ピストンリングの用途のための高弾性の耐摩耗性のねずみ鋳鉄

発明の背景 １． 発明の分野 本発明は、一般に、内燃機関のためのピストンリング、その材料、およびその形成方法に関する。

２． 先行技術の説明 内燃機関の用途のピストンリングは、多くの場合、耐摩耗性および耐焼付性をもたらす鋳鉄組成物から形成される。 三輪による米国特許第５，９７２，１２８号は、ピストンリングを形成するために用いられる鋳鉄組成物を開示している。 三輪に開示されている鋳鉄は、鋳鉄の重量％で、炭素を３．１５〜３．１６重量％、シリコンを２．６６〜２．８６重量％、銅を０．６５〜１．１８重量％、マンガンを０．７〜０．７８重量％、硫黄を０．０４〜０．０６重量％、リンを０．１０〜０．１２重量％含む。 米国特許第４，８９１，０７６号および米国特許第５，９８５，０５２号も、例示的な鋳鉄組成物を開示している。

鋳鉄の１つのタイプは、ねずみ鋳鉄またはねずみ鉄と呼ばれる。 ねずみ鉄にはさまざまなグレードがあり、一般的なねずみ鉄組成物は、ねずみ鉄の総重量に基づいて、ねずみ鉄の重量百分率（重量％）で、炭素を２．０〜４．０重量％、シリコンを１．２５〜３．２５重量％、マンガンを０．７５〜１．２５重量％、硫黄を０．０８〜０．１２重量％、リンを０．０７〜０．２重量％含む。

最近になって、性能を向上させてコストを削減するために、高度な油溝構成などの複雑な物理的特徴を含むピストンリングの需要が増加してきた。 しかし、先行技術の鋳鉄は、多くの場合、機械加工するのが困難であるか、または、所望の物理的特性を達成するために高価な合金化添加物が必要であり、そのため、内燃機関の用途のピストンリングでの先行技術の鋳鉄の使用は制限される。

本発明の一局面は、鋳鉄であって、当該鋳鉄の重量百分率（重量％）で、炭素を２．２〜２．９重量％、シリコンを３．２〜４．２重量％、銅を０．７５〜１．２５重量％、マンガンを１．０〜１．５重量％、硫黄を０．０９〜０．１５重量％、およびリンを０．２重量％以下含む、鋳鉄を提供する。 当該鋳鉄からなるピストンリングも提供される。

本発明のさらに別の局面は、鋳鉄からなるピストンリングを製造する方法を提供する。 当該方法は、合金の重量％で、炭素を２．２〜２．９重量％、シリコンを３．２〜４．２重量％、銅を０．７５〜１．２５重量％、マンガンを１．０〜１．５重量％、硫黄を０．０９〜０．１５重量％、およびリンを０．１重量％以下含む合金を設けるステップを含む。 当該方法は、次いで、当該合金を鋳造するステップと、当該合金をオーステナイト化するステップと、オーステナイト化された当該合金を焼入れするステップと、当該合金を焼戻しするステップとを含む。 本発明の別の局面は、当該鋳鉄を形成する方法を提供する。

鋳鉄は、特に高度な油溝構成などの複雑な構成特徴を有するピストンリングを形成するために用いられる場合に、機械加工性が向上する。 また、鋳鉄は、非常に優れた曲げ強度、硬度、耐摩耗性および弾性率をもたらす。 さらに、鋳鉄および当該鋳鉄からなるピストンリングは、鋳鉄およびピストンリングを形成するために用いられる他の方法と比較して、低い材料および処理コストで製造される。

本発明の他の利点は、添付の図面に関連付けて考慮される場合に以下の詳細な説明を参照することによってよりよく理解されるので、容易に認識されるであろう。

本発明の一実施の形態に係るピストンリングの斜視図である。

詳細な説明 本発明の一局面は、図１に一般的に示される向上した鋳鉄および当該鋳鉄からなるピストンリング２０を提供する。 当該鋳鉄は、機械加工性が向上しているので、高度な溝構成などの複雑な物理的特徴を鋳鉄に形成することができる。 また、当該鋳鉄は、最小限の製造コストで、非常に優れた曲げ強度、硬度、耐摩耗性および弾性率をもたらす。 当該鋳鉄は、特定の量の炭素、シリコン、銅、マンガン、硫黄およびリンを含む合金を鋳造、オーステナイト化、焼入れおよび焼戻しすることによって形成される。 結果として生じる鋳鉄は、マルテンサイトおよびベイナイトのうちの少なくとも１つを含む微細構造を有するマトリックスを含む。 また、当該鋳鉄は、マトリックス全体にわたって分散した硫化マンガン（ＭｎＳ）および炭化物も含む。

図１に示されるように、鋳鉄からなるピストンリング２０は、底面２２と、対面している上面２４とを含み、底面２２および上面２４は、互いに平行に、中心軸Ａを中心に周方向に延びている。 また、ピストンリング２０は、中心軸Ａの方を向いた内径面２６と、対面している外径面２８とをもたらし、内径面２６および外径面２８は各々、底面２２から上面２４まで長手方向に延びている。 外径面２８および内径面２６は、一般に、互いに平行であり、中心軸Ａを中心に周方向に延びている。 エンジンの用途でのピストンリング２０の使用中、外径面２８は、シリンダ壁の内面と接触し、それらの間に気密封止をもたらす。 ピストンリング２０は、面２２，２４，２６，２８のうちの１つ以上に沿って内部に形成された複数の油溝３０などのさまざまな構成特徴を含み得る。 ピストンリング２０は、ピストンリング２０の用途次第で、他の表面変形体または構成を含み得る。 ピストンリング２０は、ピストンリングの製造に共通する全ての表面変形体または構成を収容可能である。

ピストンリング２０の鋳鉄は、機械加工性を向上させて望ましい物理的特性をもたらすために、特定の量の炭素、シリコン、銅、マンガン、硫黄およびリンを含む。 一実施の形態において、鋳鉄は、平均炭素当量亜共晶とここで呼ぶこととされる鋳鉄の共晶温度を下回る炭素当量である３．４〜４．２の炭素当量をもたらすのに十分な量の炭素を含む。 鋳鉄の共晶温度は、一般に、華氏１１４５〜１１５５度である。 一実施の形態において、鋳鉄は、平均炭素当量亜共晶が３．８である。

３．４〜４．２という好ましい炭素当量範囲をもたらすために、鋳鉄は、一般に、鋳鉄の総重量に基づいて、鋳鉄の重量百分率（重量％）で、炭素を２．２〜２．９重量％、または炭素を２．４〜２．８重量％含む。 別の実施の形態において、鋳鉄は、炭素を少なくとも２．２重量％、または炭素を２．９重量％以下含む。

一実施の形態において、鋳鉄は、シリコンを３．２〜４．２重量％、またはシリコンを３．４〜３．８重量％含む。 別の実施の形態において、鋳鉄は、シリコンを少なくとも３．２重量％、またはシリコンを４．２重量％以下含む。

一実施の形態において、鋳鉄は、銅を０．７５〜１．２５重量％、または銅を０．８〜１．０重量％含む。 別の実施の形態において、鋳鉄は、銅を少なくとも０．７５重量％、または銅を１．２５重量％以下含む。

一実施の形態において、鋳鉄は、マンガンを１．０〜１．５重量％、またはマンガンを１．１〜１．３重量％含む。 別の実施の形態において、鋳鉄は、マンガンを少なくとも１．０重量％、またはマンガンを１．５重量％以下含む。

一実施の形態において、鋳鉄は、硫黄を０．０９〜０．１５重量％、または硫黄を０．１０〜０．１２重量％含む。 別の実施の形態において、鋳鉄は、硫黄を少なくとも０．０９重量％、または硫黄を０．１５重量％以下含む。

一実施の形態において、鋳鉄は、リンを０．２重量％以下、またはリンを０．０７〜０．０９重量％含む。 別の実施の形態において、鋳鉄は、リンを少なくとも０．０１重量％、またはリンを０．０９重量％以下含む。

