JP2020193656A - 摺動部材と潤滑油との組み合わせ - Google Patents
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Abstract
Description
基材1としては、ピストンリング10の基材として用いられている各種のものを挙げることができ、特に限定されない。例えば、各種の鋼材、ステンレス鋼材、鋳物材、鋳鋼材等を適用することができる。これらのうち、例えばマルテンサイト系ステンレス鋼、ばね鋼であるクロムマンガン鋼(JIS SUP9材、ISO 55Cr3材、AISI 5155材)、クロムバナジウム鋼(JIS SUP10材、ISO 51CrV4材、AISI 6150材)、シリコンクロム鋼(JIS SWOSC−V材、DIN 17223/2−90)、高炭素クロム軸受鋼(JIS G4805、SUJ2鋼)、10Cr鋼等を好ましく挙げることができる。基材1は母材ともいうことができる。
合金皮膜3の下地層2は、基材1に必要に応じて設けられる。下地層2としては、金属下地層(図1(B)参照)や窒化処理層(図示しない)等を挙げることができる。これらの下地層2は、その種類に応じて任意の箇所に設けることができる。例えば、下地層2を、ピストンリング10がシリンダライナー(図示しない)に接触して摺動する外周摺動面11のみに形成してもよいし、その他の面、例えばピストンリング10の上面12、下面13に形成してもよいし、さらに必要に応じて内周面14に形成してもよい。
合金皮膜3は、図1及び図2に示すように、基材1上、又は基材1上に下地層2が設けられている場合には下地層2上、に設けられている。その合金皮膜3は、ピストンリング10(10A,10B,10C,10D)の外周摺動面11に少なくとも設けられていることが好ましい。ピストンリング10の外周摺動面11は、ピストンの摺動の際、相手材であるシリンダライナと接触するので、少なくとも外周摺動面11に合金皮膜3が設けられている。この合金皮膜3を外周摺動面11に少なくとも設けることにより、合金皮膜3は、外周摺動面11以外の面である上面12、下面13に形成されていてもよいし、さらに必要に応じて内周面14に形成されていてもよい。
本発明に係るピストンリング10は、特に潤滑油での実際の摺動時において、摺動面に形成した合金皮膜3の低摩擦性能を向上させて耐摩耗性能を向上させることができ、従来の耐摩耗性皮膜よりも低摩擦で靱性に優れ、クラックや剥離の発生を抑制することができるという効果を奏する。
基材1として、C:1.00質量%、Si:0.25質量%、Mn:0.3質量%、Cr:1.5質量%、P:0.02質量%、S:0.02質量%、残部:鉄及び不可避不純物からなるJIS規格でSUJ2材相当を使用した。基材1は、予め有機溶剤液中で超音波洗浄を行った。
上記実施例1〜13及び比較例3〜10において、合金皮膜3を、中間皮膜3aを成膜せずに厚さ20μmの緻密皮膜3bのみで構成した。それ以外は同様として、実施例1’〜13’及び比較例3’〜10’の合金皮膜を作製した。
(ナノスクラッチ試験)
ナノスクラッチ試験を行った。図3は、摩擦係数の測定で用いたナノスクラッチ試験機の構成原理図であり、(A)は摺動面53での測定態様であり、(B)は非摺動面54での測定態様である。図4は、ナノスクラッチ試験機で測定する前に行うSRV試験とその後の処理手順を示す説明図であり、(A)は摺動試験時の態様であり、(B)は試験後の態様であり、(C)は潤滑油を除去した後の態様である。その結果を図7〜図11に示した。先ず、ディスク直径24mmの基材1(JIS規格のSUJ2材相当)の表面に、上記同様の成膜手段により実施例4及び比較例1〜3の合金皮膜3を成膜した。得られた試験試料を、図4(A)に示すSRV試験(Schwingungs Reihungund und Verschleiss/摩擦摩耗試験)で、所定荷重のボール55を潤滑油56を介してa方向とb方向に往復させた。試験条件は、試験装置としてSRV試験装置(図4(A)参照)を用い、ボールは直径10mmのSUJ2鋼製(JIS G4805、高炭素クロム軸受鋼鋼材)を使用し、荷重を20Nとし、周波数を20Hzとし、摺動距離を5mm(摺動距離)とし、試験時間を60分間とし、試験温度を80℃とし、潤滑油はストロングセーブX0−W20(MoDTCあり)と0W−16(MoDTCなし)を使用した。
