本発明のピストンリング用鋼材は、アルミ� ��ウム合金製シリンダブロックを備える内燃� ��関で使用され、アルミニウム合金製シリン� ��ボア内面を摺動するピストンリングの製造� ��好適に使用できる。本発明のピストンリン� ��用鋼材は、室温と200℃の間の平均で、14.0×1 0 ^-6 /℃以上の熱膨張係数を有する鋼材である。� �ず、本発明のピストンリング用鋼材の組成� �定の理由について説明する。以下、とくに� �らないかぎり質量%は単に%と記す。

 C:0.01~1.9%
 Cは、鋼材の強度増加に寄与し、さらにMnと� ��存するとオーステナイト相を著しく安定化� ��せ、鋼材の熱膨張係数を高める作用を有し� ��本発明では重要な元素である。このような� ��果は、0.01%以上の含有で顕著となるが、1.9%� ��超える多量の含有は、炭化物や黒鉛の生成� ��顕著となり、延性が低下し、冷間加工性、� ��らには生産性の低下を招く。このため、Cは 0.01%~1.9%に限定した。なお、好ましくは0.03%以 上であり、より好ましくは0.03~1.5%で、さらに 好ましくは0.05~1.2%である。

 Si:0.01~1.9%
 Siは、溶鋼の脱酸剤として作用し、溶鋼の� �造性を向上させるとともに、鋼材の強度増� �に寄与する元素であり、熱間加工性の確保� �観点からも0.01%以上含有することが好ましい 。一方、1.9%を超える多量の含有は、鋳造性� �上効果が飽和するとともに、フェライトが� �成する。このため、Siは0.01~1.9%に限定した。 なお、好ましくは0.2~1.2%である。

 Mn:5.0~24.0%
 Mnは、鋼材の強度増加に寄与し、さらに適� �量のCと共存するとオーステナイト相を著し� ��安定化させ、鋼材の熱膨張係数を高める作� ��を有し、本発明では重要な元素である。こ� ��ような効果は5.0%以上の含有で認められる。 5.0%未満の含有では、オーステナイト相が不� �定となり、顕著な熱膨張係数の増加が認め� �れない。一方、24.0%を超える多量の含有は、 オーステナイト粒の粗大化を招く。このため 、Mnは5.0~24.0%の範囲に限定した。なお、好ま� ��くは7.0~22.0%であり、さらに好ましくは7~19%� �ある。

 上記した成分が基本の組成であるが、本発� ��ではこのような基本の組成に加えてさらに� ��必要に応じてCr:18.0%以下および/またはNi:12.0 %以下を含有する組成とすることができる。
 Cr:18.0%以下
 Crは、鋼材の強度増加、耐食性向上、表面� �理性向上に寄与する元素であり、本発明で� �必要に応じて含有できる。とくに、ピスト� �リングの表面に窒化層を形成する場合には� �Crの含有は、表面処理性、とくに表面処理層 の密着性向上に有効に寄与する。このような 効果は0.01%以上の含有で認められるが、18.0%� �超える含有は、炭化物やσ相の生成が顕著と なり、耐食性、加工性を低下させる。このた め、含有する場合、Crは18.0%以下に限定する� �とが好ましい。なお、より好ましくは2.0~15.0 %、さらに好ましくは5.0~15.0%である。

 Ni:12.0%以下
 Niは、強力なオーステナイト安定化元素で� �り、必要に応じて含有できる。このような� �果は0.01%以上の含有で認められるが、12.0%を� ��える多量の含有は、オーステナイト安定化� ��果が飽和し、含有量に見合う効果が期待で� ��なくなり経済的に不利となる。このため、� ��有する場合、Niは12.0%以下に限定することが 好ましい。なお、好ましくは0.01~8.0%である。

 さらに、本発明では上記した各組成に加え� ��さらに、必要に応じてAl:1%以下を含有でき� �。
 Al:1%以下
 Alは、溶鋼の脱酸剤として作用するととも� �、鋼材中では結晶粒の微細化に寄与する元� �であり、必要に応じて0.05%以上含有させるこ とが望ましい。一方、1%を超えて含有すると� ��介在物が増加する傾向を示し、延性が低下� ��るとともに、内部欠陥が多発する傾向とな� ��。このため、Alは1%以下に限定することが好 ましい。

 さらに、本発明では上記した各組成に加え� ��さらに、必要に応じてN:0.3%以下を含有でき� ��。
 N:0.3%以下
 Nは、Cと同様に、鋼材の強度増加に寄与し� �さらにオーステナイト相を安定化させ、鋼� �の熱膨張係数を高める作用を有する元素の� �つである。このような効果は0.01%以上の含有 で顕著となるが、0.3%を超えて含有しても、� �ーステナイト相の安定化効果が飽和すると� �もに、ピンホール等の内部欠陥が多発する� �このため、Nは0.3%以下に限定することが好ま しい。なお、より好ましくは0.1~0.2%である。

 さらに、本発明では上記した各組成に加え� ��さらに、Nb、Ti、Zr、Mo、Cuのうちから選ばれ た1種または2種以上、を必要に応じて含有で� ��る。
 Nb、Ti、Zr、Mo、Cuのうちから選ばれた1種ま� �は2種以上:合計で4.0%以下
 Nb、Ti、Zr、Mo、Cuは、いずれも鋼材の組織を 微細化し、それを介して高温強度増加に寄与 する元素であり、必要に応じて選択して1種� �たは2種以上含有することができる。このよ� ��な効果は合計で0.05%以上の含有で顕著とな� �。一方、これら元素が合計で4.0%を超える多� ��の含有は、靭性が低下する。このため、含� ��する場合は、Nb、Ti、Zr、Mo、Cuのうちから選 ばれた1種または2種以上を合計で4.0%以下に限 定することが好ましい。なお、より好ましく は合計で0.01~2.0%である。

 上記した成分以外の残部は、Feおよび不可� �的不純物である。不可避的不純物としては� �P:0.06%以下、S:0.05%以下が許容できる。
 P:0.06%以下
 Pは、多量に含有すると、鋼材の強度を増加 させ、延性、靭性等を低下させるため、鋼材 の加工性が低下する。本発明では不純物とし てできるだけ低減することが望ましいが、0.0 6%までの含有は許容できる。なお、より好ま� ��くは0.01%以下である。

 S:0.05%以下
 Sは、鋼中では硫化物として存在し、延性を 低下させ、鋼材の加工性を低下させ、さらに は耐食性を低下させる。このため、本発明で は不純物としてできるだけ低減することが望 ましいが、0.05%までの含有は許容できる。な� ��、より好ましくは0.03%以下である。

 なお、本発明のピストンリング用鋼材の� ��造方法は、とくに限定する必要はなく、常� ��の方法がいずれも適用できる。例えば、上� ��した組成の溶鋼を、高周波電気炉等の常用� ��方法で溶製し、インゴット等に鋳造したの� ��、熱間鍛造、熱間圧延等の常用の方法で棒� ��状に加工し、ついで冷間で線形状に加工し� ��ピストンリング用鋼材とする工程を採用す� ��ことが好ましい。

 また、本発明のピストンリングは、上記し� ��組成の鋼材を素材として所定形状に製造さ� ��たピストンリングである。本発明のピスト� ��リングは、上記した鋼材を使用すること以� ��、その製造方法をとくに限定する必要はな� ��、通常の加工方法を適用して、所望形状の� ��ストンリングに成形することが好ましい。
 なお、得られたピストンリングの全周また� ��外周に表面処理を施し、表面処理層を形成� ��ることが、耐摩耗性、耐食性の観点から好� ��しい。表面処理層としては、窒化処理によ� ��窒化層、クロムめっき処理、複合めっき処� ��による硬質めっき層、溶射処理による溶射� ��、物理蒸着(PVD)処理による物理蒸着層、化� �蒸着(CVD)処理による化学蒸着層などが例示で き、いずれも本発明のピストンリングの表面 処理層として好適である。なかでも、表面処 理層を窒化層とすることが耐摩耗性、相手攻 撃性の観点から好ましい。また、物理蒸着層 あるいは化学蒸着層の一つとしてダイアモン ドライクカーボン膜(DLC膜)を用いてもよい。D LC膜は、表面処理層の外周摺動面に形成する� ��とが、相手攻撃性の観点から好ましい。DLC� ��の存在により、とくに相手攻撃性を緩和す� ��傾向が強くなる。このようなことから、例� ��ば、ピストンリング基材の表面に窒化層、D LC膜とその順に形成することが好ましい。

 なお、表面処理層の硬さは700~1400HVとする ことが、相手攻撃性の観点から好ましい。硬 さがビッカース硬さで700HV未満では、耐摩耗� ��が低下し、一方、表面処理層の硬さが1400HV� ��超えて高くなると、化合物を形成し、化合� ��による相手攻撃性が高くなる。本発明のピ� ��トンリングでは、表面に形成される表面処� ��層は、化合物を形成することがないように� ��硬さを高くしすぎないようにすることが、� ��手攻撃性の観点からも肝要となる。なお、� ��面処理層の好ましい硬さとしては900~1200HVで ある。なお、ビッカース硬さを測定する場合 は、荷重100gf又は200gfとすることが好ましい� �

 なお、表面処理層の厚みは1~150μmとするこ� �が、耐食性、密着性などの観点から好まし� �。また、窒化処理、硬質めっき処理、溶射� �理、物理蒸着処理、あるいは化学蒸着処理� �、通常の方法がいずれも好適に使用できる� �
(実施例)
(実施例1)
 表1に示す組成の溶鋼を、溶解炉で溶製し、 インゴット(12kg)に鋳造した。得られたインゴ ットを熱間鍛造で丸棒(15mmφ)とした。ついで� ��得られた丸棒の黒皮を除去し12 mmφとした� �、線引加工を施し、線材(7mmφ)とした。なお� ��従来例として、マルテンサイト系ステンレ� ��鋼(SUS 410J)線材を使用した。

 これら線材から、熱膨張試験片(大きさ:5m mφ×長さ15mm)を採取し、熱膨張試験を実施し� �室温(20℃)~200℃の平均の熱膨張係数を求めた 。得られた結果を表1(表1-1~表1-4)に示す。

 本発明例はいずれも、14.0×10 ^-6 /℃以上の熱膨張係数を有し、アルミニウム� �金の熱膨張係数に近い値を安定して確保で� �ている。本発明の鋼材を用いたピストンリ� �グは、アルミニウム合金製シリンダを相手� �として摺動するピストンリングに加工した� �合にも、十分なシール性を確保できること� �推察される。一方、本発明の範囲を外れる� �較例は、14.0×10 ^-6 /℃未満の熱膨張係数しか有しておらず、シ� �ル性が不足し、ブローバイが増加すること� �懸念されるほか、他の特性が劣化すること� �懸念される。
(実施例2)
 表1に示す線材(No.14、No.75、No.89、No.90)を素� �として、所定寸法形状のピストンリング相� �材を作製し、図1に模式的に示すアムスラー� ��摩耗試験機を用いて、耐摩耗性を調査した� ��なお、ピストンリング相当材には、表面処� ��層として、表2に示すような厚さを有する、 積層硬質めっき層、窒化層単独、あるいは窒 化層とその上層としてDLC層、からなる表面処 理層をそれぞれ形成した。積層硬質めっき層 は、特開2003-221695号公報に記載された方法を� ��いて形成した。また、窒化層は、アンモニ� ��分解ガス雰囲気中で550℃×5hの処理を施しさ らに仕上を行って形成した。なお、窒化層の 厚さは約100μmであった。
 また、DLC層は、CVD法でC ₂ H ₂ ガスを分解し、WとNiを含むターゲットをスパ ッタ法で蒸発させて皮膜を形成した。
 表面処理層の形成は、摺動面または全周と� ��た。表面処理層の硬さについて、ピストン� ��ング相当材から硬さ試験片を採取し、表面� ��理層の硬さをビッカース硬さ計(試験力:1.96N (荷重200gf))を用いて測定した。

 なお、従来例であるNo.89は、SUS 410J製線材� �ある。
 ピストンリング相当材の表面粗さは、JIS B� �0601(1994)に規定するRzで0.85~0.95(μm)、DIN 4776に 規定されるRpkで0.06~0.15(μm)とした。
 耐摩耗性試験は、図1に模式的に示すアムス ラー型摩耗試験機を用いて行った。耐摩耗性 試験は、試験材1を、回転する相手材2に所定� ��荷重wで所定時間押圧する試験とした。ここ で、3は潤滑油である。なお、相手材2はJIS B� �0601(1994)に規定される表面粗さRzで0.70~0.88(μm) 、DIN 4776に規定されるRkで0.20~0.38(μm)、Rpkで0. 05~0.10(μm)、Rvkで0.08~0.2(μm)のシリンダライナ� �当材(24.0%Si-0.8%Mg-3.0%Cu-0.15%Fe-0.01%Ni-Al組成の過 共晶アルミ-シリコン系材料)とした。試験条� ��はつぎのとおりとした。

  相手材周速:1m/s
  荷重   :784N
  潤滑油  :タービン油
  試験時間 :8hr
  オイル温度:80℃
 試験後、試験材(ピストンリング相当材)、� �手材(シリンダライナ相当材)の摩耗量(μm)を� ��定し、耐摩耗性を評価した。

 得られた結果を表2に示す。

 本発明例はいずれも、比較例のマルテンサ� ��ト系ステンレス鋼製ピストンリング(線材No. 89)に比較し、著しく高い耐摩耗性を有してい た。なお、本発明例における表面処理層の硬 さは1100~1200HV程度であった。
 なお、表2には耐スカッフ性の評価を示して いないが、本発明例は従来と同じ表面処理層 を形成しており、問題のない耐スカッフ性を 有していることは言うまでもない。