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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenring, welcher für einen Verbrennungsmotor benutzt wird, und sie bezieht sich insbesondere auf einen Kolbenring, welcher geeignet ist zur wirksamen Verhinderung von Anhaften (Ablagerung) von Aluminium an einem Kolbenring.
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Stand der Technik
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Üblicherweise sind ein Kompressionsring und ein Ölring als Kolbenringsatz an einem Kolben befestigt, welcher Hin- und Herbewegung durchführt. Der Kompressionsring hat eine Funktion zum Verhindern eines Leckgas-Phänomens, bei welchem Abgas unter Hochdruck von einer Brennkammerseite zu einer Kurbelkammerseite geblasen wird. Andererseits wird der Ölring hauptsächlich zum Erreichen einer Funktion zum Unterdrücken eines Verölungs-Phänomens benutzt, bei welchem ein überschüssiges Schmiermittel, welches an einer Zylinderinnenwandoberfläche haftet, in die Brennkammerseite von der Kurbelkammerseite her eindringt und dann verbraucht wird. Bei einer herkömmlichen Standardkombination des Kolbenrings ist eine Kombination von drei Ringen wohlbekannt umfassend zwei Kompressionsringe mit einem oberen Ring und einem zweiten Ring und einem Ölring.
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Gemäß sich erhöhender Tendenz zu Leichtgewicht- und Hochleistungsverbrennungsmotoren, ist es neuerdings für einen Kolbenring hocherforderlich geworden eine hoch verbesserte Qualität zu haben. Bei einer herkömmlichen Technologie zur Verbesserung der Haltbarkeit eines Kolbenrings des Verbrennungsmotors wurden Abriebfestigkeits-Oberflächenbehandlungen wie beispielsweise Nitrid-Behandlung, Ionen-Plattierungs-Behandlung oder Hartchrom-Plattierungs-Behandlungen vorgeschlagen.
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Unter diesen Oberflächenbehandlungen wurde die Nitrid-Behandlung hoch entwickelt und breit benutzt als Oberflächenbehandlung für den Kolbenring, welcher unter harten Betriebsbedingungen benutzt wird, weil die Nitridbehandlung ein exzellentes Abriebfestigkeitsergebnis bietet.
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Auch wenn der einer Nitridbehandlung unterzogene Kolbenring bezüglich der Abriebfestigkeit exzellent ist neigt dennoch der Abrieb einer Ringnut des Kolbens zur Erhöhung, wenn dieser mit einem Kolben benutzt wird der aus Aluminiumlegierung hergestellt ist. Zusätzlich wurde wie in 1A bis 1C gezeigt, ein Phänomen des Anhaftens von Aluminium an einer unteren Oberfläche 3 eines Kolbenrings 1 von einer unteren Oberfläche einer Nut eines aus Aluminiumlegierung hergestellten Kolbens verursacht (siehe 1C).
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2A bis 2C sind Diagramme, welche Veränderung von Oberflächensituationen der oberen und unteren Oberflächen 2 und 3 der Ringnut des Kolbens zeigen, aufgenommen durch Benutzung einer Kontaktnadel-Oberflächenrauigkeits-Testmaschine. Wie in 2 gezeigt, verändern sich die Oberflächensituationen der oberen und unteren Oberflächen 2 und 3 der Kolbenringnut von einer in 2A gezeigten normalen Situation zu einer in 2c gezeigten Aluminiumanhaftungssituation über eine Kolbennut-Rau-Situation 2B.
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In 2A bis 2C stellt die Achse der Abszisse eine Position des Kolbens und die Achse der Ordinate die Welligkeit der Kolbennut dar, und in diesen Figuren bezeichnet der Buchstabe „F” eine Voraus-Bewegung, AT bezeichnet eine Antistoßrichtung, R bezeichnet eine Rückrichtung und T bezeichnet eine Stoßrichtung.
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Weiterhin zeigen 3A bis 3C einen Aluminiumanhaftungsmechanismus, wobei 3A einen Zustand zeigt, dass die untere Oberfläche 3 des Kolbenrings 1 und eine untere Nutoberfläche 11 eines Aluminiumlegierungskolbens 10 einander über einen Oxidfilm 8 kontaktieren, beide eine Dicke von weniger als 0,2 μm haben, deren beiden Oberflächen gebildet ist und wobei 3B einen Zustand zeigt, dass eine Belastung des kontaktierenden Oxidfilms 8 stellenweise hoch wird, was den Oxidfilm 8 zerstört, und Fe auf der unteren Oberfläche 3 des Kolbenrings 1 und Al auf der unteren Nutoberfläche 11 des Aluminiumlegierungskolbens 10 zusammengeführt werden, und wobei 3C einen Zustand zeigt, dass eine Aluminiumlegierung 20 mit der unteren Oberfläche 3 des Kolbenrings 1 verschmolzen wird.
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Weiter zeigt 4 eine vergrößerte Ansicht des Aluminiumanhaftungsbereichs, und in 4 bezeichnet Bezugszeichen 20 das anhaftende Aluminium und Bezugszeichen 21 bezeichnet einen zusammengeführten Abschnitt des Al und Fe.
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Wie oben erwähnt ist aufgrund vertikaler Bewegung des Kolbenrings die Dichtleistung des Verbrennungsmotors durch das Leck des Leckgases verschlechtert, wenn örtlicher Abrieb, der aus diesem Abriebphänomen resultiert, an einem bestimmten Abschnitt der Kolbennut auftritt, und daher ist die Leistung reduziert. Dieses Phänomen tritt für eine kurze Zeit auf der Unterseite der Kolbenringnut auf und hat große Auswirkung auf die Haltbarkeit des Verbrennungsmotors. Dementsprechend wurden herkömmliche Gegenmaßnahmen gegen den Abrieb der Kolbennut vorgeschlagen.
