WO2011064888A1 - ピストンリング - Google Patents

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piston ring
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ring
base material
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和浩 藤村
篤 千葉
直行 秋元
巖 平石
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日本ピストンリング株式会社
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    • F16J9/12—Details
    • F16J9/20—Rings with special cross-section; Oil-scraping rings
    • F16J9/206—One-piece oil-scraping rings

Definitions

  • the present invention relates to a piston ring used in an internal combustion engine.
  • a piston for an internal combustion engine is equipped with a pressure ring and an oil ring as a piston ring.
  • This pressure ring has a function of preventing a phenomenon (blow-by) that high-pressure combustion gas flows out from the combustion chamber side to the crank chamber side.
  • the oil ring mainly has a function of suppressing a phenomenon (oil up) in which excess lubricating oil on the inner wall of the cylinder enters the combustion chamber side from the crank chamber side and is consumed.
  • a combination of conventional standard piston rings a combination of three piston rings, that is, two pressure rings including a top ring and a second ring and one oil ring is known.
  • one of the performances required for piston rings for internal combustion engines is wear resistance.
  • a nitriding layer is formed on the sliding surface of the outer periphery of the piston ring by nitriding treatment, or a hard coating is formed by using a PVD method or the like.
  • piston rings for internal combustion engines are also required to have oil scuffing ability to suppress the oil up.
  • oil scuffing property it is necessary to sharply form the edge portion mainly on the lower surface side of the piston ring.
  • the hard coating is formed on the sliding surface on the outer periphery of the piston ring, and the edge portion of the hard coating is formed sharply. Since the hard film formed in (2) is “hard”, it has the property of being easily chipped, so that the edge portion is particularly easily chipped.
  • Patent Document 1 the entire piston ring sliding surface is not covered with a hard film, but the hard film is partially formed and an edge portion for satisfying the oil scuffing property. Discloses a technique for exposing a piston ring base material having a sharp shape.
  • the present invention has been made in view of such problems, and can simultaneously satisfy wear resistance, gas sealing properties, and oil scuffing properties, and scratches and scuffs on the sliding surface of the piston ring. Therefore, the main problem is to provide a piston ring that does not cause damage to or wear on the inner peripheral surface of the cylinder that is the counterpart material, and that does not abnormally wear itself. To do.
  • the present invention for solving the above-mentioned problems is a piston ring having a sliding surface on the outer periphery, wherein the sliding surface occupies a predetermined region from one end in a cross section perpendicular to the radial direction of the piston ring.
  • 1 slide surface and a second slide surface occupying a region from the end portion to the other end of the first slide surface, the first slide surface is formed of a hard film, and the second slide surface
  • the sliding surface is not formed by a hard film, and the second sliding surface is present at a position offset from an imaginary line extending from the first sliding surface in the other end direction.
  • the first sliding surface is formed by forming a recess in the base material of the piston ring and providing a hard film on the recess, and is perpendicular to the radial direction of the piston ring.
  • the recess includes a first surface extending parallel to the piston ring outer peripheral surface from one of the upper and lower surfaces of the base material to the other, and one end of the first surface to the piston ring outer peripheral surface. It is preferable that the second surface extending in the direction is in contact, and the second surface forming the recess and the outer peripheral surface of the piston ring are in contact with each other at an angle of 10 to 30 °.
  • the hard film forming the first sliding surface is a Cr—N or Cr—BN film formed by a PVD method.
  • the second sliding surface may be formed of a base material of a piston ring.
  • the outer peripheral shape may be a barrel face shape or an eccentric barrel face shape.
  • the sliding surface is composed of a first sliding surface made of a hard coating and a second sliding surface that is not a hard coating
  • “Abrasion resistance” can be imparted to the piston ring by the first sliding surface, and it is possible to ensure “gas sealability and oil scuffing” by the second sliding surface.
  • the second sliding surface is present at a position offset inward from the imaginary line extending from the first sliding surface in the other end direction. Therefore, it is possible to prevent scratches and scuffs from occurring on the second sliding surface whose hardness is lower than that of the first sliding surface.
  • the inner peripheral surface of the cylinder that is the counterpart material is not damaged or worn, and the piston ring itself is not worn abnormally.
  • the boundary portion between the base material and the hard coating is an inclined surface (10)
  • the offset portion functions as an appropriate oil sump, thereby reducing the wear amount of the entire piston ring sliding surface. it can.
  • blow-by increases if the ratio of the second sliding surface to the entire sliding surface and the amount of offset are taken into consideration.
  • the material of the hard film forming the first sliding surface is a Cr—N or Cr—BN system film formed by the PVD method, which is required for the piston ring.
  • the adhesion with the base material can also be improved and peeling can be prevented.
  • the present invention by forming the second sliding surface from the base material of the piston ring, it is easy to make the end of the second sliding surface sharp, and the yield can be improved.
  • the present invention can also be applied to a piston ring whose outer peripheral surface has a barrel face shape.
  • FIG. It is process drawing which shows an example of a manufacturing method.
  • A) And (b) is sectional drawing which shows another example of the piston ring of this invention.
  • A) And (b) is sectional drawing at the time of applying the piston ring of this invention to an oil ring. It is explanatory drawing of a peeling test (twist test). It is a figure which shows blow-by gas amount, oil consumption, and wear amount.
  • FIG. 1 (a) is a perspective view showing a cross section perpendicular to the radial direction of a part of the piston ring of the present invention, (b) is an enlarged view of the cross section of (a), and (c) is ( It is a further enlarged view of b).
  • the piston ring of the present invention is formed with an opening not shown in FIG.
  • the piston ring 1 of the present invention has a sliding surface 10 on the outer periphery.
  • the sliding surface 10 occupies a predetermined region from one end (the upper end in the case of FIG. 1). It consists of the 1st sliding surface m and the 2nd sliding surface n which occupies the area
  • the second sliding surface n is located on the inner side (inside of the piston ring shown in FIG. 1C) from the imaginary line S obtained by extending the first sliding surface m in the other end direction (lower end direction in FIG. 1). It is characterized by being present at a position offset to the peripheral surface side).
  • the sliding surface 10 is the first sliding surface m made of the hard coating 3 and not the hard coating (the piston ring base material 2 is exposed). Therefore, the piston ring 1 can be provided with “abrasion resistance” by the first sliding surface m, and the second sliding surface n can provide “gas sealability and It is possible to ensure “oiliness”. Furthermore, since the second sliding surface n exists at a position offset from the virtual line S extending the first sliding surface m in the lower end direction, the two sliding surfaces (m, n) having different hardnesses are used.
  • the base material 2 constituting the piston ring 1 of the present invention will be described below.
  • the material of the base material 2 is not particularly limited, and any material can be used.
  • steel steel material
  • stainless steel SUS440, SUS410, SUS304, etc. represented by JIS standards, or 8Cr steel, 10Cr steel, SWOSC-V, SWRH.
  • a material etc. can be used.
  • the first sliding surface m is a portion that occupies a predetermined region from one end (the upper end in the case of FIG. 1) of the sliding surface of the piston ring 1, and is characterized by being formed by the hard coating 3. .
  • the first sliding surface m can be formed by providing a recess 21 in a portion of the piston ring base material 2 that should become the first sliding surface and providing the hard coating 3 in the recess 21. it can.
  • the second surface is composed of a first surface X extending in parallel to the piston ring outer peripheral surface Z and a second surface Y extending from one end X1 of the first surface X toward the piston ring outer peripheral surface Z.
  • the recess 21 is formed so that Y and the outer peripheral surface Z of the piston ring (the surface of the hard coating 3 formed on the recess 21) are in contact with each other at an angle of 10 to 30 ° (see symbol ⁇ in FIG. 1C). It is preferable. By setting it as such a shape, it can prevent that the hard film 3 peels from the piston ring base material 2.
  • FIG. 1C The recess 21 is formed so that Y and the outer peripheral surface Z of the piston ring (the surface of the hard coating 3 formed on the recess 21) are in contact with each other at an angle of 10 to 30 ° (see symbol ⁇ in FIG. 1C). It is preferable. By setting it as such a shape, it can prevent that the hard film 3 peels from the piston ring base material 2.
  • the ratio of the first sliding surface m to the entire piston ring sliding surface 10 (that is, the axial length of the recess 21 provided in the piston ring base material 2) is not particularly limited. However, in order to impart wear resistance to the piston ring 1, it is necessary to sufficiently form the hard coating 3 on the sliding surface 10, while the first sliding surface is formed separately from the first sliding surface. 2 Since the role of the sliding surface n (details will be described later) is to sharpen the edges and improve the gas sealing property and the oil scuffing property, the proportion of the first sliding surface m (the recess 21 The length) is preferably about 75 to 95% of the total length of the cross section of the piston ring.
  • the ratio of the second sliding surface n to the entire sliding surface is 5 to 25% of the entire length. If the ratio of the second sliding surface n to the entire sliding surface is less than 5%, there is a problem that chipping or peeling tends to occur. On the other hand, if it exceeds 25%, the hard coating 3 (first sliding surface) There are many parts without m), and there is a problem that wear resistance is inferior.
  • At least the lower surface 24 of the piston ring base material 2 is preferably nitrided, and in addition, the upper surface 22 and the inner peripheral surface 23 may also be nitrided. This is because the wear resistance of the piston ring can be further improved, and post-processing is not required, and the manufacturing process can be simplified.
  • the nitriding treatment is not particularly limited, and salt bath soft nitriding treatment, gas nitriding treatment, gas soft nitriding treatment, ion nitriding treatment, and the like can be given as specific examples.
  • a nitrided layer having a Vickers hardness (HV) of 700 or more in nitriding treatment is used as a nitrided diffusion layer, and the thickness of this nitrided diffusion layer is preferably 1 to 40 ⁇ m, and the thickness is particularly preferably 10 to 20 ⁇ m. .
  • the material of the hard film 3 is not particularly limited, and the effect of the hard film 3, that is, a film that can improve the wear resistance of the piston ring, in other words, a film harder than the piston ring base material 2. If so, various conventionally used hard coatings can be appropriately selected and used.
  • a Cr-N-based or Cr-BN-based coating formed by a PVD method is preferable.
  • Examples of the PVD method for forming the Cr—N-based or Cr—BN-based hard coating 3 include an ion plating method, a vacuum deposition method, and a sputtering method.
  • the Cr—N-based hard coating 3 is a coating made of Cr, CrN, and Cr 2 N.
  • Cr is 0.5 to 15.5 mass%
  • CrN is 45.0 to 98.0 mass%
  • Cr 2 N Is preferably the balance.
  • the Cr-BN system hard coating 3 preferably has a B content of 0.05 to 20% by mass.
  • the hard film formed by including B in the Cr—N alloy is excellent in wear resistance and scuffing resistance, and in particular, is excellent in attacking the opponent.
  • the B content is less than 0.05% by mass, the expected effects of scuffing resistance and opponent attack cannot be obtained.
  • the B content exceeds 20% by mass the internal stress of the hard coating 3 is high, the toughness is reduced, cracks and delamination occur in the coating, and the function as a piston ring is not achieved.
  • a particularly preferable range of the B content constituting the Cr—BN hard coating 3 is 1 to 3% by mass, and the N content constituting the Cr—BN hard coating 3 is 4%. The range is from 0.0 to 34.0% by weight, and the balance is preferably Cr.
  • the second sliding surface n is intended to impart “gas sealability and oil scuffing” to the piston ring 1 as described above. Therefore, it is preferable that the end n1 (the other end, the lower end in FIG. 1) of the second sliding surface n has a sharp shape to some extent.
  • the second sliding surface n is not formed by a hard film, but is formed by the piston ring base material 2 itself as shown in FIG. In other words, the piston ring base material is exposed.
  • the piston ring base material 2 itself the second sliding surface n, even if the end portion n1 has a sharp shape, the portion is not damaged such as chipping.
  • the second sliding surface n is present at a position offset inward from an imaginary line S obtained by extending the first sliding surface in the other end direction (lower end direction in FIG. 1).
  • the amount of the offset (reference f in FIG. 1C) is not particularly limited. However, if the offset amount f is too large, blow-by may occur from the portion, and therefore, for example, about 1 to 20 ⁇ m is preferable, and about 1 to 10 ⁇ m is particularly preferable. When the amount of offset f exceeds 20 ⁇ m, there is a high possibility that the piston ring will be caught when the piston ring is assembled into the ring groove of the piston and the sliding surface will be chipped.
  • the piston ring base material 2 itself may be formed on the second sliding surface n, and the aforementioned nitriding treatment may be performed on the sliding surface. .
  • the manufacturing method is not particularly limited, and any manufacturing method may be used as long as the piston ring 1 as the final product has the characteristics described above.
  • FIG. 2 is a process diagram showing an example of a manufacturing method.
  • a piston ring base material 2 provided with a recess 21 for forming a hard coating 3 to be the first sliding surface m is prepared.
  • the depth H of the recess 21 is set to be deeper than the depth of the recess 21 in the piston ring 1 which is the final product (symbol h in FIG. 1C). In other words, it is deeper than the film thickness of the hard coating 3 to be finally formed in the recess 21.
  • the formation method of this recessed part 21 should just employ
  • a hard coating 3 is formed on the entire outer peripheral surface of the base material 2.
  • the film thickness of the hard coating 3 to be formed is set to a film thickness necessary for the piston ring 1 as a final product.
  • various PVD methods may be used for forming the hard coating 3.
  • the convex portion (hatched portion in the figure) formed on the lower surface side of the base material 2 is replaced with the surface of the hard coating 3 formed on the concave portion 21 of the base material 2.
  • hard particles for example, abrasives such as Al 2 O 3 , SiC, diamond, etc.
  • the piston ring 2 that is softer than the hard coating 3 is It is polished slightly more than the hard coating 3.
  • the second sliding surface is completed at the offset position as shown in FIG. 2D, and the piston ring 1 of the present invention can be formed.
  • a nitriding diffusion layer is formed on the piston ring base material 2 as shown in FIG.
  • 3 (a) and 3 (b) are cross-sectional views showing another example of the piston ring of the present invention.
  • the shape of the sliding surface 10 can be a barrel face shape, and as shown in FIG.
  • the shape of the surface 10 can also be an eccentric barrel face shape.
  • the piston ring of the present invention is obtained by offsetting the second sliding surface inward from the virtual line S obtained by extending the first sliding portion m having the original barrel face shape.
  • the outer peripheral surface of the piston ring has a barrel face shape or an eccentric barrel face shape
  • the outer peripheral surface Z has a curved surface, but is drawn at the boundary point between the first sliding surface m and the second sliding surface n. Using the tangent line, ⁇ shown in FIG. 1 can be obtained.
  • the piston ring of the present invention can be used not only for a top ring that functions as a so-called pressure ring, but also for a second ring that is the same pressure ring, and is also applicable to an oil ring.
  • a hard coating 3 is formed on the upper surface side of the piston ring to form a first sliding surface, and the lower surface side is a second one.
  • the sliding surface n is preferable. This is because in the pressure ring, chipping and peeling can be prevented by exposing the base material 2 without forming the hard coating 3 on the lower edge portion.
  • 4 (a) and 4 (b) are cross-sectional views when the piston ring of the present invention is applied to an oil ring.
  • a hard coating 3 is formed on the upper surface of both the upper and lower sliding surfaces as shown in FIG. 4 (a).
  • the first sliding surface m and the lower surface side can be the second sliding surface n.
  • the direction of pumping out the oil is the downward direction of the oil ring body 1.
  • the hard coating 3 is formed on the upper surface side to form the first sliding surface m, and the lower surface side is the second sliding surface.
  • the hard coating 3 may be formed on the lower surface side to be the first sliding surface m, and the upper surface side may be the second sliding surface n.
  • the direction of scooping out oil is the central portion of the oil ring main body 1.
  • Example 1 The piston ring (oil ring) shown in FIG. 1 was manufactured using the method described with reference to FIG.
  • the hard coating (3) was Cr—BN (Examples 1 to 6) and Cr—N (Examples 7 to 12) formed by an ion plating method.
  • the dimensions of the manufactured piston ring are: diameter: 115 mm, axial width (h1): 3.0 mm, radial width (a1) 3.95 mm.
  • the length (n) of the base material exposed at the lower part (edge part) of the outer peripheral sliding surface of the piston ring was 0.2 to 0.5 mm.
  • the value of the angle ( ⁇ ) formed by the second surface (Y) constituting the recess (21) formed in the base material (2) and the outer peripheral surface (Z) of the piston ring Is as shown in Table 1 below.
  • the angle ( ⁇ ) formed by the second surface (Y) and the outer peripheral surface (Z) of the piston ring is cut so that the cross section in the piston ring axial direction can be observed, and the cross section is polished and mirror-finished. It was confirmed by enlarging the field of view. Further, in these examples, as shown in Table 1 below, there is a case where a portion of the base material where the hard coating (3) is not formed is not nitrided.
  • a nitriding diffusion layer having a thickness of 10 to 20 ⁇ m was formed using a gas nitriding method.
  • the opposite ends of the joint 5 of the piston ring 1 are gripped by the grippers 41 a and 41 b, the gripper 41 a is fixed, and the gripper 41 b is fixed to the diameter of the piston ring 1.
  • the piston ring 1 is twisted at a predetermined torsion angle by rotating as indicated by the alternate long and short dash line about the opposite side 6 of the joint in the direction. The twist angle was 90 °.
  • the opposite side 6 of the piston ring 1 was cut, and the presence or absence of peeling of the coating layer from the ring base material on the cut surface (fracture surface) was visually observed.
  • the combination of the piston rings is that the first pressure ring is C: 0.9 (mass)%, Si: 0.4%, Mn: 0.3%, Cr: 17.5%, Mo: 1. 1%, V: 0.1%, P: 0.01%, S: 0.01% (equivalent to SUS440B material expressed in JIS standard), ring axial width (h1): 3.0 mm, ring Radial width (a1): 3.95 mm, the specifications of Example 3, Example 4, and Conventional Example 1, and the second pressure ring is made of 10Cr steel material equivalent. Ring axial width (h1): 2 0.5 mm, ring radial width (a1): 4.3 mm.
  • the oil ring is made of SUS410JIS material equivalent to the JIS standard, ring axial width (h1): 4.0 mm, ring radial width (a1): 2.35 mm for oil ring alone, in combination with coil expander 4.35 mm.
