JP3779370B2

JP3779370B2 - 鋳鉄及びピストンリング

Info

Publication number: JP3779370B2
Application number: JP06711296A
Authority: JP
Inventors: 哲也三輪
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1996-02-28
Filing date: 1996-02-28
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2016-02-28
Also published as: CN1064719C; DE19780253T1; CN1190441A; DE19780253C2; KR19990008129A; US5972128A; WO1997032049A1; KR100260348B1; JPH09235648A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、耐焼き付き特性と耐摩耗性とが改善された鋳鉄及びピストンリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
往復動内燃機関に使用されるピストンリングには高度な耐摩耗性が要求される。それ故、片状黒鉛鋳鉄材（ＦＣ２５０やＦＣ３００）、球状黒鉛鋳鉄材（ＦＣＤ７００等）や特開平５−８６４７３号等で提案されたコンパクテド・バーミキュラ（ＣＶ）黒鉛鋳鉄材や、さらには外周摺動面に耐摩耗性を付与することを目的として、外周摺動面に硬質クロムめっき層や複合分散めっき層を形成させた鋳鉄や鋼製のピストンリングが内燃機関用ピストンリングとして、従来より多用されている。
【０００３】
しかしながら、ピストンリングはシリンダ内面と高速で相対的に摺動するものであるから、自己の耐摩耗性が優れるばかりでなく、相手材であるシリンダ内面を摩耗させない特性を有することも必要である。特に、冷却速度を遅くすることによりフェライト析出量を多くした、ＨＲＢ８５〜９５程度の低硬度片状黒鉛鋳鉄ライナーを相手材とするピストンリングでは、ライナー自身の耐摩耗性が低いので、相手材を摩耗させないという特性が重要な要素となる。
【０００４】
したがって、外周摺動面に硬質のクロムめっき層や複合分散めっき層を形成させた鋳鉄や鋼製のピストンリングは、自身の耐摩耗性に優れるが、相手材の片状黒鉛鋳鉄ライナーを摩耗させる傾向が強いので、耐折損性が要求される１ｓｔリングに用いられることはあったが、２ｎｄリングに用いられることは少なかった。従って、２ｎｄリングには、前述のように、従来の片状黒鉛鋳鉄材やＣＶ黒鉛材等の鋳鉄製リングが表面処理層を設けることなく用いられてきた。しかしながら、これら材料からなるピストンリングは、自身の耐摩耗性や相手材（片状黒鉛鋳鉄）との耐焼き付き性が低く、その性能の向上が望まれていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、上記に鑑み、耐焼き付き特性と耐摩耗性が改善された鋳鉄、ならびに自身の耐摩耗性に優れ、ＨＲＢ８５〜９５の低硬度片状黒鉛鋳鉄ライナーに対する耐焼き付き性に優れ、且つ、相手材であるライナーを摩耗させることが少ない、鋳鉄製ピストンリング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】
上記の目的を達成する本発明は、質量比で、Ｃ：３．０〜３．５％、Ｓｉ：２．２〜３．２％、Ｍｎ：０．４〜１．０％、Ｐ：０．２％以下、Ｓ：０．１２％以下、Ｃｒ：０．１〜０．３％、Ｖ：０．０５〜０．２％、Ｎｉ：０．８〜１．２％、Ｍｏ：０．５〜１．２％、Ｃｕ：０．５〜１．２％、Ｂ：０．０５〜０．１％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有し、焼戻しマルテンサイト又はベーナイトの１種もしくは２種の基地内に２〜１０面積％の未固溶炭化物及び微細黒鉛が分散されかつ硬度がＨＲＣ３２〜４５である鋳鉄からなるピストンリングに関する。
【０００７】
【作用】
従来より用いられている、化学組成がＣ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖからなる微細黒鉛鋳鉄材を基本に、本発明は、耐摩耗性の向上を目的としてＢを添加し、さらに一般的には摺動特性にあまり効果のないとされるＣｕを添加することによって、Ｂのみを添加したものよりもさらに、優れた耐焼き付き性及び耐摩耗性を得たことを特徴としている。
以下、本発明材料の組成を詳細に説明する。
【０００８】
Ｃは３．０％未満ではチルが発生し易く、３．５％を超えると黒鉛の晶出量が多くなりすぎて靭性を害するようになると共に、複合炭化物の晶出量が不足して耐焼き付き性、耐摩耗性が低下するようになるため、３．０〜３．５％とする。Ｓｉは２．２％未満ではチル化し易く、３．２％を超えると基地組織中に遊離フェライトが多量に生成して、耐摩耗性が害されるために、２．２〜３．２％とする。
Ｍｎは一般の鉄鋼材料中に不可避的に存在する元素であって、Ｆｅ₃ Ｃを安定化させることによって耐摩耗性を向上させる。Ｍｎが０．４％未満ではＦｅ₃ Ｃの安定化が鈍く、１．０％を超えるとＣの黒鉛化を阻害して班鋳鉄となり靭性を害するようになるため０．４〜１．０％とする。
【０００９】
Ｐは被削性を改善するが、衝撃抵抗を低下させ、焼き戻し脆性を促進させるために本発明では０．２％以下とする。
Ｓは熱間加工性を害し、高温割れを生じやすくするため、０．１２％以下とする。
ＣｒはＦｅ₃ Ｃを安定化してこれを未固溶炭化物として残存させ、さらに、鋳物の肉厚があっても組織を均一化する働きがあり、また耐銹性を向上させる。しかし、Ｃｒはチル化を促進させ、鋳物硬度の著しい増加を起こすため、０．１〜０．３％とする。
ＶはＣｒと同様にＦｅ₃ Ｃを安定化させてこれを未固溶炭化物として残存させる働きをする。また、Ｖは黒鉛及び鉄結晶の微細化と、黒鉛分布の均一化に有効であるが、多量に添加すると、複合炭化物の晶出量が多くなりすぎ、靭性を害するため、含有量は０．０５〜０．２％とする。
【００１０】
Ｎｉは黒鉛を微細化し、且つその分布を均一化するのに効果があり、また基地組織を緻密にさせる効果があるが、Ｆｅ₃ Ｃの安定化を害する働きもするので、その含有量は０．８〜１．２％とする。
Ｍｏは高温での耐熱へたり性及び耐摩耗性を増大させる。また、Ｃｒとの共存によって、耐食性を増す効果を有する。Ｍｏがその効果を発揮するには０．５％以上含有させることが必要であるが、１．２％以上含有させても、その効果の増大はそれほどなく、材料コストが高くなるので、０．５〜１．２％をその含有量にする。
【００１１】
Ｃｕは黒鉛化及び黒鉛の微細化の促進の働きをもち、加工性の向上に効果があることはよく知られているが、本発明者はＣｕが硼素化合物の均一分散に効果があり、その結果材料の耐摩耗性の向上に効果があることを見いだした。すなわち、従来硼素は硼素化合物を生成し、鋳鉄材料の耐摩耗性の向上に有効であるが、硼素化合物が偏析しやすいため、鋳鉄材料の組織中に硼素化合物の析出の少なく、耐摩耗性の向上しない部分も見られた。しかしながら、Ｃｕを添加することによって、硼素化合物の析出を材料全体に均一することが出来るので、材料全体の耐摩耗性の向上が図られた。Ｃｕがこの効果を発揮するには０．５％以上の添加が必要であり、１．２％以上添加しても、その効果に変化は無く、従って、Ｃｕは０．５〜１．２％を含有量とする。
【００１２】
Ｂは硼素化合物を析出し、耐摩耗性を向上させる。Ｂが０．０５％以下では、その効果はなく、一方０．１％を越えるとチル化を促進し、靭性を損なうので、Ｂの含有量を０．０５〜０．１％とする。
【００１３】
本発明に係る鋳鉄材料の組織は、焼戻しマルテンサイト及びまたはベーナイトの基地組織中に微細黒鉛及び硼素化合物が均一に分散したものである。さらに、Ｃｒ、Ｖ、Ｆｅなどが形成する炭化物の一部を未固溶状態で残存させている。
上記した組織を得るためには鋳物を８７０〜９３０℃に肉厚１０ｍｍ当り８〜１２分間保持した後１００〜２００℃／ｍｉｎの冷却速度で急冷して溶体化処理し、その後引き続いて５２０〜５７０℃で焼戻しを行うことが好ましい。但し、焼入れは鋳造後の冷却工程で代替しても良い。また熱処理条件はＨＲＣ３２〜４５の硬度が得られるように調整する。硬度がＨＲＣ３２未満であると鋳鉄自身の耐摩耗性が不足し、一方ＨＲＣ４５を超えると相手材の摩耗量が多くなるので、上記の範囲内の硬度を調整することが必要である。なお、この硬度範囲内の鋳鉄に少量存在することがあるフェライトは耐摩耗性をほとんど悪化させない。
以下実施例によりさらに詳しく本発明を説明する。
【００１４】
【実施例】
軟鋼、Ｔｉ−Ｖ銑、Ｆｅ銑鉄又は鋳物用銑鉄、Ｃ粉、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｃｒ、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｍｏ、Ｍｅ−Ｃｕ、Ｆｅ−Ｖを原材料にして高周波電気炉で溶解、Ｆｅ−Ｓｉを０．５％、イノキュリンを０．１％接種しながら１５７０℃で出湯し、生砂で製作した５０ｍｍ×９０ｍｍ×７ｍｍの供試材型に鋳込んだ。これを５８０℃で焼戻しして、焼戻しマルテンサイト組織及びベーナイト組織にしたものを供試材（特にＣｕとＢに着目して５成分）とした。その他に従来のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖからなる微細黒鉛鋳鉄材（以後、従来材と呼ぶ）、これにＢを添加しただけの鋳鉄材（以後、Ｂ添加材と呼ぶ）、コンパクテド・バーミキュラ黒鉛鋳鉄材（以後、ＣＶ鋳鉄材と呼ぶ）を比較材とした。
【００１５】
供試材および比較材の分析値は図１（表）に示す通りである。図２はかくして得られた本発明の鋳鉄材料の黒鉛を表わすために腐食なしで観察した顕微鏡写真（倍率１００倍）である。図３は倍率４００倍のナイタール腐食の顕微鏡写真を示す。
図２に白色針状に見える相が黒鉛であって、その長さは最大数１０μｍ程度である。図３からは黒鉛以外の各相の形態が明らかになる。白色の相は未固溶炭化物であり、黒色の相は焼戻しマルテンサイトであり、その中には微細黒鉛が分布している。灰色島状の相はベーナイトである。
【００１６】
（１）機械的性質試験
この供試材から、抗析試験片として５×５×９０ｍｍを採取して３点曲げ坑析試験を行った。試験結果は図４に示す通りである。同図から、本発明材料の抗析力は、Ｃｕは多い材料▲５▼が優れていて、Ｂは少ない材料▲１▼が優れていることがわかる。
【００１７】
（２）スカッフ試験
試験片は供試材から５×５×１０ｍｍを採取した本発明鋳鉄材と、比較材として従来材、Ｂ添加材およびＣＶ鋳鉄材を研摩仕上げを施して用い、相手材にＨＲＢ８８の低硬度ねずみ鋳鉄ライナーを用いた。
【００１８】
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に取り外し可能に取り付けられた直径８０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの研摩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に対する端面に取り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個取り外し加工に、かつ、円板２に対して摺動自体に取り付けてある。
【００１９】
このような装置においてステータ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に作用する圧力を段階的に増加して行き、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８ｍ／ｓｅｃ、潤滑油及び給油条件はモーターオイル＃３０にて温度８０℃、４００ｍｌ、接触圧力は２０ｋｇ／ｃｍ² で３分間保持、その後３分間経過毎に１０ｋｇ／ｃｍ² ずつ上昇させた。
試験結果を図７に示す。本発明鋳鉄材料の耐スカッフ性は従来材より優れており、Ｂ添加材と比較しても優れた結果となっており、Ｃｕの添加によりさらに耐摩耗性が改善されていることがわかる。
【００２０】
（３）摩耗試験
試験片は５×５×２１ｍｍで一方の端を１０ｍｍＲに加工したものを用いた。試験装置は図８に概要を図解的に示すものであって、円柱状ドラム１０の軸部にはヒーター１２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の側面には試験片１１の１０ｍｍＲ加工した部分がエアーシリンダーによって押し当てられている。
【００２１】
このような装置においてドラム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の側面に形成され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０．２５ｍ／ｓｅｃ、接触荷重は６ｋｇｆ、試験時間は４Ｈｒｓである。
試験結果は図９に示す。
図９からは、本発明鋳鉄材料は従来材さらにＢ添加剤材に比べて自己摩耗量及び相手材摩耗量が少なく、優れた耐摩耗性を持つことがわかる。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明鋳鉄材料は、ＢのみならずＣｕを添加す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、特にＨＲＢ８５〜９５の低硬度ねずみ鋳鉄ライナーを相手とする２ｎｄピストンリング材として極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に用いた供試材の分析値を示す図表である。
【図２】腐食なしの本発明鋳鉄材料の組織を示す顕微鏡写真（倍率１００倍）である。
【図３】ナイタール腐食された本発明鋳鉄材料の組織を示す顕微鏡写真（倍率４００倍）である。
【図４】抗析試験結果を示すグラフである。
【図５】スカッフ試験に使用した試験装置の概要を示す部分縦断面図である。
【図６】スカッフ試験に使用した試験装置の概要を示し、図５に示すＶＩ−ＶＩの矢視側面図である。
【図７】スカッフ試験結果を示すグラフである。
【図８】摩耗試験に使用した試験装置の概要を示す図である。
【図９】摩耗試験結果を示すグラフである。
【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

Claims

質量比で、Ｃ：３．０〜３．５％、Ｓｉ：２．２〜３．２％、Ｍｎ：０．４〜１．０％、Ｐ：０．２％以下、Ｓ：０．１２％以下、Ｃｒ：０．１〜０．３％、Ｖ：０．０５〜０．２％、Ｎｉ：０．８〜１．２％、Ｍｏ：０．５〜１．２％、Ｃｕ：０．５〜１．２％、Ｂ：０．０５〜０．１％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有し、焼戻しマルテンサイト又はベーナイトの１種もしくは２種の基地内に２〜１０面積％の未固溶炭化物及び微細黒鉛が分散されかつ硬度がＨＲＣ３２〜４５である鋳鉄。
請求項１記載の鋳鉄を使用したピストンリング。
２ｎｄリングに使用する請求項２記載のピストンリング。
相手材をＨＲＢ８５〜９５の硬度を有する片状黒鉛鋳鉄製ライナーとする請求項３記載のピストンリング。