JP4253593B2 - Sliding surface structure and forming method of sliding member - Google Patents
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本発明は、内燃機関のピストンリングやシリンダライナなどの摺動部材における摺動面の構造および形成方法に関し、特に、埋設されている低摩擦材料の脱落を抑制できるものに関する。 The present invention relates to a structure and a method for forming a sliding surface of a sliding member such as a piston ring or a cylinder liner of an internal combustion engine, and more particularly, to one that can suppress the dropout of an embedded low friction material.
ピストンリングやシリンダライナなどの摺動面に自己潤滑性を付与するために、母材の摺動面に各種の低摩擦材料を配置して複合化する構成が提案されている。例えば特許文献1は、図3(a)および図3(b)に示すように、母材301の摺動面302に黒鉛などからなる略円柱形の固体潤滑材320を埋め込む構造を開示している。また特許文献2は、オイルの吸着性に優れた材料の粒子やウィスカーを母材中に分散させた構造を開示している。
In order to give self-lubricating properties to sliding surfaces such as piston rings and cylinder liners, a configuration has been proposed in which various low-friction materials are arranged on the sliding surface of the base material and combined. For example, Patent Document 1 discloses a structure in which a substantially cylindrical
しかし、これらの構造では、母材に埋め込まれる低摩擦材料が脱落しやすいという問題点がある。 However, in these structures, there is a problem that the low friction material embedded in the base material is easily dropped.
そこで本発明の目的は、摺動面に自己潤滑性を付与するために母材の摺動面に低摩擦材料を配置する場合において、低摩擦材料の脱落を抑制できる摺動面構造、およびその形成方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a sliding surface structure capable of suppressing the falling of the low friction material when the low friction material is disposed on the sliding surface of the base material in order to provide the sliding surface with self-lubricating properties, and It is to provide a forming method.
第1の本発明は、母材の表面に低摩擦材料層を形成する工程と、前記低摩擦材料層の一部を除去して、母材の一部を露出させる凹部であって摺動面から内部に行くに従い断面積が縮小するテーパ部を少なくとも一部に有する凹部を、前記低摩擦材料層に形成する工程と、前記凹部の表面に接する拘束層を形成する工程と、形成された前記拘束層の表面を所定厚さだけ除去して低摩擦材料層を露出させる工程と、を含む摺動部材の摺動面形成方法である。 The first aspect of the present invention is a step of forming a low friction material layer on the surface of a base material, and a recess that removes a part of the low friction material layer and exposes a part of the base material as a sliding surface. Forming a recess in the low friction material layer at least in part with a tapered portion whose cross-sectional area decreases from the inside to the inside, forming a constraining layer in contact with the surface of the recess, and the formed Removing the surface of the constraining layer by a predetermined thickness to expose the low friction material layer .
第2の本発明は、母材の表面に低摩擦材料層を印刷によって形成することにより、母材の一部を露出させる凹部であって摺動面から内部に行くに従い断面積が縮小するテーパ部を少なくとも一部に有する凹部を、前記低摩擦材料層に形成する工程と、前記凹部の表面に接する拘束層を形成する工程と、形成された前記拘束層の表面を所定厚さだけ除去して低摩擦材料層を露出させる工程と、を含む摺動部材の摺動面形成方法である。 According to the second aspect of the present invention , a low friction material layer is formed on the surface of the base material by printing to expose a part of the base material, and the taper whose cross-sectional area is reduced from the sliding surface to the inside. Forming a recess having at least a part in the low friction material layer, forming a constraining layer in contact with the surface of the recess, and removing the surface of the constraining layer formed by a predetermined thickness. And a step of exposing the low friction material layer .
第3の本発明は、母材の表面に低摩擦材料層を形成し、前記低摩擦材料層の一部を除去して、母材の一部を露出させる凹部であって摺動面から内部に行くに従い断面積が縮小するテーパ部を少なくとも一部に有する凹部を、前記低摩擦材料層に形成し、前記凹部の表面に接する拘束層を形成し、形成された前記拘束層の表面を所定厚さだけ除去して低摩擦材料層を露出させてなることを特徴とする摺動部材の摺動面構造である。 According to a third aspect of the present invention , a low friction material layer is formed on the surface of a base material, and a part of the low friction material layer is removed to expose a part of the base material. A recess having at least part of a tapered portion whose cross-sectional area decreases as it goes to is formed in the low friction material layer, a constraining layer in contact with the surface of the concavity is formed, and the surface of the formed constraining layer is predetermined The sliding surface structure of the sliding member is characterized in that only the thickness is removed to expose the low friction material layer .
第4の本発明は、母材の表面に低摩擦材料層を印刷によって形成することにより、母材の一部を露出させる凹部であって摺動面から内部に行くに従い断面積が縮小するテーパ部を少なくとも一部に有する凹部を、前記低摩擦材料層に形成し、前記凹部の表面に接する拘束層を形成し、形成された前記拘束層の表面を所定厚さだけ除去して低摩擦材料層を露出させてなることを特徴とする摺動部材の摺動面構造である。 According to a fourth aspect of the present invention , a low friction material layer is formed on the surface of the base material by printing to expose a part of the base material, and the taper whose cross-sectional area is reduced from the sliding surface to the inside. Forming a recess having at least a portion in the low friction material layer, forming a constraining layer in contact with the surface of the recess, and removing the surface of the constraining layer by a predetermined thickness to form a low friction material The sliding surface structure of the sliding member is characterized in that the layer is exposed .
本発明の実施形態につき、以下に図面に従って説明する。第1実施形態に係る摺動部材1は略環状のピストンリングであり、図1(d)に示されるように、その摺動面2の少なくとも一部に露出した低摩擦材料層20と、摺動部材1の母材10に接着すると共に低摩擦材料層20に接することで低摩擦材料層20をその外側から摺動面2の法線方向に拘束する拘束層30と、を備えている。また、低摩擦材料層20の全体の形状は、摺動面2から内部に行くに従い断面積が拡大するような抜け止め形状ないし逆テーパ状となっている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The sliding member 1 according to the first embodiment is a substantially annular piston ring, and, as shown in FIG. 1 (d), a low
この第1実施形態に係る摺動部材1の摺動面2の形成方法は、以下のとおりである。図1(a)において、まず、鋼材からなる母材10の摺動面2に、低摩擦材料層20を形成する。
A method for forming the sliding
この低摩擦材料層20には例えば、二硫化モリブデン(MoS2)やPTFE(4フッ化エチレン)などの固体潤滑材をポリアミド、フェノール、ポリイミドなどの樹脂材料中に数%から数10%分散保持させたスラリーを用い、その形成は、該スラリーを母材10の摺動面11に塗布した後、焼成することにより行う。低摩擦材料層20の膜厚は数μmから10μm程度とするのが好適である。このような低摩擦材料層20では、得られる被膜が軟質であるためやや耐摩耗性に劣るが、固体潤滑材や樹脂材料が摺動面にとどまることで低い摩擦係数を維持することが可能である。
For this low
