JP5060083B2 - Piston ring manufacturing method - Google Patents

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Description

本発明は、自動車エンジン等の内燃機関に使用されるピストンリングに関し、特に耐熱性に優れたピストンリング及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a piston ring used in an internal combustion engine such as an automobile engine, and more particularly to a piston ring excellent in heat resistance and a method for manufacturing the same.

往復動内燃機関に使用されるピストンリングはその機能から、圧力リングとオイルリングとに区別される。図1に示すように、圧力リングは燃焼室側に位置する第一圧力リング(以下、トップリングという)1とその下部に位置する第二圧力リング(以下、セカンドリングという)2に分かれる。これらピストンリング1と2は、それぞれピストンのリング溝3と4に装着され、張力によってシリンダとピストンの間の気密と潤滑を行うための摺動部材であり、常に摩耗に晒されるという厳しい作動条件下におかれている。特に、トップリング1は燃焼室に最も近く高温となり、しかも潤滑油が十分に供給されにくいという過酷な作動環境に晒され、また、オイルリング5はシリンダ壁6から油を掻き取り、油受に戻す作用をするリングで、効率的に油を掻き取る目的で付設されたバネ7による強制的なバネ力を常に受けつつ油を掻き取るという過酷な作動条件下にある。上記のように、
いずれのピストンリングもシリンダ内壁に常に当接しているという摩擦状態にある。
Piston rings used in reciprocating internal combustion engines are distinguished by their functions into pressure rings and oil rings. As shown in FIG. 1, the pressure ring is divided into a first pressure ring (hereinafter referred to as “top ring”) 1 located on the combustion chamber side and a second pressure ring (hereinafter referred to as “second ring”) 2 located below the pressure ring. These piston rings 1 and 2 are fitted in the ring grooves 3 and 4 of the piston, respectively, and are sliding members for airtightness and lubrication between the cylinder and the piston by tension. It is placed below. In particular, the top ring 1 is closest to the combustion chamber and has a high temperature and is exposed to a harsh operating environment in which it is difficult to sufficiently supply the lubricating oil, and the oil ring 5 scrapes the oil from the cylinder wall 6 to receive the oil. The ring that works to return is under severe operating conditions in which the oil is scraped while being always subjected to a forced spring force by the spring 7 attached for the purpose of efficiently scraping the oil. as mentioned above,
Both piston rings are in a frictional state that they are always in contact with the inner wall of the cylinder.

従来、内燃機関のピストンリング用材料は鋳鉄製が主流であったが、近年、内燃機関はますます高速化、高出力化、且つ低燃費化を要求されているという背景があり、鋳鉄製ピストンリングではその要求に十分に応えることができないので、鋳鉄よりも機械的特性に優れている鋼製ピストンリングへの移行が図られつつあり、Si−Cr鋼やマルテンサイト系ステンレス鋼などが用いられるようになった。しかし、それらのピストンリング用材料は耐摩耗性や耐焼付き性が十分ではないため、外周面に表面処理が施されている。通常、Si−Cr鋼には、図2に示すような硬質クロムメッキ8が施され、マルテンサイト系ステンレス鋼には、図3に示すような窒化処理9が施され、さらに、摺動特性の要求される内燃機関には、図4に示すように、窒化処理9の外周面にイオンプレーティングによる硬質セラミックコーティング10(窒化クロムや窒化チタン等)を施したマルテンサイト系ステンレス鋼が用いられている。図2〜図4において、11、12、13はピストンリング、14はピストンリング溝である。   Conventionally, the material for piston rings of internal combustion engines has been mainly made of cast iron. However, in recent years, internal combustion engines have been increasingly demanded for higher speed, higher output, and lower fuel consumption. Since the ring cannot fully meet the requirements, the transition to a steel piston ring with better mechanical properties than cast iron is being made, and Si-Cr steel or martensitic stainless steel is used. It became so. However, since these piston ring materials are not sufficient in abrasion resistance and seizure resistance, the outer peripheral surface is subjected to surface treatment. Usually, the hard chromium plating 8 as shown in FIG. 2 is applied to the Si—Cr steel, and the nitriding treatment 9 as shown in FIG. 3 is applied to the martensitic stainless steel. As shown in FIG. 4, the required internal combustion engine uses martensitic stainless steel in which a hard ceramic coating 10 (chromium nitride, titanium nitride, etc.) is applied to the outer peripheral surface of nitriding treatment 9 by ion plating. Yes. 2 to 4, reference numerals 11, 12, and 13 denote piston rings, and reference numeral 14 denotes a piston ring groove.

例えば、特許文献1には、「Cを0.70〜1.00重量%、Siを2.00重量%以下、Mnを1.00重量%以下、Crを7.00〜11.00重量%、Moを0.50〜1.50重量%、Vを0.10〜0.50重量%含有するピストンリング用鋼。」が開示されている。   For example, Patent Document 1 states that “C is 0.70 to 1.00 wt%, Si is 2.00 wt% or less, Mn is 1.00 wt% or less, and Cr is 7.00 to 11.00 wt%. , Steel for piston rings containing 0.50 to 1.50% by weight of Mo and 0.10 to 0.50% by weight of V.

また、特許文献2には、「クロム、タングステン及び窒素を主な構成元素とする被膜であって、3〜20原子%のタングステンを固溶するCrN型窒化クロム結晶からなる耐摩耗性被膜を有するピストンリング。」が開示されている。
特開2002−348639号公報 特開2003−64469号公報
Patent Document 2 states that “a film having chromium, tungsten, and nitrogen as main constituent elements and having a wear-resistant film made of CrN-type chromium nitride crystal in which 3 to 20 atomic% of tungsten is dissolved. Piston ring "is disclosed.
JP 2002-348639 A JP 2003-64469 A

特許文献1と2のピストンリングには、高価なCrやWが多量に用いられており、製造コストを大幅に上昇させるという欠点がある。   The piston rings of Patent Documents 1 and 2 use a large amount of expensive Cr and W, which has a drawback of greatly increasing the manufacturing cost.

ところで、近年、内燃機関に対する低燃費化の要求は非常に強くなっているが、摩擦によって生じるエネルギー損失を低減することにより燃費を向上しうると思われ、摩擦係数を低くすることは燃費向上に対して好ましい影響を与えると考えられる。   By the way, in recent years, the demand for low fuel consumption for internal combustion engines has become very strong. However, it seems that fuel efficiency can be improved by reducing energy loss caused by friction, and lowering the friction coefficient can improve fuel efficiency. It is thought that it has a positive influence on it.

摺動特性の改善にはイオンプレーティングによる硬質セラミックコーティングを施すことが好ましいが、イオンプレーティングは高温で長時間(約440〜550℃で5〜10時間程度)行われるため、そのイオンプレーティングに伴う熱処理中に硬度が低下したり、熱変形が生じたりする。例えば、Si−Cr鋼にイオンプレーティング処理を施すと、約500HVの母材の硬度が約380HV程度に低下してしまう。この程度の硬度では耐摩耗性が不充分でピストンリングとして使用することはできない。この点でマルテンサイト系ステンレス鋼は高温強度が高いため、イオンプレーティングに伴う熱処理中に硬度が低下したり、熱変形が生じたりすることはない。ところが、マルテンサイト系ステンレス鋼は多量にCrを含有している非常に高価な材料である。   Although it is preferable to apply a hard ceramic coating by ion plating to improve the sliding characteristics, since ion plating is performed at a high temperature for a long time (about 5 to 10 hours at about 440 to 550 ° C.), the ion plating is performed. During the heat treatment that accompanies, hardness decreases or thermal deformation occurs. For example, when ion plating treatment is performed on Si—Cr steel, the hardness of the base material of about 500 HV is reduced to about 380 HV. With this degree of hardness, the wear resistance is insufficient and it cannot be used as a piston ring. In this respect, since martensitic stainless steel has high strength at high temperatures, the hardness does not decrease and thermal deformation does not occur during heat treatment accompanying ion plating. However, martensitic stainless steel is a very expensive material containing a large amount of Cr.

本発明は従来の技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、高価な合金元素を多量に用いることなく、低コストでありながら、しかも耐熱性に優れたピストンリング及びその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and the purpose thereof is low cost without using a large amount of expensive alloy elements, and excellent heat resistance. A piston ring and a manufacturing method thereof are provided.

上記目的を達成するために本発明のピストンリングは、Cが0.45〜0.80重量%、Siが0.80〜2.50重量%、Mnが0.10〜1.00重量%、Crが0.30〜1.20重量%、Niが0.20〜1.50重量%、Vが0.05〜0.50重量%であって、残部が主としてFeからなる線材に、熱処理と伸線加工を施して矩形断面へ塑性加工し、焼き入れと焼き戻しを行った後にピストンリング形状に加工し、そのピストンリングに歪取焼鈍を施した後イオンプレーティングを施すことにより得られるピストンリングにおいて、歪取焼鈍後の材料の硬さがビッカース硬さ(HV0.5)で480〜550であることを特徴としている。   In order to achieve the above object, the piston ring of the present invention has a C of 0.45 to 0.80% by weight, Si of 0.80 to 2.50% by weight, Mn of 0.10 to 1.00% by weight, Heat treatment is applied to a wire material in which Cr is 0.30 to 1.20% by weight, Ni is 0.20 to 1.50% by weight, V is 0.05 to 0.50% by weight, and the balance is mainly Fe. Piston obtained by drawing into a rectangular cross section by drawing and processing into a piston ring shape after quenching and tempering, and applying ion plating after strain relief annealing on the piston ring The ring is characterized in that the hardness of the material after strain relief annealing is 480 to 550 in terms of Vickers hardness (HV0.5).

すなわち、適量の炭化物を形成するようにCr量を低く抑えたので、冷間加工性を低下させることなく、ピストンリング製造工程中の熱処理において適度に析出した炭化物により、歪取焼鈍後の材料の硬さがビッカース硬さ(HV0.5)で480〜550であることにより、イオンプレーティング処理に伴う長時間の熱処理を受けても、熱変形が抑えられる。   In other words, since the Cr amount is kept low so as to form an appropriate amount of carbide, the material after strain relief annealing can be performed by the carbide that is appropriately precipitated in the heat treatment in the piston ring manufacturing process without reducing the cold workability. When the hardness is 480 to 550 in terms of Vickers hardness (HV0.5), thermal deformation can be suppressed even when subjected to long-time heat treatment associated with ion plating treatment.

また、本発明のピストンリングの製造方法は、Cが0.45〜0.80重量%、Siが0.80〜2.50重量%、Mnが0.10〜1.00重量%、Crが0.30〜1.20重量%、Niが0.20〜1.50重量%、Vが0.05〜0.50重量%、Cuが0.15質量%以下であって、残部がFeからなる線材に、熱処理と伸線加工を施して矩形断面へ塑性加工し、焼き入れと焼き戻しを行った後にピストンリング形状に加工し、そのピストンリングに歪取焼鈍を施した後イオンプレーティングを施すことによりピストンリングを製造する方法において、焼き戻し温度が450〜515℃であり、歪取焼鈍温度が520〜550℃であることを特徴としている。 Further, the manufacturing method of the piston ring of the present invention is such that C is 0.45 to 0.80 wt%, Si is 0.80 to 2.50 wt%, Mn is 0.10 to 1.00 wt%, and Cr is 0.30 to 1.20% by weight, Ni is 0.20 to 1.50% by weight, V is 0.05 to 0.50% by weight , Cu is 0.15% by mass or less , and the balance is Fe. The resulting wire is subjected to heat treatment and wire drawing to plastic processing into a rectangular cross-section, quenched and tempered, then processed into a piston ring shape, subjected to strain relief annealing, and then subjected to ion plating. In the method of manufacturing a piston ring by applying, the tempering temperature is 450 to 515 ° C, and the strain relief annealing temperature is 520 to 550 ° C.

すなわち、適量の炭化物を形成するようにCr量を低く抑えたので、冷間加工性を低下させることなく、ピストンリング形状に加工後に520〜550℃の温度で歪取焼鈍を行うことにより、イオンプレーティング処理に伴う長時間の熱処理を受けても、硬度低下と熱変形が抑えられる。   That is, since the Cr amount was kept low so as to form an appropriate amount of carbide, by performing strain relief annealing at a temperature of 520 to 550 ° C. after processing into a piston ring shape without reducing the cold workability, Even when subjected to a long-time heat treatment associated with the plating process, a decrease in hardness and thermal deformation can be suppressed.

本発明は上記のように構成されているので、次のような効果を奏する。
(1)CrやVなどの高価な貴金属の含有量が少ないので、低コストでありながら、適度に析出した炭化物により、イオンプレーティング処理に伴う硬度低下と熱変形が少なくなる。
(2)CrやVの含有量を低く抑えているので、冷間加工性に優れている。
Since this invention is comprised as mentioned above, there exist the following effects.
(1) Since the content of expensive noble metals such as Cr and V is small, the carbides that are appropriately precipitated at a low cost reduce the hardness reduction and thermal deformation associated with the ion plating process.
(2) Since the Cr and V contents are kept low, the cold workability is excellent.

以下に、本発明のピストンリングの成分限定理由について説明する。
(1)Cは0.45〜0.80重量%含有することが好ましい。
The reason for limiting the components of the piston ring of the present invention will be described below.
(1) C is preferably contained in an amount of 0.45 to 0.80% by weight.

Cは侵入型の固溶元素であり、一部が基地中に固溶して硬さや疲労強度の向上に寄与する元素である。また、他の一部は炭化物を生成して耐摩耗性を高めるために重要な元素である。これらの効果を享受するためには、Cは少なくとも0.45重量%含有することが好ましい。しかし、多量に添加すると冷間加工性を低下させるので、Cの上限値は0.80重量%とすることが好ましい。
(2)Siは、0.80〜2.50重量%含有することが好ましい。
C is an interstitial solid solution element, a part of which is dissolved in the matrix and contributes to improvement in hardness and fatigue strength. The other part is an important element for generating carbides and improving wear resistance. In order to enjoy these effects, C is preferably contained at least 0.45% by weight. However, since the cold workability is lowered when a large amount is added, the upper limit value of C is preferably 0.80% by weight.
(2) It is preferable to contain Si 0.80-2.50weight%.

Siは、高温強度を高めるために必要な元素であり、0.80重量%以上含有することが好ましい。しかし、多量に添加すると冷間加工性を低下させるばかりでなく、靭延性を著しく低下させてしまうとともに熱間加工性に有害となる。従って、Siの上限値は2.50重量%とすることが好ましい。
(3)Mnは、0.10〜1.00重量%含有することが好ましい。
Si is an element necessary for increasing the high-temperature strength, and is preferably contained in an amount of 0.80% by weight or more. However, if added in a large amount, not only the cold workability is lowered, but also the toughness is remarkably lowered and it is harmful to the hot workability. Therefore, the upper limit of Si is preferably 2.50% by weight.
(3) It is preferable to contain 0.10 to 1.00% by weight of Mn.

Mnは、鋼の溶製時の脱酸および鋼中のSの固定のために添加される元素であり、0.10重量%以上含有することが好ましい。しかし、多量に添加すると冷間加工性を低下させるので、Mnの上限値は1.00重量%とすることが好ましい。
(4)Crは、0.30〜1.20重量%含有することが好ましい。
Mn is an element added for deoxidation during the melting of steel and fixation of S in the steel, and is preferably contained in an amount of 0.10% by weight or more. However, since the cold workability is lowered when a large amount is added, the upper limit of Mn is preferably 1.00% by weight.
(4) It is preferable to contain Cr 0.30 to 1.20% by weight.

Crは、Cと結合して炭化物を形成するとともに、窒化処理時に窒化層の硬さを増す効果を有するため、耐摩耗性の向上に必要不可欠の元素である。これらの効果を享受するためには、Crは少なくとも0.30重量%含有することが好ましい。しかし、多量に添加すると冷間加工性を低下させるので、Crの上限値は1.20重量%とすることが好ましい。
(5)Niは、0.20〜1.50重量%含有することが好ましい。
Cr combines with C to form carbides and has the effect of increasing the hardness of the nitrided layer during nitriding, and is therefore an indispensable element for improving wear resistance. In order to enjoy these effects, Cr is preferably contained at 0.30% by weight. However, since the cold workability is lowered when a large amount is added, the upper limit value of Cr is preferably 1.20% by weight.
(5) Ni is preferably contained in an amount of 0.20 to 1.50% by weight.

Niは、靭性を向上するために必要な元素であり、0.20重量%以上含有することが好ましい。しかし、Niを多量に添加すると多くの残留オーステナイトを生じ、必要な硬さが得られなかったり、組織変化を起こし、寸法に狂いが生じることがある。そこで、Niの上限値は1.50重量%とすることが好ましい。
(6)Vは、0.05〜0.50重量%含有することが好ましい。
Ni is an element necessary for improving toughness, and is preferably contained in an amount of 0.20% by weight or more. However, when a large amount of Ni is added, a large amount of retained austenite is generated, and the required hardness may not be obtained, or the structure may be changed and the dimensions may be distorted. Therefore, the upper limit of Ni is preferably 1.50% by weight.
(6) V is preferably contained in an amount of 0.05 to 0.50% by weight.

Vは、焼き戻し軟化抵抗を向上させる効果があり、イオンプレーティング処理時の熱変形改善に有効である。また、Crと同様に炭化物を形成し、窒化処理時に窒素層の硬さを高め、耐摩耗性を改善する。これらの効果を享受するためには、Vは少なくとも0.05重量%含有することが好ましい。しかし、0.50重量%を超えるとその効果が飽和するばかりでなく、熱間加工性と冷間加工性を害するため、Vの上限値は0.50重量%とすることが好ましい。
(7)その他の元素
Cuは、冷間加工時の靭性向上に寄与する元素であるが、多量に添加すると熱間加工性を劣化させるので、Cuの上下値は0.15重量%とするのが好ましい。
V has the effect of improving the temper softening resistance and is effective in improving thermal deformation during the ion plating process. Also, carbide is formed in the same manner as Cr, and the hardness of the nitrogen layer is increased during the nitriding treatment to improve the wear resistance. In order to enjoy these effects, V is preferably contained at least 0.05% by weight. However, if it exceeds 0.50% by weight, not only the effect is saturated, but also hot workability and cold workability are impaired, so the upper limit value of V is preferably 0.50% by weight.
(7) Other elements Cu is an element that contributes to the improvement of toughness during cold working. However, when added in a large amount, the hot workability deteriorates, so the upper and lower values of Cu are 0.15% by weight. Is preferred.

固溶強化元素として、Wを1.0重量%以下、Coを1.0重量%以下含有することもできる。   As a solid solution strengthening element, W may be contained by 1.0% by weight or less, and Co may be contained by 1.0% by weight or less.

また、Cと結合して高温強度の向上あるいは結晶粒微細化のため、TiやNbを0.50重量%以下含有することもできる。   Further, Ti or Nb may be contained in an amount of 0.50% by weight or less for improving the high temperature strength or refining crystal grains by combining with C.

また、高温強度の向上あるいは粒界強度の向上のため、Bを0.01重量%以下、Zrを0.10重量%以下含有することもできる。   Further, in order to improve the high temperature strength or the grain boundary strength, B may be contained in an amount of 0.01% by weight or less and Zr may be contained in an amount of 0.10% by weight or less.

さらに、熱間加工性を向上するために、MgやCaを0.01重量%以下含有することもできる。   Furthermore, in order to improve hot workability, 0.01 wt% or less of Mg and Ca can be contained.

本発明のピストンリングは上記のような成分組成からなるので、次に説明するような機構で、耐熱性が向上する。すなわち、本発明者は、従来のピストンリングの製造工程についての検討結果に基づいて、耐熱性を向上させるためのポイントを見いだした。
(1)従来のピストンリングの製造工程
最初に所定の組成の材料を溶解し、熱間造塊後、熱間圧延により所定の線径の線材を得る。次に、その線材を冷間伸線(一次伸線加工)した後に中間熱処理(焼鈍)を施し、さらに、冷間伸線(二次伸線加工)により所定の線径の線材を得る。次に、その線材は矩形断面に圧延(異形加工)された後、所定の条件で焼き入れと焼き戻しを行って線材の真直性と硬度が確保される。そして、この矩形断面の線材はピストンリングの外径に合致するようにコイリングされるが、コイリングに伴って歪みが生じるので、歪み取りのための熱処理が行われる。そして、最後に、窒化処理とイオンプレーティングが施されるというのが一般的である。
Since the piston ring of the present invention has the above component composition, the heat resistance is improved by the mechanism described below. That is, the present inventor has found a point for improving the heat resistance based on the examination result of the manufacturing process of the conventional piston ring.
(1) Conventional Piston Ring Manufacturing Process First, a material having a predetermined composition is melted, and after hot ingoting, a wire having a predetermined wire diameter is obtained by hot rolling. Next, the wire is subjected to cold wire drawing (primary wire drawing), followed by intermediate heat treatment (annealing), and further, a wire having a predetermined wire diameter is obtained by cold wire drawing (secondary wire drawing). Next, after the wire is rolled into a rectangular cross section (deformed processing), it is quenched and tempered under predetermined conditions to ensure straightness and hardness of the wire. The wire having a rectangular cross section is coiled so as to match the outer diameter of the piston ring. However, since distortion occurs along with the coiling, heat treatment for removing distortion is performed. Finally, nitriding treatment and ion plating are generally performed.

