JP2014515080A - ピストンリングの製造方法 - Google Patents

Abstract

耐摩耗性（８，９）の層を備え、凹所を形成された鋼製ピストンリング（１’）の製造方法であって、摺動面側に凹所（２）備えた基体（１）を形成し、該基体（１）を、該基体（１）の側面（５）から摺動面（３）への移行領域において、面取り部（７）が生じるように加工し、前記摺動面（３）と、前記面取り部（７）の少なくとも一部とに耐摩耗性の層（８，９）を備え、前記基体（１）の、耐摩耗性の層（８，９）を有しない周面領域（４）および側面領域（５，６）を、前記側面（５）の面取り部側の領域に窒化層（１０）を有しない規定された幅（ａ）の区分が残るように窒化し、最後に少なくとも耐摩耗性の層（８，９）を、側面（５）から摺動面（３）への移行領域において実質的に鋭利な、しかし窒化されていない機能エッジ（１１）が生じるように除去する。

Description

本発明は、耐摩耗性の層を備え、凹所を形成された鋼製ピストンリングの製造方法に関する。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２２１８００号明細書は、摺動面に第１の作業ステップで少なくとも部分的に摺動面コーティングを備え、ＨＶ０．１＞１４００の硬度を得るために第２の作業ステップにおいて少なくとも側面にプラズマ窒化により窒化層を備え、このプラズマ窒化の作業ステップを、使用された摺動面コーティングに応じて、４９０℃よりも低い温度範囲で実施することによって、鋼製ピストンリングに摩耗防止層を形成する方法を開示している。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００５０２３６２７号明細書により公知となった鋼製ピストンリングは、一方の側に凹所を形成された摺動面と、上側の側面および下側の側面と、内側の周面とを有している。この場合、摺動面には、微細亀裂を有する、クロムセラミックをベースとする摩耗防止性の層が被着され、少なくとも側面が、摩耗を減じる窒化層を備え、側面の、摺動面への移行領域のうちの少なくとも１つが実質的に鋭利に形成されている。

凹所を形成され、ＰＶＤ（物理蒸着）コーティングをされた鋼製ピストンリングを形成する場合に、鋭利な機能エッジに対する要求が生じる。表面窒化が必要であるので、このことはこれまでは排除されていた。窒化されたエッジは、最大０．１ｍｍのエッジ曲率半径を必要とする。

大量生産された鋭利なエッジという表現を当業者は最大でＲ＜０．０５ｍｍの丸みであると解する。

本発明の根底を成す課題は、耐摩耗性の層を備え、凹所を形成された鋼製ピストンリグの択一的な製造方法を提供することであり、該方法では鋭利な機能エッジが摺動面と側面との間の移行領域において実現可能であるようにすることである。

この課題を解決するために本発明によれば、耐摩耗性の層を備え、凹所を形成された鋼製ピストンリングの製造方法において、摺動面側に凹所を備えた基体を形成し、該基体の側面から摺動面への移行領域を、面取り部が生じるように加工して、摺動面ならびに面取り部の少なくとも一部に耐摩耗性の層を備え、基体の、該耐摩耗性の層を備えない周面および側面領域を、側面の面取り部側の領域に窒化層を有しない規定された幅の区分が残るように窒化し、最後に少なくとも耐摩耗性の層を、側面から摺動面への移行領域において実質的に鋭利な、しかし窒化されていない機能エッジが生じるように取り除く。

本発明による方法の有利な態様は、方法に関する従属請求項から読み取れる。

本発明による方法は、内燃機関用のコンプレッションピストンリングのために有利に使用可能である。

面取り部は、本発明の別の思想によれば、機械的に、特に研削により形成される。

凹所を有する摺動面上に、必要に応じて直接にクロム層を被着させることができる。

択一的には、摺動面上に薄いＰＶＤ（物理蒸着）層またはＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）層を被着させる可能性もある。

