JP3749809B2 - 高温耐摩耗性および熱伝導性の優れた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環 - Google Patents
高温耐摩耗性および熱伝導性の優れた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、すぐれた高温耐摩耗性および熱伝導性を有し、かつ相手攻撃性 （ピストンリング攻撃性）の小さい冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高速ディーゼルエンジンのピストンは、図８（ａ）の概略縦断面図に示されるように、ピストンリング耐摩環１をピストン鋳物本体２の鋳造時にトップランド部３直下に鋳包むことにより取り付け、その後このピストンリング耐摩環１の外周を切削することによりピストンリング耐摩環１の外周に断面コの字状のトップリング溝４を形成し、ピストンリング５をこのトップリング溝４に同（ｂ）の要部縦断面図で示されるように嵌合して製造することは知られている。
【０００３】
前記ピストン鋳物本体２は主としてＳｉ：８〜１３重量％を含有したＡｌ−Ｓｉ系合金で構成され、さらに上記ピストンリング耐摩環１は良好な耐摩耗性と相手攻撃性の低いＦｅ−Ｎｉ−Ｃｕ系焼結材料（組成：Ｆｅ−８〜２５％Ｎｉ−３．５〜１０％Ｃｕ−２．０％以下Ｃ）や、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｃｒ系オーステナイト鋳鉄であるニレジスト鋳鉄（組成：Ｆｅ−１３〜１６％Ｎｉ−５〜８％Ｃｕ−１．５〜２．４％Ｃｒ−１．４〜１．８％Ｓｉ−０．５〜１．２％Ｍｎ−２．５〜３％Ｃ、以上重量％、以下％は重量％を示す）などの材料で構成されていることも知られる。
【０００４】
このようにして製造したピストン鋳物本体２には、冷却空洞６が設けられており、この冷却空洞６にオイルを通すことによりピストン鋳物本体２自体およびピストンリング耐摩環１を冷却している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一方、エンジンに対する排気ガス規制は年々厳しさを増す傾向にあり、同時に燃費の向上も依然として求められており、この対応手段として、近年、過給率を増大する傾向に有る。これら新型エンジンでは燃焼室内が従来のエンジンよりも高温になり、ピストンリング耐摩環も高温燃焼室の影響を受けるため、従来のＦｅ−Ｎｉ−Ｃｕ系焼結材料やニレジスト鋳鉄で構成されているピストンリング耐摩環では急速な摩耗の進行は避けられない。
そのため、ピストン鋳物本体２内部に設けられた冷却空洞６を可能な限りピストンリング耐摩環１の近くに設けて耐摩環の熱影響を軽減しようとているが、ピストン鋳物本体２内部の冷却空洞６をピストンリング耐摩環１に接する程度に近くに形成することは難しい。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、新型エンジンに組み込むことのできる高温耐摩耗性および熱伝導性の優れたピストンリング耐摩環を開発すべく研究を行った結果、
図１の一部斜視断面図に示されるように、空洞７を有する鋼パイプからなる内輪環８と鉄基焼結合金からなる外輪環９が同心円状に接合した構造を有するピストンリング複合耐摩環１１は、
（ａ）肉厚の薄いリング状の鋼パイプで構成された内輪環８が鉄基焼結合金からなる外輪環９に直接接合しているために、外輪環９の冷却能力が改善されて高温耐摩耗性を向上させることができる、
（ｂ）ピストンリング複合耐摩環の外輪環９を鉄基焼結合金に含まれるＣｕ成分含有量を従来の鉄基焼結合金よりも多いＣｕ：１１〜４０％とし、さらにこの鉄基焼結合金の組織が、Ｆｅを主成分とするＦｅ基合金相をＣｕを主成分とするＣｕ基合金相により結合している組織となっているために、熱伝導性にすぐれ、放熱性が良くなって温度上昇が低減され、したがって高温耐摩耗性が一層向上する、
（ｃ）さらに、外輪環９がＦｅを主成分とする硬質なＦｅ基合金相およびＣｕを主成分とする軟質なＣｕ基合金相からなる硬軟混合組織からなるために、耐摩耗性に優れるとともに相手攻撃性が小さい特性を示し、さらにピストンリング複合耐摩環をピストン本体に鋳包るんだ場合に、ピストン本体を構成するＡｌ−Ｓｉ系合金との密着性が向上する、
という研究結果を得たのである。
【０００７】
この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、
（１）鋼パイプからなる内輪環と鉄基焼結合金からなる外輪環が同心円状に接合した構造を有する冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環であって、前記鉄基燒結合金からなる外輪環は、重量％で、Ｃｕ：１１〜４０％、Ｎｉ：０．５〜１０％、Ｃ：０．００１〜３％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成、並びにＦｅを主成分とするＦｅ基合金相をＣｕを主成分とするＣｕ基合金相により結合してなる組織を有する鉄基焼結合金で構成されている高温耐摩耗性および熱伝導性の優れた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環、
に特徴を有するものである。
【０００８】
この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の外輪環９を構成する鉄基焼結合金は、Ｆｅを主成分とするＦｅ基合金相をＣｕを主成分とするＣｕ基合金相で結合してなる組織を有するが、この組織中に遊離黒鉛が分散していることがありまた無いこともある。この遊離黒鉛の析出の有無は、鉄基燒結合金に含有する炭素の量によるもので、鉄基燒結合金に含有するＣが０．８％未満では遊離黒鉛の析出は見られないが、０．８％を越えると遊離黒鉛が析出する。したがって、相手攻撃性（ピストンリング攻撃性）の一層小さい冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環を必要とするときは、Ｃ：０．８〜３％に調整し、相手攻撃性 （ピストンリング攻撃性）を考慮する必要の無いときは、Ｃ：０．００１〜０．８％未満に調整した冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環を作ることが好ましい。
【０００９】
この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の鉄基焼結合金からなる外輪環９の組織を構成するＦｅ基合金相およびＣｕ基合金相の成分含有量はＥＰＭＡにより測定して求めることができる。ＥＰＭＡにより測定した結果、前記Ｆｅ基合金相はＮｉ、ＣｕおよびＣを含みかつＦｅを５０重量％以上含んでおり、前記Ｃｕ基合金相はＮｉ、ＦｅおよびＣを含みかつＣｕを５０重量％以上含んでおり、さらにＦｅ基合金相に含まれるＮｉおよびＣの濃度は、Ｃｕ基合金相に含まれるＮｉおよびＣの濃度よりも大であることが分かった。
【００１０】
したがって、この発明は、
（２）鋼パイプからなる内輪環と鉄基焼結合金からなる外輪環が同心円状に接合した構造を有する冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環であって、前記鉄基燒結合金からなる外輪環は、重量％で、Ｃｕ：１１〜４０％、Ｎｉ：０．５〜１０％、Ｃ：０．００１〜３％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成、並びにＦｅを主成分とするＦｅ基合金相をＣｕを主成分とするＣｕ基合金相により結合してなる組織を有し、
前記Ｆｅを主成分とするＦｅ基合金相は、Ｎｉ、ＣｕおよびＣを含みかつＦｅを５０％以上含むＦｅ基合金相であり、
前記Ｃｕを主成分とするＣｕ基合金相はＮｉ、ＦｅおよびＣを含みかつＣｕを５０％以上含むＣｕ基合金相であり、
前記Ｆｅ基合金相に含まれるＮｉおよびＣの濃度は、前記Ｃｕ基合金相に含まれるＮｉおよびＣの濃度よりも大きい鉄基焼結合金で構成されている高温耐摩耗性および熱伝導性のすぐれた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環、
に特徴を有するものである。
【００１１】
この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の外輪環は、前記（１）または（２）記載の組成を有する鉄基焼結合金に、さらにＭｏ：０．１〜１５％、Ｃｒ：０．１〜１０％の内の１種または２種を含有することが一層好ましく、これらＭｏおよびＣｒはいずれもＦｅ基合金相およびＣｕ基合金相に固溶するが、ＭｏおよびＣｒの固溶量はＦｅ基合金相の方がＣｕ基合金相よりも多い。
したがって、この発明は、
（３）鋼パイプからなる内輪環と鉄基焼結合金からなる外輪環が同心円状に接合した構造を有する冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環であって、前記鉄基燒結合金からなる外輪環は、重量％で、Ｃｕ：１１〜４０％、Ｎｉ：０．５〜１０％、Ｃ：０．００１〜３％、Ｃｒ：０．１〜１０％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成、並びにＦｅを主成分とするＦｅ基合金相をＣｕを主成分とするＣｕ基合金相により結合してなる組織を有する鉄基焼結合金で構成した高温耐摩耗性および熱伝導性のすぐれた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環、
（４）前記Ｆｅを主成分とするＦｅ基合金相は、Ｎｉ、Ｃｕ、ＣｒおよびＣを含みかつＦｅを５０％以上含むＦｅ基合金相であり、
前記Ｃｕを主成分とするＣｕ基合金相は、Ｎｉ、Ｆｅ、ＣｒおよびＣを含みかつＣｕを５０％以上含むＣｕ基合金相であり、
前記Ｆｅ基合金相に含まれるＮｉ、ＣｒおよびＣの濃度は、前記Ｃｕ基合金相に含まれるＮｉ、ＣｒおよびＣの濃度よりも大きい前記（３）記載の高温耐摩耗性および熱伝導性のすぐれた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環、
（５）鋼パイプからなる内輪環と鉄基焼結合金からなる外輪環が同心円状に接合した構造を有する冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環であって、前記鉄基燒結合金からなる外輪環は、重量％で、Ｃｕ：１１〜４０％、Ｎｉ：０．５〜１０％、Ｃ：０．００１〜３％、Ｍｏ：０．１〜１５％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成、並びにＦｅを主成分とするＦｅ基合金相をＣｕを主成分とするＣｕ基合金相により結合してなる組織を有する鉄基焼結合金で構成した高温耐摩耗性および熱伝導性のすぐれた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環、
（６）前記Ｆｅを主成分とするＦｅ基合金相は、Ｎｉ、Ｃｕ、ＭｏおよびＣを含みかつＦｅを５０％以上含むＦｅ基合金相であり、
前記Ｃｕを主成分とするＣｕ基合金相は、Ｎｉ、Ｆｅ、ＭｏおよびＣを含みかつＣｕを５０％以上含むＣｕ基合金相であり、
前記Ｆｅ基合金相に含まれるＮｉ、ＭｏおよびＣの濃度は、前記Ｃｕ基合金相に含まれるＮｉ、ＭｏおよびＣの濃度よりも大きい前記（５）記載の高温耐摩耗性および熱伝導性のすぐれた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環、
（７）鋼パイプからなる内輪環と鉄基焼結合金からなる外輪環が同心円状に接合した構造を有する冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環であって、前記鉄基燒結合金からなる外輪環は、重量％で、Ｃｕ：１１〜４０％、Ｎｉ：０．５〜１０％、Ｃ：０．００１〜３％、Ｍｏ：０．１〜１５％、Ｃｒ：０．１〜１０％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成、並びにＦｅを主成分とするＦｅ基合金相をＣｕを主成分とするＣｕ基合金相により結合してなる組織を有する鉄基焼結合金で構成した高温耐摩耗性および熱伝導性のすぐれた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環、
（８）前記Ｆｅを主成分とするＦｅ基合金相は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、ＣｒおよびＣを含みかつＦｅを５０％以上含むＦｅ基合金相であり、
前記Ｃｕを主成分とするＣｕ基合金相は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｏ、ＣｒおよびＣを含みかつＣｕを５０％以上含むＣｕ基合金相であり、
前記Ｆｅ基合金相に含まれるＮｉ、Ｍｏ、ＣｒおよびＣの濃度は、前記Ｃｕ基合金相に含まれるＮｉ、Ｍｏ、ＣｒおよびＣの濃度よりも大きい前記（７）記載の高温耐摩耗性および熱伝導性のすぐれた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環、
に特徴を有するものである。
【００１２】
Ｍｏ：０．１〜１５％を含有する鉄基燒結合金からなる外輪環は、原料粉末としてＭｏ含有量が１５％以下のＦｅ−Ｍｏ合金粉末を使用して製造すると、素地中に前記Ｍｏを主成分とした硬質粒子は生成しないが、原料粉末としてＭｏ含有量が１５％を越えるＭｏ−Ｆｅ合金粉末を使用して製造すると、Ｍｏを５０％以上含有するＭｏを主成分とした硬質粒子が素地中に分散している組織が得られ、この組織を有するピストンリング複合耐摩環は特に耐摩耗性が向上する。したがって、この発明は、
（９）前記（５），（６），（７）または（８）記載のＭｏを含む鉄基燒結合金からなる外輪環は、Ｆｅを主成分とするＦｅ基合金相をＣｕを主成分とするＣｕ基合金相により結合してなる素地中にＭｏを主成分とした硬質粒子が均一分散した組織を有する高温耐摩耗性および熱伝導性の優れた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環、に特徴を有するものである。
【００１３】
前記（９）記載の発明を一層具体的に記載すると、
（イ）鋼パイプからなる内輪環と鉄基焼結合金からなる外輪環が同心円状に接合した構造を有する冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環であって、前記鉄基燒結合金からなる外輪環は、重量％で、Ｃｕ：１１〜４０％、Ｎｉ：０．５〜１０％、Ｃ：０．００１〜３％、Ｍｏ：０．１〜１５％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成、並びにＦｅを主成分とするＦｅ基合金相をＣｕを主成分とするＣｕ基合金相により結合してなる素地中にＭｏを主成分とした硬質粒子が分散している組織を有する鉄基焼結合金で構成した高温耐摩耗性および熱伝導性のすぐれた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環、
（ロ）前記Ｆｅを主成分とするＦｅ基合金相は、Ｎｉ、Ｃｕ、ＭｏおよびＣを含みかつＦｅを５０％以上含むＦｅ基合金相であり、
前記Ｃｕを主成分とするＣｕ基合金相は、Ｎｉ、Ｆｅ、ＭｏおよびＣを含みかつＣｕを５０％以上含むＣｕ基合金相であり、
前記Ｆｅ基合金相に含まれるＮｉ、ＭｏおよびＣの濃度は、前記Ｃｕ基合金相に含まれるＮｉ、ＭｏおよびＣの濃度よりも大きい前記（イ）記載の高温耐摩耗性および熱伝導性のすぐれた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環、
（ハ）鋼パイプからなる内輪環と鉄基焼結合金からなる外輪環が同心円状に接合した構造を有する冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環であって、前記鉄基燒結合金からなる外輪環は、重量％で、Ｃｕ：１１〜４０％、Ｎｉ：０．５〜１０％、Ｃ：０．００１〜３％、Ｍｏ：０．１〜１５％、Ｃｒ：０．１〜１０％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成、並びにＦｅを主成分とするＦｅ基合金相をＣｕを主成分とするＣｕ基合金相により結合してなる素地中にＭｏを主成分とした硬質粒子が分散している組織を有する鉄基焼結合金で構成した高温耐摩耗性および熱伝導性のすぐれた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環、
（ニ）前記Ｆｅを主成分とするＦｅ基合金相は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、ＣｒおよびＣを含みかつＦｅを５０％以上含むＦｅ基合金相であり、
前記Ｃｕを主成分とするＣｕ基合金相は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｏ、ＣｒおよびＣを含みかつＣｕを５０％以上含むＣｕ基合金相であり、
前記Ｆｅ基合金相に含まれるＮｉ、Ｍｏ、ＣｒおよびＣの濃度は、前記Ｃｕ基合金相に含まれるＮｉ、Ｍｏ、ＣｒおよびＣの濃度よりも大きい前記（ハ）記載の高温耐摩耗性および熱伝導性のすぐれた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環、となる。
【００１４】
この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の内輪環を構成する鋼パイプは、炭素鋼、合金鋼などいかなる鋼のパイプでも良いが、これらの鋼の内でもステンレス鋼パイプを使用することが耐熱性、強度、耐食性、コストなどの点から最も好ましい。
したがって、この発明は、
（１０）前記内輪環を構成する鋼パイプは、ステンレス鋼パイプである前記（１）、（３）、（５）または（７）記載の高温耐摩耗性および熱伝導性の優れた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環、に特徴を有するものである。
この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の内輪環を構成する鋼パイプは、図１の一部切欠き斜視図に示されるような断面が四角形であることが製造しやすいところから好ましいが、鋼パイプは断面が四角形に限定されるものではなく、図５および図６の一部切欠き斜視図に示されるような断面が円形であっても良く、その他任意の断面形状を有する鋼パイプを使用することができる。
【００１５】
次に、前記（１）および（２）記載の成分組成を有するこの発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の製造方法を図面により具体的に述べる。
まず、図２（ａ）はこの発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の内輪環を構成するリング状鋼パイプ（以下、リングパイプという）１８の断面図であり、このリングパイプ１８は突合せ溶接して製造することができる。
次に、原料粉末として、Ｆｅ粉末、黒鉛粉末およびＣｕ−Ｎｉ合金粉末を用意し、これら原料粉末を金型成形時の潤滑剤であるステアリン酸亜鉛粉末またはエチレンビスステアラミドとともにダブルコーンミキサーで混合して混合粉末を作製し、この混合粉末をプレス成形してリング状圧粉体（図２には図示せず）を作製し、このリング状圧粉体を仮燒結して図２（ｂ）の断面図に示されるリング状仮燒結体１９を作製する。このリング状仮燒結体１９の内部に同心円状にリングパイプ１８を図２（ｃ）の断面図に示されるようにはめ込むことにより中間体１５を作製し、この中間体１５を本燒結することにより図１の一部切欠き斜視図に示されるような鋼パイプからなる内輪環と鉄基焼結合金からなる外輪環が同心円状に接合した構造を有するこの発明の冷却空洞７付きピストンリング複合耐摩環１１を作ることができる。
【００１６】
さらに、図３（ａ）の断面図に示されるリングパイプ１８を、図３（ｂ）の断面図に示される混合粉末をプレス成形して得られたリング状圧粉体２９に直接図３（ｃ）の断面図に示されるようにリング状圧粉体２９が破壊しないように注意して同心円状にはめ込むことによりリングパイプ１８およびリング状圧粉体２９からなる中間体２５を作製し、この中間体２５をそのまま燒結することにより図１の一部切欠き斜視図に示されるような鋼パイプからなる内輪環と鉄基焼結合金からなる外輪環が同心円状に接合した構造を有するこの発明の冷却空洞７付きピストンリング複合耐摩環１１を作ることができる。
【００１７】
なお、図示されてはいないが、前記作製したリングパイプを所定の金型内にセットし、金型の内部側壁とリングパイプの間に前記作製した混合粉末を充填し、充填した混合粉末をプレス成形して圧粉体を形成することにより図３（ｃ）の断面説明図に示されるリングパイプ１８と圧粉体２９が同心円状に接合してなる中間体２５を作製し、この中間体２５を燒結することにより、図１の一部切欠き斜視図に示されるような鋼パイプからなる内輪環８と鉄基焼結合金からなる外輪環９が同心円状に接合してなる構造を有するこの発明の冷却空洞７付きピストンリング複合耐摩環１１を作製することもできる。
【００１８】
前記図２（ｃ）に示されるリングパイプ１８およびリング状仮燒結１９からなる中間体１５の本燒結、並びに図３（ｃ）のリングパイプ１８およびリング状圧粉体２９からなる中間体２５の燒結は、水素含有窒素雰囲気中、温度：１１００〜１３００℃（好ましくは、１１００〜１２００℃）で行われる。前記中間体１５および２５の焼結により、中間体の外周に位置する仮燒結体１９および圧粉体２９は燒結して収縮し、リングパイプ１８に密着すると共にリングパイプ１８と燒結体は一部拡散接合し、図１に示される鋼パイプからなる内輪環８と鉄基焼結合金からなる外輪環９が同心円状に接合してなる構造のこの発明の冷却空洞７付きピストンリング複合耐摩環１１を作製することができる。
【００１９】
このようにして作製したピストンリング複合耐摩環１１は、図４の概略縦断面図に示されるように、ピストンリング複合耐摩環１１をピストン鋳物本体２の鋳造時にトップランド部３直下に鋳包むことによりピストン鋳物本体２の内部に鋼パイプからなる冷却空洞７を形成し、その後このピストンリング複合耐摩環１１の外輪環９の外周を切削することによりピストンリング複合耐摩環１１の外周に断面コの字状のトップリング溝４を形成し、ピストンリング５をこのトップリング溝４に嵌合してピストンに組み込まれる。
【００２０】
この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環は、図５の一部切欠き斜視図に示されるように、リングパイプ１８の断面形状は円形でも良く、断面円形のリングパイプを仮燒結体または圧粉体にはめ込むことにより中間体を作製し、これを燒結して作製することができる。このようにして得られたこの発明の冷却空洞７付きピストンリング複合耐摩環１１は、内輪環８が断面円形であるために、内輪環８と外輪環９の接合部分Ｓが狭いが、図６の一部切欠き斜視図に示されるように、内輪環８の外半周部分を外輪環９で包み込んで接合部分Ｓを広くすることもできる。
【００２１】
図６の一部切欠き斜視図に示されるこの発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環１１は、図７の断面説明図に示されるように、前記作製した断面円形のリングパイプ１８を下金型１０内にセットし、下金型１０の内部側壁１２と断面円形のリングパイプ１８の間に前記作製した混合粉末１３を充填し、充填した混合粉末１３を上金型１４によりプレス成形してリングパイプ１８の外側半周部分に圧粉体を形成することにより中間体（この中間体は図示せず）を作製し、この中間体を燒結することにより作製することができる。圧粉体成形時に断面が円形のリングパイプ１８は幾分つぶれて断面が楕円形状に変形することもあるが、冷却空洞が確保されるならば、多少の偏平化は差し支えない。
【００２２】
さらに前記（３）〜（８）の内のいずれかに記載の成分組成を有する外輪環をもったこの発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環を製造するには、原料粉末として、Ｆｅ粉末、黒鉛粉末およびＣｕ−Ｎｉ合金粉末のほかに、Ｆｅ−Ｃｒ合金粉末、Ｆｅ−Ｍｏ合金粉末を用意し、これら原料粉末を所定量配合し混合し、さらに金型成形時の潤滑剤であるステアリン酸亜鉛粉末またはエチレンビスステアラミドとともにダブルコーンミキサーで混合し、混合粉末を作製する以外は、前記（１）〜（２）の記載のこの発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の製造方法と全く同じであるから、詳細な説明は省略する。
【００２３】
素地中にＭｏを主成分とした硬質粒子が分散しない組織を有する前記（５）〜（８）記載の鉄基焼結合金で構成されている高温耐摩耗性および熱伝導性の優れた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環を製造するにはＭｏ含有量が１５％以下のＦｅ−Ｍｏ合金粉末を添加して作製する。また、素地中にＭｏを主成分とした硬質粒子が分散している組織を有する前記（９）記載の鉄基焼結合金で構成されている高温耐摩耗性および熱伝導性の優れた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環は、Ｍｏ含有量が１５％を越えるＦｅ−Ｍｏ合金粉末を添加することにより製造する。
【００２４】
前記中間体の圧粉体を焼結する際のメカニズムは、焼結初期段階においてＣｕ−Ｎｉ合金の固溶共存域に昇温すると、Ｃｕ−Ｎｉ合金粉末のＮｉはＦｅ粉末中へ拡散して始めにＦｅ相とＣｕ相の密着性を向上させる。燒結中期段階において、Ｃｕ−Ｎｉ合金からＦｅへの拡散量が増し、液相発生も徐々に増える。焼結後期段階においてはＮｉの大部分がＦｅ粉末中へ拡散するところからＣｕ−Ｎｉ合金粉末のＮｉ含有量が下がって融点が下がり、一気にＣｕ−Ｎｉ合金粉末は融解し、ダイナミックな液相焼結が進行して緻密化し、さらに焼結中にＣｕはＦｅ粉末へ拡散する。燒結初期および燒結中期において徐々に液相が発生した後、燒結後期になって始めて大量の液相が発生するのでたわみや歪が発生することはない。
【００２５】
つぎに、この発明のピストンリング複合耐摩環において、これを構成する外輪環の鉄基燒結合金の成分組成を上記の通りに限定した理由を説明する。
（ａ）Ｃｕ
Ｃｕは、放熱性、相手攻撃性および耐摩耗性を向上さ、さらにピストン本体との密着性を向上させる効果があるが、その含有量が１１重量％未満では所望の効果が得られず、一方、４０重量％を越えると液相が過大となり、焼結中に変形が生じて寸法のバラツキが大きくなるので好ましくない。したがって、Ｃｕの含有量は１１〜４０重量％に定めた。Ｃｕの含有量の一層好ましい範囲は１２〜２５重量％である。
【００２６】
（ｂ）Ｎｉ
Ｎｉは、Ｃｕ合金相中においてＣｕ合金相の融点を上昇させ、液相焼結をコントロールし、またＦｅ合金相とＣｕ合金相との密着性を向上させる作用があるが、その含有量が０．５重量％未満ではその効果が十分でなく、一方、１０重量％を越えて含有してもそれ以上の効果が少ない。したがって、Ｎｉの含有量は０．５〜１０重量％に定めた。Ｎｉの含有量の一層好ましい範囲は１〜８重量％である。
【００２７】
（ｃ）Ｃ
Ｃは、強度および硬さを向上させる作用があるが、その含有量が０．００１重量％未満では所望の効果が得られず、一方、３．０重量％を越えて含有する靭性を低下させるので好ましくない。したがって、Ｃの含有量は０．００１〜３重量％に定めた。Ｃの含有量の一層好ましい範囲は０．００１〜１．６重量％である。
【００２８】
（ｄ）Ｃｒ
Ｃｒ成分は、オーステナイト相の素地に固溶して、これの耐熱性を向上させ、もってピストンリング複合耐摩環の高温耐摩耗性向上に寄与する作用をもつところから必要に応じて添加するが、その含有量が０．１％未満では前記作用に所望の向上効果が得られず、一方その含有量が１０％を越えると靭性が低下するようになることから、その含有量を０．１〜１０％、望ましくは０．３〜３％と定めた。
【００２９】
（ｅ）Ｍｏ
Ｍｏ成分は、素地に固溶して強度を向上させる作用をもち、さらにＦｅやＣと合金化したＭｏを主成分とした硬質粒子を分散させて耐摩耗性を向上させるために、必要に応じて含有されるが、その含有量が０．１％未満では所望の強度向上効果が得られず、一方その含有量が１５％を越えると、靭性が低下するので好ましくない。したがって、その含有量を０．１〜１５％、望ましくは０．５〜１０％と定めた。
【００３０】
【発明の実施の形態】
まず、断面が正方形で縦：８ｍｍ×横：８ｍｍ×肉厚：１ｍｍの寸法を有し、１８−８ステンレス鋼からなるパイプをリング状に曲げ加工し、曲げ加工したリング状鋼パイプの端部を突合せ溶接して内径：８４ｍｍ、外径：１００ｍｍの寸法を有するリングパイプを作製し用意した。
【００３１】
実施例１
原料粉末として、平均粒径：５５μｍのアトマイズＦｅ粉末、表１に示される平均粒径および成分組成を有するＣｕ−Ｎｉ合金粉末Ａ〜Ｄ、平均粒径：１８μｍの黒鉛粉末、を用意した。
【００３２】
【表１】
【００３３】
これら原料粉末を表２に示される配合組成に配合し、潤滑材としてステアリン酸亜鉛を０．７％添加してＶ型ミキサーにて３０分間混合して混合粉末を作製し、この混合粉末を６ｔｏｎ／ｃｍ2 の圧力でプレス成形してリング状圧粉体を作製し、このリング状圧粉体をＮ2−１０％Ｈ2 雰囲気中、温度：１１４０℃に１０分間保持の条件で仮焼結することにより外径：１２０ｍｍ×内径：１００ｍｍ×厚さ：８ｍｍの寸法をもった仮燒結体を作製し、この仮燒結体の内側に前記リングパイプにはめ込んで中間体を作製し、この中間体をＮ2−１０％Ｈ2 雰囲気中、温度：１１４０℃に３０分間保持の条件で本焼結することにより、外部に表２に示される成分組成を有する鉄基焼結合金からなる外輪環とその内部に内輪環が同心円状に接合してなる本発明ピストンリング複合耐摩環（以下、本発明複合耐摩環と云う）１〜１０をそれぞれ製造した。上記本発明複合耐摩環１〜１０の外輪環は、Ｆｅを主成分とするＦｅ基合金相をＣｕを主成分とするＣｕ基合金相で結合してなる組織を有していた。
【００３４】
さらに、本発明複合耐摩環１〜１０の外輪環の組織におけるＦｅ基合金相およびＣｕ基合金相の成分含有量をＥＰＭＡにより測定した結果、前記Ｆｅ基合金相はＮｉ、ＣｕおよびＣを含みかつＦｅを５０重量％以上含んでおり、前記Ｃｕ基合金相はＮｉ、ＦｅおよびＣを含みかつＣｕを５０重量％以上含んでおり、さらにＦｅ基合金相に含まれるＮｉおよびＣの濃度は、Ｃｕ基合金相に含まれるＮｉおよびＣの濃度よりも大であることが分かった。
さらに、比較の目的で、同じく表２に示されるＣｕがこの発明の組成よりも少ない組成をもち、同じ寸法の比較ピストンリング耐摩環（以下、比較耐摩環と云う）を製造した。
【００３５】
ついで、上記の本発明複合耐摩環１〜１０および比較耐摩環を、通常の条件で前処理、すなわち脱脂、乾燥、および温度：７００℃の後述の鋳造Ａｌ−Ｓｉ系合金溶湯と同じ組成をもったＡｌ−Ｓｉ系合金溶湯中に５分間浸漬の前処理を施した状態で、それぞれ精密鋳造金型内に設置し、これにＡｌ−１２．４％Ｓｉ−１．１２％Ｃｕ−０．９６％Ｍｇ−１．０６％Ｎｉの組成をもったＡｌ−Ｓｉ系合金溶湯を鋳造してピストン本体を形成すると共に、前記各種耐摩環を鋳包み、ついで前記各種耐摩環の外周面に沿って切削加工にて溝深さ：７ｍｍ×溝幅：３ｍｍの寸法のトップリング溝を形成することにより、トップリング溝を形成した耐摩環を有するＡｌ−Ｓｉ系合金製ピストンをそれぞれ製造した。
【００３６】
さらに、冷却空洞に冷却用オイルを通すようにした後、これらのピストンを、排気量：８２００ｃｃの直列６気筒直噴ディーゼルエンジンに組み込み、回転数：２９００ｒｐｍ、エンジンの冷却温度：９５℃、運転モード：５００時間連続運転、負荷：フル出力の条件で加速運転試験を行ない、試験後の耐摩環のトップリング溝における外周面の最大溝幅増加量（最大溝幅−切削加工により形成した溝幅）を測定することにより高温耐摩耗性を評価し、また上記トップリング溝に嵌合されたピストンリング（Ｆｅ−２．７％Ｓｉ−３．５％Ｃの組成をもった球状黒鉛鋳鉄製でＣｒメッキしたもの）の上下面における最大摩耗深さを測定することにより相手攻撃性を評価した。これらの測定結果を表２に示した。
【００３７】
【表２】
【００３８】
表２に示される結果から、本発明複合耐摩環１〜１０は、いずれも最大溝幅増加量が小さいところから優れた高温耐摩耗性を示し、かつ相手攻撃性もきわめて小さいのに対して、比較耐摩環は十分な高温耐摩耗性を具備しないために、トップリング溝の最大溝幅増加量が大きくなって好ましくないことが明らかである。
【００３９】
実施例２
原料粉末として、平均粒径：５５μｍのアトマイズＦｅ粉末、表１に示される平均粒径および成分組成を有するＣｕ−Ｎｉ合金粉末、平均粒径：１８μｍの黒鉛粉末を用意し、さらに
平均粒径：４０μｍを有し、Ｃｒが表３に示される２０〜８０％の範囲内の所定量を含有し、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ｃｒ合金粉末、
平均粒径：５０μｍを有し、Ｍｏが表３に示される０．５〜１５％の範囲内の所定量を含有し、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ｍｏ合金粉末を用意した。
【００４０】
これら原料粉末を表３に示される配合組成に配合し、潤滑材としてステアリン酸亜鉛を０．７％添加してＶ型ミキサーにて３０分間混合し、６ｔｏｎ／ｃｍ2 の圧力で実施例１と同じ形状および寸法をもったリング状圧粉体を作製し、この圧粉体を実施例１と同じ条件で仮燒結し、得られたリング状仮燒結体の内側に前記リングパイプをはめ込むことにより中間体を作製し、この中間体をＮ2−１０％Ｈ2 雰囲気中、温度：１１４０℃に３０分間保持の条件で焼結することにより表３に示される成分組成を有する外輪環とその内部に内輪環が同心円状に接合してなる冷却空洞を有する本発明複合耐摩環１１〜２０をそれぞれ製造した。上記本発明複合耐摩環１１〜２０の外輪環は、いずれもＦｅを主成分とするＦｅ基合金相をＣｕを主成分とするＣｕ基合金相で結合してなる組織を有していた。
【００４１】
さらに、この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の外輪環の組織を構成するＦｅ基合金相およびＣｕ基合金相の成分含有量をＥＰＭＡにより測定した結果、前記Ｆｅ基合金相はＮｉ、ＣｕおよびＣを含みさらにＣｒおよび／またはＭｏを含み、かつＦｅを５０重量％以上含んでおり、前記Ｃｕ基合金相はＮｉ、ＦｅおよびＣを含みさらにＣｒおよび／またはＭｏを含み、かつＣｕを５０重量％以上含んでおり、さらにＦｅ基合金相に含まれるＮｉおよびＣの濃度並びにＣｒおよび／またはＭｏの濃度は、Ｃｕ基合金相に含まれるＮｉおよびＣの濃度並びにＣｒおよび／またはＭｏの濃度よりも大であることが分かった。
【００４２】
ついで、上記の各種複合耐摩環を、実施例１と同様にしてＡｌ−Ｓｉ系合金溶湯中に５分間浸漬の前処理を施した状態で、それぞれ精密鋳造金型内に設置し、これにＡｌ−１２．４％Ｓｉ−１．１２％Ｃｕ−０．９６％Ｍｇ−１．０６％Ｎｉの組成をもったＡｌ−Ｓｉ系合金溶湯を鋳造してピストン本体を形成すると共に、前記複合耐摩環を鋳包み、ついで前記複合耐摩環の外周面に沿って切削加工にて溝深さ：７ｍｍ×溝幅：３ｍｍの寸法のトップリング溝を形成することによりＡｌ−Ｓｉ系合金製ピストンをそれぞれ製造した。
【００４３】
さらに、これらのピストンを実施例１と同様に、排気量：８２００ｃｃの直列６気筒直噴ディーゼルエンジンに組み込み、回転数：２９００ｒｐｍ、エンジンの冷却温度：９５℃、運転モード：５００時間連続運転、負荷：フル出力の条件で加速運転試験を行ない、試験後の複合耐摩環のトップリング溝における外周面の最大溝幅増加量（最大溝幅−切削加工により形成した溝幅）を測定することにより高温耐摩耗性を評価し、また上記トップリング溝に嵌合されたピストンリング（Ｆｅ−２．７％Ｓｉ−３．５％Ｃの組成をもった球状黒鉛鋳鉄製でＣｒメッキしたもの）の上下面における最大摩耗深さを測定することにより相手攻撃性を評価し、これらの測定結果を表４に示した。
【００４４】
【表３】
【００４５】
【表４】
【００４６】
表４に示される結果から、本発明複合耐摩環１１〜２０は、いずれもすぐれた高温耐摩耗性を示し、かつ相手攻撃性もきわめて小さいのに対して、表２のニレジスト鋳鉄からなる比較耐摩環は十分な高温耐摩耗性を具備するものでないために、摩耗進行が著しいことが明らかである。
【００４７】
実施例３
実施例２におけるＦｅ−Ｍｏ合金粉末の代わりに平均粒径：３０μｍを有し、Ｍｏが表５に示される１５を超え〜６０％の範囲内の所定量を含有し、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ｍｏ合金粉末を用意した以外は、実施例２と同じ原料粉末を用意した。
【００４８】
これら原料粉末を表５に示される配合組成に配合し、潤滑材としてステアリン酸亜鉛を０．７％添加してＶ型ミキサーにて３０分間混合し、実施例１と同じ条件で焼結することにより表６に示される成分組成を有し、実施例１と同じ形状および寸法を有する本発明複合耐摩環２１〜３１をそれぞれ製造した。上記本発明複合耐摩環２１〜３１は、いずれもＦｅ基合金相をＣｕ基合金相で結合してなる組織を有し、素地中にＭｏを主成分とする硬質粒子が分散していた。
【００４９】
さらに、この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の外輪環組織のＦｅ基合金相およびＣｕ基合金相の成分含有量をＥＰＭＡにより測定した結果、前記Ｆｅ基合金相はＮｉ、ＣｕおよびＣを含みさらにＣｒおよび／またはＭｏを含みかつＦｅを５０重量％以上含んでおり、前記Ｃｕ基合金相はＮｉ、ＦｅおよびＣを含みさらにＣｒおよび／またはＭｏを含みかつＣｕを５０重量％以上含んでおり、さらにＦｅ基合金相に含まれるＮｉおよびＣの濃度並びにＣｒおよび／またはＭｏの濃度は、Ｃｕ基合金相に含まれるＮｉおよびＣの濃度並びにＣｒおよび／またはＭｏの濃度よりも大であることが分かった。
【００５０】
ついで、上記の各種複合耐摩環を、実施例１と同様にしてＡｌ−Ｓｉ系合金溶湯中に５分間浸漬の前処理を施した状態で、それぞれ精密鋳造金型内に設置し、これにＡｌ−１２．４％Ｓｉ−１．１２％Ｃｕ−０．９６％Ｍｇ−１．０６％Ｎｉの組成をもったＡｌ−Ｓｉ系合金溶湯を鋳造してピストン本体を形成すると共に、前記複合耐摩環を鋳包み、ついで前記複合耐摩環の外周面に沿って切削加工にて溝深さ：７ｍｍ×溝幅：３ｍｍの寸法のトップリング溝を形成することによりＡｌ−Ｓｉ系合金製ピストンをそれぞれ製造した。
【００５１】
さらに、これらのピストンを実施例１と同様に、排気量：８２００ｃｃの直列６気筒直噴ディーゼルエンジンに組み込み、回転数：３５００ｒｐｍ、エンジンの冷却温度：９５℃、運転モード：５００時間連続運転、負荷：フル出力の条件で加速運転試験を行ない、試験後の複合耐摩環のトップリング溝における外周面の最大溝幅増加量（最大溝幅−切削加工により形成した溝幅）を測定することにより高温耐摩耗性を評価し、また上記トップリング溝に嵌合されたピストンリング（Ｆｅ−２．７％Ｓｉ−３．５％Ｃの組成をもった球状黒鉛鋳鉄製でＣｒメッキしたもの）の上下面における最大摩耗深さを測定することにより相手攻撃性を評価し、これらの測定結果を表６に示した。
【００５２】
【表５】
【００５３】
【表６】
【００５４】
表６に示される結果から、本発明複合耐摩環２１〜３０は、いずれもすぐれた高温耐摩耗性を示し、かつ相手攻撃性もきわめて小さいのに対して、表２の比較耐摩環は十分な高温耐摩耗性を具備するものでないために、摩耗進行が著しいことが明らかである。
【００５５】
【発明の効果】
上述のように、この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環は、鋼パイプからなる内輪環が熱伝導性に優れかつ相手攻撃性の小さい鉄基燒結合金からなる外輪環に隣接している構造を有するところから、冷却性能に優れ、高温雰囲気下にあっても小さい相手攻撃性ですぐれた高温耐摩耗性を発揮し、エンジンの排気ガス規制に十分満足に対応することができ、かつエンジンの高出力化および省燃費化の促進に寄与するなど工業上有用な特性をもつものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の一部切欠き斜視図である。
【図２】 この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の製造方法を説明するための断面説明図である。
【図３】 この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の製造方法を説明するための断面説明図である。
【図４】 この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環を組み込んだディーゼルエンジンのピストンを例示する概略縦断面図である。
【図５】 この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の一部切欠き斜視図である。
【図６】 この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の一部切欠き斜視図である。
【図７】 この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の製造方法を説明するための断面説明図である。
【図８】 従来のディーゼルエンジンのピストンを例示する概略縦断面図（ａ）および同要部縦断面図（ｂ）である。
【符号の説明】
１ ピストンリング耐摩環
２ ピストン鋳物本体
３ トップランド部
４ トップリング溝
５ ピストンリング
６ 冷却空洞
７ 冷却空洞
８ 内輪環
９ 外輪環
１０ 下金型
１１ 複合耐摩環
１２ 内部側壁
１３ 混合粉末
１４ 上金型
１５ 中間体
１８ リングパイプ
１９ リング状仮燒結体
２５ 中間体
２９ リング状圧粉体
【発明の属する技術分野】
この発明は、すぐれた高温耐摩耗性および熱伝導性を有し、かつ相手攻撃性 （ピストンリング攻撃性）の小さい冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高速ディーゼルエンジンのピストンは、図８（ａ）の概略縦断面図に示されるように、ピストンリング耐摩環１をピストン鋳物本体２の鋳造時にトップランド部３直下に鋳包むことにより取り付け、その後このピストンリング耐摩環１の外周を切削することによりピストンリング耐摩環１の外周に断面コの字状のトップリング溝４を形成し、ピストンリング５をこのトップリング溝４に同（ｂ）の要部縦断面図で示されるように嵌合して製造することは知られている。
【０００３】
前記ピストン鋳物本体２は主としてＳｉ：８〜１３重量％を含有したＡｌ−Ｓｉ系合金で構成され、さらに上記ピストンリング耐摩環１は良好な耐摩耗性と相手攻撃性の低いＦｅ−Ｎｉ−Ｃｕ系焼結材料（組成：Ｆｅ−８〜２５％Ｎｉ−３．５〜１０％Ｃｕ−２．０％以下Ｃ）や、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｃｒ系オーステナイト鋳鉄であるニレジスト鋳鉄（組成：Ｆｅ−１３〜１６％Ｎｉ−５〜８％Ｃｕ−１．５〜２．４％Ｃｒ−１．４〜１．８％Ｓｉ−０．５〜１．２％Ｍｎ−２．５〜３％Ｃ、以上重量％、以下％は重量％を示す）などの材料で構成されていることも知られる。
【０００４】
このようにして製造したピストン鋳物本体２には、冷却空洞６が設けられており、この冷却空洞６にオイルを通すことによりピストン鋳物本体２自体およびピストンリング耐摩環１を冷却している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一方、エンジンに対する排気ガス規制は年々厳しさを増す傾向にあり、同時に燃費の向上も依然として求められており、この対応手段として、近年、過給率を増大する傾向に有る。これら新型エンジンでは燃焼室内が従来のエンジンよりも高温になり、ピストンリング耐摩環も高温燃焼室の影響を受けるため、従来のＦｅ−Ｎｉ−Ｃｕ系焼結材料やニレジスト鋳鉄で構成されているピストンリング耐摩環では急速な摩耗の進行は避けられない。
そのため、ピストン鋳物本体２内部に設けられた冷却空洞６を可能な限りピストンリング耐摩環１の近くに設けて耐摩環の熱影響を軽減しようとているが、ピストン鋳物本体２内部の冷却空洞６をピストンリング耐摩環１に接する程度に近くに形成することは難しい。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、新型エンジンに組み込むことのできる高温耐摩耗性および熱伝導性の優れたピストンリング耐摩環を開発すべく研究を行った結果、
図１の一部斜視断面図に示されるように、空洞７を有する鋼パイプからなる内輪環８と鉄基焼結合金からなる外輪環９が同心円状に接合した構造を有するピストンリング複合耐摩環１１は、
（ａ）肉厚の薄いリング状の鋼パイプで構成された内輪環８が鉄基焼結合金からなる外輪環９に直接接合しているために、外輪環９の冷却能力が改善されて高温耐摩耗性を向上させることができる、
