(57)【要約】【課題】伸線加工性、真直性、耐食性、耐磨耗性、耐熱性に優れ、イオンプレーティング時の「熱へたり」を防止できる内燃機関用ピストンリング材を提供する。【解決手段】重量％で、Ｃ：０．１０〜０．２０、Ｓｉ：０．５〜３．０、Ｎｉ：１．０〜２．５、Ｃｒ：１０．０〜１７．０、Ｍｏ：１．０〜３．５、Ｎ：０．０５〜０．２０を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるピストンリング材とする。このピストンリング材は、低炭素であるため伸線加工性に優れ、高温焼き戻しによって高真直性を得ることができ、高温焼き戻しにもかかわらず耐食性を向上させることができ、低炭素量でありながら焼き入れ・焼き戻しが可能で、焼入れ時の窒化物析出により高強度を得ることができ、焼き入れ時の窒化物の生成とモリブデン添加により優れた耐熱性が得られ、イオンプレーティング時の「熱へたり」も防止できる。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：０．１０〜０．２０、Ｓｉ：０．５〜３．０、Ｎｉ：１．０〜２．５、Ｃｒ：１０．０〜１７．０、Ｍｏ：１．０〜３．５、Ｎ：０．０５〜０．２０を含有し、残部がＦｅ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材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、伸線加工性および真直性に優れ、耐食性、耐磨耗性、耐熱性に優れるとともに、イオンプレーティング時の「熱へたり」を防止できる内燃機関用ピストンリング材に関する
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関のピストンに装着される圧力リングとしてのピストンリングは、長尺のピストンリング材をリング形状に成形し、その外周摺動面に、表面処理としてクロムメッキ（硬質クロムメッキ）や窒化処理を施して製造するのが従来からの技術であるが、それとは別に、クロムメッキや窒化処理では対応できない要求に対し、イオンプレーティングによりピストンリングの外周摺動面に、耐摩耗性、耐焼付性に優れた金属窒化物や金属炭化物などの被膜を形成することが提案されている（例えば、特許文献１、２、３、４、５参照。）。
【０００３】
イオンプレ―ティング法では、よく知られているように（例えば、特許文献２参照。）、例えば窒化クロム被膜を形成する場合、ピストンリング母材を洗浄してイオンプレーティング装置の真空容器内に設置し、真空引きを行ってから、ピストンリング母材を加熱して母材の内圧ガスを放出させ、その後、冷却し、真空容器内が所定圧以下になった時点でターゲットである金属クロムを陰極としてアーク放電を行い、クロムイオンを飛び出させる。その際、好ましくは、ピストンリング母材にバイアス電圧を印加しておき、陰極（金属クロム）より飛び出したクロムイオンを母材表面に高エネルギーで衝突させる方法（ボンバードクリーニング法）で母材表面の酸化物除去と活性化処理を行い、その後、バイアス電圧を低下させる。そして、窒素ガスを容器内に導入して窒素をイオン化させると、窒素イオンとクロムイオンとが反応して窒化クロムが生成され、これが母材表面に堆積して窒化クロム層が形成される。
【０００４】
クロムメッキは、耐磨耗性に優れ、母材として安価なＳｉ−Ｃｒ鋼を使用でき、かつ、相手シリンダ材の磨耗も少ないため、ピストンリングの表面処理方法として従来から多く使われている。しかし、クロムメッキは、メッキ処理時に発生する廃液の自然環境への影響という問題があり、廃液処理にコストがかかる。
【０００５】
窒化処理は、良好な耐磨耗性が得られ、しかも、環境問題を生じない。ただし、Ｓｉ−Ｃｒ鋼は、窒化で硬くすることはできないため、窒化の場合のピストンリングの母材としては、ステンレス鋼が使用される。
【０００６】
それに対し、イオンプレーティングは、耐摩耗性、耐焼付性に優れた金属窒化物や金属炭化物などの被膜を高速で形成することができ、生産性に優れ、高硬度、良好な耐摩耗性が得られる。ただし、イオンプレーティングの際のピストンリング母材の加熱温度は、例えば３００〜５００℃で、特に、プレーティングを厚くする場合は５００〜６００℃とする必要があり、母材として、耐熱性に劣るＳｉ−Ｃｒ鋼を使うことはできない。そのため、イオンプレーティングを施すピストンリングの母材には、耐熱性のあるステンレス鋼が使われ、それも、耐磨耗性を上げるための焼き入れ処理ができるＳＵＳ４４０等の高Ｃ・高Ｃｒ系のマルテンサイト系ステンレス鋼が使われる。
【０００７】
また、イオンプレーティングでは、窒素とクロムが本体上で凝固するときの潜熱による温度上昇が、ピストリングの張力の大きな減退を招く「熱へたり」の原因となることが知られている（例えば、特許文献３参照。）
【０００８】
【特許文献１】
特開平７−１６７３００号公報
【特許文献２】
特開平６−２３５４６３公報
【特許文献３】
特開平１１−２９４５８４号公報
【特許文献４】
特開平７−２８６２６２号公報
【特許文献５】
特開平６−２４８４２５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
内燃機関用ピストンリング材は、伸線加工性および真直性に優れることが要求され、また、耐食性、耐磨耗性、耐熱性に優れることが要求される。
【００１０】
そして、特にディーゼル車用等では、耐食性、耐熱性の更なる向上の要求がある。
【００１１】
また、ピストンリング材としてマルテンサイト系ステンレス鋼を使用し、リング成形後に外周摺動面にイオンプレーティングを施す場合、ピストンリング材として要求される高い真直性を得るためには、６００℃前後の高温での焼き戻し処理が必要であるが、そのような高温の焼き戻し温度では、母材生地中に溶け込んでいて耐食性向上に寄与するＣｒ（クロム）が、Ｃ（炭素）と結合して、クロム炭化物となって析出してしまい、そのため、生地中のＣｒ量が減少し、生地の耐食性が低下してしまうという問題がある。また、イオンプレーティング時に「熱へたり」が起きないようにすることが要求される。
【００１２】
したがって、伸線加工性および真直性に優れ、耐食性、耐磨耗性、耐熱性に優れるとともに、イオンプレーティング時の「熱へたり」を防止できる内燃機関用ピストンリング材を提供することが課題であり、この課題解決が本発明の目的である。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の内燃機関用ピストンリング材は、重量％で、Ｃ（炭素）：０．１０〜０．２０、Ｓｉ（ケイ素）：０．５〜３．０、Ｎｉ（ニッケル）：１．０〜２．５、Ｃｒ（クロム）：１０．０〜１７．０、Ｍｏ（モリブデン）：１．０〜３．５、Ｎ（窒素）：０．０５〜０．２０を含有し、残部がＦｅ（鉄）および不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１４】
このピストンリング材は、イオンプレーティング対応のピストンリング材として、低炭素であることから伸線加工性に優れるとともに、窒素添加により、高真直性を得るための高温焼き戻し時のクロム量減少による耐食性の低下を補って耐食性を向上させることができ、また、低炭素量でありながら焼き入れ・焼き戻しが可能で、窒素添加により、焼入れ時に窒化物が析出して高強度（高硬度）が得られ、また、焼入れ時の窒化物の生成と、モリブデン添加により、６００℃付近までの優れた耐熱性が得られ、イオンプレーティング時の「熱へたり」も防止できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態として、内燃機関用ピストンリング材は、重量％で、Ｃ：０．１０〜０．２０、Ｓｉ：０．５〜３．０、Ｎｉ：１．０〜２．５、Ｃｒ：１０．０〜１７．０、Ｍｏ：１．０〜３．５、Ｎ：０．０５〜０．２０を含有し、残部がＦｅ（鉄）および不可避的不純物からなるマルテンサイト系ステンレス鋼とする。成分限定の理由は次のとおりである。
【００１６】
Ｃは、０．１％未満では焼入性がなくなり、焼入硬化が期待できなくなる。また、０．２％を越えると粗大炭化物を析出して耐食性が低下する。そのため、Ｃ量は０．１〜０．２重量％とする。
【００１７】
Ｓｉは、脱酸のために必要な元素で、Ｆｅ中に固溶して耐熱性を向上させるが、多すぎると靱性が低下する。靱性を低下させることなく引張強さを向上させるためには、０．５％以上添加する必要がある。しかし、３．０％を越えるとその効果は飽和するばかりか、反対に靱性が低下する。そのため、Ｓｉ量は０．５〜３．０重量％とする。
【００１８】
Ｃｒは、Ｃと結合して炭化物を形成することにより耐磨耗性に寄与するとともに、耐熱性を向上させ、また、耐食性の向上にも寄与する。そうした効果を得るためには、１０．０％以上が必要である。しかし、１７．０％を越えると、硬度および耐食性が著しく低下するとともに、冷間加工性も低下する。そのため、Ｃｒ量は１０．０〜１７．０重量％とする。
【００１９】
Ｎｉは、マルテンサイト組織の靭性を向上させるために１．０％以上の添加が必要である。しかし、２．５％以上添加しても、その効果は飽和するし、経済的でない。そのため、Ｎｉ量は１．０〜２．５重量％とする。
【００２０】
Ｍｏは、耐食性を向上させるためには１．０％以上添加が必要である。それにより耐熱性、耐磨耗性も向上する。しかし、３．５％以上添加しても、その効果は飽和するし、高価な元素であり、コスト高となる。そのため、Ｍｏ量は１．０〜３．５重量％とする。
【００２１】
Ｎは、引張強さ、耐食性を向上させるためには０．０５％以上添加が必要である。しかし、０．２％を越えると、逆に硬度、耐食性が低下する。そのため、Ｎ量は０．０５〜０．２０重量％とする。
【００２２】
【実施例】
表１は、本発明の実施例のピストンリング材Ｎｏ．Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅと、比較例のピストンリングＮｏ．Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊと、従来例（４２ＯＪ２）のピストンリング材Ｎｏ．Ｋのそれぞれの成分組成を示す。
【００２３】
【表１】
2005015844.tif 000002
【００２４】
上記各ピストンリング材Ｎｏ．Ａ〜Ｋの線径３．０ｍｍのテスト材を、１１００℃で油焼き入れした後、５８０℃で焼き戻し処理したサンプルについて、後述の方法により、耐磨耗性、耐食性（耐腐食性）の比較評価を行った。
【００２５】
また、線径５．５ｍｍのテスト材から、伸線、溶体化処理を繰り返して、実際のピストンリング材の形状（厚み１．５ｍｍ×幅３．０ｍｍ）に圧延加工を施した後、１１００℃で焼き入れし、５８０℃で焼き戻し処理を施してピストリング用線を製造し、この線材を用い、実際にイオンプレーティングを施して、後述の方法により、耐熱性の比較評価を行った。また、上記ピストンリング用線を製造する際に、後述の方法により、伸線加工性の比較評価も行った。
【００２６】
ここで、上記イオンプレーティングの手順および条件は、以下のとおりとした。
▲１▼ピストンリング母材を洗浄し、表面に付着した汚れを取り除き、十分洗浄してイオンプレーティング装置の真空容器内に設置する。
▲２▼真空容器内の圧力が３．０×１０−３Ｐａ程度になるまで真空引きを行う。
▲３▼イオンプレーティング装置に内蔵されているヒータによりピストンリング母材を５００℃に加熱し、母材の内圧ガスを放出させる。
▲４▼２００℃まで冷却する。真空容器内の圧力が１．３×１０−３Ｐａ以下になった時点でターゲットである金属クロムを陰極としてアーク放電を行い、クロムイオンを飛び出させる。この際、ピストンリング母材に４００Ｖのバイアス電圧を印加しておき、ボンバードクリーニングを行う。
▲５▼その後、バイアス電圧を低下させ、窒素ガスを容器内に導入して窒素をイオン化させ、窒素クロム層を母材表面に堆積させる。
【００２７】
表２は、上記耐磨耗性、耐食性、耐熱性、伸線加工性の比較評価の結果を示している。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
表２の耐磨耗性、耐食性、耐熱性、伸線加工性の比較評価の方法は次のとおりである。
【００３０】
（耐磨耗性評価）
０．５ｍ／ｓｅｃで回転するディスク面に、上記焼き入れ、焼き戻し後のテスト材の端部を８Ｎの荷重で押しつけ、４時間後の磨耗量を比較した。テスト材とディスク面との間には潤滑油を供給した。ディスクは、ＦＣ２５０：硬さＨＲＢ１００・面祖度Ｒｚ１〜２μｍである。評価は、従来例であるＮｏ．Ｋの磨耗量を１００としたときの指数で比較評価したもので、値が大きい方が耐磨耗性に優れている。
【００３１】
（耐食性評価）
塩水噴霧試験器を用い、溶液：５％ＮａＣｌ水溶液、試験温度：３５℃、試験時間１２０ｈｒの条件で腐食状態を比較した。評価は、全く腐食されないと評価Ａ、少し腐食されると評価Ｂ、かなり腐食されると評価Ｃ、ひどく腐食されると評価Ｄとした。
【００３２】
（耐熱性評価）
イオンプレーティングしたピストンリング用線について、母材の硬度を測定し、その低下率を比較した。評価は、従来例であるＮｏ．Ｋの低下率を１００としたときの指数で比較評価したもので、低下率が小さい方が耐熱性に優れている。
【００３３】
（伸線加工性評価）
ダイスの寿命で比較し、従来例であるＮｏ．Ｋの場合を１００としたときの指数で比較評価したもので、値が大きい方が加工性に優れている。
【００３４】
表２に示す評価結果から、本発明の実施例のピストンリング材Ｎｏ．Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅは、比較例のピストンリング材Ｎｏ．Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊや従来例のピストンリング材（４２ＯＪ２）Ｎｏ．Ｋと比較して、耐摩耗性、耐食性、耐熱性のいずれについても優れ、伸線加工性についても同等以上に優れていることを確認した。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の内燃機関用ピストンリング材は、イオンプレーティング対応のピストンリング材として優れた特性を有するもので、低炭素であることから伸線加工性に優れ、高温焼き戻しによって高真直性を得ることができるとともに、高温焼き戻しにもかかわらず耐食性を向上させることができ、また、低炭素量でありながら焼き入れ・焼き戻しが可能で、焼入れ時の窒化物析出により高強度（高硬度）を得ることができ、また、焼き入れ時の窒化物の生成とモリブデン添加により優れた耐熱性が得られ、イオンプレーティング時の「熱へたり」も防止できる。
【００３６】
このように、本発明のピストンリング材は、伸線加工性および真直性に優れ、耐食性、耐磨耗性、耐熱性に優れるとともに、イオンプレーティング時の「熱へたり」を防止できる内燃機関用ピストンリング材であって、ディーゼルエンジン等の過酷な条件化で使用させるピストンリング材として最適な材料である。
【００３７】
本発明のピストンリング材は、リング成形後にピストンの溝部と接触する部分（上下裏面）に窒化処理を施し、外周摺動面にイオンプレーティングを施すのがよく、そうすることで、ピストンとの接触によるリングの磨耗を防止しつつピストンの磨耗も低減することができ、シリンダとの摺動接触に対する耐磨耗性も高めることができる。