JP4067678B2

JP4067678B2 - 組合せオイルリングのスペーサエキスパンダ及び組合せオイルリング

Info

Publication number: JP4067678B2
Application number: JP04174999A
Authority: JP
Inventors: 誉二岩下; 信行山下
Original assignee: 帝国ピストンリング株式会社
Priority date: 1998-02-24
Filing date: 1999-02-19
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2019-02-19
Also published as: JPH11315924A

Description

【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オイルリングの一種に、上下一対のサイドレールと、これらのサイドレールをシリンダ内周面とリング溝側面とに押圧付勢するスペーサエキスパンダとからなる３ピースの組合せオイルリングがあり、主としてガソリンエンジンに使用されている。この種の組合せオイルリングは、サイドレール外周面、サイドレール内周面、スペーサエキスパンダのサイドレール押圧片のいずれか一つが摩耗すると、スペーサエキスパンダがサイドレールを押圧する力が減少するので、オイルリング性能が低下する。これらの摩耗しやすい部分の耐摩耗性を改善するために、サイドレールは、マルテンサイト系ステンレス鋼製で、ガス窒化処理により窒化層を形成し、スペーサエキスパンダは、オーステナイト系ステンレス鋼製で、タフトライド処理により窒化層を形成するのが一般的である。
【０００３】
しかしながら、上記組合せオイルリングは、高負荷・長寿命のディーゼルエンジンには耐摩耗性、耐久性、信頼性が不足するため使用されていない。また、ガソリンエンジンにおいては、低張力化により摩耗による張力の低下が性能低下（潤滑油消費量の増大）につながる大きな原因となる。
【０００４】
そこで、以下に説明する技術が提案されている。
１．外表面にＮｉ系複合めっきを施したスペーサエキスパンダ（実公平６−３１７０号）
２．スペーサエキスパンダの表面に、タフトライド処理による窒化又はＣｒめっきを施し、その上にＣｒＮ皮膜を形成した組合せオイルリング（実公平１−２２９２４号）
３．サイドレール内周面にＣＶＤによるＴｉＮ等の硬質皮膜を形成し、スペーサエキスパンダ外表面に窒化クロム皮膜を形成した組合せオイルリング（特開平６−２３５４６２号）
４．サイドレール押圧片がサイドレールと接触する部分にＣｒ_２Ｎ皮膜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（特開平９−１７０６５９号）。
【０００５】
他方、ダイヤモンドライクカーボン皮膜に関して、以下の提案がある。
５．フェライトを含む鉄系材料で構成される一方の摺動面と組み合わせる他方の摺動面に、Ｗ及び／又はＳｉが分散したアモルファス炭素を主成分とする皮膜を形成し、フェライト組織の凝着を抑制する。この技術は、例えばパワーステアリング機構に使用される油圧バルブ装置に使用される（特開平５−１７９４５１号）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記１．の技術は、耐摩耗性、信頼性が充分でない。上記２．の技術は、ＣｒＮ皮膜の靭性が乏しいため耐剥離性が充分でない。上記３．の技術は、ＴｉＮ皮膜硬度が高いため、皮膜割れにより、耐剥離性が充分でない。上記４．の技術は、Ｃｒ_２Ｎ皮膜の耐摩耗性が不充分な場合がある。他方、上記５．は、より接触圧力が高いスペーサエキスパンダとサイドレールとの摺動対については全く示唆していない。
【０００７】
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の耐摩耗性を改善し、以って、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。
【０００８】
【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おり、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硬質皮膜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、
前記硬質皮膜はＳｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素が分散しているダイヤモンドライクカーボンから形成されており、前記Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素の含有比率が原子％で５−４０％であり、前記硬質皮膜の硬度がビッカース硬さでＨＶ７００−２０００の範囲内にあることを特徴とする。
【０００９】
上記本発明の皮膜を形成しているダイヤモンドライクカーボンは、次の何れかの形態をとる。
１．アモルファス炭素構造
２．ダイヤモンド構造を一部有するアモルファス炭素構造
３．グラファイト構造を一部有するアモルファス炭素構造
【００１０】
また、前記Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素は、金属及び炭化物の一方又は両方の形態で存在する。
【００１１】
ダイヤモンドライクカーボン皮膜は、耐スカッフ性が本来高いが、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素（金属及び炭化物の一方又は両方の形態で存在）を含ませることによって、耐摩耗性を向上させることができる。
【００１２】
Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素の含有量はＥＰＭＡで測定可能である。含有比率の合計が原子％で５％を下回ると耐摩耗性や硬度が低下し、原子％で４０％を上回ると密着性の低下が起きる。硬質皮膜の硬度がＨＶ７００を下回ると耐摩耗性が低下し、ＨＶ２０００を上回ると皮膜の欠け、剥離が生じやすい。なお、前記元素の含有比率を原子％で１０−３０％、硬質皮膜の硬度をＨＶ９００−１２００の範囲内とすることがより好ましい。
【００１３】
皮膜厚さは１−１０μｍの範囲内にあるのが好ましい。１μｍ未満であると耐摩耗性に乏しく、１０μｍを超えると皮膜の欠け、剥離を招きやすい。
【００１４】
上記硬質皮膜は、サイドレール押圧片上に直接、あるいはサイドレール押圧片上に形成された別種の耐摩耗性表面処理層の上に形成される。別種の耐摩耗性表面処理層としては窒化層、Ｃｒめっき皮膜、あるいはイオンプレーティング皮膜（例えば窒化クロム皮膜等）が使用される。
【００１５】
なお、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が無処理であるか、あるいは窒化層、Ｃｒめっき皮膜、イオンプレーティング皮膜（例えば窒化クロム皮膜等）のいずれかが形成される。
【００１６】
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に形成されている皮膜に欠けや剥離が発生しないので、信頼性を保証できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図１により説明する。
【００１８】
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、環状で合い口を備えている上下一対のサイドレール５，６と、環状で合い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。
【００１９】
スペーサエキスパンダ７を製造方法に基づいてその構成を以下説明する。図２において、素材３０はオーステナイト系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。即ち、オーステナイト系ステンレス鋼の薄鋼帯の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及び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及び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及び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、外周面に所定の硬質皮膜が被覆される。
【００２０】
即ち、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の内周には更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。
【００２１】
スペーサエキスパンダ７は上述したタフトライド処理によって全表面にビッカース硬度ＨＶ９００−１２００の窒化層２０が下地層として５−３０μｍの厚さで形成されており、この窒化層２０上において、サイドレール押圧片１１，１２を含む外周面には硬質皮膜２１が１−１０μｍの厚さで形成されている。硬質皮膜２１は、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素の炭化物が分散しているダイヤモンドライクカーボンから形成されている。Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素の含有比率は原子％で５−４０％であり、硬質皮膜２１の硬度はビッカース硬さでＨＶ７００−２０００の範囲内にある。なお、下地層は窒化層に代えて、Ｃｒめっき皮膜（厚さ５−３０μｍ）、あるいは窒化クロム皮膜や窒化チタン皮膜等のイオンプレーティング皮膜（厚さ３−３０μｍ）を被覆するようにしてもよい。
【００２２】
なお、上記では、硬質皮膜２１を別種の耐摩耗性表面処理層（窒化層２０、あるいはＣｒめっき皮膜やイオンプレーティング皮膜）の上に形成したが、硬質皮膜２１をスペーサエキスパンダ７の外周面に１−１０μｍの厚さで直接形成することもできる。
【００２３】
上記硬質皮膜２１は、ＰＶＤ法即ちイオンプレーティング法、スパッタリング法、あるいは蒸着法によって被覆することができる。例えば、真空チャンバ内でワークを回転しつつ不活性ガスを導入し、イオンボンバードメントでワーク表面を清浄化した後、炭素の供給源であるメタン等の炭化水素ガスをチャンバに導入しワーク近傍をプラズマ状態に保つと同時に、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素を蒸発させる反応性イオンプレーティング法で、上記硬質皮膜２１をワークに被覆することができる。この際、反応ガス中の炭化水素ガス分圧を調整することによってＳｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の原子を炭化物として析出させることができる。Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素の含有比率は、これらの蒸発速度及び反応ガス圧力を調整することによって調整できる。
【００２４】
サイドレール５，６の構成を次に説明すると、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、ガス窒化処理により全表面に窒化層２２，２３が形成されている。
【００２５】
なお、サイドレール５，６におけるスペーサエキスパンダ７のサイドレール押圧片１１，１２と接触する部分は、窒化層に代えて、Ｃｒめっき皮膜やイオンプレーティング皮膜（例えば窒化クロム皮膜や窒化チタン皮膜等）を被覆するようにしてもよく、あるいは無処理とすることもできる。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
１．摩耗試験
（１）往復動摩擦試験機
図３は、試験に使用した往復動摩擦試験機の構成を示す。ピン状の上試験片４０は固定ブロック４１により保持され、上方から油圧シリンダ４２により下向きの荷重が加えられて、下試験片４３に押接される。一方、平盤形状の下試験片４３は可動ブロック４４により保持され、クランク機構４５により往復動させられる。４６はロードセルである。
【００２９】
（２）試験条件
荷重：２０ｋｇ
速度：１００ｃｐｍ
時間：１２０ｍｉｎ
潤滑油：軽油相当粘度軸受け油
【００３０】
（３）試験片
上試験片：オーステナイト系ステンレス鋼製の上試験片の表面に表１に示す硬質皮膜を形成した。
下試験片：マルテンサイト系１７Ｃｒステンレス鋼製で、表面処理は無処理と、ガス窒化処理の二種類。
【００３１】
（４）硬質皮膜の形成方法
アモルファス炭素を成分とする硬質皮膜やＣｒ_２Ｎ皮膜は反応性イオンプレーティング法で形成した。得られた皮膜はＸ線回折によって析出相の同定を行い、ビッカース硬さを測定した。
【００３２】
（５）試験結果
図４と図５に示す。図４は下試験片が無処理、図５は下試験片にガス窒化処理による窒化層が形成されているものである。摩耗量比は図４及び図５のいずれとも比較例２を１としている。図４及び図５に示されているように、実施例の硬質皮膜の場合、上試験片及び下試験片とも摩耗量が少ないことがわかる。
【００３３】
【表１】

