钢活塞制造技术

本发明专利技术提供一种在表面温度为400℃以上的高温使用环境下也能够使用的钢活塞。本实施方式的钢活塞(1)的上构件(10)具有如下化学组成：以质量％计为C：0.15～0.30％、Si：0.02～1.00％、Mn：0.20～0.80％、P：0.020％以下、S：0.028％以下、Cr：0.80～1.50％、Mo：0.08～0.40％、V：0.10～0.40％、Al：0.005～0.060％、N：0.0150％以下、O：0.0030％以下、和余量：Fe和杂质，且满足式(1)和式(2)，在上构件的与轴向平行的截面中，Mn硫化物为100.0个/mm

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】钢活塞
本专利技术涉及一种活塞，更具体而言涉及一种用于发动机等的钢活塞。
技术介绍
以柴油机等为代表的发动机包含活塞。活塞被容纳在发动机的气缸中并且在气缸中往复运动。在发动机运行期间的燃烧过程中，活塞暴露于热高温下。以往的活塞大多是通过铸造铝而制成的。但是近年来，需要进一步提高发动机的燃烧效率。铸铝活塞的情况下，使用期间的表面温度为240～330℃左右。最近，针对在更高的燃烧温度区域下使用活塞来提高燃烧效率的研究正在进行。因此，需要一种即使使用期间的活塞上部的表面温度为400℃以上、甚至为500℃以上时也能够耐久使用的活塞。为了满足这些需求，开始提出使用钢材制造的钢活塞。例如在专利文献1中提出了钢活塞。钢活塞与铸铝活塞相比，坯料的熔点高。因此，钢活塞与铸铝活塞相比，可以在更高的燃烧温度区域下使用。专利文献2提出了延长钢活塞寿命的技术。具体而言，专利文献2中针对钢活塞的寿命指出了以下几点。在高温区域下使用钢活塞期间，钢活塞的活塞顶会生成氧化皮。氧化皮剥落会导致在活塞顶上形成麻点。该麻点(氧化皮剥落的区域)扩展，由此导致在钢活塞的活塞顶产生裂纹。在专利文献2中，为了解决该问题，在钢活塞的活塞顶上形成用于抑制氧化皮生成的保护层。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2004-181534号公报专利文献2：日本特开2015-078693号公报在上述专利文献2中，通过在钢活塞上形成保护层来延长钢活塞的寿命。但是，尚未针对用于钢活塞的钢材进行研究。此外，在其它文献中也未提出通过调整钢材本身的特性来得到适合于钢活塞的钢材。
技术实现思路
专利技术要解决的问题本专利技术的目的在于提供一种在表面温度为400℃以上的使用环境下也能够使用的钢活塞。更具体而言，提供一种(1)制造钢活塞时的切削性优异，(2)使用钢活塞时的高温疲劳强度和韧性优异，(3)通过接合来制造钢活塞时焊接热影响部(HAZ)的高温疲劳强度优异的钢活塞。用于解决问题的方案本专利技术的钢活塞具备：上构件，其至少包括顶部的火力岸；以及下构件，其配置在所述上构件的下方，并且固定在所述上构件上，包括裙部和插入活塞销的活塞销孔，所述上构件具有如下化学组成：以质量％计为C：0.15～0.30％、Si：0.02～1.00％、Mn：0.20～0.80％、P：0.020％以下、S：0.028％以下、Cr：0.80～1.50％、Mo：0.08～0.40％、V：0.10～0.40％、Al：0.005～0.060％、N：0.0150％以下、O：0.0030％以下、Cu：0～0.50％、Ni：0～1.00％、Nb：0～0.100％、和余量：Fe和杂质，且满足式(1)和式(2)，在所述上构件的与所述钢活塞的轴向平行的截面中，含有10.0质量％以上的Mn且含有10.0质量％以上的S的Mn硫化物为100.0个/mm2以下，所述Mn硫化物中圆当量直径为3.0μm以上的粗大Mn硫化物为1.0～10.0个/mm2，含有10.0质量％以上的氧的氧化物为15.0个/mm2以下。0.42≤Mo+3V≤1.50(1)V/Mo≥0.50(2)在此，在式(1)和式(2)中的各元素符号处代入对应元素的含量(质量％)。专利技术的效果本专利技术的钢活塞可以用于上构件的表面温度为400℃以上的使用环境。更具体而言，对于本专利技术的钢活塞，(1)制造钢活塞时的切削性优异，(2)使用钢活塞时的高温疲劳强度和韧性优异，(3)通过接合来制造钢活塞时焊接热影响部(HAZ)的高温疲劳强度优异。附图说明图1是示出在使用本实施方式的钢活塞时能够抑制强度下降的图。图2是本实施方式的钢活塞的截面图，是沿包含钢活塞的中心轴的面切割钢活塞时的截面图。图3是用于说明在测定本实施方式的钢活塞中的Mn硫化物和氧化物时的取样位置的示意图。具体实施方式本专利技术人等首次对使用期间的表面温度为400℃以上的钢活塞的上构件所需的机械特性进行了研究。在以往的研究中，例如，如专利文献2所述，对钢活塞的寿命下降的主要原因进行了大致如下说明。为了提高燃烧效率而将钢活塞用于发动机时，能够提高燃烧温度。具体而言，以往的活塞的表面温度为240～330℃左右。然而，采用钢活塞时，与以往相比，可以将活塞的表面温度提高100℃左右。具体而言，使用钢活塞的情况下，活塞的表面温度为400℃以上或500℃以上时也可以耐久使用。采用钢活塞时，在发动机的运转期间，钢活塞的上构件中顶部的一部分表面氧化而生成氧化皮。氧化皮与钢活塞的密合性低。因此，随着钢活塞的上下运动，氧化皮从钢活塞的上构件剥落。在钢活塞的上构件的表面中氧化皮剥落的区域随着钢活塞的使用时间而扩大。然后，在氧化皮剥落的区域中产生裂纹。上述机理决定了钢活塞的寿命。如上所述，在关于钢活塞的以往的研究中认为，活塞寿命下降的主要原因是发动机运转期间在上构件上生成的氧化皮。但是，本专利技术人等认为，钢活塞寿命下降的主要原因不是氧化皮，而是归因于以下机理。如上所述，在使用钢活塞的发动机中，为了提高燃烧效率，燃烧温度是高于以往的温度(500℃以上)。因此，在发动机的工作状态下，钢活塞由于燃烧温度而热膨胀。其结果，在发动机工作状态下的钢活塞中产生压缩应力。另一方面，发动机从工作状态变为停止状态时，发动机被冷却至室温。此时，钢活塞由于冷却而收缩。因此，在发动机停止状态下的钢活塞中产生拉伸应力。如上所述，钢活塞在发动机工作状态下承受压缩应力，在发动机停止状态下承受拉伸应力。这种趋势在钢活塞中的使用期间的表面温度为400～600℃的上构件中尤为明显。发动机重复工作状态和停止状态。当重复发动机工作状态和发动机停止状态时，钢活塞交替地反复经受压缩应力和拉伸应力。因此，本专利技术人等认为，使用期间的表面温度为400～600℃的钢活塞的寿命的主要因素不是以往所认为的由氧化皮引起的裂纹产生。而伴随发动机工作状态和发动机停止状态，在钢活塞的上构件上交替地反复经受压缩应力和拉伸应力，由此在钢活塞的上构件上产生热疲劳引起的裂纹是主要因素。因此，本专利技术人等研究了抑制钢活塞的热疲劳所引起的寿命下降的方法。为了抑制由于热疲劳引起的寿命下降，认为在钢活塞的上构件的表面温度为400～600℃的使用环境(高温使用环境)下提高疲劳强度是有效的。为了提高疲劳强度，提高高温下的上构件的强度是有效的。如果可以提高高温下的强度，则可以抑制由于热疲劳引起的裂纹等的产生。其结果，用于高温使用环境的钢活塞的寿命提高。通常，钢材的强度随着温度上升而降低。因此，如果预先提高构成上构件的钢材在常温下的强度，则虽然强度随着温度上升而降低，但是在表面温度为400～600℃左右的高温区域下也可以维持一定程度的强度。但是，钢本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钢活塞，其具备：/n上构件，其至少包括顶部的火力岸；以及/n下构件，其配置在所述上构件的下方，并且固定在所述上构件上，包括裙部和插入活塞销的活塞销孔，/n所述上构件具有如下化学组成：以质量％计为/nC：0.15～0.30％、/nSi：0.02～1.00％、/nMn：0.20～0.80％、/nP：0.020％以下、/nS：0.028％以下、/nCr：0.80～1.50％、/nMo：0.08～0.40％、/nV：0.10～0.40％、/nAl：0.005～0.060％、/nN：0.0150％以下、/nO：0.0030％以下、/nCu：0～0.50％、/nNi：0～1.00％、/nNb：0～0.100％、和/n余量：Fe和杂质，/n且满足式(1)和式(2)，/n在所述上构件的与所述钢活塞的轴向平行的截面中，/n含有10.0质量％以上的Mn且含有10.0质量％以上的S的Mn硫化物为100.0个/mm

