JPH03122257A

JPH03122257A - ピストンリング材

Info

Publication number: JPH03122257A
Application number: JP25950789A
Authority: JP
Inventors: Takefumi Oono; 丈博大野; Atsushi Kumagai; 敦熊谷; Toshio Okuno; 奥野　利夫
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1989-10-04
Filing date: 1989-10-04
Publication date: 1991-05-24
Anticipated expiration: 2014-11-22
Also published as: JP2981899B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【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
５ｉ−Ｃｒ鋼（ＪＩＳ　５ＷＯ５Ｃ−Ｖ）、５ＫＤ６１
．１３Ｃｒおよび１７Ｃ；ｒ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メツキや硬質
粒子を含む複合メツキまたは高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（ＳＯ５４４０Ｂク
ラス）十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
１−２０８４３５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、重量％で、Ｇ　０．６〜１．１％、
Ｓｉ　２．０％以下、Ｍｎ２％以下、　Ｃｒ　１０．０
−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）、Ｐ　０．０１５％以下、Ｓ　０．００５％
以下、０３０ｐｐｍ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、および重量％
で、Ｃｏ，６−１，１％、Ｓｉ２．０％以下、Ｍｎ２％
以下、Ｃｒ　１０．０−１８．０％、ＭｏとＷの１種ま
たは２種をＭｏ＋１７２Ｗで０．５〜４．０％、ＶとＮ
ｂ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Ｇｏの１種ま
たは２種（ただしＮｉ＋Ｃｏで０．５％以上）、Ｐ　０
．０１５％以下、Ｓ　０．００５％以下、０３０ｐｐｍ
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とう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（Ｍ、、　
Ｃ，型およびＭ、Ｃ，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＋１７２Ｗ）
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。

■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、■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Ｇｏ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。

Ｇｏの１種または２種を（Ｎｉ中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Ｃ
ｏ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○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Ｐ　０．０１５％以下、Ｓ
　０．００５％以下、０３０ｐｐｍ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１７Ｃ，ｒ系のステ
ンレス鋼、またＮｏ、１０〜１９は特開平１−２０８４
３５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ＨＲＣ４２〜４
６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ｔ１４Ｎｏ、９（１７Ｃｒステ
ンレスＲ）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、Ｎｌ＋　Ｇｏ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
＠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１ＩＮｏ、９（１７ｃｒステンレス鋼）
よりは腐食減量が小さいが、Ｓ、０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。

第表示した。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ｄｌｌＮｏ。

工１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ｊｉＩＮｏ、１４．１５，１７．１９はＳ、０量が
本発明の範囲内より高いため、腐食摩耗量は比較＃ＩＮ
ａ、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　　表次に、腐食摩耗試験を行った結果を第３表にす。試験は
往復動摩擦試験機を用いて、鋳鉄を手付として２％Ｈ，
Ｓ０．を滴下しながら、行い摩食を測定し、比較鋼Ｎ　
ｏ、９の値を１００として指数第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、１
０７型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源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〕

Claims

【特許請求の範囲】１　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）、Ｐ０．０１
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。２　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０．０
５〜２．０％、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、Ｏ３０ｐ
ｐｍ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。