(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼入れ焼もどし熱処理で硬さをHV300〜450とされ、概略断面形状が長方形(正方形を含む)の二対辺に凹部が形成されてＨまたはＸ字形で、そのウェブ部に多数の打抜きによる貫通油孔を形成された内燃機関の２ピース型オイルリング用異形鋼線材において、母材の化学成分は、重量％で、Ｃ  0.8%を越え0.95%未満、Ｓi  1.0%以下、Ｍn  1.0%以下、Ｃr  15.0〜25.0%を含み、さらに必要に応じてＭoとＷの１種または２種をＭo＋1/2Ｗで0.5〜3.0%のグループ、ＶとＮbの１種または２種をＶ＋1/2Ｎbで0.05〜2.0%のグループおよび12%以下のＣoと5%以下のＮiと5%以下のＣuの１種または２種以上からなるグループのうちの１種または２種以上のグループを含み、残部Ｆeと不可避不純物からなり、少なくとも一方の前記凹部の底部は平坦部があり、その幅(隅肉半径、ヌスミは無視)をＷ、前記貫通油孔の幅方向寸法をｂ、該貫通油孔の幅方向壁面の高さをｔ、前記貫通油孔の相互間隔をｃとしたとき、次式を満足することを特徴とする内燃機関の２ピース型オイルリング用異形鋼線材。
1.4t＞Ｗ−ｂ≧0.8tおよびｃ≧ｔ
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、各種内燃機関に用いられる鋼製２ピース型オイルリング用断面異形鋼線材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関用鋼製オイルリングの型式としては、従来２本の長方形断面のリングおよび１本のスプリングの計３本からなる３ピース型と、新型式である１本の異形溝付リングおよび１本のスプリングの計２本からなる２ピース型の２種類がある。
近年、部品点数減少によるコスト低減等を目的として、３ピース型から２ピース型への転換の要求が強まってきた。この２ピース型用の異形溝付リングは、その断面形状が長方形の二対辺に凹部が形成されて概略ＨまたはＸ字形状となった複雑形状で、かつその左右部を繋ぐウェブ部の厚み寸法の左右部の全厚み寸法に対する比が０．３以下等と小さく異形度が大きいものである。
また近年、耐摩耗性、耐硫酸腐食性等の向上を目的として高合金化する要求も強まっている。
ピストンリングのうち、圧力リングは断面形状も単純な長方形に近いので製造上の問題は少なく、すでに１７Ｃｒ系またはさらに２０％を越えるＣｒを含有するマルテンサイト系ステンレス鋼へと高合金化している。
３ピース型の組合せオイルリングのレール（一般にサイドレールと呼ばれている）は、ＳＵＳ４２０Ｊ２（０．３５Ｃ−１３Ｃｒ系である）、または０．６５Ｃ−１３Ｃｒ系のマルテンサイト系ステンレス鋼が使用されているが、やはり断面形状は単純な長方形に近く、従来の冷間圧延や冷間伸線による方法でも製造可能である。３ピース型用のサイドレールとしては、特公昭６１−５４８６２号（０．６５Ｃ−１３Ｃｒ系）、特開昭６１−５９０６６号（０．５５Ｃ−７Ｃｒ系）などの提案がある。
【０００３】
オイルリングの材質も高合金化の要求が強い。２ピース型オイルリングについても、高合金ほど耐摩耗性や耐食性の向上が期待できる。
しかし、この２ピース型オイルリング用異形溝付きリングを、従来よりさらに高Ｃ化して、例えば０．８重量％を越えるＣ、１５重量％以上のＣｒを含有するマルテンサイト系ステンレス鋼から製造することは非常に困難である。すなわち、該リングは断面形状が複雑、かつ異形度が大、つまり丸または長方形からの形状的隔たりが大きく、したがって異形成形に際して、大きな塑性加工量が必要で、実生産が困難である。特に上下方向から強い圧縮加工を受けるウェブ部と上下から圧縮作用を受けないフランジ部が隣合っており、本発明者が実験の結果見出したことであるが、この境界部から非常に割れが発生し易いことおよびオイルリングの用途上、表面粗さが３Ｓ以下とされるほか、割れはもちろん打疵、すり傷等の表面性状が厳しく規制されているからである。すなわち、従来の冷間引抜き方法によると、高合金化のため被加工性が低下し、かつ、異形度が大きい上に前記のように加工割れが、ウェブ部とフランジ部との境界部に発生し易く、これらを防止するためには１パス当りおよび焼鈍１回当りの加工率が低く制限され、その結果、最終製品に至るまでの加工パス回数や焼鈍回数がさらに増加し、これらの処理またはハンドリング中に表面性状を損ない易く、また、コスト的にも困難となる。このため、従来０．８重量％を越えるＣ、１５重量％以上のＣｒを含有するマルテンサイト系ステンレス鋼による２ピース型オイルリングの製造はなされていなかった。