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180531 JP 2018-1047291.一种钢活塞，其具备：
上构件，其至少包括顶部的火力岸；以及
下构件，其配置在所述上构件的下方，并且固定在所述上构件上，包括裙部和插入活塞销的活塞销孔，
所述上构件具有如下化学组成：以质量％计为
C：0.15～0.30％、
Si：0.02～1.00％、
Mn：0.20～0.80％、
P：0.020％以下、
S：0.028％以下、
Cr：0.80～1.50％、
Mo：0.08～0.40％、
V：0.10～0.40％、
Al：0.005～0.060％、
N：0.0150％以下、
O：0.0030％以下、
Cu：0～0.50％、
Ni：0～1.00％、
Nb：0～0.100％、和
余量：Fe和杂质，
且满足式(1)和式(2)，
在所述上构件的与所述钢活塞的轴向平行的截面中，
含有10.0质量％以上的Mn且含有10.0质量％以上的S的Mn硫化物为100.0个/mm2以下，
所述Mn硫化物中圆当量直径为3.0μm以上的粗大Mn硫化物为1.0～10.0个/mm2，
含有10.0质量％以上的氧的氧化物为15.0个/mm2以下，
0.42≤Mo+3V≤1.50(1)
V/Mo≥0.50(2)
在此，在式(1)和式(2)中的各元素符号处代入对应元素的质量％含量。


2.根据权利要求1所述的钢活塞，其中，
所述上构件的所述化学组成含有选自由...

【专利技术属性】
技术研发人员：根石丰，坪田頼昌，大里浩仁，卫藤洋仁，永井航，山田明德，
申请(专利权)人：日本制铁株式会社，五十铃自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP