專利名稱：用于制造內燃機活塞環的鑄鐵合金的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于制造耐高溫內燃機活塞環的鑄鐵合金。
內燃機活塞環通常由灰口鑄鐵合金組成并含有部份球狀直到片狀石墨析出物。特別是在與燃燒室緊鄰的最上層的活塞槽中安置的活塞環，忍受著高溫，所以要求其有高溫下的機械強度。如按DE OS 3628157采用了一種以馬氏體為基體的球墨鑄鐵合金作為耐高溫活塞環，它的基體中含有1-15重量百分數的球狀直到小滴狀的析出銅，由于銅的高溫傳導性能可迅速把熱散走，從而降低了活塞環材料的溫度負荷。
特別是現代的內燃機，為了改善行駛、運行和噪音方面的舒適性，在顯著提高功率的同時采用了短沖程的輕型箱式活塞(Leichtbau-Kiastenkolben)，其中為了減少運行振動，活塞環裝置被大大地向上推移。特別是最上面的活塞環以及第二個所謂刮環(Abstreifring)的大部分被暴露在較高溫度下，要求此種材料的力學強度有較好的耐溫性。由DE OS 3628157所知的馬氏體球墨鑄鐵合金的熱穩定性，還不能達到此類高的要求。
因此本發明的目的在于尋找一種高溫下工作的內燃機活塞環用的鑄鐵合金，該合金在高溫下的強度值不變。
本發明是用珠光體結構及球狀或片狀石墨析出物的鑄鐵合金來解決上述目的的，其組份為2.5-4.0重量百分數碳1.5-4.0重量百分數硅0.2-2.0重量百分數錳最大0.35 重量百分數磷最大0.03 重量百分數硫最大3.0重量百分數鉻最大1.5重量百分數釩最大2.5重量百分數鉬最大0.2重量百分數鎳1.0-3.5 重量百分數銅0.02-2.5 重量百分數鋁0.005-0.04重量百分數鎂其余為鐵。
用本發明的鑄鐵合金，試驗性地澆注成活塞環，為測定其熱穩定性，經受溫度在500-700℃的30分鐘熱處理。發現其硬度有正常的下降，而鑄鐵合金的珠光體結構基本上沒有改變，所以此材料具有所要求的高的熱穩定性。
為了使之進一步珠光體化，鑄鐵合金可以含有直到0.4重量百分數的銻，它可以在熔化時或通過接種物加到合金中去。在合金化時同樣也可加入總量至4.0重量百分數的鎳、鈷、鋅、鈦、鈮、鉭、硼元素和/或鉍中至少一種元素。通過強行注入(Fülldraht-Injektion)法在鑄鐵合金中可另外補入氮，最多達300ppm。為了改善其可加工性，鑄鐵合金可進行直到750℃的熱處理。此外，為改善耐磨性，通過一般的方法如槽浴滲氮、氣體滲氮、等離子滲氮或脈沖等離子滲氮在活塞環的全部表面或工作面和/或側面上進行滲氮處理。雖然在所有要求的合金范圍內的鑄鐵材料均適合作滲氮，在本發明的適于滲氮的組成含量范圍內，本發明的鑄鐵合金優先采用硅、鉻、釩、鉬和鋁含量的上限。優選的不滲氮鑄鐵合金的組成為2.5-4.0重量百分數碳1.5-2.5重量百分數硅0.2-2.0重量百分數錳最大0.35 重量百分數磷最大0.03 重量百分數硫最大0.3重量百分數鉻最大0.2重量百分數釩最大0.3重量百分數鉬最大0.2重量百分數鎳1.0-3.5重量百分數銅最大0.1重量百分數鋁0.005-0.04 重量百分數鎂其余為鐵。
專用于滲氮的鑄鐵合金組成為2.5-4.0重量百分數碳2.0-4.0重量百分數硅0.2-2.0重量百分數錳最大0.35 重量百分數磷最大0.03 重量百分數硫0.2-3.0重量百分數鉻最大1.5重量百分數釩最大2.5重量百分數鉬最大0.2重量百分數鎳1.0-3.5重量百分數銅0.02-2.5 重量百分數鋁0.005-0.04 重量百分數鎂其余為鐵。
二種合金中均可含有改善耐磨性、改善珠光體化和改善可滲氮性的添加元素。
通過本發明創造了一種適用于內燃機的在高溫負荷下工作的活塞環。此鑄鐵合金材料具有良好的熱性能，其材質構造在長期高溫負荷下無顯著變化。此鑄鐵合金能用于制造活塞環，其直徑直到1米，不管是固定澆注(standguβ)還是滑動澆注(schlenderguβ)同樣能很好地適用。此鑄鐵合金也能用于類似負荷下的內燃機機械零件如汽缸套、活塞、連桿、通用密封環、墊圈、齒輪和傳動環(Getrieberinge)。下列二種鑄鐵合金被優先采用，其中鑄鐵合金1優先用于不滲氮的，鑄鐵合金2優先用于滲氮的。
鑄鐵合金1 鑄鐵合金2碳3.76重量百分數 3.78重量百分數硅2.16重量百分數 2.98重量百分數錳0.88重量百分數 0.86重量百分數磷0.10重量百分數 0.09重量百分數硫0.008 重量百分數 0.007 重量百分數鉻0.04重量百分數 2.04重量百分數釩0.01重量百分數 0.01重量百分數鉬0.02重量百分數 0.02重量百分數鎳0.05重量百分數 0.05重量百分數銅2.46重量百分數 2.38重量百分數鈦0.01重量百分數 0.01重量百分數鎢0.03重量百分數 0.03重量百分數鈮/ 重量百分數 0.02重量百分數鎂0.01重量百分數 0.010 重量百分數其它為鐵 其余為鐵
權利要求
1.用于制造耐高溫之內燃機活塞環的鑄鐵合金，其特征在于，在鑄鐵合金具有球狀或片狀石墨析出物的珠光體基體結構，其組成為2.5-4.0 重量百分數碳1.5-4.0 重量百分數硅0.2-2.0 重量百分數錳最大0.35重量百分數磷最大0.03重量百分數硫最大3.0 重量百分數鉻最大1.5 重量百分數釩最大2.5 重量百分數鉬最大0.2 重量百分數鎳1.0-3.5 重量百分數銅0.02-2.5重量百分數鋁0.005-0.04 重量百分數鎂其余為鐵。
2.按權利要求1的鑄鐵合金，其特征在于，鑄鐵合金含有可以多達0.4重量％的銻。
3.按權利要求1和/或2的鑄鐵合金，其特征在于，鑄鐵合金含有鎳、鈷、鋅、鈦、鈮、鉭、硼和/或鉍元素中至少一種元素，其總量可多達4.0重量％。
4.按權利要求1到3中至少一項的鑄鐵合金，其特征在于，在熔融的鑄鐵合金中用強行注入法補進氮，其量最大為300ppm。
5.按權利要求1到4中至少一項的鑄鐵合金，其特征在于，由合金澆注的工件經過直到750℃的熱處理。
6.按權利要求1到5中至少一項的鑄鐵合金，其特征在于，由合金澆注的工件用一種一般的方法進行滲氮處理。
7.按權利要求1到6中至少一項的鑄鐵合金，其特征在于，滲氮所需的鑄鐵合金組成為2.5-4.0重量百分數碳2.0-4.0重量百分數硅0.2-2.0重量百分數錳最大0.35 重量百分數磷最大0.03 重量百分數硫0.2-3.0重量百分數鉻最大1.5重量百分數釩最大2.5重量百分數鉬最大0.2重量百分數鎳1.0-3.5重量百分數銅0.02-2.5 重量百分數鋁0.005-0.04 重量百分數鎂其余為鐵。
8.按權利要求1到6中至少一項的鑄鐵合金，其特征在于，不滲氮的鑄鐵合金組成優選為2.5-4.0重量百分數碳1.5-2.5重量百分數硅0.2-2.0重量百分數錳最大0.35 重量百分數磷最大0.03 重量百分數硫最大0.3重量百分數鉻最大0.2重量百分數釩最大0.3重量百分數鉬最大0.2重量百分數鎳1.0-3.5重量百分數銅最大0.1重量百分數鋁0.005-0.04 重量百分數鎂其余為鐵
9.按上述權利要求中至少一項的鑄鐵合金在制造汽缸套、活塞、連桿、傳動環，通用密封環，齒輪和墊圈中的應用。
全文摘要
一種有高強度和高熱穩定性的、主要用于制造內燃機活塞環的鑄鐵合金,其主體為珠光體基體結構,并有球狀或片狀石墨析出物。其組成為:2.5—4.0wt%的碳、1.5—4.0wt%的硅、0.2—2.0wt%的錳、最大0.35wt%的磷、最大0.03wt%的硫、最大3.0wt%的鉻、最大1.5wt%的釩、最大2.5wt%的鉬、最大0.2wt%的鎳、1.0—3.5wt%的銅、0.02—2.5wt%的鋁、0.005—0.04wt%的鎂,其余為鐵,此合金可進行直到750℃的熱處理以改善可加工性,鑄件可用一種一般的方法滲氮以提高其抗磨損性。
文檔編號F16J10/00GK1176315SQ9711229
公開日1998年3月18日 申請日期1997年7月23日 優先權日1996年7月25日
發明者漢斯－于爾根·弗伊特根, 維爾弗里德·朗納 申請人:Ae格策有限公司