DE102020202259A1

DE102020202259A1 - Gleitelement, insbesondere Kolbenring, und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102020202259A1
Application number: DE102020202259.3A
Authority: DE
Inventors: Johannes Esser; Steffen Hoppe; Christiane Bauer
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2020-02-21
Filing date: 2020-02-21
Publication date: 2021-08-26
Also published as: EP4107413A1; CN115135912A; WO2021165462A1; BR112022014965A2; US20230134881A1; JP2023513972A; KR20220144824A

Abstract

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Gleitelement, insbesondere einen Kolbenring, und ein Verfahren zur Herstellung desselben, wobei das Gleitelement ein Grundmaterial aus martensitischem oder austenitischem Edelstahl mit einem Chromgehalt von mindestens 6,0 Massenprozent sowie eine Nitrierschicht mit einer Oberflächenhärte von bis zu 950 HV1 umfasst.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Gleitelement, insbesondere einen Kolbenring, welches sowohl eine insgesamt gute Verschleißbeständigkeit als auch eine verbesserte Dauerfestigkeit aufweist sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben.
Stand der Technik
Bei der Reduzierung der Kohlendioxidemissionen von Verbrennungsmotoren spielt der Kraftstoffverbrauch eine maßgebliche Rolle. Dieser wird unter anderem auch von den Reibungsverlusten der Gleitelemente im Motor, insbesondere im Bereich der Kolben, beeinflusst. Die Gleitelemente, beispielsweise Kolbenringe, weisen dabei Laufflächen auf, an denen sie mit einem Reibpartner in gleitendem Kontakt sind. Dieses tribologische System ist komplex und wird maßgeblich durch die Materialpaarung der Reibpartner bestimmt.
Gleitelemente wie Kolbenringe unterliegen dabei einerseits in zunehmenden Maßen erhöhten Anforderungen an Dauerfestigkeit, unter anderem getrieben durch erhöhte Belastungsbedingungen, beispielsweise durch erhöhte Zylinderspitzendrücke sowie durch reduzierte Kolbenringabmessungen (insbesondere axiale Ringhöhe). Andererseits treten insbesondere bei modernen Motoren auch thermische und mechanische Belastungen an den Gleitelementen wie z.B. Kolbenringen, Kolben oder Zylinderlaufbuchsen in Verbrennungsmotoren auf, die eine hohe Verschleißbeständigkeit über eine lange Lebensdauer nötig machen. Um diese Lebensdauerfähigkeit sicherzustellen, können Gleitelemente wie Kolbenringe mit einer Verschleissschutzschicht, beispielsweise auf der äußeren Flankenfläche eines Kolbenrings, versehen werden.
Zusammenfassend besteht daher ein Bedarf nach Gleitelementen in Verbrennungsmotoren, die über die gesamte Lebensdauer ein möglichst günstiges Reibungsverhalten aufweisen und dennoch sowohl eine deutlich erhöhte Dauerfestigkeit als auch den erforderlichen Verschleißschutz sicherstellen.
Aus dem Stand der Technik sind Kolbenringe bekannt, deren Flanken teilweise oder ganz nitriert sind und deren Laufflächen zumindest partiell eine anderweitige Beschichtung aufweisen.
So offenbart die DE 102 21 800 A1 einen Stahlkolbenring mit einer Lauffläche, einer Innenfläche sowie dazwischen vorgesehenen oberen und unteren Flanken, wobei die Lauffläche zumindest partiell mit einer thermischen Spritzschicht als Laufflächenbeschichtung versehen ist und zumindest auf den Flanken eine durch Plasmanitrieren erzeugte Nitrierschicht vorgesehen ist.
Die US 6 508 473 B1 beschreibt einen Kolbenring mit einer Nitrierschicht auf den oberen und unteren Flanken oder auf den oberen und unteren Flanken und der inneren Umfangsfläche, sowie eine durch Ionenplattieren gebildete Hartschicht auf der äußeren Umfangsfläche.
