JPS63280960A - スチ−ル製ピストンリング - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、内燃機関において窒化処理して使用されるス
チール製ピストンリングに関するものである。

〔従来の技術〕

近年の内燃機関の性能向上に伴い、内燃機関の軽量化が
求められ、ピストンリングにおいては軸方向幅を小さく
することによりピストンリング自体はもとより機関全体
の軽量化を図ることができる。そして、この軽量化が積
極的に推し進められた結果、近時強度上の問題のため、
従来の鋳鉄製ピストンリングに変わってスチール製ピス
トンリングが使われるようになってきた。しかしながら
、スチール製ピストンリングであっても母材のままで使
用した場合には、耐摩耗性の点で不十分であるため、少
なくとも外周面に窒化処理等の何らかの表面処理を単独
もしくは組合せて使用している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

自動車等の性能向上に伴って、ピストンリングの耐摩耗
性を向上させるために表面窒化処理深さを従来の２０〜
４０μｍ程度から、より深く１００〜２００μｍにする
ようになってきた。ところが、窒化処理深さを１００〜
２００μｍ程度施したピストンリングでは、ピストンへ
の組付は時、あるいは内燃機関運転時にピストンリング
のコーナー部を起点とした折損が生じる場合があった。

かかる問題点を解決する手段としては特開昭６０−１５
２６６８号に開示されるものが知られている。これはピ
ストンリング内周面の窒化層から亀裂が入るという折損
原因に鑑みてなされたもので、スチール製ピストンリン
グ内周面に窒化防止をした後、残る面に窒化処理を施す
ものである。

本発明者らが上記事実に基づき、更にこの折損現象につ
いて詳細に調査した結果、１００〜２００μｍという深
い窒化処理を施した場合、第８図に示すがごとく、コー
ナー部分がピストンリングの上面２あるいは下面３と内
周面４あるいは外周面５の両面方向より同時に窒化が進
行されるため、コーナー部の窒化層７は、他の窒化層部
分８より窒化深さが深くなり、かつ高い窒素濃度を示し
、部分的に脆くなっていることが確認された。すなわち
、本発明者らは折損の原因はコーナー部の部分的脆化お
よびコーナー部の応力集中によって生じた疲労破壊に基
づくものであることを知見するに到ったのである。

ところでピストンリングは、エンジン稼働中において、
シリンダーと摺動するため、シリンダーとの摩耗や焼付
の問題が生じ、したがって耐摩耗性、耐焼付性の高い材
質が求められる。エンジン　゛稼働中においては、装着
されるピストン溝内において複雑な動きをするため、疲
労強度や高い靭性が求められる。エンジンの高速化に伴
い、このような要求特性は高くなる一方である。また、
ピストンリングへのリング加工性も要求される。

本発明は、このような状況に鑑み、コーナー部からの折
損を防止し、かつピストンリングに要求される耐摩耗性
、耐焼付性、リング加工性等の諸特性を具備したスチー
ル製ピストンリングを提供しようとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、深さ１００〜２００μｍの窒化処理したスチ
ール製ピストンリングにおいて、該スチールが重量％で
Ｃ０．３〜０．９％、Ｓｉ２．０％以下、　Ｍｎ　２．
０％以下、　Ｃｒ　２．０〜９．０％を含有するスチー
ルであって、前記ピストンリング断面コーナー部に０．
１５−０．６０ｍの範囲で面取りを施したことを特徴と
するスチール製ピストンリングである。

本発明者らが前述の問題点を解決するためにコーナー形
状と耐折損性の関係について詳細な検討を行なった結果
、第１図に示すがごとく、コーナー部に最低０．１５ｗ
ｙａの面取り（図中ａ、ｂの寸法）を行なえば、均一な
深さの窒化層９が得られるため応力集中が軽減され、ま
たコーナー部の窒素濃度が高くならないため、脆化が起
らないことがわかった・ 一方、この種の用途で用いられるピストンリングでは、
その本来の機能である気密性、耐焼付性の設計上の制約
から実用的には、０．６ｎｍがコーナー部の面取りの上
限である。また、第２図はコーナー面取り寸法と疲労強
度との関係を示すグラフであるが１面取り寸法が０．６
＋ｍを越えても疲労強度向上の効果が飽和してしまうこ
とがわかる。

以上の理由により、コーナー部の面取り寸法を０．１５
−０．６０ｎｏに限定したのである。

なお、第１図では面取り形状としてＲ形状のものを示し
たが１本発明スチール製ピストンリングにおける面取り
形状は、これのみに限定されるものではない。例えば第
３図〜第５図に示したような形状であっても、コーナー
部の上面側あるいは下面側の面取り寸法ａ及び内周側あ
るいは外周側の面取り寸法すが０．１５−０．６０＋ｎ
ｍの範囲であればよく、面取り寸法がこの範囲内であれ
ば本発明の効果を得ることができる。

さらに副次的な効果として、ピストンリングの材料平線
の製造上でコーナー部に生じた微少な外傷が窒化による
コーナー部の脆化と同様に耐折損性の急激な劣化を招く
ため、製造過程で多発していた折損が本発明を実施した
ことにより折損率が減少し、歩留が向上した。

次に本発明スチール製ピストンリングの化学成分につい
て説明する。

Ｃは鉄中に固溶し、強度に寄与する元素であり、また炭
化物を形成し、耐摩耗性に寄与する重要な元素であるた
め、少なくとも０．３％以上必要である。

しかし、ＣはＮと同様鉄中において侵入型固溶元素であ
るため、多量の添加は窒化時の窒素の拡散を阻害し、十
分な窒化層を得ることができなくなると共に、リング成
形時の加工性も害するため、上限を０．９％とした。

ＳＬは鋼塊製造時に脱酸剤として添加される元素であり
、脱酸剤の他に合金元素として弾性限を上昇させる効果
があるが、２．囲を越える添加は、冷間における加工性
を低下させるためこれを上限とした。

ＭｎはＳｉと同様、鋼塊製造時に脱酸剤として添加され
る元素であり、２１部を越えると熱間加工性を害するた
めこれを上限とした。

Ｃｒは、添加物形成元素であり、耐摩耗性付与のため重
要である。また、同時に窒化層の硬さを高める元素でも
ある。特に窒素との親和性が高く、硬質の窒化物を形成
するため、本発明のように１００〜２００μｍの厚さの
窒化処理を行う材質には必須の元素である。これらの効
果を十分に得るためには、少なくとも２．０％以上の添
加が必要である。しかし、多量の添加は多くの炭化物を
形成し、材質の靭性を低下させ、リング加工性をを劣化
させるだけでなく、窒化層においても十分な窒化深さを
得にくくするため９．０％を上限とした。

また本発明では、上記成分にＡ１を０．３〜２．０％を
含有させることができる。

Ａ１は窒化特性向上のために含有せしめるものであるが
、０．３％未満では十分な効果が得られず、一方２．０
％を越えると酸化物系の介在物が著しく増加し疲労強度
が低下する。よって０．３〜２．０％とする。

さらにＷ、Ｍｏ、■およびＮｂの一種または二種以上を
含有することもできる。これらの元素は、いずれも焼も
どし軟化抵抗および高温強度を増大させるとともに、特
にＶ、Ｎｂは窒化処理によって硬質の窒化物を形成し、
表面硬さを向上させる効果をも有する。しかし、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ともに高価な元素であるため、
含有せしめる場合は２．５％以下に限定する。

〔実施例〕

以下本発明を実施例に基づき説明する。

第１表に示す化学組成を有するマルテンサイト系ステン
レス鋼を電気炉で溶解、鋳造してインゴットとした後、
分塊によりビレットとし、これを熱間圧延で５．５φの
コイルにした。このコイルを伸線後、冷間圧延にて第２
表の面取り寸法（Ｂ＝２．５薗、Ｔ　＝　３　、６　ｍ
ｍ　）を有するコイルに加工しく第６図）、”焼入れ焼
鈍しによりＨＲＣ４２に調質後、表面から２００μｍの
深さまで窒化処理を施して（ガス窒化法にて５４０℃で
３０時間保持した。）、供試材とした。

第　１　表、化学成分 （ｗｔ％） 第　　２　　表 本本供試材の面取り形状は、第６図に示すようにＲ形状
であるのでＲ＝ａ＝ｂとなる。

以上の供試材を用いて耐折損性を疲労強度として評価を
行なった。評価方法の概要を第７図に示す。

供試材１０の一端を回動可能な支持部材１１にて支持し
、他端を第７図に示すように保持具１２で保持し、支持
部材１１をｌｏｏｏｒｐｍで供試料〕０を最大５°の曲
がりをなすように往復運動させるものであり、スパンＱ
の調整により、供試材の応力値を変化させる。

上記評価方法による疲労強度評価を第２図に示す。

第２図よりコーナーＲの寸法が０．０８ｍｍ、０．１０
ｎｍと０．１５ａｎよりも小さい場合には疲労強度が著
しく劣り、また０、６１１Ｉ１１を越えると疲労強度と
しては飽和していることがわかる。

第３表に示す化学成分からなる供試材を得た。

これら供試材の特性を第４表に示す。

第４表中、張力減退度は５φ×１５０Ｑ九捧を常温で曲
率半径２５Ｒに曲げるに必要な荷重と、２５Ｒ曲げた状
態で３００℃Ｘ　ｌｈｒ加熱後、自然にもどし再び同曲
率半径に曲げるに要する荷重の減少率を示すものであり
、減少率の少ない方が張力減退が少ないことを示す。第
４表においては、鋳鉄製リングの減少率を１とし、それ
に対する各鋼種の減少率の比を表わしである。

第４表より、本発明に係る上記材料は優れた特性を有す
るものの、これを窒化した場合には前述の如くコーナー
部の窒素濃度が高くなり、その部分が脆化してしまう。

すなわち、本発明は上記組成の材料を用い、かつ本発明
所定の面取りを施すことにより、はじめてピストンリン
グとして要求される特性を満足させることができるもの
である。

〔発明の効果〕

以上の如く本発明によれば、コーナー部に０．１５〜０
．６ｎｎの面取りを行なうことにより、窒化処理後のコ
ーナー部の部分脆化による折損を防止して、窒化処理を
施したピストンリングを提供するものであり、工業上非
常に有益なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係るピストンリングの一実施例を示
す断面図、第２図は本発明の評価結果（コーナーＲと疲
労強度の関係）、第３図〜第５図は本発明による他の実
施形態を示す断面図、第６図は本発明の評価に使用した
供試材の断面図、第７図は本発明の評価に使用した実験
装置概略図、第８図は従来のピストンリングの断面図で
ある。 よ：ピストンリング、２：上面、３：下面、４：内周面
、５：外周面、６：窒化層、７：コーナー部窒化深さ、
８：コーナー部以外の窒化深さ、９；窒化深さ、１０：
供試材、１１：支持部材、１２：保持具、１３：供試材
取付状態、ａ：上面側あるいは下面側の面取り寸法、ｂ
：内周側あるいは外周側の面取り寸法、Ｑ＝ニスパンＴ
：軸方向厚み、Ｂ：軸方向幅。 第１図 第３図、　　　第４図 第５図　　　第６図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　深さ１００〜２００μｍの窒化処理したスチール製
   ピストンリングにおいて、該スチールが重量％でＣ０．
   ３〜０．９％、Ｓｉ２．０％以下、Ｍｎ２．０％以下、
   Ｃｒ２．０〜９．０％を含有するスチールであって、前
   記ピストンリング断面コーナー部に０．１５〜０．６０
   ｍｍの範囲で面取りを施したことを特徴とするスチール
   製ピストンリング。 ２　スチールの構成元素として、Ａｌ０．３〜２．０％
   を含有する特許請求の範囲第１項記載のスチール製ピス
   トンリング。 ３　スチールの構成元素として、Ｗ、Ｍｏ、ＶおよびＮ
   ｂの一種または二種以上を含有する特許請求の範囲第１
   項または２項記載のスチール製ピストンリング。