（ｂ）ピストンリング複合耐摩環の外輪環９を鉄基焼結合金に含まれるＣｕ成分含有量を従来の鉄基焼結合金よりも多いＣｕ：１１〜４０％とし、さらにこの鉄基焼結合金の組織が、Ｆｅを主成分とするＦｅ基合金相をＣｕを主成分とするＣｕ基合金相により結合している組織となっているために、熱伝導性にすぐれ、放熱性が良くなって温度上昇が低減され、したがって高温耐摩耗性が一層向上する、
（ｃ）さらに、外輪環９がＦｅを主成分とする硬質なＦｅ基合金相およびＣｕを主成分とする軟質なＣｕ基合金相からなる硬軟混合組織からなるために、耐摩耗性に優れるとともに相手攻撃性が小さい特性を示し、さらにピストンリング複合耐摩環をピストン本体に鋳包るんだ場合に、ピストン本体を構成するＡｌ−Ｓｉ系合金との密着性が向上する、
という研究結果を得たのである。
【０００７】
この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、
（１）鋼パイプからなる内輪環と鉄基焼結合金からなる外輪環が同心円状に接合した構造を有する冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環であって、前記鉄基燒結合金からなる外輪環は、重量％で、Ｃｕ：１１〜４０％、Ｎｉ：０．５〜１０％、Ｃ：０．００１〜３％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成、並びにＦｅを主成分とするＦｅ基合金相をＣｕを主成分とするＣｕ基合金相により結合してなる組織を有する鉄基焼結合金で構成されている高温耐摩耗性および熱伝導性の優れた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環、
に特徴を有するものである。
【０００８】
この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の外輪環９を構成する鉄基焼結合金は、Ｆｅを主成分とするＦｅ基合金相をＣｕを主成分とするＣｕ基合金相で結合してなる組織を有するが、この組織中に遊離黒鉛が分散していることがありまた無いこともある。この遊離黒鉛の析出の有無は、鉄基燒結合金に含有する炭素の量によるもので、鉄基燒結合金に含有するＣが０．８％未満では遊離黒鉛の析出は見られないが、０．８％を越えると遊離黒鉛が析出する。したがって、相手攻撃性（ピストンリング攻撃性）の一層小さい冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環を必要とするときは、Ｃ：０．８〜３％に調整し、相手攻撃性 （ピストンリング攻撃性）を考慮する必要の無いときは、Ｃ：０．００１〜０．８％未満に調整した冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環を作ることが好ましい。
【０００９】
この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の鉄基焼結合金からなる外輪環９の組織を構成するＦｅ基合金相およびＣｕ基合金相の成分含有量はＥＰＭＡにより測定して求めることができる。ＥＰＭＡにより測定した結果、前記Ｆｅ基合金相はＮｉ、ＣｕおよびＣを含みかつＦｅを５０重量％以上含んでおり、前記Ｃｕ基合金相はＮｉ、ＦｅおよびＣを含みかつＣｕを５０重量％以上含んでおり、さらにＦｅ基合金相に含まれるＮｉおよびＣの濃度は、Ｃｕ基合金相に含まれるＮｉおよびＣの濃度よりも大であることが分かった。
【００１０】
したがって、この発明は、
（２）鋼パイプからなる内輪環と鉄基焼結合金からなる外輪環が同心円状に接合した構造を有する冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環であって、前記鉄基燒結合金からなる外輪環は、重量％で、Ｃｕ：１１〜４０％、Ｎｉ：０．５〜１０％、Ｃ：０．００１〜３％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成、並びにＦｅを主成分とするＦｅ基合金相をＣｕを主成分とするＣｕ基合金相により結合してなる組織を有し、
前記Ｆｅを主成分とするＦｅ基合金相は、Ｎｉ、ＣｕおよびＣを含みかつＦｅを５０％以上含むＦｅ基合金相であり、
前記Ｃｕを主成分とするＣｕ基合金相はＮｉ、ＦｅおよびＣを含みかつＣｕを５０％以上含むＣｕ基合金相であり、
前記Ｆｅ基合金相に含まれるＮｉおよびＣの濃度は、前記Ｃｕ基合金相に含まれるＮｉおよびＣの濃度よりも大きい鉄基焼結合金で構成されている高温耐摩耗性および熱伝導性のすぐれた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環、
に特徴を有するものである。
【００１１】
この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の外輪環は、前記（１）または（２）記載の組成を有する鉄基焼結合金に、さらにＭｏ：０．１〜１５％、Ｃｒ：０．１〜１０％の内の１種または２種を含有することが一層好ましく、これらＭｏおよびＣｒはいずれもＦｅ基合金相およびＣｕ基合金相に固溶するが、ＭｏおよびＣｒの固溶量はＦｅ基合金相の方がＣｕ基合金相よりも多い。
したがって、この発明は、
（３）鋼パイプからなる内輪環と鉄基焼結合金からなる外輪環が同心円状に接合した構造を有する冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環であって、前記鉄基燒結合金からなる外輪環は、重量％で、Ｃｕ：１１〜４０％、Ｎｉ：０．５〜１０％、Ｃ：０．００１〜３％、Ｃｒ：０．１〜１０％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成、並びにＦｅを主成分とするＦｅ基合金相をＣｕを主成分とするＣｕ基合金相により結合してなる組織を有する鉄基焼結合金で構成した高温耐摩耗性および熱伝導性のすぐれた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環、
（４）前記Ｆｅを主成分とするＦｅ基合金相は、Ｎｉ、Ｃｕ、ＣｒおよびＣを含みかつＦｅを５０％以上含むＦｅ基合金相であり、
前記Ｃｕを主成分とするＣｕ基合金相は、Ｎｉ、Ｆｅ、ＣｒおよびＣを含みかつＣｕを５０％以上含むＣｕ基合金相であり、
前記Ｆｅ基合金相に含まれるＮｉ、ＣｒおよびＣの濃度は、前記Ｃｕ基合金相に含まれるＮｉ、ＣｒおよびＣの濃度よりも大きい前記（３）記載の高温耐摩耗性および熱伝導性のすぐれた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環、
（５）鋼パイプからなる内輪環と鉄基焼結合金からなる外輪環が同心円状に接合した構造を有する冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環であって、前記鉄基燒結合金からなる外輪環は、重量％で、Ｃｕ：１１〜４０％、Ｎｉ：０．５〜１０％、Ｃ：０．００１〜３％、Ｍｏ：０．１〜１５％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成、並びにＦｅを主成分とするＦｅ基合金相をＣｕを主成分とするＣｕ基合金相により結合してなる組織を有する鉄基焼結合金で構成した高温耐摩耗性および熱伝導性のすぐれた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環、
（６）前記Ｆｅを主成分とするＦｅ基合金相は、Ｎｉ、Ｃｕ、ＭｏおよびＣを含みかつＦｅを５０％以上含むＦｅ基合金相であり、
前記Ｃｕを主成分とするＣｕ基合金相は、Ｎｉ、Ｆｅ、ＭｏおよびＣを含みかつＣｕを５０％以上含むＣｕ基合金相であり、
前記Ｆｅ基合金相に含まれるＮｉ、ＭｏおよびＣの濃度は、前記Ｃｕ基合金相に含まれるＮｉ、ＭｏおよびＣの濃度よりも大きい前記（５）記載の高温耐摩耗性および熱伝導性のすぐれた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環、
（７）鋼パイプからなる内輪環と鉄基焼結合金からなる外輪環が同心円状に接合した構造を有する冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環であって、前記鉄基燒結合金からなる外輪環は、重量％で、Ｃｕ：１１〜４０％、Ｎｉ：０．５〜１０％、Ｃ：０．００１〜３％、Ｍｏ：０．１〜１５％、Ｃｒ：０．１〜１０％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成、並びにＦｅを主成分とするＦｅ基合金相をＣｕを主成分とするＣｕ基合金相により結合してなる組織を有する鉄基焼結合金で構成した高温耐摩耗性および熱伝導性のすぐれた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環、
（８）前記Ｆｅを主成分とするＦｅ基合金相は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、ＣｒおよびＣを含みかつＦｅを５０％以上含むＦｅ基合金相であり、
前記Ｃｕを主成分とするＣｕ基合金相は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｏ、ＣｒおよびＣを含みかつＣｕを５０％以上含むＣｕ基合金相であり、
前記Ｆｅ基合金相に含まれるＮｉ、Ｍｏ、ＣｒおよびＣの濃度は、前記Ｃｕ基合金相に含まれるＮｉ、Ｍｏ、ＣｒおよびＣの濃度よりも大きい前記（７）記載の高温耐摩耗性および熱伝導性のすぐれた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環、
に特徴を有するものである。
【００１２】
Ｍｏ：０．１〜１５％を含有する鉄基燒結合金からなる外輪環は、原料粉末としてＭｏ含有量が１５％以下のＦｅ−Ｍｏ合金粉末を使用して製造すると、素地中に前記Ｍｏを主成分とした硬質粒子は生成しないが、原料粉末としてＭｏ含有量が１５％を越えるＭｏ−Ｆｅ合金粉末を使用して製造すると、Ｍｏを５０％以上含有するＭｏを主成分とした硬質粒子が素地中に分散している組織が得られ、この組織を有するピストンリング複合耐摩環は特に耐摩耗性が向上する。したがって、この発明は、
（９）前記（５），（６），（７）または（８）記載のＭｏを含む鉄基燒結合金からなる外輪環は、Ｆｅを主成分とするＦｅ基合金相をＣｕを主成分とするＣｕ基合金相により結合してなる素地中にＭｏを主成分とした硬質粒子が均一分散した組織を有する高温耐摩耗性および熱伝導性の優れた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環、に特徴を有するものである。
【００１３】
前記（９）記載の発明を一層具体的に記載すると、
（イ）鋼パイプからなる内輪環と鉄基焼結合金からなる外輪環が同心円状に接合した構造を有する冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環であって、前記鉄基燒結合金からなる外輪環は、重量％で、Ｃｕ：１１〜４０％、Ｎｉ：０．５〜１０％、Ｃ：０．００１〜３％、Ｍｏ：０．１〜１５％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成、並びにＦｅを主成分とするＦｅ基合金相をＣｕを主成分とするＣｕ基合金相により結合してなる素地中にＭｏを主成分とした硬質粒子が分散している組織を有する鉄基焼結合金で構成した高温耐摩耗性および熱伝導性のすぐれた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環、
（ロ）前記Ｆｅを主成分とするＦｅ基合金相は、Ｎｉ、Ｃｕ、ＭｏおよびＣを含みかつＦｅを５０％以上含むＦｅ基合金相であり、
前記Ｃｕを主成分とするＣｕ基合金相は、Ｎｉ、Ｆｅ、ＭｏおよびＣを含みかつＣｕを５０％以上含むＣｕ基合金相であり、
前記Ｆｅ基合金相に含まれるＮｉ、ＭｏおよびＣの濃度は、前記Ｃｕ基合金相に含まれるＮｉ、ＭｏおよびＣの濃度よりも大きい前記（イ）記載の高温耐摩耗性および熱伝導性のすぐれた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環、
（ハ）鋼パイプからなる内輪環と鉄基焼結合金からなる外輪環が同心円状に接合した構造を有する冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環であって、前記鉄基燒結合金からなる外輪環は、重量％で、Ｃｕ：１１〜４０％、Ｎｉ：０．５〜１０％、Ｃ：０．００１〜３％、Ｍｏ：０．１〜１５％、Ｃｒ：０．１〜１０％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成、並びにＦｅを主成分とするＦｅ基合金相をＣｕを主成分とするＣｕ基合金相により結合してなる素地中にＭｏを主成分とした硬質粒子が分散している組織を有する鉄基焼結合金で構成した高温耐摩耗性および熱伝導性のすぐれた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環、
（ニ）前記Ｆｅを主成分とするＦｅ基合金相は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、ＣｒおよびＣを含みかつＦｅを５０％以上含むＦｅ基合金相であり、
前記Ｃｕを主成分とするＣｕ基合金相は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｏ、ＣｒおよびＣを含みかつＣｕを５０％以上含むＣｕ基合金相であり、
前記Ｆｅ基合金相に含まれるＮｉ、Ｍｏ、ＣｒおよびＣの濃度は、前記Ｃｕ基合金相に含まれるＮｉ、Ｍｏ、ＣｒおよびＣの濃度よりも大きい前記（ハ）記載の高温耐摩耗性および熱伝導性のすぐれた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環、となる。
【００１４】
この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の内輪環を構成する鋼パイプは、炭素鋼、合金鋼などいかなる鋼のパイプでも良いが、これらの鋼の内でもステンレス鋼パイプを使用することが耐熱性、強度、耐食性、コストなどの点から最も好ましい。
したがって、この発明は、
（１０）前記内輪環を構成する鋼パイプは、ステンレス鋼パイプである前記（１）、（３）、（５）または（７）記載の高温耐摩耗性および熱伝導性の優れた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環、に特徴を有するものである。
この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の内輪環を構成する鋼パイプは、図１の一部切欠き斜視図に示されるような断面が四角形であることが製造しやすいところから好ましいが、鋼パイプは断面が四角形に限定されるものではなく、図５および図６の一部切欠き斜視図に示されるような断面が円形であっても良く、その他任意の断面形状を有する鋼パイプを使用することができる。
【００１５】
次に、前記（１）および（２）記載の成分組成を有するこの発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の製造方法を図面により具体的に述べる。
まず、図２（ａ）はこの発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の内輪環を構成するリング状鋼パイプ（以下、リングパイプという）１８の断面図であり、このリングパイプ１８は突合せ溶接して製造することができる。
次に、原料粉末として、Ｆｅ粉末、黒鉛粉末およびＣｕ−Ｎｉ合金粉末を用意し、これら原料粉末を金型成形時の潤滑剤であるステアリン酸亜鉛粉末またはエチレンビスステアラミドとともにダブルコーンミキサーで混合して混合粉末を作製し、この混合粉末をプレス成形してリング状圧粉体（図２には図示せず）を作製し、このリング状圧粉体を仮燒結して図２（ｂ）の断面図に示されるリング状仮燒結体１９を作製する。このリング状仮燒結体１９の内部に同心円状にリングパイプ１８を図２（ｃ）の断面図に示されるようにはめ込むことにより中間体１５を作製し、この中間体１５を本燒結することにより図１の一部切欠き斜視図に示されるような鋼パイプからなる内輪環と鉄基焼結合金からなる外輪環が同心円状に接合した構造を有するこの発明の冷却空洞７付きピストンリング複合耐摩環１１を作ることができる。
【００１６】
さらに、図３（ａ）の断面図に示されるリングパイプ１８を、図３（ｂ）の断面図に示される混合粉末をプレス成形して得られたリング状圧粉体２９に直接図３（ｃ）の断面図に示されるようにリング状圧粉体２９が破壊しないように注意して同心円状にはめ込むことによりリングパイプ１８およびリング状圧粉体２９からなる中間体２５を作製し、この中間体２５をそのまま燒結することにより図１の一部切欠き斜視図に示されるような鋼パイプからなる内輪環と鉄基焼結合金からなる外輪環が同心円状に接合した構造を有するこの発明の冷却空洞７付きピストンリング複合耐摩環１１を作ることができる。
【００１７】
なお、図示されてはいないが、前記作製したリングパイプを所定の金型内にセットし、金型の内部側壁とリングパイプの間に前記作製した混合粉末を充填し、充填した混合粉末をプレス成形して圧粉体を形成することにより図３（ｃ）の断面説明図に示されるリングパイプ１８と圧粉体２９が同心円状に接合してなる中間体２５を作製し、この中間体２５を燒結することにより、図１の一部切欠き斜視図に示されるような鋼パイプからなる内輪環８と鉄基焼結合金からなる外輪環９が同心円状に接合してなる構造を有するこの発明の冷却空洞７付きピストンリング複合耐摩環１１を作製することもできる。
【００１８】
前記図２（ｃ）に示されるリングパイプ１８およびリング状仮燒結１９からなる中間体１５の本燒結、並びに図３（ｃ）のリングパイプ１８およびリング状圧粉体２９からなる中間体２５の燒結は、水素含有窒素雰囲気中、温度：１１００〜１３００℃（好ましくは、１１００〜１２００℃）で行われる。前記中間体１５および２５の焼結により、中間体の外周に位置する仮燒結体１９および圧粉体２９は燒結して収縮し、リングパイプ１８に密着すると共にリングパイプ１８と燒結体は一部拡散接合し、図１に示される鋼パイプからなる内輪環８と鉄基焼結合金からなる外輪環９が同心円状に接合してなる構造のこの発明の冷却空洞７付きピストンリング複合耐摩環１１を作製することができる。
【００１９】
このようにして作製したピストンリング複合耐摩環１１は、図４の概略縦断面図に示されるように、ピストンリング複合耐摩環１１をピストン鋳物本体２の鋳造時にトップランド部３直下に鋳包むことによりピストン鋳物本体２の内部に鋼パイプからなる冷却空洞７を形成し、その後このピストンリング複合耐摩環１１の外輪環９の外周を切削することによりピストンリング複合耐摩環１１の外周に断面コの字状のトップリング溝４を形成し、ピストンリング５をこのトップリング溝４に嵌合してピストンに組み込まれる。
【００２０】
この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環は、図５の一部切欠き斜視図に示されるように、リングパイプ１８の断面形状は円形でも良く、断面円形のリングパイプを仮燒結体または圧粉体にはめ込むことにより中間体を作製し、これを燒結して作製することができる。このようにして得られたこの発明の冷却空洞７付きピストンリング複合耐摩環１１は、内輪環８が断面円形であるために、内輪環８と外輪環９の接合部分Ｓが狭いが、図６の一部切欠き斜視図に示されるように、内輪環８の外半周部分を外輪環９で包み込んで接合部分Ｓを広くすることもできる。
【００２１】
図６の一部切欠き斜視図に示されるこの発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環１１は、図７の断面説明図に示されるように、前記作製した断面円形のリングパイプ１８を下金型１０内にセットし、下金型１０の内部側壁１２と断面円形のリングパイプ１８の間に前記作製した混合粉末１３を充填し、充填した混合粉末１３を上金型１４によりプレス成形してリングパイプ１８の外側半周部分に圧粉体を形成することにより中間体（この中間体は図示せず）を作製し、この中間体を燒結することにより作製することができる。圧粉体成形時に断面が円形のリングパイプ１８は幾分つぶれて断面が楕円形状に変形することもあるが、冷却空洞が確保されるならば、多少の偏平化は差し支えない。
【００２２】
さらに前記（３）〜（８）の内のいずれかに記載の成分組成を有する外輪環をもったこの発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環を製造するには、原料粉末として、Ｆｅ粉末、黒鉛粉末およびＣｕ−Ｎｉ合金粉末のほかに、Ｆｅ−Ｃｒ合金粉末、Ｆｅ−Ｍｏ合金粉末を用意し、これら原料粉末を所定量配合し混合し、さらに金型成形時の潤滑剤であるステアリン酸亜鉛粉末またはエチレンビスステアラミドとともにダブルコーンミキサーで混合し、混合粉末を作製する以外は、前記（１）〜（２）の記載のこの発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の製造方法と全く同じであるから、詳細な説明は省略する。
【００２３】
素地中にＭｏを主成分とした硬質粒子が分散しない組織を有する前記（５）〜（８）記載の鉄基焼結合金で構成されている高温耐摩耗性および熱伝導性の優れた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環を製造するにはＭｏ含有量が１５％以下のＦｅ−Ｍｏ合金粉末を添加して作製する。また、素地中にＭｏを主成分とした硬質粒子が分散している組織を有する前記（９）記載の鉄基焼結合金で構成されている高温耐摩耗性および熱伝導性の優れた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環は、Ｍｏ含有量が１５％を越えるＦｅ−Ｍｏ合金粉末を添加することにより製造する。
【００２４】
前記中間体の圧粉体を焼結する際のメカニズムは、焼結初期段階においてＣｕ−Ｎｉ合金の固溶共存域に昇温すると、Ｃｕ−Ｎｉ合金粉末のＮｉはＦｅ粉末中へ拡散して始めにＦｅ相とＣｕ相の密着性を向上させる。燒結中期段階において、Ｃｕ−Ｎｉ合金からＦｅへの拡散量が増し、液相発生も徐々に増える。焼結後期段階においてはＮｉの大部分がＦｅ粉末中へ拡散するところからＣｕ−Ｎｉ合金粉末のＮｉ含有量が下がって融点が下がり、一気にＣｕ−Ｎｉ合金粉末は融解し、ダイナミックな液相焼結が進行して緻密化し、さらに焼結中にＣｕはＦｅ粉末へ拡散する。燒結初期および燒結中期において徐々に液相が発生した後、燒結後期になって始めて大量の液相が発生するのでたわみや歪が発生することはない。
【００２５】
つぎに、この発明のピストンリング複合耐摩環において、これを構成する外輪環の鉄基燒結合金の成分組成を上記の通りに限定した理由を説明する。
（ａ）Ｃｕ
Ｃｕは、放熱性、相手攻撃性および耐摩耗性を向上さ、さらにピストン本体との密着性を向上させる効果があるが、その含有量が１１重量％未満では所望の効果が得られず、一方、４０重量％を越えると液相が過大となり、焼結中に変形が生じて寸法のバラツキが大きくなるので好ましくない。したがって、Ｃｕの含有量は１１〜４０重量％に定めた。Ｃｕの含有量の一層好ましい範囲は１２〜２５重量％である。
【００２６】
（ｂ）Ｎｉ
Ｎｉは、Ｃｕ合金相中においてＣｕ合金相の融点を上昇させ、液相焼結をコントロールし、またＦｅ合金相とＣｕ合金相との密着性を向上させる作用があるが、その含有量が０．５重量％未満ではその効果が十分でなく、一方、１０重量％を越えて含有してもそれ以上の効果が少ない。したがって、Ｎｉの含有量は０．５〜１０重量％に定めた。Ｎｉの含有量の一層好ましい範囲は１〜８重量％である。
【００２７】
（ｃ）Ｃ
Ｃは、強度および硬さを向上させる作用があるが、その含有量が０．００１重量％未満では所望の効果が得られず、一方、３．０重量％を越えて含有する靭性を低下させるので好ましくない。したがって、Ｃの含有量は０．００１〜３重量％に定めた。Ｃの含有量の一層好ましい範囲は０．００１〜１．６重量％である。
【００２８】
（ｄ）Ｃｒ
Ｃｒ成分は、オーステナイト相の素地に固溶して、これの耐熱性を向上させ、もってピストンリング複合耐摩環の高温耐摩耗性向上に寄与する作用をもつところから必要に応じて添加するが、その含有量が０．１％未満では前記作用に所望の向上効果が得られず、一方その含有量が１０％を越えると靭性が低下するようになることから、その含有量を０．１〜１０％、望ましくは０．３〜３％と定めた。
【００２９】
（ｅ）Ｍｏ
Ｍｏ成分は、素地に固溶して強度を向上させる作用をもち、さらにＦｅやＣと合金化したＭｏを主成分とした硬質粒子を分散させて耐摩耗性を向上させるために、必要に応じて含有されるが、その含有量が０．１％未満では所望の強度向上効果が得られず、一方その含有量が１５％を越えると、靭性が低下するので好ましくない。したがって、その含有量を０．１〜１５％、望ましくは０．５〜１０％と定めた。
【００３０】
【発明の実施の形態】
まず、断面が正方形で縦：８ｍｍ×横：８ｍｍ×肉厚：１ｍｍの寸法を有し、１８−８ステンレス鋼からなるパイプをリング状に曲げ加工し、曲げ加工したリング状鋼パイプの端部を突合せ溶接して内径：８４ｍｍ、外径：１００ｍｍの寸法を有するリングパイプを作製し用意した。
【００３１】
実施例１
原料粉末として、平均粒径：５５μｍのアトマイズＦｅ粉末、表１に示される平均粒径および成分組成を有するＣｕ−Ｎｉ合金粉末Ａ〜Ｄ、平均粒径：１８μｍの黒鉛粉末、を用意した。
【００３２】
【表１】
これら原料粉末を表２に示される配合組成に配合し、潤滑材としてステアリン酸亜鉛を０．７％添加してＶ型ミキサーにて３０分間混合して混合粉末を作製し、この混合粉末を６ｔｏｎ／ｃｍ2 の圧力でプレス成形してリング状圧粉体を作製し、このリング状圧粉体をＮ2−１０％Ｈ2 雰囲気中、温度：１１４０℃に１０分間保持の条件で仮焼結することにより外径：１２０ｍｍ×内径：１００ｍｍ×厚さ：８ｍｍの寸法をもった仮燒結体を作製し、この仮燒結体の内側に前記リングパイプにはめ込んで中間体を作製し、この中間体をＮ2−１０％Ｈ2 雰囲気中、温度：１１４０℃に３０分間保持の条件で本焼結することにより、外部に表２に示される成分組成を有する鉄基焼結合金からなる外輪環とその内部に内輪環が同心円状に接合してなる本発明ピストンリング複合耐摩環（以下、本発明複合耐摩環と云う）１〜１０をそれぞれ製造した。上記本発明複合耐摩環１〜１０の外輪環は、Ｆｅを主成分とするＦｅ基合金相をＣｕを主成分とするＣｕ基合金相で結合してなる組織を有していた。
【００３４】
さらに、本発明複合耐摩環１〜１０の外輪環の組織におけるＦｅ基合金相およびＣｕ基合金相の成分含有量をＥＰＭＡにより測定した結果、前記Ｆｅ基合金相はＮｉ、ＣｕおよびＣを含みかつＦｅを５０重量％以上含んでおり、前記Ｃｕ基合金相はＮｉ、ＦｅおよびＣを含みかつＣｕを５０重量％以上含んでおり、さらにＦｅ基合金相に含まれるＮｉおよびＣの濃度は、Ｃｕ基合金相に含まれるＮｉおよびＣの濃度よりも大であることが分かった。
さらに、比較の目的で、同じく表２に示されるＣｕがこの発明の組成よりも少ない組成をもち、同じ寸法の比較ピストンリング耐摩環（以下、比較耐摩環と云う）を製造した。
【００３５】
ついで、上記の本発明複合耐摩環１〜１０および比較耐摩環を、通常の条件で前処理、すなわち脱脂、乾燥、および温度：７００℃の後述の鋳造Ａｌ−Ｓｉ系合金溶湯と同じ組成をもったＡｌ−Ｓｉ系合金溶湯中に５分間浸漬の前処理を施した状態で、それぞれ精密鋳造金型内に設置し、これにＡｌ−１２．４％Ｓｉ−１．１２％Ｃｕ−０．９６％Ｍｇ−１．０６％Ｎｉの組成をもったＡｌ−Ｓｉ系合金溶湯を鋳造してピストン本体を形成すると共に、前記各種耐摩環を鋳包み、ついで前記各種耐摩環の外周面に沿って切削加工にて溝深さ：７ｍｍ×溝幅：３ｍｍの寸法のトップリング溝を形成することにより、トップリング溝を形成した耐摩環を有するＡｌ−Ｓｉ系合金製ピストンをそれぞれ製造した。
【００３６】
さらに、冷却空洞に冷却用オイルを通すようにした後、これらのピストンを、排気量：８２００ｃｃの直列６気筒直噴ディーゼルエンジンに組み込み、回転数：２９００ｒｐｍ、エンジンの冷却温度：９５℃、運転モード：５００時間連続運転、負荷：フル出力の条件で加速運転試験を行ない、試験後の耐摩環のトップリング溝における外周面の最大溝幅増加量（最大溝幅−切削加工により形成した溝幅）を測定することにより高温耐摩耗性を評価し、また上記トップリング溝に嵌合されたピストンリング（Ｆｅ−２．７％Ｓｉ−３．５％Ｃの組成をもった球状黒鉛鋳鉄製でＣｒメッキしたもの）の上下面における最大摩耗深さを測定することにより相手攻撃性を評価した。これらの測定結果を表２に示した。
【００３７】
【表２】
表２に示される結果から、本発明複合耐摩環１〜１０は、いずれも最大溝幅増加量が小さいところから優れた高温耐摩耗性を示し、かつ相手攻撃性もきわめて小さいのに対して、比較耐摩環は十分な高温耐摩耗性を具備しないために、トップリング溝の最大溝幅増加量が大きくなって好ましくないことが明らかである。
【００３９】
実施例２
原料粉末として、平均粒径：５５μｍのアトマイズＦｅ粉末、表１に示される平均粒径および成分組成を有するＣｕ−Ｎｉ合金粉末、平均粒径：１８μｍの黒鉛粉末を用意し、さらに
平均粒径：４０μｍを有し、Ｃｒが表３に示される２０〜８０％の範囲内の所定量を含有し、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ｃｒ合金粉末、
平均粒径：５０μｍを有し、Ｍｏが表３に示される０．５〜１５％の範囲内の所定量を含有し、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ｍｏ合金粉末を用意した。
【００４０】
これら原料粉末を表３に示される配合組成に配合し、潤滑材としてステアリン酸亜鉛を０．７％添加してＶ型ミキサーにて３０分間混合し、６ｔｏｎ／ｃｍ2 の圧力で実施例１と同じ形状および寸法をもったリング状圧粉体を作製し、この圧粉体を実施例１と同じ条件で仮燒結し、得られたリング状仮燒結体の内側に前記リングパイプをはめ込むことにより中間体を作製し、この中間体をＮ2−１０％Ｈ2 雰囲気中、温度：１１４０℃に３０分間保持の条件で焼結することにより表３に示される成分組成を有する外輪環とその内部に内輪環が同心円状に接合してなる冷却空洞を有する本発明複合耐摩環１１〜２０をそれぞれ製造した。上記本発明複合耐摩環１１〜２０の外輪環は、いずれもＦｅを主成分とするＦｅ基合金相をＣｕを主成分とするＣｕ基合金相で結合してなる組織を有していた。
【００４１】
さらに、この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の外輪環の組織を構成するＦｅ基合金相およびＣｕ基合金相の成分含有量をＥＰＭＡにより測定した結果、前記Ｆｅ基合金相はＮｉ、ＣｕおよびＣを含みさらにＣｒおよび／またはＭｏを含み、かつＦｅを５０重量％以上含んでおり、前記Ｃｕ基合金相はＮｉ、ＦｅおよびＣを含みさらにＣｒおよび／またはＭｏを含み、かつＣｕを５０重量％以上含んでおり、さらにＦｅ基合金相に含まれるＮｉおよびＣの濃度並びにＣｒおよび／またはＭｏの濃度は、Ｃｕ基合金相に含まれるＮｉおよびＣの濃度並びにＣｒおよび／またはＭｏの濃度よりも大であることが分かった。
【００４２】
ついで、上記の各種複合耐摩環を、実施例１と同様にしてＡｌ−Ｓｉ系合金溶湯中に５分間浸漬の前処理を施した状態で、それぞれ精密鋳造金型内に設置し、これにＡｌ−１２．４％Ｓｉ−１．１２％Ｃｕ−０．９６％Ｍｇ−１．０６％Ｎｉの組成をもったＡｌ−Ｓｉ系合金溶湯を鋳造してピストン本体を形成すると共に、前記複合耐摩環を鋳包み、ついで前記複合耐摩環の外周面に沿って切削加工にて溝深さ：７ｍｍ×溝幅：３ｍｍの寸法のトップリング溝を形成することによりＡｌ−Ｓｉ系合金製ピストンをそれぞれ製造した。
【００４３】
さらに、これらのピストンを実施例１と同様に、排気量：８２００ｃｃの直列６気筒直噴ディーゼルエンジンに組み込み、回転数：２９００ｒｐｍ、エンジンの冷却温度：９５℃、運転モード：５００時間連続運転、負荷：フル出力の条件で加速運転試験を行ない、試験後の複合耐摩環のトップリング溝における外周面の最大溝幅増加量（最大溝幅−切削加工により形成した溝幅）を測定することにより高温耐摩耗性を評価し、また上記トップリング溝に嵌合されたピストンリング（Ｆｅ−２．７％Ｓｉ−３．５％Ｃの組成をもった球状黒鉛鋳鉄製でＣｒメッキしたもの）の上下面における最大摩耗深さを測定することにより相手攻撃性を評価し、これらの測定結果を表４に示した。
【００４４】
【表３】
【表４】
表４に示される結果から、本発明複合耐摩環１１〜２０は、いずれもすぐれた高温耐摩耗性を示し、かつ相手攻撃性もきわめて小さいのに対して、表２のニレジスト鋳鉄からなる比較耐摩環は十分な高温耐摩耗性を具備するものでないために、摩耗進行が著しいことが明らかである。
【００４７】
実施例３
実施例２におけるＦｅ−Ｍｏ合金粉末の代わりに平均粒径：３０μｍを有し、Ｍｏが表５に示される１５を超え〜６０％の範囲内の所定量を含有し、残部：Ｆｅおよび不可避不純物からなるＦｅ−Ｍｏ合金粉末を用意した以外は、実施例２と同じ原料粉末を用意した。
【００４８】
これら原料粉末を表５に示される配合組成に配合し、潤滑材としてステアリン酸亜鉛を０．７％添加してＶ型ミキサーにて３０分間混合し、実施例１と同じ条件で焼結することにより表６に示される成分組成を有し、実施例１と同じ形状および寸法を有する本発明複合耐摩環２１〜３１をそれぞれ製造した。上記本発明複合耐摩環２１〜３１は、いずれもＦｅ基合金相をＣｕ基合金相で結合してなる組織を有し、素地中にＭｏを主成分とする硬質粒子が分散していた。
【００４９】
さらに、この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の外輪環組織のＦｅ基合金相およびＣｕ基合金相の成分含有量をＥＰＭＡにより測定した結果、前記Ｆｅ基合金相はＮｉ、ＣｕおよびＣを含みさらにＣｒおよび／またはＭｏを含みかつＦｅを５０重量％以上含んでおり、前記Ｃｕ基合金相はＮｉ、ＦｅおよびＣを含みさらにＣｒおよび／またはＭｏを含みかつＣｕを５０重量％以上含んでおり、さらにＦｅ基合金相に含まれるＮｉおよびＣの濃度並びにＣｒおよび／またはＭｏの濃度は、Ｃｕ基合金相に含まれるＮｉおよびＣの濃度並びにＣｒおよび／またはＭｏの濃度よりも大であることが分かった。
【００５０】
ついで、上記の各種複合耐摩環を、実施例１と同様にしてＡｌ−Ｓｉ系合金溶湯中に５分間浸漬の前処理を施した状態で、それぞれ精密鋳造金型内に設置し、これにＡｌ−１２．４％Ｓｉ−１．１２％Ｃｕ−０．９６％Ｍｇ−１．０６％Ｎｉの組成をもったＡｌ−Ｓｉ系合金溶湯を鋳造してピストン本体を形成すると共に、前記複合耐摩環を鋳包み、ついで前記複合耐摩環の外周面に沿って切削加工にて溝深さ：７ｍｍ×溝幅：３ｍｍの寸法のトップリング溝を形成することによりＡｌ−Ｓｉ系合金製ピストンをそれぞれ製造した。
【００５１】
さらに、これらのピストンを実施例１と同様に、排気量：８２００ｃｃの直列６気筒直噴ディーゼルエンジンに組み込み、回転数：３５００ｒｐｍ、エンジンの冷却温度：９５℃、運転モード：５００時間連続運転、負荷：フル出力の条件で加速運転試験を行ない、試験後の複合耐摩環のトップリング溝における外周面の最大溝幅増加量（最大溝幅−切削加工により形成した溝幅）を測定することにより高温耐摩耗性を評価し、また上記トップリング溝に嵌合されたピストンリング（Ｆｅ−２．７％Ｓｉ−３．５％Ｃの組成をもった球状黒鉛鋳鉄製でＣｒメッキしたもの）の上下面における最大摩耗深さを測定することにより相手攻撃性を評価し、これらの測定結果を表６に示した。
【００５２】
【表５】
【表６】
表６に示される結果から、本発明複合耐摩環２１〜３０は、いずれもすぐれた高温耐摩耗性を示し、かつ相手攻撃性もきわめて小さいのに対して、表２の比較耐摩環は十分な高温耐摩耗性を具備するものでないために、摩耗進行が著しいことが明らかである。
【００５５】
【発明の効果】
上述のように、この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環は、鋼パイプからなる内輪環が熱伝導性に優れかつ相手攻撃性の小さい鉄基燒結合金からなる外輪環に隣接している構造を有するところから、冷却性能に優れ、高温雰囲気下にあっても小さい相手攻撃性ですぐれた高温耐摩耗性を発揮し、エンジンの排気ガス規制に十分満足に対応することができ、かつエンジンの高出力化および省燃費化の促進に寄与するなど工業上有用な特性をもつものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の一部切欠き斜視図である。
【図２】 この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の製造方法を説明するための断面説明図である。
【図３】 この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の製造方法を説明するための断面説明図である。
【図４】 この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環を組み込んだディーゼルエンジンのピストンを例示する概略縦断面図である。
【図５】 この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の一部切欠き斜視図である。
【図６】 この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の一部切欠き斜視図である。
【図７】 この発明の冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環の製造方法を説明するための断面説明図である。
【図８】 従来のディーゼルエンジンのピストンを例示する概略縦断面図（ａ）および同要部縦断面図（ｂ）である。
【符号の説明】
１ ピストンリング耐摩環
２ ピストン鋳物本体
３ トップランド部
４ トップリング溝
５ ピストンリング
６ 冷却空洞
７ 冷却空洞
８ 内輪環
９ 外輪環
１０ 下金型
１１ 複合耐摩環
１２ 内部側壁
１３ 混合粉末
１４ 上金型
１５ 中間体
１８ リングパイプ
１９ リング状仮燒結体
２５ 中間体
２９ リング状圧粉体
Claims (10)
- 鋼パイプからなる内輪環と鉄基焼結合金からなる外輪環が同心円状に接合した構造を有する冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環であって、前記鉄基燒結合金からなる外輪環は、重量％で、Ｃｕ：１１〜４０％、Ｎｉ：０．５〜１０％、Ｃ：０．００１〜３％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成、並びにＦｅを主成分とするＦｅ基合金相をＣｕを主成分とするＣｕ基合金相により結合してなる組織を有する鉄基焼結合金で構成されていることを特徴とする高温耐摩耗性および熱伝導性の優れた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環。
- 前記Ｆｅを主成分とするＦｅ基合金相は、Ｎｉ、ＣｕおよびＣを含みかつＦｅを５０％以上含むＦｅ基合金相であり、
前記Ｃｕを主成分とするＣｕ基合金相はＮｉ、ＦｅおよびＣを含みかつＣｕを５０％以上含むＣｕ基合金相であり、
前記Ｆｅ基合金相に含まれるＮｉおよびＣの濃度は、前記Ｃｕ基合金相に含まれるＮｉおよびＣの濃度よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の高温耐摩耗性および熱伝導性の優れた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環。 - 鋼パイプからなる内輪環と鉄基焼結合金からなる外輪環が同心円状に接合した構造を有する冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環であって、前記鉄基燒結合金からなる外輪環は、重量％で、Ｃｕ：１１〜４０％、Ｎｉ：０．５〜１０％、Ｃ：０．００１〜３％、Ｃｒ：０．１〜１０％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成、並びにＦｅを主成分とするＦｅ基合金相をＣｕを主成分とするＣｕ基合金相により結合してなる組織を有する鉄基焼結合金で構成されていることを特徴とする高温耐摩耗性および熱伝導性の優れた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環。
- 前記Ｆｅを主成分とするＦｅ基合金相は、Ｎｉ、Ｃｕ、ＣｒおよびＣを含みかつＦｅを５０％以上含むＦｅ基合金相であり、
前記Ｃｕを主成分とするＣｕ基合金相は、Ｎｉ、Ｆｅ、ＣｒおよびＣを含みかつＣｕを５０％以上含むＣｕ基合金相であり、
前記Ｆｅ基合金相に含まれるＮｉ、ＣｒおよびＣの濃度は、前記Ｃｕ基合金相に含まれるＮｉ、ＣｒおよびＣの濃度よりも大きいことを特徴とする請求項３記載の高温耐摩耗性および熱伝導性の優れた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環。 - 鋼パイプからなる内輪環と鉄基焼結合金からなる外輪環が同心円状に接合した構造を有する冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環であって、前記鉄基燒結合金からなる外輪環は、重量％で、Ｃｕ：１１〜４０％、Ｎｉ：０．５〜１０％、Ｃ：０．００１〜３％、Ｍｏ：０．１〜１５％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成、並びにＦｅを主成分とするＦｅ基合金相をＣｕを主成分とするＣｕ基合金相により結合してなる組織を有する鉄基焼結合金で構成されていることを特徴とする高温耐摩耗性および熱伝導性の優れた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環。
- 前記Ｆｅを主成分とするＦｅ基合金相は、Ｎｉ、Ｃｕ、ＭｏおよびＣを含みかつＦｅを５０％以上含むＦｅ基合金相であり、
前記Ｃｕを主成分とするＣｕ基合金相は、Ｎｉ、Ｆｅ、ＭｏおよびＣを含みかつＣｕを５０％以上含むＣｕ基合金相であり、
前記Ｆｅ基合金相に含まれるＮｉ、ＭｏおよびＣの濃度は、前記Ｃｕ基合金相に含まれるＮｉ、ＭｏおよびＣの濃度よりも大きいことを特徴とする請求項５記載の高温耐摩耗性および熱伝導性の優れた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環。 - 鋼パイプからなる内輪環と鉄基燒結合金からなる外輪環が同心円状に接合した構造を有する冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環であって、前記鉄基燒結合金からなる外輪環は、重量％で、Ｃｕ：１１〜４０％、Ｎｉ：０．５〜１０％、Ｃ：０．００１〜３％、Ｍｏ：０．１〜１５％、Ｃｒ：０．１〜１０％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる組成、並びにＦｅを主成分とするＦｅ基合金相をＣｕを主成分とするＣｕ基合金相により結合してなる組織を有する鉄基焼結合金で構成されていることを特徴とする高温耐摩耗性および熱伝導性の優れた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環。
- 前記Ｆｅを主成分とするＦｅ基合金相は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、ＣｒおよびＣを含みかつＦｅを５０％以上含むＦｅ基合金相であり、
前記Ｃｕを主成分とするＣｕ基合金相は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｏ、ＣｒおよびＣを含みかつＣｕを５０％以上含むＣｕ基合金相であり、
前記Ｆｅ基合金相に含まれるＮｉ、Ｍｏ、ＣｒおよびＣの濃度は、前記Ｃｕ基合金相に含まれるＮｉ、Ｍｏ、ＣｒおよびＣの濃度よりも大きいことを特徴とする請求項７記載の高温耐摩耗性および熱伝導性の優れた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環。 - 前記請求項５，６，７または８記載のＭｏを含む鉄基燒結合金からなる外輪環は、Ｆｅを主成分とするＦｅ基合金相をＣｕを主成分とするＣｕ基合金相により結合してなる素地中にＭｏを主成分とした硬質粒子が均一分散した組織を有することを特徴とする高温耐摩耗性および熱伝導性の優れた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環。
- 前記内輪環を構成する鋼パイプは、ステンレス鋼パイプであることを特徴とする請求項１、３、５または７記載の高温耐摩耗性および熱伝導性の優れた冷却空洞付きピストンリング複合耐摩環。
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