(57)【要約】【課題】  ピストンリング外周摺動面全面に均一な厚さの溶射皮膜を有し、溶射渡りを起さずに製造することができ、さらに、ピストンリング外周に溝加工することなく、溶射渡りを起さずに、低コストでピストンリング外周摺動面全面に溶射皮膜を形成する。【解決手段】  ピストンリング本体の外周表面に金属、セラミックス又はこれらの複合体である溶射皮膜を有するピストンリング本体の少なくとも外周の一端に面取部４を設け、溶射皮膜３はピストンリング軸に垂直な方向から面取部４の深さ以下の厚さだけ溶射され、溶射皮膜の表面が溶射を施したままの状態又は研磨加工を施した状態とする。【選択図】  図１０
2006152980.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンリング本体の外周表面に金属、セラミックス又はこれらの複合体である溶射皮膜を有するピストンリングにおいて、該ピストンリング本体の少なくとも外周の一端に面取部を設け、該溶射皮膜は該ピストンリング軸に垂直な方向から該面取部の深さ以下の厚さだけ溶射され、該溶射皮膜の表面が溶射を施したままの状態又は研磨加工を施した状態である溶射ピストンリング。
【請求項２】
前記溶射ピストンリングの面取部深さと溶射皮膜厚さの合計が１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の溶射ピストンリング。
【請求項３】
前記溶射ピストンリングのピストンリング軸に垂直な方向と面取部との角度が10°〜45°であることを特徴とする請求項１又は２記載の溶射ピストンリング。
【請求項４】
ピストンリングの外周の一端に面取加工を施し、面取部が同一方向になるように該ピストンリングを複数個重ね合わせて筒状体とし、該筒状体の外周表面に金属、セラミック又はその複合粉末を溶射する、溶射皮膜を有するピストンリングを製造する方法において、該溶射皮膜が、該ピストンリング軸に垂直な方向から該面取部の深さ以下の厚さだけ溶射することを特徴とする溶射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及びその製造方法に係り、詳しくはトップリングもしくはセカンドリングの外周摺動面に溶射皮膜を形成したピストンリング及びその製造方法に属するものである。
【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では、耐摩耗性、耐焼付性に優れた溶射ピストンリングが使用されている。溶射ピストンリングはその溶射層がMo, Ni, Cr, Coなどの金属や、Cr3C2, TiC, WCなどのセラミックス粒子を複合また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。そのため、内燃機関の高出力、高速化に伴う苛酷な運転条件にも耐え、且つ、長時間の使用にも耐えられるピストンリングとして、溶射ピストンリングの要求が高まってきている。
しかし、溶射ピストンリングを製造するには、多くの工程が必要であり、コスト高の一因となっている。
【０００３】
以下の説明で使用するピストンリング各部の名称を図1（テーパ面取なし）及び図2（テーパ面取あり）に示す。
【０００４】
特許文献１（特開昭55−134166号公報）の第4図に具体的に示された方法では、溶射ピストンリングは図3に示すように、複数個のピストンリング１を重ねて筒状体2とし、この筒状体2の外周面に溶射する方法が採られるが、溶射皮膜の付着により筒状体が一体化し分離することができなくなるため、図4に示すように、ピストンリング外周中央部に溝を設けたピストンリング１を重ね筒状体として、溝部に溶射皮膜3が充填されるまで溶射し（図5）、その後図6に示すようにピストンリング表面の一部が表われるまで研削加工をすることで、筒状に固着したピストンリング1を個々に分離し、外周の溝に溶射皮膜3が充填されている溶射リングを製造している。
【０００５】
特許文献１の第5図に具体的に示された方法では、ピストンリングを複数個重ねあわせて筒状体として、その筒状体の外周表面に金属、セラミックス又はその複合粉末を溶射して、外周摺動面に溶射皮膜を有するピストンリングを製造する方法であり、具体的にはピストンリングの外周の一端に、面取加工をし、面取部が同一方向となるように重ね合わせて溶射を行っている。溶射は面取面と対向する斜め方向から行っているので、外周側から遠い面取部には溶射金属が届かないため、溶射渡りにより各リングが一体化せず、かつ溶射皮膜の加工代も従来より薄くすることができることを効果として謳っている。
【０００６】
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２（特開平１１−３７２９２号公報）のようにピストンリング間にピストンリング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。
【特許文献１】特開昭５５−１３４１６６号公報
【特許文献２】特開平１１−３７２９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の第4図に示された方法で製造されたピストンリングは外周部に溝が加工され、溶射後の固着したピストンリングを分離するための外周研削加工などの加工工数が増大し、コスト高となる。また、リングの厚さが薄くなると外周の溝加工が困難となり、厚さの薄いピストンリングへの溶射皮膜の適用が難しい等の問題がある。また、このピストンリングでは、溝の上下に位置する摺動面の上下両端にピストンリング母材が露出しているため、母材がシリンダー壁と直接摺動する場合があり、シリンダー壁の異常摩耗や焼付きなどの発生原因となる危険性がある。
【０００８】
特許文献１の第5図に示されたピストンリングでは、外周面取り0.2Cの面取部を有するピストンリングに軸線に対して60°の角度で溶射を行い厚さが0.2〜0.25mmの溶射皮膜を形成している。外周研摩はピストンリングを重ねて筒状に組立て、芯出しした後研摩するために少なくとも0.1〜0.2mm研摩を行う必要がある。したがって上記0.2〜0.25mm厚さ溶射皮膜を研摩すると、最終的膜厚が不足するおそれがある。よって、上記以下の厚さに溶射することは困難である。
【０００９】
特許文献２の方法では、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。
【００１０】
したがって、本発明は、ピストンリング外周摺動面全面に均一な厚さの溶射皮膜を有し、溶射渡りを起さずに製造することができるピストンリングを提供することを目的とする。
さらに、本発明は溶射ピストンリングの製造において、ピストンリング外周に溝加工することなく、溶射渡りを起さずに、低コストでピストンリング外周摺動面全面に溶射皮膜を形成する製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
ピストンリング本体の外周表面に金属、セラミックス又はこれらの複合体である溶射皮膜を有するピストンリングにおいて、該ピストンリング本体の少なくとも外周の一端に面取部を設け、該溶射皮膜は該ピストンリング軸に垂直な方向から該面取部の深さ以下の厚さだけ溶射され、該溶射皮膜の表面が溶射を施したままの状態又は研磨加工を施した状態である溶射ピストンリングに関する。
本発明者らは、ピストンリングの面取部の深さを溶射皮膜厚さ以上とし垂直方向に溶射すれば、溶射金属が面取部に付着することはあっても溶射渡りを生じることはないことを見出した。この原因の一つは、力Ｆで噴射される溶射金属は、ピストンリング軸に垂直な方向と面取部との角度（面取角度）をθとするとＦsinθの分力で面取面で接着するので、付着力が弱いために渡りが生じ難いことが考えられる。ここで、面取角度θは、10〜45°が好ましい。θが10°より小さいと溶射皮膜が面取部を越えて渡りやすく、またθが45°より大きいと外周面に占める面取部が大きくなり摺動面幅がその分小さくなること、面取部への溶射粉の付着量が多くなること等の現象が付随する。他の原因は、面取底部では溶射金属は熱が奪われ、ピストンリングとの拡散が十分に起こらないことが考えられる。
【００１２】
又、本発明に係るピストンリングの製造方法は、図7に示すように、鋳鉄あるいは鋼母材よりなるピストンリング1の外周摺動面の一端に、所定の面取部深さａと所定の面取角度θからなる面取部4を設け、溶射後外周研磨を行う場合は合口を閉じ、又は溶射後外周研磨を行わない場合は合口を閉じないで（但し、合口部にはスペーサを介在させて）、ピストンリングを面取部が同一方向となるように多数個積み重ねて筒状体2とし、溶射皮膜厚さが面取部深さａ以下の溶射層を溶射することにより、図９に示すように溶射皮膜3が形成されるため、筒状体2は一体化せず個々のピストンリングに解体すなわち分離することが可能となる。ここで、外周研磨を行う場合は、溶射後の筒状体2を円筒研削盤等に取り付けて行うが、芯ぶれ等もあるため少なくとも0.1〜0.2mmの取代の研磨を行わなければならない。よって、研磨後の面取部深さａと溶射皮膜厚との関係は、面取部深さa＞溶射皮膜厚さ＋(0.1〜0.2mm)となる。
【００１３】
本発明において、筒状体が一体化せず、個々に分離することができるとは、各リングの形状・寸法を変化させずに常温で個々のリングに分離・解体できることであり、万が一、面取部に溶射粉が多く付着したとしても、隣り合うピストンリングの境界部が充分認識できるため、その境界部に沿って砥石を入れることにより簡単に分離することができる。
【００１４】
また、溶射は図１０に示すように垂直方向に行う。好ましくはピストンリングを回転させ、ピストンリング外周面から所定距離離れた溶射ガン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。
【００１５】
本発明の方法によると、ピストンリング外周に溝を形成し、溶射した場合に比べ、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、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でき、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。
【００１６】
隣り合うリングの端部と面取底部の段差, 即ち面取部深さaの限定理由は、面取部深さaが溶射皮膜厚さ以下になると溶射皮膜が渡ってしまい、リング解体時に溶射皮膜に欠けや剥離を発生する危険性があるため溶射皮膜厚さ以上とする。
面取部深さaが溶射皮膜厚さ以上であれば溶射皮膜の渡りが発生せず、容易に解体することができるが、面取部深さと溶射皮膜厚さの合計が1mmより大きくなるとリングにねじれが発生し、リングとしての本来の機能が低下するため面取部深さと溶射皮膜厚さの合計は1mm以下が好ましい。
外周研磨を行った場合の研磨後の段差ａと溶射膜厚との関係は、研磨取代を考慮し、面取部深さa＞溶射皮膜厚さ＋(0.1〜0.2mm)とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
実施例１〜５，比較例１〜３
呼び径が114mm,厚さが 4.3mm、幅2.5mmのステンレス製ピストンリングの外周一端に、図８に示すように、表１に示す面取部深さaと面取角度θからなる面取部４を設け、面取部が同一方向となるように積み重ねて（図７）、外径114mm、長さ150mmの筒状体２として、次に母材と溶射層との密着性をよくするために通常行われるグリットブラストを施して、その筒状体の外周表面を粗面化し、この後図１０に示すように、筒状体２に対して垂直に支持された溶射ガン５によって、回転する筒状体２に耐摩耗性、耐焼付性に優れたWC/10Co4Crの粒子径10μm以下のサーメット微粉末を高速火炎溶射し、0.4mm厚さの溶射皮膜を形成した。さらに円筒研削盤により外周面を0.1〜0.2mm研磨した。
【００１８】
【表１】
2006152980.tif 000003
【００１９】
研磨後、筒状体２を解体したが、実施例１〜５では、溶射皮膜の渡りが発生することはなく個々のピストンリングを容易に分離することができ、外周全周に溶射皮膜を有する溶射ピストンリングを製作することができた。
【００２０】
実施例６
実施例１と同様に、呼び径が114mm,厚さが 4.3mm、幅2.5mmのステンレス製ピストンリングの外周一端に0.2cの面取加工を施し、図９に示すように0.2cの面取部と併せて面取部深さaが0.5mm、面取角度θが30°からなる面取部４を設け、0.5mmの面取部が同一方向になるように積み重ねて、外径114mm、長さ150mmの筒状体４として、次に母材と溶射層の密着性をよくするために通常行なわれるグリットブラストを施して、その筒状体の外周表面を粗面化した。
【００２１】
この後図７に示すように、筒状体２に対して垂直に支持された溶射ガン５によって、回転する筒状体２に耐摩耗性、耐焼付性に優れたMo/Cr3C2/Ni-Cr粉末を0.2mm厚さプラズマ溶射し、さらにその上にCu/グラファイト/Sn粉末を0.2mm厚さプラズマ溶射した。この溶射は、最外層がなじみを目的とした溶射層であるため、研磨加工することなく使用に供することができる。
【００２２】
溶射後、筒状体２の温度が室温になってから、筒状体２を解体したが溶射皮膜の渡りが発生することはなく個々のピストンリングを容易に分離することができた。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
隣り合うピストンリングの端部と面取底部との段差, 即ち所定の面取部深さと所定の面取角度からなる溶射皮膜厚さの面取部を設け、その面取部が同一方向になるように積み重ね、筒状体とし、溶射することにより、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になり、外周摺動面全面に耐摩耗性、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】
【００２４】
【図１】面取部がないピストンリングの各部の名称を説明する図面である。
【図２】面取部があるピストンリングの各部の名称を説明する図面である。
【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】特許文献１の方法においてピストンリングの外周面に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
【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５の筒状体の外周を研削加工した時の断面図である。
【図７】本発明及び特許文献1（第5図）の方法において、ピストンリングの外周一端に面取部を施し、積み重ねて筒状体としたときの断面図である。
【図８】本発明においてピストンリングの外周一端に形成された面取部を説明する図面である。
【図９】図７の筒状体に溶射を施工したときの断面図である。
【図１０】溶射の状況を説明する概要図である。
【図１１】実施例２のピストンリングの外周一端に形成された面取部を説明する図面である。
【符号の説明】
【００２５】
１−ピストンリング
２−筒状体
３−溶射皮膜
４−面取部
５−溶射ガン
【図１】
2006152980.tif 000004
【図２】
2006152980.tif 000005
【図３】
2006152980.tif 000006
【図４】
2006152980.tif 000007
【図５】
2006152980.tif 000008
【図６】
2006152980.tif 000009
【図７】
2006152980.tif 000010
【図８】
2006152980.tif 000011
【図９】
2006152980.tif 000012
【図１０】
2006152980.tif 000013
【図１１】
2006152980.tif 000014