JPS6154865B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は改良されたピストンリング用合金鋼に
関する。

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、鋼としてはばね鋼等が使用されているが、ピ
ストンリング用材料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
る耐摩耗性を有し、而も、加工性が良好であつて
耐熱性や靭性に優れるピストンリング用鋼の開発
が望まれている。

本発明は上記に鑑みてなされたものであつて、
その第１の発明は炭素0.3〜0.5重量％、珪素0.8〜
1.5重量％、クロム4.5〜5.5重量％、モリブデン
1.0〜1.5重量％、バナジウム及びタングステンの
一方または双方が合計で0.3〜2.1重量％、残部が
実質的に鉄からなるピストンリング用合金鋼に係
り、その第２の発明は上記第１の発明に係る合金
鋼に窒化処理を施してその少なくとも摺動面（外
周面）に窒化層を形成させて一層耐スカツフ性、
耐摩耗性を改善させたピストンリング用合金鋼に
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0.3重量％（以下、重量％を
単に「％」で表わす。）未満では炭化物の形成量
が僅少で上記効果が不充分であり、0.5％を越え
ると靭性が低下するようになるので、その範囲を
0.3〜0.5％とする。

珪素は耐熱性を改善するが、0.8％未満ではこ
の効果が不充分であり、1.2％を越えると脆化さ
せるようになるので、その範囲を0.8〜1.2％とす
る。

クロムは炭化物を形成して耐摩耗性に寄与す
る。また、第２の発明にあつては窒化層の硬度を
昇げて耐スカツフ性を改善する。これが4.5％未
満では炭化物の形成量が少なく、上記効果が不充
分であり、5.5％を越えると靭性が損われるよう
になるので4.5〜5.5％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スカツフ性を改
善する。これが1.0％未満では上記効果が不充分
であり、1.5％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、1.0〜1.5％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、これらの一方または双方を含有させる
が、合計で0.3％未満では上記効果が不充分であ
り、2.15％を越えると靭性を損うようになるの
で、その範囲を0.3〜2.1％とする。

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の発明に係る合金鋼に窒化処理を施し
てその少なくとも摺動面（ピストンリングの外周
面）に窒化層を形成させることにより、耐スカツ
フ性や耐摩耗性の一層改善されたピストンリング
用合金鋼に係る。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。

次に実施例について説明する。

第１の発明の試料として、0.38％Ｃ，1.40％
Si，4.88％Cr，1.12％Mo，0.95％Ｖ、残部実質的
に鉄よりなる合金鋼を、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
を、比較材としてオーステンパーを施した弁ばね
用鋼SWOSC―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な
い、試験後、試験片６を取外して摩耗による高
さ寸法の減少を測定した。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時間耐久試験に使用済み
の可成りのスラツジが混入したオイル、油温80
℃、350〜400cc/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、第１の発明に係る合金鋼は比較
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、窒化層を有する第２の発明に係る合金鋼は
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を円板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
つてスカツフ発生面圧とし、その大小を以つて
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、本発明に係る合金鋼は比較の材
料に比べてスカツフ発生面圧が高く、耐スカツ
フ性に優れている。特に窒化層が形成されてい
る第２の発明に係る合金鋼は第１の発明に係る
それよりも一層耐スカツフ性が改善されてい
る。

(3) 張力減退試験 76.0mm×1.2mm×3.1mmのプレーン形圧力リン
グによつて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
度は規格通りの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。

試験結果は第５図に示す通りである。同図か
ら、比較のSWOSC―Ｖに比べて、本発明鋼製
のピストンリングは、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。） 以上説明したように、本第１の発明に係る合金
鋼は極めて優れた耐摩耗性、耐スカツフ性を有し
ており、その第２の発明に係る合金鋼は更に一層
耐摩耗性、耐スカツフ性が改善されている。ま
た、いずれも優れた耐熱性を有していて、これら
の合金鋼で製造されたピストンリングは張力減退
度が極めて低い。従つて、本発明合金鋼をピスト
ンリング材料として使用するときは、ピストンリ
ングの耐久性が著しく向上し、内燃機関のオーバ
ーホールから次のオーバーホール迄の所謂開放期
間が大幅に延長され、産業上の利用価値は大き
い。

【図面の簡単な説明】

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―線に沿う矢視側面図である。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図は張力減退試験
の結果を示すグラフである。 １…ステータホルダー、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、８…ロードセル、９…動歪計。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炭素0.3〜0.5重量％、珪素0.8〜1.5重量％、
   クロム4.5〜5.5重量％、モリブデン1.0〜1.5重量
   ％、バナジウム及びタングステンの一方または双
   方が合計で0.3〜2.1重量％、残部が実質的に鉄か
   らなるピストンリング用合金鋼。 ２ 炭素0.3〜0.5重量％、珪素0.8〜1.5重量％、
   クロム4.5〜5.5重量％、モリブデン1.0〜1.5重量
   ％、バナジウム及びタングステンの一方または双
   方が合計で0.3〜2.1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
   トンリング用合金鋼。