(57)【要約】  高圧縮比の自動車用ガソリンエンジンに用いた場合に、ガスシール機能及び熱伝達機能を長期間安定して発揮することができる内燃機関用高熱伝導性ピストンリングを提供する。  Ｍｎ−Ｃｒ鋼を母材とした内燃機関用ピストンリングであって、当該Ｍｎ−Ｃｒ鋼が、Ｃを０．５２質量％以上０．６５質量％以下、Ｓｉを０．１５質量％以上０．３５質量％以下、Ｍｎを０．６０質量％以上１．００質量％以下、Ｃｒを０．６０質量％以上１．００質量％以下、Ｐを０．０４質量％以下、Ｓを０．０４質量％以下、微量成分（Ａｌ、Ｎｉ及びＣｕの合計含有量）を０．０５質量％以上３．０質量％以下、残部Ｆｅ及び不可避不純物の範囲で含有する内燃機関用高熱伝導性ピストンリングを提供する。
2015034086.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍｎ−Ｃｒ鋼を母材とした内燃機関用ピストンリングであって、
当該Ｍｎ−Ｃｒ鋼が、Ｃを０．５２質量％以上０．６５質量％以下、Ｓｉを０．１５質量％以上０．３５質量％以下、Ｍｎを０．６０質量％以上１．００質量％以下、Ｃｒを０．６０質量％以上１．００質量％以下、Ｐを０．０４質量％以下、Ｓを０．０４質量％以下、微量成分（Ａｌ、Ｎｉ及びＣｕの合計含有量）を０．０５質量％以上３．０質量％以下、残部Ｆｅ及び不可避不純物の範囲で含有することを特徴とする内燃機関用高熱伝導性ピストンリング。
【請求項２】
前記Ｍｎ−Ｃｒ鋼は、微量成分であるＡｌ、Ｎｉ及びＣｕが、各成分共に０．０１質量％以上１．０質量％以下の範囲で含有する、請求項１に記載の内燃機関用高熱伝導性ピストンリング。
【請求項３】
前記Ｍｎ−Ｃｒ鋼は、含有する微量成分であるＡｌ、Ｎｉ及びＣｕの含有量が、以下の式（１）の関係を満たす、請求項１又は２に記載の内燃機関用高熱伝導性ピストンリング。
【数１】
2015034086.tif 000007
【請求項４】
ピストンリングの外周面が、硬質クロムメッキ、硬質セラミックス、及び硬質炭素のいずれか１種又は２種以上の硬質皮膜を備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関用高熱伝導性ピストンリング。
【請求項５】
ピストンリングの上下面及び／又は内周面は、酸化処理、化成処理、樹脂コート、及び硬質炭素皮膜の形成の少なくとも１種又は２種以上の表面処理が施されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関用高熱伝導性ピストンリング。
【請求項６】
焼入れ焼戻し後の硬さが４０ＨＲＣ以上であり、熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関用高熱伝導性ピストンリング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用ピストンに装着されるピストンリングに関する。特に、本発明は、高圧縮比の自動車用ガソリンエンジンのトップリング及びセカンドリングに好適に用いることのできる高熱伝導性ピストンリングに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車用ガソリンエンジン等の内燃機関は、環境問題に配慮して燃費の向上が図られている。これに伴い、エンジンの仕様は、より高い熱効率を発揮してより大きな運動エネルギーを取り出すことができるよう高圧縮化の傾向にある。自動車用ガソリンエンジンは、排気量と投入燃料量とが同じ条件において、圧縮比が高ければ高いほどピストンを押し下げる圧力が大きくなるため、圧縮比が低いエンジンに比較して高出力及び高トルクになる傾向がある。しかし、自動車用ガソリンエンジンは、圧縮比を高くすることによってピストン上死点での燃焼室内における温度及び圧力が高くなり、燃料と空気との混合気が適切に形成される前に着火してしまう。そのため、圧縮比の高い自動車用ガソリンエンジンでは、燃焼室内で局所的に燃焼が起こり、ピストン上死点付近での燃料の燃焼が困難となり、ノッキングの発生が起こる。この場合、自動車用ガソリンエンジンは、所望の出力及びトルクを得ることができなくなると共に、Ｎｏｘ（窒素酸化物）の生成やすすの発生を招きやすくなってしまう。【０００３】
なお、自動車用ガソリンエンジンにおいて、ピストン上死点付近での燃焼を適切に行うには、燃焼室壁の温度を下げることを対策として挙げることができる。ここで、この燃焼室壁の温度を低下させるには、ピストンの往復運動に伴う爆発圧力を直接受けるピストン冠面の温度を下げることが効果的である。ピストン冠面の温度を下げる手段としては、例えば、ピストンに装着されるピストンリングに求められる熱伝達機能を向上させる手段を挙げることができ、当該ピストンが受けた燃焼熱を効率よくシリンダへ伝えることで、ピストン上死点付近での燃焼を適切に行うことができるようになる。以上のことから、特に、高圧縮比の自動車用ガソリンエンジンに用いるピストンリングには、ガスシール機能及び熱伝達機能の一層の向上が求められている。【０００４】
このような背景にあって、例えば特許文献１（特開２００９−２３５５６１号公報）には、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒの適正成分範囲を所定のパラメータに規定したピストンリングが提案されている。具体的には、特許文献１のピストンリングは、質量比で、Ｃ：０．２０〜０．９０％、Ｓｉ：０．１０％以上０．６０％未満、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｃｒ：０．３０〜２．００％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であって、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ及びＣｒの含有量に基づいて、式「Ａ＝８．８Ｓｉ＋１．６Ｍｎ＋１．７Ｃｒ」、及び式「Ｂ＝３６Ｃ＋４．２Ｓｉ＋３．８Ｍｎ＋４．５Ｃｒ」から算出されるパラメータＡ及びＢの値がそれぞれ９．０以下及び１０．８以上である調質鋼から成ることを特徴としたものである（請求項１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２３５５６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記した特許文献１のピストンリングを高圧縮比の自動車用ガソリンエンジンに用いた場合、その自動車用ガソリンエンジンでは、ピストン上死点付近での燃焼を適切に行うことが困難である。すなわち、特許文献１で提案されたピストンリングを装着した高圧縮比の自動車用ガソリンエンジンでは、ピストン冠面の温度を十分に下げることができず、ガスシール機能及び熱伝達機能を長期間安定して発揮させることができない。【０００７】
本発明は、高圧縮比の自動車用ガソリンエンジンに用いた場合に、ガスシール機能及び熱伝達機能を長期間安定して発揮させることができる内燃機関用高熱伝導性ピストンリングの提供を目的とする。特に、ピストンへの入熱をシリンダボア内面へ逃がし、燃焼室温度を下げてノッキングの発生を回避する機能、つまり伝熱機能と、より高温環境下で耐えるための耐熱へたり性とを向上させた内燃機関用高熱伝導性ピストンリングの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、鋭意研究を行った結果、Ｍｎ−Ｃｒ鋼として、Ｃ（炭素）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒ（クロム）、Ｐ（リン）、Ｓ（硫黄）、及び微量成分としてＡｌ（アルミニウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｕ（銅）をそれぞれ所定量含有したピストンリングを採用することで、上記した課題を解決するにいたった。【０００９】
本発明に係る内燃機関用高熱伝導性ピストンリングは、Ｍｎ−Ｃｒ鋼を母材とした内燃機関用ピストンリングであって、当該Ｍｎ−Ｃｒ鋼が、Ｃを０．５２質量％以上０．６５質量％以下、Ｓｉを０．１５質量％以上０．３５質量％以下、Ｍｎを０．６０質量％以上１．００質量％以下、Ｃｒを０．６０質量％以上１．００質量％以下、Ｐを０．０４質量％以下、Ｓを０．０４質量％以下、微量成分（Ａｌ、Ｎｉ及びＣｕの合計含有量）を０．０５質量％以上３．０質量％以下、残部Ｆｅ及び不可避不純物の範囲で含有することを特徴とする。【００１０】
本発明に係る内燃機関用高熱伝導性ピストンリングにおいて、前記Ｍｎ−Ｃｒ鋼は、微量成分であるＡｌ、Ｎｉ及びＣｕが、各成分共に０．０１質量％以上１．０質量％以下の範囲で含有することが好ましい。【００１１】
本発明に係る内燃機関用高熱伝導性ピストンリングにおいて、前記Ｍｎ−Ｃｒ鋼は、含有する微量成分であるＡｌ、Ｎｉ及びＣｕの含有量が、以下の式（１）の関係を満たすことが好ましい。【００１２】
【数１】
2015034086.tif 000003
【００１３】
本発明に係る内燃機関用高熱伝導性ピストンリングにおいて、ピストンリングの外周面が、硬質クロムメッキ、硬質セラミックス、及び硬質炭素のいずれか１種又は２種以上の硬質皮膜を備えることが好ましい。【００１４】
本発明に係る内燃機関用高熱伝導性ピストンリングにおいて、ピストンリングの上下面及び／又は内周面は、酸化処理、化成処理、樹脂コート、及び硬質炭素皮膜の形成の少なくとも１種又は２種以上の表面処理が施されていることが好ましい。【００１５】
本発明に係る内燃機関用高熱伝導性ピストンリングにおいて、焼入れ焼戻し後の硬さが４０ＨＲＣ以上であり、熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る内燃機関用高熱伝導性ピストンリングは、母材であるＭｎ−Ｃｒ鋼が、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｐ、Ｓ、及び微量成分としてのＡｌ、Ｎｉ及びＣｕを、それぞれ所定量含有するので、高圧縮比の自動車用ガソリンエンジンに用いた場合に、ガスシール機能及び熱伝達機能を長期間安定して発揮させることが可能となる。特に、ピストンへの入熱をシリンダボア内面へ逃がし、燃焼室温度を下げてノッキングの発生を回避する機能、つまり伝熱機能と、より高温環境下で耐えるための耐熱へたり性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態における内燃機関用高熱伝導性ピストンリングを示す平面図（Ａ）及び部分斜視図（Ｂ）である。
【図２】本発明の一実施形態における内燃機関用高熱伝導性ピストンリングを装着したピストンの要部縦断面図である。
【図３】ピストンリングの疲労強度を評価する疲労強度試験の概要を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る内燃機関用高熱伝導性ピストンリングの好ましい実施の形態について、図を用いて説明する。
【００１９】
本発明に係る内燃機関用高熱伝導性ピストンリング１は、Ｍｎ−Ｃｒ鋼を母材２とした内燃機関用ピストンリングである。そして、そのＭｎ−Ｃｒ鋼が、Ｃを０．５２質量％以上０．６５質量％以下、Ｓｉを０．１５質量％以上０．３５質量％以下、Ｍｎを０．６０質量％以上１．００質量％以下、Ｃｒを０．６０質量％以上１．００質量％以下、Ｐを０．０４質量％以下、Ｓを０．０４質量％以下、微量成分（Ａｌ、Ｎｉ及びＣｕの合計含有量）を０．０５質量％以上３．０質量％以下、残部Ｆｅ及び不可避不純物の範囲で含有することに特徴がある。
【００２０】
図１は、環状を呈し、合い口１ａが形成され、断面が略矩形状のピストンリング（圧力リング）１の一例を示している。ピストンリング１は、図１に示すように、合い口１ａが形成されることでたわみ代を大きくとることができ、図２に示すように、ピストン１０が往復運動（図中の中抜き矢印方向）する最中において、その外周面５をシリンダ内壁面２１の周方向に接触させることができる。ピストンリング１は、ピストン１０に設けられるピストンリング溝１２に装着され、シリンダ内壁面２１とピストン１０との僅かな隙間を埋めて燃焼ガスをシールする。さらに、シリンダ内壁面２１に対して自己の持つ張力により押しつけられるピストンリングの外周面５が、ピストン１０の動きに追従しながら油膜の厚さを適度にコントロールする。そして、このとき、ピストンリング１は、シリンダ内壁面２１に油膜を介して常時接触し続けるので、ピストン冠面１１に入力された熱をシリンダ２０側に伝えることができる（図２の点線矢印を参考）。
【００２１】
内燃機関用高熱伝導性ピストンリング１は、Ｍｎ−Ｃｒ鋼を母材２とし、そのＭｎ−Ｃｒ鋼を、上記の合金元素（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｐ、Ｓ、Ａｌ、Ｎｉ及びＣｕ）をそれぞれ上記範囲の量を含有する合金組成とすることで、優れた熱伝達部材となり、熱伝達機能の向上を図ることができる。したがって、本発明に係る内燃機関用高熱伝導性ピストンリング１によれば、より効果的にピストン冠面１１に入力された熱をシリンダ２０側に伝えることができ、高圧縮比エンジンにおける過酷な熱環境下で好適に用いることができる。また、本発明に係る内燃機関用高熱伝導性ピストンリング１は、上記範囲の量を含有する合金組成であるので、耐摩耗性、耐スカッフ性、耐軟化性、耐熱へたり性、及び疲労強度が向上し、高圧縮比の自動車用ガソリンエンジンに用いた場合にガスシール機能及びオイルコントロール機能を長期間安定して発揮させることができる。
【００２２】
Ｍｎ−Ｃｒ鋼として含まれる合金元素の作用、及びその質量％の数値限定理由を以下に説明する。Ｍｎ−Ｃｒ鋼は、含有する合金元素及びその質量％により、元々備わる性質から様々な付加価値を持った材料に変化する。
【００２３】
合金元素としてのＣ（炭素）は、基地中に固溶し、硬度を上昇させ、焼入れ焼戻し後（調質後）の耐軟化性及び耐熱へたり性を確保するのに有効である。内燃機関用高熱伝導性ピストンリングがこのような効果を得るためには、Ｃの含有量が０．５２質量％以上、０．６５質量％以下の範囲内であることが好ましい。Ｃの含有量が０．５２質量％未満の場合には、耐摩耗性能及び機械的強度の向上が図れないため好ましくない。一方、Ｃの含有量が０．６５質量％を超えると、耐衝撃性能の低下を招くと共に、良好な加工性能が得られなくなり好ましくない。Ｃの含有量は、０．５２質量％以上、０．６０質量％以下の範囲内であることがより好ましく、０．５４質量％以上、０．５８質量％以下の範囲内であることがさらに好ましい。
【００２４】
合金元素としてのＳｉ（ケイ素）は、鋼の溶製時において、脱酸作用及び脱硫作用を有していると共に、固溶強化することにより耐軟化性を向上させる効果がある。内燃機関用高熱伝導性ピストンリングがこのような効果を得るためには、Ｓｉの含有量が０．１５質量％以上、０．３５質量％以下の範囲内であることが好ましい。Ｓｉの含有量が０．１５質量％未満の場合には、固溶強化が得られずに、耐摩耗性、耐スカッフ性、及び耐熱へたり性を向上させることができないため好ましくない。一方、Ｓｉの含有量が０．３５質量％を超える場合には、熱伝導性や靱性の低下を招くため好ましくない。Ｓｉの含有量は、０．１７質量％以上、０．２５質量％以下の範囲内であることがより好ましい。
【００２５】
合金元素としてのＭｎ（マンガン）は、鋼溶製時の脱酸剤として有効であると共に、鋼の靭性や引張強さを向上させて焼入れ焼戻し後（調質後）の強度を確保するのに有効である。内燃機関用高熱伝導性ピストンリングがこのような効果を得るためには、Ｍｎの含有量が０．６０質量％以上、１．００質量％以下の範囲内であることが好ましい。Ｍｎの含有量が０．６０質量％未満の場合には、焼入れ焼戻し後（調質後）の強度を十分に確保することができないため好ましくない。一方、Ｍｎの含有量が１．００質量％を超える場合には、焼入れ焼戻し後（調質後）の硬さが硬くなり過ぎて基地の脆化を招き、耐久性及び良好な加工性能が得られなくなり好ましくない。Ｍｎの含有量は、０．７５質量％以上、０．８５質量％以下の範囲内であることがより好ましい。
【００２６】
合金元素としてのＣｒ（クロム）は、Ｃｒ炭化物を形成し、耐熱性及び耐食性を向上させ、同時に耐摩耗性を向上させる効果がある。また、Ｃｒは、焼入れ性を向上させると共に焼戻し抵抗を増加させ、焼入れ焼戻し後（調質後）の強度、靱性を確保するのに有効である。内燃機関用高熱伝導性ピストンリングがこのような効果を得るためには、Ｃｒの含有量が０．６０質量％以上、１．００質量％以下の範囲内であることが好ましい。Ｃｒの含有量が０．６０質量％未満の場合には、耐熱性、耐食性及び耐摩耗性のいずれも向上させることが困難となるため好ましくない。Ｃｒの含有量が１．００質量％を超える場合には、Ｃｒ炭化物の生成が過剰になり、熱伝導性が低下すると共に、そのＣｒ炭化物が粒界に偏析して硬く脆くなるため、耐衝撃性能及び加工性能が低下し好ましくない。また、Ｃｒは、高価であるため、多量に含有させると製品コストの増大を招いてしまう。Ｃｒの含有量は、０．７５質量％以上、０．９０質量％以下の範囲内であることがより好ましい。
【００２７】
合金元素としてのＰ（リン）は、通常は粒界脆性の原因となる有害な元素であるが、鋼中のフェライトに固溶して硬さや引張り強さを増加させると共に、被削性を改善するのに有効である。内燃機関用高熱伝導性ピストンリングがこのような効果を得るためには、Ｐの含有量が０．０４質量％以下であることが好ましい。Ｐの含有量が０．０４質量％を超える場合には、リン化鉄（Ｆｅ３Ｐ）の形成が促進され、加工性の悪化や衝撃抵抗を低下させるため好ましくない。
【００２８】
合金元素としてのＳ（硫黄）は、融点が低く赤熱脆性の原因となると言われているが、Ｍｎを添加して硫化マンガン（ＭｎＳ）を生成させて加工性を向上させることができる。内燃機関用高熱伝導性ピストンリングがこのような効果を得るためには、Ｓの含有量が０．０４質量％以下であることが好ましい。Ｓの含有量が０．０４質量％を超える場合には、加工性の悪化や衝撃抵抗の低下を招くため好ましくない。
【００２９】
内燃機関用高熱伝導性ピストンリングは、母材であるＭｎ−Ｃｒ鋼が、微量成分としてＡｌ（アルミニウム）、Ｎｉ（ニッケル）及びＣｕ（銅）を含有する。微量成分としてのＡｌは、鋼溶製時の脱酸剤として有効であると共に、結晶粒を微細化させて加工性を向上させ、熱伝導性を向上させる。微量成分としてのＮｉは、焼入れ性を向上させると共に靱性を向上させることができる。さらに、微量成分としてのＮｉは、基地に耐熱性を付与すると共に耐摩耗性能を向上させ、Ｃｒと一緒に添加することで耐食性、及び耐熱性を向上させることができる。微量成分としてのＣｕは、耐候性を向上させ、Ｎｉと一緒に添加することでこの効果をさらに向上させることができる。さらに、微量成分としてのＣｕは、Ｍｎ−Ｃｒ鋼の熱伝導性を向上させると共に固体潤滑作用を付与することができる。
【００３０】
内燃機関用高熱伝導性ピストンリングは、微量成分としてのＡｌ、Ｎｉ及びＣｕが上記した合金元素と組み合わされることで、そのピストンリングを高圧縮比エンジンの過酷な熱環境下で用いた場合にも、ガスシール機能及び熱伝達機能に関して従来にない優れた効果を長期間発揮させることが可能となる。内燃機関用高熱伝導性ピストンリングがこのような効果を得るためには、Ａｌ、Ｎｉ及びＣｕの合計含有量が０．０５質量％以上、３．０質量％以下の範囲内であることが好ましい。Ａｌ、Ｎｉ及びＣｕの合金含有量が０．０５質量％未満の場合は、上記した合金元素との組み合わせによる相乗効果を得ることが困難となる。また、Ａｌ、Ｎｉ及びＣｕの合金含有量が３．０質量％を超える場合には、金属間化合物の析出が多くなり、熱伝導性が低下するため好ましくない。
【００３１】
以上のことから、本発明に係る内燃機関用高熱伝導性ピストンリング１は、Ｍｎ−Ｃｒ鋼が含有する元素が単独で効果を発揮し、特定の元素が組み合わされて相乗効果を得ることができる。そのため、そのピストンリング１は、耐久性を損なわずに、熱伝達性に関して従来にない優れた効果を発揮することができ、高圧縮比の自動車用ガソリンエンジンに好適に用いることが可能となる。
【００３２】
Ｍｎ−Ｃｒ鋼は、微量成分であるＡｌ、Ｎｉ及びＣｕが、各成分共に０．０１質量％以上、１．０質量％の範囲で含有することが好ましい。
【００３３】
内燃機関用高熱伝導性ピストンリング１において、Ａｌ、Ｎｉ及びＣｕそれぞれの含有量が０．０１質量％以上、１．０質量％以下の範囲内であることで、上記の合金元素と組み合わされて相乗効果が得られ、熱伝達機能の向上を図ると共に、ガスシール機能及びオイルコントロール機能を長期間維持することが可能となる。Ａｌ、Ｎｉ及びＣｕのいずれか一つの含有量が０．０１質量％未満の場合には、これら元素を組み合わせることによる相乗効果が十分に得られない。一方、Ａｌ又はＣｕの含有量が１．０質量％を超える場合には、金属間化合物の析出が多くなり、熱伝導性が低下するため好ましくない。また、Ｎｉの含有量が１．０質量％を超える場合には、製品コストの上昇を招くため好ましくない。
【００３４】
Ｍｎ−Ｃｒ鋼は、含有する微量成分であるＡｌ、Ｎｉ及びＣｕの含有量が、以下の式（１）の関係を満たすことが好ましい。
【００３５】
【数２】
2015034086.tif 000004
【００３６】
Ａｌ及びＣｕは、主にピストンリング１の熱伝達機能を向上させる上で有効であるが、含有量が増加し過ぎるとピストンリングの耐久性を低下させてしまう。一方、Ｎｉは、ピストンリング１の硬さの向上に寄与し、主に耐久性及び耐熱へたり性の向上を図るために有効である。そのため、Ａｌ、Ｎｉ及びＣｕそれぞれの含有量が式（１）に示す関係を満たすことで、ピストンリング１の耐摩耗性、耐スカッフ性、耐熱へたり性、及び疲労強度の低下を防止しながらも熱伝達性を向上させて、高圧縮比エンジンの熱負荷の高い環境でも長期間安定して使用することができる。このとき、Ａｌ及びＣｕの含有量に対するＮｉの含有量の比率が１．０以上、２０以下の範囲内であることが好ましい。Ａｌ及びＣｕの含有量に対するＮｉの含有量の比率が１．０未満の場合には、ピストンリングとして要求される熱伝達機能を過酷な熱環境下で十分に発揮させることが困難となる。一方、Ａｌ及びＣｕの含有量に対するＮｉの含有量の比率が２０を超える場合には、ピストンリングの耐久性及び耐熱へたり性を十分に向上させることができず、ピストンリングとして要求されるガスシール機能及びオイルコントロール機能を過酷な熱環境下において長期間安定して発揮させることが困難となる。