Aus der DE 10 2005 023 627 A1 geht ein Stahlkolbenring mit einer einseitig gekammerten Lauffläche vor, wobei die Lauffläche mit einer Mikrorisse aufweisenden Verschleissschutzschicht auf Basis von Chromkeramik überzogen ist und zumindest die Flanken mit einer Verschleiß reduzierenden Nitrierschicht versehen sind.
Die DE 10 2005 011 438 B3 offenbart ein Verfahren zur Erzeugung von Verschleissschutzschichten an einem aus Stahl oder Gusseisen bestehenden Kolbenringgrundkörper, wobei zunächst der Laufflächenbereich zumindest partiell mit einer mindestens einlagigen thermischen Spritzschicht auf Basis stickstoffaffiner metallischer Elemente versehen wird und anschließend zumindest die Flanken und die Lauffläche samt darauf aufgebrachter Spritzschicht einem Nitrierprozess unterzogen werden.
Derartige Gleitelemente weisen zwar Schichten mit zufriedenstellender Verschleißbeständigkeit auf, diese zeigen jedoch eine reduzierte Dauerfestigkeit unter den vorstehend genannten Belastungsbedingungen.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleitelement, bevorzugt einen Kolbenring, welches sowohl eine insgesamt gute Verschleißbeständigkeit als auch eine verbesserte Dauerfestigkeit aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben zur Verfügung zu stellen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das im Anspruch 1 beschriebene Gleitelement sowie das Verfahren zur Herstellung des Gleitelementes nach Anspruch 7.
Dabei wird die Verschleißbeständigkeit grundsätzlich durch das Bereitstellen einer Nitrierschicht in einem Grundmaterial aus martensitischem oder austenitischem Edelstahl mit einem Chromgehalt von mindestens 6,0 Massenprozent sichergestellt. Chromgehalte von mindestens 11,0 Massenprozent beziehungsweise mindestens 17,0 Massenprozent erhöhen mit Vorteil die Verschleißbeständigkeit des Gleitelements.
Die Dauerfestigkeit von randschichtbehandelten Bauteilen hängt in starkem Maße von der Sprödigkeit der Randschichtzone des jeweilig betrachteten Bauteiles ab. Das Nitrieren von Gleitelementen ist als derartige Randschichtbehandlung zu betrachten. In diversen Versuchsreihen hat sich gezeigt, dass die gewünschte Reduzierung der Sprödigkeit durch eine Absenkung der Härte der Nitrierschicht erzielt werden kann. Insbesondere kann dies durch eine spezielle Verfahrensführung während des Nitrierens erreicht werden.
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, die Nitrierung von Kolbenringen aus hochchromhaltigen Stählen so auszuführen, dass die Sprödigkeit der Nitrierschicht vermindert wird. Insbesondere wird erfindungsgemäß die Reduzierung der Sprödigkeit durch eine Absenkung der Härte der Nitrierschicht erzielt. Hierbei hat sich gezeigt, dass eine Oberflächenhärte von bis zu 900 HV1, gemessen orthogonal zur Nitrierschicht, zu einer signifikanten Verbesserung der Dauerfestigkeit führt.
Der Aufbau eines Gleitelementes gemäß Anspruch 1, namentlich umfassend ein Grundmaterial aus martensitischem oder austenitischem Edelstahl mit einem Chromgehalt von mindestens 6,0 Massenprozent sowie eine Nitrierschicht mit einer Oberflächenhärte von bis zu 950 HV1 gewährleistet daher den gewünschten Verschleißschutz bei gleichzeitig hoher Dauerfestigkeit.
Die gegenüber konventionellen Nitrierschichten in hochchromhaltigen Stählen signifikant geringere Härte wird dabei überraschenderweise durch eine deutlich höhere Temperatur während des Nitrierens erreicht:

Bei Zuführung einer Mischung von Ammoniak und Ammoniak-Spaltgas unter erhöhten Temperaturen erfolgt die Aufspaltung des Ammoniaks an der metallischen Gleitelementoberfläche bis zur Absorption von atomarem Stickstoff. Dieser absorbierte Stickstoff diffundiert anschließend infolge eines Stickstoffkonzentrationsgefälles in die metallischen Kolbenringoberfläche ein und bildet damit eine Nitrierschicht aus. Die Ausbildung der Nitrierschicht wird dabei durch die Löslichkeit des hochchromhaltigen Kolbenring-Stahlwerkstoffes bestimmt.

Das Verfahrensbedingungen des Nitrierens werden nun erfindungsgemäß so gewählt, dass die Stickstofflöslichkeit des Grundmaterials überschritten wird, so dass sich bereits während des Nitrierens Eisen- und Chromnitridausscheidungen bilden, die im weiteren Verlauf weiter wachsen können. Durch die verstärkt wachsenden Eisen- und Chromnitridausscheidungen werden die metallkundlichen Verspannungen im Eisengitter derart beeinflusst, dass die Erhöhung der Gitterverspannungen begrenzt wird. Diese verminderten Gitterverspannungen stehen in direktem Zusammenhang zur Sprödigkeit und Härte der Nitrierschicht. Die Erfinder haben nun überraschenderweise festgestellt, dass das Nitrieren des Grundmaterials bei einer Temperatur zwischen mindestens 550° und höchstens 700°C die vorstehend genannten Effekte erreicht werden können, ohne dass in der Diffusionszone der Nitrierschicht die unerwünschte sogenannte Braunitphase entsteht. Besonders ausgeprägt treten diese vorteilhaften Effekte bei Temperaturen von mindestens 630°C beziehungsweise höchstens 650°C auf. Die vorstehend genannten oberen Temperaturgrenzen stellen dabei sicher, dass das Risiko einer Braunitbildung vermieden wird.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gleitelementes und des korrespondierenden erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Oberflächenhärten von bevorzugt mindestens 700 HV1 und/oder bis zu 900 HV1 führen zu einer nochmals verbesserten Dauerfestigkeit. Ebenso erhöhen Chromgehalte von mindestens 11,0 Massenprozent Chrom, beziehungsweise mindestens 17,0 Massenprozent Chrom mit Vorteil die Verschleißbeständigkeit.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung weist das Gleitelement zusätzlich eine Verschleissschutzschicht, bevorzugt ausgewählt aus einer PVD-Schicht oder Galvanikschicht, besonders bevorzugt eine DLC-Schicht, als äußerste Schicht auf zumindest einem Teil der Oberfläche des Gleitelements auf. Eine derartige Verschleissschutzschicht erhöht nochmals den Verschleißschutz des Gleitelements. Ferner wird bei Kombination der erfindungsgemäßen Nitrierschicht mit einer Verschleissschutzschicht in synergistischer Art und Weise die Rissgefahr in der Nitrierschicht bei hoher Pressung, hervorgerufen durch sehr hohe dynamische Gasdrücke infolge von Vorentflammungsprozessen oder auch sogenanntem Klopfen im Motor, reduziert.
Mit Vorteil ist das Gleitelement ein Kolbenring und die Verschleissschutzschicht auf der äußeren Umfangsfläche und/oder der Flanke des Kolbenrings aufgebracht. Die genannten Bereiche eines Kolbenrings profitieren in besonders stark von dem durch die Verschleissschutzschicht bereitgestellten Verschleißschutz.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung stellt die Nitrierschicht die äußerste Schicht auf zumindest einem Teil der Oberfläche des Gleitelements dar, bevorzugt auf der äußeren Umfangsfläche und/oder der Flanke eines Kolbenrings. Ein derartiges Gleitelement lässt sich besonders einfach herstellen, weist aber dennoch zufriedenstellende Eigenschaften hinsichtlich Verschleißbeständigkeit und Dauerfestigkeit auf.
Bevorzugt weist die Nitrierschicht eine Nitrierhärtetiefe Nht 700 HV0,1, gemessen nach ISO6621-2, Abschnitt 4.2.15, zwischen 20 und 100 µm auf. Die genannte Nitrierhärtetiefe stellt die angestrebte Verschleißbeständigkeit und Dauerfestigkeit sicher.
Mit Vorteil beträgt die Dicke der Verschleissschutzschicht mindestens 3 µm, bevorzugt mindestens 10 µm. In diesem Wertebereich kann eine besonders hohe Verschleißbeständigkeit der Verschleissschutzschicht erreicht werden.
Bevorzugt besteht die Nitrierschicht ausschließlich aus einer einzonigen Nitrierschicht mit kontinuierlichem Härteabfall von der Außenoberfläche bis in das nitrierschichtfreie Grundmaterial. In anderen Worten weist die Nitrierschicht keine mehrstufige, unstetige Nitrierschichtausbildung auf. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch hervorragende Verschleißbeständigkeit und Dauerfestigkeit aus.
Mit Vorteil weist das Grundmaterial des Gleitelements ein gleichmäßiges, feinkörniges Vergütungsgefüge ohne Karbidanhäufungen bei einer maximalen Karbidkorngröße von 50 µm auf. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise die Dauerfestigkeit des Gleitelements erhöht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Grundmaterial vor dem Nitrieren einer Reinigungsbehandlung unterzogen. Hierdurch können Oberflächenverunreinigungen entfernt werden.
Bevorzugt wird das Grundmaterial vor dem Nitrieren unter Zugabe von Stickstoffgas in einer Gasnitrieranlage auf eine Vorbehandlungstemperatur zwischen 450°C und 550°C erwärmt.
Mit Vorteil wird das Grundmaterial vor dem Nitrieren einer ein- oder mehrstufigen Ätzbehandlung unterzogen, wobei Ammoniak sowie Ätzmittel in fester oder flüssiger Form hinzugegeben werden. Dies führt zur Entfernung der Passivoxidschicht, gebildet durch die Elemente Chrom und Sauerstoff. Des Weiteren erfolgt eine erste Ankeimung von Nitriden an der Kolbenringoberfläche.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Nitrieren unter Zuführung von Ammoniak und optional Stickstoff und/oder Wasserstoff durchgeführt.
Bevorzugt ist während des Erwärmens auf die Nitriertemperatur mindestens eine Haltephase vorgesehen, bei der das Grundmaterial auf einer Temperatur, die unter der Nitriertemperatur liegt, gehalten wird.
Figurenliste
Nachfolgend wird der Grundgedanke der Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Gegenüberstellung der Oberflächenhärten eines konventionell nitrierten Kolbenrings (Var. 1) und eines erfindungsgemäß nitrierten Kolbenrings (Var. 2), gemessen nach HV1 und HV0,5; und
2 eine Gegenüberstellung der kolbenringspezifischen Dauerfestigkeit des konventionell nitrierten Kolbenrings (Var. 1) und des erfindungsgemäß nitrierten Kolbenrings (Var. 2); und
3 eine Gegenüberstellung der metallografischen Querschliffe des konventionell nitrierten Kolbenrings (Var. 1) und des erfindungsgemäß nitrierten Kolbenrings (Var. 2), wobei beide Kolbenringe zusätzlich mit einer PVD-Verschleissschutzschicht versehen wurden.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Der erwartete Zusammenhang zwischen der Oberflächenhärte der Nitrierschicht und der Dauerfestigkeit von entsprechend nitrierten Kolbenringen wird durch die in den 1 und 2 gezeigten Ergebnisse belegt: Einerseits führt das erfindungsgemäße Verfahren zu signifikant verringerten Oberflächenhärten der Nitrierschicht (vergl. 1). Diese verringerte Oberflächenhärte führt wiederum zu einer deutlich erhöhten Dauerfestigkeit, wie durch 2 gezeigt wird. Die kolbenringspezifische Dauerfestigkeit wurde dabei in dem der 2 zugrunde liegenden Messverfahren unter Ermittlung der Mittelspannung und der Spannungsamplitude für dauerfestigkeitstypische Lastwechsel 10⁷ abgeleitet. Das erfindungsgemäß bevorzugte Wachsen der Eisen- und Chromnitridausscheidungen äußert sich ferner in einer verstärkten Anätzbarkeit der Nitrierschicht mit 1%iger alkoholischer Salpetersäurelösung im metallografischen Querschliff, wie in 3 dargestellt.

