CN105579749A - 压力环 - Google Patents

Abstract

提供一种能够抑制活塞材料向压力环的固着的压力环。压力环(11)具备由钢材构成的环状的主体部(12)，该钢材由0.45～0.55质量％的C、0.15～0.35质量％的Si、0.65～0.95质量％的Mn、0.80～1.10质量％的Cr、0.25质量％以下的V、小于0.010质量％的P、包含Fe及不可避免的杂质的剩余部分构成。

Description

压力环

技术领域

本发明涉及压力环。

背景技术

近年来，为了抑制对环境的负荷，而实现汽车发动机的燃油经济性的提高、低排放化、及高输出化。因此，要求提高被吸引到汽车发动机的燃烧室内的混合气体的压缩比的情况、及提高发动机负荷的情况。然而，通常提高压缩比时，燃烧室温度升高，爆震容易发生。作为通常的爆震对策，进行使点火时期(超前角)延迟的对策。这种情况下，无法维持高的热效率。因此，也进行了降低燃烧室壁的温度的方向的研究。为了降低燃烧室壁的温度，降低向燃烧室内露出的活塞盖面的温度是有效的。为了降低活塞盖面的温度，经由安装在活塞盖面附近的压力环使活塞的热量向被冷却的气缸壁逃散是最有效的。即，利用活塞环的三个基本功能即气体密封功能、导热功能及油控制功能中的活塞环的导热功能。

而且，构成活塞的材料(以下，称为“活塞材料”)为铝(Al)的情况下，伴随着燃烧室的温度的上升而铝软化。这种情况下，在活塞的环槽内，由于压力环进行的高温下的敲打和滑动，有时会引起活塞的疲劳破坏。其结果是，容易产生环槽的磨损及铝向压力环的固着。

作为导热性优异的活塞环，例如专利文献1公开了一种含有规定量的C、Si、Mn及Cr，且根据上述的含量而算出的参数处于规定的数值范围内的活塞环。而且，在专利文献2中也公开了导热性高的活塞环。

【在先技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本特开2009-235561号公报

【专利文献2】日本特开2011-247310号公报

发明内容

【发明要解决的课题】

出于作为活塞材料的铝的向压力环的固着防止及防锈的目的，在对于具有以往的组成的活塞环的侧面实施使用了磷酸盐的化学转化处理(例如，使用了磷酸锰的化学转化处理)的情况下，活塞环难以溶解于酸性的处理液。因此，为了使磷酸盐在活塞环侧面上析出，需要通过处理液的酸浓度的增加等来提高处理液与活塞环的反应性。此时，产生活塞环的主体部(母材)的局部性的腐蚀(咬蚀)。这种情况下，通过化学转化处理形成的磷酸盐膜及主体部(母材)的表面粗糙度变大。这样的活塞环与活塞的环槽的表面发生滑动时，环槽的表面会异常地磨损。作为结果，容易发生铝向活塞环的固着。

本发明的课题在于提供一种能够抑制活塞材料向压力环的固着的压力环。

【用于解决课题的方案】

本发明的一方案的压力环具备由钢材构成的环状的主体部，该钢材由0.45～0.55质量％的C、0.15～0.35质量％的Si、0.65～0.95质量％的Mn、0.80～1.10质量％的Cr、0.25质量％以下的V、小于0.010质量％的P、包含Fe及不可避免的杂质的剩余部分构成。本发明的一方案的压力环可以具备第一膜，该第一膜包含磷酸盐，且设置在主体部的表面上的相互平行地相对的平面状的侧面、或者所述主体部的外周面或内周面的至少一方。

本发明的另一方案的压力环具备由钢材构成的环状的主体部，该钢材由0.45～0.55质量％的C、0.15～0.35质量％的Si、0.65～0.95质量％的Mn、0.80～1.10质量％的Cr、0.25质量％以下的V、小于0.010质量％的P、0.02～0.25质量％的Cu、包含Fe及不可避免的杂质的剩余部分构成的钢材。本发明的一方案的压力环可以具备第一膜，该第一膜包含磷酸盐，且设置在主体部的表面上的相互平行地相对的平面状的侧面的至少一方、或者所述主体部的外周面或内周面。

在本发明的上述方案的压力环中，钢材中的V的含量也可以小于0.15质量％。

在本发明的上述方案的压力环中，也可以是，主体部的金属组织是在回火马氏体基体中分散有球状渗碳体的金属组织，球状渗碳体的平均粒径为0.1～1.5μm，金属组织的截面上的球状渗碳体的面积的占有率为1～6％。

本发明的上述方案的压力环的导热率为35W/m·K以上，以300℃加热了3小时之后的压力环的切向张力的减退率也可以为4％以下。

在本发明的上述方案的压力环中，第一膜的表面粗糙度Rz也可以是4.5μm以下。

可以具备在主体部的外周面设置的第二膜，第二膜可以包含选自由氮化钛膜、氮化铬膜、碳氮化钛膜、碳氮化铬膜、铬膜、钛膜及类金刚石碳膜构成的组中的至少一个膜。

【发明效果】

根据本发明的压力环，提供一种能够抑制活塞材料向压力环的固着的压力环。

附图说明

图1是通过扫描电子显微镜拍摄到的实施例1的截面的二次电子像。

图2是通过扫描电子显微镜拍摄到的比较例1的截面的二次电子像。

图3是表示实施例1、6及比较例2～4的导热率与热沉降率的关系的图。

图4是示意性地表示铝固着试验的图。

图5是表示活塞环所使用的钢材的合金元素的组成和与导热率的关系的图。

图6是本实施方式的压力环的俯视图。

图7中，图7a是本实施方式的压力环的立体图，图7b是图7a的b-b线的剖视图。

图8是表示本实施方式的压力环具备的主体部的内部结构(晶界)的示意图。

图9是表示压力环的疲劳试验的方法的示意图。

具体实施方式

以下，说明用于实施本发明的压力环的方式。但是，本发明没有限定为以下的实施方式。

(第一实施方式)

