DE10339711A1

DE10339711A1 - Kolben mit Kolbenring

Info

Publication number: DE10339711A1
Application number: DE10339711A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Saitama Aizawa; Manabu Saitama Kishida; Makoto Saitama Kajiwara
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2003-08-28
Publication date: 2004-03-11
Also published as: US20040040436A1; JP2004092714A; US7024982B2

Abstract

Eine Kombination (1) aus Kolben und Kolbenring (21) besitzt eine Kolbenringnut (12), die bzw. deren Umgebung aus Stahl besteht. Ein aus Eisenguß bestehender Kolbenring ist in die Kolbenringnut eingesetzt, wobei zumindest auf der Außenumfangs-Gleitfläche des Kolbenrings ein harter Überzugfilm (26) gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kombination aus einem Kolben und einem Kolbenring oder eine Kolbenanordnung, die sich für einen Verbrennungsmotor hoher Leistung eignet, insbesondere für einen leistungsstarken Verbrennungsmotor wie zum Beispiel einen Dieselmotor, der bei hoher Temperatur und hohem Verbrennungsdruck arbeitet.

Bei einem herkömmlichen Dieselmotor wurde üblicherweise ein aus Aluminium bestehender Kolben oder ein Aluminiumkolben mit einem verschleißbeständigen Ring (sogenannter "Ringträger") in Verbindung mit einem Kolbenring verwendet, der auf seiner Außenumfangs-Gleitfläche mit einem harten Film versehen war, und der je nach Bedarf einer Nitrierbehandlung unterzogen wurde.

Aus Gründen des Umweltschutzes wuchs in den vergangenen Jahren der Bedarf an leistungsstarken Verbrennungsmotoren. Bei dem Hochleistungsbetrieb solcher Motoren kommt es zu hoher Verbrennungstemperatur und hohem Verbrennungsdruck, so daß der oben angesprochene Kolben auf Aluminiumbasis die Anforderungen an Haltbarkeit, Hitzebeständigkeit und dergleichen nicht mehr erfüllen kann. Folglich wurde versucht, einen Kolben aus Stahl zu entwickeln, der die vorgenannten Funktionen auch unter Hochleistungs-Betriebsbedingungen erfüllt.

Verwendet man allerdings eine Kombination aus einem Stahlkolben mit einem aus Stahl bestehenden Kolbenring, so zeigt sich, daß eine Unterseite des Kolbenrings dazu neigt, an einer unteren Fläche der in dem Kolben ausgebildeten Kolbenringnut haften zu bleiben aufgrund von Reibungswärme. Wenn dieses Phänomen zu befürchten steht, gibt es die Möglichkeit, daß die Laufeigenschaften des Kolbenrings in Bezug auf die Zylinderbuchse deutlich schlechter werden, so daß man die von dem Kolbenring erwarteten Aufgaben nicht erreichen kann.

Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die dem oben geschilderten Stand der Technik anhaftenden Mängel oder Nachteile zu vermeiden. Aufgabe der Erfindung ist die Schaltung einer Kombination aus Kolben und Kolbenring bzw. die Schaffung eines Kolbens mit Kolbenring, der eine lange Lebensdauer hat und in einem leistungsstarken Verbrennungsmotor, beispielsweise einem Hochleistungs-Dieselmotor oder dergleichen, eingesetzt werden kann, der bei hoher Verbrennungstemperatur und bei hohem Verbrennungsdruck arbeitet.

Um diese Aufgabe zu lösen, hatten die Erfinder das oben angesprochene Problem des Haftenbleibens untersucht. Hierbei wurde folgendes herausgefunden: da keine direkten Kontaktfehler oder Berührungsfehler zwischen einer Oberseite des Kolbenrings und einer Oberseite der Kolbenringnut beobachtet wurden, zeigte sich, daß der Kolbenring gegen die Unterseite der Kolbenringnut gedrückt wurde und mit dieser in engen Kontakt trat. Weiterhin befand sich die Unterseite des Kolbenrings, die mit der Unterseite der Kolbenringnut in Berührung stand, in einem sauerstofffreien Zustand in der Mitte der Unterseite des Kolbenrings.

In einem derartigen Berührungszustand kommt es an dem Bereich enger Berührung zu dem Problem des Haftenbleibens, wenn der Berührungsbereich einer Mikrobewegungsreibung ausgesetzt war, verursacht durch eine starke Wärmebelastung und einen Kolbenschlag, was das oben angesprochene Klebenbleiben des Kolbenrings aufgrund der Reibungswärme bestätigt.

Ein erfindungsgemäßer Kolben mit Kolbenring zum Lösen der oben erläuterten Probleme beruht auf den oben angesprochenen Erkenntnissen. Das heißt, die Erfindung schafft eine Kombination aus Kolben und Kolbenring, welche aufweist: einen in einer Zylinderbohrung eine Hubbewegung ausführenden Kolben mit einer Kolbenringnut, wobei zumindest die Kolbenringnut aus Stahl besteht und in die Kolbenringnut ein aus Eisenguß bestehender Kolbenring eingesetzt ist, der auf zumindest einer Außenumfangs-Gleitfläche einen harten Überzugfilm besitzt.

