JP2611984B2 - ピストンリング用線材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、内燃機関において重要な役割をはたすピス
トンリング用線材の材質に関するものである。

〔従来の技術〕

自動車のエンジン等の内燃機関において、ピストンリ
ングは気密性の保持を目的として装着され、その性能い
かんにより、エネルギー効率を左右する重要な役割を担
っている。このようなピストンリングは、従来主に鋳鉄
が用いられてきたが、近年のエンジンの効率化、高負荷
化さらに軽量化指向にともない、スチール製ピストンリ
ングの適用が拡大しつつある。これは、平線をリング加
工することによって製造されるため、大幅な工程の短縮
化と、リング自体の軽量化が実現できるためである。

ピストンリングは、エンジン稼働中において、シリン
ダーと摺動するため、シリンダーとの摩耗や焼付の問題
が生じ、したがって耐摩耗性、耐焼付性の高い材質が求
められる。またエンジン稼働中においては、装着される
ピストン溝内において、複雑な動きをするため、疲労強
度や高い靱性が求められる。エンジンの高速化にともな
い、このような要求特性は高くなる一方にある。

現在、スチール製ピストンリング材として、主に用い
られている材質としては、バネ用鋼であるSi−Cr鋼（JI
S SWOSC−Ｖ）およびマルテンサイト系ステンレス鋼が
ある。マルテンサイト系ステンレス鋼は、主にディーゼ
ルエンジンなど高負荷の用途に用いられており、一般の
乗用車には、Si−Cr鋼が用いられている。

Si−Cr鋼は、重量％でＣ 0.50〜0.60％、Si 1.20〜
1.60％、Mn 0.50〜0.80％、Cr 0.50〜0.80％を含有
し、残部Feよりなるため、リング加工性は優れている
が、材質自体の耐摩耗性や耐焼付性は期待できない。こ
のため、ピストンリング材としては、シリンダーと摺動
する部分に硬質Crメッキ処理を行ない、これに対処して
いる。またマルテンサイト系ステンレス鋼においては、
窒化処理を行なうことにより、硬質の窒化層を形成し用
いられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は、一般乗用車に用いられているSi−Cr鋼に代
る材質に関するものであり、高性能のピストンリング用
線材を提供するものである。

先に述べたように、Si−Cr鋼は、耐摩耗性、耐焼付性
を付与するため、Crメッキ処理が施されているが、Crメ
ッキはそのメッキ層内に微細なクラックを含んでおり、
ピストンリングの機械的強度、特に疲労強度低下をまね
く原因となる。また、製造工程においても、ベーキング
処理が不十分である場合、水素脆性の問題が生じる。一
方窒化処理は、表面に硬質の窒化層が形成され、耐摩耗
性、耐焼付性、さらに疲労強度を向上させる方法とし
て、広く工具材料に適用されているのは、周知のとおり
である。したがって、Si−Cr鋼においてもこの処理方法
の適用が考えられるが、Si−Cr鋼は、組成的に窒素と結
び付いて、硬い窒化層を形成するCr量が少なく、十分な
硬さを確保することができない。

以上の点から、本発明は窒化処理をすることにより、
硬い窒化層を有し、耐摩耗性、耐焼付性はもとより、機
械的強度の点においても優れたピストンリングを提供す
るために行なったものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記に述べたように、窒化処理することによ
り表面層に硬質の窒化層を形成するように、材質の化学
成分を勘案することによってなされたものであり、次の
特徴を持つピストンリング用線材である。

本発明は、重量％でＣ 0.4〜1.1％、Si 0.2〜1.0
％、Mn≦1.0％、Cr 1.0％以上4.5％未満、およびMo≦
３％、Ni≦３％、Ｖ≦３％、Ｗ≦３％、Nb≦３％の１種
以上を含み（２種以上の場合は、合計で５％以下）、ま
たは同成分にAl 0.3〜2.0％を含み、残部Feおよび不純
物よりなることを特徴とするピストンリング用線材であ
る。

次に成分の限定理由について述べる。

Ｃは鉄中に固溶し、強度に寄与する元素であり、また
炭化物を形成し、耐摩耗性に寄与する重要な元素である
ため、少なくとも0.4％以上必要である。しかし、Ｃは
Ｎと同様鉄中において侵入型固溶元素であるため、多量
の添加は窒化時の窒素の拡散を阻害し、十分な窒化層を
得ることができなくなると共に、リング成形時の加工性
も害するため、上限を1.1％とした。

Siは鋼塊製造時に脱酸剤として添加される元素であ
り、脱酸剤の他に合金元素として弾性限を上昇させる効
果があるため、下限を0.2％とし、また1.0を越える添加
は、冷間における加工性を低下させるためこれを上限と
した。

MnはSiと同様、鋼塊製造時に脱酸剤として添加される
元素であり、１％を越えると熱間加工性を害するためこ
れを上限とした。

Crは、炭化物形成元素であり、耐摩耗性付与のため重
要である。また、同時に窒化層の硬さを高める元素でも
ある。特に窒素との親和性が高く、硬質の窒化物を形成
するため、窒化処理を行なう材質には必須の元素であ
る。この効果を十分に得るためには、少なくとも１％以
上の添加が必要である。しかし、多量の添加は多くの炭
化物を形成し、材質の靱性を低下させるだけでなく、窒
化層においても十分な窒化深さを得にくくするため4.5
％未満とした。

Mo、Ｖ、Ｗ、Nbは、いずれも炭化物形成元素であり、
耐摩耗性付与のため重要である。また、Crの次に窒化層
の硬さを増す元素であり、一部基地に固溶し、材質の強
度を改善する効果があるが、Crと同様に過度の添加は、
炭化物の量を増し、靱性を低下させる。またNiは基地中
に固溶し、靱性を付与すると同時に、窒化層においても
窒素と結合することなく、靱性を高める元素である。し
かし、鋼塊より線材までの加工過程において、焼なまし
硬さが低下し難くなる。従って、各元素３％を上限と
し、２種以上の場合は、合計で５％を上限とした。

Alは、窒素との親和性が最も高い元素であり、窒化処
理材には非常に有効な元素である。この効果を得るため
には、少なくとも0.3％以上必要であるが、窒素と同様
酸素との親和性も高いので酸化物を形成しやすく、過度
の添加は、鋼塊製造時において、アルミナ系介在物を形
成し、材質の疲労強度低下の原因となるため2.0％を上
限とした。

〔実施例〕

次に実施例として本発明鋼およびSi−Cr鋼を溶製し、
所定の熱処理を行なって各種の試験を行なった結果を示
す。

表１に示す供試材を20kg溶製し、φ25に鍛伸した後、
焼なまし処理を行ない、各試験のための試験片を加工し
た。次に所定の焼入れ、焼もどしを行ない、硬さH_RC43
〜45に調質、さらにＡ〜Ｈについては、540℃×20hrの
ガス窒化処理、またＩについては硬質Crメッキをメッキ
厚100μｍを施した。

試験は、窒化またはCrメッキした場合の疲労強度を見
るために、回転曲げ疲労試験により、疲労限（10⁷回）
応力を求めた。また、静的な靱性を調べるため、直径5m
mの試験材について、スパン50mmとし、抗折応力および
たわみを求めた。この結果を表２に示す。

本発明鋼は窒化処理を行なった場合、硬い窒化層が得
られるばかりでなく、動的な機械的性質である疲労強度
において高い値を示していることがわかる。

また静的な機械的強度である抗折試験結果において
も、比較材Ｈ、Ｉに比し高い値を示すことがわかる。比
較材Ｈは、窒素との親和性の高いCr量が少ないため、窒
化層自体の硬さが十分得られないばかりでなく、窒化層
の深さが深くなりすぎ、表面にクラックが入った場合、
クラック進展が母材まで進みやすくなるため、静的およ
び動的な強度において低下をまねいている。また、Crメ
ッキした比較材Ｉはクラックを内蔵した高硬度の表面層
のため、切欠き感受性が高く、機械的強度を低下させる
原因となっている。

〔発明の効果〕

本発明は、現在用いられているSi−Cr鋼に硬質Crメッ
キ処理したピストンリングの機械的性質における欠点を
解決するためになされたものであり、窒化処理を行なう
ことにより、耐摩耗性および耐焼付性を確保するととも
に、動的および静的強度を向上させるべく、これに適す
る材質を提供したものである。これにより、リング製造
工数の簡略化だけでなく、性能的にも優れたピストンリ
ングの製造を可能とするものである。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％でＣ 0.4〜1.1％、Si 0.2〜1.0
   ％、Mn≦1.0％、Cr 1.0％以上4.5％未満、およびMo≦
   ３％、Ni≦３％、Ｖ≦３％、Ｗ≦３％、Nb≦３％の１種
   以上を含み（２種以上の場合は、合計で５％以下）、残
   部Feおよび不純物よりなることを特徴とするピストンリ
   ング用線材。
2. 【請求項２】重量％でＣ 0.4〜1.1％、Si 0.2〜1.0
   ％、Mn≦1.0％、Cr 1.0％以上4.5％未満、Al 0.3〜2.
   0％、およびMo≦３％、Ni≦３％、Ｖ≦３％、Ｗ≦３
   ％、Nb≦３％の１種以上を含み（２種以上の場合は、合
   計で５％以下）、残部Feおよび不純物よりなることを特
   徴とするピストンリング用線材。