JPH06145911A

JPH06145911A - ピストンリング材

Info

Publication number: JPH06145911A
Application number: JP29850192A
Authority: JP
Inventors: Katsuaki Fukushima; 捷昭福島; Toshio Okuno; 利夫奥野
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1992-11-09
Filing date: 1992-11-09
Publication date: 1994-05-27

Abstract

(57)【要約】【目的】ピストンリングの高性能化、あるいはアルコ
ール燃料にも使用できる耐焼付性、耐摩耗性および耐腐
食性を兼備したピストンリング材を提供する。【構成】重量％でＣ 0.6〜1.3%、Ｓi 1.5%以下、Ｍn
1.5%以下、Ｃr 20.0%を越え25.0%以下、Ｃu 0.5〜5.0
%、残部Ｆeおよび不可避的不純物からなるものを基本組
成とし、必要に応じてＭoとＷの１種または２種をＭo＋
1/2Ｗで2.5%以下、またはさらにＶとＮbの１種または２
種をＶ＋1/2Ｎbで0.05〜1.5%を添加したもの、ならびに
これらのＦeの一部を2.5%以下のＮiと7%以下のＣoの１
種または２種(ただしＮi＋Ｃoで0.5%以上)とを等量で置
換したピストンリング材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関に用いられる
ピストンリング材に関するものである。

【０００２】

【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ている。このスチール製ピストンリ
ングは、ピストンの薄肉化が可能であるため、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
較して著しく簡略化できる利点がある。このような背景
からスチール製ピストンリング材として、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、特開
平１−２０８４３５号などに開示されるような多くの材
質が提案されてきた。また、高Ｃr含有材として、特開
平１−２０１４４１号が開示されているが、これはＡl
の添加を特徴とするものであり、このＡl添加により、
耐スカッフ性、耐摩耗性の向上を図るものである。しか
し、Ａl添加は、非金属介在物を生成し易く、そのため
使用中の破損を招く危険性がある。

【０００３】現在、自動車エンジン用スチール製ピスト
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)、ＳＫＤ６１，13
Ｃr,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。これ等の材質は、リング加工性の要求から硬
さHRC38〜45程度で使用されており、シリンダと摺動す
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系材質では、主に窒化処理が行なわれてい
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ピストンリングとし
て位置付けされている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年エンジ
ンの高性能化に加え、低級燃料の使用、排気ガス規制に
対する燃焼ガスの機関内導入の他、アルコール系燃料、
天然ガス系燃料など新燃料の使用が検討され、一部試験
走行が行なわれている。これらの内燃機関は、高速化に
よる油切れ、燃焼後に生じる水分の増加、硫黄酸化物や
カルボン酸による腐食性の増加などの原因によってオイ
ルの劣化が早まり、ピストンリングとシリンダの潤滑性
が低下することから、従来提案されてきた材質に増して
耐焼付性ないし耐スカッフ性(以下本発明では単に耐焼
付性と記す)および耐食性の優れたピストンリング材が
要求されている。本発明の目的は、ステンレススチール
製ピストンリング材として、Ａl添加に起因する使用中
の破損の危険性を排除し、従来材に比して、耐焼付性と
特に、カルボン酸に対する耐食性を同時に高めたリング
材を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者は、ピストンリ
ングの相手材をねずみ鋳鉄４種として、ステンレス系ピ
ストンリング用の鋼について、耐焼付性と耐食性を同時
に高める各種元素の影響を検討した結果、20%を越える
Ｃrを含有する(高Ｃr)場合、Ｃr炭化物、あるいはさら
にＭo,Ｗ,ＶおよびＮb等の炭化物を含む鋼中でのＣu
が、耐焼付性および特にカルボン酸に対する耐食性の向
上に一段と効果があるのを見出し、本発明を完成するに
至った。

