CN103667861B - 气缸套 - Google Patents

Abstract

片状石墨铸铁制的气缸套，所述片状石墨铸铁具有如下组成：以质量%计含有2.4~3.6%的C、0.8%以上且小于2.8%的Si、1.1~3.0%的Mn，还含有0.01~0.6%的P、0.001~0.2%的B，或者还含有超过0.01%且0.15%以下的S；总计为0.1~6.0%的、选自Cu、Cr、Mo、Ni中的1种或2种以上；总计为0.01~5.0%的、选自W、V、Nb中的1种或2种以上；选自0.3%以下的Sn、0.3%以下的Sb中的1种或2种，还具有分散有以面积率计为8%以下的碳化物的组织。由此，成为能够确保拉伸强度为250MPa以上的高强度、能够应对柴油发动机的高输出功率化的、壁厚为30mm以上的船舶发动机用气缸套。

Description

气缸套

技术领域

本发明涉及适合用作内燃机、优选为船舶发动机用柴油发动机的气缸套的、铸铁制气缸套，尤其是涉及气缸套强度的增加。

背景技术

内燃机的气缸内周面所使用的气缸套起到与活塞环滑动而保持气缸内的气密的作用。因此，套材料要求高温下的滑动特性、即耐磨耗性和耐烧结性（耐焼付き性）优异。

船舶发动机用柴油发动机的气缸套一直以来使用滑动特性优异的片状石墨铸铁。该片状石墨铸铁均匀地分散有由碳化硼和斯氏体（steadite）构成的硬质相，是滑动特性优异的铸铁。但是，最近，对内燃机的排气的规定得到强化。为了实现燃料的完全燃烧，将燃料进行高压喷射而制成喷雾状，用以促进燃料与空气的混合。因此，气缸的内压呈现上升的倾向，尤其要求耐烧结性的提高。

对于这样的希望，例如，专利文献1、专利文献2中记载了具备优异的高温耐磨耗性和耐烧结性的气缸套用铸铁。专利文献1中记载的技术是涉及以重量%计含有3.1~3.8%的C、2.8~3.5%的Si、1.0~1.8%的Mn、0.1~0.4%的P、0.15~0.5% 的Cr、0.5~1.5%的Cu、0.2~0.5%的Ni、0.02~0.06%的B且剩余部分实质上由Fe构成的铸铁的技术。另外，专利文献2中记载的技术是涉及以重量%计含有3.1~3.8%的C、2.8~3.5%的Si、1.0~1.8%的Mn、0.1~0.4%的P、0.15~0.5%的Cr、0.02~0.06%的B且剩余部分实质上由Fe构成的铸铁的技术。根据专利文献1、2中记载的技术，由于调整为特定的成分，因此与以往相比能够提高高温耐磨耗性和耐烧结性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平07-145446号公报

专利文献2：日本特开平07-145445号公报。

发明内容

发明要解决的问题

近年来，要求柴油发动机的高输出功率化。随之，尤其是希望船舶发动机用柴油发动机的气缸套除了具有优异的滑动特性之外，为了耐受高负荷，还优选为30mm以上的厚壁且保持比以往更高的、拉伸强度为250MPa以上的高强度。

但是，专利文献1、2所记载的技术中，Si含量高、铁素体（ferrite）容易析出、所得强度低。因此，将这些技术适用于厚壁且高强度制品时有问题。而且，专利文献1、2中并没有提及厚壁且具有高强度的铸铁，仅示出了薄壁铸铁的例子。

本发明的目的在于，有利地解决所述现有技术的问题，提供适合面向大型船舶发动机用柴油发动机的、优选为30mm以上的厚壁且具有拉伸强度为250MPa以上的高强度、廉价的片状石墨铸铁制船舶发动机用气缸套。

用于解决问题的手段

本发明人等为了实现上述目的，首先，深入研究了对适合面向大型船舶发动机用柴油发动机的、厚壁的气缸套的强度的提高产生影响的各种因素。

其结果，本发明人等想到了：为了稳定地制造具有30mm以上的厚壁且拉伸强度为250MPa以上的高强度的气缸套，需要使石墨微细化并强化珠光体基体（pearlite matrix）。

以往，为了使石墨微细地分布而大量含有Mo、Ni、V等。即，Mo使石墨微细化，并且会在基体中固溶而强化基体。另外，Ni会促进石墨化，同时在铁素体中固溶而强化基体。进而，V与碳结合而形成碳化物，进而使石墨微细且均匀地分布。因此，一直以来，大量含有Mo、Ni、V。

但是，这些元素均昂贵，大量含有这些元素从提供廉价的制品的观点出发是有问题的。因此，本发明人等着眼于较廉价、在基体中固溶而强化基体同时具有使石墨微细的作用的Mn。于是想到了：大量含有Mn、进而使C含量变得适当，并分散适当量的碳化物从而实现强度的增加；以及，尽可能降低成为强度下降的原因的Si含量。

而且，通过本发明人等的进一步研究，通过将Si含量降低至比以往低的小于2.8质量%，进而大量含有1.1~3.0质量%的Mn，进而含有适当量的B，从而能够在30mm以上的厚壁制品中实现廉价且拉伸强度为250MPa以上的高强度，而不含有Mo、Ni、V。

本发明是基于所述见解而进一步进行研究而完成的。即，本发明的主旨如下所示。

（1）船舶发动机用气缸套，其特征在于，其为片状石墨铸铁制的气缸套，该气缸套的壁厚为30~350mm，将前述片状石墨铸铁制成具有如下组成和组织的铸铁，所述组成为：以质量%计含有2.4~3.6%的C、0.8%以上且小于2.8%的Si、1.1~3.0%的Mn，还含有0.01~0.6%的P、0.001~0.2%的B，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成；在所述组织中分散有以面积率计为8%以下的碳化物，前述船舶发动机用气缸套具有250MPa以上的拉伸强度。

（2）根据（1）所述的船舶发动机用气缸套，其特征在于，除了所述组成之外，还含有以质量%计为超过0.01%且0.15%以下的S。

（3）根据（1）或（2）所述的船舶发动机用气缸套，其特征在于，除了所述组成之外，还含有以质量%计总计为0.1~6.0%的选自Cu、Cr、Mo、Ni中的1种或2种以上。

（4）根据（1）~（3）中任一项所述的船舶发动机用气缸套，其特征在于，除了所述组成之外，还含有以质量%计总计为0.01~5.0%的选自W、V、Nb中的1种或2种以上。

（5）根据（1）~（4）中任一项所述的船舶发动机用气缸套，其特征在于，除了所述组成之外，以质量%计还含有选自0.3%以下的Sn、0.3%以下的Sb中的1种或2种。

发明效果

根据本发明，能够廉价地制造具有30~350mm的厚壁且拉伸强度为250MPa以上的高强度的、适合面向大型船舶发动机用柴油发动机的船舶发动机用气缸套，其在产业上发挥格外优异的效果。

附图说明

图1是模式性地示出气缸套1的外观形状的说明图。

图2是示出实施例的拉伸试验中所使用的拉伸试验片的形状的平面图。

具体实施方式

本发明船舶发动机用气缸套是图1中模式性地示出的圆筒形状且壁厚为30~350mm的、片状石墨铸铁制气缸套。片状石墨铸铁具有如下组成：以质量%计含有2.4~3.6%的C、0.8%以上且小于2.8%的Si、1.1~3.0%的Mn，还含有0.01~0.6%的P、0.001~0.2%的B，或者还选择性地含有总计为0.1~6.0%的、选自Cu、Cr、Mo、Ni中的1种或2种以上；和／或；总计为0.01~5.0%的、选自W、V、Nb中的1种或2种以上；和／或；选自0.3%以下的Sn、0.3%以下的Sb中的1种或2种；和／或；超过0.01%且0.15%以下的S，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成。

本发明船舶发动机用气缸套是壁厚为30~350mm的气缸套。壁厚超过350mm而变厚时，上述组成的强度降低，无法确保期望的拉伸强度为250MPa以上的高强度。另一方面，壁厚变为小于30mm的薄壁时，上述组成的碳化物量增加，进而石墨形状产生不均，强度降低，无法确保期望的高强度。因此，将本发明的船舶发动机用气缸套的壁厚限定在30~350mm的范围。

首先，针对片状石墨铸铁的组成限定理由进行说明。以下，在没有特别说明的情况下，将质量%简记为%。

C：2.4~3.6%

C是具有将基体组织制成珠光体而使基体（铸铁）的强度增加、同时使石墨结晶而提高自润滑性的重要作用的元素。为了得到这种效果，需要含有2.4%以上的C。另一方面，过量含有而超过3.6%时，石墨的结晶显著变多，导致强度大幅降低，无法确保期望的高强度。因此，将C限定在2.4~3.6%的范围内。需要说明的是，优选为2.6~3.4%。

Si：0.8%以上且小于2.8%

Si是铸铁的基本元素之一，是石墨结晶的必须元素，需要含有0.8%以上。另一方面，过量含有至2.8%以上时，强度降低，因此无法确保期望的高强度。因此，将Si限定在0.8%以上且小于2.8%的范围内。需要说明的是，从防止铁素体化的观点出发，优选设为0.8~2.4%的范围。

Mn：1.1~3.0%

Mn是具有使石墨微细化、同时强化作为基体组织的珠光体的作用的元素。另外，Mn与S键合而形成MnS，从而提高加工性、尤其是提高切削性。为了确保这种效果，需要含有1.1%以上的Mn。另一方面，含有超过3.0%时，会妨碍石墨的结晶，因此自润滑性降低。因此，将Mn限定在1.1~3.0%的范围内。

P：0.01~0.6%

P使斯氏体结晶、增加铸铁的硬度，同时提高耐磨耗性。为了得到这种效果，期望含有0.01%以上的P。另一方面，含有超过0.6%时，斯氏体大量形成，会招致对象攻击性（aggressiveness for the opposing）的增加、韧性、加工性的降低。因此，将P限定在0.01~0.6%的范围内。需要说明的是，从加工性的观点出发，优选为0.01~0.4%。

B：0.001~0.2%

B会形成碳化物、增加铸铁的硬度、提高耐磨耗性。为了得到这种效果，期望含有0.001%以上的B。另一方面，大量含有而超过0.2%时，碳化物量增加、韧性降低，同时对象攻击性增加。因此，含有B时，将B限定在0.001~0.2%的范围内。需要说明的是，优选为0.001~0.06%。

上述成分为基本成分，但本发明中，除了该基本组成之外，还可以选择性地含有超过0.01%且0.15%以下的S；和／或；总计为0.1~6.0%的、选自Cu、Cr、Mo、Ni中的1种或2种以上；和／或；总计为0.01~5.0%的、选自W、V、Nb中的1种或2种以上；和／或；选自0.3%以下的Sn、0.3%以下的Sb中的1种或2种。

S：超过0.01%且0.15%以下

S是与Mn键合而形成MnS、有助于提高切削性的元素，优选根据需要含有S。为了得到这种效果，期望含有超过0.01%。另一方面，含有超过0.15%时，Mn的材料利用率（歩留り）降低、无法确保期望的强度。因此，作为选择元素而含有S时，优选限定在超过0.01%且0.15%以下的范围。需要说明的是，即使在不特别添加的情况下，铸铁中也以不可避免的杂质的形式含有0.001~0.01%的S。

选自Cu、Cr、Mo、Ni中的1种或2种以上：总计为0.1~6.0%

Cu、Cr、Mo、Ni均为使铸铁的硬度增加的元素，可以根据需要选择1种或2种以上，总计含有0.1~6.0%。选自Cu、Cr、Mo、Ni中的1种或2种以上总计小于0.1%时，无法期待上述效果。另一方面，大量含有而超过6.0%时，由于均为昂贵的元素而导致材料成本高涨。因此，含有选自Cu、Cr、Mo、Ni中的1种或2种以上时，优选将选自Cu、Cr、Mo、Ni中的1种或2种以上限定在总计为0.1~6.0%的范围内。

Cu在基体中固溶而强化基体，使铸铁的硬度增加，同时提高耐蚀性。为了确保这种效果，期望含有0.1%以上的Cu。另一方面，含有超过2.0%时，导致材料成本高涨，经济上不利。因此，含有Cu时，优选将Cu在上述总计量的范围内限定在2.0%以下。需要说明的是，更优选为0.1~1.5%。

Cr使基体致密而强化基体，使铸铁的硬度增加。为了确保这种效果，期望含有0.1%以上的Cr。另一方面，含有超过1.5%时，碳化物量增加，强度增加。但是，会导致加工性、韧性的降低。因此，含有Cr时，优选将Cr在上述总计量的范围内限定在1.5%以下。

Mo在基体中固溶而强化基体，使铸铁的硬度增加。为了确保这种效果，期望含有0.1%以上的Mo。另一方面，含有超过1.5%时，会发生白生铁化（white pig iron），韧性降低。因此，含有Mo时，优选将Mo在上述总计量的范围内限定在1.5%以下。需要说明的是，更优选为1.0%以下。

Ni使基体致密而强化基体，促进石墨化。另外，Ni会使耐热性提高。为了确保这种效果，期望含有0.1%以上。另一方面，即使含有超过1.5%，其效果饱和，也无法期望与含量相应的效果，经济上不利。因此，含有Ni时，优选将Ni在上述总计量的范围内限定在1.5%以下。

选自W、V、Nb中的1种或2种以上：总计为0.01~5.0%

W、V、Nb均是形成碳化物、提高耐磨耗性的元素，可以根据需要选择1种或2种以上，总计以0.01~5.0%的范围含有。选自W、V、Nb中的1种或2种以上的总计小于0.01%时，无法期待上述效果。另一方面，大量含有而超过5.0%时，大量形成碳化物，成为加工性降低和对象攻击性增加的原因。因此，含有选自W、V、Nb中的1种或2种以上时，优选将选自W、V、Nb 中的1种或2种以上限定在总计为0.01~5.0%的范围内。

W形成碳化物，提高耐磨耗性。为了得到这种效果，期望含有0.1%以上。另一方面，大量含有而超过1.0%，加工性降低、对象攻击性增加。因此，含有W时，优选将W在上述总计量的范围内限定为0.1~1.0%。

V形成碳化物，提高耐磨耗性。为了得到这种效果，期望含有0.1%以上。另一方面，大量含有而超过3.0%时，加工性降低、对象攻击性增加。因此，含有V时，在上述总计量的范围内，优选将V设为0.1~3.0%。

Nb形成碳化物，提高耐磨耗性。为了得到这种效果，期望含有0.1%以上。另一方面，大量含有而超过1.0%时，加工性降低、对象攻击性增加。因此，含有Nb时，在上述总计量的范围内，优选将Nb设为0.1~1.0%。

选自0.3%以下的Sn、0.3%以下的Sb中的1种或2种

Sn、Sb均为促进基体的珠光体化的元素，可以根据需要含有1种或2种。

Sn是防止铁素体的析出、促进基体的珠光体化的元素。为了得到这种效果，期望含有0.01%以上。另一方面，即使大量含有而超过0.3%，其效果饱和，也无法期望与含量相应的效果，经济上不利。因此，含有Sn时，优选将Sn限定在0.3%以下。需要说明的是，更优选为0.01~0.1%。

Sb是防止铁素体的析出、促进基体的珠光体化的元素。为了得到这种效果，期望含有0.01%以上。另一方面，大量含有而超过0.3%时，会形成碳化物，成为韧性降低的原因。因此，含有Sb时，优先将Sb限定在0.3%以下。需要说明的是，更优选为0.01~0.1%。

上述成分以外的剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成。

本发明船舶发动机用气缸套是具有上述组成的片状石墨铸铁制，具有基体中分散有片状石墨、进而将碳化物的分散限定在以面积率计为8%以下的组织。

接着，针对组织的限定理由进行说明。

使基体为珠光体。基体为珠光体以外的组织时，无法确保期望的高强度。

本发明中，含有B进而W、Nb、V，在基体中分散适当量的碳化物，会进一步实现强度的增加。使碳化物以面积率计超过8%进行分散时，强度的降低变得显著，无法确保期望的高强度。另外，由此，被切削性降低。因此，将碳化物限定为以面积率计为8%以下。需要说明的是，从加工性的观点出发，优选为6%以下。

具有上述组成和组织的气缸套的制造方法没有特别限定。优选的是，用电炉、冲天炉（cupola furnace）等常用的熔制方法对上述组成的熔融金属(溶湯)进行熔制，并浇铸到砂模、自固化性铸模等常用铸模中，制成期望形状的铸造物后，通过切削等加工，制成图1所示那样的期望尺寸、形状的气缸套。

以下，基于实施例进一步说明本发明。

实施例

用电炉对表1所示组成的熔融金属进行熔制，注入到规定的套形状的砂模中，制成图1中模式性地示出的圆筒形状（外径：1200mmφ）的、壁厚为30mm厚~350mm厚的气缸套。

从所得气缸套采取组织观察用试验片。对该试验片的壁厚方向剖面进行研磨，用腐蚀液：3%硝酸酒精溶液进行腐蚀，利用光学显微镜（倍率：50倍）进行观察、拍摄。针对所得33mm²大小的照片，利用图像分析测定碳化物面积率（%）。另外，利用光学显微镜（倍率：200倍）观察已研磨且已腐蚀的组织观察用试验片，将能够确认存在以面积率计为10%以上的部位特定为基体组织。

另外，从所得气缸套的壁厚中央部沿轴方向采取图2所示的尺寸形状的拉伸试验片（平行部尺寸：5.0mmφ×7.0mm标点间距离），实施拉伸试验(拉伸速度：1mm/分钟)，求出拉伸特性（拉伸强度TS）。

所得结果示于表2。

【表1】

【表2】

*)P：珠光体、F：铁素体。

本发明例中的任一个即使在30mm以上的厚壁的情况下也能成为具有拉伸强度为250MPa以上的高强度的气缸套。另一方面，偏离本发明范围的比较例无法确保期望的高强度。

比较例（气缸套No.33、No.34）的C含量低于本发明范围而偏离，并且为薄壁，因此组织（石墨分布）产生不均，拉伸强度降低。另外，比较例（气缸套No.29）的C含量高于本发明范围而偏离，因此石墨的结晶变多，拉伸强度降低。另外，比较例（气缸套No.28）的Mn含量低于本发明范围而偏离，因此基体组织未充分强化，拉伸强度降低。另外，比较例（气缸套No.31、No.32）的套为厚壁，因此强化元素量不足，拉伸强度降低。另外，比较例（气缸套No.35、No.36）的Mn含量高于本发明范围而偏离，套为薄壁，因此碳化物量超过8%，石墨分布（组织）变得不均匀，拉伸强度降低。另外，比较例（气缸套No.30）的C、Mn含量高于本发明范围而偏离，因而石墨的结晶多、基体组织的强化不充分，因此拉伸强度降低。另外，比较例（气缸套No.37）的套为薄壁，因此碳化物量超过8%而增加，拉伸强度降低。另外，比较例（套No.38）的Si低于本发明范围而偏离，因此石墨分布产生不均，拉伸强度降低。比较例（套No.39）的Si高于本发明范围而偏离，因此铁素体的析出变得过多，拉伸强度降低。另外，比较例（套No.40）的P和B高于本发明范围而偏离，因此，碳化物量增加，组织（石墨分布）变得不均匀，拉伸强度降低。

附图标记说明

1　气缸套

Claims (3)

1.船舶发动机用气缸套，其特征在于，其为片状石墨铸铁制的气缸套，该气缸套的壁厚为30~350mm，

将所述片状石墨铸铁制成具有如下组成和组织的铸铁，所述组成为：以质量%计含有2.4~3.6%的C、0.8%以上且小于2.8%的Si、1.1~3.0%的Mn，还含有0.01~0.6%的P、0.001~0.2%的B，还含有选自0.3%以下的Sn、0.3%以下的Sb中的1种或2种，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成；所述组织中分散有以面积率计为8%以下的碳化物，所述船舶发动机用气缸套具有250MPa以上的拉伸强度。

2.根据权利要求1所述的船舶发动机用气缸套，其特征在于，除了所述组成之外，还含有以质量%计总计为0.1~6.0%的选自Cu、Cr、Mo、Ni中的1种或2种以上。

3.根据权利要求1或2所述的船舶发动机用气缸套，其特征在于，除了所述组成之外，还含有以质量%计总计为0.01~5.0%的选自W、V、Nb中的1种或2种以上。