株式会社リケン

ピストンリング博物館

機能を満たす技術

C-6 材料技術

材料として要求される特性

ピストンリング本体を構成する材料には、長期間に亘り厳しい条件化で使われても、次のような機能を維持できる材質が求められています。

強靱性
爆発の圧力を受けたり、たたかれたりしても壊れないこと
弾性
合い口が閉じられた状態でピストンリング自身、シリンダー壁に向けてバネのように面圧を及ぼすこと
耐食性
燃焼ガスに接しても長期的に腐食摩耗などの変化が少ないこと
表面改質特性
良い品質の安定した皮膜が付けられること
軽量
猛烈なスピードでの往復運動時にエネルギーロスを少なくさせること
長寿命
熱に対して、上記のすべての特性が安定して保持できて、持続すること
鋳鉄からスチールへ

ピストンリングの材料・材質は以前は鋳鉄(鋳物)が中心でした。しかし、今ではエンジン性能の高度化にともなう厳しい要求に応えるため、スチール(鋼)製の材料へと進化しています。
たとえば、

  1. 薄幅・軽量化に耐える高強度や高靱性を持ち、
  2. 熱ヘタリに強い耐熱性がある材料で、
  3. 摩擦抵抗を減らす低フリクションで、かつ長寿命の皮膜の形成しやすい材質、などのエンジンからの要求が、材料の高度化を求めているのです。

鋳鉄とスチールの特性比較をしてみましょう。

代表的なスチール材
材料 引張り強さ
(MPa)
標準弾性率
(GPa)
かたさ
(HV)
主要化学成分(%) 用途例
C Sl Mn Cr Mo P S Other
SP-1 1,370< 200 400~550 0.74~0.9 0.35< 0.6> - - 0.03> 0.03> - リックベント(レール)
ディーゼルベント・M(コイル)
SP-2 1,470< 450~570 0.5~0.8 1.2~1.6 0.5~0.8 0.5~0.8 - - Cu
0.2>
高性能圧力リング
プレートエキスパンダ
SP-3 1,130< 215 320~420 0.8~0.95 1.0> 1.0> 17~18 0.8~1.5 - V0.05~0.15 特殊仕様圧力リング
ディーゼルベントM・リックベント用レール
代表的な鋳鉄材
材料 標準弾性率
(GPa)
標準抗折力
(MPa)
かたさ 主要化学成分 (%) 用途例
T.C. Sl Mn Cr Cu P S Other
RIK-20
(>φ100)
167 981< HRB
100~110
3.5~4.2 2.2~3.4 0.2~0.8 - - 0.2> 0.02> - 小型高速機関のクロムめっき付き1stリング
RIK-20
(φ100~200)
157 - - -
RIK-20A
(>φ100)
167 HRC
25~38
- - - 小型高速機関(ディーゼル含む)のクロムめっき付き1stリング
RIK-20A
(φ100~200)
157 - - -
強度
ピストン溝の中で、上下にたたかれる力を受けるため、強度が高いことが望まれます。鋳鉄材料は高級なグレードであっても、スチール(鋼)材には及びません。
熱ヘタリ
いつまでも張力を維持しなければなりません。200℃程度の雰囲気に於けるクリープ強度(リングでは「熱ヘタリ性」と呼んだりする)も差があります。
弾性率
張力を出すバネの基になる特性です。鋳鉄が157~167Mpaであるのに対し、スチール材は200~215Mpaと大きいため設計に有利になります。
耐食性及び表面改質特性
母材の耐食性も必要ですが、表面処理皮膜の「形成しやすさ」も重要なポイントになります。たくさんの表面処理技術を持っていますので、適切な表面改質が形成される材質が求められます。