(57)【要約】【課題】高温雰囲気中に晒されても張力減退が少なく、高出力ディーゼル機関の第一圧力リング用として好適な、内燃機関用ピストンリングを提案する。【解決手段】略円形状をなし、一つの合口部とを備えるアウターリングと、コイル状でリングの内周側に当接するように配設されリングに張力を付与する、耐食性耐熱性に優れたＮｉ基合金製エキスパンダとを組み合わせたピストンリングとする。Ｎｉ基合金としては、Ｃ：０．０８％以下、Ｃｒ：１４〜２５％、Ａｌ：０．２　〜１．０　％、Ｔｉ：０．５　〜３．０　％、Ｎｂ＋Ｔａ：０．５　〜５．５　％、Ｆｅ：５〜２５％を含み、あるいはさらにＭｏ：２．５　〜３．５　％を含有し、残部Ｎｉおよび不可避的不純物からなる組成とすることが好ましい。【選択図】　　図１
2004124999.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略円形状をなし、シリンダと摺動する外周面と、ピストンに対向する内周面と、　前記略円形状を半径方向に分断する一つの合口部とを備えるアウターリングと、該アウターリングの内周側に当接するように配設され該アウターリングに張力を付与するエキスパンダとを組み合わせたピストンリングであって、前記エキスパンダを、コイル状で耐食性耐熱性に優れたＮｉ基合金製とし、質量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｃｒ：１４〜２５％、Ａｌ：０．２　〜１．０　％、Ｔｉ：０．５　〜３．０　％、Ｎｂ＋Ｔａ：０．５　〜５．５　％、Ｆｅ：５〜２５％を含み、あるいはさらにＭｏ：２．５　〜３．５　％を含有し、残部Ｎｉおよび不可避的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。
【請求項２】
前記アウターリングが、マルテンサイト系ステンレス鋼製である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。
【請求項３】
前記アウターリングは、少なくとも外周面に硬質皮膜を形成されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関用ピストンリング。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用ピストンリングに係り、とくにディーゼル機関の圧力リング用として好適なピストンリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境の保全という観点から、内燃機関には、軽量化、　高出力化、低燃費化等が要望されている。内燃機関のこのような動向にしたがい、内燃機関用ピストンリングでは、形状面ではできるだけ薄幅化し、材料面では鋳鉄製からステンレス鋼製へと種々の改良がなされている。
【０００３】
一般に、ピストンリングでは、内燃機関の運転時にはその熱負荷により、ピストンリング全体の膨張やピストンリング内外周側温度差等により、ピストンリングの周方向形状が大きく変化する。このため、シリンダボアとの接触状態が変化し、とくに合口部での面圧上昇が発生する。とくに、高出力ディーゼル機関におけるような厳しい運転環境においては、ピストンリングの合口部が高温高面圧力となり、表面処理層の剥離やクラックの発生といった問題が生じていた。
【０００４】
このような問題に対し、合口部近傍の面圧が他の部分に比較して低くなるように、均一断面形状で周方向形状を変化させた、いわゆるローポイントピストンリングと称されるピストンリングが、とくに合口部近傍での摩耗が著しい高出力ディーゼル機関で多く用いられてきた。
しかし、周方向形状を調整しただけのローポイントピストンリングで、熱負荷時に合口部の面圧上昇を抑制しようとすると、例えば始動時、アイドリング時等の冷間時に、当り抜けが生じる場合があり、合口部の面圧上昇と当り抜けを同時に満足させることが困難であるいう問題があった。
【０００５】
このような問題に対し、例えば、特許文献１には、内周面側に合口部の端面を始端とする所定の周長部分に亘り、　半径方向厚さを小さくする切欠き部が形成されたピストンリングが提案されている。この技術によれば、切欠き部の形成による、リングカーブの変化と合口部近傍の曲げ剛性の低下により、熱負荷時の合口部面圧上昇が抑制されるとしている。しかし、特許文献１に記載された技術では、ピストンリング内周側に形成する切欠き部を正確に所定形状に加工することは難しく、また切欠き部の加工工程が付加され製造工程が複雑となるため製造コストの高騰を招くという問題があった。
【０００６】
このような問題に対し、例えば、特許文献２には、内周面が規定する内径ｄ１　と半径方向長さａ１　との比ｄ１　／ａ１　、および内径ｄ１　と外周面における軸方向長さｈ１　との比、ｄ１　／ｈ１　、をそれぞれ規定しｄ１　／ａ１　が従来よりも高い所定範囲内とするエンジン用圧力ピストンリングが提案されている。特許文献２に記載された技術によれば、特殊な加工を施すことなく、内周面と外周面との温度勾配が小さくなり、合口近傍における面圧の極端な上昇を抑えることができるとしている。しかしながら、特許文献２に記載された技術によってもなお、高出力ディーゼル機関におけるような高温苛酷な雰囲気中で使用される場合には、ピストンリング全体の張力が不足し圧力シールが不十分となるという問題があった。
【０００７】
また、特許文献３には、外周面がシリンダ内周面に摺動するアウターリングと、該アウターリングの内周側に当接してピストンの半径方向外方へ付勢する付勢部材とにより構成され、該付勢部材を断面矩形の中実部材であるバックアップリングとするピストンリングが提案されている。しかし、特許文献３に記載された技術によって製造されたピストンリングを、高負荷ディーゼル用第一圧力リングに適用すると、機関運転時の熱負荷により、インナーリングの張力が低下するためにピストンリングに付与される張力が低下し、シールが不十分となるという問題が残されていた。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−１２０８６６号公報
【特許文献２】
特開２０００−１１５７５９号公報
【特許文献３】
特開２００１−３３０１５１号公報
【０００９】
【発明の解決しようとする課題】
本発明は、上記した従来技術の問題を有利に解決し、高温雰囲気中に晒されても張力減退が少なく、高出力ディーゼル機関の第一圧力リング用として好適な、内燃機関用ピストンリングを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記した課題を達成するために、ピストンリングの形状、使用材料について、鋭意検討した。その結果、本発明者は、合口部の面圧低減と、張力低下を防止するためには、ピストンリングを、半径方向長さを小さくしたリング本体と、該リング本体の内周側に当接してエキスパンダを配設する構造と２ピースすることを思い付いた。そして、さらにエキスパンダを、５００　℃を超える高温でも強度（弾性係数）低下の少ない、例えばインコネル７１８　、インコネルＸ７５０等で代表される、耐食性耐熱性に優れたＮｉ基合金製とすることによりリングの張力低下を顕著に防止できることを見出した。
【００１１】
このような構造のピストンリングとすることにより、熱負荷時に合口部近傍の面圧を少なくできるうえ、リングの張力低下を少なくでき、高負荷運転時のシール性低下をなくすことができる。
本発明は、上記した知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨はつぎのとおりである。
（１）略円形状をなし、シリンダと摺動する外周面と、ピストンに対向する内周面と、　前記略円形状を半径方向に分断する一つの合口部とを備えるアウターリングと、該アウターリングの内周側に当接するように配設され該アウターリングに張力を付与するエキスパンダとを組み合わせたピストンリングであって、前記エキスパンダを、コイル状で耐食性耐熱性に優れたＮｉ基合金製とし、質量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｃｒ：１４〜２５％、Ａｌ：０．２　〜１．０　％、Ｔｉ：０．５　〜３．０　％、Ｎｂ＋Ｔａ：０．５　〜５．５　％、Ｆｅ：５〜２５％を含み、あるいはさらにＭｏ：２．５　〜３．５　％を含有し、残部Ｎｉおよび不可避的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。
（２）（１）において、前記アウターリングが、マルテンサイト系ステンレス鋼製であることを特徴とする内燃機関用ピストンリング。
（３）（１）または（２）において、前記アウターリングは、少なくとも外周面に硬質皮膜を形成されていることを特徴とする内燃機関用ピストンリング。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の内燃機関用ピストンリングの構造（断面）の一例を模式的に図１に示す。本発明のピストンリングは、アウターリング１と、アウターリング１の内周側に配設されアウターリング１に張力を付与するエキスパンダ２とを組み合わせた２ピースピストンリングである。
【００１３】
本発明のピストンリングを構成するアウターリングは、略円形状をなし、周方向に均一厚さを有し、かつシリンダと摺動する外周面と、ピストンに対向する内周面と、　前記略円形状を半径方向に分断する一つの合口部とを備える。本発明では、合口部の形状はとくに限定されるものではない。
本発明で用いるアウターリングは、熱負荷時に合口部の面圧上昇を抑えるように、内周面１ｂが規定する内径ｄ１　と外周面１ａと内周面１ｂとの距離である半径方向長さａ１　との比、ｄ１　／ａ１　を４０〜６０とし、内径ｄ１　と外周面１ａにおける軸方向長さｈ１　との比、ｄ１　／ｈ１　を３０〜５５とする、断面形状のリングとすることが好ましい。
【００１４】
ｄ１　／ｈ１　が４０未満では、ｈ１　が相対的に大きくなりピストンリングの質量が増加することになり、ピストンリングに作用する慣性力が増加し、ピストンリングとリング溝との接触部分に大きな負荷がかかり、ピストンのリング溝の摩耗が増加する。あるいはリング軸方向挙動に異常をきたす。一方、ｄ１　／ｈ１　が６０を超えて大きくなると、ｈ１　が相対的に小さくなり、リング剛性が低下し溝摩耗が増加する。
【００１５】
また、ｄ１　／ａ１　が３０未満では、ａ１　が大きくなりすぎて、合口部の面圧上昇低減効果が薄れる。一方、ｄ１　／ａ１　が５５を超えて大きくなると、リング溝上面および下面との接触面積が少なくなり、シール性能が低下する。すなわち、本発明ではリング１の半径方向の長さａ１　を内径ｄ１　に対し相対的に小さくし、内周面と外周面との温度差を小さくして、合口部の面圧が極端に上昇することを防止する。
【００１６】
一方、リングの半径方向寸法ａ１　を内径ｄ１　に対し相対的に小さくすると、ピストンリングの張力が確保できない。本発明では、このａ１　寸法を小さくすることによるピストンリングの張力低下を、リング内周側に当接するようにエキスパンダを配設して防止する。エキスパンダは、リングを半径方向外方に付勢し、リングに張力を付与する作用を有するように、線材を螺旋状に巻きコイル状とすることが好ましい。
【００１７】
本発明のピストンリングでは、アウターリング用材料は、マルテンサイト系ステンレス鋼とすることが好ましい。マルテンサイト系ステンレス鋼としてはＳＵＳ４１０　、ＳＵＳ４４０　、ＳＵＳ４２０　のいずれかとすることがより好ましい。また、８％Ｃｒ系鋼、１０％Ｃｒ系鋼、あるいは球状黒鉛鋳鉄としてもよい。また、アウターリング本体には、窒化処理、硬質Ｃｒめっき処理、ＰＶＤ処理等の表面処理を施すことは何ら問題はない。
【００１８】
また、本発明のピストンリングでは、コイル状エキスパンダ用材料は、５００　℃を超える高温まで強度の低下が少ない耐食性耐熱性に優れたＮｉ基合金とする。これにより、高出力高負荷のディーゼル機関のピストンリングのような高温環境下でも、エキスパンダのリングへの張力付与性能が低下せず、ピストンリングのシール性能を高く維持できる。
【００１９】
本発明のコイル状エキスパンダ（インナーリングともいう）に用いるＮｉ基合金は、質量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｃｒ：１４〜２５％、Ａｌ：０．２　〜１．０　％、Ｔｉ：０．５　〜３．０　％、Ｎｂ＋Ｔａ：０．５　〜５．５　％、Ｆｅ：５〜２５％を含み、あるいはさらにＭｏ：２．５　〜３．５　％を含有し、残部Ｎｉおよび不可避的不純物からなる合金とすることが好ましい。
【００２０】
Ｃｒは、Ｎｉとともに、基地を強化するとともに、耐酸化性を向上させる元素である。このような効果は１４質量％以上の含有で顕著に認められるが、２５質量％を超えると加工性が低下する。このため、Ｃｒは１４〜２５質量％とした。
Ａｌは、Ｎｉ、Ｔｉとともに金属間化合物として析出し、高温強度を増加させる。このような効果は０．２　質量％以上の含有で認められるが、１．０　質量％を超えて含有すると熱間加工性が低下する。このため、Ａｌは０．２　〜１．０　質量％とした。
【００２１】
Ｔｉは、Ｎｉ、Ａｌとともに金属間化合物として析出して高温強度を増加させる。このような効果は０．５　質量％以上の含有で認められるが、３．０　質量％を超えて含有すると熱間加工性が低下する。このため、Ｔｉは０．５　〜３．０　質量％とした。
Ｎｂ、Ｔａは、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉと同様に金属間化合物の構成元素として、析出物（金属間化合物）を強化する。このような効果は、ＮｂとＴａの合計量で０．５　質量％以上の含有で認められるが、３．０　質量％を超えて含有すると熱間加工性が低下する。このため、ＮｂとＴａの合計量で０．５　〜５．５　質量％とした。
【００２２】
Ｆｅは、基地に固溶され、基地を強化する作用を有する。このような効果は５質量％以上の含有で認められるが、２５質量％を超えて含有すると、加工性が低下する。このため、Ｆｅは５〜２５質量％とした。
Ｃは、粒界に偏析して粒界を強化する作用を有するが、０．０８質量％を超えて含有すると、加工性が低下する。このため、Ｃは０．０８％質量以下とした。
【００２３】
