JP2010527426A - ピストンリング - Google Patents

Abstract

ピストンリングは、摺動面と、上部側面および下部側面と、内周面とを有する本体を備え、これらの側面の少なくとも１つが、少なくともＰＶＤ被覆層を備え、ＰＶＤ被覆層の膜厚が、半径方向外側から内側へ向かって徐々に減少している。

Description

本発明は、摺動面（Laufflaeche）と、上部側面および下部側面と、内周面とを有する本体を備えたピストンリングに関する。

欧州特許出願公開第１４６０３１８号明細書には、少なくとも下部側面が特別なポリマーで処理された、ピストンリングのコーティングが記載されている。

ピストンリングは、ピストンの溝の中で、半径方向と軸方向の運動を行う。このような運動は、特にリング側面の摩耗につながる。通常の負荷下では、ピストンリングの材料を適切に選択することで、摩耗に対処することができる。現代の内燃機関では、出力が一層高くなっているために、リングに対する負荷もますます増大しており、その結果、母材だけで各側面を保護することがもはや保証できなくなっている。このような場合、側面には、別個の摩耗保護層が必要となる。特に問題となるのは、ピストンリング側面における特別な摩耗形態としてのいわゆるマイクロウェルディング（mircowelding）である。この現象は、多くの場合、オットーエンジンで鋼製リングを使用する際に発生する。

リング側面の摩耗に対する公知の方法は、鋼製リングのリング側面を窒化すること、または側面を薄いクロムめっきを施すことであるが、窒化は、すでに述べたように、マイクロウェルディングが発生する場合には適していない。しかし、窒化鋼製リングの利点を引き続き維持するには、この点に関して特別な予防策を講じる必要がある。

本発明の目的は、ピストンリングのリング側面において、一方では巨視的な摩耗に対する保護を与え、他方ではマイクロウェルディングに対処するコーティングを提供することにある。さらに、このコーティングには、ピストンの材料、もしくは使用するリング支持体との良好な親和性（Vertraeglichkeit）を有することが求められる。

この目的は、摺動面と、上部側面および下部側面と、内周面とを有する本体を備え、これらの側面の少なくとも１つが、少なくともＰＶＤ被覆層を備え、このＰＶＤ被覆層の膜厚が、半径方向外側から内側へ向かって徐々に減少しているピストンリングによって達成される。

本発明の主題の有利な発展例は、従属請求項に記載されている。

本発明の主題は、断面が長方形のピストンリングでも、片側または両側が台形状に構成されたピストンリングでも適用可能である。

ＰＶＤ（物理気相成長）コーティングとは、気相からの蒸着によってピストンリングの側面のコーティングを行う方法である。この場合、蒸着されるコーティング材料は、イオン化した粒子流として存在している。

摩耗保護に対する要求がある場合、例えばＣｒＮ層やＣｒＯＮ層のようなクロム窒化物層をコーティングとして使用するのが好ましい。しかし、多層膜すなわちマルチレイヤ層の形態としての発展例も、同様にＰＶＤ被覆層として適している。

ピストンリングの用途や断面に応じて、エンジン工学上の要件を考慮して、下部側面だけに、または両側面にＰＶＤコーティングを設けることができる。

さらに、ＰＶＤ層を、周期表のＩＶｂ族からＶＩｂ族の元素の窒化物を基材として構成することが可能である。このことは、選択的に、元素Ａｌ，Ｓｉ，Ｃ、またはＯを添加して、またはいずれも添加せずに行うことができる。

ＰＶＤ法により塗布される摩耗保護層は、外径近傍で８〜２０μｍの厚みを有するように構成され、膜厚が内径に向かって連続的に減少し、そこで厚みが２〜１０μｍの範囲になるように構成されるのが、特別に有利である。この対策により、リング外径の近傍で頻繁に観察されるピストンリングの摩耗パターン（Verschleissbild）が克服される。

ピストンリングの側面に塗布される、いわゆるＰＶＤ−ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コーティングが特別に有利である。特に、それによって、摩擦係数が低い耐摩耗性の表面が形成される。さらには、ＤＬＣ層は、本体への良好な付着性と高い耐破損性とを有している。

本発明のさらに別の思想によれば、窒化鋼製リングにおけるマイクロウェルディングに対する追加的な保護が必要な場合には、ＰＶＤ−ＤＬＣコーティングが用いられ、それは、上述したＰＶＤコーティングよりも必要に応じてさらに薄く構成することができる。

特別に重要なことは、側面コーティングを経済的に製造できる必要があることであり、このことは、コーティングされた側面に、それ以上の機械加工を行わないほうがよいことを意味している。ＰＶＤコーティングは非常に薄く均等に蒸着されるので、前述の判断基準は、このような種類のコーティングによって満たされることになる。

長方形の断面を有し、少なくとも側面の領域に摩耗保護層を備えたピストンリングを示す図である。 片側が台形状に構成され、少なくとも側面の領域に摩耗保護層を備えたピストンリングを示す図である。 側面が別の摩耗保護層を備えた、図１の変形例を示す図である。

以下、本発明の主題について、図面に示す実施形態に基づいて説明する。

図１は、長方形の断面を備えた本体２を有するピストンリング１を示している。ピストンリング１は、摺動面３と、上部側面４および下部側面５と、内周面６と、を含んでいる。上部側面４および下部側面５は、本例ではそれぞれＰＶＤ被覆層７，８を備えており、この被覆層は本例ではＣｒＮを基材として構成されている。要求に応じて、単に重要な下部側面５か上部側面４かだけが相応のＰＶＤ被覆層８，７を備えていれば、場合によっては十分である。この場合、それぞれのＰＶＤ被覆層７，８は、摺動面３の領域で例えば１５μｍの最大の膜厚を有し、これが内周面６の方向に連続的に４μｍの膜厚まで減少するように構成されている。ピストンリング１の外周面の領域では、頻繁に側面の摩耗の増大が起こるため、この対策により、頻繁に観察される摩耗パターンに対処することができる。必要に応じて、同様に摺動面３も、同じかまたは異なる実施形態のＰＶＤ被覆層９でコーティングすることができる。ＣｒＯＮを基材とするＰＶＤ被覆層も同様に考えられる。当業者であれば、それぞれの使用事例に応じて、適切なコーティングと膜厚を設定することができる。

図２は、図１の変形例を示している。本体２’を備えたピストンリング１’が図示されており、この本体は、本例ではその上部側面４’の領域が台形状に構成されているのに対して、下部側面５’は直線的に延びている。図１と同様に、両方の側面４’，５’の領域には、例えばＣｒＯＮを基材とするＰＶＤ被覆層７’，８’が蒸着されており、この場合にも、各ＰＶＤ被覆層７’，８’は、摺動面３’を起点として内周面６’まで徐々に薄くなっている。同様に、摺動面３’がＰＶＤ被覆層９’を備えていてもよい。

図３は、図１のさらに別の変形例を示している。ここに図示したピストンリング１”は、やはり長方形の本体２”を有している。本例では、本体２”の断面の環状部分全域が、２０μｍの膜厚を有する窒化層１０として構成された摩耗保護層を備えている。図１および図２と同様に、この窒化層１０上に、摺動面３”を起点として内周面６”まで膜厚が連続的に減少するＰＶＤ被覆層７”，８”が蒸着されている。同様に、摺動面３”の上にＰＶＤ被覆層９”が設けられていてもよい。

Claims (11)

1. 摺動面（３，３’，３”）と、上部側面（４，４’，４”）および下部側面（５，５’，５”）と、内周面（６，６’，６”）とを有する本体（２，２’，２”）を備え、前記側面（４”，５”）の少なくとも１つが、少なくともＰＶＤ被覆層（７”，８”）を備え、該ＰＶＤ被覆層（７”，８”）の膜厚が、半径方向外側から内側へ向かって徐々に減少しているピストリング。
2. 少なくとも前記下部側面（５”）が、窒化によって生成された摩耗保護層（１０）を備え、該摩耗保護層上に、前記ＰＶＤ被覆層（７”，８”）が蒸着されていることを特徴とする、請求項１に記載のピストンリング。
3. 前記摩耗保護層（１０）が５〜５０μｍの膜厚を有することを特徴とする、請求項１または２に記載のピストンリング。
4. 前記ＰＶＤ被覆層（７，７’，７”，８，８’，８”）が０．５〜２０μｍの膜厚を有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のピストンリング。
5. 前記ＰＶＤ被覆層（７，７’，７”，８，８’，８”）が、ＣｒＮおよびＣｒＯＮの少なくとも一方を基材として構成されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のピストンリング。
6. 前記ＰＶＤ層（７，８，７’，８’，７”，８”）が、周期表のＩＶｂ族からＶＩｂ族の元素の窒化物を基材として、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃ、およびＯの少なくとも１つが添加されて構成されているか、または、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃ、およびＯのいずれも添加されずに構成されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載のピストンリング。
7. 前記ＰＶＤ被覆層（７，７’，７”，８，８’，８”）が、摩擦および磨耗の少ないＰＶＤ−ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）層として構成されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載のピストンリング。
8. 前記ＰＶＤ被覆層（７，７’，７”，８，８’，８”）の膜厚が、前記摺動面（３，３’，３”）の近傍では約３〜２０μｍであって、前記内周面（６，６’，６”）の方向に１〜１０μｍまで減少していることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載のピストンリング。
9. 前記ＰＶＤ被覆層（７，７’，７”，８，８’，８”）の膜厚が、半径方向外側から内側に向かって連続的に減少していることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載のピストンリング。
10. 前記本体（２’）の前記側面の少なくとも一方（４’）が、少なくとも片側で外側から内側に向かって台形状に細くなっており、当該側面（４’）上には、少なくとも前記ＰＶＤ被覆層（７’）、特に前記ＰＶＤ−ＤＬＣ層が蒸着されていることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載のピストンリング。
11. 前記本体が、断面で見て両側が台形状に構成され、前記側面（４”，５”）の少なくとも１つが、少なくとも前記ＰＶＤ被覆層（７”，８”）、特に前記ＰＶＤ−ＤＬＣ層を備えていることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載のピストンリング。

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