JPS6392868A - セラミツクピストンリング及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、セラミ７クピストンリング及びその製造方
法に関する。

〔従来の技術〕

−Ｃに、内Ｆ機関等のエンジンにはピストンリングが使
用されており、そのピストンリングには、圧力リング及
び油掻きリングがあり、シリンダとピストンとの間の気
密、熱伝達、潤滑、ベアリング等の機能を果たしている
。そして、このピストンリングには、矩形断面等の種々
の断面形状のものが開示されている。また、ピストンと
シリンダとの間の気密を保つため、シリンダ壁面に対し
て気密に必要な接触即ち密着するようにピストンリング
には自己張力を有するように構成されている。

また、ピストンリングは自由状態即ちピストンとシリン
ダとの間に装着されていない状態では真円でなく合い口
のすきまは大きくなっており、装着された状態で初めて
押し縮められて真円になるように構成されている。そし
て、ピストンリングについては、シリンダに装着されな
い状態の自由形状によって装着時のリングの面圧分布が
決定されるようになっている。

次に、第５図及び第６図を参照して、ピストンリング２
０である圧力リングの一般的なことについて説明する。

第５図は基本的な圧力リングを示す平面図、第６図は第
５図の線Ｖ−Ｖにおける断面図である。一般に、ピスト
ンリング２０　（略してリングという）の装着及び使用
時の応力Ｆは、次式で表すことができる。

Ｆ　　＝　　Ｍ／Ｚ　　　　　−・−・−・−−−−−
・−・−・・・・（１）但し、Ｍ：任意の点Ｐにおける
曲げモーメント、Ｚ：断面係数である。

ここで、合い口ＣのすきまＳが指定寸法まで荷重Ｗを掛
けて閉じると、 Ｍ　ズ　ＷＲ（１＋　ＣＯ５θ）・・・・・・・・−・
・・−（２）但し、Ｗ：合い口の接線方向に加えた荷重
、Ｒ；リングの曲率半径、θ】合い口Ｃの反対側の点Ａ
からの角度、即ち、角ＺＡＯＰである。

リングが矩形断面の時には、 Ｚ　　−Ｂ　Ｔ　”　／　６　　−−−−−−−−−−
−−−・・・（３）但し、Ｂ：リングの幅、Ｔ：リング
の厚さである。

リングが全周一様な断面であれば、最大応力は合い口Ｃ
の反対側の点Ａに掛かることになる。Ｉ！ｌ］ち、上記
式（２）において、θ＝０６の時、Ｍ　　＝　　ＷＲ（
Ｌ＋ＣＯＳθ） ＝　　ＷＲ（１＋　Ｃ０５Ｏ°） ＝　　２ＷＲ 従って、応力Ｆは、 Ｆ　　＝　　Ｍ／Ｚ ＝　　１２ＷＲ／ＢＴ” となる。

リングをピストンに装着する場合には、合い口Ｃを開い
てピストンのリング溝にリングを入れなければならず、
リングに対して張力即ち引張り応力が掛かることになる
。

−ａに、ピストンリング２０については、リングの寸法
を表すのに、呼び径Ｄ、幅Ｂ、厚さＴを用いて、ＤＸＢ
ＸＴで示す。ピストンリングの呼び径りはリングを装着
した場合の真円状態の時の直径であり、呼び径りはｌｌ
ｌ１ｌｌ〜２ｍｍ間隔に定められており、自動車用リン
グとしては４０ｍｍ−１５０ｍｍ範囲のものが使用され
ている。ピストンリング２０の幅Ｂは、リングのすべり
面である外周面７の大きさを示し、エンジンにより幅Ｂ
をいろいろに変えており、高速エンジンになるほど薄幅
のものが使用されており、一般に、１　、５ｍｍ〜４．
５ｍｍのものが使用されている。また、ピストンリング
２０の厚さＴは、リングの半径方向の大きさを示し、張
力に大きな影響を与えるものであり、０．１５ｍｍ〜６
．０ｍｍのものが使用されている。

また、特に、圧力リングについては、気密、熱伝達、ベ
アリング作用を果たし、ピストンリングの摩耗が問題に
なり、そのためピストンリングについては、従来、耐摩
耗性、強度等を改良するものが提供されている。このよ
うな耐摩耗性等を向上させるものとして、例えば、特開
昭５８−２１４０６４号公報に示されるものがある。こ
れについて第７図を参照して概説する。

第７図において、シリンダと接触する接触面３Ｉの表面
、ピストンのリング溝と接触する上面３３及び下面３４
に炭化珪素の溶射層３２を被着したピストンリング３０
が示されている。

また、図示していないが、ピストンリングをセラミック
材料によって形成するものについても、従来、提供され
ており、このセラミックピストンリングの製作について
は、リング状素材を作成し、粉末のプレス成形等により
素材を作り、焼成する方法が一般的である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、ピストンリングについては、上記のよう
に、リングの応力分布、応力負荷部分に関して必ずしも
リング全域にわたって大きな強度を必要とするものでは
ない。特に、ピストンリングの内周面６即ちピストンの
リング溝に対向する面と、ピストンリングのすべり面で
ある外周面７即ちシリンダライナーに対して接触摺動す
る面とに関しては、外周面７には引張り応力が作用する
のに対して、内周面６には圧縮力が作用する。そして、
外周面７については強度を向上させることが必要である
ことが分かった。また、ピストンリングの合い口Ｃの中
央点Ｅから角度約１３０’までの範囲の部分についての
強度は、角度約１３００から角度１８０＠までの範囲の
部分についての強度に比較して約１／２程度で十分であ
ることが分かった。そして、ピストンリングの角度約１
３０″から角度１８０＠までの範囲の部分については、
高い即ち大きい強度レベルと信顧性を確保する必要があ
る。

ところで、セラミック材料の性質については、一般的に
次のような性質がある。セラミック素材については、主
として、Ｓｉ　＋Ｎｚ　、５ｉＯｚ　＋Ｃ＋　Ｎ　ｔの
反応によって原料粉末が作られている。

セラミック素材を成形し、焼結して製作するにあたって
、通常、５ｉｓＮａのみでの焼結は困難である。そこで
、例えば、ＭｇＯ（５％）、Ａｌｔｏｓ＋ＹｚＯ＋　　
（１０〜３０％）を混合して、ホットプレスを温度１６
５０〜１７５０℃で、真空又は加圧窒素中で行うことに
よって焼結できるものである。また、セラミック材料の
性質については、セラミック原料の粉末では、α−３ｉ
ｉＮ４の含有量が多く且つ粉末粒径の小さい即ち粒度の
細かい原料で焼結したものは、セラミック材料の強度は
大きくなるが、α−３’＋ｓＮａの含有量が少なく且つ
粉末粒径の大きい即ち粒度の大きい原料で焼結したもの
は、セラミック材料の強度は小さくなる。また、α−８
ｉ　３　Ｎ　４の含有量が多く且つ粉末粒径の小さい即
ち粒度の細かい原料で焼結したものは、α−３ｉ３Ｎ４
の含有量が少なく且つ粉末粒径の大きい即ち粒度の大き
い原料で焼結したものに比較して、材料のコストが高く
なっている。

また、第７図に示す炭化珪素の溶射層３２を被着したピ
ストンリング３０については、ある程度の耐熱性、耐食
性、耐スカッフィング性を有しているが、セラミックピ
ストンリング程ではなく、またリングの周囲部分につい
ての強度に関しての考慮がなされたものではなく、特に
、溶射層と金属層の接合強度は十分ではなく、曲げ運動
時の剪断力は溶射層の剥離を起こさせる等の点について
は問題点を存しているものである。

この発明の目的は、上記の問題点を解消することであり
、リングの強度と摩耗特性を考慮して、強度を必要とし
ない部分と強度を要する部分とに分け、それぞれの部分
に適した材料を用いて即ち両者の部分を異なった材料で
作製し、所定の強度レベルを保障し且つ信転性に富み、
しかもセラミック材料でありながら材料費が安価なセラ
ミックピストンリングを提供すると共に、極めて効率的
に且つ確実に上記組成のセラミックピストンリングを製
造する製造方法を提供することである。

（問題点を解決するための手段〕 この発明は、上記の問題点を解消し、上記の目的を達成
するために、次のように構成されている。

即ち、この出願の第１番目の発明は、外周面側の部分を
強度の大きいセラミック材料で構成し、また、内周面側
の部分を強度の小さいセラミック材料から構成したこと
を特徴とするセラミックピストンリングに関し、更に具
体的に詳述すると、前記強度の大きい材料がα−３ｉｘ
Ｎａの含を量が多く且つ小さい粒度から成る素材で構成
され、また前記強度の小さい材料がα−３ｉ３Ｎ、の含
有量が少なく且つ大きい粒度から成る素材で構成されて
おり、また前記強度の大きい材料の厚さが前記強度の小
さい材料の厚さよりも薄いことを特徴とするセラミック
ピストンリングに関する。更に、この出願の第２番目の
発明は、一方の第１素材を押圧成形し、次いで他方の第
２素材を前記第１素材の幅方向の面を接触させた状態で
押圧成形し、最後に焼結して製造することを特徴とする
セラミックピストンリングの製造方法に関し、更に具体
的に詳述すると、前記第１素材を金型内で第１押圧型及
び第２押圧型によって押圧成形し、前記第２押圧型を前
記金型から抜取り、次いで前記第２素材を前記金型に投
入し、再び前記第２押圧型によって前記第２素材を押圧
成形し、また、前記金型が前記第１素材及び前記第２素
材の前記内周面、前記外周面及び上面又は下面の一方の
面を規制し、前記第１押圧型が前記第１素材の上面又は
下面の一方の面を規制し、並びに前記第２押圧型は前記
第１素材と前記第２素材との接合面、及び前記第２素材
の上面又は下面の一方の面を規制して押圧成形し、更に
前記第１素材が強度の大きいセラミック材料であり、ま
た前記第２素材が強度の小さいセラミック材料であるこ
とを特徴とするセラミックピストンリングの製造方法に
関する。

〔作用〕

この発明によるセラミックピストンリングは、以上のよ
うに構成されており、次のように作用する。即ち、この
第１番目の発明は、外周面側の部分を強度の大きいセラ
ミンク材料で構成し、また、内周面側の部分を強度の小
さいセラミック材料がら構成したので、最も強度を必要
とする部分即ち前記すべり面である外周面の部分は十分
な強度を有しており、所定の強度レベルを保障すること
ができる。そして、前記強度の大きい材料がα−３ｉ３
Ｎ、の含有量が多く、摩擦係数が小さく、そのため摩耗
量も少なくすることができる。前記外周面は引張り応力
に強く、強度を高めることができ、シリンダライナーに
対して摺動性を向上させることができる。更に、一方の
第１素材を押圧成形し、次いで他方の第２素材を前記第
１素材の幅方向の面を接触させた状態で押圧成形し、最
後に焼結して製造しているので、極めて簡潔に且つ確実
に異なった原料を１つの製品に構成することができ、ま
た前記第１素材を金型内で第１押圧型及び第２押圧型に
よって押圧成形し、前記第２押圧型を前記金型から抜取
り、次いで前記第２素材を前記金型に投入し、再び前記
第２押圧型によって前記第２素材を押圧成形したので、
前記第１素材と前記第２素材との厚さを最適の寸法に適
宜に調節して形成することができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、この発明によるセラミックピス
トンリングの一実施例を詳述する。

第１図において、この発明の一実施例であるピストンリ
ングｌの平面図が示されている。第２図は第１図の線■
−■における断面図である。このピストンリングｌには
、合い口４が形成されている。ピストンリング１は、断
面矩形の形状であり、シリンダライナー（図示省略）に
接触するすべり面である外周面７、ピストンのリング溝
（図示省略）の上面及び下面に接触する上面８及び下面
９、並びにピストンのリング溝（図示省略）の底面に対
向する内周面６から形成されている。また、ピストンリ
ング１は、上面８及び下面９の厚さＴ（第２図参照）、
外周面７の幅Ｂ（第２図参照）、合い口４のすきまＳを
存する。更に、ピストンリングｌの装着されていない時
の合い口４のすきまＳを自由合い口すきまと呼び、この
自由合い口すきまは、装着時の合い口すきまＳよりも大
きくなっており、シリンダライナーとピストンとの間に
装着された状態では荷重Ｗが掛けられて真円の形状にま
で押し縮められる。

ピストンリング１の内周面６側の部分は、強度の小さい
セラミック材料３から構成される装置た、ピストンリン
グ１の外周面７例の部分は、強度の大きいセラミック材
料２から構成している。

第２図（第３図又は第４図参照）に示すように、ピスト
ンリング１の外周面７側の部分における厚さＸは、内周
面６例の部分における厚さＹよりも薄く形成されている
。

更に、強度の大きいセラミック材料２は、α−３ｉ、ｓ
Ｎａの含有量が多く且つ小さい粒度から成る素材で構成
されている。また、強度の小さいセラミック材料３は、
α−３ｉ３　Ｎ　ａの含有量が少なく且つ大きい粒度か
ら成る素材で構成されている。

例えば、α−３ｉ　２　Ｎ　４の含を量が多く、且つ粒
径の小さい即ち粒子径の細かい素材については、粒径０
．５μ以下であり、α−３ｉｓＮａの含有量即ちα率９
０％以上であり、不純物としてＣａ　Ｏ，２％以下、Ｆ
ｅＯ，２％以下である原料から構成している。また、α
−５ｉｓＮ４の含を量が少な（、且つ粒径の大きい即ち
粒子径の粗い素材については、粒径０，５μ〜３μの範
囲であり、α−３ｔ、Ｎ４の含有量即ちα率８０％以上
の原料から構成し、焼成したものである。

次に、この発明によるセラミックピストンリングの製造
方法について説明する。セラミック原料であるα−３ｉ
　３　Ｎ　ａ等の粉末分布については、それぞれ分割さ
れた部分を金型で分割し、粉末充填をして、異なった粉
末即ち異なった粒度及び異なった混合比の粉末を接合さ
せて押圧成形することによって構成することができるも
のであり、まず、金型１０内に第２押圧型１１を挿入し
、金型ｌＯと第２押圧型１１とで形成された空間部に第
１素材即ち強度の大きいセラミック材料２の素材を充填
し、次いで第１押圧型１２を金型１０に挿入して強度の
大きいセラミック材料２の素材を押圧成形する。その後
に、金型１０から第２押圧型１１を抜き取り、金型１０
と第１素材２及び第１押圧型１２とで形成される空間部
に第２素材即ち強度の小さいセラミック材料３の素材を
充填する０次いで、強度の小さいセラミック材料の素材
３の上から金型１０と第１素材２及び第１押圧型１２と
で形成される空間部に第２押圧型１１を挿入して強度の
小さいセラミンク材料３の素材を押圧成形する。この場
合、強度の小さいセラミック材料３の素材を強度の大き
いセラミック材料２の素材の幅方向の面を接触させた状
態で押圧成形を行い、強度の大きいセラミック材料２の
素材と強度の小さいセラミック材料３の素材とを接合状
態で焼結して製造する。また、ピストンリング１のサイ
ズは適用されるエンジンのシリンダ、シリンダライナー
、ピストン及びリング溝のサイズによって異なるが、す
べり面である外周面７例の部分に配置された強度の大き
いセラミック材料２は、厚さＹが、例えば、約１　ｍｍ
＝１．５　ｍｍを占めるように構成することができる。

〔発明の効果〕

この発明によるセラミックピストンリングは、以上のよ
うに構成されているので、次のような効果を奏する。即
ち、この発明は、外周面側の部分を強度の大きいセラミ
ック材料で構成し、また、内周面側の部分を強度の小さ
いセラミック材料から構成したので、最も強度を必要と
する部分即ちすべり面である前記外周面の部分は十分な
強度を有しており、必要とする強度レベルを保障するこ
とができ、高い信幀性がある。そして、前記強度の大き
い材料がα−３ｉｓＮａの含有量が多く、摩擦係数が小
さいので、そのためシリンダライナー及びリングの摩耗
量も少なくすることができ、前記外周面は引張り応力に
強く、強度を高めることができ、しかも、シリンダライ
ナーに対して摺動性を向上させることができ、また、ピ
ストンリングの前記外周面に作用する引張り応力、及び
その内周面に作用する圧縮力にも、強度上十分に対応す
ることができる。更に、ピストンリング全体にわたって
前記強度の大きいセラミック材料を使用する必要がない
ので、ピストンリング自体を安価に製造することができ
る。また、セラミックピストンリングの製造方法に関し
ては、一方の第１素材を押圧成形し、次いで他方の第２
素材を前記第１素材の幅方向の面を接触させた状態で押
圧成形し、最後に焼結して製造しているので、極めて箇
潔に且つ確実に異なった原料でピストンリングを構成す
ることができ、また前記第１素材を金型内で第１押圧型
及び第２押圧型によって押圧成形し、前記第２押圧型を
前記金型から抜取り、次いで前記第２素材を前記金型に
投入し、再び前記第２押圧型によって前記第２素材を押
圧成形したので、前記第１素材と前記第２素材との厚さ
を最適の寸法に適宜に調節して成形することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によるセラミックピストンリングの一
実施例を示す平面図、第２図は第１図の線■−Ｈにおけ
る断面図、第３図はこの発明によるセラミックピストン
リングを製造する製造工程における金型及び押圧型の関
係を示す断面閲、第４図は第３図とは別の製造工程にお
ける金型及び押圧型の関係を示す断面図、第５図は従来
の基本的なピストンリングを示す平面図、第６図は第５
図の線Ｖ−Ｖにおける断面図、及び第７図は従来のピス
トンリングを示す断面図である。 １−・−・・・ピストンリング、２−−−−−・・強度
の大きいセラミック材料、３−−−−一強度の小さいセ
ラミック材料、４・−・・−合い口、６−・・・・・・
内周面、７−−−−−−一外周面、８−・−・−上面、
９−・・−下面、１０−・−金型、ＩＬ−一・・第２押
圧型、１２−・−・・・・第１押圧型、Ｂ−・・−・−
リングの幅、Ｓ・・・・−合い口のすきま、Ｔ−一−−
・−リングの厚さ。 特許出願人　　　いす！自動車株式会社代理人　弁理士
　　　　尾　仲　−家 弟　　５　図

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）外周面側の部分を強度の大きいセラミック材料で
   構成し、また、内周面側の部分を強度の小さいセラミッ
   ク材料から構成したことを特徴とするセラミックピスト
   ンリング。
2. （２）前記強度の大きい材料はα−Ｓｉ＿３Ｎ＿４の含
   有量が多く且つ小さい粒径から成る素材で構成され、ま
   た前記強度の小さい材料はα−Ｓｉ＿３Ｎ＿４の含有量
   が少なく且つ大きい粒径から成る素材で構成されている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のセラミ
   ックピストンリング。
3. （３）前記強度の大きい材料の厚さは前記強度の小さい
   材料の厚さよりも薄いことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項に記載のセラミックピストンリング。
4. （４）一方の第１素材を押圧成形し、次いで他方の第２
   素材を前記第１素材の幅方向の面を接触させた状態で押
   圧成形し、最後に焼結して製造することを特徴とするセ
   ラミックピストンリングの製造方法。
5. （５）前記第１素材を金型内で第１押圧型及び第２押圧
   型によって押圧成形し、前記第２押圧型を前記金型から
   抜取り、次いで前記第２素材を前記金型に投入し、再び
   前記第２押圧型によって前記第２素材を押圧成形するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第４項に記載のセラミッ
   クピストンリングの製造方法。
6. （６）前記金型は前記第１素材及び前記第２素材の前記
   内周面、前記外周面及び上面又は下面の一方の面を規制
   し、前記第１押圧型は前記第１素材の上面又は下面の一
   方の面を規制し、並びに前記第２押圧型は前記第１素材
   と前記第２素材との接合面、及び前記第２素材の上面又
   は下面の一方の面を規制して押圧成形することを特徴と
   する特許請求の範囲第４項に記載のセラミックピストン
   リングの製造方法。
7. （７）前記第１素材は前記強度の大きいセラミック材料
   であり、また前記第２素材は前記強度の小さいセラミッ
   ク材料であることを特徴とする特許請求の範囲第４項に
   記載のセラミックピストンリングの製造方法。