(57)【要約】【課題】鋳塊の組織においてフレッケルの発生を抑制できるピストンリング材を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．７０〜１．００％、Ｓｉ：０．２〜０．６％、Ｍｎ：０．２〜０．５％、Ｃｒ：１６〜１８％、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）の関係式によるＭｏおよびＷの２種：０．８０〜１．２０％、Ｖ：０．０５〜０．３０％、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において、上記のＭｏおよびＷのそれぞれの含有量が、Ｍｏ：０．１５〜０．３５％、Ｗ：１．３０〜１．７０％の内燃機関用ピストンリング材である。  そして、更に、Ｃｏを１０．０質量％以下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：０．７０〜１．００％、Ｓｉ：０．２〜０．６％、Ｍｎ：０．２〜０．５％、Ｃｒ：１６〜１８％、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）の関係式によるＭｏおよびＷの２種：０．８０〜１．２０％、Ｖ：０．０５〜０．３０％、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において、
前記ＭｏおよびＷのそれぞれの含有量が、Ｍｏ：０．１５〜０．３５％、Ｗ：１．３０〜１．７０％であ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】
更に、Ｃｏを１０．０質量％以下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の作製に用いられる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】
上記のスチール製ピストンリングのなかでも、１７質量％程度のＣｒを含んだ「１７Ｃｒ系ピストンリング材」は、耐食性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼である。そして、この１７Ｃｒ系ピストンリング材でなるピストンリングは、耐摩耗性に優れるものである。そして、この１７Ｃｒ系ピストンリング材について、例えば、「重量％で、Ｃ：０．８を越え０．９％未満、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：１６〜１８％、ＭｏとＷの１種または２種がＭｏ＋１／２Ｗで０．８〜１．２％、ＶとＮｂの１種または２種を合計で０．０５〜０．２％、残部Ｆｅと不純物」の成分組成のものが提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２１８１４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の１７Ｃｒ系ピストンリング材は、耐摩耗性に優れたものである。しかし、このような成分組成の１７Ｃｒ系ピストンリング材の素材を「溶製法」によって製造すると、その鋳造で得た鋳塊の組織に「フレッケル」と呼ばれる、成分偏析に起因する鋳造欠陥が発生する場合があった（図２中の丸囲み部）。そして、顕著なフレッケルが発生した場合には、鋳造条件を見直す必要があった。
【０００６】
本発明の目的は、特許文献１のような成分組成の１７Ｃｒ系ピストンリング材について、その鋳塊の時点で、上記したフレッケルの発生を抑制できる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】
【０００７】
本発明者は、上記したフレッケルの発生を抑制できる手段を検討した。その結果、以下の成分組成を有する１７Ｃｒ系ピストンリング材は、上記したフレッケル発生の抑制に効果的であるという知見を得た。
すなわち、本発明は、質量％で、Ｃ：０．７０〜１．００％、Ｓｉ：０．２〜０．６％、Ｍｎ：０．２〜０．５％、Ｃｒ：１６〜１８％、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）の関係式によるＭｏおよびＷの２種：０．８０〜１．２０％、Ｖ：０．０５〜０．３０％、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において、
上記のＭｏおよびＷのそれぞれの含有量が、Ｍｏ：０．１５〜０．３５％、Ｗ：１．３０〜１．７０％の内燃機関用ピストンリング材である。
そして、更に、Ｃｏを１０．０質量％以下含む内燃機関用ピストンリング材である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、１７Ｃｒ系ピストンリング材の提供において、その鋳塊の時点で、組織中のフレッケルの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明例のピストンリング材である鋳塊の断面組織を示す図面代用写真である。
【図２】比較例のピストンリング材である鋳塊の断面組織を示す図面代用写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明者は、従来の１７Ｃｒ系ピストンリング材の鋳塊で発生した「フレッケル」を調査した。その結果、上記のフレッケルの発生は、溶湯の凝固過程における「重力偏析」に起因することを知見した。重力偏析とは、凝固後の凝固部と、凝固前の溶湯との比重差によって、鋳塊の上下方向に生じる偏析である。そして、１７Ｃｒ系ピストンリング材の成分組成の場合、凝固後のデンドライトの間に排出された「排出溶湯」は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ等の合金元素の濃度が高く、通常、上記のデンドライトより比重が小さい。そして、この現象を伴いながら凝固が進むことで、排出溶湯の比重はさらに小さくなる。そして、最終的には、この比重が小さくなった溶湯に浮上力が働いて、重力偏析が発生し、上記のフレッケルが発生する。
【００１１】
そこで、本発明者は、上記の排出溶湯について、その比重が小さくなる現象自体はなくせないとしても、凝固部との比重差を小さくできる手法を検討した。その結果、１７Ｃｒ系ピストンリング材に含まれるＭｏとＷとに着目して、そのＭｏとＷとの含有量を最適な関係に調整することが、１７Ｃｒ系ピストンリング材本来の機械的特性を損ねずに、上記の比重差を小さくできる効果の達成に効果的な手法となることを見いだした。以下に、本発明のピストンリング材の成分組成について説明する。
【００１２】
・Ｃ：０．７０〜１．００質量％（以下、「質量％」を単に「％」と表記する。）
Ｃは、１７Ｃｒ系ピストンリング材の焼入れ焼戻し組織に炭化物を形成して、ピストンリングの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。また、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、Ｃの過多の含有は、ピストンリング材の、平線形状への加工性やリング形状への加工性を劣化させる。よって、Ｃは、０．７０〜1．００％とする。
【００１３】
・Ｓｉ：０．２〜０．６％
Ｓｉは、通常、溶製時の脱酸剤として添加される。そして、Ｓｉは、焼戻し軟化抵抗を向上させて、１７Ｃｒ系ピストンリングの耐熱強度を高める効果がある。しかし、Ｓｉを過度に含有すると、冷間加工性を低下させる。よって、Ｓｉは、０．２〜０．６％とする。
【００１４】
・Ｍｎ：０．２〜０．５％
Ｍｎは、Ｓｉと同様、通常、溶製時の脱酸剤として使用される。しかし、Ｍｎを過度に含有すると、１７Ｃｒ系ピストンリング材の熱間加工性を害する。よって、Ｍｎは、０．２〜０．５％とする。
【００１５】
・Ｃｒ：１６〜１８％
Ｃｒは、１７Ｃｒ系ピストンリング材に必要不可欠な元素である。１７Ｃｒ系ピストンリング材に含まれる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。更に、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。但し、過度の含有は、炭化物量の増加、炭化物サイズの増大を招いて、冷間加工性を低下させる。よって、Ｃｒは、１６〜１８％とする。
【００１６】
・（Ｍｏ＋１／２Ｗ）の関係式によるＭｏおよびＷの２種：０．８０〜１．２０％
ＭｏおよびＷは、１７Ｃｒ系ピストンリング材の焼入れ焼戻し組織中に炭化物を形成して、ピストンリングの耐摩耗性を高める元素である。そして、微細な炭化物の析出によって２次硬化を発現し、ピストンリングに優れた高温強度を付与する元素である。但し、これら元素の含有量が多過ぎると、ピストンリング材の熱間加工性を阻害する。
そして、この「耐摩耗性」および「高温強度」に関する効果を得る上で、ＭｏおよびＷの２種の含有量は、ＷがＭｏの約２倍の原子量であることから、（Ｍｏ＋１／２Ｗ）の式で定義されるＭｏ当量で「一緒に」規定することができる。これは、上記の効果の程度が、組織中の「炭化物の数」に依存し、つまり、ＭｏおよびＷの「重さ」ではなくて、ＭｏおよびＷの「原子の数」に依存するからである。例えば、１％のＭｏが上記の効果に寄与するのと等価のＷ量（つまり、１％のＭｏと同じ原子量のＷ量）は、略「２％」である。そして、本発明におけるＭｏおよびＷの含有量は、上記したＭｏ当量の関係式で、０．８０〜１．２０％とする。
【００１７】
・Ｍｏ：０．１５〜０．３５％、および、Ｗ：１．３０〜１．７０％
さらに、ＭｏおよびＷは、その含有量が上記の（Ｍｏ＋１／２Ｗ）の関係式で「０．８０〜１．２０％」であることに加えて、それぞれの含有量が「Ｍｏ：０．１５〜０．３５％」および「Ｗ：１．３０〜１．７０％」であることが、本発明にとって重要である。