第一实施方式的压力环是内燃机(例如汽车发动机)用的活塞环。压力环与例如在内燃机具备的圆柱状的活塞的侧面形成的环槽嵌合。该活塞插入到发动机的燃烧室(气缸)内。压力环尤其也可以是暴露在发动机的热负荷高的环境下的环。

对本实施方式的压力环的结构进行说明。如图6、图7a及图7b所示，压力环11具备环状的主体部12(母材)、第一膜14。在环状的主体部12形成有开口部13。即，“环状”未必是指闭合的圆。环状的主体部12可以是正圆状，也可以是椭圆状。主体部12具有相互平行地相对的平面状的侧面12a、12b、外周面12c、内周面12d。

主体部12由以Fe为主成分的钢材构成。钢材可改称为含有铁作为主成分的合金材料。构成主体部12的钢材由0.45～0.55质量％的C(碳)、0.15～0.35质量％的Si(硅)、0.65～0.95质量％的Mn(锰)、0.80～1.10质量％的Cr(铬)、0.25质量％以下的V(钒)、小于0.010质量％的P(磷)、包含Fe(铁)及不可避免的杂质的剩余部分构成。

使上述钢材进行拉丝，制作具有规定的截面形状的线材，通过该线材的加工形成主体部12。例如，通过凸轮成形机将该线材成形为环的自由形状之后，为了解除应力而进行线材的热处理。在热处理后，对环状的线材的侧面、外周及开口部等进行磨削，进而将线材加工成规定的环形状，由此得到主体部12。

如图7b所示，第一膜14设置于主体部12的侧面12a。第一膜14可以覆盖主体部12的侧面12a的一部分或全部。第一膜14抑制活塞材料(例如铝)向压力环的固着。而且，第一膜14抑制压力环的锈的产生。第一膜14包含磷酸盐。磷酸盐可以是例如选自由磷酸锰、磷酸锌及磷酸铁构成的组中的至少一种。第一膜14也可以仅由磷酸盐构成。第一膜14的厚度为例如1.0～5.0μm。

第一膜14例如可以通过对主体部12的侧面12a实施化学转化处理来形成。化学转化处理是指在调整了的酸性的化学转化处理液中浸渍被处理材料，通过材料表面的化学反应，使具有固着性的不溶性的生成物在材料表面析出的处理。例如，是指通过化学性的方法，利用磷酸盐将主体部12的侧面12a或12b的表面包覆的处理(磷酸盐处理)。磷酸盐可以是例如磷酸锰、磷酸锌、磷酸铁或磷酸锌钙。在化学转化处理中，例如，当将主体部12浸渍于包含磷酸盐的酸性的处理液时，由于阳极反应(溶解反应)及阴极反应(还原反应)而主体部12的表面的pH上升，不溶性的化合物向侧面12a、12b及内周面12d析出。或者由于还原反应而不溶性的化合物向主体部12的表面直接析出。第一膜14可以仅设于主体部12的侧面12a，也可以仅设于侧面12b。第一膜14可以设于侧面12a及侧面12b这两面。第一膜14不仅设于侧面12a或12b，也可以设于内周面12d。

以下，详细说明构成主体部12的钢材包含的各元素。以下，将构成主体部12的钢材包含的元素中的除了剩余部分之外的元素记为“合金元素”。

C固溶于Fe中，有助于压力环的强度提高。而且，C形成碳化物，有助于压力环的耐磨损性。在钢材中包含至少0.45质量％以上的C的情况下，在主体部12中形成碳化物，压力环的强度及耐磨损性提高。然而，与N(氮)同样，C是与Fe一起形成侵入型固溶体的元素。因此，当C的含量过多时，活塞环的形成使用的钢材或活塞环自身的拉延加工或拉深加工变得困难。而且，当C的含量过多时，主体部12的Cr的碳化物的含量增多，C及Cr分别固有的效果减弱。为了抑制这些问题的发生，钢材中的C的含量需要为0.55质量％以下。钢材中的C的含量也可以为0.47～0.52质量％。

Si固溶于Fe中，使压力环的耐热性提高。在钢材中包含至少0.15质量％以上的Si的情况下，压力环的耐热性容易提高。另一方面，通过使钢材中的Si的含量为0.35质量％以下，能抑制压力环的冷加工性的下降，也能抑制压力环的导热率的下降。由此，能抑制压力环的滑动面(与活塞接触的面)的升温，滑动面的耐烧结性提高。钢材中的Si的含量也可以是0.22～0.27质量％。

Mn作为铸块(钢材)的制造时的脱氧剂而包含于钢材中。Mn防止Si的氧化，促进Si向Fe的固溶。即，Mn备齐Si的固溶优选的条件。在钢材中含有0.65质量％以上的Mn的情况下，含量少的Si未氧化而固溶在Fe中，能发挥Si的上述效果。另一方面，通过使钢材中的Mn的含有率为0.95质量％以下，能抑制压力环的热加工性的下降。钢材中的Mn的含量也可以为0.82～0.88质量％。

Cr形成碳化物，向压力环赋予耐磨损性。在钢材中包含0.80质量％以上的Cr的情况下，压力环的耐磨损性容易提高。另一方面，通过使钢材中的Cr的含量为1.10质量％以下，能抑制与过大量的碳化物的形成相伴的压力环的韧性的下降。而且，能抑制在压力环的主体部中大量地固溶有α-Fe的情况，能抑制压力环的加工性的下降。钢材中的Cr的含量也可以为0.95～1.08质量％。

V与C及/或N结合而使主体部中的钢的组织微细化并分散，防止主体部中的晶粒的粗大化。在钢材中含有0.15质量％以上的V的情况下，压力环的强韧性容易提高。另一方面，V是高价的元素，因此通过使钢材中的V的含量为0.25质量％以下，能抑制压力环花费的成本。钢材中的V的含量也可以为0.15～0.25质量％或0.15～0.20质量％。需要说明的是，由于V是高价的元素，因此在热负荷不太高的环境下使用的压力环的情况下，钢材中的V的含量也可以为0质量％以上且小于0.15质量％。

通过使钢材中的P的含量小于0.010质量％，能抑制沿着主体部的晶界的Fe3P等的析出(偏析)。在Fe3P等发生了偏析的情况下，压力环的疲劳强度下降。而且，在对主体部(母材)实施化学转化处理时，偏析的Fe3P难以溶解于酸，因此主体部12(侧面12a)可能被局部性地溶解。即，主体部12的化学转化处理时的反应性局部性地变差，化学转化处理后的主体部(侧面12a)的表面粗糙度变大。为了抑制这样的问题的发生，钢材中的P的含量需要小于0.010质量％。为了对压力环实施稳定的化学转化处理，P的含量越少越优选。然而，为了降低钢材中的P的含量，需要极大的成本。通过现实性的较少的成本能够实现的P的含量的下限值为例如0.002质量％左右。钢材中的P的含量也可以为0.002～0.009质量％、0.002～0.008质量％、0.003～0.009质量％、0.003～0.008质量％、0.004～0.009质量％或0.004～0.008质量％。

如上所述，P产生难以向酸溶解的Fe3P的显著的偏析，Fe3P的偏析产生化学转化处理中的上述问题。为了抑制该问题的发生，在以往的磷酸锰系的化学转化处理中，需要促进反应那样的处理条件的调整。然而，由于该调整而第一膜14(或侧面12a及12b)的表面粗糙度变大。在将这样的压力环安装于活塞的情况下，活塞的环槽的磨损增大，活塞材料(例如铝)容易固着于压力环。

另一方面，在本实施方式中，由于将P的含量预先调整为小于0.010质量％，因此能抑制化学转化处理中的主体部12的局部性的溶解，能减少第一膜14(或侧面12a)的表面粗糙度，得到具有稳定的尺寸的压力环。其结果是，能抑制活塞材料向压力环的固着，而且也能够抑制压力环的张力的下降。而且，在将具有稳定的尺寸的压力环安装于活塞的情况下，能抑制漏气的发生。此外，第一膜14的表面粗糙度小，第一膜14的厚度均一，由此压力环的防锈功能及初期磨合功能提高。

假设Fe3P沿着主体部12内的晶界析出的情况下，对压力环反复或连续地施加应变时，压力环表现出与被施加了比实际施加的应变大的应变时相同的行迹。该行迹尤其是在处于高温状态的主体部12的弹性区域也能够发生。其结果是，在主体部12中大量地产生转位(线状的格子缺陷)，压力环的强度可能会下降。另一方面，在本实施方式中，由于P的含量小于0.010质量％，因此能抑制Fe3P的偏析，能抑制以应变为起因的压力环的强度的下降。

上述钢材有时不可避免地含有S(硫)作为剩余部分。当钢材含有S时，FeS偏析，主体部12的化学转化处理时的反应性恶化。因此，S的含量与P同样地越少越优选。为了抑制S涉及的上述问题的发生，钢材中的S的含量只要为例如0.002～0.020质量％即可。通过钢材中的S的含量为0.002～0.020质量％，能抑制FeS的偏析，能抑制主体部12的化学转化处理时的反应性的下降。0.002质量％这样的S的含量是通过现实性的较少的成本能够实现的下限值。通过调整钢材中的S的含量和上述的P的含量，能够得到较大地改善了主体部12的化学转化处理时的反应性的相乘效果。钢材中的S的含量可以为0.002～0.015质量％，也可以为0.002～0.016质量％，还可以为0.008～0.020质量％，或者还可以为0.008～0.015质量％。

为了使发动机的燃烧室壁的温度下降，而要求压力环的高的导热性。压力环的导热功能依赖于构成主体部12的钢材的导热率、以及第一膜的导热率及形状等。钢材的导热率依赖于钢材中含有的合金元素的含量。下述表1示出钢材中含有的合金元素的含量、氮的含量、它们的含有率之和(组成和)、及200℃下的各钢材的导热率。各钢材的导热率与组成和的关系如图5所示。需要说明的是，下述表1中的钢材A～G中，除了钢材C以外的钢材的组成不满足本实施方式的构成主体部的钢材的要件。如表1及图5所示，钢材中的组成和越少，钢材的导热率越高。

[表1]

构成主体部12的钢材含有的合金元素的含量会影响压力环的热沉降率(thermalsettlingratio)。热沉降率是基于JISB8032-5的压力环的切向张力的减退率(切向张力减退度)。伴随着钢材中的合金元素量的减少，压力环的热沉降率处于升高的倾向。在压力环的热沉降率高的情况下，在热负荷高的环境下容易引起压力环的张力的减退及压力环的变形等。热沉降率优选即使暴露在约300℃程度的高温下也能够维持压力环的功能的较小的程度。因此，在钢材的选定时，不仅是导热率，也可以考虑热沉降率及疲劳强度等。例如，压力环11的导热率为35W/m·K以上，在300℃下加热3小时之后的压力环11的切向张力的减退率可以为4％以下。35W/m·K这样的导热率是与由以往的片状石墨铸铁构成的以往的活塞环的导热率相匹敌的优异的值。4％以下的热沉降率与Si-Cr钢的热沉降率为相同程度。需要说明的是，在JISB8032-5中，以300℃加热3小时的钢环的切向张力减退度规定为8％以下。

钢材的成本通常是合金元素量越少越廉价。从市场经济的观点出发，越是大量生产的钢材越廉价。本实施方式的压力环在使用于活塞环那样的汽车零件的情况下，压力环不仅被要求优异的特性，而且也被要求具有竞争力的价格。即，也可以考虑如何能够降低压力环的制造成本。

主体部12的金属组织(钢材的金属组织)可以具有回火马氏体基质(回火马氏体基体)、分散在回火马氏体基质中的多个球状渗碳体。球状渗碳体的平均粒径可以为0.1～1.5μm。由于具有该金属组织的钢材中的合金元素的总量少，因此钢材的导热率高。然而，这样的钢材中的Cr和V的含量微少，因此主体部的热沉降率有时会升高。为了降低导热率高的钢材的热沉降率，在压力环的制造过程中，在进行由上述钢材形成的线材的油回火处理之前，可以对线材进行退火，使球状渗碳体在线材中析出。油回火处理是在钢材的拉丝工序的最终阶段进行的处理。而且，也可以通过使油回火处理的条件最适化，而使比较大的球状渗碳体适量分散在线材中的回火马氏体基质中。作为球状渗碳体的一种，存在有例如实施油回火处理的弹簧钢的残留渗碳体。残留渗碳体是应力的集中源，是使钢线的机械性的性质下降的原因之一。然而，在球状渗碳体分散于压力环的主体部中的情况下，主体部的热沉降率降低。由于油回火处理后的金属组织的残留于回火马氏体基质中的球状渗碳体而产生晶格的应变，因此即使为300℃也能抑制转位的移动及蠕变，其结果是推测为热沉降率降低。

在球状渗碳体的平均粒径为0.1μm以上的情况下，球状渗碳体在油回火处理的一部分的固溶化处理中不会溶入到奥氏体中。因此，平均粒径为0.1μm以上的球状渗碳体在完成后的压力环的主体部的截面中能观测到。在球状渗碳体的平均粒径为1.5μm以下的情况下，能抑制以球状渗碳体为起因的主体部的疲劳破坏。即，能抑制压力环的疲劳强度的降低。球状渗碳体的平均粒径也可以为0.4～1.2μm、0.8～1.2μm或0.5～1.0μm。

金属组织(回火马氏体基质)的截面上的球状渗碳体的面积的占有率可以为1～6％。该占有率通过金属组织的截面上出现的显微镜组织的观察来测定。在球状渗碳体的面积的占有率为上述范围内的情况下，压力环11的导热率容易成为35W/m·K以上，压力环11的热沉降率也容易成为4％以下。合金的导热率主要由构成合金的金属的晶粒内的自由电子的运动来支配。因此，固溶元素越少，合金的导热率越提高。在本实施方式的主体部12的金属组织中，具有固溶强化性的Si的含量比以往的Si-Cr钢少，且形成侵入型固溶体的C的含量为0.55质量％以下。因此，可认为压力环11的导热率比以往的Si-Cr钢的导热率高。需要说明的是，以往的Si-Cr钢被使用作为构成压力环的钢材，以往的Si-Cr钢的导热率为31W/m·K左右。

由于压力环11具备由具有上述金属组织的钢材构成的主体部12，因此压力环11的高导热率和小热沉降率同时成立。即，即使在高压缩比发动机那样的热负荷高的环境下，压力环11的张力也难以减退，压力环11能够使活塞头的热量高效率地向冷却的气缸壁逃散。因此，不用进行使点火时期延迟的调整而能够抑制爆震，能够以高的热效率来驱动发动机。而且，通过使用具有高的导热率的压力环，也能够降低活塞的环槽的温度。由此，能进一步抑制环槽的磨损，进一步抑制活塞材料(例如铝)向压力环的固着。

第一膜14的表面粗糙度Rz也可以为4.5μm以下、4.0μm以下、3.7μm以下、3.5μm以下、3.3μm以下、3.1μm以下或3.0μm以下。在将第一膜14的表面粗糙度Rz为上述范围的压力环11安装于活塞的情况下，容易抑制活塞的环槽的磨损，容易抑制与环槽的磨损相伴的活塞材料向压力环的固着。表面粗糙度Rz基于JISB0601:1982来测定。

对于主体部12的外周面12c可以进行各种表面处理。通过表面处理，主体部12的耐磨损性或耐划痕性提高。例如，通过表面处理，可以在主体部12的外周面12c(外周滑动面)设置第二膜15。第二膜15可以覆盖主体部12的外周面12c的一部分或整体。第二膜15可以是选自由氮化钛(Ti-N)膜、氮化铬(Cr-N)膜、碳氮化钛(Ti-C-N)膜、碳氮化铬(Cr-C-N)膜、铬(Cr)膜、钛(Ti)膜、及类金刚石碳(DLC)膜构成的组中的至少一个膜。第二膜15可以包含选自由氮化钛膜、氮化铬膜、碳氮化钛膜、碳氮化铬膜、铬膜、钛膜及类金刚石碳膜构成的组中的多个膜。即，第二膜15可以包含层叠的、组成不同的多个膜。需要说明的是，可以取代第二膜15而将第一膜14设置在主体部12的外周面12c。而且，可以在主体部12的侧面12a、12b、外周面12c及内周面12d上全都设置第一膜14。即，可以在主体部12的整个表面设置第一膜14。

根据与压力环11滑动的对方材料或压力环11的使用环境等，选择表面处理的方法及第二膜15的组成。在第二膜15包含铬膜的情况下，压力环11的导热率容易提高。在第二膜15包含氮化铬膜的情况下，压力环11的耐磨损性及耐划痕性容易提高。在向铝气缸插入的活塞使用压力环11的情况下，DLC膜适合作为第二膜15。

第二膜15的厚度为例如10～40μm。第二膜15通过例如离子喷镀法等PVD法(PhysicalVaporDeposition：物理气相沉积)、镀敷或氮化处理形成。

(第二实施方式)

第二实施方式的压力环除了构成主体部的钢材含有Cu的方面之外，与第一实施方式的压力环相同。以下，仅记载第二实施方式的压力环固有的特征。

第二实施方式的压力环具备的主体部12由钢材构成，该钢材由0.45～0.55质量％的C、0.15～0.35质量％的Si、0.65～0.95质量％的Mn、0.80～1.10质量％的Cr、0.25质量％以下的V、小于0.010质量％的P、0.02～0.25质量％的Cu(铜)、包含Fe及不可避免的杂质的剩余部分构成。钢材中的Cu的含量也可以为0.02～0.25质量％、0.02～0.20质量％、0.02～0.16质量％、0.04～0.25质量％、0.04～0.20质量％、0.04～0.16质量％或0.16～0.25质量％。

在第二实施方式的压力环的制造中，与第一实施方式同样，通过钢材的拉丝来制作线材。在进行了线材的淬火及回火之后，如图8所示，在该线材中以过饱和状态固溶的Cu作为Cu21的单体在晶界析出。在晶界析出的Cu非常柔软，因此表现出使相邻的晶粒22彼此匹配的功能。由这样的Cu单体析出的线材形成主体部12，由此能抑制金属疲劳引起的主体部12的破坏(疲劳破坏)的产生。Cu即使在300℃程度的高温下也容易析出，因此高温下的压力环的疲劳强度提高。为了得到以上那样的Cu的效果，钢材中的Cu的含量需要为0.02质量％以上。从同样的理由出发，钢材中的Cu的含量优选为0.04质量％以上。在钢材中的Cu的含量为0.25质量％以下的情况下，用于形成第一膜14的化学转化处理时的反应性容易提高，而且用于形成第二膜15的镀Cr时的主体部12的反应性也容易提高。

Cu使压力环11的耐蚀性提高。上述钢材含有Cu，由此在钢材中，含有Cu的非晶质被膜形成于Fe相的表面。该非晶质被膜提高压力环的耐蚀性。在压力环11的制造过程中，含有Cu的非晶质被膜抑制钢材的表面的锈的产生。而且，含有Cu的非晶质被膜缓和化学转化处理中的主体部12的反应性，抑制主体部12的局部性的反应。其结果是，在主体部12的表面(侧面12a或12b)形成的凹坑(咬蚀)的数目减少，并且凹坑的深度变浅。因此，能抑制以腐蚀凹坑(切口)为起因的疲劳强度的降低。而且，由于凹坑数的降低，能缓和压力环向活塞槽的攻击性，能抑制活塞槽的磨损。

实施例

通过以下的实施例更详细地说明本发明，但是本发明没有限定为这些例子。

(实施例1～4、比较例1)

分别使用具有下述表2所示的组成的钢材J1、J2、J3、J4及C1，利用下述的方法制作了压力环。需要说明的是，所有的钢材除了下述表2所示的元素以外，当然包含铁。使用了钢材J1的压力环是实施例1。使用了钢材J2的压力环是实施例2。使用了钢材J3的压力环是实施例3。使用了钢材J4的压力环是实施例4。使用了钢材C1的压力环是比较例1。钢材C1相当于SUP10。以下，根据情况的不同，将实施例1记为J1，将实施例2记为J2，将实施例3记为J3，将实施例4记为J4，将比较例1记为C1。

