JPS5827860A - シリンダライナとピストンリングの組合せ - Google Patents

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】 本発明は内燃機関におけるシリンダライナとピストンリ
ングの組合せに関するものであり、特にディーゼル機関
や高鉛ガソリン機関、又は過給機関等の高温、腐食、高
負荷条件で使用されるシリンダライナとピストンリング
の最適な組合せを得んとするものである。

シリンダライナとピストンリングは最も一般的には鋳鉄
が用いられ、高負荷の機関ではＣｒメッキ浴射被覆等゛
の表面被覆や軟窒化、焼入に代表される熱処理が施され
るものであった。しかしながら高鉛ガソリン機関や排気
ガス環流機関では、Ｃｒメッキ等の表面被覆は相手材料
との高い電位差に伴う腐食Ｗ１耗が著しく進行し、高負
荷機関では表面被覆の疲労剥離が多数発生するものであ
った。

一方熱処理による表面−化は必要な硬度を得ようとした
場合に熱処理層の厚さの増加に伴う脆化が進行し、薄肉
のピストンリングやシリンダライナでは強度面の問題が
発生するものであった。

この８＠鉄における問題点を解決するものとして鋼製の
ピストンリングが注目され、例えば本出願人の先に提案
した特公昭５６−２１５２号や、特開昭５４−１５７２
９４号等の耐ｊｌＩ耗性を有する鋼製ピストンリングが
考案されている。しかしながらこれら鋼製ピストンリン
グに対してシリンダライナは鋳鉄か又は表面被覆や熱処
理を施したものしか使用されえなかった。

これは銅と鋼とですへゞり面を形成した場合にスカッフ
ィングと称せられる金属間の融着＊ｇを生じ易いためで
ありさらにはシリンダライナの如き全体として大きな負
荷変動を受ける部材では吸振性も要求され、このために
鋳鉄又は焼結合金が好まれるものであった。

しかしながら近年の哲燃費の要求により、機関の軽量化
の進行に伴いシリンダライナも！固化され、特にシリン
ダライナのうちでもシリンダスリーブにあってはエンジ
ンブロックへの圧入強度限界の薄さが要求され、鋳鉄、
焼結シリンダライナでは使用に耐えなくなっている。

そこで改めて鋼製のシリンダライナが注目されることと
なったが、従来のシリンダライナは鋳鉄製ピストンリン
グと組合わされ、さらに銅製シリンダライナにもＣｒメ
ッキ又はその他の表面処理又は熱処理による表面被膜が
設けられるのが通常であり、炉製ピストンリングと組合
わせることば不可能であった。その理由としては４月が
自己潤滑性に劣ることとみでなく、鋼と鋼との同種材料
とは金属間結合を起して融着しやすく、さらには接触面
の微小凹凸が変形し接触面積が増加することに伴う過大
摩耗やスカッフィングが発生しやすいことによる。かか
る＊ａやスカッフィングに対して硬度を上げてやること
によりある程度の効果は上るものの、単に硬度を高くし
だ嗣（例えば焼入れした工具＃ｌ）では高い硬度の方は
＊ｇが少ないものの相手材の銅を著しく摩耗させ、又ス
カッフィング発生はさけえないものであった。

本発明はかかる従来のピストンリングとシリンダライナ
の組合せにあって、従来不可能とされていた嗣と綱とを
組合せることを可能としたものであり、耐ｓｇ性、及び
耐スカッフィング性に優れると同時に、耐熱性、耐食性
も備え、特に高負荷の機関に最適なシリンダライナとピ
ストンリングの組合せを得るものである。

以下詳細に本発明を説明する。

まず本発明の要旨とするところは、特許請求の範囲に記
載した如く下記５つの構成によりなるシリンダライナと
ピストンリングの組合せにある。

■　＃ｌ〜こよるシリンダライナと、鋼によるピストン
リングの組合せである。

■　シリンダライナが基地組織が焼戻マルテンサイトで
あり、かつ基地組織中に主としてＣｒかうなる平均粒径
が３〜３０μの微細炭化物が面積比にして３〜２０％均
一に分散すること。

■シリンダライナの成分組成がＮ負％でＣ００５〜１．
２％、Ｃｒ１２〜１９％を含みかつ表面硬度がＨＶ　４
００〜８００であること。

■　ピストンリングの基地組織が焼戻マルテンサイトで
あり、かつ平均粒径３〜３０μの微細炭化物が面積比に
て３〜２０％均一に分散した表面硬度がＨＶ　４００〜
８００の銅であること。

■　シリンダライナとピストンリングの少なくとも一方
には表面硬度ＨＶ　　８００〜１５００の軟窒化層を有
すること。

かかる５つの構成によりなる本発明のシリンダライナと
ピストンリングの組合せは次の如き特徴を有するもので
ある。

まず第一に従来鋼と鋼との組合せが耐Ｓ魁牲及び耐スカ
ッフィング性に著しく劣っていたのに対して、本発明シ
リンダライナとピストンリングの組合せでは、シリンダ
ライナに多量の微細炭化物を多′ｃｔに分散させた例を
配し、ピストンリングにも多量の微細炭化物を分散させ
、かつ高硬度の表面処理層を有するピストンリングを配
したことによって′＃摩耗性及び耐スカッフィング性に
著しく優れた効果をあげうるものである。

かかる効果をあげる理由として本発明において用いられ
る微細炭化管が主としてＣｒよりなる硬度Ｈｖ１８００
〜２２００の高Ｐ度炭化物テアリ、平均粒径が細かく、
かつ均一に分散するものであり、これが摺動面間に介在
することによって金属間の直接接触を防ぎうろことによ
る。さらには基地組織も焼戻マルテンサイトとなして硬
度を高くする必要がある。これは基地組織の硬度が低い
場合に、極めて微散さ接触部分が弾性、又は塑性変形し
接触面積が増加し、炭化物が摺動面間に介在することに
よる効果かえられないためである。

一方シリンダライナとピストンリングの如き相対的摺動
部材ではその相対的な材料の相性が問題となるが、具体
的にはその硬度及び表面の特性が問題とされる。し））
るにに発明においてはシリンダライナをなす銅とピスト
ンリングをなす嗣とにピストンリングに設けた表面処理
層分の硬度差を有し、かつ互に基地組織中に、微細炭化
物が均一に分散することによって金属間での１．鯉をお
こしにくいばかりでなく、表面処理層、具体的には軟窒
化処理による窒化化合物層が摺動面に介在することによ
り、金属間の融着をおこしに＜＜シたことによる相乗効
果によってえられるものである。

従って上記本発明の効果を得るためにはシリンダライナ
とピストンリングのそれぞれの鋼は下記の理由で選択さ
れねばならない。

シリンダライナとして用いる鋼は、ピストンリングとの
慴動上、所定の剛性を有し微細炭化物が支承されねばな
らない、そのためシリンダライナの表面硬度は少なくと
もＨＶ　４００以上である必要があ６．、一方シリンダ
ライナ硬度が高すぎる場合にシリンダライナ自体が脆く
なり、高負荷機関等では破損と危険もあり、ＨＶ　８０
０以下の範囲で選ばれねばならない、−万ｖｍ　Ｈ勢引
ｅ！　Ｈする微細炭化物は均一に分散することで、一様
な耐摩耗性が得られるものであるが、平均粒径が大きい
場合に粒子の均一性が得難いばかりでなく、炭化物粒子
の基＠相識界面からの剥離に伴うアブレッシブ阿耗も生
じ易い。一方炭化物粒子の平均粒径が小さい場合に、全
体としての炭化物面積が得難いばかりでなく、摺動面間
にあって作用するベアリング効果も得難いため、シリン
ダライナの如き高負荷、高速の摺動部材にあっては平均
粒径が３〜３０μの範囲で選択されねば所定の効果が達
成させ得ない。

一万この炭化物のしめる面積率は過少であると炭化物の
介在する効果かえられず、過大であると組織の強度が著
しく低下する。従って本発明におけるシリンダライナに
あっては、摺動条件を考慮した時々にこの炭化物の面積
率は　３〜２０％で選択される必要がある。

さらに上記と如き基地組織と炭化物を有する鋼とし風、
少なくとも重量％にて、Ｃ０，５〜１゜２％、Ｃｒ１２
〜１９％を含む鋼であることが必要である。Ｃｌ１１は
炭化物の形成元素として不可欠のものであり、０．５％
未満では炭化物量に不足するばかりでなく、基地組織が
マルテンサイト化され難いため０．５％以上を要する。

一方Ｃｆｉが１．２％を超えた場合に炭化物管が過大と
なり、かつ基地が脆くなり、成形性及び加工性、恢度が
著しく低下するため、Ｃは０．５〜１．２％で選ばれる
必要がある。さらにｅｒはＣｒ炭化物が本発明の効果を
達成する炭化物として′ｆ！！ｌ適である理由により選
ばれ、かつ基地中に固溶してｍｓ性及び耐食性の効果を
あげるものとして必要であり、　４２％未満では炭化管
の大きさ又は量が過少となり、１９％を超えた場合に基
地組織の脆化が著しいばかりか、炭化管が粗大化する理
由により１２〜１９％の範囲で選ばれねばならない。

