JPH1180907A - Piston ring excellent in scuffing resistance - Google Patents
Piston ring excellent in scuffing resistanceInfo
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- JPH1180907A JPH1180907A JP5368798A JP5368798A JPH1180907A JP H1180907 A JPH1180907 A JP H1180907A JP 5368798 A JP5368798 A JP 5368798A JP 5368798 A JP5368798 A JP 5368798A JP H1180907 A JPH1180907 A JP H1180907A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関に使用さ
れる耐スカッフィング性に優れたピストンリングに関す
るものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piston ring excellent in scuffing resistance used for an internal combustion engine.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年において、内燃機関には、低燃費
化、高性能化、軽量化および排ガスの清浄化等、様々な
改善が加えられている。その中でも、内燃機関の摺動部
であるピストンリングに対しては、エンジンの軽量化な
らびに高回転化に伴うピストンリングの薄肉化のため、
疲労特性、耐摩耗性、耐スカッフィング性等の特性向上
が強く求められ、従来使用されていた鋳鉄製ピストンリ
ングは、強度、疲労特性等に優れた鋼製ピストンリング
に変わりつつある。現在、鋼製ピストンリングには、J
IS SWOSC−V相当のSi−Cr鋼、もしくはマ
ルテンサイト系ステンレス鋼をベースにした素材が主と
して使用されている。2. Description of the Related Art In recent years, various improvements have been made to internal combustion engines such as low fuel consumption, high performance, light weight, and purification of exhaust gas. Above all, for the piston ring, which is the sliding part of the internal combustion engine, to reduce the weight of the engine and to make the piston ring thinner with higher rotation,
Improvements in properties such as fatigue properties, wear resistance, and scuffing resistance have been strongly demanded, and conventionally used cast iron piston rings are being changed to steel piston rings having excellent strength, fatigue properties, and the like. Currently, steel piston rings have J
Materials based on IS-SWOS-V equivalent Si-Cr steel or martensitic stainless steel are mainly used.
【0003】通常、Si−Cr鋼はCrメッキ処理を施
してピストンリングとして使用されるが、ピストンリン
グ表面に形成されたCrメッキ層は、その使用に要求さ
れる耐摩耗性が不十分である。さらに、高負荷の内燃機
関へ適用した場合には、メッキ部の剥離によって母材が
露出する問題が生じ、その結果、即座にシリンダー内壁
と容易にスカッフィングを起こしてしまう。それに付け
加え、Crメッキ処理には、処理後に発生する廃液に関
する諸問題、例えば環境への悪影響ならびに近年の廃液
処理コストの増加といった問題がある。[0003] Normally, Si-Cr steel is used as a piston ring after being subjected to Cr plating, but the Cr plating layer formed on the surface of the piston ring has insufficient abrasion resistance required for its use. . Furthermore, when applied to a high-load internal combustion engine, a problem arises in that the base material is exposed due to peeling of the plated portion, and as a result, scuffing readily occurs with the cylinder inner wall. In addition, the Cr plating process has various problems related to the waste liquid generated after the treatment, such as a bad influence on the environment and an increase in the cost of waste liquid treatment in recent years.
【0004】これに対し、上記のマルテンサイト系ステ
ンレス鋼よりなるピストンリングは、その多くが表面に
窒化処理を施して使用される。この窒化層は、Crメッ
キ層に比べ高い耐摩耗性を有しているばかりではなく、
窒化処理が拡散を利用した処理であるために、処理層が
剥離する問題も無いため、ピストンリングとしては極め
て優れた特性を有している。また、窒化処理は、その処
理コストが安価であり、環境への影響度も小さいことか
ら、Crメッキ処理に比べて有利な処理方法である。な
お、その用途上、Crメッキ処理をしなくてはならない
場合においても、マルテンサイト系ステンレス鋼は、S
i−Cr鋼に比べ、素材自体の耐熱性、耐摩耗性ならび
に耐食性が優れているので、一部の用途においては、C
rメッキ用ピストンリング材としても使用することがで
きる。On the other hand, most of the above-mentioned piston rings made of martensitic stainless steel are used after nitriding the surface. This nitride layer not only has higher wear resistance than the Cr plating layer,
Since the nitriding treatment is a treatment using diffusion, there is no problem that the treated layer is peeled off, so that the piston ring has extremely excellent characteristics. Further, the nitriding treatment is an advantageous treatment method as compared with the Cr plating treatment because the treatment cost is low and the influence on the environment is small. It should be noted that, even when Cr plating must be performed for the purpose of use, martensitic stainless steel is not
Compared with i-Cr steel, the material itself is superior in heat resistance, wear resistance and corrosion resistance.
It can also be used as a piston ring material for r plating.
【0005】上述してきたごとく、比較的性能重視の高
負荷内燃機関への適用が中心であった従来のピストンリ
ングは、最近の内燃機関の低燃費化、高性能化、軽量化
および排ガスの清浄化等の背景から、高負荷内燃機関に
止まらず徐々にその使用範囲を拡大しつつある。[0005] As described above, the conventional piston ring, which has been mainly applied to a high-load internal-combustion engine that emphasizes relatively performance, has recently been used to reduce fuel consumption, improve performance, reduce weight, and purify exhaust gas of an internal-combustion engine. Due to such backgrounds, the range of use is not limited to high-load internal combustion engines but is gradually expanding.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】通常、高Crマルテン
サイト系ステンレス鋼は、その線材製造過程において、
平線もしくは異形線材を一旦900〜1100℃に加熱
し、急冷焼入れを行った後、比較的高目の温度にて焼戻
しを行う。上記熱処理後のマルテンサイト系ステンレス
鋼素材は、所定のリング形状に成形されることとなるの
だが、リング形状への成形性に係る曲げ加工性(カーリ
ング性)を高めるために、その硬さは、Si−Cr鋼の
熱処理後硬さ45〜55HRCに対し、35〜45HR
Cと低めに調整しなければならない。Normally, high Cr martensitic stainless steel is produced in the wire manufacturing process.
The flat wire or the deformed wire is once heated to 900 to 1100 ° C., quenched, and then tempered at a relatively high temperature. The martensitic stainless steel material after the heat treatment is to be formed into a predetermined ring shape. In order to enhance the bending workability (curling property) related to the formability into the ring shape, its hardness is , The hardness after heat treatment of Si-Cr steel is 45 to 55 HR,
You have to adjust it to a lower C.
【0007】本来のごとく、ピストンリングとしての耐
摩耗性、耐スカッフィング性および疲労強度等の特性を
重視するならば、熱処理硬さは高い方が望ましい。しか
し、Si−Cr鋼に比べ残留炭化物量の多いマルテンサ
イト系ステンレス鋼では、その熱処理硬さが高いと、曲
げ加工の際に折損するという問題があるため、特性を多
少犠牲にしても熱処理硬さを低めに調整しなければなら
ないという問題点があった。As is essential, if the characteristics such as wear resistance, scuffing resistance and fatigue strength of the piston ring are emphasized, the higher the heat treatment hardness, the better. However, martensitic stainless steel, which has a larger amount of residual carbides than Si-Cr steel, has a problem that if its heat treatment hardness is high, it breaks during bending. There was a problem that it had to be adjusted to a lower level.
【0008】この問題の改善方法としては、特開昭59
−166653号、特開昭63−140066号に開示
される低合金系ピストンリング材が知られている。これ
らの方法は、Cr含有量を2.0〜9.0%と低合金化
するものであり、耐折損性に関しては改善可能である
が、反面、耐スカッフィング性は極端に低下する。その
ため上記成分系では、ピストンリングとしての特性に問
題があるため、広く実用に至っていないのが現状であ
る。As a method for solving this problem, Japanese Patent Laid-Open Publication No.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 1666653 and JP-A-63-140066 discloses a low alloy piston ring material. These methods reduce the Cr content to 2.0 to 9.0% and can improve the breakage resistance, but on the other hand, the scuffing resistance is extremely reduced. Therefore, in the above-mentioned component system, there is a problem in characteristics as a piston ring, and at present, it has not been widely used.
