(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ねずみ鋳鉄のリング本体（１４）を含むピストンリングであって、前記リング本体（１４）は、少なくとも一方のリングフランク（８）に、リング面（１０）の一方端まで当該リング面（１０）内に延びるレデブライト的に再溶融されたねずみ鋳鉄構造（４）の領域を有し；
前記レデブライト的に再溶融されたねずみ鋳鉄構造（４）の領域を含む前記リング面（１０）に耐摩耗層が施されており；
前記リングフランク（８）の前記レデブライト的に再溶融されたねずみ鋳鉄構造（４）の厚さが半径方向に変化している、ピストンリング。
【請求項２】
前記リング本体（１４）は、前記リング面（１０）にレデブライト構造（４）の領域を有し、当該構造が前記リング面（１０）全体にわたって延びている、請求項１に記載のピストンリング。
【請求項３】
前記耐摩耗層が、溶射層、レーザで施された硬質物質コーティング、クロム分散層、ＰＶＤ層またはＤＬＣ層の形態であり、
前記レデブライト的に再溶融されたねずみ鋳鉄構造（４）の厚さは、断面内で半径方向外側に向かって増加している、請求項１に記載のピストンリング。
【請求項４】
前記耐摩耗層が、前記リング面（１０）と前記少なくとも一方のリングフランク（８）との間の縁部にわたって連続的に延びている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のピストンリング。
【請求項５】
燃焼室とは反対側の前記リングフランク（８）にレデブライト構造（４）の領域が設けられているか、あるいは両方のリングフランク（８）にレデブライト構造（４）の領域が設けられている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のピストンリング。
【請求項６】
前記レデブライト構造（４）の深さは、０．０５ｍｍ〜１．５ｍｍであり、好ましくは０．１５ｍｍ〜１．０ｍｍであり、より好ましくは０．３ｍｍ〜０．７ｍｍである、請求項１〜５のいずれか一項に記載のピストンリング。
【請求項７】
前記レデブライト的に再溶融されたねずみ鋳鉄構造（４）の厚さは、当該厚さが当接端で増加するように円周方向に変化している、請求項１〜６のいずれか一項に記載のピストンリング。
【請求項８】
前記レデブライト構造（４）の領域が、前記少なくとも一方のリングフランク（８）全体にわたって延びている、請求項１〜７のいずれか一項に記載のピストンリング。
【請求項９】
前記少なくとも一方のリングフランク（８）の半径方向内側の領域はいずれのレデブライト構造（４）をも有しておらず、当該半径方向内側の領域は、好ましくは前記リング本体（１４）の半径方向寸法の１／３を超えて、より好ましくは２／３を超えて延びている、請求項１〜７のいずれか一項に記載のピストンリング。
【請求項１０】
前記リング面（１０）と前記少なくとも一方のリングフランク（８）との間の縁部が面取り部を有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載のピストンリング。
【請求項１１】
前記リング面（１０）と前記少なくとも一方のリングフランク（８）との間の縁部が丸みを帯びており、当該丸みを帯びた領域が、好ましくは１ｍｍ〜３ｍｍの半径を有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載のピストンリング。
【請求項１２】
前記面取り部の寸法が円周方向に変化している、請求項１０に記載のピストンリング。
【請求項１３】
前記丸みを帯びた領域の寸法が円周方向に変化している、請求項１１に記載のピストンリング。
【請求項１４】
前記リング面（１０）が球形または歪んだ球形である、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のピストンリング。
【請求項１５】
当接面が、好ましくは半径方向外側端まで延びるレデブライト的に再溶融されたねずみ鋳鉄構造（４）の領域を有する、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のピストンリング。
【請求項１６】
当接面は、少なくとも部分的に耐摩耗層を備え、当該耐摩耗層は、好ましくは半径方向外側端まで延びている、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のピストンリング。
【請求項１７】
