KR101038002B1

KR101038002B1 - 내연 기관용 피스톤 링재

Info

Publication number: KR101038002B1
Application number: KR1020087018602A
Authority: KR
Inventors: 가쓰히코 오이시; 도시히로 우에하라; 구니치카 구보타
Original assignee: 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2006-04-20
Filing date: 2007-04-19
Publication date: 2011-05-30
Also published as: US20120145289A1; KR20080090482A; JPWO2007123164A1; EP2011892A1; BRPI0707772A2; CN101395291A; JP4844902B2; WO2007123164A1; US20100158745A1

Abstract

본 발명의 목적은, 피스톤 링 제품으로 했을 때는 우수한 제반 특성을 유지하고, 또한 피스톤 링 선재 제조시에 있어서는 우수한 가공성 및, 형상 안정성을 구비한 피스톤 링재를 제공하는 것이다. 본 발명에 따르면, 질량%로, C: 0.5% 이상, 0.7% 미만, Si: 1.0% 이하, Mn: 1.0% 이하, Cr: 12.0~16.0%, Mo 및/또는 W(Mo+1/2W): 3.0% 이하, N: 0.02~0.14%를 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물으로 이루어지는 내연 기관용 피스톤 링재로서,

그 포함되는 C, N, Cr의 관계가,

25≤43.22C(%)+42.45N(%)-0.02Cr(%)≤40, 또한

0.15≤0.92C(%)+0.67N(%)-0.03Cr(%)≤0.30

의 식을 만족하는 내연 기관용 나사 톤 링재가 제공된다.

Description

내연 기관용 피스톤 링재 {PISTON RING MATERIAL FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은, 내연 기관에 사용되는 피스톤 링, 또는 추가로 슬라이드면을 질화 처리하여 사용되는 피스톤 링에 관한 것으로, 특히, 제조시 냉간에서의 인발이나 압연 가공성 외에, 피스톤 링으로서 우수한 특성을 겸비한 재료에 관한 것이다.

내연 기관, 특히 자동차 엔진에 사용되는 피스톤 링은, 종래의 주철제로부터, 강평선(steel falt rod) 이라는 선재를 링형으로 가공해 사용되는, 이른바 스틸 피스톤 링으로 이행(移行)이 진행되고 있다. 이것은 내연 기관의 경량화, 저연비화, 고속화, 고출력화 등의 요구에 대응하기 위해 링의 박형화나 기계적 강도의 향상의 필요성을 배경으로 하고, 또한 링 제조 공정의 대폭 단축의 효과도 큰 원인이다.

스틸 피스톤 링으로의 이행은, 고부하 영역에 있는 탑링이나 오일링에서 먼저 이행되며, 그 재질로는 Si-Cr강이나 11~17% Cr의 마르텐사이트계 스테인레스강이 이용되고 있다. 또한 이와 같은 소재에 크롬 도금 또는 질화 처리를 가한 피스톤 링이 많이 이용되고 있다. 일반적으로 피스톤 링재에는, 내스커핑성이나 내마모성이 요구되고 있어서, Cr, C 첨가량의 증가에 따른 탄화물량의 증가 및 조대화 에 의해 이들 특성이 향상되는 경향이 있다. 그러나, 이와 같은 탄화물의 형태는, 피스톤 링재의 피로 특성을 악화시키는 원인이 되고, 또한, 피스톤 링재를 선재 가공하여 소정의 링 형상으로 성형하는 휨 가공 시에 파손되는 원인이 될 수 있다.

그래서, 이와 같은 문제에 대해서, 마르텐사이트계 스테인레스강에 질소(N)와 탄소(C)를 복합 첨가함으로써, 피로 특성 및 질화 처리 후의 내스커핑성을 양립 시킨 발명이 개시되어 있다(일본국 특개2001-271144호 공보 참조). 또한 마찬가지로, 마르텐사이트계 스테인레스에 N를 첨가하고, Cr 탄화물을 미세화하는 기술을 배경으로 하여, 질화층 중의 질화물을 미세화하고, 많이 존재시키는 동시에, 질화층 중의 층상 입계 화합물이 미세하게 되도록 현미경 조직으로 함으로써, 내마모성, 내스커핑성, 내크랙킹성, 피로 특성이 우수한 마르텐사이트강제 질화 피스톤 링이 개시되어 있다(일본국 특개2002-030394호 공보 참조).

