JP5557850B2 - ピストンリング - Google Patents

Description

本発明は内燃機関に使用されるピストンリングに関する。

一般に内燃機関用のピストンには、ピストンリングとして圧力リングとオイルリングとが装着される。この圧力リングには、高圧の燃焼ガスが燃焼室側からクランク室側へ流出する現象（ブローバイ）の防止機能を持たせている。一方、オイルリングは、シリンダ内壁の余分な潤滑油がクランク室側から燃焼室側へ侵入して消費される現象（オイルアップ）の抑制機能を主に有する。そして、従来の標準的なピストンリングの組合せとしては、トップリングおよびセカンドリングからなる２本の圧力リングと、１本のオイルリングとの計３本のピストンリングの組合せが知られている。

近年、内燃機関の軽量化と高出力化に伴い、ピストンリングに要求される品質が益々高まってきている。

ここで、内燃機関用ピストンリングに要求される性能の一つに耐摩耗性がある。当該耐摩耗性を向上する手段としては、現在、ピストンリング外周の摺動面に窒化処理にて窒化層を形成したり、ＰＶＤ法などを用い硬質皮膜を形成することが行われている。

一方で、内燃機関用ピストンリングは、前記オイルアップを抑制するための油かき性も要求されている。当該油かき性を向上する手段としては、ピストンリングの主に下面側のエッジ部をシャープに形成する必要がある。

しかしながら、上記２つの要求を同時に満たそうとした場合、ピストンリング外周の摺動面に硬質皮膜を形成しつつ、当該硬質皮膜のエッジ部分をシャープに形成することとなるが、そうすると、摺動面に形成された硬質皮膜は、「硬質」であるが故に欠け易い性質を有しているがため、このエッジ部分が特に欠け易くなってしまう。

このような問題を解決するために、特許文献１においては、ピストンリング摺動面の全体を硬質皮膜で覆うのではなく、硬質皮膜を部分的に形成し、油かき性を満たすためのエッジ部分においては、シャープな形状のピストンリング母材を露出させる技術が開示されている。

特表２００７−５２０６６６号公報

上記特許文献１のピストンリングによれば、確かにピストンリングに要求されている上記２つの性能（耐摩耗性と油かき性）を同時に満たすことは可能である。

しかしながら、特許文献１のピストンリングにあっては、ピストンリング母材と、これよりも硬い硬質皮膜とが、同一摺動面上に存在しているため、これら硬さのことなる摺動面が同時にシリンダの内周面と接触することとなる。そうすると、摺動特性の差異から、相対的に軟らかいピストンリング母材に縦キズやスカッフが発生し、これが原因となってシリンダ内周面にキズが生じたり、摩耗が激しくなったり、さらにはピストンリング自体が異常摩耗したりすることがある。

本願発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、耐摩耗性、ガスシール性、さらには油かき性を同時に満たすことが可能であり、かつそのピストンリングの摺動面にキズやスカッフが発生することがなく、したがって相手材となるシリンダ内周面を損傷させたり、摩耗させたりすることがなく、さらにはそれ自体が異常摩耗することもないピストンリングを提供することを主たる課題とする。

上記課題を解決するための本発明は、外周に摺動面を有するピストンリングであって、前記ピストンリングの径方向に垂直な断面において、前記摺動面は、一端から所定の領域を占める第１摺動面と、前記第１摺動面の端部から他端までの領域を占める第２摺動面とからなり、前記第１摺動面は硬質皮膜によって形成されており、前記第２摺動面は硬質皮膜によって形成されておらず、前記第２摺動面は、前記第１摺動面を他端方向へ延長した仮想線よりもオフセットした位置に存在することを特徴とする。

また、上記の発明にあっては、前記第１摺動面は、ピストンリングの母材に凹部を形成し、当該凹部に硬質皮膜を設けることによって形成されており、ピストンリングの径方向に垂直な断面において、前記凹部は、母材の上下面のいずれか一方から他方に向かって、ピストンリング外周面に平行に延びる第１の面と、前記第１の面の一端からピストンリング外周面に向かって延びる第２の面と、から構成されており、前記凹部を形成する第２の面とピストンリング外周面とは１０〜３０°の角度をもって接していることが好ましい。

