JP5113190B2 - 多層被覆を有するピストンリングおよびその製法 - Google Patents

多層被覆を有するピストンリングおよびその製法 Download PDF

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Description

本発明はピストンリングとその製法、特に、内燃機関用の多層被覆を有する大型ピストンリングに係わる。
往復動-内燃機関のピストンリングでは２つの相容れない条件を満たさねば成らない。一方では高い耐摩耗性を与えねばならない。さもなければ、薄くなったピストンリングではガス漏れと燃料消費が増大し、エンジンの効率が低下する恐れがあるからである。ピストンリングの動作に伴ってシリンダー壁とピストンリングとの間の間隙が次第に広がり、燃焼ガスがリングから漏れ易くなり（いわゆるブローバイ）、エンジンの効率を低下させる恐れがある。間隙が広がると、燃焼室に残留したままとなる燃料膜が厚くなり、単位時間当たりに多量の燃料が失われ、燃料消費が増大する。
エンジン特性の最適化を達成するには、即ち、最大限の密封効果と摩擦損失の軽減を両立させるには、ピストンリングとシリンダー壁との間隙をできる限り正確に維持しなければならない。しかし、そのためにはエンジンの製造・組立てに多大の労力を投入し、高コストの製造工程を踏まねばならない。さもなければ、常にある程度の不可避の誤差を伴うからである。従って、やや間隙が小さ過ぎてもこれが甘受され、運転の過程で生ずる摩耗によって最適の間隙を達成することがピストンリングに許容されている。その場合、ピストンリングの接触面が理想的に摩耗して最適の間隙が得られる。この過程は慣らしとも呼称される。
一方では、正常な動作においてピストンリングが可能な限り損耗せず、間隙が殆ど拡大しないようにするには、できる限り耐摩耗性の材料が望まれる。しかし、優れた慣らし特性を達成するには、接触面の少なくとも一部が比較的容易に摩耗することによって、結果的に（例えば、不可避の部品誤差に起因する）ピストンリングとシリンダー壁の間の小さ過ぎる間隙が慣らし運転中にできるだけ速やかに適正な寸法にまで広がることが必要である。
従って、原理的には、ピストンリングに所要の慣らし特性を生み出す被覆を設けられる。これは所要の特性を有する高価な材料から成るピストンリングよりも簡単に処理でき且つ低コストで製造できねばならない。このような被覆にはさらなる条件が課せられる。所要の特性を提供するだけでなく、ピストンリングから剥がれない、即ち、基材との優れた接合力を備えていなければならない。被覆が複数の異なる層から成る場合、層間の優れた一体性、即ち、優れた結合も要求される。さもなければ、層に亀裂や剥離が発生し、エンジンにとって危険な場合がある。
ピストンリングの接触面に形成される被覆はシリンダー壁と接触する表面部位は耐摩耗性でなければならない。さらにまた、慣らし段階における自己摩耗は対向面と充分にフィットするのに充分でなければならない。また、これらの層は高い耐剥離性を有し、長い走行時間後でも疲労性向を全くまたは殆ど示さないことが要求される。
耐摩耗層は例えば硬質クロムから形成される。独国特許公開第１９９ ３１ ８２９号明細書にはピストンリングのための硬質クロム・メッキ層が記載されている。耐摩耗層の材料としては、このほかに酸化アルミニウムセラミックを含むクロム（例えば、フェデラル-モグール社のＣＫＳ（商標））またはミクロダイヤモンドを含むクロム（例えば、フェデラル-モグール社のＧＤＣ（商標））がある。
ＣＫＳ（商標）耐摩耗層上に形成される慣らし層は例えばモリブデンをベースとし、溶線フレーム溶射によって耐摩耗層上に形成される。この場合、耐摩耗層は予め照射処理によって活性化される。
また、ＣＫＳ（商標）耐摩耗層上には溶射によってＡｌＣｕＦｅ合金から成る慣らし層が形成される。この公知例では先ずＣＫＳ（商標）耐摩耗層上に中間メッキ層を形成しなければならない。
しかし、クロムをベースとする耐摩耗層およびその上に形成された慣らし層を有する公知ピストンリングの慣らし層および耐摩耗層には改良の余地がある。
独国特許公開第１９９ ３１ ８２９号
本発明の課題は高度の慣らし特性および耐摩耗特性を有するピストンリングおよびその製法を提供することにある。
本発明は第１の実施形態として、
-リング本体と；
-リング本体の接触面に溶射するによって形成されたＮｉ合金から成る接合剤層と；
-接合剤層上に溶射することによって形成されたＣｒＣ、ＷＣ、ＭｏＣとのＭｏ合金から成る耐摩耗層と；
