【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、舶用ディーゼル機関等のピストンリング材に関し、更に詳しくは、舶用鋳鋼製ピストンリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
舶用ディーゼル機関等のピストンリング材の従来技術としては、片状黒鉛鋳鉄材、球状黒鉛鋳鉄材と、コンパクテド・バーミキュラ（ＣＶ）黒鉛鋳鉄材とスチール製ピストンリング材がある。
このような従来技術にあたっては、鋳鉄材については、摺動性には優れているが耐折損性に劣り、スチール材については、耐折損性には優れているが，摺動性はオイルリングとしてのみ可であり、且つ鋳鉄と同等の摺動性を得るには到らないという問題点があった。
【０００３】
【本発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたもので、鋼の持つ耐折損性に加え、鋳造によりネット状炭化物を析出させて、耐スカッフ性、耐摩耗性の優れた鋳鋼製ピストンリング材、さらには、このピストンリングに窒化処理を施したものを提供することを解決すべき課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、重量比で０．６〜１．０％Ｃ、２．０以下Ｓｉ、２．０％以下Ｍｎ、０．０１９〜０．０５％Ｐ、０．００９〜０．１０％Ｓ、１０〜１４％Ｃｒ、０．２〜１．５％Ｍｏ、０．０３〜０．１５％Ｖ、残部が実質的にＦｅ及び不可避的不純物からなり、焼戻しマルテンサイト又はベーナイト基地中に５〜２０％のネット状の未固溶炭化物を有し、硬度ＨＲＣ３２〜４５とした舶用鋳鋼製ピストンリングを提供する。
【０００５】
好ましくは、シリンダ壁面との摺動面を窒化処理層とする。
【０００６】
【作用】
本発明の化学組成は以下のようにする。単に％で表す場合は重量％とする。
Ｃは高強度とネット状炭化物の生成による耐摩耗性向上のために必要であり、その効果のためには少なくとも0.６％が必要であり、1.０％を越えてはネット状炭化物の析出が多すぎ抗折力に悪影響を及ぼすために、0.６〜1.０％を好ましい範囲とする。
【０００７】
Siは脱酸剤としてのみならず、耐熱ヘタリ性を向上させる作用がある。しかし、加工性を劣化させるため、２％までを好ましい範囲とする。
【０００８】
Mnも脱酸剤で、一般の鉄鋼材料中に不可避的に存在する元素であって、硫黄と結合してMnS を作り被削性を増すが、焼入れ性が高くなり、靱性を害するようになるので、２％までを好ましい範囲とする。
【０００９】
Ｐは被削性を改善させるが、衝撃抵抗を低下させ、焼戻し脆性を促進させるために、本発明にあたっては少ない程望ましく、0.０５％以下とする。
【００１０】
Ｓは熱間加工性を害し、高温割れが生じ易くなるため、０．１０％以下とする。 Ｃｒ及びＶは鋳鋼の場合、少量では基地組織内に固溶して高温強度を高めるのみであるが、ある程度の含有量を越えるとネット状の炭化物を形成して摺動性を向上させる。Ｃｒは耐銹、耐酸化性の増大、Ｖは組織の微細化に効果があるので、Ｃｒは１０．０〜１４．０％とした。Ｃｒが１０％以下では炭化物はネット状に析出せず、１４．０％以上では耐摩耗性は向上するがネット状炭化物が太くなり耐折損性がおちるので上限を１４％とした。Ｖは０．０３〜０．１５％の範囲とする。
【００１１】
Moは高温での強度耐熱ヘタリ性、耐摩耗性を増大させる。また、Crと共存して耐食性を増し、とくに耐食性が問題となるディーゼル内燃機関のオイルリングとして効果を有する。
Moがこれらの作用を発揮するためには0.２％以上は必要であるが、1.５％以上含有してもその効果はそれほど増大せずコストが高くなるので0.２％〜1.５％を好ましい範囲とする。
【００１２】
組織は、高い摺動性を得るために、焼入れ、焼戻しによる焼戻しマルテンサイト又はベーナイトの基地中に未固溶炭化物が５〜２０％ネット状に析出したものであり、硬度は、低すぎては靱性が悪く、高すぎては脆く加工性も悪いため、焼戻し温度で、ＨＲＣ３２〜４５とする。
摺動性の向上のため、さらには、このピストンリング材の少なくともシリンダ壁との摺動面に窒化処理を施すこととした。
【００１３】
【実施例】
軟鋼、ＤＲ銑、金属Cr、HC-Mn 、５０Ｓ、Ｃ粉、フェロモリブテン、フェロバナジウムを原材料にして配合し、高周波電気炉で溶解、金属AlとCa-Si-Mnによって脱酸を行いながら、１６６０℃で出湯し、シェル製のＹ型Ｂ号の供試材型に鋳込む。これを焼入れ、焼戻しして、焼戻しマルテンサイト組織又はベーナイト組織にしたものを供試材とした。
供試材の分析値は表１に示す通りである。
【００１４】
【表１】
【００１５】
