活塞环及其制造方法技术

开发一种成为设置被膜的活塞环的接缝部的磨损的对策和折损的对策、并且低成本的活塞环的制造方法。活塞环（１）的接缝（７）附近的被膜（２）的厚度比其它的外周面的被膜（２）的厚度更厚。活塞环的原料（５）相对于蒸发源（４）自转，该接缝（７）与蒸发源（４）对向时，速度下降。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及内燃机用活塞环，更详细地说，涉及改进其外周面的被膜及厚度的内燃机用。
技术介绍
近年来，随着发动机的大功率化以及使其对大气的污染最小的排放气体的对策，活塞环的使用环境日益苛刻，活塞环的外周面的磨损成为问题。作为其对策，改变现有技术中的硬质镀铬被膜及氮化处理，使用通过离子镀在外周面上被覆耐烧熔性和耐磨损性优异的硬质被膜，例如氮化铬及氮化钛等被膜的活塞环。但是，在使用在外周面上设置作为硬质被膜的这种氮化物的会随后的柴油机中，在燃烧压力高时以及利用大量的EGR(排放气体再循环)进行排放气体的对策时，会产生外周滑动面磨损多的问题，不能长时间保证活塞环的寿命和密封性能。特别是，顶环的接缝部分的外周滑动面，由于高温的燃烧气体通过接缝，所以，润滑情况比其它部分更差，并且由于它是活塞环的端部，所以，由燃烧气体的压力产生的推压气缸内壁的强度比其它部分强，由于这些原因，比其它部分磨损得更严重。当在接缝部分的外周滑动面上没有利用离子镀设置的硬质被膜时，由于这种磨损，衬底钢材会露出到滑动面上，磨损急剧进行，接缝间隙尺寸增大，导致密封性能的降低。由接缝尺寸增大引起的密封性能的降低，燃烧气体泄漏到集油盘侧的窜漏气体量增大，促使油的恶化，进而，润滑油漏到燃烧室侧，不仅增大油的消耗量，而且会出现增加排放气体中的硫系成分等环境方面的问题。此外，在硬质被膜因磨损而消失、衬底钢材露出的情况下，发动机烧熔的也危险性增大。如上面所述，接缝部附近的磨损对策成为很大的课题。作为接缝部的磨损对策，在特许公开2000-120866号公报中提出了通过将接缝部附近的活塞环半径方向的厚度尺寸比气体部分的厚度薄20～30％左右，使接缝端部的自身的张力造成的表面压力减小，保持密封性并防止接缝部的磨损的方案。但是，顶环在活塞的上止点，爆发燃烧时的压力加在活塞环的背面，以远超过由自身的张力产生的表面压力的表面压力将接缝部推压到气缸的内壁面上。因此，实际上，在前述公报公开的方案中并不能成为充分的对策。此外，在提高燃烧压力的高负荷柴油发动机机和采用排气制动的发动机中，爆发燃烧时的压力和排气制动动作时，活塞环发生碟形变形，容易引起活塞的环槽磨损。当活塞的环槽磨损时，活塞环的碟形变形进一步增大，由于这种反复的应力活塞环在接缝部的相反侧的应力集中的位置处，容易引起由疲劳造成的折损。硬质被膜缺乏韧性，容易因应力集中产生裂纹。特别是在硬质被膜的厚度比较厚的情况下，这种倾向变得更加显著。此外，在硬质被膜是利用离子镀形成的氮化物被膜(例如，氮化铬，氮化钛，或者在它们中含有氧，碳，硼等的氮化物)的场合，存在着由于活塞环与气缸内周壁的滑动产生的反复的摩擦力，被膜会由于疲劳而剥离的问题。为了防止由于这种摩擦力引起的被膜的剥离，通过使偏压变化等，有意地使被膜上具有压缩的残留应力是有效的。在离子镀中，被膜一般地在其生成过程中具有与基板相关地产生压缩应力进行生长、堆积的倾向。但是，当使硬质被膜中残留压缩的残留应力时，在被膜正下方的钢材部分上发生残留的拉应力，在活塞环发生碟形变形的情况下，当把外部应力和残留应力合成时，在被膜正下方大多成为最大的拉应力，如果在其附近具有缺陷等的话，它们将成为疲劳破坏的起点，造成容易引起活塞环的折损的新的问题。硬质被膜的厚度越厚，这种倾向越显著。此外，和前面所述的一样，在厚的硬质被膜的情况下，除前述问题之外，还会引起成本问题。特别是，在用离子镀形成硬质被膜的场合，装置的价格高，并且成膜速度与电镀及热喷涂等其它反复相比，速度慢生产率低，进而，铬及钛等靶的价格也高，所以，膜的厚度越厚，活塞环的成本越高。此外，在活塞环中，当原料的组织发生变化时，形状会发生变化。这种变形具有向活塞环的接缝部的自由形状的曲率变大的方向、即直径变小的方向变化的倾向。因此，成膜在回火稳定以下500℃左右进行，但如前面所述，当被膜残留压缩应力时，即使在原料中不引起组织变化的成膜温度，也会变形，其变形程度在活塞环原料的钢材的耐热性元素少的情况下变得更加显著。从而，在使被膜发生压缩的残留应力时，随着膜厚的增加这一倾向变得特别显著。特别是，由于接缝附近的外周部曲率，基本上等于活塞环的公称直径的曲率，所以，当该部分的曲率变大(曲率连续地变化，缩径)时，产生外周部的接触状态缺陷。在活塞环的制造工艺中，包括为了将活塞环精加工成规定的公称外径尺寸和形状，或者以平滑外周被膜的粗糙度等为目的，在被覆离子镀被膜之后，置于具有规定的内径的抛光用套筒内，研磨外周的所谓抛光工序。由于上述原因，被覆离子镀被膜的活塞环，在抛光工序中。容易产生在接缝附近的外周部接触状态的缺陷，要达到外周面的完全接触状态不仅需要花费大量的抛光时间，而且在最坏的情况下，即使其它部分的被膜变得不复存在，也不能达到接缝附近的接触状态。此外，由于抛光用套筒的内周面磨损，抛光用套筒的寿命极短，从而，存在着成本很高的缺点。专利技术的概述鉴于上述问题，本专利技术的课题是，提供能够同时解决在外周面上设置硬质被膜、特别是离子镀被膜的活塞环的接缝部的磨损问题和折损问题的活塞环及其低成本的制造方法。本专利技术提供硬质活塞环，在外周面上被覆硬质被膜的活塞环中，其特征为，硬质被膜保持压缩的残留应力，并且，接缝部附近的硬质被膜的膜厚大于其它的外周面的膜厚。优选地，接缝附近的膜厚，是其它外周面的膜厚的1.5～4倍。此外，优选地，硬质被膜是以氮化物为主体的被膜。根据本专利技术，进一步提供一种活塞环的离子镀被膜的被覆方法，在活塞环相对于蒸发源自转被覆离子镀被膜的活塞环的离子镀被膜被覆方法中，其特征为，令活塞环接缝部正对蒸发源时或者正对的前后之间的旋转速度，比其它部分正对蒸发源时的旋转速度慢。进而，根据本专利技术，提供硬质前述活塞环的制造方法，在前述第一及第二专利技术所述的活塞环制造方法中，其特征为，将活塞环安装在多个轴上，并且活塞环原料相对于位于公转轴的中心位置处的蒸发源自公转，在活塞环的外周面上被覆离子镀被膜时，在将活塞环原料的接缝部的相位相同的方式安装到各轴上之后，该接缝部正对蒸发源时的自公转速度比其它被覆正对蒸发源时的自公转速度慢。本专利技术的活塞环的作用和效果如下所述。(1)由于加在外周上的耐磨损性高的硬质离子镀被膜保留有压缩的应力，所以，即使由与气缸内壁的滑动引起的反复施加的摩擦力，被膜也不会疲劳剥离。(2)通过在滑动条件恶劣、容易磨损的接缝部附近的外周面上形成较厚的硬质被膜，不会产生像现有技术中那样因硬质被膜消失后衬底钢材露出急剧磨损引起的密封性能降低，也不会发生烧熔的问题。(3)由于硬质被膜在接缝部之外，其膜厚比接缝部的膜厚薄，所以，即使在被膜上保持残留压缩应力，也不容易引起硬质被膜的缺陷等，因此，可以提高制造供工艺中的成品率。此外，由于被膜薄，在被膜正下方的钢材被覆产生的残留拉应力小，所以，不容易引起活塞环的疲劳破坏。(4)与在外周侧使膜厚均匀时的情况相比，由于只将易磨损的部分的膜厚加厚，所以，成膜时间短，提高价格昂贵的成膜这种的生产率，靶的消耗少，所以可以提供低成本的活塞环。(5)提供使接缝附近的被膜的厚度比其它部分的厚度厚，厚出的量相当于由于成膜引起的接缝外周部的曲率增大的量，在抛光工艺中，容易确保与活塞环的接缝外周部的接触状态，所以，提高抛光工艺的生产率本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种活塞环，在外周面上被覆硬质被膜，其特征为，接缝部附近的硬质被膜的膜厚比其它的外周面的膜厚更厚。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：三井田浩，
申请(专利权)人：株式会社理研，
类型：发明
国别省市：JP[日本]