JP6584243B2 - Piston ring and manufacturing method thereof - Google Patents

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本発明は、内燃機関用ピストンリングに関し、特に、摺動面の表面微細構造により摩擦特性及び潤滑特性を改善したピストンリング及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a piston ring for an internal combustion engine, and more particularly, to a piston ring having improved friction characteristics and lubrication characteristics due to a surface fine structure of a sliding surface, and a method for manufacturing the same.

内燃機関の機能部品として使用されているピストンリング(以下、単に「リング」ともいう。)には、ガスシール機能、伝熱機能、オイルコントロール機能の三つの機能が要求される。ガスシール機能を確保するために、すなわち、ピストン外周とシリンダ内壁との隙間をシールしてエンジンが所定の圧縮圧を保つため、リングがシリンダ内壁を垂直に押すための自己張力をもつようにリング形状が定められ、また、リングをピストンにセットする際に必要な合口部の合口隙間を最小にするようにリング周長が定められている。さらに、高温高圧の燃焼ガスによるピストン頂部の熱量を冷却されたシリンダ壁に伝達する伝熱機能を確保するためにリングは金属材料で製造され、オイルコントロール機能を確保するためにリングの外周面形状が定められている。   A piston ring (hereinafter, also simply referred to as “ring”) used as a functional component of an internal combustion engine requires three functions: a gas seal function, a heat transfer function, and an oil control function. In order to secure the gas sealing function, that is, to seal the gap between the outer periphery of the piston and the inner wall of the cylinder so that the engine maintains a predetermined compression pressure, the ring has a self-tension for pushing the inner wall of the cylinder vertically. The shape is determined, and the ring circumferential length is determined so as to minimize the joint gap of the joint part required when the ring is set on the piston. Furthermore, the ring is made of a metal material to ensure the heat transfer function to transfer the heat of the piston top due to the high temperature and high pressure combustion gas to the cooled cylinder wall, and the outer peripheral shape of the ring to ensure the oil control function Is stipulated.

ピストンリングの外周面形状に言及すれば、トップリング(ピストンの最も燃焼室側に装着されるリングで「第1圧力リング」ともいう。)は、外周面にリング軸に平行な断面において樽型の油膜潤滑機能に優れたバレルフェイス形状が採用されており、セカンドリング(トップリングのクランク室側に装着されるリングで「第2圧力リング」ともいう。)は、テーパーフェイス形状に加え、外周下面端のエッジをなるべくシャープにしてオイルの掻き下げ性能を向上させる形状が採用されている。また、オイルリングにおいては、張力を大きくし、且つシリンダ内壁との接触面積を小さくすることにより、単位面積当たりの面圧を高くしてオイル掻き性能をさらに向上させるように設計されている。   Referring to the shape of the outer peripheral surface of the piston ring, the top ring (the ring attached to the most combustion chamber side of the piston, also referred to as the “first pressure ring”) is barrel-shaped in the cross section parallel to the ring axis on the outer peripheral surface. The barrel face shape with excellent oil film lubrication function is adopted, and the second ring (also called “second pressure ring”, which is a ring attached to the crank chamber side of the top ring) has an outer periphery in addition to the tapered face shape. A shape that improves the oil scraping performance by making the bottom edge as sharp as possible is adopted. Further, the oil ring is designed to increase the surface pressure per unit area and further improve the oil scraping performance by increasing the tension and decreasing the contact area with the inner wall of the cylinder.

近年、内燃機関では、オイル燃焼物による大気汚染等の環境問題やCO2削減への対応のため、オイル消費の削減と燃費の改善が強く求められている。すなわち、ピストンリングには、上記の三つの機能の確保に加え、オイル消費特性及び燃費特性についてもさらなる向上が求められている。 In recent years, internal combustion engines are strongly required to reduce oil consumption and improve fuel efficiency in order to cope with environmental problems such as air pollution caused by oil combustion products and CO 2 reduction. That is, the piston ring is required to further improve the oil consumption characteristics and the fuel consumption characteristics in addition to ensuring the above three functions.

上記三つの機能を確保しつつ、オイル消費特性と燃費特性も満足させる方法として、第1にリング張力の最適化が挙げられる。リング張力が高すぎると、トップリングやオイルリングではガスシール特性やオイル消費は改善するが、リングがシリンダ内壁を摺動するとき、摩擦力が増加し、燃費が悪化する。さらに、オイルを掻き過ぎることにより潤滑性が低下し、最悪の場合はリングとシリンダが焼付いてしまうことになる。また、逆に、リング張力が低すぎると、ガスシール特性が低下し、燃焼ガスの吹き抜けが生じて出力低下が生じるし、オイル掻き性能が低下し、オイル消費が増加することになる。   As a method of satisfying the oil consumption characteristics and the fuel consumption characteristics while ensuring the above three functions, first, the ring tension can be optimized. If the ring tension is too high, the gas seal characteristics and oil consumption are improved in the top ring and oil ring, but when the ring slides on the inner wall of the cylinder, the frictional force increases and the fuel consumption deteriorates. Further, the oil is excessively scraped and the lubricity is lowered. In the worst case, the ring and the cylinder are seized. On the other hand, if the ring tension is too low, the gas seal characteristics are lowered, the combustion gas is blown out, the output is lowered, the oil scraping performance is lowered, and the oil consumption is increased.

このため、リング張力は最適化する必要がある。しかし、燃焼室自体が時々刻々変化するので、最適張力もそれに対応して変化してしまう。最も重要な特性であるガスシール特性を確保するため、どうしても、リング張力は大きくなりがちであり、リングとシリンダ内壁との摩擦力増大という現象をもたらしやすい。この摩擦力の増加により燃費の低下や潤滑不足による焼付きが生じやすくなる。   For this reason, the ring tension needs to be optimized. However, since the combustion chamber itself changes from moment to moment, the optimum tension also changes accordingly. In order to ensure the most important characteristic of gas sealing, the ring tension tends to increase inevitably, which tends to cause a phenomenon of increased frictional force between the ring and the inner wall of the cylinder. This increase in frictional force tends to cause seizure due to a reduction in fuel consumption and insufficient lubrication.

このように、リング張力の増加は、ガスシール特性の向上やオイル消費特性の向上というプラスの効果をもたらす一方、摩擦力増加による燃費特性の悪化、オイル掻き性能の向上による潤滑特性の悪化というマイナスの効果ももたらす。これらのプラスの効果とマイナスの効果はトレードオフの関係にあるので、最適なリング張力を見出し、全ての特性を好ましい方向にもっていくことは、困難であるようにみえる。   In this way, an increase in ring tension has a positive effect of improving gas seal characteristics and oil consumption characteristics, while it has a negative effect of worsening fuel efficiency characteristics due to increased frictional force and worsening lubrication characteristics due to improved oil scraping performance. Also brings the effect. Since these positive and negative effects are in a trade-off relationship, it seems difficult to find the optimum ring tension and bring all the characteristics in the preferred direction.

このような情況において見えてくる課題は、「ガスシール特性やオイル消費特性を十分に確保した状態で、リングとシリンダ内壁間の摩擦力を低減し、潤滑特性を確保する手段を見いだせるか。」ということであり、別の表現をすれば「ガスシール特性やオイル消費特性を十分に確保するためにリング張力をある程度上げて潤滑油が不足するような摺動環境でも、摺動摩擦力低減や焼付きなどを防止できる潤滑特性を確保する手段を見いだせるか。」ということになる。   The problem that can be seen in this situation is "How can we find a means to reduce the frictional force between the ring and the inner wall of the cylinder and ensure lubrication characteristics while ensuring sufficient gas seal characteristics and oil consumption characteristics?" In other words, "In order to ensure sufficient gas seal characteristics and oil consumption characteristics, even in a sliding environment where the ring tension is increased to some extent and the lubricating oil is insufficient, sliding frictional force reduction and Can you find a means to ensure lubrication properties that can prevent sticking? "

例えば、リングのガスシール特性を確実に保証し、且つ、焼付きなどが生じないように潤滑を保証し、さらにリングとシリンダ壁間の摩擦力を低くする方法として、摺動面にディンプルなどの微細構造を付与する技術が公開されている。   For example, as a method to ensure the gas seal characteristics of the ring and to ensure lubrication so that seizure does not occur, and to reduce the frictional force between the ring and the cylinder wall, a dimple etc. A technique for imparting a fine structure is disclosed.

特許文献1は、オイル溜まりとして機能し潤滑性を向上させるための凹部をパルスレーザーで摺動面に形成し、当該凹部の径が100〜300μm、深さが100μm以上で、摺動面に占める面積割合が5〜50%としたピストンリングを開示している。ここで、深さが100μm以上とするのは、摩耗の進行に対しても凹部が消滅しないようにするためである。   In Patent Document 1, a concave portion that functions as an oil reservoir and improves lubricity is formed on a sliding surface with a pulse laser, and the concave portion has a diameter of 100 to 300 μm and a depth of 100 μm or more, and occupies the sliding surface. A piston ring having an area ratio of 5 to 50% is disclosed. Here, the depth is set to 100 μm or more so that the concave portion does not disappear even with the progress of wear.

特許文献2も、低フリクション化に加え、ガスシール、オイルシール機能を低下させることのないというピストンリングを開示している。特許文献2は、凹部が形成されていない凹部非形成領域について着目し、凹部非形成領域のバレル幅領域面積に対する面積率が20〜85%で、全ての軸方向切断面において凹部非形成領域が存在することが必要であると教示している。また、凹部の寸法については、凹部の開口幅が0.19 mm×0.16 mm、深さが10μmとした実施例を開示している。   Patent Document 2 also discloses a piston ring that does not lower the gas seal and oil seal functions in addition to reducing friction. Patent Document 2 focuses on a non-recessed region where no recess is formed, and the area ratio of the non-recessed region to the barrel width region is 20 to 85%, and the non-recessed region is present in all axial cut surfaces. Teaches that it needs to exist. In addition, with regard to the dimensions of the recesses, an embodiment in which the opening width of the recesses is 0.19 mm × 0.16 mm and the depth is 10 μm is disclosed.

また、特許文献3は、外周摺動面に形成された多数のディンプルは、深さが複数種類となるように形成され、深さの異なる複数種類のディンプルがピストンリングの周方向に交互に配設されたピストンリングを開示している。具体的には、径が100μm程度、深さが4〜5μm、2〜3μm、及び1〜1.5μmの三種類のディンプルを教示している。   In Patent Document 3, a large number of dimples formed on the outer peripheral sliding surface are formed to have a plurality of types of depth, and a plurality of types of dimples having different depths are alternately arranged in the circumferential direction of the piston ring. An installed piston ring is disclosed. Specifically, three types of dimples having a diameter of about 100 μm and a depth of 4 to 5 μm, 2 to 3 μm, and 1 to 1.5 μm are taught.

さらに、特許文献4は、硬質皮膜を被覆したピストンリングにおいても複数の凹部を形成する方法として、硬質皮膜被覆前のピストンリング母材にショットピーニングし、その後に硬質皮膜を被覆すれば、オイル溜まりとして作用し、摩耗を防止する微小ディンプルが硬質皮膜被覆後の外周摺動面にも形成できることを開示している。なお、微小ディンプルは、断面が略円弧状の直径0.1〜5μmの凹部であることも開示している。   Furthermore, Patent Document 4 discloses that as a method of forming a plurality of recesses even in a piston ring coated with a hard film, an oil pool is obtained by shot peening the piston ring base material before the hard film coating and then coating the hard film. It is disclosed that the fine dimples that act as an anti-wear can be formed on the outer peripheral sliding surface after the hard coating is coated. It is also disclosed that the micro dimple is a concave portion having a diameter of 0.1 to 5 μm with a substantially arc-shaped cross section.

しかし、上記の先行技術は、いずれも、オイル溜まりとして作用する凹部を摺動面に形成して、潤滑油をいかに多量に保持し又は潤滑油をいかに長期に亘って保持して、結果的に摩擦力を低減するかというものであって、積極的に摩擦力を低減しようとするものでないのが実情である。   However, all of the above prior arts form a recess that acts as an oil reservoir on the sliding surface to hold a large amount of lubricating oil or how long the lubricating oil is held, The actual situation is that the frictional force is to be reduced and not to actively reduce the frictional force.

特開平5-340473号公報JP-A-5-340473 特開2012-107710号公報JP 2012-107710 A 特開2013-137080号公報JP 2013-137080 JP 特開2004-60873号公報JP 2004-60873 A

古浜庄一、自動車エンジンのトライボロジ:潤滑、気密、熱負荷、ナツメ社、第5版(1984年)、83頁。Shoichi Furahama, Tribology of automobile engines: Lubrication, airtightness, thermal load, Natsume, 5th edition (1984), page 83.

本発明は、優れたガスシール特性とオイル消費特性を維持した上で、リングとシリンダ内壁間の摩擦力を低減し、優れた潤滑特性を示すピストンリング及びその製造方法を提供することを課題とする。   It is an object of the present invention to provide a piston ring that exhibits excellent lubrication characteristics by reducing the frictional force between the ring and the cylinder inner wall while maintaining excellent gas seal characteristics and oil consumption characteristics, and a method for manufacturing the same. To do.

非特許文献1は、バレルフェイス形状のピストンリングが摺動する際に、シリンダ内壁とバレルフェイス面の間の潤滑油に発生する圧力分布が、図7のようになることを開示している。すなわち、進行方向側のバレルフェイス部分で潤滑油が圧縮され、発生した圧縮力がリング張力を打ち消すことによって摩擦力が低減される。本発明者は、このようなリング張力を打ち消す圧縮力が、摺動面に形成する微細構造に関係して導入できないかどうかについて鋭意研究した結果、微細構造として形成する凹部を潤滑油のスクイーズ効果が発揮されやすい形状とすることによって、摺動面の微細構造に対応したミクロレベルで摩擦力を低減できることに想到した。   Non-Patent Document 1 discloses that the pressure distribution generated in the lubricating oil between the cylinder inner wall and the barrel face surface when the barrel face-shaped piston ring slides is as shown in FIG. That is, the lubricating oil is compressed at the barrel face portion on the traveling direction side, and the generated compressive force cancels the ring tension, thereby reducing the frictional force. As a result of intensive research on whether or not the compressive force that cancels such ring tension can be introduced in relation to the microstructure formed on the sliding surface, the inventor squeezed the recess formed as the microstructure. It was conceived that the frictional force can be reduced at a micro level corresponding to the fine structure of the sliding surface by adopting a shape that makes it easy to exhibit.

