(57)【要約】      （修正有）【課題】大型リングのスチール化を進め、耐スカッフ性、耐摩耗性及び耐熱ヘタリ性に優れた高強度の大型リングの製造法、大型リング素材及び大型リングを提供する。【解決手段】リングローリング加工を含む熱間鍛造により円筒状素材３を成形し、その円筒状素材から突切又は切断、内外旋、側面研磨等の機械加工により鋼製の大型リング４を製造する。【選択図】図１
2014237152.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
大型ピストンリングの製造方法であって、所定の長さに切断された鋼製の円柱状素材を加熱し、プレス成形によって円板状成形体に据込み加工する第１の熱間鍛造工程と、前記円板状成形体からコアポンチにより中央部に凹部を形成し穴開け加工して第１の円筒状素材に加工する第２の熱間鍛造工程と、前記第１の円筒状素材からリングローリングミルにより拡径した第２の円筒状素材に加工する第３の熱間鍛造工程と、前記第２の円筒状素材からピストンリングに加工する機械加工工程を含むことを特徴とする大型ピストンリングの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の大型ピストンリングの製造方法において、前記円筒状素材が軸に直角な断面で非円形形状を有するように、前記第３の熱間鍛造工程の後に、前記第２の円筒状素材の軸に直角な方向にプレス成形することを特徴とする大型ピストンリングの製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の大型ピストンリングの製造方法において、前記大型ピストンリングがシリンダに装着されたとき、自己張力に基づく面圧が発生することを特徴とする大型ピストンリングの製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載の大型ピストンリングの製造方法において、前記大型ピストンリングが張力を付与するためのコイルエキスパンダと組合せられることを特徴とする大型ピストンリングの製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の大型ピストンリングの製造方法において、前記第２の円筒状素材が軸と直角な断面で円形形状であり、外周面及び内周面に軸方向に一定間隔で形成された複数の凹部を有するように、前記第３の熱間鍛造工程において、異形形状の主ロールとマンドレルを使用することを特徴とする大型ピストンリングの製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の大型ピストンリングの製造方法において、前記素材が、質量％で、C：0.2〜1.0％、Si：0.1〜1.0％、Mn：0.1〜1.0％、P：0〜0.045％、S：0〜0.03％、Cr：10〜20％、Ni：0〜0.6％、Mo：0〜1.5％、V：0〜0.15％、残部：Fe及び不可避的不純物からなるマルテンサイト系ステンレス鋼であることを特徴とする大型ピストンリングの製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の大型ピストンリングの製造方法において、前記熱間鍛造における各素材の温度が900〜1250℃の範囲にあることを特徴とする大型ピストンリングの製造方法。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の大型ピストンリングの製造方法において、前記大型ピストンリングの少なくとも側面に窒化層を形成する窒化処理を施すことを特徴とする大型ピストンリングの製造方法。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれかに記載の大型ピストンリングの製造方法において、前記大型ピストンリングの少なくとも外周面に硬質窒化クロムを主体とする被覆層を形成するイオンプレーティング処理を施すことを特徴とする大型ピストンリングの製造方法。
【請求項１０】