Das nachfolgende zusätzliche Ausführungsbeispiel verdeutlicht nochmals den Effekt des erfindungsgemäßen Nitrierens auf die Härte: Die Oberflächenhärten gemäß Tabelle 1 wurden an der Nitrierschicht eines Gleitelements, das nach Standardverfahren nitriert wurde, gemessen. Dagegen wurden die Oberflächenhärten gemäß Tabelle 2 an der Nitrierschicht eines Gleitelements gemessen, das gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren nitriert wurde. Wie eindeutig durch den Vergleich der beiden Tabellen ersichtlich wird, führt das erfindungsgemäße Verfahren zu deutlich verringerten Oberflächenhärten. Tabelle 1:

	HV 1	HV 0,5	HV 0,3	HV 0,2	HV0,1	HV 0,05
1	1150	1207	1192	1268	1275	1416
2	1172	1194	1281	1257	1307	1246
3	1159	1188	1167	1235	1359	1339
4	1155	1156	1200	1214	1275	1246
5	1120	1131	1272	1192	1345	1339
∅	1151	1175	1222	1233	1312	1317

Tabelle 2:

	HV 1	HV 0,5	HV 0,3	HV 0,2	HV 0,1	HV 0,05
1	765	885	932	899	971	986
2	789	841	882	994	982	1035
3	760	849	909	934	1039	956
4	799	865	921	1002	950	956
5	784	873	938	979	1016	1035
∅	779	863	916	962	992	994

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10221800 A1 [0006]
US 6508473 B1 [0007]
DE 102005023627 A1 [0008]
DE 102005011438 B3 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO6621-2 [0024]

Claims

Gleitelement, insbesondere Kolbenring, umfassend ein Grundmaterial aus martensitischem oder austenitischem Edelstahl mit einem Chromgehalt von mindestens 6,0 Massenprozent, bevorzugt mindestens 11 Massenprozent, besonders bevorzugt mindestens 17 Massenprozent, sowie eine Nitrierschicht mit einer Oberflächenhärte von bis zu 950 HV1, bevorzugt mindestens 700 HV1 und/oder bis zu 900 HV1.
Gleitelement gemäß Anspruch 1, wobei das Gleitelement zusätzlich eine Verschleissschutzschicht, bevorzugt ausgewählt aus einer PVD-Schicht oder Galvanikschicht, besonders bevorzugt eine DLC-Schicht, als äußerste Schicht auf zumindest einem Teil der Oberfläche des Gleitelements aufweist.
Gleitelement gemäß Anspruch 2, wobei das Gleitelement ein Kolbenring ist und die Verschleissschutzschicht auf der äußeren Umfangsfläche und/oder der Flanke des Kolbenrings aufgebracht ist.
Gleitelement gemäß Anspruch 1, wobei die Nitrierschicht die äußerste Schicht auf zumindest einem Teil der Oberfläche des Gleitelements darstellt, und bevorzugt auf der äußeren Umfangsfläche und/oder der Flanke eines Kolbenrings aufgebracht ist.
Gleitelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nitrierschicht eine Nitrierhärtetiefe Nht 700 HV0,1, gemessen nach IS06621-2, Abschnitt 4.2.15, zwischen 20 und 100 µm aufweist.
Gleitelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verschleissschutzschicht eine Dicke von mindestens 3 µm, bevorzugt mindestens 10 µm aufweist.
Gleitelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nitrierschicht ausschließlich aus einer einzonigen Nitrierschicht mit kontinuierlichem Härteabfall von der Außenoberfläche bis in das nitrierschichtfreie Grundmaterial besteht.
Gleitelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Grundmaterial ein gleichmäßiges, feinkörniges Vergütungsgefüge ohne Karbidanhäufungen bei einer maximalen Karbidkorngröße von 50 µm aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements, umfassend das Bereitstellen eines Grundmaterials aus martensitischem oder austenitischem Edelstahl mit einem Chromgehalt von mindestens 6,0 Massenprozent, bevorzugt mindestens 11 Massenprozent, besonders bevorzugt mindestens 17 Massenprozent, sowie das Nitrieren des Grundmaterials bei einer Temperatur zwischen mindestens 550°C, bevorzugt mindestens 630°C und höchstens 700°C, bevorzugt höchstens 650°C.
Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements gemäß Anspruch 9, wobei das Grundmaterial vor dem Nitrieren einer Reinigungsbehandlung unterzogen wird.
Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei das Grundmaterial vor dem Nitrieren unter Zugabe von Stickstoffgas in einer Gasnitrieranlage auf eine Vorbehandlungstemperatur zwischen 450°C und 550°C erwärmt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Grundmaterial vor dem Nitrieren einer ein- oder mehrstufigen Ätzbehandlung unterzogen wird, wobei Ammoniak sowie Ätzmittel in fester oder flüssiger Form hinzugegeben werden.
Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das Nitrieren unter Zuführung von Ammoniak und optional Stickstoff und/oder Wasserstoff durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei während des Erwärmens auf die Nitriertemperatur mindestens eine Haltephase vorgesehen ist, bei der das Grundmaterial auf einer Temperatur, die unter der Nitriertemperatur liegt, gehalten wird.
Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements gemäß einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei während des Nitrierens die Löslichkeitsgrenze für Stickstoff in dem Grundmaterial überschritten wird.