PL193827B1 - Stal na pierścienie tłokowe do silników spalinowych i zastosowanie stali do wytwarzania samosmarnych pierścieni tłokowych do silników spalinowych - Google Patents

Abstract

1. Stal na pier scienie t lokowe do silników spalinowych, zawieraj aca w egiel, krzem, mangan, siark e, chrom, mied z i zelazo, znamienna tym, ze zawiera w stosunku wagowym od 0,3% do 0,8% w egla, od 0,1 do 3,0% krzemu, od 0,1 do 3,0% manganu, od 0,03 do 0,3% siarki, od 0,3 do 6,0% chromu, od 0 do 3,0% miedzi i reszt e zelazo lub zelazo i pierwiastki dodatkowe, i zawiera wrzecionowate wtr acenia siarczkowe, z których ka zde posiada wspó lczynnik kszta ltu, okre slany jako iloraz maksymalnego i mini- malnego wymiaru, nie mniejszy ni z 3, przy czym wtr acenia siarczkowe s a u lo zone w strukturze stali tak, ze k at przeci ecia pomi edzy urojon a lini a prost a przechodz ac a przez najwi ekszy wymiar dowolnego z wtr ace n siarczkowych i inn a urojon a lini a prost a przechodz ac a przez najwi ekszy wymiar innego wtr a- cenia siarczkowego jest nie wi ekszy ni z 30 stopni. PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest stal na pierścienie tłokowe do silników spalinowych i zastosowanie stali do wytwarzania samosmarnych pierścieni tłokowych do silników spalinowych, na przykład do silników samochodu osobowego.

Pierścień tłokowy do zastosowania w silniku spalinowym, zwłaszcza w silniku samochodu osobowego wykonuje się zwykle jako odlew z żeliwa, na którym następnie umieszcza się stalowy pierścień tłokowy, uformowany ze stalowego drutu w kształt pierścienia. Pierścień tłokowy wytwarza się w procesie obejmującym operację przeróbki plastycznej na gorąco, jak na przykład kucie i walcowanie na gorąco bloku o ustalonym składzie do uzyskania półfabrykatu drutu, następnie operację ciągnienia i tym podobne, dla uzyskania stalowego drutu odpowiadającego kształtowi małego przekroju pierś cienia tłokowego, operację hartowania z odpuszczaniem i w końcu operację gięcia, dla utworzenia kształtu pierścienia o określonej krzywiźnie.

Obecnie na jednym tłoku montuje się trzy pierścienie, to znaczy pierścień górny, pierścień środkowy oraz pierścień smarowy od strony komory spalania, a zgodnie z najnowszą tendencją, pierścień górny i pierścień smarowy umieszczone w częściach ekstremalnych warunków wykonuje się ze stali, co polepsza ich działanie. W ostatnich latach wyniki badań dotyczących zastąpienia silnika spalinowego przez silnik elektryczny nabierają godnego uwagi znaczenia, a przy tym zmierza się również w kierunku doskonalenia silnika spalinowego.

W ostatnich latach badacze pracują nad ś rodowiskiem wnę trza silnika i jak podaje miedzy innymi Saito („Badanie zużycia silnika wysokoprężnego w trudnych warunkach roboczych, 1999 Japan Society of Mechanical Engineers, Kyushu Branch) w obecnej sytuacji najbardziej spośród trzech pierścieni zużywa się środkowy pierścień wykonany z żeliwa. Inne powody przejścia na stalowy pierścień wynikają z potrzeb poszukiwawczych, pocienienia konstrukcji pierścienia dla zwiększenia środowiskowych osiągów silnika spalinowego, a także zwiększenia mechanicznej wytrzymałości pierścienia tłokowego. Do ważnych powodów należy także transfer technologii oraz ekspansja w zakresie operacji produkcyjnych pierścienia tłokowego.

Stalowy pierścień tłokowy znacznie przewyższa żeliwny pierścień tłokowy w zakresie właściwości mechanicznych i odporności na ścieranie, lecz jest gorszy pod względem właściwości przeciwciernych, i jest to jednym z powodów, dla których stalowe pierścienie tłokowe nie są stosowane, zwłaszcza jako pierścień środkowy. Dla rozwiązania tego problemu, jak ujawniono w JP-A-10-30726, w stalowym pierścieniu tłokowym na powierzchni stykającej się z tuleją cylindrową wykonuje się obróbkę powierzchniową, na przykład azotowanie i tym podobną. Obróbka ta nie jest jednak wystarczająca z powodu jej kosztu oraz konieczności zapobiegania adhezji Al, występującej na powierzchni zetknięcia z tłokiem.

Miała także miejsce próba rozwiązania tego problemu bez obróbki powierzchniowej, na przykład między innymi JP-B-58-46542 proponuje dodatnie nie mniej niż 10% Cr jako składnika stopowego stalowego pierścienia tłokowego dla zwiększenia ilości węglików Cr, co daje lepsze rozwiązanie pod względem właściwości i kosztu. Zwiększenie ilości węglików może spowodować znaczny wzrost odporności na ścieranie, niewielką poprawę właściwości przeciwciernych, ale występuje obawa pogorszenia skrawalności.

Celem wynalazku jest spełnienie wszystkich trzech wymienionych aspektów nieosiągniętych w dotychczasowych rozwiązaniach, a mianowicie poprawa właściwości przeciwciernych na całej powierzchni pierścienia tłokowego, wytwarzanie pierścienia tłokowego z stali o lepszej skrawalności, i, oprócz poprawy właściwości przeciwciernych, zachowanie wystarczających właściwości mechanicznych, nawet przy niewielkim przekroju kształtu pierścienia tłokowego.

