專利名稱:活塞環(huán)材料的制作方法
本發(fā)明屬于一種內(nèi)燃機(jī)用的合金鑄鐵活塞環(huán)材料。
活塞環(huán)材料要求具有足夠的抗彎強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，合適的彈性模數(shù)，耐磨耐熱性能佳，以及儲(chǔ)油性和工藝性良好。能滿足上述要求且又經(jīng)濟(jì)的材料仍然首推鑄鐵。
目前在國(guó)外，活塞環(huán)材料已形成低、中、高擋次，且根據(jù)活塞環(huán)用途和尺寸的不同而選用各種不同成份、牌號(hào)的鑄鐵材料。例如，日本理研活塞環(huán)公司采用單體鑄造工藝法生產(chǎn)的RIK-41，RIK-42兩種活塞環(huán)材料均屬于一種含鉻、錳、硅、磷、碳等元素的鑄鐵，由于采用特殊精煉技術(shù)，使珠光體基體穩(wěn)定化，物理和機(jī)械性能較好，彈性模數(shù)和硬度適當(dāng)，但耐磨耐熱性能一般，所以適用于農(nóng)機(jī)、壓縮機(jī)，其成份及物理和機(jī)械性能如表一所示。
表一
但隨著內(nèi)燃機(jī)日趨強(qiáng)化，要求活塞環(huán)具有高強(qiáng)度、高耐磨性能和高耐熱性能，為此，除選擇適當(dāng)?shù)闹圃旃に囃?，?duì)材料提出了更高的要求，例如，為了提高活塞環(huán)強(qiáng)度，一般采用多種合金，并增加合金的含量。像日本特公昭54-38577所介紹的內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)材料，其耐磨耐熱性能提高了，這是因?yàn)椴捎昧硕喾N合金，有錳、鉻、鎳、鉬、銅、鈮等，其中錳的含量為1.5%，鉻為2.0%，鎳和銅最高含量竟達(dá)到5%和15%，這無疑使制造成本大大提高，經(jīng)濟(jì)上是不合算的。而且任何一種材料很難于滿足所有要求，有時(shí)活塞環(huán)必須鍍上一層具有耐磨、抗摩擦、抗拉缸性能的鍍層材料，如美國(guó)福特汽車公司(FOrd MOtor)所采用的DTD 485A的材料，是一種鉻一鉬合金鑄鐵，由于抗拉缸和耐磨性能較差，作為頂環(huán)材料，必須進(jìn)行表面鍍鉻處理。
綜上所述，在國(guó)外，活塞環(huán)材料正向著高強(qiáng)度、高耐磨和高耐熱性能的方向發(fā)展，除了采用多種合金，增加合金含量外，還必須進(jìn)行表面鍍層處理，這不但增加了成本，使生產(chǎn)過程也大大復(fù)雜化了。
目前國(guó)內(nèi)活塞環(huán)的主要材料是合金鑄鐵，相當(dāng)于國(guó)外的中擋材料，而國(guó)外那些低擋材料，如灰鑄鐵，高擋材料如球墨鑄鐵，可鍛鑄鐵，碳化物半可鍛鑄鐵，我國(guó)還是空白，且與國(guó)外相比，無論在使用壽命、材料、工藝等方面均有一定差距，如汽車內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)平均壽命僅為6萬公里左右，因此，更不能適應(yīng)今后內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的需要。
本發(fā)明的目的是生產(chǎn)一種成本低，綜合性能佳，耐磨耐熱性能好，使用壽命長(zhǎng)的內(nèi)燃機(jī)用合金鑄鐵活塞環(huán)材料。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的合金成份和含量如下錳0.45～0.90%，硅1.8～3.0%，磷0.30～0.50%，鉻0.10～0.45%，鉬0.20～0.45%，氮0.007～0.035%，鈮0.10～0.50%，鈣0.001～0.015%，碳2.5～4.0%，其余為鐵以及鐵中的雜質(zhì)。
碳是導(dǎo)致石墨析出的元素，如果碳含量低于2.5%則出現(xiàn)大量碳化物，超過4%就會(huì)造成石墨粗大化，故本發(fā)明將其規(guī)定為2.5～4.0%。
硅是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化元素，低于1.8%沒有效果，超過3.0%將導(dǎo)致材料的脆化，故規(guī)定為1.8～3.0%。
錳是阻礙石墨化元素，錳與硫形成硫化錳，生鐵中存在硫，為抵消硫單獨(dú)存在的影響，錳含量最低也要在0.45%，但超過0.90%時(shí)，有促進(jìn)白口化傾向，以致石墨化不足，所以規(guī)定為0.45～0.90%。
鉻是復(fù)合碳化物的主要構(gòu)成元素，碳化物除有助于提高耐磨性能外，還會(huì)使耐熱和耐蝕性能提高，加入量低于0.1%時(shí)效果不大，但超過0.45%時(shí)又阻礙石墨的析出，故本發(fā)明規(guī)定鉻的含量為0.1～0.45%。
鉬的一部分和碳結(jié)合而形成復(fù)合碳化物，具有提高耐磨性能作用，其余部分則固溶在基體上，提高了材料的韌性及耐熱、耐蝕性能，故本發(fā)明規(guī)定為0.20～0.45%。
磷在本發(fā)明中以磷共晶的形式出現(xiàn)，磷共晶以二元、三元和四元形式存在，基底是Fe3P，在三、四元磷共晶中含有Nb〔C、N〕，可提高磷共晶的顯微硬度。磷共晶呈斷網(wǎng)狀而分布在晶界上，從而提高了活塞環(huán)的耐磨性。含磷量小于0.3%作用不明顯。大于0.50%呈網(wǎng)狀分布，使活塞環(huán)變脆且不易加工，所以控制在0.3～0.5%。
鈮與碳及氮結(jié)合而形成碳氮化物Nb〔C、N〕，具有高硬度，其H2為2000～2500，且微細(xì)地析出，因此，特別在滑動(dòng)部分發(fā)揮出支承效應(yīng)，而有助于耐磨性能的提高，其含量低于0.10%不明顯，在0.50%效果最佳，所以限定在0.10～0.50%。
氮與鈮等元素結(jié)合形成氮化物，這些氮化物有助于耐磨性能提高，還會(huì)提高材料的綜合性能，含量低于0.007%效果不明顯，超過0.035%時(shí)，材料會(huì)出現(xiàn)缺陷。本發(fā)明將含氮量特別控制在0.007～0.035%。
鈣有很強(qiáng)的脫氧脫硫能力，并且能與碳等元素化合成耐高溫的化合物，如CaC2，有助于耐磨耐熱性能提高，使材料綜合性能得到提高，本發(fā)明將含鈣量特別控制在0.001～0.015%。
需要特別指出的是，鈣和氮是專門加入到本發(fā)明中的元素，與鐵水中的Cr、Nb、Fe、Mn等合金元素化合成CrN、NbN、Nb〔C、N〕、FeN、MnN等氮化物，這些氮化物中的大部分具有耐高溫、耐磨等優(yōu)良性能，有的還作為結(jié)晶核心細(xì)化晶粒，而Ca則起細(xì)化晶粒、強(qiáng)化基體組織的作用。
本發(fā)明由于加入合金元素的含量較低，如鉻、鉬含量最高均為0.45%，鈣和氮的價(jià)格又低廉，且不含有鎳、銅等昂貴的合金元素，故成本大大降低，僅為國(guó)外活塞環(huán)成本的三分之一。特別是加入鈣和氮后，綜合性能提高了，尤其是耐磨耐熱性能。將本發(fā)明用于汽車內(nèi)燃機(jī)上，其最高壽命可達(dá)到12萬公里以上，大大提高了使用壽命。
表二列出了本發(fā)明實(shí)施例1～5的化學(xué)成份。
按照表二所規(guī)定的化學(xué)成份選用鑄造生鐵和其他合金元素。
表二
本發(fā)明用電弧爐熔化。
采用砂型單體疊箱鑄模進(jìn)行鑄造。澆注溫度為1350℃～1380℃，鑄造后的毛坯，需進(jìn)行500℃～550℃×2.5小時(shí)的消除內(nèi)應(yīng)力退火，然后在空氣中冷卻。
實(shí)施例1～5的物理和機(jī)械性能是抗彎強(qiáng)度＝67～68kg/mm2彈性模數(shù)E＝12700～12800kg/mm2彈力消失率＜4%洛氏硬度 HRC＝98～107其物理和機(jī)械性能與表一中同樣采用單體鑄造工藝的RIK-41、RIK-42相比較，抗彎強(qiáng)度、硬度、彈力消失率等性能均處于優(yōu)勢(shì)。
附圖所示的為施例3放大1，000倍的金相顯微組織彩色圖。
其中1、紫色-復(fù)合合金質(zhì)點(diǎn)2、黃色-鐵素體3、黑色-石墨片4、橘紅色-磷共晶5、白、綠色-索氏體。
浸蝕劑硒酸酒精溶液。
其硬度(采用∏MT-3型顯微硬度計(jì))索氏體HM＝607磷共晶HM＝925(載荷50克)。
權(quán)利要求
1.活塞環(huán)材料，特別是合金鑄鐵活塞環(huán)材料，其化學(xué)成份一般有碳、硅、鈮、銅、鉻、錳、鉬、磷、硼等，且根據(jù)活塞環(huán)用途和尺寸的不同而應(yīng)用各種不同化學(xué)成份、牌號(hào)的鑄鐵材料，本發(fā)明的特征是碳 2.5～4%硅 1.8～3.0%鉻 0.10～0.45%錳 0.45～0.90%鉬 0.20～0.45%磷 0.30～0.50%鈮 0.10～0.50%氮 0.007～0.035%鈣 0.001～0.015%。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的活塞環(huán)材料，其特征是，其余成份為鐵及鐵中的雜質(zhì)。
專利摘要
本發(fā)明屬于一種內(nèi)燃機(jī)用的合金鑄鐵活塞環(huán)材料，其成份有低含量的錳、、鉻、鉬、鈮、鈣、氮等，特別是鈣和氮可與親和力強(qiáng)的元素在基體中形成多種氮化物，從而使綜合性能，特別是耐磨耐熱性能提高。解決了國(guó)外活塞環(huán)成本高、制造工藝復(fù)雜，國(guó)內(nèi)活塞環(huán)綜合性能不高，使用壽命短的問題。本發(fā)明成本僅為國(guó)外活塞環(huán)的三分之一，在汽車內(nèi)燃機(jī)上的使用壽命可達(dá)到12萬公里以上。
文檔編號(hào)C22C37/10GK86101804SQ86101804
公開日1987年1月24日 申請(qǐng)日期1986年3月22日
發(fā)明者刁乃文 申請(qǐng)人:天津市交通局科學(xué)技術(shù)研究所, 天津市治塞廠導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan