(57)【要約】  被覆ピストンリングを製造する方法は、アルミニウム系材料の層を、スチールなどの鉄系材料から形成されるリング本体の外面に塗布するステップを含む。アルミニウム系材料の層は、熱的噴霧によって塗布される。この方法はさらに、環境にやさしい熱処理プロセスを含み、このプロセスは、アルミニウム系材料をリング本体の鉄系材料と組合せて、アルミニウム鉄（Ａｌ５Ｆｅ２）の耐摩耗コーティングを形成する。この熱処理プロセスは、耐摩耗コーティングがＨＶ１０００の硬度を達成するように、約５５０℃の温度に２０分間加熱するステップを含み得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸の周りを円周方向に延びる、鉄系材料を含むリング本体と、
前記リング本体上に配置され、前記ピストンリングの外径面を構成する耐摩耗コーティングとを備え、前記耐摩耗コーティングは、アルミニウム鉄（Ａｌ５Ｆｅ２）を含む、ピストンリング。
【請求項２】
前記耐摩耗コーティングは、５２〜５５重量パーセント（重量％）の量のアルミニウムと、４５〜４８重量％の量の鉄とを含む、請求項１に記載のピストンリング。
【請求項３】
前記耐摩耗コーティングの大部分は、アルミニウム鉄（Ａｌ５Ｆｅ２）からなる、請求項１に記載のピストンリング。
【請求項４】
前記耐摩耗コーティングは、ＨＶ１０００の硬度を有する、請求項１に記載のピストンリング。
【請求項５】
前記耐摩耗コーティングは、１５〜５０μｍの厚さを有する、請求項１に記載のピストンリング。
【請求項６】
前記耐摩耗コーティングは、熱処理されている、請求項１に記載のピストンリング。
【請求項７】
前記鉄系材料は、スチール、スチール合金、鋳鉄、鋳鉄合金、球状黒鉛鋳鉄、または鋳鋼を含む、請求項１に記載のピストンリング。
【請求項８】
前記鉄系材料は、前記外径面に対向する前記リング本体の内面を構成する、請求項１に記載のピストンリング。
【請求項９】
前記耐摩耗コーティングは、前記外径面に対向する内径面および前記内径面を前記外径面から離間させる側面の少なくとも１つの少なくとも一部を構成する、請求項１に記載のピストンリング。
【請求項１０】
各々が中心軸の周りを円周方向に延びる内面および対向する外面を有する、鉄系材料を含むリング本体を提供するステップと、
前記リング本体の前記外面にアルミニウム系材料の層を塗布するステップと、
前記アルミニウム系材料を加熱するステップとを備え、
前記加熱するステップは、アルミニウム鉄（Ａｌ５Ｆｅ２）を含む耐摩耗コーティングを形成するステップを含む、ピストンリングを製造する方法。
【請求項１１】
前記加熱するステップは、前記アルミニウム系材料を約５５０℃の温度で２０分間加熱するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記加熱するステップは、酸素を含まない不活性雰囲気中で行なわれる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記リング本体の前記外面に前記アルミニウム系材料の層を塗布するステップは、熱的噴霧プロセスを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記熱的噴霧プロセスは、プラズマ噴霧を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記アルミニウム系材料は、前記鉄系材料と組合されて、前記加熱ステップ中に前記耐摩耗コーティングを形成する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記リング本体の前記外面に前記アルミニウム系材料を塗布するステップは、前記アルミニウム系材料を１５〜２５μｍの厚さに塗布するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記耐摩耗コーティングは、ＨＶ１０００の硬度を有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
前記耐摩耗コーティングは、５２〜５５重量％の量のアルミニウムと、４５〜４８重量％の鉄とを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
