不連続な層として存在し、炭素量が多いと窒化クロム層と基材との間にクロム炭化物が連続した層として存在する。
【００３０】
なお、第１０図は炭素量０．４％のＳＫＤ６１に窒化したものを４時間処理した時の窒化クロム皮膜構造を示す。この窒化クロムもＣｒ2Ｎ構造をもち、その（００２）面は表面と平行であった。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の摺動部材は、潤滑油の効果を十分に期待できず、摺動材間の擬着による摩耗が起こり易い混合・境界潤滑条件下でも摩耗を生じにくいという特長を有する。したがって、本発明の摺動部材は、混合・境界条件下で耐摩耗性を要求される、輸送機関部品、空調部品、機械部品などに利用可能である。このように優れた摺動特性が得られる理由は、六方晶Ｃｒ2Ｎ構造の（００２）方向にはＣｒ原子の面とＮ原子の面が交互に積層してしる（第３図参照）ため、摺動面上に六方晶Ｃｒ2Ｎを（００２）面に配向させると摺動面と（００２）面が一致することになり、摺動面がＮ原子面となると相手材との擬着は起こりにくく、Ｃｒ原子面で擬着してもＮ／Ｃｒ原子面間で滑りやすいので大きな擬着は起こりにくくなるためと推定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１図は、Ｃｒ2Ｎ粉末のＸ線回折チャートである。
【図２】第２図は、実施例１による（００２）配向Ｃｒ2Ｎ皮膜のＸ線回折チャートである。
【図３】第３図は、六方晶Ｃｒ2Ｎの単位格子を示す図である。
【図４】第４図は、実施例１による（００２）配向Ｃｒ2Ｎ皮膜の層構成を示す金属顕微鏡組織写真（倍率３０００倍）である。
【図５】第５図は、耐摩耗性試験法を説明する図である。
【図６】第６図は、耐摩耗性試験の結果を示すグラフである。
【図７】第７図は、（００２）配向されないＰＶＤ法によるＣｒ2ＮのＸ線回折チャートである。
【図８】第８図は、耐摩耗性方法を説明する図である。
【図９】第９図は、耐摩耗性試験結果を示すグラフである。
【図１０】第１０図は、実施例３における炭素量０．４％のＳＫＤ６１について第４図と同様の写真である。
【図１１】第１１図は、実施例３における、基材種類、炭素量、処理時間、密着性を示し、また膜厚を棒グラフで示す図である。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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