CN1290765A

CN1290765A - 用于内燃机的自润滑式活塞环材料及活塞环

Info

Publication number: CN1290765A
Application number: CN00107860A
Authority: CN
Inventors: 久保田邦亲; 大野丈博; 枡形芳树
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1999-06-25
Filing date: 2000-06-26
Publication date: 2001-04-11
Anticipated expiration: 2020-06-26
Also published as: ATE323856T1; PL193827B1; CN1109773C; BR0002865A; EP1063454B1; KR20010066864A; EP1063454A3; DE60027355D1; EP1063454A2; PL340867A1; BR0002865B1; KR100370454B1; DE60027355T2

Abstract

本发明公开了一种活塞环材料和一种活塞环,二者均具有极好的性能。它们的重量组成主要为:不少于0.3%但少于0.8%的C、0.1—3.0%的Si、0.1—3.0%的Mn、0.03—0.3%的S、0.3—6.0%的Cr、0—3.0%的Cu、以及余量的Fe,并且在平行于所形成的活塞环的外周边表面的结构处观测时,最大直径/最小尺寸≥3的硫化内含物的分布状态使通过两个硫化内含物最大尺寸的直线间的交角不超过30度。

Description

用于内燃机的自润滑式活塞环材料及活塞环

本发明涉及一种装在内燃机如汽车发动机上的活塞环。

迄今为止，用于内燃机、特别是汽车发动机中的活塞环是由铸铁形成的，但已经转变成所谓的钢制活塞环，这种环是将钢丝形成环状而制成的。具体地，通常这种活塞环的制造方法有以下步骤：对具有预定组成的铸件进行热加工，如锻造和热轧，得到细丝原料，进一步进行抽丝及类似操作，得到对应活塞环小截面形状的钢丝材料，然后进行硬度回火和弯曲，形成具有确定曲率的环状。

现在，通常在一个活塞上安装三个环，即由燃烧室侧面看到的顶部环、第二个环和油环，但最近的趋势是，位于严重暴露于恶劣条件的位置上的顶部环和油环由钢形成，从而使其功能得到增强。至于其背景，在最近几年，对于打算用来代替内燃机的电动汽车等的研究成果已经很显著了，并且也进行了进一步改进内燃机的努力。

另外，最近几年，还进行了有关发动机内部现象的研究，按照Saito等人的研究(“有关恶劣操作条件下的柴油机磨损的研究”in ResearchPresentation Lecture Meeting 1999 by Kyushu Branch of the Japan Societyof Mechanical Engineers(1999))，其指出在通常状态下，在三个环中，由铸铁形成的第二个环磨损最严重。更换成钢制环的进一步的原因在于这样一些方面，例如其跟随性需要得到加强，这是因为为了加强发动机的环保性能而进行的环结构的变薄设计，另外同其背景一样，活塞环的机械强度当然也需要加强。另外，有关活塞环制造步骤的技术转变及容易扩建也变成了主要原因。

在机械性能和耐磨方面，钢制活塞环大大优越于铸铁环，但在防卡性能方面钢制环则较差，而这一点是钢制活塞环特别不用作第二个环的原因之一。为了解决这一问题，如JP-A-10-30726所公开的，在钢制活塞环中进行表面处理如渗氮等，该处理在钢制活塞环与气缸内衬接触的表面上进行。但在成本方面及防止Al粘着在与活塞接触的表面上，这种表面处理是不够的。

另外，也试图在不进行任何表面处理的情况下解决这一问题，JP-B-58-46542等提出在钢制活塞环的组成中加入不少于10％的Cr，以增加活塞环的钢中在性能／成本方面均优越的Cr基碳化物。增加碳化物的量可以使耐磨性明显增强，但其防卡性能的增强效果是轻微的，并且还担心引起制造麻烦，如恶化机加工性能。

本发明的一个目的是满足上述技术尚未达到的所有三个方面：(1)防卡性能在活塞环的整个表面上均得到增强；(2)一种活塞环，其制造材料除了具有增强的防卡性能外，还具有增强的机加工性能；(3)即使在形成小截面的活塞环形状时，该活塞环也能保持足够的机械性能。

