[发明专利]用于内燃机的活塞环材料

说明书

本申请是中国专利申请200980109869.7的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于内燃机的活塞环材料，更具体地，涉及一种在滑动表面上具有优异的擦伤性能和耐磨耗性的活塞环材料。

背景技术

在内燃机，特别是汽车发动机中的活塞环，迄今为止由铸铁制成，但是已经被所谓的钢活塞环代替，所述钢活塞环是通过将丝如扁平形钢丝成形为环形状而制造的。这是因为需要将环细化，或者提高它们的机械强度以满足内燃机轻重量、低燃料消耗、高速和高输出的要求。另一个主要原因是显著缩短环的制造过程的优点。

采用钢活塞环的代替首先在处于高负荷区域中的第一道活塞环(top ring)或油环中进行，并且使用诸如Si-Cr钢和含有11至17质量％的铬的马氏体不锈钢的材料。此外，通过将这些材料进行镀铬或氮化而制备的活塞环已经在许多情况下使用。另一方面，因为第二环起着用于第一道活塞环和油环的辅助作用，因此该材料可以不是昂贵的不锈钢，并且通常在没有任何表面处理的情况下直接使用。尽管钢活塞环与铸铁活塞环相比具有更大的强度并且提高更多的抗疲劳性和耐磨耗性的性能，但是它们的差的耐擦伤性是钢难以用于第二环的原因之一。

为了解决所述问题，本申请人已经通过以下方法提出一种具有耐擦伤性的活塞环材料：向含有0.3至0.8质量％的碳作为主要组分的低合金钢中加入适量的硫和钙的组合(参见专利文献1)。在该技术中，因为在钢中含有硫化物如MnS，硫在摩擦表面上由于摩擦热而原位形成硫化物膜，并且这种膜提高了润滑性能。此外，在钢中的MnS在切削或研磨时起着基材的应力集中源的作用，因此具有降低切削能的效果，因此，同时满足了耐擦伤性和可加工性。

专利文献1：JP-A-2001-329345

发明内容

本发明所要解决的问题

专利文献1提供了一种用于提高活塞环材料的自润滑性质的优异技术。然而，尽管自润滑硫化物，特别是MnS在钢中的形成提高了在活塞环的周边上的耐擦伤性，但是不容易控制活塞环的形状，因为这种硫化物容易通过热加工而延伸。此外，因为MnS是一种软的夹杂物，因此它对活塞环材料所必需的耐磨耗性几乎没有贡献。即使提高了耐擦伤性，但是如果滑动性能，特别是耐磨耗性差，则相对铸铁环的优点降低。

本发明的一个目的是提供一种用于内燃机的活塞环材料，所述活塞环材料具有优异的耐磨耗性和耐擦伤性，而没有降低钢活塞环材料的优异的机械性能和生产率。本发明的另一个目的是提供一种材料，该材料由于在低合金钢领域中实现上述性能而最特别适合用于未经表面处理的第二环和/或活塞环。

解决问题的手段

本发明人已经对影响活塞环所需的性能的组分和结构进行了深入的研究。作为结果，他们发现，钛或锆的硫化物或碳硫化物(carbosulfide)是硬的，并且几乎不导致由于热加工的形状变化，并且它可以通过以下方法而形成：向含有0.3至0.8质量％的碳作为主要组分的低合金钢中加入硫，同时加入与锰相比更能够形成硫化物的钛或锆。因此，可以在不降低活塞环的机械性能和生产率的情况下实现很好的耐磨耗性和耐擦伤性。

因此，本发明提供一种用于内燃机的活塞环材料，所述活塞环材料按质量计包含：0.3至0.8％的碳(C)；0.1至3.0％的硅(Si)；0.1至3.0％的锰(Mn)；0.01至0.3％的硫(S)；0.1至2.0％的铬(Cr)；总计为0.05至2.0％的钛(Ti)和/或锆(Zr)；和余量为铁(Fe)和难免的杂质，其中钛(Ti)和/或锆(Zr)和硫(S)满足以下关系：[Ti(％)+1/2Zr(％)]/S(％)≤5.0。

优选地，用于内燃机的活塞环材料按质量计包含铜(Cu)、钼(Mo)、铝(Al)和镍(Ni)中的一种或多种元素，所述元素在下列的范围内：不超过1.0％的铜，低于3.0％的钼，不超过1.0％的铝和低于2.0％的镍。

本发明的益处

根据本发明，钛和锆的硫化物或碳硫化物具有优异的自润滑性能。因为这种硫化物或碳硫化物通过从熔融钢结晶而形成，因此它们在热精炼处理如淬火和回火中几乎不遭遇形状变化，从而避免了复杂的结构控制的需要。此外，上述硫化物或碳硫化物是硬的。因此，其中这种硫化物或碳硫化物的粒子分散在结构中的本发明活塞环材料沿着周边具有耐擦伤性和耐磨耗性，从而对活塞环的性能提高贡献大。

附图简述

图1是根据本发明的材料1的扫描电子显微镜(SEM)照片和能量色散X射线荧光(EDX)分析的结果；