JP2007520666A - ピストンリングおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

摺動面異形断面を備える摺動面と、上側および下側の側面とを含み、摺動面の部分領域が除去可能な被覆部を備えるように、少なくとも摺動面が蒸着層を備えており、したがって蒸着層が生成されて被覆部が除去された後に、摺動面と少なくとも一方の側面との間で実質的に鋭利な摺動エッジが生じるようになっているピストンリング。

Description

本発明は、摺動面異形断面を備える摺動面と、上側および下側の側面とを含むピストンリングに関するものである。

欧州特許明細書ＥＰ−Ｂ０７０２０９７には、基板の表面が少なくとも窒化クロムを含む化合物でコーティングされ、柱状の結晶構造がコーティングの張力破断表面に存在しており、これらの柱状体は基板表面からコーティング表面のほうへと向いている摺動体が記載されている。コーティングの多孔度は、窒化クロムをベースとして、１．５から２０％の間であるとされており、コーティングの厚さは１μｍから８０μｍの間である。必要に応じて、基材とコーティングの間に、クロムからなる中間層を設けることができる。摺動体は、少なくとも外周摺動面にコーティングが設けられたピストンリングであってよい。摺動体は金属窒化物または金属炭化物でコーティングするとされており、その際には、一方ではＰＶＤ（物理蒸着法）および他方ではＣＶＤ（化学蒸着法）を適用することができる。コーティングの組成は、統一された相においてはＣｒＮ，Ｃｒ₂Ｎまたはこれらの混合物からなっている。ＰＶＤもしくはＣＶＤ法で摺動体（ピストンリング）の摺動面に析出された摺動面コーティングは、工業用の用途にとって非常に好ましい効果がある。ＰＶＤ層は、経済的に研削加工することができないという欠点がある。そのため従来は、コーティングの後に研削加工が必要ないピストンリング構造しか採用することができなかった。

このような構造は、知られているどのような場合においても、全面的にコーティングされた摺動面である。ＰＶＤコーティングと基材との間の結合は非常に大きい張力のもとにあるので、エッジが欠けるのを防ぐために、大きく面取りされたエッジを使用せざるをえない。しかしこのようなエッジは、オイルを掻き落すリングの能力を著しく低下させてしまう。

確かに、リングは、ＰＶＤによってコーティングされた摺動面と、鋭い下側の摺動エッジとを有しているのが望ましい。

鋭いエッジをもつように成形された摺動エッジを備えるピストンリングは、最適なオイル掻き落し挙動をもつことで知られている。しかしこのことは、上に挙げた従来技術によっては実現することができず、そのため、高価値な摺動面コーティングにもかかわらず、実際の利用分野はどちらかというと限定されたものでしかない。

したがって、本発明の目的は、一方では、摺動面の全体にこのような種類のコーティングを設けなくてすむようにし、また他方では、動作状態のときに最適化されたオイル掻き落し作用が確保されるように欧州特許明細書ＥＰ−Ｂ０７０２０９７による公知の従来技術を改良することである。

この目的は、摺動面異形断面を備える摺動面と、上側および下側の側面とを含み、摺動面の部分領域が除去可能な被覆部を備えるように、少なくとも摺動面が蒸着層を備えており、したがって蒸着層が生成されて被覆部が除去された後に、摺動面と少なくとも一方の側面との間に実質的に鋭利な摺動エッジが生じるようになっていることによって達成される。

本発明の対象物の有利な発展態様は、物を対象とする付属の従属請求項に記載されている。

前述の目的は、摺動面異形断面を備える基体に摺動面異形断面の範囲外で被覆部を設け、摺動面に蒸着層を塗布し、次いで被覆部を除去し、その結果被覆部の除去に引き続いて摺動面と基体の少なくとも一方の側面との間に実質的に鋭利な摺動エッジが形成されるようにすることによって、摺動面異形断面を備えるピストンリングの摺動面に蒸着層を生成する方法によっても達成される。

本発明による方法の有利な発展例は、方法を対象とする付属の従属請求項に記載されている。

このように本発明の対象物によって、実績のあるＰＶＤ法またはＣＶＤ法をいっそう有意義に使用することができ、そのうえ、オイル掻き落しの作用も改良することができるという利点がある。

本発明の対象物は、たとえば片面または複数面の室や、部分的に円錐状の摺動面領域、溝などのような多種多様に構成された摺動面異形断面をすでに備える、実際に使用されている基体を原形とするものである。本発明の対象物のさらに別の利点は、適用ケースに応じて、たとえばクロムからなる電気めっきを基体へ部分的に施すことがという点にある。基体そのものは鋼材または鋳物でできていてよい。

