JP2009507160A - 内燃機関用のピストンリングを製作するための方法及びこのようなピストンリング - Google Patents

Abstract

本発明は、金属バンド（２０）を加工し、これにより、製作しようとするピストンリング（１０）のリングフランクの少なくとも一部を成す、少なくとも１つの傾斜面（１５，１６）を形成し、このように加工した金属バンド（２０）からピストンリング（１０）を形成し、該ピストンリングの表面が、内周面及び外周面（１１，１２）並びに上下リングフランクを形成しており、前記ピストンリング（１０）の表面を硬化させることを特徴とする、内燃機関用のピストンリング（１０）を製作するための方法に関する。本発明は更に、内燃機関用のピストンリング（１０）であって、該ピストンリングの表面が、内周面及び外周面（１１，１２）並びに上下リングフランクを形成している形式のものにおいて、前記表面に均一な厚さの硬化された層（２１）が設けられていることを特徴とする、内燃機関用のピストンリングに関する。

Description

本発明は、内燃機関用のピストンリングを製作するための方法及びこのようなピストンリングに関する。

外周面のリング高さが内周面のリング高さよりも大きな、台形横断面を有するピストンリングは、キーストンリングとも呼ばれる。一方のリングフランクが、内周面及び外周面に対して垂直に形成されているのに対して、他方のリングフランクは、内周面及び外周面に対して所定の角度で延びているピストンリングは、（シングル）キーストンリングと呼ばれる。両リングフランクが周面に対して所定の角度で延びているピストンリングは、ダブルキーストンリングと呼ばれる。このようなピストンリングは、有利にはディーゼルエンジンにおいて最上部のピストンリング（トップリング）として使用され、この場合、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。つまり、ディーゼルエンジンは、最上部のピストンリング溝に炭素を含む硬い残留物が堆積する傾向があり、これらの残留物は、ピストンリングの固着延いては機能欠陥を招く恐れがある。最上部のピストンリング及びそのピストンリング溝を台形に構成することにより、前記固着が一般には克服され、延いてはピストンリングのシール機能が保証される。

内燃機関のピストンのための方形リングの製作においては、表面を硬化し延いてはより良好な耐摩耗性を得るために、ピストンリングの表面全体に、窒化プロセスにより窒化層を付与することが公知である。ピストンリングの摺動面の耐摩耗性は、付加的なコーティングを付与することにより更に向上され得る。ドイツ連邦共和国特許第３５０６７４６号明細書からは、例えば方形横断面を有するピストンリングが公知であり、このピストンリングのリング体には、その表面全体にわたって窒化層が設けられており、この窒化層は、拡散層と、この拡散層の上位に位置する化合物層とから構成されている。後の摺動面では、前記化合物層は除去されて、耐摩コーティングが付与されている。

ヨーロッパ特許第０６０５２２３号明細書に記載されたピストンリングの表面は、ガス窒化により硬化されている。後の摺動面には、ガス窒化層を覆って更に金属窒化物層が、耐摩層として付与されている。ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０７１４８号明細書にも、拡散層及び化合物層から構成された窒化層を有するピストンリングが記載されており、この場合、後の摺動面には拡散層を除去した後で、硬質セラミックから成る蒸着層が設けられている。

鋼からシングルキーストンリング及びダブルキーストンリングを製作する場合、従来は方形横断面を有するスチールバンドから出発し、このスチールバンドから台形横断面を有するリングを成形する。台形横断面を有するリングは、機械的に加工され且つ硬化プロセス、特に窒化プロセスを施される。窒化プロセスに際して拡散層の他に生じる化合物層を除去し、更に機械的な精密加工を施した後で、一般に外周面に耐摩層が付与される。最終段階でリングフランクが所定の角度に研削され、このようにしてリングの台形横断面が得られる。この場合、硬化された層、例えば窒化層は、台形角度に関連して、再度リングフランクから部分的に又は完全に除去される。

但し、このようにして製作されたシングルキーストンリング若しくはダブルキーストンリングは、エンジン運転でリングフランクにおいて増大された摩耗損傷（いわゆるフレッティング）を有している。この場合は付加的なカーボン付着が確認され得る。このことは特に、２００ｂａｒ〜２２０ｂａｒの高い点火圧力において見られる。前記損傷は、ピストンリングの連続摺動に伴って増大し、最終的にはピストンリングの故障を招く恐れがある。更に、当該損傷は場所に関連している、即ち、リングフランクの周面に沿って異なる強さで生じる恐れがあるということが判った。特に、窒化層の除去された箇所に、前記損傷が集中して生じる。