前記鉄系材料は、スチール、スチール合金、鋳鉄、鋳鉄合金、球状黒鉛鋳鉄、または鋳鋼からなり、前記アルミニウム系材料は、アルミニウムからなる、請求項１０に記載の方法。
【請求項２０】
前記リング本体は、前記内面を前記外面から離間させる端面を含み、前記アルミニウム系材料を前記内面および前記端面の少なくとも１つの少なくとも一部に塗布する、請求項１０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
この出願は、２０１３年３月１３日に出願された米国仮特許出願第６１／７７９，４２５号の利益を主張し、この出願の全内容は、その全体が引用により援用される。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、一般的に内燃機関用のピストンリングに関し、より特定的には、被覆ピストンリングおよび当該被覆ピストンリングを製造する方法に関する。
２．関連技術
内燃機関などの往復動型エンジンのピストンは、典型的には、ピストンの外径に沿って溝内に配置されたリングを含む。これらのピストンリングは、シリンダボア内の往復運動中のピストンの誘導を容易にする。ピストンリングはまた、燃焼ガスを密封し、オイルが上方に流れることを阻止する。ピストンリングは、シリンダボアに沿って動く際にガス負荷およびそれら自身に固有の負荷による摩耗に晒される。したがって、ピストンリングは典型的には、耐摩耗性を向上させるために被覆されているかまたは処理されている。たとえば、ピストンリングは、窒化されたり、六価クロムなどのクロムにより被覆されたり、セラミックにより被覆され得る。コーティングは、電気めっきにより、または物理蒸着（physical vapor deposition; ＰＶＤ）によりピストンリングに塗布され得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
発明の概要
本発明の一局面は、被覆ピストンリングを提供する。このピストンリングは、中心軸の周りを円周方向に延びる、鉄系材料を含むリング本体を含む。耐摩耗コーティングがリング本体上に配置され、ピストンリングの外径面を示す。耐摩耗コーティングは、アルミニウム鉄（Ａｌ５Ｆｅ２）を含む。
【０００４】
本発明の別の局面は、当該被覆ピストンリングを製造する方法を提供する。この方法は、中心軸の周りを円周方向に延びる外面を示す、鉄系材料を含むリング本体を提供するステップを含む。該方法はさらに、リング本体の外面にアルミニウム系材料の層を塗布するステップと、アルミニウム系材料を加熱するステップとを含む。加熱するステップは、アルミニウム鉄（Ａｌ５Ｆｅ２）を含む耐摩耗コーティングを形成する。
【０００５】
加熱ステップ中に形成される耐摩耗コーティングは、たとえばＨＶ１０００の高い硬度を有する。したがって、被覆ピストンリングは、往復動型エンジンに用いられると低摩耗率を有する。耐摩耗コーティングによって与えられる摩耗率は、場合によっては、電気めっきされたクロムコーティングの摩耗率と同様である。しかし、クロムコーティングおよびクロムコーティングを塗布するために使用される電気めっきプロセスと異なり、本発明の耐摩耗コーティングおよび被覆ピストンリングを製造する方法は、環境に配慮しており、環境にやさしい。
【０００６】
本発明の他の利点は、添付の図面と関連して考慮されると、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ため、容易に認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】一例示的実施形態に係る被覆ピストンリングの斜視図である。
【図２】一例示的実施形態に係る被覆ピストンリングを形成するために使用される方法ステップを示す図である。
【図３】加熱ステップの前に、図１の被覆ピストンリングを形成するために使用されるリング本体の外面に塗布されるアルミニウム系材料の断面図である。
【図４】別の例示的実施形態に係る、被覆ピストンリングの複数の面を示す耐摩耗コーティングの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
実施可能な実施形態の説明