【０００６】すなわち、本発明のうち第１発明は、重量
％でＣ 0.6〜1.3%、Ｓi 1.5%以下、Ｍn 1.5%以下、Ｃr
20.0%を越え25.0%以下、Ｃu 0.5〜5.0%、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ピストンリン
グ材であり、第２および第３発明は、それぞれ上記添加
元素に加え、重量％で、ＭoとＷの１種または２種をＭo
＋1/2Ｗで2.5%以下、およびこれに加え、さらにＶとＮb
の１種または２種をＶ＋1/2Ｎbで0.05〜1.5%添加したピ
ストンリング材であり、また、第４発明は、前記各発明
のＦeの一部を、2.5%以下のＮiと7%以下のＣoの１種ま
たは２種(ただしＮi＋Ｃoで0.5%以上)とを等量ずつ置換
したピストンリング材である。

【０００７】

【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、耐摩耗性、耐焼付性の向上に寄与するとと
もに、一部は基地中に固溶してこれを強化する。本発明
のスチール製ピストンリング材の場合、これ等の効果
は、高Ｃr含有量であることと関連して0.6%以上添加す
る必要があるが、1.3%を越えると、過度の炭化物を形成
するため、リング素材の加工性およびリング自体の成形
性を悪化させる。したがって、Ｃは0.6〜1.3%に限定す
る。

【０００８】Ｓiは鋼の精錬時に脱酸の目的で添加され
るとともに、耐食性、焼入性、強度の向上に有効な元素
である。しかし、多量に含有した場合、冷間加工性を害
するので1.5%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、1.5を越えると熱間加工性を害
するので1.5%以下に限定する。

【０００９】Ｃrは前述のように、Ｃと結びついて炭化
物(Ｍ₂₃Ｃ₆タイプおよびＭ₇Ｃ₃タイプ）を形成し、耐摩
耗性および耐焼付性を向上させ、さらに一部は基地中に
固溶して耐食性、耐酸化性、耐熱性を向上させる。ま
た、ピストンリングの表面処理の一つとして特に有効な
窒化処理において、硬質の窒化層を形成し、耐摩耗性、
耐焼付性を大きく向上させる。これらの効果を発揮さ
せ、前記目的を十分達成するためには、20%を越える添
加を必要とするが、従来20%を越えると靭性の低下によ
り、リングへのカーリング等の加工性低下の問題があっ
た。しかし、この問題は温間カーリング等により解決可
能であり、むしろ20%を越えると炭化物の面積率が高く
なり、耐焼付性が、特にＣuとの共同添加で良好となる
ことがわかった。しかし、25%を越えるとやはり加工性
を害するようになるため、Ｃrの範囲は20.0%を越え25.0
%以下に限定する。

【００１０】ＭoとＷは、Ｃと結びついてそれ自体が炭
化物を形成するとともに、Ｃr炭化物中にも固溶して、
これを強化し、さらに焼もどしにおける軟化抵抗を高
め、また窒化処理を行なう場合には窒化層形成に寄与
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効果を有する。しかし、Ｍo
＋1/2Ｗで2.5%を越えて添加すると、硬質の炭化物の量
を増し、疲労強度低下の原因になると共に、高価な元素
であるため、含有させる場合には、１種または２種をＭ
o＋1/2Ｗで2.5%以下に限定する。

【００１１】ＶとＮbは、両元素とも結晶粒微細化効果
を有し、ピストンリングの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とも
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る。また、両
元素とも耐硫酸腐食性、耐カルボン酸腐食性を向上させ
る。これ等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
成し靭性を劣化させるのでＶ＋1/2Ｎb量の上限を1.5%と
した。

【００１２】ＮiとＣoは、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効果を有す
る。特に窒化処理を行なうピストンリングの場合には、
Ｎi,Ｃo自身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%が必要である。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し、ま
た、Ｃoは本組成系では7%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7%
以下に限定した。

【００１３】Ｃuは、20%を越えるＣrを含有する本発明
鋼において耐焼付性を向上させるだけでなく、カルボン
酸に対する耐腐食性を高める重要な元素である。Ｃuは
炭化物や窒化物を形成することなく、基地中にＣuのＦe
固溶体が微細に分布することにより、ピストンリングと
シリンダ間の耐焼付性を大幅に向上させることがわかっ
た。また、前述したように、Ｃu含有鋼は、カルボン酸
に対する耐食性が著しく高いため、例えばアルコール燃
料の燃焼ガスなどの腐食性雰囲気に対して従来の材料に
増して、より耐食性の優れたピストンリングとすること
ができる。上記の効果を得るために、Ｃuは0.5%以上が
必要であるが、5.0%を越えると熱間加工性を悪くするた
め、Ｃuの範囲は0.5〜5.0%に限定する。前記のように、
従来、高Ｃr(＞20%)含有鋼は、ある程度の耐焼付性や耐
食性の向上が期待できるものの、むしろカーリング等の
加工性の低下との関係で不適当と考えられてきた。本発
明者らは、この高Ｃr化とＣuの添加とを複合すること
で、耐焼付性が大きく向上し、また特にカルボン酸に対
する耐食性が格段に向上することを見出して本発明をな
した。なお、高Ｃr化による加工性の低下は、温間カー
リング等で回避可能である。

【００１４】

【実施例】以下、実施例により本発明を詳細に説明す
る。表１に、供試材の化学成分を示す。このうち、Ｎo.
1からＮo.12は本発明材で、Ｎo.21ないしＮo.27は従来
材、Ｎo.28,29は比較材である。従来材のうちＮo.21お
よび22は、それぞれ現在ガソリンエンジンのトップリン
グとして使用されているＳＫＤ６１および13Ｃr系の材
料、Ｎo.23は現状で特に過酷な使用条件で使用される17
Ｃr系のピストンリング、Ｎo.24および25は、前述の特
開平１−２０８４３５号で開示された鋼およびＮo.26,2
7は前述の特開平１−２０１４４１号で開示された鋼の
一例である。供試材は、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、硬さをHR
C40〜43に調製した。続いて、540℃ 20時間のガス窒化
処理を行なった。なお、ガス窒化処理により窒化拡散層
の最表面に脆い窒化物が形成されるため、研磨によりこ
れを除去して試験材とした。

【００１５】

【表１】

【００１６】

【表２】

【００１７】表２に各供試材の焼付きテストおよび摩耗
テストの結果ならびに10%硫酸およびカルボン酸(5%酢酸
＋5%蟻酸)による腐食テストの結果を示す。前記二者の
テストには、超高圧摩耗試験機を用いた。試験片部の概
略を図１，図２に示す。焼付試験における試験条件は下
記の通りであり、焼付きの発生した圧力で評価した。摩擦速度・・・8m/s 摩擦面圧力・・・初期圧 20kgf/cm²、3分毎に10kgf/cm²づ
つ段階的に上昇潤滑油・・・・・モーターオイル #30,温度 80℃、ステータ
ーホルダー中心より400ml/min注油焼付検出・・・・ロードセルおよび動歪計にて検出(焼付時
に異常摩擦力を検知) 相手材・・・・・ＪＩＳねずみ鋳鉄４種（ＦＣ２５）

【００１８】また、摩耗試験については、下記の条件で
テストを行ない、試験片の摩耗量(寸法)を測定した。摩擦速度・・・3m/s 摩擦面圧力・・・80kgf/cm² 潤滑油・・・・・モーターオイル #30,温度 80℃、ステータ
ーホルダー中心より400ml/min注油摩擦距離・・・50km 相手材・・・・・ＪＩＳねずみ鋳鉄４種（ＦＣ２５）耐食テストについては、10mmφ×20mmLのガス窒化した
サンプル(最表面除去)について、10%硫酸、40℃、40時
間での腐食減量および5%酢酸5%蟻酸＋水、60℃、40時間
での腐食減量をそれぞれ求めた。

【００１９】表２から次のことがわかる。本発明材のピ
ストンリング材は、高Ｃr(＞20%)化とＣuの添加との複
合効果により、焼付発生面圧が、従来材または比較材の
いずれより高く、また硫酸およびカルボン酸における腐
食減量が小さい。すなわち、従来材Ｎo.27は高Ｃrであ
って、Ａlを含む点以外は、ほぼ比較材Ｎo.28と主要元
素についてほぼ同添加量で、両者は焼付発生面圧、両腐
食減量ともほぼ同性能である。これに対し、高Ｃr含Ｃu
材である本発明材は、焼付発生面圧で10〜30kgf/cm²高
く、硫酸腐食減量については約75%またはそれ以下、カ
ルボン酸腐食減量では約16%またはそれ以下にそれぞれ
に低下している。また、Ｃu 2.7%を含む比較例Ｎo.29は
Ｃr含有量が17.5%と低いため、焼付発生面圧が高Ｃr材
である上記Ｎo.27やＮo.28と同じ程度に低い。また、こ
のＮo.29は該２者(Ｎo.27,28)に比し、硫酸腐食減量お
よびカルボン酸腐食減量でそれぞれ約87%および約45%に
減少しているが、この減少程度は本発明材に比し格段に
低い。このことから、高Ｃr(＞20%)とＣu添加の組合せ
ではじめてともに高い耐焼付性と耐食性が得られること
がわかる。なお、摩耗量は、一見したところ焼付発生面
圧と逆比例関係にあると思われ、本発明材は比較材や従
来材に対し優るとも劣らないものであることがわかる。

【００２０】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明材のピスト
ンリング材は、高Ｃr化とＣu添加を組み合わせることに
より、使用中の折損の危険性を誘発するＡlを添加する
ことなく、耐焼付性および耐食性を従来より著しく高め
たもので、最近の内燃機関の高負荷化、各種燃料の変化
に十分対応可能なピストンリング材である。

【図面の簡単な説明】

【図１】超高圧摩耗試験装置の断面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ矢視断面図である。

【符号の説明】

１試験片（5.0mm角×10L) ２円板（相手材・・・ＦＣ２５）３ステータホルダー４ロータ５試験片保持具６潤滑油注入口７ロードセル８動歪計Ｐ摩擦圧力

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ 0.6〜1.3%、Ｓi 1.5%以
下、Ｍn 1.5%以下、Ｃr 20.0%を越え25.0%以下、Ｃu 0.
5〜5.0%、残部Ｆeおよび不可避的不純物からなることを
特徴とするピストンリング材。
【請求項２】重量％で、Ｃ 0.6〜1.3%、Ｓi 1.5%以
下、Ｍn 1.5%以下、Ｃr 20.0%を越え25.0%以下、Ｍoと
Ｗの１種または２種をＭo＋1/2Ｗで2.5%以下、Ｃu 0.5
〜5.0%、残部Ｆeおよび不可避的不純物からなることを
特徴とするピストンリング材。
【請求項３】重量％で、Ｃ 0.6〜1.3%、Ｓi 1.5%以
下、Ｍn 1.5%以下、Ｃr 20.0%を越え25.0%以下、Ｍoと
Ｗの１種または２種をＭo＋1/2Ｗで2.5%以下、ＶとＮb
の１種または２種をＶ＋1/2Ｎbで0.05〜1.5%、Ｃu 0.5
〜5.0%、残部Ｆeおよび不可避的不純物からなることを
特徴とするピストンリング材。
【請求項４】Ｆeの一部を、2.5%以下のＮiと7%以下の
Ｃoの１種または２種(ただしＮi＋Ｃoで0.5%以上)とを
等量で置換した請求項１ないし３のいずれかに記載のピ
ストンリング材。