JP2002194500A

JP2002194500A - ピストンリング

Info

Publication number: JP2002194500A
Application number: JP2000394695A
Authority: JP
Inventors: Koji Takeuchi; 康二竹内; Shiro Shibata; 士郎柴田
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2000-12-26
Filing date: 2000-12-26
Publication date: 2002-07-10
Anticipated expiration: 2020-12-26
Also published as: JP4282894B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】幅狭の圧力リングとすることが可能な高強度を
有し、経済的に安価で、かつ耐摩耗性および耐疲労特性
に優れた内燃機関用ピストンリングを提供する。【解決手段】内燃機関に装着されるピストンリングで、
質量％で、Ｃ：0.50〜0.75％、Si：0.15〜0.35％、Mn：
0.61〜0.95％、Ｐ：0.03％以下、Ｓ：0.03％以下を含
み、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼材製とす
る。表面処理を施すことなく内燃機関の第２圧力リング
へ適用が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関用ピスト
ンリングに係り、とくに高強度で、かつ耐疲労特性に優
れたピストンリングに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球環境の保全という観点から、
自動車車体の軽量化が要望されている。このため、最近
の内燃機関では、高出力化が指向され、しかも軽量化を
図り燃費の向上と、排ガス規制を満足することが要求さ
れている。このような内燃機関の動向にしたがい、内燃
機関に使用されるピストンリングも、形状面あるいは材
質面で種々の改善が進められている。

【０００３】内燃機関用ピストンリングは、通常、２本
の圧力リングと１本のオイルリング（油かきリング）と
から構成されることが多い。圧力リングは、燃焼室内の
高温・高圧ガスがクランク室へ漏れるのを防ぐととも
に、燃焼により高温となったピストンの熱をシリンダ壁
に伝導する機能を有し、またオイルリングは、シリンダ
内壁面に適切な油膜を形成するとともに、余分な潤滑油
を掻き取りオイルパンに戻す役割を有している。

【０００４】面圧が高く厳しい使用環境で使用される第
一圧力リングには、従来から、鋳鉄製リングに硬質Crめ
っきを施して使用されてきたが、最近では、耐摩耗性の
向上のために、１％以上のSiを含有するSi−Cr鋼製リン
グや11％以上のCrを含有するマルテンサイト系ステンレ
ス鋼製リングに、表面に窒化処理を施して使用されるよ
うになっている。一方、第二圧力リングは、第一圧力リ
ングほど使用環境は厳しくなく、形状がテーパ付き、テ
ーパアンダカット付き等複雑な形状となるため、加工性
の観点から鋳鉄製リングが、必要に応じ、耐摩耗性向上
のため外周、あるいはさらに上下面をも含めCrめっき、
あるいは窒化処理が施されて、使用されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記したような内燃機
関の最近の動向から、燃費改善のため、シリンダー、ピ
ストン等の軽量化に加えて、付属品であるピストンリン
グの軽量化が指向され、ピストンリングの狭幅化、とく
に第２圧力リングの狭幅化が要望されている。しかし、
第２圧力リングを狭幅化する場合、従来から使用されて
いる鋳鉄製リングでは強度が不足する。

【０００６】このような問題に対し、例えば特公昭58-2
5863号公報、特公昭61-54103号公報には、第２圧力リン
グも第１圧力リングと同一鋼製とすることが提案されて
いる。しかし、高い耐摩耗性を有する第１圧力リング用
の鋼材から、使用環境がそれほど厳しくない第２圧力リ
ングを製作することは、圧力リングのコストが高価とな
り経済的に不利になるという問題があった。

【０００７】本発明は、上記した従来技術の問題を有利
に解決し、内燃機関の軽量化傾向に合致して幅狭の圧力
リングとすることが可能な、高強度を有し経済的に安価
で、かつ耐疲労特性に優れた内燃機関用ピストンリング
を提案することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記した
課題を達成するために、高強度でかつ安価で、ピストン
リング用として好適な特性を有する鋼材について、鋭意
研究した。その結果、炭素鋼にくらべ、Mn含有量を0.61
質量％以上に増加させた鋼材を使用することにより、幅
狭のピストンリングとするに十分な強度が得られるう
え、表面処理を施すことなく、少なくとも第２圧力リン
グとして十分な耐摩耗性および耐疲労特性を有する内燃
機関用ピストンリングが、安価に得られることを知見し
た。

【０００９】本発明は、上記した知見に基づいて完成さ
れたものである。すなわち、本発明は、内燃機関のピス
トンリング溝に装着されるピストンリングであって、質
量％で、Ｃ：0.50〜0.75％、Si：0.15〜0.35％、Mn：0.
61〜0.95％、Ｐ：0.03％以下、Ｓ：0.03％以下を含み、
残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼材製であること
を特徴とする内燃機関用ピストンリングである。また、
本発明では、前記ピストンリングを第２圧力リングとす
ることが好ましい。また、本発明では、前記ピストンリ
ングの少なくとも外側摺動面に窒化処理を施すことが好
ましい。また、本発明では、前記ピストンリングの少な
くとも外側摺動面に、窒化処理に代えて、硬質クロムめ
っきを施してもよい。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明のピストンリングは、質量
％で、Ｃ：0.50〜0.70％、Si：0.15〜0.35％、Mn：0.61
〜0.95％、Ｐ：0.03％以下、Ｓ：0.03％以下を含み、残
部Feおよび不可避的不純物からなる鋼材製である。ま
ず、鋼材の組成限定理由について説明する。以下、質量
％は単に％と記す。

【００１１】Ｃ：0.50〜0.75％Ｃは、固溶強化により硬さ、強度を向上させ、炭化物を
形成し耐摩耗性を向上させる元素であり、本発明では0.
50％以上の含有を必要とする。一方、0.75％を超えて含
有すると、粗大な一次炭化物が多量に形成されやすく、
加工性が低下するとともに、リングが脆化して強度が低
下し、さらに相手攻撃性が高くなる。このため、本発明
ではＣは0.50〜0.75％の範囲に限定した。

【００１２】Si：0.15〜0.35％ Siは、脱酸剤として作用するとともに、さらに耐熱へた
り性を向上させる元素であり、本発明では0.15％以上の
含有を必要とする。一方、0.35％を超える含有は、加工
性を低下させる。このため、Siは0.15〜0.35％に限定し
た。 Mn：0.61〜0.95％ Mnは、脱酸剤として作用するとともに、強度を増加さ
せ、さらに熱間加工性を向上させる元素である。本発明
では、強度を増加させ、ピストンリングの狭幅化を達成
するために、0.61％以上の含有を必要とする。一方、0.
95％を超えて含有すると、加工性が低下する。このた
め、Mnは0.61〜0.95％に限定した。

【００１３】Ｐ：0.03％以下Ｐは、鋼の強度を増加させるが、多量に含有すると結晶
粒界等に偏析して鋼を脆化させる元素であり、本発明で
は0.03％以下に限定する。Ｓ：0.03％以下Ｓは、通常、鋼中では硫化物として存在し、加工性を低
下させるため、できるだけ低減するのが望ましいが、必
要以上の低減は精錬コストを高騰させ製造コストが高価
となる。このため、本発明では、0.03％以下に限定し
た。

【００１４】残部Feおよび不可避的不純物上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物で
ある。本発明のピストンリングは、上記した組成の鋼材
（線材）を用いて、通常公知の製造工程で、所定形状に
加工される。その後、必要に応じ、窒化処理、硬質クロ
ムめっき等の表面処理を施されて、製品とされる。

【００１５】本発明のピストンリングを、第２圧力リン
グとして使用する場合には、とくに表面処理を必要とせ
ず、母材のままで使用できる。また、本発明のピストン
リングは、少なくとも摺動面に窒化処理等の表面硬化処
理を施されて、第１圧力リングとして使用することもで
きる。なお、表面硬化処理としては、窒化処理を施した
のち、さらに硬質クロム被膜等を形成するＰＶＤ処理を
行ってもなんら問題はない。

【００１６】窒化処理としては、ガス窒化、イオン窒
化、塩浴窒化、浸硫窒化等が例示される。

【００１７】

【実施例】表１に示す組成の材料を使用して、通常のピ
ストンリング加工により、図１に示す形状のピストンリ
ング（φ86mm×厚み2.9 mm×幅1.2 mm）を製作した。N
o.1は本発明例であり、No.2〜No.4は比較例である。No.
3は、Si−Cr鋼製、No.4は片状黒鉛鋳鉄（ＦＣ）製であ
り、従来からピストンリング用として使用されている材
料を用いたものである。本発明例であるNo.1は、母材の
ままとし、比較例であるNo.3、No.4は外周にCrめっきを
施した。なお、得られたピストンリングの硬さＨv を表
１に示す。

【００１８】得られたピストンリングについて、疲労強
度試験を実施し、耐疲労特性を評価した。図２に示すピ
ストンリング疲労試験機を用いて、ピストンリングの合
い口を種々の振幅ｙ（合い口変化量）で繰り返し拡張
し、破断までの繰り返し数を求め、Ｓ−Ｎ曲線を求め
た。合い口変化量ｙは、設定応力ｆ_iに対応して決定さ
れ、次式で計算した。

【００１９】ｙ＝ｆ_i（ｄ₁−ａ₁）²／｛0.424 ａ₁×Ｅ｝ここで、ｙ：合い口変化量（mm）ｆ_i：設定応力ａ₁：ピストンリング厚さ（mm）ｄ₁：ピストンリング呼び径（mm）Ｅ：弾性率（MPa ）繰り返し数：１×10⁷回で破断しない最高応力を疲労強
度として、各ピストンリングの耐疲労特性を評価した。

【００２０】得られた結果を表１に示す。

【００２１】

【表１】

【００２２】本発明例は、母材のままで、リングの幅を
狭くすることも可能な強度（硬さ）を有し、しかも疲労
強度も高く、また耐摩耗性も従来のピストンリング材
（No.2, No.3）と同等の耐摩耗性を有しており、第２圧
力リング用として十分な特性を有することがわかる。ま
た、本発明例は、従来のピストンリングにくらべ、Cr等
の高価な合金元素の添加量が少なく、安価にピストンリ
ングを製造することができ、経済的に有利である。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、高強度で、かつ耐摩耗
性および耐疲労特性に優れた内燃機関用ピストンリング
が安価に製造でき、産業上格段の効果を奏する。また、
本発明のピストンリングは、従来にくらべ、リングの幅
を狭くすることが可能であり、内燃機関の軽量化・コン
パクト化に大きく寄与するという効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施に好適なピストンリング形状の一
例を示す。

【図２】ピストンリングの疲労強度を評価する疲労強度
試験の概要を模式的に示す説明図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関のピストンリング溝に装着され
るピストンリングであって、質量％で、Ｃ：0.50〜0.75
％、Si：0.15〜0.35％、Mn：0.61〜0.95％、Ｐ：0.03％
以下、Ｓ：0.03％以下を含み、残部Feおよび不可避的不
純物からなる鋼材製であることを特徴とする内燃機関用
ピストンリング。