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Beispielsweise wird als Gegenmaßnahme gegen den Abrieb der Kolbennut um den Kolben und den Kolbenring vor direktem Kontakt miteinander zu bewahren der Kolben einer Anoden-Oxid-Film-Beschichtungsbehandlung, Plattierungsbehandlung oder Matrix-Stärkungsbehandlung im Kolben unterzogen, und andererseits wird der Kolbenring einer Phosphor-Salz-Film-Beschichtungsbehandlung oder Plattierungsbehandlung unterzogen, oder wie in 5A und 5B gezeigt wird eine Harzbeschichtungsbehandlung auf die Oberflächen des Kolbens 10 und Kolbenrings 1 angewendet (z. B. Defric-Beschichtungsbehandlung (hergestellt durch KAWAMURA KENKYUSHO)).
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Weiterhin wurde um das obige Problem zu lösen ein Kolbenring entwickelt und vorgeschlagen, bei welchem eine abriebbeständig behandelte Schicht, wie beispielsweise eine Nitridschicht oder Chromplattierungsschicht, auf der oberen und unteren Oberfläche oder nur der unteren Oberfläche des Kolbenrings gebildet wird, und ein Polybenzimidazol-Harz-Film mit Festschmierstoff wird auf einer Oberfläche der abriebbeständig behandelten Schicht gebildet (siehe Patentveröffentlichung 1: Japanische Patentanmeldung Offenlegungsschrift
JP H07-63 266 A ).
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Weiterhin wurde ebenfalls durch andere Personen als den Anmelder der vorliegenden Anmeldung ein Kolbenring entwickelt und vorgeschlagen mit einer Oberfläche, welche mit einem hitzebeständigen Harz beschichtet ist enthaltend einen Festschmierstoff (siehe Patentveröffentlichungen 2 und 3: Japanische Patentanmeldung Offenlegungsschrift
JP H10-246 149 A und
JP H11-246 823 A ).
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Die oben genannten Gegenmaßnahmen gegen den Abrieb der Kolbennut bei der herkömmlichen Technologie können in einem Anfangszustand der Benutzung des Kolbens effektiv wirken zur Verhinderung von Anlagerung von Aluminium, sind aber dennoch unzureichend für eine Langzeitnutzung des Kolbens, was eine Verbesserung der Haltbarkeit erfordert.
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Insbesondere offenbart beispielsweise dafür aber die obige Patentveröffentlichung 1 eine Oberflächenbeschichtung zusammengesetzt aus Polybenzimidazol-Harz und Festschmierstoff (Graphit oder MoS2). Das Polybenzimidazol-Harz ist für seine Oxidation in sein Flüssigharz bei der Bildung der Beschichtung verantwortlich und verschlechtert sich mit der Zeit. Daher ist es erforderlich die Nutzung zu überwachen. Weiterhin ist das Polybenzimidazol manchmal bezüglich seiner Qualität schwierig für lange Zeit stabil zu halten.
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Weiterhin offenbart die obige Patentveröffentlichung 2 eine Oberflächenbeschichtung zusammengesetzt aus Polyamidimid-Harz oder Polyimid-Harz und einem Festschmierstoff (Graphit, MoS2, WS2 oder Polytetrafluorethylen (PTFE)). Dennoch verhindert eine derartige Oberflächenbeschichtung ein Aluminiumanhaften nicht ausreichend und verursacht noch dazu kostenerhöhende Probleme.
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Weiterhin offenbart die obige Patentveröffentlichung 3 eine Oberflächenbeschichtung zusammengesetzt aus Polyamidimid-Harz oder Polyimid-Harz und einem Festschmierstoff wie beispielsweise MoS2 oder Sb2O3. Dennoch kann eine derartige Beschichtung die Adhäsion von Aluminium nicht ausreichend verhindern und Sb2O3 ist umweltschädlich und daher schwer zu verarbeiten.
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Weiterhin ist aus der Druckschrift
DE 195 24 367 A1 eine Kolbenanordnung zum Betrieb in fluidgeschmierten Zylinderbohrungswänden bekannt, mit einem Kolbenkörper mit mindestens einer ringförmigen Erhebung, die so ausgelegt ist, dass sie genau in die Zylinderbohrungswände passt, und einer an mindestens einer Erhebung haftenden Abrasiv-Beschichtung, durch die im Wesentlichen null Spiel gegenüber der fluidüberzogenen Zylinderbohrungswand hergestellt und aufrechterhalten wird, sowie einer Wärmesenke in Form von mindestens Wärmeleitern in der Abrasiv-Beschichtung, um Wärme von den Erhebungen abzuführen, und einem Kolbenkörperinneren, das ein wärmeleitfähiges Fluid, das sich entlang des Inneren zur Abführung von Wärme daraus bewegt, aufnehmen kann.
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Die
DE 10 2004 057 560 A1 offenbart einen Kolbenring, dessen Lauffläche mit einer einen Kunststoff enthaltenden Beschichtung versehen ist, wobei die Beschichtung aus mindestens einem Polyamidimid und/oder mindestens einem Polyetheretherketon mit eingelagerten Partikeln besteht.
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JP H09-184 079 A offenbart einen Beschichtungsfilm zur Verbesserung der Haltbarkeit eines Kolbenrings. Dieser Beschichtungsfilm weist eine Manganphosphatschicht mit einer größeren Rauigkeit als die von herkömmlichen Schichten und Molybdändisulfid-Teilchen mit einer Teilchengröße von 1 μm bis 2 μm auf, die in der Manganphosphatschicht dispergiert und vor allem in den Vertiefungen der Unterschicht angesammelt sind, wodurch die Aluminiumhaftung für einen langen Zeitraum verhindert wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Bei einer herkömmlichen Technologie zum Verhindern von Abrieb einer Kolbenringnut ist eine Oberflächenbeschichtung, die einen Festschmierstoff enthält, an der Kolbenringoberfläche angebracht um die Oberflächenschmierfähigkeit der Oberfläche des Kolbenringkörpers zu unterstützen. Im Gegensatz dazu enthält die Oberflächenbeschichtung bei der vorliegenden Erfindung das Metallpulver anstatt den Festschmierstoff.
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Wie erwähnt war bei der herkömmlichen Technik darauf abgezielt, die Schmiereigenschaft (Schmierfähigkeit) der Kolbenringoberfläche zu verbessern, um den Abrieb der Kolbenringnut zu reduzieren. Dieses Ziel kann durch Ausstatten der Kolbenringoberfläche mit der Schmierfähigkeit erreicht werden.
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Bei dieser Maßnahme besteht zu anfänglichem Zustand kein Problem, bei welchem die Oberflächenbeschichtung mit Schmierfähigkeit ausreichend existiert, aber nachdem lange Zeit vergangen ist kann die Oberflächenbeschichtung selbst dennoch verschlissen und abgeschält sein, was in einem Verlust der Schmier-Eigenschaft resultiert, und die Kolbenringoberfläche kann freigelegt werden und die Kolbenringnut kann verschlissen werden.
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Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht dieser oben genannten Umstände erdacht und ein Ziel davon ist es einen Kolbenring vorzuschlagen, welcher zur Verbesserung der Abriebfestigkeitseigenschaft geeignet ist, sowie zum wirksamen Verhindern des Aluminiumanhaftungsphänomens an einem Kolbenring und zum wirksamen Verhindern des Abschälens einer Oberflächenbeschichtung von einem Kolbenringkörper.
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Die obigen und anderen Ziele können gemäß der vorliegenden Erfindung durch einen Kolbenring erreicht werden umfassend einen Kolbenringkörper und eine Oberflächenbeschichtung, welche auf zumindest der oberen oder der unteren Oberfläche des Kolbenringkörpers gebildet ist, wobei die Oberflächenbeschichtung ein hitzebeständiges Harz und ein im hitzebeständigen Harz enthaltenes Metallpulver umfasst, und eine Phosphatbeschichtung ist als Grundbeschichtung der Oberflächenbeschichtung auf einer Oberfläche gebildet, auf der die Oberflächenbeschichtung des Kolbenringkörpers gebildet ist.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen kann es erwünscht sein, dass die Phosphatbeschichtung eine Beschichtung aus einem Material ist, welches ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus tribasischem Zink-Phosphat-System, Phosphorsäure-Mangan-System, und tribasischem Zink-Phosphat-Kalzium-System.
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Es kann erwünscht sein, dass die Phosphatbeschichtung eine Dicke von 1 bis 10 μm hat und dass die Phosphatbeschichtung eine Oberflächenrauigkeit von 1 bis 10 μm in 10-Punkt-Durchschnitt-Rauigkeit Rz basierend auf JIS B 0601 (1994) hat.
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Erfindungsgemäß ist das Metallpulver eines von purem Kupfer, Kupferoxid oder Kupferlegierung, und der Anteil des Metallpulvers bezüglich der gesamten Oberflächenbeschichtung liegt in einem Bereich von 20 bis 80 Massenprozent.
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Das hitzebeständige Harz umfasst erfindungsgemäß einen Festschmierstoff mit einem Anteil von 2 bis 10 Massenprozent bezüglich der gesamten Oberflächenbeschichtung und der Festschmierstoff ist einer oder mehr als einer sein aus Molybdän-Disulfid, Wolfram-Disulfid oder Graphit.
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Es kann ebenfalls erwünscht sein, dass das hitzebeständige Harz Polyamidimid-Harz oder Polyimid-Harz ist.
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Wegen der Oberflächenbeschichtung, bestehend aus dem hitzebeständigen Harz und dem im hitzebeständigen Harz enthaltenen Metallpulver auf zumindest der oberen oder der unteren Oberfläche des Kolbenringkörpers ist es gemäß der wie oben erwähnten Erfindung möglich, einen Abschnitt der Kolbenringnut, welche aus Aluminiumlegierung gebildet ist, vor Abschälen und Anhaften am Kolbenring zu bewahren, und weil die Phosphatbeschichtung als Grundbeschichtung auf der Oberfläche gebildet ist, auf welcher die Oberflächenbeschichtung des Kolbenringkörpers gebildet ist kann die Oberflächenbeschichtung zusätzlich über die Phosphatbeschichtung eng am Kolbenringkörper anliegen, und im Ergebnis kann das Abschälen der Oberflächenbeschichtung vom Kolbenringkörper wirksam verhindert werden.
