JP3718728B2

JP3718728B2 - Profile wire for piston ring

Info

Publication number: JP3718728B2
Application number: JP30785998A
Authority: JP
Inventors: 川清滑; 中年樹大; 高根正昭小
Original assignee: TOKUSEN CO.,LTD
Current assignee: TOKUSEN CO.,LTD
Priority date: 1998-10-14
Filing date: 1998-10-14
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2016-11-01
Also published as: JP2000119819A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、エンジンのピストンリングに使用されるピストンリング用異形線に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の自動車用エンジンのピストンリングには鋳鉄が使われていたが、これがリング状をなし、かつ軸方向に薄いものが製造困難で、かつ耐折損強度の点で不十分であるほか、慣性が大きいためフラッタリング現象を起し易いなどの点から、エンジンの効率化，高負荷化と軽量化，薄形化が図れる強度の高いスチール製のピストンリングが広く使用されるようになった。
【０００３】
このようなスチール製のピストンリングを製造するには、熱間の圧延および冷間の伸線および平線圧延などの加工を加える必要があり、その加工を容易に行うことができる合金鋼の開発が進められている。
【０００４】
実用面からは、ピストンリングの耐摩耗性を確保するために窒化処理を行って、十分な耐摩耗性を有する窒化層を形成することも重要であり、さらに圧延に際して焼き割れの発生防止に留意する必要がある。
【０００５】
このような観点から製造される、高炭素のＣｒが２１％，Ｃｒが１７％，Ｃｒが１３％を含む各Ｃｒ系合金鋼が、例えば特開平１−２０１４４１号公報などに提案されている。一方、これに対し低ＳｉおよびＭｎを含む加工性のよいピストンリング材が、例えば特開平８−１０９４４５号公報に示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記Ｃｒ系合金鋼にあっては、熱間および冷間の加工性が悪く、一方、低ＳｉおよびＭｎを含むピストンリング材にあっては、実用時に実施される窒化処理で十分な硬度が得られないという問題があった。
【０００７】
これに対して、熱間および冷間の加工性のよい中炭素のＣｒ８％を含む窒化性を持たせた鋼材の開発が試みられているが、熱間加工後の冷却過程で焼き割れを起こすという問題があった。
【０００８】
本発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、Ａｌの添加によって、分塊，圧延後の冷却過程で焼き割れが発生するのを防止でき、優れた表面のピストンリング用異形線を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかるピストンリング用異形線は、重量％で、Ｃ：０．４〜０．７％、Ｓｉ：０．１〜１％、Ｍｎ：０．１〜１％、Ｃｒ：５〜１０％、Ａｌ：０．３〜１％、Ｃｕ：０．２〜１．２％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる組成物からなることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の一形態を説明する。熱間加工性および冷間加工性のよいＣｒ合金鋼に耐摩耗性を持たせようとする場合にも、熱間加工後の冷却過程で焼き割れを発生することがある。このような焼き割れは、鋼のＡ_１変態の潜伏期間が長いため、冷却過程で十分に進行せず、常温付近においてマルテンサイト変態を起して膨張するために発生する。
【００１１】
本発明では、合金鋼の主たる化学成分であるＣおよびＣｒの含有量の変更を実用的に支障のない範囲にとどめ、かつ変態潜伏期間を短くし、前記冷却過程で十分にＡ_１変態を起させるために、Ａｌを０．３〜１％の範囲で添加する。このＡｌの添加によって、分塊および線材圧延工程で懸念された割れや折損を十分に確実に防止することができる。
【００１２】
前記のようなＡｌの添加によって、鋼材の硬度を高めることができ、従って、これをピストンリングへ利用した場合には、シリンダに対する耐摩耗特性の向上を十分に確保でき、一石二鳥の効果が得られる。さらに、そのＡｌの添加量をある値に止めることで、これが前記熱間加工性や冷間加工性に対して実用上悪影響を及ぼすことは全くない。
【００１３】
従って、本発明では、熱間加工性および冷間加工性が優れ、十分な硬度が得られるとともに、熱間加工後の冷却過程で焼き割れの発生を防止できる。
【００１４】
すなわち、この合金鋼は、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｃｕおよび残部のＦｅと不純物からなり、分塊，圧延後の冷却過程で焼き割れの発生を防止している。ここで、Ｃは必要な焼き入れ高度を得るために０．４％以上必要であり、分塊および圧延後の冷却過程での焼き割れを防止するには多い方が好ましい。
【００１５】
この焼き割れ防止効果が期待できる理由は、Ｃを多くすることによってマルテンサイト変態完了温度を下げ、これによりマルテンサイトの発生を低減することによる。なお、このＣを増加させることにより、圧延後の伸線加工工程における加工性が低下してしまうため、この発明では０．７％を上限とする。
【００１６】
次に、Ｓｉは製鋼上必要な成分であり、０．１％以上必要となるが、冷間加工性の低下を避けるために、１％を上限とする。また、Ｍｎは製鋼上必要な成分であり、０．１％以上必要となるが、伸線加工性の低下を避けるために１％を上限とする。
【００１７】
そして、Ｃｒは耐摩耗性および耐食性を向上するために５％以上必要となるが、ピストンリングへの利用に際しては、実用上１０％で十分な効果が得られるものである。
【００１８】
Ａｌはこの発明の合金鋼において用いられる特徴的な元素で、これが分塊および圧延工程の冷却過程でＡ_１変態を促進し、オーステナイト量を減ずる結果、Ｍ_ｓ点に到達し、マルテンサイト変態が起きる前に残留オーステナイトの割合を少なくし、引き続く冷却過程で起きるマルテンサイト変態による体積膨張を少なく抑えることによって、焼き割れの発生をなくするように機能する。ここで、このＡｌの添加量は少なくとも０．３％以上は必要であるが、１％を超えると冷間の加工性を阻害するため、この１％を上限とする必要がある。
【００１９】
また、Ｃｕは冷間加工性を向上させるために合理的な加工工程を組み立てることができるので、少なくとも０．２％以上添加する。しかし、１．２％を超えると熱間加工時に割れを発生するとともに、加工を困難にするため、この１．２％を限度とする必要がある。
【００２０】
【実施例】
まず、表１は前記各元素の添加量範囲内で得られた本発明のピストンリング用異形線に用いる合金鋼（Ａ，Ｃ，Ｄ，Ｅ）、従来のＡｌ無添加鋼（Ｂ，Ｆ，Ｇ，Ｈ）、Ｃｕ無添加鋼（Ｆ）および既存のピストンリング用鋼ＤＩＮＸ−９０について化学組成を示したものである。
【００２１】
【表１】

【００２２】
そこで、前記表１の合金鋼とＡｌ無添加鋼を比較すると、Ａｌを添加していない材料の分魂ビレットと本発明によるＡｌ添加材料のビレットの横断面硬度分布は図１に示す通りである。これによればビレットは分魂ロールで圧延された後カバーを被せて除冷したものであるが、Ａｌ添加材ではＡ_１変態の促進により硬度は低下し、従って割れの発生は認められなかった。
【００２３】
また、図５はＡｌの添加のないビレットの顕微鏡組織であり、黒色を呈している部分はＡ_１変態を完了した部分である。これに対して、図２はＡｌを添加したこの発明の合金鋼の顕微鏡組織を示し、大部分の面積を占める黒色の部分はＡ_１変態を完了したところで、僅かに残る白い部分がマルテンサイトの部分である。すなわち、図５では割れの生じ易い組成構造となっているのに対し、図２では割れの生じにくい組成構造となっていることが分かる。
【００２４】
さらに、図３はＡｌを添加した本発明のピストンリング用異形線に用いる合金鋼とＡｌ無添加鋼の窒化特性を比較したもので、これによればＡｌの添加によって、窒化層の硬度が顕著に高まったことを示している。また、図４は伸線による絞りの低下を、本発明のピストンリング用異形線に用いる合金鋼と既存のＤＩＮＸ−９０鋼と比較で示しており、これによれば、各伸線段階における絞りがＤＩＮＸ−９０鋼に比較して著しく高く、冷間加工性に優れていることが分かる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば重量％で、Ｃ：０．４〜０．７％、Ｓｉ：０．１〜１％、Ｍｎ：０．１〜１％、Ｃｒ：５〜１０％、Ａｌ：０．３〜１％、Ｃｕ：０．２〜１．２％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成の冷間加工性の優れた合金鋼であり、優れた耐摩耗性および耐食性のピストンリング用異形線とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の一形態のピストンリング用異形線に用いるためにＡｌを添加した合金鋼とＡｌ無添加鋼とのビレット断面の硬度の違いを示す説明図である。
【図２】この発明のＡｌを添加した合金鋼のビレット断面を示す顕微鏡写真である。
【図３】この発明のＡｌを添加した合金鋼とＡｌ無添加鋼との窒化特性の違いを示す特性図である。
【図４】この発明のＡｌを添加した合金鋼とＡｌ無添加鋼との伸線による絞りの低下特性の違いを示す特性図である。
【図５】従来のＡｌ無添加鋼のビレット断面を示す顕微鏡写真である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a deformed wire for a piston ring used for an engine piston ring.
[0002]
[Prior art]
Cast iron is used for the piston rings of conventional automobile engines, but this is ring-shaped and thin in the axial direction is difficult to manufacture, and is not sufficient in terms of breakage resistance. Because of its large size, it tends to cause fluttering phenomenon, and high-strength steel piston rings that can improve engine efficiency, load and weight, and thickness have been widely used.
[0003]
In order to manufacture such a steel piston ring, it is necessary to add processing such as hot rolling, cold drawing and flat wire rolling, and development of alloy steel that can be easily processed Is underway.
[0004]
From a practical point of view, it is also important to form a nitride layer with sufficient wear resistance by nitriding to ensure the wear resistance of the piston ring. There is a need to.
[0005]
For example, Japanese Patent Laid-Open No. 1-201441 proposes each Cr-based alloy steel containing 21% high carbon, 17% Cr, and 13% Cr. On the other hand, a piston ring material with good workability containing low Si and Mn is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-109445.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the Cr-based alloy steel has poor hot and cold workability, while the piston ring material containing low Si and Mn has a sufficient hardness by nitriding performed in practical use. There was a problem that could not be obtained.
[0007]
On the other hand, the development of a steel material with nitriding properties containing 8% of medium-carbon Cr, which has good hot and cold workability, has been attempted, but it causes burning cracks in the cooling process after hot working. There was a problem.
[0008]
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems. By adding Al, it is possible to prevent the occurrence of burning cracks in the cooling process after splitting and rolling, and for an excellent surface piston ring. The purpose is to provide an irregular line.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The deformed wire for a piston ring according to the present invention is, by weight, C: 0.4 to 0.7%, Si: 0.1 to 1%, Mn: 0.1 to 1%, Cr: 5 to 10% Al: 0.3-1%, Cu: 0.2-1.2%, and the balance is made of a composition comprising Fe and impurities.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, an embodiment of the present invention will be described. Even when Cr alloy steel with good hot workability and cold workability is to be provided with wear resistance, a crack may occur in the cooling process after hot working. Such quenching cracks because the long incubation period of the A ₁ transformation of the steel, does not proceed sufficiently in the cooling process, generated to inflate causing the martensitic transformation in the vicinity of room temperature.
[0011]
In the present invention, it kept changing the content of C and Cr is a main chemical components of alloy steel practically not interfering range and metamorphosis incubation period was shortened, causing a sufficiently A ₁ transformation in the cooling process Therefore, Al is added in the range of 0.3 to 1%. By the addition of Al, it is possible to sufficiently reliably prevent cracks and breakage that are concerned in the lump and wire rolling process.
[0012]
By adding Al as described above, the hardness of the steel material can be increased. Therefore, when this is used for a piston ring, it is possible to sufficiently ensure the improvement of wear resistance with respect to the cylinder, and the effect of two birds with one stone can be obtained. . Furthermore, since the amount of Al added is limited to a certain value, this has no practical adverse effect on the hot workability and cold workability.
[0013]
Therefore, in the present invention, hot workability and cold workability are excellent, sufficient hardness can be obtained, and occurrence of burning cracks in the cooling process after hot working can be prevented.
[0014]
That is, this alloy steel is composed of C, Si, Mn, Cr, Al, Cu and the balance of Fe and impurities, and prevents the occurrence of burning cracks in the cooling process after splitting and rolling. Here, C is required to be 0.4% or more in order to obtain a necessary quenching height, and a larger amount is preferable to prevent burning cracks in the cooling process after the lump and rolling.
[0015]
The reason why this effect of preventing cracking can be expected is that by increasing C, the martensite transformation completion temperature is lowered, thereby reducing the occurrence of martensite. In addition, since the workability in the wire drawing process after rolling falls by increasing this C, in this invention, 0.7% is made the upper limit.
[0016]
Next, Si is a necessary component for steelmaking and needs to be 0.1% or more, but in order to avoid a decrease in cold workability, the upper limit is 1%. Further, Mn is a necessary component for steelmaking and needs to be 0.1% or more, but 1% is made the upper limit in order to avoid a decrease in wire drawing workability.
[0017]
Cr is required to be 5% or more in order to improve wear resistance and corrosion resistance. However, when it is used for a piston ring, 10% is practically sufficient.
[0018]
Al is a characteristic element used in the alloy steel of the present invention, which promotes the A ₁ transformation in the cooling process of the blooming and rolling process, the result of reducing the amount of austenite, to reach the M _s point, martensitic transformation By reducing the proportion of retained austenite before it occurs and suppressing the volume expansion due to the martensitic transformation that occurs in the subsequent cooling process, it functions to eliminate the occurrence of burning cracks. Here, the amount of Al added is required to be at least 0.3% or more, but if it exceeds 1%, cold workability is hindered, so this 1% must be made the upper limit.
[0019]
Moreover, since Cu can assemble a rational process in order to improve cold workability, it adds at least 0.2% or more. However, if it exceeds 1.2%, cracks are generated during hot working, and processing becomes difficult, so this 1.2% needs to be limited.
[0020]
【Example】
First, Table 1 shows alloy steels (A, C, D, E) used for the deformed wires for piston rings of the present invention obtained within the range of addition amounts of the respective elements, conventional Al-free steels (B, F, G, H), Cu-free steel (F), and existing steel for piston rings DINX-90 are shown in chemical composition.
[0021]
[Table 1]

[0022]
Therefore, comparing the alloy steel of Table 1 and the Al-free steel, the cross-sectional hardness distribution of the split spirit billet of the material not added with Al and the billet of the Al-added material according to the present invention is as shown in FIG. . Billet is obtained by gradually cooled is covered with a cover after being rolled by chunking roll according to, the Al additive hardness decreases due to the promotion of the A ₁ transformation, hence the occurrence of cracks was not observed .
[0023]
Further, FIG. 5 is a microstructure of the billet without the addition of Al, the portion having black color is a part completing the A ₁ transformation. In contrast, Figure 2 shows the microstructure of the alloy steel of the present invention that the addition of Al, the portion of the black occupies most area of at completing the A ₁ transformation, white portion remains slightly in the martensite Part. That is, it can be seen that FIG. 5 has a composition structure in which cracks are likely to occur, whereas FIG. 2 has a composition structure in which cracks are unlikely to occur.
[0024]
Furthermore, FIG. 3 compares the nitriding characteristics of the alloy steel used for the deformed wire for piston rings of the present invention with the addition of Al and the Al-free steel, and according to this, the hardness of the nitrided layer is remarkable due to the addition of Al. It shows that it has increased. FIG. 4 shows the reduction in drawing due to wire drawing in comparison with the alloy steel used for the deformed wire for piston ring of the present invention and the existing DINX-90 steel. Is significantly higher than DINX-90 steel, indicating that it is excellent in cold workability.
[0025]
【The invention's effect】
According to the present invention, by weight, C: 0.4-0.7%, Si: 0.1-1%, Mn: 0.1-1%, Cr: 5-10%, Al: 0.3 Piston ring with excellent wear resistance and corrosion resistance, which is an alloy steel excellent in cold workability with a chemical composition comprising ~ 1%, Cu: 0.2-1.2%, the balance being Fe and impurities It can be an irregular line.
[Brief description of the drawings]
BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS FIG. 1 is an explanatory diagram showing the difference in billet cross section hardness between an alloy steel added with Al and an Al-free steel for use in a deformed wire for a piston ring according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a photomicrograph showing a billet cross section of an alloy steel to which Al of the present invention is added.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing a difference in nitriding characteristics between an alloy steel added with Al of the present invention and a steel containing no Al.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing a difference in reduction characteristics of drawing due to wire drawing between an alloy steel to which Al is added according to the present invention and an Al-free steel.
FIG. 5 is a photomicrograph showing a billet cross section of a conventional Al-free steel.

Claims

By weight, C: 0.4-0.7%, Si: 0.1-1%, Mn: 0.1-1%, Cr: 5-10%, Al: 0.3-1%, Cu : A deformed wire for piston ring, containing 0.2 to 1.2%, the balance being Fe and impurities.