JPH01119646A

JPH01119646A - ピストンリング用鋼

Info

Publication number: JPH01119646A
Application number: JP27597987A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kaede; 楓　博; Tadahiro Koike; 忠裕小池; Shinji Kato; 慎治加藤; Yoshio Fuwa; 良雄不破; Hikari Aoyanagi; 光青柳; Shinji Shibata; 新次柴田; Yorishige Maeda; 前田　頼成
Original assignee: Toyota Motor Corp; Aichi Steel Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aichi Steel Corp
Priority date: 1987-10-31
Filing date: 1987-10-31
Publication date: 1989-05-11
Anticipated expiration: 2011-11-13
Also published as: JP2552509B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、内燃機関のピストンリングに用いる１３Ｃｒ
マルテンサイト系ピストンリング用鋼であって、特にＭ
ｏの添加量を増すことにより従来のものより耐摩耗性、
耐スカッフィング性および疲労強度を改善したピストン
リング用鋼に関するものである。

［従来の技術］内燃機関用ピストンリングは、燃焼室の機密性を保持す
るための圧力リングと、ピストンリングおよびシリンダ
ーライナー間の潤滑油膜を調製するための油かきリング
により構成されている。このピストンリングのうち、圧
力リングはピストンヘッドの直下に遊嵌され燃焼ガスの
影響を大きく受けるものであり、耐摩耗性、耐スカッフ
ィング性および疲労強度等が要求される。

近年、内燃機関の軽量化、高出力化および高回転化に伴
い、圧力リングの薄幅化が積極的に進められてきた。こ
のピストンリングの薄幅化は、ピストンリングを軽量化
し、ピストンリング溝内でのピストンリングの挙動の安
定化、油膜厚さが薄くできることによる潤滑油消費量の
改善が図られる。

しかし、このようにピストンリングの薄幅化が進められ
ると、油膜厚さが薄くなり摩耗が増大し寿命が短くなる
ので、従来一般的であった鋳鉄製のリングや、炭素鋼、
シリクローム鋼、あるいはオイルテンパー練製のリング
では使用に耐えなくなってきた。すなわち、鋳鉄製のリ
ングでは軸方向に薄いものが製造しがたく、かつ耐折損
強度の点で不十分であり、シリクローム鋼リングは高温
での強度が小さいため比較的断面積の大きいものとなり
、慣性が大きくフラッタリング現象を起こしやすい、そ
こで、最近ではピストンリングの材料として工具鋼、ば
ね鋼およびステンレス鋼が用いられるようになっており
、特にステンレス鋼としては１３Ｃｒマルテンサイト系
ステンレス鋼（０゜６５Ｃ−１３，５０ｒ−０，３Ｍｏ
−０，ＩＶ）が圧力リングとして用いられ好結果が得ら
れている。

しかし、これらマルテンサイト系ステンレス鋼製のピス
トンリングも、摩擦摩耗の激しいエンジンに用いた場合
、未だ耐摩耗性および耐スカッフィング性の点において
不十分である。また、マルテンサイト系ステンレス鋼を
用いガス窒化処理した圧力リングでは、ピストンへの組
付強度が十分でなく、必要以上に合い口を広げると（１
０Ｔ以上、実力１１〜１３７ｒＴ：リング幅（＋ｕ＋）
Ｊ）折損するという問題がある。さらに、この圧力リン
グは耐スカツフ性に対する要求が厳しい内燃機関に関し
ては、不十分な性能で、スカッフするという問題があり
、摺動面にだけ薄いＮ１−ＰまたはＮ１−Ｃ。

−Ｐめっき若しくはこれらのベースめっきに硬質粒子（
ＳｉｓＮ＜）を分散させためっきを行っている。

また、キーストンリングのごとく疲労強度が問題となる
ピストンリングにおいては、特にガス窒化処理材のごと
く脆い材料の場合、および脆いＮ１−Ｐベース複合めっ
きをシリンダボアとの摺動面にめっきした場合には、折
損するという問題がある。このようなことから、マルテ
ンサイト系ステンレス鋼のピストンリングにおいては、
さらに耐摩耗性および耐スカッフィング性と併せて組付
強度および疲労強度を増してピストンリングの長寿命化
が望まれている。

［発明が解決しようとする問題点］本発明はマルテンサイト系ステンレス鋼製のピストンリ
ングの前記のごとき問題点に鑑みてなされたもので、従
来のマルテンサイト系ステンレス鋼製ピストンリングの
耐摩耗性および耐スカッフィング性と併せて組付強度お
よび疲労強度をさらに改善することによって、内燃機関
の高出力化および高速化を達成できるピストンリング材
料を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］本発明は従来のマルテンサイト系ステンレス鋼の耐摩耗
性について鋭意研究を重ねた結果、Ｍ。