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Weiterhin kann zusätzlich entsprechend der vorliegenden Erfindung die am Kolbenring gebildete Oberflächenbeschichtung ebenfalls mit der Abriebfestigkeitseigenschaft durch das Metallpulver ausgestattet werden, weil die Schmierfähigkeit an der Oberfläche des Kolbenrings durch das die Oberflächenbeschichtung bildende hitzebeständige Harz vorgesehen werden kann. Durch Bilden der Phosphatbeschichtung als die Grundbeschichtung auf der Oberfläche, auf welcher die Oberflächenbeschichtung des Kolbenringkörpers gebildet ist, kann die Oberflächenbeschichtung vor Abschälen vom Kolbenring bewahrt werden, so dass die Schmierfähigkeit aufgrund des hitzebeständigen Harzes für lange Zeit erhalten werden kann.
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Das Wesen und weitere charakteristische Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus den folgenden Beschreibungen mit Bezug zu den beiliegenden Figuren klarer.
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KURZEBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Beiliegende Figuren:
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1 umfasst Ansichten, welche ein Aluminiumanhaftungsphänomen zeigen, wobei 1A eine teilweise ausgeschnittene perspektivische Ansicht eines Kolbens zeigt, 1B ist eine vergrößerte perspektivische Teilansicht, welche einen Kolbenring und eine Kolbenringnut zeigt, und 1C ist eine vergrößerte perspektivische Teilansicht, welche eine Aluminiumanhaftung an einem Kolbenring zeigt;
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2 umfasst 2A, 2B und 2C, welche Veränderungen der Oberflächensituationen von oberer und unterer Oberfläche der Kolbenringnut zeigen;
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3 umfasst 3A, 3B und 3C, welche Querschnitte zeigen, die den Aluminiumanhaftungsmechanismus darstellen;
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4 ist eine vergrößerte Ansicht, welche den Adhäsionsteil des Aluminiums zeigt;
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5 umfasst 5A und 5B, welche eine herkömmliche Harz-Beschichtungsbehandlung darstellen;
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6 ist ein Querschnitt, welcher einen Kolbenring entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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7 umfasst 7A, welche einen vergrößerten Querschnitt eines Abschnitts nahe der Oberflächenbeschichtung des Kolbenrings aus 6 zeigt, und weiterhin 7B, welche eine vergrößerte Frontalansicht einer oberen Oberfläche des Kolbenrings aus 6 zeigt; und
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8 ist eine Darstellung, welche ein Abschälanalyse-Test-Ergebnis zeigt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Eine Ausführungsform eines Kolbenrings gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun folgend mit Bezug zu den beiliegenden Zeichnungen der 6 und 7 beschrieben.
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Bezüglich 6 ist ein Kolbenring 60 der vorliegenden Erfindung mit einem Kolbenringkörper 61 und einer Oberflächenbeschichtung 62 versehen, welche auf zumindest der oberen oder unteren Oberfläche des Kolbenringkörpers 61 gebildet ist (beide Oberflächen in 6). Weiterhin ist eine Phosphatbeschichtung als eine Grundbeschichtung auf einer Oberfläche des Kolbenringkörpers gebildet, auf welcher die Oberflächenbeschichtung 62 gebildet ist.
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Der Kolbenringkörper 61 der vorliegenden Erfindung ist bezüglich des Materials nicht besonders beschränkt und jedes Material kann benutzbar sein. Zum Beispiel kann Stahl (Stahlmaterial) vorzugsweise benutzt werden und als ein rostfreier Stahl kann SUS440, SUS410, SUS304 oder dergleichen oder 8Cr Stahl, 10Cr Stahl, SWOSC-V oder SWRH-Material benutzt werden. Der Kolbenring kann als oberer Ring benutzt werden, welcher sowohl als so genannter Druckring als auch zweiter Ring funktioniert, und weiterhin kann gemäß der vorliegenden Erfindung der Kolbenring als ein Ölring anwendbar sein.
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Wie in 6 und 7 gezeigt ist eine Oberflächenbeschichtung, zusammengesetzt aus einem hitzebeständigen Harz 63 und einem im hitzebeständigen Harz 63 enthaltenen Metallpulver (Metallpulverpartikel) 64, auf der Oberfläche des Kolbenringkörpers 61 gebildet, und eine Phosphatbeschichtung 65 ist als Grundbeschichtung auf der Oberfläche des Kolbenringkörpers 61 gebildet, auf welcher die Oberflächenbeschichtung gebildet ist.
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Die Phosphatbeschichtung 65 ist zu dem Zweck gebildet, die Oberflächenbeschichtung vom Abschälen vom Kolbenringkörper zu bewahren. Die Phosphatbeschichtung 65 ist auf der Oberfläche des Kolbenringkörpers 61 gebildet, auf welcher die Oberflächenbeschichtung 62 gebildet ist und zwar durch chemische Umwandlungsbehandlung als Grundbehandlung unter Benutzung von Phosphat. Aufgrund der Bildung der Phosphatbeschichtung 65 kann die Oberflächenbeschichtung 62 vom Abschälen vom Kolbenringkörper 61 bewahrt werden.
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Das Material des Phosphats für die Bildung der Phospatbeschichtung 65 ist nicht besonders beschränkt, solange wie es die oben genannten Funktionen erzielt, aber es kann wünschenswert sein, dass das Phospat leicht und mit geringen Kosten hergestellt werden kann und leicht gehandhabt werden kann. In Anbetracht dieser Tatsachen kann es wünschenswert sein tribasisches Zink-Phosphat-System, Phosphorsäure, Mangan, System oder tribasisches Zink-Phosphat-Kalzium-System als derartiges Phosphat zu benutzen.