また、摩擦力低減効果を有する凹部に加え、優れた潤滑特性を発揮させるために深さの浅い凹部を共存させるのが有効であることにも想到した。   In addition to the concave portion having the effect of reducing the frictional force, it has also been conceived that it is effective to coexist with a concave portion having a shallow depth in order to exhibit excellent lubrication characteristics.

すなわち、本発明のピストンリングは、外周摺動面に硬質皮膜を被覆し多数の凹部を有するバレルフェイス形状のピストンリングであって、前記凹部が深さの異なる第1及び第2の二種類の凹部からなり、前記第1の凹部は、個々に独立し、前記第2の凹部よりも深く、前記外周摺動面に略平行な断面の面積が深さ方向に減少し、前記第2の凹部の一部がその他の前記第2の凹部の一部と連結していることを特徴とする。前記第1の凹部の開口径は円相当径で100μm以上300μm未満、深さが100μm以上300μm未満であることが好ましい。また、前記第1の凹部は円錐形状又はピラミッド形状であることが好ましい。
That is, the piston ring of the present invention is a barrel face shaped piston ring having a hard film coated on the outer peripheral sliding surface and having a number of recesses, and the recesses are of the first and second types having different depths. The first recesses are independent of each other, deeper than the second recesses, and the cross-sectional area substantially parallel to the outer peripheral sliding surface decreases in the depth direction, and the second recesses Is connected to a part of the other second recess . The opening diameter of the first recess is preferably an equivalent circle diameter of 100 μm or more and less than 300 μm and a depth of 100 μm or more and less than 300 μm. The first recess is preferably conical or pyramidal.

前記第2の凹部の開口径は円相当径で100μm未満、深さが1μm以上100μm未満であることが好ましく、また、前記第2の凹部の前記外周摺動面に略平行な断面の面積は深さ方向に減少していることが好ましい
The opening diameter of the second recess is preferably an equivalent circle diameter of less than 100 μm, the depth is preferably 1 μm or more and less than 100 μm, and the area of the cross section substantially parallel to the outer peripheral sliding surface of the second recess is It is preferable to decrease in the depth direction .

前記二種類の凹部の合計開口面積率は、20%以上80%未満であることが好ましい。   The total opening area ratio of the two types of recesses is preferably 20% or more and less than 80%.

また、前記硬質皮膜はクロムめっき皮膜、イオンプレーティング皮膜及び窒化皮膜から選択された硬質皮膜であることが好ましい。   The hard film is preferably a hard film selected from a chromium plating film, an ion plating film and a nitride film.

本発明のピストンリングの製造方法は、前記硬質皮膜の被覆前に、前記第1の凹部が硬質圧子の押込み又はレーザー加工により形成されることを特徴とする。また、前記硬質皮膜の被覆前又は被覆後に、前記第2の凹部が硬質圧子の押込み、レーザー加工、ショットブラスト、ショットピーニング、又はエッチングから選択された方法により形成されることが好ましい。
The method for manufacturing a piston ring according to the present invention is characterized in that the first recess is formed by pressing a hard indenter or laser processing before coating the hard film. Further, it is preferable that the second recess is formed by a method selected from indentation of a hard indenter, laser processing, shot blasting, shot peening, or etching before or after the coating of the hard film.

本発明のピストンリングは、外周摺動面に形成された第1の凹部が、潤滑油のスクイーズ効果が発揮されやすい形状、すなわち、個々に独立し、リング/シリンダ内壁間隔に相当又はそれより深く、外周摺動面に略平行な断面の面積が深さ方向に減少した形状であるため、ミクロなレベルでリングの張力を打ち消し、摩擦低減効果を発揮することを可能にする。また、深さの浅い第2の凹部は優れた潤滑特性を発揮するので、第1の凹部と第2の凹部が共存することによって、摩擦力低減による燃費性能の向上と潤滑特性の向上による耐焼付き性の向上が同時に実現可能となる。   In the piston ring of the present invention, the first concave portion formed on the outer peripheral sliding surface has a shape in which the squeeze effect of the lubricating oil can be easily exerted, that is, independently, corresponding to or deeper than the ring / cylinder inner wall interval. Since the area of the cross section substantially parallel to the outer peripheral sliding surface is reduced in the depth direction, it is possible to cancel the ring tension at a micro level and to exert a friction reducing effect. In addition, since the second concave portion having a shallow depth exhibits excellent lubrication characteristics, the coexistence of the first concave portion and the second concave portion improves the fuel consumption performance by reducing the frictional force and the burning resistance by improving the lubricating properties. An improvement in adherence can be realized at the same time.

本発明の第1の凹部の外周摺動面に垂直な断面形状の一例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of a cross-sectional shape perpendicular to the outer peripheral sliding surface of the first recess according to the present invention. 本発明の第1の凹部近傍においてリング/シリンダ内壁間の潤滑油に発生する圧縮力のミクロレベルの圧力分布を示す図である。FIG. 6 is a view showing a micro-level pressure distribution of a compressive force generated in lubricating oil between a ring / cylinder inner wall in the vicinity of a first recess according to the present invention. 摺動試験方法の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of a sliding test method. 本発明の第1及び第2の二種類の凹部を外周摺動面に配置した表面微細構造の一例を示す図である。FIG. 3 is a view showing an example of a surface microstructure in which first and second types of concave portions of the present invention are arranged on an outer peripheral sliding surface. 摺動試験の試験条件を概念的に示す図である。It is a figure which shows notionally the test conditions of a sliding test. 実施例1の摺動試験のストライベック線図を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a Stribeck diagram of the sliding test of Example 1. バレルフェイス形状のピストンリング摺動時におけるリング/シリンダ内壁間の潤滑油に発生する圧縮力の圧力分布を示す図である。It is a figure which shows the pressure distribution of the compressive force which generate | occur | produces in the lubricating oil between a ring / cylinder inner wall at the time of barrel face shape piston ring sliding.

