ピストンリング
【課題】耐摩耗性、ガスシール性および油かき性を同時に満たすことが可能であり、かつその摺動面に形成された硬質皮膜自体が剥離することのないピストンリングを提供すること。
【解決手段】外周面に凹部が形成された母材と、前記凹部に設けられる硬質皮膜と、からなるピストンリングにおいて、前記ピストンリングの径方向に垂直な断面において、前記凹部を、母材の上下面のいずれか一方から他方に向かって、ピストンリング外周面に平行に延びる第１の面と、前記第１の面の一端からピストンリング外周面に向かって延びる第２の面と、から構成し、前記凹部に硬質皮膜を設けることで、ピストンリング外周面を、硬質皮膜が形成されている部分と母材が露出している部分とが存在し、前記凹部を形成する第２の面とピストンリング外周面とは１０〜３０°の角度をもって接しているようにする。
【解決手段】外周面に凹部が形成された母材と、前記凹部に設けられる硬質皮膜と、からなるピストンリングにおいて、前記ピストンリングの径方向に垂直な断面において、前記凹部を、母材の上下面のいずれか一方から他方に向かって、ピストンリング外周面に平行に延びる第１の面と、前記第１の面の一端からピストンリング外周面に向かって延びる第２の面と、から構成し、前記凹部に硬質皮膜を設けることで、ピストンリング外周面を、硬質皮膜が形成されている部分と母材が露出している部分とが存在し、前記凹部を形成する第２の面とピストンリング外周面とは１０〜３０°の角度をもって接しているようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関に使用されるピストンリングに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に内燃機関用のピストンには、ピストンリングとして圧力リングとオイルリングとが装着される。この圧力リングは、高圧の燃焼ガスが燃焼室側からクランク室側へ流出する現象（ブローバイ）の防止機能を持たせている。一方、オイルリングは、シリンダ内壁の余分な潤滑油がクランク室側から燃焼室側へ侵入して消費される現象（オイルアップ）の抑制機能を主に有する。そして、従来の標準的なピストンリングの組合せとしては、トップリングおよびセカンドリングからなる２本の圧力リングと、１本のオイルリングとの計３本のピストンリングの組合せが知られている。
【０００３】
近年、内燃機関の軽量化と高出力化に伴い、ピストンリングに要求される品質が益々高まってきている。
【０００４】
ここで、内燃機関用ピストンリングに要求される性能の一つに耐摩耗性がある。当該耐摩耗性を向上する手段としては、現在、ピストンリング摺動面に窒化処理にて窒化層を形成したり、ＰＶＤ法などを用い硬質皮膜を形成することが行われている。
【０００５】
一方で、内燃機関用ピストンリングは、前記オイルアップを抑制するための油かき性も要求されている。当該油かき性を向上する手段としては、ピストンリングの主に下面側のエッジ部をシャープに形成する必要がある。
【０００６】
しかしながら、上記２つの要求を同時に満たそうとした場合、ピストンリング摺動面に硬質皮膜を形成しつつ、当該硬質皮膜のエッジ部分をシャープに形成することとなるが、そうすると、摺動面に形成された硬質皮膜は、「硬質」であるが故に欠け易い性質を有しているがため、このエッジ部分が特に欠け易くなってしまう。
【０００７】
このような問題を解決するために、特許文献１においては、ピストンリング摺動面の全体を硬質皮膜で覆うのではなく、硬質皮膜を部分的に形成し、油かき性を満たすためのエッジ部分においては、シャープな形状のピストンリング母材を露出させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表２００７−５２０６６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記特許文献１のピストンリングによれば、確かにピストンリングに要求されている上記２つの性能（耐摩耗性と油かき性）を同時に満たすことは可能である。
【００１０】
しかしながら、特許文献１のピストンリングにあっては、耐摩耗性を満たすための硬質皮膜自体がピストンリングの母材から剥離してしまうという問題について何らの検討もされておらず、本願発明者らの実験によれば、実際に硬質皮膜の剥離が生じ得ることが分かった。
【００１１】
本願発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、耐摩耗性、ガスシール性、さらには油かき性を同時に満たすことが可能であり、かつその摺動面に形成された硬質皮膜自体が剥離することのないピストンリングを提供することを主たる課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するための本発明は、外周面に凹部が形成された母材と、前記凹部に設けられる硬質皮膜と、からなるピストンリングであって、前記ピストンリングの径方向に垂直な断面において、前記凹部は、母材の上下面のいずれか一方から他方に向かって、ピストンリング外周面に平行に延びる第１の面と、前記第１の面の一端からピストンリング外周面に向かって延びる第２の面と、から構成されており、前記凹部に硬質皮膜が設けられることで、ピストンリング外周面には、硬質皮膜が形成されている部分と母材が露出している部分とが存在し、前記凹部を形成する第２の面とピストンリング外周面とは１０〜３０°の角度をもって接していることを特徴とするピストンリング。
【００１３】
また、前記ピストンリングにあっては、前記硬質皮膜が、ＰＶＤ法により形成されたＣｒ−Ｎ系、またはＣｒ−Ｂ−Ｎ系の皮膜であってもよい。
【００１４】
また、前記ピストンリングにあっては、前記母材の少なくとも下面および外周面において前記母材が露出している部分が、窒化処理されていてもよい。
【００１５】
また、前記ピストンリングにあっては、前記ピストンリングが圧力リングであり、ピストンリング外周面における上面側には硬質皮膜が形成されており、下面側には硬質皮膜が形成されておらず母材が露出していてもよい。
【００１６】
また、前記ピストンリングにあっては、その外周面の形状が、バレルフェース形状を有していてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、外周面に凹部が形成された母材と前記凹部に設けられる硬質皮膜とからピストンリングを構成し、このピストンリングの外周面は、硬質皮膜が形成されている部分と母材が露出している部分とを存在させており、さらに、母材が露出されている部分は、外周面の上面または下面の一方の、いわゆるエッジ部分となっているため、硬質皮膜により耐摩耗性を発揮せしめることができるとともに、露出された母材によって形成されるエッジ部分によりガスシール性および油かき性を発揮せしめることができる。
【００１８】