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Obwohl die Dicke der Phosphatbeschichtung 65 der vorliegenden Erfindung nicht besonders beschränkt ist, kann es für die Phosphatbeschichtung 65 vorgezogen werden eine Dicke von 1 bis 10 μm zu haben, und besonders bevorzugt 2 bis 3 μm. Im Falle der Dicke von mehr als 10 μm wird die Phosphatbeschichtung 65 brüchig und die Spannkraft zwischen der Oberflächenbeschichtung 62 sowie des Kolbenringkörpers 61 kann verschlechtert werden. Andererseits wird im Falle eine Dicke von weniger als 1 μm wohl Aluminiumadhäsion zwischen dem Kolben und dem Kolbenringkörper 61, nachdem die Oberflächenbeschichtung 62 verschwunden ist, erzeugt.
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Weiterhin bedeutet die Schichtdicke der Phosphatbeschichtung 65 in der vorliegenden Erfindung eine durchschnittliche Schichtdicke „t” der Phosphatbeschichtung 65, welche durch „t1” und „t2” in 7A dargestellt wird.
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Obwohl die Oberflächenrauigkeit der Phosphatbeschichtung 65 bei der vorliegenden Erfindung nicht besonders beschränkt ist, ist es wünschenswert, dass die Phosphatbeschichtung 65 eine Oberflächenrauigkeit von 1 bis 10 μm, und besonders bevorzugt 2 bis 3 μm hat. Im Falle der Oberflächenrauigkeit von mehr als 10 μm verbessert sich die Aktivierung der Oberflächenbeschichtung 65, daher entsteht der Harz-Prägedruck auf der Oberfläche der Phosphatbeschichtung 65, und demzufolge kann die Phosphatbeschichtung 65 widerstandsfähig einheitlich gebildet werden und die eng anspannende Wirkung der Beschichtung selbst kann verschlechtert werden. Weiterhin wird die Oberflächenbeschichtung 62 auf einer so mit derartiger Oberflächenrauigkeit gebildeten Phosphatbeschichtung 65 gebildet, die Oberfläche wird daher rau, was wiederum in einer Vergrößerung des anfänglichen Leckgases oder in einer Steigerung des Angriffs einer Kolbenringnut eines Kolbenrings resultiert. Andererseits im Falle einer Oberflächenrauigkeit von weniger als 1 μm, kann die eng anliegende Wirkung zwischen dem Kolbenringkörper 61 und der Oberflächenbeschichtung 62 verschlechtert werden.
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Weiterhin bedeutet die Oberflächenrauigkeit in der vorliegenden Erfindung die Zehn-Punkt-Durchschnittsrauigkeit Rz, beschrieben durch JIS B 0601 (1994).
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Das hitzebeständige Harz 63 wird angewandt zum Zweck die Schmierfähigkeit (Schmiereigenschaft) der Oberfläche des Kolbenrings hauptsächlich zu verleihen, und andererseits wird das Metallpulver angewandt für den Zweck der Abriebfestigkeitseigenschaft der Oberflächenbeschichtung 62, in der das Metallpulver enthalten ist, um dadurch die Schmierfähigkeit durch das hitzebeständige Harz für lange Zeit zu erhalten.
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Weil das die Oberflächenbeschichtung 62 der vorliegenden Erfindung bildende hitzebeständige Harz 63 nicht auf irgendein Material beschränkt ist, solange wie es Umgebungsbedingungen (Temperatur) widersteht, in welchen der Kolbenring benutzt wird, besitzt es Schmierfähigkeit und hält bzw. fixiert das Metallpulver. Insbesondere kann Polyamidimid(PAI)-Harz oder Polyimid(PI)-Harz als derartiges hitzebeständiges Harz vorgesehen sein.
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Andererseits ist das die Oberflächenbeschichtung 62 bildende Metallpulver 64 für den Zweck vorgesehen, der Oberflächenbeschichtung 62, welche derartiges Metallpulver 64 enthält, die Abriebfestigkeitseigenschaft zu verleihen. Das Metallpulver 64 ist bezüglich seiner Substanz nicht geschränkt, solange wie es die obigen Ziele erreicht, und herkömmlich bekanntes Metall kann optional wahlweise benutzt werden. Beispielsweise kann als derartiges Metallpulver aufgelistet werden verschiedene Kupfer-System-Pulver wie beispielsweise pures Kupferpulver, Kupferoxidpulver und andere Kupferlegierungen, wie beispielsweise Gelbmessing-Legierung. Obwohl in der vorliegenden Erfindung das Metallpulver den Zweck der Verhinderung der Abnutzung des hitzebeständigen Harzes hat ist es dennoch notwendig ein Angreifen der Kolbenringnut, was das Gegenmaterial darstellt, zu verhindern, und aus dieser Sicht kann es für das Metallpulver nicht wünschenswert sein relativ hohe Härte zu haben, und daher können pures Kupfer oder Kupferoxid bevorzugt werden.
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Derartiges Metallpulver 64 ist ebenfalls bezüglich seiner Form nicht beschränkt und kann eine stabile Form einnehmen wie beispielsweise eine kugelförmige Form oder polygonale Form oder unbestimmte Form. Wie oben beim Material aus dem Kupfersystempulver erwähnt ist es dennoch notwendig das Metallpulver 64 vor einem Angreifen der Kolbenringnut als ein Gegenmaterial zu bewahren, und aus dieser Sicht ist die polygonale Form nicht bevorzugt, und schuppenförmige Form kann bevorzugt sein, wie in 7 gezeigt. Durch schuppenförmiges Metallpulver und dessen Anordnung in der Dicken-Richtung der Oberflächenbeschichtung erfindungsgemäß teilweise in Deckung übereinander wie in 7 gezeigt, kann die Kolbenringnut vor Zerstörung bewahrt werden.
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Im Falle des Metallpulvers 64 mit Schuppenform ist deren Größe nicht besonders beschränkt, aber es kann für das Metallpulver bevorzugt werden einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 8 bis 12 μm zu haben. Im Fall eines durchschnittlichen Partikeldurchmessers von weniger als 8 μm werden die Kosten für die Herstellung des Pulvers ansteigen, und andererseits besteht im Falle eines durchschnittlichen Partikeldurchmessers von mehr als 12 μm für das Metallpulver die Gefahr des Angreifens der Kolbenringnut als Gegenmaterial. Weiterhin muss angemerkt werden, dass der Partikeldurchmesser des Metallpulvers 64 eine in 7B gezeigte Länge „r” ist, was die Länge in longitudinaler Richtung des schuppenförmigen Stücks bedeutet.
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Gemäß der Erfindung, in der das Metallpulver 64 die Schuppenform hat, ist es weiterhin für das Metallpulver 64 bevorzugt, einen speziellen Oberflächenbereich von 0,6 bis 0,9 mm2/g zu haben. Im Falle eines speziellen Oberflächenbereichs von weniger als 0,6 mm2/g können das hitzebeständige Harz 63 und das Metallpulver 64 keine gute eng anliegende Wirkung herbeiführen, d. h. dass Metallpulver 64 ist nicht durch das hitzebeständige Harz fixiert. Andererseits ist im Falle des speziellen Oberflächenbereichs von mehr als 0,9 mm2/g das Metallpulver 64 zu groß und kann die Kolbenringnut als Gegenmaterial angreifen. Weiterhin bedeutet bei der vorliegenden Erfindung der Begriff des speziellen Oberflächenbereichs einen Oberflächenbereich pro 1 Gramm (1 g) des Metallpulvers, was ein Wert ist, welcher mit einer Luftdurchlässigkeitsmethode gemessen wird.
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Mit der den Kolbenring der vorliegenden Erfindung bildenden Oberflächenschicht 62 kann der Anteil des Metallpulvers 64 bezüglich des hitzebeständigen Harzes 63 in einem Ausdehnungsverhältnis festgesetzt werden, dass das hitzebeständige Harz 63 die Schmierfähigkeitseigenschaft erreichen kann, und das Metallpulver 64 die Abriebfestigkeit ausreichend erhalten kann. Insbesondere kann es wünschenswert sein den Anteil des Metallpulvers 64 bezüglich der gesamten Oberflächenbeschichtung 62 auf 20 bis 80 Massen-% (%) zu setzen und noch vorteilhafter auf ungefähr 50 Massen-%. Im Falle von weniger als 20 Massen-% des Metallpulvers 64 kann die Reduktion oder das Verschwinden der Oberflächenbeschichtung aufgrund von Abrieb nicht ausreichend verhindert werden und Aluminiumadhäsion kann nicht genug vorgebeugt werden, und andererseits ist im Falle von mehr als 80 Massen-% die Flexibilität der Oberflächenbeschichtung insgesamt verschlechtert, und es wird schwer das Metallpulver 64 mit dem hitzebeständigen Harz 63 zu verbinden, was in Separation des Metallpulvers 67 resultieren kann. Weiterhin kann das hitzebeständige Harz 63 mit gutem Anteil von Festschmierstoff versetzt werden, unter Beachtung der Konformität.
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Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Flächenanteil (siehe 7B) welcher durch das Metallpulver 64 belegt ist, das den Kolbenring gemäß der vorliegenden Erfindung bildet, in einem Bereich von 6 bis 74% liegt. Bei derartigem Flächenanteil des Metallpulvers 64 können das hitzebeständige Harz 63 und das Metallpulver 64 ein gutes Verhältnis wahren und erreichen ihre vorteilhaften Wirkungen zufrieden stellend.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, dass der Festschmierstoff 66 im hitzebeständigen Harz 63 enthalten ist und es ist bevorzugt diese gleichmäßig zu verteilen. Ein oder mehrere Schmiermittel können als derartiger Festschmierstoff 66 ausgewählt werden und zwar als Molybdändisulfid, Wolframdisulfid oder Graphit. Wie erwähnt kann durch Zufügen des Festschmierstoffs das anfängliche Einlaufen der Aluminiumadhäsion verbessert werden. Bezüglich des speziellen Anteils kann es vorgezogen werden, dass der Anteil des Festschmierstoffs 66 bezüglich der gesamten Oberflächenbeschichtung 62 auf zwei bis 10 Massen-% gesetzt wird (in diesem Fall, wenn der Anteil des aus dem vorbestimmten Material gebildeten Metallpulvers 64 20 bis 80 Massen-% ist, dann ist der Rest hitzebeständiges Harz 63). Durch Bildung der Oberflächenbeschichtung, in welcher zusätzlich zum aus dem vorbestimmten Material gebildeten Metallpulver der Festschmierstoff enthalten ist, auf der oberen und unteren Oberfläche des Kolbenrings kann die anfängliche Konformität und die Hitzebeständigkeitsfunktion des aus Aluminium gebildeten Kolbenmaterials verbessert werden, und im Ergebnis kann die Aluminiumadhäsion abgewendet werden, wodurch ein Kolbenring mit exzellenter Haltbarkeit bereitgestellt wird.
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Weiterhin können als Festschmierstoff Wolframselenid, Molybdänselenid, Bornitrid, Fluororesin (Polytetrafluoroethylen, PTFE) oder dergleichen benutzt werden, um im Wesentlichen die gleichen Wirkungen wie die oben beschriebenen zu erreichen.
