TW521093B - Piston ring having improved scuffing, cracking and fatigue resistances, and its production method, as well as combination of piston ring and cylinder block - Google Patents

Description

521093 五、發明說明（i) 發明的背景 1·發明的領域 本發明是關於使用在内燃機的中的活塞環，更特別地 是，由氮化的高鉻麻田散體的不銹鋼組成之活塞環，其已 經改良刮擦抗性、破裂抗性及老化抗性。本發明也關於該 活塞環的製作方法。 2·相關技藝的說明 近來對於内燃機之低燃料消耗量、減輕重量及高效能 的要求，活塞環被弄薄以減少重量並且提高引擎的旋轉。 活塞環的材料性質，諸如耐磨性、耐刮擦性和耐疲勞性以 及類似的性質可以被改善，而使活塞環可以變薄。因此， 傳統的鑄鐵活塞環被鋼質的活塞環所取代，特別是因為後 者的耐疲勞性和耐熱性比前者更優#。不㉟，因為鋼的耐 刮擦性比鑄鐵的耐刮擦性差，任何的表面處理通常被用在 鋼的活塞環的滑動面。用於活塞環的鋼可以概略地分成碳 鋼、矽-鉻鋼和麻田散體的不銹鋼。這些分類通常與對個別 鋼材之不同種類之表面處理相符。那是，先前鉻電鍍最常 被用於鋼活塞環的表面處理，而且主要被應用在碳鋼和矽― 鉻鋼。氣體氮化主要被應用在麻田散體的不銹鋼。現在鉻 電鍍大概已經被氮化所取代，因為鉻電鍍的耐刮擦性較 差，而且電鍍的廢液必須被中和，才不會招致任何的環境 問題。 目則用於氣化活塞環的高鉻麻田散體不錢鋼主要是曰 本工業規格SUS440B，其相等組成物碳：〇 8〇·〇·95%、鉻 4

五、發明說明（2) Π.0-18.0%、矽：0.25-0.50%、錳：0.25-0.50%、鉬：0.70 -1·25°/〇、飢：〇·〇7-0·15%、其餘是鐵。當有這些組成之鋼進 行氮化時，氮原子會滲入並且擴散進入鋼中，同時形成一 氮化層，其包含氮化物。他們主要是鉻、釩和鉬的化合物， 其可能含有溶質鐵。該鋼的主要成分鉻被溶解在鐵基材 中’而且是以碳化鉻的形式存在。因為鉻對氮的親和力比 絡對高，在氮化期間，當氮由表面擴散的時候，氮和碳化 路之間會發生反應而生成氮化鉻。因為與SUS440B相當之 材料的鉻量南達17.0-18.0%，硬的氮化鉻被分散於適當面 積的氮化層中。因此，氮化層是相當硬的而且可改善耐磨 性及耐刮擦性。 最近出版的曰本未審查專利公報第丨丨（1999)彳〇9〇7號 提出改善耐刮擦性的氮化麻田散體不銹鋼，其含有矽： 0.25%或更低、猛：〇·3%或更低、鉬、鶴、鈒和銳中之一 種或多種·· 0.3-2.5%或銅：4·0%或更低、鎳：2.0%或更低， 和紹：1.5%或更低。 曰本未審查專利公報第11(1999)- 106874號揭示當在 微結構中的M?C3碳化物的量在面積〇/〇中被壓低至4 〇〇/〇或 更低時，不僅是耐刮擦性，活塞環鋼材料的加工性也被改 善0 雖然耐磨性和耐刮擦性在如上面說明之申請案中已經 被改善，最近當這些活塞環被用於内燃機時，在高轉速及 兩動力條件下操作時，刮擦可能會發生。 直到此時，襯塾被強迫進入柴油引擎的汽缸台之内。 521093 五、發明說明（3)

這些引擎被改成具有窄的内徑距離而沒有襯墊的塊狀鑄 鐵’以便達到減輕重量同時節省成本的目的。由廢氣淨化 及增加動力的觀點而言’燃燒壓力會增加。在整塊的轉鐵 的微結構中，該塊狀物的鑄造中由於有相當大的冷卻速率 差異’石墨分散是不均勻的而且軟的肥粒鐵相發生刮差的 原因是不均勻的分佈。當具有上述微結構的汽缸表面與氮 化麻田散體不銹鋼活塞環結合時，在開始操作期間可能因 為下面的原因而發生擦刮現象。當汽缸表面完成搪磨的時 候’磨砂輪的磨擦材料會因為肥粒鐵相而造成阻塞，同時 汽缸的表面在搪磨之後可能會發生粗糙的現象。鑄鐵的石 墨被塑性的流動之肥粒鐵覆蓋。結果，因為石墨的面積A〇/〇 降低，而使石墨的潤滑和儲油效應會降低。在高燃燒壓力 的情況中，被施加在活塞環的背壓會變高。刮擦通常是由 於活塞環的周圍表面上的裂縫所產生的，伸長的方向垂直 於滑動的方向。當檢視氮化層時，沿著那些薄片狀的化合 物可以彳貞測出裂縫。該些化合物是相當粗糙的，而且存在 於沿著鐵基材的顆粒界面，同時在日本活塞環工業中被稱 為狹長項（gull phase)。該化合物的薄片平行分配到活塞環 的表面。 為了要解決活塞環的問題，氮化鈦、氮化鉻及類似物 的形成可以藉由離子電鍍的方法來進行。離子電鍵能改良 耐磨性和耐刮擦性，但是生產成本較高。相較於氮化，其 成本效益較小所易目前使用者對離子電鍍的印象不太好。 發明摘要

6 五、發明說明（4) 此本發月的目的是要提供一氣化高絡的麻田散體 的不錄鋼活塞環，匕疋有成本效益的，而且即使是使用高 旋轉和高燃燒壓力的柴油引擎，特別是整塊鑄鐵製成的柴 油引擎，皆不會發生磨耗、刮擦、裂縫或疲勞破壞 ，可預 期的它在未來的使用會因為重量的減少而逐步增加。 本發明的-個特別目的是調節高鉻的麻田散趙的不錢 鋼之氮化層中硬粒子，主要是氣化物，的尺度大小和分布 以及縮小晶界薄片的大小以㈣與這些化合物連接之裂縫 的啟始與延伸。 本發明的目的也提供一個用以製作高鉻的麻田散體的 不錄鋼活塞環的方法。 依照汽缸活還塞環委員會編輯之"汽車的活塞環，，， Sankaido發行公司，第188頁1997年，當負荷集中在滑動 表面上微關不平滑的凸面上（特別是軟的相）時，會因為摩 擦熱而使溫度上升，而且會發生不正常的軟化及熔融。這 個現象會產生活塞環刮擦。 在兩鉻麻田散體的不銹鋼中，氮化層的的微觀結構通 常顯示硬的氮化物會分散在回火的麻田散體基材中。刮擦 的機構與滑動表面上微觀不平坦性有密切的關係。在氮化 層中，硬的氮化物分散在相當軟的基材中。因此，微觀不 平坦性被定義為氮化物的分散狀態。該凸出的硬氮化物與 相反材料作可滑動的接觸，同時該相當軟的基材是凹下 的，而且不會與相反材料接觸。留存在凹下部份的潤滑油 會承受滑動構件的壓力並且被擠進該些滑動構件之間的空 五、發明說明（5) 間中結果兩個滑動構件之間的接觸壓力會被降低。除此 之外油會被饋進上述凹下部份，因此可以避免刮差。 、氮化鋼和相對應組件完全直接接觸的頻率是低的。因 為氮化的鋼有上述的微觀結構。能達到上述性質之該些凸 出粒子大小是由次微米到數個微米，並且分散量是佔5%的 面積或更多。在硬顆粒非常小且其量很少的情況下，依據 上述凸面硬粒子的作用和效應之效應是不能夠被預期的。 同時，這些性質會受汽缸體滑動面的因素所影響。明 確地’在使用具有上述不均勻結構之整個鑄鐵汽缸體的情 況中，該缸體可以藉由輪磨而被粗糙化。該肥粒鐵相通常 是塑性的流洞而且覆蓋該石墨相。 即使該些鑄鐵的滑動表面利用下列的現象，如適合性 或相谷性進行修正。那就是，當汽缸粗糙的内部表面在滑 動的時候變平整時，肥粒鐵可以被移除而使石墨暴露出 來。在該滑動表面上的油膜通常可能是不會出現的，直到 可以達到良好的適合性為止。當油膜不存在時，施加在活 塞環外部周圍表面上的磨擦力會增加。大的磨擦力會重複 地施加在活塞環外部周圍表面上。因此氮化層會重複地受 到大的應力，而在垂直於滑動方向上造成裂縫的產生與增 大。隨著活塞内表面之適合性現象的進行，被施加的應力 會被減少，同時裂縫的延伸也會在一段時間後停止。結果， 氮化層可能局部被剝離，而且汽缸的内部表面可能被損 害。因此，在滑初的初期可能會發生刮擦。因為晶界化合 物是非常脆的，它們的出現會促進裂縫的起始和延伸。 521093

五、發明說明（6) 本發明之發明者發現：在氮化層中適當大小的許多硬 顆粒，主要是鉻氮化物，應該被均勻地分散在基材中，以 減少基材和汽缸之間接觸的可能性並且避免起始階段的刮 擦。尤其是在氮化期間所形成的晶界化合物應該要是細的 以抑制在這些化合物連接之間的裂缝的起始。在這些細的 微結構中，即使裂缝開始產生，它的發展也可以被抑制。 當熔融的高鉻麻田散體不銹鋼凝固的時候，該共沸的 鉻碳化物U相··（鉻，Fe)7C3)會結晶在主要的沃斯田鐵（r 相）的晶界上。20微米或大小更大的粗鉻碳化物存在於高鉻 麻田散體不銹鋼時，其可以如上述方式被固化，然後進行 熱軋、球化處理退火和最後淬火和回火。關於粗的共溶鉻 碳化物的精煉，Tetsu和Hagane(日本鋼鐵研究所期刊 (Journal of Japan Institute of Iron and Steel))第 82 卷第 4冊 第234-238頁（1996)報導關於利用添加0.25%或更多的氮來 作碳化物的精煉。根據氮的添加，在主要之7相的晶界中 之共熔鉻碳化物會消失，取而代之的是薄片狀M23C6和 M2N(M ： C r，Fe)會沈澱在主要之r相的晶界周遭。該些 薄片狀沈析物在熱軋中會被細微地分開。在後續之球化處 理退火中，新的細微M23C6的沈析處與M2N不同。因此整個 鉻碳化物會變的更細。 Netsushori第36卷第4冊第234-238頁（1996)報導具有 添加0.25%的氮於16.5%鉻-0.65%碳之麻田散體不銹鋼的 機械性質。也就是在增加的氮含量的情況下，獲得最高的 硬度之淬火溫度會偏移到更低的溫度。伸長量也隨但含量 9 521093 五、發明說明（7) 增加而增加。這可以說明在沃斯田鐵相的氮溶液量的增 加’同時該沃斯田鐵相的穩定度隨淬火溫度增加而增加。 曰本未審查專利公報第9-289053號和第9-287058號揭 示該滾動軸承’其中因為氮的添加而使該鉻碳化物的精煉 是有用的。 本發明者研究上述的刮擦機制以及在活塞環的滑動表 面中相Μ大的薄片晶界化合物對裂縫的影響。結果發現在 該氮化物層中有許多均勻分散的氮化物，特別是細小的晶 界化合物疋需要的。即使當它被用在高轉速極高動力調件 下之耐然機時，特別是減輕重量的鑄鐵單一柴油引擎等， 這個細小的微結構可以使具有氮化之高鉻麻田散體不銹鋼 活塞環改善刮擦、破裂及老化抗性。 依據本發明之具有氮化的高鉻麻田散體不銹鋼活塞 環’其特徵是它至少包含由，重量百分比，c:〇.3至ι.〇〇/0、 鉻14·〇-21.0〇/ο、氮：〇·〇5至0.50%、鉬、釩、鎢和鈮中之至 少一種且總置是：〇·〇3至3.0%、石夕：0.1至1·〇%、猛：〇1 至1.0%、磷：〇·〇5〇/0或更少、硫：〇 〇5%或更少，其餘是鐵 和不可避免的雜質所組成的高鉻麻田散體不銹鋼，而且該 高鉻麻田散體不銹鋼有一氮化滑動層，其至少包含由碳化 物、氮化物與碳氮化物的硬粒子，主要是氮化物，同時在 氮化層表面中之硬粒子的平均範圍是在〇.5至2〇微米，最 大直徑是7微米或更小，所佔面積％是由5至30。/〇。由該氮 化層縱切面觀察發現該晶界化合物的長度是2〇微米或更 短。有上述之微結構的氮化層的硬度是在HV9〇〇至1400， 10 五、發明說明（8) 而且有足夠的深度。 用於製作依據本發明之高鉻麻田散體不銹鋼活塞環的 方法至少包含：熔解具有上述組成物之鋼材、然後加入氮、 將該熔融的鋼鑄造成錠、熱軋、退火、冷拉、冷軋以形成 大約是活塞環的截面形狀之物件、淬火、回火以提供金屬 線材料、將該金屬線材料彎曲活塞環狀、應變鬆弛退火、 側面的粗磨、氮化、移除表面化合物層、研磨平端頭、側 面的最後加工研磨以及外部表面的圍繞。在彎成活塞環形 狀之前，在850至1〇〇〇。(：的溫度進行淬火，該溫度作為高鉻 麻田散體不銹鋼淬火的溫度是相當低的。結果，其微觀結 構是細小的且含有大量分散的碳化物。氮化可能是氣體氮 化、離子氮化和自由基氮化。氮化是在450至600°C下進行1 至20小時。 以下將對本發明作詳細的說明。 依據本發明之高鉻麻田散體不銹鋼的組成物將被說 明。 碳是鐵中的格隙溶質元素同時增加基材的硬度。碳很 容易與鉻、鉬、釩、鎢和鈮結合而形成碳化物。該碳化物 在氮化期間被轉化成氮化物。換句話說，該氮化層是碳化 物轉換成氮化物層處的表面區域。當碳含量小於〇·3%時， 在氮化後該溶液硬化以及形成碳化物是不足以達到改善刮 擦和磨耗抗性。另一方面，當碳含量超過1·〇%時，粗的 共熔碳化鉻（7?相：Μ7<：3碳化物）在該熔融的鋼材固化期間 會大量結晶。此碳化物會激烈地損害該材料的可加工性。 11 521093 五、發明說明（9) 因此’碳含量是在〇_3至ι·〇〇/0的範圍中，較好是在0.4至0.9% 的範圍中。 鉻是鐵中的置換溶質元素。鉻不但會改善耐腐蝕性， 同時會誘發該溶液強化因而改善耐熱固性。此處熱固化是 一種在高溫下操作期間由於潛變，造成張力降低而使密封 性質變差的現象。鋼中之碳會與鉻反應，同時形成碳化鉻。 這些碳化鉻容易與在氮化期間由表面侵入之氮反應，而被 轉化成氮化鉻。該氮化鉻被分散在氮化層中而成為硬的粒 子。當絡含量小於14%時，所形成的碳化鉻在氮化之後不 足以獲得改善的刮擦和摩擦抗性。另一方面，當鉻含量大 於21%時’ 5肥粒鐵被形成，而且軔性會被降低。另外， 在基材裡的鉻濃度變得如此高而Ms(麻田散體轉換的起始 溫度）是如此低，因而無法獲得令人滿意的淬火硬度。因 此，鉻含量是在14至21%的範圍之間，較好是在16至19〇/〇 的範圍中。 氣和>5厌一樣是在鐵中的格隙元素。鐵·鉻-碳的三相圖 可以利用切在例如17%之鉻線的擬二相圖來表示。在鐵和 碳之間會發生共溶反應，其濃度可以由該左邊的線及共熔 線來給定。同時在完全凝固之前，熔融的鋼保留在出晶的 晶界中。當溫度進一步下降時，該熔融的鋼材會進行共晶 反應。當氮依據本發明被加入時，上述所提到在左邊之碳 濃度高於沒有氮之熔融剛的濃度。因此該共晶反應及”碳 化物的形成會被抑制。當溫度降到比共熔溫度更低時，過 飽和的碳和氮會沈析在初晶粒的周圍而呈薄片狀之