次に、図1(b)に示されるとおり、低摩擦材料層20の表面に、バイトを用いた切削加工により複数の凹部21を形成する。この凹部21は、ピストンリングである摺動部材1の外周面の全周にわたって周方向に形成された螺旋状または環状の条痕である。凹部21の深さは、凹部21の底部に母材10の一部が露出するような深さに設定する。なお凹部21の幅は0.1mm程度、凹部21の深さは10μm程度とする。また凹部21の断面形状は、摺動面2の表面から内部に行くに従って断面積が縮小するような形状、すなわち抜け勾配にする。このような切削加工の結果、低摩擦材料層20の形状は、摺動面2の表面から内部に行くに従い断面積が拡大する抜け止め状または逆テーパ状にされることになる。
Next, as shown in FIG. 1B, a plurality of
次に、図1(c)に示されるとおり、凹部21を含む摺動面2の全体を被覆するように、耐磨耗材料からなる拘束層30を形成する。この拘束層30を構成する耐磨耗材料には例えば、アルミナ、クロミア、ジルコニアなどのセラミック系の溶射材料を用い、その形成は例えばプラズマ溶射により行う。この場合には膜厚が数10μm〜数100μm程度の厚膜の形成が可能であるが、被膜面が数μm〜20μmRz程度の面粗さであり、研削研磨加工が必要になる。
Next, as shown in FIG. 1C, a constraining
次に、図1(d)に示されるとおり、形成された拘束層30の表面にラップ盤によりラッピングを行うことにより、拘束層30の表面を所定厚さだけ除去して低摩擦材料層20を露出させる。このような切削加工により摺動面2の最表面には、低摩擦材料層20と拘束層30とが存在し、かつ両者が交互に分布することになる。なお、本実施形態の摺動部材10はピストンリングであるため、以上の工程の後には合口の作成のための切割り加工が行われることになる。
Next, as shown in FIG. 1 (d), the surface of the constraining
以上のようにして形成された摺動部材1では、摺動面2の最表面に低摩擦材料層20と拘束層30とが存在するので、低摩擦材料層20のもつ自己潤滑性と、拘束層30のもつ耐磨耗性との両者を摺動面2に付与することができる。また、母材10とは別途の拘束層30を備えることとしたので、単に母材中に固形潤滑材を分散させる構造に比し、低摩擦材料層ないし固体潤滑材を母材10の表面に正しく整列させることができる。
In the sliding member 1 formed as described above, since the low
また、低摩擦材料層20の形状を、摺動面2の表面から内部に行くに従い断面積が拡大する抜け止め状または逆テーパ状にし、且つその外側に拘束層30を形成するので、拘束層30が母材10に接着すると共に低摩擦材料層20にその外側から干渉(すなわち、低摩擦材料層20がその剥離方向に運動しようとする場合に拘束層30の圧縮応力が摺動面2の法線方向の成分を含有)し、これによって低摩擦材料層20が、拘束層30に拘束されることになる。このような拘束層30による拘束は、低摩擦材料層20がその剥離方向に運動しようとする場合に、拘束層30が楔あるいは蟻溝と同様にその応力を漸増させる作用と言い換えることもできる。このように本実施形態では、母材10と拘束層30との接着力を、低摩擦材料層20の拘束に寄与させることができ、母材10と低摩擦材料層20との密着性ないし剥離強度が小さい場合であっても、低摩擦材料層20の脱落を好適に抑制することができる。
In addition, the shape of the low
また本実施形態では、凹部21の形状を、摺動面2から内部に行くに従い断面積が縮小するテーパ状としたので、これを外側から形成する場合にその形成が容易であると共に、この凹部21の表面に接するように拘束層30を形成することによって、低摩擦材料層20が幾何学的に拘束されるような構造を容易に形成することができる。
Further, in this embodiment, the shape of the
また本実施形態では、凹部21が摺動部材1の周方向を長手として形成されるため、形成後の低摩擦材料層20の形状も、摺動部材1の使用時の摺動方向である図中上下方向と略直交する方向を長手方向とすることができ、その脱落を好適に抑制することができる。
Further, in this embodiment, since the
次に、第2実施形態について説明する。第2実施形態に係る摺動部材101は同様にピストンリングであり、図2(e)に示されるように、その摺動面102の少なくとも一部に露出した低摩擦材料層120と、母材110に接着すると共に低摩擦材料層120に接することで低摩擦材料層120をその外側から摺動面102の法線方向に拘束する拘束層130と、を備えている。また、低摩擦材料層120の全体の形状は、摺動面102の表面から内部に行くに従い断面積が拡大する逆テーパ状となっている。
Next, a second embodiment will be described. Similarly, the
この第2実施形態に係る摺動部材101の摺動面102の形成方法は、以下のとおりである。図2(a)において、まず、鋼材からなる母材110の摺動面102に、バイトを用いた切削加工により複数の略弧状断面の条痕103を形成し、これに続いて条痕103を覆うように、低摩擦材料層120を形成する。この低摩擦材料層120の材質およびコーティング方法は、上記第1実施形態における低摩擦材料層20と同様である。
A method for forming the
次に、図2(b)に示されるとおり、形成された低摩擦材料層120の表面にラップ盤によりラッピングを行うことにより、低摩擦材料層120の表面を所定厚さだけ除去してその表面を平坦にする。なお、この工程は省略してもよい。
Next, as shown in FIG. 2 (b), the surface of the low
