(57)【要約】ピストンリングの合口の幅がばらつきにくく、コイリング時の加工性に優れ、低コストで製造できるピストンリング用線を提供する。本発明のピストンリング用線は、０．５０質量％以上０．８０質量％以下のＣと、１．００質量％以下のＳｉと、１．００質量％以下のＭｎと、１１．０質量％以上１４．０質量％以下のＣｒと、０．２０質量％以上２．０質量％以下のＭｏと、不可避的不純物とを含む鋼からなり、横断面での組織における、円相当径が０．２μｍ以上５μｍ以下である炭化物粒子の面積率が１０％以下であり、ビッカース硬さが３５０以上４５０以下である。この線は、焼入及び焼戻を経て製造され、その焼戻温度は６４５℃以上である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．５０質量％以上０．８０質量％以下のＣと、１．００質量％以下のＳｉと、１．００質量％以下のＭｎと、１１．０質量％以上１４．０質量％以下のＣｒと、０．２０質量％以上２．０質量％以下のＭｏと、不可避的不純物とを含む鋼からなり、
横断面での組織における、円相当径が０．２μｍ以上５μｍ以下である炭化物粒子の面積率が、１０％以下であり、
ビッカース硬さが３５０以上４５０以下であるピストンリング用線。
【請求項２】
上記鋼におけるＭｏの量が０．８０質量％以上１．２０質量％以下である請求項１に記載の線。
【請求項３】
上記鋼が０．０３質量％以上０．１５質量％以下のＶをさらに含む請求項１に記載の線。
【請求項４】
上記横断面での組織における、円相当径が０．２μｍ以上５μｍ以下である炭化物粒子の密度が、２５０個／１０００μｍ２以下である請求項１に記載の線。
【請求項５】
焼入及び焼戻を経て得られたものであり、この焼戻の温度が６４５℃以上である請求項１に記載の線。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関、圧縮機等のピントンリング用の線に関する。詳細には、本発明は、鋼製の線に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車エンジン等の内燃機関には、鋳鉄製のピストンリングが用いられてきた。近年は、鋼製のピストンリングが普及している。鋼製のピストンリングは、強度に優れている。鋼製のピストンリングは、容易に製造されうる。【０００３】
鋼製のピストンリングの製造には、線が用いられる。この線の製造では、まず、所定の組成を有するインゴットが得られる。このインゴットに熱間圧延、焼なまし、冷間伸線、冷間圧延等が施され、素線が得られる。この素線に焼入及び焼戻が施され、ピストンリング用の線が得られる。【０００４】
この線に、曲げ加工が施される。この曲げ加工は、コイリングと称されている。コイリングの後に、線は切断される。切断後の線は、ほぼリング状を呈する。コイリング及び切断により、線の一端と他端とが対向する。この部分は、合口と称されている。線の一端と他端とは、離間している。換言すれば、合口にはスペースが存在する。この線に、歪取り焼鈍が施される。さらにこの線に、窒化処理が施される。これらの工程を経て、ピストンリングが得られる。【０００５】
合口の幅が不適切であるリングでは、このリングがシリンダーに装着されたときの張力が不適切である。リングの張力が不適切であるピストンでは、ブローバイ量が大きい。このピストンを備えた内燃機関では、燃焼効率が低い。【０００６】
前述の歪取り焼鈍及び窒化処理により、リングは縮径又は拡径する。この縮径及び拡径により、合口の幅が変化する。具体的には、リングが縮径することにより合口の幅が縮小し、リングが拡径することにより合口の幅が拡大する。変化後の幅が適正値となるように、変化前の幅が決定される。換言すれば、変化前の幅は、変化率が考慮されて決定される。変化率が大きい線では、この変化率がばらつきやすい。従って、変化後の合口の幅も、ばらつきやすい。変化率が大きい線では、合口の幅が不適正であるピストンリングが得られるおそれがある。【０００７】
特開２００５−３４４１３４公報には、リングの縮径が生じにくい線が開示されている。この線では、合口の幅が適正であるピストンリングが得られうる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−３４４１３４公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特開２００５−３４４１３４公報に開示された線は、多量のＮｉ及びＣｒを含んでいる。この線は、高価である。【００１０】
