CN102272490B - 活塞环 - Google Patents

活塞环 Download PDF

Info

Publication number
CN102272490B
CN102272490B CN200980155138.6A CN200980155138A CN102272490B CN 102272490 B CN102272490 B CN 102272490B CN 200980155138 A CN200980155138 A CN 200980155138A CN 102272490 B CN102272490 B CN 102272490B
Authority
CN
China
Prior art keywords
weight portion
piston ring
weight
maximum
steel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN200980155138.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102272490A (zh
Inventor
拉兹罗·佩索伊克兹
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Federal Mogul Burscheid GmbH
Original Assignee
Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Federal Mogul Burscheid GmbH filed Critical Federal Mogul Burscheid GmbH
Publication of CN102272490A publication Critical patent/CN102272490A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102272490B publication Critical patent/CN102272490B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/34—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with more than 1.5% by weight of silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/22—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with molybdenum or tungsten
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/24—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with vanadium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/26—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with niobium or tantalum
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/28—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with titanium or zirconium

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
  • Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

本发明涉及一种钢材料合成物，其特别地用于制造活塞环和汽缸套，该钢材料合成物包括如下元素及相对于100%的所述钢材料合成物标示的重量份比例：0.5~1.2%重量份的C、0.2~20.0%重量份的Cr、49.0~97.1%重量份的Fe、0.1~3.0%重量份的Mn、0.1~3.0%重量份的Mo、0.0~7.0%重量份的Nb、2.0~10.0%重量份的Si、0.0~7.0%重量份的Ti、0.0~7.0%重量份的V和0.0~0.5%重量份的W；其中，Nb、Ti、V和W的总和为2.0~7.0%重量份。通过熔化初始材料及将熔化物浇入预制的模具中，制造所述合成物。

Description

活塞环
技术领域
本发明涉及活塞环，更具体地说，涉及一种制造活塞环的方法。
背景技术
内燃机中的活塞环（piston ring）密封活塞头和与燃烧室相隔离的汽缸壁之间的空隙。随着活塞向上和向下移动，活塞环的外周面相应地沿着汽缸壁以持久地弹簧偏动接触（spring-biased contact）的方式滑动，同时随着活塞环由于活塞的倾斜移动，在活塞环槽中移动，活塞也产生摆动，该摆动将使得环的侧面交替地与活塞环槽的上侧面和下侧面相接触。由于这两个元件相互贴着滑动，每一个都将承受一定程度的磨损，这取决与材料的性质。倘若空运转，这将导致卡住、刮伤和不幸地对内燃机产生不可修复的损伤。为了改善活塞环相对于汽缸壁的滑动和磨损行为，在活塞环的周面涂上不同的材料。
承受高压力的内燃机部件，例如活塞环，通常由铸铁材料或铸铁合金制成。活塞环和特别地在高性能引擎中的压缩环将承受越来越多的压力，包括最大的压缩压力（peak compression pressure）、燃烧温度、EGR和别的部件之间的润滑薄膜（lubrication film）降低，且这将对他们的功能特性有重要的影响，例如耐磨损（wear scuff resistance）、微型焊接和耐腐蚀。
遗憾的是，根据现有技术，铸铁材料是非常容易破损，当使用现有的材料时，环很容易破损。较高的机械动力负载将导致活塞环和汽缸套具有较短的操作寿命。运行表面和侧面由于同样的原因也承受严重的磨损。
为了解决活塞环上的较高的机械和动力负载，越来越多的内燃机制造商要求活塞环由优质钢（high-grade steel）制成（退火的和高合金的，例如材料1.4112）。在这方面，将包含重量少于2.08%的碳的铁材料归类为钢。如果碳成份较高，该材料将认为是铸铁。钢材料比铸铁具有较好的强度性能和延展值，因为其微观结构不受游离石墨（free graphite）的破坏。
经常用于生产钢活塞环的钢材是高铬合金、马氏体钢（martensitic steel）。钢活塞环式由异形钢丝（profile wire）制成。该异形钢丝为圆形盘绕状（roundwound），将该异形钢丝截取一定长度并拉成椭圆轴（out-of-round mandrel）。在该椭圆轴上，活塞环通过退火处理得到期望的椭圆形状，其也产生必要的切向力。由钢材制造活塞环的别的缺陷是大于一定的直径后，不可能由钢丝生成（绕成）环。相比较，铸铁活塞环已经浇铸成椭圆，因此其形状正好可开始加工。
铸铁的熔化温度远远小于钢材。两者熔化温度的差可达到350℃，这将取决于具体的化学成份。因此，铸铁更容易熔化和铸造，因为较低的熔化温度意味着较低的浇铸温度和也因此由于冷却产生较小的收缩，从而这种材料具有较少的气孔和/或热或冷裂缝。较低的铸造温度也在模塑材料（腐蚀、气孔、砂眼）和熔炉及上产生较小的压力和较低的熔化成本。
铁材料的熔化温度不仅仅取决于其碳成份，也取决于饱和度。下面的公式将以简单的形式表示出：
                  Sc=C/（4.26-1/3（Si+P））
饱和度越接近1，熔化温度将越低。对于铸铁，目标通常为获得1的饱和度，其中铸铁具有1150℃的熔化温度。根据钢材的化学成份，其饱和度为0.18。共晶钢的熔化温度为1500℃。
成份Si和P将对饱和度有较大影响。例如，硅成份的重量增加3%与碳的重量增加1%具有相同的效果。因此，可生成一种具有1%重量份的碳和9.78%重量份的硅的钢材，这种钢材与饱和度为1的铸铁（C：3.26%重量份，Si：3.0%重量份）的熔化温度相同。
如果Si成份显著增加，钢材的饱和度也增加且熔化温度将小于相同水平的铸铁。这样，可使用用于制造铸铁的相同的设备，制造钢材，例如GOE44。
现有技术中已熟知使用具有高硅成份的钢铸件材料制造活塞环。然而，因为提高了“Ac3” 奥氏体化（austenitic）转换温度，大量硅的出现将对材料的淬透性（hardenability）产生负面影响。
具体实施方式
根据上述描述，本发明的目的是提供一种活塞环，其具有作为基本成份（basic element）的钢材合成物，该钢材合成物具有改善的耐磨损性能。由于其制造是在重力铸造处理（gravity casting process）中进行，钢材合成物将关于如下至少一个参数，改善具有球状石墨的退火铸铁的性能：
－机械性能，例如弹性模量、抗弯强度
－抗断裂性
－机械稳定性
－侧面磨损
－工作面磨损。
根据本发明的活塞环将实现该目的，该活塞环具有钢材合成物，其包括具有如下比例的元素：
