(57)【要約】  質量％で、Ｃ：0.01〜1.9％、Si：0.01〜1.9％、Mn：5.0〜24.0％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成の鋼材とする。また、前記組成に加えてさらにCr：18.0％以下および／またはNi：12.0％以下を含有してもよく、また前記各組成に加えてさらに、Al：１％以下、および／または、Ｎ：0.3％以下を含有してもよい。またさらに前記各組成に加えてさらに、Nb、Ti、Zr、Mo、Cuのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で4.0％以下含有してもよい。これにより、アルミニウム合金製シリンダの熱膨張に十分追従でき、内燃機関のアルミニウム合金製シリンダボア内面を摺動するピストンリング用として好適な、優れたシール性を維持できるピストンリングが製造可能となる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金製シリンダボア内面を摺動するピストンリング用の鋼材であって、質量％で、Ｃ：0.01〜1.9％、Si：0.01〜1.9％、Mn：5.0〜24.0％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする内燃機関ピストンリング用鋼材。
【請求項２】
前記組成に加えてさらに、質量％で、Cr：18.0％以下および／またはNi：12.0％以下を含有する組成とすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関ピストンリング用鋼材。
【請求項３】
前記組成に加えてさらに、質量％で、Al：１％以下含有する組成とすることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の内燃機関ピストンリング用鋼材。
【請求項４】
前記組成に加えてさらに、質量％で、Ｎ：0.3％以下を含有する組成とすることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の内燃機関ピストンリング用鋼材。
【請求項５】
前記組成に加えてさらに、質量％で、Nb、Ti、Zr、Mo、Cuのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で4.0％以下含有する組成とすることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の内燃機関ピストンリング用鋼材。
【請求項６】
アルミ二ウム合金製シリンダブロックを備える内燃機関で使用されるピストンリングであって、請求項１ないし５のいずれか１項に記載のピストンリング用鋼材を用いて製造されたことを特徴とする内燃機関用ピストンリング。
【請求項７】
前記ピストンリングの全周または外周に、表面処理層を有することを特徴とする請求項６に記載の内燃機関用ピストンリング。
【請求項８】
前記表面処理層が、ビッカース硬さで700〜1400HVであることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関用ピストンリング。
【請求項９】
前記表面処理層が、窒化層であることを特徴とする請求項７または８に記載の内燃機関用ピストンリング。
【請求項１０】
前記表面処理層の外周摺動面にダイヤモンドライクカーボン膜を有する層であることを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１項に記載の内燃機関用ピストンリング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用のピストンリングに係り、とくにアルミニウム合金製シリンダを相手材とするピストンリング用として好適な鋼材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境の保全という観点から、自動車車体の軽量化が要望されている。自動車用の内燃機関についても例外ではなく、軽量化のために、鉄系材料製シリンダーブロックに代えて、アルミニウム合金製シリンダーブロックの使用が一般化しつつある。従来から、この種のシリンダブロックのシリンダボア内面を摺動するピストンリングとしては、耐摩耗性を考慮してマルテンサイト系ステンレス鋼等の鉄系材料を使用し、あるいはさらに表面に窒化処理、クロムめっきあるいは複合めっき等の表面処理を施したもの等が使用されてきた。しかし、アルミニウム合金の熱膨張係数は鉄系材料のそれに比べてはるかに大きいため、鉄系材料製ピストンリングがアルミニウム合金製シリンダの熱膨張に追従できなくなり、ピストンリングの本来機能のひとつであるガスシール性が低下するという問題があった。【０００３】
このような問題に対し、例えば実開昭63−64350号公報には、アルミニウム合金製シリンダブロックを備え、ピストンリングをオーステナイト系ステンレス鋼より構成した内燃機関が提案されている。なお、実開昭63−64350号公報には、オーステナイト系ステンレス鋼として、JIS SUS304鋼が例示されている。また、特開2000−145963号公報には、アルミニウム合金製のシリンダを相手材として摺動するピストンリングとして、15×10−６/℃以上の熱膨張係数を有し、好ましくは3.5〜17％のNiと15〜20％のCrを含有するオーステナイト系ステンレス鋼からなるピストンリングが提案されている。【０００４】
また、アルミ二ウム合金製シリンダ用に限定はしていないが、例えば、特開2005−345134号公報には、Niを6.50〜8.50％、Crを16.00〜18.00％、Alを0.75〜1.50％含有する析出硬化型のセミオーステナイト系組成を採用したピストンリング用線材も提案されている。特開2005−345134号公報に記載された技術は、コイリング後に熱処理を施しても、リング径の寸法変化が起こりにくいピストンリング用線材が提供できるとしている。
【発明の開示】
【０００５】
しかしながら、実開昭63−64350号公報、特開2000−145963号公報に記載された技術では、高価なNi、さらにはCrを多量含有させる必要があり、ピストンリングが高価となり、経済的に問題を残していた。また、実開昭63−64350号公報、特開2000−145963号公報にピストンリング用材料として記載されたオーステナイト系ステンレス鋼は、ピストンリング形状に加工する際に熱膨張係数が低下しやすく、所望の熱膨張係数を安定して確保できにくいという問題もあった。また、特開2005−345134号公報に記載された技術では、アルミニウム合金製シリンダの熱膨張に追従できる熱膨張係数を安定して確保できないという問題があるうえ、高価なNiを多量含有させる必要があり、経済的に問題を残していた。
【０００６】
本発明は、かかる従来技術の問題を有利に解決し、内燃機関のアルミニウム合金製シリンダボア内面を摺動するピストンリング用として好適な、シール性を改善できる、安価なピストンリング用鋼材およびその鋼材を使用したピストンリングを提供することを目的とする。
本発明者らは、上記した目的を達成するため、ピストンリングのシール性に影響する各種要因について、ピストンリング用鋼材の熱膨張係数に着目して鋭意研究した。その結果、Ｃ含有量とMn含有量とを適正な範囲で組み合わせることにより上記した目的が達成できることに想到した。そして、Ｃ含有量とMn含有量とを従来より高い、適正な範囲内に調整することにより、室温と200℃の間の平均で、14.0×10−６／℃以上の、アルミニウム合金の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する鋼材になることを知見した。
【０００７】
本発明はかかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨は次のとおりである。
（１）アルミニウム合金製シリンダボア内面を摺動するピストンリング用の鋼材であって、質量％で、Ｃ：0.01〜1.9％、Si：0.01〜1.9％、Mn：5.0〜24.0％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする内燃機関ピストンリング用鋼材。
【０００８】
（２）（１）において、前記組成に加えてさらに、質量％で、Cr：18.0％以下および／またはNi：12.0％以下を含有する組成とすることを特徴とする内燃機関ピストンリング用鋼材。
（３）（１）または（２）において、前記組成に加えてさらに、質量％で、Al：１％以下含有する組成とすることを特徴とする内燃機関ピストンリング用鋼材。
【０００９】
（４）（１）ないし（３）のいずれかにおいて、前記組成に加えてさらに、質量％で、Ｎ：0.3％以下を含有する組成とすることを特徴とする内燃機関ピストンリング用鋼材。
（５）（１）ないし（４）のいずれかにおいて、前記組成に加えてさらに、質量％で、Nb、Ti、Zr、Mo、Cuのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で4.0％以下含有する組成とすることを特徴とする内燃機関ピストンリング用鋼材。
【００１０】
（６）アルミニウム合金製シリンダブロックを備える内燃機関で使用されるピストンリングであって、（１）ないし（５）のいずれかに記載のピストンリング用鋼材を用いて製造されたことを特徴とする内燃機関用ピストンリング。
（７）（６）において、前記ピストンリングの全周または外周に、表面処理層を有することを特徴とする内燃機関用ピストンリング。
【００１１】
（８）（７）において、前記表面処理層が、ビッカース硬さで700〜1400HVであることを特徴とする内燃機関用ピストンリング。
（９）（７）または（８）において、前記表面処理層が、窒化層であることを特徴とする内燃機関用ピストンリング。
（１０）（７）ないし（９）のいずれかにおいて、前記表面処理層の外周摺動面にダイヤモンドライクカーボン膜を有する層であることを特徴とする内燃機関用ピストンリング。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
図１は、実施例で用いた摩耗試験機の概要を模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明のピストンリング用鋼材は、アルミニウム合金製シリンダブロックを備える内燃機関で使用され、アルミニウム合金製シリンダボア内面を摺動するピストンリングの製造に好適に使用できる。本発明のピストンリング用鋼材は、室温と200℃の間の平均で、14.0×10−６／℃以上の熱膨張係数を有する鋼材である。まず、本発明のピストンリング用鋼材の組成限定の理由について説明する。以下、とくに断らないかぎり質量％は単に％と記す。【００１４】
Ｃ：0.01〜1.9％
Ｃは、鋼材の強度増加に寄与し、さらにMnと共存するとオーステナイト相を著しく安定化させ、鋼材の熱膨張係数を高める作用を有し、本発明では重要な元素である。このような効果は、0.01％以上の含有で顕著となるが、1.9％を超える多量の含有は、炭化物や黒鉛の生成が顕著となり、延性が低下し、冷間加工性、さらには生産性の低下を招く。このため、Ｃは0.01％〜1.9％に限定した。なお、好ましくは0.03％以上であり、より好ましくは0.03〜1.5％で、さらに好ましくは0.05〜1.2％である。【００１５】
Si：0.01〜1.9％
Siは、溶鋼の脱酸剤として作用し、溶鋼の鋳造性を向上させるとともに、鋼材の強度増加に寄与する元素であり、熱間加工性の確保の観点からも0.01％以上含有することが好ましい。一方、1.9％を超える多量の含有は、鋳造性向上効果が飽和するとともに、フェライトが生成する。このため、Siは0.01〜1.9％に限定した。なお、好ましくは0.2〜1.2％である。【００１６】
Mn：5.0〜24.0％
Mnは、鋼材の強度増加に寄与し、さらに適正量のＣと共存するとオーステナイト相を著しく安定化させ、鋼材の熱膨張係数を高める作用を有し、本発明では重要な元素である。このような効果は5.0％以上の含有で認められる。5.0％未満の含有では、オーステナイト相が不安定となり、顕著な熱膨張係数の増加が認められない。一方、24.0％を超える多量の含有は、オーステナイト粒の粗大化を招く。このため、Mnは5.0〜24.0％の範囲に限定した。なお、好ましくは7.0〜22.0％であり、さらに好ましくは7〜19％である。【００１７】
上記した成分が基本の組成であるが、本発明ではこのような基本の組成に加えてさらに、必要に応じてCr：18.0％以下および／またはNi：12.0％以下を含有する組成とすることができる。
Cr：18.0％以下
Crは、鋼材の強度増加、耐食性向上、表面処理性向上に寄与する元素であり、本発明では必要に応じて含有できる。とくに、ピストンリングの表面に窒化層を形成する場合には、Crの含有は、表面処理性、とくに表面処理層の密着性向上に有効に寄与する。このような効果は0.01％以上の含有で認められるが、18.0％を超える含有は、炭化物やσ相の生成が顕著となり、耐食性、加工性を低下させる。このため、含有する場合、Crは18.0％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは2.0〜15.0％、さらに好ましくは5.0〜15.0％である。【００１８】
Ni：12.0％以下
Niは、強力なオーステナイト安定化元素であり、必要に応じて含有できる。このような効果は0.01％以上の含有で認められるが、12.0％を超える多量の含有は、オーステナイト安定化効果が飽和し、含有量に見合う効果が期待できなくなり経済的に不利となる。このため、含有する場合、Niは12.0％以下に限定することが好ましい。なお、好ましくは0.01〜8.0％である。【００１９】
さらに、本発明では上記した各組成に加えてさらに、必要に応じてAl：１％以下を含有できる。
Al：１％以下
Alは、溶鋼の脱酸剤として作用するとともに、鋼材中では結晶粒の微細化に寄与する元素であり、必要に応じて0.05％以上含有させることが望ましい。一方、１％を超えて含有すると、介在物が増加する傾向を示し、延性が低下するとともに、内部欠陥が多発する傾向となる。このため、Alは１％以下に限定することが好ましい。【００２０】
さらに、本発明では上記した各組成に加えてさらに、必要に応じてＮ：0.3％以下を含有できる。
Ｎ：0.3％以下
Ｎは、Ｃと同様に、鋼材の強度増加に寄与し、さらにオーステナイト相を安定化させ、鋼材の熱膨張係数を高める作用を有する元素の一つである。このような効果は0.01％以上の含有で顕著となるが、0.3％を超えて含有しても、オーステナイト相の安定化効果が飽和するとともに、ピンホール等の内部欠陥が多発する。このため、Ｎは0.3％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.1〜0.2％である。【００２１】
さらに、本発明では上記した各組成に加えてさらに、Nb、Ti、Zr、Mo、Cuのうちから選ばれた１種または２種以上、を必要に応じて含有できる。
Nb、Ti、Zr、Mo、Cuのうちから選ばれた１種または２種以上：合計で4.0％以下
Nb、Ti、Zr、Mo、Cuは、いずれも鋼材の組織を微細化し、それを介して高温強度増加に寄与する元素であり、必要に応じて選択して１種または２種以上含有することができる。このような効果は合計で0.05％以上の含有で顕著となる。一方、これら元素が合計で4.0％を超える多量の含有は、靭性が低下する。このため、含有する場合は、Nb、Ti、Zr、Mo、Cuのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で4.0％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは合計で0.01〜2.0％である。【００２２】
上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。不可避的不純物としては、Ｐ：0.06％以下、Ｓ：0.05％以下が許容できる。
Ｐ：0.06％以下
Ｐは、多量に含有すると、鋼材の強度を増加させ、延性、靭性等を低下させるため、鋼材の加工性が低下する。本発明では不純物としてできるだけ低減することが望ましいが、0.06％までの含有は許容できる。なお、より好ましくは0.01％以下である。【００２３】
Ｓ：0.05％以下
Ｓは、鋼中では硫化物として存在し、延性を低下させ、鋼材の加工性を低下させ、さらには耐食性を低下させる。このため、本発明では不純物としてできるだけ低減することが望ましいが、0.05％までの含有は許容できる。なお、より好ましくは0.03％以下である。【００２４】
なお、本発明のピストンリング用鋼材の製造方法は、とくに限定する必要はなく、常用の方法がいずれも適用できる。例えば、上記した組成の溶鋼を、高周波電気炉等の常用の方法で溶製し、インゴット等に鋳造したのち、熱間鍛造、熱間圧延等の常用の方法で棒形状に加工し、ついで冷間で線形状に加工し、ピストンリング用鋼材とする工程を採用することが好ましい。【００２５】
また、本発明のピストンリングは、上記した組成の鋼材を素材として所定形状に製造されたピストンリングである。本発明のピストンリングは、上記した鋼材を使用すること以外、その製造方法をとくに限定する必要はなく、通常の加工方法を適用して、所望形状のピストンリングに成形することが好ましい。
なお、得られたピストンリングの全周または外周に表面処理を施し、表面処理層を形成することが、耐摩耗性、耐食性の観点から好ましい。表面処理層としては、窒化処理による窒化層、クロムめっき処理、複合めっき処理による硬質めっき層、溶射処理による溶射層、物理蒸着（PVD）処理による物理蒸着層、化学蒸着（ＣＶＤ）処理による化学蒸着層などが例示でき、いずれも本発明のピストンリングの表面処理層として好適である。なかでも、表面処理層を窒化層とすることが耐摩耗性、相手攻撃性の観点から好ましい。また、物理蒸着層あるいは化学蒸着層の一つとしてダイアモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜）を用いてもよい。ＤＬＣ膜は、表面処理層の外周摺動面に形成することが、相手攻撃性の観点から好ましい。ＤＬＣ膜の存在により、とくに相手攻撃性を緩和する傾向が強くなる。このようなことから、例えば、ピストンリング基材の表面に窒化層、ＤＬＣ膜とその順に形成することが好ましい。【００２６】
なお、表面処理層の硬さは700〜1400HVとすることが、相手攻撃性の観点から好ましい。硬さがビッカース硬さで700HV未満では、耐摩耗性が低下し、一方、表面処理層の硬さが1400HVを超えて高くなると、化合物を形成し、化合物による相手攻撃性が高くなる。本発明のピストンリングでは、表面に形成される表面処理層は、化合物を形成することがないように、硬さを高くしすぎないようにすることが、相手攻撃性の観点からも肝要となる。なお、表面処理層の好ましい硬さとしては900〜1200ＨＶである。なお、ビッカース硬さを測定する場合は、荷重100gf又は200gfとすることが好ましい。【００２７】
なお、表面処理層の厚みは１〜150μmとすることが、耐食性、密着性などの観点から好ましい。また、窒化処理、硬質めっき処理、溶射処理、物理蒸着処理、あるいは化学蒸着処理は、通常の方法がいずれも好適に使用できる。
（実施例）
（実施例１）
表１に示す組成の溶鋼を、溶解炉で溶製し、インゴット（12kg）に鋳造した。得られたインゴットを熱間鍛造で丸棒（15mmφ）とした。ついで、得られた丸棒の黒皮を除去し12 mmφとした後、線引加工を施し、線材（７mmφ）とした。なお、従来例として、マルテンサイト系ステンレス鋼（SUS 410J）線材を使用した。【００２８】
これら線材から、熱膨張試験片（大きさ：５mmφ×長さ15mm）を採取し、熱膨張試験を実施し、室温（20℃）〜200℃の平均の熱膨張係数を求めた。得られた結果を表１（表１−１〜表１−４）に示す。【００２９】
【表１】
2009069762.tif 000002
【００３０】
【表２】
2009069762.tif 000003
【００３１】
【表３】
2009069762.tif 000004
【００３２】
【表４】
2009069762.tif 000005
【００３３】
本発明例はいずれも、14.0×10−６／℃以上の熱膨張係数を有し、アルミニウム合金の熱膨張係数に近い値を安定して確保できている。本発明の鋼材を用いたピストンリングは、アルミニウム合金製シリンダを相手材として摺動するピストンリングに加工した場合にも、十分なシール性を確保できることが推察される。一方、本発明の範囲を外れる比較例は、14.0×10−６／℃未満の熱膨張係数しか有しておらず、シール性が不足し、ブローバイが増加することが懸念されるほか、他の特性が劣化することが懸念される。
（実施例２）
表１に示す線材（No.14、No.75、No.89、No.90）を素材として、所定寸法形状のピストンリング相当材を作製し、図１に模式的に示すアムスラー型摩耗試験機を用いて、耐摩耗性を調査した。なお、ピストンリング相当材には、表面処理層として、表２に示すような厚さを有する、積層硬質めっき層、窒化層単独、あるいは窒化層とその上層としてＤＬＣ層、からなる表面処理層をそれぞれ形成した。積層硬質めっき層は、特開2003−221695号公報に記載された方法を用いて形成した。また、窒化層は、アンモニア分解ガス雰囲気中で550℃×５hの処理を施しさらに仕上を行って形成した。なお、窒化層の厚さは約100μmであった。
また、ＤＬＣ層は、ＣＶＤ法でＣ2Ｈ2ガスを分解し、ＷとNiを含むターゲットをスパッタ法で蒸発させて皮膜を形成した。
表面処理層の形成は、摺動面または全周とした。表面処理層の硬さについて、ピストンリング相当材から硬さ試験片を採取し、表面処理層の硬さをビッカース硬さ計（試験力：1.96Ｎ（荷重200gf））を用いて測定した。【００３４】
なお、従来例であるNo.89は、SUS 410J製線材である。
ピストンリング相当材の表面粗さは、JIS B 0601（1994）に規定するRzで0.85〜0.95（μm）、DIN 4776に規定されるRpkで0.06〜0.15（μm）とした。
耐摩耗性試験は、図１に模式的に示すアムスラー型摩耗試験機を用いて行った。耐摩耗性試験は、試験材１を、回転する相手材２に所定の荷重ｗで所定時間押圧する試験とした。ここで、３は潤滑油である。なお、相手材２はJIS B 0601(1994)に規定される表面粗さRzで0.70〜0.88（μm）、DIN 4776に規定されるRkで0.20〜0.38（μm）、Rpkで0.05〜0.10（μm）、Rvkで0.08〜0.2（μm）のシリンダライナ相当材（24.0％Si−0.8％Mg−3.0％Cu−0.15％Fe−0.01％Ni−Al組成の過共晶アルミ−シリコン系材料）とした。試験条件はつぎのとおりとした。【００３５】
相手材周速：１ｍ／ｓ
荷重      ：784Ｎ
潤滑油    ：タービン油
試験時間  ：８hr
オイル温度：80℃
試験後、試験材（ピストンリング相当材）、相手材（シリンダライナ相当材）の摩耗量（μm）を測定し、耐摩耗性を評価した。【００３６】
得られた結果を表２に示す。【００３７】
【表５】
2009069762.tif 000006
【００３８】
本発明例はいずれも、比較例のマルテンサイト系ステンレス鋼製ピストンリング（線材No.89）に比較し、著しく高い耐摩耗性を有していた。なお、本発明例における表面処理層の硬さは1100〜1200HV程度であった。
なお、表２には耐スカッフ性の評価を示していないが、本発明例は従来と同じ表面処理層を形成しており、問題のない耐スカッフ性を有していることは言うまでもない。
【産業上の利用の可能性】
【００３９】
本発明によれば、アルミニウム合金製シリンダの熱膨張に十分追従でき、優れたシール性を維持できる内燃機関用ピストンリングを容易に、しかも安価に製造でき、産業上格段の効果を奏する。また、本発明によれば、ブローバイガスの発生も抑制でき、しかも耐摩耗性にも優れるという効果もある。
【図１】
2009069762.tif 000007
【国際調査報告】
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2009069762.tif 000009
2009069762.tif 000010
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