JP2000282193A

JP2000282193A - 耐摩耗性および熱伝導性のすぐれた遊離黒鉛析出鉄系焼結材料製ピストンリング耐摩環

Info

Publication number: JP2000282193A
Application number: JP11088555A
Authority: JP
Inventors: Kunio Hanada; 久仁夫花田; Ryoji Nakayama; 亮治中山
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1999-03-30
Filing date: 1999-03-30
Publication date: 2000-10-10

Abstract

(57)【要約】【課題】耐摩耗性および熱伝導性にすぐれ、かつ相手
攻撃性の小さい遊離黒鉛析出鉄系焼結材料製ピストンリ
ング耐摩環を提供する。【解決手段】ピストンリング耐摩環を、重量％で、遊
離黒鉛形成成分および素地強化成分として、Ｃ：０．５
〜５％、いずれも素地形成成分として、Ｃｒ：０．５〜
５％、Ｍｎ：０．２〜１％、Ｓ：０．０５〜１％、Ｂ：
０．０５〜１％、Ｎｉ：１０〜２０％、Ｃｕ：８．５〜
２０％、を含有し、さらに必要に応じてＭｏ：０．１〜
２％、を含有し、さらにＨv ：６００〜１８００の硬さ
を有する高合金硬質粒子：１〜３５％、を含有し、残り
が素地形成成分としてのＦｅと不可避不純物からなる組
成、並びに素地が実質的にオーステナイトからなり、遊
離黒鉛は、前記素地には実質的に存在せず、気孔内に析
出して成長した状態で存在し、かつ前記素地には上記の
高合金硬質粒子が分散分布した組織を有する遊離黒鉛析
出鉄系焼結材料で構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ピストンにおけ
るトップリング溝が上方位置移動した条件でも、すぐれ
た耐摩耗性を発揮し、かつ熱伝導性にもすぐれ、さらに
相手攻撃性（ピストンリング攻撃性）も小さい遊離黒鉛
析出鉄系焼結材料製ピストンリング耐摩環に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば特公昭５７−３２７４３号
公報に記載されるように、例えばトラック・バス用ディ
ーゼルエンジンのピストンが、図１（ａ）の概略縦断面
図および同（ｂ）の要部縦断面図で示される構造を有
し、かつ図示される通りトップランド部直下のトップリ
ング溝にはピストンリング耐摩環がピストン鋳物本体の
鋳造時に鋳ぐるまれて設けられた構造をもつことは良く
知られるところである。また、ピストン鋳物本体が、主
としてＳｉ：８〜１３重量％を含有したＡｌ−Ｓｉ系合
金で構成され、さらに上記ピストンリング耐摩環には、
良好な耐摩耗性と相手攻撃性の低いＦｅ−Ｎｉ−Ｃｕ系
焼結材料（組成：Ｆｅ−８〜２５％Ｎｉ−３．５〜１０
％Ｃｕ−２．０％以下Ｃ）や、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｃｒ系オー
ステナイト鋳鉄であるニレジスト鋳鉄（組成：Ｆｅ−
１．５〜３．５％Ｃｒ−０．８〜１．５％Ｍｎ−３％以
下Ｃ−１３〜２２％Ｎｉ−８％以下Ｃｕ−１．０〜２．
８％Ｓｉ、以上重量％、以下％は重量％を示す）などが
広く用いられていることも良く知られるところである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一方、自動車に対する
排気ガス規制は年々厳しさを増す傾向にあり、この対応
手段の１つとして、トラック・バス用ディーゼルエンジ
ンでは、ピストンのトップランド部直下のトップリング
溝の位置を上方へ移動させてトップランド部外周面、ト
ップリング上面、およびシリンダー内周面で形成される
空隙の容量を小さくし、もって未燃焼のまま大気に排出
されてしまう前記空隙部分のガス量を少なくする試みも
なされているが、このようにトップリング溝の位置を上
方へ移動すると、トップリング溝の温度が急激に高くな
り、この結果ピストンリング耐摩環が上記のＦｅ−Ｎｉ
−Ｃｕ系焼結材料やニレジスト鋳鉄で構成されていて
も、これの摩耗進行の急速な進行は避けられず、この摩
耗現象は近年のエンジンの高出力化および大型化に伴っ
て一段と加速され、この摩耗部分からガス漏れが発生す
るようになるのが現状である。

