JPH08178069A - Sliding member and manufacture thereof - Google Patents
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- JPH08178069A JPH08178069A JP33626594A JP33626594A JPH08178069A JP H08178069 A JPH08178069 A JP H08178069A JP 33626594 A JP33626594 A JP 33626594A JP 33626594 A JP33626594 A JP 33626594A JP H08178069 A JPH08178069 A JP H08178069A
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Abstract
Description
【０００１】[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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sliding member having excellent wear resistance and toughness, and is effectively applied to a sliding member for an internal combustion engine such as a piston ring.
【０００２】[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。2. Description of the Related Art In recent years, the environment in which piston rings are used has become more and more severe due to higher engine output and compliance with exhaust gas regulations. The number of engines that cannot satisfy durability performance by plating and nitriding has increased.
【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（特開昭５７−５７８６７号参照）が提案され
ている。また、更に、長寿命を実現するために、窒化ク
ロムよりも耐摩耗性の高い窒化モリブデン皮膜を被覆し
たピストンリング（特開平２−１３４４６８号、特開平
６−１７９３３号、特開平６−２５８２６号参照）が提
案されている。In order to cope with this situation, a piston ring coated with a titanium nitride film or a chromium nitride film using the PVD method (see Japanese Patent Laid-Open No. 57-57867) has been proposed. In addition, a piston ring coated with a molybdenum nitride film having higher wear resistance than chromium nitride in order to realize a long life (Japanese Patent Laid-Open Nos. 2-134468, 6-17933, and 6-25826). (See) is proposed.
【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。Further, there is known a thermal spray coating in which hard particles of carbide, nitride or oxide are dispersed in metal molybdenum, but these have a composite structure in which hard particles or metal particles have a size of 1 μm or more. Poor resistance to falling off of moving parts and adhesion of film.
【０００５】[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。The molybdenum nitride film is very hard and has excellent wear resistance, but it has brittle properties. Therefore, when the film is subjected to excessive repetitive stress due to sliding, the film will be chipped or cracked. In some cases, the chipping or cracking progresses, leading to peeling.
【０００６】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。An object of the present invention is to provide a sliding member coated with a hard coating which is excellent in both wear resistance and toughness, and a method for producing the same.
【０００７】[0007]
【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、Ｃｒ１〜２５％、Ｎ４〜１
５．５％、残Ｍｏからなる皮膜であり、少なくとも窒化
モリブデン（ＭｏX ＮY ）と窒化クロム（ＣｒXＮY ）
とを含み、皮膜硬さがビッカース硬さ（ＨＶ）で１６０
０〜２６００であり、結晶粒径が１μｍ未満であること
を特徴とする。The present invention is a sliding member having at least a sliding surface coated with a hard coating, wherein the hard coating has a weight ratio of Cr 1 to 25% and N 4 to 1.
It is a film composed of 5.5% and residual Mo, and at least molybdenum nitride (Mo X N Y ) and chromium nitride (Cr X N Y ).
Including, and the film hardness is 160 Vickers hardness (HV)
It is 0 to 2600, and the crystal grain size is less than 1 μm.
【０００８】なお、上記において、Ｃｒの含有量は下限
が５重量％、上限は１５重量％がより好ましく、Ｎの含
有量は下限が６．５重量％、上限は１３．０重量％がよ
り好ましい。In the above, the lower limit of the Cr content is more preferably 5% by weight and the upper limit thereof is preferably 15% by weight. The lower limit of the N content is 6.5% by weight and the upper limit thereof is more preferably 13.0% by weight. preferable.
【０００９】また、皮膜硬さはビッカース硬さで、下限
が１７００、上限は２４００がより好ましい。Further, the coating hardness is Vickers hardness, more preferably the lower limit is 1700 and the upper limit is 2400.