次に、図2(c)に示されるとおり、低摩擦材料層120の表面に、バイトを用いた切削加工により複数の略弧状断面の凹部121を形成する。この凹部121は、ピストンリングである摺動部材101の外周面の全周にわたって周方向に形成された螺旋状または環状の条痕であるが、先に形成した条痕103とは図中上下方向の位置において一致しないように、オフセットされた位置に形成される。凹部121の深さは、凹部121の底部に母材110の一部が露出するような深さに設定する。なお凹部121の幅は0.1mm程度、凹部121の深さは10μm程度とする。また凹部121の断面形状は、摺動面102の表面から内部に行くに従って断面積が縮小するような形状、すなわち抜け勾配にする。このような切削加工の結果、低摩擦材料層120の形状は、摺動面102の表面から内部に行くに従い断面積が拡大する抜け止め状または逆テーパ状にされることになる。
Next, as shown in FIG. 2C, a plurality of
次に、図2(d)に示されるとおり、凹部121を含む摺動面102の全体を被覆するように、耐磨耗材料からなる拘束層130を形成する。この拘束層130の材質およびコーティング方法は、上記第1実施形態における拘束層30と同様である。
Next, as shown in FIG. 2 (d), a constraining
次に、図2(e)に示されるとおり、形成された拘束層130の表面にラップ盤によりラッピングを行うことにより、拘束層130の表面を所定厚さだけ除去して低摩擦材料層120を露出させる。このような切削加工により摺動面102の最表面には、低摩擦材料層120と拘束層130とが存在し、かつ両者が交互に分布することになる。
Next, as shown in FIG. 2 (e), the surface of the constraining
以上のようにして形成された摺動部材101では、摺動面102の最表面に低摩擦材料層120と拘束層130とが存在するので、上記第1実施形態と同様に、低摩擦材料層120のもつ自己潤滑性と、拘束層130のもつ耐磨耗性との両者を摺動面102に付与することができる。
In the sliding
また本実施形態では、低摩擦材料層120の形状を、摺動面102の表面から内部に行くに従い断面積が拡大する抜け止め状または逆テーパ状にし、且つその外側に拘束層130を形成するので、拘束層130が母材110に接着すると共に低摩擦材料層120にその外側から干渉し、これによって低摩擦材料層120が、拘束層130に拘束されることになる。したがって本実施形態では、母材110と拘束層130との接着力を、低摩擦材料層120の拘束に寄与させることができ、母材110と低摩擦材料層120との密着性ないし剥離強度が小さい場合であっても、低摩擦材料層120の脱落を好適に抑制することができる。
Further, in this embodiment, the shape of the low
また本実施形態では、凹部121の形状を、摺動面102から内部に行くに従い断面積が縮小するテーパ状としたので、これを外側から形成する場合にその形成が容易であると共に、この凹部121の表面に接するように拘束層130を形成することによって、低摩擦材料層120が幾何学的に拘束されるような構造を容易に形成することができる。
Further, in this embodiment, the shape of the
なお、上記各実施形態では、凹部21,121の全体の形状を、摺動面2,102から内部に行くに従い断面積が縮小するテーパ状としたが、本発明における凹部は、摺動面から内部に行くに従い断面積が縮小するテーパ部を、少なくとも一部に有してさえいれば、これに被覆される拘束層における対応部分を所望の抜け止め効果が得られるような形状(すなわち、拘束層30が低摩擦材料層20にその外側から摺動面2の法線方向に接することにより低摩擦材料層20を拘束するような形状)にすることができ、本発明に所期の効果を得ることができる。また、本発明における凹部の形状は、上記各実施形態における凹部21,121のような断面積が直線的または連続的に減少する斜行状のほか、断面積が離散的に減少する階段状やネジ山状などのように、各種の形状を任意に採用できる。
In each of the above embodiments, the overall shape of the
また、本発明における凹部が、摺動面から内部に行くに従い断面積が縮小するテーパ部を有していない場合にも、本発明の形成方法によれば微細な拘束構造を容易に形成でき、また体積あたりの材料境界面面積の拡大によって低摩擦材料層の脱落抑制という所期の効果を相当程度に得ることができる。 In addition, even when the concave portion in the present invention does not have a tapered portion whose cross-sectional area decreases as it goes from the sliding surface to the inside, according to the forming method of the present invention, a fine restraint structure can be easily formed, In addition, the expected effect of suppressing the dropout of the low friction material layer can be obtained to a considerable extent by expanding the material interface area per volume.