の添加量を多くすることによって、耐摩耗性、耐スカツ
フ性および疲労強度を大幅に改善でき、しかも同等の耐
摩耗性を有する高Ｃ高Ｃｒ材に比べ、冷間加工性が改善
されるとの着想のもとに、Ｃ１Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ等につ
いてＭｏ含有量との関連において最適含有量の範囲を見
出だすことによって本発明を完成したち、のである。

すなわち、本発明のピストンリング用鋼は第１発明とし
て重量比でＣ，０，５５〜１．１０％、Ｓ；Ｓ２．０％
以下、Ｍｎ；２．０％以下、Ｃｒ；１１〜１５％、Ｍａ
ｉｌ　、６〜６．０％を含有し、残部がＦｅおよび不純
物元素からなることを要旨とする。しかして、第２発明
は第１発明にさらにＮｉ：０．２〜２．０％、Ｖ、０．
１〜１．５％、Ｎｂ、０．０５〜０．７％のうち１種ま
たは２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不純物元素か
らなることを要旨とする。第３発明は第１発明鋼のピス
トンリングの少なくともシリンダ壁との摺動面に表面硬
化処理を施し、て用いることを要旨とし、第４発明は第
２発明のピストンリングの少なくともシリンダ壁との摺
動面に表面硬化処理を施して用いることを要旨とするも
のである。

［作用］本発明においてＭｏの多量の添加は、１１〜１５％Ｃｒ
とＣｒの添加量を低めに抑えながら、狙いとする大幅な
耐摩耗性・耐スカツフ性の向上がえられるとともに、組
付強度・疲労強度を向上させるという点で優れた特性を
有する。

上記効果をピストンリングとして適用した場合について
詳述すれば、次のことが言える。

（ｉ）トップリング（第１圧力リング）についてピスト
ンリングとして最も耐スカツフ性の要求されるリングは
トップリングであり、その要求値は個々のエンジンによ
って大きな差があるが、従来の１３Ｃｒマルテンサイト
系ステンレス鋼の場合には、ガス窒化処理をしないとス
カッフを発生するという問題があったため、ガス窒化処
理を行うかもしくはシリンダボアと摺動する面にだけ硬
質クロムめっき、溶射、Ｎ１−Ｐベース複合めっきとい
った表面処理をして使用していた。

本発明鋼はＭｏ添加量が高いほど優れた耐スカツフ性を
得、後で説明する実施例のＣ鋼、Ｅ鋼、Ｆ鋼は特にＭｏ
添加量が多く、焼入れ焼戻し品でも、１３Ｃｒマルテン
サイト系ステンレス鋼・ガス窒化処理相当の耐スカツフ
性が得られるため、このままでも十分使用できるばかり
でなく、ガス窒化処理材にすれば、従来の硬質クロムめ
っき（焼付荷重１５０ｋｇ＞と同等以上の値（焼付き荷
重１５０゜０〜１７５．０ｋｇ）が得られ、耐スカツフ
性に対する要求の厳しいエンジンに適用しても、スカッ
フを発生することもをく良好な結果が得られる。

耐摩耗性も従来の１３Ｃ「マルテンサイト系ステンレス
鋼では必ずしも十分でなく、要求の厳しいエンジンに対
しては窒化深さを９０μ鴫、１２０μ麹と大きく対処し
ていた。ところが窒化深さが大きくなるほどリング１０
合い口１２の組付は強度および疲労強度が低下するため
、キーストンリングのごとく、疲労強度が特に要求され
るピストンリングでは折損するという問題が発生するこ
とがあった。

本発明鋼は強度が向上しているので、従来と同じ窒化深
さでも、前記のように折損するという問題を発生するこ
とがない、第１表に１３Ｃｒマルテンサイト系ステンレ
ス鋼におけるＭｏ添加量と粒径２μ輪以上の炭化物量（
面積率％）を示す。

（以　下　余　白）第　　　　　１　　　　　表第１表に示すごとく、本発明鋼はＭｏの添加にともない
、炭化物の生成が促進され、これによって大幅な耐摩耗
性の向上を得ることができるため、窒化深さを浅くする
ことができ、強度がより一層向上すると共に、ガス窒化
処理時間の短縮ができ、大量生産がより一層可能となる
。また、摩耗量の減少は摩耗に伴うオイル消費性能、ブ
ローバイガス性能の劣化を最小限にできるため、エンジ
ン性能全般の劣化を防止できる。

