JP6408994B2 - 複数のコーティングされたピストンリングを形成する方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
この米国一般特許出願は、２０１２年１０月１１日に出願された米国仮特許出願番号第６１／７１２，４３９号および２０１３年３月１５日に出願された米国仮特許出願番号第６１／７８７，２３１号の利益を主張し、米国仮特許出願番号第６１／７１２，４３９号および米国仮特許出願番号第６１／７８７，２３１号は全文が引用によって本明細書に援用される。

発明の背景
１．発明の分野
本発明は、一般に内燃機関のためのピストンリングに関し、より特定的にはコーティングされたピストンリングおよび当該コーティングされたピストンリングを形成する方法に関する。

２．関連技術
内燃機関などの往復動機関のピストンは、一般に、ピストンの外径に沿った溝に配置されたリングを含んでいる。ピストンリングは、シリンダボア内で往復運動中にピストンを誘導することを容易にする。また、ピストンリングは、燃焼ガスを封じ込めて、オイルの上方への通行を抑制する。ピストンリングは、ガス負荷およびピストンリング自体の固有の負荷により、シリンダボアに沿って移動する際に摩耗にさらされる。したがって、耐摩耗性を向上させるために、ピストンリングは一般にコーティングまたは処理される。例えば、ピストンリングは、窒化されたり、クロムでコーティングされたり、またはセラミックでコーティングされたりする場合があり、これらは物理蒸着（physical vapor deposition：ＰＶＤ）によって施されてもよい。

発明の概要
本発明は、複数のコーティングピストンリングを形成する方法を提供する。１つの方法は、第１の金属材料からなり、複数の面を含むコイルを設けるステップと、化学蒸着（chemical vapor deposition：ＣＶＤ）プロセスによって、単一の期間中に、上記コイルの全ての面にコーティングを施すステップと、上記コーティングされたコイルを複数のコーティングされたピストンリングに分割するステップとを備える。

また、本発明は、複数のコーティングされたキーストーンピストンリングを形成する方法を提供する。この方法は、各々が第１の金属材料からなるキーストーンピストンリング本体の積層体を設けるステップと、ＣＶＤプロセスによって、単一の期間中に、上記キーストーンピストンリング本体の全ての面にコーティングを施すステップとを含む。

ＣＶＤプロセスは、非常に優れた耐摩耗性を有するコーティングされたピストンリングを提供する。また、コーティングされたピストンリングは、ピストンリングの全ての面をコーティングするために複数回のコーティングの実行を必要とする先行技術の方法を使用して形成されたピストンリングと比較して、製造時間およびコストが減少した状態で形成可能である。

本発明の他の利点は、添付の図面に関連付けて検討したときに以下の詳細な説明を参照することによってよりよく理解されるので、容易に認識されるであろう。

１つの例示的な方法に従って形成されたコーティングされたピストンリングの斜視図である。 線Ａ−Ａに沿った図１のコーティングされたピストンリングの断面図である。 別の例示的なに従って形成されたコーティングされたキーストーンピストンリングの斜視図である。 線Ａ−Ａに沿った図２のコーティングされたキーストーンピストンリングの断面図である。 コーティングされたピストンリングを形成するために使用される例示的な方法を示す。 図１のコーティングされたピストンリングを形成するために使用されるコイルを示す。 ＣＶＤコーティングを施した後の線Ｂ−Ｂに沿った図４のコイルの巻きの断面図である。 ＣＶＤプロセス中のキーストーンピストンリングの積層体の一部の断面図である。

詳細な説明
本発明は、内燃機関などの往復動機関の用途のための複数のコーティングされたピストンリング１０，１１０を形成するための改良された方法を提供する。コーティングされたピストンリング１０，１１０を形成する方法は、化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスを含み、必要なコーティングの実行が１回だけであり、複数回のコーティングの実行を必要とする方法と比較して製造時間およびコストが減少する。また、ＣＶＤプロセスは、非常に優れた耐摩耗性を有するコーティングされたピストンリング１０，１１０を提供する。

