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活塞环

阅读：815发布：2020-05-12

专利汇可以提供活塞环专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且活塞环包括：精炼钢，所述精炼钢含有：0.20％质量至0.90％质量的碳 C、0.10％质量至小于0.60％质量的硅 Si、0.20％质量至1.50％质量的锰Mn、0.30％质量至2.00％质量的铬Cr和剩余物，所述剩余物包括：铁 Fe和不可避免的杂质。由以下表达式(1)基于Si、Mn和Cr的含量计算的参数A为9.0或更小：参数A＝8.8Si+1.6Mn+1.7Cr---表达式(1)。由以下表达式(2)基于C、Si、Mn和Cr的含量计算的参数B为10.8或更大：参数B＝36C+4.2Si+3.8Mn+4.5Cr---表达式(2)。，下面是活塞环专利的具体信息内容。

权利要求

1.活塞环，包括：
精炼钢，所述精炼钢含有：
0.20％质量至0.90％质量的碳C，
0.10％质量至小于0.60％质量的硅Si，
0.20％质量至1.50％质量的锰Mn，
0.30％质量至2.00％质量的铬Cr，和
剩余物，所述剩余物包括：
铁Fe，和
不可避免的杂质，
其中
由以下表达式(1)基于Si、Mn和Cr的百分比含量计算的参数A为9.0或更小：
参数A＝8.8Si+1.6Mn+1.7Cr---表达式(1)，和
由以下表达式(2)基于C、Si、Mn和Cr的百分比含量计算的参数B为10.8或更大：
参数B＝36C+4.2Si+3.8Mn+4.5Cr---表达式(2)；
所述活塞环在精炼之后的硬度为26HRC或更大，所述精炼包括淬火硬化和回火，和所述活塞环在精炼之后的导热系数为36W/m·K或更大，所述精炼包括淬火硬化和回火。
2.根据权利要求1的活塞环，其中
C的含量为0.25％或更大，
Si的含量为0.40％或更小，
Mn的含量为0.60％或更大，和
Cr的含量为0.50％或更大，并且
其中
参数B为14.0或更大。
3.根据权利要求2的活塞环，其中
所述活塞环在精炼之后的硬度为32HRC或更大，所述精炼包括淬火硬化和回火。
4.根据权利要求1的活塞环，其中
所述活塞环的至少一个以下部分的10-点平均表面粗糙度Rz为0.8μm至3.2μm：
顶面和底面，以及
内部周面。
5.根据权利要求1的活塞环，其中
至少所述活塞环的外部周面包括硬质覆层，所述硬质覆层为选自下组的至少一种：
硬质铬镀层，
硬质陶瓷，和
硬质碳。
6.根据权利要求1的活塞环，其中
所述活塞环具有外部周面、内部周面、顶面和底面，所述外部周面、内部周面、顶面和底面的每一个都进行了渗氮处理。
7.根据权利要求1的活塞环，其中
使所述活塞环的至少一个以下部分经受氧化、化学转化涂覆、树脂涂覆和硬质碳涂覆中的至少一种：
顶面和底面，以及
内部周面。
8.活塞环，包括：
精炼钢，所述精炼钢含有：
0.20％质量至0.90％质量的碳C，
0.10％质量至小于0.60％质量的硅Si，
0.20％质量至1.50％质量的锰Mn，
0.30％质量至2.00％质量的铬Cr，
选自下组的至少一种：
0.1％质量至0.4％质量的钼Mo，
0.05％质量至0.40％质量的钒V，
0.01％质量至0.06％质量的铌Nb，和
0.01％质量至0.06％质量的钛Ti，和
剩余物，包括：
铁Fe，和
不可避免的杂质，
其中
由以下表达式(1)基于Si、Mn和Cr的百分比含量计算的参数A为9.0或更小：
参数A＝8.8Si+1.6Mn+1.7Cr---表达式(1)，和
由以下表达式(2)基于C、Si、Mn和Cr的百分比含量计算的参数B为10.8或更大：
参数B＝36C+4.2Si+3.8Mn+4.5Cr---表达式(2)；
所述活塞环在精炼之后的硬度为26HRC或更大，所述精炼包括淬火硬化和回火，和所述活塞环在精炼之后的导热系数为36W/m·K或更大，所述精炼包括淬火硬化和回火。
9.根据权利要求8的活塞环，其中
C的含量为0.25％或更大，
Si的含量为0.40％或更小，
Mn的含量为0.60％或更大，和
Cr的含量为0.50％或更大，和
其中
参数B为14.0或更大。
10.根据权利要求9的活塞环，其中
所述活塞环在精炼之后的硬度为32HRC或更大，所述精炼包括淬火硬化和回火。
11.根据权利要求8的活塞环，其中
所述活塞环的至少一个以下部分的10-点平均表面粗糙度Rz为0.8μm至3.2μm：
顶面和底面，以及
内部周面。
12.根据权利要求8的活塞环，其中
至少所述活塞环的外部周面包括硬质覆层，所述硬质覆层为选自下组的至少一种：
硬质铬镀层，
硬质陶瓷，和
硬质碳。
13.根据权利要求8的活塞环，其中
所述活塞环具有外部周面、内部周面、顶面和底面，所述外部周面、内部周面、顶面和底面的每一个都进行了渗氮处理。
14.根据权利要求8的活塞环，其中
使所述活塞环的至少一个以下部分经受氧化、化学转化涂覆、树脂涂覆和硬质碳涂覆中的至少一种：
顶面和底面，以及
内部周面。
15.活塞环，包括：
精炼钢，所述精炼钢含有：
0.20％质量至0.90％质量的碳C，
0.10％质量至小于0.60％质量的硅Si，
0.20％质量至1.50％质量的锰Mn，
0.30％质量至2.00％质量的铬Cr，
0.40％质量至2.50％质量的镍Ni和0.0010％质量至0.0030％质量的硼B中的至少一种，和
剩余物，所述剩余物包括：
铁Fe，和
不可避免的杂质，
其中
由以下表达式(1)基于Si、Mn和Cr的百分比含量计算的参数A为9.0或更小：
参数A＝8.8Si+1.6Mn+1.7Cr---表达式(1)，和
由以下表达式(2)基于C、Si、Mn和Cr的百分比含量计算的参数B为10.8或更大：
参数B＝36C+4.2Si+3.8Mn+4.5Cr---表达式(2)；
所述活塞环在精炼之后的硬度为26HRC或更大，所述精炼包括淬火硬化和回火，和所述活塞环在精炼之后的导热系数为36W/m·K或更大，所述精炼包括淬火硬化和回火。
16.根据权利要求15的活塞环，其中
C的含量为0.25％或更大，
Si的含量为0.40％或更小，
Mn的含量为0.60％或更大，和
Cr的含量为0.50％或更大，并且
其中
参数B为14.0或更大。
17.根据权利要求16的活塞环，其中
