JPS60187741A - ピストンリングとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ピストンリングとその製造方法に関し、詳し
くは、内燃機関におけるシリンダボアと摺動する外周面
に沿って形成された環状溝内に溶射層を有する、いわゆ
る、インレイド溶射ピストンリングに対し、少なくとも
上記外周面の環状溝以外の部位にシリンダボア祠との摺
動特性面での相性のよい窒化処理層を形成させることに
よって、耐焼付性、耐スカッフィング性、耐摩耗性を改
善したピストンリングとその製造方法にかかる。

〔従来技術〕

従来、ピストンリングのうぢ特に熱負荷の厳しいトップ
リングにおいては、種々の性質を有する金属を含有した
合金で摺動面を形成しゃすい溶射ピストンリングがしば
しば用いられている。

ところが、従来、シリンダボアと摺動する外周面に刻設
された環状溝内に溶射層を形成した、いわゆる、インレ
イド溶射ピストンリングにおいては、外周面におりる溶
剤層の形成された環状溝内以外の部位、即ち、摺動面の
上部と下部にピストンリングの母材が露出する構造とな
っていた。

このため、ピストンリングの母材がシリンダボアと直接
摺接する可能性があり、焼付、スカッフィング、摩耗等
を引き起すおそれがあることから、インレイド溶射ピス
トンリングの母材材質を自由に選択することができず、
シリンダボア材との摺動特性面での相性の良い鋳鉄が広
く採用されている。

しかし、鋳鉄母材によりインレイド溶射ピストンリング
を製造する場合には、薄肉かつ複雑形状の鋳鉄粗形材を
鋳造成形する必要があること、溶射層を埋め込むための
環状溝を加工形成する必要があること等の理由により、
製造コストが高くなるという欠点があった。

一方、鋼製ピストンリングは、特別な溝加工を必要とせ
ず大量生産性に優れているばかりでなく、薄肉形状とし
ても折損の心配がないことから、ピストンの軽量化、ひ
いては内燃機関の軽量化・低燃費化が図れるという利点
を有しているにもかかわらず、一般的にシリンダボア材
との摺動特性面での相性が悪く、シリンダボアの焼付、
スカッフィング、摩耗等を発生しゃずいという難点から
その適用が限定されるという欠点があった。

そこで、発明者は、上述のような従来のインレイド溶射
ピストンリングの欠点を解消するものとして、既に、別
の発明としてピストンリングにおけるシリンダボアと摺
動する外周面の中央部に沿って環状溝を刻設し、この環
状溝に溶射層を形成するとともに上記外周面の環状溝以
外の部位には耐摩耗性材を被覆したピストンリングを提
案（特願昭５８−１３９１２号）、（特願昭５８−１３
９１３号）している。

しかし、上記既提案の発明においては、外周面の中央部
の環状溝内に溶射層を形成するとともに、外周面の環状
溝以外の部位に耐摩耗性材を被覆することとしているこ
とから、耐摩耗性材の種類によってはピストンリングと
して使用中に耐摩耗性材の剥離を発生ずる場合があると
いう難点がないわけではない。

ところで、本発明者は、ピストンリングにおいて、その
外周面の中央部に設けた環状溝に溶射層を形成するとと
もに、外周面の環状溝以外の部位を既提案発明の耐摩耗
外材被覆に代えて、窒化処理により窒化処理層を形成す
ることにより、耐摩耗性材の剥離等の難点を解消するこ
とができるとともに、相手部材であるシリンダボア材と
の焼付。

スカッフィング、摩耗といった摺動特性面での相性にお
いても優れているということを見いだした。

〔発明の目的〕

本発明は、シリンダボアと摺動する外周面の中央部に刻
設された環状溝に溶射層を形成するとともに、ピストン
リング表面のうち少なくとも外周面の環状溝以外の部位
に窒化処理層を形成することによって、鋼等の安価な母
材を用いてもピストンリングの外周面全面に渡って耐焼
付性、耐スカッフィング性、耐摩耗性等の特性において
、シリンダボア材との摺動特性面での相性のよい、優れ
たインレイド溶射ピストンリングとし、ピストンリング
の耐久性を格段に向上することのできるピストンリング
とその製造方法を提供することを目的としている。

