(57)【要約】本発明は、内燃機関のためのピストンリング１０を被覆するための方法であって、該ピストンリングでは、少なくともピストンリングの摺動面０７に摩耗または腐食保護層１２がＰＶＤ被覆プロセスまたは電気メッキ被覆プロセスによって設けられている形式のものにおいて、エンジン稼働時のピストンリングの負荷による摩耗または腐食保護層における剥離または亀裂形成が以下の方法ステップで回避される。ａ）被覆パラメータを調整し、ｂ）被覆していないピストンリング１０を予荷重によって所定のピストンリング直径０６もしくは合口幅０１となるように負荷し、ｃ）ステップａ）の被覆パラメータでイオン被覆プロセスを実行し、ｄ）状態ｂ）において摩耗または腐食保護層１２に生じた層内部応力を測定し、ｅ）新たな被覆されていないピストンリング１０に、測定した層内部応力に応じて引張予荷重または圧縮予荷重をかけ、ｆ）該ピストンリングを、ステップａ）の被覆パラメータによって被覆する。
2006508313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼または鋳鉄から成る、内燃機関のためのピストンリング（１０）を被覆するための方法であって、該ピストンリングでは、少なくともピストンリングの摺動面（０７）に摩耗または腐食保護層（１２）が所定の被覆プロセスによって設けられている形式のものにおいて、
ａ）被覆パラメータを調整し、
ｂ）被覆していないピストンリング（１０）を予負荷によって所定のピストンリング直径（０６）もしくは合口幅（０１）となるように負荷し、
ｃ）ステップａ）の被覆パラメータでイオン被覆プロセスを実行し、
ｄ）状態ｂ）において摩耗または腐食保護層（１２）に生じた層内部応力を測定し、
ｅ）新たな被覆されていないピストンリング（１０）に、測定した層内部応力に応じて引張予荷重または圧縮予荷重をかけ、
ｆ）該ピストンリング（１０）を、ステップａ）の被覆パラメータによって被覆することを特徴とする、内燃機関のためのピストンリングを被覆するための方法。
【請求項２】
摩耗または腐食保護層に所定の圧縮内部応力がある場合、ピストンリング（１０）をプロセスステップｆ）で、リング周面において圧縮予荷重で負荷し、摩耗または腐食保護層が所定の引張内部応力がある場合、ピストンリング（１０）をリング周面において引張予荷重で負荷する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
摩耗または腐食保護層の層内部応力は、被覆後、エンジンのシリンダにピストンリング（１０）の組み付け状態で、−２００〜−８００Ｎ／ｍｍ２の値を有している、請求項２記載の方法。
【請求項４】
引張予荷重または圧縮予荷重によるピストンリング（１０）の負荷は、被覆の全継続期間にわたって行われる、請求項１または２記載の方法。
【請求項５】
被覆後に層内部応力の測定をＸ線回折によって行う、請求項１記載の方法。
【請求項６】
Ｘ線回折測定を合口（０２）の反対側で行う、請求項５記載の方法。
【請求項７】
摩耗または腐食保護層を、ＣｒＮまたはＣｒ２ＮまたはＴｉＮまたはＴｉＣ摩耗または腐食保護層（１２）から形成する、請求項１記載の方法。
【請求項８】
被覆プロセスがＰＶＤプロセスである、請求項１記載の方法。
【請求項９】
被覆プロセスが電気メッキプロセスである、請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼または鋳鉄から成る、内燃機関のためのピストンリングを被覆するための方法であって、該ピストンリングでは、少なくともピストンリングの摺動面に摩耗または腐食保護層が所定の被覆プロセスによって設けられている形式のものに関する。
【０００２】
内燃機関の耐用期間を延長するために、ピストンリングおよびシリンダの摺動対の滑動面に、炭化金属または窒化金属、例えば炭化チタン（ＴｉＣ）、窒化チタン（ＴｉＮ）または窒化クロム（ＣｒＮ、Ｃｒ２Ｎ）から成る耐摩耗性の層を設けることが公知である。このような層の取り付けは、主としてイオン被覆プロセス、特に例えばドイツ連邦共和国特許第１９６３０１４９号明細書に記載されているように物理蒸着（ＰＶＤ）により、または化学蒸着（ＣＶＤ）により、または電気メッキ的な被覆プロセスにより行われる。摺動面被覆の目的は、エンジン運転中に上昇する熱的な負荷に対応するために、摩耗、食い込み、剥離、剥脱に対する被覆の耐性を改善することにある。このような耐性を改善するための種々様々な措置、例えばドイツ連邦共和国特許第４１１２４２２号明細書に記載のように、支持材上に形成された耐摩耗性のＣｒＮを含む被膜および支持材とカバーとの間の境界面の窒素濃度が外側表面の方向で継続的に減少する措置にもかかわらず、エンジン運転中に、ＣｒＮまたはＣｒ２ＮまたはＴｉＮまたはＴｉＣ層が剥離される傾向にあることが示されている。ＰＶＤもしくは電気メッキによる被膜が高い内部応力を有しており、これにより支持材料に対する付着性が悪化することが、これまで原因とみられてきている。即ち、肉厚の被膜が使用されれば、この被膜は運転中に剥離される傾向にある。しかしながら実際には、剥離は、被膜の支持体としてのピストンリングにまでは達しておらず、ピストンリングが窒化されているならば、窒化層にまで行われず、剥離エッジもしくは分離亀裂はＣｒＮまたはＣｒ２ＮまたはＴｉＮまたはＴｉＣ層の内部で生じる、即ち支持体に対して殆ど平行に生じることがわかった。従って、付着性の悪化を回避することのみを目指している措置は、剥離を防止し得ない。何故ならば知られている理論によれば、亀裂はその都度の被覆支持体までは達していないからである。設けられた摩耗層の内部応力を改善することを考慮した措置は明らかに成果があるようである。
【０００３】
そこで本発明の課題は、シリンダに組み込まれるピストンリングの被膜内部で、もしくはエンジン運転中の負荷条件下で僅かな内部応力が生じるように、摩耗または腐食保護層を内燃機関のピストンリングの摺動面に設けることにある。
【０００４】
この課題を解決するために本発明の構成では、被覆プロセス、特にＰＶＤプロセスまたは電気メッキプロセスによって、ピストンリングの少なくとも摺動面に摩耗または腐食保護層を設け、この場合、第１のステップで、被覆パラメータを調整して固定し、次いで、被覆されていないピストンリングを所定のプレロードで負荷し、これによりこのピストンリングが所定のピストンリング直径を有し、別のＰＶＤ被覆プロセスの別のステップで第１のステップによるパラメータで実行し、この場合、その後、摩耗または腐食保護層の生じた層内部応力をＸ線回折によって検出する。別の方法ステップでは、新たに被覆したいピストンリングを、測定された層内部応力に応じて引張予荷重または圧縮予荷重により負荷し、次いで第１の方法ステップの被覆パラメータにより被覆する。特に、摩耗または腐食保護層の圧縮内部応力の形成時には、ピストンリングを被覆中に圧縮予荷重により負荷し、引張内部応力の形成時には被覆中に引張予荷重により負荷する。有利にはこの場合、ピストンリングが摺動面における圧縮予荷重により負荷され、この場合、ピストンリング合口における合口幅が適当な手段によってより大きな寸法にされ、引張予荷重により負荷する際には、ピストンリングが適当な手段により、より小さな直径に、もしくは小さな合口幅にされ、場合によっては合口は重ねられる。
【０００５】
このような方法により得られる利点は、設けられた摩耗または腐食保護層においてピストンリングをシリンダに組み付けた状態で被覆プロセスにより生じる内部応力が最小に減じられ、ひいては層の剥離、剥脱または亀裂形成が回避されることにある。特に、被覆の耐性は運転条件下で、もしくはエンジンのシリンダにピストンリングを組み付けた状態で維持される。有利な別の構成は、請求項２以下に記載されている。
【０００６】
次に本発明の実施例を詳しく説明する。
【０００７】
図１には、本発明による方法の工程経過が示されていて、