Weil bei dieser Anordnung der aus Eisenguß hergestellte Kolbenring in den Kolben eingesetzt ist, wobei zumindest der Bereich der Kolbenringnut aus Stahl besteht, werden selbst für den Fall, daß der Kontaktbereich zwischen dem Kolbenring und der Kolbenringnut einer starken Wärmebelastung und einer Mikrobewegungsreibung ausgesetzt ist, wobei die Unterseite des Kolbenrings in enger Berührung mit der unteren Fläche der Kolbenringnut steht, Unregelmäßigkeiten (mikro-konvexe und mikro-konkave Bereiche) auf der Unterseite des Kolbenrings gebildet, bedingt durch das Vorhandensein von für den den Kolbenring bildenden Eisenguß typischen Graphit, wobei diese Unregelmäßigkeiten dazu beitragen, Ölsümpfe zu bilden. Gleichzeitig wirkt der Graphit selbst als selbstschmierende Substanz, so daß das Phänomen des Klebenbleibens an dem Kontaktbereich zwischen dem Kolbenring und der Kolbenringnut als der aus Stahl gefertigte Berührungspartner nicht zustande kommt.

Im Ergebnis kann man einen Kolben mit Kolbenring schaffen, der eine hervorragende Haltbarkeit besitzt und außerdem in der Lage ist, bei Hochleistungs-Verbrennungsmotoren wie beispielsweise einem Hochleistungs-Dieselmotor oder dergleichen eingesetzt zu werden, die bei hoher Verbrennungstemperatur und hohem Verbrennungsdruck arbeiten.

Bei der oben angesprochenen Kombination aus Kolben und Kolbenring ist es zu bevorzugen, wenn der Kolbenring aus einem Eisenguß aus folgender Gruppe hergestellt ist: Lamellengraphit-Eisenguß, Sphäroguß (Kugelgraphitguß), Weißguß, Temperguß, Vermikulargraphit-(Kompaktgraphit-)Eisenguß und Legierungsguß.

Außerdem ist es bei der obigen Kombination aus Kolben und Kolbenring zu bevorzugen, wenn der Kolbenring einen Elastizitätsmodul von 130000 bis 170000 MPa hat.

Bei der erfindungsgemäßen Struktur ist es, weil der Elastizitätsmodul des Kolbenrings in dem oben angegebenen Bereich liegt, für den Kolbenring einfach, der Zylinderbuchse zu folgen, so daß diese Kombination aus Kolben und Kolbenring mit hervorragender Haltbarkeit sich für einen leistungsstarken Verbrennungsmotor eignet.

Bei der obigen Kombination aus Kolben und Kolbenring ist es zu bevorzugen, wenn der harte Überzugfilm ein Ionenplattierungs-Film ist und/oder der Kolbenring einer Nitrierbehandlung unterzogen ist.

Wenn der Kolbenring einer Härtungsbehandlung unterzogen ist, wie sie oben angesprochen wurde, kann man einen Kolben mit Kolbenring erhalten, der sich durch hervorragende Verschleißbeständigkeit und Haltbarkeit selbst unter den Bedingungen auszeichnet, die in einem Hochleistungs-Dieselmotor oder dergleichen bei intensivem Betrieb auftreten.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Querschnittansicht einer Ausführungsform eines Kolbens mit Kolbenring gemäß der Erfindung;
2, welche die 2A bis 2C umfaßt, im Querschnitt einen Kolben mit Kolbenring gemäß der Erfindung;
3 eine schematische Ansicht einer Struktur einer Hub-Reibungstestmaschine;
4 eine schematische Ansicht einer Struktur einer Biege-Dauerfestigkeits-Prüfmaschine;
5 eine Darstellung einer einfachen Struktur einer (Universal-)Abriebtestmaschine vom Amsler-Typ; und
6 eine schematische Ansicht einer Struktur einer Schlagtestmaschine vom NPR-Typ.
Anhand der 1 und 2 werden Ausführungsformen einer Kombination 1 aus Kolben und Kolbenring gemäß der Erfindung erläutert.
Kolben
Als erfindungsgemäßer Kolben 11 besitzt dieser eine Kolbenringnut 12, wobei zumindest die Kolbenringnut aus Stahl besteht. Beispielsweise könnte ein vollständig aus Stahl gefertigter Kolben verwendet werden, oder aber ein Kolben, bei dem zumindest die Kolbenringnut 12 aus Stahl gefertigt ist, während die anderen Bereiche außer der Kolbenringnut 12 aus einem Metall wie zum Beispiel einer Aluminiumlegierung oder dergleichen bestehen.
Was den Werkstoff Stahl angeht, so bestehen keine speziellen Beschränkungen, soweit der Werkstoff üblicherweise für die Herstellung eines Kolben geeignet ist. Beispiele für diesen Werkstoff enthalten: SKD6 (JIS-(Japanischer Industrienorm-)Code für Warmwalzstahl), SUS304 (JIS-Code für austenitischen rostfreien Stahl), SUS630 (JIS-Code für ausscheidungsgehärteten Edelstahl) oder dergleichen, wobei diese Stähle sowohl verschleißfest als auch hart sein müssen.
Kolbenring
Als erfindungsgemäßer Kolbenring 21 wird ein aus Eisenguß bestehender Kolbenring verwendet, wobei die spezielle Art des Eisengusses keiner besonderen Beschränkung unterliegt. Allerdings wird in diesem Zusammenhang die Verwendung eines Kolbenrings bevorzugt, der aus Eisenguß aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Lamellengraphit-Eisenguß, Sphäroguß (Kugelgraphit-Eisenguß), Weißguß, Temperguß, Vermikulargraphit-(Kompaktgraphit-)Eisenguß und Legierungsguß.
Außerdem sei angemerkt, daß der Sphäroguß deshalb besonders bevorzugt wird als Werkstoff für den Kolbenring 21, weil er für eine besonders gute Laufeigenschaft und hohe Festigkeit sorgt, entsprechend seinem Elastizitätsmodul, auf den weiter unten noch eingegangen wird. Als Verfahren (Herstellungsprozeß, Wärmebehandlung oder dergleichen) zum Herstellen des aus Eisenguß bestehenden Eisenrings kommen die üblichen Verfahren in Betracht, die bei derartigen Werkstoffen üblich sind.
Der Kolbenring 21 aus Eisenguß besitzt auf seiner Oberfläche Unregelmäßigkeiten, die zurückzuführen sind auf den Graphit, der für den den Kolbenring 21 bildenden Eisenguß typisch sind. Selbst wenn die Unterseite 23 des Kolbenrings 21 in enge Berührung mit der unteren Oberfläche 13 der Kolbenringnut 12 tritt, wirken diese Unregelmäßigkeiten als Ölsümpfe, in denen Schmieröl gehalten wird, wobei außerdem der Graphit als selbstschmierende Substanz wirkt. Im Ergebnis kommt es auch dann nicht zu dem Problem des Haftenbleibens, wenn eine Mikrobewegungsreibung (das heißt die Reibung, die durch eine feine Bewegung des Kolbenrings innerhalb der Kolbenringnut hervorgerufen wird) auf den Kontaktbereich zwischen dem Kolbenring 21 und der aus Stahl bestehenden Kolbenringnut als Gegenstück zu dem Kolbenring 21 gibt.
Von verschiedenen Möglichkeiten für den Kolbenring 21 wird ein Kolbenring aus Eisenguß mit einem Elastizitätsmodul von 130000 bis 170000 MPa bevorzugt im Hinblick auf eine verbesserte Laufeigenschaft. Noch mehr bevorzugt wird als Werkstoff Sphäroguß (Kugelgraphit-Eisenguß) mit einem Elastizitätsmodul von 150000 bis 170000 MPa.
Der aus Eisenguß hergestellte Kolbenring 21 mit dem oben angegebenen Elastizitätsmodul-Bereich kann hervorragende Laufeigenschaft bezüglich einer Zylinderbuchse 30 während der Hubbewegung des Kolbens 11 in der Zylinderbohrung aufweisen. Außerdem errechnet sich der Elastizitätsmodul des Werkstoffs des Kolbenrings 21 aus Daten eines Kraft-Dehnungs-Diagramms, das man mit Hilfe eines Zugtests für diesen Werkstoff erhält.
Wenn der Elastizitätsmodul größer als 170000 MPa ist, kann es dazu kommen, daß sich die Laufeigenschaft des Kolbenrings 21 in Bezug auf die Zylinderbuchse 30 etwas verschlechtert. Wenn andererseits der Elastizitätsmodul kleiner als 130000 MPa ist, wird der Kolbenring zu weich. In diesem Fall kann es dazu kommen, daß die Laufeigenschaft des Kolbenrings 21 gegenüber der Zylinderbuchse 30 etwas verschlechtert wird.
Nebenbei bemerkt: bei einem Hochlastbetrieb eines Dieselmotors oder dergleichen, bei dem es zu hoher Verbrennungstemperatur und hohem Verbren nungsdruck kommt, entstehen Temperaturdifferenzen entlang den einzelnen Bereichen des Kolbenrings. Insbesondere wird die Temperatur in einem Spaltbereich (das ist der Außenumfangsbereich) des Kolbenrings hoch.
Da bei dem herkömmlichen aus Stahl bestehenden Kolbenring dessen Elastizitätsmodul einen großen Wert von etwa 200000 MPa besitzt, drückt ein Endbereich des Spaltbereichs, der sich aufgrund der Temperaturdifferenz ausdehnt, stark gegen die Zylinderbuchse 30 an der Innenfläche der Zylinderbohrung, was einen abnormalen Verschleiß oder Abrieb zur Folge hat.
Bei dem erfindungsgemäßen Kolbenring 21 hingegen ist der Elastizitätsmodul des Kolbenrings 21 auf einen Wert in dem angegebenen Bereich eingestellt, und deshalb kann der Kolbenring 21 mühelos der Form des Innenumfangsbereichs der Zylinderbuchse 30 folgen. Der ausgedehnte Lücken- oder Spaltbereich des Kolbenrings 21 drückt also nicht stark gegen die Innenumfangsfläche der Zylinderbuchse 30, so daß ein abnormaler Verschleiß wirksam vermieden wird.
Es ist bevorzugt, wenn ein harter Überzugfilm auf zumindest der Außenumfangs-Gleitfläche 25 des Kolbenrings 21 vorgesehen ist, wobei dieser harte Überzugfilm durch einen Ionenplattierungs-Film 26 gebildet wird. Als Ionenplattierungs-Film 26 kommen ein Cr-N-Film, ein Cr-B-N-Film oder dergleichen vorzugsweise in Betracht. Der Kolbenring 21 mit einem solchen Ionenplattierungs-Film 26 auf der Außenumfangs-Gleitfläche 25 besitzt eine hervorragende Verschleißbeständigkeit selbst unter Hochlastbedingungen, wie sie bei einem Dieselmotor oder dergleichen anzutreffen sind.
In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß die Härte des Ionenplattierungs-Films 26 vorzugsweise im Bereich von 1000 bis 2000 Hv (Vickers-Härte) liegt.
Die Dicke des Ionenplattierungs-Films 26 liegt vorzugsweise in einem Bereich von 10 bis 70 μm.
Wie in den 2A bis 2C gezeigt ist, wird bevorzugt, wenn eine nitrierte Schicht 27 an dem Kolbenring 21 zusammen mit dem Ionenplattierungs-Film 26 ausgebildet ist, falls dies zweckmäßig ist. Die nitrierte Schicht 27 kann in beliebiger Weise an dem Kolbenring 21 ausgebildet sein, so kann sie beispielsweise den gesamten Außenumfang des Kolbenrings 21 bedecken, wie in 2A dargestellt ist, oder die nitrierte Schicht 27 kann nur auf der oberen und der unteren Fläche und der Innenumfangsfläche des Kolbenrings 21 ausgebildet sein, wie dies in den 2B und 2C gezeigt ist.
Beispiele für ein Verfahren zum Herstellen der nitrierten Schicht 27 an lediglich der oberen und der unteren Fläche und der Innenumfangsfläche des Kolbenrings 21 können beinhalten: (i) ein Verfahren mit folgenden Schritten: Durchführen einer Nitrierbehandlung bei einem Kolbenring-Basismetall 22 aus Eisenguß; Entfernen der nitrierten Schicht 27 von der Außenumfangs-Gleitfläche 25 und Ausbilden des Ionenplattierungs-Films 26 auf der Außenumfangs-Gleitfläche 25 (vergleiche 2B); und (ii) ein Verfahren mit folgenden Schritten: Ausbilden des Ionenplattierungs-Films 26 auf der Außenumfangs-Gleitfläche 25 eines Kolbenring-Grundmetalls 22 aus Eisenguß und Ausführen einer Nitrierbehandlung an dem Kolbenring-Grundmetall 22 aus Eisenguß, um eine nitrierte Schicht nur auf der oberen und der unteren Fläche und der Innenumfangsfläche des Kolbenrings 21 zu bilden (siehe 2C).
Die nitrierte Schicht 27 kann nach einem Gasnitrierverfahren, einem Ionennitrierverfahren, einem Salzbad-Nitro-Einsatzhärtverfahren, einem Plasmanitrierverfahren oder dergleichen ausgebildet werden, wie sie konventionell zur Verfügung stehen. Außerdem wird die Dicke der Nitrierschicht 27 vorzugsweise auf einen Wert im Bereich von 5 bis 10 μm eingestellt.
Anstelle des Ionenplattierungsfilms 26 kann auch ein gehärteter Carbonfilm oder ein Cr-Plattierungsfilm auf der Außenumfangs-Gleitfläche 25 des Kolbenrings 21 angebracht werden. Allerdings ist der Ionenplattierungs-Film 26 deshalb besonders bevorzugt, weil mit ihm eine hervorragende Produktivität und Gleiteigenschaft des Kolbenrings 21 erreicht werden.
Der in der oben beschriebenen Weise hergestellte Kolbenring 21 kann als oberer Ring, als zweiter Ring, als Ölabstreifring für eine Kolbenanordnung verwendet werden, oder kann für sämtliche dieser Ringe eingesetzt werden. Insbesondere eignet sich der Kolbenring 21 als oberer Ring der Kolbenanordnung.
Kombination aus Kolben und Kolbenring
Wie oben erläutert wurde, enthält die erfindungsgemäße Kombination 1 aus Kolben und Kolbenring einen Kolben 11 mit einer Kolbenringnut 12, wobei zumindest der Bereich der Kolbenringnut des Kolbens aus Stahl besteht und der Kolben 11 in einer Zylinderbohrung eine Hubbewegung ausführt, und in die Kolbenringnut 12 ein Kolbenring 21 eingesetzt ist, bei dem zumindest auf der Außenumfangs-Gleitfläche ein harter Überzugfilm gebildet ist.
Bei einer solchen kombinierten Struktur oder Anordnung werden selbst bei großer Wärmebelastung und einer Mikrobewegungsreibung in einem Zustand, in welchem die untere Fläche 23 des Kolbenrings 21 in enger Berührung mit der unteren Fläche 13 der Kolbenringnut 12 steht, Unregelmäßigkeiten auf der Unterseite 23 des Kolbenrings 21 gebildet, bedingt durch den Einfluß von Graphit, der für den den Kolbenring 21 bildenden Eisenguß typisch ist. Die Unregelmäßigkeiten tragen bei zur Bildung von Ölsümpfen, in denen ein Schmieröl gehalten wird. Gleichzeitig wirkt der Graphit selbst als selbstschmierende Substanz, so daß insgesamt unerwartete Ergebnisse erreicht werden, insbesondere in der Weise, daß das Phänomen des Haftenbleibens zwischen dem Kolbenring 21 und der aus Stahl bestehenden Kolbenringnut 12 nicht auftritt.
Obschon die erfindungsgemäße kombinierte Struktur in wirksamer Weise das Phänomen des Klebenbleibens an der Berührungsstelle zwischen Kolben und Kolbenring wirksam unterdrückt, läßt sich die technische Idee sowie das Konzept der vorliegenden Erfindung auch anwenden bei einem Gleitelement, das einem ähnlichen Phänomen des Kleben- oder Haftenbleibens unterliegt.
Ausführungsbeispiele
Im folgenden wird die Erfindung in größerer Einzelheit unter Bezugnahme auf die im folgenden beschriebenen Beispiele und Vergleichsbeispiele beschrieben. In der folgenden Beschreibung bedeutet das Kürzel "%" "Masse-%", wenn nichts anderes angegeben ist.
Beispiele 1 bis 8
Ein aus SKD6 (JIS-Code) gefertigter Kolben 11 wurde mit einem Kolbenring 21 kombiniert, der aus Lamellengraphit-Eisenguß folgende Zusammensetzung bestand: (C: 2,9%; Si: 1,3%; Mn: 0,8%; P: 0,2%; S: 0,05%; Ni: 0,5%; Cr: 0,17%; Mo: 0,5%; Rest: Eisen), oder einem Kolbenring 21 aus Sphäroguß mit folgender Zusammensetzung: (C: 2,5%; Si: 1,8%; Mn: 0,7%; P: 02,%; S: 0,05%; Cr: 0,3%; Mo: 0,5%; Rest: Eisen), wie in Tabelle 1 gezeigt ist, um dadurch verschiedene Kolbenanordnungen (Kombinationen aus Kolben und Kolbenring) als Beispiele 1 bis 8 herzustellen.
Dann wurden für jede dieser Kombinationen verschiedene Tests vorgenommen. Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, wurde auf der Außenumfangs-Gleitfläche des Kolbenrings 21 nach den Beispielen 1 bis 8 ein Ionenplattierungs-Film 26 gebildet. Außerdem wurde durch eine Nitrierbehandlung gemäß dem jeweiligen Fall nach Tabelle 1 eine nitrierte Schicht 27 gebildet.
Genauer gesagt: der Ionenplattierungs-Film 26 wurde auf der Außenumfangs-Gleitfläche 25 des Kolbenrings 21 mit Hilfe einer Ionenübervorrichtung derart gebildet, daß die Dicke des Films 26 3 μm betrug. Der Film 26 wurde gebildet als Cr-N-Überzug mit einem integrierten Intensitätsverhältnis (Cr: 5,7%; Cr₂N: 7,9%; CrN: 86,4%), oder als Cr-B-N-Überzug mit einem anderen integrierten Intensitätsverhältnis (Cr: 78,5%; B: 1,2%; N: 20,3%). Die nitrierte Schicht wurde hergestellt durch eine Salzbad-Nitro-Einsatzhärtbehandlung bei einer Temperatur von 580°C während 30 Minuten, derzufolge die Dicke der nitrierten Schicht 27 einen Wert von 10 μm hatte.
