JPH0931628A

JPH0931628A - 摺動部材およびその製造方法

Info

Publication number: JPH0931628A
Application number: JP20853595A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Komuro; 寿朗小室
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1995-07-25
Filing date: 1995-07-25
Publication date: 1997-02-04
Also published as: CN1154420A; GB9615539D0; GB2303640A; DE19630149A1; DE19630149C2; CN1068638C

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】ＣｒＮおよびＣr₂Ｎを主成分としてなる窒化
クロム系皮膜を有する耐摩耗性および耐焼付性に優れた
摺動部材およびその製造方法。【解決手段】基材上に、金属クロム組織が点在する窒
化クロムの複合皮膜を被覆することで得られる耐摩耗性
及び耐焼付性に優れた摺動部材。摺動部材はＰＶＤ法に
よりクロム及び窒素を混合した気相と基材を接触させる
ことにより製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＣｒＮおよびＣr₂
Ｎを主成分としてなる窒化クロム系皮膜を有する耐摩耗
性および耐焼付性に優れた摺動部材およびその製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、自動車のエンジン部品、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
理により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、モリブデン溶射処理などの方法がある。しか
し、近年摺動部品の使用条件が苛酷になるに従って、部
品にはより高度な摺動特性が要求されるようになり、従
来の表面処理では対応できない場合が生じてきて、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。このような要請に対し、最近ＰＶＤ（Physical Vap
or Deposition)法により摺動部材の摺動面に金属窒化物
や金属炭化物等の皮膜を被覆することが提案されてい
る。ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＣｒＮ等のＰＶＤ皮膜は、優れた
耐摩耗性、耐焼付性を有しており、特に窒化チタンや窒
化クロムなどが実用化可能な皮膜として注目され、一部
の機械部品やエンジン部品で使用されている。しかし、
現在では使用条件がさらに苛酷になり、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言えな
い状況が生じている。特に摺動運動に加え摺動面に法線
方向の振動運動が相乗し、接触面が離れることが生じる
場合、または摺動運動において法線方向の荷重が変動す
る場合など摺動条件が厳しい使用条件下では、イオンプ
レーティングによる窒化クロム皮膜をはじめとする硬質
皮膜において欠け状剥離が発生し、摺動部材の寿命を短
くすることがある。また使用温度が高かったり、接触荷
重が大きく摺動部分に潤滑油膜が形成されにくい場合な
ど潤滑条件が厳しい使用条件下でも同様な硬質皮膜の欠
け状剥離が観察される。そこで現状の表面処理皮膜より
も耐欠け性及び耐剥離性に優れたセラミックスコーティ
ング皮膜を被覆した摺動部材が望まれている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は以上の観点に
基づいてなされたもので、厳しい使用条件下でも欠けや
剥離が発生せず、同時に充分な耐焼付性、耐摩耗性を有
するクロム窒化物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を目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決すべく鋭
意研究の結果、本発明者は、ＰＶＤ法によりクロムおよ
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ＣｒＮおよびＣr₂Ｎを主成分とし、金属クロム組織が
皮膜中に点在している複合皮膜を形成させ、その際点在
している金属クロム組織の大きさを0.２〜５μm 、金属
クロム組織の面積率が１〜２０％に調整することによ
り、耐摩耗性、耐焼付性に優れさらに欠け状剥離が発生
しにくい摺動部材が得られることを見出し、本発明を完
成した。すなわち、本発明の摺動部材は、ＣｒＮおよび
Ｃr₂Ｎを主成分とし、金属クロム組織が皮膜中に点在し
ている窒化クロム複合皮膜を形成させ、その際点在して
いる金属クロム組織の大きさおよび金属クロム組織の面
積率を限定することを特徴とする。本発明の摺動部材に
おける皮膜は、軟質の金属クロム組織が窒化クロム皮膜
中に均一に点在しているために、高硬度である窒化クロ
ムのみよりなる皮膜に比べ、靱性に優れる。従って、本
部材は欠けや剥離が発生しにくい。

【０００５】金属クロム組織が窒化クロム組織中に点在
する皮膜を形成するために、金属クロム蒸発源を複数個
備えたイオンプレーティング法を使用する。反応ガス分
圧および各々の金属クロム蒸発源と被処理物との距離を
異なるように調整することにより、蒸発クロムと反応ガ
スとの反応速度を制御し、目的とする皮膜を形成する。
反応窒素ガス分圧、金属クロム蒸発源と被処理物の距離
およびアーク電流比を調整することにより皮膜中の金属
クロム組織の量および大きさ、さらに窒化クロムの組成
を適宜調整することが可能である。金属クロム組織の大
きさは、0.２〜５μm 、面積率は１〜２０％の範囲に限
定される。金属クロム組織の大きさが0.２μm 以下、ま
たは面積率が１％以下では金属クロム組織の効果が顕著
でなく、耐欠けおよび耐剥離性の向上がみられない。ま
た金属クロム組織の大きさが５μm 以上では局部的に金
属クロム組織が表面に露呈し耐スカッフ性が窒化クロム
単一組織に比べ低下する。一方、面積率が２０％以上で
は皮膜硬さが低下し、窒化クロム単一組織に比較し耐ス
カッフ性、耐摩耗性とも劣化する。皮膜の全体の厚みは
１〜８０μm であることが好ましい。特に好ましくは２
０〜６０μm である。皮膜の厚みが１μm 未満の場合、
摩耗により皮膜の寿命は短い。一方、皮膜全体の厚みが
６０μm を超える場合、皮膜が剥離したり、皮膜に亀裂
が生じたりして、基材との密着力が低下する。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。皮
膜で被覆する基材は、鉄系材料、アルミ系材料、およ
び、チタン系材料の中から用途により適宜選択する。以
下詳しく説明するＰＶＤ法は、ＣＶＤ（Chemical 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、できれば耐熱性のあ
る鉄系材料およびチタン材料を基材として使用すること
が好ましい。

【０００６】以上が、金属クロム組織が点在する窒化ク
ロム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、窒素ガスの導入前
にイオンプレーティングを行うと基材にクロム金属の下
地層が形成される。このクロム金属の下地層は、熱膨張
率が基材に近く、熱応力の影響を受けにくいため、密着
性が良好で柔軟性に富む。クロム金属の下地層は0.１〜
２μm の厚さに形成するのが好ましい。0.１μm 未満で
は密着性向上の効果が薄く、また２μm を超えてもそれ
以上の効果を得ることはできず、また経済上も好ましく
ない。このように皮膜と基材との間に、密着性および柔
軟性に富む下地層を形成することは、皮膜の剥離防止に
効果がある。

【０００７】

【発明の実施の形態】

【実施例】本発明を以下に、具体的実施例によりさらに
詳細に説明する。本発明において、ＰＶＤ法によりクロ
ムおよ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、スパッタリング、イオンプレーティングの三法
に分類できる。特に、本発明においては、クロムの蒸気
を窒素と反応させて窒化クロム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。ク
ロム蒸気は、ＨＣＤガンや電子ビームなどの高エネルギ
ービームをクロムに照射し、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、およびスパッタリング法のように、陰極からクロム
粒子を飛出させることにより、クロム蒸気を得てもよ
い。そのクロム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、クロムはイオン化し、窒化イオンと結
合し窒化クロムを生成する。その結果、基材表面に窒化
クロムの皮膜が形成される。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。

