Высокотеплопроводное поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания
Изобретение относится к области металлургии, а именно к теплопроводному поршневому кольцу для двигателя внутреннего сгорания. Поршневое кольцо содержит Mn-Cr-ую сталь в качестве основного материала и слой твердой пленки износостойкого покрытия на наружной окружной поверхности, причем Mn-Cr-ая сталь включает, в мас.%: С от 0,52 до 0,65, Si от 0,15 до 0,35, Mn от 0,60 до 1,00, Cr от 0,60 до 1,00, Р 0,04 или менее, S 0,04 или менее, небольшое количество компонентов Al, Ni и Cu (суммарное содержание) в диапазоне от 0,05 до 3,0 мас.%, при этом содержание каждого из компонентов Al, Ni и Cu составляет от 0,01 до 1,0, остальное – Fe и неизбежные примеси. Обеспечиваются функции газонепроницаемого уплотнения и теплопередачи в течение длительного периода времени в стабильном режиме при использовании в автомобильном бензиновом двигателе с высокой степенью сжатия. 8 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к поршневому кольцу, устанавливаемому на поршне для двигателя внутреннего сгорания. В частности, настоящее изобретение относится к высокотеплопроводному поршневому кольцу, которое может быть надлежащим образом применено в качестве верхнего кольца и второго кольца автомобильного бензинового двигателя с высокой степенью сжатия.
Предпосылки изобретения
[0002] В недавние годы двигатели внутреннего сгорания, такие как автомобильный бензиновый двигатель и тому подобные, улучшены по эффективности использования топлива, принимая во внимание экологические проблемы. Соответственно, технические характеристики двигателя проявляют тенденцию к увеличению степени сжатия, чтобы сделать возможным обеспечение более высокого теплового коэффициента полезного действия и извлечения большей кинетической энергии. Автомобильный бензиновый двигатель, имеющий давление выдавливания поршня вниз, которое возрастает пропорционально степени сжатия, может проявлять высокую выходную мощность и высокий крутящий момент по сравнению с двигателем, имеющим низкую степень сжатия, при одинаковых объемах выхлопа и расхода топлива. Однако в автомобильном бензиновом двигателе повышение степени сжатия приводит к возрастанию температуры и давления внутри камеры сгорания в верхней мертвой точке хода поршня, вызывая воспламенение топливо-воздушной смеси прежде, чем она образуется надлежащим образом. В результате этого в автомобильном бензиновом двигателе с высокой степенью сжатия сгорание внутри камеры сгорания происходит локально, что затрудняет сгорание топлива вблизи верхней мертвой точки хода поршня, приводя к детонации. В этом случае автомобильный бензиновый двигатель больше не может достигать желательных выходной мощности или крутящего момента и более предрасположен к выделению оксида азота (Nox), а также образованию сажи.
[0003] Кроме того, примеры мер, предпринимаемых для достижения надлежащего сгорания вблизи верхней мертвой точки хода поршня в автомобильном бензиновом двигателе, включают снижение температуры стенки камеры сгорания. При этом для снижения температуры этой стенки камеры сгорания эффективным является снижение температуры поверхности днища поршня, которая непосредственно воспринимает давление взрыва в связи с возвратно-поступательным движением поршня. Примеры средств снижения температуры поверхности днища поршня включают средства улучшения функции теплопередачи, необходимой в установленном на поршне поршневом кольце, благодаря чему принятая поршнем теплота сгорания эффективно передается цилиндру, позволяя достигать надлежащего сгорания вблизи верхней мертвой точки хода поршня. Ввиду этого поршневое кольцо, используемое в имеющем высокую степень сжатия автомобильном бензиновом двигателе, особенно нуждается в дополнительном усовершенствовании функции газонепроницаемого уплотнения и функции теплопередачи.
[0004] С учетом этих предпосылок патентный документ 1 (выложенная заявка на патент Японии № 2009-235561) предлагает поршневое кольцо, которое предусматривает подходящие диапазоны содержания компонентов углерода (С), кремния (Si), марганца (Mn) и хрома (Cr) при заранее заданных параметрах. Более конкретно, поршневое кольцо по патентному документу 1 включает термообработанную сталь, содержащую С в диапазоне от 0,20 до 0,90 мас.%, Si в диапазоне от 0,10 до менее 0,60 мас.%, Mn в диапазоне от 0,20 до 1,50 мас.%, Cr в диапазоне от 0,30 до 2,00 мас.%, а остальное - железо (Fe) и неизбежные примеси, причем, исходя из содержаний С, Si, Mn и Cr, значения параметров А и В, рассчитанных по формуле «A=8,8Si+1,6Mn+1,7Cr» и по формуле «B=36C+4,2Si+3,8Mn+4,5Cr», составляют соответственно 9,0 или менее и 10,8 или более (см. пункт 1 формулы).
Патентные документы
[0005] Патентный документ 1: выложенная заявка на патент Японии № 2009-235561
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Проблемы, решаемые изобретением
[0006] Однако, когда описанное выше поршневое кольцо по патентному документу 1 используют в автомобильном бензиновом двигателе с высокой степенью сжатия, достижение надлежащего сгорания вблизи верхней мертвой точки хода поршня в автомобильном бензиновом двигателе является затруднительным. То есть, в имеющем высокую степень сжатия автомобильном бензиновом двигателе с установленным в нем поршневым кольцом, предложенным в патентном документе 1, температура поверхности днища поршня не может быть снижена в достаточной мере, делая невозможным исполнение функции газонепроницаемого уплотнения и функции теплопередачи в течение длительного периода времени в стабильном режиме.
[0007] Поэтому цель настоящего изобретения состоит в создании высокотеплопроводного поршневого кольца для двигателя внутреннего сгорания, способного обеспечивать исполнение функции газонепроницаемого уплотнения и функции теплопередачи в течение длительного периода времени в стабильном режиме при применении в автомобильном бензиновом двигателе с высокой степенью сжатия. В частности, цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить высокотеплопроводное поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания, обладающее улучшенным функционированием, то есть функцией теплопередачи с отведением поступающего в поршень тепла к внутренней поверхности отверстия блока цилиндров, снижением температуры камеры сгорания и предотвращением возникновения детонации, и улучшенным сопротивлением термической усталости, чтобы выдерживать эксплуатацию в высокотемпературной среде.
Средства решения проблем
[0008] Авторы настоящего изобретения провели обстоятельные исследования и обнаружили, что они могли решить вышеуказанные проблемы использованием поршневого кольца, которое включает С, Si, Mn, Cr, фосфор (Р) и серу (S), а также алюминий (Al), никель (Ni) и медь (Cu) в качестве присутствующих в небольшом количестве компонентов, каждый в заранее заданном количестве, в виде Mn-Cr-ой (хромомарганцевой) стали.
[0009] Высокотеплопроводное поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению представляет собой поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания, имеющее Mn-Cr-ую сталь в качестве основного материала, причем Mn-Cr-ая сталь содержит С в диапазоне от 0,52 до 0,65 мас.%, Si в диапазоне от 0,15 до 0,35 мас.%, Mn в диапазоне от 0,60 до 1,00 мас.%, Cr в диапазоне от 0,60 до 1,00 мас.%, Р в диапазоне 0,04 мас.% или менее, S в диапазоне 0,04 мас.% или менее, небольшое количество компонентов (совокупное содержание Al, Ni и Cu) в диапазоне от 0,05 до 3,0 мас.%, а остальное - Fe и неизбежные примеси.
[0010] В высокотеплопроводном поршневом кольце для двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению Mn-Cr-ая сталь предпочтительно включает каждый из присутствующих в небольшом количестве компонентов Al, Ni и Cu в диапазоне от 0,01 до 1,0 мас.%.
[0011] В высокотеплопроводном поршневом кольце для двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению содержания присутствующих в небольшом количестве компонентов Al, Ni и Cu в Mn-Cr-ой стали предпочтительно удовлетворяют соотношению по нижеследующей формуле (1).
[0012] [Формула 1]
[0013] В высокотеплопроводном поршневом кольце для двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению наружная окружная поверхность поршневого кольца предпочтительно содержит твердую пленку любого одного или двух или более типов из твердого хромового покрытия, твердой керамики и твердого углерода.
[0014] В высокотеплопроводном поршневом кольце для двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению верхняя и нижняя поверхности и/или внутренняя окружная поверхность поршневого кольца предпочтительно обработаны с использованием по меньшей мере одного или двух или более типов из окислительной обработки, химической конверсионной обработки, нанесения полимерного покрытия и формирования пленки твердого углерода.
[0015] В высокотеплопроводном поршневом кольце для двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению твердость после закалочного упрочнения и отпуска предпочтительно составляет 40 HRC или более, а теплопроводность предпочтительно составляет 40 Вт/(м⋅К) или более.
Эффект изобретения
[0016] В высокотеплопроводном поршневом кольце для двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению Mn-Cr-ая сталь, служащая в качестве основного материала, включает С, Si, Mn, Cr, Р и S, а также Al, Ni и Cu в качестве присутствующих в небольшом количестве компонентов, каждый в заранее заданном количестве, обеспечивая возможность проявления функции газонепроницаемого уплотнения и функции теплопередачи в течение длительного периода времени в стабильном режиме при использовании в автомобильном бензиновом двигателе с высокой степенью сжатия. В частности, высокотеплопроводное поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания способно улучшить функционирование, то есть функцию теплопередачи с отведением поступающего в поршень тепла к внутренней поверхности отверстия блока цилиндров, снижение температуры камеры сгорания и предотвращение возникновения детонации, и повысить сопротивление термической усталости, чтобы выдерживать эксплуатацию в высокотемпературной среде.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0017] Фиг. 1А представляет собой вид сверху, а Фиг. 1В - частичный вид в перспективе высокотеплопроводного поршневого кольца для двигателя внутреннего сгорания по одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 2 представляет собой существенную часть вида в разрезе поршня со вставленным в него высокотеплопроводным поршневым кольцом для двигателя внутреннего сгорания по одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 3 представляет собой схематическое изображение, иллюстрирующее общий вид испытания на усталостную прочность для оценки сопротивления усталости поршневого кольца.
Варианты осуществления изобретения
[0018] Нижеследующее изложение описывает предпочтительный вариант исполнения высокотеплопроводного поршневого кольца для двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению с использованием чертежей.
[0019] Высокотеплопроводное поршневое кольцо 1 для двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению представляет собой поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания, имеющее Mn-Cr-ую сталь в качестве основного материала 2. Mn-Cr-ая сталь включает С в диапазоне от 0,52 до 0,65 мас.%, Si в диапазоне от 0,15 до 0,35 мас.%, Mn в диапазоне от 0,60 до 1,00 мас.%, Cr в диапазоне от 0,60 до 1,00 мас.%, Р в диапазоне 0,04 мас.% или менее, S в диапазоне 0,04 мас.% или менее, небольшое количество компонентов (совокупное содержание Al, Ni и Cu) в диапазоне от 0,05 до 3,0 мас.%, а остальное - Fe и неизбежные примеси.
[0020] Фигуры 1А и 1В иллюстрируют один пример поршневого кольца (компрессионного кольца) 1, которое принимает кольцеобразную форму, образует зазор 1а и имеет практически прямоугольное поперечное сечение. Поршневое кольцо 1, как проиллюстрировано на Фигурах 1А и 1В, способно увеличивать предел отклонения с образованием зазора 1а и, как проиллюстрировано на Фиг. 2, приведением ее наружной окружной поверхности 5 в контакт с поверхностью 21 внутренней стенки цилиндра в окружном направлении, когда поршень 10 находится в середине возвратно-поступательного движения (в направлениях изображенных на фигуре стрелок). Поршневое кольцо 1 устанавливается в канавку 12 для поршневого кольца, выполненную в поршне 10, и заполняет небольшой зазор между поверхностью 21 внутренней стенки цилиндра и поршнем 10, тем самым создавая уплотнение для газообразных продуктов сгорания. Кроме того, наружная окружная поверхность 5 поршневого кольца, прижимающаяся из-за его собственного напряженного состояния к поверхности 21 внутренней стенки цилиндра, в умеренной степени регулирует толщину масляной пленки, следуя за перемещением поршня 10. При этом одновременно поршневое кольцо 1 непрерывно контактирует с поверхностью 21 внутренней стенки цилиндра через масляную пленку и поэтому способно передавать поступающее к поверхности 11 днища поршня тепло на сторону цилиндра 20 (смотри пунктирную стрелку на Фиг. 2).
[0021] Высокотеплопроводное поршневое кольцо 1 для двигателя внутреннего сгорания имеет Mn-Cr-ую сталь в качестве основного материала 2, и эта Mn-Cr-ая сталь имеет состав сплава, который включает вышеописанные легирующие элементы (С, Si, Mn, Cr, Р, S, Al, Ni и Cu) в вышеописанных диапазонах, и поэтому служит в качестве превосходного теплопередающего элемента, позволяющего улучшить функцию теплопередачи. Таким образом, благодаря высокотеплопроводному поршневому кольцу 1 для двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению, можно более эффективно передавать поступающее к поверхности 11 днища поршня тепло на сторону цилиндра 20 и надлежащим образом способствовать эксплуатации в жестких термических условиях двигателя с высокой степенью сжатия. Кроме того, высокотеплопроводное поршневое кольцо 1 для двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению имеет состав сплава, который включает компоненты с количествами в вышеописанных диапазонах, тем самым улучшая износостойкость, устойчивость к задирам, устойчивость к размягчению, сопротивление термической усталости и усталостную прочность, делая возможным исполнение функции газонепроницаемого уплотнения и функцию маслосбрасывания в течение длительного периода времени в стабильном режиме при использовании в автомобильном бензиновом двигателе с высокой степенью сжатия.
[0022] Далее описываются действия легирующих элементов, входящих в состав Mn-Cr-ой стали, и причины ограничения численных значений их содержания в процентах по массе. Mn-Cr-ая сталь изменяется до материала, имеющего разные добавленные стоимости исходя из естественным образом присущих свойств введенных легирующих элементов и их содержания в процентах по массе.
[0023] Углерод (С) как легирующий элемент растворяется в основе (матрице) и эффективен для повышения твердости и обеспечения устойчивости к размягчению и сопротивления термической усталости после закалочного упрочнения и отпуска (измельчения зерен). Для достижения такого эффекта высокотеплопроводным поршневым кольцом для двигателя внутреннего сгорания содержание С предпочтительно находится в диапазоне от 0,52 до 0,65 мас.%. Когда содержание С составляет менее 0,52 мас.%, улучшения характеристик износостойкости и механической прочности не достигаются, и поэтому такое содержание не является предпочтительным. С другой стороны, когда содержание С превышает 0,65 мас.%, происходит снижение ударостойкости, и может больше не достигаться благоприятная характеристика технологичности при станочной обработке, и тем самым такое содержание не является предпочтительным. Содержание С более предпочтительно находится в диапазоне от 0,52 до 0,60 мас.%, и еще более предпочтительно в пределах диапазона от 0,54 до 0,58 мас.%.
