TWI778905B - 油環用線 - Google Patents

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Abstract

本發明之油環用線2之材質為合金鋼。該合金鋼含有： C：0.50質量%以上且0.65質量%以下、 Si：1.60質量%以上且2.30質量%以下、 Mn：0.60質量%以上且1.10質量%以下、 Cr：0.75質量%以上且1.15質量%以下、 Ni：0.18質量%以上且0.45質量%以下、 V：0.05質量%以上且0.15質量%以下、 及Cu：0.15質量%以下。 於該油環用線2中，碳化物之面積率為1.00%以下。

Description

油環用線
本發明係關於一種用於安裝在內燃機之活塞之油環的線。詳細而言，本發明係關於一種適合三片型組合油環之側軌等之線。
內燃機具有汽缸、活塞、壓力環及油環。壓力環及油環安裝於活塞。壓力環及油環統稱為活塞環。活塞環之一例揭示於日本特開2008-50649公報中。
藉由活塞之移動，油環亦於汽缸中移動。油環藉由該移動，而刮取附著於內周面之油。該油回到存油器。
油環大致分為兩片型組合油環及三片型組合油環。三片型組合油環具有襯套擴展器及一對側軌。各側軌具有前端部。該前端部與汽缸之內周面擦動。
材質為不鏽鋼之側軌正不斷普及。對該側軌實施了氮化處理。該側軌之表面為硬質。氮化處理有助於側軌之耐磨性。
材質為碳鋼或低合金鋼之側軌正不斷普及。碳鋼及低合金鋼之加工性優異。因此，該側軌可容易地獲得。該側軌具有硬質皮膜。該硬質皮膜可藉由鍍覆（或塗佈）而形成。硬質皮膜有助於側軌之耐磨性。 [先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本特開2008-50649公報
[發明所欲解決之課題]
材質為不鏽鋼之側軌的材料成本較高。不鏽鋼之加工性較差。由不鏽鋼所構成之側軌之製作並不容易。
材質為一般之碳鋼或低合金鋼之側軌不適合進行氮化處理。因此，如上所述對該側軌實施鍍覆或塗佈。鍍覆會耗費廢液處理等成本。塗佈則必須進行加熱步驟，且該加熱會導致側軌之軟化。
本發明之目的在於提供一種可獲得低成本且耐磨性優異之油環之線。 [解決課題之技術手段]
本發明之油環用線之材質為合金鋼。該合金鋼含有： C：0.50質量%以上且0.65質量%以下、 Si：1.60質量%以上且2.30質量%以下、 Mn：0.60質量%以上且1.10質量%以下、 Cr：0.75質量%以上且1.15質量%以下、 Ni：0.18質量%以上且0.45質量%以下、 V：0.05質量%以上且0.15質量%以下、 Cu：0.15質量%以下、 及不可避免之雜質。 該油環用線中之碳化物之面積率為1.00%以下。
較佳為，該油環用線之維氏硬度為530以上且650以下。
該油環用線可具有被修圓之前端部。較佳為，與長邊方向垂直之剖面中之該前端部之曲率半徑R為0.07 mm以下。
根據另一觀點，本發明之油環用線之製造方法包括下述步驟： （1）對源線實施冷拉伸及韌化退火，而獲得細線， 上述源線係材質為含有： C：0.50質量%以上且0.65質量%以下、 Si：1.60質量%以上且2.30質量%以下、 Mn：0.60質量%以上且1.10質量%以下、 Cr：0.75質量%以上且1.15質量%以下、 Ni：0.18質量%以上且0.45質量%以下、 V：0.05質量%以上且0.15質量%以下、 Cu：0.15質量%以下、 及不可避免之雜質的合金鋼； （2）對該細線實施冷軋或冷異形拉伸，而獲得異形線；以及 （3）對該異形線實施淬火及回火。 [發明之效果]
作為本發明之油環用線之材質的合金鋼價格低廉。該合金鋼之加工性優異。進而，該油環用線適合進行氮化處理，因此無需對自該線獲得之側軌等進行鍍覆。因此，能以低成本獲得油環。
該油環用線之加熱時之軟化阻力優異。因此，自該線經熱處理而獲得之側軌等係高硬度。該油環之耐磨性優異。
以下，適當參照圖式，基於較佳之實施形態對本發明進行詳細說明。
圖1及2示出了油環用線2。該油環用線2之剖面形狀並非圓。換言之，該油環用線2為異形（deformed）。如圖2所示，該油環用線2具有前端部4。前端部4係藉由角被修圓而形成。
該油環用線2之材質為合金鋼。該合金鋼含有： C：0.50質量%以上且0.65質量%以下、 Si：1.60質量%以上且2.30質量%以下、 Mn：0.60質量%以上且1.10質量%以下、 Cr：0.75質量%以上且1.15質量%以下、 Ni：0.18質量%以上且0.45質量%以下、 V：0.05質量%以上且0.15質量%以下、 及Cu：0.15質量%以下。 較佳為，剩餘部分為Fe及不可避免之雜質。該合金鋼所含有之合金元素之量相對較少。該油環用線2之材質為低合金鋼。該低合金鋼價格低廉。
圖3係表示圖1之油環用線2之製造方法之一例的流程圖。於該製造方法中，首先，準備源線（Basic Wire）（步驟1）。該源線係經製鋼、精煉、鑄造、熱軋、退火等步驟而獲得。該源線之剖面形狀為圓。該圓之直徑例如為6.4 mm。
對該線實施冷拉伸（步驟2）。藉由該冷拉伸，源線逐漸細徑化，且逐漸長條化。冷拉伸（步驟2）之後的線之剖面形狀為圓。該線之直徑例如為4.0 mm。
對該線實施韌化退火（步驟3）。韌化退火係使加熱至沃斯田鐵區域之線冷卻，而獲得微細波來鐵組織之熱處理。藉由韌化退火，因冷拉伸（步驟2）而受損之線之延展性會回復。
對該線進而實施冷拉伸（步驟4）。藉由該冷拉伸，線逐漸細徑化，且逐漸長條化。冷拉伸（步驟4）之後的線之剖面形狀為圓。該線之直徑例如為2.0 mm。
對該線實施韌化退火（步驟5）。藉由韌化退火，因冷拉伸（步驟4）而受損之線之延展性回復。 藉由該等步驟，而獲得細線。
於本實施形態中，冷拉伸之次數為2。冷拉伸之次數亦可為1。於本實施形態中，韌化退火之次數為2。韌化退火之次數亦可為1。亦可對第2次韌化退火（步驟5）之後的線實施進一步之冷拉伸及進一步之韌化退火，而獲得細線。
對該細線實施冷軋（步驟6）。藉由該軋壓，而獲得異形線。異形線之剖面形狀並非圓。例如，於該異形線中，厚度為0.45 mm，寬度為2.1 mm。
對該異形線實施冷異形拉伸（步驟7）。藉由該異形拉伸，使異形線之形狀規整。例如，於該異形線中，厚度為0.40 mm，寬度為2.0 mm。
亦可僅藉由軋壓（步驟6）及異形拉伸（步驟7）中之任一者而獲得異形線。
對該異形線實施淬火。於淬火中，首先，對異形線進行加熱（步驟8）。於該加熱中，異形線之溫度達到沃斯田鐵區域。其次，使該異形線急冷（步驟9）。較佳為，異形線於油中被冷卻。淬火之後的異形線具有麻田散鐵組織。
對該異形線實施回火。於回火中，首先，對異形線進行加熱（步驟10）。其次，使該異形線冷卻（步驟11）。藉由回火，可獲得析出了微細之碳化物之組織。藉由回火，而獲得圖1所示之油環用線2。
對該油環用線2實施盤繞（coiling），而獲得線圈。對該線圈實施弛力熱處理。進而對該線圈實施氮化處理。於氮化處理中，將線圈保持於高溫（例如500℃）環境下。藉由該氮化處理，而獲得圖4及5所示之側軌6。如圖5所示，該側軌6於其表面附近具有藉由氮化處理而獲得之硬質層8。該硬質層8遍及側軌6之整面而存在。該硬質層8包含氮化物。亦可藉由物理蒸鍍、離子鍍覆等手段代替氮化處理而形成硬質層8。如圖5所示，該側軌6具有外周面10。
圖6示出了氮化後之側軌6的維氏硬度（負載：50 gf）與距表面之深度之關係。側軌6所需之維氏硬度為700以上。由圖6之圖表可知，自本發明之油環用線2獲得之側軌6於從深度為零之位置至深度為70 μm之位置，達成了700以上之維氏硬度。本發明之油環用線2與低合金鋼（硬鋼線等）相比，適合進行氮化處理。
圖7係表示包含圖4之側軌6的油環12之一部分之剖面圖。該油環12具有襯套擴展器14及一對側軌6。該油環12被稱為三片型組合油環。於圖7中，符號16表示汽缸之內周面。側軌6之外周面10與內周面16抵接。
圖5所示之側軌6之外周面10反映出了圖2所示之油環用線2之前端部4之形狀。如上所述，油環用線2之材質為低合金鋼。該低合金鋼之加工性優異。因此，藉由軋壓（步驟6）或異形拉伸（步驟7），可容易地形成前端部4。自該油環用線2獲得之側軌6無需大幅度之精加工。可自該油環用線2以低成本獲得側軌6。
於圖2中，箭頭R表示與油環用線2之長邊方向垂直之剖面中的前端部4之曲率半徑。曲率半徑R較佳為0.07 mm以下。可自前端部4之曲率半徑R為0.07 mm以下之油環用線2獲得外周面10之曲率半徑較小之側軌6。該側軌6以較大之壓力抵接於汽缸之內周面16。具有該側軌6之油環12會較好地刮取油。將由高合金鋼所構成之源線塑性加工成具有0.07 mm以下之曲率半徑R之油環用線2較為困難。於本發明中，可將源線之材質（即低合金鋼）加工成曲率半徑R為0.07 mm以下之油環用線2。
如下文之詳細說明，對於該側軌6，合金元素可實現氮化處理。因此，無需對該側軌6進行鍍覆。該側軌6能以低成本獲得。
如上所述，於該油環用線2之製造中，因冷拉伸而受損之線之延展性藉由韌化退火而回復。於該韌化退火中，會析出許多微小之碳化物（雪明碳鐵）。該等雪明碳鐵藉由冷加工而斷離。該等雪明碳鐵藉由於適宜溫度之加熱（步驟8）而完全固溶於基質。因此，淬火（步驟8、步驟9）之後的異形線之硬度較大。對硬度較大之異形線之回火可採用於高溫之加熱（步驟10）。經包括高溫加熱之回火而獲得油環用線2，即便對自油環用線2所形成之線圈實施弛力熱處理，硬度亦不會大幅降低。換言之，該油環用線2之軟化阻力優異。自該油環用線2獲得之側軌6為高硬度。因此，該側軌6之耐磨性優異。
油環用線2中之碳化物之面積率Ps與軋壓（步驟6）之前的細線中之C之固溶量有負相關。該面積率Ps與淬火（步驟8、步驟9）之後的異形線之硬度有負相關。該面積率Ps進而與在回火中可採用之加熱溫度有負相關。因此，該面積率Ps與側軌6之硬度有負相關。就側軌6之耐磨性之觀點而言，油環用線2中之碳化物之面積率Ps較佳為1.00%以下，更佳為0.90%以下，特佳為0.85%以下。理想之面積率Ps為零。
碳化物之面積率Ps之測定係使用圖像解析軟體「Image J」。於測定中，藉由掃描式電子顯微鏡拍攝油環用線2之剖面，而獲得倍率為5000倍之SEM照片。藉由上述圖像解析軟體將該照片之圖像檔案二值化，從而將碳化物粒子之區域與其他區域以顏色區分開。算出各碳化物粒子之面積。假定具有與該面積相同之面積之圓，將該圓之直徑設為該粒子之徑。將粒子徑為0.05 μm以上之碳化物之徑及個數柱狀圖化。粒子徑未達0.05 μm之碳化物從計數中排除。基於該柱狀圖，算出粒子徑為0.05 μm以上之碳化物之合計面積。該合計面積相對於照片之總面積之比率為面積率Ps。換言之，面積率Ps係粒狀碳化物所占面積之比率。粒狀碳化物係藉由淬火、回火等熱處理而生成之二次碳化物。板狀碳化物及針狀碳化物不包含於粒狀碳化物中。
油環用線2之維氏硬度Hv較佳為530以上。即便將該油環用線2供於氮化處理，亦可維持充分之硬度。可自該油環用線2獲得耐磨性優異之側軌6。就該觀點而言，維氏硬度更佳為560以上，特佳為580以上。就盤繞之容易性之觀點而言，油環用線2之維氏硬度較佳為650以下。維氏硬度係依據「JIS Z 2244」之規定而測定。施加10 kgf之負載，來測定維氏硬度。
如上所述，韌化退火之後的合金鋼中會析出作為碳化物之雪明碳鐵。藉由對該合金鋼實施淬火（步驟8、步驟9），從而雪明碳鐵固溶於基質。藉由對該合金鋼實施回火（步驟10、步驟11），而達成充分之固溶強化及充分之析出強化。藉由該等強化，可達成530以上之維氏硬度。
可進行氮化處理之以往之高合金鋼的較大之維氏硬度會引起盤繞時之破損。本發明之油環用線2之低合金鋼雖可進行氮化處理，但加工性優異。該油環用線2可兼顧較大之維氏硬度與加工性。可自該油環用線2以低成本獲得耐磨性優異之側軌6。
