用于活塞环应用的高模量耐磨性灰口铸铁

摘要

一种由铸铁构成的活塞环具有改进的机械加工性，优异的性能，以及最低的成本。该铸铁包括2.2-2.9wt.％的碳，3.2-4.2wt.％的硅，0.75-1.25wt.％的铜，1.0-1.5wt.％的锰，0.09-0.15wt.％的硫，不大于0.2wt.％的磷，以及3.8的平均碳当量。该铸铁优选包括一种马氏体基体，硫化锰和碳化物分布在该基体中。该基体还优选不包含铁素体、奥氏体和斯氏体。通过对合金进行铸造、奥氏体化、淬火和回火而形成该铸铁。

说明书

技术领域

本发明大体涉及用于内燃机的活塞环及其构成材料和制造方法。

背景技术

内燃机应用的活塞环通常由具有耐磨性和抗咬合性的铸铁组分构 成。Miwa的美国专利US5,972,128公开了用于构成活塞环的铸铁组分。Miwa 的专利中公开的铸铁包括，以铸铁的重量百分比(wt.％)计的，3.15-3.16wt.％ 的碳，2.66-2.86wt.％的硅,0.65-1.18wt.％的铜,0.7-0.78wt.％的锰,0.04-0.06 wt.％的硫，以及0.10-0.12wt.％的磷。美国专利US4,891,076和US5,985,052 也公开了示例性的铸铁组分。

有一种类型的铸铁被称为灰口铸铁或灰口铁。灰口铁存在多种等 级，并且典型的灰口铁组分包括，以占灰口铁总重量的重量百分比(wt.％) 计的，2.0-4.0wt.％的碳，1.25-3.25wt.％的硅，0.75-1.25wt.％的锰，0.08-0.12 wt.％的硫，以及0.07-0.2wt.％的磷。

最近，对于包含复杂物理特性(例如先进的油槽结构)的活塞环具 有日益增长的需求，以提供增强的性能和降低成本。然而，现有技术的铸铁 通常难以机械加工，或者需要昂贵的合金添加剂以实现所需的物理特性，这 限制了它们在内燃机应用的活塞环中的使用。

发明内容

本发明的一个方面提供一种铸铁，其包括以铸铁的重量百分比 (wt.％)计的，2.2-2.9wt.％的碳，3.2-4.2wt.％的硅，0.75-1.25wt.％的铜，1.0 -1.5wt.％的锰，0.09-0.15wt.％的硫，以及不大于0.2wt.％的磷。本发明还 提供一种由该铸铁构成的活塞环。

本发明的另一方面提供一种由铸铁构成的活塞环的制造方法。该方 法包括提供一种合金，其包括以该合金的重量百分比计的，2.2-2.9wt.％的碳， 3.2-4.2wt.％的硅，0.75-1.25wt.％的铜，1.0-1.5wt.％的锰，0.09-0.15wt.％的 硫，以及不大于0.1wt.％的磷。该方法接下来包括铸造该合金，使该合金奥 氏体化，对奥氏体化的该合金淬火，以及对该合金回火。本发明的另一方面 还提供一种该铸铁的制造方法。

该铸铁具有改进的机械加工性，尤其是在用于形成带有复杂结构特 征(例如先进的油槽结构)的活塞环时。该铸铁还具有优异的抗弯强度，硬 度，耐磨性，以及弹性模量。进一步地，与用于制造铸铁和活塞环的其它方 法相比，该铸铁和由该铸铁构成的活塞环以低材料成本和低加工成本制成。

附图说明

结合下列具体描述以及附图进行考虑，本发明的其它特点将会更加 容易理解，其中:

图1是根据本发明一个实施例的活塞环的立体图。

具体实施方式

本发明的一个方面提供一种改进的铸铁，以及大体如图1所示的由 该铸铁构成的活塞环20。该铸铁提供改进的机械加工性，以便可以在该铸铁 中形成复杂的物理特性，例如先进的沟槽结构。该铸铁还以最小的产品成本 提供优异的抗弯强度、硬度、耐磨性以及弹性模量。该铸铁通过对包含特定 含量的碳、硅、铜、锰、硫和磷的合金进行铸造、奥氏体化、淬火和回火而 制成。由此得到的铸铁包括一种基体，该基体具有包括马氏体和贝氏体中的 至少一种的微观结构。该铸铁还包括分散于该基体各处的硫化锰(MnS)和 碳化物。

