JPS6238547B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は内燃機関用のオイルリングであり、鋼
製サイドレールと鋼製のスペーサエキスパンダを
組合せた組合せオイルリングに関するものであ
る。かかるオイルリングは第１図に示す如く２本
のサイドレール１，１をスペーサエキスパンダ３
が軸方向及び半径方向に支承し、サイドレールの
外周面１１、シリンダ内周面５１とが摺接し、か
つサイドレール内周面１３とスペーサエキスパン
ダ突起３１とが摺接するものである。 このオイルリングはサイドレールが通常1.0mm
以下の薄巾リングであつて半径方向の挙動に柔軟
性を持つことによつてシリンダ内周面への追従性
が向上されシール機能が優れるものである。従つ
て基本的な条件としての薄巾化には鋼線材を用い
ざるを得ず、この鋼材の機械的性質がピストンリ
ング用途としては種々問題があつて改良が望まれ
るものであつた。その最も大きな問題としてはデ
イーゼル機関の如き高温条件において鋼材はいわ
ゆる熱へたり現象を起こし自己張力を失なうもの
であり、又次に大きな問題としてデイーゼル機関
の如き高負荷条件においてスペーサエキスパンダ
及びサイドレールの摩耗が著しく大きく、耐摩耗
対策を要することである。 従来にあつてはピストンリングの上記の問題、
特に耐摩耗性対策においては硬質クロムメツキに
代表される表面被覆及び軟窒化に代表される熱処
理がなされるのが通常である。（例えば特公昭35
−16502号、実公昭44−241号）しかしながらかか
る表面処理によつて必ずしもその効果が得られる
ものでなく、オイルリングの機能に応じた選択が
特に必要とされうるものである。 即ち、サイドレールの外周面はシリンダ内周面
との摺動面であるため最も耐摩耗性を要求される
が、ここに高硬度炭化物を多く有する材料を配し
た場合に、内周面ではスペーサエキスパンダに大
きな摩耗を与えるものとなり、一方スペーサエキ
スパンダを高硬度材料としようとすれば、プレス
成形加工が困難となる。一方前記したクロムメツ
キはクロムメツキしたシリンダと組合わせて使用
した場合の同一材料金属接触による摩耗が生じ、
又デイーゼル機関、高鉛ガソリン機関では腐食摩
耗が進行することによる摩耗が大きく、用途が限
られるものであつた。 軟窒化を代表とする熱処理を施すオイルリング
では表面の硬化と同時の母材の軟化を伴い、一面
では熱へたりの防止になるものの、耐摩耗性に対
しては必ずしも充分ではない。即ちサイドレー
ル、スペーサエキスパンダに軟窒化を施した場合
にあつてもスペーサエキスパンダ、サイドレール
の母材材質によつては一方を異常に摩耗させる結
果となり、最適の組合わせを得ることは困難なも
のであつた。 本発明はかかるスペーサエキスパンダとサイド
レールとの組合せオイルリングにおいて、高温、
高負荷条件にあつても双方の耐摩耗、耐熱へたり
に著しく優れたものを得るものである。 以下本発明を詳細に説明する。 まず本発明の要旨とするところは特許請求の範
囲にも記載した如く、次の３つの構成によりなる
オイルリングにある。 (1) 次のスペーサエキスパンダとサイドレールを
組合わせたものである。 (2) サイドレール：母材の基地組織がマルテンサ
イトであり、かつ10μ以下の硬度HV1200〜
1500である微細粒状炭化物が面積比で３〜７％
分散しており、表面には全体硬度でHV900〜
1500の窒化化合物層を２μ以上有し、さらに
C0.6〜1.4％、Cr12.0〜19.0％を含みさらに窒
化化合物層下部には20μ以上の拡散層を有する
サイドレール。 (3) スペーサエキスパンダ：母材の基地組織がオ
ーステナイトであり、表面に２μ以上の全体硬
度でHV800〜1000の窒化化合物層を有するスペ
ーサエキスパンダ。 上記した如き本発明のサイドレールとスペース
エキスパンダの組合せにあつては次の如き作用を
なすものである。つまり、相体的に摺動する部材
にあつては摩擦、摩耗には種々の条件があるが、
一般的には硬度及び硬質物の有無及び量、組織が
主たる要因となつている。 本発明にあつてはスペーサエキスパンダはオー
ステナイト基地組織のステンレス鋼を600℃以下
550℃以上の温度で軟窒化処理をする。かかる高
Crのオーステナイト鋼を使用する理由としては
耐熱性を考慮したものであり、又塑性加工の加工
性に優れる理由による。かかるオーステナイト系
のステンレス鋼に軟窒化を施こすことにより表面
層に窒化化合物層を形成すると表面の硬度が全体
硬度としてHV800〜1000であり比較的に耐摩耗性
材料の硬化処理層としては低いものである。従つ
てかかるスペーサエキスパンダを内周にクロムメ
ツキしたサイドレールを組合わせても後述する実
験結果によつても判明する如く著しい効果は得ら
れないものである。 本発明にあつては、このオーステナイト系ステ
ンレス鋼によるスペーサエキスパンダと組合わせ
るのに軟窒化したC0.6〜1.4％、Cr12.0〜19.0％
を含むマルテンサイト系ステンレス鋼を配したこ
とにより著しい効果を上げたものである。即ちサ
イドレールには外周面の耐摩耗性が要求されるこ
とにより通常は炭化物が多く、マルテンサイト系
である鋼材が用いられるものの軟窒化を施した場
合に母材の軟化が進み、窒化化合物層のみで耐摩
耗性を持つため窒化層厚さを著しく大きくとる
か、又は母材の炭化物量を著しく多くするかによ
つて長時間の耐摩耗性維持を計らねばならないも
のである。かかる材料は窒化層厚さを増加するこ
とによる脆化の危険のみならず、オーステナイト
系ステンレス鋼のスペーサエキスパンダに対し強
すぎるため、これを著しく摩耗させる結果となる
ものである。 本発明においてはマルテンサイト系の剛材に軟
窒化を施したサイドレールを用いるものであるが
炭化物を微細にし、かつ面積比で３〜７％とした
ことによつて炭化物によるベアリング効果を外周
摺動面に持たせると同時に内周面にあつてはスペ
ーサエキスパンダとの摩耗特性を次の如く改善し
うるものである。 スペーサエキスパンダとサイドレールとの接触
は第１図に示す如く摺動というよりはむしろ一定
位置の接触条件での繰り返したたかれ摩耗に近い
ものであり、デイーゼル機関や高鉛ガソリン等の
微細な燃焼残渣粒子が発生する機関ではこの微細
な粒子が接触面摩耗を急激に増加させると考えら
れる。その摩耗機構は主として接触面の微少クラ
ツクの発生とそれに伴う破壊とによるものであ
り、摩耗に対しては材料の硬度もさることながら
強度も影響するものと考えられる。 本発明にあつてはサイドレールの表面組織が10
μ以下である微細炭化物が均一に分散しているた
めに炭化物周囲から発生するクラツク発生を防止
することが可能である。前記微細炭化物の量は面
積比にて、３％未満では炭化物量が少ないため、
窒化処理を施してもサイドレールに要求される耐
スカツフイング性及び耐摩耗性が得られず、一方
７％以上となると材料の脆化をきたし、サイドレ
ール材料として不適当となるために微細炭化物の
量は面積比にて３〜７％の範囲内とした。一方窒
化化合物層はこれら炭化物硬度より硬度が高く摩
耗条件の厳しい機関の運転初期においては充分な
耐摩耗性を発揮する。さらに本発明のサイドレー
ルにおいては、次の如き摩耗特性を有する。 即ち、Crは一方では炭化物生成元素として作
用する。 この場合にCr12％未満では炭化物量が少な
く、又基地に固溶する量も少ないため耐摩耗性及
び硬度に劣り、一方19％超では基地に固溶する量
が過多となり、脆化が進みサイドレール折損の危
険があるためCr12〜19％で選択される。 一方Ｃは炭化物形成に不可決であり、かつ基地
のマルテンサイト化に不可決であるが、C0.60％
未満では炭化物量が不足し耐摩耗性に劣り、1.4
％を超えると炭化物量が過多となり、又基地が脆
化するためC0.60〜1.4％で選択される。 このように本発明では窒化化合物層が摩滅した
後もこの炭化物が比較的に耐摩耗性に優れるため
に初期摩耗が終了し定常摩耗域で運転される機関
においては充分な耐摩耗性を有するものである。
かかる効果は特に摩耗条件の厳しいサイドレール
外周において発揮されるが、サイドレール内周の
摩耗は先に記した如き繰り返しのたたかれによる
疲労要因が大きいこともあり比較的に高硬度の拡
散層が窒化化合物層と母材間に介在することによ
つて疲労強度をも向上しうる効果を有するもので
ある。かかる窒化化合物層の硬度は全体硬度で
HV1500以上ではスペーサエキスパンダを著しく
摩耗させ、HV900以下ではサイドレール外周面摩
耗が大きいためHV1500〜HV900で選択される。 かかる本発明のサイドレールは具体的には第１
の鋼として重量％でC0.60〜1.20％、Si1.0％以
下、Mn1.0％以下、Cr16.0〜19.0％、残不純物を
含むFeのマルテンサイト鋼又は第２の鋼として
重量％でC0.60〜0.80％、Cr12.0〜14.0％、Si0.4
％以下、Mn0.5〜1.0％、残部不純物を含むFeよ
りなる鋼が望まれる。この第１の鋼はＣ、Cr量
が高いことにより、基地強度及び炭化物量による
効果が大きい。かかる第１の鋼を用いる場合に
Mo1.0〜1.3％、V0.07〜0.12％添加し軟窒化に伴
う鋼の軟化を防ぐことが好ましい。 又第２の鋼はＣ、Cr量を低くすることによつ
て軟窒化が入り易くし窒化による効果をより大き
く得ることが可能となるものであり、いずれにし
ても硬度HV900〜HV1500の範囲で選択されて効
果を発揮する。 さらに窒化化合物層の厚さはサイドレール、ス
ペーサエキスパンダ共に２μ未満では初期摩耗中
に摩滅するための２μ以上は必要であり、窒化化
合物層を支承する拡散層の厚さも窒化化合物層厚
さにも影響されるが20μ以上でないとその結果を
発揮しない。又窒化化合物層厚さはサイドレー
ル、スペーサエキスパンダの肉厚にも左右される
が50μ程度を超えた場合、脆化が著しいため50μ
以下で選択されることが好ましい。 以上記した如く本発明のオイルリングにあつて
は、サイドレールとスペーサエキスパンダのそれ
ぞれの特徴に応じて耐摩耗性に優れた組合せオイ
ルリングを得るものである。 本発明オイルリングの効果を説明するため以下
に実験結果を示す。 試験は実機運転後の摩耗量をもつて評価するこ
ととし、下記の機関を用いたものである。 （使用機関） 1800c.c. ４気筒デイーゼルエンジン（ボア径）
×（ストローク）φ84×82mm （試験条件） 回転数：3000rpm 負荷：70PS 潤滑油：SAE＃30オイル 試験時間：100時間 Γ本発明サイドレール

【成分（重量％）】Ｃ：0.97、Si：0.34、Mn：
0.55、Ｐ：0.0027、Ｓ：0.006、Cr：16.13、残
Fe （基地組織）焼戻マルテンサイト （窒化層）化合物層厚さ4.5μ、硬度HV1250 拡
散層厚さ31μ （形状）内外周ラウンドエツジ、厚さ2.95mm 巾0.6mm Γ本発明スペーサーエキスパンダ

【成分（重量％）】Ｃ：0.06、Si：0.2、Mn：
0.53、Ni：7.66、Cr：16.80、Al：0.93、残部
Fe （基地組織）オーステナイト （窒化層）化合物層厚さ2.5μ、硬度HV1020 拡
散層厚さ12.5μ （形状）半径方向波形スペーサーエキスパンダ Γ比較サイドレール１

【成分（重量％）】Ｃ：0.74、Si：0.10、Mn：
0.12、残部Fe （表面処理）内外周クロムメツキ厚さ0.15mm 硬度HV920 Γ比較サイドレール２ （成分）比較サイドレール１と同一 （表面処理）窒化 化合物層厚さ5.0μ 硬度HV1300 Γ比較サイドレール３ （成分）本発明サイドレールと同一 （表面処理）なし Γ比較スペーサーエキスパンダ （成分）本発明スペーサーエキスパンダと同一 （表面処理）クロムメツキ 厚さ0.12mm 硬度HV910 上記の本発明及び比較サイドレール及びスペー
サーエキスパンダを先に記した実験条件で試験し
た結果が第２図及び第３図である。 第２図はサイドレール及びスペーサーエキスパ
ンダの摺接部の摩耗量（摩耗深さ）を示すもので
あり、本発明サイドレールは実質的に摩耗せずか
つスペーサーエキスパンダの摩耗量も従来の組合
せより約1/3〜1/2に減じられるものである。 次に第３図は本発明サイドレールの外周面の摩
耗量を比較したものであり、本発明のサイドレー
ルが外周面摩耗に対しても著しく優れることが実
証される。 以上説明した如く、又実験により確認された如
く本発明のサイドレールとスペーサーエキスパン
ダとの組合せは著しく耐摩耗性に優れた組合せで
あり、特にデイーゼル機関や高鉛ガソリン機関に
おいて使用せられた場合に効果を発揮するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図：オイルリングを示す断面図、第２図：
本発明サイドレールとスペーサーエキスパンダの
摩耗量を比較した実験結果を示す図、第３図：本
発明サイドレールの摩耗量を比較した実験結果を
示す図 符号の説明、１……サイドレール、３……スペ
ーサエキスパンダ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 母材の基地組織が焼戻マルテンサイトであ
   り、かつ10μ以下で硬度HV1200〜1500である微
   細粒状炭化物が面積比で３〜７％分散しており、
   表面には全体硬度でHV900〜1500の窒化化合物層
   を２μ以上有し、さらに窒化化合物層下部には20
   μ以上の拡散層を有し、かつ重量比でC0.6〜1.4
   ％、Cr12〜19％を含む軟窒化を施した鋼製サイ
   ドレールと母材の基地組織がオーステナイトであ
   り、表面に２μ以上の全体硬度でHV800〜1000の
   窒化化合物層を有する軟窒化を施した鋼製スペー
   サーエキスパンダとを組合せたことを特徴とする
   組合せオイルリング。