〔発明の構成〕

このような目的は、本発明によれば、シリンダボアと摺
動する外周面の中央部に沿って環状溝が刻設され、その
環状溝に溶射層を形成するとともに、ピストンリング表
面のうち少なくともシリンダボアと摺動する外周面に刻
設された上記環状溝内の溶剤層以外の部位に、窒化処理
層を形成していることを特徴としたピストンリング、及
び、環状に成形された素材の外周面の中央部に沿って環
状溝を刻設する溝加工工程と、上記外周面に溶射層を形
成する溶射工程と、上記外周面に溶射された溶射層のう
ち上記環状溝内、以外の部位の溶射層を除去して上記外
周面における環状溝以外の部位の母材を露出させる研磨
工程と、上記外周面に窒化処理層を形成させる窒化処理
工程と、上記環状溝内の溶射層表面に形成された窒化処
理層を除去する除去工程とを順次行うことを特徴とする
ピストンリングの製造方法、及び、環状に成形された累
月の外周面の中央部に沿って環状溝を刻設する溝加工工
程と、上記外周面に窒化処理層を形成するための窒化処
理工程と、上記窒化処理層の形成された外周面に溶射層
を形成する溶射工程と、この外周面に溶射された溶射層
のうら」二記環状溝内以外の部位の溶射層を除去して上
記外周面の環状溝以外の部位の窒化処理層を露出させる
研磨工程とを順次行うことを特徴とするピストンリング
の製造方法によって達成される。

〔実施例〕

以下、添付図面に基づいて、本発明の詳細な説明する。

（実施例１） 第１図〜第５図はピストンリングの第１の製造方法を示
すものである。

この製造方法においては、まず、鋼製線材を用いてその
引抜き加工時に一方の面に溝を形成し、この溝が外側と
なるようにして環状に曲げ加工して切断する。

ついで、環状に成形されたリング部材１は、第り図に示
すようにリング部材１を複数個積層させて筒状体となし
、図示されない棒状の保持具に嵌合支持する。

そして、この筒状体に積層されたリング部材１の外周面
をショツトブラスト処理による表面清浄化および表面粗
面化処理を実施した後、Ｍｏ、Ｎｊ、Ｃｒ、Ｆｅ等の摺
動特性に優れた金属を溶射して溶射層２を形成する。

つぎに、この筒状体に溶射された溶射層２は筒状体に積
層されたリング部材１を回転させるとともに、砥石３を
軸心周りに回転させ２つ接触させることにより研磨され
、第２図に示すように隣接するリング部材１同士の境界
部分の溶射層を除去する。

なお、リング部ＪＡ１はこの研磨工程において境界部分
のみならず母材をも若干研磨し、この結果、リング部材
１の外周面の環状溝１ａ以外の部位１ｂでは母相が露出
し、溶射層２は環状溝Ｉａ内にのみ残存する。

このようにして境界部分の溶射層を除去した後、各リン
グ部材１は相互に分離され、ついで、外周面の環状溝１
ａ以外の部位に耐摩耗性に優れ、しかも、シリンダボア
材との摺動特性面での相性の良い窒化処理層４を形成す
べくガス軟窒化処理等の窒化処理を実施する。

上述のようにして窒化処理した後のリング部材１０）Ｉ
ＪｆＩ面状態を第３図に示す。

その後、窒化処理Ｎ４は次に述べるバレルラソプ工程に
おいて溶射層２を被覆する部分が実質的に除去され、そ
の結果、窒化処理層４は第４図に示すようにリング部材
１の外周面の環状溝１ａ以外の部位１ｂにのみ残ること
となる。

第５図は・バレルラソプ工程を行う装置の概略図を示し
、この装置は第３図に示す窒化処理層４が形成されたリ
ング部材１よりも若干大径の孔部５と、この孔部５の軸
心部に上下動および回転自在に設けられた支持棒６と、
相互に反対方向へ傾斜してこの支持棒６に固定された一
対の抑え板７゜８とを有している。

そして、リング部材１はこれらの抑え板７，８の間にお
いて支持棒６に嵌合される。

さらに、支持棒６を軸心周りに回転させつつ昇降させる
と、降下時にはリング部材ｌは上方の抑え板７に倣って
傾斜したまま回転し、逆に上昇時にはリング部材１は下
方の抑え板８に倣って傾斜したまま回転する。

その結果、リング部材１の窒化処理層４は溶射層２上の
部位が孔部５の内壁に摺接して除去され、’ｃ　（Ｄ　
］射Ｎ　２の部位は第４図に示すようなバレル形状とな
って露出する。

なお、抑え板７，８の傾斜角および孔部５の内径は、外
周面の環状ｉ１ａ以外の部位ｌｂ上の窒化処理層４まで
除去することのない大きさに定められていることはもち
ろんである。

