JPH07332494A - 高強度無機質皮膜 - Google Patents

高強度無機質皮膜

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JPH07332494A
JPH07332494A JP14233594A JP14233594A JPH07332494A JP H07332494 A JPH07332494 A JP H07332494A JP 14233594 A JP14233594 A JP 14233594A JP 14233594 A JP14233594 A JP 14233594A JP H07332494 A JPH07332494 A JP H07332494A
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勝宗 田畑
Takahiro Gunji
貴浩 郡司
Kenji Hirose
謙治 広瀬
Yasushi Kawahito
康 川人
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高強度な無機質皮膜を提供する。 【構成】 無機質皮膜4は母材2から成長した多数の柱
状無機質結晶51 〜54を備えている。それら柱状無機
質結晶51 〜54 における少なくとも一部のものは、そ
の成長方向aに沿う側面9を最も原子密度の高い結晶面
より構成された高結合性柱状無機質結晶51 である。こ
のような結晶面は、それに隣接する結晶の結晶面との結
合密度が高い。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は高強度無機質皮膜、特
に、母材から成長した多数の柱状無機質結晶を備え、高
い強度を有する無機質皮膜に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、この種無機質皮膜としては、例え
ば内燃機関用ピストンピンにおいて、鋼製母材の外周面
に、耐摩耗性の向上を狙って設けられるFeメッキ層が
知られている。
【0003】しかしながら、内燃機関が高速、且つ高出
力化の傾向にある現在の状況下では、従来の無機質皮膜
はその摺動面が比較的平滑であることに起因してオイル
保持性、つまり保油性が十分でなく、耐焼付き性が乏し
いという問題があった。
【0004】そこで、本出願人は、先に、無機質皮膜と
して、母材から成長した多数の柱状無機質結晶を備え、
それらの先端部を角錐状金属結晶より構成したものを開
発した(例えば、特開平4−351333号明細書およ
び図面参照)。
【0005】このように構成すると、摺動面は多数の微
細な山部と、それら山部の間に形成された多数の微細な
谷部とからなる入組んだ様相を呈するので、無機質皮膜
の保油性が良好となる。これにより無機質皮膜の耐焼付
き性の向上が図られる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところが、前記無機質
皮膜について種々検討を加えたところ、その無機質皮膜
においては柱状無機質結晶と、それに隣接する柱状また
は粒状無機質結晶との結合力が比較的低く、したがって
より苛酷な摺動環境に対応するためには前記結合力を高
め、柱状無機質結晶の成長方向と交差する方向の摺動荷
重に対する無機質皮膜の強度を向上させてその耐亀裂性
を改善することが必要である、ということが判明した。
【0007】本発明は前記要望を満足することのできる
前記高強度無機質皮膜を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明に係る高強度無機
質皮膜は、母材から成長した多数の柱状無機質結晶を備
え、それら柱状無機質結晶における少なくとも一部のも
のは、その成長方向に沿う側面を最も原子密度の高い結
晶面より構成された高結合性柱状無機質結晶であること
を特徴とする。
【0009】
【作用】前記高結合性柱状無機質結晶において、前記側
面を最も原子密度の高い結晶面、したがって最密面より
構成すると、その最密面と、それに隣接する柱状または
粒状無機質結晶の結晶面との間の結合密度が高くなるの
で、それら結晶間の結合力が高められ、これにより柱状
無機質結晶の成長方向と交差する方向の荷重に対する無
機質皮膜の強度を向上させて、その耐亀裂性を改善する
ことができる。
【0010】
【実施例】図1において、内燃機関用ピストンピン1は
鋼よりなるパイプ状母材2を有し、その母材2の外周面
3に、メッキ処理により層状摺動面構成体(無機質皮
膜)4が形成される。図2に示すように、摺動面構成体
4は、実施例では体心立方構造(bcc構造)を持つ金
属結晶(無機質結晶)の集合体より構成され、その集合
体は、図3に示すように、母材2から成長した多数の柱
状金属結晶(柱状無機質結晶)51 ,52 ,53 ,54
を備える。また摺動面構成体4は多数の粒状金属結晶6
を有することもある。
【0011】柱状金属結晶51 〜54 は、例えば、ミラ
ー指数で(hhh)面を、摺動面4a側に向けた(hh
h)配向性金属結晶であり、この場合、柱状金属結晶5
1 〜54 の先端部を、図4に示すように摺動面4aにお
いて六角錐状金属結晶7に、または図5に示すように三
角錐状金属結晶8に形成することができる。六角錐状金
属結晶7は、三角錐状金属結晶8に比べて平均粒径が小