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五、發明說明（ίο) 和M2N沈析物。當氮含量小於0.05%時，該相會結晶。另 一方面，當氮含量超過0.5%時，呈棒狀之M2N沈析物的量 會增加，而使得韌性降低。因此，氮含量是在0.05至0.5% 的範圍中，更好是在0.10至0.30%。在基材中的溶質氮會妨 礙碳的擴散，同時有助於晶界化合物的精煉。這是澆鑄後 的第一碳化三鐵（Fe3C)，同時最後在氮化處理之後會轉換 成氮化三鐵（Fe3N)。 在正常的壓力下高達0.2%的氮可以被加入。在加壓氮 氣氣氛下需要超過0.2%的氮含量進行熔融。因此，由氮的 添加量的觀點而言，氮含量較好是在0.05至0.20%的範圍。 鉬、釩、鎢和鈮中任一種是碳化物的形成劑，同時可 以提升磨耗和刮擦抗性。除此之外，在回火和氮化處理期 間，鉬可以避免軟化而且在維持活塞環的尺寸安定性上扮 演相當重要的角色。釩會促進氮化，因此含有釩之氮化層 的硬度較高。這些元素中的任一種對於提升活塞環的性質 是有效的。當這些元素的總含量小於0.03%時，他們的效 應實質上是可以忽略的。另一方面，當這些元素的總含量 高於3%時，可加工性會嚴重被破壞。因此，鉬、釩、鎢和 鈮的總含量是在0.03%至3.0%。 矽是一去氧添加劑，矽也可以被溶解在鐵中同時提升 回火時之軟化抗性。因此，所謂的抗熱固定性可以被提升。 當矽含量低於0.1%時，它的效果是很輕微的。另一方面， 當矽含量超過1.0%時，韌性會被破壞。因此矽含量是在0.1 至1.0%的範圍之間。 13 521093 五、發明說明（11) 錳也是除氧的添加劑。當錳含量低於0.1%時，它的效 果是很輕微的。另一方面，當矽含量超過1.0%時，可加工 性會被破壞。因此矽含量是在0.1至1.0%的範圍之間。

鱗會與猛及類似物形成介在物，同時會降低疲勞強度 和抗腐蝕性。磷是鋼材中的雜質。磷含量越少越好β因此， 由實務觀點而言，磷含量應在0.05%或更低。鱗含量較好 是0.03%或更少。 硫和磷一樣會降低疲勞強度和抗腐蝕性。硫是鋼材中 的雜質。硫含量越少越好。因此，由實務觀點而言，硫含 量應在0.05%或更低。硫含量較好是0.03%或更少。

由如上述之組成物所形成之鋼材進行氮化後，會形成 具有耐刮擦性的微結構，也就是許多細微的氮化物顆粒會 出現在氮化物層中。比較明確地，存在於該氮化層的表面 中’由氣化物’思即主要是氣化絡，碳化物和碳氣化絡組 成的硬粒子的平均直徑應該在0.2至2微米之間，最大直徑 是7微米或更小，而且面積％是在5至30%的範圍中。當平 均粒子直徑小於0.2微米時，該硬粒子的凸面對於避免刮擦 是無效的。另一方面，當平均粒子直徑大於2微米時，在高 負荷情況下可能發生刮擦。當最大直徑大於7微米時，氮化 層的微觀結構會變得不均勻，使得在高負荷情況下可能發 生刮擦。當面積❶/〇小於5%時，可能發生刮擦。另一方面， 當面積％大於30%時，接線和彎曲成進入活塞環形狀會變 困難。較好的面積％是在1〇至25%。 具有改善破裂抗性之氮化層的微結構會使得在活塞環

14 521093 五、發明說明（l2) 的縱剖面中所觀察到的晶界化合物的長度是20微米或更 短。最長的長度大於20微米時，在高負荷情況下可能發生 破裂。 如上述依據本發明之氮化層的微觀結構可歸因於加氮 同鉻麻田散體不銹鋼。第一，沒有粗的共晶鉻氮化物（々 相：（Cr，Fe)7<：3碳化物）存在於已經連續熱軋、球化熱處 理、冷拉線、泮火和回火的鋼材中。 第二’當氮化之前保持在回火溫度時，很多的二次碳 化物（ε相，（Cr，Fe)26C6碳化物）會沈析出來。當淬火溫度 下降至（7+ ε)區域中時，由鐵·鉻·碳中得知會有更多更細 的ε碳化物會沈析出來。當在低溫下進行淬火時，γ晶粒 的成長會被抑制，使得該淬火的剛是細晶粒結構。當這個 鋼進行氮化的時候，晶界化合物也會變細。因此，由上述 的觀點而吕較佳的淬火溫度是85〇至1〇〇〇。〇。當淬火溫低於 850 c時’因為α相的沈析’不會發生硬化同時也不會達到 所需要的硬度。當淬火溫高於1000。〇時，在淬火溫度保持 階段碳化物聚集，同時7晶體晶粒會粗化。結果，該粗的 石反化物會轉化成粗的氮化物。在後續氮化處理中隨該粗化 的7晶粒形成的晶界化合物會變粗。 在本發明中，藉由氮化處理依段相當短時間，由表面 下一符合要求的深度即可以獲得高達Ην9〇〇至1400的高硬 度。此特徵是歸因於在低的淬火溫度下所形成相當細的7 晶粒，因此在氮化處理期間是氮原子主要的擴散通道之晶 界的面積會增加。 15 ):1093

五、發明說明（14) 多的氮在加壓氮氣氣氛下被加入鋼材中。藉’由熱作可以獲 得直徑12公釐之線材。在酸洗後，於750°C下進行球化退火 處理10小時。然後進行拉線處理以形成具有3.5公釐χ5.0公 釐矩形截面的線材。使此線材通過淬火爐（氬氣保護氣氛） 和回火爐（氬氣保護氣氛）。在930°C下保持大約1〇分之後進 行空氣淬火。在620°C下回火大約25分鐘。將線材切割成5〇 公爱長的樣品以進行乳化處理。在570 °C進行氣體氮化處理 4小時。不過比較實施例1(H1)是如傳統的方法，其淬火溫 度是1100°C。該些實施例與比較實施例的其他條件是相同 的0

