CN105531387B - 内燃机用高导热性活塞环 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种在用于高压缩比的汽车用汽油发动机的情况下,能够长期稳定发挥气封功能及导热功能的内燃机用高导热性活塞环。提供一种内燃机用高导热性活塞环,其以Mn‑Cr钢为母材,其中,该Mn‑Cr钢含有:0.52质量%以上0.65质量%以下的C、0.15质量%以上0.35质量%以下的Si、0.60质量%以上1.00质量%以下的Mn、0.60质量%以上1.00质量%以下的Cr、0.04质量%以下的P、0.04质量%以下的S、0.05质量%以上3.0质量%以下的微量成分(Al、Ni及Cu的总含量)、余量Fe和不可避免的杂质。
Description
技术领域
本发明涉及一种安装于内燃机用活塞的活塞环。尤其是,本发明涉及一种能够适用于高压缩比的汽车用汽油发动机的一道环及二道环的高导热性活塞环。
背景技术
近年来,考虑到环境问题,正致力于提高汽车用汽油发动机等内燃机的燃耗率的提高。与此同时,发动机的形式也呈现高压缩化的倾向,以能够发挥更高的热效率,取得更大的运动能量。汽车用汽油发动机在排气量和投入燃料量相同的条件下,压缩比越高,则按压活塞的压力越大,因此,相较于压缩比较低的发动机,更有利于高输出及大扭矩。但是,汽车用汽油发动机中,通过提高压缩比,活塞上死点处的燃烧室内的温度及压力增高,导致在适当地形成燃料和空气的混合气体之前着火。因此,在压缩比高的汽车用汽油发动机中,燃烧室内局部产生燃烧,活塞上死点附近的燃料难以燃烧,将产生爆震(knocking)。该情况下,汽车用汽油发动机无法得到所需的输出及扭矩,易导致NOx(氮氧化物)的生成及黑烟的产生。
此外,在汽车用汽油发动机中,为了理想地进行活塞上死点附近的燃烧,可举出降低燃烧室壁的温度这一对策。在此,为了降低该燃烧室壁的温度,有效的方法是降低直接承受伴随活塞往复运动的爆炸压力的活塞顶面的温度。作为降低活塞顶面的温度的方法,例如,可举出提高安装于活塞的活塞环所要求的导热功能的方法,通过将该活塞受到的燃烧热高效地传递至气缸,能够适当地进行活塞上死点附近的燃烧。综上所述可知,尤其是用于高压缩比的汽车用汽油发动机的活塞环,要求进一步改善气封功能及导热功能。
在这样的背景下,例如专利文献1(特开2009-235561号公报)中,提出了一种将C、Si、Mn、Cr的适当的成分范围规定为指定参数的活塞环。具体而言,专利文献1提供一种活塞环,其由调质钢构成,所述调质钢以质量比计,含有:C:0.20~0.90%、Si:0.10%以上低于0.60%、Mn:0.20~1.50%、Cr:0.30~2.00%,余量为Fe及不可避免的杂质,基于C、Si、Mn及Cr的含量,由式“A=8.8Si+1.6Mn+1.7Cr”和式“B=36C+4.2Si+3.8Mn+4.5Cr”算出的参数A及B的值分别为9.0以下及10.8以上(参照权利要求1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:特开2009-235561号公报
发明概要
发明所要解决的技术问题
但是,在将上述专利文献1的活塞环用于高压缩比的汽车用汽油发动机的情况下,在该汽车用汽油发动机中,难以理想地进行活塞上死点附近的燃烧。即,在安装了专利文献1所提出的活塞环的高压缩比的汽车用汽油发动机中,无法充分降低活塞顶面的温度,不能长期稳定地发挥气封功能及导热功能。
本发明的目的在于,提供一种内燃机用高导热性活塞环,其在用于高压缩比的汽车用汽油发动机的情况下,能够长期稳定地发挥气封功能及导热功能。特别是,本发明的目的在于,提供一种内燃机用高导热性活塞环,其提高了导热性能和能够耐受更加高温的环境的耐热疲劳性,所述导热性能是指使输入活塞的热量向气缸孔内面逃逸,降低燃烧室温度而避免爆震的产生的性能。