前記ピストンリングが台形のリングである、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のピストンリング。
【請求項１８】
レデブライト的に再溶融されたねずみ鋳鉄構造を有するピストンリングの製造方法であって：
ねずみ鋳鉄製のリング本体（１４）を製造するステップと；
前記リング本体（１４）の少なくとも一方のリングフランク（８）の領域を再溶融して、少なくとも一方のフランク１上にレデブライト的に再溶融されたねずみ鋳鉄構造を形成するステップと；
前記リング本体（１４）の一方のリング面（１０）に、レデブライト的に再溶融されたねずみ鋳鉄構造が露出するまで、当該リング面（１０）上の材料を研磨するステップと；
前記リング面（１０）および当該リング面（１０）上に露出した前記レデブライト的に再溶融されたねずみ鋳鉄構造（２６）に耐摩耗層を施し、当該耐摩耗層と前記レデブライト的に再溶融されたねずみ鋳鉄構造（４）とによってオーバーラップ領域（４２）を形成するステップと；を含み、
再溶融中におけるエネルギー入力を半径方向に変化させて、前記レデブライト的に再溶融されたねずみ鋳鉄構造（４）の厚さが半径方向に変化するようにする、方法。
【請求項１９】
前記少なくとも一方のリングフランク（８）の領域を再溶融した後、かつ前記リング面（１０）上の材料を研磨する前に、前記リング本体（１４）を無応力アニーリングし、再溶融で生じた熱影響領域（２０）を除去するステップをさらに含む、請求項１８に記載のピストンリングの製造方法。
【請求項２０】
無応力アニーリングにおける温度は、４５０℃〜６００℃、好ましくは５００℃〜５４
０℃、より好ましくは５１０℃〜５３０℃であり、かつ当該温度は、１時間〜４時間、好
ましくは１．５時間〜３時間、より好ましくは１．８時間〜２．３時間維持される、請求項１９に記載のピストンリングの製造方法。
【請求項２１】
前記再溶融は、前記リング本体（１４）の半径方向厚さの２０％〜３０％の半径領域を含む、請求項１８〜２０のいずれか一項に記載のピストンリングの製造方法。
【請求項２２】
前記再溶融は、レーザビーム、電子ビーム、電気アーク溶接、プラズマ溶接またはタングステン不活性ガス溶接から選択される、高エネルギー放射線による衝撃によって行われる、請求項１８〜２１のいずれか一項に記載のピストンリングの製造方法。
【請求項２３】
前記少なくとも一方のリングフランク（８）の領域を再溶融するステップの後、かつ前記リング面（１０）上の材料を研磨するステップの前に、前記リング本体（１４）を切り開いて当接端（２８）を得るステップをさらに含み、低応力アニーリングを実行する場合には、当該低応力アニーリングの後に前記リング本体を切り開く、請求項１８〜２２のいずれか一項に記載のピストンリングの製造方法。
【請求項２４】
レーザクラッディングまたは高速フレーム溶射を使用して、前記リング面（１０）を前記耐摩耗層で覆う、請求項１８〜２３のいずれか一項に記載のピストンリングの製造方法。
【請求項２５】
長方形から台形へ、あるいは台形から長方形へ断面を変えるために、前記リング本体（１４）を加工するステップをさらに含む、請求項１８〜２４のいずれか一項に記載のピストンリングの製造方法。
【請求項２６】
前記リング面（１０）を研磨するために、前記リング本体（１４）を切り開いた後に、該リング本体（１４）を丸めない形態で固定する、請求項１８〜２５のいずれか一項に記載のピストンリングの製造方法。
【請求項２７】
前記再溶融するステップの前に、前記リング本体（１４）を予備加熱するステップをさらに含む、請求項１８〜２６のいずれか一項に記載のピストンリングの製造方法。
【請求項２８】
前記リング面にレデブライト的に再溶融されたねずみ鋳鉄構造を形成するために、前記リング面上の材料を除去した後、かつ前記耐摩耗層を施す前に、前記リング面（１０）を再溶融するステップをさらに含む、請求項１８〜２７のいずれか一項に記載のピストンリングの製造方法。
【請求項２９】
前記再溶融ステップの後に、少なくとも一方のリングフランク（８）、好ましくは両方のリングフランクを、表面粗さＲａが０．５〜１．０μｍとなるように研削するステップをさらに含む、請求項１８〜２８のいずれか一項に記載のピストンリングの製造方法。
【請求項３０】
