專利名稱：有提高的抗擦傷性、抗裂性和抗疲勞性的活塞環(huán),和它的生產(chǎn)方法,以及活塞環(huán)和氣缸體 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于內(nèi)燃發(fā)動機的活塞環(huán)，特別是，包括氮化的高鉻馬氏體不銹鋼的活塞環(huán)，具有提高的抗擦傷性(抗咬合性)、抗裂性(抗斷裂性)、和抗疲勞性。本發(fā)明還涉及到該活塞環(huán)的生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
隨著近來對低燃料消耗、重量輕和高性能內(nèi)燃發(fā)動機的需求，活塞環(huán)變薄以減輕重量和適應(yīng)發(fā)動機的高轉(zhuǎn)速。必須提高活塞環(huán)的材料特性，如耐磨性、抗擦傷性和抗疲勞性，以便能使活塞環(huán)變薄。因此，常規(guī)的鑄鐵活塞環(huán)已經(jīng)被鋼的活塞環(huán)代替，特別是從抗疲勞性和耐熱性的角度。但是，由于鋼活塞環(huán)的抗擦傷性差于鑄鐵活塞環(huán)的，通常對鋼活塞環(huán)的滑動表面施加表面處理?；钊h(huán)的鋼粗略地分為碳鋼、硅鉻鋼、和馬氏體不銹鋼。這些分類對應(yīng)于加到各種鋼的不同類型的表面處理。主要地，是電鍍鉻被施加到碳鋼和硅鉻鋼。氣體氮化施加到馬氏體不銹鋼。電鍍鉻以前是鋼活塞環(huán)最常用的表面處理，但現(xiàn)在已經(jīng)絕大部分被氮化代替，因為在高負(fù)荷下電鍍鉻的抗擦傷性很差，還有電鍍的廢液必須進(jìn)行處理以便不會引起任何的環(huán)境問題。
現(xiàn)在主要用作氮化活塞環(huán)的高鉻馬氏體不銹鋼是JIS SUS440B，等價的組份是C0.80-0.95％；Cr17.0-18.0％；Si0.25-0.50％；Mn0.25-0.40％；Mo0.70-1.25％；V0.07-0.15％；其余是Fe。當(dāng)有這種組份的鋼氮化時，氮原子從表面擴(kuò)散和硬擠進(jìn)到鋼中并構(gòu)成氮化層。在氮化層中的氮化物主要是Cr、V和Mo的化合物，它們可以包含溶質(zhì)Fe。這種鋼的主要組份鉻是溶解在鐵基體中，也以Cr碳化物的形式存在。
因為鉻與氮的親合性大于與碳的親合性，當(dāng)進(jìn)行氮化氮氣從表面擴(kuò)散進(jìn)去時，在氮和Cr碳化物之間發(fā)生反應(yīng)形成Cr氮化物。由于SUS440B等價材料的Cr含量高至17.0-18.0％，使硬的Cr氮化物以適當(dāng)?shù)拿娣e％分散在氮化層中。所以，氮化層相對較硬并提高了抗磨性和抗擦傷性。
最近出版的日本待審核專利申請11(1999)-80907號提出氮化的馬氏體不銹鋼，具有改良的抗擦傷性，它包含Si0.25％或更少；Mn0.30％或更少；Mo、W、V和Nb中一個或幾個0.3-2.5％或Cu4.0％或更少；Ni2.0％或更少，和Al1.5％或更少。
日本待審核專利申請11(1999)-106874號公開了，當(dāng)微結(jié)構(gòu)中的M7C3碳化物的量壓縮到4.0％或更少的面積％時，不僅活塞環(huán)鋼材料的抗擦傷性而且可加工性都得到改善。
雖然通過上述建議已經(jīng)提高了抗磨性和抗擦傷性，但當(dāng)這些活塞環(huán)用于操作在高轉(zhuǎn)數(shù)和高功率條件下的近來的內(nèi)燃發(fā)動機中時，仍很容易發(fā)生擦傷。
至今，是迫使氣缸套進(jìn)入到柴油發(fā)動機的氣缸體中。這些發(fā)動機現(xiàn)在已改變成窄筒距的整塊鑄鐵體而沒有襯套，以便減輕重量和節(jié)約成本。從廢氣凈化和功率增加的觀點總是想增加燃燒的壓力。在整塊鑄鐵體的微結(jié)構(gòu)中，由于整塊鑄造有相當(dāng)大的冷卻速率差，石墨的分布是不均勻的且作為擦傷原因的軟的純鐵體相的散布也是不均勻的。
當(dāng)有上述微結(jié)構(gòu)的氣缸表面與氮化的馬氏體不銹鋼活塞環(huán)組合時，由于下述的理由很容易在開始操作階段產(chǎn)生擦傷。
