JP2008501911A - 内燃機関用のキーストンリングのための耐磨耗性の側面を製作する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、まずベース材料としての長方形の横断面を有する鋼帯材から、内側の周面および外側の周面ならびに上側の側面および下側の側面を有する長方形リングを成形する、内燃機関用のキーストンリングのための耐磨耗性のリング側面を製作する方法に関する。エンジン運転中のリング側面損傷の発生は大幅に、リング側面を平行研削し、外側の周面をその所定の輪郭に研削し、内側の周面をブラッシングし；上下のリング側面（３ａ，４ａ）をキーストンリングの成形のために、ピストンリングがその外側の周面の領域になお平行な側面（３ｂ，４ｂ）を積重面として有しているように研削し；ピストンリング表面をガス窒化プロセス（ＧＮＳ）により窒化物層の形成のために完全に窒化し；窒化されたピストンリングに研削およびラッピングにより、ピストンリングの窒化された側面の加工なしに輪郭付与し；複数のピストンリングをその平行な側面を介して軸方向の予圧下で１つのセットに積重し、ピストンリングの外側の周面に磨耗層をＰＶＤ法によりコーティングし；側面の窒化層を、積重をばらした状態で、窒化層の全層厚さの最大で４分の１が除去されるように研削するという製作ステップにより特徴付けられている方法により阻止されるはずである。

Description

本発明は、まずベース材料としての長方形の横断面を有する鋼帯材から、内側の周面および外側の周面ならびに上側の側面および下側の側面を有する長方形リングを成形し、長方形リングを引き続いて窒化プロセスにより全面的に窒化し、次いで表面の加工により、その最終的な形状およびジオメトリにもたらし、この加工によりベース材料をリング側面で露出させる、内燃機関用のキーストンリング（台形リング）のための耐磨耗性の側面を製作する方法に関する。

台形の横断面、すなわち外側の周面におけるリング高さが内側の周面におけるリング高さよりも大きい横断面を有するピストンリングは、有利にはディーゼルエンジンでトップリングとして使用される。その際、所属のピストンリング溝もやはり台形に形成されている。ディーゼルエンジンは、炭素を含む硬質の残留物を、第１の、すなわち最上位のピストンリング溝内に堆積させる傾向にある。この残留物は、ピストンリングの膠着、ひいては機能失陥に至らしめる可能性を有している。ピストンリングおよびピストンリング溝の台形の構成により、膠着は一般に阻止され、それによりシール機能は保証される。内燃機関のピストンのための長方形リングの製作時に、表面を硬化し、ひいてはより良好な耐磨耗性を得るために、リングの表面全体にガス窒化プロセス（Ｇａｓｎｉｔｒｉｅｒｐｒｏｚｅｓｓ：ＧＮＳ）により窒化物層を被着することが知られている。この種のピストンリングは独国特許第３５０６７４６号明細書、欧州特許出願公開第０６０５２２３号明細書または特開平０５−０５０２４１号公報に記載されている。その際、特にピストンリングの摺動面の耐磨耗性は、前記明細書および独国特許出願公開第１０２０７１４８号明細書から公知であるように、付加的なコーティングの被着によりさらに高められる。

長方形リングから成形されるキーストンリング（Ｔｒａｐｅｚｒｉｎｇ）もしくはダブルキーストンリング（Ｄｏｐｐｅｌｔｒａｐｅｚｒｉｎｇ）の製作時に、リングの表面全体を窒化プロセスにかけることもやはり公知である。この種のピストンリングをキーストンリングへと成形もしくは輪郭付与するために、側面を相応に研削することが必要である。その際、窒化物層は完全にまたは部分的に側面から、幾何学的な要求に応じて再び除去される。リング表面のさらなる加工ステップにより、摺動面の引き続いての磨耗保護層コーティングならびに仕上げ加工を伴う仕上げ輪郭付与が実施される。この製作経過は、リングの積重可能性、つまりセットもしくはスタックでの同時的な大量加工性に関して相応に最適化されている。

ただしエンジン運転中、こうして製作されスチールピストンに装着されるキーストンリングは、特に２００バール〜２２０バールの高い点火圧により、リング側面が大きな磨耗損傷（フレッチング）を有することを提示する。その際、付加的な炭化物堆積が確認可能である。この損傷はピストンリングの運転時間の延長と共に増加し、最終的に失陥に至る。さらに、この損傷が場所依存性に、すなわちリング側面の周囲に沿って異なる強さで発生することが判っている。

本発明の課題は、エンジン運転中のキーストンリングもしくはダブルキーストンリングにおける側面損傷の発生を大幅に回避することである。

本発明により、この課題は特許請求項１の特徴部に記載した特徴により解決される。

本発明による製作法により、運転中、背景技術に対して大幅に減じられた磨耗を有する耐磨耗性のリング側面が提供される。この方法は、窒化物層をリング側面に均等な窒化深さで形成することにより、均等な高さの硬度値の形成も保証する。その結果、リング側面の周囲に沿って、リング機能を損ねる損傷はもはやその側面で発生しない。やはり、ピストンリングとピストンとの間のマイクロ溶接（Ｍｉｋｒｏｖｅｒｓｃｈｗｅｉｓｓｕｎｇ）も有効に阻止される。

本発明の有利な構成は従属請求項の対象である。本発明の一実施例について以下に図面を参照しながら説明する。
図１：背景技術によるキーストンリングの製作法を示す図である。
図２：本発明によるキーストンリングの製作法を示す図である。
図３：背景技術および本発明による方法における場所依存性のリング側面磨耗を示す図である。