前記リング本体（１４）をリン酸塩処理するステップをさらに含む、請求項１８〜２９のいずれか一項に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、ピストンリングの耐摩耗コーティングに関し、より詳細には、大きなピストン径を有するモータのピストンリングおよびそのようなリングの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大容量の内燃機関は、主に定置式の設備で使用されるか、あるいはボートモータとして使用される。そのようなエンジンに関連して作動時間が長いので、そこに使用される構成要素の耐摩耗性については特に高い要求がなされている。このことは、特に、作動中における摩擦摩耗に起因して高い応力を受け、必要なダウンタイムのためにその交換が複雑で費用がかかるピストンリングに関連している。
【０００３】
ピストンリングにおける摩擦摩耗は、シリンダ壁と接触しているリングのすべり面で最初に発生し、次にピストンのリング溝の壁と接触するリングフランクで発生する。動作サイクルにおける圧縮リングの場合、下側リングフランク、すなわち燃焼機関とは反対側のフランクが溝の下壁と接触し、燃焼ガスは、上側リングフランクとピストンリングの後ろの溝の上壁との間の隙間を通して、溝の底部とリングの内側との間の空間に流入することが知られている。これによりリングに圧力がかかり、リングに外向きの力がはたらき、それによってリングのすべり面とシリンダ壁との間のシール効果が強化される。リングフランクが摩耗すると、燃焼ガスが、燃焼室とは反対側のピストンリングの側面を通ってリングフランクとリング溝の壁との間を通過することになり、その結果、リングへの圧力も減少し、したがってリングのすべり面（リング面）とシリンダ壁との間のシール効果がさらに損なわれる。
【０００４】
したがって、長い運転寿命にわたって良好なシール効果を確実なものにするには、ピストンリングのリング面を耐摩耗性に設計するだけでなく、リングフランクもまた高い耐摩耗性を有していなければならない。それ故、リングフランクを硬化させることや、あるいはリングフランクにクロムめっきを施すことが従来技術において知られている。米国特許出願公開第２００４／００４０４３６（Ａ１）号は、イオンプレーティングによって施された耐摩耗層を有するピストンリングに関する。さらに、窒化層も施されている。米国特許出願公開第２０１６／０２４４８５６（Ａ１）号は、機能面上に再溶融されたレデブライト領域を有するスライドリングに関する。米国特許第４１５３４７７号は、冷却速度を表面の０．１〜１０％で適切に制御することによってグラファイト粒子がレデブライトに組み込まれるような、レデブライトを有する、特にはピストンリング上の摩耗面に関する。米国特許第３８１４４４７号は、耐摩耗層がプラズマ溶射によって溝内に施された、特にはピストンリングにおける摩耗部品に関する。米国特許出願公開第２００７／０２５２３３８（Ａ１）号は、耐摩耗コーティングを有する台形のピストンリングに関する。
【０００５】
絶えず増している環境要件と、可能な限り低い燃料消費量を達成することへの要望のために、本発明の目的は、特に、大型ピストンエンジン用のピストンリングのトライボロジー特性、すなわち、耐摩耗性、耐摩擦性および耐腐食性をさらに改善することにある。
【発明の概要】
【０００６】
本発明によれば、この問題は、ねずみ鋳鉄のリング本体を含むピストンリングであって、リング本体は、少なくとも一方のリングフランクに、リング面の端まで該リング面内に延びるレデブライト構造の領域を有し、リング面、すなわちレデブライト構造の領域も覆う面に耐摩耗層が施されているピストンリングによって解決される。
【０００７】
本発明の他の態様によれば、リング本体は、リング面にレデブライト構造の領域を有し、当該構造がリング面全体にわたって延びていてもよい。
【０００８】
他の態様によれば、耐摩耗層は、溶射層、レーザで施された硬質物質コーティング、クロム分散層、ＰＶＤ層またはＤＬＣ層とすることができる。
【０００９】
他の態様によれば、耐摩耗層は、リング面と少なくとも１つのリングフランクとの間の縁部にわたって（円周に沿って）連続的に延びていてもよい。
【００１０】
他の態様によれば、内燃機関とは反対側のリングフランクにレデブライト構造の領域を設けることができ、好ましくは両方のリングフランクにレデブライト構造の領域を設けることができる。
【００１１】
他の態様によれば、レデブライト構造の深さおよび／または厚さは、０．０５ｍｍ〜１．５ｍｍであり、好ましくは０．１５ｍｍ〜１．０ｍｍであり、より好ましくは０．３ｍｍ〜０．７ｍｍであり得る。
【００１２】
他の態様によれば、レデブライト構造の厚さは、半径方向に変化していてもよく、その深さは、半径方向外側に向かって増加していてもよい。
【００１３】