當(dāng)用搪磨(honing)拋光氣缸表面時，研磨輪的磨料由于純鐵體相會造成粘附，在搪磨后氣缸表面很容易會變得粗糙。由于純鐵體塑性流動使石墨被覆蓋。因此，由于石墨的面積％減小，使石墨的潤滑和儲油效應(yīng)降低。在高的燃燒壓力情況下，加到活塞環(huán)的背壓變得很高。擦傷常起因于活塞環(huán)外周邊表面上的裂縫，在垂直于滑動的方向上伸長。在檢查氮化層時，沿著薄片狀的化合物檢測裂縫。化合物是相對粗的并沿著鐵基體的晶粒邊界存在，在日本活塞環(huán)工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)被稱為假相。化合物薄片與活塞環(huán)表面平行分布。
為了解決活塞環(huán)的各種問題，通過離子電鍍形成TiN、CrN和類似化合物。離子電鍍可以提高抗磨性和抗擦傷性但生產(chǎn)成本高。由于成本效應(yīng)目前使用者對離子電鍍的看法不是太好。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種氮化高鉻馬氏體不銹鋼活塞環(huán)，該環(huán)是成本有效的，即使應(yīng)用在操作于高轉(zhuǎn)數(shù)和高燃燒壓力的柴油發(fā)動機中，特別是整塊鑄鐵體的柴油發(fā)動機，既不會發(fā)生磨損、擦傷、裂縫也不會發(fā)生疲勞斷裂，由于重量輕在將來整塊鑄鐵體的柴油發(fā)動機中的應(yīng)用會不斷增加。
本發(fā)明的特定目的是調(diào)節(jié)在高鉻馬氏體不銹鋼氮化層中的硬顆粒，主要是氮化物的尺寸和分布，和減小晶粒邊界片狀化合物的尺寸以便抑制與這些化合物相關(guān)的裂縫的生成和擴(kuò)展。
本發(fā)明還有一個目的是提供生產(chǎn)高鉻馬氏體不銹鋼活塞環(huán)的方法。

發(fā)明內(nèi)容
按照由汽車活塞環(huán)編輯委員會編輯，Sankaido出版社1997年出版的“汽車活塞環(huán)”188頁的解釋，當(dāng)負(fù)荷集中到滑動表面上顯微不平的凸面(特別是軟的相)上時，由于摩擦熱那里的溫度上升，并發(fā)生不正常的軟化和熔化。這種現(xiàn)象造成活塞環(huán)的擦傷。
在氮化的高鉻馬氏體不銹鋼中，氮化層的微結(jié)構(gòu)通常表示大多數(shù)硬的氮化物散布在回火的馬氏體基體中。擦傷的機理主要取決于滑動表面上顯微的不平度。在氮化層中，硬的顆粒散布在相對軟的基體中。因此，顯微的不平度是由硬顆粒的尺寸和散布的狀態(tài)所限定。當(dāng)觀察有這樣結(jié)構(gòu)的表面層的剖面時，下述現(xiàn)象是很清楚的。凸的硬顆粒與對面的滑動表面接觸，而相對軟的基體是相對凹的。在滑動時保留在凹部分中的潤滑油經(jīng)受壓力。由于氮化鋼有上述的微結(jié)構(gòu)，所以氮化鋼與對面部件的整個直接接觸的頻率是很低的。因此，在兩個滑動部件之間的接觸壓力降低。此外，油加到上述的凹部分中。所以，可以防止擦傷。
硬的凸顆?？梢垣@得上述的效應(yīng)，只要它們的尺寸是次微米到幾微米和散布的面積有5％或更大。在硬顆粒是極其小和它們的數(shù)量又少的情況下，不能達(dá)到根據(jù)上述機理所產(chǎn)生的凸的硬顆粒的作用和效應(yīng)。
同時，這些效應(yīng)受相對部件滑動表面環(huán)境的影響。特別是，在上述有不均勻結(jié)構(gòu)的整塊鑄鐵氣缸體的情況下，這個氣缸體的表面很容易通過研磨反而變得粗糙。通常是，純鐵體相塑性流動并覆蓋住石墨。
