專利名稱：內(nèi)燃機用活塞的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于汽車發(fā)動機，特別是柴油機等內(nèi)燃機用活塞及其制造方法。
背景技術(shù)：
汽車發(fā)動機的燃燒溫度以及壓力，為了達(dá)到高輸出化以及低燃料成本化，有漸漸上升的趨勢。因此，特別是柴油機用的活塞，要求具有高溫屈服強度、高溫剛性、耐熱裂紋性等的耐熱性，和以高輸出化以及低燃料成本化為目的的輕量化。此外例如，在活塞的裙部和汽缸套之間、活塞的銷座和活塞銷之間、活塞的環(huán)槽和活塞環(huán)之間等的滑動部位中，為了不使異常磨損、擦傷、燒結(jié)等發(fā)生，要求提高其耐磨損性、耐燒結(jié)性、低溫膨脹性等的特性。特別是如果耐燒結(jié)性(也被稱作“耐磨損性”或“耐擦傷性”)低，則活塞和配合部件的表面受到損傷，不僅會增加磨損，也會導(dǎo)致擦傷和燒結(jié)。因此，耐燒結(jié)性對活塞是極為重要的特性。
在現(xiàn)有的柴油機用活塞中，為了達(dá)到輕量化，所使用的是JIS AC8A等的鋁合金。但是，由鋁合金制成的活塞，由于熱及機械的疲勞溫度低，為350℃左右，還有熱膨脹量也大，所以容易發(fā)生燒結(jié)和擦傷等的問題。因此，最近取代鋁合金所采用的是大約到400℃的耐久性比較高的，并且由于組織內(nèi)的石墨自身具有的潤滑性而使耐燒結(jié)性良好的球狀石墨鑄鐵(例如參照特開平10-85924號)。
但是，球狀石墨鑄鐵制活塞雖具有充分的延展性的部件，但活塞溫度為450℃以上時則耐熱性不足，由于熱和機械負(fù)載的反復(fù)作用，在開口緣(lip)等處會發(fā)生熱裂紋等問題。還有到15MPa左右的燃燒壓力為止，由于石墨產(chǎn)生的自身潤滑性而發(fā)揮比較良好的耐燒結(jié)性，但是如果上升到20MPa以上，則石墨的潤滑不能夠滿足耐燒結(jié)性，并且高溫屈服強度以及高溫剛性下降，由于與汽缸套等的配合部件的緊密接觸，活塞以及配合部件的磨損進(jìn)行，致使漏氣加大，還有由于一端接觸等的原因，發(fā)生擦傷、燒結(jié)、破損的問題，可能會有損發(fā)動機的性能。
為了實現(xiàn)輕量化，如果要削減球狀石墨鑄鐵制活塞的厚度，則高溫剛性過低，開口緣之外的銷座部、裙部等處也有可能會發(fā)生裂紋。因此，球狀石墨鑄鐵制活塞的大幅輕量化十分有限。
在美國專利第5136992號中，為了對應(yīng)燃燒溫度以及壓力的上升，提出了分別制作包含活塞的銷座部的頭部和裙部，組裝成一體的活塞。圖9是該活塞100一例的斷面圖?；钊?00具有以下部分，具有燃燒室105、頂面106以及燃燒室105的開口緣(lip)107的頭部101，和裙部102，和頂岸108，和裝配有活塞環(huán)的環(huán)槽109，和銷座部104，和汽油進(jìn)行循環(huán)對燃燒室105進(jìn)行冷卻的被稱作冷卻通道或者坑道(gallery)的冷卻空腔部103。100h表示從銷孔中心到頂面106的尺寸的壓縮高度(compressionheight)。
并且記載有，為了具有高耐熱性，頭部101以及銷座部104由以重量％計C0.32～0.45％、Si0.4～0.9％、Mn1.0～1.8％、P0.035％以下、S0.065％以下、V0.06～0.15％，剩余部分以Fe組成的、析出硬化的鐵素體—珠光體組織鍛鋼制成，裙部102由鋁等的輕質(zhì)合金制成。由于這樣的構(gòu)成，與現(xiàn)有的Feba1Cr42Mo4合金相比較可以進(jìn)行更低成本的制造。
但是，鍛鋼活塞100雖然其高溫剛性優(yōu)異，但由于組織中不存在自身具有潤滑性的石墨，所以燃燒壓力上升至20～25Mpa時，則有可能耐燒結(jié)性以及耐磨損性不足。并且由于使用鍛造法制造而成，硫化物和非金屬夾雜物沿鍛造時的主變形方向(沿鍛件纖維流線)被拉細(xì)伸長，有可能以此為起點在高的熱、機械負(fù)荷下，在燃燒室105的開口緣107等處發(fā)生熱裂紋。
還有由于有必要進(jìn)行頭部101和裙部102的組裝工序，所以還有制造成本高的問題。此外，因為要加工冷卻空腔部103，有必要留有刀頭插入的空間，所以不能得到更大的壓縮高度100h，難以實現(xiàn)緊湊化。此外，因為鍛造法不能夠以一道工序制造出一體的含有冷卻空腔部103的活塞，所以有必要進(jìn)行冷卻空腔部103的加工工序和空腔部103的塞蓋f的固定工序，成為制造成本上升的原因。
在日本國特許第2981899號中提出了，為了提高耐磨損性以及耐燒結(jié)性，使用了對表面進(jìn)行了氮化處理的活塞環(huán)材料，以質(zhì)量％計，含有C0.6～1.1％、Si2.0％以下、Mn2％以下、Cr10.0～18.0％、Mo及/或W(Mo+1/2W)0.5～4.0％、V及/或Nb(V+1/2Nb)0.05～2.0％、Ni2.5％以下、Co12％以下、Ni+Co0.5％以上、P0.015％以下、S0.005％以下、O30ppm以下，剩余部分為Fe以及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，是一種在硫酸氣氛中具有優(yōu)異的耐腐蝕磨損性以及耐疲勞性的活塞環(huán)材料。并且記載有，V以及Nb不僅可以使晶粒細(xì)化從而提高韌性，而且可以形成碳化物提高耐磨損性以及耐燒結(jié)性，還有可以提高抗回火軟化性。
但是，由于活塞環(huán)是由寬度很窄的板材經(jīng)加工形成環(huán)狀，所以即使用含有大量Cr碳化物的鋼材也能夠很容易地進(jìn)行制造。盡管想制造如活塞一類的形狀復(fù)雜的加工量多的一體式的鑄造品，但是由于鑄造以及加工困難，還具有制造的合格率低，或者巨大的成本和繁瑣的工序等的問題。因此，從上述活塞環(huán)材料鑄造成一體的活塞是極其困難的。此外，上述活塞環(huán)材料并不兼?zhèn)浠钊匾降母邷厍姸取⒏邷貏傂?、耐熱裂紋性等的耐熱性，以及耐燒結(jié)性，所以不能夠用于一體鑄造的活塞。
特別是柴油機用的活塞，推測其隨著燃燒溫度的升高會上升到450～500℃左右的溫度，燃燒壓力會上升到20MPa～25MPa左右。因此活塞要求具有承受這樣的高溫高壓的耐熱性。而且，在熱和機械負(fù)載高的條件下的滑動中要求其耐燒結(jié)性高，以便于不發(fā)生由于與汽缸套、活塞銷、活塞環(huán)等的配合部件的接觸而引起的擦傷或燒結(jié)等。此外，為了達(dá)到發(fā)動機的高輸出化以及低燃料成本化、還有降低活塞的往復(fù)運動時的慣性力、活塞的輕量化、降低摩擦、降低發(fā)動機噪音、發(fā)動機室小型化等的要求。因此期望活塞的厚度得到削減，壓縮高度得到降低。
對此，要求活塞具有很高的強度和延展性，即使在熱和機械負(fù)載高的的狀況下使用，也不會發(fā)生由于振動或沖撞而產(chǎn)生的裂紋或破裂。特別是為了不使裂紋和破裂發(fā)生，延展性不僅在發(fā)動機內(nèi)的使用時受到要求，而且在生產(chǎn)工序和組裝工序等中也有要求。一般情況下，用常溫伸長率代表常溫以下的低溫的延展性。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種內(nèi)燃機用活塞，其具有良好的常溫伸長率，并且具有高的高溫屈服強度和高溫剛性以及耐熱裂紋性，因而即使活塞溫度上升至450℃以上、燃燒壓力上升至20MPa以上時也可以使用，并且其耐燒結(jié)性也優(yōu)異，適用于汽車發(fā)動機特別是柴油機等。
本發(fā)明的另一個目的在于，提供一種所述內(nèi)燃機用活塞的制造方法。
鑒于上述目的而進(jìn)行潛心研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn)由具有耐熱性、耐腐蝕性、耐磨損性的鑄鋼經(jīng)一體鑄造而成的活塞，即使在450℃以上的活塞溫度以及20MPa以上的燃燒壓力的嚴(yán)酷條件下也可以充分發(fā)揮高溫屈服強度、高溫剛性、耐熱裂紋性以及耐燒結(jié)性，還可能實現(xiàn)輕量化。
