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CN102257299A - 可氮化钢活塞环和钢汽缸套及制造它们的铸造方法 - Google Patents

可氮化钢活塞环和钢汽缸套及制造它们的铸造方法 Download PDF

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CN102257299A CN201080011068XA CN201080011068A CN102257299A CN 102257299 A CN102257299 A CN 102257299A CN 201080011068X A CN201080011068X A CN 201080011068XA CN 201080011068 A CN201080011068 A CN 201080011068A CN 102257299 A CN102257299 A CN 102257299A
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Abstract

本发明公开了一种活塞环和一种汽缸套，它们包含具有良好的可氮化性的钢成分作为主体。所述钢成分由下列元素组成：0-0.5%重量百分比的B、0.5-1.2%重量百分比的C、4.0-20.0%重量百分比的Cr、0-2.0%重量百分比的Cu、45.30-91.25%重量百分比的Fe、0.1-3.0%重量百分比的Mn、0.1-3.0%重量百分比的Mo、0-0.05%重量百分比的Nb、2.0-12.0%重量百分比的Ni、0-0.1%重量百分比的P、0-0.05%重量百分比的Pb、0-0.05%重量百分比的S、2.0-10.0%重量百分比的Si、0-0.05%重量百分比的Sn、0.05-2.0%重量百分比的V、0-0.2%重量百分比的Ti和0-0.5%重量百分比的W。所述活塞环和所述汽缸套可通过铸造法利用制造铸铁零件所用机器和技术来制造。

Description

可氮化钢活塞环和钢汽缸套及制造它们的铸造方法
技术领域
本发明涉及活塞环和汽缸套，它们具有良好的可氮化性并可通过铸造方法制造。此外，本发明涉及可用本发明具有良好的可氮化性的活塞环和汽缸套制造的氮化活塞环和汽缸套。此外，本发明涉及一种用于制造本发明具有良好的可氮化性的活塞环和汽缸套的方法和一种用于制造本发明的氮化活塞环和汽缸套的方法。
背景技术
在内燃机中，活塞环密封燃烧室的活塞头和汽缸壁之间的间隙。由于活塞往复运动，活塞环一侧与其外周面在永久性的弹簧加载位置中对着汽缸壁滑动，且因为活塞的倾斜运动，活塞环的另一侧在其活塞环槽中以振动方式滑动，因此其侧面交替地对活塞环槽的上或下槽侧面施加压力。这些元件相对于彼此的相互滑动导致取决于材料的较大或较小的磨损量；如果它空运行，这可导致所谓的磨损、划痕和最终发动机的破坏。为了改进活塞环相对汽缸壁的滑动和磨损性能，它们的周面已设有由各种材料形成的涂层。
汽缸套例如往复式活塞内燃机中的汽缸套，必须具有高耐磨性，因为否则，换言之，随着汽缸套变薄，气体泄漏和油耗可增加，发动机性能可劣化。随着汽缸套磨损，汽缸套中的间隙不断增加，使得更多的燃烧气体能够进入曲轴箱。此外，在极端情况下，活塞环可能无法对汽缸套均一地施加压力，于是甚至更多的气体可进入曲轴箱中。
为了生产高性能的内燃机零件，例如活塞环和汽缸套，通常使用铸铁材料或铸铁合金。在高性能发动机中，对活塞环尤其是压缩环所设的要求变得愈发严格，例如关于峰压缩压力、燃烧温度、EGR和润滑膜减少，它们实质上影响活塞环的功能性，例如耐磨性、抗烫焦性、显微焊接和耐腐蚀性。
然而，现有技术的铸铁材料有极大的断裂风险；事实上，当使用现有材料时，环经常断裂。增加的力学-动力学负荷导致活塞环和汽缸套较短的使用寿命。严重的磨损和腐蚀出现在工作面和侧面上。
较高的点火压力、减少的散发和直接喷射燃料意味着活塞环上增加的负荷。这导致特别是下活塞环侧面上的活塞材料的破坏和建立。
因为活塞环和汽缸套上较高的力学和动力学应力，越来越多的发动机制造商要求高级钢(淬火与回火的和高合金，例如1.4112级)制造的活塞环和汽缸套。于此，包含少于2.08%重量百分比的碳的含铁材料通称为钢。如果碳含量更高，则其称为铸铁。与铸铁相比，钢具有更好的强度和韧性性质，因为在基本的微观结构中不存在游离石墨的干扰。
通常，高铬合金的马氏体钢用于制造钢活塞环或钢汽缸套。然而，利用这种钢的缺点是制造成本明显高于铸铁元件的。
钢活塞环是用异形钢丝制造。异形钢丝盘绕成环形轧材、被切割并在“非圆形”心轴上拉伸。活塞环在此心轴上通过退火过程获得其所需非圆形状，该退火过程给予所需切向应力。用钢制造活塞环的另一个缺点是，超过特定直径，用钢丝制造(盘绕)环不再可能。
一种常规的钢活塞环公开于EP 0 295 111 A2。它由合金组成，其中加入铝以助于制造异形钢丝和有助于进一步的加工以形成活塞环。
另一方面，由铸铁形成的活塞环在铸造时已经是非圆的，使得从开始它们便具有理想形状。铸铁具有比钢显著低的熔点。取决于化学成分，差值可达350℃。因此，铸铁比较容易熔化和铸造，因为较低的熔点意味着铸造温度较低，这样冷却时的收缩较小，因此铸造材料具有较少的管缺陷或热裂和冷裂。较低的铸造温度也带来模具材料和熔炉上较低的应力(腐蚀、气孔、夹砂)，并也带来较低的熔化成本。
含铁材料的熔点并不简单地取决于碳含量，而且取决于其“饱和度”。下列经验公式适用：
Sc = C/(4.26-1/3(Si+P))。
饱和度愈接近1，熔点愈低。对于铸铁，通常期望1.0的饱和度，因此铸铁的熔点为1150℃。钢的饱和度大约为0.18，视化学成分而定。共晶钢的熔点为1500℃。
饱和度受Si或P含量的显著影响。举例来说，3%重量百分比的较高硅含量具有与1%重量百分比的较高C含量类似的效果。因此，可制造C含量为1%重量百分比且硅含量为9.78%重量百分比的钢，其具有与饱和度为1.0的铸铁(C：3.26%重量百分比；Si：3.0%重量百分比)相同的熔点。
Si含量的急剧增加可提高钢的饱和度，并降低熔点至铸铁的熔点。因此，可借助用于制造铸铁(例如GOE 44)的相同技术来制造钢。
由高硅铸钢形成的活塞环和汽缸套在本领域内是已知的。但是，较大量存在的硅对材料的淬透性有负面影响，因为增加了材料的奥氏体转变温度“Ac3”。
然而，具有低硅含量的钢活塞环常规用异形钢丝制造。这种具有低硅含量的钢活塞环参见JP 03-122257A。
然而，本领域通常用于增加活塞环表面硬度的方法可在于将材料氮化。但是，已表明，现有技术的高硅钢铸件具有差的可氮化性。
发明内容
因此，本发明的目的是提供具有由高硅含量钢成分形成的主体的钢活塞环和钢汽缸套，它们具有良好的可氮化性，以及提供氮化活塞环和汽缸套。在通过重力铸造法制造后，所述氮化活塞环和汽缸套的氮化钢成分的性质将在至少一个下列点上优于淬火与回火的球状石墨铸铁的性质：
力学性能，例如弹性模数、抗弯强度；
断裂强度；
形状稳定性；
侧面上的磨损；
工作表面上的磨损。
依据本发明，该目的通过具有由钢成分形成的主体的钢活塞环和钢汽缸套实现，所述钢成分包含下述比例的下列元素：
B:   0-0.5%重量百分比
C:   0.5-1.2%重量百分比
Cr:   4.0-20.0%重量百分比
Cu:  0-2.0%重量百分比
Fe:  45.30-91.25%重量百分比
Mn: 0.1-3.0%重量百分比
Mo:  0.1-3.0%重量百分比
Nb:   0-0.05%重量百分比
Ni:    2.0-12.0%重量百分比
P:    0-0.1%重量百分比
Pb:   0-0.05%重量百分比
S:    0-0.05%重量百分比
Si:    2.0-10.0%重量百分比
Sn:   0-0.05%重量百分比
Ti:    0-0.2%重量百分比
V:   0.05-2.0%重量百分比
W:   0-0.5%重量百分比。
假定，本发明活塞环和汽缸套的良好的可氮化性是因为4.0-20.0%重量百分比的铬含量。在氮化过程中，铬形成非常硬的氮化物。虽然将铬加入钢成分通常将进一步提高材料的奥氏体转变温度，并因此进一步导致其淬透性劣化，但是在本发明中观察到，加入2.0-12.0%重量百分比的镍抵消了奥氏体转变温度的这种上升。如此，本发明防止增加的奥氏体转变温度使可获得的材料表面更好的淬透性无效，因为通过同时还原主体的淬透性来改善钢成分的可氮化性。
备选地，所述钢成分具有以下组成：
B:     0-0.5%重量百分比
C:     0.5-0.95%重量百分比
Cr:    11.0-14.5%重量百分比
Cu:    0-2.0%重量百分比
Fe:     72.055-84.550%重量百分比
Mn:   0.1-1.0%重量百分比
Mo:   0.2-1.0%重量百分比
Nb:    0-0.05%重量百分比
Ni:     1.5-3.0%重量百分比
P:     0-0.055%重量百分比
Pb:    0-0.05%重量百分比
S:     0-0.04%重量百分比
Si:     2.6-4.0%重量百分比
Sn:    0-0.05%重量百分比
Ti:     0-0.2%重量百分比
V:     0.05-0.15%重量百分比
W:     0-0.4%重量百分比。
为了增加所用钢的饱和度，在两种备选方案中，钢的硅含量均优选为至少3.0%重量百分比。
此外，所述钢成分优选包含至少0.003%重量百分比的铅、至少0.003%重量百分比的铜、至少0.003%重量百分比的磷和至少0.003%重量百分比的硫。
优选地，本发明的钢活塞环具有树状微观结构。由异形钢丝制造的常规钢活塞环具有细致的微观结构，而无枝蔓晶。然而在一些常规钢活塞环中，在微观结构中仍可检测到异形钢丝的拉伸或轧制方向。
将本发明具有良好的可氮化性的钢活塞环或钢汽缸套氮化来生产本发明的氮化钢活塞环或钢汽缸套。
本发明的氮化钢活塞环和钢汽缸套在被强烈加热时改变它们的形状的趋向降低，因此提供长期的高性能和此外减少的油耗。
本发明的氮化钢活塞环和钢汽缸套还具有的优点是，它们可利用制造铸铁零件的机器和技术来制造。此外，制造成本与铸铁活塞环或灰铸铁汽缸套的相当，为厂家节省成本和提高利润。同样地，可独立于供应商调整材料参数。
本发明还提供一种用于制造本发明具有良好的可氮化性的钢活塞环和钢汽缸套的方法，包括下列步骤：
a. 用起始原料生产熔体；和
b. 将所述熔体浇铸到准备的模具中。
这产生具有树状微观结构的钢活塞环和钢汽缸套。举例来说，相比之下，用异形钢丝制造钢活塞环的常规方法产生具有细致微观结构的活塞环。
起始原料的实例是钢屑、回炉废钢和合金化物质。熔化过程是在熔炉优选熔炼炉特别优选化铁炉中进行。接着，当熔体固化时产生坯料。在工艺过程中，可利用本领域已知的方法铸造钢活塞环或钢汽缸套，例如通过离心铸造法(用于制造汽缸套的优选方法)、连续浇铸法、冲压法、壳型铸造法或优选的湿砂造型。
在活塞环或汽缸套已冷却后，将模具空置，并清洁获得的坯料。
必要时，可随后将活塞环或汽缸套淬火和回火。这由下列步骤完成：
c. 在其Ac3温度之上将所述活塞环或汽缸套形成奥氏体；
d. 将所述活塞环或汽缸套在适当的淬火介质中淬火；和
e. 将所述活塞环或汽缸套在可控气氛炉中于400-700℃范围内的温度回火。
优选地，油用作所述淬火介质。
为制造本发明的氮化活塞环或汽缸套，遵循上述工序，进行所得活塞环或汽缸套的氮化。这可例如通过气体氮化、离子氮化或加压渗氮来完成。
下列实施例和附图在不限制本发明的情况下对其进行说明。
附图说明
图1示出本发明的活塞环的示意图。
图2示出本发明的钢活塞环的基本微观结构的放大截面图(500:1)。
图3示出本发明的钢活塞环的基本微观结构的放大截面图(200:1)。
图4示出常规钢活塞环的基本微观结构的放大截面图(500:1)。
具体实施方式
一种活塞环(见图1)由本发明的高度可氮化钢成分制造，所述钢成分具有下列成分： 
B:    0.001%重量百分比     Pb:   0.16%重量百分比
C:     0.8%重量百分比        S:      0.009%重量百分比
Cr:    13.0%重量百分比       Si:     3.0%重量百分比
Cu:   0.05%重量百分比      Sn:    0.001%重量百分比
Mn:   0.3%重量百分比        Ti:      0.003%重量百分比
Mo:   0.5%重量百分比        V:      0.11%重量百分比
Nb:    0.002%重量百分比     W:    0.003%重量百分比
Ni:     2.1%重量百分比       Fe:     余量
P:     0.041%重量百分比
它通过从起始原料(钢屑、回炉废钢和合金化物质)生产熔体，并将熔体浇铸到准备的湿砂型中来获得。接着，将模具空置，清洁所得活塞环。随后，可对活塞环进行淬火和回火。这通过在钢成分的Ac3温度之上形成奥氏体，并在可控气氛炉中于400-700℃范围内的温度进行油淬和回火来完成。
最后，将所得活塞环的表面氮化。虽然在氮化之前硬度为420 HV或42 HRC，但是在氮化区域中获得大于1000 HV的硬度，其保证了对侧面磨损和工作面磨损的高抗性。该情况下的硬度根据DIN EN 10109-1和DIN EN 10008-1测定。本发明活塞环的弹性模量为215000 MPa。
本发明的铸钢活塞环的基本微观结构的放大截面图示于图2 (500:1)和图3 (200:1)。为了比较，图3以相同放大倍数示出常规制造的钢活塞环的基本微观结构(GOE 65 D铸铁，来自Federal Mogul; 化学成分: 0.05-0.75%重量百分比的C、11.0-15.0%重量百分比的Cr、最大1.0%重量百分比的Mn、最大0.6%重量百分比的Mo、最大0.045%重量百分比的P、最大1.0%重量百分比的Si、最大0.1%重量百分比的V)。可以看出，本发明的钢活塞环具有树状的基本微观结构。白色区域表示碳化铬，其已在沿枝蔓晶的纹理边缘沉淀出来。相比之下，常规钢活塞环具有细致的微观结构而无枝蔓晶。甚至活塞环的拉伸或轧制方向也看不到。

Claims (14)

1.一种包含具有良好的可氮化性的钢成分作为主体的钢活塞环或钢汽缸套，其特征在于，所述钢成分由以相对100%重量百分比的所述钢成分表示的下述给定比例的下列元素组成：
B: 0-0.5%重量百分比
C: 0.5-1.2%重量百分比
Cr: 4.0-20.0%重量百分比
Cu: 0-2.0%重量百分比
Fe: 45.30-91.25%重量百分比
Mn: 0.1-3.0%重量百分比
Mo: 0.1-3.0%重量百分比
Nb: 0-0.05%重量百分比
Ni: 2.0-12.0%重量百分比
P: 0-0.1%重量百分比
Pb: 0-0.05%重量百分比
S: 0-0.05%重量百分比
Si: 2.0-10.0%重量百分比
Sn: 0-0.05%重量百分比
Ti: 0-0.2%重量百分比
V: 0.05-2.0%重量百分比
W:  0-0.5%重量百分比。
2.  一种包含具有良好的可氮化性的钢成分作为主体的钢活塞环或钢汽缸套，其特征在于，所述钢成分由以相对100%重量百分比的所述钢成分表示的下述给定比例的下列元素组成：
B: 0-0.5%重量百分比
C: 0.5-0.95%重量百分比
Cr: 11.0-14.5%重量百分比
Cu: 0-2.0%重量百分比
Fe: 72.055-84.550%重量百分比
Mn: 0.1-1.0%重量百分比
Mo: 0.2-1.0%重量百分比
Nb: 0-0.05%重量百分比
Ni: 1.5-3.0%重量百分比
P: 0-0.055%重量百分比
Pb: 0-0.05%重量百分比
S: 0-0.04%重量百分比
Si: 2.6-4.0%重量百分比
Sn: 0-0.05%重量百分比
Ti: 0-0.2%重量百分比
V: 0.05-0.15%重量百分比
W:  0-0.4%重量百分比。
3.  根据权利要求1或2所述的钢活塞环或钢汽缸套，其特征在于，所述钢成分包含至少3.0%重量百分比的硅。
4.  根据权利要求1-3中任一项所述的钢活塞环或钢汽缸套，其特征在于，所述钢成分包含至少0.003%重量百分比的铅、至少0.003%重量百分比的铜、至少0.003%重量百分比的磷和至少0.003%重量百分比的硫。
5.  根据权利要求1-4中任一项所述的钢活塞环或钢汽缸套，其特征在于，所述钢成分具有树状微观结构。
6.  一种氮化钢活塞环，其特征在于，它可通过将权利要求1-5中任一项的钢活塞环氮化而得到。
7.  一种氮化钢汽缸套，其特征在于，它可通过将权利要求1-5中任一项的钢汽缸套氮化而得到。
8.  一种用于制造权利要求1-5中任一项的钢活塞环或钢汽缸套的方法，包括下列步骤：
a.  用起始原料生产熔体；和
b.  将所述熔体浇铸到准备的模具中。
9.  根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述熔体是在熔炼炉中产生。
10.  根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述模具是湿砂型。
11.  根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，其是用于制造钢汽缸套的方法，所述钢汽缸套通过离心铸造法制造。
12.  根据权利要求8-11中任一项所述的方法，还包括下列步骤：
c.  在其Ac3温度之上将所述钢活塞环或钢汽缸套形成奥氏体；
d.  将所述钢活塞环或钢汽缸套在适当的淬火介质中淬火；和
e.  将所述钢活塞环或钢汽缸套在可控气氛炉中于400-700℃范围内的温度回火。
13.用于制造权利要求6的钢活塞环或权利要求7的钢汽缸套的方法，包括下列步骤：
a.  进行权利要求8-12中任一项的方法；和
b.  将所得钢活塞环或钢汽缸套氮化。
14.  根据权利要求13的方法，其特征在于，所述氮化通过气体氮化、离子氮化或加压渗氮来完成。
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