加えて、本願発明は、母材の外周面であって硬質皮膜が形成される凹部の形状を特殊な形状としているため、母材と硬質皮膜との境界部分が「なだからかな」傾斜面（１０〜３０°）となっており、その結果、硬質皮膜の一点に応力が集中することを防止して、当該硬質皮膜自体が母材から剥離することを防止することができる。
【００１９】
また、本願発明において、硬質皮膜の材質をＰＶＤ法により形成されたＣｒ−Ｎ系、またはＣｒ−Ｂ−Ｎ系の皮膜とすることにより、ピストンリングに要求される耐摩耗性を充分に満たすことができるとともに、母材との密着性をも向上せしめ、剥離を防止することができる。
【００２０】
また、本願発明において、母材の上面、下面、内周面および外周面において露出している部分を窒化処理することにより、ピストンリングの耐摩耗性をさらに向上せしめることができると共に、後処理が不要となり製造工程を簡略化することができる。
【００２１】
さらに、本願発明にあっては、ピストンリングの中でも圧力リングとして用いられた場合に効果的であり、圧力リングとして用いた場合、その下面側のエッジ部分がガスシールを行うとともに油をかく部分となるため、当該部分に母材を露出させ、上面側に硬質皮膜を形成することがより効果的である。
【００２２】
また、本願発明は、その外周面の形状が、バレルフェース形状を有するピストンリングにも応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】（ａ）は、本発明のピストンリングの一部径方向に垂直な断面を示した斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）の断面の拡大図であり、（ｃ）は、（ｂ）のさらに拡大図である。
【図２】製造方法の一例を示す工程図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、本発明のピストンリングの他の一例を示す断面図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、本発明のピストンリングをオイルリングに適用した場合の断面図である。
【図５】剥離試験（ツイスト試験）の説明図である。
【図６】ブローバイガス量、オイル消費量および摩耗量を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明のピストンリングについて、図面を用いて具体的に説明する。
【００２５】
図１（ａ）は、本発明のピストンリングの一部径方向に垂直な断面を示した斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の断面の拡大図であり、（ｃ）は、（ｂ）のさらに拡大図である。なお、本発明のピストンリングには、図１には図示しない合い口部が形成されている。
【００２６】
図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、本発明のピストンリング１は、母材２と硬質皮膜３とから構成されている。そして、図１（ｂ）および（ｃ）に示すように、ピストンリングの径方向に垂直な断面をみた場合、母材２には、母材の上面から下面に向かって（逆でもよい）、ピストンリング外周面Ｚに平行に延びる第１の面Ｘと、前記第１の面Ｘの一端Ｘ1からピストンリング外周面Ｚに向かって延びる第２の面Ｙとから構成される凹部２１が
形成されている。この前記凹部２１には、最終的にピストンリング１の外周面Ｚの一部となる硬質皮膜３が設けられている。そして、前記凹部２１を形成する第２の面Ｙとピストンリングの外周面Ｚ（凹部２１に形成された硬質皮膜３の表面）とが、１０〜３０°の角度をもって接している（図１（ｃ）の符号α参照）。その結果、図１（ａ）に示すように、本発明のピストンリング１の外周面Ｚの外観は、その大半は硬質皮膜３により覆われており、下面近傍のいわゆるエッジ部分には母材２が露出した状態となっている。
【００２７】
このような本発明のピストンリング１によれば、外周面Ｚに設けられた硬質皮膜３により耐摩耗性を発揮せしめることができるとともに、露出された母材２によって形成されるエッジ部分によりガスシール性および油かき性を発揮せしめることができる。
【００２８】
また、ピストンリングの外周面Ｚと凹部２１を構成する第２の面Ｙとのなす角α（図１（ｃ）参照）を１０〜３０°とすることにより、母材と硬質皮膜との境界部分が「なだからかな」傾斜面となる一方、その結果、硬質皮膜の一点に応力が集中することを防止して、当該硬質皮膜３自体が母材２から剥離することを防止することができる。
【００２９】
このような本発明のピストンリング１を構成する母材２について以下に説明する。
【００３０】
母材２の材質については、特に限定されることはなくいかなる材質も用いることができる。例えば、その材質としては、主にスチール（鋼材）を用いることができ、またステンレス鋼としては、ＪＩＳ規格に表されるＳＵＳ４４０、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ３０４等、あるいは８Ｃｒ鋼、１０Ｃｒ鋼、ＳＷＯＳＣ−Ｖ、ＳＷＲＨ材などを用いることができる。
【００３１】
母材２の外周面Ｚには、前述したように所定の形状を呈し、最終的に硬質皮膜３によって埋められる凹部２１が形成されている。
【００３２】
当該凹部２１を構成する第２の面Ｙとピストンリング外周面Ｚとのなす角αが１０°より小さいと、凹部２１に設けられる硬質皮膜３の厚さを確保することができず、剥離するおそれがある。一方でなす角αを３０°より大きくすると、硬質皮膜の剥離が生じてしまう。
【００３３】
ここで、当該凹部を構成する第１の面Ｘと第２の面Ｙとのなす角θは、１５０〜１７０°の範囲とすることが好ましい。第１の面Ｘとピストンリングの外周面Ｚが平行であることから、なす角θをこの範囲とすることにより、前記なす角αを所定の範囲内にするｋとができる。また、第１の面Ｘと第２の面Ｙとは曲面状（緩やかなカーブ）につなげることが好ましい。これにより、硬質皮膜３の剥離をより防止することができる。
【００３４】
また、図１（ｃ）に示す凹部２１の深さｈについては、本願発明は特に限定することはないが、凹部２１に設けられる硬質皮膜３の性能や製造コストなどを考慮すると、１〜７０μｍ程度が好ましく、１０〜６０μｍが特に好ましい。１μｍ未満であると、摩耗により皮膜が消滅し耐久性が劣るという問題があり、一方で７０μｍを超えると、製造上時間がかかりコスト的に好ましくない。なお、図１（ｃ）からも分かるように、凹部２１の深さｈは、最終的に当該部分に形成される硬質皮膜３の厚さとなる。
【００３５】
さらに、図１（ｂ）に示す凹部２１の長さｍについても、本願発明は特に限定することはない。しかしながら、ピストンリング１に耐摩耗性を付与するためには、その外周面Ｚに硬質皮膜３を充分に形成する必要があり、一方で、外周面Ｚに露出させる母材２の役割は、エッジをシャープにしてガスシール性および油かき性を向上せしめることであることから、凹部２１の長さｍは、ピストンリングの断面の全長の７０〜９０％程度とすることが好ましい。従って、外周面Ｚに露出される母材の長さｎは、全長の１０〜３０％となる。外周面Ｚに露出される母材の長さｎが１０％未満であると、欠けや剥離が生じやすいという問題があり、一方で３０％を超えると、硬質皮膜の無い部分が多く、耐摩耗性が劣るという問題がある。
