JP2002348639A - Steel for piston ring suitable for ion plating treatment superior in fatigue strength and heat settling resistance - Google Patents

Steel for piston ring suitable for ion plating treatment superior in fatigue strength and heat settling resistance

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JP2002348639A
JP2002348639A JP2001151158A JP2001151158A JP2002348639A JP 2002348639 A JP2002348639 A JP 2002348639A JP 2001151158 A JP2001151158 A JP 2001151158A JP 2001151158 A JP2001151158 A JP 2001151158A JP 2002348639 A JP2002348639 A JP 2002348639A
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steel
piston ring
ion plating
fatigue strength
steels
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Japanese (ja)
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Hiroyuki Mizuno
浩行 水野
Masahiro Oka
政宏 岡
Shigeo Inoue
茂夫 井上
Junya Takahashi
純也 高橋
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Riken Corp
Aichi Steel Corp
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Riken Corp
Aichi Steel Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a steel for a piston ring which has superior thermal settling resistance of the piston ring main body when ion plated, superior abrasion resistance after nitrided, and consequently has high fatigue strength. SOLUTION: The steel for the piston ring superior in the high fatigue strength and thermal settling resistance and suitable for ion plating treatment includes, by weight ratio, 0.70-1.00% C, 2.00% or less Si, 1.00% or less Mn, 7.00-11.00% Cr, 0.50-1.50% Mo, 0.10-0.50% V, and the balance Fe with unavoidable impurities.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明に属する技術分野】本発明は,内燃機関に使用さ
れるピストンリング用鋼であって,特に耐摩耗性等の性
能向上のためにイオンプレーティング処理が施される場
合に適した疲労強度及び耐熱へたり性に優れるピストン
リング用鋼に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a steel for a piston ring used in an internal combustion engine, and particularly to a fatigue strength suitable for being subjected to an ion plating treatment for improving performance such as abrasion resistance. And a steel for piston rings having excellent heat set resistance.

【0002】[0002]

【従来の技術】内燃機関用ピストンリング用材料は,以
前は鋳鉄が主流であったが,内燃機関の高出力化,高回
転化の為,ピストンリングの薄幅化,軽量化が求めら
れ,鋳鉄に比べ高強度が得られるSi−Cr鋼や,マル
テンサイト系ステンレス鋼などの鋼材が用いられるよう
になった。しかし,これらのピストンリング用鋼は,そ
れ自身の耐摩耗性,耐焼付性などの摺動特性が十分では
ない為,外周面に表面処理を施して用いられている。通
常Si−Cr鋼には硬質Crめっき,マルテンサイト系
ステンレス鋼には窒化処理が主に用いられているが,更
に摺動特性が要求されるエンジンには,外周面にイオン
プレーティングによるセラミックコーティングを施した
ピストンリングも用いられるようになった。セラミック
コーティングには,窒化クロムや窒化チタンのコーティ
ングが多く採用されている。
2. Description of the Related Art In the past, cast iron was mainly used as a material for a piston ring for an internal combustion engine, but in order to increase the output and the rotation speed of the internal combustion engine, a thinner and lighter piston ring is required. Steel materials such as Si-Cr steel and martensitic stainless steel, which can obtain higher strength than cast iron, have come to be used. However, these piston ring steels do not have sufficient sliding characteristics such as wear resistance and seizure resistance, and are therefore used after being subjected to surface treatment on the outer peripheral surface. Usually, hard Cr plating is used for Si-Cr steel and nitriding treatment is mainly used for martensitic stainless steel. However, for engines that require more sliding characteristics, ceramic coating by ion plating on the outer peripheral surface is used. Piston rings that have been used have also been used. Chromium nitride and titanium nitride coatings are often used for ceramic coatings.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】ピストンリング用鋼
は,平線もしくは異形線材とした素材に対して,焼入
れ,焼戻しを行い,熱処理硬さを380〜550HV程
度に調整する。これは,その後に実施するピストンリン
グの形状に成形する曲げ加工の為であり,硬さが低いと
曲げ加工時に線材断面の変形が問題となり,硬さが高い
と曲げ加工が困難となるからである。また,イオンプレ
ーティングを施したピストンリングは,外周面がイオン
プレーティング処理され,上下面については,ピストン
のリング溝との摺動による耐摩耗性を確保するために,
一般に窒化処理が施されている。
The steel for the piston ring is formed by quenching and tempering a flat or deformed wire material to adjust the heat treatment hardness to about 380 to 550 HV. This is because of the subsequent bending work to form the shape of the piston ring. If the hardness is low, the deformation of the cross section of the wire becomes a problem during bending, and if the hardness is high, the bending becomes difficult. is there. In addition, the outer periphery of the piston ring with ion plating is subjected to ion plating, and the upper and lower surfaces of the piston ring are required to have wear resistance due to sliding with the piston ring groove.
Generally, a nitriding treatment is performed.

【0004】イオンプレーティング処理中においては,
素材が200〜600℃の温度に加熱される。そして,
高温でコーティングするほど密着性や生産性が良いた
め,この処理だけを考えれば,なるべく高温でコーティ
ングするのが望ましい。ところが高温強度や焼戻軟化抵
抗の低い鋼材はイオンプレーティング処理により軟化が
生じて,熱へたりをおこすため,所定の張力が得られな
いという問題があり,低Cr(8〜13%Cr)マルテ
ンサイト系ステンレス鋼は,イオンプレーティング用鋼
に適用するのは難しい。また,低Crマルテンサイト系
ステンレス鋼は,窒化処理後の上下面の耐摩耗性も十分
ではなかった。
[0004] During the ion plating process,
The material is heated to a temperature of 200-600C. And
The higher the coating temperature, the better the adhesion and productivity. Therefore, considering only this treatment, it is desirable to coat at as high a temperature as possible. However, steel materials with low high-temperature strength and low tempering softening resistance are softened by ion plating and cause heat settling, so that there is a problem that a predetermined tension cannot be obtained, and low Cr (8 to 13% Cr) It is difficult to apply martensitic stainless steel to ion plating steel. Further, the wear resistance of the upper and lower surfaces of the low Cr martensitic stainless steel after nitriding was not sufficient.