（ｉｉ）オイルリングについてオイルリングは張力による接触面圧が高く、エンジンに
よってはトップリングよりも摩耗が太きくなる、しかし
、摩耗に伴う接触面圧の低下は、オイル消費量を増加さ
せるため、耐摩耗性に対する要求は極めて厳しいものが
ある０本発明鋼の耐摩耗性は極めて優れており上記問題
を解決できる。

スリーピースの組合せタイプのオイルリングのサイトレ
ールの場合、強度向上の制約により、ガス窒化処理を行
って使用する場合も、その窒化深さは３０〜６０μ−が
限度である。したがって、長期間使用するエンジンにあ
っては窒化層摩滅による母材（焼入れ焼戻し材）露出状
態での耐スカツフ性・耐摩耗性が重要であるが、前記ト
ップリングに述べたごとく良好な結果を得る。

なお、オイルリングの場合、シリンダボアとの摺動面ば
かりでなく、スリーピース組合せオイルリングでは、サ
イトレールとスペーサエキスパンダの耳部との接触部の
耐摩耗性も要求されるが、本発明鋼はこの要求にも十分
に対応できる。

ピストンリング用線材成形時の冷間加工性（伸線時）は
、オイルリングのサイドルレールのごとく極めて断面形
状が小さいものをロール圧延もしくはダイス引き抜き成
形するに際しては極めて重要で、例えば高Ｃ高Ｃｒ材で
は、成形中に内部割れが発生してしまい、成形できない
という場合があるが、本発明鋼では問題なく成形できる
。

本発明鋼はそのまま用いても充分な耐摩耗性を示すが、
さらに窒化、めっき、溶射等の表面処理を施して用いる
と著しくその効果を向上させることができる０本発明鋼
は窒化処理を施す前に熱処理に供するとよい、熱処理と
しては例えば焼入焼もどし、焼入れ（窒化処理において
焼もどしを兼ねるもの、）が挙げられる。窒化処理は摺
動面を含む表面に施され、ガス窒化、ガス軟窒化、塩浴
窒化、タフトライドおよびイオン窒化のいずれも適用す
ることができる。

次に、本発明のピストンリング用鋼の化学成分の限定理
由について述べる。

Ｃ；０．５５〜１．１０％Ｃは焼入れにおいて必要な硬さを得ると同時に、炭化物
を形成して高強度と耐摩耗性を付与する元素である。０
．５５％未満では炭化物生成量が少なく炭化物の存在に
よって得られる耐摩耗性が劣る。しかし、１．１０％を
越えると炭化物の粒度が大きくなって相手材であるシリ
ンダライナを摩耗させ、かつピストンリング形状への冷
間加工性が不可能となるので上限を１．１０％とした。

Ｓ　ｉ；２．０％以下Ｓｉは精錬時に脱酸元素として添加され、耐熱性を与え
る元素であるが、多量に添加されると引き抜き等の冷間
加工性を害するので、上限を２゜０％とした。

Ｍｎ；２．０％以下ＭｎはＳｉと同様に精錬時に脱酸元素として添加され、
靭性を増大させる元素であるが、多量に添加すると冷間
加工性を害するので、上限を２．０％とした。

Ｃｒ；１１〜１５％ＣｒはＣと結合して炭化物を形成し、耐摩耗性を向上す
ると共に、耐食性と生地強度を向上させ、さらには窒化
硬化層の硬さを増す効果を有する。

１１％以下ではＭｏ；１．６〜６．０％との相乗効果で
もこれらの効果が充分表れないため、１１％以上を含有
せしめた。しかし、Ｍｏ；１．６〜６．０％と合わせて
Ｃｒを多量に含有させた場合、靭性が低下して熱間加工
性を阻害するので、Ｃｒの上限を１５．０％とした。

Ｍｏ；１．６〜６．０％ＭｏはＣｒと同様に炭化物を形成し、窒化処理時に窒化
層硬度を高め、耐摩耗性を向上させるほが生地に固溶し
マトリックスを強化し、組付強度・疲労強度を増強させ
る元素であり、これらの効果を得るためには１．６％以
上の含有が必要である。

しかし、６．０％以上含有させると前記の効果が顕著で
なくなると同時に熱間加工性を低下させるので、上限を
６．０％とした。

Ｎｉ；０．２〜２．０％Ｎｉは耐食性、靭性および焼入性を付与する元素であり
、０．２％末溝では前記の効果が小さいので下限を０．
２％とした。しかし、２．０％を越えて含有されると、
冷間加工性を害するので上限を２．０％とした。