図２には、摩耗または腐食保護層を備えたピストンリングを２つの変形状態で概略的に示した図である。
【０００８】
図１の工程経過により明らかであるように、公知の方法でワイヤの巻き付け、切断、研磨、応力除去焼鈍、摺動面加工、リング側面加工により形成されたピストンリング１０は、次いで気相窒化プロセスを施され、次いで再び摺動面加工、リング側面加工、合口端部加工が行われるが、本発明の方法ではこのようなピストンリングを使用する。このようにしてジオメトリックな寸法に形成されたピストンリング１０の外周面に、ほぼ組み込み状態に相応する引張予荷重をかける。この場合、ピストンリング直径０６もしくはピストンリング１０の合口幅０１が機械的な圧力装置によって、所定の圧縮予荷重に応じた寸法に、この場合、緊締されていないリング０４に対して０．２〜０．３ｍｍ調節される。ピストンリング１０をリング側面１１を介してクランプするクランプ装置（図示せず）によってピストンリング１０は相応に位置固定される。続いて行われる、先行技術に属すとみなされる公知のＰＶＤ被覆プロセスでは、真空圧、加熱温度、継続時間、Ｎ２ガス流、予荷重、カソード電流といった被覆パラメータが調節される。このように規定された被覆パラメータにより、ＣｒＮまたはＣｒ２ＮまたはＴｉＮ摩耗または腐食保護層１２が２８〜３０μｍの層厚さで、ピストンリング１０の摺動面７の全周に設けられる。摩耗または腐食保護被覆は同様に公知の電気メッキ的な被覆法によって行うこともできる。この場合、プロセスパラメータも同様に規定される。
【０００９】
ＰＶＤまたは電気メッキ被覆の終了後、公知のＸ線回折測定により、ピストンリング１０をクランプ装置から取り出さずに、即ち緊締を弛めずに、ピストンリング１０の、合口とは反対側の摺動面上で、設けられた層１２の内部応力を測定する。検出された内部応力値、圧縮または引張内部応力に応じて、被覆すべきピストンリングのために合口幅０１を相応に拡大または縮小する。ピストンリング１０の合口幅０１の拡大は、ピストンリングの内径内に導入されたた簡単なテンション装置によって行われる。この装置は、ピストンリングを所定の引張予負荷に応じた寸法になるように互いに離れるように押圧する。合口幅０１の縮小は、ピストンリング１０の外径を減じるテンション装置によって行われる。この場合さらなるステップで、ピストンリング１０は軸方向のクランプ装置によってこの位置に位置固定される。この場合、合口端部は、測定された層内部応力に応じて、互いに重ねられるように形成されるまたは固定される。
【００１０】
リング側面１１上に重ねられた新たに製造された被覆されていないピストンリング１０の重なりは、その合口０２が同じ位置で互いに重なり合って配置されていて、層内部応力に応じた合口幅０１に調節され、固定されたＰＶＤ被覆パラメータによって被覆される。
【００１１】
ピストンリング１０上の摩耗または腐食保護層の剥離または亀裂形成を効果的に回避することができる最良の層内部応力を得るために、この層内部応力は（緊締されたピストンリングの）組み込み寸法の状態で測定して、−２００〜−８００Ｎ／ｍｍ２の範囲にある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明による方法の工程経過を示す図である。
【図２】摩耗または腐食保護層を備えたピストンリングを２つの変形状態で概略的に示した図である。
【符号の説明】
【００１３】
１０  ピストンリング、  ０１  合口幅、  ０２  合口、  ０３  合口遊び、  ０４  緊締されたリング、  ０５  緊締されていないリング、  ０６  直径、  ０７  摺動面、  ０８  リング背、  ０９  半径方向壁厚さ、  １１  リング側面、  １２  摩耗または腐食保護層、  ｄ  軸方向の壁厚さ（高さ）
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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