《用于活塞环应用的高模量耐磨性灰口铸铁.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《用于活塞环应用的高模量耐磨性灰口铸铁.pdf（11页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、10申请公布号CN104080931A43申请公布日20141001CN104080931A21申请号201280068281322申请日2012112961/565,04020111130USC21D5/00200601C21D5/02200601C22C37/10200601C22C33/0820060171申请人费德罗莫格尔公司地址美国密歇根州南菲尔德西北公路2655572发明人哈伦吉康德74专利代理机构上海智信专利代理有限公司31002代理人邓琪54发明名称用于活塞环应用的高模量耐磨性灰口铸铁57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22。
2、29WT的碳，3242WT的硅，075125WT的铜，1015WT的锰，009015WT的硫，不大于02WT的磷，以及38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。30优先权数据85PCT国际申请进入国家阶段日2014072886PCT国际申请的申请数据PCT/US2012/0669552012112987PCT国际申请的公布数据WO2013/082221EN2013060651INTCL权利要求书3页说明书6页附图1页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请。
3、权利要求书3页说明书6页附图1页10申请公布号CN104080931ACN104080931A1/3页21一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2229WT的碳，3242WT的硅，075125WT的铜，1015WT的锰，009015WT的硫，以及不大于01WT的磷。2如权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述铸铁包括一种基体以及分散在整个所述基体中的硫化锰和碳化物，所述基体包括马氏体和贝氏体中的至少一种。3如权利要求2所述的活塞环，其特征在于，所述铸铁包括占所述铸铁总体积的体积百分比为0515VOL的硫化锰。4如权利要求2所述的活塞环，其特征在于，所述。
4、基体包括占所述基体总体积的体积百分比为8090VOL的马氏体。5如权利要求2所述的活塞环，其特征在于，所述基体包括占所述基体总体积的体积百分比不大于5VOL的铁素体、奥氏体和斯氏体。6如权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述铸铁的平均碳当量为3542。7如权利要求5所述的活塞环，其特征在于，所述铸铁的平均碳当量为38。8如权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述铸铁包括占所述铸铁的重量百分比为0305WT的钼。9如权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述铸铁包括占所述铸铁的重量百分比不大于022WT的镍。10如权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述铸铁包括占所述铸铁的重量百分比为02506。
5、5WT的铬。11如权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述铸铁包括2428WT的碳；3438WT的硅；0810WT的铜；1113WT的锰；010012WT的硫；03055WT的铬；034039WT的钼；004008WT的钛；007009WT的磷；010025WT的镍；不大于015WT的铌；不大于045WT的钨；不大于008WT的硼；不大于017WT的钒；以及至少750WT的铁。12如权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述铸铁具有围绕中心轴周向延伸的底面和朝向相反的顶面，分别从所述底面纵向延伸到所述顶面的朝向所述中心轴的内径面和朝向相反的外径面，所述外径面和所述内径面围绕所述中心轴周向延伸。1。
6、3如权利要求12所述的活塞环，其特征在于，所述铸铁具有形成在至少一个所述表面中的油槽。14如权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述铸铁包括267268WT的碳；387411WT的硅；089091WT的铜；12126WT的锰；010011WT的硫；038052WT的铬；038WT的钼；005WT的钛；001WT的磷；017018WT的镍；01011WT的铌；001026WT的钨；003016WT的钒；以及余量的铁。15如权利要求1所述的活塞环，其特征在于，所述铸铁具有围绕中心轴周向延伸的底权利要求书CN104080931A2/3页3面和朝向相反的顶面，分别从所述底面纵向延伸到所述顶面的朝向所述。
7、中心轴的内径面和朝向相反并用于与气缸壁接触的外径面，所述外径面和所述内径面围绕所述中心轴周向延伸，以及形成在至少一个所述表面中的油槽；所述铸铁进一步包括，以所述铸铁的重量百分比计的如下组分025065WT的铬，0305WT的钼，003009WT的钛，不大于02WT的铌，不大于05WT的钨，不大于01WT的硼，不大于02WT的钒，不大于025WT的镍，以及大体构成余量的铁；所述铸铁的碳当量为3942；所述铸铁的共晶温度为11451155F；所述铸铁包括一种基体，所述基体包括马氏体和贝氏体中的至少一种；所述铸铁包括分散在整个所述基体中的碳化物、石墨和硫化锰；所述基体包括占所述基体的体积百分比为80。
8、90VOL的所述马氏体，以及0515VOL的所述硫化锰；所述铸铁基体不包括铁素体、奥氏体和斯氏体；所述铸铁的抗弯强度为7501000MPA；所述铸铁的布氏硬度为330360BHN；所述铸铁的洛氏硬度为100115HRB；以及所述铸铁的弹性模量为115160GPA。16一种铸铁，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2229WT的碳，3242WT的硅，075125WT的铜，1015WT的锰，009015WT的硫，以及不大于01WT的磷。17一种由铸铁构成的活塞环的制造方法，其特征在于，包括如下步骤提供一种合金，其包括以该合金的重量百分比计的，2229WT的碳，3242WT的硅，。
9、075125WT的铜，1015WT的锰，009015WT的硫，以及不大于01WT的磷；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。18如权利要求17所述的方法，其特征在于，奥氏体化步骤包括将合金在17501850F加热60120分钟。19如权利要求17所述的方法，其特征在于，淬火步骤包括将奥氏体化的该合金放置在140150F的油中。20如权利要求17所述的方法，其特征在于，回火步骤包括将淬火后的合金在9501000F加热60120分钟。权利要求书CN104080931A3/3页421如权利要求17所述的方法，其特征在于，该合金包括以合金重量百分比计的，2529WT的。
10、碳，3642WT的硅，075125WT的铜，1015WT的锰，以及009015WT的硫。22如权利要求17所述的方法，其特征在于，包括在铸铁中形成油槽。23一种铸铁合金的制造方法，其特征在于，包括如下步骤提供一种合金，其包括以该合金的重量百分比计的，2229WT的碳，3242WT的硅，075125WT的铜，1015WT的锰，009015WT的硫，以及不大于01WT的磷；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。权利要求书CN104080931A1/6页5用于活塞环应用的高模量耐磨性灰口铸铁技术领域0001本发明大体涉及用于内燃机的活塞环及其构成材料和制造方法。背景。
11、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，315316WT的碳，266286WT的硅,065118WT的铜,07078WT的锰,004006WT的硫，以及010012WT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，2040WT的碳，125325WT的硅，07512。
12、5WT的锰，008012WT的硫，以及00702WT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，2229WT的碳，3242WT的硅，075125WT的铜，1015WT的锰，009015WT的硫，以及不大于02WT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。
13、包括提供一种合金，其包括以该合金的重量百分比计的，2229WT的碳，3242WT的硅，075125WT的铜，1015WT的锰，009015WT的硫，以及不大于01WT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。
14、附图进行考虑，本发明的其它特点将会更加容易理解，其中说明书CN104080931A2/6页60009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。
15、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。
16、。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3442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11451155F。在一个实施例中，铸铁具有38的平均碳当量低级低共熔体。0013为了提供优选的3442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，2229WT或者24TO28WT的碳。在另一实施例中，铸铁包括至少22WT或者不大于29WT的碳。0014在一个实施例中，铸铁包括3242WT或者3438WT的硅。在另一实施例中，铸铁包括至少32W。
17、T或者不大于42WT的硅。0015在一个实施例中，铸铁包括075125WT或者0810WT的铜。在另一实施例中，铸铁包括至少075WT或者不大于125WT的铜。0016在一个实施例中，铸铁包括1015WT或者1113WT的锰。在另一实施例中，铸铁包括至少10WT或者不大于15WT的锰。0017在一个实施例中，铸铁包括009015WT或者010012WT的硫。在另一实施例中，铸铁包括至少009WT或者不大于015WT的硫。0018在一个实施例中，铸铁包括不大于02WT或者007009WT的磷。在另一实施例中，铸铁包括至少001WT或者不大于009WT的磷。0019铸铁优选包括其含量有助于优异耐磨。
18、性的铬、钒、铌、钨和硼。在一个实施例中，铸铁包括025065WT或者03055WT的铬。在另一实施例中，铸铁包括至少025WT或者不大于065WT的铬。在一个实施例中，铸铁包括不大于02WT或者不大于017WT的钒。在另一实施例中，铸铁包括至少001WT的钒。在一个实施例中，铸铁包括不大于02WT或者不大于015WT的铌。在另一实施例中，铸铁包括至少001WT的铌。在一个实施例中，铸铁包括不大于05WT或者不大于045WT的说明书CN104080931A3/6页7钨。在另一实施例中，铸铁包括至少001WT的钨。在一个实施例中，铸铁包括不大于01WT或者不大于008WT的硼。在另一实施例中，铸铁。
