JP2552509C - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】 本発明は、内燃機関のピストンリングに用いる13Crマルテンサイト系ピストン
リング用鋼であって、特にMoの添加量を増すことにより従来のものより耐摩耗性
、耐スカッフィング性および疲労強度を改善したピストンリング用鋼に関するも
のである。 【従来の技術】 内燃機関用ピストンリングは、燃焼室の機密性を保持するための圧力リングと
、ピストンリングおよびシリンダーライナー間の潤滑油膜を調製するための油か
きリングにより構成されている。このピストンリングのうち、圧力リングはピス
トンヘッドの直下に遊嵌され燃焼ガスの影響を大きく受けるものであり、耐摩耗
性、耐スカッフィング性および疲労強度等が要求される。 近年、内燃機関の軽量化、高出力化および高回転化に伴い、圧力リングの薄幅
化が積極的に進められてきた。このピストンリングの薄幅化は、ピストンリング
を軽量化し、ピストンリング溝内でのピストンリングの挙動の安定化、油膜厚さ
が薄くできることによる潤滑油消費量の改善が図られる。 しかし、このようにピストンリングの薄幅化が進められると、油膜厚さが薄く
なり摩耗が増大し寿命が短くなるので、従来一般的であった鋳鉄製のリングや、
炭素鋼、シリクローム鋼、あるいはオイルテンパー線製のリングでは使用に耐え なくなってきた。すなわち、鋳鉄製のリングでは軸方向に薄いものが製造しがた
く、かつ耐折損強度の点で不十分であり、シリクローム鋼リングは高温での強度
が小さいため比較的断面積が大きいものとなり、慣性が大きくフラッタリング現
象を起こしやすい。そこで、最近ではピストンリングの材料として工具鋼、ばね
鋼およびステンレス鋼が用いられるようになっており、特にステンレス鋼として
は13Crマルテンサイト系ステンレス鋼（0.65C −13.5Cr−0.3Mo −0.1V）が圧力
リングとして用いられ好結果が得られている。 しかし、これらのマルテンサイト系のステンレス鋼製のピストンリングも、摩
擦摩耗の激しいエンジンに用いた場合、未だ耐摩耗性および耐スカッフィング性
の点において不十分である。また、マルテンサイト系ステンレス鋼を用いガス窒
化処理した圧力リングでは、ピストンへの組付強度が十分でなく、必要以上に合
い口を広げると（10T 以上、実力11〜13T 「T:リング幅（mm）」）折損するとい
う問題がある。さらに、この圧力リングは耐スカッフ性に対する要求が厳しい内
燃機関に関しては、不十分な性能で、スカッフするという問題があり、摺動面に
だけ薄いNi−ＰまたはNi−Co−Ｐめっき若しくはこれらのベースめっきに硬質粒
子（Si₃N₄）を分散させためっきを行っている。また、キーストンリングのごと
く疲労強度が問題となるピストンリングにおいては、特にガス窒化処理材のごと
く脆い材料の場合、および脆いNi−Ｐベース複合めっきをシリンダボアとの摺動
面にめっきした場合には、折損するという問題がある。このようなことから、マ
ルテンサイト系ステンレス鋼のピストンリングにおいては、さらに耐摩耗性およ
び耐スカッフィング性と併せて組付強度および疲労強度を増してピストンリング
の長寿命化が望まれている。 【発明が解決しようとする問題点】 本発明はマルテンサイト系ステンレス鋼製のピストンリングの前記のごとき問
題点に鑑みてなされたもので、従来のマルテンサイト系ステンレス鋼製ピストン
リングの耐摩耗性および耐スカッフィング性と併せて組付強度および疲労強度を
さらに改善することによって、内燃機関の高出力化および高速化を達成できるピ
ストンリング材料を提供することを目的とする。 【問題点を解決するための手段】 本発明は従来のマルテンサイト系ステンレス鋼の耐摩耗性について鋭意研究を
重ねた結果、Moの添加量を多くすることによって、耐摩耗性、耐スカッフ性およ
び疲労強度を大幅に改善でき、しかも同等の耐摩耗性を有する高Ｃ高Cr材に比べ
、冷間加工性が改善されるとの着想のもとに、Ｃ、Si、Mn、Cr等についてMo含有
量との関連において最適含有の範囲を見出だすことによって本発明を完成したも
のである。 すなわち、本発明のピストンリング用鋼は第１発明として重量比でC;0.55〜1.
10％、Si;0.9％以下、Mn;2.0％以下、Cr;11 〜15％、Mo;2.45 〜6.0 ％を含有し
、残部がFeおよび不純物元素からなることを要旨とする。しかして、第２発明は
第１発明にさらにNi;0.2〜2.0 ％、V;0.1 〜1.5 ％、Nb;0.05 〜0.7 ％のうち１
種または２種以上を含有し、残部がFeおよび不純物元素からなることを要旨とす
る。なお、第１発明鋼または第２発明鋼を用い、ピストンリングを製造する際に
は、ピストンリングの少なくともシリンダ壁との摺動面に表面硬化処理を施して
用いることもできる。 【作用】 本発明においてMoの多量の添加は、11〜15％CrとCrの添加量を低めに抑えなが
ら、狙いとする大幅な耐摩耗性・耐スカッフ性の向上がえられるとともに、組付
強度・疲労強度を向上させるという点で優れた特性を有する。 上記効果をピストンリングとして適用した場合について詳述すれば、次のこと
が言える。 （ｉ）トップリング（第１圧力リング）について ピストンリングとして最も耐スカッフ性の要求されるリングはトップリングで
あり、その要求値は個々のエンジンによって大きな差があるが、従来の13Crマル
テンサイト系ステンレス鋼の場合には、ガス窒化処理をしないとスカッフを発生
するという問題があったため、ガス窒化処理を行うかもしくはシリンダボアと摺
動する面にだけ硬質クロムめっき、溶射、Ni−Ｐベース複合めっきといった表面
処理をして使用していた。 本発明鋼はMo添加量が高いほど優れた耐スカッフ性を得、後で説明する実施例
のＣ鋼、Ｅ鋼、Ｆ鋼は特にMo添加量が多く、焼入れ焼戻し品でも、13Crマルテン サイト系ステンレス鋼・ガス窒化処理相当の耐スカッフ性が得られるため、この
ままでも十分使用できるばかりではなく、ガス窒化処理材にすれば、従来の硬質
クロムめっき（焼付荷重150 kg）と同等以上の値（焼付き荷重150.0 〜175.0 kg
）が得られ、耐スカッフ性に対する要求の厳しいエンジンに適用しても、スカッ
フを発生することもなく良好な結果が得られる。 耐摩耗性も従来の13Crマルテンサイト系ステンレス鋼では必ずしも十分でなく
、要求の厳しいエンジンに対しては窒化深さを90μｍ、120 μｍと大きく対処し
ていた。ところが窒化深さが大きくなるほどリング10合い口12の組付け強度およ
び疲労強度が低下するため、キーストンリングのごとく、疲労強度が特に要求さ
れるピストンリングでは折損するという問題が発生することがあった。 本発明鋼は強度が向上しているので、従来と同じ窒化深さでも、前記のように
折損するという問題を発生することがない。第１表に13Crマルテンサイト系ステ
ンレス鋼におけるMo添加量と粒径２μｍ以上の炭化物量（面積率％）を示す。 【表１】 第１表に示すごとく、本発明鋼はMoの添加にともない、炭化物の生成が促進さ
れ、これによって大幅な耐摩耗性の向上を得ることができるため、窒化深さを浅
くすることができ、強度がより一層向上すると共に、ガス窒化処理時間の短縮が
でき、大量生産がより一層可能となる。また、摩耗量の減少は摩耗に伴うオイル
消費性能、ブローバイガス性能の劣化を最小限にできるため、エンジン性能全般
の劣化を防止できる。 （ii）オイルリングについて オイルリングは張力による接触面圧が高く、エンジンによってはトップリング
よりも摩耗が大きくなる。しかし、摩耗に伴う接触面圧の低下は、オイル消費量
を増加させるため、耐摩耗性に対する要求は極めて厳しいものがある。本発明鋼
の耐摩耗性は極めて優れており上記問題を解決できる。 スリーピースの組合せタイプのオイルリングのサイドレールの場合、強度向上
の制約により、ガス窒化処理を行って使用する場合も、その窒化深さは30〜60μ
ｍが限度である。したがって、長期間使用するエンジンにあっては窒化層摩滅に
よる母材（焼入れ焼戻し材）露出状態での耐スカッフ性・耐摩耗性が重要である が、前記トップリングに述べたごとく良好な結果を得る。 なお、オイルリングの場合、シリンダボアとの摺動面ばかりでなく、スリーピ
ース組合せオイルリングでは、サイドレールとスペーサエキスパンダの耳部との
接触部の耐摩耗性も要求されるが、本発明鋼はこの要求にも十分に対応できる。 ピストンリング用線材成形時の冷間加工性（伸線時）は、オイルリングのサイ
ドレールごとく極めて断面形状が小さいものをロール圧延もしくはダイス引き抜
き成形するに際しては極めて重要で、例えば高Ｃ高Cr材では、成形中に内部割れ
が発生してしまい、成形できないという場合があるが、本発明鋼では問題なく成
形できる。 本発明鋼はそのまま用いても充分な耐摩耗性を示すが、さらに窒化、めっき、
溶射等の表面処理を施して用いると著しくその効果を向上させることができる。
本発明鋼は窒化処理を施す前に熱処理に供するとよい。熱処理としては例えば焼
入焼もどし、焼入れ（窒化処理において焼もどしを兼ねるもの。）が挙けられる
。窒化処理は摺動面を含む表面に施され、ガス窒化、ガス軟窒化、塩浴窒化、タ
フトライドおよびイオン窒化のいずれも適用することができる。 次に、本発明のピストンリング用鋼の化学成分の限定理由について述べる。 C;0.55〜1.10％ Ｃは焼入れにおいて必要な硬さを得ると同時に、炭化物を形成して高強度と耐
摩耗性を付与する元素である。0.55％未満では炭化物生成量が少なく炭化物の存
在によって得られる耐摩耗性が劣る。しかし、1.10％を越えると炭化物の粒度が
大きくなって相手材であるシリンダライナを摩耗させ、かつピストンリング形状
への冷間加工性が不可能となるので上限を1.10％とした。 Si;0.9％以下 Siは精錬時に脱酸元素として添加され、耐熱性を与える元素であるが、多量に
添加されると引き抜き等の冷間加工性を害すので、上限を0.9 ％とした。 Mn;2.0％以下 MnはSiと同様に精錬時に脱酸元素として添加され、靭性を増大させる元素であ
るが、多量に添加すると冷間加工性を害するので、上限を2.0 ％とした。 Cr;11 〜15％ CrはＣと結合して炭化物を形成し、耐摩耗性を向上すると共に、耐食性と生地
強度を向上させ、さらには窒化硬化層の硬さを増す硬化を有する。11％以下では
Mo;2.45 〜6.0 ％との相乗効果でもこれらの効果が充分表れないため、11％以上
を含有せしめた。しかし、Mo;2.45 〜6.0 ％と合わせてCrを多量に含有させた場
合、靭性が低下して熱間加工性を阻害するので、Crの上限を15.0％とした。Mo;2.45 〜6.0 ％ MoはCrと同様に炭化物を形成し、窒化処理時に窒化層硬度を高め、耐摩耗性を
向上させるほか生地に固溶しマトリックスを強化し、組付強度・疲労強度を増強
させる元素であり、これらの効果を得るためには2.45％以上の含有が必要である