피스톤 링의 일반적인 제조 공정의 일례로서는, 소정의 조성으로 조정한 잉곳(ingot)을 제조하고, 열간 압연, 소둔, 냉간에서의 인발, 압연을 행하여 소정의 피스톤 링의 단면 형상으로 한 후, 담금질, 템퍼링이 행해지고, 링 형상으로 코일링한 후, 소재 내에 축적된 잔류 응력을 제거하기 위한 변형제거 열처리(strain-rmoving heat treatment), 거친 가공, 질화전 산처리, 가스 질화, 측면 질화층 제거 가공 및, 마무리 가공이 행해지고 있다. 전술한 N 첨가 강으로 이루어지는 피스톤 링은, 기계적 특성, 특히 내마모성, 내스커핑성, 그리고 피로 특성이 우수하지만, 선재 가공에서의 인발이나 압연 가공 등의 냉간 가공성이 나쁘고, 그 결과로서 이 공정 중에 다수의 소둔 공정을 필요로 하기 때문에, 비용이 높아지는 문제가 있었다. 또한 소재 내의 잔류 응력을 제거하는 변형제거 열처리에 있어서, 열처리 후에 형상이 불안정하게 되는 문제가 있어, 여전히 개선의 여지가 있는 것이 밝혀져 왔다.

본 발명의 목적은, 피스톤 링 제품으로서의 우수한 기계적 성질을 손상시키지 않고, 선재 제조시의 냉간에서의 인발 가공이나 압연 가공성을 향상시키고, 제조 비용의 저감을 도모하는 동시에, 변형제거 열처리 후의 형상 안정성을 겸비하는 것이 가능한 피스톤 링재를 제공하는 것이다.

본 발명자는, 피스톤 링의 제조에 있어서 냉간에서의 가공성에 영향을 주는 성분에 대하여 상세하게 검토를 행했다. 또한 상기 소재의 변형제거 열처리에 있어서의 형상 안정성에 미치는 각 성분의 영향을 상세하게 연구를 행했다. 그 결과, 피스톤 링재의 주요 구성 원소로 탄화물, 질화물을 형성하는 C, Cr, N의 각각의 첨가량에 더해, 그들의 상호 관계를 엄격하게 관리하는 일로, 피스톤 링으로서의 기계적 특성을 손상시키지 않고, 극히 양호한 냉간 가공성 및 변형제거 열처리 후에도 안정된 형상을 얻을 수 있는 것을 찾아내, 본 발명에 이르렀다.

즉, 본 발명은, 질량%로, C: 0.5% 이상, 0.7% 미만, Si: 1.0% 이하, Mn: 1.0% 이하, Cr: 12.0~16.0%, Mo 및/또는 W(Mo+1/2 W): 3.0% 이하, N: 0.02~0.l4%를 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물으로 이루어지는 내연 기관용 피스톤 링재로서, 그 포함되는 C, N, Cr의 관계가,

25≤43.22C(%)+42.45N(%)-0.02Cr(%)≤40, 또한,

0.15≤0.92C(%)+0.67N(%)-0.03Cr(%)≤0.30

의 식을 만족시키는 내연 기관용 피스톤 링재이다.

바람직하게는, 질량%로, C: 0.60~0.68%, Si: 0.1~1.0%, Cr: 14.0~16.0% , Mo 및/또는 W(Mo+1/2 W): 1.5 초과~3.0%(보다 바람직하게는 1.6~2.5%), N: 0.04~0.13%중 어느 하나 이상을 만족시키는 것이다. 또는, 추가적으로, 그 포함되는 C, N, Cr의 관계가,

29≤43.22C(%)+42.45N(%)-0.02Cr(%)≤35,

및/또는,

0.18≤0.92C(%)+0.67N(%)-0.03Cr(%)≤0.30

의 각 식을 만족시키는 것으로 한다. 물론, 이들 요건의 모두를 만족시킨 내연 기관용 피스톤 링재가 바람직하다. 또는, 추가적으로, Mo 및/또는 W는, Mo를 선택하는 것이 바람직하다.

도 1은 제1 실시예 및 제2 실시예에서의, V자 벤딩 시험에 사용하는 시험편 형상의 모식도이다.

도 2는 제1 실시예 및 제2 실시예에서의, V자 벤딩 시험의 시험 방법을 나타낸 모식도이다.

도 3은 제1 실시예에서의, 본 발명 및 비교예의 피스톤 링재에 있어서의 냉간 가공성(감소면적)과 형상 안정성(변화율)의 관계를 나타낸 도면이다.

도 4는 제2 실시예에서의, 본 발명의 피스톤 링재에있어서의 냉간 가공성(감 소면적)과 형상 안정성(변화율)의 관계를 나타낸 도면이다.

도 5는 제3 실시예에서의, 본 발명의 피스톤 링재의 조직 사진(200배)이다.

도 6은 제3 실시예에서의, 본 발명의 피스톤 링재의 조직 사진(1000배)이다.

도 7은 제3 실시예에서의, 본 발명의 피스톤 링재의 탄화물 사이즈 분포(200배로 관찰)를 나타낸 도면이다.

도 8은 제3 실시예에서의, 본 발명의 피스톤 링재의 탄화물 사이즈 분포(1000배로 관찰)를 나타낸 도면이다.

[주요 구성요소에 대한 부호의 설명]

1 시험편(3mm각×80mmL)

2 마킹

3 펀치

본 발명의 특징은, 피스톤 링재의 주요 구성 원소인, 탄화물을 형성하는 C, Cr에 대해서는, 특히 질화물을 형성하는 N가 특성에 큰 상호 영향을 주는 것을 예견하고, 따라서, 이들 원소 종류의 상호 관계를 엄격하게 관리하는 것으로, 피스톤 링의 제조시에 있어서의 냉간 가공성, 그리고, 열처리 후의 형상 안정성에도 뛰어난 피스톤 링재를 제공하는 것이다. 이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

C는, 탄화물을 형성하여 내스커핑성이나 내마모성을 높일 뿐만 아니라, 일부가 베이스 중에 고용됨으로써 강도 및 피로 특성의 향상에 기여하는, 본 발명의 중 요한 원소이다. 이를 위해서는 적어도 0.5%가 필요하다. 그러나, 0.7% 이상이 되면, 평선으로의 가공성이나 링으로의 가공성을 곤란하게 한다. 특히 피스톤 링에서는 제조성을 높이는 것에 의해 저가로 제조할 수 있는 것이 중요하기 때문에 0.7% 미만으로 했다. 바람직한 범위는 0.60~0.68% 이다.

Si는, 통상 탈산제로서 첨가되지만, 한편으로는 강의 템퍼링 연화 거동에도 영향을 주며, 특히 저합금강에서 Si의 영향은 중요하다. 템퍼링 연화를 막아 내열 강도를 높이기 위해서 Si는 필요하다. 그러나, 과도하게 첨가하면 냉간 가공성을 저하시키므로 Si의 상한을 1.2% 이하로 규정했다. 바람직하게는 1.0% 이하이다. 한편으로, 바람직한 하한은 O.1% 이상이다.

Mn도 Si와 마찬가지로 탈산제로서 사용되므로 필요한 원소이지만, 과도하게 첨가하면 열간 가공성을 해친다. 그러므로 Mn의 상한을 1.0% 이하로 규정했다.

Cr은, 일부가 C와 결합하여 탄화물을 형성해 내마모성을 높이고, 일부는 베이스에 고용되어 내식성을 높인다. 또한 템퍼링 연화 저항을 높이는 것으로 피스톤 링의 열수축저항성의 향상이나, 담금질성을 확보해 충분한 열처리 경도를 얻기 위해 필요하다. 그리고, 질화 처리를 행하는 경우에는, 질화층 내에서 미세한 질화물을 형성하기 위해, 피스톤 링의 내스커핑성, 내마모성을 한층 더 향상시키는 효과가 있다. 이들 효과를 얻기 위해는, 적어도 12.0%가 필요하지만, 과도한 첨가는 열전도율을 저하시킴으로써 슬라이드 이동에 의한 접촉면의 온도 상승을 조장하고, 내소부성(resistance to seizure)을 해칠 뿐 아니라 탄화물 또는 입경의 증가 및 증대를 초래하고, 가공성을 극단적으로 저하시키기 때문에 16.0%를 상한으로 했 다. 바람직한 범위는 14.0~16.0% 이다.

Mo 및 W는, 그 자체가 C와 결부되어 경질의 탄화물을 형성하는 것만이 아니고, 일부는 Cr 탄화물 중에 고용되기 위해, Cr 탄화물 자신이 강화되어 내마모성을 향상시키는 원소이다. 또, 템퍼링 때, 2차 경화 원소로서 기여하기 위해, 피스톤 링의 열수축저항성의 향상에도 유효하다. 또한 강철 제품 피스톤 링재는 일반적으로 피스톤 링으로서의 내마모성, 내스커핑성 및 피로 특성의 부여를 위해, 900~11 008℃로 가열하고, 급냉 담금질을 행한 후, 비교적 고온으로 템퍼링을 행하여, 경도 35~45 HRC로 조정되지만, Mo 및 W는 이 때의 담금질 조직을 안정적으로 하는 효과가 있다. 이것은 900~1100℃에서 석출되는 2차 탄화물을 입경이 미세한 M₂₃C₆으로하는 것을 가능하게 하고, M₇C₃의 석출을 억제할 수 있다. 즉, 900~1100℃의 온도 영역에서 형성되는 2차 탄화물을 고정함으로써, 담금질 온도가 다소 변화되어도 안정된 조직을 얻는 것이 가능하게 된다.

또한, 본 발명의 C 및 Cr의 양을 기초로 해 이루어지는 합금강은, 그 10OO℃ 부근의 상기 가열 온도가 담금질성, 즉 기계적 특성을 얻는데 적합하다. 즉, 이 온도가 너무 낮으면 충분한 경도를 얻지 못하고, 또한 반대로 너무 높으면 오스테나이트 입자가 조대화되어, 인성이 저하되므로, 양 특성의 밸런스를 고려하여 상기의 담금질 온도 영역을 적용하면 된다. 전술한 효과를 얻기 위해 Mo 및 W의 첨가가 필요하고, 특히 하한의 조정은 중요하다. (Mo+1/2W)의 관계식으로 관리했을 때의 Mo 및/또는 W의 하한은, 바람직하게는 1.5% 초과이며, 1.6% 이상이 바람직하다. 그러나, 과도한 첨가는, 경질 탄화물의 증가를 초래하고, 실린더의 마모량을 현저하게 증가시킬 뿐만 아니라, 가공성의 저하도 일으키는 원인이 된다. 따라서, 본 발명은, (Mo+1/2W)의 관계식으로 관리했을 때의 Mo 및/또는 W의 상한을 3.0%로 규정했다. 바람직하게는 2.5% 이하이다. 그리고, Mo는, W의 절반의 첨가량으로 동등한 효과를 얻을 수 있는 것 외에, 연화 저항을 향상시키는 효과가 있어, 템퍼링이나 변형제거 열처리 시의 열수축을 억제하는 것이 가능하므로, 비용 및 열처리 특성면에 있어서의 유리한 점을 고려할 때, W는 채용하지 않고, Mo 단독의 첨가가 바람직하다.

N는, 고온에서도 비교적 안정적이어서, 열간 가공 온도나 열처리 온도에 의한 형태 제어가 곤란한 공정(共晶) Cr 탄화물(M₇C₃)의 초정(初晶) 오스테나이트 입계로의 정출을 억제하는 원소이다.

이로써 조대한 Cr 탄화물이 존재하는 것에 기인하는 내스커핑성의 극단적인 저하나 가공성의 저하를 억제할 수 있다. 또 탄화물을 미세화하는 효과가 있기 때문에, 피로 특성이 향상시키는 것 외에 기계적 특성의 향상에도 효과가 있어, 가공성을 저하시키는 일 없이 인장 강도가 향상된다. 이 효과를 얻기 위해서는 적어도 0.02%가 필요하지만, 과도한 첨가는 강괴에 기공이 형성되고, 또 대기중에서의 용강 제조가 곤란하게 되어 비용상승으로 연결되기 때문에 0.14% 이하로 했다. 바람직한 범위는 0.04~0. 13%이다.

본 발명재에서는, 전술한 원소 외에, 나머지는 Fe로 하고 있지만, 당연한 것 으로서, 불가피하게 함유되는 불순물이 존재한다. 그리고, 피스톤 링으로서 사용할 때 충격적인 응력이 가해지는 경우, 인성을 향상시킬 목적으로 Ni를 2.0% 이하의 범위로 첨가해도 되고, 매트릭스를 강화하고, 열수축 저항성의 향상의 목적으로 Cu를 4% 이하의 범위로 첨가해도 된다.

또한, 내마모성을 한층 더 요구하는 것에 대해서는, 그 자체가 C와 결부되어 탄화물을 형성하는 것 외에, 그 일부가 Cr 탄화물 중에 고용되고, 탄화물을 강화하는 V, Nb 중 어느 하나 이상을, 총 3.0% 이하의 범위로 첨가해도 된다. 그리고, 강제 피스톤 링에서 내마모성 부여의 목적으로 행해지는 질화 처리에 의해, 강의 표면에 형성되는 질화층 경도를 향상시키기 위해 Al을 1.5% 이하의 범위로 첨가해도 된다. 또한, 내식성을 향상시키기 위해 Co를 1.0% 이하로 첨가해도 되고, 또 매트릭스의 경도를 향상시키기 위해 B를 100 ppm 이하로 첨가해도 된다.

그리고, 불순물 원소인 P, S는, 가능한 낮은 것이 바람직하지만, 극도로 저감하는 데에는 엄선한 고가의 원료를 사용해야 하며, 또한, 용해 정련에도 많은 비용이 들어가게 된다. 그러나, 본 발명에 있어서는, 특성상 및 제조상에서 특히 큰 문제가 없는, P≤O.1%, S≤O.1%의 범위이면, 함유되어도 상관없다.

또한, 본 발명은, 피스톤 링 제품으로서의 기계적 특성만이 아니고, 피스톤 링재로서의 선재 제조시의 냉간 가공성 및 열처리 후에 있어서의 형상 안정성도 겸비한 재료를 제공하는 것이다. 그리고, 본 발명의 최대의 특징은, 이들 특성을 얻기 위해 피스톤 링재로서 포함되는 C, Cr, N의 첨가량을 확실하게 조정하는 것이다. 이하, 그 이유를 상세하게 설명한다.

피스톤 링재의 선재 제조에 있어서의 냉간 가공성은, 강 중의 탄화물량이나 사이즈에 기인하는 것이 크고, 이 탄화물을 형성하고 있는, 주로 Cr나 C의 함유량에 지배된다. 또한, N는 탄화물의 미세화에 유효하고, 또 그 자체가 미세한 질화물을 형성해 탄화물의 응집 조대화를 억제하기 때문에, 이 3개의 원소를 확실한 범위로 관리함으로써 피스톤 링 제품으로서의 기계적 특성을 유지한 상태에서, 상기의 가공성 향상이 가능해진다. 그래서, 이들 효과를 최대한으로 발휘할 수 있는 C, Cr, N량의 최적 관계를 연구한 결과, 그것은 가공성을 목적 변수로하고, C, Cr, N를 설명 변수으로 했을 때의 중회귀 분석에 의해 얻어진, 정확한 계수에 의한 관계로 평가할 수 있고 따라서, 이 관계를 엄밀하게 관리하는 것이 필요하다는 것을 밝혀냈다.

즉, 강 중의 C, N, Cr의 서로의 함유량이, 25≤43.22C(%)+42.45N(%)-0.02 Cr(%)≤40을 만족시키도록 조정하는 것이다. 이 값이 25보다 작으면, 가공성은 양호하지만 피스톤 링으로서의 기계적 특성이나 내마모성, 내스커핑성이 저하되고, 또한 40보다 커지면 가공성이 저하되므로 선재 제조시에 있어서의 인발이나 압연이 곤란해져서, 복수 회의 소둔공정이 필요해지므로 비용이 높아진다. 바람직한 범위는, 상기 식에 의한 값이 29~35이다.

그리고, 피스톤 링의 제조에 있어서는, 링 형상으로 코일링 한 후, 소재 내에 축적된 잔류 응력을 제거하기 위한 변형제거 열처리가 행해지고 있지만, 이 처리 후에 형상이 불안정하게 되는 문제가 있다. 그리고, 이 형상 변형의 메카니즘은, 전술한 가공성과 마찬가지로, 주로 강철 중의 탄화물량이나 사이즈에 영향을 주는 것이 본 발명자의 검토에 의해 확인되어 있다. 그래서 주로 탄화물을 형성하는 Cr, C와 탄화물을 미세하게 하는 N의 첨가량을 확실한 범위로 상호 관리하는 일로, 피스톤 링으로서의 기계적 특성을 유지한 상태에서, 변형제거 열처리 후에도 안정된 형상을 얻는 것이 가능한 것을, 본 발명자는 밝혀 냈다.

즉, 강철 중의 C, Cr, N의 함유량이, 상기와 마찬가지로, 기계적 특성을 목적 변수로하고, C, Cr, N를 설명 변수로 했을 때의 중회귀 분석에 의해 얻어진 정확한 계수를 사용한 관계에 있어서, 0.15≤0.92C(%)+0.67N(%)-0.03Cr(%)≤0.30의 상호 관계를 만족시키도록 조정하는 것이다. 이 값이 0.15보다 작으면 형상 안정성을 얻지 못하고, 0.30보다 커지면 피스톤 링으로서의 기계적 특성이 저하된다. 바람직한 범위는, 상기 식에 의한 값이 0.18~0.30이다.

전술한 2개의 식을 만족시키도록, 확실하게 C, Cr, N를 조정함으로써, 제품 특성을 떨어뜨리지 않고, 또한 가공성 및 형상 안정성의 양 특성을 겸비한 피스톤 링재를 제공하는 것이 가능하다. 그 결과, 특성이 안정된 피스톤 링재의 공급이 가능해진다.

성분 조성에 특징을 가지는 본 발명의 피스톤 링재에 있어서는, 그 용제 공정에는, 성분의 미세 조정이 가능한 방법을 적용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 용해 공정에 있어서는, 외계로부터의 불순물 혼입이 적은 유도로나, 진공로를 거치는 것이 바람직하다. 또한, 주조 공정에 있어서는, 보통 조괴법 외에, 편석(偏析)이나 비금속 개재물의 저감에 유리한, 재용해법, 연속 주조법을 적용해도 된다.

실시예 1

고주파 진공 유도 용해에 의해, 10kg 잉곳을 용제했다. 그리고, 이들 잉곳에 열간 가공을 행하여, 15mm각의 봉형 소재를 얻었다. 이어서 소둔 처리 후에, 소정의 담금질(1000~1060℃) 및 템퍼링(600~640℃) 처리에 의해 경도를 40 HRC 전후로 조정한 시료 No.1~7을 제작했다. 각 시료의 화학 조성 및 C, Cr, N의 함유량으로부터 계산한 α, β 값(표 1의 각주 참조)을 표 1에 함께 나타낸다.

[표 1]

피스톤 링재로서의 선재 가공성의 평가로서, 인장 시험에 의한 감소면적(%)을 평가했다. 소둔 후의 소재로부터 JIS14A 축소형 시험편(전체 길이: 110mm, 평행 부 길이: 45mm, 평행부 직경:7mm, 목표점 거리: 35mm)을 채취하고, 그리고 실온에서 인장 시험을 행하고, 각 시료의 감소면적(%)의 값을 채취했다. 그리고, 피스톤 링 용도에 있어서는, 이 값이 45% 이상이면 냉간에서의 인발이나 압연 가공에 대해 문제가 없기 때문에, 이 값을 우수한 가공성의 지표으로 했다.

다음에, 피스톤 링의 형상 안정성 평가로서, 이하에 나타내는 V자 벤딩 시험을 행했다.

40 HRC로 경도 조정을 행한 소재로부터, 도 1에 나타낸 바와 같이 3mm각×80mm 길이의 시험편을 채취하고, 시험편 측면에 50mm 길이의 마킹을 하여 링 가공을 상정하고, 도 2에 나타낸 바와 같이 압입량이 10mm가 되도록 일정 속도로 가압하였다. 그리고, 마킹 간 거리(상부(L_OA)와 하부(L_OB)의 평균값) L_O를 측정하고, 그 후 부여 된 잔류 응력을 제거하기 위한 변형제거 열처리를 모의한 열처리를 Ar 분위기 중에서 600℃×1시간 행한 후, 다시 마킹 간 거리(L₁)를 측정했다. 이와 같이 하여 얻어진 L₀, L₁로부터, 다음 식에 의해 변화율을 구했다.

{(L₁-L₀)/L₀}×10O(%)

그리고, 열처리 온도 600℃에서의 이 변화율은, 본 발명자의 검토에 의하면, 0.15~0.3%의 범위이면 피스톤 링 용도로서의 형상 안정성에 문제가 없는 것을 확인하였다. 따라서, 형상 안정성을 나타내는 지표로서는, 0.15~0.3을 목표값으로 했다.

전술한 가공성(감소면적) 및 형상 안정성(변화율)의 평가 결과를 도 3에 나타낸다. 이로써, C, N, Cr량이 엄격하게 조정된 본 발명의 피스톤 링재는, 비교재와 비교해, 냉간 가공성 및 열처리 전후의 형상 안정성이 뛰어난 것을 알 수 있다.

실시예 2

고주파 진공 유도 용해에 의해, 10kg 잉곳을 용제했다. 그리고, 이들 잉곳에 열간 가공을 행하여, 15mm각의 봉형 소재를 얻었다. 이어서 소둔 처리 후에, 소정의 담금질(1000~1060℃) 및 템퍼링(600~640℃) 처리에 의해 경도를 40 HRC 전 후로 조정한 시료 No.8~13을 제작했다. 각 시료의 화학 조성 및 C, Cr, N의 함유량으로부터 계산한 α, β값(표 2의 각주 참조)을 표 2에 함께 나타낸다.

[표 2]

그리고, 피스톤 링의 가공성 및 형상 안정성을 평가하기 위해, 상기와 마찬가지의 인장 시험 및 V자 벤딩 시험을 행했다. 그 결과를 도 4에 나타낸다. 이로써, C, N, Cr량이 엄격하게 조정되고, 또한 Mo량이 적정 첨가된 본 발명의 피스톤 링재는, 냉간 가공성 및 열처리 전후의 형상 안정성의 양 특성이 안정적으로 얻어지는 것을 알 수 있다.

실시예 3

대기 용해로에 의해, 2600kg 잉곳을 용제했다. 그리고, 이 잉곳에 열간 가공을 행하여, 직경 15mm의 봉형 소재를 얻고, 이것을 시료 No.14로 했다. 화학 조성 및 C, Cr, N의 함유량으로부터 계산한 α, β값(표 3의 각주 참조)을 표 3에 나타낸다.

[표 3]

이어서, 소둔 처리 후에, 소정의 담금질(1040℃) 및 템퍼링 처리(600℃~640℃)를 행하여, 경도를 40 HRC로 조정한 봉형 소재의 종단면의 탄화물 분포를 측정했다. 측정에는 광학 현미경을 사용하고, 200배(도 5) 및 1000배(도 6)로 각각 무작위로 6개의 시야로 관찰한 조직 시야 중의 탄화물 사이즈를, 원 상당 직경에 의해 구했다.

그리고, 관찰 영역은 각각 8×10^-3㎟(2OO배), 3.2×10^-3㎟(10OO배)이다. 측정 결과를 각각 도 7 및 도 8에 나타낸다. 이로써 소재 중에 형성되는 탄화물은 그 크기가 1㎛ 이하이며, 미세하게 분포하고 있는 것을 알 수 있다. 본 발명의 피스톤 링재는, 이 탄화물의 미세화에 의해, 선재 제조시의 냉간 가공성과 코일링 후의 변형제거 열처리시의 형상 안정성이 함께 향상된다.

본 발명에 의하면, 피스톤 링 제품으로 했을 때는 우수한 특성을 유지하고, 또한 피스톤 링용 선재로서의 제조시에는 우수한 냉간 가공성과 그리고 열처리 후의 형상 안정성을 구비하고 있기 때문에, 피스톤 링의 성능 향상, 제조 공정의 간략화, 즉 저비용화에 크게 공헌한다.

Claims

질량%로, C: 0.5% 이상 0.7% 미만, Si: 0% 초과 1.2% 이하, Mn: 0% 초과 1.0% 이하, Cr: 12.0~16.0%, N: 0.02~0.14%를 포함하며, 또한, Mo 및 W 중 하나 이상을 관계식 (Mo+1/2W)의 값으로 0% 초과 3.0% 이하 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물으로 이루어지는 내연 기관용 피스톤 링재에 있어서,

상기 포함되는 C, N, Cr의 관계가,

25≤43.22C(%)+42.45N(%)-0.02Cr(%)≤40, 및

0.15≤0.92C(%)+0.67N(%)-0.03Cr(%)≤0.30

의 식을 만족하는, 내연 기관용 피스톤 링재.
제1항에 있어서,

질량%로, C: 0.60~0.68%인, 내연 기관용 피스톤 링재.
제1항에 있어서,

질량%로, Cr: 14.0~16.0%인, 내연 기관용 피스톤 링재.
제1항에 있어서,

질량%로, N: 0.04~0.13%인, 내연 기관용 피스톤 링재.
제1항에 있어서,

질량%로, 상기 포함되는 C, Cr, N의 관계가, 29≤43.22C(%)+42.45N(%)-0.02Cr(%)≤35의 식을 만족하는, 내연 기관용 피스톤 링재.
제1항에 있어서,

질량%로, 상기 포함되는 C, Cr, N의 관계가, 0.18≤0.92C(%)+0.67N(%)-0.03Cr(%)≤0.30의 식을 만족하는, 내연 기관용 피스톤 링재.
제1항에 있어서,

질량%로, Mo 및 W 중 하나 이상을 관계식 (Mo+1/2W)의 값으로 1.5% 초과~3.0% 포함하는, 내연 기관용 피스톤 링재.
제1항에 있어서,

질량%로, Mo 및 W 중 하나 이상을 관계식 (Mo+1/2W)의 값으로 1.6~2.5% 포함하는, 내연 기관용 피스톤 링재.
제1항, 제7항, 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 Mo 및 W 중 Mo이 선택되는, 내연 기관용 피스톤 링재.
제1항에 있어서,

질량%로, Si: 0.1~1.0%인, 내연 기관용 피스톤 링재.
질량%로, C: 0.60~0.68%, Si: 0.1~1.0%, Mn: 0% 초과 1.0% 이하, Cr: 14.0~16.0%, Mo: 1.6~2.5%, N: 0.04~0.13%를 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물으로 이루어지는 내연 기관용 피스톤 링재에 있어서,

상기 포함되는 C, Cr, N의 관계가,

29≤43.22C(%)+42.45N(%)-0.02Cr(%)≤35, 및

0.18≤0.92C(%)+0.67N(%)-0.03Cr(%)≤0.30

의 식을 만족하는, 내연 기관용 피스톤 링재.