すなわち、「溶解」→「熱間圧延」→「一次伸線加工」→「中間熱処理」→「二次伸線加工」→「異形加工」→「焼き入れ・焼き戻し」→「コイリング」→「歪み取り熱処理」→「窒化処理とイオンプレーティング」を経て、ピストンリングを得ることができる。   That is, “melting” → “hot rolling” → “primary wire drawing” → “intermediate heat treatment” → “secondary wire drawing” → “deformation” → “quenching / tempering” → “coiling” → “ The piston ring can be obtained through “strain relief heat treatment” → “nitriding treatment and ion plating”.

溶解から始まって最終的にピストンリングを得るまで、以上のような工程を経るのが一般的である。イオンプレーティングに伴う長時間の熱処理に耐えて、ピストンリングの硬度低下と熱変形を抑える上で特に重要なのは、異形加工後の焼き入れ・焼き戻し工程とコイリング後の歪み取り熱処理工程であると思われる。
(2)耐熱性を向上させるためのポイント
異形加工により格子欠陥を増やすと、この欠陥は析出サイトになり、異形加工後の焼き入れと焼き戻しにより結晶粒内に炭化物を析出させて強度を向上させることができる。そこで、焼き戻し温度を適正に選択することにより炭化物の析出量をコントロールし、後工程であるイオンプレーティング処理時に高温長時間の熱処理を受けても、硬度低下と熱変形を抑えることができる。
In general, the steps described above are performed from the start of melting until the final piston ring is obtained. It is particularly important to withstand the long-term heat treatment associated with ion plating, and to suppress the hardness reduction and thermal deformation of the piston ring, the quenching / tempering process after deforming and the distortion removing heat treatment process after coiling. Seem.
(2) Points for improving heat resistance When lattice defects are increased by deforming, these defects become precipitation sites, and carbide is precipitated in crystal grains by quenching and tempering after deforming to improve strength. Can be made. Therefore, by appropriately selecting the tempering temperature, it is possible to control the precipitation amount of carbides, and to suppress a decrease in hardness and thermal deformation even when subjected to a high-temperature and long-time heat treatment during the ion plating process, which is a subsequent process.

同様に、コイリングに伴う塑性加工により格子欠陥を増やすと、この欠陥は析出サイトになりうる。そこで、歪み取り熱処理温度を適正に選択することにより炭化物の析出量をコントロールし、後工程であるイオンプレーティング処理時に高温長時間の熱処理を受けても、硬度低下と熱変形を抑えることができる。   Similarly, when lattice defects are increased by plastic working accompanying coiling, the defects can become precipitation sites. Therefore, it is possible to control the precipitation amount of carbide by appropriately selecting the heat treatment temperature for strain relief, and to suppress the decrease in hardness and thermal deformation even if it is subjected to heat treatment for a long time at a high temperature during the subsequent ion plating treatment. .

そこで、歪取焼鈍温度は520〜550℃とするのが好ましい。520℃未満では歪取焼鈍後の硬度が高くなりすぎてビッカース硬さ(HV0.5)が550を超えることがある。このように、ビッカース硬さ(HV0.5)が550を超えるピストンリングにイオンプレーティング処理を施すと、処理前後でリング径が大きく変化することがある。というのは、初期硬度が高すぎると、高温で長時間のイオンプレーティング処理による硬度低下および熱変形量が大きくなって、リング径が伸びる傾向にあるからである。しかし、ピストンリング径はその機能上、一定の範囲内に収める必要がある。従って、リング径が一定の範囲を超えるピストンリングに対しては、さらに研磨加工等の付加的な処理工程が増えるので、製造コストを上昇させるという不都合がある。   Therefore, the strain relief annealing temperature is preferably 520 to 550 ° C. If it is less than 520 degreeC, the hardness after strain relief annealing will become high too much and Vickers hardness (HV0.5) may exceed 550. As described above, when the ion plating process is performed on the piston ring having a Vickers hardness (HV 0.5) exceeding 550, the ring diameter may be largely changed before and after the process. This is because if the initial hardness is too high, the ring diameter tends to increase due to a decrease in hardness and a large amount of thermal deformation due to ion plating for a long time at a high temperature. However, the piston ring diameter needs to be within a certain range because of its function. Therefore, for the piston ring having a ring diameter exceeding a certain range, additional processing steps such as polishing are further increased, which disadvantageously increases the manufacturing cost.

一方、550℃を超える歪取焼鈍では焼鈍後の硬度が低くなりすぎてビッカース硬さ(HV0.5)が480を下回ることがある。ビッカース硬さ(HV0.5)が480を下回るピストンリングは、イオンプレーティング処理後にピストンリングとして必要な硬度(ビッカース硬さ(HV0.5)≧465)が得られないという不都合がある。   On the other hand, in strain relief annealing exceeding 550 ° C., the hardness after annealing becomes too low, and the Vickers hardness (HV0.5) may be less than 480. The piston ring having a Vickers hardness (HV0.5) of less than 480 has a disadvantage that the hardness necessary for the piston ring (Vickers hardness (HV0.5) ≧ 465) cannot be obtained after the ion plating process.

以下に本発明の実施例を説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱しない範囲において適宜変更と修正が可能である。
(1)供試材
以下の表1に示すような組成(重量%)の材料を供試材とした。
Examples of the present invention will be described below. However, the present invention is not limited to the following examples, and can be appropriately changed and modified without departing from the technical scope of the present invention.
(1) Test material A material having a composition (% by weight) as shown in Table 1 below was used as a test material.

Figure 0005060083
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(2)コイリング成形時の伸張量と耐熱性
表1に示す鋼種の中の供試材3を溶解し、造塊後、熱間圧延を行い、線径5.0mmに圧延した。次に、上記線材にパテンティング処理を施した後、線径3.5mmに冷間伸線した(断面減少率=51%)。さらに、この線材を700℃に4時間保持後、空冷した。次に、上記線材を2.0mm厚×4.8mm幅の矩形断面に圧延した後、850℃に昇温して4分間保持後、油冷し、450℃に焼き戻して8分間保持後、空冷した。そして、その線材を外径80mmとなるようにコイリング後、図5に示すようなピストンリング15の形状に切断し、歪み取りのために、520〜550℃に昇温して1時間保持後に室温まで冷却した(大気中)。さらに、イオンプレーティング処理(以下、AIPともいう)の熱履歴を模した熱処理として、440〜460℃に昇温して6時間保持後に室温まで冷却した(大気中)。そして、コイリング後のリング外径と歪み取り熱処理後のリング外径とAIP模擬熱処理後のリング外径をノギスで測定することにより、次式1(歪み取り熱処理時のリング径変化率)と次式2(AIP模擬熱処理時のリング径変化率)に示すように、ピストンリングの寸法変化率を求めた。上記コイリング成形時に、一部の線材には5%の伸張量を付加しつつ成形し、他の一部の線材には10%の伸張量を付加しつつ成形した。なお、リング外径の測定は、図6に示すように、1個のピストンリングについて、d1、d2、d3の3箇所で行い、10個のピストンリングについて測定した。
(2) Elongation amount and heat resistance during coiling molding The test material 3 in the steel types shown in Table 1 was melted, hot rolled after ingot forming, and rolled to a wire diameter of 5.0 mm. Next, the wire rod was subjected to a patenting treatment and then cold-drawn to a wire diameter of 3.5 mm (cross-sectional reduction rate = 51%). Further, the wire was kept at 700 ° C. for 4 hours and then air-cooled. Next, after rolling the wire to a rectangular section of 2.0 mm thickness × 4.8 mm width, the temperature was raised to 850 ° C. and held for 4 minutes, then oil cooled, tempered to 450 ° C. and held for 8 minutes, Air cooled. Then, after coiling the wire so that the outer diameter becomes 80 mm, it is cut into the shape of the piston ring 15 as shown in FIG. 5, and the temperature is raised to 520 to 550 ° C. and held for 1 hour to remove distortion. Cooled to (in air). Furthermore, as a heat treatment simulating the thermal history of the ion plating process (hereinafter also referred to as AIP), the temperature was raised to 440 to 460 ° C., held for 6 hours, and then cooled to room temperature (in the atmosphere). Then, by measuring the ring outer diameter after coiling, the ring outer diameter after strain relief heat treatment, and the ring outer diameter after AIP simulation heat treatment with calipers, the following equation 1 (ring diameter change rate during strain relief heat treatment) and The dimensional change rate of the piston ring was determined as shown in Formula 2 (Ring diameter change rate during simulated AIP heat treatment). At the time of the coiling molding, a part of the wire was molded with an extension amount of 5%, and another part of the wire was molded with an extension amount of 10%. As shown in FIG. 6, the ring outer diameter was measured at three locations d 1 , d 2 , and d 3 for one piston ring, and measured for 10 piston rings.

