JPS6154103B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はピストンリング材に関するものであ
り、特に往復動内燃機関に適用するのに最適な圧
力リング材に関するものである。 近年内燃機関は高出力高速化の一途をたどり、
増々その高性化が要求され加えて排ガス対策をも
具備しなければならず、内燃機関の馬力低下、燃
費増という諸問題への対策の必要性が増大してき
ている。 従来内燃機関用圧力リングとしては、鋳鉄製圧
力リングが用いられていたが、圧力リング軸方向
に薄いものが製造しにくく、比較的断面積の大き
な重量のあるものになり、このため慣性が大きく
なつてフラツタリング現象を発生し易くなるとい
う問題点がある。また鋳鉄製圧力リングは耐摩耗
性や耐熱性が不足し、排ガス対策に有利なように
ピストンの頂点に近い位置に取り付けることがで
きず、かつ、圧力リング間隔を小さくできないた
め、ピストンの重量が重くなり、高出力、高速化
ができないという難点があつた。内燃機関におい
ては、燃焼室の気密を保持する圧力リングは、そ
の寿命と性能に最も大きな影響を与えるものであ
り、この気密性を充分確保できる範囲内で圧力リ
ング軸方向の幅をできるだけ薄くすることによ
り、シリンダー壁との接触面積を小さくし、摩擦
損失を少なくすること、また圧力リング自体の重
量軽減、さらに各圧力リング間隔を小さくするこ
とによるピストンの重量の軽減が課題となつてい
る。 最近、これらの問題を解決すべく、Si−Cr鋼
や13Cr鋼などのスチールピストンリング材が用
いられ始めているがSi−Cr鋼は、低価格である
がピストンリングに要求される、耐熱ヘタリ性、
耐摩耗性に問題があり、ピストンリングの全面あ
るいは摺動面を含む上下３面を表面処理して用い
られる。13Cr鋼は耐熱ヘタリ性、耐摩耗性に優
れ、強度的にもSi−Cr鋼より強く、摺動面のみ
を表面処理して用いられている。本発明は、上記
の鋳鉄製圧力リングの問題点を解消すると共に価
格の点からSi−Cr鋼と13Cr鋼の中間のものを、
また特性の点からは、13Cr鋼に近い性能を有
し、良好な気密性を維持しながら、内燃機関の高
出力、高速化を達成できかつ製造性のよりすぐれ
た圧力リング材を提供するものである。 以下本発明に係る圧力リング材について述べ
る。内燃機関の一部断面図を第１図に、圧力リン
グの斜視図を第２図に、さらに圧力リングの部分
断面図を第３図に示す。１はシリンダー、２はピ
ストン、３，４は圧力リング、５はオイルリン
グ、６は合口すき間、７は表面処理層である。圧
力リングとしては気密性、耐摩耗性、耐焼付性、
耐折損性が優れている必要があるが、内燃機関の
高出力、高速化のためには、これら諸特性のより
一層の改良が必要である。 本発明ではフラツタリング現象を生じさせるこ
となく内燃機関の回転数を増加させるため、また
排ガス、高出力対策として圧力リングの位置をピ
ストンヘツド部に近づけ、ピストン重量を小さく
するために、従来の鋳鉄製リングよりも材質の高
強度化と軸方向のリング幅の縮少化をはかり、さ
らに圧力リングとして必要な耐焼付性、耐摩耗性
を兼備させると共に、従来のスチールリング材
13Cr鋼より低価格でありかつ加工性を改善する
ことに留意して開発されたものである。 すなわち、本発明は、圧力リングの材質として
は従来の普通鋳鉄や特殊鋳鉄（ダクタイル、マレ
アブル）、さらにSi−Cr鋼や13Cr鋼と異なり、合
金組成として重量％でC0.4〜0.7％、Si0.3〜1.0
％、Mn0.5〜1.0％、Cr2.0〜9.0％を含むマルテン
サイト系ステンレス鋼とし、焼入れ焼戻し硬さが
Ｈ_RC40〜50になるように熱処理をして、Cr炭化
物を析出させたものである。圧力リングとては少
なくともシリンダー壁と摺動する摺動面には表面
硬化槽７を形成させた構造となつている。 次に本発明圧力リング材の組成限定理由につい
て述べる。Ｃは圧力リング材に必要な硬さおよび
強度を与える重要な元素であるとともに微細な硬
質Cr炭化物を形成することにより耐摩耗性の向
上に寄与する。これらの効果を得るためには少な
くとも0.4％以上必要である。しかし0.7％を越え
ると靭性およびリングに成形する際の加工性を害
するためこれを上限とした。 Siは脱酸剤として添加されるものであるCrと
同様高温における耐熱ヘタリ性を付与する元素で
ある。このためには0.3％以上添加する必要があ
る。しかし1.0％を越えると加工性を害するとと
もに靭性も低下してくるため上限を1.0％とし
た。 MnはSiと同様脱酸剤として添加され、また強
度を増す元素である。脱酸剤としては通常0.3〜
0.45％程度含有されるが強度向上を計る意味から
下限を0.5％とし、また1.0％より多くなると熱間
加工性やリング成形時の冷間加工性を害するため
上限を1.0％とした。 Crは固溶して耐熱性や耐熱ヘタリ性を付与す
るとともに耐食性も向上させる。また一部は炭化
物を形成し、耐焼付性、耐摩耗性を与える重要な
元素である。これらの効果を発揮させるためには
Ｃとのバランスから少なくとも2.0％以上を必要
とする。また9.0％を越えるとリング成形時の加
工性が低下してくるためこれを上限とし限定範囲
を2.0％〜9.0％とした。 第１表に本発明リング材と従来製リング材の化
学組成を示す。