【００３６】
ここで、母材２は、少なくとも下面２４および外周面において露出している部分２５が窒化処理されていることが好ましく、その上面２２、内周面２３、下面２４および外周面において露出している部分２５の全てが窒化処理されていてもよい。これにより、ピストンリングの耐摩耗性をさらに向上せしめることができると共に、後処理が不要となり製造工程を簡略化することができるからである。
【００３７】
当該窒化処理としては、特に限定されることはないが、塩浴軟窒化処理、ガス窒化処理、ガス軟窒化処理、イオン窒化処理などを具体例としてあげることができる。窒化処理にてビッカース硬さ（ＨＶ）が７００以上の窒化層を窒化拡散層としこの窒化拡散層の厚さを１〜４０μｍで形成することが好ましく、厚さについては、１０〜２０μｍが特に好ましい。
【００３８】
次に、凹部２１に形成される硬質皮膜３について説明する。
【００３９】
硬質皮膜３の材質については特に限定することはなく、当該硬質皮膜３の効果、つまりピストンリングの耐摩耗性を向上せしめることが可能な皮膜であれば、従来から用いられている各種硬質皮膜を適宜選択して用いることができる。
【００４０】
本発明にあっては、各種硬質皮膜の中でも、ＰＶＤ法（物理蒸着法）により形成されたＣｒ−Ｎ系、またはＣｒ−Ｂ−Ｎ系の皮膜であることが好ましい。
【００４１】
Ｃｒ−Ｎ系、またはＣｒ−Ｂ−Ｎ系の硬質皮膜３の形成するためのＰＶＤ法としては、イオンプレーティング法、真空蒸着法、スパッタリング法等を挙げることができる。
【００４２】
Ｃｒ−Ｎ系の硬質皮膜３は、Ｃｒ、ＣｒＮ、Ｃｒ2Ｎよりなる皮膜であり、Ｃｒが０．５〜１５．５質量％、ＣｒＮが４５．０〜９８．０質量％、Ｃｒ2Ｎが残部であることが好ましい。
【００４３】
一方で、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系の硬質皮膜３は、Ｂ含有量が０．０５〜２０質量％であることが好ましい。ＢがＣｒ−Ｎ合金中に含まれることによって形成される当該硬質皮膜は、耐摩耗性および耐スカッフィング性に優れると共に、特に相手攻撃性に優れる。Ｂ含有量が０．０５質量％未満では、耐スカッフィング性および相手攻撃性で期待する効果が得られない。Ｂ含有量が２０質量％を超えると、硬質皮膜３の内部応力が高く、靱性が低下し、皮膜にクラックおよび層間剥離等が発生し、ピストンリングとしての機能を果たさなくなる。Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系の硬質皮膜３を構成するＢ含有量の特に好ましい範囲としては、１〜３質量％であり、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系の硬質皮膜３を構成するＮ含有量は、４．０〜３４．０重量％の範囲であり、残部がＣｒであることが好ましい。
【００４４】
次に本発明のピストンリングの製造方法について説明する。
【００４５】
製造方法に関しては特に限定されることはなく、最終製品としてのピストンリング１が上記で説明した特定の形状を有する凹部２１を有する母材２と、当該凹部に設けられる硬質皮膜３とからなれば、いかなる製造方法を用いてもよい。
【００４６】
図２は、製造方法の一例を示す工程図である。
【００４７】
図２（ａ）に示すように、第１の面Ｘと第２の面Ｙとから構成される凹部２１が設けられた母材２を用意する。ここで、第２の面Ｙと最外周面Ｗとのなす角αは１０〜３０°とする。一方で凹部２１の深さＨは、最終製品たるピストンリング１における凹部２１の深さ（図１（ｃ）の符号ｈ）よりも深くしておく。言い換えれば、最終的に凹部２１に形成されるべき硬質皮膜３の膜厚よりも深くしておく。なお、この凹部２１の形成方法は切削、研削、研磨などの公知の技術を適宜選択して採用すればよい。
【００４８】
次に、図２（ｂ）に示すように、母材２の外周面全体に硬質皮膜３を形成する。形成する硬質皮膜３の膜厚は、最終製品たるピストンリング１において必要な膜厚とする。なお、硬質皮膜３の形成方法には、前述したように、各種ＰＶＤ法を用いればよい。
【００４９】
次に、図２（ｃ）に示すように、母材２の下面側に形成された凸部分（図中の斜線の部分）を、母材２の凹部２１に形成された硬質皮膜３の表面に沿って除去する。なお、除去方法は特に限定されない。
【００５０】
前記除去により、最終的に図２（ｄ）に示すように、本発明のピストンリング１を形成することができる。
【００５１】
また、窒化処理を行うと、図２（ｅ）に示すように、リング母材部分に窒化拡散層が形成される。
【００５２】
図２に示す方法によれば、母材２の外周面全体に硬質皮膜３を形成した後、不要な部分を除去することで、最終的に所定部分（下面側のエッジ部分）に母材２を露出させることができるため、硬質皮膜３をＰＶＤ法で形成する場合であっても、マスクなどを用いる必要がなく、比較的簡便かつ安価に本発明のピストンリングを製造することができる。
【００５３】
図３（ａ）および（ｂ）は、本発明のピストンリングの他の一例を示す断面図である。
【００５４】
図３（ａ）に示すように、本願発明のピストンリングにおいては、その外周面Ｚの形状をバレルフェース形状とすることも可能であり、図３（ｂ）に示すように、その外周面Ｚの形状を偏心バレルフェース形状にすることも可能である。バレル形状とすることにより、油膜潤滑を行いながら外周面（摺動面）からのガス漏れを防止することができる。
【００５５】
本発明のピストンリングは、いわゆる圧力リングとして機能するトップリングはもとより、同じ圧力リングであるセカンドリングに用いることもでき、さらにはオイルリングにも本発明は適用可能である。
【００５６】
図１や図２は、いわゆる圧力リングの例であり、この場合には、図示するように、ピストンリングの上面側に硬質皮膜３を形成し、下面側のエッジ部分に母材２を露出させることが好ましい。圧力リングにおいては下面側のエッジ部分に母材２を露出させることによって欠けや剥離を防止できるからである。
【００５７】
図４（ａ）および（ｂ）は、本発明のピストンリングをオイルリングに適用した場合の断面図である。
【００５８】
コイルエキスパンダ（図示せず）とオイルリング本体１とからなる２ピースオイルリングにあっては、図４（ａ）に示すように、上下２つの摺動面ともに上面側に硬質皮膜３を形成し下面側に母材２を露出させることができる。この場合、オイルをかき出す方向はオイルリング本体１の下方向となる。
【００５９】
一方で、図４（ｂ）に示すように、上側の摺動面にあっては、上面側に硬質皮膜３を形成し下面側に母材２を露出させ、下側の摺動面にあっては、下面側に硬質皮膜３を形成し上面側に母材２を露出させてもよい。この場合、オイルをかき出す方向はオイルリング本体１の中央部となる。