【００１０】また、皮膜を形成する窒化モリブデンや窒
化クロム等の結晶粒径は０．１μｍ未満がより好まし
い。It is more preferable that the grain size of molybdenum nitride, chromium nitride or the like forming the film is less than 0.1 μm.
【００１１】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。The hard coating can be coated by the PVD method. The PVD method includes a vapor deposition method, a sputtering method, and an ion plating method.
【００１２】例えばイオンプレーティング法で上記硬質
皮膜を被覆する場合には、蒸発源として、Ｍｏ金属から
なる蒸発源、Ｃｒ金属からなる蒸発源、およびＭｏ−Ｃ
ｒ合金からなる蒸発源のうちの少なくとも２つの蒸発源
を設け、各蒸発源におけるアーク電流の大きさを適宜の
値に設定し、窒素雰囲気中で行うことができる。なお、
所定比率のＭｏ−Ｃｒ合金からなる１つの蒸発源を使用
して窒素雰囲気中で行うこともできる。For example, when the above hard coating is coated by the ion plating method, the evaporation sources are Mo metal, Cr metal, and Mo--C.
At least two evaporation sources of the r alloy may be provided, the magnitude of the arc current in each evaporation source may be set to an appropriate value, and the operation may be performed in a nitrogen atmosphere. In addition,
It can also be carried out in a nitrogen atmosphere using one evaporation source consisting of a predetermined ratio of Mo-Cr alloy.
【００１３】[0013]
【作用】本発明の摺動部材は硬質皮膜が窒化モリブデン
と窒化クロムを含んでいるＭｏ−Ｃｒ−Ｎの三元系皮膜
であることにより、耐摩耗性に優れており、窒化クロム
が含まれていることによって靱性にも優れる。The sliding member of the present invention is excellent in wear resistance because the hard film is a ternary film of Mo-Cr-N containing molybdenum nitride and chromium nitride, and thus has excellent wear resistance. Also has excellent toughness.
【００１４】皮膜中のＣｒの含有量は、１重量％未満で
は窒化モリブデンの靱性を向上させる効果がなく、２５
重量％を越えると耐摩耗性が低下する。If the Cr content in the film is less than 1% by weight, the effect of improving the toughness of molybdenum nitride will not be obtained.
If it exceeds 5% by weight, the wear resistance decreases.
【００１５】皮膜中のＮが４重量％未満、あるいは１
５．５重量％を越えると、皮膜の靱性が低下する。N in the coating is less than 4% by weight, or 1
If it exceeds 5.5% by weight, the toughness of the coating is reduced.
【００１６】また、皮膜硬さがビッカース硬さで２６０
０を越えると皮膜靱性が低下し、１６００未満では皮膜
の靱性が低下するとともに、皮膜の摩耗量が多くなり、
耐摩耗性が低下する。The film hardness is 260 in terms of Vickers hardness.
If it exceeds 0, the toughness of the film decreases, and if it is less than 1600, the toughness of the film decreases and the amount of wear of the film increases.
Abrasion resistance decreases.
【００１７】また、皮膜を形成する窒化モリブデンや窒
化クロム等の結晶粒径が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。If the grain size of molybdenum nitride, chromium nitride or the like forming the coating is 1 μm or more, the sliding resistance and the adhesion of the coating are poor.
【００１８】[0018]
【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。1 is a longitudinal sectional view showing a part of a piston ring according to an embodiment of the present invention. The piston ring 1 in this embodiment is a ring having a rectangular cross section made of steel, cast iron, titanium, titanium alloy or the like. A hard coating 2 is coated on the outer peripheral surface of the piston ring 1 by arc ion plating.
【００１９】硬質皮膜２は重量比で、Ｃｒ１〜２５％、
Ｎ４〜１５．５％、残Ｍｏからなる皮膜であり、少なく
とも窒化モリブデン（ＭｏX ＮY ）と窒化クロム（Ｃｒ
X ＮY ）とを含み、皮膜硬さがビッカース硬さで１６０
０〜２６００であり、結晶粒径が１μｍ未満である。そ
して硬質皮膜２の膜厚は５μｍ〜８０μｍが好適であ
る。The hard coating 2 has a weight ratio of Cr 1 to 25%,
It is a film consisting of N4 to 15.5% and residual Mo, and at least molybdenum nitride (Mo X N Y ) and chromium nitride (Cr
X N Y ), the film hardness is 160 Vickers hardness
It is 0 to 2600, and the crystal grain size is less than 1 μm. The film thickness of the hard coating 2 is preferably 5 μm to 80 μm.
【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。The arc ion plating method is one of ion plating methods in which a vacuum arc discharge is used to vaporize and ionize the coating material of the cathode to form a coating on the surface of the object to be coated. . This arc ion plating method has a feature that the ionization rate of vapor is high and a dense and excellent adhesion film can be obtained.
【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。The basic configuration of the arc ion plating device will be described with reference to FIG. In the vacuum chamber 10, a cathode (evaporation source) 11 made of a material forming a film
And the object to be coated 12 on which a film is formed is installed. The cathode (evaporation source) 11 is connected to an arc supply source 13 installed outside the vacuum chamber 10,
An anode (not shown) is connected to the arc supply source 13.
A negative bias voltage is applied to the object to be coated 12 by a bias voltage supply source 14. The vacuum chamber 10 is provided with a gas inlet 15 connected to a process gas supply source and an exhaust port 16 connected to a pump.
【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。Therefore, when an arc discharge is generated between the cathode (evaporation source) 11 and the anode in the vacuum chamber 10, the arc forms an arc spot on the surface of the cathode (evaporation source) 11, and the cathode ( It moves randomly and at high speed on the surface of the evaporation source) 11. By the energy of the arc current (tens to hundreds of amperes) concentrated at the arc spot,
The material of the cathode (evaporation source) 11 instantly evaporates, and at the same time, it becomes metal ions 17 and jumps out into a vacuum. On the other hand, when a bias voltage is applied to the object to be coated 12, the metal ions 17 are accelerated and adhere to the surface of the object to be coated 12 together with the reaction gas particles 18 to form a dense film.
【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、真空チャンバ１０内にＭｏ金
属からなる陰極（蒸発源）、Ｃｒ金属からなる陰極（蒸
発源）、およびＭｏ−Ｃｒ合金からなる陰極（蒸発源）
のうちの少なくとも２つの陰極（蒸発源）が設置されて
おり（図は２つの陰極を有するものを示してある。）、
プロセスガスとして窒素ガス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、重量
比で、Ｃｒ１〜２５％、Ｎ４〜１５．５％、残Ｍｏから
なり、少なくとも窒化モリブデン（ＭｏX ＮY ）と窒化
クロム（ＣｒXＮY ）とを含み、皮膜硬さがビッカース
硬さで１６００〜２６００であり、結晶粒径が１μｍ未
満である硬質皮膜を被覆することができる。なお、各陰
極（蒸発源）１１におけるアーク電流の大きさは独立し
て調節できるように構成されている。According to the present invention, in the above-mentioned arc ion plating apparatus, a cathode (evaporation source) made of Mo metal, a cathode (evaporation source) made of Cr metal, and a cathode made of Mo—Cr alloy are contained in the vacuum chamber 10. Evaporation source)
Of which at least two cathodes (evaporation sources) are installed (the figure shows one having two cathodes).
By using nitrogen gas as the process gas,
The piston ring as a material to be coated 12, in a weight ratio, Cr1~25%, N4~15.5%, made from the remaining Mo, at least a molybdenum nitride (Mo X N Y) and chromium nitride (Cr X N Y) A hard coating having a Vickers hardness of 1600 to 2600 and a crystal grain size of less than 1 μm can be coated. It should be noted that the magnitude of the arc current in each cathode (evaporation source) 11 can be adjusted independently.
【００２４】上記において、ＣｒとＭｏの成分量は次の
ようにして決定できる。図３はアーク電流と成膜スピー
ドとの関係を示す。陰極（蒸発源）の材料がＭｏ金属
で、バイアス電圧が３０Ｖの場合を示している。なお、
陰極（蒸発源）の材料がＣｒ金属やＭｏ−Ｃｒ合金であ
る場合もほぼ同等の結果を示す。図３に示されているよ
うに、成膜スピードすなわち陰極（蒸発源）の蒸発量は
アーク電流（４０Ａ〜２００Ａ）の増加に伴って略比例
的に上昇している。なお、アーク電流が４０Ａ以下では
アークが発生しない。In the above, the amounts of Cr and Mo components can be determined as follows. FIG. 3 shows the relationship between the arc current and the film forming speed. The case where the material of the cathode (evaporation source) is Mo metal and the bias voltage is 30V is shown. In addition,
Similar results are obtained when the material of the cathode (evaporation source) is Cr metal or Mo-Cr alloy. As shown in FIG. 3, the film formation speed, that is, the evaporation amount of the cathode (evaporation source) increases substantially proportionally as the arc current (40 A to 200 A) increases. No arc is generated when the arc current is 40 A or less.
【００２５】上記で明らかなように、陰極（蒸発源）の
蒸発量はアーク電流の大きさを変更することによって調
整することができる。したがって、ＭｏとＣｒの成分量
の調整は、各陰極（蒸発源）におけるアーク電流の大き
さを調整することによって行える。ＭｏとＣｒの含有量
に対応する、各陰極（蒸発源）におけるアーク電流の大
きさは、図３、およびＣｒ金属蒸発源、Ｍｏ−Ｃｒ合金
蒸発源における図３に対応する図（図示していないが、
前述したように図３と略同じ結果を示す。）に基づいて
容易に決定できる。As is clear from the above, the evaporation amount of the cathode (evaporation source) can be adjusted by changing the magnitude of the arc current. Therefore, the amount of Mo and Cr components can be adjusted by adjusting the magnitude of the arc current in each cathode (evaporation source). The magnitude of the arc current in each cathode (evaporation source) corresponding to the contents of Mo and Cr is shown in FIG. 3 and FIG. 3 in the Cr metal evaporation source and the Mo—Cr alloy evaporation source (illustrated). But not
As described above, the result is almost the same as that of FIG. ) Can be easily determined.
【００２６】表１は、各陰極（蒸発源）の材料と各陰極
におけるアーク電流の大きさの具体的な一例を示してい
る。Table 1 shows a concrete example of the material of each cathode (evaporation source) and the magnitude of the arc current at each cathode.
【００２７】 [0027]
【００２８】また、Ｎの含有量の調整は、窒素雰囲気で
ある真空チャンバ１０内の圧力を０〜２０ｍＴｏｒｒの
範囲で調整することによって行うことができる。The content of N can be adjusted by adjusting the pressure in the vacuum chamber 10, which is a nitrogen atmosphere, within the range of 0 to 20 mTorr.
【００２９】皮膜硬度の調整は、イオンプレーティング
の際のバイアス電圧を５〜２００Ｖ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。バイアス電圧を
高くすると、硬度は上昇する。The coating hardness can be adjusted by controlling the bias voltage during ion plating within the range of 5 to 200V. The hardness increases with increasing bias voltage.
【００３０】以下、硬質皮膜の耐摩耗性および靱性を評
価するために行った各種試験について説明する。Various tests conducted to evaluate the wear resistance and toughness of the hard coating will be described below.
【００３１】表２、表３および表４に、皮膜靱性試験、
耐摩耗性試験、耐久試験に使用する硬質皮膜の組成、Ｃ
ｒ含有量、Ｎ含有量、皮膜硬さを示す。なお、皮膜の成
分はＣｒ、Ｎの他はＭｏである。また、皮膜を形成する
窒化モリブデン、窒化クロム、Ｍｏ、Ｃｒの結晶粒径は
それぞれ０．１μｍ未満であった。In Tables 2, 3 and 4, the film toughness test,
Composition of hard coating used for abrasion resistance test and durability test, C
The r content, the N content, and the film hardness are shown. The components of the coating are Cr and Mo other than N. Further, the crystal grain sizes of molybdenum nitride, chromium nitride, Mo, and Cr that form the film were each less than 0.1 μm.
【００３２】 [0032]
【００３３】 [0033]
【００３４】 [0034]
【００３５】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４に基づいて説明する。In order to evaluate the toughness of the hard coating 2, a coating toughness test was conducted using a van der Horst friction tester. The outline of the test performed using the Van der Horst friction tester will be described with reference to FIG.
【００３６】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：ＪＩＳ ＦＣ２５０）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。そして種々の荷重で試験を行い、ピ
ストンリング１の硬質皮膜を顕微鏡観察（１００倍）
し、損傷（欠けやクラック）が認められたときの荷重を
皮膜損傷荷重とした。The piston ring 1 is arranged along the axis of the rotor 30 at the upper end of the outer peripheral surface 31 of a rotor (cast iron material: JIS FC250) 30 which rotates about a horizontal axis, and the load P is applied to the piston ring 1. It is operated and pressed onto the outer peripheral surface 31 of the rotor 30. In this state, piston ring 1
The rotor 30 is rotated while supplying lubricating oil to the contact portion between the rotor 30 and the rotor 30. Then, the test is performed under various loads, and the hard coating of the piston ring 1 is observed under a microscope (100 times).
However, the load when damage (chip or crack) was observed was defined as the film damage load.
【００３７】測定は表２、表３および表４に示す硬質皮
膜を被覆したピストンリングについて行った。The measurements were carried out on the piston rings coated with hard coatings shown in Tables 2, 3 and 4.
【００３８】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The test conditions are as follows. Load: 50-180N (every 5N) Rotation speed: 1000 rpm Time: 3 min Lubrication: 10 w Diesel engine oil
【００３９】（Ｃｒ含有量と耐クラック荷重）図５に、
Ｃｒ含有量と耐クラック荷重との関係について、上記フ
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
（Ｎ：１０．０％、なお、Ｃｒが１０．０％のものは実
施例３）を示す。(Cr content and anti-crack load) FIG.
Regarding the relationship between the Cr content and the crack resistance load, the test results obtained by using the van der Horst friction tester (N: 10.0%, where Cr is 10.0% is Example 3). Indicates.
【００４０】図５の試験結果に示されているように、Ｃ
ｒ含有量が１．０重量％以上でクラック発生荷重が大き
く、摺動時の皮膜靱性が優れていることがわかる。As shown in the test results of FIG. 5, C
It can be seen that when the r content is 1.0% by weight or more, the cracking load is large and the film toughness during sliding is excellent.
【００４１】（Ｎ含有量と耐クラック荷重）図６に、Ｎ
含有量と耐クラック荷重との関係について、上記ファン
デアホルスト摩擦試験機を使用して行った試験結果（Ｃ
ｒ：１０．０％、なお、Ｎが１０．０％のものは実施例
３）を示す。(N content and crack resistance load) FIG.
Regarding the relationship between the content and the crack resistance load, the test result (C
r: 10.0%, N of 10.0% indicates Example 3).
【００４２】図６の試験結果に示されているように、Ｎ
含有量が４〜１５．５重量％の範囲でクラック発生荷重
が大きく、摺動時の皮膜靱性が優れていることがわか
る。As shown in the test results of FIG.
It can be seen that when the content is in the range of 4 to 15.5% by weight, the cracking load is large and the film toughness during sliding is excellent.
【００４３】（皮膜硬さと耐クラック荷重）図７に、皮
膜硬さと耐クラック荷重との関係について、上記ファン
デアホルスト摩擦試験機を使用して行った試験結果（Ｃ
ｒ：２５．０％，Ｎ：６．０％、Ｃｒ：１０．０％，
Ｎ：１０．０％、Ｃｒ：１．０％，Ｎ：１５．５％）を
示す。(Film hardness and crack resistance load) FIG. 7 shows the test results (C) of the relationship between the film hardness and crack resistance load, which were obtained by using the above Van der Horst friction tester.
r: 25.0%, N: 6.0%, Cr: 10.0%,
N: 10.0%, Cr: 1.0%, N: 15.5%).
【００４４】図７の試験結果に示されているように、皮
膜硬さがビッカース硬さで１６００〜２６００の範囲で
クラック発生荷重が大きく、摺動時の皮膜靱性が優れて
いることがわかる。As shown in the test results of FIG. 7, it can be seen that the cracking load is large and the coating toughness during sliding is excellent when the coating hardness is in the range of 1600 to 2600 in terms of Vickers hardness.
【００４５】次に、硬質皮膜２の耐摩耗性を評価するた
めに、図８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。Next, in order to evaluate the wear resistance of the hard coating 2, a wear resistance test was conducted using the reciprocating friction tester shown in FIG.
【００４６】図８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。The outline of the reciprocating friction tester shown in FIG. 8 will be described. A pin-shaped upper test piece 2 corresponding to a piston ring is provided.
0 is held by the fixed block 21, a downward load is applied from above by the hydraulic cylinder 22, and is pressed against the lower test piece 23 described later. On the other hand, a rectangular flat plate-shaped lower test piece 23 corresponding to the cylinder is held by a movable block 24 and reciprocated by a crank mechanism 25. Reference numeral 26 is a load cell.
【００４７】上試験片２０の摩耗量は図９（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９（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。As shown in FIG. 9A, the wear amount of the upper test piece 20 is as shown in FIG.
Is calculated and the difference is measured to calculate. As shown in FIG. 9 (b), the amount of wear of the lower test piece 23 is the average value of the amount of dents at three points A, B, and C separated in the sliding portion.
【００４８】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（ＨR
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１８ｍｍＲ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
であり、鋼棒の表面に表２、表３および表４に記載の硬
質皮膜を被覆した。The test conditions are as follows. 1. Test sample A. Lower test piece: Cast iron for cylinder block (FC250
Equivalent material) Buffed the test surface of a flat plate (dimensions: length 70 mm, width 17 mm, thickness 14 mm) to a surface roughness of 0.1 μm.
The following. Note that hardness Rockwell hardness (H R
It is 90 in B). B. Upper test piece: Piston ring steel rod (Dimension: diameter 8 m
m, length 23 mm) with 18 mm R spherical finish on the end surface. The steel rod was a martensitic 17Cr stainless steel material, and the surface of the steel rod was coated with the hard coating shown in Tables 2, 3 and 4.
【００４９】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2. Abrasion test condition Normalization: 50N × 100cpm × 5min Main test: 200N × 600cpm × 60min Lubrication: Light oil equivalent viscosity oil
【００５０】図１０に、上記の往復動摩擦試験を行った
試験結果（Ｎ：１０．０％、なお、Ｃｒが１０．０％の
ものは実施例３）を示す。FIG. 10 shows the test results of the above-mentioned reciprocating friction test (N: 10.0%, wherein Cr is 10.0% is Example 3).
【００５１】図１０の試験結果に示されているように、
Ｃｒの含有量が２５重量％以下で摩耗量が少なく、摺動
時の耐摩耗性が優れていることがわかる。As shown in the test results of FIG.
It can be seen that when the content of Cr is 25% by weight or less, the amount of wear is small and the wear resistance during sliding is excellent.
【００５２】次に、表２、表３および表４に示す硬質皮
膜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、φ８６ｍｍ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２５０時間の耐久試験を行った。Next, the piston rings having the hard coatings shown in Tables 2, 3, and 4 coated on their outer peripheral surfaces were subjected to an engine test. That is, the above-mentioned piston ring was installed in an in-line four-cylinder diesel engine of φ86 mm, and a durability test for 250 hours was performed under full load conditions.
【００５３】図１０に、上記耐久試験を行った摩耗結果
（Ｎ：１０．０％、なお、Ｃｒが１０．０％のものは実
施例３）を示す。FIG. 10 shows the wear results of the above durability test (N: 10.0%, with Cr of 10.0%, Example 3).
【００５４】図１０の試験結果に示されているように、
ピストンリングは硬質皮膜のＣｒ含有量が２５重量％以
下で皮膜摩耗量が少なく、耐摩耗性が優れていることが
わかる。As shown in the test results of FIG.
It can be seen that the piston ring has a small amount of wear of the coating when the Cr content of the hard coating is 25% by weight or less, and is excellent in wear resistance.
【００５５】また、表５、表６および表７に皮膜損傷結
果を示す。Table 5, Table 6 and Table 7 show the results of film damage.
【００５６】 [0056]
【００５７】 [0057]
【００５８】 [0058]
【００５９】表５、表６および表７の試験結果に示され
ているように、本実施例における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、靱性が優れている
ことがわかる。As shown in the test results of Table 5, Table 6 and Table 7, it can be seen that the piston ring in this Example has no cracks or cracks in the hard coating and has excellent toughness.
【００６０】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。In the above embodiment, an example in which the outer peripheral surface of the piston ring is coated with a hard coating, the hard coating covers the outer peripheral surface and the upper and lower surfaces of the piston ring, and further the outer peripheral surface, the upper and lower surfaces and the inner peripheral surface. You may make it coat | cover.
【００６１】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。In the above embodiment, the piston ring is coated with a hard coating. However, the hard coating is not limited to coating the piston ring, and other sliding members such as valve train components of an internal combustion engine may be used. It is effective to cover at least the sliding surface of a tappet or cam.
【００６２】[0062]
【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。As described above, the hard coating in the sliding member of the present invention has excellent wear resistance and toughness. Therefore, by applying the present invention to, for example, a piston ring, sufficient durability can be provided even under severe conditions.
【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。FIG. 1 is a vertical sectional view showing a part of a piston ring according to an embodiment of the present invention.
【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。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of an arc ion plating device.
【図３】アーク電流と成膜スピードとの関係を示すグラ
フである。FIG. 3 is a graph showing the relationship between arc current and film formation speed.
【図４】（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。FIG. 4 (a) is a partial sectional front view showing the outline of a van der Horst friction tester, and FIG. 4 (b) is a side view thereof.
【図５】Ｃｒ含有量とクラック発生荷重との関係を示す
グラフである。FIG. 5 is a graph showing the relationship between the Cr content and the crack generation load.
【図６】Ｎ含有量とクラック発生荷重との関係を示すグ
ラフである。FIG. 6 is a graph showing the relationship between the N content and the crack initiation load.
【図７】皮膜硬さとクラック発生荷重との関係を示すグ
ラフである。FIG. 7 is a graph showing the relationship between film hardness and cracking load.
【図８】往復動摩擦試験機の概要を示す正面図である。FIG. 8 is a front view showing an outline of a reciprocating friction tester.
【図９】（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。FIG. 9A is an explanatory view of the wear amount calculation of the upper test piece, and FIG.
[Fig. 4] is an explanatory diagram for calculating the wear amount of the lower test piece.
【図１０】Ｃｒ含有量と摩耗量との関係を示すグラフで
ある。FIG. 10 is a graph showing the relationship between Cr content and wear amount.
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 1 Piston Ring 2 Hard Film 10 Vacuum Chamber 11 Cathode (Evaporation Source) 12 Coated Object 13 Arc Supply Source 14 Bias Voltage Supply Source 15 Gas Inlet 16 Exhaust Outlet 17 Metal Ion 18 Reactive Gas Particles 20 Upper Specimen 21 Fixed Block 22 Hydraulic Pressure Cylinder 23 Lower test piece 24 Movable block 25 Crank mechanism 26 Load cell 27 Pre-test shape of upper test piece 28 Post-test shape of upper test piece 30 Rotor 31 Rotor outer peripheral surface
Claims (5)
ている摺動部材であって、 前記硬質皮膜が、重量比で、Ｃｒ１〜２５％、Ｎ４〜１
５．５％、残Ｍｏからなる皮膜であり、少なくとも窒化
モリブデンと窒化クロムとを含み、皮膜硬さがビッカー
ス硬さで１６００〜２６００であり、結晶粒径が１μｍ
未満であることを特徴とする摺動部材。1. A sliding member having at least a sliding surface coated with a hard coating, wherein the hard coating has a weight ratio of Cr 1 to 25% and N 4 to 1
It is a film composed of 5.5% and residual Mo, contains at least molybdenum nitride and chromium nitride, has a Vickers hardness of 1600 to 2600 and has a crystal grain size of 1 μm.
The sliding member is less than.
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。2. The method for manufacturing a sliding member according to claim 1, wherein the hard film is coated by a PVD method.
であることを特徴とする請求項２記載の摺動部材の製造
方法。3. The method for manufacturing a sliding member according to claim 2, wherein the PVD method is an ion plating method.
なる蒸発源、およびＭｏ−Ｃｒ合金からなる蒸発源のう
ちの少なくとも２つの蒸発源を有しており、各蒸発源に
おけるアーク電流の大きさを適宜の値に設定し、窒素雰
囲気中でイオンプレーティングを行うことを特徴とする
請求項３記載の摺動部材の製造方法。4. An evaporation source made of Mo metal, an evaporation source made of Cr metal, and an evaporation source made of Mo—Cr alloy, and at least two evaporation sources are provided, and the magnitude of the arc current in each evaporation source is large. 4. The method for manufacturing a sliding member according to claim 3, wherein the thickness is set to an appropriate value and the ion plating is performed in a nitrogen atmosphere.
おり、窒素雰囲気中でイオンプレーティングを行うこと
を特徴とする請求項３記載の摺動部材の製造方法。5. The method for producing a sliding member according to claim 3, further comprising an evaporation source made of a Mo—Cr alloy, and performing ion plating in a nitrogen atmosphere.
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| JP33626594A JP3286097B2 (en) | 1994-12-22 | 1994-12-22 | Sliding member and manufacturing method thereof |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013545893A (en) * | 2010-10-28 | 2013-12-26 | エリコン・トレーディング・アクチェンゲゼルシャフト，トリュープバッハ | Molybdenum monoxide layer and its production method using physical vapor deposition (PVD) |
| JP2019518133A (en) * | 2016-04-07 | 2019-06-27 | エリコン サーフェス ソリューションズ アーゲー、 プフェフィコン | Wear and / or friction reduction using a molybdenum nitride based coating |
-
1994
- 1994-12-22 JP JP33626594A patent/JP3286097B2/en not_active Expired - Fee Related
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| JP2019518133A (en) * | 2016-04-07 | 2019-06-27 | エリコン サーフェス ソリューションズ アーゲー、 プフェフィコン | Wear and / or friction reduction using a molybdenum nitride based coating |
| US11155914B2 (en) | 2016-04-07 | 2021-10-26 | Oerlikon Surface Solutions Ag, Pfäffikon | Wear and/or friction reduction by using molybdenum nitride based coatings |
| JP2022088457A (en) * | 2016-04-07 | 2022-06-14 | エリコン サーフェス ソリューションズ アーゲー、 プフェフィコン | Reduction of wear and/or friction using molybdenum nitride-based coating |
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