【０００４】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者等は、
上述のような観点から、ピストンにおけるトップリング
溝の上方位置移動を可能にするピストンリング耐摩環を
開発すべく研究を行った結果、原料粉末として、基本的
にＦｅに、合金成分としてＳ（硫黄）成分、ＮｉとＳ成
分、あるいはＣｒとＭｎとＳ成分、さらに必要に応じて
これらの成分に加えてＭｏ成分をそれぞれ所定量含有さ
せてなるアトマイズＦｅ合金粉末と、六方晶窒化ほう素
（以下、ｈ−ＢＮで示す）粉末および／またはほう酸粉
末を用い、さらにＮｉ粉末、Ｍｏ粉末、Ｍｎ粉末、Ｃｕ
粉末、Ｓ（硫黄）粉末、および黒鉛粉末を用い、さらに
加えて例えばＦｅ−Ｍｏ系合金粉末、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｗ−
Ｃｏ系合金粉末、およびＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ系合金粉末な
どの６００〜１８００のビッカース硬さ（Ｈv ）を有す
る高合金硬質粉末を用い、これら原料粉末を所定の配合
組成に配合し、通常の条件で混合し、圧粉体にプレス成
形した状態で、前記圧粉体を、還元性雰囲気中、相対的
に高い焼結温度となる１１００〜１２５０℃の範囲内の
所定温度に加熱し、所定時間保持後、相対的に遅い冷却
速度、望ましくは４０℃／分以下の冷却速度で、少なく
とも６００℃まで冷却の条件で焼結して、遊離黒鉛形成
成分および素地強化成分として、Ｃ：０．５〜５％、い
ずれも素地形成成分として、Ｃｒ：０．５〜５％、Ｍｎ：０．２〜１％、Ｓ：０．０５〜１％、Ｂ：０．０５〜１％、Ｎｉ：１０〜２０％、Ｃｕ：８．５〜２０％、を含有し、さらに必要に応じて、Ｍｏ：０．１〜２％、を含有し、さらに、Ｈv ：６００〜１８００の硬さを有する高合金硬質粒
子：１〜３５％、を含有し、残りが素地形成成分としてのＦｅと不可避不
純物からなる組成を有し、かつ望ましくは６．０〜７．
２ｇ／ｃｍ³の密度、すなわち８０〜９５％の理論密度
比、さらに言い換えれば光学顕微鏡による断面組織観察
で、組織全体に占める割合で５〜２０面積％の気孔をも
った鉄系焼結材料でピストンリング耐摩環を形成する
と、このピストンリング耐摩環においては、前記焼結温
度で、素地を形成する上記Ｆｅ合金粉末にＣ成分（黒鉛
粉末）が固溶し、この固溶したＣ成分が上記ｈ−ＢＮ粉
末およびほう酸粉末のＢ成分と前記Ｆｅ合金粉末中に固
溶のＳ成分の共働作用で、冷却過程で気孔内に遊離黒鉛
として析出し、成長して、すぐれた耐焼付性と高温潤滑
性を示すようになり、一方素地は、析出遊離黒鉛が実質
的に存在しないので、著しく強化されるようになるばか
りでなく、Ｎｉ、Ｃｒ，およびＭｎ成分、さらに必要に
応じてＭｏ成分が固溶して、耐熱性のすぐれたオーステ
ナイトとなって、低い相手攻撃性で、かつすぐれた耐熱
塑性変形性を発揮し、この結果ピストンにおけるトップ
リング溝を上方位置移動しても、前記素地に分散分布す
る上記のＨv ：６００〜１８００の硬さを有する高合金
硬質粒子による耐摩耗性向上効果およびＣｕ成分の含有
による熱伝導性向上効果と相まって、すぐれた性能を長
期に亘って発揮するようになるという研究結果を得たの
である。

【０００５】この発明は、上記の研究結果に基づいてな
されたものであって、遊離黒鉛形成成分および素地強化
成分として、Ｃ：０．５〜５％、いずれも素地形成成分
として、Ｃｒ：０．５〜５％、Ｍｎ：０．２〜１％、Ｓ：０．０５〜１％、Ｂ：０．０５〜１％、Ｎｉ：１０〜２０％、Ｃｕ：８．５〜２０％、を含有し、さらに必要に応じて、Ｍｏ：０．１〜２％、を含有し、さらに、Ｈv ：６００〜１８００の硬さを有する高合金硬質粒
子：１〜３５％、を含有し、残りが素地形成成分としてのＦｅと不可避不
純物からなる組成、並びに素地が実質的にオーステナイ
トからなり、遊離黒鉛は、前記素地には実質的に存在せ
ず、気孔内に析出して成長した状態で存在し、かつ前記
素地には上記の高合金硬質粒子が分散分布した組織を有
する遊離黒鉛析出鉄系焼結材料で構成してなる、相手攻
撃性が小さく、かつ熱伝導性にすぐれ、ピストンにおけ
るトップリング溝の上方位置移動によってもすぐれた耐
摩耗性を発揮する遊離黒鉛析出鉄系焼結材料製ピストン
リング耐摩環に特徴を有するものである。

【０００６】つぎに、この発明のピストンリング耐摩環
において、これを構成する遊離黒鉛析出鉄系焼結材料の
成分組成を上記の通りに限定した理由を説明する。（ａ）ＣＣ成分には、素地に固溶して強度を向上させるほか、上
記の通りＢおよびＳ成分の共存作用で気孔内に遊離黒鉛
として析出して耐焼付性および潤滑性を向上させ、もっ
て耐摩耗性の向上に寄与すると共に、相手攻撃性を緩和
する作用をもつが、その含有量が０．５％未満では前記
作用に所望の向上効果が得られず、一方その含有量が５
％を越えると、強度に急激な低下傾向が現れるようにな
ることから、その含有量を０．５〜５％、望ましくは１
〜３％と定めた。

【０００７】（ｂ）ＣｒＣｒ成分は、オーステナイトの素地に固溶して、これの
耐熱性および耐熱塑性変形性を向上させ、もってピスト
ンリング耐摩環の耐摩耗性向上に寄与する作用をもつ
が、その含有量が０．５％未満では前記作用に所望の向
上効果が得られず、一方その含有量が５％を越えると、
Ｂ成分およびＳ成分による黒鉛の析出および成長作用が
抑制されるようになることから、その含有量を０．５〜
５％、望ましくは１〜３％と定めた。

【０００８】（ｃ）ＭｎＭｎ成分は、素地に固溶して強度を向上させる作用をも
つが、その含有量が０．２％未満では所望の強度向上効
果が得られず、一方その含有量が１％を越えると、Ｂ成
分およびＳ成分による黒鉛化が著しく阻害されるように
なることから、その含有量を０．２〜１％、望ましくは
０．４〜０．８％と定めた。

【０００９】（ｄ）ＳおよびＢこれらの成分は、共働作用により固溶したＣ成分を冷却
過程で微細な遊離黒鉛として主に気孔内に積極的に析出
させ、成長させる作用をもち、このような黒鉛化作用
は、Ｓ成分については、原則として予めＦｅ、Ｆｅ−Ｎ
ｉ合金やＦｅ−Ｎｉ−Ｍｏ合金、さらにＦｅ−Ｃｒ−Ｍ
ｎ合金やＦｅ−Ｃｒ−Ｍｎ−Ｍｏ合金にそれぞれ所定量
のＳ成分を含有させた溶湯をアトマイズして形成したＦ
ｅ合金粉末を用い、また、Ｂ成分については、ほう素源
としてｈ−ＢＮ粉末およびほう酸粉末をそれぞれ原料粉
末として用いることにより一段と促進されるものである
が、その含有量が、ＳおよびＢ成分のいずれかでも０．
０５％未満になると、所望の黒鉛化を図ることができ
ず、この結果耐焼付性および高温潤滑性の向上、すなわ
ち耐摩耗性の向上が不十分となるばかりでなく、硬質の
セメンタイト（Ｆｅ₃Ｃ）が析出するようになって、相
手攻撃性（ピストンリング攻撃性）が増大するようにな
り、一方その含有量が、ＳおよびＢ成分のいずれかでも
１％を越えると、焼結性が低下し、所望の強度を確保す
ることができなくなることから、その含有量を、それぞ
れＳ：０．０５〜１％、望ましくは０．１〜０．５％、
Ｂ：０．０５〜１％、望ましくは０．１〜０．５％と定
めた。

【００１０】（ｅ）ＮｉＮｉ成分は、素地に固溶してオーステナイトを形成し、
かつ上記の通りＣｒ成分との共存固溶によってオーステ
ナイトの耐熱性および耐熱塑性変形性を一段と向上さ
せ、もって耐摩耗性向上に大いに寄与する作用をもつ
が、その含有量が１０％未満では前記作用に所望の効果
が得られず、一方その含有量が２０％を越えると強度が
急激に低下するようになることから、その含有量を１０
〜２０％、望ましくは１２〜１８％と定めた。

【００１１】（ｆ）ＣｕＣｕ成分は、液相焼結による強度向上のほか、熱伝導性
を一段と向上させ、かつ相手攻撃性を緩和する作用をも
つが、その含有量が８．５％未満では前記作用に所望の
効果が得られず、一方その含有量が２０％を越えると、
硬さが急激に低下し、耐摩耗性が低下するようになるこ
とから、その含有量を８．５〜２０％、望ましくは１２
〜１８％と定めた。

【００１２】（ｇ）高合金硬質粒子高合金硬質粒子自体の硬さがＨv ：６００未満でも、高
合金硬質粒子の硬さがＨv ：６００以上であっても、そ
の含有割合が１％未満では所望の耐摩耗性を確保するこ
とができず、一方その硬さがＨv ：１８００を越えた
り、その含有割合が３５％を越えたりすると、相手部材
であるピストンリングに対する攻撃性が増大し、ピスト
ンリングの摩耗が著しく促進されるようになることか
ら、その硬さをＨv ：６００〜１８００、望ましくはＨ
v ：７００〜１６００、その含有割合を１〜３５％、望
ましくは５〜３０％と定めた。

【００１３】（ｈ）ＭｏＭｏ成分は、素地に固溶して強度を向上させる作用をも
つので、必要に応じて含有されるが、その含有量が０．
１％未満では所望の強度向上効果が得られず、一方その
含有量が２％を越えると、原料粉末（混合粉末）のプレ
ス成形性（圧縮性）が低下し、この結果焼結材料の密度
が６．０ｇ／ｃｍ³未満となってしまい、望ましい密度
である６．０〜７．２ｇ／ｃｍ³の密度が得られず、所
望の強度を確保することができなくなることから、その
含有量を０．１〜２％、望ましくは０．５〜１．５％と
定めた。

【００１４】

【発明の実施の形態】この発明のピストンリング耐摩環
を実施例により具体的に説明する。原料粉末として、い
ずれも１０〜１５０μｍの範囲内の所定の平均粒径を有
するアトマイズＦｅ−Ｓ合金粉末（Ｓ：０．３０％含
有）、アトマイズＦｅ−Ｎｉ−Ｍｏ−Ｓ合金粉末（Ｎ
ｉ：４．１％、Ｍｏ：１．５％、Ｓ：０．１１％含
有）、アトマイズＦｅ−Ｃｒ−Ｍｎ−Ｓ合金粉末（Ｃ
ｒ：２．１％、Ｍｎ：０．７１％、Ｓ：０．２２％含
有）、Ｎｉ粉末、Ｍｏ粉末、Ｍｎ粉末、Ｃｕ粉末、Ｓ
（硫黄）粉末、黒鉛粉末、ｃ−ＢＮ粉末、およびほう酸
粉末、さらに高合金硬質粒子として、Ｆｅ−６０％Ｍｏ
−２％Ｓｉの組成およびＨv ：１２００の硬さを有する
Ｆｅ−Ｍｏ系合金粉末（以下、硬質粒子Ａ粉末と云
う）、Ｆｅ−３５％Ｃｒ−２５％Ｃｏ−２５％Ｗ−１％
Ｎｂ−１．５％Ｃ％の組成およびＨv ：１５００の硬さ
を有するＦｅ−Ｃｒ−Ｗ−Ｃｏ系合金粉末（以下、硬質
粒子Ｂ粉末と云う）、およびＣｏ−２８．５％Ｍｏ−
８．５％Ｃｒの組成およびＨv ：８００の硬さを有する
Ｃｏ−Ｍｏ−Ｃｒ系合金粉末（以下、硬質粒子Ｃ粉末と
云う）を用意し、これら原料粉末を表１、２に示される
配合組成に配合し、潤滑材としてステアリン酸亜鉛を
０．７％添加してＶ型ミキサーにて３０分間混合し、６
ｔｏｎ／ｃｍ² の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧
粉体をアンモニア分解ガス雰囲気中、温度：１１４０℃
に１時間保持した後、３５℃／分の冷却速度で５５０℃
まで徐冷後放冷の条件で焼結することにより表１、２に
示される配合組成と実質的に同じ成分組成を有し、かつ
外径：１２０ｍｍ×内径：１０２ｍｍ×厚さ：７ｍｍの
寸法をもった本発明ピストンリング耐摩環（以下、本発
明耐摩環と云う）１〜２７をそれぞれ製造した。上記本
発明耐摩環１〜２７は、いずれも６．２〜７．１ｇ／ｃ
ｍ³の範囲内の密度を有し、その任意断面を光学顕微鏡
を用いて、組織観察（倍率：１００倍）したところ、素
地がオーステナイトからなり、かつ気孔内に遊離黒鉛が
析出成長し、前記素地には実質的に遊離黒鉛の析出がな
く、また前記素地には高合金硬質粒子が分散分布する組
織を示し、さらに前記光学顕微鏡組織写真により、組織
全体に占める気孔（遊離黒鉛）の割合を計測したとこ
ろ、表３に示される結果を示した。また、比較の目的
で、通常の高周波溶解炉にて、同じく表２に示される成
分組成をもったニレジスト鋳鉄の溶湯を調製し、これを
シェルモールド鋳型に鋳造して、同じ寸法をもった従来
ピストンリング耐摩環（以下、従来耐摩環と云う）を製
造した。

【００１５】ついで、上記の各種耐摩環を、通常の条件
で前処理、すなわち脱脂、乾燥、および温度：７００℃
の後述の鋳造Ａｌ−Ｓｉ系合金溶湯と同じ組成をもった
Ａｌ−Ｓｉ系合金溶湯中に５分間浸漬の前処理を施した
状態で、それぞれ精密鋳造金型内に設置し、これにＡｌ
−１２．４％Ｓｉ−１．１２％Ｃｕ−０．９６％Ｍｇ−
１．０６％Ｎｉの組成をもったＡｌ−Ｓｉ系合金溶湯を
鋳造してピストン本体を形成すると共に、前記耐摩環を
鋳包み、ついで前記耐摩環の外周面に沿って切削加工に
て溝深さ：７ｍｍ×溝幅：３ｍｍの寸法のトップリング
溝を形成することにより、トップランド部上面とトップ
リング溝上面間の距離を５ｍｍ（この種のピストンで従
来採用されている前記距離は通常１５ｍｍ）としたトッ
プリング溝上方位置移動のＡｌ−Ｓｉ系合金製ピストン
をそれぞれ製造した。

