JP2008031545A - ピストンリング - Google Patents

Abstract

【課題】低温低負荷状態における張力と、高温高負荷状態における張力とを変化させることができ、その結果フリクションロスを最小限に抑え、燃費の向上を可能とするピストンリングを提供すること。
【解決手段】 ピストンリングを、３４．７ｍｏｌ％以上４８．５ｍｏｌ％以下のニッケルと、９ｍｏｌ％以上２２．５ｍｏｌ％以下の、ジルコニウムおよびハフニウムの少なくとも一方と、１ｍｏｌ％以上３０ｍｏｌ％以下のニオブと、残部のチタンと、不可避的不純物と、からなる形状記憶合金によって形成する。
【選択図】図１

Description

本発明はピストンリングに関する。さらに具体的には、自動車、芝刈り機、発電機等に用いる内燃機関におけるピストンのピストンリング溝に配設され、低温状態の張力に比べて高温状態の張力が増大する、張力可変ピストンリングに関する。

ピストンリングには、大別すると圧力リングとオイルリングの２種類があり、どちらの場合であっても、一つのピストンリングのみから構成される場合やピストンリング本体と、このピストンリング本体の内周面側に配置されて、ピストンリング本体に対する拡径方向への押圧力を与えるためのエキスパンダを用いて構成される場合がある。

このようなピストンリングにおける張力は、当該ピストンリングが使用されうる最も過酷な条件下においても、ピストンリングがその機能を発揮できるように設定されているのが通常である。例えば、内燃機関（エンジン）のピストンに装着されるピストンリングにおいては、内燃機関の高速高負荷状態を想定して、ピストンリングの張力を設定している。具体的には、一つのピストンリングのみから構成される場合にあっても、当該ピストンリング自体の張力は高速高負荷状態を想定して設計されている。あるいは、ピストンリングがピストンリング本体とエキスパンダとから構成される場合にあっても、同様にピストンリング本体とエキスパンダの張力の和が高速高負荷状態を想定して設計されている。

ここで、近年は、環境に優しい、特に燃料消費量の低いエンジンを目指すため、ピストンリングとシリンダライナのフリクション低減についての要求が高まっている。

しかしながら、従来のピストンリングにあっては、ピストンと共にシリンダ内周面を摺動する際のエンジンの回転数の上昇によるピストンの往復運動の速度上昇に伴い、シリンダ内周面とピストンリングとの間に発生する摺動摩擦とピストンの慣性力によりピストンリングを浮き上がらせる力（フラッタリング）が大きくなり、高速高負荷になるほどオイル消費量が大きくなる傾向がある。したがって、高速高負荷状態つまり内燃機関が高温状態の場合を想定してピストンリング全体の張力が設定されているため、低速低負荷状態つまり内燃機関が低温状態の場合においては必要以上の張力がシリンダの内周面にかかってしまうこととなり、その結果として、多くのフリクションロスが生じていた。また、低速低負荷状態にピストンリング全体の張力を設定することも考えられるが、そうすると高速高負荷運転となった場合に、ピストンリングのシール性が十分に得られずオイル消費量が急激に増加してしまうため好ましくない。

このような問題を解決するために、ピストンリングを形状記憶合金により形成することにより、低温時と高温時においてピストンリングの張力を変化できるようなピストンリングが開発されている。

具体的には、例えば特許文献１には、一つのピストンリングのみから構成されるピストンリングにおいて、当該ピストンリングをニッケル−チタン系の形状記憶合金により形成することにより、低温状態においては、ピストンリングとシリンダ内周面とを非接触とし、高温状態になって初めてピストンリングとシリンダ内周面とを接触させる技術が開示されている（特許文献１の請求項２、００１２段落など参照）。

また、特許文献２には、ピストンリング本体とエキスパンダ（コイルエキスパンダ）とから構成されるピストンリングにおいて、エキスパンダを前記特許文献１と同様にニッケル−チタン系の形状記憶合金により形成することにより、低温状態における張力よりも高温状態における張力を大きくする技術が開示されている（特許文献２の実用新案登録請求の範囲など参照）。

このように、ピストンリングの材料として形状記憶合金を用いることは従来から行われている。

ここで、形状記憶合金としては、例えば特許文献３には、より高温で変態することを目的としてニッケル−チタンにパラジウムを添加したことを特徴とする形状記憶合金が開示されている。

また、特許文献４には、前記特許文献３と同様の目的のために、ニッケル−チタンにジルコニウム（若しくはハフニウム）を添加したことを特徴とする形状記憶合金が開示されている。

さらに、特許文献５には、変態温度をより広範囲にし、さらに加工性に優れた形状記憶合金を提供することを目的として、ニッケル−チタンにニオブを添加したことを特徴とする形状記憶合金が開示されている。
特開平０６−０６６３７１号公報 実公平０３−０４１０７８号公報 特開平１１−０３６０２４号公報 特開平１０−００８１６８号公報 特開昭６１−１１９６３９号公報

しかしながら、現在のピストンリングにあっては、前記フリクションロスの問題を完全に解決してはおらず、さらなる燃費の向上のためにも改良の必要がある。

具体的は、前記特許文献１に開示のピストンリングにあっては、形状記憶合金としてニッケル−チタン系合金が用いられているが、８０℃以上の温度範囲での応用はできず、過酷な温度条件となる自動車エンジン等ではその効果が期待できない。

また、前記特許文献２に開示のピストンリングにあっても、形状記憶合金としては、前記特許文献１と同様の合金が用いられているため、８０℃以上の温度範囲での使用には不適であり、燃費向上は期待できない。

さらに、前記特許文献３に開示の形状記憶合金にあっては、添加物として高価なパラジウムを用いているため材料コストを著しく上昇させ、かつ加工性が劣るためピストンリングへの応用は困難である。

また、前記特許文献４に開示の形状記憶合金にあっても、加工性が劣るためピストンリングへの応用は困難である。

また、前記特許文献５に開示の形状記憶合金にあっては、組織安定性が悪く形状記憶特性が失われるため、実用化されていないのが現状である。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、低温状態における張力と、高温状態における張力をエンジンの実用的な範囲で変化させることができ、その結果フリクションロスを最小限に抑え、燃費の向上を可能とするピストンリングを提供することを主たる課題とする。

上記課題を解決するための本発明のピストンリングは、３４．７ｍｏｌ％以上４８．５ｍｏｌ％以下のニッケルと、９ｍｏｌ％以上２２．５ｍｏｌ％以下の、ジルコニウムおよびハフニウムの少なくとも一方と、１ｍｏｌ％以上３０ｍｏｌ％以下のニオブと、残部のチタンと、不可避的不純物と、からなる形状記憶合金により形成されていることを特徴とする。

上記本発明のピストンリングにあっては、９ｍｏｌ％以上２２．５ｍｏｌ％以下のジルコニウムと、３ｍｏｌ％以上３０ｍｏｌ％以下のニオブと、を含む形状記憶合金により形成されていてもよい。

また、上記本発明のピストンリングにあっては、チタン、ジルコニウムおよびハフニウムの合計ｍｏｌ％をニッケルのｍｏｌ％で除算した比が、０．９８以上１．１４以下である形状記憶合金で形成されていてもよい。

また、上記本発明のピストンリングにあっては、ピストンリング本体と、当該ピストンリング本体の内周面側に配されるエキスパンダとから構成されており、当該ピストンリング本体およびエキスパンダの双方または何れか一方が前記形状記憶合金により形成されていてもよい。

また、上記本発明のピストンリングにあっては、前記エキスパンダが、コイルエキスパンダまたはプレートエキスパンダの何れかであってもよい。

また、上記本発明のピストンリングにあっては、前記ピストンリングが、サイドレールと、スペーサエキスパンダとから構成されており、当該サイドレールおよびスペーサエキスパンダの双方または何れか一方が前記形状記憶合金により形成されていてもよい。

また、上記本発明のピストンリングにあっては、前記形状記憶合金の逆変態ピーク温度未満の温度での張力が０．１〜２５Ｎであり、前記形状記憶合金の逆変態ピーク温度以上の温度での張力が０．２〜５５Ｎであることが好ましい。