如图1所示，由该铸铁构成的活塞环20包括彼此平行且围绕中心 轴A周向延伸的底面22和朝向相反的顶面24。活塞环20还具有分别从底面 22纵向延伸到顶面24的朝向中心轴A的内径面26以及朝向相反的外径面28。 外径面28和内径面26通常彼此平行且围绕中心轴A周向延伸。当活塞环20 用于发动机应用中时，外径面28与气缸壁的内表面接触并在其间提供气密密 封。活塞环20可以包括形成于其中的各种结构特征，例如沿着一个或多个表 面22、24、26、28的多个油槽30。活塞环20可以包括其它表面改型或结构， 这取决于活塞环20的应用。活塞环20可以具有活塞环制造中常见的所有表 面改型或结构。

活塞环20的铸铁包括特定含量的碳、硅、铜、锰、硫和磷以提供 改进的机械加工性和所需的物理特性。在一个实施例中，铸铁包括足以提供 3.4-4.2碳当量的碳，这是在铸铁的共晶温度以下的碳当量，称为平均碳当量 低级低共熔体。铸铁的共晶温度通常为1145-1155°F。在一个实施例中，铸铁 具有3.8的平均碳当量低级低共熔体。

为了提供优选的3.4-4.2的碳当量范围，铸铁通常包括，以铸铁总 重量的重量百分比(wt.％)计的，2.2-2.9wt.％或者2.4to2.8wt.％的碳。在另 一实施例中，铸铁包括至少2.2wt.％或者不大于2.9wt.％的碳。

在一个实施例中，铸铁包括3.2-4.2wt.％或者3.4-3.8wt.％的硅。在 另一实施例中，铸铁包括至少3.2wt.％或者不大于4.2wt.％的硅。

在一个实施例中，铸铁包括0.75-1.25wt.％或者0.8-1.0wt.％的铜。 在另一实施例中，铸铁包括至少0.75wt.％或者不大于1.25wt.％的铜。

在一个实施例中，铸铁包括1.0-1.5wt.％或者1.1-1.3wt.％的锰。在 另一实施例中，铸铁包括至少1.0wt.％或者不大于1.5wt.％的锰。

在一个实施例中，铸铁包括0.09-0.15wt.％或者0.10-0.12wt.％的硫。 在另一实施例中，铸铁包括至少0.09wt.％或者不大于0.15wt.％的硫。

在一个实施例中，铸铁包括不大于0.2wt.％或者0.07-0.09wt.％的 磷。在另一实施例中，铸铁包括至少0.01wt.％或者不大于0.09wt.％的磷。

铸铁优选包括其含量有助于优异耐磨性的铬、钒、铌、钨和硼。在 一个实施例中，铸铁包括0.25-0.65wt.％或者0.3-0.55wt.％的铬。在另一实施 例中，铸铁包括至少0.25wt.％或者不大于0.65wt.％的铬。在一个实施例中， 铸铁包括不大于0.2wt.％或者不大于0.17wt.％的钒。在另一实施例中，铸铁 包括至少0.01wt.％的钒。在一个实施例中，铸铁包括不大于0.2wt.％或者不 大于0.15wt.％的铌。在另一实施例中，铸铁包括至少0.01wt.％的铌。在一个 实施例中，铸铁包括不大于0.5wt.％或者不大于0.45wt.％的钨。在另一实施 例中，铸铁包括至少0.01wt.％的钨。在一个实施例中，铸铁包括不大于0.1 wt.％或者不大于0.08wt.％的硼。在另一实施例中，铸铁包括至少0.01wt.％的 硼。

铸铁优选包括其含量有助于优异抗弯强度和硬度的钼和镍。在一 个实施例中，铸铁包括0.3-0.5wt.％或者0.34-0.39wt.％的钼。在另一实施例中， 铸铁包括至少0.3wt.％或者不大于0.5wt.％的钼。在另一个实施例中，铸铁包 括不大于0.22wt.％或者0.10-0.25wt.％的镍。在另一实施例中，铸铁包括至少 0.10wt.％或者不大于0.25wt.％的镍。

铸铁还优选包括其含量有助于优异物理特性的钛。在一个实施例 中，铸铁包括0.03-0.09wt.％或者0.04-0.08wt.％的钛。在另一实施例中，铸铁 包括至少0.03wt.％或者不大于0.09wt.％的钛。

余量的铸铁组分优选基本由铁构成，并且其含量足以提供包括马氏 体和贝氏体中至少一种的基体。在一个实施例中，铸铁包括至少75.0wt.％或 者至少85.0wt.％的铁。尽管余量的铸铁优选由铁构成，该铸铁还可以包括优 选占铸铁总重量的不大于1.0wt.％的杂质。

铸铁的基体具有包括马氏体和贝氏体中至少一种(优选马氏体)的 微观结构。在一个实施例中，该基体包括占基体总体积的80-90vol.％的马氏 体。

优选地，铸铁包括分布于基体各处的碳化物的微细分布。碳化物的 微细分布有利于由铸铁提供的优异耐磨性。铬、钒、铌、钨和硼的量影响形 成于基体中的碳化物的量。铸铁还包括分布于基体各处的硫化锰(MnS)，这 有利于铸铁的改进的机械加工性。铸铁中锰和硫的量影响MnS的量。在一个 实施例中，铸铁包括占铸铁总体积的0.5-1.5vol.％的锰。

铸铁的基体优选不含有铁素体、奥氏体和斯氏体。优选地，铁素体、 奥氏体和斯氏体的总量不超过基体总体积的5vol.％。少量的铁素体、奥氏体 和斯氏体，以及大量的马氏体和贝氏体，有利于铸铁的改进的机械加工性和 优异的物理特性。

铸铁的机械加工性的改进允许活塞环20构成为沿着表面22、24、 26、28带有多种不同结构。在一个实施例中，活塞环20的表面22、24、26、 28包括至少一个油槽30、突起或其它形式的凹陷、轮廓或表面改型。

除了提供改进的机械加工性，该铸铁具有优异的抗弯强度、硬度和 弹性模量。在一个实施例中，该铸铁的抗弯强度为750-1000MPa，通常为 780-850MPa。该铸铁的布氏硬度通常为330-360BHN，洛氏硬度为100-116 HRB，通常为108-112HRB。在一个实施例中，该铸铁的弹性模量为115-160 GPa，通常为120-140GPa。该铸铁还具有改进的耐磨性。在一个实施例中， 当根据ASTMG-133标准使用Cameron-Plint型TE-77往复滑动磨损测试仪进 行测试时，该铸铁的磨损不大于70微米，通常不大于40微米。

本发明的另一方面提供一种改进的铸铁的制造方法以及由该铸铁 构成的活塞环20的制造方法。与用于形成铸铁和活塞环的其它方法相比，铸 铁和活塞环20的制造方法是经济的，并且能够以较低的材料和工艺成本进行。

该方法首先包括提供一种铁合金，其包括以合金的重量百分比 (wt.％)计的，2.2-2.9wt.％或者2.4-2.8wt.％的碳；3.2-4.2wt.％或者3.4-3.8 wt.％的硅；0.75-1.25wt.％或者0.8-1.0wt.％的铜；1.0-1.5wt.％或者1.1-1.3 wt.％的锰；0.09-0.15wt.％或者0.10-0.12wt.％的硫；0.25-0.65wt.％或者 0.3-0.55wt.％的铬；0.3-0.5wt.％或者0.34-0.39wt.％的钼；0.03-0.09wt.％或 者0.04-0.08wt.％的钛；不大于0.2wt.％或者不大于0.15wt.％的铌；不大于 0.5wt.％或者不大于0.45wt.％的钨；不大于0.1wt.％或者不大于0.08wt.％ 的硼；不大于0.2wt.％或者不大于0.17wt.％的钒；不大于0.1wt.％或者 0.07-0.09wt.％的磷；不大于0.25wt.％或者0.10-0.25wt.％的镍；以及至少 75.0wt.％或者至少85.0wt.％的铁。

该方法接下来包括熔融合金并且在模具中铸造合金以提供所需的 形状。在一个实施例中，该模具使得活塞环20的形状具有顶面24，底面22， 内径面26和外径面28。

接下来，该方法包括通过将铸造合金在1750-1875°F加热60-120 分钟以使铸造合金奥氏体化。接下来，该方法包括使奥氏体化合金在 140-150°F的油中淬火。该方法进一步包括在淬火步骤之后使合金在 950-1150°F回火60-120分钟以形成成品铸铁。