如上所述，亦可採用物理蒸鍍（PVD）來代替氮化處理。藉由物理蒸鍍，而形成硬質之皮膜。該皮膜形成於外周面10之附近。該皮膜可抑制因與汽缸之內周面16擦動所導致的側軌6之磨耗。不於側軌6之表面中之剩餘部分形成皮膜。側軌6於不具有皮膜之部位與襯套擴展器14接觸。如上所述，側軌6經弛力熱處理。進而，側軌6經物理蒸鍍。本發明之油環用線2之軟化阻力優異，因此即便經該等熱歷程，側軌6亦具有充分之硬度。因此，即便不具有皮膜之部位與襯套擴展器14接觸，亦會抑制側軌6之磨耗。即便長時間使用內燃機，亦不易產生側軌6之磨耗所導致的活塞之運動異常。該側軌6可有助於抑制油之消耗量。
以下，詳細說明本發明之油環用線2之低合金鋼所含有之元素之作用。
[碳（C）] C固溶於基質。適量之C有助於油環用線2之硬度及耐疲勞性。進而，C生成碳化物。該碳化物有助於油環用線2之耐磨性。就該等觀點而言，C之含有率較佳為0.50質量%以上，更佳為0.53質量%以上，特佳為0.55質量%以上。過量之C會損害合金鋼之冷加工性。就冷加工性之觀點而言，C之含有率較佳為0.65質量%以下。
[矽（Si）] Si有助於油環用線2之高溫強度及軟化阻力。就該等觀點而言，Si之含有率較佳為1.60質量%以上，更佳為1.80質量%以上，特佳為2.00質量%以上。過量之Si會損害合金鋼之冷加工性、韌性及淬火性。就該等觀點而言，Si之含有率較佳為2.30質量%以下。
[錳（Mn）] Mn於低合金鋼之熔製時作為去氧劑發揮功能。進而，Mn抑制作為雜質之S之不良影響。就該等觀點而言，Mn之含有率較佳為0.60質量%以上，更佳為0.80質量%以上，特佳為0.90質量%以上。就合金鋼之冷加工性之觀點而言，Mn之含有率較佳為1.10質量%以下。
[鉻（Cr）] Cr於氮化處理中與氮鍵結。Cr可實現油環用線2之氮化處理。於氮化處理中獲得之硬質層8有助於側軌6之耐磨性。Cr進而與C鍵結而生成碳化物。該碳化物有助於側軌6之耐磨性。就該等觀點而言，Cr之含有率較佳為0.75質量%以上，更佳為0.85質量%以上，特佳為0.90質量%以上。過量之Cr會阻礙合金鋼之冷加工性。過量之Cr進而會引起盤繞時之油環用線2之破損。就冷加工性及抑制破損之觀點而言，Cr之含有率較佳為1.15質量%以下。
[鎳（Ni）] Ni固溶於基質，有助於油環用線2之韌性。就該觀點而言，Ni之含有率較佳為0.18質量%以上，更佳為0.25質量%以上，特佳為0.30質量%以上。過量之Ni會使淬火後之油環用線2中生成殘留沃斯田鐵。該殘留沃斯田鐵會引起側軌6之低硬度。該殘留沃斯田鐵進而使側軌6之尺寸因時效而變化。就抑制殘留沃斯田鐵之觀點而言，Ni之含有率較佳為0.45質量%以下。
[釩（V）] V於氮化處理中與氮鍵結。V可實現油環用線2之氮化處理。於氮化處理中獲得之硬質層8有助於側軌6之耐磨性。V進而有助於金屬組織之微細化。就該等觀點而言，V之含有率較佳為0.05質量%以上，更佳為0.08質量%以上，特佳為0.10質量%以上。就合金鋼之冷加工性及熱加工性之觀點而言，V之含有率較佳為0.15質量%以下。
[銅（Cu）] Cu有助於冷加工時之韌性。就該觀點而言，Cu之含有率較佳為0.05質量%以上，更佳為0.08質量%以上，特佳為0.10質量%以上。就合金鋼之熱加工性之觀點而言，Cu之含有率較佳為0.15質量%以下。Cu並非必要元素。因此，Cu之含有率實質上亦可為零。
[鐵（Fe）] Fe係低合金鋼之主成分。Fe係基質之基底金屬。該低合金鋼之強韌性優異。Fe之含有率較佳為85質量%以上，更佳為90質量%以上，特佳為93質量%以上。
[不可避免之雜質] 低合金鋼可包含雜質。典型之雜質為P。P偏析於晶界處。P會阻礙合金鋼之韌性。就韌性之觀點而言，P之含有率較佳為0.02質量%以下。另一典型之雜質為S。S與其他元素鍵結而形成介存物。S會阻礙合金鋼之韌性。就韌性之觀點而言，S之含有率較佳為0.02質量%以下。 [實施例]
以下，藉由實施例使本發明之效果明確，但不應基於該實施例之記載對本發明進行限定性解釋。
[實施例1] 藉由圖3所示之方法，獲得實施例1之油環用線。淬火時之加熱溫度為860℃。對回火溫度進行適當調整，以獲得較佳硬度。該油環用線之材質為低合金鋼。該低合金鋼含有0.59質量%之C、2.05質量%之Si、0.76質量%之Mn、1.00質量%之Cr、0.22質量%之Ni、0.09質量%之V及0.01質量%之Cu。剩餘部分為Fe及不可避免之雜質。該油環用線之金屬組織示於圖8。於該油環用線中，碳化物粒子之數量為88，碳化物粒子之最大徑為0.29 μm，碳化物粒子之平均徑為0.17 μm，面積率Ps為0.49%。該油環用線之維氏硬度（負載：10 kgf）為592。
[實施例2及比較例1] 將淬火溫度設為如下述表1所示，而獲得實施例2及比較例1之油環用線。
[熱處理] 自油環用線形成線圈，將該線圈於450℃之溫度下保持30分鐘後，進行緩冷。該熱處理條件相當於側軌之製造中一般所進行之弛力熱處理之條件。測定該熱處理後之線圈之維氏硬度（負載：10 kgf）。將該結果示於下述表1。
表1 評價結果
   實施例1 實施例2 比較例1
淬火溫度（℃） 860 840 780
Ps（%） 0.49 0.96 1.13
硬度（Hv） 592 595 587
熱處理後硬度（Hv） 557 537 422
側軌所需之維氏硬度為450以上。如表1所示，於各實施例之油環用線中，熱處理後之維氏硬度超過450。根據該評價結果，本發明之優勢明顯。 [產業上之可利用性]
本發明之油環用線可用作各種內燃機之活塞環之材料。
2:油環用線 4:前端部 6:側軌 8:硬質層 10:外周面 12:油環 14:襯套擴展器 16:汽缸之內周面
[圖1]係表示本發明之一實施形態之油環用線的一部分的立體圖； [圖2]係沿著圖1之II-II線之放大剖面圖； [圖3]係表示圖1之油環用線之製造方法之一例的流程圖； [圖4]係表示自圖1之油環用線獲得之側軌之立體圖； [圖5]係沿著圖4之V-V線之放大剖面圖； [圖6]係表示圖4之側軌之氮化層之維氏硬度的圖表； [圖7]係表示包含圖4之側軌的油環之一部分之剖面圖；及 [圖8]係表示本發明之實施例1之油環用線之金屬組織的顯微鏡照片。
2:油環用線

Claims (4)

  1. 一種油環用線，其材質為合金鋼， 上述合金鋼含有： C：0.50質量%以上且0.65質量%以下、 Si：1.60質量%以上且2.30質量%以下、 Mn：0.60質量%以上且1.10質量%以下、 Cr：0.75質量%以上且1.15質量%以下、 Ni：0.18質量%以上且0.45質量%以下、 V：0.05質量%以上且0.15質量%以下、 Cu：0.15質量%以下、 及不可避免之雜質，且 油環用線其碳化物之面積率為1.00%以下。
  2. 如請求項1之油環用線，其維氏硬度為530以上且650以下。
  3. 如請求項1或2之油環用線，其具有被修圓之前端部，且與長邊方向垂直之剖面中之該前端部之曲率半徑R為0.07 mm以下。
  4. 一種油環用線之製造方法，其具備下述步驟： （1）對源線實施冷拉伸及韌化退火，而獲得細線， 上述源線係材質為含有： C：0.50質量%以上且0.65質量%以下、 Si：1.60質量%以上且2.30質量%以下、 Mn：0.60質量%以上且1.10質量%以下、 Cr：0.75質量%以上且1.15質量%以下、 Ni：0.18質量%以上且0.45質量%以下、 V：0.05質量%以上且0.15質量%以下、 Cu：0.15質量%以下、 及不可避免之雜質的合金鋼； （2）對上述細線實施冷軋或冷異形拉伸，而獲得異形線；以及 （3）對上述異形線實施淬火及回火。
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