JP2016520779A - ピストンリングを製造する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、鋳鉄又は鋳鋼から成るピストンリングを製造する方法であって、全周にわたって見て、可変の層厚さを有する少なくとも１つのＰＶＤ層によって被覆されるピストンリングベース体を形成し、このとき合い口部端部の領域において、ピストンリングベース体の残りの周囲領域に対して増大させられた層厚さが与えられている、方法に関する。このような方法において、ピストンリングベース体が、非走行の低温運転状態において、合い口部端部が確定された周囲角にわたってほぼ半径方向圧を有しない半径方向圧力分布を有するように、前記ピストンリングベース体を加工し、かつ１５０℃を超えるピストンリング温度でピストンリングのリング全周にわたってほぼ均一な半径方向圧力分布が与えられるように、ＰＶＤ層可変の層厚さを調節する。

Description

本発明は、請求項１の前段部に記載の、鋳鉄又は鋳鋼から成るピストンリングを製造する方法に関する。

ピストンリングが耐摩耗性の層を備えることは一般的に知られている。このとき何倍も極めて硬いＰＶＤ層が接触面に析出により被着される。エンジン運転については、特に第１の溝のピストンリングが、合い口部のところで、ピストン背部におけるよりも激しい摩耗を有することが知られている。同時に、ＰＶＤ層はエンジン運転中におけるリングの半径方向圧力分布を損なう。被覆層とベース材料との異なった熱膨張（バイメタル効果）に基づいて、合い口部における圧力が高まり、この領域におけるさらに大きな摩耗を促進する。その結果、同様に対応部材に対してより高い負荷を加えることになり、ひいては対応部材におけるより大きな摩耗をも生ぜしめる。

特開２００１−２９５６９９号公報には、接触面を被覆されたピストンリングが記載されている。このピストンリングの接触面は、硬質のＰＶＤ層を備えている。このＰＶＤ層には、硬質のＰＶＤ層よりも良好な走入特性を有する別の層が析出により被着されている。この処置によって、ピストンリングの周方向で見て最適化された圧力分布が与えられている。それというのは、ピストンリングの合い口部近傍の領域における走入層は、比較的早く摩耗してしまうからである。

欧州特許第１３５９３５１号明細書は、本発明の前段部に記載の方法に関する。合い口部を備えたベース体は、自転させられ、かつ蒸発源を中心にして公転させられる。異なった回転速度によって、ベース体の全周にわたって見て、異なった層厚さが生ぜしめられる。このとき合い口部領域における層厚さは、残りの周囲領域におけるよりも厚くなっている。

ピストンリングベース材料とＰＶＤ層との異なった熱膨張係数に基づいて、半径方向圧力分布は、エンジン運転中に約１５０℃を超えるリング温度において変化し、合い口部領域において高められた半径方向圧力が形成される。

ゆえに本発明の課題は、ＰＶＤ被覆されたピストンリングの耐用寿命を高めることであり、このとき同時にベース体が、高められた摩耗もしくは高められた負荷にさらされないようにすることが望ましい。

この課題を解決するために本発明の構成では、ピストンリングベース体が、非走行の低温運転状態において、合い口部端部が確定された周囲角にわたって半径方向圧をほぼ有しない半径方向圧力分布を有するように、ピストンリングベース体を加工し、かつ１５０℃を超えるピストンリング温度ではピストンリングのリング全周にわたってほぼ均一な半径方向圧力分布が与えられるように、ＰＶＤ層の可変の層厚さを調節する。

本発明に係る方法の好適な態様は、方法の発明に対応する従属請求項に記載されている。

前記課題は、本発明に係る方法によって製造されたピストンリングによっても解決される。

このピストンリングの好適な態様は、ピストンリングの発明に対応する従属請求項に記載されている。

合い口部を備えたピストンリングは、鋳鋼又は鋳鉄製のベース体を有していて、該ベース体の外周面に、少なくとも１つの耐摩耗性のＰＶＤ層が被着されており、該ＰＶＤ層は、ピストンリングベース体の合い口部近傍の領域に、確定された周囲領域にわたって見て、残りの周囲領域に比べて厚い材料厚さをもって形成されている。

本発明の別の態様によれば、１００〜２００℃の温度範囲において１５×１０^-6／Ｋ未満の膨張係数を有する、鋳鋼材料もしくは鋳鉄から成るピストンリングベース体に、４×１０^-6／Ｋ未満の膨張係数を有するＰＶＤ層が被着される。

好ましくは、合い口部近傍の領域におけるＰＶＤ層の層厚さは、残りの周囲領域におけるよりも２０〜４０％厚く形成されている。

本発明の別の態様によれば、合い口部近傍の領域におけるＰＶＤ層の層厚さは、４０を上回る値〜１００μｍであり、残りの周囲領域におけるよＰＶＤ層の層厚さは、５〜６０μｍである。

ＰＶＤ層が、ＰＶＤ多層層（例えばＡｌＴｉＮ／ＣｒＮ）として、又は例えばＣｒＮ、ＣｒＮ（Ｏ）又は、１５重量パーセントまでの酸素含量を有するＣｒＮのような均一な層として、形成されている場合、ＰＶＤ層は、好ましくは、１００〜２００℃の温度範囲において４×１０^-6／Ｋ未満の熱膨張係数を有しており、このときＰＶＤ層の層厚さは、ピストンリング背部の領域において５以上４０μｍ未満であり、合い口部近傍の領域において４０以上１００μｍ未満である。

ＰＶＤ層が、炭素をベースとして形成されている場合、ＰＶＤ層は、本発明の別の態様によれば、１００〜２００℃の温度範囲において２×１０^-6／Ｋ未満の熱膨張係数を有しており、このときＰＶＤ層の層厚さは、ピストン背部の領域において、１を上回る値〜２０μｍであり、合い口部近傍の領域において最大３０μｍである。

必要とあれば、ＰＶＤ層は、ナノ粒子を含んでいてよい。

合い口部近傍の領域は、本発明の別の態様によれば、各合い口部端部を起点して、１０〜４０°の角度範囲において、比較的厚いＰＶＤ層を備えている。

被覆過程中における適宜なプロセスガイドによって、ピストンリングベース体の周囲にわたって可変の層厚さが生ぜしめられる。既に述べたように、ＰＶＤ摩耗保護層は、合い口部近傍の領域において極めて厚く構成されており、これによって当該領域において、より大きな摩耗を阻止することができ、ひいてはこのように構成されたピストンリングの耐用寿命を効果的に高めることができる。

残りの周囲にわたって、特にリング背部においては、本来の層厚さが維持されている。これによって層のバイメタル効果が強くなることはない。

特に高温のピストンリングのリング形状は、使用時において適宜な層構造によって、合い口部端部が対応部材例えばシリンダ摺動面に対して著しく僅かな圧力しか加えないように、制御することができる。

本発明によれば、低温のピストンリングの合い口部端部はほぼ半径方向圧力を生ぜしめないので、１５０℃を上回るピストンリング温度における理想的な使用例において、バイメタル効果を抑制する必要がないことに基づいて、リング全周にわたって均一な半径方向圧力分布が生ぜしめられる。このような処置によって、ピストンリング形状に対しても好適な影響を与えることができ、これにより合い口部における圧力が減じられ、ひいては特に合い口部近傍の領域における高められた摩耗が回避される。

本発明に係るピストンリングは、種々様々に使用可能であり、例えば車両（乗用車、トラック、バス）の内燃機関における使用、工場における使用（定置機関）、建築用車両、機関車及び船舶における使用が可能である。ディーゼル機関、特に２サイクル大型ディーゼル機関の分野における使用が好適である。

次に図面を参照しながら、本発明の実施の形態を詳説する。

ピストンリングベース体を、略示された半径方向圧力分布と共に示す原理図である。 ＰＶＤ層を備えた、図１に示したピストンリングベース体を示す原理図である。

図１には、単に略示された合い口部２を備えたピストンリングベース体１が示されている。低温状態におけるピストンリングベース体１の半径方向圧力分布は、矢印によって示されている。図１から分かるように、ピストンリングベース体１は、その合い口部近傍の端部領域３，４を除いて、周方向で見てほぼ等しい半径方向圧力分布を有している。好ましくは１０〜４０°の周囲角にわたって延在する、合い口部近傍の端部領域３，４の方向で、半径方向圧力分布は、ほぼ０に到る範囲に減じられることが望ましい。このことは例えば、ピストンリングベース体１がその合い口部近傍の端部領域３，４において負の輪郭を備えることによって引き起こすことができる。

図２には、図１に示したピストンリングベース体１が示されている。この図２において、合い口部２及び合い口部近傍の端部領域３，４を認識することができる。ピストンリングベース体１はこの例では、鋳鋼から成っていて、１１×１０^-6／Ｋの膨張係数を有することが望ましい。接触面を形成する外周面には、ＰＶＤ層５が析出により被着されており、このＰＶＤ層５は本発明によれば、ピストンリングベース体１の合い口部近傍の端部領域３，４の領域に、層厚増大部を有している。このとき、１５重量パーセントまでの酸素含量を有する、例えばＡｌＴｉＮ／ＣｒＮのようなＰＶＤ多層層又は例えばＣｒＮのような均質層を、使用することができる。適宜なＣｒＮ−ＰＶＤ耐摩耗層は、約３×１０^-6／Ｋの熱膨張係数を有している。このようなＣｒＶをベースにした層のためには、８００〜２５００ＨＶの層硬度を得ることができ、択一的に炭素をベースにした層のためには、４５００ＨＶまでの、必要とあればさらに高い、例えば６０００ＨＶまでの層硬度を得ることができる。

この例では、ＰＶＤ層５の層厚さは、合い口部近傍の端部領域３，４の領域において、約４２μｍであり、リング背部６領域において約１５μｍであることが望ましい。抑制することができないバイメタル効果に基づいて、図１に示したように準備されたピストンリングベース体１は、ピストンリング温度が１５０℃を超える理想的な使用例において、リング全周にわたってほぼ均一な半径方向圧力分布を有する。

Claims (15)

1. 鋳鉄又は鋳鋼から成るピストンリングを製造する方法であって、全周にわたって見て、可変の層厚さを有する少なくとも１つのＰＶＤ層（５）によって被覆されるピストンリングベース体（１）を形成し、このとき合い口部端部（３，４）の領域において、前記ピストンリングベース体（１）の残りの周囲領域と比べて増大させられた層厚さが与えられている、方法において、
   前記ピストンリングベース体（１）が、非走行の低温運転状態において、合い口部端部（３，４）が確定された周囲角にわたって半径方向圧をほぼ有しない半径方向圧力分布を有するように、前記ピストンリングベース体（１）を加工し、かつ１５０℃を超えるピストンリング温度ではピストンリングのリング全周にわたってほぼ均一な半径方向圧力分布が与えられるように、前記ＰＶＤ層（５）の前記可変の層厚さを調節する、ピストンリングを製造する方法。
2. 前記ピストンリングベース体（１）の、合い口部近傍の領域（３，４）は、１００μｍ未満の、特に６０μｍ未満の前記ＰＶＤ層（５）の層厚さを有し、前記ピストンリングベース体（１）の前記残りの周囲領域は、６０μｍ未満の、特に４０μｍ未満の前記ＰＶＤ層（５）の層厚さを有する、請求項１記載の方法。
3. 前記ＰＶＤ層（５）を、特にＡｌＴｉＮ／ＣｒＮをベースとしたＰＶＤ多層層として、前記ピストンリングベース体（１）の接触面に被着させる、請求項１又は２記載の方法。
4. 前記ＰＶＤ層（５）を、ＣｒＮ、ＣｒＮ（Ｏ）又は、１５重量パーセントまでの酸素含量を有するＣｒＮをベースとした均一な層として、前記ピストンリングベース体（１）の接触面に被着させる、請求項１又は２記載の方法。
5. ＰＶＤ層として、炭素をベースとした層を使用する、請求項１又は２記載の方法。
6. １００〜２００℃の温度範囲において１５×１０^-6／Ｋ未満の膨張係数を有するピストンリングベース体（１）に、４×１０^-6／Ｋ未満の膨張係数を有するＰＶＤ層（５）を被着させる、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 請求項１から６までのいずれか１項記載の方法によって製造したピストンリング。
8. 合い口部（２）を備えた鋳鋼又は鋳鉄製のベース体（１）を有していて、該ベース体（１）の外周面に、少なくとも１つの耐摩耗性のＰＶＤ層（５）が被着されており、該ＰＶＤ層（５）は、前記ピストンリングベース体（１）の合い口部近傍の領域（３，４）に、確定された周囲領域にわたって見て、残りの周囲領域に比べて厚い材料厚さをもって形成されている、請求項７記載のピストンリング。
9. 前記合い口部近傍の端部（３，４）における前記ＰＶＤ層（５）の層厚さは、前記残りの周囲領域におけるよりも２０〜４０％厚く形成されている、請求項７又は８記載のピストンリング。
10. 前記合い口部近傍の端部（３，４）における前記ＰＶＤ層（５）の層厚さは、４０〜１００μｍであり、前記残りの周囲領域における前記ＰＶＤ層（５）の層厚さは、５〜６０μｍである、請求項７から９までのいずれか１項記載のピストンリング。
11. 前記ＰＶＤ層（５）の増大させられた層厚さの領域は、前記ピストンリングベース体（１）の合い口部（２）を起点として１０〜４０°、特に１０〜２０°の周囲領域にわたって延在する、請求項７から１０までのいずれか１項記載のピストンリング。
12. 前記ピストンリングベース体（１）は、１００〜２００℃の温度範囲において１５×１０^-6／Ｋ未満の熱膨張係数を有する鋼材料から成っている、請求項７から１１までのいずれか１項記載のピストンリング。
13. 前記ＰＶＤ層（５）は、特にＡｌＴｉＮ／ＣｒＮをベースとしたＰＶＤ多層層として、又は特にＣｒＮ、ＣｒＮ（Ｏ）又は、１５重量パーセントまでの酸素含量を有するＣｒＮをベースとした均一な層として、形成されており、前記ＰＶＤ層（５）は、１００〜２００℃の温度範囲において４×１０^-6／Ｋ未満の熱膨張係数を有しており、このとき前記ＰＶＤ層（５）の層厚さは、ピストンリング背部の領域において５以上４０μｍ未満であり、合い口部近傍の領域（３，４）において４０以上１００μｍ未満である、請求項７から１２までのいずれか１項記載のピストンリング。
14. 前記ＰＶＤ層（５）は、炭素をベースとして形成されていて、１００〜２００℃の温度範囲において２×１０^-6／Ｋ未満の熱膨張係数を有しており、前記ＰＶＤ層（５）の層厚さは、ピストン背部の領域において、１を上回る値〜２０μｍであり、前記合い口部近傍の領域（３，４）において最大３０μｍである、請求項７から１２までのいずれか１項記載のピストンリング。
15. 前記ＰＶＤ層（５）は、ナノ粒子を含んでいる、請求項７から１２までのいずれか１項記載のピストンリング。

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