【0005】そのため,イオンプレーティングを施すピ
ストンリング用鋼としては,高温強度と窒化特性に優れ
る高Cr(例えば17%Cr)マルテンサイト系ステン
レス鋼が使用されている。
Therefore, as a steel for a piston ring to be subjected to ion plating, a high Cr (for example, 17% Cr) martensitic stainless steel excellent in high-temperature strength and nitriding characteristics is used.

【0006】しかし,17%Crステンレス鋼は,イオ
ンプレーティング処理時の熱へたりや上下面の耐摩耗性
は問題ないが,高負荷のディーゼルエンジン,特に排気
ブレーキ付きエンジンにおいてピストリングの耐久性が
不充分である。即ち,排気ブレーキを作動させるとピス
トンリングに急激な負荷がかかり,フラッタリングなど
の現象が発生し,これが長期間頻繁に繰り返されること
によりピストンリングが疲労し,耐久性に問題がある。
[0006] However, 17% Cr stainless steel has no problem of heat set during ion plating and wear resistance of upper and lower surfaces, but has a durability of the piston ring in a high-load diesel engine, particularly an engine with an exhaust brake. Is insufficient. That is, when the exhaust brake is actuated, a sudden load is applied to the piston ring, and phenomena such as fluttering occur. If this phenomenon is frequently repeated for a long period of time, the piston ring becomes fatigued and has a problem in durability.

【0007】この原因は高Crマルテンサイト系ステン
レス鋼の鋼中に多数存在する大きな1次炭化物にあると
推定される。この1次炭化物が存在すると,加工性が低
下する。従って,曲げ加工時には硬さを低めにしなけれ
ばならず,高硬度化が困難となる。また,1次炭化物の
存在は,疲労強度に多大な悪影響を及ぼす。このように
1次炭化物の存在による疲労強度への悪影響は大であ
り,結果として上記のような耐久性不足が発生すると思
われる。
It is presumed that this is due to large primary carbides that are present in large numbers in high Cr martensitic stainless steels. When this primary carbide is present, the workability is reduced. Therefore, during bending, the hardness must be lowered, and it is difficult to increase the hardness. Also, the presence of primary carbides has a great adverse effect on fatigue strength. As described above, the adverse effect on the fatigue strength due to the presence of the primary carbides is large, and as a result, it is considered that the above-described insufficient durability occurs.

【0008】耐摩耗性の優れたピストンリング用鋼とし
ては,既に複数の特許出願がされており,出願された鋼
の一部は実際に使用され効果を挙げている。しかしなが
ら,イオンプレーティングによる表面硬化処理がピスト
ンリングに実際に適用され始めたのは,1980年代後
半(例えば株式会社山海堂発行の自動車用ピストンリン
グ第132頁の記載参照)からと,まだ新しい。
[0008] A plurality of patent applications have already been filed for piston ring steel having excellent wear resistance, and some of the steels that have been applied have been used in practice and have been effective. However, the actual application of surface hardening treatment by ion plating to piston rings is still new from the late 1980's (for example, see the description of automotive piston rings issued by Sankaido Co., Ltd., page 132).

【0009】イオンプレーティング処理されたピストン
リングは,現在でも一部の限られたエンジンに適用され
ているのみである。そして,特許出願公開公報で明らか
になっているピストンリング用鋼を含めて,従来明らか
になっているピストンリング用鋼のうち,どの鋼がイオ
ンプレーティングに適しているのかについても,未だ十
分に分っていない。
[0009] Piston rings subjected to ion plating have been applied only to some limited engines even today. And, among the steels for piston rings that have been identified so far, including the steels for piston rings that have been identified in the patent application publication, it is still insufficient to determine which steels are suitable for ion plating. I don't know.

【0010】イオンプレーティング処理をした際に問題
となる熱へたり性を改善するためになされた発明として
は,例えば特開平11−294584号がある。この発
明は,熱へたり性を向上するために,耐熱性向上に効果
のあるMo,Crを適量添加し,炭化物生成によってM
o,Crの耐熱性向上効果が小さくなることを防ぐため
に,Cの添加量を従来のピストンリング用鋼に比べて低
減し,0.35〜0.45%としたことを特徴とするも
のである。
Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-294584 is an example of an invention made to improve the thermal settability which becomes a problem when performing an ion plating process. According to the present invention, in order to improve heat setting, an appropriate amount of Mo and Cr effective for improving heat resistance is added, and M
In order to prevent the effect of improving the heat resistance of o and Cr from being reduced, the amount of C added is reduced to 0.35 to 0.45% as compared with conventional piston ring steel. is there.

【0011】しかしながら,この発明は,熱へたり性を
改善するために,耐熱性向上元素であるMo,Crの炭
化物の生成を抑えるため,C量を他のピストンリング用
鋼に比べ低減している。そのため当然の結果として,鋼
中の炭化物が少なく,窒化処理後の耐摩耗性が十分に優
れているとは言えないという問題がある。
However, according to the present invention, the amount of carbon is reduced as compared with other steels for piston rings in order to improve the heat setting and to suppress the formation of carbides of Mo and Cr which are heat resistance improving elements. I have. Therefore, as a natural result, there is a problem that the carbide in the steel is small and the wear resistance after the nitriding treatment cannot be said to be sufficiently excellent.

