JP2001329345A - Piston ring material and piston ring for internal combustion engine having self-lubricity - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piston ring material and a piston ring improved in the antipodal characteristics of sliding characteristics as those of a piston ring and mechanical properties of a steel wire rod through its producing process. SOLUTION: This piston ring material or a piston ring has a composition containing, by mass, 0.3 to <0.8% C, 0.1 to 3.0% Si, 0.1 to 3.0% Mn, 0.03 to 0.3% S, 0.3 to 6.0%, preferably, 3.0 to 6.0% or 0.3 to 1.0% Cr and 0 to 3.0% Cu, and in which the distributing state of sulfide inclusions with the maximum size/minimim size of >=3 observed in the structural face parallel to the outer circumferential face when being made into a piston ring is <=30 degrees by a parallelism formed by direct lines passing over the maximum sizes of respective sulfide inclusions. It is possible that, in addition to the above composition, N is contained so as to be regulated to <=600 ppm, or Ca is contained by <=0.01%, one or more kinds selected from V, Nb and Ti are contained by <=0.5% in total, and Al is contained by <=1.5%.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車エンジン等
の内燃機関に装着されるピストンリングに属する。The present invention relates to a piston ring mounted on an internal combustion engine such as an automobile engine.

【０００２】[0002]

【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線をリング
状に加工して用いられる、いわゆるスチール製ピストン
リングへと移行が進んでいる。つまり、所定の組成を有
するインゴットに鍛造・熱間圧延といった熱間加工を施
して得られた素線を、更に引き抜き等によってピストン
リングの小口断面形状に見合った鋼線材とし、硬さ調
質、そして決まった曲率のリング状に曲げ加工すること
で一般的に製造されるピストンリングである。2. Description of the Related Art A piston ring used for an internal combustion engine, particularly for an automobile engine, has been shifting from a conventional cast iron to a so-called steel piston ring which is used by processing a steel wire into a ring shape. In other words, a wire obtained by subjecting an ingot having a predetermined composition to hot working such as forging and hot rolling is further drawn into a steel wire rod corresponding to the cross-sectional shape of the piston ring by drawing, etc. This is a piston ring generally manufactured by bending into a ring shape having a fixed curvature.

【０００３】現在、燃焼室側からトップリング、セカン
ドリング、オイルリングの３本が一つのピストンに装着
されるのが一般的であるが、国内では、過酷部位にあた
るトップリングとオイルリングはスチール化による高機
能化が浸透してきている。これらの背景には、近年、電
気自動車等のポスト内燃機関の研究成果が具体的に眼に
みえるようになってきたことで、内燃機関側でも更なる
改良に対する努力が高まってきているためである。[0003] At present, generally three rings, a top ring, a second ring, and an oil ring, are mounted on one piston from the combustion chamber side, but in Japan, the top ring and the oil ring, which are severe parts, are made of steel. Is becoming more and more sophisticated. The background of this is that, in recent years, the results of research on post-internal combustion engines such as electric vehicles have come to be concretely visible, and efforts for further improvement have been increasing on the internal combustion engine side. .

【０００４】また、最近では、エンジン内部現象にもメ
スが入れられ、斎藤らの研究（「過酷運転条件下のディ
ーゼルエンジンの摩耗に関する研究」日本機械学会九州
支部平成１１年度研究発表講演会（１９９９））による
と、現状では、３本のリングの中でも鋳鉄製であるセカ
ンドリングの摩耗が最も激しいことを指摘している。ス
チール化への移行の更なる理由は、エンジンの環境性能
向上に対応するためのリング構造の薄厚化により追従性
を向上させること、それに伴い機械的強度の向上の必要
性が背景にあり、さらにはリング製造工程の技術移転、
拡張の容易性もその大きな理由となっている。Recently, scalpels have also been included in engine internal phenomena, and a study by Saito et al. (“Study on Diesel Engine Wear Under Severe Operating Conditions”, The Japan Society of Mechanical Engineers, Kyushu Branch, 1999 Research Presentation Lecture (1999) According to)), it is pointed out that, among the three rings, the second ring made of cast iron is the most severely worn. A further reason for the shift to steel is to improve the followability by reducing the thickness of the ring structure in order to respond to the improvement of the environmental performance of the engine, and the necessity of improving the mechanical strength with that, Is the technology transfer of the ring manufacturing process,
The scalability is also a major reason.

【０００５】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかし、スチールリン
グは、鋳鉄製リングよりも圧倒的に機械的性質や耐摩耗
性に優れているものの、耐焼き付き性に劣るために、特
にセカンドリングでスチール化が進まない理由の一つに
なっている。この課題に対しスチールピストンリングで
は特開平１０−３０７２６にも示されているように、そ
のシリンダライナとの接触面に窒化処理等の表面処理を
駆使して対応を進めている状況である。しかし、表面処
理コストや、ピストンとの接触面で発生するＡｌ凝着の
防止の点で改善の余地が残る。However, although steel rings are overwhelmingly superior in mechanical properties and wear resistance to cast iron rings, they are inferior in seizure resistance. Is one of the reasons why it does not progress. As shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 10-30726, this situation is being addressed in steel piston rings by making full use of surface treatment such as nitriding on the contact surface with the cylinder liner. However, there is room for improvement in terms of surface treatment cost and prevention of Al adhesion generated on the contact surface with the piston.

【０００６】また、表面処理なしで解決しようという試
みもあり、特公昭５８−４６５４２等は、性能／コスト
の面で優れる鋼中のＣｒ系炭化物を増やす成分設計とし
て、主に１０％以上のＣｒ添加領域を提案する。しか
し、炭化物増量化によって耐摩耗性は飛躍的に向上する
ものの、耐焼き付き性向上効果は僅少であることと、被
削性が劣化する等の製造性での弊害が懸念される。There is also an attempt to solve the problem without surface treatment. JP-B-58-46542 and the like mainly propose a component design for increasing the amount of Cr-based carbides in steel, which is excellent in performance / cost, mainly with a Cr content of 10% or more. An addition area is proposed. However, although wear resistance is remarkably improved by increasing the amount of carbides, there is a concern that the effect of improving seizure resistance is insignificant and that the machinability is degraded and the productivity is adversely affected.

【０００７】本発明は、前述した技術がそれぞれ未達で
ある、（１）ピストンリング全表面で耐焼付き性が向上
し、（２）合わせて被削性も向上した材料によって製造
したピストンリングが、（３）特に断面形状が小さなリ
ングにしても十分機械的性質が維持されるという３点を
すべて満たすことを目的としている。According to the present invention, there is provided a piston ring made of a material which has not been achieved by the above-mentioned technologies, (1) the seizure resistance is improved on the entire surface of the piston ring, and (2) the machinability is also improved. (3) It is an object of the present invention to satisfy all three points that mechanical properties are sufficiently maintained even in a ring having a small sectional shape.

【０００８】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記課題を
解決するため種々検討の結果、０．３〜０．８％Ｃを基
本とする低合金鋼にＳを適正量添加することにより耐焼
付き性および加工性向上に効果があること、さらに好ま
しくはＳとＣａを複合添加することで大きな効果が得ら
れることを見いだし、本発明に至った。Means for Solving the Problems The present inventors have conducted various studies to solve the above-mentioned problems, and found that by adding an appropriate amount of S to a low alloy steel based on 0.3 to 0.8% C, The present inventors have found that the present invention is effective in improving seizure resistance and workability, and more preferable that a large effect can be obtained by adding S and Ca in combination, thereby leading to the present invention.

【０００９】従来、Ｓは有機化してエンジンオイル中に
極圧添加剤として添加され、焼き付きを防止する技術と
して知られている。その一方で、本発明者らは、鋼中に
ＭｎＳといった硫化物（サルファイド）を存在させるこ
とにより、そのＳが摩擦発熱により摩擦面にできた新生
面にｉｎ ｓｉｔｕなサルファイド膜を形成し、これが
潤滑性能を向上させることに効果があることをつきとめ
た。この手段によれば、材料内部に潤滑物質が散在して
いるので、必要な局所で潤滑性能を上げるために潤滑物
質を多量に添加する必要もなく、極圧添加剤のようにオ
イル交換時に効能が消失しないため、半永久的に機能す
ることが期待出来る。Heretofore, S has been known as a technique for organizing and adding it as an extreme pressure additive to engine oil to prevent seizure. On the other hand, the present inventors have found that the presence of a sulfide (sulfide) such as MnS in steel causes the S to form an in-situ sulfide film on a new surface formed on the friction surface due to frictional heat, which is used for lubrication. We found that it was effective in improving performance. According to this means, since the lubricating substance is scattered inside the material, it is not necessary to add a large amount of the lubricating substance in order to improve the lubricating performance at the required locality, and it is effective at the time of oil change like an extreme pressure additive. Since it does not disappear, it can be expected to function semipermanently.