使用事例に応じて、ＰＶＤ層またはＤＬＣ層に、別の耐摩耗性の層としてクロム層を被着させる可能性もある。

当業者は、各使用事例に応じて、適切な（複数の）摩耗防止層を選択する。

本発明の別の思想によれば、製造プロセスを最適化するために、耐摩耗性の層の被着前に、少なくとも２つの基体を纏めて１つのパッケージを形成する。この状態で、１つまたは別の耐摩耗性の層を公知の方法で被着させることができる。

この場合、それぞれ２つの基体を、面取り部が互いに向かい合わされた状態で纏めるか、または複数の（２つより多い）基体を、面取り部が（同じ方向を向いて）縦並びで位置している状態で纏めて１つのパッケージを形成する可能性が生じる。

各基体の面取り部により、面取り部が互いに向かい合って位置している場合、ほぼ楔形の切れ目が生じる。この切れ目は、耐摩耗性の層の被着時に、該耐摩耗性の層が各面取り領域においても少なくとも部分的に堆積され得ることを保証する。

基体が軸方向で（同じ方向を向いて）縦並びで位置している場合、２つよりも多い基体を纏めて１つのパッケージを形成することができ、これにより、経済性はさらに高められ得る。

基体の材料から形成された鋭利な機能エッジを形成することができるように、本発明の別の思想によれば、対応する側面上の窒化されていない区分は０．１〜１．５ｍｍであることが提案される。

続く作業工程は、少なくとも耐摩耗性の層を、凹所の外側で、機械的に、特に研削により摺動面から取り除く。基体の材料は、必要に応じて、側面における面取り部の開始部まで削り取られるので、鋼性ピストンリングの完成状態では、窒化層はいまだに０．０５〜０．７ｍｍだけ摺動面から離れている。

したがって、本発明による方法により、凹所を形成された鋼製ピストンリングに、鋭利な、しかし窒化されていない機能エッジを各側面と摺動面との間の移行領域において形成することができる。

各機能エッジは、有利には、下側の、つまりシリンダクランクケース寄りの側面と、摺動面との移行領域に形成され、この場合、少なくとも１つの油掻き取りリング外側でも残留油の掻き取りを可能にすることに寄与する。

本発明の対象を図面に示した実施の形態につき、以下に詳しく説明する。

凹所を形成された鋼製ピストンリングをコーティング前に示す図である。 加工された面取り部を有する、図１に示した凹所を形成されたピストンリングである。 図２に示した基体のパッケージ化法を示す図である。 図２に示した基体の別のパッケージ化法を示す図である。 図３および図４に示したパッケージ化された基体のコーティング法を示す図である。 図３および図４に示したパッケージ化された基体の別のコーティング法を示す図である。 ＰＶＤ層を備えた基体を示す原理図である。 ＰＶＤ層を備えた、窒化された基体を示す原理図である。 ＰＶＤ層上に被着されたクロム層を備えた、図８に示した基体を示す図である。 鋭利な窒化されていない機能エッジを備えた完成したピストンリングを示す図である。

図１は、鋼から成るピストンリング基体１を示している。ピストンリング基体１は、凹所２を備えた摺動面３、内側の周面４、下側の、つまり組込み状態でシリンダクランクケーシング（図示せず）寄りの側面５および上側の、つまり組込み状態で燃焼室（図示せず）寄りの側面６を有している。この基体１は後にコンプレッションピストンリングとして使用可能なピストンリングのための出発形状を成している。

図２には、下側の側面５から摺動面３への移行領域が、たとえば研削によって面取り部７が形成されるように、加工されていることが示されている。

図３および図４は、図２に示した基体１のための互いに異なるパッケージ化方法を示している。

図３には、複数の基体１が軸方向で同じ方向を向いて縦並びに配置されている。この場合、面取り部７は、同様に軸方向で同じ方向を向いて縦並びで位置している。それぞれ面取り部７の方向に延びている凹所２により、摺動面３のコーティング時に、面取り部７に少なくとも部分的にコーティング材料を備えることは問題ない。

図４は、２つの基体１が、面取り部７が互いに向かい合った状態で、対で配置されているので、一種の楔形が形成されることを示している。この場合も、摺動面３のコーティング時に、コーティング材料は面取り部７の領域にもたらされ得る。

