CN103620275A

CN103620275A - 压力环及其制造方法

Info

Publication number: CN103620275A
Application number: CN201280030936.8A
Authority: CN
Inventors: 岛祐司
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 2011-06-22
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2032-06-21
Also published as: US20140117626A1; EP2725264A1; EP2725264B1; US9599223B2; JP2013007404A; EP2725264A4; WO2012176834A1; CN103620275B; JP5762843B2

Abstract

为了提供能够在高压缩比的发动机的热负荷高的环境下使用、热传导性和耐热衰减性优良且具有价格竞争力的压力环，使用JIS G4404规定的材料牌号SKS93构成的钢材，在对活塞环线材进行油回火处理之前进行退火，使平均粒径为0.1～1.5μm的球状化渗碳体分散到回火马氏体基质中。

Description

压力环及其制造方法

技术领域

本发明涉及汽车发动机用活塞环，尤其是涉及暴露在高压缩比的发动机的热负荷高的环境下的压力环及其制造方法。

背景技术

近年来，为了应对环境，汽车发动机实现燃料效率的改善、低排放化、高输出化，发动机规格存在高压缩比化、高负荷化的倾向。然而，通常升高压缩比时，燃烧室温度也升高，容易产生爆燃。通常的爆燃对策通过使点火时期(超前角)延迟来进行应对，但这样的话无法维持高的热效率，因此也进行了使燃烧室壁温度下降的方向的研究。在燃烧室壁温度的下降中，降低活塞冠面温度是有效的，其中，使活塞的热量经由压力环向冷却后的气缸壁释放是最有效的。即，利用了活塞环的三个基本功能即气封功能、热传递功能、油控制功能中的热传递功能。热传递功能与母材、表面处理层的热传导率、环形状等存在密切的关系，因此只要对它们进行最适化即可，另一方面，在选择材料时，除了热传导率之外，还要求即使暴露在约300℃左右的热环境下也能够维持环特性的耐热衰减性、疲劳强度。

另外，在活塞为铝合金(以下称为“铝”)制的情况下，铝伴随着燃烧室温度的上升而软化，在活塞的环槽内，由于压力环在高温下的敲击和滑动而引起疲劳断裂，容易发生环槽磨损、向压力环的铝粘附。从这一点出发，也要求使用热传导高的压力环来降低环槽温度。

针对如上所述的要求，例如在日本特开2009-235561号中，作为热传导性和耐热衰减性优良且能够作为压力环应用的活塞环，提出了将C、Si、Mn、Cr的适当成分范围规定为预定的参数的活塞环组成。

然而，例如若以热传导率为35W/m·K以上且热衰减率(环的切线张力减退度)为4%以下为目标，则处于难以实现该目标的状况。

此外，对于活塞环那样的汽车部件而言，不仅要求优良的特性，而且也要求有竞争力的价格。即，如何能够减少成本也是重要的课题。

发明内容

发明所要解决的问题

本发明的课题在于提供能够在高压缩比的发动机的热负荷高的环境下使用、热传导性和耐热衰减性优良且具有价格竞争力的压力环。另外，其课题在于提供上述压力环的制造方法。

用于解决问题的方法

表1表示在活塞环中使用的钢材A～G的组成和200℃下的热传导率。对各钢材的热传导率与合金元素的组成和之间的关系进行整理时，如图6所示。即，越是合金元素量少的材料，热传导率越高。

[表1]

活塞环用钢材的合金元素*1和热传导率

^*1还含有P及S作为不可避免的杂质，但在本表中未记载。

然而，实际上，当合金元素量减少时，耐热衰减性差，在热负荷高的环境下，无法供于作为压力环的使用。另外，钢材的成本通常是合金元素量越少而越廉价，但除此之外，从市场经济的观点出发，在市场中使用的量越多，即，越是如JIS(日本工业标准)登记材料那样大量生产的钢材越廉价。因此，在本发明中，基本上使用合金元素量少的JIS登记材料，为了即使在300℃的高温下也能发挥优良的耐热衰减性而制备显微镜组织。具体而言，使用JIS G4404规定的材料牌号SKS93构成的钢材，在对活塞环线材进行油回火处理之前，进行退火，使球状化渗碳体析出，但由于在该球状化渗碳体中固溶了比铁素体中更多的Cr及Mn，因此，在油回火处理时使该球状化渗碳体溶入基体中以实现基体的固溶强化，还通过优化油回火处理条件而使球状化渗碳体适量分散至回火马氏体基质中，在300℃下也能抑制位错的移动、蠕变，能够提高耐热衰减性。

即，本发明的压力环的特征在于，具有以质量%计C：1.00～1.10、Si：0.50以下、Mn：0.80～1.10、Cr：0.20～0.60且余量由Fe及不可避免的杂质构成的组成，在回火马氏体基质中分散有平均粒径为0.1～1.5μm的球状化渗碳体。优选平均粒径为0.5～1.0μm的球状化渗碳体。另外，球状化渗碳体的分散量在显微镜组织观察面中为1～6面积%。

更优选本发明的压力环的热传导率为35W/m·K以上，热衰减率(环的切线张力减退度)为4%以下。

此外，本发明的压力环的制造方法，用于制造压力环，所述压力环具有以质量%计C：1.00～1.10、Si：0.50以下、Mn：0.80～1.10、Cr：0.20～0.60且余量由Fe及不可避免的杂质构成的组成，在回火马氏体基质中分散有平均粒径为0.1～1.5μm的球状化渗碳体，所述压力环的制造方法的特征在于，在压力环成形前的油回火处理工序之前包含退火工序。退火工序优选在600～750℃的温度下进行，油回火处理工序优选在淬火温度为820～930℃、回火温度为400～500℃的条件下进行。

发明效果

本发明的压力环能够兼顾高热传导率和高的耐热衰减性，即使在高压缩比发动机那样的热负荷高的环境下使用，也能够在不使环的张力减退的情况下使活塞头的热量高效率地向冷却后的气缸壁释放，因此不用进行使点火时期延迟那样的调整就能够抑制爆燃，能够维持高的热效率。另外，同样地，能够降低铝活塞的环槽的温度，能够抑制铝粘附、环槽磨损。此外，根据本发明的制造方法，由于使用JIS规定且大量生产的钢材，因此能够减少成本。

附图说明

图1是表示实施例1的截面的基于扫描电子显微镜的二次电子图像照片的图。

图2是表示比较例1的截面的基于扫描电子显微镜的二次电子图像照片的图。

图3是表示实施例1、4、5及比较例1、2、5的热传导率与热衰减率之间的关系的图。

图4是示意性地表示铝粘附试验的图。

图5是表示实施例1～3及比较例2～4的铝粘附试验结果的图。

图6是表示活塞环中使用的钢材的合金元素的组成和与热传导率之间的关系的图。

具体实施方式

本发明的压力环的特征在于，具有以质量%计C：1.00～1.10、Si：0.50以下、Mn：0.80～1.10、Cr：0.20～0.60且余量由Fe及不可避免的杂质构成的组成，在回火马氏体基质中分散有平均粒径为0.1～1.5μm的球状化渗碳体。上述组成基本上是由JIS G4404规定的材料牌号SKS93的钢材组成，除较多的C(1.00～1.10质量%)和Mn(0.80～1.10质量%)之外，还含有少量Si和Cr，但整体上合金元素的总量少，因此热传导率高。然而，耐热衰减性并不充分。在本发明中，通过对过共析组成的钢材进行退火，从而有意地使固溶有Cr和Mn的较大的球状化渗碳体大量析出，在对其进行油回火处理时，在与球状化渗碳体一同再固溶到基质中的同时，还以残留渗碳体的形式分散在回火马氏体基质中。该残留渗碳体在进行油回火处理的合金工具钢中也成为应力集中源，因此被看作是使钢线的机械性质下降的主要原因，但在用于活塞环的压力环时，从实现优良的耐热衰减性的事实可以推测出，由于残留在油回火后的基质中的球状化渗碳体和固溶元素的存在，使晶格产生变形，因此即使在300℃下也难以产生位错。在本发明中，球状化渗碳体的平均粒径为0.1μm以上。约0.1μm以下的残留渗碳体在油回火处理的固溶化处理中溶入到奥氏体中，因此未观测到作为平均粒径小于0.1μm的球状化渗碳体。另外，当平均粒径超过1.5μm时，成为疲劳断裂的起源而降低疲劳强度，因此不优选。优选平均粒径为0.5～1.0μm。

另外，球状化渗碳体的分散量在显微镜组织观察面优选为1～6面积%。此外，若为该范围的分散量，则热传导率为35W/m·K以上，热衰减率(基于JIS B8032-5的切线张力减退度)也为4%以下，因此优选。通常使用的Si-Cr钢的热传导率为约31W/m·K，约35W/m·K的热传导率比得上显示优良的热传导率的以往的片状石墨铸铁活塞环的热传导率。就金属而言，热传导率主要由晶粒内的自由电子的运动支配，因此，固溶元素越少，热传导率越提高。认为本发明所使用的SKS93与Si-Cr钢相比，作为固溶强化元素的Si特别少，而且形成球状化渗碳体也会减少固溶C而引起热传导率的提高。另外，热衰减率在JIS B8032-5中，在钢环的情况下，在300℃×3小时的试验条件下，切线张力减退度规定为8%以下，但越小越优选，作为材料开发中的目标值，设定为与Si-Cr钢相同水平的约4%。

通常，从耐磨损性、耐划伤性的观点出发，对钢制压力环的外周滑动面进行各种表面处理。若热传导率优先，则优选镀Cr，但若重视耐磨损性、耐划伤性，则适用利用离子镀产生的CrN被膜，铝气缸适用DLC被膜，即使是相同的压力环，也可以根据滑动对象材料、使用环境等来选择适合的表面处理。当然，也包含氮化处理。另外，本发明的压力环的Cr量特别少，因此，能够容易地向环侧面形成化学转化处理被膜。

本发明的压力环的制造中使用的线材优选通过如下方法制备：使用对组成为以质量%计C：1.00～1.10、Si：0.50以下、Mn：0.80～1.10、Cr：0.20～0.60且余量由Fe及不可避免的杂质构成的钢材(SKS93)进行熔炼后、通过热轧拉丝至预定线径的一次线材

，由一次线材经由通常由切削(为了除去表面层的伤、脱碳而用去皮模具连续切削)-铅浴淬火-酸洗/造膜-拉丝-铅浴淬火-酸洗/造膜-异型拉丝-油回火(油淬火/回火)构成的一系列处理而形成为预定的截面形状的线材，此时，在一次线材工序的热轧后进行球状化退火。这种情况下，在之后的二次线材工序中，铅浴淬火以后的一系列处理由于可以连续进行，因此可不降低生产率地完成。另外，由于是退火材料，因此还具有在拉丝工序中不产生加工裂纹的优点。当然，也可以直接以热轧的方式使用一次线材，这种情况下，制造二次线材时，也可以进行球状化退火来代替一部分的铅浴淬火处理来制备。铅浴淬火处理是指在生产线热处理中连续地进行保持加热、恒温相变或冷却相变而形成为微细的珠光体组织的热处理法，具体而言，在大致900℃至600℃的温度范围内进行。另外，本发明中进行的退火工序在一次线材的热轧后进行的情况下，优选在Fe-C状态图的A_C1点以下的温度600～750℃下进行360～600分钟，本发明中进行的退火工序在一次线材以后的二次线材化工序中进行的情况下，优选在Fe-C状态图的A_C1点以下的温度600～750℃下进行60～300分钟。此时，通过球状化退火形成的预定粒径的球状化渗碳体受到之后的热处理的影响，而且会影响之后的拉丝，因此，在二次线材工序中进行时，更优选在最后的油回火处理即将开始之前进行。因此，更优选进行球状化退火来代替第二次的铅浴淬火处理，但这种情况下，球状化退火必须进行批处理，即在以往的制造生产线的连续处理的中途夹有批处理，生产率不可避免地下降。油回火处理是所谓的油淬火-回火处理，但需要设定为球状化碳化物未完全溶入那样的、即达到优选的面积率那样的温度和时间。在本发明中，淬火工序在820～930℃的温度下进行了数十秒～数分钟(例如，30秒～3分钟)的加热之后进行，回火工序优选在400～500℃的温度下进行数十秒～数分钟(例如，30秒～3分钟)左右。关于各热处理温度和时间，根据热处理炉的尺寸、处理物的截面积而不同，因此需要将球状化渗碳体的粒径、面积率适当调节至优选的范围内。

本发明的压力环通过如下方法得到：由拉丝成预定的截面形状的上述线材，通常使用凸轮成形机成形为环的自由形状，进行消除应变热处理，对侧面、外周、开口等进行磨削，加工成预定的环形状。当然，可以根据需要实施镀敷、PVD等表面处理。

实施例

实施例1～3(E1～E3)

由轧制拉丝成直径

的SKS93一次线材，在由切削-加热(900℃)-铅浴淬火(600℃)-酸洗/造膜-拉丝-加热(900℃)-铅浴淬火(600℃)-酸洗/造膜-异型拉丝-油回火构成的拉丝工序中，引入700℃、60分钟的退火工序来代替第二次的铅浴淬火处理，最终准备厚度为1.0mm、宽度为2.3mm的截面形状为矩形的线材。在此，作为油回火处理，在860℃、45秒的加热后进行了由在60℃的油中进行淬火的淬火工序和470℃、60秒的回火工序构成的处理。图1中将实施例1的线材的基于扫描电子显微镜的显微镜组织作为实施例1～3的代表示出，但观察到分散在回火马氏体中的白色的微细的球状渗碳体。另外，将该组织放大，通过图像分析而测定了球状渗碳体的平均粒径和面积率，其结果是，平均粒径为0.6μm，面积率为1.8%。

实施例4～5(E4～E5)

使用SKS93钢材，通过与实施例1～3同样的方法，在冷拉丝后进行700℃下的退火来代替第二次的铅浴淬火处理，经过一系列拉丝工序，制造厚度为1.0mm、宽度为2.3mm的矩形的线材。但是，为了制备分散在回火马氏体基质中的球状化渗碳体，将油回火处理的淬火前的加热温度在实施例4中设定为800℃，在实施例5中设定为950℃。与实施例1同样地，根据线材的基于扫描电子显微镜的显微镜组织，通过图像分析测定了球状渗碳体的平均粒径和面积率，其结果是，在实施例4及5中，平均粒径为0.8μm及0.4μm，面积率为5.6%及0.2%。

由上述实施例1～5的厚度为1.0mm、宽度为2.3mm的截面形状为矩形的线材，成形为标称直径的压力环，实施了表2所示的被膜处理。即，对外周面施加利用离子镀产生的CrN被膜，对侧面施加了磷酸锌系被膜(实施例2)、磷酸锰系被膜(实施例3)。

比较例1～5(C1～C5)

在实施例1～5的拉丝工序中，将通过未引入退火工序的现有的拉丝工序制造的厚度1.0mm、宽度2.3mm的截面形状为矩形的线材成形的压力环作为比较例1，将由使用Si-Cr钢(JIS SWOSC-V)代替比较例1的SKS93钢材并通过与比较例1同样的方法制造的厚度1.0mm、宽度2.3mm的截面形状为矩形的线材成形且与实施例1～5同样地实施了表2所示的表面处理的压力环作为比较例2～4，将由使用硬钢线(JISSWRH62A)代替比较例1的SKS93钢材并通过与比较例1同样的方法制造的厚度1.0mm、宽度2.3mm的截面形状为矩形的线材成形的压力环作为比较例5。对比较例1～5的整个外周面施加了CrN被膜，对比较例3的侧面施加了磷酸锌系被膜，对比较例4的侧面施加了磷酸锰系被膜。

图2示出了比较例1的线材的基于扫描电子显微镜的显微镜组织，但仅观察到均匀的回火马氏体，未观察到实施例1那样的微细的球状渗碳体。

热衰减试验

热衰减试验基于JIS B8032-5。首先测定张力，将环关闭成标称直径，在300℃下加热3小时之后，再次测定张力，通过评价其减退率(在JIS中为切线方向张力减退度)来进行。试验对于实施例1、4及5以及比较例1、2及5进行5次，其结果的平均值如表2所示。实施例1显示出以平均值计比热传导率大致相同的比较例1优良29%的耐热衰减性，实施例4显示出以平均值计比热传导率大致相同的比较例1优良23%的耐热衰减性，实施例5显示出以平均值计比热传导率大致相同的比较例1优良8%的耐热衰减性，在实施例1和4中实现了作为目标的4%以下。此外，偏差也小。

热传导率测定

关于热传导率，对于实施例1、4、5、比较例1、2、5，通过激光闪光法进行了测定。结果如表2所示。实施例1的热传导率比Si-Cr钢的比较例2高，但比硬钢线的比较例5低。即，确认到热传导率取决于合金元素量。

热衰减率与热传导率的关系如图3所示，但仅看比较例1、2、5的话，若热传导率上升则热衰减率也上升。然而，实施例1、4、5位于三个比较例所示的线的下侧，能够确认：即使是相同的热传导率，热衰减率也减少，即耐热衰减性提高。

铝粘附试验

铝粘附试验是如下所述的试验：使用图4所示的装置(例如，理研制トライボリック)，在使环(压力环)以低速旋转的轴上同轴地载置，使调节成预定的温度的活塞材料(AC8A材料)以一定的周期沿着轴向往复运动，使环和活塞材料周期性地产生表面压力载荷，在发生铝粘附之前持续进行。若发生铝粘附，则旋转轴的转矩变动，而且温度也上升。通过此时的负荷循环数对寿命进行评价。作为试验条件，设定为试验温度240℃、表面压力负荷接触宽度0～1.1MPa、表面压力负荷循环数3.3Hz，环旋转速度3.3m/秒(单方向旋转)，进而将作为润滑剂的无添加基油SAE30在环表面上涂布0.08cc。其结果如表2及图5所示。关于耐铝粘附寿命，在实施例1的无表面处理(未加工材料)的情况下，与比较例2相比提高了72%，在实施例2的磷酸锌系被膜的情况下，与比较例3相比提高了44%。另一方面，在实施例3的磷酸锰系被膜的情况下，未确认到耐铝粘附寿命因母材的不同而存在差别。认为这是因为磷酸锰系被膜自身的表面粗糙度产生影响。

表2

Claims

1.一种压力环，其特征在于，具有以质量%计C：1.00～1.10、Si：0.50以下、Mn：0.80～1.10、Cr：0.20～0.60且余量由Fe及不可避免的杂质构成的组成，在回火马氏体基质中分散有平均粒径为0.1～1.5μm的球状化渗碳体。

2.根据权利要求1所述的压力环，其特征在于，所述球状化渗碳体的分散量在显微镜组织观察面中为1～6面积%。

3.根据权利要求1或2所述的压力环，其特征在于，热传导率为35W/m·K以上，热衰减率为4%以下。

4.一种压力环的制造方法，用于制造压力环，所述压力环具有以质量%计C：1.00～1.10、Si：0.50以下、Mn：0.80～1.10、Cr：0.20～0.60且余量由Fe及不可避免的杂质构成的组成，在回火马氏体基质中分散有平均粒径为0.1～1.5μm的球状化渗碳体，所述压力环的制造方法的特征在于，在压力环成形前的油回火处理工序之前包含退火工序。

5.根据权利要求4所述的压力环的制造方法，其特征在于，所述退火工序在600～750℃的温度下进行。

6.根据权利要求4或5所述的压力环的制造方法，其特征在于，所述油回火处理工序在淬火温度为820～930℃、回火温度为400～500℃的条件下进行。