所述活塞环在精炼之后的硬度为32HRC或更大，所述精炼包括淬火硬化和回火。
18.根据权利要求15的活塞环，其中
所述活塞环的至少一个以下部分的10-点平均表面粗糙度Rz为0.8μm至3.2μm：
顶面和底面，和
内部周面。
19.根据权利要求15的活塞环，其中
至少所述活塞环的外部周面包括硬质覆层，所述硬质覆层为选自下组的至少一种：
硬质铬镀层，
硬质陶瓷，和
硬质碳。
20.根据权利要求15的活塞环，其中
所述活塞环具有外部周面、内部周面、顶面和底面，所述外部周面、内部周面、顶面和底面的每一个都进行了渗氮处理。
21.根据权利要求15的活塞环，其中
使所述活塞环的至少一个以下部分经受氧化、化学转化涂覆、树脂涂覆和硬质碳涂覆中的至少一种：
顶面和底面，以及
内部周面。
22.活塞环，包括：
精炼钢，所述精炼钢含有：
0.20％质量至0.90％质量的碳C，
0.10％质量至小于0.60％质量的硅Si，
0.20％质量至1.50％质量的锰Mn，
0.01％质量至0.05％质量的磷P，
0.30％质量至2.00％质量的铬Cr，和
剩余物，所述剩余物包括：
铁Fe，和
不可避免的杂质，
其中
由以下表达式(1)基于Si、Mn和Cr的百分比含量计算的参数A为9.0或更小：
参数A＝8.8Si+1.6Mn+1.7Cr---表达式(1)，和
由以下表达式(2)基于C、Si、Mn和Cr的百分比含量计算的参数B为10.8或更大：
参数B＝36C+4.2Si+3.8Mn+4.5Cr---表达式(2)；
所述活塞环在精炼之后的硬度为26HRC或更大，所述精炼包括淬火硬化和回火，和所述活塞环在精炼之后的导热系数为36W/m·K或更大，所述精炼包括淬火硬化和回火。
23.活塞环，包括：
精炼钢，所述精炼钢含有：
0.20％质量至0.90％质量的碳C，
0.10％质量至小于0.60％质量的硅Si，
0.20％质量至1.50％质量的锰Mn，
0.30％质量至2.00％质量的铬Cr，
选自0.1％质量至0.4％质量钼Mo、0.05％质量至0.40％质量的钒V、0.01％质量至
0.06％质量的铌Nb和0.01％质量至0.06％质量的钛Ti中的至少一种，
0.40％质量至2.50％质量的镍Ni和0.0010％质量至0.0030％质量的硼B中的至少一种，和
剩余物，所述剩余物包括：
铁Fe，和
不可避免的杂质，
其中
由以下表达式(1)基于Si、Mn和Cr的百分比含量计算的参数A为9.0或更小：
参数A＝8.8Si+1.6Mn+1.7Cr---表达式(1)，和
由以下表达式(2)基于C、Si、Mn和Cr的百分比含量计算的参数B为10.8或更大：
参数B＝36C+4.2Si+3.8Mn+4.5Cr---表达式(2)；
所述活塞环在精炼之后的硬度为26HRC或更大，所述精炼包括淬火硬化和回火，和所述活塞环在精炼之后的导热系数为36W/m·K或更大，所述精炼包括淬火硬化和回火。
24.活塞环，包括：
精炼钢，所述精炼钢含有：
0.20％质量至0.90％质量的碳C，
0.10％质量至小于0.60％质量的硅Si，
0.20％质量至1.50％质量的锰Mn，
0.01％质量至0.05％质量的磷P，
0.30％质量至2.00％质量的铬Cr，
选自0.1％质量至0.4％质量的钼Mo、0.05％质量至0.40％质量的钒V、0.01％质量至
0.06％质量的铌Nb和0.01％质量至0.06％质量的钛Ti中的至少一种，和剩余物，所述剩余物包括：
铁Fe，和
不可避免的杂质，
其中
由以下表达式(1)基于Si、Mn和Cr的百分比含量计算的参数A为9.0或更小：
参数A＝8.8Si+1.6Mn+1.7Cr---表达式(1)，和
由以下表达式(2)基于C、Si、Mn和Cr的百分比含量计算的参数B为10.8或更大：
参数B＝36C+4.2Si+3.8Mn+4.5Cr---表达式(2)；
所述活塞环在精炼之后的硬度为26HRC或更大，所述精炼包括淬火硬化和回火，和所述活塞环在精炼之后的导热系数为36W/m·K或更大，所述精炼包括淬火硬化和回火。
25.活塞环，包括：
精炼钢，所述精炼钢包括：
0.20％质量至0.90％质量的碳C，
0.10％质量至小于0.60％质量的硅Si，
0.20％质量至1.50％质量的锰Mn，
0.01％质量至0.05％质量的磷P，
0.30％质量至2.00％质量的铬Cr，
0.40％质量至2.50％质量的镍Ni和0.0010％质量至0.0030％质量的硼B中的至少一种，和
剩余物，所述剩余物包括：
铁Fe，和
不可避免的杂质，
其中
由以下表达式(1)基于Si、Mn和Cr的百分比含量计算的参数A为9.0或更小：
参数A＝8.8Si+1.6Mn+1.7Cr---表达式(1)，和
由以下表达式(2)基于C、Si、Mn和Cr的百分比含量计算的参数B为10.8或更大：
参数B＝36C+4.2Si+3.8Mn+4.5Cr---表达式(2)；
所述活塞环在精炼之后的硬度为26HRC或更大，所述精炼包括淬火硬化和回火，和所述活塞环在精炼之后的导热系数为36W/m·K或更大，所述精炼包括淬火硬化和回火。
26.活塞环，包括：
精炼钢，所述精炼钢含有：
0.20％质量至0.90％质量的碳C，
0.10％质量至小于0.60％质量的硅Si，
0.20％质量至1.50％质量的锰Mn，
0.01％质量至0.05％质量的磷P，
0.30％质量至2.00％质量的铬Cr，
选自0.1％质量至0.4％质量的钼Mo、0.05％质量至0.40％质量的钒V、0.01％质量至
0.06％质量的铌Nb和0.01％质量至0.06％质量的钛Ti中的至少一种，和
0.40％质量至2.50％质量的镍Ni和0.0010％质量至0.0030％质量的硼B中的至少一种，和
剩余物，所述剩余物包括：
铁Fe，和
不可避免的杂质，
其中
由以下表达式(1)基于Si、Mn和Cr的百分比含量计算的参数A为9.0或更小：
参数A＝8.8Si+1.6Mn+1.7Cr---表达式(1)，和
由以下表达式(2)基于C、Si、Mn和Cr的百分比含量计算的参数B为10.8或更大：
参数B＝36C+4.2Si+3.8Mn+4.5Cr---表达式(2)；
所述活塞环在精炼之后的硬度为26HRC或更大，所述精炼包括淬火硬化和回火，和所述活塞环在精炼之后的导热系数为36W/m·K或更大，所述精炼包括淬火硬化和回火。

