JPH08199339A

JPH08199339A - 摺動部材およびその製造方法

Info

Publication number: JPH08199339A
Application number: JP2472895A
Authority: JP
Inventors: Hiroto Fukutome; 弘人福留; Nobuyuki Yamashita; 信行山下; Shoji Tanaka; 昭二田中
Original assignee: Teikoku Piston Ring Co Ltd
Current assignee: TPR Co Ltd
Priority date: 1995-01-19
Filing date: 1995-01-19
Publication date: 1996-08-06
Anticipated expiration: 2018-09-29
Also published as: JP3452675B2

Abstract

(57)【要約】【目的】耐摩耗性と靱性の両方に優れた硬質皮膜を被
覆した摺動部材を提供する。【構成】ピストンリング１の外周面に硬質皮膜２が被
覆されている。硬質皮膜２は、重量比で、Ｎ３〜１５
％、Ｃ０．５〜５％、ＮとＣの合計が１６％以下、残Ｍ
ｏからなり、窒化モリブデンまたは窒化モリブデンと金
属モリブデンとの複合の結晶構造を有しており、窒化モ
リブデンと金属モリブデンの結晶粒径がそれぞれ１μｍ
未満である。皮膜硬さはビッカース硬さで２１００〜２
６００の範囲にある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐摩耗性と靱性とに優
れた摺動部材に関し、例えばピストンリング等の内燃機
関用摺動部材に適用して有効なものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、エンジンの高出力化や排ガス規制
の対応に伴って、ピストンリングの使用環境がますます
苛酷になっているため、摺動面の表面処理として従来使
用されている硬質Ｃｒめっきや窒化処理では耐久性能を
満足できないエンジンが多くなってきた。

【０００３】この状況に対処するため、ＰＶＤ法を利用
した窒化チタン皮膜や窒化クロム皮膜を被覆したピスト
ンリングが提案されている。また、更に、窒化モリブデ
ン皮膜を被覆したピストンリング（特開平２−１３４４
６８号、特開平６−１７９３３号、特開平６−２５８２
６号参照）や、窒化クロムに酸素または炭素を固溶させ
た皮膜を被覆したピストンリング（特開平６−８１９５
２号、特開平６−２６５０２３号、特開平６−３００１
３０号参照）が提案されている。特開平２−１３４４６
８号等においては、プロセスガス中に酸素を意図的に混
合させないので、これらにおける窒化モリブデン皮膜中
の酸素の固溶量は０．１％以下である。

【０００４】更に、金属モリブデン中に炭化物、窒化物
あるいは酸化物からなる硬質粒子を分散させた溶射皮膜
が知られているが、これらは硬質粒子あるいは金属粒子
が１μｍ以上の複合組織であり、摺動部の耐脱落性およ
び皮膜の密着性が劣る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】窒化モリブデン皮膜は
非常に硬くて耐摩耗性に優れているが、脆い性質がある
ため、摺動による過度の繰り返し応力を受けると皮膜に
欠けやクラックが発生し、その欠けまたはクラックが進
行して剥離に到る場合がある。

【０００６】また、窒化クロムに酸素または炭素を固溶
させた皮膜は靱性が窒化モリブデン皮膜よりも良好であ
るが、窒化モリブデン皮膜よりも耐摩耗性が劣る。

【０００７】本発明の目的は、耐摩耗性と靱性の両方に
優れた硬質皮膜を被覆した摺動部材およびその製造方法
を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、少なくとも摺
動面に硬質皮膜が被覆されている摺動部材であって、前
記硬質皮膜が、重量比で、Ｎ３〜１５％、Ｃ０．５〜５
％、ＮとＣの合計が１６％以下、残Ｍｏからなり、窒化
モリブデン（Ｍｏ_XＮ_Y）または窒化モリブデン（Ｍｏ
_XＮ_Y）と金属モリブデン（Ｍｏ）との複合の結晶構造
を有しており、前記窒化モリブデン（Ｍｏ_XＮ_Y）およ
び金属モリブデン（Ｍｏ）の結晶粒径がそれぞれ１μｍ
未満であることを特徴とする。

【０００９】なお、上記において、Ｎの含有量は下限が
６重量％、上限は１１重量％がより好ましく、Ｃの含有
量は下限が１重量％、上限は４重量％がより好ましく、
ＮとＣの含有量の合計の上限は１２重量％がより好まし
い。

【００１０】また、窒化モリブデンおよび金属モリブデ
ンの各結晶粒径は０．１μｍ未満がより好ましい。

【００１１】硬質皮膜の硬さはビッカース硬さ（ＨＶ）
で２１００〜２６００が好ましく、硬さの下限はＨＶ２
２００、上限はＨＶ２４００がより好ましい。

【００１２】上記硬質皮膜はＰＶＤ法により被覆するこ
とができる。なお、ＰＶＤ法には蒸着法、スパッタリン
グ法、イオンプレーティング法がある。

【００１３】

【作用】本発明の摺動部材は硬質皮膜が窒化モリブデン
または窒化モリブデンと金属モリブデンからなることに
より、耐摩耗性に優れており、さらに、炭素が固溶され
ていることによって靱性にも優れる。

【００１４】上記において、Ｎが３重量％未満では硬さ
が低下するため耐摩耗性が悪く、１５重量％を越えると
脆くなって耐クラック性が悪い。

【００１５】また、Ｃが０．５重量％未満ではＣ固溶の
効果がなく、耐クラック性が悪く、５重量％を越えると
脆くなって耐クラック性が悪い。

【００１６】また、ＮとＣの合計が１６重量％を越える
と、脆くなるため耐クラック性が劣る。

【００１７】窒化モリブデンおよび金属モリブデンの結
晶粒径が１μｍ以上であると、摺動部の耐脱落性および
皮膜の密着性が劣る。

【００１８】また、硬質皮膜の硬さは、ビッカース硬さ
２１００未満では耐摩耗性が劣り、ビッカース硬さ２６
００を越えると脆くなるため、耐クラック性が悪い。

【００１９】

【実施例】図１は本発明の一実施例であるピストンリン
グの一部分を示す縦断面図である。本実施例におけるピ
ストンリング１は鋼、鋳鉄、チタンあるいはチタン合金
等で形成されている矩形断面リングである。ピストンリ
ング１の外周面にはアークイオンプレーティングによっ
て硬質皮膜２が被覆されている。硬質皮膜２は、重量比
で、Ｎ３〜１５％、Ｃ０．５〜５％、ＮとＣの合計が１
６％以下、残Ｍｏからなり、窒化モリブデン（Ｍｏ_XＮ
_Y）または窒化モリブデン（Ｍｏ_XＮ_Y）と金属モリブ
デン（Ｍｏ）との複合の結晶構造を有しており、窒化モ
リブデン（Ｍｏ_XＮ_Y）および金属モリブデン（Ｍｏ）
の結晶粒径がそれぞれ１μｍ未満である。また、硬質皮
膜２はビッカース硬さが２１００〜２６００の範囲にあ
る。硬質皮膜２の膜厚は１μｍ〜８０μｍが好適であ
る。

【００２０】アークイオンプレーティング法はイオンプ
レーティングの一つで、真空アーク放電を利用して、陰
極の皮膜材料を蒸気化、イオン化して、被コーティング
物の表面に皮膜を形成するものである。このアークイオ
ンプレーティング法は蒸気のイオン化率が高く、緻密で
密着性に優れた皮膜が得られる特長がある。

【００２１】図２に基づいて、アークイオンプレーティ
ング装置の基本的構成を説明する。真空チャンバ１０内
に、皮膜を形成する材料からなる陰極（蒸発源）１１
と、皮膜が形成される被コーティング物１２が設置され
ている。陰極（蒸発源）１１は真空チャンバ１０の外側
に設置されているアーク供給源１３に接続されており、
アーク供給源１３には図示外の陽極が接続されている。
被コーティング物１２にはバイアス電圧供給源１４によ
って負のバイアス電圧が印加されるように構成されてい
る。真空チャンバ１０にはプロセスガスの供給源に接続
されているガス入口１５と、ポンプに接続されている排
気口１６とが設けられている。

【００２２】したがって、真空チャンバ１０内におい
て、陰極（蒸発源）１１と陽極との間でアーク放電が起
こされると、アークは陰極（蒸発源）１１の表面上にア
ークスポットを形成し、陰極（蒸発源）１１の表面上を
ランダムにかつ高速に移動する。アークスポットに集中
するアーク電流（数十〜数百Ａ）のエネルギーにより、
陰極（蒸発源）１１の材料は瞬時に蒸発すると同時に金
属イオン１７となり、真空中に飛び出す。一方、バイア
ス電圧が被コーティング物１２に印加されることによ
り、金属イオン１７は加速され、反応ガス粒子１８とと
もに被コーティング物１２の表面に密着し、緻密な皮膜
が生成される。

