JP3191009B2

JP3191009B2 - 内燃機関の２ピース型オイルリング用異形鋼線材およびその製造方法

Info

Publication number: JP3191009B2
Application number: JP10259791A
Authority: JP
Inventors: 隆男唐桶
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 1991-05-08
Filing date: 1991-05-08
Publication date: 2001-07-23
Anticipated expiration: 2016-07-23
Also published as: JPH04333545A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各種内燃機関に用いら
れる鋼製２ピース型オイルリング用断面異形鋼線材およ
びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関用鋼製オイルリングの型式とし
ては、従来２本の長方形断面のリングおよび１本のスプ
リングの計３本からなる３ピース型と、新型式である１
本の異形溝付リングおよび１本のスプリングの計２本か
らなる２ピース型の２種類がある。近年、部品点数減少
によるコスト低減等を目的として、３ピース型から２ピ
ース型への転換の要求が強まってきた。この２ピース型
用の異形溝付リングは、その断面形状が長方形の二対辺
に溝状凹部が形成されて概略ＨまたはＸ字形状となった
複雑形状で、かつその左右部を繋ぐウェブ部の厚み寸法
の左右部の全厚み寸法に対する比が0.3以下等と小さく
異形度が大きいものである。また近年、耐摩耗性、耐ス
カッフ性、耐硫酸腐食性等の向上を目的として高合金化
する要求も強まっている。ピストンリングのうち、圧力
リングは断面形状も単純な長方形に近いので製造上の問
題は少なく、すでに17Ｃr系のマルテンサイト系ステン
レス鋼へと高合金化している。３ピース型の組合せオイ
ルリングのレール(一般にサイドレールと呼ばれている)
は、SUS420J2(0.35Ｃ−13Ｃr系である)、または0.65Ｃ
−13Ｃr系のマルテンサイト系ステンレス鋼が使用され
ているが、やはり断面形状は単純な長方形に近く、従来
の冷間圧延や冷間伸線による方法でも製造可能である。
３ピース型用のサイドレールとしては、特公昭６１−５
４８６２号（0.65Ｃ−13Ｃr系)、特開昭６１−５９０６
６号（0.55Ｃ−7Ｃr系)などの提案がある。

【０００３】オイルリングの材質も高合金化の要求が強
い。２ピース型オイルリングについても、高合金ほど耐
摩耗性や耐スカッフ性、耐食性の向上が期待できる。し
かし、この２ピース型オイルリング用異形溝付きのリン
グを、従来よりさらに高Ｃ化して、例えば0.8重量%を越
えるＣ、15重量%以上のＣrを含有するマルテンサイト系
ステンレス鋼から製造することは非常に困難である。す
なわち、該リングは断面形状が複雑、かつ異形度が大、
つまり丸または長方形からの形状的隔たりが大きく、し
たがって異形成形に際して、大きな塑性加工量が必要
で、特に上下方向から強い圧縮加工を受けるウェブ部と
上下から圧縮作用を受けないフランジ部が隣合ってお
り、本発明者が実験の結果見出したことであるが、この
境界部から非常に割れが発生し易いことおよびオイルリ
ングの用途上表面粗さが3S以下とされるほか、割れはも
ちろん打疵、すり傷等の表面性状が厳しく規制されてい
るからである。すなわち、従来の冷間引抜き方法による
と、高合金化のため被加工性が低下し、かつ、異形度が
大きい上に前記のように加工割れが、ウェブ部とフラン
ジ部との境界部に発生し易く、これらを防止するために
は１パス当りまたは焼鈍１回当りの加工率が低く制限さ
れ、その結果、最終製品に至るまでの加工パス回数や焼
鈍回数がさらに増加し、これらの処理またはハンドリン
グ中に表面性状を損ない易く、また、コスト的にも困難
となる。このため、従来0.8重量%を越えるＣ、15重量%
以上のＣrを含有するマルテンサイト系ステンレス鋼に
よる２ピース型オイルリングの製造はなされていなかっ
た。

【０００４】このような状況のなか、本発明者らは、温
間ロールダイスを使用することを中心とする新規なオイ
ルリング用異形鋼線材の製造方法により、ひとまず異形
鋼線材の断面形状の成形を可能とし、特願平３−１９３
０２号で提案した。そして、該提案によるオイルリング
は、化学成分をＣが0.8重量%を越え0.95重量%未満、Ｃr
15重量%ないし20重量%を含有するマルテンサイト系ス
テンレス鋼、より具体的には上記Ｃ，Ｃr,Ｆe以外の組
成は、脱酸、脱硫元素であるＳi,Ｍnをそれぞれ1.0%以
下、またはさらにＭoとＷの１種または２種をＭo＋1/2
Ｗで0.5〜3.0重量%、ＶとＮbの１種または２種をＶ＋1/
2Ｎbで0.05〜2.0重量%、ならびにＣoの12重量%以下、Ｎ
iの5重量%以下を適宜含む鋼とするものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】２ピース型オイルリン
グ用異形鋼線材は、所定の異形断面に成形後、そのいず
れかの段階でそのウェブ部に直列状に多数の貫通油孔を
穿孔する必要がある。この穿孔は加工費、作業能率から
考えて実質的に打抜き法に限定される。しかし、該打抜
きはその被加工材が高合金化したことにより、格段に困
難となることがわかった。すなわち、従来の前記のよう
な低合金鋼材では、HV300〜450の所定硬さ範囲に焼入れ
焼もどしした材料でも打抜き可能であったが、前記成分
の高合金鋼では、同等硬さに熱処理したものでも、従来
の製造方法では実質的に打抜きが不可能であった。ま
た、従来の低合金材で所定断面に成形後引続き打抜きを
行なう場合があったが、上記高合金材では、やはり打抜
き不可能であった。本発明は、前記のごとき高合金材で
なり、打抜きによる貫通油孔を有する２ピース型オイル
リング用異形鋼線材およびその製造方法を提供すること
を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、焼入れ焼もど
し熱処理で硬さをHV300〜450とされ、長方形(正方形を
含む)の二対辺に溝状凹部が形成され、概略断面形状が
ＨまたはＸ字形でそのウェブ部に多数の打抜きによる貫
通油孔を形成された内燃機関の２ピース型オイルリング
用異形鋼線材において、母材の化学成分は、重量％で、
Ｃ 0.8%を越え0.95%未満、Ｓi 1.0%以下、Ｍn 1.0%
以下、Ｃr 15.0〜20.0%を含み、さらに必要に応じてＭ
oとＷの１種または２種をＭo＋1/2Ｗで0.5〜3.0%、Ｖと
Ｎbの１種または２種をＶ＋1/2Ｎbで0.05〜2.0%および1
2%以下のＣoと5%以下のＮiの１種または２種からなる各
グループの１種または２種以上を含み、残部Ｆeと不可
避不純物からなり、少なくとも一方の前記溝状凹部の底
部は平坦であり、その幅(隅肉半径、ヌスミは無視)を
Ｗ、前記貫通油孔の幅方向寸法をｂ、該貫通油孔の幅方
向壁面の高さをｔ、前記貫通油孔の相互間隔をｃとした
とき、Ｗ−ｂ≧1.4tおよびｃ≧ｔを満足することを特徴
とする内燃機関の２ピース型オイルリング用異形鋼線
材、ならびに焼入れ焼もどし熱処理で硬さをHV300〜450
とされ、長方形(正方形を含む)の二対辺に溝状凹部が形
成され、概略断面形状がＨまたはＸ字形でそのウェブ部
に多数の打抜きによる貫通油孔を形成された内燃機関の
２ピース型オイルリング用異形鋼線材の製造方法におい
て、母材の化学成分が、重量％で、Ｃ 0.8%を越え0.95
%未満、Ｓi 1.0%以下、Ｍn 1.0%以下、Ｃr 15.0〜2
0.0%を含み、さらに必要に応じてＭoとＷの１種または
２種をＭo＋1/2Ｗで0.5〜3.0%、ＶとＮbの１種または２
種をＶ＋1/2Ｎbで0.05〜2.0%および12%以下のＣoと5%以
下のＮiの１種または２種からなる各グループの１種ま
たは２種以上を含み、残部Ｆeと不可避不純物からなる
鋼線材を、少なくとも一方の前記溝状凹部の底部を平坦
にして前記断面形状に成形加工する工程、連続熱処理炉
により焼鈍する工程、前記平坦部の幅(隅肉半径、ヌス
ミは無視)をＷ、前記貫通油孔の幅方向寸法をｂ、該貫
通油孔の幅方向壁面の高さをｔ、前記貫通油孔の相互間
隔をｃとしたとき、Ｗ−ｂ≧1.4tおよびｃ≧ｔを満足す
るごとく、打抜く工程および焼入れ焼もどし熱処理によ
り、前記所定硬さとする工程からなることを特徴とする
内燃機関の２ピース型オイルリング用異形鋼線材の製造
方法である。

【０００７】

【作用】本願の打抜き貫通油孔を有する異形鋼線材は、
第２発明であるその製造方法の発明によって、初めて量
産的にもたらされた製品である。先ず、本発明の成分の
限定理由について述べる。ＣはＣrおよびＭo,Ｗ,Ｖ等の
添加元素と結合して炭化物を形成し、耐摩耗、耐焼付性
の向上に寄与すると共に、一部は基地中に固溶して基地
を強化する。これらの効果を得るためにＣは0.8%を越え
て添加することが必要であるが、本発明のオイルリング
は異形状断面を有するので0.95%以上では温間加工とい
えどもリング素材の製造性およびリングの成形性が悪く
なる。また、0.95%を越えると過度の炭化物を形成する
ことにより、耐硫酸腐食性が低下する。したがって、Ｃ
は0.8%を越え0.95%未満に限定する。Ｓiは鋼の精錬時に
脱酸の目的で添加されると共に、耐硫酸腐食性の向上に
効果的な元素である。しかし、1%を越えると温間加工性
を害するのでＳiは1%以下に限定する。Ｍnは鋼の精錬時
に脱硫の目的で添加されるが、1.0%を越えると素線を製
造する時の熱間加工性を害するので1.0%以下に限定す
る。Ｃrは前述のようにＣと結び付いて、炭化物(Ｍ₂₃Ｃ
₆型およびＭ₇Ｃ₃型)を形成し、耐摩耗性および耐焼付性
を向上させるので、本発明のオイルリングには必須の成
分である。さらに一部は、基地中に固溶して耐酸化性、
耐熱性を向上させる。また、窒化処理により硬質の窒化
層を生成し、耐摩耗性、耐焼付性を大きく向上させる。
これらの効果を得、また靭性を低下させないために通常
の環境下(硫酸雰囲気中でない場合)では、例えば特開平
1-208435号に記載のようにＣr量は、7〜25%の範囲で十
分対応可能であるが、硫酸雰囲気中ではより過酷な条件
下となるためＣr量は狭い範囲に限定される。本発明者
の実験の結果によれば、Ｃr量が15.0%未満の場合、おそ
らく炭化物量が不足するために硫酸中での腐食摩耗量が
多くなる。またＣr量が20.0%を越えるとおそらく炭化物
量および窒化を行った場合にＣrの窒化物量が過度にな
るため耐硫酸腐食性が低下する。従ってＣr量は15.0〜2
0.0%の範囲に限定した。

【０００８】ＭoとＷは、Ｃと結びついてそれ自体の炭
化物を形成すると共に、Ｃr炭化物中にも固溶すること
により、これを強化し、さらに焼もどし軟化抵抗を高
め、また窒化処理において窒化層形成にも寄与し、耐摩
耗性、耐焼付性を向上させるので必要に応じて添加され
る。なお、Ｍoは、耐硫酸腐食性を向上させる作用をも
つ。上記の効果を得るためには、Ｍo、Ｗの１種または
２種を(Ｍo＋1/2Ｗ)で少なくとも0.5%必要である。しか
し、過度に添加すると靭性を低下させるので(Ｍo＋1/2
Ｗ)の上限を3.0%とした。ＶとＮbは両元素とも結晶粒を
微細化し、靭性向上に寄与するだけでなく、Ｍo,Ｗと同
様それ自体で炭化物を形成すると共に、Ｃr炭化物中に
も固溶して、これを強化することにより、耐摩耗性およ
び耐焼付性を向上させ、また焼戻し軟化抵抗を向上させ
る。したがって、この目的で添加することができる。ま
た、両元素共、耐硫酸腐食性を向上させる作用をもつ。
これらの効果を得るためには、ＶとＮbの１種または２
種を(Ｖ＋1/2Ｎb)で少なくとも0.05%以上必要である。
しかし過度に添加するとＭＣ型炭化物を過剰に生成して
靭性を劣化させるので、(Ｖ＋1/2Ｎb)量の上限を2.0%と
した。ＮiとＣoは、本発明において窒化層の耐硫酸腐食
性を向上させる重要な元素である。両元素とも炭化物を
形成せず、基地に固溶し、耐硫酸腐食性を高めるが、窒
化物を形成しないため窒化層中においてもその作用が残
存することが特徴であり、窒化処理を行って使用する本
発明のピストンリング材には特に有効である。Ｎiが5.0
%を越えると熱処理における所定の硬さが得られにくく
なり、またＣoは12%を越えると熱間加工性および冷間加
工性を低下させるので、添加する場合、Ｎiは5.0%以
下、Ｃoは12%以下とした。Ｐ，Ｓ，Ｏ，Ｎは、通常不純
物元素として微量含有される。

【０００９】また、硬さ範囲をHV300〜450と規定した理
由は、HV450を越えるとカーリング工程でスプリングバ
ックが大きくなり、カーリング形状を一定範囲内に保つ
ことが困難となるほか、カーリング時に折損し易くなる
ためであり、特に異形断面を有する本発明の形状のオイ
ルリングを製造する上で必須の条件である。一方、HV30
0未満では高合金化の目的に反して耐摩耗性が低下し、
所定のリング寿命を得ることができないためである。

【００１０】本願の製造方法の発明は、所定断面形状に
成形された異形鋼線材が連続熱処理炉により焼鈍された
後にのみ、実質的に打抜き可能となることを見出したこ
とによるものである。この焼鈍は、断面成形加工時の応
力を適当に除去してその硬さをHV200〜380程度に調整し
て、パンチやダイスの過度の負荷を防止し、また過度の
バリの発生を防止する作用をなす。しかし、さらに重要
なことは、テンションアニーリング作用により、高度に
真直化された被加工鋼線材を得ることである。これによ
り、例えば、パンチではその幅寸法が、0.6mm、0.8mm等
非常に微細なパンチやダイスでなる打抜き装置への被処
理材の円滑な導入を可能とするのである。特に、本発明
の製造方法の望ましい打抜き態様は、直列に配列された
複数の貫通油孔を同時に打抜くものであり、この際ダイ
スやガイド等はパスライン方向に長尺化するから、特に
真直精度を向上することが必要である。前記のように低
合金鋼線の場合、この連続熱処理炉による焼鈍は、打抜
きに対して必須ではなかった。恐らく、この相違は高合
金鋼線材では、前述のように温間ロールダイス等形状的
に高精度を得られ難い加工方法を用いざるを得ないこと
と大きく関係することが考えられる。

【００１１】次に、円滑な打抜きを達成するためには、
断面形状、寸法等の条件を満足することが必要である。
図１は本発明を実施する場合の打抜き装置の断面図例、
図２は打抜き完了材の平面図例である。すなわち、被打
抜き材である断面異形鋼線材１は、ダイス５、横ガイド
１１，１１および上ガイド兼パンチガイド１０でリジッ
トに案内、保持される。それぞれの図面に示したごとく
各寸法に符号を付したとき、パンチ４は図２からわかる
ように、通常、扁平比％ａ／ｂ＝５〜３程度と大きい扁
平比を有する。Ｗ−ｂは打抜き力を受け止めるべき部分
の幅寸法を示している。これに対し打抜き力は、貫通孔
の内壁の面積を代表する孔の側面高さｔに比例すると考
えられ、本発明者らの実験によるとダイスの強度を確保
して打抜きを円滑に保持するためには、Ｗ−ｂ≧1.4tを
満足することが必要であることが判明した。また、満足
すべき条件として、ｃ≧ｔを満足すべきことも判明し
た。この条件は打抜きに際してよりむしろその後のリン
グへの曲げ成形時に割れの伝播性と関係して重要であ
る。すなわち、Ｃ＜ｔではリング成形時にＣ寸法部分に
割れが貫通する。

【００１２】前述のように、被打抜き材は高い真直性が
必要であるが、その断面寸法変動、特に被打抜き材の断
面形状成形時に変動し易いウェブの厚み方向の寸法変動
は可能の限り抑制すべきであり、望ましくは50μm以
下、さらに望ましくは30μm以下とする。幅寸法も理論
的に厚み寸法と同等である。しかし、幅寸法は厚み寸法
に比し寸法変動の抑制が容易である。これら断面寸法の
変動は、被打抜き材の案内精度、したがって打抜き工具
の寿命に影響を与える。また、打抜き作業中はバリの高
さの監視を要する。ばりは望ましくは40μm以下、さら
に望ましくは30μm以下とする。過度のばりは使用中に
脱落してエンジントラブルの原因となると考えられるほ
か、特にリングへの曲げ成形時に油孔からの割れの発生
を誘発し易くなる。バリの抑制は、素材の硬さを適正に
すること(HV≧200)、パンチとダイスのクリアランスを
適正に保持すること、パンチおよびダイスエッジの摩耗
量を制限する(0.05mm以下)等による。

【００１３】打抜き方法は、打抜き工具の耐久性の関係
から間欠送りしつつ、適当箇数の油孔を同時に打抜くこ
とにより、パンチとダイスの打抜き工具の１セット当り
の負担を軽減することが望ましい。また、パンチは前述
のように折損し易いから、この場合直ちに作業を中断し
て事故の波及を防止する必要がある。このため、常時、
貫通油孔が所定位置に存在することを機械的、電気的、
光学的等により監視する必要がある。この際、貫通油孔
が定ピッチかつ同一形状であればこれ等の監視装置の簡
略化上好都合である。最後に連続熱処理炉による焼入れ
焼もどし熱処理を行なう。ピストンリングの曲げ成形に
おいて、被成形材の長手方向に亘ってスプリングバック
および曲り状態が均一であることが必要である。このた
め、本願の製造方法の発明においても焼入れ焼もどし熱
処理は連続炉による。

【００１４】

【実施例】表１に示す成分の各線素材から、温間ロール
ダイスを主とする加工法により、それぞれ断面寸法で幅
3.8mm、図２のＷ(隅肉半径無視、ヌスミがある場合も
これを無視)寸法が2.0mm、高さ 2.3mm、ウェブ厚さ 0.6
5mmの２ピースオイルリング用断面異形鋼線素材をそれ
ぞれ製作し、引き続き、連続焼鈍炉により焼鈍した。こ
の状態の硬さの１例はHV≒260であり、各材料のデータ
は硬さバラツキHV 25以下、平方向曲り、横曲りとも 1m
m/1000mm以下、ねじれ 0.5°/1000mm以下、ウェブ部厚
みバラツキ 0.020mm/50mm以下であった。

【００１５】

【表１】

【００１６】上記各素材を、貫通油孔幅ｂ＝0.8mm、同
長さａ＝3.5mm、同相互間隔ｃ＝1mmなる貫通油孔を３
箇ずつ同時に、打抜き回数5,000回(総計3×5,000=15,00
0)打抜きした。その結果、各ロットともパンチ、ダイス
の破損は全く発生せず、バンチ,ダイス角部に0.020mm程
度の摩耗が観察された。また、打抜き孔のピッチ・バラ
ツキは±0.050mm以内と良好であった。また、テスト材
の両端部のオイル孔の観察の結果、バリの高さは0.020m
m以下であった。次に、それらのオイル孔付き断面異形
線材を、HV400程度に焼入焼もどししたのち内径 90mmに
連続曲げ加工を施した。曲げ加工の際のバリを起点とす
るまたは他の原因の折損は全く発生しなかった。なお、
焼入れ焼もどし後の幅寸法バラツキは0.002mmであっ
た。

【００１７】

【発明の効果】以上述べたように、高合金化に付随し
て、断面形状精度、被加工性等が低下したため、その断
面異形線材のウェブ部に、工業的に貫通油孔を打抜くこ
とが不可能となったが、連続熱処理炉による焼鈍を施し
た後、貫通油孔部の寸法的条件を、特定範囲内とするご
とく定めることにより、安定して打抜き加工することが
可能になった。これにより、耐摩耗性を始めとする性能
向上要求を満足する２ピース型用高合金断面異形オイル
リング線材の供給が実質的に可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】断面異形鋼線のウェブ部に貫通油孔を打抜き加
工する打抜装置の断面図例および寸法符号を説明する図
である。

【図２】打抜き完了材の平面図例および寸法符号を説明
する図である。

【符号の説明】

１断面異形線材４パンチ５ダイス１０上ガイド兼パンチガイド１１横ガイド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＦ０２Ｆ 5/00 Ｆ０２Ｆ 5/00 ＮＦ１６Ｊ 9/26 Ｆ１６Ｊ 9/26 Ｂ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60 B21F 37/00 C21D 8/06 F02F 5/00 F16J 9/26

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】焼入れ焼もどし熱処理で硬さをHV300〜4
50とされ、長方形(正方形を含む)の二対辺に溝状凹部が
形成され、概略断面形状がＨまたはＸ字形でそのウェブ
部に多数の打抜きによる貫通油孔を形成された内燃機関
の２ピース型オイルリング用異形鋼線材において、母材
の化学成分は、重量％で、Ｃ 0.8%を越え0.95%未満、
Ｓi 1.0%以下、Ｍn 1.0%以下、Ｃr 15.0〜20.0%を含
み、さらに必要に応じてＭoとＷの１種または２種をＭo
＋1/2Ｗで0.5〜3.0%、ＶとＮbの１種または２種をＶ＋1
/2Ｎbで0.05〜2.0%および12%以下のＣoと5%以下のＮiの
１種または２種からなる各グループの１種または２種以
上を含み、残部Ｆeと不可避不純物からなり、少なくと
も一方の前記溝状凹部の底部は平坦であり、その幅(隅
肉半径、ヌスミは無視)をＷ、前記貫通油孔の幅方向寸
法をｂ、該貫通油孔の幅方向壁面の高さをｔ、前記貫通
油孔の相互間隔をｃとしたとき、次式を満足することを
特徴とする内燃機関の２ピース型オイルリング用異形鋼
線材。Ｗ−ｂ≧1.4tおよびｃ≧ｔ
【請求項２】焼入れ焼もどし熱処理で硬さをHV300〜4
50とされ、長方形(正方形を含む)の二対辺に溝状凹部が
形成され、概略断面形状がＨまたはＸ字形でそのウェブ
部に多数の打抜きによる貫通油孔を形成された内燃機関
の２ピース型オイルリング用異形鋼線材の製造方法にお
いて、母材の化学成分が、重量％で、Ｃ 0.8%を越え0.
95%未満、Ｓi 1.0%以下、Ｍn 1.0%以下、Ｃr 15.0〜
20.0%を含み、さらに必要に応じてＭoとＷの１種または
２種をＭo＋1/2Ｗで0.5〜3.0%、ＶとＮbの１種または２
種をＶ＋1/2Ｎbで0.05〜2.0%および12%以下のＣoと5%以
下のＮiの１種または２種からなる各グループの１種ま
たは２種以上を含み、残部Ｆeと不可避不純物からなる
鋼線材を、少なくとも一方の前記溝状凹部の底部を平坦
にして前記断面形状に成形加工する工程、連続熱処理炉
により焼鈍する工程、前記平坦部の幅(隅肉半径、ヌス
ミは無視)をＷ、前記貫通油孔の幅方向寸法をｂ、該貫
通油孔の幅方向壁面の高さをｔ、前記貫通油孔の相互間
隔をｃとしたとき、次式を満足するごとく、打抜く工程
および焼入れ焼もどし熱処理により、前記所定硬さとす
る工程からなることを特徴とする内燃機関の２ピース型
オイルリング用異形鋼線材の製造方法。Ｗ−ｂ≧1.4tおよびｃ≧ｔ
【請求項３】打抜きは直列に配列された複数の貫通油孔
を同時に打抜くものであることを特徴とする請求項２に
記載される内燃機関の２ピース型オイルリング用異形鋼
線材の製造方法。