JP2968907B2 - 耐摩耗性被膜 - Google Patents
耐摩耗性被膜Info
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Landscapes
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- Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ピストンリングなどの
摺動部品の摺動母材面に形成される耐摩耗性、初期なじ
み性及び加工性に優れた被膜に関するものである。
摺動部品の摺動母材面に形成される耐摩耗性、初期なじ
み性及び加工性に優れた被膜に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関用ピストンリングのような摺動
部材に要求される耐摩耗性をえるため行われている表面
被膜処理として、硬質クロムメッキ処理が代表的なもの
としてある。然し、内燃機関の高出力化、高性能化及び
排気ガス規制対策が進むに従い、ピストンリングに要求
される条件はますます過酷なものとなり、従来のクロム
メッキでは耐熱、耐摩耗、耐焼付き性面で満足すべき性
能を得ることが難しくなってきている。
部材に要求される耐摩耗性をえるため行われている表面
被膜処理として、硬質クロムメッキ処理が代表的なもの
としてある。然し、内燃機関の高出力化、高性能化及び
排気ガス規制対策が進むに従い、ピストンリングに要求
される条件はますます過酷なものとなり、従来のクロム
メッキでは耐熱、耐摩耗、耐焼付き性面で満足すべき性
能を得ることが難しくなってきている。
【０００３】これらを改善すべく、複合メッキ、溶射・
窒化などの表面処理が提案され、近年イオンプレーティ
ング皮膜が発表され、ピストンリングなどの外周摺動面
などに使用され初めている。特にCrを蒸発させながら窒
素と反応させ、窒化クロムを皮膜として形成させたピス
トンリングが、コスト面、耐摩耗性、耐焼付き性におい
ても工業的に非常に有利な技術として使用されてきた。
然し、これらの皮膜はセラミックス皮膜であり、相手シ
リンダー材との硬度差が大きいので、運転初期のなじみ
運転においてシリンダーを傷つけることによりブローバ
イが大きくなる現象が表われる。このように表面処理に
より自己摩耗は少なくなったが、相手材を摩耗させる場
合を生じ、まだ満足できる機能を具備するリングの提供
はできていない状況と云える。Cr−ＮやTi−Ｎなどのセ
ラミックス皮膜上にすずメッキや複合分散メッキなど、
やわらかめの膜を最外層に被膜させたものも使用されて
いるが、コスト面、密着性などに問題がある。
窒化などの表面処理が提案され、近年イオンプレーティ
ング皮膜が発表され、ピストンリングなどの外周摺動面
などに使用され初めている。特にCrを蒸発させながら窒
素と反応させ、窒化クロムを皮膜として形成させたピス
トンリングが、コスト面、耐摩耗性、耐焼付き性におい
ても工業的に非常に有利な技術として使用されてきた。
然し、これらの皮膜はセラミックス皮膜であり、相手シ
リンダー材との硬度差が大きいので、運転初期のなじみ
運転においてシリンダーを傷つけることによりブローバ
イが大きくなる現象が表われる。このように表面処理に
より自己摩耗は少なくなったが、相手材を摩耗させる場
合を生じ、まだ満足できる機能を具備するリングの提供
はできていない状況と云える。Cr−ＮやTi−Ｎなどのセ
ラミックス皮膜上にすずメッキや複合分散メッキなど、
やわらかめの膜を最外層に被膜させたものも使用されて
いるが、コスト面、密着性などに問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】摺動母材面に施された
従来の被膜の有する前記のような問題点を解消し、高出
力、排気ガス対策などにより熱負荷が増大した内燃機関
の過酷な条件下で使用されているピストンリングなどの
摺動部品の摺動面として使用され、充分な耐摩耗性及び
