JPS63216949A

JPS63216949A - ピストンリング材

Info

Publication number: JPS63216949A
Application number: JP5067587A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Kumagai; 敦熊谷
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1987-03-05
Filing date: 1987-03-05
Publication date: 1988-09-09

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、内燃機関において重要な役割をはたすピスト
ンリングの材質に関するものである。

〔従来の技術〕

自動車のエンジン等の内燃機関において、ピストンリン
グは気密性の保持を目的として装着され、その性能いか
んにより、エネルギー効率を左右する重要な役割を担っ
ている。このようなピストンリングは、従来主に鋳鉄が
用いられてきたが、近年のエンジンの効率化、高負荷化
さらに軽量化指向にともない、スチール製ピストンリン
グの適用が拡大しつつある。これは、平線をリング加工
することによって製造されるため、大幅な工程の短縮化
と、リング自体の軽量化が実現できるためである。

ピストンリングは、エンジン稼働中において、シリンダ
ーと摺動するため、シリンダーとの摩耗や焼付の問題が
生じ、したがって耐摩耗性、耐焼付性の高い材質が求め
られる。エンジン稼働中においては、装着されるピスト
ン溝内において、複雑な動きをするため、疲労強度や高
い靭性が求められる。エンジンの高速化にともない、こ
のような要求特性は高くなる一方にある。

現在、スチール製ピストンリング材として、主に用いら
れている材質としては、バネ用鋼である５Ｌ−Ｃｒ鋼（
ＪＩＳ　　５ＷＯ８Ｃ−Ｖ）およびマルテンサイト系ス
テンレス鋼が用いられている。マルテンサイト系ステン
レス鋼は、主にディーゼルエンジンなど高負荷の用途に
用いられており、一般の乗用車には、５ｉ−Ｃｒ鋼が用
いられている。

５ｉ−Ｃｒ鋼は１重量％でＣＯ，５０〜０，６０％、　
Ｓｉ１．２０〜１．６０％、Ｍｎ　０．５０〜０．８０
％、Ｃｒ　０．５０〜０．８０％を含有し、残部Ｆｅよ
りなるため、リング加工性は優れているが、材質自体の
耐摩耗性や耐焼付性は期待できない。このため、ピスト
ンリング材としては、シリンダーと摺動する部分に硬質
Ｃｒメッキ処理を行ない、これに対処している。またマ
ルテンサイト系ステンレス鋼においては、窒化処理を行
なうことにより、硬質の窒化層を形成し用いられている
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は、一般乗用車に用いられている５Ｌ−Ｃｒ鋼に
代る材質に関するものであり、高性能のピストンリング
材を提供するものである。

先に述べたように、５ｉ−Ｃｒ鋼は、耐摩耗性、耐焼付
性を付与するため、Ｃｒメッキ処理が施されているが、
Ｃｒメッキはそのメッキ層内に微細なりラックを含んで
おり、ピストンリングの機械的強度、特に疲労強度低下
をまわく原因となる。

また、製造工程においても、ベーキング処理が不十分で
ある場合、水素脆性の問題が生じる。−右室化処理は、
表面に硬質の窒化層が形成され、耐摩耗性、耐焼付性、
さらに疲労強度を向上させる方法として、広く工具材料
に適用されているのは、周知のとおりである。したがっ
て、５ｉ−Ｃｒ鋼においてもこの処理方法の適用が考え
られるが、５Ｌ−Ｃｒ鋼は、組成的に窒素と結び付いて
、硬い窒化層を形成するＣｒ量が少なく、十分な硬さを
確保することができない。

以上の点から、本発明は窒化処理をすることにより、硬
い窒化層を有し、耐摩耗性、耐焼付性はもとより、機械
的強度の点においても優れたピストンリングを提供する
ために行なったものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記に述べたように、窒化処理することにより
表面層に硬質の窒化層を形成するように、材質の化学成
分を勘案することによってなされたものであり、次の特
徴を持つピストンリング材である。

本発明は１重量％でＣＯ，４〜１．１％、　Ｓｉ　Ｏ，
４〜１，０％、Ｍｎ≦１．０％、　Ｃｒ　１．０〜４．
５％、　Ａｌ　Ｏ，３−２，０％を含み、残部Ｆｅおよ
び不純物よりなることを特徴とするピストンリング材で
ある。

次に成分の限定理由について述べる。

Ｃは鉄中に固溶し、強度を寄与する元素であり、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た
め、少なくと、も０．４％以上必要である。

しかし、ＣはＮと同様鉄中において侵入型固溶元素であ
るため、多量の添加は窒化時の窒素の拡散を阻害し、十
分な窒化層を得ることができなくなると共に、リング成
形時の加工性も害するため、上限を１．１％とした。

Ｓｉは鋼塊製造時に脱酸剤として添加される元素であり
、脱酸剤の他に合金元素として弾性限を上昇させる効果
があるため、下限を０．２％とし、また１、０を越える
添加は、冷開における加工性を低下させるためこれを上
限とした。

ＭｎはＳｉと同様、鋼塊製造時に脱酸剤として添加され
る元素であり、１％を越えると熱間加工性を害するため
これを上限とした。

Ｃｒは、炭化物形成元素であり、耐摩耗性付与のため重
要である。また、同時に窒化層の硬さを高める元素でも
ある。特に窒素との親和性が高く、硬質の窒化物を形成
するため、窒化処理を行なう材質には必須の元素である
。この効果を十分に得るためには、少なくとも１％以上
の添加が必要である。しかし、多量の添加は多くの炭化
物を形成し、材質の靭性を低下させるだけでなく、窒化
層においても十分な窒化深さを得にくくするため４．５
％を上限とした。、Ａ１は、窒素との親和性が最も高い元素であり、窒化処
理材には非常に有効な元素である。この効果を得るため
には、少なくとも０．３％以上必要であるが、窒素と同
様酸素との親和性も高いので酸化物を形成しやすく、過
度の添加は、鋼塊製造時において、アルミナ系介在物を
形成し、材質の疲労強度低下の原因となるため２．０％
を上限とした。

〔実施例〕

次に実施例として本発明鋼および５Ｌ−Ｃｒｔ［を溶製
し、所定の熱処理を行なって各種の試験を行なった結果
を示す。

表１．　、試材の化学成分表１に示す供試材を２０ｋｇ溶製し、φ２５に鍛伸した
後、焼なまし処理を行ない、各試験のための試験片を加
工した６次に所定の焼入れ、焼もどしを行ない、硬さＨ
ＲＣ４３〜４５に調質、さらにＡ−Ｈについては、５４
０’ＣＸ　２０ｈｒのガス窒化処理、また工については
硬質Ｃｒメッキをメッキ厚１００μ瞳を施した。

試験は、窒化またはＣｒメッキした場合の疲労強度を見
るために、回転曲げ疲労試験により、疲労限（ｔｏ’回
）応力を求めた。また、静的な靭性を調べるため、直径
５Ｉ１１１１１の試験材について、スパン５０ｏｍとし
、抗折応力およびたわみを求めた。この結果を表２に示
す。

本発明鋼は窒化処理を行なった場合、硬い窒化層が得ら
れるばかりでなく、動的な機械的性質である疲労強度に
おいて高い値を示していることがわかる。

また静的な機械的強度である抗折試験結果においても、
比較材Ｇ、Ｈ１工に比し高い値を示すことがわかる。比
較材Ｇ、Ｈは、窒素との親和性の高いＣｒ量が少ないた
め、窒化層自体の硬さが十分得られないばかりでなく、
窒化層の深さが深くなりすぎ、表面にクラックが入った
場合、クラック進展が母材まで進みやすくなるため、静
的および動的な強度において低下をまねいている。また
、Ｃｒメッキした比較材Ｉはクラックを内蔵した高硬度
の表面層のため、切欠き感受性が高く、機械的強度を低
下させる原因となっている。

〔発明の効果〕

本発明は、現在用いられている５Ｌ−Ｃｒ鋼に硬質Ｃｒ
メッキ処理したピストンリングの機械的性質における欠
点を解決するためになされたものであり、窒化処理を行
なうことにより、耐摩耗性および耐焼付性を確保すると
ともに、動的および静的強度を向上させるべく、これに
適する材質を提供したものである。これにより、リング
製造工数の簡略化だけでなく、性能的にも優れたピスト
ンリングの製造を可能とするものである。

Claims

【特許請求の範囲】

重量％でＣ０．４〜１．１％、Ｓｉ０．２〜１．０％、
Ｍｎ≦１．０％、Ｃｒ１．０〜４．５％、Ａｌ０．３〜
２．０％を含み、残部Ｆｅおよび不純物よりなることを
特徴とするピストンリング材。