図１および図２は、本発明の方法に従って形成されたコーティングされたピストンリング１０，１１０の例である。コーティングされたピストンリング１０，１１０は、一般に、燃焼ガスを封じ込めてオイルの上方への通行を抑制しながら、シリンダボア内で往復運動中にピストンを誘導することを容易にするために、ピストン（図示せず）の外径に沿った溝に配置されている。各々のコーティングされたピストンリング１０，１１０は、他のコーティングされたピストンリング１０，１１０に隣接して、または他のコーティングされたピストンリング１０，１１０の間に配置されてもよい。

図１および図２に示されるように、コーティングされたピストンリング１０，１１０は、中心軸Ａの周りに周方向に延びるリング本体１２，１１２を含んでいる。コーティングされたピストンリング１０，１１０の本体１２，１１２は、一般に、鋳鉄、鋼または鋳鋼などの鉄ベースの材料からなっているが、往復動機関の状況に対処することができる別の材料からなっていてもよい。リング本体１２，１１２は、外径面１４，１１４と、外径面１４，１１４とは反対方向を向いた内径面１６，１１６と、外径面１４，１１４および内径面１６，１１６を互いに間隔をあけて配置する側面１８，１１８とを示す。リング本体１２，１１２は、一般に、面１４，１１４，１６，１１６，１８，１１８の各々に沿って開口２０，１２０を示すように分割されている。リング本体１２，１１２は、フルフェースであってもよく、セミインレイドであってもよく、または完全にインレイドであってもよい。例えば、リング本体１２，１１２は、外径面１４，１１４に沿って溝（図示せず）を示してもよく、または外径面１４，１１４に埋込まれた別個の第２の金属材料（図示せず）を含んでいてもよい。

図１のコーティングされたピストンリング１０は、標準的な設計を備えている。標準的なピストンリング１０の断面図が図１Ａに示されている。図２のコーティングされたピストンリング１１０は、「キーストーン」ピストンリングと呼ばれる。図２Ａは、コーティングされたキーストーンピストンリング１１０の断面図であり、コーティングされたキーストーンピストンリング１１０がキーストーンピストンリング本体１１２を含み、側面１１８の各々が、外径面１１４に対してある角度で配置され、外径面１１４から内径面１１６まで互いの方に内向きに延びていることを示している。また、キーストーンピストンリング本体１１２の外径面１１４はわずかに凸状であってもよく、内径面１１６はわずかに凹状であってもよい。

コーティングされたピストンリング１０，１１０は、外径面１４，１１４と、内径面１６，１１６と、側面１８，１１８とを含む、リング本体１２，１１２の複数の面１４，１１４，１６，１１６，１８，１１８、好ましくはリング本体１２，１１２の全ての面１４，１１４，１６，１１６，１８，１１８の上に堆積されたＣＶＤコーティング２２も含んでいるが、当該ＣＶＤコーティング２２は、開口２０，１２０に面した切断面の上には堆積されていない。

リング本体１２の外径面１４，１１４に沿って配置されたＣＶＤコーティング２２の部分は、往復動機関の動作中にシリンダボア（図示せず）と係合するための運転面を提供する。ＣＶＤコーティング２２は、１回のコーティングの実行で複数のピストンリング本体１２，１１２の面１４，１１４，１６，１１６，１８，１１８に施されることができる。したがって、面をコーティングするために複数回の実行を必要とする方法を使用して形成される先行技術のコーティングされたピストンリングと比較して、より短い時間で、より低い製造コストで、複数のコーティングされたピストンリング１０，１１０を製造することができる。

