JPH01188763A

JPH01188763A - ピストンリング

Info

Publication number: JPH01188763A
Application number: JP801788A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Hosoo; 細尾　寛
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1988-01-18
Filing date: 1988-01-18
Publication date: 1989-07-28

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）本発明はピストンリングに使用される鋼種に係り、さら
に詳しくは、耐スカツフ性の改善された耐久性に優れた
ピストンリングの鋼種及びそれと組合わされる表面硬化
処理に関する。

（従来の技術）近年、内燃機関の高性能化に伴い各機能部品に対し益々
苛酷な条件が課せられると共に、内燃機関の寿命の延長
が強く要求されている。ピストンリングも従来にもまし
て高回転、高温、高面圧等の厳しい環境に曝されその耐
久性の向上が要求されており、ピストンリングの耐久性
を改善する手段として外周摺動面に硬質クロムめっき、
溶射、窒化処理等耐摩耗性処理が施されている。

（発明が解決しようとする課題）これら従来の表面処理では、硬質クロムめっきはアブレ
ッシグ摩耗や腐食摩耗に対しての耐摩耗性が低く、溶射
は相手材を摩耗しやすく、窒化は優れた耐摩耗性を有す
ることから苛酷な運転条件の下で使用されるトップリン
グの表面処理として注目され、最近多く使用される傾向
にあるが、従来から窒化処理したピストンリングの母材
として使用されている１３クロム、１７クロムのマルテ
ンサイト系ステンレス鋼の母材に施したものは、耐摩耗
性が非常に高いが、高速高負荷の内燃機関では耐スカツ
フ性が十分でないという問題点があった・（課題を解決するための手段）本発明者は上記の問題点に鑑みて、特開昭６１−１３０
４５８号公報にてピストンリングに要求される諸特性を
備え、クロムめっき等の表面処理をせずども優れた耐摩
耗性を有するピストンリングとして、炭素０．７０〜１
．１０重量％、クロム３．０〜６．０重量％、モリブデ
ン４．０〜６．０重量％、バナジウム１．０〜２．５重
量％、タングステン５．０〜８．０重量％、残部が実質
的に鉄からなる化学組成の母材からなるピストンリング
を開示した。

本発明は、特開昭６１−１３０４５８号公報にて開示し
たピストンリングの特性を更に向上させたもので、具体
的には耐摩耗性と耐スカツフ性の向上を図り耐久性の優
れた鋼種及びそれと組合わされる表面処理方法を提供す
ることを目的としている。

第１の発明は、先の発明の特開昭６１−１３０４５８号
にて開示したピストンリングの鋼種に、窒化処理による
表面効果層を形成させることにより耐摩耗性と耐スカツ
フ性の向上を図ったものである。

第２の発明は、先の発明の特開昭６１−１３０４５８号
にて開示したピストンリングの鋼種に、コバルトを合金
元素として２．０〜１２．０重量％添加し、更に窒化処
理による表面硬化層を形成することにより耐スカツフ性
のより向上を図ったものである。

各成分の組成範囲の限定理由について説明する。

炭素は鉄、クロム、モリブデン、及びバナジウムと共に
炭化物を形成して耐摩耗性の向上に寄与するが、０．７
０重量％未満では炭化物の形成量が僅少で上記効果が不
十分であり、１．１０重量％を超えると靭性が低下する
ようになるので、炭素の含有量を０．６〜１．０重量％
の範囲とした。

クロムは炭化物を形成して耐摩耗性の向上に寄与するが
、３．０重量％以下では炭化物の形成量が少なく上記効
果が不十分であり、６．０重量％を超えると靭性が損な
われるようになるのでクロムの含有量を３．０〜６．０
重量％の範囲とした。

モリブデンは炭化物を形成して耐摩耗性の向上に寄与す
るが、４．０重量％未満では上記効果が不十分であり、
６．０重量％を超えて多量に含有させてもその効果の増
大は顕著でないので、バナジウムの含有量を４．０〜６
．０重量％の範囲とした。

バナジウム及びタングステンは共に炭化物を形成して耐
摩耗性を改善し、更に焼き戻し軟化に対する抵抗力を付
与する。バナジウムが１．０重量％未満では上記の効果
が不十分であり、２．５重量％を超えると靭性を損なう
ので、その含有量を０゜１〜３．０重量％の範囲とした
。

タングステンが５．０％重量％未満では上記の効果が不
十分であり、８．０重量％を超えると靭性を損なうので
、その含有量を０．１〜３．０重量％の範囲とした。

コバルトは基地の耐熱性を向上させることにより耐スカ
ツフ性の向上に寄与するが、２．０重量％未満では耐ス
カツフ性に効果がなく、１２．０重量％を超えると焼き
入れ性が低下し耐スカツフ性が低下する。又、耐摩耗性
については、この範囲のコバルト量においては有意差は
認められないので、その含有量を２．０〜１２．０重量
％の範囲とした。

本発明の鋼種は何れも高速度工具鋼として使用されてい
るものであり、その他、ＪＩＳやそれ以外の高速度工具
鋼においても同様の特性が推定できる。

（実施例）本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。

［第１の発明］炭素０．８重量％、クロム１７．５重量％、モリブデン
１．０％、バナジウム０．１重量％、残部が実質的に鉄
からなる先の発明の鋼種の表面にガス窒化を施して約１
００μ鳳の窒化層を形成した後表面の化合物層を除去す
るため約３０ｐｍ研磨でおとした試料（Ａ）を作成して
、耐スカツフ性と耐摩耗性の試験を行なった。

尚、比較品として窒化処理しない先の発明の鋼種を調質
熱処理により硬さをＨ＋ａＶ６１５にした試料（Ｂ）に
ついて同様な試験を行なった。

耐摩耗性の試験結果を第１図に、耐スカツフ性試験結果
を第２図に示す。

［第２の発明〕炭素０．８重量％、クロム１７．５重量％、モリブデン
１．０％、バナジウム０．１重量％、残部が実質的に鉄
からなる先の発明の鋼種を基本に１本発明のコバルトを
夫々２，４．６，８．１０及び１２重量％を含有させた
母材にガス窒化を施して窒化層を約１００μ−形成させ
た後、最表面の化合物層を除去するため約３０μ園研磨
でおとした試料を作成して耐スカツフ性の試験を行なっ
た。

尚、比較品としてコバルトを添加しないもの及びコバル
トの少ない０．１重量％と含有量の多い１４及び１５重
量％の試料を作成して同様な試験を行なった。

耐スカツフ性の試験結果を第３図に示す。

試験装置及び試験方法は下記の通りである。

（１）耐スカツフ性試験得られた試料から縦５ｍｍＸ横５ｍｍＸ高さ１０１ｍｍ
の試験片を作成して、超高圧摩耗試験機によって耐スカ
ツフ性試験を行なった。

本試験に用いた超高圧摩耗試験機の装置と試験条件は次
の直りである。

試験装置は第４図および第４図のＡ−Ａ矢視断面図であ
る第５図に要部を図解的に示すものであって、ステータ
ホルダ１１に取外し可能に取付けられた直径８０ｍｍＸ
厚さＬｏｗ鵬の研磨仕上げを施した円板１２（相手材）
の中央には裏側から注油孔１３を通して１滑油が注油さ
れる。ステータホルダ１１には図示しない油圧装置によ
って図において右方に向けて所定圧力で押圧力Ｐが作用
するようにしである。円板１２に相対向してロータ１４
があり、図示しない駆動装置によって所定速度で回転す
るようにしである。ロータ１４の円板１２に対する端面
に取付られた試験片保持具１５には。

表面処理層を形成した５ｍｌｌ１角の正方形端面を摺動
面として試験片１０が同心円上に等間隔に４個取外し可
能に且つ円板１２に対して摺動自在に取付けである。

このような装置において、ステータホルダ１１に所定の
押圧力Ｐをかけ、所定の面圧で円板１２と試験片１０と
が接触するようにしておいて、注油孔１３から摺動面に
所定給油速度で給油しながらロータ１４を回転させる。

一定時間毎にステータホルダ１１に作用する圧力を段階
的に増加していき、ロータ１４の回転によって試験片１
０と相手の円板１２との摩擦によってステータホルダ１
１に生ずるトルクＴをスピンドル１６を介してロードセ
ル１７に作用せしめ、その変化を動歪計１８で読み取り
記録計１９に記録させる。トルクＴが急激に上昇したと
きスカッフが発生したものとして、この時の接触面圧を
もって耐スカツフ性の良否を判断する。

試験条件は次の通りである。

摩擦速度：　　８　ｍ／ｓｅｃ相手材：　シリンダライナ用鋳鉄ＦＣ２５接触面圧：　
　２０　ｋｇ／ｃｔｍ”でならした後、スカッフ発生ま
で１０　ｋｇ／ｃｍ” ずつ増圧、各面圧に、３分間保持潤滑油＝　モータオイル＃３０油温８０℃ 供給量３００　ｃｃ／＋ｍ１ｎ（２）耐摩耗性試験耐摩耗性試験装置及び試験方法は、第６図に要領を図解
的に示すように、ライナ材（ＦＣ２５相当材）に硬質ク
ロムめっきを施したのち研磨仕上げをしたドラムと試験
片を用い斜断式回転摩耗試験機によって行なった。

試験方法はレバー３を支点６で支持し、その両端に重錘
４とバランサ５を取付け、レバー３に取付けた試験片１
を、回転ドラム２に圧接させその面圧を一定にしておい
て、潤滑油タンク７より潤滑油を試験片１とドラム２と
の間に供給させながらドラム２を回転させ、試験片１の
摩耗厚さ（μｌ）を測定した。

試験条件摩擦速度：　　０．２５ｍ／ｓ摩擦時間＝　３時間重　　　錘：２ｋｇ潤滑油：　モータオイル＃３０供給量：　　１０　ｃｃ／ｓｉｎ第１の発明の耐スカツフ性の試験結果は第２図から明ら
かなように、本発明品（Ａ）は平均で１２Ｑｋｇ／ｃｍ
”でスカッフが発生したが、比較品の窒化処理しないも
の（Ｂ）は１００ｋｇ／ｃ■２でスカッフが発生してお
り、耐スカツフ性が改善されていることが確認された。

耐摩耗性の試験結果は第１図から明らかなように、比較
品の窒化処理しないもの（Ｂ）の摩耗量が１２．５μｍ
に対して１本発明品（Ａ）の摩耗量は８．３μ墓と著し
く耐摩耗性が改善されていることが確認された。

第２の発明の耐スカツフ性の試験結果は第８図から明ら
かなように１本発明品は１３５〜１５４ｋｇ／ｃ＋ａ”
でスカッフが発生したが、比較品のコバルトの添加のな
いもの及びコバルトの含有量の少ないものは１２０〜１
２２　ｋｇ／ａｍ”で、コバルトの含有量の多いものも
のは１２１〜１２６　ｋｇ／ｃ■２でスカッフが発生し
ており、耐スカツフ性が改善されたことが確認された。

（効果）本発明による耐摩耗性の改善された先の発明の炭素０．
７０〜１．１０重量％、クロム３．０〜６．０重量％、
モリブデン４．０〜６．０重量％、バナジウム１．０〜
２．５重量％、タングステン５．０〜８．０重量％、残
部が実質的に鉄からなる化学組成の母材の少なくとも外
周摺動面に窒化処理による硬質層を形成した第１の発明
と、先の発明の化学組成の母材にコバルトを含有させた
母材の少なくとも外周摺動面に、窒化処理による硬質層
を形成したことにより、耐摩耗性を損なわずに耐スカツ
フ性が改善され耐久性の向上が図られた効果は顕著であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図　第１の発明の耐摩耗性の試験結果を示すグラフ第２図　第１の発明の耐スカツフ性の試験結果を示すグ
ラフ第３図　第２の発明の耐スカツフ性の試験結果を示すグ
ラフ第４図　超高圧摩耗試験装置の一部破砕説明図第５図　
第４図のＡ−Ａ矢視断面図第６図　摩耗試験方法の要領を示す図解図１＝試験片　
　　　　２ニドラム３ニレバー　　　　　４：重錘１０：試験片　　　　１１：ステータホルダ１２：円板
（相手材）　１４：ロータ１５：試験片保持具　１７；ロードセル１８：動歪計

Claims

【特許請求の範囲】

（１）炭素０．７０〜１．１０重量％、クロム３．０〜
６．０重量％、モリブデン４．０〜６．０重量％、バナ
ジウム１．０〜２．５重量％、タングステン５．０〜８
．０重量％、残部が実質的に鉄からなる化学組成の母材
の少なくとも外周摺動面に窒化処理による硬質層を有す
ることを特徴とするピストンリング。
（２）炭素０．７０〜１．１０重量％、クロム３．０〜
６．０重量％、モリブデン４．０〜６．０重量％、バナ
ジウム１．０〜２．５重量％、タングステン５．０〜８
．０重量％、コバルト２．０〜１２．０重量％、残部が
実質的に鉄からなる化学組成の母材の少なくとも外周摺
動面に窒化処理による硬質層を有することを特徴とする
ピストンリング。