Ｖ；０．１０〜１．５０％、Ｎｂ；Ｑ、０５〜０．７０
％ ■およびＮｂは焼もどし軟化抵抗および高温強度を増加
させると共に、炭化物を微細化するものであり、かつ窒
化処理により窒化物を形成し、表面層硬さを高める元素
である。前記効果を得るためにはＶ；０．１０％以上、
Ｎｂ：０．０５％以上の含有が必要である。しかし、Ｖ
；１．５％以上、Ｎｂ；０．７０％以上を含有すると粗
大な共晶炭化物の生成により熱間加工性を低下させるの
で、上限をそれぞれ１．５％および０．７０％とした。

［実施例］次に本発明の効果を従来鋼、比較鋼と比較した実施例に
より明らかにする。

第２表に示す化学成分からなる本発明鋼および従来鋼と
して１３Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼を電気炉で
溶製した。第２表において、Ａ〜Ｂ鋼は第１発明鋼もし
くは第３発明鋼、Ｃ−Ｇ鋼は第２発明鋼もしくは第４発
明鋼である。また、Ｈ鋼は従来鋼で１３ｃｒマルテンサ
イト系ステンレス鋼、■鋼は従来材の硬質クロムめっき
である。

（以下余白）溶製した供試鋼は鋳造し熱間圧延を行い、焼入焼もどし
を施して（硬さの狙い値Ｈｖ３５０〜４５０）摩耗試験
用として１０Ｘ１５．７Ｘ６．３ｍ＋ｓの摩耗試験片お
よび焼付試験片用として３０×３０×５１の焼付試験片
に加工した。得られた摩耗試験片について次の条件によ
り摩耗試験を行った。

（ＬＷＦ−１摩耗試験機による摩耗試験）相手材　　　
　ＦＣ荷重　　　　　６０ｋｇ時間　　　　１２０分速度　　　　０　、３　ｖｂ／　ｓｅｃ潤滑油　　　低
粘度エンジンオイル１．５ｅｅ／輸ｉｎ供給試験後に摩耗試験片について摺動面の摩耗量を測定し、
結果を第３表に示した。

続いて別の摩耗試験片をアンモニアガス気流中で５３０
〜５９０℃に加熱して５時間以上のガス窒化を施した。

ガス窒化後に表面硬さを測定したところ、Ｈマ１０００
以上であった。窒化処理後の摩耗試験片を前記と同様の
条件で摩耗試験に供した、試験後に測定した摺動面の摩
耗量は、第３表に併せて示した。

次に、摩耗試験片と同様にして製作した焼付試験片につ
いて、次の条件により焼付試験を行い、焼付荷重を第３
表に併せて示した。

（機械試験所望摩擦摩耗試験機による焼付試験）相手材
　　；ＦＣ荷重　　　；　２分毎に２５ｋｇづつ増大させ、焼付が
発生するまで行う速度　　　；　　１．２ｍ／ｓｅｅ潤滑油　　；　低粘度エンジンオイルの滴下潤滑焼付荷重　；　摩擦係数が０．２以上に急上昇した荷重
をもって焼付荷重とする（以下余白）第３表から明らかなように、摩耗試験では、焼入れ焼戻
し材の場合の摩耗深さで、従来材の５゜８μ鋤に対し、
本発明鋼であるＡ−Ｇ鋼は３．３０〜４，８０μ鱗であ
る。ガス窒化処理材の場合の摩耗深さでは、従来材の３
．５μ論に対し、本発明鋼であるＡ〜Ｇ鋼は１．６０〜
３．００μ輪である。

いづれの場合も、本発明鋼が優れた耐摩耗性を示すこと
が確認できた。

また、焼付試験では、焼入れ焼戻し材の場合の焼付荷重
で、従来材の１００．０ｋｇに対し、本発明鋼であるＡ
〜Ｇ鋼は１１２．５〜１３７．５ｋｇである。ガス窒化
処理材の場合の焼付荷重では、従来材の１３７．５ｋｇ
に対し、１５０．０〜１７５゜０ｋｇである。いづれの
場合も、本発明鋼が優れた耐スカツフ性を示すことが確
認できた。