19、包括至少001WT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0305WT或者034039WT的钼。在另一实施例中，铸铁包括至少03WT或者不大于05WT的钼。在另一个实施例中，铸铁包括不大于022WT或者010025WT的镍。在另一实施例中，铸铁包括至少010WT或者不大于025WT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003009WT或者004008WT的钛。在另一实施例中，铸铁包括至少003WT或者不大于009WT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。
20、少一种的基体。在一个实施例中，铸铁包括至少750WT或者至少850WT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10WT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8090VOL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051。
21、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7501000MPA，通常为780850MPA。
22、。该铸铁的布氏硬度通常为330360BHN，洛氏硬度为100116HRB，通常为108112HRB。在一个实施例中，该铸铁的弹性模量为115160GPA，通常为120140GPA。该铸铁还具有改进的耐磨性。在一个实施例中，当根据ASTMG133标准使用CAMERONPLINT型TE77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。
23、金，其包括以合金的重量百分比WT计的，2229WT或者2428WT的碳；3242WT或者3438WT的硅；075125WT或者0810WT的铜；1015WT或者1113WT的锰；009015WT或者010012WT的硫；025065WT或者03055WT的铬；说明书CN104080931A4/6页80305WT或者034039WT的钼；003009WT或者004008WT的钛；不大于02WT或者不大于015WT的铌；不大于05WT或者不大于045WT的钨；不大于01WT或者不大于008WT的硼；不大于02WT或者不大于017WT的钒；不大于01WT或者007009WT的磷；不大于025WT或者。
24、010025WT的镍；以及至少750WT或者至少850WT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17501875F加热60120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140150F的油中淬火。该方法进一步包括在淬火步骤之后使合金在9501150F回火60120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。
25、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本发明实施例1本发明实施例2比较实施例C268267338SI41138725CU09108905MN12612055CR038052023V003016005NB0010110B000W0010260P00100104NI0180170S01101011MO0380380TI0050050说明书CN104080931A5/6页9FE余量余量余量0035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ASTMEI8086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。
26、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。0036表2硬度HRB本发明实施例1本发明实施例2比较实施例1098109910170037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/WWWFEDERALMOGULCOM/KORIHANDBOOK/EN/INDEXHTM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。0038表3弹性模量GPA本发明实施例1本发明实施例2比较实施例1221311020039然后根据费德罗莫格尔的活塞环材料形态分析代号。
27、GEO504，参见费德罗莫格尔活塞环手册，可由HTTP/WWWFEDERALMOGULCOM/KORIHANDBOOK/EN/INDEXHTM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。0040表4抗弯强度MPA本发明实施例1本发明实施例2比较实施例7908505400041然后根据ASTMG133标准使用CAMERONPLINT型TE77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。0042表5磨损M本发明实施例1本发明实施例2比较实施例35。
28、181120043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。0044US5,985,052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构成的铸铁具说明书CN104080931A6/6页10有280330BHN的硬度，其硬度低于本发明铸铁的硬度。此。
29、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。0045US5,972,128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8595HRB，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。0046显然，根据以上教导，本发明的多种修改和变化都是可能的，并且可以通过具体描述之外的方式实现。说明书CN104080931A101/1页11图1说明书附图CN104080931A11。