JPWO2020095807A1 - ピストンリング - Google Patents
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Abstract
Description
ピストンリング1は、図1及び図2に示すように、外周面14が上(上面11の側)から下(下面12の側)に向かって漸次外側に張り出すテーパ状であり、径方向断面形状がナピアリングとなるように形成された内燃機関用ピストンリングである。そして、外周面14は、相手材であるシリンダライナに外周摺動面として摺動接触する非テーパ状の外縁端部14bと、その外縁端部14bの上方に所定のテーパ角αで形成された外周テーパ部14aと、外縁端部14bから軸方向Yの下端に向かって漸次内側に縮径する曲面部14cと、曲面部14cの一部をなす下端部14dとで構成されている。外縁端部14bの位置Aと下端部14dの位置Cとのリング軸方向Yでの距離d2は0.001mm〜0.05mmの範囲内であり、外縁端部14bのリング軸方向Yでの当たり幅d1は0.01mm〜0.3mmの範囲内であることに特徴がある。
ピストンリング1は、外周面形状がテーパフェース形状であり、径方向断面形状がナピアリングとなるように形成されている。その断面形状は、図1に示すように、外周面14が上面11から下面12に向かって漸次外側に向けて張り出すテーパ状になっている。
ピストンリング基材10としては、炭素鋼材、低合金鋼材、ばね鋼材を用いることができる。また、これら鋼材と同程度の特性を有する他の鋼材を用いることもできる。具体的には、炭素鋼材としては、硬質線材、特にJIS規格で表されるSWRH62A、SWRH62Bや、これら鋼材と同程度の特性を有する他の鋼材を挙げることができる。低合金鋼材としては、弁ばね用オイルテンパー線、特にJIS規格で表されるSWOSC−Vや、これら鋼材と同程度の特性を有する他の鋼材を挙げることができる。ばね鋼材としては、特にJIS規格で表されるSUP9、SUP10、SUP11や、これら鋼材と同程度の特性を有する他の鋼材を挙げることができる。
本発明では、ピストンリング基材10の少なくとも外周面14に、硬質処理層20が設けられていることが好ましい。本発明では、ピストンリング1の外形形状に特徴があり、図3に示すように、後述する下地膜、硬質皮膜、硬質炭素皮膜等から選択される硬質処理層20が必要に応じて設けられた後の形状が、上記特徴的な形状になっていればよい。そのため、硬質処理層20が設けられているか否かにかかわらず、上記特徴的な外形形状を備えるピストンリング1は本発明の範囲内ということができる。したがって、硬質処理層20が設けられていないピストンリング1であっても、その形状的な作用を奏する限り、本発明の範囲に含まれる。ここでいう「硬質処理層20」とは、少なくとも硬質皮膜を有するものであり、必要に応じて下地膜や硬質炭素皮膜を有するものである。
下地膜は、ピストンリング基材10上に必要に応じて設けられる任意の膜である。下地膜は、ピストンリング基材10上に硬質皮膜を設ける場合に、その密着性を高めて剥離を防ぐように作用する。下地膜は、硬質皮膜が設けられる部位に少なくとも設けられていればよい。下地膜としては、Cr膜、Cr−B膜、Cr−B−V膜、Cr−B−V−Ti膜、Cr−B−V−Ti−Mn膜、Cr−B−V−Ti−Mo膜、Cr−B−V−Ti−Mn−Mo膜等を好ましく挙げることができる。下地膜は、種々の形成手段で形成することができ、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法等の成膜手段で形成することができる。下地膜の厚さは特に限定されないが、例えば、0.5μm以上2.0μm以下程度である。
硬質皮膜は、ピストンリング基材10上に好ましく設けられるが、必須ではなく、上記したように必要に応じて任意に設けることができる。硬質皮膜としては、特に限定されないが、窒化クロム系皮膜又はクロムめっき皮膜であることが好ましい。窒化クロム系皮膜としては、Cr−N膜、Cr−B−N膜、Cr−B−V−N膜、Cr−B−V−Ti−N膜、Cr−B−V−Ti−Mn−N膜、Cr−B−V−Ti−Mo−N膜、Cr−B−V−Ti−Mn−Mo−N膜等のいずれかを好ましく挙げることができる。これらの硬質皮膜は、各種の方法で成膜でき、例えば、イオンプレーティング法やめっき法等で形成することができる。硬質皮膜は、少なくとも外周面14に設けられていればよいが、外周面14の他、上面11,下面12及び内周面13に設けられていてもよい。
硬質炭素皮膜は、下地膜の上又は硬質皮膜の上に設けることができる。硬質炭素皮膜は、いわゆるダイヤモンドライクカーボン膜と呼ばれ、アモルファス状の炭素膜である。硬質皮膜上に硬質炭素皮膜を形成することにより、硬質炭素皮膜がピストンリング1の初期フリクションを低減するように作用する。こうした作用は、硬質炭素皮膜が、ピストンリング1の相手材であるシリンダライナの内周面に対する摩擦係数が低く、相手材に対する初期なじみ性が良好であることに基づいている。特に、ピストンリング1の外縁端部14bに少なくとも設けられていることにより、上記作用を発揮できる。硬質炭素皮膜を設けた後の表面粗さRa(JIS B0601−1994での算術平均粗さRa)は、好ましくは0.1μm以下であり、より好ましくは0.05μm以下である。こうした平滑な硬質炭素皮膜を設けることにより、シリンダライナの内周面と摺動するピストンリング1の外縁端部14bでの初期フリクションをより一層向上させることができる。
本発明に係るピストンリング1の製造方法は特に限定されないが、例えば、まず、既述の炭素鋼材を成形加工や研磨加工(バフ研磨、ラッピング処理、ドライホーニングを任意に含む。)してピストンリング基材10を形成する。その後、ピストンリング基材10の表面を必要に応じてイオンボンバードメント処理で清浄化する。その後、必要に応じて硬質処理層20を形成する。例えば、ピストンリング基材10の少なくとも外周面14に下地膜を形成する。その後、下地膜上に、窒化クロム膜又はクロムめっき皮膜等の硬質皮膜を成膜する。その後、必要に応じて、硬質炭素皮膜を成膜する。最後に、必要に応じて、バフ研磨やラッピング処理等を行って、ピストンリング1を製造する。
ピストンリング基材10として、C:0.63質量%、Si:0.25質量%、Mn:0.75質量%、P:0.01質量%、S:0.01質量%、残部:鉄及び不可避不純物からなる硬鋼線を図1に示す外径形状に加工したナピアリング形状のピストンリング基材10を準備した。加工は、成形加工、バフ研磨、ドライホーニングで行った。次いで、ピストンリング基材10上に、電気めっき法により厚さ25μmのCrめっきからなる硬質皮膜を成膜した。その後、バフ研磨、ラッピング処理を行って、ピストンリング1を得た。
実施例2〜7は、実施例1の外周摺動面の処理層(Crめっき)を表1に示す種類の処理層に変更するとともに、d2とd3を表1に記載の値に変更した他は、実施例1と同様にして実施例2〜7のピストンリングを作製した。表1には硬質皮膜の硬度と膜厚も併せて示した。
比較例1は、実施例3の外周摺動面の処理層(Cr−N系PVD)を表1に示す種類の処理層に変更するとともに、d2とd3を表1に記載の値に変更した他は、実施例3と同様にして比較例1のピストンリングを作製した。比較例1のCr−Nは、PVD法(イオンプレーティング法)で成膜した窒化クロムからなる硬質皮膜である。上1には硬質皮膜の硬度と膜厚も併せて示した。
実施例1〜7と比較例1で得られたピストンリングを用いてオイル消費試験を行った。オイル消費試験では、排気量が2.0Lで直列4気筒ガソリンエンジンの実機実験を行いた。エンジンの運転条件は、負荷率100%で、回転数6000rpmで連続重量法にてLOC(オイル消費量:g/hr)を測定した。表1には、比較例1のLOCを100としたときの、実施例1〜7のLOCの相対比をLOC比として表1に示した。
10 ピストンリング基材
11 上面
12 下面
13 内周面
14 外周面(外周摺動面)
14a 外周テーパ部
14b 外縁端部(ノーズ部)
14c 曲面部
14d 下端部
15 ステップ状の切り込み部
15a 上面側の湾曲面又は平坦面
15b 径方向側にある垂直面
16 面取り部
20,20A,20B 硬質処理層
α テーパ角
L1 鉛直線
L2 鉛直線L1に直交する平行線
d1 AとBとの間の距離(外縁端部の上下方向の当たり幅)
d2 AとCとの間の距離(下端部から外縁端部までのY方向距離)
d3 DとEとの間の距離(外縁端部から下端部までのX方向距離)
A 外縁端部の下限位置(Y方向座標位置)
B 外縁端部の上限位置(Y方向座標位置)
C 下端部の位置(Y方向座標位置)
D 外縁端部の位置(X方向座標位置)
E 下端部の位置(X方向座標位置)
X リング径方向
Y リング軸方向(上下方向)
θ 切り込み部の角度
Claims (5)
- 外周面が上から下に向かって漸次外側に張り出すテーパ状であり、径方向断面形状がナピアリングとなるように形成された内燃機関用ピストンリングであって、
前記外周面は、相手材に外周摺動面として摺動接触する非テーパ状の外縁端部と、前記外縁端部の上方に所定のテーパ角で形成された外周テーパ部と、前記外縁端部から軸方向の下端に向かって漸次内側に縮径する曲面部と、前記曲面部の一部をなす下端部と、で構成され、
前記外縁端部の位置と前記下端部の位置とのリング軸方向での距離(d2)が、0.001mm〜0.05mmの範囲内であり、
前記外縁端部のリング軸方向での当たり幅(d1)が、0.01mm〜0.3mmの範囲内である、ことを特徴とするピストンリング。 - 前記外縁端部の位置と前記下端部の位置とのリング径方向での距離をd3としたとき、d2/d3が0.20〜1.20の範囲内である、請求項1に記載のピストンリング。
- 前記外縁端部の位置と前記下端部の位置とのリング径方向での距離(d3)が、0.010mm〜0.050mmの範囲内である、請求項2に記載のピストンリング。
- 少なくとも前記外周面が、硬質処理層を有する、請求項1〜3のいずれか1項に記載のピストンリング。
- 前記硬質処理層が、窒化クロム系皮膜、クロムめっき皮膜、硬質炭素皮膜、又は、窒化クロム系皮膜上に硬質炭素皮膜が設けられた積層皮膜、である、請求項4に記載のピストンリング。
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