JP4282894B2

JP4282894B2 - piston ring

Info

Publication number: JP4282894B2
Application number: JP2000394695A
Authority: JP
Inventors: 康二竹内; 士郎柴田
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2000-12-26
Filing date: 2000-12-26
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2020-12-26
Also published as: JP2002194500A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用ピストンリングに係り、とくに高強度で、かつ耐疲労特性に優れたピストンリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境の保全という観点から、自動車車体の軽量化が要望されている。このため、最近の内燃機関では、高出力化が指向され、しかも軽量化を図り燃費の向上と、排ガス規制を満足することが要求されている。このような内燃機関の動向にしたがい、内燃機関に使用されるピストンリングも、形状面あるいは材質面で種々の改善が進められている。
【０００３】
内燃機関用ピストンリングは、通常、２本の圧力リングと１本のオイルリング（油かきリング）とから構成されることが多い。圧力リングは、燃焼室内の高温・高圧ガスがクランク室へ漏れるのを防ぐとともに、燃焼により高温となったピストンの熱をシリンダ壁に伝導する機能を有し、またオイルリングは、シリンダ内壁面に適切な油膜を形成するとともに、余分な潤滑油を掻き取りオイルパンに戻す役割を有している。
【０００４】
面圧が高く厳しい使用環境で使用される第一圧力リングには、従来から、鋳鉄製リングに硬質Crめっきを施して使用されてきたが、最近では、耐摩耗性の向上のために、１％以上のSiを含有するSi−Cr鋼製リングや11％以上のCrを含有するマルテンサイト系ステンレス鋼製リングに、表面に窒化処理を施して使用されるようになっている。一方、第二圧力リングは、第一圧力リングほど使用環境は厳しくなく、形状がテーパ付き、テーパアンダカット付き等複雑な形状となるため、加工性の観点から鋳鉄製リングが、必要に応じ、耐摩耗性向上のため外周、あるいはさらに上下面をも含めCrめっき、あるいは窒化処理が施されて、使用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記したような内燃機関の最近の動向から、燃費改善のため、シリンダー、ピストン等の軽量化に加えて、付属品であるピストンリングの軽量化が指向され、ピストンリングの狭幅化、とくに第２圧力リングの狭幅化が要望されている。しかし、第２圧力リングを狭幅化する場合、従来から使用されている鋳鉄製リングでは強度が不足する。
【０００６】
このような問題に対し、例えば特公昭58-25863号公報、特公昭61-54103号公報には、第２圧力リングも第１圧力リングと同一鋼製とすることが提案されている。しかし、高い耐摩耗性を有する第１圧力リング用の鋼材から、使用環境がそれほど厳しくない第２圧力リングを製作することは、圧力リングのコストが高価となり経済的に不利になるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記した従来技術の問題を有利に解決し、内燃機関の軽量化傾向に合致して幅狭の圧力リングとすることが可能な、高強度を有し経済的に安価で、かつ耐疲労特性に優れた内燃機関用ピストンリングを提案することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した課題を達成するために、高強度でかつ安価で、ピストンリング用として好適な特性を有する鋼材について、鋭意研究した。その結果、炭素鋼にくらべ、Mn含有量を0.61質量％以上に増加させた鋼材を使用することにより、幅狭のピストンリングとするに十分な強度が得られるうえ、表面処理を施すことなく、少なくとも第２圧力リングとして十分な耐摩耗性および耐疲労特性を有する内燃機関用ピストンリングが、安価に得られることを知見した。
【０００９】
本発明は、上記した知見に基づいて完成されたものである。
すなわち、本発明は、内燃機関のピストンリング溝に装着されるピストンリングであって、質量％で、Ｃ：0.50〜0.75％、Si：0.15〜0.35％、Mn：0.61〜0.95％、Ｐ：0.03％以下、Ｓ：0.03％以下を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる線材製であり、表面処理を施すことなく使用可能なことを特徴とする内燃機関用第２圧力リングである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明のピストンリングは、質量％で、Ｃ：0.50〜0.70％、Si：0.15〜0.35％、Mn：0.61〜0.95％、Ｐ：0.03％以下、Ｓ：0.03％以下を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼材（線材）製である。
まず、鋼材（線材）の組成限定理由について説明する。以下、質量％は単に％と記す。
【００１１】
Ｃ：0.50〜0.75％
Ｃは、固溶強化により硬さ、強度を向上させ、炭化物を形成し耐摩耗性を向上させる元素であり、本発明では0.50％以上の含有を必要とする。一方、0.75％を超えて含有すると、粗大な一次炭化物が多量に形成されやすく、加工性が低下するとともに、リングが脆化して強度が低下し、さらに相手攻撃性が高くなる。このため、本発明ではＣは0.50〜0.75％の範囲に限定した。
【００１２】
Si：0.15〜0.35％
Siは、脱酸剤として作用するとともに、さらに耐熱へたり性を向上させる元素であり、本発明では0.15％以上の含有を必要とする。一方、0.35％を超える含有は、加工性を低下させる。このため、Siは0.15〜0.35％に限定した。
Mn：0.61〜0.95％
Mnは、脱酸剤として作用するとともに、強度を増加させ、さらに熱間加工性を向上させる元素である。本発明では、強度を増加させ、ピストンリングの狭幅化を達成するために、0.61％以上の含有を必要とする。一方、0.95％を超えて含有すると、加工性が低下する。このため、Mnは0.61〜0.95％に限定した。
【００１３】
Ｐ：0.03％以下
Ｐは、鋼の強度を増加させるが、多量に含有すると結晶粒界等に偏析して鋼を脆化させる元素であり、本発明では0.03％以下に限定する。
Ｓ：0.03％以下
Ｓは、通常、鋼中では硫化物として存在し、加工性を低下させるため、できるだけ低減するのが望ましいが、必要以上の低減は精錬コストを高騰させ製造コストが高価となる。このため、本発明では、0.03％以下に限定した。
【００１４】
残部Feおよび不可避的不純物
上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。
本発明のピストンリングは、上記した組成の鋼材（線材）を用いて、通常公知の製造工程で、所定形状に加工され、製品とされる。
【００１５】
本発明のピストンリングを、第２圧力リングとして使用する場合には、とくに表面処理を必要とせず、母材のままで使用できる。
【００１７】
【実施例】
表１に示す組成の材料を使用して、通常のピストンリング加工により、図１に示す形状のピストンリング（φ86mm×厚み2.9 mm×幅1.2 mm）を製作した。No.1は本発明例であり、No.2〜No.4は比較例である。No.3は、Si−Cr鋼製、No.4は片状黒鉛鋳鉄（ＦＣ）製であり、従来からピストンリング用として使用されている材料を用いたものである。本発明例であるNo.1は、母材のままとし、比較例であるNo.3、No.4は外周にCrめっきを施した。なお、得られたピストンリングの硬さＨv を表１に示す。
【００１８】
得られたピストンリングについて、疲労強度試験を実施し、耐疲労特性を評価した。
図２に示すピストンリング疲労試験機を用いて、ピストンリングの合い口を種々の振幅ｙ（合い口変化量）で繰り返し拡張し、破断までの繰り返し数を求め、Ｓ−Ｎ曲線を求めた。合い口変化量ｙは、設定応力ｆ_iに対応して決定され、次式で計算した。
【００１９】
ｙ＝ｆ_i（ｄ₁−ａ₁）²／｛0.424 ａ₁×Ｅ｝
ここで、ｙ：合い口変化量（mm）
ｆ_i：設定応力
ａ₁：ピストンリング厚さ（mm）
ｄ₁：ピストンリング呼び径（mm）
Ｅ：弾性率（MPa ）
繰り返し数：１×10⁷回で破断しない最高応力を疲労強度として、各ピストンリングの耐疲労特性を評価した。
【００２０】
得られた結果を表１に示す。
【００２１】
【表１】

【００２２】
本発明例は、母材のままで、リングの幅を狭くすることも可能な強度（硬さ）を有し、しかも疲労強度も高く、また耐摩耗性も従来のピストンリング材（No.2, No.3）と同等の耐摩耗性を有しており、第２圧力リング用として十分な特性を有することがわかる。
また、本発明例は、従来のピストンリングにくらべ、Cr等の高価な合金元素の添加量が少なく、安価にピストンリングを製造することができ、経済的に有利である。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、高強度で、かつ耐摩耗性および耐疲労特性に優れた内燃機関用ピストンリングが安価に製造でき、産業上格段の効果を奏する。また、本発明のピストンリングは、従来にくらべ、リングの幅を狭くすることが可能であり、内燃機関の軽量化・コンパクト化に大きく寄与するという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施に好適なピストンリング形状の一例を示す。
【図２】ピストンリングの疲労強度を評価する疲労強度試験の概要を模式的に示す説明図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piston ring for an internal combustion engine, and more particularly to a piston ring having high strength and excellent fatigue resistance.
[0002]
[Prior art]
In recent years, there has been a demand for weight reduction of automobile bodies from the viewpoint of conservation of the global environment. For this reason, in recent internal combustion engines, higher output is aimed at, and further, weight reduction has been demanded to improve fuel consumption and satisfy exhaust gas regulations. In accordance with such a trend of the internal combustion engine, various improvements in the shape or material of the piston ring used in the internal combustion engine have been promoted.
[0003]
A piston ring for an internal combustion engine is usually composed of two pressure rings and one oil ring (oil scoring ring). The pressure ring has the function of preventing the high temperature and high pressure gas in the combustion chamber from leaking into the crank chamber, and conducting the heat of the piston that has become hot due to combustion to the cylinder wall. It forms a suitable oil film and has the role of scraping off excess lubricating oil and returning it to the oil pan.
[0004]
The first pressure ring that is used in harsh usage environments with high surface pressure has traditionally been used by applying hard Cr plating to the cast iron ring. Recently, in order to improve wear resistance, 1 Si-Cr steel rings containing at least% Si and martensitic stainless steel rings containing at least 11% Cr are used with nitriding treatment on the surface. On the other hand, the second pressure ring is not as harsh as the first pressure ring, and has a complicated shape such as a tapered shape and a tapered undercut. In order to improve wear resistance, Cr plating or nitriding treatment is applied to the outer periphery or upper and lower surfaces.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
From the recent trend of internal combustion engines as described above, in order to improve fuel economy, in addition to lightening cylinders, pistons, etc., the weight reduction of piston rings, which are accessories, is aimed at. There is a demand for narrowing the two-pressure ring. However, when narrowing the second pressure ring, the cast iron ring conventionally used is insufficient in strength.
[0006]
To deal with such problems, for example, Japanese Patent Publication No. 58-25863 and Japanese Patent Publication No. 61-54103 propose that the second pressure ring is made of the same steel as the first pressure ring. However, the production of the second pressure ring, which is not so harsh, from the steel material for the first pressure ring, which has high wear resistance, has the problem that the cost of the pressure ring becomes expensive and economically disadvantageous. It was.
[0007]
The present invention advantageously solves the above-described problems of the prior art, can be made into a narrow pressure ring in accordance with the lightening tendency of an internal combustion engine, has high strength, is economically inexpensive, and An object of the present invention is to propose a piston ring for an internal combustion engine having excellent fatigue resistance.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-mentioned problems, the present inventors have intensively studied a steel material that has high strength and is inexpensive and has suitable characteristics for a piston ring. As a result, compared to carbon steel, by using a steel material whose Mn content is increased to 0.61% by mass or more, sufficient strength to obtain a narrow piston ring can be obtained, and surface treatment is not performed. It has been found that a piston ring for an internal combustion engine having at least sufficient wear resistance and fatigue resistance as a second pressure ring can be obtained at low cost.
[0009]
The present invention has been completed based on the above findings.