用于解决技术问题的技术方案
本发明人经过深入研究,通过采用分别含有规定量的C(碳)、Si(硅)、Mn(锰)、Cr(铬)、P(磷)、S(硫)及微量成分即Al(铝)、Ni(镍)、Cu(铜)的Mn-Cr钢来制成活塞环,解决了上述技术问题。
本发明提供一种内燃机用高导热性活塞环,其以Mn-Cr钢为母材,其中,该Mn-Cr钢含有:0.52质量%以上且0.65质量%以下的C、0.15质量%以上且0.35质量%以下的Si、0.60质量%以上且1.00质量%以下的Mn、0.60质量%以上且1.00质量%以下的Cr、0.04质量%以下的P、0.04质量%以下的S、0.05质量%以上且3.0质量%以下的微量成分(Al、Ni及Cu的总含量)、余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明的内燃机用高导热性活塞环中,优选所述Mn-Cr钢含有微量成分即Al、Ni及Cu,各成分的含量均为0.01质量%以上且1.0质量%以下。
本发明的内燃机用高导热性活塞环中,优选所述Mn-Cr钢所含的微量成分即Al、Ni及Cu的含量满足下记式(1)的关系。
[数学式1]
本发明的内燃机用高导热性活塞环中,优选活塞环的外周面具有镀硬铬、硬质陶瓷、及硬质碳中的任一种或两种以上的硬质皮膜。
本发明的内燃机用高导热性活塞环中,优选活塞环的上下表面和/或内周面被实施了氧化处理、化学法表面处理、树脂涂层、及形成硬质碳皮膜中的至少一种或两种以上的表面处理。
本发明的内燃机用高导热性活塞环中,优选淬火回火后的硬度为40HRC以上,导热率为40W/(m·K)以上。
发明效果
本发明的内燃机用高导热性活塞环中,母材即Mn-Cr钢分别含有规定量的C、Si、Mn、Cr、P、S及作为微量成分的Al、Ni和Cu,因此,在用于高压缩比的汽车用汽油发动机的情况下,能够长期稳定地发挥气封功能及导热功能。特别是,能够提高导热性能和能够耐受更高温度环境的耐热疲劳性,所述导热性能是指使输入活塞的热量向气缸孔内面逃逸,降低燃烧室温度而避免爆震的产生的性能。
附图说明
图1表示本发明一个实施方式中的内燃机用高导热性活塞环的俯视图(A)及局部立体图(B);
图2表示本发明一个实施方式中的安装有内燃机用高导热性活塞环的活塞的主要部分纵剖图;
图3表示评价活塞环的疲劳强度的疲劳强度试验的概要的示意图。
标记说明
1 活塞环
1a 开口
2 母材
3 硬质皮膜
4 表面处理层
5 外周面
6 上表面
7 内周面
8 下表面
10 活塞
11 活塞顶面
12 活塞环槽
20 气缸
21 气缸内壁面
a 开口部分
40 疲劳强度试验机
41 支持台
41a 固定部
42 杠杆臂
42a 固定部
43 连结部
44 导向件
45 动力传送杆
46 偏心凸轮
具体实施方式
下面,参照附图对本发明的内燃机用高导热性活塞环的优选的实施方式进行说明。
本发明的内燃机用高导热性活塞环1为以Mn-Cr钢为母材2的内燃机用活塞环。而且,该Mn-Cr钢含有:0.52质量%以上且0.65质量%以下的C、0.15质量%以上且0.35质量%以下的Si、0.60质量%以上且1.00质量%以下的Mn、0.60质量%以上且1.00质量%以下的Cr、0.04质量%以下的P、0.04质量%以下的S、0.05质量%以上且3.0质量%以下的微量成分(Al、Ni及Cu 的总含量)、余量为Fe和不可避免的杂质。
图1表示呈环状、形成有开口1a、剖面为大致矩形的活塞环(压力环)1之一个例子。如图1所示,活塞环1通过形成开口1a而可增大变形余量,如图2所示,活塞10在进行往复运动(图中的缺口箭头方向)期间,能够使其外周面5与气缸内壁面21的周方向接触。活塞环1安装于设在活塞10上的活塞环槽12内,填补气缸内壁面21和活塞10的微小间隙而密封燃烧气体。另外,通过自身所具有的张力向气缸内壁面21按下的活塞环的外周面5随着活塞10的运动而运动并适当地控制油膜的厚度。而且,此时,活塞环1经由油膜与气缸内壁面21始终保持接触,因此,能够将输入活塞顶面11的热量向气缸20侧传递(参考图2的虚线箭头)。
内燃机用高导热性活塞环1以Mn-Cr钢作为母材2,通过将该Mn-Cr钢制成分别含有上述范围的量的上述合金元素(C、Si、Mn、Cr、P、S、Al、Ni及Cu)的合金组成,能够制成良好的导热部件,能够实现导热功能的提高。因此,根据本发明的内燃机用高导热性活塞环1,能够更有效地将输入活塞顶面11的热量传递至气缸20侧,可以在高压缩比发动机的苛刻的热环境下使用。另外,由于本发明的内燃机用高导热性活塞环1为含有上述范围的量的合金组成,因此,耐磨性、耐擦伤性、耐软化性、耐热疲劳性及疲劳强度提高,在用于高压缩比的汽车用汽油发动机时能够长期稳定地发挥气封功能及油控功能。
下面,对Mn-Cr钢所包含的合金元素的作用、及其质量%的数值限制的原因进行说明。Mn-Cr钢通过所含的合金元素及其质量%,而转变为与原本所具有的性质相比更具有各种附加价值的材料。
作为合金元素的C(碳)固溶于基体中,提高硬度,可有效确保淬火回火后(调质后)的耐软化性及耐热疲劳性。为了使内燃机用高导热性活塞环得到这样的效果,优选C的含量在0.52质量%以上、0.65质量%以下的范围内。C的含量低于0.52质量%时,不能实现耐磨性能及机械强度的提高,因此不优选。另一方面,如果C的含量超过0.65质量%,则导致耐冲击性降低,同时无法得到良好的加工性能,因此不优选。C的含量更优选在0.52质量%以上、0.60质量%以下的范围内,进一步优选在0.54质量%以上、0.58质量%以下的范围内。
作为合金元素的Si(硅)在熔炼钢时具有脱氧作用及脱硫作用,并且具有通 过固溶强化提高耐软化性的效果。为了使内燃机用高导热性活塞环得到这样的效果,优选Si的含量在0.15质量%以上、0.35质量%以下的范围内。Si的含量低于0.15质量%时,无法得到固溶强化,无法提高耐磨性、耐擦伤性及耐热疲劳性,因此不优选。另一方面,Si的含量超过0.35质量%时,将导致导热性和韧性的降低,因此不优选。Si的含量进一步优选在0.17质量%以上、0.25质量%以下的范围内。
作为合金元素的Mn(锰)作为熔炼钢时的脱氧剂是有效的,并且对提高钢的韧性和拉伸强度,确保淬火回火后(调质后)的强度都是有效的。为了使内燃机用高导热性活塞环得到这样的效果,优选Mn的含量在0.60质量%以上、1.00质量%以下的范围内。Mn的含量低于0.60质量%时,无法充分确保淬火回火后(调质后)的强度,因此不优选。另一方面,Mn的含量超过1.00质量%时,淬火回火后(调质后)的硬度过硬,而导致基体脆化,无法得到耐久性及良好的加工性能,因此不优选。Mn的含量更优选在0.75质量%以上、0.85质量%以下的范围内。
作为合金元素的Cr(铬)形成Cr碳化物,有效提高耐热性及耐腐蚀性,同时提高耐磨性。另外,Cr在提高淬火性的同时增大回火抵抗,对确保淬火回火后(调质后)的强度、韧性是有效的。为了使内燃机用高导热性活塞环得到这样的效果,优选Cr的含量在0.60质量%以上、1.00质量%以下的范围内。Cr的含量低于0.60质量%时,难以提高耐热性、耐腐蚀性及耐磨性,因此不优选。Cr的含量超过1.00质量%时,Cr碳化物的生成过量,导热性降低,并且该Cr碳化物偏析在晶界而变硬、变脆,因此,耐冲击性能及加工性能降低,因此不优选。另外,Cr价格昂贵,如果大量使用将会导致产品成本的增加。Cr的含量更有选在0.75质量%以上、0.90质量%以下的范围内。
作为合金元素的P(磷)一般是导致晶界脆性的有害元素,但固溶于钢中的铁素体中能使其硬度和拉伸强度增大,有效改善切削加工性。为了使内燃机用高导热性活塞环得到这样的效果,优选P的含量为0.04质量%以下。P的含量超过0.04质量%时,将促进磷化铁(Fe3P)的形成,使加工性的劣化和耐冲击性降低,因此不优选。
作为合金元素的S(硫),其融点低,可以说是导致热脆性的原因,但添加Mn生成硫化锰(MnS)可提高加工性。为了使内燃机用高导热性活塞环得到这样的效果,优选S的含量为0.04质量%以下。S的含量超过0.04质量%时,将导致加工性的劣化及耐冲击性的降低,因此不优选。
内燃机用高导热性活塞环中,作为母材的Mn-Cr钢含有作为微量成分的Al(铝)、Ni(镍)及Cu(铜)。作为微量成分的Al作为熔炼钢时的脱氧剂是有效的,并且能够使晶粒细化并提高加工性,提高导热性。作为微量成分的Ni能够在提高淬火性的同时,提高韧性。另外,作为微量成分的Ni可以对基体赋予耐热性,并且提高耐磨性能,通过与Cr一同添加,可提高耐腐蚀性及耐热性。作为微量成分的Cu提高耐候性,通过与Ni一同添加,可进一步提高该效果。另外,作为微量成分的Cu能够提高Mn-Cr钢的导热性,并赋予固体润滑作用。
内燃机用高导热性活塞环通过将作为微量成分的Al、Ni及Cu与上述合金元素组合,即使在将该活塞环用于高压缩比发动机的苛刻热环境下时,对于气封功能及导热功能而言,仍能够长期发挥前所未有的优异的效果。为了使内燃机用高导热性活塞环得到这样的效果,优选Al、Ni及Cu的总含量在0.05质量%以上、3.0质量%以下的范围内。Al、Ni及Cu的合金含量低于0.05质量%时,难以得到与上述合金元素的组合后的协同效应。另外,Al、Ni及Cu的合金含量超过3.0质量%时,金属间化合物的析出增多,导热性降低,因此不优选。
如上所述,本发明的内燃机用高导热性活塞环1中,Mn-Cr钢所含有的元素能够单独发挥效果,且特定的元素进行组合能够得到协同效应。因此,该活塞环1能够在不损害耐久性的前提下,发挥前所未有的良好导热性效果,能够用于高压缩比的汽车用汽油发动机。
优选的是,Mn-Cr钢中优选含有微量成分即Al、Ni及Cu,各成分的含量均为0.01质量%以上、1.0质量%以下。
内燃机用高导热性活塞环1中,通过使Al、Ni及Cu各自的含量在0.01质量%以上、1.0质量%以下的范围内,使其与上述合金元素组合时可以得到协同效应,提高导热功能,并且能够长期稳定地维持气封功能及油控功能。Al、Ni及Cu中任一个的含量低于0.01质量%时,无法充分得到组合这些元素后产生的协同效应。另一方面,Al或Cu的含量超过1.0质量时,金属间化合物的析出增多,导热性降低,因此不优选。另外,Ni的含量超过1.0质量%时,将导致产品成本的上升,因此不优选。
优选Mn-Cr钢所含的微量成分即Al、Ni及Cu的含量满足下记式(1)的关 系。
[数学式2]
Al及Cu主要在提高活塞环1的导热功能上是有效的,但含量过多时, 会降低活塞环的耐久性。另一方面,Ni有助于提高活塞环1的硬度,主要对 实现耐久性及耐热疲劳性的提高有效。因此,通过使Al、Ni及Cu各自的含 量满足式(1)所示关系,能够防止活塞环1的耐磨性、耐擦伤性、耐热疲劳性 及疲劳强度的降低,并且提高导热性,即使在高压缩比发动机的热负荷高的 环境下也能够长期稳定地使用。这时,优选Al及Cu的含量与Ni的含量的比率在1.0以上、20以下的范围内。Al及Cu的含量与Ni的含量的比率低于1.0 时,难以在苛刻的热环境下充分发挥活塞环所要求的导热功能。另一方面, Ni的含量相对于Al及Cu的含量的比率超过20时,无法充分提高活塞环的 耐久性及耐热疲劳性,难以在苛刻的热环境下长期稳定地发挥活塞环要求的 气封功能及油控功能。
优选的是,在内燃机用高导热性活塞环1中,活塞环的外周面5具备镀 硬铬、硬质陶瓷及硬质碳中的任一种或两种以上的硬质皮膜3。
通过活塞环1的外周面5具备镀硬铬、硬质陶瓷及硬质碳中的任一种或 两种以上的硬质皮膜3,能够有效抑制与气缸内壁面21之间的滑动所导致的 磨损,能够长期良好地保持与气缸内壁面21的接触状态。因此,由于在活塞 环1的外周面5具有上述硬质皮膜3,从而能够长期发挥将活塞10的热传递 至气缸20侧的作用,可以在苛刻的热环境下长期稳定地发挥作为活塞环要求 的气封功能、油控功能。此外,即使在活塞环1的外周面5具备硬质皮膜3, 也不会影响导热性。另外,只要不影响活塞环1的导热性,则硬质皮膜3也 可以叠层多种硬质皮膜。
优选的是,在内燃机用高导热性活塞环1中,对活塞环的上下表面6、8 和/或内周面7实施了氧化处理、化学法表面处理、树脂涂层、及形成硬质碳 皮膜中的至少一种或两种以上的表面处理。
通过对活塞环的上下表面6、8和/或内周面7实施了氧化处理、化学法表面处理、树脂涂层及形成硬质碳皮膜中的至少一种或两种以上的表面处理,能够有效抑制活塞环槽12内的附着物等导致的磨损。因此,通过在活塞环1的上下表面6、8和/或内周面7实施上述表面处理,能够长期稳定地追随活塞的往复动作,在苛刻的热环境下仍能够长期稳定地发挥活塞环所要求的气封功能及导热功能。此外,即使对活塞环1的上下表面6、8和/或内周面7实施表面处理而形成表面处理层4,也不会对导热性产生影响。另外,只要不影响活塞环1的导热性,则该表面处理层4可以实施多种表面处理。
优选的是,在内燃机用高导热性活塞环1中,淬火回火后的硬度为40HRC以上,导热率为40W/(m·K)以上。
内燃机用高导热性活塞环1通过将Mn-Cr钢在830℃以上且900℃以下的范围内淬火后,在400℃以上且500℃以下的范围内进行回火而制得,由此,能够得到对于耐磨性、耐擦伤性、耐热疲劳性及疲劳强度等期望的特性。而且,内燃机用高导热性活塞环1通过使淬火回火后(调质后)的硬度为40HRC以上,能够确保活塞环的强度,在用于高压缩比的汽车用汽油发动机时也能长期稳定地发挥活塞环所要求的气封性能。另外,内燃机用高导热性活塞环1通过确保40W/(m·K)以上的导热率,能够有效地将活塞10的热量传递至气缸20。作为参考,相较于使用传统的用作一道环的马氏体不锈钢(SUS440C)制成的活塞环或硅铬钢(SWOSC-V)制成的活塞环,在内燃机用高导热性活塞环1用于放置在离燃烧室最近的严酷的热环境下的一道环时更能得到燃烧效率提高效果。
实施例
下面,通过实施例进一步对本发明进行说明。需要说明的是,本发明并不限定于这些实施例。
实施例1
作为本发明的内燃机用高导热性活塞环的实施例,制造满足本发明所规定的合金组成的条件的实施例样品A~Z、AA~AD。制造实施例样品A~Z、AA~AD时,首先,分别将表1所示的合金组成的Mn-Cr钢通过冷轧拉丝后,实施淬火温度900℃、回火温度450℃的淬火回火(调质),得到具有1.2mm×2.5mm的矩形剖面的线材。接着,将该线材形成为环状,并与78mm的孔径相匹配,且切断形成开口的部分。这样制造的实施例样品A~Z、AA~AD的各活塞环中,形成了以下三种的任一种活塞环,即,在实施了消除应力热处理后进行外周加工,在外周面仅覆盖Cr-N系构成的PVD皮膜作为硬质陶瓷皮膜的活塞环;仅覆盖含有2原子%的氢的DLC(类金刚石碳)皮膜作为硬质 碳皮膜的活塞环;或者覆盖了在该PVD皮膜上叠层该DLC皮膜而成的这2层所构成的皮膜的活塞环。之后,对于实施例样品A~Z、AA~AD的各活塞环实施精加工,在该活塞环的上下表面形成四氧化三铁皮膜。此外,对各种表面处理前的活塞环的上下表面及外周面进行研磨,使十点平均粗糙度Rz为1.3μm~2.2μm的范围内。十点平均粗糙度Rz以JIS B0601(1982)为依据,通过表面粗糙度/轮廓形状测定机而测得。
