DE102005013087B3

DE102005013087B3 - Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit gehärteten Kolbenringnuten

Info

Publication number: DE102005013087B3
Application number: DE102005013087A
Authority: DE
Inventors: Anja LÜPFERT; Stefan Knobloch
Original assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2025-03-19
Also published as: KR20070118121A; NO20075319L; CN101287937A; KR101179391B1; CA2601054C; WO2006097265A1; EP1877686A1; US20090013865A1; JP2008533373A; CA2601054A1; EP1877686B1; CN101287937B; US7827902B2; NO338540B1

Abstract

Um einen Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine aus einer nitridbildenden Basislegierung mit einem Kolbenoberteil, der mit mehreren umlaufenden Kolbenringnuten und einem Feuersteg ausgeführt ist und mindestens dessen oberste brennraumnahe Ringnut gegen Verschleiß geschützte, gehärtete Nutflanken aufweist, dahingehend zu optimieren, dass das Kolbenoberteil, insbesondere aber dessen oberste Kolbenringnuten, eine weiterhin verlängerte Betriebslebensdauer aufweist, ist vorgesehen, dass zumindest die Außenflächen des Kolbenoberteil, die die gegen Verschleiß gehärteten Nutflanken und den Feuersteg umfassen, mit einer weiteren Verschleiß- und Korrosionsschutzschicht in Form einer Nitrierschicht versehen sind, wobei die Korrosionsschutzschicht durch Umsetzung der nitridbildenden Basislegierung durch Plasmanitrieren oder Plasmanitrocarburieren in einer Stickstoff- bzw. Stickstoff-Kohlenstoff-Atmosphäre erzeugt ist, so dass die gehärteten Nutflanken zusätzlich mittels einer Nitrierschicht geschützt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine aus einer nitridbildenden Basislegierung mit einem Kolbenoberteil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Das Kolbenoberteil, das das oberste, dem Verbrennungsraum gegenüberliegende Element darstellt und den gesamten Verbrennungsablauf durchläuft, bildet das am meisten gefährdete Teil eines gattungsbildenden Kolbens.
Eine besondere Rolle spielt hier die Abdichtung gegen den von oben auf das Kolbenoberteil einwirkenden Verbrennungsdruck. Dies geschieht durch sog. Kolbenringe, die im seitlichen Teil des Kolbens in Kolbenringnuten sitzen und den Brennraum nach unten gegen das Kurbelgehäuse abdichten. Ein großes Problem in diesem Bereich ist die Lebensdauer der Kolbenringnuten. Diese bestimmt sehr stark die Wartungsintervalle und damit Betriebskosten und Betriebssicherheit des gesamten Kolbens.

Bekanntlich werden zur Verlängerung der Betriebslebensdauer solche Kolbenoberteile und insbesondere deren Kolbenringnuten gehärtet, und zwar entweder induktiv und/oder durch Verchromen. Die induktive Härtung ergibt ein mittleres Verschleißverhalten. Z.B. zeigt bereits die DE 198 33 825 C1 einen oben beschriebenen Kolben, insbesondere für einen Großmotor, bei dem die Kolbenringnuten gegen Verschleiß geschützte Flanken aufweisen.

Das Kolbenoberteil besteht hier aus vergütetem und legiertem Stahl, der im Bereich der oberen und unteren Flanken der Kolbenringnuten so gehärtet ist, dass sich über den tragenden Bereich der Flankenbreite durchgehende Härtungszonen ergeben. Der Härtungsvorgang kann zweckmäßig auf induktivem Wege erfolgen, was die erforderliche Temperaturführung zur Bewerkstelligung der gewünschten Gefügeumsetzung auf einfache Weise ermöglicht.

Diese Maßnahme reicht jedoch ab einer bestimmten Höhe des Zünddrucks nicht mehr aus. Die Flankenbelastung nimmt nämlich mit steigendem Zünddruck überproportional zu. Ungünstig sind in diesem Zusammenhang auch die heute erwünschten niedrigen Schmierraten. Es kommt daher zu einem schnellen Verschleiß der gehärteten Flanken. Dies gilt insbesondere für die erste, dem Brennraum am nächsten liegenden Kolbenringnut, wo erfahrungsgemäß die Belastung am größten ist.

Bekannt ist andererseits auch bereits, dass bei nitrierten oder nitrocarburierten Stählen der Verschleißwiderstand deutlich erhöht ist. So beschreibt die DE 197 52 051 C1 ein Verfahren zur Herstellung von maßgenauen Formteilen mit nitrierter oder nitrocarburierter Oberflächenschicht an Bauteilen mit dem Hinweis, dass das Verschleißverhalten von Randschichten so wesentlich verbessert werden kann.

