JP3452354B2 - ピストンリング用マルテンサイト系ステンレス鋼及びピストンリング用異形線 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、優れた耐スカッフ
ィング性と耐疲労特性の両方を兼ね備えたピストンリン
グ用マルテンサイト系ステンレス鋼及びこのマルテンサ
イト系ステンレス鋼を用いたピストンリング用異形線に
関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関に使用されるピストンリング用
素材においては、熱間圧延後の線材の熱間および冷間に
おける引き抜き，伸線，圧延加工性および熱処理後の曲
げ加工性に加え、ピストンリングとしての耐スカッフィ
ング性及び耐摩耗性が重要であり、特開平１１−８０９
０７号公報，特開平１１−１０６８７４号公報には、こ
れらのピストンリングとして必要な特性を向上させるた
め、Ｃｒ／Ｃを調整することにより炭化物の粒径を微細
にし、その分布状態を制御することにより優れた耐スカ
ッフィング性と加工性を達成できる発明が開示されてい
る。

【０００３】また、特開平９−２８７０５３号公報，特
開平９−２８７０５８号公報には、マルテンサイト系ス
テンレス鋼に窒素を添加することにより、粗大炭化物が
低減でき、耐食性や耐摩耗性，靭性，疲労寿命が向上す
る発明が開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】環境対策化が世界規模
で進められている中で内燃機関の排ガス規制がより厳し
くなり、エンジンの高効率燃焼化が求められている。こ
れに伴い、ピストンリングの耐スカッフィング性，耐疲
労特性に要求される条件もだんだん厳しくなっている。
然るに、マルテンサイト系ステンレス鋼を用い、炭化物
のサイズ，量を制御し、かつ窒化処理を施す従来の方法
では十分な耐スカッフィング性，耐疲労特性が得られ
ず、厳しい使用条件に対応できない状況になってきてい
る。

【０００５】本発明は、ピストンリングの耐スカッフィ
ング性，耐疲労特性を、従来よりもコストアップするこ
となしに向上させることができるピストンリング用のマ
ルテンサイト系ステンレス鋼及びこのマルテンサイト系
ステンレス鋼を用いたピストンリング用異形線を提供す
ることを目的としたものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本願の第１発明は、質量％で、Ｃ：０．３０〜０．
７５％、Ｃｒ：１４〜１９％、Ｎ：０．０５〜０．１９
％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｐ：
０．０５％以下、Ｓ：０．０５％以下、かつ、２０≦Ｃ
ｒ（％）／（Ｃ（％）＋Ｎ（％））≦３５であり、Ｎ
（％）の範囲がαで規定される下記式（１），（２）を
満たし、 α−０．０５≦Ｎ（％）≦α＋０．０７・・・・・（１） α＝０．８８３×１０＾（０．０４６×Ｃｒ（％）−０．１３×Ｃ（％）− １．５７）・・・・・（２） 残部がＦｅ及び不純物を含むことを特徴とするピストン
リング用マルテンサイト系ステンレス鋼である。

【０００７】また、前記の目的を達成するための本願の
第２発明は、前記の第１発明において、質量％で、Ｍ
ｏ：１．５％以下、Ｗ：０．８％以下、Ｖ：１．０％以
下、のうち１種もしくは２種以上を含有し、残部がＦｅ
及び不純物を含むことを特徴とするピストンリング用マ
ルテンサイト系ステンレス鋼である。

【０００８】さらに、本願の第３発明は、前記第１発明
又は第２発明のピストンリング用マルテンサイト系ステ
ンレス鋼を用いたピストンリング用異形線である。ここ
でいう異形線とは、断面形状がトラック形状，正方形，
長方形，Ｃ型，Ｉ型等の円形以外の形状である線条体を
いう。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する
に、本発明では、マルテンサイト系ステンレス鋼を用い
たピストンリングの耐スカッフィング性並びに耐疲労特
性を、従来よりもコストアップすることなしに向上させ
るため鋭意研究を重ねた結果、マルテンサイト系ステン
レス鋼に、窒素を ２０≦Ｃｒ（％）／（Ｃ（％）＋Ｎ（％））≦３５ なる範囲で、かつ、 α−０．０５≦Ｎ（％）≦α＋０．０７・・・・・（１） α＝０．８８３×１０＾（０．０４６×Ｃｒ（％）−０．１３×Ｃ（％）− １．５７）・・・・・（２） なるαで規定される条件範囲内で窒素を炭素と複合添加
することにより、疲労特性および窒化処理後の耐スカッ
フィング性の両特性が同時に向上することを見いだし
た。

