JPH11351390A - 組合せオイルリングのスペーサエキスパンダおよび組合せオイルリング - Google Patents

組合せオイルリングのスペーサエキスパンダおよび組合せオイルリング

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JPH11351390A
JPH11351390A JP17667198A JP17667198A JPH11351390A JP H11351390 A JPH11351390 A JP H11351390A JP 17667198 A JP17667198 A JP 17667198A JP 17667198 A JP17667198 A JP 17667198A JP H11351390 A JPH11351390 A JP H11351390A
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JP
Japan
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spacer expander
oil ring
side rail
combination oil
zrn
Prior art date
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JP17667198A
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English (en)
Inventor
Shoji Tanaka
昭二 田中
Naoki Ito
直樹 伊藤
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Teikoku Piston Ring Co Ltd
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Teikoku Piston Ring Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 組合せオイルリングのスペーサエキスパンダ
のサイドレール押圧片に被覆される硬質皮膜の耐摩耗性
と耐剥離性を向上する。 【解決手段】 組合せオイルリング4は上下一対のサイ
ドレール5,6と、スペーサエキスパンダ7とからな
る。サイドレール5,6はマルテンサイト系ステンレス
鋼からなり、ガス窒化処理を施してある。スペーサエキ
スパンダ7はオーステナイト系ステンレス鋼からなり、
下地層として形成した軟窒化層20上の外周面にイオン
プレーティングによって硬度HV1200〜2000の
硬さの硬質皮膜21を1〜50μmの厚さで形成してあ
る。硬質皮膜21はZrNからなる皮膜であり、ZrN
の結晶は被覆面に平行に(200)面あるいは(11
1)面の優先方位を持つ。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関のピスト
ンに装着される組合せオイルリングに関する。
【0002】
【従来の技術】往復動内燃機関に使用される組合せオイ
ルリングにおけるスペーサエキスパンダのサイドレール
押圧片がサイドレールと接触する部分は、面圧が2MP
a以上と高いため、従来より採用されている軟窒化処理
等では耐摩耗性および耐剥離性が不充分である内燃機関
が多くなってきた。スペーサエキスパンダのサイドレー
ル押圧片のサイドレールと接触する部分の表面処理が摩
耗あるいは剥離すると、サイドレールを押圧する力が減
少し、オイルリング性能が低下する。その結果、オイル
消費量が増加する。
【0003】そこで、特開平9−170659号に、ス
ペーサエキスパンダにCr2 N皮膜を被覆したものが提
案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記皮
膜では、耐摩耗性および耐剥離性が未だ不充分である。
【0005】本発明の課題は、スペーサエキスパンダの
サイドレール押圧片に被覆される硬質皮膜の耐摩耗性お
よび耐剥離性を改善し、以て、組合せオイルリングの耐
久性、信頼性を改善することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、サイドレール
を押圧するサイドレール押圧片を有している、組合せオ
イルリングのスペーサエキスパンダにおいて、前記サイ
ドレール押圧片が、サイドレールと接触する部分に、Z
rNからなる硬質皮膜を有しており、この皮膜の硬さが
ビッカース硬度でHV1200〜2000の範囲にある
ことを特徴とする。
【0007】なお、本発明のZrN皮膜は、本発明の効
果を損なわない範囲であれば、PVD過程で不可避的に
形成されるマイクロパーティクルによるZr相が混入し
た皮膜も含むものとする。
【0008】皮膜硬さは、ビッカース硬さでHV120
0以上、HV2000以下が良好な耐摩耗性を発揮す
る。
【0009】前記ZrNの結晶は被覆面に平行に(20
0)面あるいは(111)面の優先方位を持つのが耐摩
耗性の点から好ましい。ただし、(200)面の優先方
位を持つ皮膜の方が密着性向上の点で(111)面の優
先方位を持つ皮膜より好ましい。
【0010】前記硬質皮膜のZrN結晶中に酸素および
炭素のうちの少なくとも1種を固溶させるのも靱性向上
の点から好ましい。
【0011】前記硬質皮膜の厚さは1〜50μmとする
のが望ましい。これは、皮膜の厚さが1μm未満である
と、耐久性が不足し、皮膜の厚さが50μmを越える
と、耐摩耗性は充分であるが、密着性が低下するからで
ある。
【0012】本発明の硬質皮膜は、PVD装置、例えば
イオンプレーティング装置において、蒸発源として金属
Zrを用い、プロセスガスとして窒素ガスを使用するこ
とにより被覆することができる。酸素および炭素のうち
の少なくとも1種を固溶させるには、酸素源に酸素ガ
ス、炭素源にCH4 ガス、C2 4 ガス、C2 2 ガス
のうちの少なくとも1種を使用し、酸素のみを固溶させ
る場合は酸素源のみ、炭素のみを固溶させる場合は炭素
源のみ、酸素および炭素を固溶させる場合は酸素源と炭
素源の両方を使用すればよい。また、皮膜硬さは、炉内
圧を低くすると上昇し、バイアス電圧を高くすると上昇
する。
【0013】上記スペーサエキスパンダを有する組合せ
オイルリングにおいて、サイドレールはスペーサエキス
パンダのサイドレール押圧片と接触する部分に窒化層が
形成されるのが望ましい。
【0014】本発明は、前記手段によって、サイドレー
ル内周面と接触するスペーサエキスパンダのサイドレー
ル押圧片の耐摩耗性が向上する。その結果、オイルリン
グ性能が長時間低下しない。また、長時間運転後も、ス
ペーサエキスパンダのサイドレール押圧片の硬質皮膜に
剥離が発生しないので、信頼性を保証できる。
【0015】
【発明の実施の形態】図1は本発明の一実施形態を示
し、シリンダに挿入されたピストンのオイルリング溝に
装着されている組合せオイルリングを示す縦断面図であ
る。図1において、1はピストン、2はシリンダで、ピ
ストン1の外周面に形成されているオイルリング溝3に
組合せオイルリング4が装着されている。組合せオイル
リング4は、環状で合口を備えている上下一対のサイド
レール5,6と、環状で合口を備えているスペーサエキ
スパンダ7とからなっている。
【0016】スペーサエキスパンダ7は、略コ字断面を
有する周期要素が周方向に多数連なって構成されてい
る。各周期要素には一対の水平な上片8と下片9とが軸
方向に離間して配置され、これらの外周が垂直な直立片
10で接続されており、上片8と下片9の内周には半径
方向内方に向かって斜めに起立するサイドレール押圧片
11,12がそれぞれ形成されており、各サイドレール
押圧片11,12の内周にはさらに半径方向内方に水平
に延びる内片13,14がそれぞれ形成されている。そ
して、上片8と直立片10と下片9とにかけてオイル孔
が形成されている。
【0017】スペーサエキスパンダ7はオーステナイト
系ステンレス鋼で形成されており、タフトライド処理が
施されて全表面に硬度HV900〜1200の軟窒化層
20が下地層として形成されている。この軟窒化層20
上において、サイドレール押圧片11,12を含む外周
面に、イオンプレーティングによって、ZrNからなる
硬質皮膜21が1〜50μmの厚さで形成されている。
硬質皮膜21は、ZrNの結晶が被覆面に平行に(20
0)面あるいは(111)面の優先方位を持ち、硬度は
ビッカース硬さでHV1200〜2000の範囲にあ
る。なお、下地層は軟窒化層に代えて、Crめっき等で
もよい。また、使用条件がゆるいときは、下地層はなく
てもよい。
【0018】上記スペーサエキスパンダ7は次のように
して形成される。図2において、素材30はオーステナ
イト系のステンレス鋼の薄鋼帯から形成されており、長
手方向中心線に対して対称形状をなしている。すなわ
ち、オーステナイト系のステンレス鋼の薄鋼帯に長手方
向に等間隔をおいてオイル孔となる亀甲状の孔15が列
設されているとともに、これらの孔15の間の薄鋼帯の
両側部に略V字状切欠部16,17が形成されている。
この素材30を対称形に折り曲げ加工する。即ち、屈曲
線A−AおよびB−Bに沿って幅方向両側を同一幅で同
一方向に90度屈曲する。次いで、屈曲線C−Cおよび
D−Dに沿って上下の端部を同一幅で斜めに屈曲して起
立させ、次に、屈曲線E−EおよびF−Fに沿って上下
の起立片の端部を同一幅で水平に屈曲する。素材30を
以上のように屈曲した後、タフトライド処理を施し、そ
の後所定の長さに切断したものを、サイドレール押圧片
が内周側になるように環状に形成し、その後、外周面に
イオンプレーティングによってZrNからなる硬質皮膜
を形成する。
【0019】一対のサイドレール5,6はマルテンサイ
ト系ステンレス鋼で形成されており、ガス窒化処理が施
されて、全表面に窒化層22,23が形成されている。
なお、サイドレールはイオン窒化によって内周面と外周
面とにのみ窒化層を形成するようにしてもよい。
【0020】スペーサエキスパンダ7は、ピストン1の
オイルリング溝3内に、両合口端部が突き合わされて縮
められた状態で装着され、半径方向外方への拡張力を生
じるようにされており、一対のサイドレール5,6を上
下片8,9で上下(軸方向)に離隔保持し、上下のサイ
ドレール押圧片11,12が一対のサイドレール5,6
の内周面をそれぞれ押圧することによって、各サイドレ
ール5,6の外周面をシリンダ2の内周面2aに密着さ
せるとともに、各サイドレール5,6の内周側の端部を
オイルリング溝3の側面3a,3bに密着させる。
【0021】以下、本発明の効果を確認するために行っ
た試験について説明する。
【0022】前記実施の形態で示した構造のオーステナ
イト系ステンレス鋼製のスペーサエキスパンダと、全表
面をガス窒化したマルテンサイト系ステンレス鋼製のサ
イドレールからなる組合せオイルリングを使用して、エ
ンジン実験を行った。スペーサエキスパンダの硬質皮膜
の評価は、耐摩耗性を反映する潤滑油消費量の測定と、
300時間のエンジン運転の後、サイドレール押圧片の
硬質皮膜においてクラックや剥離等の有無を観察するこ
とによった。
【0023】以下、実験条件および結果について説明す
る。
【0024】1.スペーサエキスパンダの硬質皮膜の形
成条件 スペーサエキスパンダをタフトライド処理して、全表面
に硬度HV1000の軟窒化層を形成した。そしてサイ
ドレール押圧片を含む外周面に、種々の条件でイオンプ
レーティングを行った。皮膜の厚さは20μmとした。
得られた皮膜の結晶構造および結晶の優先方位はX線デ
ィフラクトメータによる回折図形で決定した。皮膜硬さ
はビッカース硬度を測定した。酸素固溶量および炭素固
溶量の分析はX線マイクロアナライザで行った。表1
に、皮膜の結晶構造、ZrNの結晶の優先方位、皮膜硬
さ、酸素固溶量、および炭素固溶量を一括して示す。
【0025】
【0026】2.エンジン実験 内径98mmの4気筒ディーゼルエンジンに上記の組合
せオイルリングを用いて全負荷で300時間の耐久試験
を行い、運転時間50時間における潤滑油消費量と30
0時間における潤滑油消費量を測定した。また、耐久試
験終了後、50倍の実体顕微鏡でスペーサエキスパンダ
のサイドレール押圧片を観察し、硬質皮膜のクラック、
剥離の有無を観察した。
【0027】3.エンジン実験結果 エンジン実験の結果を表2に示す。なお、潤滑油消費量
の許容上限は35g/Hrである。
【0028】
【0029】以上より、比較例1の軟窒化層のみでは、
スペーサエキスパンダのサイドレール押圧片の摩耗が多
く、その結果潤滑油消費量が多くなって好ましくない。
比較例2,3の硬質皮膜では、クラックまたは剥離が発
生し、その結果サイドレールを押圧する圧力が減少して
潤滑油消費量が多くなり、好ましくない。比較例4,5
の硬質皮膜は、クラックおよび剥離の発生はないが、潤
滑油消費量が実施例に比べて多い。
【0030】これに対して、実施例1〜6の硬質皮膜は
クラックと剥離が発生せず、潤滑油消費量も少ない。し
たがって、組合せオイルリングの耐久性、信頼性を保証
できる。
【0031】なお、本発明の組合せオイルリングのスペ
ーサエキスパンダは、上記の実施形態で示したものに限
ることはなく、例えば、内片13,14を設けないもの
もある。また、本発明は半径方向に波形をなす周期要素
が周方向に多数連なっているスペーサエキスパンダにも
適用される。
【0032】
【発明の効果】以上説明したように本発明のスペーサエ
キスパンダは、サイドレール押圧片に被覆される硬質皮
膜の耐摩耗性と耐剥離性が向上するので、組合せオイル
リングの耐久性、信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示し、シリンダに挿入さ
れたピストンのオイルリング溝に装着されている組合せ
オイルリングを示す縦断面図である。
【図2】スペーサエキスパンダの素材の一部分を示す平
面図である。
【符号の説明】
1 ピストン 2 シリンダ 2a シリンダ内周面 3 オイルリング溝 3a,3b オイルリング溝側面 4 組合せオイルリング 5,6 サイドレール 7 スペーサエキスパンダ 8 上片 9 下片 10 直立片 11,12 サイドレール押圧片 13,14 内片 15 孔 16,17 切欠部 20 軟窒化層 21 硬質皮膜 22,23 窒化層 30 素材

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 サイドレールを押圧するサイドレール押
    圧片を有している、組合せオイルリングのスペーサエキ
    スパンダにおいて、 前記サイドレール押圧片が、サイドレールと接触する部
    分に、ZrNからなる硬質皮膜を有しており、この皮膜
    の硬さがビッカース硬度でHV1200〜2000の範
    囲にあることを特徴とする組合せオイルリングのスペー
    サエキスパンダ。
  2. 【請求項2】 前記ZrNの結晶が被覆面に平行に(2
    00)面の優先方位を持つことを特徴とする請求項1記
    載の組合せオイルリングのスペーサエキスパンダ。
  3. 【請求項3】 前記ZrNの結晶が被覆面に平行に(1
    11)面の優先方位を持つことを特徴とする請求項1記
    載の組合せオイルリングのスペーサエキスパンダ。
  4. 【請求項4】 前記ZrNの結晶中に酸素および炭素の
    うちの少なくとも1種が固溶されていることを特徴とす
    る請求項1,2または3記載の組合せオイルリングのス
    ペーサエキスパンダ。
  5. 【請求項5】 前記硬質皮膜の厚さが1〜50μmの範
    囲にあることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記
    載の組合せオイルリングのスペーサエキスパンダ。
  6. 【請求項6】 請求項1〜5のいずれかに記載のスペー
    サエキスパンダと、前記サイドレール押圧片と接触する
    部分に窒化層が形成されているサイドレールとからなる
    ことを特徴とする組合せオイルリング。
JP17667198A 1998-06-09 1998-06-09 組合せオイルリングのスペーサエキスパンダおよび組合せオイルリング Pending JPH11351390A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003058096A1 (en) * 2001-12-28 2003-07-17 Riken Corporation Side rail and combined oil control ring incorporated with the side rails for reduction of oil consumption
CN100439771C (zh) * 2003-08-21 2008-12-03 株式会社理研 衬套扩展器
KR20150059417A (ko) * 2013-11-22 2015-06-01 한국생산기술연구원 온열간 단조금형의 코팅막 및 온열간 단조금형의 표면처리방법

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