上述のようにして製造されたピストンリングは、その外
周面である摺動面の上下の母材表面にテーバ状の窒化処
理層４が形成され、溶射Ｍ２が最も突き出た形状となる
。

従って、このように仕上げられたピストンリングは、運
転時にたわみ量が大きくなって溶射層２以外の部位がシ
リンダボアと接触しても、シリンダボアに焼付、スカッ
フィング、摩耗等を生しることがなく、従来のインレイ
ド溶射ピストンリングに比較して格段と優れた耐久性を
有するピストンリングとすることができるのである。

（実施例２） 第６図〜第８図はピストンリングの第２の製造方法を示
すものである。

この製造方法においては、引抜き加工される鋼製線材に
は、上述の第１の製造方法のような溝が形成されておら
ず、まず、曲げ加工されて切断される。

そして、第６図に示すように窒化処理によりリング部材
ｌの表面に窒化処理層４を形成し、ついで、溝加工工程
として第７図に示すように外周面の中央部に環状溝１ａ
を研磨加工する。

この結果、窒化処理層４はリング部材ｌの表面の環状溝
１ａ以外の部位にのみ残る。

その後、環状溝１ａが形成されたリング部材１の外周面
には、上述の第１の製造方法と同様に、ショツトブラス
ト処理を実施した後、Ｍｏ、　Ｎｉ＋Ｃｒ等の摺動特性
に優れた金属を溶射するのである。

この金属の溶射層２は、主に環状溝ｌａ内に形成される
が、外周面の環状溝１ａ以外の部位１ｂの窒化処理層４
の部位にも被覆される。

そして、この窒化処理層４上の溶射層はバレルラソプ工
程において、外周面をバレル形状に成形する時に除去さ
れる。

その結果、第８図に示すように環状溝ｌａ内に溶射層を
有し、リング部材１の外周面の環状ｍｌａ以外の部位に
窒化処理層４が形成されたピストンリングが製造できる
のである。

なお、上述の第１の製造方法により製造されたピストン
リングは、溶射層２上にも窒化処理層４が若干形成され
る場合もあるが（第３図参照）、第２の製造方法により
製造されたピストンリングは、溶射層２上に窒化処理層
４が形成されることはない。

（実施例３） 第９図〜第１３図は本発明の第３の製造方法を示すもの
である。

この製造方法においては、上述の第１の製造方法と同様
に、まず、鋼製線材を用いてその引抜き加工時に一方の
面に溝を形成し、この溝が外側となるようにして環状に
曲げ加工して切断する。

このようにして、環状に成形されたリング部材ｌは第９
図に示すように、その外周面の中央部に沿って環状溝１
ａを有している。

つぎに、このリング部材１は第１０図に示すようにその
表面に耐摩耗性に優れ、しかも、シリンダボアとの摺動
特性面での相性の良い窒化処理層４を形成するために、
ガス軟窒化処理等の窒化処理を実施する。

ついで、窒化処理層４が形成されたリング部材ｌは、第
１１図に示すようにリング部材１を複数個積層させて筒
状体となし、図示されない棒状の保持具に嵌合支持する
。

そして、この筒状体に積層されたリング部材１の外周面
、即ち、窒化処理層４の形成された表面を第１の製造方
法と同様に、ショツトブラスト処理した後、Ｍｏ、Ｎｉ
、Ｃｒ、Ｆｅ等の摺動特性こ優れた金属を溶射して溶射
層２を形成する。

つぎに、この筒状体に溶射された溶射層２は筒状体に積
層されたリング部材１を回転させるとともに、砥石３を
軸心周りに回転させつつ接触させることにより研磨され
、第１２図に示すように隣接するリング部材ｌ同士の境
界部分の溶射層を除去する。

なお、リング部材１はこの研磨工程において境赤部分の
みならず母材をも若干研磨し、この結果、リング部材１
の外周面の環状ｉ１ａ以外の部位１ｂでは窒化処理層が
露出し、溶射層２は環状溝ｌａ内にのめ残存する。

このように境界部分の溶射層が除去されると各リング部
材１は相互に分離され、第１３図に示すように、外周面
には耐摩耗性に優れしかもシリンダボア材との摺動特性
面での相性の良い窒化処理層４の形成されたピストンリ
ングが製造できるのである。

そして、窒化処理層４は次の工程のバレルランプ工程に
おいて溶射層２を被覆する部分が実質的に除去され、そ
の結果、第１３図に示すように環状溝ｌａ内に溶射層を
有し、外周面の環状／ＩＸ！ｉ１ａ以外の部位１ｂに窒
化処理層４が形成されたピストンリングが製造できるの
である。

以上のようにして製造されたピストンリングは、第１の
製造方法と同様に、摺動面の上下の母材表面にテーパ状
の窒化処理層４が形成され溶射層２が最も突き出た形状
となっている。

