(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンリングであって、
底面、上面、内径面および滑り面を含み、前記ピストンリングは鉄ベースの材料でできており、さらに、
前記滑り面の全てに施される摩耗保護コーティングを含み、前記摩耗保護コーティングは本質的に純粋なコバルトからなり、
前記上面は前記摩耗保護コーティングから露出している、ピストンリング。
【請求項２】
前記摩耗保護コーティングは、実質的に前記滑り面のみに施される、請求項１に記載のピストンリング。
【請求項３】
前記摩耗保護コーティングは、前記滑り面に加えて、前記底面および前記内径面のうち少なくとも１つに施される、請求項１に記載のピストンリング。
【請求項４】
前記摩耗保護コーティングは、前記底面、前記内径面および前記滑り面のすべてに施される、請求項１または請求項３に記載のピストンリング。
【請求項５】
前記摩耗保護コーティングは純粋なコバルトでできている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のピストンリング。
【請求項６】
前記摩耗保護コーティングは８ミクロン〜１２ミクロンの厚さを有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載のピストンリング。
【請求項７】
前記摩耗保護コーティングは約１０ミクロンの厚さを有する、請求項６に記載のピストンリング。
【請求項８】
前記摩耗保護コーティングは前記滑り面に接触している、請求項１〜７のいずれか１項に記載のピストンリング。
【請求項９】
ピストンリングを作成する方法であって、
底面、上面、内径面および滑り面を有するピストンリングを準備するステップを含み、前記ピストンリングは鉄ベースの材料でできており、さらに、
前記ピストンリングの前記滑り面の全ての上に、本質的に純粋なコバルトからなる摩耗保護コーティングを施すステップを含み、
前記上面は前記摩耗保護コーティングから露出している、方法。
【請求項１０】
コーティングを施す前記ステップは、さらに、前記ピストンリングの前記滑り面の上に、実質的に全体がコバルトからなるコーティングを電着させるステップとして規定される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記滑り面に加えて、前記底面および前記内径面のうち少なくとも１つの上に前記コーティングを施すステップをさらに含む、請求項９または請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記底面、前記内径面および前記滑り面のすべてに前記コーティングを施すステップをさらに含む、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記摩耗保護コーティングは純粋なコバルトでできている、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記摩耗保護コーティングは８ミクロン〜１２ミクロンの厚さに施される、請求項９〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記摩耗保護コーティングは約１０ミクロンの厚さに施される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記摩耗保護コーティングは前記滑り面に接触するように施される、請求項９〜１５のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
この特許出願は、２０１１年１１月９日に提出された「耐摩耗性コバルトコーティングが施されたピストンリング（Piston Ring with a Wear-Resistant Cobalt Coating）」と題された米国仮特許出願連続番号第６１／５５７，５８９号の利点を主張するものであって、その出願の開示全体が本願の開示の一部とみなされ、この明細書中に引用により援用される。
【０００２】
発明の背景
１．発明の分野
本発明はピストンリングに関し、より正確には、内燃機関のためのピストンリングおよびこのピストンリングを形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
２．関連技術
内燃機関の近年の開発により、結果として、エンジンの燃焼室内の圧縮圧力が上昇し、エンジン回転速度が増した。結果として、このようなエンジンのピストン上のピストンリングが、エンジンのシリンダ壁に対してより強く擦り合わされてしまい、その結果、保護されていないピストンリングの外側に過度の摩耗が発生し、これにより、ピストンとシリンダ壁との間の封止がより脆弱になる可能性がある。
【０００４】
内燃機関のためのピストンリングは、典型的には、鋳鉄材料または鋼材料から形成される。鋳鉄製または鋼製のリングを補強するための１プロセスとして、ピストンリングの少なくとも外径面のまわりに純粋なクロムの層を施すプロセスがある。このことが有利である理由として、クロムが直接シリンダ壁に係合し、シリンダ壁との摩擦または滑り接触から鋳鉄または鋼を保護する点が挙げられる。別の公知のプロセスとして、７０重量％未満のコバルトと残余分のクロムとからなる層をピストンリングの外径面上に施すことが挙げられる。このようなコーティングにおいては、クロムが主要な摩耗保護をもたらし、コバルトがクロムのためのバインダとしての役割を果たす。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明の概要
本発明の一局面に従うと、底面、上面、内径面および少なくとも１つの滑り面を含むピストンリングが提供される。実質的に全体がコバルトからなる摩耗保護コーティングが、少なくとも１つの滑り面に施される。より耐久性のあるコバルト摩耗保護面は、エンジンの動作中にピストンリングの基材がシリンダ壁と滑り接触するのを防ぎ、これにより、ピストンリングの寿命が改善される。加えて、コバルト摩耗保護コーティングは、コーティングされていないピストンリングまたは他の種類のコーティングが施されたピストンリングと比べて、ピストンリングを流れ通り過ぎることのできる油の量を実質的に低減させることが証明されている。そのため、本発明のこの局面に従って構成されたピストンリングは、他の公知のピストンリングと比べて、改善された性能をもたらす。
【０００６】
本発明の別の局面は、ピストンリングを作成する方法である。当該方法は、底面、上面、内径面および少なくとも１つの滑り面を有するピストンリングを準備するステップを含む。当該方法は、ピストンリングの少なくとも１つの滑り面の上に、実質的に全体がコバルトからなるコーティングを施すステップに進む。コバルト摩耗保護コーティングは、た
とえば、電着またはプラズマ溶射によって施されてもよい。これらのプロセスはいずれも高価ではない。したがって、コバルト摩耗保護コーティングの改善された性能が高い費用効果で得られる。
【０００７】
図面の簡単な説明
本発明のこれらおよび他の特徴および利点は、添付の図面に関連付けて検討されると、以下の詳細な説明を参照することによってよりよく理解されるので、容易に認識されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の例示的なピストンリングを示す斜視図である。
【図２】図１の線２−２に沿った第１の例示的なピストンリングの断面図である。
【図３】第２の例示的なピストンリングを示す断面図である。
【図４ａ】第２の例示的なピストンリングの、上側に沿った拡大断面図である。
【図４ｂ】第２の例示的なピストンリングの、左側に沿った拡大断面図である。
【図４ｃ】第２の例示的なピストンリングの、右側に沿った拡大断面図である。
【図４ｄ】第２の例示的なピストンリングの、底側に沿った拡大断面図である。
【図５】第２の例示的なピストンリング上のコーティングについて得られた試験サンプルを示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実現可能な実施例の詳細な説明
図を参照すると、同様の参照番号は、いくつかの図全体にわたって対応する部分を示す。本発明の一局面に従って構成されたピストンリング２０の第１の具体的な実施例が図１に概略的に示される。図示のとおり、例示的なピストンリング２０は、底面２２、上面２４、内径面２６および外径面（以下、「滑り面２８」と称する）を有する。ピストンリング２０の基材は、好ましくは、鋼または鋳鉄であるが、他の如何なる好適な材料が用いられてもよい。ピストンリング２０は、好ましくは、機械加工によって形作られるが、如何なる好適なプロセスによって形作られてもよい。従来のピストンリングと同様に、ピストンリング２０の内径面２６は、内燃機関（図示せず）のシリンダボア（図示せず）内のピストン（図示せず）上に適切に設置されると、ピストンにおける溝を封止し、滑り面２８は、シリンダ壁の内面と滑り接触し、これにより、ピストンとシリンダ壁との間を気密封止する。例示的なピストンリング２０は、テーパフェース型の、すなわち外径面２８が先細にされた、圧縮リングである。しかしながら、ピストンリング２０がスクレーパリング、オイルコントロールリングまたは如何なる所望のタイプのピストンリングであってもよく、さまざまな異なる形状を有し得ることが認識されるべきである。
【００１０】
第１の例示的なピストンリング２０は、さらに、摩耗保護コーティング３０を含む。摩耗保護コーティング３０は、実質的に全体がコバルトからなり、エンジンの動作中にピストンリング２０の基材を保護するために実質的に滑り面２８のみに沿って配置される。コバルトコーティング３０は、シリンダ壁からピストンリング２０の基材を保護するために、ピストンリング２０の円周全体に沿って配置される。そのため、ピストンリング２０の寿命が長くなる。というのも、エンジンの動作中にシリンダ壁と擦り合わされるかまたは滑り接触するのが、ピストンリング２０の基材ではなく、より耐久性のあるコバルトコーティング３０であるからである。エンジン内のピストンリング２０の第１の具体的な実施例の試験では、結果として、油消費率が１時間当たり０．０２オンス未満と予想外に低くなった。これは、類似のコーティングされていないピストンリングまたは他のコーティングが施されたピストンリングよりも実質的に低い。
【００１１】
コバルトコーティング３０が実質的に滑り面２８のみに沿って配置されるので、コバル
トコーティング３０の材料費が最小限に抑えられる。加えて、滑り面２８に沿ってコバルトコーティング３０を配置するだけで、いくつかの製造上の利点が可能となり得る。というのも、ピストンリング２０同士を積重ねてそれらの滑り面２８に同時に電気めっきを施すかまたは噴霧を行うことによって、コバルトコーティング３０が多くのピストンリング２０に同時に施され得るからである。
【００１２】
コバルトコーティング３０は、好ましくは実質的に純粋なコバルトでできており、好ましくは８〜１２ミクロン（８μｍ〜１２μｍ）、最も好ましくは約１０ミクロン（１０μｍ）の概して均一な厚さを有する。１０μｍ厚のコーティング３０でコバルトコーティングされたピストンリング２０を用いたエンジンの試験データは、極めて低い摩耗率および油消費率を示した。しかしながら、コバルトコーティング３０が如何なる所望の厚さをも有し得ることが認識されるべきである。
【００１３】
本発明のこの局面に従って構成された第２の例示的なピストンリング１２０は、図３〜図８に概略的に示されており、１００の因子ずらされた参照番号は、上述と同様の特徴を識別するのに用いられる。ピストンリング１２０の第２の具体的な実施例は、コバルトコーティング１３０が、滑り面１２８に加えて、底面１２２、上面１２４および内径面１２６に施されていることによって、上述の第１の具体的な実施例とは区別される。
【００１４】
第１の例示的なピストンリングが形成された後、予め定められた微細構造を有する基材が得られる。熱処理プロセスが完了した後、ピストンリング２０は、実質的にその滑り面２８のみに沿って、実質的に全体がコバルトからなる摩耗保護コーティング３０でコーティングされる。
【００１５】
本発明の別の局面は、上述の第１の具体的な実施例などのピストンリング２０を作成する方法を提供する。当該方法は、底面２２、上面２４、内径面２６および少なくとも１つの滑り面２８を有するピストンリング２０を準備するステップから始まる。ピストンリング２０は、たとえば、圧力リング、スクレーパリングまたはオイルコントロールリングであってもよく、如何なる所望の形状を有してもよく、如何なる好適な成形プロセスによって成形されてもよい。
【００１６】
当該方法は、ピストンリング２０の少なくとも１つの滑り面２８上に、実質的に全体がコバルトからなる摩耗保護コーティング３０を施すステップを続ける。当該方法は、さらに、滑り面２８に加えて、底面２２、上面２４および内径面２６のうち１つ以上の上にコーティング３０を施すステップを含み得る。一実施例においては、前記施すステップは、さらに、ピストンリング２０上にコーティング３０を電着させるステップとして規定される。電気めっきプロセス中に、ピストンリング２０の基材を負に帯電させ、正に帯電させたコバルト電解液に浸漬させ、これにより、コバルトと基材との間に結合を形成させる。この電着プロセスが、コーティングされるべき区域にわたって十分に均一な厚さをコーティング３０にもたらすことが分かった。別の実施例に従うと、前記施すステップは、さらに、ピストンリング２０上にコーティング３０をプラズマ溶射するステップとして規定される。
【００１７】
本発明の多くの変更例および変形例が上述の教示に照らして実現可能であり、添付の特許請求項の範囲内である限り、具体的に記載された以外にも実施され得ることは明らかである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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