【0009】また、マルテンサイト系ステンレス鋼は、
Si−Cr鋼に比べ、加工硬化も大きいため、平線や異
形線材に仕上げるまでの加工率を大きくすることができ
ない。そのため、引抜加工あるいは圧延加工の工程中に
多数の焼鈍工程を必要とし、結果として、線材製造にか
かるコストが高くなるという問題があった。Further, martensitic stainless steel is
Since the work hardening is larger than that of the Si-Cr steel, the working ratio until finishing to a flat wire or a deformed wire cannot be increased. Therefore, a number of annealing steps are required during the drawing process or the rolling process, and as a result, there is a problem in that the cost for manufacturing the wire is increased.
【0010】そこで、本発明は、上述した事項に鑑み、
ピストンリングとしての要求特性を損なうことなく、線
材製造時の温間もしくは冷間における引抜加工性や圧延
加工性を向上し、製造コストの低減を図るとともに、さ
らにリング成形時の折損の減少をも達成した耐スカッフ
ィング性に優れたピストンリングを提供することを目的
とする。Therefore, the present invention has been made in view of the above-mentioned matters,
It does not impair the required characteristics of the piston ring, improves drawability and rolling workability in the warm or cold process of wire production, reduces production costs, and reduces breakage during ring molding. An object of the present invention is to provide a piston ring having excellent scuffing resistance.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】まず、発明者は、熱間圧
延後の線状ピストンリング素材について、その温間およ
び冷間における加工性に及ぼす各成分の影響について詳
細な検討を行った。さらには、上記素材の熱処理後にお
ける曲げ加工性およびピストンリングとして最も重要な
耐スカッフィング性、耐摩耗性について、その特性に及
ぼす各成分の影響を詳細に亘って研究した。その結果、
ピストンリング材に含まれるCr、Cの含有量におい
て、そのCr(重量%)/C(重量%)による値を15
〜45に調整すれば、ピストンリングとしての要求特性
を低下させることなく、線材製造時および熱処理後にお
いて極めて良好な加工性を達成し得ることを見いだし、
本発明に到達した。Means for Solving the Problems First, the inventor conducted a detailed study on the effect of each component on the workability of the linear piston ring material after hot rolling in the warm and cold states. Furthermore, regarding the bending workability of the above-mentioned material after heat treatment and the most important scuffing resistance and wear resistance as a piston ring, the influence of each component on the properties was studied in detail. as a result,
As for the content of Cr and C contained in the piston ring material, the value of Cr (% by weight) / C (% by weight)
If it is adjusted to ~ 45, it is found that extremely good workability can be achieved at the time of wire production and after heat treatment without lowering the required properties as a piston ring,
The present invention has been reached.
【0012】すなわち、本発明は、ピストンリングにお
ける耐スカッフィング性および製造時の加工性の改善と
して、重量%にて、C:0.2〜1.2%、Cr:5.
0〜25.0%を含有するマルテンサイト系ピストンリ
ングのCrとCの含有量が、Cr(重量%)/C(重量
%)による値にて15〜45を満足するように化学組成
を調整する方法を提案するものである。本発明の改善方
法を適用すれば、Cr:5.0%以上12.0%未満と
いう低Cr系のマルテンサイト系ピストンリングであっ
ても、優れた耐スカッフィング性および製造時の優れた
加工性を達成することが可能である。That is, according to the present invention, C: 0.2 to 1.2% by weight, Cr: 5.
The chemical composition is adjusted so that the content of Cr and C in the martensitic piston ring containing 0 to 25.0% satisfies 15 to 45 as a value of Cr (% by weight) / C (% by weight). It suggests a way to do it. By applying the improvement method of the present invention, even a low Cr martensitic piston ring having a Cr content of 5.0% or more and less than 12.0%, excellent scuffing resistance and excellent workability during production. It is possible to achieve
【0013】なお、本発明は、上記手段に加え、重量%
にて、Siを0.25%以下、Mnを0.30%以下に
調整する方法を適用することで、ピストンリング材の更
なる加工性の向上が可能であり、Mo、W、V、Nbの
1種または2種以上を合計で、0.3〜2.5%に調整
することで、更なる耐スカッフィング性の向上が可能で
ある。また、必要に応じてCuを4.0%以下に、また
は、Niを2.0%以下に、あるいは、Alを1.5%
以下に調整する方法も適用が可能である。[0013] The present invention provides, in addition to the above means,
By applying the method of adjusting Si to 0.25% or less and Mn to 0.30% or less, it is possible to further improve the workability of the piston ring material, and to obtain Mo, W, V, and Nb. By adjusting one or more of the above to a total of 0.3 to 2.5%, it is possible to further improve the scuffing resistance. Further, if necessary, Cu is set to 4.0% or less, Ni is set to 2.0% or less, or Al is set to 1.5% or less.
The following adjustment method is also applicable.
【0014】[0014]
【発明の実施の形態】本発明は、ピストンリングとして
の耐スカッフィング性の改善だけでなく、線材製造時の
加工性に加え、熱処理後の曲げ加工性をも改善し得る方
法を提供するものである。そして、本発明の最大の特徴
は、これらの効果を達成し得る本発明として、鋼中のC
およびCr含有量の調整と共に、Cr(重量%)/C
(重量%)による値を的確に調整するところにある。以
下、本発明の根幹をなす、上記の構成要件について詳し
く述べる。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention provides a method capable of improving not only the scuffing resistance as a piston ring but also the bending workability after heat treatment in addition to the workability at the time of manufacturing a wire rod. is there. The greatest feature of the present invention is that the present invention can achieve these effects,
(% By weight) / C
(Weight%). Hereinafter, the above-mentioned constituent elements forming the basis of the present invention will be described in detail.
【0015】Cは、炭化物を形成して耐スカッフィング
性や耐摩耗性を高めるだけでなく、一部が基地中に固溶
することで強度ならびに疲労特性の向上に寄与する重要
元素である。これらの効果を得るためには、Cは少なく
とも0.2%必要であるが、1.2%を越えると、線材
製造時の温間または冷間における加工性および熱処理後
の曲げ加工性を低下させる。そのため、本発明において
は、Cの範囲を0.2〜1.2%に調整する。C is an important element that not only enhances scuffing resistance and abrasion resistance by forming carbides, but also contributes to improvement in strength and fatigue properties by being partially dissolved in the matrix. In order to obtain these effects, C must be at least 0.2%, but if it exceeds 1.2%, the workability in warm or cold during wire production and the bending workability after heat treatment decrease. Let it. Therefore, in the present invention, the range of C is adjusted to 0.2 to 1.2%.
【0016】C同様、本発明を構成する重要元素の一つ
であるCrは、Cと結合して炭化物を形成するため、耐
スカッフィング性、耐摩耗性の向上に寄与するほか、一
部が基地に固溶し、焼戻しの際の二次硬化元素として働
くことから、ピストンリングの耐熱ヘタリ性の向上に寄
与する。また、窒化処理によって窒化層内で微細な窒化
物を形成するため、ピストンリングの更なる耐スカッフ
ィング性、耐摩耗性の向上が可能である。上記効果を得
るためには、最低5.0%のCrが必要であるが、2
5.0%を越える含有は炭化物の量あるいは粒径の増加
・増大を招き、加工性を極端に低下させる。よって、本
発明におけるCr調整量は、5.0〜25.0%とす
る。Similarly to C, Cr, which is one of the important elements constituting the present invention, combines with C to form a carbide, thereby contributing to the improvement of scuffing resistance and wear resistance, and a part of the base. And acts as a secondary hardening element during tempering, thereby contributing to the improvement of heat resistance of the piston ring. In addition, since fine nitrides are formed in the nitrided layer by the nitriding treatment, it is possible to further improve the scuffing resistance and the wear resistance of the piston ring. In order to obtain the above effect, at least 5.0% of Cr is required.
A content exceeding 5.0% causes an increase or increase in the amount or particle size of carbides, and extremely lowers workability. Therefore, the Cr adjustment amount in the present invention is set to 5.0 to 25.0%.