初期なじみ性を有する様、摺動母材面に形成される被膜
を提供することを本発明は目的としている。
従来の被膜の有する前記のような問題点を解消し、高出
力、排気ガス対策などにより熱負荷が増大した内燃機関
の過酷な条件下で使用されているピストンリングなどの
摺動部品の摺動面として使用され、充分な耐摩耗性及び
初期なじみ性を有する様、摺動母材面に形成される被膜
を提供することを本発明は目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する
為、本発明では、ピストンリングなどの摺動母材面に形
成させた被膜であって該被膜が、クロム及び窒素よりな
り、該被膜のクロム濃度を該母材面に対して垂直方向
に、母材面、もしくは該被膜途中より、連続的に被膜表
面に増加させることにより、初期なじみ性、加工性にす
ぐれ尚かつ耐摩耗性をもそなえた被膜を提供する。
為、本発明では、ピストンリングなどの摺動母材面に形
成させた被膜であって該被膜が、クロム及び窒素よりな
り、該被膜のクロム濃度を該母材面に対して垂直方向
に、母材面、もしくは該被膜途中より、連続的に被膜表
面に増加させることにより、初期なじみ性、加工性にす
ぐれ尚かつ耐摩耗性をもそなえた被膜を提供する。
【０００６】本発明による被膜は、外周が軟質の窒化ク
ロム、もしくはクロムとなり、初期なじみ性に優れてい
るうえ、なじんだ後母材方向には、耐摩耗を示す高硬度
の窒化クロムが存在する為、ピストンリング等に使用し
た場合、相手材を傷つけることなく、セラミックス窒化
クロムの性能を発揮することができる。また母材の金属
と被膜間で金属対セラミックスの接合となった場合密着
に問題が生ずる可能性がある。その場合は耐摩耗性窒素
クロムを母材境界より形成するのではなく、母材面より
該母材面に対して垂直方向に、窒素量ゼロの金属クロム
より形成し初め、その後連続的に窒素濃度を増加させ所
定の耐摩耗性窒化クロムを形成し、つづいて本発明の被
膜を形成する。このクロム膜は熱膨張係数が母材に近い
為熱応力の影響を受けにくく母材に密着し、しかも柔軟
性に富んでいる為、過酷な摺動部品の摺動面には非常に
有利な被膜となっている。
ロム、もしくはクロムとなり、初期なじみ性に優れてい
るうえ、なじんだ後母材方向には、耐摩耗を示す高硬度
の窒化クロムが存在する為、ピストンリング等に使用し
た場合、相手材を傷つけることなく、セラミックス窒化
クロムの性能を発揮することができる。また母材の金属
と被膜間で金属対セラミックスの接合となった場合密着
に問題が生ずる可能性がある。その場合は耐摩耗性窒素
クロムを母材境界より形成するのではなく、母材面より
該母材面に対して垂直方向に、窒素量ゼロの金属クロム
より形成し初め、その後連続的に窒素濃度を増加させ所
定の耐摩耗性窒化クロムを形成し、つづいて本発明の被
膜を形成する。このクロム膜は熱膨張係数が母材に近い
為熱応力の影響を受けにくく母材に密着し、しかも柔軟
性に富んでいる為、過酷な摺動部品の摺動面には非常に
有利な被膜となっている。
【０００７】以下に実施例を示して具体的に本発明を説
明する。使用したイオンプレーティング装置の概要を図
１に示す。母材保持具２に保持された母材１をヒーター
３で加熱し、図示しない温度調節器で母材１を所定温度
に加熱保持する様にしてある。母材１の下方には、蒸発
源とする金属５を収容する水冷鋼るつぼ６が設置され、
これらは容器９内に収容されている。容器９の側壁には
窒素ガスを容器９内に導入する導入管１１と、金属５を
蒸発させる為の電子銃８が取りつけられている。電子銃
８からでた電子を蒸発金属５に照射するように、るつぼ
６の周りには収束コイル７が設置されている。容器９内
は図示しない真空ポンプによって減圧される様になって
いる。またるつぼ６と保持具２との間には、シャッター
１０が設けられている。この様な装置を使用してＳＵＳ
４４０Ｃステンレス鋼製の５０×５０×１０mmの板材を
使用し、容器９内を真空にしておいてから導入管１１か
らアルゴンガスを導入して容器９内の圧力を１×１０-1
Torrとし、母材１を陰極として放電して母材１の表面を
清浄した。次に母材を４００℃に加熱しながら容器９内
を５×１０-5 Torrまで減圧したのち、るつぼ６内に収容
された金属クロム５に電子銃８から電子ビームを照射し
て金属クロム５を蒸発させた。ついで、窒素ガスを導入
管１１から吹き出させ容器９内の窒素分圧を２×１０-3
Torrに設定し、シャッター１０をひらき蒸着を開始し
た。その状態を２分間保持し、つづいて２０分間かけて
窒素分圧がゼロになる３×１０-4 To rrまで連続的に窒素
ガスを減少させてゆき、その分圧で２分間保持しシャッ
ター１０を閉じた。その後、母材１が冷却してから表面
に蒸着被膜が形成された母材１を容易９から取り出し
た。かくして形成された蒸着被膜について以下の試験を
行った。
明する。使用したイオンプレーティング装置の概要を図
１に示す。母材保持具２に保持された母材１をヒーター
３で加熱し、図示しない温度調節器で母材１を所定温度
に加熱保持する様にしてある。母材１の下方には、蒸発
源とする金属５を収容する水冷鋼るつぼ６が設置され、
これらは容器９内に収容されている。容器９の側壁には
窒素ガスを容器９内に導入する導入管１１と、金属５を
蒸発させる為の電子銃８が取りつけられている。電子銃
８からでた電子を蒸発金属５に照射するように、るつぼ
６の周りには収束コイル７が設置されている。容器９内
は図示しない真空ポンプによって減圧される様になって
いる。またるつぼ６と保持具２との間には、シャッター
１０が設けられている。この様な装置を使用してＳＵＳ
４４０Ｃステンレス鋼製の５０×５０×１０mmの板材を
使用し、容器９内を真空にしておいてから導入管１１か
らアルゴンガスを導入して容器９内の圧力を１×１０-1
Torrとし、母材１を陰極として放電して母材１の表面を
清浄した。次に母材を４００℃に加熱しながら容器９内
を５×１０-5 Torrまで減圧したのち、るつぼ６内に収容
された金属クロム５に電子銃８から電子ビームを照射し
て金属クロム５を蒸発させた。ついで、窒素ガスを導入
管１１から吹き出させ容器９内の窒素分圧を２×１０-3
Torrに設定し、シャッター１０をひらき蒸着を開始し
た。その状態を２分間保持し、つづいて２０分間かけて
窒素分圧がゼロになる３×１０-4 To rrまで連続的に窒素
ガスを減少させてゆき、その分圧で２分間保持しシャッ
ター１０を閉じた。その後、母材１が冷却してから表面
に蒸着被膜が形成された母材１を容易９から取り出し
た。かくして形成された蒸着被膜について以下の試験を
行った。
【０００８】（1) Ｘ線マイクロアナライザーによる窒
素濃度及びクロム濃度の変化分析 被膜中のクロム及び窒素の平均濃度変化を調べるため表
面に垂直方向に試料を切断し、Ｘ線マイクロアナライザ
ーにより表面から内部に向って線分析を行った。（図２
及び図３）同図から被膜中のクロム濃度は、母材に接す
る最内層で低く、表面に近づくに従って高くなってお
り、被膜中の窒素濃度は母材に接する最内層で最も高
く、表面に近づくに従って低くなっていることが判る。
素濃度及びクロム濃度の変化分析 被膜中のクロム及び窒素の平均濃度変化を調べるため表
面に垂直方向に試料を切断し、Ｘ線マイクロアナライザ
ーにより表面から内部に向って線分析を行った。（図２
及び図３）同図から被膜中のクロム濃度は、母材に接す
る最内層で低く、表面に近づくに従って高くなってお
り、被膜中の窒素濃度は母材に接する最内層で最も高
く、表面に近づくに従って低くなっていることが判る。
【０００９】（2) Ｘ線回折による最表面組織の分析 Ｘ線回折により蒸着被膜の最表面組織の分析を行った結
果及びＡＳＴＭカードでCr＋Cr2Nであることが判る。
果及びＡＳＴＭカードでCr＋Cr2Nであることが判る。
【００１０】（3) Ｘ線回折による断面組織の分析 本発明に係わる被膜は前述のように、内部から表面に連
続的に化学組成が変化しており被膜を構成する相の種類
も当然内部から表面にかけて変化していることが想像さ
れるが、これらをＸ線回折によって直接調べることがで
きない。そこで被膜を構成する相を調べる為に、0.３〜
2.０×１０-3 Torrの範囲内の一定窒素分圧で形成させた
被膜について、Ｘ線回折による組織の分析を行った。
（窒素分圧以外の条件は前記試験に於けるものと同様で
ある。）分析結果を表１に示した。
続的に化学組成が変化しており被膜を構成する相の種類
も当然内部から表面にかけて変化していることが想像さ
れるが、これらをＸ線回折によって直接調べることがで
きない。そこで被膜を構成する相を調べる為に、0.３〜
2.０×１０-3 Torrの範囲内の一定窒素分圧で形成させた
被膜について、Ｘ線回折による組織の分析を行った。
（窒素分圧以外の条件は前記試験に於けるものと同様で
ある。）分析結果を表１に示した。
【００１１】
【表１】
【００１２】本発明に係わる被膜は、窒素分圧を、始め
は２×１０-3 Torr、次いで連続的に減少させて形成させ
たものであるが、窒化クロムのみからなる蒸着層の上
に、窒化クロムとクロムとからなる蒸着層が形成されて
いて、さらにその上にはクロムのみからなる層が形成さ
れていて、クロム濃度は内側から表面への連続的に上昇
していることが同表から推察され、これはＸ線マイクロ
アナライザーによる前記線分析と良く一致している。
は２×１０-3 Torr、次いで連続的に減少させて形成させ
たものであるが、窒化クロムのみからなる蒸着層の上
に、窒化クロムとクロムとからなる蒸着層が形成されて
いて、さらにその上にはクロムのみからなる層が形成さ
れていて、クロム濃度は内側から表面への連続的に上昇
していることが同表から推察され、これはＸ線マイクロ
アナライザーによる前記線分析と良く一致している。
【００１３】（4) 被膜内断面硬度分析 本発明被膜の断面硬度分布を表２に示す。また前述試料
のＡ〜Ｅ被膜の断面硬度を表２に示す。これらより母材
付近から表面層に向い硬度が徐々に低下していることが
判る、また、表１の試料Ａ〜Ｅの組織成分別の硬度とほ
ぼ一致していることより、母材硬度が内側から表面へ連
続的に、低くなり、被膜自身が徐々にやわらかくなって
いることが判る。
のＡ〜Ｅ被膜の断面硬度を表２に示す。これらより母材
付近から表面層に向い硬度が徐々に低下していることが
判る、また、表１の試料Ａ〜Ｅの組織成分別の硬度とほ
ぼ一致していることより、母材硬度が内側から表面へ連
続的に、低くなり、被膜自身が徐々にやわらかくなって
いることが判る。
【００１４】
【表２】
【００１５】（5) 摩耗試験 耐摩耗性については、科研式摩耗試験機により前記Ｘ線
回折分析に供した試料をピンとし、相手ドラムにはＦＣ
−２５材を使用し、荷重２kg、摩擦速度0.２ｍ／sec 、
潤滑液としてpH−2.５の硫酸水溶液を用いて行った。比
較のために硬質クロムめっきを施したピンについても同
様の試験を行った。試験結果は図４に示す通りである同
図から本発明の被膜は、被膜中の表面からどの深さの位
置でも硬質クロムめっき層よりも優れた耐摩耗性を有し
ていることが理解されよう。また、試料Ｅの様に窒素分
圧が低くなると、自己摩耗がＡやＣに比べ多きくなるが
相手シリンダーの摩耗量が減っていることがわかる。ま
た、ＡやＣは自己摩耗が少ないがＥに比べ相手材を摩耗
させている。ということは本発明はピストンリングやそ
の他の摺動部材で使用する場合、初期の運転で相手材に
ダメージをあたえず、なじませておいて、その後自己摩
耗の少ないＡやＣの膜で耐摩耗性を確保することができ
る被膜といえる。しかし、これは組織成分が連続的に変
化してなく、極端な変化例えば、Ａの膜から、突然Ｅの
膜を形成すると、かえって硬度変化が激しくなり相手材
の摩耗が増える結果となる。
回折分析に供した試料をピンとし、相手ドラムにはＦＣ
−２５材を使用し、荷重２kg、摩擦速度0.２ｍ／sec 、
潤滑液としてpH−2.５の硫酸水溶液を用いて行った。比
較のために硬質クロムめっきを施したピンについても同
様の試験を行った。試験結果は図４に示す通りである同
図から本発明の被膜は、被膜中の表面からどの深さの位
置でも硬質クロムめっき層よりも優れた耐摩耗性を有し
ていることが理解されよう。また、試料Ｅの様に窒素分
圧が低くなると、自己摩耗がＡやＣに比べ多きくなるが
相手シリンダーの摩耗量が減っていることがわかる。ま
た、ＡやＣは自己摩耗が少ないがＥに比べ相手材を摩耗
させている。ということは本発明はピストンリングやそ
の他の摺動部材で使用する場合、初期の運転で相手材に
ダメージをあたえず、なじませておいて、その後自己摩
耗の少ないＡやＣの膜で耐摩耗性を確保することができ
る被膜といえる。しかし、これは組織成分が連続的に変
化してなく、極端な変化例えば、Ａの膜から、突然Ｅの
膜を形成すると、かえって硬度変化が激しくなり相手材
の摩耗が増える結果となる。
【００１６】
【発明の効果】本発明により摺動部品の摺動母材表面に
形成されたクロム及び窒素よりなる被膜は、母材表面か
ら垂直方向にクロム濃度が連続的に増加し、その被膜表
面がクロムよりなっているので、相手材を摩耗すること
が少なく、かつ被膜内部は硬い窒化物であるため、被膜
自体は耐摩耗性にすぐれている。従って高性能を要求さ
れている摺動部品、例えばピストンリング、に使用する
と耐摩耗性、初期なじみ性にすぐれた被膜となる。
形成されたクロム及び窒素よりなる被膜は、母材表面か
ら垂直方向にクロム濃度が連続的に増加し、その被膜表
面がクロムよりなっているので、相手材を摩耗すること
が少なく、かつ被膜内部は硬い窒化物であるため、被膜
自体は耐摩耗性にすぐれている。従って高性能を要求さ
れている摺動部品、例えばピストンリング、に使用する
と耐摩耗性、初期なじみ性にすぐれた被膜となる。
【図１】本発明に使用したイオンプレーティング装置の
概要を示す図である。
概要を示す図である。
【図２】線分析に使用した本発明によりえられた被膜の
断面図である。
断面図である。
【図３】図２による被膜の線分析結果を示す図である。
【図４】各種窒素分圧でのイオンプレーティングにより
えられた被膜の摩耗試験結果を示した図である。
えられた被膜の摩耗試験結果を示した図である。
１ 摺動母材 ２ 母材保持具 ３ ヒーター ５ 蒸発源金属 ６ 水冷るつぼ ７ 収束コイル ８ 電子銃及びAr導入口 ９ 真空容器 １０ シャッター １１ 窒素ガス導入口
Claims (3)
- 【請求項１】 摺動部品の摺動母材面に形成されたクロ
ム及び窒素よりなる被膜であって、母材表面に接した被
膜組織がクロム窒化物であり、該被膜におけるクロム濃
度が、該母材面の垂直方向に該母材表面から該被膜表面
へ連続的に増加していることを特徴とする耐摩耗性被
膜。 - 【請求項２】 摺動部品の摺動母材面に形成されたクロ
ム及び窒素よりなる被膜であって、母材表面に接した被
膜組織がクロム窒化物であり、該被膜におけるクロム濃
度が、該母材面の垂直方向に該被膜の途中まで一定であ
り、その後該被膜表面へ連続的に増加していることを特
徴とする耐摩耗性被膜。 - 【請求項３】 摺動部品がピストンリングである請求項
１又は２の耐摩耗性被膜。
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| JP13234493A JP2968907B2 (ja) | 1993-05-12 | 1993-05-12 | 耐摩耗性被膜 |
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Applications Claiming Priority (1)
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| JP13234493A JP2968907B2 (ja) | 1993-05-12 | 1993-05-12 | 耐摩耗性被膜 |
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