[0001] 本发明涉及汽车发动机用活塞环，尤其是涉及暴露在高压缩比的发动机的热负荷高的环境下的压力环及其制造方法。

[0002] 近年来，汽车发动机为了应对环境，实现燃耗的改善、低排放化、高输出化，发动机规格处于高压缩比化、高负荷化的倾向。然而，通常升高压缩比时，燃烧室温度也升高，容易产生爆燃。通常的爆燃对策通过使点火时期（超前角）延迟来进行应对，但这样的话无法维持高的热效率，因此也进行了使燃烧室壁温度下降的方向的研究。在燃烧室壁温度的下降中，降低活塞冠面温度是有效的，其中，使活塞的热量经由压力环向冷却了的气缸壁释放是最有效的。即，利用了活塞环的三个基本功能即气封功能、热传导功能、油控制功能中的热传导功能。热传导功能与母材、表面处理层的热传导率、环形状等存在密切的关系，因此只要对它们进行最适化即可，另一方面，在材料的选定时，除了热传导率之外，还要求即使暴露在约300℃左右的热环境下也能够维持环特性的耐热衰减性、疲劳强度。

[0003] 另外，在活塞为铝（以下称为“铝”）制的情况下，伴随着燃烧室温度的上升而铝软化，在活塞的环槽内，由于压力环的在高温下的敲击和滑动而引起疲劳破坏，容易发生环槽磨损、向压力环的铝粘附。从该点出发，也要求使用热传导高的压力环而降低环槽温度。

[0004] 针对上述那样的要求，例如在日本特开2009-235561中，作为热传导性和耐热衰减性优异且能够适用作为压力环的活塞环，提出了将C、Si、Mn、Cr的适当成分范围规定成预定的参数的活塞环组成。

[0005] 然而，例如若以热传导率为35W/m·K以上且热衰减率（环的切线张力减退度）为4%以下为目标，则处于难以实现该目标的状况。

[0006] 此外，在活塞环那样的汽车零件中，不仅要求优异的特性，而且也要求有竞争力的价格。即，如何能够减少成本也是重要的课题。

[0007] 本发明的课题在于提供一种在高压缩比的发动机的热负荷高的环境下能够使用的、热传导性和耐热衰减性优异且具有价格竞争力的压力环。而且，其课题在于提供一种上述压力环的制造方法。

[0008] 表1表示在活塞环中使用的钢材A～G的组成和200℃下的热传导率。对各钢材的热传导率与合金元素的组成和之间的关系进行整理后，如图6那样。即，合金元素量越少的材料而热传导率越高。

[0009] [表1]

[0010] 活塞环用钢材的合金元素*1和热传导率

[0011]

[0012] *1其他含有P及S作为不可避免的杂质，但在本表中未记载。

[0013] 然而，实际上，当合金元素量减少时，耐热衰减性差，在热负荷高的环境下，无法供于作为压力环的使用。而且，钢材的成本通常是合金元素量越少而越廉价，但除此之外，从市场经济的观点出发，在市场中使用的量越多，即，越是如JIS（日本工业规格）登记材料那样大量生产的钢材越廉价。由此，在本发明中，基本上使用合金元素量少的JIS登记材料，为了即使在300℃的高温下也能发挥优异的耐热衰减性而调制了显微镜组织。本发明者仔细研究的结果是具体而言，考虑了使用JIS G 4801规定的材料记号SUP10构成的钢材，在对活塞环线材进行油回火处理之前，进行退火，使球状化渗碳体析出，且通过使油回火处理条件为最适化而使球状化渗碳体适量分散至回火马氏体基体中，在300℃下也能抑制错位的移动、蠕变，能够提高耐热衰减性。

[0014] 即，本发明的压力环的特征在于，所述压力环的组成为以质量%计C：0.45～0.55、Si：0.15～0.35、Mn：0.65～0.95、Cr：0.80～1.10、V：0.15～0.25且其余部分由铁及不可避免的杂质构成，平均粒径为0.1～1.5μm的球状化渗碳体分散到回火马氏体基体中。优选形成为平均粒径为0.5～1.0μm的球状化渗碳体。而且，优选球状化渗碳体的分散量在显微镜组织观察面为1～6面积%。

