JP5855026B2 - ピストンリングの少なくとも内側面を被覆する方法 - Google Patents

Description

本発明は、ピストンリングの少なくとも内側面を被覆する方法およびピストンリングに関する。

本発明に従って被覆されるピストンリングは、通常、内燃エンジンのピストンにおいて、２つの部分に分かれた油かきリングの構成部品として提供される。実際のピストンリングは、シリンダまたはシリンダライナに摺接しており、内部に配置された圧縮コイルばねによってシリンダ壁に押圧されている。したがって、ピストンリングの内側面では、エンジンの作動中における動的応力によって、ピストンリングと圧縮コイルばねとの間に相対運動が発生する。この運動は、ピストンリングにおける溝の掘削といった形や、ばねにおける素材の擦り減りといった形で現れ得る、いわゆる二次摩耗を引き起こす可能性がある。ばねは、溝の掘削に引っかかってしまう可能性があり、それによってピストンリングのかき落とす作用が損なわれる。さらに、機能を発揮させるのに必要な接線分力が減少してしまう可能性がある。

特許文献１は、エンジンのピストンロッドにおける油かきリングに関しており、その油かきリングは全体が被覆されている。

特許文献２には、非晶質硬質炭素皮膜を有するピストンリングが開示されている。

独国特許出願第１９６５１１１２号明細書 特開２００６‐３４９０１９号公報

本発明の根本的な目的は、ピストンリングを被覆する方法、および被覆されたピストンリングを提供することであり、それらの方法およびピストンリングによって、２つの部分に分かれた油かきリングうちの少なくとも１つの構成部品の摩擦および／摩耗作用が改善される。

上記の目的の一つは、請求項１に記載の方法によって達成される。

結果として、ＰＶＤ層および／またはＤＬＣ層が、好ましくは鋳鉄または鋼鉄から作られたピストンリングに、ＰＡ−ＣＶＤ（プラズマアシスト化学蒸着）処理、グロー放電処理、または、例えばＨＩＰＩＭＳなどの高電離処理のうちの少なくとも１つを用いて付与される。上記の処理について、予期されない新規の手法で、ピストンリングの内側面の皮膜を、高品質に、かつ、処理技術の意味において実現可能な方法で形成できることが分かった。したがって、ピストンリングの内側面に、圧縮コイルばねまたはコイルばねに対する効果的な摩耗対策を施すことが初めてできる。ピストンリングは、内側にコイルばねを収めるための溝を有し得ることに触れておくべきだろう。本文脈においては、「少なくとも内側での被覆」とは、ピストンリングが、筒状の内側面で、および、好ましくは少なくともそういった領域、例えば、コイルばねと接触する、コイルばねの溝の領域で被覆されることを意味するとして理解される。しかしながら、側面および／または滑走面などのさらに別の面にも、本明細書で記載される被覆が施されてもよい。

上記の層は、摩擦係数が非常に低いことが分かった。その結果、コイルばねの摩耗が少ないことも、期待される追加の有利性である。最後に、上記の層は、比較すると非常に化学的な耐性があり、そのため、蒸着が防止され、オイルリングシステム全体としての可動性におけるさらなる改善が、有利に達成される。ＤＬＣ層は、無水素の層の形態、具体的には、ａ−Ｃまたはｔａ−Ｃの形態とすることができる。例えば、ａ−Ｃ：Ｈまたはｔａ−Ｃ：Ｈの形態といった、水素含有であるが無金属の層もまたあり得る。

好ましいさらなる発展が、追加の請求項に記載されている。

成される要求を有利に満たす層の厚さについては、０．５μｍ〜１０μｍの範囲が見出された。

ＰＶＤ層については、層が、クロム、チタン、アルミニウム、およびタングステンの金属のうちの少なくとも１つの窒化物および／または炭化物から形成されていた初期の試験において、特に優れた結果が見出された。窒化物および炭化物の蒸着は、交互にまたは同時に行われてもよい。

特に優れた結果が、８００〜４０００ＨＶ０．１の硬度とされたＰＶＤ層について見出された。

非晶質炭素またはＤＬＣ層については、先ず、以下の層のうちの少なくとも１つを有する構造が好ましいとされており、その構造は、ピストンリングの基材に面する、層の厚さが１．０μｍ以下のクロムおよび／またはチタンの接着層を有する。次に、金属または半導体含有の中間層が続き、その層は、つまりは、金属としてタングステン、チタン、および／もしくはクロムを含むａ−Ｃ：Ｈ：Ｍｅ、あるいは、Ｘが、半導体としてのシリコンおよび／もしくはゲルマニウムである、ならびに／または、フッ素、ボロン、酸素、および窒素のうちの１つまたは複数の構成物質である、ａ−Ｃ：Ｈ：Ｘである。この中間層の厚さは、０．１μｍ〜５μｍであるのが好ましい。上記の構造は、ａ−Ｃ：Ｈの種類で層の厚さが好ましくは０．１μｍ〜５μｍの無金属の最上層によって完全なものとなる。

特に優れた特性は、例えばＷＣ、ＣｒＣ、ＳｉＣ、ＧｅＣ、またはＴｉＣなどのナノ結晶金属または金属炭化物の蒸着物を含む金属含有ＤＬＣ中間層について見出された。

ＤＬＣ層については、有利な特性は、２０００〜５０００ＨＶ０．００２の硬さにおいて見出された。

上記の処理に加えて、スパッタリング処理や、特にはホロー陰極グロー放電処理がまたＤＬＣ層に対して用いられてもよい。

上記の目的はさらに、請求項８に記載のピストンリングによって達成される。ピストンリングの好ましい実施形態は、上記の好ましい方法の特徴を適用することによって得られる。

本明細書に記載された、少なくとも内側面が被覆されるピストンリングには、同日に提出された、「具体的にはピストンリングである摺動要素および摺動要素を被覆する方法」の名称の出願において、出願人によって記載された被覆の実施形態を適用することも可能であることにさらに触れておくべきだろう。さらに、具体的には内側面に被覆される、本明細書に記載されたピストンリングは、有利には、同日に提出された、「内燃エンジンにおけるピストンの油かきリング用の圧縮コイルばねおよび圧縮コイルばねを被覆する方法」の名称の出願において記載された圧縮コイルばねと、本明細書に記載された実施形態のうちの１つにおいて組み合わせることができる。

Claims (5)

1. ピストンリングの少なくとも内側面を少なくとも部分的に被覆するための方法であって、ピストンリングは鋳鉄または鋼鉄から作られており、
   クロム、チタン、アルミニウム、および／またはタングステンの窒化物および／または炭化物を含み、それら窒化物および／または炭化物は交互にまたは同時に蒸着されるＰＶＤ層を付与するステップと、
   Ｘがシリコン、ゲルマニウム、フッ素、ボロン、酸素、および／または窒素であるａ−Ｃ：Ｈ：Ｘの種類の少なくとも１つの中間層を含むＤＬＣ層を付与するステップと、
   を含み、
   前記ＰＶＤ層が、グロー放電処理および／またはＨＩＰＩＭＳ処理を用いて付与され、前記ＤＬＣ層が、ＰＡ−ＣＶＤ処理、グロー放電処理、および／またはＨＩＰＩＭＳ処理のうちの少なくとも１つを用いて付与されることを特徴とする方法。
2. ピストンリングの少なくとも内側面を少なくとも部分的に被覆するための方法であって、ピストンリングは鋳鉄または鋼鉄から作られており、
   クロム、チタン、アルミニウム、および／またはタングステンの窒化物および／または炭化物を含み、それら窒化物および／または炭化物は交互にまたは同時に蒸着されるＰＶＤ層を付与するステップと、
   Ｍｅがタングステン、チタン、および／またはクロムであるａ−Ｃ：Ｈ：Ｍｅの種類の少なくとも１つの金属含有中間層を含むＤＬＣ層を付与するステップと、
   を含み、
   前記ＰＶＤ層が、グロー放電処理および／またはＨＩＰＩＭＳ処理を用いて付与され、前記ＤＬＣ層が、ＰＡ−ＣＶＤ処理、グロー放電処理、および／またはＨＩＰＩＭＳ処理のうちの少なくとも１つを用いて付与されることを特徴とする方法。
3. 前記被覆は、０．１μｍ〜１０μｍの全厚で付与されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記金属含有ＤＬＣ層は、例えばＷＣ、ＣｒＣ、ＳｉＣ、ＧｅＣ、および／またはＴｉＣなどのナノ結晶金属または金属炭化物の蒸着物を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
5. 前記ＤＬＣ層は、層の厚さが１．０μｍ以下のクロムおよび／またはチタンの接着層と、ａ−Ｃ：Ｈの種類で層の厚さが０．１μｍ〜５μｍの無金属の最上層との少なくとも１つ、好ましくはすべての層を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。