说明书全文

活塞环

技术领域

[0001] 本发明涉及安装到内燃机(internal combustion engine)(例如用于汽车(motor vehicle)的内燃机)的活塞的活塞环，其中所述活塞环包括精炼钢(热处理的钢)，其具有优良的导热系数和热疲劳耐性。尤其是，本发明涉及优选用作第一道活塞环或第二道活塞环的活塞环。

背景技术

[0002] 用于汽车等的内燃机的活塞环的优选性质包括气密性和控油性。

[0003] 为了保持上述优选的性质，要求内燃机的活塞环具有耐磨性、防划伤性(scuffing resistance)、热疲劳耐性和高疲劳强度。

[0004] 片状石墨铸铁材料在内燃机的各种活塞环中用于第二道活塞环，其中所述第二道活塞环安装在远离活塞顶部的位置，并且在相对平稳的温度环境中使用。

[0005] 同时，特开2001-294989号公报{＝JP2001294989(A)}披露了安装于活塞顶部正下方位置的第一道活塞环，因此会经历高温环境例如300℃。就其本身而言，为了保持热疲劳耐性并防止损害气密性和控油性的可能性，JP2001294989(A)中将大量的元素如Si、Mn、Cr等添加到了钢中，这样获得的钢的热疲劳耐性得到了改善。

[0006] 近年来，为了进一步改善燃油经济性(即，降低油耗)，需要增加发动机的压缩比，这必然会导致发动机的燃烧室中较高的温度环境。

[0007] 因此，用于内燃机的活塞环材料需要具有如下性质：i)传热性，即，将(进入活塞的)热输入释放至气缸(bore)，并由此降低燃烧室的温度，从而由此防止敲缸(knocking)，和ii)用于在高温环境保持耐久性的热疲劳耐性。

[0008] 在以上描述中，用于内燃机的第二道活塞环的活塞环通常具有以下这些缺点：i)片状石墨铸铁的热疲劳耐性低，和ii)控油性失效，由此增加发动机的油耗。

[0009] 同时，作为第一道活塞环的活塞环通常使用i)耐热弹性材料，其典型的实例包括JIS G 3561(气门弹性油回火的线(valve spring oil-tempered wire))所描述的SWOCV-V，和ii)基于马氏体的不锈钢，其典型的实例包括JIS G4308(不锈钢线材)所描述的SUS440C，其中JIS是指日本工业标准(JapaneseIndustrial Standards)。

[0010] 但是，大量添加的用于确保热疲劳耐性的Si大大降低了导热系数，由此损失了内燃机的活塞环所需要的传热性{即，将(进入活塞的)热输入释放至气缸，并由此降低燃烧室的温度，从而由此防止敲缸}。因此，劣化了燃油经济性。

发明内容

[0011] 本发明的目的是提供活塞环，其具有优良的导热系数和优良的热疲劳耐性并且可应用于汽车等的内燃机的油环或第二道活塞环。本发明的另一目的是提供活塞环，其具有更加优良的热疲劳耐性并且可应用于汽车等的内燃机的第一道活塞环。

[0012] 本发明的第一方面提供活塞环，包括精炼钢，所述精炼钢含有：0.20％质量至0.90％质量的碳C、0.10％质量至小于0.60％质量的硅Si、0.20％质量至1.50％质量的锰Mn、0.30％质量至2.00％质量的铬Cr，和剩余物，所述剩余物包括：铁Fe，和不可避免的杂质，其中由以下表达式(1)基于Si、Mn和Cr的含量计算的参数A为9.0或更小：参数A＝
8.8Si+1.6Mn+1.7Cr---表达式(1)，和由以下表达式(2)基于C、Si、Mn和Cr的含量计算的参数B为10.8或更大：参数B＝36C+4.2Si+3.8Mn+4.5Cr---表达式(2)。

[0013] 本发明的第二方面提供活塞环，包括：精炼钢，所述精炼钢包括：0.20％质量至0.90％质量的碳C，0.10％质量至小于0.60％质量的硅Si，0.20％质量至1.50％质量的锰Mn，0.30％质量至2.00％质量的铬Cr，选自0.1％质量至0.4％质量的钼Mo、0.05％质量至0.40％质量的钒V、0.01％质量至0.06％质量的铌Nb和0.01％质量至0.06％质量的钛Ti中的至少一种，和剩余物，所述剩余物包括：铁Fe，和不可避免的杂质，其中由以下表达式(1)基于Si、Mn和Cr的含量计算的参数A为9.0或更小：参数A＝
8.8Si+1.6Mn+1.7Cr---表达式(1)，和由以下表达式(2)基于C、Si、Mn和Cr的含量计算的参数B为10.8或更大：参数B＝36C+4.2Si+3.8Mn+4.5Cr---表达式(2)。

[0014] 本发明的第三方面提供活塞环，包括：精炼钢，所述精炼钢包括：0.20％质量至0.90％质量的碳C、0.10％质量至小于0.60％质量的硅Si、0.20％质量至1.50％质量的锰Mn、0.30％质量至2.00％质量的铬Cr、选自0.40％质量至2.50％质量的镍Ni和0.0010％质量至0.0030％质量的硼B中的至少一种，和剩余物，所述剩余物包括：铁Fe，和不可避免的杂质，其中由以下表达式(1)基于Si、Mn和Cr的含量计算的参数A为9.0或更小：参数A＝8.8Si+1.6Mn+1.7Cr---表达式(1)，和由以下表达式(2)基于C、Si、Mn和Cr的含量计算的参数B为10.8或更大：参数B＝36C+4.2Si+3.8Mn+4.5Cr---表达式(2)。

[0015] 本发明的第四方面提供活塞环，包括：精炼钢，所述精炼钢包括：0.20％质量至0.90％质量的碳C、0.10％质量至小于0.60％质量的硅Si、0.20％质量至1.50％质量的锰Mn、0.01％质量至0.05％质量的磷P、0.30％质量至2.00％质量的铬Cr，和剩余物，所述剩余物包括：铁Fe，和不可避免的杂质，其中由以下表达式(1)基于Si、Mn和Cr的含量计算的参数A为9.0或更小：参数A＝8.8Si+1.6Mn+1.7Cr---表达式(1)，和由以下表达式(2)基于C、Si、Mn和Cr的含量计算的参数B为10.8或更大：参数B＝36C+4.2Si+3.8Mn+4.5Cr---表达式(2)。

[0016] 本发明的第五方面提供活塞环，包括：精炼钢，所述精炼钢包括：0.20％质量至0.90％质量的碳C，0.10％质量至小于0.60％质量的硅Si，0.20％质量至1.50％质量的锰Mn，0.30％质量至2.00％质量的铬Cr，选自0.1％质量至0.4％质量的钼Mo、0.05％质量至0.40％质量的钒V、0.01％质量至0.06％质量的铌Nb和0.01％质量至0.06％质量的钛Ti中的至少一种，选自0.40％质量至2.50％质量的镍Ni和0.0010％质量至
0.0030％质量的硼B中的至少一种，和剩余物，所述剩余物包括：铁Fe，和不可避免的杂质，其中由以下表达式(1)基于Si、Mn和Cr的含量计算的参数A为9.0或更小：参数A＝
8.8Si+1.6Mn+1.7Cr---表达式(1)，和由以下表达式(2)基于C、Si、Mn和Cr的含量计算的参数B为10.8或更大：参数B＝36C+4.2Si+3.8Mn+4.5Cr---表达式(2)。

[0017] 本发明的第六方面提供活塞环，包括：精炼钢，所述精炼钢包括：0.20％质量至0.90％质量的碳C，0.10％质量至小于0.60％质量的硅Si，0.20％质量至1.50％质量的锰Mn，0.01％质量至0.05％质量的磷，0.30％质量至2.00％质量的铬Cr，选自0.1％质量至
0.4％质量的钼Mo、0.05％质量至0.40％质量的钒V、0.01％质量至0.06％质量的铌Nb和
0.01％质量至0.06％质量的钛Ti中的至少一种，和剩余物，所述剩余物包括：铁Fe，和不可避免的杂质，其中由以下表达式(1)基于Si、Mn和Cr的含量计算的参数A为9.0或更小：
参数A＝8.8Si+1.6Mn+1.7Cr---表达式(1)，和由以下表达式(2)基于C、Si、Mn和Cr的含量计算的参数B为10.8或更大：参数B＝36C+4.2Si+3.8Mn+4.5Cr---表达式(2)。

[0018] 本发明的第七方面提供活塞环，包括：精炼钢，所述精炼钢包括：0.20％质量至0.90％质量的碳C、0.10％质量至小于0.60％质量的硅Si、0.20％质量至1.50％质量的锰Mn、0.01％质量至0.05％质量的磷、0.30％质量至2.00％质量的铬Cr、选自0.40％质量至2.50％质量的镍Ni和0.0010％质量至0.0030％质量的硼B中的至少一种，和剩余物，所述剩余物包括：铁Fe，和不可避免的杂质，其中由以下表达式(1)基于Si、Mn和Cr的含量计算的参数A为9.0或更小：参数A＝8.8Si+1.6Mn+1.7Cr---表达式(1)，和由以下表达式(2)基于C、Si、Mn和Cr的含量计算的参数B为10.8或更大：参数B＝
36C+4.2Si+3.8Mn+4.5Cr---表达式(2)。