[0024] Кремний (Si) в качестве легирующего элемента действует как раскислитель и проявляет эффект обессеривания при выплавке стали и эффективен в улучшении устойчивости к размягчению в результате упрочнения твердого раствора. Для достижения такого эффекта высокотеплопроводным поршневым кольцом для двигателя внутреннего сгорания содержание Si предпочтительно находится в пределах диапазоне от 0,15 до 0,35 мас.%. Когда содержание Si составляет менее 0,15 мас.%, упрочнение твердого раствора не достигается, и износостойкость, устойчивость к задирам и сопротивление термической усталости не могут быть улучшены, и поэтому такое содержание не является предпочтительным. С другой стороны, когда содержание Si превышает 0,35 мас.%, происходит снижение теплопроводности и вязкости разрушения, и поэтому такое содержание не является предпочтительным. Содержание Si более предпочтительно находится в пределах диапазона от 0,17 до 0,25 мас.%.
[0025] Марганец (Mn) как легирующий элемент эффективен в качестве раскислителя во время выплавки стали, а также эффективен в улучшении вязкости разрушения и предела прочности стали при растяжении для обеспечения прочности после закалочного упрочнения и отпуска (измельчение зерен). Для того, чтобы высокотеплопроводное поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания достигало такого эффекта, содержание Mn предпочтительно находится в пределах диапазона от 0,60 до 1,00 мас.%. Когда содержание Mn составляет менее 0,60 мас.%, прочность после закалочного упрочнения и отпуска (измельчения зерен) не может быть обеспечена в достаточной мере, и поэтому такое содержание не является предпочтительным. С другой стороны, когда содержание Mn превышает 1,00 мас.%, твердость после закалочного упрочнения и отпуска (измельчения зерен) становится чрезмерной, приводя к охрупчиванию основы, делая больше не достижимыми долговечность и благоприятную технологичность при станочной обработке, и поэтому такое содержание не является предпочтительным. Содержание Mn более предпочтительно находится в пределах диапазона от 0,75 до 0,85 мас.%.
[0026] Хром (Cr) как легирующий элемент образует карбид хрома и эффективен в повышении жаростойкости и коррозионной стойкости, а также одновременно улучшает износостойкость. Кроме того, Cr эффективен в улучшении характеристик закалочного упрочнения, повышении устойчивости против отпуска и обеспечении прочности и вязкости разрушения после закалочного упрочнения и отпуска (измельчения зерен). Чтобы высокотеплопроводное поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания достигало такого эффекта, содержание Cr предпочтительно находится в пределах диапазона от 0,60 до 1,00 мас.%. Когда содержание Cr составляет менее 0,60 мас.%, улучшение жаростойкости, коррозионной стойкости и износостойкости становится затруднительным, и поэтому такое содержание не является предпочтительным. Когда содержание Cr превышает 1,00 мас.%, становится чрезмерным образование карбида хрома, снижается теплопроводность, и на границах зерен происходит ликвация карбида хрома, который становится твердым и хрупким, вызывая снижение характеристик ударостойкости и технологичности, и поэтому такое содержание не является предпочтительным. Кроме того, Cr является дорогостоящим и приводит к возрастанию стоимости продукта, когда вводится в больших количествах. Содержание Cr более предпочтительно находится в пределах диапазона от 0,75 до 0,90 мас.%.
[0027] Фосфор (Р) как легирующий элемент, обычно представляющий собой вредный элемент, который вызывает зернограничное охрупчивание, растворяется в феррите в стали и эффективен в повышении твердости и предела прочности при растяжении, а также улучшении технологичности при станочной обработке. Чтобы высокотеплопроводное поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания достигало такого эффекта, содержание Р предпочтительно составляет 0,04 мас.% или менее. Когда содержание Р превышает 0,04 мас.%, стимулируется образование фосфида железа (Fe3Р), ухудшается обрабатываемость и снижается ударостойкость, и поэтому такое содержание не является предпочтительным.
[0028] Сера (S) как легирующий элемент, хотя и считается имеющей низкую температуру плавления и вызывающей красноломкость, может улучшать обрабатываемость при добавлении Mn с образованием сульфида марганца (MnS). Чтобы высокотеплопроводное поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания достигало такого эффекта, содержание S предпочтительно составляет 0,04 мас.% или менее. Когда содержание S превышает 0,04 мас.%, это приводит к ухудшению обрабатываемости и снижению ударостойкости, и поэтому такое содержание не является предпочтительным.
[0029] В высокотеплопроводном поршневом кольце для двигателя внутреннего сгорания Mn-Cr-ая сталь, служащая в качестве основного материала, включает алюминий (Al), никель (Ni) и медь (Cu) как присутствующие в небольшом количестве компоненты. Al в качестве присутствующего в небольшом количестве компонента действует как раскислитель во время выплавки стали, измельчает кристаллические зерна, улучшая обрабатываемость, и повышает теплопроводность. Ni в качестве присутствующего в небольшом количестве компонента может улучшать характеристики закалочного упрочнения и повышать вязкость разрушения. Кроме того, Ni в качестве присутствующего в небольшом количестве компонента может придавать основному материалу жаростойкость, улучшать характеристики износостойкости и повышать стойкость к коррозии и термостойкость при добавлении также Cr. Cu в качестве присутствующего в небольшом количестве компонента может улучшать устойчивость к атмосферной коррозии, и этот эффект еще более усиливается при добавлении также Ni. Кроме того, Cu в качестве присутствующего в небольшом количестве компонента может улучшать теплопроводность Mn-Cr-ой стали и проявлять действие твердой смазки.
[0030] Высокотеплопроводное поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания, при комбинировании Al, Ni и Cu как присутствующих в небольшом количестве компонентов с описанными выше легирующими элементами, способно проявлять беспрецедентно превосходные эффекты в отношении функции газонепроницаемого уплотнения и функции теплопередачи в течение длительного периода времени, даже когда используется при жестких термических условиях двигателя с высокой степенью сжатия. Чтобы высокотеплопроводное поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания достигало такого эффекта, совокупное содержание Al, Ni и Cu предпочтительно составляет в пределах диапазона от 0,05 до 3,0 мас.%. Когда содержание Al, Ni и Cu в сплаве составляет менее 0,05 мас.%, становится затруднительным достижение синергических эффектов, обусловленных их сочетанием с вышеописанными легирующими элементами. Кроме того, когда содержание Al, Ni и Cu в сплаве превышает 3,0 мас.%, усиливается образование выделившихся фаз интерметаллических соединений и снижается теплопроводность, и поэтому такое содержание не является предпочтительным.
[0031] Ввиду вышеизложенного, высокотеплопроводное поршневое кольцо 1 для двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению позволяет элементам, входящим в состав Mn-Cr-ой стали, проявлять эффекты независимо и конкретным элементам достигать синергических эффектов в сочетании. В результате этого поршневое кольцо 1 способно проявлять беспрецедентно превосходные эффекты в отношении теплопроводности без утраты долговечности и может быть надлежащим образом использовано в автомобильном бензиновом двигателе с высокой степенью сжатия.
[0032] Mn-Cr-ая сталь предпочтительно включает каждый из присутствующих в небольшом количестве компонентов Al, Ni и Cu в диапазоне от 0,01 до 1,0 мас.%.
[0033] В высокотеплопроводном поршневом кольце 1 для двигателя внутреннего сгорания уровни содержания каждого из Al, Ni и Cu находятся в пределах диапазона от 0,01 до 1,0 мас.%, обеспечивая возможность достижения синергических эффектов в сочетании с описанными выше легирующими элементами, улучшения функции теплопередачи и сохранения функции газонепроницаемого уплотнения и маслосъемного действия в течение длительного периода времени. Когда содержание любого из Al, Ni и Cu составляет менее 0,01 мас.%, обусловленные сочетанием этих элементов синергические эффекты не могут быть достигнуты в достаточной степени. С другой стороны, когда содержание Al или Cu превышает 1,0 мас.%, усиливается образование выделившихся фаз интерметаллических соединений и снижается теплопроводность, и поэтому такое содержание не является предпочтительным. Кроме того, когда содержание Ni превышает 1,0 мас.%, это приводит к возрастанию стоимости продукта, и поэтому такое содержание не является предпочтительным.
[0034] Уровни содержания присутствующих в небольшом количестве компонентов Al, Ni и Cu, входящих в состав Mn-Cr-ой стали, предпочтительно удовлетворяют соотношению согласно нижеследующей формуле (1):
[0035] [Формула 2]
[0036] Al и Cu, будучи эффективными главным образом в улучшении функции теплопередачи поршневого кольца 1, снижают долговечность поршневого кольца, когда их содержание чрезмерно повышается. С другой стороны, Ni содействует улучшению твердости поршневого кольца 1 и является в основном эффективным в улучшении долговечности и сопротивления термической усталости. В результате этого при содержаниях каждого из Al, Ni и Сu, удовлетворяющих выраженному формулой (1) соотношению, можно улучшить теплопередачу, в то же время с предотвращением снижения износостойкости, устойчивости к задирам, сопротивления термической усталости и усталостной прочности поршневого кольца 1, и использовать поршневое кольцо 1 в течение длительного периода времени в стабильном режиме даже в среде с высокой термической нагрузкой двигателя с высокой степенью сжатия. При этом отношение содержания Ni и содержаний Аl и Сu предпочтительно находится в пределах диапазона от 1,0 до 20. Когда отношение содержания Ni и содержаний Аl и Сu составляет менее 1,0, затруднительно в достаточной мере исполнять функцию теплопередачи, требующуюся от поршневого кольца в среде с жесткими термическими условиями. С другой стороны, когда отношение содержания Ni и содержаний Аl и Сu превышает 20, долговечность и сопротивление термической усталости поршневого кольца не могут быть улучшены в достаточной степени, затрудняя проявление функции газонепроницаемого уплотнения и маслосъемного действия, необходимых для работы поршневого кольца в среде с жесткими термическими условиями в течение длительного периода времени в стабильном режиме.
[0037] В высокотеплопроводном поршневом кольце 1 для двигателя внутреннего сгорания наружная окружная поверхность 5 поршневого кольца предпочтительно включает твердую пленку 3 любого одного или двух или более типов из твердого хромового покрытия, твердой керамики и твердого углерода.
[0038] При наружной окружной поверхности 5 поршневого кольца 1, содержащей твердую пленку 3 любого одного или двух или более типов из твердого хромового покрытия, твердой керамики и твердого углерода, эффективно предотвращается износ, обусловленный скольжением вдоль поверхности 21 внутренней стенки цилиндра с непрерывным контактом, обеспечивая возможность благоприятным образом сохранять состояние контакта с поверхностью 21 внутренней стенки цилиндра на протяжении длительного периода времени. Соответственно, при наружной окружной поверхности 5 поршневого кольца 1, содержащей описанную выше твердую пленку 3, может проявляться такое действие, что тепло передается от поршня 10 на сторону цилиндра 20 в течение длительного периода времени, а также на протяжении длительного периода времени в стабильном режиме исполняются функция газонепроницаемого уплотнения и маслосъемное действие, необходимые для работы поршневого кольца в среде с жесткими термическими условиями. Следует отметить, что даже если наружная окружная поверхность 5 поршневого кольца 1 содержит твердую пленку 3, это не влияет на теплопроводность. Кроме того, твердая пленка 3 может быть получена наслоением твердых пленок множества типов при условии, что это не оказывает влияния на теплопроводность поршневого кольца 1.
[0039] В высокотеплопроводном поршневом кольце 1 для двигателя внутреннего сгорания верхняя и нижняя поверхности 6, 8 и/или внутренняя окружная поверхность 7 поршневого кольца предпочтительно обработаны с использованием по меньшей мере одного или двух или более типов из окислительной обработки, химической конверсионной обработки, нанесения полимерного покрытия и формирования пленки твердого углерода.
[0040] При верхней и нижней поверхностях 6, 8 и/или внутренней окружной поверхности 7 поршневого кольца, обработанных с использованием по меньшей мере одного или двух или более типов из окислительной обработки, химической конверсионной обработки, нанесения полимерного покрытия и формирования пленки твердого углерода, может быть эффективно предотвращен износ, вызванный адгезией или тому подобным внутри канавки 12 для поршневого кольца. Соответственно, описанную выше поверхностную обработку выполняют на верхней и нижней поверхностях 6, 8 и/или внутренней окружной поверхности 7 поршневого кольца 1, обеспечивая возможность следования возвратно-поступательному движению поршня в течение длительного периода времени в стабильном режиме и исполнения функции газонепроницаемого уплотнения и функции теплопередачи, требуемых для работы поршневого кольца в среде с жесткими термическими условиями на протяжении длительного периода времени в стабильном режиме. Следует отметить, что даже если верхняя и нижняя поверхности 6, 8 и/или внутренняя окружная поверхность 7 поршневого кольца 1 обработаны и тем самым имеют образованный поверхностной обработкой слой 4, это не влияет на теплопроводность. Кроме того, образованный поверхностной обработкой слой 4 может быть получен выполнением поверхностных обработок множества различных типов при условии, что это не оказывает влияния на теплопроводность поршневого кольца 1.
[0041] В высокотеплопроводном поршневом кольце 1 для двигателя внутреннего сгорания твердость после закалочного упрочнения и отпуска предпочтительно составляет 40 HRC или более, а теплопроводность предпочтительно составляет 40 Вт/(м⋅К) или более.
[0042] В высокотеплопроводном поршневом кольце 1 для двигателя внутреннего сгорания Mn-Cr-ая сталь изготовлена с использованием закалочного упрочнения в пределах диапазона от 830 до 900°С, с последующим отпуском в пределах диапазона от 400 до 500°С, обеспечивая возможность достижения желательных характеристик в отношении износостойкости, устойчивости к задирам, сопротивления термической усталости и усталостной прочности. Тогда высокотеплопроводное поршневое кольцо 1 для двигателя внутреннего сгорания имеет твердость после закалочного упрочнения и отпуска (измельчения зерен) 40 HRC или более, позволяя обеспечить прочность поршневого кольца и исполнение функции газонепроницаемого уплотнения, требуемых для работы поршневого кольца в среде с жесткими термическими условиями на протяжении длительного периода времени в стабильном режиме при использовании в автомобильном бензиновом двигателе с высокой степенью сжатия. Кроме того, высокотеплопроводное поршневое кольцо 1 для двигателя внутреннего сгорания при сохранении теплопроводности на уровне 40 Вт/(м⋅К) или более может эффективно передавать тепло от поршня 10 к цилиндру 20. Для справки, высокотеплопроводное поршневое кольцо 1 для двигателя внутреннего сгорания, будучи применяемым в качестве верхнего кольца, которое расположено ближе всего к среде с жесткими термическими условиями в камере сгорания, может достигать большего эффекта в повышении эффективности использования топлива, чем когда применяется поршневое кольцо, изготовленное из мартенситной нержавеющей стали (SUS440C) или хромо-кремниевой стали (SWOSC-V), используемых в традиционном верхнем кольце.