【００６０】
このように、２ピースオイルリングの本体にあっては圧力リングに比べてリング形状が複雑となる場合が多く、従来のオイルリング本体にあってはそのエッジ部分をシャープに形成することが困難な場合があったが、本発明によれば、母材２そのものを露出させることでエッジ部分を形成することができるため、比較的容易にシャープなエッジ部分とすることができる。
【実施例】
【００６１】
本発明のピストンリングを実施例を用いてさらに具体的に説明する。
【００６２】
（実施例１〜６）
前記図２を用いて説明した方法を用いて、図１に示すピストンリング（オイルリング）を製造した。
【００６３】
ここで、母材（２）としては、ＪＩＳ規格で表されるＳＵＳ４４０Ｂを用いた。
【００６４】
また、硬質皮膜（３）としては、イオンプレーティング法により形成したＣｒ−Ｂ−Ｎとした。
【００６５】
製造したピストンリングの寸法は、直径：１１５ｍｍ、軸方向幅：３．０ｍｍ、径方向幅３．９５ｍｍである。なお、ピストンリング外周摺動面の下部（エッジ部分）において露出している母材の長さ（ｍ）は０．５ｍｍであった。
【００６６】
このような実施例１〜６において、母材（２）に形成された凹部（２１）を構成する第２の面（Ｙ）とピストンリング外周面（Ｚ）とのなす角（α）の値は、以下の表１に示す通りである。なお、この第２の面（Ｙ）とピストンリング外周面（Ｚ）とのなす角（α）は、ピストンリング軸方向断面が観察できるように切断し、断面を研磨して鏡面化し、１００倍の視野に拡大して確認した。また、これらの実施例にあっては、以下の表１に示すように、母材において硬質皮膜（３）が形成されていない部分を窒化処理したものとしていないものとがある。
【００６７】
窒化処理については、ガス窒化法を用い１０〜２０μｍの厚さの窒化拡散層を形成した。
【００６８】
（比較例１〜２）
前記実施例と同じ要領で、母材（２）に形成された凹部（２１）を構成する第２の面（Ｙ）とピストンリング外周面（Ｚ）とのなす角（α）の値が本発明の範囲外の比較例を製造した。具体的には表１の通りである。
【００６９】
（従来例１〜２）
前記実施例と同じ要領で、母材（２）の外周面全体に硬質皮膜（３）が形成されている従来例を製造した。具体的には表１の通りである。
【００７０】
＜剥離試験＞
図５に示す捻り剥離試験機４０を用いてツイスト試験を行った。
【００７１】
ツイスト試験においては、ピストンリング１の合口５の相対向する合口端部を掴持具４１ａ、４１ｂで掴持し、掴持具４１ａを固定しておいて掴持具４１ｂをピストンリング１の直径方向で合口の反対側６を軸として一点鎖線で示されるように回転させてピストンリング１を所定のねじり角度にてねじる。ねじり角度は９０°とした。ねじり後に、このピストンリング１の合口反対側６を切断し、切断面（破面）における皮膜層のリング母材からの剥離の有無を目視で観察した。観察した結果、亀裂又は剥離が全く無かった場合を○とし、亀裂又は剥離が軽微でも確認できた場合を×とした。剥離試験を行ったのは、実施例１、４、５、比較例１、２、従来例１である。
【００７２】
その結果を以下の表１に示す。
【００７３】
【表１】
【００７４】
＜実機試験＞
排気量：８０００ｃｃ、ボア径：φ１１５ｍｍの直列６気筒ディーゼルエンジンにてオイル消費量及びブローバイガス量の測定を行った。また、第１圧力リングの下面の摩耗を実機運転前後のプロフィールより摩耗量を測定した。
【００７５】
この際のピストンリングの組合せは、第１圧力リングは、Ｃ：０．９（質量）％、Ｓｉ：０．４％、Ｍｎ：０．３％、Ｃｒ：１７．５％、Ｍｏ：１．１％、Ｖ：０．１％、Ｐ：０．０１％、Ｓ：０．０１％（ＪＩＳ規格に表されるＳＵＳ４４０Ｂ材相当）からなる、リング軸方向幅（ｈ１）：３．０ｍｍ、リング径方向幅（ａ１）：３．９５ｍｍのもので、実施例３、実施例４、従来例１の仕様とし、第２圧力リングは、１０Ｃｒ鋼材相当からなる、リング軸方向幅（ｈ１）：２．５ｍｍ、リング径方向幅（ａ１）：４．３ｍｍのものである。オイルリングはＪＩＳ規格に表されるＳＵＳ４１０ＪＩ材相当からなる、リング軸方向幅（ｈ１）：４．０ｍｍ、リング径方向幅（ａ１）：オイルリング単体で２．３５ｍｍ、コイルエキスパンダとの組み合わせで４．３５ｍｍのものである。
【００７６】
実機試験は、第２圧力リング及びオイルリングの仕様は一定とし、第１圧力リングのみを変化させて行った。第１圧力リングは外周摺動面をバレルフェース形状とし、第２圧力リングは外周摺動面をテーパー形状とした。
【００７７】
具体的な試験方法としては、ＷＯＴ（全負荷）によりエンジン回転数２２００ｒｐｍにて、従来例１の圧力リングを用いたブローバイガス量、オイル消費量の数値を１とし、従来例２、実施例２、３、５、６の圧力リングを用いた試験結果を指数として求めた。また、摩耗量については、従来例１の圧力リングを用いたリング下面の摩耗量の数値を１とし、実施例３、５、６の圧力リングを用いた試験結果を指数として求めた。さらその結果を図５に示す。
【００７８】
表１や図６からも分かるように、本発明のピストンリングによれば、従来よりも耐剥離性、耐摩耗性、ガスシール性、およびオイルかき性をともに向上せしめることができる。
【符号の説明】
【００７９】
１…ピストンリング
２…母材
３…硬質皮膜
４…窒化拡散層
５…合口
Ｘ…第１の面
Ｙ…第２の面
Ｚ…ピストンリングの外周面
α…第２の面とピストンリング外周面とのなす角
θ…第１の面と第２の面のなす角
２１…凹部
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関に使用されるピストンリングに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に内燃機関用のピストンには、ピストンリングとして圧力リングとオイルリングとが装着される。この圧力リングは、高圧の燃焼ガスが燃焼室側からクランク室側へ流出する現象（ブローバイ）の防止機能を持たせている。一方、オイルリングは、シリンダ内壁の余分な潤滑油がクランク室側から燃焼室側へ侵入して消費される現象（オイルアップ）の抑制機能を主に有する。そして、従来の標準的なピストンリングの組合せとしては、トップリングおよびセカンドリングからなる２本の圧力リングと、１本のオイルリングとの計３本のピストンリングの組合せが知られている。
【０００３】
近年、内燃機関の軽量化と高出力化に伴い、ピストンリングに要求される品質が益々高まってきている。
【０００４】
ここで、内燃機関用ピストンリングに要求される性能の一つに耐摩耗性がある。当該耐摩耗性を向上する手段としては、現在、ピストンリング摺動面に窒化処理にて窒化層を形成したり、ＰＶＤ法などを用い硬質皮膜を形成することが行われている。
【０００５】
一方で、内燃機関用ピストンリングは、前記オイルアップを抑制するための油かき性も要求されている。当該油かき性を向上する手段としては、ピストンリングの主に下面側のエッジ部をシャープに形成する必要がある。
