KR100507424B1 - Piston ring excellent in resistance to scuffing, cracking and fatigue and method for producing the same, and combination of piston ring and cylinder block - Google Patents

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Abstract

피스톤 링에 사용되는 고크롬 마르텐사이트계 스테인레스강의 내스커핑성, 내크래킹성 및 내피로성을 개량한다.Improves scuffing resistance, cracking resistance and fatigue resistance of high chromium martensitic stainless steels used in piston rings.

스테인레스강은 C: 0.3 - 1.0%, Cr: 14.0 - 21.0%, N: 0.05 - 0.50%, Mo, V, W, Nb의 적어도 1 종류 이상의 합계: 0.03 - 3.0%, Si: 0.1 - 1.0%, Mn: 0.1 - 1.0%, P: 0.05% 이하, S: 0.05% 이하, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 슬라이딩 질화층 표면의 주로 질화물로 이루어진 경질 입자가 평균 입경으로 0.5 - 2㎛ 범위, 최대 입경으로 7㎛ 이하, 면적율로 5 - 30% 범위이다.Stainless steel is C: 0.3-1.0%, Cr: 14.0-21.0%, N: 0.05-0.50%, total of at least one or more of Mo, V, W, and Nb: 0.03-3.0%, Si: 0.1-1.0%, Mn: 0.1-1.0%, P: 0.05% or less, S: 0.05% or less, the balance consists of Fe and unavoidable impurities, and the hard particles composed mainly of nitride on the surface of the sliding nitride layer have a mean particle diameter in the range of 0.5-2 µm, It is 7 micrometers or less in maximum particle diameter, and 5-30% of area ratio.

Description

내스커핑성, 내크래킹성 및 내피로성이 우수한 피스톤 링 및 그 제조방법 그리고 피스톤 링과 실린더 블록의 조합 {PISTON RING EXCELLENT IN RESISTANCE TO SCUFFING, CRACKING AND FATIGUE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME, AND COMBINATION OF PISTON RING AND CYLINDER BLOCK}Piston ring with excellent scuffing resistance, cracking resistance and fatigue resistance, and a method for manufacturing the same AND CYLINDER BLOCK}

본 발명은 내연기관에 사용되는 피스톤 링에 관한 것으로, 특히 내스커핑성(내스티킹성), 내크래킹성(내결손성) 및 내피로성이 우수한 고크롬 마르텐사이트계 스테인레스강제 질화 피스톤 링 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a piston ring for use in an internal combustion engine, and in particular, a high chromium martensitic stainless steel nitride piston ring having excellent scuffing resistance (sticking resistance), cracking resistance (fault resistance) and fatigue resistance and its manufacture It is about a method.

최근 내연기관의 저연비화, 경량화, 고성능화가 요구되며, 따라서 피스톤 링에서도 경량화 및 고회전화에 따른 피스톤 링의 박육화를 위해 내마모성, 내스커핑성, 내피로성 등의 특성 향상이 요구되고, 특히 내피로성이나 내열성 관점에서 종래의 주철제 피스톤 링이 강제(鋼製) 피스톤 링으로 대체되어 왔다. 강제 피스톤 링은 주철제 피스톤 링에 비해 내스커핑성이 떨어지기 때문에 통상 슬라이딩면에 어떠한 표면 처리가 실시되어 있다. 피스톤 링용 강재는 조합되는 표면 처리의 종류에 따라 탄소강, 실리콘 크롬강 및 마르텐사이트계 스테인레스강으로 크게 나뉘고, 주로 탄소강과 실리콘 크롬강에서는 크롬 도금이, 마르텐사이트계 스테인레스강에서는 가스 질화가 실시되고 있다. 종래의 강제 피스톤 링에서는 크롬 도금을 실시하는 것이 대부분이었으나, 고부하에서 도금층의 스커핑 문제나 폐액 처리의 환경문제 등 때문에 최근에는 질화 피스톤 링이 주류를 이루고 있다.Recently, low fuel consumption, light weight, and high performance of internal combustion engines are required. Accordingly, in order to reduce the weight of piston rings due to light weight and high rotation, the piston ring needs to be improved in characteristics such as wear resistance, scuffing resistance, fatigue resistance, and the like. In view of heat resistance, conventional cast iron piston rings have been replaced by steel piston rings. Since steel piston rings are less inferior in scuffing resistance compared to cast iron piston rings, some surface treatment is usually applied to the sliding surfaces. Steels for piston rings are largely divided into carbon steel, silicon chromium steel, and martensitic stainless steel according to the type of surface treatment to be combined, mainly chromium plating in carbon steel and silicon chromium steel, and gas nitriding in martensitic stainless steel. In the conventional steel piston ring, chromium plating is mostly performed, but in recent years, nitriding piston rings have become the mainstream due to scuffing of the plating layer at high loads and environmental problems of waste liquid treatment.

고크롬 마르텐사이트계 스테인레스강에서는 C: 0.80 - 0.95%, Cr: 17.0 - 18.0%, Si: 0.25 - 0.50%, Mn: 0.25 - 0.40%, Mo: 0.70 - 1.25%, V: 0.07 - 0.15%, Fe: 잔부의 조성을 갖는 JIS SUS440B 상당재가 질화 피스톤 링에 사용되는 주요 강종이다. 이 조성을 갖는 강에 질화 처리를 실시하면 질소원자가 표면에서 강중으로 침투되고 확산되어 질화층을 형성한다. 질화층 중의 질화물은 주로 Cr, V, Mo와의 화합물 또는 Fe를 고용(固溶)한 이들의 화합물이다. 특히, 강중에 많이 함유되어 있는 Cr은 기지 중에 고용하는 것 이외에 Cr 탄화물로서 존재하는데, 탄소보다 질소와의 친화력이 크기 때문에 질화 처리에 의해 표면에서 확산되는 질소와 Cr 탄화물이 반응하여 Cr 질화물이 생성된다. SUS440B 상당재는 Cr이 17.0-18.0%로 많기 때문에, 상기 기술한 이유에 의해 단단한 Cr 질화물이 적당한 면적율로 분산된 비교적 높은 경도의 질화층을 얻을 수 있고, 우수한 내마모성, 내스커핑성을 나타낸다.In high chromium martensitic stainless steel, C: 0.80-0.95%, Cr: 17.0-18.0%, Si: 0.25-0.50%, Mn: 0.25-0.40%, Mo: 0.70-1.25%, V: 0.07-0.15%, Fe: JIS SUS440B equivalent material which has a composition of remainder is a main steel grade used for a nitride piston ring. When nitriding is performed on a steel having this composition, nitrogen atoms penetrate into the steel from the surface and diffuse to form a nitride layer. The nitride in the nitride layer is mainly a compound with Cr, V, Mo, or a compound thereof in which Fe is dissolved. In particular, Cr, which is contained in a lot of steel, exists as Cr carbide in addition to solid solution in the base.Since the affinity with nitrogen is greater than that of carbon, nitrogen and Cr carbide, which are diffused from the surface by nitriding, react to form Cr nitride. do. Since SUS440B equivalent material has Cr as many as 17.0-18.0%, the nitride layer of the comparatively high hardness by which hard Cr nitride was disperse | distributed by moderate area ratio can be obtained for the reason mentioned above, and shows the outstanding wear resistance and scuffing resistance.

최근에는 피스톤 링용 마르텐사이트계 스테인레스 질화강으로서, 일본 공개특허공보 평11-80907호에, Cr이 5.0 이상 12.0 미만으로 약간 낮아도 Si: 0.25% 이하, Mn: 0.30% 이하, Mo, W, V, Nb의 1 종류 또는 2 종류 이상: 0.3 - 2.5% 또는 Cu: 4.0% 이하, Ni: 2.0% 이하, Al: 1.5% 이하를 함유함으로써 우수한 내스커피성을 얻을 수 있음이, 일본 공개특허공보 평11-106874호에는, 조직 중에 존재하는 M7C3형 탄화물의 함유량을 면적 %로 4.0% 이하로 함으로써 내스커핑성에 추가로 우수한 가공성을 겸비한 피스톤 링 재료를 얻을 수 있음이 개시되어 있다.Recently, as martensitic stainless nitride steel for piston rings, in Japanese Unexamined Patent Publication No. 11-80907, even if Cr is slightly lower than 5.0 to less than 12.0, Si: 0.25% or less, Mn: 0.30% or less, Mo, W, V, Nb It is known that excellent coffee resistance can be obtained by containing one or two or more kinds: 0.3-2.5% or Cu: 4.0% or less, Ni: 2.0% or less, Al: 1.5% or less. 106874 discloses that a piston ring material having excellent workability in addition to scuffing resistance can be obtained by setting the content of M 7 C 3 type carbide present in the structure to 4.0% or less in area%.