さく、且つ粒径も略均一である。(hhh)配向性金属
結晶において、粒径と高さとの間には相関関係があり、
したがって粒径が略均一である、ということは高さも略
等しいということである。
【0012】また柱状金属結晶51 〜54 における少な
くとも一部のものは、図6に示すように、その成長方向
aに沿う全側面10を最も原子密度が高い結晶面、した
がって最密面である、ミラー指数で(hh0)面(図2
参照)より構成された高結合性柱状金属結晶51 であ
る。
【0013】高結合性柱状金属結晶51 において、全側
面9を(hh0)面より構成すると、その(hh0)面
と隣接する柱状金属結晶(または粒状金属結晶)の結晶
面との間の結合密度が高くなるので、それら結晶間の結
合力が高められ、これにより柱状金属結晶51 〜54
成長方向aと交差する方向b(図3参照)の摺動荷重に
対する摺動面構成体4の強度を向上させて、その耐亀裂
性を改善することができる。
【0014】高結合性柱状金属結晶51 は、図3,6に
示すように、その結晶51 の基端が結合する母材2外周
面の極微細部分をミクロ的に平面と見たとき、その平面
より略均一な粒径を持って略垂直に成長したものであ
る。このような粒径制御は、電気メッキ処理において
は、陰極電流密度をメッキ時間の経過に伴って減少させ
ることによって達成される。この場合、陰極電流密度の
減少度合を変えることによって高結合性柱状金属結晶5
1 の存在率が高レベルにおいて変化する。なお、陰極電
流密度を一定に設定しても、その値によって高結合性柱
状金属結晶51 の存在率は低レベルにおいて変化する。
【0015】図3,7に示すように、柱状金属結晶が、
先太状若しくは先細状に成長したもの52 ,53 である
場合、または成長方向aに対して傾き角θを持つように
成長したもの54 である場合には、その全側面9は原子
密度の低い結晶面、したがって高指数面、例えば、ミラ
ー指数で(h3h5h)面より構成され、このような結
晶面によったのでは両結晶間の結合力向上効果は低い。
【0016】bcc構造を持つ金属結晶としては、F
e、Cr、Mo、W、Ta、Zr、Nb、V等の単体ま
たは合金の結晶を挙げることができる。
【0017】摺動面構成体4を形成するためのメッキ処
理において、電気Feメッキ処理を行う場合のメッキ浴
および陰極電流密度条件は、表1の通りである。
【0018】
【表1】 メッキ処理としては、電気メッキ処理の外に、例えば気
相メッキ法であるPVD法、CVD法、スパッタ法、イ
オンプレーティング等を挙げることができる。スパッタ
法によりW、Moメッキを行う場合の条件は、例えばA
r圧力 0.2〜1Pa、平均Ar加速電力 直流1〜
1.5kW、母材温度 150〜300℃であり、この
場合の粒径制御は、平均Ar加速電力をスパッタ時間の
経過に伴って減少させることによって行われる。CVD
法によりWメッキを行う場合の条件は、例えば原材料
WF6 、ガス流量 2〜15cc/min 、チャンバ内圧力
50〜300Pa、母材温度400〜600℃、ArF
エキシマレーザの平均出力 5〜40Wであり、この場
合の粒径制御は、ArFエキシマレーザの平均出力を成
膜時間の経過に伴って減少させることによって行われ
る。
【0019】以下、具体例について説明する。
【0020】鋼(JIS SCM420)よりなるパイ
プ状母材2の外周面3に、電気Feメッキ処理を施すこ
とによりFe結晶の集合体より構成された厚さ15μm
の摺動面構成体4を形成して複数の内燃機関用ピストン
ピン1を製造した。
【0021】摺動面構成体の各例において、表2は例1
〜7の、表3は例8〜14の、表4は例15〜21の、
表5は例22〜28の電気Feメッキ処理条件をそれぞ
れ示す。
【0022】
【表2】
【0023】
【表3】
【0024】
【表4】
【0025】
【表5】 表6は例1〜7、表7は例8〜14、表8は例15〜2
1、表9は例22〜28に関する柱状Fe結晶の面積率
Bおよび高結合性柱状Fe結晶の存在率Aをそれぞれ示
す。
【0026】
【表6】
【0027】
【表7】
【0028】
【表8】
【0029】
【表9】 柱状Fe結晶の面積率Bは、各例の縦断面の面積を
1 、その縦断面において全部の柱状Fe結晶が占める
面積をC2 としたとき、B=(C2 /C1 )×100
(%)として求められた。なお、柱状Fe結晶以外の部
分は粒状Fe結晶より構成されている。また高結合性柱
状Fe結晶の存在率Aは、高結合性柱状Fe結晶を含む
全部の柱状Fe結晶の個数をD1 、全部の高結合性Fe
結晶の個数をD2 としたとき、A=(D2 /D1 )×1
00(%)として求められた。
【0030】図8は、例5のX線回折図(X線照射方向
は摺動面に対して直角方向)である。図中、例えば{2
22}とは{222}配向性Fe結晶を意味し、この
{222}配向性Fe結晶とは{222}面を摺動面4
a側に向けた配向性Fe結晶のことである。また数値は
各配向性Fe結晶の存在率(%)を意味し、その存在率
Sは次式から求められた。 {211}配向性Fe結晶:S211 ={(I211 /IA
211 )/T}×100、 {222}配向性Fe結晶:S222 ={(I222 /IA
222 )/T}×100 ここで、I211 、I222 は各結晶面のX線反射強度の測
定値(cps)であり、またIA211 、IA222 はAS
