專利名稱：可氮化鋼活塞環(huán)和鋼汽缸套及制造它們的鑄造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及活塞環(huán)和汽缸套，它們具有良好的可氮化性并可通過鑄造方法制造。 此外，本發(fā)明涉及可用本發(fā)明具有良好的可氮化性的活塞環(huán)和汽缸套制造的氮化活塞環(huán)和汽缸套。此外，本發(fā)明涉及一種用于制造本發(fā)明具有良好的可氮化性的活塞環(huán)和汽缸套的方法和一種用于制造本發(fā)明的氮化活塞環(huán)和汽缸套的方法。
背景技術(shù)：
在內(nèi)燃機中，活塞環(huán)密封燃燒室的活塞頭和汽缸壁之間的間隙。由于活塞往復(fù)運動，活塞環(huán)一側(cè)與其外周面在永久性的彈簧加載位置中對著汽缸壁滑動，且因為活塞的傾斜運動，活塞環(huán)的另一側(cè)在其活塞環(huán)槽中以振動方式滑動，因此其側(cè)面交替地對活塞環(huán)槽的上或下槽側(cè)面施加壓力。這些元件相對于彼此的相互滑動導(dǎo)致取決于材料的較大或較小的磨損量；如果它空運行，這可導(dǎo)致所謂的磨損、劃痕和最終發(fā)動機的破壞。為了改進活塞環(huán)相對汽缸壁的滑動和磨損性能，它們的周面已設(shè)有由各種材料形成的涂層。汽缸套例如往復(fù)式活塞內(nèi)燃機中的汽缸套，必須具有高耐磨性，因為否則，換言之，隨著汽缸套變薄，氣體泄漏和油耗可增加，發(fā)動機性能可劣化。隨著汽缸套磨損，汽缸套中的間隙不斷增加，使得更多的燃燒氣體能夠進入曲軸箱。此外，在極端情況下，活塞環(huán)可能無法對汽缸套均一地施加壓力，于是甚至更多的氣體可進入曲軸箱中。為了生產(chǎn)高性能的內(nèi)燃機零件，例如活塞環(huán)和汽缸套，通常使用鑄鐵材料或鑄鐵合金。在高性能發(fā)動機中，對活塞環(huán)尤其是壓縮環(huán)所設(shè)的要求變得愈發(fā)嚴格，例如關(guān)于峰壓縮壓力、燃燒溫度、EGR和潤滑膜減少，它們實質(zhì)上影響活塞環(huán)的功能性，例如耐磨性、抗?fàn)C焦性、顯微焊接和耐腐蝕性。然而，現(xiàn)有技術(shù)的鑄鐵材料有極大的斷裂風(fēng)險；事實上，當(dāng)使用現(xiàn)有材料時，環(huán)經(jīng)常斷裂。增加的力學(xué)-動力學(xué)負荷導(dǎo)致活塞環(huán)和汽缸套較短的使用壽命。嚴重的磨損和腐蝕出現(xiàn)在工作面和側(cè)面上。較高的點火壓力、減少的散發(fā)和直接噴射燃料意味著活塞環(huán)上增加的負荷。這導(dǎo)致特別是下活塞環(huán)側(cè)面上的活塞材料的破壞和建立。因為活塞環(huán)和汽缸套上較高的力學(xué)和動力學(xué)應(yīng)力，越來越多的發(fā)動機制造商要求高級鋼(淬火與回火的和高合金，例如1.4112級)制造的活塞環(huán)和汽缸套。于此，包含少于2. 08%重量百分比的碳的含鐵材料通稱為鋼。如果碳含量更高，則其稱為鑄鐵。與鑄鐵相比，鋼具有更好的強度和韌性性質(zhì)，因為在基本的微觀結(jié)構(gòu)中不存在游離石墨的干擾。通常，高鉻合金的馬氏體鋼用于制造鋼活塞環(huán)或鋼汽缸套。然而，利用這種鋼的缺點是制造成本明顯高于鑄鐵元件的。鋼活塞環(huán)是用異形鋼絲制造。異形鋼絲盤繞成環(huán)形軋材、被切割并在“非圓形”心軸上拉伸?；钊h(huán)在此心軸上通過退火過程獲得其所需非圓形狀，該退火過程給予所需切向應(yīng)力。用鋼制造活塞環(huán)的另一個缺點是，超過特定直徑，用鋼絲制造(盤繞)環(huán)不再可能。一種常規(guī)的鋼活塞環(huán)公開于EP 0 295 111 A2。它由合金組成，其中加入鋁以助于制造異形鋼絲和有助于進一步的加工以形成活塞環(huán)。另一方面，由鑄鐵形成的活塞環(huán)在鑄造時已經(jīng)是非圓的，使得從開始它們便具有理想形狀。鑄鐵具有比鋼顯著低的熔點。取決于化學(xué)成分，差值可達350°c。因此，鑄鐵比較容易熔化和鑄造，因為較低的熔點意味著鑄造溫度較低，這樣冷卻時的收縮較小，因此鑄造材料具有較少的管缺陷或熱裂和冷裂。較低的鑄造溫度也帶來模具材料和熔爐上較低的應(yīng)力(腐蝕、氣孔、夾砂)，并也帶來較低的熔化成本。含鐵材料的熔點并不簡單地取決于碳含量，而且取決于其“飽和度”。下列經(jīng)驗公式適用
Sc = C/ (4. 26-1/3(Si+P))。飽和度愈接近1，熔點愈低。對于鑄鐵，通常期望1. 0的飽和度，因此鑄鐵的熔點為 1150°C。鋼的飽和度大約為0. 18，視化學(xué)成分而定。共晶鋼的熔點為1500°C。飽和度受Si或P含量的顯著影響。舉例來說，3%重量百分比的較高硅含量具有與 1%重量百分比的較高C含量類似的效果。因此，可制造C含量為1%重量百分比且硅含量為 9. 78%重量百分比的鋼，其具有與飽和度為1. 0的鑄鐵(C 3. 26%重量百分比；Si 3. 0%重量百分比)相同的熔點。Si含量的急劇增加可提高鋼的飽和度，并降低熔點至鑄鐵的熔點。因此，可借助用于制造鑄鐵(例如GOE 44)的相同技術(shù)來制造鋼。由高硅鑄鋼形成的活塞環(huán)和汽缸套在本領(lǐng)域內(nèi)是已知的。但是，較大量存在的硅對材料的淬透性有負面影響，因為增加了材料的奧氏體轉(zhuǎn)變溫度“Ac3”。然而，具有低硅含量的鋼活塞環(huán)常規(guī)用異形鋼絲制造。這種具有低硅含量的鋼活塞環(huán)參見 JP 03-122257A。然而，本領(lǐng)域通常用于增加活塞環(huán)表面硬度的方法可在于將材料氮化。但是，已表明，現(xiàn)有技術(shù)的高硅鋼鑄件具有差的可氮化性。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供具有由高硅含量鋼成分形成的主體的鋼活塞環(huán)和鋼汽缸套，它們具有良好的可氮化性，以及提供氮化活塞環(huán)和汽缸套。在通過重力鑄造法制造后，所述氮化活塞環(huán)和汽缸套的氮化鋼成分的性質(zhì)將在至少一個下列點上優(yōu)于淬火與回火的球狀石墨鑄鐵的性質(zhì)
力學(xué)性能，例如彈性模數(shù)、抗彎強度；
斷裂強度；
形狀穩(wěn)定性；
側(cè)面上的磨損；
工作表面上的磨損。依據(jù)本發(fā)明，該目的通過具有由鋼成分形成的主體的鋼活塞環(huán)和鋼汽缸套實現(xiàn)， 所述鋼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
P0-0. 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，本發(fā)明活塞環(huán)和汽缸套的良好的可氮化性是因為4. 0-20. 0%重量百分比的鉻含量。在氮化過程中，鉻形成非常硬的氮化物。雖然將鉻加入鋼成分通常將進一步提高材料的奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，并因此進一步導(dǎo)致其淬透性劣化，但是在本發(fā)明中觀察到，加入 2. 0-12. 0%重量百分比的鎳抵消了奧氏體轉(zhuǎn)變溫度的這種上升。如此，本發(fā)明防止增加的奧氏體轉(zhuǎn)變溫度使可獲得的材料表面更好的淬透性無效，因為通過同時還原主體的淬透性來改善鋼成分的可氮化性。備選地，所述鋼成分具有以下組成 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。為了增加所用鋼的飽和度，在兩種備選方案中，鋼的硅含量均優(yōu)選為至少3.0%重
6量百分比。此外，所述鋼成分優(yōu)選包含至少0. 003%重量百分比的鉛、至少0. 003%重量百分比的銅、至少0. 003%重量百分比的磷和至少0. 003%重量百分比的硫。優(yōu)選地，本發(fā)明的鋼活塞環(huán)具有樹狀微觀結(jié)構(gòu)。由異形鋼絲制造的常規(guī)鋼活塞環(huán)具有細致的微觀結(jié)構(gòu)，而無枝蔓晶。然而在一些常規(guī)鋼活塞環(huán)中，在微觀結(jié)構(gòu)中仍可檢測到異形鋼絲的拉伸或軋制方向。將本發(fā)明具有良好的可氮化性的鋼活塞環(huán)或鋼汽缸套氮化來生產(chǎn)本發(fā)明的氮化鋼活塞環(huán)或鋼汽缸套。本發(fā)明的氮化鋼活塞環(huán)和鋼汽缸套在被強烈加熱時改變它們的形狀的趨向降低， 因此提供長期的高性能和此外減少的油耗。本發(fā)明的氮化鋼活塞環(huán)和鋼汽缸套還具有的優(yōu)點是，它們可利用制造鑄鐵零件的機器和技術(shù)來制造。此外，制造成本與鑄鐵活塞環(huán)或灰鑄鐵汽缸套的相當(dāng)，為廠家節(jié)省成本和提高利潤。同樣地，可獨立于供應(yīng)商調(diào)整材料參數(shù)。本發(fā)明還提供一種用于制造本發(fā)明具有良好的可氮化性的鋼活塞環(huán)和鋼汽缸套的方法，包括下列步驟
a.用起始原料生產(chǎn)熔體；和
b.將所述熔體澆鑄到準(zhǔn)備的模具中。這產(chǎn)生具有樹狀微觀結(jié)構(gòu)的鋼活塞環(huán)和鋼汽缸套。舉例來說，相比之下，用異形鋼絲制造鋼活塞環(huán)的常規(guī)方法產(chǎn)生具有細致微觀結(jié)構(gòu)的活塞環(huán)。起始原料的實例是鋼屑、回爐廢鋼和合金化物質(zhì)。熔化過程是在熔爐優(yōu)選熔煉爐特別優(yōu)選化鐵爐中進行。接著，當(dāng)熔體固化時產(chǎn)生坯料。在工藝過程中，可利用本領(lǐng)域已知的方法鑄造鋼活塞環(huán)或鋼汽缸套，例如通過離心鑄造法(用于制造汽缸套的優(yōu)選方法)、連續(xù)澆鑄法、沖壓法、殼型鑄造法或優(yōu)選的濕砂造型。在活塞環(huán)或汽缸套已冷卻后，將模具空置，并清潔獲得的坯料。必要時，可隨后將活塞環(huán)或汽缸套淬火和回火。這由下列步驟完成
c.在其Ac3溫度之上將所述活塞環(huán)或汽缸套形成奧氏體；
d.將所述活塞環(huán)或汽缸套在適當(dāng)?shù)拇慊鸾橘|(zhì)中淬火；和
e.將所述活塞環(huán)或汽缸套在可控氣氛爐中于400-700°C范圍內(nèi)的溫度回火。優(yōu)選地，油用作所述淬火介質(zhì)。為制造本發(fā)明的氮化活塞環(huán)或汽缸套，遵循上述工序，進行所得活塞環(huán)或汽缸套的氮化。這可例如通過氣體氮化、離子氮化或加壓滲氮來完成。下列實施例和附圖在不限制本發(fā)明的情況下對其進行說明。


圖1示出本發(fā)明的活塞環(huán)的示意圖。圖2示出本發(fā)明的鋼活塞環(huán)的基本微觀結(jié)構(gòu)的放大截面圖(500:1)。圖3示出本發(fā)明的鋼活塞環(huán)的基本微觀結(jié)構(gòu)的放大截面圖(200:1)。圖4示出常規(guī)鋼活塞環(huán)的基本微觀結(jié)構(gòu)的放大截面圖(500:1)。
具體實施例方式一種活塞環(huán)(見圖1)由本發(fā)明的高度可氮化鋼成分制造，所述鋼成分具有下列成分
B: 0.001%重量百分比
C: 0.8%重量百分比 Cr: 13. 0%重量百分比 Cu: 0.05%重量百分比 Mn: 0.3%重量百分比 Mo: 0.5%重量百分比 Nb: 0.002%重量百分比 Ni: 2.1%重量百分比 P 0.041%重量百分比它通過從起始原料(鋼屑、回爐廢鋼和合金化物質(zhì))生產(chǎn)熔體，并將熔體澆鑄到準(zhǔn)備的濕砂型中來獲得。接著，將模具空置，清潔所得活塞環(huán)。隨后，可對活塞環(huán)進行淬火和回火。 這通過在鋼成分的Ac3溫度之上形成奧氏體，并在可控氣氛爐中于400-700°C范圍內(nèi)的溫度進行油淬和回火來完成。最后，將所得活塞環(huán)的表面氮化。雖然在氮化之前硬度為420 HV或42 HRC，但是在氮化區(qū)域中獲得大于1000 HV的硬度，其保證了對側(cè)面磨損和工作面磨損的高抗性。該情況下的硬度根據(jù)DIN EN 10109-1和DIN EN 10008-1測定。本發(fā)明活塞環(huán)的彈性模量為 215000 MPa。本發(fā)明的鑄鋼活塞環(huán)的基本微觀結(jié)構(gòu)的放大截面圖示于圖2 (500:1)和圖3 (200:1)。為了比較，圖3以相同放大倍數(shù)示出常規(guī)制造的鋼活塞環(huán)的基本微觀結(jié)構(gòu)(G0E 65 D鑄鐵，來自Federal Mogul ；化學(xué)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)?？梢钥闯觯景l(fā)明的鋼活塞環(huán)具有樹狀的基本微觀結(jié)構(gòu)。白色區(qū)域表示碳化鉻，其已在沿枝蔓晶的紋理邊緣沉淀出來。相比之下，常規(guī)鋼活塞環(huán)具有細致的微觀結(jié)構(gòu)而無枝蔓晶。甚至活塞環(huán)的拉伸或軋制方向也看不到。
Pb:0.16%重量百分比
S:0.009%重量百分比
Si:3.0%重量百分比
Sn:0.001%重量百分比
Ti:0.003%重量百分比
V:0.11%重量百分比
W:0.003%重量百分比
Fe:余量
權(quán)利要求
1.一種包含具有良好的可氮化性的鋼成分作為主體的鋼活塞環(huán)或鋼汽缸套，其特征在于，所述鋼成分由以相對100%重量百分比的所述鋼成分表示的下述給定比例的下列元素組成B: 0-0. 5%重量百分比 C: 0.5-1. 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.覬重量百分比 V: 0. 05-2. 0%重量百分比 W: 0-0. 5%重量百分比。
2.一種包含具有良好的可氮化性的鋼成分作為主體的鋼活塞環(huán)或鋼汽缸套，其特征在于，所述鋼成分由以相對100%重量百分比的所述鋼成分表示的下述給定比例的下列元素組成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% 1■量百分比Ni:1. 5-3. 0%重量百分比P:0-0. 055% 1■量百分比Pb:0-0. 05% 1■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% 1■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.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋼活塞環(huán)或鋼汽缸套，其特征在于，所述鋼成分包含至少 3. 0%重量百分比的硅。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的鋼活塞環(huán)或鋼汽缸套，其特征在于，所述鋼成分包含至少0. 003%重量百分比的鉛、至少0. 003%重量百分比的銅、至少0. 003%重量百分比的磷和至少0. 003%重量百分比的硫。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的鋼活塞環(huán)或鋼汽缸套，其特征在于，所述鋼成分具有樹狀微觀結(jié)構(gòu)。
6.一種氮化鋼活塞環(huán)，其特征在于，它可通過將權(quán)利要求1-5中任一項的鋼活塞環(huán)氮化而得到。
7.一種氮化鋼汽缸套，其特征在于，它可通過將權(quán)利要求1-5中任一項的鋼汽缸套氮化而得到。
8.一種用于制造權(quán)利要求1-5中任一項的鋼活塞環(huán)或鋼汽缸套的方法，包括下列步驟a.用起始原料生產(chǎn)熔體；和b.將所述熔體澆鑄到準(zhǔn)備的模具中。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述熔體是在熔煉爐中產(chǎn)生。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述模具是濕砂型。
11.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，其是用于制造鋼汽缸套的方法，所述鋼汽缸套通過離心鑄造法制造。
12.根據(jù)權(quán)利要求8-11中任一項所述的方法，還包括下列步驟c.在其Ac3溫度之上將所述鋼活塞環(huán)或鋼汽缸套形成奧氏體；d.將所述鋼活塞環(huán)或鋼汽缸套在適當(dāng)?shù)拇慊鸾橘|(zhì)中淬火；和e.將所述鋼活塞環(huán)或鋼汽缸套在可控氣氛爐中于400-700°C范圍內(nèi)的溫度回火。
13.用于制造權(quán)利要求6的鋼活塞環(huán)或權(quán)利要求7的鋼汽缸套的方法，包括下列步驟a.進行權(quán)利要求8-12中任一項的方法；和b.將所得鋼活塞環(huán)或鋼汽缸套氮化。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其特征在于，所述氮化通過氣體氮化、離子氮化或加壓滲氮來完成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種活塞環(huán)和一種汽缸套，它們包含具有良好的可氮化性的鋼成分作為主體。所述鋼成分由下列元素組成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。所述活塞環(huán)和所述汽缸套可通過鑄造法利用制造鑄鐵零件所用機器和技術(shù)來制造。
文檔編號C22C38/46GK102257299SQ201080011068
公開日2011年11月23日 申請日期2010年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月26日
發(fā)明者拉茲羅·佩索伊克茲 申請人:聯(lián)邦摩高布爾沙伊德公司