【００１０】また、従来のＣｒ系炭化物を鋼中に増やし
たり、窒化処理等で表面硬さを上げることは、鋳鉄であ
るライナー材料とのアブレッシブ摩耗下での耐摩耗性の
差異を大きくすることが狙いである。このことにより耐
焼き付き性も上がるが、本質的には接触の不均一によっ
て生じる状況をライナー側の摩耗を促進させることによ
り、接触面積を増大化させることで局部の異常な面圧の
上昇を回避することが狙いである。つまり、ピストンリ
ング装着初期のなじみを良くする技術であり、凝着摩耗
のような耐久性が必要とされる摩耗特性としての機能は
少ない。[0010] Further, increasing the conventional Cr-based carbide in steel or increasing the surface hardness by nitriding treatment or the like increases the difference in wear resistance under abrasive wear from a liner material that is cast iron. Is the aim. This improves seizure resistance, but essentially avoids abnormal local pressure increase by increasing the contact area by promoting wear on the liner side due to uneven contact. The goal is to do it. In other words, this is a technique for improving familiarity at the initial stage of mounting the piston ring, and has few functions as wear characteristics that require durability such as adhesive wear.

【００１１】しかも、過度な耐摩耗性向上はライナー側
を攻撃する状況が発生し、極度に進行するとかえってク
リアランスの増加等を生じ、排気ガス量に関係のあるブ
ローバイ量を増加させてしまうが、上記Ｓの効果は、材
料の摩耗を促進させずに、摩擦係数を下げることで耐焼
き付き性を向上させているので、エンジンの運転が進ん
でもクリアランスの変化の少ない状況を持続させる効果
が高い。Moreover, excessive wear resistance may cause a situation in which the liner side is attacked. If the wear progresses extremely, the clearance may be increased, and the blow-by amount related to the exhaust gas amount may be increased. The effect of S is that the seizure resistance is improved by lowering the coefficient of friction without promoting the wear of the material, so that the effect of maintaining a small change in clearance even when the operation of the engine proceeds is high.

【００１２】すなわち、本発明は、質量％で、Ｃ：０．
３〜０．８％未満、Ｓｉ：０．１〜３．０％、Ｍｎ：
０．１〜３．０％、Ｓ：０．０３〜０．３％、Ｃｒ：
０．３〜６．０％を含み、Ｃｕ：０〜３．０％の鋼から
なり、外周面と並行な組織面で観察されるアスペクト比
（最大径／最小径）：３以上のサルファイド系介在物の
分布状態が、それぞれのサルファイド系介在物の最大径
上を通る直線同志のなす並行度にて３０度以内であるこ
とを特徴とするピストンリング材、あるいはピストンリ
ングである。好ましくは、Ｃａ：０．０１％以下を含有
し、そして、Ｃｒ：３．０〜６．０％、あるいは、０．
３〜１．０％である。なお、ピストンリング材における
外周面とは、そのピストンリングとした時の外周面であ
り、鋼線材でいうその長手方向に並行な面である。That is, in the present invention, C: 0.
3 to less than 0.8%, Si: 0.1 to 3.0%, Mn:
0.1-3.0%, S: 0.03-0.3%, Cr:
A sulfide-based steel containing 0.3 to 6.0%, made of steel of Cu: 0 to 3.0%, and having an aspect ratio (maximum diameter / minimum diameter): 3 or more observed in a structure plane parallel to the outer peripheral surface. A piston ring material or a piston ring, characterized in that the distribution of inclusions is within 30 degrees in parallelism between straight lines passing over the maximum diameter of each sulfide-based inclusion. Preferably, it contains Ca: 0.01% or less, and Cr: 3.0-6.0%, or 0.1%.
3 to 1.0%. The outer peripheral surface of the piston ring material is an outer peripheral surface when the piston ring is formed, and is a surface parallel to the longitudinal direction of a steel wire.

【００１３】さらには、組織面中に占める非金属介在物
の面積率が２．０％以下であることを特徴とするピスト
ンリング材、あるいはピストンリングであり、上記組成
に加え、Ｎを６００ｐｐｍ以下に規制し、Ｖ、Ｎｂ、Ｔ
ｉのうち１種類以上を合計で０．５％以下、あるいはＡ
ｌを１．５％以下含むピストンリング材、あるいはピス
トンリングである。[0013] Further, a piston ring material or a piston ring characterized in that the area ratio of nonmetallic inclusions occupying in the surface of the structure is 2.0% or less. V, Nb, T
0.5% or less in total for at least one of i, or A
It is a piston ring material containing 1.5% or less of 1 or a piston ring.

【００１４】[0014]

【発明の実施の形態】本発明の特徴は、０．３〜０．８
％Ｃを基本とする低合金鋼製ピストンリングについて、
その鋼中にサルファイド系介在物を存在させることによ
り自己潤滑性を付与し、部品の摩耗を促進させずに耐焼
付き性を向上させたところにある。以下に本発明を詳し
く説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The features of the present invention are as follows.
% C based low alloy steel piston rings
The existence of sulfide inclusions in the steel imparts self-lubricating properties and improves seizure resistance without promoting wear of parts. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

【００１５】Ｃは一部が基地中に固溶して強度を付与
し、一部は炭化物を形成して耐摩耗性と耐焼付き性を高
める重要な元素である。このためには少なくとも０．３
％が必要である。しかしながら０．８％以上になると鋼
線への加工性やリングへの曲げ加工性を困難にする。特
にピストンリングにおいては製造性を高めることにより
安価に製造できることが重要であるので０．８％未満と
した。C is an important element that is partially dissolved in the matrix to give strength and partially forms carbides to improve wear resistance and seizure resistance. For this purpose at least 0.3
%is necessary. However, when the content is 0.8% or more, workability to a steel wire and bending workability to a ring become difficult. In particular, in the case of a piston ring, it is important to be able to manufacture the piston ring at low cost by improving the manufacturability, so the content is set to less than 0.8%.

【００１６】Ｓｉは通常脱酸剤として添加されるため
０．１％を下限とした。一方では鋼の焼き戻し軟化挙動
にも影響し、特に低合金鋼においてはＳｉの影響は重要
である。焼き戻し軟化を防ぎ耐熱強度を高めるために好
ましいＳｉ量は、１．０％以上である。しかしながら、
過度に添加すると冷間加工性を低下させるのでＳｉの上
限は３．０％に規定する。Since Si is usually added as a deoxidizing agent, the lower limit is set to 0.1%. On the other hand, it also affects the tempering softening behavior of the steel, and the effect of Si is particularly important in low alloy steel. The preferable amount of Si for preventing temper softening and increasing heat resistance is 1.0% or more. However,
Excessive addition lowers the cold workability, so the upper limit of Si is specified at 3.0%.

【００１７】ＭｎもＳｉと同様脱酸剤として使用され、
最低０．１％は必要であるが過度に添加すると熱間にお
ける加工性を害する。そのため上限を３．０％に規定し
た。Mn is used as a deoxidizing agent similarly to Si,
A minimum of 0.1% is necessary, but excessive addition impairs hot workability. Therefore, the upper limit was set to 3.0%.

【００１８】Ｃｒは一部がＣと結合して炭化物を形成し
耐摩耗性、耐焼付き性を高める。また一部は基地に固溶
して耐食性を高め、かつ焼き戻し軟化抵抗を高める。さ
らに、焼き入れ性を確保し十分な熱処理硬さを得るため
に必要である。この中で重要なのは、表面処理無しでも
摺動特性を向上させるという本発明の第１目的の達成の
ため、析出炭化物の種類が制御されていなくてはならな
いということである。[0018] Cr partially combines with C to form a carbide and enhances wear resistance and seizure resistance. In addition, a part of the alloy is dissolved in the matrix to increase corrosion resistance and increase tempering softening resistance. Further, it is necessary to secure hardenability and obtain sufficient heat treatment hardness. What is important among them is that the type of precipitated carbide must be controlled in order to achieve the first object of the present invention of improving the sliding characteristics without surface treatment.

【００１９】図１は本発明に使用される合金（Ｆｅ−
０．５５％Ｃ−０．２％Ｓｉ−０．２％Ｍｎ鋼）でＣｒ
を制御した場合、どのように析出物の量と種類が変わる
かを熱力学計算より予測し、設計に用いたグラフである
（析出物の量は全体を１とするａｔｍ比率で計算・表記
するものである）。硬さが一番高いＭ_７Ｃ_３炭化物（ビ
ッカース硬さ：２４００ＨＶ）が多くなるのは、最大で
も６％までであることが分かる。つまり、極力少ないＣ
ｒ添加量で耐摩耗性を最大限に引き出す設計をすると、
Ｃｒ：３．０〜６．０％が有望な組成であることが分か
る。それより低Ｃｒ域では炭化物による上記の効果は少
ないが、少なくとも０．３％の添加にて焼入性を十分維
持することができ、製造性が高まる。FIG. 1 shows the alloy (Fe-) used in the present invention.
0.55% C-0.2% Si-0.2% Mn steel) with Cr
Is controlled by thermodynamic calculation to predict how the amount and type of precipitates change, and is a graph used in the design (the amount of precipitates is calculated and expressed at an atm ratio of 1 as a whole). Things). It can be seen that the maximum M ₇ C ₃ carbide (Vickers hardness: 2400 HV) with the highest hardness is up to 6%. In other words, the smallest possible C
By designing to maximize wear resistance by adding r,
It can be seen that Cr: 3.0 to 6.0% is a promising composition. In the lower Cr region, the above-mentioned effect of the carbide is small, but the hardenability can be sufficiently maintained by adding at least 0.3%, and the productivity is enhanced.

【００２０】ただし、過度の添加により、マルテンサイ
ト基地中のＣｒ量が増加すると、焼付き発生表面に潤滑
性能を示すサルファイドよりも先に酸化物（オキサイ
ド）が優先的に形成されやすくなるため耐焼付き性を害
する。これは主体析出炭化物がＭ_７Ｃ_３からＭ_２３Ｃ_６
に変わることで、炭化物中に吸収されるＣｒ量が低下す
ることに起因し、添加Ｃｒ量が５％を境にマルテンサイ
ト基地中のＣｒ量が急激に増加するためである。更に、
前述したように主体に析出する炭化物の硬さも低下し、
耐摩耗性も劣化するので６．０％を上限とした。However, if the amount of Cr in the martensite matrix increases due to excessive addition, oxides (oxides) are more likely to be formed preferentially than sulfides exhibiting lubricating performance on the surface where seizure occurs, so that burning resistance is reduced. Hurt stickiness. This is because the main precipitated carbides are from M ₇ C ₃ to M ₂₃ C ₆
, The amount of Cr absorbed in the carbide decreases, and the amount of Cr in the martensite matrix rapidly increases after the amount of added Cr reaches 5%. Furthermore,
As described above, the hardness of the carbide that precipitates mainly also decreases,
Since the wear resistance also deteriorates, the upper limit is set to 6.0%.

【００２１】上述したように、低Ｃｒ域では炭化物によ
る上記の効果は少ないが、製造性、特に冷間加工性に重
点を置く場合は有望である。この場合、焼入性を十分維
持するために少なくとも０．３％のＣｒ量とし、１．０
％を上限とすることが好ましい。As described above, in the low Cr region, the above-mentioned effects due to carbides are small, but they are promising when emphasis is placed on manufacturability, especially cold workability. In this case, in order to sufficiently maintain hardenability, the amount of Cr should be at least 0.3%,
% Is preferably the upper limit.

【００２２】Ｓは本発明における最も重要な元素であ
る。前述のように従来の鋼線よりなるピストンリングで
は耐焼付き性が不十分であるが、Ｓを適量添加すること
により耐焼付き性を大幅に改善することができる。Ｓは
大部分Ｍｎと結びついてＭｎＳを形成し、これがエンジ
ンオイルに作用して潤滑効果を発揮するために摩擦係数
も低くなり、耐焼き付き性が向上する。S is the most important element in the present invention. As described above, the seizure resistance of the conventional piston ring made of steel wire is insufficient, but the seizure resistance can be significantly improved by adding an appropriate amount of S. S is mostly combined with Mn to form MnS, which acts on the engine oil and exerts a lubricating effect, so that the friction coefficient is reduced and the seizure resistance is improved.

【００２３】焼き付きとは、摩擦発熱により摩擦面温度
が上がり材料間の原子の移動が熱振動にて起こるために
固着する現象であり、摩擦面温度は摩擦エネルギ（＝摩
擦係数×面圧×滑り速度）の単調増加関数の関係とな
る。そのため摩擦係数が減少すると昇温し難くなり、耐
焼き付き性が向上する。この効果を得るためにＳは少な
くとも０．０３％必要であるが、過度に添加すると機械
的性質が劣化し、スチール製ピストンリングとして成立
させるための鋼線への引き抜き工程にて破断が生じ易く
なるので、上限を０．３％とした。The seizure is a phenomenon in which the frictional surface temperature rises due to frictional heat and the atoms move between the materials due to thermal vibrations, causing sticking. The frictional surface temperature is determined by friction energy (= friction coefficient × surface pressure × slippage). Speed) monotonically increasing function. Therefore, when the friction coefficient decreases, the temperature becomes difficult to rise, and the seizure resistance improves. To obtain this effect, S is required to be at least 0.03%. However, if added excessively, the mechanical properties are degraded, and breakage is apt to occur in a drawing step for a steel wire for forming a steel piston ring. Therefore, the upper limit was set to 0.3%.

【００２４】また更に本発明者らは、Ｓを０．３％にま
で添加したスチールピストンリングとするには、機械的
性質の面からその製造工程に施される鍛造比を大きくす
ることが望ましいことも見いだした。つまり、ピストン
リングとしての機械的性質の向上に加え、鋼線を所定の
曲率に曲げ加工することで得られるスチール製ピストン
リングにとって、その曲げ工程での破断・折損を抑制す
るに有効な手段でもある。Further, in order to obtain a steel piston ring containing S added to 0.3%, the present inventors desirably increase the forging ratio applied to the manufacturing process from the viewpoint of mechanical properties. I also found things. In other words, in addition to improving the mechanical properties of the piston ring, a steel piston ring obtained by bending a steel wire to a predetermined curvature is an effective means for suppressing breakage and breakage in the bending process. is there.

【００２５】なお、この場合の鍛造比とは、上記ピスト
ンリング製造工程におけるインゴットを出発とするピス
トンリング製品までの減面率で定義される。つまり、そ
の鋼の鍛・展伸されていく方向に垂直な断面、すなわち
最終的なピストンリング製品における小口断面に比し
て、（鍛造前のインゴット断面積）／（曲げ加工後の製
品断面積）である。但し、曲げ加工による鋼線からピス
トンリング製品への減面率は本発明の効果達成の上で無
視できるものであり、（鍛造前のインゴット断面積）／
（曲げ加工前（鍛造後）の鋼線断面積）で評価してもよ
い。これら鍛造比の数字が高いほど鍛造が進んでいるこ
とを示す。The forging ratio in this case is defined by the area reduction from the ingot to the piston ring product in the piston ring manufacturing process. In other words, the cross section perpendicular to the direction in which the steel is forged and stretched, that is, the cross section of the ingot before forging / (the cross sectional area of the product after bending) is compared with the cross section of the final piston ring product. ). However, the area reduction rate from the steel wire to the piston ring product by bending is negligible for achieving the effect of the present invention, and (ingot cross-sectional area before forging) /
(Before (after forging) the cross-sectional area of the steel wire) may be evaluated. The higher the number of these forging ratios, the more the forging is progressing.

【００２６】ＭｎＳといったサルファイドを含有する鋼
は、その出発組織となる鋳造状態では、球状もしくは紡
錘状のサルファイドが凝固セル組織の粒界三重点に多く
存在し、その配向はランダムな組織となっているが、施
す鍛造比が上がるに従ってサルファイドの配向状態が変
化し、機械的性質が改善される。In a steel containing sulfide such as MnS, in a casting state as a starting structure, a large amount of spherical or spindle-shaped sulfide is present at the grain boundary triple point of a solidified cell structure, and its orientation becomes a random structure. However, as the forging ratio increases, the orientation state of the sulfide changes, and the mechanical properties are improved.

