JPH0421742A

JPH0421742A - 内燃機関用ピストンのセカンドリング材

Info

Publication number: JPH0421742A
Application number: JP12718590A
Authority: JP
Inventors: Takehiro Oono; 丈博大野; Toshio Okuno; 奥野　利夫; Atsushi Kumagai; 敦熊谷
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1990-05-17
Filing date: 1990-05-17
Publication date: 1992-01-24

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、内燃機関に使用されるピストンリングのうち
特に自動車エンジンに装着されるセカンドリングとして
使用される材料に関するものである。

〔従来の技術〕

内燃機関、特に自動車エンジンに使用されるピストンリ
ングは従来の鋳鉄製から＃ｉＩ製乎線をリング状に加工
して用いられる、いわゆるスチールピストンリングへと
移行が進んでいる。これはエンジンの高速化、高出力化
要求に対応するためのリングの軽員化や機械的強度向上
の必要性が背景にあり、さらにリング製造工程の大幅短
縮の効果も、その大きな要因となっている。

スチールピストンリングの適用は、高負荷環境にあるト
ップリングや、オイルリングにおいて先行しており、そ
の材質としては５ｉ−Ｃｒ＃、１７Ｃｒマルテンサイト
鋼、あるいは特公昭５８−４６５４２号、特公昭６１−
１９７０３号にみられるようなマルテンサイト系ステン
レス鋼が窒化処理等の表面処理が施されて使用されてい
る。さらに特開昭６３−２１６９４９号、特開昭６３−
２２３１４７号、特開平１−２７９７３３号にもピスト
ンリング材が提案されている。

しかし、比較的負荷の少ないセカンドリングにについて
は、依然としてＦｅ２５のような鋳鉄が適用されている
。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述したように、トップリングとオイルリングにおいて
は、スチール化が進んでいるが、さらにエンジンの高性
能化を図るために、セカンドリングのスチール化の要求
も高まってきている。セカンドリングは摺動部材として
耐摩耗性、耐焼付性が要求されるが、その作動環境はト
ップリングはど過酷でないので、トップリングはどの高
性能の特性は必要とされない。

したがって、できるだけ低合金系の綱を用いて低コスト
化を図ることが望ましい。しかし、窒化処理等の表面処
理を施さなくとも使用できることが望ましいので、ある
程度の鋼目体の耐摩耗性と耐焼付性が要求される。

本発明は、これらの要求を満足し低コストでかつ十分な
耐摩耗性と耐焼付性を有するセカンドリング材を提供す
ることを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らは、上記要求を満たす材料を開発するために
種々検討を重ねた結果、低合金鋼においても炭化物（Ｍ
、Ｃ型）を富化させ、かつ高硬度のマトリックスとする
ことにより、良好な耐摩耗性、耐焼付性が得られること
を見出した。また、そのための基本組成として０．８−
１．４Ｃ−０，５〜３，０Ｃｒが適正であることを見出
した。

さらに、耐焼付性を重視する場合には、Ｓ。

Ｓｅを適正量添加することにより、これらの元素の化合
物からなる粒子を分散させ、その潤滑効果により耐焼付
性を向上させることができる。また、耐摩耗性を重視す
る場合には、Ｍ０．Ｖを添加することにより、耐摩耗性
の向上を図ることができるが、低コスト化のためには、
高価な元素であるＭ０．Ｖはできるだけ少量添加に止め
るのが望ましい。

特開昭６３−２１６９４９号、特開昭６３−２２３１４
７号には、低合金系で５ｉ−Ｃｒ鋼に代替し得る材料が
示されているが、これらはいずれも窒化処理を前提とし
て、窒化層形成のためにＡＩ添加を必須としている。し
かしながら、本発明鋼は、窒化処理を行なわないのでＡ
Ｉは必要とせず、むしろアルミナ系介在物による疲労強
度低下を避けるため、Ａ、１は低目に抑えることが望ま
しい。

すなわち本発明の第１発明は、重量％でＣ０．８〜１．
４％、Ｓｉ１．０％以下、Ｍｎ１．５％以下、Ｃｒ　０
．５〜３，０％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物か
らなることを特徴とする内燃機関用ピストンのセカンド
リング材であり、第２発明は重量％でＣ０．８〜１．４
％、Ｓｉ１．０％以下、Ｍｎ１．５％以下、Ｃｒ　０．
５〜３，０％およびＳ　０．１％以下、Ｓｅ　０．１％
以下の１種または２種を合計で０．１５％以下含み、残
部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする内
燃機関用ピストンのセカンドリング材である。そし、て
、第３発明は重量％でＣ０．８〜１．４％、Ｓｉ１．０
％以下、Ｍｎ１．５％以下、Ｃｒ　０．５〜３．０％お
よびＳ　０．１％以下、Ｓｅ　０．１％以下の１種また
は２種を合計で０．１５％以下含み、さらにＭｏ１．０
％以下、Ｗｌ、０％以下、■０．５％以下、Ｎｂ　０．
５％以下、Ｎｉ　２．０％以下の１種または２種以上を
含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴
とする内燃機関用ピストンのセカンドリング材である。

〔作用〕

以下に本発明における成分限定理由について述べる。

Ｃは強度と靭性を付与する重要な必須元素であり、炭化
物を形成し、耐摩耗性を発揮する主因となる元素である
。本発明では、十分な耐摩耗性と耐焼付性を確保するた
め焼入、焼もどし後の未固溶炭化物を体積率で２．０％
以上含有させる必要が有ることが判明した。このために
はＣは少なくとも０．８％以上が必要であり、また１、
４％を越えると、平線の製造性やリングへの加工性を困
難にするためめ１．４％を上限とした。

Ｓｉは通常脱酸材として添加されるが、１．０％を越え
ると冷間加工性を害するだけでなく、熱伝導率を低下さ
せることにより、摺動による接触面の昇温を助長し、耐
焼付性を害するため１．０％を上限とした。

ＭｎはＳｉと同様に脱酸剤として添加されるが、１．５
％以上では熱間における加工性を害する。特に本発明の
ような平線では高い加工率を必要とするため１．５％を
上限とした。

本発明でのＣｒは、Ｍ、Ｃ型炭化物となって材料を強化
するとともに、一部基地に固溶して軟化抵抗を高め、エ
ンジン稼働中の昇温による熱ヘタリに対して効果がある
。また、焼入性を確保し十分な熱処理硬さを得るために
も必要である。このためには、少なくとも０．５％以上
必要である。しかし、Ｓｉ同様に過度の添加は熱伝導率
を低下せしめ、耐焼付性を害するため３．０％を上限と
した。

本発明ではＳの添加は、特に必要としないが、特に潤滑
効果を望む場合には、０．１％を上限とじて添加すると
よい。なぜなら、ＭｎＳ非金属介在物は、それ自身潤滑
効果を持つとともに、エンジンオイルを保持する作用も
期待できるので潤滑効果を高め耐焼付性向上に有効であ
るからである。したがって、本発明においては意図的に
Ｓを添加しても良い。しかしながら、過度に添加すると
機械的性質を劣化させるので上限を０．１％とした。

ＳｅもＳと同様に、通常は不純物元素として含有され、
非金属介在物を形成する。Ｓｅは特にＳと同時に添加さ
れるされることにより、ＳとＳｅの複合介在物を形成す
る。Ｓ単独の介在物は塑性加工時に変形して細長く連な
った形状となりやすいが、ＳとＳｅの複合介在物はあま
り伸びず、紡錘形の介在物を形成しやすい。介在物の潤
滑効果を利用するためには、介在物を紡錘状に分散させ
ることが望ましく、Ｓｅの添加が有効である。しかし、
過度に添加すると機械的性質を劣化させるので上限を０
．１％とした。

また、上述のようにＳとＳｅは複合添加することでより
効果が大きいが、その合計が０．１５％を越えると機械
的性質が劣化するので、Ｓ　十Ｓｅの上限を０．１５％
とした。

Ｍ　ｏ　、　Ｗは、いずれも炭化物形成元素であり、こ
れらの元素を添加することにより耐摩耗性が一層向上す
る。しかしながら、過度の添加は炭化物量を増し、加工
性、靭性を劣化させる。またこれらの元素はいずれも高
価な元素であるので、安価であることを要求される本用
途に対してはできるだけ少量添加に留めるべきである。

したがってＭ　ｏ　。

Ｗとも、その上限を１．０％とした。

Ｖ、ＮｂもＭ０．Ｗと同様炭化物形成元素であり、耐摩
耗性向上に有効である。しかしながら、■。

Ｎｂも高価な元素であり、過度の添加は加工性、靭性を
劣化させるとともに、Ｍ　ｏ　、　Ｗよりも硬質の炭化
物を形成するので、相手（シリンダー）を摩耗させやす
い。したがって、Ｖ、Ｎｂ共その上限を０．５％とした
。

Ｎ１は基地中に固溶し靭性と耐食性を付与する作用を有
する。しかしながら、過度の添加は焼なまし硬さの低下
を妨げるので成形が困難となる。

したがってＮｉは上限を２％とした。

〔実施例〕

以下、実施例により本発明の詳細な説明する。

第１表に、供試材の化学成分を示す。本発明材および比
較材は溶製、鍛伸後、所定の焼入、焼もどし処理（８０
０℃焼入、４００〜ｂ硬さをＨＲＣ４０〜５０に調整した。本発明材１と３お
よび比較材１１と１２は硬さレベルを２通りに変化させ
て試験を行なった。

摩耗試験は、往復動摩擦試験機を用いて、シリンダ材で
あるＦｅ１２を相手材として試験を行ない、摩耗量を測
定して、セカンドリングの従来材ＦＣ２５の値を１００
とする指数で示した。

耐焼付性は、ファビリー摩耗試験機により評価した。こ
の試験は３００ｒｐｍで回転する試験材を相手材である
■ブロックではさみ、荷重を徐々に加えながら、テスト
ビンのトルク変動で焼付を感知し、この時の焼付荷重を
検出するものである。

試験には相手材にＦｅ２５を用い、潤滑油を滴下しなが
ら試験を行なった。耐焼付性も従来材ＦＣ２５の値を１
００として指数で示した。

第２表に硬さ、摩耗量比、焼付荷重比を示す。

本発明材は、従来材ＦＣ２５に比べると耐摩耗性が大幅
に向上している。これは、Ｍ、Ｃ型炭化物を適正量含み
、また高硬度であることによる。

比較材の耐摩耗性は従来材ＦＣ２５よりは良好であるが
、本発明材よりは劣る。これは主としてＣ量が低目であ
ることにより、Ｍ、Ｃ型炭化物量が不足しているためで
ある。

次に耐焼付性については、本発明材は従来材ＦＣ２５と
ほぼ同等あるいはそれ以上である。特にＳ、Ｓｅを含む
材料の耐焼付性が向上していることが認められる。比較
材１１はほぼＦｅ１２に近い耐焼付性を示すが、比較材
１２は耐焼付性が低い。これは、Ｃｒ量が多いため、熱
伝導率が低下したためと考えられる。

第表以上の結果、本発明材は従来材ＦＣ２５と同等以上の耐
焼付性とＦｅ１２を上回る耐摩耗性を有していることが
明確である。

〔発明の効果〕

以上の結果、本発明材は従来材ＦＣ２５と同等以上の耐
焼付性ならびにＦｅ１２を大幅に上回る耐摩耗性を有し
ており、さらに鋳鉄材より格段に強度が高いため、スチ
ールセカンドリングとして用いて、軽量化ならびに性能
の向上に大きく寄与するものである。

Claims

【特許請求の範囲】１　重量％でＣ０．８〜１．４％、Ｓｉ１．０％以下、
Ｍｎ１．５％以下、Ｃｒ０．５〜３．０％を含み、残部
Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする内燃
機関用ピストンのセカンドリング材。２　重量％でＣ０．８〜１．４％、Ｓｉ１．０％以下、
Ｍｎ１．５％以下、Ｃｒ０．５〜３．０％およびＳ０．
１％以下、Ｓｅ０．１％以下の１種または２種を合計で
０．１５％以下含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物から
なることを特徴とする内燃機関用ピストンのセカンドリ
ング材。３　重量％でＣ０．８〜１．４％、Ｓｉ１．０％以下、
Ｍｎ１．５％以下、Ｃｒ０．５〜３．０％およびＳ０．
１％以下、Ｓｅ０．１％以下の１種または２種を合計で
０．１５％以下含み、さらにＭｏ１．０％以下、Ｗ１．
０％以下、Ｖ０．５％以下、Ｎｂ０．５％以下、Ｎｉ２
．０％以下の１種または２種以上を含み、残部Ｆｅおよ
び不可避不純物からなることを特徴とする内燃機関用ピ
ストンのセカンドリング材。