專利名稱：用于內(nèi)燃機(jī)的自潤滑式活塞環(huán)材料及活塞環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種裝在內(nèi)燃機(jī)如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的活塞環(huán)。
迄今為止，用于內(nèi)燃機(jī)、特別是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞環(huán)是由鑄鐵形成的，但已經(jīng)轉(zhuǎn)變成所謂的鋼制活塞環(huán)，這種環(huán)是將鋼絲形成環(huán)狀而制成的。具體地，通常這種活塞環(huán)的制造方法有以下步驟對具有預(yù)定組成的鑄件進(jìn)行熱加工，如鍛造和熱軋，得到細(xì)絲原料，進(jìn)一步進(jìn)行抽絲及類似操作，得到對應(yīng)活塞環(huán)小截面形狀的鋼絲材料，然后進(jìn)行硬度回火和彎曲，形成具有確定曲率的環(huán)狀。
現(xiàn)在，通常在一個(gè)活塞上安裝三個(gè)環(huán)，即由燃燒室側(cè)面看到的頂部環(huán)、第二個(gè)環(huán)和油環(huán)，但最近的趨勢是，位于嚴(yán)重暴露于惡劣條件的位置上的頂部環(huán)和油環(huán)由鋼形成，從而使其功能得到增強(qiáng)。至于其背景，在最近幾年，對于打算用來代替內(nèi)燃機(jī)的電動(dòng)汽車等的研究成果已經(jīng)很顯著了，并且也進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)內(nèi)燃機(jī)的努力。
另外，最近幾年，還進(jìn)行了有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部現(xiàn)象的研究，按照Saito等人的研究(“有關(guān)惡劣操作條件下的柴油機(jī)磨損的研究”in ResearchPresentation Lecture Meeting 1999 by Kyushu Branch of the Japan Societyof Mechanical Engineers(1999))，其指出在通常狀態(tài)下，在三個(gè)環(huán)中，由鑄鐵形成的第二個(gè)環(huán)磨損最嚴(yán)重。更換成鋼制環(huán)的進(jìn)一步的原因在于這樣一些方面，例如其跟隨性需要得到加強(qiáng)，這是因?yàn)闉榱思訌?qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)保性能而進(jìn)行的環(huán)結(jié)構(gòu)的變薄設(shè)計(jì)，另外同其背景一樣，活塞環(huán)的機(jī)械強(qiáng)度當(dāng)然也需要加強(qiáng)。另外，有關(guān)活塞環(huán)制造步驟的技術(shù)轉(zhuǎn)變及容易擴(kuò)建也變成了主要原因。
在機(jī)械性能和耐磨方面，鋼制活塞環(huán)大大優(yōu)越于鑄鐵環(huán)，但在防卡性能方面鋼制環(huán)則較差，而這一點(diǎn)是鋼制活塞環(huán)特別不用作第二個(gè)環(huán)的原因之一。為了解決這一問題，如JP-A-10-30726所公開的，在鋼制活塞環(huán)中進(jìn)行表面處理如滲氮等，該處理在鋼制活塞環(huán)與氣缸內(nèi)襯接觸的表面上進(jìn)行。但在成本方面及防止Al粘著在與活塞接觸的表面上，這種表面處理是不夠的。
另外，也試圖在不進(jìn)行任何表面處理的情況下解決這一問題，JP-B-58-46542等提出在鋼制活塞環(huán)的組成中加入不少于10％的Cr，以增加活塞環(huán)的鋼中在性能／成本方面均優(yōu)越的Cr基碳化物。增加碳化物的量可以使耐磨性明顯增強(qiáng)，但其防卡性能的增強(qiáng)效果是輕微的，并且還擔(dān)心引起制造麻煩，如惡化機(jī)加工性能。
本發(fā)明的一個(gè)目的是滿足上述技術(shù)尚未達(dá)到的所有三個(gè)方面(1)防卡性能在活塞環(huán)的整個(gè)表面上均得到增強(qiáng)；(2)一種活塞環(huán)，其制造材料除了具有增強(qiáng)的防卡性能外，還具有增強(qiáng)的機(jī)加工性能；(3)即使在形成小截面的活塞環(huán)形狀時(shí)，該活塞環(huán)也能保持足夠的機(jī)械性能。
作為解決上述問題的各種研究的結(jié)果，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，向含有0．3-0．8％C作為主要成分的低合金鋼中加入足夠量的S，可以有效增強(qiáng)防卡性能及加工性能，優(yōu)選同時(shí)加入S和Ca，可以達(dá)到顯著效果，并且實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
在傳統(tǒng)技術(shù)中，S是有機(jī)的，并且作為極壓添加劑加入到發(fā)動(dòng)機(jī)油中，防止卡住。另一方面，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硫化物如MnS形成并存在于鋼中時(shí)，S在由于磨擦生熱而在磨擦表面新產(chǎn)生的表面上原位形成硫化物膜，而這一點(diǎn)有效增強(qiáng)了潤滑性能。按照這一點(diǎn)，由于潤滑物質(zhì)分布在材料中，當(dāng)在必要的局部位置增加潤滑作用時(shí)，則不需要加入大量的潤滑物質(zhì)。另外，與極壓添加劑不同，即使在換油的情況下，也不會(huì)沒有效果，并且可以希望達(dá)到半永久的功能。
另外，增加鋼中的Cr基碳化物，通過滲氮增大表面硬度，以及傳統(tǒng)技術(shù)中的類似操作，目的是為了在磨蝕條件下，增大與鑄鐵內(nèi)襯材料耐磨性的差異。但在不均勻接觸的狀態(tài)下通過促進(jìn)內(nèi)襯側(cè)的磨損，從而增大其接觸面積，這些操作也增大了防卡性能，這些操作旨在防止發(fā)生負(fù)載密度局部的、非正常的增大。即這些操作涉及改善初始安裝的活塞環(huán)的適應(yīng)性的技術(shù)，但對于改善抵抗長期惡化的磨損如粘附磨損所需要的耐磨性能，則幾乎不起作用。
另外，耐磨性能過度增強(qiáng)會(huì)造成沖擊內(nèi)襯側(cè)的狀態(tài)，其發(fā)展會(huì)造成空隙等的增大，從而與廢氣量相關(guān)的漏氣量增大。由于硫的上述效果在不加重材料磨損的情況下，通過降低磨擦系數(shù)增強(qiáng)了防卡性能，這帶來了極好的優(yōu)點(diǎn)，如即使在發(fā)動(dòng)機(jī)操作進(jìn)行時(shí)，也能保持空隙變化較小的狀態(tài)。
具體地，按照本發(fā)明的第一方面，提供了一種細(xì)長的、具有自潤滑性能的活塞環(huán)材料，該材料適合生產(chǎn)用于內(nèi)燃機(jī)的活塞環(huán)，該活塞環(huán)材料含有重量組成主要如下的鋼不少于0．3％但少于0．8％的碳、0．1-3．0％的硅、0．1-3．0％的錳、0．03-0．3％的硫、0．3-6．0％的鉻、0-3．0％的銅、以及余量的鐵，該活塞環(huán)材料含有硫化內(nèi)含物，當(dāng)在材料的縱向結(jié)構(gòu)方向觀測時(shí)，每個(gè)硫化內(nèi)含物均具有不少于3的縱橫比，即最大尺寸與最小尺寸的比，硫化內(nèi)含物在縱向結(jié)構(gòu)中是定向的，從而在穿過任何一個(gè)硫化內(nèi)含物最大尺寸的一條假想直線與另一條穿過另一個(gè)硫化內(nèi)含物最大尺寸的假想直線之間的交角不超過30度。
按照本發(fā)明的第二個(gè)方面，提供了一種具有自潤滑性能的活塞環(huán)材料，該材料適合生產(chǎn)用于內(nèi)燃機(jī)的活塞環(huán)，該活塞環(huán)材料含有重量組成主要如下的鋼不少于0．3％但少于0．8％的碳、0．1-3．0％的硅、0．1-3．0％的錳、0．03-0．3％的硫、0．3-6．0％的鉻、0-3．0％的銅、以及余量的鐵，該活塞環(huán)材料含有硫化內(nèi)含物，當(dāng)在平行于由該活塞環(huán)材料形成的活塞環(huán)的外周邊的面內(nèi)的結(jié)構(gòu)觀測時(shí)，每個(gè)硫化內(nèi)含物均具有不少于3的縱橫比，即最大尺寸與最小尺寸的比，硫化內(nèi)含物在結(jié)構(gòu)中的分布狀態(tài)是這樣的，即在穿過任何一個(gè)硫化內(nèi)含物最大尺寸的一條假想直線與另一條穿過另一個(gè)硫化內(nèi)含物最大尺寸的假想直線之間的交角不超過30度。優(yōu)選加入不超過0．01％的Ca，并且Cr的范圍為3．0-6．0％或0．3-1．0％。順便提及的是，活塞環(huán)材料的外周邊指的是由該材料形成的活塞環(huán)的外周邊表面，即平行于縱向方向的鋼絲材料表面。
另外，在活塞環(huán)材料中或在活塞環(huán)中，在結(jié)構(gòu)中非金屬內(nèi)含物的面積比可以不超過2．0％，并且除了上述組成外，該活塞環(huán)材料或活塞環(huán)可以含有至少一種總量不超過0．5％的、選自V、Nb和Ti的物質(zhì)，和／或可以含有不超過1．5％的Al。
以下將參考附圖和實(shí)施例更為詳細(xì)地描述本發(fā)明，在附圖中

圖1為Cr含量與碳化物的種類及含量關(guān)系的說明圖。