  • the first pressure ring has a barrel face shape on the outer peripheral sliding surface
  • the second pressure ring has a tapered shape on the outer peripheral sliding surface

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Abstract

耐摩耗性、ガスシール性、さらには油かき性を同時に満たすことが可能であり、かつそのピストンリングの摺動面にキズやスカッフが発生することがなく、したがって相手材となるシリンダ内周面を損傷させたり、摩耗させたりすることがなく、さらにはそれ自体が異常摩耗することもないピストンリングを提供する。外周に摺動面を有するピストンリングにおいて、前記ピストンリングの径方向に垂直な断面において、前記摺動面を、一端から所定の領域を占める第１摺動面と、前記第１摺動面の端部から他端までの領域を占める第２摺動面とから構成し、前記第１摺動面を硬質皮膜によって形成し、前記第２摺動面は硬質皮膜によって形成せず、前記第２摺動面を、前記第１摺動面を他端方向へ延長した仮想線よりも内側へオフセットした位置に存在させる。

Description

ピストンリング
　本発明は内燃機関に使用されるピストンリングに関する。
　一般に内燃機関用のピストンには、ピストンリングとして圧力リングとオイルリングとが装着される。この圧力リングには、高圧の燃焼ガスが燃焼室側からクランク室側へ流出する現象（ブローバイ）の防止機能を持たせている。一方、オイルリングは、シリンダ内壁の余分な潤滑油がクランク室側から燃焼室側へ侵入して消費される現象（オイルアップ）の抑制機能を主に有する。そして、従来の標準的なピストンリングの組合せとしては、トップリングおよびセカンドリングからなる２本の圧力リングと、１本のオイルリングとの計３本のピストンリングの組合せが知られている。
　近年、内燃機関の軽量化と高出力化に伴い、ピストンリングに要求される品質が益々高まってきている。
　ここで、内燃機関用ピストンリングに要求される性能の一つに耐摩耗性がある。当該耐摩耗性を向上する手段としては、現在、ピストンリング外周の摺動面に窒化処理にて窒化層を形成したり、ＰＶＤ法などを用い硬質皮膜を形成することが行われている。
　一方で、内燃機関用ピストンリングは、前記オイルアップを抑制するための油かき性も要求されている。当該油かき性を向上する手段としては、ピストンリングの主に下面側のエッジ部をシャープに形成する必要がある。
　しかしながら、上記２つの要求を同時に満たそうとした場合、ピストンリング外周の摺動面に硬質皮膜を形成しつつ、当該硬質皮膜のエッジ部分をシャープに形成することとなるが、そうすると、摺動面に形成された硬質皮膜は、「硬質」であるが故に欠け易い性質を有しているがため、このエッジ部分が特に欠け易くなってしまう。
　このような問題を解決するために、特許文献１においては、ピストンリング摺動面の全体を硬質皮膜で覆うのではなく、硬質皮膜を部分的に形成し、油かき性を満たすためのエッジ部分においては、シャープな形状のピストンリング母材を露出させる技術が開示されている。
特表２００７－５２０６６６号公報
　上記特許文献１のピストンリングによれば、確かにピストンリングに要求されている上記２つの性能（耐摩耗性と油かき性）を同時に満たすことは可能である。
　しかしながら、特許文献１のピストンリングにあっては、ピストンリング母材と、これよりも硬い硬質皮膜とが、同一摺動面上に存在しているため、これら硬さのことなる摺動面が同時にシリンダの内周面と接触することとなる。そうすると、摺動特性の差異から、相対的に軟らかいピストンリング母材に縦キズやスカッフが発生し、これが原因となってシリンダ内周面にキズが生じたり、摩耗が激しくなったり、さらにはピストンリング自体が異常摩耗したりすることがある。
　本願発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、耐摩耗性、ガスシール性、さらには油かき性を同時に満たすことが可能であり、かつそのピストンリングの摺動面にキズやスカッフが発生することがなく、したがって相手材となるシリンダ内周面を損傷させたり、摩耗させたりすることがなく、さらにはそれ自体が異常摩耗することもないピストンリングを提供することを主たる課題とする。
　上記課題を解決するための本発明は、外周に摺動面を有するピストンリングであって、前記ピストンリングの径方向に垂直な断面において、前記摺動面は、一端から所定の領域を占める第１摺動面と、前記第１摺動面の端部から他端までの領域を占める第２摺動面とからなり、前記第１摺動面は硬質皮膜によって形成されており、前記第２摺動面は硬質皮膜によって形成されておらず、前記第２摺動面は、前記第１摺動面を他端方向へ延長した仮想線よりもオフセットした位置に存在することを特徴とする。
　また、上記の発明にあっては、前記第１摺動面は、ピストンリングの母材に凹部を形成し、当該凹部に硬質皮膜を設けることによって形成されており、ピストンリングの径方向に垂直な断面において、前記凹部は、母材の上下面のいずれか一方から他方に向かって、ピストンリング外周面に平行に延びる第１の面と、前記第１の面の一端からピストンリング外周面に向かって延びる第２の面と、から構成されており、前記凹部を形成する第２の面とピストンリング外周面とは１０～３０°の角度をもって接していることが好ましい。
　また、上記の発明にあっては、前記第１摺動面を形成する硬質皮膜が、ＰＶＤ法により形成されたＣｒ－Ｎ系、またはＣｒ－Ｂ－Ｎ系の皮膜であることが好ましい。
　また、上記の発明にあっては、前記第２摺動面は、ピストンリングの母材により形成されていてもよい。
　さらに、上記の発明においては、外周の形状が、バレルフェース形状または偏心バレルフェース形状であってもよい。
　本発明によれば、外周に摺動面を有するピストンリングにおいて、その摺動面は、硬質皮膜からなる第１摺動面と硬質皮膜ではない第２摺動面とから構成されているため、ピストンリングに対し、当該第１摺動面によって「耐摩耗性」を付与することができるとともに、当該第２摺動面によって「ガスシール性および油かき性」を担保することが可能となり、さらに、当該第２摺動面は、第１摺動面を他端方向へ延長した仮想線よりも内側へオフセットした位置に存在するため、硬さの異なる２つの摺動面が同時にシリンダ内周面と接触することを防止できるため、第１摺動面よりも硬度が低い第２摺動面にキズやスカッフが発生することを防止できる。これにより、相手材となるシリンダ内周面を損傷させたり、摩耗させたりすることもなく、さらにはピストンリング自体が異常摩耗することもない。
　また、ピストンリングの母材の外周面であって硬質皮膜が形成される凹部の形状を所定の形状とすることにより、母材と硬質皮膜との境界部分が「なだからかな」傾斜面（１０～３０°）となっており、その結果、硬質皮膜の一点に応力が集中することを防止して、当該硬質皮膜自体が母材から剥離することを防止することができる。
　また、第２摺動面がオフセットした位置に存在することにより、このオフセットされた部分が適度な油溜まりとして機能することも期待でき、これによりピストンリング摺動面全体の摩耗量の低減が期待できる。
　なお、第２摺動面が摺動面全体に占める割合、およびオフセットの量を考慮すれば、ブローバイが増加するというデメリットは生じ得ない。
　また、本願発明において、第１摺動面を形成する硬質皮膜の材質をＰＶＤ法により形成されたＣｒ－Ｎ系、またはＣｒ－Ｂ－Ｎ系の皮膜とすることにより、ピストンリングに要求される耐摩耗性を充分に満たすことができるとともに、母材との密着性をも向上せしめ、剥離を防止することができる。
　また、本願発明において、前記第２摺動面をピストンリングの母材により形成することより、当該第２摺動面の端部をシャープ形状とすることが容易となり歩留まりを向上することができる。
　また、本願発明は、その外周面の形状が、バレルフェース形状を有するピストンリングにも応用可能である。
（ａ）は、本発明のピストンリングの一部径方向に垂直な断面を示した斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）の断面の拡大図であり、（ｃ）は、（ｂ）のさらに拡大図である。 製造方法の一例を示す工程図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明のピストンリングの他の一例を示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明のピストンリングをオイルリングに適用した場合の断面図である。 剥離試験（ツイスト試験）の説明図である。 ブローバイガス量、オイル消費量および摩耗量を示す図である。
　以下に、本発明のピストンリングについて、図面を用いて具体的に説明する。
　図１（ａ）は、本発明のピストンリングの一部径方向に垂直な断面を示した斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の断面の拡大図であり、（ｃ）は、（ｂ）のさらに拡大図である。なお、本発明のピストンリングには、図１には図示しない合い口部が形成されている。
　図１（ａ）～（ｃ）に示すように、本発明のピストンリング１は、外周に摺動面１０を有している。
　そして、図１（ｂ）および（ｃ）に示すように、ピストンリングの径方向に垂直な断面をみた場合、摺動面１０は、一端（図１の場合は上端）から所定の領域を占める第１摺動面ｍと前記第１摺動面ｍの端部から他端（図１の場合は下端）までの領域を占める第２摺動面ｎとからなる。そして、第１摺動面ｍは硬質皮膜３によって形成されており、一方で第２摺動面ｎには硬質皮膜３は存在せず、図１に示す実施形態では、ピストンリング母材２がそのまま露出している。また、第２摺動面ｎは、第１摺動面ｍを他端方向（図１の場合は下端方向）に延長した仮想線Ｓよりも内側（図１（ｃ）に示すピストンリングの内周面側）へオフセットした位置に存在することに特徴を有している。
　このような本発明のピストンリング１によれば、その摺動面１０は、硬質皮膜３からなる第１摺動面ｍと硬質皮膜ではない（ピストンリング母材２が露出した）第２摺動面ｎとから構成されているため、ピストンリング１に対し、当該第１摺動面ｍによって「耐摩耗性」を付与することができるとともに、当該第２摺動面ｎによって「ガスシール性および油かき性」を担保することが可能となる。さらに、当該第２摺動面ｎは、第１摺動面ｍを下端方向へ延長した仮想線Ｓよりもオフセットした位置に存在するため、硬さの異なる２つの摺動面（ｍ、ｎ）が同時にシリンダ内周面と接触することを防止できるため、第１摺動面ｍよりも硬度が低い第２摺動面ｎにキズやスカッフが発生することを防止できる。これにより、相手材となるシリンダ内周面を損傷させたり、摩耗させたりすることもなく、さらにはピストンリング自体が異常摩耗することもない。
　このような本発明のピストンリング１を構成する母材２について以下に説明する。
　母材２の材質については、特に限定されることはなくいかなる材質も用いることができる。例えば、その材質としては、主にスチール（鋼材）を用いることができ、またステンレス鋼としては、ＪＩＳ規格に表されるＳＵＳ４４０、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ３０４等、あるいは８Ｃｒ鋼、１０Ｃｒ鋼、ＳＷＯＳＣ－Ｖ、ＳＷＲＨ材などを用いることができる。
　つぎに、第１摺動面ｍについて説明する。
　第１摺動面ｍは、ピストンリング１の摺動面において、その一端（図１の場合は上端）から所定の領域を占める部分であり、硬質皮膜３により形成されていることを特徴としている。
　ここで、第１摺動面ｍは、ピストンリング母材２の、第１摺動面となるべき部分に凹部２１を設けておき、当該凹部２１に硬質皮膜３を設けることにより形成することができる。
　当該凹部２１の形状については特に限定されることはないが、図１（ｃ）に示すように、第１摺動面ｍの端部において、凹部２１の深さｈ（＝硬質皮膜３の厚さ）が徐々に浅く（薄く）なるようにすることが好ましい。より具体的には、図１（ｃ）に示すように、ピストンリングの径方向に垂直な断面をみた場合、母材２には、母材の上面から下面に向かって（逆でもよい）、ピストンリング外周面Ｚに平行に延びる第１の面Ｘと、前記第１の面Ｘの一端Ｘ１からピストンリング外周面Ｚに向かって延びる第２の面Ｙとから構成され当該第２の面Ｙとピストンリングの外周面Ｚ（凹部２１に形成された硬質皮膜３の表面）とが、１０～３０°の角度をもって接する（図１（ｃ）の符号α参照）ように凹部２１を形成することが好ましい。このような形状とすることにより、硬質皮膜３がピストンリング母材２から剥離してしまうことを防止することができる。
　また、凹部２１の深さｈ（＝硬質皮膜３の厚さ）についても、本願発明は特に限定することはないが、凹部２１に設けられ、第１摺動面ｍとして機能する硬質皮膜３の性能や製造コストなどを考慮すると、１～７０μｍ程度が好ましく、１０～６０μｍが特に好ましい。１μｍ未満であると、摩耗により皮膜が消滅し耐久性が劣るという問題があり、一方で７０μｍを超えると、製造上時間がかかりコスト的に好ましくない。なお、前述している通り、凹部２１の深さｈは、最終的に当該部分に形成される硬質皮膜３の厚さとなる。
　第１摺動面ｍがピストンリング摺動面全体１０に占める割合（つまり、ピストンリング母材２に設けられる凹部２１の軸方向長さ）については、本願発明は特に限定することはない。しかしながら、ピストンリング１に耐摩耗性を付与するためには、その摺動面１０に硬質皮膜３を充分に形成する必要があり、一方で、当該第１摺動面とは別に形成される第２摺動面ｎ（詳細は後述する。）の役割は、エッジをシャープにしてガスシール性および油かき性を向上せしめることであることから、第１摺動面ｍの占める割合（凹部２１の長さ）は、ピストンリングの断面の全長の７５～９５％程度とすることが好ましい。従って、第２摺動面ｎの摺動面全体に占める割合は、全長の５～２５％となる。第２摺動面ｎの摺動面全体に占める割合が５％未満であると、欠けや剥離が生じやすいという問題があり、一方で２５％を超えると、硬質皮膜３（第１摺動面ｍ）の無い部分が多く、耐摩耗性が劣るという問題がある。
　ここで、ピストンリング母材２は、少なくとも下面２４が窒化処理されていることが好ましく、これに加えて上面２２、内周面２３においても窒化処理されていてもよい。これにより、ピストンリングの耐摩耗性をさらに向上せしめることができると共に、後処理が不要となり製造工程を簡略化することができるからである。
　当該窒化処理としては、特に限定されることはないが、塩浴軟窒化処理、ガス窒化処理、ガス軟窒化処理、イオン窒化処理などを具体例としてあげることができる。窒化処理にてビッカース硬さ（ＨＶ）が７００以上の窒化層を窒化拡散層としこの窒化拡散層の厚さを１～４０μｍで形成することが好ましく、厚さについては、１０～２０μｍが特に好ましい。
　次に、第１摺動面を形成する硬質皮膜３について説明する。
　硬質皮膜３の材質については特に限定することはなく、当該硬質皮膜３の効果、つまりピストンリングの耐摩耗性を向上せしめることが可能な皮膜、換言すればピストンリング母材２よりも硬質な皮膜であれば、従来から用いられている各種硬質皮膜を適宜選択して用いることができる。
　本発明にあっては、各種硬質皮膜の中でも、ＰＶＤ法（物理蒸着法）により形成されたＣｒ－Ｎ系、またはＣｒ－Ｂ－Ｎ系の皮膜であることが好ましい。
　Ｃｒ－Ｎ系、またはＣｒ－Ｂ－Ｎ系の硬質皮膜３の形成するためのＰＶＤ法としては、イオンプレーティング法、真空蒸着法、スパッタリング法等を挙げることができる。
　Ｃｒ－Ｎ系の硬質皮膜３は、Ｃｒ、ＣｒＮ、Ｃｒ２Ｎよりなる皮膜であり、Ｃｒが０．５～１５．５質量％、ＣｒＮが４５．０～９８．０質量％、Ｃｒ２Ｎが残部であることが好ましい。
　一方で、Ｃｒ－Ｂ－Ｎ系の硬質皮膜３は、Ｂ含有量が０．０５～２０質量％であることが好ましい。ＢがＣｒ－Ｎ合金中に含まれることによって形成される当該硬質皮膜は、耐摩耗性および耐スカッフィング性に優れると共に、特に相手攻撃性に優れる。Ｂ含有量が０．０５質量％未満では、耐スカッフィング性および相手攻撃性で期待する効果が得られない。Ｂ含有量が２０質量％を超えると、硬質皮膜３の内部応力が高く、靱性が低下し、皮膜にクラックおよび層間剥離等が発生し、ピストンリングとしての機能を果たさなくなる。Ｃｒ－Ｂ－Ｎ系の硬質皮膜３を構成するＢ含有量の特に好ましい範囲としては、１～３質量％であり、Ｃｒ－Ｂ－Ｎ系の硬質皮膜３を構成するＮ含有量は、４．０～３４．０重量％の範囲であり、残部がＣｒであることが好ましい。
　続いて、本発明のピストンリング１における第２摺動面ｎについて説明する。
　当該第２摺動面ｎは、前述した通り、ピストンリング１に「ガスシール性および油かき性」を付与することを目的としている。従って、第２摺動面ｎの端部ｎ１（他端、図１では下端）は、ある程度シャープな形状となっていることが好ましい。
　また第２摺動面ｎは、前述した第１摺動面ｍとは異なり、硬質皮膜によって形成されておらず、図１に示すように、ピストンリング母材２自体により形成されている。換言すればピストンリング母材が露出した状態となっている。このようにピストンリング母材２自体を第２摺動面ｎとすることにより、その端部ｎ１をシャープな形状としても、当該部分に欠け等の破損が生じることがない。
　また、第２摺動面ｎは、前述した第１摺動面を他端方向（図１の場合は下端方向）に延長した仮想線Ｓよりも内側にオフセットした位置に存在していることに特徴を有しているが、当該オフセットの量（図１（ｃ）の符号ｆ）については特に限定することはない。しかしながら、オフセットの量ｆが大きすぎると、当該部分からブローバイが発生することが懸念されるため、例えば１～２０μｍ程度とすることが好ましく、１～１０μｍ程度とすることが特に好ましい。オフセットの量ｆが２０μｍを超えると、ピストンリングをピストンのリング溝に組み付ける際に引っかかりが生じ摺動面に欠けが生じる可能性が高くなる。一方で、オフセットの量ｆを１０μｍ以下とすることで、ブローバイを低く抑えることができ、さらに安定して引っかかりを生じにくくすることができる。また、オフセットの量ｆを１μｍ以上とすることで第２摺動面ｎの極当りを防止し、局所的な摩耗を防止することができる。
　また、同様の観点から、第２摺動面ｎの摺動面（軸方向）全体に占める割合（全長の５～２５％）についても考慮する必要があり、例えば０．１～１．０ｍｍ程度となるように設計することが好ましく、０．２～０．５ｍｍ程度となるように設計することが特に好ましい。
　なお、当該第２摺動面ｎにあっては、前記の通り、ピストンリング母材２自体が露出して形成されていてもよく、当該摺動面に前述した窒化処理がなされていてもよい。
　次に本発明のピストンリングの製造方法について説明する。
　製造方法に関しては特に限定されることはなく、最終製品としてのピストンリング１が上記で説明した各特徴を有していればいかなる製造方法を用いてもよい。
　図２は、製造方法の一例を示す工程図である。
　図２（ａ）に示すように、第１摺動面ｍとなるべき硬質皮膜３を形成するための凹部２１が設けられたピストンリング母材２を用意する。ここで、凹部２１の深さＨは、最終製品たるピストンリング１における凹部２１の深さ（図１（ｃ）の符号ｈ）よりも深くしておく。言い換えれば、最終的に凹部２１に形成されるべき硬質皮膜３の膜厚よりも深くしておく。なお、この凹部２１の形成方法は切削、研削、研磨、さらには線材で予め形状を作り込む、などの公知の技術を適宜選択して採用すればよい。
　次に、図２（ｂ）に示すように、母材２の外周面全体に硬質皮膜３を形成する。形成する硬質皮膜３の膜厚は、最終製品たるピストンリング１において必要な膜厚とする。なお、硬質皮膜３の形成方法には、前述したように、各種ＰＶＤ法を用いればよい。
　次に、図２（ｃ）に示すように、母材２の下面側に形成された凸部分（図中の斜線の部分）を、母材２の凹部２１に形成された硬質皮膜３の表面に沿って研磨除去する。この際に研磨材として硬質粒子（例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ダイヤモンドなどの研磨材）を用い、外周面と平行に研磨することにより、硬質皮膜３に比べ軟らかいピストンリング２の方が、硬質皮膜３よりも若干多く研磨されることになる。
　その結果、図２（ｄ）に示すようにオフセットした位置に第２摺動面が完成され、本発明のピストンリング１を形成することができる。
　また、この状態で窒化処理を行うと、図２（ｅ）に示すように、ピストンリング母材２に窒化拡散層が形成される。
　図２に示す方法によれば、母材２の外周面全体に硬質皮膜３を形成した後、不要な部分を除去することで、最終的に所定部分（下面側のエッジ部分）に母材２を露出させることができるため、硬質皮膜３をＰＶＤ法で形成する場合であっても、マスクなどを用いる必要がなく、比較的簡便かつ安価に本発明のピストンリングを製造することができる。
　図３（ａ）および（ｂ）は、本発明のピストンリングの他の一例を示す断面図である。
　図３（ａ）に示すように、本願発明のピストンリングにおいては、その摺動面１０の形状をバレルフェース形状とすることも可能であり、図３（ｂ）に示すように、その摺動面１０の形状を偏心バレルフェース形状にすることも可能である。バレル形状とすることにより、油膜潤滑を行いながら外周面（摺動面）からのガス漏れを防止することができる。
　この場合においても、本来のバレルフェース形状を呈する第１摺動部ｍを延長した仮想線Ｓよりも、第２摺動面が内側へオフセットされていることにより、本発明のピストンリングとなる。
　なお、ピストンリングの外周面がバレルフェース形状や偏心バレルフェース形状の場合、外周面Ｚが曲面状となっているが、第１摺動面ｍと第２摺動面ｎの境界点に引いた接線を用いて、図１に示すαを求めることができる。
　本発明のピストンリングは、いわゆる圧力リングとして機能するトップリングはもとより、同じ圧力リングであるセカンドリングに用いることもでき、さらにはオイルリングにも本発明は適用可能である。
　図１や図２は、いわゆる圧力リングの例であり、この場合には、図示するように、ピストンリングの上面側に硬質皮膜３を形成して第１摺動面とし、下面側を第２摺動面ｎとすることが好ましい。圧力リングにおいては下面側のエッジ部分に硬質皮膜３を形成せずに母材２を露出させることによって欠けや剥離を防止できるからである。
　図４（ａ）および（ｂ）は、本発明のピストンリングをオイルリングに適用した場合の断面図である。
　コイルエキスパンダ（図示せず）とオイルリング本体１とからなる２ピースオイルリングにあっては、図４（ａ）に示すように、上下２つの摺動面ともに上面側に硬質皮膜３を形成して第１摺動面ｍとするとともに、下面側を第２摺動面ｎとすることができる。この場合、オイルをかき出す方向はオイルリング本体１の下方向となる。
　一方で、図４（ｂ）に示すように、上側の摺動面にあっては、上面側に硬質皮膜３を形成して第１摺動面ｍとするとともに、下面側を第２摺動面ｎとし、下側の摺動面にあっては、下面側に硬質皮膜３を形成して第１摺動面ｍとし、上面側を第２摺動面ｎとしてもよい。この場合、オイルをかき出す方向はオイルリング本体１の中央部となる。
　本発明のピストンリングを実施例を用いてさらに具体的に説明する。
　（実施例１～１２）
　前記図２を用いて説明した方法を用いて、図１に示すピストンリング（オイルリング）を製造した。
　ここで、母材（２）としては、ＪＩＳ規格で表されるＳＵＳ４４０Ｂを用いた。
　また、硬質皮膜（３）としては、イオンプレーティング法により形成したＣｒ－Ｂ－Ｎ（実施例１～６）、およびＣｒ－Ｎ（実施例７～１２）とした。
　製造したピストンリングの寸法は、直径：１１５ｍｍ、軸方向幅（ｈ１）：３．０ｍｍ、径方向幅（ａ１）３．９５ｍｍである。なお、ピストンリング外周摺動面の下部（エッジ部分）において露出している母材の長さ（ｎ）は０．２～０．５ｍｍであった。
　このような実施例１～１２において、母材（２）に形成された凹部（２１）を構成する第２の面（Ｙ）とピストンリング外周面（Ｚ）とのなす角（α）の値は、以下の表１に示す通りである。なお、この第２の面（Ｙ）とピストンリング外周面（Ｚ）とのなす角（α）は、ピストンリング軸方向断面が観察できるように切断し、断面を研磨して鏡面化し、１００倍の視野に拡大して確認した。また、これらの実施例にあっては、以下の表１に示すように、母材において硬質皮膜（３）が形成されていない部分を窒化処理したものとしていないものとがある。
　窒化処理については、ガス窒化法を用い１０～２０μｍの厚さの窒化拡散層を形成した。
　（比較例１～４）
　前記実施例と同じ要領で、母材（２）に形成された凹部（２１）を構成する第２の面（Ｙ）とピストンリング外周面（Ｚ）とのなす角（α）の値を３０°とし、第２摺動面のオフセット量ｆを０（ゼロ）とした比較例のピストンリングを製造した。具体的には表１の通りである。
　（従来例１～２）
　前記実施例と同じ要領で、母材（２）の外周面全体に硬質皮膜（３）が形成されている従来例を製造した。具体的には表１の通りである。
　＜剥離試験＞
　図５に示す捻り剥離試験機４０を用いてツイスト試験を行った。
　ツイスト試験においては、ピストンリング１の合口５の相対向する合口端部を掴持具４１ａ、４１ｂで掴持し、掴持具４１ａを固定しておいて掴持具４１ｂをピストンリング１の直径方向で合口の反対側６を軸として一点鎖線で示されるように回転させてピストンリング１を所定のねじり角度にてねじる。ねじり角度は９０°とした。ねじり後に、このピストンリング１の合口反対側６を切断し、切断面（破面）における皮膜層のリング母材からの剥離の有無を目視で観察した。観察した結果、亀裂又は剥離が全く無かった場合を○とし、亀裂又は剥離が軽微でも確認できた場合を×とした。剥離試験を行ったのは、実施例１、４、５、７、１０、１１、比較例１～４、および従来例１である。
　その結果を以下の表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　＜実機試験＞
　排気量：８０００ｃｃ、ボア径：φ１１５ｍｍの直列６気筒ディーゼルエンジンにてオイル消費量及びブローバイガス量の測定を行った。また、第１圧力リングの下面の摩耗を実機運転前後のプロフィールより摩耗量を測定した。
　この際のピストンリングの組合せは、第１圧力リングは、Ｃ：０．９（質量）％、Ｓｉ：０．４％、Ｍｎ：０．３％、Ｃｒ：１７．５％、Ｍｏ：１．１％、Ｖ：０．１％、Ｐ：０．０１％、Ｓ：０．０１％（ＪＩＳ規格に表されるＳＵＳ４４０Ｂ材相当）からなる、リング軸方向幅（ｈ１）：３．０ｍｍ、リング径方向幅（ａ１）：３．９５ｍｍのもので、実施例３、実施例４、従来例１の仕様とし、第２圧力リングは、１０Ｃｒ鋼材相当からなる、リング軸方向幅（ｈ１）：２．５ｍｍ、リング径方向幅（ａ１）：４．３ｍｍのものである。オイルリングはＪＩＳ規格に表されるＳＵＳ４１０ＪＩ材相当からなる、リング軸方向幅（ｈ１）：４．０ｍｍ、リング径方向幅（ａ１）：オイルリング単体で２．３５ｍｍ、コイルエキスパンダとの組み合わせで４．３５ｍｍのものである。
　実機試験は、第２圧力リング及びオイルリングの仕様は一定とし、第１圧力リングのみを変化させて行った。第１圧力リングは外周摺動面をバレルフェース形状とし、第２圧力リングは外周摺動面をテーパー形状とした。
　具体的な試験方法としては、ＷＯＴ（全負荷）によりエンジン回転数２２００ｒｐｍにて、従来例１の圧力リングを用いたブローバイガス量、オイル消費量の数値を１とし、従来例２、実施例２、３、５、６の圧力リングを用いた試験結果を指数として求めた。また、摩耗量については、従来例１の圧力リングを用いたリング下面の摩耗量の数値を１とし、実施例３、５、６の圧力リングを用いた試験結果を指数として求めた。さらその結果を図６に示す。
　表１や図６からも分かるように、本発明のピストンリングによれば、従来よりも耐剥離性、耐摩耗性、ガスシール性、およびオイルかき性をともに向上せしめることができる。
　１…ピストンリング
　２…母材
　３…硬質皮膜
　４…窒化拡散層
　５…合口
　１０…摺動面
　２１…凹部
　ｍ…第１摺動面
　ｎ…第２摺動面
　Ｓ…仮想線

Claims (5)

  1. 　外周に摺動面を有するピストンリングであって、
    　前記ピストンリングの径方向に垂直な断面において、
    　前記摺動面は、一端から所定の領域を占める第１摺動面と、前記第１摺動面の端部から他端までの領域を占める第２摺動面とからなり、
    　前記第１摺動面は硬質皮膜によって形成されており、
    　前記第２摺動面は硬質皮膜によって形成されておらず、
    　前記第２摺動面は、前記第１摺動面を他端方向へ延長した仮想線よりも内側へオフセットした位置に存在する
    　ことを特徴とするピストンリング。
  2. 　前記第１摺動面は、ピストンリングの母材に凹部を形成し、当該凹部に硬質皮膜を設けることによって形成されており、
    　ピストンリングの径方向に垂直な断面において、
    　前記凹部は、母材の上下面のいずれか一方から他方に向かって、ピストンリング外周面に平行に延びる第１の面と、前記第１の面の一端からピストンリング外周面に向かって延びる第２の面と、から構成されており、
    　前記凹部を形成する第２の面とピストンリング外周面とは１０～３０°の角度をもって接している
    　ことを特徴とする請求項１に記載のピストンリング。
  3. 　前記第１摺動面を形成する硬質皮膜が、ＰＶＤ法により形成されたＣｒ－Ｎ系、またはＣｒ－Ｂ－Ｎ系の皮膜であ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. 　前記第２摺動面は、ピストンリングの母材により形成されていることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載のピストンリング。
  5. 　外周の形状が、バレルフェース形状または偏心バレルフェース形状であることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載のピストンリング。
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