專利名稱：用于制造內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)的鑄鐵合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于制造耐高溫內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)的鑄鐵合金。
內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)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(huán)，忍受著高溫，所以要求其有高溫下的機(jī)械強(qiáng)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(huán)，它的基體中含有1-15重量百分?jǐn)?shù)的球狀直到小滴狀的析出銅，由于銅的高溫傳導(dǎo)性能可迅速把熱散走，從而降低了活塞環(huán)材料的溫度負(fù)荷。
特別是現(xiàn)代的內(nèi)燃機(jī)，為了改善行駛、運(yùn)行和噪音方面的舒適性，在顯著提高功率的同時(shí)采用了短沖程的輕型箱式活塞(Leichtbau-Kiastenkolben)，其中為了減少運(yùn)行振動(dòng)，活塞環(huán)裝置被大大地向上推移。特別是最上面的活塞環(huán)以及第二個(gè)所謂刮環(huán)(Abstreifring)的大部分被暴露在較高溫度下，要求此種材料的力學(xué)強(qiáng)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(wěn)定性，還不能達(dá)到此類高的要求。
因此本發(fā)明的目的在于尋找一種高溫下工作的內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)用的鑄鐵合金，該合金在高溫下的強(qiáng)度值不變。
本發(fā)明是用珠光體結(jié)構(gòu)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?jǐn)?shù)碳1.5-4.0重量百分?jǐn)?shù)硅0.2-2.0重量百分?jǐn)?shù)錳最大0.35 重量百分?jǐn)?shù)磷最大0.03 重量百分?jǐn)?shù)硫最大3.0重量百分?jǐn)?shù)鉻最大1.5重量百分?jǐn)?shù)釩最大2.5重量百分?jǐn)?shù)鉬最大0.2重量百分?jǐn)?shù)鎳1.0-3.5 重量百分?jǐn)?shù)銅0.02-2.5 重量百分?jǐn)?shù)鋁0.005-0.04重量百分?jǐn)?shù)鎂其余為鐵。
用本發(fā)明的鑄鐵合金，試驗(yàn)性地澆注成活塞環(huán)，為測定其熱穩(wěn)定性，經(jīng)受溫度在500-700℃的30分鐘熱處理。發(fā)現(xiàn)其硬度有正常的下降，而鑄鐵合金的珠光體結(jié)構(gòu)基本上沒有改變，所以此材料具有所要求的高的熱穩(wěn)定性。
為了使之進(jìn)一步珠光體化，鑄鐵合金可以含有直到0.4重量百分?jǐn)?shù)的銻，它可以在熔化時(shí)或通過接種物加到合金中去。在合金化時(shí)同樣也可加入總量至4.0重量百分?jǐn)?shù)的鎳、鈷、鋅、鈦、鈮、鉭、硼元素和/或鉍中至少一種元素。通過強(qiáng)行注入(Fülldraht-Injektion)法在鑄鐵合金中可另外補(bǔ)入氮，最多達(dá)300ppm。為了改善其可加工性，鑄鐵合金可進(jìn)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(huán)的全部表面或工作面和/或側(cè)面上進(jìn)行滲氮處理。雖然在所有要求的合金范圍內(nèi)的鑄鐵材料均適合作滲氮，在本發(fā)明的適于滲氮的組成含量范圍內(nèi)，本發(fā)明的鑄鐵合金優(yōu)先采用硅、鉻、釩、鉬和鋁含量的上限。優(yōu)選的不滲氮鑄鐵合金的組成為2.5-4.0重量百分?jǐn)?shù)碳1.5-2.5重量百分?jǐn)?shù)硅0.2-2.0重量百分?jǐn)?shù)錳最大0.35 重量百分?jǐn)?shù)磷最大0.03 重量百分?jǐn)?shù)硫最大0.3重量百分?jǐn)?shù)鉻最大0.2重量百分?jǐn)?shù)釩最大0.3重量百分?jǐn)?shù)鉬最大0.2重量百分?jǐn)?shù)鎳1.0-3.5重量百分?jǐn)?shù)銅最大0.1重量百分?jǐn)?shù)鋁0.005-0.04 重量百分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)碳2.0-4.0重量百分?jǐn)?shù)硅0.2-2.0重量百分?jǐn)?shù)錳最大0.35 重量百分?jǐn)?shù)磷最大0.03 重量百分?jǐn)?shù)硫0.2-3.0重量百分?jǐn)?shù)鉻最大1.5重量百分?jǐn)?shù)釩最大2.5重量百分?jǐn)?shù)鉬最大0.2重量百分?jǐn)?shù)鎳1.0-3.5重量百分?jǐn)?shù)銅0.02-2.5 重量百分?jǐn)?shù)鋁0.005-0.04 重量百分?jǐn)?shù)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(fā)明創(chuàng)造了一種適用于內(nèi)燃機(jī)的在高溫負(fù)荷下工作的活塞環(huán)。此鑄鐵合金材料具有良好的熱性能，其材質(zhì)構(gòu)造在長期高溫負(fù)荷下無顯著變化。此鑄鐵合金能用于制造活塞環(huán)，其直徑直到1米，不管是固定澆注(standguβ)還是滑動(dòng)澆注(schlenderguβ)同樣能很好地適用。此鑄鐵合金也能用于類似負(fù)荷下的內(nèi)燃機(jī)機(jī)械零件如汽缸套、活塞、連桿、通用密封環(huán)、墊圈、齒輪和傳動(dòng)環(huán)(Getrieberinge)。下列二種鑄鐵合金被優(yōu)先采用，其中鑄鐵合金1優(yōu)先用于不滲氮的，鑄鐵合金2優(yōu)先用于滲氮的。