17 521093 五、發明說明（15) 表1 (質量％) 碳 鉻 氮 鉬 飢 鎢 鈮 矽 錳 磷 硫 J1 0.65 17.5 0.13 1.5 - - - 0.25 0.35 0.02 0.01 J2 0.41 17.0 0.19 1.0 0.15 - - 0.25 0.50 0.02 0.02 J3 0.83 17.8 0.23 嶋 0.20 - - 0.20 0.30 0.02 0.02 J4 0.59 17.2 0.16 - - 0.05 - 0.20 0.20 0.02 0.02 J5 0.62 17.5 0.15 - - - 0.3 0.20 0.30 0.02 0.02 J6 0.60 14.5 0.15 1.5 0.5 0.1 0.5 0.55 0.65 0.02 0.02 J7 0.60 19.5 0.25 1.0 - 0.1 - 0.20 0.30 0.02 0.02 J8 0.35 20.3 0.28 1.0 - 鱗 0.3 0.20 0.30 0.02 0.02 J9 0.95 14.9 0.25 - 0.5 0.1 - 0.35 0.30 0.02 0.02 J10 0.55 16.5 0.08 - 0.5 - 0.3 0.20 0.55 0.02 0.02 J11 0.48 18.2 0.42 - - 0.1 0.3 0.25 0.20 0.02 0.02 H1 0.81 17.5 0.03 1.0 0.3 - - 0.20 0.25 0.02 0.02 H2 0.45 18.0 0.58 1.5 0.5 - - 0.20 0.20 0.02 0.02 H3 0.25 17.3 0.16 1.0 0.4 - - 0.20 0.30 0.02 0.02 H4 1.12 17.8 0.15 1.2 0.6 - - 0.20 0.30 0.02 0.02 H5 ' 0.69 13.2 0.21 1.1 0.5 - - 0.20 0.30 0.02 0.02 H6 0.73 22.1 0.22 1.0 0.2 - - 0.20 0.20 0.02 0.02 H7 .0.65 17.8 0.16 - - - - 0.20 0.20 0.02 0.02 H8 0.68 17.3 0.15 1.5 1.0 0.5 0.5 0.20 0.20 0.02 0.02 上面提到之該些線材樣品被進一步切割成10公釐的長度 以進行微結構的觀察。該些樣品被包埋在樹脂中並且完成鏡面 處理。使用影像分析儀進行微結構的觀察及定量評估。利用掃 猫是電子顯微鏡觀察實施例1(J1)和比較實施例（H1)之滑動氮 化表面之背散射電子影像。實施例l(jl)和比較實施例（H1)觀察 所得的影像分別顯示於第1(A)圖和第1(B)圖中。該氮化層的截 面可利用光學顯微鏡來觀察，由實施例1(J1)和比較實施例（H1) 所得之照片分別顯示於第2(A)圖和第2(B)圖中。該些硬的粒子 在該背散射電子影像照片中視呈現黑色而在光學顯微照片中

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五、發明說明（16) 是白色的。明顯的依據本發明之該些硬粒子是細小的，而且在 氮化層之截面中觀察到的晶界化合物的大小是非常小的。實施 例1-11卩1-〗11)和比較實施例1-8(111-118)的微觀結構可以藉由 平均粒子直徑、在滑動氮化表面中之硬粒子的最大粒子直徑和 面積％及在氮化層之截面中的晶界化合物的最長的長度來作 定量分析。這些結果和氮化層的滑動表面的硬度顯示於表2中。 表2 滑動氮化層的硬顆粒 在氮化層之截面中 的晶界化合*的表 長的長度(微米） 維克式硬度 平均粒子直 徑(微米） 最大粒子直 徑(微米） 面積％ (%) J1 1.6 5 17.2 16 1253 J2 1.3 4 13.0 15 1050 J3 1·0 5 22.5 13 1185 J4 1.7 6 15.9 12 1120 J5 1.6 5 17.1 15 1148 J6 1.5 4 10.7 14 955 J7 0.9 4 21.0 12 1219 J8 1.2 6 18.0 13 1193 J9 1.3 6 13.0 12 984 J10 1.8 6 14.2 17 1031 J11 1.2 5 16.2 14 1083 H1 2.7 15 13.6 28 1065 H2 氺 氺 * 丰 * H3 1.5 5 7.5 15 830 H4 * 氺 * * 氺 H5 1.4 5 4.0 14 920 H6 2.2 8 9.1 14 874 1.6 5 16.5 16 1109 H8 * 氺 * 芈 * *比較實施例2、4和8(H2、H4和H8)因為加工性差不能形成線材。 **在比較實施例7(H7)中的後氮化尺寸不穩定。因此產率低。 19 521093 五、發明說明（17) 提及第3圖，刮擦試驗樣品的總長度是45公釐。該線材 被削切成二-銷集成型式的刮擦試驗樣品。該反面材料是由 FC250組成，而且是呈直徑60公釐且厚度12公釐的圓盤 狀。使該圓盤2的滑動表面（第4圖）的表面粗糙度在1至2微 米。該刮擦試驗是利用摩擦與磨耗試驗機（Riken的產品， 商品名’’Triborikl")來進行。該銷（第4圖中參考數字1)的前 端是具有20公釐半徑的凸滑動表面。使該些前端進行氣體 氮化處理。利用砂輪將形成在該些前端上5至20微米厚的化 合物層（白色層）移除。然後利用拋光使該些前端進行鏡面 加工。該摩擦與磨耗試驗機的運動機構如第4圖所示。汽缸 材料2承受油壓6同時被壓在旋轉環材料7上。油5被饋至汽 缸材料2和環材料7的滑動表面間。參考數字8是指一荷重 元。嘎擦試驗的條件如下： 滑動速度（圓盤）：8公尺/秒 壓力負荷：由l.OMPa開始以0.2MPa逐步階梯狀增加直 至發生刮擦狀況 潤滑油：機油（商品名-Nisseld機油P #20) 潤滑油溫度：80°C (在出口附近） 油浴：100°C 潤滑油饋入量：40cc/分鐘 刮擦表面壓力可以由刮擦負荷及滑動表面的磨耗面積 來計算。實施例l-ll(Jl-Jll)和比較實施例1-8(H1-H8)所獲 得的刮擦表面壓力如表3所示。 20 521093

五、發明說明（18) 表3 刮擦表面壓力（MPa) J1 454 J2 443 J3 469 J4 428 J5 458 J6 420 J7 464 J8 430 J9 441 J10 419 J11 452 Η1 376 Η2 - Η3 340 Η4 - Η5 328 Η6 297 Η7 388 Η8 - 明顯的實施例l-ll(Jl-Jll)與比較實施例1、3、 5-7(Η1、H3、Η5·Η7)相比，其抗刮差性被改善。 實施例12-14(J12-J14)和比較實施例9-ll(H 9- Η 11) 具有如表1所示之119、】12、了13、114、1110、1^1的化 學組成的材料被加工呈線材同時在表4所示之溫度下進行 空氣淬火。利用與實施例相同的方法進行氣體氮化處理。 該氮化層的微結構可以進行定量處理。結果如表4所示。 21 521093 五、發明說明（19) 表4 淬火溫度 ΓΟ 滑動氮化層的硬顆粒 在氮化層之截面 中的晶界化合物 的最長的長度 (微米） 平均粒子直徑 (微米） 最大粒子直徑 (微米） 面積％ (%) H9* 800 0.3 5 15.4 14 J12 870 0.5 5 19.4 11 J13 920 1.3 6 18.5 15 J14 980 1.8 6 17.4 18 H10 1030 2.3 9 14.7 31 H11 1080 2.8 11 11.5 49 *該比較實施例9(H9)的氮化層的硬度是低的Hv 860。 實施例15和比較實施例12 使實施例1與比較實施例1之鋼材進行加工步驟以形成 矩形截面之壓力活塞環。該標稱直徑是95公釐，厚度（ai) 是3.35公釐且寬度（h!)是2.3公釐。該金屬線通過淬火爐和 回火爐。在930°C溫度下保持大約10分鐘後進行淬火。在620 °C下進行回火約25分鐘。在570°C進行氣體氮化4小時。不 過，比較實施例12(H12)是如傳統方法，其淬火溫度為1100 °C。其他的條見與比較實施例15相同。 所產生的壓力活塞環在磨耗試驗機下進行測試，其運 動機構如第5圖所示。壓力活塞環的平端頭在其兩斷臂切下 已加寬自由間隙的尺寸。如此處理的活塞環3以調整器9固 定在試驗機上，如此它的直徑被減少到標稱直徑。然後偏 心凸輪4被旋轉而賦予每秒鐘40次的重複撞擊，以進一步使 直徑降低至標稱值以下，直到活塞環3被破壞為止。如此可 以獲得在破壞時施加的應力數值。在改變施加在相同規格 之樣品上的應力的同時，重複此試驗。可以獲得如第6圖所 22 )21093

五、發明說明（20) 示之所谓的S-N圖及最終疲勞極限圖。參考第6圖，明顯的 實施例15較比較實施例12有顯著的改善。 實施例16-19和比較實施例13-14

使實施例1(實施例16、17)、實施例7(實施例18、19) 與比較實施例1(比較實施例13、14)之鋼材進行加工步驟以 形成壓力活塞環（實施例16、18和比較實施例13)以及兩件 式油環（實施例17、19和比較實施例14)。該壓力活塞環有 矩形的戴面。其標稱直徑（d〗）是99·2公釐，厚度（a!)是3.8公 爱且寬度（hi)是2.5公釐。該油環本體有一馬鞍狀的戴面。 其標稱直徑（d〗）是99.2公釐，厚度（a〇是2.5公釐且寬度（^) 是3·0公釐。 在實施例16-19中淬火、回火及氣體氮化與實施例15 相同。在比較實施例13-14中淬火、回火及氣體氮化與比較 實施例12相同。

所產生的壓力活塞環及油環被安裝在排氣量3200cc的 四缸柴油引擎上。這些還被裝在活塞上同時與單一鑄鐵塊 結合在一起，並且在下述條件下運作10 0小時以進行耐久性 試驗。 旋轉數：每分鐘3600轉 功率：75千瓦 負載：滿載 水溫：110°C 油溫：130°c 在比較實施例13的情況中2小時1〇分鐘後發生刮擦現 23 521093 五、發明說明（21) 象，而在比較實施例14的情況中7小時55分鐘後發生刮擦現 象。而在實施例16-19的情況中，在測試期間沒有發生問 題。參考第7圖，它是在比較實施例13之滑動氮化表面上的 裂縫的照片。 工業的應用性 依據本發明’在由氮化之南絡麻田散體不鑛鋼所形成 之活塞環的氮化層中會出現大量的氮化物。該薄片狀的晶 界化合物也會被再精煉。此新型的微結構可藉由氮的添加 與低溫淬火來形成。 結果新型的微結構可改善耐磨性、耐刮擦性、耐破裂 性及耐疲勞性。因此依據本發明的活塞環使用在高轉速與 高功率條件下的内燃引擎，特別是輕量的單一柴油引擎是 有利的依據本發明的活塞環也有助於被用作小内燃機貨 運汽車的活塞環，當使用排氣制動器時活塞環疲勞問題有 可能發生。依據本發明的活塞環可以適當地作為兩件式油 環及二件式油環之轨道的本體。 24 521093

五、發明說明（22) 元件標號對照 1…銷 2…汽缸材料 3…活塞環 4…偏心輪 5…油 6…油壓力 7…環材料 8…荷重元 9…調節器 25

Claims (1)

1. 六、申請專利範圍 第0901 17357號專利申請案申請專利範圍修正本 修正曰期：91年9月 1 · 一種具有改善之耐刮擦性、耐破裂性及耐疲勞性的活塞 %，其疋由南鉻麻田散體不鏽鋼以及在該鋼材的表面上 形成之一滑動氮化層所組成，其特性是該高鉻麻田散體 不鏽鋼是由，重量百分比，碳：0 3至1〇%、鉻：14 〇至 21.0/〇、氮.0.05至〇·5〇0/〇、鉬、鈒、鎢和鈮中之至少一 種且總量是：〇.〇3至3 〇%、矽：〇丨至丨〇%、錳：❶工至 1.0%、鱗·· 0.05%或更少、硫：ο.·或更少，其餘是 鐵和不可避免的雜質所組成，再者該滑動氮化層在其表 面上至y包含主要由平均粒子大小在〇·5至2』微米範 圍、最長的直徑是7微米或更短、面積％是在5至3〇%的 氮化物所組成的硬顆粒。 2. 如申請專利範圍第旧的活塞環，丨中前述氣化層的縱 向截面中看到的晶界氮化物的長度是2〇微米或更短。 3. 如申請專利範圍第i項或第2項的活塞環，其中該高絡麻 田散體不鏽鋼的氮含量是由0.05至〇.2〇%。 4. 如申請專利範圍第i項或第2項的活塞環〇,其中該活塞環 的硬度是在Hv900至1400。 y μ㈣㈣圍第3項之活塞環’其中該活塞環的硬度 疋在Hv900至 14〇〇。 6·:種用於製作具有改善之耐刮擦性、耐破裂性及财疲勞 ^的活塞環的方法，它是使該高鉻麻田散“鏽鋼進行 見化處理，其特徵是該高鉻細散體不轴是由，重量 521093 A8 B8 C8 D8

   、申請專利範圍 百分比，碳：0·3 至 l.〇Q/。、鉻：14 〇至21〇%、氮：0 〇5 至0.50%、鉑、飢、鶴和銳中之至少一種且總量是：〇 〇3 至 3.0%、矽·· 〇.1至 1〇%、錳·· 〇1至 1〇%、構·· 0 〇5% 或更少、硫：0.05%或更少，其餘是鐵和不玎避免的雜 貝所組成’且在將它彎曲成環狀之前，在850至l〇〇〇°c 的溫度範圍下使該高鉻麻田散體不鏽鋼進一步進行淬 火。 7· —種由活塞環與鑄鐵單石汽缸所構成之組合，其中該活 塞環係如申請專利範圍第1至5項中任一項所界定者。 f讀先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .訂— :線丨 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 27 -