【００２３】本発明においては、上記アークイオンプレ
ーティング装置において、陰極（蒸発源）１１の材料と
してＭｏ金属が使用され、プロセスガスとして窒素ガス
とメタンガスとが使用されることにより、被コーティン
グ物１２としてのピストンリングに、窒化モリブデンま
たは窒化モリブデンと金属モリブデンとの複合の結晶構
造中に炭素が固溶された硬質皮膜を被覆することができ
る。

【００２４】窒素と炭素の合計量の濃度のコントロール
は、イオンプレーティングの際の真空チャンバ１０の内
圧を０．５〜１０ｍＴｏｒｒの範囲で調節することによ
って行うことができる。

【００２５】炭素の濃度のコントロールは、イオンプレ
ーティングの際のメタン分圧を０．１〜３ｍＴｏｒｒの
範囲でコントロールすることによって行うことができ
る。メタン分圧を高くすると、炭素の濃度が上昇する。

【００２６】皮膜硬度のコントロールは、イオンプレー
ティングの際の炭素分圧およびバイアス電圧（３〜２０
０Ｖ）をコントロールすることによって行うことができ
る。炭素分圧を高くすると、硬度は上昇する。また、バ
イアス電圧を高くすると、硬度は上昇する。

【００２７】硬質皮膜２の耐摩耗性を評価するために、
図３に示す往復動摩擦試験機を使用して耐摩耗性試験を
行った。

【００２８】図３に示す往復動摩擦試験機の概要を説明
すると、ピストンリングに対応するピン状の上試験片２
０は、固定ブロック２１により保持され、上方から油圧
シリンダ２２により下向きの荷重が加えられて、後述す
る下試験片２３に押接される。一方、シリンダに対応す
る矩形の平盤形状の下試験片２３は可動ブロック２４に
より保持され、クランク機構２５により往復動せしめら
れる。２６はロードセルである。

【００２９】上試験片２０の摩耗量は図４（ａ）に示す
如く、上試験片２０の試験前形状２７と試験後形状２８
を測定し、その差を測定することにより算出する。下試
験片２３の摩耗量は図４（ｂ）に示す如く、摺動部分に
おいて離間する３ケ所Ａ，Ｂ，Ｃの凹み量を測定し、そ
の平均値で示す。

【００３０】試験条件は以下の通りである。１．供試試料Ａ．下試験片：シリンダブロック用鋳鉄製（ＦＣ２５０
相当材）平板（寸法：長さ７０ｍｍ、幅１７ｍｍ、厚さ
１４ｍｍ）の試験面をバフ研磨し、面粗さを０．１μｍ
以下にしたもの。なお、硬さはロックウエル硬さ（Ｈ_R
Ｂ）で９０である。Ｂ．上試験片：ピストンリング用鋼棒（寸法：直径８ｍ
ｍ、長さ２３ｍｍ）の端面を半径１８ｍｍの球面仕上げ
したもの。鋼棒はマルテンサイト系１７Ｃｒステンレス
材からなり、鋼棒の表面に表１および表２に記載の硬質
皮膜（比較例：１〜９、実施例：１〜９）を被覆した。
なお、窒化モリブデンおよび金属モリブデンの結晶粒径
はそれぞれ０．１μｍ未満であった。

【００３１】硬質皮膜中の炭素の測定は主としてＥＰＭ
Ａで行い、また、ＥＳＣＡでも確認した。

【００３２】２．摩耗試験条件ならし：５０Ｎ×１００ｃｐｍ×５ｍｉｎ本試験：２００Ｎ×６００ｃｐｍ×６０ｍｉｎ潤滑：軽油相当粘度油

【００３３】表１および表２に、上記の往復動摩擦試験
を行った結果を示す。

【００３４】

【００３５】（注）硬質皮膜の組成は窒素および炭素の他はモリブデンである。

【００３６】表１および表２の試験結果に示されている
ように、実施例の硬質皮膜は自身の摩耗量および相手の
摩耗量が少なく、摺動時の耐摩耗性が優れていることが
わかる。

【００３７】次に、硬質皮膜２の靱性を評価するため
に、ファンデアホルスト摩擦試験機を使用して皮膜靱性
試験を行った。ファンデアホルスト摩擦試験機を使用し
て行う試験の概要を図５に基づいて説明する。