[1] 外周摺動面の微細構造
本発明のピストンリングにおいては、外周摺動面に形成された多数の凹部は深さの異なる第1及び第2の二種類の凹部からなる。第1の凹部は摩擦力低下のための深さの深い凹部であり、第2の凹部は潤滑特性を確保するための深さの浅い凹部である。第1の凹部は、独立した凹部であり、摺動時に凹部の潤滑油が深さ方向に絞られ、いわゆるスクイーズ効果を発現して、潤滑油に発生する圧縮力を大きくするように、外周摺動面に略平行な断面の面積が深さ方向に減少するような形状とすることを特徴としている。この潤滑油に発生する圧縮力が、シリンダ内壁に作用するリング張力を打ち消す方向に作用し、摺動時の摩擦力を低減させることを可能にする。図1は、第1の凹部(1)の外周摺動面(2)に垂直な断面形状の一例で、(逆)円錐形状を示している。スクイーズ効果の観点では、上記断面の面積減少率が大きいほど効果が大きいので、所定の開口サイズと深さの範囲内であれば、外周摺動面の内側に凸の凹部(例えば、半球状の凹部)よりも外側に凸の凹部の方が有効であると言える。しかし、外側に凸の凹部は先端の鋭いクラックとして作用し、硬質皮膜の欠けや剥離を引き起こす虞があるので、現実には好ましくない。第1の凹部(1)の形状としては、(逆)円錐形状又は(逆)ピラミッド形状とすることが好ましい。
[1] Fine structure of outer peripheral sliding surface In the piston ring of the present invention, a large number of concave portions formed on the outer peripheral sliding surface are composed of first and second types of concave portions having different depths. The first recess is a deep recess for reducing the frictional force, and the second recess is a shallow recess for ensuring lubrication characteristics. The first concave portion is an independent concave portion, and the lubricating oil in the concave portion is squeezed in the depth direction at the time of sliding, so that a so-called squeeze effect is expressed and the compressive force generated in the lubricating oil is increased. The cross-sectional area substantially parallel to the moving surface is reduced in the depth direction. The compressive force generated in the lubricating oil acts in a direction that cancels the ring tension acting on the inner wall of the cylinder, and it is possible to reduce the frictional force during sliding. FIG. 1 is an example of a cross-sectional shape perpendicular to the outer peripheral sliding surface (2) of the first recess (1), and shows a (reverse) conical shape. In terms of the squeeze effect, the larger the area reduction rate of the cross-section, the greater the effect. Therefore, if it is within a predetermined opening size and depth range, a convex recess (for example, hemispherical) It can be said that the concave portion protruding outward is more effective than the concave portion). However, the concave portion protruding outward acts as a sharp crack at the tip and may cause chipping or peeling of the hard coating, which is not preferable. The shape of the first recess (1) is preferably (reverse) conical shape or (reverse) pyramid shape.

図2は、ピストンリングの外周摺動面(2)とシリンダ内壁(3)との摺動において、外周摺動面(2)に形成された第1の凹部(1)とシリンダ内壁(3)間に潤滑油が存在し、そのスクイーズ効果により潤滑油(4)に発生する圧縮力のミクロレベルの圧力分布(5)を模式的に示したものである。すなわち、バレルフェイス形状に対応した摩擦力の低減に加えて、外周摺動面(2)の微細構造に対応したミクロレベルでの摩擦力の低減が付加されることを示している。境界潤滑領域のような潤滑油の不十分な領域でも、外周摺動面(2)とシリンダ内壁(3)が近接すれば、その間に存在する潤滑油(4)と第1の凹部(1)の保持された潤滑油に圧縮力が発生する。スクイーズ効果によりミクロレベルで発生する圧力効果が十分発揮されるという観点から、第1の凹部(1)は、その開口径と深さが外周摺動面(2)とシリンダ内壁(3)間の隙間相当以上であり、また潤滑油が簡単に排出にされないような寸法であることが好ましい。具体的には、開口径が円相当径(開口面積と等しい面積をもつ円の直径)で100μm以上300μm未満、深さが100μm以上300μm未満であることが好ましい。開口径は120μm以上280μm未満、深さは120μm以上280μm未満であることが好ましく、それぞれ、140μm以上260μm未満、140μm以上260μm未満であることがさらに好ましい。   FIG. 2 shows the first recess (1) formed on the outer peripheral sliding surface (2) and the inner cylinder wall (3) in sliding between the outer peripheral sliding surface (2) of the piston ring and the cylinder inner wall (3). Fig. 4 schematically shows a micro level pressure distribution (5) of the compressive force generated in the lubricating oil (4) due to the squeeze effect of the lubricating oil in between. That is, in addition to the reduction of the frictional force corresponding to the barrel face shape, it is shown that the reduction of the frictional force at the micro level corresponding to the fine structure of the outer peripheral sliding surface (2) is added. Even in areas where the lubricating oil is insufficient, such as the boundary lubrication area, if the outer peripheral sliding surface (2) and the cylinder inner wall (3) are close to each other, the lubricating oil (4) and the first recess (1) existing between them Compressive force is generated in the retained lubricating oil. From the viewpoint that the pressure effect generated at the micro level is sufficiently exhibited by the squeeze effect, the first recess (1) has an opening diameter and depth between the outer peripheral sliding surface (2) and the cylinder inner wall (3). It is preferable that the dimension is equal to or larger than the gap and the lubricating oil is not easily discharged. Specifically, the opening diameter is preferably an equivalent circle diameter (diameter of a circle having an area equal to the opening area) of 100 μm or more and less than 300 μm and a depth of 100 μm or more and less than 300 μm. The opening diameter is preferably 120 μm or more and less than 280 μm, and the depth is preferably 120 μm or more and less than 280 μm, more preferably 140 μm or more and less than 260 μm, or 140 μm or more and less than 260 μm, respectively.

本発明のピストンリングでは、上記の第1の凹部に加え、潤滑性確保のための深さの浅い第2の凹部を共存させることを特徴としている。第2の凹部は深さが浅いため、第1の凹部のようなスクイーズ効果による油圧発生効果は少ないが、潤滑油排出効果が大きい。寸法的には、開口径が円相当径で100μm未満、深さが1μm以上100μm未満であることが好ましい。開口径は5μm以上100μm未満、深さは2μm以上50μm未満であることがより好ましく、それぞれ、10μm以上100μm未満、3μm以上30μm未満であることがさらに好ましい。また、スクイーズ効果による圧縮力発生効果が小さいとはいえ、外周摺動面に略平行な断面の面積は深さ方向に減少していることが好ましい。   The piston ring according to the present invention is characterized in that, in addition to the first recess, the second recess having a shallow depth for ensuring lubricity coexists. Since the second recess has a shallow depth, the oil pressure generation effect due to the squeeze effect as in the first recess is small, but the lubricating oil discharging effect is large. In terms of dimensions, it is preferable that the opening diameter is an equivalent circle diameter of less than 100 μm and the depth is 1 μm or more and less than 100 μm. The opening diameter is more preferably 5 μm or more and less than 100 μm, and the depth is more preferably 2 μm or more and less than 50 μm, and further preferably 10 μm or more and less than 100 μm and 3 μm or more and less than 30 μm, respectively. Moreover, although the compressive force generation effect by a squeeze effect is small, it is preferable that the area of the cross section substantially parallel to the outer peripheral sliding surface is reduced in the depth direction.

