[发明专利]可氮化钢活塞环和钢汽缸套及制造它们的铸造方法

说明书

技术领域

本发明涉及活塞环和汽缸套，它们具有良好的可氮化性并可通过铸造方法制造。此外，本发明涉及可用本发明具有良好的可氮化性的活塞环和汽缸套制造的氮化活塞环和汽缸套。此外，本发明涉及一种用于制造本发明具有良好的可氮化性的活塞环和汽缸套的方法和一种用于制造本发明的氮化活塞环和汽缸套的方法。

背景技术

在内燃机中，活塞环密封燃烧室的活塞头和汽缸壁之间的间隙。由于活塞往复运动，活塞环一侧与其外周面在永久性的弹簧加载位置中对着汽缸壁滑动，且因为活塞的倾斜运动，活塞环的另一侧在其活塞环槽中以振动方式滑动，因此其侧面交替地对活塞环槽的上或下槽侧面施加压力。这些元件相对于彼此的相互滑动导致取决于材料的较大或较小的磨损量；如果它空运行，这可导致所谓的磨损、划痕和最终发动机的破坏。为了改进活塞环相对汽缸壁的滑动和磨损性能，它们的周面已设有由各种材料形成的涂层。

汽缸套例如往复式活塞内燃机中的汽缸套，必须具有高耐磨性，因为否则，换言之，随着汽缸套变薄，气体泄漏和油耗可增加，发动机性能可劣化。随着汽缸套磨损，汽缸套中的间隙不断增加，使得更多的燃烧气体能够进入曲轴箱。此外，在极端情况下，活塞环可能无法对汽缸套均一地施加压力，于是甚至更多的气体可进入曲轴箱中。

为了生产高性能的内燃机零件，例如活塞环和汽缸套，通常使用铸铁材料或铸铁合金。在高性能发动机中，对活塞环尤其是压缩环所设的要求变得愈发严格，例如关于峰压缩压力、燃烧温度、EGR和润滑膜减少，它们实质上影响活塞环的功能性，例如耐磨性、抗烫焦性、显微焊接和耐腐蚀性。

然而，现有技术的铸铁材料有极大的断裂风险；事实上，当使用现有材料时，环经常断裂。增加的力学-动力学负荷导致活塞环和汽缸套较短的使用寿命。严重的磨损和腐蚀出现在工作面和侧面上。

较高的点火压力、减少的散发和直接喷射燃料意味着活塞环上增加的负荷。这导致特别是下活塞环侧面上的活塞材料的破坏和建立。

因为活塞环和汽缸套上较高的力学和动力学应力，越来越多的发动机制造商要求高级钢(淬火与回火的和高合金，例如1.4112级)制造的活塞环和汽缸套。于此，包含少于2.08%重量百分比的碳的含铁材料通称为钢。如果碳含量更高，则其称为铸铁。与铸铁相比，钢具有更好的强度和韧性性质，因为在基本的微观结构中不存在游离石墨的干扰。

通常，高铬合金的马氏体钢用于制造钢活塞环或钢汽缸套。然而，利用这种钢的缺点是制造成本明显高于铸铁元件的。

钢活塞环是用异形钢丝制造。异形钢丝盘绕成环形轧材、被切割并在“非圆形”心轴上拉伸。活塞环在此心轴上通过退火过程获得其所需非圆形状，该退火过程给予所需切向应力。用钢制造活塞环的另一个缺点是，超过特定直径，用钢丝制造(盘绕)环不再可能。

一种常规的钢活塞环公开于EP 0 295 111 A2。它由合金组成，其中加入铝以助于制造异形钢丝和有助于进一步的加工以形成活塞环。

另一方面，由铸铁形成的活塞环在铸造时已经是非圆的，使得从开始它们便具有理想形状。铸铁具有比钢显著低的熔点。取决于化学成分，差值可达350℃。因此，铸铁比较容易熔化和铸造，因为较低的熔点意味着铸造温度较低，这样冷却时的收缩较小，因此铸造材料具有较少的管缺陷或热裂和冷裂。较低的铸造温度也带来模具材料和熔炉上较低的应力(腐蚀、气孔、夹砂)，并也带来较低的熔化成本。

含铁材料的熔点并不简单地取决于碳含量，而且取决于其“饱和度”。下列经验公式适用：

Sc = C/(4.26-1/3(Si+P))。

饱和度愈接近1，熔点愈低。对于铸铁，通常期望1.0的饱和度，因此铸铁的熔点为1150℃。钢的饱和度大约为0.18，视化学成分而定。共晶钢的熔点为1500℃。

饱和度受Si或P含量的显著影响。举例来说，3%重量百分比的较高硅含量具有与1%重量百分比的较高C含量类似的效果。因此，可制造C含量为1%重量百分比且硅含量为9.78%重量百分比的钢，其具有与饱和度为1.0的铸铁(C：3.26%重量百分比；Si：3.0%重量百分比)相同的熔点。

Si含量的急剧增加可提高钢的饱和度，并降低熔点至铸铁的熔点。因此，可借助用于制造铸铁(例如GOE 44)的相同技术来制造钢。

由高硅铸钢形成的活塞环和汽缸套在本领域内是已知的。但是，较大量存在的硅对材料的淬透性有负面影响，因为增加了材料的奥氏体转变温度“Ac3”。

然而，具有低硅含量的钢活塞环常规用异形钢丝制造。这种具有低硅含量的钢活塞环参见JP 03-122257A。