专利名称:活塞环材料的制作方法
本发明属于一种内燃机用的合金铸铁活塞环材料。
活塞环材料要求具有足够的抗弯强度和疲劳强度，合适的弹性模数，耐磨耐热性能佳，以及储油性和工艺性良好。能满足上述要求且又经济的材料仍然首推铸铁。
目前在国外，活塞环材料已形成低、中、高挡次，且根据活塞环用途和尺寸的不同而选用各种不同成份、牌号的铸铁材料。例如，日本理研活塞环公司采用单体铸造工艺法生产的RIK-41，RIK-42两种活塞环材料均属于一种含铬、锰、硅、磷、碳等元素的铸铁，由于采用特殊精炼技术，使珠光体基体稳定化，物理和机械性能较好，弹性模数和硬度适当，但耐磨耐热性能一般，所以适用于农机、压缩机，其成份及物理和机械性能如表一所示。
表一
但随着内燃机日趋强化，要求活塞环具有高强度、高耐磨性能和高耐热性能，为此，除选择适当的制造工艺外，对材料提出了更高的要求，例如，为了提高活塞环强度，一般采用多种合金，并增加合金的含量。像日本特公昭54-38577所介绍的内燃机活塞环材料，其耐磨耐热性能提高了，这是因为采用了多种合金，有锰、铬、镍、钼、铜、铌等，其中锰的含量为1.5%，铬为2.0%，镍和铜最高含量竟达到5%和15%，这无疑使制造成本大大提高，经济上是不合算的。而且任何一种材料很难于满足所有要求，有时活塞环必须镀上一层具有耐磨、抗摩擦、抗拉缸性能的镀层材料，如美国福特汽车公司(FOrd MOtor)所采用的DTD 485A的材料，是一种铬一钼合金铸铁，由于抗拉缸和耐磨性能较差，作为顶环材料，必须进行表面镀铬处理。
综上所述，在国外，活塞环材料正向着高强度、高耐磨和高耐热性能的方向发展，除了采用多种合金，增加合金含量外，还必须进行表面镀层处理，这不但增加了成本，使生产过程也大大复杂化了。
目前国内活塞环的主要材料是合金铸铁，相当于国外的中挡材料，而国外那些低挡材料，如灰铸铁，高挡材料如球墨铸铁，可锻铸铁，碳化物半可锻铸铁，我国还是空白，且与国外相比，无论在使用寿命、材料、工艺等方面均有一定差距，如汽车内燃机活塞环平均寿命仅为6万公里左右，因此，更不能适应今后内燃机发展的需要。
本发明的目的是生产一种成本低，综合性能佳，耐磨耐热性能好，使用寿命长的内燃机用合金铸铁活塞环材料。
为达到上述目的，本发明所采用的合金成份和含量如下锰0.45～0.90%，硅1.8～3.0%，磷0.30～0.50%，铬0.10～0.45%，钼0.20～0.45%，氮0.007～0.035%，铌0.10～0.50%，钙0.001～0.015%，碳2.5～4.0%，其余为铁以及铁中的杂质。
碳是导致石墨析出的元素，如果碳含量低于2.5%则出现大量碳化物，超过4%就会造成石墨粗大化，故本发明将其规定为2.5～4.0%。
硅是强烈促进石墨化元素，低于1.8%没有效果，超过3.0%将导致材料的脆化，故规定为1.8～3.0%。
锰是阻碍石墨化元素，锰与硫形成硫化锰，生铁中存在硫，为抵消硫单独存在的影响，锰含量最低也要在0.45%，但超过0.90%时，有促进白口化倾向，以致石墨化不足，所以规定为0.45～0.90%。
铬是复合碳化物的主要构成元素，碳化物除有助于提高耐磨性能外，还会使耐热和耐蚀性能提高，加入量低于0.1%时效果不大，但超过0.45%时又阻碍石墨的析出，故本发明规定铬的含量为0.1～0.45%。
钼的一部分和碳结合而形成复合碳化物，具有提高耐磨性能作用，其余部分则固溶在基体上，提高了材料的韧性及耐热、耐蚀性能，故本发明规定为0.20～0.45%。
磷在本发明中以磷共晶的形式出现，磷共晶以二元、三元和四元形式存在，基底是Fe3P，在三、四元磷共晶中含有Nb〔C、N〕，可提高磷共晶的显微硬度。磷共晶呈断网状而分布在晶界上，从而提高了活塞环的耐磨性。含磷量小于0.3%作用不明显。大于0.50%呈网状分布，使活塞环变脆且不易加工，所以控制在0.3～0.5%。
铌与碳及氮结合而形成碳氮化物Nb〔C、N〕，具有高硬度，其H2为2000～2500，且微细地析出，因此，特别在滑动部分发挥出支承效应，而有助于耐磨性能的提高，其含量低于0.10%不明显，在0.50%效果最佳，所以限定在0.10～0.50%。
氮与铌等元素结合形成氮化物，这些氮化物有助于耐磨性能提高，还会提高材料的综合性能，含量低于0.007%效果不明显，超过0.035%时，材料会出现缺陷。本发明将含氮量特别控制在0.007～0.035%。
钙有很强的脱氧脱硫能力，并且能与碳等元素化合成耐高温的化合物，如CaC2，有助于耐磨耐热性能提高，使材料综合性能得到提高，本发明将含钙量特别控制在0.001～0.015%。
需要特别指出的是，钙和氮是专门加入到本发明中的元素，与铁水中的Cr、Nb、Fe、Mn等合金元素化合成CrN、NbN、Nb〔C、N〕、FeN、MnN等氮化物，这些氮化物中的大部分具有耐高温、耐磨等优良性能，有的还作为结晶核心细化晶粒，而Ca则起细化晶粒、强化基体组织的作用。
本发明由于加入合金元素的含量较低，如铬、钼含量最高均为0.45%，钙和氮的价格又低廉，且不含有镍、铜等昂贵的合金元素，故成本大大降低，仅为国外活塞环成本的三分之一。特别是加入钙和氮后，综合性能提高了，尤其是耐磨耐热性能。将本发明用于汽车内燃机上，其最高寿命可达到12万公里以上，大大提高了使用寿命。
表二列出了本发明实施例1～5的化学成份。
按照表二所规定的化学成份选用铸造生铁和其他合金元素。
表二
本发明用电弧炉熔化。
采用砂型单体叠箱铸模进行铸造。浇注温度为1350℃～1380℃，铸造后的毛坯，需进行500℃～550℃×2.5小时的消除内应力退火，然后在空气中冷却。
实施例1～5的物理和机械性能是抗弯强度＝67～68kg/mm2弹性模数E＝12700～12800kg/mm2弹力消失率＜4%洛氏硬度 HRC＝98～107其物理和机械性能与表一中同样采用单体铸造工艺的RIK-41、RIK-42相比较，抗弯强度、硬度、弹力消失率等性能均处于优势。
附图所示的为施例3放大1，000倍的金相显微组织彩色图。
其中1、紫色-复合合金质点2、黄色-铁素体3、黑色-石墨片4、橘红色-磷共晶5、白、绿色-索氏体。
浸蚀剂硒酸酒精溶液。
其硬度(采用∏MT-3型显微硬度计)索氏体HM＝607磷共晶HM＝925(载荷50克)。
权利要求
1.活塞环材料，特别是合金铸铁活塞环材料，其化学成份一般有碳、硅、铌、铜、铬、锰、钼、磷、硼等，且根据活塞环用途和尺寸的不同而应用各种不同化学成份、牌号的铸铁材料，本发明的特征是碳 2.5～4%硅 1.8～3.0%铬 0.10～0.45%锰 0.45～0.90%钼 0.20～0.45%磷 0.30～0.50%铌 0.10～0.50%氮 0.007～0.035%钙 0.001～0.015%。
2.根据权利要求
1所述的活塞环材料，其特征是，其余成份为铁及铁中的杂质。
专利摘要
本发明属于一种内燃机用的合金铸铁活塞环材料，其成份有低含量的锰、、铬、钼、铌、钙、氮等，特别是钙和氮可与亲和力强的元素在基体中形成多种氮化物，从而使综合性能，特别是耐磨耐热性能提高。解决了国外活塞环成本高、制造工艺复杂，国内活塞环综合性能不高，使用寿命短的问题。本发明成本仅为国外活塞环的三分之一，在汽车内燃机上的使用寿命可达到12万公里以上。
文档编号C22C37/10GK86101804SQ86101804
公开日1987年1月24日 申请日期1986年3月22日
发明者刁乃文 申请人:天津市交通局科学技术研究所, 天津市治塞厂导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan