CN1492978A - 活塞环及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

开发一种成为设置被膜的活塞环的接缝部的磨损的对策和折损的对策、并且低成本的活塞环的制造方法。活塞环(1)的接缝(7)附近的被膜(2)的厚度比其它的外周面的被膜(2)的厚度更厚。活塞环的原料(5)相对于蒸发源(4)自转，该接缝(7)与蒸发源(4)对向时，速度下降。

Description

说明书 活塞环及其制造方法
技术领域
本发明涉及内燃机用活塞环，更详细地说，涉及改进其外周面的被膜及厚度的内燃机用活塞环及其制造方法。
背景技术
近年来，随着发动机的大功率化以及使其对大气的污染最小的排放气体的对策，活塞环的使用环境日益苛刻，活塞环的外周面的磨损成为问题。作为其对策，改变现有技术中的硬质镀铬被膜及氮化处理，使用通过离子镀在外周面上被覆耐烧熔性和耐磨损性优异的硬质被膜，例如氮化铬及氮化钛等被膜的活塞环。
但是，在使用在外周面上设置作为硬质被膜的这种氮化物的会随后的柴油机中，在燃烧压力高时以及利用大量的EGR(排放气体再循环)进行排放气体的对策时，会产生外周滑动面磨损多的问题，不能长时间保证活塞环的寿命和密封性能。特别是，顶环的接缝部分的外周滑动面，由于高温的燃烧气体通过接缝，所以，润滑情况比其它部分更差，并且由于它是活塞环的端部，所以，由燃烧气体的压力产生的推压气缸内壁的强度比其它部分强，由于这些原因，比其它部分磨损得更严重。
当在接缝部分的外周滑动面上没有利用离子镀设置的硬质被膜时，由于这种磨损，衬底钢材会露出到滑动面上，磨损急剧进行，接缝间隙尺寸增大，导致密封性能的降低。
由接缝尺寸增大引起的密封性能的降低，燃烧气体泄漏到集油盘侧的窜漏气体量增大，促使油的恶化，进而，润滑油漏到燃烧室侧，不仅增大油的消耗量，而且会出现增加排放气体中的硫系成分等环境方面的问题。此外，在硬质被膜因磨损而消失、衬底钢材露出的情况下，发动机烧熔的也危险性增大。
如上面所述，接缝部附近的磨损对策成为很大的课题。作为接缝部的磨损对策，在特许公开2000-120866号公报中提出了通过将接缝部附近的活塞环半径方向的厚度尺寸比气体部分的厚度薄20～30％左右，使接缝端部的自身的张力造成的表面压力减小，保持密封性并防止接缝部的磨损的方案。
但是，顶环在活塞的上止点，爆发燃烧时的压力加在活塞环的背面，以远超过由自身的张力产生的表面压力的表面压力将接缝部推压到气缸的内壁面上。因此，实际上，在前述公报公开的方案中并不能成为充分的对策。
此外，在提高燃烧压力的高负荷柴油发动机机和采用排气制动的发动机中，爆发燃烧时的压力和排气制动动作时，活塞环发生碟形变形，容易引起活塞的环槽磨损。当活塞的环槽磨损时，活塞环的碟形变形进一步增大，由于这种反复的应力活塞环在接缝部的相反侧的应力集中的位置处，容易引起由疲劳造成的折损。
硬质被膜缺乏韧性，容易因应力集中产生裂纹。特别是在硬质被膜的厚度比较厚的情况下，这种倾向变得更加显著。此外，在硬质被膜是利用离子镀形成的氮化物被膜(例如，氮化铬，氮化钛，或者在它们中含有氧，碳，硼等的氮化物)的场合，存在着由于活塞环与气缸内周壁的滑动产生的反复的摩擦力，被膜会由于疲劳而剥离的问题。
为了防止由于这种摩擦力引起的被膜的剥离，通过使偏压变化等，有意地使被膜上具有压缩的残留应力是有效的。在离子镀中，被膜一般地在其生成过程中具有与基板相关地产生压缩应力进行生长、堆积的倾向。但是，当使硬质被膜中残留压缩的残留应力时，在被膜正下方的钢材部分上发生残留的拉应力，在活塞环发生碟形变形的情况下，当把外部应力和残留应力合成时，在被膜正下方大多成为最大的拉应力，如果在其附近具有缺陷等的话，它们将成为疲劳破坏的起点，造成容易引起活塞环的折损的新的问题。硬质被膜的厚度越厚，这种倾向越显著。
此外，和前面所述的一样，在厚的硬质被膜的情况下，除前述问题之外，还会引起成本问题。特别是，在用离子镀形成硬质被膜的场合，装置的价格高，并且成膜速度与电镀及热喷涂等其它反复相比，速度慢生产率低，进而，铬及钛等靶的价格也高，所以，膜的厚度越厚，活塞环的成本越高。
此外，在活塞环中，当原料的组织发生变化时，形状会发生变化。这种变形具有向活塞环的接缝部的自由形状的曲率变大的方向、即直径变小的方向变化的倾向。
因此，成膜在回火稳定以下500℃左右进行，但如前面所述，当被膜残留压缩应力时，即使在原料中不引起组织变化的成膜温度，也会变形，其变形程度在活塞环原料的钢材的耐热性元素少的情况下变得更加显著。从而，在使被膜发生压缩的残留应力时，随着膜厚的增加这一倾向变得特别显著。特别是，由于接缝附近的外周部曲率，基本上等于活塞环的公称直径的曲率，所以，当该部分的曲率变大(曲率连续地变化，缩径)时，产生外周部的接触状态缺陷。
在活塞环的制造工艺中，包括为了将活塞环精加工成规定的公称外径尺寸和形状，或者以平滑外周被膜的粗糙度等为目的，在被覆离子镀被膜之后，置于具有规定的内径的抛光用套筒内，研磨外周的所谓抛光工序。由于上述原因，被覆离子镀被膜的活塞环，在抛光工序中。容易产生在接缝附近的外周部接触状态的缺陷，要达到外周面的完全接触状态不仅需要花费大量的抛光时间，而且在最坏的情况下，即使其它部分的被膜变得不复存在，也不能达到接缝附近的接触状态。
