(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
舶用ディゼルエンジン用の鋳鉄製のピストンリングであって、１６〜２０ｍｍのリング幅を有し、ピストンリングの中心を通りピストンリングの軸心と直交する直線上に中心を有する１０００〜２５００ｍｍの曲率半径の円弧をピストンリングの軸心を中心に回転させたときに形成される曲面が摺動面になっているバレルフェースピストンリングの、摺動面の中央部をピストンリングのリング幅方向にリング幅の６０〜８０％幅を有する円筒面とし、上記摺動面はレーザ熱処理が施されていることを特徴とするピストンリング。
【請求項２】
レーザ合金化粉末を塗布した後レーザ熱処理を施すようにした請求項１記載のピストンリング。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はディーゼルエンジン等の往復動内燃機関に使用するピストンリングに係り、特にピストンリングとシリンダライナの摩耗を軽減するようなピストンリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジン等の往復動内機関のピストン上部側面には、エンジン燃焼室内の気密を保ちガス漏れを防ぐためにピストンリングが使用されている。舶用ディーゼルエンジンのピストンリングの摺動面の形状は従来ストレートな円筒面のものもあるが、潤滑油膜を掻き落す作用が大きいので、バレルフェースのものを使用することが多い。バレルフェースピストンリングの摺動面は図２に示すような形状をしている。
【０００３】
図に示すようにバレルフェースのピストンリングｂはリング巾Ｂを有する円環状をしており周方向１個所に図示しないスリットが入っている。なお舶用ディーゼルエンジンのピストンリングは通常１６〜２０ｍｍのリング巾を有している。ピストンリングｂの摺動面ｂ1 はピストンリングｂの中心Ｃ3 を通りピストンリングｂの軸心Ｃ1 と直交する直線Ｓ上にある中心Ｃ2 を中心とする曲率半径Ｒの円弧を、ピストンリングｂの軸心Ｃ1 を中心として回転させたときに形成される曲面（バレルフェース）となっている。尚舶用ディーゼルエンジンの円弧の曲率半径Ｒは通常１０００〜２５００ｍｍである。
【０００４】
ピストンリングｂは図３に示すようにピストンａの上部側面に形成されるピストンリング溝ａ1 内に嵌め込まれており、シリンダライナｄと摺接する。ピストンリングの摺動面ｂ1 とシリンダライナｄの表面との間には油膜が形成される。
【０００５】
油膜は図４に示すくさび膜効果と図５に示すスクイーズ効果により厚さｔが決まる。尚油膜の厚さは厚いほど潤滑性がよいといわれる。くさび膜効果とは図４に示すようにピストンリングがＶの速度で運動するとき前方の油がくさび作用により押し込まれることにより発生するもので、速度が大きいほど大きい。
【０００６】
一方スクイーズ効果とは図５に示すようにピストンリングｂの摺動面とシリンダライナｄの内面との２つの面を互いに接近させるように押圧力Ｆで押し付けたとき２つの面の間にある潤滑油が絞り出されるときに発生する反力の効果である。
【０００７】
また舶用ディーゼルエンジンのピストンリングｂの材質は通常特殊鋳鉄を使用しており焼入れなどの熱処理を施していない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べた従来のピストンリングはバレルフェースの摺動面を有し、特殊鋳鉄製であるが以下に述べる問題がある。即ちバレルフェースのピストンリングはくさび膜効果は優れているものの、ピストンリングｂをシリンダライナｄに押し付けたときリング巾Ｂ方向に潤滑油が逃げやすいのでスクイーズ効果が小さい。特に最も厳しい条件となるピストンの上死点近傍では次の理由で油膜の厚さが極端に薄くなり潤滑性が損なわれ寿命が短くなる。
【０００９】
（１）上死点ではピストンの速度Ｖは０になりその近傍では速度が遅くなるのでくさび膜効果が期待できない。
（２）上死点近傍で爆発燃焼が行われるので燃焼室内の温度が高く潤滑油の粘性が低下する。
（３）上死点近傍では燃焼室内の圧力Ｐが最も高いがこの圧力はピストンリング溝ａ1 とピストンリングｂとの隙間を通って、ピストンリングｂの背面に作用するのでピストンリングｂはシリンダライナｄに最も強く押し付けられる。
【００１０】
またピストンリングは特殊鋳鉄を使用しているが焼入れなどの熱処理を施していないで十分な硬度が得られず摩耗しやすいし、また値段も高い。
【００１１】
本発明は上記問題点に鑑み案出されたもので、ピストンの上死点付近でも十分な油膜厚さが得られて潤滑性に優れ、かつ十分硬度を有して寿命の長いピストンリングを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明のピストンリングはピストンリングの中心を通りピストンリングの軸心と直交する直線上に中心を有する所要の曲率半径の円弧をピストンリングの軸心を中心に回転させたときに形成される曲面が摺動面となっているバレルフェースピストンリングの、摺動面の中央部をピストンリングのリング巾方向に所要の巾を有する円筒面にした鋳鉄製のピストンリングであって、上記摺動面はレーザ熱処理が施されていることを特徴とする。またレーザ合金化粉末を塗布した後レーザ熱処理を施すようにしてもよい。さらに円筒面の巾はピストンリング巾の６０〜８０％にするのがよい。
【００１３】
【作用】