また、上記本発明のピストンリングにあっては、オイルリングまたは圧力リングとして用いられてもよい。

本発明のピストンリングによれば、３４．７ｍｏｌ％以上４８．５ｍｏｌ％以下のニッケルと、９ｍｏｌ％以上２２．５ｍｏｌ％以下の、ジルコニウムおよびハフニウムの少なくとも一方と、１ｍｏｌ％以上３０ｍｏｌ％以下のニオブと、残部のチタンと、不可避的不純物と、からなる形状記憶合金により形成されているので、８０℃以上の高い変態温度（変態ピーク温度（Ｍ^＊）または逆変態ピーク温度（Ａ^＊））を実現することができる。したがって、低温低負荷状態においては適度な低い張力を発揮しつつ、８０℃以上の高温高負荷状態となった場合に変態が生じ、低温低負荷状態より高い張力を発揮することができるピストンリングを提供可能となる。その結果、低温低負荷状態におけるフリクションロスを最小限に抑えることができ、燃費を向上せしめることができる。

また、当該成分組成からなる形状記憶合金は、高温での繰り返し使用にも耐えうるため、当該形状記憶合金により形成されたピストンリングは耐久性も向上される。

さらにまた、当該成分組成からなる形状記憶合金は、従来の形状記憶合金と比べて、冷間加工での圧延率が高いため加工性に優れている。したがって、所望の形状のピストンリングとすることができる。

ここで、形状記憶合金の成分としては、９ｍｏｌ％以上２２．５ｍｏｌ％以下のジルコニウムと、３ｍｏｌ％以上３０ｍｏｌ％以下のニオブとを含むようにしても、前記と同様の作用効果を得ることができる。

また、チタン、ジルコニウムおよびハフニウムの合計ｍｏｌ％をニッケルのｍｏｌ％で除算した比を、０．９８以上１．１４以下とすることが好ましく、これによっても前記と同様の作用効果を得ることができる。

さらにまた、上記本発明のピストンリングにあっては、ピストンリング本体と、当該ピストンリング本体の内周面側に配されるエキスパンダとから構成されていても問題なく、当該ピストンリング本体、またはエキスパンダの少なくとも何れか一方が前記形状記憶合金により形成されていれば、前記と同様の作用効果を得ることができ、前記エキスパンダが、コイルエキスパンダまたはプレートエキスパンダの何れかであっても同様である。

また、上記本発明のピストンリングにあっては、サイドレールと、スペーサエキスパンダとから構成されており、当該サイドレールおよびスペーサエキスパンダの双方または何れか一方が前記形状記憶合金により形成されていても、同様の作用効果を得ることができる。

また、上記本発明のピストンリングにあっては、前記形状記憶合金の逆変態ピーク温度未満の温度（エンジンの始動時を想定した温度：−３０〜５０℃）での張力が０．１〜２５Ｎであり、前記形状記憶合金の逆変態ピーク温度以上の温度（エンジンが始動後高速回転時を想定した温度であり、オーステナイト変態後の温度）での張力が０．２〜５５Ｎの範囲内とすることにより、低温低負荷状態でのフリクションロスを最小限に抑えつつ、高温高負荷状態においてもピストンリングの役目を果たすことができる。

なお、本発明のピストンリングにあっては、オイルリング、圧力リングの何れとして用いても上記作用効果を発揮することができる。

以下に、本発明のピストンリングについて具体的に説明する。

本発明のピストンリングは、３４．７ｍｏｌ％以上４８．５ｍｏｌ％以下のニッケルと、９ｍｏｌ％以上２２．５ｍｏｌ％以下の、ジルコニウムおよびハフニウムの少なくとも一方と、１ｍｏｌ％以上３０ｍｏｌ％以下のニオブと、残部のチタンと、不可避的不純物と、からなる形状記憶合金により形成されていることに特徴を有している。また、本発明のピストンリングに用いることができる形状記憶合金としては、前記形状記憶合金であって、９ｍｏｌ％以上２２．５ｍｏｌ％以下のジルコニウムと、３ｍｏｌ％以上３０ｍｏｌ％以下のニオブと、を含有するようにしてもよく、さらに、チタン、ジルコニウムおよびハフニウムの合計ｍｏｌ％をニッケルのｍｏｌ％で除算した比が、０．９８以上１．１４以下となるようにしてもよい。

このように、本発明のピストンリングにあっては、その材料となる形状記憶合金に特徴を有している。したがって、以下に先ず、当該特徴である形状記憶合金の特性について、種々の実験例を挙げて詳細に説明する。

（材料となる形状記憶合金についての実験例）
本発明のピストンリングに用いることができる材料の例（以下、「本発明材料例」とする。）および、本発明のピストンリングには用いることができない材料の例、つまり前記構成成分外の材料の例（以下、「比較材料例」とする）として、下記表１〜３に示す合金組成の合金１〜１１の試験片を作製して、実験を行った。

当該実験に使用した試験片は、下記の方法（１）〜（３）により作製された。
（１）各金属元素のｍｏｌ％を計測してアーク溶解法により溶融して合金インゴットを作製する。例えば、合金１（Ｔｉ−Ｎｉ_４９．５−Ｚｒ_１０）は、４９．５ｍｏｌ％のＮｉと１０ｍｏｌ％のＺｒと、残部（４０．５ｍｏｌ％）のＴｉの組成の合金である。
（２）作製された合金インゴットを９５０℃で２時間（＝７．２ｋｓ）均質化熱処理を行う。
（３）放電化工機を使用して長さ１５ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ１ｍｍの板材（試料）を切り出す。

＜加工性評価試験＞
前記作製方法で作製された合金の加工性を、加工性評価試験を行って評価した。加工性評価試験は、冷間圧延機を使用して、圧延率６０％まで冷間圧延を行った。圧延率が６０％に至るまでに破断した試料は破断時の圧延率を測定して、加工性を評価した。

＜変態温度測定試験＞
各合金の変態温度は、冷間圧延材を７００℃で１時間熱処理し、示差走査熱量測定（ＤＳＣ、Differential Scanning Calorimetry）により、マルテンサイト変態ピーク温度（Ｍ^＊点）と、逆変態ピーク温度（Ａ^＊点）とを測定した。

比較材料例として、従来公知のＴｉ−Ｎｉ−Ｚｒの三元合金の合金１〜合金３の組成と、ＴｉおよびＺｒの合計ｍｏｌ％をＮｉのｍｏｌ％で除算した「対ニッケル比」、破断時の圧延率（％）、マルテンサイト変態ピーク温度（Ｍ^＊点、℃）および逆変態ピーク温度（Ａ^＊点、℃）を表１に示す。

本発明材料例として、Ｔｉ−Ｎｉ−Ｚｒ−Ｎｂの四元合金の合金４〜合金６の組成と、ＴｉおよびＺｒの合計ｍｏｌ％をＮｉのｍｏｌ％で除算した「対ニッケル比」、破断時の圧延率（％）、マルテンサイト変態ピーク温度（Ｍ^＊点、℃）および逆変態ピーク温度（Ａ^＊点、℃）を表２に示す。

本発明材料例（合金７〜合金１０）および比較材料例（合金１１）として、Ｔｉ−Ｎｉ−Ｚｒ−Ｎｂの四元合金の組成と、ＴｉおよびＺｒの合計ｍｏｌ％をＮｉのｍｏｌ％で除算した「対ニッケル比」、破断時の圧延率（％）、マルテンサイト変態ピーク温度（Ｍ^＊点、℃）および逆変態ピーク温度（Ａ^＊点、℃）を表３に示す。

なお、合金７〜合金１１は、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｚｒの成分比を３５．５ｍｏｌ％、４９．５ｍｏｌ％、１５ｍｏｌ％に固定して、全体をＮｂに置換した合金である。

本発明材料例（合金１２〜合金１４）および比較材料例（合金１５）として、Ｔｉ−Ｎｉ−Ｚｒ−Ｎｂの四元合金の組成と、ＴｉおよびＺｒの合計ｍｏｌ％をＮｉのｍｏｌ％で除算した「対ニッケル比」、破断時の圧延率（％）、マルテンサイト変態ピーク温度（Ｍ^＊点、℃）および逆変態ピーク温度（Ａ^＊点、℃）を表４に示す。