此外，由于抛光用套筒的内周面磨损，抛光用套筒的寿命极短，从而，存在着成本很高的缺点。
发明的概述
鉴于上述问题，本发明的课题是，提供能够同时解决在外周面上设置硬质被膜、特别是离子镀被膜的活塞环的接缝部的磨损问题和折损问题的活塞环及其低成本的制造方法。
本发明提供硬质活塞环，在外周面上被覆硬质被膜的活塞环中，其特征为，硬质被膜保持压缩的残留应力，并且，接缝部附近的硬质被膜的膜厚大于其它的外周面的膜厚。
优选地，接缝附近的膜厚，是其它外周面的膜厚的1.5～4倍。
此外，优选地，硬质被膜是以氮化物为主体的被膜。
根据本发明，进一步提供一种活塞环的离子镀被膜的被覆方法，在活塞环相对于蒸发源自转被覆离子镀被膜的活塞环的离子镀被膜被覆方法中，其特征为，令活塞环接缝部正对蒸发源时或者正对的前后之间的旋转速度，比其它部分正对蒸发源时的旋转速度慢。
进而，根据本发明，提供硬质前述活塞环的制造方法，在前述第一及第二发明所述的活塞环制造方法中，其特征为，将活塞环安装在多个轴上，并且活塞环原料相对于位于公转轴的中心位置处的蒸发源自公转，在活塞环的外周面上被覆离子镀被膜时，在将活塞环原料的接缝部的相位相同的方式安装到各轴上之后，该接缝部正对蒸发源时的自公转速度比其它被覆正对蒸发源时的自公转速度慢。本发明的活塞环的作用和效果如下所述。
(1)由于加在外周上的耐磨损性高的硬质离子镀被膜保留有压缩的应力，所以，即使由与气缸内壁的滑动引起的反复施加的摩擦力，被膜也不会疲劳剥离。
(2)通过在滑动条件恶劣、容易磨损的接缝部附近的外周面上形成较厚的硬质被膜，不会产生像现有技术中那样因硬质被膜消失后衬底钢材露出急剧磨损引起的密封性能降低，也不会发生烧熔的问题。
(3)由于硬质被膜在接缝部之外，其膜厚比接缝部的膜厚薄，所以，即使在被膜上保持残留压缩应力，也不容易引起硬质被膜的缺陷等，因此，可以提高制造供工艺中的成品率。此外，由于被膜薄，在被膜正下方的钢材被覆产生的残留拉应力小，所以，不容易引起活塞环的疲劳破坏。
(4)与在外周侧使膜厚均匀时的情况相比，由于只将易磨损的部分的膜厚加厚，所以，成膜时间短，提高价格昂贵的成膜这种的生产率，靶的消耗少，所以可以提供低成本的活塞环。
(5)提供使接缝附近的被膜的厚度比其它部分的厚度厚，厚出的量相当于由于成膜引起的接缝外周部的曲率增大的量，在抛光工艺中，容易确保与活塞环的接缝外周部的接触状态，所以，提高抛光工艺的生产率，并且，抛光套筒的消耗少，所以，可以进行低成本的生产。
其次，对活塞环的制造反复的作用和效果进行描述。
(1)通过使活塞环接缝部正对蒸发源时或在正的前后期间的旋转速度比其它部分正对蒸发源时的旋转速度慢，与其它部分的膜厚相比，不仅可以使接缝附近的膜厚可以制成任意的厚度，而且，可以使膜厚以任意变化率而且连续地变化。
(2)将活塞环原料安装在多个轴上、并且活塞环原料相对于位于公转中心处的蒸发源自公转，在活塞环的外周面上被覆离子镀被膜时，以活塞环原料的接缝部的相位相同的方式安装到各轴上，通过令该接缝部正对蒸发源时的自公转相对比其它部分正对蒸发源时的自公转速度慢，在安装到各轴上的活塞环原料的外周面上可以很容易形成具有任意膜厚分布的硬质被膜。此外，可以提供在一个处理批次内的偏差少、质量稳定性高、成本低廉的活塞环。
附图的简单说明
图1(a)、是从轴向方向观察时看到的活塞环的平面图，图中，外周被膜的厚度A是接缝部外周部附近的被膜厚度，外周被膜厚度B是接缝外周部附近的被膜厚度，(b)是活塞环的接缝部半径方向剖面图，(c)是接缝部附近的半径方向的剖面图。
图2、是表示制造本发明的活塞环用的离子镀装置的一种实施形式的平面图。
图3、是表示实施例1、2、3的活塞环的自转速度模式的曲线图。
图4、是表示实施例4、5的活塞环的自转速度模式的曲线图。
图5、是表示疲劳试验方法的简图。
图6、是表示比较例和实施例1和4的外周部的疲劳限度的曲线图。
实施发明的最佳形式
下面，详细描述本发明的实施例。
图1、是表示本发明的一个例子的活塞环。图中，(a)从轴向向观察时看到的活塞环1的平面图，(b)是活塞环1的接缝相反部的半径方向剖面图，A表示活塞环被膜2的厚度。(c)是表示接缝部附近半径方向的剖面图，B是活塞环被膜2的厚度。(c)表示接缝附近半径方向剖面图，B是活塞环被膜2的厚度。
下面，描述上述活塞环的具有代表性的制造工艺。
首先，将通过将任意的各种截面形状的钢线材进行卷绕，成形为大致的活塞环的形状。这时的外周面的形状可以是BF(鼓面)偏心BF，半BF。
在进行这种卷绕时，预先成形为对卷绕之后的校直热处理引起的曲率变化进行校正的曲率。该曲率的设定，因活塞环的钢丝的截面形状和最终的环的公称直径和钢丝的的合金组分而变。特别是，钢丝的合金组分的影响很大，在高C％、含有Cr、Mo，V、Nb等回火软化阻力大的成分多的情况下，在卷绕后的校直热处理中，曲率变化少。利用含有这些成分少的弹簧钢这样的钢丝，具有在卷绕后的校直热处理中曲率变化大的特征。
此外，卷绕可以利用数控每次成形一个，但在大量生产的情况下，可以采用具有规定的曲率的范凸轮以仿形的方式一个个进行成形。
将上面所述的制成规定的外周曲率的活塞环原料，进行与其合金组分相称的校直热处理，除去残留应力。这种热处理的条件，根据钢丝的合金组分，通常在450～650℃的温度下，保持30分钟～1小时。
