專利名稱：用于制造活塞環和汽缸套的氮化級鋼材料成分的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種鋼成分，其特別適合制造活塞環和汽缸套并具有良好的可氮化性。此外，本發明涉及一種可用本發明具有良好的可氮化性的鋼成分制造的氮化鋼成分。此外，本發明涉及一種用于制造本發明具有良好的可氮化性的鋼成分的方法和一種用于制造本發明的氮化鋼成分的方法。最后，本發明涉及包含本發明的鋼成分作為主體的活塞環和汽缸套。
背景技術：
在內燃機中，活塞環密封燃燒室的活塞頭和汽缸壁之間的間隙。由于活塞往復運動，活塞環一側與其外周面在永久性的彈簧加載位置中對著汽缸壁滑動，且因為活塞的傾斜運動，活塞環的另一側在其活塞環槽中以振動方式滑動，因此其側面交替地對活塞環槽的上或下槽側面施加壓力。這些元件相對于彼此的相互滑動導致取決于材料的較大或較小的磨損量；如果它空運行，這可導致所謂的磨損、劃痕和最終發動機的破壞。為了改進活塞環相對汽缸壁的滑動和磨損性能，它們的周面已設有由各種材料形成的涂層。汽缸套例如往復式活塞內燃機中的汽缸套，必須具有高耐磨性，因為否則，換言之，隨著汽缸套變薄，氣體泄漏和油耗可增加，發動機性能可劣化。隨著汽缸套磨損，汽缸壁和汽缸套之間的間隙變得越來越大，故燃燒氣體可更容易地經由汽缸套逃逸出去(通稱為漏氣)，從而降低發動機的效率。此外，增大的間隙尺寸意味著燃燒室中未擦去的油膜變得更厚，因此每單位時間內浪費更多的油，從而增加油耗。為了生產高性能的內燃機零件，例如活塞環和汽缸套，通常使用鑄鐵材料或鑄鐵合金。在高性能發動機中，對活塞環尤其是壓縮環所設的要求變得愈發嚴格，例如關于峰壓縮壓力、燃燒溫度、EGR和潤滑膜減少，它們實質上影響活塞環的功能性，例如耐磨性、抗燙焦性、顯微焊接和耐腐蝕性。然而，現有技術的鑄鐵材料有極大的斷裂風險；事實上，當使用現有材料時，環經常斷裂。增加的力學-動力學負荷導致活塞環或汽缸套較短的使用壽命。嚴重的磨損和腐蝕出現在工作面和側面上。較高的點火壓力、減少的散發和直接噴射燃料意味著活塞環上增加的負荷。這導致特別是下活塞環側面上的活塞材料的破壞和建立。因為活塞環和汽缸套上較高的力學和動力學應力，越來越多的發動機制造商要求高級鋼(淬火與回火的和高合金，例如1.4112級)制造的活塞環和汽缸套。于此，包含少于2. 08%重量百分比的碳的含鐵材料通稱為鋼。如果碳含量更高，則其稱為鑄鐵。與鑄鐵相比，鋼具有更好的強度和韌性性質，因為在基本的微觀結構中不存在游離石墨的干擾。通常，高鉻合金的馬氏體鋼用于制造鋼活塞環或鋼汽缸套。然而，利用這種鋼的缺點是制造成本明顯高于鑄鐵元件的。鋼活塞環是用異形鋼絲制造。異形鋼絲盤繞成環形軋材、被切割并在“非圓形”心軸上拉伸。活塞環在此心軸上通過退火過程獲得其所需非圓形狀，該退火過程給予所需切向應力。用鋼制造活塞環的另一個缺點是，超過特定直徑，用鋼絲制造(盤繞)環不再可能。 另一方面，由鑄鐵形成的活塞環在鑄造時已經是非圓的，使得從開始它們便具有理想形狀。鑄鐵具有比鋼顯著低的熔點。取決于化學成分，差值可達350°C。因此，鑄鐵比較容易熔化和鑄造，因為較低的熔點意味著鑄造溫度較低，這樣冷卻時的收縮較小，因此鑄造材料具有較少的管缺陷或熱裂和冷裂。較低的鑄造溫度也帶來模具材料和熔爐上較低的應力(腐蝕、氣孔、夾砂)，并也帶來較低的熔化成本。含鐵材料的熔點并不簡單地取決于碳含量，而且取決于其“飽和度”。下列經驗公式適用
Sc = C/ (4. ^_l/3(Si+P))。飽和度愈接近1，熔點愈低。對于鑄鐵，通常期望1. 0的飽和度，因此鑄鐵的熔點為 1150°C。鋼的飽和度大約為0. 18，視化學成分而定。共晶鋼的熔點為1500°C。飽和度受Si或P含量的顯著影響。舉例來說，3%重量百分比的較高硅含量具有與 1%重量百分比的較高C含量類似的效果。因此，可制造C含量為1%重量百分比且硅含量為 9. 78%重量百分比的鋼，其具有與飽和度為1. 0的鑄鐵(C 3. 26%重量百分比；Si :3. 0%重量百分比)相同的熔點。Si含量的急劇增加可提高鋼的飽和度，并降低熔點至鑄鐵的熔點。因此，可借助用于制造鑄鐵(例如GOE 44)的相同技術來制造鋼。由高硅鑄鋼形成的活塞環和汽缸套在本領域內是已知的。但是，較大量存在的硅對材料的淬透性有負面影響，因為增加了材料的奧氏體轉變溫度“Ac3”。然而，本領域通常用于增加活塞環表面硬度的方法可在于將材料氮化。但是，已表明，現有技術的高硅鋼鑄件具有差的可氮化性。
