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WO2007123164A1 - 内燃機関用ピストンリング材 - Google Patents

内燃機関用ピストンリング材 Download PDF

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WO2007123164A1
WO2007123164A1 PCT/JP2007/058482 JP2007058482W WO2007123164A1 WO 2007123164 A1 WO2007123164 A1 WO 2007123164A1 JP 2007058482 W JP2007058482 W JP 2007058482W WO 2007123164 A1 WO2007123164 A1 WO 2007123164A1
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WO
WIPO (PCT)
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piston ring
ring material
internal combustion
combustion engine
less
Prior art date
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PCT/JP2007/058482
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English (en)
French (fr)
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Katsuhiko Ohishi
Toshihiro Uehara
Kunichika Kubota
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Proterial Ltd
Original Assignee
Hitachi Metals Ltd
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Publication date
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Priority to US12/161,092 priority patent/US20100158745A1/en
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    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
    • F16J9/26—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction characterised by the use of particular materials

Definitions

  • the present invention relates to a piston ring used in an internal combustion engine or a piston ring used by nitriding a sliding surface, in particular, in addition to cold drawing and rolling processability during manufacturing,
  • the present invention relates to a material having excellent characteristics as a ring.
  • Piston rings used in internal combustion engines are making a transition from so-called pig iron rings to so-called steel piston rings that are used by processing wires such as steel flat wires into a ring shape. This is due to the need for thinner rings and improved mechanical strength to meet the demands for reducing the weight, fuel economy, speed, and output of internal combustion engines. The effect of shortening is also a major cause.
  • the transition to the steel piston ring has preceded the top ring and oil ring in the high load region, and the material is Si-Cr steel or 11-: 17% Cr martensitic stainless steel. Is used.
  • piston rings are often used in which such materials are chrome-plated or nitrided.
  • piston ring materials are required to have anti-scuffing properties and wear resistance, and these properties tend to be improved by increasing the amount of carbide and coarsening as the Cr and C content increases.
  • carbide form may cause deterioration of the fatigue characteristics of the piston ring material, and may also cause breakage during the bending process in which the piston ring material is processed into a predetermined ring shape.
  • Patent Document 1 JP 2001-271144 A
  • Patent Document 2 JP 2002-030394 A
  • an ingot adjusted to a predetermined composition is manufactured, and hot rolling, annealing, cold drawing and rolling are performed to obtain a predetermined piston ring cross-sectional shape.
  • heat treatment to remove residual stress accumulated in the material, roughing, pre-nitriding acid treatment, gas nitriding, side nitriding layer removal processing And finishing processing is performed.
  • the above-mentioned piston ring made of N-added steel has excellent mechanical properties, especially wear resistance, scuffing resistance, and fatigue properties, but has poor cold workability such as drawing and rolling in wire processing.
  • the object of the present invention is to improve the cold drawing and rolling processability during wire production without compromising the excellent mechanical properties as a piston ring product.
  • An object of the present invention is to provide a piston ring material that can have shape stability after heat treatment.
  • the present invention is, by mass%, C: 0.5% or more, less than 0.7%, Si: 1.0% or less, Mn: 1.0% or less, Cr: 12.0 to: 16.0%, Mo and / or W (Mo + 1 / 2W): 3.0% or less, N: 0.02-0.14% included, the balance is a piston ring material for internal combustion engines consisting of Fe and unavoidable impurities, including C, N , Cr relationship
  • the relationship between the contained C, N, and Cr is
  • the feature of the present invention is that, for C and Cr that form carbides, which are the main constituent elements of the piston ring material, it has been found that N, which forms nitrides, has a great influence on the characteristics. Therefore, by strictly controlling the mutual relationship between these element types, the piston ring is excellent in cold workability during manufacturing of the piston ring and in shape stability after heat treatment. To provide materials.
  • the present invention is described in detail below.
  • C is an important element of the present invention that contributes to the improvement of strength and fatigue properties by forming a carbide to increase the anti-scuffing property and wear resistance, so that a part of the carbon dissolves in the base. It is. This requires at least 0.5%. However, if it exceeds 0.7%, it becomes difficult to work on flat wires and rings. Especially for piston rings, since it is important to increase the manufacturability at a low cost, it was set at less than 0.7%. The preferred range is 0.60 to 0.68%.
  • Si is usually added as a deoxidizer, but on the other hand, it also affects the temper softening behavior of the steel, and the influence of Si is particularly important in low alloy steels. Si is necessary to prevent temper softening and increase the heat resistance.
  • the upper limit of Si is set to 1.2% or less because cold workability deteriorates if excessively added. Desirably 1.0. / o or less.
  • the preferred lower limit is 0.1% or more.
  • Mn is used as a deoxidizer, and is a necessary element, force S. If it is added excessively, hot workability is impaired. Therefore, the upper limit of Mn is specified to be 1.0% or less.
  • Cr partially combines with C to form carbides to improve wear resistance, and partly dissolves in the base to improve corrosion resistance. In addition, it increases the resistance to temper softening and is necessary to improve the heat resistance of the piston ring, to ensure hardenability and to obtain sufficient heat treatment hardness.
  • fine nitride is formed in the nitrided layer, which is effective in further improving the anti-scuffing and wear resistance of the piston ring. In order to obtain these effects, at least 12.0% is necessary. However, excessive addition promotes the temperature rise of the contact surface by sliding by lowering the thermal conductivity, thereby improving the seizure resistance.
  • the upper limit is set to 16.0% in order to cause an increase in the particle size and / or an increase in the particle size, resulting in a drastic decrease in workability.
  • a preferred range is from 14.0 to 16.0%.
  • Mo and W are bonded to C to form hard carbide, and a part of it is dissolved in Cr carbide. Therefore, Cr carbide itself is strengthened and is an element that improves wear resistance. It is. In addition, it contributes as a secondary hardening element during tempering, so it is effective in improving the heat resistance of the piston ring.
  • steel piston ring materials are generally 900 to 11 for imparting wear resistance, scuffing resistance and fatigue properties as piston rings. After heating to 00 ° C, quenching and quenching, tempering at a relatively high temperature, the force adjusted to a hardness of 35 to 45 HRC Mo and W have the effect of stabilizing the quenched structure at this time. The This means that the secondary carbides precipitated at 900-1100 ° C are MC with a fine particle size.
  • the heating temperature in the vicinity of 1000 ° C is suitable for obtaining hardenability, that is, mechanical properties. In other words, if this temperature is too low, sufficient hardness cannot be obtained, and conversely if it is too high, austenite grains coarsen and toughness decreases. It is better to apply the range. In order to obtain the effects described above, it is necessary to add Mo and W. In particular, adjustment of the lower limit is important.
  • the lower limit of Mo and / or W when managed by the relational expression (Mo + lZ2W) is preferably more than 1.5%, and preferably 1.6% or more.
  • the upper limit of Mo and / or W when managed by the relational expression (MO + 1 / 2W) is defined as 3.0%. Preferably it is 2.5% or less.
  • Mo has the effect of improving softening resistance in view of the fact that an equivalent effect can be obtained with an amount of addition of half the amount of W, and suppresses heat buildup during tempering and strain relief heat treatment. Therefore, it is desirable to add Mo alone without adopting W because of the advantages in terms of cost and heat treatment characteristics.
  • N is an element that suppresses the crystallization of eutectic Cr carbide (M C) to primary austenite grain boundaries, which is relatively stable at high temperatures and difficult to control the form by hot working temperature or heat treatment temperature.
  • the balance is Fe.
  • Fe As a matter of course, impurities inevitably contained exist. If impact stress is applied when used as a piston ring, Ni may be added within the range of 2.0% or less for the purpose of improving toughness, strengthening the matrix and improving heat resistance. For the purpose of improvement, Cu may be added in the range of 4% or less.
  • the impurity elements P and S are as low as possible. However, in order to reduce them extremely, carefully selected and expensive raw materials must be used, and a large amount of cost is required for dissolving and scouring. It will be powerful. However, in the present invention, there is no particular problem in terms of characteristics and production, so long as it is in the range of ⁇ 0.1%, S ⁇ 0.1%.
  • the present invention has not only cold workability when manufacturing a wire rod as a piston ring material but also shape stability after heat treatment.
  • the material is provided.
  • the greatest feature of the present invention is that the amount of addition of C, Cr and N contained as a piston ring material is appropriately adjusted in order to obtain these characteristics. The reason will be described in detail below.
  • the cold workability in the production of piston ring wire is mainly governed by the Cr and C content, which is mainly due to the amount and size of carbides in the steel. .
  • N is effective in making carbide finer, and itself forms fine nitrides to suppress agglomeration and coarsening of carbides.
  • the above workability can be improved in a state in which the mechanical characteristics are maintained. Therefore, we have studied the optimal relationship between the C and CN amounts that can maximize these effects. As a result of research, it was possible to evaluate the relationship with an accurate coefficient obtained by multiple regression analysis with C, Cr, and N as explanatory variables. I found out that it is necessary to manage.
  • the content of C, Cr, and N in steel can be obtained by multiple regression analysis with the same mechanical properties as the objective variable and C, Cr, and N as explanatory variables, as described above.
  • Using an accurate coefficient satisfy the mutual relationship of 0. 15 ⁇ 0. 92C (%) +0. 67N (%) -0. 03Cr (%) ⁇ 0.30 Is to adjust so that. If this value is less than 0.15, shape stability cannot be obtained, and if it is greater than 0.30, the mechanical characteristics of the piston ring will be degraded.
  • a preferred range is from 0.18 to 0.30 in accordance with the above formula.
  • the piston has both the workability and shape stability characteristics without deteriorating the product characteristics.