然后，根据需要，进行气体氮化处理及两个侧面的研磨和外周面一面加工及外周面抛光加工。其次，进行酸洗及碱脱脂等清洗，进行外周面的清洁化，安装到离子镀装置的各个轴上。
下面，对形成硬质被膜的离子镀装置和方法进行说明。
图2是从上部观察时看到的离子镀装置3的内部，表示蒸发源4的位置与活塞环原料5的位置关系。与接缝部的一定方向相一致，轴安装到夹具上的活塞环原料5，绕蒸发源4呈放射状以均等的角度配置在12个部位处。轴安装到夹具上的活塞环原料5，利用图中未示出的行星齿轮结构绕蒸发源4进行公转的同时，相对于蒸发源进行自转。
环原料的自转，在活塞环的原料5绕蒸发源4进行一次公转的期间，旋转215/17。公转和自转的齿轮比，并不特别局限于此，以任何比例都没有问题。由于采用行星齿轮方式的自转结构，所以在本装置中，通过转动公转轴，自转轴经由齿轮以上述齿轮比进行旋转。
将接缝部对准一定的方向把清洗完毕的活塞环的原料5进行轴安装的夹具安装到12个轴的每一个上。这时，由于全部12个轴轴安装的活塞环的原料5的相位都是一样的，所以，给轴的活塞环的原料5的接缝部以指向中心蒸发源的方式安装。
用真空泵将腔室6的内部排气，当腔室6内的压力下降到规定压力以下时，一面使活塞环原料5自公转，一面用没有描述的加热器加热到规定的温度。这时，为了均匀加热，各轴的公转速度恒定。
其次，使公知的蒸发源(靶)上通过电弧，开始成膜，为了在几个微米的左右形成均匀的膜厚，令自公转速度恒定进行成膜。然后，控制没有描述的马达的旋转速度，使得在活塞环接缝部指向中心的蒸发源时的旋转速度是除此之外时的速度的1/2～1/4。
由于本装置的各个轴以每进行17/215次公转进行一次自转的齿轮组合而成，所以，以公转轴的17/215次旋转作为一个周期，在此期间，活塞环的接缝部指向蒸发源时的旋转速度成为最大旋转速度，并且，速度连续地以正弦波的波形进行变化，进行使其速度比为2～4倍的周期性的速度控制。
在活塞环的原料5的接缝部正对中心蒸发源时，变成最低的自转速度，然后，向蒸发源的180°的相反方向连续地提高速度，在蒸发源的180°的相反方向处变为最高速度，然后连续地减速，使之在与蒸发源正对的位置处再次变成最低速度。从而，在理论上，在接缝部的膜厚成为最大，并从接缝处起连续地进行变化，到180°的部位处变成最小的膜厚。此外，利用在活塞环的接缝部正对蒸发源的前后的一定的区间内减慢活塞环的自转速度的方法，同样地成膜。
成膜后，装置内的温度冷却到100℃，将容器内部恢复到大气压之后，卸下夹具。从夹具上卸下活塞环，利用抛光机将外周面利用磨粒进行抛光精加工成规定的被膜粗糙度。进而，根据需要，研磨侧面，或者在不进行氮化处理的活塞环的原料5的情况下，进行盐浴氮化或气体氮化，进而，根据需要进行侧面的精加工研磨。最后，进行使接缝部的间隙尺寸相一致的磨削加工，获得规定的活塞环1。
优选地，活塞环尺寸为50～250mmφ，被膜的厚度为0.01～0.1mm，采用碳钢，硅铬钢，马氏体系不锈钢作为活塞环的原料。
下面，基于实施例进行说明。
采用具有表1所示的合金组分和热处理履历的厚度为3.35mm宽度为2.4mm的矩形截面、将相当于外周面的面的形状制成BF状的钢丝，预先以对卷绕后通过校直热处理引起的曲率变化进行校正的曲率用数控卷绕机成形活塞环原料，通过剪断制成一个活塞环原料。然后，进行校直热处理。两个侧面的研磨。气体氮化处理，外周面抛光加工。其次，将该活塞环原料进行酸洗和碱脱脂等清洗，进行外周面的清洁化。
表1
钢丝                                          合金组分重量％      热处理条件
 C  Si  Mn  P  S  Cr  Mo  V  Nb  N  Fe 淬火 回火
A  0.85  0.30  0.35  0.02  0.02  17.50  1.05  0.11  - 余量 930℃ 630℃
B  0.65  0.30  0.35  0.02  0.02  13.50  0.28  0.20  - 余量 930℃ 630℃
C 0.65 0.25 0.30 0.02 0.02 10.50 0.35 0.20 0.10 - 余量 1000℃ 625℃
D 0.80 0.25 0.20 0.02 0.02 8.05 0.38 0.15 - - 余量 980℃ 625℃
E 0.40 0.95 0.32 0.02 0.02 5.12 1.45 0.90 - - 余量 980℃ 625℃
F  0.65  1.43  0.67  0.02  0.02  1.58  0.30  0.53  -  - 余量 1000℃ 575℃
G  0.45  2.50  0.40  0.02  0.02  1.05  0.20  0.20  0.15  0.30 余量 980℃ 550℃
H  0.46  1.50  0.70  0.02  0.02  0.70  -  -  -  - 余量 980℃ 450℃
利用前述图2所示的离子镀装置3，将接缝部对准一定的方向的方式轴安装清洗完毕的活塞环的原料5的夹具12安置在十二个轴的各个轴上。这时，为了使全部十二个轴安装的活塞环的原料5的相位相同，以各轴的活塞环原料的接缝部的中心指向蒸发源的方式安装。
用真空泵将真空槽内排气到2.5×10-4torr，将活塞环的原料5的温度加热到450℃。在活塞环的原料5达到规定的温度并稳定之后，导入1×10-2torr的氮气，经过30分钟之后，切换变更活塞环的原料5的自公转速度的模式，以表2所示的旋转速度，以图3和图4所示的速度模式，进而以7小时30分钟的时间在活塞环的外周部形成离子镀被膜。
作为蒸发源4，使用铬，在电弧电流1000A，偏压10V的条件下进行镀敷，获得的被膜是硬度(HMV)为1800的CrN。
表2
    活塞环的自转速度
实施例1     旋转速度为正弦波(最高速度∶最低速度＝2∶1)最高速度6转/分钟
实施例2     旋转速度为正弦波(最高速度∶最低速度＝3∶1)最高速度6转/分钟
实施例3     旋转速度为正弦波(最高速度∶最低速度＝4∶1)最高速度6转/分钟
实施例4     旋转速度在正对位置的前后45°为其它部分的速度的1/2最高速度6转/分钟
实施例5     旋转速度在正对位置的前后45°为其它部分的速度的1/3最高速度6转/分钟
成膜后将装置内温度冷却到100℃，将容器内恢复到大气压之后，卸下夹具后，从各个夹具上卸下活塞环，用抛光机将外周面用游离磨粒在表3的条件下进行抛光加工。
表3
    游离磨粒的种类     SiC
    游离磨粒     #4000
    游离磨粒的浓度     25g/升
    速度     1个行程/秒
在各个实施条件下，的接缝部和接缝部相反侧的外周面的被膜膜及不同种类的钢，在达到与外周面接触的状态时的抛光次数的研究结果列于表4。此外，作为比较例表示出在离子镀被膜被覆时的自转速度为6转/分钟的现有技术的离子镀被膜被覆方法制造的制品。
此外，CrN被膜的残留应力用X射线衍射研究的结果均为600～700MPa。抛光后，进行两个侧面的精加工研磨，最后，进行使接缝部的间隙尺寸一致的磨削加工，获得公称直径(d1)95mm，厚度(a1)3.35mm，宽度(h1)2.3mm的规定的活塞环。
表4
 接缝外周部被膜厚度 接缝相反侧外周被膜厚度                            抛光次数(次)
 钢丝A  钢丝B  钢丝C  钢丝D  钢丝E  钢丝F  钢丝G  钢丝H
比较例  30μm  32μm  1000  1100  1300  1400  1500  2000  2000  NG
实施例  1  41μm  22μm  300  300  350  350  350  500  700  800
 2  50μm  18μm  250  250  300  300  300  400  500  600
 3  55μm  15μm  300  250  250  250  250  300  330  500
 4  44μm  22μm  300  275  350  350  350  450  500  600
 5  52μm  18μm  250  250  300  300  300  400  400  500
NG：在整个外周达到接触之前，其它部分的膜消失
也存在接缝部先接触，其它部分后接触的情况，在这种情况下，在达到整个外周接触时的抛光次数。
如表4所示，包括所有各个种类的钢，在本发明的活塞环中，与现有技术的活塞环相比，抛光达到整个外周的接触状态的次数少，可以看出本发明的效果显著。此外，大致可以看出，根据钢的种类的耐热性接缝部和其它部分的膜厚之差存在着最佳值，很明显，通过重复实验次数，可以决定旋转速度比。
其次，进行所制造的活塞环的疲劳试验。
如图5所示，利用反复开闭活塞环1的接缝的反复，进行实施例1、4和比较例的活塞环1的疲劳试验。其结果示于图6。
图6是比较例和实施例1和4的外周部的疲劳强度。和比较例相比，在实施例1、4中，可以看出，疲劳强度都提高。根据本发明的活塞环，有效地防止在接缝部的相反侧位置处的疲劳引起的折损。
此外，将采用钢丝A的比较例和实施例1、3、4的活塞环1置于四气缸的柴油机的各气缸中，进行600小时额定输出功率的耐久评价的结果示于表5。
表5
 耐久试验后的接缝外周部被膜厚度  耐久试验后的接缝相反侧外周部被膜厚度  外周被膜磨坏的预计时间 磨坏部位(预计)
比较例     12μm    25μm     1000Hr 接缝外周部
实施例     23μm    17μm     1370Hr 接缝相反侧外周部
    35μm    9μm     1500Hr 接缝外周部
    24μm    15μm     1320Hr
由表可以看出，在本发明的活塞环中，由于磨损多的接缝部的离子镀的被膜厚度比其它部分厚，所以，与现有技术的活塞环相比，直到被膜磨坏的时间变长。即，可以看出，活塞环的耐久性提高。
如上所述，本发明的活塞环，从图6和表5可以看出，与现有技术的活塞环相比，是一种耐久性优异，并且没有折损的危险性的活塞环。
本发明的活塞环的作用和效果如下所述。
由于在外周上施加耐磨损性高的硬质的离子镀被膜保留有压缩的残留应力，所以，即使，被膜也不会因与气缸的内壁滑动反复施加的摩擦力而疲劳剥离。
此外，通过在滑动条件恶劣容易磨损的接缝部附近的外周面上形成厚的硬质被膜，不会像现有技术中那样，出现硬质被膜消失后衬底钢材露出、急剧进行磨损造成密封性的降低以及烧熔的问题。由于硬质合金膜在接缝部之外比接缝部的膜厚薄，所以，即使被膜上保持压缩残留应力，也不容易引起硬质被膜的缺陷等，所以，可以提高制造工艺中的成品率。此外，由于被膜薄，发生在被膜正下方的钢材部分上的残留拉应力小，所以，不容易引起活塞环的疲劳破坏。
与在外周侧均匀地附加厚的膜相比，由于只将容易磨损的部分的膜厚加厚，所以，缩短成膜时间，提高高价的成膜装置的生产率，减少靶的消耗，所以降低成本。
此外，在制造方面，将活塞环原料安装在多个轴上，并且，活塞环原料相对于位于公转轴的中心处的蒸发源自公转将离子镀被膜被覆到活塞环原料的外周面上时，以使活塞环原料的接缝部的相位相同的方式安装，通过只使得该接缝部正对蒸发源时的自公转速度比其它部分正对蒸发源时的自公转速度慢的简单的控制，可以在安装到各轴上的活塞环原料的外周面上很容易地形成具有任意膜厚分布的硬质被膜。
此外，在一个批次内的大量生产率优异，同时，偏差少质量的稳定性高。在上述工艺中获得的被覆离子镀被膜厚的活塞环，由于因离子镀被膜的被覆引起的接缝外周部的曲率变化小，所以，缩短抛光加工时间，抛光套筒的消耗少。
此外，在实施例中，只在接缝部和接缝相反侧的两个点处研究了被膜的厚度，但从按正弦波的方式控制旋转速度以及抛光加工时的接触面的情况可以看出，膜厚基本上是连续变化的。
此外，通过只将蒸发源附近的接缝部的旋转速度减慢，在抛光加工时的接触面的情况，与以正弦波的方式进行控制时的情况相比稍差，但从制造的观点出发，这种差别处于不会引起很大的问题的水平。
在本实施例中，用数控卷绕机每次成形一个椭圆形的形状，但连续地成形为正圆之后切断，将接缝部分扩展，在上述校直热处理的条件下加热保持制成大致的形状，然后，通过将外周面加工成规定的形状，利用和本实施例相同的后工序，可以获得接缝部的膜厚比其它部分厚的活塞环。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
[2002年5月24日(24.05.02)国际事务局受理：对原始申请的权利要求1，3，4，5，及9进行补正；删除原始申请的权利要求2；其它权利要求不变。]
1、(补正后)一种活塞环，使用卷绕钢线材成形的活塞环原料，并且在外周面上被覆硬质被膜，其特征为，接缝部附近的硬质被膜的膜厚比其它的外周面的膜厚更厚。
2、(删除)
3、(补正后)如权利要求1所述的活塞环，其特征为，硬质被膜是以氮化物为主体的被膜，并且保持压缩的残留应力。
4、(补正后)如权利要求3所述的活塞环，其特征为，活塞接缝部外周面的被膜厚度是接缝相反侧的被膜厚度的1.5～4倍。
5、(补正后)如权利要求3所述的活塞环，其特征为，其特征为，活塞环接缝部外周面的被膜厚度为40～55μm。
6、一种活塞环的离子镀被膜的被覆方法，在活塞环相对于蒸发源自转被覆离子镀被膜的被覆方法中，其特征为，在活塞环的接缝部正对蒸发源或正对的前后之间的旋转速度，比其它部分正对蒸发源时的旋转速度慢。
7、如权利要求6所述的离子镀被膜被覆方法，其特征为，活塞环的自转速度的最高速度在最低速度的2倍以内。
8、如权利要求7所述的离子镀被膜被覆方法，其特征为，活塞环的自转速度是正弦波。
9、(补正后)如权利要求1或3任何一个所述的活塞环的制造方法，其特征为，将活塞环原料安装在多个轴上，并且活塞环原料相对于位于公转轴的中心位置处的蒸发源自公转，在活塞环的外周面上被覆离子镀被膜时，在将活塞环原料的接缝部的相位相同的方式安装到各轴上之后，该接缝部正对蒸发源时的自公转速度比其它被覆正对蒸发源时的自公转速度慢。

Claims (9)

1、一种活塞环，在外周面上被覆硬质被膜，其特征为，接缝部附近的硬质被膜的膜厚比其它的外周面的膜厚更厚。
2、如权利要求1所述的活塞环，其特征为，硬质被膜保持有压缩的残留应力。
3、如权利要求1所述的活塞环，其特征为，硬质被膜是以氮化物为主体的被膜。
4、如权利要求1所述的活塞环，其特征为，活塞环接缝部外周面的被膜厚度是接缝部相反侧的被膜厚度的1.5～4倍。
5、如权利要求1所述的活塞环，其特征为，活塞环接缝部外周面的被膜厚度为40～55μm。
6、一种活塞环的离子镀被膜的被覆方法，在活塞环相对于蒸发源自转被覆离子镀被膜的被覆方法中，其特征为，在活塞环的接缝部正对蒸发源或正对的前后之间的旋转速度，比其它部分正对蒸发源时的旋转速度慢。
7、如权利要求6所述的离子镀被膜被覆方法，其特征为，活塞环的自转速度的最高速度在最低速度的2倍以内。
8、如权利要求7所述的离子镀被膜被覆方法，其特征为，活塞环的自转速度是正弦波。
9、如权利要求1～3中任何一个所述的活塞环的制造方法，其特征为，将活塞环原料安装在多个轴上，并且活塞环原料相对于位于公转轴的中心位置处的蒸发源自公转，在活塞环的外周面上被覆离子镀被膜时，活塞环原料的接缝部的相位相同地安装到各轴上，该接缝部正对蒸发源时的自公转速度比其它部分正对蒸发源时的自公转速度慢。
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Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102653848A (zh) * 2008-03-27 2012-09-05 日立金属株式会社 用于内燃机的活塞环材料
CN102713373A (zh) * 2009-09-24 2012-10-03 马勒发动机零部件巴西有限公司 活塞环以及制造活塞环的方法
CN103154583A (zh) * 2010-09-27 2013-06-12 辉门布尔沙伊德有限公司 用于制造活塞环的方法
CN102265069B (zh) * 2009-02-26 2014-10-01 联邦摩高布尔沙伊德公司 活塞环
CN105143733A (zh) * 2014-03-20 2015-12-09 新确有限公司 活塞环以及活塞环用金属制扁线
CN105264109A (zh) * 2013-06-04 2016-01-20 辉门布尔沙伊德有限公司 用于制造活塞环的方法
CN105283697A (zh) * 2013-06-07 2016-01-27 株式会社理研 活塞环及其原料以及它们的制造方法
CN105793625A (zh) * 2013-12-03 2016-07-20 马勒金属立夫有限公司 活塞环
CN107002871A (zh) * 2014-10-09 2017-08-01 马勒国际有限公司 内燃机活塞环、用于获得活塞环和内燃机的方法
CN108757931A (zh) * 2018-06-22 2018-11-06 南通迅达橡塑制造有限公司 一种真空吸附式橡胶密封圈
CN112041478A (zh) * 2018-04-27 2020-12-04 株式会社神户制钢所 成膜装置以及成膜方法
CN115003936A (zh) * 2020-01-27 2022-09-02 株式会社理研 活塞环及其制造方法
CN117305800A (zh) * 2023-11-29 2023-12-29 长沙正圆动力科技有限责任公司 一种具有多维旋转架的活塞环镀膜机

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4548975B2 (ja) * 2001-06-14 2010-09-22 帝国ピストンリング株式会社 皮膜の残留応力測定方法
WO2005077013A2 (en) * 2004-02-06 2005-08-25 Georgia Tech Research Corporation Surface directed cellular attachment
JP5060083B2 (ja) * 2006-08-24 2012-10-31 トクセン工業株式会社 ピストンリングの製造方法
BRPI0605175B1 (pt) * 2006-12-05 2020-01-21 Mahle Metal Leve S/A anel de pistão para motores de combustão interna
JP5199799B2 (ja) * 2008-03-31 2013-05-15 シチズンファインテックミヨタ株式会社 真空蒸着方法及び真空蒸着装置
DE102009010727B3 (de) * 2009-02-26 2011-01-13 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Stahlgusswerkstoffzusammensetzung zur Herstellung von Kolbenringen und Zylinderlaufbuchsen
DE102009010728C5 (de) * 2009-02-26 2019-08-14 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Kolbenringe und Zylinderlaufbuchsen
DE102009015009B3 (de) * 2009-03-26 2010-12-09 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Kolbenring
DE102009052587A1 (de) * 2009-11-10 2011-05-12 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Kolbenring
DE102010048079B4 (de) * 2010-10-09 2013-03-28 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings
DE102011010656A1 (de) * 2011-02-09 2012-08-09 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Kolbenring
BR102013012133A2 (pt) 2013-05-15 2015-05-26 Mahle Metal Leve Sa Anel de pistão
JP6498986B2 (ja) * 2015-03-26 2019-04-10 株式会社リケン ピストンリング