【００２７】この鍛造比を大きくしていくことで鋼線長
さ方向へのサルファイドの配向性が高まり、つまり、ピ
ストンリングに主に作用する周方向応力に沿った形でサ
ルファイドが伸びるため、機械的性質の劣化がほとんど
なくなる。この効果は、特に伸びたサルファイド、すな
わち、アスペクト比（最大径／最小径）が３以上のサル
ファイドに関して顕著であり、言わば、アスペクト比が
３以上のサルファイドの周方向に対する配向性が悪い
と、後述のごとく機械的性質の劣化に繋がるのである。By increasing the forging ratio, the orientation of the sulfide in the length direction of the steel wire is increased, that is, the sulfide extends along the circumferential stress mainly acting on the piston ring. Almost no deterioration of the mechanical properties. This effect is particularly remarkable for an elongated sulfide, that is, a sulfide having an aspect ratio (maximum diameter / minimum diameter) of 3 or more. In other words, if the orientation of the sulfide having an aspect ratio of 3 or more in the circumferential direction is poor, it will be described later. This leads to deterioration of the mechanical properties.

【００２８】具体的には、ピストンリングの外周面と並
行な組織面で観察されるアスペクト比：３以上のサルフ
ァイド系介在物の分布状態を、それぞれのサルファイド
系介在物の最大径上を通る直線同志のなす並行度（鋭角
側の角度）にて３０度以内の状態とすることで、本発明
の効果を満足するピストンリングが達成でき、例えばこ
の鍛造比を５００以上とすることが達成の上で好まし
い。More specifically, the distribution of sulfide-based inclusions having an aspect ratio of 3 or more, which is observed on a tissue surface parallel to the outer peripheral surface of the piston ring, is obtained by passing a straight line passing over the maximum diameter of each sulfide-based inclusion. By setting the parallelism (angle on the acute angle side) of the competitors within 30 degrees, a piston ring satisfying the effects of the present invention can be achieved. For example, it is possible to achieve a forging ratio of 500 or more. Is preferred.

【００２９】図２に鍛造比１（鋳造まま）および５００
の鍛造を行なった鋼を無腐食で４００倍の倍率で光学顕
微鏡観察したミクロ組織のスケッチ図と、その時のサル
ファイド系介在物の並行度測定を行った模式図を示す。
アスペクト比：３以上の任意のサルファイド系介在物を
２つ選定し、それら各々の最大径を通る直線（Ａ，Ｂ
線）同志がなす鋭角の角度を測り、これを観察視野内で
すべて測定する。この測定を少なくとも１０視野にわた
り測定し、その角度の最大値を並行度と定義している。
視野内に交点が無い場合（例えば図２−鍛造比５００）
は、Ａ線に平行な、Ａ’線を補助線として測定してもよ
い。なお、サルファイド系介在物を１個とみなす定義
は、４００倍の光学顕微鏡観察で繋がっていると見なさ
れるものを１個とし、その最大径を通る直線を測定線と
して用いる。FIG. 2 shows a forging ratio of 1 (as cast) and 500
FIG. 1 shows a sketch diagram of a microstructure obtained by observing an optical microscope of a forged steel without corrosion at a magnification of 400 times and a schematic diagram showing a measurement of parallelism of a sulfide-based inclusion at that time.
Aspect ratio: Two arbitrary sulfide-based inclusions of 3 or more are selected, and straight lines (A, B) passing through the maximum diameter of each of them are selected.
Line) Measure the acute angle formed by the comrades, and measure all of them within the observation field of view. This measurement is performed over at least 10 fields of view, and the maximum value of the angle is defined as parallelism.
When there is no intersection in the visual field (for example, Fig. 2-Forging ratio 500)
May be measured using the A 'line parallel to the A line as an auxiliary line. The definition that one sulfide-based inclusion is regarded as one is defined as one that is considered to be connected by observation with an optical microscope at 400 times magnification, and a straight line passing through the maximum diameter is used as a measurement line.

【００３０】図２において、鍛造比が１のものは３０度
を超える関係のサルファイド系介在物が存在している
が、鍛造比５００のものはすべて３０度以下になってい
ることが分かる。詳細には３０度という数字は、破壊力
学的に設計した数字である。図３はG.R.Irwin（Analysi
s of Stresses and Strains Near the End ofa
Crack Transversing a Plate,Trans.ASME，Ser.E,
J.Appl.Mech.,Vol.24,No.3（1957）,pp.361-364参照）
が解析的に算出した、応力方向とき裂進展方向に角度が
発生した時、応力拡大係数の変化がどう現れるかを示し
た図であり、数式としては以下のように表わされる。In FIG. 2, it can be seen that the sulfide-based inclusions having a relationship of more than 30 degrees are present in the case where the forging ratio is 1, but all cases where the forging ratio is 500 are below 30 degrees. Specifically, the number of 30 degrees is a number designed for fracture mechanics. Figure 3 shows GRrwin (Analysi
s of Stresses and Strains Near the End ofa
Crack Transversing a Plate, Trans.ASME, Ser.E,
J. Appl. Mech., Vol. 24, No. 3 (1957), pp. 361-364)
Is a diagram showing how the change in the stress intensity factor appears when an angle occurs in the stress direction and the crack propagation direction, which is analytically calculated, and is expressed as a mathematical expression as follows.

【００３１】[0031]

【数１】 (Equation 1)

【００３２】ここで、Ｋ_Ｉはき裂の進展の駆動力となる
応力拡大係数、βは応力方向とき裂方向とのなす角度、
σは応力、πは円周率、ａはき裂長さである。き裂は応
力と直角方向に存在する（β＝９０°）と進展しやす
く、応力方向に沿ってき裂が存在する（β＝０°）と、
き裂が進まなくなり、き裂が進みやすくなる（つまり、
応力拡大係数が急に上昇する）のが３０度超に相当す
る。介在物は力学的結合に乏しいためき裂とみなすこと
が出来ることを考えると、介在物分布の配向性のバラツ
キは３０度以下で制御することが重要であることが分か
る。そして、伸びた介在物についてその配向性を揃える
ことが、重要であることが分かる。[0032] Here, K _I driving force to become stress intensity factor of development of wear cleft, beta is the angle between the crack direction when stress direction,
σ is stress, π is pi, and a is crack length. When a crack exists in the direction perpendicular to the stress (β = 90 °), it tends to propagate, and when a crack exists along the stress direction (β = 0 °),
The cracks do not progress and the cracks tend to progress (that is,
(The stress intensity factor rises sharply) corresponds to more than 30 degrees. Considering that inclusions can be regarded as cracks due to poor mechanical bonding, it can be seen that it is important to control the variation in the orientation of the inclusion distribution to 30 degrees or less. And it turns out that it is important to make the orientation of the elongated inclusions uniform.

【００３３】Ｓは鋼の機械的性質を劣化させる代表的元
素なので、この強度的対策を行わなければ、スチールピ
ストンリングとして成立し難い。例えば１％ものＳ添加
を可能としている特開平７−２５８７９２は、鍛造比を
十分に稼げないようなシリンダライナも対象とし、基本
的には鋳鋼を対象としたものである。現実に、ピストン
リングのスチール化をコスト的に成立させているのは、
引き抜き、圧延、曲げ等の塑性加工技術である。つま
り、この工程を用いて１％ものＳを含む鋼をピストンリ
ング鋼線に仕上げようとすれば、その塑性加工に必要と
される材料強度に不足することから、引き抜き工程での
破断が起き、スチール製ピストンリングとしての完成に
はたどり着けないのである。Since S is a typical element that degrades the mechanical properties of steel, it is difficult to form a steel piston ring unless measures for this strength are taken. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 7-258792, which makes it possible to add S by as much as 1%, also targets a cylinder liner that cannot achieve a sufficient forging ratio, and basically targets cast steel. Actually, the steel ring of the piston ring is realized in terms of cost,
It is a plastic working technique such as drawing, rolling, bending and the like. In other words, if steel containing as much as 1% of S is to be finished into a piston ring steel wire by using this process, the material strength required for the plastic working is insufficient, and fracture occurs in the drawing process, It cannot be completed as a steel piston ring.

【００３４】以上のように本発明は、ピストンリングと
しての優れた機械的特性を達成するのはもちろんのこ
と、この鍛造比がきわめて高い摺動製品において特に成
立する技術でもあるため、Ｓ：０．０３〜０．３％を含
むピストンリングと限定しているのである。As described above, the present invention not only achieves excellent mechanical properties as a piston ring, but also is a technique particularly realized in a sliding product having an extremely high forging ratio. It is limited to a piston ring containing 0.03 to 0.3%.