吸着力測定を行った。図12は、AFM(原子間力顕微鏡)による吸着力測定の説明図であり、図13は、吸着力測定結果を示すグラフである。測定は、試験試料として、実施例4,比較例1及び比較例2の合金皮膜3を用いた。測定装置は、Bruker AXS社製のNanoscopeV及びDimension ICONを用いた。測定条件は、Peak Force QNMモードで行い、試験試料の前処理としてヘキサン洗浄(超音波洗浄)を行い、測定視野を500nm角(500nm×500nmの四角領域)とし、測定環境をアルゴン雰囲気とした。各試験試料について、500nm角で吸着力を測定し、面全体での平均値を算出した。比較例1の算出値を1(基準値)とし、比較例2及び実施例4の算出値との相対値を「吸着力比」として図13に表した。
摩耗試験は、図5に示すローラーチップ型摩耗試験方法で行った。実施例1〜13及び比較例1〜10で得られたピストンリングと同じ条件で得た測定試料31(縦7mm、横8mm、高さ5mm)を固定片とし、相手材32(回転片)にはドーナツ状(外径40mm、内径16mm、厚さ10mm)のものを用い、測定試料31と相手材32を接触させ、荷重Pを負荷して行った。各測定試料31を用いた摩擦係数試験条件は、潤滑油33:マシンオイル(動粘度は、100℃で1.01、40℃で2.2)、油温:室温、回転数:200rpm、荷重:588N、試験時間:3時間の条件下で、ボロン鋳鉄を相手材32として行った。滴下チューブ34からのオイル滴下速度は0.04mL/分とした。なお、ボロン鋳鉄からなる相手材32は、所定形状に研削加工した後、研削砥石の細かさを変えて順次表面研削を行い、最終的に算術平均粗さRaで0.02〜0.04μmRz(JIS B0601(2001)に準拠。)となるように調整した。
スクラッチ試験は、図6に示すスクラッチ試験機で行った。スクラッチ試験では、皮膜剥離が発生する限界荷重を求めて、剥離耐性を表すスクラッチ比(耐剥離荷重比)を評価した。スクラッチ試験は、皮膜が形成された摺動面に対して平行(水平)に加わる力に対する試験方法であり、図6に示すスクラッチ試験装置20(アントンパール社製、型名:レベテストスクラッチテスタ RST3)を使用して実施した。図6に示すスクラッチ試験装置20は、テーブル22上に載せた試料23(13mm×13mm×厚さ5mm)上から圧子21を押し当て、その状態で試料23を移動させ、そのときにAE(アコースティックエミッション)検出器24で検知するための装置である。ここでは、荷重負荷速度:100N/分、テーブル速度:10mm/分、AE感度:1.2、圧子先端:R0.2mm、試験荷重:0〜100N、試験距離:5mm、試験片材質:SKH51の条件で測定した。評価は、スクラッチ試験によるAE発生を検知した時の荷重を剥離荷重(スクラッチ荷重)とした。
2 下地層
2’ 窒化層
3 合金皮膜
3a 第1合金皮膜(中間皮膜)
3b 第2合金皮膜(緻密皮膜)
10,10A,10B,10C ピストンリング
11 摺動面(外周摺動面)
12 上面
13 下面
14 内周面
20 スクラッチ試験装置
21 圧子
22 テーブル
23 試料
24 検出器
30 摩耗試験機
31 測定試料
32 相手材
33 潤滑油
34 滴下チューブ
51 カンチレバー
52 圧子
53 摺動部
54 非摺動部
55 ボール
56 潤滑油
F 荷重
Claims (5)
- 摺動部材と該摺動部材の摺動時に使用する潤滑油との組み合わせであって、
前記摺動部材は、摺動面に設けられたCr−B−(Mn,Mo)−N系の合金皮膜を有し、該合金皮膜は、前記Mn及びMoの一方又は両方を含み、前記Mnと前記Moの含有量の合計が2質量%以下の範囲内であり、
前記潤滑油は、Moを含有する、ことを特徴とする摺動部材と潤滑油との組み合わせ。 - 摺動部材と該摺動部材の摺動時に使用する潤滑油との組み合わせであって、
前記摺動部材は、摺動面に設けられたCr−B−(Mn,Mo)−N系の合金皮膜を有し、該合金皮膜は、前記Mn及びMoのうち少なくともMoを含み、前記Mnと前記Moの含有量の合計が2質量%以下の範囲内であり、
前記潤滑油は、Moを含有しない、ことを特徴とする摺動部材と潤滑油との組み合わせ - B含有量が0.1質量%以上1.5質量%以下の範囲内であり、N含有量が30質量%以上40質量%以下の範囲内であり、残部がCr及び不可避不純物である、請求項1又は2に記載の摺動部材と潤滑油との組み合わせ。
- VとTiをさらに含有し、前記Vの含有量が0.05質量%以上1質量%以下の範囲内であり、前記Tiの含有量が0.05質量%以上1.5質量%以下の範囲内である、請求項3に記載の摺動部材と潤滑油との組み合わせ。
- 前記摺動部材が、内燃機関用ピストンリングである、請求項1〜4のいずれか1項に記載の摺動部材と潤滑油との組み合わせ。
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