大型ピストンリング用の円筒状の鋼素材であって、質量％で、C：0.2〜1.0％、Si：0.1〜1.0％、Mn：0.1〜1.0％、P：0〜0.045％、S：0〜0.03％、Cr：10〜20％、Ni：0〜0.6％、Mo：0〜1.5％、V：0〜0.15％、残部：Fe及び不可避的不純物からなるマルテンサイト系ステンレス鋼からなり、前記鋼素材の軸に垂直な断面が非円形形状であることを特徴とする大型ピストンリング素材。  
【請求項１１】
大型ピストンリング用の円筒状の鋼素材であって、質量％で、C：0.2〜1.0％、Si：0.1〜1.0％、Mn：0.1〜1.0％、P：0〜0.045％、S：0〜0.03％、Cr：10〜20％、Ni：0〜0.6％、Mo：0〜1.5％、V：0〜0.15％、残部：Fe及び不可避的不純物からなるマルテンサイト系ステンレス鋼からなり、前記鋼素材が軸と直角な断面で円形形状であり、外周面及び内周面が軸方向に一定間隔で形成された複数の凹部を有していることを特徴とする大型ピストンリング素材。
【請求項１２】
呼び径が200 mm以上1100 mm未満の大型ピストンリングであって、質量％で、C：0.2〜1.0％、Si：0.1〜1.0％、Mn：0.1〜1.0％、P：0〜0.045％、S：0〜0.03％、Cr：10〜20％、Ni：0〜0.6％、Mo：0〜1.5％、V：0〜0.15％、残部：Fe及び不可避的不純物からなるマルテンサイト系ステンレス鋼からなり、焼戻マルテンサイト中にクロム炭化物を分散した組織を有し、熱ヘタリ率が4％以下であることを特徴とする大型ピストンリング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大型ピストンリング（以下「大型リング」ともいう。）の製造方法に関し、特に、鋼製の大型リングの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大型ディーゼルエンジンに使用されるピストンリングは、耐熱性、耐摩耗性に優れた鋳鉄製ピストンリングが主流である。例えば、使用条件の厳しいトップリングには、片状黒鉛鋳鉄と球状黒鉛鋳鉄との中間的なCV（Compacted Vermicular）黒鉛鋳鉄が採用されてきた。近年、大型ディーゼルエンジンにおいても、高出力化、高効率化の傾向にあり、筒内圧の上昇や熱負荷の増大、あるいはピストン速度の上昇などのため、大型リングの使用環境もますます過酷になり、従来のCV黒鉛鋳鉄製リングでは要求仕様を満足できないエンジンが開発されてきている。すなわち、耐スカッフ性及び耐摩耗性に優れた高強度の大型リング、さらには長期間の高温での使用においても所定の面圧が維持できる優れた耐熱ヘタリ性を有する大型リングが求められている。
【０００３】
一方、自動車エンジン用のピストンリングでは、鋳鉄から鋼への置換（「スチール化」ともいわれる。）が進み、例えば、トップリングでは、今やマルテンサイト系ステンレス鋼に窒化処理やイオンプレーティング処理（例えば、CrNやTiN等）を施したものが主流である。自動車用を主体とする小型エンジン用トップリングは、所定の断面形状に伸線されたマルテンサイト系ステンレス線材からリングの自由形状に成形するカーリング加工によって製造されるのが一般的である。
【０００４】
しかし、舶用エンジンなどの大型リングになると、リング断面積も大きくなるため、使用するスチール線材も断面積の大きい素線が必要となる。断面積の大きい素線は取扱いが大変なこと、圧延機や熱処理装置が大型化することから、線材からの大型リングを成形するスチール化は進んでいない。また、特許文献１は、特殊な鋼を鋳造法でリング形状に成形した鋳鋼製ピストンリング材を開示しているが、結局、鋳造に起因する引け巣やピンホール等の鋳造欠陥のない製法と材料特性との両立が困難で、信頼性の点で実用化できていないのが実情である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２２１４３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑み、大型リングにおいてもスチール化を進め、耐スカッフ性、耐摩耗性及び耐熱ヘタリ性に優れた高強度の大型リングの製造法を提供することを課題とする。また、大型リング素材及び大型リングを提供することも課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者達は、鋼材の成形加工方法について鋭意研究の結果、リングローリング加工を含む熱間鍛造により円筒状素材を成形し、その円筒状素材から突切又は切断、内外旋、側面研磨等の機械加工により鋼製の大型リングを製造できることに想到した。