Примеры
[0043] Далее приведены примеры и более подробное описание настоящего изобретения. Однако настоящее изобретение не ограничивается этими примерами.
Пример 1
[0044] В качестве примера высокотеплопроводного поршневого кольца для двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению изготовили образцы А-Z и AA-AD, которые удовлетворяют условиям состава сплава, заданным в настоящем изобретении. При изготовлении образцов А-Z и AA-AD каждую из Mn-Cr-ых сталей, имеющих показанные в Таблице 1 составы сплава, сначала подвергли холодной обработке давлением, волочению проволоки и затем закалке и отпуску (с измельчением зерен) при температуре закалочного упрочнения 900°С и температуре отпуска 450°С, и получили материал, имеющий прямоугольное поперечное сечение с размерами 1,2 мм × 2,5 мм. Затем этот проволочный материал сформовали в кольцо для соответствия диаметру отверстия 78 мм и вырезали участок, служащий в качестве зазора. Затем каждое из поршневых колец изготовленных таким образом образцов А-Z и AA-AD выровняли термической обработкой, подвергли станочной обработке наружной периферии и сформировали в образцы любого одного из в целом трех типов, включая тип, имеющий наружную окружную поверхность, покрытую только полученной методом физического осаждения из паровой фазы (PVD) пленкой на основе Cr-N в качестве твердой керамической пленки, тип, имеющий наружную окружную поверхность, покрытую только пленкой алмазоподобного углерода (DLC), включающей водород в количестве 2 атом.%, в качестве твердой углеродной пленки, и тип, имеющий наружную окружную поверхность, покрытую пленкой, выполненной из двух слоев, полученных наслоением пленки DLC на PVD-пленку. Затем каждое из поршневых колец образцов А-Z и AA-AD подвергли чистовой обработке, и на верхней и нижней поверхностях поршневого кольца сформировали пленку тетраоксида трижелеза (оксида железа(II,III)). Следует отметить, что верхнюю и нижнюю поверхности и наружную окружную поверхность поршневого кольца перед разнообразными поверхностными обработками отполировали так, чтобы ее средняя шероховатость Rz по десяти точкам была в пределах диапазона от 1,3 до 2,2 мкм. Средняя шероховатость Rz по десяти точкам соответствует Японскому промышленному стандарту JIS В0601 (1982) и была измерена с использованием устройства для измерения поверхностной шероховатости и профиля.
[0045] На изготовленных образцах А-Z и AA-AD измерили твердость по Роквеллу (шкала С) после отпуска при температуре 400°С и теплопроводность методом лазерного импульса. Кроме того, испытание на усталостную прочность и испытание на сопротивление термической усталости провели с использованием этих образцов А-Z и AA-AD на основе приведенных ниже процедур. Эти измерения и испытания выполняли для подтверждения того, что поршневое кольцо исполняет функцию газонепроницаемого уплотнения и функцию теплопередачи в течение длительного периода времени в стабильном режиме при использовании в автомобильном бензиновом двигателе с высокой степенью сжатия. Таблица 1 обобщает составы сплавов образцов А-Z и AA-AD и показывает результаты измерения твердости по Роквеллу (шкала С) после отпуска при температуре 400°С, измерения теплопроводности методом лазерного импульса, испытания на усталостную прочность и испытания на сопротивление термической усталости, выполненных на образцах А-Z и AA-AD. Следует отметить, что твердость по Роквеллу (шкала С) измеряли с использованием прибора для определения твердости по Роквеллу. Кроме того, теплопроводность в методе лазерной вспышки измеряли с использованием устройства для измерения термофизических свойств методом лазерного импульса.
Испытание на усталостную прочность
[0046] Фиг. 3 представляет схематическое изображение, иллюстрирующее общий вид испытания на усталостную прочность для оценки сопротивления усталости поршневого кольца. Далее с использованием Фиг. 3 описывается испытание на усталостную прочность. В испытании на усталостную прочность с использованием устройства 40 для испытания на усталостную прочность, схематически показанного на Фиг. 3, первый один конец зазора 1а поршневого кольца 1 зафиксировали в держателе 41 с помощью крепежной детали 41а, а другой конец зафиксировали в одном конце плеча 42 рычага с помощью крепежной детали 42а. При этом один конец приводной тяги 45 соединили с другой концевой стороной плеча 42 рычага с помощью соединительной детали 43. Другую концевую сторону приводной тяги 45 соединили с эксцентриковым кулачком 46, и вращением эксцентрикового кулачка 46 создавали возвратно-поступательное движение приводной тяги 45 по осевому направлению передачи усилия (направлению, показанному стрелкой Х на фигуре). Затем, в связи с перемещением приводной тяги 45 в это время, одну концевую сторону (сторону, на которой зафиксирована крепежная деталь 42а) плеча 42 рычага приводили в возвратно-поступательное движение по направлению вращения (направлению, показанному стрелкой Y на фигуре) вокруг соединительной детали 43 и создавали изгибающее напряжение в поршневом кольце 1 при расширении зазора 1а поршневого кольца 1. Следует отметить, что биение вала передачи усилия в приводной тяге 45 предотвращали с помощью направляющей 44, обеспечивая равномерное возвратно-поступательное перемещение.
[0047] В испытании на усталостную прочность устройство 40 для испытания на усталостную прочность многократно расширяло зазор 1а поршневого кольца 1 с заранее заданными амплитудой и прилагаемым к поршневому кольцу 1 напряжением, как было описано выше, и измеряли число повторяемых циклов расширения до разрушения поршневого кольца 1. Кроме того, в испытании на усталостную прочность множество изготовленных при одних и тех же условиях поршневых колец 1 приготовили и подвергли испытанию с изменением задаваемого значения напряжения, прилагаемого к поршневому кольцу 1, и построили S-N-кривую. Напряжение под нагрузкой каждого из поршневых колец 1 при этом регулировали изменением величины раскрытия/закрытия зазора 1а. Затем в испытании на усталостную прочность по построенной S-N-кривой нашли выдерживаемое при счете 1×107 повторения растяжений напряжение в качестве усталостной прочности.
Испытание на сопротивление термической усталости
[0048] В испытании на сопротивление термической усталости каждое из поршневых колец образцов А-Z и AA-AD разместили внутри гильзы, имеющей диаметр отверстия 78 мм, и измеряли степень уменьшения напряжения после выдерживания в течение трех часов при температуре 300°С, на основе стандарта JIS B 8032-5 (1998). Эту степень уменьшения напряжения рассчитали на основе степени снижения напряжения, найденной при размещении каждого из поршневых колец образцов А-Z и AA-AD внутри гильзы и измерении величин напряжения поршневых колец до и после нагревания. Для справки, согласно стандарту JIS (JIS B 8032-5 (1998)), степень уменьшения напряжения верхнего кольца, используемого в среде с самыми жесткими высокотемпературными условиями, среди поршневых колец определена на уровне 8% или менее.
Сравнительный пример 1
[0049] Этот сравнительный пример приведен для сравнения с примером. В качестве сравнительного примера высокотеплопроводного поршневого кольца для двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению изготовили сравнительные примерные образцы a-n, которые не удовлетворяют условиям в отношении Al, Ni и Cu в составе сплавов, заданных в настоящем изобретении. При этом сравнительные примерные образцы a-n были изготовлены в таких же условиях, как и для образцов А-Z и AA-AD. Затем, таким же образом, как для образцов А-Z и AA-AD, на изготовленных сравнительных примерных образцах a-n измерили твердость по Роквеллу (шкала С) после отпуска при температуре 400°С и теплопроводность методом лазерного импульса. Кроме того, с использованием этих сравнительных примерных образцов a-n провели испытание на усталостную прочность и испытание на сопротивление термической усталости на основе таких же процедур, как и в примере. Таблица 2 показывает составы сплавов сравнительных примерных образцов a-n, чтобы облегчить сравнение с составами сплавов образцов. Кроме того, Таблица 2 обобщает составы сплавов сравнительных примерных образцов a-n и показывает результаты измерений твердости по Роквеллу (шкала С) после отпуска при температуре 400°С, измерения теплопроводности методом лазерного импульса, испытания на усталостную прочность и испытания на сопротивление термической усталости, выполненных на сравнительных примерных образцах a-n.
Сравнение Примера и Сравнительного примера
[0050] Далее настоящее изобретение описывается подробно с сопоставлением примера и сравнительного примера на основе результатов, показанных в Таблице 1 и Таблице 2.
[0051]
| Таблица 1 | ||||||||||||||||
| С | Si | Mn | Cr | Р | S | Al | Ni | Cu | Al+Ni+Cu | (Al+Cu)/Ni | Твердость (HRC) | Теплопроводность | Усталостная прочность | Степень уменьшения напряжения (%) | Спецификации поверхностной обработки | |
| Пример А | 0,52 | 0,15 | 0,60 | 0,60 | 0,03 | 0,03 | 0,03 | 0,03 | 0,02 | 0,08 | 1,7 | 48,1 | 41,1 | 101 | 5,6 | PVD |
| Пример B | 0,02 | 0,02 | 0,01 | 0,05 | 1,5 | 47,8 | 41,0 | 100 | 5,42 | PVD | ||||||
| Пример C | 0,03 | 0,02 | 0,01 | 0,06 | 2,0 | 47,8 | 41,1 | 100 | 5,55 | PVD+DLC | ||||||
| Пример D | 0,05 | 0,03 | 0,02 | 0,10 | 2,3 | 47,9 | 41,2 | 101 | 5,53 | PVD+DLC | ||||||
| Пример E | 0,03 | 0,04 | 0,03 | 0,10 | 1,5 | 47,9 | 41,2 | 102 | 5,32 | DLC | ||||||
| Пример F | 0,07 | 0,04 | 0,04 | 0,15 | 2,8 | 48,2 | 41,3 | 101 | 5,28 | DLC | ||||||
| Пример G | 0,14 | 0,02 | 0,12 | 0,28 | 13,0 | 47,2 | 43,1 | 100 | 5,66 | PVD | ||||||
| Пример H | 0,50 | 0,35 | 0,30 | 1,15 | 2,3 | 48,1 | 41,2 | 103 | 5,22 | PVD | ||||||
| Пример I | 1,00 | 1,00 | 0,20 | 2,20 | 1,2 | 49,5 | 40,3 | 103 | 4,88 | PVD | ||||||
| Пример J | 0,20 | 1,00 | 1,00 | 2,20 | 1,2 | 49,0 | 40,4 | 102 | 4,9 | PVD | ||||||
| Пример K | 1,00 | 0,20 | 1,00 | 2,20 | 10,0 | 48,0 | 45,3 | 102 | 5,95 | PVD | ||||||
| Пример L | 0,80 | 0,80 | 0,80 | 2,40 | 2,0 | 48,9 | 41,0 | 103 | 4,5 | PVD | ||||||
| Пример M | 0,02 | 0,01 | 0,02 | 0,05 | 4,0 | 47,5 | 41,3 | 100 | 5,73 | PVD | ||||||
| Пример N | 0,03 | 0,01 | 0,02 | 0,06 | 5,0 | 47,2 | 41,2 | 100 | 5,53 | PVD | ||||||
| Пример O | 0,01 | 0,02 | 0,03 | 0,06 | 2,0 | 48,2 | 40,8 | 101 | 5,75 | PVD | ||||||
| Пример P | 0,01 | 0,02 | 0,02 | 0,05 | 1,5 | 48,0 | 40,8 | 101 | 5,55 | PVD | ||||||
| Пример Q | 0,09 | 0,01 | 0,10 | 0,20 | 19,0 | 47,1 | 42,6 | 101 | 5,56 | PVD | ||||||
| Пример R | 0,60 | 0,35 | 0,80 | 0,95 | 0,03 | 0,02 | 0,03 | 0,03 | 0,02 | 0,08 | 1,7 | 48,8 | 40,4 | 101 | 5,4 | PVD |
| Пример S | 0,02 | 0,02 | 0,01 | 0,05 | 1,5 | 48,6 | 40,3 | 101 | 5,22 | PVD | ||||||
| Пример T | 0,03 | 0,02 | 0,01 | 0,06 | 2,0 | 48,6 | 40,3 | 101 | 5,33 | PVD+DLC | ||||||
| Пример U | 0,05 | 0,03 | 0,02 | 0,10 | 2,3 | 48,8 | 40,6 | 101 | 5,26 | PVD+DLC | ||||||
| Пример V | 0,03 | 0,04 | 0,03 | 0,10 | 1,5 | 49,0 | 40,4 | 102 | 5,11 | DLC | ||||||
| Пример W | 0,07 | 0,04 | 0,04 | 0,15 | 2,8 | 48,8 | 40,7 | 102 | 5,07 | DLC | ||||||
| Пример X | 0,11 | 0,02 | 0,15 | 0,28 | 13,0 | 48,2 | 42,7 | 100 | 5,43 | PVD | ||||||
| Пример Y | 0,44 | 0,50 | 0,35 | 1,29 | 1,6 | 48,9 | 40,9 | 104 | 5,05 | PVD | ||||||
| Пример Z | 0,02 | 0,01 | 0,02 | 0,05 | 4,0 | 48,3 | 40,6 | 100 | 5,55 | DLC | ||||||
| Пример AA | 0,03 | 0,01 | 0,02 | 0,06 | 5,0 | 48,2 | 40,5 | 101 | 5,36 | DLC | ||||||
| Пример AB | 0,01 | 0,02 | 0,02 | 0,05 | 1,5 | 49,0 | 40,2 | 102 | 5,56 | PVD | ||||||
| Пример AC | 0,01 | 0,03 | 0,03 | 0,07 | 1,3 | 48,8 | 40,1 | 102 | 5,35 | PVD | ||||||
| Пример AD | 0,11 | 0,01 | 0,08 | 0,20 | 19,0 | 48,3 | 42,5 | 100 | 5,45 | PVD |
[0052]
| Таблица 2 | ||||||||||||||||
| С | Si | Mn | Cr | Р | S | Al | Ni | Cu | Al+Ni+Cu | (Al+Cu)/Ni | Твердость (HRC) | Теплопроводность | Усталостная прочность | Степень уменьшения напряжения (%) | Спецификации поверхностной обработки | |
| Сравнительный Пример a | 0,52 | 0,15 | 0,60 | 0,60 | 0,03 | 0,03 | - | - | - | - | - | 47,8 | 40,0 | 100 | 5,62 | PVD |
| Сравнительный Пример b | 1,10 | 1,20 | 1,10 | 3,40 | 1,83 | 50,1 | 31,4 | 108 | 3,26 | PVD | ||||||
| Сравнительный Пример c | 3,15 | - | - | 3,15 | - | 45,0 | 42,0 | 99 | 6,46 | PVD | ||||||
| Сравнительный Пример d | - | 3,15 | - | 3,15 | 0,00 | 48,0 | 37,0 | 102 | 4,75 | PVD | ||||||
| Сравнительный Пример e | - | - | 3,15 | 3,15 | - | 44,0 | 42,5 | 99 | 6,67 | PVD | ||||||
| Сравнительный Пример f | 1,60 | 1,60 | - | 3,20 | 1,00 | 52,1 | 27,3 | 109 | 3,11 | PVD | ||||||
| Сравнительный Пример g | - | 1,60 | 1,60 | 3,20 | 1,00 | 50,2 | 38,8 | 101 | 5,12 | PVD | ||||||
| Сравнительный Пример h | 1,60 | - | 1,60 | 3,20 | - | 51,5 | 28,6 | 107 | 3,76 | PVD | ||||||
| Сравнительный Пример i | 0,11 | 0,01 | 0,13 | 0,25 | 24,00 | 49,0 | 44,1 | 101 | 5,79 | PVD | ||||||
| Сравнительный Пример j | 0,60 | 0,35 | 0,80 | 0,95 | 0,03 | 0,02 | - | - | - | - | - | 48,6 | 38,8 | 101 | 5,20 | PVD |
| Сравнительный Пример k | 1,10 | 1,20 | 1,10 | 3,40 | 1,83 | 50,9 | 29,9 | 109 | 3,01 | PVD | ||||||
| Сравнительный Пример l | 3,15 | - | - | 3,15 | - | 46,1 | 39,4 | 100 | 5,97 | PVD | ||||||
| Сравнительный Пример m | - | 3,15 | - | 3,15 | 0,00 | 48,7 | 36,1 | 103 | 4,55 | PVD | ||||||
| Сравнительный Пример n | - | - | 3,15 | 3,15 | 44,9 | 39,8 | 100 | 6,21 | PVD |
Оценка измерения твердости
[0053] На основе результатов, показанных в Таблице 1 и Таблице 2, среднее значение твердостей образцов А-Z и AA-AD, которые удовлетворяют условиям состава сплава, заданным в настоящем изобретении, составляло приблизительно 48,3 (HRC). С другой стороны, среднее значение твердостей сравнительных примерных образцов a-n, которые не удовлетворяют условиям состава сплава, заданным в настоящем изобретении, составляло приблизительно 48,4 (HRC). Таким образом, было подтверждено, что все образцы А-Z и AA-AD и сравнительные примерные образцы a-n сохраняют твердость 40 HRC или более и способны исполнять функцию газонепроницаемого уплотнения и маслосъемное действие, требуемые для работы поршневого кольца в течение длительного периода времени в стабильном режиме при использовании в автомобильном бензиновом двигателе с высокой степенью сжатия. Если рассматривать эти результаты по отдельности, образцы и сравнительные примерные образцы можно считать не имеющими значительной распознаваемой разницы в твердости. Однако, в отличие от минимального значения твердости среди образцов А-Z и AA-AD, составляющего 47,2 (HRC), среди сравнительных примерных образцов a-n имеется ряд образцов, которые имеют твердость менее 47,2 (сравнительные примерные образцы с, e, i, n и m). Для справки, твердость сравнительного примерного образца е составляла 44,0 (HRC), которая была более чем на 3,2 (HRC) меньше, чем минимальное значение твердости среди образцов А-Z и AA-AD. Эти результаты показывают, что использование поршневого кольца, которое удовлетворяет условиям состава сплава, заданным в настоящем изобретении, позволяет достигнуть более стабильной твердости, чем при использовании обычного поршневого кольца, которое не удовлетворяет этим условиям.
Оценка измерения теплопроводности
[0054] На основе результатов, показанных в Таблице 1 и Таблице 2, среднее значение теплопроводностей образцов А-Z и AA-AD, которые удовлетворяют условиям состава сплава, заданным в настоящем изобретении, составляло приблизительно 41,2 (Вт/(м⋅К)). Кроме того, было подтверждено, что все образцы А-Z и AA-AD сохраняют теплопроводность на уровне 40 Вт/(м⋅К) или более и способны эффективно передавать тепло от поршня к цилиндру. С другой стороны, среднее значение теплопроводностей сравнительных примерных образцов a-n, которые не удовлетворяют условиям состава сплава, заданным в настоящем изобретении, составляло приблизительно 36,8 (Вт/(м⋅К)). Таким образом, было подтверждено, что сравнительные примерные образцы b, d, f-h и j среди сравнительных примерных образцов a-n имели теплопроводность 40 Вт/(м⋅К) или менее и не достигали достаточного улучшения в отношении теплопроводности. Эти результаты показывают, что использование поршневого кольца, которое удовлетворяет условиям состава сплава, заданным в настоящем изобретении, позволяет достигнуть повышения теплопроводности по сравнению с ситуацией, когда применяют обычное поршневое кольцо. Следует отметить, что хотя снижение теплопроводности в сравнительных примерных образцах b, f, h и k было значительным, это снижение предположительно было вызвано содержанием в сплаве Al, Ni и Cu, составляющим гораздо более 3,0 мас.%, обусловливая усиленное образование выделившихся фаз интерметаллических соединений.
Оценка испытания на усталостную прочность
[0055] Таблица 1 и Таблица 2 показывают усталостные прочности образцов А-Z и AA-AD в сопоставлении со сравнительным примерным образцом, принятым за 100 (наивысший показатель, обозначающий лучшую усталостную прочность). В этом случае, на основе показанных в Таблице 1 и Таблице 2 результатов, среднее значение усталостных прочностей образцов А-Z и AA-AD, которые удовлетворяют условиям состава сплава, заданным в настоящем изобретении, составляло 101. С другой стороны, среднее значение усталостных прочностей сравнительных примерных образцов a-n, которые не удовлетворяют условиям состава сплава, заданным в настоящем изобретении, составляло 103. Если рассматривать эти результаты по отдельности, образцы могут считаться худшими в отношении усталостной прочности, чем сравнительные примерные образцы. Однако, в отличие от всех величин усталостной прочности образцов А-Z и AA-AD, составляющих 100 или более, среди сравнительных примерных образцов a-n имеется ряд образцов, которые имеют усталостную прочность менее 100 (сравнительные примерные образцы с и e). Эти результаты показывают, что использование поршневого кольца, которое удовлетворяет условиям состава сплава, заданным в настоящем изобретении, позволяет достигнуть более стабильной усталостной прочности, чем при использовании обычного поршневого кольца, которое не удовлетворяет этим условиям.
Оценка испытания на сопротивление термической усталости
[0056] На основе результатов, показанных в Таблице 1 и Таблице 2, среднее значение степеней уменьшения напряжения образцов А-Z и AA-AD, которые удовлетворяют условиям состава сплава, заданным в настоящем изобретении, составляло 5,40%. С другой стороны, среднее значение степеней уменьшения напряжения сравнительных примерных образцов a-n, которые не удовлетворяют условиям состава сплава, заданным в настоящем изобретении, составляло 5,00%. Если рассматривать эти результаты по отдельности, образцы могут считаться худшими в отношении сопротивления термической усталости, чем сравнительные примерные образцы. Однако, в отличие от максимального значения степени уменьшения напряжения среди образцов А-Z и AA-AD, составляющего 5,95% (образец К), среди сравнительных примерных образцов a-n имеется ряд образцов, которые имеют степень уменьшения напряжения, которая превышает 5,95% (сравнительные примерные образцы с, e, k и m)). Для справки, максимальное значение степени уменьшения напряжения сравнительного примерного образца е составляло 6,67%, которое более чем на 0,72% выше, чем максимальное значение степени уменьшения напряжения среди образцов А-Z и AA-AD. Эти результаты показывают, что использование поршневого кольца, которое удовлетворяет условиям состава сплава, заданным в настоящем изобретении, позволяет достигнуть более стабильного сопротивления термической усталости, чем при использовании обычного поршневого кольца, которое не удовлетворяет этим условиям. Таким образом, хотя все образцы А-Z и AA-AD и сравнительные примерные образцы a-n удовлетворяют стандартной степени уменьшения напряжения для верхнего кольца на уровне 8% или менее, регламентированной в стандарте JIS (JIS B 8032-5 (1998)), было подтверждено, что образцы А-Z и AA-AD могут быть применены в среде с более жесткими термическими условиями, нежели сравнительные примерные образцы a-n.
Обобщение сравнения примера и сравнительного примера
[0057] Результаты, приведенные в Таблице 1 и Таблице 2, обнаруживают, что при удовлетворении условий, заданных в настоящем изобретении в отношении каждого из содержаний Al, Ni и Cu, можно улучшить твердость, усталостную прочность и сопротивление термической усталости и предотвратить снижение теплопроводности в связи с повышением уровней содержания С, Si, Mn и Cr, что имеет результатом общий баланс этих характеристик, который является превосходным по стабильности, сделать возможным использование в течение длительного периода времени в стабильном режиме даже в среде с высокой термической нагрузкой двигателя с высокой степенью сжатия. Таким образом, в соответствии с высокотеплопроводным поршневым кольцом для двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению, введением легирующих элементов в Mn-Cr-ую сталь в количествах сообразно заданным в настоящем изобретении диапазонам можно улучшить функцию теплопередачи маслосъемного кольца, а также обеспечить исполнение функции газонепроницаемого уплотнения и маслосъемного действия в течение длительного периода времени. Кроме того, как показано в Таблице 1 и Таблице 2, высокотеплопроводное поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению никогда не оказывает вредного влияния на описанные выше характеристики при условии, что наружная окружная поверхность включает твердую пленку по меньшей мере одного типа, заданного в настоящем изобретении.
Промышленная применимость
[0058] Высокотеплопроводное поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению способно исполнять требуемые для маслосъемного кольца функции на протяжении длительного периода времени в стабильном режиме, даже когда его используют в автомобильном бензиновом двигателе с высокой степенью сжатия, позволяя снизить расход масла и удлинить срок службы двигателя внутреннего сгорания. Таким образом, высокотеплопроводное поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению является предпочтительным из соображений способствования эффективному расходу масла, достижения эффективного использования ресурсов и снижения нагрузки на окружающую среду.
[0059] Описания позиций
| 1 | Поршневое кольцо |
| 1а | Зазор |
| 2 | Основной материал |
| 3 | Твердая пленка |
| 4 | Образованный поверхностной обработкой слой |
| 5 | Наружная окружная поверхность |
| 6 | Верхняя поверхность |
| 7 | Внутренняя окружная поверхность |
| 8 | Нижняя поверхность |
| 10 | Поршень |
| 11 | Поверхность днища поршня |
| 12 | Канавка для поршневого кольца |
| 20 | Цилиндр |
| 21 | Поверхность внутренней стенки цилиндра |
| а | Участок зазора замка |
| 40 | Устройство для испытания на усталостную прочность |
| 41 | Держатель |
| 41а | Крепежная деталь |
| 42 | Плечо рычага |
| 42а | Крепежная деталь |
| 43 | Соединительная деталь |
| 44 | Направляющая |
| 45 | Приводная тяга |
| 46 | Эксцентриковый кулачок. |
1. Теплопроводное поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания, содержащее Mn-Cr-ую сталь в качестве основного материала и слой твердой пленки износостойкого покрытия на наружной окружной поверхности кольца,
причем Mn-Cr-ая сталь включает С в диапазоне от 0,52 мас.% до 0,65 мас.%, Si в диапазоне от 0,15 мас.% до 0,35 мас.%, Mn в диапазоне от 0,60 мас.% до 1,00 мас.%, Cr в диапазоне от 0,60 мас.% до 1,00 мас.%, Р в диапазоне 0,04 мас.% или менее, S в диапазоне 0,04 мас.% или менее, небольшое количество компонентов Al, Ni и Cu (совокупное содержание) в диапазоне от 0,05 мас.% до 3,0 мас.%, а остальное – Fe и неизбежные примеси,
при этом Mn-Cr-ая сталь включает каждый из присутствующих в небольшом количестве компонентов Al, Ni и Cu в диапазоне от 0,01 мас.% до 1,0 мас.%.
2. Теплопроводное поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания по п. 1, в котором содержание присутствующих в небольшом количестве компонентов Al, Ni и Cu, входящих в состав Mn-Cr-ой стали, удовлетворяет соотношению по нижеприведенной формуле (1):
[Формула 1]
.
3. Теплопроводное поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания по п. 1, в котором содержание присутствующих в небольшом количестве компонентов Al, Ni и Cu, входящих в состав Mn-Cr-ой стали, удовлетворяет соотношению по нижеприведенной формуле (1):
[Формула 1]
.
4. Теплопроводное поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания по любому из пп. 1-3, в котором наружная окружная поверхность поршневого кольца содержит твердую пленку любого одного или двух, или более типов: из твердого хромового покрытия, твердой керамики и твердого углерода.
5. Теплопроводное поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания по любому из пп. 1-3, в котором верхняя и нижняя поверхности и/или внутренняя окружная поверхность поршневого кольца обработана(ы) с использованием по меньшей мере одного или двух, или более типов: из окислительной обработки, химической конверсионной обработки, нанесения полимерного покрытия и формирования пленки твердого углерода.
6. Теплопроводное поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания по п. 4, в котором верхняя и нижняя поверхности и/или внутренняя окружная поверхность поршневого кольца обработана(ы) с использованием по меньшей мере одного или двух, или более типов: из окислительной обработки, химической конверсионной обработки, нанесения полимерного покрытия и формирования пленки твердого углерода.
7. Теплопроводное поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания по любому из пп. 1-3 или 6, в котором твердость после закалочного упрочнения и отпуска составляет 40 HRC или более, а теплопроводность составляет 40 Вт/(м·К) или более.
8. Теплопроводное поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания по п. 4, в котором твердость после закалочного упрочнения и отпуска составляет 40 HRC или более, а теплопроводность составляет 40 Вт/(м·К) или более.
9. Теплопроводное поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания по п. 5, в котором твердость после закалочного упрочнения и отпуска составляет 40 HRC или более, а теплопроводность составляет 40 Вт/(м·К) или более.