Allgemein versteht man unter Plasmanitrieren oder Plasmanitrocarburieren ein Härten der Oberflächenschichten von Stählen, wobei Stickstoff- bzw. Kohlenstoffatome eindiffundieren und dabei in einer dünnen Oberflächenschicht mit Eisen zu Nitriden bzw. Carbonitriden reagieren, der Verbindungsschicht. In der sich daran anschließenden Diffusionsschicht wird der Stickstoff erst beim Abkühlen teilweise als Nitrid ausgeschieden und bewirkt dann die Härtesteigerung. Die Härte selbst hängt von der Art der Nitride ab. Je nachdem, wie der Stickstoff mit dem Stahl zur Reaktion gebracht wird, unterscheiden sich Nitrierzeit und -schicht.

Mit anderen Worten, es erfolgt eine Diffusionssättigung der Randschicht eines Werkstoffes mit Stickstoff, um Härte, Verschleißwiderstand, Dauerfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen. Die Randschicht besteht nach dem Nitrieren/Nitrocarburieren aus einer äußeren Nitridschicht bzw. Carbonitridschicht (Verbin dungsschicht) und einer anschließenden Schicht aus Stickstoff angereichterten Mischkristallen und ausgeschiedenen Nitriden (Diffusionsschicht).

Durch Ionisation des Stickstoffs durch Glimmentladung, dem sog. Plasmanitrieren, können die Nitrierzeiten verkürzt werden (Plasmanitrieren bei 450°C bis 550°C).

Beim Nitrocarburieren, bei dem das Behandlungsmittel außer Stickstoff auch Kohlenstoff abgebende Bestandteile enthält, kann in Pulver, Salzbad, Gas oder Plasma eben nitrocarburiert werden (Plasmanitrocarburieren bei 500°C bis 590°C, bevorzugt bei ca. 520°C).

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Kolben mit bereits mittels einer Randschicht gehärteten Ringnutflanken und aus einem vergüteten und nitridbildenden legierten Stahl dahingehend zu optimieren, dass das Kolbenoberteil, insbesondere aber dessen oberste Kolbenringnuten eine weiterhin verlängerte Betriebslebensdauer aufweisen, d.h. dass insbesondere der Ringnutverschleiß am Kolbenoberteil weiter verringert ist.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch einen Kolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Dadurch, dass zumindest die Außenflächen des Kolbenoberteils, die die gegen Verschleiß gehärteten Nutflanken umfassen, mit einer weiteren Verschleiß und Korrosionsschutzschicht in Form einer Nitrierschicht versehen sind; wobei die Verschleiß- und Korrosionsschutzschicht durch Umsetzung der nitridbildenden Basislegierung durch Plasmanitrieren oder Plasmanitrocarburieren in einer Stickstoff- bzw. Stickstoff-Kohlenstoff-Atmosphäre erzeugt ist, so dass die gehärteten Nutflanken zusätzlich mittels einer Nitrierschicht geschützt sind, wird ein deutlich verbesserter Verschleiß- und Korrosionsschutz und natürlich längere Wartungsintervalle/Bauteillebensdauer erreicht. Insbesondere in der am stärksten beanspruchten ersten Ringnut, die dem Verbrennungsraum am nächsten liegt, kann deren Verschleiß hierdurch stark minimiert werden.

Der erfindungsgemäße Kolben ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird im weiteren näher erläutert.

Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Kolbenoberteil und
2 eine Detailansicht aus der 1 hinsichtlich der erfindungsgemäß an den Flanken gehärteten und zusätzlich mit einer Nitrierschicht versehenen drei oberen Ringnuten.
1 zeigt ein Kolbenoberteil (1) eines Kolbens einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer Brennraummulde (2), einem Feuersteg (3) und vier Ringnuten (4a, b, c, d) mit jeweils parallelen Nutflanken Nutflanken (5a, b).
Dieses Kolbenoberteil (1) besteht aus einem vergüteten und nitridbildenden legierten Stahl. Gemäß der 2 sind die drei oberen Ringnuten (4a, b, c) jeweils im Bereich ihrer oberen und unteren Nutflanken (5a, b) so gehärtet, dass sieh jeweils über den tragenden Bereich der Flankenbreite durchgehende Härtungszonen in Form einer Randschicht (6) ergeben. Der Härtevorgang selbst ist hier in bekannter Weise induktiv vorgenommen worden.
Desweiteren ist gemäß der 1 und der 2 vorgesehen, dass zumindest die Außenteile des Kolbenoberteils (1), die die gegen Verschleiß geschützten Ringnuten (4a, b, c) und den Feuersteg (3) umfassen, mit einer weiteren Verschleiß- und Korrosionsschutzschicht (7) in Form einer Nitrierschicht versehen sind, wobei die Verschleiß- und Korrosionsschutzschicht (7) durch Umsetzung der nitridbildenden Basislegierung durch Plasmanitrieren oder Plasmanitrocarburieren in einer Stickstoff- bzw. Stickstoff-Kohlenstoff-Atmosphäre erzeugt ist, so dass die gehärteten Nutflanken (5a, b) zusätzlich mittels der Nitrierschicht geschützt sind.
Dabei ist im Sinne der vorliegenden Erfindung wichtig, dass eben zumindest die mittels der Randschicht (6) gegen Verschleiß geschützten Ringnuten (4a, b, c) mit einer weiteren Nitrierschicht versehen sind, Brennraummulde (2) und/oder Feuersteg (3) müssen nicht nitriert sein.
Insbesondere gemäß der 1 ist nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die komplette Außenfläche des Kolbenoberteils (1) mit der Nitrierschicht versehen, während die Innenfläche des Kolbenoberteils (1) unbeschichtet bleibt.
Die Nitrierschicht bildet bekanntlich einen zweischichtigen Aufbau aus, nämlich zumindest an der Bauteiloberfläche angrenzend eine Diffusionsschicht und eine darauf aufgebaute Verbindungsschicht. Es ist als für die vorliegende Erfindung charakterisierend herauszustellen, dass die Nitrierschicht inklusive der gehärteten Randschicht eine Dicke (Nitrierhärtetiefe) von 0,2 mm bis 1,0 mm an den gehärteten Nutflanken (5a, b), die eine darauf aufgebaute Verbindungsschicht mit einer Dicke von 2 μm bis 15 μm aufweist, hat und eine Oberflächenhärte größer als 550 HV (Vickers) bietet.
Die Härte der Diffusionszone nimmt mit zunehmender Dicke bzw. Entfernung von der Oberfläche ab, da die Wirkung der Nitrierhärtung aufgrund der diese steuernden Diffusionsvorgänge mit der Tiefe abnimmt.
Die erfindungsgemäße Verwendung einer Nitrierschicht für die mit Abgas beaufschlagte Außenoberfläche eines Kolbenoberteils (1) eines Kolbens einer Hubkolbenbrennkraftmaschine führt nicht nur zu einer erhöhten Verschleißfestigkeit im Ringnutenbereich, insbesondere der oberen Ringnuten und ganz besonders der ersten, den Brennraum (2) am nächsten liegenden Ringnut (4a), sondern bewirkt auch einen höheren Widerstand gegen Korrosion.
Es sei abschließend noch erwähnt, dass in bevorzugter Weise die gegen Verschleiß geschützten Nutflanken im ersten Durchgang induktiv gehärtet sind.

Claims

Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine aus einer nitridbildenden Basislegierung mit einem Kolbenoberteil (1), der mehrere umlaufende Ringnuten (4) aufweist, und mind. dessen oberste brennraumnahe Ringnut (4a) mittels einer Randschicht (6) gegen Verschleiß geschützte, gehärtete Nutflanken (5a, b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Außenflächen des Kolbenoberteils (1), die die gegen Verschleiß geschützten Ringnuten (4a, b, c) umfassen, mit einer weiteren Verschleiß- und Korrosionsschutzschicht (7) in Form einer Nitrierschicht versehen sind, wobei die Verschleiß- und Korrosionsschutzschicht (7) durch Umsetzung der nitridbildenden Basislegierung durch Plasmanitrieren oder Plasmanitrocarburieren in einer Stickstoff- bzw. Stickstoff-Kohlenstoff-Atmosphäre erzeugt ist, so dass die gehärteten Nutflanken (5a, b) zusätzlich mittels der Nitrierschicht geschützt sind, wobei die Nitrierschicht inkl. der gehärteten Randschicht (6) eine Dicke (Nitrierhärtetiefe) von 0,2 mm bis 1 mm an den gehärteten Nutflanken (5a, b), die eine darauf aufgebaute Verbindungsschicht mit einer Dicke von 2 μm bis 15 μm aufweist, hat und eine Oberflächenhärte größer als 550 HV (Vickers) bietet.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die komplette Außenfläche des Kolbenoberteils (1) mit der Nitrierschicht versehen ist, während die Innenfläche des Kolbenoberteils (1) unbeschichtet bleibt.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Auftrag der Nitrierschicht die gegen Verschleiß geschützten Nutflanken (5a, b) induktiv gehärtet sind.