[0019] 本发明的第八方面提供活塞环，包括：精炼钢，所述精炼钢包括：0.20％质量至0.90％质量的碳C，0.10％质量至小于0.60％质量的硅Si，0.20％质量至1.50％质量的锰Mn，0.01％质量至0.05％质量的磷，0.30％质量至2.00％质量的铬Cr，选自0.1％质量至
0.4％质量的钼Mo、0.05％质量至0.40％质量的钒V、0.01％质量至0.06％质量的铌Nb、和
0.01％质量至0.06％质量的钛Ti中的至少一种，和选自0.40％质量至2.50％质量的镍Ni和0.0010％质量至0.0030％质量的硼B中的至少一种，和剩余物，包括：铁Fe，和不可避免的杂质，其中由以下表达式(1)基于Si、Mn和Cr的含量计算的参数A为9.0或更小：参数A＝8.8Si+1.6Mn+1.7Cr---表达式(1)，和由以下表达式(2)基于C、Si、Mn和Cr的含量计算的参数B为10.8或更大：参数B＝36C+4.2Si+3.8Mn+4.5Cr---表达式(2)。

[0020] 将会从以下描述并参考附图和附表理解本发明的其它目的和特征。

附图说明

[0021] 图1A是本发明的活塞环的结构的平面图，而图1B是本发明的活塞环的局部横截面视图。

[0022] 图2解释如何进行本发明的实施例的热变形试验。

[0023] 图3是显示导热系数与参数A的关系的图。

[0024] 图4是显示燃油经济性改善比例(燃油经济性提高)与活塞环材料的导热系数的关系的图。

[0025] 图5是显示400℃回火的硬度与参数B的关系的图。

[0026] 图6是显示在热变形试验之后张力下降比(张力下降)与400℃的回火硬度的关系的图。

具体实施方式

[0027] 在下文中，将根据本发明的实施方式基于合金组分的操作以及合金组分的数值界限的原因更加详细描述本发明的活塞环。除非另外指出，否则，本说明书中的“％”是指质量百分比。

[0028] 完成本发明的发明人发现了i)每种组分如C、Si、Mn和Cr的适当百分比含量，ii)上述组分之间的关系，该关系可能影响导热系数和精炼后硬度，和iii)热疲劳耐性受硬度影响。

[0029] 具体地，本发明的活塞环包括精炼钢，所述精炼钢包括0.20％至0.90％的碳C、0.10％至小于0.60％的硅Si、0.20％至1.50％的锰Mn、0.30％至2.00％的铬Cr，和剩余物，所述剩余物包括铁Fe和不可避免的杂质，

[0030] 其中

[0031] 由以下表达式(1)基于Si、Mn和Cr的含量计算的参数A为9.0或更小：

[0032] 参数A＝8.8Si+1.6Mn+1.7Cr---表达式(1)，和

[0033] 由以下表达式(2)基于C、Si、Mn和Cr的含量计算的参数B为10.8或更大：

[0034] 参数B＝36C+4.2Si+3.8Mn+4.5Cr---表达式(2)。

[0035] 因此，本发明的活塞环具有i)热疲劳耐性，其优于由常规的片状石墨铸铁带来的热疲劳耐性，和ii)导热系数，其等于由常规的片状石墨铸铁带来的导热系数。尤其是，本发明的活塞环可用作第二道活塞环。

[0036] 在上文中，尤其是，0.25％或更多的C含量，0.40％或更少的Si含量，0.60％或更多的Mn含量，0.50％或更多的Cr含量和由表达式(2)计算得到的14.0或更大的参数B能够带来更优良的热疲劳耐性。因此，本发明能够提供这样的活塞环，其相对于由耐热弹性材料和基于马氏体的不锈钢制成的常规环，导热系数更优异而热疲劳耐性与其相等。尤其是，本发明的活塞环可应用于第一道活塞环。

[0037] 此外，可应用于第一道活塞环的活塞环可用作第二道活塞环或油环，而不会产生任何问题。

[0038] 在下文中，将根据每种组分的操作以及各个组分的数值界限的原因详细描述本发明。

[0039] C(碳)：0.20％至0.90％

[0040] C是对确保精炼(即，淬火硬化和回火)之后的热疲劳耐性有效的元素。需要0.20％的碳含量来带来这一效果。但是，太大的碳含量会导致淬火硬化裂纹(quench hardning crack)，因此，优选0.90％或更小。

[0041] 同时，为了进一步改善热疲劳耐性，在用作第一道活塞环的活塞环应用于更加严格的热环境时，优选C的下限为0.25％。

[0042] Si(硅)：0.10％至小于0.60％

[0043] Si的特征在于在钢的精炼(refining)过程中进行脱氧和脱硫，并且当Si通过固溶体增强时可有效地用于改善热疲劳耐性。为了带来上述效果，需要添加0.10％或更多的Si。但是，添加太多的Si将损害导热系数和机械加工性，因此，需要小于0.60％的Si。

[0044] 同时，在用于第一道活塞环的活塞环(其优选对气缸具有大的排热量(exhaust heat))的情况下，为了抑制导热系数变差，Si含量的上限优选为0.40％。

[0045] Mn(锰)：0.20％至1.50％

[0046] Mn有效地在钢的精炼操作中用作脱氧剂，并有效地用于确保精炼后的强度。为了带来上述效果，需要添加0.20％或更多的Mn。但是，为了防止由于添加太多的Mn而可能产生的淬火硬化裂纹，优选为1.50％或更小。