【0012】本発明は,上述した問題点に鑑み,イオン
プレーティング時のピストンリング本体の熱へたり性と
窒化処理後の耐摩耗性が共に優れ,高い疲労強度を有す
るピストンリング用鋼を提供することを目的とする。
In view of the above-mentioned problems, the present invention provides a piston ring steel having both excellent heat settability of a piston ring body at the time of ion plating and abrasion resistance after nitriding treatment and high fatigue strength. The purpose is to do.

【0013】[0013]

【課題を解決する為の手段】請求項1の発明は,イオン
プレーティングにてセラミックコーティングを施して用
いられるピストンリング用鋼において,重量比にして
C:0.70〜1.00%,Si:2.00%以下,M
n:1.00%以下,Cr:7.00〜11.00%,
Mo:0.50〜1.50%,V:0.10〜0.50
%を含有し,残部はFe及び不可避的不純物からなるこ
とを特徴とするイオンプレーティング処理に適した疲労
強度,耐熱へたり性に優れたピストンリング用鋼であ
る。
According to the first aspect of the present invention, there is provided a steel for a piston ring which is used by applying a ceramic coating by ion plating, wherein C: 0.70 to 1.00% by weight, : 2.00% or less, M
n: 1.00% or less, Cr: 7.01 to 11.00%,
Mo: 0.50 to 1.50%, V: 0.10 to 0.50
%, With the balance being Fe and unavoidable impurities. The piston ring steel is excellent in fatigue strength and heat resistance suitable for ion plating.

【0014】本発明において注目すべきことは,イオン
プレーティングした場合における課題を解決できる成分
系を新規に提案し明確にしたことにある。すなわち,今
までに多くのピストンリング用鋼の発明が特許出願され
ているが,イオンプレーティングが実際にピストンリン
グに適用される前である1980年代前半までの出願に
ついては,イオンプレーティングによる処理で生じる問
題点を何ら考慮していない発明であって,参照しても全
く役に立たない。
What should be noted in the present invention is that a component system capable of solving the problem in the case of ion plating has been newly proposed and clarified. In other words, many inventions for steels for piston rings have been applied for patents, but applications up to the early 1980s, before ion plating was actually applied to piston rings, were processed by ion plating. It is an invention that does not take into account the problems arising from the above, and is completely useless when referred to.

【0015】また,その後に出されている出願について
も,イオンプレーティング処理に適した成分系を明確に
した発明はきわめて少なく,大部分が成分範囲について
特に明確にすることなく,イオンプレーティング処理方
法自身を特徴とする発明にすぎない。
[0015] Also, with respect to the applications filed thereafter, there are very few inventions in which the component system suitable for the ion plating process is clarified. It is merely an invention that features the method itself.

【0016】なお,本発明で言うセラミックコーティン
グとは,例えば,TiN,TiC,TiCN,ZrN,
CrN,CrN,TaN,TiAlNから選択される
1種又は2種以上を含む成分にて形成される皮膜のこと
を指す。また,例えば,窒化クロムのコーティングをし
た皮膜としては,CrN,Cr N,Crの3つが混合
した成分からなる皮膜がある。
The ceramic coating referred to in the present invention.
Is, for example, TiN, TiC, TiCN, ZrN,
CrN, Cr2Selected from N, TaN, TiAlN
A film formed from one or more components.
Point to. Also, for example, a coating of chromium nitride
CrN, Cr 2N and Cr are mixed
There is a film consisting of the following components.

【0017】次に本発明のピストンリング用鋼につい
て,各化学成分範囲の限定理由について説明する。 C:0.70〜1.00% Cは,一部が基地中に固溶することで,硬さや疲労強度
向上に寄与し,また炭化物を生成して,耐摩耗性を高め
る。これらの効果を得る為には,Cは少なくとも0.7
0%,好ましくは0.80%以上の含有が必要である。
しかしながら,多量に含有させると,凝固時に生成する
1次炭化物が粗大となり,疲労強度を低下させる原因と
なるので,上限を1.00%とした。好ましくは0.9
0%以下とするのが良い。
Next, the reasons for limiting the ranges of the respective chemical components of the steel for piston rings of the present invention will be described. C: 0.70 to 1.00% C partially contributes to the improvement of hardness and fatigue strength by forming a solid solution in the matrix, and also generates carbides to enhance wear resistance. To achieve these effects, C must be at least 0.7
0%, preferably 0.80% or more is required.
However, if it is contained in a large amount, the primary carbides generated during solidification become coarse and cause a reduction in fatigue strength. Therefore, the upper limit was made 1.00%. Preferably 0.9
It is better to be 0% or less.

【0018】Si:2.00%以下 Siは,鋼の精練時に脱酸の目的で添加されるととも
に,基地中に固溶し,硬さや疲労強度向上に寄与する。
しかし,多量に添加すると,冷間加工性を害するので
2.00%以下に限定する。硬さや疲労強度向上のため
に,好ましくは0.25%以上添加するのが良い。
Si: 2.00% or less Si is added for the purpose of deoxidation at the time of refining steel, and also forms a solid solution in the matrix and contributes to improvement in hardness and fatigue strength.
However, if added in a large amount, the cold workability is impaired, so the content is limited to 2.00% or less. To improve hardness and fatigue strength, it is preferable to add 0.25% or more.

