JP2981899B2 - ピストンリング材 - Google Patents

ピストンリング材

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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、内燃機関の燃焼室の気密性を保持すること
により機関の出力を確保することを主目的として使用さ
れるピストンリング材質に関するものである。
〔従来の技術〕
ピストンリングの材質には従来鋳鉄が用いられてきた
が、近年のエンジンの効率化、高負荷化さらに軽量化の
要求に伴いスチール製ピストンリングの適用が拡大しつ
つある。このスチールピストンリングは、ピストンリン
グの薄肉化が可能であるので軽量化の要求に応えるとと
もに、さらに平線をリング加工することによって製造さ
れるため、製造工程が鋳鉄リングに比較し著しく簡略化
できる利点がある。
このような背景からスチールリング材として、本出願
人等は、例えば特公昭61−22131号、特公昭57−8302
号、特公昭58−46542号、特公昭61−21302号などに開示
されるような多くの材質を提案し実用化してきた。
現在、自動車エンジン用のスチール製ピストンリング
のうち、特に過酷な使用条件が要求されるものに対して
はSi−Cr鋼(JIS SWOSC−V)、SKD61、13Crおよび17Cr
系マルテンサイトステンレス鋼などが用いられている。
これらの材質は、リング加工性の要求からかたさHRC38
〜45程度で使用されており、シリンダーと摺動するリン
グ外周部は、耐摩耗性や耐焼付性を向上させるため、硬
質Crメッキや硬質粒子を含む複合メッキまたは高Cr系の
材質では主に窒化処理が行われている。
現状では、17Cr系ステンレス鋼(SUS440Bクラス)+
窒化処理材が最も高性能の材料に位置付けられている
が、さらに高性能エンジン用として例えば特開平1−20
8435号に記載の材質を本出願人は、先に提案している。
〔発明が解決しようとする課題〕
このようにスチールピストンリングは、自動車用エン
ジンの高性能化に大きく寄与してきたが、近年、エンジ
ンの高性能化に加え、低級燃料の使用ならびに排気ガス
規制が厳しくなること等が相俟って、ピストンリング材
はますます過酷な環境で使われるようになってきた。
特に、最近注目されているのは、硫酸中における腐食
摩耗特性および疲労特性である。これは、燃料中にイオ
ウ分が含まれるディーゼルエンジンの場合に主として問
題となる。前述のようにこれらの材質は表面を窒化して
使用されることが多いので、窒化層の硫酸中における腐
食摩耗特性および疲労特性がすぐれていることが要求さ
れる。
従来の材料はこうした硫酸雰囲気中における腐食摩耗
特性および疲労特性についてはほとんど考慮されていな
い。
本発明の目的は、特に窒化して用いた場合に硫酸雰囲
気中における腐食摩耗特性および疲労特性がすぐれたピ
ストンリング用材を提供することである。
〔課題を解決するための手段〕
本発明者は、前記特開平1−208435号に開示された材
料をベースに検討を加えた結果、NiとCoが、特に窒化層
の耐硫酸腐食性の向上に効果的な元素であること、さら
にS,O量を低く規制することにより非金属介在物量を低
減し、疲労強度および耐腐食性を向上させ、またP量を
低く制限することにより焼もどし時のPの粒界偏析を防
止し、疲労強度を向上させることができることを知見し
て本発明を完成させるにいたった。
すなわち本発明は、表面を窒化して使用されるピスト
ンリング材であって、重量%で、C0.6〜1.1%、Si2.0%
以下、Mn2%以下、Cr10.0〜18.0%、MoとWの1種また
は2種をMo+1/2Wで0.5〜4.0%、2.5%以下のNiと12%
以下のCoの1種または2種(ただしNi+Coで0.5%以
上)、P0.015%以下、S0.005%以下、O30ppm以下、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硫酸
雰囲気中での摩耗および疲労特性のすぐれたピストンリ
ング材、および表面を窒化して使用されるピストンリン
グ材であって、重量%で、C0.6〜1.1%、Si2.0%以下、
Mn2%以下、Cr10.0〜18.0%、MoとWの1種または2種
をMo+1/2Wで0.5〜4.0%、VとNbの1種または2種をV
+1/2Nbで0.05〜2.0%、2.5%以下のNiと12%以下のCo
の1種または2種(ただしNi+Coで0.5%以上)、P0.01
5%以下、S0.005%以下、O30ppm以下、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硫酸雰囲気中で
の摩耗および疲労特性のすぐれたピストンリング材であ
る。
〔作用〕
以下、本発明の成分の限定理由について述べる。
CはCr,Mo,W,V,Nb等の元素と結合して炭化物を形成
し、耐摩耗、耐焼付性の向上に寄与すると共に、一部は
基地中に固溶して基地を強化する。これらの効果を得る
ためにCは0.6%以上必要であるが、1.1%を越えると過
度の炭化物を形成することにより、耐硫酸腐食性が低下
する。またリング素材(平線)の製造性およびリングの
成形性も悪くなる。したがって、0.6〜1.1%の範囲に限
定する。
Siは鋼の精錬時に脱酸の目的で添加されると共に、耐
硫酸腐食性の向上に効果的な元素である。しかし、2%
を越えると冷間加工性を害するのでSiは2%以下に限定
する。
Mnは鋼の精錬時に脱硫の目的で添加されるが、2.0%
を越えると熱間加工性を害するので2.0%以下に限定す
る。
Crは前述のようにCと結び付いて、炭化物(M23C8
およびM7C3型)を形成し、耐摩耗性および耐焼付性を向
上させる。さらに一部は、基地中に固溶して耐酸化性、
耐熱性を向上させる。また、窒化処理により硬質の窒化
層を生成し、耐摩耗性、耐焼付性を大きく向上させる。
これらの効果を得、また靭性を低下させないために通常
の環境下(硫酸雰囲気中でない場合)では、例えば特開
平−208435号に記載のようにCr量は、7〜25%の範囲で
十分な対応可能であるが、硫酸雰囲気中ではより過酷な
条件下となるためCr量は狭い範囲に限定される。実験の
結果によれば、Cr量が10.0%未満の場合、おそらく炭化
物量が不足するために硫酸中での腐食摩耗量が多くな
る。またCr量が18.0%を越えるとおそらく炭化物量およ
び窒化を行った場合にCrの窒化物量が過度になるため耐
硫酸腐食性が低下する。従ってCr量10.0〜18.0%の範囲
に限定した。
MoとWは、Cと結びついてそれ自体の炭化物を形成す
ると共に、Cr炭化物中にも固溶することにより、これを
強化し、さらに焼もどしにおける軟化抵抗を高め、また
窒化処理を行う場合には窒化層形成にも寄与し、耐摩耗
性、耐焼付性を向上させる。さらにMoは、耐硫酸腐食性
を向上させる作用をもつ。これらの効果を得るために
は、Mo、Wの1種または2種を(Mo+1/2W)で少なくと
も0.5%必要である。しかし、過度に添加すると靭性を
低下させるので(Mo+1/2W)の上限を4.0%とした。
VとNbは両元素とも結晶粒を微細化し、靭性向上に寄
与するだけでなく、Mo,Wと同様それ自体で炭化物を形成
すると共に、Cr炭化物中にも固溶して、これを強化する
ことにより、耐摩耗性および耐焼付性を向上させ、また
焼戻し軟化抵抗を向上させる。また、両元素共、耐硫酸
腐食性を向上させる作用をもつ。これらの効果を得るた
めには、VとNbの1種または2種を(V+1/2Nb)で少
なくとも0.05%以上必要である。しかし過度に添加する
とMC型炭化物を過剰に生成して靭性を劣化させるので、
(V+1/2Nb)量の上限を2.0%とした。
NiとCoは、本発明において窒化層の耐硫酸腐食性を向
上させる重要な元素である。両元素とも炭化物を形成せ
ず、基地に固溶し、耐硫酸腐食性を高めるが、窒化物を
形成しないため窒化層中においてもその作用が残存する
ことが特徴であり、窒化処理を行って使用するピストン
リング材には特に有効である。この効果を得るためには
Ni,Coの1種または2種を(Ni+Co)で少なくとも0.5%
必要である。しかし、Niは2.5%を越えると熱処理にお
ける所定の硬さが得られにくくなり、またCoは12%を越
えると熱間加工性および冷間加工性を低下させるので、
Niは2.5%以下、Coは12%以下とした。
P,S,Oは、通常不純物元素として微量含有される。P
は結晶粒界に偏析(ミクロ偏析)し粒界強度を低下させ
るだけでなく、凝固時の基地偏析(マクロ偏析)を助長
する。SやOは主に非金属介在物として鋼中に存在し、
疲労強度および耐腐食性に悪影響を及ぼす。従って、こ
れらの不純物元素を低減することにより疲労強度および
耐腐食性が改善される。したがって、P,S,Oは低い方が
より良好な特性をもたらすが、特にPについては0.015
%以下で耐腐食疲労強度の改善効果が大きく、Sについ
ては0.005%以下で、またOについては30ppm以下で特に
耐腐食摩耗性および耐腐食疲労強度の改善の効果が大き
いことが見出された。このため、最高度の耐腐食摩耗性
と耐腐食疲労強度を要するものについてはそれぞれP0.0
15%以下、S0.005%以下、O30ppm以下とした。
〔実施例〕
第1表に示す成分の供試材を用いて比較を行った。比
較鋼のうち、No.9は現在窒化して使用されるスチールリ
ングとしては最も高級材質である17Cr系のステンレス
鋼、またNo.10〜19は特開平1−208435号に記載の材質
である。
試料は、溶製、鍛伸、焼なましの工程により作製した
後、焼入、焼もどしを行なって、かたさをHRC42〜46に
調整した。続いて540℃×20時間のガス窒化処理を行っ
た。ガス窒化処理により窒素拡散層の最表面にもろい窒
化物が形成されるため、研削によりこれを除去して試験
材とした。
第2表に窒化層の硫酸腐食試験の結果を示す。試験
は、40℃に保った10%硫酸溶液中に試験片を入れて1時
間保持した後の腐食減量により評価した。なお、このと
きの腐食は全て窒化層内で進行していることをミクロ組
織観察により確認した。本発明鋼はいずれも比較鋼No.9
(17Crステンレス鋼)より腐食減量が少なく、最も良い
ものでは半分以下であり、Ni,Co添加の効果が大きいこ
とがわかる。比較鋼No.10はC量が多いため、また比較
鋼No.12はCr量が多いため腐食減量が増大している。
比較鋼No.13〜19は、P,S,O量以外は本発明の成分範囲
内に含まれ、Ni,Coを含有している。したがって、比較
鋼No.9(17Crステンレス鋼)よりは腐食減量が小さい
が、S,O量の多いことにより、本発明鋼よりは全般に腐
食減量が大きくなっている。
次に、腐食摩耗試験を行った結果を第3表に示す。試
験は往復動摩擦試験機を用いて、鋳鉄を相手材として2
%H2SO4を滴下しながら、行い摩耗量を測定し、比較鋼N
o.9の値を100として指数で示した。本発明鋼はいずれも
比較鋼より硫酸中における腐食摩耗特性がすぐれてい
る。比較鋼No.11はCr量が低いため、単純な腐食試験
(第2表)では良い値を示したのにもかかわらず、腐食
摩耗量は比較鋼No.9とほぼ同じであった。
比較鋼No.14,15,17,19はS,O量が本発明の範囲内より
高いため、腐食摩耗量は比較鋼No.9よりは良いものの本
発明鋼よりは全般に高い値を示した。
第4表に疲労試験を行った結果を示す。試験は回転曲
げ疲労試験機を用いて、107回の疲労限応力を求めた。
本発明鋼はP,S,O量を低く規制したことにより疲労限応
力は比較鋼に比べ格段に高い値を示した。
したがって、本発明鋼は硫酸に対する腐食特性がすぐ
れているとともに、疲労強度もすぐれているので硫酸中
での疲労強度が従来鋼より格段に高くなることが容易に
推察される。
〔発明の効果〕
本発明によれば、従来の材質では不十分であった硫酸
雰囲気中での耐摩耗性および疲労強度が大幅に向上する
ので、ピストンリングに用いることによりエンジンの高
性能化に大きく寄与するものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−119646(JP,A) 特開 平1−208435(JP,A) 特開 昭58−45357(JP,A) 特開 昭62−136555(JP,A) 特開 昭62−56555(JP,A) 特公 昭61−21302(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C22C 38/00 302 Z C22C 38/30 F02F 5/00 E F16J 9/26 Z

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】表面を窒化して使用されるピストンリング
    材であって、重量%で、C0.6〜1.1%、Si2.0%以下、Mn
    2%以下、Cr10.0〜18.0%、MoとWの1種または2種をM
    o+1/2Wで0.5〜4.0%、2.5%以下のNiと12%以下のCoの
    1種または2種(ただしNi+Coで0.5%以上)、P0.015
    %以下、S0.005%以下、O30ppm以下、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硫酸雰囲気中での
    摩耗および疲労特性のすぐれたピストンリング材。
  2. 【請求項2】表面を窒化して使用されるピストンリング
    材であって、重量%で、C0.6〜1.1%、Si2.0%以下、Mn
    2%以下、Cr10.0〜18.0%、MoとWの1種または2種をM
    o+1/2Wで0.5〜4.0%、VとNbの1種または2種をV+1
    /2Nbで0.05〜2.0%、2.5%以下のNiと12%以下のCoの1
    種または2種(ただしNi+Coで0.5%以上)、P0.015%
    以下、S0.005%以下、O30ppm以下、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硫酸雰囲気中での摩
    耗および疲労特性のすぐれたピストンリング材。
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