Stal na pierścienie tłokowe do silników spalinowych, zawierająca węgiel, krzem, mangan, siarkę, chrom, miedź i żelazo, charakteryzuje się według wynalazku tym, że zawiera w stosunku wagowym od 0,3% do 0,8% węgla, od 0,1 do 3,0% krzemu, od 0,1 do 3,0% manganu, od 0,03 do 0,3% siarki, od 0,3 do 6,0% chromu, od 0 do 3,0% miedzi i resztę żelazo lub żelazo i pierwiastki dodatkowe, i zawiera wrzecionowate wtrącenia siarczkowe, z których każde posiada współczynnik kształtu, określany jako iloraz maksymalnego i minimalnego wymiaru, nie mniejszy niż 3, przy czym wtrącenia siarczkowe są ułożone w strukturze stali tak, że kąt przecięcia pomiędzy urojoną linią prostą przechodzącą przez największy wymiar dowolnego z wtrąceń siarczkowych i inną urojoną linią prostą przechodzącą przez największy wymiar innego wtrącenia siarczkowego jest nie większy niż 30 stopni.

PL 193 827 B1

Współczynnik kształtu wtrąceń niemetalicznych występujących w strukturze jest mniejszy niż 2.

Jako pierwiastek dodatkowy stal zawiera wapń w ilości nie większej niż 0,01% wagowych lub zawiera chrom w ilości 0,3% do 6,0% wagowych, a zwłaszcza w ilości 0,3% do 1,0% wagowych.

Jako pierwiastek dodatkowy stal może zawierać też przynajmniej jeden z pierwiastków dobranych z grupy obejmującej wanad, niob i tytan, w łącznej ilości nie większej niż 0,5% wagowych.

Korzystnie, jako pierwiastek dodatkowy stal może zawierać glin w ilości nie większej niż 1,5% wagowych.

Rozwiązaniem według wynalazku jest także zastosowanie stali, określonej wcześniej, do wytwarzania samosmarujących się pierścieni tłokowych do silnika spalinowego.

Pierścienie tłokowe wykonane ze stali według wynalazku mają znacznie polepszone właściwości przeciwcierne i skrawalność dzięki dodaniu odpowiedniej ilości S do niskostopowej stali zawierającej 0,3 do 0,8% C jako głównego składnika. Dobre właściwości uzyskuje się także poprzez równoczesne dodanie S i Ca, co osiągnięto w obecnym wynalazku.

Dotychczas siarkę dodawano do oleju silnikowego jako składnik zapobiegający zatarciu w przypadku występowania ekstremalnych nacisków. Siarczki występujące stali, jak na przykład MnS, powodują powstanie warstwy siarczków na nowo powstałej powierzchni, która pojawia się w wyniku ciepła tarcia, co wydatnie poprawia właściwości smarne. Ponieważ substancje smarne występują w stali, dla zwiększenia miejscowego smarowania nie są potrzebne duże ilości dodawanych substancji smarnych. Oprócz tego, odmiennie niż w przypadku dodatków przy dużych obciążeniach, efekt ten nie zanika nawet przy zmianie oleju, i można oczekiwać półtrwałego działania.

Ponadto, zwiększenie w stali ilości węglików na bazie Cr, zwiększenie twardości powierzchni poprzez azotowanie oraz podobne tradycyjne technologie, mają na celu zwiększenia różnicy odporności na ścieranie żeliwnej tulei cylindra w warunkach ściernego zużycia. Daje to również wzrost właściwości przeciwciernych, jednakże poprzez zużywanie się ściany tulei cylindra w warunkach nierównomiernego kontaktu, zwiększa powierzchnię styku, co zapobiega nadmiernemu lokalnemu wzrostowi obciążeń jednostkowych. Wiąże się to ze wzrostem zdolności przystosowania zamontowanego pierścienia tłokowego i wystarczająco przyczynia się do poprawy odporności na ścieranie wymaganej wobec zużycia pogarszającego trwałość, jak na przykład zużycia adhezyjnego.

Nadmierne zwiększenie odporności na ścieranie powoduje, że atakowana jest ściana tulei cylindra, a postęp tego zjawiska zwiększa luzy oraz przedmuch gazów spalinowych. Ponieważ opisany powyżej wpływ zawartości siarki zwiększa właściwości przeciwcierne poprzez obniżenie współczynnika tarcia bez powodowania zużycia stali, zapewnia to utrzymanie małego wyluzowania nawet w trakcie eksploatacji silnika.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zależność pomiędzy zawartością Cr oraz rodzajami i ilością węglików, fig. 2 - mikrostrukturę z pokazaniem kąta przecięcia wtrąceń siarczkowych, na fotografii i schematycznym szkicu, fig. 3 wpływ kąta utworzonego przez kierunek naprężeń i kierunek powstawania pęknięcia, wywieranego przez współczynnik intensywności naprężeń, poglądowo, fig. 4 - sposób badania ścieralności pod bardzo wysokim naciskiem, schematycznie, fig. 5 - sposób badania ścieralności w ruchu posuwistozwrotnym, schematycznie, fig. 6A i 6B - przekrój przykładowego pierścienia tłokowego według wynalazku, schematycznie.

Pierścień tłokowy według wynalazku jest wykonany z niskostopowej stali zawierającej 0,3 do 0,8% C jako głównego jej składnika i ma on właściwości samosmarne spowodowane wtrąceniami siarczku występującymi w stali, w wyniku czego poprawione są właściwości przeciwcierne, przy jednoczesnym zmniejszeniu ścierania się części.

Węgiel (C) jest ważnym pierwiastkiem stopowym, jego część zostaje rozpuszczona w osnowie struktury dając wytrzymałość niskostopowej stali. Inna część węgla tworzy węgliki zwiększające odporność na ścieranie oraz właściwości przeciwcierne. Z tego powodu niezbędna ilość węgla wynosi przynajmniej 0,3%. Jednakże zawartość C powyżej 0,8% utrudnia ciągnienie stalowych drutów oraz gięcie stali do kształtu pierścienia. Ponieważ w przypadku pierścieni tłokowych istotne znaczenie ma zmniejszenie kosztów produkcji poprzez zwiększenie zdolności produkcyjnej, zawartość C powinna wynosić poniżej 0,8%.