バレルフェース摺動面の中央部をピストンリングのリング巾（厚さ）方向に所要の巾を有する円筒面に加工してあり、円筒面の両側はバレルフェースが残っているので、ピストンが動いているときにはくさび膜効果により十分な厚さの油膜が得られると共に、上死点や下死点で、ピストンが止まったときにもピストンリングの円筒面の表面とライナの円筒面の内面との間の隙間に存在する潤滑油が逃げにくいので、十分な厚さの油膜が得られる。またレーザ熱処理は表面からわずかの厚さのみ焼入れができるので、ピストンリング全体を焼入れする場合に比べて歪みが出にくく、かつ十分な表面硬さが得られ、ピストンリングの寿命が延びる。またピストンリングの材質として特殊鋳鉄製でなく通常のねずみ鋳鉄（ＦＣ２５等）を使用できるのでコストを安くできる。さらにグラファイト（Ｃ）粉末、クロームカーバイト（Ｃｒ3 Ｃ2 ）粉末またはクロームカーバイト（Ｃｒ3 Ｃ2 ）とモリブデン（Ｍｏ）の混合粉末などのレーザ合金化粉末を塗布した後レーザ熱処理を施すことにより表面硬度、耐食性、潤滑性能がさらに向上する。
【００１４】
【実施例】
以下本発明の１実施例について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明のピストンリングの正面断面図である。尚従来のバレルフェースのピストンリングと共通する部分については同一の符号を用い重複した説明は省略する。
【００１５】
図中１は本発明のピストンリング、２は摺動面である。摺動面２の形状は従来のバレルフェース２ａの中央部分をストレート即ち円筒面２ｂになるように切削加工したもので、ストレート部分の巾Ｃはピストンリング巾Ｂの６０〜８０％にするのがよい。また舶用ディーゼルエンジンの場合曲率半径Ｒは１０００〜２５００ｍｍ、ピストンリング巾Ｂは１６〜２０ｍｍのものが多い。従ってリング巾Ｂが２０ｍｍの場合巾Ｃは１２〜１６ｍｍ程度とする。
【００１６】
ピストンリング１の材質は通常のねずみ鋳鉄例えばＦＣ２５でよい。本発明では上記機械加工した摺動面にレーザ熱処理を施す。母材の硬さが３５０Ｈｖ程度であったものがレーザ熱処理により表面硬さが７５０Ｈｖ程度に上昇する。さらにレーザ熱処理前にグラファイト（Ｃ）、クロームカーバイト（Ｃｒ3 Ｃ2 ）、またはクロームカーバイトとモリブデン（Ｍｏ）粉末を塗布したあとレーザ熱処理することにより表面硬度は８００〜９００Ｈｖ程度まで向上する。レーザ熱処理による高い硬度に起因して表面に割れが発生することが考えられるが２５０°Ｃ程度に予熱した状態でレーザ熱処理を行うことでこのような割れを防ぐことができる。
【００１７】
以下本発明の実施例の作用につき実験結果等を交えて詳述する。図６は本発明のピストンリングと従来のバレルフェースピストンリングをディーゼルエンジンに使用した場合の推定油膜厚さをクランク角度との関係で示したものであり、コンピュータ解析の結果を示している。クランク角度は０°が上死点、１８０°が下死点である。
【００１８】
図中点線で示す曲線Ｘは従来のバレルフェースピストンリングの油膜厚さ、実線で示す曲線Ｙは本発明のピストンリングの油膜厚さをそれぞれ表している。図から明らかなようにクランク角度０°即ち上死点近傍で油膜厚さが著しく改善されている。
【００１９】
次にレーザ熱処理について説明する。レーザはＹＡＧレーザを用い、試験片はねずみ鋳鉄（ＦＣ２５）を使用した。レーザのパワーは４５０Ｗ、レーザ照射速度は０．２ｍ／ｍｉｎであって試験片全体を約２５０°Ｃに加熱した状態でレーザ熱処理を行い、終了後室温まで徐冷した。熱処理後表面荒さ０．８Ｓ（最大０．８ミクロン）になるよう機械加工した。レーザ熱処理前に塗布するレーザ合金化粉末はグラファイト（Ｃ）、クロームカーバイト（Ｃｒ3 Ｃ2 ）、クロームカーバイト（Ｃｒ3 Ｃ2 ）とモリブデン（Ｍｏ）を半々づつ混合したものの３種類につきテストした。
【００２０】
その結果母材の硬度が３５０Ｈｖであるのに対し何も塗布せずにレーザ熱処理を行ったもの、グラファイトを塗布したもの、クロームカーバイトを塗布したもの、クロームカーバイトとモリブデンを半々づつ混合したものを塗布したものはそれぞれ７５０Ｈｖ、８５０Ｈｖ、９００Ｈｖ、８００Ｈｖであった。
【００２１】
また割れの発生は認められず、引張試験結果は母材と変わらなかった。またレーザ合金化粉末を塗布したものの耐食性は著しく改善された。尚本発明は上記実施例に限定されず、特許請求の範囲内で種々の変更が可能である。
【００２２】
【発明の効果】
以上述べたように本発明のピストンリングはバレルフェースピストンリングの摺動面のリング巾の方向の中央部を所要の巾を有する円筒面にしたので、最も苛酷な条件となるピストンの上死点においても十分な厚さの油膜を確保することができると共に、摺動面をレーザ熱処理またはレーザ合金化粉末を塗布後レーザ熱処理するようにしたので、表面硬度が大となり耐摩耗性の優れたピストンリングが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のピストンリングの正面断面図である。
【図２】従来のバレルフェースピストンリング正面断面図である。
【図３】ピストン、ピストンリング、シリンダライナの関係を示す断面図である。
【図４】くさび膜効果の説明図である。
【図５】スクイーズ効果の説明図である。
【図６】クランク角度と油膜厚さの関係を示すコンピュータ計算結果のグラフである。
【符号の説明】
１  ピストンリング
２  摺動面
２ａ  バレルフェース面
２ｂ  円筒面
Ｃ1   ピストンリングの軸心
Ｃ2   円弧の中心
Ｃ3   ピストンリングの中心
Ｒ  曲率半径
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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