欧州特許明細書ＥＰ−Ｂ０７０２０９７に記載の従来技術と同じく、基体の蒸着層はＣｒおよびＮで生成して、同じように基体の摺動面に塗布することができる。

用途によっては、摺動面異形断面に少なくとも１つのアンダーカットを形成し、残りのウェブもしくは室壁と蒸着層それ自体との間に、ピストンリングが動作状態にあるときにオイル保持リザーバが構成されるようにすると、有意義な場合がある。

残りのウェブもしくは室壁と蒸着層との間に多孔性の移行領域が形成されるように、摺動面異形断面を形成することも同様に考えられる。多孔性によって、同じくオイルを保持する領域を生成することができる。

除去可能な被覆部はさまざまな種類のものであってよく、当業者が経済的な観点も含めて、そのつどの用途にとって適切な被覆部を選択すればよい。被覆部は、たとえば基体の材料から一体的に成形されていてよく、蒸着層の塗布後に基体から分離することができる。このことは、普通であれば経済的に研削することができない非常に硬い蒸着層を簡単なやり方で除去することができるので、一方では磨耗保護層が形成され、他方では実質的に鋭利な摺動エッジが形成されるという特別な利点と結びついている。被覆部としての金属テープまたはプラスチックテープも、同様に考えられる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、蒸着層２を備える、相前後して並べられた複数のピストンリング１を原理図として示している。それぞれのピストンリング１は、本例では片側の室によって形成された、摺動面３に設けられた摺動面異形断面４を備えている。残りのウェブ５は、除去可能な被覆部６を備えている。被覆部６が設けられた後、それぞれのピストンリング１で構成されるピストンリングセットに、（たとえば欧州特許明細書ＥＰ−Ｂ０７０２０９７に記載されているように）ＰＶＤ法による蒸着コーティングが施され、本例では、ＣｒＮからなる蒸着層２が生成されるようになっている。コーティングに引き続いて、ピストンリング１が別々に切り離され、被覆部６が除去される。ウェブ５の領域に突出部がまだ残っているときは、（望ましい限りにおいて）蒸着面２との間で平滑な面が生じるまで、突出部を簡単な方法で取り除くことができる。蒸着層は、本例では３０μｍとしている。

図２から図５は、さまざまな摺動面異形断面４を備えるピストンリング１を、異なる加工状態で示している。

図２ａと図２ｂは、傾斜角のもとで摺動面異形断面４へと移行する斜面７を示している。残りのウェブ５の上に被覆部６が設けられる。図２ｂは、被覆部６が除去された後のピストンリング１の最終状態を示している。摺動面３と、本例では下側の側面８との間に、実質的に鋭利な摺動エッジ９が形成されている様子を見ることができる。

図３ａと図３ｂも同様に評価することができ、ここでは、ウェブ５から摺動面異形断面４へ移行していく面取り領域１０がある。被覆部６は、本例では、ピストンリング１の基材から一体的に成形するようになっている。蒸着層２が塗布された後、被覆部６の領域に設けられた材料を研削することができる。経済的な理由からそれが有意義でないときは、たとえば施削やフライス削りによって、たとえば蒸着層２との間で平坦な面が製作されるまで、ウェブ５を削ることも考えられる。その際に当業者は、用途に応じて、そのつどの加工方法を選択する。この場合にも（図３ｂに示すように）被覆部６を除去した後で鋭い摺動面エッジ９が形成される。

図４ａと図４ｂは、さらに別の変形例を示している。ピストンリング１には、蒸着層６の塗布後、たとえばクロムからなる電気めっき層１２が部分的に施される。図２および図３とは異なり、異形断面４は、蒸着材料が部分的にしか侵入できない、またはまったく侵入できないアンダーカット領域１１が形成されるように設けられている。被覆部６が除去された後、ここに（傾斜角に応じて）多孔性領域が形成されるか、または、ピストンリング１が作動状態にあるときにオイル保持リザーバとしての役目をする室が形成される。

図５ａと図５ｂは、摺動面異形断面４のさらに別の変形例を示している。斜面を備える溝が図示されており、外側のウェブ５にそれぞれ被覆部６が設けられている。被覆部６の除去後、（図５ｂに示すように）摺動面３と側面８の間には鋭利な摺動エッジ９が形成される。