-耐摩耗層上に溶射することによって形成されたＡｌＣｕ合金またはＮｉ合金から成る慣らし層
を含むピストンリングを提供する。
本発明のピストンリングは３つの異なる機能層を採用することによって、（耐摩耗層による）耐摩耗性と、（慣らし層による）好ましい慣らし特性と（接合剤層による）高い接合/一体性との新規にして有益な複合効果を提供する。慣らし層は後加工を必要とせず、慣らし段階において生ずる摩耗によって最終的な形状が与えられる。耐摩耗層はエンジンの極限的な運転条件下での過度の摩耗を防止する。接合剤層は支持体もしくはリング本体に層を最適に保持する役割を果す。
好ましくは接合剤層、耐摩耗層および慣らし層を重ねスプレーの形で形成する。
好ましくはリング本体が側面の縁端に面取り部分を有するガス逃がしスリットを有する。
好ましくは面取り部分が３０°乃至７０°の角度を有する。さらに好ましくは面取り部分が０．５乃至２．０ｍｍの幅を有する。
本発明は別の観点として、本発明の第１実施形態のピストンリングの製法として、
-リング本体を用意し；
-リング本体の接触面にＮｉ合金から成る接合剤層を溶射し；
-接合剤層上にＣｒＣ、ＷＣ、ＭｏＣとのＭｏ合金から成る耐摩耗層を溶射し；
-耐摩耗層上にＡｌＣｕ合金またはＮｉ黒鉛合金から成る慣らし層を溶射する
工程を含む製法を提供する。
好ましくは接合剤層、耐摩耗層および慣らし層を重ねスプレーの形で形成する。
好ましくは溶射が下記の層形成方法をふくむ：
-アーク溶線式層形成；
-溶線フレーム溶射式層形法；
-常圧プラズマスプレー、ＡＰＳ； および
-高速-フレームスプレー、ＨＯＶＦ。
好ましくは本発明の製法が
-接合剤層をスプレーする前にリング本体の側面縁端に面取り部分を設ける工程をも含む。
リング本体がガス逃がしスリットを有する場合、本発明の製法は好ましくは
-接合剤層をスプレーする前にガス逃がしスリットの側面に面取り部分を設ける
工程をも含む。
好ましくは面取り部分が３０°乃至７０°の角度を有する。さらに好ましくは面取り部分が０．５乃至２．０ｍｍの幅を有する。
図１はピストンリングの面取りの工程を示す。 図２は面取り部分の角度および幅を略示する。 図３は接合剤層の塗布工程を示す。 図４は完全に被覆層をほどこされた本発明のピストンリングを示す。
ピストンリングの接触面に形成される層は基体に対して温度に影響されない優れた接合力(接着力）を維持し、シリンダー壁と接触する表面部位において、温度に影響されることなく層間の一体性を維持するものでなければならない。また、慣らし段階における自己摩耗によって対向面との充分なフィットが達成されるものでなければならない。さらにまた、これらの層は高度の耐破断性を有し、長時間の運転後でも全く、または殆ど疲労性向を示さないものでなければならない。
従って、本発明の課題は極端な負荷にも耐えることができ、しかも優れた慣らし性向を示す耐摩耗性の層をフレーム溶射法によってピストンリングの接触面に形成することにある。層を形成する方法はできるだけ簡単で、しかも低コストでなければならず、特に、それぞれの使用目的に応じた特性を有する耐摩耗層を形成することが可能でなければならない。
本発明はこの課題を第１実施形態において、重なり合う少なくとも３層の別々の溶射層：接合剤層、これに重なる耐摩耗層、およびその外側に重なる慣らし層によって上記課題を解決する。層を形成する前にリング側面およびガス逃がしスリットに面取り部分を形成することによって層とリングおよび層間の接合効果および一体性をさらに高めることができる。
図１にはピストンリングに面取り部分を形成する態様を断面図で示した。本発明では層を形成する前に、接触面側（図の左側）で、ピストンリング２の縁端に面取り部分１０を設ける。本発明では、面取り部分１０の角度αは３０°乃至７０°であればよく、図２に示す例では４５°の角度となっている。また、本発明の実施形態によっては、面取り部分１０の幅ｄを０．５乃至２ｍｍの範囲で設定することができる。側面に面取り部分を形成することはピストンリング製造における任意の工程であるか、もしくは本発明の完成状態のピストンリングにおける任意の構成要件である。面取り部分は適当な公知の方法で形成することができる。
図３は第１層の形成工程を断面図で示している。リング本体２に耐摩耗層４を形成する。本発明ではこれを高速フレーム溶射-(高速オキシ燃料、ＨＶＯＦ）、常圧プラズマ溶射法（ＡＰＳ）、溶線アーク法または溶線フレーム溶射法で形成する。図示のＨＶＯＦ-装置１２はその一例である。接合剤層４はニッケル合金である。