従って本発明の課題は、ピストンリングの製作法及びエンジン運転においてシングルキーストンリング若しくはダブルキーストンリングに生じるリングフランク損傷が概ね防止されるようなピストンリングを提供することである。

この課題は、請求項１記載の方法により解決される。本発明では、以下の方法段階が規定されている。即ち：
‐金属バンドを加工し、これにより、製作しようとするピストンリングのリングフランクの少なくとも一部を成す、少なくとも１つの傾斜面を形成し、
‐このようにして加工された金属バンドからピストンリングを形成し、該ピストンリングの表面が、内周面及び外周面、並びに上下のリングフランクを形成しており、
‐前記ピストンリングの表面を硬化する。

表面が内周面及び外周面、並びに上下のリングフランクを形成している、本発明によるピストンリングは、表面に、均一な厚さで硬化された層が設けられているという点において優れている。

本発明の方法により、耐摩耗性のリングフランクを備えたシングルキーストンリング若しくはダブルキーストンリングが得られ、これらのシングルキーストンリング若しくはダブルキーストンリングは、エンジン運転において従来技術と比較して、著しく減少された摩耗損傷（いわゆる「フレッティング」）を有している。ピストンリングの製作前、特に硬化プロセス前に金属バンドの台形横断面を製作することにより、均一な深さを有する均一に硬化された層を、シングルキーストンリング又はダブルキーストンリングのリングフランクに形成することが可能である。これにより、均一な高さの硬度値が得られるので、リングフランクの周面に沿って、ピストンリング機能を損なう摩耗損傷が生じることは、最早ほとんどない。同様に、ピストンリングとピストンとの間のマイクロ溶接も効果的に回避される。

有利な改良は従属請求項に記載されている。本発明によるピストンリングの基本材料としては、例えば方形横断面を有するスチールバンドが使用される。このスチールバンドは、有利には１２〜１７重量％のクロムを含有するマルテンサイト系鋼から成っている。表面硬化用に窒化プロセスが選択されると、付加的に硬質窒化クロムが堆積した窒化ゾーンが生ぜしめられる。

本発明に対応して、金属バンドは例えば切削又は非切削加工により、有利には例えば方形横断面を有する金属バンドの上側及び／又は下側の広幅フランクを傾斜面に研削することにより、台形横断面に変えられる。このように加工された単数若しくは複数の面は、後に、製作しようとするピストンリングの単数若しくは複数のリングフランクを形成するモノである。この場合、傾斜面の他に、更に互いに平行に伸びる領域が保持され続けると有利である。これらの互いに平行に伸びる領域の幅は、有利にはスチールバンドの全幅の最大１／４である。当該の平行に延びる領域は、後のピストンリング加工において、シングルキーストンリング若しくはダブルキーストンリングのパッケージング用の積み重ね面として役立つことができる。

本発明による方法に関しては、少なくとも１つの傾斜面を得るためには、エンドレスの金属バンドも断片も使用及び加工可能である。エンドレス金属バンドを使用する場合は、加工は連続的な１プロセスで行うことができる。引き続く自体公知の作業工程において、今や横断面が台形の金属バンドはピストンリングに成形され、エンドレス金属バンドが使用された場合は、場合によっては所要長さに切断されてから、別の加工、特に例えば表面の機械加工及び／又は熱処理を施される。

ピストンリングの表面を硬化するためには、有利には自体公知の窒化法又はクロム窒化法が使用される。次いで、ピストンリングの下側のリングフランクに、付加的に摩耗保護層、有利にはクロム層又は窒化クロム層が付与され得る。それというのも、経験上、下側のリングフランクが特に激しく負荷されるということが判ったからである。

更に、シングルキーストンリング又はダブルキーストンリングの耐用年数を高めるためには、ピストンリングの外周面又は摺動面に、付加的な摩耗保護層又は耐摩層、有利には窒化クロム層又はリン酸マンガン層を付与することができる。摩耗保護層又は耐摩層を付与するためには、複数のシングルキーストンリング又はダブルキーストンリングが、有利には軸方向で予負荷をかけられて１つのパッケージを成すように積み重ねられる。これにより、所望されない場合には、リングフランクもが摩耗保護層によりコーティングされるということが防止される。

