壓力環(huán)用線材及其制造方法
【專利說明】
[0001] 本申請為2012年11月23日提交的、申請?zhí)枮?01180025607.X的、發(fā)明名稱為 "壓力環(huán)及其制造方法"的申請的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及汽車發(fā)動機用活塞環(huán)，尤其是涉及暴露在高壓縮比的發(fā)動機的熱負(fù)荷 高的環(huán)境下的壓力環(huán)及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 近年來，汽車發(fā)動機為了應(yīng)對環(huán)境，實現(xiàn)燃耗的改善、低排放化、高輸出化，發(fā)動機 規(guī)格處于高壓縮比化、高負(fù)荷化的傾向。然而，通常升高壓縮比時，燃燒室溫度也升高，容易 產(chǎn)生爆燃。通常的爆燃對策通過使點火時期（超前角）延遲來進行應(yīng)對，但這樣的話無法 維持高的熱效率，因此也進行了使燃燒室壁溫度下降的方向的研宄。在燃燒室壁溫度的下 降中，降低活塞冠面溫度是有效的，其中，使活塞的熱量經(jīng)由壓力環(huán)向冷卻了的氣缸壁釋放 是最有效的。即，利用了活塞環(huán)的三個基本功能即氣封功能、熱傳導(dǎo)功能、油控制功能中的 熱傳導(dǎo)功能。熱傳導(dǎo)功能與母材、表面處理層的熱傳導(dǎo)率、環(huán)形狀等存在密切的關(guān)系，因此 只要對它們進行最適化即可，另一方面，在材料的選定時，除了熱傳導(dǎo)率之外，還要求即使 暴露在約300°C左右的熱環(huán)境下也能夠維持環(huán)特性的耐熱衰減性、疲勞強度。
[0004]另外，在活塞為鋁（以下稱為"鋁"）制的情況下，伴隨著燃燒室溫度的上升而鋁軟 化，在活塞的環(huán)槽內(nèi)，由于壓力環(huán)的在高溫下的敲擊和滑動而引起疲勞破壞，容易發(fā)生環(huán)槽 磨損、向壓力環(huán)的鋁粘附。從該點出發(fā)，也要求使用熱傳導(dǎo)高的壓力環(huán)而降低環(huán)槽溫度。
[0005] 針對上述那樣的要求，例如在日本特開2009-235561中，作為熱傳導(dǎo)性和耐熱衰 減性優(yōu)異且能夠適用作為壓力環(huán)的活塞環(huán)，提出了將C、Si、Mn、Cr的適當(dāng)成分范圍規(guī)定成 預(yù)定的參數(shù)的活塞環(huán)組成。
[0006] 然而，例如若以熱傳導(dǎo)率為35W/m?!(以上且熱衰減率（環(huán)的切線張力減退度）為 4%以下為目標(biāo)，則處于難以實現(xiàn)該目標(biāo)的狀況。
[0007] 此外，在活塞環(huán)那樣的汽車零件中，不僅要求優(yōu)異的特性，而且也要求有競爭力的 價格。即，如何能夠減少成本也是重要的課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的課題在于提供一種在高壓縮比的發(fā)動機的熱負(fù)荷高的環(huán)境下能夠使用 的、熱傳導(dǎo)性和耐熱衰減性優(yōu)異且具有價格競爭力的壓力環(huán)。而且，其課題在于提供一種上 述壓力環(huán)的制造方法。
[0009] 表1表示在活塞環(huán)中使用的鋼材A~G的組成和200°C下的熱傳導(dǎo)率。對各鋼材 的熱傳導(dǎo)率與合金元素的組成和之間的關(guān)系進行整理后，如圖6那樣。即，合金元素量越少 的材料而熱傳導(dǎo)率越高。
[0010] [表 1]
[0011] 活塞環(huán)用鋼材的合金元素#1和熱傳導(dǎo)率
[0013] *1其他含有P及S作為不可避免的雜質(zhì)，但在本表中未記載。
[0014] 然而，實際上，當(dāng)合金元素量減少時，耐熱衰減性差，在熱負(fù)荷高的環(huán)境下，無法供 于作為壓力環(huán)的使用。而且，鋼材的成本通常是合金元素量越少而越廉價，但除此之外，從 市場經(jīng)濟的觀點出發(fā)，在市場中使用的量越多，即，越是如JIS(日本工業(yè)規(guī)格）登記材料那 樣大量生產(chǎn)的鋼材越廉價。由此，在本發(fā)明中，基本上使用合金元素量少的JIS登記材料， 為了即使在300°c的高溫下也能發(fā)揮優(yōu)異的耐熱衰減性而調(diào)制了顯微鏡組織。本發(fā)明者仔 細研宄的結(jié)果是具體而言，考慮了使用JISG4801規(guī)定的材料記號SUP10構(gòu)成的鋼材，在 對活塞環(huán)線材進行油回火處理之前，進行退火，使球狀化滲碳體析出，且通過使油回火處理 條件為最適化而使球狀化滲碳體適量分散至回火馬氏體基體中，在300°C下也能抑制錯位 的移動、蠕變，能夠提高耐熱衰減性。
[0015] 即，本發(fā)明的壓力環(huán)的特征在于，所述壓力環(huán)的組成為以質(zhì)量％計(：：0. 45~ 0? 55、Si:0? 15 ~0? 35、Mn:0? 65 ~0? 95、Cr:0? 80 ~1. 10、V:0? 15 ~0? 25 且其余部分由 鐵及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，平均粒徑為〇. 1~1. 5ym的球狀化滲碳體分散到回火馬氏體基 體中。優(yōu)選形成為平均粒徑為〇. 5~1. 0ym的球狀化滲碳體。而且，優(yōu)選球狀化滲碳體的 分散量在顯微鏡組織觀察面為1~6面積％。
[0016] 此外，優(yōu)選的是，本發(fā)明的壓力環(huán)的熱傳導(dǎo)率為35W/m*K以上，熱衰減率（環(huán)的切 線張力減退度）為4%以下。
[0017] 另外，本發(fā)明的壓力環(huán)的制造方法制造如下所述的壓力環(huán)：所述壓力環(huán)的組成為 以質(zhì)量％計(：：0? 45 ~0? 55、Si:0? 15 ~0? 35、Mn:0? 65 ~0? 95、Cr:0? 80 ~1. 10、V:0? 15 ~ 0. 25且其余部分由鐵及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，并將平均粒徑為0. 1~1. 5ym的球狀化滲碳 體分散到回火馬氏體基體中，所述壓力環(huán)的制造方法的特征在于，在壓力環(huán)成形前的油回 火處理工序之前含有退火工序。退火工序優(yōu)選在溫度600~720°C下進行，油回火處理工序 優(yōu)選在淬火溫度820~980 °C、回火溫度400~500 °C下進行。
[0018] 發(fā)明效果
[0019] 本發(fā)明的壓力環(huán)能實現(xiàn)高熱傳導(dǎo)率和高的耐熱衰減性這兩者，即使在高壓縮比發(fā) 動機那樣的熱負(fù)荷高的環(huán)境下的使用中，也能夠不會使環(huán)的張力減退地使活塞頭的熱量高 效率地向冷卻了的氣缸壁釋放，因此不用進行使點火時期延遲那樣的調(diào)整就能夠抑制爆 燃，能夠維持高的熱效率。而且，同樣地，能夠降低鋁活塞的環(huán)槽的溫度，能夠抑制鋁粘附、 環(huán)槽磨損。此外，根據(jù)本發(fā)明的制造方法，由于使用JIS規(guī)定且大量生產(chǎn)的鋼材，因此能夠 減少成本。
【附圖說明】
[0020] 圖1是表示實施例1的剖面的基于掃描電子顯微鏡的二次電子圖像照片的圖。
[0021] 圖2是表示比較例1的剖面的基于掃描電子顯微鏡的二次電子圖像照片的圖。
[0022] 圖3是表示實施例1、5及比較例1、2、5的熱傳導(dǎo)率與熱衰減率之間的關(guān)系的圖。
[0023] 圖4是示意性地表示鋁粘附試驗的圖。
[0024] 圖5是表示實施例1~3及比較例2~4的鋁粘附試驗結(jié)果的圖。
[0025] 圖6是表示使用于活塞環(huán)的鋼材的合金元素的組成和與熱傳導(dǎo)率之間的關(guān)系的 圖。
【具體實施方式】