【００３５】そして、上記Ｓの効果をさらに高めるに
は、ＣａをＳと共に添加することが有効である。Ｃａは
ＭｎＳ中に内在するため、焼き付き表面へ流出しやす
い。しかも、強力な還元作用があるため、焼き付き表面
のオキサイド形成を防止し、サルファイド形成を容易に
することから、潤滑性を向上させる。しかしＣａは過度
に添加すると熱間加工性を害するので０．０１％以下が
好ましい。上記効果を得るに好ましくは０．０００１％
以上、さらに好ましくは０．０００５％以上であり、よ
りさらに好ましくは０．００２％以上である。なお、Ｓ
およびＣａの添加は耐焼き付きの他に、切削性や研削性
の向上にも効果がある。In order to further enhance the effect of S, it is effective to add Ca together with S. Since Ca is present in MnS, it is likely to flow out to the burn-in surface. In addition, since there is a strong reducing action, the formation of oxide on the seizure surface is prevented, and the formation of sulfide is facilitated, so that the lubricity is improved. However, excessive addition of Ca impairs hot workability, so that 0.01% or less is preferable. 0.0001% for obtaining the above effect
As described above, the content is more preferably 0.0005% or more, and still more preferably 0.002% or more. Note that S
The addition of Ca and Ca is effective in improving the machinability and grindability in addition to seizure resistance.

【００３６】Ｃｕは、粒界に濃化し溶融化するため熱間
加工性を阻害することから、過剰の含有はスチール製ピ
ストンリングの製造にかかる素線への熱間加工工程にて
鋼材の破壊に繋がる。そのため０〜３．０％とした。望
ましくは０〜２．５％、さらに望ましくは０〜０．５％
未満である。一方で、ＣｕはＣａに同様、焼付き直前に
形成される鋼の新生面でのオキサイド形成を抑制するこ
とで、Ｓの効果を上げる元素でもある。Ｃｕは耐候性鋼
の添加元素として知られているが、この錆抑制作用はＣ
ｒのようにオキサイドの不動体皮膜をつくるような防食
作用ではなく、鋼自体の酸素に対する親和性を低減させ
る作用であり、そのためＳ添加材料の潤滑特性を十分に
引き出すことが出来るのである。この効果を得るにあた
っては０．１％以上の含有が許される。Since Cu concentrates and melts at the grain boundaries and hinders hot workability, an excessive content of the Cu causes a breakage of the steel material during the hot working process on the strands involved in the manufacture of a steel piston ring. Leads to. Therefore, it was set to 0 to 3.0%. Preferably 0 to 2.5%, more preferably 0 to 0.5%
Is less than. On the other hand, Cu, like Ca, is also an element that enhances the effect of S by suppressing the formation of oxides on the nascent surface of steel formed immediately before seizure. Cu is known as an additive element of weathering steel, but its rust suppressing action is C
It is not an anti-corrosion effect such as forming an oxide passive film as in r, but an effect of reducing the affinity of steel itself for oxygen, so that the lubricating properties of the S-added material can be sufficiently brought out. In order to obtain this effect, a content of 0.1% or more is permitted.

【００３７】また、本発明の好ましい条件として、組織
面中に占める非金属介在物の面積率を２．０％以下に限
定したのは、鋼線材へと加工する引き抜き工程で破断し
ないことと、その線材をコイル状に成形する際に折損の
発生を防止し、稼働率の高い製造が可能な範囲として望
ましいためである。Further, as a preferable condition of the present invention, the area ratio of nonmetallic inclusions occupying in the structure plane is limited to 2.0% or less because of not breaking in the drawing step of working into a steel wire rod. This is because, when the wire is formed into a coil shape, breakage is prevented, and it is desirable that the wire be manufactured with a high operation rate.

【００３８】Ｎは鋼中に固溶することで、その鋼に２５
０℃前後での歪み時効を生じ、鋼線製造の冷間塑性加工
工程での生産性を著しく阻害する。よって、好ましくは
質量比で６００ｐｐｍ以下、さらに好ましくは５００ｐ
ｐｍ以下に規制することが望ましい。N forms a solid solution in steel.
Strain aging occurs at around 0 ° C., which significantly impairs productivity in the cold plastic working process of steel wire production. Therefore, the mass ratio is preferably 600 ppm or less, and more preferably 500 ppm.
pm or less.

【００３９】Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂは鋼中に固溶するＮを固定
化する目的で添加する。固溶Ｎにより鋼は２５０℃前後
で歪み時効を生じ、鋼線製造の冷間塑性加工工程での生
産性が著しく阻害されることは上述の通りである。その
ためこれらの元素を少量添加し、焼きなまし時にＭＸ型
化合物としてＮを固定化すると製造パス回数と中間焼き
なまし回数を低減でき製造性を向上させることができ
る。しかし、過度な添加は被削性を阻害するため、これ
らの添加元素の合計は０．５％以下としている。この効
果を得るに好ましくは０．１％以上である。V, Ti and Nb are added for the purpose of fixing N which forms a solid solution in steel. As described above, the solid solution N causes strain aging of the steel at about 250 ° C., and significantly impairs the productivity in the cold plastic working step of steel wire production. Therefore, when a small amount of these elements is added and N is immobilized as an MX-type compound during annealing, the number of manufacturing passes and the number of intermediate annealings can be reduced, and the productivity can be improved. However, since excessive addition impairs machinability, the total of these additional elements is set to 0.5% or less. To obtain this effect, the content is preferably 0.1% or more.

【００４０】ＡｌはＣｒと伴に、窒化硬さを上昇させ
る。本発明ではＣｒを上げられない分、Ａｌで窒化硬さ
を確保してもよい。ただし、Ａｌの過剰な添加は不動体
皮膜を形成し、耐焼付き性を阻害するので、１．５％を
上限とした。なお、この効果を得るに好ましくは０．０
１％以上である。Al increases the nitriding hardness together with Cr. In the present invention, the hardness of nitriding may be ensured by Al to the extent that Cr cannot be increased. However, excessive addition of Al forms a passive film and impairs seizure resistance. Therefore, the upper limit is 1.5%. In order to obtain this effect, preferably 0.0
1% or more.

【００４１】また、本発明は窒化、ＰＶＤ、Ｃｒメッキ
等の表面処理と組み合わせても良い。具体的には、Ｃｒ
メッキ、ＰＶＤ、窒化処理のうちの１もしくは２種類ま
でを組み合わせて表面処理を施した内燃機関用ピストン
リングである。窒化は本発明に加算する効果として、耐
焼き付き性と耐摩耗性を向上させる。また本発明との加
算効果の無い、ＰＶＤ、Ｃｒメッキでも非表面処理部で
あるピストンとの接触面に発生するＡｌ凝着を防止する
上で本発明に寄与するものであり、それら表面被覆が摩
滅しても、本発明のＳ効果によってエンジンの延命は図
られる。The present invention may be combined with a surface treatment such as nitriding, PVD, or Cr plating. Specifically, Cr
This is a piston ring for an internal combustion engine that has been subjected to a surface treatment by combining at least one of plating, PVD, and nitriding. Nitriding improves seizure resistance and wear resistance as an effect added to the present invention. Further, even in the case of PVD or Cr plating, which has no addition effect with the present invention, the present invention contributes to the present invention in preventing Al adhesion generated on the contact surface with the piston which is a non-surface treated portion, and their surface coating is Even if worn, the engine life is prolonged by the S effect of the present invention.

【００４２】特にピストンとの関係で問題となる、ピス
トン材の基質成分として主流のＡｌとの摺動特性である
が、Ａｌは元々鋼に対して耐摩耗性が圧倒的に低いた
め、従来の材質的耐摩耗性差を利用した摩耗制御では歯
が立たない。そこで、ＡｌとＦｅとの反応性を制御する
ためには、化学的活性制御を行う本発明のＳ添加が不可
欠である。The sliding characteristics with Al, which is a main component of the piston material, which is a problem particularly in relation to the piston, is a sliding characteristic with Al. In the wear control using the difference in material wear resistance, the teeth do not stand. Therefore, in order to control the reactivity between Al and Fe, the addition of S of the present invention for controlling the chemical activity is indispensable.

【００４３】その他、以下の元素は下記の範囲内であれ
ば本発明のピストンリングを形成する鋼に含まれてもよ
い。 Ｐ≦０．１％、Ｍｏ≦１．０％、Ｗ≦１．０％、Ｎｉ≦
２％、Ｍｇ≦０．０１％、Ｂ≦０．０１％、Ｚｒ≦０．
１％In addition, the following elements may be included in the steel forming the piston ring of the present invention as long as they are within the following ranges. P ≦ 0.1%, Mo ≦ 1.0%, W ≦ 1.0%, Ni ≦
2%, Mg ≦ 0.01%, B ≦ 0.01%, Zr ≦ 0.
1%

【００４４】[0044]

【実施例】以下、実施例により本発明の効果を説明す
る。 （実施例１）大気中の高周波誘導溶解により、表１に示
す組成に調整した試料Ｎｏ．１〜１０，１２のインゴッ
ト（断面寸法２２０×２２０ｍｍ）を得た。うち、試料
Ｎｏ．１〜７は本発明の組成を満たすものであり、試料
Ｎｏ．８はＳｉ−Ｃｒ鋼、Ｎｏ．９はＳＵＪ２、Ｎｏ．
１０は高Ｓ材、Ｎｏ．１２は高Ｃｕ材であって、それぞ
れ本発明の組成を満たさない比較例である。なお、試料
Ｎｏ．１１は鋳鉄ＦＣ２５０であって、その溶湯を鋳型
に流し込んで作製する鋳鉄性ピストンリング用に準備し
たものである。EXAMPLES The effects of the present invention will be described below with reference to examples. Example 1 Sample No. 1 was adjusted to the composition shown in Table 1 by high-frequency induction melting in the atmosphere. 1 to 10, 12 ingots (cross-sectional dimensions 220 × 220 mm) were obtained. The sample No. Sample Nos. 1 to 7 satisfy the composition of the present invention. No. 8 is Si-Cr steel; 9 is SUJ2, No. 9;
No. 10 is a high S material. Reference numeral 12 denotes a high Cu material, which is a comparative example that does not satisfy the composition of the present invention. The sample No. Numeral 11 denotes a cast iron FC250, which is prepared for a cast iron piston ring produced by pouring the molten metal into a mold.

【００４５】[0045]

【表１】 [Table 1]

【００４６】まず、これらのインゴットに熱間および冷
間加工を施して、断面寸法が９ｍｍ×９ｍｍの線状素材
を得た（鍛造比：約５９８）。なお、試料Ｎｏ．１２は
鋳造こそ可能であったが、その後の熱間加工工程で鋼材
が破壊したのでテストピース作製ができなかった。続い
て、焼きなまし処理後に所定の焼入れ・焼戻し処理を行
って、硬さを５２０ＨＶ前後に調整した。そして、その
硬さ調整後の線状素材にて、ピストンリングとした時の
外周面となる長手表面、つまり長手方向に平行な組織面
でのサルファイド系介在物（アスペクト比≧３）の並行
度を前記要領に従って測定した。試料Ｎｏ．１１は、断
面寸法９ｍｍ×９ｍｍの鋳型に表１の成分溶湯を流し込
んだものである。First, these ingots were subjected to hot and cold working to obtain a linear material having a cross-sectional dimension of 9 mm × 9 mm (forging ratio: about 598). The sample No. In No. 12, casting was possible, but test pieces could not be produced because the steel material was destroyed in the subsequent hot working step. Subsequently, a predetermined quenching and tempering treatment was performed after the annealing treatment to adjust the hardness to around 520 HV. Then, in the linear material after the hardness adjustment, the parallelism of the sulfide-based inclusions (aspect ratio ≧ 3) on the longitudinal surface serving as the outer peripheral surface when the piston ring is formed, that is, on the tissue surface parallel to the longitudinal direction. Was measured according to the above procedure. Sample No. Numeral 11 is a mold in which the component melt shown in Table 1 was poured into a mold having a cross section of 9 mm × 9 mm.

【００４７】そして、これらの試料を用いて、ピストン
リングの基本性能を見るために耐焼付き性（スカッフ荷
重）を評価した。試験方法は図４に示す超高圧摩擦摩耗
試験機を用いて以下の条件で行い、荷重が急激に立ち上
がった時点を焼付き開始と評価した。評価結果を、サル
ファイド系介在物の並行度、試験片硬さと合わせて表２
に示す。 摺動面形状：５ｍｍ×５ｍｍの正方形 摩擦速度 ：１ｍ／ｓ 摩擦面圧力：初期圧１ＭＰａ、３分毎に１ＭＰａずつ上
昇 潤滑油 ：モーターオイル＃３０ 相手材 ：ＦＣ２５０（ＪＩＳねずみ鋳鉄）Using these samples, seizure resistance (scuff load) was evaluated in order to check the basic performance of the piston ring. The test method was carried out under the following conditions using an ultrahigh pressure friction and wear tester shown in FIG. 4, and the point at which the load suddenly rose was evaluated as the start of seizure. Table 2 shows the evaluation results together with the parallelism of the sulfide inclusions and the hardness of the test specimen.
Shown in Sliding surface shape: 5 mm x 5 mm square Friction speed: 1 m / s Friction surface pressure: Initial pressure 1 MPa, increased by 1 MPa every 3 minutes Lubricating oil: Motor oil # 30 Counterpart material: FC250 (JIS gray cast iron)

【００４８】[0048]

【表２】 [Table 2]

【００４９】さらに耐摩耗性を往復動摩耗試験により評
価した。これは別途作成した直径８ｍｍ、長さ２０ｍｍ
の試験片を直径２０ｍｍ相手材（ＦＣ２５０）と往復運
動によりこすり合わせてその時の摩耗幅を測定するもの
であり、試験方法の模式図を図５に、その他試験条件を
以下に示す。評価結果は表３に示す。 押し付け荷重 ：５００Ｎ １回あたりの摺動距離：１３０ｍｍ 最大摺動速度 ：０．５ｍ／ｓ 潤滑油 ：モータオイル＃３０（滴下）Furthermore, the wear resistance was evaluated by a reciprocating wear test. This is a separately created 8mm diameter and 20mm long
Is rubbed with a mating material (FC250) having a diameter of 20 mm by reciprocating motion to measure the wear width at that time. FIG. 5 is a schematic diagram of the test method, and other test conditions are shown below. Table 3 shows the evaluation results. Pressing load: 500N Sliding distance per stroke: 130mm Maximum sliding speed: 0.5m / s Lubricating oil: Motor oil # 30 (dropping)

【００５０】[0050]

【表３】 [Table 3]

【００５１】表２、３より、本発明を満たす試料Ｎｏ．
１〜７はいずれも優れた耐焼付き性と耐摩耗性を示す。
一方、試料Ｎｏ．１１（鋳鉄ＦＣ２５０）は摩耗幅が大
きく耐摩耗性が不十分である。試料Ｎｏ．８（Ｓｉ−Ｃ
ｒ鋼）、Ｎｏ．９（ＳＵＪ２）は耐摩耗性では良好であ
るが、耐焼付き性が不足している。From Tables 2 and 3, Sample No. satisfying the present invention was obtained.
1 to 7 show excellent seizure resistance and wear resistance.
On the other hand, sample No. 11 (cast iron FC250) has a large wear width and insufficient wear resistance. Sample No. 8 (Si-C
r steel), No. 9 (SUJ2) has good abrasion resistance, but lacks seizure resistance.

【００５２】なお、この実施例１にて評価に供された試
料状態は、次にリング状に曲げ加工される前のピストン
リング用鋼材を想定するものである。ピストンリングと
しての耐焼付き性および耐摩耗性の評価を曲げ加工後の
状態にて測定しなかったのは、小口断面積の小さいリン
グ状のピストンリング状態では、正確な測定結果を得る
に必要な試料形態（サイズ）を採り難いためである。し
かし、その曲げ加工前の鋼線状態にて観察されるサルフ
ァイド系介在物の並行度は、曲げ加工された後のピスト
ンリング状態にても大きくなることはなく、アスペクト
比が小さくなることもないので、実施例１の評価にて本
発明のピストンリングとしての評価は十分になされてい
る。The state of the sample used in the evaluation in Example 1 assumes a steel material for a piston ring before being bent into a ring shape. The evaluation of seizure resistance and abrasion resistance as a piston ring was not measured in the state after bending, but it was necessary to obtain accurate measurement results in the state of a ring-shaped piston ring with a small cross-sectional area. This is because it is difficult to take a sample form (size). However, the parallelism of the sulfide inclusions observed in the steel wire state before the bending does not increase even in the piston ring state after the bending, and the aspect ratio does not decrease. Therefore, in the evaluation of Example 1, the piston ring of the present invention was sufficiently evaluated.

