WO2004003246A1 - Material for sliding parts having self-lubricity and wire material for piston ring - Google Patents

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Kunichika Kubota
Yoshiki Masugata
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Abstract

A material for sliding parts wherein it comprises a steel containing, in mass %, 0.4 % or more and less than 1.5 % of C, 0.1 to 3.0 % of Si, 0.1 to 3.0 % of Mn, 0 to 0.5 % of Cr, 0.05 to 3.0 % of Ni, 0.3 to 2.0 % of Al, 0.3 to 20 % of the sum (Mo + W + V) of one or more selected from the group consisting of Mo, W and V, and 0.05 to 3.0 % of Cu, and graphite particles observed in a structure face thereof have an average particle diameter of 3 μm or less. Preferably, the area of graphite particles observed in a structure face accounts for 1 % or more of the area of the structure face and the graphite particles have an average particle diameter of 3 μm or less. The steel may further contain 0.3 % or less of S and 0.01 % or less of Ca, and is preferably subjected to a nitriding treatment before use. The material for sliding parts is used as a wire material for a piston ring.

Description

明 細 書 自己潤滑性を有する摺動部品用材料およびビストンリング用線材 技術分野  Description Self-lubricating materials for sliding parts and wires for biston rings
本発明は、 通常のすべり軸受、 コロ軸受、 玉軸受、 歯車、 金型、 自動車ェ: ン等の内燃機関に装着されるピストンリング、 シリンダライナー、 そしてべーン 等といつた摺動部品に用いられる材料に属する。 背景技術  The present invention relates to sliding parts such as piston rings, cylinder liners, and vanes mounted on internal combustion engines such as ordinary plain bearings, roller bearings, ball bearings, gears, dies, and automobile engines. Belongs to the material used. Background art
従来、 シリンダライナーやべーン等といった摺動部品には、 その耐摩耗性に優 れた材料が供される。 その中でも、 内燃機関、 特に自動車エンジンに使用される ピストンリングは、 従来の錶鉄製から、 鋼線をリング状に加工して用いられる、 いわゆるスチールピストンリングへと移行が進んでいる。 つまり、 所定の組成を 有するインゴットに鍛造 ·熱間圧延といった熱間加工を施して得られた素線を、 更に引き抜き等によってピストンリングの小口断面形状に見合った鋼線材とし、 硬さ調整、 そして決まった曲率のリング状に曲げ加工することで一般的に製造さ れるビストンリングである。  Conventionally, sliding parts such as cylinder liners and vanes are provided with materials having excellent wear resistance. Above all, the piston rings used in internal combustion engines, especially in automobile engines, are shifting from conventional iron-made to so-called steel piston rings, which are used by processing steel wires into rings. In other words, a wire obtained by subjecting an ingot having a predetermined composition to hot working such as forging and hot rolling is further drawn into a steel wire material corresponding to the small cross-sectional shape of the piston ring, and the hardness is adjusted. Biston rings are generally manufactured by bending into a ring with a fixed curvature.
これについては、 現在、 燃焼室側からトップリング、 セカンドリング、 オイル リングの 3本が一つのピストンに装着されるのが一般的であるが、 国内では、 苛 酷部位にあたるトップリングとオイルリングはスチールィ匕による高機能化が浸透 してきている。 これらの背景には、 近年、 電気自動車等のポスト内燃機関の研究 成果が具体的に眼に見えるようになってきたことで、 内燃機関側でも更なる改良 に対する努力が高まってきていることや、 軽油の品質を向上させ排ガスフィルタ を高性能化すればガソリン車よりも内筒圧の高いディーゼル車の方が環境負荷が 小さいことが分ってきたため、 より苛酷なディーゼルエンジンに対応できる摺動 性能の向上が叫ばれていることがある。  At present, it is common for the top ring, the second ring, and the oil ring to be attached to one piston from the combustion chamber side, but in Japan, the top ring and the oil ring, which are severe parts, are The high functionality of Steeli-Dani is permeating. Against this background, in recent years, the results of research on post-internal combustion engines, such as electric vehicles, have become concretely visible. It has been found that diesel engines with higher internal cylinder pressures have lower environmental impact than gasoline-powered vehicles if gas oil quality is improved and exhaust gas filters are upgraded, so the sliding performance can be used for more severe diesel engines. May be called for improvement.
また、 最近では、 エンジン内部現象にもメスが入れられ、 現状では 3本のリン グの中でも铸鉄製であるセカンドリングの摩耗が最も激しいことが指摘されてい る (以下の非特許文献 1参照) 。 In recent years, scalpels have also been included in engine internal phenomena, and it has been pointed out that among the three rings, the second ring made of iron is the most severe at present. (See Non-Patent Document 1 below).
スチール化への移行の更なる理由は、 エンジンの環境性能向上に対応するため のリング構造の薄厚化により摩擦力損失を低減させると、 それに伴なつて機械的 強度の向上の必要性がでてくること、 あるいは、 耐摩耗性向上が背景にある。 更 には、 リング製造工程の技術移転、 拡張の容易性、 そして表面処理の点でも鎳鉄 で主流の C rメッキの環境規制が厳しくなつてきているため、 有害性の少なレ、窒 化処理を行なう必要性からスチール化が加速していることも理由として挙げられ る。  A further reason for the shift to steel is to reduce the frictional force loss by reducing the thickness of the ring structure to improve the environmental performance of the engine, and consequently the need to increase the mechanical strength. Behind them, or improved wear resistance. In addition, in terms of technology transfer in the ring manufacturing process, ease of expansion, and surface treatment, environmental regulations for Cr plating, which is the mainstream for iron, are becoming stricter, resulting in less harmful effects and nitriding. Another reason is that steelification is accelerating due to the necessity of conducting steelmaking.
スチールビストンリングにおいては、 シリンダライナーとの接触面に窒化処理 等の表面処理を行なうことで耐摩耗性ゃ耐焼付き性を付与する手法が提案されて おり (以下の特許文献 1参照) 、 表面処理なしで耐摩耗性を向上させる手法も提 案されている (以下の特許文献 2参照) 。  In steel biston rings, a method has been proposed to impart abrasion resistance to seizure resistance by performing a surface treatment such as nitriding treatment on the contact surface with the cylinder liner (see Patent Document 1 below). A technique for improving wear resistance without using the same has also been proposed (see Patent Document 2 below).
非特許文献 1 : 齋藤秀輝、 他 2名、 「苛酷運転条件下のディーゼルエンジン の摩耗に関する研究」 、 日本機械学会九州支部平成 1 1年度研究発表講演会 (1 9 9 9 ) (インターネット < U R L :  Non-Patent Document 1: Hideki Saito and 2 others, "Study on Diesel Engine Wear Under Severe Operating Conditions", Japan Society of Mechanical Engineers, Kyushu Branch, 2001 Research Presentation Lecture (1 99 9 9) (Internet <URL:
http : //www. ns. kogakum. ac. jp/ wwal013/EGR/nagasaki/nagasaki. html >) 特許文献 1 : 特開平 1 0— 0 3 0 7 2 6号公報 http: //www.ns.kogakum.ac.jp/ wwal013 / EGR / nagasaki / nagasaki.html>) Patent Document 1: Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-0-030726
特許文献 2 : 特公平 5 8— 0 4 6 5 4 2号公報  Patent Document 2: Japanese Patent Publication No. 5-8-0 4 6 5 4 2
スチールピストンリングは、 鎵鉄製リングょりも圧倒的に機械的性質ゃ耐摩耗 性に優れてはいるものの、 耐焼付き性に劣ることが、 特にセカンドリングでスチ 一ルイ匕が進まない理由の一つになっている。 この課題に対し特許文献 1にも示さ れているように、 シリンダライナーとの接触面に窒化処理等の表面処理を駆使し て対応を進めている状況である。 しかし、 表面処理コストや、 ピストンとの接触 面で発生するアルミニウム凝着の防止の点で改善の余地が残る。  Steel piston rings 鎵 The mechanical properties of iron rings are overwhelmingly ゃ Although they are excellent in abrasion resistance, they are inferior in seizure resistance. It is one. As shown in Patent Document 1, this problem is being addressed by making full use of surface treatment such as nitriding on the contact surface with the cylinder liner. However, there is room for improvement in terms of surface treatment costs and prevention of aluminum adhesion at the contact surface with the piston.
また、 表面処理なしで解決しょうという試みもあり、 特許文献 2等は、 性能 Z コストの面で優れる鋼中の C r系炭化物を増やす成分設計として、 主に 1 0 %以 上の C r添加領域を提案する。 し力 し、 炭化物の増量ィヒによって耐摩耗性は飛躍 的に向上するものの、 耐焼付き性の向上効果は僅少であることと、 被削性が劣化 する等の製造性での弊害が懸念される。 そのため、 P V D等の表面処理を行って いるが、 コス ト面での上昇が避けられない。 In addition, there is an attempt to solve the problem without surface treatment.Patent Document 2 and the like mainly propose a composition design that increases the amount of Cr-based carbides in steel, which is excellent in terms of performance and cost, by adding Cr of 10% or more mainly. Suggest an area. However, although the wear resistance is dramatically improved by increasing the amount of carbide, there is concern that the effect of improving seizure resistance is insignificant and that the machinability is degraded and the productivity is adversely affected. You. Therefore, it is necessary to perform surface treatment such as PVD However, a rise in cost is inevitable.
加えて、 燃料として軽油を使用する場合や、 ガソリンを使用する場合であって も、 品質によっては含有される硫黄 (S) 量が多い場合がある。 S含有量が多い 燃料を使用した場合には、 含有硫黄 (s) により so4 2—が生じ、 ピス トンリ ングは硫酸露点環境にさらされる。 よって、 耐硫酸腐食性も要求されるようにな つて来ており、 耐食性の点でも従来にない厳しい特性が要求される。 発明の開示 In addition, even when gas oil is used as fuel or gasoline is used, the amount of sulfur (S) contained may be large depending on the quality. When using fuel often S content, so 4 2 by containing sulfur (s) - occurs, piston Tonri packaging is exposed to sulfuric acid dew point environment. Therefore, sulfuric acid corrosion resistance has also been required, and strict characteristics not required in the past are also required in terms of corrosion resistance. Disclosure of the invention
本発明は、 上記の課題に鑑み、 耐焼付き性を向上し、 窒化処理を併用すること で優れた耐摩耗性をも具備した摺動部品用材料、 そしてそのビストンリングに適 用することで摺動特性に加えて耐硫酸腐食性、 製造性にも優れ、 摩擦係数が低い ピストンリング用線材を提供することを目的とする。  SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above problems, the present invention provides a sliding component material that has improved seizure resistance and also has excellent wear resistance by using a nitriding treatment, and is applied to a biston ring thereof. An object of the present invention is to provide a wire rod for a piston ring that has excellent sulfuric acid corrosion resistance and manufacturability in addition to dynamic characteristics and has a low coefficient of friction.
本発明者らは、 各種適用される摺動部品、 特にはピストンリングに代表される ような流体潤滑下での摺動環境に曝される摺動部品について、 その摺動挙動を詳 細に亘つて調査、 検討した。 その結果、 耐焼付き性の向上および摩擦係数の低下 に最適な組織形態を突きとめ、 カロえて、 耐硫酸腐食性を考慮しつつ、 その組織の 達成に有効な成分組成をも見いだすことで、 本発明に至った。  The present inventors have described in detail the sliding behavior of various applied sliding components, particularly sliding components exposed to a sliding environment under fluid lubrication such as a piston ring. We investigated and examined. As a result, we found the optimal morphology for improving seizure resistance and lowering the coefficient of friction, and by finding out the composition that is effective in achieving that structure while taking into account the sulfuric acid corrosion resistance. Invented the invention.
かくして本発明の第 1の観点によれば、 質量%で、 C : 0. 4%以上1. 5% 未満、 S i : 0. 1〜 3. 0 %、 M n : 0. ト 3. 0 %、 C r : 0〜 0. 5 %、 N i : 0. 05〜3. 0%、 A 1 : 0. 3〜2. 0%、 Mo、 Wおよび Vから成 る群から選ばれた少なくとも 1種を合計量 (Mo +W+V) で 0. 3〜20%、 Cu : 0. 05〜 3. 0 %を含む鋼からなり、 組織断面に観察される黒鉛の平均 粒径が 3 a m以下である自己潤滑性を有する摺動部品用材料が提供される。  Thus, according to the first aspect of the present invention, in mass%, C: 0.4% or more and less than 1.5%, Si: 0.1 to 3.0%, Mn: 0.3 to 3.0. %, Cr: 0 to 0.5%, Ni: 0.05 to 3.0%, A1: 0.3 to 2.0%, at least selected from the group consisting of Mo, W and V One type consists of steel containing 0.3 to 20% in total amount (Mo + W + V) and Cu: 0.05 to 3.0%. The average particle size of graphite observed in the microstructure section is 3 am A sliding component material having the following self-lubricating properties is provided.
この摺動部品用材料の好適形態によれば、 組織断面に観察される黒鉛の占める 面積率が 1%以上で、 その平均粒径が 3 μπι以下である。 また、 組織断面に V炭 化物が観察されないことが好ましい。  According to the preferred form of the material for sliding parts, the area ratio of graphite observed in the tissue section is 1% or more, and the average particle size is 3 μπι or less. Further, it is preferable that no V-carbide is observed in the tissue section.
さらに、 好適には、 Moおよび Wから成る群から選ばれた少なくとも 1種を合 計量で 0. 3〜5. 0%、 V : 0. 1%未満である。 A 1の好適量は 0. 7〜2. 0%である。 前記鋼は、 Mo : 1. 5〜3. 0%, Co : 1 0%以下を含むこと が好ましい。 また、 前記鋼の硫黄 (S) および C a量は、 S : 0. 3%以下、 C a : 0. 01 %以下であることが好ましく、 前記鋼に窒化処理を施して摺動部品 用材料として使用することが好ましい。 More preferably, at least one selected from the group consisting of Mo and W is 0.3 to 5.0% in total, and V: less than 0.1%. The preferred amount of A1 is 0.7 to 2.0%. The steel contains Mo: 1.5 to 3.0% and Co: 10% or less. Is preferred. In addition, the sulfur (S) and Ca content of the steel are preferably S: 0.3% or less, and Ca: 0.01% or less. It is preferable to use as.
本発明の第 2の観点によれば、 質量%で、 C : 0. 4%以上1. 5%未満、 S i : 0. :!〜 3. 0 %、 M n : 0. 1〜 3. 0 %、 C r : 0〜 0. 5 %、 N i : 0. 05〜3. 0%、 A 1 : 0. 3〜2. 0%、 Mo、 Wおよび Vから成る群か ら選ばれた少なくとも 1種を合計量 (M o +W+V) で 0. 3〜 20 %、 Cu : 0. 05〜 3. 0 %を含み、 組織面に観察される黒鉛の平均粒径が 3 μ m以下で ある鋼から成るピストンリング用線材が提供される。 この線材で作ったビストン リングでは、 外周面と平行な組織断面で観察されるサルファイド系介在物の分布 状態が、 それぞれのサルフアイド系介在物の最大径上を通る直線同士のなす平行 度にて 30度以内である。 好ましくは、 ピストンリング用線材の組織断面に観察 される黒鉛の占める面積率が 1 %以上、 かつ、 その平均粒径が 3 μπι以下である。 ピストンリング用線材は、 好ましくは、 C o : 1 0%以下を含み、 あるいは更 に S : 0. 3%以下、 C a : 0. 01 %以下を含み、 窒化処理を施して使用する ことが好ましい。  According to a second aspect of the present invention, in mass%, C: 0.4% or more and less than 1.5%, S i: 0.:!-3.0%, M n: 0.1-3. 0%, Cr: 0 to 0.5%, Ni: 0.05 to 3.0%, A1: 0.3 to 2.0%, selected from the group consisting of Mo, W and V Contains at least one of 0.3 to 20% in total amount (Mo + W + V), Cu: 0.05 to 3.0%, and the average particle size of graphite observed on the tissue surface is 3 µm A wire for a piston ring made of the following steel is provided. In the biston ring made of this wire rod, the distribution state of the sulfide inclusions observed in the cross section of the structure parallel to the outer peripheral surface is determined by the parallelism between the straight lines passing over the maximum diameter of each sulfide inclusion. Within degrees. Preferably, the area ratio of graphite occupied in the cross section of the structure of the wire for a piston ring is 1% or more, and the average particle size is 3 μπι or less. The wire for a piston ring preferably contains Co: 10% or less, or further contains S: 0.3% or less, and Ca: 0.01% or less, and may be used after being subjected to nitriding treatment. preferable.
本発明の重要な特徴は、 ピストンリングに代表される摺動部品について、 その 耐焼付き性の向上および摩擦係数の低下に最適な手段として、 微細かつ適度の黒 鉛が析出した鋼組織を実現したことである。 すなわち、 ピストンリング /シリン ダ間の摩擦挙動の特異性をも十分に考慮して、 それを補う形で耐久性能を向上さ せるのが狙いであり、 非表面処理材あるいは、 表面処理コストの面では有利な窒 化処理材であつても、 従来の技術ではそれぞれ不十分であつたその耐焼付き性お よび摩擦係数の低下について、 十分な効果が達成されるものである。  An important feature of the present invention is that, for sliding parts typified by piston rings, a steel structure in which fine and moderate graphite is precipitated has been realized as an optimal means for improving seizure resistance and reducing the friction coefficient. That is. In other words, it is intended to improve the durability performance by taking into account the peculiarity of the friction behavior between the piston ring and the cylinder, in order to compensate for it, and to improve the non-surface treatment material or surface treatment cost. Thus, even with the advantageous nitriding material, sufficient effects can be achieved with respect to the reduction in seizure resistance and friction coefficient, which were insufficient with conventional technologies.
そして、 本発明の黒鉛析出組織について、 その工業上の実施手段として成立さ せるためにも、 十分に迅速な黒鉛の微細析出が可能であり、 加工性や被削性の向 上にも効果のある成分糸且成を突きとめたところ、 カロえて、 硫黄 (S) の単独添加 もしくは、 硫黄 (S) と C aの複合添加をも併用することでこれら効果の更なる 向上が達成できたところにも、 大きな特徴を有するものである。  In order to realize the graphite precipitation structure of the present invention as a means for industrial implementation thereof, it is possible to sufficiently rapidly precipitate graphite finely and to improve the workability and machinability. It was found that a certain component was found, and it was found that these effects could be further improved by adding sulfur (S) alone or in combination with sulfur (S) and Ca. Also, it has a great feature.
最初に、 本発明の黒鉛析出組織について述べる。 摺動部品において、 その通常苛酷に摩擦する機械要素間には油、 水等の流体膜 が絶えず形成される流体潤滑設計がなされることが主流である。 この流体膜形成 は飛行機のように相対運動をする流体に浮力が発生することを利用しており、 流 体の粘度、 相対速度が高くなると摺動部品間に介在する流体膜が厚くなるため、 これが機械要素を摩擦から保護する。 First, the graphite precipitation structure of the present invention will be described. The mainstream of sliding parts is a fluid lubrication design in which a fluid film of oil, water, etc. is constantly formed between the usually severely rubbing mechanical elements. This fluid film formation utilizes the buoyancy of a fluid that moves relative to each other like an airplane.If the viscosity and relative speed of the fluid increase, the fluid film interposed between the sliding parts becomes thicker. This protects the mechanical elements from friction.
しかし、 内燃機関で言えば、 その現在のほとんどのエンジンが往復運動方式で あることから、 上下死点近傍ではピストンリング zシリンダ間では相対速度がゼ 口となり、 流体膜も破れ、 摩耗、 焼付きが発生し、 内燃機関の正常な運転を妨げ る。 更には、 オイルが燃焼室に入り込むのを防止する、 いわゆる油搔きの作用を 高めることがビストンリングの性能向上の目標として挙げられていることから、 上記した流体膜の維持はますます困難な状況になっている。  However, in the case of internal combustion engines, since most of the current engines are of reciprocating motion type, the relative velocity between the piston ring and the cylinder near the top and bottom dead center is zero, and the fluid film is broken, wear and seizure Will occur and interfere with the normal operation of the internal combustion engine. Furthermore, since the goal of improving the performance of the biston ring is to prevent oil from entering the combustion chamber, that is, to enhance the effect of oiling, it is increasingly difficult to maintain the above-mentioned fluid film. It is in a situation.
それであっても、 このような摺動運動には様々な流体潤滑モードが働いている のであって、 本発明者らはそれらモードを見直し、 活用することで、 課題の解消 を試みた。 すなわち、 流体潤滑モードには (1 ) くさび作用、 (2 ) 伸縮作用、 ( 3 ) スクイズ作用の 3つが存在し、 (3 ) のスクイズ作用には、 相対速度がゼ 口となっても作用する働きがある。 これについて説明すると、 例えば板状の固体 が流体を介在させながら基板上を滑っているとする。 この場合、 基板と対抗する 板の面に発生する圧力分布は板のエッジ部で圧力が 0となる境界条件があり、 潤 滑を維持するため、 すなわち正の圧力分布が発生するためには、 圧力分布は上に 凸の関数とならなければならず、 以下の条件で記述できる。  Nevertheless, various fluid lubrication modes are working for such sliding motion, and the present inventors have tried to solve the problem by reviewing and utilizing these modes. In other words, there are three types of fluid lubrication mode: (1) wedge action, (2) expansion and contraction action, and (3) squeeze action. The squeeze action of (3) operates even when the relative speed is zero. There is work. To explain this, it is assumed that, for example, a plate-like solid is sliding on a substrate while interposing a fluid. In this case, the pressure distribution generated on the surface of the plate opposing the substrate has a boundary condition where the pressure is 0 at the edge of the plate, and in order to maintain lubrication, that is, to generate a positive pressure distribution, The pressure distribution must be a convex function and can be described by the following conditions.
P P < '数式 P P <'Formula
ここで、 Pは圧力、 Xは摺動方向、 yは摺動方向と直角方向の距離を表してい る。 また、 流体潤滑の基礎方程式である R e i n o 1 d s方程式は以下のように 表される。 Here, P is the pressure, X is the sliding direction, and y is the distance perpendicular to the sliding direction. The Reino 1ds equation, which is the basic equation of fluid lubrication, is expressed as follows.
d d(ph) …数式り dx
Figure imgf000007_0001
dt
dd (ph) ... formula dx
Figure imgf000007_0001
dt
.で、 pは流体の密度、 hが流体膜の厚み、 77は粘性係数、 tは時間、 uは 相対速度を表している。 よって、 (1 ) 、 (2 ) 式より、 流体膜に正の圧力が発 生する必要条件は以下のようになる。 Where, p is the density of the fluid, h is the thickness of the fluid film, 77 is the viscosity coefficient, t is time, and u is Indicates relative speed. Therefore, from the equations (1) and (2), the necessary conditions for generating a positive pressure in the fluid film are as follows.
u d{ ^ + ph du + d{ph) < 0 …数式 3 ud {^ + ph du + d {ph) <0 … Equation 3
όχ 2 ϋχ dt  όχ 2 ϋχ dt
( 3 ) 式には 3つの項が発生しているが、 第 1、 第 2項は相対速度 uを含み、 先述したくさび作用、 伸縮作用に相当する。 そして、 uを含まない第 3項こそが、 ビストンリング Zシリンダ間で相対速度がゼロとなっても機能する可能性が残さ れている、 スクイズ作用を示す項である。 Equation (3) has three terms. The first and second terms include the relative velocity u, and correspond to the wedge action and the expansion / contraction action described above. And the third term that does not include u is the term indicating the squeeze action, which has the possibility of functioning even if the relative speed between the Biston ring Z cylinders becomes zero.
この第 3項が負になることがどのような物理的意味を持つかを説明すると、 そ れは流体の密度が一定であれば、 流体膜の膜厚が時間的に急に減少することで、 結果、 流体膜に正圧が発生するという意味である。 現実的にこのような現象を起 こそうとすれば、 基板を滑る板に垂直荷重を急激に与え、 流体膜を搾り出す必要 がある。 その結果、 流体膜は搾り出されてゆくが、 同時に高い正圧が発生し、 な かなか固体同士の接触には至らない、 すなわち、 スクイズ作用が期待できるので ある。  Explaining the physical meaning of the negative effect of the third term is that if the density of the fluid is constant, the thickness of the fluid film suddenly decreases over time. As a result, a positive pressure is generated in the fluid film. If this phenomenon is to be realistically attempted, a vertical load must be suddenly applied to the plate sliding on the substrate to squeeze out the fluid film. As a result, the fluid film is squeezed out, but at the same time, a high positive pressure is generated and the solid does not easily come into contact with each other. In other words, a squeeze effect can be expected.
ここで、 この効果を增幅させるには、 その摺動する表面に多数の穴状構造を形 成することでいっそう高まることを、 本発明者らは知見した。 すなわち、 摺動面 に微細かつ多数の空孔を設ければ、 相対速度がゼロにある、 流体膜の破れた状態 からであっても、 次の時間経過には空孔中の流体が瞬時に流体の枯渴面に搾り出 され、 その移動した流体の大きな膜厚減少によるスクイズ作用を得ることができ るのである。 これにより、 上記往復運動の上下死点近傍での焼付きを抑制でき、 さらには摩擦係数を低下できるのである。  Here, the present inventors have found that the effect can be further enhanced by forming a large number of hole-shaped structures on the sliding surface thereof. In other words, if a large number of fine holes are provided on the sliding surface, even if the relative velocity is zero and the fluid film is broken, the fluid in the holes will instantaneously elapse over the next time. It is squeezed out on the dead surface of the fluid, and a squeezing action can be obtained by a large decrease in the film thickness of the moved fluid. As a result, seizure in the vicinity of the vertical dead center of the reciprocating motion can be suppressed, and the friction coefficient can be reduced.
本発明の黒鉛析出組織はこの作用 ·効果にも注目して決定されたものである。 すなわち、 本発明の黒鉛組織は、 まずそれ自体が固体潤滑作用を有する潤滑相と して作用するのであるが、 加えて同時に重要となるのが、 その黒鉛が脱落した時 の空孔として油膜保持性を向上させる上記のスクイズ作用である。 このスクイズ 作用は、 圧力変動に対して油膜が安定して形成され、 摺動面の形状としては表面 に穴を配置することでその効果が高まることは上記の通りである。 この効果を得 るために黒鉛析出こそ有効であって、 通常のすべり軸受、 コロ軸受、 玉軸受部材 はもちろんのこと、 圧力変動が大きな、 ピストンリング、 シリンダライナー、 バ ルブリフタのシム面、 種々のカム、 歯車、 金型部材、 もしくは切断刃などの、 す ベり軸受のような連続的な流体潤滑膜形成が困難な摺動部にも効果を発揮するも のである。 The graphite precipitate structure of the present invention has been determined by paying attention to this action and effect. That is, the graphite structure of the present invention first acts as a lubricating phase having a solid lubricating action, but at the same time, it is also important that the graphite film retains an oil film as pores when the graphite falls off. This is the above-mentioned squeezing action for improving the performance. As described above, the oil film is formed stably with respect to pressure fluctuations, and the effect is enhanced by arranging holes on the surface of the sliding surface. Get this effect For this reason, graphite precipitation is effective, and it is not only ordinary plain bearings, roller bearings, ball bearing members, but also large pressure fluctuations, piston rings, cylinder liners, shim surfaces of valve lifters, various cams, gears, It is also effective for sliding parts such as die members or cutting blades where it is difficult to form a continuous fluid lubricating film, such as sliding bearings.
また、 本発明の黒鉛析出組織は、 そのピストンリングに適用した場合の、 最近 問題となってきたアルミニウム製ピストンとの凝着摩耗を防止することにも効果 を発揮する。 すなわち、 アルミニウムは炭素に対しほとんど固溶限を持たないた め、 凝着反応が抑制されるのである。  Further, the graphite precipitate structure of the present invention is also effective in preventing adhesion wear with an aluminum piston, which has recently become a problem when applied to the piston ring. In other words, since aluminum has almost no solid solubility limit in carbon, the adhesion reaction is suppressed.
以上、 本発明の摺動部品用材料は、 その組織面に黒鉛を分散させるものである f ここでその観察される黒鉛の平均粒径は 3 // m以下にすることが重要である。 これは、 平均粒径が 3 i mを超えると、 その摺動中に黒鉛周辺部が破損し、 この 破片が摺動面内に入り込む懸念があるからである。 なお、 本発明の黒鉛分散によ る効果を得るのに好ましくは、 組織面に観察される黒鉛の占める面積率を 1 %以 上とすることである。 さらに好ましくは、 比較的粗大な粒径 1 μ m以上の黒鉛に ついて、 その平均粒径を 5 以下とすること、 あるいはその面積率にて 5 %未 満とすることである。  As described above, the sliding component material of the present invention disperses graphite on the surface of the structure. F It is important that the observed average particle size of graphite is 3 // m or less. This is because if the average particle size exceeds 3 im, the periphery of the graphite will be damaged during the sliding, and there is a concern that the fragments may enter the sliding surface. In order to obtain the effect of the graphite dispersion of the present invention, it is preferable that the area ratio of graphite observed on the tissue surface is 1% or more. More preferably, for relatively coarse graphite having a particle size of 1 μm or more, the average particle size is 5 or less, or the area ratio is less than 5%.
空孔の形成による潤滑効果は、 上記の作用によって流体膜の減少を招き、 いず れは効果を失うため、 主流の流体潤滑設計としてはあまり扱われなかった。 しか し、 特に内燃機関といつた連続的な流体潤滑膜の形成が困難な往復運動にあって こそ本発明の手段が有効であり、 例えば相対速度がゼロ近くになり流体膜が破断 する上下死点近傍が一時的な状態であり、 すぐに潤滑油の潤沢な環境に移行して ゆくピストンリング ζシリンダ間のような、 非定常的な摩擦挙動を起こす環境の 場合、 黒鉛析出は威力を発揮する。  The lubrication effect due to the formation of holes causes the fluid film to decrease due to the above-mentioned effects, and any of them loses the effect. However, the means of the present invention is effective especially in reciprocating motion where it is difficult to form a continuous fluid lubricating film, such as with an internal combustion engine. Graphite deposition is effective in an environment where transient frictional behavior occurs, such as between a piston ring and a cylinder, where the area near the point is a temporary state and immediately shifts to an environment rich in lubricating oil. I do.
ピストンリング、 シリンダライナーに代表される、 構造上一時的に流体膜の破 断が生じる条件下でこそ、 流体膜の維持が可能な潤滑設計を行なうことは重要で ある。 それであっても、 エンジンの回転数ゃ摺動部品の構造がかわると、 固体接 触の可能 ¾feが高まるのであって、 これら非定常的な摺動部品には、 黒鉛鋼のよう に、 固体潤滑作用のある黒鉛を析出させた材料を適用することでより広範囲な摺 動条件に対応可能となる。 It is important to design a lubrication system capable of maintaining a fluid film only under conditions where a fluid film is temporarily broken, as represented by a piston ring and a cylinder liner. Even so, if the structure of the engine's rotation speed ゃ sliding parts is changed, solid contact is possible¾fe is increased, and these non-stationary sliding parts have solid lubrication like graphite steel. A wider range of slides can be obtained by applying a material with precipitated graphite Dynamic conditions.
次に、 本発明の摺動部品を構成する鋼の成分組成について説明する。  Next, the component composition of steel constituting the sliding component of the present invention will be described.
黒鉛鋼自体については、 古くから報告があり、 これらは主に S i、 N iを添加 した合金とするものであるが、 6 0 0 °C以上の温度保持を行なうような黒鉛析出 処理に数十時間以上を要するものであった。 そこで、 本発明では、 その数時間レ ベルでの黒鈴析出を完了させるため、 セメンタイトが分解し易く、 N iの上に適 量の A 1を添加したところに特徴を有する。  Graphite steel itself has been reported for a long time, and these are mainly alloys to which Si and Ni have been added.However, there are a number of graphite precipitation treatments that maintain a temperature of 600 ° C or more. It took more than 10 hours. Thus, the present invention is characterized in that cementite is easily decomposed in order to complete precipitation of black tin at the level of several hours, and an appropriate amount of A1 is added to Ni.
一般的に鉄中の炭素は、 黒鉛として析出する前段階として、 一旦、 準安定なセ メンタイトとして析出する。 このため、 黒鉛析出処理では、 セメンタイトを分解 し、 安定な黒鉛へと変化させる必要がある。 従来の黒鉛鋼では、 セメンタイトの 分解が進み難く、 非常に長い時間を要した。 そこで、 本発明では、 C r等のセメ ンタイト分解を妨げる元素を抑制することで、 準安定なセメンタイトが析出して もすぐ分解する成分設計を狙い、 実質的にはセメンタイトが生成することなく、 一挙に黒口、として析出させることができる。  Generally, carbon in iron is once precipitated as metastable cementite before the precipitation as graphite. For this reason, in the graphite precipitation treatment, it is necessary to decompose cementite and convert it to stable graphite. With conventional graphite steel, the decomposition of cementite was difficult to proceed, and it took a very long time. Therefore, in the present invention, by suppressing elements that hinder the decomposition of cementite, such as Cr, the aim is to design a component that can be decomposed immediately even when metastable cementite precipitates, and virtually no cementite is generated. It can be deposited as black holes at once.
また、 A 1は鉄中での拡散速度が速く、 A 1を添加したことで、 空孔の拡散速 度が速くなり、 黒鉛の析出場所となる空孔の集合体を形成する時間が短くなる。 このような二つの作用効果を併用することで、 本発明では黒鉛析出を短時間で行 なうことが可能となった。 また、 浸炭処理等により、 表面のみに黒鉛を析出させ ることも容易である。  A1 has a high diffusion rate in iron, and the addition of A1 increases the diffusion rate of vacancies and shortens the time required to form aggregates of vacancies where graphite is deposited. . By using such two effects in combination, the present invention has made it possible to precipitate graphite in a short time. It is also easy to deposit graphite only on the surface by carburizing or the like.
更に、 A 1は窒化硬化能を有する元素でもあり、 窒化硬化銅の合金設計上、 好 都合である。 なお、 同じく窒化硬化元素として使用される元素に C rがあるが、 C rは本発明の根幹技術となる黒鉛形成を阻害するだけでなく、 耐硫酸腐食性を も著しく低下させることから、 その使用を極力避けるものである。 よって、 本発 明の採用する A 1は重要な含有元素である。  Further, A1 is also an element having nitriding hardening ability, which is advantageous in designing an alloy of nitrided hardened copper. In addition, Cr is also an element used as a nitriding hardening element. Since Cr not only inhibits graphite formation, which is the core technology of the present invention, but also significantly reduces sulfuric acid corrosion resistance. Avoid using as much as possible. Therefore, A1 used in the present invention is an important contained element.
加えて、 従来、 黒鉛鋼に窒ィヒ処理を適用した場合など、 窒化層中に例えば粒径 1 0 m以上の黒鉛といった欠陥があると、 窒ィヒ層が脆くなるという欠点が指摘 されており、 窒化鋼に黒鉛を析出させるには難点があった。 そこで、 本発明にお いては、 その窒化鋼としても成立させるために、 析出する黒鉛の微細化にも努め た。 この析出黒鉛の微細化に関しては、 (1) 加工歪みによる微細化、 (2) A 1 23等介在物の添加、 (3) BN、 T i C等を析出核とする、 3つの方法が挙 げられる。 しかし、 (1) はプロセス上の制約があり、 (2) は分散化の製法に 難がある、 そして、 (3) は微量成分を制御することで達成される効果であるた め、 高 C鋼においては製法に難がある。 これらに関しては、 例えば特開平 1 1一 246940号には T i Cを分散させる方法が、 岩本隆ら 「鉄と鋼 Vo 1. 84 (1 998) p. 57」 には BNを核に黒鉛析出を行なう方法が示されているが、 これらは 1000°C以上の拡散速度が高い高温で第 2相が析出するので、 黒鉛の 微細均一性を保つことが難しく、 成分偏析の激しい高合金への適用が困難である。 そこで、 本発明者らは、 この黒鉛の微細化を達成するべく種々検討した結果、 組織中の Cu— A 1金属析出相が有効に作用することを見いだした。 これは前述 した、 第 2相を析出黒鉛の核として作用させる現象であるが、 この Cu— A1相 は 800°C以下という低温で析出するため、 微細な黒鉛組織が安定かつ迅速に形 成できる。 本発明においては、 具体的には脆ィ匕現象が起こらないレベルでの Cu と A 1の添加を行なうことにより、 強度劣化が少なくかつ潤滑相として作用する 黒鉛組織を形成することができる。 加えて、 Cuは耐硫酸腐食性の向上にも寄与 している。 In addition, it has been pointed out that if the nitride layer has a defect such as graphite with a particle size of 10 m or more, such as the case of applying a nitriding treatment to graphite steel, the nitriding layer becomes brittle. Therefore, there were difficulties in depositing graphite on nitrided steel. Therefore, in the present invention, efforts were made to refine the precipitated graphite in order to realize the nitrided steel. For the miniaturization of the precipitation graphite, and (1) refining by processing strain, (2) the addition of A 1 23 like inclusions, (3) BN, deposited nuclei T i C, etc., three methods Are listed. However, (1) has limitations in the process, (2) has difficulty in the dispersion manufacturing method, and (3) has the effect achieved by controlling the trace components. There are difficulties in the manufacturing method for steel. Regarding these, for example, JP-A-11-246940 discloses a method of dispersing TiC. Takashi Iwamoto et al. In “Iron and Steel Vo 1.84 (1998) p. 57” show graphite precipitation using BN as a nucleus. However, in these, the second phase precipitates at a high temperature with a high diffusion rate of 1000 ° C or more, so it is difficult to maintain the fine uniformity of graphite, and it is difficult to use high alloys with severe component segregation. Difficult to apply. The present inventors have conducted various studies to achieve the miniaturization of graphite, and as a result, have found that the Cu—A 1 metal precipitate phase in the structure works effectively. This is a phenomenon in which the second phase acts as the nucleus of precipitated graphite, as described above.Since this Cu-A1 phase precipitates at a low temperature of 800 ° C or less, a fine graphite structure can be formed stably and quickly. . In the present invention, specifically, by adding Cu and A1 at a level at which the brittle phenomenon does not occur, it is possible to form a graphite structure with less strength deterioration and acting as a lubricating phase. In addition, Cu also contributes to the improvement of sulfuric acid corrosion resistance.
黒鉛の分散による潤滑技術については、 従来、 錶鉄の分野にて多く提案されて いるが、 各分野の摺動部品についてその使用環境が年々苛酷化しているため、 鎳 鉄から鋼の表面処理材へと変更が進んでいる。 しカ し、 それであっても、 例えば 内燃機関のシリンダブ口ックの場合、 そのほとんどはアルミ化されているものの シリンダライナー部内壁は、 今でも前述した効果を狙った、 黑鉛を晶出させた鍀 鉄が使用されている状況である。 本発明の摺動部品は、 摺動特性は勿論のこと、 その他、 環境の苛酷化により必要とされる強度、 耐摩耗性、 耐硫酸腐食性をも兼 備させるために、 鎳鉄の特性も取り込んだスチール材としての成立を目的とし、 そのための合金設計に特徴を有するものである。 以下、 成分組成について説明す る。  Many lubrication technologies based on the dispersion of graphite have been proposed in the field of iron.However, the usage environment for sliding parts in each field is becoming more severe every year. The change is progressing to. However, even in the case of cylinder blocks for internal combustion engines, for example, most of them are made of aluminum, but the inner wall of the cylinder liner still crystallizes lead, aiming at the above-mentioned effects. It is a situation where iron is used. The sliding parts of the present invention not only have the sliding properties, but also have the strength, abrasion resistance, and sulfuric acid corrosion resistance required due to severe environmental conditions. The purpose is to achieve the steel material taken in, and the alloy design for that purpose is characteristic. Hereinafter, the component composition will be described.
Cは一部が基地中に固溶して強度を付与し、 一部は炭化物、 あとの残部は黒鉛 を形成して耐摩耗性と耐焼付き性を高める重要な元素である。 このためには少な くとも 0. 4 %が必要である。 し力 しながら、 1. 5 %以上になると融点が低下 し、 インゴットを 1200°C前後で数十時間加熱するような、 凝固偏析解消のた めの拡散焼鈍処理による組織の均一化が困難になる。 よって、 Cは 0. 4%以上 1. 5 %未満とする。 好ましくは、 0. 5 %以上 1. 3 %未満である。 C is an important element that forms a solid solution in the matrix to impart strength, partially forms carbide, and the rest forms graphite to increase wear resistance and seizure resistance. For this there is little At least 0.4% is required. However, if the temperature exceeds 1.5%, the melting point decreases, making it difficult to homogenize the structure by diffusion annealing to eliminate solidification segregation, such as heating the ingot at around 1200 ° C for several tens of hours. Become. Therefore, C is set to 0.4% or more and less than 1.5%. Preferably, it is 0.5% or more and less than 1.3%.
S iは通常脱酸剤として添カ卩されるが、 ここでは黒鉛析出の促進元素として添 加しており、 耐硫酸腐食性を向上させる効果もあるため、 0. 1%を下限とした。 一方では鋼の焼戻し軟化挙動にも影響し、 特に低合金鋼においては S iの影響は 重要である。 焼戻し軟化を防ぎ耐熱強度を高めるために好ましい S i量は 1. 0 %以上である。 しかしながら、 過度に添加すると 点が上昇するので、 S iの 上限は 3. 0%に規定する。 よって、 S U 0. ;!〜 3. 0%とする。 好ましく は、 0. 5〜3. 0%、 さらに好ましくは、 1. 0〜3. 0%である。  Although Si is usually added as a deoxidizing agent, it is added here as an element for accelerating graphite precipitation and has an effect of improving the sulfuric acid corrosion resistance. Therefore, the lower limit is set to 0.1%. On the other hand, it also affects the tempering softening behavior of the steel, and the effect of Si is particularly important for low alloy steels. The preferable Si content for preventing temper softening and increasing the heat resistance is 1.0% or more. However, the point will rise if it is added excessively, so the upper limit of Si is set to 3.0%. Therefore, S U 0. Preferably, it is 0.5 to 3.0%, more preferably 1.0 to 3.0%.
Mnも S iと同様、 脱酸剤として使用され、 最低 1%は必要であるが、 過 度に添加すると黒鉛の析出を害する。 そのため上限を 3. 0%に規定した。 よつ て、 Mnは 0. 1〜3. 0%とする。  Mn, like Si, is used as a deoxidizing agent, and at least 1% is required. However, excessive addition impairs graphite precipitation. Therefore, the upper limit was set at 3.0%. Therefore, Mn is set to 0.1 to 3.0%.
C rは有効な窒化硬化元素であるが、 準安定なセメンタイトの分解を抑制し、 黒鉛の析出を強力に阻害するだけでなく、 耐硫酸腐食性を著しく低下させる元素 なので、 0. 5%以下に規制する必要がある。 よって、 本発明においては、 0〜 0. 5%、 好ましくは、 0〜0. 3%とする。  Although Cr is an effective nitridation hardening element, it is an element that suppresses the decomposition of metastable cementite, not only strongly inhibits the precipitation of graphite, but also significantly reduces sulfuric acid corrosion resistance. Need to be regulated. Therefore, in the present invention, it is 0 to 0.5%, preferably 0 to 0.3%.
N iは黒鉛の形成促進元素であり、 また C u添加鋼に生じる赤熱脆性を抑える のに有益な元素でもあるが、 一方で F e中への Cの固溶限を上げるため、 焼鈍状 態での加工性を阻害する元素である。 よって、 0. 05〜3. 0%とした。 好ま しくは、 0. 6〜1. 5%である。 Ni is an element that promotes the formation of graphite and is also a useful element in suppressing red hot embrittlement that occurs in the Cu-added steel, but on the other hand, in order to increase the solid solubility limit of C in Fe, the annealing state Is an element that inhibits workability in Therefore, it was set to 0.05 to 3.0%. Preferably, it is 0.6-1.5%.
1は。1-と同様、 窒化硬さを上昇させる元素であるが、 本発明では C rを上 げられない分、 A 1を添カ卩することで窒化硬さを確保している。 そして、 その特 徴とするところは、 黒鉛形成元素であり、 空孔の拡散を助け、 更には Cuと共に C u— A 1相として黒鉛析出の核となり、 迅速かつ微細な析出を起こさせるのに 有効な元素であるということから、 0. 3%以上添加する必要がある。 ここで、 A 1も S iと同様、 点を上昇させるため、 2. 0%以下に規定する。 よって、 本発明では 0. 3〜2. 0%の添加範囲に限定する。 好ましくは、 0. 7〜2. 0%である。 One. Like 1-, it is an element that increases the hardness of nitriding, but in the present invention, the hardness of nitriding is secured by adding A 1 to the extent that Cr cannot be increased. Its characteristic feature is that it is a graphite-forming element, which aids in the diffusion of vacancies, and also serves as a Cu-A1 phase together with Cu to form graphite nuclei, causing rapid and fine precipitation. Since it is an effective element, it is necessary to add 0.3% or more. Here, A 1 is specified to be 2.0% or less in order to raise the point similarly to S i. Therefore, in the present invention, the addition range is limited to 0.3 to 2.0%. Preferably, 0.7 to 2. 0%.
Moは C rに比較して黒鉛ィヒを阻害しない炭化物形成元素であり、 さらには耐 熱性を付与する元素である。 炭化物は、 例えばピストンリング製造工程での曲げ 加工後に行なう熱成形処理においてマトリックスを拘束するため、 寸法安定性を 高める働きを持つ。 しかし、 過度の Mo添カ卩は C rと同様にセメンタイトの分解 を抑制する。  Mo is a carbide forming element that does not inhibit graphite as compared with Cr, and is an element that imparts heat resistance. Carbides serve to enhance dimensional stability, for example, by constraining the matrix during thermoforming performed after bending in the piston ring manufacturing process. However, excessive amount of Mo-added rice cake suppresses the decomposition of cementite like Cr.
それであっても、 Moは上記の阻害の影響が少なく、 一方で耐熱性の向上に大 きく寄与し、 熱処理時の寸法安定性に貢献する。 特にピストンリングの製造工程 では細線状態での熱処理工程が入るため、 この特性の重要度が高く、 合口形状の バラツキ抑制に有効となるため、 0. 3%以上添加する。 一方、 黒鉛の析出を阻 害するため、 その上限は 20%とする。 ここで、 V、 Wであっても Moに同様の 上記効果を持つことから、 本発明では、 Mo、 Wおよび Vから成る群から選ばれ た少なくとも 1種を合計量で 0. 3〜 20 %とすることができる。  Even so, Mo has little effect of the above-mentioned inhibition, and on the other hand contributes significantly to the improvement of heat resistance and contributes to dimensional stability during heat treatment. Especially, in the manufacturing process of the piston ring, since the heat treatment process in the state of the fine wire is included, the importance of this property is high, and it is effective in suppressing the variation of the joint shape. On the other hand, the upper limit is set to 20% to prevent graphite precipitation. Here, since V and W have the same effect as that of Mo, in the present invention, at least one selected from the group consisting of Mo, W and V is 0.3 to 20% in total amount. It can be.
ただし、 Vを添加する場合であっても、 V炭化物が生じると黒鉛析出を著しく 阻害するため、 組織面に V炭化物が観察されないことが望ましい。 あるいは、 M o、 Wの複合あるいは単独添加による (Mo+W) を 0. 3〜5. 0%とし、 V は〇. 1 %未満であることが好ましい。 また、 Moは、 黒鉛によるスクイズ作用 を促進し、 高圧下での流体膜形成を助けることで、 耐焼付き性を高め、 かつ動摩 擦係数を下げる効果がある。 加えて、 耐硫酸腐食性を向上させる効果もあること から、 Mo単独での添加量が 1. 5〜3. 0%であることが好ましい。  However, even when V is added, the formation of V carbide significantly inhibits the precipitation of graphite. Therefore, it is desirable that V carbide is not observed on the surface of the structure. Alternatively, it is preferable that the composite (Mo + W) of Mo and W or the single addition (Mo + W) is 0.3 to 5.0%, and V is less than 0.1%. Mo promotes the squeezing action of graphite and helps to form a fluid film under high pressure, thereby improving seizure resistance and reducing the coefficient of dynamic friction. In addition, from the viewpoint of improving the sulfuric acid corrosion resistance, it is preferable that the amount of Mo alone added is 1.5 to 3.0%.
C uは C u— A 1の金属相を析出させ、 微細な黑鉛組織を安定かつ迅速に形成 するのに有効であることから、 A 1と共に本発明にとって重要な元素である。 カロ えて、 耐硫酸腐食性を向上させる効果もある。 よって、 A 1量も兼ねた相互的な 含有量調整を要し、 その効果を得るためには 0. 05%以上、'望ましくは 0. 2 %以上添加する必要がある。 一方、 Cuは過剰に添加すると焼きなまし時の硬さ が高くなり、 加工性を阻害するため、 3. 0%以下にする必要がある。 よって、 本発明では 0. 05〜3. 0%の組成範囲とし、 好ましくは 0. 2〜3. 0%と する。  Cu is an important element for the present invention together with A1, because Cu is effective in precipitating the metal phase of Cu—A1 and stably and rapidly forming a fine lead structure. It also has the effect of improving sulfuric acid corrosion resistance. Therefore, it is necessary to reciprocally adjust the content also serving as the amount of A1, and to obtain the effect, it is necessary to add 0.05% or more, and preferably 0.2% or more. On the other hand, if Cu is added excessively, the hardness at the time of annealing will increase, and workability will be impaired. Therefore, in the present invention, the composition range is 0.05 to 3.0%, and preferably 0.2 to 3.0%.
さらに、 潤滑性を向上させる技術として、 内燃機関の場合では、 従来、 硫黄 ( S ) は有機化してエンジンオイル中に極圧添加剤として添カ卩され、 焼付きを防 止する技術として知られている。 その一方で、 本発明者らは、 鋼中に M n Sとレヽ つた硫化物 (サルファイド) を存在させることにより、 その硫黄 (S ) が摩擦発 熱により摩擦面にできた新生面に i n s i t uなサルフアイド膜を形成し、 こ れが潤滑性能を向上させることに効果があることを突きとめた。 この手段によれ ば、 材料内部に潤滑物質が散在しているので、 必要な局所で潤滑性能を上げるた めに潤滑物質を多量に添加する必要もなく、 極圧添加剤のようにオイル交換時に 効能が消失しないため、 半永久的に機能することが期待できる。 Furthermore, as a technology for improving lubricity, in the case of internal combustion engines, sulfur (S) is known as a technology for organizing and adding as an extreme pressure additive in engine oil to prevent seizure. On the other hand, the present inventors have found that the presence of MnS and red sulfide (sulfide) in the steel allows the sulfur (S) to form an in situ sulfide on the new surface created on the friction surface by frictional heating. They formed a film and found that this was effective in improving lubrication performance. According to this means, since the lubricating substance is scattered inside the material, it is not necessary to add a large amount of the lubricating substance to improve the lubricating performance at a necessary local portion. It can be expected to function semi-permanently because the effect does not disappear.
また、 ピストンリングについて C r系炭化物を鋼中に増やす従来の手段は、 言 い換えると、 シリンダライナーとの接触面積が少なく、 単位面積あたりの摺動ェ ネルギ一が高いビストンリング側の耐摩耗性を大きくして、 シリンダライナーと のバランスをとることが狙いである。 このことにより耐焼付き性も上がるが、 本 質的には接触の不均一によって生じる状況をシリンダライナー側の摩耗を促進さ せることにより、 接触面積を増大化させることで、 局部の異常な面圧の上昇を回 避することが狙いである。 つまり、 ピストンリング装着初期のなじみを良くする 技術であり、 凝着摩耗のような耐久性が必要とされる摩耗特性としての機能は少 ない。  The conventional means for increasing the amount of Cr-based carbide in steel for piston rings is, in other words, the contact area with the cylinder liner is small, and the sliding energy per unit area is high. The aim is to increase the performance and balance with the cylinder liner. This improves the seizure resistance, but essentially increases the contact area by promoting wear on the cylinder liner side due to non-uniform contact, resulting in abnormal local surface pressure. The aim is to avoid rising. In other words, it is a technology that improves the familiarity of the piston ring at the beginning of installation, and has few functions as wear characteristics that require durability such as adhesive wear.
し力 も、 過度な耐摩耗性向上はシリンダライナー側を攻撃する状況が発生し、 極度に進行するとかえってクリァランスの増加等を生じ、 排気ガス量に関係のあ るブローバイ量を増加させてしまう力 硫黄 (S ) の効果は、 材料の摩耗を促進 させずに摩擦係数を下げることで耐焼付き性を向上させているので、 エンジンの 運転が進んでもクリアランスの変化の少ない状況を持続させる効果が高い。  Excessive improvement in wear resistance will cause a situation where the cylinder liner will be attacked, and if it progresses extremely, it will increase the clearance, etc., and will increase the blow-by amount related to the amount of exhaust gas. The effect of sulfur (S) is to improve the seizure resistance by lowering the coefficient of friction without promoting the wear of the material, so it is highly effective in maintaining a small change in clearance even when the engine is running. .
よって、 本発明の摺動部品用材料においては、 硫黄 (S ) を適量添加すること により耐焼付き性を更に改善することができる。 すなわち、 硫黄 (S ) は大部分 M nと結びついて M n Sを形成し、 これがエンジンオイルといった潤滑剤に作用 して潤滑効果を発揮するために摩擦係数が低くなり、 耐焼付き性が向上する。 ここで焼付きとは、 摩擦発熱により摩擦面温度が上がり、 材料間の原子の移動 が熱振動によって起こるために固着する現象であり、 摩擦面温度は摩擦エネルギ 一 (=摩擦係数 X面圧 X滑り速度) の単調増加関数の関係となる。 そのため、 摩擦係数が減少すると昇温し難くなり、 耐焼付き性が向上する。 この効果を得る ために硫黄 (S ) の含有は有効であるが、 過度に添加すると機械的性質が劣化し、 例えばスチール製ビストンリング用の鋼線の引抜き加工工程にて破断が懸念され るので、 上限を 0 . 3 %とすることが好ましレ、。 含有に望ましくは 0 . 0 1〜0 . 3 %、 さらに望ましくは 0 . 0 3〜0 . 3 %である。 Therefore, in the sliding component material of the present invention, seizure resistance can be further improved by adding an appropriate amount of sulfur (S). In other words, sulfur (S) is mostly combined with Mn to form MnS, which acts on lubricants such as engine oil to exert a lubricating effect, lowering the coefficient of friction and improving seizure resistance . Here, seizure is a phenomenon in which the frictional surface temperature rises due to frictional heat and the atoms move between the materials due to thermal vibrations, causing sticking. The frictional surface temperature is defined as the friction energy unit (= friction coefficient x surface pressure X (Slip speed). for that reason, When the coefficient of friction decreases, it becomes difficult to raise the temperature, and the seizure resistance improves. To achieve this effect, the content of sulfur (S) is effective, but if added excessively, the mechanical properties deteriorate, and for example, there is a concern that the wire may break during the drawing process of steel wires for steel biston rings. The upper limit is preferably 0.3%. The content is desirably 0.01 to 0.3%, and more desirably 0.03 to 0.3%.
また、 更に本発明者らは、 硫黄 (S ) を 0 . 3 %にまで添カ卩した材料とするに は、 機械的性質の面からその製造工程に施される鍛造比を大きくすることが望ま しいことも見いだした。 つまり、 摺動部品としての機械的性質の向上に有効であ り、 特には鋼線を曲げ加工することで得られるスチール製ビストンリングにとつ て、 その曲げ加工工程での破断.折損を抑制するのに有効な手段でもある。  Further, the present inventors have found that in order to obtain a material obtained by adding sulfur (S) to 0.3%, it is necessary to increase the forging ratio applied to the manufacturing process from the viewpoint of mechanical properties. I also found something desirable. In other words, it is effective for improving the mechanical properties of sliding parts, and in particular, for steel biston rings obtained by bending steel wires, it suppresses breakage and breakage in the bending process. It is also an effective means of doing so.
なお、 この場合の鍛造比とは、 上記ピストンリング製造工程におけるインゴッ トを出発とするピストンリング製品までの減面率で定義される。 つまり、 その鋼 の鍛 ·展伸されていく方向に垂直な断面、 すなわち最終的なビストンリング製品 における小口断面に比して、 (鍛造前のインゴット断面積) / (曲げ加工後の製 品断面積) である。 但し、 曲げ加工による鋼線からピストンリング製品への減面 率は本発明の効果達成の上で無視できるものであり、 (鍛造前のィンゴッ ト断面 積) / (曲げ加工前 (鍛 *展伸後) の鋼線断面積) で評価してよい。 これら鍛造 比の数字が高いほど鍛造が進んでいることを示す。  In this case, the forging ratio is defined as a reduction in area from an ingot to a piston ring product in the piston ring manufacturing process. In other words, compared to the cross section perpendicular to the direction in which the steel is forged and stretched, that is, the small cross section in the final biston ring product, (ingot cross-sectional area before forging) / (product cut after bending) Area). However, the reduction in area from steel wire to piston ring products due to bending is negligible for achieving the effects of the present invention, and is calculated by (ingot cross-sectional area before forging) / (before bending (forging * elongation). (After) steel wire cross-section). The higher the number of these forging ratios, the more the forging is progressing.
Mn Sといったサルフアイドを含有する鋼は、 その出発組織となる錶造状態で は、 球状もしくは紡錘状のサルフ了ィドが凝固セル組織の粒界三重点に多く存在 し、 その配向はランダムな組織となっているが、 施す鍛造比が上がるに従ってサ ルフアイ ドの配向状態が変化し、 機械的性質が改善される。  In a steel structure containing a sulfide such as Mn S, in the starting structure, a large number of spherical or spindle-shaped sulfides are present at the grain boundary triple point of the solidified cell structure, and the orientation is random. However, as the forging ratio to be applied increases, the orientation of the sulfide changes, and the mechanical properties are improved.
この鍛造比を大きくしていくことで鋼線長さ方向へのサルフアイドの配向性が 高まり、 つまり、 ピストンリングに主に作用する周方向応力に沿った形でサルフ アイドが伸びるため、 機械的性質の劣化がほとんどなくなる。 この効果は、 特に 伸びたサルファイ ド、 すなわち、 アスペク ト比 (最大径 /最小径) が 3以上のサ ルフアイドに関して顕著であり、 言わば、 特にァスぺクト比が 3以上のサルファ ィドの周方向に対する配向性が悪いと、 機械的性質の劣化に繋がる。  Increasing the forging ratio increases the orientation of the sulfide in the length direction of the steel wire.In other words, the sulfide expands along the circumferential stress that mainly acts on the piston ring, resulting in mechanical properties. Is hardly deteriorated. This effect is particularly remarkable for stretched sulfides, that is, salifides having an aspect ratio (maximum diameter / minimum diameter) of 3 or more. In other words, particularly, the circumference of a sulfide having an aspect ratio of 3 or more. Poor orientation in the direction leads to deterioration of mechanical properties.
具体的には、 ビストンリングの外周面と並行な組織面で観察されるサルフアイ ド系介在物、 特にはァスぺクト比: 3以上のサルフアイド系介在物の分布状態を、 それぞれのサルフアイド系介在物の最大径上を通る直線同志のなす並行度 (鋭角 側の角度) にて 3 0度以内の状態とすることで、 特にピストンリング用線材とし て有効な摺動部品用材料とでき、 例えばこの鍛造比を 5 0 0以上とすることが達 成の上で好ましい。 Specifically, the sulphide observed on the tissue surface parallel to the outer peripheral surface of the biston ring The distribution of sulfide-based inclusions, especially the sulfide-based inclusions with an aspect ratio of 3 or more, is determined by the degree of parallelism (the angle on the acute angle side) between the straight lines passing over the maximum diameter of each sulfide-based inclusion. By setting the temperature to within 30 degrees, a material for sliding parts that is particularly effective as a wire for a piston ring can be obtained. For example, it is preferable to achieve a forging ratio of 500 or more.
図 5に鍛造比 1 (铸造まま) および 5 0 0の鍛造を行なった鋼を無腐食で 4 0 0倍の倍率で光学顕微鏡観察したマイクロ組織のスケッチ図と、 その時のサルフ アイド系介在物の並行度測定を行った模式図を示す。 ァスぺクト比: 3以上の任 意のサルファイド系介在物を 2つ選定し、 それら各々の最大径を通る直線 (A, B線) 同志がなす鋭角の角度を測り、 これを観察視野内ですベて測定する。 この 測定を少なくとも 1 0視野にわたり測定し、 その角度の最大値を並行度と定義し ている。 視野内に交点が無い場合 (例えば図 5—鍛造比 5 0 0 ) は、 A線に平行 な、 A ' 線を補助線として測定してもよレ、。 なお、 サルファイド系介在物を 1個 とみなす定義は、 4 0 0倍の光学顕微鏡観察で繋がっていると見なされるものを 1個とし、 その最大径を通る直線を測定線として用いる。  Figure 5 shows a sketch of the microstructure of a forged steel with a forging ratio of 1 (as-forged) and 500 forged at a magnification of 400 times without corrosion, and a view of the sulfide-based inclusions at that time. The schematic diagram which performed the parallelism measurement is shown. Aspect ratio: Two optional sulfide-based inclusions of 3 or more are selected, and the straight line (A, B line) passing through the maximum diameter of each is measured, and the acute angle formed by each other is measured. Then measure it. This measurement is performed over at least 10 fields of view, and the maximum value of the angle is defined as parallelism. If there are no intersections in the field of view (for example, Figure 5—forging ratio 500), the A 'line parallel to the A line may be measured as an auxiliary line. The definition that one sulfide-based inclusion is regarded as one is defined as one that is considered to be connected by observation with a 400 × optical microscope, and a straight line passing through the maximum diameter is used as a measurement line.
図 5において、 鍛造比が 1のものは 3 0度を超える関係のサルフアイド系介在 物が存在しているが、 鍛造比 5 0 0のものはすべて 3 0度以下になっていること がわかる。 詳細には 3 0度という数字は、 破壊力学的に設計した数字である。 図 6 feG.i .Irwm (Analysis of Stresses and Strains Near the End of a Crack Transversing a Plate , Trans.ASME , Ser.E,J.Appl.Mech. , Vol.24, No.3 (1957) , pp.361-364参照) が解析的に算出した、 応力方向とき 裂進展方向に角度が発生した時、 応力拡大係数の変化がどう現れるかを示した図 であり、 数式としては以下のように表わされる。 二 (1 COS' βヽ · σ π τταα …数式 4 ここで、 Κ ιはき裂の進展の駆動力となる応力拡大係数、 jSは応力方向とき裂 方向とのなす角度、 σは応力、 πは円周率、 aはき裂長さである。 き裂は応力と 直角方向に存在する (]3 = 9 0 ° ) と進展しやすく、 応力方向に沿ってき裂が存 在する ( = 0。 ) と、 き裂が進まなくなり、 き裂が進みやすくなる (つまり、 応力拡大係数が急に上昇する) のが 30度超に相当する。 介在物は力学的結合に 乏しいためき裂と見なすことができることを考えると、 介在物分布の配向性のバ ラツキは 30度以下で制御することが重要であることがわかる。 そして、 伸びた 介在物についてその配向性を揃えることが重要であることがわかる。 In Fig. 5, it can be seen that the sulphide inclusions with a forging ratio of 1 exceeding 30 degrees are present, but those with a forging ratio of 500 are all less than 30 degrees. Specifically, the number 30 degrees is a number designed for fracture mechanics. Fig. 6 feG.i.Irwm (Analysis of Stresses and Strains Near the End of a Crack Transversing a Plate, Trans.ASME, Ser.E, J. Appl.Mech., Vol. 24, No. 3 (1957), pp. This figure shows how the stress intensity factor changes when an angle occurs in the stress direction and in the crack propagation direction, calculated analytically by It is. ((1 COS 'β ヽ · σ π τταα… Equation 4 where Κι is the stress intensity factor that is the driving force for crack propagation, jS is the angle between the stress direction and the crack direction, σ is the stress, π Is the pi, a is the crack length, and the crack is easy to propagate when it exists in a direction perpendicular to the stress (] 3 = 90 °), and there is a crack along the stress direction (= 0). ) And the crack does not progress, making it easier for the crack to progress (that is, The stress intensity factor increases sharply), which corresponds to more than 30 degrees. Considering that inclusions can be regarded as cracks due to poor mechanical bonding, it is clear that it is important to control the variation in the orientation of the inclusion distribution to 30 degrees or less. Then, it is understood that it is important to make the orientation of the elongated inclusions uniform.
硫黄 (S) は鋼の機械的性質を劣化させる代表的元素なので、 この強度的対策 を行なうことがスチール製ビストンリングとして成立させるに好ましい。 例えば 1%もの硫黄 (S) 添加を可能としている特開平 07— 258792号は鍛造比 を十分に稼げないようなシリンダライナーも対象とし、 基本的には铸鋼を対象と したものである。 現実に、 ピストンリングのスチールィ匕をコスト的に成立させて いるのは引抜き、 圧延、 曲げ等の塑性カ卩ェ技術である。 つまり、 この工程を用い て 1 %もの硫黄 ( S ) を含む鋼をピストンリング用線材に仕上げようとすれば、 その塑性加工に必要とされる材料強度に不足することから、 引抜き工程での破断 が起きかねず、 確実にスチール製ピストンリングとしての完成にたどり着き難い のである。  Since sulfur (S) is a typical element that degrades the mechanical properties of steel, it is preferable to take measures for this strength in order to establish a steel piston ring. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-258792, in which as much as 1% sulfur (S) can be added, covers cylinder liners that do not achieve a sufficient forging ratio, and basically covers steel. In fact, what makes the steel ring of the piston ring cost-effective is the plastic casting technology such as drawing, rolling and bending. In other words, if steel containing as much as 1% sulfur (S) is to be finished into a wire for piston rings using this process, the material strength required for the plastic working is insufficient, so the fracture in the drawing process Can occur, and it is difficult to reach a complete steel piston ring.
以上のように、 本発明においては、 その耐焼付き性の更なる向上の上で、 0. 3%以下の硫黄 (S) を含有した摺動部品用材料とすることが好ましく、 特には この鍛造比が極めて高い摺動部品用材料として成立するピストンリング用線材に こそ有効な手段となる。  As described above, in the present invention, in order to further improve the seizure resistance, it is preferable to use a sliding component material containing 0.3% or less of sulfur (S). This is the only effective means for a piston ring wire rod, which is a material with extremely high ratio for sliding parts.
そして、 上記 Sの効果をさらに高めるには、 Caを硫黄 (S) と共に添加する ことが有効である。 C aは Mn S中に内在するため、 焼付き表面へ流出しやすい。 しかも、 強力な還元作用があるため、 焼付き表面のオキサイド形成を防止し、 サ ルファイド形成を容易にすることから、 潤滑性を向上させる。 しかし Caは過度 に添加すると熱間加工性を害するので 0. 01%以下が好ましい。 上記の効果を 得るのに好ましくは 0. 0001%〜0. 01%、 さらに好ましくは 0. 000 5%〜0. 01 %である。  In order to further enhance the effect of S, it is effective to add Ca together with sulfur (S). Since Ca is present in Mn S, it easily flows out to the seizure surface. In addition, since it has a strong reducing action, it prevents oxide formation on the seizure surface and facilitates sulfide formation, thus improving lubricity. However, excessive addition of Ca impairs hot workability, so that 0.01% or less is preferable. To obtain the above effects, the content is preferably 0.0001% to 0.01%, more preferably 0.0005% to 0.01%.
なお、 Sおよび C aの添加は耐焼付き性の他に、 切削性や研削性の向上にも効 果がある。 特に Mn Sの分散や黒鉛の析出は鋼の切削性を向上させるため、 研削 では形成が困難な、 曲率半径の小さなコーナー部の形成が切削で容易にできるこ と力 ら、 特に油搔き機能の向上したビストンリングの製作が容易となる。 また、 本発明の摺動部品用材料およびピストンリング用線材は、 耐食性、 特に 耐硫酸腐食性を高める効果の上で C oの含有も可能である。 更には、 M oと同様 に、 黒鉛によるスクイズ作用を促進し、 高圧下での流体膜形成を助けることで、 耐焼付き性を高め、 かつ動摩擦係数を下げる効果がある。 この場合、 好ましくは 0 . 5 %以上であるが、 一方、 高価な元素であるだけでなく、 過多に添加しても それ以上の効果がみられないことから、 1 0 %以下とすることが望ましい。 より 好ましくは 2〜5 %である。 The addition of S and Ca is effective in improving machinability and grindability in addition to seizure resistance. In particular, since the dispersion of MnS and the precipitation of graphite improve the machinability of steel, it is easy to form corners with a small radius of curvature, which are difficult to form by grinding. This makes it easier to manufacture an improved biston ring. Further, the sliding component material and the piston ring wire of the present invention can also contain Co for the effect of enhancing corrosion resistance, particularly sulfuric acid corrosion resistance. Further, like Mo, it promotes the squeezing action of graphite and helps to form a fluid film under high pressure, which has the effect of increasing seizure resistance and lowering the coefficient of dynamic friction. In this case, the content is preferably 0.5% or more.On the other hand, since it is not only an expensive element but no further effect is observed even if it is added excessively, the content is preferably set to 10% or less. desirable. More preferably, it is 2 to 5%.
この本発明の摺動部品用材料およびビストンリング用線材を構成する鋼は、 例 えば以上に述べた各元素種の含有量を満たした上で、 残部を実質的に F eとする 鋼とすることができ、 上記以外の元素種については例えば合計で 1 0 %以下、 更 には 5 %以下とすればよレ、。 これについては、 残部 F eおよび不可避的不純物の 鋼としたものを適用できる。  The steel constituting the material for sliding parts and the wire rod for biston rings of the present invention is, for example, a steel that satisfies the content of each of the above-described element types, and that the remainder is substantially Fe. For element types other than the above, for example, the total amount should be 10% or less, and more preferably 5% or less. For this, steel with the remaining Fe and unavoidable impurities can be applied.
以下の元素は下記の範囲内であれば本発明鋼に含まれてもよく、 好ましい範囲 である。  The following elements may be included in the steel of the present invention as long as they are within the following ranges, and are preferable ranges.
P≤ 0 . 1 %, M g≤0 . 0 1 %、 B≤ 0 . 0 1 %、 Z r≤ 0 . 1 %  P≤0.1%, Mg≤0.01%, B≤0.01%, Zr≤0.1%
加えて、 本発明の好ましい条件として、 組織面中に占める非金属介在物の面積 率を 2 . 0 %以下とすることで、 鋼線材へと加工する引抜き工程での破断防止と、 その線材をコイル状に成形する際の折損の発生防止に有効である。 特に細線材の 作製 .加工を伴なうピストンリングの製造に有効であり、 稼働率の高い製造が可 能な範囲として望ましい。  In addition, as a preferable condition of the present invention, by setting the area ratio of nonmetallic inclusions in the texture plane to 2.0% or less, it is possible to prevent breakage in a drawing step of processing into a steel wire rod and to reduce the wire rod. It is effective in preventing breakage when forming into a coil shape. In particular, it is effective for the production of piston rods that involve the production and processing of fine wire rods, and is desirable as a range that enables production with a high operating rate.
窒化処理は、 本発明に加算する効果として、 更なる耐焼付き性と耐摩耗性の向 上に有効であるが、 本発明の場合、 表面処理の有無にかかわらず優れた耐焼付き 性が達成されており、 P V Dや C rメツキ等の他の表面処理を組み合わせてもよ い。 また、 ピストンリングを例に取れば、 これらの表面処理は、 従来、 主な摺動 面であるビストンリング Zシリンダライナー間の接触面に対し施され、 ビストン との摩擦面に対して施されないため、 凝着摩耗を防止できない。 し力 し、 本発明 の材料であれば表面処理を施さずとも十分な耐焼付き性が発揮され、 凝着反応も 抑制されるので、 特にピストンリングに有効な材料となる。  The nitriding treatment is effective in further improving seizure resistance and abrasion resistance as an effect added to the present invention, but in the case of the present invention, excellent seizure resistance is achieved regardless of the presence or absence of the surface treatment. And other surface treatments such as PVD and Cr plating may be combined. Also, taking piston rings as an example, these surface treatments are conventionally applied to the contact surface between the piston ring and the cylinder liner, which is the main sliding surface, but not to the friction surface with the piston. However, adhesion wear cannot be prevented. However, if the material of the present invention is used, sufficient seizure resistance is exhibited even without surface treatment, and the adhesion reaction is suppressed, so that the material is particularly effective for a piston ring.
また、 本発明の材料では黒鉛相が存在するため、 例えば C u C 1 2溶液に浸す こと等で黒鋭が有する層状分子構造の、 その分子層間に別分子やイオンを挿入さ せる、 いわゆるインターカレーシヨン処理を行なうことができ、 摺動特性を更に 向上させることができる。 更には、 インターカレーシヨン処理後の黒鉛はポリマ 一重合触媒ともなるため、 ポリマーコート (高分子被覆処理) による潤滑性処理 を行なうことや、 予めインターカレーシヨン処理のみを行ない、 潤滑油を重合さ せやすい状態にすることで、 摺動時に重合反応を起こして自己潤滑状態を維持す る摺動部品とすることができる。 図面の簡単な説明 In addition, since the graphite phase exists in the material of the present invention, it is immersed in, for example, a CuCl 2 solution. Thus, a so-called intercalation treatment in which another molecule or ion is inserted between the molecular layers of the layered molecular structure of the black sharp can be performed, and the sliding characteristics can be further improved. Furthermore, since the graphite after the intercalation treatment also serves as a polymer polymerization catalyst, lubrication treatment with a polymer coat (polymer coating treatment) can be performed, or only the intercalation treatment is performed in advance to polymerize the lubricating oil. By making the state easy to slide, it is possible to obtain a sliding component that maintains a self-lubricated state by causing a polymerization reaction during sliding. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
図 1は、 本発明例材料 (試料 N o . 3 ) の組織断面に観察される黒鉛の分布状 況を示すマイク口組織写真である。  FIG. 1 is a photograph of a structure of a microphone opening showing a distribution state of graphite observed in a section of a structure of a material of the present invention (sample No. 3).
図 2は、 図 1に示した材料と同一材料の組織断面 (別視野) に観察される黒鉛 の分布状況を示すマイク口組織写真である。  Fig. 2 is a photograph of the microstructure of the microphone opening showing the distribution of graphite observed in the microstructure section (different field of view) of the same material as that shown in Fig. 1.
図 3は、 比較例材料 (試料 N o . 1 4 ) の組織断面に観察される黒鉛の分布状 況を示すマイクロ組織写真である。  FIG. 3 is a microstructure photograph showing the distribution state of graphite observed in the cross section of the structure of the comparative example material (sample No. 14).
図 4は、 図 3に示した材料と同一材料の組織断面 (別視野) に観察される黒鉛 の分布状況を示すマイク口組織写真である。  Fig. 4 is a photograph of the microstructure of the microphone opening showing the distribution of graphite observed in the cross section of the same material as the material shown in Fig. 3 (another field of view).
図 5は、 サルフアイド系介在物の並行度を説明するマイクロ組織写真のスケッ チ図およぴその模式図である。  FIG. 5 is a sketch diagram and a schematic diagram of a microstructure photograph illustrating the parallelism of the sulfide-based inclusions.
図 6は、 応力拡大係数に及ぼす、 応力方向とき裂進展方向とのなす角度の影響 を説明する図である。  FIG. 6 is a diagram for explaining the effect of the angle between the stress direction and the crack propagation direction on the stress intensity factor.
図 7は、 超高圧摩擦摩耗試験方法を説明する模式図である。  FIG. 7 is a schematic diagram illustrating an ultra-high pressure friction and wear test method.
図 8は、 往復動摩耗試験方法を説明する模式図である。  FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a reciprocating wear test method.
図 9は、 荷重の逆数と動摩擦係数の関係を示すストライベック線図であり、 潤 滑状態を説明する図である。  FIG. 9 is a Stribeck diagram showing the relationship between the reciprocal of the load and the dynamic friction coefficient, and is a diagram illustrating a lubricated state.
[例]  [Example]
以下、 具体例により本発明の効果を説明する。  Hereinafter, the effects of the present invention will be described with reference to specific examples.
例 1  Example 1
大気中の高周波誘導溶解により、 表 1に示す残部 F eおよび不可避的不純物の 組成に調整した各試料のインゴット (断面寸法 22 OmmX 22 Omm) を得 た。 試料 N o. :!〜 6は本発明を満たす例であり、 試料 N o. 1 1〜 1 6が比較 例である。 なお、 試料 N o. 1 6は J I S— SUS 440 B相当材であり、 現用 のピストンリング材料である。 Due to high frequency induction melting in the atmosphere, the residual Fe and inevitable impurities Ingots (cross-sectional dimensions: 22 OmmX 22 Omm) of each sample adjusted to the composition were obtained. Samples No .:! To 6 are examples satisfying the present invention, and samples No. 11 to 16 are comparative examples. Sample No. 16 is a material equivalent to JIS-SUS 440 B, and is a currently used piston ring material.
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まず、 これらのインゴットに熱間加工を施して、 断面寸法が 9mmX 9mm の線状素材を得た (鍛造比:約 598) 。 なお、 試料 No. 1 3は铸造こそ可能 であったが、 その後の熱間加工工程で鋼材が破壊したのでテストピースの作製が できなかった。 First, these ingots were subjected to hot working to obtain a linear material with a cross-sectional dimension of 9 mm × 9 mm (forging ratio: about 598). Sample No. 13 could be manufactured, but test pieces could not be manufactured because the steel material was destroyed in the subsequent hot working process.
続いて、 焼きなまし処理後に所定の焼入れ、 焼戻し処理を行なって、 硬さを 4 5HRC前後に調整した。 そして、 その焼入れ、 焼戻し後の線状素材の組織面を 無腐食で観察して、 黒鉛の分布状況 (平均粒径、 組織に占める面積率) を調べた。 分布状況は、 1000倍の光学顕微鏡にて観察した 10視野の画像から、 画像解 析を用いて調査した。 なお、 黒鉛の直径は、 測定した黒鉛の面積と同じ面積とな る真円の直径を用いた。 本発明鋼 No. :!〜 6の黒鉛の分布状況は、 その平均粒 径は 0. 3〜 2 i m程度であり、 面積率は 0. 5〜 5 %の品位であった。  Subsequently, a predetermined quenching and tempering treatment was performed after the annealing treatment to adjust the hardness to around 45 HRC. Then, the structure surface of the quenched and tempered linear material was observed without corrosion, and the distribution state of graphite (average particle size, area ratio to the structure) was examined. The distribution was investigated using image analysis from images in 10 visual fields observed with a 1000-fold optical microscope. The diameter of graphite used was the diameter of a perfect circle having the same area as the measured area of graphite. Regarding the distribution of graphite of the steel No. of the present invention:! To 6, the average particle size was about 0.3 to 2 im and the area ratio was 0.5 to 5%.
図 1〜図 4は、 試料 N o. 3および N o . 14の黒鉛の分布状況を示す顕微鏡 写真である。 試料 N o. 3のマトリックス組織には微細な黒鉛が析出しているが、 試料 N o. 14の黒鉛は粗大である。 これは適量の C uと A 1を含む場合、 黒鉛 析出に先行して微細な Cu—A 1相が析出し、 それを核にして黒鉛が析出するた め、 微細な黒鉛分布となるが、 Cuあるいは A 1が不足するとこのメカニズムが 働かないため、 黒鉛が粗大に析出するものである。 その他の試料も含め、 黒鉛の 分布状況を表 2に示す。 試料 N o. 1 1, 1 2, 1 5, 16の組織には黒鉛が観 察されなかった。  1 to 4 are micrographs showing the distribution of graphite in samples No. 3 and No. 14. FIG. Fine graphite is precipitated in the matrix structure of sample No. 3, but the graphite of sample No. 14 is coarse. This is because when an appropriate amount of Cu and A1 is included, a fine Cu-A1 phase is precipitated prior to graphite precipitation, and graphite is precipitated using the nucleus as a nucleus, resulting in a fine graphite distribution. If Cu or A1 is insufficient, this mechanism does not work, and graphite precipitates coarsely. Table 2 shows the distribution of graphite, including other samples. No graphite was observed in the structures of Sample Nos. 11, 12, 15, and 16.
そして、 これらの試料に H2 : N2= 1 : 1で 530°CX 5時間の条件による イオン窒化処理を行ない、 耐焼付き性および耐摩耗性の評価試料とした。 耐焼付 き性の評価に係る試験方法は、 図 7に示す超高圧摩擦摩耗試験機を用いて以下の 条件で行ない、 相手材の回転トルクが急激に立ち上がった時点を焼付き開始とし、 そのときの荷重をスカツフ荷重として評価した。 また、 荷重が l OMP aのとき の、 相手材の回転トルクより、 動摩擦係数を求めた。 図 7中、 符号 1は試料を示 し、 2は相手材、 Fは荷重を、 それぞれ示す。 These samples were subjected to ion nitriding at 530 ° C. for 5 hours at H 2 : N 2 = 1: 1 to obtain evaluation samples for seizure resistance and wear resistance. The test method for the evaluation of seizure resistance was carried out under the following conditions using an ultra-high pressure friction and wear tester shown in Fig. 7, and when the rotational torque of the mating material suddenly rose, the seizure was started. Was evaluated as a scuff load. The dynamic friction coefficient was determined from the rotational torque of the mating material when the load was l OMPa. In FIG. 7, reference numeral 1 indicates a sample, 2 indicates a mating material, and F indicates a load.
摺動面形状; 5 mm X 5 mmの正方形  Sliding surface shape: 5 mm X 5 mm square
摩擦速度 ; 2m/秒  Friction speed: 2m / sec
摩擦面圧力;初期圧 1. 5MP a, 1分毎に 0. 5 MP aずつ上昇 Friction surface pressure; initial pressure 1.5MPa, 0.5MPa every minute
潤滑油 ;モータオイル # 30  Lubricating oil; motor oil # 30
初期圧時にのみ滴下し(10 cm3Z分)、 その後は供給を停止 相手材 ; J I S FC 250 (ねずみ鎳鉄) (硬さ : 100HRB) Drops only at initial pressure (10 cm 3 Z minutes), then stops supply Counterpart material: JIS FC 250 (mouse: iron) (Hardness: 100HRB)
耐摩耗性は ¾復動摩耗試験により評価した。 これは別途作成した直径 8 mm、 長さ 20mmの試験片を直径 2 Ommの相手材 (FC250) と往復運動により 擦り合わせることで、 その時の摩耗幅を測定するものであり、 試験方法の模式図 を図 8に、 その他試験条件を以下に示す。 図 8中、 符号 1は試料を示し、 2は相 手材、 Fは荷重、 O I Lは潤滑油を、 それぞれ示す。  Abrasion resistance was evaluated by a backward wear test. This method measures the wear width at the time by rubbing a separately prepared test piece of 8 mm in diameter and 20 mm in length with a counterpart material (FC250) of 2 Omm in diameter by reciprocating motion. Figure 8 shows the other test conditions. In FIG. 8, reference numeral 1 denotes a sample, 2 denotes a partner material, F denotes a load, and OIL denotes a lubricating oil.
押し付け荷重 ; 50 ON  Pressing load; 50 ON
1回あたりの摺動距離 ; 1 30 mm  Sliding distance per stroke; 1 30 mm
最大摺動速度 ; 0. 5 m/秒  Maximum sliding speed: 0.5 m / sec
潤滑油 (滴下により供給) ;モータオイル # 30  Lubricating oil (supplied by dripping); motor oil # 30
相手材 ; J I S FC 250 (ねずみ鎳鉄) (硬さ: 100HRB)  Mating material: JIS FC 250 (mouse: iron) (Hardness: 100HRB)
以上、 スカツフ荷重、 動摩擦係数および摩耗幅の測定結果を、 窒化硬さと共に、 表 2に示す。 Table 2 shows the measurement results of the scuff load, kinetic friction coefficient and wear width together with the nitriding hardness.
表 2 Table 2
黒鉛分布状況 V炭化物窒化硬さ スカッフ荷重 動摩擦係数 摩耗幅  Graphite distribution V Carbide nitriding hardness Scuff load Dynamic friction coefficient Wear width
備考 均粒径 m) 面積率 (%) の有無 (HV) (MP a) (mm)  Remarks Average particle size m) Area ratio (%) (HV) (MPa) (mm)
0.4 0.8 なし 853 12.5 0.11 0.55 本発明 0.4 0.8 None 853 12.5 0.11 0.55 The present invention
0.5 0.9 有り 890 11.5 0.12 0.65 110.5 0.9 Yes 890 11.5 0.12 0.65 11
0.8 3.5 なし 930 10.5 0.07 0.5 II0.8 3.5 None 930 10.5 0.07 0.5 II
0.7 2.6 なし 910 13.5 0.08 0.55 II0.7 2.6 None 910 13.5 0.08 0.55 II
1.9 4.1 なし 950 10.5 0.07 0.51 111.9 4.1 None 950 10.5 0.07 0.51 11
0.7 1.9 なし 895 12.6 0.06 0.51 II 観察されず 0 なし 445 6.5 測定できず 1.53 比較例 観察されず 0 なし 773 7.0 測定できず 0.71 〃0.7 1.9 None 895 12.6 0.06 0.51 II Not observed 0 None 445 6.5 Measurement not possible 1.53 Comparative Example Not observed 0 None 773 7.0 Measurement not possible 0.71 〃
6.2 5.8 なし 723 6.0 測定できず 0.64 // 観察されず 0 なし 563 7.0 測定できず 1.62 〃 観察されず 0 なし 1032 7.5 測定できず 0.53 〃 6.2 5.8 None 723 6.0 Measurement not possible 0.64 // Not observed 0 None 563 7.0 Measurement not possible 1.62 さ れ ず Not observed 0 None 1032 7.5 Measurement not possible 0.53 〃
表 2より、 本発明を満たす試料 No. :!〜 6は、 いずれもスカツフ荷重が高く、 摩耗幅が狭いことから、 優れた耐焼付き性と耐摩耗性である。 また、 試料 No. 3〜6は、 動摩擦係数も低い値であり、 摺動部材として非常に優れた特性を示し ている。 一方、 本発明の黒鉛分布を満たさない比較試料は、 全て耐焼付き性に劣 つている。 なお、 試料 No. 1 1、 15の耐摩耗性が不足しているのは、 窒化硬 化能を有する元素である C r , A 1のいずれの含有量もが低く、 窒化硬さが低い ためである。 From Table 2, it can be seen that Sample Nos .: to 6 satisfying the present invention have excellent scuff resistance and abrasion resistance because of high scuff load and narrow wear width. Samples Nos. 3 to 6 also have low values of the dynamic friction coefficient, and exhibit extremely excellent characteristics as sliding members. On the other hand, all the comparative samples which do not satisfy the graphite distribution of the present invention have poor seizure resistance. The lack of wear resistance of Samples Nos. 11 and 15 is due to the low content of both Cr and A1, which are elements having nitriding hardening ability, and low nitriding hardness. It is.
また、 実施例 1で作製した試料につき、 窒化処理を行なわない状態での同条件 による焼付き試験を行った。 結果を表 3に示す。 本発明の黒鉛分布を満たす試料 No. 1〜6の耐焼付き性が表面処理の有無によらず発揮されるところ、 黒鉛が 存在してもその粗大な比較試料 No. 14のスカツフ荷重は低い。 この試料 No. 14の試験後の擦動面観察を行つたところ、 黒鉛周辺部が破損しており、 この破 片が摩擦面内に入り込み摺動特性が悪ィヒしたものと考えられる。  Further, the sample prepared in Example 1 was subjected to a seizure test under the same conditions without performing the nitriding treatment. Table 3 shows the results. Although the seizure resistance of Sample Nos. 1 to 6 satisfying the graphite distribution of the present invention is exhibited regardless of the presence or absence of the surface treatment, even if graphite is present, the scuff load of the coarse Comparative Sample No. 14 is low. Observation of the rubbing surface of this sample No. 14 after the test revealed that the periphery of the graphite had been damaged, and it was probable that the shards entered the friction surface and had poor sliding characteristics.
表 3  Table 3
Figure imgf000025_0001
例 2
Figure imgf000025_0001
Example 2
表 1の組成における試料 N o . 1と試料 N o. 15を熱間圧延により直径 5. 5 mmのコイルとした後、 引抜き一冷間圧延により断面寸法 1. 5mmX 3. 1 mmの平線形状に仕上げた。 試料 N o . 1は問題無く加工できたが、 試料 N o . 1 5は冷間加工性が悪く、 引抜き工程で破断した。 両者の糸且織面中に占める非金 属介在物の面積率を引抜き前のビレットままの状態で、 次に行なう引抜き '圧延 方向と直角な組織面にて画像解析したところ、 試料 N o. 1は 1. 86 %、 試料 No. 15は 2. 23%であり、 破断の原因はその硫黄 (S) 含有量の高さに加 え、 非金属介在物が 2. 0%を超える面積率になったことにある。 Sample No. 1 and Sample No. 15 in the composition shown in Table 1 were formed into coils with a diameter of 5.5 mm by hot rolling, and then drawn and cold-rolled to form a 1.5 mm X 3.1 mm flat wire. Finished in shape. Sample No. 1 could be processed without any problem, but Sample No. 15 had poor cold workability and broke during the drawing process. Image analysis of the area ratio of non-metallic inclusions occupying in both yarn and fabric surfaces in the state of the billet before drawing was performed on the structure plane perpendicular to the next drawing and rolling direction. 1 is 1.86%, sample No. 15 was 2.23%, and the cause of the fracture was that in addition to its high sulfur (S) content, the area ratio of nonmetallic inclusions exceeded 2.0%.
例 3  Example 3
表 1における試料 N o. 1〜 6, 1 1, 1 2を実施例 2に示す工程で断面寸法 1. 5 mm X 3. 1 mmの平線形状に仕上げ、 焼入れを 1 000 °Cで 30分、 焼戻しをそれぞれ硬さ 510HV前後になるように行った。 その後、 砥石切断機 で回転数 10000 r pm、 送り速度 1 mmZ秒による切断を 10回行ない、 バ リ発生頻度を調査した。 表 4に発生頻度を示す。  Samples Nos. 1 to 6, 11, and 12 in Table 1 were finished in the process shown in Example 2 into a 1.5 mm X 3.1 mm flat wire shape, and quenched at 1 000 ° C for 30 minutes. And tempering were performed to a hardness of about 510HV. Thereafter, cutting was performed 10 times with a grinding wheel cutter at a rotation speed of 10,000 rpm and a feed speed of 1 mmZ seconds, and the occurrence of burrs was investigated. Table 4 shows the frequency of occurrence.
表 4  Table 4
Figure imgf000026_0001
試料 No. 1 1, 1 2にはバリの発生が認められるが、 適量の硫黄 (S) 添加 をしている試料 No. :!〜 5はパリの発生が見られず、 本発明の硫黄 (S) 添加 がバリ低減に効果が大きいことがわかる。 これにより、 特にピストンリングの製 造における製造性も向上する。
Figure imgf000026_0001
Although burrs were observed in Sample Nos. 11 and 12, Sample Nos .:! To 5 in which an appropriate amount of sulfur (S) was added did not generate Paris, and the sulfur ( It can be seen that the addition of S) has a large effect on reducing burrs. This also improves manufacturability, especially in the manufacture of piston rings.
例 4  Example 4
予め別に作製しておいた表 1の試料 N o. 1と同組成のィンゴットを用い、 鍛 造比 1〜1 0000まで変化させた熱間加工工程にて、 断面寸法 3. OmmX 3. Ommの線材を作製した。 そして、 これらを焼入れ、 焼戻しにより 400H Vの硬さに揃え、 そのビストンリングとした時の外周面となる、 線材の展伸 .長 手方向に並行な組織面でのサルファイド系介在物 (アスペクト比 3) の並行度 を前記要領に従つて測定した。 そして、 これら硬さ調整後の線材にスパン 3 O mmの三点曲げ試験を行ない、 変位 1 0 mmまで曲げて破断しなかったものを A、 破断したものを Bで評価した。 これは、 焼入れ、 焼戻しを行なった線材をロール曲げ法によって所定の曲率のピ ストンリングに成形する際のその成形可能の可否を判定するものである。 これら の結果を表 5に示す。 Using an ingot of the same composition as that of sample No. 1 in Table 1 previously prepared separately, the hot working process was performed with a forging ratio of 1 to 10000, and the cross-sectional dimension of 3.OmmX 3.Omm A wire was produced. These are then quenched and tempered to have a hardness of 400 HV, and when the biston ring is formed, the outer peripheral surface of the wire rod is stretched. The parallelism in 3) was measured according to the above procedure. Then, a three-point bending test with a span of 3 O mm was performed on the wires after the hardness adjustment. This is to determine whether the quenched and tempered wire rod can be formed into a piston ring having a predetermined curvature by a roll bending method. Table 5 shows these results.
表 5  Table 5
Figure imgf000027_0001
鍛造比が高く、 サルフアイド系介在物の並行度が 3 0度以下のものは機械的性 質に優れ、 線材からリング形状への曲げ加工時に懸念される破断の抑制に効果的 である。 そして、 これら曲げ加工性に優れた線材を曲げカ卩ェしてピストンリング 形状とした時の、 その外周面に並行な組織面に観察される上記サルフアイド系介 在物の並行度ゃァスぺクト比は、 線材時より実質変化がなかった。
Figure imgf000027_0001
A material with a high forging ratio and a parallelism of sulfide-based inclusions of 30 degrees or less has excellent mechanical properties and is effective in suppressing rupture, which is a concern during bending from a wire to a ring shape. Then, when these wires having excellent bending workability are bent and formed into a piston ring shape, the parallelism of the sulfide-based inclusions observed on the tissue surface parallel to the outer peripheral surface is obtained. In the case of the wire rod, there was no substantial change in the wire ratio.
これら線材状態にて観察されるサルフアイド系介在物の並行度は、 曲げ加工後 のピストンリング状態にも反映される。 そして、 このような断面積の小さなビス トンリングがエンジンに搭載された場合に懸念される疲労破壌の不足についても、 並行度が 3 0度以下といったサルフアイド系介在物の形態は機械的性質の向上に 効果的であり、 特にビストンリング用線材に好ましい手段である。  The degree of parallelism of the sulfide inclusions observed in these wire states is also reflected in the piston ring state after bending. Regarding the shortage of fatigue rupture, which is a concern when such a biston ring with a small cross-section is mounted on an engine, the form of sulfide-based inclusions with a parallelism of 30 degrees or less depends on the mechanical properties. It is effective for improvement, and is particularly preferable for wires for biston rings.
例 5  Example 5
大気中の高周波誘導溶解により、 表 6に示す残部 F eおよび不可避的不純物の 組成に調整した、 本発明を満たす N o . 2 1〜 2 3のインゴット (断面寸法 2 2 O mm X 2 2 0 mm) を得た。 試料 N o . 2 1に対して、 試料 N o . 2 2は M 0を多く含有し、 試料 N o . 2 3は C oを多く含有している。 表 6 No. 21 to 23 ingots (cross-sectional dimension 22 Omm X 220) that satisfy the present invention and are adjusted to the composition of the remaining Fe and inevitable impurities shown in Table 6 by high-frequency induction melting in the atmosphere mm). In contrast to sample No. 21, sample No. 22 contains a large amount of M0, and sample No. 23 contains a large amount of Co. Table 6
•¾W, V<0. 01%, Caく 0· 0001%  • ¾W, V <0.01%, Ca <0.00001%
Figure imgf000028_0001
まず、 これらのインゴットに熱間加工を施して、 断面寸法が 9 mm X 9 mm の線状素材を得た (鍛造比:約 5 9 8 ) 。 続いて、 焼きなまし処理後に所定の焼 入れ、 焼戻し処理を行なって、 硬さを 4 0 H R C前後に調整した。 そして、 その 焼入れ、 焼戻し後の線状素材の組織面を無腐食で観察して、 黒鉛の分布状況 (平 均粒径、 組織に占める面積率) を調べた。 分布状況は、 1 0 0 0倍の光学顕微鏡 にて観察した 1 0視野の画像から、 画像解析を用いて調査した。
Figure imgf000028_0001
First, these ingots were subjected to hot working to obtain a linear material having a cross-sectional dimension of 9 mm X 9 mm (forging ratio: about 598). Subsequently, a predetermined quenching and tempering treatment was performed after the annealing treatment to adjust the hardness to about 40 HRC. Then, the microstructure surface of the quenched and tempered linear material was observed without corrosion, and the distribution state of graphite (average particle size, area ratio to the structure) was examined. The distribution situation was investigated by using image analysis from an image of 100 visual fields observed with a 100 × optical microscope.
表 7  Table 7
Figure imgf000028_0002
Figure imgf000028_0002
試料 N o . 2 1 - 2 3全ての黒鉛析出は微細であった。 表 7に黒鉛の分布状況 を示すが、 その平均粒径は 1 μ m以下であり、 面積率は 1〜 4 %であった。 また、 1 IX m以上の比較的粗大な黒鉛は、 いずれの試料においても平均粒径で 1〜 1 . 5 /i m、 面積率で 1 %未満である。 そして、 各試料において、 黒鉛全体の面積に 占める 1 m以上の比較的粗大な黒鉛の面積の割合は 4分の 1以下であり、 微細 な黒鉛が析出黒鉛の大部分を占めていることがわかる。  The graphite precipitation of all samples No. 21-23 was fine. Table 7 shows the distribution of graphite. The average particle size was 1 μm or less and the area ratio was 1 to 4%. The relatively coarse graphite having a particle size of 1 IX m or more has an average particle diameter of 1 to 1.5 / im and an area ratio of less than 1% in all samples. In each sample, the ratio of the area of relatively coarse graphite of 1 m or more to the total area of graphite was less than 1/4, indicating that fine graphite occupies most of the precipitated graphite. .
そして、 これらの試料を動摩擦係数の評価試験片とした。 動摩擦係数の評価方 法は、 同じく図 7に示す超高圧摩擦摩耗試験機を用いて (但し、 摩擦速度は図 7 の表示に異なる) 、 以下の条件で行ない、 相手材に生じるトルクと荷重より、 荷 重をステップアップする毎に、 動摩擦係数を求めた。 図 9に荷重の逆数と動摩擦 係数の関係を示す。  These samples were used as test pieces for evaluating the dynamic friction coefficient. The dynamic friction coefficient was evaluated using the ultra-high pressure friction and wear tester shown in Fig. 7 (the friction speed is different from that shown in Fig. 7) under the following conditions. Each time the load was stepped up, the dynamic friction coefficient was determined. Figure 9 shows the relationship between the reciprocal of the load and the dynamic friction coefficient.
摺動面形状; 5 mm X 5 mmの正方形 1 m/秒 摩擦面圧力;初期圧 1. 5MP a,Sliding surface shape: 5 mm X 5 mm square 1 m / s Friction surface pressure; initial pressure 1.5 MPa,
1分毎に 0. 5MP aずつ上昇 0.5MPa every minute
潤滑油 モータオイル # 30  Lubricating oil Motor oil # 30
10 cm3/分を常時滴下 10 cm 3 / min constantly dropping the
相手材 ; FC 250 ( J I Sねずみ鎵鉄)  Partner material: FC 250 (JIS mouse rat iron)
図 9は、 ストライベック線図と呼ばれる、 摩擦摺動部分に掛かる負荷の条件を 示した 「負荷特性」 を横軸にとり、 摩擦係数を縦軸にとった曲線である。 これに よって潤滑状態を知ることができる。 本実施例の場合、 摩擦速度が 1 mZ秒で一 定であることから、 横軸は荷重の逆数で示すことができる。 図 9の各曲線におい て、 摩擦係数が最も低いプロット (極値) より右側 (低荷重側:矢印で示す範 囲) は、 潤滑膜が破壊されず流体潤滑を起している領域であり、 左側 (高荷重 側) は流体膜が破れ、 固体同士の接触により流体潤滑に固体潤滑が混じった領域 である。 よって、 摩擦係数が最も低いプロット (極値) がグラフ左側にシフトす るほど、 より高荷重でも流体膜が破れず、 流体潤滑できることを示している。 図 9の結果より、 試料 N o. 21に対して Mo含有量の多い試料 N o. 22で は、 より高荷重側でも流体膜が保持されている。 そして、 C o含有量の多い試料 No. 23では、 更に高荷重側でも流体膜が保持されていることが分かる。 これ は、 Mo、 C oに先に述べたスクイズ作用を促進する効果があることを示すもの である。  Fig. 9 is a curve called the Stribeck diagram, in which the "load characteristic" indicating the condition of the load applied to the friction sliding portion is plotted on the horizontal axis, and the friction coefficient is plotted on the vertical axis. This makes it possible to know the lubrication state. In the case of the present embodiment, since the friction speed is constant at 1 mZ second, the horizontal axis can be represented by the reciprocal of the load. In each curve in Fig. 9, the right side of the plot (extreme value) with the lowest coefficient of friction (low load side: the range indicated by the arrow) is the area where the lubricating film is not destroyed and fluid lubrication occurs. The left side (high load side) is the area where the fluid film is broken and the solid lubrication is mixed with the fluid lubrication due to the contact between the solids. Therefore, the lower the plot (extreme value) of the coefficient of friction shifts to the left side of the graph, the higher the load, the more the fluid film is not broken, indicating that fluid lubrication is possible. From the results in FIG. 9, it is found that the sample No. 22 having a higher Mo content than the sample No. 21 retains the fluid film even on the higher load side. In addition, it can be seen that in the sample No. 23 having a high Co content, the fluid film is retained even on the higher load side. This indicates that Mo and Co have the effect of promoting the squeezing action described above.
また、 各曲線の最も左側のプロットは、 焼付きを起したため試験を中止した荷 重に対応している。 試料 No. 22、 23は Mo、 C oの添加により上記のプロ ットが左側 (高荷重側) にシフトしており、 耐焼付き性においても更なる向上が みられる。 そして、 動摩擦係数も全体的に低くなつており、 Mo、 C oの添加に よつて黒鉛析出による良好な摺動特性がより向上している。  The leftmost plot of each curve corresponds to the load at which the test was stopped due to seizure. In Sample Nos. 22 and 23, the above plots shifted to the left (high load side) due to the addition of Mo and Co, and the seizure resistance was further improved. The kinetic friction coefficient is also low overall, and the addition of Mo and Co further improves good sliding characteristics due to graphite precipitation.
本発明によれば、 自己潤滑性の付与により表面処理なしでも耐焼付き性に優れ、 摩擦係数も低く摩擦によるエネルギー損失が少ないことから、 各種の摺動部品に 適用が可能である。 そして、 そのサルファイド系介在物の形態調整も合わせて行 なうことで、 特にビストンリングとして有効であり、 シリンダライナー、 ピスト ンへの攻撃性も低減され、 内燃機関の環境性能や耐久性の向上に対しても大きな 寄与を果たす。 また、 製造工程における被削性等の加工性にも優れ、 製造コスト とリードタイムを削減できることから、 性能 ·製造の両面で優れた摺動部品用材 料とでき、 産業上極めて有益な技術となる。 産業上の利用可能性 According to the present invention, self-lubrication imparts excellent seizure resistance even without surface treatment, has a low friction coefficient, and reduces energy loss due to friction, so that it can be applied to various sliding parts. By adjusting the morphology of the sulfide inclusions, it is particularly effective as a piston ring, reducing the aggression of cylinder liners and pistons, and improving the environmental performance and durability of the internal combustion engine. Big against Play a contribution. In addition, it has excellent workability such as machinability in the manufacturing process, and can reduce manufacturing cost and lead time, making it a material for sliding parts that is excellent in both performance and manufacturing, and is a very useful technology in industry. . Industrial applicability
本発明材料は、 すべり軸受、 コロ軸受、 玉軸受、 歯車、 金型、 自動車エンジン 等の内燃機関に装着されるピストンリング、 シリンダライナー、 ベーン等の摺動 部品に用いられる。  The material of the present invention is used for sliding parts such as a piston ring, a cylinder liner, and a vane mounted on an internal combustion engine such as a plain bearing, a roller bearing, a ball bearing, a gear, a mold, and an automobile engine.

Claims

請求の範囲 The scope of the claims
I. 質量%で、 C : 0. 4%以上1. 5%未満、 S i : 0. :!〜 3. 0%、 M n ·· 0. ト 3. 0 %、 C r : 0〜 0. 5 %、 N i : 0. 05〜 3. 0 %、 A 1 : 0. 3〜2. 0%、 Mo、 Wおよび Vから成る群から選ばれた少なくとも 1 種を合計量 (Mo+W+V) で 0. 3〜20%、 Cu : 0. 05〜3. 0%を含 む鋼からなり、 組織面に観察される黒鉛の平均粒径が 3 m以下である自己潤滑 性を有する摺動部品用材料。 I. In mass%, C: 0.4% or more and less than 1.5%, S i: 0 .:! ~ 3.0%, M n ··· 0. 3.0%, Cr: 0 ~ 0 5%, Ni: 0.05-3.0%, A1: 0.3-2.0%, at least one selected from the group consisting of Mo, W and V in total amount (Mo + W (+ V): 0.3 to 20%, Cu: 0.05 to 3.0%, with self-lubricating properties with an average graphite grain size of 3 m or less observed on the structure surface Materials for sliding parts.
2. 組織面に観察される黒鉛の占める面積率が 1 %以上かつ、 平均粒径が 3 μ m以下である請求項 1に記載の自己潤滑性を有する摺動部品用材料。  2. The self-lubricating sliding component material according to claim 1, wherein the area ratio of graphite observed on the texture surface is 1% or more and the average particle size is 3 μm or less.
3. 組織面に V炭化物が観察されない請求項 1または請求項 2に記載の自己 潤滑性を有する摺動部品用材料。  3. The self-lubricating sliding component material according to claim 1 or 2, wherein no V carbide is observed on the tissue surface.
4. 質量%で、 M oおよび Wかも成る群から選ばれた少なくとも 1種を合計 量 (M o +W) で 0. 3〜 5. 0 %、 V: 0. 1 %未満である請求項 1から請求 項 3までのいずれかに記載の自己潤滑性を有する摺動部品用材料。  4. At least one member selected from the group consisting of Mo and W is 0.3 to 5.0% by mass (Mo + W), and V: less than 0.1% by mass%. 4. The sliding component material having self-lubricating properties according to any one of claims 1 to 3.
5. 質量%で、 A 1 : 0. 7〜2. 0%を含む鋼からなる請求項 1から請求 項 4までのいずれかに記載の自己潤滑性を有する摺動部品用材料。  5. The self-lubricating sliding component material according to any one of claims 1 to 4, comprising a steel containing, by mass%, A1: 0.7 to 2.0%.
6. 質量%で、 Mo : 1. 5〜3. 0%を含む鋼からなる請求項 1から請求 項 5までのいずれかに記載の自己潤滑性を有する摺動部品用材料。  6. The self-lubricating sliding component material according to any one of claims 1 to 5, comprising a steel containing, by mass%, Mo: 1.5 to 3.0%.
7. 質量%で、 C o : 10 %以下を含む鋼からなる請求項 1から請求項 6ま でのいずれかに記載の自己潤滑性を有する摺動部品用材料。  7. The self-lubricating sliding component material according to any one of claims 1 to 6, comprising a steel containing, by mass%, Co: 10% or less.
8. 質量%で、 S : 0. 3%以下を含む鋼からなる請求項 1から請求項 7ま でのいずれかに記載の自己潤滑性を有する摺動部品用材料。  8. The self-lubricating sliding member material according to any one of claims 1 to 7, comprising a steel containing, by mass%, S: 0.3% or less.
9. 質量%で、 C a : 0. 01%以下を含む鋼からなる請求項 8に記載の自 己潤滑性を有する摺動部品用材料。  9. The self-lubricating sliding component material according to claim 8, comprising a steel containing, by mass%, C a: 0.01% or less.
10. 窒化処理を行なって使用する請求項 1から請求項 9までのいずれかに 記載の自己潤滑性を有する摺動部品用材料。  10. The material for a sliding component having self-lubricating properties according to any one of claims 1 to 9, which is used after being subjected to a nitriding treatment.
I I. 質量%で、 C : 0. 4%以上1. 5%未満、 S i : 0. 1〜3. 0%、 Mn : 0. 1〜3. 0%、 C r : 0〜0. 5%、 N i : 0. 05〜 3. 0%、 A 1 : 0. 3〜2. 0%、 Mo、 Wおよび Vから成る群から選ばれた少なくとも 1 種を合計量 (Mo+W+V) で 0. 3〜20%、 Cu : 0. 05〜3. 0%を含 む鋼からなり、 組織面に観察される黒鉛の平均粒径が 3 μ m以下であるビストン リング用線材であって、 ピストンリングとした時の外周面と並行な組織面で観察 されるサルフアイ ド系介在物の分布状態が、 それぞれのサルフアイ ド系介在物の 最大径上を通る直線同志のなす並行度にて 30度以内であるビストンリング用線 材。 I I. In mass%, C: 0.4% or more and less than 1.5%, S i: 0.1 to 3.0%, Mn: 0.1 to 3.0%, Cr: 0 to 0. 5%, Ni: 0.05 to 3.0%, A 1: 0.3 to 2.0%, at least one selected from the group consisting of Mo, W and V in a total amount (Mo + W + V) of 0.3 to 20%, Cu: 0.05 to This is a wire rod for a biston ring composed of steel containing 3.0% and having an average graphite particle size of 3 μm or less observed on the structure surface, and the structure surface parallel to the outer peripheral surface when used as a piston ring The wire for biston rings in which the distribution of the sulfide-based inclusions observed in (1) is within 30 degrees of the parallelism between straight lines passing over the maximum diameter of each sulfide-based inclusion.
12. 組織面に観察される黒鉛の占める面積率が 1 %以上かつ、 平均粒径が 3 μ m以下である請求項 1 1に記載のピストンリング用線材。  12. The wire for a piston ring according to claim 11, wherein an area ratio of graphite observed on a tissue surface is 1% or more and an average particle diameter is 3 μm or less.
13. 質量%で、 C o : 10%以下を含む鋼からなる請求項 1 1または請求 項 12に記載のピストンリング用線材。  13. The wire for a piston ring according to claim 11 or 12, which is composed of steel containing, by mass%, Co: 10% or less.
14. 質量%で、 S : 0. 3%以下を含む鋼からなる請求項 1 1から請求項 1 3までのいずれかに記載のビストンリング用線材。  14. The wire rod for a biston ring according to any one of claims 11 to 13, comprising a steel containing S: 0.3% or less by mass.
15. 質量%で、 C a : 0. 01%以下を含む鋼からなる請求項 14に記載 のピストンリング用 ϋ材。  15. The piston ring material according to claim 14, comprising a steel containing, by mass%, C a: 0.01% or less.
16. 窒化処理を行なって使用される請求項 1 1から請求項 1 5までのいず れかに記載のビストンリング用線材。  16. The wire rod for a biston ring according to any one of claims 11 to 15, which is used after being subjected to a nitriding treatment.
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