【００１０】上記の範囲で窒素を適合複合添加されたマ
ルテンサイト系ステンレス鋼を用いることにより、従来
のマルテンサイト系ステンレス鋼に対し、耐スカッフィ
ング性と耐疲労特性の両方を向上させることができ、厳
しい使用条件にも耐えられるピストンリング用素材をコ
ストアップすることなしに提供することができる。以
下、本発明の上記構成要件について詳細に説明する。

【００１１】Ｃの含有量（質量％、以下同じ）は０．３
０〜０．７５％とする。Ｃを０．３０％以上とするの
は、これ未満では窒素との複合添加において、焼入焼戻
しによる優れた硬化硬さや優れた耐スカッフィング性が
得られない。また、０．７５％以下とするのは、これを
越えると炭化物粒径の粗大化および炭化物量の増加をま
ねき、優れた疲労寿命が得られないためである。

【００１２】Ｃｒの含有量は１４〜１９％とする。Ｃｒ
を１９％以下とするのは、これを越えて添加すると炭化
物量の増加および炭化物粒径の粗大化をまねき、よい疲
労寿命が得られないためである。好ましくは１８％以下
の添加が推奨される。また、Ｃｒを１４％以上とするの
は、これ未満では必要な耐スカッフィング性が得られな
いためである。好ましくは１５％以上の添加が推奨され
る。

【００１３】Ｎの含有量は０．０５〜０．１９％とす
る。Ｎを０．０５％以上とするのは、これ未満では炭化
物粒径が粗大化し、優れた疲労特性が得られないためで
ある。また、０．１９％以下とするのは、これを越える
多量の窒素を添加すると鋼塊中に多量の気孔が導入され
るためである。

【００１４】更に、Ｎ（％）の範囲がαで規定される下
記の式（１）及び（２） α−０．０５≦Ｎ（％）≦α＋０．０７・・・・・（１） α＝０．８８３×１０＾（０．０４６×Ｃｒ（％）−０．１３×Ｃ（％）− １．５７）・・・・・（２） を夫々満たすものとする。Ｎ（％）を上記（１），
（２）式で規定するのは、Ｎ（％）がα−０．０５未満
では炭化物粒径が粗大化し、優れた疲労特性が得られな
いためであり、また、Ｎ（％）がα＋０．０７を越える
と鋼塊中に多量の気孔が導入され、優れた疲労特性が得
られないためである。

【００１５】２０≦Ｃｒ（％）／（Ｃ（％）＋Ｎ
（％））≦３５とする。Ｃｒ（％）／（Ｃ（％）＋Ｎ
（％））を２０以上としたのは、これ未満では、炭化物
粒径の粗大化および炭化物量の増加をまねき、優れた疲
労寿命が得られない。またＣｒ（％）／（Ｃ（％）＋Ｎ
（％））を３５以下とするのは、これを越えると焼入焼
戻しによる優れた硬化硬さや優れた耐スカッフィング性
が得られないためである。

【００１６】Ｓｉ及びＭｎの含有量をそれぞれ０．５％
以下とする。Ｓｉは鋼の脱酸剤として有用な元素であ
り、脱酸のため少量添加するが、多量に添加すると冷間
加工性を低下させるため、上限を０．５％とする。ま
た、Ｍｎは鋼の脱酸剤として有用な元素であり、脱酸の
ため少量添加するが、多量に添加すると冷間加工性を低
下させるため上限を０．５％とする。

【００１７】Ｐ及びＳの含有量をそれぞれ０．０５％以
下とする。Ｐは粒界に偏析して延性を低下させる元素で
ある。したがって、含有量は低い方が望ましいが、極度
に低下させることは製造コストを上昇させるので、許容
できる範囲として上限を０．０５％とする。また、Ｓは
多いと熱間加工性を低下させるので含有量は低い方が望
ましいが、極度に低下させることは製造コストを上昇さ
せるので、許容できる範囲として上限を０．０５％とす
る。

【００１８】Ｍｏ，Ｗ，Ｖは、耐摩耗性向上には有用な
元素であるが、過度に添加すると加工性の低下を引き起
こすため、上限をそれぞれＭｏ：１．５％以下、Ｗ：
０．８％以下、Ｖ：１．０％以下とする。

【００１９】上記ピストンリング用マルテンサイト系ス
テンレス鋼を熱間圧延により線条体とし、これに熱間・
冷間における引き抜き加工、さらに冷間伸線・圧延加工
及び熱処理を施して所望の物性を有するピストンリング
用異形線を得る。

【００２０】

【実施例】高周波真空溶解炉を用い、大気雰囲気または
窒素雰囲気にて溶解し、所定の組成に調整した１０ｋｇ
鋼塊を作製した。次に、熱間加工により上記の鋼塊を直
径２０ｍｍの棒状素材にし、８６０℃で焼鈍を行った。
得られた焼鈍材の化学組成を表１に示す。併せて、Ｃｒ
（％）／（Ｃ（％）＋Ｎ（％））の値、α値およびＮ
（％）−α値等の値を示す。

【００２１】

【表 １】

【００２２】表２に、焼入焼戻し材の特性として、各鋼
の焼入焼戻し硬さおよび疲労寿命結果と窒化処理材の特
性として窒化硬さおよび耐スカッフィング性を表すスカ
ッフ発生面圧の値を示す。

【００２３】

【表 ２】

【００２４】１５Ｃｒ鋼及び１７Ｃｒ鋼において、Ｃｒ
／（Ｃ＋Ｎ）の値がほぼ一定になるようにして、窒素と
炭素を変化させたものについては、窒素添加量の多いも
のほど耐スカッフィング性と疲労特性がよい傾向を示し
ていることがわかる。また、大気雰囲気溶解においては
Ｎ（％）−α値が０．０５を越えたものでは鋼塊中に巣
が発生し、製品として使用できないが、窒素雰囲気溶解
においてはＮ（％）−α値が０．０５以上においても巣
の発生もなく、耐スカッフィング性と耐疲労特性の優れ
た鋼が得られていることがわかる。

【００２５】図１は、表２の疲労寿命とスカッフ発生面
圧の関係を示した図である。図１から、本発明鋼は比較
例に対し、耐スカッフィング性と耐疲労特性の両方を同
時に向上させたものであることがわかる。

【００２６】なお、スカッフィング試験は、直径２０ｍ
ｍの棒状素材より機械加工により作製した試験片素材を
９５０〜１１００℃の範囲内で焼入れ後、硬さが３５〜
４５ＨＲＣになるように５００〜７００℃の範囲で焼戻
しを行い、５７０℃×３６０ｍｉｎで窒化処理を行った
ものを、摩擦摩耗試験機（ピンオンディスク方式）に
て、試験片測定面形状φ５．７ｍｍ、試験荷重１９６Ｎ
から各９８．１Ｎステップ（各荷重３ｍｉｎ保持）、試
験速度８ｍ／ｓ、潤滑油モーターオイル＃３０、油温度
８０℃、油吹きかけ４００ｃｃ／ｍｉｎ、相手材ＦＣ２
５０で行った。

【００２７】また疲労特性は、直径２０ｍｍの棒状素材
より機械加工により作製した試験片素材を、硬さが４０
ＨＲＣ±１となるように熱処理をした５号平滑試験片
（φ６ｍｍ）を用い、小野式回転曲げ疲労試験機で、回
転数３４００ｒｐｍ、負荷てこ長さ２００ｍｍ、繰り返
し応力８８２．６Ｎ／ｍｍ^２ にて実施した。

【００２８】つぎに、本発明の発明鋼Ｎ０．５及びＮ
０．７を用いて実際に（厚み寸法）×（幅寸法）が２．
５×３．５ｍｍの断面が四角形状のピストンリング用異
形線を製造した。そして、その加工性及び仕上がり物性
を調査した結果、何ら問題が無いことを確認した。

【００２９】

【発明の効果】本発明は上記のような構成であるから、
これをピストンリングに適用すればコストアップとなる
ＰＶＤを適用することなく、従来の安価な窒化処理によ
って優れた耐スカッフィング性と疲労特性（疲労寿命）
の両方が、従来の窒化適用では得られなかったレベルで
発揮される。よって、その工業的優位性が高い、といっ
た効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】疲労寿命とスカッフ発生面圧の関係を示した図
である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 質量％で、Ｃ：０．３０〜０．７５％、
   Ｃｒ：１４〜１９％、Ｎ：０．０５〜０．１９％、Ｓ
   ｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｐ：０．０５
   ％以下、Ｓ：０．０５％以下、かつ、 ２０≦Ｃｒ（％）／（Ｃ（％）＋Ｎ（％））≦３５であ
   り、Ｎ（％）の範囲がαで規定される下記式（１），
   （２）を満たし、 α−０．０５≦Ｎ（％）≦α＋０．０７・・・・・（１） α＝０．８８３×１０＾（０．０４６×Ｃｒ（％）−０．１３×Ｃ（％）− １．５７）・・・・・（２） 残部がＦｅ及び不純物を含むことを特徴とするピストン
   リング用マルテンサイト系ステンレス鋼。
2. 【請求項２】 質量％で、Ｍｏ：１．５％以下、Ｗ：
   ０．８％以下、Ｖ：１．０％以下、のうち１種もしくは
   ２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不純物を含むことを
   特徴とする請求項１記載のピストンリング用マルテンサ
   イト系ステンレス鋼。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載のピストンリング用
   マルテンサイト系ステンレス鋼を用いたピストンリング
   用異形線。