図１はかくして得られた本発明の鋳鋼材料の金属組織を示す倍率４００倍のマーブル腐食の顕微鏡写真、図２は比較のスチール製ピストンリング材の金属組織を示す倍率４００倍のマーブル腐食の顕微鏡写真を示す。
【００１６】
(1) 機械試験
この供試材から、引張試験片としてＪＩＳ １４Ａ号、抗折試験片として１０×１０×１２０mm衝撃試験片として１０×１０×６０mmノッチ無しを採取してそれぞれ試験をおこない、ロックウエル硬さ試験もおこなった。
試験結果は、引張試験について図３、抗折試験について図４、シャルピー衝撃試験について図５に示す通りである。同図から、本発明鋳鋼材料は、抗折力、衝撃値において、共にスチール材と同等であり、鋳鉄材の２倍以上の靱性を持つことがわかる。
【００１７】
(2) スカッフ試験
試験片（５×５×１０mm寸法、研磨仕上げ済み）は本発明鋳鋼材と、比較材としてＣＶ黒鉛鋳鉄材およびスチール材を用い、相手材にはボロン入り鋳鉄を用いた。
試験装置は図５及び図６に概要を図解的に示すものであって、ステータホルダ１に取外し可能に取付けられた直径８０mm、厚さ１０mmの研磨仕上げを施した円板２の中央には裏側から注油孔３を通じて潤滑油が注油される。ステータ１には油圧装置（図示せず）によって右方へ向けて所定圧力で押圧力Ｐが作用するようにしてある。円板２に相対向してロータ４があり、駆動装置（図示せず）によって所定速度で回転するようにしてある。ロータ４の円板２に対する端面に取付けられた試験片保持具４ａには正方形端面を摺動面として試験片５が同心円上に等間隔に４個取外し可能に、かつ、円板２に対して摺動自在に取付けてある。
このような装置に於いてステータ１に所定の押圧力Ｐをかけ、所定の面圧で円板（相手材）２と試験片５とが接触するようにしておいて、注油孔３から摺動面に所定給油速度で給油しながらロータ４を回転させる。一定時間毎にステータ１に作用する圧力を階段的に増加して行き、ロータ４の回転によって試験片５と相手の円板２との摩擦によってステータ１に生ずるトルク（摩擦力によって生ずるトルク）Ｔをスピンドル６を介してロードセル７に作用せしめ、その変化を動歪計８で読み、記録計９に記録させる。トルクＴが急激に上昇するときにスカッフが生じたものとして、その時の接触面圧をもってスカッフ発生面圧とし、この大小をもって耐スカッフ性の良否を判断する。
試験条件は次に示す通りである。速度は８ m／sec 、潤滑油及び給油条件はモータオイル＃３０にて温度８０℃、４００ml、接触圧力は４０kg／cm2 で２０分間馴し運転後５０kg／cm2 で３分間、その後３分間経過毎に１０kg／cm2 づつ上昇させる。
試験結果を図８に示す。本発明鋳鋼材料はＣＶ鋳鉄材と同等レベルであり、スチール材と比較して耐スカッフ性が改善されていることがわかる。
【００１８】
(3) 摩耗試験
試験片は５×５×２１mmで一方を１０Ｒ加工したものを用いた。試験装置は図９に概要を図解的に示すものであって、円柱状のドラム１０の軸部にはヒーター１１が入っており所定の温度に保たれるようになっていて、駆動装置（図示せず）によって所定速度で回転する。
そのドラム１０の側面に試験片１２の１０Ｒ加工した部分をエアーシリンダによって押し当てられている。
このような装置に於いてドラム１０を所定の温度にしておき、試験片を所定の圧力で側面に当てる。所定の時間だけ保持させた後、試験片の摩耗量は高さ寸法の減少で、相手材のそれはドラム１０の側面にできた溝の断面積をもって、耐摩耗性を判断する。試験条件は次に示す通りである。温度１８０℃、潤滑油及び給油条件はモーターオイル＃３０で0.１５cc／sec の割合で摺動面を潤滑給油する。摩擦速度は0.２５ m／sec 、接触荷重は６Kg、試験時間は４Hrs である。試験結果は図１０に示す。
図１０からは、本発明鋳鋼材料はＣＶ鋳鉄材及びスチール材に比べて摩耗量が少なく、優れた耐摩耗性を持つことがわかる。
【００１９】
【効果】
以上説明したように、本発明鋳鋼材料は、鋼成分により靱性に優れ、ネット状炭化物を析出させることにより耐スカッフ性、耐摩耗性にも優れた材料であり、舶用ディーゼル機関等のピストンリング材として好適であり、さらには、少なくともシリンダ壁との摺動面に表面処理を施すことは、極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明鋳鋼材料の金属組織を示す倍率４００倍のマーブル腐食の顕微鏡写真。
【図２】図２は比較としてスチール材の金属組織を示す倍率４００倍のマーブル腐食の顕微鏡写真。
【図３】図３は引張試験結果を示すグラフ図。
【図４】図４は抗折試験結果を示すグラフ図。
【図５】図５はシャルピー衝撃試験結果を示すグラフ図。
【図６】図６はスカッフ試験に使用した試験装置の概要を示す図。
【図７】図７はスカッフ試験に使用した試験装置の概要を示す図。
【図８】図８はそのスカッフ試験結果を示すグラフ図。
【図９】図９は摩耗試験に使用した試験装置の概要を示す図。
【図１０】図１０はその摩耗試験結果を示すグラフ図。
【符号の説明】
１ ステータ
２ 相手材円板
３ 注油孔
４ ロータ
５ 試験片
６ スピンドル
７ ロードセル
８ 動歪計
９ 記録計
１０ ドラム
１１ 試験片
１２ ヒーター[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a piston ring material for a marine diesel engine, and more particularly to a marine cast steel piston ring.
[0002]
[Prior art]
Conventional technologies for piston ring materials for marine diesel engines include flake graphite cast iron materials, spheroidal graphite cast iron materials, compacted vermicular (CV) graphite cast iron materials, and steel piston ring materials.
In such prior art, cast iron material is excellent in slidability but inferior in breakage resistance, and steel material is excellent in breakage resistance, but slidability is as oil ring. However, there is a problem that it is not possible to obtain slidability equivalent to that of cast iron.
[0003]
[Problems to be solved by the present invention]
The present invention has been made by paying attention to such conventional problems. In addition to the fracture resistance of steel, the present invention is made by casting a net-like carbide by casting to produce cast steel having excellent scuff resistance and wear resistance. It is an object to be solved to provide a piston ring material, and further, a material obtained by nitriding the piston ring.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present invention has a weight ratio of 0.6 to 1.0% C, 2.0 or less Si, 2.0% or less Mn, 0.019 to 0.05% P, 0.009 to 0.10% S. 10 to 14% Cr, 0.2 to 1.5% Mo, 0.03 to 0.15% V, the balance being substantially composed of Fe and inevitable impurities, and 5 to 5 in the tempered martensite or bainite base. Provided is a marine cast steel piston ring having 20% net-like undissolved carbide and having a hardness of HRC 32-45.
[0005]
Preferably, the sliding surface with the cylinder wall surface is a nitriding layer.
[0006]
[Action]
The chemical composition of the present invention is as follows. When expressed simply as%, it is weight%.
C is necessary for improving the wear resistance due to the high strength and the formation of net-like carbides, and for its effect, at least 0.6% is necessary, and exceeding 1.0% of the net-like carbides. In order to have too much precipitation and to adversely affect the bending strength, the preferable range is 0.6 to 1.0%.
[0007]
Si not only acts as a deoxidizer but also has an effect of improving heat resistance. However, in order to deteriorate the workability, the preferable range is up to 2%.
[0008]
Mn is also a deoxidizer, an element that is unavoidably present in general steel materials, and combines with sulfur to form MnS to increase machinability, but it increases hardenability and impairs toughness. Therefore, the preferable range is up to 2%.
[0009]
P improves machinability, but in order to reduce impact resistance and promote temper brittleness, P is desirably as small as possible in the present invention, and is made 0.05% or less.
[0010]
S impairs hot workability and tends to cause hot cracking, so 0.10% or less. In the case of cast steel, Cr and V only dissolve in the base structure and increase the high-temperature strength in a small amount, but if a certain content is exceeded, a net-like carbide is formed to improve the slidability. Since Cr is effective in increasing wrinkle resistance and oxidation resistance, and V is effective in refining the structure, Cr is set to 10.0 to 14.0% . When Cr is 10% or less, the carbide does not precipitate in the form of a net, and when it is 14.0% or more, the wear resistance is improved, but the net-like carbide becomes thick and the breakage resistance is lowered, so the upper limit was made 14%. V is in the range of 0.03 to 0.15%.
[0011]
Mo increases strength, heat resistance, and wear resistance at high temperatures. It also increases the corrosion resistance when coexisting with Cr, and is particularly effective as an oil ring for diesel internal combustion engines where corrosion resistance is a problem.
In order for Mo to exhibit these actions, 0.2% or more is necessary, but even if it contains 1.5% or more, the effect does not increase so much and the cost increases, so 0.2% to 1. 5% is a preferable range.
[0012]
Organization, in order to obtain a high sliding property, which hardening is undissolved carbides in a matrix of tempered martensite or bainite by tempering deposited on 5-20% net-like, the hardness is too low The toughness is poor, and if it is too high, it is brittle and the workability is poor, so the tempering temperature is set to HRC 32-45.
In order to improve slidability, nitriding treatment was further applied to at least the sliding surface of the piston ring material with the cylinder wall.
[0013]
【Example】
Mild steel, DR iron, metal Cr, HC-Mn, 50S, C powder, ferromolybten, ferrovanadium are mixed as raw materials, dissolved in a high-frequency electric furnace, deoxidized with metal Al and Ca-Si-Mn, The hot water is discharged at 1660 ° C. and cast into a Y-type B test material mold made of shell. This was quenched and tempered to obtain a tempered martensite structure or a bainitic structure as a test material.
The analysis values of the test materials are as shown in Table 1.
[0014]
[Table 1]
[0015]
FIG. 1 is a micrograph of 400 times the marble corrosion showing the metal structure of the cast steel material of the present invention thus obtained, and FIG. 2 is a 400 times magnified microscope of the marble corrosion showing the metal structure of the comparative steel piston ring material. Show photos.
[0016]
(1) Mechanical test JIS 14A as a tensile test piece, 10 x 10 x 120 mm as an anti-bending test piece, 10 x 10 x 60 mm without notch were taken from this specimen, and each test was conducted. A hardness test was also performed.
The test results are as shown in FIG. 3 for the tensile test, FIG. 4 for the bending test, and FIG. 5 for the Charpy impact test. From the figure, it can be seen that the cast steel material of the present invention is equivalent to the steel material in both the bending strength and impact value, and has a toughness twice or more that of the cast iron material.
[0017]
(2) The scuff test specimen (5 × 5 × 10 mm size, polished finish) was made of the cast steel material of the present invention, CV graphite cast iron material and steel material as comparative materials, and cast iron containing boron as the counterpart material.
The test apparatus is schematically shown in FIGS. 5 and 6. The test apparatus is detachably attached to the stator holder 1 and has a disc 2 having a polishing finish of 80 mm in diameter and 10 mm in thickness. The lubricating oil is injected through the oil supply hole 3. A pressing force P is applied to the stator 1 at a predetermined pressure toward the right by a hydraulic device (not shown). A rotor 4 is opposed to the disk 2 and is rotated at a predetermined speed by a driving device (not shown). The test piece holder 4a attached to the end face of the rotor 4 with respect to the disk 2 has four square test pieces 5 which can be removed at equal intervals on a concentric circle with the square end face as a sliding surface. It is slidably attached.
In such an apparatus, a predetermined pressing force P is applied to the stator 1 so that the disk (counter member) 2 and the test piece 5 are brought into contact with each other at a predetermined surface pressure, and slides from the oil injection hole 3. The rotor 4 is rotated while refueling the surface at a predetermined refueling speed. The torque acting on the stator 1 is increased stepwise at regular intervals, and the torque (torque generated by the frictional force) T generated by the friction between the test piece 5 and the counterpart disk 2 by the rotation of the rotor 4 T Is applied to the load cell 7 via the spindle 6, and the change is read by the dynamic strain meter 8 and recorded on the recorder 9. Assuming that the scuff is generated when the torque T increases rapidly, the contact surface pressure at that time is used as the scuff generation surface pressure, and whether the scuff resistance is good or not is determined based on this magnitude.
The test conditions are as follows. Speed is 8 m / sec. Lubricating oil and lubrication conditions are motor oil # 30, temperature 80 ° C, 400 ml, contact pressure is 40 kg / cm 2 for 20 minutes, and after operation, 50 kg / cm 2 for 3 minutes, then 3 minutes 10kg / cm 2 at a time is increased at every elapse.
The test results are shown in FIG. The cast steel material of the present invention is at the same level as the CV cast iron material, and it can be seen that the scuff resistance is improved as compared with the steel material.
[0018]
(3) The abrasion test specimen used was 5 × 5 × 21 mm and 10R processed on one side. The test apparatus schematically shows the outline in FIG. 9, and a shaft 11 of a cylindrical drum 10 is provided with a heater 11 so as to be maintained at a predetermined temperature. Rotate at a predetermined speed.
A 10R processed portion of the test piece 12 is pressed against the side surface of the drum 10 by an air cylinder.
In such an apparatus, the drum 10 is kept at a predetermined temperature, and the test piece is applied to the side surface at a predetermined pressure. After holding for a predetermined time, the wear amount of the test piece is a decrease in the height dimension, and that of the counterpart material is determined by the cross-sectional area of the groove formed on the side surface of the drum 10 to determine the wear resistance. The test conditions are as follows. Lubricating and sliding the sliding surface at a rate of 0.15 cc / sec with motor oil # 30 at a temperature of 180 ° C. and lubricating oil and lubrication conditions. The friction speed is 0.25 m / sec, the contact load is 6 kg, and the test time is 4 hours. The test results are shown in FIG.
From FIG. 10, it can be seen that the cast steel material of the present invention has a smaller wear amount than the CV cast iron material and steel material and has excellent wear resistance.
[0019]
【effect】
As described above, the cast steel material of the present invention is a material that has excellent toughness due to the steel components and also has excellent scuffing and wear resistance by precipitating net-like carbides, and is a piston ring material for marine diesel engines, etc. Furthermore, it is extremely effective to perform surface treatment on at least the sliding surface with the cylinder wall.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a photomicrograph of marble corrosion at a magnification of 400 times showing the metal structure of a cast steel material of the present invention.
FIG. 2 is a micrograph of marble corrosion at a magnification of 400 times showing a metal structure of a steel material as a comparison.
FIG. 3 is a graph showing the results of a tensile test.
FIG. 4 is a graph showing the bending test results.
FIG. 5 is a graph showing a Charpy impact test result.
FIG. 6 is a diagram showing an outline of a test apparatus used for a scuff test.
FIG. 7 is a diagram showing an outline of a test apparatus used for a scuff test.
FIG. 8 is a graph showing the results of the scuff test.
FIG. 9 is a diagram showing an outline of a test apparatus used for a wear test.
FIG. 10 is a graph showing the wear test results.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Stator 2 Counterpart disk 3 Lubrication hole 4 Rotor 5 Test piece 6 Spindle 7 Load cell 8 Dynamic strain meter 9 Recorder 10 Drum 11 Test piece 12 Heater