[0015] 此外，优选的是，本发明的压力环的热传导率为35W/m·K以上，热衰减率（环的切线张力减退度）为4%以下。

[0016] 另外，本发明的压力环的制造方法制造如下所述的压力环：所述压力环的组成为以质量%计C：0.45～0.55、Si：0.15～0.35、Mn：0.65～0.95、Cr：0.80～1.10、V：0.15～0.25且其余部分由铁及不可避免的杂质构成，并将平均粒径为0.1～1.5μm的球状化渗碳体分散到回火马氏体基体中，所述压力环的制造方法的特征在于，在压力环成形前的油回火处理工序之前含有退火工序。退火工序优选在温度600～720℃下进行，油回火处理工序优选在淬火温度820～980℃、回火温度400～500℃下进行。

[0017] 发明效果

[0018] 本发明的压力环能实现高热传导率和高的耐热衰减性这两者，即使在高压缩比发动机那样的热负荷高的环境下的使用中，也能够不会使环的张力减退地使活塞头的热量高效率地向冷却了的气缸壁释放，因此不用进行使点火时期延迟那样的调整就能够抑制爆燃，能够维持高的热效率。而且，同样地，能够降低铝活塞的环槽的温度，能够抑制铝粘附、环槽磨损。此外，根据本发明的制造方法，由于使用JIS规定且大量生产的钢材，因此能够减少成本。附图说明

[0019] 图1是表示实施例1的剖面的基于扫描电子显微镜的二次电子图像照片的图。

[0020] 图2是表示比较例1的剖面的基于扫描电子显微镜的二次电子图像照片的图。

[0021] 图3是表示实施例1、5及比较例1、2、5的热传导率与热衰减率之间的关系的图。

[0022] 图4是示意性地表示铝粘附试验的图。

[0023] 图5是表示实施例1～3及比较例2～4的铝粘附试验结果的图。

[0024] 图6是表示使用于活塞环的钢材的合金元素的组成和与热传导率之间的关系的图。

[0025] 本发明的压力环的特征在于，组成为以质量%计C：0.45～0.55、Si：0.15～0.35、Mn：0.65～0.95、Cr：0.80～1.10、V：0.15～0.25，其余部分由铁及不可避免的杂质构成，平均粒径为0.1～1.5μm的球状化渗碳体分散至回火马氏体基体中。上述组成基本上是由JIS G 4801规定的材料记号SUP 10的钢材组成，稍含有Cr和V，但合金元素的总量少，因此热传导率高。然而，耐热衰减性并不充分。在本发明中，将比较大的球状化的渗碳体分散到回火马氏体基体中。该球状化渗碳体在进行油回火处理的弹簧钢中作为残留渗碳体而已知，也成为应力集中源，因此被看作是使钢线的机械性质下降的主要原因，但在使用于活塞环的压力环时，从实现优异的耐热衰减性的事实出发，由于残留在油回火后的基体中的球状化渗碳体的存在，会对结晶晶格造成变形，因此能够推测为即使在300℃下也难以发生错位。在本发明中，球状化渗碳体的平均粒径为0.1μm以上。0.1μm左右以下的残留渗碳体在油回火处理的固溶化处理中，溶入到奥氏体中，因此未观测作为平均粒径小于0.1μm的球状化渗碳体。而且，当平均粒径超过1.5μm时，成为疲劳破坏的起源而降低疲劳强度，因此不优选。优选平均粒径为0.5～1.0μm。

[0026] 另外，球状化渗碳体的分散量在显微镜组织观察面上优选为1～6面积%。此外若为该范围的分散量，则热传导率成为35W/m·K以上，热衰减率（基于JIS B 8032-5的切线张力减退度）也成为4%以下，因此优选。通常使用的Si-Cr钢的热传导率为31W/m·K左右，35W/m·K左右的热传导率比得上显示优异的热传导率的以往的片状石墨铸铁活塞环的热传导率。在金属中，热传导率主要由结晶粒内的自由电子的运动所支配，因此固溶元素越少而热传导率越提高。考虑到本发明所使用的SUP10与Si-Cr钢相比，作为固溶强化元素的Si特别少，而且形成球状化渗碳体也会减少固溶C而引起热传导率的提高。而且，热衰减率在JIS B 8032-5中，在钢环的情况下，在300℃×3小时的试验条件下，切线张力减退度规定为8%以下，但越小越优选，作为材料开发中的目标值，形成为与Si-Cr钢相同水平的4%左右。