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Das Verfahren zur Bildung der Oberflächenbeschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht besonders beschränkt, und beispielsweise ist das Metallpulver 64 vom oben genannten Typ in Polyamidimidharz als das hitzebeständige Harz enthalten, was dann auf die Oberfläche des Kolbenringkörpers 61 durch ein Sprühbeschichtungsverfahren, Tauchbeschichtungsverfahren, elektrostatisches Beschichtungsverfahren oder dergleichen beschichtet wird. Weiterhin kann die Oberflächenbeschichtung 62 einer Nachbehandlung wie beispielsweise einem Hitzeverfestigungsprozess je nach Bedarf unterzogen werden.
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Es ist wünschenswert, dass die so gebildete Oberflächenbeschichtung eine Dicke von beispielsweise 3 bis 20 μm hat.
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[Beispiel]
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Die vorliegende Erfindung wird nun folgend mit Bezug zu Beispielen des Kolbenrings der vorliegenden Erfindung und Vergleichsbeispielen speziell beschrieben.
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[Beispiele 1 bis 48 und Vergleichsbeispiele 1 bis 6]
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Ein Element entsprechend des Kolbenringkörpers wurde unter Benutzung eine der JIS SWOSC-V entsprechenden Materials vorbereitet. Der Kolbenring die folgenden Dimensionen bezüglich seines äußeren Durchmessers: 71 mm, Breite in Ringdurchmesserrichtung (a1): 2,55 mm, Breite in Ringachsenrichtung (h1): 1,2 mm und das JIS SWOSC-V Material hat eine Zusammensetzung aus C: 0,55 Massen-%, Si: 1,4 Massen-%, Mn: 0,6 Massen-%, P: 0,02 Massen-%, S: 0,02 Massen-%, Cr: 0,65 Massen-%, Cu: 0,08 Massen-% und der Rest: F und unvermeidbare Unreinheiten.
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Kupfer(Cu)-System-Pulver als Metallpulverpartikel und Molybdändisulfid als Festschmierstoff sind im Polyamidimidharz als hitzebeständiges Harz enthalten, und dieses Material wurde auf sowohl die untere als auch obere Oberflächen des oben genannten Elements gesprüht, um eine Oberflächenbeschichtung mit einer Dicke von 10 μm zu bilden. Die zugefügten Mengen des Kupfer-System-Pulvers und des Molybdändisulfids sind in der folgenden Tabelle 1 gezeigt. Weiterhin wurde eine chemische Umwandlungsbehandlung durch Mangangruppenphosphat als Grundschicht durchgeführt, um eine Phosphatbeschichtung 65 auf einer Oberfläche zu bilden, auf welcher die Oberflächenbeschichtung des Kolbenringkörpers gebildet ist, und dann wurde die Dicke der Oberflächenrauigkeit der Phosphatbeschichtung 65 gemessen.
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Die so gebildeten Kolbenringteststücke wurden als Beispiele 1 bis 48 und Vergleichsbeispiele 1 bis 6 vorbereitet, und unter Benutzung dieser Beispiele wurde der Abschältest (d. h. Querschlag) durchgeführt.
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Diese Tests sind Querschlag-Tests basierend auf JIS K 5400, und wie in 8 gezeigt wurden Kerben, jeweils mit einer in die Oberflächenbeschichtung eindringenden Tiefe, mit einem Cutter in einem Intervall von ungefähr 1 mm bei optionalen Positionen der Kolbenringteststücke gebildet, um eine quadratmusterartige Form zu bilden. Danach wurde Adhäsionstape angebracht und dann abgezogen um die enganliegende bzw. festsitzende Wirkung der Oberflächenschicht zu bestätigen und zu evaluieren, und zwar auf der Basis der vergrößerten Beschädigungen der Kerben.
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Bei diesen Querhieb-Adhäsionstests wurde ein Fall in welchem ein geringes Abschälen beobachtet wurde an einem Schnittpunkt der Beschädigungen, jedes Quadratmuster kein Abschälen aufweist, und ein Abschälbereich kleiner ist als 1% der gesamten Quadratmusterfläche als bewertet, ein Fall bei welchem ein Abschälen an den Schnittpunkten der Schnittbeschädigungen beobachtet wurde und ein Abschälbereich im Bereich von 1 bis 3% der gesamten Quadratmusterfläche liegt als „O” bewertet, ein Fall bei welchem ein Abschälen an den Schnittpunkten der Schnittbeschädigungen beobachtet wurde und ein Abschälbereich in einem Bereich von 3 bis 5% der gesamten Quadratmusterfläche liegt wurde als „Δ” bewertet und ein Fall bei welchem ein Abschälen an den Schnittpunkten der Schnittverletzungen beobachtet wurde und ein Abschälbereich nicht kleiner als 5% der gesamten Quadratmusterfläche beträgt wurde als „X” bewertet.
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Diese Testergebnisse und Bewertungen sind in der folgenden Tabelle 1 gezeigt. (Tabelle 1)
| | Phosphatbeschichtung | Oberflächenbeschichtung | Abriebtest |
| Anteil des abriebfesten Metalles (Massen-%) | Anteil des Festschmierstoffes (Massen-%) |
| Schichtdicke (μm) | Oberflächenrauigkeit Rz (μm) | Kupfer-Gruppen-Pulver | Molybdän Disulfid | Bewertung |
| Beispiel 1 | 3 | 0.5 | 20 | 2 | Δ |
| Beispiel 2 | 3 | 2 | 20 | 2 | o |
| Beispiel 3 | 3 | 4 | 20 | 2 | ⌾ |
| Beispiel 4 | 3 | 6 | 20 | 2 | ⌾ |
| Beispiel 5 | 3 | 10 | 20 | 2 | o |
| Beispiel 6 | 3 | 11 | 20 | 2 | Δ |
| Beispiel 7 | 3 | 0.5 | 20 | 10 | Δ |
| Beispiel 8 | 3 | 2 | 20 | 10 | o |
| Beispiel 9 | 3 | 4 | 20 | 10 | ⌾ |
| Beispiel 10 | 3 | 6 | 20 | 10 | ⌾ |
| Beispiel 11 | 3 | 10 | 20 | 10 | o |
| Beispiel 12 | 3 | 11 | 20 | 10 | Δ |
| Beispiel 13 | 5 | 0.5 | 20 | 2 | Δ |
| Beispiel 14 | 5 | 2 | 20 | 2 | o |
| Beispiel 15 | 5 | 4 | 20 | 2 | ⌾ |
| Beispiel 16 | 5 | 6 | 20 | 2 | ⌾ |
| Beispiel 17 | 5 | 10 | 20 | 2 | o |
| Beispiel 18 | 5 | 11 | 20 | 2 | Δ |
| Beispiel 19 | 5 | 0.5 | 20 | 10 | Δ |
| Beispiel 20 | 5 | 2 | 20 | 10 | o |
| Beispiel 21 | 5 | 4 | 20 | 10 | ⌾ |
| Beispiel 22 | 5 | 6 | 20 | 10 | ⌾ |
| Beispiel 23 | 5 | 10 | 20 | 10 | o |
| Beispiel 24 | 5 | 11 | 20 | 10 | Δ |
| Beispiel 25 | 8 | 0.5 | 80 | 2 | Δ |
| Beispiel 26 | 8 | 2 | 80 | 2 | o |
| Beispiel 27 | 8 | 4 | 80 | 2 | ⌾ |
| Beispiel 28 | 8 | 6 | 80 | 2 | ⌾ |
| Beispiel 29 | 8 | 10 | 80 | 2 | o |
| Beispiel 30 | 8 | 11 | 80 | 2 | Δ |
| Beispiel 31 | 8 | 0.5 | 80 | 10 | Δ |
| Beispiel 32 | 8 | 2 | 80 | 10 | o |
| Beispiel 33 | 8 | 4 | 80 | 10 | ⌾ |
| Beispiel 34 | 8 | 6 | 80 | 10 | ⌾ |
| Beispiel 35 | 8 | 10 | 80 | 10 | o |
| Beispiel 36 | 8 | 11 | 80 | 10 | Δ |
| Beispiel 37 | 10 | 0.5 | 50 | 2 | Δ |
| Beispiel 38 | 10 | 2 | 50 | 2 | o |
| Beispiel 39 | 10 | 4 | 50 | 2 | ⌾ |
| Beispiel 40 | 10 | 6 | 50 | 2 | ⌾ |
| Beispiel 41 | 10 | 10 | 50 | 2 | o |
| Beispiel 42 | 10 | 11 | 50 | 2 | Δ |
| Beispiel 43 | 10 | 0.5 | 50 | 10 | Δ |
| Beispiel 44 | 10 | 2 | 50 | 10 | o |
| Beispiel 45 | 10 | 4 | 50 | 10 | ⌾ |
| Beispiel 46 | 10 | 6 | 50 | 10 | ⌾ |
| Beispiel 47 | 10 | 10 | 50 | 10 | o |
| Beispiel 48 | 10 | 11 | 50 | 10 | Δ |
| Vergleichsbeispiel 1 | 0 | - | 20 | 2 | x |
| Vergleichsbeispiel 2 | 0 | - | 50 | 2 | x |
| Vergleichsbeispiel 3 | 0 | - | 80 | 2 | x |
| Vergleichsbeispiel 4 | 0 | - | 20 | 10 | x |
| Vergleichsbeispiel 5 | 0 | - | 50 | 10 | x |
| Vergleichsbeispiel 6 | 0 | - | 80 | 10 | x |
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Wie aus dem Vergleich der Beispiele 1 bis 48 mit den Vergleichsbeispielen 1 bis 6 ersichtlich, wurde im Wesentlichen kein Abschälen der Oberflächenbeschichtung der Kolbenringe gemäß der vorliegenden Erfindung an den Teststücken beobachtet, an welchen die chemische Umwandlungsbehandlung durch das Phosphat ausgeführt wurde, um die Phosphatbeschichtung 65 zu bilden, im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen, bei welchen die Phosphatbeschichtung 65 nicht gebildet wurde. Zusätzlich beträgt bei den Tests der Beispiele der vorliegenden Erfindung die Fläche der beschädigten Bereiche weniger als 5% der gesamten Quadratmusterfläche, und daher konnte eine gute Abschälverhinderungswirkung bestätigt werden. Insbesondere in dem Fall, bei welchem das Maß der Oberflächenrauigkeit im Bereich von 1 bis 10 μm lag, war die Fläche der beschädigten Bereiche kleiner als 3% der gesamten Quadratmusterfläche, wodurch eine gute Abschälverhinderungswirkung bereitgestellt wird.
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Weiterhin soll angemerkt werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt ist, und viele andere Veränderungen und Modifikationen durchgeführt werden können ohne vom Schutzbereich der folgenden Ansprüche abzuweichen.
