JPH01208435A - ピストンリング材 - Google Patents

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、自動車エンジン等の内燃機関において、燃焼
室の気密性を保持することにより機関の出力を確保する
ことを主目的として使用されるピストンリングの材質に
関するものである。

〔従来の技術〕

従来、ピストンリングには鋳鉄が使用されてきた。しか
し、特に自動車エンジンにおいて顕著なように、エンジ
ンの軽量化に伴い、ピストンリング自体にも軽量化が要
求されるようになった。−方エンジンの高出力化により
ピストンリングの使用環境が厳しくなり、各種の要求特
性に対し、高性能でかつ耐久性の高い材質が求められる
ようになった。従来においても耐摩耗性や耐熱性を考慮
したものとして、特開昭５２〜２７０１１号で提案され
た材質がある。しかし、これは鋳造ピストンリングを前
提としているため、薄肉化による軽量化は困難であり、
また鋳造性の点から高Ｃ１高Ｓｉであり、さらに鋳造ま
まのミクロ組織であることがら材質的に現在要求される
ような疲労強度や靭性を求めることは難しい。このよう
な背景のもとに、鋼製平線をリング状に加工して得られ
る、いわゆるスチールリングが登場し、最近では広く便
用されるに至っている。このスチールリングは、ピスト
ンリングの薄肉化が可能であり、軽量化の要求を満足す
るとともに、製造工程が鋳鉄リングに比較し、著しく簡
略化できる利点がある。さらに線材加工が可能であれば
要求特性に応じて広〈従来鋼から選定してピストンリン
グを製造することができる。このような背景からスチー
ルリング材として本出願人等は、例えば特公昭６１−２
２１３１号、特公昭５７−８３０２号、特公昭５８−４
６５４２号、特公昭６１−２１３０２号などに開示され
るような多くの材質を提案し実用化してきた。

現在自動車エンジン用のスチール製ピストンリングのう
ち特に過酷な使用条件が要求されるものに対しては５ｉ
−Ｃｒ鋼（ＪＩＳ　５ＷＯ５Ｃ−Ｖ）、　Ｓ　Ｋ　Ｄ６
１．１３　Ｃｒおよび１７Ｃｒ系マルテンサイトステン
レス鋼などの鋼が用いられている。これらの材質はリン
グ加工性の要求から硬さＨＲＣ３８〜４５程度で使用さ
れており、シリンダーと摺動するリング外周部は、耐摩
耗性や耐焼付性を向上させるため、硬質Ｃｒメツキや硬
質粒子を含む複合メツキまたは高Ｃｒ系の材質では主に
窒化処理が行なわれている。

〔発明が解決しようとする課題〕

自動車エンジンにおけるピストンリングの発展過程は、
軽量化を目的として鋳鉄リングから薄肉化の可能なスチ
ールリングに移行し、一方スチールリングにおいてはシ
リンダーとの摺動摩耗を軽減するために摺動部に施され
る表面処理がＣｒメツキから窒化処理に変わる傾向があ
る。これらの推移とともにリング材質も高Ｃｒ系へ移行
しつつあり、最も高性能の材質としては、１７Ｃｒ系マ
ルテンサイトステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｂクラス）の
ものがある。

ところが、最近になりヂーゼルエンジンやターボチャー
ジャーの普及に伴う高出力化により、シリンダーとリン
グの焼付性の問題が浮び上がってきた。従来、ピストン
リングに対する要求特性としては耐熱性や耐摩耗性が主
であったが、高出力エンジンの普及に伴い、エンジン始
動時や回転数の急激な立上り時に発生するシリンダーと
リングの焼付現象が問題視されるようになってきており
、１７　Ｃｒ系マルテンサイトステンレス鋼製のピスト
ンリングよりさらに高性能の材質が求められている。上
記の焼付現象の対策としては２通りの表面処理が考えら
れる。第１の方法はシリンダーと摺動するピストンリン
グ外周部に金属やセラミックの溶射あるいは硬質粒子を
分散させた複合メツキを施す方法である。しかし、この
方法は耐焼付性や耐摩耗性は向上するが、シリンダー内
面の摩耗が激しくなるばかりでなく表面処理層の剥離や
リング材質の機械的性質（特に疲労強度など）を劣化さ
せる傾向が有り、さらに検討が必要とされている。第２
の方法としては製造工程が簡単であり、かつリング材質
の機械的性質を改善するのに有効な窒化処理を施す方法
があるが、従来鋼を使用しても焼付防止効果は少なく不
十分である。

本発明は耐焼付性向上のため、リング材質について合金
元素の観点から種々検討した結果得られたものである。

（８題を解決するための手段〕 本発明のピストンリング材（以下本発明鋼という）は、
Ｃが０．６〜１．５％で高Ｃｒを基本組成とすることに
より、ピストンリングに要求される耐熱性、耐摩耗性を
向上させるばかりでなく、窒化処理に対しても優れた性
質を有し、さらにこれにＣｏを添加して本発明が目的と
する耐焼付性を著しく改善させたことを特徴とする。

すなわち９本発明の第１の発明は、重量％で、Ｃ０．６
−１，５％、　Ｓｉ　１．０％以下、　Ｍｎ　１．０％
以下、Ｃｒ７．０−２５．０％、　Ｃｏ　２．０−１３
．０％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを
特徴とするピストンリング材である。本発明の第２、第
３、第４の発明は、Ｆｅの一部をＭｏ　０．２〜３．０
％、Ｗ　０．４〜６．０％（ただしＭｏ＋１／２Ｗで０
．２〜３．０％）の１種または２種で置換することを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載のピストンリング材
、Ｆｅの一部をＶ　０．０５〜３．０％、Ｎｂ　０．０
５〜３．０％（ただしＶ　＋　Ｎｂテ０．０５−３．０
％）の１種または２種で置換することを特徴とする特許
請求の範囲第１項または第２項のいずれかに記載のピス
トンリング材、およびＦｅの一部をＮｉ０６３〜２．０
％で置換することを特徴とする特許請求の範囲第１項な
いし第３項のいずれかに記載のピストンリング材である
。

〔作用〕

以下、本発明鋼の成分の限定理由について述べる。

ＣはＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂなどの炭化物形成元素と
結合してピストンリングとして必要な耐摩耗性、耐焼付
性に寄与し、また一部基地中に固溶して基地を強化する
。０．６％未満では焼もどし硬さが低下し、１．５％を
越えるとリング成形時の加工性を害するだけでなく、機
械的性質、特に疲労強度が低下するためにＣは０．６〜
１．５％とした。特に加工性の点から望ましい範囲は、
０．６〜１．２％である。

ＳＬ、Ｍｎは共に鋼の精錬時にそれぞれ主に脱酸剤、脱
硫剤として添加される。１％を越えると、Ｓｉは冷間加
工性、Ｍｎは熱間加工性において、阻害要因となるため
、その上限をそれぞれ１．０％とした。

Ｃｒは先に述べたように、Ｃｒ炭化物ＣＭ　２３Ｃｇお
よびＭ２Ｃ，型炭化物）を形成し、耐摩耗性を向上させ
る上で必須の元素である。Ｃｒの一部は基地中に固溶し
て耐酸化性、耐熱性の向上に寄与し、また窒化処理を施
すと硬質の窒化層を生成してさらに耐摩耗性が向上する
など重要な元素である。

Ｃｒ量は７．０％未満ではこれらの効果が小さく　２５
．０％を越えると過度の共晶炭化物量を形成するだけで
なく、Ｃ量が少ない場合には、焼入れ焼もどしによって
も軟質の相であるフェライト相が安定となり強度が不足
するためＣｒは７．０〜２５．０％とした。耐摩耗性を
一段と向上させるためには、Ｃｒ量は多い方が良いが、
適正な共晶炭化物量とするための望ましい範囲はＣｒ　
１０〜２２％である。

ｃｏは本発明において、耐焼付性を向上させるうえで最
も重要な元素である。ｃｏは炭化物を形成せず、基地中
に固溶することにより、その耐熱性を高めるほか、軟質
の相であるフェライト相の生成を抑制する効果がある。

さらに実施例において示すように、耐焼付性においてそ
の効果が明らかに認められた。この効果を十分に発揮さ
せるためには少なくとも２％以上必要である。１３％以
上では熱間における加工性や冷間加工性（伸び、絞り）
が減少してくるために、ＣＯは２．０〜１３．０％とし
た。

ＭＯｌＷは硬質の窒化層形成に寄与し、またそれ自体で
硬質の炭化物を形成するだけでなく、Ｍ、Ｃ，やＭ２．
Ｃ，型のＣｒ炭化物中に一部固溶してこれらの炭化物を
強化する。Ｍｏは０．２％未満、Ｗは０．４％未満では
添加する効果が小さく、Ｍｏ、Ｗがそれぞれ３．０％、
６．０％を越えると靭性が低下するので、その範囲をそ
れぞれＭｏ０．２〜３．０％、　Ｗ　０．４〜６．０％
とした。ただし量において、ＭＯと１／２Ｗはその効果
が同等であるのでＭｏ＋１／２Ｗで０．２〜３．０％と
した。

ＶとＮｂは両元素とも結晶粒を微細化し靭性向上に寄与
するだけでなくＭｏ、Ｗと同様にそれ自体で硬質のＭＣ
型炭化物を形成し、耐摩耗性に大きな効果が有り、Ｃｒ
炭化物に一部固溶して強化する作用をもつ。Ｖ、Ｎｂと
も０．０５％未満では上記に与える効果が小さく３．０
％を越えるとＭＣ型炭化物を過剰に生成して靭性を劣化
させるために、その範囲をいずれも０．０５〜３．０％
とした。ただしＶとＮｂの効果は同等でありＶ＋Ｎｂが
０．０５〜３．０％であることが必要である。

Ｎｉは炭化物を形成することはなく、基地に固溶し、機
械的性質、特に靭性に寄与する。また伸びや絞りで代表
される加工性を改善するため、ピストンリング成形性に
有利となる。このためには０．３％以上必要であるが、
２．０％を越えると熱処理における所定の硬さが得られ
にくくなるために、Ｎｉは０．３〜２．０％とした。

〔実施例〕

まず、本発明鋼と同一のＣ，Ｃｒ量の範囲でＣ。

添加による焼付特性の効果を見るため、第１表に示す供
試材を用いて焼付荷重を測定した。焼付荷重の測定は、
第１図に示す試験様式をもつファビリー摩耗試験機を用
いた。これは３０Ｏｒｐｍで回転する試験材を相手材で
あるＶブロックで挟み荷重を徐々に加えながら、テスト
ピンのトルク変動で焼付を感知し、この時の荷重を測定
するものである。

本試験では相手材としてエンジンのシリンダー材である
Ｆｅ１２を用い、また試験中は潤滑油を滴下する湿式法
をとった。また荷重は８ｋｇｆ／ｓｅｅの速さで負荷し
た。なおこの試験方法は、今までの経験から、ピストン
リングの実機試験での焼付程度を忠実にシュミレートで
きる試験方法であることが確認されている。供試材は、
所定の形状に荒加工した後、焼入れ焼もどしによりＨＲ
Ｃ４０に調質し仕上加工を行なった。続いて５４０℃×
２０時間のガス窒化処理を行なった。ガス窒化処理によ
り窒素拡散層の最表面に、もろい窒化物が形成されるた
め、研削によりこれを除去して試験材とした。第１表に
示す化学組成では窒化層の硬さはほぼ同様でＨＶ１１０
０〜１２００を示し、またミクロ的な組織つまり１次炭
化物や、２次炭化物の形状分布量も同一の条件となって
いる。したがって、Ｇｏは基地に固溶するため、この添
加量による焼付特性に対する影響を抽出することができ
る。

第２図に試験結果を示す。ＣＯ添加量が約２％から焼付
荷重が上昇しており、添加量とともにこの傾向は続き、
１３％程度までこの効果が得られることがわかる。

第　１　表　　供試材の化学成分（ｗｔ％）次に本発明
鋼および従来鋼について、同様の試験を行なった結果を
示す。第２表に供試材の化学成分を示す。従来鋼として
、現在窒化して使用されるスチールリングとしては最も
耐焼付、耐摩耗に優れた材質である１７Ｃｒ系のマルテ
ンサイトステンレス鋼を比較材として用いた。試験結果
を第３表に示す。窒化層硬さはほぼＣｒ量に比例して増
加するが、Ｍｏ、Ｖの添加により、比較的低Ｃｒでも高
い窒化層硬さが得られている。焼付荷重では従来鋼の１
．４〜２倍以上の値を示し、また耐摩耗性では従来鋼に
比べて１０〜７０％摩耗量が減少している。このように
本発明鋼は、従来鋼に比較し、耐焼付性、耐摩耗性に優
れていることがわかる。

第　３　表　焼付試験結果 〔発明の効果〕 本発明は、内燃期間のピストンリング用として、耐焼付
性、耐摩耗性に優れた材質を提供するものである。ピス
トンリングの材質は鋳鉄製からスチール製リングへと移
行しつつあり、さらに要求特性に応じて、窒化処理材、
Ｃｒメツキ材など多様化してきている。しかし現状では
、製造条件をも含めた全般的な性能の点では窒化処理材
が最も有利である。本発明は、窒化処理を前提として、
特に近年の自動車エンジンにおいて特に要求されている
耐焼付性の向上を目的としてなされたものであり、エン
ジンの高性能化に大きく寄与するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図に焼付試験の要領図、第２図にＣｏ添加量と焼付
荷重の関係を示す。 第１図 ■ブロック（相手材：Ｆｅ１２）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　重量％で、Ｃ０．６〜１．５％、Ｓｉ１．０％以下
   、Ｍｎ１．０％以下、Ｃｒ７．０〜２５．０％、Ｃｏ２
   ．０〜１３．０％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物から
   なることを特徴とするピストンリング材。 ２　Ｆｅの一部をＭｏ０．２〜３．０％、Ｗ０．４〜６
   ．０％（ただしＭｏ＋１／２Ｗで０．２〜３．０％）の
   １種または２種で置換することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載のピストンリング材。 ３Ｆｅの一部をＶ０．０５〜３．０％、Ｎｂ０．０５〜
   ３．０％（ただしＶ＋Ｎｂで０．０５〜３．０％）の１
   種または２種で置換することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項または第２項のいずれかに記載のピストンリン
   グ材。 ４　Ｆｅの一部をＮｉ０．３〜２．０％で置換すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項のいず
   れかに記載のピストンリング材。