專利名稱：用于具有自潤滑性滑動部件的材料以及活塞環(huán)用線材的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用作安裝在汽車發(fā)動機或者其他內(nèi)燃機中的滑動部件，例如活塞環(huán)、缸套和葉片的材料，以及用作滑動軸承、滾柱軸承、球軸承、齒輪和模具的材料。
背景技術(shù)：
迄今，已將耐磨性能優(yōu)異的材料用于滑動部件，如缸套和葉片。在內(nèi)燃機，尤其是汽車發(fā)動機中使用的活塞環(huán)材料已由鑄鋼變成了線材鋼，上述材料被加工成環(huán)形狀。通常，活塞環(huán)的制備方式是將具有預定組成的鑄錠通過鍛造、熱軋等熱加工成線材，再將所獲得的線材通過拉拔等進行成型，使之具有與活塞環(huán)的小截面形式相對應的給定截面形狀，對成型后的線材進行調(diào)整，使之具有給定的硬度，隨后，對線材進行彎曲加工，使之成為具有預定曲率半徑的環(huán)形狀。
目前，有三種活塞環(huán)，分別是頭道環(huán)、第二道環(huán)和油環(huán)。上述活塞環(huán)從內(nèi)燃機的燃燒室一側(cè)開始，按照上述順序固定在活塞上。由于頭道環(huán)和油環(huán)在特別惡劣的條件下工作，因此，在日本，已開發(fā)使用鋼材料，以便獲得先進功能。使用鋼材料是對最近以來要求進一步改善內(nèi)燃機的響應。即為了響應后內(nèi)燃機例如電動車輛研究的進展，要求內(nèi)燃機具有先進功能。對于在惡劣條件下工作的柴油機，也強調(diào)要求提高滑動性能，因為柴油機具有更高的內(nèi)部壓力，只要將輕質(zhì)油升級并且排放氣體過濾器功能更強，則與汽油機相比，所帶來的環(huán)境負擔較小。
順便指出，最近的研究也已經(jīng)針對發(fā)動機的內(nèi)部現(xiàn)象，并且，已表明鑄鋼制的第二道環(huán)在三種環(huán)中受到的磨損最嚴重，如下述的非專利文獻1所述。
活塞環(huán)采用鋼材料取代鑄鐵的其它原因在于為了使用能夠使發(fā)動機具有先進環(huán)境性能的細活塞環(huán)，降低因摩擦力帶來的功率損耗，必須提供機械強度和耐磨性能優(yōu)異的材料；并且，使用無害滲氮處理也能夠促進鋼環(huán)的應用，因為采用這種處理取代主要用作鑄鐵環(huán)表面處理的鍍鉻處理，符合對環(huán)境的嚴格控制要求，以及容易實現(xiàn)環(huán)制造技術(shù)的轉(zhuǎn)移和發(fā)展。
根據(jù)一個提議，通過對與缸套接觸的表面進行表面處理例如滲氮，制備出耐磨損和抗咬合的活塞環(huán)(參見專利文獻1)。還提出了另一種不通過表面處理改善耐磨性的方法(參見專利文獻2)。
*非專利文獻1Hideki Saitoh等.“Researches on abrasion ofdiesel engines under severe driving conditions”，Research reportlectures(1999)，Kyushu Branch of Japan Society of MechanicalEngineers(Internet＜URLhttp//www.ns.kogakuin.ac.jp/-wwa1013/EGR/nagasaki/nagasaki.htm1＞)*專利文獻1JP-10-030726 A*專利文獻2JP-58-046542 B2鋼制活塞環(huán)的機械性能和耐磨性能比鑄鐵活塞環(huán)更為優(yōu)異，但是，它們的抗咬合性能較差。這是鋼制第二道環(huán)一直未獲得很好發(fā)展的原因之一。改善抗咬合性能的研究是基于以對表面進行改造，例如對與缸套接觸的鋼環(huán)表面滲氮，如專利文獻1所述。但是，由于表面處理的成本以及在活塞與活塞環(huán)之間界面處出現(xiàn)鋁粘著的問題，上述未解決的問題仍然存在。
已提出另一種不通過表面處理改善抗咬合性能的方法，如專利文獻2所述。根據(jù)該專利，合金含有不低于10％的鉻，以提高鋼基體中鉻的碳化物的比率。盡管通過增加鉻的碳化物能夠顯著改善耐磨性能，但是，存在一些涉及生產(chǎn)率的問題，包括抗咬合性能改善程度小和機加工性能下降。為了克服這些不足之處，專利文獻2提出進行表面處理例如PVD，而采用這種表面處理不能避免制造成本的提高。
此外，在使用輕質(zhì)油或者甚至汽油作為燃料的情況下，依據(jù)質(zhì)量等級不同，有時燃油中含有比較多的硫。當在內(nèi)燃機中使用這種硫含量高的燃料時，由于燃料中存在的硫形成SO42-，活塞環(huán)會暴露在硫露點(dewing)氣氛中。因此，也要求活塞環(huán)耐硫酸腐蝕，結(jié)果，與以往相比，對活塞環(huán)具有改善的耐腐蝕性能的要求就變得更加嚴格。
發(fā)明公開基于上述問題，提出了本發(fā)明，而且，本發(fā)明的目的是提供用于滑動部件的材料和活塞環(huán)用線材，其中，滑動部件用材料通過改善抗咬合性能和滲氮處理，應該具有優(yōu)異的耐磨性能，并且，其中，所述線材應該具有優(yōu)異的耐硫酸腐蝕性能、優(yōu)異的生產(chǎn)率和低的摩擦系數(shù)。
本發(fā)明人已對滑動部件的滑動運動進行了研究和測試，所述滑動部件暴露在以活塞環(huán)環(huán)境為代表的處于流體潤滑狀態(tài)下的滑動氣氛中。結(jié)果，本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)一種適合于改善抗咬合性能和降低摩擦系數(shù)的最佳金屬組織，以及一種適合于獲得耐硫酸腐蝕的金屬組織的化學組成。
結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供了一種用作自潤滑滑動部件的材料，該部件由一種鋼構(gòu)成，該鋼含有，以質(zhì)量計不低于0.4％至低于1.5％的C(碳)，0.1-3.0％Si，0.1-3.0％Mn，0(包括0)-0.5％Cr，0.05-3.0％Ni，0.3-2.0％Al，(Mo+W+V)總量為0.3-20％的選自于Mo，W(鎢)和V(釩)至少一種元素，以及0.05-3.0％Cu，其中，在所述鋼金屬組織的截面能夠觀察到平均顆粒尺寸不大于3μm的石墨顆粒。
根據(jù)一個優(yōu)選實施方案，在金屬組織截面觀察到的石墨顆粒在組織截面的總面積中占據(jù)不低于1％的面積比，并且具有不大于3μm平均顆粒尺寸。更優(yōu)選在組織截面中未觀察到釩的碳化物。
而且，優(yōu)選所述鋼含有總量為0.3-5.0％的選自于Mo和W的至少一種元素，以及低于0.1％V。Al含量優(yōu)選0.7-2.0％。優(yōu)選地，所述鋼還可以含有1.5-3.0％Mo和/或不高于10％的Co。優(yōu)選地，鋼中的S(硫)和Ca含量分別控制在不高于0.3％和不高于0.01％。優(yōu)選所述鋼進行滲氮處理，以用作滑動部件。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供了一種用作活塞環(huán)的線材，該活塞環(huán)由一種鋼構(gòu)成，該鋼含有，以質(zhì)量計不低于0.4％至低于1.5％的C(碳)，0.1-3.0％Si，0.1-3.0％Mn，0(包括0)-0.5％Cr，0.05-3.0％Ni，0.3-2.0％Al，(Mo+W+V)總量為0.3-20％的選自于Mo，W(鎢)和V(釩)的至少一種元素，以及0.05-3.0％Cu，其中，在所述鋼金屬組織的截面能夠觀察到平均顆粒尺寸不大于3μm的石墨顆粒。由所述線材制成的活塞環(huán)的金屬組織中，在與活塞環(huán)周邊平行的組織截面觀察到的硫化物夾雜的分布是這樣的每一個通過各個硫化物夾雜長軸的直線相互交叉時的交角不大于30°，所述交角可以看作是一種平行度程度。根據(jù)一個優(yōu)選實施方案，在金屬組織截面觀察到的石墨顆粒在組織截面的總面積中占據(jù)不低于1％的面積比，并且具有不大于3μm平均顆粒尺寸。
用作活塞環(huán)的線材優(yōu)選含有不高于10％質(zhì)量的Co，并且還含有不高于0.3％質(zhì)量的S(硫)和不高于0.01％(質(zhì)量)的Ca。優(yōu)選對其進行滲氮處理，以用作活塞環(huán)。
本發(fā)明的一個關(guān)鍵方面是獲得特定的鋼金屬組織，該組織中，細小的石墨顆粒以適當?shù)谋嚷试阡摶w中析出，以改善鋼的抗咬合性能和降低滑動部件如活塞環(huán)的摩擦系數(shù)。即本發(fā)明目標是在充分考慮活塞環(huán)與氣缸間特殊的摩擦運動基礎(chǔ)上改善其耐久性。根據(jù)本發(fā)明的金屬組織，能夠?qū)η懊嫣岢龅母纳其摰目挂Ш闲阅芎徒档湍Σ料禂?shù)的目標取得令人滿意的有利效果，而現(xiàn)有技術(shù)中的非表面處理材料，或者滲氮的材料對于實現(xiàn)上述目標都不能令人滿意，其表面處理成本是有利的。
關(guān)于本發(fā)明的具有石墨析出的金屬組織，本發(fā)明人研究了能夠充分快速析出細小石墨顆粒并且能夠有效改善鋼的加工性能和機加工性能的化學組成，以便采用工業(yè)可行手段獲得所述金屬組織。富有成效的成果是通過在鋼中添加單一元素硫或者硫和Ca，能夠進一步改善上述效果。這是本發(fā)明的另一個關(guān)鍵特征。
首先，介紹具有石墨析出的本發(fā)明的金屬組織。
滑動部件主要設(shè)計用于流體潤滑，其中，流體膜例如油膜或水膜能夠在于惡劣條件下相互間滑動接觸的機械元件之間穩(wěn)定形成。如飛機在空氣中的相對運動那樣，流體膜的形成會導致相對運動的流體產(chǎn)生浮力。隨著流體粘度的增大或者相對速度的提高，滑動部件之間的流體膜變得更厚，這樣，機械元件受到保護，不會發(fā)生磨損。
但是，大部分內(nèi)燃機是往復運動型，使得活塞環(huán)與氣缸之間的相對速度在上、下止點附近為零，結(jié)果，滑動部件經(jīng)常因流體膜破裂而發(fā)生磨損和/或咬合，從而導致內(nèi)燃機的非正常運動。此外，由于禁止油流入燃燒室，即所謂的“刮油”已成為高性能活塞環(huán)的一個重要因素，因此，在適合此目的的狀態(tài)，將難于保持流體膜。
不過，本發(fā)明人仍然對在有效使用流體潤滑的滑動運動期間的各種流體潤滑模式進行了回顧，以便克服上述問題。簡言之，流體潤滑模式包括三種作用，即(1)楔入，(2)膨脹/收縮，和(3)擠壓。擠壓作用(3)即使在相對速度為零的狀態(tài)也有效。假設(shè)固體板在存在流體的條件下在基板上滑動，則可以對擠壓作用進行如下解釋。在這種假設(shè)下，作用在面對基板的固體板表面上的壓力分布的邊界條件是固體板邊緣處的壓力為零。壓力分布將根據(jù)一種半球形函數(shù)進行變化，以便產(chǎn)生維持潤滑所必需的正壓力分布。這種壓力分布的表達式為∂2∂x2P+∂2∂y2P<0]]>式1在式1中，P是壓力，x是滑動方向，y是沿與滑動方向垂直的距離。雷諾茲方程，即流體潤滑的基本方程采用下面的式表示∂∂x(ρh312η∂P∂x)+∂∂y(ρh312η∂P∂y)=u2∂(ρh)∂x+ρh2∂u∂x+∂(ρh)∂t]]>式2式2中，ρ是流體密度，h是流體膜厚度，η是粘度系數(shù)，t是時間，u是相對速度。根據(jù)式1和2，可以將在流體膜中產(chǎn)生正壓力的必需條件寫為式3。
u2∂(ρh)∂x+ρh2∂u∂x+∂(ρh)∂t<0]]>式3式3具有三項，第一項和第二項包括分別與如前所述的楔入和膨脹/收縮相對應的相對速度u。第三項未涉及相對速度u，其對應的是擠壓作用，該作用可望即使在活塞環(huán)與氣缸之間相對速度為零的狀態(tài)也有效。
第三項為負值的條件所具有的物理意義是，在保持流體密度不變的條件下，流體膜厚度快速減小，從而導致流體膜中產(chǎn)生正壓力。這一現(xiàn)象實際上通過對在基板上滑動的固體板突然施加一個垂直載荷可以實現(xiàn)，以便擠壓流體膜。結(jié)果，通過擠壓流體膜同時產(chǎn)生高的正壓力，并且，滑動板難于與基板直接接觸。簡而言之，實現(xiàn)了擠壓作用。
本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)通過改變滑動表面，使之具有包括許多細小孔隙的構(gòu)造，能夠強化擠壓作用。滑動表面中的細小孔隙其中保持流體，而且，甚至在相對速度為零、流體膜破壞的情況下，也能夠馬上從孔隙中向干燥表面提供流體。由流體運動引起的流體膜厚度的明顯減小導致擠壓運動。結(jié)果，抑止了在往復運動期間上、下止點附近發(fā)生咬合，并且，也降低了摩擦系數(shù)。
為了獲得上述作用和效果，決定了根據(jù)本發(fā)明的石墨析出組織。即石墨顆粒不僅作為固體潤滑劑，而且在其脫落之后也有利于油保持孔隙的形成?？紫秾崿F(xiàn)了適于保持油膜的擠壓作用。擠壓作用確保穩(wěn)定油膜的形成，而與壓力的波動無關(guān)。如上所述，滑動表面上存在孔隙加強了擠壓作用。石墨顆粒的析出能夠確切有效地加強擠壓作用，而且，對于通常的滑動部件，如滑動軸承、滾柱軸承或者球軸承，能夠確保該有效性，而且，對于因壓力明顯波動難于穩(wěn)定形成這種流體潤滑膜的滑動部件，如活塞環(huán)、缸套、氣門挺柱墊片、凸輪、齒輪、模具或切削刀片，也能夠確保該有效性。
石墨析出組織也能夠有效抑止粘著磨損，近來，在活塞環(huán)附著在鋁活塞的情況下，粘著磨損已成為一個問題。由于鋁極少溶解在碳中，因此抑止了粘著反應。
用作滑動部件的本發(fā)明材料具有其中分布著石墨顆粒的組織。重要的是將在組織截面觀察到的石墨顆粒的平均尺寸控制在不大于3μm。如果平均尺寸大于3μm，則在滑動運動期間，位于周邊的石墨顆粒會經(jīng)常損壞，而且，石墨屑會十分不利地侵入滑動平面。在金屬組織截面觀察到的石墨顆粒在組織截面的總面積中占據(jù)不低于1％的面積比的情況下，石墨顆粒的分布更有效。對于尺寸不小于1μm的相對較大石墨顆粒，更優(yōu)選石墨顆粒具有不大于5μm的平均尺寸，或者其在組織截面總面積中的面積比不超過5％。
孔隙的形成對于潤滑很有效，但是會因上述作用導致流體膜的減少，并且最終變得無效。形成孔隙已不被認為是流體潤滑設(shè)計中的一個重要因素。然而，本發(fā)明的方法對于涉及往復運動、難于連續(xù)形成流體膜的內(nèi)燃機特別有效。例如，石墨析出在不規(guī)則摩擦特性在活塞環(huán)與缸套之間重復出現(xiàn)的情形下變得更為有效，所述情形中，在相對速度接近零的上、下止點附近流體膜破壞的暫態(tài)，轉(zhuǎn)變成存在大量潤滑油的狀態(tài)。
能夠保持流體膜的潤滑設(shè)計在以活塞環(huán)與缸套之間相對運動為代表的因構(gòu)造原因流體膜暫時破裂的情形下尤其重要。與潤滑設(shè)計無關(guān)，固體接觸的可能性隨著發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)速度或滑動部件構(gòu)造的變化而增大。在這種情況下，將其中分散著有效固體潤滑的石墨顆粒的材料應用于這種不規(guī)則滑動部件能夠確保在各種滑動條件下實現(xiàn)充分潤滑。
從下面的說明中，將會了解制成滑動部件的本發(fā)明鋼的合金設(shè)計。
自古以來就有關(guān)于石墨鋼的報道，但是大部分這類報道都是關(guān)于Si或Ni合金鋼。此外，這類鋼需要花費幾十個小時或者更長的時間在不低于600℃的高溫下進行保持，以便析出石墨顆粒。根據(jù)本發(fā)明，采用加速滲碳體分解的元素Al與Ni一起，按照適當比例合金化，以便在幾個小時使石墨顆粒完全析出。
在石墨析出之前，由于碳一般作為半穩(wěn)定的滲碳體在鋼基體中析出，因此，滲碳體在石墨化過程中應該分解并且變成穩(wěn)定的石墨。傳統(tǒng)石墨鋼的缺點是滲碳體很少分解，因此，析出石墨顆粒就需要相當長的時間。另一方面，本發(fā)明采用一種合金設(shè)計，其中，控制阻礙滲碳體分解的元素如Cr的含量，以便甚至在析出半穩(wěn)定的滲碳體的情況下，能夠在短時間內(nèi)完成滲碳體的分解。結(jié)果，碳馬上以石墨形式析出，而沒有形成大量的滲碳體。
通過添加在鋼中擴散速度高的Al，能夠提高孔隙的擴散速度。擴散速度高能夠加速作為石墨顆粒析出位點的孔隙的聚集。結(jié)果，由于Al的影響和孔隙的快速聚集，石墨顆粒的析出能夠在短時間內(nèi)完成。而且，滲氮等處理有利于僅僅在表面層析出石墨顆粒。
添加Al也適于滲氮硬化鋼的合金設(shè)計，因為Al是一種滲氮硬化元素。具有同樣滲氮硬化效果的另一種元素Cr會不利地阻礙作為本發(fā)明基本技術(shù)要點的石墨顆粒的析出，并且還會引起耐硫酸腐蝕性能的顯著下降。因此，應盡可能避免添加Cr，但是，Al作為用于此目的最重要的元素被合金化。
石墨鋼的滲氮已被認為是不適合析出石墨的材料，因為在滲氮鋼中石墨顆粒的析出帶來的不利之處是滲氮層會因其中存在起缺陷作用的尺寸不小于10μm的石墨顆粒而變脆。根據(jù)本發(fā)明，通過使石墨析出成為細小顆粒能夠抑止這一不利之處。
采用任何一種下述方法可以實現(xiàn)使石墨析出成為細小顆粒的改變(1)引入加工應變分開石墨析出物，(2)Al2O3等的夾雜以及(3)分散作為石墨析出位點的BN，TiC等。但是，方法(1)對制造條件有限制，方法(2)中分散Al2O3等的工藝很難。余下的方法(3)對于高碳鋼所需的工藝也很難，因為只有通過嚴格控制痕量組分才能夠獲得BN，TiC的適當分散。至于已知的改變，JP-11-246940中公開了TiC的分散，Iwamoto等在“Iron and Steel”(1998年，84卷，第57頁)上公開了作為石墨析出位點的BN的析出。但是，任何方法都要求在1000℃或者更高的高溫區(qū)進行析出第二相的熱處理，以提高擴散速度，因此，難于應用于合金元素容易大量聚集的高合金鋼，原因是難于實現(xiàn)細小石墨顆粒的均勻分布。
本發(fā)明人已從多個方面研究了細小石墨顆粒的析出，并且發(fā)現(xiàn)在鋼基體中析出Cu-Al金屬間化合物對于實現(xiàn)上述目的很有效。Cu-Al金屬間化合物，即一種第二相，起石墨析出位點的作用。該金屬間化合物在不高于800℃的相對低溫度下析出，從而能夠在短時間內(nèi)形成具有細小石墨顆粒的穩(wěn)定組織。由于根據(jù)本發(fā)明將Cu和Al的含量控制在抑止脆化發(fā)生的水平，因此，形成了作為潤滑相但又不會降低機械強度的石墨組織。而且，添加元素Cu也能夠有效改善耐硫酸腐蝕性能。
盡管迄今為止關(guān)于鑄鋼中起潤滑作用的石墨顆粒的分布有許多提議，用作滑動部件的材料為適用各種滑動部件所暴露的環(huán)境的惡化，已由鑄鋼變成了表面處理鋼。但是，對于大多數(shù)都包括鋁部件的氣缸體而言，具有石墨析出組織的鑄鋼仍然被用作缸套內(nèi)壁材料，以獲得前述效果。本發(fā)明的滑動部件的特征在于適合用于仍然具有鑄鋼性能的鋼材料的合金設(shè)計原則，以便獲得機械強度、耐磨性能和勝任環(huán)境惡化所必需的耐硫酸腐蝕性能，以及滑動性能。
從下面的說明中，將會了解滑動部件的化學組成碳是一種重要元素，其一部分固溶強化鋼基體，另一部分作為碳化物析出，余下部分作為石墨析出。碳化物和石墨析出改善耐磨性和抗咬合性能。為了達到上述效果，碳含量必需至少為0.4％(質(zhì)量)。但是，不低于1.5％(質(zhì)量)的過量碳會不利地降低碳化物的熔化溫度，這樣，金屬組織很難通過擴散退火實現(xiàn)均勻化，例如在約1200℃下加熱鑄錠幾十個小時來消除凝固偏析。在這種情況下，確定碳含量范圍為不低于0.4(質(zhì)量)但低于1.5％(質(zhì)量)，優(yōu)選為0.5％(質(zhì)量)或更高但低于1.3％(質(zhì)量)。
Si作為傳統(tǒng)脫氧劑并且也作為石墨析出加速劑添加。Si也能有效改善耐硫酸腐蝕性能。為此，確定Si的下限為0.1％(質(zhì)量)。此外，添加元素Si能夠抑止鋼在退火期間的軟化，而且，在低合金鋼中Si的影響特別重要。優(yōu)選確定Si含量不低于1.0％(質(zhì)量)，以便提高高溫強度，避免退火軟化。但是，由于過量Si會不利地提高A1溫度，故將Si的上限控制為3.0％(質(zhì)量)。因此，確定Si含量范圍為0.1-3.0％(質(zhì)量)，優(yōu)選0.5-3.0％(質(zhì)量)，更優(yōu)選1.0-3.0％(質(zhì)量)。
Mn同Si一樣，作為脫氧劑添加。為了脫氧，Mn含量必須至少為0.1％(質(zhì)量)，但是，過量的Mn會阻礙石墨的析出。為此，控制Mn的上限為3.0％(質(zhì)量)，并且，確定Mn含量范圍為0.1-3.0％(質(zhì)量)。
Cr是一種有效滲氮硬化的元素，但是其會不利地抑止半穩(wěn)定滲碳體的分解并強烈阻礙石墨的析出。Cr還會嚴重損害耐硫酸腐蝕性能。因此，控制Cr含量上限為0.5％(質(zhì)量)。為此，確定Cr含量范圍為0-0.5％(質(zhì)量)，優(yōu)選0-0.3％(質(zhì)量)。
Ni是一種石墨析出加速劑并且還能夠有效抑止紅脆性(紅脆性經(jīng)常出現(xiàn)在Cu合金化的鋼中)，但是，不利地提高了碳在Fe中的溶解度，導致退火態(tài)的加工性能較差。因此，確定Ni含量范圍為0.05-3.0％(質(zhì)量)，優(yōu)選0.6-1.5％(質(zhì)量)。
Al同Cr一樣，也是一種有效提高滲氮硬度的元素。由于在本發(fā)明的合金設(shè)計中，必須避免增加Cr含量，因此，通過添加Al來確保為此目的的適當?shù)臐B氮硬度。元素Al起石墨形成劑作用，促進孔隙的擴散，并且還和Cu一起，形成作為石墨析出位點的Cu-Al相。即Al是一種短時析出細小石墨顆粒的有效元素，因此，Al含量應不低于0.3％(質(zhì)量)。Al的上限控制為2.0％(質(zhì)量)，原因是同Si一樣，Al含量的增加會提高A1溫度。因此，確定Al含量范圍為0.3-2.0％(質(zhì)量)，優(yōu)選為0.7-2.0％(質(zhì)量)。
Mo是一種碳化物形成劑，與Cr相比，其阻礙石墨析出的程度較小，但是能夠改善鋼的耐熱性能。鉬的碳化物在熱成型步驟(在活塞環(huán)制造過程中的彎曲步驟之后進行)中約束鋼基體，從而改善尺寸穩(wěn)定性。但是，同Cr一樣，過量的Mo會阻礙滲碳體的分解。
此外，Mo對石墨化的阻礙作用較弱，但是，添加元素Mo顯著改善耐熱性和熱處理期間的尺寸穩(wěn)定性。特別是在包括細線材熱處理的活塞環(huán)制造過程中，Mo對尺寸穩(wěn)定的影響對于抑止對接形狀(abutment profile)的偏差很重要。為此，Mo的添加量為0.3％(質(zhì)量)或者更高。另一方面，Mo的上限控制在20％(質(zhì)量)，原因是隨著Mo含量增加，石墨的析出受到阻礙。V和W具有與Mo相同的作用。因此，至少一種選自于Mo，W和V的元素添加量總和為0.3-20％(質(zhì)量)。
優(yōu)選形成一種金屬組織，其中，甚至在釩合金化的鋼組織截面上也未觀察到釩的碳化物，原因是釩的碳化物會顯著阻礙石墨的析出。如果單獨或者同Mo和W一起添加V，則V的比率優(yōu)選控制低于0.1％(質(zhì)量)，而Mo和W的總量為0.3-5.0％(質(zhì)量)。元素Mo強化了石墨的擠壓作用并且促進流體膜在高壓下形成，從而改善抗咬合性能和降低動摩擦系數(shù)。此外，添加Mo會改善耐硫酸腐蝕性能。因此，單一添加元素Mo優(yōu)選的含量范圍控制為1.5-3.0％(質(zhì)量)。
Cu同Al一樣，是一種析出Cu-Al金屬間化合物相和快速形成具有細小石墨顆粒的穩(wěn)定組織的重要元素。添加元素Cu還有效改善耐硫酸腐蝕性能。為此，必須控制Cu相對于Al的比例，并且，確定Cu含量不低于0.05％(質(zhì)量)，優(yōu)選不低于0.2％(質(zhì)量)，以使Cu和Cu-Al相發(fā)揮作用。但是，過量Cu過高會導致退火態(tài)硬度的提高，并且降低鋼的加工性能，因此，將Cu的上限控制為3.0％(質(zhì)量)。所以，確定Cu含量范圍為0.05-3.0％(質(zhì)量)，優(yōu)選0.2-3.0％(質(zhì)量)。
順便提一下，硫通常作為有機極壓添加劑添加至機油中。所述添加劑應用于內(nèi)燃機中，為的是改善潤滑和防止咬合。相反，本發(fā)明人偶然發(fā)現(xiàn)鋼基體中夾雜有硫化物MnS。該硫化物作為硫源，在因摩擦熱而暴露的新鮮表面上形成一種原位硫化物膜，而且，該硫化物膜能夠有效改善潤滑性能。根據(jù)本發(fā)明的方法，優(yōu)異的潤滑性能幾乎能夠永久地得到保證，原因是不需要在預定部件添加大量的改善潤滑性的潤滑劑，或者在沒有喪失潤滑性能的情況下，就可以實現(xiàn)潤滑劑在鋼材料中的分布，而在更換含有極壓添加劑的發(fā)動機油期間則經(jīng)常出現(xiàn)喪失潤滑性能的情況。
另一種增加用作活塞環(huán)的鋼中鉻的碳化物的傳統(tǒng)方法目標在于減小活塞環(huán)與缸套接觸的表面積，并且提高活塞環(huán)的耐磨性能，這樣，滑動能量以高的每單位面積比例作用在活塞環(huán)上，以便平衡活塞環(huán)與缸套之間的磨損。盡管通過鉻的碳化物分布可以改善抗咬合性能，但是，鉻的碳化物分布的目的在于防止部分承載的異常升高，這種情況基本上由非均勻接觸引起。結(jié)果，因接觸面積增大而加劇缸套的磨損。簡言之，鉻的碳化物分布在接觸的開始階段能夠使活塞環(huán)與缸套相匹配，但是，對于與壽命相關(guān)的磨損性能，例如粘著磨損沒有影響。
過度提高耐磨性會導致出現(xiàn)活塞環(huán)磨損缸套的情況。如果缸套磨損嚴重，則間隙不利地變大，導致漏氣率增加，漏氣率對應著排放氣體的量。另一方面，添加元素硫?qū)挂Ш闲阅艿母纳朴杏绊?，原因是在不加速鋼材料磨損的情況下降低摩擦系數(shù)，結(jié)果，內(nèi)燃機可以長時間工作，而間隙卻沒有顯著變化。
即通過添加適當比率的硫，能夠進一步改善用作滑動部件的本發(fā)明材料的抗咬合性能。元素硫多數(shù)情況下與Mn反應，形成MnS，并且，反應產(chǎn)物MnS與發(fā)動機油作用，作為潤滑劑，表現(xiàn)出潤滑性。結(jié)果，降低了摩擦系數(shù)，并且，改善了抗咬合性能。
咬合是摩擦表面因其間發(fā)生原子轉(zhuǎn)移而附著一起的現(xiàn)象。在摩擦熱使摩擦表面被加熱到高溫的狀態(tài)下，原子的熱振動促進了原子轉(zhuǎn)移。摩擦表面的溫度是摩擦能，即摩擦系數(shù)×承載×滑動速度的單調(diào)遞增函數(shù)。這就是說，如果摩擦系數(shù)減小，則溫度很難升高，從而改善了抗咬合性能。添加硫能夠有效降低摩擦系數(shù)，但是過量的硫會損害機械性能，鋼線材在制造鋼活塞環(huán)的拉拔步驟中恐怕會破斷。因此，控制硫的上限為0.3％(質(zhì)量)。優(yōu)選確定硫含量范圍為0.01-0.3％(質(zhì)量)，更優(yōu)選0.03-0.3％(質(zhì)量)。
本發(fā)明人也已發(fā)現(xiàn)在硫含量高達0.3％(質(zhì)量)的材料的制造過程中，增大鍛造比，能夠有效改善滑動部件的機械性能。這就是說，機械性能隨著鍛造比的增加而升高。特別是當鋼活塞環(huán)通過彎曲鋼線材來加工時，提高鍛造比有利于防止鋼線材在彎曲期間發(fā)生開裂和破斷。
鍛造比被定義為活塞環(huán)制造過程中鑄錠與產(chǎn)品外形的截面比。就垂直鍛造或拉拔方向的鋼材料截面，或者作為最終產(chǎn)品的活塞環(huán)小截面而言，鍛造比采用(未鍛造鑄錠的截面積)/(彎曲后產(chǎn)品的截面積)的比值表示。但是，由鋼線材到活塞環(huán)產(chǎn)品的截面壓下比對于達到上述效果作用很小，可以忽略不計，因此，鍛造比可以采用比值(未鍛造鑄錠的截面積)/(鍛造并拉拔但未彎曲的鋼線材截面積)表示。鍛造比較高，材料受到的鍛造程度更大。
其中分布硫化物MnS的鋼的起始鑄態(tài)組織中，存在許多球狀或紡錘狀的硫化物夾雜，這些夾雜在胞狀凝固組織中在晶界的三晶粒接點處隨機取向。隨著鍛造比增大，硫化物夾雜的取向逐漸變化，從而改善了機械性能。
隨著鍛造比增大，硫化物夾雜更多地沿鋼線材的縱向取向，并且，在主要作用于活塞環(huán)的周向應力作用下拉長。結(jié)果，基本消除了硫化物夾雜對機械性能的不利影響。典型地，通過使硫化物夾雜的形狀具有3或者更大的縱橫比(長軸尺寸/短軸尺寸)，能夠防止機械性能下降。換言之，具有3或者更大的縱橫比的硫化物夾雜如果沿圓周方向的取向不利，則也會造成機械性能下降。
具體而言，采用顯微鏡觀察與活塞環(huán)周向平行的表面組織可獲得硫化物夾雜的分布。控制上述硫化物夾雜的分布，特別是具有3或者更大的縱橫比的硫化物夾雜的分布，以便每個使通過各硫化物長軸的直線之間的平行度(銳角一側(cè)的角度)保持在不大于30°的范圍內(nèi)，以便提供可用作活塞環(huán)的鋼線材或者可用作滑動部件的材料。為此，優(yōu)選確定鍛造比為500或更高。
圖5是一套示意圖，說明的是光學顯微鏡下觀察到的鍛造比為1的未鍛造鋼(鑄態(tài))以及鍛造比為500的鍛造鋼未腐蝕態(tài)的顯微組織，以及解釋硫化物夾雜平行度測量方法的示意圖。任意選擇兩個縱橫比為3或更大的硫化物夾雜，測量每個通過單個硫化物長軸的直線(線A和線B)之間的銳角，并且，在顯微鏡整個視場范圍內(nèi)重復該測量。在至少十個顯微鏡視場中，再重復進行同樣的測量。采用各測量角度中的最大值作為平行度。當不存在相交時(如圖5中鍛造比為500的鍛造鋼所示)，與線A平行的線A’可以認為是一條輔助線。這里，400倍顯微視場下觀察作為連在一起的硫化物顆粒被認為是一個單個顆粒，并且，將通過該單個顆粒長軸的直線定為測量線。
圖5中，鍛造比為1的未鍛造鋼的組織中，硫化物夾雜分布的平行度大于30°，但是，鍛造比為500的鍛造鋼的組織中，任何平行度都被控制在不大于30°。事實上，數(shù)字30°是一個根據(jù)斷裂力學確定的設(shè)計值。圖6是一個曲線圖，它說明的是G.R.Irwin的分析結(jié)果，以便解釋在裂紋沿著與應力方向不同的方向擴展時，如何改變應力強度因子(參見“Analysis of Stresses and Strains Near the End of a CrackTransversing a Plate”，Trans.ASME，Ser.E，J.Appl.Mech.，Vol.24，No.3(1957)，pp.361-364)。分析結(jié)果用如下式表示K1=(1-cos2β)·σπa]]>式4
式4中，K1是應力強度因子，β是應力方向與裂紋擴展方向之間的夾角，σ是應力，a是裂紋長度。式4表明與應力方向垂直(β＝90°)的裂紋容易擴展，而沿應力方向(β＝0°)延伸的裂紋擴展程度較小。易于擴展(即應力強度因子突然增大)對應于夾角等于30°。由于動態(tài)結(jié)合強度差，可以將夾雜物看作是裂紋，因此，可以理解使夾雜物分布具有不大于30°的受控取向偏差，即拉長的夾雜物的取向排列，對于抑止裂紋擴展很重要。
由于硫是一種對鋼機械性能有害的代表性元素，因此，需要適當?shù)母纳茝姸鹊姆椒?，以使鋼材料適合用于活塞環(huán)。例如，JP-07-258792A建議允許硫含量最多1％(質(zhì)量)，其主要涉及采用不充分的鍛造比加工成缸套等的鑄鋼。但是，通過金屬成形例如拉拔、軋制和彎曲，能夠獲得實際可行的活塞環(huán)低成本制造工藝。如果通過金屬成形將這種硫含量最多1％(質(zhì)量)的鋼加工成用作活塞環(huán)的線材，則由于達不到金屬成形所必需的材料強度，這種鋼在拉拔步驟中可能會破斷。結(jié)果，難于制造出可靠性高的活塞環(huán)。
根據(jù)如上所述的本發(fā)明，優(yōu)選硫含量不高于0.3％(質(zhì)量)的材料用作滑動部件，以進一步改善抗咬合性能。典型地，在用作活塞環(huán)的材料(該材料被加工成具有高鍛造比的產(chǎn)品形狀)中，控制添加硫很有意義。
通過同硫一起添加Ca，可以進一步提高硫的效果。元素Ca還原能力很強，它包含于MnS中，結(jié)果，Ca容易滲出至咬合表面。Ca的滲出阻止在咬合表面形成氧化物，但有助于形成具有潤滑性能的硫化物。然而，過量的Ca不利于熱加工性能，因此，優(yōu)選控制Ca的上限為0.01％(質(zhì)量)。為了達到上述效果，優(yōu)選確定Ca含量范圍為0.0001-0.01％(質(zhì)量)，更優(yōu)選0.0005-0.01％(質(zhì)量)。
同時添加硫和Ca也能夠有效改善除抗咬合性能之外的機加工性能和磨削性能。特別是，MnS的分布和石墨顆粒的析出能夠改善鋼的機加工性能。由于改善的機加工性能，可以將鋼材料的角加工成具有小曲率半徑的目標形狀，因此，能夠容易地制造出刮油能力高的活塞環(huán)。
用作滑動部件和活塞環(huán)的本發(fā)明材料可以含有Co，以改善耐腐蝕性，特別是耐硫酸腐蝕性能。元素Co以及Mo都會加強石墨的擠壓效應，并且促進高壓下油膜的形成，從而改善抗咬合性能并且降低動摩擦系數(shù)。在含量不低于0.5％(質(zhì)量)時，Co的這種效應比較顯著。但是，Co是一種貴重元素，而且，過量的Co不會使性能進一步改善。因此，優(yōu)選控制Co含量不高于10％(質(zhì)量)，更優(yōu)選為2-5％(質(zhì)量)。
用作滑動部件和活塞環(huán)的本發(fā)明鋼材料含有特定比例的上述元素，余者主要是鐵?？刂破渌乜偭坎桓哂?0％(質(zhì)量)，更優(yōu)選不高于5％(質(zhì)量)。
本發(fā)明的鋼材料可以進一步含有一種或多種如下元素，具體含量如下P≤0.1％(質(zhì)量)，Mg≤0.01％(質(zhì)量)，B≤0.01％(質(zhì)量)，Zr≤0.1％(質(zhì)量)。
本發(fā)明的優(yōu)選條件是使金屬組織含有在組織截面整個面積中的面積比不高于2.0％的非金屬夾雜物，由此，防止在鋼材料成型為線材的拉拔過程中發(fā)生斷裂以及防止在將線材制成卷材期間發(fā)生破斷。該特定組織典型地適合于活塞環(huán)制造工藝，該制造工藝同時伴隨有細線材的成型和加工，以便建立起一種生產(chǎn)率高的制造工藝。
作為本發(fā)明的附加效果，滲氮進一步改善抗咬合性能和耐磨性。滲氮可以同其他表面處理如PVD或鍍Cr一起進行，原因是鋼材料不論是否表面處理，都具有優(yōu)異的抗咬合性能。以活塞環(huán)為例。這種表面處理通常應用在與缸套接觸的活塞環(huán)的主滑動面上，但不適合應用于與活塞接觸的摩擦表面?？傊?，通過傳統(tǒng)的表面處理不能期望抑止粘著磨損的發(fā)生。但是，本發(fā)明的材料不必進行表面處理就具有優(yōu)異的抗咬合性能，能夠防止粘著反應的發(fā)生，因此，作為活塞環(huán)特別有用。
由于本發(fā)明材料具有存在石墨相的金屬組織，其可以進行插層處理，由此，通過例如浸漬在CuCl2溶液中，使外來分子或離子嵌入石墨的層狀分子組織中，進一步改善滑動特性。此外，處于插層處理狀態(tài)的石墨顆粒起聚合化催化劑的作用。因此，該材料被改變成適合于通過聚合物涂層(涂覆聚合物膜)或者作為預處理的插層改變使?jié)櫥途酆匣臓顟B(tài)，以便提供在滑動運動期間聚合化反應引起的保持自潤滑性的滑動部件。
附圖簡述

圖1是本發(fā)明材料(試樣3)的截面上觀察到的石墨顆粒分布情況的顯微照片；圖2是另一張在與圖1同樣材料的不同截面上觀察到的石墨顆粒分布情況的顯微照片；圖3是對照材料(試樣14)的截面上觀察到的石墨顆粒分布情況的顯微照片；圖4是另一張在與圖3同樣材料的不同截面上觀察到的石墨顆粒分布情況的顯微照片；圖5是一套用來解釋硫化物夾雜平行度的顯微組織示意圖。
圖6是用來說明應力方向與裂紋擴展方向之間的夾角對應力強度因子的影響的曲線圖；圖7是說明在超高壓下的摩擦磨損實驗的示意圖；圖8是說明往復磨損實驗的示意圖；圖9是用于解釋潤滑的Stribeck圖，說明的是載荷的倒數(shù)與動摩擦系數(shù)之間的關(guān)系。
實施方案由下面的實施例將會清楚地理解本發(fā)明的其它特征。
實施例1在高頻感應爐中，大氣環(huán)境下熔煉幾種鋼，調(diào)整使其具有表1所示的化學組成，并澆鑄成截面尺寸為220mm×220mm的鑄錠。表1中，試樣1-6滿足本發(fā)明的限定。試樣11-16是對照鋼，其中，試樣16對應的是用于傳統(tǒng)活塞環(huán)的JIS SUS440B。
表1

除試樣13之外，以約598的鍛造比將每個鑄錠熱加工成截面尺寸為9mm×9mm的線材。對試樣13進行了鍛造，但是因在鍛造之后接連進行的熱加工期間斷裂而未能加工成試樣。
在預定條件下，對線材進行退火，并且之后進行淬火和回火，以將其硬度調(diào)整至約45HRC。采用光學顯微鏡觀察淬火并回火的線材在未腐蝕狀態(tài)下的表面組織，以測量表面組織中的石墨顆粒的分布，即石墨顆粒的平均顆粒尺寸和面積比。通過對在1000倍光學顯微鏡下觀察的十個視場進行圖象分析，研究石墨顆粒的分布。石墨顆粒的尺寸用真圓的直徑表示，所述真圓與所檢測的石墨顆粒的面積相同。試樣1-6的組織中，平均尺寸為0.3-2μm的石墨顆粒分布的面積比為0.5-5％。
圖1-4是說明試樣3和14中石墨顆粒的分布情況的顯微照片。在試樣3的基體中檢測到析出了細小石墨顆粒析出，而在試樣14的基體中存在粗大的石墨顆粒。試樣3與14在顆粒尺寸上的差異原因可做如下解釋由于試樣4含有適量比例的Cu和Al，細小的Cu-Al金屬間化合物顆粒在石墨析出之前析出，并作為石墨的析出位點，獲得細小石墨顆粒。另一方面，試樣14中由于缺乏Cu或Al，Cu-Al金屬間化合物相無法發(fā)揮作用，結(jié)果石墨長大成粗大顆粒。表2給出了包括試樣3和14的所有試樣中石墨顆粒的分布情況。在試樣11，12，15和16的基體中未檢測出石墨顆粒的分布。
在H2∶N2＝1∶1的氣氛中，530℃下對每個試樣離子滲氮5個小時，并且作為評價抗咬合性能和耐磨性的試樣?？挂Ш闲阅苁褂脠D7所示的摩擦磨損試驗機，通過超高壓摩擦磨損實驗進行評價。具體條件如下測量與試樣保持磨損接觸的對磨件的旋轉(zhuǎn)扭矩。將旋轉(zhuǎn)扭矩突然增大的時間看作是咬合開始，此時的載荷被評價為劃傷載荷。由10MPa載荷下對磨件的旋轉(zhuǎn)扭矩計算出動摩擦系數(shù)。圖7中，數(shù)字1是試樣，數(shù)字2是對磨件，符號F是載荷。
滑動表面的尺寸形狀尺寸5mm×5mm的方形摩擦速度2m/秒作用于摩擦表面的壓力初始壓力1.5MPa
增加速率0.5MPa/分潤滑油#30機油潤滑油僅僅在開始階段以10cm3/分的速度滴加，但之后便停止。
對磨件JIS FC250(硬度100HRB的灰口鑄鐵)采用往復磨損試驗機評價耐磨性，其中，直徑8mm、長20mm的試樣通過往復運動與直徑20mm的對磨件(FC250)摩擦，以測量試樣的磨損寬度。圖8是往復磨損試驗機的示意圖。下面介紹其它磨損條件。圖8中，數(shù)字1是試樣，數(shù)字2是對磨件，符號F是載荷，符號OIL是潤滑油。
壓力載荷500N每循環(huán)的滑動距離130mm最大滑動速度0.5m/秒潤滑油(滴落的)#30機油對磨件JIS FC250(硬度100HRB的灰口鑄鐵)表2示出了劃傷載荷、動摩擦系數(shù)和磨損寬度以及滲氮層硬度的測量結(jié)果。
表2

表2結(jié)果證實滿足本發(fā)明定義的所有試樣1-6劃傷載荷高且磨損寬度小，故均具有優(yōu)異的抗咬合性能和耐磨性。特別是，試樣3-6具有低動摩擦系數(shù)和適合用作滑動部件的性能。另一方面，所有不滿足本發(fā)明特定的石墨顆粒分布的對照試樣抗咬合性能較差。試樣11-15由于缺乏作為滲氮硬化元素的Cr和Al，它們的滲氮硬度不足，導致耐磨性差。
對未滲氮處理的實施例1的試樣在上述同樣條件下進行咬合實驗。結(jié)果如表3所示。滿足本發(fā)明特定的石墨顆粒分布的試樣1-6不必進行表面處理，就具有優(yōu)異的抗咬合性能。另一方面，對照試樣14的劃傷載荷較小。當在顯微鏡下觀察咬合實驗之后的對照試樣14的滑動表面時，可檢測到周邊處的石墨顆粒發(fā)生了斷裂。此觀察結(jié)果意味著石墨屑侵入了滑動表面，導致滑動特性下降。
表3

實施例2將表1中的試樣1和15中的每一個熱軋成直徑5.5mm的卷材，然后，通過拉拔和冷軋加工成截面尺寸為1.5mm×3.1mm的扁平線材形狀。將試樣1成型為所述目標形狀沒有任何困難，但試樣15由于冷加工性能差，在拉拔步驟中破斷。在顯微鏡下，沿與軋制方向垂直的方向觀察試樣1-15未拉拔狀態(tài)坯料的金屬組織并且進行分析，以測量非金屬夾雜物的面積比。試樣1中非金屬夾雜物的面積比是1.86％，而試樣15為2.23％。比較觀察結(jié)果，可以認為試樣15的破斷原因除過量的硫之外，還在于面積比高于2.0％的過量非金屬夾雜物。
實施例3在與實施例2同樣條件下，將試樣1-6，11和12中的每一個加工成截面尺寸為1.5mm×3.1mm的扁平線材形狀，在1000℃下加熱30分鐘，淬火并回火至約510HV的硬度。將處理后的試樣采用研磨刀具，以10000轉(zhuǎn)/分的旋轉(zhuǎn)頻率和1mm/秒的進給量機加工十次，以便研究飛邊的出現(xiàn)頻率。表4給出了飛邊出現(xiàn)頻率的實驗結(jié)果。
表4

在試樣11和12中均探測到飛邊的出現(xiàn)，但是，添加適量S的試樣1-5中均未出現(xiàn)飛邊。該結(jié)果證實添加S對于抑止飛邊效果明顯。結(jié)果，活塞環(huán)能夠高效率制造。
實施例4單獨制備出化學組成與表1中試樣1相同的鑄錠。將鑄錠熱加工成截面尺寸為3.0mm×3.0mm的線材，其中鍛造比的變化范圍為1-10000。通過淬火和回火將熱加工線材的硬度調(diào)整為400HV。根據(jù)前述步驟，測量表面組織中硫化物夾雜(縱橫比3或者更大)的平行度，所述表面組織與拉長線材的長度方向平行，并且作為活塞環(huán)的周邊。
對硬度調(diào)整后的線材進行跨度為30mm的三點彎曲實驗。將彎曲偏離高達10mm而未破斷的試樣評價為A，而破斷的試樣評價為B。該實驗結(jié)果對于判斷淬火并回火的線材是否可能通過軋制彎曲成型為具有預定曲率的活塞環(huán)很有意義。表5示出了實驗結(jié)果。
表5

由表5結(jié)果可以了解其中分布著平行度不大于30°的硫化物夾雜的金屬組織具有優(yōu)異的機械性能，能夠有效地抑止在將線材彎曲成環(huán)形狀期間發(fā)生破斷。對與活塞環(huán)周邊平行的表面組織觀察表明線材與通過彎曲線材制成的活塞環(huán)之間的硫化物夾雜的平行度和縱橫比沒有明顯變化。
在線材表面組織上觀察的硫化物夾雜的平行度反映了通過彎曲線材制成的活塞環(huán)的組織。平行度不大于30°的硫化物夾雜分布能夠有效改善活塞環(huán)的機械性能，又不用擔心發(fā)生傳統(tǒng)發(fā)動機中經(jīng)常出現(xiàn)的疲勞斷裂。為此，對平行度進行特定控制對于用作活塞環(huán)的線材特別合適。
實施例5在高頻感應爐中，大氣環(huán)境下熔煉幾種鋼，調(diào)整其具有表6所示的化學組成，并澆鑄成截面尺寸為220mm×220mm的鑄錠。與試樣21相比，試樣22含有比例相對較高的Mo，而試樣23含有比例相對較高的Co。
表6W，V＜0.01％(質(zhì)量)，Ca＜0.0001％(質(zhì)量)

以約598的鍛造比將每個鑄錠熱加工成截面尺寸為9mm×9mm的線材。對線材進行退火，并且之后通過淬火和回火，將硬度調(diào)整至約40HRC。之后，觀察淬火并回火的線材在未腐蝕狀態(tài)下的表面組織，以測量石墨顆粒的分布(表面組織中的石墨顆粒的平均顆粒尺寸和石墨顆粒的面積比)。通過對在1000倍光學顯微鏡下觀察的十個圖像進行分析，研究石墨顆粒的分布。
表7

試樣21-23均具有存在細小石墨析出的組織。如表7所示，所分布的尺寸不大于1μm的石墨顆粒的面積比為1-4％。在試樣21-23中任一個中，尺寸為1μm或更大的較大石墨顆粒的平均顆粒尺寸為1-1.5μm，面積比小于1％。也就是說，可以理解大部分石墨析出是細小顆粒，而且，較大石墨顆粒與所有石墨顆粒的面積比被控制在低于1/4。
將每個試樣用作評價動摩擦系數(shù)的試樣。動摩擦系數(shù)的評價采用與圖7相同的摩擦磨損試驗機(摩擦速度除外)進行。實驗條件如下所述。由作用于對磨件上的扭矩和載荷計算出載荷逐步增大的每一時刻的動摩擦系數(shù)。圖9示出了載荷的倒數(shù)與動摩擦系數(shù)之間的關(guān)系。
滑動表面的形狀5mm×5mm的方形摩擦速度1米/秒作用于摩擦表面的壓力初始階段1.5MPa增加速率0.5MPa/分潤滑油#30機油以10cm3/分的速度連續(xù)滴加對磨件JIS FC250(灰口鑄鐵)圖9是所謂的“Stribeck’s圖”，代表的是施加在摩擦滑動部件上的載荷條件，反映了載荷特性(橫坐標)與摩擦系數(shù)(縱坐標)之間的關(guān)系。潤滑狀態(tài)可以由該圖進行評價。對于本發(fā)明的實施例而言，由于摩擦速度保持1m/秒恒定不變，橫坐標軸用載荷的倒數(shù)表示。在圖9的每條曲線中，從摩擦系數(shù)最小的數(shù)據(jù)點(極值)向右一側(cè)(低應力一側(cè)，即箭頭所指范圍)對應的是潤滑膜未損壞，達到流體潤滑的區(qū)域。左側(cè)(高應力一側(cè))對應的是因固體部件直接接觸一起，同時出現(xiàn)流體和固體潤滑的區(qū)域。圖9中的關(guān)系表明隨著圖中摩擦系數(shù)最小的數(shù)據(jù)點(極值點)向左移動，甚至在高應力條件下，也能夠更容易達到流體膜未損壞的流體潤滑狀態(tài)。
由圖9結(jié)果可以理解Mo含量比試樣21高的試樣22能夠在更高載荷下保持流體膜，而且，Co含量比試樣21高的試樣23在進一步增加的載荷下仍能保持流體膜。流體膜保持能力的提高證明了Mo和Co的效果，即上述的擠壓效應。
每條曲線左端的數(shù)據(jù)點對應的是由于出現(xiàn)咬合摩擦磨損實驗停止時的載荷。與試樣21相比，試樣22和23由于添加有Mo和Co，其最左側(cè)數(shù)據(jù)點向左移動(移向應力更高的一側(cè))，導致抗咬合性能的進一步改善。而且，總體而言動摩擦系數(shù)也下降?？傊?，通過添加Mo和/或Co，進一步加強了石墨析出對滑動特性的影響。
根據(jù)本發(fā)明，獲得了無需表面處理，便具有優(yōu)異的抗咬合性能、摩擦系數(shù)低且具有自潤滑性的鋼材料，結(jié)果，所述鋼材料適合于各種滑動部件，降低了摩擦引起的能量損耗。此外，由于同時對硫化物夾雜的分布進行了控制，所述鋼材料能夠加工成對缸套和活塞磨損程度較輕的活塞環(huán)。結(jié)果，本發(fā)明有助于顯著改善內(nèi)燃機的環(huán)境性能和耐久性。而且，由于所述鋼材料加工性能和機加工性能優(yōu)異，其能夠以低制造成本加工成滑動部件或活塞環(huán)，并且提前時間也較短。這就是說，從工業(yè)角度考慮，本發(fā)明提供的是用作滑動部件的使用性能和加工性能均優(yōu)異的材料，故其是一種真正有益的技術(shù)。
工業(yè)應用性本發(fā)明提供的材料可用作滑動部件例如安裝在汽車發(fā)動機等中的活塞環(huán)、缸套或葉片，以及滑動軸承、滾柱軸承、球軸承、齒輪和模具。
權(quán)利要求
1.一種用作自潤滑滑動部件的材料，該部件由一種鋼構(gòu)成，該鋼含有，以質(zhì)量計不低于0.4％至低于1.5％的C(碳)，0.1-3.0％Si，0.1-3.0％Mn，0(包括0)-0.5％Cr，0.05-3.0％Ni，0.3-2.0％Al，(Mo+W+V)總量為0.3-20％的選自于Mo，W(鎢)和V(釩)的至少一種元素，以及0.05-3.0％Cu，其中，在所述鋼金屬組織的截面能夠觀察到平均顆粒尺寸不大于3μm的石墨顆粒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的材料，其中，在組織截面觀察到的石墨顆粒在組織截面的總面積中占據(jù)不低于1％的面積比，并且具有不大于3μm平均顆粒尺寸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2中之任何一項的材料，其中，在組織截面中未觀察到釩的碳化物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中之任何一項的材料，其中，所述鋼以質(zhì)量計含有(Mo+W)總量為0.3-5.0％的選自于Mo和W的至少一種元素，以及低于0.1％的V。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中之任何一項的材料，其中，所述鋼以質(zhì)量計含有0.7-2.0％的Al。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中之任何一項的材料，其中，所述鋼以質(zhì)量計含有1.5-3.0％的Mo。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中之任何一項的材料，其中，所述鋼以質(zhì)量計含有不高于10％的Co。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中之任何一項的材料，其中，所述鋼以質(zhì)量計含有不高于0.3％的S(硫)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的材料，其中，所述鋼進一步含有以質(zhì)量計不高于0.01％的Ca。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中之任何一項的材料，其中，對所述鋼進行了滲氮處理，以用作滑動部件。
11.一種用作活塞環(huán)的線材，該活塞環(huán)由一種鋼制成，該鋼含有，以質(zhì)量計不低于0.4％至低于1.5％的C(碳)，0.1-3.0％Si，0.1-3.0％Mn，0(包括0)-0.5％Cr，0.05-3.0％Ni，0.3-2.0％Al，(Mo+W+V)總量為0.3-20％的選自于Mo，W(鎢)和V(釩)的至少一種元素，以及0.05-3.0％Cu，其中，在所述鋼金屬組織的截面能夠觀察到平均顆粒尺寸不大于3μm的石墨顆粒，以及其中，在與活塞環(huán)周邊平行的組織截面觀察到的硫化物夾雜的分布是這樣的每個通過各個硫化物夾雜長軸的直線相互交叉時的交角不大于30°，所述交角可以看作是一種平行度量度。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的線材，其中，在金屬組織截面觀察到的石墨顆粒在組織截面的總面積中占據(jù)不低于1％的面積比，并且具有不大于3μm平均顆粒尺寸。
13.根據(jù)權(quán)利要求11和12中之任何一項的線材，其中，所述鋼含有不高于10％質(zhì)量的Co。
14.根據(jù)權(quán)利要求11-13中之任何一項的線材，其中，所述鋼含有不高于0.3％質(zhì)量的S(硫)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的線材，其中，所述鋼進一步含有不高于0.01％質(zhì)量的Ca。
16.根據(jù)權(quán)利要求11-15中之任何一項的線材，其中，對所述鋼進行了滲氮處理，以用作活塞環(huán)。
全文摘要
一種用作滑動部件的材料，該材料包括一種鋼，其含有，以質(zhì)量計不低于0.4％至低于1.5％的C，0.1－3.0％Si，0.1－3.0％Mn，0－0.5％Cr，0.05－3.0％Ni，0.3－2.0％Al，(Mo+W+V)總量為0.3－20％的一種或多種選自于Mo，W和V的元素，以及0.05－3.0％Cu，并且，在其組織表面觀察到的石墨顆粒平均顆粒尺寸為3μm或更小。優(yōu)選地，在其組織表面觀察到的石墨顆粒占組織表面面積的1％或更高，并且，石墨顆粒平均顆粒尺寸為3μm或更小。所述鋼可以進一步含有0.3％或更低的S和0.01％或更低的Ca，并且，優(yōu)選在使用之前進行滲氮處理。所述滑動部件用材料被用作制造活塞環(huán)的線材。
文檔編號C22C38/04GK1665950SQ0381563
公開日2005年9月7日 申請日期2003年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月1日
發(fā)明者藤田悅夫, 久保田邦親, 舛形芳樹, 三奈木義博 申請人:日立金屬株式會社