他の態様によれば、レデブライト構造の深さおよび／厚さは、円周方向に変化していてもよいが、その深さが当接端で増加していることが好ましい。
【００１４】
他の態様によれば、レデブライト構造の領域は、少なくとも一方のリングフランク全体にわたって延びていてもよい。
【００１５】
他の態様によれば、少なくとも一方のリングフランクの半径方向内側の領域はいずれのレデブライト構造も有しておらず、当該半径方向内側の領域は、リング本体の半径方向厚さの１／３を超えて、より好ましくは２／３を超えて延びていることが好ましい。
【００１６】
他の態様によれば、リング面と少なくとも一方のリングフランクとの間の縁部は、面取り部を有していてもよい。
【００１７】
他の態様によれば、リング面と少なくとも一方のリングフランクとの間の縁部は、丸みを帯びており、当該丸みを帯びた領域が、１ｍｍ〜３ｍｍの半径を有することが好ましい。
【００１８】
他の態様によれば、ダブルおよび／または丸みを帯びた部分の寸法は、円周方向に変化していてもよい。
【００１９】
他の態様によれば、リング面は、球形または歪んだ球形であってもよい。
【００２０】
他の態様によれば、当接面は、好ましくは半径方向外側端まで延びるレデブライト構造の領域を有していてもよい。
【００２１】
他の態様によれば、当接面は、少なくとも部分的に耐摩耗層を備え、当該該摩耗層は、好ましくは半径方向外側端まで延びていてもよい。
【００２２】
本発明によれば、この問題は、さらに、レデブライト的に再溶融されたねずみ鋳鉄構造および／またはレデブライト構造を有するピストンリングの製造方法によって解決される。この方法は、ねずみ鋳鉄からリング本体を製造するステップと、リング本体の少なくとも一方のリングフランクの領域を再溶融して、当該少なくとも一方のリングフランク上にレデブライト的に再溶融されたねずみ鋳鉄構造を形成するステップと、を含む。この方法はさらに、リング本体のリング面に、レデブライト的に再溶融されたねずみ鋳鉄構造が露出するまで、該リング面上の材料を除去するステップを含む。最後に、リング面に耐摩耗層を施す。耐摩耗層を施すことにより、リング面の領域に、該リング面に先に露出されたレデブライト構造に耐摩耗層が施されているオーバーラップ領域を形成する。
【００２３】
方法の一態様では、少なくとも一方のリングフランクの領域を再溶融した後、かつ耐摩耗層を施す前に、リング本体を無応力アニーリングするステップをさらに含んでいてもよい。再溶融では、熱影響領域がレデブライト構造の下に形成され、そこでは高い応力がリング本体に広がり得る。この熱影響領域は、無応力アニーリングによって除去することができる。再溶融および無応力アニーリングは、当接面を得るためにリングを切り開く前に、閉じられたリング本体で実行することが好ましい。
【００２４】
他の態様によれば、無応力アニーリングにおける温度は、４５℃〜６００℃、好ましくは５００℃〜５４０℃、より好ましくは５１０℃〜５３０℃であり、かつ当該温度は、１時間〜４時間、好ましくは１．５時間〜３時間、より好ましくは１．８時間〜２．３時間維持される。
【００２５】
本方法の他の態様において、再溶融は、リング本体の半径方向厚さの２０％〜３０％の半径範囲を含む。リング本体の外側縁部の間には距離があり、この距離は、再溶融中に縁部が損なわれないことを確実にし、この距離は約１ｍｍである。ここでの２０％〜３０％は、リング本体の外側縁部から測定したものである。
【００２６】
他の態様によれば、再溶融は、レーザビーム、電子ビーム、電気アーク溶接、プラズマ溶接またはタングステン不活性ガス溶接から選択される、高エネルギー放射線で材料に衝撃を与えることによって達成され得る。
【００２７】
さらなるステップとして、ピストンリングおよび／またはリング本体を製造中に切り開いてもよい。これらの場合、リング本体を閉じられたリングとして鋳造し、再溶融ステップの後かつリング面の研磨除去ステップの前に切り開くことが好ましい。無応力アニーリングを実行する場合は、無応力アニーリングの後かつリング面の研磨除去の前に、リングを切り開くことが好ましい。
【００２８】
本方法の他の実施形態において、リング面は、レーザクラッディングまたは高速フレーム溶射によって、あるいはＰＶＤもしくはＣＶＤによって、あるいは電気的に、耐摩耗層でコーティングされている。
【００２９】
本方法のさらなる実施形態では、リング本体を加工して断面を変えることが可能である。したがって、例えば、最初は長方形であるリングの断面を粉砕または研削して、本質的に台形のリング断面を形成することができる。
【００３０】