通過專家們稱之為碾平或適合性碾磨的恰當(dāng)滑動能改進(jìn)即使是這樣鑄鐵的滑動表面。也就是說，發(fā)生下述的現(xiàn)象。當(dāng)在滑動時氣缸粗糙的內(nèi)表面變得平滑，除去了純鐵體并露出了被覆蓋的石墨。在碾平取得進(jìn)展之前，滑動表面上的油膜常常很難保持。當(dāng)油膜不存在時加在活塞環(huán)外周邊表面上的摩擦力增加。很大的摩擦力反復(fù)地加到活塞環(huán)的外周邊表面上。因此，氮化層不斷地承受很大的壓力，造成在垂直于滑動的方向上裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)大。隨著在氣缸內(nèi)表面上適合性現(xiàn)象的進(jìn)展，所加的壓力減小，同時隨著時間的消逝裂縫擴(kuò)大。結(jié)果，氮化層在表面上可能局部被剝皮，使氣缸的內(nèi)表面受到損害。所以，在滑動的開始階段很容易發(fā)生擦傷。因此在氮化層中晶粒邊界的化合物很脆，它們的存在促進(jìn)了裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)大。
本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)下述的基本原因。應(yīng)該將氮化層中合適尺寸的大量硬顆粒，主要是Cr的氮化物，均勻地散布在基體中以便減小基體和氣缸之間的接觸概率和以便防止初始階段的擦傷。特別是，應(yīng)該精煉在氮化時形成的晶粒邊界化合物以便減小與這些化合物相關(guān)的裂縫的產(chǎn)生。在這種很細(xì)的微結(jié)構(gòu)中，即使裂縫產(chǎn)生，也可以抑制它們的發(fā)展。
當(dāng)熔融的高鉻馬氏體不銹鋼固化時，在初生奧氏體(γ相)的晶粒邊界上共晶的Cr碳化物(η相(Cr，F(xiàn)e)7C3)結(jié)晶。在高鉻馬氏體不銹鋼中存在最大直徑超過20μm(微米)的Cr碳化物，如上述那樣將該鋼固化，然后熱軋，球化退火，和最終淬火和回火。關(guān)于粗的初生共晶Cr碳化物的精煉，Tetsu and Hagane(日本鋼鐵協(xié)會雜志)第82卷，第4冊，309-314頁(1996年)報告，通過加入0.25％或更多的N精煉碳化物。按照這個報告，在初生γ的邊界上共晶的Cr碳化物消失并代替的是，沉積在初生γ晶粒邊界周圍片狀的M23C6和M2N(MCr、Fe)。這些片狀沉積在熱軋中更細(xì)地分裂。在接著的球化退火中，在與M2N沉積不同的地點新沉積細(xì)的M23C6。因此，整個Cr碳化物變細(xì)。
Netsushori第36卷，第4冊，234-238頁(1996年)報告加入0.25％ N的16.5％ Cr-0.65％C的馬氏體不銹鋼的機械特性。也就是說，隨著N含量的增加，得到最高硬度的淬火溫度轉(zhuǎn)變成較低的溫度。隨著N含量的增加伸長度也增加。這解釋N在奧氏體相中的溶解量增加和隨著淬火溫度的增加使奧氏體相變得穩(wěn)定。
日本待審核的專利申請9-289053和9-287058號公開一種滾動軸承，它使用通過加入N精煉Cr碳化物的方法。
本發(fā)明者已經(jīng)研究了上述擦傷的機理和相對大的片狀晶粒邊界化合物對活塞環(huán)滑動表面裂縫生成的影響以及應(yīng)用加入N精煉Cr碳化物的技術(shù)。因此，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大量的氮化物要均勻地散布在氮化層中和特別是晶粒邊界化合物的尺寸要細(xì)是所希望的。這種很細(xì)的微結(jié)構(gòu)使氮化的高鉻馬氏體不銹鋼活塞環(huán)有提高的抗擦傷性、抗裂性和抗疲勞性，即使當(dāng)它使用于操作在高轉(zhuǎn)數(shù)和高功率條件下內(nèi)燃發(fā)動機中，特別是，最近減輕重量的整塊鑄鐵體柴油發(fā)動機等中時也是這樣。
按照本發(fā)明氮化的高鉻馬氏體不銹鋼活塞環(huán)，其特征在于它包括高鉻馬氏體不銹鋼，該鋼包括，按重量百分比，C0.3到1.0％；Cr14.0到21.0％；N0.05到0.50％；Mo、V、W和Nb中至少一個，總量為0.03到3.0％；Si0.1到1.0％；Mn0.1到1.0％；P0.05％或更少；S0.05％或更少；其余是Fe和不可避免的雜質(zhì)；和高鉻馬氏體不銹鋼有氮化滑動層，該層包括由碳化物、氮化物和碳氮化物，主要是氮化物組成的硬顆粒，和氮化層表面中硬顆粒其平均直徑的范圍在0.5到2.0μm，最大直徑等于或小于7μm，和面積％從5到30％。在氮化層的縱向剖面中觀察到的晶粒邊界化合物的尺寸是等于或小于20μm(長度)。有上述微結(jié)構(gòu)特性的氮化表面層其硬度范圍在Hv900到1400，和從表面向下有足夠的深度。
按照本發(fā)明生產(chǎn)氮化的高鉻馬氏體不銹鋼活塞環(huán)的方法包括熔化有上述組份的鋼接著加入氮；將熔化的鋼鑄成坯料；熱軋；退火；冷拉絲；冷軋以便形成活塞環(huán)橫截面的近似形狀；淬火；回火以便提供線材；將線材彎曲成活塞環(huán)的形狀；消除應(yīng)力退火；側(cè)表面的粗研磨；氮化；除去表面化合物層；研磨平頭部；側(cè)表面的精研磨；和外周邊表面的搭接。在彎曲成活塞環(huán)形狀之前，進(jìn)行淬火，溫度在850到1000℃之間，作為高鉻馬氏體不銹鋼的淬火溫度這個溫度是相對低的。結(jié)果，微結(jié)構(gòu)被細(xì)化并含有盡可能多的散布的碳化物。氮化可以是氣體氮化、離子氮化和游離基氮化。在溫度450到600℃范圍內(nèi)進(jìn)行氮化1到20小時。
下面詳細(xì)描述本發(fā)明。
描述按照本發(fā)明的高鉻馬氏體不銹鋼的組份。
C是Fe中填隙式的溶質(zhì)元素并增加基體的硬度。C很容易與Cr、Mo、V、W和Nb組合并構(gòu)成碳化物。在氮化時碳化物主要轉(zhuǎn)化為氮化物。換句話說，氮化物提高活塞環(huán)滑動表面的抗磨性和抗擦傷性。當(dāng)C含量低于0.3％時，硬化和碳化物的生成是不夠的。另一方面，當(dāng)C含量大于1.0％時，在熔化的鋼固化期間粗的共晶Cr碳化物(η相M7C3碳化物)大量結(jié)晶。這種碳化物在接著的線材生產(chǎn)過程中極大地?fù)p害材料的可加工性。所以，碳含量在0.3到1.0％的范圍內(nèi)，優(yōu)選地是在0.4到0.9％的范圍內(nèi)。
Cr是Fe中取代的溶質(zhì)元素。鉻不僅改進(jìn)抗腐蝕性而且誘發(fā)固溶強化因而提高抗熱變定性。這里熱變定性是一種現(xiàn)象，當(dāng)活塞環(huán)操作在高溫下時由于蠕變，應(yīng)力減小使密封性能變差。Cr在鋼中與C反應(yīng)并生成Cr碳化物。這些Cr碳化物很容易與N起反應(yīng)，氮是在氮化時從表面滲透擠入的，使Cr碳化物轉(zhuǎn)化成Cr氮化物。Cr氮化物以硬顆粒的形式散布在氮化層中。在氮化層中的硬顆粒極大地提高了活塞環(huán)滑動表面的抗磨性和抗擦傷性。當(dāng)Cr的含量小于14％時，Cr碳化物的生成是不足夠的。另一方面，當(dāng)Cr的含量大于21％時，形成δ純鐵體從而使韌性降低。此外，在基體中Cr的濃度變得這樣高時使Ms(馬氏體轉(zhuǎn)化的起始溫度)如此之低，從而不能得到滿意的淬火硬度。因此，Cr含量在14到21％的范圍之內(nèi)，優(yōu)選地是在16到19％的范圍內(nèi)。
N是與C一樣在Fe中的填隙元素。例如在17％Cr線處切開，可用偽二元相圖表示三元Fe-Cr-C相圖。在Fe和C之間產(chǎn)生共晶反應(yīng)，碳的濃度由共晶線的左端給定。同時在完全固化之前，在原生晶體晶粒邊界周圍仍有熔化的鋼。當(dāng)溫度進(jìn)一步下降時熔化的鋼發(fā)生共晶反應(yīng)。當(dāng)按照本發(fā)明加入氮時，上述左側(cè)C的濃度高于無氮的熔化鋼的C濃度。因此，共晶反應(yīng)和η碳化物的生成被抑制。當(dāng)溫度下降到共晶溫度之下時，超飽和C和N以片狀M23C6和M2N沉淀的形式在原生γ晶粒周圍沉淀。當(dāng)N含量低于0.05％時η相結(jié)晶。另一方面，當(dāng)N含量大于0.5％時，棒狀的M2N沉淀量增加，從而使韌度降低。因此，N含量在0.05到0.5％的范圍內(nèi)，更優(yōu)選地是在0.10到0.30％范圍內(nèi)。在基體中溶質(zhì)N阻礙C的擴(kuò)散并有利于細(xì)化晶粒邊界化合物。這是鑄造后第一個Fe3C，并在氮化處理后最終轉(zhuǎn)化成Fe3N。在正常壓力下可將高至0.2％的氮加入。高于0.2％氮含量需要在壓力N2氣氛下熔化加入。所以，氮含量在0.05到0.20％范圍內(nèi)，按照加入氮的觀點來看是優(yōu)選的。
