(57)【要約】【課題】  従来の溶射ピストンリングではインレイド溶射法（図４~６）を取らずに溶射することが出来ても、溶射膜の表面粗さが悪かった。また、面取り部を研磨することは、サーメット溶射皮膜等では行うことが出来ず、結局、インレイド溶射法に頼らざるをえなかった。【解決手段】  ピストンリング本体外周面の軸方向の少なくとも一方の端部に、径方向深さが0.05mm以上、軸方向幅が0.3mm以下である面取り部４を形成した溶射ピストンリングであって、外周面に形成されたサーメット溶射皮膜が主として粒子径10μm以下の粒子より構成され、厚さが0.03〜0.2mmであるピストンリング。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンリング本体外周面の軸方向の少なくとも一方の端部に、径方向深さが0.05mm以上、軸方向幅が0.3mm以下である面取り部を形成した溶射ピストンリングであって、外周面に形成されたサーメット溶射皮膜が主として粒子径10μm以下の粒子より構成され、厚さが0.03〜0.2mmであることを特徴とするピストンリング。
【請求項２】
前記面取り部のピストンリング側面との角度（θ）が30°〜60°であることを特徴とする請求項1記載のピストンリング。
【請求項３】
前記サーメット溶射皮膜が炭化タングステンとコバルト又は炭化タングステンとコバルト−クロム合金を主成分とすることを特徴とする請求項1又は2記載のピストンリング。
【請求項４】
前記サーメット溶射皮膜が炭化クロムとニッケル−クロム合金又は炭化クロムとコバルト−クロム合金を主成分とすることを特徴とする請求項1又は2記載のピストンリング。
【請求項５】
ピストンリング本体（1）外周面の軸方向の少なくとも一方の端部（3）に、径方向深さ0.05mm以上、軸方向幅が0.3mm以下の面取り部を形成する第一工程、外周面全体に溶射皮膜が粒子径10μm以下の粒子を主成分とするサーメット溶射皮膜を、前記面取り部径方向深さ以下の厚さで、形成する第二工程、該溶射皮膜の外周面をラッピング研磨する第三工程からなることを特徴とする請求項1から4までの何れか1項記載のピストンリングの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関用ピストンリングにおいて、外周摺動面に溶射皮膜を有するピストンリング及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンや有鉛ガソリンエンジンなどに使用されるピストンリングには、耐摩耗性、耐焼付性に優れた溶射皮膜が施されている。溶射皮膜は、その溶射層がMo、Ni、 Crなどの金属や、Cr3C2、TiCなどの硬質セラミック粒子を複合又は混合して溶射することにより、種々の性質を付与することが可能である。
【０００３】
以下の説明で使用されるピストンリング各部の名称を図1（面取り部なし）及び図2（面取り部あり）に示す。
【０００４】
今日、ピストンリングの溶射皮膜の形成には、溶射皮膜の密着性から高速フレーム溶射法（以後HVOF法又はHVAF法で以後HVOF法と記す）が使われることが多くなってきている。
HVOF溶射法に使用される溶射材粉末の粒子径は一般的に15〜45μmであり、この溶射材粉末を用いて形成された溶射皮膜の表面皮膜粗さはRmax約50μmにもなる。溶射皮膜組成がサーメット或いはセラミックスである場合には皮膜中の硬質粒子が相手材であるライナーを摩耗させるため、このような粗さの皮膜のままでは用いることが出来ず、溶射皮膜を砥石研磨によりある程度の粗さに仕上げた後砥粒によるラッピング研磨を行い表面粗さを少なくとも1Rz以下に仕上げることになる。
【０００５】
ピストンリングの外周表面処理において生産性の向上のために、通常、ピストンリングを図3に示すように円筒状にスタックし、その後外周面に表面処理を施している。
しかし、外周表面処理のうち「めっき」、「イオンプレーティング」、「溶射」等でピストンリング外周表面に「皮膜」を形成する処理では、形成する皮膜の厚さが厚くなると、所謂「渡り」が発生し、リングが個々に解体できなくなる。当然ながら、ピストンリング外周エッジには「渡り」防止用の面取りを施すのではあるが、それにも限界があり、施工膜厚さが厚くなると必ず「渡り」が発生する。
【０００６】
図4〜６は、溶射ピストンリングの製造に通常使用されるインレイド溶射方法を図解している。即ち、インレイド溶射法はピストンリングの本体外周面に溝状凹部を形成したピストンリングの合口を閉じ真円状にした状態で多数のピストンリングをスタックし両側面から固定し円筒状にする。該スタックされ円筒状になったピストンリング外周面に溶射層を形成すると、ピストンリングは側面で密着しているので溶射皮膜形成で完全に「渡り」が発生し一体の円筒状体となる。この円筒外周面をピストンリング外周エッジの母材がでるまで砥石により研磨（外周円筒研磨）すると、溶射膜はピストンリング外周面の溝部のみに残ることになるので、ピストンリングは個々に解体できるようになる。
解体されたピストンリングはその後、砥石による外周面をバレルフェイス（BF）状に加工するBF研磨や砥粒による外周BFラッピング加工等の種々の加工を施し完成される。溶射ピストンリングの多くはこのインレイド溶射方法と呼ばれる方法で製造される。
【０００７】
このインレイド溶射方法では、円筒状にスタックしたピストンリングの外周円筒研磨時の芯ぶれやRmax約50μmもある皮膜の粗さをなくすためには、表面より約100μmぐらい研磨する必要がある。又、外周面をバレルフェイス形状に加工する外周BF研磨でも約50μmの取り代が必要であり、更に砥粒による外周ラッピング加工での取り代も約20μmが必要である。従って、施工溶射膜厚は「皮膜性能から必要とされる膜厚」+約170μmにもなる。このように溶射皮膜を厚く溶射したのち、外周溶射面を研磨し、ピストンリング外周面軸方向にある外周エッジの下地母材を露出させることによりピストンリングを個々に解体するものであるから、溶射材を多く使うこと、研磨に多大な工数を使うこと等の理由で、「めっき」等の他の表面処理リングに比べ高いものとなっていた。
【０００８】
ピストンリングの外周摺動面全面に溶射皮膜を形成する手段として、特許文献1，特開平１１−３７２９２号（溶射ピストンリングの製造方法）のようにピストンリング間にピストンリング外径より大きい外径を有する薄い金属板を入れる方法が提案されているが、ピストンリングと薄い金属板を交互に積み重ね、筒状体とするためには、あらかじめ、個々のピストンリングの合口をピストンリングの呼称径まで閉じ、固定しなければならず、生産性が悪化し高コストになるという問題がある。
【０００９】
このような問題に対し、特許文献2，特開昭55-134166号「溶射ピストンリングの製造方法」は、ピストンリング外周面の少なくとも一方のエッジに、0.1〜0.3Cの面取り加工を施したピストンリングを面取り方向が同一方向となるように円筒状にスタックし、一方の面取り部に溶射粒子が付着しないような角度に溶射ガンを傾けて溶射することを特徴とするものである。このようにすることでスタックしたピストンリングとピストンリング間に溶射渡りが発生することはなく溶射膜の形成が可能であり、溶射材や研磨工数等を減らすことが出来るので製造コストを従来に比べ大幅に下げることが出来るとしている。
【００１０】
ピストンリングの面取り部の大きさ特にピストンリングの径方向の大きさ（深さ）と溶射渡り性には関連があり、向かい合うピストンリング外周面端部間に溶射膜以上の段差さが必要である。従って、溶射膜厚が厚い場合には溶射膜厚さ以上の段差が必要となるが、一方、ピストンリングのエッジ部の深さのみを大きくすると、そのピストンリングの面取部のテーパ面には溶射皮膜が付着しなくなる。溶射皮膜の剥離の観点では、溶射皮膜が一部面取り部にかかったほうが好ましい。従って、面取り角度θ（ピストンリング側面に対して）は30°〜60°が適当であるが、面取り深さは0.2mmの場合にはピストンリング軸方向の面取り幅は大きいもので〜0.35mmとなるのでピストンリング外周摺動面幅はそれだけ狭くなり、軸方向幅の薄いピストンリングではピストンリングの析損等の問題を引き起こす可能性が高い。
【特許文献１】特開平特開平１１−３７２９２号
【特許文献２】特開昭55-134166号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献2の溶射方法で製造する場合には、下記の問題点があることが判明した。
ピストンリング面取り部は溶射面のままの状態では表面粗さは粗い。従って、外周摺動面を砥石研磨やラッピング研磨を行ったときに、境界部となる稜線の凹凸が激しくなる。その結果、ピストンリングをシリンダに挿入するときや使用中に溶射粒子の脱落や溶射膜のカケを生じやすくなり、相手材を摩耗させることが解かってきた。また、この面取り部に研磨加工を施し上記問題点を解決することは、溶射膜としてサーメット皮膜等の硬質皮膜を用いる場合には、皮膜の研磨時にチッピング（皮膜欠け）が発生する。
【００１２】
このように、従来の溶射ピストンリングでは溶射膜の表面粗さが悪いため、インレイド溶射法を取らずに溶射することが出来ても、ピストンリングとして使用することが出来なかった。また、面取り部を研磨することは、サーメット溶射皮膜等では行うことが出来ず、結局、インレイド溶射法に頼らざるをえなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その第一の発明は、ピストンリング本体外周面の軸方向の少なくとも一方の外周エッジに、径方向深さ0.05mm以上で軸方向幅が0.3mm以下の面取り部が形成されており、該外周面にはサーメット溶射皮膜が形成された溶射ピストンリングであって、該溶射皮膜が主として粉末粒子径約10μm以下のサーメット粉末から構成され、溶射膜厚が0.03〜0.20mmであることを特徴とするピストンリングであり、その第二の発明は、面取り部のピストンリング側面との角度（θ）が30°〜60°であることを特徴とするものであり、その第三、第四の発明は溶射皮膜が炭化タングステンや炭化クロム等の炭化物を硬質相とするサーメット皮膜であることを特徴とするものであり、その第五の発明は請求項1〜4のピストンリングの製造方法であって、ピストンリング本体（1）外周面の軸方向の少なくとも一方の端部（3）に、径方向深さ0.05mm以上、軸方向幅が0.3mm以下での面取りを形成する第一工程、外周面全体に溶射皮膜が粒子径10μm以下の粒子を主成分とするサーメット溶射皮膜を、前記面取り部の径方向深さ以下の厚さで、形成する第二工程、該溶射皮膜の外周面をラッピング研磨する第三工程からなることを特徴とする請求項1〜4項記載のピストンリングの製造方法である。
【００１４】
本発明は、ピストンリング外周に溝を形成し、溶射するインレイド溶射方法に比べ、ピストンリングを分離するための筒状体外径を研磨する工程が不要となり、溶射後の研削取代は溶射面の粗さを除去するだけでよく、研削加工工数を大幅に削減できる。また、溶射時の皮膜厚さも薄くすることが出来、溶射材料使用量の節減が可能となるため、耐摩耗性、耐焼付性に優れた溶射皮膜をピストンリング外周摺動面全面に形成した低コストの溶射ピストンリングを製造することが可能となる。
【００１５】
作用
本発明では、溶射粉末に約10μm以下（造粒粉の場合は2次粒径）の微粉末粒子を用いることを特徴とする。
溶射皮膜の表面粗さは溶射粉末の粒径に大きく依存し、溶射原料粉に微粉末を用い溶射膜を形成すれば溶射皮膜の表面粗さを細かくすることが出来る。即ち、現在HVOF法やHVAF法で用いられる溶射粉末の粒径は約10μm〜50μmであり、溶射面粗さはRmax50μm以上にもなる。しかし、本発明のように粒子径10μm以下の溶射粉末を用いれば溶射面粗さをRmax10μm以下にすることが出来る。このことは、ピストンリング面取り部の溶射皮膜の表面粗さも細かくなることを意味し、研磨加工した外周面と面取り部の境界となる稜線の凹凸は少なくなり、ピストンリングのシリンダへの挿入時に皮膜の引っかかりを少なく出来、皮膜のカケをなくすことが出来る。また、摺動時での皮膜欠けも防止できることになる。
【００１６】
又、本発明のピストンリングにおいては、面取り角度θが小さいと面取り部に溶射膜が付着しなくなる不具合が発生するうえ、面取り角度θが大きくなると面取りの軸方向幅が大きくなるため、ピストンリング外周摺動面当たり幅が小さくなる不具合が発生する。このことから、ピストンリング側面に対し30°〜60°の面取り角度が好ましい。
【００１７】
上記角度範囲内において、ピストンリング本体外周面の上下方向の少なくとも一方の端部には径方向深さ0.05mm以上、軸方向幅が0.3mm以下でピストンリング側面に対し30°〜60°の面取り４が形成されている（図７参照）。面取り部の径方向深さがこれ以下であると溶射渡りが発生する。本発明の微粉溶射皮膜の表面粗さはRmax約10μmになるので、この粗さを1Rz以下とするためには10μm以上の研磨が必要となる。また、溶射膜３（図８）がその摺動性能を発揮するためには少なくとも30μmの膜厚さが必要であり、溶射膜厚の施工バラツキや加工による研磨代バラツキを考えると施工溶射膜厚は50μm必要であり、従って、溶射渡りを防ぐには最低でもピストンリング面取り部の径方向深さは0.05mm以上必要となる。また、面取り部の径方向の深さは施工溶射膜厚の厚さ以上である。
【００１８】
軸方向面取り幅はピストンリングの摺動当たり幅に関係する。当たり幅が小さすぎることは本発明のピストンリングが圧力ピストンリングとして使われることから機能上好ましいことではなく、従って、本発明においては0.3mm以下に限定した。
【００１９】
本発明において、溶射は、ピストンリングを回転し、ピストンリング外周面から所定距離離れた溶射ガン5を所定の速度でピストンリング軸に平行に往復移動させ、ピストンリング外周面に所定膜厚の溶射皮膜が形成されるまで行う。溶射の方向は、図９に示すようにピストンリング軸に垂直な方向でも又は傾けてもよい。
【００２０】