【０００８】
すなわち、本発明の大型ピストンリングの製造方法は、所定の長さに切断された鋼製の円柱状素材を加熱し、プレス成形によって円板状成形体に据込み加工する第１の熱間鍛造工程と、前記円板状成形体からコアポンチにより中央部に凹部を形成し穴開け加工して第１の円筒状素材に加工する第２の熱間鍛造工程と、前記第１の円筒状素材からリングローリングミルにより拡径した第２の円筒状素材に加工する第３の熱間鍛造工程と、前記第２の円筒状素材からピストンリングに加工する機械加工工程を含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明の第１の大型ピストンリングの製造方法では、前記円筒状素材が軸に直角な断面で非円形形状を有するように、前記第３の熱間鍛造工程の後に、前記第２の円筒状素材の軸に直角な方向にプレス成形することが好ましく、前記大型ピストンリングはシリンダに装着されたとき自己張力に基づく面圧が発生することが好ましい。
【００１０】
また、本発明の第２の大型ピストンリングの製造方法では、前記大型ピストンリングは張力を付与するためのコイルエキスパンダと組合せられることが好ましい。さらに、コイルエキスパンダ付きオイルコントロールリングに特徴的なＭ型形状又はＩ型形状を有するリング本体の形状に近い素材形状とするため、前記第２の円筒状素材が軸と直角な断面で円形形状であり、外周面及び内周面に軸方向に一定間隔で形成された複数の凹部を有するように、前記第３の熱間鍛造工程において、異形形状の主ロールとマンドレルを使用することが好ましい。
【００１１】
さらに、本発明の第１及び第２の大型ピストンリングの製造方法では、前記鋼製の素材が、質量％で、C：0.2〜1.0％、Si：0.1〜1.0％、Mn：0.1〜1.0％、P：0〜0.045％、S：0〜0.03％、Cr：10〜20％、Ni：0〜0.6％、Mo：0〜1.5％、V：0〜0.15％、残部：Fe及び不可避的不純物からなるマルテンサイト系ステンレス鋼であることが好ましい。この場合、前記熱間鍛造における各素材の温度が900〜1250℃の範囲にあることが好ましい。
【００１２】
前記大型ピストンリングの少なくとも側面に窒化層を形成する窒化処理を施すことが好ましく、さらに、前記大型ピストンリングの少なくとも外周面に硬質窒化クロムを主体とする被覆層を形成するイオンプレーティング処理を施すことが好ましい。
【００１３】
本発明の第１の大型ピストンリング素材は、円筒状の鋼素材であって、質量％で、C：0.2〜1.0％、Si：0.1〜1.0％、Mn：0.1〜1.0％、P：0〜0.045％、S：0〜0.03％、Cr：10〜20％、Ni：0〜0.6％、Mo：0〜1.5％、V：0〜0.15％、残部：Fe及び不可避的不純物からなるマルテンサイト系ステンレス鋼からなり、前記鋼素材の軸に垂直な断面が非円形形状であることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の第２の大型ピストンリング素材は、円筒状の鋼素材であって、質量％で、C：0.2〜1.0％、Si：0.1〜1.0％、Mn：0.1〜1.0％、P：0〜0.045％、S：0〜0.03％、Cr：10〜20％、Ni：0〜0.6％、Mo：0〜1.5％、V：0〜0.15％、残部：Fe及び不可避的不純物からなるマルテンサイト系ステンレス鋼からなり、前記鋼素材が軸と直角な断面で円形形状であり、外周面及び内周面が軸方向に一定間隔で形成された複数の凹部を有していることを特徴とする。
【００１５】
本発明の大型ピストンリングは、呼び径が200 mm以上1100 mm未満の大型ピストンリングであって、質量％で、C：0.2〜1.0％、Si：0.1〜1.0％、Mn：0.1〜1.0％、P：0〜0.045％、S：0〜0.03％、Cr：10〜20％、Ni：0〜0.6％、Mo：0〜1.5％、V：0〜0.15％、残部：Fe及び不可避的不純物からなるマルテンサイト系ステンレス鋼からなり、焼戻マルテンサイト中にクロム炭化物を分散した組織を有し、熱ヘタリ率が4％以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の大型ピストンリングの製造方法は、マルテンサイト系ステンレス鋼のような鋼材の円柱状素材から、熱間鍛造法を用いることによって、比較的容易に大径サイズの大型リング素材を製造することができ、従来の鋳鉄製リング又は鋳鋼製リングに比べ、周方向ファイバーフロー（鍛流線）組織により、微細で欠陥のない、高強度の耐熱ヘタリ性に優れた大型リングを得ることが可能となる。特に、所定のサイズの円筒状素材を軸に垂直にプレス成形することによって、リングの自由形状が非円形形状（カム形状）の圧力リング形状に成形することができ、また、リングローリングミルによる熱間鍛造工程において主ロールとマンドレルの形状を所定の形状とすることによって、Ｍ型形状又はＩ型形状を有するリング本体の形状に近い素材形状とすることができ、後工程の機械加工工程での取り代を少なくすることが可能となる。さらに、窒化物を形成しやすい合金元素を含む鋼を使用することができるため、特に、従来側面に適用してきた硬質クロムめっき処理に代えて、窒化処理が可能となりコスト低減に貢献できる。耐熱ヘタリ性に優れた耐熱性の高い鋼材を使用できるため、窒化処理だけでなくイオンプレーティング処理も可能となって、従来にない耐スカッフ性に優れた大型ピストンリングを提供することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の大型ピストンリングの製造方法において、ピストンリング素材の形状変化を素材の中心軸をとおる断面で模式的に示した図である。
【図２】第３の熱間鍛造工程のリングローリング加工を模式的に示した図である。
【図３】円筒状素材を軸に直角方向にプレス成形する熱間鍛造において、断面円形形状の円筒状素材から断面非円形形状の円筒状素材への変化を模式的に示した図である。
【図４】大型ピストンリングの圧力リングに用いられる特殊合口形状の一例（二重段付き合口）を示す図である。
【図５】ピストンリングの面圧分布に関し、（ａ）は等圧分布、（ｂ）は合口方向の面圧が合口に直角方向の面圧より低い面圧分布を示した図である。
【図６】コイルエキスパンダ付きオイルコントロールリングの断面を示した図である。
【図７】外周面及び内周面に軸方向に一定間隔で複数の凹部が形成された第２の円筒状素材を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の大型ピストンリングの製造方法は、所定の長さに切断された鋼製の円柱状素材を加熱し、プレス成形によって円板状成形体に据込み加工する第１の熱間鍛造工程と、前記円板状成形体からコアポンチにより中央部に凹部を形成し穴開け加工して第１の円筒状素材に加工する第２の熱間鍛造工程と、前記第１の円筒状素材からリングローリングミルにより拡径した第２の円筒状素材に加工する第３の熱間鍛造工程と、前記第２の円筒状素材からピストンリングに加工する機械加工工程を含むことを特徴とする。図１は、本発明の製造方法において、ピストンリング素材の形状変化を素材の中心軸をとおる断面で模式的に示した図である。円柱状素材(1)から円板状成形体(2)を成形する第１の熱間鍛造工程、円板状成形体(2)から第１の円筒状素材(3)を成形する第２の熱間鍛造工程、そして、第１の円筒状素材(3)から第２の円筒状素材(4)を成形する第３の熱間鍛造工程を含んでいる。第３の熱間鍛造工程は、図２にその加工方法を模式的に示すリングローリングミルを使用する。リングローリングミルは、主ロール(6)、マンドレル(7)、アキシャルロール(8)、バックアップロール(9)等から構成されている。主ロール(6)は一定の回転数で駆動される一方、マンドレル(7)、アキシャルロール(8)及びバックアップロール(9)は被加工材(5)との摩擦で回転する従動式である。リングローリング加工は、基本的に、主ロール(6)とマンドレル(7)間でリングの径方向への圧下が行われ、被加工材(5)の肉厚を減少させながら径を拡大して所望の形状、寸法とする加工方法であるが、軸方向寸法については一対のアキシャルロール(8)間により、また被加工材(5)の真円度や表面性状については複数のバックアップロールにより調整されている。
【００１９】
上記のリングローリング加工により製造した第２の円筒状素材(4, 10)は、ピストンリングに加工する機械加工工程を含むことを特徴としている。この機械加工工程には、例えば、外周旋削加工、内周旋削加工、端面旋削加工、突切加工又は切断加工、側面研削加工、合口切断加工、合口フライス加工、外周カムならい旋削加工、外周研磨加工、外周バフ研磨加工、さらには、オイルリングのオイル穴加工、等が含まれる。
【００２０】
なお、大型リングは、特に４サイクルディーゼルエンジンでは、小型リングと同様、圧力リングとオイルリングに分類され、圧力リングは、シリンダに装着されたときに自己張力に基づく面圧が発生するような非円形の自由形状（カム形状）をしており、一方、オイルリングは、コイルエキスパンダの張力を利用したコイルエキスパンダ付きオイルリングが主流であり、その本体は円形の自由形状をしている。
【００２１】
本発明において、第１の大型ピストンリングの製造方法は、素材の段階で非円形の自由形状をもつ大型リング、すなわち、大型圧力リングの製造方法に関する。圧力リングは、いわゆるシングルピース型で、合口を閉じてシリンダに装着したときに、ガスをシールするため、径方向外側に張り出すような自己張力を持つ必要がある。上述した第３の熱間鍛造工程のリングローリング加工は、基本的に円形リングを成形する加工方法であり、自己張力を持たせるためには、図３に示すように、第３の熱間鍛造工程で成形した第２の円筒状素材(4)を非円形の自由形状素材(10)に修正することが好ましい。図３では、プレス方向以外を拘束しない、いわゆる自由鍛造を示しているが、もちろん所定の楕円形状をした下型及び／又は上型を利用した型鍛造としてもよい。円筒状素材(10)の断面が、短軸d2、長軸d3の楕円形状になるよう、温度、圧力P、圧下量Δdを調整し、d3/d2は1.005〜1.05とすることが好ましく、1.01〜1.03とすることがより好ましい。
【００２２】
円形形状のピストンリングから非円形の自由形状をもつピストンリングに修正するには、所定のサイズの合口ピースを合口に挟んだ状態で熱処理することによっても可能であるが、大型リングでしばしば用いられる、図４に示す二重段付き合口(11)のような特殊合口とする場合は、合口部の機械加工を考慮すると難しい。特殊合口の大型リングを製造するには、素材の段階で自由形状であることが必要となり、その点でも、第２の円筒状素材(4)を非円形の自由形状素材(10)に修正することが好ましい。
【００２３】
シリンダに装着したときのリングの面圧分布はエンジンの性能に応じて決定される。基本的な面圧分布は、図５（ａ）のような等圧分布であるが、合口部でスカッフィングの発生しやすい大型リングには、図５（ｂ）のような合口方向の面圧が合口に直角方向の面圧より低い面圧分布であることが好ましい。リングがポート上を摺動する２サイクルエンジンでも、孔枠部の摩耗対策や、ポートからのリングの飛び出し防止を考慮し、この面圧分布が好ましく用いられる。
【００２４】
本発明において、第２の大型ピストンリングの製造方法は、素材の段階で円形の自由形状をもつ大型リング、すなわち、大型オイルリングの製造方法に関する。ここで、大型オイルリングは、いわゆるツーピース型のコイルエキスパンダと組合せて使用されるものであって、図６に示すように、軸方向上下に形成されシリンダ内周面と摺動する一対のレール部(14, 14)を有するオイルリング本体(12)と、オイルリング本体(12)の内周溝部に装着されてオイルリング本体(12)を半径方向外方に押圧するコイルエキスパンダ(13)とから構成される。オイルリング本体(12)は、その張力をコイルエキスパンダ(13)に頼っているため、自己張力をもつ必要が無く、よって非円形の自由形状をもつ必要がない。むしろ、優れたオイル掻き性能を果たすため、エンジン運転中のシリンダの変形に追従すること、すなわちリングがシリンダ壁に十分ならって運動する優れた追従性が求められる。このリングの追従性は次の追従性係数Ｋで表わされる。
Ｋ＝3・Ft・d12/(E・h1・a13)
ここで、Ftはリング張力、d1は呼び径、Eはヤング率、h1はリング幅寸法、a1はリング厚さ寸法である。この式から、リングの追従性は、リング本体の寸法、特に厚さ寸法（a1）の３乗に反比例するため、厚さ寸法（a1）をできるだけ小さくすることが好ましく、結果的に、図６に示すような形状（「Ｍ型形状」又は「Ｉ型形状」ともいう。）をとることが好ましい。よって、本発明の第２の大型ピストンリングの製造方法では、オイルリングに特徴的なＭ型形状又はＩ型形状にできるだけ近い素材形状とするため、第２の円筒状素材が軸と直角な断面で円形形状であり、外周面及び内周面に軸方向に一定間隔で形成された複数の凹部を有するように、第３の熱間鍛造工程において、異形形状の主ロールとマンドレルを使用することが好ましい。
【００２５】
本発明の大型ピストンリングの製造方法においては、前記鋼製の素材が、質量％で、C：0.2〜1.0％、Si：0.1〜1.0％、Mn：0.1〜1.0％、P：0〜0.045％、S：0〜0.03％、Cr：10〜20％、Ni：0〜0.6％、Mo：0〜1.5％、V：0〜0.15％、残部：Fe及び不可避的不純物からなるマルテンサイト系ステンレス鋼であることが好ましい。上記のマルテンサイト系ステンレス鋼においては、C、Si、Mn、Crを必須元素とし、Ni、Mo、Vが選択的に使用される。CはFeに侵入型に固溶してマトリックスの硬度を上げると同時に、Cr、Mo、Vと容易に化合して炭化物を生成し、耐摩耗性や耐スカッフ性を向上させる。また、CrはFeに置換型に固溶するため、耐食性の向上の他に、固溶強化によって耐熱ヘタリ性を向上させる。ここで、熱ヘタリとは、ピストンリングの高温での使用中に、クリープ現象に基づく張力低下によってシール特性が劣化する現象をいう。さらに、Si及びMnは脱酸剤として添加され、耐食性を向上させる目的でNiを添加してもよい。
【００２６】
上記の熱間鍛造工程における被加工材の温度は、使用される材料により適宜選択されるが、例えば、上記のマルテンサイト系ステンレス鋼を使用する場合は、素材温度が850〜1250℃の範囲にあることが好ましく、900〜1100℃にあることがより好ましい。
【００２７】
リングローリング加工により製造した第２の円筒状素材(4, 10, 15)は、焼鈍処理により、鍛造後の内部応力を除去しセメンタイトを球状化して、切削性を改善することが好ましい。また、焼鈍処理後、ショットブラストによる酸化スケールを除去した後、表面の脱炭層の除去加工を行うことが好ましい。さらに、第２の円筒状素材からは複数本のリングが取れるため、脱炭層の除去加工後に、所定の幅のリングに突切又は切断することが好ましい。
【００２８】
得られたリング素材は、リングローリング加工により得られた周方向ファイバーフロー（鍛流線）組織により、欠陥のない高強度の材料となるが、ピストンリング材料としては、耐熱ヘタリ性等、所定の特性を付与するため、焼入、焼戻し処理を行うことが好ましい。素材として上記マルテンサイト系ステンレス鋼を使用する場合は、焼入温度を900〜1150℃、焼戻温度を580〜600℃とする焼入・焼戻処理を行うことが好ましい。この熱処理により、焼戻マルテンサイト中に微細なクロム炭化物が分散した顕微鏡組織が得られる。本発明の材料は、好ましくは、Hv 250〜420のビッカース硬度、190 GPa以上の弾性率を有する。
【００２９】
本発明において使用するマルテンサイト系ステンレス鋼は、Crを質量％で10〜20％含有するため、優れた窒化鋼としても機能する。よって、本発明の大型ピストンリングの少なくとも側面に窒化層が形成されていることが好ましい。大型リングでは、従来、側面に硬質クロムめっきを適用してきたが、窒化処理が可能となれば、この硬質クロムめっき処理に代えることができて、コスト低減に貢献することができる。但し、本発明は硬質クロムめっき処理を除外するものではない。窒化処理は、塩浴軟窒化、ガス窒化、軟窒化、プラズマ窒化が利用でき、いずれも450〜600℃の範囲で1〜12時間の処理を行うことが好ましい。窒化処理により、鋼中のCr炭化物は表面から侵入するNと容易に反応して、窒化層内ではCrNとなって硬質粒子として分散し、摺動面の耐摩耗性や耐スカッフ性を著しく向上させる。なお、上記マルテンサイトステンレス鋼において選択的に使用するMoは、炭化物生成元素として耐摩耗性や耐スカッフ性を向上させる他に、窒化処理における軟化を防止する作用があり、リングの寸法安定性に重要な役割を果たす。またVは結晶粒を微細化し、強靱性を発揮させる効果と窒化促進元素として、窒化層の硬さを上げる効果を有している。
【００３０】
さらに、本発明の大型ピストンリングの少なくとも外周面にイオンプレーティングによる硬質窒化クロムを主体とする被覆層が形成されていることが好ましい。イオンプレーティングは、真空容器中に窒素（N2）ガスを導入し、蒸発源の金属Cr陰極（ターゲット）表面にアークを発生させて金属Crを瞬時に溶解、窒素プラズマ（N*）中でイオン化し、ピストンリングに印加した負のバイアス電圧によってCr3+イオンあるいはN*と反応したCrNとして被覆面に引き込むことで被膜を形成するアークイオンプレーティング法を利用することが好ましい。アークイオンプレーティングは、高いエネルギー密度により、金属Crの高イオン化率を達成できる。よって、高い成膜速度が得られ、ピストンリングに要求される10〜80μmの成膜が工業的に可能となる方法である。アークイオンプレーティングによって形成できる硬質窒化クロムは、アーク電流、雰囲気圧、バイアス電圧、等の処理条件の制御により、CrN相、Cr2N相、Cr相の単相、或いは（CrN + Cr2N）、（Cr2N + Cr）、（CrN + Cr2N + Cr）、（CrN + Cr）の複合相を形成することができる。本発明において形成される硬質窒化クロム被覆層は、CrN相及び／又はCr2N相の窒化クロムが，主体、すなわち、50体積％以上含まれることが好ましい。
【００３１】
本発明で好ましく使用される上述のマルテンサイト系ステンレス鋼では、窒化処理、イオンプレーティング処理が好ましく使用できることを説明したが、もちろん、硬質クロムめっき、多層クロムめっき、ニッケル複合分散めっき等のめっき処理、モリブデン溶射等の溶射処理、酸化鉄被膜やリン酸塩被膜の化成処理、等、その他の表面処理も、リング仕様に応じて適宜使用できることは言うまでもない。
【実施例】
【００３２】
実施例１
材料組成が、質量％で、C：0.36％、Si：0.27％、Mn：0.51％、P：0.029％、S：0.024％、Ni：0.25％、Cr：12.08％で、外径110 mm、長さ200 mmの棒鋼を、1000℃に加熱し、外径約165 mm、高さ約90 mmの円板状成形体にプレス成形し、さらに、コアポンチにより中央部に凹部を形成し、それを貫通、穴開けして、外径約180 mm、内径約50 mmの第１の円筒状素材を作製した。次に、第１の円筒状素材を、高周波誘導加熱装置により再度加熱し、リングローリングミルにセットし、リングローリング加工により外径約353  mm、内径約311 mm、幅約90 mmの第２の円筒状素材を作製した。この第２の円筒状素材を750℃、21時間の球状化焼鈍後、ショットブラストによる酸化スケールの除去後、長径352 mm、短径346 mmの非円形形状（カム形状）に内外周を同時に粗加工した後、突切加工して非円形形状のリングを5本得た。1000℃からの焼入、600℃、3時間の焼戻しの後、仕上加工を施して、呼び径（d1）330 mm、幅（h1）7 mm、厚さ（a1）10 mmの矩形断面で外周面がバレル形状、二重段付合口形状の圧力リングとした。次に、570℃、4時間のガス窒化によりリング全面に窒化層を約100μm形成し、さらに外周には、アークイオンプレーティングによりCrN層を約50μm形成した。ここで、ガス窒化により表面に生成した化合物層（白層）は研削除去した。