그러나, 이와 같이 우수한 내마모성, 내스커피성을 나타내는 질화 피스톤 링도 고회전, 고출력의 부하가 높은 내연기관에 사용되면 스커핑을 일으키는 문제가 발생하게 된다. 특히, 최근 디젤엔진에서는 경량화와 비용 저감 관점에서 종래의 라이너를 실린더 블록에 끼워넣는 방식에서 보어 간격이 좁은 주철 모노블록 방식으로 변경하는 방향이, 그리고 배기가스 정화나 고출력화 관점에서 연소압력을 증가시키는 방향이 있다. 주철 모노블록에서는 피스톤 링과의 슬라이딩면의 현미경 조직은 냉각속도의 불균일성으로 인해 흑연의 분산상태의 편차가 크고, 또 스커핑의 원인이 되는 연한 페라이트상이 편재하게 된다. 이와 같은 현미경 조직을 갖는 실린더면과 마르텐사이트계 스테인레스강제 질화 피스톤 링을 조합한 경우, 운전 초기에 스커핑을 잘 일으키게 된다. 그 원인은 다음과 같다. 즉, 실린더면을 호닝 가공하면, 편재되어 있는 페라이트에 의해 숫돌의 로딩이 잘 일어나 호닝 후의 실린더면 조도가 거칠어지기 쉬운 것, 흑연이 소성 유동된 페라이트에 의해 덮여 결과적으로 흑연의 면적율을 하강시키고 흑연에 의한 윤활작용 및 오일 저장 기능이 저하되는 것, 그리고 연소압력이 높은 경우에는 피스톤 링에 가해지는 배압도 증가하는 것이다. 이 스커핑은 피스톤 링 외주면의 슬라이딩 방향에 수직인 크랙 발생에 의한 것이 대부분이고, 그 크랙은 피스톤 링 슬라이딩면의 질화층의 결정 입계에 형성되는 표면에 거의 평행하고 비교적 조대한 입계 층상화합물(당업자는 갈매기상(相)이라고도 함)을 따라 관찰된다.However, the nitride piston ring exhibiting such excellent wear resistance and coffee resistance also causes a problem of scuffing when used in an internal combustion engine with high rotation and high output load. In particular, in the case of diesel engines, the direction of changing the conventional liner from the method of inserting the conventional liner into the cylinder block from the viewpoint of weight reduction and cost reduction, and the combustion pressure from the viewpoint of purifying exhaust gas or increasing the output of the exhaust gas are increased. There is a direction to let. In the cast iron monoblock, the microscopic structure of the sliding surface with the piston ring has a large variation in the dispersion state of the graphite due to the nonuniformity of the cooling rate, and the soft ferrite phase that causes scuffing is ubiquitous. When the cylinder surface having such a microscopic structure and the martensitic stainless steel nitride piston ring are combined, scuffing occurs well at the beginning of operation. The causes are as follows. That is, when the cylinder surface is honed, the loading of the grindstone is easily caused by localized ferrite, and the roughness of the cylinder surface after honing is likely to be rough.The graphite is covered by the plastic flow, and consequently, the area ratio of graphite is lowered. Deterioration of lubrication and oil storage function and, in the case of high combustion pressure, back pressure on the piston ring also increases. Most of this scuffing is caused by cracks perpendicular to the sliding direction of the piston ring outer circumferential surface, and the cracks are almost parallel to the surface formed at the grain boundaries of the nitride layer of the piston ring sliding surface, and are relatively coarse grain boundary layered compounds. Is also known as the seagull phase).

이들 문제에 대해서는 추가로 내마모성, 내스커핑성이 우수한 이온 플레이팅에 의한 TiN, CrN 등의 표면 처리로 대응하고 있는데, 질화 처리에 비해 제조 비용이 비싸기 때문에 비용 효율 관점에서는 사용자를 만족시키지 못한다.These problems are further addressed by surface treatments such as TiN and CrN by ion plating, which have excellent wear resistance and scuffing resistance. However, the manufacturing cost is higher than that of nitriding, which does not satisfy the user in terms of cost efficiency.

따라서, 본 발명의 목적은 고회전, 고연소압화이고 부하가 높은 내연기관, 특히 앞으로 증가할 것으로 보이는 경량의 주철 모노블록을 채택한 디젤엔진에 사용되어도 마모, 스커핑, 크래킹, 피로 절손의 문제를 일으키지 않고, 또한 비용 효율도 우수한 고크롬 마르텐사이트계 스테인레스강제 질화 피스톤 링을 제공하는 것이다. 특히, 본 발명은 고크롬 마르텐사이트계 스테인레스강의 질화층 중의 경질 입자, 특히 질화물의 치수와 분포를 조절하고, 또 입계 층상화합물의 크기를 작게 하여 이들 화합물과 관련된 균열 발생과 전파를 억제하는 것을 목적으로 한다. 그리고, 본 발명은 고크롬 마르텐사이트계 스테인레스강 피스톤 링의 제조방법을 제공하는 것이다.Therefore, the object of the present invention is not to cause problems of wear, scuffing, cracking and fatigue, even when used in high-speed, high-combustion, high-load internal combustion engines, especially diesel engines employing lightweight cast iron monoblocks that are expected to increase in the future. The present invention also provides a high chromium martensitic stainless steel nitride piston ring which is excellent in cost efficiency. In particular, it is an object of the present invention to control the size and distribution of hard particles, especially nitrides, in nitride layers of high chromium martensitic stainless steel, and to reduce the size of grain boundary layered compounds to suppress cracking and propagation associated with these compounds. It is done. The present invention also provides a method for producing a high chromium martensitic stainless steel piston ring.

도 1은 슬라이딩 질화층 표면의 주사 전자현미경의 반사전자상 사진으로, 도 1 의 (a)는 실시예 1에 상당하고, 도 1 의 (b)는 비교예 1에 상당한다.Fig. 1 is a reflection electron image of a scanning electron microscope on the surface of a sliding nitride layer, in which Fig. 1 (a) corresponds to Example 1 and Fig. 1 (b) corresponds to Comparative Example 1.

도 2는 질화층 단면의 광학현미경 사진으로, 도 2 의 (a)는 실시예 1에 상당하고, 도 2 의 (b)는 비교예 1에 상당한다.2 is an optical micrograph of a cross section of a nitride layer, in which FIG. 2A corresponds to Example 1, and FIG. 2B corresponds to Comparative Example 1. FIG.

도 3은 스커핑 시험의 시험편을 나타내는 도면이다.It is a figure which shows the test piece of a scuffing test.

도 4는 마찰마모 시험기의 동작기구를 나타내는 도면이다.4 is a view showing an operating mechanism of the friction wear tester.

도 5는 피스톤 링 피로 시험기의 동작기구를 나타내는 도면이다.It is a figure which shows the operation mechanism of a piston ring fatigue tester.

도 6은 피로한도 선도의 그래프이다.6 is a graph of fatigue limit diagrams.

도 7은 비교예 13의 슬라이딩면에 발생한 크랙 사진이다.7 is a crack photograph generated on the sliding surface of Comparative Example 13. FIG.

발명의 개시Disclosure of the Invention

「자동차용 피스톤 링」 자동차용 피스톤 링 편집위원회, 산카이도, p.188, 1997년에 따르면, 피스톤 링의 스커핑은 슬라이딩면의 미세한 요철의 돌기부(특히, 연질상의 돌기부)에 집중 부하가 가해지고 마찰열에 의해 온도가 상승되어 이상한 연화 용융이 일어나기 때문으로 설명되어 있다.Piston Rings for Automobiles According to the Automotive Piston Rings editorial committee, Sankaido, p.188, 1997, the scuffing of piston rings places concentrated loads on the minute uneven protrusions (especially soft protrusions) of the sliding surface. This is explained by the fact that the temperature rises due to the high frictional heat and abnormal softening and melting occurs.

고크롬 마르텐사이트계 스테인레스 질화강의 질화층 조직은 일반적으로 뜨임 마르텐사이트의 기지 중에 주로 경질 질화물이 분산된 형태로 된다. 스커핑은 그 메카니즘에서 슬라이딩면의 미세한 요철, 즉 상대적으로 연한 기지 중에 분산되어 있는 경질 입자의 크기와 분산상태에 크게 관계되어 있다. 이와 같은 조직을 갖는 표면층은 그 단면을 관찰하면, 볼록형 경질 입자가 상대되는 슬라이딩면과 접촉하여 비교적 연한 기지가 상대적으로 오목형으로 된다. 즉, 질화강이 상대재와 직접 접촉되는 확률은 감소하고 또 오목부에 윤활유 막이 형성되어 슬라이딩시에는 그 오일막에 압력이 발생함으로써 접촉압력을 경감시키는 동시에 볼록형 접촉부분으로 윤활시켜 스커핑 발생을 방지할 수 있다. 이와 같은 메카니즘으로 볼록형 경질 입자로서의 작용 효과를 발휘하기 위해서는 서브미크론에서 수미크론 크기의 입경이 필요하고, 또 그 분산량이 면적율로 5% 이상인 것이 바람직하다. 경질 입자가 극도로 작은 경우 또는 분산량이 적은 경우에는, 상기 볼록형 경질 입자의 작용 효과에 의한 메카니즘은 기대할 수 없다.The nitride layer structure of high chromium martensitic stainless steel is generally in the form of hard nitrides dispersed in the matrix of tempered martensite. Scuffing is largely related to the fine irregularities of the sliding surface in the mechanism, that is, the size and dispersion state of the hard particles dispersed in the relatively soft matrix. When the surface layer having such a structure is observed in the cross section, the soft layer becomes relatively concave in contact with the sliding surface to which convex hard particles face. That is, the probability that the nitride steel is in direct contact with the counterpart is reduced, and a lubricating oil film is formed in the concave portion, and when sliding, pressure is generated in the oil film to reduce the contact pressure and lubricate the convex contact to prevent scuffing. can do. In order to exhibit the effect as a convex hard particle by such a mechanism, it is preferable that the particle size of submicron to several micron size is needed, and the dispersion amount is 5% or more by area ratio. In the case where the hard particles are extremely small or the amount of dispersion is small, the mechanism due to the action effect of the convex hard particles cannot be expected.

그러나, 이와 같은 스커핑 방지 메카니즘은 상대재의 슬라이딩면의 상황에 따라서도 좌우된다. 상기 기술한 바와 같은 불균질 조직을 갖는 주철 모노블록에서는 숫돌 가공에 의해 실린더면의 면 조도가 거칠어지기 쉬운 것 또는 페라이트상의 소성 유동에 의해 흑연이 막히는 경우가 많다. 이와 같은 주철도 적당한 슬라이딩(당업자간에는 「길들이기」이라고도 함)에 의해 다음과 같은 현상이 일어난다. 즉, 실린더 내주면의 거친 표면이 평활화되어 페라이트상으로 막혀 있던 흑연이 개구된다. 길들이기가 완료될 때까지의 기간에는 슬라이딩면의 오일막이 잘 끊기고 이 때문에 큰 마찰력이 피스톤 링의 외주면에 반복적으로 부하된다. 그래서, 피스톤 링의 외주면의 질화층에는 마찰력에 의한 반복 응력에 의해 슬라이딩 방향에 직각인 방향으로 크랙이 발생하여 확대된다. 실린더 내주면의 길들이기 진행과 함께 부하되는 응력은 경감되어 가지만, 크랙은 시간 경과와 함께 진전되어 국부적인 표면 박리나 결여, 그리고 실린더 내주면의 흠집, 이것들이 원인이 되어 스커핑을 잘 유발시킨다. 질화층 중에 존재하는 입계화합물은 매우 취성이기 때문에 크랙 발생이나 진전을 조장한다. 따라서, 이와 같은 초기 스커핑을 방지하기 위해서는, 질화층의 주로 Cr 질화물로 이루어진 경질 입자를 적정한 크기로 균일하고 많이 분산시킴으로써 기지와 실린더의 접촉 확률을 저감시키는 동시에 특히 질화 처리로 생성되는 입계화합물을 미세하게 함으로써 입계화합물에 관계되는 크랙 발생을 억제하고, 또 크랙이 발생하여도 그 전파를 세밀하게 분단(分斷)하여 확대를 방지하는 것이 필요 불가결함을 본 발명자들은 발견하였다.However, such a scuffing prevention mechanism also depends on the situation of the sliding surface of the counterpart. In the cast iron monoblock having an inhomogeneous structure as described above, the surface roughness of the cylinder surface tends to be roughened by grinding wheel, or graphite is often blocked by the plastic flow of ferrite phase. Such cast iron also causes the following phenomenon due to proper sliding (also referred to as "breaking in" among those skilled in the art). In other words, the rough surface of the inner circumferential surface of the cylinder is smoothed and the graphite blocked by the ferrite phase is opened. In the period until the break-in is completed, the oil film on the sliding surface breaks well, and a large friction force is repeatedly loaded on the outer circumferential surface of the piston ring. Thus, cracks are generated and enlarged in the nitride layer on the outer circumferential surface of the piston ring in a direction perpendicular to the sliding direction due to the cyclic stress caused by the frictional force. The stresses that are loaded with the break-in of the cylinder's inner circumference are reduced, but the cracks develop over time, causing local surface peeling or lack, and the flaws of the cylinder's inner circumference, which cause scuffing. The grain boundary compounds present in the nitride layer are very brittle and thus promote crack generation and growth. Therefore, in order to prevent such initial scuffing, by uniformly and widely dispersing hard particles mainly composed of Cr nitrides of the nitride layer in an appropriate size, the contact probability between the matrix and the cylinder is reduced, and in particular, the grain boundary compound produced by the nitriding treatment is removed. The present inventors have found that it is necessary to suppress the occurrence of cracks related to grain boundary compounds and to prevent the expansion by finely dividing the propagation even when cracks occur.

또한, 고크롬 마르텐사이트계 스테인레스강에서는 용강이 응고될 때 공정(共晶) Cr 탄화물(η상: (Cr,Fe)7C3)이 초정(初晶) 오스테나이트(γ상) 입계에 석출된다. 열간 압연이나 구상화 열처리, 최종 담금질/뜨임 열처리 후에도 최대 크기(길이)가 20㎛를 초과하는 Cr 탄화물이 관찰된다. 이 조대 1차 공정 탄화물의 미세화에 관해서는, 철과 강, Vol.82, No.4, p.309-314(1996)에, 질소(N)를 0.25% 이상 첨가함으로써 미세한 Cr 탄화물 조직을 얻을 수 있음이 보고되어 있다. 이 보고에 따르면, 초정 γ 입계의 공정 Cr 탄화물이 소실되고, 대신에 라멜라상 M23C6 및 M2N(M: Cr,Fe)이 초정 γ 입계 주위에 석출되고, 이들 라멜라상으로 석출된 M23C6 및 M2N은 열간 압연으로 미세하게 분단되고, 그 다음의 구상화 소둔에서 미세한 M23C6이 M2N과 다른 사이트에서 새로 석출되기 때문에, 전체적으로 미세한 Cr 탄화물 조직이 되는 것으로 설명되어 있다. 열처리, 36권, 4호, p.234-238(1996)에도, 0.25% N을 첨가한 16.5% Cr-0.65% C 마르텐사이트계 스테인레스강의 기계적 성질에 대해서 N 첨가량의 증가에 따라 최고 담금질 경도를 나타내는 온도가 저온측으로 시프트되는 것, 연성이 증가되는 것이 보고되어 있고, 그 이유로 담금질 온도가 높을수록 오스테나이트상 중에 고용되는 N 량이 증가하고 오스테나이트상이 안정화되기 때문으로 설명되어 있다.Also, in high chromium martensitic stainless steels, eutectic Cr carbide (η phase: (Cr, Fe) 7 C 3 ) precipitates at the primary austenite grain boundary when molten steel solidifies. do. Cr carbides with a maximum size (length) of more than 20 μm are observed even after hot rolling, spheroidizing heat treatment and final quenching / tempering heat treatment. Regarding the refinement of the coarse primary eutectic carbide, fine Cr carbide structures are obtained by adding 0.25% or more of nitrogen (N) to iron and steel, Vol. 82, No. 4, p. 309-314 (1996). Can be reported. According to this report, the process Cr carbide of the primary γ grain boundary is lost, and instead, lamellar phases M 23 C 6 and M 2 N (M: Cr, Fe) are precipitated around the primary γ grain boundary and precipitated into these lamellar phases. M 23 C 6 and M 2 N are finely divided by hot rolling, and in the subsequent spheroidization annealing, fine M 23 C 6 is newly precipitated at the site different from M 2 N, so that it becomes a totally fine Cr carbide structure. It is. Heat treatment, Vol. 36, No. 4, p.234-238 (1996) also showed the highest quenching hardness with increasing N content for the mechanical properties of 16.5% Cr-0.65% C martensitic stainless steel with 0.25% N. It is reported that the indicated temperature is shifted to the low temperature side and the ductility is increased, and the reason is that the higher the quenching temperature, the higher the amount of N dissolved in the austenite phase and the austenite phase is stabilized.

일본 공개특허공보 평9-289053호나 일본 공개특허공보 평9-287058호에는, 이들 N 첨가에 따른 Cr 탄화물의 미세화 기술을 이용한 구름 베어링에 대해서 개시되어 있다.Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 9-289053 and Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 9-287058 disclose a rolling bearing using a technique for miniaturizing Cr carbides by adding these N.

본 발명자들은 상기 기술한 스커핑의 메카니즘에 대해 고찰하고, 또 크랙이 관찰되고 있는 피스톤 링 슬라이딩면의 질화층의 결정 입계에 형성되는 표면에 거의 평행하고 비교적 조대한 입계 층상화합물에 대해서 N 첨가에 따른 Cr 탄화물의 미세화 기술을 배경으로 예의 연구한 결과, 질화층 중의 질화물이 미세하고 많이 존재하며, 특히 질화층 중의 입계 층상화합물이 미세해지는 현미경 조직으로 함으로써, 고회전, 고출력이고 고연소압의 부하가 높은 내연기관, 특히 최근의 경량 주조 모노블록 디젤엔진 등에 사용되어도 내마모성, 내스커핑성, 내크래킹성, 내피로성이 우수한 고크롬 마르텐사이트계 스테인레스강제 질화 피스톤 링을 얻을 수 있음을 발견하였다.The present inventors have considered the above-mentioned scuffing mechanism, and the addition of N to the grain boundary layered compound that is substantially parallel to the surface formed at the grain boundary of the nitride layer of the piston ring sliding surface where cracks are observed. As a result of intensive research on the background of the micro-crystallization of Cr carbide, the microstructure of the nitride layer has a lot of nitrides, and the grain boundary layer compound in the nitride layer is fine. It has been found that high chromium martensitic stainless steel nitride piston rings excellent in abrasion resistance, scuffing resistance, cracking resistance, and fatigue resistance can be obtained even when used in high internal combustion engines, especially in light weight cast monoblock diesel engines.

즉, 본 발명의 고크롬 마르텐사이트계 스테인레스강제 질화 피스톤 링은, 고크롬 마르텐사이트계 스테인레스강이 중량%로 C: 0.3 - 1.0%, Cr: 14.0 - 21.0%, N: 0.05 - 0.50%, Mo, V, W, Nb의 적어도 1 종류 이상의 합계를 0.03 - 3.0%, Si: 0.1 - 1.0%, Mn: 0.1 - 1.0%, P: 0.05% 이하, S: 0.05% 이하, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고, 그 슬라이딩 질화층 표면의 주로 질화물로 이루어진 질화물, 탄화물, 탄질화물의 경질 입자가 평균 입경으로 0.5 - 2㎛ 범위, 최대 입경으로 7㎛ 이하, 면적율로 5 - 30% 범위인 것을 특징으로 한다. 또, 피스톤 링의 길이방향의 질화층 단면에서 관찰되는 입계화합물의 크기(길이)가 최대 20㎛ 이하인 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 조직적 특징을 갖는 슬라이딩면 질화층의 경도는 비커스 경도가 900 - 1400 범위로 하는 특성을 가지며, 그 질화층 깊이는 질화 처리를 실시한 표면에서 충분한 두께를 갖는 것을 특징으로 한다.That is, in the high chromium martensitic stainless steel nitride piston ring of the present invention, the high chromium martensitic stainless steel nitride ring has a weight percentage of C: 0.3-1.0%, Cr: 14.0-21.0%, N: 0.05-0.50%, Mo At least one sum of V, W, and Nb of at least 0.03-3.0%, Si: 0.1-1.0%, Mn: 0.1-1.0%, P: 0.05% or less, S: 0.05% or less, the balance of Fe and unavoidable impurities Hard particles of nitrides, carbides, and carbonitrides mainly composed of nitrides on the surface of the sliding nitride layer, having an average particle diameter in the range of 0.5-2 µm, a maximum particle diameter of 7 µm or less, and an area ratio of 5-30%. It is done. Moreover, the magnitude | size (length) of the grain boundary compound observed in the cross section of the nitride layer of the longitudinal direction of a piston ring is characterized by the maximum 20 micrometers or less. In addition, the hardness of the sliding surface nitride layer having the above-described structural characteristics is characterized in that the Vickers hardness is in the range of 900-1400, the depth of the nitride layer has a sufficient thickness on the surface subjected to the nitriding treatment.

본 발명의 고크롬 마르텐사이트계 스테인레스강제 질화 피스톤 링의 제조방법은, 먼저 소정의 조성을 갖는 강을 용해시키고 질소 첨가하여 잉곳으로 주조한 후, 열간 압연, 소둔, 냉간 와이어 드로잉, 냉간 압연하여 소정의 피스톤 링 단면형상에 가까워지고 담금질, 뜨임을 실시하여 선재로 만든다. 그 선재를 링 형상으로 굽힘 가공하고, 응력제거 열처리, 측면 조연삭, 질화, 표면화합물층의 제거, 이음매 간극의 연삭, 측면 마무리 연삭, 외주 러핑 등의 공정을 거쳐 피스톤 링이 제조되는데, 그 중 피스톤 링에 굽힘 가공하기 전의 담금질 공정에서 850 - 1000℃라는 고크롬 마르텐사이트계 스테인레스강으로서는 비교적 낮은 온도에서 담금질함으로써 미세하고 되도록 많은 탄화물이 분산된 재료 조직을 얻는다. 또, 질화는 가스 질화, 이온 질화, 라디칼 질화를 이용할 수 있으며, 모두 450 - 600℃ 범위에서 1 - 20 시간 동안 처리한다.In the method for producing a high chromium martensitic stainless steel nitride piston ring of the present invention, first, a steel having a predetermined composition is dissolved, added with nitrogen, and cast into an ingot, followed by hot rolling, annealing, cold wire drawing, and cold rolling to provide a predetermined method. Piston ring is close to the cross-sectional shape and hardened and tempered to make a wire. The piston ring is bent into a ring shape, and a piston ring is manufactured through stress relief heat treatment, side rough grinding, nitriding, surface compound layer removal, seam gap grinding, side finish grinding, and outer roughing. In the quenching process before bending to the ring, the high chromium martensitic stainless steel at 850-1000 ° C. is quenched at a relatively low temperature to obtain a fine and as much carbide-dispersed material structure. In addition, nitriding may use gas nitriding, ion nitriding, radical nitriding, and all are treated for 1-20 hours in the 450-600 ° C range.

다음에, 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명의 고크롬 마르텐사이트계 스테인레스강의 성분에 대해서 설명하면, 먼저 C는 Fe에 침입형으로 고용되어 기지 경도를 향상시키는 동시에, Cr, Mo, V, W, Nb와 쉽게 화합하여 탄화물을 생성하기 쉽다. 질화 처리에 의해 질화층 중의 탄화물은 주로 질화물로 바뀌어 피스톤 링의 슬라이딩면에서 내마모성이나 내스커핑성을 향상시킨다. C가 0.3% 미만인 경우에는 경도 상승이나 탄화물의 생성이 적고, 1.0%를 초과하면 용강의 응고시에 조대하고 다량의 공정 Cr 탄화물(η상:M7C3)이 정출되어 이후의 선재 제조에서 가공성이 극도로 저하되므로 C는 0.3-1.0% 범위로 한다. 바람직하게는 0.4-0.9% 범위로 한다.Next, the present invention will be described in detail. Referring to the components of the high chromium martensitic stainless steel of the present invention, first, C is solid-dissolved into Fe to improve the known hardness, and at the same time easily combine with Cr, Mo, V, W, and Nb to form carbides. easy. By nitriding, carbides in the nitride layer are mainly converted to nitrides to improve wear resistance and scuffing resistance on the sliding surface of the piston ring. If C is less than 0.3%, there is little increase in hardness or formation of carbides. If it exceeds 1.0%, coarse molten steel is solidified and a large amount of eutectic Cr carbide (η phase: M 7 C 3 ) is determined to be used in subsequent wire production. C is in the range of 0.3-1.0% because workability is extremely degraded. Preferably it is 0.4-0.9% of range.

Cr은 Fe에 치환형으로 고용되기 때문에 내식성 향상 이외에 고용 강화에 의해 내열침강성을 향상시킨다. 여기서, 열침강이란 피스톤 링을 고온에서 사용하는 중에 크리프 현상에 의한 장력 저하에 따라 시일 특성이 열화되는 현상을 말한다. 또한, 강중의 C와 반응하여 Cr 탄화물을 형성한다. 이 Cr 탄화물은 질화 처리로 표면에서 침입하는 N과 쉽게 반응하여 질화층 내에서는 CrN으로 되어 경질 입자로서 분산된다. 질화층 중의 이 경질 입자는 피스톤 링 슬라이딩면의 내마모성이나 내스커핑성을 현저히 향상시킨다. Cr 량이 14% 미만인 경우에는 Cr 화합물의 형성이 적고, 21% 를 초과하면 δ 페라이트 생성에 의한 인성 저하나 기지 중의 Cr 농도가 너무 높아져 Ms(마르텐사이트 변태 개시온도)를 내려 충분한 담금질 경도를 얻을 수 없게 되는 경우가 있으므로, Cr 량은 14 - 21% 범위로 한다. 바람직하게는 16 - 19% 범위로 한다.Since Cr is solid-dissolved in Fe, it improves heat sedimentation resistance by strengthening solid solution in addition to improving corrosion resistance. Here, the thermal sedimentation refers to a phenomenon in which the seal property deteriorates due to a decrease in tension caused by a creep phenomenon while the piston ring is used at a high temperature. It also reacts with C in the steel to form Cr carbide. This Cr carbide easily reacts with N which penetrates from the surface by nitriding treatment, and becomes CrN in the nitride layer and is dispersed as hard particles. These hard particles in the nitride layer significantly improve the wear resistance and scuffing resistance of the piston ring sliding surface. If the amount of Cr is less than 14%, the formation of Cr compound is small, and if it exceeds 21%, the toughness due to δ ferrite generation or the Cr concentration in the matrix becomes too high, leading to a decrease in Ms (martensite transformation start temperature) to obtain sufficient hardening hardness. Since there is a case where it is not, the amount of Cr is made into 14 to 21% of range. Preferably it is 16-19% of range.

