(57)【要約】【課題】  ピストンリングとしたときの耐摩耗性および耐スカッフィング性に優れ、かつ、熱伝達機能および耐熱強度にも優れた内燃機関用ピストンリング材を提供する。【解決手段】  質量％で、Ｃ：０．４０〜０．８０％、Ｓｉ：０．１５％以上０．５０％未満、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｓ：０．０１０〜０．２００％、Ｃｒ：０．１０〜１．００％、（Ｔｉ＋１／２Ｚｒ）の関係式によるＴｉおよびＺｒのうちの１種または２種：０．０５〜１．００％を含み、残部Ｆｅおよび不純物からなる内燃機関用ピストンリング材である。そして、好ましくは、質量％で、さらにＢ：０．１００％以下を含む内燃機関用ピストンリング材である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．４０〜０．８０％、Ｓｉ：０．１５％以上０．５０％未満、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｓ：０．０１０〜０．２００％、Ｃｒ：０．１０〜１．００％、（Ｔｉ＋１／２Ｚｒ）の関係式によるＴｉおよびＺｒのうちの１種または２種：０．０５〜１．００％を含み、残部Ｆｅおよび不純物からなることを特徴とする内燃機関用ピストンリング材。
【請求項２】
質量％で、さらにＢ：０．１００％以下を含むことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用ピストンリング材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に使用されるピストンリングを作製するためのピストンリング材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境規制の強化に伴い、自動車用エンジンに使用されるピストンリングは、鋳鉄製から、鋳造後の素材への塑性加工を経て作製される、いわゆるスチール製ピストンリングへと移行が進んでいる。これは、内燃機関の軽量化、低燃料消費化、高回転化、高出力化等の要求に対応するための、ピストンリングの薄肉化や機械的強度の向上といった要求が背景にある。
【０００３】
スチール製ピストンリングへの移行は、高負荷領域にあるトップリングやオイルリングにおいて先行しており、その素材の材質としてはＳｉ−Ｃｒ鋼や１１〜１７質量％Ｃｒのマルテンサイト系ステンレス鋼が用いられている。さらに、このような素材でなるピストンリングの摺動面にクロムメッキあるいは窒化処理を施したピストンリングが多く用いられている。一方、セカンドリングはトップリングおよびオイルリングの補助的な役割であるため、素材の材質には高価なステンレス鋼までは必要とされず、また表面処理を行わない素材状態で使われることが多い。そして、スチール製ピストンリングは鋳鉄製ピストンリングよりも強度、耐疲労特性、耐摩耗特性に優れるものの、耐スカッフィング性に劣ることから、これがセカンドリングでスチール化が進まない要因の一つとなっている。
【０００４】
そこで、このような問題に対して、本出願人は、０．３〜０．８質量％のＣの含有を基本とする低合金鋼に、０．０１〜０．３質量％のＳと、合計で０．０５〜２．０質量％のＴｉおよびＺｒのうちの１種または２種を適正量添加したことで、耐スカッフィング性を発現するピストンリング材を提案した（特許文献１を参照）。これは、硬質で自己潤滑性に優れるＴｉまたはＺｒの硫化物や炭硫化物を鋼中に形成させることで、スチール製ピストンリングの特徴である優れた機械的特性、加工性に加えて、耐スカッフィング性と耐摩耗性をも具備したピストンリング材である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００９／１１９３８８号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年の内燃機関の変革において、ピストンリングはさらに薄肉化の傾向にあり、ピストンリングには優れた熱伝達機能が求められている。つまり、ピストンリングは、ピストン頂部で受けた燃焼ガスの熱をシリンダーを介して逃がす役割りを担っているため、ピストンリングの熱伝達機能が十分でないとピストンとピストンリングとの間に焼き付きが生じてしまう。特許文献１に記載された発明は、ピストンリングとしたときの自己潤滑性と耐摩耗性を具備したピストンリング材であるが、熱伝達機能について改善の余地がある。また、ピストンリング材には、それをピストンリングとして使用しているときの硬さの低下（軟化）を抑制できる、十分な耐熱強度が求められている。
【０００７】
本発明の目的は、スチール製ピストンリング材の特徴である優れた機械的特性、製造性を損なうことなく、熱伝達機能および耐熱強度に優れた内燃機関用ピストンリング材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、各種ピストンリングに要求される特性に及ぼす各成分、組織の影響について詳細に検討を行った。その結果、０．４０〜０．８０質量％のＣの含有を基本とする低合金鋼に、Ｓと、ＴｉおよびＺｒのうちの１種または２種を添加したピストンリング材において、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒの含有量を特定の範囲にすることで、ピストンリング材の熱伝達機能および耐熱強度を向上できることを見いだし、本発明に至った。
【０００９】
すなわち、本発明は、質量％で、Ｃ：０．４０〜０．８０％、Ｓｉ：０．１５％以上０．５０％未満、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｓ：０．０１０〜０．２００％、Ｃｒ：０．１０〜１．００％、（Ｔｉ＋１／２Ｚｒ）の関係式によるＴｉおよびＺｒのうちの１種または２種：０．０５〜１．００％を含み、残部Ｆｅおよび不純物からなる内燃機関用ピストンリング材である。
そして、好ましくは、質量％で、さらにＢ：０．１００％以下を含む内燃機関用ピストンリング材である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のピストンリング材は、ピストンリングとしたときの熱伝達機能および耐熱強度に優れているので、ピストンリングの性能向上に大きく貢献するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明例のピストンリング材の、焼入れ焼戻し後の断面組織を観察した光学顕微鏡写真である。
【図２】本発明例の別のピストンリング材の、焼入れ焼戻し後の断面組織を観察した光学顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明のピストンリング材は、０．４０〜０．８０質量％のＣの含有を基本とする低合金鋼に、Ｓと、ＴｉおよびＺｒのうちの１種または２種を添加して、組織中にＴｉやＺｒの硫化物や炭硫化物を形成したことで、耐スカッフィング性および耐摩耗性に優れたピストンリング材である。そして、このピストンリング材において、本発明の特徴は、上記低合金鋼中のＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒの含有量を特定の範囲にしたことで、熱伝達機能および耐熱強度を向上できたところにある。以下、本発明の成分組成について詳しく説明する。
【００１３】
・Ｃ：０．４０〜０．８０％
Ｃは、炭化物や、後述のＴｉやＺｒと炭硫化物を形成して、ピストンリングの耐スカッフィング性および耐摩耗性を高める元素である。そして、一部は基地中に固溶して、ピストンリングの硬さや強度、疲労特性の向上にも寄与する元素である。一般的に、ピストンリングは、その使用環境の負荷に応じて、４０〜５０ＨＲＣ程度の硬さに調整される。よって、ピストンリング材には、焼入れ焼戻しによって５０ＨＲＣの高い硬さにまで調整できるだけの、Ｃ含有量の確保が必要である。しかし、過多の含有は、平線形状への加工やリング形状への加工を困難にする。そして、本発明においては、熱伝達機能が低下する要因となる。よって、Ｃは、０．４０〜０．８０質量％（以下、単に％と表記）とする。好ましい下限は０．５０％である。また、好ましい上限は０．７０％である。
【００１４】
・Ｓｉ：０．１５％以上０．５０％未満
Ｓｉは、通常、脱酸剤として添加される。そして、Ｓｉは、焼入れ後の焼戻し過程において、焼戻し温度が上昇しても、その焼戻し後の組織中におけるε炭化物からセメンタイトへの遷移を遅らせることができることから、焼戻し軟化を防ぎ、耐熱強度を高める効果がある。つまり、使用中のピストンリングの温度が、例えば３００℃程度にまで上昇することを考えれば、前記３００℃までの温度環境下に曝されたときの耐熱強度（つまり、焼戻し軟化抵抗）の挙動は重要である。そして、焼入れ後に、たとえ５０ＨＲＣ以上の硬さを達成できる焼戻し温度を有するピストンリング材であっても、前記焼入れ後の「焼入れ硬さ」に対する、前記３００℃までの温度で焼戻したときの「焼戻し硬さ」の低下度が大きい（つまり、焼戻し軟化抵抗が低い）ピストンリング材は、３００℃を超える焼戻し温度で、５０ＨＲＣ未満の“狙い硬さ”に調整されたピストンリングに適用されたとしても、その使用中に“狙い硬さ”が容易に変化する可能性がある。
【００１５】
そこで、本発明のピストンリング材は、ピストンリングとしての使用中に、焼戻し硬さが容易に変化しないように、上記焼戻し軟化抵抗を向上したものである。そして、このために、Ｓｉは、０．１５％以上とすることが重要である。好ましい下限は０．２０％である。
しかし、Ｓｉを過度に含有すると、冷間加工性を低下させる。そして、本発明においては、熱伝達機能を大幅に低下させる要因となる。よって、Ｓｉは、０．５０％未満とする。好ましい上限は０．４５％である。より好ましい上限は０．３５％である。
【００１６】
・Ｍｎ：０．１０〜１．００％
Ｍｎは、Ｓｉと同様、通常、脱酸剤として使用される。しかし、過度に含有すると熱間加工性を害する。そして、本発明においては、熱伝達機能を低下させる要因となる。よって、Ｍｎは、０．１０〜１．００％とする。好ましい下限は０．２０％である。また、好ましい上限は０．９０％である。
【００１７】
・Ｓ：０．０１０〜０．２００％
Ｓは、後述のＴｉやＺｒと結合して、これらの硫化物、炭硫化物を組織中に形成し、自己潤滑性を発現して耐スカッフィング性を向上する元素である。また、これらの硫化物や炭硫化物は硬質なため、耐摩耗性の向上に対しても有効に機能する。しかし、過度の添加は、耐食性や冷間加工時の靱性、延性を劣化させ、熱間加工性も低下させる。そして、本発明においては、熱伝達機能を低下させる要因となる。よって、Ｓは、０．０１０〜０．２００％とする。好ましい下限は０．０５０％である。より好ましい下限は０．０７０％である。また。好ましい上限は０．１８０％である。
【００１８】
・Ｃｒ：０．１０〜１．００％
Ｃｒは、一部がＣと結合して炭化物を形成し耐摩耗性を高め、一部は基地に固溶して耐食性を高める。また、焼戻し軟化抵抗を高めることから、ピストンリングの耐熱ヘタリ性を向上させる。そして、焼入れ性を確保して十分な熱処理硬さを得ることができる。しかし、過度の含有は、炭化物量の増加、炭化物サイズの増大を招き、加工性を極端に低下させる。また、熱伝達機能を低下させることにより摺動による接触面の昇温を助長して、耐スカッフィング性を害する。そして、本発明においては、さらなる熱伝達機能の向上のためのＣｒ量の上限管理が重要である。よって、Ｃｒは、０．１０〜１．００％とする。好ましい下限は０．４０％である。また、好ましい上限は０．８０％である。
【００１９】
・（Ｔｉ＋１／２Ｚｒ）の関係式によるＴｉおよびＺｒのうちの１種または２種：０．０５〜１．００％