個々のピストンリングの部分的な被覆部を用いるピストンリングコーティング法を示す原理図である。 さまざまな断面形状をもつピストンリングの例を、被覆部がある状態と除去された状態とで示す図である。 さまざまな断面形状をもつピストンリングの例を、被覆部がある状態と除去された状態とで示す図である。 さまざまな断面形状をもつピストンリングの例を、被覆部がある状態と除去された状態とで示す図である。 さまざまな断面形状をもつピストンリングの例を、被覆部がある状態と除去された状態とで示す図である。

Claims (20)

1. 摺動面異形断面（４）を備える摺動面（３）と、上側および下側の側面（８）とを含み、前記摺動面（３）の部分領域が除去可能な被覆部（６）を備えるように、少なくとも前記摺動面（３）が蒸着層（２）を備えており、したがって前記蒸着層（２）が生成されて前記被覆部（６）が除去された後に、前記摺動面（３）と少なくとも一方の前記側面（８）との間に実質的に鋭利な摺動エッジ（９）が生じるようになっているピストンリング。
2. 前記摺動面異形断面（４）が室によって形成されており、少なくとも１つの残りのウェブ（５）の領域に前記の除去可能な被覆部（６）が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載のピストンリング。
3. 前記摺動面異形断面（４）が、部分的に円錐形の領域と、これに続く円筒状に成形された領域とによって形成されており、前記円筒状の領域に前記の除去可能な被覆部（６）が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載のピストンリング。
4. 前記摺動面異形断面（４）が少なくとも１つの溝によって形成されており、少なくとも１つのウェブ（５）が前記の除去可能な被覆部（６）を備えていることを特徴とする、請求項１に記載のピストンリング。
5. 前記の除去可能な被覆部（６）が前記ピストンリング（１）の基材から一体的に成形されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載のピストンリング。
6. 前記の除去可能な被覆部（６）がテープまたはストリップによって形成されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載のピストンリング。
7. 前記蒸着層（２）がＰＶＤ法またはＣＶＤ法によって５μｍから７０μｍの間の厚さに塗布されていることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載のピストンリング。
8. 少なくとも１つの環状側面（８）が電気めっき層（１２）を備えていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載のピストンリング。
9. 前記電気めっき層（１２）がクロムをベースとして形成されていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項に記載のピストンリング。
10. 鋼材または鋳物からなる基材を備えていることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項に記載のピストンリング。
11. 前記蒸着層（２）がＣｒとＮをベースとして生成可能であることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項に記載のピストンリング。
12. 前記摺動面異形断面（４）が少なくとも１つのアンダーカット（１１）を備えており、それによって前記ウェブ（５）と前記蒸着層（２）の間にオイル保持リザーバが形成されていることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項に記載のピストンリング。
13. 前記摺動面異形断面（４）が、前記ウェブ（５）と前記蒸着層（２）の間に多孔性の移行領域を生成可能であるように形成されていることを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか１項に記載のピストンリング。
14. 前記の鋭利な摺動エッジ（９）が前記摺動面（３）と前記下側の側面（８）の間に設けられていることを特徴とする、請求項１から１３までのいずれか１項に記載のピストンリング。
15. 摺動面異形断面（４）を備えるピストンリング（１）の摺動面（３）に蒸着層（２）を生成する方法であって、前記摺動面異形断面（４）を備える基体に前記摺動面異形断面（４）の範囲外で被覆部（６）を設け、前記摺動面（３）に蒸着層（２）を塗布し、次いで前記被覆部（６）を除去し、その結果前記被覆部（６）の除去に引き続いて前記摺動面（３）と前記基体の少なくとも一方の前記側面（８）との間に実質的に鋭利な摺動エッジ（９）が形成される、ピストンリングの摺動面に蒸着層を生成する方法。
16. 前記蒸着層（２）がＰＶＤ法またはＣＶＤ法によって生成されることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
17. 前記基体に、前記の少なくとも一方の側面（８）の領域で電気めっき層（１２）を施すことを特徴とする、請求項１５または１６に記載の方法。
18. 前記蒸着層（２）をＣｒおよびＮをベースとして５μｍから７０μｍの間の層厚に生成することを特徴とする、請求項１５から１７までのいずれか１項に記載の方法。
19. 前記摺動面異形断面（４）を、前記蒸着層（２）の塗布時に多孔性の移行領域が形成されるように形成することを特徴とする、請求項１５から１８までのいずれか１項に記載の方法。
20. 前記摺動面異形断面（４）を、前記蒸着層（２）の塗布時にオイル保持リザーバを構成するアンダーカット（１１）が形成されるように形成することを特徴とする、請求項１５から１９までのいずれか１項に記載の方法。

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