以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

図１には、従来技術によるダブルキーストンリングのピストンリング３０の製作が示されている。以下の説明は勿論、シングルキーストンリングについても適宜当てはまる。スチールバンド２０から、自体公知の形式でピストンリング３０が成形される。リングフランクの平行研削を含む最初の機械加工の後で、表面硬化、典型的には窒化が行われる。この場合、ピストンリング３０の表面に沿って硬化された層２１が形成され、本実施例では窒化層が、拡散層と化合物層とから形成される。特に化合物層の除去に役立つ別の機械加工の後で、外側の周面３２に摩耗保護層が設けられる（図示せず）。この摩耗保護層を付与するためには、複数のピストンリング３０が有利には軸方向予負荷をかけられて、１つのパッケージを形成するように積み重ねられる。これにより、リングフランクもが摩耗保護層でコーティングされてしまうことが回避される。それというのも、このことは一般に所望されないからである。最後に、シングルキーストンリング又はダブルキーストンリングの所望の形状をピストンリング３０に与えるために、このピストンリング３０を加工する。このためには、リングフランクが少なくとも部分的に所定のフラットな角度未満で研削されるので、傾斜した上下のリングフランク３５，３６が生じ、これらのリングフランク３５，３６には平行な上下領域３３，３４が続いている。ピストンリング３０の外側の周面３２及び内側の周面３１は存在し続ける。この形状付与形式に基づき、硬化された層２１は上下リングフランクに沿って少なくとも部分的に除去される。

図２には、図３に概略的に示したような本発明による方法で製作されたダブルキーストンリング１０が概略的に示されている。この場合も、以下の説明はシングルキーストンリングについても適宜当てはまる。素材は、例えば図１に示したように、方形横断面を有するマルテンサイト系スチールバンド２０（クロム含有率１２〜１７重量％）である。この（エンドレススチールバンド又は断片であってよい）スチールバンド２０は、最初の作業工程において台形の横断面に変えられる。適した方法は、スチールバンド２０の上下の広幅側の研削である。研削に対して択一的に、スチールバンドは広幅側の冷間圧延によっても台形横断面に変形され得る。本実施例では、傾斜面１５，１６、高い方の狭幅側１２及び低い方の狭幅側１１が生ぜしめられ、この場合、傾斜面１５，１６及び高い方の狭幅側１２に続く、互いに平行に延びる面１３，１４は保持され続ける。互いに平行に延びるこれらの面１３，１４は、本実施例では、以下のいくつかの加工段階において有利な、ピストンリングのスタック性を保証するために役立つ。当該面１３，１４の幅は、例えばスチールバンド２０の幅の最大１／４、有利には１／４未満である。

今、このようにして加工されたスチールバンド２０は自体公知の形式で、適当な装置によって１つのピストンリング１０になるように成形され、場合によっては切断される。この場合、スチールバンド２０の高い方の狭幅側はピストンリング１０の外周面１２に変えられ、スチールバンド２０の低い方の狭幅側は、ピストンリング１０の内周面１１に変えられる。面１３，１５はピストンリング１０の上側のリングフランクを形成し、面１４，１６はピストンリング１０の下側のリングフランクを形成する。

つまり、ピストンリング１０はこの製作段階の後には既に台形横断面を有している。

次いで、冷間変形加工によりピストンリング１０の材料に生じる内部応力が、熱処理で除去される。ピストンリング１０の別の加工及び表面処理は、自体公知の形式で行われる。最初の機械的な加工（研削、ブラッシング、クリーニング等）の後で、ピストンリング１０は硬化プロセスを施される。有利には、ピストンリング１０は自体公知のガス窒化プロセスにより、その表面全体を窒化され、これにより、環状の窒化層２１が生ぜしめられる。この窒化層２１は、本実施例では拡散層及び化合物層から成っており、この場合、拡散層内の窒化硬化深さは最大２００μｍであってよい。化合物層は、例えば約５〜１０μｍの層厚さにおいて、ビッカース硬さ７００ ＨＶ０．０５を有している。スチールバンド２０がクロムを含有している場合は、窒化時に硬質窒化クロムが形成される。

窒化後に、化合物層はピストンリング１０の表面、つまり外周面と、ピストンリング１０のリングフランクとから、例えば研削によって除去される。今や原則的に所望のピストンリング１０が、本実施例ではダブルキーストンリングの形で存在している。

選択的に、摩耗特性の更なる改良のためには、自体公知のＰＶＤ法（物理蒸着）によって、クロム層又は窒化クロム層が、面１４，１６を有する下側のリングフランクに付与され得る。それというのも、特に従来技術により製作されたシングルキーストンリングの場合は、そこに最大の摩耗損傷が現れたからである。

後のピストンリング１０の摺動面に相当する外周面１２には、場合によっては摩耗保護層若しくは減摩層が付与される。例えばＰＶＤ法により、リングフランクの面１３，１４，１５，１６への蒸着を防止しながら、自体公知の形式で窒化クロム層が蒸着される。本実施例では、窒化クロム層は１０〜４０μｍの厚さであり且つ１２００ ＨＶ０．０５〜１８００ ＨＶ０．０５のビッカース硬さを有している。