Die jeweiligen Kolben 11 wurden mit den Kolbenringen 21 bestückt, um Testproben für die Beispiele 1 bis 8 herzustellen. Für jede Testprobe wurde ein Hubreibungstest durchgeführt, um das Ankleben (Haftenbleiben) für den Berührungsbereich auszuwerten. Außerdem wurde für jeden der Kolbenringe 21 der Testproben ein Biege-Dauerfestigkeitstest durchgeführt, um die Dauerfestigkeit zu ermitteln, weiterhin ein Abriebtest (Verschleißtest, zum Ermitteln der Verschleißbeständigkeit, und ein Schlagtest zum Auswerten der Nahberührungseigenschaft des harten Überzugfilms.
Vergleichsbeispiele 1 bis 4
Die gleichen Prozeduren wie bei den Beispielen 1 bis 4 wurden wiederholt, nur daß jetzt ein Kolben 11 aus SKD6 (JIS-Code) und ein Kolbenring 21 aus SUS304 (JIS-Code, 17% Cr-Edelstahl), miteinander vereint wurden, um Testproben für Vergleichsbeispiele 1 bis 4 nach Tabelle 1 zu erhalten. Mit den so vorbereiteten Testproben wurden verschiedene Auswertungstests in der gleichen Weise wie bei den obigen Beispielen durchgeführt.
Hubreibungstest
Der Hubreibungstest zum Ermitteln der Haftneigung wurde durchgeführt durch Verwendung einer Hubreibungstestmaschine 31,wie sie in 3 gezeigt ist. Bei dieser Hubreibungstestmaschine 31 war von einem Feststellblock 33 eine Testprobe 32 entsprechend dem Kolbenringelement in Blockform mit einer Größe von 7 mm × 8 mm × 5 mm gelagert. Eine nach unten gerichtete Kraft wurde von oben her mit Hilfe eines Hydraulikzylinders 34 auf die Testprobe 32 aufgebracht, um sie gegen eine Testprobe 35 zu drücken, die dem Kolbenelement entsprach und eine Plattenform mit Abmessungen von 20 mm × 15 mm × 3 mm besaß.
Die Testprobe 35 war dabei von einem beweglichen Block 38 abgestützt, der in einer horizontalen Ebene mit Hilfe eines Kurbelmechanismus 37 hin- und herbewegt wurde. Als Testproben 32 entsprechend dem Kolbenring wurden die Kolbenringe der Beispiele 1 bis 8 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 verwendet. Andererseits wurden als Testproben 35, die den Kolben entsprachen, die Kolben aus SKD6 verwendet.
Der Hubbewegungs-Reibungstest erfolgte ohne Einsatz irgendeines Schmiermittels oder dergleichen unter folgenden Testbedingungen: Gleitgeschwindigkeit 0,5 Hz, Prüflast 10 kP, Testzeit 30 Minuten.
Das Auftreten von durch Haftenbleiben bedingtem Ankleben (burn-out) des Kontaktbereichs wurde bestätigt als Änderung der Reibungskraft aufgrund eines abnormalen Anstiegs des Reibungskoeffizienten an dem Kontaktbereich, wobei diese Änderung von einer Lastzelle 16 erfaßt wurde. Das Auftreten von Haftung wurde außerdem bestätigt durch Betrachtung einer Metallstruktur des Berührungspunkts mit Hilfe eines Vergrößerungsglases.
Wie aus den Ergebnissen der Tabelle 1 hervorgeht, wurde das Auftreten von Haftung (Ankleben) bei den Kombinationen nach den Beispielen 1 bis 8 nicht beobachtet. Im Gegensatz wurde bei den Kombinationen nach den Vergleichsbeispielen 1 bis 4 ein abnormaler Anstieg des Reibungskoeffizienten im Kontaktbereich beobachtet und von der Lastzelle nachgewiesen, und es kam zu einem Haftenbleiben (Ankleben).
Biege-Dauerfestigkeitstest
Der Biege-Dauerfestigkeitstest zum Auswerten der Festigkeit des Kolbenrings erfolgte unter Einsatz einer Kolbenringleistungs-Auswertemaschine als Biege-Dauerfestigkeits-Testmaschine, wie sie in der japanischen Patentanmeldung (offengelegt) Nr. 2001–208650 beschrieben ist. Diese Maschine ist in 4 dargestellt.
In der Biege-Dauerfestigkeits-Prüfmaschine wurde ein Dehnungsmeßgerät an der äußersten Umfangsfläche eines 180-Grad-Abschnitts (eine der Seite des Spaltenbereichs gegenüberliegende Seite) des Kolbenrings als Testprobe 42 angebracht. Es wurde eine wiederholte Last mit einem Betrag entsprechend einer Sinuswellenform einer Frequenz von 30 Hz auf die Testprobe (den Kolbenring) von oben her über eine in 4 gezeigte Lehre 41 aufgebracht. Man beachte, daß die wiederholte Belastung durch eine hydraulisch gesteuerte Dauerfestigkeits-Prüfmaschine erzeugt wurde, dich hier nicht dargestellt ist. Als Testproben wurden die Kolbenringe der Beispiele 1 bis 8 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 nach Tabelle 1 verwendet.
Die Testergebnisse wurden ausgewertet mit Hilfe eines Biege-Dauerfestigkeitsindex. Dieser Biege-Dauerfestigkeitsindex wurde für jede Testprobe (jeden Kolbenring) ausgedrückt als ein relatives Verhältnis (%) einer tatsächlichen Biege-Dauerfestigkeit einer Testprobe in Bezug auf den entsprechenden Wert des Vergleichsbeispiels 1, der den normierten Index 100 erhielt.
Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, bewegte sich in sämtlichen Fällen der Testproben der Beispiele 1 bis 8 und der Vergleichsbeispiele 2 bis 4 der Biege-Dauerfestigkeitsindex in einem Bereich von 99 bis 101. Deshalb wurde für jeden der Kolbenringe bestätigt, daß er eine ausreichende Biegefestigkeit besaß.
Abriebtest
Der Abrieb- oder Abrasionstest zum Auswerten der Verschleißbeständigkeit (Abriebfestigkeit) des Kolbenrings wurde mit Hilfe einer Abriebtestmaschine 51 zum Amsler-Typ (Universaltyp) 51 nach 5 durchgeführt. In dieser Abriebtestmaschine 51 wurde eine Testprobe 52 mit einer Größe von 18 mm × 12 mm × 6 mm entsprechend dem Kolbenring als fixiertes Element verwendet. Andererseits wurde ein donutförmiges Element mit einem Außendurchmesser von 40 mm, einem Innendurchmesser von 16 mm und einer Dicke von 10 mm als Objektelement (Drehteil) 53 entsprechend der Zylinderbuchse verwendet. Nachdem die Testprobe 52 in Berührung mit dem Objekt 53 getreten und auf die Testprobe 52 eine Last P aufgebracht war, wurde der Abriebtest durchgeführt. Außerdem wurde ein unterer Bereich des Objekts 52 in ein Schmieröl 54 eingetaucht.
Als Testprobe 52 entsprechend dem Kolbenring dienten die Testproben der Beispiele 1 bis 8 und die der Vergleichsbeispiele 1 bis 4. Der Abriebtest an den jeweiligen Testproben 52 erfolgte unter folgenden Bedingungen: es wurde als Schmieröl ein Lageröl verwendet, dessen Temperatur wurde auf 80°C eingestellt, eine Umfangsgeschwindigkeit des Objekts 52 wurde auf 1 m/s eingestellt (Drehzahl: 478 UpM), die Last wurde auf 150 kP eingestellt, der Abriebtest wurde 7 Stunden lang durchgeführt, und das zugeordnete Element 53 bestand aus Bor-Eisenguß. Außerdem sei angemerkt, daß ein Abriebverlust (Verschleißmaß) derart gemessen wurde, daß eine Abriebstärke (μm) der Gleitoberfläche gemessen wurde anhand eines durch einen Rauhigkeitsmesser erhaltenen Unregelmäßigkeitsprofils.
Als Testprobe für den Kolbenring dienten die Kolbenringe der Beispiele 1 bis 8 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 nach Tabelle 1. Außerdem wurde die Vickers-Härte des harten Überzugfilms (des Ionenplattierungs-Films) auf der Außenumfangs-Gleitfläche der jeweiligen Kolbenringe gemessen, wobei diese gemessene Härte ebenso wie weitere Daten in Tabelle 1 angegeben sind.
In diesem Zusammenhang wurde die Verschleißbeständigkeit jeder Testprobe ausgewertet mit Hilfe eines Abrieb- oder Abrasionsindex, der sich errechnete und ausgedrückt wurde als relatives Verhältnis jedes Abriebverlusts (Abriebstärke) der Testproben der Beispiele 1 bis 8 und der Vergleichsbeispiele 2 bis 4 in Bezug auf den Abriebverlust des Vergleichsbeispiels 1, der auf 100 normiert wurde. Um so stärker der Abriebindex kleiner als 100 wurde, desto geringer waren der Abriebverlust, und desto besser war die Verschleißbeständigkeit der Testprobe.
Wie in der Tabelle 1 gezeigt ist, lag der Abriebindex jeder der Testproben (Kolbenringe) im Bereich von 98 bis 100, so daß die Testproben eine ausreichende Verschleißbeständigkeit hatten. Selbst dann, als es eine Differenz in der Härte unter den Ionenplattierungs-Filmen (den harten Überzugfilmen) gab, hatte diese Differenz keinen großen Einfluß auf den Abriebverlust, so daß jede Testprobe eine ausreichende Verschleißbeständigkeit hatte.
Schlagtest
Der Schlagtest zum Ermitteln des Ausmaßes des Haftenbleibens (Engberührungseigenschaft) des harten Überzugfilms an der Außenumfangs-Gleitfläche des Kolbenrings wurde mit Hilfe einer Schlagtestmaschine 61 vom NPR-Typ nach 6 durchgeführt. In dieser Schlagtestmaschine 61 wurde eine Schlag- oder Stoßenergie von 43,1 mJ (4,4 kP × mm) pro Aufschlagvorgang wiederholt auf die Außenumfangs-Gleitfläche des Kolbenrings 62 mit Hilfe eines Druckmetallglieds 63 in Pfeilrichtung aufgebracht. Der Kolbenring 62 war dabei von einem Metallkissen 64 ab.
Das Ausmaß des Haftens (Engberührungseigenschaft) des harten Überzugfilms wurde ausgewertet anhand der Anzahl von Schlagzyklen, bis es zu einem Abschälen des harten Überzugfilms kam. Als Testproben dienten die Kolbenringe der Beispiele 1 bis 8 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 nach Tabelle 1. Bei jeder Testprobe erfolgte der Schlagtest so, daß man einen Wert für die Abschälfestigkeit der jeweiligen harten Überzugfilme erhielt. Ob es zu einem Abschälen des harten Überzugfilms kam oder nicht, wurde durch Betrachten eines vergrößerten Oberflächenteils des Kolbenrings mit einer Vergrößerung von 15 ermittelt.
Das Ausmaß des Anhaftens wurde ausgewertet mit Hilfe eines Abschälindex, der berechnet wurde und sich ausdrückte als relatives Verhältnis der jeweiligen Anzahl von Schlagzyklen bis zum Abschälen der harten Überzugfilme bei den Testproben der Beispiele 1 bis 8 und der Vergleichsbeispiele 2 bis 4, bezogen auf den auf 100 normierten Abschälindex des Vergleichsbeispiels 1.
Dies bedeutet also, daß bei einem Abschälindex von mehr als 100 das Abschälen bei einer höheren Anzahl von Schlagzyklen erfolgte als bei dem Vergleichsbeispiel 1. Als Ergebnis läßt sich feststellen, daß bei größerem Abschäl index des harten Überzugfilms die Abschälbeständigkeit der Testprobe entsprechend besser ist.
Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, wurde, da der Abschälindex jedes der Kolbenringe zwischen 100 und 102 lag, kein großer Einfluß dieser Größe beobachtet, und es wurde bestätigt, daß sämtliche Testelemente eine hervorragende Verschleißbeständigkeit besaßen.
Im Gegenteil: bei den Kombinationen nach den jeweiligen Beispielen trat kein Haftenbleiben (Ankleben) an der Berührungsfläche zwischen dem Kolbenring und der Kolbenringnut auf, so daß die Laufeigenschaft des Kolbenrings in Bezug auf die Zylinderbuchse stark verbessert werden konnte, indem die Kolbenanordnung eine große Haltbarkeit erhielt. Tabelle 1
Wie oben ausgeführt wurde, wird bei der Kombination aus Kolben und Kolbenring gemäß der Erfindung selbst dann, wenn der Berührungsbereich zwischen dem Kolbenring und der Kolbenringnut einer starken Hitzebelastung und einer Mikrobewegungsreibung ausgesetzt ist, während die untere Fläche des Kolbenrings in enger Berührung steht mit der unteren Fläche der Kolbenringnut, Unregelmäßigkeiten an der unteren Fläche des Kolbenrings gebildet durch den Einfluß des für Gußeisen typischen Graphits, wobei diese Unregelmäßigkeiten für sich als Ölsümpfe fungieren, um die Oberfläche des Kolbenrings zu schmieren. Gleichzeitig wirkt das Graphit selbst als selbstschmierende Substanz, so daß das Phänomen des Haftenbleibens (Anklebens) an der Berührungsstelle zwischen Kolbenring und Kolbenringnut, in deren Bereich der Kolben aus Stahl besteht, nicht auftritt.
Als Ergebnis erhält man eine Kombination aus Kolben und Kolbenring mit hervorragender Haltbarkeit, die in der Lage ist, in geeigneter Weise bei Hochleistungs-Verbrennungsmotoren wie beispielsweise einem Hochleistungs-Dieselmotor oder dergleichen eingesetzt zu werden, die unter Bedingungen hoher Verbrennungstemperatur und hohen Verbrennungsdrucks arbeiten.
Die erfindungsgemäße Kombination aus Kolben und Kolbenring sorgt außerdem bei einem Elastizitätsmodul des Kolbenrings in einem vorbestimmten Bereich für gute Laufeigenschaft des Kolbenrings in Bezug auf die Zylinderbuchse. Hierdurch wird es möglich, den Kolben mit Kolbenring für Langlebigkeit auszubilden, so daß er in Hochleistungs-Verbrennungsmotoren eingesetzt werden kann.
Wenn bei dem erfindungsgemäßen Kolben mit Kolbenring der Ionenplattierungs-Film auf der Außenumfangs-Gleitfläche des Kolbenrings gebildet ist, oder wenn der Kolbenring einer Nitrierbehandlung unterzogen ist, kann dieser Kolben mit Kolbenring eine hervorragende Verschleißbeständigkeit und Halt barkeit auch dann zeigen, wenn er unter Hochleistungs-Betriebsbedingungen eingesetzt wird, wie sie beispielsweise in einem Dieselmotor vorherrschen.

Claims

Kolben mit Kolbenring, bei dem ein in einer Zylinderbohrung eine Hubbewegung vollziehender Kolben eine Kolbenringnut aufweist, wobei zumindest die Kolbenringnut aus Stahl besteht, in die Kolbenringnut ein aus Eisenguß bestehender Kolbenring eingesetzt ist, und zumindest auf einer Außenumfangs-Gleitfläche des Kolbenrings ein harter Überzugfilm gebildet ist.
Kolben nach Anspruch 1, bei dem der Kolbenring aus Eisenguß hergestellt ist, der aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Lamellengraphit-Eisenguß, Sphäroguß, Weißguß, Temperguß, Vermikulargraphit-Eisenguß und Eisenlegierungsguß.
Kolben nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Kolbenring einen Elastizitätsmodul mit einem Wert im Bereich von 130000 bis '170000 MPa hat.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der harte Überzugfilm ein Ionenplattierungs-Film ist.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Kolbenring einer Nitrierbehandlung unterzogen ist.