JP5345316B2 - 高硬度耐磨耗性耐食性鋳鉄材 - Google Patents

Description

本発明は、鋳鉄材、特に基体としてこの鋳鉄材を有するピストンリングに関する。本発明は特に、オーステナイト、マルテンサイトおよび／またはパーライトの特定配合割を有する針状フェライトを含む新しい鋳鉄材に関する。

鋳鉄材は、特別な組成パラメータおよび／または方法パラメータの使用によって調整することができる様々な微視的構造の状態で存在することができる。

熱処理によって製造されるベイナイト基本組織からマルテンサイト基本組織までを有する鋳鉄材は、例えばドイツ特許ＤＥ２４２８８２１Ａに記載されている。この基本構造には、フェールセーフ特性（Notlaufeigenschaften)を保証するために薄片状から骨状の黒鉛析出物が含まれている。

パーライト鋳鉄および／またはフェライト鋳鉄の製造方法は、米国特許第３５６５６９８号に記載されている。ここでは、原料が合金と溶融状態で混合され、鋳造されて未加工鋳造品（Rohling)となる。鋳込み後に未加工鋳造品は、セメンタイトを溶解して黒色可鍛鋳鉄を生成するために、９００℃〜１０５０℃の範囲内の温度に熱せられる。米国特許第３０００７７０号に記載されているように、かなりの量のイオウを原料に加えることによって、加熱時間を短縮することができる。

鋳鉄材もしくは鋳鉄合金は通常、例えばピストンリングなどの内燃機関の高い応力を受ける部分を製造するために使用される。ピストンリングは高い応力を受けるエンジンにおいて、例えば圧縮圧、燃焼温度、潤滑膜減少などの増加する応力の下にあり、この応力は磨耗、耐燃焼痕、微細溶接、耐食性などの機能特性に決定的な影響を及ぼす。

ピストンリングは、ピストンヘッドとシリンダ壁の間に存在する間隙を燃焼室に対して密閉している。ピストンの上下動の際に、ピストンリングは、一方ではその外周面によって常に弾力的な設計でシリンダ壁に対して滑動し、他方ではピストンリングは、ピストンの傾斜動作が原因でピストンリング溝の中を振動しながら滑動し、その際に、その側面はピストンリング溝の上側面と下側面に交互に隣接する。そのつど互いに摺動する滑動対向部分では、材料に応じて多少の強い磨耗が発生し、これが乾燥摺動の場合に、いわゆる、かき傷、刻み目発生、ついにはエンジンの破損につながる可能性がある。シリンダ壁に対するピストンリングの滑動挙動を改善するために、ピストンリングはその周囲表面に様々な材料からなる被覆が備えられた。

例えばディーゼルエンジンまたは２サイクルエンジンなどの高い応力を受けるエンジンにおける圧縮リングは、例えば好ましくは、例えばクロムセラミック被覆、熱噴射層（thermische spritzschicht)、ＰＶＤ層、または研磨可能層(Einlaufschicht)などの摺動面被覆を備える鋳造ピストンリングとして設計される。

さらに欧州特許ＥＰ１３８４７９４Ａ１には、特定の化学組成を示し、オーステナイト化処理とこれに続く等温焼入れ法を含む熱処理を受ける、ピストンリング用の鋳鉄材が記載されている。球状黒鉛形成添加物の投入によって、球粒状材料が保持される。ピストンリングの場合、この鋳鉄材は、最適熱処理を受けるために少量のフェライト割当て分を含むパーライトからなる基質を有する。この種の熱処理によって、鋳鉄材の機械的性質は改善されるが、熱処理のコストが製品を高価なものにする。

本発明の目的は、高い耐磨耗性と耐食性を有し、製造コストが高くなることがない、鋳鉄材を提供すること、ならびに破損の危険性が低減されており、高い機械的動的負荷の場合であっても機能挙動が長い使用寿命にわたって保証されるピストンリングを提供することである。

本発明によれば、この目的は特許請求の範囲の請求項１に記載の鋳鉄材および請求項１１に記載のピストンリングによって達成される。従属請求項には、本発明の有利な実施形態が含まれている。

本発明によれば、オーステナイトおよび／またはパーライトからなる部分を伴う、針状フェライトおよび／またはマルテンサイトを含むマトリックス（母体）を示す、鋳鉄材が提供される。特に、このマトリクスは、マトリックス組織中に、＞５０％の針状フェライトと、＜２０％（のオーステナイトと、＜３０％のマルテンサイトと、＜５０％のパーライトと、＜１５％のカーバイドを含むように調整された各相からなる部分を示す。好ましい実施形態では、各相の割当て分は次の通りである。すなわち＞６５％の針状フェライト、＜５％のオーステナイト、＜１０％のマルテンサイト、＜１０％のパーライト、および＜７％のカーバイドである。フェライトはこの場合、セメンタイトのない針状フェライト、またはセメンタイトを含む針状フェライト、およびこれらの混合物とすることができる。

本発明による鋳鉄材は、好ましくは、次の化学組成（重量％）を示す。すなわち、炭素：３．０〜４．２、ケイ素：１．０〜３．５、マンガン：最高で１．０、リン最高で０．４％、イオウ：最高で０．１、クロム：最高で０．５、銅：最高で３．０、マグネシウム：最高で０．０８、スズ：最高で０．３、モリブデン：最高で３．０、バナジウム：最高で１．０、ニッケル：１．０〜６．０、残りが鉄および製造条件による汚染物である。この鋳鉄材は特に、高い耐食性、耐摩耗性、および曲げ強さの点で優れている。同時に、本発明による鋳鉄材は、破壊傾向に特に有利な影響を及ぼす優れた靭性を利用できる。

好ましい一実施形態では鋳鉄材は次の組成（重量％）を示す。すなわち、炭素：３．０〜４．０、ケイ素：１．０〜３．０、マンガン：最高で１．０、リン：最高で０．３％、イオウ：最高で０．０５、クロム：最高で０．５、銅：０．５〜３．０、マグネシウム：最高で０．０８、スズ：最高で０．２５、バナジウム：最高で０．１、モリブデン：最高で０．０８、ニッケル１．０〜４．０、残りが鉄および製造条件による汚染物である。

本発明による鋳鉄材をさらに、材料の中に存在する黒鉛形成の種類が球粒状（sphaerolitisch)および／または芋虫状（vermicullar)、もしくは薄層状（lamellar)に変動するように、特に制御することができる。

芋虫状黒鉛は、「虫形状の（wurmfoermiger)」黒鉛であり、これは形態学的には薄層状黒鉛と球状黒鉛の間にあり、一般にＧＪＶ（芋虫状黒鉛鋳鉄）と略語化される。芋虫状の黒鉛形成によって、その特性は、本質的に、基本組織のフェライト／パーライト比、ならびにそれに付随する球状黒鉛の黒鉛中の占有割合のものから外れてくる。通例として、この場合、芋虫状黒鉛は８０〜９０％で、残りは球状黒鉛からなる。それゆえＧＪＶは、ピストンリングなどの熱応力がかかり特に温度変化応力がかかる構成部品に適している。

球粒状もしくは「球状」黒鉛形成を有する鋳鉄もやはり、ＧＪＳとして知られている。この材料の場合、鋳込んだ状態での炭素の主要部分は球形黒鉛の形で析出する。

薄層状黒鉛形成を有する鋳鉄材の場合、鋳込んだ状態での炭素の主要部分は薄層の形で析出する。この種の材料もまたＧＪＬとして知られている。

薄層状黒鉛鋳鉄材は、非常に優れた熱伝導係数と非常に優れた減衰（Daemphung)を示し、一方では球粒状鋳鉄材は、明らかに低減された切欠き作用（Kerbwirkung)と明らかに高い引張り強さおよび延性といった利点を示す。芋虫状黒鉛鋳鉄材は、別の黒鉛形成よりも高い強度特性を示す。もちろん、様々な黒鉛構成から、１つの鋳鉄材を、単独で、あるいは混合物として用意することが可能である。方法には、当業者には周知の方法が利用できる。芋虫状黒鉛構造（ＧＪＶ）または球粒状黒鉛構造（ＧＪＳ）を含む鋳鉄材への黒鉛転換を、技術の現況から周知のように、例えばＭｇ処理によって達成することができる。改質方法の例として、ＧＦ（Ｇｅｒｏｇ−Ｆｉｓｃｈｅｒ社）コンバータ、サンドウイッチ法、流動法（Durchfluss)、コアードワイヤ射出処理法(Fulldraht-Injektionsbehandlung)がある。

鋳鉄材はさらに、チタン、ニオブ、タンタル、タングステン、ホウ素、テルル、及びビスマス、ならびに、これらの２以上の組合せからなる群から選択された元素を、特に０．１重量％までの量だけ含有することができる。この種の元素はカーバイドを形成しやすく、こうして耐磨耗性を向上させる。さらに、鋳鉄材は、コバルト、アンチモン、カルシウム、ストロンチウム、アルミニウム、ランタン、セリウム、希土類元素、及び、これらの２以上の組合せからなる群から選択された添加材料を、好ましくは０．１重量％までの量だけ含むことができる。これらの元素および添加材料は製造条件により混入する汚染物であるか、または本発明による鋳鉄材の製造中に溶湯に加えられたものであることができる。

さらに、鋳鉄材は、鉛、亜鉛、窒素、およびさらに明記できない含有成分を０．１重量％まで含有することができる。上記の、原料、成分、明記できない含有成分、元素、添加材料の割合は、当業者には周知の様々な方法によって調整することができる。化学組成は特に鋳物モジュール（Gussstueckmodul（鋳造品）)に応じて調整される。

さらに、本発明による鋳鉄材は特にピストンリングの製造に適している。耐磨耗性を向上するために、ピストンリングを同様に、その摺動面および／または側面において部分的または全面的に誘電焼入れ（inductiv hearten)、ニトロ化、または被覆を行うことができる。ニッケル、銅、スズ、およびクロムの含有量は、材料の耐食性に好影響を与える。これは特に２サイクルエンジンの場合に重要である。そのわけは、ピストンリングがここでは侵害性媒体にさらされ、したがって本発明による鋳鉄材はピストンリングのための基本構造として最も適しているからである。

本発明による鋳鉄材の製造方法では、まず溶湯（Schmelze)が製造される。この溶湯は、重量％として次の組成を示すことが好ましい。すなわち炭素：３．０〜４．２、ケイ素：１．０〜３．５、マンガン：最高で１．０、リン：最高で０．４％、イオウ：最高で０．１、クロム：最高で５．０、銅：最高で３．０、マグネシウム：最高で０．０８、スズ：最高で０．３、バナジウム：最高で１．０、モリブデン：最高で３．０、ニッケル：１．０〜６．０、残りとして鉄および製造条件による汚染物を含む。続いて、溶湯を凝固させて未加工鋳造品を製造する。

次いで、未加工鋳造品を、技術の現況では周知の方法によってさらにピストンリングに加工することができる。

鋳鉄材製造方法は、さらなる熱処理には進まない。より大きな寸法（Ｍｏ１．５ｃｍ）では追加の熱処理を必要としない。より小さな寸法では追加の焼き戻しは必要となる可能性があるが、焼き入れはもう必要ではない。この場合、焼き戻しは場合によって＜７００℃の温度で行われる。

図１は、２％ナイタル(Nital)でエッチングされた本発明による鋳鉄材の鋳造構造を示す５００倍の拡大図である。

下記の実施例は本発明を説明するものであるが、本発明はこれに限定するものではない。

鋳物モジュールＭ：１．５ｃｍ
化学組成
基本組織は、約６０％のセメントに富み、セメンタイトを含まない針状フェライト、約２０％のパーライト、約１０％のマルテンサイト、＜３％のオーステナイト、および＜７％のカーバイドからなる。ピストンリングの機械的性質は次の通りである。硬度は３２０ＨＢ２．５、曲げ強さは＞１１００ＭＰａであり、この場合、正確な曲げ強さは材料の高い延性のゆえに調査困難であった。

２％ナイタルでエッチングされた実施例に図示する鋳造材の鋳造構造を、図１に５００倍の拡大図で示す。

２％ナイタルでエッチングされた実施例に図示する鋳造材の鋳造構造の５００倍の拡大図である。

Claims (8)

1. ＞６５％の針状フェライトと、＜５％のオーステナイトと、＜１０％のマルテンサイトと、＜１０％のパーライトと、＜７％のカーバイドとを含むマトリックスを有し、
   重量％として、
   Ｃ：３．０〜４．２
   Ｓｉ：１．０〜３．５
   Ｍｎ：最高で１．０
   Ｐ：最高で０．４
   Ｓ：最高で０．１
   Ｃｒ：最高で５．０
   Ｃｕ：最高で３．０
   Ｍｇ：最高で０．０８
   Ｓｎ：最高で０．３
   Ｍｏ：最高で０．０８
   Ｖ： 最高で１．０
   Ｎｉ：１．０〜６．０
   残り：Ｆｅおよび製造条件による汚染物
   の組成を有する
   ことを特徴とする鋳鉄材。
2. 重量％として、
   Ｃ： ３．０〜４．０
   Ｓｉ：１．０〜３．０
   Ｍｎ：最高で１．０
   Ｐ： 最高で０．３
   Ｓ： 最高で０．０５
   Ｃｒ：最高で０．５
   Ｃｕ：０．５〜３．０
   Ｍｇ：最高で０．０８
   Ｓｎ：最高で０．２５
   Ｖ： 最高で１．０
   Ｍｏ：最高で０．０８
   Ｎｉ：１．０〜４．０
   残り：Ｆｅおよび製造条件による汚染物
   の組成を特徴とする請求項１に記載の鋳鉄材。
3. フェライトがセメンタイトを含まない針状フェライト、またはセメンタイトを含む針状フェライト、あるいは、これらの混合物を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の鋳鉄材。
4. 前記鋳鉄材の中に存在する黒鉛が、粒球状および／または芋虫状、もしくは薄層状であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の鋳鉄材。
5. Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｂ、またはこれらの２以上の組合せからなる群から選択された元素が０．１重量％までの量だけ含まれることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の鋳鉄材。
6. Ｃｏ、Ｓｂ、Ｃａ、Ｓｒ、Ａｌ、Ｌａ、Ｃｅ、希土類元素、またはこれらの２以上の組合せからなる群から選択された添加材料が０．１重量％までの量だけ含まれることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の鋳鉄材。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の鋳鉄材を基体として含むピストンリング。
8. さらに側面および／または摺動面に被覆を有することを特徴とする請求項７に記載のピストンリング。

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