JP2005314744A - ピストンリング用材料及びその材料を用いたピストンリング - Google Patents

Abstract

【課題】高価な金属を多量に含有することなく十分な耐摩耗性を有し、しかも、ピストンリング溝を摩耗させることのない冷間加工性に優れたピストンリング用材料を提供すること。
【解決手段】Ｃが０．４〜０．５重量％、Ｓｉが０．７重量％以下、Ｍｎが０．８重量％以下、Ｃｒが３．０〜４．０重量％、Ｍｏが０．８〜１．３重量％、Ｖが０．２〜０．７重量％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成を有している。
【選択図】 なし

Description

本発明は、内燃機関や圧縮機等に使用されるピストンリング用材料に関し、特に、耐摩耗性等の摺動特性向上のために施されるイオンプレーティング処理に適応した耐熱へたり性を備えるとともに耐摩耗性に優れたピストンリング用材料及びその材料を用いたピストンリングに関する。

本発明はピストンリング用材料及びその材料を用いたピストンリングに関するものであり、本発明の理解を深めるために現在のピストンリングの製造工程について説明する。

所定の組成の材料（例えば、高炭素鋼やマルテンサイト系ステンレス鋼組成）を溶解し、造塊後、圧延を行い、所定の温度で熱処理を施した後、冷間伸線により所定の線径の線材を得る。次ぎに、その線材は矩形断面形状に圧延された後、所定の条件で焼き入れと焼き戻しを行って線材の真直性と硬度を確保する。そして、この矩形断面の線材は、ピストンリングの外径に合致するようにコイリングされるが、コイリングに伴って歪みが生じるので、歪み取りのための熱処理が行われる。

従来、内燃機関等に使用されるピストンリング用材料は、以前は鋳鉄が主流であったが、内燃機関の高出力化や高回転化のため、ピストンリングの薄幅化、軽量化が求められており、鋳鉄に比べて高強度が得られるＳｉ−Ｃｒ鋼やマルテンサイト系ステンレス鋼などが用いられるようになった。しかし、それらのピストンリング用材料は、耐摩耗性や耐焼付性が充分ではないため、外周面に表面処理が施されている。通常、Ｓｉ−Ｃｒ鋼には図１５に示すような硬質クロムメッキ２、マルテンサイト系ステンレス鋼には図１６に示すような窒化処理３が施されており、さらに、摺動特性の要求される内燃機関には、図１７に示すように、窒化層３の外周面にイオンプレーティングによる硬質セラミックコーティング４（窒化クロムや窒化チタン等）を施したピストンリングが用いられている。

また、耐摩耗性を向上させるために、Ｃｒを７．０〜１１．０％含有するピストンリング用材料が提案されている（例えば、特許文献１）。

さらに、ピストンリング用材料として熱間金型用素材であるＳＫＤ６１を用いるものが提案されている（例えば、特許文献２、特許文献３、特許文献４参照）。
特開２００２−３４８６３９号公報 特開平５−２２３１７２号公報 特開平６−２９３９５４号公報 特許第２７１１９６２号明細書

ところで、Ｓｉ−Ｃｒ鋼の場合、ピストンリングの製造工程におけるコイリングに伴う歪み取りのための熱処理（４５０℃で１時間保持）により、図１５に示す約５３０ＨＶの母材５の硬度が約５００ＨＶとなり、シリンダ壁に接する外周面に施されるＣｒメッキ層２の硬度は約１０００ＨＶである。このＳｉ−Ｃｒ鋼の摺動特性を向上させるために、外周面にイオンプレーティングによる硬質セラミックコーティングを施す場合、高温でコーティングするほど被膜の密着性がよいため、例えば、５５０℃で４時間程度の高温条件でイオンプレーティングが行われる。ところが、そのイオンプレーティングに伴う熱へたりにより、約５００ＨＶの母材５の硬度が３８０ＨＶに低下するという不都合がある。この程度の硬度では、耐摩耗性が不十分でピストンリングとして使用することはできない。

また、高温強度がそれほど高くない低Ｃｒ（８〜１３％Ｃｒ）マルテンサイト系ステンレス鋼の場合、ピストンリングの製造工程におけるコイリングに伴う歪み取りのための熱処理（６００℃で１時間保持）により、図１６に示す約４００ＨＶの母材６の硬度が約３６０ＨＶとなるが、全周にわたって施される窒化処理３により多量のＣｒＮが析出するので、表面硬度は１２００ＨＶ程度に上昇する。１２００ＨＶという硬度はイオンプレーティングにより得られるセラミック被膜の硬度と同程度であるが、窒化処理は全周にわたって施される関係上、その高硬度の窒化層がピストンリング溝７（図１６参照）を摩耗させてしまうことがある。

