JP6093866B2 - 内燃機関用高熱伝導性ピストンリング - Google Patents
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Description
本発明に係る内燃機関用高熱伝導性ピストンリングの実施例として、本発明で規定した合金組成の条件を満足する実施例試料A〜Z、AA〜ADを作製した。実施例試料A〜Z、AA〜ADを作製するにあたっては、まず、それぞれ表1に示す合金組成のMn−Cr鋼を冷間で線引きした後、焼入れ温度900℃、焼戻し温度450℃の焼入れ焼戻し(調質)を施し、1.2mm×2.5mmの矩形断面を有する線材を得た。次に、この線材を78mmのボア径に合うようにリング状に成形し、合い口となる部分を切断した。こうして作製された実施例試料A〜Z、AA〜ADの各ピストンリングには、歪取り熱処理を施した後に外周加工を行い、外周面に硬質セラミックス皮膜としてCr−N系よりなるPVD皮膜のみを被覆したもの、硬質炭素皮膜として水素を2原子%含有したDLC(ダイヤモンドライクカーボン)皮膜のみを被覆したもの、又は当該PVD皮膜の上に当該DLC皮膜を積層した2層からなる皮膜を被覆したもの、の計3種類のうちいずれかを形成した。その後、実施例試料A〜Z、AA〜ADの各ピストンリングには、仕上げ加工を施し、当該ピストンリングの上下面に四三酸化鉄皮膜を形成した。なお、各種表面処理前のピストンリングの上下面及び外周面については、十点平均粗さRzで1.3μm〜2.2μmの範囲内となるように研磨を行った。十点平均粗さRzは、JIS B0601(1982)に準拠し、表面粗さ・輪郭形状測定機で測定した。
図3は、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示す模式図である。以下、図3を用いて疲労強度試験を説明する。疲労強度試験では、図3に模式的に示す疲労強度試験機40を用い、まず、ピストンリング1の合い口1aにおける一端を支持台41に固定部41aにより固定し、他端をてこアーム42の一端に固定部42aにより固定した。ここで、当該てこアーム42の他端側には、連結部43により動力伝達バー45の一端が連結される。当該動力伝達バー45の他端側は、偏心カム46に連結されており、当該偏心カム46の回転によって当該動力伝達バー45が動力伝達軸方向(図中の矢印Xで示す方向)へ往復運動する。そして、このときの動力伝達バー45の動作に伴い、当該てこアーム42の一端側(固定部42aが固定される側)が当該連結部43を中心とした回転方向(図中の矢印Yで示す方向)に往復運動し、ピストンリング1の合い口1aが拡張された際にピストンリング1に曲げ応力が負荷される。なお、当該動力伝達バー45は、ガイド44によって動力伝達軸の軸振れを防止し、その往復運動をスムーズに行うことが可能となる。
耐熱へたり試験では、JIS B 8032−5(1998)に基づき、ボア径78mmのスリーブ内に、実施例試料A〜Z、AA〜ADの各ピストンリングを装着し、300℃の温度に3時間保持した後の張力減退率を測定した。この張力減退率は、実施例試料A〜Z、AA〜ADの各ピストンリングをスリーブ内に装着して、加熱する前と加熱した後のピストンリング張力を測定し、その張力低下率により算出した。参考までに、JIS規格(JIS B 8032−5(1998))では、ピストンリングの中で最も過酷な高温環境下で用いられるトップリングの張力減退率が8%以下に定められている。
この比較例は、実施例と比較するためのものである。本発明に係る内燃機関用高熱伝導性ピストンリングの比較例として、本発明に規定する合金組成のAl、Ni及びCuに関する条件を満足しない比較例試料a〜nを作製した。ここで、比較例試料a〜nの製造方法に関しては、実施例試料A〜Z、AA〜ADと同様の条件とした。そして、作製した比較例試料a〜nに関し、実施例試料A〜Z、AA〜ADと同様に、400℃で焼戻し後のロックウェル硬さ(Cスケール)を測定すると共にし、レーザーフラッシュ法により熱伝導率を測定した。さらに、これら比較例試料a〜nを用いて、実施例と同じ要領により、疲労強度試験及び耐熱へたり試験を実施した。なお、表2は、比較例試料a〜nの合金組成を実施例試料の合金組成と対比可能となるよう併せて示している。また、比較例試料a〜nに対して行った、400℃で焼戻し後のロックウェル硬さ(Cスケール)の測定、レーザーフラッシュ法による熱伝導率の測定、疲労強度試験、及び耐熱へたり試験の結果に関しては、当該比較例試料a〜nの合金組成と纏めて表2に示す。
以下に、実施例と比較例とを表1及び表2に示す結果に基づき対比しつつ、本発明を詳細に説明する。
表1及び表2に示す結果より、本発明に規定する合金組成の条件を満足する実施例試料A〜Z、AA〜ADの硬さの平均は、約48.3(HRC)となった。一方、本発明に規定する合金組成の条件を満足しない比較例試料a〜nの硬さの平均は、約48.4(HRC)となった。そして、実施例試料A〜Z、AA〜AD及び比較例試料a〜nの全ての試料が、40HRC以上の硬さを確保しており、高圧縮比の自動車用ガソリンエンジンに用いた場合にピストンリングとして要求されるガスシール機能、及びオイルコントロール機能を長期間安定して発揮することが可能であることの確認ができた。この結果だけをみれば、実施例試料と比較例試料とは、硬さに大きな差が認められないと捉えることもできる。しかし、実施例試料A〜Z、AA〜ADの中での硬さの最小値が47.2(HRC)であるのに対し、比較例試料a〜nの中には、硬さが47.2(HRC)未満の試料がいくつか存在する(比較例試料c,e,i,n,m)。参考までに、比較例試料eの硬さは、44.0(HRC)であり、これは実施例試料A〜Z、AA〜ADの中での硬さの最小値に比べて3.2(HRC)も小さな値である。これらの結果より、本発明に規定する合金組成の条件を満足するピストンリングを採用することで、当該条件を満たさない従来のピストンリングを採用した場合よりも安定した硬さの向上が図られることが分かった。
表1及び表2に示す結果より、本発明に規定する合金組成の条件を満足する実施例試料A〜Z、AA〜ADの熱伝導率の平均は、約41.2(W/(m・K))となった。また、実施例試料A〜Z、AA〜ADの全ての試料が、40W/(m・K)以上の熱伝導率を確保しており、ピストンの熱をシリンダへ効果的に伝えることが可能であることの確認ができた。一方、本発明に規定する合金組成の条件を満足しない比較例試料a〜nの熱伝導率の平均は、約36.8(W/(m・K))となった。そして、比較例試料a〜nの内、比較例試料b,d,f〜h、j〜nの試料は、熱伝導率が40W/(m・K)以下となり、熱伝導性に関して十分な向上が図られていないことの確認ができた。これらの結果より、本発明に規定する合金組成の条件を満足するピストンリングを採用することで、従来のピストンリングを採用した場合と比べて熱伝導率の向上が図られることが分かった。なお、比較例試料b,f,h,kに関しては、熱伝導性の低下が顕著であったが、これはAl、Ni及びCuの合金含有量が3.0質量%を大きく超えることで金属間化合物の析出が多くなったことに起因するものと考える。
表1及び表2には、実施例試料A〜Z、AA〜ADそれぞれの疲労強度について、比較例試料aを100とした指数で示す(指数が大きいほど疲労強度に優れる)。この場合に、表1及び表2に示す結果より、本発明に規定する合金組成の条件を満足する実施例試料A〜Z、AA〜ADの疲労強度の平均は、101となった。一方、本発明に規定する合金組成の条件を満足しない比較例試料a〜nの疲労強度の平均は、103となった。この結果だけをみれば、実施例試料は、比較例試料よりも疲労強度に劣ると捉えることもできる。しかし、実施例試料A〜Z、AA〜ADの疲労強度が全て100以上であるのに対し、比較例試料a〜nの中には疲労強度が100未満の試料がいくつか存在する(比較例試料c,e)。これらの結果より、本発明に規定する合金組成の条件を満足するピストンリングを採用することで、当該条件を満たさない従来のピストンリングを採用した場合よりも安定した疲労強度の向上が図られることが分かった。
表1及び表2に示す結果より、本発明に規定する合金組成の条件を満足する実施例試料A〜Z、AA〜ADの張力減退率の平均は、5.40%となった。一方、本発明に規定する合金組成の条件を満足しない比較例試料a〜nの張力減退率の平均は、5.00%となった。この結果だけをみれば、実施例試料は、比較例試料よりも耐熱へたり性に劣ると捉えることもできる。しかし、実施例試料A〜Z、AA〜ADの中での張力減退率の最大値が5.95%(実施例試料K)であるのに対し、比較例試料a〜nの中には、張力減退率が5.95%を超える試料がいくつか存在する(比較例試料c,e,k,m)。参考までに、比較例試料eの張力減退率の最大値は、6.67%であり、これは実施例試料A〜Z、AA〜ADの中での張力減退率の最大値に比べて0.72%も大きな値である。これらの結果より、本発明に規定する合金組成の条件を満足するピストンリングを採用することで、当該条件を満たさない従来のピストンリングを採用した場合よりも安定した耐熱へたり性の向上が図られることが分かった。このように、実施例試料A〜Z、AA〜AD及び比較例試料a〜nの全ての試料は、JIS規格(JIS B 8032−5(1998))に定めるトップリングの張力減退率8%以下の基準を満足するものであるが、実施例試料A〜Z、AA〜ADの方が比較例試料a〜nよりもより厳しい熱環境下で使用できることの確認ができた。
表1及び表2に示す結果より、Al、Ni及びCuそれぞれの含有量に関して本発明に規定する条件を満たすことで、C、Si、Mn、Crの含有量の増加に伴う、硬さ、疲労強度、及び耐熱へたり性の向上や、熱伝導性の低下を抑制して、これら特性のトータルバランスを安定的に優れたものとし、高圧縮比エンジンの熱負荷の高い環境でも長期間安定して使用できることが分かった。したがって、本発明に係る内燃機関用高熱伝導性ピストンリングによれば、Mn−Cr鋼として、合金元素を本発明に規定する範囲の量含有することで、オイルリングの熱伝達機能を向上させると共に、ガスシール機能、及びオイルコントロール機能を長期間発揮させることが可能となる。また、表1及び表2に示すように、本発明に係る内燃機関用高熱伝導性ピストンリングは、その外周面に本発明に規定する種類の硬質皮膜を1種以上備える限りにおいては、上記した特性に悪影響が及ぼされないこともない。
1a 合い口
2 母材
3 硬質皮膜
4 表面処理層
5 外周面
6 上面
7 内周面
8 下面
10 ピストン
11 ピストン冠面
12 ピストンリング溝
20 シリンダ
21 シリンダ内壁面
a 合い口部分
40 疲労強度試験機
41 支持台
41a 固定部
42 てこアーム
42a 固定部
43 連結部
44 ガイド
45 動力伝達バー
46 偏心カム
Claims (5)
- Mn−Cr鋼を母材とした内燃機関用ピストンリングであって、
当該Mn−Cr鋼が、Cを0.52質量%以上0.65質量%以下、Siを0.15質量%以上0.35質量%以下、Mnを0.60質量%以上1.00質量%以下、Crを0.60質量%以上1.00質量%以下、Pを0.04質量%以下、Sを0.04質量%以下、微量成分(Al、Ni及びCuの合計含有量量)を0.05質量%以上3.0質量%以下、残部Fe及び不可避不純物の範囲で含有し、
微量成分であるAl、Ni及びCuの含有量が、以下の式(1)の関係を満たすことを特徴とする内燃機関用高熱伝導性ピストンリング。
- 前記Mn−Cr鋼は、微量成分であるAl、Ni及びCuが、各成分共に0.01質量%以上1.0質量%以下の範囲で含有する、請求項1に記載の内燃機関用高熱伝導性ピストンリング。
- ピストンリングの外周面が、硬質クロムメッキ、硬質セラミックス、及び硬質炭素のいずれか1種又は2種以上の硬質皮膜を備える、請求項1又は2に記載の内燃機関用高熱伝導性ピストンリング。
- ピストンリングの上下面及び/又は内周面は、酸化処理、化成処理、樹脂コート、及び硬質炭素皮膜の形成の少なくとも1種又は2種以上の表面処理が施されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の内燃機関用高熱伝導性ピストンリング。
- Mn−Cr鋼を母材とした内燃機関用ピストンリングであって、
当該Mn−Cr鋼が、Cを0.52質量%以上0.65質量%以下、Siを0.15質量%以上0.35質量%以下、Mnを0.60質量%以上1.00質量%以下、Crを0.60質量%以上1.00質量%以下、Pを0.04質量%以下、Sを0.04質量%以下、微量成分(Al、Ni及びCuの合計含有量量)を0.05質量%以上3.0質量%以下、残部Fe及び不可避不純物の範囲で含有し、
焼入れ焼戻し後の硬さが40HRC以上であり、熱伝導率が40W/(m・K)以上であることを特徴とする内燃機関用高熱伝導性ピストンリング。
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