ＴｉおよびＺｒは、溶鋼中でＳと結合し、鋳造後の鋼塊中に硫化物として晶出する。また、より高温で安定なＴｉやＺｒの炭化物を形成した後に、その一部がＳと置換または結合して、炭硫化物としても晶出する。これら硫化物や炭硫化物は内部に潤滑性のあるＳを含むことから、自己潤滑剤として有効に働く。また、硬質な介在物でもあることから、炭化物のように耐摩耗性の向上にも寄与する。しかし、過度の添加は、上記効果が飽和するだけでなく、ＴｉやＺｒの酸化物や窒化物も鋼中に多量に残存して、耐食性、靭性を著しく劣化させる。また、延性の低下も招く。上記作用効果において、ＴｉおよびＺｒの含有量は、（Ｔｉ＋１／２Ｚｒ）の関係式で、その程度を調整することができる。そして、本発明では、前記関係式によるＴｉおよびＺｒのうちの１種または２種を、０．０５〜１．００％とする。好ましい下限は０．１０％である。また、好ましい上限は０．５０％である。
【００２０】
なお、本発明のピストンリング材においては、上記ＴｉおよびＺｒは個々を単独で添加してもよい。そして、この場合、ＴｉとＺｒのうちでは、形成される硫化物あるいは炭硫化物の形状の点からＺｒを選択するのが望ましい。これはＴｉの硫化物あるいは炭硫化物が楕円粒子状であるのに対して、Ｚｒの硫化物あるいは炭硫化物は塊状であり、より等方的な形状となるためである。方向性を有する硫化物あるいは炭硫化物は等方的な硫化物あるいは炭硫化物と比較して、耐摩耗性や耐スカッフ性などの特性にバラつきを生じやすい。以上より、本発明のピストンリング材ではＴｉよりもＺｒを選択する方が好ましい。
【００２１】
・好ましくは、Ｂ：０．１００％以下
Ｂは、ＴｉあるいはＺｒと結合して熱伝導率に優れるホウ化物を形成し、ピストンリングの熱伝達機能を向上させる効果がある。よって、Ｂは、添加することが好ましい。しかし、Ｂは、過多に含有すると、ホウ化物として存在する他に、基地中にも固溶する形で存在するようになる。そして、基地中に固溶したＢは、ピストンリングの熱伝達機能をかえって低下させる。また、過度に含有されたＢは、結晶粒界（ピストンリング製品のマルテンサイト組織中における旧オーステナイト粒界）に偏析して、種々の機械的特性に悪影響を及ぼす可能性もある。よって、Ｂは、添加する場合でも、０．１００％以下とする。好ましい下限は０．００１％である。より好ましい下限は０．００４％である。好ましい上限は０．０８０％である。より好ましい上限は０．０５０％である。
【００２２】
・残部Ｆｅおよび不純物
残部は実質的にＦｅであるが、製造上不可避的に混入する不純物は含まれ得る。不純物の含有量は、少ない方が本発明のピストンリング材の特徴である熱伝達機能の向上に好適である。そのため、例えば、以下の元素種については、以下の含有量の範囲にするとよい。
Ｐ≦０．０５０％、Ｎ≦０．０５％、Ｎｉ≦０．１０％、Ｃｕ≦０．１０％、Ａｌ≦０．１０％
【００２３】
本発明のピストンリング材について更なる耐スカッフィング性や耐摩耗性を必要とする場合には、ピストンリングの表面に、窒化、Ｃｒメッキ、そしてＰＶＤ（物理蒸着法）等による窒化チタンや窒化クロム等の被覆といった表面処理を施してもよい。
【００２４】
スチール製ピストンリングの分野において、本発明のピストンリング材は、耐摩耗性、耐スカッフィング性、熱伝達機能、そして、耐熱強度に優れていることから、内燃機関の中でも熱の発生量が多い過給機エンジン用のピストンリングに好適である。そして、セカンドリングだけでなく、高負荷領域にあるトップリングやオイルリングにも利用できる。
【実施例１】
【００２５】
真空誘導溶解炉によって所定の組成に調整した溶鋼を鋳造して、１０ｋｇのインゴットを作製した。表１に本発明例のピストンリング材Ｎｏ．１〜１２および比較例のピストンリング材Ｎｏ．２１〜２４の化学組成を示す。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
次に、上記インゴットに熱間加工を行って、断面が１５ｍｍ角の棒状素材を得、これに焼鈍処理を行った。そして、前記焼鈍処理後の素材を９５０℃で焼入れた後、硬さが４０ＨＲＣになるように焼戻しを行い、ピストンリング製品と同じ熱処理状態の試験片に整えた。なお、このときの焼戻し温度は、４００〜５００℃であった。そして、レーザーフラッシュ法を用いて、前記試験片の熱伝導率を測定した。結果を表２に示す。本発明例は何れも熱伝導率が３５．００Ｗ／ｍ・Ｋ以上となっており、Ｓｉ量が高い比較例Ｎｏ．２１、２２よりも大幅に熱伝導率が向上していることが確認できた。そして、成分組成がほぼ等価である本発明例Ｎｏ．２、９、１０、１２の間で、Ｂの添加が熱伝導率の向上に働いていることがわかる。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
図１および図２は、前記焼入れ焼戻し後の、本発明例Ｎｏ．１１およびＮｏ．１２の断面組織を示す光学顕微鏡写真である（１０００倍。無腐食）。このとき、（Ｔｉ＋１／２Ｚｒ）の関係式によるＴｉおよびＺｒのうちの１種または２種の含有量が０．０５〜１．００％を満たす本発明のピストンリング材において、Ｎｏ．１１はＴｉの含有を選択したものであり、Ｎｏ．１２はＺｒの含有を選択したものである。図１で観察される、長径が５μｍ程度までの楕円状の粒子が、Ｔｉの炭硫化物である。そして、図２で観察される、粒径が１０μｍ程度までの塊状の粒子が、Ｚｒの炭硫化物である。図１、２より、Ｚｒの炭硫化物は、Ｔｉの炭硫化物よりもサイズが大きい傾向がある。そして、Ｚｒの炭硫化物は等方的な形状であり、耐摩耗性や耐スカッフ性などの特性向上に有利である。
【実施例２】
【００３０】
表１の本発明例のピストンリング材Ｎｏ．１〜１２および比較例のピストンリング材Ｎｏ．２１〜２４について、前記９５０℃で焼入れを行った後の素材に、１００℃、２００℃、３００℃のそれぞれの温度による焼戻しを行った。そして、前記焼戻し後のロックウェル硬さ（ＨＲＣ）を測定して、本発明例および比較例のピストンリング材の焼戻し軟化抵抗を評価した。測定結果を、焼入れ硬さと共に、表３に示す。
【００３１】
【表３】
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【００３２】
本発明例Ｎｏ．１〜１２は、３００℃の焼戻しでも５０ＨＲＣ以上の焼戻し硬さを達成した。そして、３００℃までの焼戻しにおいて、これら焼戻し硬さの、焼入れ硬さからの変化量（低下量）も、１０．０ＨＲＣ以内に抑えられており、使用中の温度環境を想定したときの十分な焼戻し軟化抵抗を有していた。そして、本発明例Ｎｏ．１〜１２は、実施例１の通り、高い熱伝導率を達成できるピストンリング材である。
これに対して、比較例Ｎｏ．２１、２２も、３００℃の焼戻しで５０ＨＲＣ以上の焼戻し硬さを達成できており、かつ、十分な焼戻し軟化抵抗を有していた。しかし、比較例Ｎｏ．２１、２２が、Ｓｉ含有量が高いこと等に起因して、熱伝導率が低いピストンリング材であったことは、実施例１の通りである。
【００３３】
比較例Ｎｏ．２３は、実施例１において熱伝導率が高いピストンリング材であった。しかし、Ｓｉ含有量が低すぎること等に起因して、３００℃までにおける焼戻し硬さの、前記焼入れ硬さからの変化量が１０．０ＨＲＣを超えており、焼戻し軟化抵抗が不足していた。焼戻し軟化抵抗が不足すると、調整したピストンリングの硬さが使用中に変化しやすい可能性がある。この結果について、本発明例Ｎｏ．５は、比較例Ｎｏ．２３の「０．１２％」のＳｉ含有量を、「０．２１％」に増加させたものに相当する。そして、本発明例Ｎｏ．５の前記焼入れ硬さからの変化量は１０．０ＨＲＣ以内であり、比較例Ｎｏ．２３に比べて、焼戻し軟化抵抗が向上した。
【００３４】
比較例Ｎｏ．２４もまた、実施例１で熱伝導率が高いピストンリング材であった。しかし、Ｃ含有量が少ないこと等に起因して、３００℃の焼戻しで５０ＨＲＣ以上の焼戻し硬さを達成することができなかった。比較例Ｎｏ．２４の場合、３００℃未満の焼戻し温度であれば、５０ＨＲＣ以上の使用硬さに調整することができる。しかし、前記３００℃未満の焼戻し温度で５０ＨＲＣ以上の硬さに調整しても、そのピストンリングとしての使用中には、ピストンリングの温度が前記焼戻し温度よりも高い３００℃にまで上昇して、硬さが５０ＨＲＣ未満に低下する可能性がある。
【図１】
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【図２】
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