發明內容
因此，本發明的目的是提供一種高硅含量的鋼成分，其特別用于制造活塞環和汽缸套并具有良好的可氮化性，還提供一種氮化鋼成分。在通過重力鑄造法制造后，所述氮化鋼成分的性質將在至少一個下列點上優于淬火與回火的球狀石墨鑄鐵的性質
力學性能，例如彈性模數、抗彎強度；
斷裂強度；
形狀穩定性；
側面上的磨損；
工作表面上的磨損。依據本發明，該目的通過一種鋼成分實現，所述鋼成分包含下述比例的下列元素
C: 0.5-1. 重量百分比 Cr: 4. 0-20. 0%重量百分比 Fe: 45. 30-91. 25%重量百分比 Mn: 0. 1-3. 0%重量百分比 Mo: 0. 1-3. 0%重量百分比 Ni: 2. 0-12. 0%重量百分比Si: 2. 0-10. 0%重量百分比 V:0. 05-2. 0%重量百分比。對于所述成分，所有指定或未明確指定的起始原料、組分、成分、元素和補充原料的總和在所有情況下均為100%重量百分比。所有起始原料、組分、成分、元素和補充原料的部分可利用技術人員所知的多種方法設定。化學成分特別根據待制造的零件進行調整。假定，本發明鋼成分的良好的可氮化性是因為4. 0-20.0%重量百分比的鉻含量。 在氮化過程中，鉻形成非常硬的氮化物。雖然將鉻加入鋼成分通常將進一步提高材料的奧氏體轉變溫度，并因此進一步導致其淬透性劣化，但是在本發明中觀察到，加入2. 0-12. 0% 重量百分比的鎳抵消了奧氏體轉變溫度的這種上升。如此，本發明防止增加的奧氏體轉變溫度使可獲得的材料表面更好的淬透性無效，因為通過同時還原主體的淬透性來改善鋼成分的可氮化性。本發明鋼成分中的下列元素優選以相對100%重量百分比的鋼成分表示的下述最
大量存在B:最大0.5% Ii量百分比Cu:最大2.0%1i量百分比Nb:最大0.05% ；重量百分比P:最大0.01%；重量百分比Pb:最大0.05% ；重量百分比S:最大0.05% ；重量百分比Sn:最大0.05% ；重量百分比Ti:最大0.2% Ii量百分比W:最大0.5% Ii量百分比。此外，本發明的鋼成分優選僅包含選自以下的元素C、Cr、Cu、Fe、Mn、Mo、Nb、Ni、 P、Pb、S、Si、Sn、Ti、V和W，所述元素的總和為100%重量百分比。將本發明具有良好的可氮化性的鋼成分氮化來生產本發明的氮化鋼成分。本發明的氮化鋼成分降低了由其制造的零件在被強烈加熱時改變它們的形狀的趨向，并因此確保長期的高性能和此外減少的油耗。因為其極好的性質，本發明的氮化鋼成分因此特別適合制造汽車和LB場中的活塞環和汽缸套，或用于閥座環和引導件。此外，可制造傳動密封、制動黑色板(brake black plate)和用于冷卻裝置、噴頭以及汽缸套的密封，或者化學工業的零件。本發明的氮化鋼成分還具有的優點是，例如鋼活塞環和鋼汽缸套可利用制造鑄鐵零件的機器和技術來制造。此外，制造成本與鑄鐵活塞環的相當，為廠家節省成本和提高利潤。同樣地，可獨立于供應商調整材料參數。本發明還提供一種用于制造本發明具有良好的可氮化性的鋼成分的方法，包括下列步驟
a.用起始原料生產熔體；和
b.將所述熔體澆鑄到準備的模具中。起始原料的實例是鋼屑、回爐廢鋼和合金化物質。熔化過程是在熔爐優選化鐵爐中進行。接著，當熔體固化時產生坯料。因此，可利用本領域已知的方法鑄造坯料，例如通過離心鑄造法、連續澆鑄法、沖壓法、殼型鑄造法或優選的濕砂造型。在鋼成分已冷卻后，將模具空置，并清潔獲得的坯料。必要時，可隨后將坯料淬火和回火。這由下列步驟完成
c.在其Ac3溫度之上將所述鋼成分形成奧氏體；
d.將所述鋼成分在適當的淬火介質中淬火；和
e.將所述鋼成分在可控氣氛爐中于400-700°C范圍內的溫度回火。優選地，油用作所述淬火介質。為制造本發明的氮化鋼零件，遵循上述工序，進行所得鋼成分的氮化。這可例如通過氣體氮化、離子氮化或加壓滲氮來完成。下列實施例在不限制本發明的情況下對其進行說明。
具體實施例方式一種活塞環由本發明的高度可氮化鋼成分制造，所述鋼成分具有下列成分
B:0.001%重量百分比Pb:0.16% 1I量百分比C:0.7%重量百分比S:0.009%重量百分比Cr:18. 0% 1■量百分比Si:3.0%重量百分比Cu:0.05% 1■量百分比Sn:0.001%重量百分比Mn:0.45% 1■量百分比Ti:0.003%重量百分比Mo:1.05% 1■量百分比V:0.ιι%1I量百分比Nb:0.002%重量百分比W:0.003%重量百分比Ni:3.15% 1■量百分比Fe 余里ο它通過從起始原料(鋼屑、回爐廢鋼和合金化物質)生產熔體，并將熔體澆鑄到準備的濕砂型中來獲得。接著，將模具空置，清潔所得活塞環。隨后，可對活塞環進行淬火和回火。這通過在鋼成分的Ac3溫度之上形成奧氏體，并在可控氣氛爐中于400-700°C范圍內的溫度進行油淬和回火來完成。最后，將所得活塞環的表面氮化。在氮化區域中獲得大于1000 HV的硬度，其保證了對側面磨損和工作面磨損的高抗性。該情況下的硬度根據DIN 6773測定。
權利要求
1.一種特別用于制造活塞環和汽缸套的鋼成分，其具有良好的可氮化性，其特征在于， 其包含以相對100%重量百分比的所述鋼成分表示的下述給定比例的下列元素C: 0.5-1. 重量百分比 Cr: 4.0 -20. 0%重量百分比 Fe: 45. 30-91. 25%重量百分比 Mn: 0. 1-3. 0%重量百分比 Mo: 0. 1-3. 0%重量百分比 Ni: 2. 0-12. 0%重量百分比 Si: 2. 0-10. 0%重量百分比 V: 0. 05-2. 0%重量百分比。
2.根據權利要求1所述的鋼成分，其特征在于，其還具有下述最大量的下列元素 B:最大0.5%重量百分比Cu:最大2.0%重量百分比 Nb:最大0.05%重量百分比 P最大0.01%重量百分比 Pb:最大0.05%重量百分比 S: 最大0.05%重量百分比 Sn:最大0.05%重量百分比 Ti:最大0. 重量百分比 W 最大0.5%重量百分比。
3.根據權利要求1或2所述的鋼成分，其特征在于，其僅包含選自以下的元素B、C、 Cr、Cu、Fe、Mn、Mo、Nb、Ni、P、Pb、S、Si、Sn、Ti、V 和 W，所述元素的總和為 100% 重量百分比。
4.一種氮化鋼成分，其特征在于，其可通過將權利要求1或3中任一項的鋼成分氮化而得到。
5.一種用于制造權利要求1-3中任一項的鋼成分的方法，包括下列步驟a.用起始原料生產熔體；和b.將所述熔體澆鑄到準備的模具中。
6.根據權利要求5所述的方法，還包括下列步驟c.在其Ac3溫度之上將所述鋼成分形成奧氏體；d.將所述鋼成分在適當的淬火介質中淬火；和e.將所述鋼成分在可控氣氛爐中于400-700°C范圍內的溫度回火。
7.用于制造權利要求4的鋼成分的方法，包括下列步驟a.進行權利要求7或8的方法；和b.將所得鋼成分氮化。
8.一種活塞環，其特征在于，其包含權利要求1-4中任一項的鋼成分作為主體。
9.一種汽缸套，其特征在于，其包含權利要求1-4中任一項的鋼成分作為主體。
全文摘要
本發明公開了一種特別用于制造活塞環和汽缸套的鋼成分，具有良好的可氮化性，其包含以相對100%重量百分比的所述鋼成分表示的下述量的下列元素0.5-1.2%重量百分比的C、4.0-20.0%重量百分比的Cr、45.30-91.25%重量百分比的Fe、0.1-3.0%重量百分比的Mn、0.1-3.0%重量百分比的Mo、2.0-12.0%重量百分比的Ni、2.0-10.0%重量百分比的Si和0.05-2.0%重量百分比的V。它可通過生產起始原料的熔體并將熔體澆鑄到準備的模具中來制造。將所得鋼成分氮化得到氮化鋼成分，其通過重力鑄造法制造，并具有優于淬火與回火的球狀石墨鑄鐵的性質。
文檔編號C22C38/46GK102356257SQ200980157809
公開日2012年2月15日 申請日期2009年11月23日 優先權日2009年3月26日
發明者拉茲羅·佩索伊克茲 申請人:聯邦摩高布爾沙伊德公司