JPH0428847A - 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、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鋼製平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量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５Ｌ−Ｃｒ鋼、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６１−６０８６１号、特開昭６１−１
９９０５３号にもＣｒを含有した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ついては
、依然としてＦｅ１２のような鋳鉄が適用されている。

ところが、最近ではセカンドリングにも優れた疲労強度
も要求されるようになってきており、上述したＦｅ２５
クラスの鋳鉄では疲労強度が不十分なために、トップリ
ングとは異なる観点からセカンドリング用の新しい鋼が
模索されているのが現状である。

〔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。

セカンドリングには、ガソリンエンジン用の比較的緩や
かな条件下で使用されるものと、ディーゼルエンジン用
の比較的厳しい条件下で使用されるものとがあるので、
両者の条件を共に満足する材料でなければならない。比
較的緩やかな条件下で使用されるセカンドリングに対し
ては、できるたけ合金元素量を少なくし、かつ窒化処理
等の表面処理を施さなくとも使用できるような低コスト
材が望まれている。

したがって１本用途に対しては、比較的低合金系でＭ、
Ｃ型炭化物を富化した鋼が有望と考えられる。

しかしながら、比較的厳しい条件下で使用されるセカン
ドリングに対しては、さらに耐摩耗性、耐焼付性の向上
に加え、優れた疲労強度が要求されるので上記の低コス
ト材のみの考え方では十分ではない。

本発明は、このようないずれの条件下でも使用できるピ
ストンリングのうち、特にセカンドリングに適した材料
を提供しようとするものである。

〔課題を解決するための手段］ 本発明者らは、上記の間層点を解決するために種々検討
を重ねた結果、従来のピストンリング材がＭ３Ｃ型炭化
物主体であったのに対して、Ｍ、Ｃ型炭化物に加え、Ｍ
、Ｃ，型炭化物を富化させることにより、良好な耐摩耗
性、耐焼付性が得られること、また不純物のうちＳとＯ
を低い水準に規制することにより非金属介在物が低減さ
れ、特別に窒化処理などの表面処理を施さなくても疲労
強度が向上することを見出し、本発明に到達したもので
ある。

すなわち本発明の第１発明は、重量％でＣ００７〜１．
３％、Ｓｉ１．５％以下、Ｍｎ　１．５％以下、Ｃｒ　
３．０〜９．０％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物
からなり、不純物のうちＳ　０．００３％以下、０２５
ｐｐ田以下に規制したことを特徴とするピストンリング
材である。そして第２発明は、重量％でＣ００７〜１．
３％、Ｓｉ１．５％以下、Ｍｎ１．５％以下、Ｃｒ　３
．０〜９．０％、ＭｏとＷの１種または２種をＭｏ＋１
７２Ｗで２．５％以下、残部Ｆｅおよび不可避不純物か
らなり、不純物のうちＳ　０．００３％以下、０２５ｐ
ｐｍ以下に規制したことを特徴とするピストンリング材
である。第３発明は、重量％でＣ０．７〜１．３％、Ｓ
ｉ１．５％以下、Ｍｎ１．５％以下、Ｃｒ　３．０〜９
．０％、ＭＯとＷの１種または２種をＭｏ＋１７２Ｗで
２．５％以下、■１．０％以下、Ｎｂ　０．５％以下の
１種または２種を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物か
らなり、不純物のうちＳ０．００３％以下、０２５ｐｐ
ｍ以下に規制したことを特徴とするピストンリング材で
ある。さらに第４発明は第１発明にＮ１を、第５発明は
第２発明にＮｉを、第６発明は第３発明にＮｉを、それ
ぞれ２．０％以下添加したことを特徴とするピストンリ
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は鉄中に固溶し強度を付与する元素であり、また炭化
物を形成し耐摩耗性に寄与する重要な元素である。この
効果を得るためには少なくとも０．７％必要である。し
かしながら、１．３％を越えると平線の加工性やリング
の加工性を困難にするため１．３％を上限とした。

Ｓｉは通常脱酸剤として添加されるが、１．５％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１．５％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
ピストンリング材用の平線ては高い加工率を必要とする
ため１．５％を上限とした。

Ｃｒは本発明の特徴の１つであるＭ、Ｃ，型炭化物を形
成し耐摩耗性向上に寄与するとともに、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へタリ
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。

本発明においては、Ｍ、Ｃ，型炭化物を形成させるため
、Ｃｒ量は最低３．０％必要である。

しかしながら過度に添加すると、炭化物量が多くなり過
ぎて冷間加工性を悪くするとともに、熱伝導率を低下さ
せることにより耐焼付性を害するので上限を９．０％と
した。

Ｍ　ｏ　、　Ｗはいずれも炭化物形成元素として同し作
用があり、これらの元素を１種または２種添加すること
により耐摩耗性が一層向上する。しかしなから、過度の
添加は炭化物量を増し、加工性、靭性を劣化させる。Ｗ
の原子量はＭＯの２倍であるので、（Ｎｉｏ＋１／２Ｗ
）の量の上限を２．５％とした。

Ｖ、Ｎｂは、ＭＣ型の硬質炭化物形成元素であり、耐摩
耗性の向上に有効である点で当価である。

しかしながら、過度の添加は加工性、靭性を劣化させる
と共に硬質の炭化物が、相手（シリンダー）を摩耗させ
易い。したがって、■の上限を１．０％、Ｎｂの上限を
０．５％とした。

Ｎ１は基地中に固溶し、靭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
るのでその上限を２．０％とした。

Ｓ、○は、通常不純物元素として微量含有される。Ｓと
○は主に非金属介在物として鋼中に存在し悪影響を及ぼ
す。特に、ピストンリング材に要求される疲労強度向上
の効果を得るためには、Ｓ。

○をかなり低い水準に抑える必要があることが判明した
のでＳ　０．００３％以下、○２５ｐｐｍ以下に規制し
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（１０
２５°Ｃ焼入、６００〜ｂり硬さを）ＩＲＣ４０〜５０
に調整した。なお、本発明材ｌと３は硬さレベルを２通
りに変化させて試験を行なった。従来材ＦＣ２５は鋳鉄
である。

摩耗試験は、往復動摩擦試験機を用いて、ＦＣ２５鋳鉄
をシリンダを想定した相手材として試験を行ない、摩耗
量を測定して、従来材ＦＣ２５の値を１００として指数
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で固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。耐焼付性はピストンリングの従来材
ＦＣ２５の値を１００として指数で示した。

疲労強度は、回転曲げ疲労試験により１０“回の疲労限
を求めた。

第２表に硬さ、摩耗量比、焼付荷重比、疲労限応力を示
す。

本発明材は、従来材ＦＣ２５に比べると耐摩耗性力（大
幅に向上している。これは、本発明材が主としてＭ、Ｃ
，型炭化物を適正量含み、また適正な硬さを有している
ことによる。比較材１１．１２の耐摩耗性は従来材ＦＣ
２５よりは良好であるが、本発明材よりは劣る。これは
比較材１１の場合、Ｍ、Ｃ炭化物を主体とし、Ｍ、Ｃ，
型炭化物を含まないこと、また比較材１２の場合にはＣ
量が少ないため、炭化物量が不足していることによる。

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の値を示し、実用上十分な耐
焼付性を有している。

さらに、本発明材の疲労強度は従来材ＦＣ２５より大幅
に高い値を示す。これは本発明材の合金量が適正である
ことに加え、不純物Ｊｌ（Ｓ、　Ｏ）を低く規制したこ
とによる。比較材１３．１４は、Ｓ、○以外の成分は、
本発明材と同一であるが、Ｓ、０量が高いため、疲労強
度は本発明材より劣っている。

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を大幅に上回る耐摩耗性ならびに疲労
強度を有している。

なお、以上の結果は表面を窒化しない状態で得られたも
のであるが、表面に窒化処理を施せば、さらに耐摩耗性
、耐焼付性が向上するので、さらに厳しい条件にも適用
が可能である。

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〕

以上述べたように、本発明材はＭ、Ｃ，型炭化物を適正
量含むことと、Ｏ２Ｓの不純物量をピストンリング材の
疲労強度の向上に有効な量に規制することにより、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と疲労強度を有しており、さらに強
度も格段に高いため、セカンドリングを始めとするピス
トンリングに用いて、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 (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　重量％でＣ０．７〜１．３％、Ｓｉ１．５％以下、
   Ｍｎ１．５％以下、Ｃｒ３．０〜９．０％を含み、残部
   Ｆｅおよび不可避不純物からなり、不純物のうちＳ０．
   ００３％以下、Ｏ２５ｐｐｍ以下に規制したことを特徴
   とするピストンリング材。 ２　重量％でＣ０．７〜１．３％、Ｓｉ１．５％以下、
   Ｍｎ１．５％以下、Ｃｒ３．０〜９．０％、ＭｏとＷの
   １種または２種をＭｏ＋１／２Ｗで２．５％以下、残部
   Ｆｅおよび不可避不純物からなり、不純物のうちＳ０．
   ００３％以下、Ｏ２５ｐｐｍ以下に規制したことを特徴
   とするピストンリング材。 ３　重量％でＣ０．７〜１．３％、Ｓｉ１．５％以下、
   Ｍｎ１．５％以下、Ｃｒ３．０〜９．０％、ＭｏとＷの
   １種または２種をＭｏ＋１／２Ｗで２．５％以下、Ｖ１
   ．０％以下、Ｎｂ０．５％以下の１種または２種を含み
   、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、不純物のうち
   Ｓ０．００３％以下、Ｏ２５ｐｐｍ以下に規制したこと
   を特徴とするピストンリング材。 ４　重量％でＣ０．７〜１．３％、Ｓｉ１．５％以下、
   Ｍｎ１．５％以下、Ｃｒ３．０〜９．０％、さらにＮｉ
   ２．０％以下を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物から
   なり、不純物のうちＳ０．００３％以下、Ｏ２５ｐｐｍ
   以下に規制したことを特徴とするピストンリング材。 ５　重量％でＣ０．７〜１．３％、Ｓｉ１．５％以下、
   Ｍｎ１．５％以下、Ｃｒ３．０〜９．０％、ＭｏとＷの
   １種または２種をＭｏ＋１／２Ｗで２．５％以下、さら
   にＮｉ２．０％以下を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純
   物からなり、不純物のうちＳ０．００３％以下、Ｏ２５
   ｐｐｍ以下に規制したことを特徴とするピストンリング
   材。 ６　重量％でＣ０．７〜１．３％、Ｓｉ１．５％以下、
   Ｍｎ１．５％以下、Ｃｒ３．０〜９．０％、ＭｏとＷの
   １種または２種をＭｏ＋１／２Ｗで２．５％以下、Ｖ１
   ．０％以下、Ｎｂ０．５％以下の１種または２種、さら
   にＮｉ２．０％以下を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純
   物からなり、不純物のうちＳ０．００３％以下、Ｏ２５
   ｐｐｍ以下に規制したことを特徴とするピストンリング
   材。