本発明の一局面は、ピストンリング２０を製造する方法を提供し、ピストンリング２０は、内燃機関用途などの往復動型エンジン用途のための耐摩耗コーティング２２を含む。図１は、一例示的実施形態に係る被覆ピストンリング２０の例を示し、図２は、被覆ピストンリング２０を形成するために使用される方法ステップを示す。
【０００９】
この方法は、スチール、スチール合金、鋳鉄、鋳鉄合金、球状黒鉛鋳鉄、鋳鋼、または往復動型エンジンの条件に対応可能な別の鉄系材料などの鉄系材料からなるリング本体２４を提供することから始まる。リング本体２４は、図１に示されるように、中心軸Ａの周りを円周方向に延びる。リング本体２４はまた、図３に示されるように、外面２６、外面２６に対向する内面２８、および外面２６を内面２８から離間させる端面３０を有する。図１の例示的実施形態では、リング本体２４は、面２６、２８、３０の各々に沿って開口３２を有するように分割されている。リング本体２４は、全露出型であっても、半分が嵌め込まれるものであっても、または完全に嵌め込まれるものであってもよい。さらに、リング本体２４の外面２６に沿って少なくとも１つの溝３４または複数の溝３４が形成されていてもよい。
【００１０】
該方法は次に、図３に示されるように、リング本体２４の外面２６にアルミニウム系材料の層３６を塗布するステップを含む。アルミニウム系材料は、典型的には純アルミニウムであるが、アルミニウム合金または別のアルミニウム系材料でもあり得る。外径面３８に塗布されるアルミニウム系材料の層３６は、典型的には、１５〜２５ミクロン（μｍ）の厚さｔ１を有するが、別の厚さｔ１も有し得る。
【００１１】
リング本体２４の外面２６にアルミニウム系材料を塗布するために使用されるプロセスは、典型的には噴霧などの低コストプロセスである。一例示的実施形態では、プラズマ噴霧プロセスが使用される。このプロセスは、アルミニウム線またはアルミニウム粉をプラズマジェット内に供給することを含み、アルミニウムは溶融され、その後リング本体２４の外面２６上に噴出される。これに代わり、外面２６にアルミニウム系材料の層３６を塗布するために別の熱的噴霧プロセスも使用され得る。図３には図示されないが、アルミニウム系材料の層３６は、外面２６に加えて、リング本体２４の内面２８の少なくとも一部および／または端面３０の少なくとも一部にも塗布され得る。
【００１２】
アルミニウム系材料の層３６が外面２６に塗布された後、該方法は、層３６およびリング本体２４を加熱するステップを含む。加熱ステップは、典型的には熱処理プロセスを含み、この熱処理プロセスは、アルミニウム系材料の層３６をリング本体２４の鉄系材料と組合せて、アルミニウム鉄（Ａｌ５Ｆｅ２）を形成する。アルミニウム鉄（Ａｌ５Ｆｅ２）は、図１および図４に示されるように、ピストンリング２０の耐摩耗コーティング２２を提供する。耐摩耗コーティング２２は、化合物層または金属間層とも呼ばれ得る。耐摩耗コーティング２２は、典型的には５２重量％〜５５重量％のアルミニウムおよび４５重量％〜４８重量％の鉄を含む。一例示的実施形態では、リング本体２４がスチールからなり、アルミニウム系材料の層３６が純アルミニウムである場合、加熱または熱処理中に形成される耐摩耗コーティング２２は、実質的にアルミニウム鉄（Ａｌ５Ｆｅ２）からなる。しかし、耐摩耗コーティング２２の正確な組成は、使用される鉄系材料およびアルミニウム系材料のタイプに依存して変わり得る。いずれにせよ、耐摩耗コーティング２２の大部分はアルミニウム鉄（Ａｌ５Ｆｅ２）である。
【００１３】
加熱ステップは、アルミニウム鉄（Ａｌ５Ｆｅ２）を形成するのに十分な温度および期間の間加熱するステップを含む。加熱ステップは、典型的には窒素雰囲気などの酸素を含有しない不活性雰囲気中で行なわれる。加熱ステップの時間および温度は、リング本体２４の幾何学形状およびアルミニウム層３６の厚さｔ１に依存して変わり得るが、いずれの場合でも、温度および時間はアルミニウム鉄（Ａｌ５Ｆｅ２）を形成するのに十分なものである。一例示的実施形態では、加熱ステップは、典型的には約５５０℃の温度に２０分間加熱するステップを含む。加熱ステップはまた、耐摩耗コーティング２２がＨＶ１０００の硬度を有するまで加熱するステップも含み得る。加熱ステップ後の耐摩耗コーティング２２の厚さｔ２は、典型的には１５〜５０ミクロンである。図４は、リング本体２４の鉄系材料と耐摩耗コーティング２２との鋭いコントラストを示しているが、ピストンリング２０が勾配構造を含むように、鉄系材料は徐々にアルミニウム鉄（Ａｌ５Ｆｅ２）へと移行し、アルミニウム系材料は徐々にアルミニウム鉄（Ａｌ５Ｆｅ２）へと移行することもできる。
【００１４】
本発明の別の局面は、耐摩耗コーティング２２を含む被覆ピストンリング２０を提供する。ピストンリング２０は、中心軸Ａの周りを円周方向に延びる、鉄系材料を含むリング本体２４を含む。鉄系材料は、典型的にはスチール、スチール合金、鋳鉄、鋳鉄合金、球状黒鉛鋳鉄、鋳鋼、または往復動型エンジンの条件に対応可能な別の鉄系材料を含む。例示的実施形態では、リング本体２４は、面２６、２８、３０の各々に沿って開口３２を有するように分割されている。リング本体２４は、全露出型であっても、半分が嵌め込まれるものであっても、または完全に嵌め込まれるものであってもよい。リング本体２４は、図１に示されるように、外面２６に沿って少なくとも１つの溝３４または複数の溝３４を示していてもよい。
【００１５】
アルミニウム鉄（Ａｌ５Ｆｅ２）を含む耐摩耗コーティング２２は、図４に最もよく示されるように、ピストンリング２０の外径面３８を与える。アルミニウム系材料がリング本体２４の端面３０に塗布されると、耐摩耗コーティング２２は、図４にも示されるように、仕上がったピストンリング２０の側面４２を与える。アルミニウム系材料がリング本体２４の内面２８に塗布される場合、耐摩耗コーティング２２は、図４にも示されるように、仕上がったピストンリング２０の内径面４０も与える。加熱ステップ後の耐摩耗コーティング２２の厚さｔ２は、典型的には１５〜５０ミクロンである。
【００１６】
しかし、リング本体２４の鉄系材料は、仕上がったピストンリング２０の内径面を与えてもよい。この場合、仕上がったピストンリング２０の内径面は、リング本体２４の内面２８と同じである。ピストンリング２０の鉄系材料はまた、内径面をピストンリング２０の外径面３８から離間させる側面を与えてもよい。この場合、仕上がったピストンリング２０の側面は、リング本体２４の端面３０と同じである。
【００１７】
耐摩耗コーティング２２は、アルミニウム鉄（Ａｌ５Ｆｅ２）を含み、実質的にアルミニウム鉄（Ａｌ５Ｆｅ２）からなるか、または全体的にアルミニウム鉄（Ａｌ５Ｆｅ２）からなることが好ましい。耐摩耗コーティング２２は、化合物層または金属間層とも呼ばれる。耐摩耗コーティング２２は典型的には、５２重量％〜５５重量％のアルミニウムおよび４５重量％〜４８重量％の鉄を含む。例示的実施形態では、リング本体２４がスチールからなり、アルミニウム系材料が純アルミニウムからなる場合、耐摩耗コーティング２２はアルミニウム鉄（Ａｌ５Ｆｅ２）からなる。しかし、耐摩耗コーティング２２の正確な組成は、使用される鉄系材料およびアルミニウム系材料のタイプに依存して変わり得る。いずれにせよ、耐摩耗コーティング２２の大部分はアルミニウム鉄（Ａｌ５Ｆｅ２）である。
【００１８】
熱処理ステップは、耐摩耗コーティング２２に高い硬度を与え、この硬度は、名目上はＨＶ１０００である。したがって、耐摩耗コーティング２２によって与えられる摩耗率は低く、場合によっては、電気めっきされたクロムコーティングの摩耗率と同様である。しかし、クロムコーティングおよびクロムコーティングを塗布するために使用される電気めっきプロセスと異なり、本発明の耐摩耗コーティング２２および耐摩耗コーティング２２を形成するプロセスは、環境に配慮しており、環境にやさしい。
【００１９】
被覆ピストンリング２０は、典型的にはピストン（図示せず）の外径に沿って溝内に配置されて、シリンダボア（図示せず）内の往復運動中のピストンの誘導を容易にするとともに、燃焼ガスを密封し、オイルの上方への流れを阻止する。被覆ピストンリング２０は、他の被覆ピストンリングまたは被覆されていないピストンリングに隣接して配置されてもよく、またはこれらの間に配置されていてもよい。
【００２０】
当然ながら、上記の教示に照らして本発明の数多くの改良および変更が可能であり、添付の特許請求の範囲内であれば、具体的に説明されている態様以外で実施されてもよい。さらに、請求項中の参照番号は便宜上のものにすぎず、限定的として読まれるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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