JPH04143256A

JPH04143256A - ピストンリング材

Info

Publication number: JPH04143256A
Application number: JP26773590A
Authority: JP
Inventors: Takehiro Oono; 丈博大野; Toshio Okuno; 奥野　利夫
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1990-10-05
Filing date: 1990-10-05
Publication date: 1992-05-18

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、内燃機関に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５ｉ−Ｃｒ鯛、１７Ｃｒマルテンサイト
調、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を施されて
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、また特開平１−２０８４３５号には高Ｃｒ
鋼にＣｏを含有したピストンリング材がそれぞれ提案さ
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綱が
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。セカンドリングのスチール化によ
り、前述のように従来の鋳鉄リングに比べて機械的強度
の向上や軽量化が可能となる。

セカンドリングはトップリングはど過酷ではないが、摺
動部材として耐摩耗性、耐焼付性が基本的な要求特性と
して挙げられる。

一般的な無鉛ガソリンエンジンのように比較的緩やかな
条件下で使用されるセカンドリングに対しては、できる
だけ合金元素員を少なくし、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。

一方、有鉛ガソリンエンジン、ターボ付ガソリンエンジ
ンおよびディーゼルエンジン等のように比較的厳しい条
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、およ
び特にディーゼルエンジンの場合、燃料中の硫黄分によ
り硫酸雰囲気となるため、優れた耐腐食摩耗性も要求さ
れる。

したがって、用途に対してはコストをできるだけ抑えつ
つ、特性の優れた材料の開発が望まれている。

本発明は、上記のような比較的厳しい条件下で使用され
る主として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、上記の間層点を解決するために種々検討
を重ねた結果、適正なＣ１Ｃｒ量の組み合わせにより、
炭化物を富化させることによって、良好な耐摩耗性、耐
焼付性が得られること、またさらにＣｏを添加すること
により、耐焼付性、耐食性向上の効果が大であることを
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Ｃ０．４〜１
，３％、Ｓｉ１．５％以下、Ｍｎ１．５％以下、Ｃｒ３
．０−９．０％、Ｃｏ　０．３〜８．０％を含み、残部
Ｆｅおよび不可避不純物からなる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Ｃ０
．４〜１，３％、Ｓｉ１．５％以下、Ｍｎ１．５％以下
、Ｃｒ３．０％以上７．０％未満、Ｃｏ　０．３〜８．
０％ＭｏとＷの１種または２種をＭｏ＋１７２Ｗで２．
５％以下、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを
特徴とするピストンリング材である。第３発明は１重量
％でＣ０．４〜１，３％、ＳＬｌ、５％以下、Ｍｎ１．
５％以下、Ｃｒ３．０％以上７．０％未満、Ｃｏ　０．
３〜８．０％、ＭＯとＷの１種または２種をＭｏ＋１７
２Ｗで２．５％以下、ｖ　ｉ、ｏ％以下、Ｎｂ０．５％
以下の１種または２種を含み、残部Ｆｅおよび不可避不
純物からなることを特徴とするピストンリング材であり
、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Ｎ１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。

また、本発明材は表面に窒化処理を行なうことにより、
さらに耐摩耗性、耐焼付性が向上し、さらに厳しい用途
に適用することが可能である。

〔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０．４％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
温による熱へ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。さ
らに窒化処理を行なうことにより、窒素と結びついて硬
い窒化物を形成し、耐摩耗性、耐焼付性を大きく向上さ
せる。

本発明においては、耐摩耗性、耐焼付性に寄与する炭化
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７．０％未満とし
た。

Ｃｏは本発明における重要な添加元素であり、耐焼付性
の向上と、耐腐食摩耗性の向上に寄与する。ＣＯは炭化
物を形成せず、基地中に固溶することにより、その耐熱
性を高め、耐摩耗性、耐焼付性を向上させる。また、Ｃ
Ｏは耐硫酸腐食性を高めるが、窒化物を形成しないため
窒化層中においてもその作用が残存することが特徴であ
り、従って窒化処理を行なって使用するピストンリング
材の耐硫酸腐食摩耗性の向上に特に有効である。

この効果を得るためにはＣＯは少なくとも０．３％必要
である。しかしながら、８．０％を越えると加工性が低
下し、かつコストも高くなるためＣｏの添加量は０．３
〜８．０％＆こ限定した。

Ｍ　ｏ　、　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＋１７２Ｗ）
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、■の上限を１．０％、Ｎｂの上限を
０．５％とした。

Ｎ１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。

〔実施例〕

以下、実施例により本発明の詳細な説明する。

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〜ｂり硬さをＨＲＣ４２〜４６に臭
整した。続いて５４０℃×２０時間のガス窒化処理を行
なった。ガス窒化処理により最表面に脆い窒化物が生成
されるため、研削によりこれを除去して試験材とした。

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。

耐硫酸腐食試験は、４０℃に保った１０％硫酸溶液中に
試験片を入れて１時間保持した後の腐食減量により評価
した。なお、この時の腐食はすべて窒化層内で進行して
いることをミクロ組織観察により確認した。

第２表に硬さ、摩耗量比、焼付荷重比を示す。

第表本発明材は、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Ｍ、Ｃ，
型炭化物を適正量含み、また適正量のＣｒを含むことに
より窒化層が形成されているためである。比較材Ｎｏ、
１５はＣｒ量が低いため、窒化層が十分形成されず、耐
摩耗性は十分でない。

次に耐焼付性については、Ｃｏを含む本発明材は、従来
材ＦＣ２５より優れた値を示している。

一方、比較材はＣＯを含まないため耐焼付性が低い第３表に耐硫酸腐食試験の結果を示す。本発明材はいず
れも比較材より腐食減量が少なく、Ｃ。

添加の効果が明らかである。

第　　３　　表〔発明の効果〕以上述べたように、本発明材は従来材ＦＣ２５より優れ
た特性を有しているため、厳しい条件で使用されるセカ
ンドリング材に用いてエンジンの軽量化および性能の向
上に大きく寄与するものである。

Claims

【特許請求の範囲】１　重量％でＣ０．４〜１．３％、Ｓｉ１．５％以下、
Ｍｎ１．５％以下、Ｃｒ３．０％以上７．０％未満、Ｃ
ｏ０．３〜８．０％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純
物からなることを特徴とするピストンリング材。２　重量％でＣ０．４〜１．３％、Ｓｉ１．５％以下、
Ｍｎ１．５％以下、Ｃｒ３．０％以上７．０％未満、Ｃ
ｏ０．３〜８．０％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
からなることを特徴とするピストンリング材。３　重量％でＣ０．４〜１．３％、Ｓｉ１．５％以下、
Ｍｎ１．５％以下、Ｃｒ３．０％以上７．０％未満、Ｃ
ｏ０．３〜８．０％、ＭｏとＷの１種または２種をＭｏ
＋１／２Ｗで２．５％以下、Ｖ１．０％以下、Ｎｂ０．
５％以下の１種または２種を含み、残部Ｆｅおよび不可
避不純物からなることを特徴とするピストンリング材。４　重量％でＣ０．４〜１．３５、Ｓｉ１．５％以下、
Ｍｎ１．５％以下、Ｃｒ３．０％以上７．０％未満、Ｃ
ｏ０．３〜８．０％、さらにＮｉ２．０％以下を含み、
残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする
ピストンリング材。５　重量％でＣ０．４〜１．３％、Ｓｉ１．５％以下、
Ｍｎ１．５％以下、Ｃｒ３．０％以上７．０％未満、Ｃ
ｏ０．３〜８．０％、ＭｏとＷの１種または２種をＭｏ
＋１／２Ｗで２．５％以下、さらにＮｉ２．０％以下を
含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴
とするピストンリング材。６　重量％でＣ０．４〜１．３％、Ｓｉ１．５％以下、
Ｍｎ１．５％以下、Ｃｒ３．０％以上７．０％未満、Ｃ
ｏ０．３〜８．０％、ＭｏとＷの１種または２種をＭｏ
＋１／２Ｗで２．５％以下、Ｖ１．０％以下、Ｎｂ０．
５％以下の１種または２種、さらにＮｉ２．０％以下を
含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなることを特徴
とするピストンリング材。