ピストンリングの製造方法の他の実施形態は、当接面の少なくとも一部を再溶融して、該当接面にレデブライト的に再溶融されたねずみ鋳鉄構造を形成するステップを含む。レデブライト的に再溶融されたねずみ鋳鉄構造は、燃焼ガスに対する耐性が増しているため、レデブライト的に再溶融された当接面は、化学的腐食からよりよく保護される。ここでも、当接面を完全に再溶融するのではなく、当接面の端から約１ミリメートル離れたところで終わる１つの表面のみを再溶融することが、当接面の端が溶かされてそこに不所望の丸みまたは材料の逃げが生じるのを防止するために有利である。
【００３１】
本方法の他の実施形態では、再溶融の前に、リング本体を予備加熱する追加のステップを含む。したがって、特に再溶融深さ、熱影響領域のサイズ、および特に凝固挙動、特に凝固速度は、再溶融中に調整することができる。
【００３２】
他の実施形態は、リング面を再溶融してそこにレデブライト構造を形成するステップを含む。
【００３３】
本方法のさらなる実施形態では、再溶融ステップの後に、少なくとも一方のリングフランク、好ましくは両方のリングフランクを、表面粗さＲａが０．５〜１．０μｍとなるように研削するステップをさらに含む。さらに、本方法は、リング本体をリン酸塩処理するステップを含んでいてもよい。
【００３４】
本発明の他の態様によれば、上述の方法の１つ以上に従って製造されたピストンリングもまた提供される。
【００３５】
図面を参照して、本発明の例示的な実施形態を以下により詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に従うピストンリングの構造の軸方向断面図である。
【図２】本発明に従って製造されたピストンリングの断面写真である。
【図３】図３Ａ〜３Ｇは、本発明に従う可能なピストンリングの製造方法の例示的な実施形態のステップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下の説明および図面の両方において、同一もしくは類似の要素または構成要素については同じ参照番号を使用する。さらに、すべての図に有効な参照番号のリストがある。図面に示す実施形態は概略的なものにすぎず、実際のサイズ比を表すものではない。
【００３８】
ねずみ鋳鉄材料の構造的実施形態は、合金の成分だけではなく、材料を凝固させる際の冷却条件によって、かなりの程度まで決定される。結果として得られる構造、すなわち発生する相およびそれらの分布は、鉄−炭素合金からなる材料の使用温度における機械的性質をかなりの程度まで決定する。
【００３９】
鋳鉄を熱力学的平衡状態でゆっくり凝固した場合、結果として得られる構造は、鉄（Ｆｅ）と黒鉛（Ｃ）とで主に構成されるものであり、ねずみ鋳鉄と呼ばれる。これは、黒鉛の発生形態に応じて、層状鋳鉄、バーミキュラー鋳鉄、および球状黒鉛鋳鉄に区別することができる。鋳鉄をより急速に凝固すると、結果として得られる構造は、鉄と炭化鉄（Ｆｅ３Ｃ，セメンタイト）とで構成される、準安定のいわゆるレデブライト的構造（レデブライト構造）であり、一般に白鋳鉄と呼ばれる。レデブライト構造は、ねずみ鋳鉄よりも硬度が高く、したがって摩耗し難いが、ねずみ鋳鉄は、靭性がより大きく、したがって破損および／またはクラックの伝播を受けにくい。
【００４０】
本発明による長寿命のピストンリングを得るために、リング本体のねずみ鋳造構造を少なくとも部分的に再溶融して一方のリングフランク上にレデブライト構造を形成し、さらにリング面を耐摩耗層で被覆し、また、リング面に露出したレデブライト構造も耐摩耗層で被覆する。レデブライト構造は、まず、対応する位置でリング本体の表面を加熱してそれを部分的に溶融し、次に、材料が再び冷えるまで待つことによって形成される。リング本体は、表面でのみ溶融され、内部は冷たく固体であるので、溶融領域を比較的急速に冷却して表面にレデブライト構造を有する領域を形成する「自己クエンチング」効果が得られる。
【００４１】
図１は、そのようなピストンリングの例示的な実施形態の軸方向断面、すなわちリング軸が交差平面内にある断面を示している。リング本体は、そのほとんどがネズミ鋳鉄構造２からなる。一方のリングフランク８は、当該一方のリングフランク８と一方のリング面１０との間の縁部まで延在するレデブライト構造４の領域を有し、該領域は、元のねずみ鋳鉄構造を再溶融することによって生成されている。リング面１０には、耐摩耗層６が施されている。そうすることで、耐摩耗層６は、該耐摩耗層６とレデブライト構造４とのオーバーラップ領域４２において、レデブライト構造４を覆っている。図１における耐摩耗層６のほとんどは、元の鋳鉄構造が存在するリング本体２の半径方向外側面を覆っている。図１において、レデブライト構造は、ピストンリングの下側のリングフランク８および／または燃焼室とは反対側のリング本体２にのみ、かつ／あるいは、ピストンリングおよび／またはリング本体２のクランクシャフトに面する下側にのみ適用されているが、これは、作動中に、当該領域が大きな応力にさらされるからである。
【００４２】
レデブライト構造４の領域は、リングフランク全体に延びていてもよい。あるいは、リングフランクの半径方向内側領域にはレデブライト構造がなく、当該半径方向内側領域は、リング本体の半径方向厚さの１／３を超えていることが好ましく、２／３を超えていることがより好ましい。したがって、特に大きな応力にさらされるリングフランクの外側領域に、レデブライト層が設けられていることが好ましい。レデブライト構造の深さを半径方向に変化させることには同様の効果があるので、深さもまた、半径方向外側に向かって増加していることが好ましい。
【００４３】
概して、過渡領域から離れてレデブライトのない領域へ、レデブライト構造の深さは、０．０５ｍｍ〜１．５ｍｍであり、好ましくは、０．１５ｍｍ〜１．０ｍｍであり、より好ましくは、０．３ｍｍ〜０．７ｍｍである。これらの設計を選択することによって、リング本体のねずみ鋳鉄構造の所望の靭性と、脆いレデブライト構造の耐摩耗性と、の間の最適な妥協点に達することができる。円周方向の異なる応力に対応するために、レデブライト構造の円周方向の深さを変化させることも考えられる。当接端で、あるいは当接端の方向に深さを増大させることは、当接端においてより大きな程度で生じ得る摩耗を防止するために好ましい。
【００４４】
図１は、一方のリングフランクにのみレデブライト構造の領域を有する例を示しているが、これは、作動中により大きな応力にさらされるという理由から、燃焼チャンバとは反対側のリングフランクであることが好ましい。別の実施形態によれば、両方のリングフランクにレデブライト構造の領域が設けられている。代替的にかつ／あるいは付加的に、リング面にもレデブライト構造が設けられていてもよい。
【００４５】
耐摩耗層６は、好ましくは、リング面１０およびリング端まで延びるレデブライト構造６の領域にわたって、好ましくは連続的に延びているので、リング面とリングフランクとの間のリング縁部の外側には、摩耗や腐食を受けやすいであろうねずみ鋳鉄構造が存在していない。耐摩耗層の下に位置するレデブライト構造層を有する本体は、外側の耐摩耗層が一箇所で摩耗しても、レデブライト構造層がこの地点から伝播する摩耗を抑制するサポートとして機能するというさらなる利点を提供する。耐摩耗層は、溶射層、クロム分散層、または他の物理的コーティング、例えば、ＰＶＤ層もしくはＤＬＣ層であり、ＰＶＤは物理蒸着を表し、ＤＬＣはダイアモンドライクカーボンを表す。レーザを用いて硬質物質を施すことも可能である。
【００４６】
図１において、リングフランク８とリング面１０との間の縁部は、丸みを帯びて示されている。脆性の耐摩耗層を損傷させる可能性がある応力ピークおよび／またはノッチ応力の発生は、一様な移行部を有するそのような実施形態によって回避される。これは、リング面１０の、好ましくは球形または歪んだ球形によってさらにサポートされる。ここでは、面取り部を施すことも考えられる。レデブライト構造の領域が両方のリングフランクに設けられている一実施形態では、それに応じて他方のリングの縁部もまた同様に設計され得る。
【００４７】
丸みを帯びた領域の半径は、１ｍｍ〜３ｍｍであるが、概して、本明細書における丸みを帯びた領域は一定の半径を有しておらず、代わりに中心部でより小さい半径を有し、リング面およびリングフランクに向かってより大きい半径を有するにつれて平らになっている。特に、面取り部および／または丸みを帯びた領域の寸法（すなわち、ここでは半径）は、円周方向に変化することができる。ピストンリングに内部面取りが施されていると、張力がかかっている状態で（取り付けられた状態で）断面が乱れるため、リング本体がねじれる。このねじれは、当接端よりもリングの裏側に大きな影響を及ぼし、それは耐摩耗層における円周方向の応力差をもたらす可能性があり、可能な損傷を生じやすくする。これは、円周方向における面取り部および／または丸みを帯びた領域の寸法を変化させることによって、バランスをとることができる。
【００４８】
さらに、当接面もまた、当接面／リング面の端まで延びるレデブライト構造の領域を有していてもよい。対応するレデブライト領域にもやはり、耐摩耗層が設けられている。リング面にもレデブライト構造が設けられている場合、鋳造構造の大部分が半径方向外側の当接面の端に露出されないという結果を達成するので、そこから発生する可能性のある摩耗を防ぐことができとうる。このようにして、すべての当接面をレデブライト構造で作ることができる。当接面の半径方向外側の領域は、リング本体の半径方向厚さの２／３を超えて延び、レデブライト構造からなることが好ましい。リング本体の半径方向厚さの１／３を超えて延びる半径方向外側の当接面の領域が、レデブライト構造からなることも好ましい。
【００４９】
本発明にしたがうピストンリングを製造するためには、まず、リング本体をねずみ鋳鉄から製造する。すなわち、鉄−炭素合金を鋳造後に熱力学的平衡状態で凝固させると、ねずみ鋳鉄構造が得られる。次いで、少なくとも一方のリングフランクにおいて、レデブライト構造を設けることになる表面領域を加熱および溶融する。加熱は、該表面領域を高エネルギー放射線で照射することによって達成することができ、ここでは、レーザビーム、電子ビーム、電気アーク溶接、プラズマ溶接またはタングステン不活性ガス溶接を使用することができる。一般に、この目的のために使用される、例えばレーザビームの直径は、約１ｍｍから数倍の１０ｍｍであるため、領域全体が一度に加熱されるのではなく、リング本体が一箇所で加熱され、最溶融されるべき領域全体が、リングと高エネルギー放射線との相対的な動きによって覆われる。これは、例えばロボットアームによって、あるいはリングが回転可能に取り付けられていて円形領域を覆うように回転されるという事実によって、放射線源を動かすことにより達成され得るが、これもまた、再溶融領域の深さを円周方向に変化させることを容易にする。再溶融領域の深さは、エネルギー入力によって決まる。
【００５０】
冷却は、自己急冷によって行われるので、急冷媒体は使用されない。この冷却は、比較的急速に行われる結果、レデブライト構造が形成され、そしてピストンリング上のある場所が既に冷却過程にある一方で、他の場所は依然として上述の方法によって加熱されている状態にある。
【００５１】
再溶融されることになるリングフランクの少なくとも１つの領域が、リングフランクとリング面との間の縁部まで延在するように選択される。リングフランクに加えて、リング面にレデブライト構造を設けること、すなわちリング面を加熱することも可能である。
【００５２】
加熱およびそれに続く冷却によって生じるリング本体内の応力を消散させるために、リング本体を冷却した後に、無応力アニーリングを実施することができる。これは、４５０℃〜６００℃、好ましくは５００℃〜５４０℃、より好ましくは５１０℃〜５３０℃の温度で、１時間〜４時間、好ましくは１．５時間〜３時間、より好ましくは１．８時間〜２．３時間かけて実行され、その後、改めて冷却される。次いで、リング本体は、無応力アニーリングの後に切り開かれる。
【００５３】
次いで、レデブライト的に再溶融されたネズミ鋳鉄構造がリング面上に露出されるまで、材料をリング面１０から除去する。次に、そこに露出しているレデブライト領域を含むリング面に、耐摩耗層を施す。
【００５４】
さらに、再溶融ステップでは、リング面１０もまた再溶融することができ、その結果、レデブライト的に再溶融されたねずみ鋳鉄構造はこの位置でも露出する。この場合、レデブライト構造はリング面に既に露出しているので、所望の形状を達成するまで、かつ／あるいは溶融中に特に縁部で生じる変形がなくなるまで、リング面上の材料を除去する。
【００５５】
あるいは、リング面で材料を除去した後（かつ耐摩耗層を施す前）に、リング面を再溶融してレデブライト構造を得ることもできる。リング面１０とリングフランクとの間の少なくとも１つの縁部上の狭い領域は、ここでは加熱しない。すなわち、リング面上の材料を除去することによって既に露出されている（リングフランク上の再溶融領域からの）レデブライトは再溶融しない。必要であれば、その後、低応力アニーリングを行ってもよい。
【００５６】
この場合もまた、リング面全体にレデブライト的に再溶融されたねずみ鋳鉄構造を設けるのではなく、その代わりに部分領域、例えば、球形のリング面の場合は半径方向最外側の周囲領域、すなわちシリンダ壁と接触する領域にのみ設けることも可能である。
【００５７】
縁部に面取り部または丸みを付けた領域を設ける場合、これは、鋳鉄を再溶融してレデブライト構造を形成した後に行われる。
【００５８】
少なくとも一方のリングフランクの表面を、表面粗さＲａが０．５〜１．０μｍとなるように砥石研削することは、リング本体の少なくとも一方のリングフランクの領域を再溶融した後における、別の可能な方法ステップである。これにより、リングフランクおよび溝壁の摩耗がさらに減少する。２つのリングフランクを研磨することが好ましい。耐食性の改善は、リング本体をリン酸塩処理する、ならびに／あるいはリン酸塩層を施す最終ステップによって達成される。
【００５９】
図２は、本発明によって製造された鋳鉄２のピストンリング断面の写真を示す。このピストンリングでは、両方のリングフランクにレデブライト構造４が設けられている。図２におけるオーバーラップ領域４２は、上側リング面の端、すなわち燃焼室の近くに示されている。
【００６０】
図３Ａ〜３Ｇは、本発明によるピストンリングの１つの可能な実施形態を製造するための方法の、例示的な実施形態のステップを示す。
【００６１】
図３Ａは、ピストンリングおよび／またはピストンリングブランク１６の部分断面を示す。閉じられたピストンリングブランク１６の軸は、右側に、紙面外側に位置している。ピストンリングブランク１６は、ここでは閉じられたリングを形成している。ここで、リングフランク６は、上側リングフランクを指している。半径方向内側表面および下側リングフランクについては、冗長な要素で図が複雑にならないように、ここでは個別に参照番号を付していない。ピストンリングブランク１６の半径方向外側表面には、リング面として参照番号３０が付されている。
【００６２】
図３Ｂでは、上側および下側リングフランク８の一部は再溶融されており、再溶融された場所にはレデブライト構造４が形成されている。再溶融する前に、ピストンリングブランク１６を加熱して、再溶融プロセスを最適化する。レデブライト構造４を有する再溶融領域の下および隣には、熱影響領域があり、そこでは鋳鉄構造に応力が発生している。
【００６３】
図３Ｃは、無応力アニーリング後の状態を示しており、ここでは、熱影響領域２０が除去されている。
【００６４】
図３Ｄは、ピストンリングブランク１６が切り開かれて示されているので、これ以降はリング本体１４と呼ぶ。低応力アニーリングの前工程を行うことによって、リングは、切り開かれた後にねじれない。当接端２８は、当接端面上に見ることができるが、それは大部分が残りのピストンリングによって隠されている。
【００６５】
図３Ｅは、リング本体が好ましくは非円形にクランプされた後、かつリング面が機械加工によって後退および／または摩耗した後のリング本体を示す。摩耗したリング面領域２４は、破線で示されている。ここでは、材料を少なくとも１ミリメートル除去する。リング面を除去すると、再溶融領域からのレデブライト構造４がリング面に露出する。リング本体を円形にクランプして、円形または非円形に研削することも可能である。
【００６６】
図３Ｆは、リング面に耐摩耗層６を施し、それによって耐摩耗層６がレデブライト構造４の上方に位置するオーバーラップ領域２４を形成した後のピストンリングを示す。耐摩耗層は、リングフランク８またはリングフランク上のレデブライト構造４は覆っていない。しかしながら、鼻部、面取り部または丸みを帯びた部分（不図示）の領域、およびリングフランク８とリング面との移行部の領域ではずれが生じ得る。
【００６７】
図３Ｇは、別の製造ステップを示しており、ここでは、以前は長方形の断面を有していたピストンリングが、台形リングになるように修正されている。上側および下側ピストンリングフランク８は、円錐形表面に沿って研削されているので、レデブライト構造４の半径方向寸法が減少している。さらに、レデブライト構造の軸方向の厚さは、ピストンリングの中心に向かって減少している。逆台形リング（内側の軸方向厚さがリング面のそれよりも大きい）を再溶融し、次いで機械で長方形のリングに変換した場合も、同様の効果が得られる。これにより、レデブライト層の軸方向の厚さの変化を容易に達成することができる。この変換はまた、リングを切り開く前または後に実行することができる。
【符号の説明】
【００６８】
２：鋳鉄構造
４：レデブライト構造
６：耐摩耗層
８：リングフランク
１０：リング面／リング面
１４：リング本体
１６：ピストンリングブランク
２０：熱影響領域
２４：研磨したリング面領域
２６：リング面に露出したレデブライト構造
２８：当接端
３０：ピストンリングブランク１６のリング面または半径方向外側面
４２：耐摩耗層とレデブライト構造とのオーバーラップ領域
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図３Ｇ】
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