ＣＶＤコーティング２２は、少なくとも１つの層２４を含んでいるが、図１Ａに示されるように複数の層２４を含んでいてもよい。例えば、ＣＶＤコーティング２２は、ベース層と、中間層と、最上層とを含んでいてもよい。窒素および炭素のうちの少なくとも１つと、チタン、クロムおよびハフニウムのうちの少なくとも１つとを含む組成物などのさまざまな異なる組成物が、ＣＶＤコーティング２２を形成するために使用可能である。組成物の例としては、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＨｆＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣおよびＣｒＣが挙げられる。ＣＶＤコーティング２２の組成物は、好ましくは高い耐摩耗性を提供する。一実施例によれば、ＣＶＤコーティング２２は複数の層２４を備え、ベース層がＴｉＣを含み、中間層がＡｌ_２Ｏ_３を含み、最上層がＴｉＮを含んでいる。ＣＶＤコーティング２２が複数の層２４を備える別の実施例によれば、ベース層がＴｉＣを含み、中間層がＴｉＣＮを含み、最上層がＴｉＮを含んでいる。ＣＶＤコーティング２２の各層２４の厚みはさまざまであり得るが、コーティング２２は一般に約１０μｍ〜約５０μｍの総厚みを有している。ＣＶＤコーティング２２がリング本体１２，１１２上に堆積された後、一般に熱処理および仕上げステップがコーティングされたピストンリング１０，１１０に適用される。

図１のコーティングされたピストンリング１０を形成するために使用される例示的な方法が図３に示されている。当該方法は、一般に鉄ベースの材料である、リング本体１２を形成するために使用される第１の金属材料を提供するステップを含む。このステップは、第１の金属材料からなるワイヤを設けるステップを含む。ワイヤは、外径面１４と、内径面１６と、側面１８とを含んでいる。一実施例によれば、当該方法は、ワイヤの外径面１４に沿って溝（図示せず）を形成するステップ、第１の金属材料とは異なる第２の金属材料（図示せず）をワイヤの外径面１４に埋込むステップ、またはワイヤの外径面１４を象眼するステップを含む。

次に、当該方法は、ワイヤを巻付けるステップを含む。このステップは、図４に示されるようにコイル３２を提供するために中心軸Ａの周りに周方向にワイヤを巻付けるステップを含む。コイル３２は、中心軸Ａに沿って連続的に延び、中心軸Ａの周りに周方向に延びる複数の巻き３４を含んでいる。各々の巻きは、外径面１４と、内径面１６と、側面１８とを含んでいる。コーティングステップ後のコイル３２の３つの巻き３４の断面図が図５に示されている。巻き３４は、互いにわずかに間隔があいているか、または互いに係合しているかのいずれかである。

ワイヤを巻付けた後、当該方法は、単一の連続的な期間中にコイル３２の各々の巻き３４の全ての面１４，１６，１８にＣＶＤコーティング２２を施すステップを含み、単一の連続的な期間は、１回のコーティングの実行または１回の塗布ステップとも呼ばれる。コーティングは、単一の期間中に、外径面１４、内径面１６および側面１８に施される。

当該方法が、コイル３２を設けるステップの代わりに、コーティングされたキーストーンピストンリング１１０を形成するステップを含む別の実施例では、当該方法は、各々が第１の金属材料からなるキーストーンピストンリング本体１１２の積層体を設けるステップと、次いで１回の塗布ステップにおいて各々のキーストーンピストンリング本体１１２の全ての面１１４，１１６，１１８にＣＶＤコーティング２２を施すステップとを含む。図６は、ＣＶＤコーティングプロセス中のキーストーンピストンリング本体１１２の積層体の一部を示す。この実施例では、１回のコーティングの実行中に、開口１２０に沿った切断面をコーティングすることができる。

