JP2008050649A

JP2008050649A - ピストンリング及びその製造方法

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Publication number: JP2008050649A
Application number: JP2006227692A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Tokimine; 正広常峰; Yoshitaka Fujiwara; 佳貴藤原
Original assignee: Tokusen Kogyo Co Ltd
Current assignee: Tokusen Kogyo Co Ltd
Priority date: 2006-08-24
Filing date: 2006-08-24
Publication date: 2008-03-06
Anticipated expiration: 2026-08-24
Also published as: JP5060083B2

Abstract

【課題】高価な合金元素を多量に用いることなく、低コストでありながら、しかも耐熱性に優れたピストンリング及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】Ｃが０．４５〜０．８０重量％、Ｓｉが０．８０〜２．５０重量％、Ｍｎが０．１０〜１．００重量％、Ｃｒが０．３０〜１．２０重量％、Ｎｉが０．２０〜１．５０重量％、Ｖが０．０５〜０．５０重量％であって、残部が主としてＦｅからなる線材に、熱処理と伸線加工を施して矩形断面へ塑性加工し、焼き入れと焼き戻しを行った後にピストンリング形状に加工し、そのピストンリングに歪取焼鈍を施した後イオンプレーティングを施すことにより得られるピストンリングにおいて、歪取焼鈍後の材料の硬さがビッカース硬さ（ＨＶ０．５）で４８０〜５５０である。
【選択図】なし

Description

本発明は、自動車エンジン等の内燃機関に使用されるピストンリングに関し、特に耐熱性に優れたピストンリング及びその製造方法に関する。

往復動内燃機関に使用されるピストンリングはその機能から、圧力リングとオイルリングとに区別される。図１に示すように、圧力リングは燃焼室側に位置する第一圧力リング（以下、トップリングという）１とその下部に位置する第二圧力リング（以下、セカンドリングという）２に分かれる。これらピストンリング１と２は、それぞれピストンのリング溝３と４に装着され、張力によってシリンダとピストンの間の気密と潤滑を行うための摺動部材であり、常に摩耗に晒されるという厳しい作動条件下におかれている。特に、トップリング１は燃焼室に最も近く高温となり、しかも潤滑油が十分に供給されにくいという過酷な作動環境に晒され、また、オイルリング５はシリンダ壁６から油を掻き取り、油受に戻す作用をするリングで、効率的に油を掻き取る目的で付設されたバネ７による強制的なバネ力を常に受けつつ油を掻き取るという過酷な作動条件下にある。上記のように、
いずれのピストンリングもシリンダ内壁に常に当接しているという摩擦状態にある。

従来、内燃機関のピストンリング用材料は鋳鉄製が主流であったが、近年、内燃機関はますます高速化、高出力化、且つ低燃費化を要求されているという背景があり、鋳鉄製ピストンリングではその要求に十分に応えることができないので、鋳鉄よりも機械的特性に優れている鋼製ピストンリングへの移行が図られつつあり、Ｓｉ−Ｃｒ鋼やマルテンサイト系ステンレス鋼などが用いられるようになった。しかし、それらのピストンリング用材料は耐摩耗性や耐焼付き性が十分ではないため、外周面に表面処理が施されている。通常、Ｓｉ−Ｃｒ鋼には、図２に示すような硬質クロムメッキ８が施され、マルテンサイト系ステンレス鋼には、図３に示すような窒化処理９が施され、さらに、摺動特性の要求される内燃機関には、図４に示すように、窒化処理９の外周面にイオンプレーティングによる硬質セラミックコーティング１０（窒化クロムや窒化チタン等）を施したマルテンサイト系ステンレス鋼が用いられている。図２〜図４において、１１、１２、１３はピストンリング、１４はピストンリング溝である。

例えば、特許文献１には、「Ｃを０．７０〜１．００重量％、Ｓｉを２．００重量％以下、Ｍｎを１．００重量％以下、Ｃｒを７．００〜１１．００重量％、Ｍｏを０．５０〜１．５０重量％、Ｖを０．１０〜０．５０重量％含有するピストンリング用鋼。」が開示されている。

また、特許文献２には、「クロム、タングステン及び窒素を主な構成元素とする被膜であって、３〜２０原子％のタングステンを固溶するＣｒＮ型窒化クロム結晶からなる耐摩耗性被膜を有するピストンリング。」が開示されている。
特開２００２−３４８６３９号公報特開２００３−６４４６９号公報

特許文献１と２のピストンリングには、高価なＣｒやＷが多量に用いられており、製造コストを大幅に上昇させるという欠点がある。

ところで、近年、内燃機関に対する低燃費化の要求は非常に強くなっているが、摩擦によって生じるエネルギー損失を低減することにより燃費を向上しうると思われ、摩擦係数を低くすることは燃費向上に対して好ましい影響を与えると考えられる。

摺動特性の改善にはイオンプレーティングによる硬質セラミックコーティングを施すことが好ましいが、イオンプレーティングは高温で長時間（約４４０〜５５０℃で５〜１０時間程度）行われるため、そのイオンプレーティングに伴う熱処理中に硬度が低下したり、熱変形が生じたりする。例えば、Ｓｉ−Ｃｒ鋼にイオンプレーティング処理を施すと、約５００ＨＶの母材の硬度が約３８０ＨＶ程度に低下してしまう。この程度の硬度では耐摩耗性が不充分でピストンリングとして使用することはできない。この点でマルテンサイト系ステンレス鋼は高温強度が高いため、イオンプレーティングに伴う熱処理中に硬度が低下したり、熱変形が生じたりすることはない。ところが、マルテンサイト系ステンレス鋼は多量にＣｒを含有している非常に高価な材料である。

本発明は従来の技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、高価な合金元素を多量に用いることなく、低コストでありながら、しかも耐熱性に優れたピストンリング及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明のピストンリングは、Ｃが０．４５〜０．８０重量％、Ｓｉが０．８０〜２．５０重量％、Ｍｎが０．１０〜１．００重量％、Ｃｒが０．３０〜１．２０重量％、Ｎｉが０．２０〜１．５０重量％、Ｖが０．０５〜０．５０重量％であって、残部が主としてＦｅからなる線材に、熱処理と伸線加工を施して矩形断面へ塑性加工し、焼き入れと焼き戻しを行った後にピストンリング形状に加工し、そのピストンリングに歪取焼鈍を施した後イオンプレーティングを施すことにより得られるピストンリングにおいて、歪取焼鈍後の材料の硬さがビッカース硬さ（ＨＶ０．５）で４８０〜５５０であることを特徴としている。

すなわち、適量の炭化物を形成するようにＣｒ量を低く抑えたので、冷間加工性を低下させることなく、ピストンリング製造工程中の熱処理において適度に析出した炭化物により、歪取焼鈍後の材料の硬さがビッカース硬さ（ＨＶ０．５）で４８０〜５５０であることにより、イオンプレーティング処理に伴う長時間の熱処理を受けても、熱変形が抑えられる。

また、本発明のピストンリングの製造方法は、Ｃが０．４５〜０．８０重量％、Ｓｉが０．８０〜２．５０重量％、Ｍｎが０．１０〜１．００重量％、Ｃｒが０．３０〜１．２０重量％、Ｎｉが０．２０〜１．５０重量％、Ｖが０．０５〜０．５０重量％であって、残部が主としてＦｅからなる線材に、熱処理と伸線加工を施して矩形断面へ塑性加工し、焼き入れと焼き戻しを行った後にピストンリング形状に加工し、そのピストンリングに歪取焼鈍を施した後イオンプレーティングを施すことによりピストンリングを製造する方法において、歪取焼鈍温度が５２０〜５５０℃であることを特徴としている。

すなわち、適量の炭化物を形成するようにＣｒ量を低く抑えたので、冷間加工性を低下させることなく、ピストンリング形状に加工後に５２０〜５５０℃の温度で歪取焼鈍を行うことにより、イオンプレーティング処理に伴う長時間の熱処理を受けても、硬度低下と熱変形が抑えられる。

本発明は上記のように構成されているので、次のような効果を奏する。
（１）ＣｒやＶなどの高価な貴金属の含有量が少ないので、低コストでありながら、適度に析出した炭化物により、イオンプレーティング処理に伴う硬度低下と熱変形が少なくなる。
（２）ＣｒやＶの含有量を低く抑えているので、冷間加工性に優れている。

以下に、本発明のピストンリングの成分限定理由について説明する。
（１）Ｃは０．４５〜０．８０重量％含有することが好ましい。

Ｃは侵入型の固溶元素であり、一部が基地中に固溶して硬さや疲労強度の向上に寄与する元素である。また、他の一部は炭化物を生成して耐摩耗性を高めるために重要な元素である。これらの効果を享受するためには、Ｃは少なくとも０．４５重量％含有することが好ましい。しかし、多量に添加すると冷間加工性を低下させるので、Ｃの上限値は０．８０重量％とすることが好ましい。
（２）Ｓｉは、０．８０〜２．５０重量％含有することが好ましい。

Ｓｉは、高温強度を高めるために必要な元素であり、０．８０重量％以上含有することが好ましい。しかし、多量に添加すると冷間加工性を低下させるばかりでなく、靭延性を著しく低下させてしまうとともに熱間加工性に有害となる。従って、Ｓｉの上限値は２．５０重量％とすることが好ましい。
（３）Ｍｎは、０．１０〜１．００重量％含有することが好ましい。

Ｍｎは、鋼の溶製時の脱酸および鋼中のＳの固定のために添加される元素であり、０．１０重量％以上含有することが好ましい。しかし、多量に添加すると冷間加工性を低下させるので、Ｍｎの上限値は１．００重量％とすることが好ましい。
（４）Ｃｒは、０．３０〜１．２０重量％含有することが好ましい。

Ｃｒは、Ｃと結合して炭化物を形成するとともに、窒化処理時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の元素である。これらの効果を享受するためには、Ｃｒは少なくとも０．３０重量％含有することが好ましい。しかし、多量に添加すると冷間加工性を低下させるので、Ｃｒの上限値は１．２０重量％とすることが好ましい。
（５）Ｎｉは、０．２０〜１．５０重量％含有することが好ましい。

Ｎｉは、靭性を向上するために必要な元素であり、０．２０重量％以上含有することが好ましい。しかし、Ｎｉを多量に添加すると多くの残留オーステナイトを生じ、必要な硬さが得られなかったり、組織変化を起こし、寸法に狂いが生じることがある。そこで、Ｎｉの上限値は１．５０重量％とすることが好ましい。
（６）Ｖは、０．０５〜０．５０重量％含有することが好ましい。

Ｖは、焼き戻し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処理時の熱変形改善に有効である。また、Ｃｒと同様に炭化物を形成し、窒化処理時に窒素層の硬さを高め、耐摩耗性を改善する。これらの効果を享受するためには、Ｖは少なくとも０．０５重量％含有することが好ましい。しかし、０．５０重量％を超えるとその効果が飽和するばかりでなく、熱間加工性と冷間加工性を害するため、Ｖの上限値は０．５０重量％とすることが好ましい。
（７）その他の元素
Ｃｕは、冷間加工時の靭性向上に寄与する元素であるが、多量に添加すると熱間加工性を劣化させるので、Ｃｕの上下値は０．１５重量％とするのが好ましい。

固溶強化元素として、Ｗを１．０重量％以下、Ｃｏを１．０重量％以下含有することもできる。

また、Ｃと結合して高温強度の向上あるいは結晶粒微細化のため、ＴｉやＮｂを０．５０重量％以下含有することもできる。

また、高温強度の向上あるいは粒界強度の向上のため、Ｂを０．０１重量％以下、Ｚｒを０．１０重量％以下含有することもできる。

さらに、熱間加工性を向上するために、ＭｇやＣａを０．０１重量％以下含有することもできる。

本発明のピストンリングは上記のような成分組成からなるので、次に説明するような機構で、耐熱性が向上する。すなわち、本発明者は、従来のピストンリングの製造工程についての検討結果に基づいて、耐熱性を向上させるためのポイントを見いだした。
（１）従来のピストンリングの製造工程
最初に所定の組成の材料を溶解し、熱間造塊後、熱間圧延により所定の線径の線材を得る。次に、その線材を冷間伸線（一次伸線加工）した後に中間熱処理（焼鈍）を施し、さらに、冷間伸線（二次伸線加工）により所定の線径の線材を得る。次に、その線材は矩形断面に圧延（異形加工）された後、所定の条件で焼き入れと焼き戻しを行って線材の真直性と硬度が確保される。そして、この矩形断面の線材はピストンリングの外径に合致するようにコイリングされるが、コイリングに伴って歪みが生じるので、歪み取りのための熱処理が行われる。そして、最後に、窒化処理とイオンプレーティングが施されるというのが一般的である。

すなわち、「溶解」→「熱間圧延」→「一次伸線加工」→「中間熱処理」→「二次伸線加工」→「異形加工」→「焼き入れ・焼き戻し」→「コイリング」→「歪み取り熱処理」→「窒化処理とイオンプレーティング」を経て、ピストンリングを得ることができる。

溶解から始まって最終的にピストンリングを得るまで、以上のような工程を経るのが一般的である。イオンプレーティングに伴う長時間の熱処理に耐えて、ピストンリングの硬度低下と熱変形を抑える上で特に重要なのは、異形加工後の焼き入れ・焼き戻し工程とコイリング後の歪み取り熱処理工程であると思われる。
（２）耐熱性を向上させるためのポイント
異形加工により格子欠陥を増やすと、この欠陥は析出サイトになり、異形加工後の焼き入れと焼き戻しにより結晶粒内に炭化物を析出させて強度を向上させることができる。そこで、焼き戻し温度を適正に選択することにより炭化物の析出量をコントロールし、後工程であるイオンプレーティング処理時に高温長時間の熱処理を受けても、硬度低下と熱変形を抑えることができる。

同様に、コイリングに伴う塑性加工により格子欠陥を増やすと、この欠陥は析出サイトになりうる。そこで、歪み取り熱処理温度を適正に選択することにより炭化物の析出量をコントロールし、後工程であるイオンプレーティング処理時に高温長時間の熱処理を受けても、硬度低下と熱変形を抑えることができる。

そこで、歪取焼鈍温度は５２０〜５５０℃とするのが好ましい。５２０℃未満では歪取焼鈍後の硬度が高くなりすぎてビッカース硬さ（ＨＶ０．５）が５５０を超えることがある。このように、ビッカース硬さ（ＨＶ０．５）が５５０を超えるピストンリングにイオンプレーティング処理を施すと、処理前後でリング径が大きく変化することがある。というのは、初期硬度が高すぎると、高温で長時間のイオンプレーティング処理による硬度低下および熱変形量が大きくなって、リング径が伸びる傾向にあるからである。しかし、ピストンリング径はその機能上、一定の範囲内に収める必要がある。従って、リング径が一定の範囲を超えるピストンリングに対しては、さらに研磨加工等の付加的な処理工程が増えるので、製造コストを上昇させるという不都合がある。

一方、５５０℃を超える歪取焼鈍では焼鈍後の硬度が低くなりすぎてビッカース硬さ（ＨＶ０．５）が４８０を下回ることがある。ビッカース硬さ（ＨＶ０．５）が４８０を下回るピストンリングは、イオンプレーティング処理後にピストンリングとして必要な硬度（ビッカース硬さ（ＨＶ０．５）≧４６５）が得られないという不都合がある。

以下に本発明の実施例を説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱しない範囲において適宜変更と修正が可能である。
（１）供試材
以下の表１に示すような組成（重量％）の材料を供試材とした。

（２）コイリング成形時の伸張量と耐熱性
表１に示す鋼種の中の供試材３を溶解し、造塊後、熱間圧延を行い、線径５．０mmに圧延した。次に、上記線材にパテンティング処理を施した後、線径３．５mmに冷間伸線した（断面減少率＝５１％）。さらに、この線材を７００℃に４時間保持後、空冷した。次に、上記線材を２．０mm厚×４．８mm幅の矩形断面に圧延した後、８５０℃に昇温して４分間保持後、油冷し、４５０℃に焼き戻して８分間保持後、空冷した。そして、その線材を外径８０mmとなるようにコイリング後、図５に示すようなピストンリング１５の形状に切断し、歪み取りのために、５２０〜５５０℃に昇温して１時間保持後に室温まで冷却した（大気中）。さらに、イオンプレーティング処理（以下、ＡＩＰともいう）の熱履歴を模した熱処理として、４４０〜４６０℃に昇温して６時間保持後に室温まで冷却した（大気中）。そして、コイリング後のリング外径と歪み取り熱処理後のリング外径とＡＩＰ模擬熱処理後のリング外径をノギスで測定することにより、次式１（歪み取り熱処理時のリング径変化率）と次式２（ＡＩＰ模擬熱処理時のリング径変化率）に示すように、ピストンリングの寸法変化率を求めた。上記コイリング成形時に、一部の線材には５％の伸張量を付加しつつ成形し、他の一部の線材には１０％の伸張量を付加しつつ成形した。なお、リング外径の測定は、図６に示すように、１個のピストンリングについて、ｄ₁、ｄ₂、ｄ₃の３箇所で行い、１０個のピストンリングについて測定した。

以上のリング寸法測定結果の算術平均値に基づいてリング径変化率を算出した結果を図７と図８に示す。図７において、記号ｘ、ｙ、ｚは、歪み取り熱処理温度がそれぞれ５２０℃、５３５℃、５５０℃で、ＡＩＰ模擬熱処理温度が４５０℃で一定の場合を示す。また、図８において、記号ａ、ｂ、ｃは、歪み取り熱処理温度が５２０℃で、ＡＩＰ模擬熱処理温度がそれぞれ４４０℃、４５０℃、４６０℃を示し、記号ｄ、ｅ、ｆは、歪み取り熱処理温度が５３５℃で、ＡＩＰ模擬熱処理温度がそれぞれ４４０℃、４５０℃、４６０℃を示し、記号ｇ、ｈ、ｉは、歪み取り熱処理温度が５５０℃で、ＡＩＰ模擬熱処理温度がそれぞれ４４０℃、４５０℃、４６０℃を示す。また、図７と図８において、記号「×」、「●」、「○」は、それぞれコイリング成形時の伸張量０％、５％、１０％を示す。

図７と図８に示すように、コイリング成形時に若干の伸張を施すことによって、リング径の変化率（熱変形量）が低減される傾向にあることが分かる。
（３）各鋼種の比較
ａ．供試材１、供試材２、供試材３、供試材４の比較
表１に示す鋼種の中の供試材１、供試材２、供試材３、供試材４を溶解し、同上工程により線径３．５mmの冷間伸線材を得た。さらに、この線材を７００℃に４時間保持後、空冷した。次に、上記線材を２．０mm厚×４．８mm幅の矩形断面に圧延した後、表２と表３に示す温度に昇温して４分間保持後、油冷し、表２と表３に示す温度に焼き戻して８分間保持後、空冷した。そして、その線材を外径８０mmとなるようにコイリング後、図５に示すようなピストンリング１５の形状に切断し、歪み取りのために、５２５℃に昇温して１時間保持後に室温まで冷却した（大気中）。さらに、ＡＩＰの熱履歴を模した熱処理として、４５０℃に昇温して６時間保持後に室温まで冷却した（大気中）。そして、歪み取り熱処理後のリング外径とＡＩＰ模擬熱処理後のリング外径をノギスで測定することにより、上式２に示すように、ピストンリングの寸法変化率を求めた。上記コイリング成形時には、５％の伸張処理を施した。なお、リング外径の測定は、図６に示すように、１個のピストンリングについて、ｄ₁、ｄ₂、ｄ₃の３箇所で行い、１０個のピストンリングについて測定した。

以上のリング寸法測定結果の算術平均値に基づいてリング径変化率を算出した結果（ＡＩＰ模擬熱処理時のリング径変化率）と１０個のピストンリングについてのＡＩＰ模擬熱処理後のビッカース硬さ（ＨＶ０．５）の算術平均値を、それぞれ表２と表３に示す。

表２から分かるように、供試材２、供試材３、供試材４は、供試材１よりリング径の変化率（熱変形量）が少ない。

表３から分かるように、供試材２の硬さが他の鋼種に比べて際だって高い。
ｂ．供試材１、供試材２、供試材３、供試材５の比較
表１に示す鋼種の中の供試材１、供試材２、供試材３、供試材５を溶解し、同上工程により線径３．５mmの冷間伸線材を得た。さらに、この線材を７００℃に４時間保持後、空冷した。次に、上記線材を２．０mm厚×４．８mm幅の矩形断面に圧延した後、表４に示す温度に昇温して４分間保持後、油冷し、表４に示す温度に焼き戻して８分間保持後、空冷した。そして、その線材を外径８０mmとなるようにコイリング後、図５に示すようなピストンリング１５の形状に切断し、歪み取りのために、表４に示す温度に昇温して１時間保持後に室温まで冷却した（大気中）。さらに、ＡＩＰの熱履歴を模した熱処理として、４５０℃に昇温して６時間保持後に室温まで冷却した（大気中）。そして、歪み取り熱処理後のリング外径とＡＩＰ模擬熱処理後のリング外径をノギスで測定することにより、上式２に示すように、ピストンリングの寸法変化率を求めた。上記コイリング成形時には、伸張処理を施さなかった。なお、リング外径の測定は、図６に示すように、１個のピストンリングについて、ｄ₁、ｄ₂、ｄ₃の３箇所で行い、１０個のピストンリングについて測定した。

以上のリング寸法測定結果の算術平均値に基づいてリング径変化率を算出した結果と１０個のピストンリングについてのＡＩＰ模擬熱処理後のビッカース硬さ（ＨＶ０．５）の算術平均値を図９に示す。図９において、Ａは供試材２、Ｂは供試材３、Ｃは供試材１、Ｄは供試材５を示す。

図９に明らかなように、供試材２の硬さが最も高く、供試材２のリング径変化率（熱変形量）もＣｒの多い高Ｃｒステンレス鋼である供試材５と同程度である。
（４）供試材２の最適熱処理条件
以上の試験の結果、熱変形量が少なく、しかも最も硬さが高いピストンリング用材料として好適の鋼種は、供試材２であることが分かったので、その最適熱処理条件を求めて、次に説明するような実験を行った。
ａ．焼き戻し温度
表１に示す鋼種の中の供試材２を溶解し、同上工程により線径３．５mmの冷間伸線材を得た。さらに、この線材を７００℃に４時間保持後、空冷した。次に、上記線材を２．０mm厚×４．８mm幅の矩形断面に圧延した後、８５０℃に昇温して４分間保持後、油冷し、４３０〜５２０℃に焼き戻して８分間保持後、空冷した。そして、その線材を外径８０mmとなるようにコイリング後、図５に示すようなピストンリング１５の形状に切断し、歪み取りのために、４５０℃に昇温して１時間保持後に室温まで冷却した（大気中）。さらに、ＡＩＰの熱履歴を模した熱処理として、４５０℃に昇温して６時間保持後に室温まで冷却した（大気中）。そして、歪み取り熱処理後のリング外径とＡＩＰ模擬熱処理後のリング外径をノギスで測定することにより、上式２に示すように、ピストンリングの寸法変化率を求めた。上記コイリング成形時には、伸張処理を施さなかった。なお、リング外径の測定は、図６に示すように、１個のピストンリングについて、ｄ₁、ｄ₂、ｄ₃の３箇所で行い、１０個のピストンリングについて測定した。以上のリング寸法測定結果の算術平均値に基づいてリング径変化率を算出した結果と１０個のピストンリングについてのＡＩＰ模擬熱処理後のビッカース硬さ（ＨＶ０．５）の算術平均値を図１０に示す。図１０の横軸は焼き戻し温度（℃）である。なお、図１０には、比較のために、図９のＣ（供試材１、Ｓｉ−Ｃｒ鋼）のデータも示すが、この供試材１のＡＩＰ模擬熱処理後のビッカース硬さ（ＨＶ０．５）は、供試材２に比べて明らかに低いことが分かる。

図１０に明らかなように、供試材２を４５０〜５１５℃に焼き戻すことによって、硬さが高くなり、しかも、リング径の変化率（熱変形量）が小さくなることが分かる。
ｂ．歪み取り熱処理温度
表１に示す鋼種の中の供試材２を溶解し、同上工程により線径３．５mmの冷間伸線材を得た。さらに、この線材を７００℃に４時間保持後、空冷した。次に、上記線材を２．０mm厚×４．８mm幅の矩形断面に圧延した後、８５０℃に昇温して４分間保持後、油冷し、４５０℃に焼き戻して８分間保持後、空冷した。そして、その線材を外径８０mmとなるようにコイリング後、図５に示すようなピストンリング１５の形状に切断し、歪み取りのために、４５０〜６００℃に昇温して１時間保持後に室温まで冷却した（大気中）。さらに、ＡＩＰの熱履歴を模した熱処理として、４５０℃に昇温して６時間保持後に室温まで冷却した（大気中）。そして、歪み取り熱処理後のリング外径とＡＩＰ模擬熱処理後のリング外径をノギスで測定することにより、上式２に示すように、ピストンリングの寸法変化率を求めた。上記コイリング成形時には、伸張処理を施さなかった。なお、リング外径の測定は、図６に示すように、１個のピストンリングについて、ｄ₁、ｄ₂、ｄ₃の３箇所で行い、１０個のピストンリングについて測定した。以上のリング寸法測定結果の算術平均値に基づいてリング径変化率を算出した結果とそのリング径変化率の標準偏差を図１１（ａ）（ｂ）に示す。また、１０個のピストンリングについてのＡＩＰ模擬熱処理後のビッカース硬さ（ＨＶ０．５）の算術平均値を図１２に示す。

図１１（ａ）に明らかなように、歪み取り温度を上げるとリング径変化率（％）は小さくなるが、５５０℃以上に上げても、リング径変化率の低減量は小さくなることが分かる。また、図１１（ｂ）から分かるように、歪み取り熱処理温度が５２０〜５５０℃において、リング径変化率（％）の標準偏差が最も小さくなることが分かる。さらに、図１２から分かるように、歪み取り熱処理温度が低くなるほどビッカース硬さ（ＨＶ０．５）は高くなるが、５５０℃の歪み取り温度においても、ビッカース硬さ（ＨＶ０．５）は５００を超えており、極めて硬いことが分かる。しかし、歪み取り熱処理温度が５５０℃を超えると、ビッカース硬さ（ＨＶ０．５）は低くなり、実使用に耐えなくなることがある。

以上の試験結果をまとめると、イオンプレーティング処理に伴う長時間の熱処理を受けた場合も硬さ低下とリング径の変化（熱変形）を抑えためには、鋼種として、代表的な組成が表１に示すような成分からなる供試材２を採用するのが好ましく、その供試材２を所定の工程に従って、溶解、熱間圧延、一次伸線加工、中間熱処理、二次伸線加工、矩形断面加工後、所定の温度から焼き入れを行って４５０〜５１５℃に焼き戻し、コイリング後、５２０〜５５０℃で歪み取り熱処理を行う工程が、最も好ましい熱処理工程であると言える。
（５）ビッカース硬さとリング径変化率
表１に示す鋼種の中の供試材２を溶解し、同上工程により線径３．５mmの冷間伸線材を得た。さらに、この線材を７００℃に４時間保持後、空冷した。次に、上記線材を２．０mm厚×４．８mm幅の矩形断面に圧延した後、８５０℃に昇温して４分間保持後、油冷し、４５０℃に焼き戻して８分間保持後、空冷した。そして、その線材を外径８０mmとなるようにコイリング後、図５に示すようなピストンリング１５の形状に切断し、歪み取りのために、４５０〜６００℃に昇温して１時間保持後に室温まで冷却した（大気中）。さらに、ＡＩＰの熱履歴を模した熱処理として、４５０℃に昇温して６時間保持後に室温まで冷却した（大気中）。そして、歪み取り焼鈍後のビッカース硬さが様々なものについて、歪み取り熱処理後のリング外径とＡＩＰ模擬熱処理後のリング外径をノギスで測定することにより、上式２に示すように、ピストンリングの寸法変化率を求めた。上記コイリング成形時には、伸張処理を施さなかった。なお、リング外径の測定は、図６に示すように、１個のピストンリングについて、ｄ₁、ｄ₂、ｄ₃の３箇所で行い、１０個のピストンリングについて測定した。以上のリング寸法測定結果の算術平均値に基づいてリング径変化率を算出した結果を図１３に示す。

図１３に明らかなように、歪み取り焼鈍後のビッカース硬さ（ＨＶ０．５）が５５０を超えるとリング径変化率（％）が大きくなることが分かる。

ディーゼルエンジンの要部断面図である。Ｃｒメッキを施したＳｉ−Ｃｒ鋼からなるピストンリングをピストンリング溝に挿入する状態を示す概略図である。窒化処理を施したマルテンサイト系ステンレス鋼からなるピストンリングをピストンリング溝に挿入する状態を示す概略図である。窒化処理後にイオンプレーティング処理を施したマルテンサイト系ステンレス鋼からなるピストンリングをピストンリング溝に挿入する状態を示す概略図である。ピストンリングの斜視図である。ピストンリングの外径測定方法を説明する図である。供試材３における歪み取り熱処理時のリング径変化率を示す図である。供試材３におけるＡＩＰ模擬熱処理時のリング径変化率を示す図である。各鋼種におけるＡＩＰ模擬熱処理時のリング径変化率およびビッカース硬さを比較して示す図である。供試材２における焼き戻し温度と、ＡＩＰ模擬熱処理時のリング径変化率およびビッカース硬さとの関係を示す図である。図１１（ａ）は供試材２における歪み取り熱処理温度とＡＩＰ模擬熱処理時のリング径変化率の関係を示す図、図１１（ｂ）は供試材２における歪み取り熱処理温度とＡＩＰ模擬熱処理時のリング径変化率の標準偏差の関係を示す図である。供試材２における歪み取り熱処理温度とＡＩＰ模擬熱処理後のビッカース硬さとの関係を示す図である。供試材２における歪み取り焼鈍後のビッカース硬さとＡＩＰ模擬熱処理時のリング径変化率の関係を示す図である。

符号の説明

１トップリング
２セカンドリング
３ピストンリング溝
４ピストンリング溝
５オイルリング
６シリンダ壁
７バネ
８硬質クロムメッキ
９窒化処理
１０硬質セラミックコーティング
１１ピストンリング
１２ピストンリング
１３ピストンリング
１４ピストンリング溝
１５ピストンリング

Claims

Ｃが０．４５〜０．８０重量％、Ｓｉが０．８０〜２．５０重量％、Ｍｎが０．１０〜１．００重量％、Ｃｒが０．３０〜１．２０重量％、Ｎｉが０．２０〜１．５０重量％、Ｖが０．０５〜０．５０重量％であって、残部が主としてＦｅからなる線材に、熱処理と伸線加工を施して矩形断面へ塑性加工し、焼き入れと焼き戻しを行った後にピストンリング形状に加工し、そのピストンリングに歪取焼鈍を施した後イオンプレーティングを施すことにより得られるピストンリングにおいて、歪取焼鈍後の材料の硬さがビッカース硬さ（ＨＶ０．５）で４８０〜５５０であることを特徴とするピストンリング。
Ｃが０．４５〜０．８０重量％、Ｓｉが０．８０〜２．５０重量％、Ｍｎが０．１０〜１．００重量％、Ｃｒが０．３０〜１．２０重量％、Ｎｉが０．２０〜１．５０重量％、Ｖが０．０５〜０．５０重量％であって、残部が主としてＦｅからなる線材に、熱処理と伸線加工を施して矩形断面へ塑性加工し、焼き入れと焼き戻しを行った後にピストンリング形状に加工し、そのピストンリングに歪取焼鈍を施した後イオンプレーティングを施すことによりピストンリングを製造する方法において、歪取焼鈍温度が５２０〜５５０℃であることを特徴とするピストンリングの製造方法。