JPS63289373A - スチ−ル製ピストンリング - 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、内燃機関において窒化処理して使用されるス
チール製ピストンリングに関するものである。

〔従来の技術〕

近年の内燃機関の性能向上に伴い、内燃機関の軽量化が
求められ、ピストンリングにおいては軸方向幅を小さく
することによりピストンリング自体はもとより機関全体
の軽量化を図ることができる。そして、この軽量化が積
極的に推し進められた結果、近時強度上の問題のため、
従来の鋳鉄製ピストンリングに変わってスチール製ピス
トンリングが使われるようになってきた。しかしながら
、スチール製ピストンリングであっても母材のままで使
用した場合には、耐摩耗性の点で不十分であるため、少
なくとも外周面に窒化処理等の何らかの表面処理を単独
もしくは組合せて使用している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

自動車等の性能向上に伴って、ピストンリングの耐摩耗
性を向上させるために表面窒化処理深さを従来の２０〜
４０μｍ程度から、より深く１００〜２００μｍにする
ようになってきた。ところが、窒化処理深さを１００〜
２００μｍ程度施したピストンリングでは、ピストンへ
の組付は時、あるいは内燃機関運転時にピストンリング
のコーナー部を起点とした折損が生じる場合があった。

かかる問題点を解決する手段としては特開昭６０−１５
２６６８号に開示されるものが知られている。これはピ
ストンリング内周面の窒化層から亀裂が入るという折損
原因に鑑みてなされたもので、スチール製ビス１〜ンリ
ング内周面に窒化防止をした後、残る面に窒化処理を施
すものである。

本発明者らが上記事実に基づき、更にこの折損現象につ
いて詳細に調査した結果、１００〜２００μｍという深
い窒化処理を施した場合、第８図に示すがごとく、コー
ナー部分がピストンリングの上面２あるいは下面３と内
周面４あるいは外周面５の両面方向より同時に窒化が進
行されるため、コーナー部の窒化層７は、他の窒化層部
分８より窒化深さが深くなり、かつ高い窒素濃度を示し
、部分的に脆くなっていることが確認された。すなわち
、本発明者らは折損の原因はコーナー部の部分的脆化お
よびコーナー部の応力集中によって生じた疲労破壊に基
づくものであることを知見するに到ったのである。

ところで近時内燃機関の高速化の傾向により、ピストン
リングは従来にまして高い疲労強度、耐摩耗性、耐食性
が要求されている。これら特性を具備する鋼として、中
〜高Ｃ１中〜高Ｃｒ鋼が使用されているが、これら鋼は
上述した窒化による折損が生じやすい傾向にある。

本発明は、このような状況に鑑み、コーナー部からの折
損を防止し、かつ内燃機関の高速化に耐える高い疲労強
度、耐摩耗性、耐食性等の諸特性を具備したスチール製
ピストンリングを提供しようとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、深さ１００〜２００μｍの窒化処理したスチ
ール製ピストンリングにおいて、該スチールが重量％で
Ｃ０．５〜１．５−１，５％、Ｓｉ　２．０％以下、Ｍ
ｎ２．０％以下、Ｃｒ　１０．０〜２０．０％を含有す
るスチールであって。

前記ピストンリング断面コーナー部に０．１５〜０．６
０画の範囲で面取りを施したことを特徴とするスチール
製ピストンリングである。

本発明者らが前述した窒化処理による折損の問題を解決
するためにコーナー形状と耐折損性の関係について詳細
な検討を行なった結果、第１図に示すがごとく、コーナ
ー部に最低０．１５＋ｎｍの面取り（図中ａ、ｂの寸法
）を行なえば、均一な深さの窒化層９が得られるため応
力集中が軽減され、またコーナー部の窒素濃度が高くな
らないため、脆化が起らないことがわかった。

一方、この種の用途で用いられるピストンリングでは、
その本来の機能である気密性、耐焼付性の設計上の制約
から実用的には、０．６ｍがコーナー部の面取りの」１
限である。また、第２図はコーナー面取り寸法と疲労強
度との関係を示すグラフであるが、面取り寸法が０．６
ｍｍを越えても疲労強度向上の効果が飽和してしまうこ
とがわかる。

以上の理由により、コーナー部の面取り才徳を０、］、
５５００．６０ｍに限定したのである。

なお、第１図では面取り形状としてＲ形状のものを示し
たが、本発明スチール製ピストンリングにおける面取り
形状は、これのみに限定されるものではない。例えば第
３図〜第５図に示したような形状であっても、コーナー
部の上面側あるいは下面側の面取り寸法ａ及び内周側あ
るいは外周側の面取り寸法すが０．１５〜０．６０ｗ１
１の範囲であればよく、面取り寸法がこの範囲内であれ
ば本発明の効果を得ることができる。

さらに副次的な効果として、ピストンリングの材料平線
の製造上でコーナー部に生じた微少な外傷が窒化による
コーナー部の脆化と同様に耐折損性の急激な劣化を招く
ため、製造過程で多発していた折損が本発明を実施した
ことにより折損率が減少し、歩留が向上した。

次に本発明スチール製ピストンリングの化学成分につい
て説明する。

Ｃはピストンリングの強度、耐摩耗性を向上させるため
に必須の元素であり、少なくとも０．５％必要である。

しかし、■、錦を越えると著しく靭性を劣化させ、ピス
トンリング加工を害するので０．５〜１．５％に限定し
た。

Ｓｌ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
があるが、２．０％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
る元素であるが、２．０％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、十分な耐摩耗性、耐食性を得るためには１０％
以上とする必要があり、一方多すぎると熱処理硬さが低
下するため上限を２０％とした。

本発明スチール製ピストンリングは、基本的に上記化学
組成を有するものであるが、さらにＷ、Ｍｏ、Ｖおよび
Ｎｂの一種または二種以上を含有することもできる。こ
れらの元素は、いずれも焼もどし軟化抵抗および高温強
度を増大させるとともに、特にｖ、Ｎｂは窒化処理によ
って硬質の窒化物を形成し、表面硬さを向上させる効果
をも有する。しかし、２．５％を越えて添加すると、硬
質の炭化物の量を増し、疲労強度低下の原因になるとと
もに高価な元素であるため２．５％以下に限定する。

〔実施例〕

以下本発明を実施例に基づき説明する。

第１表に示す化学組成を有するマルテンサイト系ステン
レス鋼を電気炉で溶解、鋳造してインゴットとした後１
分塊によりビレットとし、これを熱間圧延で５．５φの
コイルにした。このコイルを伸線後、冷間圧延にて第２
表の面取り寸法（Ｂ＝＝２．５ｍ、Ｔ＝３．６ｗｎ）を
有するコイルに加工しく第６図）、焼入れ焼鈍しにより
ＨＲＣ４２に調質後、表面から２００μｍの深さまで窒
化処理を施して（ガス窒化法にて５４０℃で３０時間保
持した。）、供試材とした。

第　１　表、化学成分 第　　２　　表 ＊本供試材の面取り形状は、第６図に示すようにＲ形状
であるのでＲ＝ａ＝ｂとなる。

以上の供試材を用いて耐折損性を疲労強度として評価を
行なった。評価方法の概要を第７図に示す。

供試材１０の一端を回動可能な支持部材１１にて支持し
、他端を第７図に示すように保持具１２で保持し、支持
部材１１を１．０００ｒｐ＋ｉで供試材１０を最大５°
の曲がりをなすように往復運動させるものであり、スパ
ンＱの調整により、供試材の応力値を変化させる。

上記評価方法による疲労強度評価を第２図に示す。

第２図よりコーナーＲの寸法が０．１５ｎｗｎよりも小
さい場合には疲労強度が著しく劣り、また０、６ｎｗｎ
を越えると疲労強度としては飽和していることがわかる
。

第３表に示す化学成分からなる供試材を得て焼入れ焼も
どしによりほぼ同硬さに調整した。これら供試材の特性
を第４表に示す。

耐摩耗性の評価は、各材料の平板試験片にＳＣ間４４０
のリングを一定圧下で回転摺動させ、その摩耗痕から単
位摺動距離および単位摺動面積あたりの摩耗体積（比摩
耗量）として求めた。また、耐食性の評価においては、
４０℃、１０％Ｈ２ＳＯ４水溶液中に各材料を１０時間
浸漬し、単位面積当りの腐食減少量を求めた。

本発明に係るＡ−Ｅは、比較材Ｆに比べ優れた特性を示
していることがわかる。しかし、本発明に係る材料を窒
化した場合、前述のごとくコーナー部の窒素濃度が高く
なり、その部分が脆化してしまう。すなわち、本発明は
上記組成の材料を用い、かつ本発明所定の面取りを施す
ことにより、はじめてピストンリングとして要求される
特性を満足させることができるのである。

〔発明の効果〕

以上の如く本発明によれば、コーナー部に０．１５〜０
．６ａｗｎの面取りを行なうことにより、窒化処理後の
コーナー部の部分脆化による折損を防止して、窒化処理
を施したピストンリングを提供するものであり、工業上
非常に有益なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係るピストンリングの一実施例を示
す断面図、第２図は本発明の評価結果（コーナーＲと疲
労強度の関係）、第３図〜第５図は本発明による他の実
施形態を示す断面図、第６図は本発明の評価に使用した
供試材の断面図、第７図は本発明の評価に使用した実験
装置概略図、第８図は従来のピストンリングの断面図で
ある。 １：ピストンリング、２：上面、３：下面、４：内周面
、５：外周面、６：窒化層、７：コーナー部窒化深さ、
８：コーナー部以外の窒化深さ、９：窒化深さ、１０：
供試材、１１：支持部材、１２：保持具、１３：供試材
取付状態、ａ：上面側あるいは下面側の面取り寸法、ｂ
：内周側あるいは外周側の面取り寸法、Ｑ＝ニスパンＴ
：軸方向厚み。 Ｂ：軸方向幅。 第１図 第３図　　　第４図 第５図　　　第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　深さ１００〜２００μｍの窒化処理したスチール製
   ピストンリングにおいて、該スチールが重量％でＣ０．
   ５〜１．５％、Ｓｉ２．０％以下、Ｍｎ２．０％、以下
   、Ｃｒ１０．０〜２０．０％を含有するスチールであっ
   て、前記ピストンリング断面コーナー部に０．１５〜０
   ．６０ｍｍの範囲で面取りを施したことを特徴とするス
   チール製ピストンリング。 ２　スチールの構成元素として、Ｗ、Ｍｏ、ＶおよびＮ
   ｂの一種または二種以上を含有する特許請求の範囲第１
   項記載のスチール製ピストンリング。