【００１６】さらに、これらのピストンを、排気量：８
２００ｃｃの直列６気筒直噴ディーゼルエンジンに組み
込み、回転数：３６００ｒｐｍ、エンジンの冷却温度：
９５℃、運転モード：５００時間連続運転、負荷：フル
出力の条件で加速運転試験を行ない、試験後の耐摩環の
トップリング溝の溝幅を外周面にそって測定し、この測
定結果より算出した最大摩耗量（試験後の最大溝幅−試
験前の溝幅）をもって耐摩耗性を評価し、また上記トッ
プリング溝に嵌合されたピストンリング（Ｆｅ−２．７
％Ｓｉ−３．５％Ｃの組成をもった球状黒鉛鋳鉄製でＣ
ｒメッキしたもの）の上下面における最大摩耗深さを測
定することにより相手攻撃性を評価した。これらの測定
結果を表３に示した。

【００１７】

【表１】

【００１８】

【表２】

【００１９】

【表３】

【００２０】

【発明の効果】表３に示される結果から、本発明耐摩環
１〜２７は、いずれもトップリング溝の上方位置移動に
もかかわらず、これを構成する遊離黒鉛析出鉄系焼結材
料のもつ、素地には遊離黒鉛が存在せず、実質的に気孔
内にのみ遊離黒鉛が析出して成長し、かつ前記素地中に
高合金硬質粒子が分散分布した組織によって、すぐれた
耐摩耗性を示し、かつ相手攻撃性もきわめて小さいのに
対して、ニレジスト鋳鉄からなる従来耐摩環は十分な耐
摩耗性を具備するものでないために、トップリング溝の
上方位置移動によって摩耗進行が著しく加速されるよう
になることが明らかである。上述のように、この発明の
ピストンリング耐摩環は、トップリング溝の位置を上方
へ移動した状態でＡｌ−Ｓｉ系合金製ピストンに適用し
ても小さい相手攻撃性で、すぐれた耐摩耗性を発揮する
ことから、エンジンの排気ガス規制に十分満足に対応す
ることができ、かつこれの具備するすぐれた熱伝導性が
エンジンの高出力化および大型化の促進に寄与するなど
工業上有用な特性をもつものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】ディーゼルエンジンのピストンを例示する概略
縦断面図（ａ）および同要部縦断面図（ｂ）である。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年５月２６日（１９９９．５．２
６）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１９】

【表３】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、遊離黒鉛形成成分および素地強化成分として、Ｃ：０．
５〜５％、いずれも素地形成成分として、Ｃｒ：０．５〜５％、Ｍｎ：０．２〜１％、Ｓ：０．０５〜１％、Ｂ：０．０５〜１％、Ｎｉ：１０〜２０％、Ｃｕ：８．５〜２０％、を含有し、さらに、６００〜１８００のビッカース硬さを有する高合金硬質
粒子：１〜３５％、を含有し、残りが素地形成成分とし
てのＦｅと不可避不純物からなる組成、並びに素地が実
質的にオーステナイトからなり、遊離黒鉛は、前記素地
には実質的に存在せず、気孔内に析出して成長した状態
で存在し、かつ前記素地には上記の高合金硬質粒子が分
散分布した組織を有する遊離黒鉛析出鉄系焼結材料で構
成したことを特徴とする耐摩耗性および熱伝導性のすぐ
れた遊離黒鉛析出鉄系焼結材料製ピストンリング耐摩
環。
【請求項２】重量％で、遊離黒鉛形成成分および素地強化成分として、Ｃ：０．
５〜５％、いずれも素地形成成分として、Ｃｒ：０．５〜５％、Ｍｎ：０．２〜１％、Ｓ：０．０５〜１％、Ｂ：０．０５〜１％、Ｎｉ：１０〜２０％、Ｃｕ：８．５〜２０％、Ｍｏ：０．１〜２％、を含有し、さらに、６００〜１８００のビッカース硬さを有する高合金硬質
粒子：１〜３５％、を含有し、残りが素地形成成分とし
てのＦｅと不可避不純物からなる組成、並びに素地が実
質的にオーステナイトからなり、遊離黒鉛は、前記素地
には実質的に存在せず、気孔内に析出して成長した状態
で存在し、かつ前記素地には上記の高合金硬質粒子が分
散分布した組織を有する遊離黒鉛析出鉄系焼結材料で構
成したことを特徴とする耐摩耗性および熱伝導性のすぐ
れた遊離黒鉛析出鉄系焼結材料製ピストンリング耐摩
環。