【0017】そして、本発明の効果を得るに最も重要と
なる改善手段が、鋼中のCおよびCrの含有比:Cr/
Cを、重量比にて15〜45に調整することである。ピ
ストンリングに要求される耐スカッフィング性は、上述
したごとくCr系炭化物に左右されるが、本発明は、こ
の影響度がCr系残留炭化物の種類と、その種類の違い
から生ずるCr系残留炭化物の粒径および分布状態の差
に大きく関係するという知見を得た。そして、更なる研
究の結果、これらCr系残留炭化物の形態は、Cおよび
Cr含有量そのものの調整に併せ、CrとCの含有量比
の調整によってその制御が可能であることを見いだした
のである。The most important improvement means for obtaining the effect of the present invention is the content ratio of C and Cr in steel: Cr /
C is adjusted to 15 to 45 in weight ratio. Although the scuffing resistance required for the piston ring depends on the Cr-based carbide as described above, the present invention determines that the degree of this effect depends on the type of the Cr-based residual carbide and the Cr-based residual carbide resulting from the difference in the type. It has been found that it is greatly related to the difference between the particle size and the distribution state. As a result of further research, they found that the form of these Cr-based residual carbides could be controlled by adjusting the Cr and C content ratios, in addition to adjusting the C and Cr contents themselves. .
【0018】具体的に述べると、Cr(重量%)/C
(重量%)値が、15以上の時、Cr系残留炭化物の種
類は、M23C6型が優勢となる。M23C6型炭化物の特徴
は、その粒径ならびに分布状態を、熱間加工温度および
熱処理条件によって容易に制御が行えるところにある。
つまり、M23C6型が優勢となる成分系とすれば、残留
炭化物の粒径が微細となりかつ、その分布状態について
も極めて均一な組織とすることが可能となるのである。Specifically, Cr (% by weight) / C
When the (% by weight) value is 15 or more, the type of Cr-based residual carbide is dominated by M 23 C 6 type. The feature of the M 23 C 6 type carbide is that its particle size and distribution state can be easily controlled by hot working temperature and heat treatment conditions.
In other words, if the composition is such that the M 23 C 6 type is predominant, the particle size of the residual carbides becomes fine and the distribution state can be made extremely uniform.
【0019】そのため、組織のミクロ的な差、例えば炭
化物量の密な部分と疎な部分の存在に起因する炭化物量
の疎な部分からのミクロ的スカッフィングの発生といっ
た現象が生じにくくなり、結果として、素材の耐スカッ
フィング性を向上させることができる。また、残留炭化
物の粒径が微細であるということは、比較的難加工性を
有す高合金系の素材であっても、線材製造時の温間なら
びに冷間における加工性および熱処理後の曲げ加工性を
向上させることが可能となり、生産効率の向上や製造コ
ストの低減が可能となる。As a result, a microscopic difference in the structure, for example, a phenomenon such as the occurrence of microscopic scuffing from a portion having a small amount of carbide due to the existence of a portion having a small amount of carbide and a portion having a small amount of carbide is less likely to occur. The scuffing resistance of the material can be improved. In addition, the fact that the particle size of the residual carbide is fine means that even in the case of a high alloy material having relatively difficult workability, the workability during the production of wire and the cold and the bending after the heat treatment. Workability can be improved, and production efficiency can be improved and manufacturing costs can be reduced.
【0020】一方、Cr(重量%)/C(重量%)値が
15に満たない場合、Cr系残留炭化物の種類はM7C3
型が優勢となる。M7C3型の炭化物は、凝固時に粗大な
一次炭化物を形成する。この種の炭化物は、高温でも比
較的安定であるために、M23C6のように熱間加工温度
および熱処理温度による形態制御が難しいことが特徴で
ある。そのため、組織中の炭化物に上記のような分布状
態差が生じ、それに起因する耐スカッフィング性の極端
な低下を招くだけでなく、粗大なM7C3型残留炭化物の
存在によって、加工性を極端に低下させる。On the other hand, when the value of Cr (% by weight) / C (% by weight) is less than 15, the type of Cr-based residual carbide is M 7 C 3
Type becomes dominant. M 7 C 3 type carbides form coarse primary carbides upon solidification. Since this kind of carbide is relatively stable even at a high temperature, it is characterized in that it is difficult to control the form by the hot working temperature and the heat treatment temperature as in M 23 C 6 . Therefore, the above-mentioned distribution state difference occurs in the carbides in the structure, which causes not only an extreme decrease in scuffing resistance, but also an extreme reduction in workability due to the presence of coarse M 7 C 3 type residual carbides. To lower.
【0021】また、Cr(重量%)/C(重量%)値が
45を越えると、残留炭化物の量が極端に減少するた
め、素材そのものの耐摩耗性が低下するばかりでなく、
窒化処理によって形成される窒化層が極めて割れやすく
なり、ピストンリングとして使用するには極めて危険な
素材になる。When the value of Cr (% by weight) / C (% by weight) exceeds 45, the amount of residual carbides is extremely reduced, so that not only the wear resistance of the material itself is lowered, but also
The nitrided layer formed by the nitriding treatment becomes extremely fragile and becomes a very dangerous material for use as a piston ring.
【0022】以上の理由より、本発明は、Cr(重量
%)/C(重量%)値を15〜45に調整することが非
常に重要である。好ましくは、耐スカッフィング性なら
びに加工性の改善に加え、更なる耐摩耗性をより改善さ
せる値として、Cr(重量%)/C(重量%)を18〜
30に調整する。For the above reasons, in the present invention, it is very important to adjust the value of Cr (% by weight) / C (% by weight) to 15 to 45. Preferably, Cr (% by weight) / C (% by weight) is 18 to 18 as a value for further improving the wear resistance in addition to the improvement of the scuffing resistance and the workability.
Adjust to 30.
【0023】ここで、本発明による耐スカッフィング性
および加工性の改善効果を、図を持って説明する。Here, the effect of improving scuffing resistance and workability according to the present invention will be described with reference to the drawings.
【0024】図1は、13%Cr系のマルテンサイト鋼
における、Cr(重量%)/C(重量%)値と「スカッ
フ面圧」および「抗折試験によるたわみ量」の関係を示
したものである。図1にて使用した供試材には、それぞ
れC量が異なる13%Cr系のマルテンサイト鋼を10
50℃にて焼入れ後、焼戻しによって硬さ40HRCに
調整したものであり、ピストンリング材の曲げ加工前の
状態を想定したものである。そして、曲げ加工性の評価
として、上記供試材に抗折試験を行ない、そのたわみ量
を測定した。FIG. 1 shows the relationship between the value of Cr (% by weight) / C (% by weight) and the "scuff surface pressure" and the "deflection amount by bending test" in a 13% Cr-based martensitic steel. It is. The test materials used in FIG. 1 were 10% 13% Cr-based martensitic steels having different C contents.
After quenching at 50 ° C., the hardness was adjusted to 40 HRC by tempering, assuming a state before bending of the piston ring material. Then, as an evaluation of bending workability, a bending test was performed on the test material, and the amount of deflection was measured.
【0025】また、ピストンリングとして極めて重要な
耐スカッフィング性の評価用供試材については、上記焼
入れ・焼戻し後の供試材に520℃×10時間のガス窒
化処理を実施した後、最表面に形成された脆い窒化物層
を除去する目的で試験片表面を研磨により10〜15μ
m除去したものを用いた。なお、耐スカッフィング性の
評価は、超高圧摩擦摩耗試験機を用いて下記の条件にて
試験を行い、焼付き発生荷重であるスカッフ面圧にて評
価を行った。その試験機試験片部の略図を図2および図
3に示しておく。Further, as for the test material for evaluating scuffing resistance, which is extremely important as a piston ring, the test material after quenching and tempering is subjected to a gas nitriding treatment at 520 ° C. for 10 hours, and then the outermost surface is formed. The surface of the test piece was polished to 10 to 15 μm for the purpose of removing the formed brittle nitride layer.
m was used. The scuffing resistance was evaluated using an ultra-high pressure friction and wear tester under the following conditions, and the scuffing pressure, which is the seizure load, was evaluated. FIGS. 2 and 3 show schematic diagrams of the tester test piece.
【0026】摩擦速度・・・・8m/s 摩擦面圧力・・・初期圧20kgf/cm2、3分毎に
10kgf/cm2づつ上昇 潤滑油・・・・・モーターオイル#30,油温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 相手材・・・・・JISねずみ鋳鉄(FC250)Friction speed: 8 m / s Friction surface pressure: Initial pressure: 20 kgf / cm 2 , increased by 10 kgf / cm 2 every 3 minutes Lubricating oil: Motor oil # 30, oil temperature 80 ° C. ,
400ml / min. From the center of the stator holder. Lubrication Seizure detection ... Detected by load cell and dynamic strain meter Counterpart material ... JIS gray cast iron (FC250)
【0027】図1に示すように、ピストンリングとして
最も重要な特性である耐スカッフィング性と、ピストン
リング製造時に重要な特性である素材の曲げ加工性を両
立させるには、Cr(重量%)/C(重量%)値を15
〜45に調整することが有効あることがわかる。As shown in FIG. 1, in order to achieve both scuffing resistance, which is the most important characteristic of a piston ring, and bending workability of a material, which is an important characteristic at the time of manufacturing a piston ring, Cr (% by weight) / C (weight%) value of 15
It can be seen that it is effective to adjust to ~ 45.
【0028】なお、Cr(重量%)/C(重量%)値が
15未満の範囲において、その一部にはスカッフ面圧の
低下が認められないものがある。これは、Cr含有量が
13%の場合では、Cr(重量%)/C(重量%)値の
極端な低下、つまりC量の極端な増加によって、上述し
た組織中のM7C3型残留炭化物の量ならびに粒径の極端
な増大が起こるためと考えられるが、このM7C3型残留
炭化物の極端な増加は、曲げ加工性の著しい低下をさせ
るのである。When the value of Cr (% by weight) / C (% by weight) is less than 15, some of them do not show a decrease in the scuff surface pressure. This is because, when the Cr content is 13%, the M 7 C 3 type residue in the above-mentioned structure is caused by an extreme decrease in the Cr (wt%) / C (wt%) value, that is, an extreme increase in the C content. This is considered to be due to an extreme increase in the amount and grain size of the carbide, but this extremely increase in the residual M 7 C 3 type carbide significantly reduces the bending workability.
【0029】つまり、単に素材の耐スカッフィング性の
みを向上させるのであれば、図1のごとく、組織中の残
留炭化物の種類を無視して、その量ならびに粒径の増加
調整を行えば良いわけであるが、それでは、ピストンリ
ング材としての加工性が余りにも低くなりすぎて、現在
のピストンリング製造において実施されている冷間曲げ
加工が不可能となるのである。That is, if only the scuffing resistance of the material is to be improved only, the amount and the particle size of the material should be adjusted to increase, ignoring the type of carbide remaining in the structure, as shown in FIG. However, in this case, the workability of the piston ring material is too low, so that the cold bending work currently performed in the manufacture of the piston ring cannot be performed.
【0030】よって、C、Crの含有量調整に加え、C
r(重量%)/C(重量%)値を15〜45に調整する
本発明であれば、その適用によって耐スカッフィング性
および製造時の加工性にも優れたピストンリングを提供
できるのである。Therefore, in addition to adjusting the contents of C and Cr,
According to the present invention in which the value of r (% by weight) / C (% by weight) is adjusted to 15 to 45, it is possible to provide a piston ring having excellent scuffing resistance and workability during manufacturing by applying the present invention.
【0031】なお、本発明は、例えば、加工性こそ良好
であるものの耐スカッフィング性が要求特性に満たない
Cr含有量が5.0%以上12.0%未満からなる低合
金材に適用すれば、加工性を犠牲にすることなく、耐ス
カッフィング性を改善することが可能であり、ピストン
リング材としての優れた加工性と耐スカッフィング性を
両立させるに優れた手段なのである。The present invention can be applied to, for example, a low alloy material having a Cr content of 5.0% or more and less than 12.0%, which has good workability but does not satisfy the required characteristics of scuffing resistance. This makes it possible to improve the scuffing resistance without sacrificing the workability, and is an excellent means for achieving both excellent workability and scuffing resistance as a piston ring material.
【0032】以下、本発明の好ましい手段として、その
要件を構成する上記以外の元素の限定理由およびその作
用を述べる。In the following, as the preferred means of the present invention, the reasons for limiting the elements other than those mentioned above and the functions thereof will be described.
【0033】Siは、本発明の目的の一つである線材製
造時の加工性に加え、熱処理後の曲げ加工性をも更に改
善する元素である。つまり、本発明者は、鋼中への適量
のSi含有が、上述した本発明の目的達成に効果を示す
ことを見いだし、特にSiの含有量が0.25%以下に
なると、該効果が更に顕著になることを突きとめたので
ある。Si is an element which further improves the bending workability after heat treatment in addition to the workability at the time of manufacturing a wire, which is one of the objects of the present invention. That is, the present inventor has found that an appropriate amount of Si contained in steel exhibits an effect on achieving the above-described object of the present invention. In particular, when the Si content is 0.25% or less, the effect is further improved. They found it to be noticeable.
【0034】その一方で、Siは、精錬工程における脱
酸元素として鋼中に残留する元素であると同時に、特開
昭61−59066号に代表されるCr含有量2.0〜
9.0%の低〜中Crマルテンサイト系ステンレス鋼に
おいては、耐酸化性、耐熱ヘタリ性を向上させる元素と
して、最低でも0.3%以上のSiが必要とされてい
る。しかし、耐酸化性については、実際のピストンリン
グが潤滑油中で使用されるという点の他、窒化処理もし
くはCrメッキ等、何らかの表面処理を施し使用される
という点から、必ずしも重要視する必要が無くなってき
た。On the other hand, Si is an element remaining in the steel as a deoxidizing element in the refining process, and has a Cr content of 2.0 to typified by JP-A-61-59066.
In low to medium Cr martensitic stainless steels of 9.0%, at least 0.3% or more of Si is required as an element for improving oxidation resistance and heat resistance. However, it is not necessary to give importance to the oxidation resistance, because the actual piston rings are used in lubricating oil and some surface treatment such as nitriding or Cr plating is used. It's gone.
【0035】それに加え、本発明者は、耐熱ヘタリ性を
向上させる目的のもとに添加されるSiの作用について
も詳細なる検討を行った。すなわち、従来からのSiの
添加は、低温焼戻しを行った素材において、その焼戻し
によって析出した炭化物の凝集を遅らせることで、その
効果を著しく表すものである。つまり、析出した炭化物
のほとんどが凝集すると考えられる550〜650℃に
て、焼戻し処理を行うことが一般的であるマルテンサイ
ト系合金鋼製ピストンリングにおいては、二次硬化に付
与する他の添加元素の方がその効果は大きく、Siにつ
いては著しい効果が認められないという知見を得たので
ある。In addition, the present inventors have conducted detailed studies on the effect of Si added for the purpose of improving heat resistance. That is, the conventional addition of Si significantly demonstrates the effect of slow tempering of the material by delaying the aggregation of carbides precipitated by the tempering. That is, in a piston ring made of a martensitic alloy steel which is generally subjected to a tempering treatment at 550 to 650 ° C. where it is considered that most of the precipitated carbides are agglomerated, other additional elements added to secondary hardening Has a finding that the effect is greater and no remarkable effect is observed for Si.
【0036】なお、近年の製鋼技術の進歩により、Si
脱酸剤の使用量を減じても、酸化物系非金属介在物の低
減は十分に可能である。以上の理由から、本発明のSi
は、線材製造時の加工性に加え、熱処理後の曲げ加工性
をも更に良好にする元素として、0.25%以下に限定
する。望ましいSiの調整範囲は0.05〜0.20%
である。It should be noted that with the recent progress in steelmaking technology, Si
Even if the amount of the deoxidizing agent is reduced, it is possible to sufficiently reduce oxide non-metallic inclusions. For the above reasons, the Si of the present invention
Is limited to 0.25% or less as an element that further improves the bending workability after heat treatment in addition to the workability during wire production. Desirable Si adjustment range is 0.05 to 0.20%
It is.
【0037】以上、Si含有量を的確に調整する本発明
を適用すれば、線材製造時の加工性および熱処理後の曲
げ加工性を更に向上させることができる。特に、本発明
の適用によって熱処理後の曲げ加工性が向上されるとい
うことは、従来のピストンリングに比べて熱処理硬さを
高めに調整できるため、今まで曲げ加工性の向上のため
にある程度妥協してきたピストンリングとしての耐スカ
ッフィング性、耐摩耗性をより高度なレベルで改善でき
ることが可能となる。As described above, by applying the present invention for precisely adjusting the Si content, the workability at the time of manufacturing a wire and the bending workability after a heat treatment can be further improved. In particular, the improvement of the bending property after the heat treatment by applying the present invention means that the hardness of the heat treatment can be adjusted to be higher than that of the conventional piston ring. It is possible to improve the scuffing resistance and wear resistance of the piston ring that has been improved at a higher level.
【0038】Mnは、脱酸剤や脱硫剤として、鋼の精錬
に必要な元素の一つである。前述の特開昭61−590
66号によると、強度ならびに硬さの向上のためには、
最低0.5%の含有が必要であることが記載されてい
る。しかし、Mnは0.30%を越えてを含有すると、
焼鈍状態での加工性が低下することを確認した。そのた
め、本発明のMnは、その含有量を0.30%以下に限
定する。Mn is one of the elements required for refining steel as a deoxidizing agent or a desulfurizing agent. JP-A-61-590 mentioned above.
According to No. 66, to improve strength and hardness,
It states that a minimum content of 0.5% is required. However, when Mn contains more than 0.30%,
It was confirmed that the workability in the annealed state was reduced. Therefore, the content of Mn of the present invention is limited to 0.30% or less.
【0039】Mo、W、V、Nbは、それ自体がCと結
びつき硬質の炭化物を形成するだけでなく、一部はCr
炭化物中へ固溶するため、Cr炭化物自身が強化されて
耐摩耗性を向上させる元素である。また、焼戻しの際、
二次硬化元素として付与するため、ピストンリングの耐
熱ヘタリ性の向上にも有効である。しかし、過度の添加
は、硬質の炭化物量の増加を招き、シリンダーの摩耗量
を著しく増加させるだけでなく、加工性の低下をも引き
起こす原因となる。よって、Mo、W、V、Nbの調整
量は、1種または2種以上を合計で0.3〜2.5%と
する。Mo, W, V, and Nb not only combine with C to form a hard carbide, but also partially form Cr.
Since Cr forms a solid solution in carbide, Cr carbide itself is an element that is strengthened to improve wear resistance. Also, when tempering,
Since it is provided as a secondary hardening element, it is also effective in improving the heat set resistance of the piston ring. However, excessive addition causes an increase in the amount of hard carbide, which not only significantly increases the wear amount of the cylinder, but also causes a reduction in workability. Therefore, the adjustment amount of Mo, W, V, and Nb is one or two or more kinds in a total of 0.3 to 2.5%.
【0040】Cuは、炭化物や窒化物を形成することな
く、Feと基地中に微細な固溶体を形成することで、基
地の強化および耐熱ヘタリ性の向上に寄与するため、必
要に応じて添加できる。しかし、その含有量が4.0%
を越えると、熱間加工性が極端に低下するため、その上
限を4.0%以下とする。また、上記効果を得るに望ま
しいCu含有量として、0.5〜3.0%とする。Cu forms a fine solid solution in the matrix with Fe without forming carbides or nitrides, thereby contributing to strengthening of the matrix and improvement of heat resistance to heat. Therefore, Cu can be added as necessary. . However, its content is 4.0%
If it exceeds 1, the hot workability is extremely reduced, so the upper limit is set to 4.0% or less. Further, a desirable Cu content for obtaining the above effects is 0.5 to 3.0%.
【0041】Niは、必ずしも添加する必要はないが、
ピストンリングとして使用の際に衝撃的な応力の加わる
場合は、靭性向上を目的とする必要に応じた添加が可能
である。しかし、2.0%を越えて添加すると焼鈍状態
での加工性が著しく低下するので、その上限を2.0%
とする。Although Ni need not always be added,
When a shocking stress is applied during use as a piston ring, it can be added as necessary for the purpose of improving toughness. However, if added in excess of 2.0%, the workability in the annealed state is significantly reduced.
And
【0042】Alは、窒化処理の際に進入するNとAl
Nを形成することで窒化層の硬さを増加させ、ピストン
リングの耐摩耗性向上に寄与するため、必要に応じて添
加することができる。しかし、その含有量が1.5%を
越えると、加工性および疲労特性が極端に低下するだけ
でなく、窒化によって析出する硬質のAlNが極端に多
くなり、シリンダーの摩耗量を著しく増加させる。よっ
て、Alの添加量は、その上限を1.5%以下とし、望
ましくは、0.2〜0.6%とする。Al enters N and Al during the nitriding process.
The formation of N increases the hardness of the nitrided layer and contributes to the improvement of the wear resistance of the piston ring, so that it can be added as necessary. However, when the content exceeds 1.5%, not only the workability and the fatigue properties are extremely lowered, but also the hard AlN precipitated by nitriding becomes extremely large, and the wear of the cylinder is significantly increased. Therefore, the upper limit of the amount of Al to be added is 1.5% or less, preferably 0.2 to 0.6%.
【0043】なお、本発明は、以上述べてきた元素以外
にも、窒化層の硬さを増加させるTi、Mgや耐食性の
向上に有効なCo等を、必要に応じて添加することが可
能である。According to the present invention, in addition to the elements described above, Ti and Mg for increasing the hardness of the nitrided layer, Co effective for improving the corrosion resistance, and the like can be added as necessary. is there.
【0044】[0044]
【実施例】以下、本発明の効果を実施例により説明す
る。まず、大気中の高周波誘導溶解によって所定の組成
に調整した30kg鋼塊を作製した。次に、熱間加工を経
て、上記の鋼塊を直径8mmの線状素材にし、860℃
で焼鈍を行った。得られた焼鈍材の組成を表1に示す。EXAMPLES The effects of the present invention will be described below with reference to examples. First, a 30 kg steel ingot adjusted to a predetermined composition by high frequency induction melting in the atmosphere was produced. Next, through hot working, the above-mentioned steel ingot was converted into a linear material having a diameter of 8 mm.
Annealed. Table 1 shows the composition of the obtained annealed material.
【0045】[0045]
【表1】 [Table 1]
【0046】次に、得られた焼鈍材の一部を、平行部長
40mm、平行部直径6mmの引張試験片形状に加工
し、線材の引抜きおよび圧延加工性の評価を目的とし
て、引張り試験を行った。また、同時に硬さの測定も行
った。残りの線状素材については、室温で直径5.5m
mの線材になるまで引抜加工を行い、ついで、1050
℃にて焼入れ後、焼戻しにて硬さを調整した。なお、該
調整後の硬さは、No.11〜20の本発明適用材およ
びNo.25〜28の比較材が38〜40HRC、その
他の本発明適用材および比較材は48〜50HRCであ
る。そして、硬さを調整したこれらの熱処理材より、3
mm×3mmの断面形状を有する曲げ試験片を作成し、
曲げ加工性の評価として抗折試験を行った。Next, a part of the obtained annealed material was processed into a tensile test piece having a parallel portion length of 40 mm and a parallel portion diameter of 6 mm, and a tensile test was conducted for the purpose of evaluating the wire drawing and rolling workability. Was. The hardness was also measured at the same time. The remaining linear material has a diameter of 5.5 m at room temperature.
The wire is drawn until the wire becomes m
After quenching at ℃, the hardness was adjusted by tempering. Note that the hardness after the adjustment is the same as that of No. Nos. 11 to 20 of the present invention and No. 11 to 20. 25 to 28 comparative materials are 38 to 40 HRC, and other applied materials of the present invention and comparative materials are 48 to 50 HRC. And, from these heat-treated materials whose hardness has been adjusted, 3
A bending test piece having a cross-sectional shape of mm × 3 mm is prepared,
A bending test was performed to evaluate bending workability.
【0047】続いて、本発明適用材(以下、本発明材と
呼ぶ)および比較材について、その表面に形成される窒
化層の特性の優劣を評価するため、上記熱処理材から各
評価用試験片を採取し、熱処理後、所定形状に加工され
たピストンリングに通常実施される窒化処理を想定し
て、520℃×10時間のガス窒化処理を行った。その
後、最表面に形成された脆い窒化物層を除去する目的
で、試験片表面を研磨により10〜15μm除去してか
ら、窒化層最表面の硬さ測定、窒化層のミクロ観察なら
びに耐スカッフィング試験を行った。Next, in order to evaluate the properties of the nitrided layer formed on the surface of the material applied to the present invention (hereinafter, referred to as the material of the present invention) and the comparative material, test pieces for evaluation were prepared from the heat-treated material. After the heat treatment, a gas nitriding treatment at 520 ° C. × 10 hours was performed on the assumption that the piston ring processed into a predetermined shape is usually subjected to nitriding treatment. After that, in order to remove the brittle nitride layer formed on the outermost surface, the surface of the test piece was removed by polishing for 10 to 15 μm, and then the hardness measurement of the outermost surface of the nitride layer, micro observation of the nitride layer, and anti-scuffing test were performed. Was done.