【０００６】
しかしながら、上記２つの要求を同時に満たそうとした場合、ピストンリング摺動面に硬質皮膜を形成しつつ、当該硬質皮膜のエッジ部分をシャープに形成することとなるが、そうすると、摺動面に形成された硬質皮膜は、「硬質」であるが故に欠け易い性質を有しているがため、このエッジ部分が特に欠け易くなってしまう。
【０００７】
このような問題を解決するために、特許文献１においては、ピストンリング摺動面の全体を硬質皮膜で覆うのではなく、硬質皮膜を部分的に形成し、油かき性を満たすためのエッジ部分においては、シャープな形状のピストンリング母材を露出させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表２００７−５２０６６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記特許文献１のピストンリングによれば、確かにピストンリングに要求されている上記２つの性能（耐摩耗性と油かき性）を同時に満たすことは可能である。
【００１０】
しかしながら、特許文献１のピストンリングにあっては、耐摩耗性を満たすための硬質皮膜自体がピストンリングの母材から剥離してしまうという問題について何らの検討もされておらず、本願発明者らの実験によれば、実際に硬質皮膜の剥離が生じ得ることが分かった。
【００１１】
本願発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、耐摩耗性、ガスシール性、さらには油かき性を同時に満たすことが可能であり、かつその摺動面に形成された硬質皮膜自体が剥離することのないピストンリングを提供することを主たる課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するための本発明は、外周面に凹部が形成された母材と、前記凹部に設けられる硬質皮膜と、からなるピストンリングであって、前記ピストンリングの径方向に垂直な断面において、前記凹部は、母材の上下面のいずれか一方から他方に向かって、ピストンリング外周面に平行に延びる第１の面と、前記第１の面の一端からピストンリング外周面に向かって延びる第２の面と、から構成されており、前記凹部に硬質皮膜が設けられることで、ピストンリング外周面には、硬質皮膜が形成されている部分と母材が露出している部分とが存在し、前記凹部を形成する第２の面とピストンリング外周面とは１０〜３０°の角度をもって接していることを特徴とするピストンリング。
【００１３】
また、前記ピストンリングにあっては、前記硬質皮膜が、ＰＶＤ法により形成されたＣｒ−Ｎ系、またはＣｒ−Ｂ−Ｎ系の皮膜であってもよい。
【００１４】
また、前記ピストンリングにあっては、前記母材の少なくとも下面および外周面において前記母材が露出している部分が、窒化処理されていてもよい。
【００１５】
また、前記ピストンリングにあっては、前記ピストンリングが圧力リングであり、ピストンリング外周面における上面側には硬質皮膜が形成されており、下面側には硬質皮膜が形成されておらず母材が露出していてもよい。
【００１６】
また、前記ピストンリングにあっては、その外周面の形状が、バレルフェース形状を有していてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、外周面に凹部が形成された母材と前記凹部に設けられる硬質皮膜とからピストンリングを構成し、このピストンリングの外周面は、硬質皮膜が形成されている部分と母材が露出している部分とを存在させており、さらに、母材が露出されている部分は、外周面の上面または下面の一方の、いわゆるエッジ部分となっているため、硬質皮膜により耐摩耗性を発揮せしめることができるとともに、露出された母材によって形成されるエッジ部分によりガスシール性および油かき性を発揮せしめることができる。
【００１８】
加えて、本願発明は、母材の外周面であって硬質皮膜が形成される凹部の形状を特殊な形状としているため、母材と硬質皮膜との境界部分が「なだからかな」傾斜面（１０〜３０°）となっており、その結果、硬質皮膜の一点に応力が集中することを防止して、当該硬質皮膜自体が母材から剥離することを防止することができる。
【００１９】
また、本願発明において、硬質皮膜の材質をＰＶＤ法により形成されたＣｒ−Ｎ系、またはＣｒ−Ｂ−Ｎ系の皮膜とすることにより、ピストンリングに要求される耐摩耗性を充分に満たすことができるとともに、母材との密着性をも向上せしめ、剥離を防止することができる。
【００２０】
また、本願発明において、母材の上面、下面、内周面および外周面において露出している部分を窒化処理することにより、ピストンリングの耐摩耗性をさらに向上せしめることができると共に、後処理が不要となり製造工程を簡略化することができる。
【００２１】
さらに、本願発明にあっては、ピストンリングの中でも圧力リングとして用いられた場合に効果的であり、圧力リングとして用いた場合、その下面側のエッジ部分がガスシールを行うとともに油をかく部分となるため、当該部分に母材を露出させ、上面側に硬質皮膜を形成することがより効果的である。
【００２２】
また、本願発明は、その外周面の形状が、バレルフェース形状を有するピストンリングにも応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】（ａ）は、本発明のピストンリングの一部径方向に垂直な断面を示した斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）の断面の拡大図であり、（ｃ）は、（ｂ）のさらに拡大図である。
【図２】製造方法の一例を示す工程図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、本発明のピストンリングの他の一例を示す断面図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、本発明のピストンリングをオイルリングに適用した場合の断面図である。
【図５】剥離試験（ツイスト試験）の説明図である。
【図６】ブローバイガス量、オイル消費量および摩耗量を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明のピストンリングについて、図面を用いて具体的に説明する。
【００２５】
図１（ａ）は、本発明のピストンリングの一部径方向に垂直な断面を示した斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の断面の拡大図であり、（ｃ）は、（ｂ）のさらに拡大図である。なお、本発明のピストンリングには、図１には図示しない合い口部が形成されている。
【００２６】
図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、本発明のピストンリング１は、母材２と硬質皮膜３とから構成されている。そして、図１（ｂ）および（ｃ）に示すように、ピストンリングの径方向に垂直な断面をみた場合、母材２には、母材の上面から下面に向かって（逆でもよい）、ピストンリング外周面Ｚに平行に延びる第１の面Ｘと、前記第１の面Ｘの一端Ｘ1からピストンリング外周面Ｚに向かって延びる第２の面Ｙとから構成される凹部２１が
形成されている。この前記凹部２１には、最終的にピストンリング１の外周面Ｚの一部となる硬質皮膜３が設けられている。そして、前記凹部２１を形成する第２の面Ｙとピストンリングの外周面Ｚ（凹部２１に形成された硬質皮膜３の表面）とが、１０〜３０°の角度をもって接している（図１（ｃ）の符号α参照）。その結果、図１（ａ）に示すように、本発明のピストンリング１の外周面Ｚの外観は、その大半は硬質皮膜３により覆われており、下面近傍のいわゆるエッジ部分には母材２が露出した状態となっている。
【００２７】
このような本発明のピストンリング１によれば、外周面Ｚに設けられた硬質皮膜３により耐摩耗性を発揮せしめることができるとともに、露出された母材２によって形成されるエッジ部分によりガスシール性および油かき性を発揮せしめることができる。
【００２８】
また、ピストンリングの外周面Ｚと凹部２１を構成する第２の面Ｙとのなす角α（図１（ｃ）参照）を１０〜３０°とすることにより、母材と硬質皮膜との境界部分が「なだからかな」傾斜面となる一方、その結果、硬質皮膜の一点に応力が集中することを防止して、当該硬質皮膜３自体が母材２から剥離することを防止することができる。
【００２９】
このような本発明のピストンリング１を構成する母材２について以下に説明する。
【００３０】
母材２の材質については、特に限定されることはなくいかなる材質も用いることができる。例えば、その材質としては、主にスチール（鋼材）を用いることができ、またステンレス鋼としては、ＪＩＳ規格に表されるＳＵＳ４４０、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ３０４等、あるいは８Ｃｒ鋼、１０Ｃｒ鋼、ＳＷＯＳＣ−Ｖ、ＳＷＲＨ材などを用いることができる。
【００３１】
母材２の外周面Ｚには、前述したように所定の形状を呈し、最終的に硬質皮膜３によって埋められる凹部２１が形成されている。
【００３２】
当該凹部２１を構成する第２の面Ｙとピストンリング外周面Ｚとのなす角αが１０°より小さいと、凹部２１に設けられる硬質皮膜３の厚さを確保することができず、剥離するおそれがある。一方でなす角αを３０°より大きくすると、硬質皮膜の剥離が生じてしまう。
【００３３】
ここで、当該凹部を構成する第１の面Ｘと第２の面Ｙとのなす角θは、１５０〜１７０°の範囲とすることが好ましい。第１の面Ｘとピストンリングの外周面Ｚが平行であることから、なす角θをこの範囲とすることにより、前記なす角αを所定の範囲内にするｋとができる。また、第１の面Ｘと第２の面Ｙとは曲面状（緩やかなカーブ）につなげることが好ましい。これにより、硬質皮膜３の剥離をより防止することができる。
【００３４】
また、図１（ｃ）に示す凹部２１の深さｈについては、本願発明は特に限定することはないが、凹部２１に設けられる硬質皮膜３の性能や製造コストなどを考慮すると、１〜７０μｍ程度が好ましく、１０〜６０μｍが特に好ましい。１μｍ未満であると、摩耗により皮膜が消滅し耐久性が劣るという問題があり、一方で７０μｍを超えると、製造上時間がかかりコスト的に好ましくない。なお、図１（ｃ）からも分かるように、凹部２１の深さｈは、最終的に当該部分に形成される硬質皮膜３の厚さとなる。
【００３５】
さらに、図１（ｂ）に示す凹部２１の長さｍについても、本願発明は特に限定することはない。しかしながら、ピストンリング１に耐摩耗性を付与するためには、その外周面Ｚに硬質皮膜３を充分に形成する必要があり、一方で、外周面Ｚに露出させる母材２の役割は、エッジをシャープにしてガスシール性および油かき性を向上せしめることであることから、凹部２１の長さｍは、ピストンリングの断面の全長の７０〜９０％程度とすることが好ましい。従って、外周面Ｚに露出される母材の長さｎは、全長の１０〜３０％となる。外周面Ｚに露出される母材の長さｎが１０％未満であると、欠けや剥離が生じやすいという問題があり、一方で３０％を超えると、硬質皮膜の無い部分が多く、耐摩耗性が劣るという問題がある。
【００３６】
ここで、母材２は、少なくとも下面２４および外周面において露出している部分２５が窒化処理されていることが好ましく、その上面２２、内周面２３、下面２４および外周面において露出している部分２５の全てが窒化処理されていてもよい。これにより、ピストンリングの耐摩耗性をさらに向上せしめることができると共に、後処理が不要となり製造工程を簡略化することができるからである。
【００３７】
当該窒化処理としては、特に限定されることはないが、塩浴軟窒化処理、ガス窒化処理、ガス軟窒化処理、イオン窒化処理などを具体例としてあげることができる。窒化処理にてビッカース硬さ（ＨＶ）が７００以上の窒化層を窒化拡散層としこの窒化拡散層の厚さを１〜４０μｍで形成することが好ましく、厚さについては、１０〜２０μｍが特に好ましい。
【００３８】
次に、凹部２１に形成される硬質皮膜３について説明する。
【００３９】
硬質皮膜３の材質については特に限定することはなく、当該硬質皮膜３の効果、つまりピストンリングの耐摩耗性を向上せしめることが可能な皮膜であれば、従来から用いられている各種硬質皮膜を適宜選択して用いることができる。
【００４０】
本発明にあっては、各種硬質皮膜の中でも、ＰＶＤ法（物理蒸着法）により形成されたＣｒ−Ｎ系、またはＣｒ−Ｂ−Ｎ系の皮膜であることが好ましい。
【００４１】
Ｃｒ−Ｎ系、またはＣｒ−Ｂ−Ｎ系の硬質皮膜３の形成するためのＰＶＤ法としては、イオンプレーティング法、真空蒸着法、スパッタリング法等を挙げることができる。
【００４２】
Ｃｒ−Ｎ系の硬質皮膜３は、Ｃｒ、ＣｒＮ、Ｃｒ2Ｎよりなる皮膜であり、Ｃｒが０．５〜１５．５質量％、ＣｒＮが４５．０〜９８．０質量％、Ｃｒ2Ｎが残部であることが好ましい。
【００４３】
一方で、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系の硬質皮膜３は、Ｂ含有量が０．０５〜２０質量％であることが好ましい。ＢがＣｒ−Ｎ合金中に含まれることによって形成される当該硬質皮膜は、耐摩耗性および耐スカッフィング性に優れると共に、特に相手攻撃性に優れる。Ｂ含有量が０．０５質量％未満では、耐スカッフィング性および相手攻撃性で期待する効果が得られない。Ｂ含有量が２０質量％を超えると、硬質皮膜３の内部応力が高く、靱性が低下し、皮膜にクラックおよび層間剥離等が発生し、ピストンリングとしての機能を果たさなくなる。Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系の硬質皮膜３を構成するＢ含有量の特に好ましい範囲としては、１〜３質量％であり、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系の硬質皮膜３を構成するＮ含有量は、４．０〜３４．０重量％の範囲であり、残部がＣｒであることが好ましい。
