CN101918741A

CN101918741A - 金属平垫圈及其生产方法

Info

Publication number: CN101918741A
Application number: CN2008801212838A
Authority: CN
Inventors: 雷纳·卡佩曼; 詹姆斯·斯托特; 托马斯·聚尔夫吕
Original assignee: FEDERAL MOGUL SEALING SYS SpA
Current assignee: FEDERAL MOGUL SEALING SYS SpA; Federal Mogul Sealing Systems GmbH
Priority date: 2007-12-19
Filing date: 2008-09-04
Publication date: 2010-12-15
Also published as: JP2011506886A; US20110024991A1; JP2014059062A; DE102007061084A1; EP2220409A1; WO2009077017A1

Abstract

本发明涉及一种平垫圈，特别是一种气缸盖垫圈，可用于内燃机中。该平垫圈包括具有至少一个卷边的金属支撑座。所述支撑座由钢制成，所述钢包含重量百分比为0.50-1.30％的碳、重量百分比为至多3.0％的硅、重量百分比为至多3.0％的锰、重量百分比为至多0.035％的磷、重量百分比为至多0.035％的硫、重量百分比为至多2.0％的铬。这种钢的微观结构具有≥50％的贝氏体组织。

Description

金属平垫圈及其生产方法

技术领域

本发明涉及平垫圈，更具体地说，涉及一种用在内燃机中的气缸盖垫圈。该平垫圈包括带有至少一个卷边(bead)的金属支撑座。该支撑座由具有以下重量百分比组分的钢形成：0.50-1.30％的碳(C)、至多3.0％的硅(Si)、至多3.0％的锰(Mn)、至多0.035％的磷(P)、至多0.035％的硫(S)、至多2.0％的铬(Cr)。这种钢的微观结构具有≥50％的贝氏体组织。

背景技术

气缸盖垫圈是平垫圈，其特征在于，与其它类型的垫圈相比，密封功能与螺接力的传递没有彼此分开。平垫圈的密封功能通过对垫圈施压来实现。但是，当功能分离时，刚性金属支撑框架接管了力传递的功能，并产生所定义的密封间隙，弹性密封材料被挤压到该密封间隙内。

已知基本类型的平垫圈包括，例如，由涂覆有弹性体的金属支撑座构成的垫圈。弹性凸层通常被卷边以增加压力。例如，在EP 1023549中描述了一个可能的实施例，其中弹性体材料还具有密封缘形式的外围突起。

这样的垫圈用于不需要补偿特别大的组件公差的区域。所有这些平垫圈都具有的一个事实是，它们都位于外壳或者法兰螺接处的力量流中，因此受到由于螺接力而产生的高负载的作用。不同的外壳形状和螺接设置会在密封期间产生不同的支撑模式。

但是，由于垫圈受压所在的凸缘之间的相对运动和较高的表面压力，平垫圈或多或少地会被严重损坏。例如，当平垫圈用于运动的设备中，例如引擎中，会发生这样的相对运动，且不能阻止该相对运动。由于构造形状，较高的接触压力也不能被显著减小，否则平垫圈的密封效果也会减弱。相反，虽然进一步增加接触压力和/或螺接力可能会减少相对运动，但是这也可能会引起垫圈的负载增加。这种损坏和机械磨损现象最终会导致密封功能失效。

这些磨损现象发生的主要关键区域通常是螺接的区域。垫圈的小凸缘区域或者接触区域还可能在局部区域产生严重的应力。

因此，多层弹簧钢制成的大部分气缸盖垫圈(例如根据DE 198008544设计的那些，)已经证明作为垫圈是成功的，可满足发动机组中的主要的极限要求。此处所使用的钢的特征特别在于相当大量的合金金属，例如铬、镍、以及一点锰，以实现工作和处理中的期望特性。根据欧洲标准EN 10151，垫圈的金属层通常由具有C1300的奥氏体不锈钢1.4310(X10CrNi18-8)制成。一方面这种钢具有较高的机械加工性，便于卷边和变形限制器的最初成形，另一方面，这种材料具有足够的刚度、承载能力和稳定性，因此卷边能够承受变化且相当大的压力负载而不产生显著的变形。

其缺点是，奥氏体不锈钢1.4310这种金属密封材料很难处理。这归因于这种所谓的介稳奥氏体钢形成变形马氏体的趋势，也就是，该金属密封材料在成形过程中变硬。此外，这种硬化对垫圈的功能具有负面影响。需要提及的是，奥氏体钢1.4310的另一个缺点是材料的成本相对较高。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种易于处理的平垫圈的垫圈材料。

本发明的另一个目的是提供一种便宜的平垫圈的垫圈材料。

本发明的另一个目的是提供一种具有更好功能特性的平垫圈的垫圈材料。

这些目的通过提供本平垫圈来实现，其中具有以下重量百分比组分的钢被用于具有至少一个卷边的至少一个金属支撑座：0.50-1.30％的碳、至多3.0％的硅、至多3.0％的锰、至多0.035％的磷、至多0.035％的硫、至多2.0％的铬。这种钢的微观结构具有≥50％的贝氏体组织。

已经令人惊讶地发现，贝氏体钢适于在平垫圈上形成具有卷边的金属垫圈层，尽管在断裂处有3％到15％的伸长率(由轴向拉伸测试来确定)，但是也比传统的奥氏体钢1.4310低(断裂处的伸长率为5％-22％)。此外，此处使用的便宜的钢的特征是良好的延展性，特别是与奥氏体钢相比。此外，硬化(其对于功能来说是缺点)也可以在垫圈的生产过程中得到阻止；对于通常用作金属垫圈材料的奥氏体铬-镍钢来说，这种硬化归因于变形马氏体的应力和/或应变引起的成形。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例的平垫圈的横截面图。

具体实施方式

在图中，图1示出了创新的平垫圈10的横截面图，该平垫圈10具有突起的卷边12，其中14表示由钢制成的支撑座，其包含重量百分比为0.50-1.30％的碳(C)、重量百分比为至多3.0％的硅(Si)、重量百分比为至多3.0％的锰(Mn)、重量百分比为至多0.035％的磷(P)、重量百分比为至多0.035％的硫(S)、重量百分比为至多2.0％的铬(Cr)，且其微观结构具有≥50％的贝氏体组织。两个铝制成的附加金属层16被应用于支撑座的顶侧和/或底侧。平垫圈10具有朝向燃烧室开口18的变形限制器20。

根据本发明的优选实施例，提供了一种包括至少一个金属支撑座的平垫圈，该金属支撑座具有至少一个卷边。该支撑座的微观结构具有≥50％的贝氏体组织。此外，该支撑座由钢制成，该钢包括重量百分比为0.50-1.30％的C、重量百分比为至多3.0％的Si、重量百分比为至多3.0％的Mn、重量百分比为至多0.035％的P、重量百分比为至多0.035％的S、重量百分比为至多2.0％的Cr。剩余的量是铁(Fe)和/或杂质。此处出现的单种杂质的重量百分比为≤10^-4，优选≤10^-5，更优选≤10^-6。

本技术领域的人员将会很容易熟悉用于对应金属垫圈的金属薄板材的生产。弹性特性通过热处理和应变硬化来实现。对金属薄板材进行进一步处理来形成平垫圈可以通过一个或多个操作来实现。燃烧室被平垫圈的至少一个垫圈层中的一个或多个卷边密封。在垫圈的隔离方面，卷边具有以下效果：使待密封件和垫圈相对彼此受压的螺接力沿着卷边杯形体(bead cup)以线性压力集中。本技术领域的人员熟知卷边的设计，其包括例如金属的对应折叠或者挤压。这样的卷边在例如DE 195 13 16中已有公开。

由任何金属或者金属合金构成的金属层可以印压在平垫圈材料的顶侧或者底侧，该金属层比平垫圈材料“更软”和/或更容易变形。本技术领域的人员熟知该金属层材料的附加选择标准。合适的金属和/或合金包括，例如，铜、锡或者黄铜，优选铝。已经令人惊讶地发现，使用较软的金属会使卷边区域的微密封得到改进。此外，金属层还有益于耐腐蚀性的改进。很清楚，由于不同的热膨胀系数，不同金属和/或金属合金制成的金属层可以应用于支撑座的顶侧和/或底侧，且根据要求，可具有不同的层厚度。

用于具有至少一个卷边的至少一个金属支撑座的钢的微观结构具有≥50％(面积比率)的贝氏体组织，例如，该微观结构可通过穿过所使用的钢带的金相学抛光切面的光学显微图来确定，且可通过将贝氏体钢的表面与非贝氏体钢的表面比较而确定。

这种钢通过贝氏体化(bainitizing)来炼制。贝氏体化理解为钢的热处理方法。与传统的淬火处理相比，在贝氏体化时没有结构的马氏体转换，相反，钢被转换成贝氏体级或者中间级。首先钢被奥氏体化。接下来它被淬火至高于所谓的马氏体开始温度M_S的温度，钢在该温度保持预定的时间。这个过程也被称为奥氏体向贝氏体的等温转换，通常在热盐浴或者金属浴中进行。奥氏体向贝氏体转换的度，也就是钢中贝氏体组织的百分比，可以通过温度以及保持在该温度的持续时间来控制。贝氏体钢的生产和/或贝氏体钢的工业成分在例如WO 2007/054063、WO 02/44429、EP 1 248 862、EP 0 896 068、EP 0 747 154以及FP 0 707 088中已有描述。本技术领域的人员熟知通过改变该方法以获得具有≥50％的贝氏体组织的微观结构、以及本申请中组分的钢。

这种钢的微观结构优选地具有50％-100％的贝氏体组织，更优选地60％-100％，更优选地80％-100％。已经发现这些混合相(如上所述)，将奥氏体和贝氏体的有利的材料特性结合以用于平垫圈，特别是贝氏体组织为80％-100％的范围内。

这种钢可包含各种量的合金成份，在以下彼此独立地列出。例如，这种钢可包括重量百分比为0.50-1.30％的C，优选重量百分比为0.55-1.20％的C，更优选重量百分比为0.70-1.05％的C。此外，这种钢包括重量百分比为至多3.0％的Si，优选重量百分比为0.15-2.00的Si，更优选重量百分比为0.15-0.40％的Si，更优选重量百分比为0.15-0.35％的Si。其他组分包括重量百分比为至多3.0％的Mn，优选重量百分比为0.20-2.00％的Mn，更优选重量百分比为0.30-1.10％的Mn，更优选重量百分比为0.30-0.90％的Mn；重量百分比为至多0.035％的P，优选重量百分比为至多0.025％的P；重量百分比为至多0.035％的S，优选重量百分比为至多0.025％的S；重量百分比为至多2.0％的Cr，优选重量百分比为至多1.60％的Cr，更优选重量百分比为至多1.20％的Cr，更优选重量百分比为至多0.4％的Cr、以及重量百分比为0.9-1.20％的Cr。

根据优选实施例，这种钢具有≥1300MPa的抗张强度R_m、以及≥1050MPa的屈服强度R_e。本技术领域的人员将会知晓，使用合适的设备来确定抗张强度和屈服强度。

根据另一个实施例，所述平垫圈还包括支撑层和/或阻挡层。本技术领域的人员将会熟悉支撑层和阻挡层的设计和生产。支撑层和/或支撑元件可应用于垫圈的任何位置，具有各种厚度和形状，因此允许平垫圈的灵活设计和不同用途。此处的阻挡层(也被称为“阻挡器”)是变形控制机构，通过它，在高度上可变形的卷边可受到保护，以防止不允许的高度变形。这样的变形限制机构同时还表现为平垫圈部分变厚，通过该平垫圈，靠近平垫圈的发动机组件被施以预应力，使得动态的密封间隙振动被减小。例如，可以通过将附加的环焊接到平垫圈的一个层上或者在平垫圈的一个或多个层上压纹，来产生这样的变形限制装置。可以从现有技术得知这样的阻挡器，例如US 5,713,580。此外，DE 195 13 361公开了一种平垫圈的支撑层，与弹簧钢制成的卷边功能层相邻，由具有更低的抗张强度、且在断裂处具有更高的延展性的材料形成，并提供有凸缘褶绉(flange fold)。

根据另一个优选的实施例，平垫圈的一个或多个层在一侧或者两侧设置有弹性体涂层。该涂层首先导致卷边区域的微密封效果得到改善。此外，这个涂层还呈现出附加的功能，在某些应用中可防止腐蚀。

根据另一个实施例，平垫圈包括弹性体垫圈。弹性体垫圈经常用于密封低压区域，其通常暴露于比实际的燃烧室垫圈更低的热和机械应力中。弹性体垫圈由例如硅树脂、氟硅氧烷或者氟橡胶制成。

根据本发明的另一个优选的实施例，提供有贝氏体微观结构的平垫圈组件具有0.1-2.5mm的厚度。

此外，例如，可以在钢表面设置防腐蚀保护层，以防止受冷冻液或者水蒸气影响。例如，可通过瓷釉或者腈橡胶弹性体涂层，例如，通过应用磷酸锌、铁-锰磷酸盐转换层或者具有更多贵金属的金属涂层，例如，通过在锌或者锡中热浸、或者镀锌、锡、镍或者铝，来防止腐蚀。本技术领域的人员会熟悉应用这些保护层的其他方法。

应该清楚，该创新性的平垫圈、特别是气缸盖垫圈不仅可用于汽车的内燃机的生产，还用于其他内燃机的生产。该创新性的平垫圈还可以使用现有技术中用于生产平垫圈的相同模具来生产。

根据另一个优选的实施例，提供了一种用于生产平垫圈的方法，包括以下步骤：(a)生产具有以下化学组分的钢：重量百分比为0.50-1.30％的C、重量百分比为至多3.0％的Si、重量百分比为至多3.0％的Mn、重量百分比为至多0.035％的P、重量百分比为至多0.035％的S、以及重量百分比为至多2.0％的Cr；(b)使用所述钢加工形成具有预定厚度的金属薄板；(c)使所述钢经受热处理，形成包含≥50％的贝氏体的微观结构；(d)使所述钢板经受冲压操作，以形成具有一个或多个开口的工件；(e)对所述工件进行成形加工，以形成具有至少一个卷边的至少一个金属支撑座；(f)应用涂层(可选部分涂层)，以用于微密封。

根据一个实施例，所述钢带包含重量百分比为0.50-1.30％的C，优选重量百分比为0.55-1.20％的C，更优选重量百分比为0.70-1.05％的C。此外，这种钢包含重量百分比为至多3％的Si，优选重量百分比为0.15-2.00的Si，更优选重量百分比为0.15-0.40％的Si，更优选重量百分比为0.15-0.35％的Si。其他组分包括重量百分比为至多3.0％的Mn，优选重量百分比为0.20-2.00％的Mn，更优选重量百分比为0.30-1.10％的Mn，更优选重量百分比为0.30-0.90％的Mn；重量百分比为至多0.035％的P，优选重量百分比为至多0.025％的P；重量百分比为至多0.035％的S，优选重量百分比为至多0.025％的S；重量百分比为至多2.0％的Cr，优选重量百分比为至多1.60％的Cr，更优选重量百分比为至多1.20％的Cr，更优选重量百分比为至多0.4％的Cr、以及重量百分比为0.9-1.20％的Cr。

根据另一实施例，所述至少一个金属支撑座具有0.1-2.5mm的金属厚度。

根据优选实施例，该方法包括根据步骤(b)或者(c)应用另一个金属层的步骤。

根据另一实施例，该方法包括根据步骤(c)或(d)或(e)应用防腐蚀层的步骤。

根据另一实施例，该方法包括根据步骤(e)应用变形限制器和/或弹性体垫圈的整体成型的步骤。

根据本技术领域人员熟悉的方法，应用另一个金属层和/或变形限制器和/或弹性体垫圈。

Claims

1.一种平垫圈(10)，包括具有至少一个卷边(12)的至少一个金属支撑座(14)，其特征在于，所述支撑座(14)由钢制成，所述钢具有重量百分比为0.50-1.30％的碳、重量百分比为至多3.0％的硅、重量百分比为至多3.0％的锰、重量百分比为至多0.035％的磷、重量百分比为至多0.035％的硫、重量百分比为至多2.0％的铬，且其微观结构具有≥50％的贝氏体组织。

2.根据权利要求1所述的平垫圈(10)，其特征在于，所述钢优选包含重量百分比为0.70-1.05％的碳、重量百分比为0.15-0.35％的硅、重量百分比为0.30-0.90％的锰、重量百分比为至多0.025％的磷、重量百分比为至多0.025％的硫、重量百分比为至多0.4％的铬、或者重量百分比为0.9-1.20％的铬。

3.根据前述权利要求任一项所述的平垫圈(10)，其特征在于，所述钢具有≥1300MPa的抗张强度、以及≥1050MPa的屈服强度。

4.根据前述权利要求任一项所述的平垫圈(10)，其特征在于，所述至少一个金属支撑座(14)具有瓷釉、弹性体涂层、磷酸锌或者铁-锰磷酸盐转换层、金属涂层或者金属电镀层形式的防腐蚀保护层。

5.根据前述权利要求任一项所述的平垫圈(10)，其特征在于，所述至少一个金属支撑座(14)具有至少一个变形限制器(20)。

6.根据前述权利要求任一项所述的平垫圈(10)，其特征在于，所述至少一个金属支撑座(14)具有整体成型于其上的弹性体垫圈。

7.根据前述权利要求任一项所述的平垫圈(10)，其特征在于，所述至少一个金属支撑座(14)具有弹性体涂层。

8.根据前述权利要求任一项所述的平垫圈(10)，其特征在于，所述至少一个金属支撑座(14)的材料厚度为0.1-2.5mm。

9.一种用于生产平垫圈的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(a)生产具有以下化学组分的钢：重量百分比为0.50-1.30％的碳、重量百分比为至多3.0％的硅、重量百分比为至多3.0％的锰、重量百分比为至多0.035％的磷、重量百分比为至多0.035％的硫、以及重量百分比为至多2.0％的铬；

(b)使用所述钢加工形成具有预定厚度的金属薄板；

(c)使所述钢经受热处理，形成包含≥50％的贝氏体的微观结构；

(d)使所述钢板经受冲压操作，以形成具有一个或多个开口的工件；

(e)对所述工件进行成形加工，以形成具有至少一个卷边(12)的至少一个金属支撑座(14)；

(f)应用涂层，可选地部分涂层，以用于微密封。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述钢优选包含重量百分比为0.70-1.05％的碳、重量百分比为0.15-0.35％的硅、重量百分比为0.30-0.90％的锰、重量百分比为至多0.025％的磷、重量百分比为至多0.025％的硫、重量百分比为至多0.4％的铬、或者重量百分比为0.9-1.20％的铬。

11.根据权利要求9-10任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个金属支撑座(14)的材料厚度为0.1-2.5mm。

12.根据权利要求9-11任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括根据步骤(b)或者(c)应用附加金属层的步骤。

13.根据权利要求9-12任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括根据步骤(c)或(d)或(e)应用防腐蚀涂层的步骤。

14.根据权利要求9-13任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括根据步骤(e)应用变形限制器的步骤和/或弹性体垫圈整体成型的步骤。