鑄鐵合金1 鑄鐵合金2碳3.76重量百分?jǐn)?shù) 3.78重量百分?jǐn)?shù)硅2.16重量百分?jǐn)?shù) 2.98重量百分?jǐn)?shù)錳0.88重量百分?jǐn)?shù) 0.86重量百分?jǐn)?shù)磷0.10重量百分?jǐn)?shù) 0.09重量百分?jǐn)?shù)硫0.008 重量百分?jǐn)?shù) 0.007 重量百分?jǐn)?shù)鉻0.04重量百分?jǐn)?shù) 2.04重量百分?jǐn)?shù)釩0.01重量百分?jǐn)?shù) 0.01重量百分?jǐn)?shù)鉬0.02重量百分?jǐn)?shù) 0.02重量百分?jǐn)?shù)鎳0.05重量百分?jǐn)?shù) 0.05重量百分?jǐn)?shù)銅2.46重量百分?jǐn)?shù) 2.38重量百分?jǐn)?shù)鈦0.01重量百分?jǐn)?shù) 0.01重量百分?jǐn)?shù)鎢0.03重量百分?jǐn)?shù) 0.03重量百分?jǐn)?shù)鈮/ 重量百分?jǐn)?shù) 0.02重量百分?jǐn)?shù)鎂0.01重量百分?jǐn)?shù) 0.010 重量百分?jǐn)?shù)其它為鐵 其余為鐵
權(quán)利要求
1.用于制造耐高溫之內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)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(jié)構(gòu)，其組成為2.5-4.0 重量百分?jǐn)?shù)碳1.5-4.0 重量百分?jǐn)?shù)硅0.2-2.0 重量百分?jǐn)?shù)錳最大0.35重量百分?jǐn)?shù)磷最大0.03重量百分?jǐn)?shù)硫最大3.0 重量百分?jǐn)?shù)鉻最大1.5 重量百分?jǐn)?shù)釩最大2.5 重量百分?jǐn)?shù)鉬最大0.2 重量百分?jǐn)?shù)鎳1.0-3.5 重量百分?jǐn)?shù)銅0.02-2.5重量百分?jǐn)?shù)鋁0.005-0.04 重量百分?jǐn)?shù)鎂其余為鐵。
2.按權(quán)利要求1的鑄鐵合金，其特征在于，鑄鐵合金含有可以多達(dá)0.4重量％的銻。
3.按權(quán)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(dá)4.0重量％。
4.按權(quán)利要求1到3中至少一項(xiàng)的鑄鐵合金，其特征在于，在熔融的鑄鐵合金中用強(qiáng)行注入法補(bǔ)進(jìn)氮，其量最大為300ppm。
5.按權(quán)利要求1到4中至少一項(xiàng)的鑄鐵合金，其特征在于，由合金澆注的工件經(jīng)過直到750℃的熱處理。
6.按權(quán)利要求1到5中至少一項(xiàng)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(jìn)行滲氮處理。
7.按權(quán)利要求1到6中至少一項(xiàng)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?jǐn)?shù)碳2.0-4.0重量百分?jǐn)?shù)硅0.2-2.0重量百分?jǐn)?shù)錳最大0.35 重量百分?jǐn)?shù)磷最大0.03 重量百分?jǐn)?shù)硫0.2-3.0重量百分?jǐn)?shù)鉻最大1.5重量百分?jǐn)?shù)釩最大2.5重量百分?jǐn)?shù)鉬最大0.2重量百分?jǐn)?shù)鎳1.0-3.5重量百分?jǐn)?shù)銅0.02-2.5 重量百分?jǐn)?shù)鋁0.005-0.04 重量百分?jǐn)?shù)鎂其余為鐵。
8.按權(quán)利要求1到6中至少一項(xiàng)的鑄鐵合金，其特征在于，不滲氮的鑄鐵合金組成優(yōu)選為2.5-4.0重量百分?jǐn)?shù)碳1.5-2.5重量百分?jǐn)?shù)硅0.2-2.0重量百分?jǐn)?shù)錳最大0.35 重量百分?jǐn)?shù)磷最大0.03 重量百分?jǐn)?shù)硫最大0.3重量百分?jǐn)?shù)鉻最大0.2重量百分?jǐn)?shù)釩最大0.3重量百分?jǐn)?shù)鉬最大0.2重量百分?jǐn)?shù)鎳1.0-3.5重量百分?jǐn)?shù)銅最大0.1重量百分?jǐn)?shù)鋁0.005-0.04 重量百分?jǐn)?shù)鎂其余為鐵
9.按上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)的鑄鐵合金在制造汽缸套、活塞、連桿、傳動(dòng)環(huán)，通用密封環(huán)，齒輪和墊圈中的應(yīng)用。
全文摘要
一種有高強(qiáng)度和高熱穩(wěn)定性的、主要用于制造內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)的鑄鐵合金,其主體為珠光體基體結(jié)構(gòu),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(jìn)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(hào)F16J10/00GK1176315SQ9711229
公開日1998年3月18日 申請(qǐng)日期1997年7月23日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月25日
發(fā)明者漢斯－于爾根·弗伊特根, 維爾弗里德·朗納 申請(qǐng)人:Ae格策有限公司