CN102356257A - 用于制造活塞环和汽缸套的氮化级钢材料成分 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种特别用于制造活塞环和汽缸套的钢成分，具有良好的可氮化性，其包含以相对100%重量百分比的所述钢成分表示的下述量的下列元素：0.5-1.2%重量百分比的C、4.0-20.0%重量百分比的Cr、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、2.0-12.0%重量百分比的Ni、2.0-10.0%重量百分比的Si和0.05-2.0%重量百分比的V。它可通过生产起始原料的熔体并将熔体浇铸到准备的模具中来制造。将所得钢成分氮化得到氮化钢成分，其通过重力铸造法制造，并具有优于淬火与回火的球状石墨铸铁的性质。

Description

用于制造活塞环和汽缸套的氮化级钢材料成分

技术领域

本发明涉及一种钢成分，其特别适合制造活塞环和汽缸套并具有良好的可氮化性。此外，本发明涉及一种可用本发明具有良好的可氮化性的钢成分制造的氮化钢成分。此外，本发明涉及一种用于制造本发明具有良好的可氮化性的钢成分的方法和一种用于制造本发明的氮化钢成分的方法。最后，本发明涉及包含本发明的钢成分作为主体的活塞环和汽缸套。

背景技术

在内燃机中，活塞环密封燃烧室的活塞头和汽缸壁之间的间隙。由于活塞往复运动，活塞环一侧与其外周面在永久性的弹簧加载位置中对着汽缸壁滑动，且因为活塞的倾斜运动，活塞环的另一侧在其活塞环槽中以振动方式滑动，因此其侧面交替地对活塞环槽的上或下槽侧面施加压力。这些元件相对于彼此的相互滑动导致取决于材料的较大或较小的磨损量；如果它空运行，这可导致所谓的磨损、划痕和最终发动机的破坏。为了改进活塞环相对汽缸壁的滑动和磨损性能，它们的周面已设有由各种材料形成的涂层。

汽缸套例如往复式活塞内燃机中的汽缸套，必须具有高耐磨性，因为否则，换言之，随着汽缸套变薄，气体泄漏和油耗可增加，发动机性能可劣化。随着汽缸套磨损，汽缸壁和汽缸套之间的间隙变得越来越大，故燃烧气体可更容易地经由汽缸套逃逸出去(通称为漏气)，从而降低发动机的效率。此外，增大的间隙尺寸意味着燃烧室中未擦去的油膜变得更厚，因此每单位时间内浪费更多的油，从而增加油耗。

为了生产高性能的内燃机零件，例如活塞环和汽缸套，通常使用铸铁材料或铸铁合金。在高性能发动机中，对活塞环尤其是压缩环所设的要求变得愈发严格，例如关于峰压缩压力、燃烧温度、EGR和润滑膜减少，它们实质上影响活塞环的功能性，例如耐磨性、抗烫焦性、显微焊接和耐腐蚀性。

然而，现有技术的铸铁材料有极大的断裂风险；事实上，当使用现有材料时，环经常断裂。增加的力学-动力学负荷导致活塞环或汽缸套较短的使用寿命。严重的磨损和腐蚀出现在工作面和侧面上。

较高的点火压力、减少的散发和直接喷射燃料意味着活塞环上增加的负荷。这导致特别是下活塞环侧面上的活塞材料的破坏和建立。

因为活塞环和汽缸套上较高的力学和动力学应力，越来越多的发动机制造商要求高级钢(淬火与回火的和高合金，例如1.4112级)制造的活塞环和汽缸套。于此，包含少于2.08%重量百分比的碳的含铁材料通称为钢。如果碳含量更高，则其称为铸铁。与铸铁相比，钢具有更好的强度和韧性性质，因为在基本的微观结构中不存在游离石墨的干扰。

通常，高铬合金的马氏体钢用于制造钢活塞环或钢汽缸套。然而，利用这种钢的缺点是制造成本明显高于铸铁元件的。

钢活塞环是用异形钢丝制造。异形钢丝盘绕成环形轧材、被切割并在“非圆形”心轴上拉伸。活塞环在此心轴上通过退火过程获得其所需非圆形状，该退火过程给予所需切向应力。用钢制造活塞环的另一个缺点是，超过特定直径，用钢丝制造(盘绕)环不再可能。另一方面，由铸铁形成的活塞环在铸造时已经是非圆的，使得从开始它们便具有理想形状。

铸铁具有比钢显著低的熔点。取决于化学成分，差值可达350℃。因此，铸铁比较容易熔化和铸造，因为较低的熔点意味着铸造温度较低，这样冷却时的收缩较小，因此铸造材料具有较少的管缺陷或热裂和冷裂。较低的铸造温度也带来模具材料和熔炉上较低的应力(腐蚀、气孔、夹砂)，并也带来较低的熔化成本。

含铁材料的熔点并不简单地取决于碳含量，而且取决于其“饱和度”。下列经验公式适用：

Sc = C/(4.26-1/3(Si+P))。

饱和度愈接近1，熔点愈低。对于铸铁，通常期望1.0的饱和度，因此铸铁的熔点为1150℃。钢的饱和度大约为0.18，视化学成分而定。共晶钢的熔点为1500℃。

饱和度受Si或P含量的显著影响。举例来说，3%重量百分比的较高硅含量具有与1%重量百分比的较高C含量类似的效果。因此，可制造C含量为1%重量百分比且硅含量为9.78%重量百分比的钢，其具有与饱和度为1.0的铸铁(C：3.26%重量百分比；Si：3.0%重量百分比)相同的熔点。

Si含量的急剧增加可提高钢的饱和度，并降低熔点至铸铁的熔点。因此，可借助用于制造铸铁(例如GOE 44)的相同技术来制造钢。

由高硅铸钢形成的活塞环和汽缸套在本领域内是已知的。但是，较大量存在的硅对材料的淬透性有负面影响，因为增加了材料的奥氏体转变温度“Ac3”。

然而，本领域通常用于增加活塞环表面硬度的方法可在于将材料氮化。但是，已表明，现有技术的高硅钢铸件具有差的可氮化性。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种高硅含量的钢成分，其特别用于制造活塞环和汽缸套并具有良好的可氮化性，还提供一种氮化钢成分。在通过重力铸造法制造后，所述氮化钢成分的性质将在至少一个下列点上优于淬火与回火的球状石墨铸铁的性质：

    力学性能，例如弹性模数、抗弯强度；

    断裂强度；

    形状稳定性；

    侧面上的磨损；

    工作表面上的磨损。

依据本发明，该目的通过一种钢成分实现，所述钢成分包含下述比例的下列元素：

C:      0.5-1.2%重量百分比

Cr:    4.0-20.0%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

Ni:     2.0-12.0%重量百分比

Si:     2.0-10.0%重量百分比

V:      0.05-2.0%重量百分比。

对于所述成分，所有指定或未明确指定的起始原料、组分、成分、元素和补充原料的总和在所有情况下均为100%重量百分比。所有起始原料、组分、成分、元素和补充原料的部分可利用技术人员所知的多种方法设定。化学成分特别根据待制造的零件进行调整。

假定，本发明钢成分的良好的可氮化性是因为4.0-20.0%重量百分比的铬含量。在氮化过程中，铬形成非常硬的氮化物。虽然将铬加入钢成分通常将进一步提高材料的奥氏体转变温度，并因此进一步导致其淬透性劣化，但是在本发明中观察到，加入2.0-12.0%重量百分比的镍抵消了奥氏体转变温度的这种上升。如此，本发明防止增加的奥氏体转变温度使可获得的材料表面更好的淬透性无效，因为通过同时还原主体的淬透性来改善钢成分的可氮化性。

本发明钢成分中的下列元素优选以相对100%重量百分比的钢成分表示的下述最大量存在：

B:     最大0.5%重量百分比

Cu:    最大2.0%重量百分比

Nb:    最大0.05%重量百分比

P:     最大0.01%重量百分比

Pb:    最大0.05%重量百分比

S:     最大0.05%重量百分比

Sn:    最大0.05%重量百分比

Ti:     最大0.2%重量百分比

W:     最大0.5%重量百分比。

此外，本发明的钢成分优选仅包含选自以下的元素：C、Cr、Cu、Fe、Mn、Mo、Nb、Ni、P、Pb、S、Si、Sn、Ti、V和W，所述元素的总和为100%重量百分比。

将本发明具有良好的可氮化性的钢成分氮化来生产本发明的氮化钢成分。

本发明的氮化钢成分降低了由其制造的零件在被强烈加热时改变它们的形状的趋向，并因此确保长期的高性能和此外减少的油耗。因为其极好的性质，本发明的氮化钢成分因此特别适合制造汽车和LB场中的活塞环和汽缸套，或用于阀座环和引导件。此外，可制造传动密封、制动黑色板(brake black plate)和用于冷却装置、喷头以及汽缸套的密封，或者化学工业的零件。

本发明的氮化钢成分还具有的优点是，例如钢活塞环和钢汽缸套可利用制造铸铁零件的机器和技术来制造。此外，制造成本与铸铁活塞环的相当，为厂家节省成本和提高利润。同样地，可独立于供应商调整材料参数。

本发明还提供一种用于制造本发明具有良好的可氮化性的钢成分的方法，包括下列步骤：

a. 用起始原料生产熔体；和

b. 将所述熔体浇铸到准备的模具中。

起始原料的实例是钢屑、回炉废钢和合金化物质。熔化过程是在熔炉优选化铁炉中进行。接着，当熔体固化时产生坯料。因此，可利用本领域已知的方法铸造坯料，例如通过离心铸造法、连续浇铸法、冲压法、壳型铸造法或优选的湿砂造型。

在钢成分已冷却后，将模具空置，并清洁获得的坯料。

必要时，可随后将坯料淬火和回火。这由下列步骤完成：

c. 在其Ac3温度之上将所述钢成分形成奥氏体；

d. 将所述钢成分在适当的淬火介质中淬火；和

e. 将所述钢成分在可控气氛炉中于400-700℃范围内的温度回火。

优选地，油用作所述淬火介质。

为制造本发明的氮化钢零件，遵循上述工序，进行所得钢成分的氮化。这可例如通过气体氮化、离子氮化或加压渗氮来完成。

下列实施例在不限制本发明的情况下对其进行说明。

具体实施方式

一种活塞环由本发明的高度可氮化钢成分制造，所述钢成分具有下列成分： 

B:    0.001%重量百分比   Pb:   0.16%重量百分比

C:      0.7%重量百分比     S:      0.009%重量百分比

Cr:    18.0%重量百分比    Si:    3.0%重量百分比

Cu:    0.05%重量百分比    Sn:   0.001%重量百分比

Mn:   0.45%重量百分比    Ti:     0.003%重量百分比

Mo:   1.05%重量百分比    V:     0.11%重量百分比

Nb:    0.002%重量百分比   W:    0.003%重量百分比

Ni:     3.15%重量百分比    Fe:    余量。

它通过从起始原料(钢屑、回炉废钢和合金化物质)生产熔体，并将熔体浇铸到准备的湿砂型中来获得。接着，将模具空置，清洁所得活塞环。随后，可对活塞环进行淬火和回火。这通过在钢成分的Ac3温度之上形成奥氏体，并在可控气氛炉中于400-700℃范围内的温度进行油淬和回火来完成。

最后，将所得活塞环的表面氮化。在氮化区域中获得大于1000 HV的硬度，其保证了对侧面磨损和工作面磨损的高抗性。该情况下的硬度根据DIN 6773测定。

Claims (9)

1.一种特别用于制造活塞环和汽缸套的钢成分，其具有良好的可氮化性，其特征在于，其包含以相对100%重量百分比的所述钢成分表示的下述给定比例的下列元素：

C: 0.5-1.2%重量百分比

Cr: 4.0 -20.0%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

Ni: 2.0-12.0%重量百分比

Si: 2.0-10.0%重量百分比

V: 0.05-2.0%重量百分比。

2.根据权利要求1所述的钢成分，其特征在于，其还具有下述最大量的下列元素：

B:  最大0.5%重量百分比

Cu: 最大2.0%重量百分比

Nb: 最大0.05%重量百分比

P: 最大0.01%重量百分比

Pb: 最大0.05%重量百分比

S:  最大0.05%重量百分比

Sn: 最大0.05%重量百分比

Ti: 最大0.2%重量百分比

W:  最大0.5%重量百分比。

3.根据权利要求1或2所述的钢成分，其特征在于，其仅包含选自以下的元素：B、C、Cr、Cu、Fe、Mn、Mo、Nb、Ni、P、Pb、S、Si、Sn、Ti、V和W，所述元素的总和为100%重量百分比。

4.一种氮化钢成分，其特征在于，其可通过将权利要求1或3中任一项的钢成分氮化而得到。

5.一种用于制造权利要求1-3中任一项的钢成分的方法，包括下列步骤：

a.  用起始原料生产熔体；和

b.  将所述熔体浇铸到准备的模具中。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括下列步骤：

c.  在其Ac3温度之上将所述钢成分形成奥氏体；

d.  将所述钢成分在适当的淬火介质中淬火；和

e.  将所述钢成分在可控气氛炉中于400-700℃范围内的温度回火。

7.用于制造权利要求4的钢成分的方法，包括下列步骤：

a.  进行权利要求7或8的方法；和

b.  将所得钢成分氮化。

8.一种活塞环，其特征在于，其包含权利要求1-4中任一项的钢成分作为主体。

9.一种汽缸套，其特征在于，其包含权利要求1-4中任一项的钢成分作为主体。