（図示しないが）別の工程において耐摩耗層および慣らし層が接合剤層の上に形成される。これらの層も接合剤層と同様に上記の溶射方法のいずれかによって形成することができ、それぞれの層に応じて異なる方法を採用することができる。層構成は重ね溶射と呼称されるＦＦである。
本発明の第１実施形態による耐摩耗層は炭化クロムＣｒＣ、炭化タングステンＷＣまたは炭化モリブデンＭｏＣとのモリブデン合金である。
最後に形成される慣らし層はその表面に後処理が施されず、エンジンの慣らし段階における摩耗によって最終的な形状が与えられる。
図４には本発明の第１実施形態による完成状態のピストンリングを断面図でしめす。図示のように、リング本体２、接合剤層４、耐摩耗層６および慣らし層８を有する。
本発明の第２実施形態では、ピストンリングはリング本体、リング本体の接触面に形成された耐摩耗層、耐摩耗層上に形成された慣らし層を含む。慣らし層はニッケル黒鉛（Ｎｉ-Ｃ合金）を含む。ピストンリングは内燃機関用の大型ピストンリングであることが好ましい。
本発明の第２実施形態によるピストンリングは２つの異なる機能層を採用することによって、（耐摩耗層による）耐摩耗性と、（ニッケル-黒鉛から成る慣らし層による）好ましい慣らし特性との新規にして有益な複合効果を提供する。慣らし層は後加工を必要とせず、慣らし段階において生ずる摩耗によって最終的な形状が与えられる。耐摩耗層はエンジンの極限的な運転条件下での過度の摩耗を防止する。
好ましくは、耐摩耗層は硬質クロム、酸化アルミニウムセラミックを含むクロム（例えば、フェーダル-モグール社のＣＫＳ（商標））またはミクロダイヤモンドを含むクロム（例えば、フェデラル-モグール社のＧＤＣ（商標））を含む。
慣らし層は好ましくは２０乃至４００μｍの層厚を有する。また、慣らし層は好ましくは１０乃至４０容積％の黒鉛を含有する。
本発明は別の観点として、本発明の第２実施形態のピストンリングの製法を提供する。この製法は
-リング本体を用意し；
-リング本体の接触面に耐摩耗層を形成し；
-耐摩耗層を活性化し；
-耐摩耗層上に慣らし層を形成する
工程を含む。
この場合、慣らし層はニッケル黒鉛合金を含む。
好ましくは、耐摩耗層を溶射によって形成する。この溶射は常圧プラズマ溶射（ＡＰＳ、例えば、ＭＫＰ）または高速フレーム溶射（ＨＯＶＦ、例えば、フェデラル-モグール社のＭＫＪｅｔ（商標））。
耐摩耗層は好ましくは硬質クロム、酸化アルミニウムセラミックを含むクロム（例えば、フェーダル-モグール社のＣＫＳ（商標））またはミクロダイヤモンドを含むクロム（例えば、フェデラル-モグール社のＧＤＣ（商標））を含む。
耐摩耗層は好ましくは照射処理または熱処理によって活性化させる。
慣らし層は溶射によって形成することが好ましい。ここで使用される溶射方法は常圧プラズマ溶射（ＡＰＳ，例えば、ＭＫＰ）または高速フレーム溶射（ＨＯＶＦ、例えば、フェデラル-モグール社のＭＫＪｅｔ（商標））。
慣らし層は好ましくは２０乃至４００μｍの層厚を有する。慣らし層は好ましくは１０乃至４０容積％の黒鉛を含有する。
２ ピストンリング
４ 接合剤層
６ 耐摩耗層
８ 「ならし]層
１０ 面取り部分
１２ 高速フレーム溶射装置

Claims (6)

  1. -リング本体（２）と；
    -リング本体（２）の接触面に溶射することによって形成されたＮｉ合金から成る接合剤層（４）と；
    -接合剤層（４）上に溶射することによって形成されたＷＣとのＭｏ合金から成る耐摩耗層（６）と；
    -耐摩耗層（６）上に溶射することによって形成されたＡｌＣｕ合金またはＮｉ黒鉛合金から成る慣らし層（８）
    から成ることを特徴とするピストンリング。
  2. 接合剤層（４）、耐摩耗層（６）および慣らし層（８）を重ねスプレーの形で形成したことを特徴とする請求項１に記載のピストンリング。
  3. リング本体の側面が縁端に面取り部分を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のピストンリング。
  4. リング本体が縁端に面取り部分を有するガス逃しスリットを有することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のピストンリング。
  5. 面取り部分が接触面に対して３０°乃至７０°の角度を有することを特徴とする請求項３または請求項４に記載のピストンリング。
  6. 面取り部分が０．５乃至２．０ｍｍの幅を有することを特徴とする請求項３から請求項５までのいずれか１項に記載のピストンリング。
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