That is, the present invention relates to a piston ring that is mounted in a piston ring groove of an internal combustion engine, and is in mass%, C: 0.50 to 0.75%, Si: 0.15 to 0.35%, Mn: 0.61 to 0.95%, P: 0.03. The second pressure ring for an internal combustion engine is characterized in that it is made of a wire material including the remaining Fe and inevitable impurities, and can be used without being subjected to surface treatment.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The piston ring of the present invention includes, in mass%, C: 0.50 to 0.70%, Si: 0.15 to 0.35%, Mn: 0.61 to 0.95%, P: 0.03% or less, S: 0.03% or less, the remaining Fe and inevitable It is made of steel material (wire material) made of mechanical impurities.
First, the reasons for limiting the composition of the steel material (wire material) will be described. Hereinafter, mass% is simply referred to as%.
[0011]
C: 0.50-0.75%
C is an element that improves hardness and strength by solid solution strengthening, forms carbides, and improves wear resistance. In the present invention, C is required to be contained in an amount of 0.50% or more. On the other hand, if the content exceeds 0.75%, a large amount of coarse primary carbide is likely to be formed, the workability is lowered, the ring becomes brittle, the strength is lowered, and the opponent attack is further enhanced. For this reason, in the present invention, C is limited to the range of 0.50 to 0.75%.
[0012]
Si: 0.15-0.35%
Si is an element that acts as a deoxidizer and further improves heat sagability. In the present invention, Si is required to be contained in an amount of 0.15% or more. On the other hand, if the content exceeds 0.35%, workability is lowered. For this reason, Si was limited to 0.15-0.35%.
Mn: 0.61 to 0.95%
Mn is an element that acts as a deoxidizer, increases strength, and further improves hot workability. In the present invention, the content of 0.61% or more is required in order to increase the strength and achieve narrowing of the piston ring. On the other hand, when it contains exceeding 0.95%, workability will fall. For this reason, Mn was limited to 0.61 to 0.95%.
[0013]
P: 0.03% or less P increases the strength of the steel, but if contained in a large amount, P is an element that segregates at the grain boundaries and embrittles the steel. In the present invention, it is limited to 0.03% or less.
S: 0.03% or less S usually exists as a sulfide in steel and lowers workability, so it is desirable to reduce it as much as possible. However, excessive reduction raises the refining cost and increases the manufacturing cost. . For this reason, in this invention, it limited to 0.03% or less.
[0014]
Remaining Fe and Inevitable Impurities The remainder other than the above components is Fe and inevitable impurities.
The piston ring of the present invention is processed into a predetermined shape by a generally known manufacturing process using a steel material (wire material) having the above-described composition to obtain a product.
[0015]
When the piston ring of the present invention is used as the second pressure ring, it can be used as it is without any surface treatment .
[0017]
【Example】
Using the material having the composition shown in Table 1, a piston ring (φ86 mm × thickness 2.9 mm × width 1.2 mm) having the shape shown in FIG. 1 was manufactured by ordinary piston ring processing. No. 1 is an example of the present invention, and Nos. 2 to 4 are comparative examples. No. 3 is made of Si-Cr steel, and No. 4 is made of flake graphite cast iron (FC), which uses materials conventionally used for piston rings. The inventive example No. 1 was left as a base material, and the comparative examples No. 3 and No. 4 were Cr plated on the outer periphery. Table 1 shows the hardness Hv of the obtained piston ring.
[0018]
About the obtained piston ring, the fatigue strength test was implemented and the fatigue-resistant characteristic was evaluated.
Using the piston ring fatigue tester shown in FIG. 2, the joint of the piston ring was repeatedly expanded with various amplitudes y (amount of change of the joint), the number of repetitions until breakage was determined, and the SN curve was determined. The abutment change amount y is determined corresponding to the set stress f _i and calculated by the following equation.
[0019]
y = f _i (d ₁ −a ₁ ) ² /{0.424 a ₁ × E}
Where y is the amount of change in the joint (mm)
f _i : set stress a ₁ : piston ring thickness (mm)
d ₁ : Nominal diameter of piston ring (mm)
E: Elastic modulus (MPa)
The fatigue resistance of each piston ring was evaluated with the maximum stress that does not break at 1 × 10 ⁷ repetitions as the fatigue strength.
[0020]
The obtained results are shown in Table 1.
[0021]
[Table 1]