次に、ピストンリングをピストンのリングの溝に組み付
けるに際しては、その合い口を１０Ｔ以上拡げることが
必要なため組付強度が必要である。

焼入れ焼戻し材は十分な組付強度を有するが、ガス窒化
処理材は脆くなっており、従来材の場合１１〜１３Ｔで
ほとんど余裕がなく、材料バラツキおよび拡げ量のバラ
ツキによっては時として折損するが、本発明鋼は第３表
に示すごとく、２０Ｔ以上でないと折損しないという優
れた組付強度を有する。これはボア径φ８６−曽用のピ
ストンリング（Ｂ寸法２．０＋ａｍ、Ｔ寸法３．１５ｍ
ｍ、窒化深さ９０μ−）について行った拡げ試験結果で
ある。

また、キーストンリングのごとく疲労強度が問題となる
ピストンリングにおいては、特にガス窒化処理材のごと
く脆い材料の場合および脆い複合めっきをシリンダ壁と
の摺動面にめっきした場合には折損するという問題があ
る。前記ピストンリングについて稀硫酸水溶液中にて振
幅応力５０ｋｇ／輸−２一定で疲労試験を行った結果を
第４表に示す。

（以　下　余　白）第　　　　４　　　　　表第４表から明らかなように、ガス窒化処理材では、従来
材の疲労強度２Ｘ１０’に対し、本発明鋼Ａ〜Ｇ鋼の疲
労強度は１．５Ｘ１０礁〜３×１０６と大幅に疲労強度
が向上することを確認した。

このような腐食雰囲気中での疲労強度が向上するのは、
Ｍｏの耐食性改善効果によるものと思われ、特にディー
ゼルエンジンのようなエンジンオイル中に稀硫酸が生成
するような場合には重要である。

［発明の効果］本発明のピストンリング用鋼は、以上説明したように従
来のマルテンサイト系ステンレス鋼製のピストンリング
の耐摩耗性、耐スカツフ性、疲労強度等の特性をさらに
向上し長寿命化を図るため、Ｍｏを１．６〜６．０％添
加し、Ｃ，Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ等についてＭｏ含有量との
関連において最適含有量の範囲を見出だしたものであっ
て、Ｍｏの添加によって炭化物の生成が著しく促進され
ると共に炭化物の球状化、粒径の均一化により従来鋼に
比べて耐摩耗性および耐スカツフ性が著しく向上する。

また、ガス窒化処理等の表面処理によって得られる窒化
層強度を高めさらに耐摩耗性および耐スカツフ性を向上
するものである。さらに、本発明鋼は耐摩耗性および耐
スカツフ性と相まって組付強度を大幅に向上させ、高い
硬度を示すと共に疲労強度においても従来鋼よりも優れ
た値を示す等の数々の優れた効果を有するものであって
、内燃機関の高出力化および高速化を達成できるピスト
ンリング材料として極めて有用である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量比でＣ；０．５５〜１．１０％、Ｓｉ；２．
０％以下、Ｍｎ；２．０％以下、Ｃｒ；１１〜１５％、
Ｍｏ；１．６〜６．０％を含有し、残部がＦｅおよび不
純物元素からなることを特徴とするピストンリング用鋼
。
（２）重量比でＣ；０．５５〜１．１０％、Ｓｉ；２．
０％以下、Ｍｎ；２．０％以下、Ｃｒ；１１〜１５％、
Ｍｏ；１．６〜６．０％を含有し、さらにＮｉ；０．２
〜２．０％、Ｖ；０．１〜１．５％、Ｎｂ；０．０５〜
０．７％のうち１種または２種以上を含有し、残部がＦ
ｅおよび不純物元素からなることを特徴とするピストン
リング用鋼。
（３）重量比でＣ；０．５５〜１．１０％、Ｓｉ；２．
０％以下、Ｍｎ；２．０％以下、Ｃｒ；１１〜１５％、
Ｍｏ；１．６〜６．０％を含有し、残部がＦｅおよび不
純物元素からなり、ピストンリングの少なくともシリン
ダ壁との摺動面に表面処理を施して用いることを特徴と
するピストンリング用鋼。
（４）重量比でＣ；０．５５〜１．１０％、Ｓｉ；２．
０％以下、Ｍｎ；２．０％以下、Ｃｒ；１１〜１５％、
Ｍｏ；１．６〜６．０％を含有し、さらにＮｉ；０．２
〜２．０％、Ｖ；０．１〜１．５％、Ｎｂ；０．０５〜
０．７％のうち１種または２種以上を含有し、残部がＦ
ｅおよび不純物元素からなり、ピストンリングの少なく
ともシリンダ壁との摺動面に表面処理を施して用いるこ
とを特徴とするピストンリング用鋼。