【００３３】
[1] 熱ヘタリ試験
熱ヘタリ試験は、JIS B 8037-5に基づく。最初に張力を測定し、呼称径にリングを閉じて300℃で3時間加熱した後、再度張力を測定して、その減退率（JISでは接線方向張力減退度）を評価することによって行われる。実施例１の5本のリングについて行った結果、熱ヘタリ率の平均値は3.6％であり、いずれも4％以内で、バラツキも小さかった。
【００３４】
比較例１
材料組成が、質量％で、C：3.8％、Si:2.6％、Mn:0.5％、P：0.16％、S：0.01％、Mo：0.72％、Cu：0.68％の鋳鉄から、溶解、鋳造して第２の円筒状素材に該当する鋳鉄製素材を作製し、窒化処理及びイオンプレーティング処理を省略した以外は、実施例１と同様にして、圧力リングを作製した。実施例１と同様にして熱ヘタリ試験を行った結果、熱ヘタリ率の平均値は7.2％であり、実施例１と比較すると、実施例１の耐熱ヘタリ性が著しく向上したことがわかる。
【００３５】
実施例２
実施例１と同じ組成の鋼材を用い、リングローリング加工により外径約348  mm、内径約319 mm、幅約125 mmの第２の円筒状素材を作製し、さらに、その円筒状素材を再度加熱し、軸に直角な方向にプレス成形して、長軸351 mm、短軸345 mmの非円形形状の円筒状素材に成形した。なお、このプレス成形では、所定の楕円形状をした下型及び上型を使用した。得られた非円形形状の円筒状素材は、実施例１と同様にして、球状化焼鈍し、ショットブラストによる酸化スケールの除去後、内外周同時加工、突切加工して非円形形状のリングを5本得た。実施例１と同様に、焼入、焼戻しの後、仕上加工を行い、さらに窒化処理とイオンプレーティング処理を施して、圧力リングとした。実施例１に比べ、実施例２では、内外周同時加工の加工時間が約1/5に短縮された。
【００３６】
実施例３
実施例１で作製した、外径約353  mm、内径約311 mm、幅約90 mmの第２の円筒状素材から、呼び径330 mm、幅（h1）6.0 mm、厚さ（a1）4.5 mmの図６に示すようなI型形状のオイルリング本体を旋削加工により作製した。表面処理は、オイルリング本体全面に窒化処理を施した。
【００３７】
実施例４
実施例１で作製した、外径約180 mm、内径約50 mmの第１の円筒状素材から、リングローリング加工により外径約300  mm、内径約280 mmの第２の円筒状素材を作製し、さらに、図７に示すような断面の第２の円筒状素材が成形できるような形状をもつ主ロール及びマンドレルを使用してリングローリング加工を行い、外径約333 mm、内径約317 mmのオイルリング本体の素材を作製した。突切加工、熱処理、仕上加工、窒化処理等を行い、実施例２と同様なオイルリング本体を作製した。実施例３に比べ、実施例４では、加工時間を大幅に低減することができた。
【００３８】
実施例５
材料組成が、質量％で、C：0.86％、Si：0.27％、Mn：0.29％、P：0.024％、S：0.018％、Cr：17.3％、Mo：0.89％、V：0.11％の鋼材を使用した以外は、実施例２と同様にして、非円形形状の圧力リングを5本作製した。実施例１と同様にして熱ヘタリ試験を行った結果、熱ヘタリ率の平均値は2.9％であり、実施例１以上の耐熱ヘタリ性を有していたことがわかる。
【符号の説明】
【００３９】
1     円柱状鋼素材
2     円板状成形体
3     第１の円筒状素材
4     第２の円筒状素材（大型ピストンリング素材）
5     被加工材
6     主ロール
7     マンドレル
8     アキシャルロール
9     バックアップロール
10    自由形状素材（第１の大型ピストンリング素材）
11    合口
12    オイルリング本体
13    コイルエキスパンダ
14    レール部
15    第２の大型ピストンリング素材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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