專利名稱：用于內燃機的活塞環(huán)材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于內燃機的活塞環(huán)材料，更具體地，涉及ー種在滑動表面上具有優(yōu)異的擦傷性能和耐磨耗性的活塞環(huán)材料。
背景技術：
在內燃機，特別是汽車發(fā)動機中的活塞環(huán)，迄今為止由鑄鐵制成，但是已經被所謂的鋼活塞環(huán)代替，所述鋼活塞環(huán)是通過將絲如扁平形鋼絲成形為環(huán)形狀而制造的。這是因 為需要將環(huán)細化，或者提高它們的機械強度以滿足內燃機輕重量、低燃料消耗、高速和高輸出的要求。另ー個主要原因是顯著縮短環(huán)的制造過程的優(yōu)點。采用鋼活塞環(huán)的代替首先在處于高負荷區(qū)域中的第一道活塞環(huán)(top ring)或油環(huán)中進行，并且使用諸如Si-Cr鋼和含有11至17質量％的鉻的馬氏體不銹鋼的材料。此夕卜，通過將這些材料進行鍍鉻或氮化而制備的活塞環(huán)已經在許多情況下使用。另ー方面，因為第二環(huán)起著用于第一道活塞環(huán)和油環(huán)的輔助作用，因此該材料可以不是昂貴的不銹鋼，并且通常在沒有任何表面處理的情況下直接使用。盡管鋼活塞環(huán)與鑄鐵活塞環(huán)相比具有更大的強度并且提高更多的抗疲勞性和耐磨耗性的性能，但是它們的差的耐擦傷性是鋼難以用于第二環(huán)的原因之一。為了解決所述問題，本申請人已經通過以下方法提出ー種具有耐擦傷性的活塞環(huán)材料向含有O. 3至O. 8質量％的碳作為主要組分的低合金鋼中加入適量的硫和鈣的組合(參見專利文獻I)。在該技術中，因為在鋼中含有硫化物如MnS，硫在摩擦表面上由于摩擦熱而原位形成硫化物膜，并且這種膜提高了潤滑性能。此外，在鋼中的MnS在切削或研磨時起著基材的應力集中源的作用，因此具有降低切削能的效果，因此，同時滿足了耐擦傷性和可加工性。專利文獻I JP-A-2001-32934
發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的問題專利文獻I提供了ー種用于提高活塞環(huán)材料的自潤滑性質的優(yōu)異技木。然而，盡管自潤滑硫化物，特別是MnS在鋼中的形成提高了在活塞環(huán)的周邊上的耐擦傷性，但是不容易控制活塞環(huán)的形狀，因為這種硫化物容易通過熱加工而延伸。此外，因為MnS是ー種軟的夾雜物，因此它對活塞環(huán)材料所必需的耐磨耗性幾乎沒有貢獻。即使提高了耐擦傷性，但是如果滑動性能，特別是耐磨耗性差，則相對鑄鐵環(huán)的優(yōu)點降低。本發(fā)明的ー個目的是提供一種用于內燃機的活塞環(huán)材料，所述活塞環(huán)材料具有優(yōu)異的耐磨耗性和耐擦傷性，而沒有降低鋼活塞環(huán)材料的優(yōu)異的機械性能和生產率。本發(fā)明的另ー個目的是提供一種材料，該材料由于在低合金鋼領域中實現(xiàn)上述性能而最特別適合用于未經表面處理的第二環(huán)和/或活塞環(huán)。
解決問題的手段本發(fā)明人已經對影響活塞環(huán)所需的性能的組分和結構進行了深入的研究。作為結果，他們發(fā)現(xiàn)，鈦或錯的硫化物或碳硫化物(carbosulfide)是硬的，并且?guī)缀醪粚е掠捎跓峒庸さ男螤钭兓⑶宜梢酝ㄟ^以下方法而形成向含有0. 3至0. 8質量％的碳作為主要組分的低合金鋼中加入硫，同時加入與錳相比更能夠形成硫化物的鈦或鋯。因此，可以在不降低活塞環(huán)的機械性能和生產率的情況下實現(xiàn)很好的耐磨耗性和耐擦傷性。因此，本發(fā)明提供一種用于內燃機的活塞環(huán)材料，所述活塞環(huán)材料按質量計包含0. 3 至 0. 8 % 的碳(C) ;0. I 至 3. 0 % 的硅(Si) ;0. I 至 3. 0 % 的錳(Mn) ;0. 01 至
0.3%的硫⑶；0. I至2. 0 %的鉻(Cr)；總計為0. 05至2. 0 %的鈦(Ti)和/或鋯(Zr)；和余量為鐵(Fe)和難免的雜質，其中鈦(Ti)和/或鋯(Zr)和硫(S)滿足以下關系[Ti(% )+l/2Zr(% )]/S(% )彡 5. O。優(yōu)選地，用于內燃機的活塞環(huán)材料按質量計包含銅(Cu)、鑰(Mo)、鋁(Al)和鎳(Ni)中的一種或多種元素，所述元素在下列的范圍內不超過1.0%的銅，低于3.0%的鑰，不超過1.0%的鋁和低于2.0%的鎳。本發(fā)明的益處根據(jù)本發(fā)明，鈦和鋯的硫化物或碳硫化物具有優(yōu)異的自潤滑性能。因為這種硫化物或碳硫化物通過從熔融鋼結晶而形成，因此它們在熱精煉處理如淬火和回火中幾乎不遭遇形狀變化，從而避免了復雜的結構控制的需要。此外，上述硫化物或碳硫化物是硬的。因此，其中這種硫化物或碳硫化物的粒子分散在結構中的本發(fā)明活塞環(huán)材料沿著周邊具有耐擦傷性和耐磨耗性，從而對活塞環(huán)的性能提高貢獻大。附圖
簡述圖I是根據(jù)本發(fā)明的材料I的掃描電子顯微鏡(SEM)照片和能量色散X射線熒光(EDX)分析的結果；圖2是根據(jù)本發(fā)明的材料2的SEM照片和EDX分析的結果；圖3是在實施例中使用的往復摩擦和磨耗試驗的方法的示意圖；圖4是在實施例中使用的高壓摩擦和磨耗試驗的方法的示意圖；圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的材料和比較材料的往復摩擦和磨耗試驗的結果的圖；和圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的材料和比較材料的高壓摩擦和磨耗試驗的結果的圖。附圖標記的說明I 試樣(① 8mm X 20mm L)2配對材料JIS灰鑄鐵(FC250)3 渦輪機油(#100)4配對材料JIS鋁合金鑄造物(AC8A)實施本發(fā)明的最佳方式如上所述，本發(fā)明的一個重要特征在于，發(fā)現(xiàn)了在結構中的鈦和鋯的硫化物或碳硫化物對活塞環(huán)材料的主要性能，即耐磨耗性，特別是耐擦傷性具有大的積極影響。因此，通過加入形成上述夾雜物的合金元素并且通過嚴格控制它們的含量，可以提供一種具有優(yōu)異的機械性能和滑動性能的活塞環(huán)材料。下面，將詳細描述本發(fā)明中的組合物。
碳(C)在本發(fā)明中是ー種重要的元素。它不僅形成碳化物而提高耐擦傷性和耐磨耗性，而且當部分碳固溶于基體中時有助于提高強度和疲勞性能。為此，至少O. 3質量％ (以下簡稱為％)的碳是必需的。然而，當它高于O. 8%時，加工成扁鋼絲或環(huán)變得困難。特別是，因為重要的是提高生產率并且因而以低成本制造它們用于活塞環(huán)，因此上限為
O.8%。碳的下限優(yōu)選為O. 4%，并且碳的上限優(yōu)選為O. 7%。硅(Si)通常以脫氧劑的形式加入的，并且對鋼的回火軟化行為也產生影響，從而特別是在低合金鋼中起著重要的作用。為了避免回火軟化并且提高耐熱強度，不低于O. 1%的硅是必需的。然而，上限為3.0%，因為過量添加導致冷加工性的降低。硅的下限優(yōu)選為 0.5%，更優(yōu)選為1.0%。硅的上限優(yōu)選為2.0%，更優(yōu)選為1.5%。錳(Mn)像硅ー樣也是用作脫氧劑的ー種必需元素。不低于O. 1%的錳對于實現(xiàn)效果是必需的，但是過量添加導致熱加工中的可加工性的降低。由于該原因，錳的上限被限定為3.0%。錳的下限優(yōu)選為0.2%，更優(yōu)選為O. 5%。錳的上限優(yōu)選為1.5%，更優(yōu)選為
1.0%。硫(S)在本發(fā)明中是最重要的元素之一。如上所述，與鑄鐵活塞環(huán)相比，鋼活塞環(huán)具有更差的擦傷性能，并且這是鋼難以用于第二環(huán)的原因之一。然而，當加入硫時，硫與后述的鈦或鋯結合，并且在結構中形成它們的硫化物或碳硫化物，導致自潤滑性能的產生，從而提高耐擦傷性。此外，硫對于提高切削性能是非常有效的。在本發(fā)明中，不低于0.01%的硫對于實現(xiàn)這些效果是必需的。然而，因為過量添加導致耐腐蝕性或韌性，和冷加工中的延展性以及熱加工性的劣化，因此上限為O. 3%。硫的下限優(yōu)選為O. 05%，更優(yōu)選為O. 1%。硫的上限優(yōu)選為0.2%。部分鉻(Cr)與碳結合而形成碳化物，因此增加耐磨耗性，而部分鉻固溶于基體中而提高耐腐蝕性。此外，因為鉻提高耐回火軟化性，因此它對于提高活塞環(huán)的耐熱永久變形性(thermal permanent-set resistance)和確保淬硬性,并因此獲得足夠的熱處理硬度都是ー種必需的元素。為了達到這些效果，至少O. 1%的鉻是必需的。然而，過量添加導致導熱性的降低，因此導致由在接觸面上滑動所致的溫度升高，從而劣化耐擦傷性。此外，這樣的過量添加導致碳化物量和尺寸的増加，從而導致可加工性的顯著降低。因此，上限為2. 0%。鉻的下限優(yōu)選為0.4%。鉻的上限優(yōu)選為1.5%，更優(yōu)選為1.0%。鈦(Ti)和鋯(Zr)以及硫在本發(fā)明中是最重要的元素。這些合金元素在熔融鋼中與硫結合并且以硫化物的形式結晶。此外，在更高的溫度形成穩(wěn)定的碳化物之后，其一部分被硫代替或與硫結合并且以碳硫化物的形式結晶。不僅這些硫化物和碳硫化物由于它們含有潤滑性的硫而有效地起著自潤滑劑的作用，而且它們還與碳化物一祥有助于耐磨耗性，因為它們是硬的夾雜物。此外，因為它們與MnS相比不太容易通過熱加工而延伸，因此形狀控制不是困難的。此外，因為鈦和鋯的硫化物是很穩(wěn)定的，因此它們在熱硬化處理中幾乎不遭遇形狀變化，因此，結構控制是容易的。為了實現(xiàn)這些效果，總量不低于O. 05%的鈦和鋯中的至少ー種是必需的。然而，另一方面，當過量添加這些元素時，不僅上述效果變得飽和，而且大量的氧化物或氮化物保留在鋼中，從而促使耐腐蝕性和韌性的顯著下降，并且還導致韌性和延展性的降低。因此，上限為2. 0%。鈦和/或鋯的總量的下限優(yōu)選為O. I %，更優(yōu)選為O. 2%。鈦和/或鋯的總量的上限優(yōu)選為I. 0%，更優(yōu)選為O. 8。
在本發(fā)明的活塞環(huán)材料中，可以單獨添加上述鈦和鋯中的每一種。在此情況下，鈦是高度活性的金屬，因此與鋯相比，具有更高的形成氧化物、氮化物或碳化物的能力。因此，為了穩(wěn)定本發(fā)明中想要的其中形成硫化物或碳硫化物的結構，適宜的是選擇鋯。在本發(fā)明中，上述耐磨耗性和耐擦傷性是通過設計用于活塞環(huán)材料的合金而獲得的，更具體而言，通過加入硫、鈦和鋯而獲得的。因此，本發(fā)明的最大的改進特征在于，相互地并且精確地調節(jié)這些元素的添加量。下面將詳細地描述原因。與鋼活塞環(huán)相比，鑄鐵活塞環(huán)具有更好的活塞環(huán)材料耐擦傷性。這主要是因為鑄鐵的結構中的石墨的晶體結構。更具體地，石墨晶體具有六邊形晶體結構，其中由碳原子組成的六角形環(huán)是以相等的間隔堆積的。因為c/a晶格常數(shù)比大于理論值，因此斷裂容易在底部發(fā)生而引起層間斷裂裂紋，從而產生潤滑性能。然而，盡管如在石墨的情況下通過其自身斷裂而產生的潤滑性能對耐擦傷性具有有利的影響，但是它們對耐磨耗性具有相反的影響。 另一方面，本發(fā)明的活塞環(huán)材料的潤滑性能通過在結構中形成鈦和鋯的硫化物(碳硫化物)而產生。這種作用的機理被認為是在滑動時上述硫化物(碳硫化物)在活塞環(huán)材料和配對材料之間形成沉積物，從而產生潤滑性能。據(jù)認為這些夾雜物除具有上述潤滑作用以外，還具有抑制機械磨耗或擴散磨耗的效果。因此，它們對于耐磨耗性也是有效的。鈦和鋯的硫化物或碳硫化物產生上述效果，并且主要受到構成硫化物或碳硫化物的硫、鈦和鋯的大的影響。因此，重要的是在根據(jù)本發(fā)明的含有碳和鉻的內含物的低合金鋼中將三種元素的含量控制為適合的范圍。在此，鋯具有鈦的原子量的約2倍的原子量，因為鈦和鋯屬于周期表中的相同的第4族。因此，可以根據(jù)鈦當量基于下列關系式簡單地評價有利效果的水平Ti = 2Zr。從上面看出，根據(jù)本發(fā)明的上述三種元素的最佳含量可以基于下式相互控制。在本發(fā)明的活塞環(huán)材料中，必需的是將鋼中的鈦和/或鋯的含量與硫的含量的比率調節(jié)為滿足下列關系[Ti(% )+l/2Zr(% )]/S(% )彡 5. O。當該值大于5. 0時，難以形成上述硫化物或碳硫化物。因為碳化物占大部分，難以保持耐擦傷性。該值優(yōu)選為不超過4. 5，更優(yōu)選為不超過3. O。該值的下限不受特別限定，只要硫和鈦和/或鋯的添加的上述范圍得到滿足即可。然而，考慮到由過量硫引起的不利效果，該值優(yōu)選為不低于I. O。如上所述，通過適當?shù)卣{節(jié)硫、鈦和鋯的添加量以使得上述式得到滿足，以及調節(jié)構成根據(jù)本發(fā)明的低合金鋼的基本元素的那些添加量，可以在不降低鋼活塞環(huán)的其它性能的情況下獲得同時具有耐磨耗性和耐擦傷性的活塞環(huán)材料。可以將下列銅、鑰、鋁和鎳單獨或組合加入本發(fā)明的活塞環(huán)材料中。銅(Cu)是提高冷加工中的韌性以及還有耐腐蝕性的元素。優(yōu)選添加不低于0. 1%的銅以實現(xiàn)所述效果，但是過量添加不僅導致殘余奧氏體相的量的增加和回火硬度的降低，而且降低熱加工性。因此，當添加時，上限為1.0%。銅的下限優(yōu)選為0.2%，且Cu的上限優(yōu)選為0. 6%。
鑰(Mo)不僅有助于作為固溶體增強元素提高強度，而且在回火中與碳結合而形成碳化物，從而有助于提高耐磨耗性。此外，因為鑰在回火時起著二次硬化元素(secondaryhardren element)的作用，因此它對于提高耐熱永久形變性是有效的。然而，因為過量添加導致韌性和延展性的降低，因此當添加時上限低于3. 0%。鑰的下限優(yōu)選大于O. 01%且鑰的上限優(yōu)選為1.5%。鋁(Al)是與硅和錳ー樣的有效的脫氧元素。此外，當進行表面處理時，鋁具有提高氮化硬度的效果。為了實現(xiàn)該效果，加入優(yōu)選不低于O. I %，更優(yōu)選不低于O. 2 %的鋁。然而，因為過量添加由于AlN的形成而導致韌性和延展性的顯著下降，因此當添加時上限為1.0%。鋁的上限優(yōu)選為0.5%。鎳(Ni)當使用該材料作為活塞環(huán)時可以被添加以提高韌性，并且接受沖擊應力。然而，因為過量添加導致退火中的可加工性的顯著下降，因此當添加時上限低于2.0%。上限優(yōu)選為1.0%以下。鎳的上述效果是在含有O. 05%以上的鎳時實現(xiàn)的。為了充分地實現(xiàn)該效果，添加優(yōu)選O. 2%以上，更優(yōu)選O. 5%以上的鎳。 因為磷⑵是雜質，因此其優(yōu)選盡可能少。然而，必需使用選擇的昂貴原料以將含量降低至極限，并且熔融和精煉也涉及高成本。在本發(fā)明中，可以含有在PO. I %的范圍內的磷，只要對性能和生產沒有特別大的問題即可。即使在對表面例如滑動表面沒有表面處理的情況下，根據(jù)本發(fā)明制備的活塞環(huán)也表現(xiàn)出本發(fā)明的優(yōu)點。然而，當需要更高的耐擦傷性和耐磨耗性時，可以使用通過氮化、鍍鉻或PVD (物理氣相沉積)的氮化鈦或氮化鉻表面處理。
實施例通過在真空感應熔煉爐中熔融而制備IOkg具有預定組成的錠料。表I顯示了根據(jù)本發(fā)明的材料I至9和比較材料11至14的化學組成。對于添加鈦、鋯的那些，還顯示了鈦、鋯與硫的比率。
權利要求
1.一種用于內燃機的活塞環(huán)材料，所述活塞環(huán)材料按質量計包含 0.3至0.8%的碳； 0. I至3. 0%的硅； 0. I至3.0%的錳； 0.01至0.3%的硫； 0. I至2.0%的鉻； 總計為0. 05至2. 0%的鈦和/或鋯； 0. I至1.0%的銅； 0. I至1.0%的鋁；和 余量為鐵和難免的雜質，其中鈦(Ti)和/或鋯(Zr)和硫(S)滿足以下關系[Ti(% )+l/2Zr(% )]/S(% )彡 5. O。
2.根據(jù)權利要求I所述的活塞環(huán)材料，所述活塞環(huán)材料還包含低于3.0質量％的鑰。
3.根據(jù)權利要求I所述的活塞環(huán)材料，所述活塞環(huán)材料還包含低于2.0質量％的鎳。
4.根據(jù)權利要求I所述的活塞環(huán)材料，所述活塞環(huán)材料還包含鑰和鎳兩種元素，所述元素以質量計在下列的范圍內低于3. 0%的鑰和低于2. 0%的鎳。
全文摘要
本發(fā)明提供一種活塞環(huán)材料，所述活塞環(huán)材料保持活塞環(huán)材料所需的優(yōu)異的機械性能和可加工性，并且具有耐磨耗性和耐擦傷性，即活塞環(huán)所需的滑動性能。所述用于內燃機的活塞環(huán)材料按質量％計包含0.3至0.8％的碳；0.1至3.0％的硅；0.1至3.0％的錳；0.01至0.3％的硫；0.1至2.0％的鉻；總計為0.05至2.0％的鈦和/或鋯；和余量為鐵和難免的雜質。在活塞環(huán)材料中所含的鈦和/或鋯和其中所含的硫滿足以下關系[Ti(％)+1/2Zr(％)]/S(％)≤5.0。優(yōu)選地，所述材料按質量％計可以包含以下元素中的一個或多個成員至多1.0％的銅，低于3.0％的鉬，至多1.0％的鋁和低于2.0％的鎳。
文檔編號C22C38/44GK102653848SQ20121016246
公開日2012年9月5日 申請日期2009年3月17日 優(yōu)先權日2008年3月27日
發(fā)明者上原利弘, 久保田邦親, 大石勝彥 申請人:日立金屬株式會社