[0026] 本發(fā)明的壓力環(huán)的特征在于，組成為以質(zhì)量％計(：：0.45~0.55、Si:0? 15~ 0. 35、Mn:0. 65~0. 95、Cr:0. 80~1. 10、V:0. 15~0. 25,其余部分由鐵及不可避免的雜質(zhì) 構(gòu)成，平均粒徑為〇. 1~1. 5ym的球狀化滲碳體分散至回火馬氏體基體中。上述組成基本 上是由JISG4801規(guī)定的材料記號SUP10的鋼材組成，稍含有Cr和V，但合金元素的總量 少，因此熱傳導(dǎo)率高。然而，耐熱衰減性并不充分。在本發(fā)明中，將比較大的球狀化的滲碳 體分散到回火馬氏體基體中。該球狀化滲碳體在進行油回火處理的彈簧鋼中作為殘留滲碳 體而已知，也成為應(yīng)力集中源，因此被看作是使鋼線的機械性質(zhì)下降的主要原因，但在使用 于活塞環(huán)的壓力環(huán)時，從實現(xiàn)優(yōu)異的耐熱衰減性的事實出發(fā)，由于殘留在油回火后的基體 中的球狀化滲碳體的存在，會對結(jié)晶晶格造成變形，因此能夠推測為即使在300°C下也難以 發(fā)生錯位。在本發(fā)明中，球狀化滲碳體的平均粒徑為0.1um以上。0.1ym左右以下的殘 留滲碳體在油回火處理的固溶化處理中，溶入到奧氏體中，因此未觀測作為平均粒徑小于 0. 1ym的球狀化滲碳體。而且，當(dāng)平均粒徑超過1. 5ym時，成為疲勞破壞的起源而降低疲 勞強度，因此不優(yōu)選。優(yōu)選平均粒徑為0. 5~1. 0ym。
[0027] 另外，球狀化滲碳體的分散量在顯微鏡組織觀察面上優(yōu)選為1~6面積％。此外 若為該范圍的分散量，則熱傳導(dǎo)率成為35W/m?!(以上，熱衰減率（基于JISB8032-5的切 線張力減退度）也成為4%以下，因此優(yōu)選。通常使用的Si-Cr鋼的熱傳導(dǎo)率為31W/m?K 左右，35W/m?K左右的熱傳導(dǎo)率比得上顯示優(yōu)異的熱傳導(dǎo)率的以往的片狀石墨鑄鐵活塞環(huán) 的熱傳導(dǎo)率。在金屬中，熱傳導(dǎo)率主要由結(jié)晶粒內(nèi)的自由電子的運動所支配，因此固溶元素 越少而熱傳導(dǎo)率越提高。考慮到本發(fā)明所使用的SUP10與Si-Cr鋼相比，作為固溶強化元 素的Si特別少，而且形成球狀化滲碳體也會減少固溶C而引起熱傳導(dǎo)率的提高。而且，熱 衰減率在JISB8032-5中，在鋼環(huán)的情況下，在300°CX3小時的試驗條件下，切線張力減 退度規(guī)定為8 %以下，但越小越優(yōu)選，作為材料開發(fā)中的目標(biāo)值，形成為與Si-Cr鋼相同水 平的4%左右。
[0028] 鋼制壓力環(huán)通常從耐磨損性、耐劃傷性的觀點出發(fā)，對外周滑動面進行各種表面 處理。若熱傳導(dǎo)率優(yōu)先，則優(yōu)選鍍Cr，但若重視耐磨損性、耐劃傷性，則適用基于離子鍍膜產(chǎn) 生的CrN皮膜、鋁氣缸適用DLC皮膜，即使是相同壓力環(huán)，根據(jù)滑動對方材料、使用環(huán)境等而 能夠選擇適合的表面處理。當(dāng)然，也包含氮化處理。
[0029] 本發(fā)明的壓力環(huán)的制造中使用的線材中，對組成為以質(zhì)量％計C:0? 45~0? 55、 Si:0? 15 ~0? 35、Mn:0? 65 ~0? 95、Cr:0? 80 ~1. 10、V:0? 15 ~0? 25 且其余部分由鐵及 不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的鋼材（SUP10)進行了熔煉后，通過熱軋而形成為線材，由線材，通常 經(jīng)由鉛浴淬火-酸洗-拉絲-鉛浴淬火-酸洗-拉絲-油回火_(油淬火-回火）構(gòu)成的 一連串的處理而形成為預(yù)定的剖面形狀的線材，此時取代一部分的鉛浴淬火的處理而進行 球狀化退火，由此來調(diào)制。鉛浴淬火處理是指在線性熱處理中連續(xù)地進行恒溫相變或冷卻 相變而形成為微細的珠光體組