鋳鉄は、好ましくは、非常に優れた耐摩耗性に寄与する量のクロム、バナジウム、ニオブ、タングステンおよびホウ素を含む。 一実施の形態において、鋳鉄は、クロムを０．２５〜０．６５重量％、またはクロムを０．３〜０．５５重量％含む。 別の実施の形態において、鋳鉄は、クロムを少なくとも０．２５重量％、またはクロムを０．６５重量％以下含む。 一実施の形態において、鋳鉄は、バナジウムを０．２重量％以下、またはバナジウムを０．１７重量％以下含む。 別の実施の形態において、鋳鉄は、バナジウムを少なくとも０．０１重量％含む。 一実施の形態において、鋳鉄は、ニオブを０．２重量％以下、またはニオブを０．１５重量％以下含む。 別の実施の形態において、鋳鉄は、ニオブを少なくとも０．０１重量％含む。 一実施の形態において、鋳鉄は、タングステンを０．５重量％以下、またはタングステンを０．４５重量％以下含む。 別の実施の形態において、鋳鉄は、タングステンを少なくとも０．０１重量％含む。 一実施の形態において、鋳鉄は、ホウ素を０．１重量％以下、またはホウ素を０．０８重量％以下含む。 別の実施の形態において、鋳鉄は、ホウ素を少なくとも０．０１重量％含む。

鋳鉄は、好ましくは、非常に優れた曲げ強度および硬度に寄与する量のモリブデンおよびニッケルを含む。 一実施の形態において、鋳鉄は、モリブデンを０．３〜０．５重量％、またはモリブデンを０．３４〜０．３９重量％含む。 別の実施の形態において、鋳鉄は、モリブデンを少なくとも０．３重量％、またはモリブデンを０．５重量％以下含む。 別の実施の形態において、鋳鉄は、ニッケルを０．２２重量％以下、またはニッケルを０．１０〜０．２５重量％含む。 さらに別の実施の形態において、鋳鉄は、ニッケルを少なくとも０．１０重量％、またはニッケルを０．２５重量％以下含む。

また、鋳鉄は、好ましくは、非常に優れた物理的特性に寄与する量のチタンも含む。 一実施の形態において、鋳鉄は、チタンを０．０３〜０．０９重量％、またはチタンを０．０４〜０．０８重量％含む。 別の実施の形態において、鋳鉄は、チタンを少なくとも０．０３重量％、またはチタンを０．０９重量％以下含む。

鋳鉄組成物の残りは、好ましくは、マルテンサイトおよびベイナイトのうちの少なくとも１つを含むマトリックスをもたらすのに十分な量の鉄から本質的になっている。 一実施の形態において、鋳鉄は、鉄を少なくとも７５．０重量％、または鉄を少なくとも８５．０重量％含む。 鋳鉄の残りは好ましくは鉄からなっているが、鋳鉄は、鋳鉄の総重量に基づいて、好ましくは１．０重量％以下の量の不純物も含み得る。

鋳鉄のマトリックスは、マルテンサイトおよびベイナイトのうちの少なくとも１つ、好ましくはマルテンサイトを含む微細構造を含む。 一実施の形態において、マトリックスは、マトリックスの総体積に基づいて、マトリックスの体積百分率（体積％）で、マルテンサイトを８０〜９０体積％含む。

好ましくは、鋳鉄は、マトリックス全体にわたって分散した炭化物の微細分布を含む。 炭化物の微細分布は、鋳鉄がもたらす非常に優れた耐摩耗性に寄与する。 クロム、バナジウム、ニオブ、タングステンおよびホウ素の量は、マトリックスに形成される炭化物の量に寄与する。 また、鋳鉄は、マトリックス全体にわたって分散した硫化マンガン（ＭｎＳ）も含み、これは鋳鉄の機械加工性の向上に寄与する。 マンガンおよび硫黄の量は、鋳鉄におけるＭｎＳの量に寄与する。 一実施の形態において、鋳鉄は、鋳鉄の総体積に基づいて、Ｍｎを０．５〜１．５体積％含む。

鋳鉄のマトリックスは、好ましくは、フェライト、オーステナイトおよびステダイトを含んでいない。 好ましくは、混ぜ合わせられたフェライト、オーステナイトおよびステダイトの総量は、マトリックスの総体積に基づいて、５体積％以下である。 フェライト、オーステナイトおよびステダイトの量が少なく、マルテンサイトおよびベイナイトの量が多いことは、鋳鉄の機械加工性の向上および非常に優れた物理的特性に寄与する。

鋳鉄の機械加工性の向上により、その面２２，２４，２６，２８に沿ってさまざまな異なる構成を有するピストンリング２０を形成することができる。 一実施の形態において、ピストンリング２０の面２２，２４，２６，２８は、少なくとも１つの油溝３０、突出部、または他のタイプの凹部、外形または表面変形体を含む。

機械加工性の向上に加えて、鋳鉄は、非常に優れた曲げ強度、硬度および弾性率をもたらす。 一実施の形態において、鋳鉄は、曲げ強度が７５０〜１０００ＭＰａ、一般に７８０〜８５０ＭＰａである。 また、鋳鉄は、一般に、ブリネル硬度数が３３０〜３６０ＢＨＮであり、ロックウェル硬度Ｂスケールが１００〜１１６ＨＲＢ、一般に１０８〜１１２ＨＲＢである。 一実施の形態において、鋳鉄は、弾性率が１１５〜１６０ＧＰａ、一般に１２０〜１４０ＧＰａである。 また、鋳鉄は、耐摩耗性も向上させる。 一実施の形態において、鋳鉄は、ＡＳＴＭスタンダードＧ−１３３に従ってキャメロン−プリントモデルＴＥ−７７往復摺動摩耗試験機を用いて試験された場合に、７０ミクロン以下の摩耗、一般に４０ミクロン以下の摩耗をもたらす。

本発明の別の局面は、向上した鋳鉄を形成し、当該鋳鉄からなるピストンリング２０を製造する方法を提供する。 鋳鉄およびピストンリング２０の形成方法は、経済的であり、鋳鉄およびピストンリングを提供するために用いられる他の方法と比較してより低い材料およびプロセスコストで実施可能である。

当該方法は、まず、合金の重量百分率（重量％）で、炭素を２．２〜２．９重量％または炭素を２．４〜２．８重量％、シリコンを３．２〜４．２重量％またはシリコンを３．４〜３．８重量％、銅を０．７５〜１．２５重量％または銅を０．８〜１．０重量％、マンガンを１．０〜１．５重量％またはマンガンを１．１〜１．３重量％、硫黄を０．０９〜０．１５重量％または硫黄を０．１０〜０．１２重量％、クロムを０．２５〜０．６５重量％またはクロムを０．３〜０．５５重量％、モリブデンを０．３〜０．５重量％またはモリブデンを０．３４〜０．３９重量％、チタンを０．０３〜０．０９重量％またはチタンを０．０４〜０．０８重量％、ニオブを０．２重量％以下またはニオブを０．１５重量％以下、タングステンを０．５重量％以下またはタングステンを０．４５重量％以下、ホウ素を０．１重量％以下またはホウ素を０．０８重量％以下、バナジウムを０．２重量％以下またはバナジウムを０．１７重量％以下、リンを０．１重量％以下またはリンを０．０７〜０．０９重量％、ニッケルを０．２５重量％以下またはニッケルを０．１０〜０．２５重量％、および鉄を少なくとも７５．０重量％または鉄を少なくとも８５．０重量％含む鉄合金を設けるステップを含む。

次に、当該方法は、所望の形状をもたらすために、合金を溶融して、型の中で合金を鋳造するステップを含む。 一実施の形態において、型は、上面２４、底面２２、内径面２６および外径面２８を有するピストンリング２０の形状をもたらす。

次に、当該方法は、鋳造合金を６０〜１２０分間にわたって華氏１７５０〜１８７５度の温度に加熱することによって、鋳造合金をオーステナイト化するステップを含む。 次に、当該方法は、オーステナイト化された合金を華氏１４０〜１５０度の温度の油の中で焼入れするステップを含む。 当該方法はさらに、６０〜１２０分間にわたる華氏９５０〜１１５０度の温度での焼入れステップの後に合金を焼戻しして、完成した鋳鉄をもたらすステップを含む。

