JP2006152981A - Spray piston ring and method of manufacturing the same - Google Patents

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Yukio Hosotsubo
幸男 細坪
Yasushi Sakai
靖志 酒井
Akira Obara
亮 小原
Katsumi Takiguchi
勝美 滝口
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve problems in a conventional spray piston ring wherein (1) the surface roughness of a spray film is worse though it can perform spraying without taking an inlaid spraying method (Figs. 4 to 6, not shown) and (2) since a chamfered part cannot be polished by a thermet spray film, it must rely on the inlaid spraying method. <P>SOLUTION: In this spray piston ring, the chamfered part 4 of 0.05 mm or longer in radial depth and 0.3 mm or shorter in axial width is formed at least at the axial one end of the outer peripheral surface of the piston ring 1. The thermet spray film formed on the outer peripheral surface is formed mainly of particles with grain sizes of 10 μm or smaller, and its thickness is 0.03 to 0.2 mm. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は内燃機関用ピストンリングにおいて、外周摺動面に溶射皮膜を有するピストンリング及びその製造方法に関する。     The present invention relates to a piston ring having a thermal spray coating on an outer peripheral sliding surface and a manufacturing method thereof in a piston ring for an internal combustion engine.

ディーゼルエンジンや有鉛ガソリンエンジンなどに使用されるピストンリングには、耐摩耗性、耐焼付性に優れた溶射皮膜が施されている。溶射皮膜は、その溶射層がMo、Ni、 Crなどの金属や、Cr3C2、TiCなどの硬質セラミック粒子を複合又は混合して溶射することにより、種々の性質を付与することが可能である。 Piston rings used in diesel engines and leaded gasoline engines have a thermal spray coating with excellent wear resistance and seizure resistance. The thermal spray coating can be imparted with various properties by spraying a composite or mixture of metal such as Mo, Ni, Cr and hard ceramic particles such as Cr 3 C 2 and TiC. is there.

以下の説明で使用されるピストンリング各部の名称を図1(面取り部なし)及び図2(面取り部あり)に示す。   The names of the piston ring parts used in the following description are shown in FIG. 1 (without chamfered parts) and FIG. 2 (with chamfered parts).

今日、ピストンリングの溶射皮膜の形成には、溶射皮膜の密着性から高速フレーム溶射法(以後HVOF法又はHVAF法で以後HVOF法と記す)が使われることが多くなってきている。
HVOF溶射法に使用される溶射材粉末の粒子径は一般的に15〜45μmであり、この溶射材粉末を用いて形成された溶射皮膜の表面皮膜粗さはRmax約50μmにもなる。溶射皮膜組成がサーメット或いはセラミックスである場合には皮膜中の硬質粒子が相手材であるライナーを摩耗させるため、このような粗さの皮膜のままでは用いることが出来ず、溶射皮膜を砥石研磨によりある程度の粗さに仕上げた後砥粒によるラッピング研磨を行い表面粗さを少なくとも1Rz以下に仕上げることになる。
Today, a high-speed flame spraying method (hereinafter referred to as HVOF method or HVAF method) is often used to form a sprayed coating on a piston ring because of the adhesion of the sprayed coating.
The particle diameter of the thermal spraying powder used for the HVOF thermal spraying method is generally 15 to 45 μm, and the surface coating roughness of the thermal spraying coating formed using this thermal spraying material powder is about Rmax of about 50 μm. When the thermal spray coating composition is cermet or ceramics, the hard particles in the coating wear the liner which is the counterpart material. Therefore, the coating with such roughness cannot be used as it is. After finishing to a certain degree of roughness, lapping polishing with abrasive grains is performed to finish the surface roughness to at least 1 Rz.

ピストンリングの外周表面処理において生産性の向上のために、通常、ピストンリングを図3に示すように円筒状にスタックし、その後外周面に表面処理を施している。
しかし、外周表面処理のうち「めっき」、「イオンプレーティング」、「溶射」等でピストンリング外周表面に「皮膜」を形成する処理では、形成する皮膜の厚さが厚くなると、所謂「渡り」が発生し、リングが個々に解体できなくなる。当然ながら、ピストンリング外周エッジには「渡り」防止用の面取りを施すのではあるが、それにも限界があり、施工膜厚さが厚くなると必ず「渡り」が発生する。
In order to improve productivity in the outer peripheral surface treatment of the piston ring, the piston ring is usually stacked in a cylindrical shape as shown in FIG. 3, and then the outer peripheral surface is subjected to surface treatment.
However, in the process of forming the “film” on the outer peripheral surface of the piston ring by “plating”, “ion plating”, “thermal spraying”, etc. among the outer surface treatments, when the thickness of the film to be formed increases, so-called “crossover” Occurs and the rings cannot be individually disassembled. Naturally, the outer peripheral edge of the piston ring is chamfered to prevent “crossover”, but there is a limit to this, and “crossover” always occurs when the construction film thickness increases.