作为解决上述问题的各种研究的结果，发明人已经发现，向含有0．3-0．8％C作为主要成分的低合金钢中加入足够量的S，可以有效增强防卡性能及加工性能，优选同时加入S和Ca，可以达到显著效果，并且实现本发明。

在传统技术中，S是有机的，并且作为极压添加剂加入到发动机油中，防止卡住。另一方面，发明人已经发现，当硫化物如MnS形成并存在于钢中时，S在由于磨擦生热而在磨擦表面新产生的表面上原位形成硫化物膜，而这一点有效增强了润滑性能。按照这一点，由于润滑物质分布在材料中，当在必要的局部位置增加润滑作用时，则不需要加入大量的润滑物质。另外，与极压添加剂不同，即使在换油的情况下，也不会没有效果，并且可以希望达到半永久的功能。

另外，增加钢中的Cr基碳化物，通过渗氮增大表面硬度，以及传统技术中的类似操作，目的是为了在磨蚀条件下，增大与铸铁内衬材料耐磨性的差异。但在不均匀接触的状态下通过促进内衬侧的磨损，从而增大其接触面积，这些操作也增大了防卡性能，这些操作旨在防止发生负载密度局部的、非正常的增大。即这些操作涉及改善初始安装的活塞环的适应性的技术，但对于改善抵抗长期恶化的磨损如粘附磨损所需要的耐磨性能，则几乎不起作用。

另外，耐磨性能过度增强会造成冲击内衬侧的状态，其发展会造成空隙等的增大，从而与废气量相关的漏气量增大。由于硫的上述效果在不加重材料磨损的情况下，通过降低磨擦系数增强了防卡性能，这带来了极好的优点，如即使在发动机操作进行时，也能保持空隙变化较小的状态。

具体地，按照本发明的第一方面，提供了一种细长的、具有自润滑性能的活塞环材料，该材料适合生产用于内燃机的活塞环，该活塞环材料含有重量组成主要如下的钢：不少于0．3％但少于0．8％的碳、0．1-3．0％的硅、0．1-3．0％的锰、0．03-0．3％的硫、0．3-6．0％的铬、0-3．0％的铜、以及余量的铁，该活塞环材料含有硫化内含物，当在材料的纵向结构方向观测时，每个硫化内含物均具有不少于3的纵横比，即最大尺寸与最小尺寸的比，硫化内含物在纵向结构中是定向的，从而在穿过任何一个硫化内含物最大尺寸的一条假想直线与另一条穿过另一个硫化内含物最大尺寸的假想直线之间的交角不超过30度。

按照本发明的第二个方面，提供了一种具有自润滑性能的活塞环材料，该材料适合生产用于内燃机的活塞环，该活塞环材料含有重量组成主要如下的钢：不少于0．3％但少于0．8％的碳、0．1-3．0％的硅、0．1-3．0％的锰、0．03-0．3％的硫、0．3-6．0％的铬、0-3．0％的铜、以及余量的铁，该活塞环材料含有硫化内含物，当在平行于由该活塞环材料形成的活塞环的外周边的面内的结构观测时，每个硫化内含物均具有不少于3的纵横比，即最大尺寸与最小尺寸的比，硫化内含物在结构中的分布状态是这样的，即在穿过任何一个硫化内含物最大尺寸的一条假想直线与另一条穿过另一个硫化内含物最大尺寸的假想直线之间的交角不超过30度。优选加入不超过0．01％的Ca，并且Cr的范围为3．0-6．0％或0．3-1．0％。顺便提及的是，活塞环材料的外周边指的是由该材料形成的活塞环的外周边表面，即平行于纵向方向的钢丝材料表面。

另外，在活塞环材料中或在活塞环中，在结构中非金属内含物的面积比可以不超过2．0％，并且除了上述组成外，该活塞环材料或活塞环可以含有至少一种总量不超过0．5％的、选自V、Nb和Ti的物质，和／或可以含有不超过1．5％的Al。

