用于活塞环应用的高模量耐磨性灰口铸铁 |
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| 申请号 | CN201280068281.3 | 申请日 | 2012-11-29 | 公开(公告)号 | CN104080931B | 公开(公告)日 | 2016-01-20 |
| 申请人 | 费德罗-莫格尔公司; | 发明人 | 哈伦·吉康德; | ||||
| 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。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种由铸铁构成的活塞环，其特征在于，包括以所述铸铁总重量的重量百分比计的如下组分： |
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| 说明书全文 | 用于活塞环应用的高模量耐磨性灰口铸铁技术领域背景技术[0002] 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 ,0.04-0.06wt. ％ 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。 [0003] 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，0.08-0.12wt.％的硫，以及0.07-0.2wt.％的磷。 [0004] 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[0005] 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。 [0006] 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。 [0007] 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 [0008] 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: [0009] 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[0010] 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。 [0011] 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。 [0012] 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。 [0013] 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。 [0014] 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。 [0015] 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。 [0016] 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。 [0017] 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。 [0018] 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。 [0019] 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 0.1wt.％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。 [0020] 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。 [0021] 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。 [0022] 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。 [0023] 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。 [0024] 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。 [0025] 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。 [0026] 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。 [0027] 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100-116HRB，通常为108-112HRB。在一个实施例中，该铸铁的弹性模量为115-160GPa，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。 [0028] 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。 [0029] 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3.4-3.8wt.％的硅；0.75-1.25wt.％或者0.8-1.0wt.％的铜；1.0-1.5wt.％或者1.1-1.3wt.％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。 [0030] 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。 [0031] 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。 [0032] 实施例 [0033] 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。 [0034] 表1 [0035]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 [0036] 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。 [0037] 表2硬度(HRB) [0038]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 [0039] 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。 [0040] 表3弹性模量(GPa) [0041]本发明实施例1 本发明实施例2 比较实施例 122 131 102 [0042] 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。 [0043] 表4抗弯强度(MPa) [0044]本发明实施例1 本发明实施例2 比较实施例 790 850 540 [0045] 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。 [0046] 表5磨损(μm) [0047]本发明实施例1 本发明实施例2 比较实施例 35 18 112 [0048] 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。 [0049] 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。 [0050] 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。 |
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