[发明专利]用于制造活塞环和汽缸套的钢材合成物

说明书

技术领域

本发明涉及特别适合于制造活塞环和汽缸套的钢材合成物，进一步地，本发明涉及一种用于制造钢材合成物（steel material composition）的方法，最终，本发明涉及包括作为基本成分（basic element）的钢材合成物的活塞环和汽缸套。

背景技术

内燃机中的活塞环（piston ring）密封活塞头和与燃烧室相隔离的汽缸壁之间的空隙。随着活塞向上和向下移动，活塞环的外周面相应地沿着汽缸壁以持久地弹簧偏动接触（spring-biased contact）的方式滑动，同时随着活塞环由于活塞的倾斜移动，在活塞环槽中移动，活塞也产生摆动，该摆动将使得环的侧面交替地与活塞环槽的上侧面和下侧面相接触。由于这两个元件相互贴着滑动，每一个都将承受一定程度的磨损，这取决与材料的性质。倘若空运转，这将导致卡住、刮伤和不幸地对内燃机产生不可修复的损伤。为了改善活塞环相对于汽缸壁的滑动和磨损行为，在活塞环的周面涂上不同的材料。

对于汽缸套例如用于往复式活塞内燃机中的汽缸套，需要确保高度的耐磨损性能，否则，也就是说，随着汽缸套变得越来越薄，气体泄漏和耗油量可能会增加，并且内燃机的性能会退化。随着汽缸套的磨损，汽缸壁和汽缸套之间的间隙将逐渐变大，由此导致燃烧气体可更容易地从汽缸套中泄出（即漏气），从而降低内燃机的效率。因为间隙的增大，未脱落的和留在燃烧腔中的油膜将变厚，由此导致每个单位时间内的油损失将变多，从而有效地增大了耗油量。

承受高压力的内燃机部件，例如活塞环和汽缸套，通常由铸铁材料或铸铁合金制成。活塞环和特别地在高性能引擎中的压缩环将承受越来越多的压力，包括最大的压缩压力（peak compression pressure）、燃烧温度、EGR和别的部件之间的润滑薄膜（lubrication film）降低，且这将对他们的功能特性有重要的影响，例如耐磨损（wear scuff resistance）、微型焊接和耐腐蚀。

遗憾的是，根据现有技术，铸铁材料是非常容易破损，当使用现有的材料时，环很容易破损。较高的机械动力负载将导致活塞环和汽缸套具有较短的操作寿命。运行表面和侧面由于同样的原因也承受严重的磨损。

较高的点火压力（ignition pressures）、降低的排放和直接的燃油喷射导致了活塞环上负载的增加。因此，损坏活塞材料及沉积物堆积在其上面，特别是在较低的活塞环侧面。

为了解决活塞环上的较高的机械和动力负载，越来越多的内燃机制造商要求活塞环和汽缸套由优质钢（high-grade steel）制成（退火的和高合金的，例如材料1.4112）。在这方面，将包含重量少于2.08%的碳的铁材料归类为钢。如果碳成份较高，该材料将认为是铸铁。钢材料比铸铁具有较好的强度性能和延展值，因为其微观结构不受游离石墨（free graphite）的破坏。

经常用于生产钢活塞环的钢材是高铬合金、马氏体钢（martensitic steel）。钢活塞环式由异形钢丝（profile wire）制成。该异形钢丝为圆形盘绕状（roundwound），将该异形钢丝截取一定长度并拉成椭圆轴（out-of-round mandrel）。在该椭圆轴上，活塞环通过退火处理得到期望的椭圆形状，其也产生必要的切向力。由钢材制造活塞环的别的缺陷是大于一定的直径后，不可能由钢丝生成（绕成）环。相比较，铸铁活塞环已经浇铸成椭圆，因此其形状正好可开始加工。

铸铁的熔化温度远远小于钢材。两者熔化温度的差可达到350℃，这将取决于具体的化学成份。因此，铸铁更容易熔化和铸造，因为较低的熔化温度意味着较低的浇铸温度和也因此由于冷却产生较小的收缩，从而这种材料具有较少的气孔和/或热或冷裂缝。较低的铸造温度也在模塑材料（腐蚀、气孔、砂眼）和熔炉及上产生较小的压力和较低的熔化成本。

铁材料的熔化温度不仅仅取决于其碳成份，也取决于饱和度。下面的公式将以简单的形式表示出：

                  Sc=C/（4.26-1/3（Si+P））。

饱和度越接近1，熔化温度将越低。对于铸铁，目标通常为获得1的饱和度，其中铸铁具有1150℃的熔化温度。根据钢材的化学成份，其饱和度为0.18。共晶钢的熔化温度为1500℃。

成份Si和P将对饱和度有较大影响。例如，硅成份的重量增加3%与碳的重量增加1%具有相同的效果。因此，可生成一种具有1%重量份的碳和9.78%重量份的硅的钢材，这种钢材与饱和度为1的铸铁（C：3.26%重量份，Si：3.0%重量份）的熔化温度相同。