Figure 0005060083
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Figure 0005060083
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以上のリング寸法測定結果の算術平均値に基づいてリング径変化率を算出した結果を図7と図8に示す。図7において、記号x、y、zは、歪み取り熱処理温度がそれぞれ520℃、535℃、550℃で、AIP模擬熱処理温度が450℃で一定の場合を示す。また、図8において、記号a、b、cは、歪み取り熱処理温度が520℃で、AIP模擬熱処理温度がそれぞれ440℃、450℃、460℃を示し、記号d、e、fは、歪み取り熱処理温度が535℃で、AIP模擬熱処理温度がそれぞれ440℃、450℃、460℃を示し、記号g、h、iは、歪み取り熱処理温度が550℃で、AIP模擬熱処理温度がそれぞれ440℃、450℃、460℃を示す。また、図7と図8において、記号「×」、「●」、「○」は、それぞれコイリング成形時の伸張量0%、5%、10%を示す。   The result of calculating the ring diameter change rate based on the arithmetic average value of the above ring dimension measurement results is shown in FIGS. In FIG. 7, symbols x, y, and z indicate cases where the strain relief heat treatment temperatures are 520 ° C., 535 ° C., and 550 ° C., respectively, and the AIP simulated heat treatment temperature is constant at 450 ° C. In FIG. 8, symbols a, b, and c indicate strain relief heat treatment temperatures of 520 ° C. and AIP simulated heat treatment temperatures of 440 ° C., 450 ° C., and 460 ° C., respectively, and symbols d, e, and f indicate strain relief. The heat treatment temperature is 535 ° C., the AIP simulated heat treatment temperatures are 440 ° C., 450 ° C., and 460 ° C., respectively, the symbols g, h, and i are the strain relief heat treatment temperature is 550 ° C., and the AIP simulated heat treatment temperature is 440 ° C., respectively. 450 ° C. and 460 ° C. are indicated. In FIG. 7 and FIG. 8, the symbols “x”, “●”, and “◯” indicate the 0%, 5%, and 10% elongation amounts during coiling molding, respectively.

図7と図8に示すように、コイリング成形時に若干の伸張を施すことによって、リング径の変化率(熱変形量)が低減される傾向にあることが分かる。
(3)各鋼種の比較
a.供試材1、供試材2、供試材3、供試材4の比較
表1に示す鋼種の中の供試材1、供試材2、供試材3、供試材4を溶解し、同上工程により線径3.5mmの冷間伸線材を得た。さらに、この線材を700℃に4時間保持後、空冷した。次に、上記線材を2.0mm厚×4.8mm幅の矩形断面に圧延した後、表2と表3に示す温度に昇温して4分間保持後、油冷し、表2と表3に示す温度に焼き戻して8分間保持後、空冷した。そして、その線材を外径80mmとなるようにコイリング後、図5に示すようなピストンリング15の形状に切断し、歪み取りのために、525℃に昇温して1時間保持後に室温まで冷却した(大気中)。さらに、AIPの熱履歴を模した熱処理として、450℃に昇温して6時間保持後に室温まで冷却した(大気中)。そして、歪み取り熱処理後のリング外径とAIP模擬熱処理後のリング外径をノギスで測定することにより、上式2に示すように、ピストンリングの寸法変化率を求めた。上記コイリング成形時には、5%の伸張処理を施した。なお、リング外径の測定は、図6に示すように、1個のピストンリングについて、d1、d2、d3の3箇所で行い、10個のピストンリングについて測定した。
As shown in FIG. 7 and FIG. 8, it can be seen that the ring diameter change rate (thermal deformation amount) tends to be reduced by applying a slight extension during coiling.
(3) Comparison of steel types a. Comparison of Specimen 1, Specimen 2, Specimen 3, Specimen 4 Specimen 1, Specimen 2, Specimen 3, and Specimen 4 in the steel types shown in Table 1 were dissolved. Then, a cold wire with a wire diameter of 3.5 mm was obtained by the same process. Further, the wire was kept at 700 ° C. for 4 hours and then air-cooled. Next, the wire was rolled into a rectangular cross section having a thickness of 2.0 mm × 4.8 mm, then heated to the temperatures shown in Tables 2 and 3, held for 4 minutes, and then oil-cooled. Tables 2 and 3 After tempering to the temperature shown in FIG. Then, after coiling the wire to an outer diameter of 80 mm, cutting it into the shape of a piston ring 15 as shown in FIG. 5, raising the temperature to 525 ° C. and holding it for 1 hour to cool it down to room temperature for distortion removal (In the atmosphere). Further, as a heat treatment simulating the thermal history of AIP, the temperature was raised to 450 ° C., held for 6 hours, and then cooled to room temperature (in the atmosphere). Then, the dimensional change rate of the piston ring was obtained by measuring the ring outer diameter after the strain relief heat treatment and the ring outer diameter after the AIP simulation heat treatment with calipers as shown in the above equation 2. At the time of the coiling molding, a 5% stretching treatment was performed. As shown in FIG. 6, the ring outer diameter was measured at three locations d 1 , d 2 , and d 3 for one piston ring, and measured for 10 piston rings.

以上のリング寸法測定結果の算術平均値に基づいてリング径変化率を算出した結果(AIP模擬熱処理時のリング径変化率)と10個のピストンリングについてのAIP模擬熱処理後のビッカース硬さ(HV0.5)の算術平均値を、それぞれ表2と表3に示す。   The result of calculating the ring diameter change rate (ring diameter change rate during AIP simulated heat treatment) based on the arithmetic average value of the above ring dimension measurement results and the Vickers hardness (HV0 after AIP simulated heat treatment of 10 piston rings) .5) are shown in Tables 2 and 3, respectively.

Figure 0005060083
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Figure 0005060083
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表2から分かるように、供試材2、供試材3、供試材4は、供試材1よりリング径の変化率(熱変形量)が少ない。   As can be seen from Table 2, the sample material 2, the sample material 3, and the sample material 4 have a smaller change rate (thermal deformation amount) of the ring diameter than the sample material 1.