【００３４】
なお、上記試験における実施例の硬質皮膜はアモルファス炭素を主成分としタングステン炭化物あるいはシリコン炭化物を単独で含む硬質皮膜であるが、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素（金属及び炭化物の一方又は両方の形態で存在）を含む場合も同様の効果が得られる。
【００３５】
また、本発明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している形状のスペーサエキスパンダにも適用される。
【００３６】
【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の耐摩耗性が向上し、かつ、欠けや剥離の発生も防止できるので、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。
【図３】往復動摩擦試験機の構成を示す図である。
【図４】摩耗試験結果を示す図である。
【図５】摩耗試験結果を示す図である。
【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・・タフトライド処理による窒化層、２１・・硬質皮膜、２２，２３・・ガス窒化処理による窒化層、３０・・素材、４０・・上試験片、４１・・固定ブロック、４２・・油圧シリンダ、４３・・下試験片、４４・・可動ブロック、４５・・クランク機構、４６・・ロードセル。

Claims

サイドレールを押圧するサイドレール押圧片を有しており、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硬質皮膜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、
前記硬質皮膜はＳｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素が分散しているダイヤモンドライクカーボンから形成されており、前記Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素の含有比率が原子％で５−４０％であり、前記硬質皮膜の硬度がビッカース硬さでＨＶ７００−２０００の範囲内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。
前記Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、及びＶの群から選ばれた１又は２以上の元素が金属及び炭化物の一方又は両方の形態で存在している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。
前記硬質皮膜が別種の耐摩耗性表面処理層の上に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の組合せオイルリングのスペーサエキスパンダ。
前記別種の耐摩耗性表面処理層が窒化層、Ｃｒめっき皮膜、イオンプレーティング皮膜のいずれかであることを特徴とする請求項３記載の組合せオイルリングのスペーサエキスパンダ。
前記硬質皮膜がサイドレール押圧片の表面上に直接被覆されていることを特徴とする請求項１又は２記載の組合せオイルリングのスペーサエキスパンダ。
前記硬質皮膜の厚さが１−１０μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１又は２記載の組合せオイルリングのスペーサエキスパンダ。
請求項１−６のいずれかに記載のスペーサエキスパンダと、前記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が無処理、あるいは窒化層、Ｃｒめっき皮膜、イオンプレーティング皮膜のいずれかを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。