図５および図６は、摺動面３のコーティング部を、図３および図４に関連して示している。

これらの実施の形態では、各摺動面３の領域に耐摩耗性のクロム層８が被着されることが望ましい。クロム層８は直接に、凹所を形成された領域２と、摺動面３の残りの領域とに被着される。各クロム層８は、少なくとも面取り部７の大部分にも被着される。

図７は、１〜５μｍの層厚さを備えるＰＶＤ層９でコーティングされた単独の基体１を示している。図５および図６と同様に、面取り部７を備えた側面領域５には、同様にＰＶＤ層が少なくとも部分的に被着されている。

図８では、図７に示したＰＶＤコーティングされた基体１がＰＶＤコーティング９の外側で窒化されていることが判る。窒化層１０は、図１に示された内側の周面領域４および上側および下側の側面領域５，６の全てに設けられている。側面５の領域では、窒化層１０が完全に面取り部７にまで到達していないので、窒化層を有しない区分ａは、たとえば１．５ｍｍの規定された幅を与えられている。

図９には、ＰＶＤコーティング層９上に既に図５および図６で説明したクロム層８が被着されているところが示されている。既に図８に関して説明したものと同様の方法フローが有効である。

図１０は、完成した鋼製ピストンリング１’を示している。図８および図９に示した層８，９は、鋭利な機能エッジ１１が側面５から摺動面３への移行領域において形成されているように、除去されている。この場合、窒化層１０は、機能エッジ１１に対して、たとえば０．５ｍｍである規定された間隔ａ’で終端している。

Claims (12)

1. 耐摩耗性（８，９）の層を備え、凹所を形成された鋼製ピストンリング（１’）の製造方法であって、
   摺動面側に凹所（２）備えた基体（１）を形成し、
   該基体（１）を、該基体（１）の側面（５）から摺動面（３）への移行領域において、面取り部（７）が生じるように加工し、
   前記摺動面（３）と、前記面取り部（７）の少なくとも一部とに耐摩耗性の層（８，９）を備え、
   前記基体（１）の、耐摩耗性の層（８，９）を有しない周面領域（４）および側面領域（５，６）を、前記側面（５）の面取り部側の領域に窒化層（１０）を有しない規定された幅（ａ）の区分が残るように窒化し、最後に少なくとも耐摩耗性の層（８，９）を、側面（５）から摺動面（３）への移行領域において実質的に鋭利な、しかし窒化されていない機能エッジ（１１）が生じるように除去することを特徴とする、耐摩耗性の層を備えた、凹所を形成された鋼製ピストンリングの製造方法。
2. 前記面取り部（７）を研削により形成する、請求項１記載の方法。
3. 前記凹所（２）を有する前記摺動面（３）にクロム層（８）を被着させる、請求項１または２記載の方法。
4. 前記摺動面（３）にＰＶＤ層またはＤＬＣ層（９）を被着させる、請求項１または２記載の方法。
5. 前記ＰＶＤ層またはＤＬＣ層（９）にクロム層（８）を被着させる、請求項４記載の方法。
6. 前記耐摩耗性の層（８，９）の被着前に、少なくとも２つの基体（１）を纏めて１つのパッケージを形成する、請求項１または２記載の方法。
7. それぞれ２つの基体（１）を、面取り部（７）が互いに対して向けられた状態で纏めて１つのパッケージを形成する、請求項６記載の方法。
8. 複数の基体（１）を、面取り部（７）が同じ方向を向いて縦並びに位置する状態で纏めて１つのパッケージを形成する、請求項６記載の方法。
9. 側面上の窒化されていない前記区分（ａ’）が、０．１〜１．５ｍｍである、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
10. 少なくとも前記耐摩耗性の層（８，９）を研削によって前記凹所を有する前記摺動面（３）から取り除く、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 前記基体（１）の材料を、ほぼ前記側面（５）における前記面取り部（７）の開始領域まで削り取る、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. 請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法により製造されたコンプレッションピストンリング。

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