JP2008510071A - ピストンリング用の鋳鉄材 - Google Patents

Abstract

本発明は鋳鉄材料に関する。本発明は特に、優れた耐食性、耐摩耗性および曲げ強さを備え、マルテンサイトおよび／またはオーステナイトの割当て分を有するフェライトからなる基質構造を有し、ピストンリングの製造に適する新しい鋳鉄材料に関する。

Description

本発明は、鋳鉄材、特に基体としてこの鋳鉄材を有するピストンリングに関する。本発明は特に、オーステナイトおよび／またはマルテンサイトの特定配合割を有する針状フェライトを含む新しい鋳鉄材に関する。

鋳鉄材は、特別な組成パラメータおよび／または方法パラメータの使用によって調整することができる様々な微視的構造の状態で存在することができる。

熱処理によって製造されるベイナイト基本組織からマルテンサイト基本組織までを有する鋳鉄材は、例えばドイツ特許ＤＥ２４２８８２１Ａに記載されている。この基本構造には、フェールセーフ特性（Notlaufeigenschaften)を保証するために薄片状から骨状の黒鉛析出物が含まれている。

パーライト鋳鉄および／またはフェライト鋳鉄の製造方法は、米国特許第３５６５６９８号に記載されている。ここでは、原料が合金と溶融状態で混合され、鋳造されて未加工鋳造品（Rohling)となる。鋳込み後に未加工鋳造品は、セメンタイトを溶解して黒色可鍛鋳鉄を生成するために、９００℃〜１０５０℃の範囲内の温度に熱せられる。米国特許第３０００７７０号に記載されているように、かなりの量のイオウを原料に加えることによって、加熱時間を短縮することができる。

鋳鉄材もしくは鋳鉄合金は、例えばピストンリングなどの内燃機関の高い応力を受ける部分を製造するために使用される。ピストンリングは高い応力を受けるエンジンにおいて、例えば圧縮圧、燃焼温度、潤滑膜減少などの増加する応力の下にあり、この応力は磨耗、耐燃焼痕、微細溶接、耐食性などの機能特性に決定的な影響を及ぼす。

ピストンリングは、ピストンヘッドとシリンダ壁の間に存在する間隙を燃焼室に対して密閉している。ピストンの上下動の際に、ピストンリングは、一方ではその外周面によって常に弾力的な設計でシリンダ壁に対して滑動し、他方ではピストンリングは、ピストンの傾斜動作が原因でピストンリング溝の中を振動しながら滑動し、その際に、その側面はピストンリング溝の上側面と下側面に交互に隣接する。そのつど互いに摺動する滑動対向部分では、材料に応じて多少の強い磨耗が発生し、これが乾燥摺動の場合に、いわゆる、かき傷、刻み目発生、ついにはエンジンの破損につながる可能性がある。シリンダ壁に対するピストンリングの滑動挙動および磨耗挙動を改善するために、ピストンリングはその周囲表面に被覆が備えられた。

例えばディーゼルエンジンまたは２サイクルエンジンなどの高い応力を受けるエンジンにおける圧縮リングは、例えば好ましくは、例えばクロムセラミック被覆、ＰＶＤ層、熱噴射層（thermische spritzschicht)、または研磨可能層(Einlaufschicht)などの摺動面被覆を備える鋳造ピストンリングとして設計される。

ピストンリングにおいて機械的および動的応力がさらに高い場合には、大抵高クロム合金マルテンサイト鋼が組み込まれる。ただしこの鋼の導入は、鋳鉄部材と比較して製造コストがかなり高くなるという欠点がある。

さらに欧州特許ＥＰ１３８４７９４Ａ１には、特定の化学組成を示し、鋼に匹敵する機械的性質を達成するためにオーステナイト化処理とこれに続く等温焼入れ法を含む熱処理を受ける、ピストンリング用の鋳鉄材が記載されている。球状黒鉛形成添加物の投入によって、球粒状材料が保持される。ピストンリングの場合、この鋳鉄材は、鋳鉄材の機械的性質を向上させる最適熱処理を受けるために少量のフェライトを含むパーライトからなる基質を有する。この熱処理によって、ベイナイト化オーステナイト基質組織が生成されるが、高い使用温度では軟化するという欠点があり、この場合、ベイナイト化オーステナイト構造はベイナイト化微細パーライト構造に反転する。この効果は内燃機関におけるこの物質の投入を妨げている。そのわけは、接線力などの本質的な機能性に悪い影響を与えるからである。

本発明の目的は、高い耐磨耗性を有し、製造コストが高くなることがない、鋳鉄材を提供すること、ならびに破損の危険性が低減され、高い機械的動的負荷の場合であっても機能挙動が長い使用寿命にわたって保証されるピストンリングを提供することである。

本発明によれば、これらの目的は特許請求の範囲の請求項１に記載の鋳鉄材および請求項１２に記載のピストンリングによって達成される。

従属請求項には、本発明の有利な実施形態が含まれている。

本発明によれば、複数の相を有するマトリックスを示す鋳鉄材が提供される。この複数の相は、オーステナイトおよび／またはマルテンサイトからなる部分を伴う相が混合した状態の針状フェライトが含まれるように、熱処理が行われることでマトリックス中に導入される。相の割合としては、＞５０％の針状フェライト、＜３０％のオーステナイト、＜５０％のマルテンサイトである。好ましい実施形態では、＜３０％のオーステナイトと＜３０％のマルテンサイトを有する＞７０％の針状フェライトからなる相混合物が存在する。特に好ましい実施形態では、相混合物は、＜５％のオーステナイトと＜１５％のマルテンサイトを有する＞８０％の針状フェライトから構成される。フェライトはこの場合、セメンタイトのないフェライトまたはセメンタイトを含むフェライト、およびこれらの混合物とすることができる。特に、フェライトはセメンタイトのない針状フェライトおよび／またはセメンタイトのない針状フェライトである。フェライトは、５０％のセメンタイトのない針状フェライトと５０％のセメンタイトに富む針状フェライトからなる混合物、好ましくは＞７０％のセメンタイトのない針状フェライトと＜３０％のセメンタイトに富む針状フェライトからなる混合物、特に好ましくは＞８５％のセメンタイトのない針状フェライトと＜１５％のセメンタイトに富む針状フェライトからなる混合物を含有することが好ましい。

他の特に好ましい実施形態では、鋳鉄材のマトリックス組織は、相混合物が＞７０％のセメンタイトに富む針状フェライト、＜３０％のセメンタイトのない針状フェライト、＜１５％のオーステナイト、および＜３０％のマルテンサイトを含むように調整される。本発明による鋳鉄材は、接線力損失（Tangentialkraftverlust）が最高１０％、好ましくは最高５％、特に好ましくは最高３％になる点で優れている。接線力損失はＤＩＮ ＩＳＯ ６６２１、第５部によって確かめられる。

本発明による鋳鉄材は好ましくは次の化学組成（重量％）を示す。すなわち、炭素：３．０〜４．２、ケイ素：２．０〜３．５、マンガン：最高で１．０、リン：最高で０．４％、イオウ：最高で０．０５、クロム：最高で０．５、銅：最高で３．０、マグネシウム：最高０．１、スズ：最高で０．３、バナジウム：最高で１．０、モリブデン：最高で１．０、ニッケル：最高で３．０、残りが鉄および製造条件による汚染物である。この鋳鉄材は特に、高い耐磨耗性と曲げ強さによって優れている。同時に、本発明による鋳鉄材は、特に破壊傾向に有利な影響を及ぼす優れた靭性を利用できる。

好ましい一実施形態では、鋳鉄材は次の化学組成（重量％）を示す。すなわち、炭素：３．０〜３．５、ケイ素：２．５〜３．５、マンガン：最高で１．０、リン：最高で０．３％、イオウ：最高で０．０５、クロム：最高で０．５、銅：０．５〜３．０、マグネシウム：最高で０．０８、スズ：最高で０．２５、バナジウム：最高で１．０、モリブデン：最高で０．０８、ニッケル：１．０〜２．５、残りが鉄および製造条件による汚染物である。

鋳鉄材が、球粒状（sphaerolitisch)もしくは「球状」黒鉛形成を示すことは好ましい。この鋳鉄材はＧＪＳとしても表示される。この材料では、鋳造状態における炭素の主要部分は球状黒鉛の形で析出している。

球粒状鋳鉄材は、芋虫状（vermicullar)黒鉛鋳鉄材または薄片状黒鉛鋳鉄材と比較して、明らかに小さな切欠き作用（Kerbwirkung)と明らかに高い引張り強さおよび延性という利点を示す。球粒状鋳鉄材は、例えば、球状黒鉛形成添加物を鋳鉄材またはその溶湯に加えることによって特に生成することができる。球粒状鋳鉄材を製造するための１つの可能性は、技術の現況から周知のように例えばＭｇ処理による黒鉛転換である。改質方法の例として、ＧＦ（Ｇｅｒｏｇ−Ｆｉｓｃｈｅｒ社）コンバータ、サンドウイッチ法、流動法（Durchfluss)、コアードワイヤ射出処理法(Fulldraht-Injektionsbehandlung)がある。

鋳鉄材はさらに、チタン、ニオブ、タンタル、タングステン、ホウ素、テルル、及びビスマス、ならびにこれらの２以上の組合せからなる群から選択された元素を、特に０．１重量％までの量だけ含有することができる。この種の元素はカーバイドを形成しやすく、こうして耐磨耗性を向上させる。

さらに、鋳鉄材は、コバルト、アンチモン、カルシウム、ストロンチウム、アルミニウム、ランタン、セリウム、希土類元素、および、これらの２以上の組合せからなる群から選択された元素を、好ましくは０．１重量％までの量だけ含むことができる。またＮｉＭｇ、ＮｉＳｉＭｇ、ＦｅＭｇ、またはＦｅＳｉＭｇなどの球状黒鉛の核を形成する添加物として作用する希土類元素が好ましい。希土類元素には、別の金属の酸化物とランタン系列元素からなる混合物も含まれる。これらの元素および添加材料は製造条件により混入する汚染物であるか、または本発明による鋳鉄材の製造中に溶湯に加えられたものであることができる。

さらに、鋳鉄材は、鉛、亜鉛、窒素、およびさらに明記できない含有成分を０．１重量％まで含有することができる。この明記できない含有成分は、上述の、原料、成分、明記できない含有成分、元素、添加物の合計がいずれにしても１００重量％になるように含まれる。原料、成分、明記できない含有成分、元素、添加材料の割合は、当業者には周知の様々な方法によって調整される。

例えば元素または酸化物の形で存在する不足量の元素（微量元素）を、溶湯を得る前に例えば適当な量で原料に加えることができる。代替案として、不足量で存在する１つまたは各元素における濃縮を、溶湯を得た後にも行うことができ、この際、溶湯に、それぞれの元素またはそれぞれの元素の鉄合金が固体または流体の形で加えられる。

本発明による鋳鉄材は、１００〜１５０ＨＲＢ、好ましくは１１０〜１２５ＨＲＢの範囲にある硬度を有する。本発明による鋳鉄材からなるピストンリングの曲げ強さは２０００ＭＰａを超え、好ましくは３０００ＭＰａを超える。

最高１０％の接線力損失に基づき、本発明による鋳鉄材は特にピストンリングに適している。本発明による鋳鉄材は特にピストンリング、特に圧縮リング（Kompressionsring)の製造に適している。耐磨耗性を向上するために、ピストンリングを同様に、その摺動面および／または側面において部分的または全面的に対して被覆を行う、すなわち被覆層を形成することができる。

当業者には明らかなように、本発明による鋳鉄材を前述のように同様に負荷を受ける部品に使用することができる。特にこの鋳鉄材はさらに、歯車、歯車リング（Getriebering)、密封リング（Dinchtungsring)一般、およびパッキングリングなどの、特に内燃機関の負荷を受ける機械部品の製造に投入される。本発明による材料を特に自動車の分野と船舶ディーゼルエンジンの分野に投入することができる。

本発明による鋳鉄材の製造方法では、まず溶湯（Schmelze)が製造される。この溶湯は、炭素：３．０〜４．２、ケイ素：２．０〜３．５、マンガン：最高で１．０、リン：最高で０．４％、イオウ：最高で０．０５、クロム：最高で０．５、銅：最高で３．０、マグネシウム：最高で０．１、スズ：最高で０．３、モリブデン：最高で１．０、ニッケル：最高で３．０、残りとして鉄および製造条件による汚染物を含むことが好ましい。

引き続いて、溶湯の凝固の下で未加工鋳造品を製造する。

この場合、未加工鋳造品を、例えば遠心鋳造（Schleuderguss)、直接鋳造（Strangguss)、手動プレス法(Stempelpressverfahren)、クローニング法（Croning)、または生型鋳造（Gruensandformen)などの技術の現況においては周知の方法によって、単一または複数の未加工鋳造品として鋳造することができる。当業者は、未加工鋳造品の目的決定に基づいて、その全般的な専門知識の助けによって適切な方法を選択することになる。

鋳鉄材を製造するための方法はさらに、オーステナイト化とこれに続く等温または連続冷却および最高で５５０℃における焼戻し処理からなる熱処理を含む。

図１は、２％ナイタル(Nital)でエッチングされた本発明による鋳鉄材の鋳造構造を示す１０００倍の拡大図である。

下記の実施例は本発明を説明するものであるが、本発明はこれに限定するものではない。

先に述べた化学的組成を有する原料から溶湯を製造した。溶湯の凝固の下で、熱処理を受けた未加工鋳造品を製造した。

得られた未加工鋳造品の基本組織もしくは基質は、約８０％の針状のセメントに富むフェライト、約７％の針状のセメンタイトを含まない針状フェライト、約１０％のマルテンサイト、および＜３％のオーステナイトからなる。ピストンリングの機械的性質は次の通りであった。硬度は１１３．１ＨＲＢ、曲げ強さは＞１６００ＭＰａ、および接線力損失は約３％であった。

接線力損失はＤＩＮ ＩＳＯ ６６２１、第５部によって確かめた。

２％ナイタルでエッチングされた実施例に図示する鋳造材料の鋳造構造を、図１に１０００倍の拡大図で示す。

２％ナイタルでエッチングされた実施例に図示する鋳造材料の鋳造構造の１０００倍の拡大図である。

Claims (13)

1. ＞５０％の針状フェライトと＜３０％のオーステナイトと＜５０％のマルテンサイトとを含み、熱処理を受けたマトリックスを有することを特徴とする鋳鉄材。
2. ＞７０％のセメンタイトに富む針状フェライトと、＜３０％のセメンタイトを含まない針状フェライトと、＜１５％のオーステナイトと、＜３０％のマルテンサイトとを含むマトリックスを有することを特徴とする請求項１に記載の鋳鉄材。
3. ＞８０％の針状フェライトと、＜５％のオーステナイトと、＜１５％のマルテンサイトとを含むマトリックスを有することを特徴とする請求項１または２に記載の鋳鉄材。
4. フェライトが、セメンタイトに富む針状フェライト、セメンタイトを含まない針状フェライト、または、これらの混合物を含むことを特徴とする請求項１に記載の鋳鉄材。
5. 重量％として、
   Ｃ：３．０〜４．２
   Ｓｉ：２．０〜３．５
   Ｍｎ：最高で１．０
   Ｐ：最高で０．４
   Ｓ：最高で０．０５
   Ｃｒ：最高で０．５
   Ｃｕ：最高で３．０
   Ｍｇ：最高で０．１
   Ｓｎ：最高で０．３
   Ｍｏ：最高で１．０
   Ｖ： 最高で１．０
   Ｎｉ：最高で３．０
   残り：Ｆｅおよび製造条件による汚染物
   の組成を特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の鋳鉄材。
6. 粒球状または芋虫状であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の鋳鉄材。
7. 接線力損失が開放円形体の場合に最高１０％、好ましくは最高５％、さらに好ましくは最高３％であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の鋳鉄材。
8. Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｂ、及びこれらの混合物からなる群から選択された元素をさらに含む請求項１から７のいずれか一項に記載の鋳鉄材。
9. 前記元素が０．１重量％までの量だけ含まれることを特徴とする請求項８に記載の鋳鉄材。
10. Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｂ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｔａ、Ｓｒ、Ａｌ、Ｌａ、Ｃｅ、希土類元素、及びこれらの混合物からなる群から選択された添加材料をさらに含む請求項１から９のいずれか一項に記載の鋳鉄材。
11. 前記添加材料が０．１重量％までの量だけ含まれることを特徴とする請求項１０に記載の鋳鉄材。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の鋳鉄材を基体として含むピストンリング。
13. さらに側面および／または摺動面において被覆されていることを特徴とする請求項１２に記載のピストンリング。

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