[0022]
The example of the present invention has a strength (hardness) that can reduce the width of the ring while maintaining the base material, and has high fatigue strength and wear resistance as well as the conventional piston ring material (No. 2). , No.3) and wear resistance equivalent to that of the second pressure ring.
In addition, the present invention example is economically advantageous because the amount of the expensive alloy element such as Cr is small and the piston ring can be manufactured at a low cost as compared with the conventional piston ring.
[0023]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the piston ring for internal combustion engines which is high intensity | strength, and was excellent in abrasion resistance and fatigue resistance can be manufactured cheaply, and there exists a remarkable effect on industry. In addition, the piston ring of the present invention can reduce the width of the ring as compared with the prior art, and has the effect of greatly contributing to the weight reduction and compactness of the internal combustion engine.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows an example of a piston ring shape suitable for implementing the present invention.
FIG. 2 is an explanatory view schematically showing an outline of a fatigue strength test for evaluating the fatigue strength of a piston ring.

Claims

Piston ring mounted in a piston ring groove of an internal combustion engine, in mass%, C: 0.50 to 0.75%, Si: 0.15 to 0.35%, Mn: 0.61 to 0.95%, P: 0.03% or less, S: 0.03 A second pressure ring for an internal combustion engine, characterized in that the second pressure ring is made of a wire material including the remaining Fe and inevitable impurities, and is usable without being subjected to surface treatment.