耐磨往复活塞式内燃机
阅读：585发布：2020-05-11
专利汇可以提供耐磨往复活塞式内燃机专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种具有至少一个汽缸的往复 活塞 式 内燃机 、特别是大型柴油机，其中，各汽缸具有汽 缸套 和设置于其中往复运动的活塞。所述活塞在其套表面上具有至少一个 活塞环 。汽缸套的材料和可在汽缸套的滑动表面上移动的活塞的活塞环的材料在 耐磨性 方面彼此理想地匹配，其中，活塞环至少在面向汽缸套的滑动表面的表面上具有由铬陶瓷制得的涂层，并且汽缸套含有比例为0.01％～1.99％的均一分布的硬质相。，下面是耐磨往复活塞式内燃机专利的具体信息内容。
1.一种具有至少一个汽缸的往复活塞式内燃机，其中，各汽缸具有汽缸套和设置于其中用于往复运动的活塞，其中，所述活塞在其套表面具有至少一个活塞环，所述往复活塞式内燃机的特征在于，所述汽缸套的材料和能够在所述汽缸套的滑动表面上移动的所述活塞的活塞环的材料在耐磨性方面彼此理想地匹配，其中，所述活塞环至少在面向所述汽缸套的所述滑动表面的表面上具有由铬陶瓷制得的涂层，并且所述汽缸套含有比例为0.01％～1.99％的硬质相。
2.如权利要求1所述的往复活塞式内燃机，其特征在于，所述汽缸套由其中包埋有硬质相的铸铁制成。
3.如权利要求1或2所述的往复活塞式内燃机，其特征在于，所述硬质相选自由碳化物、渗碳体和斯氏体组成的组。
4.如权利要求1～3中任一项所述的往复活塞式内燃机，其特征在于，所述硬质相含有Fe3P和/或Fe3C作为主要组分。
5.如权利要求1～4中任一项所述的往复活塞式内燃机，其特征在于，所述硬质相颗粒包埋在珠光体基体中。
6.如权利要求1～5中任一项所述的往复活塞式内燃机，其中，所述汽缸套具有比例为
0.05％～1.90％、特别是0.05％～1.70％的硬质相。
7.如权利要求1～6中任一项所述的往复活塞式内燃机，其特征在于，所述硬质相颗粒的平均尺寸为10μm～1mm、特别是10μm～350μm。
8.如权利要求1～7中任一项所述的往复活塞式内燃机，其特征在于，所述硬质相颗粒具有球状或树枝状形状。
9.如权利要求1～8中任一项所述的往复活塞式内燃机，其特征在于，所述汽缸套中所含的所述硬质相颗粒的平均硬度超过1000HV。
10.如权利要求1～9中任一项所述的往复活塞式内燃机，其特征在于，所述活塞环各自包含由具有薄片状石墨的铸铁或由具有蠕虫状石墨的铸铁制得的环形基体，所述环形基体还具有铬陶瓷的外涂层。
11.如权利要求1～10中任一项所述的往复活塞式内燃机，其特征在于，所述活塞环的所述铬陶瓷层是具有包埋的陶瓷颗粒的铬层。
12.如权利要求11所述的往复活塞式内燃机，其特征在于，所述陶瓷颗粒选自由氧化铝(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)和金刚石或其混合物组成的组。
13.如权利要求1～12中任一项所述的往复活塞式内燃机，其特征在于，所述往复活塞式内燃机是大型柴油机。
耐磨往复活塞式内燃机
技术领域
背景技术
[0002] 大型柴油机通常被用作船舶的驱动单元或者用在定点作业中，例如驱动用于产生电能的大型发电机。在该方面，发动机通常以连续作业的方式运行相当长的时间，因而对作业可靠性和可用性存在很高的要求。基于这一原因，长期维护周期、有限的磨损和燃料及运行材料的经济利用成为操作者操作机器的关键标准。在其他因素中，所述大型单调的低速柴油机的活塞性能是维护周期的长度、发动机的可用性的决定因素，并且因润滑剂的消耗，也是运行成本的直接决定因素，因而是成本效益的决定因素。
[0003] 在往复活塞式内燃机中，特别是在大型柴油机中，汽缸套和活塞在运行状态下承受非常高的机械和热负载。此外，汽缸套和活塞环，更精确地说是汽缸套的滑动表面(running surface)和活塞的活塞环，会在内燃机运行过程中磨损。摩擦造成的磨损的迹象可以导致损坏，从而导致复杂且昂贵的维修。关于这一点，特别是由此导致的往复活塞式内燃机的停机时间在商业方面是非常不利的。
[0005] 改善往复活塞式内燃机的耐磨性的另一途径是优化汽缸套的材料性质。汽缸套的材料必须具有高稳定性，以能够承受燃烧过程中的高热张力和机械张力。所述材料还必须也具有充分的变形性和延伸性，以至少部分地降低机械应力峰。为保持材料的低磨损，汽缸套必须也具有高耐磨性。
[0006] 通常，汽缸套通过铸造工序而制造。关于这一点，铸造材料优选富含硬质材料，或者铸造工序和冷却工序以本身已知的方式受到影响从而达到下述程度：在汽缸套毛坯的铸造和/或在汽缸套毛坯的冷却中，铸造基材中可以形成或析出或多或少的广阔区域，所述区域由例如可以包含本身已知的碳化物的硬质相或本身已知的其他硬质相制得。术语“汽缸套毛坯”应当被理解为未加工的铸造体，其在后续加工工序之后，例如成为可运行的汽缸套。硬质相以某种程度不规则分布地包埋于铸铁基材中，从而获得软铸造材料和硬质相的组合。在这方面，铸造基材确保了例如汽缸套的一定机械弹性和持续稳定性，因而这可以抵抗内燃机运行状态中温度负载和压力负载的巨大变化。相较而言，硬质相为汽缸壁和/或汽缸的滑动表面提供了一定的耐受性，特别是对通过活塞环与汽缸滑动表面之间的摩擦而产生的过度磨损的耐受性。
[0007] 往复活塞式内燃机的汽缸套，特别是大型柴油机的汽缸套，通常由其中可能包埋有硬质相的铸铁或其他铁材料构成。铸铁是具有高碳含量(C＞2.06重量％)的铁碳合金，并且还具有如硅、锰、磷或硫等成分。关于铸铁，要区分灰口铸铁与白口铸铁。在灰口铸铁中，碳作为石墨存在，而在白口铸铁中，碳以渗碳体的形式存在。
[0009] 渗碳体可以作为一次渗碳体、二次渗碳体和三次渗碳体存在，所述一次渗碳体源于利用结晶作用的熔体，所述二次渗碳体通过奥氏体的析出而形成，所述三次渗碳体通过柔软且易于腐蚀的铁素体(体心立方晶格的铁)的析出而获得。在这方面，由铁制得的面心立方混合晶体被定义为奥氏体。在亚稳态固化中，铸铁含有由渗碳体和奥氏体制得的共晶体，即所谓的莱氏体。二次渗碳体聚集在首先析出的渗碳体上，其在进一步冷却时由后者析出。发生完全奥氏体转化之后，上述莱氏体包含渗碳体和珠光体的微细混合物。在铸铁熔体冷却时，形成粗针状的过多的一次渗碳体(FeC3)。在熔体冷却时，过多的二次渗碳体开始作为晶界或分层渗碳体而在奥氏体或后来的珠光体周围析出。
[0010] 铸铁可以作为具有薄片状石墨的铸铁存在，其中，石墨具有薄而不规则地形成的薄片形状。具有薄片状石墨的铸铁具有较低的拉伸强度和非常低的弹性。铸铁的耐腐蚀性可以通过硅、铬、镍或铝的合金化来提高。铸铁也可以作为具有球状石墨的球墨铸铁、退火铸铁或作为具有蠕虫状石墨的铸铁存在。在后者中，石墨既不以薄片状形式存在，也不以球状形式存在，也不作为蠕虫状(蠕虫形式)存在。蠕虫状石墨铸铁的机械性质介于具有薄片状石墨的铸铁与具有球状石墨的铸铁之间。
[0011] 例如，EP-A-0 525 540描述了一种由具有球状石墨的珠光体铸铁制得的内燃机用汽缸套，与由具有薄片状结构的铸铁制得的汽缸套相比，所述汽缸套具有较高的拉伸强度和较优的延伸性。关于这一点，将硼、磷和钒(根据需要)添加物添加至具有球状石墨的铸铁的基体合金中，由此使铸铁网状结构除包含球状石墨之外也具有以网状分布的非常硬质的渗碳体部分和/或斯氏体部分。
[0012] EP-A-0-872 567描述了一种往复活塞式内燃机的汽缸套所用的具有蠕虫状石墨的铸铁合金，与具有球状石墨的铸铁相比，所述铸铁合金具有高稳定性和延伸性，以及改善的导热性。具有蠕虫状石墨的铸铁合金，即具有蠕虫状形式的石墨包含物的铸铁合金还具有硬质相，所述硬质相为渗碳体/斯氏体比例在空间上严格受限的形式，其均匀地分布在网状铸铁结构中，并占据2％～20％、特别是4％～10％的体积比。
[0013] 合金的性质通过各结构组分的性质提供。基于此原因，除粒度之外，结构组分的相对量比对于合金的评估也很重要。
[0014] 已经开发了不同的程序，以在金相切片检测的帮助下，评估结构组分的量的比例。关于这一点需要考虑到，在切片检测中，被认为与体积比成正比的表面积比变得很明显，而且不是质量比。如果需要，可以进行体积百分比向质量百分比的转换。
[0015] 在简单的情形下，定量分析通过主观猜测来进行。在约900℃的缓慢冷却之后，C含量为0％和0.8％的所有铁-碳合金都含有量的比例变化的结构组分铁素体和珠光体。纯铁包含100％的铁素体，而具有0.8％C的钢则包含100％的珠光体。因此，在各自具有
0.1％C时，珠光体表面积比例增加0.1/0.8×100％＝12.5％。实践中，可以以此方式，在金相切片检测的帮助下评估缓慢冷却的钢的碳含量。
0.1％C时，珠光体表面积比例增加0.1/0.8×100％＝12.5％。实践中，可以以此方式，在金相切片检测的帮助下评估缓慢冷却的钢的碳含量。
[0016] 当需要更加精确时，则必须测量各结构组分。这可以借助求积仪(即用于确定表面积比的机械工具)来进行。
[0017] 在称重过程中，测量人员从影印件上切下各结构组分，并在分析天平上称量各图像组分的重量。假定纸张品质均一，则纸的重量与相关结构组分基本一致。
[0018] 例如，在线性截断法中，可以绘制10～20条截断直线，并以毫米为单位度量位于各结构组分处的长度，也即由此估计各结构组分的线性比例。各结构组分的体积与线性部分基本一致。通过对所有直线的平均化来计算体积比。
[0019] 所谓整合部分(integration stitches)也可以用于复杂组合结构的精确测量，其中关于这一点其必须是交叉表(cross-table)。除此之外，测量方法与线性截断法一致。
[0020] 在大型柴油机的汽缸套的灰口铸铁中，硬质相比例的确定优选通过枚举法进行。关于这一点，对于汽缸套的滑动表面测量硬质相比例，优选在活塞环的上止点上方，即通常在活塞套上端以下60mm～100mm进行。有利的是，使用碳化硅砂纸打磨20mm×30mm的区域，以制造硬质相印迹。在后续蚀刻工序之前，使用例如乙醇清洁表面，然后干燥。之后，使用3％～5％的硝酸和乙醇或水的混合物来蚀刻表面3分钟～5分钟。以此方式使结构条件变得很清晰，用于确定硬质相。