なお、合金１５の変態温度は、実験を行った範囲では観測されず、低温になりすぎたものと考えられる。

本発明材料例として、Ｔｉ−Ｎｉ−Ｚｒ−Ｎｂの四元合金の合金１６〜合金２０の組成と、ＴｉおよびＺｒの合計ｍｏｌ％をＮｉのｍｏｌ％で除算した「対ニッケル比」、破断時の圧延率（％）、マルテンサイト変態ピーク温度（Ｍ^＊点、℃）および逆変態ピーク温度（Ａ^＊点、℃）を表５に示す。

本発明材料例として、Ｔｉ−Ｎｉ−Ｈｆ−Ｎｂの四元合金およびＴｉ−Ｎｉ−Ｚｒ−Ｈｆ−Ｎｂの五元合金の合金２１〜合金２４の組成と、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆの合計ｍｏｌ％をＮｉのｍｏｌ％で除算した「対ニッケル比」、破断時の圧延率（％）、マルテンサイト変態ピーク温度（Ｍ^＊点、℃）および逆変態ピーク温度（Ａ^＊点、℃）を表６に示す。

なお、合金２１は、合金９のＺｒをＨｆに置換したものに相当し、合金２２は合金１８のＺｒをＨｆに置換したものに相当する。また、合金２３は、合金６のＺｒをＨｆに置換したものに相当し、合金２４は、合金９のＺｒ（１５ｍｏｌ％）の半分をＨｆに置換したものに相当する。

図１は、本発明材料例の合金６を走査型電子顕微鏡で観察した画像の説明図である。

前記実験結果から、比較材料例の合金１〜合金３のように、Ｔｉ−Ｎｉ−Ｚｒの三元合金では、圧延率が最大でも３０％しかなく、加工性が悪い。そして、Ｚｒが増加すると変態温度（Ｍ^＊点およびＡ^＊点）が上昇するが、圧延率が低下し、加工性が低下することが分かる。

これに対し、表２において、比較材料例の合金２のＮｉをＮｂに置換した本発明材料例の合金４〜合金６のＴｉ−Ｎｉ−Ｚｒ−Ｎｂの四元合金では、圧延率が向上し、加工性が向上していることが分かる。また、変態温度（Ｍ^＊点およびＡ^＊点）も８０℃以上であり、８０℃以上の高温条件下で効果を発揮することができることが分かる。特に、Ｎｂの量が多くなると変態温度が低下する傾向があるが、変態温度の変化は小さく、急激に変態温度が低下しないことも分かった。

つまり、合金４〜合金６は、高温条件下で使用可能で、加工性に優れた形状記憶合金と使用可能である。よって、当該合金をピストンリングの材料とすることにより、低温低負荷状態においては、張力が低く適当でありフリクションロスを最小限に抑えることができ、８０℃以上での高温高負荷状態において変態することで、張力が増加するピストンリングを実現することができる。

なお、合金４〜合金６では、破断までの圧延率が向上したが、細かいクラック（亀裂）が多数存在することが観測された。図１の走査型電子顕微鏡によるＳＥＭ画像に示すように、圧延後の合金６には、軟らかくて容易に塑性変形するβ相と、硬くて脆いラーベス相が形成され、前記ラーベス相の界面で発生したクラックの成長がβ相で阻害されることで、加工性が改善されている。

図２は、本発明材料例の合金８を走査型電子顕微鏡で観察した画像の説明図である。

表３から、本発明材料例の合金７〜合金１０のように、Ｔｉ−Ｎｉ_４９．５−Ｚｒ_１５の成分比を固定して、全体をＮｂに置換する形のＴｉ−Ｎｉ−Ｚｒ−Ｎｂの四元合金でも、逆変態ピーク温度（Ａ^＊）が１００℃以上でマルテンサイト変態ピーク温度（Ｍ^＊）も比較的高い合金を実現できた。また、Ｎｂが１ｍｏｌ％（比較材料例の合金１１）では加工性向上の効果は見られなかったが、Ｎｂが５ｍｏｌ％以上では圧延率も向上させることができ、特に、Ｎｂが１０ｍｏｌ％以上の合金８〜合金１０では、６０％以上の圧延率を達成することができた。なお、合金７〜合金１０では、合金４〜合金６と比較して、細かいクラックもほとんど形成されず、加工性が改善された。図２のＳＥＭ画像において、圧延後の合金８には、結晶粒界および粒内に軟らかいβ相が析出しているため、加工性が改善されている。

よって、合金７〜合金１０をピストンリングの材料とすることにより、低温低負荷状態においては、張力が低く適当でありフリクションロスを最小限に抑えることができ、８０℃以上の高温高負荷状態において逆変態（オーステナイト変態）することで、張力が増加するピストンリングを実現することができる。

表１〜表４において、合金１２〜合金１４や合金６に示すように、「対ニッケル比」が１程度の場合には、Ｚｒが１５ｍｏｌ％程度の合金２や合金１１と比較して圧延率の向上が見られるが、合金１５のように、「対ニッケル比」が１から大幅に離れて０．８２になると、圧延率が低下し、加工性が非常に悪くなることが分かった。

表５において、合金１６〜合金２０に示すように、変態温度（Ｍ^＊点およびＡ^＊点）を上昇させるが加工性が低下しやすくなるＺｒの添加量を増やしても、Ｎｂを５〜３０ｍｏｌ％添加することにより、変態温度をあまり低下させずに、加工性を改善できる。特に、合金２０では、４００℃以上の非常に高い変態温度と、６０％以上の非常に高い加工性を実現できている。

よって、合金１６〜合金２０をピストンリングの材料とすることにより、低温低負荷状態においては、張力を低く設定できフリクションロスを最小限に抑えることができ、８０℃以上の高温高負荷状態において変態することで、張力が増加するピストンリングを実現することができる。

表６において、合金２１〜合金２４に示すように、Ｔｉ−Ｎｉ−Ｚｒとほぼ同様の特性を有し、加工性に問題のあるＴｉ−Ｎｉ−Ｈｆの合金でも、Ｎｂを添加することにより、高い変態温度の形状記憶合金を実現し、かつ加工性を向上できることが確認された。特に、合金２１と合金９、合金２２と合金１８、合金２３と合金６、合金２４と合金９および合金２１を対比すると、ＺｒをＨｆに置換してもほぼ同様の物性（変態温度や圧延率）を有することが分かり、Ｎｂにより同様の改善効果が見られることが分かる。

つまり、Ｔｉ−Ｎｉ−Ｚｒ（またはＨｆ）にＮｂを添加することにより、高い変態温度で加工性の高い形状記憶合金が実現することが分かった。したがって、このような形状記憶合金をピストンリングの材料として用いることにより、低温低負荷状態においては、張力を低く設定できフリクションロスを最小限に抑えることができ、８０℃以上の高温高負荷状態において変態することで、張力が増加するピストンリングを実現することができる。

図３は、本発明のピストンリングの一例の概略断面図である。

図３に示す本発明のピストンリング３０は、一つのリング３０のみからなるピストンリングであり、当該一のリング３０が前記で説明した形状記憶合金により形成されている。

本発明のピストンリング３０にあっては、その材質に特徴を有しており、その形状等については特に限定されることはない。

例えば、図３に示す一つのリング３０のみからなるピストンリングにあっては、そのボア径は、当該ピストンリング３０が用いられる内燃機関の大きさやピストンの形状等に合わせて適宜設計可能であるが、φ６５〜１００ｍｍ程度であることが好ましく、この場合においては、その厚さは０．７〜４ｍｍ程度が好ましい。

ここで、ボア径をφ６５〜９０ｍｍ程度とした場合には、その厚さは、０．７〜３ｍｍ程度が特に好ましく、その際のピストンリング３０の拡径方向への張力は、室温時において０．１〜２５Ｎであり、逆変態（オーステナイト変態）後において０．２〜５５Ｎとすることが好ましい。

一方で、ボア径をφ９０〜１００ｍｍ程度とした場合には、その厚さは、０．７〜４ｍｍ程度が特に好ましく、その際のピストンリング３０の拡径方向への張力は、前記と同様に、室温時において０．１〜２５Ｎであり、逆変態（オーステナイト変態）後において０．２〜５５Ｎとすることが好ましい。

なお、本発明のピストンリング３０にあっては、従来公知の表面加工等が施されていてもよく、その断面形状についても、図示する略矩形状に限られず、従来公知の種々の形状を採ることが可能である。

図４は、本発明のピストンリングの他の一例を示す概略断面図であり、図４（ａ）は、ピストンリング本体４１とコイルエキスパンダ４２とから構成されるピストンリング４０の概略断面図であり、図４（ｂ）は、ピストンリング本体５１とプレートエキスパンダ５２とから構成されるピストンリング５０の概略断面図である。また、図４（ｃ）〜（ｅ）は、サイドレール４４、６１、７１と、スペーサエキスパンダ４５、６２、７２とから構成されるピストンリング４３、６０、７０の概略断面図である。

図４に示すように、本発明のピストンリング４０、４３、５０、６０、７０にあっては、ピストンリング本体４１、５１、あるいはサイドレール４４、６１、７１と、エキスパンダ４２、４５、５２、６２、７２との双方あるいは少なくとも一方が前記で説明した形状記憶合金により形成されている。なお、本発明のピストンリング４０、４３、５０、６０、７０にあっては、特にエキスパンダ４２、４５、５２、６２、７２が形状記憶合金により形成されていることが好ましい。ピストンリング本体４１、５１やサイドレール４４、６１、７１に比べ、エキスパンダ４２、４５、５２、６２、７２の方がピストンリング全体の張力に寄与しているためである。

この場合においても、前記図３に示したピストンリング３０と同様に、その大きさや形状等については特に限定されることはなく、例えば、前記と同様のボア径や張力とすることが好ましい。

なお、本発明のピストンリングはオイルリングに用いることも可能であり、圧力リングとして用いることも可能である。

本発明のピストンリングについて、実施例を用いてさらに具体的に説明する。

（実施例１）
前記で説明した本発明材料例の合金１７を用いて、コイル外径を１．４ｍｍとし高温時の張力は後述する比較例と同じとなるようにコイルエキスパンダを作製し、これとピストンリング本体（材質は、質量％でＣ：０．５、Ｓｉ：０．２、Ｍｎ：０．３、Ｐ：０．０２、Ｓ：０．０１５、Ｃｒ：１０．２、残部Ｆｅ、および不可避的不純物）とを組み合わせて、図４（ａ）に示すような、本発明の実施例１のピストンリングを作製した。

（実施例２）
前記実施例１のピストンリングと同じ要領で、前記で説明した本発明材料の合金１２を用いて、実施例２のピストンリングを作製した。

（実施例３）
前記実施例１のピストンリングと同じ要領で、前記で説明した本発明材料の合金９を用いて、実施例３のピストンリングを作製した。

（実施例４）
前記実施例１のピストンリングと同じ要領で、前記で説明した本発明材料の合金８を用いて、実施例４のピストンリングを作製した。

（比較例１）
本発明のピストンリングの比較例として、従来公知の形状記憶合金であるＴｉ−Ｎｉ系（Ｔｉ−５０ａｔ％Ｎｉ材）形状記憶合金を用いて、逆変態ピーク温度が５８℃であり、逆変態終了（オーステナイト変態終了）後温度が６５℃となるようなコイルエキスパンダを作製し、これと実施例１と同一のピストンリング本体とを組み合わせて、図４（ａ）に示すような、本発明の比較例１のピストンリングを作製した。

＜燃費効果試験＞
前記実施例１〜４のピストンリング、および比較例１のピストンリングを用いて、燃費効果試験を行った。

具体的には、各ピストンリングをオイルリングとして用い、その他の第１圧力リング、第２圧力リングは全て従来公知の同一仕様のリングを用いた。それぞれを内燃機関エンジンにおけるφ８８ｍｍのピストンに装着し、１０・１５モードで燃費を測定した。一方で、従来のばね鋼からなるコイルエキスパンダを用いた以外、その他の条件は全て実施例および比較例と同一のピストンリング（トップリング、セカンドリング）を用意し、同様に燃費を測定した。

各測定結果について、前記従来のばね鋼からなるコイルエキスパンダを用いた場合の燃費と比べて比較例１のピストンリングを装着した場合の燃費の向上率を基準（１）とし、本発明の実施例１〜４のピストンリングを装着した場合における、前記基準からの燃費効果比（向上率）を数値化した。

その結果を表７に示す。

上記表７からも明らかなように、本発明のピストンリングは、比較例１のピストンリング、つまり従来公知の形状記憶合金（Ｎｉ−Ｔｉ系）が用いられているピストンリングに比べて約４〜５倍の高い燃費効果が得られることが分かった。

本発明材料例の合金６を走査型電子顕微鏡で観察した画像の説明図である。 本発明材料例の合金８を走査型電子顕微鏡で観察した画像の説明図である。 本発明のピストンリングの一例の概略断面図である。 本発明のピストンリングの他の一例を示す概略断面図であり、（ａ）は、ピストンリング本体４１とコイルエキスパンダ４２とから構成されるピストンリング４０の概略断面図であり、（ｂ）は、ピストンリング本体５１とプレートエキスパンダ５２とから構成されるピストンリング５０の概略断面図であり、（ｃ）〜（ｅ）は、サイドレール４４、６１、７１と、スペーサエキスパンダ４５、６２、７２とから構成されるピストンリング４３、６０、７０の概略断面図である。

符号の説明

３０、４０、４３、５０、６０、７０ ピストンリング
４１、５１ ピストンリング本体
４２ コイルエキスパンダ
４４、６１，７１ サイドレール
４５、６２、７２ スペーサエキスパンダ
５２ プレートエキスパンダ

Claims (8)

1. ３４．７ｍｏｌ％以上４８．５ｍｏｌ％以下のニッケルと、
   ９ｍｏｌ％以上２２．５ｍｏｌ％以下の、ジルコニウムおよびハフニウムの少なくとも一方と、
   １ｍｏｌ％以上３０ｍｏｌ％以下のニオブと、
   残部のチタンと、
   不可避的不純物と、
   からなる形状記憶合金により形成されていることを特徴とするピストンリング。
2. ９ｍｏｌ％以上２２．５ｍｏｌ％以下のジルコニウムと、
   ３ｍｏｌ％以上３０ｍｏｌ％以下のニオブと、
   を含む形状記憶合金により形成されていることを特徴とする請求項１に記載のピストンリング。
3. チタン、ジルコニウムおよびハフニウムの合計ｍｏｌ％をニッケルのｍｏｌ％で除算した比が、０．９８以上１．１４以下である形状記憶合金で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のピストンリング。
4. 前記ピストンリングが、ピストンリング本体と、当該ピストンリング本体の内周面側に配されるエキスパンダとから構成されており、
   当該ピストンリング本体およびエキスパンダの双方または何れか一方が前記形状記憶合金により形成されていることを特徴とする請求項１ないし３の何れか一の請求項に記載のピストンリング。
5. 前記エキスパンダが、コイルエキスパンダまたはプレートエキスパンダの何れかであることを特徴とする請求項４に記載のピストンリング。
6. 前記ピストンリングが、サイドレールと、スペーサエキスパンダとから構成されており、
   当該サイドレールおよびスペーサエキスパンダの双方または何れか一方が前記形状記憶合金により形成されていることを特徴とする請求項１ないし３の何れか一の請求項に記載のピストンリング。
7. 前記形状記憶合金の逆変態ピーク温度未満の温度での張力が０．１〜２５Ｎであり、前記形状記憶合金の逆変態ピーク温度以上の温度での張力が０．２〜５５Ｎであることを特徴とする請求項１ないし６の何れか一の請求項に記載のピストンリング。
8. オイルリングまたは圧力リングとして用いられることを特徴とする請求項１ないし７の何れか一の請求項に記載のピストンリング。