对制造的实施例样品A~Z、AA~AD,测定400℃下回火后的洛氏硬度(C标度),并且通过激光闪光法测定导热率。另外,使用这些实施例样品A~Z、AA~AD,通过以下所示的要领实施疲劳强度试验及耐热疲劳性试验。这些测定及试验是为了确认在将活塞环用于高压缩比的汽车用汽油发动机时是否能够长期稳定发挥气封功能及导热功能而进行的。此外,将对实施例样品A~Z、AA~AD进行的在400℃下回火后的洛氏硬度(C标度)的测定、通过激光闪光法进行的导热率测定、疲劳强度试验及耐热疲劳性试验的结果,与该实施例样品A~Z、AA~AD的合金组成一同汇总示于表1。此外,洛氏硬度(C标度)通过洛氏硬度计测定。另外,激光闪光法下测定导热率通过激光闪光法热物性测定装置测定。
(疲劳强度试验)
图3是表示评价活塞环的疲劳强度的疲劳强度试验的概要的示意图。下面,使用图3对疲劳强度试验进行说明。疲劳强度试验中,使用图3中示意性地表示的疲劳强度试验机40,首先,通过固定部41a将活塞环1的开口1a中的一端固定于支持台41,并通过固定部42a将另一端固定于杠杆臂42的一端。在此,在该杠杆臂42的另一端侧,通过连结部43连结有动力传送杆45的一端。该动力传送杆45的另一端侧与偏心凸轮46连结,通过该偏心凸轮46的旋转,该动力传送杆45沿动力传递轴方向(图中箭头X所示的方向)往复运动。而且,伴随着这时的动力传送杆45的动作,该杠杆臂42的一端侧(固定有固定部42a的一侧)沿着以该连结部43为中心的旋转方向(图中箭头Y所示的方向)往复运动,在活塞环1的开口1a扩张时,向活塞环1负载弯曲应力。此外,该动力传送杆45通过导向件44防止动力传递轴的轴振动,能够顺利地进行往复运动。
如上述,在疲劳强度试验中,通过疲劳强度试验机40将活塞环1的开口1a以规定的振幅反复扩张而向活塞环1负载应力,测定直至该活塞环1断裂 所反复进行扩张的次数。另外,在疲劳强度试验中,准备多个在相同条件下制造的活塞环1,分别改变对活塞环1负载的应力的设定来进行试验,制作S-N曲线。这时对各活塞环1的负载应力的设定通过改变开口1a的开闭量而进行。而且,疲劳强度试验中,从该制作的S-N曲线,求出反复扩张的次数达到1×107次的情况下能承受的应力作为疲劳强度。
(耐热疲劳性试验)
耐热疲劳性试验中,基于JIS B 8032-5(1998),在孔径78mm的套筒内安装实施例样品A~Z、AA~AD的各活塞环,测定在300℃的温度下保持3小时后的张力下降率。该张力下降率如下计算:将实施例样品A~Z、AA~AD的各活塞环安装于套筒内,测定加热前和加热后的的活塞环张力,通过该张力降低率计算得出。作为参考,JIS标准(JIS B 8032-5(1998))中,活塞环中在最严酷的高温环境下使用的一道环的张力下降率被规定为8%以下。
比较例1
该比较例用于与实施例进行比较。作为本发明的内燃机用高导热性活塞环的比较例,制造不满足本发明规定的合金组成的Al、Ni及Cu的相关条件的比较例样品a~n。这里,关于比较例样品a~n的制造方法,设为与实施例样品A~Z、AA~AD相同的条件。而且,对于制造的比较例样品a~n,与实施例样品A~Z、AA~AD同样地测定在400℃下回火后的洛氏硬度(C标度),同时通过激光闪光法测定导热率。另外,使用这些比较例样品a~n,通过与实施例相同的要领,实施疲劳强度试验及耐热疲劳性试验。此外,表2一并示出了比较例样品a~n的合金组成,以与实施例样品的合金组成进行对比。另外,将对比较例样品a~n所进行的、在400℃下回火后的洛氏硬度(C标度)的测定、采用激光闪光法进行的导热率测定、疲劳强度试验及耐热疲劳性试验的结果,与该比较例样品a~n的合金组成汇总示于表2。
[实施例和比较例的对比]
下面,基于表1及表2所示的结果对实施例和比较例进行对比,并对本发明进行详细说明。
(硬度测定评价)