Ze względu na dodawanie zwykle Si jako odtleniacza, dolną granicę ustalono na 0,1%. Ponieważ Si wpływa na twardość stali przy odpuszczaniu, wpływ Si będzie istotny szczególnie w przypadku stali niskostopowej. Korzystnie, dla zmniejszenia spadku twardości przy odpuszczaniu oraz zwiększe4

PL 193 827 B1 nia wytrzymałości cieplnej zawartość Si wynosi 1,0% lub powyżej. Jednakże, ze względu na zwiększenie podatności na przeróbkę plastyczną na zimno, górna granica zawartości Si wynosi 3,0%.

Pomimo że Mn jest stosowany jako odtleniacz podobnie do Si i jego potrzebna ilość wynosi minimum 0,1%, to jego nadmierny dodatek powoduje pogorszenie podatności na obróbkę. Dlatego górna wartość graniczna Mn wynosi 3,05.

Cześć Cr łączy się z C tworząc węgliki, co zwiększa odporność na ścieranie i właściwości przeciwcierne. Oprócz tego część chromu rozpuszcza się w osnowie struktury i zwiększa odporność na korozję oraz zmniejsza miękkość po odpuszczaniu. Oprócz tego składnik ten jest potrzebny dla utrzymania wystarczającej hartowności, a dzięki temu uzyskanie wystarczającej twardości po obróbce cieplnej. Dla uzyskania pierwszego celu wynalazku to jest zwiększenia poślizgu bez obróbki powierzchni najważniejsze znaczenie ma kontrolowanie rodzaju wydzielanych węglików.

Na figurze 1 pokazano wykres do oznaczania i projektowania zmian ilości oraz rodzaju wtrąceń w drodze obliczeń termodynamicznych, gdy w stopie kontroluje się Cr (stal manganowa Fe-0,55%, C0,2%, Si-0,2%), do zastosowania w wynalazku (ilości wtrąceń obliczono i przedstawiono jako stopień atm, natomiast całkowitą ilość składników w stopie przyjęto jako 1). Wraz ze wzrostem ilości dodanego w stopie Cr wzrosła ilość najtwardszego węglika M7C3 (twardość Vickersa: 2400 HV), lecz ilość węglika M7C3 osiąga maksimum dla zawartości Cr około 6%. Jak pokazano, zawartość 3,0 do 6,0% Cr jest korzystna dla uzyskania maksymalnej odporności na ścieranie poprzez zmniejszenie ilości Cr. Przy zawartości Cr poniżej tego korzystnego zakresu efekt maleje, lecz z zachowaniem wystarczającej hartowności przy dodaniu przynajmniej 0,3% Cr, wraz ze wzrostem zdolności produkcyjnej.

Przy zwiększeniu ilości Cr w osnowie struktury martenzytycznej następuje uprzywilejowane powstawanie tlenków na powierzchni ciernej przed pojawieniem się siarczku zapewniającego smarowność, w związku z czym pogarszają się właściwości przeciwcierne. Wynika to ze zmiany wydzielonego głównego węglika z M7C3 do M23C6, przez co maleje ilość Cr wiązanego przez węglik, a wzrasta znacznie ilość Cr w osnowie martenzytycznej przy dodaniu powyżej 5% Cr. Ponieważ w tym przypadku twardość wydzielonego głównie węglika będzie mniejsza, nastąpi pogorszenie odporności na ścieranie, jak opisano powyżej. Tak, więc, jako górną granicę zawartości Cr przyjęto 6,0%.

Opisany powyżej efekt powodowany przez węglik będzie słaby w obszarze małej zawartości Cr, jaki podano powyżej, lecz obszar ten jest korzystny gdy istotne znaczenie odgrywa zdolność produkcyjna, a zwłaszcza podatność na przeróbkę plastyczną na zimno. W tym przypadku, dla zachowania wystarczającej twardości korzystne będzie ustalenie zawartości Cr na poziomie przynajmniej 0,3%, przy górnej granicy 1,0%.

Najważniejszym pierwiastkiem w obecnym wynalazku jest S. W pierścieniach tłokowych wykonanych z tradycyjnego drutu stalowego właściwości przeciwcierne nie są wystarczające, jak opisano powyżej, lecz mogą być znacznie poprawione poprzez dodanie odpowiedniej ilości S. Większość S łączy się z Mn tworząc MnS, który poprzez działanie na olej smarowy silnika zwiększa efekt smarowania, co zmniejsza współczynnik tarcia i poprawia właściwości przeciwcierne.

Zatarcie jest zjawiskiem, w którym temperatura powierzchni ciernej wzrasta w wyniku wystąpienia ciepła tarcia, i w którym pojawia się ruch atomów pomiędzy materiałami w wyniku drgań cieplnych, prowadząc do wystąpienia adhezji, a temperatura powierzchni ciernej jest przedstawiona monotoniczną funkcją wzrostu energii tarcia (= współczynnik tarcia x obciążenie jednostkowe x szybkość ślizgowa). Dlatego przy zmniejszeniu współczynnika tarcia nie łatwo następuje wzrost temperatury i poprawiają się wł a ś ciwoś ci przeciwcierne. Dla uzyskania tego efektu potrzebne jest przynajmniej 0,03% S, lecz jej nadmierny dodatek może prowadzić do pogorszenia właściwości mechanicznych, łatwości występowania pęknięć podczas operacji ciągnienia stalowego drutu, z którego wykonuje się stalowy pierścień tłokowy, stąd górna granica została przyjęta jako 0,3%.

Ponadto w obecnym wynalazku stwierdzono również, że w przypadku stalowego pierścienia tłokowego o zawartości siarki dochodzącej aż do 0,3% S korzystne będzie, ze względu na właściwości mechaniczne, zwiększenie stopnia przekucia wykonywanego w procesie wytwarzania pierścienia tłokowego. Mianowicie, przy większym stopniu przekucia następuje poprawa właściwości mechanicznych pierścienia, a wysoki stopień przekucia staje się środkiem powstrzymania pękania i łamania, co występuje przy wyginaniu stalowego drutu na zadanej krzywiźnie.

Stopień przekucia jest w tym przypadku określony zmniejszeniem pola powierzchni od wlewka do pierścienia tłokowego, w procesie wytwarzania pierścienia. Mianowicie, jest to stosunek pole powierzchni przekroju wlewka/pole powierzchni przekroju wyrobu po zginaniu, tzn. iloraz pola przekroju wlewka pionowego względem kierunku kucia i ciągnienia oraz pola przekroju gotowego wyrobu

PL 193 827 B1 w postaci pierścienia tłokowego. Jednakże zmniejszenie pola powierzchni podczas przeróbki plastycznej stalowego drutu na pierścień tłokowy poprzez zginanie może być tu pominięte w odniesieniu do obecnego wynalazku, zaś stosunek pole przekroju wlewka przed kuciem/pola przekroju stalowego drutu po zginaniu (po ciągnieniu) może być określone przez stopień przekucia. Wyższy stopień przekucia wskazuje, że przekucie wykonuje się w większym zakresie.

W odlanej stali (struktura początkowa) zawierającej siarczek na przykład MnS, wiele kulistych lub wrzecionowatych siarczków występuje w miejscach gdzie granice ziaren zakrzepniętej struktury komórkowej są potrójnie złączone, a ich orientacja jest przypadkowa. Orientacja siarczków pojawia się wraz ze wzrostem stopnia przekucia, i następuje poprawa właściwości mechanicznych. Ze wzrostem stopnia przekucia siarczki są coraz bardziej zorientowane w stalowym drucie w kierunku jego długości, to znaczy siarczki są ułożone wzdłużnie w kierunku naprężenia obwodowego, głównie oddziaływującego na pierścień tłokowy, zaś właściwości mechaniczne ulegają wyraźnemu pogorszeniu. Wpływ ten jest szczególnie wyraźny dla wydłużonych siarczków, to znaczy kiedy każdy z siarczków wykazuje współczynnik kształtu (maksymalny wymiar/minimalny wymiar) 3 lub powyżej. Dlatego w przypadku, gdy orientacja siarczków o współczynniku kształtu 3 lub powyżej nie wzrasta w kierunku obwodowym, występuje pogorszenie właściwości mechanicznych, jak opisano w dalszej części.

Mianowicie, gdy wtrącenia siarczkowe o współczynniku kształtu 3 lub powyżej występują w strukturze równoległej do zewnętrznej powierzchni obwodowej pierścienia tłokowego i mają taki rozkład, że kąt przecięcia (kąt ostry) dwóch linii przechodzących przez największe wymiary dwóch wtrąceń siarczkowych nie przekracza 30°, można uzyskać pierścień tłokowy spełniający cel obecnego wynalazku. Stopień przekucia dla wytworzenia takiego rozkładu siarczków wynosi korzystnie na przykład 500 lub powyżej.

Na figurze 2 pokazano szkice mikrostruktury zaobserwowanej na mikroskopie optycznym przy powiększeniu 400 razy dla nietrawionych stali po odlaniu (stopień przekucia 1) i w stopniu przekucia 500, zaś schematyczne rysunki pokazują pomiar kątów przecięcia dla wtrąceń siarczkowych. Po arbitralnym wybraniu dwóch wtrąceń siarczkowych o współczynniku kształtu 3 lub większym, wykonuje się pomiar kąta ostrego utworzonego przez linie proste A, B przechodzące przez największe wtrącenia, co powtarza się w kolejnych polach widzenia. Pomiar wykonuje się przynajmniej w dziesięciu polach widzenia i jako kąt przecięcia przyjmuje się maksymalną wartość zmierzonego kąta. Jeśli przecięcie nie występuje w polu widzenia (na przykład stopień przekucia 500 na fig. 2), można poprowadzić linię pomocniczą A', równoległą do linii A. Określenie „wtrącenia siarczkowe oznacza ciągłe wtrącenie siarczkowe w obserwacji na mikroskopie optycznym przy powiększeniu 400 razy, a jako linia pomiarowa służy linia prosta przechodzącą przez największy wymiar.

Na figurze 2 dla stopnia przekucia 1 wtrącenia siarczkowe tworzą kąt przecięcia większy od 30°, natomiast dla stopnia przekucia 500 kąt przecięcia jest mniejszy od 30°. Mianowicie, kąt 30° występuje w mechanizmie przełomu. Na fig. 3 przedstawiono analityczne obliczenie dokonane przez G. R. Irwin'a (patrz „Analiza naprężeń i odkształceń w końcowej fazie poprzecznego pęknięcia blachy, Trans. ASME. Ser. E, J. Appl. Mech., Vol. 24, No. 3 (1957), str. 361-364), oraz pokazano zmianę współczynnika intensywności naprężeń w przypadku wystąpienia pewnego kąta pomiędzy kierunkiem naprężeń i kierunkiem powstawania pęknięcia, przy czym podano następujący wzór:

K_I = (1 - cos² β) · σ-Π gdzie KI jest współczynnikiem intensywności naprężeń, który staje się siłą napędową powstania pęknięcia, β jest kątem pomiędzy kierunkiem naprężenia i kierunkiem pęknięcia, σ przedstawia naprężenie, π jest ilorazem obwodu okręgu do jego średnicy, a a jest długością pęknięcia. Pęknięcie łatwo rozwija się, gdy występuje pod kątem prostym do naprężenia (β = 90°), pęknięcie to nie rozwija się, gdy występuje wzdłuż kierunku naprężenia (β = 0°), oraz pęknięcie łatwo rozwija się (tzn. gwałtownie wzrasta współczynnik intensywności naprężeń), gdy kąt ten przekracza 30°. Ponieważ wtrącenie tworzy słabsze wiązanie dynamiczne i może być traktowane jako pęknięcie, uznano za istotne kontrolowanie zmian orientacji w odniesieniu do rozkładu wtrąceń w zakresie 30°. Ponadto uznano za istotne zapewnienie stosownej orientacji rozciągniętych wtrąceń.

Siarka jest reprezentatywnym pierwiastkiem pogorszającym właściwości mechaniczne stali. Jeśli nie są zastosowane środki zapobiegające pogorszeniu wytrzymałości w przypadku stali zawierającej siarkę, trudne jest uzyskanie stalowego pierścienia tłokowego. Przykładowo, stal według opisu patentowego JP-A-7-258792, w której dodatek siarki może dochodzić aż do 1%, stosowana nawet na tuleje cylindrowe, nie daje wystarczającego stopnia przekucia, i przypomina w zasadzie staliwo.

PL 193 827 B1

Obecnie stosunkowo tanie stalowe pierścienie tłokowe uzyskuje się metodami przeróbki plastycznej, na przykład poprzez ciągnienie, walcowanie i gięcie. Gdy przeznaczona do przeróbki na stalowy drut dla pierścieni tłokowych stal zawiera aż 1% S, potrzebna dla przeróbki plastycznej wytrzymałość stali staje się niewystarczająca i następuje pękanie podczas ciągnienia, co uniemożliwia uzyskanie pierścieni tłokowych.

Zgodnie z wynalazkiem, uzyskano pierścień tłokowy jako wyrób o właściwościach ślizgowych, o bardzo dobrym stopniu przekucia i o lepszych właściwościach mechanicznych. Zawartość siarki w pierścieniu tłokowym ograniczono, zatem, do zakresu od 0,03 do 0,3%.

Dla dalszej poprawy opisanego wpływu siarki korzystne jest dodanie Ca i S. Ponieważ Ca występuje w MnS, łatwo dopływa do powierzchni ciernej. Oprócz tego, ponieważ wapń wykazuje intensywne działanie redukujące, zapobiega występowaniu tlenu na powierzchni i ułatwia powstawanie siarczku, co poprawia właściwości smarne. Ponieważ nadmierna ilość Ca pogarsza plastyczność przy przeróbce na gorąco, zawartość Ca korzystnie wynosi 0,01% lub poniżej. Dla uzyskania powyższego efektu zawartość ta korzystnie wynosi 0,0001% lub powyżej, korzystniej 0,0005% lub powyżej i najkorzystniej 0,002% lub powyżej. Ponadto, dodanie łącznie S i Ca zwiększa właściwości przeciwcierne, a takż e skrawalność i ś cieralność.

Ponieważ Cu tworzy skupienia i topi się na granicach ziaren, nadmierna jej zawartość prowadzi do pęknięć stali w procesie przeróbki plastycznej na gorąco półfabrykatu w postaci drutu, przy wytwarzaniu stalowych pierścieni tłokowych. Z tego powodu zakres zawartości Cu wynosi od 0,0 do 3,0%, korzystnie od 0,0 do 2,5% i korzystniej od 0,0 do 0,5%. Podobnie jak wapń, miedź jest pierwiastkiem powstrzymującym występowanie tlenu na nowo powstałej powierzchni stali tworzącej się tuż przed zatarciem, dzięki czemu zwiększa wpływ siarki. Pierwiastek miedź jest znanym dodatkiem stopowym stali odpornej na korozję atmosferyczną, lecz jego działanie przeciwkorozyjne jest odmienne od antykorozyjnego wpływu Cr, tworzącego pasywną powłokę tlenkową. Miedź zmniejsza powinowactwo stali do tlenu, co umożliwia uzyskanie wystarczających właściwości smarnych stali z dodatkiem S. Dla uzyskania tego efektu korzystna będzie zawartość Cu co najmniej 0,1%.

Przyczyną ograniczania współczynnika kształtu niemetalicznych wtrąceń w strukturze do 2,0 lub poniżej, jako korzystnego warunku obecnego wynalazku, jest zapobieganie pękaniu stalowego drutu podczas ciągnienia i podczas formowania zwojów drutu oraz wzrost wydajności produkcyjnej.

W celu utrwalenia azotu rozpuszczonego w stali może być dodany przynajmniej jeden z pierwiastków V, Ti oraz Nb. Z powodu występowania N, w roztworze stałym w stali pojawia się starzenie po zgniocie w około 250°C, co znacznie obniża zdolność produkcyjną w procesie przeróbki plastycznej na zimno podczas wytwarzania stalowego drutu. Poprzez dodanie małej ilości tych pierwiastków oraz utrwalenie azotu jako związku typu MX podczas wyżarzania, można zmniejszyć liczbę przejść wytwórczych oraz liczbę pośrednich wyżarzań, zwiększając wydajność produkcyjną. Jednakże, ze względu na pogorszenie skrawalności, całkowita zawartość tych pierwiastków stopowych leży w zakresie 0,5% lub poniżej. W celu uzyskania dobrego efektu zawartość ta wynosi korzystnie 0,1% lub powyżej.

Pierwiastek Al zwiększa wraz z Cr twardość azotowania. Ponieważ zawartość Cr nie może być zwiększona w tym wynalazku, twardość azotowania utrzymuje się dzięki obecności Al. Jednakże, ponieważ nadmierna ilość Al tworzy powłokę pasywną i hamuje właściwości przeciwcierne, górna granica zawartości Al została ustalona na 1,5%. W celu uzyskania tego efektu zawartość Al korzystnie wynosi co najmniej 0,1%.

W obecnym wynalazku pierścień tłokowy moż e być poddany kombinacji obróbki powierzchniowej, na przykład azotowania, pvd oraz galwanicznego chromowania. W szczególności, pierścień tłokowy silnika spalinowego może być poddany obróbce powierzchniowej poprzez kombinację galwanicznego chromowania, pvd oraz azotowania. Azotowanie zwiększa właściwości przeciwcierne oraz oprawia odporność na ścieranie. Ponadto według wynalazku, dzięki obróbce galwanicznej powodującej brak efektu synergicznego, unika się adhezji Al na nieobrabianej powierzchni w styku z tłokiem. Nawet po wytarciu się powłoki powierzchniowej trwałość silnika będzie przedłużona dzięki oddziaływaniu S, według wynalazku.

Odnośnie właściwości ślizgowych pomiędzy pierścieniem tłokowym i Al występującym jako główny składnik materiału, z którego wykonany jest tłok, co stanowi jeden z problemów zwłaszcza w odniesieniu do tłoka, Al wykazuje bardzo małą odporność na ścieranie w porównaniu ze stalą, w związku z czym tradycyjne sposoby dostosowania zużycia, wykorzystujące różnicę odporności na ścieranie pomiędzy różnymi materiałami, nie mogą tu być zastosowane. Dla kontrolowania reakcji Al

PL 193 827 B1 i Fe istotny będzie dodatek S w zakresie według wynalazku, przy którym występuje aktywna kontrola chemiczna.

Ponadto, w stali na pierścienie tłokowe według wynalazku mogą występować następujące pierwiastki w podanych ilościach: P < 0,1%, Mo < 1,0%, W < 1,0%, Ni < 2%, Mg < 0,1%, B < 0,1% i Zr < 0,1%.

Niniejszy wynalazek zostanie opisany poniżej w przykładach wykonania.

P r z y k ł a d 1

Sztabki próbek o nr 1 do 8, 10 (wymiary przekroju 220 x 220 mm), o składzie według Tabeli 1 wykonano przez przetopienie w piecu indukcyjnym wysokiej częstotliwości w atmosferze. Między innymi, próbki od nr 1 do nr 5 spełniają wymagania składu według wynalazku, natomiast próbka nr 6 jest próbką ze stali Si-Cr, próbka nr 7 - ze stali JIS-SUJ2, nr 8 - z materiału o dużej zawartości siarki, nr 10 - z materiału o dużej zawartości Cu, i są to próbki porównawcze o składzie odbiegającym od zakresu wynalazku. Dodatkowo, próbka nr 9 jest z żeliwa JIS-FC250 przeznaczonego na żeliwny pierścień tłokowy, z odlaniem stopionego metalu do formy.

T a b e l a 1

Nr próbki	Skład chemiczny (% wagowych)
C	Si	Mn	Cr	Al	S	V+Nb+Ti	Ca	Cu	Fe
1	0,31	1,85	2,83	5,95	<0,01	0,29	-	0,0002	-	reszta
2	0,66	0,93	1,21	2,53	0,80	0,13	-	0,0010	-	reszta
3	0,79	0,35	1,98	0,31	1,48	0,06	-	0,0030	2,96	reszta
4	0,51	0,33	1,03	5,03	<0,01	0,12	-	0,0060	-	reszta
5	0,62	0,43	1,01	4,23	<0,01	0,13	0,25	0,0098	-	reszta
6	0,55	1,49	0,71	0,61	<0,01	<0,01	-	0,0003	-	reszta
7	1,00	0,25	0,31	1,48	<0,01	<0,01	-	<0,0001	-	reszta
8	0,55	1,51	0,72	1,01	<0,01	0,35	-	0,0002	-	reszta
9	3,21	1,23	0,46	0,05	<0,01	0,03	-	<0,0001	-	reszta
10	0,55	1,35	0,55	1,15	<0,01	0,28	-	<0,0001	3,44	reszta

Sztabki poddano przeróbce plastycznej na gorąco i na zimno i uzyskano półfabrykat drutu o przekroju 9 mm x 9 mm (stopień przekucia około 598). Próbka nr 10 została odlana, lecz stal uległa zniszczeniu w kolejnej operacji przeróbki plastycznej na gorąco, w związku z czym nie uzyskano próbki. Następnie po wyżarzaniu poddano próbki hartowaniu i odpuszczaniu do twardości około 520 HV. Z kolei w półfabrykacie drutu o uzyskanej twardości, zmierzono, w sposób podany powyżej, kąt przecięcia wtrąceń siarczkowych (współczynnik kształtu >3) w strukturze równoległej do wzdłużnej powierzchni będącej zewnętrzną powierzchnią obwodową pierścienia tłokowego. Próbkę nr 9 wykonano poprzez odlanie ciekłego stopu w formę o przekroju poprzecznym 9 mm x 9 mm.

Za pomocą próbek określono właściwości przeciwcierne (obciążenie zatarcia), dla sprawdzenia zasadniczej charakterystyki pierścienia tłokowego. Próbę przeprowadzono z zastosowaniem przyrządu do badania ścieralności pod bardzo wysokim naciskiem, pokazanego na fig. 4, w warunkach podanych poniżej, a czas gwałtownego wzrostu obciążenia uznano za początek zużycia. Wyniki próby podano w tabeli 2, wraz z kątem przecięcia wtrąceń siarczkowych i twardością próbki.

Kształt powierzchni poślizgowej: kwadrat 5 mm x 5 mm

Prędkość tarcia: 1 m/s

Nacisk powierzchni tarcia: wstępny nacisk 1 MPa, wzrost o 1 MPa co trzy minuty

Olej smarujący: olej silnikowy nr 30

Część współpracująca: JIS-FC250 (żeliwo szare JIS)

PL 193 827 B1

T a b e l a 2

Nr pr.	Kąt przecięcia [°]	Twardość [HV]	Obciążenie zatarcia [MPa]	Uwagi
1	20,3	521	>50	według wynalazku
2	21,6	517	>50	według wynalazku
3	19,8	520	>50	według wynalazku
4	22,4	510	>50	według wynalazku
5	20,4	530	>50	według wynalazku
6	21,2	512	24	pr. porównawcza
7	20,9	522	31	pr. porównawcza
8	22,0	521	>50	pr. porównawcza
9	83,7	198	>50	pr. porównawcza

Następnie określono odporność na ścieranie w próbie zużycia w ruchu posuwisto-zwrotnym. Próba polega na ciernej współpracy oddzielnie wykonanych próbek o średnicy 8 mm i długości 20 mm, z żeliwną częścią (JIS-FC250) o średnicy 20 mm w ruchu postępowo-zwrotnym, oraz pomiarze szerokości zużycia, jak schematycznie pokazano na fig. 5, w warunkach próby podanych poniżej. Wyniki badania przedstawiono w tabeli 3.

Obciążenie dociskowe: 500 N

Odległość poślizgu w jednym cyklu ruchu posuwisto-zwrotnego: 130 mm

Maksymalna prędkość poślizgu: 0,5 m/s

Olej smarujący (podawanie kroplowe): olej silnikowy nr 30

T a b e l a 3

Nr próbki	Szerokość zużycia [mm]	Uwagi
1	0,54	według wynalazku
2	0,65	według wynalazku
3	0,71	według wynalazku
4	0,50	według wynalazku
5	0,51	według wynalazku
6	0,72	pr. porównawcza
7	0,56	pr. porównawcza
8	0,58	pr. porównawcza
9	1,53	pr. porównawcza

Według tabel 2, 3 próbki od 1 do 5 zgodne z wynalazkiem wykazują lepsze właściwości przeciwcierne oraz lepszą odporność na ścieranie. Natomiast próbka nr 9 (żeliwo FC250) wykazuje większą szerokość zużycia oraz niewystarczającą odporność na ścieranie. Próbki nr 6 (stal Si-Cr), nr 7 (JIS-SUJ2) wykazują zadowalającą odporność na ścieranie, lecz niewystarczające właściwości przeciwcierne.

Stan próbki zastosowanej do oceny w pierwszym przykładzie można przyjąć za identyczny ze stanem stali przed jej gięciem do kształtu pierścienia. Przyczyną, dla której nie oceniano bądź nie zmierzono właściwości przeciwciernych oraz odporności na ścieranie pierścienia tłokowego w stanie wygiętym była trudność wykonania próbek o potrzebnym kształcie (rozmiarze), umożliwiającym uzyskanie wyniku pomiaru o takiej dokładności, jak dla okrągłego pierścienia tłokowego o małej powierzchni przekroju. Jednakże, ponieważ kąt przecięcia wtrąceń siarczkowych zaobserwowany w stalowym drucie przed gięciem nie zmienia się zasadniczo po gięciu, i ponieważ współczynnik

PL 193 827 B1 kształtu nie zmienia się podczas gięcia, pierścień tłokowy według wynalazku zostaje wystarczająco oceniony w pierwszym przykładzie.

P r z y k ł a d 2

Po uformowaniu każdej z próbek nr 1 i nr 8, o składzie według tabeli 1, do postaci zwoju o ś rednicy 5,5 mm poprzez walcowanie na gorąco, wytworzono następnie płaski kształt drutu o wymiarach przekroju 1,5 mm x 3,1 mm poprzez ciągnienie i walcowanie na zimno. Próbkę nr 1 wykonano bez problemów, natomiast próbka nr 8 uległa zniszczeniu podczas ciągnienia, w wyniku uszkodzenia w przeróbce plastycznej na zimno. Pomiar udział u powierzchniowego niemetalicznych wtrą ceń wystę pujących w strukturze materiału sztabki przed ciągnieniem, wykonany w drodze analizy obrazu dla kątów prostych względem kierunku ciągnienia i walcowania, dla próbki nr 1 daje wynik 1,95%, dla próbki nr 8 - 2,52%, przy czym zniszczenie jest powodowane dużą zawartością siarki oraz udziałem powierzchniowym niemetalicznych wtrąceń przekraczającym 2,0%.

W stalowym drucie przed gięciem udział powierzchniowy niemetalicznych wtrąceń w strukturze korzystnie wynosi co najwyżej 2,0% powierzchni, co zapobiega pękaniu półfabrykatu drutu podczas gięcia, natomiast udział niemetalicznych wtrąceń dla gotowego pierścienia tłokowego ustala się ostatecznie w drodze oględzin.

P r z y k ł a d 3

Próbki od nr 1 do nr 7 według tabeli 7 uformowano w procesie opisanym w przykładzie 2 do postaci płaskiego drutu o wymiarach przekroju 1,5 mm x 3,1 mm. Przeprowadzono hartowanie po wygrzewaniu w 1000°C przez 30 minut, i następnie drut poddano odpuszczaniu do twardości około 510 HV. Następnie wykonano dziesięciokrotne cięcie tarczą szlifierską wirującą z szybkością 180000s^-1 z posuwem 1 mm/s oraz sprawdzono czę stość wystę powania zadziorów, co przedstawiono w tabeli 4.

T a b e l a 4

Nr próbki	Częstość występowania zadziorów	Uwagi
1	0	Według wynalazku
2	0	Według wynalazku
3	0	Według wynalazku
4	0	Według wynalazku
5	0	Według wynalazku
6	8	Próbka porównawcza
7	10	Próbka porównawcza

Zadziory występowały w próbkach nr 6 i nr 7, natomiast nie występowały w próbkach od nr 1 do nr 5, do których dodano odpowiednią ilość S, z czego wynika wpływ siarki na zmniejszenie ilości zadziorów. Umożliwia to wytwarzanie pierścieni tłokowych w linii automatycznej.

P r z y k ł a d 4

Zastosowano oddzielnie wykonane sztabki o składzie jak dla próbki nr 1 według tabeli 1, a następnie wykonano półfabrykaty drutu o wymiarach 3,0 mm x 1,2 mm poprzez przeróbkę plastyczną na gorąco i na zimno, w której stopień przekucia zmienił się od 1 do 10000 (patrz fig. 6). Następnie wykonano hartowanie i odpuszczanie do uzyskania twardości 400 HV i zmierzono kąty przecięcia wtrąceń siarczkowych (współczynnik kształtu >3) w strukturze równoległej do wzdłużnej powierzchni półfabrykatu drutu, będącej zewnętrzną obwodową powierzchnią pierścienia tłokowego.

Z kolei wykonano próbę trzypunktowego zginania w rozstawie 30 mm na półfabrykacie drutu o uzyskanej twardości. Gięcie stali odbywało się do wystąpienia 10 mm przemieszczenia, symbolem „0 oznaczono brak zniszczenia stali, a symbolem „x - zniszczenie stali. Wykorzystano to do oceny odkształceń plastycznych półfabrykatu drutu po hartowaniu i odpuszczaniu, ukształtowanego do postaci pierścienia o zadanej krzywiźnie poprzez walcowanie z wyginaniem. Wyniki podano w tabeli 5.

PL 193 827 B1

T a b e l a 5

Nr próbki	Stopień przekucia	Kąt przecięcia [°]	Pękanie/ brak pękania	Uwagi
1 - 1	1	86	x	pr. porównawcza
1 - 2	10	43	x	pr. porównawcza
1 - 3	500	28	0	wg wynalazku
1 - 4	2000	11	0	wg wynalazku
1 - 5	10000	5	0	wg wynalazku

Przy niskim stopniu przekucia i gdy kąt przecięcia wtrąceń siarczkowych przekraczał 30°, właściwości mechaniczne uległy pogorszeniu oraz następowało pękanie podczas gięcia półfabrykatu drutu do kształtu pierścienia. Następnie, przy wyginaniu półfabrykatu drutu o lepszej podatności na obróbkę do postaci pierścienia tłokowego, jak pokazano na fig. 6, opisany powyżej kąt przecięcia wtrąceń siarczkowych, zaobserwowany na strukturze równoległej do zewnętrznej obwodowej powierzchni, nie zmienił się zasadniczo w porównaniu do półfabrykatu drutu przed wyginaniem.

Kąt przecięcia linii poprowadzonych przez wtrącenia siarczkowe zaobserwowany w półfabrykacie drutu znajduje odbicie w opisanym powyżej stanie wygiętego pierścienia tłokowego. W przypadku, gdy kąt przecięcia linii tych wtrąceń siarczkowych wynosi 30° lub poniżej, jak w wynalazku, mogą być zachowane wystarczające właściwości mechaniczne, mimo obawy wystąpienia przełomu zmęczeniowego, będącego skutkiem niewystarczających właściwości mechanicznych pierścienia tłokowego o ma łej powierzchni przekroju zamontowanego w silniku. Zgodnie z wynalazkiem, można uzyskać pierścień tłokowy o właściwościach samosmarnych, tym samym lepszy pod względem właściwości przeciwciernych, bez obróbki powierzchniowej, co zmniejsza agresywne oddziaływanie pierścienia na tuleję cylindra i tłok. Ponadto, ponieważ zwiększono także podatność na obróbkę, np. skrawalność w procesie wytwarzania, i ponieważ można zmniejszyć koszt wytwarzania oraz skrócić czas wykonania, taki pierścień tłokowy będzie lepszy zarówno w zakresie swojej charakterystyki, jak i produkcji. Ponieważ można oczekiwać poprawy charakterystyki działania silnika spalinowego i przedłużenia jego trwałości po zamontowaniu takiego pierścienia tłokowego, uzyskuje się godną uwagi korzyść przemysłową.

Claims (9)

1. Stal na pierścienie tłokowe do silników spalinowych, zawierająca węgiel, krzem, mangan, siarkę, chrom, miedź i żelazo, znamienna tym, że zawiera w stosunku wagowym od 0,3% do 0,8% węgla, od 0,1 do 3,0% krzemu, od 0,1 do 3,0% manganu, od 0,03 do 0,3% siarki, od 0,3 do 6,0% chromu, od 0 do 3,0% miedzi i resztę żelazo lub żelazo i pierwiastki dodatkowe, i zawiera wrzecionowate wtrącenia siarczkowe, z których każde posiada współczynnik kształtu, określany jako iloraz maksymalnego i minimalnego wymiaru, nie mniejszy niż 3, przy czym wtrącenia siarczkowe są ułożone w strukturze stali tak, że kąt przecięcia pomiędzy urojoną linią prostą przechodząc ą przez największy wymiar dowolnego z wtrąceń siarczkowych i inną urojoną linią prostą przechodzącą przez największy wymiar innego wtrącenia siarczkowego jest nie większy niż 30 stopni.

2. Stal według zastrz. 1, znamienna tym, że współczynnik kształtu wtrąceń niemetalicznych występujących w strukturze jest mniejszy niż 2.

3. Stal według zastrz. 1, znamienna tym, że jako pierwiastek dodatkowy stal zawiera wapń w iloś ci nie wię kszej niż 0,01% wagowych.

4. Stal według zastrz. 1, znamienna tym, że jako pierwiastek dodatkowy stal zawiera chrom w iloś ci 0,3% do 6,0% wagowych.

5. Stal według zastrz. 1, znamienna tym, że jako pierwiastek dodatkowy stal zawiera chrom w iloś ci 0,3% do 1,0% wagowych.

6. Stal według zastrz. 1 albo 3, znamienna tym, że jako co najmniej jeden pierwiastek dodatkowy stal zawiera przynajmniej jeden z pierwiastków dobranych z grupy obejmującej wanad, niob i tytan, w łącznej iloś ci nie wię kszej niż 0,5% wagowych.

PL 193 827 B1

7. Stal według zastrz. 1 albo 3, znamienna tym, że jako pierwiastek dodatkowy stal zawiera glin w ilości nie większej niż 1,5% wagowych.

8. Stal według zastrz. 6, znamienna tym, że jako pierwiastek dodatkowy stal zawiera glin w ilości nie większej niż 1,5% wagowych.

9. Zastosowanie stali, określonej w zastrzeżeniach 1-8, do wytwarzania samosmarnych pierścieni tłokowych do silnika spalinowego.