【0019】Mn:1.00%以下 Mnは,鋼の精練時の脱酸および鋼中のSを固定する為
に添加されるが,多量に添加すると冷間加工性を害する
ので1.00%以下に限定する。脱酸及び鋼中のS固定
のためには,好ましくは0.30%以上添加するのが良
い。
Mn: 1.00% or less Mn is added to deoxidize the steel at the time of refining and fix S in the steel. However, if added in a large amount, the cold workability is impaired. Limited to the following. For deoxidation and fixing of S in steel, it is preferable to add 0.30% or more.

【0020】Cr:7.00〜11.00% CrはCと結合して炭化物を形成すると共に,窒化層の
硬さを増す効果を有するため,耐摩耗性の向上に必要不
可欠な元素である。これらの効果を得る為には,Crは
少なくとも7.00%以上必要である。しかしながら,
多量に含有させると,凝固時に生成する1次炭化物が粗
大となり,疲労強度を低下させる原因となるので,上限
を11.00%とした。
Cr: 7.01 to 11.00% Cr is an indispensable element for improving wear resistance because it combines with C to form carbides and has the effect of increasing the hardness of the nitrided layer. . To obtain these effects, Cr must be at least 7.00% or more. However,
If contained in a large amount, the primary carbides generated during solidification become coarse and cause a reduction in fatigue strength. Therefore, the upper limit was set to 11.00%.

【0021】Mo:0.50〜1.50% Moは,焼戻軟化抵抗を向上させる効果があり,イオン
プレーティング時の熱へたり性改善に必要不可欠な元素
である。また,Crと同様に炭化物を形成し,窒化処理
時に窒化層硬さを高め,耐摩耗性を改善する。これらの
効果を得る為には,0.50%以上の含有が必要であ
る。しかし,1.50%を越えるとその効果が飽和する
とともに,熱間加工性を害するため,上限を1.50%
とした。
Mo: 0.50 to 1.50% Mo has the effect of improving the tempering softening resistance and is an element indispensable for improving the heat setting during ion plating. In addition, it forms carbide similarly to Cr, increases the hardness of the nitrided layer during nitriding, and improves the wear resistance. In order to obtain these effects, the content needs to be 0.50% or more. However, if it exceeds 1.50%, the effect is saturated and the hot workability is impaired.
And

【0022】V:0.10〜0.50% Vは,Moと同様焼戻軟化抵抗を向上させる効果があ
り,イオンプレーティング時の熱へたり性改善に有効で
ある。また,Cr,Moと同様に炭化物を形成し,窒化
処理時に窒化層硬さを高め,耐摩耗性を改善する。これ
らの効果を得る為には,0.10%以上の含有が必要で
ある。しかし,0.50%を越えるとその効果が飽和す
るとともに,熱間加工性を害する為,上限を0.50%
とした。
V: 0.10 to 0.50% V has the effect of improving the tempering softening resistance as in the case of Mo, and is effective in improving the heat setting during ion plating. In addition, it forms carbide similarly to Cr and Mo, increases the hardness of the nitrided layer during the nitriding treatment, and improves the wear resistance. In order to obtain these effects, the content must be 0.10% or more. However, if it exceeds 0.50%, the effect is saturated and the hot workability is impaired.
And

【0023】次に本発明における作用について説明す
る。本発明では,前記した先願(特開平11−2945
84号,以下先願と記す。)とは異なり,C量を先願に
比べ増量して炭化物の析出量の増加を図っている。そし
て,単純に,C量を増量すると,巨大炭化物が析出し疲
労特性の低下が避けられないため,それをCr,Mo,
V量の適量添加で防止している。また,Cr,Mo,V
量の添加によって窒化処理により生成される窒化層の硬
さ向上を図り,窒化層の耐摩耗性を向上させている。
Next, the operation of the present invention will be described. In the present invention, the above-mentioned prior application (JP-A-11-2945)
No. 84, hereinafter referred to as prior application. Unlike the case (1), the amount of C is increased as compared with the prior application to increase the amount of carbide precipitated. When the amount of C is simply increased, giant carbides precipitate and the deterioration of the fatigue characteristics is unavoidable.
Prevention is achieved by adding an appropriate amount of V. In addition, Cr, Mo, V
By adding the amount, the hardness of the nitrided layer generated by the nitriding treatment is improved, and the wear resistance of the nitrided layer is improved.

【0024】従って,これらの成分調整の結果巨大な1
次炭化物の析出が極めて少なく,微細炭化物が数多く析
出した組織となるとともに,窒化処理により表面に硬い
窒化層を生成させることができる。また,この鋼は炭化
物が微細なため,炭化物の疲労特性への悪影響を防止す
ることが可能となり,耐摩耗性,疲労強度共に優れた性
能を得ることができる。
Therefore, as a result of these component adjustments, a huge 1
Precipitation of secondary carbides is extremely small, resulting in a structure in which many fine carbides are precipitated, and a hard nitrided layer can be formed on the surface by nitriding. In addition, since the carbide of this steel is fine, it is possible to prevent the adverse effect of the carbide on the fatigue characteristics, and it is possible to obtain excellent performance in both wear resistance and fatigue strength.

【0025】また,本発明では,焼もどし軟化抵抗の向
上に効果のあるMo,Vを適量添加している。この結
果,イオンプレーティング処理により,200〜600
℃の高温にさらされても,硬さの低下が小さく熱へたり
を最小限に抑えることができる。
Further, in the present invention, an appropriate amount of Mo, V which is effective for improving the tempering softening resistance is added. As a result, 200 to 600
Even when exposed to a high temperature of ℃, the decrease in hardness is small and heat set can be minimized.