さらに本発明の効果を向上させる手断としてｃｒ以外の
炭化物形成元素、特に・（ｙ＆々Ｖ・、ｍｌ、　ｒｔ＞
のうち一種又は二種以上を合釘で０．６〜１．５％添加
するこセによって下記の如き効果を得る。

即ち、本発明においては後でも連々るが、軟窒化によっ
て摺動条件を改良することが必要な要件となるものであ
るが、（Ｍｏ、ＶｌＡ　Ｗ′Ｌ、’、Ｔｉ３　Ｎに（Ｍ
ｏ、Ｖ）は軟を化に伴う材料深部の軟化を阻止する効果
を有し、かつ高硬度の炭化物を形成するものであるが、
Ｏ，２５％未満ではこの効果がなく、１．５％を超えた
場合に基地の脆化が著しく、０゜５〜１．５％の範囲で
添加されることが望ましいものである。

以上シリンダライナにつき説明したが、本発明はかかる
シリンダライナに対して最適のビス・トンリングを組合
わせることによる相乗効果によって達成されるものであ
って、そのピストンリングは上記のシリンダライナと同
じ範囲の基地組織、炭化物、成分組成を有し、さらにシ
リンダライナに対し適度の硬度差を有するせ科とするこ
とに特徴を有する。

即ち、シリンダライナの説明で述蓼た如き基地組織が焼
戻マルテンサイトであって平均粒径３〜３０μの微細炭
化物が面積％にして　３〜２０％均一に分散したピスト
ンリングは、その炭化物によるベアリング効果と強度を
共に満足する必要から上記の範囲で選択されねばならな
い。

又成分組成にしてもＣ０９６〜１．２％、Ｃｒ１２〜１
９％を含み、さらに望ましくは（Ｍｏ％　ｖｌＷ、　Ｔ
ｉ）のうち−朦又は二種以上を０．５〜１゜５％含むこ
とが必要であることもシリンダライナと同じ理由による
。

このように同じ組織及び成分によるピストンリングとシ
リンダライナを組合せることによって本発明は著しい効
果を達成するが、そのためにはピストンリングとシリン
ダライナの少なくとも一方に硬度ＨＶ　８００〜１５０
０の表面硬度を有する軟窒化層を配する必要がある。

その理由として前述したシリンダライナとピストンリン
グは、マルテンサイト基地組織中に炭化物が分散し高い
表面硬度を有するものであるが、炭化１重量及び基地組
織の調整によって表面硬度Ｈｖ４００以上を必要とする
。これはＨＶ　４００未濶の硬度であるとＴＷＩＮ面で
の摩擦接触面積が大となるばかりか、ｍａ粉等の微小異
＃粒子によるアブレッシプｗｌ耗を発生し易いためであ
る。−刃表面硬度ＨＶ　８００を超える材料としようと
すれば薄肉部品であるピストンリングやシリンダライナ
が強度面で脆くなる理由により［（Ｖ　４００〜８゜Ｏ
で選択される必要があるが、このように高硬度の゛ごス
トンリングとシリンダライナを組合わせた場合に定常的
なＩＩＦ＋に対して著しく耐賽耗性が上がるものの、な
じみ運転初期においてのスカッフィングが発生する危険
性が残る。これに対して一つには摩擦係数低減効果を得
るためと、連成にピストンリングとシリンダライナに硬
度差を与え、かつ金属間の！液接触をある程度防止する
手段として軟窒化処理がシリンダライナとピストンリン
グの少なくとも一方に設けられねばならない。

この軟窒化層は通常の工具鋼及び炭素鋼では比較的深い
化合物層が得られるが、本発明の如き高炭素、高Ｃｒ合
金鋼においては窒化化合物層の深さはさほど得られない
、又軟窒化に伴う軟化を防止するた−めに（Ｍｏ、Ｖ　
％　Ｗ　％　Ｔｉ）を添加する必要がある。このように
本発明において軟窒化層は比較的薄いものであるが、機
関のなじみ一期間にあっては軟窒化層が介在することに
よるスカッフィングの防止が充分に得られ、ある程度な
じみ、ピストンリングとシリンダライナの初期１１１Ｐ
が終了した時点ではその硬度層も当初のものより少ない
ものとなり、ピストンリングとシリンダライナの一方の
［１１耗の発生が防がれる。

この砿窒化層の硬度はＨＶ　８００未濶であると相手材
料との硬度差が不足し、かつ窒化深さが少ないものであ
り、窒化層が早期に消滅し、ＨＶ１５００を超えた場合
に相手材料との硬度差が過大で相手材料を著しく＊ａさ
せる他、脆化も進行するため、ＨＶ８００〜１５００の
範囲で選択されねばならない。

以上記した如く本発明のピストンリングとシリンダライ
ナの組合せは鋼と鈎とを組合せたことによって教度の向
上を計り、かつ薄肉化し得ると共に、通常のＴｈ１１ｇ
性のみならず、耐スカッフィング性に優れ、かつ耐熱、
耐食性にも優れるものである。

耐食性については、例えばＣｒメッキの如き表面被覆が
母材との電位差を有する明白Ｊこよって化学的腐食を受
は易いのに対し、本発明においてはこのような化学的腐
食に対してはピストンリング、シリンダライナ共に母材
が高Ｃｒ嗣という耐食性材料であることにより、腐食し
難いものである。

又耐熱性についても　高Ｃｒ嗣で６る本発明ピストンリ
ングとシリンダライナはその基地自体が耐熱性のもので
あるばかりでなく、高Ｃ＃ｌであって硬度が高く従って
その強度も高いため、熱疲労に対しても充分に耐え、ら
れるものである。

又本発明を実施する場合に、ピストンリングとシリンダ
ライナとを全く間−の銅にて組合せることも可能ではあ
るが、機関によ妙でそれぞれ成分を異ならしめ、各々に
特徴をもたせることが望ましいことはいうまでもない。

具体、的には高温、高負荷Ｍ関ではピストンリングに加
わる負荷がより大きいため、ピストンリングを電量％で
Ｃ０，８−１，２％、Ｃｒ１６〜１９％含む鋼とし、シ
リンダラ・イナを重Ｑ％でＣ００５〜０．７５％、Ｃｒ
１２−１５％を含む鋼トし、双方に軟窒化層を設け、硬
度差を’ＨＶ　１００〜２５０与えたものとする。

かかる組合せはピストンリングにあっては相対的に高０
１高Ｃｒとすることで、耐熱、酬熱被労牲を大きくシ、
通常ホーニング等の表面粗さ調整加工を要するシリンダ
ライナを相対的に８０．低Ｃｒとして硬度を落し、加工
性を同上させると共に、ピストンリングとシリンダライ
ナ間との硬度差による＠他条件の調整が行なわれるもの
である。

特許出願人 日本ピストンリング株式会社

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）嗣によるシリンダライナとピストンリングの組合
   せにおいて、 前記シリンダライナが、基地組織が焼戻マルテンサイト
   であり、かつ基地組織中に主としてＣｒかうなる平均粒
   径３〜３０μの微細炭化物が面積比にして　３〜２０％
   均一に分散した組織を有し、さらに成分組成が重量％に
   てＣ０，５〜１．２％Ｃｒ１２〜１９％を含み、表面硬
   度がＨｖ４００〜８００である銅によりなるシリンダラ
   イナであり、前記ピストンリングが、基地組織が焼戻マ
   ルテンサイトであり、かつ平均粒径３〜３０μの微細炭
   化物が面積％にて、３〜２０％均一に分散した表面硬度
   がＨＶ　４００〜８００の−であり、さらに前記シリン
   ダライナとピストンリングの少なくとも一方には表面硬
   度ＨＶ　８００〜１５００の軟窒化層を有することを特
   徴とするシリンダライナとピストンリングの組合せ。
2. （２）前記シリンダライナの成分組成が重量％にてＣ０
   ，６〜１．２％、Ｓｉ１．０％以下、Ｍｎ１’０％以下
   、Ｃｒ１２〜１９％、（ＭＯ，Ｖ　ＳＷ　、　Ｔｉ）の
   うち−秒又は二種以上を０．５〜１．５％を含む鋼であ
   ることを特徴とする特許 第１項記載のシリンダライナとピストンリングの組合せ
   。
3. （３）前記ピストンリングの成分組成が重量・％にてＣ
   ０．６．〜１．２％、Ｓｉｌ．０％以下、Ｍｎｌ。 ０％以下、Ｃｒｌ２　〜１９％、（Ｍｏｌ　Ｖ　ｓ　Ｖ
   ｌｌＴｉ）とうち一種又は二柵以上を０．５〜１．５％
   含む鋼であることを特徴とする前記特許請求の範囲第１
   項記載のシリンダライナとピストンリングの組合せ。