本発明のピストンリングにおいて、上記第1の凹部はスクイーズ効果を発揮するため独立した凹部であることが必要であったが、第2の凹部は潤滑特性確保のため第2の凹部の一部がその他の第2の凹部の一部と連結しているものとする。連結部を通して潤滑油が移動し、良好な潤滑特性を確保するようになる。もちろん、その場合は潤滑油が逃げてしまって、スクイーズ効果による圧縮力発生効果は期待できなくなる。 In the piston ring of the present invention, the first recess it was necessary a separate recess to exert a squeezing effect, the second recess is for lubrication properties securing, the second recess one It is assumed that the portion is connected to a part of the other second recess. Lubricating oil moves through the connecting portion to ensure good lubrication characteristics. Of course, in that case, the lubricating oil escapes and the compression force generation effect due to the squeeze effect cannot be expected.

上記第1及び第2の二種類の凹部は、合計開口面積率が20%以上80%未満であることが好ましい。但し、上記凹部が繋がってガスシールできなくなることがあってはならない。第1の凹部と第2の凹部の面積比の割合は、摩擦力低減を主とするか、潤滑性改善を主とするかに依存し、エンジン仕様に応じて決めるものとする。   The first and second types of recesses preferably have a total opening area ratio of 20% or more and less than 80%. However, the recesses must not be connected to prevent gas sealing. The ratio of the area ratio of the first concave portion to the second concave portion depends on whether the frictional force is mainly reduced or the lubricity is mainly improved, and is determined according to the engine specifications.

[2] 硬質皮膜
本発明のピストンリングはトップリング(第1圧力リング)として使用されることが好ましく、外周摺動面には硬質皮膜が被覆される。硬質皮膜はクロムめっき皮膜、イオンプレーティング皮膜及び窒化皮膜から選択された硬質皮膜であることが好ましい。硬質皮膜の厚さは、後述する第1及び第2の凹部の形成方法に関係し、厚すぎると特に第1の凹部を埋めて浅くしてしまうので被覆する皮膜厚さには留意する必要がある。イオンプレーティング皮膜では、60μm未満であることが好ましく、45μm未満であることがより好ましく、30μm未満であることがさらに好ましい。一方、窒化皮膜の場合は、母材の表層に窒素が拡散して形成されるので、第1及び第2の凹部が覆われることはなく皮膜厚さに制限はない。通常は、ビッカース硬さが700 HV0.1以上の拡散層の厚さが30μm以上あることが好ましく、50μm以上であればより好ましく、70μm以上であればさらに好ましい。また、クロムめっき皮膜に関しては、第1の凹部内で電場の打ち消しあいにより深さ方向に膜厚が薄くなり、開口径は少し狭くなっても、深さはほとんど変わらないため、用途によって分類することが好ましい。ガソリン車用リングでは、80μm未満であることが好ましく、60μm未満であることがより好ましく、40μm未満であることがさらに好ましい。また、ディーゼル車(特にヘビーデューティ)用リングでは120μm未満であることが好ましく、100μm未満であることがより好ましく、80μm未満であることがさらに好ましい。また、舶用リングでは350μm未満であることが好ましく、325μm未満であることがより好ましく、300μm未満であることがさらに好ましい。
[2] Hard coating The piston ring of the present invention is preferably used as a top ring (first pressure ring), and the outer peripheral sliding surface is coated with a hard coating. The hard film is preferably a hard film selected from a chromium plating film, an ion plating film and a nitride film. The thickness of the hard coating is related to the formation method of the first and second recesses described later, and if it is too thick, the first recess is filled and shallow, so it is necessary to pay attention to the coating thickness to cover. is there. In the ion plating film, it is preferably less than 60 μm, more preferably less than 45 μm, and even more preferably less than 30 μm. On the other hand, in the case of a nitride film, since nitrogen is formed by diffusing in the surface layer of the base material, the first and second recesses are not covered and the film thickness is not limited. Usually, the thickness of the diffusion layer having a Vickers hardness of 700 HV0.1 or more is preferably 30 μm or more, more preferably 50 μm or more, and further preferably 70 μm or more. In addition, regarding the chromium plating film, the thickness decreases in the depth direction due to the cancellation of the electric field in the first recess, and even if the opening diameter is slightly narrowed, the depth is almost the same, so it is classified according to the application. It is preferable. In a gasoline vehicle ring, it is preferably less than 80 μm, more preferably less than 60 μm, and even more preferably less than 40 μm. In the ring for diesel vehicles (particularly heavy duty), it is preferably less than 120 μm, more preferably less than 100 μm, and even more preferably less than 80 μm. In a marine ring, it is preferably less than 350 μm, more preferably less than 325 μm, and even more preferably less than 300 μm.

[3] 第1の凹部の形成方法
第1の凹部は、硬質圧子の押込み又はレーザー加工によって形成される。押込みによる方法として、ダイヤモンド圧子や超硬圧子を硬質皮膜被覆前のリング母材外周面に押付け、塑性変形させて凹部を形成する方法が優れており、凹部の開口径が100μm以上300μm未満、深さが100μm以上300μm以下の凹部を容易に形成することができる。ピラミッド形状や円錐形状の硬質圧子を用いて形成した凹部は、外周摺動面に略平行な断面の面積が深さ方向に効果的に減少しており、潤滑油が満たされ摺動したときスクイーズ効果による圧縮力が発生し、摩擦力を下げる効果を発現する。重要なことは、硬質皮膜被覆前の母材の段階で凹部形状を付与することである。硬質皮膜被覆後に凹部を形成すると、凹部の深さが100μm以上なので、硬質皮膜被覆後にクラックや剥離が生じたり、内部に破壊源となる欠陥を残したりして好ましくない。
[3] Forming method of first recess The first recess is formed by pressing a hard indenter or laser processing. As a method of indentation, a method in which a diamond indenter or a super-hard indenter is pressed against the outer periphery of the ring base material before coating the hard film and plastically deformed to form a recess is excellent. The recess opening diameter is 100 μm or more and less than 300 μm, A recess having a length of 100 μm or more and 300 μm or less can be easily formed. The concave portion formed using a pyramid-shaped or conical-shaped hard indenter has a cross-sectional area substantially parallel to the outer peripheral sliding surface that is effectively reduced in the depth direction. Compressive force due to the effect is generated, and the effect of reducing the frictional force is exhibited. What is important is to provide a concave shape at the stage of the base material before coating the hard film. If the concave portion is formed after the hard coating is formed, the depth of the concave portion is 100 μm or more, which is not preferable because cracks or peeling occurs after the hard coating is coated, or a defect that becomes a destruction source is left inside.

また、レーザー加工法は、レーザーの出力を上げてエネルギーを集中させれば100μm以上の凹部深さを得ることは可能である。また、深さに対応して焦点が小さくなるように調整すれば、凹部深さ方向に断面積が減少するような形状を得ることも可能である。   Also, in the laser processing method, it is possible to obtain a recess depth of 100 μm or more by increasing the laser output and concentrating the energy. Further, if the focal point is adjusted so as to decrease in accordance with the depth, it is possible to obtain a shape in which the cross-sectional area decreases in the depth direction of the recess.