【００４４】
次に本発明のピストンリングの製造方法について説明する。
【００４５】
製造方法に関しては特に限定されることはなく、最終製品としてのピストンリング１が上記で説明した特定の形状を有する凹部２１を有する母材２と、当該凹部に設けられる硬質皮膜３とからなれば、いかなる製造方法を用いてもよい。
【００４６】
図２は、製造方法の一例を示す工程図である。
【００４７】
図２（ａ）に示すように、第１の面Ｘと第２の面Ｙとから構成される凹部２１が設けられた母材２を用意する。ここで、第２の面Ｙと最外周面Ｗとのなす角αは１０〜３０°とする。一方で凹部２１の深さＨは、最終製品たるピストンリング１における凹部２１の深さ（図１（ｃ）の符号ｈ）よりも深くしておく。言い換えれば、最終的に凹部２１に形成されるべき硬質皮膜３の膜厚よりも深くしておく。なお、この凹部２１の形成方法は切削、研削、研磨などの公知の技術を適宜選択して採用すればよい。
【００４８】
次に、図２（ｂ）に示すように、母材２の外周面全体に硬質皮膜３を形成する。形成する硬質皮膜３の膜厚は、最終製品たるピストンリング１において必要な膜厚とする。なお、硬質皮膜３の形成方法には、前述したように、各種ＰＶＤ法を用いればよい。
【００４９】
次に、図２（ｃ）に示すように、母材２の下面側に形成された凸部分（図中の斜線の部分）を、母材２の凹部２１に形成された硬質皮膜３の表面に沿って除去する。なお、除去方法は特に限定されない。
【００５０】
前記除去により、最終的に図２（ｄ）に示すように、本発明のピストンリング１を形成することができる。
【００５１】
また、窒化処理を行うと、図２（ｅ）に示すように、リング母材部分に窒化拡散層が形成される。
【００５２】
図２に示す方法によれば、母材２の外周面全体に硬質皮膜３を形成した後、不要な部分を除去することで、最終的に所定部分（下面側のエッジ部分）に母材２を露出させることができるため、硬質皮膜３をＰＶＤ法で形成する場合であっても、マスクなどを用いる必要がなく、比較的簡便かつ安価に本発明のピストンリングを製造することができる。
【００５３】
図３（ａ）および（ｂ）は、本発明のピストンリングの他の一例を示す断面図である。
【００５４】
図３（ａ）に示すように、本願発明のピストンリングにおいては、その外周面Ｚの形状をバレルフェース形状とすることも可能であり、図３（ｂ）に示すように、その外周面Ｚの形状を偏心バレルフェース形状にすることも可能である。バレル形状とすることにより、油膜潤滑を行いながら外周面（摺動面）からのガス漏れを防止することができる。
【００５５】
本発明のピストンリングは、いわゆる圧力リングとして機能するトップリングはもとより、同じ圧力リングであるセカンドリングに用いることもでき、さらにはオイルリングにも本発明は適用可能である。
【００５６】
図１や図２は、いわゆる圧力リングの例であり、この場合には、図示するように、ピストンリングの上面側に硬質皮膜３を形成し、下面側のエッジ部分に母材２を露出させることが好ましい。圧力リングにおいては下面側のエッジ部分に母材２を露出させることによって欠けや剥離を防止できるからである。
【００５７】
図４（ａ）および（ｂ）は、本発明のピストンリングをオイルリングに適用した場合の断面図である。
【００５８】
コイルエキスパンダ（図示せず）とオイルリング本体１とからなる２ピースオイルリングにあっては、図４（ａ）に示すように、上下２つの摺動面ともに上面側に硬質皮膜３を形成し下面側に母材２を露出させることができる。この場合、オイルをかき出す方向はオイルリング本体１の下方向となる。
【００５９】
一方で、図４（ｂ）に示すように、上側の摺動面にあっては、上面側に硬質皮膜３を形成し下面側に母材２を露出させ、下側の摺動面にあっては、下面側に硬質皮膜３を形成し上面側に母材２を露出させてもよい。この場合、オイルをかき出す方向はオイルリング本体１の中央部となる。
【００６０】
このように、２ピースオイルリングの本体にあっては圧力リングに比べてリング形状が複雑となる場合が多く、従来のオイルリング本体にあってはそのエッジ部分をシャープに形成することが困難な場合があったが、本発明によれば、母材２そのものを露出させることでエッジ部分を形成することができるため、比較的容易にシャープなエッジ部分とすることができる。
【実施例】
【００６１】
本発明のピストンリングを実施例を用いてさらに具体的に説明する。
【００６２】
（実施例１〜６）
前記図２を用いて説明した方法を用いて、図１に示すピストンリング（オイルリング）を製造した。
【００６３】
ここで、母材（２）としては、ＪＩＳ規格で表されるＳＵＳ４４０Ｂを用いた。
【００６４】
また、硬質皮膜（３）としては、イオンプレーティング法により形成したＣｒ−Ｂ−Ｎとした。
【００６５】
製造したピストンリングの寸法は、直径：１１５ｍｍ、軸方向幅：３．０ｍｍ、径方向幅３．９５ｍｍである。なお、ピストンリング外周摺動面の下部（エッジ部分）において露出している母材の長さ（ｍ）は０．５ｍｍであった。
【００６６】
このような実施例１〜６において、母材（２）に形成された凹部（２１）を構成する第２の面（Ｙ）とピストンリング外周面（Ｚ）とのなす角（α）の値は、以下の表１に示す通りである。なお、この第２の面（Ｙ）とピストンリング外周面（Ｚ）とのなす角（α）は、ピストンリング軸方向断面が観察できるように切断し、断面を研磨して鏡面化し、１００倍の視野に拡大して確認した。また、これらの実施例にあっては、以下の表１に示すように、母材において硬質皮膜（３）が形成されていない部分を窒化処理したものとしていないものとがある。
【００６７】
窒化処理については、ガス窒化法を用い１０〜２０μｍの厚さの窒化拡散層を形成した。
【００６８】
（比較例１〜２）
前記実施例と同じ要領で、母材（２）に形成された凹部（２１）を構成する第２の面（Ｙ）とピストンリング外周面（Ｚ）とのなす角（α）の値が本発明の範囲外の比較例を製造した。具体的には表１の通りである。
【００６９】
（従来例１〜２）
前記実施例と同じ要領で、母材（２）の外周面全体に硬質皮膜（３）が形成されている従来例を製造した。具体的には表１の通りである。
【００７０】
＜剥離試験＞
図５に示す捻り剥離試験機４０を用いてツイスト試験を行った。
【００７１】
ツイスト試験においては、ピストンリング１の合口５の相対向する合口端部を掴持具４１ａ、４１ｂで掴持し、掴持具４１ａを固定しておいて掴持具４１ｂをピストンリング１の直径方向で合口の反対側６を軸として一点鎖線で示されるように回転させてピストンリング１を所定のねじり角度にてねじる。ねじり角度は９０°とした。ねじり後に、このピストンリング１の合口反対側６を切断し、切断面（破面）における皮膜層のリング母材からの剥離の有無を目視で観察した。観察した結果、亀裂又は剥離が全く無かった場合を○とし、亀裂又は剥離が軽微でも確認できた場合を×とした。剥離試験を行ったのは、実施例１、４、５、比較例１、２、従来例１である。