[0047] 同时，为了改善精炼后的强度，在用作第一道活塞环的活塞环应用于更加严格的热环境时，Mn的下限优选为0.60％。

[0048] Cr(铬)：0.30％至2.00％

[0049] Cr是能够改善回火软化耐性(tempering softening resistance)的元素，并且有效地用于取保精炼后的强度。为了带来上述效果，需要添加0.30％或更多的Cr。但是，添加太多的Cr是昂贵的，因此上限设为2.00％。

[0050] 但是，对于作为在更加严格的热环境下使用的第一道活塞环的活塞环，优选下限为0.50％。

[0051] P(磷)：0.01％至0.05％

[0052] P通常是作为杂质的元素，在将P添加到钢中的铁素体中的固溶体时，能够增加硬度和拉伸强度(tension strength)。为了带来上述效果，需要添加0.01％或更多的P。但是，为了避免由于太多量的P导致的可能的机械加工性变差，需要添加0.05％或更少的P。但是，为了防止由于室温下降低的延性可能在机加工操作过程中产生的裂纹，0.03％或更少的P是优选的。

[0053] Mo(钼)：0.1％至0.4％

[0054] V(钒)：0.05％至0.40％

[0055] Nb(铌)：0.01％至0.06％

[0056] Ti(钛)：0.01％至0.06％

[0057] 上述每种元素都可改善回火软化耐性。因此，当需要时，这些元素可以各自在上述各个范围内单独地或者以其任意组合添加。

[0058] 也即，Mo和Cr组合添加产生稳定的二碳化物，由此改善回火软化耐性。为了带来上述效果，需要添加0.1％或更多的Mo。但是添加太多的Mo是非常昂贵的，因此将上限限定为0.4％。

[0059] 此外，V与包含在钢材料中的C和N组合产生稳定的碳氮化物，由此改善回火软化耐性。为了带来上述效果，需要添加0.05％或更多的V。但是添加太多的V是非常昂贵的，因此将上限限定为0.4％。

[0060] Nb与包含在钢材料中的C和N组合也可产生稳定的碳氮化物，由此改善回火软化耐性。为了带来上述效果，需要添加0.01％或更多的Nb。但是添加太多的Nb是非常昂贵的，因此将上限限定为0.06％。

[0061] 此外，Ti与钢材料中的N组合产生稳定的二碳化物，由此改善回火软化耐性。为了带来上述效果，需要添加0.01％或更多的Ti。但是添加太多的Ti是非常昂贵的，因此将上限限定为0.06％。

[0062] Ni(镍)：0.40％至2.50％

[0063] B(硼)：0.0010％至0.0030％

[0064] Ni和B的每一种都改善淬火硬化性质，并有效地用于增加精炼钢的硬度。因此，如果需要，可在以上各自的范围内添加Ni和B的至少一种。

[0065] 也即，添加Ni带来增加淬火硬化性质的效果。为了带来上述效果，需要添加0.40％或更多的Ni。但是添加太多的Ni是非常昂贵的，因此将上限限定为2.5％。

[0066] 此外，尽管B也能有效地改善淬火硬化性质，需要添加0.0010％的B来带来期望的效果。同时，添加超过0.0030％的B会损害机械加工性，因此0.0030％限定为上限。在本申请中，本发明的材料可包含0.03％或更少的Cu和0.035％或更少的S作为不可避免的杂质。

[0067] 作为内燃机活塞的第二道活塞环的活塞环应该具有在上述各个范围内的组成。此外，满足基于以下表达式(1)计算的参数A为9.0或更小，能够在精炼(淬火硬化和回火)后带来36W/m·K或更大的导热系数，其中36W/m·K或更大与包括片状石墨铸铁的常规活塞环所带来的导热系数相等。

[0068] A＝8.8Si+1.6Mn+1.7Cr---表达式(1)

[0069] 此外，满足基于以下表达式(2)计算的参数B为10.8或更小，在精炼(淬火硬化和回火)之后产生26HRC或更大的硬度，这能够使热疲劳耐性改善30％或更大，由此确保第二道活塞环必需的强度和热疲劳耐性，由此改善部件(产品)的可靠性。

[0070] B＝36C+4.2Si+3.8Mn+4.5Cr---表达式(2)

[0071] 在上文中，在努力研究C、Si、Mn和Cr的含量的影响之后，通过多元回归分析分别计算出了表达式(1)和表达式(2)，其中上述影响解释为合金组分操作影响导热系数以及淬火-回火硬度。

[0072] 同时，具有在上述各个范围内的组成，并满足基于以上表达式(1)计算的参数A为9.0或更小的作为内燃机活塞的第一道活塞环的活塞环，同样能够带来36W/m·K或更大的导热系数，这是由基于马氏体的不锈钢的常规活塞环所带来的导热系数大小的1.4倍或更大。因此，第一道活塞环使得热量从活塞转移到缸筒内壁，由此在燃油经济性提高方面改善了0.2％或更大。7或更小的参数A是更优选的。

[0073] 此外，满足基于表达式(2)计算的参数B为14.0或更大，这可满足基材在淬火硬化-回火(即，精炼之后)之后硬度为32HRC或更大。因此，可确保作为第一道活塞环的强度和期望的热疲劳耐性，由此带来部件(产品)的可靠性。

[0074] 对本发明的活塞环进行精炼，也即，淬火硬化-回火，从而增加机械强度例如耐性以及疲劳强度。使淬火硬化温度为800℃或更大能够带来完全的淬火硬化结构，同时使回火温度为350℃或更大，这能够防止可由使用活塞环时的结构变化而导致的可能的强度降低。

[0075] 此外，为了确保防划伤性和耐磨性，至少本发明的活塞环的外部周面可具有覆层，该覆层由选自硬质铬镀层、硬质陶瓷和硬质碳中的至少一种制成。此外，为了以上相同的目的，可对活塞环的外部和内部周面(outer andinner peripheral face)以及顶面和底面进行渗氮处理。

[0076] 为了确保耐腐蚀性，可对i)顶面和底面和ii)内部周面中至少之一进行氧化、化学转化涂覆(chemical conversion coating)、树脂涂覆和硬质碳涂覆中的至少一种。

[0077] 通过化学转化涂覆在外部周面(滑动面)上具有硬质覆层或在顶面和底面上具有覆层，活塞环的导热系数不太可能受上述覆层影响。取而代之的是，活塞环的导热系数更加容易受材料的组成影响。

[0078] 为了改善本发明活塞环的接触面的导热系数并改善当本发明的活塞环应用于铝合金活塞时的铝粘结(aluminum agglutination)，优选达到：i)顶面和底面以及ii)内部周面至少之一具有0.8μm至3.2μm的表面粗糙度，即，10-点平均表面粗糙度Rz。在上文中，10-点平均表面粗糙度Rz规定于JIS B0602(1994)。

[0079] 此外，上述10-点平均表面粗糙度Rz优选为1.0μm至2.4μm，更优选为1.0μm至2.0μm。

[0080] 在这种情况下，上述表面处理，也即，氧化、化学转化涂覆、树脂涂覆、硬涂覆等，能够改善耐腐蚀性、耐磨性、防划伤性等。结合了上述表面处理之后，可将表面粗糙度设置于上述范围内。

[0081] 此外，即使没有上述表面处理，在上述范围内的10-点平均表面粗糙度受改善的导热系数的影响也能够达到优良的防划伤性。

[0082] 对于本发明的活塞环，优选将i)顶面和底面以及ii)内部周面中至少之一的表面粗糙度保持在0.8μm至3.2μm的范围内，原因如下：

[0083] 1)小于0.8μm的表面粗糙度Rz增加加工成本，同时没有带来进一步改善的效果。

[0084] 2)大于3.2μm的表面粗糙度Rz容易损害活塞环所需的密封性。

[0085] 实施例

[0086] 在下文中，将基于实施例和对比例更加详细地描述本发明。但是本发明不限于实施例。

[0087] [制备活塞环]

[0088] 表1、表2和表3总共显示了47种具有不同化学组成的合金钢，(47种合金钢中：36个实施例和11个对比例)。将每种合金钢进行冷加工，接着在900℃的淬火硬化温度和
400℃的回火温度进行精炼，由此获得具有1.2mm×2.5mm的矩形横截面的线材。然后，将该线材成型为环，以满足78mm的气缸内径，接着为了对接而切掉一部分。

[0089] 然后，在350℃进行除去应变的热处理1.5小时，接着加工外部周面Fo，接着仍然在外部周面Fo上镀硬铬(实施例1至9，对比例1至11)。此外，形成由基于Cr-N的材料(以％质量计的覆层组成：95.2％的CrN、1.0％的Cr2N、3.8％的Cr)制成的PVD(物理气相沉积)覆层(实施例10至18)。然后，在PVD覆层(实施例19至27)上形成硬质碳覆层{金刚石状碳(DLC)覆层}。然后，进行精加工(finishing-machining)，接着在顶面Fu和底面Fl上形成四氧化三铁膜处理涂层，由此完成内燃机的活塞环R，如图1A和图1B中所示。

[0090] 此外，在每个表面处理之前，将该环的顶面Fu、底面Fl和内部周面Fi各自都如此抛光，从而使其10-点表面粗糙度Rz为1.3μm至2.2μm。

[0091] 然后，使根据实施例和对比例制备的每个活塞环经受Rockwell硬度试验(C级)，以研究400℃回火硬度，同时通过激光闪光法(laser flash method)测量导热系数。然后，这些活塞环用于进行发动机性能试验和热变形试验。表1和表2显示了上述试验的结果。

[0092] 发动机性能试验

[0093] 使用直列4-气缸发动机。将上述各个活塞环安装于所有气缸的第一道活塞环凹槽。然后，将发动机性能试验从怠速运转至5500rpm进行30-小时连续操作。基于通过渗氮SUS440C(导热系数：25.2W/m·K)制成的广泛用于现有发动机的第一道活塞环，计算得到燃油经济性改善比例(燃油经济性提高)。

[0094] 热变形试验

[0095] 根据JIS B 8032-5，如图2中所示，将如上获得的每个活塞环R插入到气缸内径为78mm的气缸套S中，接着将其在300℃静置3小时，然后测量在加热之前和之后张力下降比例。

[0096] 作为第二道活塞环的活塞环的热疲劳耐性(热变形)的验收标准定义如下：

[0097] 8.0％或更小的张力下降比例(标准)。相对于目前的(常规的)片状石墨铸铁的12％或更小的张力下降比例，这里的8.0％或更小带来提高热疲劳耐性30％或更大的效果。也即，(12-8)/12＝0.333...＝33.333％

[0098] 此外，作为第一道活塞环的活塞环的热疲劳耐性(热变形)验收标准定义如下：

[0099] 7.5％或更小的张力下降比例(标准)。相对于现有钢环的根据JIS(B8032-5)的8％或更小的张力下降比例，这里的7.5％或更小，带来在更严格的热环境中的耐性。

[0100]

[0101]

[0102] 此外，图3显示了i)导热系数与ii)根据Si、Mn和Cr含量由表达式(1)计算的参数A的关系。同时，图4显示了通过发动机性能试验得到的i)燃油经济性改善比例(燃油经济性提高)与ii)导热系数的关系。

[0103] 图4显示活塞环材料的导热系数与燃油经济性改善比例之间的关系。为了使燃油经济性改善比例达到0.20％或更大，从图4明显看出，需要导热系数为36W/m·K或更大。

[0104] 此外，图3显示参数A和导热系数之间的关系。从图3明显看出，9.0或更小的参数A带来了36W/m·K或更大的导热系数。换句话说，从图3和图4明显看出，9.00或更小的参数A带来了0.20％或更大的燃油经济性改善比例。

[0105] 此外，图5显示了i)400℃回火硬度与ii)基于C、Si、Mn和Cr含量通过表达式(2)计算的参数B的关系。同时，图6显示了i)热变形试验之后张力下降比例(张力下降)与ii)400℃回火硬度的关系。

[0106] 图5显示参数B和400℃回火硬度之间的关系，而图6显示了400℃回火硬度和张力下降比例之间的关系。

[0107] 从图6看出，需要400℃回火硬度为26HRC或更大，来使第二道活塞环材料获得8.0％或更小的目标张力下降比例。

[0108] 此外，从图6看出，对于第一道活塞环材料，需要400℃回火硬度为32HRC或更大，来获得7.5％或更小的目标张力下降比例。

[0109] 从图5看出，对于第二道活塞环材料，需要参数B为10.8或更大，来获得26HRC或更大的400℃回火硬度。此外，从图5看出，对于第一道活塞环材料，需要参数B为14.0或更大，来获得32HRC或更大的400℃回火硬度。

[0110] 换句话说，对于第二道活塞环，10.8或更大的参数B能够获得8.0％或更小的张力下降比例；而对于第一道活塞环，14.0或更大的参数B能够获得7.5％或更小的张力下降比例。

[0111] (实施例28至36)

[0112] 单独或以组合的方式将Mo、V、Ni、Nb、Ti、P和B添加至合金钢(0.40％的C，0.40％的Si，1.00％的Mn，0.02％的P和1.00％的Cr)(其为根据表1中所示的实施例5的钢基(base steel))，由此制备7种类型的合金钢。然后通过类似的方法，制备活塞环。然后，同样地测量400℃回火硬度，接着同样地进行热变形试验，由此获得张力下降比例。进行PVD(物理气相沉积)表面处理。

[0113] 表3示出了上述试验的结果，其中根据实施例28至36的上述合金钢的硬度比根据实施例5的钢基得到了显著提高。这证明，添加任何上述合金Mo、V、Ni、Nb、Ti、P和B都有助于改善热疲劳耐性。

[0114]

[0115] (实施例37至46和对比例12至16)

[0116] 活塞环使用表1中所示的实施例1的合金钢(0.56％的C、0.25％的Si、0.80％的Mn、0.03％的P和0.80％的Cr)制备。同样地，活塞环使用实施例8的合金钢(0.54％的C，1.45％的Si、0.70％的Mn、0.01％的P和0.70％的Cr)制备。将如此制备的活塞环都安装到由AC8A材料制成的活塞中，从而检测受活塞环的表面粗糙度影响的铝粘结。

[0117] 也即，在每种上述钢经受冷加工之后，同样重复精炼(即淬火硬化和回火)，由此制备线材。然后，将该线材成型为环。然后，同样地进行除去应变的热处理。然后，加工外部周面，同时对顶面、底面和内部周面(Fi)进行抛光，从而使得顶面、底面和内部周面(Fi)各自的10-点平均表面粗糙度Rz为0.8μm至3.2μm。

[0118] 然后，将如此获得的样品浸入加热的强碱盐溶液中，从而使得每个都形成四氧化三铁膜处理涂层，由此获得实施例37至41和对比例12至16的活塞环。这里，一些活塞环样品没有经受化学转化涂覆，也即，那些样品仅经受了用来改变顶面、底面、内部周面各自的表面粗糙度的抛光，由此获得不含四氧化三铁膜处理涂覆的活塞环(实施例42至46)。

[0119] 如特开2008-76132{＝JP2008076132(A)}中所述，在将上端面(upper endface)(其是对应于活塞的部分)的温度设置在约150℃的条件下，使用磨耗试验机使上述活塞环(实施例37至46和对比例12至16)各自经受耐磨试验。测量时间，直到每个活塞环与铝合金活塞粘结为止。

[0120] 表4示出了这些试验的结果。在表4中，粘结时间以对比例14的粘结时间为1.0作为标准进行测量。

[0121] 表４

[0122]

[0123] 图4表明，相对于对比例14(Rz＝1.6μm)，实施例41(Rz＝3.2μm)显示出基本上相等的结果(铝粘结时间比为1.0)。也证实，使用相同的表面粗糙度，各自具有特定化学组成的实施例(0.56％的C、0.25％的Si、0.80％的Mn、0.03％的P和0.80％的Cr)比对比例的粘结耐性更加优异。

[0124] 此外，除了改善的表面粗糙度之外，具有比实施例41进一步更小的表面粗糙度的实施例37至40还具有改善的粘结耐性。此外证实，i)实施例37至41的结果和ii)实施例42至46的结果各自显示了由具有较小的表面粗糙度所带来的效果，它与表面处理无关。

[0125] 上文虽然已经通过参考某些实施方式和实施例描述了本发明，但是本发明不限于上述的实施方式和实施例。本领域技术人员根据上述教导能够想到上述实施方式和实施例的改进和变化形式。

[0126] 本申请是基于在先日本专利申请P2008-053078(2008年3月4日在日本提交)和在先日本专利申请P2008-317984(2008年12月15日在日本提交)的。被要求优先权的日本专利申请P2008-053078和P2008-317984的全部内容通过参考并入本申请，以保护翻译错误或省略的部分。

[0127] 本发明的范围由所附权利要求所限定。

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