【００３８】ピストンリング１が、水平軸を中心に回転
するロータ（鋳鉄材：ＪＩＳＦＣ２５０）３０の外周
面３１の上端にロータ３０の軸心に沿って配設され、ピ
ストンリング１に荷重Ｐが作用されてロータ３０の外周
面３１上に押接される。この状態で、ピストンリング１
とロータ３０の接触部分に潤滑油を供給しながらロータ
３０を回転させる。５０〜１８０Ｎの範囲で５Ｎ毎の荷
重で試験を行い、試験後の観察により硬質皮膜に損傷
（欠けやクラック）が認められた最小荷重を皮膜損傷発
生荷重とした。

【００３９】試験は表１および表２に示す硬質皮膜（比
較例：１〜９、実施例：１〜９）を被覆したピストンリ
ングについて行った。

【００４０】試験条件は下記の通りである。荷重：５０〜１８０Ｎ（５Ｎ毎）回転数：１０００ｒｐｍ時間：３ｍｉｎ潤滑：１０ｗディーゼルエンジンオイル

【００４１】表３および表４に、上記のファンデアホル
スト摩擦試験機を使用して行った試験結果を示す。

【００４２】

【００４３】（注）硬質皮膜の組成は窒素および炭素の他はモリブデンである。

【００４４】表３および表４の試験結果に示されている
ように、実施例の硬質皮膜は皮膜損傷発生荷重が大き
く、摺動時の皮膜靱性が優れていることがわかる。

【００４５】次に、表１および表２に示す硬質皮膜（比
較例：１，２，６，８，９、実施例：１，５，８）を外
周面に被覆したピストンリングをエンジンテストに供し
た。すなわち、シリンダ径８６ｍｍの直列４気筒ディー
ゼルエンジンに前記ピストンリングを組み込み、全負荷
の条件で３００時間の耐久試験を行った。

【００４６】表５に、上記の耐久試験を行った結果を示
す。

【００４７】

【００４８】表５の試験結果に示されているように、本
実施例のピストンリングは硬質皮膜に欠けやクラックの
発生は無く、皮膜摩耗量も少なく、耐摩耗性および靱性
に優れていることがわかる。

【００４９】なお、上記実施例ではピストンリングの外
周面に硬質皮膜を被覆した例を示したが、硬質皮膜はピ
ストンリングの外周面と上下面、さらには外周面と上下
面と内周面とに被覆するようにしてもよい。

【００５０】また、上記実施例ではピストンリングに硬
質皮膜を被覆した例を示したが、硬質皮膜はピストンリ
ングに被覆するに限らず、他の摺動部材、例えば内燃機
関の動弁系部品であるタペットやカム等の少なくとも摺
動面に被覆すれば有効である。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の摺動部材
における硬質皮膜は耐摩耗性と靱性が優れている。した
がって、本発明を例えばピストンリングに適用すること
によって、苛酷な条件下においても充分な耐久性を具備
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるピストンリングの一部
分を示す縦断面図である。

【図２】アークイオンプレーティング装置の構成を説明
する図である。

【図３】往復動摩擦試験機の概要を示す正面図である。

【図４】（ａ）は上試験片の摩耗量算出説明図、（ｂ）
は下試験片の摩耗量算出説明図である。

【図５】（ａ）はファンデアホルスト摩擦試験機の概要
を示す一部断面正面図、（ｂ）は同側面図である。

【符号の説明】

１ピストンリング２硬質皮膜１０真空チャンバ１１陰極（蒸発源）１２被コーティング物１３アーク供給源１４バイアス電圧供給源１５ガス入口１６排気口１７金属イオン１８反応ガス粒子２０上試験片２１固定ブロック２２油圧シリンダ２３下試験片２４可動ブロック２５クランク機構２６ロードセル２７上試験片の試験前形状２８上試験片の試験後形状３０ロータ３１ロータ外周面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも摺動面に硬質皮膜が被覆され
ている摺動部材であって、前記硬質皮膜が、重量比で、Ｎ３〜１５％、Ｃ０．５〜
５％、ＮとＣの合計が１６％以下、残Ｍｏからなり、窒
化モリブデンまたは窒化モリブデンと金属モリブデンと
の複合の結晶構造を有しており、前記窒化モリブデンお
よび金属モリブデンの結晶粒径がそれぞれ１μｍ未満で
あることを特徴とする摺動部材。
【請求項２】前記硬質皮膜のビッカース硬さが２１０
０〜２６００であることを特徴とする請求項１記載の摺
動部材。
【請求項３】請求項１または２記載の摺動部材の製造
方法であって、前記硬質皮膜をＰＶＤ法により被覆する
ことを特徴とする摺動部材の製造方法。