JPH01142057A

JPH01142057A - ピストンリング用溶製鋼

Info

Publication number: JPH01142057A
Application number: JP30125287A
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; Shinji Shibata; 新次柴田; Hikari Aoyanagi; 光青柳; Yorishige Maeda; 前田　頼成
Original assignee: Toyota Motor Corp; Aichi Steel Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aichi Steel Corp
Priority date: 1987-11-28
Filing date: 1987-11-28
Publication date: 1989-06-02
Anticipated expiration: 2011-11-13
Also published as: JP2552512B2

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】［産業上の利用分野コ本発明は、内燃機関のピストンリングに用いるマルテン
サイト系ピストンリング用鋼であって、特にＮｂを添加
する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
改善が図られ一３＝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−船釣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
強度の点て不十分であり、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
こて、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−１３，５Ｃｒ−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ツフ性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く１
０Ｔ以上、実力１１〜１３ＴｒＴ：リング幅（ｆ１１μ
）」）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（
Ｓｉ３Ｎ＜）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ビス１ヘ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窒
化が望まれている。

「発明が解決しようとする問題点］本発明はフルテンサイ１〜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、高Ｃ高Ｃ「マルテン
サイト系ステンレス鋼においてＮｂを添加することによ
り炭化物を微細析出せしめて耐摩耗性および耐スカツフ
性を大幅に改善できるとの着想の下に、０，５５〜１．
１００−１６〜１９Ｃｒを基本組成とする高Ｃ高Ｃｒマ
ルテンサイト系ステンレス鋼に０．０５〜１．１０％の
Ｎｂを添加し、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ等についてもＮ
ｂ添加量との関連において熱間加工性および冷間加工性
を悪化させず良好な耐摩耗性、耐スカツフ性および疲労
強度を得ることのできる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ものである。

すなわち、本発明のビス１〜ンリング用鋼は第１発明と
して重量比でＣ；０．５５〜１．１０％、Ｓｉ；２．０
％以下、Ｍｎ；２．０％以下、Ｃｒ；１６〜１９％、Ｎ
ｂ、０．０５〜１．１０％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Ｍｏｎ０゜２〜
３．０％、Ｖ、０．２５〜１．５０％のうち１種または
２種を含有せしめたものであり、第３発明は第１発明に
さらにＮ　ｉ；０．２〜２．０％を含有せしめたもので
あり、第４発明は第２発明にさらにＮ　ｉ；０．２〜２
．０％を含有せしめたものである。

また、第５〜第８発明は、第１〜第４発明のピストンリ
ングの少なくともシリン壁との摺動面に表面処理を施し
て用いることを要旨とする。

［作用］本発明においてＮｂの添加は、狙いとする大幅な耐摩耗
性・耐スカツフ性の向上かえられるとともに、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　Ｎ〜ツブリング（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Ｎｂを添加することにより耐スカツフ性を得
、焼入れ焼戻し品でも、１３Ｃ「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、このままでも十分値用できるばかりでなく、ガス
窒化処理材にずれば、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
こともなく良好な結果が得られる。

耐摩耗性も従来の１３Ｃｒ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９０μＭ、１２０μＭ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。

本発明鋼はＮｂ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ｆｌ−うオイル消費性能、ブローバイガス性能
の劣化を最小限にてきるため、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大きくなる。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。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３０〜６０μＩＩ
Ｉ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↑〔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１１）る
。

なお、オイルリングの場き、シリンダボアとの摺動面ば
かりてなく、スリーピース組合ぜオイルリンつては、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
、オイルリンク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、成形てきない
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。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，０，５５〜１１０％ｃ　ｌ；ｔ：　ｊｆｔ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か大きくなって相
手材であるシリンダライナを摩耗さぜ、かつビス１−シ
リンダ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Ｓｌ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；１６．０〜１９．０％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。

１６．０％以下では炭化物形成元素の含有量を増大させ
ても特に耐摩耗性の向上効果が不十分なので１６，０％
以上を含有せしめた。一方多量に含有すると、靭性が低
下し、熱間加工性および冷間加工性が低下し成形が困難
となるため、Ｃｒの上限を１９．０％としな。

Ｎｂ；０．０５〜１．１０％Ｎｂは炭化物を形成し、さらに微細化させる作用により
、耐摩耗性を向上させるうえ、相手攻撃性が小さくなる
という効果を有する。また、窒化処理により窒化物を形
成し窒化硬化層の硬さを増−す効果を有する。０．０５
％以下では上記効果が顕著でなく、１．１０％以」二で
は粗大な共晶炭化物の生成により靭性が低下し、熱間お
よび冷間加工性か低下するので、」−限を１．１０％と
した。

Ｍｏ；０．２〜３．０％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か生地に固溶し
マトリックスを強化し、組付強度・疲労強度を増強させ
る元素てあり、これらの効果を得るなめには０．２％以
上の含有が必要である。

しかし、３．０％以上含有させると前記の効果が顕著て
なくなると同時に熱間加工性を低下させるので、上限を
３．０％とした。

Ｎ　ｉ；０．２〜２０％Ｎｉは耐食性、靭性および焼入性を付与する元素であり
、０２％未満て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２０２６とした。

Ｖ；０．２５〜１．５０％、 ■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ｔ−するためには０゜２５％以上の含有が必要
である。しかし、１．５％以」二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１５％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１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デンレス鋼を電気炉で
溶製した。第１表において、Ａ〜Ｂ＃４は第１発明鋼も
しくは第５発明鋼、Ｃ〜ＩＥ鋼は第２発明鋼もしくは第
４発明鋼、Ｆ〜Ｇ鋼は第３発明鋼または第７発明鋼、■
］〜Ｊ鋼は第４発明鋼もしくは第８発明鋼である。また
、■ぐ鋼は従来鋼で１３Ｃ「フルテンサイ１〜系ステン
レス鋼、Ｌ鋼は従来材の硬質クロムめっきである。

（以下余白）一１６＝溶製した供試鋼は鋳造し熱間圧延を行い、焼入類もどし
を施して（硬さの狙い値Ｈｖ３５０〜４５０）摩耗試験
用として１０Ｘ１５．７Ｘ６．３ｍｍの摩耗試験片およ
び焼付試験片用として３０×３Ｑ　Ｘ　５　＋ｏ＋ｏ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　ｍ／　ｓｅｃ潤滑油　　　低粘度エンジンオイル１　、５　ｃｃ／　＋ｎｉｎ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２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
〜５００℃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なところ、ＨｖｌＯ００
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２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２
表に併せて示した。

（機械試験新型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
発生ずるまで行う速度　　　；　　１　、２　ｍ／　ｓｅｃ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２表から明らかなように、摩耗試験で焼入れ焼戻し材
の摩耗深については、従来材が５．８μ翔であるのに対
し、本発明鋼であるＡ〜Ｊ鋼は１゜７０〜３．９０μ「
０である。ガス窒化処理材の摩耗深さでは、従来材の３
．５μｍｎに対し、本発明鋼であるＡ〜Ｊ鋼は０．８０
〜２．００μＩＩＩ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、焼付試験で焼入れ焼戻し材の焼付荷重については
、従来材が１００．０ｋｇにであるのに対し、本発明鋼
であるＡ−Ｊ鋼は１３７．５〜１５０．０ｋｇである。

ガス窒化処理材の焼付荷重では、従来材の１３７．５ｋ
ｇに対し、本発明鋼であるＡ〜、■鋼では１６２．５〜
］、７５．０ｋｇ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講に組み付け
るに際しては、その合い口をＬＯＴ以上拡けることが必
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
ほとんど余裕かなく、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２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φ８６ｍｍ用のピ
ストンリング（Ｂ寸法２．０ｍｍ、Ｔ寸法３．１５＋ａ
ｍ、窒化深さ９０μ＋ｎ）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／Ｉｎｍ２一定で疲労試験を行った結果
を第３表に示す。

（以　下　余　白）第　　　　　３　　　　　表第３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２×１０５に対し、本発明鋼Ａ〜Ｊ鋼の疲
労強度は２．５Ｘ１０６〜３．５×１０６と大幅に疲労
強度が向上することを確認した。

［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、Ｎｂを０．０５〜１．１０
％添加し、Ｃ，Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ等についてＮｂ含有量
との関連において最適含有量の範囲を見出だしなもので
あって、Ｎｂ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を微細化することにより従来鋼に比
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
層の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；１６〜１９％、
Ｎｂ；０．０５〜１．１０％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；１６〜１９％、
Ｎｂ；０．０５〜１．１０％を含有し、さらにＭｏ；０
．２〜３．０％、Ｖ；０．２５〜１．５０％のうち１種
または２種を含有し、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。
（３）重量比でＣ；０．５５〜１．１０％、Ｓｉ；２．
０％以下、Ｍｎ；２．０％以下、Ｃｒ；１６〜１９％、
Ｎｂ；０．０５〜１．１０％、Ｎｉ；０．２〜２．０％
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。
（４）重量比でＣ；０．５５〜１．１０％、Ｓｉ；２．
０％以下、Ｍｎ；２．０％以下、Ｃｒ；１６〜１９％、
Ｎｂ；０．０５〜１．１０％、Ｎｉ；０．２〜２．０％
を含有し、さらにＭｏ；０．２〜３．０％、Ｖ；０．２
５〜１．５０％のうち１種または２種を含有し、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。
（５）重量比でＣ；０．５５〜１．１０％、Ｓｉ；２．
０％以下、Ｍｎ；２．０％以下、Ｃｒ；１６〜１９％、
Ｎｂ；０．０５〜１．１０％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。
（６）重量比でＣ；０．５５〜１．１０％、Ｓｉ；２．
０％以下、Ｍｎ；２．０％以下、Ｃｒ；１６〜１９％、
Ｎｂ；０．０５〜１．１０％を含有し、さらにＭｏ；０
．２〜３．０％、Ｖ；０．２５〜１．５０％のうち１種
または２種を含有し、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。
（７）重量比でＣ；０．５５〜１．１０％、Ｓｉ；２．
０％以下、Ｍｎ；２．０％以下、Ｃｒ；１６〜１９％、
Ｎｂ；０．０５〜１．１０％、Ｎｉ；０．２〜２．０％
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
。
（８）重量比でＣ；０．５５〜１．１０％、Ｓｉ；２．
０％以下、Ｍｎ；２．０％以下、Ｃｒ；１６〜１９％、
Ｎｂ；０．０５〜１．１０％、Ｎｉ；０．２〜２．０％
を含有し、さらにＭｏ；０．２〜３．０％、Ｖ；０．２
５〜１．５０％のうち１種または２種を含有し、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。