【0048】なお、上記耐スカッフィング試験は、先述
の超高圧摩擦摩耗試験機を用い同条件にて行った。各試
験結果を表2に示す。The scuffing resistance test was performed under the same conditions using the above-described ultra-high pressure friction and wear tester. Table 2 shows the test results.
【0049】[0049]
【表2】 [Table 2]
【0050】表2より、本発明材は、焼鈍後における絞
り値が、同Cr含有量の比較材と比べて大きく、冷間加
工性が極めて改善されていることがわかる。また、熱処
理後のたわみ量についても、本発明材は、比較材に比べ
高い値を示すことがわかる。つまり、本発明を適用すれ
ば、熱処理後の硬さを高目に調整しても曲げ加工中の折
損が発生し難いので、高硬さ調整による耐スカッフィン
グ性、耐摩耗性の優れた改善効果をも得ることが可能と
なる。From Table 2, it can be seen that the material of the present invention has a larger drawing value after annealing than the comparative material having the same Cr content, and thus has extremely improved cold workability. Also, it can be seen that the material of the present invention shows a higher value of the deflection amount after the heat treatment than the comparative material. In other words, if the present invention is applied, even if the hardness after heat treatment is adjusted to a high value, breakage during bending is unlikely to occur, so that the effect of improving the scuffing resistance and wear resistance by adjusting the high hardness is excellent. Can also be obtained.
【0051】次に、窒化処理後の特性、つまり、実際に
使用されるピストンリングそのものに要求される特性に
ついてその評価結果を述べる。本発明材の窒化層表面
は、いずれも980HV以上の硬さを有しており、ピス
トンリングとして十分な耐摩耗性が達成できている。ま
た、比較材No.24で認められるような窒化層の割れ
も発生していない。さらに、本発明材は、スカッフィン
グ試験によるスカッフ面圧値も高く、ピストンリングと
して極めて良好な耐スカッフィング性を有していること
がわかる。Next, the evaluation results of the characteristics after the nitriding treatment, that is, the characteristics required for the piston ring itself actually used will be described. The surface of the nitrided layer of the material of the present invention has a hardness of 980 HV or more, and sufficient wear resistance can be achieved as a piston ring. In addition, the comparative material No. No cracking of the nitride layer as observed in No. 24 occurred. Furthermore, it is understood that the material of the present invention has a high scuff surface pressure value by a scuffing test, and has extremely good scuffing resistance as a piston ring.
【0052】特に、本発明材No.1〜10について
は、Cr含有量が12%未満とピストンリングとしては
比較的低合金鋼であるにも係らず、Cr(重量%)/C
(重量%)を適正な値に調整することで、同成分系の比
較材No.21〜24に比べ、耐スカッフィング性が大
幅に改善されていることがわかる。これより、本発明の
適用が、先述した「耐スカッフィング性が要求特性に満
たない5%以上12%未満のピストンリング」の特性向
上にも、その効果を発揮することがわかる。In particular, the material No. Regarding 1 to 10, the Cr content is less than 12%, and despite the fact that the piston ring is a relatively low alloy steel, the Cr (weight%) / C
(% By weight) to an appropriate value, the comparative material No. It can be seen that the scuffing resistance is significantly improved as compared with 21 to 24. From this, it can be seen that the application of the present invention exerts its effect also on the improvement of the characteristics of the above-described "piston ring having a scuffing resistance of not less than 5% and less than 12% that does not satisfy the required characteristics".
【0053】なお、比較材No.27、28は、Cr
(重量%)/C(重量%)の値が本発明の規定範囲より
低いにも係らず、耐スカッフィング性が良好である。こ
れは、先述したごとく、Cr(重量%)/C(重量%)
値の極端な低下、つまりC量の極端な増加によって、組
織中のM7C3型残留炭化物の量ならびに粒径が極端に増
大したためと考えられる。しかし、M7C3型残留炭化物
の極端な増加は、素材の加工性を著しく低下させるた
め、比較材No.27、28は、そのたわみ量に劣るこ
とがわかる。The comparative material No. 27 and 28 are Cr
Although the value of (% by weight) / C (% by weight) is lower than the specified range of the present invention, the scuffing resistance is good. This is, as described above, Cr (% by weight) / C (% by weight)
It is considered that the extreme decrease of the value, that is, the extreme increase of the C amount, extremely increased the amount and particle size of the M 7 C 3 type residual carbide in the structure. However, an extreme increase in the M 7 C 3 type residual carbides significantly reduces the workability of the material, so that Comparative Material No. 27 and 28 are inferior in the amount of deflection.
【0054】単にピストンリングの耐スカッフィング性
のみを向上させるのであれば、比較材No.27、28
のように、組織中の残留炭化物の種類を無視して、その
量ならびに粒径の増加を行えば良いわけであるが、先述
したように、それでは、ピストンリング材としての加工
性が余りにも低くなりすぎて、現在のピストンリング製
造において実施されている冷間曲げ加工が不可能となる
のである。If only the scuffing resistance of the piston ring is to be improved only, the comparative material no. 27, 28
As described above, it is only necessary to increase the amount and particle size ignoring the type of residual carbide in the structure, but as described above, then, the workability as a piston ring material is too low. Too much makes the cold bending work currently practiced in piston ring production impossible.
【0055】比較材No.21、22は、特開平8−1
09445号にて提案された「加工性に優れたピストン
リング材」と同等の成分系であるが、本発明のCr(重
量%)/C(重量%)値を満足しないものであり、本発
明のCr/C重量比を満たすことが耐スカッフィング性
の向上に大きく寄与することがわかる。Comparative material No. References 21 and 22 refer to JP-A-8-1.
It is a component system equivalent to the “piston ring material excellent in processability” proposed in Japanese Patent No. 09445, but does not satisfy the Cr (% by weight) / C (% by weight) value of the present invention. It can be understood that satisfying the Cr / C weight ratio greatly contributes to the improvement of the scuffing resistance.
【0056】[0056]
【発明の効果】以上より、本発明を適用すれば、ピスト
ンリングとしての特性が改善できることはもちろんのこ
と、線材製造過程における引抜加工性、圧延加工性をも
改善できかつ、比較的高硬度の熱処理硬さを設定した場
合でも、極めて優れた曲げ加工性をも達成できることか
ら、諸特性に優れたピストンリング素材をも安価に供給
することが可能である。そして、ピストンリングとして
の特性に問題のあったCr含有量12%未満の低合金鋼
においても、本発明の改善方法を適用することで、その
優れた加工性に加えて耐スカッフィング性の改善が可能
となる。よって、本発明の適用は、更なる生産性の向上
およびコストの低減につながり、その有益性は非常に高
い。As described above, when the present invention is applied, not only the characteristics as a piston ring can be improved, but also the drawing workability and rolling workability in the wire rod manufacturing process can be improved, and a relatively high hardness can be obtained. Even when the heat treatment hardness is set, extremely excellent bending workability can be achieved, so that a piston ring material excellent in various properties can be supplied at low cost. And, even in a low alloy steel having a Cr content of less than 12%, which had a problem in the characteristics as a piston ring, by applying the improvement method of the present invention, in addition to its excellent workability, improvement in scuffing resistance can be achieved. It becomes possible. Therefore, the application of the present invention leads to a further increase in productivity and a reduction in cost, and the benefit is very high.
【図1】本発明および比較例を適用した13%Cr含有
マルテンサイト系合金鋼における、Cr(重量%)/C
(重量%)と耐スカッフィング性および曲げ加工性の関
係を示す図である。FIG. 1 shows Cr (wt%) / C in a martensitic alloy steel containing 13% Cr to which the present invention and a comparative example are applied.
It is a figure which shows the relationship between (weight%) and scuffing resistance and bending workability.
【図2】超高圧摩擦摩耗試験機における試験部の断面図
である。FIG. 2 is a cross-sectional view of a test section in the ultrahigh pressure friction and wear tester.
【図3】図1のA−A矢視断面図である。FIG. 3 is a sectional view taken along the line AA of FIG. 1;
1.試験片(5mm角×10L)、2.円板(相手材・・
・FC250)、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1. 1. test piece (5 mm square x 10 L); Disk (Material ...
FC250), 3. 3. stator holder, Rotor,
5. 5. Test piece holder, 6. lubrication oil inlet, Load cell, 8. Dynamic strain gauge, P: friction pressure
【手続補正書】[Procedure amendment]
【提出日】平成10年11月19日[Submission date] November 19, 1998
【手続補正1】[Procedure amendment 1]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】特許請求の範囲[Correction target item name] Claims
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【特許請求の範囲】[Claims]
【手続補正2】[Procedure amendment 2]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0012[Correction target item name] 0012
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【0012】すなわち、本発明は、ピストンリングにお
ける耐スカッフィング性および製造時の加工性の改善と
して、重量%にて、C:0.2〜1.2%、Cr:5.
0%以上12.0%未満、Si:0.25%以下を含有
するマルテンサイト系ピストンリングのCrとCの含有
量が、Cr(重量%)/C(重量%)による値にて15
〜45を満足するように化学組成を調整する方法を提案
するものである。本発明の改善方法を適用すれば、C
r:5.0%以上12.0%未満という低Cr系のマル
テンサイト系ピストンリングであっても、優れた耐スカ
ッフィング性および製造時の優れた加工性を達成するこ
とが可能である。That is, according to the present invention, C: 0.2 to 1.2% by weight, Cr: 5.
The content of Cr and C in the martensitic piston ring containing 0% or more and less than 12.0% and Si: 0.25% or less is 15 (Cr (wt%) / C (wt%)).
The present invention proposes a method of adjusting the chemical composition so as to satisfy 4545. If the improvement method of the present invention is applied, C
Even with a low Cr-based martensitic piston ring of r: 5.0% or more and less than 12.0%, excellent scuffing resistance and excellent workability during production can be achieved.
【手続補正3】[Procedure amendment 3]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0013[Correction target item name] 0013
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【0013】なお、本発明は、上記手段に加え、重量%
にて、Mnを0.30%以下に調整する方法を適用する
ことで、ピストンリング材の更なる加工性の向上が可能
であり、Mo、W、V、Nbの1種または2種以上を合
計で、0.3〜2.5%に調整することで、更なる耐ス
カッフィング性の向上が可能である。また、必要に応じ
てCuを4.0%以下に、または、Niを2.0%以下
に、あるいは、Alを1.5%以下に調整する方法も適
用が可能である。[0013] The present invention provides, in addition to the above means,
By applying the method of adjusting Mn to 0.30% or less, it is possible to further improve the workability of the piston ring material, and to use one or more of Mo, W, V, and Nb. By adjusting the total to 0.3 to 2.5%, it is possible to further improve the scuffing resistance. Further, a method of adjusting Cu to 4.0% or less, Ni to 2.0% or less, or Al to 1.5% or less can also be applied as necessary.
【手続補正4】[Procedure amendment 4]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0016[Correction target item name] 0016
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【0016】C同様、本発明を構成する重要元素の一つ
であるCrは、Cと結合して炭化物を形成するため、耐
スカッフィング性、耐摩耗性の向上に寄与するほか、一
部が基地に固溶し、焼戻しの際の二次硬化元素として働
くことから、ピストンリングの耐熱ヘタリ性の向上に寄
与する。また、窒化処理によって窒化層内で微細な窒化
物を形成するため、ピストンリングの更なる耐スカッフ
ィング性、耐摩耗性の向上が可能である。上記効果を得
るためには、最低5.0%のCrが必要であるが、2
5.0%を越える含有は炭化物の量あるいは粒径の増加
・増大を招き、加工性を極端に低下させる。なお、本発
明は、Cr:5.0%以上12.0%未満という低Cr
系のマルテンサイト系ピストンリングであっても、優れ
た耐スカッフィング性および製造時の優れた加工性を達
成するものである。よって、本発明におけるCr調整量
は、5.0%以上12.0%未満とする。Similarly to C, Cr, which is one of the important elements constituting the present invention, combines with C to form a carbide, thereby contributing to the improvement of scuffing resistance and wear resistance, and a part of the base. And acts as a secondary hardening element during tempering, thereby contributing to the improvement of heat resistance of the piston ring. In addition, since fine nitrides are formed in the nitrided layer by the nitriding treatment, it is possible to further improve the scuffing resistance and the wear resistance of the piston ring. In order to obtain the above effect, at least 5.0% of Cr is required.
A content exceeding 5.0% causes an increase or increase in the amount or particle size of carbides, and extremely lowers workability. In addition, the present invention has a low Cr of 5.0% or more and less than 12.0%.
Even with a martensitic piston ring, excellent scuffing resistance and excellent workability during production can be achieved. Therefore, the Cr adjustment amount in the present invention is set to 5.0% or more and less than 12.0%.
【手続補正5】[Procedure amendment 5]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0024[Correction target item name] 0024
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【0024】図1は、13%Cr系のマルテンサイト鋼
における、Cr(重量%)/C(重量%)値と「スカッ
フ面圧」および「抗折試験によるたわみ量」の関係を示
したものである。なお、図1の主旨は、本願発明のCr
(重量%)/C(重量%)調整による効果を説明するた
めのものである。今回は、その参考として13%Cr系
のものを挙げたが、本効果の優位性は本願発明の12%
未満Cr系のものにあっても同等である。図1にて使用
した供試材には、それぞれC量が異なる13%Cr系の
マルテンサイト鋼を1050℃にて焼入れ後、焼戻しに
よって硬さ40HRCに調整したものであり、ピストン
リング材の曲げ加工前の状態を想定したものである。そ
して、曲げ加工性の評価として、上記供試材に抗折試験
を行ない、そのたわみ量を測定した。FIG. 1 shows the relationship between the value of Cr (% by weight) / C (% by weight) and the "scuff surface pressure" and the "deflection amount by bending test" in a 13% Cr-based martensitic steel. It is. In addition, the gist of FIG.
(% By weight) / C (% by weight) is for explaining the effect of the adjustment. In this case, a 13% Cr-based alloy was mentioned as a reference, but the superiority of this effect is 12% of the present invention.
It is the same even in the case of less than Cr type. The test material used in FIG. 1 is a material obtained by quenching 13% Cr-based martensitic steel having different C contents at 1050 ° C. and then adjusting the hardness to 40 HRC by tempering, and bending the piston ring material. This assumes the state before processing. Then, as an evaluation of bending workability, a bending test was performed on the test material, and the amount of deflection was measured.
【手続補正6】[Procedure amendment 6]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0032[Correction target item name] 0032
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【0032】Siは、本発明の目的の一つである線材製
造時の加工性に加え、熱処理後の曲げ加工性をも更に改
善する元素である。つまり、本発明者は、鋼中への適量
のSi含有が、上述した本発明の目的達成に効果を示す
ことを見いだし、特にSiの含有量が0.25%以下に
なると、該効果が更に顕著になることを突きとめたので
ある。Si is an element that further improves the bending workability after heat treatment in addition to the workability at the time of manufacturing a wire, which is one of the objects of the present invention. That is, the present inventor has found that an appropriate amount of Si contained in steel exhibits an effect on achieving the above-described object of the present invention. In particular, when the Si content is 0.25% or less, the effect is further improved. They found it to be noticeable.
【手続補正7】[Procedure amendment 7]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0033[Correction target item name] 0033
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【0033】その一方で、Siは、精錬工程における脱
酸元素として鋼中に残留する元素であると同時に、特開
昭61−59066号に代表されるCr含有量2.0〜
9.0%の低〜中Crマルテンサイト系ステンレス鋼に
おいては、耐酸化性、耐熱ヘタリ性を向上させる元素と
して、最低でも0.3%以上のSiが必要とされてい
る。しかし、耐酸化性については、実際のピストンリン
グが潤滑油中で使用されるという点の他、窒化処理もし
くはCrメッキ等、何らかの表面処理を施し使用される
という点から、必ずしも重要視する必要が無くなってき
た。On the other hand, Si is an element remaining in the steel as a deoxidizing element in the refining process, and has a Cr content of 2.0 to typified by JP-A-61-59066.
In low to medium Cr martensitic stainless steels of 9.0%, at least 0.3% or more of Si is required as an element for improving oxidation resistance and heat resistance. However, it is not necessary to give importance to the oxidation resistance, because the actual piston rings are used in lubricating oil and some surface treatment such as nitriding or Cr plating is used. It's gone.
【手続補正8】[Procedure amendment 8]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0034[Correction target item name] 0034
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【0034】それに加え、本発明者は、耐熱ヘタリ性を
向上させる目的のもとに添加されるSiの作用について
も詳細なる検討を行った。すなわち、従来からのSiの
添加は、低温焼戻しを行った素材において、その焼戻し
によって析出した炭化物の凝集を遅らせることで、その
効果を著しく表すものである。つまり、析出した炭化物
のほとんどが凝集すると考えられる550〜650℃に
て、焼戻し処理を行うことが一般的であるマルテンサイ
ト系合金鋼製ピストンリングにおいては、二次硬化に付
与する他の添加元素の方がその効果は大きく、Siにつ
いては著しい効果が認められないという知見を得たので
ある。In addition, the present inventor has conducted detailed studies on the effect of Si added for the purpose of improving the heat set resistance. That is, the conventional addition of Si significantly demonstrates the effect of slow tempering of the material by delaying the aggregation of carbides precipitated by the tempering. That is, in a piston ring made of a martensitic alloy steel which is generally subjected to a tempering treatment at 550 to 650 ° C. where it is considered that most of the precipitated carbides are agglomerated, other additional elements added to secondary hardening Has a finding that the effect is greater and no remarkable effect is observed for Si.
【手続補正9】[Procedure amendment 9]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0035[Correction target item name] 0035
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【0035】なお、近年の製鋼技術の進歩により、Si
脱酸剤の使用量を減じても、酸化物系非金属介在物の低
減は十分に可能である。以上の理由から、本発明のSi
は、線材製造時の加工性に加え、熱処理後の曲げ加工性
をも更に良好にする元素として、0.25%以下に限定
する。望ましいSiの調整範囲は0.05〜0.20%
である。It should be noted that due to recent advances in steelmaking technology, Si
Even if the amount of the deoxidizing agent is reduced, it is possible to sufficiently reduce oxide non-metallic inclusions. For the above reasons, the Si of the present invention
Is limited to 0.25% or less as an element that further improves the bending workability after heat treatment in addition to the workability during wire production. Desirable Si adjustment range is 0.05 to 0.20%
It is.
【手続補正10】[Procedure amendment 10]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0036[Correction target item name] 0036
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【0036】以上、Si含有量を的確に調整する本発明
を適用すれば、線材製造時の加工性および熱処理後の曲
げ加工性を更に向上させることができる。特に、本発明
の適用によって熱処理後の曲げ加工性が向上されるとい
うことは、従来のピストンリングに比べて熱処理硬さを
高めに調整できるため、今まで曲げ加工性の向上のため
にある程度妥協してきたピストンリングとしての耐スカ
ッフィング性、耐摩耗性をより高度なレベルで改善でき
ることが可能となる。As described above, by applying the present invention for precisely adjusting the Si content, the workability in manufacturing a wire and the bending workability after a heat treatment can be further improved. In particular, the improvement of the bending property after the heat treatment by applying the present invention means that the hardness of the heat treatment can be adjusted to be higher than that of the conventional piston ring. It is possible to improve the scuffing resistance and wear resistance of the piston ring that has been improved at a higher level.
【手続補正11】[Procedure amendment 11]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0037[Correction target item name] 0037
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【0037】以下、本発明の好ましい手段として、その
要件を構成する上記以外の元素の限定理由およびその作
用を述べる。Hereinafter, as the preferred means of the present invention, the reasons for limiting the elements other than those described above and the effects thereof will be described.
【手続補正12】[Procedure amendment 12]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0045[Correction target item name] 0045
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【0045】[0045]
【表1】 [Table 1]
【手続補正13】[Procedure amendment 13]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0046[Correction target item name] 0046
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【0046】次に、得られた焼鈍材の一部を、平行部長
40mm、平行部直径6mmの引張試験片形状に加工
し、線材の引抜きおよび圧延加工性の評価を目的とし
て、引張り試験を行った。また、同時に硬さの測定も行
った。残りの線状素材については、室温で直径5.5m
mの線材になるまで引抜加工を行い、ついで、1050
℃にて焼入れ後、焼戻しにて硬さを調整した。なお、該
調整後の硬さは、No.25〜28の比較材が38〜4
0HRC、その他の本発明適用材および比較材は48〜
50HRCである。そして、硬さを調整したこれらの熱
処理材より、3mm×3mmの断面形状を有する曲げ試
験片を作成し、曲げ加工性の評価として抗折試験を行っ
た。Next, a part of the obtained annealed material was processed into a tensile test piece having a parallel portion length of 40 mm and a parallel portion diameter of 6 mm, and a tensile test was conducted for the purpose of evaluating the wire drawing and rolling workability. Was. The hardness was also measured at the same time. The remaining linear material has a diameter of 5.5 m at room temperature.
The wire is drawn until the wire becomes m
After quenching at ℃, the hardness was adjusted by tempering. Note that the hardness after the adjustment is the same as that of No. 25 to 28 comparative materials are 38 to 4
0HRC, other materials applied to the present invention and comparative materials are 48-
50 HRC. Then, a bending test piece having a cross-sectional shape of 3 mm × 3 mm was prepared from these heat-treated materials whose hardness was adjusted, and a bending test was performed as an evaluation of bending workability.
【手続補正14】[Procedure amendment 14]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0049[Correction target item name] 0049
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【0049】[0049]
【表2】 [Table 2]
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI F16J 9/26 F16J 9/26 Z ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI F16J 9/26 F16J 9/26 Z
Claims (9)
ルテンサイト系鋼よりなるピストンリングであり、重量
%にて、C:0.2〜1.2%、Cr:5.0〜25.
0%を含有し、CrとCの含有量が、Cr(重量%)/
C(重量%)による値にて15〜45を満足することを
特徴とする耐スカッフィング性に優れたピストンリン
グ。1. A piston ring made of a martensitic steel having a surface nitrided layer formed by bending, wherein C: 0.2 to 1.2% and Cr: 5.0 to 25.
0%, and the content of Cr and C is Cr (% by weight) /
A piston ring having excellent scuffing resistance, characterized by satisfying a value of 15 to 45 in terms of C (% by weight).
が18〜30を満足することを特徴とする請求項1に記
載の耐スカッフィング性に優れたピストンリング。2. The piston ring having excellent scuffing resistance according to claim 1, wherein the value of Cr (% by weight) / C (% by weight) satisfies 18 to 30.
0%未満を満足することを特徴とする請求項1ないし2
に記載の耐スカッフィング性に優れたピストンリング。3. Cr: 5.0% or more in weight%.
3. The composition according to claim 1, wherein the ratio is less than 0%.
Piston ring with excellent scuffing resistance described in 1.
足することを特徴とする請求項1ないし3に記載の耐ス
カッフィング性に優れたピストンリング。4. The piston ring having excellent scuffing resistance according to claim 1, wherein the content of Si is 0.25% or less by weight.
足することを特徴とする請求項1ないし4に記載の耐ス
カッフィング性に優れたピストンリング。5. The piston ring having excellent scuffing resistance according to claim 1, wherein Mn: 0.30% or less is satisfied in terms of% by weight.
または2種以上が合計で0.3〜2.5%を満足するこ
とを特徴とする請求項1ないし5に記載の耐スカッフィ
ング性に優れたピストンリング。6. The method according to claim 1, wherein at least one of Mo, W, V, and Nb satisfies a total of 0.3 to 2.5% by weight. Piston ring with excellent scuffing resistance.
することを特徴とする請求項1ないし6に記載の耐スカ
ッフィング性に優れたピストンリング。7. The piston ring having excellent scuffing resistance according to claim 1, wherein Cu: 4.0% or less is satisfied in terms of% by weight.
することを特徴とする請求項1ないし7に記載の耐スカ
ッフィング性に優れたピストンリング。8. The piston ring having excellent scuffing resistance according to claim 1, wherein Ni is not more than 2.0% by weight.
することを特徴とする請求項1ないし8に記載の耐スカ
ッフィング性に優れたピストンリング。9. The piston ring having excellent scuffing resistance according to claim 1, wherein Al is not more than 1.5% by weight.
Priority Applications (1)
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EP2295777A1 (en) * | 2003-03-31 | 2011-03-16 | Hitachi Metals, Ltd. | Internal engine piston and its production method |
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-
1998
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