本發(fā)明的內(nèi)燃機用活塞，其特征在于一體鑄造而成。即，本發(fā)明的內(nèi)燃機用活塞，其頭部、和銷座部、和套筒部一體鑄造而成。一體鑄造而成的內(nèi)燃機用活塞優(yōu)選具有冷卻空腔部。內(nèi)燃機用活塞適用于柴油機，特別優(yōu)選頭部具有燃燒室、上述燃燒室附近形成有冷卻空腔部的。
形成本發(fā)明的內(nèi)燃機用活塞的第一鑄鋼，以質(zhì)量比計，優(yōu)選含有C0.8％以下、Si3％以下、Mn3％以下、S0.2％以下、Ni3％以下、Cr6％以下、Cu6％以下、Nb0.01～3％，余量實質(zhì)上由Fe以及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。其優(yōu)選組成為，以質(zhì)量比計，C0.1～0.55％、Si0.2～2％、Mn0.3～3％、S超過0.005％且為0.2％以下、Ni1％以下、Cr3％以下、Cu1～4％、Nb0.1～3％，剩余部分實質(zhì)上由Fe以及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。
形成本發(fā)明的內(nèi)燃機用活塞的第二鑄鋼，以質(zhì)量比計，優(yōu)選含有C0.1～0.8％、Si3％以下、Mn3％以下、S0.2％以下、Ni10％以下、Cr30％以下、Cu6％以下、Nb0.05～8％，剩余部分實質(zhì)上由Fe以及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。其更優(yōu)選組成為，以質(zhì)量比計，C0.1～0.55％、Si0.2～2％、Mn0.3～3％、S0.05％～0.2％、Ni0.5～6％、Cr6～20％、Cu1～4％、Nb0.2～5％，剩余部分實質(zhì)上由Fe以及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。C、Ni以及Nb的含量優(yōu)選滿足0.05＜(C％+0.15Ni％-0.12Nb％)≤0.8的條件?；慕M織的奧氏體相優(yōu)選低于鑄鋼組織全體的30％。
本發(fā)明的內(nèi)燃機用活塞用的第一以及第二鑄鋼優(yōu)選此外還含有V及/或Ti并且抑制其含量在0.5質(zhì)量％以下。第一以及第二的鑄鋼中任一個優(yōu)選還含有Al、Mg以及Ca中的至少一種并且抑制其含量在0.04質(zhì)量％以下。
對第一的鑄鋼，優(yōu)選鑄造后在850℃以上保持后進(jìn)行空冷處理。還有，對第二的鑄鋼，優(yōu)選鑄造后在450℃以上保持后進(jìn)行空冷處理。對第二的鑄鋼，更優(yōu)選鑄造后在1000℃以上保持后進(jìn)行急冷，接著在450℃以上保持后進(jìn)行空冷處理。
作為鑄鋼，優(yōu)選使用以下鑄鋼，(1)基材組織由α-鐵素體相以及珠光體相構(gòu)成的鑄鋼(以下，簡稱為“α-P系鑄鋼”)、以及(2)基材組織由δ-鐵素體相以及馬氏體相構(gòu)成，奧氏體相低于30％的鑄鋼(以下，簡稱為“δ-M系鑄鋼”)。特別是柴油機用活塞等，由于要承受嚴(yán)酷的熱和機械負(fù)載，所以優(yōu)選使用δ-M系鑄鋼，作為δ-M系鑄鋼，具體地說優(yōu)選以析出硬化型不銹鋼SCS24(JIS)或析出硬化型不銹鋼SUS630(JIS)(通稱17-4PH)一類的具有耐熱性、耐腐蝕性、耐磨損性的材料為基材，修正組成使其具有耐燒結(jié)性而得到的鑄鋼。
通過利用同時復(fù)合成形技術(shù)(near net shape)進(jìn)行一體鑄造，不僅不需要構(gòu)成部分的組裝和接合，而且能夠減少加工費用。因此，與美國專利第5136992中所記載的、需要進(jìn)行冷卻空腔部的加工和安裝空腔部的蓋以及組裝頭部和裙部的、組裝式鍛造活塞相比，具有顯著降低制造成本的優(yōu)點。還有，一體鍛造的活塞，不需要留有加工冷卻空腔部而需要的加工空間，可以降低壓縮高度，所以實現(xiàn)活塞的輕量化和緊湊化成為可能。如果作為活塞的構(gòu)成部分的頭部、銷座部、和裙部通過鑄造形成一體，那么可以作為不需要冷卻空腔部的汽油(發(fā)動)機用的活塞進(jìn)行使用。此外，如果包含冷卻空腔部通過鑄造成形一體，則適用于柴油機用的活塞。特別是最適用于活塞的頭部具有燃燒室、在燃燒室附近形成有冷卻空腔部的直噴型的柴油機用活塞。
為了得到高溫屈服強度、高溫剛性、耐熱裂紋性，并且確保常溫拉伸率、兼?zhèn)淠蜔Y(jié)性，需控制組織中的共晶碳化物的面積率為1～35％。由于共晶碳化物的硬度高，所以通過將組織中的共晶碳化物的面積率控制在1～35％，活塞所含的高硬度的共晶碳化物，可以使來自下述配合部件中所含的高硬度相對活塞的攻擊性得到緩解，例如，汽缸套材中所含的斯氏體、活塞環(huán)材中所含的Cr碳化物、活塞銷材的表面的滲碳淬火而得到的馬氏體等。還有，通過含有適量的共晶碳化物，可以減少粘附性相對較高的母相(即，基材組織)的面積率，所以可以抑制活塞和配合部件的母相之間的粘附而提高耐燒結(jié)性。上述效果在共晶碳化物的面積率在1％以上時可以得到，但是當(dāng)其超過35％，則由于共晶碳化物的硬度高，反而會增加對配合部件的攻擊性使配合部件磨損，并且降低耐燒結(jié)性，還有會降低延展性。因此，組織中的共晶碳化物的面積率規(guī)定為1～35％。還有，所說面積率為，共晶碳化物的總面積占視野內(nèi)全測定面積的比率(百分比)。
還有組織中的共晶碳化物，在組織中并不是相同的均勻地分散的狀態(tài)，而是形成共晶碳化物與母相(基材組織)的集合體即共晶群體，通過此共晶群體的分散、存在，能夠在對延展性的損傷不大的基礎(chǔ)上，提高耐燒結(jié)性。如圖5所示，共晶群體是指，母相53中細(xì)微的共晶碳化物51密集地結(jié)晶，共晶碳化物51與母相53以一塊的集合體形態(tài)存在的群體。因為共晶碳化物的硬度高，所以如上所述，有助于確保耐磨損性和提高耐燒結(jié)性，此外，這些作為共晶群體，并且在組織中分散存在，能夠進(jìn)一步提高耐燒結(jié)性。即，作為活塞使用時，由于與配合部件的滑動，在共晶群體內(nèi)的共晶碳化物之間或共晶群體之間存在的硬度相對較低(軟的)的母相優(yōu)先磨損成凹狀。此凹狀領(lǐng)域作為潤滑油等的儲油處而發(fā)生作用，所以可以提高活塞的保油性，其結(jié)果，提高了耐燒結(jié)性。還有，通常碳化物的增加會導(dǎo)致延展性下降，但是碳化物作為細(xì)微的共晶碳化物被包圍在母相中存在，從而可以大幅地抑制延展性的下降。
對于本發(fā)明的活塞來講，例如在與汽缸套配合部件的滑動中，活塞中所含的共晶碳化物緩和掉存在于汽缸套中的高硬度的斯氏體的攻擊性，從而防止活塞的損傷、確保耐磨損性，并且與上述提高保油性的效果產(chǎn)生協(xié)同效果，成為耐燒結(jié)性優(yōu)異的材料，其中所述汽缸套配合部件由相當(dāng)于FC300的高P(磷)片狀石墨鑄鐵制成。還有，例如在與活塞銷配合部件的滑動中，活塞中所含共晶碳化物抑制由于活塞銷中所含高硬度的滲碳相所致的對活塞的磨損，成為耐磨損性和耐燒結(jié)性均優(yōu)異的活塞，其中所述活塞銷配合部件由經(jīng)滲碳淬火處理的CrMo鋼或者Cr鋼制成。
在本發(fā)明的內(nèi)燃機用活塞中，上述共晶碳化物的平均當(dāng)量圓直徑在3μm以下為佳。通過使共晶碳化物的平均當(dāng)量圓直徑在3μm以下，可以降低共晶碳化物的切口敏感度，確?；钊庸r的切削性，并不使延展性大幅下降。此外，對共晶碳化物的脫落所致的磨料磨損的抑制效果，可以更進(jìn)一步地提高耐燒結(jié)性。還有，共晶碳化物的平均當(dāng)量圓直徑為，將共晶碳化物的面積換算成具有同一面積的圓時此圓(模擬圓)的直徑的平均值。
還有，對于上述共晶群體來講，優(yōu)選一個(一塊)共晶群體的面積在50μm2以上的共晶群體個數(shù)，在1mm2組織斷面面積中(即，每平方毫米的單位面積)有10個以上。由于對組織中的共晶群體的大小及其單位面積的個數(shù)按上述進(jìn)行規(guī)定，所以能夠適當(dāng)?shù)卮_?；钊陨淼哪湍p性和保油性、對配合部件的攻擊性等的平衡，能夠進(jìn)一步提高活塞的耐燒結(jié)性。
還有，若要生成共晶碳化物，含有Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta這些IVa族、Va族的元素即可。這些元素與C結(jié)合使共晶碳化物細(xì)化，并且使共晶碳化物以被母相包圍的集合體的形態(tài)，即，使其以共晶群體的形態(tài)結(jié)晶，有助于提高耐燒結(jié)性、耐磨損性。其中特別是共晶碳化物中如果含有Nb碳化物(NbC)，則在提高耐燒結(jié)性、耐磨損性的基礎(chǔ)上，根據(jù)后述的作用效果，還能夠進(jìn)一步促進(jìn)鑄造性的改善和確保切削性，因而更優(yōu)選。


圖1是表示本發(fā)明的活塞的斷面圖。
圖2是實施例41的金相組織顯微鏡照片(100倍)。
圖3是比較例5的金相組織顯微鏡照片(100倍)。
圖4是實施例41的金相組織顯微鏡照片(400倍)。
圖5是共晶碳化物和共晶群體的概念圖。
圖6是熱裂紋試驗裝置的概念圖。
圖7是往復(fù)運動摩擦磨損試驗的概念圖。
圖8是銷盤法(pin on disk)試驗的概念圖。
圖9是表示將分別制作的含有銷座的頭部和套筒部進(jìn)行組裝的現(xiàn)有活塞的斷面圖。
具體實施例方式鑄鋼的組成(A)第一鑄鋼(α-P系鑄鋼)(1)C0.8％以下C使共晶碳化物生成，并且使凝固溫度降低，提高鋼水的流動性，即提高鑄造時的鋼水流動性等對鑄造性具有良好的作用。此效果，對鑄造薄壁活塞時非常重要。但是，C超過0.8％，則共晶碳化物的面積率超過35％而大量結(jié)晶，并且Cr等的析出碳化物增加，反而會降低耐燒結(jié)性和延展性，并且會增強對配合部件的攻擊性。因此，C為0.8％以下。C含量優(yōu)選為0.1～0.6％，進(jìn)一步優(yōu)選為0.3～0.55％。
(2)Si3％以下Si具有作為鋼水的脫氧劑的作用，能夠防止CO氣體等引起的氣體缺陷等確保鑄造性。如果Si超過3％，則會使耐熱沖擊性、切削性下降。因此Si為3％以下，優(yōu)選為0.2～2％。
(3)Mn3％以下Mn具有鋼水的脫氧作用以及生成非金屬夾雜物改善切削性。但是Mn超過3％，則會降低韌性，所以Mn設(shè)定為3％以下，優(yōu)選為0.3～3％，進(jìn)一步優(yōu)選為0.3～2％。
(4)Ni3％以下即使活塞溫度上升至450℃以上，Ni也能夠抑制高溫屈服強度、高溫強度的下降，并且確保高溫剛性，所以能夠保證活塞進(jìn)行精密加工的尺寸精度，防止磨損、漏氣、擦傷、燒結(jié)、破損等的問題的發(fā)生。為了具有這些作用，Ni的含量在3％以下，優(yōu)選為1％以下。
(5)Cr6％以下Cr具有強化基材組織提高高溫屈服強度的作用。還有，在活塞表面形成惰性膜，減少活塞內(nèi)部的基材組織直接與配合部件相接觸的機會。但是，如果超過6％，則會使鑄鋼的切削性下降，所以Cr設(shè)定為6％以下。Cr含量更優(yōu)選為4％以下，特別優(yōu)選為3％以下。
(6)Cu6％以下Cu在基材組織中細(xì)微地析出，提高自身潤滑性，防止燒結(jié)。但是，如果超過6％，則會降低高溫剛性和延展性，所以Cu設(shè)定為6％以下。Cu優(yōu)選為1～4％。
(7)Nb0.01～3％Nb與C結(jié)合，使細(xì)微的共晶碳化物(NbC)以共晶群體的形態(tài)結(jié)晶析出，可以提高活塞的耐燒結(jié)性以及耐磨損性。此外改善鑄造時的鋼水流動性，并且防止由于凝固收縮引起的氣孔、破裂(熱裂紋)等的鑄造缺陷，提高鑄造性。還有Nb抑制Cr碳化物等的析出型粗大碳化物的生成，所以可以抑制延展性下降和對配合部件的攻擊性的增加，并且確保加工時的切削性。此外在共晶碳化物之外，形成氮化物有強化珠光體的作用。為了得到上述效果，有必要含有0.01％以上的Nb。另一方面，如果超過3％，則共晶碳化物的面積率超過35％，反而會導(dǎo)致耐燒結(jié)性和延展性的降低以及對配合部件的攻擊性的增加，并且使耐熱裂紋性以及切削性下降。因此，Nb設(shè)定為0.01～3％。Nb優(yōu)選為0.1～3％，進(jìn)一步優(yōu)選為0.2～3％。
(8)S0.2％以下S與Mn、Cr生成硫化物，提高耐熱裂紋性，并且生成S系夾雜物，具有改善鑄鋼的切削性的作用。但是，如果S超過0.2％，則S夾雜物變得過量，惡化耐熱裂紋性。為了使硫化物和S系夾雜物按恰當(dāng)?shù)钠胶馍梢员阌诩婢哌m當(dāng)?shù)哪蜔崃鸭y性以及切削性，S為0.2％以下，優(yōu)選為0.005～0.2％，進(jìn)一步優(yōu)選為0.03～0.2％。
(9)Mo5％以下為了提高高溫強度，Mo設(shè)定為5％以下，優(yōu)選為1％以下。
(10)Co5％以下為了在基材組織中進(jìn)行固溶，改善高溫屈服強度、高溫強度、高溫剛性，Co設(shè)定為5％以下，優(yōu)選為3％以下。
(11)Al、Mg以及Ca中的至少一種0.04％以下Al、Mg以及Ca，具有鋼水的脫氧劑的效果，還具有作為對切削性有效的硫化物的核的作用，還具有細(xì)微地進(jìn)行分散的效果，所以可以使其含有。另一方面，如果含有過量的Al、Mg以及Ca，則作為非金屬夾雜物殘留在基材組織中，使耐熱裂紋性下降。因此，根據(jù)必要可以使Al、Mg以及Ca中至少一種的含量在0.04％以下。
(12)其他的元素Ti、Zr、Hf、V、Ta等IVa族、Va族的元素與Nb具有相同的效果。V以及Ti的含量優(yōu)選分別在0.5％以下。還有W可以含有5％以下、B可以含有0.05％以下、N可以含有0.1％以下。
(B)第二鑄鋼(δ-M系鑄鋼)(1)C0.1～0.8％與第一鑄鋼的情況相同，C是生成共晶碳化物所必須的元素，對鑄造性具有良好的作用。但是，如果C超過0.8％，則共晶碳化物的面積率超過35％而大量結(jié)晶析出，并且Cr等的析出碳化物增加，反而會降低耐燒結(jié)性和延展性，并且會增強對配合部件的攻擊性。因此，C含量為0.1～0.8％，優(yōu)選為0.1～0.55％，進(jìn)一步優(yōu)選為0.1～0.4％。
(2)Si3％以下根據(jù)與第一鑄鋼相同的理由，Si為3％以下，優(yōu)選為0.2～2％。
(3)Mn3％以下根據(jù)與第一鑄鋼相同的理由，Mn為3％以下，優(yōu)選為0.3～3％。
(4)Ni10％以下根據(jù)與第一鑄鋼相同的理由，Ni優(yōu)選為0.5～6％。
(5)Cr30％以下Cr，在活塞表面形成惰性膜，減少活塞內(nèi)部的基材組織直接與配合部件相接觸的機會。還有，與Ni或Cu組合使基材組織形成馬氏體，具有提高活塞的強度的作用。即使含有30％以上，效果的程度也不會變化，反而會提高合金成本有損經(jīng)濟性，而且會增加與C的析出碳化物，導(dǎo)致延展性和加工時的切削性下降，增加對配合部件的攻擊性，所以設(shè)定為30％以下。Cr優(yōu)選為6～20％。
(6)Cu6％以下Cu在基材組織中細(xì)微地析出，提高自身潤滑性，防止燒結(jié)。但是，如果超過6％，則會降低高溫剛性和延展性，所以Cu設(shè)定為6％以下。Cu優(yōu)選為1～4％。
(7)Nb0.05～8％Nb與C結(jié)合，使細(xì)微的共晶碳化物(NbC)以共晶群體的形態(tài)結(jié)晶析出，可以提高活塞的耐燒結(jié)性以及耐磨損性。此外改善鑄造時的鋼水流動性，并且防止由于凝固收縮引起的氣孔、裂紋(熱裂紋)等的鑄造缺陷，提高鑄造性。還有Nb抑制Cr碳化物等的析出型粗大碳化物的生成，所以可以抑制延展性下降和對配合部件的攻擊性的增加，并且確保加工時的切削性。此外，NbC還具有提高高溫屈服強度的效果。為了得到這些效果，Nb含量有必要在0.05％以上。另一方面，如果超過8％，則共晶碳化物的面積率超過35％，反而會降低耐燒結(jié)性和延展性，導(dǎo)致對配合部件的攻擊性的增加，并且使耐熱裂紋性以及切削性下降。因此，Nb設(shè)定為0.05～8％。Nb優(yōu)選為0.2～5％，進(jìn)一步優(yōu)選為0.2～3.5％。
(8)S0.2％以下S與Mn、Cr生成硫化物，提高耐熱裂紋性，并且生成使耐熱裂紋性下降的S系夾雜物，通過其內(nèi)部的潤滑作用，改善切削性。但是，如果S超過0.2％，則S系夾雜物過量，惡化耐熱裂紋性。為了使硫化物和S系夾雜物按恰當(dāng)?shù)钠胶馍啥玫竭m當(dāng)?shù)哪蜔崃鸭y性以及切削性，S為0.2％以下，優(yōu)選為0.05～0.2％，進(jìn)一步優(yōu)選為0.1～0.2％以下。
(9)Mo5％以下根據(jù)與第一鑄鋼相同的理由，Mo為5％以下，優(yōu)選為3％以下。
(10)Co5％以下根據(jù)與第一鑄鋼相同的理由，Co為5％以下，優(yōu)選為3％以下。
(11)C、Ni以及Nb的比率C、Ni以及Nb的含量，優(yōu)選滿足0.05＜(C％+0.15Ni％-0.12Nb％)≤0.8(質(zhì)量比)的條件。為了鑄造低成本的活塞，有必要使用低價的原材料。根據(jù)成為原材料的廢料材，為了確保鑄造時的鋼水流動性等的鑄造性，有時不得不以高C量鑄造。在δ-M系鑄鋼中，如果C量變多，則Ms點下降，常溫下奧氏體大量殘留，有時不能得到高溫屈服強度、高溫剛性。通過將生成NbC而使奧氏體中的C量下降其結(jié)果具有防止基材的Ms點下降作用的Nb、和導(dǎo)致Ms點下降的Ni量，限制在0.05＜C％+0.15Ni％-0.12Nb％)≤0.8的范圍，能夠得到所期望的高溫屈服強度以及高溫剛性。
(12)Al、Mg以及Ca中的至少一種0.04％以下根據(jù)與第一鑄鋼相同的理由，Al、Mg以及Ca中至少一種可以含有在0.04％以下。
(13)其他的元素Ti、Zr、Hf、V、Ta等IVa族、Va族的元素也具有與Nb相同的效果。V以及Ti的含量優(yōu)選分別在0.5％以下。還有W可以含有5％以下、B可以含有0.05％以下、N可以含有0.1％以下。
(14)不可避免的雜質(zhì)P從原料不可避免的混入，使韌性下降，所以越少越好，具體為0.05％以下為佳。
內(nèi)燃機用活塞的組織以及特性鑄鋼優(yōu)選具有組織中的共晶碳化物的面積率為1～35％、上述共晶碳化物形成共晶群體(共晶碳化物和母相的集合體)的組織。上述共晶群體的平均當(dāng)量圓直徑優(yōu)選在3μm以下。對上述共晶群體而言，優(yōu)選一個共晶群體的面積為50μm2以上的共晶群體個數(shù)在組織斷面積1mm2中有10個以上。上述共晶碳化物優(yōu)選含有Nb碳化物。
在第一以及第二的內(nèi)燃機用活塞中，優(yōu)選組織中的含有Mn、Cr中至少一種的硫化物的面積率為0.2～3.0％、圓度在0.7以上的硫化物相對于全體硫化物的個數(shù)在70％以上。
作為活塞的部件，通過從具有耐熱性、耐腐蝕性、耐磨損性的鑄鋼中選擇適當(dāng)?shù)牟牧希蛊涑蔀榧词够钊麥囟壬仙?50℃以上、燃燒壓力上升至20MPa以上，也具備有充分的高溫屈服強度、高溫剛性、耐熱裂紋性的活塞。例如，鑄鋼與球狀石墨鑄鐵等相比較，由于耐熱裂紋性高，因而在高溫燃燒室及其附近的開口緣處很難有熱裂紋發(fā)生，還有由于高溫剛性高，即使出于輕量化而對主要部的壁厚進(jìn)行削減也能夠維持形狀尺寸，所以很難發(fā)生磨損、漏氣、擦傷、燒結(jié)、破損等問題，無損于發(fā)動機的性能。此外，通過活塞的輕量化和降低壓縮高度等的緊湊化，發(fā)動機全體的重量降低、使發(fā)動機的高輸出化和低燃料成本化、發(fā)動機噪音的降低、發(fā)動機室的小容量化均成為可能。還有通過對共晶碳化物的面積率進(jìn)行規(guī)定，可以確保充足的延展性(常溫伸長率)，用于發(fā)動機和作為部件的生產(chǎn)中以及配置和安裝到發(fā)動機等的處理當(dāng)中，都不會發(fā)生裂紋和破裂。
上述鑄鋼在350℃到500℃的范圍中，具有350MPa以上的0.2％屈服強度以及140GPa以上的縱彈性模量。具體地說，在350℃～500℃的范圍中優(yōu)選確保0.2％屈服強度在350℃為400MPa以上、在450℃為350MPa以上、在500℃為300MPa以上。還有，作為高溫剛性的指標(biāo)的縱彈性模量，希望活塞溫度在450℃以上時能確保在100GPa以上。如果能夠確保這樣的高溫下的屈服強度和剛性，則根據(jù)其協(xié)同效果，耐熱裂紋性也可以得到確保。此外，作為延展性指標(biāo)的常溫伸長率，能夠確保在實用上沒有問題水平的3.0％以上。
作為表示低溫膨脹性的指標(biāo)的從常溫到500℃的平均線膨脹系數(shù)優(yōu)選10～16×10-6/℃。由此，與片狀石墨鑄鐵的汽缸套的平均線膨脹系數(shù)(20～480℃的溫度范圍下13.1×10-6/℃)大約相等，即使在從常溫到450～500℃的溫度區(qū)域內(nèi)使用，活塞外徑與汽缸套的間隙變小，并且能夠適當(dāng)?shù)卮_保、維持，使?jié)櫥玫臐櫥偷南臏p少。還有，燃燒氣體從活塞、活塞環(huán)、汽缸套的間隙間通過吹向曲軸箱的、所謂漏氣減少，確保了發(fā)動機的輸出，此外，在活塞、活塞環(huán)、汽缸套間所生成的油膜不會消失，從而抑制這些部件的磨損，此外還能夠降低發(fā)動機的噪音。
內(nèi)燃機用活塞的制造方法(A)α-P系鑄鋼活塞第一內(nèi)燃機用活塞的制造方法，具有鑄造α-P系鑄鋼后，在850℃以上保持后進(jìn)行空冷的特征。鑄造出的毛坯活塞，由于制品形狀、方案配置、鑄型形狀等的因素，有時活塞各部的凝固速度會變得參差不齊，所以優(yōu)選通過熱處理進(jìn)行均質(zhì)化處理、對耐磨損性、硬度以及機械的性質(zhì)進(jìn)行調(diào)整。鑄造后在850℃以上加熱進(jìn)行保持后，空冷進(jìn)行正火處理，能夠得到先析鐵素體和致密的珠光體的混合組織，能夠確保作為活塞材料必要的強度和耐磨損性。
加熱溫度低于850℃則不能完全奧氏體化。為了使全體組織實現(xiàn)奧氏體化，有必要加熱到850℃以上。優(yōu)選加熱保持溫度為900～950℃。
加熱保持時間，根據(jù)活塞的尺寸、形狀等決定，不能一概而論，一般情況下，小型活塞為0.5小時以上，大型活塞為1小時以上。
(B)δ-M系鑄鋼活塞第二內(nèi)燃機用活塞的制造方法，具有鑄造δ-M系鑄鋼后，(a)在450℃以上保持，進(jìn)行空冷，或(b)在1000℃以上保持，進(jìn)行急冷后，在450℃以上保持，進(jìn)行空冷的特征。如果由于使用中的材質(zhì)變化而活塞發(fā)生永久變形，就會發(fā)生漏氣或磨損、燒結(jié)或破損等問題，損害發(fā)動機性能，所以有必要對材質(zhì)變化預(yù)先進(jìn)行極小化處理。因此，在超過使用溫度下進(jìn)行保持，使材質(zhì)穩(wěn)定化的方法十分有效。具體地說，優(yōu)選鑄造后在活塞的使用溫度450℃以上保持進(jìn)行空冷的時效處理的方法。此外，在此時效處理之前，鑄造后，如果實施在1000℃以上保持進(jìn)行急冷的固溶化處理，則材料中的脆性碳化物(例如，Cr碳化物)被固溶，使韌性以及延展性得到確保，所以更優(yōu)選。
固溶化處理和時效處理中的加熱保持時間，根據(jù)活塞的尺寸、形狀等決定，不能一概而論，一般情況下，對于小型活塞而言前者為0.5小時以上、后者為2小時以上，對于大型活塞而言前者為1.5小時以上、后者為4小時以上為目標(biāo)。
根據(jù)以下實施例更詳細(xì)地說明本發(fā)明，但是本發(fā)明并不僅局限于此。
實施例1～20、比較例1～4、現(xiàn)有例1、2(1)試樣的制作表1表示本實施例以及比較例中所使用的試樣的化學(xué)組成(質(zhì)量％)。實施例1～20，表示的是Cr含量少的α-P系鑄鋼(本發(fā)明的組成范圍內(nèi))的試樣，比較例1～4表示的是本發(fā)明組成范圍之外的α-P系鑄鋼的試樣。比較例1為Nb含量極少的鑄鋼，比較例2為Nb含量極多的鑄鋼，比較例3為S含量極多的鑄鋼，比較例4為Nb含量極少S含量極多的鑄鋼。還有現(xiàn)有例1為使用特開平10-85924中所公開的球狀石墨鑄鐵(JISFCD600)的例子，現(xiàn)有例2為使用美國專利第5136992號中所公開的鍛造鋼的例子。
實施例1～20以及比較例1～4的鑄鋼經(jīng)100kg高頻熔解爐(堿性襯里)熔解后，在1550℃以上的溫度下出爐到澆包中，在1500℃以上的溫度下直接澆注到1英寸的Y模具中。對于實施例16以及20以外的實施例1～20的鑄鋼，以及比較例1～4的鑄鋼實施正火熱處理，即鑄造后在850～1000℃進(jìn)行1小時的保持，接著進(jìn)行空冷，得到基材組織由鐵素體相以及珠光體相組成的試樣。
在相當(dāng)于JIS FCD600的球狀石墨鑄鐵的現(xiàn)有例1中，經(jīng)100kg高頻熔解爐(酸性襯里)熔解后，在1500℃以上從澆包中出爐，使用Fe-75％Si和Fe-Si-4％Mg用夾層法進(jìn)行球化處理，此外，在澆注之前，用Fe-75％Si進(jìn)行2次接種，澆注到1英寸的Y模具中制成試樣。還有具有相當(dāng)于美國專利第5136992號中所公開的鍛鋼制活塞的組成的現(xiàn)有例2的鑄鋼，是經(jīng)真空熔解澆注成鑄錠，接著對鑄錠進(jìn)行1100℃的延伸鍛造后，從950℃進(jìn)行正火處理制成試樣的。
表1

注*沒有進(jìn)行熱處理。
(2)共晶碳化物以及共晶群體的解析對所得到的各試樣的金屬組織進(jìn)行觀察，對共晶碳化物以及共晶群體進(jìn)行解析。將從各試樣切出試驗片埋入樹脂，使用砂紙研磨到#1000號為止，此外分別依次經(jīng)15μm、9μm、3μm、1μm的金剛石粒子的研磨以及膠態(tài)二氧化硅的表面拋光研磨后，用硝酸乙醇腐蝕溶液對觀察面進(jìn)行侵蝕處理。
使用圖像解析裝置(旭化成(株)制，商品名IP-1000)，以倍率200倍在30396.6μm2的任意的5個視野中，對共晶碳化物的面積率(％)以及平均當(dāng)量圓直徑(μm)進(jìn)行了測定。共晶碳化物的面積率為，各視野內(nèi)的共晶碳化物的面積的合計除以全視野面積(30396.6μm2)的值的5個視野平均值。還有，非金屬夾雜物為共晶碳化物的面積率和平均當(dāng)量圓直徑的測定對象之外。結(jié)果如表2所示。
在面積50μm2以上的共晶群體個數(shù)中，首先經(jīng)研磨、腐蝕的試樣，通過光學(xué)顯微鏡以倍率100倍任意拍攝5個視野區(qū)域。從所得到的顯微鏡照片中，將接近或者接觸到10μm以下的多個共晶碳化物的集合定義為一個共晶群體。如圖5的概念圖所示，畫一條包圍了共晶群體52的包線L，此包線L所包圍的面積定義為共晶群體的面積。共晶碳化物51很小而位置不明了或當(dāng)與共晶碳化物51之間的間距不明確時，將觀察部分放大100倍以上，判別其尺寸和間距。接著，通過上述圖像解析裝置測定面積50μm2以上的共晶群體的個數(shù)，此個數(shù)除以測定面積，對5個視野的所得值進(jìn)行平均，求出單位面積(1mm2)的共晶群體個數(shù)。結(jié)果在表2中表示。
(3)耐燒結(jié)性對于各試樣，進(jìn)行了相當(dāng)于活塞與活塞銷的滑動的往復(fù)運動摩擦磨損試驗和相當(dāng)于活塞與汽缸套的滑動的銷盤法(pin on disk)試驗，對耐燒結(jié)性進(jìn)行了評價。
(a)耐銷燒結(jié)性往復(fù)運動摩擦磨損試驗以如下的步驟進(jìn)行。首先，將各試樣加工成60mm×20mm×5mm的板狀試驗片71，研磨至平均表面粗糙度Ra(JIS B0601)為0.1～0.2μm。如圖7所示，各板狀試驗片71安裝在未圖示的往復(fù)運動摩擦試驗機上(オリエンテツク制，商品名AFT-15M型)。向板狀試驗片71的表面將潤滑油(相當(dāng)于10W-30)按如箭頭76所示方向滴下。使相當(dāng)于作為配合部件的活塞銷的高碳鉻軸承鋼SUJ2(JIS G 4805)制直徑5μm的球72，對板狀試驗片71以58.8N的軸向載荷75接觸的狀態(tài)下，使板狀試驗片71以1cm的滑動幅度以及1.6秒的往復(fù)時間按箭頭74所示方向進(jìn)行往復(fù)滑動，測定摩擦力。求出摩擦力達(dá)到6.86N為止的往復(fù)滑動次數(shù)(以下，稱為“摩擦次數(shù)”)，按以下的標(biāo)準(zhǔn)對耐銷燒結(jié)性進(jìn)行了評價。
◎摩擦次數(shù)為400次以上○摩擦次數(shù)為300次以上而小于400次△摩擦次數(shù)為200次以上而小于300次×摩擦次數(shù)小于200次(b)耐襯里燒結(jié)性銷盤法試驗以如圖8所示裝置進(jìn)行。銷盤法試驗裝置具有如下構(gòu)成，保持試驗片的圓盤狀的托架82、和與圓盤狀托架82對向而配置的相當(dāng)于配合部件的材質(zhì)制成的圓盤83、和為了向試驗片施加軸向載荷85而設(shè)置在圓盤狀托架82上的機構(gòu)(圖中沒有顯示)、和使圓盤83按箭頭84方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的機構(gòu)(圖中沒有顯示)。
各試樣經(jīng)機械加工制成5mm×5mm×10mm的棱柱體形狀，并且進(jìn)行表面粗糙度達(dá)到0.5μmRa以下的精加工，制作成銷試驗片81。圓盤83為直徑80mm×厚度12mm，由相當(dāng)于FC300的高P(磷)片狀石墨鑄鐵制成。在圓盤狀托架82上安裝4個銷試驗片81，使其與圓盤83接觸，在試驗片81與圓盤83的接觸面上，將潤滑油(相當(dāng)于10W-30)按箭頭86的方向滴下。以此狀態(tài)使圓盤83進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使軸向載荷85按階梯增大。軸向載荷85為銷試驗片81與圓盤83的接觸面的表面壓力，圓盤83的旋轉(zhuǎn)速度為滑動速度。以下述(1)～(7)的條件進(jìn)行了銷盤法試驗。
(1)試驗開始表面壓力15kgf/cm2(2)試驗結(jié)束表面壓力500kgf/cm2(3)表面壓力增加間隔每以5kgf/cm2增加(4)各表面壓力下的載荷保持時間1min
(5)圓盤滑動速度2m/s(6)潤滑油油溫10℃(粘度等級100)(7)潤滑油供給條件試驗開始表面壓力時以10cm3/min的速度供給1分鐘后，停止供給。
將銷試驗片81以及圓盤83中的一方發(fā)生損傷時刻的載荷作為燒結(jié)載荷(kgf)，按以下標(biāo)準(zhǔn)對耐襯里燒結(jié)性進(jìn)行了評價。
◎燒結(jié)載荷為120kgf以上○燒結(jié)載荷為100kgf以上而小于120kgf△燒結(jié)載荷為80kgf以上而小于100kgf×燒結(jié)載荷小于80kgf往復(fù)運動摩擦磨損試驗以及銷盤法(pin on disk)試驗的結(jié)果在表2中表示。
表2

注(1)50μm2以上的共晶群體的個數(shù)。
如表2明確表明，就共晶碳化物的面積率來講，實施例1～3以及14中低于1％，但實施例4～13以及15～20在本發(fā)明所希望的范圍內(nèi)(1～35％)。還有就共晶碳化物的平均當(dāng)量圓直徑來講，實施例1～20任何一個均在本發(fā)明所希望的范圍內(nèi)(3μm以下)。單位面積中存在的面積50μm2以上的共晶群體的個數(shù)，在實施例1～3、7以及14以外的實施例中均在本發(fā)明所希望的范圍內(nèi)(10個/mm2以上)。相對于此，比較例2以外任一個均在本發(fā)明所希望的范圍之外。推斷為，共晶群體的個數(shù)低于10個/mm2的鑄鋼，在組織中共晶群體大量結(jié)晶，不進(jìn)行分散而連接在一起形成粗大的群體。
從表2可知在往復(fù)運動摩擦磨損試驗中，實施例1～20任一個的摩擦次數(shù)都多，均在300次以上，具有優(yōu)異的耐銷燒結(jié)性。還有，從銷盤法試驗可知，實施例1～20任一個燒結(jié)載荷都大，均在100kgf以上，具有優(yōu)異的耐襯里燒結(jié)性。相對于此，過量含有Nb(3.22質(zhì)量％Nb)的比較例2的試驗片，其耐銷燒結(jié)性以及耐襯里燒結(jié)性均優(yōu)異，但是耐熱裂紋性差。還有其他的比較例的試驗片，其任一個的耐銷燒結(jié)性以及耐襯里燒結(jié)性均差。
共晶碳化物的面積率以及平均當(dāng)量圓直徑、以及單位面積中50μm2以上的共晶群體的個數(shù)越大則耐燒結(jié)性(耐銷燒結(jié)性以及耐襯里燒結(jié)性)越大的傾向也得到了確認(rèn)。
(4)硫化物(a)硫化物的面積率將從各試樣切出的試驗片埋入樹脂中，用金剛石砂紙研磨到#1000號，此外依次進(jìn)行利用15μm、9μm、3μm、1μm的金剛石粒子研磨以及利用膠態(tài)二氧化硅的拋光研磨。對各試驗片的研磨面，用旭化成(株)制圖像解析裝置(商品名IP-1000)，以倍率200倍進(jìn)行觀察，換算成與各硫化物粒子成相同面積的圓，求出直徑。對相當(dāng)于直徑為1.0μm以上的圓的硫化物粒子，求出視野中的面積率。其結(jié)果在表3中表示。
(b)圓度在0.7以上的硫化物的比率硫化物的圓度，是從利用圖像解析裝置觀察與上述相同的試驗片而得到的各硫化物粒子的圖像，根據(jù)(4×π×硫化物粒子的面積)/(硫化物粒子的周長)2的公式而算出。由此，求出圓度在0.7以上的硫化物粒子的個數(shù)，計算出此個數(shù)與全硫化物的個數(shù)的比，并將其作為圓度為0.7以上的硫化物的比率(％)。結(jié)果在表3中表示。
(5)組織奧氏體率(γ率)，是使用Rigaku制的X射線應(yīng)力測定裝置(strain flexMSF-2M)，測定了體積率(％)。其結(jié)果在表3中表示。
(6)常溫伸長率從各試樣按照J(rèn)IS Z 2201制作4號試驗片，用阿姆斯拉拉伸試驗機測定25℃的常溫伸長率(％)。結(jié)果在表3中表示。
(7)高溫屈服強度對于從各試樣切出的試驗片，作為高溫屈服強度，按照J(rèn)IS G 0567的“鋼鐵材料以及耐熱合金的高溫拉伸試驗法”測定了350℃、450℃以及500℃的0.2％屈服強度(MPa)。結(jié)果在表3中表示。
表3

如表3明確表明，除實施例1～3的所有實施例中，硫化物的面積率均為0.2～3％，在所希望的范圍內(nèi)，除實施例1以及2的所有的實施例中，圓度為0.7以上的硫化物的比率為70％以上，在所希望的范圍內(nèi)。在奧氏體率中，全部的實施例均在0％，在30％以下的所希望的范圍內(nèi)。在常溫伸長率以及高溫屈服強度中，實施例1～20與比較例1～4以及現(xiàn)有例1以及2基本相同。
(7)高溫剛性作為測定高溫剛性用試驗片，按照J(rèn)IS Z 2280的“金屬材料的高溫彈性模量試驗方法”，從各試樣制成1.5mm×10mm×60mm的進(jìn)行了全面研磨加工的板狀試驗片。將各試驗片分別放入350℃、450℃以及500℃的大氣氣氛的爐內(nèi)，以自由保持式靜電驅(qū)動方式進(jìn)行加振，檢測出振動的共振頻率，由共振頻率計算出縱彈性模量(GPa)。結(jié)果在表4中表示。
(8)耐熱裂紋性使用圖6所示的熱裂紋試驗裝置60，進(jìn)行了耐熱裂紋性的試驗。熱裂紋試驗裝置60具有如下構(gòu)成，裝有冷卻水62的升降自如的水槽61、和高頻振蕩機63、和與高頻振蕩機63相連接而進(jìn)行高頻振蕩的線圈64、和將試驗片67安裝在其前端的桿66、和旋轉(zhuǎn)自由地保持桿66的軸65、和貼附在試驗片67上的熱電偶68、和與熱電偶68相連接的溫度數(shù)據(jù)記錄計69。試驗片67加工成直徑90mm×厚度50mm。
(1)試驗片67在水平放置狀態(tài)下，通過高頻振蕩線圈64將試驗片67的表面加熱至450℃，(2)使試驗片67向下方旋轉(zhuǎn)后使水槽61上升(虛線表示)，用常溫的冷卻水62進(jìn)行急冷，(3)使水槽61下降，并且使試驗片67返回到原來的水平狀態(tài)，由以上工序形成一個加熱冷卻循環(huán)(5秒)，反復(fù)進(jìn)行該加熱冷卻循環(huán)1000次后，測定作為耐熱裂紋性的指標(biāo)的試驗片斷面最大的裂紋長度(μm)。耐熱裂紋性的評價標(biāo)準(zhǔn)如下所述。
◎最大裂紋長度為50μm以下○最大裂紋長度大于50μm而在100μm以下△最大裂紋長度大于100μm而在150μm以下
×最大裂紋長度大于150μm最大裂紋長度的測定結(jié)果以及耐熱裂紋性的評價結(jié)果在表4中表示。
(9)常溫～500℃的平均線膨脹系數(shù)對加工成直徑5mm×厚度20mm的試驗片，使用熱機械分析裝置(理學(xué)電機(株)制，THEMOFLEX TAS-200TAS8140C)，在大氣氣氛中以升溫速度為3℃/分的條件在常溫～500℃的范圍測定了熱膨脹量。從所得到的熱膨脹量求出平均線膨脹系數(shù)。結(jié)果在表4中表示。
表4

對于高溫剛性來講，實施例1～20與比較例1～4以及現(xiàn)有例1以及2基本相同。但是對于耐熱裂紋性來講，相對于比較例1～4以及現(xiàn)有例1以及2任一個的最大裂紋長度均大于100μm，而實施例1～20則任一個的最大裂紋長度均低于100μm。
從這些結(jié)果可以得知，滿足本發(fā)明的條件的珠光體系鑄鋼與其他的材質(zhì)具有相同的常溫伸長率、高溫屈服強度以及高溫剛性，并且具有比其它的材質(zhì)顯著優(yōu)異的耐燒結(jié)性以及耐熱裂紋性。
實施例21～45、比較例5～11(1)試樣的制作表5表示本實施例以及比較例中所使用的試樣的化學(xué)組成(質(zhì)量％)。實施例21～45為，由Cr含量多的δ-M系鑄鋼(本發(fā)明的組成范圍內(nèi))制成的試樣，比較例5～11為，本發(fā)明的組成范圍之外的δ-M系鑄鋼的試樣。比較例5為C以及S的含量過少的鑄鋼，比較例6以及7為C含量過少、S含量過多的鑄鋼。比較例8～10為S含量過多的鑄鋼，比較例11為Nb的含量過少的鑄鋼，比較例12為Nb的含量過多的鑄鋼。
實施例21～45以及比較例5～11的鑄鋼經(jīng)100kg高頻溶解爐(堿性襯里)溶解后，在1550℃以上的溫度下出爐到澆包中，在1500℃以上的溫度下直接澆注到1英寸的Y模具中。對于實施例31以及比較例6、8～10以及12以外的實施例以及比較例的鑄鋼，實施鑄造后在1000～1200℃進(jìn)行1小時的保持后進(jìn)行急冷的固溶化處理后，實施了在550～630℃進(jìn)行2～4小時的保持后進(jìn)行空冷的時效處理。經(jīng)熱處理的各鑄鋼的基材組織含有δ-鐵素體相以及馬氏體相，奧氏體相為低于30％。
表5

注*沒有進(jìn)行熱處理。
表5(續(xù))

(2)共晶碳化物以及共晶群體的解析對于所得到的各試樣，與實施例1～20同樣，測定共晶碳化物的面積率(％)以及平均當(dāng)量圓直徑(μm)，和面積在50μm2以上的共晶群體的個數(shù)。結(jié)果在表6中表示。其中觀察面的腐蝕處理使用混酸熔液(H2O10cm3、HCl20cm3、HNO34cm3、H2SO41.3cm3的混合溶液)進(jìn)行。
將實施例41的鑄鋼的組織表示在圖2(100倍的顯微鏡照片)以及圖4(400倍的顯微鏡照片)中。在組織中觀察到如下組織，基材組織的馬氏體相23、δ-鐵素體相24、細(xì)微的共晶碳化物和母相23的集合體的共晶群體22、以及非金屬夾雜物25。還有在圖4中，觀察到共晶碳化物41、共晶群體42、基材組織馬氏體相43、以及非金屬夾雜物45。
對于共晶碳化物的組成，利用帶有能量分散型X射線分光器的電場放射型掃描電子顯微鏡(FE-SEM EDS，日立制作所(株)S-4000，EDXKEVEX DELTA系統(tǒng))進(jìn)行了分析。其結(jié)果，確認(rèn)到共晶碳化物的組成主要是以Nb碳化物(NbC)構(gòu)成。圖3表示的是比較例5的光學(xué)顯微鏡照片(100倍)。在此組織中觀察到，基材組織馬氏體相33和δ-鐵素體相34、以及非金屬夾雜物35，但是沒有觀察到共晶碳化物。
(3)耐燒結(jié)性對各試樣，進(jìn)行了相當(dāng)于活塞與活塞銷的滑動的往復(fù)運動摩擦磨損試驗和相當(dāng)于活塞和汽缸套的滑動的銷盤法(pin on disk)試驗，對耐燒結(jié)性進(jìn)行了評價。
(a)耐銷燒結(jié)性與實施例1～20同樣，進(jìn)行了往復(fù)運動摩擦磨損試驗，根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)對耐銷燒結(jié)性進(jìn)行了評價。
◎摩擦次數(shù)為400次以上○摩擦次數(shù)為300次以上而小于400次△摩擦次數(shù)為200次以上而小于300次×摩擦次數(shù)小于200次(b)耐襯里燒結(jié)性與實施例1～20同樣，進(jìn)行了銷盤法試驗，根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)對耐襯里燒結(jié)性進(jìn)行了評價。
◎燒結(jié)載荷為120kgf以上○燒結(jié)載荷為100kgf以上而小于120kgf△燒結(jié)載荷為80kgf以上而小于100kgf×燒結(jié)載荷小于80kgf往復(fù)運動摩擦磨損試驗以及銷盤法試驗的結(jié)果在表6中表示。
表6

注(1)50μm2以上的共晶群體的個數(shù)。
如表6明確所示，對于共晶碳化物的面積率來講，實施例21～25以及38中低于1％，但是實施例26～37、39～45均在本發(fā)明的所希望的范圍(1～35％)內(nèi)。還有對于共晶碳化物的平均當(dāng)量圓直徑來講，除實施例33以外任一個的實施例均在本發(fā)明所希望的范圍(3μm以下)內(nèi)。對于每單位面積中存在的面積在50μm2以上的共晶群體的個數(shù)來講，除實施例38之外的任何實施例均在本發(fā)明所希望的范圍內(nèi)(10個/mm2以上)。相對與此，除比較例9以及10(耐燒結(jié)性以及耐熱裂紋性差)之外的比較例5～12的任一個均在本發(fā)明希望范圍之外。
從表6可以得知，在往復(fù)運動摩擦磨損試驗中，實施例21～45任一個的摩擦次數(shù)都高達(dá)300次以上，具有優(yōu)異的耐銷燒結(jié)性。還有在銷盤法試驗中，實施例21～45任一個的燒結(jié)載荷都大，均在100kgf以上，具有優(yōu)異的耐襯里燒結(jié)性。相對與此，比較例5～12的耐銷燒結(jié)性以及耐襯里燒結(jié)性均差。
共晶碳化物的面積率以及平均當(dāng)量圓直徑、以及每單位面積中存在的50μm2以上的共晶群體的個數(shù)越大，則耐燒結(jié)性(耐銷燒結(jié)性以及耐襯里燒結(jié)性)越大的傾向也得到了確認(rèn)。
(4)硫化物(a)硫化物的面積率以及圓度在0.7以上的硫化物的比率與實施例1～20同樣，求出了各試樣的硫化物面積率(％)以及0.7以上的硫化物的比率。結(jié)果在表7中表示。
(5)組織與實施例1～20同樣，測定了各試樣的奧氏體率(γ)。結(jié)果在表7中表示。
(6)常溫拉伸率以及高溫屈服強度與實施例1～20同樣，測定了各試樣的25℃的常溫伸長率(％)，以及350℃、450℃以及500℃的0.2％屈服強度(MPa)。結(jié)果在表7中表示。
表7

如表7明確表明，除實施例21之外的全部實施例中，硫化物的面積率均在0.2～3％的所希望的范圍內(nèi)，還有全部的實施例中，圓度在0.7以上的硫化物的比率在70％以上，處于所希望的范圍內(nèi)。對于奧氏體率來講，全部的實施例均在本發(fā)明所希望的范圍內(nèi)，即低于30％。關(guān)于常溫拉伸率以及高溫屈服強度，實施例21～45均在比較例5～12的同等以上。
(7)高溫剛性與實施例1～20同樣，測定了各試樣的縱彈性模量(GPa)。結(jié)果在表8中表示。
(8)耐熱裂紋性與實施例1～20同樣，測定了各試樣的最大熱裂紋長度(μm)，按以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了評價。
◎最大裂紋長度為50μm以下○最大裂紋長度為大于50μm且100μm以下△最大裂紋長度為大于100μm且150μm以下×最大裂紋長度為大于150μm最大裂紋長度的測定結(jié)果以及耐熱裂紋性的評價結(jié)果在表8中表示。
(9)常溫～500℃的平均線膨脹系數(shù)與實施例1～20同樣地求出了各試樣在常溫～500℃的平均線膨脹系數(shù)。結(jié)果在表8中表示。
表8

關(guān)于高溫剛性，實施例21～45中任一個均在140Gpa以上的本發(fā)明所希望的范圍內(nèi)。關(guān)于耐熱裂紋性，實施例21～45中任一個也均優(yōu)異。相對與此，比較例6～12中任一個的最大裂紋長度均超過了100μm。比較例5的最大裂紋長度較小，為35μm，但是耐燒結(jié)性差。
從這些結(jié)果可以得知，滿足本發(fā)明條件的馬氏體系鑄鋼具有與其他的材質(zhì)相同或其以上的常溫伸長率、高溫屈服強度以及高溫剛性，并且具有比其它的材質(zhì)顯著的優(yōu)異的耐燒結(jié)性以及耐熱裂紋性。
實施例46使用含有0.24質(zhì)量％的C、0.61質(zhì)量％的Si、0.57質(zhì)量％的Mn、3.87質(zhì)量％的Ni、15.92質(zhì)量％的Cr、2.99質(zhì)量％的Cu、2.10質(zhì)量％的Nb、以及0.072質(zhì)量％的S的馬氏體系鑄鋼，一體鑄造成如圖1所示的活塞10。此活塞10具有如下部分，即頭部11、裙部12、冷卻空腔部13、銷座部14、銷的配合內(nèi)徑14d、燃燒室15、頂面16、開口緣17、活塞頂岸18、以及環(huán)槽19。10h表示壓縮高度，D表示外徑。
上述鑄鋼的特性是如下所述。
共晶碳化物的面積率7.7％共晶碳化物的平均當(dāng)量圓直徑2.0μm面積為50μm2以上的共晶群體的個數(shù)50個/mm2耐銷燒結(jié)性(摩擦次數(shù))561次耐襯里燒結(jié)性(燒結(jié)載荷)130kgf硫化物的面積率0.7％圓度0.7以上的硫化物/全體硫化物86％γ率6.1％常溫拉伸率9.8％0.2％屈服強度350℃時，625MPa450℃時，604MPa500℃時，512MPa縱彈性模量
350℃時，194GPa450℃時，170GPa500℃時，153GPa耐熱裂紋性(最大裂紋長度)48μm常溫～500℃的平均線膨脹系數(shù)12.1×10-6/℃將上述鑄鋼在1610℃的溫度下出爐到澆包中，在1520℃的溫度下澆注到具有如圖1所示活塞形狀的型腔的砂型鑄型中。鑄造后，進(jìn)行在1040℃保持1小時后進(jìn)行急冷的固溶化熱處理，接著進(jìn)行在600℃保持4小時后進(jìn)行空冷的時效處理。接著對活塞10的外周進(jìn)行切削加工以及磨削加工。為了達(dá)到輕量化，活塞10的主要部位的平均壁厚設(shè)定在3.0mm以下。鑄造工序中沒有發(fā)生氣孔、流動性差、氣體缺陷等的成為問題的鑄造缺陷，還有在加工工序中，也沒有發(fā)生切削不良和加工工具的異常磨損等的問題。
在所得到的活塞10的裙部12、銷座部14以及環(huán)槽19中，共晶碳化物的面積率為3.2～12.6％，共晶碳化物的平均當(dāng)量圓直徑為1.8～2.4μm，每單位面積中面積為50μm2以上的共晶群體的個數(shù)為48～72個/mm2。
將所得到的活塞10配備在10000cc的6氣缸柴油機上，在活塞溫度452℃、以及燃燒壓力20MPa的條件下，進(jìn)行了400小時的疲勞試驗。在疲勞試驗中，沒有發(fā)生漏氣或燒結(jié)等問題。還有在疲勞試驗后，對活塞10的狀況進(jìn)行了觀察，沒有發(fā)現(xiàn)裙部12、銷座部14等的磨損，也沒有擦傷、破損等，還有在開口緣17處也沒有發(fā)現(xiàn)熱裂紋。
比較例13使用現(xiàn)有例1的鑄鐵，與實施例46相同地制作了活塞。所得到的活塞，在其裙部、銷座部以及環(huán)溝的任意位置均沒有觀察到共晶碳化物。對此活塞在與實施例46相同的條件下進(jìn)行了疲勞試驗，結(jié)果試驗開始5個小時候后發(fā)出異常聲音，發(fā)動機的輸出下降，所以疲勞試驗中止。對疲勞試驗后的活塞進(jìn)行了觀察，結(jié)果在裙部發(fā)現(xiàn)了表示強烈碰撞的擦傷痕跡，開口緣處發(fā)生了微小的熱裂紋。從此疲勞試驗的結(jié)果可以得知，即使是由于石墨自身的潤滑性而耐燒結(jié)性比較良好的、現(xiàn)有例1的鑄鐵制成的活塞，如果主要部位的平均壁厚在3.0mm以下，則在活塞溫度為450℃以上、以及燃燒壓力在20MPa以上的嚴(yán)酷條件下，其耐熱性、耐久性以及耐燒結(jié)性不足。
如上所述，本發(fā)明的內(nèi)燃機用活塞，具有良好的常溫拉伸率，并且即使在活塞溫度為450℃以上、燃燒壓力在20MPa以上的嚴(yán)酷條件下，也具有充分的高溫屈服強度、高溫剛性、耐燒結(jié)性以及耐熱裂紋性。這樣的內(nèi)燃機用活塞適用于汽車的發(fā)動機，特別是柴油機。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)燃機用活塞，其特征在于，由整體鑄造的鑄鋼構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述內(nèi)燃機用活塞，其特征在于，頭部、銷座部、裙部是整體鑄造而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述內(nèi)燃機用活塞，其特征在于，還具有冷卻空腔部，且整體鑄造而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述內(nèi)燃機用活塞，其特征在于，為柴油機用活塞，在頭部具有燃燒室，在上述燃燒室的近旁形成有冷卻空腔部。
5.一種內(nèi)燃機用活塞，其特征在于，由整體鑄造的鑄鋼構(gòu)成，上述鑄鋼，以質(zhì)量％計含有C0.8％以下、Si3％以下、Mn3％以下、S0.2％以下、Ni3％以下、Cr6％以下、Cu6％以下、Nb0.01～3％，剩余部分實質(zhì)上由Fe以及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述內(nèi)燃機用活塞，其特征在于，上述鑄鋼，以質(zhì)量％計含有C0.1～0.55％、Si0.2～2％、Mn0.3～3％、S超過0.005％且為0.2％以下、Ni1％以下、Cr3％以下、Cu1～4％、Nb0.1～3％，剩余部分實質(zhì)上由Fe以及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。
7.一種內(nèi)燃機用活塞，其特征在于，由整體鑄造的鑄鋼構(gòu)成，上述鑄鋼，以質(zhì)量％計含有C0.1～0.8％、Si3％以下、Mn3％以下、S0.2％以下、Ni10％以下、Cr30％以下、Cu6％以下、Nb0.05～8％，剩余部分實質(zhì)上由Fe以及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述內(nèi)燃機用活塞，其特征在于，上述鑄鋼，以質(zhì)量％計含有C0.1～0.55％、Si0.2～2％、Mn0.3～3％、S0.05～0.2％、Ni0.5～6％、Cr6～20％、Cu1～4％、Nb0.2～5％，剩余部分實質(zhì)上由Fe以及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述內(nèi)燃機用活塞，其特征在于，上述鑄鋼，以質(zhì)量％計在0.05＜(C％+0.15Ni％-0.12Nb％)≤0.8的范圍內(nèi)含有C、Ni、Nb。
10.根據(jù)權(quán)利要求7～9中任一項所述的內(nèi)燃機用活塞，其特征在于，上述鑄鋼，其基材組織的奧氏體相低于30％.
11.根據(jù)權(quán)利要求5～10中任一項所述的內(nèi)燃機用活塞，其特征在于，上述鑄鋼還含有0.5質(zhì)量％以下的V及/或Ti。
12.根據(jù)權(quán)利要求5～11中任一項所述的內(nèi)燃機用活塞，其特征在于，上述鑄鋼還含有0.04質(zhì)量％以下的Al、Mg以及Ca中的至少1種。
13.一種內(nèi)燃機用活塞，其特征在于，由整體鑄造的鑄鋼構(gòu)成，上述鑄鋼組織中的共晶碳化物的面積率為1～35％，并且具有上述共晶碳化物形成了共晶群體(共晶碳化物和母相的集合體)的組織。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述內(nèi)燃機用活塞，其特征在于，上述共晶碳化物的平均當(dāng)量圓直徑為3μm以下。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的內(nèi)燃機用活塞，其特征在于，面積為50μm2以上的共晶群體的個數(shù)，在每1mm2的組織斷面中，為10個以上。
16.根據(jù)權(quán)利要求13～15中任一項所述的內(nèi)燃機用活塞，其特征在于，上述共晶碳化物含有Nb碳化物。
17.一種內(nèi)燃機用活塞，其特征在于，由整體鑄造的鑄鋼構(gòu)成，上述鑄鋼組織中的硫化物的面積率為0.2～3.0％，圓度為0.7以上的硫化物的數(shù)目相對于全體硫化物的數(shù)目為70％以上。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的內(nèi)燃機用活塞，其特征在于，上述硫化物含有Mn及/或Cr。
19.根據(jù)權(quán)利要求5～18中任一項所述的內(nèi)燃機用活塞，其特征在于，上述鑄鋼在350℃～500℃的范圍中具有350MPa以上的0.2％屈服強度以及140GPa以上的縱彈性模量，并且常溫～500℃的平均線膨脹系數(shù)為10～16×10-6/℃。
20.一種內(nèi)燃機用活塞的制造方法，其特征在于，用于制造權(quán)利要求5或6所述的內(nèi)燃機用活塞，鑄造上述鑄鋼后，在850℃以上保持后進(jìn)行空冷。
21.一種內(nèi)燃機用活塞的制造方法，其特征在于，用于制造權(quán)利要求7～10中任一項所述的內(nèi)燃機活塞，鑄造上述鑄鋼后，在450℃以上保持后進(jìn)行空冷。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的內(nèi)燃機用活塞的制造方法，其特征在于，鑄造上述鑄鋼后，在1000℃以上進(jìn)行保持、急冷后，在450℃以上保持后進(jìn)行空冷。
全文摘要
本發(fā)明提供一種由整體鑄造的鑄鋼制成的內(nèi)燃機用活塞，上述鑄鋼，以質(zhì)量％計，(a)含有C0.8％以下、Si3％以下、Mn3％以下、S0.2％以下、Ni3％以下、Cr6％以下、Cu6％以下、Nb0.01～3％，剩余部分實質(zhì)上由Fe以及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，或者為(b)含有C0.1～0.8％、Si3％以下、Mn3％以下、S0.2％以下、Ni10％以下、Cr30％以下、Cu6％以下、Nb0.05～8％，剩余部分實質(zhì)上由Fe以及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成。
文檔編號C22C38/14GK1764775SQ20048000805
公開日2006年4月26日 申請日期2004年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月31日
發(fā)明者大塚公輝, 遠(yuǎn)藤誠一, 服部高志, 原雅德, 桂木進(jìn) 申請人:日立金屬株式會社, 日野自動車株式會社