專利名稱：活塞環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及與柴油發(fā)動機用活塞組合使用的活塞環(huán)。
背景技術(shù)：
近年，隨著延長汽車用發(fā)動機壽命以及提高燃油效率的市場要求，對該發(fā)動機所使用的活塞環(huán)提出了寬度小且重量輕、低張力且摩擦損失小的要求。此處，活塞環(huán)被安裝在活塞上，用于實現(xiàn)汽缸內(nèi)中的活塞的平滑往復(fù)運動，以及對高溫的燃燒氣體進行密封。安裝有活塞環(huán)的活塞使汽缸內(nèi)形成燃燒室，從而該燃燒室內(nèi)的燃料的燃燒所產(chǎn)生的爆炸壓力轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)。因此，要求安裝于活塞的活塞環(huán)具有能夠承受該燃燒室中的爆炸沖擊，以及能夠長時間地、穩(wěn)定地密封高溫的燃燒氣體的功能。如果活塞環(huán)無法實現(xiàn)這種密封性的提高時，將造成發(fā)動機輸出功率的降低或耗油量的增加等。
為了提高上述的耐沖擊性和氣密性，在活塞環(huán)中，存在能避免初始運行時的異常磨損的材質(zhì)、或可有效地防止氣體的泄漏(漏氣)并適用于潤滑理論的形狀等與發(fā)動機的特征相對應(yīng)的各種種類。例如，對于柴油發(fā)動機用活塞來說，隨著根據(jù)近年的排放控制措施而導(dǎo)致的內(nèi)燃機的燃燒壓力增大，活塞受到的載荷增大，由于必須能承受這樣的嚴(yán)苛的使用條件，因此活塞環(huán)槽的材質(zhì)成為鋼制或者鑄鐵制。因此，當(dāng)安裝與活塞環(huán)槽材質(zhì)相同的活塞環(huán)時，容易發(fā)生粘著磨損。為了抑制該粘著磨損的發(fā)生，柴油發(fā)動機用活塞上所安裝的活塞環(huán)的形狀構(gòu)成為，該活塞環(huán)的上表面和/或下表面?zhèn)染哂泻驮摶钊h(huán)槽相同的傾斜角度的形狀。如果，活塞和活塞環(huán)之間發(fā)生粘著磨損，則活塞環(huán)上下表面和活塞的活塞環(huán)槽之間的密封性變差，造成發(fā)動機輸出功率的降低或耗油量的增大等。為了避免上述問題，例如，在專利文獻I (日本特開2004-92714號)中公開了，適用于如高輸出功率發(fā)動機這樣的、伴隨著高燃燒溫度和燃燒壓力的高輸出功率的內(nèi)燃機的、在耐久性方面優(yōu)異的活塞和活塞環(huán)的組合。具體而言，專利文獻I的活塞和活塞環(huán)的組合，在至少活塞環(huán)槽的材質(zhì)為鋼制的活塞中，安裝了至少在外周滑動面形成有硬質(zhì)膜的鑄鐵制的活塞環(huán)。進而，專利文獻I中公開了以下技術(shù)構(gòu)思通過使活塞環(huán)的材質(zhì)為鑄鐵制，并借助鑄鐵特有的石墨的存在，從而在該活塞環(huán)的上下表面形成凹凸，該凹凸有助于積油，另夕卜，通過將石墨用作自潤滑材料，在與由對偶材料即鋼材質(zhì)構(gòu)成的活塞環(huán)槽之間抑制粘著的發(fā)生，從而能獲得優(yōu)異的耐久性?，F(xiàn)有技術(shù)文獻專利文獻專利文獻I :日本特開2004-92714號公報

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問題如上所述，專利文獻I的活塞和活塞環(huán)的組合可抑制在活塞環(huán)上下表面發(fā)生的粘著。像這樣，一直以來采用了該對策，用以抑制活塞環(huán)槽和活塞環(huán)上下表面的接觸面中的粘著磨損的發(fā)生。但是，在專利文獻I的活塞和活塞環(huán)的組合中，作為該組合的條件，在至少活塞環(huán)槽的材質(zhì)為鋼的活塞與鑄鐵制的活塞環(huán)的組合中，雙方的材質(zhì)受到限定，但是把專利文獻I的活塞環(huán)安裝在至少活塞環(huán)槽為鋼制的活塞上時，并沒有從活塞環(huán)上下表面的表面性狀的角度，為充分地防止粘著來進行研究。據(jù)以上所述，本發(fā)明的目的在于提供一種活塞環(huán)，當(dāng)所述活塞環(huán)被安裝在至少活塞環(huán)槽的材質(zhì)為鋼制、或者鑄鐵制的柴油發(fā)動機用活塞時，可充分地抑制粘著磨損。
解決問題的手段因此，本發(fā)明人進行了潛心研究，其結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過使得活塞環(huán)的、與活塞環(huán)槽側(cè)面相對的上下表面的表面性狀成為滿足指定條件的形狀，就可解決上述問題。以下對本發(fā)明進行說明。本發(fā)明的活塞環(huán)是安裝于柴油發(fā)動機用活塞的活塞環(huán)，其特征在于，所述活塞環(huán)的上表面和下表面的表面載荷長度率Rmr2 (以JIS B 0601 :2001為基準(zhǔn))，滿足下述的數(shù)I所標(biāo)示的式(I)和式(2)的各條件，[數(shù)I]Rmr2(0. 5%,0. 3um) ^ 20% (I)Rmr2(0. 5%,0. 4um) ^ 40% *(2)。在本發(fā)明的活塞環(huán)中，當(dāng)所述Rmr2表示為Rmr2 (Rmr (Co), z)(此處,將指定的初始磨損后的載荷長度率(％)設(shè)為Rmr (Co)，將與對應(yīng)于該Rmr (Co)的切斷水平線Co相距的深度(U m)設(shè)為z)時，則在與所述Rmr (Co)為0. 5%時的所述z的關(guān)系中，優(yōu)選在將所述z表示于X軸、將所述Rmr2表示于y軸的坐標(biāo)系中，對z為0. I y m和0. 3 y m的各個所述Rmr2的數(shù)據(jù)點進行連接的直線的傾斜度為80以上。在本發(fā)明的活塞環(huán)中，所述活塞環(huán)的上表面和下表面的表面十點平均粗糙度RzJIS (JIS B 0601 :2001)優(yōu)選為 0.2 iim 2. Oii m。在本發(fā)明的活塞環(huán)中，所述活塞環(huán)的上表面以及下表面中，優(yōu)選形成有硬質(zhì)層，所述硬質(zhì)層的維氏硬度(HV)為700HV0. I 3000HV0. I。在本發(fā)明的活塞環(huán)中，所述活塞環(huán)優(yōu)選為鋼制或者鑄鐵制，且形成于所述活塞環(huán)的上表面和下表面中的硬質(zhì)層為選自氮化處理層、鍍鉻層、PVD處理層、CVD處理層或者DLC層中的任意一種或者兩種以上。在本發(fā)明的活塞環(huán)中，所述活塞環(huán)的活塞軸方向剖面的形狀優(yōu)選為矩形形狀、梯形形狀、或者半梯形形狀中的任一種。本發(fā)明的活塞環(huán)，優(yōu)選與至少活塞環(huán)槽的材質(zhì)為鋼制或者鑄鐵制的活塞來組合使用。發(fā)明的效果在本發(fā)明的活塞環(huán)中，通過使活塞環(huán)的上表面和下表面的表面性狀滿足本發(fā)明所規(guī)定的載荷長度率Rmr2的條件，從而能充分地抑制粘著磨損的發(fā)生，能長時間地抑制耗油量或漏氣量的增大。


圖I是表示為了說明將本發(fā)明的活塞環(huán)安裝在活塞環(huán)槽后的狀態(tài)，而在軸方向上切斷而得到的概略剖面圖。圖2是使用由糙度曲線畫成的載荷曲線來對載荷長度率Rmr2進行說明的圖。圖3是表示在本發(fā)明的實施例和比較例中的、環(huán)槽磨損比和發(fā)動機運轉(zhuǎn)時間(hr)的關(guān)系的圖表。圖4是表示在本發(fā)明的實施例和比較例中的、載荷長度率Rmr2(Rmr(Co)= 0. 5%)和磨損深度z (Co-Cn ( y m))的關(guān)系的圖表。部件代表符號說明 I活塞環(huán)2活塞環(huán)上表面3活塞環(huán)下表面4活塞環(huán)滑動面5 活塞6活塞環(huán)槽7活塞環(huán)槽上側(cè)面8活塞環(huán)槽下側(cè)面9 汽缸10汽缸內(nèi)壁面11硬質(zhì)層12耐磨損層
具體實施例方式針對本發(fā)明的活塞環(huán)的優(yōu)選實施方式，以下用圖演示并對本發(fā)明進行更詳細(xì)的說明。圖I是表示為了說明將本發(fā)明的活塞環(huán)安裝在活塞環(huán)槽后的狀態(tài)，而在軸方向上切斷而得到的概略剖面圖。如圖I所示，活塞環(huán)I在安裝于活塞環(huán)槽6內(nèi)的狀態(tài)下，填補了汽缸9和活塞5之間的幾十微米大小的縫隙，在密封燃燒氣體的同時，通過活塞5的往復(fù)運動，借助自身具有的張力而被推壓于汽缸內(nèi)壁面10的活塞環(huán)的滑動面4對油膜的厚度進行適當(dāng)?shù)乜刂啤＿M而，通過使活塞環(huán)I經(jīng)由油膜而與汽缸內(nèi)壁面10接觸、同時追隨活塞5的往復(fù)運動(圖中的箭頭方向)，使得活塞環(huán)I在活塞環(huán)槽6內(nèi)發(fā)生上下運動，使該活塞環(huán)I的上表面2、下表面3分別與活塞環(huán)槽的上表面7、下表面8之間進行反復(fù)接觸。此時，如果鋼制的活塞環(huán)槽6內(nèi)中采用鋼制的活塞環(huán)，則活塞環(huán)的上表面2、下表面3分別與活塞環(huán)槽6的上表面7、下表面8之間的接觸部分將發(fā)生粘著磨損。從圖I也可理解，活塞環(huán)的上表面2、下表面3分別與活塞環(huán)槽6的上表面7、下表面8之間的接觸部分中一旦發(fā)生粘著磨損，則在活塞環(huán)的上表面2或者下表面3中的任一方的表面與該活塞環(huán)槽6的上表面7、下表面8相接的狀態(tài)下，產(chǎn)生縫隙，導(dǎo)致耗油量或漏氣量的增大。因此，與活塞環(huán)槽的上表面7、下表面8分別接觸的活塞環(huán)I的上表面2、下表面3的表面粗糙度就成為重要的條件。且，如圖I所示的活塞環(huán)I是被稱為所謂梯形環(huán)的種類，這種活塞環(huán)I具有在環(huán)上下表面設(shè)有傾斜的楔形剖面形狀，但本發(fā)明的活塞環(huán)的形狀并不限于此。例如，本發(fā)明的活塞環(huán)可以具有，活塞環(huán)的下表面?zhèn)刃纬蔀榕c汽缸軸大致垂直、而只在上表面?zhèn)仍O(shè)置傾斜的被稱為所謂半梯形環(huán)的種類的形狀，或矩形形狀。本發(fā)明的活塞環(huán)，其特征在于，如圖I所示的活塞環(huán)的上表面和下表面的表面載荷長度率Rmr2 (以JIS B 0601 :2001為基準(zhǔn))滿足下述數(shù)I所示的式(I)和(2)的條件。[數(shù)I]Rmr2(0. 5%,0. 3um) ^ 20% (I)Rmr2(0. 5%,0. 4um) ^ 40% (2)這里用圖對載荷長度率Rmr2進行說明。圖2是用于說明載荷長度率Rmr2的、由糙度曲線畫成的載荷曲線的示意圖。且，載荷曲線是指，根據(jù)糙度曲線并以JIS B 0601 2001為基準(zhǔn)來求取各切斷水平線下的載荷長度率Rmr，并將該載荷長度率Rmr (%)表示于橫軸，將切斷水平線(切斷高度(單位％或者Pm))表示于縱軸而畫成的曲線。載荷長度率Rmr2是指，在該載荷曲線上，從與所指定的初始磨損后的載荷長度率Rmr (Co) (%)對應(yīng)的切斷水平線Co開始、只磨損了深度z (= Co-Cn) Pm后的載荷長度率(％)，且此時被表示為“Rmr2(Rmr (Co), z)”。針對本發(fā)明的活塞環(huán)，在減小活塞環(huán)上表面和下表面的粗糙度的技術(shù)構(gòu)思中，通過使該上表面和下表面具有上述式子(數(shù)I)所示的條件的表面性狀，從而在抑制粘著的效果方面進一步增加了穩(wěn)定性。如果，與活塞環(huán)槽的上表面、下表面分別接觸的活塞環(huán)的上表面、下表面的表面粗糙度較大時，活塞環(huán)導(dǎo)致的對活塞環(huán)槽的攻擊性變大，容易引起粘著磨損。在本發(fā)明的活塞環(huán)中，針對活塞環(huán)上表面和下表面的表面性狀，通過使載荷長度率Rmr2在本發(fā)明所規(guī)定的條件范圍內(nèi)，可減小活塞環(huán)對活塞環(huán)槽造成的攻擊性，充分抑制粘著磨損的發(fā)生。因此，通過采用本發(fā)明的活塞環(huán)，可有效地抑制耗油量、漏氣量的增大。另外,在本發(fā)明的活塞環(huán)中，載荷長度率Rmr2可表示為Rmr2 (Rmr (Co), z)(此處，將指定的初始磨損后的載荷長度率(％)設(shè)為Rmr (Co)，將與對應(yīng)于該Rmr (Co)的切斷水平線Co相距的深度(iim)設(shè)為z。)。進而此時，針對該載荷長度率Rmr2與該Rmr (Co)為0. 5%時的該z的關(guān)系而言，優(yōu)選在將該z表示于X軸、該Rmr2表示于y軸的坐標(biāo)系中，連接z為0. I ii m和0. 3 ii m時的各個所述Rmr2的數(shù)據(jù)點的直線的傾斜度為80以上。針對載荷長度率Rmr2，以Rmr (Co)為0. 5%作為基準(zhǔn)，設(shè)定了本發(fā)明的活塞環(huán)的上表面和下表面的表面性狀的條件。根據(jù)經(jīng)驗，通過以Rmr (Co)為0. 5%作為基準(zhǔn)來設(shè)定條件，可使活塞環(huán)對活塞環(huán)槽造成的攻擊性變小，可穩(wěn)定地獲得充分抑制粘著磨損發(fā)生的效果。進而，針對與本發(fā)明的活塞環(huán)的上表面或者下表面的Rmr (Co)為0.5%時的z的關(guān)系中，進一步優(yōu)選，在將該z表示于X軸、該Rmr2表示于y軸的坐標(biāo)系中，滿足連接該z為0. I u m 0. 3 u m的各個所述Rmr2的數(shù)據(jù)點的直線的傾斜度a為80以上的條件。通過滿足該條件，活塞環(huán)的潤滑油的保持 能力顯著上升，能獲得優(yōu)異的耐磨損性和耐粘著性，因此能進一步發(fā)揮耗油量、漏氣量的削減效果。另外，本發(fā)明的活塞環(huán)優(yōu)選將其上表面和下表面的表面十點平均粗糙度RzJIS(JIS B 0601 :2001)設(shè)為0.2 iim 2. Oii m。由此，通過根據(jù)上述的載荷長度率Rmr2來規(guī)定活塞環(huán)的上表面和下表面的表面粗糙度，從而能極其有效地減輕其與活塞環(huán)槽上下表面的接觸面上的摩擦損傷，能實現(xiàn)活塞環(huán)滑動行為的穩(wěn)定性。其結(jié)果是，即使在把本發(fā)明的活塞環(huán)安裝在至少活塞環(huán)槽的材質(zhì)為鋼制或者鑄鐵制的活塞中時，也能進一步抑制耗油量、漏氣量的增大。此處，當(dāng)活塞環(huán)的上表面和下表面的表面十點平均粗糙度RzJIS (JIS B0601 2001)不足0. 2 y m時，由于存在引入用于形成粗糙度形狀的設(shè)備而導(dǎo)致的成本增加、產(chǎn)品收率降低等問題，因此不優(yōu)選。另外，當(dāng)活塞環(huán)的上表面和下表面的表面十點平均粗糙度RzJIS (JIS B 0601 :2001)超過2. Oiim時，由于表面的粗糙度較大，因此初始運行性能也降低，同時很可能使活塞環(huán)的上表面和下表面的凸起部分對接觸的活塞環(huán)槽的上下表面造成摩擦損傷，從而不優(yōu)選。另外，本發(fā)明的活塞環(huán)，優(yōu)選在其上表面和下表面上形成有硬質(zhì)層，且該硬質(zhì)層的維氏硬度(HV)為700HV0. I 3000HV0. I。通過在本發(fā)明的活塞環(huán)的上表面和下表面上形成硬質(zhì)層，可實現(xiàn)活塞環(huán)的耐久性的提高。且，伴隨著該硬質(zhì)層的形成，活塞環(huán)的表面粗糙度略微變大，不但對活塞和活塞環(huán)的接觸面發(fā)生的粘著磨損影響甚微，而且對于原本就把表面粗糙度設(shè)定得小的本發(fā)明的活塞環(huán)也沒有特別的問題。 此處，如果形成于活塞環(huán)的上表面和下表面的硬質(zhì)層的維氏硬度(HV)不足700HV0. 1，則無法充分地實現(xiàn)活塞環(huán)的耐久性的提高。另外，如果形成于活塞環(huán)的上表面和下表面的硬質(zhì)層的維氏硬度(HV)超過3000HV0. 1，則活塞環(huán)的上表面和下表面變得過硬，發(fā)生脆化而變脆，從而缺乏耐沖擊特性，因此不優(yōu)選。另外，本發(fā)明的活塞環(huán)為鋼制或者鑄鐵制，形成于該活塞環(huán)的上表面和下表面的硬質(zhì)層優(yōu)選從氮化處理層、鍍鉻層、PVD處理層、CVD處理層或者DLC層中選出的任一種或者兩種以上。由此，通過在活塞環(huán)的上表面和下表面中形成硬質(zhì)層，即使將鋼制或者鑄鐵制的活塞環(huán)與至少活塞環(huán)槽的材質(zhì)為鋼制或者鑄鐵制的活塞進行組合使用，也能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)燃機所要求的壽命延長。且，如圖I所示，該硬質(zhì)層11不僅可在與活塞環(huán)的活塞環(huán)槽接觸的上表面和下表面形成，還可在包含了與汽缸內(nèi)壁面的滑動面的整個表面形成。由此，通過在活塞環(huán)的整個表面形成硬質(zhì)層11，使活塞環(huán)自身的耐久性得以提高。從而，可進一步在以上所述的硬質(zhì)層11的表面進行采用鍍鉻、復(fù)合鍍鉻、復(fù)合鍍、熱噴鍍、物理蒸鍍(PVD)、化學(xué)蒸鍍(CVD)等方法的表面處理。另外，針對本發(fā)明的活塞環(huán)，可將類鉆碳層(以下稱為“DLC層”)設(shè)置在形成有上述氮化處理層、鍍鉻層、或者PVD處理層的上表面和下表面的最外層上。該DLC層公知為摩擦系數(shù)很低的低摩擦材料，除了形成有該上表面和下表面的硬質(zhì)層之外，還進一步形成DLC層，從而可使活塞環(huán)的耐磨損特性得到飛躍性的提高。且，如圖I所示，本發(fā)明的活塞環(huán)為了進一步實現(xiàn)耐久性的提高，還可將DLC層作為耐磨損層12而設(shè)置于環(huán)的外周滑動面4。通常，活塞環(huán)可將頂環(huán)、二環(huán)和油環(huán)作為一套而被安裝使用于活塞中。本發(fā)明的活塞環(huán)可適用于頂環(huán)、二環(huán)中的任一者。再有，頂環(huán)和二環(huán)由于受到來自燃燒氣體與活塞的熱，因此由耐熱性優(yōu)異的材質(zhì)、而且為了不引起發(fā)動機輸出功率的降低或潤滑油消費量的增加而考慮到耐磨損性、耐摩擦性等的材質(zhì)而構(gòu)成。例如，頂環(huán)中廣泛采用了對其與氣缸襯墊的滑動面進行了氮化處理的馬氏體類不銹鋼制環(huán)、在其與氣缸襯墊的滑動面中進行了鍍鉻的SWOSC-V鋼制的環(huán)等。另外，二環(huán)中采用高級鑄鐵制環(huán)或者合金鑄鐵制環(huán)，尤其多采用對高級鑄鐵制環(huán)的滑動面進行了鍍鉻的環(huán)。另外，本發(fā)明的活塞環(huán)優(yōu)選為軸方向剖面的形狀為矩形形狀、梯形形狀、或者半梯形形狀中的任一種。此處，當(dāng)將活塞環(huán)的軸方向剖面的形狀設(shè)定為矩形形狀時，可抑制高壓的燃燒氣體從燃燒室側(cè)向曲軸側(cè)流出的漏氣。另外，當(dāng)將活塞環(huán)的軸方向剖面的形狀設(shè)定為諸如梯形形狀或者半梯形形狀那樣的、在活塞環(huán)的上下表面或者上表面設(shè)有傾斜的形狀時，則通過活塞環(huán)槽內(nèi)的活塞環(huán)朝向半徑方向的運動，該活塞環(huán)的設(shè)置有傾斜的上表面或者下表面對槽內(nèi)堆積的污泥或碳進行傾斜地碰撞，從而可容易地將污泥等擊碎或者削落。其結(jié)果是，通過采用軸方向剖面的形狀為梯形形狀或者半梯形形狀的活塞環(huán)，可防止發(fā)生堆積于活塞環(huán)槽內(nèi)的污泥等固定或者膠著到環(huán)上的所謂“粘著”而導(dǎo)致環(huán)不動。再有，由于在活塞環(huán)中發(fā)生粘著，除了容易發(fā)生活塞環(huán)的破損、漏氣量增加之外，還可能會導(dǎo)致控油功能降低，甚至還有可能導(dǎo)致活塞老化。如上所述，本發(fā)明的活塞環(huán)優(yōu)選與至少活塞環(huán)槽的材質(zhì)為鋼制或者鑄鐵制的活塞組合使用。通過至少活塞環(huán)槽的材質(zhì)為鋼制或者鑄鐵制，能實現(xiàn)作為內(nèi)燃機所要求的壽命延長。再有，作為活塞環(huán)槽的材質(zhì)，優(yōu)先使用耐蝕高鎳鑄鐵、球狀石墨鑄鐵、JIS規(guī)格的鉻鑰鋼(SCM415H、SCM418H、SCM420H、SCM425H、SCM435H、SCM440H、SCM445H)等。且，通過使本發(fā)明的活塞環(huán)的上表面和下表面的表面性狀滿足本發(fā)明規(guī)定的條 件，從而例如即使本發(fā)明的活塞環(huán)與具有相同材質(zhì)的活塞環(huán)槽的活塞相組合，也能充分抑制粘著磨損。另外，由于本發(fā)明的活塞環(huán)母材即使與至少活塞環(huán)槽的材質(zhì)為鋼制或者鑄鐵制的活塞相組合，也難以引起老化，另外熱膨脹差也小，從而不會使活塞環(huán)的氣密功能降低，能有效地防止漏氣的發(fā)生。以下通過實施例和比較例來對本發(fā)明進行具體的說明。但本發(fā)明并不限于以下的實施例。
實施例 活塞環(huán)槽的磨損量確認(rèn)試驗在本磨損量確認(rèn)試驗中，進行排氣量為IOOOOcc的六缸柴油發(fā)動機的實機試驗，針對活塞環(huán)的上表面和下表面的表面性狀，通過不同的載荷長度率Rmr2，對安裝了頂環(huán)的活塞環(huán)槽進行活塞環(huán)槽的磨損量是否會發(fā)生不同的確認(rèn)。且，當(dāng)實施本磨損量確認(rèn)試驗時，是在發(fā)動機的運轉(zhuǎn)條件為全載荷(W0T)、轉(zhuǎn)數(shù)ISOOrpm下進行50小時。進而，使活塞環(huán)的組合成為頂環(huán)、二環(huán)、油環(huán)的三層結(jié)構(gòu)。此時的頂環(huán)采用的是，對由17Cr鋼構(gòu)成的梯形環(huán)、且軸方向的高度為3. 5mm、徑方向厚度為4. 7mm的環(huán)進行了氣體氮化處理而得到的頂環(huán)。二環(huán)采用的是，由FCD材構(gòu)成的、軸方向高度為
2.5_、徑方向厚度為5. 4mm的環(huán)。油環(huán)采用的是，軸方向高度3. 0_、徑方向厚度2. 35mm的環(huán)。
對構(gòu)成頂環(huán)的17Cr鋼和構(gòu)成二環(huán)的F⑶700材質(zhì)進行說明。這里所說的17Cr鋼具有碳0. 90質(zhì)量％、硅0. 40質(zhì)量％、錳0. 30質(zhì)量％、鉻17. 5質(zhì)量％、鑰I. 10質(zhì)量％、釩0. 12質(zhì)量％、磷0. 02質(zhì)量％、硫磺0. 01質(zhì)量％、余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)的組成,且經(jīng)過了氣體氮化處理，在外周滑動面中進行了 PVD。S卩，17Cr鋼是相當(dāng)于JIS規(guī)格的SUS440B材質(zhì)。進而，這里所說的F⑶材質(zhì)指的是,具有碳3. 60質(zhì)量％、娃3. 05質(zhì)量％、猛0. 65質(zhì)量％、磷0. 20質(zhì)量％、硫磺0. 02質(zhì)量％、鉻0. 10質(zhì)量％、銅0. 30質(zhì)量％、余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)的組成的F⑶700材質(zhì)。另外，油環(huán)主體采用的是由碳0. 65質(zhì)量％、硅0. 38質(zhì)量％、錳0. 35質(zhì)量％、鉻13. 50質(zhì)量％、鑰0. 3質(zhì)量％、磷0. 01質(zhì)量％、硫磺0. 01質(zhì)量％、余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)組成的、稱為13Cr鋼(JIS規(guī)格的SUS410材質(zhì))的、且進行了氣體氮化處理的環(huán)。
另外，當(dāng)實施本磨損量確認(rèn)試驗時，活塞采用的是具有碳0. 41質(zhì)量％、娃0. 2質(zhì)量％、錳0. 75質(zhì)量％、磷0. 02質(zhì)量％、硫磺0. 02質(zhì)量％、鉻I. I質(zhì)量％、鑰0. 21質(zhì)量％、余量為鐵和不可避免雜質(zhì)的組成的、相當(dāng)于DIN規(guī)格中的42CrMo4 (JIS規(guī)格的SCM440H)的材質(zhì)。進而，采用的是活塞環(huán)槽的上下表面的粗糙度為十點平均粗糙度RzJIS (JIS B0601 :2001) 2um以下的材質(zhì)。
把在上述條件下進行頂環(huán)的活塞環(huán)槽的磨損量確認(rèn)試驗的結(jié)果示于表I。表I表示的是，在將活塞環(huán)的上表面和下表面的表面載荷長度率Rmr2設(shè)于本發(fā)明的條件范圍內(nèi)的實施例試樣、以及將上述表面載荷長度率Rmr2設(shè)于本發(fā)明的條件范圍之外的比較例試樣(相當(dāng)于現(xiàn)有產(chǎn)品)的情況下，對各發(fā)動機的每隔一定運轉(zhuǎn)時間的活塞環(huán)槽的磨損量進行確認(rèn)的結(jié)果。進而，作為其結(jié)果，圖3中用圖表來表示本發(fā)明的實施例和比較例中的環(huán)槽磨損比與發(fā)動機運轉(zhuǎn)時間(hr)之間的關(guān)系。此處，將實施例試樣的最大磨損量作為“1”，以相對于該最大磨損量的相對比率來表示環(huán)槽磨損比。且，當(dāng)實施本磨損量確認(rèn)試驗時，活塞環(huán)的上表面和下表面的表面載荷長度率Rmr2是在活塞環(huán)的上表面和下表面中，使用探針的R為2 u m的探針式表面形狀測定器對徑方向進行測定的。實施例與比較例的對比以下參照表示活塞環(huán)槽的磨損量確認(rèn)試驗的結(jié)果的表I和圖3，將本發(fā)明的實施例、和與其對應(yīng)的比較例進行對比。表I
_活塞環(huán)-磨損比_
實施例比較例
活塞環(huán)上表面和下表面的表面粗糙度 運轉(zhuǎn)時間 Rrm-2 (0.5% 0.3 u m) 40% Rmr2 (0.5% 0.3 Pm) 10%
(hr)__Rmr2 (0.5% 0.4 Pm) ； 70% Rmr2 (0.5% 0.4 Pm) 20%
_0__O1OO__O1OO_
_2__O1OO__166_
_10__067__7J9_
20__079__8^4_
_30__092__Ol_
40__OM__922_
_50__LOO__^69_根據(jù)表I和圖3，特別是在發(fā)動機運轉(zhuǎn)時間長達10小時的所謂初始運行期間，在實施例試樣與比較例試樣的情況下，其結(jié)果是，活塞環(huán)槽的磨損量中產(chǎn)生大的差異。例如，根據(jù)表1，在發(fā)動機運轉(zhuǎn)時間經(jīng)過10小時后，相對于采用了實施例試樣時的活塞環(huán)槽磨損比
0.67，采用了比較例試樣時的活塞環(huán)槽磨損比為7. 19，即產(chǎn)生了大的差異。進而，在發(fā)動機運轉(zhuǎn)時間經(jīng)過50小時后，相對于采用了實施例試樣時的活塞環(huán)槽磨損比I. 00，采用了比較例試樣時的活塞環(huán)槽磨損比為9. 69，兩者的差異進一步擴大。該結(jié)果證明，只要是活塞環(huán)的上表面和下表面的表面載荷長度率Rmr2為滿足本發(fā)明的條件范圍的活塞環(huán)，則在初始運行期間，該活塞環(huán)與活塞之間難以發(fā)生粘著磨損，即使經(jīng)過長時間也能發(fā)揮優(yōu)異的粘著磨損抑制效果。即，根據(jù)該結(jié)果可想到通過抑制初始運行期間的活塞環(huán)表面的粘著的發(fā)生，可防止之后粘著的發(fā)生變得嚴(yán)重，從而可抑制活塞環(huán)槽磨損的加深。
根據(jù)以上所述，為了抑制活塞環(huán)的表面發(fā)生粘著，對更優(yōu)選的條件進行了以下研究。初始運行期間的活塞環(huán)的粘著發(fā)生確認(rèn)試驗且，當(dāng)實施本粘著發(fā)生確認(rèn)試驗時，作為具體的構(gòu)成，本申請人采用了上文提到的日本特開2008-76132號所公開的“對活塞環(huán)與活塞環(huán)槽的雙方或者任一方的磨損進行評估的磨損試驗裝置”。進而，在本粘著發(fā)生確認(rèn)試驗中，以使得驅(qū)動源的驅(qū)動頻率為33Hz、環(huán)槽底溫度為200°C的方式進行溫度控制。另夕卜，將氣壓控制為0. 5MPa。進而，以lml/30sec的供給量供給潤滑油30分鐘后，以每經(jīng)過I小時就減少潤滑油的供給量的方式繼續(xù)供給潤滑油。進而，進行本粘著發(fā)生確認(rèn)試驗的時間為25小時。但，從試驗開始到達25小時之前，當(dāng)出現(xiàn)表示粘著正在發(fā)生的漏氣增加的現(xiàn)象、無法測定漏氣量時，在該時刻終止試驗。進而，在本粘著發(fā)生確認(rèn)試驗中，根據(jù)上述條件，分別采用了活塞環(huán)的表面性狀不同的六種試樣進行了試驗。此時，與上述活塞環(huán)槽的磨損量確認(rèn)試驗相同地，使用了組合有頂環(huán)、二環(huán)、油環(huán)的活塞環(huán)，且該二環(huán)和油環(huán)與所述磨損量確認(rèn)試驗中使用的二環(huán)和油環(huán)相同。另外，當(dāng)實施本粘著發(fā)生確認(rèn)試驗時，活塞對應(yīng)部同樣使用了與所述磨損量確認(rèn)試驗中使用的相同的活塞對應(yīng)部。進而，本粘著發(fā)生確認(rèn)試驗中使用的頂環(huán)，除了活塞環(huán)的上表面和下表面的表面載荷長度率Rmr2的條件不同以外，使用了與所述磨損量確認(rèn)試驗中使用的尺寸形狀相同的頂環(huán)。在本粘著發(fā)生確認(rèn)試驗中，針對頂環(huán)的上表面和下表面的表面性狀，以載荷長度率Rmr2 (Rmr (Co) = 0. 5%)為基準(zhǔn)，對深度z (Co-Cn ( u m))時的Rmr2的數(shù)值(％)的關(guān)系與粘著發(fā)生之間的關(guān)聯(lián)進行了調(diào)查。此處，針對載荷長度率Rmr2，將Rmr (Co)為0. 5%時的情況設(shè)為基準(zhǔn)的原因在于，正如以上所述的那樣，根據(jù)經(jīng)驗?zāi)苁够钊h(huán)對活塞環(huán)槽造成的攻擊性變小，能穩(wěn)定地獲得充分抑制粘著磨損發(fā)生的效果。表2中表示的是當(dāng)實施本粘著發(fā)生確認(rèn)試驗時，利用該磨損試驗裝置進行的粘著磨損確認(rèn)試驗的結(jié)果。另外，圖4是將表2的數(shù)據(jù)繪成圖表的圖，表示的是各試樣中的載荷長度率Rmr2 (Rmr (Co)= 0. 5%)與磨損深度z (Co-Cn (Pm))之間的關(guān)系。且，表2中，關(guān)于進行本粘著發(fā)生確認(rèn)試驗的結(jié)果，將未發(fā)生粘著的表示為“〇”，發(fā)生變色的表示為“ A”，發(fā)生粘著的表示為“ X ”。另外，關(guān)于進行本粘著發(fā)生確認(rèn)試驗的結(jié)果的判定基準(zhǔn)，在總計五次的試驗的結(jié)果中，在活塞環(huán)的上下表面中，將發(fā)生一次以上粘著的情形、以及發(fā)生三次以上變色的情形表示為NG，其他表示為0K。此處，變色指的是由于活塞環(huán)的上下表面的損傷而出現(xiàn)的變色，雖然沒發(fā)生粘著，但可認(rèn)為是其前兆。[表2]
權(quán)利要求
1.一種活塞環(huán)，所述活塞環(huán)是安裝于柴油發(fā)動機用活塞中的活塞環(huán)，其特征在于， 所述活塞環(huán)的上表面和下表面的表面載荷長度率Rmr2滿足下述數(shù)I所標(biāo)示的式(I)和式(2)的各條件，所述表面載荷長度率Rmr2以JIS B 0601 :2001為基準(zhǔn)， [數(shù)I]Rmr2 (0. 5%,0. 3um)≥ 20% (I) Rmr2(0. 5%,0. 4um) ≥40% ⑵。
2.如權(quán)利要求I所述的活塞環(huán),其特征在于，當(dāng)所述Rmr2表示為Rmr2(Rmr (Co), z)時，這里將指定的初始磨損后的載荷長度率(％)設(shè)為Rmr (Co)，將與對應(yīng)于所述Rmr (Co)的切斷水平線Co相距的深度(y m)設(shè)為z，則在與所述Rmr (Co)為0. 5%時的所述z的關(guān)系中，在將所述z表示于X軸、將所述Rmr2表示于y軸的坐標(biāo)系中，對z為0. I y m和0. 3 y m的各個所述Rmr2的數(shù)據(jù)點進行連接的直線的傾斜度為80以上。
3.如權(quán)利要求I或2所述的活塞環(huán)，其特征在于，所述活塞環(huán)的上表面和下表面的表面十點平均粗糙度RzJIS為0. 2 ii m 2. 0 ii m，所述平均粗糙度RzJIS以JIS B 0601 :2001為基準(zhǔn)。
4.如權(quán)利要求廣3中任一項所述的活塞環(huán)，其特征在于，所述活塞環(huán)的上表面和下表面中形成有硬質(zhì)層，所述硬質(zhì)層的維氏硬度(HV)為700HV0. I 3000HV0. I。
5.如權(quán)利要求廣4中任一項所述的活塞環(huán)，其特征在于，所述活塞環(huán)為鋼制或者鑄鐵制，且所述活塞環(huán)的上表面和下表面中形成的硬質(zhì)層是選自氮化處理層、鍍鉻層、PVD處理層、CVD處理層或者DLC層中的任一種或兩種以上。
6.如權(quán)利要求I飛中任一項所述的活塞環(huán)，其特征在于，所述活塞環(huán)的活塞軸方向剖面的形狀為矩形形狀、梯形形狀、或者半梯形形狀中的任一種。
7.如權(quán)利要求1飛中任一項所述的活塞環(huán)，其特征在于，所述活塞環(huán)與至少活塞環(huán)槽的材質(zhì)為鋼制或者鑄鐵制的活塞組合使用。
全文摘要
提供一種活塞環(huán)，當(dāng)將所述活塞環(huán)安裝于至少活塞環(huán)槽的材質(zhì)為鋼制、或者鑄鐵制的柴油發(fā)動機用活塞中時，能充分地抑制粘著磨損的發(fā)生。為了實現(xiàn)該目的，安裝于柴油發(fā)動機用活塞中的活塞環(huán)采用的是，該活塞環(huán)的上表面和下表面的表面載荷長度率Rmr2(以JIS B 06012001為基準(zhǔn))滿足Rmr2(0.5%，0.3μm)≥20%和Rmr2(0.5%，0.4μm)≥40%的各條件的活塞環(huán)。
文檔編號F16J9/22GK102741535SQ20118000760
公開日2012年10月17日 申請日期2011年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月29日
發(fā)明者伊藤倫浩, 千葉篤, 平石嚴(yán), 梶原誠人, 秋元直行 申請人:日本活塞環(huán)株式會社