【０００８】図１に本発明に用いられるイオンプレーテ
ィング装置の一例を示す。この装置は、反応窒素ガス入
口２２、排気口２３を有する真空容器２４を備え、真空
容器２４内にアーク電源２５の陰極に接続された第一タ
ーゲット２６とアーク電源２７の陰極に接続された第二
ターゲット２８が配置されている。第一および第二ター
ゲットには金属クロムがセットされている。第一ターゲ
ットと第二ターゲットは、被処理物よりの距離が異なっ
て設置されている。さらに、真空容器２４内には、バイ
アス電源２９に接続された回転テーブル３０が配置され
テーブル上には、被処理物３１が設置されている。次
に、このイオンプレーティング装置を用いて、被処理物
３１に本発明皮膜を形成する方法について説明する。ま
ず、被処理物３１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容
器２４内に挿入した後、排気口２３より排気する。容器
内圧力が1.３×１０^-3〜５×１０^-3Ｐａになるまで真空
引きを行なってから、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在ガスを放
出させる。加熱温度は３００〜５００℃とするのが好ま
しい。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クロムを陰極として、その表面
でアーク放電を発生させクロムを飛び出させる。この
際、被処理物３１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板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〜−９００Ｖとするのが好
ましい。その後バイアス電圧を低下させ、クロムイオン
を基材表面に堆積させながら、窒素ガスを容器内に導入
し、プラズマ内を通過させて、窒素をイオン化する。こ
の際、窒素分圧を1.３×１０^-1〜１3.３Ｐａ程度にし
て、バイアス電圧を０〜−１００Ｖ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。この皮膜形成
時において、第一ターゲットより蒸発したクロム粒子
は、被処理物との距離が短いので、反応ガスの窒素分子
と衝突する確率は低く、またプラズマ中を通過する時間
が短いのでイオン化しにくく、ガス分圧と距離の選択に
よっては、金属のまま被処理物上に析出することができ
る。また第二ターゲットより蒸発したクロム粒子は、該
第一ターゲットより被処理物との距離が長いので、ガス
分圧とワーク距離との選択によりＣr₂Ｎ、Ｃr₂Ｎ＋Ｃｒ
Ｎの混合皮膜、ＣｒＮを析出することができる。すなわ
ち、ガス分圧を適宜選択し、第一ターゲットを金属クロ
ムの析出する距離に、第二ターゲットを窒化クロムの析
出する距離に配置することにより、金属クロムと窒化ク
ロムからなる複合組成の皮膜を形成することができる。
また、個々のターゲットに流すアーク電流値、ターゲッ
トと被処理物の距離を適当に設定することにより金属ク
ロム組織と窒化クロム組織の複合比を変化させたり、点
在する金属クロム組織の大きさおよび面積比を制御する
ことができる。以下に具体的な実施例によりその作用お
よび効果を説明する。前述した方法により、材質がＳＵ
Ｓ４４０材のテストピース表面に金属クロム組織が点在
した種々の窒化クロム複合皮膜を作成した。第一ターゲ
ットの被処理物との距離は約５０mmであり、これは予備
実験の結果金属クロムが析出することを確認しており、
また金属クロム組織の大きさはアーク電流に比例するこ
とも確認した。金属クロム組織の面積率は、二個のアー
ク電流比により調整できる。さらに第二ターゲットの被
処理物との距離は約２００mmとした。窒素分圧によって
組成は異なり、窒素分圧が高くなるにつれてＣr₂Ｎ、Ｃ
r₂Ｎ＋ＣｒＮの混合皮膜、ＣｒＮと変化する。皮膜の組
成は、Ｘ線回折により、金属クロム組織の大きさと面積
率はＥＰＭＡで、また皮膜硬さはマイクロビッカース硬
度計で測定した。本発明部材の作成条件と測定結果を表
１に示した。

【０００９】

【表１】

【００１０】なお比較例として、従来から公知である窒
化クロム皮膜を作成しその性質を同様に測定した（比較
例１〜３）。さらに金属クロム組織が窒化クロム皮膜中
に点在するが、金属クロム組織の大きさおよび面積率が
不適当な例についても比較した（比較例４〜６）。それ
らの作成条件と測定結果を表２に示した。

【００１１】

【表２】

【００１２】〔耐焼付性〕本発明材料の耐焼付性を評価
する。ＳＫＤ６１材からなり、縦５mm×横５mm×高さ５
mmのピン状突起１０（図２、図３参照）を同心円上に等
間隔に三個配置した試験片５を用いて、５mm角の正方形
端面に本発明による皮膜を厚さ２０〜３０μm 形成した
試験片を作成して、超高圧摩耗試験機によって耐焼付性
試験を行なった。前述した方法により形成した実施例皮
膜と比較例皮膜について試験を実施した。さらに比較例
として、試験片の５mm角の端面に厚さ１００μm のクロ
ムめっき皮膜（比較例７）を形成した試験片を用いて同
様な試験を追加した。本試験に用いた超高圧摩耗試験機
の装置と試験条件は次の通りである。試験装置は図２お
よび図２のＡ−Ａ矢視断面図である図３に要部を図解的
に示すものであって、ステータホルダ１に取外し可能に
取り付けられた直径８０mm×厚さ１０mmの研磨仕上げを
施した円盤２（相手材）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。ステータホルダ１には図
示しない油圧装置によって図において右方に向けて所定
圧力で押圧力Ｐが作用するようにしてある。円盤２に相
対向してロータ４があり、図示しない駆動装置によって
所定速度で回転するようにしてある。ロータ４には試験
片５が表面処理層を形成した５mm角の正方形の端面を摺
動面として円盤２に対し摺動自在に取り付けてある。こ
のような装置において、ステータホルダ１に所定の押圧
力Ｐをかけ、所定の面圧で円盤２と試験片５のピン状突
起１０とが接触するようにしておいて、注油口３から摺
動面に所定給油速度で給油しながらロータ４を回転させ
る。一定時間毎にステータホルダ１に作用する圧力を段
階的に増加していき、ロータ４の回転によって試験片５
と相手の円盤２との摩擦によってステータホルダ１に生
ずるトルクＴをステンレスファイバー６を介してロード
セル７に作用せしめ、その変化を動歪計８で読取り、記
録計９に記録させる。トルクＴが急激に上昇したとき焼
付が発生したものとして、この時の接触面圧をもって耐
焼付特性の良否を判断する。相手材としては、鉄系ＦＣ
２５０材を用いた。試験条件は次の通りである。摩擦速度：８ｍ／秒相手材：ＦＣ２５０材接触面圧：２０kgｆ／cm²でならした後、焼付発生まで
１０kgｆ／cm²ずつ増圧。各面圧に３分間保持。潤滑油：モーターオイル＃３０油温８０℃、供給量２５０cc／分試験結果を表３に示した。

【００１３】

【表３】

【００１４】ＦＣ２５相手で本発明品は接触面圧２８１
から２９０kgｆ／cm²で焼付が発生した。比較品のクロ
ムめっきの耐焼付面圧２５３kgｆ／cm²以上であり、耐
焼付性が優れているＣｒＮ単一皮膜（比較例３）と同等
である。金属クロム組織が窒化クロム皮膜に点在して
も、金属クロム組織が大きくその面積率が大きいと効果
は小さい（比較例６）。

【００１５】〔耐摩耗性〕科研式摩耗試験機により本発
明材料の腐蝕摩耗試験を実施した。基板材質がＳＫＤ−
６１材で、形状は縦５mm×横５mm×長さ２０mm、長手方
向の一方の先端をＲ６mmの曲面とした試験片を用い、前
述した実施例、比較例皮膜を試験片の先端に２０〜３５
μm の厚さで被覆した。さらに比較例として試験片先端
Ｒに厚さ１００μm のクロムめっき試験片を用いて同様
な試験を行なった。（比較例７）試験は、表面処理を施した試験片の先端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、所定速度で回転する。潤滑
は、ＰＨ＝２に調整した硫酸水溶液を接触部に一定量滴
下して行ない、酸性雰囲気とした。試験条件は次の通り
である。摺動相手材：ＦＣ２５０材摩擦速度：0.２５ｍ／秒摩擦時間：６時間接触荷重：４kg 雰囲気：摺動部にＰＨ＝2.０に調整した硫酸水溶液
を1.５cc／分滴下皮膜摩耗量の測定値を表４に示した。

【００１６】

【表４】

【００１７】結果はクロムめっき皮膜の摩耗量を１００
とした相対値で示した。比較例であるクロムめっき品に
比べ、本発明品は摩耗量が１／２０〜１／２５と大幅に
減少しており、耐摩耗性がとくに優れるＣｒＮ単一皮膜
（比較例３）と同等である。金属クロム組織が窒化クロ
ム皮膜に点在しても、金属クロム組織が大きくその面積
率が大きいと効果は小さい（比較例６）。

【００１８】〔耐剥離性〕すべりを伴う転がり疲労試験
機（ローラーピッチング試験機）により本発明部材に被
覆した皮膜の耐剥離性を評価した。試験片の基板材質は
ＳＣＭ４２０材を浸炭処理した材料で、形状はφ２６mm
×２８mmのローラー状でその外周表面に本発明皮膜およ
び比較例皮膜を約５０μm の厚さ処理した。各種皮膜の
膜厚は、被覆時間を調整して揃えた。本試験に用いたピ
ッチング試験機の装置と試験条件は次の通りである。試
験装置は、図４に要部を図解的に示すものであって、φ
２６mm×２８mmの試験片１３を取り付けたテストローラ
ー１１と相対向して負荷ローラー１２があり、所定圧力
で押圧力が作用するようにしてある。テストローラー１
１は、図示しない駆動装置により所定速度で回転するよ
うにしてあり、その試験片１３の外周には表面処理層を
形成する。負荷ローラー１２は、φ１３０×１８の大き
さで、外周はＲ３００mmの形状をして微視的には試験片
１３と点接触し、大きな押圧力をかけられるようになっ
ている。また、負荷ローラー１２はテストローラー１１
に対し図示しない歯車を介し従動し、相対的に滑りなが
ら回転するようになっている。滑り率は試験片周速（Ｕ
１３）と負荷ローラー周速（Ｕ１２）により、（Ｕ１３
−Ｕ１２）／Ｕ１３で表され、任意に選定できる。試験
片１１と負荷ローラー１２の接触部には、図示しない注
油口を通して潤滑油が注がれる。このような装置におい
て、試験片１３に所定の押圧力をかけ、所定の面圧で試
験片１３と負荷ローラー１２とが接触するようにしてお
いて、接触部に所定注油速度で注油しながらテストロー
ラーを所定速度で回転させるとともに、所定滑り率で負
荷ローラー１２を回転させる。試験中定期的に試験片表
面を注意深く観察し、試験片の表面に欠け状剥離が発生
するまでの回転の累計より耐剥離性の良否を判断する。
相手材である負荷ローラーの材質はＦＣ２５０材を用い
た。試験条件は次の通りである。面圧（ヘルツ応力）：１６０kgｆ／mm² 試験片周速：８２ｍ／ｓ滑り率：２０％使用オイル：＃３０（ベースオイル）オイル流量：１２００cc／分オイル温度：８０℃ 試験結果を表５に示した。

【００１９】

【表５】

【００２０】本発明品は、比較例である高硬度窒化クロ
ムに対し、耐剥離性が非常に優れている。比較例４、比
較例５のように金属クロム組織を窒化クロム皮膜中に点
在させても大きさが小さかったり、面積率が低いと剥離
が生じやすい。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明は基材の表面上にＰＶＤ法によりＣｒＮおよびＣ
r₂Ｎを主成分とし、金属クロム組織が皮膜中に点在して
いる複合皮膜を形成させることにより、従来から使用さ
れている硬質皮膜に比較して、耐摩耗性、耐焼付性に優
れさらに欠け状剥離が発生しにくい摺動部材ならびに、
その摺動部材の製造法を提供する。本発明部材は、ピス
トンリング、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】イオンプレーティング装置の概略図である。

【図２】超高圧摩耗試験機の一部破砕説明図である。

【図３】図１のＡ−Ａ矢視からみた断面図である。

【図４】転がり疲労試験機の概要説明図である。

【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試験片のピン状突起（５mm角）１１テストローラー１２負荷ローラー１３試験片２２反応ガス入口２３排気口２４真空容器２５、２７アーク電源２６第一ターゲット２８第二ターゲット２９バイアス電源３０回転テーブル３１被処理物

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【手続補正書】

【提出日】平成８年９月５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１１】

【表２】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属クロムおよび窒化クロムを主成分と
する複合組織を有する皮膜を基材上に被覆してなる摺動
部材であって、前記皮膜中の点在する金属クロム組織の
大きさが0.２μm から５μm の大きさであることを特徴
とする摺動部材。
【請求項２】金属クロム組織が点在する窒化クロムの
複合皮膜を被覆してなる摺動部材において、点在する金
属クロム組織の皮膜全体に占める面積比率が１〜２０％
であることを特徴とする摺動部材。
【請求項３】請求項１および３の何れか一項に記載の
摺動部材において、皮膜中の窒化クロム組織が、ＣｒＮ
またはＣr₂Ｎおよびその混合である化学組成よりなるこ
とを特徴とする摺動部材。
【請求項４】請求項１から４に記載の摺動部材におい
て、前記皮膜と前記基材との間にクロムからなる下地層
が介在することを特徴とする摺動部材。
【請求項５】摺動部材がピストンリングである請求項
１乃至４の何れか１項に記載の摺動部材。
【請求項６】請求項１から５の何れか一項記載の摺動
部材において、前記皮膜ＰＶＤ法によりクロム及び窒素
を混合した気相と基材を接触させることにより形成する
ことを特徴とする摺動部材の製造方法。