その点で、高Ｃｒ（例えば、１７％Ｃｒ）マルテンサイト系ステンレス鋼は高温強度が優れており、上記のような歪み取りのための熱処理（６００℃で１時間保持）やイオンプレーティング処理時にも熱へたりを生じることはないが、図１６に示すように、イオンプレーティングによる硬質セラミックコーティング４に先立って窒化処理３を施す場合、上記したように、窒化処理に伴って多量のＣｒＮが全周にわたって析出するので、表面硬度が高くなりすぎ、それに伴ってピストンリング溝を摩耗させてしまうという弊害が懸念される。

しかも、高Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼は、多量のＣｒの存在により冷間加工性が劣るという欠点がある。

Ｃｒは耐摩耗性の向上に効果のある元素であり、ピストンリングのような摺動部材に使用する場合、一定量のＣｒを含有することは好ましいが、一方で、Ｃｒは上記したような欠点をもちあわせている。さらに、Ｃｒは高価な元素であるから、その添加量は耐摩耗性を確保する上で必要な範囲にとどめるのが好ましい。

この点で、特許文献１に記載されたピストンリング用材料は、高Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼よりＣｒの添加量は少ないが、それでもＣｒの添加量は７．０〜１１．０％であって、いまだ十分に低いとは言えない。

さらに、ＳＫＤ−６１は耐熱へたり性に優れた材料であるが、高価なＣｒやＭｏやＶの含有量がそれぞれ、４．５〜５．５％、１．０〜１．５％、０．８〜１．２％と多い。

本発明は従来の技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、高価な金属を多量に含有することなく十分な耐摩耗性を有し、しかも、ピストンリング溝を摩耗させることのない冷間加工性に優れたピストンリング用材料及びその材料を用いたピストンリングを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のピストンリング用材料は、Ｃが０．４〜０．５重量％、Ｓｉが０．７重量％以下、Ｍｎが０．８重量％以下、Ｃｒが３．０〜４．０重量％、Ｍｏが０．８〜１．３重量％、Ｖが０．２〜０．７重量％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成を有することを特徴としている。

すなわち、合金元素を適量含有するので、冷間加工性を低下させることなく、十分な耐摩耗性を備え、しかも、ピストンリング溝を摩耗させることもない。

本発明は上記のとおり構成されているので、次ぎのような効果を奏する。
（１）ＣｒやＭｏやＶなどの高価な金属の含有量が適正であるから、低コストでありながら、耐摩耗性に優れている。しかも、イオンプレーティング処理による熱へたりがなく、熱処理による硬度低下がほとんどない。従って、イオンプレーティング処理時の電流値を増加することが可能であり、成膜速度を向上することができる。
（２）ＣｒやＭｏやＶの含有量を適度に抑えているので、冷間加工性に優れている。
（３）Ｃｒの含有量が多くないので、窒化処理によるＣｒＮの析出量がマルテンサイト系ステンレス鋼に比して少なく、窒化層の硬度は７００〜８００ＨＶ程度である。従って、窒化層がピストンリング溝を摩耗させることはない。

本発明のピストンリング用材料を構成する各元素の数値限定理由は、下記のとおりである。
(1) Ｃは、０．４〜０．５重量％とする。

Ｃは侵入型の固溶元素であり、硬さや強度の向上に寄与する元素である。また、炭化物を生成して耐摩耗性を高める。これらの効果を享受するためには、Ｃは０．４重量％以上含有することが好ましい。しかし、多量に添加すると、粗大な炭化物を生成することにより疲労強度を低下させるので、その上限値は０．５重量％とするのが好ましい。
(2) Ｓｉは、０．７重量％以下とする。

Ｓｉは鋼の溶製時において脱酸剤として添加されるとともに、基地中に固溶し、硬さや強度向上に寄与するが、多量に添加すると、冷間加工性を低下させるので、その上限値は０．７重量％とするのが好ましい。
(3) Ｍｎは、０．８重量％以下とする。

Ｍｎは、鋼の溶製時の脱酸および鋼中のＳの固定のために添加されるが、多量に添加すると、冷間加工性を低下させるので、その上限値は０．８重量％とするのが好ましい。なお、合金元素量の低減による焼き入れ性の低下を補うためには、Ｍｎは０．６重量％以上添加するのが好ましい。
(4) Ｃｒは、３．０〜４．０重量％とする。

ＣｒはＣと結合して炭化物を形成するとともに、窒化物を形成する元素であるから、耐摩耗性の向上に不可欠の元素である。これらの効果を享受するためには、Ｃｒは３．０重量％以上含有することが好ましい。しかし、多量に添加すると、冷間加工性を低下させるので、その上限値は４．０重量％とするのが好ましい。
(5) Ｍｏは、０．８〜１．３重量％とする。

Ｍｏは、焼き戻し軟化抵抗を向上させる効果があり、イオンプレーティング処理時の熱へたり性改善に効果がある。また、Ｃｒと同様に炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる。これらの効果を享受するためには、Ｍｏは０．８重量％以上含有することが好ましい。しかし、多量に添加すると、冷間加工性を低下させるので、その上限値は１．３重量％とするのが好ましい。
(6) Ｖは、０．２〜０．７重量％とする。

Ｖは、Ｍｏと同様に焼き戻し軟化抵抗を向上させる効果があり、イオンプレーティング処理時の熱へたり性改善に効果がある。また、Ｃｒ、Ｍｏと同様に炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる。これらの効果を享受するためには、Ｖは０．２重量％以上含有することが好ましい。しかし、多量に添加すると、冷間加工性を低下させるので、その上限値は０．７重量％とするのが好ましい。

上記組成の材料に以下のような処理を施すことにより、十分な耐摩耗性を有し、しかもピストンリング溝を摩耗させることがなく、冷間加工性に優れたピストンリング用材料を提供することができる。

耐摩耗性向上に寄与するＣｒとＭｏとＶの含有量が適正である上記組成の材料を溶解し、熱間鍛造後、所定の直径の線材を得るように熱間圧延する。次いで、その線材を所定の直径の線材に冷間伸線する。次いで、その線材を所定の矩形断面に冷間圧延する。その矩形断面圧延材に焼き入れと焼き戻しを施すことにより、結晶粒内に炭化物を析出させて強度を向上させるとともに、真直性を改善する。次ぎに、その矩形断面圧延材を所定の外径にコイリングし、コイリング後、ピストンリングの形状に切断し、必要に応じて図１６に示すような窒化処理３を施し、次いで、そのピストンリングに歪み取りのための熱処理を施した後、ピストンリング外周面に図１７に示すようなイオンプレーティング処理４を施す。

このようにして得られたピストンリングは、Ｃ量を低く抑えているので、必要な疲労強度を備え、耐摩耗性向上に寄与するＣｒとＭｏとＶの含有量が適正であるから冷間加工性と耐摩耗性に優れており、さらに、Ｃｒの含有量が多すぎないので、窒化処理により適量のＣｒＮが析出し、窒化層の硬度が７００〜８００ＨＶ程度であるから、窒化処理を施してもピストンリング溝を摩耗させることはない。

以下に本発明の実施例を説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものでなく、本発明の技術的範囲を逸脱しない範囲において適宜変更と修正が可能である。
（１）高温軟化抵抗と冷間加工性の評価
以下の表１に示す組成（重量％）の各鋼１０ｋｇを真空溶解炉で溶解し、インゴットにした後、直径２０mmの丸棒に熱間鍛造し、さらに、球状化焼なましを施して、この試料について後記する冷間加工性の評価をした。

また、上記焼なまし材を９８０℃で３０分保持後に空冷して焼き入れし、さらに、５８０〜６２０℃に焼戻して、焼もどし後の硬さが４８０〜４９０ＨＶとなるように調質した。この試料について、後記する高温軟化抵抗の評価をした。

冷間加工性と高温軟化抵抗の評価結果を表２に示す。

高温軟化抵抗については、硬さを調質した直径２０mmの丸棒を長さ２０mmに切断することにより、直径が２０mmで長さが２０mmの試料を各組成について複数個作製し、各試料に６００℃で１０時間の熱処理を施した後、熱処理前後の断面の硬さを測定することにより評価した。表２の硬さの数値は、３個の試料について、中心から半径方向に５mm離れるとともに円周方向に互いに７２゜づつ等間隔で離れた５点のビッカース硬さ（ＨＶ５）を測定することによって得られた合計１５点の硬さの平均値である。

冷間加工性については、焼なました直径２０mmの丸棒をＪＩＳＺ２２０１の４号の引張試験片に機械加工して引張試験を行い、絞り（％）の数値により評価した。表２の絞り（％）の数値は、３個の試料の平均値である。

表２から以下の点が明らかである。

試料Ｎｏ７と８は、Ｃｒ量が少ないので、熱処理後の硬さ低下が大きい。

試料Ｎｏ９は、Ｃｒ量が多すぎるので、冷間加工性が良くない。

試料Ｎｏ１０は、Ｍｏ量が少ないので、熱処理後の硬さ低下が大きい。

試料Ｎｏ１１、１２、１３、１４はそれぞれ、Ｍｏ、Ｖ、Ｓｉ、Ｍｎの量が多いので、冷間加工性が良くない。

一方、試料Ｎｏ１〜６は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖの添加量が適正であるから、熱処理後の硬さ低下が少なく（高温軟化抵抗が大きく）、冷間加工性も良好である。
（２）高温軟化抵抗と冷間加工性に及ぼす各元素の効果
表１と表２の数値に基づいて、高温軟化抵抗と冷間加工性に及ぼす各元素の効果について整理したのが図１〜１０である。
ａ．Ｃｒの効果（図１、図２）
図１に示すように、Ｃｒ量が多くなるほど△ＨＶは小さくなるが、Ｃｒが３重量％を超えると、△ＨＶの低下代は少なくなることが分かる。

図２に示すように、Ｃｒ量が多くなるほど、絞り（％）の数値はほぼ直線的に小さくなることが分かる。
ｂ．Ｍｏの効果（図３、図４）
図３に示すように、Ｍｏ量が多くなるほど、△ＨＶはほぼ直線的に小さくなることが分かる。

図４に示すように、Ｍｏ量が多くなるほど、絞り（％）の数値はほぼ直線的に小さくなることが分かる。
ｃ．Ｖの効果（図５、図６）
図５に示すように、Ｖ量が多くなるほど、△ＨＶはほぼ直線的に小さくなることが分かる。

図６に示すように、Ｖ量が多くなるほど、絞り（％）の数値はほぼ直線的に小さくなることが分かる。
ｄ．Ｓｉの効果（図７、図８）
図７に示すように、Ｓｉ量によらず、△ＨＶはほぼ一定である。

図８に示すように、Ｓｉ量が多くなるほど、絞り（％）の数値はほぼ直線的に小さくなることが分かる。
ｅ．Ｍｎの効果（図９、図１０）
図９に示すように、Ｍｎ量によらず、△ＨＶはほぼ一定である。

図１０に示すように、Ｍｎ量が多くなるほど、絞り（％）の数値はほぼ直線的に小さくなることが分かる。
（３）本発明の組成のピストンリング材料とＳＫＤ６１の組成のピストンリング材料の高温軟化抵抗と冷間加工性の評価
ａ．高温軟化抵抗
次の表３に示すような組成（重量％）の鋼を１０トン電気溶解炉で溶解し、熱間鍛造後、５．５mmの直径の線材を熱間圧延により得た。次いで、その線材を直径２．００mmの線材に冷間伸線した後、１．００mm×２．００mmの矩形断面に冷間圧延した。その矩形断面圧延材を１０３０℃に昇温して３分間保持して油冷した後に、図１１に示すような範囲の焼もどし温度に昇温して４分間保持して空冷するという、焼き入れと焼き戻し処理を施したときのビッカース硬さ（ＨＶ１０）を測定した。焼もどし温度を横軸にとったときのビッカース硬さ（ＨＶ１０）の変化を図１１に示す。図１１において、記号○は本発明品を示し、●はＳＫＤ６１を示す。また、図１１の各点の実際の焼もどし温度（℃）とビッカース硬さ（ＨＶ１０）の数値を表４に示す。

図１１に示すように、本発明品はＳＫＤ６１と遜色ない程度のビッカース硬さ（ＨＶ１０）を有し、ＳＫＤ６１とほぼ同程度の高温軟化抵抗を備えていることが分かる。

また、表３に示す組成の鋼から同上工程により１．００mm×２．００mmの矩形断面圧延材を得、その矩形断面圧延材を１０３０℃に昇温して３分間保持して油冷した後に６００℃に昇温して４分間保持して空冷するという、焼き入れと焼き戻し処理を施した。次に、その矩形断面圧延材を外径７０mmにコイリングし、コイリング後、図１２に示すようなピストンリング１の形状に切断し、次いで、そのピストンリングに６００℃×１時間の熱処理を施した後に室温まで空冷し、さらに、５５０℃×４時間の熱処理を施した。コイリング直前と、６００℃×１時間の熱処理後と、５５０℃×４時間の熱処理後の硬さ（ＨＶ０．５）を表５に示す。

表５に示すように、本発明品は、熱処理による硬度低下が少なく、ＳＫＤ６１と同程度の高温軟化抵抗を有することが分かる。
ｂ．冷間加工性
表３に示す組成の各鋼１０ｋｇを真空溶解炉で溶解し、インゴットにした後、直径２０mmの丸棒に熱間鍛造し、さらに、球状化焼なましを施して、この試料について前記した冷間加工性の評価（引張試験による絞り（％）の数値の比較）をした。

本発明品の絞り（％）は７３〜７７であり、ＳＫＤ６１の絞り（％）の数値は７０であり、本発明品の絞り（％）の数値の方が高く、本発明品は冷間加工性に優れていることが分かる。
（４）本発明品の焼き入れ温度と硬さ（ＨＶ０．５）ならびに本発明品の焼き入れ時の加熱時間と硬さ（ＨＶ０．５）の関係
表３の組成を有する本発明のピストンリング用材料を溶解し、熱間鍛造後、５．５mmの直径の線材を熱間圧延により得た。次いで、その線材を直径２．００mmの線材に冷間伸線した後、１．００mm×２．００mmの矩形断面に冷間圧延した。その矩形断面圧延材を９５０〜１０７０℃に昇温して３分間保持して空冷または油冷した後に６００℃に昇温して４分間保持して空冷するという、焼き入れと焼き戻し処理を施したものについて硬さ（ＨＶ０．５）を測定した結果を図１３に示す。図１３において、線（ａ）は油冷焼き入れ直後の硬さ、線（ｂ）は空冷焼き入れ直後の硬さ、線（ｃ）は油冷焼き戻し直後の硬さ、線（ｄ）は空冷焼き戻し直後の硬さを示す。

図１３に明らかなように、９８０〜１０７０℃から焼き入れすれば、空冷であっても、油冷であっても、焼き戻し後の硬さとして５００ＨＶ０．５以上を得ることができる。

また、同上矩形断面圧延材を１０３０℃に昇温して２．６４〜５．３１分間保持して油冷した後に６００℃に昇温して４分間保持して空冷するという、焼き入れと焼き戻し処理を施したものについて硬さ（ＨＶ０．５）を測定した結果を図１４に示す。図１４において、線（ｅ）は油冷焼き入れ直後の硬さ、線（ｆ）は油冷焼き戻し直後の硬さを示す。図１４に示す程度の加熱時間の範囲では、焼き戻し後の硬さはほとんど変わらないことが分かる。

Ｃｒ含有量（％）と高温軟化抵抗（ビッカース硬さの変化）の関係を示す図である。 Ｃｒ含有量（％）と絞り（％）の関係を示す図である。 Ｍｏ含有量（％）と高温軟化抵抗（ビッカース硬さの変化）の関係を示す図である。 Ｍｏ含有量（％）と絞り（％）の関係を示す図である。 Ｖ含有量（％）と高温軟化抵抗（ビッカース硬さの変化）の関係を示す図である。 Ｖ含有量（％）と絞り（％）の関係を示す図である。 Ｓｉ含有量（％）と高温軟化抵抗（ビッカース硬さの変化）の関係を示す図である。 Ｓｉ含有量（％）と絞り（％）の関係を示す図である。 Ｍｎ含有量（％）と高温軟化抵抗（ビッカース硬さの変化）の関係を示す図である。 Ｍｎ含有量（％）と絞り（％）の関係を示す図である。 焼もどし温度とビッカース硬さの関係を示す図である。 ピストンリングの斜視図である。 焼き入れ温度と硬さとの関係を示す図である。 焼き入れ時の加熱時間と硬さとの関係を示す図である。 Ｃｒメッキを施したＳｉ−Ｃｒ鋼からなるピストンリングをピストンリング溝に挿入する状態を示す概略図である。 窒化処理を施したマルテンサイト−ステンレス鋼からなるピストンリングをピストンリング溝に挿入する状態を示す概略図である。 窒化処理後にイオンプレーティング処理を施したマルテンサイト−ステンレス鋼からなるピストンリングをピストンリング溝に挿入する状態を示す概略図である。

符号の説明

１…ピストンリング
２…クロムメッキ
３…窒化処理
４…セラミックコーティング
５…母材
６…母材
７…ピストンリング溝

Claims (2)

1. Ｃが０．４〜０．５重量％、Ｓｉが０．７重量％以下、Ｍｎが０．８重量％以下、Ｃｒが３．０〜４．０重量％、Ｍｏが０．８〜１．３重量％、Ｖが０．２〜０．７重量％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とするピストンリング用材料。
2. 請求項１のピストンリング用材料を用いたピストンリング。

Images