。しかし、6.0 ％以上含有させると前記の効果が顕著でなくなると同時に熱間加
工性を低下させるので、上限を6.0 ％とした。 Ni0.2 〜2.0 ％ Niは耐食性、靭性および焼入性を付与する元素であり、0.2 ％未満では前記の
効果が小さいので下限を0.2 ％とした。しかし、2.0 ％を越えて含有されると、
冷間加工性を害するので上限を2.0 ％とした。 V;0.10〜1.50％、Nb;0.05 〜0.70％ ＶおよびNbは焼もどし軟化抵抗および高温強度を増加させると共に、炭化物を
微細化するものであり、かつ窒化処理により窒化物を形成し、表面層硬さを高め
る元素である。前記効果を得るためにはV;0.10％以上、Nb;0.05 ％以上の含有が
必要である。しかし、V;1.5 ％以上、Nb;0.70 ％以上を含有すると粗大な共晶炭
化物の生成により熱間加工性を低下させるので、上限をそれぞれ1.5 ％および0.
70％とした。 【実施例】 次に本発明の効果を従来鋼、比較鋼と比較した実施例により明らかにする。 第２表に示す化学成分からなる本発明鋼および従来鋼として13Crマルテンサイ
ト系ステンレス鋼を電気炉で溶製した。第２表において、Ａ〜Ｂ鋼は第１発明鋼
、Ｃ〜Ｇ鋼は第２発明鋼である。また、Ｈ鋼は従来鋼で13Crマルテンサイト系ス
テンレス鋼、Ｉ鋼は従来材の硬質クロムめっきである。 【表２】 溶製した供試鋼は鋳造し熱間圧延を行い、焼入焼もどしを施して（硬さの狙い
値Hv350 〜450 ）摩耗試験用として10×15.7×6.3 mmの摩耗試験片および焼付試
験片用として30×30×5 mmの焼付試験片に加工した。得られた摩耗試験片につい
て次の条件により摩耗試験を行った。 （LWF −１摩耗試験機による摩耗試験） 相手材 FC 荷重 60kg 時間 120 分 速度 0.3m/sec 潤滑油 低粘度エンジンオイル1.5cc/min 供給 試験後に摩耗試験片について摺動面の摩耗量を測定し、結果を第３表に示した
。 続いて別の摩耗試験片をアンモニアガス気流中で530 〜590 ℃に加熱して５時
間以上のガス窒化を施した。ガス窒化後に表面硬さを測定したところ、Hv1000以
上であった。窒化処理後の摩耗試験片を前記と同様の条件で摩耗試験に供給した
。試験後に測定した摺動面の摩耗量は、第３表に併せて示した。 【表３】 次に、摩耗試験片と同様にして製作した焼付試験片について、次の条件により
焼付試験を行い、焼付荷重を第３表に併せて示した。 （機械試験所型摩擦摩耗試験機による焼付試験） 相手材 ； FC 荷重 ； ２分毎に25kgづつ増大させ、焼付が発生するまで行う 速度 ； 1.2m/sec 潤滑油 ； 低粘度エンジンオイルの滴下潤滑 焼付荷重 ； 摩擦係数が0.2 以上に急上昇した荷重をもって焼付荷重とする 第３表から明らかなように、摩耗試験では、焼入れ焼戻し材の場合の摩耗深さ
で、従来材の5.8 μｍに対し、本発明鋼であるＡ〜Ｇ鋼は3.30〜4.80μｍである
。ガス窒化処理材の場合の摩擦深さでは、従来材の3.5 μｍに対し、本発明鋼で
あるＡ〜Ｇ鋼は1.60〜3.00μｍである。いづれの場合も、本発明鋼が優れた耐摩 耗性を示すことが確認できた。 また、焼付試験では、焼入れ焼戻し材の場合の焼付荷重で、従来材の100.0 kg
に対し、本発明鋼であるＡ〜Ｇ鋼は112.5 〜137.5 kgである。ガス窒化処理材の
