JP2952006B2

JP2952006B2 - ピストンリング材

Info

Publication number: JP2952006B2
Application number: JP13614190A
Authority: JP
Inventors: 丈博大野; 利夫奥野; 敦熊谷
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1990-05-25
Filing date: 1990-05-25
Publication date: 1999-09-20
Anticipated expiration: 2014-09-20
Also published as: JPH0428847A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、内燃機関に使用されるピストンリングのう
ち特に自動車エンジンに装着されるセカンドリングとし
て使用される材料に関するものである。

〔従来の技術〕

内燃機関、特に自動車エンジンに使用されるピストン
リングは従来の鋳鉄製から鋼製平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。これはエンジンの高速化、高出力化要
求に対応するためのリングの軽量化や機械的強度向上の
必要性が背景にあり、さらにリング製造工程の大幅短縮
の効果も、その大きな要因となっている。

スチールピストンリングの適用は、高負荷環境にある
トップリングや、オイルリングにおいて先行しており、
その材質としてはSi−Cr鋼、17Crマルテンサイト鋼、あ
るいは特公昭58−46542号、特公昭61−19703号にみられ
るようなマルテンサイト系ステンレス鋼が窒化処理等の
表面処理が施されて使用されている。さらに特開昭61−
60861号、特開昭61−199053号にもCrを含有したピスト
ンリング材が提案されている。

しかし、比較的負荷の少ないセカンドリングについて
は、依然としてFC25のような鋳鉄が適用されている。

ところが、最近ではセカンドリングにも優れた疲労強
度も要求されるようになってきており、上述したFC25ク
ラスの鋳鉄では疲労強度が不十分なために、トップリン
グとは異なる観点からセカンドリング用の新しい鋼が模
索されているのが現状である。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述したように、トップリングとオイルリングにおい
ては、スチール化が進んでいるが、さらにエンジンの高
性能化を図るために、セカンドリングのスチール化の要
求も高まってきている。セカンドリングは摺動部材とし
て耐摩耗性、耐焼付性が要求される。

セカンドリングには、ガソリンエンジン用の比較的緩
やかな条件下で使用されるものと、ディーゼルエンジン
用の比較的厳しい条件下で使用されるものとがあるの
で、両者の条件を共に満足する材料でなければならな
い。比較的緩やかな条件下で使用されるセカンドリング
に対しては、できるだけ合金元素量を少なくし、かつ窒
化処理等の表面処理を施さなくとも使用できるような低
コスト材が望まれている。

したがって、本用途に対しては、比較的低合金系でM₃
C型炭化物を富化した鋼が有望と考えられる。

しかしながら、比較的厳しい条件下で使用されるセカ
ンドリングに対しては、さらに耐摩耗性、耐焼付性の向
上に加え、優れた疲労強度が要求されるので上記の低コ
スト材のみの考え方では十分ではない。

本発明は、このようないずれの条件下でも使用できる
ピストンリングのうち、特にセカンドリングに適した材
料を提供しようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らは、上記の問題点を解決するために種々検
討を重ねた結果、従来のピストンリング材がM₃C型炭化
物主体であったのに対して、M₃C型炭化物に加え、M₇C₃
型炭化物を富化させることにより、良好な耐摩耗性、焼
焼付性が得られること、また不純物のうちＳとＯを低い
水準に規制することにより非金属介在物が低減され、特
別に窒化処理などの表面処理を施さなくても疲労強度が
向上することを見出し、本発明に到達したものである。

すなわち本発明の第１発明は、重量％でC 0.7〜1.3
％、Si 1.5％以下、Mn 1.5％以下、Cr 3.0〜9.0％を含
み、残部Feおよび不可避不純物からなり、不純物のうち
S 0.003％以下、O 25ppm以下に規制したことを特徴とす
るピストンリング材である。そして第２発明は、重量％
でC 0.7〜1.3％、Si 1.5％以下、Mn 1.5％以下、Cr 3.0
〜9.0％、MoとＷの１種または２種をMo＋1/2Wで2.5％以
下、残部Feおよび不可避不純物からなり、不純物のうち
S 0.003％以下、O 25ppm以下に規制したことを特徴とす
るピストンリング材である。第３発明は、重量％でC 0.
7〜1.3％、Si 1.5％以下、Mn 1.5％以下、Cr 3.0〜9.0
％、MoとＷの１種または２種をMo＋1/2Wで2.5％以下、V
1.0％以下、Nb 0.5％以下の１種または２種を含み、残
部Feおよび不可避不純物からなり、不純物のうちS 0.00
3％以下、O 25ppm以下に規制したことを特徴とするピス
トンリング材である。さらに第４発明は第１発明にNi
を、第５発明は第２発明にNiを、第６発明は第３発明に
Niを、それぞれ2.0％以下添加したことを特徴とするピ
ストンリング材である。

〔作用〕

以下に本発明における成分限定理由について述べる。

Ｃは鉄中に固溶し強度を付与する元素であり、また炭
化物を形成し耐摩耗性に寄与する重要な元素である。こ
の効果を得るためには少なくとも0.7％必要である。し
かしながら、1.3％を越えると平線の加工性やリングの
加工性を困難にするため1.3％を上限とした。

Siは通常脱酸剤として添加されるが、1.5％を越える
と冷間加工性を害するだけでなく、熱伝導率を低下させ
ることにより、摺動による接触面の昇温を助長し、耐焼
付性を害するため1.5％を上限とした。

MnはSiと同様に脱酸剤として添加されるが、1.5％以
上では熱間における加工性を害する。特に本発明のピス
トンリング材用の平線では高い加工率を必要とするため
1.5％を上限とした。

Crは本発明の特徴の１つであるM₇C₃型炭化物を形成し
耐摩耗性向上に寄与するとともに、基地に固溶して軟化
抵抗を高め、エンジン稼働中の昇温による熱ヘタリに対
して効果がある。また、焼入性を確保し十分な熱処理硬
さを得るためにも必要である。

本発明においては、M₇C₃型炭化物を形成させるため、
Cr量は最低3.0％必要である。

しかしながら過度に添加すると、炭化物量が多くなり
過ぎて冷間加工性を悪くするとともに、熱伝導率を低下
させることにより耐焼付性を害するので上限を9.0％と
した。

Mo,Wはいずれも炭化物形成元素として同じ作用があ
り、これらの元素を１種または２種添加することにより
耐摩耗性が一層向上する。しかしながら、過度の添加は
炭化物量を増し、加工性、靭性を劣化させる。Ｗの原子
量はMoの２倍であるので、（Mo＋1/2W）の量の上限を2.
5％とした。

V,Nbは、MC型の硬質炭化物形成元素であり、耐摩耗性
の向上に有効である点で等価である。しかしながら、過
度の添加は加工性、靭性を劣化させると共に硬質の炭化
物が、相手（シリンダー）を摩耗させ易い。したがっ
て、Ｖの上限を1.0％、Nbの上限を0.5％とした。

Niは基地中に固溶し、靭性を付与する作用を有する。
しかしながら、過度の添加は焼なまし硬さの低下を妨げ
るのでその上限を2.0％とした。

S,Oは、通常不純物元素として微量含有される。Ｓと
Ｏは主に非金属介在物として鋼中に存在し悪影響を及ぼ
す。特に、ピストンリング材に要求される疲労強度向上
の効果を得るためには、S,Oをかなり低い水準に抑える
必要があることが判明したのでS 0.00％以下、O 25ppm
以下に規制した。

〔実施例〕

以下、実施例により本発明を詳細に説明する。

第１表に、供試材の化学成分を示す。本発明材および
比較材は溶製、鍛伸後、所定の焼入、焼もどし処理（10
25℃焼入、600〜700℃焼もどし）により硬さをHRC40〜5
0に調整した。なお、本発明材１と３は硬さレベルを２
通りに変化させて試験を行なった。従来材FC25は鋳鉄で
ある。

摩耗試験は、往復動摩擦試験機を用いて、FC25鋳鉄を
シリンダを想定した相手材として試験を行ない、摩耗量
を測定して、従来材FC25の値を100として指数で示し
た。

耐焼付性は、ファビリー摩耗試験機により評価した。
この試験は300rpmで回転する試験材を相手材であるＶブ
ロックではさみ、荷重を徐々に加えながら、テストピン
のトルク変動で焼付を感知し、この時の焼付荷重を検出
するものである。

試験には相手材にFC25を用い、潤滑油を滴下しながら
試験を行なった。耐焼付性はピストンリングの従来材FC
25の値を100として指数で示した。

疲労強度は、回転曲げ疲労試験により10⁷回の疲労限
を求めた。

第２表に硬さ、摩耗量比、焼付荷重比、疲労限応力を
示す。

本発明材は、従来材FC25に比べると耐摩耗性が大幅に
向上している。これは、本発明材が主としてM₇C₃型炭化
物を適正量含み、また適正な硬さを有していることによ
る。比較材11,12の耐摩耗性は従来材FC25よりは良好で
あるが、本発明材よりは劣る。これは比較材11の場合、
M₃C炭化物を主体とし、M₇C₃型炭化物を含まないこと、
また比較材12の場合にはＣ量が少ないため、炭化物量が
不足していることによる。

次に耐焼付性については、本発明材は従来材FC25とほ
ぼ同等あるいはそれ以上の値を示し、実用上十分な耐焼
付性を有している。

さらに、本発明材の疲労強度は従来材FC25より大幅に
高い値を示す。これは本発明材の合金量が適正であるこ
とに加え、不純物量（S,O）を低く規制したことによ
る。比較材13,14は、S,O以外の成分は、本発明材と同一
であるが、S,O量が高いため、疲労強度は本発明材より
劣っている。

以上の結果、本発明材は従来材FC25と同等以上の耐焼
付性とFC25を大幅に上回る耐摩耗性ならびに疲労強度を
有している。

なお、以上の結果は表面を窒化しない状態で得られた
ものであるが、表面に窒化処理を施せば、さらに耐摩耗
性、耐焼付性が向上するので、さらに厳しい条件にも適
用が可能である。

以上の結果、本発明材は従来材FC25と同等以上の耐焼
付性とFC25を上回る耐摩耗性を有していることが明確で
ある。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明材はM₇C₃型炭化物を適正量
含むことと、O,Sの不純物量をピストンリング材の疲労
強度の向上に有効な量に規制することにより、従来材FC
25と同等以上の耐焼付性ならびにFC25を大幅に上回る耐
摩耗性と疲労強度を有しており、さらに強度も格段に高
いため、セカンドリングを始めとするピストンリングに
用いて、軽量化ならびに性能の向上に大きく寄与するも
のである。

フロントページの続き (56)参考文献特開平３−122257（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−223147（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−60861（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−210954（ＪＰ，Ａ) 特公昭64−11100（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22C 38/00 301 C22C 38/00 302 C22C 38/18 F02F 5/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％でC 0.7〜1.3％、Si 1.5％以下、Mn
1.5％以下、Cr 3.0〜9.0％を含み、残部Feおよび不可
避不純物からなり、不純物のうちS 0.003％以下、O 25p
pm以下に規制したことを特徴とするピストンリング材。
【請求項２】重量％でC 0.7〜1.3％、Si 1.5％以下、Mn
1.5％以下、Cr 3.0〜9.0％、MoとＷの１種または２種
をMo＋1/2Wで2.5％以下、残部Feおよび不可避不純物か
らなり、不純物のうちS 0.003％以下、O 25ppm以下に規
制したことを特徴とするピストンリング材。
【請求項３】重量％でC 0.7〜1.3％、Si 1.5％以下、Mn
1.5％以下、Cr 3.0〜9.0％、MoとＷの１種または２種
をMo＋1/2Wで2.5％以下、V 1.0％以下、Nb 0.5％以下の
１種または２種を含み、残部Feおよび不可避不純物から
なり、不純物のうちS 0.003％以下、O 25ppm以下に規制
したことを特徴とするピストンリング材。
【請求項４】重量％でC 0.7〜1.3％、Si 1.5％以下、Mn
1.5％以下、Cr 3.0〜9.0％、さらにNi 2.0％以下を含
み、残部Feおよび不可避不純物からなり、不純物のうち
S 0.003％以下、O 25ppm以下に規制したことを特徴とす
るピストンリング材。
【請求項５】重量％でC 0.7〜1.3％、Si 1.5％以下、Mn
1.5％以下、Cr 3.0〜9.0％、MoとＷの１種または２種
をMo＋1/2Wで2.5％以下、さらにNi 2.0％以下を含み、
残部Feおよび不可避不純物からなり、不純物のうちS 0.
003％以下、O 25ppm以下に規制したことを特徴とするピ
ストンリング材。
【請求項６】重量％でC 0.7〜1.3％、Si 1.5％以下、Mn
1.5％以下、Cr 3.0〜9.0％、MoとＷの１種または２種
をMo＋1/2Wで2.5％以下、V 1.0％以下、Nb 0.5％以下の
１種または２種、さらにNi 2.0％以下を含み、残部Feお
よび不可避不純物からなり、不純物のうちS 0.003％以
下、O 25ppm以下に規制したことを特徴とするピストン
リング材。