  • the melting process includes It is desirable to apply a method that allows fine adjustment of the components. For example, in the melting process, it is desirable to go through a vacuum furnace if the induction furnace is less contaminated with impurities from the outside. Further, in the forging process, in addition to the ordinary ingot casting method, a remelting method or a continuous forging method may be applied, which is advantageous for reducing segregation and nonmetallic inclusions.
  • a 3mm sq. X 80mm length test was made from a material with hardness adjusted to 40HRC. Specimens were sampled, 50 mm long inscriptions were attached to the sides of the specimen, and assuming a ring process, they were pushed in at a constant speed so that the pushing amount was 10 mm as shown in Fig. 2. Then, the distance between the markings (average value of upper L and lower L) L is measured, and then the applied residual stress is measured.
  • a heat treatment simulating the strain relief heat treatment for removal was performed in an Ar atmosphere at 600 ° C for 1 hour, and the distance L between the markings was measured again. L and L forces obtained in this way
  • the rate of change at a heat treatment temperature of 600 ° C is 0.15 to 0.3 according to the study of the present inventor. In the range of / 0 , it has been confirmed that there is no problem in shape stability for piston ring applications. Therefore, the target value is 0.15 to 0.3 as an indicator of shape stability.
  • Fig. 3 shows the evaluation results of the workability (drawing) and shape stability (change rate) described above.
  • the piston ring material of the present invention in which the amounts of C, N, and Cr are strictly adjusted, has superior cold workability and shape stability before and after heat treatment compared to the comparative material.
  • the piston ring material of the present invention improves both the cold workability during wire manufacturing and the shape stability during the heat treatment after coiling due to the refinement of the carbide.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of the shape of a test piece used in a V-shaped bending test in Examples 1 and 2.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a V-shaped bending test method in Examples 1 and 2.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between cold workability (squeezing) and shape stability (change rate) in the piston ring materials of the present invention and comparative examples in Example 1.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between cold workability (drawing) and shape stability (change rate) in the piston ring material of the present invention in Example 2.
  • FIG. 5 is a structural photograph (200 ⁇ ) of a piston ring material of the present invention in Example 3.
  • FIG. 6 is a structural photograph (1000 times) of a piston ring material of the present invention in Example 3.
  • FIG. 6 is a structural photograph (1000 times) of a piston ring material of the present invention in Example 3.
  • FIG. 7 is a diagram showing the carbide size distribution (observed at 200 times) of the piston ring material of the present invention in Example 3.
  • FIG. 8 is a diagram showing a carbide size distribution (observed at 1000 times) of the piston ring material of the present invention in Example 3.

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Description

明 細 書
内燃機関用ピストンリング材
技術分野
[0001] 本発明は、内燃機関に使用されるピストンリング、あるいはさらに摺動面を窒化処理 して使用されるピストンリングに関して、特に、製造時の冷間における引抜きや圧延 加工性に加え、ピストンリングとして優れた特性を兼ね備えた材料に関する。
背景技術
[0002] 内燃機関、特に自動車エンジンに使用されるピストンリングは、従来の铸鉄製から 鋼平線といった線材をリング状に加工して用いられる、いわゆるスチールピストンリン グへと移行が進んでいる。これは内燃機関の軽量化、低燃費化、高速化、高出力化 等の要求に対応するためのリングの薄肉化や機械的強度の向上の必要性が背景に あり、さらにリング製造工程の大幅短縮の効果もその大きな原因となっている。
[0003] スチールピストンリングへの移行は、高負荷領域にあるトップリングやオイルリングに おいて先行しており、その材質としては Si— Cr鋼や 11〜： 17%Crのマルテンサイト系 ステンレス鋼が用いられている。さらにこのような素材にクロムメツキあるいは窒化処理 を施したピストンリングが多く用いられている。一般にピストンリング材には、耐スカツフ イング性ゃ耐摩耗性が要求されており、 Cr、 C添加量の増加に伴う炭化物量の増加 および粗大化によりこれらの特性が向上する傾向にある。しかし、このような炭化物の 形態は、ピストンリング材の疲労特性を悪化させる原因となりまた、ピストンリング材を 線材加工して所定のリング形状に成形する曲げ加工の際に折損する原因にもなりう る。
[0004] そこで、このような問題に対して、マルテンサイト系ステンレス鋼に窒素 Nと炭素 Cを 複合添加することで、疲労特性および窒化処理後の耐スカツフィング性を両立させた 発明が開示されている（特許文献 1を参照)。また同様に、マルテンサイト系ステンレ スに Nを添加し、 Cr炭化物を微細化する技術を背景に、窒化層中の窒化物を微細 化し、数多く存在させるとともに、窒化層中の層状粒界化合物が微細となるような顕 微鏡組織とすることによって、耐摩耗性、耐スカツフィング性、耐クラッキング性、疲労 特性に優れるマルテンサイト鋼製窒化ピストンリングが開示されている（特許文献 2を 参照）。
特許文献 1 :特開 2001— 271144号公報
特許文献 2 :特開 2002— 030394号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] ピストンリングの一般的な製造工程の一例としては、所定の組成に調整したインゴッ トを製造し、熱間圧延、焼鈍、冷間における引抜き、圧延を行い所定のピストンリング の断面形状としその後、焼入れ、焼戻しが行われ、そしてリング形状へコィリングした 後、素材内に蓄積された残留応力を除去するための歪取り熱処理、粗加工、窒化前 酸処理、ガス窒化、側面窒化層除去加工および、仕上げ加工が行われている。上述 した N添加鋼よりなるピストンリングは、機械的特性、特に耐摩耗性、耐スカツフィング 性、そして疲労特性に優れるものであるが、線材加工における引抜きや圧延加工等 の冷間加工性が悪ぐ結果としてこの工程中に多数の焼鈍工程を必要とするため、コ ストが高くなるという問題があった。更に素材内の残留応力を除去する歪取り熱処理 において、熱処理後に形状が不安定になる問題があり、依然として改善の余地があ ることが明らかになつてきた。
[0006] 本発明の目的は、ピストンリング製品としての優れた機械的性質を損なうことなぐ 線材製造時の冷間における引抜き加工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、歪取り熱処理後の形状安定性を兼ね備えることが可能であるピストンリ ング材を提供することである。
課題を解決するための手段
[0007] 本発明者は、ピストンリングの製造においてその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に検討を行った。さらに上記素材の歪取り熱処理における 形状安定性に及ぼす各成分の影響を詳細に研究を行った。その結果、ピストンリン グ材の主要構成元素で炭化物、窒化物を形成する C、 Cr、 Nの個々の添カ卩量に加え て、それらの相互関係こそを厳格に管理することで、ピストンリングとしての機械的特 性を損なうことなぐ極めて良好な冷間加工性および歪取り熱処理後も安定した形状 を得ること力 Sできることを見レ、だし、本発明に至った。
[0008] すなわち、本発明は、質量％で、 C:0.5%以上、 0.7%未満、 Si: 1.0%以下、 M n:l.0%以下、 Cr:12.0〜： 16.0%、 Moおよび/または Wを（Mo+ 1/2W)： 3. 0%以下、 N:0.02-0.14%を含み、残部は Feおよび不可避的不純物からなる内 燃機関用ピストンリング材であって、その含まれる C、 N、 Crの関係が、
25≤43.22C(%) +42.45N(%)—0.02Cr(%)≤40,且つ、
0.15≤0.92C(%) +0.67N(%) -0.03Cr(%)≤0.30
の式を満たす内燃機関用ピストンリング材である。
[0009] 好ましくは、質量0 /0で、 C:0.60〜0.68%、 Si:0. 1~1.0%、 Cr:14.0〜： 16.0 %、 Moおよび/または Wを（MO + 1/2W) :1.5超〜 3.0% (より好ましくは 1.6〜 2.5%)、N:0.04〜0.13%のうちのいずれ力 4つ以上を満たすものである。あるい はさらに、その含まれる C、 N、 Crの関係が、
29≤43.22C(%) +42.45N(%)—0.02Cr(%)≤35,
および/または、
0.18≤0.92C(%) +0.67N(%) -0.03Cr(%)≤0.30
の各式を満たすものとする。もちろん、これらの要件の全てを満たした内燃機関用ピ ストンリング材が望ましい。あるいはさらに、 Moおよび/または Wは、 Moを選択する ことが望ましい。
発明の効果
[0010] 本発明によれば、ピストンリング製品とした際には優れた特性を維持し、尚且つピス トンリング用線材としての製造時には優れた冷間加ェ性と、そして熱処理後の形状安 定性を具備しているため、ピストンリングの性能向上、製造工程の簡略化つまり低コス ト化に大きく貢献するものである。
発明を実施するための最良の形態
[0011] 本発明の特徴は、ピストンリング材の主要構成元素である、炭化物を形成する C、 C rに対しては、特に窒化物を形成する Nが特性に大きな相互影響を与えることを知見 し、よって、それら元素種の相互関係こそを厳格に管理することで、ピストンリングの 製造時における冷間加工性かつ、熱処理後の形状安定性にも優れるピストンリング 材を提供することにある。以下に本発明を詳しく説明する。
[0012] Cは、炭化物を形成して耐スカツフィング性ゃ耐摩耗性を高めるだけでなぐ一部が 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、本発明の重要な 元素である。このためには少なくとも 0. 5%が必要である。し力 ながら、 0. 7%以上 になると、平線への加工性やリングへの加工性を困難にする。特にピストンリングにお レ、ては製造性を高めることにより安価に製造できることが重要であるので 0. 7%未満 とした。好ましレヽ範囲は 0. 60〜0. 68%である。
[0013] Siは、通常脱酸剤として添加されるが、一方では鋼の焼戻し軟ィ匕挙動にも影響し、 特に低合金鋼においては Siの影響は重要である。焼戻し軟化を防ぎ耐熱強度を高 めるために Siは必要である。し力 ながら、過度に添加すると冷間加工性を低下させ るので Siの上限を 1. 2%以下に規定した。望ましくは 1. 0。/o以下である。一方で好ま しい下限は、 0. 1 %以上である。
[0014] Mnも Siと同様、脱酸剤として使用されるため必要な元素である力 S、過度に添加す ると熱間における加工性を害する。そのため Mnの上限を 1 · 0%以下に規定した。
[0015] Crは、一部が Cと結合して炭化物を形成し耐摩耗性を高め、一部は基地に固溶し て耐食性を高める。また焼戻し軟ィ匕抵抗を高めることからピストンリングの耐熱へタリ 性の向上や、焼入れ性を確保し十分な熱処理硬さを得るために必要である。そして、 窒化処理を行う場合には、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 の更なる耐スカツフィング性、耐摩耗性の向上に効果がある。これらの効果を得るた めには、少なくとも 12. 0%が必要であるが、過度の添加は熱伝導率を低下させるこ とにより摺動による接触面の昇温を助長し、耐焼付き性を害するば力りか炭化物ある いは粒径の増加'増大を招き、加工性を極端に低下させるため 16. 0%を上限とした 。好ましい範囲は 14. 0〜： 16. 0%である。
[0016] Moおよび Wは、それ自体が Cと結び付き硬質の炭化物を形成するだけでなぐ一 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寄与するため、ピストンリング の耐熱へタリ性の向上にも有効である。さらに鋼製ピストンリング材は一般にピストンリ ングとしての耐摩耗性、耐スカツフィング性および疲労特性の付与のため、 900〜11 00°Cに加熱し、急冷焼入れを行った後、比較的高温で焼戻しを行って、硬さ 35〜4 5HRCに調整される力 Moおよび Wはこの際の焼入れ組織を安定にする効果があ る。これは 900〜1100°Cで析出する 2次炭化物を粒径が微細な M Cとすることを
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可能とし、 M Cの析出を抑制することができる。つまり、 900〜： 1100°Cの温度域で
7 3
形成される 2次炭化物を固定することで、焼入れ温度が多少変化しても安定した組織 を得ることが可能になる。
[0017] また、本発明の Cおよび Cr量を基礎にしてなる合金鋼は、その 1000°C付近の上記 加熱温度が焼入れ性、すなわち機械的特性を得るのに適している。つまり、この温度 が低すぎると十分な硬さが得られず、また逆に高すぎるとオーステナイト粒が粗大化 してしまい、靭性が低下するため、両特性のバランスを考慮し、上記の焼入れ温度域 を適用すると良い。上述した効果を得るために Moおよび Wの添カ卩は必要であり、特 には下限の調整が重要である。 （Mo + lZ2W)の関係式で管理した時の Moおよび /または Wの下限は好ましくは 1. 5%超であり、 1. 6%以上が望ましい。しかし、過 度の添加は、硬質炭化物の増加を招き、シリンダの摩耗量を著しく増加させるだけで なぐ加工性の低下をも引き起こす原因となる。よって、本発明は、（MO + 1/2W)の 関係式で管理した時の Moおよび/または Wの上限を 3. 0%に規定した。好ましくは 2. 5%以下である。なお、 Moは、 Wの半分の添カ卩量で同等の効果を得ることができ ることにカ卩えて、軟化抵抗を向上させる効果があり、焼戻しや歪取り熱処理時の熱へ タリを抑制することが可能であることから、コストおよび熱処理特性面における有利性 より、 Wは採用しない、 Mo単独の添加が望ましい。
[0018] Nは、高温でも比較的安定で、熱間加工温度や熱処理温度による形態制御が困難 である共晶 Cr炭化物（M C )の初晶オーステナイト粒界への晶出を抑制する元素で
7 3
ある。これにより粗大な Cr炭化物が存在することに起因する耐スカツフィング性の極 端な低下や加工性の低下を抑制することができる。また炭化物を微細化する効果が あるため、疲労特性が向上するばかりか機械的特性の向上にも効果があり、加工性 を低下させることなく引張強度が向上する。この効果を得るためには少なくとも 0. 02 %が必要であるが、過度の添加は鋼塊にガス穴が形成され、また大気中での溶製が 困難になりコストアップに繋がるため 0. 14%以下とした。好ましい範囲は 0. 04〜0. 13%である。
[0019] 本発明材においては、上述の元素の他、残部は Feとしている力 当然のことながら 不可避的に含有される不純物は存在する。そして、ピストンリングとして使用する際に 衝撃的な応力が加わる場合、靭性を向上する目的で Niを 2. 0%以下の範囲で添カロ してもよく、マトリックスを強化し、耐熱へタリ性の向上の目的で Cuを 4%以下の範囲 で添加してもよい。
[0020] また、更なる耐摩耗性の要求に対しては、それ自体が Cと結び付き炭化物を形成す るだけでなぐその一部が Cr炭化物中へ固溶し、炭化物を強化する V、 Nbのうちい ずれか 1種以上を、合計で 3. 0%以下の範囲で添加してもよい。そして、鋼製ピスト ンリングで耐摩耗性付与の目的で行われる窒化処理により、鋼表面に形成される窒 化層硬さを向上させるために A1を 1. 5%以下の範囲で添加してもよい。更に、耐食 性を向上させるために Coを 1. 0。/o以下で添カ卩してもよぐまたマトリックスの硬さを向 上させるために Bを lOOppm以下で添加してもよい。
[0021] なお、不純物元素である P、 Sは、できるだけ低い方が好ましいが、極度に低減する には厳選した高価な原料を使用しなければならず、また、溶解精鍊にも多くの費用が 力力ることとなる。し力 ながら、本発明においては、特性上および製造上で特に大き な問題はない、 Ρ≤0· 1%, S≤0. 1%の範囲であれば、含有しても構わない。
[0022] カロえて、本発明は、ピストンリング製品としての機械的特性だけでなぐピストンリン グ材としての線材製造時の冷間加工性に加え、熱処理後における形状安定性をも兼 ね備えた材料を提供するものである。そして、本発明の最大の特徴は、これらの特性 を得るためピストンリング材として含まれる C、 Cr、 Nの添加量を適確に調整するところ にこそある。以下にその理由を詳しく説明する。
[0023] ピストンリング材の線材製造における冷間加工性は、鋼中の炭化物量やサイズに起 因するところが大きぐこの炭化物を形成している、主に Crや Cの含有量に支配され る。また Nは炭化物の微細化に有効であり、またそれ自体が微細な窒化物を形成し 炭化物の凝集粗大化を抑制するため、この 3つの元素を適確な範囲に管理すること でピストンリング製品としての機械的特性を維持した状態で、上記の加工性向上が可 能となる。そこで、これらの効果を最大限に発揮できる C、 C N量の最適関係を研 究した結果、それは加工性を目的変数とし、 C、 Cr、 Nを説明変数としたときの重回 帰分析によって得られた、的確な係数による関係で評価でき、よって、この関係を厳 密に管理することが必要であることを、つきとめた。
[0024] すなわち、鋼中の C、 N、 Crのお互いの含有量力 25≤43. 22C (%) +42. 45N
(%) _〇. 02Cr (%)≤40を満たすように調整することである。この値が 25よりも小さ いと、加工性は良いがピストンリングとしての機械的特性ゃ耐摩耗性、耐スカツフィン グ性が低下し、また 40よりも大きくなると加工性が低下するため線材製造時における 引抜きや圧延が困難となり、そのため複数回の焼鈍工程が必要となりコストが高くな る。好ましい範囲は、上記式による値が 29〜35である。
[0025] そして、ピストンリングの製造においては、リング形状へコィリングした後、素材内に 蓄積された残留応力を除去するための歪取り熱処理が行われている力 S、この処理後 に形状が不安定になる問題がある。そして、この形状変形のメカニズムは、上述した 加工性と同様、主に鋼中の炭化物量やサイズに影響されることが本発明者の検討に より確認されている。そこで主として炭化物を形成する Cr、 Cと、炭化物を微細にする Nの添加量を適確な範囲に相互管理することで、ピストンリングとしての機械的特性 を維持した状態で、歪取り熱処理後も安定した形状を得ることが可能であることを、本 発明者はっきとめた。
[0026] すなわち、鋼中の C、 Cr、 Nの含有量が、上記に同様の、機械的特性を目的変数と し、 C、 Cr、 Nを説明変数としたときの重回帰分析によって得られた的確な係数を用 レヽた関ィ系 ίこおレヽて、 0. 15≤0. 92C (%) +0. 67N (%) -0. 03Cr (%)≤0. 30の 相互関係を満たすように調整することである。この値が 0. 15よりも小さいと形状安定 性が得られず、 0. 30よりも大きくなるとピストンリングとしての機械的特性が低下して しまう。好ましい範囲は、上記式による値が 0. 18〜0. 30である。
[0027] 上述した 2つの式を満たすよう、適確に C、 Cr、 Nを調整することで、製品特性を落 とさずに、更には加工性および形状安定性の両特性を兼ね備えたピストンリング材を 提供すること力 Sできる。この結果、特性の安定したピストンリング材の供給が可能とな る。
[0028] 成分組成に特徴を有する本発明のピストンリング材にとっては、その溶製工程には 、成分の微調整が可能な手法を適用することが望ましい。例えば、溶解工程におい ては、外界からの不純物混入が少ない誘導炉ゃ、真空炉を経ることが望ましい。また 、铸造工程においては、普通造塊法に加えては、偏析ゃ非金属介在物の低減に有 利な、再溶解法、連続錡造法を適用してもよい。
実施例 1
[0029] 高周波真空誘導溶解により、 10kgインゴットを溶製した。そして、これらのインゴット に熱間加工を施して、 15mm角の棒状素材を得た。続いて焼きなまし処理後に、所 定の焼入れ（1000〜1060°C)と、焼戻し（600〜640°C)処理により硬さを 40HRC 前後に調整した試料 No.：!〜 7を作製した。各試料の化学組成および C、 Cr、 Nの含 有量から計算した α、 β値 (表 1の脚注参照）を併せて表 1に示す。
[0030] [表 1]
Figure imgf000010_0001
* 1 A O.05%, その他記載のない元素種は 0.01%未糠
* 2 a = 43.22C(%) + 42.45N(%)- 0.02Cr(%)
* 3 β =0.92C(%) + 0.67N( )- 0.03Cr(%)
[0031] ピストンリング材としての線材加工性の評価として、引張り試験による絞り（％)を評 価した。焼鈍後の素材から JIS14A縮小型試験片（全長： 110mm、平行部長: 45m m、平行部直径： 7mm、標点距離： 35mm)を採取し、そして室温にて引張試験を行 レ、、各試料の絞1 (%)の値を採取した。なお、ピストンリング用途においては、この値 力 45%以上あれば冷間における引抜きや圧延加工に対し問題が無いため、この値 を優れた加工性の指標とした。
[0032] 次に、ピストンリングの形状安定性評価として、以下に示す V字曲げ試験を行った。
40HRCに硬さ調整を行った素材から、図 1に示すように 3mm角 X 80mm長さの試 験片を採取し、試験片側面に 50mmの長さのケガキをつけ、リング加工を想定して、 図 2に示すように押し込み量が 10mmとなるよう一定速度で押し込んだ。そして、ケガ キ間距離 (上部 L と下部 L の平均値) Lを測定し、その後付与された残留応力を
OA 0B 0
除去するための歪取り熱処理を模擬した熱処理を Ar雰囲気中で 600°C X 1時間行 つた後、再びケガキ間距離 Lを測定した。このようにして得られた L、 L力 次式によ
1 0 1
り変化率を求めた。
[0033] { (L -L ) /L } X 100 (%)
1 0 0
[0034] なお、熱処理温度 600°Cにおけるこの変化率は、本発明者の検討によれば、 0. 15 〜0. 3。/0の範囲であればピストンリング用途としての形状安定性に問題が無いことを 確認している。よって、形状安定性を示す指標としては、 0. 15〜0. 3を目標値とした
[0035] 上述した加工性 (絞り）および形状安定性 (変化率）の評価結果を図 3に示す。これ より、 C、 N、 Cr量が厳格に調整された本発明のピストンリング材は、比較材と比べて 、冷間加工性および熱処理前後の形状安定性に優れてレ、ることがわ力る。
実施例 2
[0036] 高周波真空誘導溶解により、 10kgインゴットを溶製した。そして、これらのインゴット に熱間加工を施して、 15mm角の棒状素材を得た。続いて焼きなまし処理後に、所 定の焼入れ（1000〜1060°C)と、焼戻し（600〜640°C)処理により硬さを 40HRC 前後に調整した試料 No. 8〜： 13を作製した。各試料の化学組成および C、 Cr、 Nの 含有量から計算したひ、 値 (表 2の脚注参照）を併せて表 2に示す。
[0037] [表 2]
試料 成分組成 （mass%)
a " β
No. C Si Mn P s Cr Mo W N Fe
8 0.64 0.40 0.29 0.005 0.002 15.3 1.6 <0.01 0.09 Bal. 31.175 0.190
9 0.67 0.41 0.31 0.005 0.002 14.7 1.7 <0.01 0.10 Bal. 32.908 0.242
10 0.67 0.40 0.31 0.006 0.002 14.8 1.6 <0.01 0.11 Bal. 33.331 0.246 本発明
11 0.67 0.41 0.30 0.006 0.002 15.1 1.6 <0.01 0.12 Bal. 33.749 0.244
12 0.66 0.40 0.31 0.005 0.002 15.1 1.6 <0.01 0.13 Bal. 33.742 0.241
13 0.66 0.40 0.31 0.005 0.002 15.1 1.6 <0.01 0.14 Bal. 34.166 0.248
* 2 a = 43.22C(%) + 42.45N(%)- 0.02Cr(%)
* 3 =0.92C(%) + 0.67N(%)- 0.03Cr(%)