【表】

【表】 第２表に本発明リングと従来製リングの特性を
示す。

【表】 強力減退度は、５φ×150丸棒を常温で曲率
半径25Rに曲げるに必要な荷重と、25R曲げた状
態で300℃×１時間加熱後、自然にもどし再び同
曲率半径に曲げるに要する荷重の減少率を示すも
のであり、減少率の少ない方が張力減退が少ない
ことを示す。第２表においては、鋳鉄製リングの
減少率を１とし、それに対する各鋼種の減少率の
比を表してある。 表からわかるように、本発明の圧力リング材は
高弾性率、高引張強さを有しており、かつ鋳鉄製
リングに比べ張力減退度が約40％少なくなつてい
る。内燃機関の構造と作動面からみれば、圧力リ
ングは、ピストンに装着され、シリンダーに挿入
された状態で規定合口をもち、自己張力を有し、
シリンダー壁面に接している。内燃機関作動中の
燃焼室内で、燃料の燃焼からもたらされる温度上
昇のため張力減退を生じる。張力減退度が大きい
と、圧縮工程にガス漏れを生じ、所定の圧縮圧力
が得られず圧力低下を起こし、熱効率も低下す
る。又、燃焼ガスの吹き抜けにより、シリンダー
壁油膜が破壊され、焼付けやカジリを生じるの
で、本発明の如く圧力リング材の張力減退度を小
さくすると、内燃機関としての高性能を発揮維持
できる。すなわち圧力リングの材質としては種々
の材料が考えられるが、合金組成として前記の組
成を有する硬さがＨ_RC40〜50となるようCr炭化
物を析出させたマルテンサイト組織を有する構造
とすることによつて圧力リングの軸方向の幅は約
1/2とすることができ、従来の鋳鉄製リングの場
合と同等の性質を得、また13Cr鋼に近い特性を
有することにより内燃機関の高出力、高速化をは
かることができる。 第３表に圧力リング材の要求特性に対する相対
評価を示す。

【表】 優位度 ◎＞○＞△
スチール圧力リングにおいては、線材よりリン
グ状に巻取り加工を行ない、切断して第２図の形
状にするものであり、従つて素材の加工性が重要
となる。特に巻取り加工の際には、折損や巻取り
のバラツキが起らないように充分な伸び、しかも
均一伸びが必要である。本発明は第２表および第
３表からわかるように、13Cr鋼より加工性がよ
く、特に均一伸びが優れている。 また、圧力リングとしては外周の摩耗の大小が
気密性に影響を及ぼすので内燃機関の高出力、高
速化をはかるためには、できるだけ摩耗を減少さ
せる必要がある。そこで本発明では圧力リングを
一つの材質のみの構成とするのではなく、内燃機
関の作動時に圧力リングがシリンダー壁に自己張
力による良好な気密性を維持させるために耐摩耗
性および耐焼付性の必要とされるシリンダー壁と
摺動する圧力リングの摺動面には少なくとも硬質
でかつ耐焼付性の良好な表面熱処理層を設けるこ
とを特徴とするものである。表面処理としては、
硬質Crメツキ、ポーラスCrメツキ、複合メツ
キ、Cr溶射、Mo溶射の他各種表面処理を適宜適
用することができる。とくに、表面処理層を硬質
Crメツキ層とした場合、シリンダー壁と摺動す
る圧力リングの摺動面は硬さがＨ_V850以上と高く
かつ摩擦係数が小さく耐摩耗性、耐焼付性、耐食
性にすぐれているので圧力リングの摺動面として
は良好な気密性を発揮し、かつ前述した如く圧力
リング材自体が持つ高弾性率、高強度、小張力減
退度によつてもたらされる圧力リング自体の自己
張力による良好な気密性とが相俟つて作用するた
め、本発明の圧力リング材はすぐれた機能を発揮
するものである。 なお、本発明では圧力リング材として、前記の
組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼とし
ているために、圧力リング材自体の耐食性は内燃
機関用としては十分なる性能を有しておる。 本発明の圧力リング材は前記の成分からなるが
耐食性向上、強度増大等の観点から、Mo、Ni、
Ｖ他の元素を適宜含有させてもよい。また圧力リ
ング外周面の内、少くともシリンダー壁と摺動す
る圧力リングの摺動面は表面処理層を有している
ことが必要であり、従つて摺動面と同時に圧力リ
ングの上下面に表面処理層を設けてもよいことは
いうまでもない。 以上に述べた如く本発明の圧力リング材は気密
性、耐焼付性、耐折損性等にすぐれ、かつ圧力リ
ング重量、ピストン重量を軽減でき、慣性による
エネルギー損失を少なくできると共に、シリンダ
ー壁との接触面積を少なくし、摩擦損失を少なく
でき、内燃機関の高出力と同時に排ガス対策効果
をも可能とするものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は内燃機関の一部断面図、第２図は圧力
リングの斜視図、第３図は圧力リングの部分断面
図である。 １：シリンダー、２：ピストン、３，４：圧力
リング、５：オイルリング、６：合口すき間、
７：表面処理層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量％でC0.4〜0.7％、Si0.3〜1.0％、Mn0.5
   〜1.0％、Cr2.0〜9.0％、残部不純物および鉄よ
   りなるマルテンサイト系ステンレス鋼からなり、
   焼入れ焼戻し硬さをＨ_RC40〜50にしたリングの
   少なくともシリンダー壁との摺動面に表面処理層
   を形成せしめ耐摩耗性および耐焼付性に優れたこ
   とを特徴とする圧力リング材。 ２ 表面処理層を硬質Crメツキ層とした特許請
   求の範囲第１項記載の圧力リング材。