本発明のピストンリング外周面に形成されるサーメットの溶射皮膜は請求項２，３のものであることが好ましい。この溶射皮膜は粉末粒子径10μm以下の粉末を主成分とする微粉溶射皮膜である。溶射皮膜の表面粗さが細かくなると、砥石による研磨加工を省略し、直接研磨砥粒を用いたラッピング加工が出来るようになるので、施工溶射膜厚を薄く出来、且つ、研磨による皮膜のカケを防止できる効果も生まれ、溶射工程の生産性を大幅に向上させることが出来る。また、当然ながら、溶射材の使用量も大幅に減少することが出来る。更に、硬質相としてWCやCrC等の炭化物を硬質相としたサーメット皮膜は、砥石研磨加工では皮膜の欠けが発生しやすいが、本発明の溶射皮膜では、砥石による研磨を廃止できるので、この問題を回避できることが可能である。以下、実施例に基づき詳述する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
実施例1
外径が122mm、高さが3mmのピストンリングの軸方向一方の側面に径方向深さ0.15mm、軸方向幅0.2mm、角度（θ）53°の面取りを行ったマルテンサイト系ステンレス鋼製ピストンリングを50本重ね合わせ、両側面から外径121.5mm厚さ10mmの締め板を用いて固定して径約122mm長さ170mmの筒状体とした。次に母材と溶射層の密着性をよくするため、通常行なわれるアルミナ＃60でのグリットブラストを施して、その筒状体の外周面を粗面化した。
【００２２】
こののち、耐摩耗性、耐焼付き性に優れているCr-C/25NiCrの粒子径10μm以下の造粒焼結サーメット微粉末をHVOF溶射し溶射膜を形成した（図９）。溶射ガン５はθガン（ウイティコ社製）を用い、ピストンリング外周面の垂直方向から約30°傾け、該面取り面に垂直となるようにして溶射層を形成した。膜厚さは0.07mmで表面粗さ11.2Rmaxの溶射膜を得ることが出来た。
【００２３】
溶射後、このピストンリングの両側面の締め板を取り外すことによりピストンリングは個々に解体できた。その後、カーボランダム砥粒＃2000を用いたラッピング研磨を行ない、製品膜厚約0.05mm、表面溶射膜粗さ0.35Rzのピストンリングを得ることが出来た。面取り部の溶射皮膜の表面粗さは約12.0Rmaxであり、外周摺動面と稜線の凹凸は少なく、ラッピング研磨加工用のシリンダへの挿入時も加工時に皮膜のカケが生じることなく加工することが出来た。
【００２４】
比較例１
面取り角度（θ）を8°に変更した他は実施例１と同じピストンリングにつき同じ溶射及び加工を行ったところ、面取り部に付着しない溶射粒子が溝底部に溜まり、「渡り」が生じた。
【００２５】
比較例２
径方向深さを0.03ｍｍ、軸方向幅0.03mm、面取り角度45°に変更した他は実施例１と同じピストンリングにつき同じ溶射及び加工を行ったところ、面取り部に付着しない溶射粒子が溝底部に溜まり、「渡り」が生じた。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
ピストンリング本体外周面の軸方向の少なくとも一方の端部に、径方向深さが0.05mm以上、軸方向幅が0.3mm以下である面取り部を形成し、その面取り部が同一方向となるように円筒状にスタックし、外周面に粒子径10μm以下の粒子より構成され、厚さが0.03〜0.2mmとなる皮膜を溶射することによって、筒状体が一体化することなく、個々のピストンリングに分離することが可能となる。また、上記面取り部の溶射皮膜の表面粗さも細かいため、ピストンリングのシリンダへの挿入時、摺動時の皮膜欠けを防止でき、耐摩耗性、耐焼付性に優れた溶射皮膜を有するピストンリングの製造が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】面取り部がないピストンリングの各部の名称を説明する図である。
【図２】面取り部があるピストンリングの各部の名称を説明する図である。
【図３】複数のピストンリングを積み重ねた筒状体の外観図である。
【図４】ピストンリングの外周面に従来法により溝加工を行なったピストンリングを筒状体としたときの  断面図である。
【図５】図４の筒状体に溶射を施工した時の断面図である。
【図６】図６の筒状体の外形を研削加工した時の断面図である。
【図７】本発明により、ピストンリングの外周一端に面取を施し、積み重ねて筒状体としたときの断面図である。
【図８】図７の筒状体に溶射を施工したときの断面図である。
【図９】実施例における溶射の状況を説明するための概要図である。
【符号の説明】
【００２８】
１…ピストンリング
２…筒状体
３…溶射皮膜
４…面取
５…溶射ガン
【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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【図７】
2006152981.tif 000009
【図８】
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【図９】
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