N은 C와 동일하게 Fe에 침입형으로 고용된다. N을 첨가함으로써 예컨대 Fe-Cr-C계 상태도의 17% Cr 등 농도 단면의 공정선의 좌측단의 C 농도가 응고 과정에서 초정 입계에 존재하는 농화(濃化) 용강의 C 농도보다 높은 농도측으로 시프트되기 때문에 공정 반응이 억제되고, 따라서 η상의 석출이 억제된다. 그 다음의 냉각과정에서 과포화된 C, N이 라멜라상 M23C6 및 M2N 석출물로서 초정 γ 입계 주위에 석출된다. N이 0.05% 미만인 경우에는 η상이 석출되고, 또 0.50%를 초과하면 봉상 M2N 석출량이 증가되어 인성이 저하되므로, N은 0.05 - 0.50% 범위로 한다. 바람직하게는 0.10 - 0.30% 범위로 한다. 또한, 기지 중으로의 N 고용은 기지 중의 C 확산을 저해하고, 입계화합물(최종적으로는 Fe3N으로 변화하는 Fe3C 형성에서)의 미세화에도 공헌한다. N 첨가는 0.2% 이하이면 상압(常壓)에서 첨가할 수 있고, 0.2%를 초과하면 가압 N2 분위기 중에서 용제를 필요로 한다. 즉, N 첨가의 관점에서는 0.05 - 0.20% 범위가 바람직하다.N is solidly dissolved in Fe in the same manner as C. By adding N, the C concentration at the left end of the process line of the concentration cross section, such as 17% Cr in the Fe-Cr-C phase diagram, shifts to the concentration side higher than the C concentration of the thickened molten steel present at the initial grain boundary during the solidification process. Therefore, process reaction is suppressed and precipitation of (eta) phase is suppressed therefore. In the subsequent cooling, supersaturated C, N precipitates around the primary γ grain boundaries as lamellar phase M 23 C 6 and M 2 N precipitates. When N is less than 0.05%, the η phase precipitates, and when it exceeds 0.50%, the amount of precipitation of rod-shaped M 2 N increases and the toughness decreases, so that N is in the range of 0.05-0.50%. Preferably it is 0.10 to 0.30% range. In addition, employment of N base into inhibits the C diffusion in the base, and contributes to the refinement of the grain boundary compound (finally Fe 3 C in the form of changes in Fe 3 N). N is added requires a solvent in a pressurized N 2 atmosphere, if may be added at normal pressure is less than 0.2% (常壓), exceeds 0.2%. That is, the range of 0.05-0.20% is preferable from the viewpoint of N addition.

Mo, V, W, Nb는 모두 탄화물 생성원소로서 내마모성이나 내스커핑성을 향상시킨다. 또, Mo는 뜨임이나 질화 처리에서 연화를 방지하는 작용이 있고, 피스톤 링의 치수안정성에 중요한 역할을 한다. V는 질화 촉진원소로서 질화층의 경도를 향상시키는 효과가 있다. 따라서, 어떤 원소나 피스톤 링에 요구되는 모든 성능을 향상시키므로 유용하지만, Mo, V, W, Nb의 적어도 1 종류 이상의 합계가 0.03% 미만이면 그 효과가 거의 없고, 3%를 초과하면 가공성을 현저히 저해하고 또 인성을 저하시키므로 Mo, V, W, Nb의 적어도 1 종류 이상의 합계는 0.03 - 3.0% 범위로 한다.Mo, V, W, and Nb are all carbide generating elements, improving abrasion resistance and scuffing resistance. In addition, Mo has a function of preventing softening in tempering and nitriding treatment, and plays an important role in the dimensional stability of the piston ring. V has the effect of improving the hardness of the nitride layer as a nitride promotion element. Therefore, it is useful because it improves all the performances required for any element or piston ring, but if the sum of at least one or more of Mo, V, W, and Nb is less than 0.03%, the effect is almost insignificant. Since it inhibits and reduces toughness, the sum total of at least 1 or more types of Mo, V, W, and Nb shall be 0.03-3.0% of range.

Si는 탈산제로서 첨가되고, 또 Fe 중에 고용되어 뜨임 연화 저항성을 높여 소위 내열침강성을 개선시킨다. 0.1% 미만인 경우에는 그 효과가 적고, 1.0%를 초과하면 인성을 저하시키므로 Si는 0.1 - 1.0% 범위로 한다.Si is added as a deoxidizer and solid-solution in Fe improves temper softening resistance and improves the so-called heat sedimentation resistance. If it is less than 0.1%, the effect is small. If it exceeds 1.0%, the toughness is lowered, so Si is in the range of 0.1 to 1.0%.

Mn도 Si와 동일하게 탈산제로서 첨가된다. 0.1% 미만인 경우에는 그 효과가 적고, 1.0%를 초과하면 가공성이 저하되므로 Mn은 0.1 - 1.0% 범위로 한다.Mn is also added as a deoxidizer similarly to Si. If it is less than 0.1%, the effect is small. If it exceeds 1.0%, the workability is lowered, so Mn is in the range of 0.1-1.0%.

P는 Mn 등과 개재물을 형성하여 피로강도를 저하시키고 또한 내식성을 저하시키므로, 강중 불순물로서는 되도록 적은 것이 바람직하다. 따라서, 실용적인 관점에서 0.05% 이하로 한다. 바람직하게는 0.03% 이하로 한다.Since P forms inclusions such as Mn to lower the fatigue strength and lower the corrosion resistance, as few impurities as steel are preferable. Therefore, it is made into 0.05% or less from a practical viewpoint. Preferably it is 0.03% or less.

S는 P와 동일하게 피로 강도를 저하시키고 또한 내식성을 저하시키므로, 강중 불순물로서는 되도록 적은 것이 바람직하다. 따라서, 실용적인 관점에서 0.05% 이하로 한다. 바람직하게는 0.03% 이하로 한다.Since S reduces fatigue strength and corrosion resistance similarly to P, it is preferable to use as few impurities as steel. Therefore, it is made into 0.05% or less from a practical viewpoint. Preferably it is 0.03% or less.

상기 범위의 조성으로 이루어진 강을 내스커핑성이 우수한 조직으로 하기 위해서는 질화층 중의 질화물이 미세하고 많이 존재하는 것이 필요하다. 즉, 슬라이딩하는 질화층 표면의 주로 Cr 질화물로 이루어진 질화물, 탄화물, 탄질화물의 경질 입자가 평균 입경으로 0.5 - 2㎛ 범위, 최대 입경으로 7㎛ 이하, 면적율로 5 - 30% 범위로 한다. 평균 입경이 0.5㎛ 이하이면 스커핑 방지의 볼록형 경질 입자로서 작용효과를 기대할 수 없고, 2㎛를 초과하면 부하가 높은 경우에 스커핑 문제가 남는다. 또, 최대 입경이 7㎛를 초과하면 조직의 균일성이 떨어지고, 역시 부하가 높은 경우에는 스커핑 문제가 남는다. 면적율이 5% 미만인 경우에는 내스커핑에 문제가 있고, 30%를 초과하면 용제 후의 선재 가공이나 선재를 링 형상으로 굽힘 가공하는 것이 어려워진다. 바람직하게는 10 - 25%로 한다. 또한, 본 발명에서 내크래킹성이 우수한 조직으로 하기 위해서는, 기지와 경질 입자로 실질적으로 이루어진 피스톤 링 길이방향의 질화층 단면에서 관찰되는 입계화합물의 크기(길이)가 최대 20㎛ 이하로 한다. 최대 길이가 20㎛를 초과하면 부하가 높은 경우에 크래킹에 관련된 문제가 발생한다.In order to make the steel having the composition in the above range into a structure excellent in scuffing resistance, it is necessary to have a large amount of nitride in the nitride layer. That is, hard particles of nitrides, carbides, and carbonitrides mainly composed of Cr nitrides on the surface of the sliding nitride layer have a mean particle size in the range of 0.5-2 µm, a maximum particle diameter of 7 µm or less, and an area ratio of 5-30%. If the average particle diameter is 0.5 µm or less, the effect of the anti-scuffing convex hard particles cannot be expected. If the average particle diameter exceeds 2 µm, the scuffing problem remains when the load is high. Moreover, when the maximum particle diameter exceeds 7 micrometers, the uniformity of a tissue will fall, and also, when a load is high, a scuffing problem remains. If the area ratio is less than 5%, there is a problem in scuffing, and if it exceeds 30%, it becomes difficult to process the wire rod after the solvent and bend the wire rod into a ring shape. Preferably it is 10-25%. In addition, in order to make a structure excellent in cracking resistance in this invention, the magnitude | size (length) of the grain boundary compound observed in the cross section of the nitride layer of the piston ring longitudinal direction which consists of a matrix and hard particle is 20 micrometers or less at most. If the maximum length exceeds 20 mu m, problems related to cracking occur when the load is high.

상기와 같은 본 발명의 질화층 조직은 스테인레스강의 미세 조직에서 기인된다. 이 조직에서는 첫째로 열간 압연, 구상화 열처리, 냉간 와이어 드로잉 등의 가공을 거쳐 담금질/뜨임한 후, 조대한 공정 Cr 탄화물의 η상((Cr,Fe)7C3)이 존재하지 않는다. 이것은 질소를 첨가함으로써 실현할 수 있다.The nitride layer structure of the present invention as described above originates in the microstructure of stainless steel. In this structure, first, after quenching / tempering through hot rolling, spheroidizing heat treatment, cold wire drawing, or the like, there is no η phase ((Cr, Fe) 7 C 3 ) of the coarse eutectic Cr carbide. This can be achieved by adding nitrogen.