Mo、V、W和Nb中任何一個都是碳化物的構(gòu)成者和能提高抗磨性和抗擦傷性。此外，Mo防止在回火和氮化處理時軟化并在獲得活塞環(huán)的尺寸穩(wěn)定性方面發(fā)揮重要作用。V促進(jìn)氮化，因此含V氮化層的硬度是很高的。這些元素中任何一個對提高活塞環(huán)的特性都是有效的。當(dāng)Mo、V、W和Nb至少一個的總含量小于0.03％時，它們的效果實際上可以忽略不計。另一方面，當(dāng)這些元素的總含量大于3％時，可加工性受到嚴(yán)重?fù)p害且韌度也降低。因此，Mo、V、W和Nb至少一個的總含量在0.03％到3.0％之間。
Si是還原添加劑。Si也溶解在Fe中并在回火時提高抗軟化性。因而可以改善所謂的抗熱變定性。當(dāng)Si含量小于0.1％時，它的效應(yīng)是輕微的。在另一方面，當(dāng)Si的含量大于1.0％時，韌度受到損害。因此，Si的含量在0.1到1.0％的范圍內(nèi)。
Mn也是還原添加劑。當(dāng)Mn含量小于0.1％時，它的效應(yīng)是輕微的。另一方面，當(dāng)Mn含量大于1.0％時，可加工性受到損害。因此，Mn含量在0.1到1.0％之間。
P與Mn與類似元素形成雜質(zhì)且會降低疲勞強度和抗腐蝕性。P是鋼的雜質(zhì)。P越少越好。因此以實踐的觀點P含量應(yīng)在0.05％或更少。優(yōu)選地，P在0.03％或更少。
S與P一樣，降低疲勞強度和抗腐蝕性。S是鋼的雜質(zhì)。S越少越好。因此從實踐的觀點S含量應(yīng)在0.05％或更少。優(yōu)選地，S在0.03％或更少。
由上述組份范圍的鋼生成抗擦傷性提高的微結(jié)構(gòu)，也就是說，在氮化層中存在大量的細(xì)微氮化物顆粒。特別是，在氮化層表面中存在的氮化物，即主要是Cr氮化物、碳化物、和碳氮化物，構(gòu)成的硬顆粒應(yīng)該有平均直徑，在0.5到2μm(微米)，最大直徑7μ或更少，和面積％在5到30％范圍內(nèi)。當(dāng)平均顆粒直徑小于0.5μm時，硬顆粒的凸面對防止擦傷的效果是不夠的。另一方面，當(dāng)平均顆粒直徑大于2μm時，在高負(fù)荷下容易發(fā)生擦傷。當(dāng)最大直徑大于7μm時，氮化層的微結(jié)構(gòu)變得不均勻，從而在高負(fù)荷下容易發(fā)生擦傷。當(dāng)面積％小于5％時，容易發(fā)生擦傷。在另一方面，當(dāng)?shù)锏拿娣e％大于30％時，熔化之后拉絲和彎成活塞環(huán)形狀變得困難。優(yōu)選的面積％在10到25％之間。
提高抗裂性的氮化層微結(jié)構(gòu)是這樣，在活塞環(huán)縱向剖面上觀察到晶粒邊界化合物的尺寸(長度)是20μm或更少。當(dāng)最大長度大于20μm時會產(chǎn)生在高負(fù)荷下容易成裂縫的問題。
按照本發(fā)明如上述的氮化層微結(jié)構(gòu)可歸屬于不銹鋼的微結(jié)構(gòu)。首先，在已經(jīng)連續(xù)熱軋、球化熱處理、冷拉絲、淬火和回火的鋼中不存在粗的共晶Cr碳化物(η相(Cr、Fe)7C3碳化物)。這是通過加入氮獲得的。
其次，在氮化之前當(dāng)保持在淬火溫度時沉積大量的細(xì)的次級碳化物(ε相，(Cr，F(xiàn)e)23C6碳化物)。當(dāng)淬火溫度降低到(γ+ε)區(qū)中時Fe-Cr-C相圖表示有更多和更細(xì)的碳化物沉積。當(dāng)在盡可能低到(γ+ε)區(qū)中的溫度進(jìn)行淬火時，數(shù)量上有盡可能多的細(xì)的ε碳化物沉積。此外，γ晶體晶粒的生長被抑制，以致淬火鋼是細(xì)的顆粒結(jié)構(gòu)。當(dāng)這種鋼氮化時，晶粒邊界化合物也變得很細(xì)。因此從上述的觀點，優(yōu)選的淬火溫度是在850到1000℃之間的范圍內(nèi)。當(dāng)淬火溫度低于850℃時，不發(fā)生硬化和由于α相的沉積不能得到所需的硬度。當(dāng)淬火溫度大于1000℃時，在淬火溫度下的保持步驟中碳化物聚結(jié)和γ晶體晶粒粗化。結(jié)果，粗的碳化物轉(zhuǎn)化成粗的氮化物。在接著的氮化處理中沿著粗的γ晶體晶粒形成的晶粒邊界化合物變粗。
在本發(fā)明中通過相對短時間的氮化處理，獲得從表面到足夠深度的Hv 900到1400的高硬度。這種特性可歸因于在低的淬火溫度下形成的相對細(xì)的γ晶體晶粒，因此增加了晶粒的邊界，這些邊界是氮化處理時N的主要擴(kuò)散通道。
按照本發(fā)明，在450到600℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行氮化處理。在現(xiàn)有技術(shù)中處理溫度約為590℃曾被認(rèn)為是適當(dāng)?shù)臏囟龋谶@個溫度下氮在α-Fe晶格中的溶解度是最大的。但是，因為本發(fā)明應(yīng)用主要通過晶粒邊界的氮擴(kuò)散，處理溫度不限制在約590℃。從活塞環(huán)尺寸穩(wěn)定性的觀點來看較低溫度的處理可能更加合適。但是，從實踐的觀點，氮化在450到600℃下進(jìn)行1到20小時。


圖1是用掃描電子顯微鏡觀察的滑動氮化層表面的背面散射電子成像照片。圖1(a)和(b)分別對應(yīng)于實例1和比較例1。
圖2是氮化層橫剖面光學(xué)顯微鏡照片。圖2(a)和(b)分別對應(yīng)于實例1和比較例1。
圖3表示擦傷試驗的樣品。
圖4表示摩擦和磨損試驗機的運動機理。
圖5表示活塞環(huán)疲勞試驗機的運動機理。
圖6是表示疲勞極限的曲線圖。
圖7是表示在比較例13的滑動表面上形成的裂縫的照片。
具體實施例方式
實例1-11(n-J11)和比較例1-8(H1-H8)在真空感應(yīng)熔化爐中熔化有列在表1中組份的高鉻馬氏體不銹鋼10kg的量。但是，在正常壓力下熔化時將小于0.2％的N加入到鋼中，同時在加壓N2氣氛中熔化時將0.2％或更多的N加入到鋼中。通過熱加工獲得直徑12mm的線材，在酸洗之后在750℃下進(jìn)行球化退火10小時。通過加工步驟生產(chǎn)有3.5mm×5.0mm矩形橫截面的鋼線。將鋼線通過淬火爐(Ar保護(hù)氣氛下)和回火爐(Ar保護(hù)氣氛下)。在930℃溫度保持近似10分鐘之后進(jìn)行空氣淬火。在620℃進(jìn)行回火約25分鐘。將鋼線切成50mm長的樣品以便氮化處理。在570℃下進(jìn)行氣體氮化處理4小時。但是，比較例1(H1)的淬火溫度是如常規(guī)方法的1100℃。其他的條件與各實例和其他比較例的相同。
表1(重量百分比％)

進(jìn)一步將上述鋼線樣品切成10mm長以便微結(jié)構(gòu)的觀察。將各樣品埋入到樹脂中并進(jìn)行鏡面加工。使用圖像分析儀進(jìn)行微結(jié)構(gòu)的觀察和定量評估。對于實例1(J1)和比較例1(H1)通過掃描電子顯微鏡觀察滑動的氮化表面的背面散射電子成像。觀察到的實例1(J1)和比較例1(H1)的圖像分別表示在圖1(a)和(b)中。通過光學(xué)顯微鏡觀察氮化層的橫剖面和觀察到的關(guān)于實例1(n)和比較例1(H1)的照片分別表示在圖2(a)和(b)中。硬顆粒在背面散射電子成像照片中是黑的而在光學(xué)顯微鏡照片中是白的?？梢郧宄乜吹桨凑毡景l(fā)明的硬顆粒其尺寸是極小的；和在氮化層的橫剖面中觀察到的晶粒邊界化合物其尺寸是極小的。就滑動氮化表面中硬顆粒的平均顆粒直徑、最大顆粒直徑和面積比％對實例1到11(J1-J11)和比較例1-8(H1-H8)的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量評估。這些結(jié)果和氮化層滑動表面的硬度一起列在表2中。
表2

*因為可加工性差比較例2、4和8(H2、H4和H8)不能制成鋼線。**比較例7(H7)氮化后尺寸不穩(wěn)定。所以產(chǎn)量低。
參考圖3，圖中表示有總長度45mm為日本字母katakana“コ”形式的擦傷試驗樣品。線材定型成雙頭整體型擦傷試驗樣品。相對的材料是由FC250制成并成直徑60mm和厚度12mm的圓盤形。
將圓盤2(圖4)的滑動表面調(diào)整到表面粗糙度(Rz)1到2μm。使用摩擦和磨損試驗機(Riken公司的產(chǎn)品，商標(biāo)是“Triborik I”)進(jìn)行擦傷試驗。頭的前端(圖4中參考數(shù)字1)是具有20mm半徑的凸的滑動表面。前端經(jīng)過氣體氮化處理。通過研磨除去5到20μm厚的在前端上生成的化合物層(白層)。用拋光對前端進(jìn)行鏡面加工。所用FC250圓盤(圖4中參考數(shù)字2)滑動表面的表面粗糙度(Rz)調(diào)整到1-2μm。摩擦磨損試驗機的運動機理說明在圖4中。擦傷的試驗條件如下。
滑動速度(圓盤)8米/秒加工負(fù)荷步進(jìn)式從開始1.0MPa每次增加0.2MPa直到出現(xiàn)擦傷潤滑油馬達(dá)油(商標(biāo)-Nisseki馬達(dá)油P#20)潤滑油溫度80℃(在輸出附近)油浴100℃潤滑油送料量40cc/分由擦傷負(fù)荷，和滑動表面的磨損面積計算擦傷表面壓力。對于實例1-11(j1-11)和比較例1-8(H1-H8)列出得到的擦傷表面壓力。
表3

清楚地看到實例1-11(J1-J11)的抗擦傷性與比較例1、3、5-7(H1、H3、H5-H7)相比有提高。
實例12-14(J12-J14)和比較例9-11(H9-H11)將有實例1化學(xué)組份的材料加工成鋼線并按表4中所列溫度進(jìn)行空氣淬火。使用與實例1相同的方法進(jìn)行氣體氮化處理。定量分析氮化層的微結(jié)構(gòu)。結(jié)果列在表4中。
表4

*比較例9(H9)氮化層的硬度低于Hv 860。實例15和比較例12使實例1和比較例1的鋼材料經(jīng)過各加工步驟制成有矩形橫截面的壓縮環(huán)。標(biāo)稱直徑(d1)為95.0mm、厚度(a1)為3.35mm、和寬度(h1)為2.3mm。通過在930℃的淬火爐10分鐘接著空氣-冷卻進(jìn)行淬火。通過在620℃的回火爐約25分鐘進(jìn)行回火。進(jìn)行連續(xù)的淬火和回火。在570℃下進(jìn)行氣體氮化4小時。但是，比較例12的淬火溫度與常規(guī)的方法一樣是1100℃。其他的條件與比較例15的相同。
在疲勞試驗機中試驗生產(chǎn)的壓縮活塞環(huán)，試驗機的運動機理說明在圖5中。在兩端切出壓縮活塞環(huán)的平頭部以便加寬自由間隙的尺寸。在試驗機中用調(diào)節(jié)器9這樣設(shè)定已處理過的活塞環(huán)3，使其直徑縮小到標(biāo)稱直徑。然后轉(zhuǎn)動偏心凸輪4以每秒40次傳送重復(fù)的沖程，用于進(jìn)一步縮小直徑到小于標(biāo)稱直徑，直到活塞環(huán)3斷裂。在斷裂時得到所加的應(yīng)力數(shù)。重復(fù)這個試驗，同時改變加到有相同指標(biāo)的樣品上的應(yīng)力。得到所謂的S-N圖和表示在圖6中的最終疲勞極限圖。
參考圖6，清楚地看到實例15與比較例12相比有極大的改進(jìn)。
實例16-19和比較例13-14使實例1(實例16、17)、實例7(實例18、19)和比較例1(比較例13、14)的鋼材料經(jīng)過各加工步驟制成壓縮環(huán)(實例16、18和比較例13)和兩件式油環(huán)的主體(實例17、19和比較例14)。壓縮環(huán)有矩形的橫截面。它的標(biāo)稱直徑(d1)是99.2mm、厚度(a1)是3.8mm、和寬度(h1)是2.5mm。油環(huán)的主體是鞍形橫截面。它的標(biāo)稱直徑(d1)是99.2mm、厚度(a1)是2.5mm、和寬度(h1)是3.0mm。
在實例16-19中淬火、回火和氣體氮化與實例15中的相同。在比較例13-14中淬火、回火和氣體氮化與比較例12的相同。
將生產(chǎn)的壓縮環(huán)和油環(huán)安裝到四氣缸3200cc排量的柴油發(fā)動機中。將這些環(huán)安裝到活塞上和與整塊鑄鐵缸體結(jié)合，在下列條件下操作100小時進(jìn)行疲勞試驗。轉(zhuǎn)速3600rpm(轉(zhuǎn)/分鐘)功率75kW負(fù)荷全負(fù)荷水溫110℃油溫130℃比較例13在2小時10分鐘之后出現(xiàn)擦傷和比較例14在7小時55分鐘之后出現(xiàn)擦傷。而實例16-19在試驗中沒有一個發(fā)生問題。參考圖7，圖中表示比較例13滑動氮化表面上裂縫的照片。
工業(yè)適用性按照本發(fā)明，在氮化高鉻馬氏體不銹鋼制成的活塞環(huán)氮化層中存在大量的細(xì)微氮化物。也精煉了片狀晶粒邊界化合物。通過加氮和低溫淬火可以形成這樣的微結(jié)構(gòu)。由于該微結(jié)構(gòu)提高了抗磨性、抗擦傷性、抗裂性和抗疲勞性。按照本發(fā)明的活塞環(huán)，因此可有利地應(yīng)用在工作于高轉(zhuǎn)速和高功率條件下的內(nèi)燃發(fā)動機中，特別是近來重量輕的整塊鑄造的柴油發(fā)動機中。按照本發(fā)明的活塞環(huán)也可有利地應(yīng)用于小馬達(dá)的卡車中，這類車在使用排氣閘時可能發(fā)生環(huán)的疲勞問題。按照本發(fā)明的活塞環(huán)可以適當(dāng)?shù)貙嵤┳鳛閮杉接铜h(huán)的主體和三件式油環(huán)的軌條。
權(quán)利要求
1.一種由高鉻馬氏體不銹鋼和在所述鋼的表面上形成的滑動氮化層組成的活塞環(huán)，它有提高的抗擦傷性、抗裂性和抗疲勞性，其特征在于所述高鉻馬氏體不銹鋼包括，按重量百分比，C0.3到1.0％；Cr14.0到21.0％；N0.05到0.50％；Mo、V、W和Nb中至少一個，總量為0.03到3.0％；Si0.1到1.0％；Mn0.1到1.0％；P0.05％或更少；S0.05％或更少；其余是Fe和不可避免的雜質(zhì)；還有，在它的表面上所述滑動氮化層包括主要由氮化物組成的硬顆粒，其平均顆粒尺寸在0.5到2.0μm(微米)范圍內(nèi)，最大直徑7μm或更小，和面積％在5到30％。
2.如權(quán)利要求1所述的活塞環(huán)，其特征在于在氮化層縱剖面上觀察到的晶粒邊界氮化物其尺寸(長度)是20μm或更小。
3.如權(quán)利要求1或2所述的活塞環(huán)，其特征在于所述高鉻馬氏體不銹鋼的N含量在0.05到0.20％。
4.如權(quán)利要求1至3任一項所述的活塞環(huán)，其特征在于滑動氮化層的硬度在Hv 900到1400的范圍內(nèi)。
5.一種通過對高鉻馬氏體不銹鋼進(jìn)行氮化處理生產(chǎn)抗擦傷性、抗裂性和抗疲勞性均有提高的活塞環(huán)的方法，其特征在于高鉻馬氏體不銹鋼包括，按重量百分比，C0.3到1.0％；Cr14.0到21.0％；N0.05到0.50％；Mo、V、W和Nb中至少一個總量為0.03到3.0％；Si0.1到1.0％；Mn0.1到1.0％；P0.05％或更少；S0.05％或更少；其余是Fe和不可避免的雜質(zhì)；和在將所述高鉻馬氏體不銹鋼彎成環(huán)形狀之前對它進(jìn)行在850-1000℃之間溫度范圍內(nèi)的淬火。
6.如權(quán)利要求1至4任何一項所述的活塞環(huán)和鑄鐵整塊鑄成的氣缸的組合。
全文摘要
有提高的抗擦傷性、抗裂性和抗疲勞性的活塞環(huán)是由高鉻馬氏體不銹鋼和在所述鋼的表面上形成滑動氮化層組成。該不銹鋼包括C0.3到1.0％；Cr14.0到21.0％；N0.05到0.5％；Mo、V、W和Nb中至少一個總量為0.03到3.0％；Si0.1到1.0％；Mn0.1到1.0％；P0.05％或更少；S0.05％或更少；其余是Fe和不可避免的雜質(zhì)；滑動氮化層在其表面上包括主要由氮化物組成的硬顆粒，其平均顆粒尺寸在0.2到2.0μm，最大直徑7μm或更小，和面積比在5到30％。
文檔編號C22C38/26GK1458983SQ01815763
公開日2003年11月26日 申請日期2001年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月17日
發(fā)明者高橋純也, 小貫亨, 井上茂夫, 笹倉充隆 申請人:株式會社理研, 特線工業(yè)株式會社