場合の焼付荷重では、従来材の137.5 kgに対し、150.0 〜175.0 kgである。いづ
れの場合も、本発明鋼が優れた耐スカッフ性を示すことが確認できた。 次に、ピストンリングをピストンのリングの溝に組み付けるに際しては、その
合い口を10T 以上拡げることが必要なため組付強度が必要である。焼入れ焼戻し
材は十分な組付強度を有するが、ガス窒化処理材は脆くなっており、従来材の場
合11〜13T でほとんど余裕がなく材料バラツキおよび拡げ量のバラツキによって
は時として折損するが、本発明鋼は第３表に示すごとく、20T 以上でないと折損
しないという優れた組付強度を有する。これはボア径φ86mm用のピストンリング
（Ｂ寸法2.0 mm、Ｔ寸法3.15mm、窒化深さ90μｍ）について行った拡げ試験結果
である。 また、キーストンリングのごとく疲労強度が問題となるピストンリングにおい
ては、特にガス窒化処理材のごとく脆い材料の場合および脆い複合めっきをシリ
ンダ壁との摺動面にめっきした場合には折損するという問題がある。前記ピスト
ンリングについて稀硫酸水溶液中にて振幅応力50kg/ mm²一定で疲労試験を行っ
た結果を第４表に示す。 【表４】 第４表から明らかなように、ガス窒化処理材では、従来材の疲労強度２×10⁵
に対し、本発明鋼Ａ〜Ｇ鋼の疲労強度は1.5 ×10⁶〜３×10⁶と大幅に疲労強度が
向上することを確認した。このような腐食雰囲気中での疲労強度が向上するのは
、Moの耐食性改善効果によるものと思われ、特にディーゼルエンジンのようなエ
ンジンオイル中に稀硫酸が生成するような場合には重要である。 【発明の効果】 本発明のピストンリング用鋼は、以上説明したように従来のマルテンサイト系
ステンレス鋼製のピストンリングの耐摩耗性、耐スカッフ性、疲労強度等の特性
をさらに向上し長寿命化を図るため、MoをMo;2.45 〜6.0 ％添加し、Ｃ、Si、Mn
、Cr等についてMo含有量との関連において最適含有量の範囲を見出したものであ って、Moの添加によって炭化物の生成が著しく促進されると共に炭化物の球状化
、粒径の均一化により従来鋼に比べて耐摩耗性および耐スカッフ性が著しく向上
する。また、ガス窒化処理等の表面処理によって得られる窒化層強度を高めさら
に耐摩耗性および耐スカッフ性を向上するものである。さらに、本発明鋼は耐摩
耗性および耐スカッフ性と相まって組付強度を大幅に向上させ、高い硬度を示す
と共に疲労強度においても従来鋼よりも優れた値を示す等の数々の優れた効果を
有するものであって、内燃機関の高出力化および高速化を達成できるピストンリ
ング材料として極めて有用である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 重量比でC;0.55〜1.10％、Si;0.9％以下、Mn;2.0％以下、Cr
   ;11 〜15％、Mo;2.45 〜6.0 ％を含有し、残部がFeおよび不純物元素からなるこ
   とを特徴とするピストンリング用鋼。 【請求項２】 重量比でC;0.55〜1.10％、Si;0.9％以下、Mn;2.0％以下、Cr
   ;11 〜15％、Mo;2.45 〜6.0 ％を含有し、さらにNi;0.2〜2.0 ％、V;0.1 〜0.5
   ％、Nb;0.05 〜0.7 ％のうち１種または２種以上を含有し、残部がFeおよび不純
   物元素からなることを特徴とするピストンリング用鋼。