本発明では、必要に応じ、上記した成分に加えてさらに、Ｍｏを含有することができる。Ｍｏは基地に固溶され基地を強化する作用を有する。このような効果は２．５　質量％以上の含有で顕著となる。一方、３．５　質量％を超える含有は熱間加工性を低下する。このため、Ｍｏは２．５　〜３．５　質量％に限定することが好ましい。
上記した成分以外の残部はＮｉおよび不可避的不純物である。不可避的不純物としては、Ｓｉ：０．５　質量％以下、Ｍｎ：０．５　質量％以下が許容できる。
【００２４】
本発明のピストンリングにおけるエキスパンダでは、上記した組成範囲を満足する、下記（Ａ）、（Ｂ）の組成を有するＮｉ基合金を用いることがより好ましい。
（Ａ）質量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｃｒ：１７〜２１％、Ａｌ：０．２　〜０．８　％、Ｔｉ：０．６５〜１．１５％、Ｎｂ＋Ｔａ：４．７５〜５．５　％、Ｍｏ：２．８　〜３．３　％、Ｆｅ：１６〜２０％、を含有し、残部Ｎｉ（Ｎｉ：５０〜５５％）および不可避的不純物からなる合金（インコネル７１８　）。
（Ｂ）質量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｃｒ：１４〜１７％、Ａｌ：０．４　〜１．０　％、Ｔｉ：２．２５〜２．７５％、Ｎｂ＋Ｔａ：０．７　〜１．１　％、Ｆｅ：５　〜９　％、を含有し、残部Ｎｉ（Ｎｉ：７０％以上）および不可避的不純物からなる合金（インコネル７５０　）。
【００２５】
コイル状エキスパンダを上記したような組成のＮｉ基合金製とすることにより、高出力高負荷ディーゼル機関のピストンリングのような高温環境下でも、エキスパンダのリングへの張力付与性能が低下せず、ピストンリングのシール性能を高く維持できる。
【００２６】
【実施例】
表１に示す組成のマルテンサイト系ステンレス鋼（材料Ａ：ＳＵＳ４４０　、材料Ｂ：ＳＵＳ４１０　）材を用いて、表２に示す（内径ｄ１　）／（半径方向長さａ１　）、（内径ｄ１　）／（ピストン軸方向長さｈ１　）の断面形状を有するアウターリング（内径ｄ１　：１０８　ｍｍ）を、また表１に示す組成の材料ａ（インコネル７１８　材、線材径：０．６５ｍｍφ、エキスパンダ径φ２ｍｍ）、材料ｂ（インコネル７５０　材、線材径：０．６５ｍｍφ２ｍｍ、エキスパンダ径φ２ｍｍ）を用いてコイル状エキスパンダを作製し、図１に示す構成のピストンリングとした。なお、アウターリングの材質、形状が同一でエキスパンダ無しの、図２に示す構成のピストンリングも作製した。
【００２７】
これらピストンリングについて、５００　℃で１〜１０ｈ加熱したのちの張力減退率を測定した。張力減退率は、これらピストンリングを指定径のスリーブに装着し、５００　℃で１〜１０ｈ加熱し、加熱前径の張力を測定し、その低下率により算出した。
得られた結果を表２に示す。
【００２８】
【表１】
2004124999.tif 000003
【００２９】
【表２】
2004124999.tif 000004
【００３０】
本発明例はいずれも、５００　℃という高温にもかかわらず張力減退率は０〜１３％と低い値を示し、本発明範囲を満足するピストンリングは、高温環境下でもシール性能の低下の少ないピストンリングであることがわかる。一方、本発明範囲を外れる比較例は張力減退率が２９〜３７％と高く、高温環境下ではシール性能の低下が著しいことがわかる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、高出力高負荷ディーゼル機関のような高温環境下でも、合口部の面圧低減が可能で、しかも張力低下を防止しシール性能の維持が可能であり、高出力高負荷ディーゼル機関用として好適なピストンリングを、容易にしかも安価に提供でき、産業上格段の効果を奏する。また、本発明のリングとエキスパンダとの組合せ、あるいはエキスパンダの構成は、図３に示すような、大型のディーゼル機関等に使用される排気管シーリング構造のシールリングとエキスパンダ、あるいは排気管シーリング構造用エキスパンダに応用することもでき、高温環境下に晒されるディーゼル機関等の排気管シーリング構造のシーリング性能を顕著に向上できるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のピストンリングの構成の一例を模式的に説明する断面図である。
【図２】比較のピストンリングの構成の一例を模式的に説明する断面図である。
【図３】排気管シーリング構造の一例を模式的に説明する断面図である。
【符号の説明】
１　　アウターリング
２　　エキスパンダ
１ａ　外周面
１ｂ　内周面
３　　シールリング
４　　エキスパンダ
【図１】
2004124999.tif 000005
【図２】
2004124999.tif 000006
【図３】
2004124999.tif 000007