長方形の横断面を有する未窒化のマルテンサイト系の鋼帯材１から、公知の装置により、まず、内側の周面５ａおよび外側の周面５ｂならびに上側のリング側面３ａ／３ｂおよび下側のリング側面４ａ／４ｂを備えたピストンリングが、図１に示すように成形される。ピストンリングは引き続いて熱的に応力除去される。リング合口面および外側の周面５ｂの研削加工ならびに内側の周面５ａのブラッシング後、引き続いて、上側のリング側面３ａおよび下側のリング側面４ａの平行研削（Ｐａｒａｌｌｅｌｓｃｈｌｅｉｆｅｎ）が実施される。その結果、互いに平行な上下のリング側面が生じる。図２によれば、上下のリング側面の研削により、傾斜した側面３ｂ，４ｂを有するキーストンリング１０またはダブルキーストンリング（図示せず）への所定の幾何学形状が生じる。その外側の周面の領域で、複数のピストンリングを積重し得る平行な側面は、ピストンリング幅の４分の１よりも小さな幅で残される。クリーニング後、引き続いて、公知のガス窒化プロセスにより、ピストンリングは表面的に窒化される。窒化物層は拡散層と化合物層とから成る。その際、拡散層における窒化深さは２００μｍまでであり得る。化合物層は本発明により約２０μｍの層厚さで７００ＨＶ０．０５の硬さを有している。鋼帯材１は硬質の窒化クロムの形成のために１２％〜１７％のクロム含有量を有している。窒化されたピストンリングを側面の加工なしに改めての若干の研削工程もしくはラッピング工程にかける仕上げ形状付与後、選択的に、磨耗特性をさらに改善するために、自体公知のＰＶＤ（物理蒸着）法により、クロムまたは窒化クロム層が、有利には下側の窒化されたリング側面に被着され得る。それというのも、図１に示した背景技術にしたがって製作されるキーストンリングでは特に、そこで最大の磨耗が提示されるからである。

ピストンリングの摺動面に相当する外側の周面には、リング側面への析出の回避下で、引き続いてＰＶＤ法により、１〜３μｍの窒化クロム層またはリン化マンガン層が１２００〜１４００ＨＶ０．０５の硬さで、磨耗のさらなる減少のために被着される。その際、クロム層の析出は電気メッキにより実施されてもよい。

複数のピストンリングの窒化は、水平に積重された、ただし軸方向で負荷されていない状態で実施され、それに対して摺動面のＰＶＤコーティングは、積重され軸方向で負荷された状態で実施される。それにより、一方では良好な側面窒化が達成され、他方では側面が摺動面コーティング中に、被着したい磨耗保護層によりコーティングされないことが保証される。

コーティング後、ピストンリングは仕上げ加工、特に窒化されたリング側面が、窒化物層全体の最大で４分の１の研削除去により仕上げ加工される。それにより、窒化時に生じる化合物層（白層）は除去される。

全負荷の下で１００時間の走行時間を有する６気筒ディーゼルエンジンに関する局所的な周面の磨耗を示す図３から明らかであるように、本発明による方法は、背景技術に対して、リング側面における磨耗の明らかな低下を生ぜしめる。

背景技術によるキーストンリングの製作法を示す図である。 本発明によるキーストンリングの製作法を示す図である。 背景技術および本発明による方法における場所依存性のリング側面磨耗を示す図である。

符号の説明

１０ キーストンリング
１ 鋼帯材；ベース材料
２ 窒化物層
３ａ 上側のリング側面
３ｂ 上側の平行なリング側面
４ａ 下側のリング側面
４ｂ 下側の平行なリング側面
５ａ 内側の周面
５ｂ 外側の周面；摺動面

Claims (6)

1. まずベース材料としての長方形の横断面を有する鋼帯材から、内側の周面（５ａ）および外側の周面（５ｂ）ならびに上側の側面および下側の側面を有する長方形リングを成形し、長方形リングを引き続いて窒化プロセスにより全面的に窒化し、次いで表面の加工により、その最終的な形状およびジオメトリにもたらし、この加工によりベース材料をリング側面（３ａ，３ｂ）で露出させる、内燃機関用のキーストンリングのための耐磨耗性の側面を製作する方法において、
   長方形の横断面を有するピストンリングに成形した後に、以下の方法ステップが継続する、すなわち：
   −リング側面を平行研削し、外側の周面をその所定の輪郭に研削し、内側の周面をブラッシングし；
   −上下のリング側面（３ａ，４ａ）をキーストンリングの成形のために、ピストンリングがその外側の周面の領域になお平行な側面（３ｂ，４ｂ）を積重面として有しているように研削し；
   −ピストンリング表面をガス窒化プロセス（ＧＮＳ）により窒化物層の形成のために完全に窒化し；
   −窒化されたピストンリングに研削およびラッピングにより、ピストンリングの窒化された側面の加工なしに輪郭付与し；
   −複数のピストンリングをその平行な側面を介して軸方向の予圧下で１つのセットに積重し、ピストンリングの外側の周面に磨耗層をＰＶＤ法によりコーティングし；
   −側面の窒化層を、積重をばらした状態で、窒化層の全層厚さの最大で４分の１が除去されるように研削する
   ことを特徴とする、内燃機関用のキーストンリングのための耐磨耗性の側面を製作する方法。
2. ベース材料が、１２％〜１７％のクロムを含む鋼から成る、請求項１記載の方法。
3. キーストンリングの下側の側面の窒化層に、クロム層をＰＶＤ法または電気メッキ法により被着する、請求項１記載の方法。
4. 摺動面に、窒化クロム層またはリン化マンガン層を磨耗層として被着する、請求項１記載の方法。
5. 積重面がキーストンリング幅の４分の１よりも小さな幅を取る、請求項１記載の方法。
6. ベース材料がマルテンサイト系の未窒化の鋼帯材から成る、請求項１記載の方法。

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