实施例

对根据本发明的实施例构成的两种铸铁进行性能测试。表1公开的 两种本发明实施例铸铁的组分(以铸铁的重量百分比计)作为实施例1和2。 将本发明实施例与传统灰口铸铁进行比较。表1也公开了用于比较的灰口铸 铁的组分。

表1

  本发明实施例1 本发明实施例2 比较实施例 C 2.68 2.67 3.38 Si 4.11 3.87 2.5 Cu 0.91 0.89 0.5 Mn 1.26 1.2 0.55 Cr 0.38 0.52 0.23 V 0.03 0.16 0.05 Nb 0.01 0.11 0 B 0 0 0 W 0.01 0.26 0 P 0.01 0.01 0.4 Ni 0.18 0.17 0 S 0.11 0.1 0.11 Mo 0.38 0.38 0 Ti 0.05 0.05 0 Fe 余量 余量 余量

然后测试本发明铸铁和比较铸铁的硬度、弹性模量、抗弯强度和耐 磨性。根据ASTM EI8-086(金属材料的洛氏硬度的标准方法)测试每种铸铁 的硬度。硬度测试结果列于表2，并且示出了本发明铸铁比传统灰口铸铁具有 更大的硬度。

表2硬度(HRB)

本发明实施例1 本发明实施例2 比较实施例 109.8 109.9 101.7

然后根据费德罗-莫格尔的活塞环材料形态分析(代号GEO504， 参见费德罗-莫格尔活塞环手册，可由 http://www.federalmogul.com/korihandbook/en/index.htm获得)测试本发明铸 铁和比较铸铁的弹性模量。弹性模量测试结果列于表3，并且示出了本发明铸 铁比传统灰口铸铁具有更大的弹性模量。

表3弹性模量(GPa)

本发明实施例1 本发明实施例2 比较实施例 122 131 102

然后根据费德罗-莫格尔的活塞环材料形态分析(代号GEO504， 参见费德罗-莫格尔活塞环手册，可由 http://www.federalmogul.com/korihandbook/en/index.htm获得)测试本发明铸 铁和比较铸铁的抗弯强度。抗弯强度测试结果列于表4，并且示出了本发明铸 铁比传统灰口铸铁具有更大的抗弯强度。

表4抗弯强度(MPa)

本发明实施例1 本发明实施例2 比较实施例 790 850 540

然后根据ASTM G-133标准使用Cameron-Plint型TE-77往复滑动 磨损测试仪测试本发明铸铁和比较铸铁的磨损。磨损测试结果列于表5，并且 示出了本发明铸铁比传统灰口铸铁具有更少的磨损。

表5磨损(μm)

本发明实施例1 本发明实施例2 比较实施例 35 18 112

本发明铸铁还提供优于现有技术(例如美国专利US5,985,052， US5,972,128和US4,891,076)的其它铸铁的优点。

US5,985,052的铸铁包括一种针状铁素体的基体，该铁素体位于带 有非破损、非连续的斯氏体混合物的稳定奥氏体中，该基体不同于本发明铸 铁的基体。US5,985,052的材料还包括大量磷，这导致高的斯氏体含量。 US5,985,052的铸铁中的非精炼的斯氏体导致难以机械加工，不像本发明铸铁 具有优异的机械加工性。根据US5,985,052构成的铸铁具有280-330BHN的 硬度，其硬度低于本发明铸铁的硬度。此外，当US5,985,052的铸铁用于构成 活塞环时，加热过程中基体的奥氏体的分解可能在活塞环在内燃机应用中服 役时使基体回复成脆性的马氏体相或者更软的相。此外，与本发明方法不同 的是，US5,985,052的铸铁通过奥氏体回火获得。

US5,972,128的铸铁使用昂贵合金以提供耐磨性，并且比本发明铸 铁难以机械加工。US5,972,128的材料的硬度为85-95HRB，低于本发明铸铁 的硬度。US4,891,076的铸铁也是通过奥氏体回火获得，并且包括铁素体和奥 氏体的基体，不同于根据本发明实施例的铸铁具有包括马氏体或贝氏体中至 少一种的基体并且带有分散于整个基体中的碳化物和MnS。

显然，根据以上教导，本发明的多种修改和变化都是可能的，并 且可以通过具体描述之外的方式实现。