JPH1180907A

JPH1180907A - 耐スカッフィング性に優れたピストンリング

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Publication number: JPH1180907A
Application number: JP5368798A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Inoue; 謙一井上
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1998-03-05
Filing date: 1998-03-05
Publication date: 1999-03-26
Anticipated expiration: 2018-03-05
Also published as: JP2909456B2

Abstract

(57)【要約】【課題】耐スカッフィング性に優れかつ、線材製造過
程における優れた引抜加工性、圧延加工性に加え、比較
的高硬度の熱処理後硬さを設定した場合でも、リング成
形時の極めて優れた曲げ加工性を達成したピストンリン
グを提供する。【解決手段】曲げ加工され、表面窒化層を形成したマ
ルテンサイト系鋼よりなるピストンリングであって、重
量％にて、Ｃ：０．２〜１．２％、Ｃr：５．０〜２
５．０％を含有しかつ、ＣｒとＣの含有量が、Ｃｒ（重
量％）／Ｃ（重量％）による値にて１５〜４５を満足す
るピストンリングである。好ましくは、Ｓｉ：０．２５
％以下、Ｍｎ：０．３０％以下とし、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎ
ｂの１種または２種以上：０．３〜２．５％あるいは、
Ｃｕ：４．０％以下、Ｎｉ：２．０％以下、Ａｌ：１．
５％以下を含有せしめることが可能である。これによっ
て、Ｃr：５．０以上１２．０％未満のピストンリング
でも、優れた耐スカッフィング性の達成が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関に使用さ
れる耐スカッフィング性に優れたピストンリングに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年において、内燃機関には、低燃費
化、高性能化、軽量化および排ガスの清浄化等、様々な
改善が加えられている。その中でも、内燃機関の摺動部
であるピストンリングに対しては、エンジンの軽量化な
らびに高回転化に伴うピストンリングの薄肉化のため、
疲労特性、耐摩耗性、耐スカッフィング性等の特性向上
が強く求められ、従来使用されていた鋳鉄製ピストンリ
ングは、強度、疲労特性等に優れた鋼製ピストンリング
に変わりつつある。現在、鋼製ピストンリングには、Ｊ
ＩＳＳＷＯＳＣ−Ｖ相当のＳｉ−Ｃｒ鋼、もしくはマ
ルテンサイト系ステンレス鋼をベースにした素材が主と
して使用されている。

【０００３】通常、Ｓｉ−Ｃｒ鋼はＣｒメッキ処理を施
してピストンリングとして使用されるが、ピストンリン
グ表面に形成されたＣrメッキ層は、その使用に要求さ
れる耐摩耗性が不十分である。さらに、高負荷の内燃機
関へ適用した場合には、メッキ部の剥離によって母材が
露出する問題が生じ、その結果、即座にシリンダー内壁
と容易にスカッフィングを起こしてしまう。それに付け
加え、Ｃｒメッキ処理には、処理後に発生する廃液に関
する諸問題、例えば環境への悪影響ならびに近年の廃液
処理コストの増加といった問題がある。

【０００４】これに対し、上記のマルテンサイト系ステ
ンレス鋼よりなるピストンリングは、その多くが表面に
窒化処理を施して使用される。この窒化層は、Ｃrメッ
キ層に比べ高い耐摩耗性を有しているばかりではなく、
窒化処理が拡散を利用した処理であるために、処理層が
剥離する問題も無いため、ピストンリングとしては極め
て優れた特性を有している。また、窒化処理は、その処
理コストが安価であり、環境への影響度も小さいことか
ら、Ｃrメッキ処理に比べて有利な処理方法である。な
お、その用途上、Ｃｒメッキ処理をしなくてはならない
場合においても、マルテンサイト系ステンレス鋼は、Ｓ
ｉ−Ｃｒ鋼に比べ、素材自体の耐熱性、耐摩耗性ならび
に耐食性が優れているので、一部の用途においては、Ｃ
ｒメッキ用ピストンリング材としても使用することがで
きる。

【０００５】上述してきたごとく、比較的性能重視の高
負荷内燃機関への適用が中心であった従来のピストンリ
ングは、最近の内燃機関の低燃費化、高性能化、軽量化
および排ガスの清浄化等の背景から、高負荷内燃機関に
止まらず徐々にその使用範囲を拡大しつつある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】通常、高Ｃｒマルテン
サイト系ステンレス鋼は、その線材製造過程において、
平線もしくは異形線材を一旦９００〜１１００℃に加熱
し、急冷焼入れを行った後、比較的高目の温度にて焼戻
しを行う。上記熱処理後のマルテンサイト系ステンレス
鋼素材は、所定のリング形状に成形されることとなるの
だが、リング形状への成形性に係る曲げ加工性（カーリ
ング性）を高めるために、その硬さは、Ｓｉ−Ｃｒ鋼の
熱処理後硬さ４５〜５５ＨＲＣに対し、３５〜４５ＨＲ
Ｃと低めに調整しなければならない。

