(57)【要約】【課題】リング成形時にクラックが入る原因を突き止めると共に、クラックの入らないピストンリング用ワイヤを提供する。【解決手段】ピストン外周のリング溝に装着されるピストンリングの素材であるピストンリング用ワイヤであって、リング成形により外周となる側面、特に最外周摺動部においてリング成形前の残留応力が圧縮応力、好ましくは３０〜８０ＭＰａの圧縮残留応力を有するピストンリング用ワイヤとする。中でも２ピース形のオイルリングに代表される断面形状が略Ｉ形、または略Ｈ形のワイヤに有効である。 【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン外周に形成されるリング溝に装着されるピストンリングの素材であるピストンリング用ワイヤであって、リング成形により外周となる側面において、リング成形前の残留応力が圧縮応力であるピストンリング用ワイヤ。
【請求項２】
ピストン外周に形成されるリング溝に装着されるピストンリングの素材であるピストンリング用ワイヤであって、リング成形により外周となる側面のうち凸部であって最外周面となる摺動部において、リング成形前の残留応力が圧縮応力であるピストンリング用ワイヤ。
【請求項３】
前記ワイヤの断面形状が前記外周となる側面に対して凹部を形成した略Ｉ形または略Ｘ形または略Ｈ形等に代表される２ピース形のオイルリング用である請求項１または２記載のピストンリング用ワイヤ。
【請求項４】
前記、圧縮残留応力の値が３０〜８０ＭＰａである請求項１ないし３記載のピストンリング用ワイヤ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストン外周のリング溝に装着されるピストンリングの素材として、ピストンリング用ワイヤに関する。特に内燃機関のピストンリングの製造に好適なピストンリング用ワイヤに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、内燃機関のピストンには燃焼室の気密保持や、オイルの燃焼室への浸入を防止すること等が必要である。そのためピストン外周にリング溝を形成し、このリング溝にピストンリングを装着する構成が採用されている。
【０００３】
一般に１つのピストンに３種類のピストンリングが装着される。そのうちの１つにオイルリングがある。オイルリングはオイルの燃焼室への浸入防止の役割を主として担う。オイルリングの外周面がピストンライナ面と摺動しつつ、ピストンライナ面に適切なオイル膜を形成してピストンの焼き付きを防止する。
【０００４】
オイルリングの材質としてはマルテンサイト系ステンレス鋼、ＳＫＤ鋼等が用いられている。こうした鋼種であって断面が丸形状のワイヤを用意し、リング溝の形状や種類に合う様々な異形断面形状へ加工されたワイヤが用いられる。
【０００５】
一般に断面を異形にする断面成形加工はローラ組圧延により行われる。中でもオイルリングのうち２ピース形と呼ばれるものは、略Ｉ形または略Ｘ形または略Ｈ形等と称される断面に仕上げられたワイヤを用いて製造される。複雑且つ精密な断面形状に仕上げられたワイヤはリング成形された後にカットされリングとなる。その後、オイルリングとして必要な耐摩耗性等の性能を有するよう種々の処理が施される。一連の製造方法として例えば特許文献１に記載がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０９−０４２４５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、このような複雑且つ精密な断面形状に仕上げられたワイヤには圧延等の加工による大きな負荷が掛けられており、残留応力を有している。この状態でリング成形をすると割れが生じることがしばしばある。具体的には、リング成形時において外周に相当する面側は内周に相当する面側に比べ相対的に大きく引き伸ばされる。この時、割れや亀裂、最悪には折損の起点となるクラック等が発生しやすいことが予てから課題であった。確実なピストンリングの成形の為に材料であるワイヤとしては、僅かなクラックが入ることも許さず、大きな安全係数を見た品質が要求されていた。
【０００８】
そこでピストンリング用ワイヤであって、リング成形時にクラックが入る原因を突き止めると共に、こうしたクラックの入らないピストンリング用ワイヤを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は前記課題を解決するピストンリング用ワイヤとして、
ピストン外周に形成されるリング溝に装着されるピストンリングの素材であるピストンリング用ワイヤであって、リング成形により外周となる側面において、リング成形前の残留応力が圧縮応力であるワイヤである。
【００１０】
また、リング成形により外周となる側面のうち凸部であって最外周面となる摺動部において、リング成形前の残留応力が圧縮応力であることが特に肝要である。
【００１１】
前記ワイヤのうち断面形状として、前記外周となる側面に対して凹部を形成した略Ｉ形または略Ｘ形、または略Ｈ形等に代表される２ピース形のオイルリング用等に特に有効である。
【００１２】
更に、前記の残留する圧縮応力としては、３０〜８０ＭＰａであるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明であるピストンリング用ワイヤを使用してピストンリングの成形を行えば、折損等の不具合なく確実に成形することができる。また、従来では不可能であった小さな曲率半径にも対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】一般的なオイルリング用ワイヤの断面図
【図２】一般的なオイルリング用ワイヤの斜視図とクラック部の概略図
【図３】コイル成形加工評価のための装置概略図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
一般的な例としてオイルリング用ワイヤに関して、図１及び図２を用いて説明する。図１は一般的な２ピース形に用いられる略Ｉ形、または略Ｈ形と呼ばれるオイルリング用ワイヤの断面図である。また図２はその斜視図である。
【００１６】
このようなオイルリング用ワイヤは断面丸形状を複雑な形状に塑性加工して形成される。一般的には圧延加工を複数回繰り返し、レール部４とウエブ部６を形成する。図１においては断面図上面となる１０ａ〜１０ｄ（断面図は左右略対称で名称は左右同一）がリング成形時の外周面１０となる。
【００１７】
断面成形加工時においては特にレール先端部である最外周摺動面１０ｃの成形が非常に重要である。ピストンリングとして使用される際には、この最外周摺動面１０ｃがシリンダライナ面と摺接し、余分なオイルを掻くことになるので、平滑且つ精巧な面でなければならない。
【００１８】
精巧且つ微細な最外周摺動面１０ｃ、特にレール部４のような凸部を設けると塑性加工により大きな残留応力が発生する。一方で最悪の場合、断面成形加工時に塑性加工限界を超えると図２のような微細クラック１２（誇大表記）が発生しうる。
【００１９】
以上よりリング成形時の微細クラックと残留応力の関係について見出したのが本発明の最大のポイントである。
【００２０】
折損のきっかけとなるのはピストンリング用ワイヤを湾曲させ塑性変形させるリング成形加工時である。つまり、ピストンリング用ワイヤをリング状に曲げられる時に発生する。この時ピストンリング用ワイヤの外周面は引張応力が付与される。
【００２１】
仮にピストンリング用ワイヤ製造後の外周面に引張応力が残留していた場合、更なる引張応力が付与される。微細クラック１２の有無に関わらず、前記の理由により塑性加工限界を超え過度に引張応力を加えられることにより折損に繋がっていた。
【００２２】
中でも最外周に凸部がある場合、特に注意が必要である。図１のような断面形状を有するオイルリング用ワイヤであっては、レール部４の先端に生じていた残留応力によっては容易に微細クラック１２が入る。またリング成形加工においては最外周となるため、より大きな引張応力が付与される。
【００２３】
以上から、リング成形時の引張応力に耐えうる為には、リング成形される前のピストンリング用ワイヤの外周面に圧縮応力を残留させておくことが極めて重要である。外周面、特にオイルリング用ワイヤにおけるレール部のような外周側に成形された凸部には、後のリング成形加工に耐えうるに十分な圧縮応力を付与しておく必要がある。
【００２４】
圧縮応力を付与する方法は種々考えられるが、最も簡便な方法としては断面成形加工において行うのが良い。断面が丸のワイヤから例えば図１のような断面に成形する為には、十数回〜何十回もの圧延を繰返し行う必要がある。その圧延工程の中で十分な圧縮応力を残留させるように工程を設計すれば良い。具体的には外周面側に十分な「肉」が残るような圧延工程設計を施せば良い。
【００２５】
所定の部位に圧縮応力を付与するその他のより具体的な方法としては、例えば最終成形加工前においてショットピーニングを行う。走行させたワイヤにおいて、リング成形時の外周となる側面、より局部的には割れやクラック等が生じやすい凸部に対して行う。ショットする粒子としてはワイヤの材質と同等以上の硬度を有し、粒径１０〜３０μｍものを１００〜１２０ｍ／秒でショットするのが良い。この時、ショットされた部分には凹凸が生じ表面粗さが低下している。そこで凹凸を均し、表面粗さを均質化するために、圧延を最終工程として平滑に仕上げることが必要である。尚、圧縮残留応力を付与する方法としてはこれらに限定するものでなく、同等の効果が得られる一般的な方法を適用すれば良い。
【００２６】
更に残留させる圧縮応力としては例えば３０〜８０ＭＰａとしておけば良い。３０ＭＰａ未満の場合、リング成形加工時に付与される引張応力により外周面に引張応力が残留しうる。その為、折損の可能性が生じる為、圧縮応力は３０ＭＰａ以上とするのが好ましい。更に８０ＭＰａ以上の圧縮応力を付与したピストンリング用ワイヤを製造しようとすると、圧縮応力を付与する工程設計においてコスト面及び技術面ともに困難となる。
【実施例１】
【００２７】
実際に外周面、特に最外周摺動面の残留応力が圧縮となるようワイヤの製造を行った。その際、ショットピーニングの噴射速度を種々変更して数種の残留応力のワイヤを得た。同時に引張残留応力となる従来のワイヤも併せて製造し、全てのワイヤについて応力の測定、及びコイル成形加工評価を行った。
【００２８】
残留応力の測定には株式会社リガク製微小焦点Ｘ線応力測定装置（型式：ＰＳＰＣ−ＭＳＦ）を用いて行った。また測定箇所としてはワイヤの長手方向における最外周摺動面に対して行った。
【００２９】
コイル成形加工評価については次のように行った。詳細について図３を用いて説明する。
【００３０】
回転動力１６に接続する１０ｍｍの鋼製棒１４を支持台１８で回転自在に保持した測定器具を用意する。この鋼製棒１４の一端に添えるように１ｍ程度にカットしたワイヤの端部を固定する。この状態で鋼製棒１４を回転動力１６により回転させてワイヤを巻き付けコイル成形する。１０周程巻き付けコイル成形できたか否か、更にはワイヤの外周面に亀裂や割れ等が発生したか否かを評価した。その結果を表１に示す。
【００３１】
【表１】
2010270848.tif 000003
【００３２】
表１においては各種残留応力において割れが発生しなかったものを「○」、割れが発生して最後まで巻き付けが行えなかったものを「×」、割れは発生しなかったが微細クラックが確認できたものを「△」とした。
【００３３】
残留応力が引張であるもののうち大半で折損が発生した。また、本評価で引張残留応力が最も小さかった従来例１においては割れには至らなかったものの、微細クラックが多数発生し、製品化を想定した安全性・信頼性といった面で良好とは言えない。
【００３４】
一方、圧縮残留応力を有していた発明例１については若干の微細クラックが確認できた。本評価は実際のリング径よりも非常に小さい過酷な条件での評価である。従って本評価における微細クラック数程度の発生であれば実際の使用においては問題なく使用できると推察できる。
【００３５】
対して圧縮残留応力として３０ＭＰａ以上を有するワイヤ（発明例２〜５）については過酷な条件であるにも関わらず、全く亀裂や割れが発生しないことはもちろん、微細なクラックの発生もなく、リング成形加工を確実に行うことが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
ピストンリング用ワイヤとして利用される為、前記の通り例として記載したオイルリング用ワイヤの他に、その他のピストンリングであるトップリング用やセカンドリング用といったワイヤ、その他異形断面ワイヤにおいて、コイルやリングへ成形する材料にも適合できることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００３７】
２・・・・・ピストンリング用ワイヤ
４・・・・・レール部
６・・・・・ウエブ部
８・・・・・オイル孔
１０・・・・外周面
１０ｃ・・・最外周摺動面
１２・・・・微細クラック
【図１】
2010270848.tif 000004
【図２】
2010270848.tif 000005
【図３】
2010270848.tif 000006