【０００４】
このような状況のなか、本発明者らは、温間ロールダイスを使用することを中心とする新規なオイルリング用異形鋼線材の製造方法により、ひとまず異形鋼線材の断面形状の成形を可能とし、特願平３−１９３０２号で提案した。そして、該提案によるオイルリングは、化学成分をＣが０．８重量％を越え０．９５重量％未満、Ｃｒ  １５重量％ないし２５重量％を含有するマルテンサイト系ステンレス鋼、より具体的には上記Ｃ，Ｃｒ，Ｆｅ以外の組成は、脱酸、脱硫元素であるＳｉ，Ｍｎをそれぞれ１．０％以下、またはさらにＭｏとＷの１種または２種をＭｏ＋１／２Ｗで０．５〜３．０重量％、ＶとＮｂの１種または２種をＶ＋１／２Ｎｂで０．０５〜２．０重量％、ならびにＣｏの１２重量％以下、Ｎｉの５重量％以下を適宜含む鋼とするものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
２ピース型オイルリング用異形鋼線材は、所定の異形断面に成形後、そのいずれかの段階でそのウェブ部に直列状に多数の貫通油孔を穿孔する必要がある。この穿孔は加工費、作業能率から考えて実質的に打抜き法に限定される。しかし、該打抜きはその被加工材が高合金化したことにより、格段に困難となることがわかった。
すなわち、従来の前記のような低合金鋼材では、ＨＶ３００〜４５０の所定硬さ範囲に焼入れ焼もどしした材料でも打抜き可能であったが、前記成分の高合金鋼では、同等硬さに熱処理したものでも、従来の製造方法では実質的に打抜きが不可能であった。また、従来の低合金材で所定断面形状に成形後引続き打抜きを行なう場合があったが、上記高合金材では、やはり打抜き不可能であった。
【０００６】
本発明者は、先に、本願とほぼ同じ（Ｃｒ：１５．０〜２０．０）化学成分を有する高Ｃ、高Ｃｒ鋼線素材を、所定断面形状に成形後、テンションアニーリングを施すことで、真直性の高い当該用途用断面異形鋼線材を得、これに所定の寸法的制限を加えた打抜きを施すことにより、貫通油孔を打抜き穿孔することに成功し、特願平３−１０２５９７号で出願した。しかし、上記の寸法的制限は、端的に言えば、貫通油孔の幅寸法、したがって該油孔の断面積、つまり油掻き能力を制限するものである。
また、近時、２ピース型オイルリングを、小型内燃機関にも用いる傾向があり、またそれ自身小断面化して、軽量化やピストンの軽量化を図る傾向がある。前記寸法的制限は、リング用鋼線材の断面寸法に比例して打抜用パンチの厚み寸法を薄く制限することになるため、該小断面寸法のリング用鋼線材に対してはパンチの強度の点から、実施困難になってきている。
本発明は、前記のごとき高合金材でなり、打抜きによる貫通油孔を有する２ピース型オイルリング用異形鋼線材において、油掻き能力が優れ、または小断面のものに対しても適用可能な当該オイルリング用異形鋼線材を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、焼入れ焼もどし熱処理で硬さをHV300〜450とされ、概略断面形状が長方形(正方形を含む)の二対辺に凹部が形成されてＨまたはＸ字形で、そのウェブ部に多数の打抜きによる貫通油孔を形成された内燃機関の２ピース型オイルリング用異形鋼線材において、母材の化学成分は、重量％で、Ｃ  0.8%を越え0.95%未満、Ｓi  1.0%以下、Ｍn  1.0%以下、Ｃr  15.0〜25.0%を含み、さらに必要に応じてＭoとＷの１種または２種をＭo＋1/2Ｗで0.5〜3.0%のグループ、ＶとＮbの１種または２種をＶ＋1/2Ｎbで0.05〜2.0%のグループおよび12%以下のＣoと5%以下のＮiと5%以下のＣuの１種または２種以上からなるグループのうちの１種または２種以上のグループを含み、残部Ｆeと不可避不純物からなり、少なくとも一方の前記凹部の底部は平坦部があり、その幅(隅肉半径、ヌスミは無視)をＷ、前記貫通油孔の幅方向寸法をｂ、該貫通油孔の幅方向壁面の高さをｔ、前記貫通油孔の相互間隔をｃとしたとき、1.4t＞Ｗ−ｂ≧0.8tおよびｃ≧ｔを満足することを特徴とする内燃機関の２ピース型オイルリング用異形鋼線材である。
【０００８】
【作用】
本願の打抜き貫通油孔を有する異形鋼線材は、前記出願後、テンションアニール効果の向上、打抜装置の精度向上等、種々の改善を積み重ねた結果、前記寸法的制限を緩和し得ることが確認されたことによるものである。
先ず、本発明の成分の限定理由について述べる。
ＣはＣｒおよびＭｏ，Ｗ，Ｖ等の添加元素と結合して炭化物を形成し、耐摩耗、耐焼付性の向上に寄与すると共に、一部は基地中に固溶して基地を強化する。これらの効果を得るためにＣは０．８％を越えて添加することが必要であるが、本発明のオイルリングは異形状断面を有するので０．９５％以上では温間加工といえどもリング素材の製造性およびリングの成形性が悪くなる。また、０．９５％を越えると過度の炭化物を形成することにより、耐硫酸腐食性が低下する。したがって、Ｃは０．８％を越え０．９５％未満に限定する。
Ｓｉは鋼の精錬時に脱酸の目的で添加されると共に、耐硫酸腐食性の向上に効果的な元素である。しかし、１％を越えると温間加工性を害するのでＳｉは１％以下に限定する。
【０００９】
Ｍｎは鋼の精錬時に脱硫の目的で添加されるが、１．０％を越えると素線を製造する時の熱間加工性を害するので１．０％以下に限定する。
Ｃｒは前述のようにＣと結び付いて、炭化物（Ｍ２３Ｃ６型およびＭ７Ｃ３型）を形成し、耐摩耗性および耐焼付性を向上させるので、本発明のオイルリングには必須の成分である。さらに一部は、基地中に固溶して耐酸化性、耐熱性を向上させる。また、窒化処理により硬質の窒化層を生成し、耐摩耗性、耐焼付性を大きく向上させる。これらの効果を得、また靭性を低下させないために通常の環境下（硫酸雰囲気中でない場合）では、例えば特開平１−２０８４３５号に記載のようにＣｒ量は、７〜２５％の範囲で十分対応可能である。しかし、硫酸雰囲気中ではより過酷な条件下となるためＣｒ量は狭い範囲に限定される。本発明者の実験の結果によれば、Ｃｒ量が１５．０％未満の場合、おそらく炭化物量が不足するために硫酸中での腐食摩耗量が多くなる。またＣｒ量が２５．０％を越えるとおそらく炭化物量および窒化を行った場合にＣｒの窒化物量が過度になるため耐硫酸腐食性が低下する。従ってＣｒ量は１５．０〜２５．０％の範囲に限定した。
【００１０】
ＭｏとＷは、Ｃと結びついてそれ自体の炭化物を形成すると共に、Ｃｒ炭化物中にも固溶することにより、これを強化し、さらに焼もどし軟化抵抗を高め、また窒化処理において窒化層形成にも寄与し、耐摩耗性、耐焼付性を向上させるので必要に応じて添加される。なお、Ｍｏは、耐硫酸腐食性を向上させる作用をもつ。上記の効果を得るためには、Ｍｏ、Ｗの１種または２種を（Ｍｏ＋１／２Ｗ）で少なくとも０．５％必要である。しかし、過度に添加すると靭性を低下させるので（Ｍｏ＋１／２Ｗ）の上限を３．０％とした。
ＶとＮｂは両元素とも結晶粒を微細化し、靭性向上に寄与するだけでなく、Ｍｏ，Ｗと同様それ自体で炭化物を形成すると共に、Ｃｒ炭化物中にも固溶して、これを強化することにより、耐摩耗性および耐焼付性を向上させ、また焼戻し軟化抵抗を向上させる。したがって、この目的で添加することができる。また、両元素共、耐硫酸腐食性を向上させる作用をもつ。これらの効果を得るためには、ＶとＮｂの１種または２種を（Ｖ＋１／２Ｎｂ）で少なくとも０．０５％以上必要である。しかし過度に添加するとＭＣ型炭化物を過剰に生成して靭性を劣化させるので、（Ｖ＋１／２Ｎｂ）量の上限を２．０％とした。
【００１１】