【０００７】本来のごとく、ピストンリングとしての耐
摩耗性、耐スカッフィング性および疲労強度等の特性を
重視するならば、熱処理硬さは高い方が望ましい。しか
し、Ｓｉ−Ｃｒ鋼に比べ残留炭化物量の多いマルテンサ
イト系ステンレス鋼では、その熱処理硬さが高いと、曲
げ加工の際に折損するという問題があるため、特性を多
少犠牲にしても熱処理硬さを低めに調整しなければなら
ないという問題点があった。

【０００８】この問題の改善方法としては、特開昭５９
−１６６６５３号、特開昭６３−１４００６６号に開示
される低合金系ピストンリング材が知られている。これ
らの方法は、Ｃｒ含有量を２．０〜９．０％と低合金化
するものであり、耐折損性に関しては改善可能である
が、反面、耐スカッフィング性は極端に低下する。その
ため上記成分系では、ピストンリングとしての特性に問
題があるため、広く実用に至っていないのが現状であ
る。

【０００９】また、マルテンサイト系ステンレス鋼は、
Ｓｉ−Ｃｒ鋼に比べ、加工硬化も大きいため、平線や異
形線材に仕上げるまでの加工率を大きくすることができ
ない。そのため、引抜加工あるいは圧延加工の工程中に
多数の焼鈍工程を必要とし、結果として、線材製造にか
かるコストが高くなるという問題があった。

【００１０】そこで、本発明は、上述した事項に鑑み、
ピストンリングとしての要求特性を損なうことなく、線
材製造時の温間もしくは冷間における引抜加工性や圧延
加工性を向上し、製造コストの低減を図るとともに、さ
らにリング成形時の折損の減少をも達成した耐スカッフ
ィング性に優れたピストンリングを提供することを目的
とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】まず、発明者は、熱間圧
延後の線状ピストンリング素材について、その温間およ
び冷間における加工性に及ぼす各成分の影響について詳
細な検討を行った。さらには、上記素材の熱処理後にお
ける曲げ加工性およびピストンリングとして最も重要な
耐スカッフィング性、耐摩耗性について、その特性に及
ぼす各成分の影響を詳細に亘って研究した。その結果、
ピストンリング材に含まれるＣｒ、Ｃの含有量におい
て、そのＣｒ（重量％）／Ｃ（重量％）による値を１５
〜４５に調整すれば、ピストンリングとしての要求特性
を低下させることなく、線材製造時および熱処理後にお
いて極めて良好な加工性を達成し得ることを見いだし、
本発明に到達した。

【００１２】すなわち、本発明は、ピストンリングにお
ける耐スカッフィング性および製造時の加工性の改善と
して、重量％にて、Ｃ：０．２〜１．２％、Ｃr：５．
０〜２５．０％を含有するマルテンサイト系ピストンリ
ングのＣｒとＣの含有量が、Ｃｒ（重量％）／Ｃ（重量
％）による値にて１５〜４５を満足するように化学組成
を調整する方法を提案するものである。本発明の改善方
法を適用すれば、Ｃｒ：５．０％以上１２．０％未満と
いう低Ｃｒ系のマルテンサイト系ピストンリングであっ
ても、優れた耐スカッフィング性および製造時の優れた
加工性を達成することが可能である。

【００１３】なお、本発明は、上記手段に加え、重量％
にて、Ｓｉを０．２５％以下、Ｍｎを０．３０％以下に
調整する方法を適用することで、ピストンリング材の更
なる加工性の向上が可能であり、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂの
１種または２種以上を合計で、０．３〜２．５％に調整
することで、更なる耐スカッフィング性の向上が可能で
ある。また、必要に応じてＣｕを４．０％以下に、また
は、Ｎｉを２．０％以下に、あるいは、Ａｌを１．５％
以下に調整する方法も適用が可能である。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明は、ピストンリングとして
の耐スカッフィング性の改善だけでなく、線材製造時の
加工性に加え、熱処理後の曲げ加工性をも改善し得る方
法を提供するものである。そして、本発明の最大の特徴
は、これらの効果を達成し得る本発明として、鋼中のＣ
およびＣｒ含有量の調整と共に、Ｃｒ（重量％）／Ｃ
（重量％）による値を的確に調整するところにある。以
下、本発明の根幹をなす、上記の構成要件について詳し
く述べる。

【００１５】Ｃは、炭化物を形成して耐スカッフィング
性や耐摩耗性を高めるだけでなく、一部が基地中に固溶
することで強度ならびに疲労特性の向上に寄与する重要
元素である。これらの効果を得るためには、Ｃは少なく
とも０．２％必要であるが、１．２％を越えると、線材
製造時の温間または冷間における加工性および熱処理後
の曲げ加工性を低下させる。そのため、本発明において
は、Ｃの範囲を０．２〜１．２％に調整する。

【００１６】Ｃ同様、本発明を構成する重要元素の一つ
であるＣｒは、Ｃと結合して炭化物を形成するため、耐
スカッフィング性、耐摩耗性の向上に寄与するほか、一
部が基地に固溶し、焼戻しの際の二次硬化元素として働
くことから、ピストンリングの耐熱ヘタリ性の向上に寄
与する。また、窒化処理によって窒化層内で微細な窒化
物を形成するため、ピストンリングの更なる耐スカッフ
ィング性、耐摩耗性の向上が可能である。上記効果を得
るためには、最低５．０％のＣｒが必要であるが、２
５．０％を越える含有は炭化物の量あるいは粒径の増加
・増大を招き、加工性を極端に低下させる。よって、本
発明におけるＣｒ調整量は、５．０〜２５．０％とす
る。

【００１７】そして、本発明の効果を得るに最も重要と
なる改善手段が、鋼中のＣおよびＣｒの含有比：Ｃｒ／
Ｃを、重量比にて１５〜４５に調整することである。ピ
ストンリングに要求される耐スカッフィング性は、上述
したごとくＣｒ系炭化物に左右されるが、本発明は、こ
の影響度がＣｒ系残留炭化物の種類と、その種類の違い
から生ずるＣｒ系残留炭化物の粒径および分布状態の差
に大きく関係するという知見を得た。そして、更なる研
究の結果、これらＣｒ系残留炭化物の形態は、Ｃおよび
Ｃｒ含有量そのものの調整に併せ、ＣｒとＣの含有量比
の調整によってその制御が可能であることを見いだした
のである。

【００１８】具体的に述べると、Ｃｒ（重量％）／Ｃ
（重量％）値が、１５以上の時、Ｃｒ系残留炭化物の種
類は、Ｍ₂₃Ｃ₆型が優勢となる。Ｍ₂₃Ｃ₆型炭化物の特徴
は、その粒径ならびに分布状態を、熱間加工温度および
熱処理条件によって容易に制御が行えるところにある。
つまり、Ｍ₂₃Ｃ₆型が優勢となる成分系とすれば、残留
炭化物の粒径が微細となりかつ、その分布状態について
も極めて均一な組織とすることが可能となるのである。

【００１９】そのため、組織のミクロ的な差、例えば炭
化物量の密な部分と疎な部分の存在に起因する炭化物量
の疎な部分からのミクロ的スカッフィングの発生といっ
た現象が生じにくくなり、結果として、素材の耐スカッ
フィング性を向上させることができる。また、残留炭化
物の粒径が微細であるということは、比較的難加工性を
有す高合金系の素材であっても、線材製造時の温間なら
びに冷間における加工性および熱処理後の曲げ加工性を
向上させることが可能となり、生産効率の向上や製造コ
ストの低減が可能となる。

【００２０】一方、Ｃｒ（重量％）／Ｃ（重量％）値が
１５に満たない場合、Ｃｒ系残留炭化物の種類はＭ₇Ｃ₃
型が優勢となる。Ｍ₇Ｃ₃型の炭化物は、凝固時に粗大な
一次炭化物を形成する。この種の炭化物は、高温でも比
較的安定であるために、Ｍ₂₃Ｃ₆のように熱間加工温度
および熱処理温度による形態制御が難しいことが特徴で
ある。そのため、組織中の炭化物に上記のような分布状
態差が生じ、それに起因する耐スカッフィング性の極端
な低下を招くだけでなく、粗大なＭ₇Ｃ₃型残留炭化物の
存在によって、加工性を極端に低下させる。

【００２１】また、Ｃｒ（重量％）／Ｃ（重量％）値が
４５を越えると、残留炭化物の量が極端に減少するた
め、素材そのものの耐摩耗性が低下するばかりでなく、
窒化処理によって形成される窒化層が極めて割れやすく
なり、ピストンリングとして使用するには極めて危険な
素材になる。

【００２２】以上の理由より、本発明は、Ｃｒ（重量
％）／Ｃ（重量％）値を１５〜４５に調整することが非
常に重要である。好ましくは、耐スカッフィング性なら
びに加工性の改善に加え、更なる耐摩耗性をより改善さ
せる値として、Ｃｒ（重量％）／Ｃ（重量％）を１８〜
３０に調整する。

【００２３】ここで、本発明による耐スカッフィング性
および加工性の改善効果を、図を持って説明する。

【００２４】図１は、１３％Ｃｒ系のマルテンサイト鋼
における、Ｃｒ（重量％）／Ｃ（重量％）値と「スカッ
フ面圧」および「抗折試験によるたわみ量」の関係を示
したものである。図１にて使用した供試材には、それぞ
れＣ量が異なる１３％Ｃｒ系のマルテンサイト鋼を１０
５０℃にて焼入れ後、焼戻しによって硬さ４０ＨＲＣに
調整したものであり、ピストンリング材の曲げ加工前の
状態を想定したものである。そして、曲げ加工性の評価
として、上記供試材に抗折試験を行ない、そのたわみ量
を測定した。

【００２５】また、ピストンリングとして極めて重要な
耐スカッフィング性の評価用供試材については、上記焼
入れ・焼戻し後の供試材に５２０℃×１０時間のガス窒
化処理を実施した後、最表面に形成された脆い窒化物層
を除去する目的で試験片表面を研磨により１０〜１５μ
ｍ除去したものを用いた。なお、耐スカッフィング性の
評価は、超高圧摩擦摩耗試験機を用いて下記の条件にて
試験を行い、焼付き発生荷重であるスカッフ面圧にて評
価を行った。その試験機試験片部の略図を図２および図
３に示しておく。

【００２６】摩擦速度・・・・８ｍ／ｓ摩擦面圧力・・・初期圧２０ｋｇｆ／ｃｍ²、３分毎に
１０ｋｇｆ／ｃｍ²づつ上昇潤滑油・・・・・モーターオイル＃３０，油温８０℃，
ステーターホルダー中心より４００ｍｌ／ｍｉｎ．注油焼付検出・・・・ロードセルおよび動歪計にて検出相手材・・・・・ＪＩＳねずみ鋳鉄（ＦＣ２５０）

【００２７】図１に示すように、ピストンリングとして
最も重要な特性である耐スカッフィング性と、ピストン
リング製造時に重要な特性である素材の曲げ加工性を両
立させるには、Ｃｒ（重量％）／Ｃ（重量％）値を１５
〜４５に調整することが有効あることがわかる。

【００２８】なお、Ｃｒ（重量％）／Ｃ（重量％）値が
１５未満の範囲において、その一部にはスカッフ面圧の
低下が認められないものがある。これは、Ｃｒ含有量が
１３％の場合では、Ｃｒ（重量％）／Ｃ（重量％）値の
極端な低下、つまりＣ量の極端な増加によって、上述し
た組織中のＭ₇Ｃ₃型残留炭化物の量ならびに粒径の極端
な増大が起こるためと考えられるが、このＭ₇Ｃ₃型残留
炭化物の極端な増加は、曲げ加工性の著しい低下をさせ
るのである。

【００２９】つまり、単に素材の耐スカッフィング性の
みを向上させるのであれば、図１のごとく、組織中の残
留炭化物の種類を無視して、その量ならびに粒径の増加
調整を行えば良いわけであるが、それでは、ピストンリ
ング材としての加工性が余りにも低くなりすぎて、現在
のピストンリング製造において実施されている冷間曲げ
加工が不可能となるのである。

【００３０】よって、Ｃ、Ｃｒの含有量調整に加え、Ｃ
ｒ（重量％）／Ｃ（重量％）値を１５〜４５に調整する
本発明であれば、その適用によって耐スカッフィング性
および製造時の加工性にも優れたピストンリングを提供
できるのである。

【００３１】なお、本発明は、例えば、加工性こそ良好
であるものの耐スカッフィング性が要求特性に満たない
Ｃｒ含有量が５．０％以上１２．０％未満からなる低合
金材に適用すれば、加工性を犠牲にすることなく、耐ス
カッフィング性を改善することが可能であり、ピストン
リング材としての優れた加工性と耐スカッフィング性を
両立させるに優れた手段なのである。

【００３２】以下、本発明の好ましい手段として、その
要件を構成する上記以外の元素の限定理由およびその作
用を述べる。

【００３３】Ｓｉは、本発明の目的の一つである線材製
造時の加工性に加え、熱処理後の曲げ加工性をも更に改
善する元素である。つまり、本発明者は、鋼中への適量
のＳｉ含有が、上述した本発明の目的達成に効果を示す
ことを見いだし、特にＳｉの含有量が０．２５％以下に
なると、該効果が更に顕著になることを突きとめたので
ある。

【００３４】その一方で、Ｓｉは、精錬工程における脱
酸元素として鋼中に残留する元素であると同時に、特開
昭６１−５９０６６号に代表されるＣｒ含有量２．０〜
９．０％の低〜中Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼に
おいては、耐酸化性、耐熱ヘタリ性を向上させる元素と
して、最低でも０．３％以上のＳｉが必要とされてい
る。しかし、耐酸化性については、実際のピストンリン
グが潤滑油中で使用されるという点の他、窒化処理もし
くはＣｒメッキ等、何らかの表面処理を施し使用される
という点から、必ずしも重要視する必要が無くなってき
た。

【００３５】それに加え、本発明者は、耐熱ヘタリ性を
向上させる目的のもとに添加されるＳｉの作用について
も詳細なる検討を行った。すなわち、従来からのＳｉの
添加は、低温焼戻しを行った素材において、その焼戻し
によって析出した炭化物の凝集を遅らせることで、その
効果を著しく表すものである。つまり、析出した炭化物
のほとんどが凝集すると考えられる５５０〜６５０℃に
て、焼戻し処理を行うことが一般的であるマルテンサイ
ト系合金鋼製ピストンリングにおいては、二次硬化に付
与する他の添加元素の方がその効果は大きく、Ｓｉにつ
いては著しい効果が認められないという知見を得たので
ある。

【００３６】なお、近年の製鋼技術の進歩により、Ｓｉ
脱酸剤の使用量を減じても、酸化物系非金属介在物の低
減は十分に可能である。以上の理由から、本発明のＳｉ
は、線材製造時の加工性に加え、熱処理後の曲げ加工性
をも更に良好にする元素として、０．２５％以下に限定
する。望ましいＳｉの調整範囲は０．０５〜０．２０％
である。

【００３７】以上、Ｓｉ含有量を的確に調整する本発明
を適用すれば、線材製造時の加工性および熱処理後の曲
げ加工性を更に向上させることができる。特に、本発明
の適用によって熱処理後の曲げ加工性が向上されるとい
うことは、従来のピストンリングに比べて熱処理硬さを
高めに調整できるため、今まで曲げ加工性の向上のため
にある程度妥協してきたピストンリングとしての耐スカ
ッフィング性、耐摩耗性をより高度なレベルで改善でき
ることが可能となる。

【００３８】Ｍｎは、脱酸剤や脱硫剤として、鋼の精錬
に必要な元素の一つである。前述の特開昭６１−５９０
６６号によると、強度ならびに硬さの向上のためには、
最低０．５％の含有が必要であることが記載されてい
る。しかし、Ｍｎは０．３０％を越えてを含有すると、
焼鈍状態での加工性が低下することを確認した。そのた
め、本発明のＭｎは、その含有量を０．３０％以下に限
定する。

【００３９】Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂは、それ自体がＣと結
びつき硬質の炭化物を形成するだけでなく、一部はＣｒ
炭化物中へ固溶するため、Ｃr炭化物自身が強化されて
耐摩耗性を向上させる元素である。また、焼戻しの際、
二次硬化元素として付与するため、ピストンリングの耐
熱ヘタリ性の向上にも有効である。しかし、過度の添加
は、硬質の炭化物量の増加を招き、シリンダーの摩耗量
を著しく増加させるだけでなく、加工性の低下をも引き
起こす原因となる。よって、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂの調整
量は、１種または２種以上を合計で０．３〜２．５％と
する。

【００４０】Ｃｕは、炭化物や窒化物を形成することな
く、Ｆｅと基地中に微細な固溶体を形成することで、基
地の強化および耐熱ヘタリ性の向上に寄与するため、必
要に応じて添加できる。しかし、その含有量が４．０％
を越えると、熱間加工性が極端に低下するため、その上
限を４．０％以下とする。また、上記効果を得るに望ま
しいＣｕ含有量として、０．５〜３．０％とする。

【００４１】Ｎｉは、必ずしも添加する必要はないが、
ピストンリングとして使用の際に衝撃的な応力の加わる
場合は、靭性向上を目的とする必要に応じた添加が可能
である。しかし、２．０％を越えて添加すると焼鈍状態
での加工性が著しく低下するので、その上限を２．０％
とする。

【００４２】Ａｌは、窒化処理の際に進入するＮとＡｌ
Ｎを形成することで窒化層の硬さを増加させ、ピストン
リングの耐摩耗性向上に寄与するため、必要に応じて添
加することができる。しかし、その含有量が１．５％を
越えると、加工性および疲労特性が極端に低下するだけ
でなく、窒化によって析出する硬質のＡｌＮが極端に多
くなり、シリンダーの摩耗量を著しく増加させる。よっ
て、Ａｌの添加量は、その上限を１．５％以下とし、望
ましくは、０．２〜０．６％とする。

【００４３】なお、本発明は、以上述べてきた元素以外
にも、窒化層の硬さを増加させるＴｉ、Ｍｇや耐食性の
向上に有効なＣｏ等を、必要に応じて添加することが可
能である。

【００４４】

【実施例】以下、本発明の効果を実施例により説明す
る。まず、大気中の高周波誘導溶解によって所定の組成
に調整した３０kg鋼塊を作製した。次に、熱間加工を経
て、上記の鋼塊を直径８ｍｍの線状素材にし、８６０℃
で焼鈍を行った。得られた焼鈍材の組成を表１に示す。

【００４５】

【表１】

【００４６】次に、得られた焼鈍材の一部を、平行部長
４０ｍｍ、平行部直径６ｍｍの引張試験片形状に加工
し、線材の引抜きおよび圧延加工性の評価を目的とし
て、引張り試験を行った。また、同時に硬さの測定も行
った。残りの線状素材については、室温で直径５．５ｍ
ｍの線材になるまで引抜加工を行い、ついで、１０５０
℃にて焼入れ後、焼戻しにて硬さを調整した。なお、該
調整後の硬さは、Ｎｏ．１１〜２０の本発明適用材およ
びＮｏ．２５〜２８の比較材が３８〜４０ＨＲＣ、その
他の本発明適用材および比較材は４８〜５０ＨＲＣであ
る。そして、硬さを調整したこれらの熱処理材より、３
ｍｍ×３ｍｍの断面形状を有する曲げ試験片を作成し、
曲げ加工性の評価として抗折試験を行った。

【００４７】続いて、本発明適用材（以下、本発明材と
呼ぶ）および比較材について、その表面に形成される窒
化層の特性の優劣を評価するため、上記熱処理材から各
評価用試験片を採取し、熱処理後、所定形状に加工され
たピストンリングに通常実施される窒化処理を想定し
て、５２０℃×１０時間のガス窒化処理を行った。その
後、最表面に形成された脆い窒化物層を除去する目的
で、試験片表面を研磨により１０〜１５μｍ除去してか
ら、窒化層最表面の硬さ測定、窒化層のミクロ観察なら
びに耐スカッフィング試験を行った。

【００４８】なお、上記耐スカッフィング試験は、先述
の超高圧摩擦摩耗試験機を用い同条件にて行った。各試
験結果を表２に示す。

【００４９】

【表２】

【００５０】表２より、本発明材は、焼鈍後における絞
り値が、同Ｃｒ含有量の比較材と比べて大きく、冷間加
工性が極めて改善されていることがわかる。また、熱処
理後のたわみ量についても、本発明材は、比較材に比べ
高い値を示すことがわかる。つまり、本発明を適用すれ
ば、熱処理後の硬さを高目に調整しても曲げ加工中の折
損が発生し難いので、高硬さ調整による耐スカッフィン
グ性、耐摩耗性の優れた改善効果をも得ることが可能と
なる。

【００５１】次に、窒化処理後の特性、つまり、実際に
使用されるピストンリングそのものに要求される特性に
ついてその評価結果を述べる。本発明材の窒化層表面
は、いずれも９８０ＨＶ以上の硬さを有しており、ピス
トンリングとして十分な耐摩耗性が達成できている。ま
た、比較材Ｎｏ．２４で認められるような窒化層の割れ
も発生していない。さらに、本発明材は、スカッフィン
グ試験によるスカッフ面圧値も高く、ピストンリングと
して極めて良好な耐スカッフィング性を有していること
がわかる。

【００５２】特に、本発明材Ｎｏ．１〜１０について
は、Ｃｒ含有量が１２％未満とピストンリングとしては
比較的低合金鋼であるにも係らず、Ｃｒ（重量％）／Ｃ
（重量％）を適正な値に調整することで、同成分系の比
較材Ｎｏ．２１〜２４に比べ、耐スカッフィング性が大
幅に改善されていることがわかる。これより、本発明の
適用が、先述した「耐スカッフィング性が要求特性に満
たない５％以上１２％未満のピストンリング」の特性向
上にも、その効果を発揮することがわかる。

【００５３】なお、比較材Ｎｏ．２７、２８は、Ｃｒ
（重量％）／Ｃ（重量％）の値が本発明の規定範囲より
低いにも係らず、耐スカッフィング性が良好である。こ
れは、先述したごとく、Ｃｒ（重量％）／Ｃ（重量％）
値の極端な低下、つまりＣ量の極端な増加によって、組
織中のＭ₇Ｃ₃型残留炭化物の量ならびに粒径が極端に増
大したためと考えられる。しかし、Ｍ₇Ｃ₃型残留炭化物
の極端な増加は、素材の加工性を著しく低下させるた
め、比較材Ｎｏ．２７、２８は、そのたわみ量に劣るこ
とがわかる。

【００５４】単にピストンリングの耐スカッフィング性
のみを向上させるのであれば、比較材Ｎｏ．２７、２８
のように、組織中の残留炭化物の種類を無視して、その
量ならびに粒径の増加を行えば良いわけであるが、先述
したように、それでは、ピストンリング材としての加工
性が余りにも低くなりすぎて、現在のピストンリング製
造において実施されている冷間曲げ加工が不可能となる
のである。

【００５５】比較材Ｎｏ．２１、２２は、特開平８−１
０９４４５号にて提案された「加工性に優れたピストン
リング材」と同等の成分系であるが、本発明のＣｒ（重
量％）／Ｃ（重量％）値を満足しないものであり、本発
明のＣｒ／Ｃ重量比を満たすことが耐スカッフィング性
の向上に大きく寄与することがわかる。

【００５６】

【発明の効果】以上より、本発明を適用すれば、ピスト
ンリングとしての特性が改善できることはもちろんのこ
と、線材製造過程における引抜加工性、圧延加工性をも
改善できかつ、比較的高硬度の熱処理硬さを設定した場
合でも、極めて優れた曲げ加工性をも達成できることか
ら、諸特性に優れたピストンリング素材をも安価に供給
することが可能である。そして、ピストンリングとして
の特性に問題のあったＣｒ含有量１２％未満の低合金鋼
においても、本発明の改善方法を適用することで、その
優れた加工性に加えて耐スカッフィング性の改善が可能
となる。よって、本発明の適用は、更なる生産性の向上
およびコストの低減につながり、その有益性は非常に高
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明および比較例を適用した１３％Ｃｒ含有
マルテンサイト系合金鋼における、Ｃｒ（重量％）／Ｃ
（重量％）と耐スカッフィング性および曲げ加工性の関
係を示す図である。

【図２】超高圧摩擦摩耗試験機における試験部の断面図
である。

【図３】図１のＡ−Ａ矢視断面図である。

【符号の説明】

１．試験片（５ｍｍ角×１０Ｌ）、２．円板（相手材・・
・ＦＣ２５０）、３．ステータホルダー、４．ロータ、
５．試験片保持具、６．潤滑油注入口、７．ロードセ
ル、８．動歪計、Ｐ：摩擦圧力

【手続補正書】

【提出日】平成１０年１１月１９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１２】すなわち、本発明は、ピストンリングにお
ける耐スカッフィング性および製造時の加工性の改善と
して、重量％にて、Ｃ：０．２〜１．２％、Ｃr：５．
０％以上１２．０％未満、Ｓｉ：０．２５％以下を含有
するマルテンサイト系ピストンリングのＣｒとＣの含有
量が、Ｃｒ（重量％）／Ｃ（重量％）による値にて１５
〜４５を満足するように化学組成を調整する方法を提案
するものである。本発明の改善方法を適用すれば、Ｃ
ｒ：５．０％以上１２．０％未満という低Ｃｒ系のマル
テンサイト系ピストンリングであっても、優れた耐スカ
ッフィング性および製造時の優れた加工性を達成するこ
とが可能である。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１３】なお、本発明は、上記手段に加え、重量％
にて、Ｍｎを０．３０％以下に調整する方法を適用する
ことで、ピストンリング材の更なる加工性の向上が可能
であり、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂの１種または２種以上を合
計で、０．３〜２．５％に調整することで、更なる耐ス
カッフィング性の向上が可能である。また、必要に応じ
てＣｕを４．０％以下に、または、Ｎｉを２．０％以下
に、あるいは、Ａｌを１．５％以下に調整する方法も適
用が可能である。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１６】Ｃ同様、本発明を構成する重要元素の一つ
であるＣｒは、Ｃと結合して炭化物を形成するため、耐
スカッフィング性、耐摩耗性の向上に寄与するほか、一
部が基地に固溶し、焼戻しの際の二次硬化元素として働
くことから、ピストンリングの耐熱ヘタリ性の向上に寄
与する。また、窒化処理によって窒化層内で微細な窒化
物を形成するため、ピストンリングの更なる耐スカッフ
ィング性、耐摩耗性の向上が可能である。上記効果を得
るためには、最低５．０％のＣｒが必要であるが、２
５．０％を越える含有は炭化物の量あるいは粒径の増加
・増大を招き、加工性を極端に低下させる。なお、本発
明は、Ｃｒ：５．０％以上１２．０％未満という低Ｃｒ
系のマルテンサイト系ピストンリングであっても、優れ
た耐スカッフィング性および製造時の優れた加工性を達
成するものである。よって、本発明におけるＣｒ調整量
は、５．０％以上１２．０％未満とする。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２４】図１は、１３％Ｃｒ系のマルテンサイト鋼
における、Ｃｒ（重量％）／Ｃ（重量％）値と「スカッ
フ面圧」および「抗折試験によるたわみ量」の関係を示
したものである。なお、図1の主旨は、本願発明のＣｒ
（重量％）／Ｃ（重量％）調整による効果を説明するた
めのものである。今回は、その参考として１３％Ｃｒ系
のものを挙げたが、本効果の優位性は本願発明の１２％
未満Ｃｒ系のものにあっても同等である。図１にて使用
した供試材には、それぞれＣ量が異なる１３％Ｃｒ系の
マルテンサイト鋼を１０５０℃にて焼入れ後、焼戻しに
よって硬さ４０ＨＲＣに調整したものであり、ピストン
リング材の曲げ加工前の状態を想定したものである。そ
して、曲げ加工性の評価として、上記供試材に抗折試験
を行ない、そのたわみ量を測定した。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３２】Ｓｉは、本発明の目的の一つである線材製
造時の加工性に加え、熱処理後の曲げ加工性をも更に改
善する元素である。つまり、本発明者は、鋼中への適量
のＳｉ含有が、上述した本発明の目的達成に効果を示す
ことを見いだし、特にＳｉの含有量が０．２５％以下に
なると、該効果が更に顕著になることを突きとめたので
ある。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３３】その一方で、Ｓｉは、精錬工程における脱
酸元素として鋼中に残留する元素であると同時に、特開
昭６１−５９０６６号に代表されるＣｒ含有量２．０〜
９．０％の低〜中Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼に
おいては、耐酸化性、耐熱ヘタリ性を向上させる元素と
して、最低でも０．３％以上のＳｉが必要とされてい
る。しかし、耐酸化性については、実際のピストンリン
グが潤滑油中で使用されるという点の他、窒化処理もし
くはＣｒメッキ等、何らかの表面処理を施し使用される
という点から、必ずしも重要視する必要が無くなってき
た。