表3から分かるように、供試材2の硬さが他の鋼種に比べて際だって高い。
b.供試材1、供試材2、供試材3、供試材5の比較
表1に示す鋼種の中の供試材1、供試材2、供試材3、供試材5を溶解し、同上工程により線径3.5mmの冷間伸線材を得た。さらに、この線材を700℃に4時間保持後、空冷した。次に、上記線材を2.0mm厚×4.8mm幅の矩形断面に圧延した後、表4に示す温度に昇温して4分間保持後、油冷し、表4に示す温度に焼き戻して8分間保持後、空冷した。そして、その線材を外径80mmとなるようにコイリング後、図5に示すようなピストンリング15の形状に切断し、歪み取りのために、表4に示す温度に昇温して1時間保持後に室温まで冷却した(大気中)。さらに、AIPの熱履歴を模した熱処理として、450℃に昇温して6時間保持後に室温まで冷却した(大気中)。そして、歪み取り熱処理後のリング外径とAIP模擬熱処理後のリング外径をノギスで測定することにより、上式2に示すように、ピストンリングの寸法変化率を求めた。上記コイリング成形時には、伸張処理を施さなかった。なお、リング外径の測定は、図6に示すように、1個のピストンリングについて、d1、d2、d3の3箇所で行い、10個のピストンリングについて測定した。
As can be seen from Table 3, the hardness of the specimen 2 is markedly higher than other steel types.
b. Comparison of Specimen 1, Specimen 2, Specimen 3, and Specimen 5 Melt Specimen 1, Specimen 2, Specimen 3, and Specimen 5 in the steel types shown in Table 1. Then, a cold wire with a wire diameter of 3.5 mm was obtained by the same process. Further, the wire was kept at 700 ° C. for 4 hours and then air-cooled. Next, the wire was rolled into a 2.0 mm thick × 4.8 mm wide rectangular cross section, heated to the temperature shown in Table 4, held for 4 minutes, oil cooled, and tempered to the temperature shown in Table 4. For 8 minutes and then air cooled. Then, after coiling the wire to an outer diameter of 80 mm, the wire is cut into the shape of the piston ring 15 as shown in FIG. Cooled to room temperature (in air). Further, as a heat treatment simulating the thermal history of AIP, the temperature was raised to 450 ° C., held for 6 hours, and then cooled to room temperature (in the atmosphere). Then, the dimensional change rate of the piston ring was obtained by measuring the ring outer diameter after the strain relief heat treatment and the ring outer diameter after the AIP simulation heat treatment with calipers as shown in the above equation 2. During the coiling molding, no stretching treatment was performed. As shown in FIG. 6, the ring outer diameter was measured at three locations d 1 , d 2 , and d 3 for one piston ring, and measured for 10 piston rings.

以上のリング寸法測定結果の算術平均値に基づいてリング径変化率を算出した結果と10個のピストンリングについてのAIP模擬熱処理後のビッカース硬さ(HV0.5)の算術平均値を図9に示す。図9において、Aは供試材2、Bは供試材3、Cは供試材1、Dは供試材5を示す。   FIG. 9 shows the result of calculating the ring diameter change rate based on the arithmetic average value of the above ring dimension measurement results and the arithmetic average value of the Vickers hardness (HV0.5) after the AIP simulated heat treatment for 10 piston rings. Show. In FIG. 9, A represents the sample material 2, B represents the sample material 3, C represents the sample material 1, and D represents the sample material 5.

Figure 0005060083
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図9に明らかなように、供試材2の硬さが最も高く、供試材2のリング径変化率(熱変形量)もCrの多い高Crステンレス鋼である供試材5と同程度である。
(4)供試材2の最適熱処理条件
以上の試験の結果、熱変形量が少なく、しかも最も硬さが高いピストンリング用材料として好適の鋼種は、供試材2であることが分かったので、その最適熱処理条件を求めて、次に説明するような実験を行った。
a.焼き戻し温度
表1に示す鋼種の中の供試材2を溶解し、同上工程により線径3.5mmの冷間伸線材を得た。さらに、この線材を700℃に4時間保持後、空冷した。次に、上記線材を2.0mm厚×4.8mm幅の矩形断面に圧延した後、850℃に昇温して4分間保持後、油冷し、430〜520℃に焼き戻して8分間保持後、空冷した。そして、その線材を外径80mmとなるようにコイリング後、図5に示すようなピストンリング15の形状に切断し、歪み取りのために、450℃に昇温して1時間保持後に室温まで冷却した(大気中)。さらに、AIPの熱履歴を模した熱処理として、450℃に昇温して6時間保持後に室温まで冷却した(大気中)。そして、歪み取り熱処理後のリング外径とAIP模擬熱処理後のリング外径をノギスで測定することにより、上式2に示すように、ピストンリングの寸法変化率を求めた。上記コイリング成形時には、伸張処理を施さなかった。なお、リング外径の測定は、図6に示すように、1個のピストンリングについて、d1、d2、d3の3箇所で行い、10個のピストンリングについて測定した。以上のリング寸法測定結果の算術平均値に基づいてリング径変化率を算出した結果と10個のピストンリングについてのAIP模擬熱処理後のビッカース硬さ(HV0.5)の算術平均値を図10に示す。図10の横軸は焼き戻し温度(℃)である。なお、図10には、比較のために、図9のC(供試材1、Si−Cr鋼)のデータも示すが、この供試材1のAIP模擬熱処理後のビッカース硬さ(HV0.5)は、供試材2に比べて明らかに低いことが分かる。
As is apparent from FIG. 9, the hardness of the specimen 2 is the highest, and the ring diameter change rate (thermal deformation amount) of the specimen 2 is about the same as that of the specimen 5 which is a high Cr stainless steel with a large amount of Cr. It is.
(4) Optimal heat treatment conditions for test material 2 As a result of the above test, it was found that the steel material suitable for the piston ring material having the least amount of thermal deformation and the highest hardness was test material 2. Then, the optimum heat treatment conditions were obtained, and experiments as described below were conducted.
a. Tempering temperature The test material 2 in the steel types shown in Table 1 was melted, and a cold-drawn material having a wire diameter of 3.5 mm was obtained by the same process. Further, the wire was kept at 700 ° C. for 4 hours and then air-cooled. Next, the wire was rolled into a rectangular section of 2.0 mm thickness × 4.8 mm width, heated to 850 ° C. and held for 4 minutes, then oil cooled, tempered to 430 to 520 ° C. and held for 8 minutes. After that, it was air-cooled. Then, after coiling the wire so that the outer diameter becomes 80 mm, cut into the shape of the piston ring 15 as shown in FIG. 5, to remove distortion, raise the temperature to 450 ° C., hold for 1 hour, and then cool to room temperature (In the atmosphere). Further, as a heat treatment simulating the thermal history of AIP, the temperature was raised to 450 ° C., held for 6 hours, and then cooled to room temperature (in the atmosphere). Then, the dimensional change rate of the piston ring was obtained by measuring the ring outer diameter after the strain relief heat treatment and the ring outer diameter after the AIP simulation heat treatment with calipers as shown in the above equation 2. During the coiling molding, no stretching treatment was performed. As shown in FIG. 6, the ring outer diameter was measured at three locations d 1 , d 2 , and d 3 for one piston ring, and measured for 10 piston rings. FIG. 10 shows the calculation result of the ring diameter change rate based on the arithmetic average value of the ring dimension measurement results and the arithmetic average value of the Vickers hardness (HV0.5) after the AIP simulated heat treatment for 10 piston rings. Show. The horizontal axis in FIG. 10 is the tempering temperature (° C.). For comparison, FIG. 10 also shows data of C (test material 1, Si—Cr steel) in FIG. 9, but the Vickers hardness (HV 0. 5) is clearly lower than that of specimen 2.

図10に明らかなように、供試材2を450〜515℃に焼き戻すことによって、硬さが高くなり、しかも、リング径の変化率(熱変形量)が小さくなることが分かる。
b.歪み取り熱処理温度
表1に示す鋼種の中の供試材2を溶解し、同上工程により線径3.5mmの冷間伸線材を得た。さらに、この線材を700℃に4時間保持後、空冷した。次に、上記線材を2.0mm厚×4.8mm幅の矩形断面に圧延した後、850℃に昇温して4分間保持後、油冷し、450℃に焼き戻して8分間保持後、空冷した。そして、その線材を外径80mmとなるようにコイリング後、図5に示すようなピストンリング15の形状に切断し、歪み取りのために、450〜600℃に昇温して1時間保持後に室温まで冷却した(大気中)。さらに、AIPの熱履歴を模した熱処理として、450℃に昇温して6時間保持後に室温まで冷却した(大気中)。そして、歪み取り熱処理後のリング外径とAIP模擬熱処理後のリング外径をノギスで測定することにより、上式2に示すように、ピストンリングの寸法変化率を求めた。上記コイリング成形時には、伸張処理を施さなかった。なお、リング外径の測定は、図6に示すように、1個のピストンリングについて、d1、d2、d3の3箇所で行い、10個のピストンリングについて測定した。以上のリング寸法測定結果の算術平均値に基づいてリング径変化率を算出した結果とそのリング径変化率の標準偏差を図11(a)(b)に示す。また、10個のピストンリングについてのAIP模擬熱処理後のビッカース硬さ(HV0.5)の算術平均値を図12に示す。
As is apparent from FIG. 10, it can be seen that by tempering the specimen 2 to 450 to 515 ° C., the hardness increases and the rate of change in the ring diameter (thermal deformation amount) decreases.
b. Heat treatment temperature for strain relief Specimen material 2 in the steel types shown in Table 1 was melted, and a cold wire with a wire diameter of 3.5 mm was obtained by the same process. Further, the wire was kept at 700 ° C. for 4 hours and then air-cooled. Next, after rolling the wire to a rectangular section of 2.0 mm thickness × 4.8 mm width, the temperature was raised to 850 ° C. and held for 4 minutes, then oil cooled, tempered to 450 ° C. and held for 8 minutes, Air cooled. Then, after coiling the wire so that the outer diameter becomes 80 mm, it is cut into the shape of the piston ring 15 as shown in FIG. 5, and the temperature is raised to 450 to 600 ° C. and held for 1 hour to remove distortion. Cooled to (in air). Further, as a heat treatment simulating the thermal history of AIP, the temperature was raised to 450 ° C., held for 6 hours, and then cooled to room temperature (in the atmosphere). Then, the dimensional change rate of the piston ring was obtained by measuring the ring outer diameter after the strain relief heat treatment and the ring outer diameter after the AIP simulation heat treatment with calipers as shown in the above equation 2. During the coiling molding, no stretching treatment was performed. As shown in FIG. 6, the ring outer diameter was measured at three locations d 1 , d 2 , and d 3 for one piston ring, and measured for 10 piston rings. The results of calculating the ring diameter change rate based on the arithmetic average value of the above ring dimension measurement results and the standard deviation of the ring diameter change rate are shown in FIGS. Moreover, the arithmetic average value of the Vickers hardness (HV0.5) after AIP simulation heat processing about 10 piston rings is shown in FIG.

図11(a)に明らかなように、歪み取り温度を上げるとリング径変化率(%)は小さくなるが、550℃以上に上げても、リング径変化率の低減量は小さくなることが分かる。また、図11(b)から分かるように、歪み取り熱処理温度が520〜550℃において、リング径変化率(%)の標準偏差が最も小さくなることが分かる。さらに、図12から分かるように、歪み取り熱処理温度が低くなるほどビッカース硬さ(HV0.5)は高くなるが、550℃の歪み取り温度においても、ビッカース硬さ(HV0.5)は500を超えており、極めて硬いことが分かる。しかし、歪み取り熱処理温度が550℃を超えると、ビッカース硬さ(HV0.5)は低くなり、実使用に耐えなくなることがある。   As apparent from FIG. 11 (a), the ring diameter change rate (%) decreases when the strain relief temperature is increased, but the reduction amount of the ring diameter change rate decreases even when the temperature is increased to 550 ° C. or higher. . Further, as can be seen from FIG. 11 (b), it can be seen that the standard deviation of the ring diameter change rate (%) becomes the smallest when the strain relief heat treatment temperature is 520 to 550 ° C. Furthermore, as can be seen from FIG. 12, the Vickers hardness (HV0.5) increases as the strain relief heat treatment temperature decreases, but the Vickers hardness (HV0.5) exceeds 500 even at a strain relief temperature of 550 ° C. It can be seen that it is extremely hard. However, when the heat treatment temperature for strain relief exceeds 550 ° C., the Vickers hardness (HV0.5) is lowered and may not be able to withstand actual use.

以上の試験結果をまとめると、イオンプレーティング処理に伴う長時間の熱処理を受けた場合も硬さ低下とリング径の変化(熱変形)を抑えためには、鋼種として、代表的な組成が表1に示すような成分からなる供試材2を採用するのが好ましく、その供試材2を所定の工程に従って、溶解、熱間圧延、一次伸線加工、中間熱処理、二次伸線加工、矩形断面加工後、所定の温度から焼き入れを行って450〜515℃に焼き戻し、コイリング後、520〜550℃で歪み取り熱処理を行う工程が、最も好ましい熱処理工程であると言える。
(5)ビッカース硬さとリング径変化率
表1に示す鋼種の中の供試材2を溶解し、同上工程により線径3.5mmの冷間伸線材を得た。さらに、この線材を700℃に4時間保持後、空冷した。次に、上記線材を2.0mm厚×4.8mm幅の矩形断面に圧延した後、850℃に昇温して4分間保持後、油冷し、450℃に焼き戻して8分間保持後、空冷した。そして、その線材を外径80mmとなるようにコイリング後、図5に示すようなピストンリング15の形状に切断し、歪み取りのために、450〜600℃に昇温して1時間保持後に室温まで冷却した(大気中)。さらに、AIPの熱履歴を模した熱処理として、450℃に昇温して6時間保持後に室温まで冷却した(大気中)。そして、歪み取り焼鈍後のビッカース硬さが様々なものについて、歪み取り熱処理後のリング外径とAIP模擬熱処理後のリング外径をノギスで測定することにより、上式2に示すように、ピストンリングの寸法変化率を求めた。上記コイリング成形時には、伸張処理を施さなかった。なお、リング外径の測定は、図6に示すように、1個のピストンリングについて、d1、d2、d3の3箇所で行い、10個のピストンリングについて測定した。以上のリング寸法測定結果の算術平均値に基づいてリング径変化率を算出した結果を図13に示す。
To summarize the above test results, in order to suppress the decrease in hardness and change in ring diameter (thermal deformation) even when subjected to long-time heat treatment accompanying ion plating treatment, typical compositions are shown as steel types. It is preferable to employ a specimen 2 composed of the components as shown in FIG. 1, and subject the specimen 2 to melting, hot rolling, primary wire drawing, intermediate heat treatment, secondary wire drawing according to a predetermined process, It can be said that the most preferable heat treatment step is a step of quenching from 450 ° C. to 515 ° C. after the rectangular cross-section processing, tempering to 450 to 515 ° C., and performing a heat treatment for removing strain at 520 to 550 ° C. after coiling.
(5) Vickers hardness and ring diameter change rate The test material 2 in the steel types shown in Table 1 was dissolved, and a cold wire with a wire diameter of 3.5 mm was obtained by the same process. Further, the wire was kept at 700 ° C. for 4 hours and then air-cooled. Next, after rolling the wire to a rectangular section of 2.0 mm thickness × 4.8 mm width, the temperature was raised to 850 ° C. and held for 4 minutes, then oil cooled, tempered to 450 ° C. and held for 8 minutes, Air cooled. Then, after coiling the wire so that the outer diameter becomes 80 mm, it is cut into the shape of the piston ring 15 as shown in FIG. 5, and the temperature is raised to 450 to 600 ° C. and held for 1 hour to remove distortion. Cooled to (in air). Further, as a heat treatment simulating the thermal history of AIP, the temperature was raised to 450 ° C., held for 6 hours, and then cooled to room temperature (in the atmosphere). For various Vickers hardnesses after strain relief annealing, the ring outer diameter after strain relief heat treatment and the ring outer diameter after AIP simulated heat treatment are measured with calipers, as shown in the above equation 2, The dimensional change rate of the ring was obtained. During the coiling molding, no stretching treatment was performed. As shown in FIG. 6, the ring outer diameter was measured at three locations d 1 , d 2 , and d 3 for one piston ring, and measured for 10 piston rings. FIG. 13 shows the result of calculating the ring diameter change rate based on the arithmetic average value of the above ring dimension measurement results.

図13に明らかなように、歪み取り焼鈍後のビッカース硬さ(HV0.5)が550を超えるとリング径変化率(%)が大きくなることが分かる。   As is apparent from FIG. 13, when the Vickers hardness (HV0.5) after strain relief annealing exceeds 550, the ring diameter change rate (%) increases.

ディーゼルエンジンの要部断面図である。It is principal part sectional drawing of a diesel engine. Crメッキを施したSi−Cr鋼からなるピストンリングをピストンリング溝に挿入する状態を示す概略図である。It is the schematic which shows the state which inserts the piston ring which consists of Si-Cr steel which gave Cr plating into a piston ring groove | channel. 窒化処理を施したマルテンサイト系ステンレス鋼からなるピストンリングをピストンリング溝に挿入する状態を示す概略図である。It is the schematic which shows the state which inserts the piston ring which consists of martensitic stainless steel which performed the nitriding process into a piston ring groove | channel. 窒化処理後にイオンプレーティング処理を施したマルテンサイト系ステンレス鋼からなるピストンリングをピストンリング溝に挿入する状態を示す概略図である。It is the schematic which shows the state which inserts the piston ring which consists of martensitic stainless steel which performed the ion plating process after the nitriding process in a piston ring groove | channel. ピストンリングの斜視図である。It is a perspective view of a piston ring. ピストンリングの外径測定方法を説明する図である。It is a figure explaining the outer diameter measuring method of a piston ring. 供試材3における歪み取り熱処理時のリング径変化率を示す図である。It is a figure which shows the ring diameter change rate at the time of the distortion removal heat processing in the test material 3. FIG. 供試材3におけるAIP模擬熱処理時のリング径変化率を示す図である。It is a figure which shows the ring diameter change rate at the time of AIP simulation heat processing in the test material 3. FIG. 各鋼種におけるAIP模擬熱処理時のリング径変化率およびビッカース硬さを比較して示す図である。It is a figure which compares and shows the ring diameter change rate and the Vickers hardness at the time of AIP simulated heat processing in each steel type. 供試材2における焼き戻し温度と、AIP模擬熱処理時のリング径変化率およびビッカース硬さとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the tempering temperature in the test material 2, the ring diameter change rate at the time of AIP simulation heat processing, and Vickers hardness. 図11(a)は供試材2における歪み取り熱処理温度とAIP模擬熱処理時のリング径変化率の関係を示す図、図11(b)は供試材2における歪み取り熱処理温度とAIP模擬熱処理時のリング径変化率の標準偏差の関係を示す図である。FIG. 11A is a diagram showing the relationship between the strain relief heat treatment temperature in the test material 2 and the ring diameter change rate during the AIP simulated heat treatment, and FIG. 11B is the strain relief heat treatment temperature in the test material 2 and the AIP simulated heat treatment. It is a figure which shows the relationship of the standard deviation of the ring diameter change rate at the time. 供試材2における歪み取り熱処理温度とAIP模擬熱処理後のビッカース硬さとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the distortion removal heat processing temperature in the test material 2, and the Vickers hardness after AIP simulation heat processing. 供試材2における歪み取り焼鈍後のビッカース硬さとAIP模擬熱処理時のリング径変化率の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the Vickers hardness after distortion removal annealing in the test material 2, and the ring diameter change rate at the time of AIP simulated heat processing.

符号の説明Explanation of symbols

1 トップリング
2 セカンドリング
3 ピストンリング溝
4 ピストンリング溝
5 オイルリング
6 シリンダ壁
7 バネ
8 硬質クロムメッキ
9 窒化処理
10 硬質セラミックコーティング
11 ピストンリング
12 ピストンリング
13 ピストンリング
14 ピストンリング溝
15 ピストンリング
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Top ring 2 Second ring 3 Piston ring groove 4 Piston ring groove 5 Oil ring 6 Cylinder wall 7 Spring 8 Hard chromium plating 9 Nitriding process 10 Hard ceramic coating 11 Piston ring 12 Piston ring 13 Piston ring 14 Piston ring groove 15 Piston ring

Claims (1)

Cが0.45〜0.80質量%、Siが0.80〜2.50質量%、Mnが0.10〜1.00質量%、Crが0.30〜1.20質量%、Niが0.20〜1.50質量%、Vが0.05〜0.50質量%、Cuが0.15質量%以下であって、残部がFeからなる線材に、熱処理と伸線加工を施して矩形断面へ塑性加工し、焼き入れと焼き戻しを行った後にピストンリング形状に加工し、そのピストンリングに歪取焼鈍を施した後イオンプレーティングを施すことによりピストンリングを製造する方法において、
焼き戻し温度が450〜515℃であり、
歪取焼鈍温度が520〜550℃である、ことを特徴とするピストンリングの製造方法。
C is 0.45 to 0.80 mass%, Si is 0.80 to 2.50 mass%, Mn is 0.10 to 1.00 mass%, Cr is 0.30 to 1.20 mass%, Ni is 0.20 to 1.50 mass%, V is 0.05 to 0.50 mass%, Cu is 0.15 mass% or less , and the balance is Fe. In a method of manufacturing a piston ring by plastic processing to a rectangular cross section, processing into a piston ring shape after quenching and tempering, applying stress plating to the piston ring and then ion plating,
The tempering temperature is 450-515 ° C.,
A method for producing a piston ring, wherein the strain relief annealing temperature is 520 to 550 ° C.
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