以下将参考附图和实施例更为详细地描述本发明，在附图中：

图1为Cr含量与碳化物的种类及含量关系的说明图。

图2给出了显示硫化内含物交角及其示意图的微观结构照片简图。

图3的说明图给出了由应力方向和裂缝发展方向所形成的角的影响，该影响是加在应力强度因子上的。

图4的示意图给出了极高压力的磨擦损耗测试方法。

图5的示意图给出了往复移动的磨损测试方法。

图6A和6B的示意图和剖面图分别给出了体现本发明的活塞环的一个实施例。

本发明的特征在于提供了一种由含有0．3-0．8％C作为其主要成分的低合金钢制成的活塞环，该活塞环具有自润滑性能，这种自润滑性能是由存在于钢中的硫化内含物带来的，从而使防卡性能得到增强，并且使部件的磨损最小。下面将详细描述本发明。

C(碳)是一种重要元素，一部分C溶解于基质中，以提供低合金钢的强度，而另一部分C形成碳化物，以增强耐磨性能和防卡性能。由于这一原因，至少0．3％的C是必须的。但不少于0．8％的C使得很难将材料加工成钢丝或将材料弯成环状。由于在活塞环中，通过提高其生产率而便宜地制造活塞环是特别重要的，因此将C含量设定为低于0．8％。

由于Si通常是作为脱氧剂加入的，其下限设定为0．1％。另一方面，Si影响钢的回火软化行为，并且Si的这种影响在低合金钢中是特别重要的。使回火软化处理及耐热强度的增大均最小的优选Si含量为1．0％或更大。但由于其过量加入降低了冷加工性能，因此将Si的上限设定为3．0％。

虽然Mn与Si类似，也用作脱氧剂，并且0．1％的最小值是必须的，但过量加入会恶化热加工性能。因此，将其上限设定为3．0％。

部分Cr与C化合形成碳化物，并使耐磨性能与防卡性能得到增强，另外，它的一部分溶解于基质中，增强了耐腐蚀性能和抗回火软化性能。另外，该组分对于保持足够的硬化程度从而得到足够的热处理硬度是必须的。最重要的是要控制沉积的碳化物的种类，以达到本发明的第一个目的，在不进行任何表面处理的情况下增强滑动性能。

当控制用于本发明的合金(Fe-0．55％ C-0．2％ Si-0．2％的Mn钢)中的Cr时，图1的曲线用于通过热力学计算来估计并设计沉积物量的变化和种类的改变(当合金组分的总量设为1时，按原子比计算并表示沉积物的量)。可以看出，随着加入到合金中的Cr量的增大，最硬的碳化物M₇C₃(Vickers硬度：2400 HV)的量增大，但当Cr量为大约6％时，碳化物M₇C₃的量达到最大值。即可以看出，当设计通过最小的Cr加入量而使耐磨性能最大时，0．3-6．0％的Cr是优选的组成。在Cr含量面积低于该优选范围时，其作用变小，但当至少加入0．3％时，可以保持足够的硬化程度，并且生产率得到提高。

但是，在由于其过量加入而使马氏体基质中的Cr量增大的情况下，氧化物倾向于在提供润滑性能的硫化物形成之前，在发生卡住的表面上优先形成，从而使防卡性能恶化。这是由于当有高于5％的Cr加入时，沉积的主要碳化物由M₇C₃变成M₂₃C₆，致使在碳化物中吸收的Cr量降低，而在马氏体基质中的Cr量大大增加。另外，由于在这种情况下，沉积的主要碳化物的硬度也降低，如上文所述使耐磨性能恶化。因此，Cr的上限被设定为6．0％。

如上文所述，在低Cr含量面积时，碳化物的上述作用较小，但当生产率、特别是冷加工性能重要时，该面积是优选的。在这种情况下，为了充分保持硬化程度，优选设定Cr含量至少为0．3％，并设定其上限为1．0％。

在本发明中最重要的元素是S。在由传统钢丝制成的活塞环中，如上文所述，其防卡性能是不够的，但通过加入适当量的硫，可以大大改善防卡性能。大多数S与Mn化合形成MnS，该物质对发动机油起作用，并带来润滑效果，从而降低磨擦系数，增强防卡性能。

卡住是一种现象，其中磨擦表面的温度由于磨擦生热而升高，并且其中由于热振动在材料之间发生原子移动，导致发生粘附作用，而且磨擦表面的温度由磨擦能量的单调增加函数来表示(=磨擦系数×载荷密度×滑动速度)。因此，当磨擦系数下降时，该温度不容易上升，而且防卡性能得到增强。为了达到该效果，至少0．03％的S是必须的，但其过量加入会导致机械性能恶化，在形成钢丝的抽丝步骤容易发生断裂，钢制活塞环就是由该钢丝形成的，因此其上限设定为0．3％。

另外，本发明人还发现，对于其中加入高达0．3％的S的钢制活塞环来说，在机械性能方面，优选增大在活塞环的制造过程中执行的锻造比。具体地，利用大的锻造比，使活塞环的机械性能得到增强，并且在用于钢制活塞环的弯曲过程中，大的锻造比成为抑制断裂／破碎的手段，钢制活塞环是通过按照预定曲率弯曲钢丝得到的。

顺便提及的是，在这种情况下的锻造比是由活塞环制造过程中，从铸件到活塞环产品所造成的面积减小来定义的。也就是说，它是(锻造之前的铸件截面积)／(弯曲之后的产品截面积)，即与锻造及抽丝方向垂直的铸件截面积和最终活塞环产品截面积的比值。但在达到本发明效果的范围内，在通过弯曲将钢丝加工成活塞环产品的过程中，面积减小的变化可以忽略，并且可以利用锻造比估计(锻造之前的铸件截面积)／(弯曲之前(锻造之后)的钢丝截面积)。较高的锻造比意味着锻造是在较高的程度下进行的。

在含有硫化物如MnS的铸态(初始结构)钢中，许多球形或纺锤形的硫化物存在于固化晶胞结构的晶粒边界三层重叠的位置，并且它们的取向是随机的，但随着锻造比的增大，硫化物发生取向，并使机械性能得到改善。

当锻造比增大时，在钢丝中硫化物沿钢丝长度方向的取向增加，即硫化物沿着主要作用在活塞环上的周边应力方向延伸，并且机械性能几乎不会恶化。在延伸后的硫化物中，即每种硫化物均具有3或更大的纵横比(最大尺寸／最小尺寸)时，这种效果是特别明显的。因此，在纵横比为3或更大的硫化物的取向不是朝着周边方向增加的情况下，则如下文所述，发生机械性能的恶化。

具体地，当在平行于活塞环外周边表面的结构处观测时，纵横比为3或更大的硫化内含物的分布状态是使通过两个硫化内含物最大尺寸的两条直线间的交角(锐角)不超过30度，则可以得到满足本发明效果的活塞环，并且得到这种硫化物分布的锻造比优选为500或更大。

图2是在以锻造比为1(为铸钢)和500锻造的钢未经蚀刻的情况下，利用光学显微镜观测到的放大400倍的微观结构简图，以及测量硫化内含物交角的示意图。在选择好任意两个纵横比为3或更大的硫化内含物之后，在视觉观测范围内，重复测量穿过各最大尺寸的直线A、B所形成的锐角。该测量至少在10个视觉范围内进行，并且将该角度的最大值定义为交角。如果在视觉范围内没有相交(例如，在图2中锻造比为500时)，可以用平行于直线A的直线A′作为辅助线。另外，术语“一片硫化内含物”定义为在400倍的光学显微镜下观察时，作为一个连续内含物出现的硫化内含物，并且穿过最大尺寸的直线被用作测量线。

在图2中，在锻造比为1时，存在交角超过30度的硫化内含物，但可以看出，在锻造比为500的情况下，可达到不超过30度的交角。具体地，在fructure机理中，30度的数值是设计值。图3给出了G．R．Irwin的分析计算结果(参见“靠近横穿金属板的裂缝末端的应力和应变分析”，Trans．ASME．Ser．E．J．Appl．Mech．，第24卷，No．3(1957)，第361-364页)，并给出了当在应力方向和裂缝发展方向之间形成一定的角度时，应力强度因子的变化，并由下列公式表示：

K_I=(1-cos²β)·σ(πa)^1／2其中，KI为应力强度因子，该因子为发展裂缝的推动力，β为应力方向和裂缝方向之间所形成的角，σ为应力，π为圆的周长与其直径的比，α是裂缝长度。当裂缝与应力成直角存在(β=90°)时，裂缝很容易发展，当裂缝沿着应力方向存在(β=0°)时，裂缝不会发展，而当角度超过30度时，裂缝容易发展(即应力强度因子大幅度上升)。在考虑内含物在动态连接中较差，因此可以被视为裂缝时，已经发现，重要的是在30度的范围内控制有关内含物分布的取向变化。另外，已经发现，重要的是提供适当的延伸内含物的取向。

S是恶化钢的机械性能的代表性元素。在含S钢的情况下，如果不针对强度恶化采取对策的话，则很难形成钢制活塞环。例如，JP-A-7-258792，其中高达1％的S加入量是可能的，该专利甚至包括一种不能达到足够的锻造比的气缸内衬，并且在原理上涉及一种铸钢。实际上，塑料加工技术如抽丝、轧制和弯曲，使形成相对低成本的钢制活塞环成为可能。也就是说，在利用这些步骤，将S含量高达1％的钢加工成活塞环钢丝的情况下，塑料加工所要求的材料强度是不够的，在抽丝过程中会发生断裂，从而不能得到钢制活塞环。

如上文所述，按照本发明当然可以达到优良的活塞环机械性能，并且该技术是针对锻造比相当高的滑动产品特别确定的。因此，限制活塞环的S含量在0．03-0．3％的范围内。

另外，为了进一步增强S的上述效果，将Ca和S一起加入是有效的。由于Ca存在于MnS中，它很容易流出至卡住表面。另外，由于Ca有很强的还原性，可避免在卡住表面上生成氧化物，而利于硫化物形成，从而增强润滑性能。但由于Ca的过量加入会恶化热加工性能，因此Ca的含量优选为0．01％或更少。为了达到上述效果，其含量优选为0．0001％或更多，进一步优选为0．0005％或更多，最优选为0．002％或更多。另外，同时加入S和Ca不仅在增强防卡性能方面有效，而且在增强机加工性能及研磨性能方面也是有效的。

由于Cu被压实并熔融于晶粒边界中，并恶化了热加工性能，因此其含量过大会在与钢制活塞环制造有关的细丝原料的热加工过程中导致钢材料断裂。因此Cu的含量设定在0-3．0％的范围内，优选为0-2．5％，进一步优选为不少于0但少于0．5％。另一方面，与Ca类似，Cu是抑制在新形成的、刚好在卡住之前形成的钢表面上生成氧化物的元素，从而增强了S的作用。元素Cu是已知的耐气候钢的添加元素，但这种抑制生锈的作用并不象Cr的耐腐蚀作用那样形成钝化的氧化物层，而是钢的亲合作用，使氧被还原，从而充分达到S添加材料的润滑性能。为了达到这一效果，0．1％或更多的Cu含量是优选的。

作为本发明的优选条件，将占据结构的非金属内含物的面积比限定为2．0％或更少的原因，是由于在该优选范围内，在加工成钢丝材料的抽丝过程中不发生断裂，在将细丝材料形成环形形状的过程中避免发生破碎，并且使高生产率的制造成为可能。

为了固定溶解在钢中的N(氮)，至少可以加入元素V、Ti和Nb中的一种。由于N处于固体溶液状态，在大约250℃时，在钢中发生应变老化，并且在钢丝制造过程中，在冷塑加工时，生产率大大降低。因此，通过加入少量的这些元素，并且在退火过程中将N固定为MX型化合物，可以使制造数量通过，中间退火次数减少，并且可以使生产率提高。但由于其过量加入恶化了机加工性能，因此将所加入的这些元素的总量设定为0．5％或更少。为了达到这一效果，该含量优选为0．1％或更多。

元素Al和Cr一起提高了渗氮硬度。由于在本发明中不能提高Cr的含量，因此可以由Al来保持渗氮硬度。但由于过量加入Al会形成钝化层，并且抑制防卡性能，因此将上限设定为1．5％。另外，为了达到这一效果，Al含量优选为0．01％或更多。