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３４】それに加え、本発明者は、耐熱ヘタリ性を
向上させる目的のもとに添加されるＳｉの作用について
も詳細なる検討を行った。すなわち、従来からのＳｉの
添加は、低温焼戻しを行った素材において、その焼戻し
によって析出した炭化物の凝集を遅らせることで、その
効果を著しく表すものである。つまり、析出した炭化物
のほとんどが凝集すると考えられる５５０〜６５０℃に
て、焼戻し処理を行うことが一般的であるマルテンサイ
ト系合金鋼製ピストンリングにおいては、二次硬化に付
与する他の添加元素の方がその効果は大きく、Ｓｉにつ
いては著しい効果が認められないという知見を得たので
ある。

【手続補正９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３５】なお、近年の製鋼技術の進歩により、Ｓｉ
脱酸剤の使用量を減じても、酸化物系非金属介在物の低
減は十分に可能である。以上の理由から、本発明のＳｉ
は、線材製造時の加工性に加え、熱処理後の曲げ加工性
をも更に良好にする元素として、０．２５％以下に限定
する。望ましいＳｉの調整範囲は０．０５〜０．２０％
である。

【手続補正１０】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３６】以上、Ｓｉ含有量を的確に調整する本発明
を適用すれば、線材製造時の加工性および熱処理後の曲
げ加工性を更に向上させることができる。特に、本発明
の適用によって熱処理後の曲げ加工性が向上されるとい
うことは、従来のピストンリングに比べて熱処理硬さを
高めに調整できるため、今まで曲げ加工性の向上のため
にある程度妥協してきたピストンリングとしての耐スカ
ッフィング性、耐摩耗性をより高度なレベルで改善でき
ることが可能となる。

【手続補正１１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３７】以下、本発明の好ましい手段として、その
要件を構成する上記以外の元素の限定理由およびその作
用を述べる。

【手続補正１２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４５】

【表１】

【手続補正１３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４６】次に、得られた焼鈍材の一部を、平行部長
４０ｍｍ、平行部直径６ｍｍの引張試験片形状に加工
し、線材の引抜きおよび圧延加工性の評価を目的とし
て、引張り試験を行った。また、同時に硬さの測定も行
った。残りの線状素材については、室温で直径５．５ｍ
ｍの線材になるまで引抜加工を行い、ついで、１０５０
℃にて焼入れ後、焼戻しにて硬さを調整した。なお、該
調整後の硬さは、Ｎｏ．２５〜２８の比較材が３８〜４
０ＨＲＣ、その他の本発明適用材および比較材は４８〜
５０ＨＲＣである。そして、硬さを調整したこれらの熱
処理材より、３ｍｍ×３ｍｍの断面形状を有する曲げ試
験片を作成し、曲げ加工性の評価として抗折試験を行っ
た。

【手続補正１４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４９】

【表２】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＦ１６Ｊ 9/26 Ｆ１６Ｊ 9/26 Ｚ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】曲げ加工され、表面窒化層を形成したマ
ルテンサイト系鋼よりなるピストンリングであり、重量
％にて、Ｃ：０．２〜１．２％、Ｃr：５．０〜２５．
０％を含有し、ＣｒとＣの含有量が、Ｃｒ（重量％）／
Ｃ（重量％）による値にて１５〜４５を満足することを
特徴とする耐スカッフィング性に優れたピストンリン
グ。
【請求項２】Ｃｒ（重量％）／Ｃ（重量％）による値
が１８〜３０を満足することを特徴とする請求項1に記
載の耐スカッフィング性に優れたピストンリング。
【請求項３】重量％にて、Ｃｒ：５．０％以上１２．
０％未満を満足することを特徴とする請求項1ないし２
に記載の耐スカッフィング性に優れたピストンリング。
【請求項４】重量％にて、Ｓｉ：０．２５％以下を満
足することを特徴とする請求項１ないし３に記載の耐ス
カッフィング性に優れたピストンリング。
【請求項５】重量％にて、Ｍｎ：０．３０％以下を満
足することを特徴とする請求項１ないし４に記載の耐ス
カッフィング性に優れたピストンリング。
【請求項６】重量％にて、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂの１種
または２種以上が合計で０．３〜２．５％を満足するこ
とを特徴とする請求項１ないし５に記載の耐スカッフィ
ング性に優れたピストンリング。
【請求項７】重量％にて、Ｃｕ：４．０％以下を満足
することを特徴とする請求項１ないし６に記載の耐スカ
ッフィング性に優れたピストンリング。
【請求項８】重量％にて、Ｎｉ：２．０％以下を満足
することを特徴とする請求項１ないし７に記載の耐スカ
ッフィング性に優れたピストンリング。
【請求項９】重量％にて、Ａｌ：１．５％以下を満足
することを特徴とする請求項１ないし８に記載の耐スカ
ッフィング性に優れたピストンリング。