圖2給出了顯示硫化內(nèi)含物交角及其示意圖的微觀結(jié)構(gòu)照片簡圖。
圖3的說明圖給出了由應(yīng)力方向和裂縫發(fā)展方向所形成的角的影響，該影響是加在應(yīng)力強(qiáng)度因子上的。
圖4的示意圖給出了極高壓力的磨擦損耗測試方法。
圖5的示意圖給出了往復(fù)移動(dòng)的磨損測試方法。
圖6A和6B的示意圖和剖面圖分別給出了體現(xiàn)本發(fā)明的活塞環(huán)的一個(gè)實(shí)施例。
本發(fā)明的特征在于提供了一種由含有0．3-0．8％C作為其主要成分的低合金鋼制成的活塞環(huán)，該活塞環(huán)具有自潤滑性能，這種自潤滑性能是由存在于鋼中的硫化內(nèi)含物帶來的，從而使防卡性能得到增強(qiáng)，并且使部件的磨損最小。下面將詳細(xì)描述本發(fā)明。
C(碳)是一種重要元素，一部分C溶解于基質(zhì)中，以提供低合金鋼的強(qiáng)度，而另一部分C形成碳化物，以增強(qiáng)耐磨性能和防卡性能。由于這一原因，至少0．3％的C是必須的。但不少于0．8％的C使得很難將材料加工成鋼絲或?qū)⒉牧蠌澇森h(huán)狀。由于在活塞環(huán)中，通過提高其生產(chǎn)率而便宜地制造活塞環(huán)是特別重要的，因此將C含量設(shè)定為低于0．8％。
由于Si通常是作為脫氧劑加入的，其下限設(shè)定為0．1％。另一方面，Si影響鋼的回火軟化行為，并且Si的這種影響在低合金鋼中是特別重要的。使回火軟化處理及耐熱強(qiáng)度的增大均最小的優(yōu)選Si含量為1．0％或更大。但由于其過量加入降低了冷加工性能，因此將Si的上限設(shè)定為3．0％。
雖然Mn與Si類似，也用作脫氧劑，并且0．1％的最小值是必須的，但過量加入會(huì)惡化熱加工性能。因此，將其上限設(shè)定為3．0％。
部分Cr與C化合形成碳化物，并使耐磨性能與防卡性能得到增強(qiáng)，另外，它的一部分溶解于基質(zhì)中，增強(qiáng)了耐腐蝕性能和抗回火軟化性能。另外，該組分對于保持足夠的硬化程度從而得到足夠的熱處理硬度是必須的。最重要的是要控制沉積的碳化物的種類，以達(dá)到本發(fā)明的第一個(gè)目的，在不進(jìn)行任何表面處理的情況下增強(qiáng)滑動(dòng)性能。
當(dāng)控制用于本發(fā)明的合金(Fe-0．55％ C-0．2％ Si-0．2％的Mn鋼)中的Cr時(shí)，圖1的曲線用于通過熱力學(xué)計(jì)算來估計(jì)并設(shè)計(jì)沉積物量的變化和種類的改變(當(dāng)合金組分的總量設(shè)為1時(shí)，按原子比計(jì)算并表示沉積物的量)?？梢钥闯觯S著加入到合金中的Cr量的增大，最硬的碳化物M7C3(Vickers硬度2400 HV)的量增大，但當(dāng)Cr量為大約6％時(shí)，碳化物M7C3的量達(dá)到最大值。即可以看出，當(dāng)設(shè)計(jì)通過最小的Cr加入量而使耐磨性能最大時(shí)，0．3-6．0％的Cr是優(yōu)選的組成。在Cr含量面積低于該優(yōu)選范圍時(shí)，其作用變小，但當(dāng)至少加入0．3％時(shí)，可以保持足夠的硬化程度，并且生產(chǎn)率得到提高。
但是，在由于其過量加入而使馬氏體基質(zhì)中的Cr量增大的情況下，氧化物傾向于在提供潤滑性能的硫化物形成之前，在發(fā)生卡住的表面上優(yōu)先形成，從而使防卡性能惡化。這是由于當(dāng)有高于5％的Cr加入時(shí)，沉積的主要碳化物由M7C3變成M23C6，致使在碳化物中吸收的Cr量降低，而在馬氏體基質(zhì)中的Cr量大大增加。另外，由于在這種情況下，沉積的主要碳化物的硬度也降低，如上文所述使耐磨性能惡化。因此，Cr的上限被設(shè)定為6．0％。
如上文所述，在低Cr含量面積時(shí)，碳化物的上述作用較小，但當(dāng)生產(chǎn)率、特別是冷加工性能重要時(shí)，該面積是優(yōu)選的。在這種情況下，為了充分保持硬化程度，優(yōu)選設(shè)定Cr含量至少為0．3％，并設(shè)定其上限為1．0％。
在本發(fā)明中最重要的元素是S。在由傳統(tǒng)鋼絲制成的活塞環(huán)中，如上文所述，其防卡性能是不夠的，但通過加入適當(dāng)量的硫，可以大大改善防卡性能。大多數(shù)S與Mn化合形成MnS，該物質(zhì)對發(fā)動(dòng)機(jī)油起作用，并帶來潤滑效果，從而降低磨擦系數(shù)，增強(qiáng)防卡性能。
卡住是一種現(xiàn)象，其中磨擦表面的溫度由于磨擦生熱而升高，并且其中由于熱振動(dòng)在材料之間發(fā)生原子移動(dòng)，導(dǎo)致發(fā)生粘附作用，而且磨擦表面的溫度由磨擦能量的單調(diào)增加函數(shù)來表示(=磨擦系數(shù)×載荷密度×滑動(dòng)速度)。因此，當(dāng)磨擦系數(shù)下降時(shí)，該溫度不容易上升，而且防卡性能得到增強(qiáng)。為了達(dá)到該效果，至少0．03％的S是必須的，但其過量加入會(huì)導(dǎo)致機(jī)械性能惡化，在形成鋼絲的抽絲步驟容易發(fā)生斷裂，鋼制活塞環(huán)就是由該鋼絲形成的，因此其上限設(shè)定為0．3％。
另外，本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，對于其中加入高達(dá)0．3％的S的鋼制活塞環(huán)來說，在機(jī)械性能方面，優(yōu)選增大在活塞環(huán)的制造過程中執(zhí)行的鍛造比。具體地，利用大的鍛造比，使活塞環(huán)的機(jī)械性能得到增強(qiáng)，并且在用于鋼制活塞環(huán)的彎曲過程中，大的鍛造比成為抑制斷裂／破碎的手段，鋼制活塞環(huán)是通過按照預(yù)定曲率彎曲鋼絲得到的。
順便提及的是，在這種情況下的鍛造比是由活塞環(huán)制造過程中，從鑄件到活塞環(huán)產(chǎn)品所造成的面積減小來定義的。也就是說，它是(鍛造之前的鑄件截面積)／(彎曲之后的產(chǎn)品截面積)，即與鍛造及抽絲方向垂直的鑄件截面積和最終活塞環(huán)產(chǎn)品截面積的比值。但在達(dá)到本發(fā)明效果的范圍內(nèi)，在通過彎曲將鋼絲加工成活塞環(huán)產(chǎn)品的過程中，面積減小的變化可以忽略，并且可以利用鍛造比估計(jì)(鍛造之前的鑄件截面積)／(彎曲之前(鍛造之后)的鋼絲截面積)。較高的鍛造比意味著鍛造是在較高的程度下進(jìn)行的。
在含有硫化物如MnS的鑄態(tài)(初始結(jié)構(gòu))鋼中，許多球形或紡錘形的硫化物存在于固化晶胞結(jié)構(gòu)的晶粒邊界三層重疊的位置，并且它們的取向是隨機(jī)的，但隨著鍛造比的增大，硫化物發(fā)生取向，并使機(jī)械性能得到改善。
當(dāng)鍛造比增大時(shí)，在鋼絲中硫化物沿鋼絲長度方向的取向增加，即硫化物沿著主要作用在活塞環(huán)上的周邊應(yīng)力方向延伸，并且機(jī)械性能幾乎不會(huì)惡化。在延伸后的硫化物中，即每種硫化物均具有3或更大的縱橫比(最大尺寸／最小尺寸)時(shí)，這種效果是特別明顯的。因此，在縱橫比為3或更大的硫化物的取向不是朝著周邊方向增加的情況下，則如下文所述，發(fā)生機(jī)械性能的惡化。
具體地，當(dāng)在平行于活塞環(huán)外周邊表面的結(jié)構(gòu)處觀測時(shí)，縱橫比為3或更大的硫化內(nèi)含物的分布狀態(tài)是使通過兩個(gè)硫化內(nèi)含物最大尺寸的兩條直線間的交角(銳角)不超過30度，則可以得到滿足本發(fā)明效果的活塞環(huán)，并且得到這種硫化物分布的鍛造比優(yōu)選為500或更大。
圖2是在以鍛造比為1(為鑄鋼)和500鍛造的鋼未經(jīng)蝕刻的情況下，利用光學(xué)顯微鏡觀測到的放大400倍的微觀結(jié)構(gòu)簡圖，以及測量硫化內(nèi)含物交角的示意圖。在選擇好任意兩個(gè)縱橫比為3或更大的硫化內(nèi)含物之后，在視覺觀測范圍內(nèi)，重復(fù)測量穿過各最大尺寸的直線A、B所形成的銳角。該測量至少在10個(gè)視覺范圍內(nèi)進(jìn)行，并且將該角度的最大值定義為交角。如果在視覺范圍內(nèi)沒有相交(例如，在圖2中鍛造比為500時(shí))，可以用平行于直線A的直線A′作為輔助線。另外，術(shù)語“一片硫化內(nèi)含物”定義為在400倍的光學(xué)顯微鏡下觀察時(shí)，作為一個(gè)連續(xù)內(nèi)含物出現(xiàn)的硫化內(nèi)含物，并且穿過最大尺寸的直線被用作測量線。
在圖2中，在鍛造比為1時(shí)，存在交角超過30度的硫化內(nèi)含物，但可以看出，在鍛造比為500的情況下，可達(dá)到不超過30度的交角。具體地，在fructure機(jī)理中，30度的數(shù)值是設(shè)計(jì)值。圖3給出了G．R．Irwin的分析計(jì)算結(jié)果(參見“靠近橫穿金屬板的裂縫末端的應(yīng)力和應(yīng)變分析”，Trans．ASME．Ser．E．J．Appl．Mech．，第24卷，No．3(1957)，第361-364頁)，并給出了當(dāng)在應(yīng)力方向和裂縫發(fā)展方向之間形成一定的角度時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化，并由下列公式表示KI=(1-cos2β)·σ(πa)1／2其中，KI為應(yīng)力強(qiáng)度因子，該因子為發(fā)展裂縫的推動(dòng)力，β為應(yīng)力方向和裂縫方向之間所形成的角，σ為應(yīng)力，π為圓的周長與其直徑的比，α是裂縫長度。當(dāng)裂縫與應(yīng)力成直角存在(β=90°)時(shí)，裂縫很容易發(fā)展，當(dāng)裂縫沿著應(yīng)力方向存在(β=0°)時(shí)，裂縫不會(huì)發(fā)展，而當(dāng)角度超過30度時(shí)，裂縫容易發(fā)展(即應(yīng)力強(qiáng)度因子大幅度上升)。在考慮內(nèi)含物在動(dòng)態(tài)連接中較差，因此可以被視為裂縫時(shí)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，重要的是在30度的范圍內(nèi)控制有關(guān)內(nèi)含物分布的取向變化。另外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，重要的是提供適當(dāng)?shù)难由靸?nèi)含物的取向。
S是惡化鋼的機(jī)械性能的代表性元素。在含S鋼的情況下，如果不針對強(qiáng)度惡化采取對策的話，則很難形成鋼制活塞環(huán)。例如，JP-A-7-258792，其中高達(dá)1％的S加入量是可能的，該專利甚至包括一種不能達(dá)到足夠的鍛造比的氣缸內(nèi)襯，并且在原理上涉及一種鑄鋼。實(shí)際上，塑料加工技術(shù)如抽絲、軋制和彎曲，使形成相對低成本的鋼制活塞環(huán)成為可能。也就是說，在利用這些步驟，將S含量高達(dá)1％的鋼加工成活塞環(huán)鋼絲的情況下，塑料加工所要求的材料強(qiáng)度是不夠的，在抽絲過程中會(huì)發(fā)生斷裂，從而不能得到鋼制活塞環(huán)。
如上文所述，按照本發(fā)明當(dāng)然可以達(dá)到優(yōu)良的活塞環(huán)機(jī)械性能，并且該技術(shù)是針對鍛造比相當(dāng)高的滑動(dòng)產(chǎn)品特別確定的。因此，限制活塞環(huán)的S含量在0．03-0．3％的范圍內(nèi)。
另外，為了進(jìn)一步增強(qiáng)S的上述效果，將Ca和S一起加入是有效的。由于Ca存在于MnS中，它很容易流出至卡住表面。另外，由于Ca有很強(qiáng)的還原性，可避免在卡住表面上生成氧化物，而利于硫化物形成，從而增強(qiáng)潤滑性能。但由于Ca的過量加入會(huì)惡化熱加工性能，因此Ca的含量優(yōu)選為0．01％或更少。為了達(dá)到上述效果，其含量優(yōu)選為0．0001％或更多，進(jìn)一步優(yōu)選為0．0005％或更多，最優(yōu)選為0．002％或更多。另外，同時(shí)加入S和Ca不僅在增強(qiáng)防卡性能方面有效，而且在增強(qiáng)機(jī)加工性能及研磨性能方面也是有效的。
由于Cu被壓實(shí)并熔融于晶粒邊界中，并惡化了熱加工性能，因此其含量過大會(huì)在與鋼制活塞環(huán)制造有關(guān)的細(xì)絲原料的熱加工過程中導(dǎo)致鋼材料斷裂。因此Cu的含量設(shè)定在0-3．0％的范圍內(nèi)，優(yōu)選為0-2．5％，進(jìn)一步優(yōu)選為不少于0但少于0．5％。另一方面，與Ca類似，Cu是抑制在新形成的、剛好在卡住之前形成的鋼表面上生成氧化物的元素，從而增強(qiáng)了S的作用。元素Cu是已知的耐氣候鋼的添加元素，但這種抑制生銹的作用并不象Cr的耐腐蝕作用那樣形成鈍化的氧化物層，而是鋼的親合作用，使氧被還原，從而充分達(dá)到S添加材料的潤滑性能。為了達(dá)到這一效果，0．1％或更多的Cu含量是優(yōu)選的。
作為本發(fā)明的優(yōu)選條件，將占據(jù)結(jié)構(gòu)的非金屬內(nèi)含物的面積比限定為2．0％或更少的原因，是由于在該優(yōu)選范圍內(nèi)，在加工成鋼絲材料的抽絲過程中不發(fā)生斷裂，在將細(xì)絲材料形成環(huán)形形狀的過程中避免發(fā)生破碎，并且使高生產(chǎn)率的制造成為可能。
為了固定溶解在鋼中的N(氮)，至少可以加入元素V、Ti和Nb中的一種。由于N處于固體溶液狀態(tài)，在大約250℃時(shí)，在鋼中發(fā)生應(yīng)變老化，并且在鋼絲制造過程中，在冷塑加工時(shí)，生產(chǎn)率大大降低。因此，通過加入少量的這些元素，并且在退火過程中將N固定為MX型化合物，可以使制造數(shù)量通過，中間退火次數(shù)減少，并且可以使生產(chǎn)率提高。但由于其過量加入惡化了機(jī)加工性能，因此將所加入的這些元素的總量設(shè)定為0．5％或更少。為了達(dá)到這一效果，該含量優(yōu)選為0．1％或更多。
元素Al和Cr一起提高了滲氮硬度。由于在本發(fā)明中不能提高Cr的含量，因此可以由Al來保持滲氮硬度。但由于過量加入Al會(huì)形成鈍化層，并且抑制防卡性能，因此將上限設(shè)定為1．5％。另外，為了達(dá)到這一效果，Al含量優(yōu)選為0．01％或更多。
另外，在本發(fā)明中，表面處理如滲氮、PVD和鍍Cr可以組合起來使用。具體地，可以使用鍍Cr、PVD和滲氮處理中一種或兩種的組合，對用于內(nèi)燃機(jī)的活塞環(huán)進(jìn)行表面處理。滲氮作用增加了本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，從而增強(qiáng)了防卡性能和耐磨性能。另外，即使PVD和鍍Cr處理不會(huì)給本發(fā)明帶來協(xié)同效應(yīng)，但其對本發(fā)明的貢獻(xiàn)在于，避免在與活塞接觸的未處理表面上形成Al的粘附。即使在表面涂層被磨掉的情況下，由于本發(fā)明的S的作用，也會(huì)延長發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行壽命。
關(guān)于在活塞環(huán)和用作活塞材料主要成分的Al之間的滑動(dòng)性能，其中滑動(dòng)性能是與活塞有關(guān)的一個(gè)具體問題，對于鋼而言，Al本身具有很低的耐磨性能，從而使傳統(tǒng)的磨損控制法，如利用不同材料之間的耐磨性能差異，是不能被完全采用的。為了控制Al和Fe的反應(yīng)，對于本發(fā)明來說，主要是加入S，其中進(jìn)行的是化學(xué)活性控制。
另外，在鋼中可以按下列范圍含有下列元素，以形成本發(fā)明的活塞環(huán)
P≤0．1％，Mo≤1．0％，W≤1．0％，Ni≤2％，Mg≤0．01％，B≤0．01％，Zr≤0．1％下面將通過實(shí)施例描述本發(fā)明的效果。
表1 首先，對這些鑄件進(jìn)行熱加工及冷加工，得到截面尺寸為9mm×9mm的細(xì)絲狀原料(鍛造比大約598)。順便提及的是，試樣10可以被鑄造，但這種鋼材在后續(xù)的熱加工步驟中會(huì)破碎，從而不能形成測試件。接著在退火處理后，進(jìn)行預(yù)定的硬化／回火處理，并且將硬度調(diào)節(jié)到大約520HV。然后，對于調(diào)節(jié)硬度后的細(xì)絲狀原料，按照上文所述的步驟測量硫化內(nèi)含物(縱橫比≥3)之間所形成的交角，硫化內(nèi)含物存在于同縱向表面平行的結(jié)構(gòu)中，該縱向表面將成為活塞環(huán)的外周邊表面。試樣9是將表1中的熔融合金鑄成截面尺寸為9mm×9mm的模型而形成的。
利用這些試樣，評估防卡性能(磨損載荷)，以檢測活塞環(huán)的基本性能。該測試方法是針對下文給出的條件，利用圖4所示的超高壓力磨擦損耗試驗(yàn)器進(jìn)行的，并且認(rèn)為載荷迅速上升的時(shí)刻為卡住開始的時(shí)間。該評估結(jié)果與硫化物交角及測試件的硬度一起示于表2中。
滑動(dòng)表面形狀5mm×5mm的方形磨擦速度1m／s磨擦表面壓力初始壓力為1MPa，每3分鐘增加1MPa潤滑油#30號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)油配件(counterpart)JIS-FC250(JIS灰鑄鐵)表2
另外，通過往復(fù)移動(dòng)磨損試驗(yàn)評估耐磨性能。該操作包括對著直徑為20mm的配件(JIS-FC250)通過往復(fù)移動(dòng)磨擦測試件，并測量磨損寬度，該測試件是單獨(dú)形成的，直徑為8mm、長度為20mm，測試的示意圖示于圖5中，其它測試條件在下面給出。評估結(jié)果示于表3中。
擠壓載荷500N每次往復(fù)移動(dòng)的滑行距離130mm最大滑動(dòng)速度0．5m／s潤滑油#30發(fā)動(dòng)機(jī)油(滴加)表3試樣編號(hào)磨損寬度(mm) 備注1 0．54 本發(fā)明2 0．65 本發(fā)明3 0．71 本發(fā)明4 0．50 本發(fā)明5 0．51 本發(fā)明6 0．72 對比例7 0．56 對比例8 0．58 對比例9 1．53 對比例由表2、3可以很明顯地看出，試樣1-5符合本發(fā)明，具有極好的防卡性能和極好的耐磨性能。另一方面，試樣9(鑄鐵FC250)具有大的磨損寬度和不足的耐磨性能。試樣6(Si-Cr鋼)、試樣7(JIS-SUJ2)在耐磨性能方面是符合要求的，但在防卡性能方面是不足的。
在第一個(gè)實(shí)施例中，可以假定用于評估的試樣狀態(tài)與彎曲成環(huán)形狀之前的活塞環(huán)鋼材相同。不在彎曲狀態(tài)評估或測量活塞環(huán)的防卡性能及耐磨性能的原因，是由于在所涉及的截面積較小的環(huán)形活塞環(huán)范圍內(nèi)，很難使每個(gè)試樣均具有獲得準(zhǔn)確測量結(jié)果所必須的形狀(尺寸)。但由于在彎曲之前，在鋼絲狀態(tài)下所觀測到的硫化內(nèi)含物的交角，即使在彎曲的活塞環(huán)狀態(tài)下也基本上不變，并且由于在彎曲過程中縱橫比也不變，因此在第一個(gè)實(shí)施例中，已經(jīng)充分評估了本發(fā)明的活塞環(huán)。
為了防止細(xì)絲原料在彎曲過程中破碎，即使在彎曲之前的鋼絲狀態(tài)下，占據(jù)結(jié)構(gòu)的非金屬內(nèi)含物的量優(yōu)選為2．0％的面積或更少，并且該非金屬內(nèi)含物的量最終反映在活塞環(huán)狀態(tài)的觀測結(jié)果中。實(shí)施例3按照第二個(gè)實(shí)施例所述的過程，對表1中的試樣1-7進(jìn)行加工，形成截面尺寸為1．5mm×3．1mm的扁絲狀，在1000℃下保持30分鐘后進(jìn)行硬化，并進(jìn)行回火，使硬度為大約510HV。然后，利用砂輪切削刀具，在轉(zhuǎn)數(shù)為180000s-1、進(jìn)料速度為1mm／s的條件下，切削10次，并檢測毛刺發(fā)生的頻率。表4給出了發(fā)生頻率。
表4試樣編號(hào)毛刺發(fā)生頻率備注1 0 本發(fā)明2 0 本發(fā)明3 0 本發(fā)明4 0 本發(fā)明5 0 本發(fā)明6 8 對比例7 10 對比例在試樣6、7中可看到毛刺，而在加入適量S的試樣1-5中看不到毛刺，并且可以看出，本發(fā)明加入S對減少毛刺是很有效的。這使完全自動(dòng)的活塞環(huán)生產(chǎn)線成為可能。
接著針對硬度調(diào)節(jié)后的細(xì)絲原料進(jìn)行跨度為30mm的三點(diǎn)彎曲測試。彎曲材料，直到觀測到10mm的位移，未斷裂的材料用標(biāo)記“O”表示，斷裂的材料用另一個(gè)標(biāo)記“X”表示。當(dāng)通過軋彎使硬化／回火處理后的細(xì)絲原料形成具有預(yù)定曲率的活塞環(huán)時(shí)，這一點(diǎn)用于評估可成形性。結(jié)果示于表5中。
表5試樣編號(hào)鍛造比交角(°)斷裂／未斷裂 備注1-1 1 86 X 對比例1-2 10 43 X 對比例1-3 500 28 O 本發(fā)明1-4 200011 O 本發(fā)明1-5 100005 O 本發(fā)明當(dāng)鍛造比低、并且當(dāng)硫化內(nèi)含物的交角超過30度時(shí)，機(jī)械性能惡化，并且在將細(xì)絲原料彎曲成環(huán)形形狀的過程中發(fā)生斷裂。接著將彎曲加工性能極好的細(xì)絲原料彎曲，使之形成形狀如圖6所示的活塞環(huán)后，在平行于外周邊表面的結(jié)構(gòu)處，觀測到的上文所述的硫化內(nèi)含物的交角基本上與細(xì)絲原料相同。
在細(xì)絲原料中觀測到的硫化內(nèi)含物的交角，如上文所述反應(yīng)在彎曲后的活塞環(huán)狀態(tài)中。另外，當(dāng)截面積較小的活塞環(huán)裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上時(shí)，由于機(jī)械性能不夠，擔(dān)心會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，在硫化內(nèi)含物的交角為30度或更小的情況下，如本發(fā)明，可以保持足夠的機(jī)械性能。
按照本發(fā)明，可以提供一種具有自潤滑性能的活塞環(huán)，因此在不進(jìn)行任何表面處理的情況下，其防卡性能也是極好的，從而其對氣缸內(nèi)襯及活塞的沖擊性能減弱。另外，由于加工性能如制造過程中的機(jī)加工性能也得到增強(qiáng)，并且由于制造成本和交付周期可以減少，因此該活塞環(huán)在性能和制造方面都是極好的。由于裝有這種活塞環(huán)的內(nèi)燃機(jī)有望對提高環(huán)保性能及耐用性作出貢獻(xiàn)，因此具有顯著的工業(yè)優(yōu)勢。
權(quán)利要求
1.一種細(xì)長的、具有自潤滑性能的活塞環(huán)材料，該材料適合生產(chǎn)用于內(nèi)燃機(jī)的活塞環(huán)，該活塞環(huán)材料含有重量組成主要如下的鋼不少于0．3％但少于0．8％的碳、0．1-3．0％的硅、0．1-3．0％的錳、0．03-0．3％的硫、0．3-6．0％的鉻、0-3．0％的銅、以及余量的鐵，該活塞環(huán)材料含有硫化內(nèi)含物，當(dāng)在材料的縱向結(jié)構(gòu)方向觀測時(shí)，每個(gè)硫化內(nèi)含物均具有不少于3的縱橫比，即最大尺寸與最小尺寸的比，硫化內(nèi)含物在縱向結(jié)構(gòu)中是定向的，從而在穿過任何一個(gè)硫化內(nèi)含物最大尺寸的一條假想直線與另一條穿過另一個(gè)硫化內(nèi)含物最大尺寸的假想直線之間的交角不超過30度。
2.如權(quán)利要求1所述的活塞環(huán)材料，其中，占據(jù)結(jié)構(gòu)的非金屬內(nèi)含物的面積比不超過2％。
3.一種具有自潤滑性能的活塞環(huán)材料，該材料適合生產(chǎn)用于內(nèi)燃機(jī)的活塞環(huán)，該活塞環(huán)材料含有重量組成主要如下的鋼不少于0．3％但少于0．8％的碳、0．1-3．0％的硅、0．1-3．0％的錳、0．03-0．3％的硫、0．3-6．0％的鉻、0-3．0％的銅、以及余量的鐵，該活塞環(huán)材料含有硫化內(nèi)含物，當(dāng)在平行于由該活塞環(huán)材料形成的活塞環(huán)的外周邊的面內(nèi)的結(jié)構(gòu)中觀測時(shí)，每個(gè)硫化內(nèi)含物均具有不少于3的縱橫比，即最大尺寸與最小尺寸的比，硫化內(nèi)含物在結(jié)構(gòu)中的分布狀態(tài)是這樣的，即在穿過任何一個(gè)硫化內(nèi)含物最大尺寸的一條假想直線與另一條穿過另一個(gè)硫化內(nèi)含物最大尺寸的假想直線之間的交角不超過30度。
4.如權(quán)利要求3所述的活塞環(huán)材料，其中，占據(jù)結(jié)構(gòu)的非金屬內(nèi)含物的面積比不超過2％。
5.如權(quán)利要求1或3所述的活塞環(huán)材料，其中，所述的鋼還含有不超過0．01％重量的鈣。
6.如權(quán)利要求1或3所述的活塞環(huán)材料，其中，所述的鋼還含有3．0-6．0％重量的鉻。
7.如權(quán)利要求1或3所述的活塞環(huán)材料，其中，所述的鋼還含有0．3-1．0％重量的鉻。
8.如權(quán)利要求1或3所述的活塞環(huán)材料，其中，所述的鋼還含有至少一種總量不超過0．5％重量的選取自釩、鈮和鈦的組分。
9.如權(quán)利要求1或3所述的活塞環(huán)材料，其中，所述的鋼還含有不超過1．5％重量的鋁。
10.一種具有自潤滑性能的、用于內(nèi)燃機(jī)的活塞環(huán)，該活塞環(huán)含有重量組成主要如下的鋼不少于0．3％但少于0．8％的碳、0．1-3．0％的硅、0．1-3．0％的錳、0．03-0．3％的硫、0．3-6．0％的鉻、0-3．0％的銅、以及余量的鐵，該活塞環(huán)含有硫化內(nèi)含物，當(dāng)在與活塞環(huán)外周邊同軸的面內(nèi)的結(jié)構(gòu)中觀測時(shí)，每個(gè)硫化內(nèi)含物均具有不少于3的縱橫比，即最大尺寸與最小尺寸的比，所述內(nèi)含物在結(jié)構(gòu)中的分布狀態(tài)是這樣的，即在穿過任何一個(gè)硫化內(nèi)含物最大尺寸的一條假想直線與另一條穿過另一個(gè)硫化內(nèi)含物最大尺寸的假想直線之間的交角不超過30度。
11.如權(quán)利要求10所述的活塞環(huán)，其中，占據(jù)結(jié)構(gòu)的非金屬內(nèi)含物的面積比不超過2％。
12.如權(quán)利要求10所述的活塞環(huán)，其中，所述的鋼還含有不超過0．01％重量的鈣。
13.如權(quán)利要求10所述的活塞環(huán)，其中，所述的鋼還含有3．0-6．0％重量的鉻。
14.如權(quán)利要求10所述的活塞環(huán)，其中，所述的鋼還含有0．3-1．0％重量的鉻。
15.如權(quán)利要求10所述的活塞環(huán)，其中，所述的鋼還含有至少一種總量不超過0．5％重量的選取自釩、鈮和鈦的組分。
16.如權(quán)利要求10所述的活塞環(huán)，其中，所述的鋼還含有不超過1．5％重量的鋁。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種活塞環(huán)材料和一種活塞環(huán),二者均具有極好的性能。它們的重量組成主要為:不少于0.3%但少于0.8%的C、0.1—3.0%的Si、0.1—3.0%的Mn、0.03—0.3%的S、0.3—6.0%的Cr、0—3.0%的Cu、以及余量的Fe,并且在平行于所形成的活塞環(huán)的外周邊表面的結(jié)構(gòu)處觀測時(shí),最大直徑/最小尺寸≥3的硫化內(nèi)含物的分布狀態(tài)使通過兩個(gè)硫化內(nèi)含物最大尺寸的直線間的交角不超過30度。
文檔編號(hào)F16J9/26GK1290765SQ00107860
公開日2001年4月11日 申請日期2000年6月26日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月25日
發(fā)明者久保田邦親, 大野丈博, 枡形芳樹 申請人:日立金屬株式會(huì)社