另外，在本发明中，表面处理如渗氮、PVD和镀Cr可以组合起来使用。具体地，可以使用镀Cr、PVD和渗氮处理中一种或两种的组合，对用于内燃机的活塞环进行表面处理。渗氮作用增加了本发明的优点，从而增强了防卡性能和耐磨性能。另外，即使PVD和镀Cr处理不会给本发明带来协同效应，但其对本发明的贡献在于，避免在与活塞接触的未处理表面上形成Al的粘附。即使在表面涂层被磨掉的情况下，由于本发明的S的作用，也会延长发动机的运行寿命。

关于在活塞环和用作活塞材料主要成分的Al之间的滑动性能，其中滑动性能是与活塞有关的一个具体问题，对于钢而言，Al本身具有很低的耐磨性能，从而使传统的磨损控制法，如利用不同材料之间的耐磨性能差异，是不能被完全采用的。为了控制Al和Fe的反应，对于本发明来说，主要是加入S，其中进行的是化学活性控制。

另外，在钢中可以按下列范围含有下列元素，以形成本发明的活塞环：

P≤0．1％，Mo≤1．0％，W≤1．0％，Ni≤2％，

Mg≤0．01％，B≤0．01％，Zr≤0．1％

下面将通过实施例描述本发明的效果。

实施例1

在大气中，通过高频感应熔融，得到按表1所示组成制备的试样编号为1-8、10的铸件(截面尺寸为220×220mm)。在这些试样中，试样1-5符合本发明的组成，而试样6为Si-Cr钢，试样7为JIS-SUJ2，试样8为高S材料，试样10为高Cu材料，而编号为6-8和10的对比例没有落在本发明的组成范围内。另外，试样9为铸铁JIS-FC250，并且通过将熔融金属铸成模而被制成铸铁活塞环。

表1

首先，对这些铸件进行热加工及冷加工，得到截面尺寸为9mm×9mm的细丝状原料(锻造比：大约598)。顺便提及的是，试样10可以被铸造，但这种钢材在后续的热加工步骤中会破碎，从而不能形成测试件。接着在退火处理后，进行预定的硬化／回火处理，并且将硬度调节到大约520HV。然后，对于调节硬度后的细丝状原料，按照上文所述的步骤测量硫化内含物(纵横比≥3)之间所形成的交角，硫化内含物存在于同纵向表面平行的结构中，该纵向表面将成为活塞环的外周边表面。试样9是将表1中的熔融合金铸成截面尺寸为9mm×9mm的模型而形成的。

利用这些试样，评估防卡性能(磨损载荷)，以检测活塞环的基本性能。该测试方法是针对下文给出的条件，利用图4所示的超高压力磨擦损耗试验器进行的，并且认为载荷迅速上升的时刻为卡住开始的时间。该评估结果与硫化物交角及测试件的硬度一起示于表2中。

滑动表面形状：5mm×5mm的方形

磨擦速度：1m／s

磨擦表面压力：初始压力为1MPa，每3分钟增加1MPa

润滑油：#30号发动机油

配件(counterpart)：JIS-FC250(JIS灰铸铁)

表2

另外，通过往复移动磨损试验评估耐磨性能。该操作包括对着直径为20mm的配件(JIS-FC250)通过往复移动磨擦测试件，并测量磨损宽度，该测试件是单独形成的，直径为8mm、长度为20mm，测试的示意图示于图5中，其它测试条件在下面给出。评估结果示于表3中。

挤压载荷：500N

每次往复移动的滑行距离：130mm

最大滑动速度：0．5m／s

润滑油：#30发动机油(滴加)

表3

试样编号磨损宽度(mm) 备注

1 0．54 本发明

2 0．65 本发明

3 0．71 本发明

4 0．50 本发明

5 0．51 本发明

6 0．72 对比例

7 0．56 对比例

8 0．58 对比例

9 1．53 对比例

由表2、3可以很明显地看出，试样1-5符合本发明，具有极好的防卡性能和极好的耐磨性能。另一方面，试样9(铸铁FC250)具有大的磨损宽度和不足的耐磨性能。试样6(Si-Cr钢)、试样7(JIS-SUJ2)在耐磨性能方面是符合要求的，但在防卡性能方面是不足的。

在第一个实施例中，可以假定用于评估的试样状态与弯曲成环形状之前的活塞环钢材相同。不在弯曲状态评估或测量活塞环的防卡性能及耐磨性能的原因，是由于在所涉及的截面积较小的环形活塞环范围内，很难使每个试样均具有获得准确测量结果所必须的形状(尺寸)。但由于在弯曲之前，在钢丝状态下所观测到的硫化内含物的交角，即使在弯曲的活塞环状态下也基本上不变，并且由于在弯曲过程中纵横比也不变，因此在第一个实施例中，已经充分评估了本发明的活塞环。

实施例2

在具有表1组成的试样1和试样8均通过热轧形成直径为5．5mm的线圈后，通过抽丝和冷轧形成截面尺寸为1．5mm×3．1mm的扁丝状。试样1能够进行加工，没有任何问题，但试样8则由于恶化的冷加工性能而在抽丝过程中断裂。当在抽丝之前，在结构与后续的抽丝／轧制方向成直角时，通过图像分析测量钢坯状态下占据结构的非金属内含物的面积比，得出试样1为1．95％，试样8为2．52％，断裂的原因在于S含量较高并且非金属内含物的面积比超过了2．0％。

为了防止细丝原料在弯曲过程中破碎，即使在弯曲之前的钢丝状态下，占据结构的非金属内含物的量优选为2．0％的面积或更少，并且该非金属内含物的量最终反映在活塞环状态的观测结果中。实施例3

按照第二个实施例所述的过程，对表1中的试样1-7进行加工，形成截面尺寸为1．5mm×3．1mm的扁丝状，在1000℃下保持30分钟后进行硬化，并进行回火，使硬度为大约510HV。然后，利用砂轮切削刀具，在转数为180000s^-1、进料速度为1mm／s的条件下，切削10次，并检测毛刺发生的频率。表4给出了发生频率。

表4

试样编号毛刺发生频率备注

1 0 本发明

2 0 本发明

3 0 本发明

4 0 本发明

5 0 本发明

6 8 对比例

7 10 对比例

在试样6、7中可看到毛刺，而在加入适量S的试样1-5中看不到毛刺，并且可以看出，本发明加入S对减少毛刺是很有效的。这使完全自动的活塞环生产线成为可能。

实施例4

使用单独形成的、与表1中的试样1具有相同组成的铸件，在热加工及冷加工过程中形成尺寸为3．0mm×1．2mm的细丝原料，在加工过程中锻造比在1和10000之间变化(见图6)。接着通过硬化／回火使硬度为400HV，并且在平行于细丝原料纵向表面的结构处测量硫化内含物(纵横比≥3)的交角，其中细丝原料的纵向表面将成为所形成的活塞环的外周边表面。

接着针对硬度调节后的细丝原料进行跨度为30mm的三点弯曲测试。弯曲材料，直到观测到10mm的位移，未断裂的材料用标记“O”表示，断裂的材料用另一个标记“X”表示。当通过轧弯使硬化／回火处理后的细丝原料形成具有预定曲率的活塞环时，这一点用于评估可成形性。结果示于表5中。

表5

试样编号锻造比交角(°) 断裂／未断裂备注

1-1 1 86 X 对比例

1-2 10 43 X 对比例

1-3 500 28 O 本发明

1-4 2000 11 O 本发明

1-5 10000 5 O 本发明

当锻造比低、并且当硫化内含物的交角超过30度时，机械性能恶化，并且在将细丝原料弯曲成环形形状的过程中发生断裂。接着将弯曲加工性能极好的细丝原料弯曲，使之形成形状如图6所示的活塞环后，在平行于外周边表面的结构处，观测到的上文所述的硫化内含物的交角基本上与细丝原料相同。

在细丝原料中观测到的硫化内含物的交角，如上文所述反应在弯曲后的活塞环状态中。另外，当截面积较小的活塞环装在发动机上时，由于机械性能不够，担心会发生疲劳断裂，在硫化内含物的交角为30度或更小的情况下，如本发明，可以保持足够的机械性能。

按照本发明，可以提供一种具有自润滑性能的活塞环，因此在不进行任何表面处理的情况下，其防卡性能也是极好的，从而其对气缸内衬及活塞的冲击性能减弱。另外，由于加工性能如制造过程中的机加工性能也得到增强，并且由于制造成本和交付周期可以减少，因此该活塞环在性能和制造方面都是极好的。由于装有这种活塞环的内燃机有望对提高环保性能及耐用性作出贡献，因此具有显著的工业优势。

Claims

1、一种细长的、具有自润滑性能的活塞环材料，该材料适合生产用于内燃机的活塞环，该活塞环材料含有重量组成主要如下的钢：不少于0．3％但少于0．8％的碳、0．1-3．0％的硅、0．1-3．0％的锰、0．03-0．3％的硫、0．3-6．0％的铬、0-3．0％的铜、以及余量的铁，该活塞环材料含有硫化内含物，当在材料的纵向结构方向观测时，每个硫化内含物均具有不少于3的纵横比，即最大尺寸与最小尺寸的比，硫化内含物在纵向结构中是定向的，从而在穿过任何一个硫化内含物最大尺寸的一条假想直线与另一条穿过另一个硫化内含物最大尺寸的假想直线之间的交角不超过30度。

2、如权利要求1所述的活塞环材料，其中，占据结构的非金属内含物的面积比不超过2％。

3、一种具有自润滑性能的活塞环材料，该材料适合生产用于内燃机的活塞环，该活塞环材料含有重量组成主要如下的钢：不少于0．3％但少于0．8％的碳、0．1-3．0％的硅、0．1-3．0％的锰、0．03-0．3％的硫、0．3-6．0％的铬、0-3．0％的铜、以及余量的铁，该活塞环材料含有硫化内含物，当在平行于由该活塞环材料形成的活塞环的外周边的面内的结构中观测时，每个硫化内含物均具有不少于3的纵横比，即最大尺寸与最小尺寸的比，硫化内含物在结构中的分布状态是这样的，即在穿过任何一个硫化内含物最大尺寸的一条假想直线与另一条穿过另一个硫化内含物最大尺寸的假想直线之间的交角不超过30度。

4、如权利要求3所述的活塞环材料，其中，占据结构的非金属内含物的面积比不超过2％。

5、如权利要求1或3所述的活塞环材料，其中，所述的钢还含有不超过0．01％重量的钙。

6、如权利要求1或3所述的活塞环材料，其中，所述的钢还含有3．0-6．0％重量的铬。

7、如权利要求1或3所述的活塞环材料，其中，所述的钢还含有0．3-1．0％重量的铬。

8、如权利要求1或3所述的活塞环材料，其中，所述的钢还含有至少一种总量不超过0．5％重量的选取自钒、铌和钛的组分。

9、如权利要求1或3所述的活塞环材料，其中，所述的钢还含有不超过1．5％重量的铝。

10、一种具有自润滑性能的、用于内燃机的活塞环，该活塞环含有重量组成主要如下的钢：不少于0．3％但少于0．8％的碳、0．1-3．0％的硅、0．1-3．0％的锰、0．03-0．3％的硫、0．3-6．0％的铬、0-3．0％的铜、以及余量的铁，该活塞环含有硫化内含物，当在与活塞环外周边同轴的面内的结构中观测时，每个硫化内含物均具有不少于3的纵横比，即最大尺寸与最小尺寸的比，所述内含物在结构中的分布状态是这样的，即在穿过任何一个硫化内含物最大尺寸的一条假想直线与另一条穿过另一个硫化内含物最大尺寸的假想直线之间的交角不超过30度。

11、如权利要求10所述的活塞环，其中，占据结构的非金属内含物的面积比不超过2％。

12、如权利要求10所述的活塞环，其中，所述的钢还含有不超过0．01％重量的钙。

13、如权利要求10所述的活塞环，其中，所述的钢还含有3．0-6．0％重量的铬。

14、如权利要求10所述的活塞环，其中，所述的钢还含有0．3-1．0％重量的铬。

15、如权利要求10所述的活塞环，其中，所述的钢还含有至少一种总量不超过0．5％重量的选取自钒、铌和钛的组分。

16、如权利要求10所述的活塞环，其中，所述的钢还含有不超过1．5％重量的铝。