[0027] 钢制压力环通常从耐磨损性、耐划伤性的观点出发，对外周滑动面进行各种表面处理。若热传导率优先，则优选镀Cr，但若重视耐磨损性、耐划伤性，则适用基于离子镀膜产生的CrN皮膜、铝气缸适用DLC皮膜，即使是相同压力环，根据滑动对方材料、使用环境等而能够选择适合的表面处理。当然，也包含氮化处理。

[0028] 本发明的压力环的制造中使用的线材中，对组成为以质量%计C：0.45～0.55、Si：0.15～0.35、Mn：0.65～0.95、Cr：0.80～1.10、V：0.15～0.25且其余部分由铁及不可避免的杂质构成的钢材（SUP10）进行了熔炼后，通过热轧而形成为线材，由线材，通常经由铅浴淬火-酸洗-拉丝-铅浴淬火-酸洗-拉丝-油回火-（油淬火-回火）构成的一连串的处理而形成为预定的剖面形状的线材，此时取代一部分的铅浴淬火的处理而进行球状化退火，由此来调制。铅浴淬火处理是指在线性热处理中连续地进行恒温相变或冷却相变而形成为微细的珠光体组织的热处理法，具体而言在大致900至600℃的温度范围内进行。而且，在本发明中，取代该铅浴淬火处理而进行的退火工序优选在Fe-C状态图的AC1点以下的温度600～720℃的温度下进行30～240分钟。通过球状化退火形成的预定的粒径的球状化渗碳体受到之后的热处理的影响，而且会影响之后的拉丝，因此优选在最后的油回火处理即将开始之前进行。因此，优选取代第二次的铅浴淬火处理而进行球状化退火，但这种情况下，球状化退火必须进行批处理，即在以往的制造生产线的连续处理的中途夹有批处理，生产性不可避免地下降。为了使生产性优先，也可以取代第一次的铅浴淬火处理而进行，但需要注意球状化渗碳体的粒径处于预定的范围内。油回火处理是所谓的油淬火-回火处理，但需要设定成球状化碳化物未完全溶入那样的、即成为优选面积率那样的温度和时间。在本发明中，淬火工序在820～980℃的温度下进行了几十秒～几分钟（例如，30秒～3分钟）的加热之后进行，回火工序优选在400～500℃的温度下进行几十秒～数分钟（例如，30秒～3分钟）左右。关于各热处理温度和时间，根据热处理炉的尺寸、处理物的剖面积而不同，因此需要将球状化渗碳体的粒径、面积率适当调整成处于优选的范围内。

[0029] 本发明的压力环从拉丝成预定的剖面形状的上述线材，通常使用凸轮成形机成形为环的自由形状，进行消除应力热处理，对侧面、外周、接缝等进行磨削，加工成预定的环形状而得到。当然，根据需要，实施镀敷、PVD等表面处理。

[0030] 实施例

[0031] 实施例1～3（E1～E3）

[0032] 由轧制成直径8mm 的SUP10钢材，在由加热（900℃）-铅浴淬火（600℃）-酸洗-拉丝-加热（900℃）-铅浴淬火（600℃）-酸洗-拉丝-油回火构成的拉丝工序中，取代第二次的铅浴淬火处理而导入700℃、60分钟的退火工序，最终准备厚度为1.0mm、宽度为2.3mm的剖面形状为矩形的线材。在此，作为油回火处理，在930℃、45秒的加热后进行了由在60℃的油中进行淬火的淬火工序和470℃、60秒的回火工序构成的处理。图1表示了线材的基于扫描电子显微镜的显微镜组织，但观察到分散到回火马氏体中的白色的微细的球状渗碳体。而且，将该组织放大，通过图像解析而测定了球状渗碳体的平均粒径和面积率，其结果是，平均粒径为0.8μm，面积率为2.4%。

[0033] 实施例4～5（E4～E5）

[0034] 使用SUP10钢材，通过与实施例1～3同样的方法，取代第二次的铅浴淬火处理，进行700℃下的退火，制造出厚度为1.0mm、宽度为2.3mm的矩形的线材。但是，为了对分散到回火马氏体基体中的球状化渗碳体进行调制，而将油回火处理的淬火前的加热温度在实施例4中设为980℃，在实施例5中设为820℃。与实施例1同样地，根据线材的基于扫描电子显微镜的显微镜组织，通过图像解析测定了球状渗碳体的平均粒径和面积率，其结果是，在实施例4及5中，平均粒径为0.4μm及1.2μm，面积率为0.3%及5.3%。

[0035] 由上述实施例1～5所述的厚度为1.0mm、宽度为2.3mm的剖面形状为矩形的线材，成形为标称直径73mm 的压力环，实施了表2所示的皮膜处理。即，对外周面施加了基于离子镀膜的CrN皮膜，对侧面施加了磷酸锌系皮膜（实施例2）、磷酸锰系皮膜（实施例3）。

[0036] 比较例1～5（C1～C5）

[0037] 在实施例1～5的拉丝工序中，设由通过未导入退火工序的以往的进行两次铅浴淬火处理的拉丝工序所制造的厚度1.0mm、宽度2.3mm的剖面形状为矩形的线材成形的压力环为比较例1，设取代比较例1的SUP10钢材而由使用Si-Cr钢（JIS SWOSC-V）并利用与比较例1同样的方法制造出的厚度1.0mm、宽度2.3mm的剖面形状为矩形的线材成形且与实施例1～5同样地实施了表2所示的表面处理的压力环为比较例2～4，设取代比较例1的SUP10钢材而由使用硬钢线（JIS SWRH62A）并利用与比较例1同样的方法制造的厚度
1.0mm、宽度2.3mm的剖面形状为矩形的线材成形的压力环为比较例5。对比较例1～5的整个外周面施加CrN皮膜，对比较例3的侧面施加了磷酸锌系皮膜，对比较例4的侧面施加了磷酸锰系皮膜。

[0038] 图2表示比较例1的线材的基于扫描电子显微镜的显微镜组织，但仅观察到均一的回火马氏体，未观察到实施例1那样的微细的球状渗碳体。

[0039] 热衰减试验

[0040] 热衰减试验基于JIS B 8032-5。首先测定张力，将环关闭成标称直径而在300℃下加热3小时之后，再次测定张力，通过评价其减退率（在JIS中为切线方向张力减退度）来进行。试验对于实施例1、4及5以及比较例1、2及5进行5次，其结果的平均值如表2所示。实施例1表示比平均值大致相同的热传导率的比较例1优异了24%，实施例4表示比平均值大致相同的热传导率的比较例1优异了4%，实施例5表示比平均值大致相同的热传导率的比较例1优异了26%的耐热衰减性，在实施例1和5中实现了作为目标的4%以下。此外，偏差也减小。

[0041] 热传导率测定

[0042] 关于热传导率，对于实施例1、4、5、比较例1、2、5，通过激光闪光法进行了测定。结果如表2所示。实施例1的热传导率比Si-Cr钢的比较例2高，但比硬钢线的比较例5低。即，确认到取决于合金元素量。

[0043] 热衰减率与热传导率的关系如图3所示，但仅观察比较例1、2、5的话，若热传导率上升则热衰减率也上升。然而，实施例1、5处于比三个比较例所示的线靠下侧，确认到了即使是相同的热传导率，热衰减率也减少，即耐热衰减性提高。

[0044] 铝粘附试验

[0045] 铝粘附试验是如下所述的试验：使用图4所示的装置（例如，理研制トライボリツクIV），在使环（压力环）以低速旋转的轴上同轴地载置，使调节成预定的温度的活塞材料（AC8A材料）以一定的周期沿着轴向往复移动，使环和活塞材料周期性地产生表面压力载荷，在发生铝粘附之前继续进行。若发生铝粘附，则旋转轴的转矩变动，而且温度也上升。通过此时的负荷循环数对寿命进行评价。作为试验条件，设试验温度为240℃、表面压力负荷接触宽度为0～1.1MPa、表面压力负荷循环数为3.3Hz，环旋转速度为3.3m/sec（一方向旋转），进而作为润滑剂，将无添加基油SAE30在环表面上涂敷0.08cc。其结果如表2及图5所示。耐铝粘附寿命在实施例1的无表面处理（未加工材料）的情况下，与比较例2相比提高了51%，在实施例2的磷酸锌系皮膜的情况下，与比较例3相比提高了43%。另一方面，在实施例3的磷酸锰系皮膜的情况下，未确认到因母材的不同而耐铝粘附寿命存在差别的情况。这认为是因为磷酸锰系皮膜自身的表面粗糙度产生影响。

[0046] [表2]

[0047]