JP5465258B2 - ピストンリングおよびシリンダスリーブを製造するための鋼材組成物 - Google Patents

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Description

本発明は、ピストンリングに関するものである。更に、本発明は、本発明に係るピストンリングの製造方法に関するものである。
燃焼機関のピストンリングは、ピストンヘッドとシリンダ壁との間に存在する間隙を燃焼室から密閉する。ピストンが上下運動すると、ピストンリングの外周面が恒久的にばね付勢接触下でシリンダ壁に沿って摺動する一方、ピストンの傾斜運動によりピストンリング溝内を移動すると、ピストンリング自体が振動し、この振動によりピストンリングの逃げ面がピストンリング溝の上下の逃げ面に交互に接触する。二つの要素が互いに摺動すると、各要素は材料の性質に応じて特定量の磨耗を受け、これは乾式運転（dry running）の場合に焼付きや引っかき傷をもたらし、最終的にエンジンに修復不能な損傷を生起する。シリンダ壁に対するピストンリングの摺動磨耗挙動を改善するために、ピストンリングの外周面が様々な材料で被覆される。
ピストンリングのような高い応力に曝される内燃機関の部品は、通常鋳鉄材料または鋳鉄合金から作製される。高性能エンジンにおけるピストンリング、特に圧縮リングは、とりわけピーク圧縮圧力、燃焼温度、ＥＧＲおよび潤滑膜減少を含み、また耐摩耗擦過傷性、微細溶接および耐食性のようなエンジン機能特性に重大な影響を及ぼす増大した様々な応力に曝される。
残念ながら、従来技術による鋳鉄材料は非常に破損しやすく、既存の材料を使用するとリングがしばしば破損する。機械力学的負荷が高くなるほど、ピストンリングの動作寿命は短くなる。同じ理由から走行面および逃げ面は大きな磨耗を受ける。
より高い点火圧力、放出量の低下および直接燃料噴射は、ピストンリングに対する負荷の増大に寄与する。その結果、ピストン材料が損傷し、沈降物が特に下側のピストンリング逃げ面に堆積する。
ピストンリングに対するより高い機械力学的負荷に対処する必要から、エンジン製造業者が高級鋼（焼鈍および高合金鋼、例えば材料番号１．４１１２）製のピストンリングをますます求めている。これに関連して、２．０８質量％未満の炭素を含有する鉄材料が鋼として分類される。これよりも炭素含有量が高い材料を鋳鉄とする。鋼材は、その微細構造が遊離グラファイトによって崩壊されないため、強度特性および延性値が鋳鉄よりも優れている。
鋼製ピストンリングを製造するのに最もよく使用される鋼は、高クロム合金のマルテンサイト鋼である。鋼製ピストンリングはプロファイルワイヤから製造される。プロファイルワイヤを丸曲げし、ある長さに切断し、「真円でない」マンドレルで引き抜き加工する。このマンドレル上において、焼鈍処理でピストンリングに所望の真円でない形状が与えられ、これはまた必要な接線力も提供する。ピストンリングを鋼から製造する別の欠点は、ある直径を超えると鋼製ワイヤからリングを製造（巻回）することができなくなることである。一方、鋳鉄製ピストンリングは元々丸みなく鋳造されるので、当初から理想的に成形される。
鋳鉄は鋼よりも溶融温度が著しく低い。その差は化学組成によっては３５０℃にも及ぶことがある。したがって、鋳鉄は溶融、鋳造がより容易である。というのも、溶融温度が低いということは鋳造温度が低く、したがって冷却による収縮が少ないことを意味するので、鋳造材料はブローホールおよび／または高温亀裂若しくは低温亀裂が少ないからである。低い鋳造温度はまた、成形材料にかかる応力（侵食、ガス欠陥、砂の混入）および炉にかかる応力の発生が少なく、溶融コストも減少する。
鉄材料の溶融温度は、その炭素含有量だけでなく「飽和度」にも依存する。簡略化した次式が成り立つ。
[数１]
Ｓｃ＝Ｃ／（４．２６−１／３（Ｓｉ＋Ｐ））
飽和度が１に近いほど、溶融温度が低くなる。鋳鉄では通常飽和度１．０が目標とされ、この場合鋳鉄は１１５０℃の溶融温度を有する。鋼の飽和度は、その化学組成に応じて約０．１８である。共晶鋼は、１５００℃の溶融温度を有する。
飽和度はＳｉまたはＰ含有量に大きく左右される可能性がある。例えば、Ｓｉ含有量の３質量％の増加はＣ含有量の１質量％の増加と同様の効果を有する。したがって、飽和度１．０の鋳鉄（Ｃ：３．２６質量％、Ｓｉ：３．０質量％）と溶融温度が等しい１質量％のＣ含有量および９．７８質量％のＳｉ含有量を有する鋼材を製造することができる。
Ｓｉ含有量を大幅に増加させれば、鋼材の飽和度も上昇し、溶融温度が鋳鉄と同じレベルまで低下する場合がある。このようにすれば、例えばＧＯＥ４４等の鋳鉄の製造に使用するのと同じ装置を用いて鋼を製造することが可能となる。
ケイ素含有量が高い鋳鋼材製のピストンリングが当業界で既知である。しかしながら、多量のケイ素の存在は、「Ａｃ３」オーステナイト転換温度を上昇するため、材料の硬化性に悪影響を有する。
上記に鑑みて、本発明の目的は、基本成分としてのケイ素含有量が高く、優れた硬化性を有する鋼材組成物を含むピストンリングを提供することにある。本鋼材組成物は、重力鋳造プロセスでの製造のため、下記のパラメータのうちの少なくとも一つに関して、球状黒鉛を含む焼鈍鋳鉄の特性を改善する必要がある。
‐弾性率や曲げ強度のような機械的特性
‐耐破損性
‐機械的安定性
‐逃げ面磨耗
‐走行面磨耗
本発明に係る目的が、下記の元素を下記の比率で含む鋼材組成物を基本成分として有するピストンリングで解決される。
Ｃ：０．５〜１．２質量％
Ｃｒ：０〜３．０質量％
Ｆｅ：７２．０〜９４．５質量％
Ｍｎ：３．０〜１５．０質量％
Ｓｉ：２．０〜１０．０質量％

Ａｌ：最大０．０２質量％ Ｐ：最大０．１質量％
Ｂ：最大０．１質量％ Ｓ：最大０．０５質量％
Ｃｕ：最大２．０質量％ Ｓｎ：最大０．０５質量％
Ｍｏ：最大３．０質量％ Ｔｉ：最大１．５質量％
Ｎｂ：最大０．０５質量％ Ｖ：最大１．５質量％
Ｎｉ：最大４．０質量％ Ｗ：最大１．５質量％
ここで、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗの分画の合計は１．５質量％以下とし、鋼材組成物はＡｌ、Ｂ、Ｃ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｔｉ、ＶおよびＷからなる群から選択した元素のみを含み、これら元素の合計は１００質量％と等しいものとする。
含有されるマンガンは、γ範囲を広げ、Ａｃ３オーステナイト転換温度を高くするオーステナイト形成元素として機能する。このようにして、本発明に係る鋼材の優れた硬化性を達成する。
本発明に係るピストンリングは、過度の熱の存在下で変形される感受性が低減し、それによって高い性能能力を長期間保証し、また油の消費量も減少させる。
本発明に係るピストンリングはまた、鋳鉄ワークピースの製造に通常用いる機械および技術を使用して製造することができる利点を有する。更に、製造コストが鋳鉄ピストンリングと同等になるため、製造業者がコストの利点を享受し付加価値を生み出す余地も与える。また、材料パラメータは供給元と無関係に調整可能である。
本発明に係るピストンリングの製造方法は下記のステップを含む。
ａ．出発材料の溶融物を生成するステップおよび
ｂ．該溶融物を作成済みの型に注入するステップ。
例えば、鋼スクラップ、再生材料および合金を出発材料として使用することができる。製錬処理を炉内、好ましくはキュポラ炉内で行う。その後、溶融物を凝固してブランクを生成する。ピストンリングを、遠心鋳造、連続鋳造、パンチプレス法、クローニング、好ましくは生型のような当業界で既知の方法を用いて鋳造することができる。
ピストンリングを冷却した後に鋳型を空にし、得られたブランクを洗浄する。
次いで、必要に応じて、ピストンリングを焼鈍することができる。焼鈍は下記のステップで実施する。
ｃ．ピストンリングをそのＡｃ３温度より高くしてオーステナイト化するステップ、
ｄ．ピストンリングを適当な焼入れ媒体中で焼入れするステップおよび
ｅ．ピストンリングを制御雰囲気炉において４００〜７００℃の温度で焼戻しするステップ。
油を焼入れ媒体として用いるのが好ましい。
本発明に係るピストンリングを更に硬化するために、先述の処理ステップによって得た鋼材組成物をその後窒化させることができる。窒化は、例えばガス窒化、プラズマ窒化または加圧窒化によって行うことができる。
下記の実施例は、本発明を説明するもので、本発明を限定するものではない。
下記の組成を有する本発明に係る鋼材組成物からピストンリングを製造した。
Ａｌ：０．００２質量％ Ｐ：０．０３質量％
Ｂ：０．１質量％ Ｓ：０．００９質量％
Ｃ：０．７質量％ Ｓｉ：３．０質量％
Ｃｒ：２．０質量％ Ｓｎ：０．００１質量％
Ｃｕ：０．０５質量％ Ｔｉ：０．００７質量％
Ｍｎ：５．０５質量％ Ｖ：０．０１５質量％
Ｍｏ：０．５質量％ Ｗ：０．０１１質量％
Ｎｂ：０．００２質量％ Ｆｅ：残部
この処理は、出発材料（鋼スクラップ、再生材料および合金）の溶融物を生成し、該溶融物を作成済みの生型に注入することによって実施した。次いで、型を空にし、こうして得たピストンリングを洗浄した。その後、ピストンリングを焼鈍した。焼鈍は、鋼材組成物のＡｃ３温度より高くしてオーステナイト化し、油中焼入れし、制御雰囲気炉において４００〜７００℃の温度で焼戻しすることによって実施した。

Claims (4)

  1. 鋼材組成物を基本成分として有するピストンリングであり、前記鋼材組成物が下記の元素を鋼材組成物１００質量％に対し下記の比率で含み、
    Ｃ：０．５〜１．２質量％
    Ｃｒ：０〜３．０質量％
    Ｆｅ：７２．０〜９４．５質量％
    Ｍｎ：３．０〜１５．０質量％
    Ｓｉ：２．０〜１０．０質量％
    Ａｌ：最大０．０２質量％
    Ｂ：最大０．１質量％
    Ｃｕ：最大２．０質量％
    Ｍｏ：最大３．０質量％
    Ｎｂ：最大０．０５質量％
    Ｎｉ：最大４．０質量％
    Ｐ：最大０．１質量％
    Ｓ：最大０．０５質量％
    Ｓｎ：最大０．０５質量％
    Ｔｉ：最大１．５質量％
    Ｖ：最大１．５質量％
    Ｗ：最大１．５質量％
    ここで、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗの分画の合計が１．５質量％以下であり、該鋼材組成物がＡｌ、Ｂ、Ｃ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｔｉ、ＶおよびＷからなる群から選択した元素のみを含み、これら元素の合計が１００質量％と等しいものであり、
    前記ピストンリングが、
    ａ．出発材料の溶融物を生成するステップと、
    ｂ．溶融物を作成済みの型に注入するステップとを備える方法により製造されることを特徴とするピストンリング。
  2. ａ．出発材料の溶融物を生成するステップと、
    ｂ．溶融物を作成済みの型に注入するステップとを備えることを特徴とする請求項１に記載のピストンリングの製造方法。
  3. ｃ．ピストンリングをそのＡｃ３温度より高くしてオーステナイト化するステップと、
    ｄ．前記ピストンリングを適当な焼入れ媒体中で焼入れするステップと、
    ｅ．前記ピストンリングを制御雰囲気炉において４００〜７００℃の温度で焼戻しするステップとを含むことを特徴とする請求項２に記載のピストンリングの製造方法。
  4. ｆ．得られたピストンリングを窒化するステップを更に含むことを特徴とする請求項２又は３に記載の方法。
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