図4〜6は、溶射ピストンリングの製造に通常使用されるインレイド溶射方法を図解している。即ち、インレイド溶射法はピストンリングの本体外周面に溝状凹部を形成したピストンリングの合口を閉じ真円状にした状態で多数のピストンリングをスタックし両側面から固定し円筒状にする。該スタックされ円筒状になったピストンリング外周面に溶射層を形成すると、ピストンリングは側面で密着しているので溶射皮膜形成で完全に「渡り」が発生し一体の円筒状体となる。この円筒外周面をピストンリング外周エッジの母材がでるまで砥石により研磨(外周円筒研磨)すると、溶射膜はピストンリング外周面の溝部のみに残ることになるので、ピストンリングは個々に解体できるようになる。
解体されたピストンリングはその後、砥石による外周面をバレルフェイス(BF)状に加工するBF研磨や砥粒による外周BFラッピング加工等の種々の加工を施し完成される。溶射ピストンリングの多くはこのインレイド溶射方法と呼ばれる方法で製造される。
4-6 illustrate the inlaid spraying method commonly used in the manufacture of sprayed piston rings. That is, in the inlaid spraying method, a plurality of piston rings are stacked and fixed from both side surfaces in a cylindrical shape with the joint of the piston ring having a groove-like recess formed on the outer peripheral surface of the piston ring in a closed state. When a sprayed layer is formed on the outer peripheral surface of the piston ring that is stacked and cylindrical, the piston ring is in close contact with the side surface, so that a “crossover” occurs completely in the formation of the sprayed coating, resulting in an integral cylindrical body. When this cylindrical outer peripheral surface is polished with a grindstone until the base material of the piston ring outer peripheral edge comes out (peripheral cylindrical polishing), the sprayed film remains only in the groove portion of the piston ring outer peripheral surface, so that the piston rings can be individually disassembled. become.
The disassembled piston ring is then subjected to various processes such as BF polishing for processing the outer peripheral surface with a grindstone into a barrel face (BF) shape and outer peripheral BF lapping with abrasive grains. Many of the thermal spray piston rings are manufactured by a method called this inlaid thermal spraying method.

このインレイド溶射方法では、円筒状にスタックしたピストンリングの外周円筒研磨時の芯ぶれやRmax約50μmもある皮膜の粗さをなくすためには、表面より約100μmぐらい研磨する必要がある。又、外周面をバレルフェイス形状に加工する外周BF研磨でも約50μmの取り代が必要であり、更に砥粒による外周ラッピング加工での取り代も約20μmが必要である。従って、施工溶射膜厚は「皮膜性能から必要とされる膜厚」+約170μmにもなる。このように溶射皮膜を厚く溶射したのち、外周溶射面を研磨し、ピストンリング外周面軸方向にある外周エッジの下地母材を露出させることによりピストンリングを個々に解体するものであるから、溶射材を多く使うこと、研磨に多大な工数を使うこと等の理由で、「めっき」等の他の表面処理リングに比べ高いものとなっていた。   In this inlaid spraying method, it is necessary to polish about 100 μm from the surface in order to eliminate the runout and the roughness of Rmax of about 50 μm when the outer peripheral cylinder of the piston ring stacked in a cylindrical shape is polished. Further, the outer peripheral BF polishing for processing the outer peripheral surface into a barrel face shape requires a machining allowance of about 50 μm, and the machining allowance for the outer peripheral lapping by the abrasive grains is also required to be about 20 μm. Therefore, the applied sprayed film thickness becomes “appropriate film thickness from coating performance” + about 170 μm. After spraying the spray coating thickly in this way, the outer periphery sprayed surface is polished and the piston ring is individually disassembled by exposing the base material of the outer peripheral edge in the axial direction of the piston ring outer periphery. It was expensive compared to other surface treatment rings such as “plating” because of the large amount of materials used and the great man-hours for polishing.

ピストンリングの外周摺動面全面に溶射皮膜を形成する手段として、特許文献1,特開平11−37292号(溶射ピストンリングの製造方法)のようにピストンリング間にピストンリング外径より大きい外径を有する薄い金属板を入れる方法が提案されているが、ピストンリングと薄い金属板を交互に積み重ね、筒状体とするためには、あらかじめ、個々のピストンリングの合口をピストンリングの呼称径まで閉じ、固定しなければならず、生産性が悪化し高コストになるという問題がある。   As a means for forming a thermal spray coating on the entire outer peripheral sliding surface of the piston ring, an outer diameter larger than the outer diameter of the piston ring between the piston rings as in Patent Document 1, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-37292 (manufacturing method of the thermal spray piston ring). In order to stack the piston rings and thin metal plates alternately to form a cylindrical body, the joints of the individual piston rings must be connected to the nominal diameter of the piston ring in advance. There is a problem that it must be closed and fixed, resulting in a deterioration in productivity and high cost.

このような問題に対し、特許文献2,特開昭55-134166号「溶射ピストンリングの製造方法」は、ピストンリング外周面の少なくとも一方のエッジに、0.1〜0.3Cの面取り加工を施したピストンリングを面取り方向が同一方向となるように円筒状にスタックし、一方の面取り部に溶射粒子が付着しないような角度に溶射ガンを傾けて溶射することを特徴とするものである。このようにすることでスタックしたピストンリングとピストンリング間に溶射渡りが発生することはなく溶射膜の形成が可能であり、溶射材や研磨工数等を減らすことが出来るので製造コストを従来に比べ大幅に下げることが出来るとしている。   In order to solve this problem, Patent Document 2, Japanese Patent Application Laid-Open No. 55-134166, “Method for Manufacturing Thermal Spray Piston Ring” is a piston in which a chamfering process of 0.1 to 0.3 C is performed on at least one edge of the outer peripheral surface of the piston ring. The rings are stacked in a cylindrical shape so that the chamfering directions are the same direction, and spraying is performed by inclining the spray gun at an angle so that the spray particles do not adhere to one of the chamfered portions. In this way, sprayed coating can be formed without causing thermal spraying between the piston ring and the piston ring that have been stacked, and it is possible to reduce the number of sprayed materials and polishing man-hours, etc. It can be lowered significantly.

ピストンリングの面取り部の大きさ特にピストンリングの径方向の大きさ(深さ)と溶射渡り性には関連があり、向かい合うピストンリング外周面端部間に溶射膜以上の段差さが必要である。従って、溶射膜厚が厚い場合には溶射膜厚さ以上の段差が必要となるが、一方、ピストンリングのエッジ部の深さのみを大きくすると、そのピストンリングの面取部のテーパ面には溶射皮膜が付着しなくなる。溶射皮膜の剥離の観点では、溶射皮膜が一部面取り部にかかったほうが好ましい。従って、面取り角度θ(ピストンリング側面に対して)は30°〜60°が適当であるが、面取り深さは0.2mmの場合にはピストンリング軸方向の面取り幅は大きいもので〜0.35mmとなるのでピストンリング外周摺動面幅はそれだけ狭くなり、軸方向幅の薄いピストンリングではピストンリングの析損等の問題を引き起こす可能性が高い。
特開平特開平11−37292号 特開昭55-134166号
The size of the chamfered portion of the piston ring, particularly the radial size (depth) of the piston ring, is related to the thermal sprayability, and a step greater than the sprayed coating is required between the ends of the outer peripheral surface of the piston ring facing each other. . Therefore, when the sprayed film thickness is thick, a step greater than the sprayed film thickness is required. On the other hand, if only the depth of the edge part of the piston ring is increased, the tapered surface of the chamfered part of the piston ring Thermal spray coating does not adhere. From the viewpoint of peeling of the thermal spray coating, it is preferable that the thermal spray coating partially covers the chamfered portion. Therefore, a chamfering angle θ (relative to the side surface of the piston ring) of 30 ° to 60 ° is appropriate. However, when the chamfering depth is 0.2 mm, the chamfering width in the piston ring axial direction is large and is about 0.35 mm. Therefore, the width of the outer peripheral sliding surface of the piston ring is reduced accordingly, and a piston ring with a thin axial width has a high possibility of causing problems such as the analysis loss of the piston ring.
JP-A-11-37292 JP 55-134166

しかしながら、特許文献2の溶射方法で製造する場合には、下記の問題点があることが判明した。
ピストンリング面取り部は溶射面のままの状態では表面粗さは粗い。従って、外周摺動面を砥石研磨やラッピング研磨を行ったときに、境界部となる稜線の凹凸が激しくなる。その結果、ピストンリングをシリンダに挿入するときや使用中に溶射粒子の脱落や溶射膜のカケを生じやすくなり、相手材を摩耗させることが解かってきた。また、この面取り部に研磨加工を施し上記問題点を解決することは、溶射膜としてサーメット皮膜等の硬質皮膜を用いる場合には、皮膜の研磨時にチッピング(皮膜欠け)が発生する。
However, it has been found that there are the following problems when manufacturing by the thermal spraying method of Patent Document 2.
The surface roughness of the piston ring chamfered portion is rough when the sprayed surface remains as it is. Therefore, when the outer peripheral sliding surface is subjected to grinding wheel lapping or lapping polishing, the unevenness of the ridgeline that becomes the boundary portion becomes severe. As a result, it has been found that when the piston ring is inserted into the cylinder or during use, the sprayed particles are likely to fall off or the sprayed film is broken, and the mating material is worn. In addition, when the chamfered portion is polished to solve the above problems, when a hard coating such as a cermet coating is used as the sprayed coating, chipping (coating chipping) occurs during polishing of the coating.

このように、従来の溶射ピストンリングでは溶射膜の表面粗さが悪いため、インレイド溶射法を取らずに溶射することが出来ても、ピストンリングとして使用することが出来なかった。また、面取り部を研磨することは、サーメット溶射皮膜等では行うことが出来ず、結局、インレイド溶射法に頼らざるをえなかった。   As described above, since the surface roughness of the sprayed coating is poor in the conventional sprayed piston ring, it could not be used as a piston ring even if sprayed without using the inlaid spraying method. Further, polishing the chamfered portion cannot be performed with a cermet sprayed coating or the like, and eventually, an inlaid spraying method has to be relied upon.

本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その第一の発明は、ピストンリング本体外周面の軸方向の少なくとも一方の外周エッジに、径方向深さ0.05mm以上で軸方向幅が0.3mm以下の面取り部が形成されており、該外周面にはサーメット溶射皮膜が形成された溶射ピストンリングであって、該溶射皮膜が主として粉末粒子径約10μm以下のサーメット粉末から構成され、溶射膜厚が0.03〜0.20mmであることを特徴とするピストンリングであり、その第二の発明は、面取り部のピストンリング側面との角度(θ)が30°〜60°であることを特徴とするものであり、その第三、第四の発明は溶射皮膜が炭化タングステンや炭化クロム等の炭化物を硬質相とするサーメット皮膜であることを特徴とするものであり、その第五の発明は請求項1〜4のピストンリングの製造方法であって、ピストンリング本体(1)外周面の軸方向の少なくとも一方の端部(3)に、径方向深さ0.05mm以上、軸方向幅が0.3mm以下での面取りを形成する第一工程、外周面全体に溶射皮膜が粒子径10μm以下の粒子を主成分とするサーメット溶射皮膜を、前記面取り部の径方向深さ以下の厚さで、形成する第二工程、該溶射皮膜の外周面をラッピング研磨する第三工程からなることを特徴とする請求項1〜4項記載のピストンリングの製造方法である。   The present invention was made paying attention to such problems, and the first invention is that at least one outer peripheral edge in the axial direction of the outer peripheral surface of the piston ring main body is axially oriented at a radial depth of 0.05 mm or more. A chamfered portion having a width of 0.3 mm or less is formed, and a thermally sprayed piston ring having a cermet sprayed coating formed on the outer peripheral surface, the sprayed coating being mainly composed of a cermet powder having a powder particle diameter of approximately 10 μm or less. The piston ring is characterized in that the sprayed film thickness is 0.03 to 0.20 mm, and the second invention is that the angle (θ) between the chamfered portion and the piston ring side surface is 30 ° to 60 °. The third and fourth inventions are characterized in that the thermal spray coating is a cermet coating having a hard phase of a carbide such as tungsten carbide or chromium carbide, and the fifth invention. Is the Pis of claims 1-4 A chamfering with a radial depth of 0.05 mm or more and an axial width of 0.3 mm or less is formed on at least one end (3) in the axial direction of the outer peripheral surface of the piston ring body (1). A first step of forming a cermet sprayed coating whose main component is a particle having a particle diameter of 10 μm or less on the entire outer peripheral surface with a thickness not more than the radial depth of the chamfered portion, the thermal spraying 5. The method for manufacturing a piston ring according to claim 1, further comprising a third step of lapping polishing the outer peripheral surface of the coating.

本発明は、ピストンリング外周に溝を形成し、溶射するインレイド溶射方法に比べ、ピストンリングを分離するための筒状体外径を研磨する工程が不要となり、溶射後の研削取代は溶射面の粗さを除去するだけでよく、研削加工工数を大幅に削減できる。また、溶射時の皮膜厚さも薄くすることが出来、溶射材料使用量の節減が可能となるため、耐摩耗性、耐焼付性に優れた溶射皮膜をピストンリング外周摺動面全面に形成した低コストの溶射ピストンリングを製造することが可能となる。
Compared to the inlaid spraying method in which grooves are formed on the outer periphery of the piston ring and sprayed, the present invention eliminates the need for a step of polishing the cylindrical body outer diameter for separating the piston ring, and the grinding allowance after spraying is rough. It is only necessary to remove the thickness, and the number of grinding processes can be greatly reduced. In addition, since the coating thickness during spraying can be reduced and the amount of sprayed material used can be reduced, a low thermal spray coating with excellent wear resistance and seizure resistance is formed on the entire piston ring outer periphery sliding surface. It is possible to manufacture a thermal spray piston ring.

作用
本発明では、溶射粉末に約10μm以下(造粒粉の場合は2次粒径)の微粉末粒子を用いることを特徴とする。
溶射皮膜の表面粗さは溶射粉末の粒径に大きく依存し、溶射原料粉に微粉末を用い溶射膜を形成すれば溶射皮膜の表面粗さを細かくすることが出来る。即ち、現在HVOF法やHVAF法で用いられる溶射粉末の粒径は約10μm〜50μmであり、溶射面粗さはRmax50μm以上にもなる。しかし、本発明のように粒子径10μm以下の溶射粉末を用いれば溶射面粗さをRmax10μm以下にすることが出来る。このことは、ピストンリング面取り部の溶射皮膜の表面粗さも細かくなることを意味し、研磨加工した外周面と面取り部の境界となる稜線の凹凸は少なくなり、ピストンリングのシリンダへの挿入時に皮膜の引っかかりを少なく出来、皮膜のカケをなくすことが出来る。また、摺動時での皮膜欠けも防止できることになる。
Effect in the present invention is about 10μm or less in the thermal spraying powder (for granulated powder secondary particle) is characterized by using a fine powder particles.
The surface roughness of the thermal spray coating greatly depends on the particle size of the thermal spray powder, and if the thermal spray coating is formed by using fine powder as the thermal spray raw material powder, the surface roughness of the thermal spray coating can be reduced. That is, the particle size of the thermal spray powder currently used in the HVOF method and the HVAF method is about 10 μm to 50 μm, and the thermal spray surface roughness is Rmax 50 μm or more. However, if a sprayed powder having a particle diameter of 10 μm or less is used as in the present invention, the sprayed surface roughness can be reduced to Rmax 10 μm or less. This means that the surface roughness of the thermal spray coating on the piston ring chamfered portion also becomes finer, and the unevenness of the ridgeline that becomes the boundary between the polished outer peripheral surface and the chamfered portion is reduced, and the coating is applied when the piston ring is inserted into the cylinder. It is possible to reduce the catch of the film and to eliminate the chip of the film. Further, chipping of the film during sliding can be prevented.

又、本発明のピストンリングにおいては、面取り角度θが小さいと面取り部に溶射膜が付着しなくなる不具合が発生するうえ、面取り角度θが大きくなると面取りの軸方向幅が大きくなるため、ピストンリング外周摺動面当たり幅が小さくなる不具合が発生する。このことから、ピストンリング側面に対し30°〜60°の面取り角度が好ましい。   Further, in the piston ring of the present invention, if the chamfering angle θ is small, a problem occurs that the sprayed film does not adhere to the chamfered portion, and if the chamfering angle θ is large, the axial width of the chamfering becomes large. There arises a problem that the width per sliding surface becomes small. Therefore, a chamfer angle of 30 ° to 60 ° with respect to the side surface of the piston ring is preferable.

上記角度範囲内において、ピストンリング本体外周面の上下方向の少なくとも一方の端部には径方向深さ0.05mm以上、軸方向幅が0.3mm以下でピストンリング側面に対し30°〜60°の面取り4が形成されている(図7参照)。面取り部の径方向深さがこれ以下であると溶射渡りが発生する。本発明の微粉溶射皮膜の表面粗さはRmax約10μmになるので、この粗さを1Rz以下とするためには10μm以上の研磨が必要となる。また、溶射膜3(図8)がその摺動性能を発揮するためには少なくとも30μmの膜厚さが必要であり、溶射膜厚の施工バラツキや加工による研磨代バラツキを考えると施工溶射膜厚は50μm必要であり、従って、溶射渡りを防ぐには最低でもピストンリング面取り部の径方向深さは0.05mm以上必要となる。また、面取り部の径方向の深さは施工溶射膜厚の厚さ以上である。   Within the above angle range, at least one end in the vertical direction of the outer peripheral surface of the piston ring body is chamfered at a radial depth of 0.05 mm or more and an axial width of 0.3 mm or less and 30 ° to 60 ° with respect to the piston ring side surface. 4 is formed (see FIG. 7). When the depth in the radial direction of the chamfered portion is less than this, thermal spraying occurs. Since the surface roughness of the finely sprayed coating of the present invention is about Rmax of about 10 μm, polishing of 10 μm or more is necessary to make this roughness 1 Rz or less. Further, in order for the sprayed film 3 (FIG. 8) to exhibit its sliding performance, a film thickness of at least 30 μm is necessary. Considering the variation in the sprayed film thickness and the variation in the polishing allowance due to the processing, the sprayed film thickness is as large as possible. 50 μm is required, and therefore the depth in the radial direction of the chamfered portion of the piston ring is required to be 0.05 mm or more in order to prevent spraying. Moreover, the depth in the radial direction of the chamfered portion is equal to or greater than the thickness of the construction sprayed film.

軸方向面取り幅はピストンリングの摺動当たり幅に関係する。当たり幅が小さすぎることは本発明のピストンリングが圧力ピストンリングとして使われることから機能上好ましいことではなく、従って、本発明においては0.3mm以下に限定した。   The axial chamfer width is related to the sliding contact width of the piston ring. If the contact width is too small, the piston ring of the present invention is not preferable in terms of function since it is used as a pressure piston ring. Therefore, the present invention is limited to 0.3 mm or less.

本発明において、溶射は、ピストンリングを回転し、ピストンリング外周面から所定距離離れた溶射ガン5を所定の速度でピストンリング軸に平行に往復移動させ、ピストンリング外周面に所定膜厚の溶射皮膜が形成されるまで行う。溶射の方向は、図9に示すようにピストンリング軸に垂直な方向でも又は傾けてもよい。   In the present invention, the spraying is performed by rotating the piston ring, reciprocating the spray gun 5 away from the outer peripheral surface of the piston ring at a predetermined speed in parallel with the piston ring axis, and spraying the outer peripheral surface of the piston ring with a predetermined film thickness. Repeat until a film is formed. The direction of thermal spraying may be a direction perpendicular to the piston ring axis or inclined as shown in FIG.

本発明のピストンリング外周面に形成されるサーメットの溶射皮膜は請求項2,3のものであることが好ましい。この溶射皮膜は粉末粒子径10μm以下の粉末を主成分とする微粉溶射皮膜である。溶射皮膜の表面粗さが細かくなると、砥石による研磨加工を省略し、直接研磨砥粒を用いたラッピング加工が出来るようになるので、施工溶射膜厚を薄く出来、且つ、研磨による皮膜のカケを防止できる効果も生まれ、溶射工程の生産性を大幅に向上させることが出来る。また、当然ながら、溶射材の使用量も大幅に減少することが出来る。更に、硬質相としてWCやCrC等の炭化物を硬質相としたサーメット皮膜は、砥石研磨加工では皮膜の欠けが発生しやすいが、本発明の溶射皮膜では、砥石による研磨を廃止できるので、この問題を回避できることが可能である。以下、実施例に基づき詳述する。   The thermal spray coating of the cermet formed on the outer peripheral surface of the piston ring according to the present invention is preferably that according to claims 2 and 3. This thermal spray coating is a fine powder thermal spray coating mainly composed of powder having a powder particle diameter of 10 μm or less. When the surface roughness of the thermal spray coating is reduced, polishing with a grindstone can be omitted, and lapping using direct abrasive grains can be performed. The effect which can be prevented is also born and the productivity of the thermal spraying process can be greatly improved. Of course, the amount of sprayed material used can also be greatly reduced. Furthermore, the cermet coating with a hard phase such as WC or CrC as the hard phase is prone to chipping in the grinding stone polishing process, but the thermal spray coating of the present invention can eliminate the grinding with the grinding stone. Can be avoided. Hereinafter, it explains in full detail based on an Example.

実施例1
外径が122mm、高さが3mmのピストンリングの軸方向一方の側面に径方向深さ0.15mm、軸方向幅0.2mm、角度(θ)53°の面取りを行ったマルテンサイト系ステンレス鋼製ピストンリングを50本重ね合わせ、両側面から外径121.5mm厚さ10mmの締め板を用いて固定して径約122mm長さ170mmの筒状体とした。次に母材と溶射層の密着性をよくするため、通常行なわれるアルミナ#60でのグリットブラストを施して、その筒状体の外周面を粗面化した。
Example 1
A martensitic stainless steel piston with a chamfered chamfer with a diameter of 0.15 mm, a width of 0.2 mm, and an angle (θ) of 53 ° on one axial side of a piston ring with an outer diameter of 122 mm and a height of 3 mm. 50 rings were overlapped and fixed from both sides using fastening plates having an outer diameter of 121.5 mm and a thickness of 10 mm to form a cylindrical body having a diameter of about 122 mm and a length of 170 mm. Next, in order to improve the adhesion between the base material and the sprayed layer, the usual grit blasting with alumina # 60 was performed to roughen the outer peripheral surface of the cylindrical body.

こののち、耐摩耗性、耐焼付き性に優れているCr-C/25NiCrの粒子径10μm以下の造粒焼結サーメット微粉末をHVOF溶射し溶射膜を形成した(図9)。溶射ガン5はθガン(ウイティコ社製)を用い、ピストンリング外周面の垂直方向から約30°傾け、該面取り面に垂直となるようにして溶射層を形成した。膜厚さは0.07mmで表面粗さ11.2Rmaxの溶射膜を得ることが出来た。 After that, HVOF thermal spraying was performed on finely granulated and sintered cermet powder of Cr-C / 25NiCr with a particle diameter of 10 μm or less, which is excellent in wear resistance and seizure resistance (FIG. 9). As the thermal spray gun 5, a θ gun (manufactured by Witco) was used, and a thermal spray layer was formed so as to be inclined by about 30 ° from the vertical direction of the outer peripheral surface of the piston ring and to be perpendicular to the chamfered surface. A sprayed film with a film thickness of 0.07 mm and a surface roughness of 11.2 Rmax was obtained.

溶射後、このピストンリングの両側面の締め板を取り外すことによりピストンリングは個々に解体できた。その後、カーボランダム砥粒#2000を用いたラッピング研磨を行ない、製品膜厚約0.05mm、表面溶射膜粗さ0.35Rzのピストンリングを得ることが出来た。面取り部の溶射皮膜の表面粗さは約12.0Rmaxであり、外周摺動面と稜線の凹凸は少なく、ラッピング研磨加工用のシリンダへの挿入時も加工時に皮膜のカケが生じることなく加工することが出来た。 After spraying, the piston rings could be disassembled individually by removing the clamp plates on both sides of the piston ring. Thereafter, lapping polishing using carborundum abrasive grains # 2000 was performed, and a piston ring having a product film thickness of about 0.05 mm and a surface sprayed film roughness of 0.35 Rz could be obtained. The surface roughness of the thermal spray coating on the chamfered part is about 12.0Rmax, and there are few irregularities on the outer peripheral sliding surface and ridge line, and processing is performed without causing coating flaking even when inserted into a lapping polishing cylinder. Was made.

比較例1
面取り角度(θ)を8°に変更した他は実施例1と同じピストンリングにつき同じ溶射及び加工を行ったところ、面取り部に付着しない溶射粒子が溝底部に溜まり、「渡り」が生じた。
Comparative Example 1
When the same thermal spraying and machining were performed on the same piston ring as in Example 1 except that the chamfering angle (θ) was changed to 8 °, the thermal spraying particles that did not adhere to the chamfered portion accumulated at the bottom of the groove, resulting in “crossover”.

比較例2
径方向深さを0.03mm、軸方向幅0.03mm、面取り角度45°に変更した他は実施例1と同じピストンリングにつき同じ溶射及び加工を行ったところ、面取り部に付着しない溶射粒子が溝底部に溜まり、「渡り」が生じた。
Comparative Example 2
When the same thermal spraying and machining was performed on the same piston ring as in Example 1 except that the radial depth was changed to 0.03 mm, the axial width was 0.03 mm, and the chamfering angle was 45 °, the thermal spray particles that did not adhere to the chamfered portion were found to be the bottom of the groove. And “crossover” occurred.

ピストンリング本体外周面の軸方向の少なくとも一方の端部に、径方向深さが0.05mm以上、軸方向幅が0.3mm以下である面取り部を形成し、その面取り部が同一方向となるように円筒状にスタックし、外周面に粒子径10μm以下の粒子より構成され、厚さが0.03〜0.2mmとなる皮膜を溶射することによって、筒状体が一体化することなく、個々のピストンリングに分離することが可能となる。また、上記面取り部の溶射皮膜の表面粗さも細かいため、ピストンリングのシリンダへの挿入時、摺動時の皮膜欠けを防止でき、耐摩耗性、耐焼付性に優れた溶射皮膜を有するピストンリングの製造が可能となった。     A chamfered portion with a radial depth of 0.05 mm or more and an axial width of 0.3 mm or less is formed on at least one axial end portion of the outer peripheral surface of the piston ring body so that the chamfered portions are in the same direction. By stacking cylindrically and spraying a coating with a particle diameter of 10 μm or less on the outer peripheral surface and having a thickness of 0.03 to 0.2 mm, the cylindrical body is not integrated into each piston ring. It becomes possible to separate. In addition, since the surface roughness of the thermal spray coating on the chamfered portion is fine, the piston ring has a thermal spray coating with excellent wear resistance and seizure resistance, which can prevent chipping during sliding when the piston ring is inserted into the cylinder. Can be manufactured.

面取り部がないピストンリングの各部の名称を説明する図である。It is a figure explaining the name of each part of a piston ring without a chamfer. 面取り部があるピストンリングの各部の名称を説明する図である。It is a figure explaining the name of each part of a piston ring with a chamfer. 複数のピストンリングを積み重ねた筒状体の外観図である。It is an external view of the cylindrical body which piled up the some piston ring. ピストンリングの外周面に従来法により溝加工を行なったピストンリングを筒状体としたときの 断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of a piston ring in which a groove is formed on the outer peripheral surface of the piston ring by a conventional method as a cylindrical body. 図4の筒状体に溶射を施工した時の断面図である。It is sectional drawing when a thermal spraying is applied to the cylindrical body of FIG. 図6の筒状体の外形を研削加工した時の断面図である。It is sectional drawing when the external shape of the cylindrical body of FIG. 6 is ground. 本発明により、ピストンリングの外周一端に面取を施し、積み重ねて筒状体としたときの断面図である。It is sectional drawing when chamfering is given to the outer peripheral end of a piston ring by this invention, and it piles up to make a cylindrical body. 図7の筒状体に溶射を施工したときの断面図である。It is sectional drawing when spraying is applied to the cylindrical body of FIG. 実施例における溶射の状況を説明するための概要図である。It is a schematic diagram for demonstrating the condition of the thermal spraying in an Example.

符号の説明Explanation of symbols

1…ピストンリング
2…筒状体
3…溶射皮膜
4…面取
5…溶射ガン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Piston ring 2 ... Cylindrical body 3 ... Thermal spray coating 4 ... Chamfering 5 ... Thermal spray gun

Claims (5)

ピストンリング本体外周面の軸方向の少なくとも一方の端部に、径方向深さが0.05mm以上、軸方向幅が0.3mm以下である面取り部を形成した溶射ピストンリングであって、外周面に形成されたサーメット溶射皮膜が主として粒子径10μm以下の粒子より構成され、厚さが0.03〜0.2mmであることを特徴とするピストンリング。 A sprayed piston ring with a chamfered portion with a radial depth of 0.05 mm or more and an axial width of 0.3 mm or less formed on the outer peripheral surface of at least one axial end of the outer peripheral surface of the piston ring body. A piston ring, wherein the cermet sprayed coating is mainly composed of particles having a particle diameter of 10 μm or less and has a thickness of 0.03 to 0.2 mm. 前記面取り部のピストンリング側面との角度(θ)が30°〜60°であることを特徴とする請求項1記載のピストンリング。 2. The piston ring according to claim 1, wherein an angle (θ) of the chamfered portion with a side surface of the piston ring is 30 ° to 60 °. 前記サーメット溶射皮膜が炭化タングステンとコバルト又は炭化タングステンとコバルト−クロム合金を主成分とすることを特徴とする請求項1又は2記載のピストンリング。 3. The piston ring according to claim 1, wherein the cermet sprayed coating is mainly composed of tungsten carbide and cobalt or tungsten carbide and a cobalt-chromium alloy. 前記サーメット溶射皮膜が炭化クロムとニッケル−クロム合金又は炭化クロムとコバルト−クロム合金を主成分とすることを特徴とする請求項1又は2記載のピストンリング。 3. The piston ring according to claim 1, wherein the cermet sprayed coating is mainly composed of chromium carbide and a nickel-chromium alloy or chromium carbide and a cobalt-chromium alloy. ピストンリング本体(1)外周面の軸方向の少なくとも一方の端部(3)に、径方向深さ0.05mm以上、軸方向幅が0.3mm以下の面取り部を形成する第一工程、外周面全体に溶射皮膜が粒子径10μm以下の粒子を主成分とするサーメット溶射皮膜を、前記面取り部径方向深さ以下の厚さで、形成する第二工程、該溶射皮膜の外周面をラッピング研磨する第三工程からなることを特徴とする請求項1から4までの何れか1項記載のピストンリングの製造方法。

The first step of forming a chamfered portion with a radial depth of 0.05 mm or more and an axial width of 0.3 mm or less at at least one end (3) in the axial direction of the piston ring body (1) outer peripheral surface, the entire outer peripheral surface A second step of forming a cermet sprayed coating mainly composed of particles having a particle diameter of 10 μm or less at a thickness not more than the depth in the chamfered portion radial direction, and lapping polishing the outer peripheral surface of the sprayed coating. The method for manufacturing a piston ring according to any one of claims 1 to 4, comprising three steps.

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