また、上記の発明にあっては、前記第１摺動面を形成する硬質皮膜が、ＰＶＤ法により形成されたＣｒ−Ｎ系、またはＣｒ−Ｂ−Ｎ系の皮膜であることが好ましい。

また、上記の発明にあっては、前記第２摺動面は、ピストンリングの母材により形成されていてもよい。

さらに、上記の発明においては、外周の形状が、バレルフェース形状または偏心バレルフェース形状であってもよい。

本発明によれば、外周に摺動面を有するピストンリングにおいて、その摺動面は、硬質皮膜からなる第１摺動面と硬質皮膜ではない第２摺動面とから構成されているため、ピストンリングに対し、当該第１摺動面によって「耐摩耗性」を付与することができるとともに、当該第２摺動面によって「ガスシール性および油かき性」を担保することが可能となり、さらに、当該第２摺動面は、第１摺動面を他端方向へ延長した仮想線よりも内側へオフセットした位置に存在するため、硬さの異なる２つの摺動面が同時にシリンダ内周面と接触することを防止できるため、第１摺動面よりも硬度が低い第２摺動面にキズやスカッフが発生することを防止できる。これにより、相手材となるシリンダ内周面を損傷させたり、摩耗させたりすることもなく、さらにはピストンリング自体が異常摩耗することもない。

また、ピストンリングの母材の外周面であって硬質皮膜が形成される凹部の形状を所定の形状とすることにより、母材と硬質皮膜との境界部分が「なだからかな」傾斜面（１０〜３０°）となっており、その結果、硬質皮膜の一点に応力が集中することを防止して、当該硬質皮膜自体が母材から剥離することを防止することができる。

また、第２摺動面がオフセットした位置に存在することにより、このオフセットされた部分が適度な油溜まりとして機能することも期待でき、これによりピストンリング摺動面全体の摩耗量の低減が期待できる。

なお、第２摺動面が摺動面全体に占める割合、およびオフセットの量を考慮すれば、ブローバイが増加するというデメリットは生じ得ない。

また、本願発明において、第１摺動面を形成する硬質皮膜の材質をＰＶＤ法により形成されたＣｒ−Ｎ系、またはＣｒ−Ｂ−Ｎ系の皮膜とすることにより、ピストンリングに要求される耐摩耗性を充分に満たすことができるとともに、母材との密着性をも向上せしめ、剥離を防止することができる。

また、本願発明において、前記第２摺動面をピストンリングの母材により形成することより、当該第２摺動面の端部をシャープ形状とすることが容易となり歩留まりを向上することができる。

また、本願発明は、その外周面の形状が、バレルフェース形状を有するピストンリングにも応用可能である。

（ａ）は、本発明のピストンリングの一部径方向に垂直な断面を示した斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）の断面の拡大図であり、（ｃ）は、（ｂ）のさらに拡大図である。 製造方法の一例を示す工程図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明のピストンリングの他の一例を示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明のピストンリングをオイルリングに適用した場合の断面図である。 剥離試験（ツイスト試験）の説明図である。 ブローバイガス量、オイル消費量および摩耗量を示す図である。

以下に、本発明のピストンリングについて、図面を用いて具体的に説明する。

図１（ａ）は、本発明のピストンリングの一部径方向に垂直な断面を示した斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の断面の拡大図であり、（ｃ）は、（ｂ）のさらに拡大図である。なお、本発明のピストンリングには、図１には図示しない合い口部が形成されている。

図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、本発明のピストンリング１は、外周に摺動面１０を有している。

そして、図１（ｂ）および（ｃ）に示すように、ピストンリングの径方向に垂直な断面をみた場合、摺動面１０は、一端（図１の場合は上端）から所定の領域を占める第１摺動面ｍと前記第１摺動面ｍの端部から他端（図１の場合は下端）までの領域を占める第２摺動面ｎとからなる。そして、第１摺動面ｍは硬質皮膜３によって形成されており、一方で第２摺動面ｎには硬質皮膜３は存在せず、図１に示す実施形態では、ピストンリング母材２がそのまま露出している。また、第２摺動面ｎは、第１摺動面ｍを他端方向（図１の場合は下端方向）に延長した仮想線Ｓよりも内側（図１（ｃ）に示すピストンリングの内周面側）へオフセットした位置に存在することに特徴を有している。

このような本発明のピストンリング１によれば、その摺動面１０は、硬質皮膜３からなる第１摺動面ｍと硬質皮膜ではない（ピストンリング母材２が露出した）第２摺動面ｎとから構成されているため、ピストンリング１に対し、当該第１摺動面ｍによって「耐摩耗性」を付与することができるとともに、当該第２摺動面ｎによって「ガスシール性および油かき性」を担保することが可能となる。さらに、当該第２摺動面ｎは、第１摺動面ｍを下端方向へ延長した仮想線Ｓよりもオフセットした位置に存在するため、硬さの異なる２つの摺動面（ｍ、ｎ）が同時にシリンダ内周面と接触することを防止できるため、第１摺動面ｍよりも硬度が低い第２摺動面ｎにキズやスカッフが発生することを防止できる。これにより、相手材となるシリンダ内周面を損傷させたり、摩耗させたりすることもなく、さらにはピストンリング自体が異常摩耗することもない。

このような本発明のピストンリング１を構成する母材２について以下に説明する。

母材２の材質については、特に限定されることはなくいかなる材質も用いることができる。例えば、その材質としては、主にスチール（鋼材）を用いることができ、またステンレス鋼としては、ＪＩＳ規格に表されるＳＵＳ４４０、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ３０４等、あるいは８Ｃｒ鋼、１０Ｃｒ鋼、ＳＷＯＳＣ−Ｖ、ＳＷＲＨ材などを用いることができる。

つぎに、第１摺動面ｍについて説明する。

第１摺動面ｍは、ピストンリング１の摺動面において、その一端（図１の場合は上端）から所定の領域を占める部分であり、硬質皮膜３により形成されていることを特徴としている。

ここで、第１摺動面ｍは、ピストンリング母材２の、第１摺動面となるべき部分に凹部２１を設けておき、当該凹部２１に硬質皮膜３を設けることにより形成することができる。

当該凹部２１の形状については特に限定されることはないが、図１（ｃ）に示すように、第１摺動面ｍの端部において、凹部２１の深さｈ（＝硬質皮膜３の厚さ）が徐々に浅く（薄く）なるようにすることが好ましい。より具体的には、図１（ｃ）に示すように、ピストンリングの径方向に垂直な断面をみた場合、母材２には、母材の上面から下面に向かって（逆でもよい）、ピストンリング外周面Ｚに平行に延びる第１の面Ｘと、前記第１の面Ｘの一端Ｘ_１からピストンリング外周面Ｚに向かって延びる第２の面Ｙとから構成され当該第２の面Ｙとピストンリングの外周面Ｚ（凹部２１に形成された硬質皮膜３の表面）とが、１０〜３０°の角度をもって接する（図１（ｃ）の符号α参照）ように凹部２１を形成することが好ましい。このような形状とすることにより、硬質皮膜３がピストンリング母材２から剥離してしまうことを防止することができる。

また、凹部２１の深さｈ（＝硬質皮膜３の厚さ）についても、本願発明は特に限定することはないが、凹部２１に設けられ、第１摺動面ｍとして機能する硬質皮膜３の性能や製造コストなどを考慮すると、１〜７０μｍ程度が好ましく、１０〜６０μｍが特に好ましい。１μｍ未満であると、摩耗により皮膜が消滅し耐久性が劣るという問題があり、一方で７０μｍを超えると、製造上時間がかかりコスト的に好ましくない。なお、前述している通り、凹部２１の深さｈは、最終的に当該部分に形成される硬質皮膜３の厚さとなる。

第１摺動面ｍがピストンリング摺動面全体１０に占める割合（つまり、ピストンリング母材２に設けられる凹部２１の軸方向長さ）については、本願発明は特に限定することはない。しかしながら、ピストンリング１に耐摩耗性を付与するためには、その摺動面１０に硬質皮膜３を充分に形成する必要があり、一方で、当該第１摺動面とは別に形成される第２摺動面ｎ（詳細は後述する。）の役割は、エッジをシャープにしてガスシール性および油かき性を向上せしめることであることから、第１摺動面ｍの占める割合（凹部２１の長さ）は、ピストンリングの断面の全長の７５〜９５％程度とすることが好ましい。従って、第２摺動面ｎの摺動面全体に占める割合は、全長の５〜２５％となる。第２摺動面ｎの摺動面全体に占める割合が５％未満であると、欠けや剥離が生じやすいという問題があり、一方で２５％を超えると、硬質皮膜３（第１摺動面ｍ）の無い部分が多く、耐摩耗性が劣るという問題がある。

ここで、ピストンリング母材２は、少なくとも下面２４が窒化処理されていることが好ましく、これに加えて上面２２、内周面２３においても窒化処理されていてもよい。これにより、ピストンリングの耐摩耗性をさらに向上せしめることができると共に、後処理が不要となり製造工程を簡略化することができるからである。

当該窒化処理としては、特に限定されることはないが、塩浴軟窒化処理、ガス窒化処理、ガス軟窒化処理、イオン窒化処理などを具体例としてあげることができる。窒化処理にてビッカース硬さ（ＨＶ）が７００以上の窒化層を窒化拡散層としこの窒化拡散層の厚さを１〜４０μｍで形成することが好ましく、厚さについては、１０〜２０μｍが特に好ましい。

次に、第１摺動面を形成する硬質皮膜３について説明する。

硬質皮膜３の材質については特に限定することはなく、当該硬質皮膜３の効果、つまりピストンリングの耐摩耗性を向上せしめることが可能な皮膜、換言すればピストンリング母材２よりも硬質な皮膜であれば、従来から用いられている各種硬質皮膜を適宜選択して用いることができる。

本発明にあっては、各種硬質皮膜の中でも、ＰＶＤ法（物理蒸着法）により形成されたＣｒ−Ｎ系、またはＣｒ−Ｂ−Ｎ系の皮膜であることが好ましい。

Ｃｒ−Ｎ系、またはＣｒ−Ｂ−Ｎ系の硬質皮膜３の形成するためのＰＶＤ法としては、イオンプレーティング法、真空蒸着法、スパッタリング法等を挙げることができる。

Ｃｒ−Ｎ系の硬質皮膜３は、Ｃｒ、ＣｒＮ、Ｃｒ_２Ｎよりなる皮膜であり、Ｃｒが０．５〜１５．５質量％、ＣｒＮが４５．０〜９８．０質量％、Ｃｒ_２Ｎが残部であることが好ましい。

一方で、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系の硬質皮膜３は、Ｂ含有量が０．０５〜２０質量％であることが好ましい。ＢがＣｒ−Ｎ合金中に含まれることによって形成される当該硬質皮膜は、耐摩耗性および耐スカッフィング性に優れると共に、特に相手攻撃性に優れる。Ｂ含有量が０．０５質量％未満では、耐スカッフィング性および相手攻撃性で期待する効果が得られない。Ｂ含有量が２０質量％を超えると、硬質皮膜３の内部応力が高く、靱性が低下し、皮膜にクラックおよび層間剥離等が発生し、ピストンリングとしての機能を果たさなくなる。Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系の硬質皮膜３を構成するＢ含有量の特に好ましい範囲としては、１〜３質量％であり、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系の硬質皮膜３を構成するＮ含有量は、４．０〜３４．０重量％の範囲であり、残部がＣｒであることが好ましい。

続いて、本発明のピストンリング１における第２摺動面ｎについて説明する。

当該第２摺動面ｎは、前述した通り、ピストンリング１に「ガスシール性および油かき性」を付与することを目的としている。従って、第２摺動面ｎの端部ｎ１（他端、図１では下端）は、ある程度シャープな形状となっていることが好ましい。

また第２摺動面ｎは、前述した第１摺動面ｍとは異なり、硬質皮膜によって形成されておらず、図１に示すように、ピストンリング母材２自体により形成されている。換言すればピストンリング母材が露出した状態となっている。このようにピストンリング母材２自体を第２摺動面ｎとすることにより、その端部ｎ１をシャープな形状としても、当該部分に欠け等の破損が生じることがない。

また、第２摺動面ｎは、前述した第１摺動面を他端方向（図１の場合は下端方向）に延長した仮想線Ｓよりも内側にオフセットした位置に存在していることに特徴を有しているが、当該オフセットの量（図１（ｃ）の符号ｆ）については特に限定することはない。しかしながら、オフセットの量ｆが大きすぎると、当該部分からブローバイが発生することが懸念されるため、例えば１〜２０μｍ程度とすることが好ましく、１〜１０μｍ程度とすることが特に好ましい。オフセットの量ｆが２０μｍを超えると、ピストンリングをピストンのリング溝に組み付ける際に引っかかりが生じ摺動面に欠けが生じる可能性が高くなる。一方で、オフセットの量ｆを１０μｍ以下とすることで、ブローバイを低く抑えることができ、さらに安定して引っかかりを生じにくくすることができる。また、オフセットの量ｆを１μｍ以上とすることで第２摺動面ｎの極当りを防止し、局所的な摩耗を防止することができる。

また、同様の観点から、第２摺動面ｎの摺動面（軸方向）全体に占める割合（全長の５〜２５％）についても考慮する必要があり、例えば０．１〜１．０ｍｍ程度となるように設計することが好ましく、０．２〜０．５ｍｍ程度となるように設計することが特に好ましい。

なお、当該第２摺動面ｎにあっては、前記の通り、ピストンリング母材２自体が露出して形成されていてもよく、当該摺動面に前述した窒化処理がなされていてもよい。

次に本発明のピストンリングの製造方法について説明する。

製造方法に関しては特に限定されることはなく、最終製品としてのピストンリング１が上記で説明した各特徴を有していればいかなる製造方法を用いてもよい。

図２は、製造方法の一例を示す工程図である。

図２（ａ）に示すように、第１摺動面ｍとなるべき硬質皮膜３を形成するための凹部２１が設けられたピストンリング母材２を用意する。ここで、凹部２１の深さＨは、最終製品たるピストンリング１における凹部２１の深さ（図１（ｃ）の符号ｈ）よりも深くしておく。言い換えれば、最終的に凹部２１に形成されるべき硬質皮膜３の膜厚よりも深くしておく。なお、この凹部２１の形成方法は切削、研削、研磨、さらには線材で予め形状を作り込む、などの公知の技術を適宜選択して採用すればよい。

次に、図２（ｂ）に示すように、母材２の外周面全体に硬質皮膜３を形成する。形成する硬質皮膜３の膜厚は、最終製品たるピストンリング１において必要な膜厚とする。なお、硬質皮膜３の形成方法には、前述したように、各種ＰＶＤ法を用いればよい。

次に、図２（ｃ）に示すように、母材２の下面側に形成された凸部分（図中の斜線の部分）を、母材２の凹部２１に形成された硬質皮膜３の表面に沿って研磨除去する。この際に研磨材として硬質粒子（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、ダイヤモンドなどの研磨材）を用い、外周面と平行に研磨することにより、硬質皮膜３に比べ軟らかいピストンリング２の方が、硬質皮膜３よりも若干多く研磨されることになる。

その結果、図２（ｄ）に示すようにオフセットした位置に第２摺動面が完成され、本発明のピストンリング１を形成することができる。

また、この状態で窒化処理を行うと、図２（ｅ）に示すように、ピストンリング母材２に窒化拡散層が形成される。

図２に示す方法によれば、母材２の外周面全体に硬質皮膜３を形成した後、不要な部分を除去することで、最終的に所定部分（下面側のエッジ部分）に母材２を露出させることができるため、硬質皮膜３をＰＶＤ法で形成する場合であっても、マスクなどを用いる必要がなく、比較的簡便かつ安価に本発明のピストンリングを製造することができる。

図３（ａ）および（ｂ）は、本発明のピストンリングの他の一例を示す断面図である。

図３（ａ）に示すように、本願発明のピストンリングにおいては、その摺動面１０の形状をバレルフェース形状とすることも可能であり、図３（ｂ）に示すように、その摺動面１０の形状を偏心バレルフェース形状にすることも可能である。バレル形状とすることにより、油膜潤滑を行いながら外周面（摺動面）からのガス漏れを防止することができる。

この場合においても、本来のバレルフェース形状を呈する第１摺動部ｍを延長した仮想線Ｓよりも、第２摺動面が内側へオフセットされていることにより、本発明のピストンリングとなる。

なお、ピストンリングの外周面がバレルフェース形状や偏心バレルフェース形状の場合、外周面Ｚが曲面状となっているが、第１摺動面ｍと第２摺動面ｎの境界点に引いた接線を用いて、図１に示すαを求めることができる。

本発明のピストンリングは、いわゆる圧力リングとして機能するトップリングはもとより、同じ圧力リングであるセカンドリングに用いることもでき、さらにはオイルリングにも本発明は適用可能である。

図１や図２は、いわゆる圧力リングの例であり、この場合には、図示するように、ピストンリングの上面側に硬質皮膜３を形成して第１摺動面とし、下面側を第２摺動面ｎとすることが好ましい。圧力リングにおいては下面側のエッジ部分に硬質皮膜３を形成せずに母材２を露出させることによって欠けや剥離を防止できるからである。

図４（ａ）および（ｂ）は、本発明のピストンリングをオイルリングに適用した場合の断面図である。

コイルエキスパンダ（図示せず）とオイルリング本体１とからなる２ピースオイルリングにあっては、図４（ａ）に示すように、上下２つの摺動面ともに上面側に硬質皮膜３を形成して第１摺動面ｍとするとともに、下面側を第２摺動面ｎとすることができる。この場合、オイルをかき出す方向はオイルリング本体１の下方向となる。

一方で、図４（ｂ）に示すように、上側の摺動面にあっては、上面側に硬質皮膜３を形成して第１摺動面ｍとするとともに、下面側を第２摺動面ｎとし、下側の摺動面にあっては、下面側に硬質皮膜３を形成して第１摺動面ｍとし、上面側を第２摺動面ｎとしてもよい。この場合、オイルをかき出す方向はオイルリング本体１の中央部となる。

本発明のピストンリングを実施例を用いてさらに具体的に説明する。

（実施例１〜１２）
前記図２を用いて説明した方法を用いて、図１に示すピストンリング（オイルリング）を製造した。

ここで、母材（２）としては、ＪＩＳ規格で表されるＳＵＳ４４０Ｂを用いた。

また、硬質皮膜（３）としては、イオンプレーティング法により形成したＣｒ−Ｂ−Ｎ（実施例１〜６）、およびＣｒ−Ｎ（実施例７〜１２）とした。

製造したピストンリングの寸法は、直径：１１５ｍｍ、軸方向幅（ｈ１）：３．０ｍｍ、径方向幅（ａ１）３．９５ｍｍである。なお、ピストンリング外周摺動面の下部（エッジ部分）において露出している母材の長さ（ｎ）は０．２〜０．５ｍｍであった。

このような実施例１〜１２において、母材（２）に形成された凹部（２１）を構成する第２の面（Ｙ）とピストンリング外周面（Ｚ）とのなす角（α）の値は、以下の表１に示す通りである。なお、この第２の面（Ｙ）とピストンリング外周面（Ｚ）とのなす角（α）は、ピストンリング軸方向断面が観察できるように切断し、断面を研磨して鏡面化し、１００倍の視野に拡大して確認した。また、これらの実施例にあっては、以下の表１に示すように、母材において硬質皮膜（３）が形成されていない部分を窒化処理したものとしていないものとがある。

窒化処理については、ガス窒化法を用い１０〜２０μｍの厚さの窒化拡散層を形成した。

（比較例１〜４）
前記実施例と同じ要領で、母材（２）に形成された凹部（２１）を構成する第２の面（Ｙ）とピストンリング外周面（Ｚ）とのなす角（α）の値を３０°とし、第２摺動面のオフセット量ｆを０（ゼロ）とした比較例のピストンリングを製造した。具体的には表１の通りである。

（従来例１〜２）
前記実施例と同じ要領で、母材（２）の外周面全体に硬質皮膜（３）が形成されている従来例を製造した。具体的には表１の通りである。

＜剥離試験＞
図５に示す捻り剥離試験機４０を用いてツイスト試験を行った。

ツイスト試験においては、ピストンリング１の合口５の相対向する合口端部を掴持具４１ａ、４１ｂで掴持し、掴持具４１ａを固定しておいて掴持具４１ｂをピストンリング１の直径方向で合口の反対側６を軸として一点鎖線で示されるように回転させてピストンリング１を所定のねじり角度にてねじる。ねじり角度は９０°とした。ねじり後に、このピストンリング１の合口反対側６を切断し、切断面（破面）における皮膜層のリング母材からの剥離の有無を目視で観察した。観察した結果、亀裂又は剥離が全く無かった場合を○とし、亀裂又は剥離が軽微でも確認できた場合を×とした。剥離試験を行ったのは、実施例１、４、５、７、１０、１１、比較例１〜４、および従来例１である。

その結果を以下の表１に示す。

＜実機試験＞
排気量：８０００ｃｃ、ボア径：φ１１５ｍｍの直列６気筒ディーゼルエンジンにてオイル消費量及びブローバイガス量の測定を行った。また、第１圧力リングの下面の摩耗を実機運転前後のプロフィールより摩耗量を測定した。

この際のピストンリングの組合せは、第１圧力リングは、Ｃ：０．９（質量）％、Ｓｉ：０．４％、Ｍｎ：０．３％、Ｃｒ：１７．５％、Ｍｏ：１．１％、Ｖ：０．１％、Ｐ：０．０１％、Ｓ：０．０１％（ＪＩＳ規格に表されるＳＵＳ４４０Ｂ材相当）からなる、リング軸方向幅（ｈ１）：３．０ｍｍ、リング径方向幅（ａ１）：３．９５ｍｍのもので、実施例３、実施例４、従来例１の仕様とし、第２圧力リングは、１０Ｃｒ鋼材相当からなる、リング軸方向幅（ｈ１）：２．５ｍｍ、リング径方向幅（ａ１）：４．３ｍｍのものである。オイルリングはＪＩＳ規格に表されるＳＵＳ４１０ＪＩ材相当からなる、リング軸方向幅（ｈ１）：４．０ｍｍ、リング径方向幅（ａ１）：オイルリング単体で２．３５ｍｍ、コイルエキスパンダとの組み合わせで４．３５ｍｍのものである。

実機試験は、第２圧力リング及びオイルリングの仕様は一定とし、第１圧力リングのみを変化させて行った。第１圧力リングは外周摺動面をバレルフェース形状とし、第２圧力リングは外周摺動面をテーパー形状とした。

具体的な試験方法としては、ＷＯＴ（全負荷）によりエンジン回転数２２００ｒｐｍにて、従来例１の圧力リングを用いたブローバイガス量、オイル消費量の数値を１とし、従来例２、実施例２、３、５、６の圧力リングを用いた試験結果を指数として求めた。また、摩耗量については、従来例１の圧力リングを用いたリング下面の摩耗量の数値を１とし、実施例３、５、６の圧力リングを用いた試験結果を指数として求めた。さらその結果を図６に示す。

表１や図６からも分かるように、本発明のピストンリングによれば、従来よりも耐剥離性、耐摩耗性、ガスシール性、およびオイルかき性をともに向上せしめることができる。

１…ピストンリング
２…母材
３…硬質皮膜
４…窒化拡散層
５…合口
１０…摺動面
２１…凹部
ｍ…第１摺動面
ｎ…第２摺動面
Ｓ…仮想線

Claims (5)

1. 外周に摺動面を有するピストンリングであって、
   前記ピストンリングの筒状部軸線からの輻射面による断面において、
   前記摺動面は、一端から所定の領域を占める第１摺動面と、前記第１摺動面の端部から他端までの領域を占める第２摺動面とからなり、
   前記第１摺動面はピストンリング母材よりも硬い硬質皮膜によって形成されており、
   前記第２摺動面は硬質皮膜によって形成されておらず、
   前記第２摺動面は、前記第１摺動面を他端方向へ延長した仮想線よりも内側へオフセットした位置に存在し、
   前記第２摺動面のオフセットの量が１〜２０μｍであり、
   前記摺動面の全体に占める前記第１摺動面の割合がピストンリングの断面の全長の７５〜９５％であり、前記摺動面の全体に占める前記第２摺動面の割合が前記全長の５〜２５％である、
   ことを特徴とするピストンリング。
2. 前記第１摺動面は、ピストンリングの母材に凹部を形成し、当該凹部に硬質皮膜を設けることによって形成されており、
   ピストンリングの筒状部軸線からの輻射面による断面において、
   前記凹部は、母材の上下面のいずれか一方から他方に向かって、ピストンリング外周面に平行に延びる第１の面と、前記第１の面の一端からピストンリング外周面に向かって延びる第２の面と、から構成されており、
   前記凹部を形成する第２の面とピストンリング外周面とは１０〜３０°の角度をもって接している
   ことを特徴とする請求項１に記載のピストンリング。
3. 前記第１摺動面を形成する硬質皮膜がＣｒ−Ｎ系、またはＣｒ−Ｂ−Ｎ系の皮膜であ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。
4. 前記第２摺動面は、ピストンリングの母材により形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のピストンリング。
5. 外周の形状が、バレルフェース形状または偏心バレルフェース形状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のピストンリング。
   
   

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