JPH08109445A

JPH08109445A - 加工性に優れたピストンリング材

Info

Publication number: JPH08109445A
Application number: JP6247401A
Authority: JP
Inventors: Katsuaki Fukushima; 捷昭福島
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1994-10-13
Filing date: 1994-10-13
Publication date: 1996-04-30
Anticipated expiration: 2018-10-14
Also published as: EP0799902B1; EP0799902A1; JP3456028B2

Abstract

(57)【要約】【目的】線材製造時の温間または冷間における引抜加
工性や圧延加工性を向上し、異形線材の加工性を高める
とともに、工程中の焼なまし回数を少なくして、製造コ
ストの低減を図り、さらにリング成形時の折損も少なく
することのできるピストンリング材を提供する。【構成】重量％で、Ｃ 0.4〜1.0%、Ｃｒ 5.0〜25.0%
およびＳｉ，Ｍｎを含有し、残部Ｆｅおよび不純物から
なるピストンリング材であって、ＳｉとＭｎの少なくと
も１種がＳｉ 0.25%以下、Ｍｎ 0.30%以下であることを
特徴とする加工性に優れたピストンリング材。さらに、
前記ピストンリング材の組成のＦｅの一部をＭｏ，Ｗ，
Ｖ，Ｎｂの１種または２種以上を必要に応じて添加する
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、内燃機関のピストンリ
ング材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、内燃機関は、燃費の向上、高性能
化、軽量化、および廃ガス対策等種々な改善が加えられ
ている。特に内燃機関の摺動部であるピストンリングに
対しては、軽量化のための薄肉化、高速回転化にともな
う疲労特性、耐摩耗性、耐スカッフィング性などの特性
向上が求められ、従来使用されていた鋳鉄製のピストン
リングが、薄肉化がやり易く、強度、疲労特性に優れた
鋼製のリングに替わりつつある。鋼製のピストンリング
には、トップリング（圧力リング）として、シリクロム
鋼、または11〜17％Ｃｒのマルテンサイト系ステンレス
鋼を素材として、クロムメッキあるいは窒化処理を行な
ったものが使用されている。また、セカンドリングに
は、現状では鋳鉄製のリングが主体であるが、上記の要
求に呼応して鋼製のリングに替わりつつある。鋳鉄製リ
ングについても、耐スカッフィング、耐摩耗性向上のた
め、クロムメッキまたは窒化処理を施したリングが使用
されている。

【０００３】一方、シリンダと摺動しながら油掻き機能
を設けたオイルリングには、３ピースタイプと２ピース
タイプの２通りに大別される。このうち、３ピースタイ
プの場合には、直接シリンダと摺動する２枚のサイドレ
ールが耐摩耗性を重視した高Ｃｒ（１７Ｃｒ）系の材料
に窒化処理を施したものが主に使用されている。また、
２ピースタイプのオイルリングには、複雑な断面形状を
した異形線材が使用されている。これ等のピストンリン
グは、内燃機械のタイプ、特性によって、数種の材料が
使い分けされている。すなわち、量産規模で生産される
上記ピストンリングのうち、特に耐摩耗性、耐スカッフ
ィング性、耐食性が重視される摺動部には、必要に応じ
てＭｏやＶを添加した0.8〜0.9Ｃ−17Ｃｒ鋼が、また一
般にガソリンエンジンのトップリングは必要に応じてＭ
ｏやＶを添加した0.7Ｃ−12Ｃｒ鋼などが主に用いられ
ている。具体的には、特公昭５７−８３０２号は圧力リ
ングが、特公昭５８−４６５４２号にはスチール製ピス
トンリング材が、特公平２−４８２９号にはオイルリン
グ用サイドレールなどが提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】鋼製ピストンリング
は、平線または異形線材を900〜1100℃に加熱後、急冷
焼入れを行なった後、高めの温度で焼戻しを行なうこと
によって、熱処理後の硬さを38〜52HRC程度に調整され
る。これは、その後に実施するピストンリングの形状に
成形する曲げ加工性(カーリング性)を高めるため、鋼の
熱処理硬さを低めに調整されている。つまり、ピストン
リングとして使用する際の耐摩耗性や耐スカッフィング
性などの要求特性を重視すれば硬さの高い方が望ましい
が、この場合、ピストンリングの曲げ加工時に折損する
問題があり、要求特性を多少犠牲にして熱処理硬さを低
めに調整されているのが現状である。連続的に曲げ加工
した熱処理後の平線または異形線材は、個々のリングに
切断され、次いで熱矯正、表面処理(メッキまたは窒化)
を施して製作され、ピストンリングとして供される。

【０００５】一方、マルテンサイト系の鋼の場合、加工
硬化が大きく、平線や異形線材に仕上げるまでの加工率
が大きくできず、引抜加工あるいは圧延工程途中の焼な
まし回数が多くなり、コスト高となる問題があった。本
発明の目的は、線材製造時の温間または冷間における引
抜加工性や圧延加工性を向上し、異形線材の加工性を高
めるとともに、工程中の焼なまし回数を少なくして、製
造コストの低減を図り、さらにリング成形時の折損をも
少なくすることのできるピストンリング材を提供するこ
とである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】発明者は、熱間圧延後の
ピストンリング用線状素材から温間または冷間で行なわ
れる引抜や、圧延、さらには熱処理後の曲げ加工性を高
めるだけでなく、ピストンリングとして要求される疲労
特性、靭性、耐摩耗性、耐スカッフィング性、窒化特性
などを低下させることなく、目的を達成できる成分検討
を行なった結果、合金系に含まれている元素のうち、Ｓ
ｉとＭｎの少なくとも１種をそれぞれの特定値以下に制
限することが極めて有効であることを見出し、本発明に
至ったものである。すなわち本発明の第１発明は、重量
％で、Ｃ 0.4〜1.0%、Ｃｒ 5.0〜25.0%およびＳｉ，Ｍ
ｎを含有し、残部Ｆｅおよび不純物からなるピストンリ
ング材であって、ＳｉとＭｎの少なくとも１種がＳｉ
0.25%以下、Ｍｎ 0.30%以下であることを特徴とする加
工性に優れたピストンリング材であり、第２発明は重量
％で、Ｃ 0.4〜1.0%、Ｃｒ 5.0〜25.0%、ＭｏとＷの１
種または２種をＭo＋1/2Ｗで2.5%以下およびＳｉ，Ｍｎ
を含有し、残部Ｆｅおよび不純物からなるピストンリン
グ材であって、ＳｉとＭｎの少なくとも１種がＳｉ 0.2
5%以下、Ｍｎ 0.30%以下であることを特徴とする加工性
に優れたピストンリング材である。

【０００７】第３発明は、重量％で、Ｃ 0.4〜1.0%、Ｃ
ｒ 5.0〜25.0%、ＶとＮｂの１種または２種をＶ＋1/2Ｎ
ｂで1.5%以下およびＳｉ，Ｍｎを含有し、残部Ｆｅおよ
び不純物からなるピストンリング材であって、ＳｉとＭ
ｎの少なくとも１種がＳｉ0.25%以下、Ｍｎ 0.30%以下
であることを特徴とする加工性に優れたピストンリング
材であり、第４発明は重量％で、Ｃ 0.4〜1.0%、Ｃｒ
5.0〜25.0%、ＭｏとＷの１種または２種をＭo＋1/2Ｗで
2.5%以下、ＶとＮｂの１種または２種をＶ＋1/2Ｎｂで
1.5%以下、および残部Ｆｅおよび不純物からなるピスト
ンリング材であって、ＳｉとＭｎの少なくとも１種がＳ
ｉ 0.25%以下、Ｍｎ 0.30%以下であることを特徴とする
加工性に優れたピストンリング材であり、第５発明は重
量％で、Ｃ 0.4〜0.7%、Ｃｒ 5.0〜9.0%、およびＳｉ，
Ｍｎを含有し、および残部Ｆｅおよび不純物からなるピ
ストンリング材であって、ＳｉとＭｎの少なくとも１種
がＳｉ 0.25%以下、Ｍｎ 0.30%以下であり、かつ焼入
れ、焼戻し後の硬さが48HRC以上の時の引張試験伸び値
が9%以上であることを特徴とする加工性に優れたピスト
ンリング材である。

【０００８】

【作用】以下に本発明の加工性に優れたピストンリング
材の成分限定理由について述べる。Ｃは、一部が基地中
に固溶して強度、疲労特性の向上に寄与し、また炭化物
を形成して耐摩耗性や耐スカッフィング性を高める重要
な元素である。これらの効果を得るため、Ｃは少なくと
も0.4%が必要である。しかしながら、1.0%を越えるＣは
温間または冷間で行なわれる引抜や圧延時の加工性、さ
らには熱処理後の曲げ加工性を低下させるため、Ｃの範
囲を0.4〜1.0%に限定する。ピストンリング材のうち、
サイドレールや圧力リングなど、特に耐摩耗性が必要と
されるリング材のＣは、0.6〜1.0%が望ましい。また、
セカンドリングなど加工性が要求される場合には、Ｃの
範囲は0.4〜0.7%が望ましい。

【０００９】ＳｉとＭｎは、本発明が目的とする線材製
造時の加工性を高めると共に、熱処理硬化後のリング成
形性をも併せて良好にするため、少なくとも１種が特定
値以下に制限することが重要である。また、本発明のピ
ストンリング材の組成のうち、特に炭化物を多く形成さ
せるものについては、ＳｉとＭｎをともに特定値以下に
制限することが望ましい。Ｓｉは、鋼を溶製する際の脱
酸元素として必要な元素であり、例えば特公平２４８２
９号には、耐酸化性、熱ヘタリ性を高める元素で0.3%以
上のＳｉが必要とされてきた。しかし、耐酸化性に関し
ては、ピストンリングが油中で使用されること、およ
び、または表面処理が施されることから、必ずしも最重
要視する必要性が薄くなり、さらに熱ヘタリ性について
は、ピストンリングが高温焼戻しの状態で使用されるこ
とから、二次硬化に寄与する他の添加元素の効果の方が
大きいことかわかった。

【００１０】発明者が、焼なまし状態のＳｉの含有量と
冷間加工性の関係について検討した結果、特にＳｉの含
有量が0.25%以下になると、冷間塑性加工性が著しく向
上することを見出した。この傾向は、引張試験の伸び、
絞りが大きく改善されていることからも裏付けられる。
また、焼入れ、焼戻し熱処理（1000〜1100℃焼入れ,550
〜650℃焼戻し)を行なって、その硬さを40〜52HRCに調
整した場合においても、Ｓｉの含有量が0.25%以下にな
ると引張試験での伸び、絞り量が増大し、曲げ加工性が
改善されることが認められた。さらに、最近の製鋼技術
の進歩により、Ｓｉ含有量を低くしても酸化物系非金属
介在物を低減することが可能である。以上の理由によ
り、Ｓｉの範囲を0.25%以下に限定する。望ましいＳｉ
の範囲は、0.05〜0.15%である。

【００１１】Ｍｎは、脱酸や脱硫剤として、鋼の精錬に
必要な元素の一つであり、前述の特公平２−４８２９号
によれば、強度、硬さの向上のために最低0.5%が有効で
あることが記載されている。しかし、Ｍｎは0.30%を越
えて含有すると焼なまし硬さが低下しにくく、焼なまし
状態の塑性加工性が悪化することが明らかとなった。そ
のうえ、Ｍｎの含有量が030%を越えて含有すると、焼入
れ、焼戻しによって、40〜52HRCの硬さに調整した場合
においても、引張試験の伸び、絞り値の低下が認められ
た。以上の理由により、Ｍｎの範囲を0.30%以下に限定
する。のぞましいＭｎの範囲は0.07〜0.25%である。こ
のようにＳｉとＭｎは、単独または複合で含有量を制限
することにより、線状素材の加工性および熱処理後の曲
げ加工性を高める効果だけでなく、熱処理後のリング成
形時の曲げ加工が容易になる程、熱処理硬さを高めに調
整できる利点がある。すなわち、使用時のピストンリン
グ自身に要求される耐摩耗性や耐スカッフィング性をよ
り高度に発揮できる点で極めて有効である。

【００１２】Ｃｒは、一部が固溶して耐食性を高め、同
時に焼戻し軟化抵抗を上昇させる。また、Ｃｒの一部
は、Ｃと結合して炭化物を形成し、耐摩耗性、耐スカッ
フィング性の向上に寄与する。さらに、窒化処理を行な
うことにより、窒素と結び付いて硬い窒化物を形成し、
耐摩耗性、耐スカッフィング性をさらに向上させること
ができる。上記効果を得るために、Ｃｒは最低5%必要で
あり、また、Ｃｒ量が増大すれば、焼なまし状態および
40〜52HRCに熱処理した場合の塑性加工性は、Ｓｉ，Ｍ
ｎ量を低くしてもその効果が少なくなるところから、Ｃ
ｒの上限を25.0%とした。望ましいＣｒの範囲は5.0〜1
5.0%であり、さらに加工性を重視した範囲で、焼入れ焼
戻し後の硬さが50HRCを狙う場合には、Ｃｒの範囲は5.0
〜9.0%とするのがよい。

【００１３】ＭｏとＷは、硬さ 40〜52HRCに焼入れ、焼
戻し処理によって、微細な炭化物を析出して耐摩耗性、
耐スカッフィング性、疲労強度を高める効果を有するた
め、必要に応じて１種または２種をＭｏ＋1/2Ｗで2.5%
以下添加することができる。しかし、Ｍｏ＋1/2Ｗの含
有量が2.5%を越えると焼なまし状態の加工性、および硬
さを40〜52HRCに熱処理調整した時の曲げ加工性を害す
るため、ＭｏとＷの１種または２種を添加する場合に
は、Ｍｏ＋1/2Ｗで2.5%以下とするのがよい。望ましく
は1.5%以下である。ＶとＮｂは、硬質炭化物を形成して
耐摩耗性の向上に有効であり、必要に応じて１種または
２種をＶ＋1/2Ｎｂで1.5%以下に添加することができ
る。しかし、Ｖ＋1/2Ｎｂの含有量が1.5%を越えると１
次炭化を生成し、焼なまし状態の加工性、および焼入、
焼戻し状態の曲げ加工性を害するため、ＶとＮｂの１種
または２種を添加する場合には、Ｖ＋1/2Ｎｂで1.5%以
下とするのがよい。望ましくは1.0%以下である。

【００１４】

【実施例】次に本発明の効果を実施例により説明する。（実施例１）大気中の高周波誘導溶解により、表１に示
す組成の30kgインゴットを得た。このうち、本発明材は
Ｎo.1〜15、また比較材はＮo.21〜29である。これらの
インゴットは、熱間加工を行なって、8mm径の線状素材
とした。続いて、この線状素材を860℃に加熱後徐冷し
て焼なまし処理後、加工性の評価として引張試験を行な
った。さらに、残りの焼なまし後の線状素材を室温で5.
5mmの線径になるまで引抜加工を施し、次いで1050℃焼
入れ後、本発明材Ｎo.1〜3および比較材Ｎo.21〜23は、
硬さが39〜42HRCになるように、また本発明材Ｎo.4〜15
および比較材Ｎo.24〜29は、硬さが48〜50HRCになるよ
うにそれぞれ焼戻し温度を調整した。このようにして得
られた硬さの異なる２グループの供試材から、それぞれ
引張試験片を作製し、引張試験を行なった。

【００１５】次に、熱処理後のピストンリングに通常実
施される窒化処理を施した場合に、本発明材と比較材と
の間に特性上の差異があるか確認するために、疲労試験
および耐スカッフィング性試験を行なった。この試験
は、上記の引抜後の供試材から疲労試験片および耐スカ
ッフィング性試験片を採取し、前記引張試験と同じ熱処
理を行なった後、540℃×20時間のガス窒化を施し、次
いで試験片の表面に生成した脆い窒化物を研磨、除去し
てから行なった。表２にこれらの試験結果、および窒化
処理を行なった試験片の表面硬さを併記する。

【００１６】

【表１】

【００１７】

【表２】

【００１８】なお、スカッフィングテスト（焼付試験）
は、超高圧摩擦摩耗試験機を下記の条件で行なった。試
験機試験片部の概略を図１、図２に示す。摩擦速度・・・8m/s 摩擦面圧力・・・初期圧 20kgf/cm²、3分毎に10kg/cm²づつ
上昇潤滑油・・・・・モーターオイル #30,温度 80℃、ステータ
ーホルダー中心より400ml/min注油焼付検出・・・・ロードセルおよび動歪計にて検出(焼付時
に異常摩擦力を検知) 相手材・・・・・ＪＩＳねずみ鋳鉄４種（ＦＣ２５）

【００１９】表２に示した評価結果から、本発明材は比
較材より焼なまし時の、引張試験での絞り値が大きく、
冷間加工性が良好であることを示している。また、熱処
理後の引張試験においても、本発明材の伸びが大きく、
本発明の効果が十分にあると言える。さらに、疲労特
性、窒化特性、スカッフィング試験の値は、比較材と差
異がなく、ＳｉおよびまたはＭｎの低減によって、焼な
まし時の塑性加工性、焼入れ後の曲げ加工性の改善が達
成されることから明らかとなった。

【００２０】（実施例２）実施例１で行なった、焼なま
し後の線状素材の引抜加工の状況を、焼なまし状態の引
張試験の値と対比させてみると、その絞り値が、65%を
越した場合、冷間引抜は中間焼なましなしで減面率が90
%以上を示し、絞り値が40%未満では50%の減面率でも表
面にクラックが生じることが判った。つまり、絞り値が
40%未満の線状素材を引抜加工するには、中間焼なまし
処理を頻繁に行なう必要があり、量産工程がより複雑に
なることが予想される。一方、焼入れ、焼戻しの熱処理
を行なった後の引張特性と実際に曲げ加工を行なって比
較してみると、引張試験における伸びが6%を越えた場合
には、曲げ加工に折損を起こさずにスムースに成形でき
ることが認められた。すなわち、熱処理後の引張試験の
伸びが6%以下の場合には、ピストンリング自身の要求特
性を犠牲にして熱処理によって硬さを若干低めに調整す
る必要が生じることになる。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、ピストンリング材のＳ
ｉとＭｎの１種または２種をそれぞれ0.25%以下、0.30%
以下に制限することで、熱間圧延後に実施する冷間また
は温間で引抜加工性や圧延加工性を高め製造コストの低
減が可能となった。また同時に熱処理後のリング曲げ加
工性をも改善することから、本来ピストンリング自身に
要求される特性を向上させるため、熱処理硬さをより高
めに調整することができるので、ピストンリング材の特
性を一段と高められる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】超高圧摩耗試験装置の断面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ矢視断面図である。

【符号の説明】

１試験片（5.0mm角×10L) ２円板（相手材・・・ＦＣ２５）３ステータホルダー４ロータ５試験片保持具６潤滑油注入口７ロードセル８動歪計Ｐ摩擦圧力

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ 0.4〜1.0%、Ｃｒ 5.0〜2
5.0%およびＳｉ，Ｍｎを含有し、残部Ｆｅおよび不純物
からなるピストンリング材であって、ＳｉとＭｎの少な
くとも１種がＳｉ 0.25%以下、Ｍｎ 0.30%以下であるこ
とを特徴とする加工性に優れたピストンリング材。
【請求項２】重量％で、Ｃ 0.4〜1.0%、Ｃｒ 5.0〜2
5.0%、ＭｏとＷの１種または２種をＭo＋1/2Ｗで2.5%以
下およびＳｉ，Ｍｎを含有し、残部Ｆｅおよび不純物か
らなるピストンリング材であって、ＳｉとＭｎの少なく
とも１種がＳｉ 0.25%以下、Ｍｎ 0.30%以下であること
を特徴とする加工性に優れたピストンリング材。
【請求項３】重量％で、Ｃ 0.4〜1.0%、Ｃｒ 5.0〜2
5.0%、ＶとＮｂの１種または２種をＶ＋1/2Ｎｂで1.5%
以下およびＳｉ，Ｍｎを含有し、残部Ｆｅおよび不純物
からなるピストンリング材であって、ＳｉとＭｎの少な
くとも１種がＳｉ 0.25%以下、Ｍｎ 0.30%以下であるこ
とを特徴とする加工性に優れたピストンリング材。
【請求項４】重量％で、Ｃ 0.4〜1.0%、Ｃｒ 5.0〜2
5.0%、ＭｏとＷの１種または２種をＭo＋1/2Ｗで2.5%以
下、ＶとＮｂの１種または２種をＶ＋1/2Ｎｂで1.5%以
下、および残部Ｆｅおよび不純物からなるピストンリン
グ材であって、ＳｉとＭｎの少なくとも１種がＳｉ 0.2
5%以下、Ｍｎ 0.30%以下であることを特徴とする加工性
に優れたピストンリング材。
【請求項５】重量％で、Ｃ 0.4〜0.7%、Ｃｒ 5.0〜9.
0%、およびＳｉ，Ｍｎを含有し、および残部Ｆｅおよび
不純物からなるピストンリング材であって、ＳｉとＭｎ
の少なくとも１種がＳｉ 0.25%以下、Ｍｎ 0.30%以下で
あり、かつ焼入れ、焼戻し後の硬さが48HRC以上の時の
引張試験伸び値が9%以上であることを特徴とする加工性
に優れたピストンリング材。