【００５３】（実施例２）表１の組成における試料Ｎ
ｏ．１と試料Ｎｏ．１０を熱間圧延により直径５．５ｍ
ｍのコイルとした後、引き抜き−冷間圧延により断面寸
法１．５ｍｍ×３．１ｍｍの平線形状に仕上げた。試料
Ｎｏ．１は問題無く加工できたが、試料Ｎｏ．１０は冷
間加工性が悪く、引き抜き工程で破断した。両者の組織
面中に占める非金属介在物の面積率を引き抜き前のビレ
ットままの状態で、次に行う引き抜き・圧延方向と直角
な組織面にて画像解析したところ、試料Ｎｏ．１は１．
９５％、試料Ｎｏ．１０は２．５２％であり、破断の原
因はそのＳ含有量の高さに加え、非金属介在物が２．０
％を超える面積率になったことにある。Example 2 Sample N having the composition shown in Table 1
o. 1 and Sample No. 10 is 5.5m in diameter by hot rolling
After forming a coil of m, it was finished by drawing and cold rolling into a flat wire having a cross-sectional dimension of 1.5 mm × 3.1 mm. Sample No. Sample No. 1 was processed without any problem. Sample No. 10 had poor cold workability and was broken during the drawing step. When the area ratio of nonmetallic inclusions occupying in both the texture planes was analyzed in a texture plane perpendicular to the subsequent drawing / rolling direction in the state of the billet before drawing, Sample No. 1 is 1.
95%, sample no. 10 is 2.52%, and the cause of fracture is not only the high S content, but also 2.0% of nonmetallic inclusions.
%.

【００５４】なお、組織面中に占める非金属介在物の量
は、曲げ加工前の鋼線状態にても２．０（面積％）以下
であることが曲げ加工による折損を防止する上で好まし
く、これら非金属介在物の量は最終的にはピストリング
状態での観察結果に反映されてくる。The amount of nonmetallic inclusions occupying the texture plane is preferably 2.0 (area%) or less even in the state of the steel wire before bending in order to prevent breakage due to bending. Finally, the amount of these non-metallic inclusions is finally reflected in the observation results in the piston ring state.

【００５５】（実施例３）表１における試料Ｎｏ．１〜
９を実施例２に示す工程で断面寸法１．５ｍｍ×３．１
ｍｍの平線形状に仕上げ、焼入れを１０００℃で３０ｍ
ｉｎ、焼戻しをそれぞれ硬さ５１０ＨＶ前後になるよう
に行った。その後、砥石切断機で回転数１８００００ｓ
^−１、送り速度１ｍｍ／ｓによる切断を１０回行ない、
バリ発生頻度を調査した。表４に発生頻度を示す。Example 3 Sample No. 1 in Table 1 1 to
9 in the same manner as in Example 2 but with a sectional size of 1.5 mm × 3.1
mm flat wire shape, quenching at 1000 ° C for 30m
In and tempering were performed so as to have a hardness of around 510 HV, respectively. After that, the number of rotations is 180,000 s with a grinding wheel
^-1 , cutting 10 times at a feed rate of 1 mm / s,
Burr occurrence frequency was investigated. Table 4 shows the frequency of occurrence.

【００５６】[0056]

【表４】 [Table 4]

【００５７】試料Ｎｏ．８，９にはバリの発生が認めら
れるが、適量のＳ添加をしている試料Ｎｏ．１〜７はバ
リの発生が見られず、本発明のＳ添加がバリ低減に効果
が大きいことがわかる。これにより、ピストンリングの
製造における一貫自動化ラインが可能になる。Sample No. Although burrs were observed in Sample Nos. 8 and 9, Sample Nos. No burrs were observed in Nos. 1 to 7, indicating that the addition of S according to the present invention was highly effective in reducing burrs. This allows for an integrated automation line in the manufacture of piston rings.

【００５８】（実施例４）あらかじめ別に作製しておい
た表１の試料Ｎｏ．１，６と同組成のインゴットを用
い、鍛造比１〜１００００まで変化させた熱間および冷
間加工工程にて、概形３．０ｍｍ×１．２ｍｍの線材を
作製した（図６参照）。そして、これらを焼入れ焼戻し
により４００ＨＶの硬さに揃え、そのピストンリングと
した時の外周面となる線材の長手表面に並行な組織面で
のサルファイド系介在物（アスペクト比≧３）の並行度
を前記要領に従って測定した。Example 4 Sample No. 1 in Table 1 which was separately prepared in advance. Using ingots having the same composition as 1, 6 and 10, a wire rod having a general shape of 3.0 mm × 1.2 mm was produced in a hot and cold working step at a forging ratio of 1 to 10,000 (see FIG. 6). Then, the hardness thereof is adjusted to 400 HV by quenching and tempering, and the degree of parallelism of the sulfide-based inclusions (aspect ratio ≧ 3) in the texture plane parallel to the longitudinal surface of the wire which becomes the outer peripheral surface when the piston ring is formed is determined. It measured according to the said procedure.

【００５９】そして、これら硬さ調整後の線材にスパン
３０ｍｍの三点曲げ試験を行ない、変位１０ｍｍまで曲
げて破断しなかったものを○、破断したものを×で評価
した。これは、焼入れ焼戻しを行った線材をロール曲げ
法によって所定の曲率のピストンリングに成形する際の
その成形可能の可否を判定するものである。これらの結
果を表５，６に示す。Then, a three-point bending test with a span of 30 mm was performed on the wires after the hardness adjustment, and those which were not broken by bending to a displacement of 10 mm were evaluated as ○, and those which were broken were evaluated as ×. This is to determine whether or not the quenched and tempered wire rod can be formed into a piston ring having a predetermined curvature by a roll bending method. Tables 5 and 6 show these results.

【００６０】[0060]

【表５】 [Table 5]

【００６１】[0061]

【表６】 [Table 6]

【００６２】鍛造比が低く、サルファイド系介在物の並
行度が３０度を超えるものは機械的性質が劣り、線材か
らリング形状への曲げ加工時に破断を生じた。そして、
これら曲げ加工性に優れた線材を曲げ加工して図６に示
す形状のピストンリングとしたものにつき、その外周面
に並行な組織面に観察される上記サルファイド系介在物
の並行度は、その線材時より実質、変化がなかった。When the forging ratio was low and the degree of parallelism of the sulfide-based inclusions exceeded 30 degrees, the mechanical properties were poor, and breakage occurred during bending from a wire to a ring shape. And
The piston ring having the shape shown in FIG. 6 was formed by bending the wire material having excellent bending workability. The degree of parallelism of the sulfide-based inclusions observed on the texture surface parallel to the outer peripheral surface was determined by the wire material. There has been virtually no change since then.

【００６３】これら線材状態にて観察されるサルファイ
ド系介在物の並行度が、曲げ加工後のピストンリング状
態にも反映されることは先述の通りであり、このような
断面積の小さなピストンリングがエンジンに搭載された
場合に懸念される疲労破壊の不足についても、本発明に
よるサルファイド系介在物の並行度が３０度以下のもの
は十分な機械的性質の確保が達成される。As described above, the parallelism of the sulfide-based inclusions observed in the wire state is also reflected in the piston ring state after bending, as described above. Regarding the lack of fatigue fracture which is a concern when mounted on an engine, the sulfide-based inclusions according to the present invention having a parallelism of 30 degrees or less can achieve sufficient mechanical properties.

【００６４】[0064]

【発明の効果】本発明によれば、自己潤滑性の付与によ
り表面処理なしでも耐焼き付き性に優れ、シリンダライ
ナ、ピストンへの攻撃性も低減されたピストンリングの
提供が可能である。また、製造工程における被削性等の
加工性も向上するので製造コストとリードタイムを削減
できることから、性能・製造の両面で優れたピストンリ
ングとなる。このピストンリングを装着した内燃機関で
あれば、その環境性能や耐久性の向上に対し大きな寄与
を果たすので、産業上極めて有益な技術となる。According to the present invention, it is possible to provide a piston ring which has excellent seizure resistance even without surface treatment and has reduced aggressiveness to a cylinder liner and a piston by providing self-lubricating properties. In addition, since the machinability such as machinability in the manufacturing process is also improved, the manufacturing cost and the lead time can be reduced, resulting in a piston ring excellent in both performance and manufacturing. An internal combustion engine equipped with this piston ring greatly contributes to the improvement of its environmental performance and durability, and is an extremely useful technology in industry.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】Ｃｒ含有量と炭化物種および量との関係を説明
する図である。FIG. 1 is a diagram illustrating the relationship between the Cr content and the type and amount of carbide.