【００３７】
内燃機関用高熱伝導性ピストンリング１において、ピストンリングの外周面５に、硬質クロムメッキ、硬質セラミックス、及び硬質炭素のいずれか１種又は２種以上の硬質皮膜３を備えることが好ましい。
【００３８】
ピストンリング１の外周面５に硬質クロムメッキ、硬質セラミックス、及び硬質炭素のいずれか１種又は２種以上の硬質皮膜３を備えることで、シリンダ内壁面２１との摺動による摩耗を効果的に抑制し、シリンダ内壁面２１との接触状態を長期間に亘り良好に保つことができる。したがって、ピストンリング１の外周面５に上記した硬質皮膜３を備えることで、ピストン１０の熱をシリンダ２０側へ伝える働きを長期間発揮し、ピストンリングとして要求されるガスシール機能、オイルコントロール機能に関しても過酷な熱環境下で長期間安定して発揮することができる。なお、ピストンリング１の外周面５に硬質皮膜３を備えたとしても、熱伝導性に影響を受けることがない。また、硬質皮膜３は、ピストンリング１の熱伝導性に影響を及ぼさない限り、複数種の硬質皮膜を積層させてもよい。
【００３９】
内燃機関用高熱伝導性ピストンリング１において、ピストンリングの上下面６，８及び／又は内周面７には、酸化処理、化成処理、樹脂コート、及び硬質炭素皮膜の形成の少なくとも１種又は２種以上の表面処理が施されていることが好ましい。
【００４０】
ピストンリングの上下面６，８及び／又は内周面７が、酸化処理、化成処理、樹脂コート、及び硬質炭素皮膜の形成の少なくとも１種又は２種以上の表面処理が施されていることで、ピストンリング溝１２内における凝着等に起因する摩耗を効果的に抑制することができる。したがって、ピストンリング１の上下面６，８及び／又は内周面７に上記した表面処理を施すことで、ピストンの往復動作に長期間安定して追従し、ピストンリングとして要求されるガスシール機能及び熱伝達機能を過酷な熱環境下において長期間安定して発揮させることができる。なお、ピストンリング１の上下面６，８及び／又は内周面７に表面処理を施して表面処理層４を備えたとしても、熱伝導性に影響を受けることがない。また、その表面処理層４は、ピストンリング１の熱伝導性に影響を及ぼさない限り、複数種の表面処理を施してもよい。
【００４１】
内燃機関用高熱伝導性ピストンリング１において、焼入れ焼戻し後の硬さが４０ＨＲＣ以上であって、熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。
【００４２】
内燃機関用高熱伝導性ピストンリング１は、Ｍｎ−Ｃｒ鋼を、８３０℃以上、９００℃以下の範囲内で焼入れした後に、４００℃以上、５００℃以下の範囲内で焼戻しをして製造することで、耐摩耗性、耐スカッフ性、耐熱へたり性、及び疲労強度に関して所望の特性を得ることができる。そして、内燃機関用高熱伝導性ピストンリング１は、焼入れ焼戻し後（調質後）の硬さが４０ＨＲＣ以上であることで、ピストンリングの強度を確保し、高圧縮比の自動車用ガソリンエンジンに用いた場合にピストンリングとして要求されるガスシール機能を長期間安定して発揮させることができる。また、内燃機関用高熱伝導性ピストンリング１は、４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を確保することによって、ピストン１０の熱をシリンダ２０へ効果的に伝えることが可能となる。参考までに、内燃機関用高熱伝導性ピストンリング１は、燃焼室に最も近く過酷な熱環境下に置かれるトップリングに用いた場合に、従来のトップリングとして用いられるマルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ）製やシリコンクロム鋼（ＳＷＯＳＣ−Ｖ）製のピストンリングを用いた場合よりも燃費向上効果を得ることができる。
【実施例】
【００４３】
以下、実施例を示し、本発明をより詳細に説明する。但し、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。【００４４】
［実施例１］
本発明に係る内燃機関用高熱伝導性ピストンリングの実施例として、本発明で規定した合金組成の条件を満足する実施例試料Ａ〜Ｚ、ＡＡ〜ＡＤを作製した。実施例試料Ａ〜Ｚ、ＡＡ〜ＡＤを作製するにあたっては、まず、それぞれ表１に示す合金組成のＭｎ−Ｃｒ鋼を冷間で線引きした後、焼入れ温度９００℃、焼戻し温度４５０℃の焼入れ焼戻し（調質）を施し、１．２ｍｍ×２．５ｍｍの矩形断面を有する線材を得た。次に、この線材を７８ｍｍのボア径に合うようにリング状に成形し、合い口となる部分を切断した。こうして作製された実施例試料Ａ〜Ｚ、ＡＡ〜ＡＤの各ピストンリングには、歪取り熱処理を施した後に外周加工を行い、外周面に硬質セラミックス皮膜としてＣｒ−Ｎ系よりなるＰＶＤ皮膜のみを被覆したもの、硬質炭素皮膜として水素を２原子％含有したＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）皮膜のみを被覆したもの、又は当該ＰＶＤ皮膜の上に当該ＤＬＣ皮膜を積層した２層からなる皮膜を被覆したもの、の計３種類のうちいずれかを形成した。その後、実施例試料Ａ〜Ｚ、ＡＡ〜ＡＤの各ピストンリングには、仕上げ加工を施し、当該ピストンリングの上下面に四三酸化鉄皮膜を形成した。なお、各種表面処理前のピストンリングの上下面及び外周面については、十点平均粗さＲｚで１．３μｍ〜２．２μｍの範囲内となるように研磨を行った。十点平均粗さＲｚは、ＪＩＳ  Ｂ０６０１（１９８２）に準拠し、表面粗さ・輪郭形状測定機で測定した。【００４５】
作製した実施例試料Ａ〜Ｚ、ＡＡ〜ＡＤに関しては、４００℃で焼戻し後のロックウェル硬さ（Ｃスケール）を測定すると共に、レーザーフラッシュ法により熱伝導率を測定した。さらに、これら実施例試料Ａ〜Ｚ、ＡＡ〜ＡＤを用いて、以下に示す要領により、疲労強度試験及び耐熱へたり試験を実施した。これらの測定及び試験は、ピストンリングを高圧縮比の自動車用ガソリンエンジンに用いた場合に、ガスシール機能及び熱伝達機能に関して長期間安定して発揮することを確認するために行った。なお、実施例試料Ａ〜Ｚ、ＡＡ〜ＡＤに対して行った、４００℃で焼戻し後のロックウェル硬さ（Ｃスケール）の測定、レーザーフラッシュ法による熱伝導率の測定、疲労強度試験、及び耐熱へたり試験の結果に関しては、当該実施例試料Ａ〜Ｚ、ＡＡ〜ＡＤの合金組成と纏めて表１に示す。なお、ロックウェル硬さ（Ｃスケール）は、ロックウェル硬度計で測定した。また、レーザーフラッシュ法での熱伝導率は、レーザーフラッシュ法熱物性測定装置で測定した。【００４６】
（疲労強度試験）
図３は、ピストンリングの疲労強度を評価する疲労強度試験の概要を示す模式図である。以下、図３を用いて疲労強度試験を説明する。疲労強度試験では、図３に模式的に示す疲労強度試験機４０を用い、まず、ピストンリング１の合い口１ａにおける一端を支持台４１に固定部４１ａにより固定し、他端をてこアーム４２の一端に固定部４２ａにより固定した。ここで、当該てこアーム４２の他端側には、連結部４３により動力伝達バー４５の一端が連結される。当該動力伝達バー４５の他端側は、偏心カム４６に連結されており、当該偏心カム４６の回転によって当該動力伝達バー４５が動力伝達軸方向（図中の矢印Ｘで示す方向）へ往復運動する。そして、このときの動力伝達バー４５の動作に伴い、当該てこアーム４２の一端側（固定部４２ａが固定される側）が当該連結部４３を中心とした回転方向（図中の矢印Ｙで示す方向）に往復運動し、ピストンリング１の合い口１ａが拡張された際にピストンリング１に曲げ応力が負荷される。なお、当該動力伝達バー４５は、ガイド４４によって動力伝達軸の軸振れを防止し、その往復運動をスムーズに行うことが可能となる。【００４７】
上記したように、疲労強度試験では、疲労強度試験機４０により、ピストンリング１の合い口１ａを所定の振幅で繰り返し拡張してピストンリング１に応力を負荷し、当該ピストンリング１が破断するまで拡張を繰り返した回数を測定した。また、疲労強度試験では、同じ条件で作製されたピストンリング１を複数用意して、ピストンリング１に対して負荷する応力の設定をそれぞれ変えて試験を行い、Ｓ−Ｎ曲線を作成した。このときの各ピストンリング１に対する負荷応力の設定は、合い口１ａの開閉量を変化させることで行った。そして、疲労強度試験では、この作成したＳ−Ｎ曲線から、拡張を繰り返した回数が１×１０７回に耐え得る応力を疲労強度として求めた。【００４８】
（耐熱へたり試験）
耐熱へたり試験では、ＪＩＳ  Ｂ  ８０３２−５（１９９８）に基づき、ボア径７８ｍｍのスリーブ内に、実施例試料Ａ〜Ｚ、ＡＡ〜ＡＤの各ピストンリングを装着し、３００℃の温度に３時間保持した後の張力減退率を測定した。この張力減退率は、実施例試料Ａ〜Ｚ、ＡＡ〜ＡＤの各ピストンリングをスリーブ内に装着して、加熱する前と加熱した後のピストンリング張力を測定し、その張力低下率により算出した。参考までに、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ  Ｂ  ８０３２−５（１９９８））では、ピストンリングの中で最も過酷な高温環境下で用いられるトップリングの張力減退率が８％以下に定められている。【００４９】
［比較例１］
この比較例は、実施例と比較するためのものである。本発明に係る内燃機関用高熱伝導性ピストンリングの比較例として、本発明に規定する合金組成のＡｌ、Ｎｉ及びＣｕに関する条件を満足しない比較例試料ａ〜ｎを作製した。ここで、比較例試料ａ〜ｎの製造方法に関しては、実施例試料Ａ〜Ｚ、ＡＡ〜ＡＤと同様の条件とした。そして、作製した比較例試料ａ〜ｎに関し、実施例試料Ａ〜Ｚ、ＡＡ〜ＡＤと同様に、４００℃で焼戻し後のロックウェル硬さ（Ｃスケール）を測定すると共にし、レーザーフラッシュ法により熱伝導率を測定した。さらに、これら比較例試料ａ〜ｎを用いて、実施例と同じ要領により、疲労強度試験及び耐熱へたり試験を実施した。なお、表２は、比較例試料ａ〜ｎの合金組成を実施例試料の合金組成と対比可能となるよう併せて示している。また、比較例試料ａ〜ｎに対して行った、４００℃で焼戻し後のロックウェル硬さ（Ｃスケール）の測定、レーザーフラッシュ法による熱伝導率の測定、疲労強度試験、及び耐熱へたり試験の結果に関しては、当該比較例試料ａ〜ｎの合金組成と纏めて表２に示す。【００５０】
［実施例と比較例との対比］
以下に、実施例と比較例とを表１及び表２に示す結果に基づき対比しつつ、本発明を詳細に説明する。【００５１】
【表１】
2015034086.tif 000005
【００５２】
【表２】
2015034086.tif 000006
【００５３】
（硬さ測定評価）
表１及び表２に示す結果より、本発明に規定する合金組成の条件を満足する実施例試料Ａ〜Ｚ、ＡＡ〜ＡＤの硬さの平均は、約４８．３（ＨＲＣ）となった。一方、本発明に規定する合金組成の条件を満足しない比較例試料ａ〜ｎの硬さの平均は、約４８．４（ＨＲＣ）となった。そして、実施例試料Ａ〜Ｚ、ＡＡ〜ＡＤ及び比較例試料ａ〜ｎの全ての試料が、４０ＨＲＣ以上の硬さを確保しており、高圧縮比の自動車用ガソリンエンジンに用いた場合にピストンリングとして要求されるガスシール機能、及びオイルコントロール機能を長期間安定して発揮することが可能であることの確認ができた。この結果だけをみれば、実施例試料と比較例試料とは、硬さに大きな差が認められないと捉えることもできる。しかし、実施例試料Ａ〜Ｚ、ＡＡ〜ＡＤの中での硬さの最小値が４７．２（ＨＲＣ）であるのに対し、比較例試料ａ〜ｎの中には、硬さが４７．２（ＨＲＣ）未満の試料がいくつか存在する（比較例試料ｃ，ｅ，ｉ,ｎ，ｍ）。参考までに、比較例試料ｅの硬さは、４４．０（ＨＲＣ）であり、これは実施例試料Ａ〜Ｚ、ＡＡ〜ＡＤの中での硬さの最小値に比べて３．２（ＨＲＣ）も小さな値である。これらの結果より、本発明に規定する合金組成の条件を満足するピストンリングを採用することで、当該条件を満たさない従来のピストンリングを採用した場合よりも安定した硬さの向上が図られることが分かった。【００５４】
（熱伝導率測定評価）
表１及び表２に示す結果より、本発明に規定する合金組成の条件を満足する実施例試料Ａ〜Ｚ、ＡＡ〜ＡＤの熱伝導率の平均は、約４１．２（Ｗ／（ｍ・Ｋ））となった。また、実施例試料Ａ〜Ｚ、ＡＡ〜ＡＤの全ての試料が、４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を確保しており、ピストンの熱をシリンダへ効果的に伝えることが可能であることの確認ができた。一方、本発明に規定する合金組成の条件を満足しない比較例試料ａ〜ｎの熱伝導率の平均は、約３６．８（Ｗ／（ｍ・Ｋ））となった。そして、比較例試料ａ〜ｎの内、比較例試料ｂ，ｄ，ｆ〜ｈ、ｊ〜ｎの試料は、熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下となり、熱伝導性に関して十分な向上が図られていないことの確認ができた。これらの結果より、本発明に規定する合金組成の条件を満足するピストンリングを採用することで、従来のピストンリングを採用した場合と比べて熱伝導率の向上が図られることが分かった。なお、比較例試料ｂ，ｆ，ｈ，ｋに関しては、熱伝導性の低下が顕著であったが、これはＡｌ、Ｎｉ及びＣｕの合金含有量が３．０質量％を大きく超えることで金属間化合物の析出が多くなったことに起因するものと考える。【００５５】
（疲労強度試験評価）
表１及び表２には、実施例試料Ａ〜Ｚ、ＡＡ〜ＡＤそれぞれの疲労強度について、比較例試料ａを１００とした指数で示す（指数が大きいほど疲労強度に優れる）。この場合に、表１及び表２に示す結果より、本発明に規定する合金組成の条件を満足する実施例試料Ａ〜Ｚ、ＡＡ〜ＡＤの疲労強度の平均は、１０１となった。一方、本発明に規定する合金組成の条件を満足しない比較例試料ａ〜ｎの疲労強度の平均は、１０３となった。この結果だけをみれば、実施例試料は、比較例試料よりも疲労強度に劣ると捉えることもできる。しかし、実施例試料Ａ〜Ｚ、ＡＡ〜ＡＤの疲労強度が全て１００以上であるのに対し、比較例試料ａ〜ｎの中には疲労強度が１００未満の試料がいくつか存在する（比較例試料ｃ，ｅ）。これらの結果より、本発明に規定する合金組成の条件を満足するピストンリングを採用することで、当該条件を満たさない従来のピストンリングを採用した場合よりも安定した疲労強度の向上が図られることが分かった。【００５６】
（耐熱へたり試験評価）
表１及び表２に示す結果より、本発明に規定する合金組成の条件を満足する実施例試料Ａ〜Ｚ、ＡＡ〜ＡＤの張力減退率の平均は、５．４０％となった。一方、本発明に規定する合金組成の条件を満足しない比較例試料ａ〜ｎの張力減退率の平均は、５．００％となった。この結果だけをみれば、実施例試料は、比較例試料よりも耐熱へたり性に劣ると捉えることもできる。しかし、実施例試料Ａ〜Ｚ、ＡＡ〜ＡＤの中での張力減退率の最大値が５．９５％（実施例試料Ｋ）であるのに対し、比較例試料ａ〜ｎの中には、張力減退率が５．９５％を超える試料がいくつか存在する（比較例試料ｃ，ｅ，ｋ，ｍ）。参考までに、比較例試料ｅの張力減退率の最大値は、６．６７％であり、これは実施例試料Ａ〜Ｚ、ＡＡ〜ＡＤの中での張力減退率の最大値に比べて０．７２％も大きな値である。これらの結果より、本発明に規定する合金組成の条件を満足するピストンリングを採用することで、当該条件を満たさない従来のピストンリングを採用した場合よりも安定した耐熱へたり性の向上が図られることが分かった。このように、実施例試料Ａ〜Ｚ、ＡＡ〜ＡＤ及び比較例試料ａ〜ｎの全ての試料は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ  Ｂ  ８０３２−５（１９９８））に定めるトップリングの張力減退率８％以下の基準を満足するものであるが、実施例試料Ａ〜Ｚ、ＡＡ〜ＡＤの方が比較例試料ａ〜ｎよりもより厳しい熱環境下で使用できることの確認ができた。【００５７】
（実施例と比較例との対比のまとめ）
表１及び表２に示す結果より、Ａｌ、Ｎｉ及びＣｕそれぞれの含有量に関して本発明に規定する条件を満たすことで、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒの含有量の増加に伴う、硬さ、疲労強度、及び耐熱へたり性の向上や、熱伝導性の低下を抑制して、これら特性のトータルバランスを安定的に優れたものとし、高圧縮比エンジンの熱負荷の高い環境でも長期間安定して使用できることが分かった。したがって、本発明に係る内燃機関用高熱伝導性ピストンリングによれば、Ｍｎ−Ｃｒ鋼として、合金元素を本発明に規定する範囲の量含有することで、オイルリングの熱伝達機能を向上させると共に、ガスシール機能、及びオイルコントロール機能を長期間発揮させることが可能となる。また、表１及び表２に示すように、本発明に係る内燃機関用高熱伝導性ピストンリングは、その外周面に本発明に規定する種類の硬質皮膜を１種以上備える限りにおいては、上記した特性に悪影響が及ぼされないこともない。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明に係る内燃機関用高熱伝導性ピストンリングは、高圧縮比の自動車用ガソリンエンジンに用いた場合でも、オイルリングとして要求される機能を長期間安定して発揮することができるため、内燃機関のオイル消費の低減や内燃機関の長寿命化を図ることができる。したがって、本発明に係る内燃機関用高熱伝導性ピストンリングによれば、オイルの効率的消費が可能になり、資源の有効利用、環境負荷を低減化するという観点から好ましい。
【符号の説明】
【００５９】
１  ピストンリング
１ａ  合い口
２  母材
３  硬質皮膜
４  表面処理層
５  外周面
６  上面
７  内周面
８  下面
１０  ピストン
１１  ピストン冠面
１２  ピストンリング溝
２０  シリンダ
２１  シリンダ内壁面
ａ  合い口部分
４０  疲労強度試験機
４１  支持台
４１ａ  固定部
４２  てこアーム
４２ａ  固定部
４３  連結部
４４  ガイド
４５  動力伝達バー
４６  偏心カム
【図１】
2015034086.tif 000008
【図２】
2015034086.tif 000009
【図３】
2015034086.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成28年3月9日(2016.3.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
Ｍｎ−Ｃｒ鋼は、微量成分であるＡｌ、Ｎｉ及びＣｕが、各成分共に０．０１質量％以上、１．０質量％以下の範囲で含有することが好ましい。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
Ａｌ及びＣｕは、主にピストンリング１の熱伝達機能を向上させる上で有効であるが、含有量が増加し過ぎるとピストンリングの耐久性を低下させてしまう。一方、Ｎｉは、ピストンリング１の硬さの向上に寄与し、主に耐久性及び耐熱へたり性の向上を図るために有効である。そのため、Ａｌ、Ｎｉ及びＣｕそれぞれの含有量が式（１）に示す関係を満たすことで、ピストンリング１の耐摩耗性、耐スカッフ性、耐熱へたり性、及び疲労強度の低下を防止しながらも熱伝達性を向上させて、高圧縮比エンジンの熱負荷の高い環境でも長期間安定して使用することができる。このとき、Ａｌ及びＣｕの含有量とＮｉの含有量との比率が１．０以上、２０以下の範囲内であることが好ましい。Ａｌ及びＣｕの含有量とＮｉの含有量との比率が１．０未満の場合には、ピストンリングとして要求される熱伝達機能を過酷な熱環境下で十分に発揮させることが困難となる。一方、Ａｌ及びＣｕの含有量とＮｉの含有量との比率が２０を超える場合には、ピストンリングの耐久性及び耐熱へたり性を十分に向上させることができず、ピストンリングとして要求されるガスシール機能及びオイルコントロール機能を過酷な熱環境下において長期間安定して発揮させることが困難となる。
【手続補正書】
【提出日】平成28年12月21日(2016.12.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍｎ−Ｃｒ鋼を母材とした内燃機関用ピストンリングであって、
当該Ｍｎ−Ｃｒ鋼が、Ｃを０．５２質量％以上０．６５質量％以下、Ｓｉを０．１５質量％以上０．３５質量％以下、Ｍｎを０．６０質量％以上１．００質量％以下、Ｃｒを０．６０質量％以上１．００質量％以下、Ｐを０．０４質量％以下、Ｓを０．０４質量％以下、微量成分（Ａｌ、Ｎｉ及びＣｕの合計含有量量）を０．０５質量％以上３．０質量％以下、残部Ｆｅ及び不可避不純物の範囲で含有し、
微量成分であるＡｌ、Ｎｉ及びＣｕの含有量が、以下の式（１）の関係を満たすことを特徴とする内燃機関用高熱伝導性ピストンリング。
【数１】
2015034086.tif 000011
【請求項２】
前記Ｍｎ−Ｃｒ鋼は、微量成分であるＡｌ、Ｎｉ及びＣｕが、各成分共に０．０１質量％以上１．０質量％以下の範囲で含有する、請求項１に記載の内燃機関用高熱伝導性ピストンリング。
【請求項３】
ピストンリングの外周面が、硬質クロムメッキ、硬質セラミックス、及び硬質炭素のいずれか１種又は２種以上の硬質皮膜を備える、請求項１又は２に記載の内燃機関用高熱伝導性ピストンリング。
【請求項４】
ピストンリングの上下面及び／又は内周面は、酸化処理、化成処理、樹脂コート、及び硬質炭素皮膜の形成の少なくとも１種又は２種以上の表面処理が施されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関用高熱伝導性ピストンリング。
【請求項５】
Ｍｎ−Ｃｒ鋼を母材とした内燃機関用ピストンリングであって、
当該Ｍｎ−Ｃｒ鋼が、Ｃを０．５２質量％以上０．６５質量％以下、Ｓｉを０．１５質量％以上０．３５質量％以下、Ｍｎを０．６０質量％以上１．００質量％以下、Ｃｒを０．６０質量％以上１．００質量％以下、Ｐを０．０４質量％以下、Ｓを０．０４質量％以下、微量成分（Ａｌ、Ｎｉ及びＣｕの合計含有量量）を０．０５質量％以上３．０質量％以下、残部Ｆｅ及び不可避不純物の範囲で含有し、
焼入れ焼戻し後の硬さが４０ＨＲＣ以上であり、熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする内燃機関用高熱伝導性ピストンリング。
【国際調査報告】
2015034086.tif 000012
2015034086.tif 000013
2015034086.tif 000014
2015034086.tif 000015