また、上記各実施形態では、凹部21,121を条痕とし、これをバイトを用いた切削加工によって形成することとしたが、本発明における凹部は条痕状に限られず、例えばディンプル状などの散点状であってもよい。また凹部の形成方法は切削に限られず、低摩擦材料層の形成の際に印刷や金型を用いる樹脂成形、レーザによる刻設、あるいは化学的作用による食刻であってもよい。低摩擦材料層の形成に印刷を用いる場合には、例えばシルクスクリーンや孔版の利用により、低摩擦材料層の形成と凹部の形成とを同時に行うことができる。また図1(d)および図2(e)に示される拘束層の表面除去工程も、切削以外の方法によることが可能である。
Further, in each of the above embodiments, the
また、上記各実施形態では、固定潤滑材を含有させた樹脂材料の塗布および焼成によって低摩擦材料層20,120を形成することとしたが、本発明における低摩擦材料は他の各種の材料を選択でき、またその形成方法も任意である。例えば、低摩擦である上に耐磨耗性にも優れた材料として知られるDLC(Diamond-Like Carbon;ダイヤモンド状炭素)を低摩擦材料層の材質として採用してもよく、この場合にはその形成は、PVD(Physical Vapor Deposition;物理蒸着法)や、プラズマCVDなどのCVD(Chemical Vapor Deposition;化学蒸着法)によって行われることになる。DLCでは数μm程度の膜厚でHV(ビッカース硬さ)1000以上の硬質の膜が得られ、高い耐磨耗性と、後加工の必要のない高い平滑性を得ることができる。 In each of the above embodiments, the low-friction material layers 20 and 120 are formed by applying and baking a resin material containing a fixed lubricant. However, the low-friction material in the present invention includes other various materials. It can be selected and its formation method is arbitrary. For example, DLC (Diamond-Like Carbon), which is known as a material with low friction and excellent wear resistance, may be used as the material of the low friction material layer. The formation is performed by PVD (Physical Vapor Deposition) or CVD (Chemical Vapor Deposition) such as plasma CVD. With DLC, a hard film having a thickness of about several μm and an HV (Vickers hardness) of 1000 or more can be obtained, and high wear resistance and high smoothness that does not require post-processing can be obtained.
また、本発明における拘束層30,130を構成する耐磨耗材料も、上記各実施形態に挙げたもの以外の各種の材料を選択でき、またその形成方法も任意であって、セラミックス系以外の溶射材料、すなわちサーメット系や金属系の溶射材料を用いてもよく、特にセラミックス系およびサーメット系の溶射材料では硬質な皮膜を形成することができる。サーメット系の溶射材料ではHVOF(High Velocity Oxy-Fuel)などの高速火炎溶射が用いられることになり、WC−Co系材料が特に好適である。
In addition, as the wear resistant material constituting the constraining
さらに、耐磨耗材料としてはTiN、CrN等の窒化物、TiC,SiC等の炭化物、TiCN等の複合炭窒化物からなる硬質膜を使用でき、その場合にはその形成はアーク方式やホロカソード方式などのイオンプレーティングにより行うことができる。例えばアークイオンプレーティングにより鋼基材上に350°C〜550°Cの成膜温度でTiN、CrN膜を形成した場合には、0.1μm〜数μm程度の膜厚でも、TiN膜でHV2000、CrN膜でHV1400程度の非常に硬質な拘束層を形成でき、機械部品として十分な耐磨耗性を得ることができる(ただし、CrN膜は10μm以上の厚膜の形成も可能である)。また、耐磨耗材料の形成にはスパッタリングなどの他の各種PVD、さらにはCVDをも利用することができる。 In addition, a hard film made of a nitride such as TiN or CrN, a carbide such as TiC or SiC, or a composite carbonitride such as TiCN can be used as an abrasion resistant material. It can be performed by ion plating. For example, when a TiN or CrN film is formed on a steel substrate at a film forming temperature of 350 ° C. to 550 ° C. by arc ion plating, even if the film thickness is about 0.1 μm to several μm, the TiN film is HV2000. A very hard constraining layer of about HV1400 can be formed with a CrN film, and sufficient wear resistance as a machine part can be obtained (however, the CrN film can be formed to a thickness of 10 μm or more). In addition, various other PVDs such as sputtering, and also CVD can be used to form the wear resistant material.
また、上記各実施形態では摺動部材をピストンリングとしたが、本発明はシリンダライナやピストンスカート等の各種エンジン部品、さらには軸受などの潤滑性を要する各種の機械装置・機械要素の摺動部材に広く適用することが可能である。 In each of the above embodiments, the sliding member is a piston ring. However, in the present invention, various engine parts such as a cylinder liner and a piston skirt, and various mechanical devices and machine elements that require lubrication such as a bearing are slid. It can be widely applied to members.
1,101 摺動部材
2,102 摺動面
10,110 母材
20,120 低摩擦材料層
21,121 凹部
30,130 拘束層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101 Sliding member 2,102 Sliding surface 10,110 Base material 20,120 Low friction material layer 21,121 Concavity 30,130 Constraining layer
Claims (4)
前記低摩擦材料層の一部を除去して、母材の一部を露出させる凹部であって摺動面から内部に行くに従い断面積が縮小するテーパ部を少なくとも一部に有する凹部を、前記低摩擦材料層に形成する工程と、
前記凹部の表面に接する拘束層を形成する工程と、
形成された前記拘束層の表面を所定厚さだけ除去して低摩擦材料層を露出させる工程と、
を含む摺動部材の摺動面形成方法。 Forming a low friction material layer on the surface of the base material;
Removing a part of the low-friction material layer to expose a part of the base material, the recessed part having at least a tapered part whose cross-sectional area decreases from the sliding surface to the inside ; Forming the low friction material layer;
Forming a constraining layer in contact with the surface of the recess;
Removing the surface of the formed constraining layer by a predetermined thickness to expose the low friction material layer;
The sliding surface forming method of the sliding member containing this.
前記凹部の表面に接する拘束層を形成する工程と、Forming a constraining layer in contact with the surface of the recess;
形成された前記拘束層の表面を所定厚さだけ除去して低摩擦材料層を露出させる工程と、Removing the surface of the formed constraining layer by a predetermined thickness to expose the low friction material layer;
を含む摺動部材の摺動面形成方法。The sliding surface forming method of the sliding member containing this.
前記低摩擦材料層の一部を除去して、母材の一部を露出させる凹部であって摺動面から内部に行くに従い断面積が縮小するテーパ部を少なくとも一部に有する凹部を、前記低摩擦材料層に形成し、Removing a part of the low-friction material layer to expose a part of the base material, the recessed part having at least a tapered part whose cross-sectional area decreases from the sliding surface to the inside; Formed in a low friction material layer,
前記凹部の表面に接する拘束層を形成し、Forming a constraining layer in contact with the surface of the recess,
形成された前記拘束層の表面を所定厚さだけ除去して低摩擦材料層を露出させてなることを特徴とする摺動部材の摺動面構造。A sliding surface structure of a sliding member, wherein the surface of the formed constraining layer is removed by a predetermined thickness to expose a low friction material layer.
前記凹部の表面に接する拘束層を形成し、Forming a constraining layer in contact with the surface of the recess,
形成された前記拘束層の表面を所定厚さだけ除去して低摩擦材料層を露出させてなることを特徴とする摺動部材の摺動面構造。A sliding surface structure of a sliding member, wherein the surface of the formed constraining layer is removed by a predetermined thickness to expose a low friction material layer.
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