对钢材实施拉丝工序。在拉丝工序中，依次实施900℃下的热处理、600℃下的铅浴淬火处理、酸洗处理、拉丝处理、加热处理、700℃下的退火处理、酸洗处理、拉丝处理、及油回火处理。在油回火处理中，依次实施930℃下的钢材的加热、油中的钢材的淬火及回火。

通过上述的拉丝工序，得到了具有矩形形状的截面的线材。线材的截面的厚度为1.0mm，截面的宽度为2.3mm。对线材进行成形，制作了直径为73mmφ的环状的主体部。通过离子喷镀，在主体部的外周面形成了CrN膜(第二膜)。而且，通过化学转化处理，在主体部的侧面形成了包含磷酸锰的第一膜。

经由以上的工序，制作了压力环。

测定了各压力环的第一膜的表面粗糙度Rz及除去第一膜之后的主体部的侧面的表面粗糙度Rz。测定结果如表2所示。在表2的“刚进行化学转化处理之后”一栏记载的数值是第一膜的表面粗糙度。在表2的“被膜除去后”一栏记载的数值是除去了第一膜之后的主体部的侧面的表面粗糙度。

如下述表2所示，确认了实施例1～4的第一膜的表面粗糙度小于比较例1的第一膜的表面粗糙度的情况。而且，确认到了实施例1～4的除去第一膜之后的主体部的侧面的表面粗糙度小于比较例1的除去第一膜之后的主体部的侧面的表面粗糙度的情况。

观察各压力环的与主体部的侧面垂直的截面，评价了侧面(主体部的侧面与第一膜的交界面)的平滑性及侧面的凹坑(咬蚀)的数目。实施例1及2的侧面比实施例3及4的侧面平滑。实施例1及2的侧面的凹坑(咬蚀)的数目少于实施例3及4的侧面的凹坑的数目。实施例3及4的侧面比比较例1的侧面平滑。实施例3及4的侧面的凹坑(咬蚀)的数目少于比较例1的侧面的凹坑的数目。比较例1的侧面比实施例1～4的侧面粗糙。比较例1的侧面的凹坑的数目多于实施例1～4的侧面的凹坑的数目。

[环槽的磨损试验及铝的固着试验]

使用各压力环、及图4所示的装置(株式会社理研制的Tryboric(トライボリック)4)，进行了下述的环槽的磨损试验及铝的固着试验。

将压力环3载置在旋转台2上，使压力环3的中心与旋转台2的旋转轴一致。使旋转台2以低速向一方向旋转，使用加热器5、热电偶6及温度调节器7，将活塞材料4的温度调节成240℃，使活塞材料4以一定的周期沿旋转台2的旋转轴方向往复移动。通过这样的操作，使压力环3的侧面与活塞材料4的表面接触，对于压力环3的侧面及活塞材料4的表面，周期性地施加表面压力负荷。即，反复进行图4所示的表面压力载荷循环。表面压力载荷的振幅调整为1.1MPa。作为活塞材料，使用了作为铝合金铸物的AC8A材料。在试验开始前，向与活塞材料4的表面接触的压力环3表面涂敷了润滑剂。作为润滑剂，使用了无添加基油SAE30。以上的试验方法在环槽的磨损试验及铝的固着试验中共通。

在环槽的磨损试验中，旋转台2的旋转及活塞材料4的往复移动反复进行1小时。然后，测定了通过压力环3相对于活塞材料4的滑动而形成的、活塞材料4的表面的槽的深度。将该槽的深度看作环槽的磨损量。使用了各压力环的情况的环槽的磨损量如下述表2所示。

如下述表2所示，实施例1～4的环槽的磨损量小于比较例1的环槽的磨损量的一半。

在铝的固着试验中，反复进行旋转台2的旋转及活塞材料4的往复移动直至活塞材料4中含有的铝固着于压力环3为止。并且，测定了铝固着于压力环3为止的活塞材料4的往复移动的次数。测定结果如下述表2所示。在铝固着于压力环3的时刻，旋转台2的转矩变动，而且活塞材料4的温度也急剧上升。该时刻为止的活塞材料4的往复移动的次数多的情况表示活塞材料4难以固着于压力环3。而且，到该时刻为止的活塞材料4的往复移动的次数多的情况表示活塞材料4的寿命长。

如下述表2所示，实施例1～4的活塞材料4的往复移动的次数多于比较例1的活塞材料4的往复移动的次数。

[表2]

通过扫描电子显微镜观察了实施例1的线材的截面上的金属组织。实施例1的金属组织(显微镜组织)的图像如图1所示。观察的结果是，确认到了实施例1的金属组织具有回火马氏体基体和分散于回火马氏体基体中的多个微细的球状渗碳体1的情况。为图像中的球状渗碳体1。而且，通过将该金属组织的图像放大解析，求出球状渗碳体的平均粒径。平均粒径是约3000～5000个的球状渗碳体的粒径的平均。利用同样的方法，测定了金属组织的截面上的球状渗碳体的面积的占有率(面积率)。测定到的平均粒径及面积率如下述表3所示。

通过扫描电子显微镜观察了比较例1的线材的截面上的金属组织。比较例1的金属组织(显微镜组织)的图像如图2所示。观察的结果是，比较例1的金属组织为均一的回火马氏体基质。在比较例1的金属组织中未观察到球状渗碳体。

(实施例5、6)

除了在油回火处理中将淬火前的加热温度调整为980℃的情况以外，利用与实施例1同样的方法，制作了实施例5(J5)的压力环。除了在油回火处理中将淬火前的加热温度调整为820℃的情况以外，利用与实施例1同样的方法，制作了实施例6(J6)的压力环。油回火处理中的淬火前的加热温度的调整的目的在于形成具有回火马氏体基体和分散在回火马氏体基体中的球状渗碳体的钢材的金属组织。

通过扫描电子显微镜观察了实施例5及6的线材的截面上的金属组织。观察的结果是，确认到实施例5及6各自的金属组织具有回火马氏体基体和分散在回火马氏体基体中的多个微细的球状渗碳体的情况。利用与实施例1同样的方法，求出了实施例5及6各自的球状渗碳体的平均粒径。利用与实施例1同样的方法，测定了实施例5及6各自的金属组织的截面上的球状渗碳体的面积的占有率(面积率)。测定的平均粒径及面积率如下述表3所示。

(比较例2～4)

在比较例2的压力环的制作中，作为钢材，使用了与比较例1相同的钢材C1(相当于SUP10的材料)。在比较例2的拉丝工序中，取代退火处理，进行了600℃下的铅浴淬火处理。即，在比较例2中，进行了2次的铅浴淬火处理。除了这些事项以外，利用与实施例1同样的方法，制作了比较例2(C2)的压力环。除了使用Si-Cr钢(JISSWOSC-V)作为钢材的情况以外，利用与比较例2同样的方法，制作了比较例3(C3)的压力环。除了使用硬钢线(JISSWRH62A)作为钢材的情况以外，利用与比较例2同样的方法，制作了比较例4(C4)的压力环。

[导热率的测定]

利用激光闪光法测定了实施例1、5、6及比较例2～4各自的压力环的导热率。测定结果如下述表3所示。如下述表3所示，实施例1、5及6的导热率与比较例2的导热率为相同程度。实施例1、5、6的导热率高于比较例3的导热率，且低于比较例4的导热率。根据上述的测定结果，确认到压力环的导热率依赖于压力环的制作所使用的钢材的组成(钢材中的合金元素量)的情况。

[热沉降试验]

进行使用了实施例1、5、6及比较例2～4各自的压力环的下述的热沉降试验。

热沉降试验是基于JISB8032-5的测定压力环的切向张力的减退率的试验。在热沉降试验中，首先测定了压力环的切向张力。接下来，将压力环的开口部关闭，以300℃将压力环加热3小时。在加热后，再次测定了压力环的切向张力。根据上述的测定结果，求出了与加热相伴的切向张力的减退率(切向张力减退度)。

实施5次使用了各压力环的上述试验而求出切向张力的减退率，并求出了它们的平均值。各实施例及比较例的切向张力的减退率的平均值(热沉降率)如下述表3所示。而且，比较例2的热沉降率为100时的各实施例及比较例的热沉降率的相对值如下述表2的“对比”一栏所示。

尽管实施例1、5及6的导热率与比较例2的导热率为相同程度，但实施例1、5及6的热沉降率低于比较例2的热沉降率。实施例1及6的热沉降率为目标值的4％以下。需要说明的是，在实施例1及6中，测定了5次的切向张力的减退率的变动小。

热沉降率与导热率的关系如图3所示。如图3所示，比较例2～4表现出伴随着导热率的增加而热沉降率增加的倾向。图3明示出尽管实施例1及6的导热率与比较例2的导热率为相同程度，但是实施例1及6的热沉降率低于比较例2的热沉降率的情况。

[表3]

(实施例11～14、比较例11)

分别使用具有下述表4所示的组成的钢材J11、J12、J13、J14及C11，制作了压力环。需要说明的是，所有的钢材除了下述表4所示的元素以外，当然也包含铁。使用了钢材J11的压力环为实施例11。使用了钢材J12的压力环为实施例12。使用了钢材J13的压力环为实施例13。使用了钢材J14的压力环为实施例14。钢材C11的压力环为比较例11。以下，根据情况的不同，将实施例11记为J11，将实施例12记为J12，将实施例13记为J13，将实施例14记为J14，将比较例11记为C11。

实施例11～14及比较例11各自的压力环的制成方法除了钢材的组成之外与实施例1相同。

测定了各压力环的第一膜的表面粗糙度Rz及除去第一膜之后的主体部的侧面的表面粗糙度Rz。测定结果如表4所示。表4的“刚进行化学转化处理之后”一栏记载的数值是第一膜的表面粗糙度。表4的“被膜除去后”一栏记载的数值是除去第一膜之后的主体部的侧面的表面粗糙度。

如下述表4所示，确认到实施例11～14的第一膜的表面粗糙度小于比较例11的第一膜的表面粗糙度的情况。而且，确认到实施例11～14的除去第一膜之后的主体部的侧面的表面粗糙度小于比较例11的除去第一膜之后的主体部的侧面的表面粗糙度的情况。

观察各压力环的与主体部的侧面垂直的截面，评价了侧面(主体部的侧面与第一膜的交界面)的平滑性及侧面上的凹坑(咬蚀)的数目。实施例11～13的侧面比实施例14的侧面平滑。实施例11～13的侧面上的凹坑(咬蚀)的数目少于实施例14的侧面上的凹坑的数目。实施例14的侧面比比较例11的侧面平滑。实施例14的侧面上的凹坑(咬蚀)的数目少于比较例11的侧面上的凹坑的数目。比较例11的侧面比实施例11～14的侧面粗糙。比较例11的侧面上的凹坑的数目多于实施例11～14的侧面上的凹坑的数目。

测定了实施例11～14及比较例11各自的即将进行化学转化处理之前的主体部的宽度W0。宽度W0是应形成第一膜的主体部的侧面的宽度。测定了实施例11～14及比较例11各自的即将进行化学转化处理之前的主体部的厚度T0。厚度T0是与主体部的侧面垂直的方向上的主体部的厚度。

测定了实施例11～14及比较例11各自的从压力环除去第一膜之后的主体部的宽度W1。宽度W1对应于宽度W0。测定了实施例11～14及比较例11各自的从压力环除去第一膜之后的主体部的厚度T1。厚度T1对应于厚度T0。

各实施例及比较例的(W0-W1)记载在下述表4的“环宽度尺寸”一栏中。各实施例及比较例的(T0-T1)记载在下述表4的“环厚度尺寸”一栏中。(W0-W1)及(T0-T1)是指与化学转化处理相伴的主体部的尺寸的变化量。如下述表4所示，确认到实施例11～14的尺寸的变化量小于比较例11的尺寸的变化量的情况。

[压力环的疲劳试验]

使用实施例11～14及比较例11各自的压力环，进行了下述的疲劳试验。

在压力环的疲劳试验中，使用了图9所示的装置。如图9所示，装置30具备将压力环31固定的固定部34、运转部35、对压力环31进行加热的加热器36。在疲劳试验中，首先将位于开口部33的压力环31的一方的端部33a安装于固定部34。而且，将位于开口部33的压力环31的另一方的端部33b安装于运转部35。在将压力环31的温度维持为室温的状态下，为了使压力环31的开口部33开闭而使运转部35沿着箭头35a的方向往复移动。反复进行了107次的运转部35的往复移动。在反复进行了往复移动之后，将扩宽开口部33那样的应力在运转部35中向压力环31施加。使应力逐渐增加，测定了在压力环31的主体部中的位于开口部33的相反侧的部分32e发生了疲劳龟裂时的应力(疲劳极限应力)。室温下的各压力环的疲劳极限应力如下述表4所示。

除了利用加热器36将压力环31的温度维持为300℃的情况以外，利用与上述同样的方法，测定了300℃下的各压力环的疲劳极限应力。测定结果如下述表4所示。

如下述表4所示，确认到300℃下的实施例11～14的疲劳极限应力大于300℃下的比较例11的疲劳极限应力的情况。即，在实施例11～14的压力环中，与比较例11的压力环相比，确认到了能抑制高温下的疲劳破坏的发生的情况。

[表4]

【工业实用性】

本发明的压力环可以使用作为例如汽车用发动机的活塞环。

【标号说明】

1…球状渗碳体，2…旋转台，3,11…压力环，4…活塞材料，5…加热器，6…热电偶，7…温度调节器，12…主体部，12a,12b…侧面，12c…外周面，12d…内周面，13…开口部，14…第一膜，15…第二膜，21…Cu单体，22…晶粒。

Claims (8)

1.一种压力环，其中，

所述压力环具备由钢材构成的环状的主体部，该钢材由0.45～0.55质量％的C、0.15～0.35质量％的Si、0.65～0.95质量％的Mn、0.80～1.10质量％的Cr、0.25质量％以下的V、小于0.010质量％的P、包含Fe及不可避免的杂质的剩余部分构成。

2.一种压力环，其中，

所述压力环具备由钢材构成的环状的主体部，该钢材由0.45～0.55质量％的C、0.15～0.35质量％的Si、0.65～0.95质量％的Mn、0.80～1.10质量％的Cr、0.25质量％以下的V、小于0.010质量％的P、0.02～0.25质量％的Cu、包含Fe及不可避免的杂质的剩余部分构成。

3.根据权利要求1或2所述的压力环，其中，

所述压力环具备第一膜，该第一膜包含磷酸盐，且设置在所述主体部的表面上的相互平行地相对的平面状的侧面的至少一方、或者所述主体部的外周面或内周面。

4.根据权利要求3所述的压力环，其中，

所述第一膜的表面粗糙度Rz为4.5μm以下。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的压力环，其中，

所述钢材中的V的含量小于0.15质量％。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的压力环，其中，

所述主体部的金属组织是在回火马氏体基体中分散有球状渗碳体的金属组织，

所述球状渗碳体的平均粒径为0.1～1.5μm，

所述金属组织的截面上的所述球状渗碳体的面积的占有率为1～6％。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的压力环，其中，

导热率为35W/m·K以上，

以300℃加热了3小时之后的切向张力的减退率为4％以下。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的压力环，其中，

所述压力环具备设置在所述主体部的外周面上的第二膜，

所述第二膜包含选自由氮化钛膜、氮化铬膜、碳氮化钛膜、碳氮化铬膜、铬膜、钛膜及类金刚石碳膜构成的组中的至少一个膜。