実験 本発明の実施の形態に従って形成された２つの鋳鉄に対して性能試験を行った。 鋳鉄の重量％での本発明の実施例の２つの鋳鉄の組成は、実施例１および２として表１に開示されている。 本発明の実施例を従来のねずみ鋳鉄と比較した。 比較例のねずみ鋳鉄の組成も表１に開示されている。

次いで、本発明の鋳鉄および比較例の鋳鉄を、硬度、弾性率、曲げ強度および耐摩耗性について試験した。 金属材料のロックウェル硬度のための標準的な方法であるＡＳＴＭ Ｅ１８−０８６に従って、各鋳鉄の硬度を試験した。 硬度試験の結果は、表２に示されており、本発明の鋳鉄が従来のねずみ鋳鉄よりも優れた硬度を有することを示している。

次に、本発明の鋳鉄および比較例の鋳鉄を、http://www.federalmogul.com/korihandbook/en/index.htmで入手可能なフェデラル・モーグルピストンリングハンドブックに見られるピストンリングのためのフェデラル・モーグルの材料スペシエーション、名称ＧＥＯ ５０４に従って、弾性率について試験した。 弾性率試験の結果は、表３に示されており、本発明の鋳鉄が従来のねずみ鋳鉄よりも優れた弾性率を有することを示している。

次に、本発明の鋳鉄および比較例の鋳鉄を、http://www.federalmogul.com/korihandbook/en/index.htmで入手可能なフェデラル・モーグルピストンリングハンドブックに見られるピストンリングのためのフェデラル・モーグルの材料スペシエーション、名称ＧＥＯ ５０４に従って、曲げ強度について試験した。 曲げ強度試験の結果は、表４に示されており、本発明の鋳鉄が従来のねずみ鋳鉄よりも優れた曲げ強度を有することを示している。

次に、本発明の鋳鉄および比較例の鋳鉄を、ＡＳＴＭスタンダードＧ−１３３に従って、キャメロン−プリントモデルＴＥ−７７往復摺動摩耗試験機を用いて、耐摩耗性について試験した。 摩耗試験の結果は、表５に示されており、本発明の鋳鉄が従来のねずみ鋳鉄よりも摩耗が少ないことを示している。

また、本発明の鋳鉄は、米国特許第５，９８５，０５２号、第５，９７２，１２８号および第４，８９１，０７６号のものなどの先行技術の他の鋳鉄に勝る利点を提供する。

'０５２号特許の鋳鉄は、本発明の鋳鉄のマトリックスとは異なって、破損していない非連続的なステダイトの混合物を有する安定したオーステナイトの中に針状フェライトのマトリックスを含む。 また、'０５２号特許の材料は、より高いレベルのリンも含み、これは、高含有量のステダイトに寄与する。 '０５２号特許の鋳鉄の未精製ステダイトは、非常に優れた機械加工性をもたらす本発明の鋳鉄とは異なって、機械加工を困難にする。 '０５２号特許に従って形成された鋳鉄は、硬度が２８０〜３３０ＢＨＮであり、これは本発明の鋳鉄の硬度よりも低い。 さらに、'０５２号特許の鋳鉄がピストンリングを形成するために用いられる際、加熱中のマトリックスのオーステナイトの分解により、内燃機関の用途においてピストンリングを使用している最中にマトリックスが脆いマルテンサイト相またはより柔らかい相に戻る可能性がある。 さらに、'０５２号特許の鋳鉄は、本発明の方法とは異なって、オーステンパ処理によって実現される。

'１２８号特許の鋳鉄は、高価な合金を用いて耐摩耗性を提供し、本発明の鋳鉄よりも機械加工が困難である。 '１２８号特許の材料の硬度は、８５〜９５ＨＲＢであり、これは本発明の鋳鉄の硬度よりも低い。 炭化物およびＭｎＳがマトリックス全体にわたって分散している少なくとも１つのマルテンサイトまたはベイナイトを含むマトリックスを含む本発明の実施の形態に係る鋳鉄とは異なって、'０７６号特許の鋳鉄も、オーステンパ処理によって実現され、フェライトおよびオーステナイトのマトリックスを含む。

明らかに、上記の教示に鑑みて本発明の多くの変形例および変更例が可能であり、本発明の多くの変形例および変更例は、具体的に記載されている態様とは異なった態様で実施可能である。