[4] 第2の凹部の形成方法
第1の凹部と比較して、第2の凹部は開口径及び深さが100μm未満であるという違いだけなので、第1の凹部と同様に、硬質圧子の押込みやレーザー加工法を使用できる。但し、硬質圧子の押込みでは押込み深さを浅くし、レーザー加工法では出力を小さくする。また、第2の凹部は、ショットブラスト、ショットピーニング、エッチング等の方法でも形成することができる。さらに、第2の凹部は、最終的な凹部の寸法に留意さえすれば、硬質皮膜被覆前でも硬質皮膜被覆後でも形成することが可能である。硬質皮膜被覆前に凹部を形成した方が硬質皮膜に欠陥を導入しないという意味で優れているが、硬質皮膜の被覆が凹部の形状を大きく変化させてしまうような場合には、硬質皮膜被覆後に第2の凹部を形成することが好ましい。欠陥の導入を回避するため、例えば、レーザー加工法においては、パルスレーザーを採用して、熱負荷を極力小さくすることが行われてもよい。
[4] Method for forming second recess Compared to the first recess, the second recess has only the difference that the opening diameter and depth are less than 100 μm. Indentation and laser processing methods can be used. However, the indentation depth is reduced in the indentation of the hard indenter, and the output is reduced in the laser processing method. The second recess can also be formed by methods such as shot blasting, shot peening, and etching. Furthermore, the second recess can be formed either before or after the hard coating is applied, as long as the final recess dimensions are taken into consideration. Forming the recesses before coating the hard coating is superior in terms of not introducing defects into the hard coating, but if the coating of the hard coating greatly changes the shape of the recesses, It is preferable to form the second recess. In order to avoid the introduction of defects, for example, in a laser processing method, a pulse laser may be employed to reduce the thermal load as much as possible.

上記の凹部形成方法の中でも、硬質圧子の押込みとレーザー加工法は、第1及び第2の二種類の凹部を一工程で形成することが可能となる。その場合、配置された第1及び第2の凹部に対応して押込み荷重とレーザー出力の制御を行うことになる。   Among the above-described recess forming methods, the indentation of the hard indenter and the laser processing method can form the first and second types of recesses in one step. In that case, the indentation load and the laser output are controlled corresponding to the first and second recesses arranged.

以下の実施例及び比較例では、リング外周面に凹部を形成してエンジン試験を行う代わりに、摩擦力と焼付きを評価できる摺動試験を行った。摺動試験は、図3に示すような、回転するディスク(7)上に、両端部にバレル状の接触面(5 mm×3.5 mm)を有するテストピース(45 mm×3.5 mm×4 mm)(6)を載せ、潤滑油(8)を滴下しながら、テストピース(6)に荷重Pを段階的に増加していく試験である。テストピース(6)の母材には、質量%で、C:0.85、Si:0.38%、Mn:0.34%、Cr:17.56%、Mo:1.0%、V:0.11%、残部Feからなる鋼材を使用し、ディスク(7)には、質量%で、C:1.00%、Si:2.10%、Mn:0.32%、P:0.16%、S:0.002%、Cr:1.36%、Ni:0.08%、残部Feからなる鋼材を使用した。テストピース(6)のバレル状接触面は、リングバレルフェイス面の曲率半径10〜30 mmを考慮し、曲率半径を20 mmとした。また、ディスク(7)は、焼入れ・焼戻しにより硬さを54.5〜56.0 HRCの範囲に調整し、研磨加工によりRzJISで0.8〜1.2μmの範囲の表面粗さに仕上げた。 In the following examples and comparative examples, a sliding test capable of evaluating frictional force and seizure was performed instead of performing an engine test by forming a recess on the outer peripheral surface of the ring. The sliding test is a test piece (45 mm x 3.5 mm x 4 mm) with a barrel-shaped contact surface (5 mm x 3.5 mm) on both ends on a rotating disk (7) as shown in Fig. 3. This is a test in which the load P is gradually increased on the test piece (6) while placing (6) and dripping the lubricating oil (8). The base material of the test piece (6) is a steel material consisting of C: 0.85, Si: 0.38%, Mn: 0.34%, Cr: 17.56%, Mo: 1.0%, V: 0.11%, and the balance Fe. Used, on the disk (7), in mass%, C: 1.00%, Si: 2.10%, Mn: 0.32%, P: 0.16%, S: 0.002%, Cr: 1.36%, Ni: 0.08%, balance A steel material made of Fe was used. The barrel-like contact surface of the test piece (6) has a radius of curvature of 20 mm in consideration of the radius of curvature of the ring barrel face of 10 to 30 mm. The disk (7) was adjusted to a hardness of 54.5 to 56.0 HRC by quenching and tempering, and finished to a surface roughness of 0.8 to 1.2 μm by Rz JIS by polishing.

実施例1
上記のテストピースのバレル状接触面に、第1の凹部として、円錐状の超硬針を押付け、塑性変形させることにより、図4に示すように、開口径200μm、深さ200μmの円錐状の凹部(9)を、中心間距離400μmとして碁盤の目状に形成した。次に、硬質皮膜としてクロムめっき皮膜の形成を、原材料として、クロム酸250 g/L、硫酸1.1 g/L、フッ化物3.7 g/Lを用い、液温56℃、電流密度50 A/dm2で3時間行い、RzJISが1.0〜1.5μmの範囲に入るように先端R研磨を行った。このとき、第1の凹部は開口径が約150μmで深さが約200μmであり、クロムめっき厚さは約100μmであり、硬さはビッカース硬さを5点測定した結果875〜913 HV0.1の範囲にあった。さらに、直径260μmの円形に開口したマスキング板を使用して、図4の第2の凹部(10)に対応する位置にブラスト加工を行うことにより、碁盤の目状に配置された第1の凹部(9)の間の直径約260μmの円形内に、開口径10〜96μm、深さ1〜5μmの範囲の多数の第2の凹部(10)を形成した。これらの第2の凹部(10)には、独立した凹部は少なく、連結した凹部が多数存在していた。
Example 1
By pressing a cone-shaped carbide needle as a first recess on the barrel-shaped contact surface of the above test piece and plastically deforming it, as shown in FIG. 4, a cone-shaped with an opening diameter of 200 μm and a depth of 200 μm Recesses (9) were formed in a grid pattern with a center-to-center distance of 400 μm. Next, a chromium plating film is formed as a hard film, and chromic acid 250 g / L, sulfuric acid 1.1 g / L, fluoride 3.7 g / L is used as a raw material, liquid temperature 56 ° C., current density 50 A / dm 2 For 3 hours, and the tip R was polished so that Rz JIS was in the range of 1.0 to 1.5 μm. At this time, the first recess has an opening diameter of about 150 μm and a depth of about 200 μm, the chromium plating thickness is about 100 μm, and the hardness is 875 to 913 HV0.1 as a result of measuring Vickers hardness at five points. Was in the range. Furthermore, by using a masking plate having a circular opening with a diameter of 260 μm, blasting is performed at a position corresponding to the second recess (10) in FIG. A large number of second recesses (10) having an opening diameter of 10 to 96 μm and a depth of 1 to 5 μm were formed in a circle having a diameter of about 260 μm between (9). These second recesses (10) had few independent recesses and many connected recesses.