또, 둘째로 질화 처리 전의 담금질 온도로 유지했을 때에 석출되는 2차 탄화물(ε상: (Fe,Cr)23C6)이 미세하고 많이 존재한다. 이 점을 Fe-Cr-C계 상태도에 따라 고찰하면, 그 (γ+ε) 영역에서는 온도가 낮을수록 평형론적으로 많은 탄화물이 석출되므로, 되도록 (γ+ε) 영역의 저온도 영역을 담금질 온도로 함으로써, 미세하고 되도록 많은 ε 탄화물을 석출시킬 수 있다. 또한, 저온도 영역으로부터의 담금질은 γ 결정립의 성장을 억제하기 때문에 γ 결정립을 미세하게 하고, 즉 이후의 질화 처리에서 형성되는 입계화합물상도 미세하게 할 수 있게 된다. 이와 같은 면에서 바람직한 담금질 온도는 850 - 1000℃ 범위이다. 850℃ 미만인 경우에는 담금질되지 않거나 α상의 석출로 소정의 경도를 얻을 수 없다. 1000℃를 초과한 담금질 온도에서는 담금질 온도로 유지한 단계에서 탄화물의 응집이나 γ 결정립의 조대화가 일어나, 그 결과 이후의 질화 처리에서 형성되는 질화물이나 입계화합물상도 조대화된다. 질화층에서 비교적 단시간 동안 충분한 깊이까지 900 - 1400이라는 고경도를 얻을 수 있는 것도 낮은 담금질 온도에 의해 비교적 미세한 γ 결정립을 얻을 수 있고, 질화 처리에서 N의 주요 확산 경로로서의 역할을 하는 결정입계가 증가한 것에서 기인된다. 본 발명에서 450 - 600℃ 범위에서 질화 처리하는 것은 α-Fe 격자 중으로의 N 용해도가 약 590℃에서 최대가 되기 때문으로 생각되었으나, 결정입계가 N의 주요 확산 경로라면 이 온도로 한정될 필요는 없다. 피스톤 링의 형상 안정성 관점에서는 되도록 낮은 온도에서 처리하는 것이 바람직한데, 실용적인 관점에서 450 - 600℃ 범위에서 1 - 20시간으로 하였다.Second, secondary carbides (ε phase: (Fe, Cr) 23 C 6 ), which are precipitated when maintained at the quenching temperature before nitriding, are finely present. Considering this point according to the Fe-Cr-C-based state diagram, in the (γ + ε) region, as the temperature decreases, more carbides are equilibrated, so that the low temperature region of the (γ + ε) region is quenched so that By doing so, it is possible to deposit as much epsilon carbide as possible. In addition, the quenching from the low temperature region suppresses the growth of the? Grains, so that the? Grains can be made fine, that is, the grain boundary compound phase formed in subsequent nitriding can be made fine. Preferred quenching temperatures in this respect are in the range of 850-1000 ° C. If it is less than 850 ° C, it is not quenched or a predetermined hardness cannot be obtained by precipitation of the α phase. At a quenching temperature exceeding 1000 ° C., agglomeration of carbides and coarsening of γ grains occur at the step of maintaining the quenching temperature, and as a result, the nitride and grain boundary phases formed in the subsequent nitriding treatment also coarsen. The high hardness of 900-1400 can be obtained in the nitride layer to a sufficient depth for a relatively short time, and thus, a relatively fine γ grain can be obtained by low quenching temperature, and the grain boundary which serves as a major diffusion path of N in the nitriding treatment is increased. Is caused by one. In the present invention, the nitriding treatment in the range of 450-600 ° C. was thought to be due to the maximum solubility of N in the α-Fe lattice at about 590 ° C. none. From the viewpoint of the shape stability of the piston ring, it is preferable to treat it at the lowest temperature, but from the practical point of view, it is 1-20 hours in the 450-600 degreeC range.

다음과 같은 구체적 실시예로 본 발명을 더 상세하게 설명한다.The present invention will be described in more detail with reference to the following specific examples.

실시예 1 - 11(J 1 - J 11), 비교예 1 - 8(H 1 - H 8)Examples 1-11 (J 1-J 11), Comparative Examples 1-8 (H 1-H 8)

표 1에 나타내는 화학 조성을 갖는 고크롬 마르텐사이트계 스테인레스강을 10㎏ 진공 유도용해로에서 용제하였다. 단, 0.2% N 미만의 강은 상압에서 질소 첨가하고, 0.2% N 이상의 강은 가압 N2 분위기 중에서 용제하였다. 다음으로, 열간 가공을 거쳐 직경이 12㎜인 선형 소재로 하고, 산 세척한 후 750℃에서 10시간 동안 구상화 소둔을 실시하고 소정 공정을 거쳐 3.5㎜ ×5.0㎜ 직사각형 단면을 갖는 선재로 가공하였다. 여기서, 담금질, 뜨임은 담금질로(Ar 분위기)를 930℃에서 약 10분간, 공랭 담금질한 후, 뜨임로(Ar 분위기)를 620℃에서 약 25분간, 통과하는 연속식으로 실시하고, 또 질화는 선재를 50㎜ 길이로 절단한 시험편으로 하고, 570℃에서 4시간 동안 가스 질화를 실시하였다. 단, 비교예 1(H 1)의 담금질 온도에 대해서는 종래부터 통상 실시되어 온 1100℃에서 실시하였다. 기타 조건은 다른 실시예, 비교예와 동일하다.High chromium martensitic stainless steel having the chemical composition shown in Table 1 was dissolved in a 10 kg vacuum induction furnace. However, the steel is less than 0.2% N is added at normal pressure and nitrogen, more than 0.2% N steel were solvent from the pressurized N 2 atmosphere. Next, a linear material having a diameter of 12 mm was subjected to hot working, and after acid pickling, spheroidization annealing was carried out at 750 ° C. for 10 hours, and then processed into a wire having a 3.5 mm × 5.0 mm rectangular cross section through a predetermined process. Here, quenching and tempering are performed by air-quenching the quenching furnace (Ar atmosphere) at 930 ° C. for about 10 minutes, and then performing the tempering furnace (Ar atmosphere) at 620 ° C. for about 25 minutes, and further nitriding. The wire rod was cut into 50 mm lengths, and gas nitridation was performed at 570 ° C. for 4 hours. However, about the quenching temperature of the comparative example 1 (H1), it implemented at 1100 degreeC conventionally practiced conventionally. Other conditions are the same as that of another Example and a comparative example.

또한 상기 각 선재 시험편에서 현미경 조직 관찰용으로 10㎜ 길이로 절단, 수지에 매입하여 경면으로 연마하여 조직 관찰과 조직의 정량화를 화상해석장치로 실시하였다. 도 1 및 도 2에 실시예 1(J 1) 및 비교예 1(H 1)의 슬라이딩 질화층 표면의 주사 전자현미경의 반사전자상 사진(도 1 의 (a),(b))과 질화층 단면의 광학현미경 사진(도 2 의 (a),(b))을 나타낸다. 경질 입자는 반사전자상 사진에서는 흑색, 광학현미경 사진에서는 백색의 상이다. 본 발명에서는 경질 입자 크기가 작고, 또 질화층 단면의 입계화합물 크기도 매우 작아짐을 알 수 있다. 실시예 1 - 11(J 1 - J 11) 및 비교예 1 - 8(H 1 - H 8)의 조직의 정량 결과로서 표 2에 슬라이딩면 질화층 표면의 경질 입자의 평균 입경, 최대 입경, 면적율(%) 및 질화층 단면의 입계화합물의 최대 길이, 그리고 슬라이딩면 질화층 표면의 경도에 대해서 나타낸다.In addition, each wire test piece was cut into a 10 mm length for microscopic structure observation, embedded in a resin, polished to a mirror surface, and the observation of the tissue and the quantification of the tissue were performed by an image analysis device. 1 and 2 show reflection electron micrographs (a, b) of the scanning electron microscope and the nitride layer of the sliding nitride layer surfaces of Example 1 (J 1) and Comparative Example 1 (H 1). The optical microscope photograph of a cross section ((a), (b) of FIG. 2) is shown. Hard particles are black in reflective electron micrographs and white in optical micrographs. In the present invention, it can be seen that the size of the hard particles is small and the size of the grain boundary compound in the cross section of the nitride layer is very small. Table 2 shows the average particle diameter, the maximum particle diameter, and the area ratio of the hard particles on the sliding surface nitride layer surface as a quantitative result of the structures of Examples 1-11 (J 1-J 11) and Comparative Examples 1-8 (H 1-H 8). (%) And the maximum length of the grain boundary compound of the nitride layer cross section, and the hardness of the sliding surface nitride layer surface.

슬라이딩면 질화층 표면의 경질입자Hard particles on the sliding surface nitride layer surface 질화층표면의입계화합물의 최대길이(㎛)Maximum length of grain boundary compound on the surface of nitride layer (㎛) 비커스경도Vickers Hardness 평균입경(㎛)Average particle size (㎛) 최대입경(㎛)Particle size (㎛) 면적율(%)Area rate (%) J1J1 1.61.6 55 17.217.2 1616 12531253 J2J2 1.31.3 44 13.013.0 1515 10501050 J3J3 1.01.0 55 22.522.5 1313 11851185 J4J4 1.71.7 66 15.915.9 1212 11201120 J5J5 1.61.6 55 17.117.1 1515 11481148 J6J6 1.51.5 44 10.710.7 1414 955955 J7J7 0.90.9 44 21.021.0 1212 12191219 J8J8 1.21.2 66 18.018.0 1313 11931193 J9J9 1.31.3 66 13.013.0 1212 984984 J10J10 1.81.8 55 14.214.2 1717 10311031 J11J11 1.21.2 55 16.216.2 1414 10831083 H1H1 2.72.7 1515 13.613.6 2828 10651065 H2H2 ** ** ** ** ** H3H3 1.51.5 55 7.57.5 1515 830830 H4H4 ** ** ** ** ** H5H5 1.41.4 55 44 1414 920920 H6H6 2.22.2 88 9.19.1 1414 874874 H7**H7 ** 1.61.6 55 16.516.5 1616 11091109 H8H8 ** ** ** ** **

* 비교예 2,4,8(H 2,H 4,H 8)은 가공성이 떨어져 선재화할 수 없었다.* Comparative Examples 2, 4 and 8 (H 2, H 4 and H 8) were poor in workability and could not be wired.

** 비교예 7(H 7)은 질화 후의 치수가 불안정하여 수율이 저하되었다. ** In Comparative Example 7 (H 7), the yield after nitriding was unstable.

스커핑 시험은, 선재 시험편에서 제조한 도 3에 나타내는 전체길이가 45㎜인 ㄷ자 형상의 2 핀 일체형 시험편이고, FC250재 φ60×12㎜의 원판을 상대재로 하여 마찰마모 시험기(리켄 제조: 상품명 「트라이볼릭Ⅰ」)로 실시하였다. 핀(도 4, 참조부호 1) 선단의 슬라이딩면은 반경이 20㎜인 볼록 형상이고, 가스 질화에 의해 표면에 생성된 두께가 5 - 20㎛인 화합물층(백색층)을 연삭 제거하고, 연마하여 경면으로 마무리한다. 한편, FC250의 원판(도 4, 참조부호 2)은 슬라이딩면의 표면조도(Rz)를 1 - 2㎛로 조정한 것을 사용하였다. 마찰마모 시험기의 동작기구를 도 4에 스커핑 시험조건을 다음에 나타낸다.The scuffing test is a U-shaped two-pin integrated test piece having a total length of 45 mm shown in FIG. 3 manufactured by a wire test piece, and a friction wear tester (a Riken manufactured by Riken) "Tribolic I"). The sliding surface at the tip of the pin (Fig. 4, reference numeral 1) is a convex shape having a radius of 20 mm, and the compound layer (white layer) having a thickness of 5 to 20 µm formed on the surface by gas nitriding is removed by grinding and polishing. Finish with a mirror. In addition, the disc (FIG. 4, 2) of FC250 used what adjusted the surface roughness Rz of the sliding surface to 1-2 micrometers. The operating mechanism of the friction wear tester is shown in Fig. 4 in the following scuffing test conditions.

슬라이딩 속도(원판): 8m/secSliding Speed (Plate): 8m / sec

가압 가중: 초기 1.0MPa에서 2.0MPa마다 증가, 스커핑 발생까지 승압Pressurized Weighting: Increases every 1.0 MPa from initial 1.0 MPa, stepping up to scuffing

윤활유: 모터오일(상품명, 니치이시 모터오일P#20)Lubricant oil: Motor oil (brand name, Nichishi Motor Oil P # 20)

윤활유 온도: 80℃(출구 부근)Lube oil temperature: 80 ° C (near the exit)

오일 배스: 100℃Oil bath: 100 ℃

윤활유 공급량: 40cc/minLubricant Supply: 40cc / min

스커핑 면압은 스커핑이 발생하였을 때의 가압 가중과 슬라이딩면의 마모 면적으로부터 계산하였다. 표 3에 실시예 1 - 11(J 1 - J 11) 및 비교예 1 - 8(H 1 - H 8)의 스커핑 면압을 나타낸다.Scuffing surface pressure was calculated from the pressure weighting when scuffing occurred and the wear area of the sliding surface. Table 3 shows the scuffing surface pressures of Examples 1-11 (J 1-J 11) and Comparative Examples 1-8 (H 1-H 8).

스커핑 면압(MPa)Scuffing Surface Pressure (MPa) J 1J 1 454454 J 2J 2 443443 J 3J 3 469469 J 4J 4 428428 J 5J 5 458458 J 6J 6 420420 J 7J 7 464464 J 8J 8 430430 J 9J 9 441441 J 10J 10 419419 J 11J 11 452452 H 1H 1 376376 H 2H 2 -- H 3H 3 340340 H 4H 4 -- H 5H 5 328328 H 6H 6 297297 H 7H 7 388388 H 8H 8 --

본 발명에 따른 실시예 1 - 11(J 1 - J 11)은 비교예 1,3,5 - 7(H 1,H 3,H 5 - H 7)에 비해 내스커핑성이 향상됨을 알 수 있다.Examples 1-11 (J 1-J 11) according to the present invention can be seen that the scuffing resistance is improved compared to Comparative Examples 1, 3, 5-7 (H 1, H 3, H 5-H 7). .

실시예 12 - 14(J 12 - 14) 및 비교예 9 - 11(H 9 - H 11)Examples 12-14 (J 12-14) and Comparative Examples 9-11 (H 9-H 11)

실시예 1의 화학 조성의 재료에서 선재 가공 후의 담금질 공정에서 표 4에 나타내는 담금질 온도로부터 공랭 담금질하고, 실시예 1과 동일한 소정 공정을 거쳐 가스 질화를 실시한 질화층 조직에 대해서 정량화하였다. 그 결과를 표 4에 나타낸다.The material of the chemical composition of Example 1 was quenched by air-quenching from the quenching temperature shown in Table 4 in the quenching process after wire rod processing, and quantified about the nitride layer structure which carried out the gas nitriding through the same process as Example 1. The results are shown in Table 4.

담금질 온도(℃)Quenching temperature (℃) 슬라이딩 질화층 표면의 경질 입자Hard particles on the sliding nitride layer surface 질화층 단면의 입계화합물 최대 길이(㎛)Maximum length of grain boundary compound of nitride layer cross section (㎛) 평균 입경(㎛)Average particle size (㎛) 최대 입경(㎛)Particle size (㎛) 면적율(%)Area rate (%) H 9*H 9 * 800800 0.30.3 55 15.415.4 1414 J 12J 12 870870 0.50.5 55 19.419.4 1111 J 13J 13 920920 1.31.3 66 18.518.5 1515 J 14J 14 980980 1.81.8 66 17.417.4 1818 H 10H 10 10301030 2.32.3 99 14.714.7 3131 H 11H 11 10801080 2.82.8 1111 11.511.5 4949

비교예 9(H 9)에서는 질화층 경도가 860으로 낮은 값이었다.In Comparative Example 9 (H 9), the nitride layer hardness was low at 860.

실시예 15 및 비교예 12Example 15 and Comparative Example 12

실시예 1 및 비교예 1의 강재로부터 소정 공정을 거쳐 호칭 직경(d1) 95.0㎜, 길이(a1) 3.35㎜, 폭(h1) 2.3㎜의 직사각형 단면의 압력 링(실시예 15, 비교예 12)으로 가공하였다. 여기서, 담금질, 뜨임은 담금질로를 930℃에서 약 10분간, 공랭 담금질한 후, 뜨임로를 620℃에서 약 25분간 통과하는 연속식으로 실시하고, 또한 질화는 570℃에서 4시간 동안 가스 질화를 실시하였다. 단, 비교예 12의 담금질 온도에 대해서는 종래부터 통상 실시되어 온 1100℃에서 실시하였다. 기타 조건은 실시예 15와 동일하다.Pressure ring of rectangular cross section of nominal diameter (d 1 ) 95.0 mm, length (a 1 ) 3.35 mm, width (h 1 ) 2.3 mm from the steels of Example 1 and Comparative Example 1 through a predetermined process (Example 15, comparison Example 12) was processed. Here, quenching and tempering are performed by air cooling of the quenching furnace at about 930 ° C. for about 10 minutes, and then the tempering furnace is continuously passed at about 620 ° C. for about 25 minutes. Was carried out. However, about the quenching temperature of the comparative example 12, it implemented at 1100 degreeC conventionally practiced conventionally. Other conditions are the same as in Example 15.

제조된 압력 링을 사용하여 도 5에 나타내는 동작기구를 갖는 피스톤 링 피로 시험기로 피로 시험을 실시하였다. 즉, 이음매 양단을 절단하여 자유 이음매 치수를 넓힌 제품(3)을 링 호칭 직경까지 폐쇄한 상태에서 시험기에 세팅하고, 이 상태에서 더욱 폐쇄되는 방향으로 편심 캠(4)에 의해 부하 응력분의 스트로크를 40 사이클/초의 주기로 반복 부여함으로써 링을 절손시키고, 절손시의 응력 부하 회수를 구하였다. 이 시험을 동일 사양의 샘플에 대하여 부하 응력을 변화시키면서 반복하고, 이른바 S-N 선도를 작성하고, 최종적으로 피로한도 선도를 구하였다.The fatigue test was performed with the piston ring fatigue tester which has the operation mechanism shown in FIG. 5 using the produced pressure ring. That is, the product 3 which cuts the both ends of the joint and expands the free joint dimension is set to the tester in a state of being closed to the ring nominal diameter, and the stroke of the load stressed portion by the eccentric cam 4 in the direction of further closing in this state. The ring was broken by repeatedly giving 40 cycles / second, and the number of stress loads at the time of breaking was determined. This test was repeated while changing the load stress with respect to the sample of the same specification, the so-called S-N diagram was created, and finally the fatigue limit diagram was calculated | required.

도 6에 피로한도 선도를 나타내고 있는데, 비교예 12에 비해 본 발명의 실시예 15에서는 크게 개선되어 있음을 알 수 있다.Although the fatigue limit diagram is shown in FIG. 6, compared with the comparative example 12, it can be seen that it is greatly improved in Example 15 of this invention.

실시예 16 - 19 및 비교예 13 - 14Examples 16-19 and Comparative Examples 13-14

실시예 1(실시예 16,17), 실시예 7(실시예 18,19) 및 비교예 1(비교예 13,14)의 강재로부터 소정 공정을 거쳐 호칭 직경(d1) 99.2㎜, 두께(a1) 3.8㎜, 폭(h1) 2.5㎜의 직사각형 단면의 압력 링(실시예 16,18, 비교예 13) 및 호칭 직경(d1) 99.2㎜, 두께(a1) 2.5㎜, 폭(h1) 3.0㎜의 아귀형 단면의 2 피스 오일 링의 본체(실시예 17,19, 비교예 14)로 가공하였다. 담금질/뜨임의 열처리, 가스 질화에 대해서도 실시예 16 - 19는 실시예 15와, 비교예 13 - 14는 비교예 12와 동일한 방법으로 실시하였다.From the steel materials of Example 1 (Examples 16 and 17), Example 7 (Examples 18 and 19) and Comparative Example 1 (Comparative Examples 13 and 14), the nominal diameter d 1 was 99.2 mm and the thickness ( a 1 ) A pressure ring (Examples 16 and 18 and Comparative Example 13) having a rectangular cross section of 3.8 mm and a width h 1 and 2.5 mm and a nominal diameter (d 1 ) 99.2 mm, thickness (a 1 ) 2.5 mm and width ( h 1 ) A main body (Examples 17 and 19 and Comparative Example 14) of a two-piece oil ring having an angled cross section of 3.0 mm was processed. The heat treatment of quenching / tempering and gas nitriding were carried out in the same manner as in Examples 15 to 19 and Comparative Examples 13 to 14, respectively.

제조된 압력 링 및 오일 링을 4기통 3200cc의 주철 모노블록 디젤엔진을 사용하여 다음과 같은 조건에서 100시간 동안 내구 시험을 실시하였다.The pressure ring and the oil ring thus prepared were subjected to a durability test for 100 hours under the following conditions using a 4 cylinder 3200cc cast iron monoblock diesel engine.

회전수: 3600rpmRPM: 3600rpm

출력: 75kWOutput: 75kW

부하: 전부하(full load)Load: full load

수온: 110℃Water temperature: 110 ℃

유온: 130℃Oil temperature: 130 ℃

비교예 13은 시험 개시 후 2시간 10분에서, 비교예 14는 시험 개시 후 7시간 55분에서 스커핑을 일으킨 반면에, 실시예 16 - 19에서는 하등 문제 없이 시험을 종료하였다. 비교예 13의 슬라이딩면에 발생된 크랙 사진을 도 7에 나타낸다.Comparative Example 13 caused scuffing at 2 hours and 10 minutes after the start of the test, and Comparative Example 14 occurred at 7 hours and 55 minutes after the start of the test, whereas in Examples 16 to 19, the test was completed without any problem. The crack photograph which generate | occur | produced on the sliding surface of the comparative example 13 is shown in FIG.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 고크롬 마르텐사이트계 스테인레스강제 질화 피스톤 링은 질소 첨가에 따른 Cr 탄화물의 미세화 기술과 비교적 낮은 온도로부터의 담금질에 의해 질화층 중의 질화물이 미세하게 많이 존재하고, 특히 질화층 중의 입계 층상화합물이 미세한 현미경 조직이 되고, 내마모성, 내스커핑성, 내크래킹성, 내피로성이 우수하기 때문에, 고회전, 고출력의 부하가 높은 내연기관, 특히 최근 경량 주철 모노블록 디젤엔진 등에 사용할 수 있게 된다. 또한, 소형 트럭에서 배기 브레이크 사용시의 피스톤 링의 피로에 대해서도 효과적으로 사용할 수 있다. 적용 피스톤 링으로는 압력 링 이외에 2 피스 오일 링의 본체나 3 피스 오일 링의 레일에서 적합하게 이용할 수 있다.As described above, the high chromium martensitic stainless steel nitride piston ring according to the present invention has a fine amount of nitride in the nitride layer due to the finer technique of Cr carbide due to nitrogen addition and quenching from a relatively low temperature. Since the grain boundary layer compound in the layer becomes a fine microscopic structure and has excellent abrasion resistance, scuffing resistance, cracking resistance, and fatigue resistance, it can be used for internal combustion engines with high rotation and high power load, especially for light cast iron monoblock diesel engines. Will be. In addition, it can be effectively used for the fatigue of the piston ring when using the exhaust brake in a small truck. In addition to the pressure ring, the applicable piston ring can be suitably used in the body of the two-piece oil ring or the rail of the three-piece oil ring.

Claims (8)

표면 질화층을 형성한 고크롬 마르텐사이트계 스테인레스강으로 이루어진 피스톤 링에서, 상기 고크롬 마르텐사이트계 스테인레스강이 중량%로 C: 0.3 - 1.0%, Cr: 14.0 - 21.0%, N: 0.05 - 0.50%, Mo, V, W, Nb 중 1 종류 이상의 합계: 0.03 - 3.0%, Si: 0.1 - 1.0%, Mn: 0.1 - 1.0%, P: 0.05% 이하, S: 0.05% 이하, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 그 슬라이딩 질화층 표면의 질화물, 탄화물 및 탄질화물로 이루어진 경질 입자가 평균 입경으로 0.5 - 2㎛ 범위, 최대 입경으로 7㎛ 이하, 면적율로 5 - 30% 범위인 것을 특징으로 하는 내스커핑성, 내크래킹성 및 내피로성이 우수한 피스톤 링.In a piston ring made of high chromium martensitic stainless steel having a surface nitride layer, the high chromium martensitic stainless steel has a weight% of C: 0.3-1.0%, Cr: 14.0-21.0%, and N: 0.05-0.50. Total of at least one of%, Mo, V, W, and Nb: 0.03-3.0%, Si: 0.1-1.0%, Mn: 0.1-1.0%, P: 0.05% or less, S: 0.05% or less, the balance being Fe and Hard particles composed of nitrides, carbides and carbonitrides on the surface of the sliding nitride layer having an unavoidable impurity range from 0.5 to 2 μm in average particle size, 7 μm or less in maximum particle diameter, and 5 to 30% in area ratio. Piston rings with excellent scuffing, cracking and fatigue resistance. 제 1 항에 있어서, 피스톤 링의 길이방향의 질화층 단면에서 관찰되는 입계화합물의 크기(길이)가 최대 20㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 피스톤 링.The piston ring according to claim 1, wherein the size (length) of the grain boundary compound observed in the cross section of the nitride layer in the longitudinal direction of the piston ring is at most 20 µm or less. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 고크롬 마르텐사이트계 스테인레스강의 질소 함유량이 중량%로 N: 0.05 - 0.20% 범위인 것을 특징으로 하는 피스톤 링.The piston ring according to claim 1 or 2, wherein the nitrogen content of the high chromium martensitic stainless steel is in a weight% range of N: 0.05-0.20%. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 슬라이딩면 질화층의 비커스 경도가 900 - 1400 범위에 있는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.The piston ring according to claim 1 or 2, wherein the Vickers hardness of the sliding surface nitride layer is in the range of 900-1400. 고크롬 마르텐사이트계 스테인레스강의 표면을 질화시키는 피스톤 링을 제조하는 방법에서, 중량%로 C: 0.3 - 1.0%, Cr: 14.0 - 21.0%, N: 0.05 - 0.50%, Mo, V, W, Nb의 적어도 1 종류 이상의 합계: 0.03 - 3.0%, Si: 0.1 - 1.0%, Mn: 0.1 - 1.0%, P: 0.05% 이하, S: 0.05% 이하, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어진 고크롬 마르텐사이트계 스테인레스강을 피스톤 링 형상으로 굽힘 가공하기 전의 담금질 공정에서 850 - 1000℃ 범위의 온도에서 담금질하는 것을 특징으로 하는 내스커핑성, 내크래킹성 및 내피로성이 우수한 피스톤 링의 제조방법.In the method for producing a piston ring for nitriding the surface of high chromium martensitic stainless steel, by weight% C: 0.3-1.0%, Cr: 14.0-21.0%, N: 0.05-0.50%, Mo, V, W, Nb Total of at least one or more of: 0.03-3.0%, Si: 0.1-1.0%, Mn: 0.1-1.0%, P: 0.05% or less, S: 0.05% or less, the balance being high chromium martensite composed of Fe and inevitable impurities A method for producing a piston ring having excellent scuffing resistance, cracking resistance and fatigue resistance, wherein the stainless steel is quenched at a temperature in the range of 850 to 1000 ° C. in the quenching process before bending the piston ring. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 피스톤 링이 주철 모노블록 실린더와 조합되는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.The piston ring according to claim 1 or 2, wherein the piston ring is combined with a cast iron monoblock cylinder. 제 3 항에 있어서, 상기 슬라이딩면 질화층의 비커스 경도가 900 - 1400 범위에 있는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.4. The piston ring of claim 3 wherein the Vickers hardness of the sliding surface nitride layer is in the range of 900-1400. 제 3 항에 있어서, 상기 피스톤 링이 주철 모노블록 실린더와 조합되는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.4. The piston ring of claim 3 wherein the piston ring is combined with a cast iron monoblock cylinder.
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