【００７２】
その結果を以下の表１に示す。
【００７３】
【表１】
【００７４】
＜実機試験＞
排気量：８０００ｃｃ、ボア径：φ１１５ｍｍの直列６気筒ディーゼルエンジンにてオイル消費量及びブローバイガス量の測定を行った。また、第１圧力リングの下面の摩耗を実機運転前後のプロフィールより摩耗量を測定した。
【００７５】
この際のピストンリングの組合せは、第１圧力リングは、Ｃ：０．９（質量）％、Ｓｉ：０．４％、Ｍｎ：０．３％、Ｃｒ：１７．５％、Ｍｏ：１．１％、Ｖ：０．１％、Ｐ：０．０１％、Ｓ：０．０１％（ＪＩＳ規格に表されるＳＵＳ４４０Ｂ材相当）からなる、リング軸方向幅（ｈ１）：３．０ｍｍ、リング径方向幅（ａ１）：３．９５ｍｍのもので、実施例３、実施例４、従来例１の仕様とし、第２圧力リングは、１０Ｃｒ鋼材相当からなる、リング軸方向幅（ｈ１）：２．５ｍｍ、リング径方向幅（ａ１）：４．３ｍｍのものである。オイルリングはＪＩＳ規格に表されるＳＵＳ４１０ＪＩ材相当からなる、リング軸方向幅（ｈ１）：４．０ｍｍ、リング径方向幅（ａ１）：オイルリング単体で２．３５ｍｍ、コイルエキスパンダとの組み合わせで４．３５ｍｍのものである。
【００７６】
実機試験は、第２圧力リング及びオイルリングの仕様は一定とし、第１圧力リングのみを変化させて行った。第１圧力リングは外周摺動面をバレルフェース形状とし、第２圧力リングは外周摺動面をテーパー形状とした。
【００７７】
具体的な試験方法としては、ＷＯＴ（全負荷）によりエンジン回転数２２００ｒｐｍにて、従来例１の圧力リングを用いたブローバイガス量、オイル消費量の数値を１とし、従来例２、実施例２、３、５、６の圧力リングを用いた試験結果を指数として求めた。また、摩耗量については、従来例１の圧力リングを用いたリング下面の摩耗量の数値を１とし、実施例３、５、６の圧力リングを用いた試験結果を指数として求めた。さらその結果を図５に示す。
【００７８】
表１や図６からも分かるように、本発明のピストンリングによれば、従来よりも耐剥離性、耐摩耗性、ガスシール性、およびオイルかき性をともに向上せしめることができる。
【符号の説明】
【００７９】
１…ピストンリング
２…母材
３…硬質皮膜
４…窒化拡散層
５…合口
Ｘ…第１の面
Ｙ…第２の面
Ｚ…ピストンリングの外周面
α…第２の面とピストンリング外周面とのなす角
θ…第１の面と第２の面のなす角
２１…凹部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に凹部が形成された母材と、前記凹部に設けられる硬質皮膜と、からなるピストンリングであって、
前記ピストンリングの径方向に垂直な断面において、
前記凹部は、母材の上下面のいずれか一方から他方に向かって、ピストンリング外周面に平行に延びる第１の面と、前記第１の面の一端からピストンリング外周面に向かって延びる第２の面と、から構成されており、
前記凹部に硬質皮膜が設けられることで、ピストンリング外周面には、硬質皮膜が形成されている部分と母材が露出している部分とが存在し、
前記凹部を形成する第２の面とピストンリング外周面とは１０〜３０°の角度をもって接している
ことを特徴とするピストンリング。
【請求項２】
前記硬質皮膜が、ＰＶＤ法により形成されたＣｒ−Ｎ系、またはＣｒ−Ｂ−Ｎ系の皮膜であることを特徴とする請求項１に記載のピストンリング。
【請求項３】
前記母材の少なくとも下面および外周面において前記母材が露出している部分が、窒化処理されていることを特徴とする請求項１または２に記載のピストンリング。
【請求項４】
前記ピストンリングが圧力リングであり、ピストンリング外周面における上面側には硬質皮膜が形成されており、下面側には硬質皮膜が形成されておらず母材が露出していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のピストンリング。
【請求項５】
前記ピストンリングの外周面の形状が、バレルフェース形状を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のピストンリング。
【請求項１】
外周面に凹部が形成された母材と、前記凹部に設けられる硬質皮膜と、からなるピストンリングであって、
前記ピストンリングの径方向に垂直な断面において、
前記凹部は、母材の上下面のいずれか一方から他方に向かって、ピストンリング外周面に平行に延びる第１の面と、前記第１の面の一端からピストンリング外周面に向かって延びる第２の面と、から構成されており、
前記凹部に硬質皮膜が設けられることで、ピストンリング外周面には、硬質皮膜が形成されている部分と母材が露出している部分とが存在し、
前記凹部を形成する第２の面とピストンリング外周面とは１０〜３０°の角度をもって接している
ことを特徴とするピストンリング。
【請求項２】
前記硬質皮膜が、ＰＶＤ法により形成されたＣｒ−Ｎ系、またはＣｒ−Ｂ−Ｎ系の皮膜であることを特徴とする請求項１に記載のピストンリング。
【請求項３】
前記母材の少なくとも下面および外周面において前記母材が露出している部分が、窒化処理されていることを特徴とする請求項１または２に記載のピストンリング。
【請求項４】
前記ピストンリングが圧力リングであり、ピストンリング外周面における上面側には硬質皮膜が形成されており、下面側には硬質皮膜が形成されておらず母材が露出していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のピストンリング。
【請求項５】
前記ピストンリングの外周面の形状が、バレルフェース形状を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のピストンリング。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−６１０７２（Ｐ２０１３−６１０７２Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２６４０５６（Ｐ２０１２−２６４０５６）
【出願日】平成２４年１２月３日（２０１２．１２．３）
【分割の表示】特願２００８−１４２７５０（Ｐ２００８−１４２７５０）の分割
【原出願日】平成２０年５月３０日（２００８．５．３０）
【出願人】（３９００２２８０６）日本ピストンリング株式会社 (137)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１２月３日（２０１２．１２．３）
【分割の表示】特願２００８−１４２７５０（Ｐ２００８−１４２７５０）の分割
【原出願日】平成２０年５月３０日（２００８．５．３０）
【出願人】（３９００２２８０６）日本ピストンリング株式会社 (137)
【Ｆターム（参考）】
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