JPH0247537B2

JPH0247537B2 -

Info

Publication number: JPH0247537B2
Application number: JP60040888A
Authority: JP
Inventors: Fujio Itabashi; Hiroshi Hosoo; Sakae Minagawa
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1985-02-28
Filing date: 1985-02-28
Publication date: 1990-10-22
Also published as: JPS61199053A

Description

【発明の詳細な説明】

イ産業上の利用分野本発明はピストンリングに関し、更に詳述すれ
ば、内燃機関用として特に好適な改良されたピス
トンリングに関する。ロ従来技術近年、内燃機関の軽量化と高出力化に伴い、ピ
ストンリングに要求される品質が高度となり、現
在、その材料には鋼としてはばね鋼等が使用され
ているが、ピストンリングとして要求される諸特
性を必ずしも満足していない。更に、現在のピス
トンリングの多くは耐摩耗性を向上させるために
硬質クロムめつきを施しており、めつき処理に長
時間を要することと、廃液処理がコスト高の原因
になつているため、めつきを施さずとも充分使用
に耐える耐摩耗性を有するピストンリングの開発
が望まれている。ハ発明の目的本発明は上記に鑑みてなされたものであつて、
ピストンリングに要求される諸特性を備え、硬質
クロムめつきを施さずとも充分な耐摩耗性を有す
るピストンリングを提供することを目的としてい
る。ニ発明の構成第１の発明は、炭素0.71〜0.74重量％、珪素
1.29〜1.40重量％、クロム5.0〜5.02重量％、モリ
ブデン1.22〜1.33重量％、バナジウム及びタング
ステンのいずれか一方又は双方が合計で0.93〜
0.99重量％、残部が実質的に鉄からなるピストン
リングに係る。第２の発明は、炭素0.71〜0.74重量％、珪素
1.29〜1.40重量％、クロム5.0〜5.02重量％、モリ
ブデン1.22〜1.33重量％、バナジウム及びタング
ステンのいずれか一方又は双方が合計で0.93〜
0.99重量％、残部が実質的に鉄からなり、少なく
とも外周面に窒化層を有するピストンリングに係
る。先ず、第１の発明について説明する。炭素は鉄、クロム、モリブデン、バナジウム及
びタングステンと共に炭化物を形成して耐摩耗性
に寄与する。これが0.71重量％（以下、「重量％」
を単に「％」で表す。）未満では炭化物の形成量
が不足で上記効果が顕著ではなく、0.74％を越え
ると炭化物の形成量が多くなり過ぎて冷間加工性
が低下するようになるので、その範囲を0.71〜
0.74％とする。珪素は耐熱性を改善するが１・29未満ではこの
効果が顕著ではなく、1.40％を越えると脆化させ
るようになるので、その範囲を1.29〜1.40％とす
る。クロムは炭化物を形成して耐摩耗性及び耐スカ
ツフ性に寄与する。また、第２の発明にあつては
窒化層の硬度を昇げて耐摩耗性を改善する。これ
が5.0％未満では炭素が前記下限の0.71％又はこ
れより僅か高い場合に炭化物の硬度が低く、耐摩
耗性、耐スカツフ性改善の効果が顕著ではなく、
5.02％を越えると炭素が前記上限の0.74％又はこ
れより僅かに低い場合に靭性が損なわれるように
なるので、5.0〜5.02％の範囲とする。モリブデンは炭化物を形成して耐摩耗性に寄与
し、第２の発明にあつてはクロムによる脆化を防
ぐと共に窒化層の硬度を昇げて耐摩耗性を改善す
る。これが1.22％未満では上記効果が顕著ではな
く、1.33％を越えて多量に含有させてもその効果
の増大は顕著ではないので、1.22〜1.33％の範囲
とする。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。その効果は両者同程度
であるので、これらの一方又は双方を含有させ
る。これらの合計が、0.93％未満では上記効果が
顕著ではなく、0.99％を越えると靭性を損なうよ
うになるので、その範囲を0.93〜0.99％とする。本発明者は、検討を重ねた結果、耐摩耗性、耐
スカツフ性、耐熱性（張力減退度）というピスト
ンリングに要求される諸特性を総て満足するよう
な化学組成として、前述した化学組成の範囲が特
に好適であることを見出した。なお、前記の各合金元素の含有量の上限、下限
は、製造上避けられないバラツキの範囲を夫々減
算し、加算した範囲を含むものである。上記バラ
ツキは、炭素については±0.03％、珪素について
は±0.07％、クロムについては±0.10％、モリブ
デンについては±0.03％、バナジウム、タングス
テン又は両者の合計については±0.20％である。次に第２の発明について説明する。第２の発明
は上記第１の発明に係るピストンリングに窒化層
処理を施してその少なくとも摺動面（ピストンリ
ングの外周面）に窒化層を成形させることによ
り、耐スカツフ性や耐摩耗性を一層改善したピス
トンリングに係る。窒化処理としてはガス窒化、
ガス軟窒化、塩浴窒化、イオン窒化等いずれの窒
化法によることができる。ホ実施例次に実施例について説明する。第１の発明の試料として、0.74％Ｃ、1.40％Si、
5.02％Cr、1.30％Mo、0.95％Ｖ、残部実質的に
Feよりなる合金鋼（実施例１）を、第２の発明
の試料として上記の合金鋼に通例のガス窒化処理
を施した試料（実施例２）を、比較材としてオイ
ルテンパーを施した弁ばね用鋼SWOC−Ｖを、
同じく比較材として硬質クロムめつきを施した鋳
鉄を用意し、以下の試験を行つた。 (1) 摩耗試験試験装置は第１図に要部を図解的に示すもの
で、ステータホルダ１に取外し可能に取付けら
れた直径80mmの円板２の中央には裏側から注油
孔３を通して潤滑油が注油される。ステータホ
ルダ１には図示省略した油圧装置によつて図に
於いて右方に向けて所定圧力で押圧力が作用す
るようにしてある。円板２に相対向してロータ
４があり、図示省略した駆動装置によつて所定
速度で回転するようにしてある。ロータ４に取
外し可能に取付けられた試験片保持具５には５
mm角、高さ10mmの試験片６が同心円上に等間隔
に４個取付けてある。このような装置に於いて
ステータホルダ１に所定の押圧力をかけ、所定
の面圧で円板（相手材）２と試験片６とが接触
するようにしておいて、注油孔３から摺動面に
所定給油速度で給油しながらロータ４を回転さ
せる。このような試験装置によつて試験を行
い、試験後、試験片６を取外して摩耗による高
さ寸法の現象を測定した。試験片６の内、表面
処理を施したものについては、その表面層を円
板２に接触させた。試験条件は次に示す通りである。相手円板材
料：シリンダライナ用鋳鉄FC25、摩擦速度：
３m/sec、５m/sec、潤滑油及び給油条件：デ
イーゼルエンジンの50時間耐久試験（ベンチテ
スト）に使用済みの可なりのスラツジが混入し
たオイル、油温80℃、350〜400c.c./min、接触
面圧：100Kg/cm²、摩擦距離：100Km。試験結果は第３図に示す通りである。同図か
ら解るように、実施例１では比較のSWOSC−
Ｖに比べて遥かに摩耗量が少なく、従来から耐
摩耗性に優れるといわれているクロムめつき層
と同等の耐摩耗性を示しており、窒化層を有す
る実施例２ではクロムめつき層よりも摩耗量が
少なくなつており、一層耐摩耗性が改善されて
いる。 (2) スカツフ試験試験は前記摩耗試験に使用した試験装置によ
り、次のような方法で行つた。即ち、前記摩耗
試験に於けるように、試験片６の円板２に摺動
させ、一定時間毎にステータホルダ１に作用す
る圧力を階段的に増加していき、試験片６の円
板２との間の摩擦によつてステータホルダ１に
生ずるトルク（摩擦力）Ｔを、第１図の−
線に沿う矢視側面図である第２図に示すスピン
ドル７を介してロードセル８に作用せしめ、そ
の変化を動歪計９で読み、記録計１０に記録さ
せる。トルクＴが急激に上昇したとき、スカツ
フが生じたものとし、そのときの接触面圧を以
てスカツフ発生面圧とし、その大小をもつて耐
スカツフ性の良否を判断する。試験条件は次に示す通りである。摩擦速度：
８m/sec、潤滑油：モータオイル＃30、接触面
圧：40Kg/cm²から３分間経過毎に10Kg/cm²づつ上
昇、その余の条件は前記摩耗試験に於けると同
様である。試験結果は第４図に示す通りである。同図か
ら解るように、実施例１では硬質クロムめつき
層と同程度のスカツフ発生面圧を示している。
窒化層が形成されている実施例２では実施例１
のそれよりも一層耐スカツフ性が改善されてい
る。 (3) 耐久試験近年、ガソリン機関ばかりでなく、デイーゼ
ル機関でも排気ガス、特にNOxの規制化が進
んでおり、この規制適合のための有力な手段の
一つとして、排気ガスの一部を燃焼室に供給す
る所謂EGR（Exhaust Gas Recirculation）デ
イーゼルエンジンが一部に使用されるようにな
つている。EGRエンジンでは、燃料中の硫黄
分から生成する酸がオイル中に蓄積され、ピス
トンリングは通常の摺動による摩耗に加えて腐
蝕をも受けるようになり、一般に寿命が短くな
る。本発明に基づくピストンリングは、このよ
うな腐蝕環境下に置かれるエンジンに使用して
顕著な耐久性を示す。また、高鉛ガソリンを燃
料とするガソリンエンジンにあつても、排気剤
（塩素、臭素など）の燃焼生成物である塩酸、
臭酸などに耐蝕性を示し、EGRデイーゼルエ
ンジンと同様のことが言える。上記の事実は以下に述べる耐久試験によつて
確認された。試験に供したピストンリングは、86mm×２mm
×3.3mm、合い口〓間0.4mm、自由合い口〓間
10.0mmのプレーン形のもので、第１圧力リング
として使用した。その径方向断面図を拡大して
第５図及び第６図に示す。第１の発明に基づくピストンリングは、第５
図に示すように前記摩耗試験及び焼付試験の試
験片と同一化学組成を有する合金鋼１１からな
つている（実施例１）。同じく第２の発明に基づくピストンリング
は、第６図に示すように、窒化処理によつて外
周面、内周面及び上下面には母材１１上に窒化
層１２ａ，１２ｃ及び１２ｂが夫々形成されて
いる。内周面の窒化層１２ｃは、圧力リングに
は不要なものである（組合せオイルリングのレ
ールにあつてはスペーサエキスパンダの耳部
（図示せず）と摺接するので、有効である。）が
窒化処理時に外周面の窒化層１２ａと同時に形
成されたものである（実施例２）。排気量2000c.c.、４気筒のEGR付きデイーゼ
ルエンジンに上記のピストンリングを組付け、
冷却水温度80℃、油温110℃、全負荷、運転時
間200時間のベンチテストを行い、ピストンリ
ング外周面の摩耗量を測定した。排気ガスにつ
いては、燃焼室へ戻さぬ通常の運転（以下、
EGRなしと呼ぶ。）及び排気ガスの20％を燃焼
室に供給する運転（以下、20％EGRと呼ぶ。）
の両条件でテストを行つた。試験結果は第７図に示す通りである。同図に
は、比較のために外周面に硬質クロムめつきを
施した鋳鉄製のピストンリングについて同様の
試験を行つた結果が併記してある。 EGRなしでは、実施例１のピストンリング
は従来の硬質クロムめつきピストンリングと同
程度の摩耗量を示しているが、外周面に窒化層
を有する実施例２のピストンリングでは摩耗量
が可なり減少している。20％EGRでは、実施
例１のピストンリングは従来の硬質クロムめつ
きピストンリングに較べて摩耗量が明らかに少
なく、実施例２のピストンリングは、摩耗量が
従来の硬質クロムめつきピストンリングのそれ
の1/5以下に減少している。以上の結果から、例えばEGRエンジンのよ
うな腐蝕環境下に置かれるエンジンにあつて
は、特に第２の発明に基づくピストンリングは
従来ピストンリングに較べて著しく優れた耐久
性を有することが解る。 (4) 張力減退試験前記耐久試験に供したと同じ製造ロツト中の
ピストンリング（実施例１、実施例２）によつ
てJIS Ｂ 8032「ピストンリング」に規定され
ている張力減退試験を行つた。加熱温度は規定
通りの300℃としたが、加熱時間は規格の１時
間のほかに５時間及び10時間についても行つ
た。試験結果は下記表に示す通りである。

【表】表から、比較のSWOC−Ｖに比べて、本発
明に基くピストンリングは、いずれも張力減退
度が極めて低く、優れた耐熱性を有することが
解る。（JIS規格では300℃、１時間の加熱で10
％以下と規定されている。）次に、第１の発明の試料として、0.71％Ｃ、
1.38％Si、5.0％Cr、1.22％Mo、0.99％Ｗ、残部
が実質的にFeよりなる化学組成のもの及び0.73％
Ｃ、1.29％Si、5.0％Cr、1.33％Mo、0.5％Ｖ、
0.43％Ｗ、残部が実質的にFeよりなる化学組成の
もの、並びに第２の発明の試料及びピストンリン
グとして、上記の化学組成の試料及びピストンリ
ングに前記と同様の窒化処理を施したものについ
て、前記と同様の摩耗試験、スカツフ試験、耐久
試験及び張力減退試験を行つた。その結果は第１の発明、第２の発明毎に前記の
試験結果（実施例１、実施例２の結果）と略々同
程度の結果である。ヘ発明の効果以上説明したように、本発明の第１の発明に基
づくピストンリングは、前述した化学組成として
いるので、硬質クロムめつきピストンリングと同
程度の極めて優れた耐摩耗性、耐スカツフ性、耐
熱性を示し、また、耐蝕性に優れるので、EGR
エンジンのような腐蝕環境下に置かれるエンジン
に使用したときは硬質クロムめつきピストンリン
グよりも更に優れた耐久性を示す。本発明の第２
の発明に基づくピストンリングは、前記化学組成
に加えて少なくとも外周面に硬質の窒化層を有し
ているので、耐摩耗性、耐スカツフ性が第１の発
明に基づくピストンリングよりも更に一層改善さ
れており、EGRエンジン等の腐蝕環境下に置か
れるエンジンに使用するとき、著しい耐久性を示
す。而も、第１、第２のいずれかの発明に基づく
ピストンリングも、クロムめつき処理のようなコ
スト高を招く工程を必要とせず、従つて、製造原
価が低廉である。

【図面の簡単な説明】

図面はいずれも本発明の実施例を示すものであ
つて、第１図は摩耗試験及びスカツフ試験に使用
した試験装置の要部を示す部分断面図、第２図は
第１図の−線に沿う矢視断面図、第３図は摩
耗試験の結果を示すグラフ、第４図はスカツフ試
験の結果を示すグラフ、第５図、及び第６図はピ
ストンリング（圧力リング）の断面図、第７図は
耐久試験の結果を示すグラフである。なお、図面に示された符号に於いて、１…ステ
ータホルダ、２…円板（相手材）、３…注油孔、
４…ロータ、５…試験片保持具、６…試験片、７
…スピンドル、８…ロードセル、９…動歪計、１
０…記録計、１１…母材、１２ａ，１２ｂ，１２
ｃ…窒化層である。

Claims

【特許請求の範囲】１炭素0.71〜0.74重量％、珪素1.29〜1.40重量
％、クロム5.0〜5.02重量％、モリブデン1.22〜
1.33重量％、バナジウム及びタングステンのいず
れか一方又は双方が合計で0.93〜0.99重量％、残
部が実質的に鉄からなるピストンリング。２炭素0.71〜0.74重量％、珪素1.29〜1.40重量
％、クロム5.0〜5.02重量％、モリブデン1.22〜
1.33重量％、バナジウム及びタングステンのいず
れか一方又は双方が合計で0.93〜0.99重量％、残
部が実質的に鉄からなり、少なくとも外周面に窒
化層を有するピストンリング。