【図２】サルファイド系介在物の並行度を説明するミク
ロ組織写真のスケッチ図およびその模式図である。FIG. 2 is a sketch drawing and a schematic view of a microstructure photograph for explaining the parallelism of a sulfide-based inclusion.

【図３】応力拡大係数に及ぼす、応力方向とき裂進展方
向とのなす角度の影響を説明する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating the effect of the angle between the stress direction and the crack propagation direction on the stress intensity factor.

【図４】超高圧摩擦摩耗試験方法を説明する模式図であ
る。FIG. 4 is a schematic diagram illustrating an ultra-high pressure friction and wear test method.

【図５】往復動摩耗試験方法を説明する模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a reciprocating wear test method.

【図６】本発明のピストンリングの一例を示す模式図で
ある。FIG. 6 is a schematic view showing an example of the piston ring of the present invention.

Claims (16)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 質量％で、Ｃ：０．３〜０．８％未満、
Ｓｉ：０．１〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜３．０％、
Ｓ：０．０３〜０．３％、Ｃｒ：０．３〜６．０％を含
み、Ｃｕ：０〜３．０％の鋼からなり、ピストンリング
とした時の外周面と並行な組織面で観察されるアスペク
ト比（最大径／最小径）：３以上のサルファイド系介在
物の分布状態が、それぞれのサルファイド系介在物の最
大径上を通る直線同志のなす並行度にて３０度以内であ
ることを特徴とする自己潤滑性を有する内燃機関用ピス
トンリング材。1. mass% C: 0.3 to less than 0.8%,
Si: 0.1 to 3.0%, Mn: 0.1 to 3.0%,
S: 0.03 to 0.3%, Cr: 0.3 to 6.0%, Cu: 0 to 3.0%, made of steel, parallel to the outer peripheral surface when a piston ring is formed Aspect ratio (maximum diameter / minimum diameter) observed in (3): The distribution state of sulfide-based inclusions of 3 or more is within 30 degrees in parallelism between straight lines passing over the maximum diameter of each sulfide-based inclusion. A piston ring material for an internal combustion engine having self-lubricating properties. 【請求項２】 質量％で、Ｃａ：０．０１％以下を含む
鋼からなることを特徴とする請求項１に記載の自己潤滑
性を有する内燃機関用ピストンリング材。2. The self-lubricating piston ring material for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the piston ring material is made of steel containing, by mass%, Ca: 0.01% or less. 【請求項３】 質量％で、Ｃｒ：３．０〜６．０％を含
む鋼からなることを特徴とする請求項１または２に記載
の自己潤滑性を有する内燃機関用ピストンリング材。3. The self-lubricating piston ring material for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the piston ring material is made of steel containing, by mass%, Cr: 3.0 to 6.0%. 【請求項４】 質量％で、Ｃｒ：０．３〜１．０％を含
む鋼からなることを特徴とする請求項１または２に記載
の自己潤滑性を有する内燃機関用ピストンリング材。4. The self-lubricating piston ring material for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the piston ring material is made of steel containing, by mass%, Cr: 0.3 to 1.0%. 【請求項５】 組織面中に占める非金属介在物の面積率
が２．０％以下であることを特徴とする請求項１ないし
４のいずれかに記載の自己潤滑性を有する内燃機関用ピ
ストンリング材。5. The self-lubricating internal combustion engine piston according to claim 1, wherein the area ratio of the nonmetallic inclusions in the tissue surface is 2.0% or less. Ring material. 【請求項６】 質量比で、Ｎ：６００ｐｐｍ以下の鋼か
らなることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに
記載の自己潤滑性を有する内燃機関用ピストンリング
材。6. The self-lubricating piston ring material for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the piston ring material is made of steel having a mass ratio of N: 600 ppm or less. 【請求項７】 質量％で、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉのうち１種類
以上を合計で０．５％以下含むことを特徴とする請求項
１ないし６のいずれかに記載の自己潤滑性を有する内燃
機関用ピストンリング材。7. The self-lubricating internal combustion according to claim 1, wherein one or more of V, Nb, and Ti are contained in a mass% of 0.5% or less in total. Engine piston ring material. 【請求項８】 質量％で、Ａｌ：１．５％以下を含むこ
とを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の自
己潤滑性を有する内燃機関用ピストンリング材。8. The self-lubricating piston ring material for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the piston ring material contains Al: 1.5% or less by mass%. 【請求項９】 質量％で、Ｃ：０．３〜０．８％未満、
Ｓｉ：０．１〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜３．０％、
Ｓ：０．０３〜０．３％、Ｃｒ：０．３〜６．０％を含
み、Ｃｕ：０〜３．０％の鋼からなり、外周面と並行な
組織面で観察されるアスペクト比（最大径／最小径）：
３以上のサルファイド系介在物の分布状態が、それぞれ
のサルファイド系介在物の最大径上を通る直線同志のな
す並行度にて３０度以内であることを特徴とする自己潤
滑性を有する内燃機関用ピストンリング。9. In mass%, C: 0.3 to less than 0.8%,
Si: 0.1 to 3.0%, Mn: 0.1 to 3.0%,
S: 0.03 to 0.3%, Cr: 0.3 to 6.0%, Cu: 0 to 3.0%, made of steel, aspect ratio observed in the structure plane parallel to the outer peripheral surface (Maximum diameter / minimum diameter):
A self-lubricating internal combustion engine, characterized in that the distribution of three or more sulfide-based inclusions is within 30 degrees in parallelism between straight lines passing over the maximum diameter of each sulfide-based inclusion. piston ring. 【請求項１０】 質量％で、Ｃａ：０．０１％以下を含
む鋼からなることを特徴とする請求項９に記載の自己潤
滑性を有する内燃機関用ピストンリング。10. The self-lubricating piston ring for an internal combustion engine according to claim 9, wherein the piston ring is made of steel containing, by mass%, 0.01% or less of Ca. 【請求項１１】 質量％で、Ｃｒ：３．０〜６．０％を
含む鋼からなることを特徴とする請求項９または１０に
記載の自己潤滑性を有する内燃機関用ピストンリング。11. The self-lubricating piston ring for an internal combustion engine according to claim 9, wherein the piston ring is made of steel containing, by mass%, 3.0 to 6.0% of Cr. 【請求項１２】 質量％で、Ｃｒ：０．３〜１．０％を
含む鋼からなることを特徴とする請求項９または１０に
記載の自己潤滑性を有する内燃機関用ピストンリング。12. The self-lubricating piston ring for an internal combustion engine according to claim 9, wherein the piston ring is made of steel containing 0.3 to 1.0% of Cr by mass%. 【請求項１３】 組織面中に占める非金属介在物の面積
率が２．０％以下であることを特徴とする請求項９ない
し１２のいずれかに記載の自己潤滑性を有する内燃機関
用ピストンリング。13. The self-lubricating piston for an internal combustion engine according to claim 9, wherein an area ratio of nonmetallic inclusions in a tissue surface is 2.0% or less. ring. 【請求項１４】 質量比で、Ｎ：６００ｐｐｍ以下の鋼
からなることを特徴とする請求項９ないし１３のいずれ
かに記載の自己潤滑性を有する内燃機関用ピストンリン
グ。14. The self-lubricating piston ring for an internal combustion engine according to claim 9, wherein the piston ring is made of steel having a mass ratio of N: 600 ppm or less. 【請求項１５】 質量％で、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉのうち１種
類以上を合計で０．５％以下含むことを特徴とする請求
項９ないし１４のいずれかに記載の自己潤滑性を有する
内燃機関用ピストンリング。15. The self-lubricating internal combustion according to claim 9, wherein one or more of V, Nb, and Ti are contained in a total of 0.5% or less in mass%. Engine piston ring. 【請求項１６】 質量％で、Ａｌ：１．５％以下を含む
ことを特徴とする請求項９ないし１５のいずれかに記載
の自己潤滑性を有する内燃機関用ピストンリング。16. The self-lubricating piston ring for an internal combustion engine according to claim 9, wherein the piston ring contains Al: 1.5% or less by mass%.