TMカードにおける各結晶面のX線反射強度比で、IA
211 =30、IA222 =6である。さらにTは、T=
(I211 /IA211 )+(I222 /IA222 )である。
【0031】図9は例5における縦断面の結晶構造を示
す顕微鏡写真であり、多数の柱状Fe結晶が観察され
る。この場合、表6に示すように、柱状Fe結晶の面積
率BはB=100%である。この柱状Fe結晶は(hh
h)面、したがって{222}面を摺動面側に向けた
{222}配向性Fe結晶であり、その{222}配向
性Fe結晶の存在率Sは、図8に示すように、S=91
%である。
【0032】次に、例5における高結合性柱状Fe結晶
の側面に沿うスライス片を作製し、そのスライス片にそ
れの深さ方向に電子線を照射したところ、図10に示す
電子回折パターンを得た。図10より、高結合性柱状F
e結晶の側面が(hh0)面より構成されていることが
判る。
【0033】図11は、例1における縦断面の結晶構造
を示す顕微鏡写真であり、多数の柱状Fe結晶が観察さ
れる。ただし、全部の柱状Fe結晶が先太状若しくは先
細状、または傾き角θをもって成長しているため、これ
ら柱状Fe結晶中には高結合性柱状Fe結晶は存在しな
い。
【0034】さらに、各例を母材より剥離し、各例につ
いて引張り試験を行ったところ、表10の結果を得た。
引張り試験は、各例の両端を柱状Fe結晶の成長方向と
交差する方向に、引張り速度0.05mm/min で引張る
ことによって行われた。
【0035】
【表10】 図12は、表6〜10に基づいて、各例における高結合
性柱状Fe結晶の存在率Aと引張強さとの関係をグラフ
化したものである。図中、点(1)〜(28)は例1〜
28にそれぞれ対応する。図12より、高結合性柱状F
e結晶の存在率AがA≧15%になると引張強さが向上
し、また15%≦A≦35%では引張強さが略一定とな
り、さらにA≧40%になると引張強さが急激に向上す
ることが判る。
【0036】一方、柱状Fe結晶の面積率Bが低くなる
に従って引張強さが高くなるが、これはランダムに成長
した密着強さの高い粒状Fe結晶の存在量が多くなるこ
とに起因する。
【0037】なお、柱状無機質結晶には、柱状金属結晶
に限らず柱状セラミック結晶等も含まれる。また本発明
は各種用途に適用され、摺動面構成体のみに限定されな
い。
【0038】
【発明の効果】本発明によれば、前記のように特定され
た結晶構造を具備させることによって、高強度化を達成
された無機質皮膜を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ピストンピンの要部破断斜視図である。
【図2】体心立方構造およびその(hhh)面、(hh
0)面を示す斜視図である。
【図3】図1の3−3線拡大断面図である。
【図4】六角錐状金属結晶の平面図である。
【図5】三角錐状金属結晶の平面図である。
【図6】高結合性柱状金属結晶の要部斜視図である。
【図7】先太状柱状金属結晶の要部斜視図である。
【図8】摺動面構成体のX線回折図である。
【図9】摺動面構成体の一例における縦断面の結晶構造
を示す顕微鏡写真である。
【図10】高結合性柱状Fe結晶側面の電子線回折写真
である。
【図11】摺動面構成体の他例における縦断面の結晶構
造を示す顕微鏡写真である。
【図12】高結合性柱状Fe結晶の存在率と引張強さと
の関係を示すグラフである。
【符号の説明】 4 摺動面構成体(無機質皮膜) 51 高結合性柱状金属結晶(高結合性柱状無機
質結晶) 52 〜54 柱状金属結晶(柱状無機質結晶) 9 側面 a 成長方向
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川人 康 埼玉県和光市中央1丁目4番1号 株式会 社本田技術研究所内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 母材(2)から成長した多数の柱状無機
    質結晶(51 〜54)を備え、それら柱状無機質結晶
    (51 〜54 )における少なくとも一部のものは、その
    成長方向(a)に沿う側面(9)を最も原子密度の高い
    結晶面より構成された高結合性柱状無機質結晶(51
    であることを特徴とする高強度無機質皮膜。
  2. 【請求項2】 全柱状無機質結晶(51 〜54 )におけ
    る前記高結合性柱状無機質結晶(51 )の存在率AがA
    ≧15%である、請求項1記載の高強度無機質皮膜。
  3. 【請求項3】 全柱状無機質結晶(51 〜54 )におけ
    る前記高結合性柱状無機質結晶(51 )の存在率AがA
    ≧40%である、請求項1記載の高強度無機質皮膜。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999066099A1 (en) * 1998-06-17 1999-12-23 Tanaka Kikinzoku Kogyo K.K. Target material for spattering
US6875324B2 (en) 1998-06-17 2005-04-05 Tanaka Kikinzoku Kogyo K.K. Sputtering target material

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