JP2018132084A

JP2018132084A - ピストンリング及びその製造方法

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Publication number: JP2018132084A
Application number: JP2017024638A
Authority: JP
Inventors: 和彦廣田; Kazuhiko Hirota
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 2017-02-14
Filing date: 2017-02-14
Publication date: 2018-08-23

Abstract

【課題】ガスシール性、及び硬質皮膜の耐欠け性に優れた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。
【解決手段】硬質皮膜を被覆したピストンリングの合口４の対向端面５の外周縁６において、硬質皮膜３のみに面取形状を付与する。
【選択図】図２（ａ）

Description

本発明は硬質皮膜を被覆した内燃機関用ピストンリング及びその製造方法に関し、特に、ガスシール性及び硬質皮膜の耐欠け性に優れたピストンリング及びその製造方法に関する。

近年、ピストンリングは、エンジンの高出力化や排気ガス規制対応に伴う燃焼温度の高温化や面圧負荷の増大により、その使用環境はますます過酷になってきている。そのため、特に、ディーゼルエンジンでは、例えば、特許文献1に示すように、耐摩耗性及び耐スカッフ性に優れた様々な溶射ピストンリングが使用されている。また、一般に、ピストンリングでは、特許文献2に示すように、外周摺動面をバレル面形状に研磨加工して油膜生成機能の向上により摩擦損失を低減し、さらに、特許文献3に示すように、合口をガスタイト型の特殊合口にしてブローバイガスを極力低減することも行われている。

ピストンリングのエッジ部を含む角部は、非特許文献1に規定されているように、理想的にはシャープであるべきと考えられているものの、バリの存在や、ギザギザした形状は認められないので、一般に、面取りすることが許されている。硬質皮膜を被覆したピストンリングの合口外周縁にも面取加工が施されており、これまでは、ピストンリング母材の合口外周縁に面取加工を施した後で硬質皮膜を形成していたので、図7又は図8に示されるように、ピストンリング母材（22）の形状に追従した硬質皮膜（23）を有していた。

しかし、ピストンリング外周面とシリンダ内周面の摺動により硬質皮膜に生じる機械的応力に加えて、合口部には燃焼ガスの通過により大きな負荷がかかる。よって、上記のように合口外周縁に面取加工を施したとしても硬質皮膜には欠けや剥離が発生しやすく、その対策としては面取加工量を増加して対応してきたのが実情であった。

一方、合口外周縁の面取量はブローバイガス量に関係しており、ブローバイガスの低減には面取量をできるだけ小さくすることが望ましい。しかし、面取量を小さくすると負荷も増大して硬質皮膜が欠けやすくなり、逆に好ましくなくなってしまう。すなわち、合口端部の面取量に関係して、ガスシール性と硬質皮膜の耐欠け性が相反する傾向を示しており、両者を高い水準で両立させることは困難であった。

特開2013-108174号公報実開昭57-196238号公報特開平10-238630号公報

International Standard, ISO 6621-5:2005(E), Internal combustion engines - Piston rings, Part 5: Quality requirements, page 4

本発明は、上記の事情に鑑み、ガスシール性、及び硬質皮膜の耐欠け性に優れたピストンリングを提供することを課題とする。さらにその製造方法を提供することを課題とする。

図8は、硬質皮膜を被覆した従来のピストンリング（21）がピストンに装着され、シリンダ（30）内に組み込まれたときの合口端部を示す周方向部分断面図である。本発明者は、合口外周縁に面取加工を施しても、硬質皮膜（23）に欠けや剥離が発生しやすいというこれまでの情況について検討した結果、硬質皮膜（23）の合口対向端面（25, 25）の外周縁には、シリンダ（30）内の往復動による摩擦力に起因した応力場と、燃焼ガスの合口隙間通過に起因した応力場が形成されること、特に、角部には応力特異場が形成され、この応力特異場が材料及び形状の不連続性のために欠けや剥離発生の起点となること、それ故、応力特異場が硬質皮膜の最大の弱点部位となっているという考えに至った。例えば、ピストンリング母材の形状に追従した硬質皮膜では、皮膜表面のエッジ部（a、b）と、母材/皮膜界面のエッジ部（c、d）に、合口外周縁の応力特異場が存在している。