コイリングのとき、線にクラックが生じることがある。コイリングのとき、線が折れることもある。コイリング時の加工性に優れた線が望まれている。【００１１】
本発明の目的は、ピストンリングの合口の幅がばらつきにくく、コイリング時の加工性に優れ、しかも低コストで得られるピストンリング用線の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、線の製造工程での焼戻温度が高く設定されることにより、ピストンリングの製造工程での熱処理における合口の幅の変化が抑制されることを見出した。一方、高い温度で焼戻された線の硬さは、低い。この線から得られたピストンリングは、強度に劣る。本発明者は、線の組成と組織との調整により、高い温度で焼戻されたにもかかわらず、適正な硬さを有する線が得られることを見出した。【００１３】
本発明に係るピストンリング用線は、０．５０質量％以上０．８０質量％以下のＣと、１．００質量％以下のＳｉと、１．００質量％以下のＭｎと、１１．０質量％以上１４．０質量％以下のＣｒと、０．２０質量％以上２．０質量％以下のＭｏと、不可避的不純物とを含む鋼からなる。この線の横断面での組織における、円相当径が０．２μｍ以上５μｍ以下である炭化物粒子の面積率は、１０％以下である。この線のビッカース硬さは、３５０以上４５０以下である。【００１４】
好ましくは、鋼におけるＭｏの量は、０．８０質量％以上１．２０質量％以下である。好ましくは、鋼は、０．０３質量％以上０．１５質量％以下のＶをさらに含む。【００１５】
好ましくは、横断面での組織における、円相当径が０．２μｍ以上５μｍ以下である炭化物粒子の密度は、２５０個／１０００μｍ２以下である。【００１６】
この線は、焼入及び焼戻を経て得られうる。好ましくは、この焼戻の温度は、６４５℃以上である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るピストンリング用線は、曲げ加工後の熱処理による合口の幅の変化が小さい。従って、この合口の幅のばらつきが小さい。この線のビッカース硬さが適正なので、この線はコイリング時の加工性に優れる。さらに、この線の鋼におけるＣｒの量が少ないので、この線は低コストで得られうる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るピストンリング用線の一部が示された斜視図である。
【図２】図２は、図１の線の曲げ加工後の状態が示された斜視図である。
【図３】図３は、図２の線が示された平面図である。
【図４】図４は、本発明の実施例１に係る線が示された断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、適宜図面が参照されつつ、好ましい実施形態に基づいて本発明が詳細に説明される。
【００２０】
図１に示されたピストンリング用線１は、鋼からなる。この線１の製造では、まず溶製により、インゴットが得られる。このインゴットに熱間圧延、焼鈍、冷間伸線及び冷間圧延が施され、素線が得られる。この素線に焼入及び焼戻が施される。
【００２１】
この線１に、コイリングが施される。この線１はさらに、切断される。図２及び３に示されるように、切断後の線１は、ほぼリング状を呈する。コイリング及び切断により、線１の一端２と他端３とが対向する。一端２と他端３との間は、合口４と称されている。一端２と他端３とは、離間している。図３において矢印Ｗで示されているのは、合口４の幅である。
【００２２】
切断後、線１に熱処理が施される。典型的には、歪取り焼鈍及び窒化処理が、線１に施される。これらの熱処理を経て、ピストンリングが得られる。熱処理により、合口４の幅Ｗが変化する。変化率Ｐ１（絶対値）は、下記数式によって算出される。
【００２３】
【数１】
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【００２４】
上記数式において、Ｗ１は熱処理前の合口４の幅を表し、Ｗ２は熱処理後の合口４の幅を表す。適正な幅Ｗ２が達成されるように、幅Ｗ１が設定される。
【００２５】
変化率Ｐ１が小さいほど、幅Ｗ２のばらつきが小さい。前述の通り、線１は、素線に焼入及び焼戻が施されて得られる。本発明者が得た知見によれば、この焼戻の温度が高いほど、後の熱処理における変化率Ｐ１が小さい。焼戻の温度が高くても、線１の組成と組織とが適正とされることにより、この線１が十分な硬さを有する。
【００２６】
変化率Ｐ１が小さな線１が得られるとの観点から、焼戻温度は６４５℃以上が好ましく、６５０℃以上がより好ましく、６６０℃以上が特に好ましい。ピストンリングの強度の観点から、焼戻温度は７００℃以下が好ましい。
【００２７】
この線１の鋼の組成は、以下の通りである。
Ｃ：０．５０質量％以上０．８０質量％以下
Ｓｉ：１．００質量％以下
Ｍｎ：１．００質量％以下
Ｃｒ：１１．０質量％以上１４．０質量％以下
Ｍｏ：０．２０質量％以上２．０質量％以下
残部：Ｆｅ及び不可避的不純物
【００２８】
Ｃは、侵入型の固溶元素である。適量なＣを含む鋼は、高い硬度を有する。Ｃは、鋼の強度に寄与する。さらにＣは、組織に炭化物を生成させる。この炭化物は、鋼の耐摩耗性に寄与する。これらの観点から、Ｃの量は０．５０質量％以上が好ましく、０．６０質量％以上が特に好ましい。共晶炭化物の晶出の制御の観点及び線１の冷間加工性の観点から、この量は０．８０質量％以下が好ましく、０．７０質量％以下が特に好ましい。
【００２９】
Ｓｉは、精錬時に脱酸剤として機能する。適量なＳｉを含む鋼は、高い硬度を有する。Ｓｉは、鋼の強度に寄与する。これらの観点から、Ｓｉの量は０．０５質量％以上が好ましく、０．１０質量％以上が特に好ましい。線１の冷間加工性の観点から、この量は１．００質量％以下が好ましく、０．５０質量％以下が特に好ましい。
【００３０】
Ｍｎは、インゴットの溶製時に、脱酸剤として機能する。さらにＭｎは、不純物であるＳの悪影響を抑制する。これらの観点から、Ｍｎの量は０．２０質量％以上が好ましく、０．４０質量％以上が特に好ましい。線１の熱間加工性の観点及びピストンリングの耐食性の観点から、この量は１．００質量％以下が好ましく、０．８０質量％以下が特に好ましい。
【００３１】
Ｃｒを含むピストンリングは、耐食性に優れる。Ｃｒが固溶した鋼からなるピストンリングは、耐熱へたり性に優れる。熱へたりとは、高温にてピストンリングが使用されたときに、クリープによってピストンリングの張力が低下する現象である。張力の低下は、ピストンリングのシール性能を阻害する。Ｃｒは、Ｃと結合して炭化物を形成する。Ｃｒはさらに、窒化物を形成してピストンリングの耐摩耗性を高める。これらの観点から、Ｃｒの量は１１．０質量％以上が好ましく、１２．０質量％以上が特に好ましい。線１の冷間加工性の観点及びピストンリングのコストの観点から、この量は１４．０質量％以下が好ましく、１３．０質量％以下が特に好ましい。
【００３２】
前述の通り、線１は焼入及び焼戻を経て得られる。Ｍｏを含む線１は、焼戻後において、十分な硬度を有する。この線１から得られたピストンリングは、強度に優れる。Ｍｏは、Ｃと結合して炭化物を形成する。この炭化物は、ピストンリングの耐摩耗性に寄与する。これらの観点から、Ｍｏの量は０．２０質量％以上が好ましく、０．８０質量％以上が特に好ましい。線１の冷間加工性の観点から、この量は２．０質量％以下が好ましく、１．２質量％以下が特に好ましい。
【００３３】
典型的な不純物は、Ｐである。Ｐは、結晶粒界に偏析する。Ｐは、鋼の熱間加工性を阻害する。Ｐはさらに、ピストンリングの疲労強度を低下させる。これらの観点から、Ｐの量は少ないほど好ましい。具体的には、この量は０．０５質量％以下が好ましく、０．０３質量％以下が特に好ましい。
【００３４】
他の典型的な不純物は、Ｓである。Ｓは、Ｍｎ等と結合して介在物を形成する。この介在物は、ピストンリングの疲労強度を低下させる。この介在物はさらに、ピストンリングの耐食性を阻害する。これらの観点から、Ｓの量は少ないほど好ましい。具体的には、この量は０．０３質量％以下が好ましく、０．０１質量％以下が特に好ましい。
【００３５】
さらに他の典型的な不純物は、Ｎである。Ｎは、鋼の熱間加工性を阻害する。Ｎはさらに、窒化物である介在物を形成し、ピストンリングの疲労強度を低下させる。この観点から、Ｎの量は０．０４質量％未満が好ましく、０．０３質量％以下が特に好ましい。
【００３６】
本発明において、鋼がＶを含んでもよい。Ｖは、炭化物の析出温度を高温側に移行させる。Ｖを含む線１は、焼戻後において、十分な硬度を有する。この線１から得られたピストンリングは、強度に優れる。Ｖは、Ｃと結合して炭化物を形成する。この炭化物は、ピストンリングの耐摩耗性に寄与する。これらの観点から、Ｖの量は０．０３質量％以上が好ましく、０．０４質量％以上が特に好ましい。線１の冷間加工性の観点から、この量は０．１５質量％以下が好ましく、０．１０質量％以下が特に好ましい。
【００３７】
本発明に係る線１の鋼の組成において最も特徴的な元素は、Ｍｏ及びＶである。前述の通り、高温での焼戻により、変化率Ｐ１が小さな線１が得られる。一方、高温での焼戻は、炭化物の析出を助長する。Ｍｏ及びＶは、この炭化物の析出温度を高温側に移行させる。Ｍｏ又はＶを含む鋼からなる線１では、焼戻による軟化が抑制される。この線１は、強度に優れる。
【００３８】
線１は、製鋼、熱間圧延、焼なまし、伸線、冷間圧延、焼入、焼戻等の工程を経て製造される。熱間圧延後の冷却により、素線において炭化物が析出する。この炭化物が焼なましにおいて成長し、かつ球状化する。伸線時に冷間加工及び焼なましが繰り返されることにより、炭化物はさらに成長する。この炭化物は、Ｆｅ、Ｃｒ及びＭｏを含む。この炭化物は、Ｖを含みうる。適切な温度での焼入により、一部の炭化物が固溶する。焼入により、マルテンサイトと炭化物とを含む組織が得られる。焼入温度が高温に設定されることにより、理想的な組織が得られる。好ましくは、焼入温度は、１０７０℃以上である。焼戻では、炭化物が成長する。焼戻しではさらに、新たな炭化物が析出する。この焼戻により、強靱な線１が得られる。
【００３９】
この線１では、面積率Ｐ２は、１０％以下である。この面積率Ｐ２は、線１の横断面での組織の、光学顕微鏡による観察によって測定される。横断面とは、圧延方向に垂直な平面に沿った断面である。面積率Ｐ２は、断面の画像解析によって算出される。画像の面積は、１６８４μｍ２である。この画像の面積がＳ１とされ、この画像内に存在しかつ円相当径が０．２μｍ以上５μｍ以下である炭化物粒子の合計面積がＳ２とされたとき、面積率Ｐ２は下記数式によって算出される。
Ｐ２ ＝ （Ｓ２ ／ Ｓ１） ＊ １００
【００４０】
合計面積Ｓ２は、画像処理によって算出される。この処理の解像度は、０．０６４５μｍ／画素である。算出のための画像の撮影に先立ち、線１の断面には、電解腐食が施される。電解腐食の条件は、以下の通りである。
腐食液：シュウ酸水溶液（濃度：１０質量％）
温度：２０℃
電圧：３Ｖ
腐食時間：３秒
【００４１】
円相当径とは、それぞれの炭化物粒子の面積と同一の面積を有する円が仮想されたときの、この円の直径を意味する。円相当径が０．２μｍ未満である炭化物粒子の面積は、極めて小さい。従って、円相当径が０．２μｍ未満である炭化物粒子が面積率に与える影響は、小さい。円相当径が５μｍを超える炭化物粒子の出現頻度は、極めて小さい。従って、円相当径が５μｍを超える炭化物粒子が面積率に与える影響は、小さい。これらの事情に鑑み、本発明では、円相当径が０．２μｍ以上５μｍ以下である炭化物粒子の合計面積Ｓ２に基づいて、面積率Ｐ２が算出される。
【００４２】
面積率Ｐ２が１０％以下である線１では、十分な量のＣがＦｅに固溶している。この線１は、高硬度である。この線１から得られるピストンリングは、強度に優れる。強度の観点から、面積率Ｐ２は８．５％以下が特に好ましい。
【００４３】
前述の通り、線１の製造工程における焼戻温度は、高い。この線１では、合口４の変化率Ｐ１は小さい。焼戻温度が高いほど、多くの炭化物が析出する。換言すれば、焼戻温度が高いほど、面積率Ｐ２が大きい傾向がある。本発明に係る線１では、小さな変化率Ｐ１と小さな面積率Ｐ２とが、両立されている。
【００４４】
小さな変化率Ｐ１と小さな面積率Ｐ２との両立のための第一の手段は、鋼へのＭｏ又はＶの添加である。Ｍｏ及びＶは、前述の通り、炭化物の析出温度を高温側に移行させる。
【００４５】
小さな変化率Ｐ１と小さな面積率Ｐ２との両立のための第二の手段は、焼戻前の鋼の組織の調整である。微細でありかつ大きさが均一な炭化物を含む組織により、焼戻温度が高い場合でも、ピストンリングに適した硬さが達成される。
【００４６】
ピストンリングの強度の観点から、線１の横断面での組織における、円相当径が０．２μｍ以上５μｍ以下である炭化物粒子の密度Ｄは、２５０個／１０００μｍ２以下が好ましく、２２５個／１０００μｍ２以下が特に好ましい。
【００４７】
この線１のビッカース硬さＨｖは、３５０以上４５０以下が好ましい。硬さＨｖが３５０以上である線１から得られたピストンリングは、強度に優れる。この観点から、硬さＨｖは３６０以上が特に好ましい。硬さＨｖが４５０以下である線１は、コイリング時の加工性に優れる。この観点から、硬さＨｖは４４０以下が特に好ましい。硬さＨｖは、「ＪＩＳ  Ｚ  ２２４４」の規定に準拠して測定される。
【実施例】
【００４８】
以下、実施例によって本発明の効果が明らかにされるが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるべきではない。【００４９】
［実施例１］
成分を調製した溶湯から、インゴットを得た。このインゴットに熱間圧延、焼鈍、冷間伸線、冷間圧延を施し、素線を得た。この素線に焼入を施した。焼入温度は、１０７０℃であった。この素線に焼戻を施して、実施例１の線を得た。焼戻温度は、６６４℃であった。この線の横断面を観察したところ、面積率Ｐ２は８．４５％であり、密度Ｄは２２１個／１０００μｍ２であった。この線のビッカース硬さＨｖは、４２１であった。この線の横断面形状が、図４に示されている。【００５０】
［実施例２−６及び比較例１−２］
焼戻温度を下記の表２及び３に示される通りとした他は実施例１と同様にして、実施例２−６及び比較例１−２の線を得た。【００５１】
［実施例７−１０及び比較例３−４］
Ｍｏの量を下記の表４に示される通りとした他は実施例１と同様にして、実施例７−１０及び比較例３−４の線を得た。【００５２】
［実施例１１−１４］
Ｖの量を下記の表５に示される通りとした他は実施例１と同様にして、実施例１１−１４の線を得た。【００５３】
［変化率の測定］
線にコイリングを施し、合口の幅が約１０ｍｍであるリングを形成した。このリングに、歪取り焼鈍を施した。この歪取り焼鈍の温度は、６００℃であった。さらに、このリングに窒化処理を施し、ピストンリングを得た。この窒化処理温度は、５７０℃であった。このピストンリングの合口の幅を測定し、変化率Ｐ１を算出した。１０本のリングの測定で得られた変化率Ｐ１の平均と標準偏差とが、下記の表２−５に示されている。【００５４】
［加工性の評価］
線にコイリングを施して５０本のリングを形成し、加工性を判定した。下記の基準に基づいて、格付けを行った。
Ａ：クラックは、発生しない。コイリング後の合口の幅のばらつきは、小さい。
Ｂ：クラックは、発生しない。コイリング後の合口の幅のばらつきは、大きい。
Ｃ：クラックが発生する。
この結果が、下記の表２−５に示されている。【００５５】
【表１】
2014054130.tif 000004
【００５６】
【表２】
2014054130.tif 000005
【００５７】
【表３】
2014054130.tif 000006
【００５８】
【表４】
2014054130.tif 000007
【００５９】
【表５】
2014054130.tif 000008
【００６０】
表２−５に示されるように、各実施例に係るピストンリング用線は、諸性能に優れている。この評価結果から、本発明の優位性は明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
熱処理によってリングが拡径する場合でも、本発明に係る線により、ピストンリングの合口の幅のばらつきが抑制されうる。【００６２】
スリンキーによるコイリング工程、歪取り焼鈍工程、窒化処理工程及び切断工程を経て得られるピストンリングにおいても、本発明に係る線は、その効果を奏しうる。
【符号の説明】
【００６３】
１・・・線
２・・・一端
３・・・他端
４・・・合口
【図１】
2014054130.tif 000009
【図２】
2014054130.tif 000010
【図３】
2014054130.tif 000011
【図４】
2014054130.tif 000012
【国際調査報告】
2014054130.tif 000013
2014054130.tif 000014
2014054130.tif 000015
2014054130.tif 000016