JPH0571642A - チタン合金製ピストンリングおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来のスチール製ピストンリングより軽量
で、しかも高出力や高速化に耐える強度を有するピスト
ンリングおよびその製造方法を提供する。 【構成】 ピストンリングの円周方向にファイバー組織
を有し、少なくともシリンダ壁との摺動面に表面硬化層
を形成させたチタン合金製ピストンリングであり、熱間
圧延の線材を皮むきし、次いで大気中または不活性ガス
雰囲気中で４００〜７５０℃に加熱しながら引抜き、続
いて温間圧延または温間圧延後、冷間仕上圧延により異
形断面を有するピストンリング材とした後、曲げ加工を
行ない、さらに表面硬化処理を施してチタン合金製のピ
ストンリングを製造することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関に用いられる
ピストンリングに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来内燃機関用ピストンリングには鋳鉄
製リングの表面に硬質Ｃｒメッキ処理をしたものが用い
られていたが、ピストンリングの軸方向に薄いものが製
造しにくく、比較的断面積の大きな重量のあるものにな
り、このため慣性が大きくなってフラッタリング現象を
発生し易くなる問題があった。近年になって内燃機関は
高出力、高速化ならびに排ガス対策をも兼備する要求に
呼応して、溶製後、熱間加工と冷間加工によって線材と
し、次いで調質後にリング曲げ加工を施したスチール製
のピストンリングが主流になりつつある。これらのスチ
ール製のリング材としては、Ｓｉ−Ｃｒ鋼の他、１３Ｃ
ｒ系や１７Ｃｒ系のステンレス鋼などがあり、これらの
リング表面には硬質Ｃｒメッキ処理や窒化処理等の表面
処理をほどこしたものが用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のようにスチール
製のピストンリングはピストンリングの軸方向の幅を薄
くすることが可能となり、シリンダ壁との接触面積が小
さくなり、摩擦損失を軽減し、またリング自体の重量を
低減できるなど従来の鋳鉄製のピストンリングでは得ら
れない利点があった。ところが最近になって、さらに高
出力化の要求が高まり、より高速回転に対応できるピス
トンリングの材質が求められるようになってきた。そし
て高速回転に追従するためには、ピストンリングをさら
に軽量化する必要があり、これまでのスチール製ピスト
ンリングでは、これ以上に薄くすると強度が不足して内
燃機関の重要な機能が損なわれてしまう問題があった。
本発明の目的は、これまでのスチール製ピストンリング
より軽量で、しかも高出力や高速化に耐える強度を有す
る新規なピストンリングおよびその製造方法を提供する
ことである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】発明者は、これまでのス
チール製のピストンリングを軽量化するには限界があ
り、比重がスチールの約６割であるチタン合金に着目し
た。ところでチタン合金製ピストンリングの実用化を阻
害する要因としてピストンリング自身に要求される特性
上の問題と、ピストンリングに加工するうえで障害とな
る製造上の問題があった。ピストンリングに要求される
特性に対してチタン合金が不足する点は、 （１）強度水準が低く、耐熱へたり性や耐摩耗性が不十
分。 （２）摺動する相手金属との焼付きが起り易い。 また、ピストンリングに加工する方法として、（ａ）棒
材からの削り出し、（ｂ）パイプの輪切り切断、（ｃ）
板材の打抜やワイヤカット、などがある。しかし、
（ａ）（ｃ）の方法は歩留を著しく損ない、そのうえ
（ａ）（ｂ）の方法はファイバー組織がリング軸方向
に、（ｃ）の方法はリング面に対して一定方向のファイ
バー組織になり、その結果チタン合金の強度や靱性をさ
らに減少させることがわかった。

【０００５】そこで上記ピストンリングの加工方法は適
切でなく、線材加工した後、曲げ加工によりリング形状
とする方法について検討した。ことろが以下に示すチタ
ン合金特有な製造上の問題がある。 （イ）冷間引抜時にダイスと焼付き易く、１パス当りの
減面率が小さく引抜工数が増大する。 （ロ）歪取焼鈍時に真空中または不活性ガス中のわずか
な酸素が母材に固溶して表面部に硬くて脆い酸素富化層
を形成して次工程の冷間引抜や冷間曲げ加工が著しく困
難になる。 （ハ）水素を吸収し易く、特に酸洗条件が不適当な場合
には靱性が低下する。本発明は上記のピストンリング自
身に要求される特性上の問題点と製造上の課題を同時に
解決したものである。

【０００６】すなわち、本発明の第１発明は、ピストン
リングの円周方向にファイバー組織を有し、少なくとも
シリンダ壁との摺動面に表面硬化層を形成させたことを
特徴とするチタン合金製ピストンリングであり、第２発
明は、熱間圧延後の線材を皮むきし、次いで大気中また
は不活性ガス雰囲気中で４００〜７５０℃に加熱しなが
ら引抜き、続いて温間圧延または温間圧延後、冷間仕上
圧延により異形断面を有するピストンリング材とした
後、曲げ加工を行ない、さらに表面硬化処理を施すこと
を特徴とするチタン合金製ピストンリングの製造方法で
ある。なお、本発明でいう異形断面とは、断面が円形以
外の形状を総称するものであり、代表的なものは矩形ま
たは矩形のいずれかの辺にテーパーの付いた形状であ
る。また、オイルリングではいわゆるＩ型も含まれる。

【０００７】

【作用】本発明が対象とするピストンリングに用いるチ
タン合金は、強度が低い純チタンを除くチタンを基とす
る合金であればα型合金、α＋β型合金またはβ型合金
のいずれも使用することができる。また、これらのうち
α＋β型合金およびβ型合金は溶体化処理と時効処理を
組合せて強化させることができるが、線材加工のまま、
あるいは焼鈍状態で使用してもよい。本発明のチタン合
金製ピストンリングは円周方向にファイバー組織を有す
ること、つまり線材加工を経て曲げ加工されたピストン
リングに限定する。その理由は前述したように、棒材、
パイプまたは板材から採取されたリングのファイバー組
織では強度や靱性が不十分なためである。本発明のチタ
ン合金製ピストンリングは、そのファイバ組織自体がリ
ング状になってリングの形状に添っているため、外部か
らの曲げ応力に対して十分な強度と靭性が確保されるの
である。

【０００８】また、本発明のチタン合金製ピストンリン
グは摺動する相手金属との焼付きが起り易いため、少な
くともシリンダーとの摺動面に表面硬化層を形成させる
ことを必須とする。なお、表面硬化層はシリンダーと直
接摺動することによりピストンとしての機能を果してい
る。したがってピストンリングのみ耐摩耗性が強くても
相手のシリンダーが異常摩耗すると機密性が保持できな
くなるため、単に硬さが高いだけでなく相手金属との焼
付き性の小さい表面硬化層が必要である。表面硬化層を
形成させるための表面処理としては硬質Ｃｒメッキ、ポ
ーラスＣｒメッキ、複合メッキ、Ｃｒ溶射、Ｍｏ溶射や
窒化処理など各種表面処理を単独または複合して適宜適
用することができる。また前記表面処理はシリンダー壁
との摺動面だけに限定することなく、ピストンリングの
母材であるチタン合金の強度不足を補なう効果もあるた
め必要に応じて他の表面部にも前記表面硬化層を形成さ
せてもよいものとする。

【０００９】本発明方法によってチタン合金を線材にす
るには、熱間圧延後のコイル線材をシェービングやピー
リングなどにより機械的に皮むきすることで表面疵やス
ケールを除去する。次いで引抜ダイス前で４００〜７５
０℃の温度範囲に短時間加熱しながら連続引抜きを行
う。この工程が本発明の方法の重要な一工程であり、こ
の工程により１パス当りの減面率を30%程度にまで高め
ることができ、しかも途中で焼鈍が不用かまたは焼鈍回
数を大幅に減少させることができる。さらに、通常焼鈍
毎に潤滑剤の除去や脱スケールの目的で実施される酸洗
の回数が大幅に減少するため、線材の水素吸収汚染が回
避される。加熱手段は間接バーナー加熱、誘導加熱、抵
抗加熱など適宜選択できるが、加熱雰囲気は前記の加熱
手段がいずれも短時間加熱のため大気中でも良い。ただ
し、高温側で加熱する場合には窒素ガス雰囲気中や不活
性ガス雰囲気中で行う方がより好ましい。

【００１０】加熱温度が４００℃未満では延性が小さ
く、また変形抵抗が高くなり１パス当りの減面率を大き
くすることができないばかりでなく、線材に歪が蓄積す
るため焼鈍回数が増加する。一方、加熱温度が７５０℃
を越えると短時間加熱でも表面部に酸素富化層が形成さ
れて、その後の加工性を著しく低下させるので加熱温度
範囲を４００〜７５０℃に限定する。より望ましい加熱
温度範囲は大気中加熱を考慮すると５００〜６５０℃で
ある。これらの温度範囲での温間引抜きは、次工程の温
間圧延に必要な寸法まで通常複数回繰り返される。温間
引抜によって細線化された線材は、矩形断面形状にする
ためにロール圧延されるが、前述の温間引抜と同じ加熱
条件（４００〜７５０℃）で温間圧延することで１パス
当りの減面率を高めることができ、しかも途中で焼鈍が
不用かまたは焼鈍回数を減少させることができる。チタ
ン合金の表面部の酸素富化層を形成することを抑制また
は防止するために、温間引抜と温間圧延の前記の温度範
囲とすることが重要である。温間圧延を施した矩形断面
形状の線材は必要に応じて寸法精度を高める目的で冷間
仕上圧延することができる。

【００１１】本発明の温間引抜と温間圧延の組合せによ
り、初めてチタン合金の異形断面を有するピストンリン
グの製造が可能となったものである。このようにして得
られた線材から冷間でピストンリングに曲げ加工される
が、チタン合金はスプリングバックが非常に大きく曲げ
加工性が悪いため、線材を加熱しながら温間で曲げ加工
するとさらによい。このときの加熱温度は適度な強度が
あった方がよく、また高温汚染防止の観点から２００〜
４００℃が望ましい。チタン合金のうち、α＋β型また
はβ型の合金は溶体化処理した後、時効処理の熱処理を
施して強度を高めることができるが、本発明のピストン
リングは上記の熱処理を行ってもよく、その時期は曲げ
加工した後に行なうのがよい。また、表面硬化処理は曲
げ加工を行った後、または上記時効処理の熱処理を施し
た後に実施される。

【００１２】

【実施例】以下本発明を適用した実施例について詳述す
る。 （実施例１）６．０mm丸に熱間圧延された６Ａｌ−４Ｖ
−Ｔｉ合金のコイル線材をピーリングマシンによって全
周、全長バイト切削し５．７mm丸とした。このコイル線
材をバッチ式真空焼鈍炉で５５０℃の焼なまし処理を行
なった。続いてコイル線材の表面に引抜潤滑剤を塗布さ
せた後、温間ダイス引抜を行ない、１．７mm丸の細線材
を得た。この時の線材加熱温度は６００℃で抵抗加熱と
し、加熱炉の中には、アルゴンガスを流入し、線材表面
の酸化防止と酸素富化層の生成を防止した。また、１パ
ス当りの温間ダイス引抜率は約３０％以下とし、１．７
mm丸になるまで引抜加工を繰り返した。

【００１３】温間ダイス引抜を行なった１．７mm丸のコ
イル線材を塩浴による脱スケールと硝沸酸により引抜潤
滑剤を除去した。潤滑剤を除去した１．７mm丸のコイル
線材を、アルゴンガス雰囲気で６１０℃の抵抗加熱炉を
通して、上下１対の駆動ロールを用い、１パスで０．８
５mm×２．３mmの平潰し線材とした。次いで冷間の４方
圧延により０．８２mm×２．２５mmのピストンリング用
素材に仕上げた。仕上圧延されたコイル線材は、Ａｒガ
ス雰囲気で７００℃に設定された連続焼なまし炉を通過
させて冷間加工歪を除去した。

【００１４】このようにして得られた６Ａｌ−４Ｖ−Ｔ
ｉ合金製ピストンリング用のコイル線材を用い、３５０
℃の加熱炉を通し３点ロールで外径が５０mmの径のリン
グを連続成形した後、切断して１００本のリングを成形
した。このうちの５０本のピストンリングは８５０℃で
ガス窒化処理を行ない、表面硬さを測定したところＨｖ
１０００〜１２００であった。残りの５０本は真空炉で
９５０℃×３０分水冷の溶体化処理、５３８℃×４時間
放冷の時効処理を施した後、硬質Ｃｒメッキを行った。

【００１５】上記実施例で得られた６Ａｌ−４Ｖ−Ｔｉ
合金製のピストンリングの強度を確認するために温間引
抜途中の５mm丸の線材から１５０mmの長さの棒材を６本
採取し、そのうち３本は７００℃×１時間の焼鈍を、残
り３本は９５０℃×３０分水冷の溶体化処理、５３８℃
×４時間空冷の時効処理を施した後、それぞれ引張試験
を行った。なお、比較のため従来材のひとつである０．
６４Ｃ−０．２８Ｓｉ−０．７５Ｍｎ−１３．０５Ｃｒ
−残部Ｆｅの１３Ｃｒ系ステンレス鋼の５mm丸引抜材か
ら長さ１５０mm長さの棒材を３本採取し、これを硬さが
ＨＲＣ４１となるよう焼入、焼もどし処理を行った後、
引張試験を行った。引張試験の結果、６Ａｌ−４Ｖ−Ｔ
ｉ合金の焼鈍材の平均は１０６．３ｋｇｆ／mm²、溶体
化処理、時効材の平均は１２７．１ｋｇｆ／mm²であ
り、１３Ｃｒ系ステンレス鋼の焼入、焼もどし材の平均
は１２５．６ｋｇｆ／mm²であった。

【００１６】（実施例２）６．０mm丸に熱間圧延された
８Ａｌ−１Ｍｏ−１Ｖ−Ｔｉ合金のコイル線材を実施例
と同じ条件で温間ダイス引抜、温間圧延および冷間仕上
圧延した後、常温で曲げ加工を行った焼鈍ままのリング
をＭｏ溶射してピストンリングを製作した。ピストンリ
ングのファイバー方向をミクロ組織について確認すると
ピストンリングの円周方向に添っていることが確認され
た。なお、温間引抜途中の５mm丸の線材から１５０mm長
さの棒材を３本採取し、７００℃×１時間の焼鈍を施し
た後、引張試験を行った。試験結果の平均は１０７．１
ｋｇｆ／mm²であった。以上、実施例１および実施例２
のように熱間圧延後のチタン合金製線材を温間引抜、温
間圧延および冷間仕上圧延した後、リング状に曲げ加工
し、次いで表面硬化処理を行なうことにより効率良く、
寸法精度の高いピストンリングの製造が可能で、しかも
強度的にも従来材である１３Ｃｒ系ステンレス鋼製のも
のと同等または、それに近い特性を得ることができるこ
とがわかった。

【００１７】（実施例３）焼なましを施した６Ａｌ−４
Ｖ−Ｔｉ合金の６０mm丸棒材から半径方向に縮少引張試
験片を採取した。一方、実施例１の温間引抜途中から採
取した５mm丸の線材を用い、これに焼なまし処理を行な
った後、上記と同寸法の縮少引張試験片を作製した。前
者の引張試験片は棒材からの削り出しのピストンリング
を、また後者の引張試験片は本発明である円周方向にフ
ァイバー組織を有するピストンリングをそれぞれ代表さ
せて機械的性質を評価する。常温で引張試験を行ない、
線材から作製した引張試験片から得られた引張強さ、伸
び、絞りの値をそれぞれ１００としたときの６０mm丸棒
材から作製した試験片の値を指数で表わし表１に示す。

【００１８】

【表１】

【００１９】表１に示すように、丸棒材の半径方向の特
性は、線材の特性に比較して引張強さ、伸び、絞りとも
に低いことがわかる。このように同じチタン合金で比較
しても、本発明であるピストンリングの円周方向にファ
イバー組織を有するピストンリングの方が優れているこ
とがわかる。

【００２０】

【発明の効果】本発明によるチタン合金製のピストンリ
ングは従来材である１３Ｃｒ系のステンレス鋼製のピス
トンリングに比較して、溶体化処理、時効材の強度が同
等またはそれ以上、焼鈍材が従来材に近い強度を有する
ことがわかった。さらに本発明の製造方法によれば、特
定の温度範囲で温間加工を行なうので酸素富化層の生成
などの表面汚染を最小限にとどめながら細線加工がで
き、しかも効率よく寸法精度の高いピストンリングの製
造が可能である。上記チタン合金製のピストンリングは
従来材の１３Ｃｒ系ステンレス鋼製のピストンリングの
約６割の重量であることから、内燃機関の高出力、高速
化に対応できる材質として期待される。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピストンリングの円周方向にファイバー
   組織を有し、少なくともシリンダ壁との摺動面に表面硬
   化層を形成させたことを特徴とするチタン合金製ピスト
   ンリング。
2. 【請求項２】 熱間圧延後の線材を皮むきし、次いで大
   気中または不活性ガス雰囲気中で４００〜７５０℃に加
   熱しながら引抜き、続いて温間圧延または温間圧延後、
   冷間仕上圧延により異形断面を有するピストンリング材
   とした後、曲げ加工を行ない、さらに表面硬化処理を施
   すことを特徴とするチタン合金製ピストンリングの製造
   方法。