[0038] そして、ピストンリングの加工性および形状安定性を評価するため、上記と同様の引 張り試験および V字曲げ試験を行った。その結果を図 4に示す。これより、 C、 N、 Cr 量が厳格に調整され、尚且つ Mo量が適正添加された本発明のピストンリング材は、 冷間加工性および熱処理前後の形状安定性の両特性が安定して得られることがわ かる。
実施例 3
[0039] 大気溶解炉により、 2600kgインゴットを溶製した。そして、このインゴットに熱間カロ ェを施して、直径 15mmの棒状素材を得、これを試料 No. 14とした。化学組成およ び C、 Cr、 Nの含有量から計算したひ、 β値 (表 3の脚注参照）を表 3に示す。
[0040] [表 3]
Figure imgf000012_0001
* 2 a = 43.22 C(%) + 42.45N(%)-0.02Cr(%)
* 3 β =0.92C( ) + 0.67N(%) - 0.03Cr(%) 続いては、焼きなまし処理後に、所定の焼入れ（1040°C)と、焼戻し処理（600°C 〜640°C)を施して、硬さを 40HRCに調整した棒状素材の、縦断面の炭化物分布を 測定した。測定には光学顕微鏡を用レ、、 200倍（図 5)および 1000倍（図 6)でそれぞ れ無作為に 6視野観察した組織視野中の炭化物サイズを、円相当径により求めた。 なお、観察領域はそれぞれ 8 X 10_3mm2 (200倍）、 3. 2 X 10_3mm2 (1000倍）で ある。測定結果をそれぞれ図 7、 8に示す。これより素材中に形成される炭化物はそ の多くが 1 /i m以下であり、微細に分布していることがわかる。本発明のピストンリング 材は、この炭化物の微細化によって、線材製造時の冷間加工性と、コィリング後の歪 取り熱処理時の形状安定性が、ともに向上する。
図面の簡単な説明
[0042] [図 1]実施例 1、 2での、 V字曲げ試験に使用する試験片形状の模式図である。
[図 2]実施例 1、 2での、 V字曲げ試験の試験方法を示した模式図である。
[図 3]実施例 1での、本発明および比較例のピストンリング材における冷間加工性 (絞 り）と形状安定性 (変化率)の関係を示した図である。
[図 4]実施例 2での、本発明のピストンリング材における冷間加工性 (絞り）と形状安定 性 (変化率)の関係を示した図である。
[図 5]実施例 3における、本発明のピストンリング材の組織写真（200倍）である。
[図 6]実施例 3における、本発明のピストンリング材の組織写真（1000倍）である。
[図 7]実施例 3における、本発明のピストンリング材の炭化物サイズ分布（200倍で観 察）を示した図である。
[図 8]実施例 3における、本発明のピストンリング材の炭化物サイズ分布（1000倍で 観察）を示した図である。
符号の説明
[0043] 1.試験片（3mm角 X 80mmL)、 2.ケガキ、 3·ポンチ

Claims

請求の範囲
[1] 質量0 /0で、 C:0.5%以上、 0.7%未満、 Si:l.2%以下、 Mn:l.0%以下、 Cr:l 2.0〜： 16.0%、 Moおよび Zまたは Wを（Mo + l/2W) :3.0%以下、 N:0.02〜 0.14%を含み、残部は Feおよび不可避的不純物からなる内燃機関用ピストンリング 材であって、その含まれる C、 N、 Crの関係が、
25≤43.22C(%) +42.45N(%)—0.02Cr(%)≤40,且つ、
0.15≤0.92C(%) +0.67N(%) -0.03Cr(%)≤0.30
の式を満たすことを特徴とする内燃機関用ピストンリング材。
[2] 質量％で、 C:0.60〜0.68%であることを特徴とする請求項 1に記載の内燃機関 用ピストンリング材。
[3] 質量％で、 Cr: 14.0〜： 16.0%であることを特徴とする請求項 1に記載の内燃機関 用ピストンリング材。
[4] 質量％で、 N:0.04-0.13%であることを特徴とする請求項 1に記載の内燃機関 用ピストンリング材。
[5] 質量％で、その含まれる C, Cr, Nの関係が、
29≤43.22C(%) +42.45N(%)—0.02Cr(%)≤35
の式を満たすことを特徴とする請求項 1に記載の内燃機関用ピストンリング材。
[6] 質量％で、その含まれる C, Cr, Nの関係が、
0.18≤0.92C(%) +0.67N(%) -0.03Cr(%)≤0.30
の式を満たすことを特徴とする請求項 1に記載の内燃機関用ピストンリング材。
[7] 質量0 /0で、 Moおよび Zまたは Wが（MO + 1/2W) :1.5超〜 3.0%であることを 特徴とする請求項 1に記載の内燃機関用ピストンリング材。
[8] 質量0 /0で、 Moおよび Zまたは Wが（MO + 1/2W) :1.6〜2.5%であることを特 徴とする請求項 1に記載の内燃機関用ピストンリング材。
[9] Moおよび/または Wは、 Moを選択することを特徴とする請求項 1、 7、 8のいずれ 力に記載の内燃機関用ピストンリング材。
[10] 質量％で、 Si:0.1〜： 1.0%であることを特徴とする請求項 1に記載の内燃機関用 ピストンリング材。 質量0 /0で、 C:0.60〜0.68%、Si:0. 1〜： 1.0%、Μη:1.0%以下、 Cr:14.0 〜16· 0%、 Μο:1.6〜2· 5%、 Ν:0.04〜0.13%を含み、残部は Feおよび不可 避的不純物からなる内燃機関用ピストンリング材であって、その含まれる C, Cr, Nの 関係が、
29≤43.22C(%) +42.45N(%)—0.02Cr(%)≤35,且つ、
0.18≤0.92C(%) +0.67N(%) -0.03Cr(%)≤0.30
の式を満たすことを特徴とする内燃機関用ピストンリング材。
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