JP2010518341A

JP2010518341A - ピストンリング

Info

Publication number: JP2010518341A
Application number: JP2009549769A
Authority: JP
Inventors: ヨハネスエッサー、; フランクミュンヒョー、
Original assignee: フェデラル−モーグルブルシャイトゲゼルシャフトミットベシュレンクテルハフツング
Priority date: 2007-02-17
Filing date: 2008-01-30
Publication date: 2010-05-27
Also published as: DE102007007961B4; WO2008098547A1; DE102007007961A1; EP2118533A1; US20100019458A1; DE102007007961C5

Abstract

実質的に周回する摺動面と、上側および下側の側面と、内側の円周面とを有する基体を備えたピストンリングにおいて、少なくとも下側の側面への摺動面の移行領域は、０．１ｍｍ以下のエッジを備えており、摺動面は、１０μｍ以下の少なくとも１つのＰＶＤ被覆層を備えている。

Description

本発明は、実質的に周回する摺動面と、上側および下側の側面と、内側の円周面とを有する基体を備えたピストンリングに関する。

ドイツ特許出願公開明細書第１０２０７１４８Ａ１号には、ステンレス鋼からなる基材を含むピストンリングが記載されており、この基材は上側および下側の側面と、摺動面と、内側の円周面とを有している。これらの表面の各々は、その上に形成された窒化物層を含んでおり、各々の窒化物層は、当初は結合層と拡散層を有しており、次いで結合層の除去によって摺動面の拡散層が露出し、引き続いて、露出した拡散層の上に硬質セラミックからなるイオンプレーティング析出層が形成されるようにして構成される。

ピストンリングの下側の摺動エッジの構成は、内燃機関のオイルの経済性に関して大きな意義がある。エンジン作動時に良好な掻き落し作用を引き起こすために、できるだけ小さいエッジを作ることが、ピストンリングの製造における１つの課題である。このように小さくて鋭いエッジは、コーティングされていないリングの場合には比較的容易に作ることができる。しかし、今日では、内燃機関の第１の溝には、コーティングされたリングが基本的に必要とされる。その場合、望ましい小さな機能的なエッジと、破損や亀裂のないコーティングされたエッジとの間で、目的の齟齬が生じる。摩耗防護層を形成するために従来用いられている全ての方法では、ある領域での層の破損や亀裂を回避するために、形成される摩耗防護層の十分な厚さによって、基材におけるエッジの大きさを少なくとも０．１５ｍｍにする必要がある。

ドイツ特許出願公開明細書第１０２０７１４８Ａ１号

小さな摺動エッジを形成するための１つの公知の方法は、全面または片面にチャンバが設けられたリングを用いることである。しかし、このようなリングは摺動面のいずれかの部分が摩耗防護層を備えておらず、その領域ではいわゆる焼け跡が繰り返し形成されるという欠点をもたらす。

本発明の目的は、特に危険な下側の摺動エッジの領域で用いられる摩耗防護層を最適化することによって、摩耗防護層の破損をできるだけ回避するように、ピストンリングを改良することにある。

この目的は、実質的に周回する摺動面と、上側および下側の側面と、内側の円周面とを有する基体を備えたピストンリングであって、少なくとも下側の側面への摺動面の移行領域が０．１ｍｍ以下のエッジを備えており、摺動面は、１０μｍ以下の少なくとも１つのＰＶＤ被覆層を少なくとも備えているピストンリングによって達成される。

本発明の好ましい発展例は、従属請求項に記載されている。

ＰＶＤ（Physical Vapour Deposition：物理蒸着）コーティングとは、蒸気相からの析出によって、ピストンリングの摺動面のコーティングを行う方法である。このとき析出すべき被覆材料は、電離した粒子流として存在している。

ＰＶＤ被覆層は、周期表のIVｂ族からVIｂ族までの元素の窒化物をベースとしているのが特に好ましい。Ａｌおよび／またはＳｉおよび／またはＣおよび／またはＯの元素を選択的に添加することができる。

ねずみ鋳鉄または鋳鋼からなる基体の場合には、機械加工によってエッジを形成できるという利点がある。特に、引っ張り加工された鋼からなる鋼製リングでは常に丸みを帯びたエッジが生じており、このようなエッジは、後で、各側面への摺動面の移行領域で所望の効果を引き起こすために初めて機械加工が施される。

実質的に同じことが鋳造リングにも当てはまる。好ましいＰＶＤ被覆層は、ＣｒＮおよび／またはＣｒＯＮをベースとして構成されている。同じくＰＶＤ法で形成される、いわゆるＤＬＣ（diamond like carbon：ダイヤモンドライクカーボン）被覆層が特に好ましい。

本発明により、鋳造材料または鋼材からなるピストンリングに、比較的薄い摩耗防護層を備えた、０．１ｍｍより小さい下側のエッジが設けられる。この摩耗防護層は、ピストンリングの全面的な窒化処理からなるのが好ましいが、それ以外の公知の方法（電気めっきや熱によるコーティング）も考えられる。

それから、この摩耗防護層の上に、１０μｍ以下の厚さの本来のＰＶＤ被覆層を形成することができる。多層のＰＶＤ層も同様に考えられる。

従来技術とは異なり、具体的に作られる、摺動面から少なくとも下側の側面への移行領域では、少なくともＰＶＤ被覆層に関連して、破損や亀裂のないコーティングされたエッジを形成することができる。このような方策により、コーティングされていないリングと同様に、内燃機関のオイルの経済性に肯定的な影響を与えることができる。

全面的な摩耗防護層と摺動面の領域のＰＶＤ被覆層とを備えているピストンリングの断面図である。摺動面の領域にＰＶＤ被覆層を備えているピストンリングの断面図である。図２の下側のエッジ領域を示す図である。

本発明について、図示されている実施形態に基づいて説明する。

図１は、ピストンリング１を断面図で示している。鋼、鋳鋼、またはねずみ鋳鉄からなる基体を有するピストンリング１は、摺動面２と、上側の側面３および下側の側面４と、内側の円周面５とを含んでいる。本例では、ピストンリング１は、その面２，３，４，５の領域に、窒化によって生成された摩耗防護層６を備えているものとする。この摩耗防護層６は、本例では１０μｍの厚さを有しているものとする。摺動面２の領域では、この摩耗防護層６の上に、本例では８μｍの層厚を有する、ＣｒＮをベースとして構成されたＰＶＤ被覆層７が析出している。他の摩耗防護層６として、熱または電気めっきにより生成された層を用いることもでき、その場合、熱による層は摺動面２だけに形成されるのが好ましいのに対して、電気めっきによる層は摺動層２だけでなく側面３および４にも形成されていてよい。同様に、ＰＶＤ被覆層７も他の材料、たとえばＣｒＯＮなどでできていてもよい。当業者は、用途に応じて適切な材料の組み合わせと、必要な層厚とを設定することができる。摺動面２から下側の側面４への移行領域８は、ほぼ鋭いエッジ状に構成されている。

図２は、図１と同様に摺動面２’と、上側の側面３’と、下側の側面４’と、内側の円周面５’とを有するピストンリング１’を示している。本例では、１０μｍの厚さを有する、ＣｒＯＮをベースとするＰＶＤ被覆層７’が摺動面２’上に直接析出している。ピストンリング１’は本例では鋼からなり、摺動面２’から下側の側面４’への移行領域８’は最大０．１ｍｍのエッジを備えている。上に説明したとおり、ＰＶＤ被覆層７’を生成するために、他の材料を使用することもできる。

図３は、図２の部分図を示している。摺動面２’と、下側の側面４’と、移行領域８’とを見ることができる。ここで形成されているエッジは、図示されているように、摺動面側と側面側で最大０．１ｍｍになっている。少なくともＰＶＤ被覆層７’（図２参照）に関連して選択される移行領域８’のエッジ形状によって、内燃機関のオイルの経済性を最適化しながら、この移行領域８’内でできる限り亀裂や破損のないＰＶＤ被覆層７’を実現することができる。

Claims

実質的に周回する摺動面（２，２’）と、上側の側面（３，３’）および下側の側面（４，４’）と、内側の円周面（５，５’）とを有する基体を備えたピストンリングであって、
少なくとも前記下側の側面（４，４’）への前記摺動面（２，２’）の移行領域（８，８’）は、０．１ｍｍ以下のエッジを備えており、前記摺動面（２，２’）は、１０μｍ以下の少なくとも１つのＰＶＤ被覆層（７，７’）を備えている、ピストンリング。
前記基体は、引っ張り加工された鋼、ねずみ鋳鉄、または鋳鋼からなり、前記移行領域（８，８’）は特に機械加工によって作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。
前記ＰＶＤ被覆層（７，７’）はＣｒＮまたはＣｒＯＮをベースとして構成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のピストンリング。
前記ＰＶＤ被覆層（７，７’）は周期表のIVｂ族からVIｂ族までの元素の窒化物をベースとし、Ａｌおよび／またはＳｉおよび／またはＣおよび／またはＯを添加して、もしくは添加しないで構成されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のピストンリング。
前記ＰＶＤ被覆層（７，７’）は、摩擦と磨耗の少ないＰＶＤ−ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）層として構成されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のピストンリング。
前記ＰＶＤ被覆層（７，７’）は０．５μｍから８μｍの層厚を有していることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載のピストンリング。
前記基体は、前記ＰＶＤ被覆層（７）が上に析出した少なくとも１つの磨耗防止層（６）を有していることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載のピストンリング。
前記摩耗防止層（６）は、電気めっき、熱、または窒化によって前記基体（２）に形成されていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載のピストンリング。
前記摩耗防止層（６）は、３０μｍ以下の厚さ、特に１０μｍから１５μｍの厚さを有していることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載のピストンリング。