JPH04368A - 耐摩耗性被膜及びその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （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
形成された耐摩耗及び耐剥離性に優れた被膜及びその製
造法に関するものである。

（従来の技術） 内燃機関におけるピストンリングのような摺動部品の摺
動面は、耐摩耗性が要求されており、硬質クロムめっき
が優れた耐摩耗性を有することから、従来から摺動母材
面に硬質クロムめっきを施した部品が多用されている。

然し乍ら、近年内燃機関の高出力化、排気ガス対策など
のため、ピストンリングが受ける熱負荷が増大し、摺動
母材面に硬質クロムめっきを施した従来のピストンリン
グでは、耐摩耗性が不足するようになり、上記のような
苛酷な条件下でも使用できる優れた耐摩耗性のピストン
リングの開発が望まれている。

このような要望に応えるため、摺動母材面に金属の窒化
物又は炭化物の被膜をイオンプレーティング法により被
膜させたピストンリングが、特開昭５７−５７８６８号
及び特開昭５７−６５８３７号公報に開示されている。

前者はピストンリング本体の摺動面に、ＰＶＤ法により
、ＴｉＮ　、、Ｔｉｃ　、　ＣｒＮ等の超硬質物質から
なる被膜を形成させたピストンリングであり、後者は少
くとも摺動外周面に窒化チタン被膜を形成し、酸膜の硬
さをＩ（Ｖ１３００以上、厚さを３〜２０μｍ、且つ摺
動外周面あらさを２μｍ以下としたピストンリングであ
る。

これら金属窒化物及び炭化物を摺動母材面に被覆させた
ピストンリングは、硬質クロムめっきを施したピストン
リングに較べ、優れた耐摩耗性を有するが、これら金属
窒化物及び炭化物の母材金属との密着性が良好でなく、
加えてその熱膨張係数が母材金属に較べて著しく小さい
ことから、機関の運転中に母材表面から剥離し易いとい
う問題を有している。一方母材に直接窒化処理を施すこ
とにより、窒化物層を形成させて耐摩耗性を改善する方
法もあるが、母材の化学組成に制約をうけるという問題
を有するうえ、耐摩耗性においてもＴｉＮ、　Ｔｉｃ　
、、ＣｒＮなどに較べて不充分である。

（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苛酷な条件下で使用されるピス
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、耐剥離性を有するよう、摺動母材面に形成
される被膜及びその製造法を本発明は提供するものであ
る。

（処理を解決するための手段及び作用）上記の目的を達
成するため、本発明では、ピストンリングなどの摺動母
材面に形成された被膜であって、該被膜がクロム及び窒
素よりなり、該被膜の窒素濃度を、該母材面に対して垂
直方向に、母材面から連続的に被膜表面に増加させるこ
とにより、密着性、耐摩耗性、耐剥離性の改良された被
膜及びその製造法を提供する。

本発明による被膜は、外周は硬質の窒化クロムとなり優
れた耐摩耗性を示すうえ、而かも内層にはクロムを含有
し、且つクロムが母材面に接する側で高濃度に存在する
ので、母材面との密着性が良好であり、使用中母材面か
ら剥離することがない。この被膜は、母材を２００〜６
００°Ｃの温度に加熱し、蒸着開始後、窒素分圧をＯか
ら３ｘｌＯ−’Ｔｏｒｒへ連続的に上昇させながら・イ
オンプレーティングを行うことによって得られる。母材
温度が２００　”Ｃより低いと被膜の密着性が乏しく、
６００゛Ｃを越えると母材の変形、硬度低下などが生し
、得策でない。又窒素分圧が３　Ｘ　Ｉ　０−３Ｔｏｒ
ｒを越えると、被膜の最外周表面に形成される窒化クロ
ム層がポーラスとなり、硬度が低くなって耐摩耗性が低
下する。従って窒素分圧を３　Ｘｌ０−３Ｔｏｒｒ　−
。

ｆ）ｆ 以上に上昇すること植好ましい。本゛発明によりえられ
る被膜は窒素分圧０、即ち、窒素ガスの導入前、クロム
を蒸発材としてイオンプレーティングを行うので、母材
表面にまず金属クロム膜が形成される。このクロム膜は
熱膨張係数が母材に近いため熱応力の影響を受けにくく
、母材に密着し、しかも柔軟性に冨んでいる。その後徐
々に窒素分圧を上げながら引続きイオンプレーティング
を行うので、蒸発したクロムの一部は窒化クロムに転換
されてブレーティングされる。このクロムと窒化クロム
の膜は硬度も高く、柔軟性にもとむため被膜の密着性は
良く、又、耐摩耗性にも優れる。

本発明による被膜はいかなる機関の摺動部品の摺動面に
も製造可能であるが、特に高負荷の内燃機関の摺動部品
、例えばピストンリング、スチールオイルリングのスペ
ーサ、及びレールなどの摺動部での使用が好ましいと云
える。

以下に実施例を示して本発明を説明する。

使用したイオンプレーティング装置の概要を第一図に示
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ｌを所定温度に加熱
、保持するようにしである。

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よ
うになっている。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。

二のような装置を使用して５ＵＳ−４４０Ｃステンレス
鋼製の５０Ｘ５０Ｘ１０ｍｍ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Ｉ　Ｘ　１０−’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１を４００°Ｃに加熱しながら容器９内を５　
Ｘ　１０−’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。ついでシャ、ター１
０をひらいて蒸着を開始し、蒸着開始３０秒後室素ガス
を導入管１１から吹き出させ、２０分かけて容器９内窒
素分圧を３×ｌＱ−’ｔｏｒｒまで連続的に上昇させ、
その分圧に２分間保持し、シャッター１０を閉した、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
を容器９から取り出した。電子ビームの電力は３５Ｖ５
００Ａ、収束コイル電流は２５０Ａ、窒素ガスの最終流
量は１０００ｃｃ／ｍｉｎであった。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。

（１）Ｘ線マイクロアナライザーによる窒素濃度および
クロム濃度の変化の分析 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かって線分析を行った。その
結果は第２図に示す通りである。

同図から被膜中のクロム濃度はクロムのみが蒸着された
母材に接する最内層で高く、表面に近づくに従って低く
なっており、被膜中の窒素濃度は母材に接する最内層で
最も低く、表面に近づくに従って高くななっていること
が判る。

（２）Ｘ線回折による最表面組繊の分析Ｘ線回折により
蒸着被膜の最表面組繊の分析を行った。その結果及びＡ
ＳＴＭカードでＣｒＮで有ることが判る。

（３）衝撃試験 外部からの衝撃に対する剥離抵抗力を調べるため、ショ
ツトブラストを使用して１〜２ＩＩＴＩｎの鋼球を表面
の被膜に衝突させ、被膜の剥離に至る迄の時間を測定し
た。

この試験及び後述する熱疲労試験については、比較のた
めに窒素分圧３　Ｘ　１０−”ｔｏｒｒの一定分圧で２
０分間保持し、その他は前記と同様の条件でＣｒＳのみ
を蒸着させた試料についても同様の試験を行った。

その結果、ＣｒＮのみから成る比較の被膜は、１０分で
部分的な剥離が観察され、１５分で全部剥離したのに対
し、本発明の被膜は密着性が良好で、外部からの衝撃に
対する耐剥離性が著しく価れていることが判る。

（４）熱疲労試験 加熱、冷却の繰り返しによる熱疲労耐性を調べるため、
試料を室温から１分間かけて４５０°Ｃに加熱し、その
温度に１分間保持してから１分間かけて室温迄冷却し、
１分後再び１分間かけて４５０°Ｃに加熱する熱サイク
ルを繰り返し、被膜の亀裂発生状態の観察と被膜の剥離
に至る迄の繰り返し回数の測定を行った。その結果、Ｃ
ｒＮのみからなる比較の被膜は２５０回の繰り返し時に
、亀裂が発生し、５００回の繰り返しで一部が剥離した
のに対し、本発明の被膜は５００回の繰り返しでも亀裂
、剥離何れも認められず本発明の被膜は加熱、冷却の繰
り返しに伴う亀裂の発生や剥離に対する抵抗力が著しく
優れていることが判る。

（５）Ｘ線回折による組繊の分析 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ために０．３〜３
×１０　””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線回折による組繊の分析を行った。

窒素分圧以外の条件は前記試験に於けると同様である。

分析結果は第１表の通りである。

同表から本発明に係わる被膜は窒素分圧は始めはゼロ、
次いで連続的に上昇させて形成させたのであるから、ク
ロムのみからなる蒸着層の上にクロムとクロム窒化物と
からなる蒸着層が形成されていて、さらにその上にはク
ロム窒化物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と連続的に低下し、窒素濃度は内側
から表面へと連続的に上昇していることが推察され、こ
れはＸ線マイクロアナライザーによる前記線分析結果と
良く一致している。

前記衝撃試験及び熱疲労試験で本発明に係わる被膜が優
れた成績を示したのは、本発明の被膜は母材に接する内
層がクロムに冨み、表面に近づくに従って硬質のクロム
窒化物の四が連続的に増大しているので、母材との密着
性が良好である上に、熱膨張係数が母材に接している内
層で母材のそれと大差なく、表面に近づくに従って連続
的に低下していることによるものとして考えられる。

（６）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２■、摩搾速度０．２５ｍ／ｓ
ｅｃ潤滑液としてｐｈ−２の硫酸水溶液を用い行った。

比較のために硬質クロムめっきを施したビン６二ついて
も同様の試験を行った６ 試験結果は第３図に示す通りである。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。

第３図から窒素分圧１．０〜１．５　Ｘ　１０−”ｔｏ
ｒｒで蒸着されたＣｒ、Ｎ及びＣｒ２Ｎ　十ＣｒＮの箇
所で最も耐摩耗性に優れていることがわかる。従って、
最終窒素分圧を１．０〜１．５　Ｘ　１０−２ｔｏｒｒ
のところで固定し蒸着することにより、最も耐摩耗性に
すくれ且つ密着性に優れた被膜を得ることができる。

（発明の効果） 以上の結果から本発明に係わる被膜は従来から耐摩耗性
に優れるといわれている硬質クロＪ、めっきよりも更に
優れた耐摩耗性を有しており、その上、外部からの衝撃
や、熱疲労に対する抵抗力が従来技術の金属窒化物より
なる被膜にくらべ著しく改善されていることが判る。

また、その形成法はイオンプレーティング法で窒素分圧
を制御するだけで容易になされ工業上の利用価値は大き
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明乙こ使用したイオンプレーティング装置
の概要図である 第２図は本発明によりえられた被膜の線分析結果を示す
図である。 第３図は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す図である。 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、ε・・・電子銃及び計導入口、９・・・真
空容器、１０・・・シャッター　１１・・・窒素ガス導
入口。 代理人　弁理士　　桑　　原　　英　　明第２ 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （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、被膜の表面及び表面近接した
   被膜組繊がＣｒＮであり、該被膜における窒素濃度が該
   母材面の垂直方向に、該母材表面から該被膜表面に連続
   的に増加していることを特徴とする耐摩耗性被膜。
2. （２）摺動部品がピストンリングである請求項（１）の
   耐摩耗性被膜。
3. （３）摺動動部品の摺動母材面にクロム及び窒素よりな
   る被膜をイオンプレーティング法で製造する方法におい
   て、該イオンプレーティング操作の窒素分圧を連続的に
   変化させて行うことを特徴とするクロム及び窒素よりな
   る耐摩耗性被膜の製造法。