本発明の１７Ｃｒ系ピストンリング材は、上記の（Ｍｏ＋１／２Ｗ）の関係式（以下、「Ｍｏ当量」と記す。）の値が「０．８０〜１．２０％」を満たしていることで、優れた耐摩耗性および高温強度を維持できるものである。しかし、ＭｏおよびＷの含有量を、上記のＭｏ当量の値のみによって調整した１７Ｃｒ系ピストンリング材は、そのＭｏ当量の値が同じでも、上述した「フレッケル」の発生の程度に差異が生じる場合があることを、本発明者は知見した。
【００１８】
つまり、ＭｏおよびＷの、Ｆｅ（鉄）に対する比重は、どちらも「１」を超えるものであるところ、Ｆｅに対するＷの比重は、Ｗの原子量がＭｏのそれの約２倍であると述べた通り、Ｍｏのそれより大きいものである。つまり、上述した耐摩耗性および高温強度の効果の面では、例えば、１％のＭｏと２％のＷとは等価である（略同じ原子数である）ものの、このときの「重さ」は、２％のＷの方が、１％のＭｏよりも重い。そして、この重さの関係を利用して、上述した「排出溶湯」に含まれているＭｏの一部をＷに置換すれば、この排出溶湯の比重が大きくなって、凝固部の比重に近づけることができる。その結果、鋳造組織における重力偏析を軽減でき、上記の「フレッケル」の発生を抑制することができる。
【００１９】
以上のことから、上記のＭｏ当量が「０．８０〜１．２０％」の値を満たした１７Ｃｒ系ピストンリング材において、そのＭｏ当量の値は維持したままで、ＷおよびＭｏの個々の含有量のバランスを適正に調整すれば、この１７Ｃｒ系ピストンリング材が有している本来の優れた「耐摩耗性」や「高温強度」等の機械的性質は維持したままで、上記の「フレッケル」の発生を抑制することができる。そして、本発明の１７Ｃｒ系ピストンリング材では、そのＭｏおよびＷのそれぞれの含有量を、「Ｍｏ：０．１５〜０．３５％」および「Ｗ：１．３０〜１．７０％」とすることが、優れた機械的性質の維持に加えて、上記のフレッケルの発生の抑制に効果的である。
【００２０】
つまり、本発明の成分組成を有する１７Ｃｒ系ピストンリング材では、そのＭｏとＷとの含有量の関係において、Ｍｏが多すぎると、または、Ｗが少なすぎると、排出溶湯の比重を大きくする効果が十分に得られず、排出溶湯の浮上による重力偏析を抑制し難い。一方で、Ｍｏが少なすぎると、または、Ｗが多すぎると、排出溶湯の比重が大きくなり過ぎることで、逆に、排出溶湯に沈降力が働いて、これも重力偏析の要因となる。よって、本発明におけるＭｏおよびＷのそれぞれの含有量は、Ｍｏ：０．１５〜０．３５％、Ｗ：１．３０〜１．７０％とする。
【００２１】
・Ｖ：０．０５〜０．３０％
Ｖは、１７Ｃｒ系ピストンリング材の焼入れ焼戻し組織にＶ炭化物を形成して、耐摩耗性を高める元素である。しかし、Ｖを過度に添加すると、上述したＭｏおよびＷによる二次硬化を得るのに必要なＣも、上記のＶ炭化物の形成に使用されてしまい、ＭｏおよびＷによる２次効果の作用が薄れる。よって、Ｖは、０．０５〜０．３０％とする。
【００２２】
・残部Ｆｅおよび不純物からなる
本発明のピストンリング材の成分組成において、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。このとき、Ｐ、Ｓ、Ａｌ、Ｏ、Ｎ等は、不可避的不純物として鋼中に残留する可能性のある元素である。
また、上記した元素種の他には、Ｃｏを含有させることが可能である。Ｃｏは、ピストンリングの耐焼付き性の向上に効果的な元素である。但し、Ｃｏが多すぎると、冷間加工性が低下するので、Ｃｏを含有する場合、例えば、１０．０％以下とすることが好ましい。
【実施例】
【００２３】
所定の組成に調整した溶湯を鋳造して、表１の成分組成を有したピストンリング材の鋳塊を作製した。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
次に、上記で作製した鋳塊の断面組織を観察した。観察した断面は、鋳塊を、その中心部分を通るように、縦方向（つまり、鋳造中における重力方向）に切断したときに現れる断面である。鋳塊の中心部分は、最終凝固部にあたり、フレッケルの発生しやすい部分である。そして、上記の中心部分について、その断面を腐食した。断面の腐食は、３５％ＨＣｌを、その比重が１．０７５になるように、水で希釈したものを試薬に用いて、これを８０℃に維持し、断面の腐食状態を確認しながら行った。そして、腐食後の断面組織を、目視にて観察した。図２は、比較例のピストンリング材２である鋳塊の、腐食後の断面組織を示す写真である。図２において、鋳塊の断面組織には、ストリーク状（筋状）のフレッケルの発生が認められた（図２中の丸囲み部）。これに対して、図１は、本発明例のピストンリング材１である鋳塊の、腐食後の断面組織を示す写真である。図１において、鋳塊の断面組織には、フレッケルの発生が認められなかった。
【図１】
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【図２】
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