比較例1
比較例1のテストピースは、第1の凹部を形成することなく、実施例1と同様にクロムめっき皮膜を被覆し、先端R加工を施したままとした。
Comparative Example 1
The test piece of Comparative Example 1 was covered with the chromium plating film in the same manner as in Example 1 without forming the first recess, and the tip R was left as it was.

実施例2
硬質皮膜として窒化皮膜を形成した以外は、実施例1と同様にして第1の凹部及び第2の凹部を有するテストピースを作製した。窒化皮膜は、NH3ガス雰囲気、585℃で4.5時間の処理により形成し、平面研削盤R研磨により約25μmを研磨して表層の白層を除去し、最終的に専用治具でR仕上げを行った。このとき、第1の凹部は開口径が約175μmで深さが約175μmであり、得られた窒化皮膜の表面硬さは1120〜1175 HV0.1、表面粗さはRzJISで0.3〜0.4μmの範囲にあり、硬さ700 HV0.1以上の拡散層の厚さは約75μmであった。また、ブラストにより形成された多数の第2の凹部は、開口径7〜73μm、深さ1〜4μmの範囲にあった。
Example 2
A test piece having a first recess and a second recess was produced in the same manner as in Example 1 except that a nitride film was formed as the hard film. The nitride film is formed by treatment for 4.5 hours at 585 ° C in an NH 3 gas atmosphere, polishing about 25μm by surface grinding machine R polishing to remove the surface white layer, and finally R finishing with a dedicated jig went. At this time, the first recess has an opening diameter of about 175 μm and a depth of about 175 μm, the surface hardness of the obtained nitride film is 1120 to 1175 HV0.1, the surface roughness is 0.3 to 0.4 μm in Rz JIS The thickness of the diffusion layer having a hardness of 700 HV0.1 or more was about 75 μm. In addition, many second recesses formed by blasting were in the range of an opening diameter of 7 to 73 μm and a depth of 1 to 4 μm.

比較例2
比較例2のテストピースは、第1の凹部を形成することなく、実施例2と同様に窒化処理を行い、先端R仕上げを施したままとした。
Comparative Example 2
The test piece of Comparative Example 2 was subjected to nitriding treatment in the same manner as in Example 2 without forming the first recess, and the tip R was left as it was.

実施例3
硬質皮膜の被覆前に第2の凹部を形成し、硬質皮膜としてイオンプレーティングによるCrN皮膜を形成した以外は、実施例1と同様にして第1の凹部及び第2の凹部を有するテストピースを作製した。CrN皮膜は、蒸発源に金属Crを用い、真空排気後、N2ガスを流しながら2.0 Paに調整した雰囲気で、アーク電流150 A、バイアス電圧 0 V、温度500℃で、380分間のイオンプレーティング処理により形成し、さらに、専用治具でのR研磨によりR仕上げを行った。このとき、第1の凹部は開口径が約180μmで深さが約200μmであり、第2の凹部は開口径が1〜50μmで深さが1〜2.5μmの範囲にあった。また、得られたCrN皮膜は、皮膜厚さ20μm、表面硬さが850〜1150 HV0.1、表面粗さがRzJISで0.3〜0.4μmの範囲にあった。
Example 3
A test piece having a first recess and a second recess was formed in the same manner as in Example 1 except that the second recess was formed before the coating of the hard coating, and a CrN coating by ion plating was formed as the hard coating. Produced. The CrN film uses metallic Cr as the evaporation source, is evacuated, and is adjusted to 2.0 Pa while flowing N 2 gas, with an ion current of 380 minutes at an arc current of 150 A, a bias voltage of 0 V, and a temperature of 500 ° C The film was formed by a finishing process, and further R-finished by R-polishing with a dedicated jig. At this time, the first recess had an opening diameter of about 180 μm and a depth of about 200 μm, and the second recess had an opening diameter of 1 to 50 μm and a depth of 1 to 2.5 μm. Further, the obtained CrN coating had a coating thickness of 20 μm, a surface hardness of 850 to 1150 HV0.1, and a surface roughness of 0.3 to 0.4 μm in Rz JIS .

比較例3
比較例3のテストピースは、第1の凹部及び第2の凹部を形成することなく、実施例3と同様にイオンプレーティング処理を行い、先端R仕上げを施したままとした。
Comparative Example 3
The test piece of Comparative Example 3 was subjected to the ion plating process in the same manner as in Example 3 without forming the first concave portion and the second concave portion, and the tip R finish was left.

摺動試験
摺動試験は、図5に示すように、慣らし運転と本試験から構成され、本試験は摺動速度を一定としてテストピースに負荷する押付け荷重Pを焼付きが発生するまでステップ昇圧することによって行うものである。試験条件は以下の通りである。
1. 慣らし運転
摺動速度:0.5 m/秒、
押付け荷重:500 N、
潤滑油:日石モーターオイル(モーター P#20)、
潤滑油温度:100℃(オイルバス)、
潤滑油供給量:40 cc/分、
運転時間:2分。
2. 本試験
摺動速度:8 m/秒、
押付け荷重:初期100 Nから20 Nずつ、スカッフ発生まで昇圧する、
各荷重保持時間は30秒、
潤滑油:日石モーターオイル(モーター P#20)、
潤滑油温度:100℃(オイルバス)、
潤滑油供給量:40 cc/分、
焼付きトリガー:摩擦係数が0.1以上で焼付きと判断する。
Sliding test As shown in Fig. 5, the sliding test consists of a break-in operation and the main test. This test increases the stepping pressure until seizure occurs with the pressing load P applied to the test piece at a constant sliding speed. Is what you do. The test conditions are as follows.
1. Break-in operation Sliding speed: 0.5 m / sec,
Pressing load: 500 N,
Lubricant: Nisseki Motor Oil (Motor P # 20),
Lubricating oil temperature: 100 ° C (oil bath),
Lubricating oil supply: 40 cc / min,
Driving time: 2 minutes.
2. Main test Sliding speed: 8 m / sec.
Pressing load: Increase pressure from initial 100 N by 20 N until scuffing.
Each load holding time is 30 seconds,
Lubricant: Nisseki Motor Oil (Motor P # 20),
Lubricating oil temperature: 100 ° C (oil bath),
Lubricating oil supply: 40 cc / min,
Seizure trigger: A seizure is determined when the friction coefficient is 0.1 or more.

摩擦係数μ(=F/P)は押付け荷重Pとロードセル(図3には図示しない)により測定した押付け荷重に垂直に発生する剪断荷重Fから求めることができ、焼付き応力σ(=Pmax/A)は焼付き荷重Pmaxと試験終了後に観察・測定した摺動面の接触面積Aからを求めることができる。   The friction coefficient μ (= F / P) can be obtained from the pressing load P and the shearing load F generated perpendicular to the pressing load measured by a load cell (not shown in FIG. 3), and the seizure stress σ (= Pmax / A) can be obtained from the seizure load Pmax and the contact area A of the sliding surface observed and measured after the end of the test.