１回だけのコーティングの実行によりリング本体１２，１１２の面１４，１１４，１６，１１６，１８，１１８をコーティングするために化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスが使用される。当該技術分野において公知のいかなるタイプのＣＶＤプロセスも使用可能である。使用可能なＣＶＤプロセスのタイプの例としては、大気圧ＣＶＤ、低圧ＣＶＤおよびプラズマＣＶＤが挙げられる。ＣＶＤプロセスは、９００〜１０５０℃などの高温、７００〜９００℃などの中温、または５００℃以下の低温で行われることができる。一実施例によれば、当該プロセスは、コイル３２またはキーストーンピストンリング本体１１２を反応チャンバに配置するステップと、コイル３２またはキーストーンピストンリング本体１１２を加熱するステップと、ＣＶＤコーティング２２を形成するために使用されるガスの形態の組成物を提供するステップと、反応チャンバ内の加熱されたコイル３２またはキーストーンピストンリング本体１１２に当該ガスを供給するステップと、加熱されたコイル３２またはキーストーンピストンリング本体１１２の上にコーティング２２を堆積させるステップとを含む。一実施例では、図６に示されるように、複数のオリフィス２８を有する管２６が反応チャンバに配置され、当該管およびオリフィスを通してガスが供給されて、より均一な分布がもたらされる。

コーティングを施している間、当該方法は、一般に、コイル３２の巻き３４またはキーストーンピストンリング本体１１２を、隣接する巻き３４またはキーストーンピストンリング本体１１２に対して固定された位置に維持するステップを含む。例えば、コイル３２は、コーティング２２を施している間、各々の巻き３４が１μｍ以下だけ隣接する巻き３４から間隔があいた状態で、固定された位置に吊るされてもよい。コイル３２の全ての面１４，１６，１８は、ＣＶＤプロセス中にコイル３２を回転または移動させる必要なくコーティングされる。また、ＣＶＤプロセス中にリング本体１１２を所定の位置に保持するために、シリンダ３０、例えばグラファイトシリンダがキーストーンピストンリング本体１１２の積層体の周りに配置されてもよい。キーストーンピストンリング本体１１２の全ての面１１４，１１６，１１８は、ＣＶＤプロセス中にキーストーンピストンリング本体１１２を回転または移動させる必要なくコーティングされる。

ガスの組成物は、加熱されたコイル３２またはキーストーンピストンリング本体１１２と接触すると化学反応を起こし、および／または、分解し、コイル３２またはキーストーンピストンリング本体１１２の上に高密度の堆積物を提供する。化学反応中に生成されたいかなる揮発性の副生成物も、反応チャンバを通るガス流によって除去されることができる。ＣＶＤプロセスは、単一の層２４または複数の層２４を施すステップを含み得る。層２４は、同一の組成を含んでいてもよく、または異なる組成を含んでいてもよい。

ＣＶＤプロセスは見通し外プロセスであるため、コイル３２の全ての面１４，１６，１８およびキーストーンピストンリング本体１１２の全ての面１１４，１１６，１１８は、１μｍ以下だけ互いに間隔があいた面または互いに接触している面などの互いに近接する面でさえ、１回の実行でコーティングされる。図５は、１回の塗布ステップでコーティングされた、側面１８が１μｍ未満だけ離れた状態の隣接するコーティングされたピストンリング１０の一例を示す。コイル３２の全ての面１４，１６，１８またはキーストーンピストンリング１１０の全ての面１１４，１１６，１１８は、単一の連続的な期間に組成物をコイルに供給することによってコーティングされ得る。コイル３２およびキーストーンピストンリング１１０は回転させる必要がなく、別々の面１４，１１４，１６，１１６，１８，１１８をコーティングするために別々のコーティング堆積ステップは必要ない。したがって、当該方法は、先行技術のコーティングされたピストンリングを形成するために使用される方法と比較して、製造時間およびコストが減少する。

ＣＶＤコーティングがコイル３２に施されると、当該方法は、コイル３２を複数の別々の巻きに分割するステップを含み、各々の巻きは、コーティングされたピストンリング１０のうちの１つを提供する。当該分割ステップは、一般に、当該技術分野において公知の方法に従ってコイル３２を切断するステップを含む。開口２０に沿った切断面は、コーティングされていない唯一の面である。

当該方法は、リング本体１２，１１２の金属材料の硬度を上昇させるためにコーティングされたピストンリング１０，１１０を熱処理するステップをさらに含み得る。当該熱処理ステップは、加熱および焼入れ、焼戻し、オーステンパ、マルテンパ、またはそれらの組合わせなどのさまざまな異なるタイプの硬化ステップを含み得る。オーステンパは、一般に、リング本体１２，１１２が鋼およびダクタイル鉄などの鉄系材料からなっている場合に使用される。鋼により低いベイナイト微細構造を生じさせ、鋳鉄に針状フェライトおよび高炭素構造を生じさせるのは、恒温熱処理である。マルテンパは、ピストン本体１２，１１２が鋼からなっている場合に一般に使用される熱処理である。マルテンパステップは、オーステナイト化に続いて、フェライト、パーライトまたはベイナイトの形成を回避するのに十分に速い速度でマルテンサイト開始点をわずかに上回る温度まで焼入れするステップを含む。一実施例によれば、熱処理ステップは、ＣＶＤコーティング２２の起こり得る酸化を防ぐために真空または不活性ガス熱処理を含む。

また、当該方法は、コーティングされたピストンリング１０，１１０の運転面を事後コーティングするなどの仕上げステップを含み得る。当該仕上げステップは、コーティングされたピストンリング１０，１１０の側面１８，１１８を研削、研磨および／またはラッピングするステップも含み得る。

明らかに、本発明の多くの変形および変更が、上記の教示に鑑みて可能であり、特許請求の範囲内で、具体的に記載されているものとは異なる態様で実施可能である。

Claims (20)

1. 複数のコーティングされたピストンリングを形成する方法であって、
   第１の金属材料からなり、複数の面を含むコイルを設けるステップと、
   化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスによって、単一の期間中に、前記コイルの全ての面にコーティングを施すステップとを備え、前記コイルは、各々の巻きが隣接する巻きから間隔があいた状態で吊るされ、前記方法はさらに、
   前記コーティングされたコイルを複数のコーティングされたピストンリングに分割するステップを備える、方法。
2. 前記コイルは、中心軸に沿って連続的に延び、前記中心軸の周りに周方向に延びる複数の巻きを含み、前記方法は、前記コーティングを施している間、各々の巻きが１μｍ以下だけ隣接する巻きから間隔があいた状態で、固定された位置に前記コイルを維持するステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記コイルは、中心軸に沿って連続的に延び、前記中心軸の周りに周方向に延びる複数の巻きを含み、前記方法は、前記中心軸に沿って複数のオリフィスを有する管を配置するステップと、前記ＣＶＤプロセス中に前記管の前記オリフィスを通して前記コーティングの組成物を含むガスを供給するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記コーティングの組成物は、窒素および炭素のうちの少なくとも１つと、チタン、クロムおよびハフニウムのうちの少なくとも１つとを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記コーティングは、複数の層を含み、各層は、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＨｆＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣ、ＣｒＣおよびＡｌ_２Ｏ_３のうちの少なくとも１つを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記複数の層は、ＴｉＣからなるベース層と、Ａｌ_２Ｏ_３からなる中間層と、ＴｉＮからなる最上層とを含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記ＣＶＤプロセスは、反応チャンバにおいて前記コイルを加熱するステップと、前記コーティングの組成物を含むガスを前記反応チャンバに供給するステップと、前記加熱されたコイルの全ての面の上に前記組成物を堆積させるステップとを含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記コーティングの前記組成物は、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＨｆＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣ、ＣｒＣおよびＡｌ_２Ｏ_３のうちの少なくとも１つを含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記ＣＶＤプロセスは、大気圧で行われる、請求項１に記載の方法。
10. 前記ＣＶＤプロセスは、５００℃以下の温度で行われる、請求項１に記載の方法。
11. 前記ＣＶＤプロセスは、７００〜１０５０℃の温度で行われる、請求項１に記載の方法。
12. 前記第１の金属材料のワイヤを設けるステップと、前記ワイヤを前記コイルに形成するステップと、以下のステップ、すなわち前記ワイヤの外径面に沿って溝を形成するステップおよび前記第１の金属材料とは異なる第２の金属材料を前記ワイヤの外径面に埋込むステップ、のうちの少なくとも１つとを含む、請求項１に記載の方法。
13. 各々の巻きは、内径面と、外径面と、中心軸の周りに周方向に延びる側面とを含み、前記コーティングは、前記面の各々の上に配置される、請求項１に記載の方法。
14. 複数のコーティングされたキーストーンピストンリングを形成する方法であって、
    各々が第１の金属材料からなるキーストーンピストンリング本体の積層体を設けるステップと、
    化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスによって、単一の期間中に、前記キーストーンピストンリング本体の全ての面にコーティングを施すステップとを備え、前記キーストーンピストンリング本体は、各々の巻きが隣接する巻きから間隔があいた状態で吊るされる、方法。
15. 各々のキーストーンピストンリング本体は、内径面と、外径面と、中心軸の周りに周方向に延びる一対の側面とを含み、前記側面は、前記外径面から前記内径面まである角度で互いの方に内向きに延びており、前記外径面は凸状であり、前記内径面は凹状である、請求項１４に記載の方法。
16. 前記コーティングを施している間、隣接するキーストーンピストンリング本体に対して固定された位置に各々のキーストーンピストンリング本体を維持するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
17. 前記固定された位置に前記キーストーンピストンリング本体を維持するために、前記キーストーンピストンリング本体の積層体の周りにシリンダを配置するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 各々のキーストーンピストンリング本体は、中心軸の周りに周方向に延びており、前記方法は、前記中心軸に沿って複数のオリフィスを有する管を配置するステップと、前記ＣＶＤプロセス中に前記管の前記オリフィスを通して前記コーティングの組成物を含むガスを供給するステップとを含む、請求項１４に記載の方法。
19. 前記コーティングを施している間、前記積層体における各々のキーストーンピストンリング本体は、１μｍ以下だけ隣接するキーストーンピストンリング本体から間隔があいている、請求項１４に記載の方法。
20. 複数のコーティングされたピストンリングを形成する方法であって、
    鉄ベースの材料からなるワイヤを設けるステップと、
    前記ワイヤを中心軸の周りに巻付けて、中心軸に沿って連続的に延び、前記中心軸の周りに周方向に延びる複数の巻きを有するコイルを形成するステップとを備え、前記コイルは、各々の巻きが隣接する巻きから間隔があいた状態で吊るされ、前記方法はさらに、
    前記コイルを反応チャンバに配置するステップと、
    前記反応チャンバ内の前記コイルを加熱するステップと、
    前記反応チャンバにガスを供給するステップとを備え、前記ガスは、以下の組成物、すなわちＴｉＮ、ＣｒＮ、ＨｆＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣ、ＣｒＣおよびＡｌ_２Ｏ_３、のうちの少なくとも１つを含み、前記方法はさらに、
    単一の連続的な期間中に、前記コイルの全ての面の上に、前記少なくとも１つの組成物からなるコーティングを堆積させるステップと、
    前記面の上に前記コーティングを堆積させている間、各々の巻きが１μｍ以下だけ隣接する巻きから間隔があいた状態で、固定された位置に前記コイルを維持するステップと、
    前記反応チャンバを通るガス流を供給して、前記反応チャンバからいかなる揮発性の副生成物も除去するステップと、
    前記コーティングされたコイルを複数の別々のコーティングされたピストンリングに分割するステップとを備え、前記複数の別々のコーティングされたピストンリングの各々は、内径面と、外径面と、各々が中心軸の周りに周方向に延び、前記面の各々の上に堆積された前記コーティングを含む側面とを含み、前記方法はさらに、
    前記コーティングされたピストンリングの前記鉄ベースの材料を硬化させるステップを備え、
    前記硬化させるステップは、以下のステップ、すなわち加熱および焼入れ、焼戻し、オーステンパおよびマルテンパ、のうちの少なくとも１つを含む、方法。

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