従って、このようにして製造されたピストンリングは、
運転時にたわみ量が大きくなって溶射層２以外の部位が
シリンダボアと接触しても、シリンダボアの焼付、スカ
ッフィング、摩耗等を生しさせることな〈従来のインレ
イド溶射ピストンリングに比較して格段と優れた耐久性
を有するピストンリングが製造できるのである。

上述のいずれの製造方法においても、溶射処理の前にシ
ョツトブラスト処理を実施しているが、溶射層の密着強
度が充分な場合には、このショツトブラスト処理を省略
することができる。

即ぢ、母材表面上に溶射層を密着すべく多数の微少孔を
有している場合等である。

なお、ピストンリングの上下面の摩耗によるピストンリ
ングのｆ頃きによって、ピストンリングの上下面が過度
に摩耗するおそれのある場合には、ピストンリングの上
下面にも窒化処理層４を残存させることが望ましい。

また、本発明はキーストンリングにも適用できることは
言うまでもない。

〔発明の作用効果〕

以上により明らかなように、本発明にかかるピストンリ
ングとその製造方法によれば、ピストンリング表面のう
ち少なくともシリンダボアと摺動する外周面の中央部に
刻設された環状溝に溶射層を形成するとともに、外周面
の環状ａ以外の部位に窒化処理層を形成することによっ
て、鋼等の安価な母材を用いてもピストンリングの外周
面全面に渡って耐焼付性、耐久力・ンフイング性、耐摩
耗性等の特性において、シリンダボア材との摺動特性面
での相性のよい、優れたインレイド溶射ピストンリング
としピストンリングの耐久性を格段に向上することがで
きる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、第１の製造方法の実施例における研磨工程を
示す部分断面側面図。 第２図は、研磨工程後のリング部材を示す要部の断面図
。 第３図は、窒化処理した直後のリング部材を示す要部の
断面図。 第４図は、第１の製造方法により製造されたピストンリ
ングの１例を示す要部の断面図。 第５図は、バレルランプ工程を行う装置を示す概略断面
図。 第６図菩〜第８図は、第２の製造方法の実施例における
各工程のリング部材を示し、 第６図は、窒化処理した直後のリング部材を示す要部の
断面図。 第７図は、環状溝を形成されたリング部材を示す要部の
断面図。 第８図は、第２の製造方法により製造されたピストンリ
ングの１例をしめず要部の断面図。 第９図〜第１３図は、第３の製造方法の実施例における
各工程のリング部材を示し、 第９図は、第３の製造方法の実施例におけるリング部材
素材の断面図。 第１０図は、第９図のリング部材を窒化処理した状態を
示す断面図。 第１１図は、第３の製造方法の実施例における研磨工程
を示す部分断面側面図。 第１２図は、研磨工程後のリング部材を示す要部の断面
図。 第１３図は、第３の製造方法により製造されたピストン
リングの１例を示す要部の断面図である。 １−−−−−−リング部材。 １ａ−−−−−一環状溝。 １ｂ−−−−外周面の環状溝以外の部位。 ２・−−−−一溶射層。 ３−−−一砥石。 ４−−−−−−窒化処理層。 ５−−一一−一孔部。 ６−一−−−−支持棒。 ７．８−−−−−一抑え板。 第８図 第１３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、シリンダボアと摺動する外周面の中米部に沿って環
   状溝が刻設され、その環状溝に溶射層を形成するととも
   に、ピストンリング表面のうち少なくともシリンダボア
   と摺動する外周面に刻設された上記環状溝内の溶射層以
   外の部位に、窒化処理層を形成していることを特徴とし
   たピストンリング。 ２、環状に成形された素材の外周面の中央部に沿って環
   状溝を刻設する溝加工工程と、上記外周面に溶射層を形
   成する溶射工程と、」二記外周面に溶射された溶射層の
   うぢ上記環状溝内以外の部位の溶射層を除去して上記外
   周面におりる環状溝以外の部位の母材を露出させる研磨
   工程と、上記外周面に窒化処理層を形成させる窒化処理
   工程と、上記環状溝内の溶射層表面に形成された窒化処
   理層を除去する除去工程とを順次行うことを特徴とする
   ピストンリングの製造方法。 ３、環状に成形された素材の外周面の中央部に沿って環
   状溝を刻設する溝加工工程と、上記外周面に窒化処理層
   を形成するための窒化処理工程と、上記窒化処理層の形
   成された外周面に溶射層を形成する溶射工程と、この外
   周面に溶射された溶射層のうち上記環状溝内以外の部位
   の溶射層を除去して上記外周面の環状溝以外の部位の窒
   化処理層を露出させる研磨工程とを順次行うことを特徴
   とするピストンリングの製造方法。