【0026】次に,請求項2の発明のように,請求項1
に記載の鋼を36C+3Cr+8Mo+2V≦70の条
件を満足するように成分を調整することがより望まし
い。この式を満足するように調整することによって,粗
大な1次炭化物の生成がほぼ抑えられ,優れた疲労強度
を確保することができる。
Next, as in the second aspect of the present invention,
It is more desirable to adjust the components of the steel described in (1) so as to satisfy the condition of 36C + 3Cr + 8Mo + 2V ≦ 70. By adjusting so as to satisfy this equation, the formation of coarse primary carbides is almost suppressed, and excellent fatigue strength can be secured.

【0027】[0027]

【発明の実施の形態】以下に本発明の効果を実施例によ
り説明する。表1は実施例として用いた鋼の化学成分を
示すものである。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The effects of the present invention will be described below with reference to embodiments. Table 1 shows the chemical components of the steel used in the examples.

【0028】[0028]

【表1】 [Table 1]

【0029】表1に示す鋼のうち,No.1〜7鋼は本
発明鋼であり,No.8〜10鋼は一部の成分が本発明
の範囲外である比較鋼,No.11〜13鋼は従来鋼で
あるマルテンサイト系ステンレス鋼である。従来鋼11
〜13鋼は,従来窒化処理してピストンリング用として
用いられてきた鋼であり,その中でも特に13鋼はイオ
ンプレーティング処理される場合についてもピストンリ
ング用として用いられていた鋼である。
Of the steels shown in Table 1, Steels Nos. 1 to 7 are steels of the present invention. Steels Nos. 8 to 10 are comparative steels having some components outside the scope of the present invention. The 11 to 13 steels are martensitic stainless steels, which are conventional steels. Conventional steel 11
Steels No. to No. 13 are steels which have been used for piston rings after nitriding, and among them, steel No. 13 has been used for piston rings even when subjected to ion plating.

【0030】表1に示す供試材は,以下に説明する方法
により準備した。すなわち,まず30kgVIM溶解装
置を用いて溶解し,φ120mmの鋼塊を作製した。次
に熱間鍛造を行いφ15mmの棒状素材とした後,98
0〜1070℃焼入れ,550〜650℃焼戻しを行
い,硬さを400〜450HVに調整した。表1には,
化学成分に加え,36C+3Cr+8Mo+2Vの値及
び,熱処理後の5μm以上の炭化物の面積率を示す。
The test materials shown in Table 1 were prepared by the method described below. That is, first, it melt | dissolved using the 30 kg VIM melter, and produced the 120-mm steel ingot. Next, after hot forging to obtain a rod-shaped material of φ15 mm,
Hardening was performed at 0 to 1070 ° C and tempering at 550 to 650 ° C, and the hardness was adjusted to 400 to 450 HV. In Table 1,
In addition to the chemical components, the values of 36C + 3Cr + 8Mo + 2V and the area ratio of carbide of 5 μm or more after heat treatment are shown.

【0031】表1から明らかなように,本発明鋼や,比
較鋼,従来鋼の中でもC量の少ない10から12鋼,C
r量の少ない9鋼は,大きな一次炭化物が少なく,全て
面積率で0.5%以下となっている。また,本発明鋼の
中でも36C+3Cr+8Mo+2Vの値が70以下で
ある6鋼を除く供試鋼は全て0.3%以下と少なくなっ
ている。さらに,表1には記載していないが,本発明鋼
は10〜12鋼に比べC量が多いため,C量の少ない1
0〜12鋼に比べ,微細な炭化物が多量かつほぼ均一に
析出していることが観察できた。
As is clear from Table 1, the steels of the present invention, the comparative steels, and the conventional steels having a low C content of 10 to 12
Nine steels with a small amount of r have few large primary carbides, and all have an area ratio of 0.5% or less. Further, among the steels of the present invention, all of the test steels except for the six steels having a value of 36C + 3Cr + 8Mo + 2V of 70 or less are as small as 0.3% or less. Further, although not described in Table 1, the steel of the present invention has a higher C content than 10 to 12 steel, and
Compared with steel 0-12, it was observed that fine carbides were precipitated in a large amount and almost uniformly.

【0032】それに対し,C量,Cr量の多い8鋼,C
r量の多い13鋼は,巨大炭化物の量が面積率で2%以
上の値を示し,極めて多くなっている。この結果から,
巨大炭化物を減らすにはC,Cr量を適正な範囲内に抑
えることが必要であり,特に少なくするには,36C+
3Cr+8Mo+2Vの値を70以下とすることが有効
なことがわかる。
On the other hand, 8 steel having a high C content and a high Cr content,
Thirteen steels with a large amount of r show an extremely large amount of giant carbide in an area ratio of 2% or more. from this result,
To reduce giant carbides, it is necessary to keep the amounts of C and Cr within an appropriate range.
It turns out that it is effective to set the value of 3Cr + 8Mo + 2V to 70 or less.

【0033】次にイオンプレーティング後の耐熱へたり
性,疲労強度,耐摩耗性について評価した結果について
説明する。イオンプレーティング処理すると,処理中に
温度が最高600℃程度まで上昇し,処理中に素材の軟
化が進行し,それが,熱へたりとなって問題となる。そ
こで,熱へたり性の評価は,処理時に上昇する最高温度
に匹敵する600℃の温度に1時間加熱保持することに
よって素材の硬さがどの程度変化するかを測定すること
により行った。
Next, the results of evaluating the heat set resistance, the fatigue strength, and the wear resistance after ion plating will be described. When the ion plating process is performed, the temperature rises to a maximum of about 600 ° C. during the process, and the material is softened during the process, which becomes a problem due to heat sink. Therefore, the evaluation of the heat settability was performed by measuring the degree of change in the hardness of the material by heating and holding at a temperature of 600 ° C., which is equivalent to the maximum temperature rising during the treatment, for one hour.

【0034】また,疲労特性は,イオンプレーティング
処理による温度上昇による影響を考慮する必要があるこ
とから,耐熱へたり性の評価と同様にφ15mmの棒状
素材を600℃に加熱し,1時間保持した後試験片形状
に加工して,小野式回転曲げ疲労試験をすることによ
り,10回転における疲労限度を求めることにより評
価した。
Since it is necessary to consider the effect of temperature rise due to the ion plating process on the fatigue characteristics, a rod-shaped material having a diameter of 15 mm is heated to 600 ° C. and held for 1 hour as in the evaluation of the heat-resistant set resistance. by processing the specimen geometry was, by a rotating bending fatigue test Ono-type, was assessed by determining the fatigue limit of 107 rotation.

【0035】さらに,イオンプレーティング処理される
ピストンリングにおいても製品の上下面については窒化
処理して使用されるため,窒化処理後の優れた耐摩耗性
を確保する必要がある。そこで,焼入れ,焼戻し後のφ
15mmの素材から各評価用試験片を採取し,570℃
×6hのガス窒化処理を行った。その後,最表面に形成
された脆い化合物層を除去する為,試験片表面を20〜
30μm研磨を行い,窒化層最表面の硬さ測定ならびに
摩耗試験を行うことにより耐摩耗性を評価した。
Further, the piston rings subjected to the ion plating process are used after nitriding the upper and lower surfaces of the product, so that it is necessary to ensure excellent wear resistance after the nitriding process. Therefore, φ after quenching and tempering
A test piece for each evaluation was collected from a 15 mm material, and the temperature was 570 ° C.
A gas nitriding treatment of × 6 h was performed. Then, to remove the brittle compound layer formed on the outermost surface, the surface of the test piece was
Abrasion resistance was evaluated by polishing 30 μm, measuring the hardness of the outermost surface of the nitride layer, and performing a wear test.

【0036】上記摩耗試験は,高温湿式摩耗試験機を用
いて,摩擦速度0.5m/s,潤滑条件がモーターオイ
ル#30,0.15cc/min滴下,接触荷重が49
0N, 接触時間が4h,相手材の材質がねずみ鋳鉄
(FC250),相手材の温度が180℃の条件で実施
した。各試験結果を表2に示す。
The abrasion test was performed using a high-temperature wet-type abrasion tester with a friction speed of 0.5 m / s, lubrication conditions of motor oil # 30, dropping of 0.15 cc / min, and a contact load of 49.
0N, the contact time was 4 hours, the material of the mating material was gray cast iron (FC250), and the temperature of the mating material was 180 ° C. Table 2 shows the test results.

【0037】[0037]

【表2】 [Table 2]

【0038】表2から明らかなように,比較鋼である8
鋼は,C,Cr量が多く,上記式の値も83.6と大き
いため,巨大炭化物が多く,疲労限度が劣る。9鋼は,
炭化物形成元素であるCr量が少ないため耐摩耗性が著
しく劣る。10鋼は,C量,V量が少ないため炭化物が
少なく,耐摩耗性が若干劣る。
As is clear from Table 2, the comparative steel 8
Steel has a large amount of C and Cr, and the value of the above equation is as large as 83.6. Therefore, the steel has a large amount of large carbides and is inferior in fatigue limit. Nine steels
Since the amount of Cr, which is a carbide forming element, is small, the wear resistance is extremely poor. Steel No. 10 has a small amount of C and a small amount of V, and therefore has a small amount of carbides and has a slightly inferior wear resistance.

【0039】また,従来鋼のうち,窒化処理して用いら
れてきた11,12鋼は,耐熱へたり性が著しく劣り,
600℃の加熱によって大きく軟化してしまうため,疲
労強度も低く,炭化物形成元素であるMo,V量が少な
いため耐摩耗性も若干劣る。また,従来イオンプレーテ
ィング処理用として用いられてきた13鋼は,耐熱へた
り性については問題はないが,Cr量が多く,上記式の
値も90.9と大きくなって,巨大な1次炭化物が面積
率で2.8%と多量に存在するため,疲労強度が劣る。
Further, among the conventional steels, the steels 11 and 12 which have been used after being subjected to nitriding treatment have a remarkably inferior heat resistance and are hardly resistant.
The material is greatly softened by heating at 600 ° C., so that the fatigue strength is low and the wear resistance is slightly inferior due to the small amount of the carbide-forming elements Mo and V. 13 steel which has been conventionally used for ion plating has no problem with heat resistance, but has a large amount of Cr and the value of the above equation is as large as 90.9. Since the carbides are present in a large amount at an area ratio of 2.8%, the fatigue strength is poor.

【0040】それに対し,本発明鋼である1〜7鋼は,
600℃×1hの熱処理を施しても,硬さ低下が小さ
く,疲労強度,窒化処理後の硬さ,耐摩耗性試験結果共
に優れた結果を示すことが確認できた。
On the other hand, the steels 1 to 7 of the present invention are:
It was confirmed that even after the heat treatment at 600 ° C. for 1 hour, the decrease in hardness was small, and excellent results were obtained in the fatigue strength, the hardness after nitriding, and the wear resistance test results.

【0041】次に本発明鋼を用い,実際にピストンリン
グを製造した場合に期待した効果が得られるかを確認す
るため,実際にピストンリングを製造して性能を評価し
た。即ち,供試材となるピストンリング素材は,前記実
施例で用いた発明鋼4,従来鋼13とほぼ同一の成分か
らなる2ton鋼塊を溶製し,熱間圧延後球状化焼鈍を
行い,さらに冷間加工によりピストンリング用の線材形
状に仕上げ,焼入れ,焼戻しを行い,硬さを400〜4
50HVに調整することにより準備した。
Next, in order to confirm whether the expected effects were obtained when the piston ring was actually manufactured using the steel of the present invention, the piston ring was actually manufactured and the performance was evaluated. That is, the piston ring material used as the test material is a 2 ton steel ingot having substantially the same composition as the invention steel 4 and the conventional steel 13 used in the above embodiment, and is subjected to spheroidizing annealing after hot rolling. Further, it is finished to a wire shape for a piston ring by cold working, quenched and tempered, and has a hardness of 400 to 4
Prepared by adjusting to 50 HV.

【0042】さらに,この素材からピストンリングを製
造するために,上記線材をリング成形し,ガス窒化処理
を行い,ピストンリング全周に100μm程度の窒化層
を形成した後,外周の化合物層を除去し,イオンプレー
ティングにて摺動面に窒化クロム皮膜を成形することに
より,性能評価用のピストンリングを製造した。なお,
本発明鋼4,従来鋼13は共に熱へたりにより所定の張
力が得られないという問題は生じなかった。
Further, in order to manufacture a piston ring from this material, the above wire rod is formed into a ring, gas nitriding is performed, a nitride layer of about 100 μm is formed on the entire circumference of the piston ring, and then the compound layer on the outer circumference is removed. Then, a piston ring for performance evaluation was manufactured by forming a chromium nitride film on the sliding surface by ion plating. In addition,
The steel 4 of the present invention and the conventional steel 13 did not have a problem that a predetermined tension could not be obtained due to heat sink.

【0043】製造されたピストンリングの性能評価は,
疲労試験により耐疲労特性を評価することによって行っ
た。試験方法は,図1に示すように,ピストンリング1
の合口の一方の端を固定部材2により固定し,他端の振
幅部材3を振幅させ繰り返し応力を生じさせることによ
り行った。この場合,合口より180°の位置に最大応
力が発生する。ピストンリングは実際には呼称径に閉じ
られて使用される為,試験は,合口を閉じた状態から振
幅させ,合口より180°の位置の平均応力が500M
Paとなるようにして行い,10回実施後の疲労限度
を求めた。その結果を表3に示す。
The performance evaluation of the manufactured piston ring is as follows.
It was performed by evaluating the fatigue resistance characteristics by a fatigue test. As shown in Fig. 1, the test method
One end of the joint was fixed by the fixing member 2 and the amplitude member 3 at the other end was caused to oscillate to repeatedly generate stress. In this case, the maximum stress occurs at a position 180 ° from the joint. Since the piston ring is actually used with the nominal diameter closed, the test was performed with the apex closed and the average stress at 180 ° from the apex was 500M.
Carried out in such a manner that the Pa, was determined the fatigue limit of after performing 10 7 times. Table 3 shows the results.

【0044】[0044]

【表3】 [Table 3]

【0045】表3に示したのは500MPaを平均とす
る振幅応力の値である(500±αMPaのαの値)。
表3より本発明鋼を用いたピストンリングは,巨大炭化
物が析出している従来鋼13に比べ,良好な疲労強度を
示し,本発明鋼をイオンプレーティングを施すピストン
リングに用いることで,熱へたりという問題が生じるこ
となく,良好な疲労強度が得られることが確認できた。
Table 3 shows the values of the amplitude stress having an average of 500 MPa (α value of 500 ± αMPa).
Table 3 shows that the piston ring using the steel of the present invention has better fatigue strength than the conventional steel 13 in which giant carbide is precipitated. It was confirmed that good fatigue strength was obtained without the problem of sag.

【0046】次に,発明鋼1,発明鋼4,比較鋼10,
従来鋼13を,トップリングに最終加工まで仕上げ,エ
ンジンによる実機試験を実施した。トップリングの仕様
は,発明鋼,比較鋼,従来鋼の各母材に窒化処理層を設
けた後に,外周面にのみイオンプレーティング皮膜(C
rN,膜厚28μm,硬さ1752HV)を設けたもの
で,呼び径95mm×幅2.5mm×厚さ3.35mm
である。試験条件は,水冷4気筒,排気量2800cc
のエンジンを用い,400rpm×400時間運転を行
った。その結果を表4に示す。
Next, invention steel 1, invention steel 4, comparative steel 10,
Conventional steel 13 was finished to the final processing into a top ring, and an actual machine test using an engine was performed. The specifications of the top ring are as follows: After providing a nitrided layer on each base material of the invention steel, comparative steel, and conventional steel, the ion plating film (C
rN, film thickness 28 μm, hardness 1752 HV), nominal diameter 95 mm × width 2.5 mm × thickness 3.35 mm
It is. Test conditions are water-cooled 4-cylinder, displacement 2800cc
The engine was operated at 400 rpm × 400 hours. Table 4 shows the results.

【0047】[0047]

【表4】 [Table 4]

【0048】上記のエンジン評価により,発明鋼No.
1およびNo.4はリング上下面の摩耗が従来鋼No.
13とほぼ同等であった。また,リング溝摩耗量は,従
来鋼No.13と比べて,極めて少なくなく,良好な結
果が得られた。
According to the above engine evaluation, the invention steel No.
1 and No. No. 4 shows the wear of the upper and lower surfaces of the ring was lower than that of the conventional steel No. 4.
It was almost equivalent to 13. The wear amount of the ring groove is the same as that of the conventional steel No. As compared with No. 13, good results were obtained.

【0049】[0049]

【発明の効果】本発明は,先願とは異なりCr,Mo,
V量の適正化によって0.8%程度Cを含有させても巨
大炭化物が多量に析出しないことを見出したことによっ
て,炭化物形成元素であるMo,Vを適量添加すること
により,疲労特性に悪影響を及ぼすことなく耐摩耗性を
向上させるのに必要な微細な炭化物を,先願に記載の鋼
に比べ多量に析出させた組織とすることができる。その
結果,疲労特性,耐摩耗性共に優れた特性を得ることが
できる。
According to the present invention, unlike the prior application, Cr, Mo,
It has been found that a large amount of giant carbide does not precipitate even when about 0.8% of C is contained by optimizing the amount of V. By adding an appropriate amount of Mo and V which are carbide forming elements, fatigue characteristics are adversely affected. It is possible to obtain a structure in which fine carbides necessary for improving the wear resistance without causing a large amount of precipitates compared to the steel described in the earlier application. As a result, excellent characteristics can be obtained in both fatigue characteristics and wear resistance.

【0050】また,イオンプレーティング処理時の最大
加熱温度である600℃まで加熱されても硬度が大きく
低下することがなく,耐熱へたり性にも優れている。従
って,外周面に極めて優れた耐摩耗性が要求され,イオ
ンプレーティングが不可欠となるピストンリングを製造
する際において非常に適したピストンリング用鋼であ
る。このように,本発明によれば,イオンプレーティン
グ時のピストンリング本体の熱へたり性と窒化処理後の
耐摩耗性が共に優れ,高い疲労強度を有するピストンリ
ング用鋼を提供することができる。
Further, even when heated to 600 ° C., which is the maximum heating temperature at the time of the ion plating process, the hardness does not greatly decrease and the heat resistance is excellent. Therefore, extremely excellent wear resistance is required on the outer peripheral surface, and it is a steel for a piston ring which is very suitable for manufacturing a piston ring in which ion plating is indispensable. As described above, according to the present invention, it is possible to provide a piston ring steel having excellent heat settability of the piston ring body at the time of ion plating and abrasion resistance after nitriding treatment, and having high fatigue strength. .

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】ピストンリングの疲労特性評価方法を説明する
図。
FIG. 1 is a diagram illustrating a method for evaluating fatigue characteristics of a piston ring.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1...ピストンリング, 2...固定用部材, 3...振幅用部材, 1. . . Piston ring, 2. . . 2. fixing members, . . Amplitude material,

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) // C23C 14/16 C23C 14/16 A (72)発明者 岡 政宏 愛知県東海市荒尾町ワノ割1番地 愛知製 鋼株式会社内 (72)発明者 井上 茂夫 新潟県柏崎市北斗町1番37号 株式会社リ ケン柏崎事業所内 (72)発明者 高橋 純也 新潟県柏崎市北斗町1番37号 株式会社リ ケン柏崎事業所内 Fターム(参考) 3J044 AA01 AA02 BA01 BB20 BB28 BB31 DA09 4K029 AA02 BA58 BC02 BD04 CA03──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification FI FI Theme Court ゛ (Reference) // C23C 14/16 C23C 14/16 A (72) Inventor Masahiro Oka Wanowari 1 Arao-cho, Tokai City, Aichi Prefecture Address Aichi Steel Co., Ltd. (72) Inventor Shigeo Inoue 1-37 Hokutocho, Kashiwazaki-shi, Niigata Prefecture RIKEN Kashiwazaki Office (72) Inventor Junya Takahashi 1-37, Hokutocho, Kashiwazaki-shi, Niigata Co., Ltd. F-term in the Kashiwazaki Plant of RIKEN (reference) 3J044 AA01 AA02 BA01 BB20 BB28 BB31 DA09 4K029 AA02 BA58 BC02 BD04 CA03

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 イオンプレーティングにてセラミックコ
ーティングを施して用いられるピストンリング用鋼にお
いて,重量比にしてC:0.70〜1.00%,Si:
2.00%以下,Mn:1.00%以下,Cr:7.0
0〜11.00%,Mo:0.50〜1.50%,V:
0.10〜0.50%を含有し,残部はFe及び不可避
的不純物からなることを特徴とするイオンプレーティン
グ処理に適した疲労強度,耐熱へたり性に優れたピスト
ンリング用鋼。
1. A steel for a piston ring, which is used by applying a ceramic coating by ion plating, in a weight ratio of C: 0.70 to 1.00%, Si:
2.00% or less, Mn: 1.00% or less, Cr: 7.0
0 to 11.00%, Mo: 0.50 to 1.50%, V:
0.10 to 0.50%, with the balance being Fe and unavoidable impurities, suitable for ion plating and having excellent fatigue strength and heat set resistance.
【請求項2】 請求項1において,36C+3Cr+8
Mo+2V≦70であることを特徴とするイオンプレー
ティング処理に適した疲労強度および耐熱へたり性に優
れたピストンリング用鋼
2. The method according to claim 1, wherein 36C + 3Cr + 8.
Mo + 2V ≦ 70, piston ring steel excellent in fatigue strength and heat resistance suitable for ion plating treatment.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014196614A1 (en) * 2013-06-07 2014-12-11 株式会社リケン Piston ring, raw material therefor, and production method for both
JP2014237152A (en) * 2013-06-07 2014-12-18 株式会社リケン Method of manufacturing large-sized piston ring, large-sized piston ring material, and large-sized piston ring

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WO2014196614A1 (en) * 2013-06-07 2014-12-11 株式会社リケン Piston ring, raw material therefor, and production method for both
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