以上の考察に基づき、本発明者は、上記の課題を解決すべく鋭意研究した結果、外周摺動面に溶射皮膜やイオンプレーティング皮膜等の硬質皮膜を被覆したピストンリングにおいて、合口対向端面の外周縁で、ピストンリング母材の面取加工を廃止し、硬質皮膜のみに面取形状を付与することによって、合口外周縁における硬質皮膜の欠けや剥離を抑え、且つ面取量も小さく抑えることができ、硬質皮膜の耐欠け性とガスシール性に優れたピストンリングを得ることに成功し、本発明を完成した。

すなわち、本発明のピストンリングは、少なくとも外周摺動面に硬質皮膜を有する円環状のピストンリングであって、前記ピストンリングは合口を有し、前記合口の対向端面が硬質皮膜のみに面取形状を有する外周縁を含むことを特徴とする。前記面取形状は丸面取りであることが好ましい。また、前記面取形状は角面取りであり、前記角面取りの面取角度θが前記対向端面から10〜60°であることが好ましい。

また、前記合口は、一方の合口端部に周方向に突出する凸部が形成され、他方の合口端部に前記凸部を受け入れ可能な凹部が形成されたガスタイト型合口であることが好ましい。さらに、前記ガスタイト型合口において、前記対向端面は前記凸部と前記凹部の合せ面であることが好ましい。

また、前記硬質皮膜は溶射皮膜であることが好ましい。

また、本発明のピストンリングの製造方法は、少なくとも外周摺動面に硬質皮膜を有する円環状のピストンリングの製造方法であって、鋳鉄及び鋼のいずれかからなるピストンリング母材に合口を形成し、前記合口の対向端面の間にセパレータを挟んだ状態で、前記ピストンリング母材の外周面に前記硬質皮膜を形成することを特徴とする。前記ピストンリング母材の前記対向端面の外周縁には面取加工が施されないことが好ましく、前記硬質皮膜を形成した後、前記対向端面の外周縁の前記硬質皮膜のみに面取加工を施すことが好ましい。

また、前記硬質皮膜として溶射皮膜を形成することが好ましい。

また、前記セパレータは前記ピストンリング母材の前記外周面から前記ピストンリング母材の軸に垂直な方向に突出していることが好ましく、前記硬質皮膜として溶射材料を前記軸に垂直に溶射することが好ましい。その場合、前記対向端面の外周縁の前記硬質皮膜には面取加工を施さないことが好ましい。

また、前記合口は、一方の合口端部に周方向に突出する凸部が形成され、他方の合口端部に前記凸部を受け入れ可能な凹部が形成されたガスタイト型合口であり、前記対向端面は前記凸部と前記凹部の合せ面であることが好ましい。

本発明のピストンリングは、合口外周側エッジの面取りが硬質皮膜のみに施されているので、面取角部により構成される応力特異場の数が減って、硬質皮膜の耐欠け性が向上する。また、硬質皮膜のみへの面取りにより面取量も小さくなるので、ブローバイガスを低減し、ガスシール性を向上することができる。

本発明のピストンリングの合口端部を含む部分斜視図である。本発明のピストンリングの合口端部の一例を示した周方向部分断面図である。本発明のピストンリングの合口端部の別の一例を示した周方向部分断面図である。本発明のピストンリングの合口端部のさらに別の一例を示した周方向部分断面図である。ガスタイト型合口の一例を示した図である。図3のガスタイト型合口の周方向部分断面図であり、軸に垂直な方向に凸部と凹部の合せ面を持つ対向端面を示した図である。本発明のピストンリングの第1の製造方法の一例であり、合口対向端面の間に（外周面から突出しない）セパレータを挟んで硬質皮膜を形成した合口端部を示す周方向部分断面図である。本発明のピストンリングの第2の製造方法の一例であり、合口対向端面の間に（外周面から突出した）セパレータを挟んで硬質皮膜を形成した合口端部を示す周方向部分断面図である。従来のピストンリングの製造方法の一例であり、合口対向端面の外周縁に面取形状を有するピストンリング母材に硬質皮膜を形成した合口端部を示す周方向部分断面図である。従来のピストンリングがピストンに装着され、シリンダ内に組み込まれたときの合口端部を示した周方向部分断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図を参照しながら説明する。

図1は、本発明のピストンリング（1）を示しており、硬質皮膜（3）がピストンリング母材（2）の外周面に形成され、合口隙間（4）を隔てて対向する合口対向端面（5, 5）の外周縁（6）では硬質皮膜（3）のみに面取りが施されている。合口外周縁の実施態様として、図2(a)には丸面取りした例、図2(b)には硬質皮膜（3）の厚さ全体に亘って角面取りした例、図2(c)には硬質皮膜（3）の厚さの一部までを角面取りした例を示す。

ここで、応力特異場に注目すれば、図2(a)及び図2(b)ではa及びdに応力特異場が存在し、図2(c)ではa、b及びdに応力特異場が存在する。特に、図8における母材/皮膜界面のエッジ部cが存在しないので、発生する応力の拡大が回避され、硬質皮膜の耐欠け性を向上する。また、面取量を小さくすると、応力特異場の数が3つに増加し、又は応力特異場a及びb又はb及びdが近接して硬質皮膜が欠け易くなる。その意味では、硬質皮膜の厚さ全体に亘って面取りすることが好ましい。

面取形状としては、丸面取り又は角面取りが一般的であるが、丸面取りが好ましい。角面取りにする場合は、面取角度θを合口対向端面から10〜60°とすることが好ましい。25〜50°がより好ましく、30〜45°がさらに好ましい。

図3は、本発明のピストンリングにおいて、特に気密性が要求される場合に使用されるガスタイト型の特殊合口を示している。図3の特殊合口は、別名、ダブルステップ合口とも言われている。ガスタイト型合口では、一方の合口端部に周方向に突出する凸部（10）が形成され、他方の合口端部に前記凸部（10）を受入れ可能な凹部（11）が形成される。このガスタイト型合口の前記凸部（10）と前記凹部（11）の合せ面（12）は、ピストンの往復動の際に、直接、接触・衝突する厳しい応力環境となるので、特に、この位置での硬質皮膜の耐欠け性の向上が重要となっている。

本発明のピストンリングの製造方法は、鋳鉄及び鋼のいずれかからなるピストンリング母材に合口を形成し、前記合口の対向端面の間にセパレータを挟んだ状態で、前記ピストンリング母材の外周面に硬質皮膜を形成することを特徴とする。

本発明のピストンリングの第1の製造方法では、図5に示すように、前記ピストンリング母材の合口外周縁には面取加工を施さず、対向端面間に挟むセパレータはピストンリング母材の外周面から突出していない状態で、硬質皮膜が形成される。硬質皮膜が形成された後、図2(a)〜図2(c)に示すような面取加工が合口外周縁の硬質皮膜にのみ施される。

本発明のピストンリングの第2の製造方法では、図6に示すように、前記ピストンリング母材の合口外周縁には面取加工を施さず、対向端面間に挟むセパレータはピストンリング母材の外周面から突出させた状態で、硬質皮膜が形成される。セパレータの突出の程度は、硬質皮膜を形成した後でも突出していることが好ましい。

セパレータを外周面から突出させて硬質皮膜を形成した場合、特に、硬質皮膜として溶射皮膜を形成した場合、セパレータ近傍の硬質皮膜の品質は溶射材料の溶射方向に依存する。通常の溶射ピストンリングの量産工程では、複数のピストンリングを円筒状に積み重ねて治具にセットし、治具を回転しながら、溶射ガン又は円筒状ピストンリングを軸方向に移動させ、ピストンリング外周面に溶射材料を溶射する。セパレータの両側の硬質皮膜を同一品質とするには、溶射材料の溶射方向はピストンリング母材の軸に垂直であることが好ましい。

本発明者は、溶射材料をセパレータ面に平行、すなわちピストンリング母材の軸に垂直に溶射した硬質皮膜について、セパレータ近傍の組織を観察した結果、セパレータ面から約22°の角度に沿って気孔の多い組織が形成されるという知見を得た。実際、図6に示すように、セパレータ近傍の硬質皮膜（3’, 3’）は気孔が多いため、セパレータを取り除くと、その部分の硬質皮膜（3’, 3’）は崩壊して、硬質皮膜端部は斜面形状、すなわち、面取形状となる。従って、本発明のピストンリングの第2の製造方法においては、硬質皮膜に面取加工を施す必要がない。もちろん、面取形状を整えるために仕上げの面取加工を施しても良いことは言うまでもない。

1, 21 本発明のピストンリング
2, 22 ピストンリング母材
3, 23 硬質皮膜
4, 24 合口隙間
5, 25 対向端面
6, 26 対向端面の外周縁
10 凸部
11 凹部
12 合口合せ面
13 スペーサ
30 シリンダ

Claims

少なくとも外周摺動面に硬質皮膜を有する円環状のピストンリングであって、前記ピストンリングは合口を有し、前記合口の対向端面が硬質皮膜のみに面取形状を有する外周縁を含むことを特徴とするピストンリング。
請求項1に記載のピストンリングにおいて、前記面取形状が丸面取りであることを特徴とするピストンリング。
請求項1に記載のピストンリングにおいて、前記面取形状が角面取りであり、前記角面取りの面取角度θが前記対向端面から10〜60°であることを特徴とするピストンリング。
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、前記合口が、一方の合口端部に周方向に突出する凸部が形成され、他方の合口端部に前記凸部を受け入れ可能な凹部が形成されたガスタイト型合口であることを特徴とするピストンリング。
請求項4に記載のピストンリングにおいて、前記対向端面が前記凸部と前記凹部の合せ面であることを特徴とするピストンリング。
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、前記硬質皮膜が溶射皮膜であることを特徴とするピストンリング。
少なくとも外周摺動面に硬質皮膜を有する円環状のピストンリングの製造方法であって、鋳鉄及び鋼のいずれかからなるピストンリング母材に合口を形成し、前記合口の対向端面の間にセパレータを挟んだ状態で、前記ピストンリング母材の外周面に前記硬質皮膜を形成することを特徴とするピストンリングの製造方法。
請求項7に記載のピストンリングの製造方法において、前記ピストンリング母材の前記対向端面の外周縁に面取加工を施さないことを特徴とするピストンリングの製造方法。
請求項7又は8に記載のピストンリングの製造方法において、前記硬質皮膜を形成した後、前記対向端面の外周縁の前記硬質皮膜のみに面取加工を施すことを特徴とするピストンリングの製造方法。
請求項7〜9のいずれかに記載のピストンリングの製造方法において、硬質皮膜として溶射皮膜を形成することを特徴とするピストンリングの製造方法。
請求項7に記載のピストンリングの製造方法において、前記セパレータが前記ピストンリング母材の前記外周面から前記ピストンリング母材の軸に垂直な方向に突出していることを特徴とするピストンリングの製造方法。
請求項11に記載のピストンリングの製造方法において、前記硬質皮膜として溶射材料を前記軸に垂直に溶射することを特徴とするピストンリングの製造方法。
請求項12に記載の溶射ピストンリングの製造方法において、前記対向端面の外周縁の前記硬質皮膜に面取加工を施さないことを特徴とするピストンリングの製造方法。
請求項7〜13のいずれかに記載のピストンリングの製造方法において、前記合口が、一方の合口端部に周方向に突出する凸部が形成され、他方の合口端部に前記凸部を受け入れ可能な凹部が形成されたガスタイト型合口であり、前記対向端面が前記凸部と前記凹部の合せ面であることを特徴とするピストンリングの製造方法。