ＮｉとＣｏは、本発明において窒化層の耐硫酸腐食性を向上させる重要な元素である。両元素とも炭化物を形成せず、基地に固溶し、耐硫酸腐食性を高めるが、窒化物を形成しないため窒化層中においてもその作用が残存することが特徴であり、窒化処理を行って使用する本発明のピストンリング材には特に有効である。Ｎｉが５．０％を越えると熱処理における所定の硬さが得られにくくなり、またＣｏは１２％を越えると熱間加工性および冷間加工性を低下させるので、添加する場合、Ｎｉは５．０％以下、Ｃｏは１２％以下とした。
Ｃｕは本発明において、カルボン酸に対する耐食性を高める重要な元素である。このため、例えばアルコール燃料の燃焼ガスなどの腐食性雰囲気に対して従来の材料に増して、より耐食性の優れたピストンリングとすることができる。しかし、５％を越えると熱間加工性が悪くなるため、Ｃｕの範囲は５％以下とする。
なお、Ｐ，Ｓ，Ｏ，Ｎは、通常不純物元素として微量含有される。
【００１２】
また、硬さ範囲をＨＶ３００〜４５０と規定した理由は、ＨＶ４５０を越えるとカーリング工程でスプリングバックが大きくなり、カーリング形状を一定範囲内に保つことが困難となるほか、カーリング時に折損し易くなるためであり、特に異形断面を有する本発明の形状のオイルリングを製造する上で必須の条件である。一方、ＨＶ３００未満では高合金化の目的に反して耐摩耗性が低下し、所定のリング寿命を得ることができないためである。
【００１３】
本発明は、前記出願で述べたように、所定断面形状に成形された異形鋼線材が連続熱処理炉により焼鈍された後にのみ、実質的に打抜き可能となることを見出したことによるものである。この焼鈍は、断面成形加工時の応力を適当に除去してその硬さをＨＶ２００〜３８０程度に調整して、パンチやダイスの過度の負荷を防止し、また過度のバリの発生を防止する作用をなす。しかし、さらに重要なことは、テンションアニーリング作用により、高度に真直化された被加工鋼線材を得ることである。これにより、例えば、パンチではその幅寸法が、０．６ｍｍ、０．８ｍｍ等非常に微細なパンチやダイスでなる打抜き装置への被処理材の円滑な導入を可能とするのである。特に、この製造方法の望ましい打抜き態様は、直列に配列された複数の貫通油孔を同時に打抜くものであり、この際ダイスやガイド等はパスライン方向に長尺化するから、特に真直精度を向上することが必要である。前記のように低合金鋼線の場合、この連続熱処理炉による焼鈍は、打抜きに対して必須ではなかった。恐らく、この相違は高合金鋼線材では、前述のように温間ロールダイス等形状的に高精度を得られ難い加工方法を用いざるを得ないことと大きく関係することが考えられる。
【００１４】
次に、円滑な打抜きを達成するためには、断面形状、寸法等の条件を満足することが必要である。図１は本発明を実施する場合の打抜き装置の断面図例、図２は打抜き完了材の平面図例である。すなわち、被打抜き材である断面異形鋼線材１は、ダイス５、横ガイド１１，１１および上ガイド兼パンチガイド１０でリジットに案内、保持される。それぞれの図面に示したごとく各寸法に符号を付したとき、パンチ４は図２からわかるように、通常、扁平比％ａ／ｂ＝５〜３程度と大きい扁平比を有するから、Ｗ−ｂは打抜き力を受け止めるべき部分の幅寸法を示している。これに対し打抜き力は、貫通孔の内壁の面積を代表する孔の側面高さｔに比例すると考えられ、本発明者らの実験によるとダイスの強度および被打抜き材の圧潰に対する面圧力を確保して打抜きを円滑に保持するためには、Ｗ−ｂ≧１．４ｔを満足することが必要であることが判明し、前述のように特願平３−１０２５９７号で出願した。しかし、その後更に、前述のように改良を重ねた結果、Ｗ−ｂ≧０．８ｔを満足すれば、打抜き穿孔が可能であることが確認された。したがって、本願は１．４ｔ＞Ｗ−ｂ≧０．８ｔの範囲を新たに提案するものである。
また、満足すべき条件として、ｃ≧ｔを満足すべきことは上記出願と同様である。この条件は打抜きに際してよりむしろその後のリングへの曲げ成形時に割れの伝播性と関係して重要である。すなわち、ｃ＜ｔではリング成形時にｃ寸法部分に割れが貫通する。
【００１５】
前述のように、被打抜き材は高い真直性が必要であるが、その断面寸法変動、特に被打抜き材の断面形状成形時に変動し易いウェブの厚み方向の寸法変動は可能の限り抑制すべきであり、望ましくは５０μｍ以下、さらに望ましくは３０μｍ以下とする。幅寸法も理論的に厚み寸法と同等である。しかし、幅寸法は厚み寸法に比し寸法変動の抑制が容易である。これら断面寸法の変動は、被打抜き材の案内精度、したがって打抜き工具の寿命に影響を与える。
また、打抜き作業中はバリの高さの監視を要する。ばりは望ましくは４０μｍ以下、さらに望ましくは３０μｍ以下とする。過度のばりは使用中に脱落してエンジントラブルの原因となると考えられるほか、特にリングへの曲げ成形時に油孔からの割れの発生を誘発し易くなる。バリの抑制は、素材の硬さを適正にすること（ＨＶ≧２００）、パンチとダイスのクリアランスを適正に保持すること、パンチおよびダイスエッジの摩耗量を制限する（０．０５ｍｍ以下）等による。
【００１６】
打抜き方法は、打抜き工具の耐久性の関係から間欠送りしつつ、適当箇数の油孔を同時に打抜くことにより、パンチとダイスの打抜き工具の１セット当りの負担を軽減することが望ましい。
また、パンチは前述のように折損し易いから、この場合直ちに作業を中断して事故の波及を防止する必要がある。このため、常時、貫通油孔が所定位置に存在することを機械的、電気的、光学的等により監視する必要がある。この際、貫通油孔が定ピッチかつ同一形状であればこれ等の監視装置の簡略化上好都合である。
最後に連続熱処理炉による焼入れ焼もどし熱処理を行なう。ピストンリングの曲げ成形において、被成形材の長手方向に亘ってスプリングバックおよび曲り状態が均一であることが必要である。このため、本願の製造方法の発明においても焼入れ焼もどし熱処理は連続炉による。
【００１７】
【実施例】
表１に示す成分の各線素材から、温間ロールダイスを主とする加工法により、それぞれ断面寸法で幅  ３．８ｍｍ、図２のＷ（隅肉半径無視、ヌスミがある場合もこれを無視）寸法が２．０ｍｍ、高さ  ２．３ｍｍ、ウェブ厚さ  ０．６５ｍｍの２ピースオイルリング用断面異形鋼線素材をそれぞれ製作し、引き続き、連続焼鈍炉により焼鈍した。この状態の硬さの１例はＨＶ≒２６０であり、各材料のデータは硬さバラツキＨＶ  ２５以下、平方向曲り、横曲りとも  １ｍｍ／１０００ｍｍ以下、ねじれ  ０．５°／１０００ｍｍ以下、ウェブ部厚みバラツキ  ０．０２０ｍｍ／５０ｍｍ以下であった。
【００１８】
【表１】
0003589353.tif 000002
【００１９】
上記各素材を、貫通油孔幅  ｂ＝１．４５ｍｍ、同長さ  ａ＝３．５ｍｍ、同相互間隔ｃ＝１ｍｍなる貫通油孔を、打抜き回数３，０００回打抜きした。
その結果、各ロットともパンチ、ダイスの破損は全く発生せず、バンチ，ダイス角部に０．０２０ｍｍ程度の摩耗が観察された。また、打抜き孔のピッチ・バラツキは±０．０５０ｍｍ以内と良好であった。また、テスト材の両端部のオイル孔の観察の結果、バリの高さは０．０２５ｍｍ以下であった。
次に、それらのオイル孔付き断面異形線材を、ＨＶ４００程度に焼入焼もどししたのち内径  ９０ｍｍに連続曲げ加工を施した。曲げ加工の際のバリを起点とするまたは他の原因の折損は全く発生しなかった。なお、焼入れ焼もどし後の幅寸法バラツキは０．００２ｍｍであった。
【００２０】
【発明の効果】
以上述べたように、高合金化に付随して、断面形状精度、被加工性等が低下したため、その断面異形線材のウェブ部に、工業的に貫通油孔を打抜くためには、打抜き性に対して大きい寸法的制限が必要であったが、各方向に亘る改良を重ねた結果、これを緩和することが可能となった。
本発明により油掻き能力が優れ、または小断面の油孔付きリング用異形材の生産が可能になり、小型内燃機関への適用や、断面寸法縮小による効果の享受が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】断面異形鋼線のウェブ部に貫通油孔を打抜き加工する打抜装置の断面図例および寸法符号を説明する図である。
【図２】打抜き完了材の平面図例および寸法符号を説明する図である。
【符号の説明】
１  断面異形線材
４  パンチ
５  ダイス
１０  上ガイド兼パンチガイド
１１  横ガイド
【図１】
0003589353.tif 000003
【図２】
0003589353.tif 000004