実施例1の結果を、ストライベックパラメータS(=ηV/P、ここでηは潤滑油の粘度、Vは摺動速度、Pは押付け荷重)と摩擦係数μの関係として図6に示すが、焼付きが生じた左端のμ値で摩擦力を評価し、焼付き応力σで潤滑性を評価した。その他の実施例や比較例においても、図6のように、右から流体潤滑、混合潤滑、境界潤滑の三つの領域が明確に現れていた。なお、図6の境界潤滑領域の頂部から左端にかけてμ値が低下しているのは、「なじみ現象(真実接触面積が増加し、摩擦係数が低下する)」によるものと考えられる。   The results of Example 1 are shown in FIG. 6 as the relationship between the Stribeck parameter S (= ηV / P, where η is the viscosity of the lubricating oil, V is the sliding speed, P is the pressing load) and the friction coefficient μ. The frictional force was evaluated by the μ value at the left end where seizure occurred, and the lubricity was evaluated by seizure stress σ. In other examples and comparative examples, as shown in FIG. 6, three regions of fluid lubrication, mixed lubrication, and boundary lubrication clearly appeared from the right. The reason why the μ value decreases from the top to the left end of the boundary lubrication region in FIG. 6 is thought to be due to the “familiarity phenomenon (the true contact area increases and the friction coefficient decreases)”.

実施例1〜3及び比較例1〜3の結果を表1に示す。硬質皮膜が同じテストピースの組合せで比較すると、摺動面に凹部のない比較例に対して、摺動面の第1の凹部と第2の凹部を有する実施例1〜3は、焼付き面圧が4.2〜9.5%増加し、摩擦係数が0.001〜0.002程低下し、剪断荷重が減少した。焼付き面圧の向上は第1の凹部の存在によってもたらされ、剪断荷重の減少は第2の凹部の存在によってもたらされたと考えられる。   The results of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 are shown in Table 1. Compared with a combination of test pieces having the same hard coating, the first to third embodiments having the first concave portion and the second concave portion of the sliding surface are seized surfaces, compared to the comparative example having no concave portion on the sliding surface. The pressure increased by 4.2 to 9.5%, the friction coefficient decreased by about 0.001 to 0.002, and the shear load decreased. It is considered that the seizure surface pressure is improved by the presence of the first recess, and the reduction of the shear load is caused by the presence of the second recess.

Figure 0006584243
Figure 0006584243

1, 9 … 第1の凹部
2 … 外周摺動面
3 … シリンダ壁
4 … 潤滑油
5 … 潤滑油に発生した圧縮力
6 … テストピース
7 … ディスク
8 … 潤滑油
10 … 第2の凹部の存在領域
1, 9… 1st recess
2… Peripheral sliding surface
3… Cylinder wall
4… Lubricating oil
5… Compressive force generated in lubricating oil
6… Test piece
7… disk
8… Lubricating oil
10… Region of presence of second recess

Claims (9)

外周摺動面に硬質皮膜を被覆し多数の凹部を有するバレルフェイス形状のピストンリングであって、前記凹部が深さの異なる第1及び第2の二種類の凹部からなり、前記第1の凹部は、個々に独立し、前記第2の凹部よりも深く、前記外周摺動面に略平行な断面の面積が深さ方向に減少し、前記第2の凹部の一部がその他の前記第2の凹部の一部と連結していることを特徴とするピストンリング。 A barrel face-shaped piston ring having a hard coating coated on the outer peripheral sliding surface and having a plurality of recesses, wherein the recess comprises first and second recesses having different depths, and the first recess Each independently, deeper than the second recess, the area of the cross section substantially parallel to the outer peripheral sliding surface decreases in the depth direction, a part of the second recess is the other second A piston ring connected to a part of the concave portion of the piston ring. 請求項1に記載のピストンリングにおいて、前記第1の凹部の開口径が円相当径で100μm以上300μm未満、深さが100μm以上300μm未満であることを特徴とするピストンリング。   2. The piston ring according to claim 1, wherein an opening diameter of the first recess is an equivalent circle diameter of 100 μm or more and less than 300 μm, and a depth is 100 μm or more and less than 300 μm. 請求項1又は2に記載のピストンリングにおいて、前記第1の凹部が円錐形状又はピラミッド形状であることを特徴とするピストンリング。   3. The piston ring according to claim 1, wherein the first concave portion has a conical shape or a pyramid shape. 請求項1〜3のいずれかに記載のピストンリングにおいて、前記第2の凹部の開口径が円相当径で100μm未満、深さが1μm以上100μm未満であることを特徴とするピストンリング。   4. The piston ring according to claim 1, wherein the opening diameter of the second recess is an equivalent circle diameter of less than 100 μm and the depth is 1 μm or more and less than 100 μm. 請求項1〜4のいずれかに記載のピストンリングにおいて、前記第2の凹部の前記外周摺動面に略平行な断面の面積が深さ方向に減少していることを特徴とするピストンリング。   5. The piston ring according to claim 1, wherein an area of a cross section substantially parallel to the outer peripheral sliding surface of the second recess is reduced in a depth direction. 請求項1〜5のいずれかに記載のピストンリングにおいて、前記二種類の凹部の合計開口面積率が20%以上80%未満であることを特徴とするピストンリング。 In the piston ring according to any one of claims 1 to 5, piston ring, wherein the total open area ratio of the two types of recesses is less than 80% to 20%. 請求項1〜6のいずれかに記載のピストンリングにおいて、前記硬質皮膜がクロムめっき皮膜、イオンプレーティング皮膜及び窒化皮膜から選択された硬質皮膜であることを特徴とするピストンリング。 The piston ring according to any one of claims 1 to 6 , wherein the hard film is a hard film selected from a chromium plating film, an ion plating film, and a nitride film. 請求項1〜7のいずれかに記載のピストンリングを製造する方法であって、前記硬質皮膜の被覆前に、前記第1の凹部が硬質圧子の押込み又はレーザー加工により形成されることを特徴とするピストンリングの製造方法。 The method for manufacturing the piston ring according to any one of claims 1 to 7 , wherein the first concave portion is formed by pressing a hard indenter or laser processing before coating the hard coating. Manufacturing method of piston ring. 請求項8に記載のピストンリングの製造方法において、前記硬質皮膜の被覆前又は被覆後に、前記第2の凹部が硬質圧子の押込み、レーザー加工、ショットブラスト、ショットピーニング、又はエッチングから選択された方法により形成されることを特徴とするピストンリングの製造方法。
9. The method of manufacturing a piston ring according to claim 8 , wherein the second recess is selected from indentation of a hard indenter, laser processing, shot blasting, shot peening, or etching before or after coating of the hard coating. The manufacturing method of the piston ring characterized by the above-mentioned.
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