JPH05230596A

JPH05230596A - ピストンリング材

Info

Publication number: JPH05230596A
Application number: JP3767692A
Authority: JP
Inventors: Yuji Ito; 裕司伊藤; Katsuaki Fukushima; 捷昭福島
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1992-02-25
Filing date: 1992-02-25
Publication date: 1993-09-07

Abstract

(57)【要約】【目的】比較的安価な低合金鋼で、耐焼付性、耐摩耗
性に優れたピストンリング材を提供する。【構成】重量％で、Ｃ 0.50〜1.40%、Ｓi 2.0%以下、
Ｍn 2.0%以下、Ｃr 0.5%以上5.0%未満、Ｃu 0.5〜5.0
%、残部Ｆeおよび不可避的不純物からなる組成を基本系
とするピストンリング材であり、必要に応じて、Ｍo 1.
0%以下とＷ 1.0%以下の１種または２種、Ｖ 0.5%以下と
Ｎb 0.5%以下の１種または２種、Ｎi 2.0%以下、Ｃo 1
0.0%以下およびＳ 0.04〜0.10%、Ｓe 0.1%以下の１種ま
たは２種を合計で0.15%以下を適宜添加することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車、船舶、汎用等
の内燃機関に使用されるピストンリング材に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関、特に自動車エンジンの高速
化、高出力化の要求に対応するために、ピストンリング
の軽量化や機械的強度の向上が必要とされ、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は、一部で
スチール化がなされている。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など
の鋳鉄が適用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】トップリングやオイル
リングは、すでに一部でスチール化がなされているが、
さらなる高性能化を達成するためには、セカンドリング
のスチール化が望まれている。セカンドリングは、シリ
ンダーとの摺動により、耐焼付性および耐摩耗性が必要
であるが、トップリングに比べて作動環境は、比較的軽
微である。本発明のピストンリング材は、当初セカンド
リング用に比較的低合金系の鋼をベースとして開発して
きたが、特定組成内の組合せやピストンリングに表面処
理を施すことでトップリングやオイルリングにも十分適
用できるものである。本発明の目的は、比較的安価な低
合金鋼をベースとし、しかも耐焼付性および耐摩耗性に
優れたピストンリング材であり、とりわけ従来セカンド
リングとして使用されてきた鋳鉄製に替わり、薄肉によ
る軽量化を可能とするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、重量％でＣ
0.50〜1.40%、Ｓi 2.0%以下、Ｍn 2.0%以下、Ｃr 0.5%
以上5.0%未満、Ｃu 0.5〜5.0%、残部Ｆeおよび不可避的
不純物からなる組成を基本系とするピストンリング材で
あり、必要に応じて、Ｍo 1.0%以下とＷ 1.0%以下の１
種または２種、Ｖ 0.5%以下とＮb 0.5%以下の１種また
は２種、Ｎi 2.0%以下、Ｃo 10.0%以下およびＳ 0.04〜
0.10%、Ｓe 0.1%以下の１種または２種を合計で0.15%以
下を適宜添加することができる。

【０００５】

【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、Ｍ₃Ｃ型の炭化物、さらにはＣr,Ｍo,Ｗ,
Ｖ,Ｎbとともに特殊炭化物を形成し、また一部はマトリ
ックス中に固溶して基地を高硬度のマルテンサイト組織
にし、耐焼付性および耐摩耗性を向上させるうえで重要
な元素である。少ないと上記添加の効果がなく、多すぎ
るとピストンリングの素材である平線の製造性やリング
への加工性を困難にするため、Ｃは0.50〜1.40%に限定
する。Ｓiは、脱酸剤として添加されるが、多すぎると
冷間加工性を劣化させるので、2.0%以下とする。

【０００６】Ｍnは、Ｓiと同様、脱酸剤として添加され
る。しかし、多すぎると熱間や冷間における加工性が低
下するので、高加工率を必要とするピストンリングを考
慮して、Ｍnは2.0%以下に限定する。Ｃrは、Ｃとともに
主にＭ₃Ｃ型の炭化物を形成して、強度および靭性を増
す効果がある。本発明材の場合、Ｃr系炭化物はＦe-Ｃu
固溶体による潤滑作用と相俟って、すぐれた耐焼付性お
よび耐摩耗性の改善の効果を示す。また、焼入性に効果
があり、十分な熱処理硬さを得るのに必要である。さら
に、窒化処理したときに硬質の窒化物を形成するので重
要な元素である。少ないと上記添加の効果がなく、多す
ぎると巨大なＣr系炭化物を形成し、冷間加工性が悪く
なるのでＣrは0.5%以上5.0%未満に限定する。

【０００７】ＭoとＷは、Ｃとともに特殊炭化物を形成
し、本発明材の耐摩耗性をさらに向上させる効果があ
り、単独または複合で添加される。多すぎると巨大炭化
物を形成し、平線の製造を困難にし、またコストが高く
なるので、ＭoおよびＷは、それぞれ1.0%以下とする。
ＶとＮbは、Ｍo，Ｗと同様、Ｃとともに特殊炭化物を形
成し、さらに耐摩耗性を向上させる効果があり、単独ま
たは複合で添加される。しかし、硬質の炭化物を形成す
るので、過度に添加すると、相手材であるシリンダを損
耗させやすい。したがって、ＶおよびＮbは、それぞれ
0.5%以下とする。Ｎiは、本発明材の靭性を向上させる
効果がある。しかし、過度の添加は焼なましにおける硬
さの低下を妨げるので、Ｎiは2.0%以下とする。Ｃoは、
基地中に固溶し、表面に緻密な被膜を形成し、相手材で
あるシリンダとの耐焼付性を向上させる効果があるが、
多すぎるとコストが高くなるので10.0%以下とする。

【０００８】Ｃuは熱処理時において、Ｆe-Ｃu固溶体と
して析出し、その析出物の潤滑作用により、耐焼付性お
よび耐摩耗性を向上させるうえで重要な元素である。少
ないと上記添加の効果が得られず、多すぎると熱間加工
性が劣化するので、Ｃu 0.5〜5.0%に限定する。Ｓ，Ｓe
は、非金属介在物を形成し、その潤滑作用により、耐焼
付性を向上させる効果を有するため、単独または複合で
添加される。また、非金属介在物がエンジンオイルを保
持する作用があり、それ自身の潤滑作用に加えて、さら
にオイルの潤滑作用を増大させることができる。Ｓ単独
で添加するよりも、Ｓeを複合で添加する方が非金属介
在物の形態を紡錘形に制御することができ、エンジンオ
イルをより多く溜ることができる。多すぎると機械的性
質を低下させるので、Ｓは0.04〜0.10%、Ｓeは0.10%以
下とし、複合で添加する場合は、合計で0.15%以下とす
る。

【０００９】上記組成からなるピストンリング材は、比
較的安価な低合金鋼であり、セカンドリングとして最適
であるだけでなく、これを用いたピストンリングの少な
くともシリンダと摺動する摺動面にクロムメッキや窒化
処理などの表面処理を行なうことにより、耐焼付性や耐
摩耗性を高めることが可能となり、トップリングとして
も使用することができるものである。

【００１０】

【実施例】以下に、実施例に基づき、本発明材の有効性
を示す。表１に本発明材および比較材の化学組成(wt%)
を示す。本発明材Ａは、Ｓi-Ｃr鋼にＣuを添加した材料
であり、比較材ＲはＳi-Ｃr鋼、比較材Ｓ，Ｔ，Ｕは、
本発明材Ｂ，Ｃ，Ｇの組成のうち、Ｃuが添加されてい
ないものである。本発明材Ａ〜Ｑおよび比較材Ｒ〜Ｕ
は、造塊後鍛伸し、800℃の焼なまし後、950℃の焼入
れ、400〜550℃の焼もどしを実施し、HRC40〜45の硬さ
に調整し、以下に示す試験試料とした。

【００１１】

【表１】

【００１２】表２に各試料の耐焼付性および耐摩耗性を
試験した結果を示す。これらの試験には、超高圧摩耗試
験機を用いてテストしたもので、試験要領の概略を図１
および図２に示す。この試験機を用いて行なった焼付試
験および摩耗試験の条件を表３に示す。

【００１３】

【表２】

【００１４】

【表３】

【００１５】Ｃuを添加した本発明材Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｇ
は、無添加である比較材Ｒ，Ｓ，Ｔ，Ｕに比べ、焼付発
生面圧が高く、摩耗量が少なく、耐焼付性および耐摩耗
性ともに向上していることがわかる。Ｃuを添加した本
発明材の中でも、Ｗ,Ｍo,Ｖ，Ｎbを添加して、特殊炭化
物を多く析出させたものが、耐摩耗性の値が良好な傾向
にあり、その中でも特にＣuを多く添加した本発明材
Ｅ，およびさらにＣo,Ｓ，Ｓeを添加した本発明材Ｇ
は、耐焼付性が大幅に向上している。また、窒化処理を
施した場合の焼付および摩耗試験の結果も表２に併記す
る。窒化処理の条件は、540℃、20時間のガス窒化処理
であり、本発明材Ａ〜Ｑおよび比較材Ｒ〜Ｕについて施
した。各材とも窒化処理することにより、耐焼付性およ
び耐摩耗性がさらに向上しているのがわかる。窒化を施
した場合においても、Ｃuの潤滑効果は有効であり、そ
の順位は変わらない。

【００１６】

【発明の効果】本発明は、比較的安価な低合金鋼にＣu
を添加することにより、シリンダとの摺動による耐焼付
性および耐摩耗性を大幅に改善したもので、従来鋳鉄な
どが使用されていた内燃機関のピストンリングのうち、
負荷のあまりかからないセカンドリングとして、特に適
している。その結果、スチール化により軽量化や機械的
強度の向上が達成でき、内燃機関の高速化および高出力
化の要求に応えるものである。さらに、これらのピスト
ンリング材を用いたピストンリングの少なくともシリン
ダと摺動する摺動面に表面処理を施すことにより、トッ
プリングとしても使用することができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】超高圧摩耗試験機による焼付および摩耗試験要
領概略図である。

【図２】図１のＡ−Ａ方向矢視断面図である。

【符号の説明】

１試験片（5mm角×10mmL) ２円板（相手材・・・ＦＣ２５）３ステータホルダ４ロータ５試験片保持治具６潤滑油注入口７ロードセル８動歪計Ｐ摩擦圧力

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％でＣ 0.50〜1.40%、Ｓi 2.0%以
下、Ｍn 2.0%以下、Ｃr 0.5%以上5.0%未満、Ｃu 0.5〜
5.0%、残部Ｆeおよび不可避的不純物からなることを特
徴とするピストンリング材。
【請求項２】重量％でＣ 0.50〜1.40%、Ｓi 2.0%以
下、Ｍn 2.0%以下、Ｃr 0.5%以上5.0%未満、Ｃu 0.5〜
5.0%およびＭo 1.0%以下、Ｗ 1.0%以下の１種または２
種を含み、残部Ｆeおよび不可避的不純物からなること
を特徴とするピストンリング材。
【請求項３】Ｆeの一部をＶ 0.5%以下、Ｎb 0.5%以下
の１種または２種で置換した請求項１または２に記載の
ピストンリング材。
【請求項４】Ｆeの一部をＮi 2.0%以下で置換した請
求項１ないし３のいずれかに記載のピストンリング材。
【請求項５】Ｆeの一部をＣo 10.0%以下で置換した請
求項１ないし４のいずれかに記載のピストンリング材。
【請求項６】Ｆeの一部をＳ 0.04〜0.10%、Ｓe 0.1%
以下の１種または２種を合計で0.15%以下で置換した請
求項１ないし５のいずれかに記載のピストンリング材。