CN102272491A - 用于制造活塞环和汽缸套的钢材合成物 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钢材合成物，特别用于制造活塞环和汽缸套，其包括如下元素及相对于100%的所述钢材合成物标示的重量份比例：B：0.03~2.0%重量份、C：0.5~1.2%重量份、Fe：70.1~97.3%重量份、Mn：0.1~3.0%重量份及Si：2.0~10.0%重量份。通过熔化初始材料生成和将熔化物浇入预制的模具中制造该合成物。

Description

用于制造活塞环和汽缸套的钢材合成物
技术领域
本发明涉及特别适合于制造活塞环和汽缸套的钢材合成物，进一步地，本发明涉及一种用于制造钢材合成物（steel material composition）的方法，最终，本发明涉及包括作为基本成分（basic element）的钢材合成物的活塞环和汽缸套。
背景技术
内燃机中的活塞环（piston ring）密封活塞头和与燃烧室相隔离的汽缸壁之间的空隙。随着活塞向上和向下移动，活塞环的外周面相应地沿着汽缸壁以持久地弹簧偏动接触（spring-biased contact）的方式滑动，同时随着活塞环由于活塞的倾斜移动，在活塞环槽中移动，活塞也产生摆动，该摆动将使得环的侧面交替地与活塞环槽的上侧面和下侧面相接触。由于这两个元件相互贴着滑动，每一个都将承受一定程度的磨损，这取决与材料的性质。倘若空运转，这将导致卡住、刮伤和不幸地对内燃机产生不可修复的损伤。为了改善活塞环相对于汽缸壁的滑动和磨损行为，在活塞环的周面涂上不同的材料。
对于汽缸套例如用于往复式活塞内燃机中的汽缸套，需要确保高度的耐磨损性能，否则，也就是说，随着汽缸套变得越来越薄，气体泄漏和耗油量可能会增加，并且内燃机的性能会退化。随着汽缸套的磨损，汽缸壁和汽缸套之间的间隙将逐渐变大，由此导致燃烧气体可更容易地从汽缸套中泄出（即漏气），从而降低内燃机的效率。因为间隙的增大，未脱落的和留在燃烧腔中的油膜将变厚，由此导致每个单位时间内的油损失将变多，从而有效地增大了耗油量。
承受高压力的内燃机部件，例如活塞环和汽缸套，通常由铸铁材料或铸铁合金制成。活塞环和特别地在高性能引擎中的压缩环将承受越来越多的压力，包括最大的压缩压力（peak compression pressure）、燃烧温度、EGR和别的部件之间的润滑薄膜（lubrication film）降低，且这将对他们的功能特性有重要的影响，例如耐磨损（wear scuff resistance）、微型焊接和耐腐蚀。
遗憾的是，根据现有技术，铸铁材料是非常容易破损，当使用现有的材料时，环很容易破损。较高的机械动力负载将导致活塞环和汽缸套具有较短的操作寿命。运行表面和侧面由于同样的原因也承受严重的磨损。
较高的点火压力（ignition pressures）、降低的排放和直接的燃油喷射导致了活塞环上负载的增加。因此，损坏活塞材料及沉积物堆积在其上面，特别是在较低的活塞环侧面。
为了解决活塞环上的较高的机械和动力负载，越来越多的内燃机制造商要求活塞环和汽缸套由优质钢（high-grade steel）制成（退火的和高合金的，例如材料1.4112）。在这方面，将包含重量少于2.08%的碳的铁材料归类为钢。如果碳成份较高，该材料将认为是铸铁。钢材料比铸铁具有较好的强度性能和延展值，因为其微观结构不受游离石墨（free graphite）的破坏。
经常用于生产钢活塞环的钢材是高铬合金、马氏体钢（martensitic steel）。钢活塞环式由异形钢丝（profile wire）制成。该异形钢丝为圆形盘绕状（roundwound），将该异形钢丝截取一定长度并拉成椭圆轴（out-of-round mandrel）。在该椭圆轴上，活塞环通过退火处理得到期望的椭圆形状，其也产生必要的切向力。由钢材制造活塞环的别的缺陷是大于一定的直径后，不可能由钢丝生成（绕成）环。相比较，铸铁活塞环已经浇铸成椭圆，因此其形状正好可开始加工。
铸铁的熔化温度远远小于钢材。两者熔化温度的差可达到350℃，这将取决于具体的化学成份。因此，铸铁更容易熔化和铸造，因为较低的熔化温度意味着较低的浇铸温度和也因此由于冷却产生较小的收缩，从而这种材料具有较少的气孔和/或热或冷裂缝。较低的铸造温度也在模塑材料（腐蚀、气孔、砂眼）和熔炉及上产生较小的压力和较低的熔化成本。
铁材料的熔化温度不仅仅取决于其碳成份，也取决于饱和度。下面的公式将以简单的形式表示出：
                  Sc=C/（4.26-1/3（Si+P））。
饱和度越接近1，熔化温度将越低。对于铸铁，目标通常为获得1的饱和度，其中铸铁具有1150℃的熔化温度。根据钢材的化学成份，其饱和度为0.18。共晶钢的熔化温度为1500℃。
成份Si和P将对饱和度有较大影响。例如，硅成份的重量增加3%与碳的重量增加1%具有相同的效果。因此，可生成一种具有1%重量份的碳和9.78%重量份的硅的钢材，这种钢材与饱和度为1的铸铁（C：3.26%重量份，Si：3.0%重量份）的熔化温度相同。
如果Si成份显著增加，钢材的饱和度也增加且熔化温度将小于相同水平的铸铁。这样，可使用用于制造铸铁的相同的设备，制造钢材，例如GOE44。
现有技术中已熟知使用具有高硅成份的钢铸件材料制造活塞环和汽缸套。然而，因为提高了“Ac3” 奥氏体化转换温度（austenitic conversion temperature），大量硅的出现将对材料的淬透性（hardenability）产生负面影响。
具体实施方式
根据上述描述，本发明的目的是提供一种包含高硅含量的钢材合成物，其特别用于制造活塞环和汽缸套并具有改善的耐磨损性能。由于其制造是在重力铸造处理（gravity casting process）中进行，该钢材合成物将关于如下至少一个参数，以改善具有球状石墨的退火铸铁的性能：
－机械性能，例如弹性模量、抗弯强度
－抗断裂性
－机械稳定性
－侧面磨损
－工作面磨损。
根据本发明的钢材合成物将实现该目的，其包括如下元素和相应比例的组分：
B：0.03~2.0%重量份
C：0.5~1.2%重量份
Fe：70.1~97.3%重量份                       
Mn：0.1~3.0%重量份
Si：2.0~10.0%重量份。
所包含的内容物质的方式为所有初始的材料、成分、内容物质、元素和添加剂的总和，不管是特别指出或者未明确命名，在所有的例子中均等于100%。对于本领域的技术人员所熟知的各种方法，可调节初始的材料、成分、内容物质、元素和添加剂的比例。可特别地参考所需制造的工件，以调节化学成分。
根据本发明通过使用碳化硼（carbide former boron），可实现耐磨损性能的增强。和别的碳化物形成元素（carbide formers），例如铌、钛、钒和钨相比，该碳化硼相对的柔软（不是立方体的碳化硼B4C，这些碳化硼很硬）。因此，当加工钢材时，与碳化铌、钛、钒和钨相比，碳化硼会将导致较少的与刀具磨损相关的磨损。对于本发明的目的，可发现比例为0.03%~2.0%重量份的硼将产生好的耐磨损性能且不会对材料的机械性能产生负面影响到使得不成比例地增大制造成本的程度。表1示出对于元素铌、钛、钒和钨的一系列碳化物硬度。
表1
碳 BC NbC TiC VC WC W2C
HV硬度 不同的硼 2000 3000 2900 2200 3000
  存在碳化物，但从文献中不知道值的大小          
包含在本发明的钢材合成物中的如下元素，优选的，其比例不超过相对于材料成分100%重量份的标示值：
Al：最大为 0.02%重量份                   P：最大为 0.1%重量份     
Cr：最大为 3.0%重量份                    Sn：最大为 0.05%重量份
Cu：最大为 2.0%重量份                    Ti：最大为 1.5%重量份
Mo：最大为 3.0%重量份                   V：最大为1.5%重量份
Nb：最大为 0.05%重量份                  W：最大为 1.5%重量份
Ni：最大为 4.0%重量份                     
其中，Nb、Ti、V和W的总和不大于1.5%重量份。
根据本发明，进一步优选的，该钢材合成物仅包括选自由Al、B、C、Cr、Cu、Fe、Mn、Mo、Nb、Ni、P、S、Si、Sn、Ti、V和W构成的组中元素，这些元素的总和为100%重量份。
根据本发明的钢材合成物降低了由此得到的工件在极端热的情况下产生变形的敏感度，因此可长时期保持高性能同时也降低油消耗。因为其优异的性能，因此，根据本发明的钢材合成物完美地适合于制造汽车和LB领域中的活塞环和汽缸套，或者用于制造阀座密封圈（valve seat insert）和气阀导管。另外，也可制造驱动密封（drive seals）、用于盘式制动器（disc brakes）（黑色的平板）上的刹车片（brake linings）和用于冷却单元的环的载板（carrier plates）、喷吸嘴和汽缸套及轴套和化学工业的部件。
根据本发明的钢材合成物的优点可因此使得例如使用通常用于制造铸铁工件的机器和技术，即可制造该活塞环和汽缸套。而且其制造成本等于制造铸铁活塞环的成本，给制造商带来成本优势和改善的价值创造。供应商也可独立地调节这些材料参数。
根据本发明还提供一种制造钢材合成物的方法，其中，该钢材合成物的制造方法包括以下步骤：
a. 根据初始材料，生成一熔化物，及
b. 将该熔化物浇入预制的模具中。
例如，废钢、回收材料和合金均可用作初始材料。熔炼过程在熔炉中进行，优选的，化铁炉。接着，可将熔化物凝固以生成坯料（blank）。可使用相关领域已知的方法，例如离心浇铸造法、连续浇铸造法、冲压法、壳型铸造法或优选的，潮沙造型（green sand moulding），浇铸该坯料。
在该钢材合成物冷却后，脱模并清洗得到的坯料。
如果必要的话，接着退火该坯料，其步骤如下：
c. 将钢材合成物奥氏体化（austenitising）到其Ac3温度以上；
d. 在合适的淬火媒介中，将该钢材合成物淬火，及
e. 在可控气体熔炉中，将钢材合成物回火温度至400~700℃。
淬火媒介优选使用油。
进一步地，为了硬化根据本发明的钢材合成物，可在接下来的步骤按照前面的描述，氮化该钢材合成物。可通过例如气体氮化、离子氮化或压力氮化执行该氮化过程。
下面的例子用于解释而不是限制本发明。
例子
根据本发明具有如下成份的钢材合成物，制造活塞环：
Al：0.002%重量份                              P：0.03%重量份
B：0.1%重量份                                   S：0.009%重量份
C：0.7%重量份                                   Si：3.0%重量份
Cr：2.0%重量份                                  Sn：0.001%重量份
Cu：0.05%重量份                               Ti：0.030%重量份
Mn：0.45%重量份                              V：0.027%重量份
Mo：0.5%重量份                                W：0.015%重量份
Nb：0.002%重量份                             Fe：余量。
该制造过程为：生成初始材料（废钢、回收材料和合金）的熔化物，将该熔化物浇入预制的潮砂模（green sand mould）。接着，脱模，并清洗得到的活塞环。对该活塞环进行退火。其实现方式为：奥氏体化到钢材合成物的Ac3温度以上、在油中淬火、及在可控气体熔炉中且温度范围在400到700℃之间回火。

Claims (7)

1.一种钢材合成物，特别用于制造活塞环和汽缸套，其特征在于，所述钢材合成物包括如下元素及相对于100%的所述钢材合成物标示的重量份比例：
B：0.03~2.0%重量份
C：0.5~1.2%重量份 
Fe：70.1~97.3%重量份
Mn：0.1~3.0%重量份
Si：2.0~10.0%重量份。
2.根据权利要求1所述的钢材合成物，其特征在于，还包括重量份不超过如下比例的元素：
Al：最大为 0.02%重量份     
Cr：最大为 3.0%重量份       
Cu：最大为 2.0%重量份      
Mo：最大为 3.0%重量份     
Nb：最大为 0.05%重量份    
Ni：最大为 4.0%重量份       
P：最大为 0.1%重量份  
S：最大为 0.05%重量份
Sn：最大为 0.05%重量份
Ti：最大为 1.5%重量份
V：最大为1.5%重量份
W：最大为 1.5%重量份
其中，Nb、Ti、V和W的总和不大于1.5%重量份。
3.根据权利要求1或2所述的钢材合成物，其特征在于，所述钢材合成物仅包括选自由Al、B、C、Cr、Cu、Fe、Mn、Mo、Nb、Ni、P、S、Si、Sn、Ti、V和W构成的组中元素，这些元素的总和为100%重量份。
4.一种用于制造如权利要求1~3任意所述的钢材合成物的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a. 根据初始材料，生成一熔化物，及
b. 将该熔化物浇入预制的模具中；及当必要时，还包括以下步骤：
c. 奥氏体化钢材合成物到其Ac3温度以上；
d. 在合适的淬火媒介中，将该钢材合成物淬火，及
e. 在可控气体熔炉中，将钢材合成物回火温度至400~700℃。
5.根据权利要求4所述的用于制造钢材合成物的方法，其特征在于，还包括：
f. 氮化获得的所述钢材合成物。
6.一种活塞环，其特征在于，包括如权利要求1~3任意所述的钢材合成物，以作为基本成分。
7.一种汽缸套，其特征在于，包括如权利要求1~3任意所述的钢材合成物，以作为基本成分。
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