JPS6354137B2

JPS6354137B2 -

Info

Publication number: JPS6354137B2
Application number: JP56024894A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Naito
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1981-02-24
Filing date: 1981-02-24
Publication date: 1988-10-26
Also published as: JPS585456A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は内燃機関用のオイルリングであり、鋼
製のサイドレールと鋼製のスペーサーエキスパン
ダを組合せた組合せオイルリングに関するもので
ある。かかるオイルリングは第１図に示す如く２
本のサイドレール１，１をスペーサーエキスパン
ダ３が軸方向及び半径方向に支承し、サイドレー
ルの外周面１１、シリンダ内周面５１とが摺接
し、かつサイドレール内周面１３とスペーサーエ
キスパンダ突起３１とが摺接するものである。

このオイルリングはサイドレールが通常1.0mm
以下の薄巾リングであつて半径方向の挙動に柔軟
性を持つことによつてシリンダ内周面への追従性
が向上されシール機能が優れるものである。従つ
て基本的な条件としての薄巾化には鋼線材を用い
ざるを得ず、この鋼材の機械的性質がピストンリ
ング用途としては種々問題があつて改良が望まれ
るものであつた。その最も大きな問題としてはデ
イーゼル機関の如き高温条件において鋼材はいわ
ゆる熱へたり現象を起こし自己張力を失なうもの
であり、又次に大きな問題としてデイーゼル機関
の如き高負荷条件においてスペーサーエキスパン
ダ及びサイドレールの摩耗が著しく大きく、耐摩
耗対策を要することである。

従来にあつてはピストンリングの上記の問題、
特に耐摩耗性対策においては硬質クロムメツキに
代表される表面被覆及び軟窒化に代表される熱処
理がなされるのが通常である。（例えば特公昭35
−16502号、実公昭44−241号）しかしながらかか
る表面処理によつて必ずしもその効果が得られる
ものでなく、オイルリングの機能に応じた選択が
得に必要とされうるものである。

即ち、サイドレールの外周面はシリンダ内周面
との摺動面であるため最も耐摩耗性を要求される
が、ここに高硬度炭化物を多く有する材料を配し
た場合に、内周面ではスペーサーエキスパンダに
大きな摩耗を与えるものとなり、一方スペーサー
エキスパンダを高硬度材料としようとすれば、プ
レス成形加工が困難となる。一方前記したクロム
メツキはクロムメツキしたシリンダと組合せて使
用した場合の同一材料金属接触による摩耗が生
じ、又デイーゼル機関、高鉛ガソリン機関では腐
食摩耗が進行することによる摩耗が大きく用途が
限られるものであつた。

軟窒化を代表する熱処理を施すオイルリングで
は表面の硬化と同時に母材の軟化を伴い、一面で
は熱へたりの防止になるものの、耐摩耗性に対し
ては必ずしも充分ではない。即ちサイドレール、
スペーサーエキスパンダに軟窒化を施した場合に
あつてもスペーサーエキスパンダ、サイドレール
の母材材質によつては一方を異常に摩耗させる結
果となり、最適の組合わせを得ることは困難なも
のであつた。

本発明はかかるスペーサーエキスパンダとサイ
ドレールとの組合せオイルリングにおいて、高
温、高負荷条件にあつても双方の耐摩耗、耐熱へ
たりに著しく優れたものを得るものである。すな
わち、本発明の組合せオイルリングは母材の基地
組織が焼戻しマルテンサイトであり、重量比で
Mo1.0〜1.3％、V0.07〜0.12％を含み、かつ10μ以
下で硬度HV1200〜1500である微細粒状炭化物が
面積比で３〜７％分散しており、表面には全体硬
度でHV1300〜1500の窒化化合物層2μ〜50μの厚
さを有し、さらに前記窒化化合物層下部には厚さ
20μ以上の拡散層を有する軟窒化を施したステン
レス鋼製サイドレールと、母材の基地組織がオー
ステナイトであり、重量％でC0.15％以下、Si1.0
％以下、Mn5.5〜7.5％、Ni3.5〜5.5％、Cr16.0〜
18.0％、残部Feと不可避的不純物からなる組成の
鋼であり、表面に2μ〜50μの厚さを有しの全体硬
度でHV800〜1000の窒化化合物層を有する軟窒
化を施した鋼製スペーサエキスパンダとを組合た
ことを特徴とする組合せオイルリングである。

上記した如き本発明のサイドレールとスペーサ
ーエキスパンダの組合せにあつては次の如き作用
をなすものである。つまり、相対的に摺動する部
材にあつては摩擦、摩耗には種々の条件がある
が、一般的には硬度及び硬質物の有無および量、
組織が主たる要因となつている。

本発明にあつてはスペーサーエキスパンダはオ
ーステナイト基地組織のステンレス鋼、より具体
的には重量％でC0.15％以下、Si1.0％以下、
Mn5.5〜7.5％、Ni3.5〜5.5％、Cr16.0〜18.0％、
残部Feと不可避的不純物とからなる組成のオー
ステナイト系ステンレ鋼を550℃〜600℃の温度で
軟窒化処理をする。かかる高Crのオーステナイ
ト鋼を使用する理由としては耐熱性を考慮したも
のであり、又塑性加工の加工性に優れる理由によ
る。

上記スペーサーエキスパンダの成分限定理由は
Ｃ量が0.15％超となると靭性の低下を招き、スペ
ーサーエキスパンダとして不適当となるため炭素
は0.15％以下とする必要がある。

Si量は1.0％超となると脆化をきたすと共に線
材製造時の加熱に際して脱炭を促進するので、珪
素は1.0％以下とする必要がある。

Mnは基地をオーステナイトにするために必要
なものであるが、5.5％以下ではフエライトの析
出がありオーステナイト基地が安定せず、一方
7.5％超となると基地中にセメンタイトの析出を
招き、靭性の低下をきたすため、マンガンは5.5
％〜7.5％の範囲内にする必要がある。

Niはマンガンと同じように基地をオーステナ
イトに安定させるため必要であり、3.5％以下で
はα相の析出があり目的を達し得ない。一方5.5
％超としても効果はほとんど同じであり、反つ
て、コスト高を招くため、ニツケル量は3.5％〜
5.5％の範囲内とする必要がある。

Cr量が16.0％以下では、スペーサエキスパンダ
としての耐摩耗性、耐食性が得られず、また材料
強度として不充分である。一方18.0％超となると
スペーサーエキスパンダの製造にあたり、塑性加
工性が低下するため、クロム量は16.0％〜18.0％
の範囲内とする必要がある。かかるオーステナイ
ト系のステンレス鋼に軟程窒化を施すことにより
表面層に窒化化合物を形成すると表面の硬度が窒
化化合物層のどこを測定しても良い硬さ（公知の
硬さ計を用いて測定する。以下全体硬さと称す
る）全体硬度としてHV800〜1000であり比較的
に耐摩耗性材料の硬化処理層としては低いもので
ある。従つて、かかるスペーサーエキスパンダを
内周にクロムメツキしたサイドレールを組合わせ
ても後述する実験結果によつても判明する如く著
しい効果は得られないものである。

本発明にあつては、このオーステナイト系ステ
ンレス鋼によるスペーサーエキスパンダと組合わ
せるのに軟窒化したMo、Ｖをふくむマルテンサ
イト系ステンレス鋼を配したことにより著しい効
果を上げたものである。即ちサイドレールには外
周面の耐摩耗性が要求されることにより通常は炭
化物が多く、マルテンサイト系である鋼材が用い
られるものの軟窒化を施した場合に母材の軟化が
進み、窒化化合物層のみで耐摩耗性を持つため窒
化層厚さを著しく大きくとるか、又は母材の炭化
物量を著しく多くするかによつて長時間の耐摩耗
性維持を計らねばならないものである。かかる材
料は窒化層厚さを増加することによる脆化の危険
のみならず、オーステナイト系ステンレス鋼のス
ペーサーエキスパンダに対し強すぎるため、これ
を著しく摩耗させる結果となるものである。

本発明においては従来と同じくマルテンサイト
系の鋼材に軟窒化を施したサイドレールを用いる
ものであるが炭化物を微細にし、更に前記微細粒
状炭化物の硬さ（微細粒状炭化物そのものの硬
さ、公知の微小硬さ計にて測定する）をHV1200
〜1500とし、かつ面積比で３〜７％としたことに
よつて炭化物によるベアリング効果を外周面に持
たせると同時に内周面あつてはスペーサーエキス
パンダとの摩耗特性を次の如く改善しうるもので
ある。

本発明に使用するサイドレールはマルテンサイ
ト系ステンレス鋼であるため、JISG4309「ステン
レス鋼線」に示される焼入れ、焼戻しを施して基
地組織を焼戻しマルテンサイトとして使用するも
のである。焼入れ、焼戻し温度はJIS及び、使用
条件を考慮して適宜選択するものである。サイド
レールの場合使用条件が苛酷であるため高温焼戻
しが用いられ600℃〜700℃の範囲から選択され
る。

スペーサーエキスパンダとサイドレールとの接
触は第１図に示す如く摺動というよりはむしろ一
定位置の接触条件での繰り返したたかれ摩耗に近
いものであり、デイーゼル機関や高鉛ガソリン等
の微細な燃焼残渣粒子が発生する機関では微細な
粒子が接触面摩耗を急激に増加されると考えられ
る。その摩耗機構は主として接触面の微少クラツ
クの発生とそれに伴う破壊とによるものであり、
摩耗に対しては材料の硬度もさることながら強度
も影響するものと考えられる。

上述の微細粒状炭化物の硬さはHV1200以下で
は、サイドレールとして必要な耐摩耗性、耐スカ
ツフイング性を得るのに不充分であり、一方
HV1500超となると相手材を極度に摩耗させるた
めに、微細粒状炭化物の硬さはHV1200〜
HV1500の範囲内とする必要がある。

本発明にあつては、サイドレールの表面組織が
10μ以下である微細炭化物が均一に分散している
ために炭化物周囲から発生するクラツク発生を防
止することが可能である。前記微細炭化物の量は
面積比にて、３％未満では炭化物量が少ないた
め、窒化処理を施してもサイドレールに要求され
る耐スカツフイング性及び耐摩耗性が得られず、
一方７％以上となると材料の脆化をきたし、サイ
ドレール材料として不適当となるために微細炭化
物の量は面積比にて３〜７％の範囲内とした。一
方窒化化合物層はこれらの炭化物硬度より高度が
高く摩耗条件の厳しい機関の運転初期においては
充分な耐摩耗性を発揮する。さらに本発明のサイ
ドレールにおいては、Mo、Ｖを含むマルテンサ
イト系ステンレス鋼によりなることにより次の如
き摩耗特性を有する。

即ち、Mo、Ｖは一方では炭化物生成元素とし
て作用するが、軟窒化に伴う母材の軟化に対して
の抵抗性が強く軟化化合物層下部の拡散層におけ
る硬度を高く維持しうる。

従つて窒化化合物層が摩滅した後も拡散層が比
較的に耐摩耗性に優れるために初期摩耗が終了し
定常摩耗域で運転される機関においては充分な耐
摩耗性を有するものである。かかる効果は特に摩
耗条件の厳しいサイドレール外周において発揮さ
れるが、サイドレール内周の摩耗は先に記した如
き繰返しのたたかれによる疲労要因が大きいこと
もあり比較的に高硬度の拡散層が窒化化合物層と
母材間に介在することによつて疲労強度をも向上
しうる効果を有するものである。かかる窒化化合
物層の硬度は窒化化合物層のどこを測定しても良
い硬さ（公知の硬さ計を用いて測定する。以下、
全体硬さと称する。）全体硬度でHV1500以上で
はスペーサーエキスパンダを著しく摩耗させ
HV1300以下ではサイドレール外周面摩耗が大き
いため全体硬さでHV1300〜HV1500で選択され
る。かかる本発明のサイドレールは具体的には重
量％でC0.85〜0.95％、Si1.0％以下、Mn1.0％以
下、Cr17.0〜19.0％、Mo1.0〜1.3％、V0.07〜
0.12％のマルテンサイト系ステンレス鋼に550℃
〜600℃の範囲で軟窒化されて得られるものであ
る。Ｃ量については炭化物量を制御するものであ
つて0.85％未満では炭化物量が不足し0.95％超で
は多すぎる。

Si量が1.0％超では、線材製造時の加熱に際し
て脱炭促進するので1.0％以下とする必要がある。
Mn量については、1.0％超では靭性が低下しサイ
ドレールとして不適当となるために1.0％以下と
する必要がある。又Crは炭化物生成元素として
作用する他耐熱性、耐食性を向上するために用い
られるものであり、17.0％未満では炭化物の析出
が少く、サイドレールとして要求される耐摩耗性
を得ることができず、一方19.0％超となると炭化
物の析出過多となり、相手材の摩耗を促進する結
果となるため、クロム量は17.0％〜19.0％の範囲
内とする必要がある。

Mo、Ｖについては軟窒化に伴う如処理条件に
よつて母材の軟化に対する抵抗元素として作用す
る他、炭化物生成にも寄与するものであり、Mo
では1.0％以上、Ｖでは0.07％以上で効果を発揮
し、Mo1.3％超、Ｖでは0.12％超は添加量に対し
ての顕著な効果の向上が得られないため、この範
囲で選ばれるものである。

さらに窒化化合物層の厚さはサイドレール、ス
ペーサエキスパンダ共に2μ未満では初期摩耗中
に摩滅するために2μ以上は必要であり、窒化化
合物層を支承する拡散層の厚さも窒化化合物層厚
さにも影響されるが20μ以上でないとその効果を
発揮しない。又窒化化合物層厚さはサイドレー
ル、スペーサーエキスパンダの肉厚にも左右され
るが50μ程度を超えた場合、脆化が著しいため
50μ以下で選択される必要がある。

以上記した如く本発明のオイルリングにあつて
は、サイドレールとスペーサーエキスパンダのそ
れぞれの特徴に応じて耐摩耗性に優れた組合せオ
イルリングを得るものであるが、本発明オイルリ
ングの効果を説明するため以下に実験結果を示
す。

試験は実機運転後の摩耗量をもつて評価するこ
ととし、下記の機関を用いたものである。

（使用機関） 2200c.c. ４気筒デイーゼルエンジン（ボア径）×（ストローク）φ83×100mm （試験条件）回転数：4000rpm 負荷：60PS 潤滑油：30番オイル試験時間：100時間 Γ本発明サイドレール（成分（重量％））Ｃ：0.82、Si：0.42、Mn：
0.38、Ｐ：0.0023、Ｓ：0.008、Ni：0.18、Cr：
17.20、Mo：1.12、Ｖ：0.14、残Fe （窒化層）化合物層厚さ4.5μ、微細粒状炭化物
の硬度HV1350、拡散層厚さ22μ （形状）内外周ラウンドエツジ、厚さ2.95mm 巾0.6mm Γ本発明スペーサーエキスパンダ（成分（重量％））Ｃ：0.08、Si：0.3、Mn：
6.1、Ni：4.2、Cr：16.5、残部Fe （窒化層）化合物層厚さ2.5μ、窒化化合物層の
全体硬度HV950、拡散層厚さ12.5μ （形状）半径方向波形スペーサーエキスパンダ Γ比較サイドレール１（成分（重量％））Ｃ：0.74、Si：0.10、Mn：
0.12、残部Fe （表面処理）内外周クロムメツキ厚さ0.15mm クロムメツキの硬度HV920 Γ比較サイドレール２（成分）比較サイドレール１と同一（表面処理）窒化化合物層厚さ5.0μ 窒化化合物層の全体硬度HV1300 Γ比較サイドレール３（成分）本発明サイドレールと同一（表面処理）なし Γ比較スペーサーエキスパンダ（成分）本発明スペーサーエキスパンダと同一（表面処理）クロムメツキ厚さ0.12mm クロムメツキの硬度HV910 上記の本発明及び比較サイドレール及びスペー
サーエキスパンダを先に記した実験条件で試験し
た結果が第２図及び第３図である。

第２図はサイドレール及びスペーサーエキスパ
ンダの摺接部の摩耗量（摩耗深さ）を示すもので
あり、本発明サイドレールは実質的に摩耗せずか
つスペーサーエキスパンダの摩耗量も従来の組合
せより約1/3〜1/2に減じられるものである。

次に第３図は本発明サイドレールの外周面の摩
耗量を比較したものであり、本発明のサイドレー
ルが外周面摩耗に対しても著しく優れることが実
証される。

以上説明した如く、又実験により確認された如
く本発明のサイドレールとスペーサーエキスパン
ダとの組合せは著しく耐摩耗性に優れた組合せで
あり、特にデイーゼル機関や高鉛ガソリン機関に
おいて使用せられた場合に効果を発揮するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図：オイルリングを示す断面図、第２図：
本発明サイドレールとスペーサーエキスパンダの
摩耗量を比較した実験結果を示す図、第３図：本
発明サイドレールの摩耗量を比較した実験結果を
示す図。符号の説明、１……サイドレール、３……スペ
ーサーエキスパンダ。

Claims

【特許請求の範囲】１母材の基地組織が焼戻しマルテンサイトであ
り、重量比でMo1.0〜1.3％、V0.07〜0.12％を含
み、かつ10μ以下で硬度HV1200〜1500である微
細粒状炭化物が面積比で３〜７％分散しており、
表面には全体硬度でHV1300〜1500の窒化化合物
層を2μ〜50μの厚さを有し、さらに前記窒化化合
物層下部には厚さ20μ以上の拡散層を有する軟窒
化を施したステンレス鋼製サイドレールと、母材
の基地組織がオーステナイトであり、重量％で
C0.15％以下、Si1.0％以下、Mn5.5〜7.5％、
Ni3.5〜5.5％、Cr16.0〜18.0％、残部Feと不可避
的不純物からなる組成の鋼であり、表面に2μ〜
50μの厚さを有し全体硬度でHV800〜1000の窒化
化合物層を有する軟窒化を施した鋼製スペーサエ
キスパンダとを組合たことを特徴とする組合せオ
イルリング。２前記サイドレールが重量％でC0.85〜0.95％、
Si1.0％以下、Mn1.0％以下、Cr17.0〜19.0％、
Mo1.0〜1.3％、V0.07〜0.12％、残部Feと不可避
的不純物からなる組成のマルテンサイト系ステン
レス鋼に軟窒化されてなることを特徴とする前記
特許請求の範囲第１項の組合せオイルリング。