BR102016007169B1 (pt) 2016-03-31 2023-01-10 Mahle International Gmbh Anel de pistão para motores de combustão interna, processo para obtenção de anel de pistão e motor de combustão interna
JP6784608B2 (ja) * 2017-02-09 2020-11-11 株式会社神戸製鋼所 成膜装置および成膜物の製造方法
JP6763802B2 (ja) * 2017-02-21 2020-09-30 株式会社神戸製鋼所 ワーク回転装置およびそれを備えた成膜装置
BR102017007599B1 (pt) * 2017-04-12 2022-07-26 Mahle Metal Leve S.A. Anel de pistão para motores de combustão interna
US11162586B2 (en) 2017-06-02 2021-11-02 Mahle International Gmbh Piston ring and method of manufacture
US11156291B2 (en) 2017-06-02 2021-10-26 Mahle International Gmbh Piston ring and method of manufacture
DE102017210559A1 (de) * 2017-06-22 2018-12-27 Mahle International Gmbh Kolbenring für einen Kolben einer Brennkraftmaschine

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1783047A (en) * 1927-06-01 1930-11-25 Lewis C Marshall Method of making steel piston rings
DE1000651B (de) * 1956-02-23 1957-01-10 Goetzewerke Kolbenring
US2905512A (en) * 1958-04-24 1959-09-22 Ramsey Corp Coated piston ring
DE1222748B (de) * 1962-08-04 1966-08-11 Goetzewerke Kolbenring
US4299401A (en) * 1979-09-12 1981-11-10 Ramsey Corporation Piston ring and method of making same
JPS5910366Y2 (ja) * 1980-05-21 1984-04-02 株式会社リケン ピストンリング
RU2021553C1 (ru) * 1991-07-08 1994-10-15 Инженерный центр "Конверсия" Поршневое кольцо
JPH0727228A (ja) * 1993-07-07 1995-01-27 Teikoku Piston Ring Co Ltd 摺動部材およびＣｒＮ皮膜の被覆方法
JP3266375B2 (ja) 1993-07-08 2002-03-18 帝国ピストンリング株式会社 コイリング装置
JP2771947B2 (ja) 1994-04-21 1998-07-02 株式会社リケン 摺動部材
US5601293A (en) * 1994-12-22 1997-02-11 Teikoku Piston Ring Co., Ltd. Sliding member with hard ternery film
JP3464320B2 (ja) * 1995-08-02 2003-11-10 株式会社荏原製作所 高速原子線を用いた加工方法及び加工装置
RU2110693C1 (ru) * 1996-04-01 1998-05-10 Челябинский государственный технический университет Поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания или поршневого компрессора
JP3420900B2 (ja) * 1996-10-21 2003-06-30 大日本スクリーン製造株式会社 塗布液塗布方法
JPH10140351A (ja) 1996-11-05 1998-05-26 Kobe Steel Ltd インライン式真空成膜装置
JPH10252890A (ja) 1997-03-13 1998-09-22 Kanai Hiroaki オイルリング
US5912049A (en) * 1997-08-12 1999-06-15 Micron Technology, Inc. Process liquid dispense method and apparatus
JPH11152558A (ja) * 1997-11-18 1999-06-08 Suzuki Motor Corp 耐摩耗性摺動部材
US6576523B1 (en) * 1997-11-18 2003-06-10 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Layered product, capacitor and a method for producing the layered product
JP3792413B2 (ja) 1998-10-19 2006-07-05 日本ピストンリング株式会社 ピストンリング
JP4282821B2 (ja) 1999-03-23 2009-06-24 帝国ピストンリング株式会社 摺動部材

Cited By (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102653848A (zh) * 2008-03-27 2012-09-05 日立金属株式会社 用于内燃机的活塞环材料
CN102265069B (zh) * 2009-02-26 2014-10-01 联邦摩高布尔沙伊德公司 活塞环
CN102713373A (zh) * 2009-09-24 2012-10-03 马勒发动机零部件巴西有限公司 活塞环以及制造活塞环的方法
CN103154583A (zh) * 2010-09-27 2013-06-12 辉门布尔沙伊德有限公司 用于制造活塞环的方法
US10370755B2 (en) 2013-06-04 2019-08-06 Wilmington Trust, National Association, As Collateral Trustee Method for producing piston a ring
CN105264109A (zh) * 2013-06-04 2016-01-20 辉门布尔沙伊德有限公司 用于制造活塞环的方法
CN105283697A (zh) * 2013-06-07 2016-01-27 株式会社理研 活塞环及其原料以及它们的制造方法
CN107269836A (zh) * 2013-06-07 2017-10-20 株式会社理研 活塞环用原料
CN105793625A (zh) * 2013-12-03 2016-07-20 马勒金属立夫有限公司 活塞环
CN105143733A (zh) * 2014-03-20 2015-12-09 新确有限公司 活塞环以及活塞环用金属制扁线
CN107002871A (zh) * 2014-10-09 2017-08-01 马勒国际有限公司 内燃机活塞环、用于获得活塞环和内燃机的方法
US10407764B2 (en) 2014-10-09 2019-09-10 Mahle Metal Leve S/A Internal-combustion engine piston ring, process for obtaining a piston ring, and internal-combustion engine
CN112041478A (zh) * 2018-04-27 2020-12-04 株式会社神户制钢所 成膜装置以及成膜方法
CN112041478B (zh) * 2018-04-27 2022-09-23 株式会社神户制钢所 成膜装置以及成膜方法
CN108757931A (zh) * 2018-06-22 2018-11-06 南通迅达橡塑制造有限公司 一种真空吸附式橡胶密封圈
CN115003936A (zh) * 2020-01-27 2022-09-02 株式会社理研 活塞环及其制造方法
CN117305800A (zh) * 2023-11-29 2023-12-29 长沙正圆动力科技有限责任公司 一种具有多维旋转架的活塞环镀膜机
CN117305800B (zh) * 2023-11-29 2024-02-13 长沙正圆动力科技有限责任公司 一种具有多维旋转架的活塞环镀膜机

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Publication number Publication date
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JP4680380B2 (ja) 2011-05-11
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US7052019B2 (en) 2006-05-30
CN100549471C (zh) 2009-10-14
EP1359351A4 (en) 2005-04-13
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BR0116580B1 (pt) 2010-12-28
US20040056425A1 (en) 2004-03-25
KR20030061469A (ko) 2003-07-18

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