JPH0625826A

JPH0625826A - 摺動材及びその製造方法

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Publication number: JPH0625826A
Application number: JP20191392A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Komuro; 寿朗小室
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1992-07-06
Filing date: 1992-07-06
Publication date: 1994-02-01
Anticipated expiration: 2013-02-10
Also published as: JP2711962B2

Abstract

(57)【要約】【目的】耐摩耗性及び耐焼付性に優れたモリブデン−
窒素系皮膜を被覆した摺動材、及びその摺動材の製造方
法を提供する。【構成】少なくとも窒化モリブデンを含有する皮膜を
基材上に被覆してなる摺動材であって、前記皮膜中の構
成元素比が原子比でモリブデン：窒素＝１：0.05〜1.0
であることを特徴とする摺動材である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐摩耗性及び耐焼付性
に優れたモリブデン−窒素系皮膜を有する摺動材、及び
その摺動材の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来よ
り自動車のエンジン部品や各種機械部品などの摺動部に
は、摺動特性に優れた皮膜を表面処理によって形成した
摺動部品が使用されている。従来より行われている表面
処理方法には、窒化処理、クロムめっき処理、及びモリ
ブデン溶射処理などの方法がある。

【０００３】しかし，近年摺動部品の使用条件が高速化
かつ高荷重化するに伴い、従来の表面処理では対応でき
ない場合が出てきて、更に優れた耐摩耗性及び耐焼付性
を有する皮膜が望まれていた。

【０００４】そこで、このような要望に応じるため、Ｐ
ＶＤ（Physical Vapor Deposition）法により金属窒化
物や金属炭化物等の皮膜を摺動部品の摺動面に被覆する
ことが提案された。

【０００５】ＴｉＮ、ＴｉＣ、及びＣｒＮ等のＰＶＤ皮
膜は、優れた耐摩耗性及び耐焼付性を示しており、特に
窒化チタンや窒化クロムなどが実用化可能な被膜として
注目され、一部の機械部品やエンジン部品で使用されて
いる。

【０００６】しかし、現在では使用条件がさらに過酷に
なり、これら窒化チタンや窒化クロムを用いても、摺動
特性が充分とはいえない状況が生じている。

【０００７】したがって、本発明の目的は、耐摩耗性及
び耐焼付性に優れたモリブデン−窒素系皮膜を被覆した
摺動材、及びその摺動材の製造方法を提供することであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者は、ＰＶＤ法によりモリブデン及び窒
素を混合した気相を基材に接触させ、基材の表面上に少
なくとも窒化モリブデンを含む皮膜を形成させ、その
際、皮膜中の構成元素比を原子比でモリブデン：窒素＝
１：0.05〜1.0 とすることにより、耐摩耗性及び耐焼付
性に優れた摺動材が得られることを発見し、本発明に想
到した。

【０００９】すなわち、本発明の摺動材は、少なくとも
窒化モリブデンを含有する皮膜を基材上に被覆してなる
摺動材であって、前記皮膜中の構成元素比が原子比でモ
リブデン：窒素＝１：0.05〜1.0 であることを特徴とす
る。

【００１０】

【実施例】本発明について、以下詳細に説明する。

【００１１】本発明の摺動材における皮膜の構成元素の
組成は、原子比でモリブデン：窒素＝１：0.05〜1.0 と
する。モリブデンに対する窒素の原子比が0.05未満で
は、窒化モリブデンの生成が少なくなるので皮膜の硬度
は低くなり、耐摩耗性も低くなる。モリブデンに対する
窒素の好ましい原子比は１：0.1 〜１：１である。

【００１２】上記原子比の範囲内では、皮膜は（イ）窒
化モリブデンのみからなる場合と、（ロ）窒化モリブデ
ンとモリブデン金属との混相とからなる場合がある。本
発明では、後述するようにＰＶＤ法により皮膜を形成し
ているので、窒化モリブデンとモリブデン金属との比は
任意に設定することができる。

【００１３】皮膜の厚みは１〜50μｍであることが好ま
しい。皮膜の厚みが１μｍ未満の場合、摩耗により皮膜
の寿命が短い。一方、皮膜の厚みが50μｍを超える場
合、皮膜が欠けたり、皮膜に亀裂が生じたりして、基材
との密着性が低下する。また、必要以上に皮膜を厚くす
ることは、経済上好ましくない。

【００１４】皮膜を被覆する基材は、鉄系材料、アルミ
系材料、及びチタン系材料の中から用途に合わせて適宜
選択する。以下詳細に説明するＰＶＤ法は、ＣＶＤ（Ch
emical Vapor Deposition ）法などに比べ、低温処理に
類するが、蒸着現象による入熱は避けられないので、耐
熱性のある鉄系材料及びチタン系材料を基材として使用
するのが好ましい。

【００１５】本発明においては、ＰＶＤ法によりモリブ
デン及び窒素を混合した気相と基材とを接触させる。Ｐ
ＶＤ法は、皮膜を形成する技術の一種であり、基本的に
は蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法
の３つの方法に分類できる。

【００１６】特に、本発明においては、モリブデンの蒸
気を窒素と反応させて、窒化モリブデンを生成し、その
窒化モリブデンの皮膜を基材上に堆積させる反応性イオ
ンプレーティング法が最も好ましい。

【００１７】モリブデン蒸気は、ＨＣＤガンや電子ビー
ムなどの高エネルギービームをモリブデンに照射し、蒸
発させることにより得る。また陰極アークプラズマ式イ
オンプレーティング法、及びスパッタリング法のよう
に、陰極からモリブデン粒子を飛び出させることによ
り、モリブデン蒸気を得てもよい。

【００１８】そのモリブデンの蒸気に窒素を混合した気
相中でプラズマを発生させると、モリブデンはイオン化
し、窒素イオンと化合して窒化モリブデンを生成する。
その結果、基材表面に窒化モリブデンの皮膜が形成され
る。

【００１９】以下においては、イオンプレーティング法
を例にとって説明するが、本発明はこれに限定されな
い。

【００２０】まず、基材を洗浄し、表面に付着した汚れ
を取り、充分清浄化してイオンプレーティング装置の真
空チャンバー内に挿入する。チャンバー内の圧力が1.3
×10^-3〜５×10^-3Paになるまで真空引きを行ってから、
イオンプレーティング装置に内蔵されているヒーターに
より加熱して基材の内圧ガスを放出させる。加熱温度は
300 〜500 ℃とするのが好ましい。その後100 〜400 ℃
まで冷却する。

【００２１】チャンバー内圧力が４×10^-3Pa以下になっ
た時点でターゲットであるモリブデンを陰極として、そ
の表面でアーク放電を発生させモリブデンイオンを飛び
出させる。この際、基材にはバイアス電圧を印加してお
き、陰極より飛び出した金属イオンを基材表面に高エネ
ルギーで衝突させる方法、いわゆるボンバードクリーニ
ング法により基材表面の酸化物除去と活性化処理を行
う。そのときのバイアス電圧は−700 〜−900 Ｖとする
のが好ましい。

【００２２】その後バイアス電圧を低下させ、モリブデ
ンイオンを基材表面に堆積させながら、窒素ガスをチャ
ンバー内に導入し、プラズマ内を通過させる。それによ
り窒素をイオン化させ、窒素分圧を1.3 ×10^-1〜1.6 Pa
程度にし、バイアス電圧を−10〜−100 Ｖ印加して基材
表面にイオンプレーティング皮膜を形成させる。なお、
窒素分圧が低く、アーク放電が安定しない場合はアルゴ
ンガスを適量に調整して、さらに窒素ガスを導入する。
皮膜形成後、真空チャンバー内で200 ℃以下になるまで
冷却してから、摺動材をチャンバーから取り出す。

【００２３】得られた摺動材は、表面硬度が高く、皮膜
と基板の密着力が良好であることから耐摩耗性に優れ
る。また、耐食性が良好で腐食摩耗に対しても優れてい
る。

【００２４】以上が少なくとも窒化モリブデンを含有す
る皮膜を基材に形成させる方法であるが、本発明におい
ては皮膜と基材との間に金属下地層を介在させてもよ
い。上述における皮膜形成の工程中、窒素ガス導入の前
にイオンプレーティングを行うと基材にモリブデン金属
の下地層が形成される。このモリブデン金属の下地層
は、熱膨張率が基材に近く、熱応力の影響を受けにくい
ため、皮膜の基材に対する密着性は良好で柔軟性に富
む。モリブデン金属の下地層は0.1 〜２μｍの厚さに形
成するのが好ましい。0.1 μｍ未満であると効果が薄
く、また、２μｍで十分な効果を示し、２μｍを超えて
もそれ以上の効果を望むことはできず、経済的にも好ま
しくない。

【００２５】また、窒素ガスの導入量を少なくしてイオ
ンプレーティングを開始し、その後、徐々に窒素ガスの
導入量を増加してもよい。下地層を形成せずに、あるい
は下地層の厚さが所定の値になったところで、徐々に窒
素ガスを導入してイオンプレーティングを続けると、蒸
発したモリブデンは窒化モリブデンに転換する。窒素ガ
ス分圧が低いときは転換の割合が少なく、窒素ガス分圧
が次第に高くなるにつれて、転換の割合が多くなる。こ
のように、モリブデン金属下地層の上に、あるいは基材
表面上に硬質の皮膜が、窒素のモリブデンに対する比率
が皮膜表面に向かって増大して形成されると、皮膜の剥
離防止に一層効果がある。

【００２６】本発明を以下の具体的実施例により、さら
に詳細に説明する。実施例１〜３本実施例では、材質がＳＫＤ６１の基材を使用した。

【００２７】ＰＶＤ処理は、陰極アークプラズマ式イオ
ンプレーティング装置を用いた。基材をフロン洗浄し、
イオンプレーティング装置の真空チャンバー内に挿入し
た。チャンバー内の圧力が1.3 ×10^-3Pa以下になるまで
真空引きを行ってから、イオンプレーティング装置に内
蔵されているヒーターにより300 〜500 ℃で加熱して基
材の内圧ガスを放出させ、その後200 ℃まで冷却した。

【００２８】チャンバー内圧力が４×10^-3Pa以下になっ
た時点でバイアス電圧を−700 〜−900 Ｖ印加してお
き、アーク放電を発生させモリブデンイオンを飛び出さ
せた。その後チャンバー内に導入した窒素の分圧を0.27
〜1.60Paの範囲で変化させ、バイアス電圧を−10〜−10
0 Ｖ印加して基材表面に厚さ５μｍのイオンプレーティ
ング皮膜を形成させた。皮膜形成後、真空チャンバー内
で200 ℃以下になるまで冷却して摺動材を得た。

【００２９】Ｘ線回折により皮膜の組成を分析した結
果、皮膜中に窒化モリブデンが存在することが確認され
た。窒素ガス分圧が低い場合には、皮膜中に未反応のモ
リブデンが存在することも確認された。

【００３０】皮膜構成元素の原子比は、ＸＰＳ（Ｘ線光
電子分光法）によって分析した。分析にはモリブデン３
Ｄ３電子、３Ｄ５電子、窒素１Ｓ電子の各スペクトルを
用いた。皮膜構成元素の原子比の測定結果を第１表に示
す。

【００３１】また、本実施例で得られた皮膜の微小硬さ
を測定した。測定はマイクロビッカース硬さ計を用い、
荷重は25ｇ、保持時間は15秒で実施した。結果を第１表
に示す。

【００３２】第１表窒素分圧（Pa）モリブデン：窒素の原子比微小硬さ（Ｈ_MV）実施例１ 0.27 １： 0.25 2468実施例２ 0.60 １： 0.42 2640実施例３ 1.60 １： 0.85 2592

【００３３】第１表から明らかなように、本発明による
硬質皮膜は、微小硬さが1200Ｈ_MVより十分に高く非常に
硬質であるため、耐摩耗性に優れている。

【００３４】実施例４、５、比較例１、２本実施例では、本発明による摺動材について耐焼付性の
試験を行った。

【００３５】図１は試験装置の要部を示す部分断面図、
図２は図４中のＡ−Ａ矢視図である。ステータホルダ１
に、相手材として摺動面がホーニング仕上げされた円板
２（直径80mm、厚さ10mm）が取外し可能に取付けられて
おり、その中央には裏側から注油口３を通して潤滑油が
注油されるようになっている。ここでステータホルダ１
には油圧装置（図示せず）によって、第２図において右
方向へ向けて所定の押圧力（Ｐ）がかかるようにしてあ
る。円板２に対向するロータ４上に取り付けられた試験
片保持具５には回転軸と同心状の円周上に等間隔に３個
の孔が刻設されており、それぞれに縦５mm×横５mm×高
さ５mmの試験片10が取り付けられる。その試験片10の５
mm角の先端面に実施例１〜３と同様の方法で厚さ５μｍ
の皮膜を形成させた。その皮膜の構成元素比は原子比で
モリブデン：窒素＝１：0.42（実施例４）、及びモリブ
デン：窒素＝１：0.85（実施例５）の２種類とした。皮
膜を形成した試験片10の先端面が円板２に接触し、駆動
装置（図示せず）によって所定速度で回転する。

【００３６】以上の装置を用いて、ステータ側の注油口
３から一定温度の潤滑油を摺動面に供給しながら試験を
行った。ロータ４を回転させると試験片10と円板２との
間の摩擦によって、ステータホルダ１にトルクＴ（図２
中のＴ）が生ずるが、そのトルクＴをステンレスファイ
バー６を介してロードセル７により検知し、押圧力Ｐの
変化によるトルクＴの変化を動歪計８で読み取り、記録
計９により記録した。焼付が生じるとトルクＴが急激に
上昇するので、その時の押圧力Ｐをもって試験片の耐焼
付性とした。

【００３７】相手材としては、鉄系のＦＣ２５、及びア
ルミ系のＡ３９０（過共晶アルミ−珪素合金）を用い
た。

【００３８】試験条件は次に示す通りであった。摩擦速度：８m/秒相手材：ＦＣ２５、Ａ３９０潤滑油：モータオイル＃30 油温： 80℃ 給油量： 250 cc/ 分接触面圧： 20 kg/cm²で20分間馴み運転後、焼付
発生まで３分毎に10 kg/cm²ずつ増圧した。結果を第２表に示す。

【００３９】比較例として、試験片10の５mm角の先端面
に厚さ100 μｍのクロムめっき皮膜を形成したもの（比
較例１）、及びイオンプレーティング法により厚さ５μ
ｍの窒化チタン皮膜を形成したもの（比較例２）を試験
片とした。前述と同様の方法で耐焼付性の試験を行っ
た。結果を第２表に示す。

【００４０】

【００４１】第２表から明らかなように、本発明による
摺動材はクロムめっきを施したもの、及び窒化チタン皮
膜を形成させたものと比較して、相手材である鉄系材
料、及びアルミニウム系材料のいずれに対しても焼付発
生値が高く、耐焼付性が優れている。

【００４２】実施例６、比較例３、４本実施例では、科研式摩耗試験機により本発明による摺
動材の腐食摩耗試験を行った。

【００４３】材質がＳＫＤ６１で、縦５mm×横５mm×長
さ20mm、長手方向の一方の先端をＲ６mmの曲面とした形
状のものを基材とした。その基材の先端の曲面部に実施
例１〜３と同様の方法で10μｍの厚さの硬質皮膜を形成
した試験片（実施例６）を使用した。硬質皮膜の構成元
素比は、原子比でモリブデン：窒素＝１：0.85とした。
比較例として、前記基材の先端Ｒ部に厚さが100 μｍの
クロムめっきを施したもの（比較例３）、及びイオンプ
レーティング法により厚さ10μｍの窒化クロム皮膜を形
成したもの（比較例４）を試験片とした。

【００４４】試験は、皮膜を形成した試験片の先端Ｒ部
をドラム状に加工した相手材の外周部に曲面同士が線接
触するように合わせ、所定荷重を加え、所定速度で回転
させる。潤滑は、ＰＨを2.0 に調製した硫酸水溶液を接
触部に一定量滴下して行い、酸雰囲気とした。

【００４５】試験条件は次に示す通りであった。摺動相手材：ＦＣ２５摩擦速度：0.25ｍ／秒摩擦時間：６時間接触荷重：４kg 雰囲気：ＰＨ＝2.0 に調製した硫酸水溶液を摺動部
に1.5cc ／分滴下

【００４６】皮膜摩耗量の測定結果を第３表に示す。測
定結果は比較例３の皮膜の摩耗量を100 としたときの相
対値で示した。

【００４７】

【００４８】第３表から明らかなように、本発明による
摺動材はクロムめっきを施したもの、及び窒化クロム皮
膜を形成させたものと比較して、耐腐食摩耗性が優れて
いる。

【００４９】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の摺動材は、
基材表面に窒化モリブデン、または窒化モリブデンとモ
リブデンとからなる皮膜を被覆することによって、従来
から使用されている摺動材と比較して、優れた耐摩耗性
及び耐焼付性を有する。

【００５０】本発明の摺動材は、ピストンリングやカム
フォロアなどのエンジン部品、さらにはシューディスク
などのコンプレッサー部品をはじめとする摺動部品や切
削工具などに好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は超高圧摩耗試験機を示す部分断面図であ
る。

【図２】図２は図１のＡ方向から見た矢視図である。

【符号の説明】

１・・・ステータホルダ２・・・円盤（相手材）３・・・注油口４・・・ロータ５・・・試験片保持具６・・・ステンレスファイバー７・・・ロードセル８・・・動歪計９・・・記録計 10・・・試験片

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも窒化モリブデンを含有する皮膜
を基材上に被覆してなる摺動材であって、前記皮膜中の
構成元素比が原子比でモリブデン：窒素＝１：0.05〜1.
0 であることを特徴とする摺動材。
【請求項２】請求項１に記載の摺動材において、前記皮
膜が窒化モリブデンまたは窒化モリブデンとモリブデン
とよりなり、基材表面側から皮膜表面に向かって窒素の
モリブデンに対する比率が増大していることを特徴とす
る摺動材。
【請求項３】請求項１又は２に記載の摺動材において、
前記皮膜と前記基材との間にモリブデンからなる下地層
が介在することを特徴とする摺動材。
【請求項４】少なくとも窒化モリブデンを含有する皮膜
を有する摺動材を製造する方法において、ＰＶＤ法によ
りモリブデン及び窒素を混合した気相に基材を接触させ
ることを特徴とする摺動材の製造方法。