JPS63223147A - ピストンリング用線材 - 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、内燃機関において重要な役割をはだすピスト
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間層が
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。また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５ｉ−Ｃｒ鋼（
ＪＩＳ　　５ＷＯ８Ｃ−Ｖ）およびマルー７−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−ＣｒｖＲは、重量％でＣＯ，５０〜０，６０％、
Ｓｉ１．２０〜１．６０％、　　Ｍｎ　Ｏ，５０〜０，
８０％、Ｃｒ　Ｏ，５０〜０，８０％を含有し、残部Ｆ
ｅ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
をまねく原因となる。

また５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。一方立化処理は、
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−Ｃｒｆｉにおいてもこの処理方法の適用が考
えられるが、５ｉ−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１次の特徴を持つピストンリング材である。

本発明は、重量％でＣＯ，４〜１．１％、Ｓｉ　０．２
〜１．０％、Ｍｎ≦１．０％、Ｃｒ　１．０〜４．５％
、およびＭｏ６３％、Ｎｉ５３％、■≦３％、Ｗ≦３％
、Ｎｂ≦３％の１種以上を含み（２種以上の場合は、合
計で３以下）、または同成分にＡ１０．３〜２．０％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。

Ｓｊ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、冷間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６、 Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂは、いずれも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、Ｃｒの次に窒
化層の硬さを増す元素であり、一部基地に固溶し、材質
の強度を改善する効果があるが、Ｃｒと同様に過度の添
加は、炭化物の量を増し、靭性を低下させる。またＮｉ
は基地中に固溶し、靭性を付与すると同時に、窒化層に
おいても窒素と結合することなく、靭性を高める元素で
ある。しかし、鋼塊より線材までの加工過程において、
焼なまし硬さが低下し難くなる。従って、各元素３％を
上限とし、２種以上の場合は、合計で５％を上限とした
。

Ａｌ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５ｉ−Ｃｒ鋼を溶製し
、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に示す供試材を２０ｋｇｒ１ｓｆｉＬ、、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。次に所定の焼入れ、焼もどしを行ない
、硬さＨＲＣ４３〜４５に調質、さらにＡ〜ニー■につ
いては、５４０℃Ｘ　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１００　ｐ　ｍ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（１０７回
）応力を求めた。また、静的な靭性を調べるため、直径
５ｍＩｍの試験材について、スパン５０ｍｎ＋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Ｈ１■に比し高い値を示すことがわかる。比較材
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
ッキした比較材工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−Ｃｒｌｌに硬質Ｃ
ｒ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 (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　重量％でＣ０．４〜１．１％、Ｓｉ０．２〜１．０
   ％、Ｍｎ≦１．０％、Ｃｒ１．０〜４．５％、およびＭ
   ｏ≦３％、Ｎｉ≦３％、Ｖ≦３％、Ｗ≦３％、Ｎｂ≦３
   ％の１種以上を含み（２種以上の場合は、合計で５％以
   下）、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。 ２　重量％でＣ０．４〜１．１％、Ｓｉ０．２〜１．０
   ％、Ｍｎ≦１．０％、Ｃｒ１．０〜４．５％、Ａｌ０．
   ３〜２．０％、およびＭｏ≦３％、Ｎｉ≦３％、Ｖ≦３
   ％、Ｗ≦３％、Ｎｂ≦３％の１種以上を含み（２種以上
   の場合は、合計で５％以下）、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。