これに対して択一的に、外周面１２には電気めっきによる硬質クロム層又は熱による射出成形層又はリン酸マンガン層も付与され得る。

ピストンリング１０の外周面１２及び後の摺動面のコーティングは、有利には複数のピストンリング１０を積み重ねて、軸方向で緊締した状態で行われる。これにより特に、リングフランク面１３，１４，１５，１６がコーティング過程中に、付与しようとする摩耗保護層若しくは減摩層でコーティングされないということが保証される。

図４には、全負荷で１００時間運転した６気筒ディーゼルエンジンに関する、局所的な周面の摩耗損傷が、一方では従来技術に基づくピストンリングについて、且つ他方では本発明に基づき製作された、ダブルキーストンリングの形のピストンリング１０について示されている。この図面からは、本発明に基づき製作されたピストンリング１０が、従来技術に比べて著しく少ない摩耗損傷をリングフランクにおいて示しているということが判る。

従来技術によるダブルキーストンリングのための製作法を概略的に示した図である。 本発明による方法で製作されたダブルキーストンリングの概略図である。 ダブルキーストンリングのための本発明による製作法の概略図である。 従来技術によるダブルキーストンリング及び本発明によるキーストンリングのリングフランクにおける、場所に関連した摩耗損傷を示した図である。

Claims (17)

1. ‐金属バンド（２０）を加工し、これにより、製作しようとするピストンリング（１０）のリングフランクの少なくとも一部を成す、少なくとも１つの傾斜面（１５，１６）を形成し、
   ‐このように加工した金属バンド（２０）からピストンリング（１０）を形成し、該ピストンリングの表面が、内周面及び外周面（１１，１２）並びに上下リングフランクを形成しており、
   ‐前記ピストンリング（１０）の表面を硬化させることを特徴とする、内燃機関用のピストンリング（１０）を製作するための方法。
2. 金属バンドとして、方形横断面を有するスチールバンド（２０）を使用する、請求項１記載の方法。
3. １２〜１７重量％のクロムを含有するマルテンサイト系鋼から成るスチールバンドを使用する、請求項２記載の方法。
4. 少なくとも１つの傾斜面を、切削又は非切削加工により形成する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 製作しようとするピストンリングの２つのリングフランクの少なくとも一部を成す、２つの傾斜面を形成する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 少なくとも１つの傾斜面を得るために、エンドレスの金属バンド又は断片を加工する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. ピストンリングを形成するために、加工された金属バンドをピストンリングに成形し、場合によっては所要長さに切断し、熱処理及び／又は機械加工する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. ピストンリングの表面を硬化させるために、窒化法又はクロム窒化法を使用する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. ピストンリングの下側のリングフランク（１４，１６）に、硬化後に摩耗保護層、有利にはクロム層又は窒化クロム層を付与する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. ピストンリングの外周面（１２）又は摺動面に、摩耗保護層又は耐摩層、有利には窒化クロム層又はリン酸マンガン層を付与する、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 摩耗保護層又は耐摩層を付与するために、複数のピストンリングを軸方向で予負荷をかけて、１つのパッケージを成すように積み重ねる、請求項９又は１０記載の方法。
12. 内燃機関用のピストンリング（１０）であって、該ピストンリングの表面が、内周面及び外周面（１１，１２）並びに上下リングフランクを形成している形式のものにおいて、前記表面に均一な厚さの硬化された層（２１）が設けられていることを特徴とする、内燃機関用のピストンリング。
13. 上下リングフランクが、それぞれ互いに平行に延びる表面領域（１３，１４）と、傾斜して延びる表面領域（１５，１６）とを有している、請求項１２記載のピストンリング。
14. 前記の互いに平行な表面領域（１３，１４）の幅が、ピストンリング（１０）の幅の最大１／４である、請求項１３記載のピストンリング。
15. 上側及び／又は下側のリングフランク面（１４，１６）において、硬化された層（２１）に摩耗保護層、有利にはクロム層が付与されている、請求項１２から１４までのいずれか１項記載のピストンリング。
16. ピストンリング（１０）の外周面（１２）及び／又は内周面において、硬化された層（２１）に摩耗保護層又は耐摩層、有利には窒化クロム層又はリン酸マンガン層が付与されている、請求項１２から１５までのいずれか１項記載のピストンリング。
17. 請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法で製作された、内燃機関用のピストンリング（１０）。

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