[0021] 然而，并不是仅将复印件用于结构条件的评价。优选利用复制法制造的结构条件的印迹也被用于硬质相的量的确定。在复制法中，在拟检验的表面得到全面清洁之后，制作拟检验区域的复制品，其中，打磨并浅浅地蚀刻表面的该区域(即，拟进行检验的表面的负拷贝或镜像拷贝)是有利的。为此，将双组分聚合物，例如Microset或Struer′s RepliSet涂布于所制备的区域。可以对再现表面的聚合物的背侧应用称为“背纸”的硬板，以使聚合物便于操作且稳定。作为另外一种选择，可以首先将双组分聚合物涂布在具有“背纸”的板上，然后将其应用于汽缸衬套上预先准备的位置。为实现此目的可以使用不同的双组分聚合物，其中使用某种双组分聚合物需根据拟检验的汽缸表面和/或当时的环境温度而定，其中相应的预定固化时间必须得到遵守和坚持。然后将硬化的复制品从表面上取下，其中所述复制品含有拟检验的结构的非常详细的印迹。为进行评价，可以直接在显微镜下检验和评价带有复制品的板。
[0022] 按照表面的上述相应制备，也可以制作Triafol印迹，其中，有利的是滑动表面的表面温度为5℃～30℃。关于这一点，将一片Triafol箔(Triafol是一种塑料箔的产品名)浸在丙酮中约4秒钟，然后应用于所制备的表面，并在该处干燥约10分钟。然后，该箔会显示拟检验的滑动表面的结构的印迹。为进行评价，将该箔应用于载玻片上并使用碳蒸汽涂布，以提高对比度。印迹的微结构例如对应于如图2所示的图像，其中硬质相作为颗粒在由石墨和珠光体制得的基体中是可见的。然后利用整合板来进行硬质相比例的计量，所述整合板通常具有例如100个点，即具有100个交点的以直角彼此交叉的直线的线条图案。2
关于这一点，放大率为100∶1。在这些条件下，对于每测量区域计量1mm 的面积。为确定硬质相，数出16个彼此直接相邻的这种测量区域，其中，在每个所观察的正方形中数出整合板的那些与硬质相重合的点。通过覆盖有硬质相的点的数量与总点数之间的关系确定硬质相比例，即
关于这一点，放大率为100∶1。在这些条件下，对于每测量区域计量1mm 的面积。为确定硬质相，数出16个彼此直接相邻的这种测量区域，其中，在每个所观察的正方形中数出整合板的那些与硬质相重合的点。通过覆盖有硬质相的点的数量与总点数之间的关系确定硬质相比例，即
[0023] 硬质相比例[％]＝100％×硬质相点/总点数
[0024] 在此计算方法中，将位于硬质相边界处的点视作半个点。
[0025] 硬质相比例由此对应于在拟检验的表面上硬质相的面积比与合金(＝其中包埋有硬质相的基体)的面积比之比。在本说明书中，若未另行说明，则硬质相的百分比的详细情况始终与面积百分比相关，即与单位面积的拟检验的合金表面上的硬质相面积比相关，其中，面积百分比特别是通过上述测量方法确定，所述测量方法用于确定大型柴油机的汽缸套的灰口铸铁中的硬质相比例。
[0026] 硬质相颗粒通常会提高汽缸套的滑动表面的耐磨性。当前的汽缸套有利的是硬质相比例为3％～7％的铸铁，其中，过去也使用硬质相比例高得多的铸铁合金。
[0027] 只要硬质相颗粒牢固地固定在基体中，通常汽缸套中就不会出现活塞的异常运行。如果颗粒不再与基体连接，则会从汽缸滑动表面上松动脱落，由此引起不合需要的磨损，其随后可以在非常短的时间内完全破坏汽缸套的滑动表面。
[0028] 金属基体可以因硫酸的侵蚀而受到侵袭。侵蚀可能在边界表面处发生得更为强烈，这可导致硬质相颗粒的空间凸出。这些硬质相颗粒然后会受到在其上滑动的活塞环的增大的压力(例如通过弯曲)，由此容易被粉碎并且部分或完全脱离汽缸滑动表面。这随后导致不合需要的磨损，之后所述磨损可以在非常短的时间内破坏汽缸套或至少破坏其滑动表面。
[0029] 往复活塞式内燃机用活塞环通常包含铸铁或钢，其中这些活塞环一般也设置有硬质层。活塞环的基体，即通常包含铸铁或钢但不包含硬质层的活塞环，在下文中被称作活塞环毛坯。例如，可以将灰口铸铁，即具有薄片状石墨的铸铁或具有球状石墨的铸铁或具有蠕虫状石墨的铸铁用作所述铸铁。
[0030] 将金属合金限定为钢，其主要组分为铁并且其碳含量为0.01重量％～2.06重量％。从化学观点来看，钢为由铁和碳化铁制得的合金。
[0031] 活塞环的外部硬质层例如可以包含铬、钼、镍-石墨、碳化铬、金属陶瓷、铝青铜合金、含有Cr-碳化物或石墨青铜的Mo基合金或Ni-Cr基合金、氮化铬、镍铝化物、镍铬合金、含有碳化铬的镍基合金或具有陶瓷层。金属氧化物、碳化物或氮化物例如可以作为陶瓷来进行讨论。
[0033] 例如可以使用电流法来涂布硬质铬层或陶瓷层。等离子体喷涂法例如适于涂布下述层：钼、镍-石墨、碳化铬、金属陶瓷、铝青铜合金或具有Cr-碳化物或石墨青铜包含物的Mo基合金或Ni-Cr基合金的层。HVOF法例如适于涂布含有碳化物的Mo基合金或含有碳化物的Ni-Cr基合金。氮化铬层例如也可以使用PVD法连续涂布，而HIP法例如适于镍铬合金或镍铝化物层。激光表面覆层例如适于涂布含有碳化铬的镍合金。
[0034] 在目前已知的现代往复活塞式内燃机中，设置有活塞环的活塞在汽缸套内或在其具有高硬质相比例的汽缸滑动表面上分别往复移动，其中，所述硬质相比例通常达到3％～10％。
[0035] 根据现有技术，对于3％～7％的硬质相比例而言，硬质相的粒径取决于结晶条件，不过可达10μm～1mm。通过因粗粒硬质相颗粒引起的加速工具摩擦，获得了不再切实保障切削操作、只能使拟加工的材料在压力下塑性变形的工具，结果，特别是位于表面上的硬质相颗粒也可以被破坏，后者之后通过破坏的、松动地存在的、非常硬质而多孔的颗粒，又导致汽缸套滑动表面的更高程度的摩擦。
发明内容
[0036] 本发明的目的是可获得与现有技术相比具有改进的运行性质和耐磨性的往复活塞式内燃机。
[0038] 为在最低润滑剂消耗下将汽缸套与活塞环的摩擦保持在可接受范围内，必须优化影响这些活塞环和于其上相对滑动的汽缸滑动表面的摩擦学的所有因素。除润滑剂的组成、向活塞的滑动表面和活塞的套表面上涂布润滑剂的类型与方式以及润滑剂的供给速率之外，所述因素还涉及燃料的化学组成、汽缸滑动表面的表面结构和不同组件的材料。
[0039] 在耐磨性方面得到改进的往复活塞式内燃机的进一步开发中，已经显示，对于往复活塞式内燃机的汽缸套的耐磨性而言，不仅汽缸套的滑动表面，而且反向设置的部件的耐磨性(即，不仅汽缸套自身的滑动表面，而且在汽缸套滑动表面上移动的活塞环)都是至关重要的。附图说明
[0040] 下面将通过附图详细说明本发明。在此显示了：
[0041] 图1：大型柴油机的汽缸的示意性透视图；
[0042] 图2：含有1.8％硬质相的汽缸套的滑动表面的高分辨率图像；
[0043] 图3：含有0.2％硬质相的汽缸套的滑动表面的高分辨率图像；
[0044] 图4：含有2.0％硬质相的汽缸套的滑动表面的高分辨率图像；
[0045] 图5：含有3.0％硬质相的汽缸套的滑动表面的高分辨率图像。
[0046] 在图1中，示意性地显示了缓慢运行的两冲程大型柴油机的汽缸的截面。汽缸含有带有驱气孔40的汽缸套30。汽缸套30的内表面形成了滑动表面35。图1还显示了活塞5，活塞5具有朝向燃烧室的活塞表面15和汽缸形状的活塞套表面10。在活塞套表面10上设置有四个活塞环20。在内燃机运行过程中，活塞5在汽缸套30内上下移动，其中活塞环20在汽缸套30的滑动表面35上滑动，活塞环20和滑动表面30由此暴露于某种程度的摩擦中。
[0047] 图2显示了含有1.8％硬质相的往复活塞式内燃机的汽缸套的滑动表面的高分辨率显微切片(microsection)。标尺的长度为1mm。图像中的颗粒结构显示了树枝状的硬质相。
[0048] 图3显示了含有0.2％硬质相的本发明的往复活塞式内燃机的汽缸套的滑动表面的高分辨率显微切片。与图2相比较，存在明显较少的硬质相，其中，图3中的硬质相具有更呈球形的形状。
[0049] 图4显示了含有2.0％硬质相的往复活塞式内燃机的汽缸套的滑动表面的高分辨率显微切片。标尺的长度为1mm。颗粒结构显示了树枝状的硬质相。
[0050] 图5显示了含有3.0％硬质相的往复活塞式内燃机的汽缸套的滑动表面的高分辨率显微切片。标尺的长度为1mm。颗粒结构同样显示了树枝状的硬质相，其中，与图4相比较可以很容易地观察到明显较高的厚度。
具体实施方式
[0051] 本发明的往复活塞式内燃机具有至少一个汽缸。各汽缸包含汽缸套和设置于其中用于往复移动的活塞，其中所述活塞具有至少一个位于其套表面上的活塞环。活塞必须具有圆形汽缸的形状，以使活塞的套表面模拟位于底面和顶面之间朝向汽缸套的滑动表面的汽缸的外表面。汽缸套的材料和可在汽缸套的滑动表面上往复移动的活塞的活塞环的材料在耐磨性方面分别彼此理想地匹配，其中，活塞环至少在面向汽缸套的滑动表面的表面上具有由铬陶瓷制得的涂层，并且汽缸套含有硬质相比例为0.01％～1.99％的铸铁合金。
[0052] 活塞环的基体，即活塞环毛坯，通常包含钢或铸铁，其中优选具有薄片状石墨的铸铁或具有球状石墨的铸铁。
[0053] 优选的是，活塞环的整个表面具有铬陶瓷的硬质层。
[0054] 在铬陶瓷层中，陶瓷颗粒分别包埋在由铬制得的基体中。铬陶瓷层优选为具有包埋的陶瓷颗粒的电流沉积的铬层。在此方面，优选细粒的陶瓷颗粒，此外，所述陶瓷颗粒尽可能均一地分散在铬层中。此处，陶瓷颗粒可涉及氧化物陶瓷、碳化物、氮化物、金刚石或其混合物。
[0055] 用于本发明的往复活塞式内燃机的铬陶瓷材料优选选自由铬-氧化铝(Cr-Al2O3)、铬-氮化硅(Cr-Si3N4)、铬-氧氮化硅、氧化硅和铬-金刚石组成的组。关于这一点，氧化铝陶瓷基于α-Al2O3(刚玉)。氮化硅可用于变体(晶体结构)α-Si3N4、β-Si3N4或γ-Si3N4中。金刚石是碳的立方晶系的变体。
[0056] 用于本发明的往复活塞式内燃机的汽缸套包含硬质相比例为0.01％～1.99％的铸铁，其中，所述硬质相优选包埋在珠光体基体中。
[0057] 所使用的铸铁优选具有珠光体基材，所述珠光体基材具有磷化物共晶体，后者作为结构组分被称作斯氏体。斯氏体是铸铁中高磷含量的结果。铸铁与磷形成合金，首先是为了耐磨性的改善。
[0058] 珠光体基体优选具有排列好的薄片状共晶结构组分。关于此方面，珠光体基体涉及铁素体和渗碳体(碳化铁)的相混合物。铁素体和渗碳体的相混合物因铁-碳合金在碳含量为0.02重量％～6.67重量％时的共晶转变而出现。薄片状珠光体结构通过局部脱碳在共晶珠光体的形成过程中出现，另一方面，在附近的相邻区域的富碳之处则不然。由铁素体(即α-Fe)制得的结构在碳含量低于0.02重量％时出现。
[0059] 硬质相优选包含渗碳体或斯氏体或者所述这两种组分。渗碳体是铁和碳的化合物，其组成为Fe3C(碳化铁)。
[0060] 在汽缸套的砂型铸造或硬模浇铸中采用通常的固化速率时，硬质相(取决于化学组成和原状的异质石墨形成)包含斯氏体，和/或由斯氏体和莱氏体渗碳体(碳化铁)的混合物构成，莱氏体渗碳体包埋在几乎完全是珠光体的基体中，所述基体仅具有少量游离铁素体和石墨、特别是薄片状石墨。斯氏体与莱氏体渗碳体的比例取决于为改善减磨性而特意添加的元素及其量，其中，特别是将磷、硼和钒作为减磨元素。然而，熔体还是会具有不可避免的污染物，它们会影响斯氏体与莱氏体渗碳体的比例。此外，斯氏体与莱氏体渗碳体的比例还取决于铸铁固化过程中的成核条件。
[0061] 称作斯氏体的三元磷化物共晶包含41重量％的磷酸铁(FeP)、30重量％的斯氏体渗碳体(FeC)和29重量％的奥氏体(铁合金的γ-混合晶体)，后者在共晶转变过程中分解为珠光体(铁材料的带条纹的结构形状)。珠光体包含铁素体和珠光体渗碳体。
[0062] 所形成的珠光体的颗粒的数量、尺寸和分布直接取决于磷和由熔体中析出的元素的量以及共晶的数量和分布。优选形成长度为10μm～1mm的较小的斯氏体颗粒，或者相应地出现更多的长度通常为10μm～350μm的斯氏体颗粒，或者出现这两种所述颗粒的混合物。斯氏体颗粒的形状可以涵盖从球状到树枝状的范围。从耐磨性和材料加工性方面考虑，优选均一分布的球状小斯氏体颗粒。
[0063] 斯氏体的硬度取决于从熔体中析出并进入磷化物共晶的元素及其浓度。斯氏体的平均硬度达到700HV～800HV(根据DIN EN ISO 6507-1：2005至-4：2005的维氏硬度)。
[0064] 渗碳体的硬度(如斯氏体硬度所进行的那样)取决于铁混合晶体中所存在的碳化物稳定元素的量。包含斯氏体和莱氏体渗碳体的硬质相的平均硬度达到约800HV～1200HV，其明显高于斯氏体独自的硬度。因此，包含斯氏体和莱氏体渗碳体的硬质相也显示了比纯斯氏体高的脆性，并且具有包含斯氏体和莱氏体渗碳体的硬质相的铸造材料的加工性较差，由此加工工具的摩擦也会增加。硬质相也可以仅包含莱氏体渗碳体，即其中不同时存在斯氏体。
[0065] 薄片状珠光体基体的硬度优选达到250HV～400HV。在此方面，所述硬度取决于铁混合晶体中存在的其他元素，并取决于奥氏体转变过程中的冷却速率。
[0066] 由于往复活塞式内燃机中所使用的汽缸套仅包含很少比例的硬质相，因此，汽缸套所需要的延伸性得到了保证，甚至在使用非常硬的并且本身易碎的硬质相颗粒时亦如此。
[0067] 包含在汽缸套中的硬质相颗粒的硬度优选超过1000HV。
[0068] 汽缸套的硬质相优选包含Fe3C和Fe3P以及偏析的碳化物稳定元素。偏析的碳化物稳定元素(其被特意添加至铸铁中以形成合金或者作为痕量元素存在于所使用的铸造合金中)特别涉及Cr、V、Mn、Mo、W、Zr和Te。
[0069] 在铸造合金的冷却中形成的硬质相颗粒的量、尺寸和分布取决于影响结晶的参数。通过将存在于汽缸套中的硬质相的量减少至0.01％～1.99％的范围内，将形成微小的细粒硬质相颗粒，而且，与现有技术相比，所述颗粒可以更均一地分布在结构中。位于本发明的往复活塞式内燃机中的硬质相颗粒的尺寸优选达到10μm～350μm，这保证了良好的材料加工性和仅有轻微的工具摩擦。
[0070] 与现有技术已知的汽缸套相比，在本发明的往复活塞式内燃机中使用的汽缸套中，汽缸套制造中通常出现的微收缩(其因铁合金熔体冷却过程中所结晶的硬质相厚度较低而导致，例如由斯氏体(具有磷化物共晶的珠光体基材)导致的那些微收缩)的数量显著降低，因为硬质相的比例被降低至0.01％～1.99％。
[0071] 在优选的实施方式中，往复活塞具有硬质相比例为0.05％～1.90％的汽缸套。更优选硬质相比例为0.05％～1.70％、特别是0.05％～1.50％。
[0072] 硬质相的低含量(与现有技术相比，其还得到了更好的空间分布并且成粒得更细，并且还具有更好的硬质相尺寸分布，即硬质相颗粒具有更均一的粒径)改善了切割加工性，结果例如切割工具较少被损坏并且较少受到摩擦。更好的加工性也有助于获得更快的加工速度(例如切割速度)和更长的工具使用寿命。
[0073] 由于与现有技术相比时汽缸套的结构中硬质相的比例较低，因此在发动机运行过程中由滑动表面释放的可引起二次摩擦的硬质颗粒的量也降低。
[0074] 用于汽缸套的铸铁可以还含有如MnS、TiN或氮化碳等不影响活塞在汽缸套中的运动行为的组分。
[0075] 汽缸套中的硬质相部分优选均一分布。
[0076] 在另一优选实施方式中，调整硬质相比例，使之在汽缸套的长度方向上(即轴向上)有差别，由此可以进一步优化摩擦和/或活塞运动行为。在该实施方式中，汽缸套、特别是汽缸套的滑动表面在轴向上具有硬质相梯度，其中在各位置处硬质相比例为0.01％～1.99％。就此而言，梯度可以是线性的，也可以具有不同的函数形状。特别是，活塞的上止点和/或下止点区域中的硬质相比例可具有比汽缸套轴向中央部分更大的硬质相比例。
[0077] 铬陶瓷涂布的活塞环与含有比例非常小的硬质相的汽缸套的组合产生低摩擦率。此外，铸造合金中的较少和较小的硬质相颗粒产生低磨损率。此外，通过下述方式可以使汽缸套的制造性和加工性更加简单：添加仅少量的硬质相材料，并且材料的切割加工性质基本相当于不具有任何种类的硬质相颗粒的相同铸造材料的性质，即具有低硬质相比例的汽缸套的机械加工性基本相当于不具有任何种类的硬质相的汽缸套的机械加工性。因此，与不具有任何种类的硬质相的汽缸套相比，具有低硬质相比例的汽缸套的运行时间未得到延长，而加工工具的使用寿命亦未因低硬质相比例而明显缩短。术语“低硬质相比例”在此应当始终理解为硬质相比例低于1.99％。本发明的往复活塞式内燃机的汽缸(即彼此在材料组成方面匹配的汽缸套和活塞环)可以利用本身已知的铸造方法由铸铁合金来制造。由此可以容易且经济地制造汽缸。
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