根据表1及表2所示结果可知,满足本发明规定的合金组成的条件的实施例样品A~Z、AA~AD的硬度平均为约48.3(HRC)。另一方面,不满足本发明规定的合金组成的条件的比较例样品a~n的硬度平均为约48.4(HRC)。而且,实施例样品A~Z、AA~AD及比较例样品a~n的全部样品均保持在40HRC以上的硬度,证实均能够在用于高压缩比的汽车用汽油发动机时长期稳定地发挥活塞环要求的气封功能及油控功能。单从这一结果来看,可知实施例样品和比较例样品未发现在硬度方面有较大差别。但是,实施例样品A~Z、AA~AD中硬度的最小值为47.2(HRC),而比较例样品a~n中,存在多个硬度低于47.2(HRC)的样品(比较例样品c、e、i、n、m)。作为参考,比较例样品e的硬度为44.0(HRC),该值与实施例样品A~Z、AA~AD中硬度的最小值相比还要小3.2(HRC)。根据这些结果可知,通过采用满足本发明规定的合金组成条件的活塞环,与采用不满足该条件的传统活塞环的情况相比,可实现稳定的硬度改善。
(导热率测定评价)
根据表1及表2所示结果可知,满足本发明规定的合金组成条件的实施例样品A~Z、AA~AD的导热率平均为约41.2(W/(m·K))。另外,实施例样品A~Z、AA~AD的全部样品均保持在40W/(m·K)以上的导热率,证实均能够有效地将活塞的热传递至气缸。另一方面,不满足本发明规定的合金组成条件的比较例样品a~n的导热率平均为约36.8(W/(m·K))。而且,比较例样品a~n中比较例样品b、d、f~h、j~n样品的导热率为40W/(m·K)以下,证实对于导热性而言没有实现充分的提高。由这些结果可知,通过采用满足本发明规定的合金组成条件的活塞环,与采用传统活塞环的情况相比,能够实现导热率的提高。此外,比较例样品b,f,h,k的导热性的降低较显著,考虑这是因为Al、Ni及Cu的合金含量大大超出3.0质量%而使金属间化合物的析出增多而导致的。
(疲劳强度试验评价)
表1及表2中,对于实施例样品A~Z、AA~AD各自的疲劳强度,通过以比较例样品a为100的指数进行表示(指数越大疲劳强度越大)。此时,由表1及表2所示结果可知,满足本发明规定的合金组成条件的实施例样品A~Z、AA~AD的疲劳强度平均为101。另一方面,不满足本发明规定的合金组成条 件的比较例样品a~n的疲劳强度平均为103。单从这一结果来看,可知实施例样品的疲劳强度与比较例样品相比较差。但是,实施例样品A~Z、AA~AD的疲劳强度全部都在100以上,而比较例样品a~n中,存在多个疲劳强度低于100的样品(比较例样品c、e)。由这些结果可知,通过采用满足本发明规定的合金组成条件的活塞环,与采用不满足该条件的传统活塞环的情况相比,可实现稳定的硬度改善。
(耐热疲劳性试验评价)
根据表1及表2所示结果可知,满足本发明规定的合金组成条件的实施例样品A~Z、AA~AD的张力下降率平均为5.40%。另一方面,不满足本发明规定的合金组成条件的比较例样品a~n的张力下降率平均为5.00%。单从该结果来看,可知实施例样品的耐热疲劳性与比较例样品相比较差。但是,实施例样品A~Z、AA~AD中的张力下降率的最大值为5.95%(实施例样品K),然而,比较例样品a~n中存在多个张力下降率超过5.95%的样品(比较例样品c、e、k、m)。作为参考,比较例样品e的张力下降率的最大值为6.67%,这比实施例样品A~Z、AA~AD中的张力下降率的最大值还大0.72%。由这些结果可知,通过采用满足本发明规定的合金组成条件的活塞环,与采用不满足该条件的传统活塞环的情况相比,可实现稳定的硬度改善。这样,实施例样品A~Z、AA~AD及比较例样品a~n全部样品均满足JIS标准(JIS B8032-5(1998))规定的一道环的张力下降率8%以下的基准,可证实实施例样品A~Z、AA~AD相较于比较例样品a~n,能够在更苛刻的热环境下使用。
(实施例和比较例的对比总结)
根据表1及表2所示结果可知,通过使Al、Ni及Cu各自的含量满足本发明规定的条件,伴随着C、Si、Mn、Cr的含量的增加,提高了硬度、疲劳强度及耐热疲劳性,并且抑制了导热性的降低,得到了这些特性的总体平衡稳定且良好的产品,即使在高压缩比发动机的热负荷较高的环境下也能够长期稳定地使用。因此,根据本发明的内燃机用高导热性活塞环,通过使Mn-Cr钢含有本发明规定的范围的量的合金元素,能够提高油环的导热功能,并且能够长期发挥气封功能及油控功能。另外,如表1及表2所示,本发明的内燃机用高导热性活塞环在其外周面具备一种以上的本发明规定的种类的硬质皮膜,也不会对上述的特性带来不良影响。
工业实用性
本发明的内燃机用高导热性活塞环即使在用于高压缩比的汽车用汽油发动机的情况下,也能够长期稳定地发挥油环所要求的功能,因此,能够降低内燃机的油耗,增加内燃机的使用寿命。因此,根据本发明的内燃机用高导热性活塞环,可实现燃油的高效使用,从有效利用资源、减轻环境负荷这一观点考虑,是非常优选的。
Claims (13)
1.一种内燃机用高导热性活塞环,其以Mn-Cr钢为母材,其中,
该Mn-Cr钢含有:
0.52质量%以上且0.65质量%以下的C、
0.15质量%以上且0.35质量%以下的Si、
0.60质量%以上且1.00质量%以下的Mn、
0.60质量%以上且1.00质量%以下的Cr、
0.04质量%以下的P、
0.04质量%以下的S、
总含量为0.05质量%以上3.0质量%以下的微量成分即Al、Ni及Cu,余量为Fe和不可避免的杂质,
所述Mn-Cr钢所含的微量成分即Al、Ni及Cu的含量满足下式(1)的关系:
[数学式1]
2.如权利要求1所述的内燃机用高导热性活塞环,其中,所述Mn-Cr钢含有微量成分即Al、Ni及Cu,各成分的含量范围均为0.01质量%以上且1.0质量%以下。
3.如权利要求1或2中所述的内燃机用高导热性活塞环,其中,活塞环的外周面具有镀硬铬、硬质陶瓷及硬质碳中的任一种或两种以上的硬质皮膜。
4.如权利要求1或2中所述的内燃机用高导热性活塞环,其中,活塞环的上下表面和/或内周面被实施了氧化处理、涂布树脂及形成硬质碳皮膜中的至少一种或两种以上的表面处理。
5.如权利要求1或2中所述的内燃机用高导热性活塞环,其中,活塞环的上下表面和/或内周面被实施了化学法表面处理、涂布树脂及形成硬质碳皮膜中的至少一种或两种以上的表面处理。
6.如权利要求1或2中所述的内燃机用高导热性活塞环,其中,淬火回火后的硬度为40HRC以上,导热率为40W/(m·K)以上。
7.如权利要求3中所述的内燃机用高导热性活塞环,其中,活塞环的上下表面和/或内周面被实施了氧化处理涂布树脂及形成硬质碳皮膜中的至少一种或两种以上的表面处理。
8.如权利要求3中所述的内燃机用高导热性活塞环,其中,活塞环的上下表面和/或内周面被实施了化学法表面处理、涂布树脂及形成硬质碳皮膜中的至少一种或两种以上的表面处理。
9.如权利要求3中所述的内燃机用高导热性活塞环,其中,淬火回火后的硬度为40HRC以上,导热率为40W/(m·K)以上。
10.如权利要求4中所述的内燃机用高导热性活塞环,其中,淬火回火后的硬度为40HRC以上,导热率为40W/(m·K)以上。
11.如权利要求5中所述的内燃机用高导热性活塞环,其中,淬火回火后的硬度为40HRC以上,导热率为40W/(m·K)以上。
12.如权利要求7中所述的内燃机用高导热性活塞环,其中,淬火回火后的硬度为40HRC以上,导热率为40W/(m·K)以上。
13.如权利要求8中所述的内燃机用高导热性活塞环,其中,淬火回火后的硬度为40HRC以上,导热率为40W/(m·K)以上。
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