C：0.5~1.2%重量份                            Nb：0.0~7.0%重量份
Cr：0.2~20.0%重量份                         Si：2.0~10.0%重量份
Fe：49.0~97.1%重量份                       Ti：0.0~7.0%重量份
Mn：0.1~3.0%重量份                         V：0.0~7.0%重量份
Mo：0.1~3.0%重量份                         W：0.0~0.5%重量份
B：max. 0.5%重量份
Cu：max. 2.0%重量份
Ni：max. 4.0%重量份
P：max. 0.1%重量份
Pb：max. 0.05%重量份
S：max. 0.05%重量份
Sn：max. 0.05%重量份
其中，Nb、Ti、V和W的总和为2.0~7.0%重量份，钢材料合成物仅包括选自由B、C、Cr、Cu、Fe、Mn、Mo、Nb、Ni、P、Pb、S、Si、Sn、Ti、V和W构成的组中元素，这些元素的总和为100%重量份。
根据本发明，通过使用碳化物形成铌、钛、钒和钨，可实现增强的耐磨性能。对于本发明的目的，可发现这些碳化物形成元素的比例为2.0~7.0%重量份可带来良好的耐磨损性能同时不会对材料的机械性能产生负面影响到使得不成比例地增大制造成本的程度。
表1示出对于元素铌、钛、钒和钨，碳化物硬度的列表：
表1
碳 NbC TiC VC WC W2C
HV硬度（50kg） 2000 3000 2900 2200 3000
根据本发明的活塞环，在极端热的情况下，不容易变形，因此可长时期保持高性能同时也降低油消耗。
根据本发明的活塞环，其优点还有：使用通常用于制造铸铁工件的机器和技术，即可制造该活塞环。而且其制造成本等于制造铸铁活塞环的成本，给制造商带来成本优势和改善的价值创造。供应商也可独立地调节这些材料参数。
在包括以下步骤的制造过程中，生成所述活塞环：
a. 根据初始材料，生成一熔化物，及
b. 将该熔化物浇入预制的模具中。
例如，废钢、回收材料和合金均可用作初始材料。熔炼过程在熔炉中进行，优选的，化铁炉。接着，可将熔化物凝固以生成坯料（blank）。可使用相关领域已知的方法，例如离心浇铸造法、连续浇铸造法、冲压法、壳型铸造法或优选的，潮沙造型（green sand moulding），浇铸该活塞环。
在该活塞环冷却后，脱模并清洗得到的坯料。
如果必要的话，接着退火该活塞环，其步骤如下：
c. 将活塞环奥氏体化（austenitising）到其Ac3温度以上；
d. 在合适的淬火媒介中，将该活塞环淬火，及
e. 在可控气体熔炉中，将活塞环回火温度至400~700℃。
淬火媒介优选使用油。
进一步地，为了硬化根据本发明的活塞环，可在接下来的步骤按照前面的描述，氮化该活塞环。
可通过例如气体氮化、离子氮化或压力氮化执行该氮化过程。
下面的例子用于解释而不是限制本发明。
例子
根据本发明具有如下成份的钢材合成物，制造活塞环：
B：0.001%重量份                               Pb：0.05%重量份
C：0.8%重量份                                   S：0.009%重量份
Cr：3.0%重量份                                  Si：3.0%重量份
Cu：0.05%重量份                               Sn：0.001%重量份
Mn：0.45%重量份                              Ti：0.63%重量份
Mo：1.05%重量份                              V：0.82%重量份
Nb：0.50%重量份                               W：0.003%重量份
P：0.03%重量份                                 Fe：余量。
该制造过程为：生成初始材料（废钢、回收材料和合金）的熔化物，将该熔化物浇入预制的潮砂模（green sand mould）。接着，脱模，并清洗得到的活塞环。对该活塞环进行退火。其实现方式为：奥氏体化到钢材料合成物的Ac3温度以上、在油中淬火、及在可控气体熔炉中且温度范围在400到700℃之间回火。

Claims (1)

1.一种活塞环，包括作为基本成份的钢材料合成物，其特征在于，所述钢材料合成物包括如下元素及相对于100%的所述钢材料合成物标示的重量份比例：
C：0.5~1.2%重量份；                        
Cr：0.2~20.0%重量份；                     
Fe：49.0~97.1%重量份；                   
Mn：0.1~3.0%重量份；                     
Mo：0.1~3.0%重量份；                     
Nb：0.0~7.0%重量份；
Si：3.0~10.0%重量份；
Ti：0.0~7.0%重量份；
V：0.0~7.0%重量份；
W：0.0~0.5%重量份；
B：最大为0.5%重量份；
Cu：最大为2.0%重量份；
Ni：最大为4.0%重量份；
P：最大为0.1%重量份；
Pb：最大为0.05%重量份；
S：最大为0.05%重量份；
Sn： 0.001-0.05%重量份；
其中，Nb、Ti、V和W的总和为2.0~7.0%重量份，钢材料合成物仅包括选自由B、C、Cr、Cu、Fe、Mn、Mo、Nb、Ni、P、Pb、S、Si、Sn、Ti、V和W构成的组中元素，这些元素的总和为100%重量份。 
2. 一种用于制造如权利要求1所述的活塞环的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a. 根据初始材料，生成一熔化物，及
b. 将该熔化物浇入预制的模具中并执行以下步骤：
c. 奥氏体化活塞环到其Ac3温度以上；
d. 在合适的淬火媒介中，将该活塞环淬火，及
e. 在可控气体熔炉中，将活塞环回火温度至400~700℃。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：
f. 氮化获得的所述活塞环。
CN200980155138.6A 2009-02-26 2009-10-13 活塞环 Expired - Fee Related CN102272490B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102009010727.4 2009-02-26
DE102009010727A DE102009010727B3 (de) 2009-02-26 2009-02-26 Stahlgusswerkstoffzusammensetzung zur Herstellung von Kolbenringen und Zylinderlaufbuchsen
PCT/EP2009/007355 WO2010097105A1 (de) 2009-02-26 2009-10-13 Stahlwerkstoffzusammensetzung zur herstellung von kolbenringen und zylinderlaufbuchsen

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102272490A CN102272490A (zh) 2011-12-07
CN102272490B true CN102272490B (zh) 2014-10-15

Family

ID=41506518

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN200980155138.6A Expired - Fee Related CN102272490B (zh) 2009-02-26 2009-10-13 活塞环

Country Status (9)

Country Link
US (1) US8506727B2 (zh)
EP (1) EP2401532B1 (zh)
JP (1) JP5497798B2 (zh)
KR (1) KR20110128269A (zh)
CN (1) CN102272490B (zh)
BR (1) BRPI0921528A2 (zh)
DE (1) DE102009010727B3 (zh)
PT (1) PT2401532T (zh)
WO (1) WO2010097105A1 (zh)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009015008B3 (de) * 2009-03-26 2010-12-02 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Kolbenringe und Zylinderlaufbuchsen
EP2785882B1 (en) * 2011-11-30 2016-01-20 Federal-Mogul Corporation High modulus wear resistant gray cast iron for piston ring applications
UA111115C2 (uk) 2012-04-02 2016-03-25 Ейкей Стіл Пропертіс, Інк. Рентабельна феритна нержавіюча сталь
JP2015533943A (ja) * 2012-09-14 2015-11-26 タタ、スティール、ネダーランド、テクノロジー、ベスローテン、フェンノートシャップＴａｔａ Ｓｔｅｅｌ Ｎｅｄｅｒｌａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂｖ 弾性率が改良されたＴｉＣ粒子強化高強度低密度鋼製品およびその製造方法
CN103834872A (zh) * 2012-11-26 2014-06-04 天工爱和特钢有限公司 高耐磨性模具钢
CN104451361A (zh) * 2014-12-25 2015-03-25 常熟市瑞峰模具有限公司 乳液瓶生产用合金铸铁模具
CN107514316A (zh) * 2015-05-18 2017-12-26 夏志清 一种柴油发动机气缸盖
CN105296870A (zh) * 2015-11-03 2016-02-03 合肥海源机械有限公司 叉车用液压油缸活塞杆制备方法
US9873928B2 (en) * 2016-03-15 2018-01-23 Federal-Mogul High strength cast iron for cylinder liners
WO2020136991A1 (ja) * 2018-12-25 2020-07-02 日鉄日新製鋼株式会社 鋼材及び部品
JP7336685B2 (ja) * 2018-12-25 2023-09-01 日本製鉄株式会社 調質熱処理用鋼材及び部品

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4435226A (en) * 1981-12-01 1984-03-06 Goetze Ag Wear resistant cast iron alloy with spheroidal graphite separation and manufacturing method therefor
JP2708611B2 (ja) * 1989-06-26 1998-02-04 株式会社日立製作所 冷間圧延用複合ロール及びその製造法
CN1290765A (zh) * 1999-06-25 2001-04-11 日立金属株式会社 用于内燃机的自润滑式活塞环材料及活塞环

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2280284A (en) * 1940-10-02 1942-04-21 Electro Metallurg Co Method and agent for treating iron and steel
US3295966A (en) 1964-04-30 1967-01-03 Crucible Steel Co America Versatile low-alloy tool steel
GB1443900A (en) * 1973-03-30 1976-07-28 Crucible Inc Powder metallurgy tool steel article
EP0295111B1 (en) * 1987-06-11 1994-11-02 Aichi Steel Works, Ltd. A steel having good wear resistance
JPH02259048A (ja) * 1989-03-31 1990-10-19 Riken Corp 摺動部材
US5081760A (en) 1989-06-26 1992-01-21 Hitachi, Ltd. Work roll for metal rolling
FR2688231B1 (fr) * 1992-03-05 1994-11-10 Pechiney Electrometallurgie Fil composite a gaine plastique pour additions a des bains metalliques.
JP3693268B2 (ja) * 1995-03-24 2005-09-07 日立金属株式会社 ドライブビット
JP2000282177A (ja) * 1999-04-02 2000-10-10 Kobe Steel Ltd ピストンリング用鋼材
US6527879B2 (en) * 1999-06-25 2003-03-04 Hitachi Metals Ltd. Self-lubricating piston ring material for internal combustion engine and piston ring
JP4680380B2 (ja) * 2000-12-26 2011-05-11 株式会社リケン ピストンリング及びその製造方法
JP4273462B2 (ja) * 2002-07-01 2009-06-03 日立金属株式会社 自己潤滑性を有する摺動部品用材料およびピストンリング用線材
EP2295777B1 (en) * 2003-03-31 2016-12-07 Hitachi Metals, Ltd. Internal engine piston and its production method
DE102006038669A1 (de) * 2006-08-17 2008-02-28 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Stahlwerkstoff, insbesondere zur Herstellung von Kolbenringen
DE102006038670B4 (de) * 2006-08-17 2010-12-09 Federal-Mogul Burscheid Gmbh Hochsiliziumhaltiger Stahlwerkstoff zur Herstellung von Kolbenringen und Zylinderlaufbuchsen

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4435226A (en) * 1981-12-01 1984-03-06 Goetze Ag Wear resistant cast iron alloy with spheroidal graphite separation and manufacturing method therefor
JP2708611B2 (ja) * 1989-06-26 1998-02-04 株式会社日立製作所 冷間圧延用複合ロール及びその製造法
CN1290765A (zh) * 1999-06-25 2001-04-11 日立金属株式会社 用于内燃机的自润滑式活塞环材料及活塞环

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JP特开2000-282177A 2000.10.10
JP第2708611号B2 1998.02.04

Also Published As

Publication number Publication date
JP2012518764A (ja) 2012-08-16
US8506727B2 (en) 2013-08-13
DE102009010727B3 (de) 2011-01-13
US20110311391A1 (en) 2011-12-22
CN102272490A (zh) 2011-12-07
KR20110128269A (ko) 2011-11-29
JP5497798B2 (ja) 2014-05-21
PT2401532T (pt) 2017-10-17
EP2401532B1 (de) 2017-08-16
BRPI0921528A2 (pt) 2016-03-15
EP2401532A1 (de) 2012-01-04
WO2010097105A1 (de) 2010-09-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102272490B (zh) 活塞环
CN102257299B (zh) 可氮化钢活塞环和钢汽缸套及制造它们的铸造方法
CN102272491B (zh) 活塞环和汽缸套
KR101622372B1 (ko) 피스톤 링
CN102265069B (zh) 活塞环
CN102282283B (zh) 可氮化活塞环

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20141015

Termination date: 20201013

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee