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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Kolbenringe für Verbrennungsmotoren
und speziell Stahlprodukte, die zur Herstellung von Kolbenringen
für Aluminiumlegierungzylinder geeignet sind.
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Technischer Hintergrund
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In
den letzten Jahren wird unter dem Gesichtspunkt eines globalen Umweltschutzes
eine Gewichtsverringerung von Kraftfahrzeugkarosserien gefordert.
Bei Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren werden zum Zwecke einer Gewichtsverringerung
Zylinderblöcke auf Eisenbasis zunehmend durch Aluminiumlegierungzylinderblöcke
ersetzt. Um die Verschleißbeständigkeit zu erhöhen,
werden bekannte Kolbenringe, die auf der inneren Oberfläche
von Zylinderbohrungen von Zylinderblöcken dieser Art gleiten,
aus Materialien auf Eisenbasis, wie martensitischem nichtrostendem
Stahl, hergestellt und die Oberfläche der Kolbenringe optional durch
Nitrieren, Chromplattieren oder Verbundplattieren behandelt. Da
jedoch Aluminiumlegierungen weitaus größere Wärmeausdehnungskoeffizienten
als Materialien auf Eisenbasis aufweisen, können aus Materialien auf
Eisenbasis hergestellte Kolbenringe der Wärmeausdehnung
von Aluminiumlegierungzylindern nicht entsprechen, wodurch eine
Beeinträchtigung der Gasdichteigenschaft, die eine wesentliche
Funktion von Kolbenringen ist, verursacht wird.
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Zur
Lösung des im vorhergehenden beschriebenen Problems schlägt
beispielsweise die offengelegte
japanische
Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 63-64350 einen Verbrennungsmotor
vor, der einen Aluminiumlegierungzylinderblock und aus austenitischem
nichtrostendem Stahl bestehende Kolbenringe aufweist. In der
JP-U-63-64350 wird
JIS
SUS 304-Stahl als ein Beispiel für austenitischen
nichtrostenden Stahl verwendet. Die offengelegte
japanische Patentanmeldung Nr. 2000-145963 schlägt
Kolbenringe, die auf Aluminiumlegierungzylindern als Gegenmaterial
gleiten, vor, wobei die Kolbenringe aus austenitischem nichtrostendem
Stahl mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 15 × 10
–6/°C oder höher
bestehen und vorzugsweise 3,5 bis 17% Ni und 15 bis 20% Cr enthalten.
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Ferner
schlägt die offengelegte
japanische
Patentanmeldung Nr. 2005-345134 einen Draht für
Kolbenringe vor, der eine semi-austenitische Zusammensetzung des
Ausscheidungshärtungstyps aufweist, die 6,50 bis 8,50%
Ni, 16,00 bis 18,00% Cr und 0,75 bis 1,50% Al enthält,
wobei jedoch keine Beschränkung auf die Verwendung in beispielsweise
Aluminiumlegierungzylindern besteht. Die in
JP-A-2005-345134 beschriebene Technik
liefert einen Draht für Kolbenringe, der Beständigkeit
gegenüber einer Dimensionsänderung des Durchmessers
von Kolbenringen während einer Wärmebehandlung
nach dem Aufwickeln aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
in
JP-U-63-64350 und
JP-A-2000-145963 beschriebenen
Techniken erfordern jedoch das Vorhandensein von großen
Mengen von kostenaufwändigem Ni und ferner Cr, was zu einer
Zunahme der Kosten von Kolbenringen führt und ein wirtschaftliches
Problem darstellt. Der in
JP-U-63-64350 und
JP-A-2000-145963 beschriebene
austenitische nichtrostende Stahl zur Herstellung von Kolbenringen
zeigt eine Tendenz zur Verringerung des Wärmeausdehnungskoeffizienten
während des Umformens zu Kolbenringen, weshalb es schwierig
zu gewährleisten ist, dass die geplanten Wärmeausdehnungskoeffizienten
erhalten werden. Die in
JP-A-2005-345134 beschriebene
Technik kann nicht gewährleisten, dass die mit der Wärmeausdehnung
von Aluminiumlegierungzylindern übereinstimmenden, geplanten
Wärmeausdehnungskoeffizienten nachhaltig erreicht werden
und sie hat ein wirtschaftliches Problem, da sie die Zugabe einer
großen Menge von kostenaufwändigem Ni erfordert.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von kostengünstigen
Stahlprodukten für Kolbenringe und aus den Stahlprodukten
hergestellten Kolbenringen, wobei die Stahlprodukte in vorteilhafter
Weise die Probleme des Standes der Technik lösen und eine
verbesserte Dichteigenschaft ergeben, die zur Verwendung als Kolbenringe,
die auf der inneren Oberfläche der Aluminiumlegierungzylinderbohrungen
von Verbrennungsmotoren gleiten, geeignet ist.
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Um
die im vorhergehenden beschriebene Aufgabe zu lösen, untersuchten
die Erfinder sorgfältig verschiedene Faktoren, die die
Dichteigenschaft von Kolbenringen beeinflussen, mit dem Schwerpunkt
auf dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Stahlprodukte
für Kolbenringe. Als Ergebnis hiervon nahmen sie an, dass
die im vorhergehenden beschriebene Aufgabe durch die Kombination
von entsprechenden Gehalten an C und Mn erreicht werden kann, und
sie ermittelten, dass Stahlprodukte, die C und Mn in höheren
Mengen als im Stand der Technik enthalten, einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
von 14,0 × 10–6/°C
oder höher als Mittelwert in einem Temperaturbereich von
Raumtemperatur bis 200°C ergeben, der nahe dem von Aluminiumlegierungen
ist.
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Die
vorliegende Erfindung wurde auf der Grundlage der im vorhergehenden
beschriebenen Erkenntnisse und zusätzlicher weiterer Untersuchungen
erhalten. Der Umfang der vorliegenden Erfindung wird im folgenden
beschrieben.
- (1) Stahlprodukt für
Kolbenringe, die auf der inneren Oberfläche von Aluminiumlegierungzylinderbohrungen gleiten,
wobei das Stahlprodukt für Verbrennungsmotorkolbenringe – bezogen
auf die Masse – 0,01 bis 1,9% C, 0,01 bis 1,9% Si und 5,0
bis 24,0% Mn umfasst, wobei der Rest aus Fe und beiläufigen
Verunreinigungen besteht.
- (2) Das Stahlprodukt für Verbrennungsmotorkolbenringe
nach (1) umfasst vorzugsweise ferner – bezogen auf die
Masse – 18,0% oder weniger an Cr und/oder 12,0% oder weniger
an Ni.
- (3) Das Stahlprodukt für Verbrennungsmotorkolbenringe
nach (1) oder (2) umfasst vorzugsweise ferner – bezogen
auf die Masse – 1% oder weniger an Al.
- (4) Das Stahlprodukt für Verbrennungsmotorkolbenringe
nach einem der Punkte (1) bis (3) umfasst vorzugsweise ferner – bezogen
auf die Masse – 0,3% oder weniger an N.
- (5) Das Stahlprodukt für Verbrennungsmotorkolbenringe
nach einem der Punkte (1) bis (4) umfasst ferner ein oder mehr Elemente,
die aus der Gruppe von Nb, Ti, Zr, Mo und Cu ausgewählt
sind, in einer Gesamtmenge von 4,0% oder weniger, bezogen auf die
Masse.
- (6) Kolbenringe, die in einem Verbrennungsmotor mit einem Aluminiumlegierungzylinderblock
verwendet werden, wobei die Verbrennungsmotorkolbenringe aus dem
Stahlprodukt für Kolbenringe nach einem der Punkte (1)
bis (5) bestehen.
- (7) Die Verbrennungsmotorkolbenringe nach (6) weisen vorzugsweise
eine Oberflächenbehandlungsschicht auf allen Oberflächen
oder der Außenumfangsoberfläche der Kolbenringe
auf.
- (8) Die Verbrennungsmotorkolbenringe nach (7), wobei die Oberflächenbehandlungsschicht
vorzugsweise eine Vickers-Härte von 700 bis 1400 HV aufweist.
- (9) Die Verbrennungsmotorkolbenringe nach (7) oder (8), wobei
die Oberflächenbehandlungsschicht vorzugsweise eine Nitridschicht
ist.
- (10) Die Verbrennungsmotorkolbenringe nach einem der Punkte
(7) bis (9) umfassen vorzugsweise eine Dünnschicht von
diamantähnlichem Kohlenstoff auf der Außenumfangsgleitoberfläche
der Oberflächenbehandlungsschicht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 erläutert
schematisch die für die Beispiele verwendete Verschleißtestmaschine.
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Beste Art und Weise zur Durchführung
der Erfindung
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Die
Stahlprodukte für Kolbenringe der vorliegenden Erfindung
werden in Verbrennungsmotoren mit Aluminiumlegierungzylinderblöcken
verwendet und sie sind zur Her stellung von Kolbenringen, die auf
der Innenseite von Aluminiumlegierungzylinderbohrungen gleiten,
geeignet. Die Stahlprodukte für Kolbenringe der vorliegenden
Erfindung weisen einen mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten
von 14,0 × 10–6/°C
oder höher in dem Temperaturbereich von Raumtemperatur
bis 200°C auf. Die Zusammensetzungen der Stahlprodukte
für Kolbenringe der vorliegenden Erfindung sind im folgenden
beschrieben. Falls nicht anders angegeben, wird Masse-% einfach
als % ausgedrückt.
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C: 0,01 bis 1,9%
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C
ist ein wichtiges Element in der vorliegenden Erfindung. C trägt
zur Festigung der Stahlprodukte bei und dessen Koexistenz mit Mn
stabilisiert die Austenitphase deutlich, wodurch der Wärmeausdehnungskoeffizient
der Stahlprodukte erhöht wird. Diese Wirkungen werden deutlich
erreicht, wenn die Menge von C 0,01% oder mehr beträgt.
Wenn jedoch die Menge von C mehr als 1,9% beträgt, werden
Carbide und Graphit unter Beeinträchtigung der Duktilität
deutlich gebildet, was zu einer Beeinträchtigung der Kaltumformbarkeit
und Produktivität führt. Daher beträgt
die Menge von C 0,01% bis 1,9%, günstigerweise 0,03% oder
mehr, vorzugsweise 0,03 bis 1,5% und noch besser 0,05 bis 1,2%.
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Si: 0,01 bis 1,9%
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Si
wirkt als Desoxidationsmittel für Stahlschmelzen unter
Verbesserung der Gießbarkeit der Stahlschmelze und es trägt
zur Festigung der Stahlprodukte bei. Um Warmumformbarkeit zu gewährleisten,
beträgt die Menge von Si vorzugsweise 0,01% oder mehr.
Wenn andererseits die Menge von Si 1,9% übersteigt, ist die
Wirkung von Si auf die Verbesserung der Gießbarkeit gesättigt
und es wird Ferrit erzeugt. Daher beträgt die Menge von
Si 0,01 bis 1,9%, vorzugsweise 0,2 bis 1,2%.
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Mn: 5,0 bis 24,0%
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Mn
ist ein wichtiges Element in der vorliegenden Erfindung. Mn trägt
zur Festigung der Stahlprodukte bei und dessen Koexistenz mit einer
geeigneten Menge von C stabilisiert die Austenitphase deutlich,
wodurch der Wärmeausdehnungskoeffizient der Stahlprodukte
erhöht wird. Diese Wirkungen werden erreicht, wenn die Menge
von Mn 5,0% oder mehr beträgt. Wenn die Menge von Mn weniger
als 5,0% beträgt, ist die Austenitphase instabil und es
wird keine Zunahme des Wärmeausdehnungskoeffizienten festgestellt.
Wenn andererseits die Menge von Mn 24,0% übersteigt, werden
Austenitkörner gröber. Daher beträgt
die Menge von Mn 5,0 bis 24,0%, vorzugsweise 7,0 bis 22,0% und noch
besser 7 bis 19%.
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In
der vorliegenden Erfindung können zusätzlich zu
den im vorhergehenden beschriebenen Grundzusammensetzungen nach
Bedarf 18,0% oder weniger an Cr und/oder 12,0% oder weniger an Ni
des weiteren enthalten sein.
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Cr: 18,0% oder weniger
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Cr
trägt zur Festigung der Stahlprodukte, Verbesserung der
Korrosionsbeständigkeit und Verbesserung von Oberflächenbehandlungseigenschaften
bei. In der vorliegenden Erfindung kann Cr nach Bedarf enthalten
sein. Insbesondere trägt, wenn eine Nitridschicht auf der
Oberfläche eines Kolbenrings ausgebildet wird, Cr wirksam
zur Verbesserung von Oberflächenbehandlungseigenschaften,
insbesondere zur Verbesserung der Hafteigenschaft der Oberflächenbehandlungsschicht
bei. Diese Wirkungen werden erreicht, wenn die Menge von Cr 0,01%
oder mehr beträgt. Wenn jedoch die Menge von Cr 18,0% übersteigt,
werden Carbide und σ-Phasen deutlich gebildet, was zur
Beeinträchtigung der Korrosionsbeständigkeit und
Umformbarkeit führt. Daher beträgt die Menge von
Cr günstigerweise 18,0% oder weniger, vorzugsweise 2,0
bis 15,0% und noch besser 5,0 bis 15,0%.
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Ni: 12,0% oder weniger
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Ni
ist ein Element, das Austenit stark stabilisiert, und es kann nach
Bedarf enthalten sein. Die Wirkung wird erreicht, wenn die Menge
von Ni 0,01% oder mehr beträgt. Wenn jedoch die Menge von
Ni 12,0% übersteigt, ist die Wirkung von Ni auf die Stabilisierung
der Austenitphase gesättigt und es kann keine den enthaltenen
Mengen entsprechende Wirkung erwartet werden, was unter einem wirtschaftlichen
Gesichtspunkt nicht günstig ist. Daher beträgt
die Menge von Ni vorzugsweise 12,0% oder weniger und noch besser
0,01 bis 8,0%.
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In
der vorliegenden Erfindung kann zusätzlich zu den im vorhergehenden
beschriebenen Zusammensetzungen Al nach Bedarf in einer Menge von
1% oder weniger zugesetzt werden.
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Al: 1% oder weniger
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Al
wirkt als Desoxidationsmittel für geschmolzenen Stahl und
es trägt zur Kornverfeinerung in den Stahlprodukten bei.
Al ist nach Bedarf vorzugsweise in einer Menge von 0,05% oder mehr
enthalten. Wenn andererseits die Menge von Al mehr als 1% beträgt,
besteht die Tendenz einer Zunahme von Einschlüssen, was
zu einer Beeinträchtigung der Duktilität und häufigem
Auftreten von inneren Defekten führt. Daher beträgt die
Menge von Al vorzugsweise 1% oder weniger.
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In
der vorliegenden Erfindung kann zusätzlich zu den im vorhergehenden
beschriebenen Zusammensetzungen N nach Bedarf in einer Menge von
0,3% oder weniger zugesetzt werden.
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N: 0,3% oder weniger
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N
trägt zur Festigung der Stahlprodukte in der gleichen Weise
wie C bei. Zusätzlich stabilisiert N die Austenitphase
und es erhöht den Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Stahlprodukte. Diese Wirkungen werden deutlich erreicht, wenn
die Menge von N 0,01% oder mehr beträgt. Wenn jedoch die
Menge von N 0,3% übersteigt, ist die Wirkung von N auf
die Stabilisierung der Austenitphase gesättigt und es treten
häufig innere Defekte wie Nadellöcher auf. Daher
beträgt die Menge von N vorzugsweise 0,3% oder weniger
und noch besser 0,1 bis 0,2%.
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In
der vorliegenden Erfindung können zusätzlich zu
den im vorhergehenden beschriebenen Zusammensetzungen ein oder mehrere
Elemente, die aus der Gruppe von Nb, Ti, Zr, Mo und Cu ausgewählt
sind, nach Bedarf zugesetzt werden.
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Ein
oder mehrere Elemente, die aus der Gruppe von Nb, Ti, Zr, Mo und
Cu ausgewählt sind: insgesamt 4,0% oder weniger.
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Nb,
Ti, Zr, Mo und Cu verfeinern die Mikrostruktur der Stahlprodukte,
wodurch sie zur Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit beitragen,
und ein oder mehrere Elemente, die aus diesen ausgewählt
sind, können nach Bedarf enthalten sein. Deren Wirkungen
werden deutlich erreicht, wenn sie in einer Gesamtmenge von 0,05%
oder mehr enthalten sind. Wenn andererseits die Gesamtmenge 4,0% übersteigt,
wird die Zähigkeit beeinträchtigt. Daher beträgt
die Gesamtmenge von einem oder mehreren Elementen, die aus Nb, Ti,
Zr, Mo und Cu ausgewählt sind, vorzugsweise 4,0% oder weniger
und noch besser 0,01 bis 2,0%.
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Der
Rest außer den im vorhergehenden beschriebenen Elementen
besteht aus Fe und beiläufigen Verunreinigungen. Die beiläufigen
Verunreinigungen können 0,06% oder weniger an P und 0,05%
oder weniger an S enthalten.
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P: 0,06% oder weniger
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Wenn
P in hohen Gehalten vorhanden ist, festigt es die Stahlprodukte
unter Beeinträchtigung der Duktilität und Zähigkeit,
was zu einer Beeinträchtigung der Umformbarkeit der Stahlprodukte
führt. In der vorliegenden Erfindung ist die Menge von
P als Verunreinigung vorzugsweise möglichst niedrig, jedoch
bis zu 0,06% akzeptabel. Die Menge von P beträgt noch besser
0,01% oder weniger.
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S: 0,05% oder weniger
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In
dem Stahl ist S als Sulfide vorhanden, was die Duktilität,
Umformbarkeit der Stahlprodukte und die Korrosionsbeständigkeit
beeinträchtigt. Daher ist in der vorliegenden Erfindung
die Menge von S als Verunreinigung vorzugsweise möglichst
niedrig, jedoch bis zu 0,05% akzeptabel. Die Menge von S beträgt
noch besser 0,03 % oder weniger.
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Das
Verfahren zur Herstellung der Stahlprodukte für Kolbenringe
der vorliegenden Erfindung ist nicht speziell beschränkt
und es kann jedes übliche Verfahren sein. Beispielsweise
wird gemäß einem bevorzugten Verfahren die Stahlschmelze
mit den im vorhergehenden beschriebenen Zu sammensetzungen durch
ein übliches Mittel, beispielsweise einen Hochfrequenzinduktionsofen,
erschmolzen und zu einem Block oder dergleichen gegossen. Und der
Block oder dergleichen werden durch ein übliches Verfahren,
wie Warmschmieden oder Warmwalzen, zu Stangen geformt und dann werden
die Stangen auf kalte Weise zu Drähten geformt, wodurch
Stahlprodukte für Kolbenringe hergestellt werden.
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Die
Kolbenringe der vorliegenden Erfindung werden durch Umformen der
Stahlprodukte mit den im vorhergehenden beschriebenen Zusammensetzungen
in eine geplante Form hergestellt. Das Verfahren zur Herstellung
der Kolbenringe der vorliegenden Erfindung ist nicht speziell beschränkt,
sofern die im vorhergehenden beschriebenen Stahlprodukte verwendet
werden, und vorzugsweise wird ein übliches Herstellungsverfahren
zum Umformen von Kolbenringen in eine geplante Form verwendet.
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Unter
dem Gesichtspunkt der Verschleißbeständigkeit
und Korrosionsbeständigkeit ist es günstig, wenn
alle Oberflächen oder die Außenumfangsoberfläche
der Kolbenringe einer Oberflächenbehandlung unterzogen
werden können, wodurch eine Oberflächenbehandlungsschicht
gebildet wird. Die Oberflächenbehandlungsschicht kann beispielsweise
eine durch Nitrieren gebildete Nitridschicht, eine durch Chromplattierung
oder Dispersionsplattierung gebildete Hartplattierungsschicht, eine
durch thermisches Spritzen gebildete Thermospritzschicht, eine durch
physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) gebildete physikalische
Gasphasenabscheidungsschicht oder eine durch chemische Gasphasenabscheidung
(CVD) gebildete chemische Gasphasenabscheidungsschicht sein. Diese
Schichten sind als Oberflächenbehandlungsschichten der
Kolbenringe der vorliegenden Erfindung geeignet. Unter dem Gesichtspunkt
der Verschleißbeständigkeit und Aggressivität
zu einem Gegenüber ist die Oberflächenbehandlungsschicht
vorzugsweise eine Nitridschicht. Die physikalische Gasphasenabscheidungsschicht
oder chemische Gasphasenabscheidungsschicht kann eine Dünnschicht
von diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC-Dünnschicht)
sein. Unter dem Gesichtspunkt der Aggressivität zu einem
Gegenüber wird die DLC-Dünnschicht vorzugsweise
auf der Außenumfangsgleitoberfläche der Oberflächenbehandlungsschicht
ausgebildet. Die DLC-Dünnschicht verstärkt die
Tendenz zur Verringerung der Aggressivität zu einem Gegenüber.
Aufgrund dieser Tatsachen ist es günstig, wenn beispielsweise eine
Nitridschicht und eine DLC-Dünnschicht in dieser Reihenfolge
auf der Oberfläche des Grundmaterials von Kolbenringen
ausgebildet werden können.
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Die
Härte der Oberflächenbehandlungsschicht beträgt
unter dem Gesichtspunkt der Aggressivität zu einem Gegenüber
vorzugsweise 700 bis 1400 HV. Wenn die Härte in Form der
Vickers-Härte weniger als 700 HV beträgt, ist
die Verschleißbeständigkeit beeinträchtigt.
Wenn andererseits die Härte der Oberflächenbehandlungsschicht
mehr als 1400 HV beträgt, werden Verbindungen gebildet,
wobei hohe Aggressivität zu einem Gegenüber erhalten
wird. In der vorliegenden Erfindung ist es unter dem Gesichtspunkt
der Aggressivität zu einem Gegenüber wichtig,
dass die auf der Oberfläche des Kolbenringes gebildete
Oberflächenbehandlungsschicht nicht so hart ist, wodurch
die Bildung von Verbindungen verhindert wird. Die Härte
der Oberflächenbehandlungsschicht beträgt vorzugsweise
900 bis 1200 HV. Wenn die Vickers-Härte ermittelt wird,
beträgt die Last vorzugsweise 100 gf oder 200 gf.
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Die
Dicke der Oberflächenbehandlungsschicht beträgt
unter den Gesichtspunkten von Korrosionsbeständigkeit und
Hafteigenschaft vorzugsweise 1 bis 150 μm. Die Nitrierungsbehandlung,
Hartplattierungsbehandlung, Thermospritzbehandlung, physikalische
Gasphasenabscheidungsbehandlung und chemische Gasphasenabscheidungsbehandlung
können nach üblichen Verfahren durchgeführt
werden.
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Beispiele
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Beispiel 1
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Die
Stahlschmelze mit einer der in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen
wurde durch einen Schmelzofen erschmolzen und zu einem Block (12
kg) gegossen. Der Block wurde durch Warmschmieden zu einem Rundstab
mit einem Durchmesser von 15 mm geformt. Anschließend wurde
Hammerschlag von dem Rundstab entfernt und der Rundstab wies einen
Durchmesser von 12 mm auf und der Rundstab wurde zu einem Draht
mit einem Durchmesser von 7 mm ausgezogen. Als Beispiel des Standes
der Technik wurde ein aus martensitischem nichtrostendem Stahl (SUS
410J) bestehender Draht verwendet.
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Wärmeausdehnungsteststücke
mit jeweils einem Durchmesser von 5 mm und einer Länge
von 15 mm wurden von dem Draht genommen und einem Wärmeausdehnungstest
unterzogen, wodurch der mittlere Wärmeausdehnungskoeffizient
in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur (20°C) bis
200°C bestimmt wurde. Die Ergebnisse sind in den Tabellen
1-1 bis 1-4 angegeben.
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Die
Beispiele der vorliegenden Erfindung wiesen einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
von 14,0 × 10–6/°C
oder höher auf, was anzeigt, dass sie stabil gewährleisten,
dass sie einen Wärmeausdehnungskoeffizienten nahe dem von
Aluminiumlegierungen aufweisen. Die aus den Stahlprodukten der vorliegenden
Erfindung hergestellten Kolbenringe ergeben wahrscheinlich eine
ausreichende Dichteigenschaft, wenn sie zu Kolbenringen verarbeitet
werden, die auf Aluminiumlegierungzylindern als Gegenmaterial gleiten.
Andererseits weisen die Vergleichsbeispiele außerhalb des
Umfangs der vorliegenden Erfindung Wärmeausdehnungskoeffizienten
von weniger als 14,0 × 10–6/°C
auf, was die Sorge erweckt, dass sie eine unzureichende Dichteigenschaft
aufweisen, Blasen durch Gas erhöhen und andere Eigenschaften
verschlechtern können.
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Beispiel 2
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Einem
Kolbenring äquivalente Materialien in einer gegebenen Größe
und Form wurden aus den in Tabelle 1 aufgelisteten Drähten
Nr. 14, 75, 89 und 90 hergestellt und in Bezug auf die Verschleißbeständigkeit unter
Verwendung der Amsler-Verschleißtestvorrichtung, die schematisch
in
1 angegeben ist, vermessen. Als Oberflächenbehandlungsschichten
der einem Kolbenring äquivalenten Materialien wurden eine
laminierte Hartplattierungsschicht, eine Einzelnitridschicht und
eine mit einer DLC-Dünnschicht beschichtete Nitridschicht
in den in Tabelle 2 aufgelisteten Dicken ausgebildet. Die laminierte
Hartplattierungsschicht wurde nach dem Verfahren gemäß der
Beschreibung in der offengelegten
japanischen
Patentanmeldung Nr. 2003-221695 gebildet. Die Nitridschicht
wurde durch Erhitzen bei 550°C über 5 h in einer
Atmosphäre eines Ammoniakzersetzungsgases und dann Behandeln
mit einer Endbehandlung gebildet.
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Die
Dicke der Nitridschicht betrug etwa 100 μm.
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Die
DLC-Dünnschicht wurde durch Zersetzen eines C2H2-Gases durch ein CVD-Verfahren gebildet und
ein W und Ni enthaltendes Target wurde durch Sputtern verdampft.
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Die
Oberflächenbehandlungsschicht wurde auf der Gleitoberfläche
oder allen Oberflächen ausgebildet. Die Härte
der Oberflächenbehandlungsschicht wurde an den Oberflächenbehandlungsschichten
der Teststücke, die von den einem Kolbenring äquivalenten
Materialien genommen wurden, unter Verwendung einer Vickers-Härte-Messvorrichtung
(Testkraft: 1,96 N, Last: 200 gf) ermittelt.
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Das
Beispiel Nr. 89 des Standes der Technik besteht aus einem SUS 410J-Draht.
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Die
Oberflächenrauheit der einem Kolbenring äquivalenten
Materialien betrug 0,85 bis 0,95 (μm) in Form von Rz gemäß der
Definition in JIS B 0601 (1994) und 0,06 bis 0,15
(μm) in Form von Rpk gemäß der Definition
in DIN 4776.
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Der
Verschleißbeständigkeitstest wurde unter Verwendung
der Amsler-Verschleißtestmaschine, die schematisch in 1 angegeben
ist, durchgeführt. In dem Verschleißbeständigkeitstest
wurde ein Testmaterial 1 gegen ein rotierendes Gegenmaterial 2 unter
einer vorgegebenen Last w über einen vorgegebenen Zeitraum
gepresst. Die Bezugszahl 3 gibt ein Schmiermittel an. Das
Gegenmaterial 2 ist ein einer Zylinderauskleidung äquivalentes
Material mit einer Oberflächenrauheit von 0,70 bis 0,88
(μm) in Form von Rz gemäß der Definition
in JIS B 0601 (1994), 0,20 bis 0,38 (μm)
in Form von Rk gemäß der Definition in DIN
4776, 0,5 bis 0,10 (μm) in Form von Rpk und 0,08
bis 0,2 (μm) in Form von Rvk aus einem hypereutektischen
Aluminium-Silicium-Material, das aus 24,0% Si, 0,8% Mg, 3,0% Cu,
0,15% Fe und 0,01% Ni und dem Rest Al besteht. Die Testbedingungen
sind die folgenden.
- Rotationsgeschwindigkeit des Gegenmaterials:
1 m/s
- Last: 784 N
- Schmiermittel: Turbinenöl
- Testzeitdauer: 8 h
- Öltemperatur: 80°C
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Nach
dem Test wurden die Abriebverluste (μm) des Testmaterials
(einem Kolbenring äquivalentes Material) und des Gegenmaterials
(einer Zylinderauskleidung äquivalentes Material) gemessen
und eine Beurteilung der Verschleißbeständigkeit
durchgeführt.
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Die
Ergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben.
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Die
Beispiele der vorliegenden Erfindung zeigten deutlich höhere
Verschleißbeständigkeit als das Vergleichsbeispiel
aus martensitischem nichtrostendem Stahl (Draht Nr. 89). Die Härte
der Oberflächenbehandlungsschichten der Beispiele der vorliegenden
Erfindung betrug etwa 1100 bis 1200 HV.
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Obwohl
die Abriebfestigkeit in Tabelle 2 nicht beurteilt wurde, erübrigt
es sich zu sagen, dass die Beispiele der vorliegenden Erfindung
zufrieden stellende Abriebfestigkeit aufweisen, da sie die gleichen
Oberflächenbehandlungsschichten wie der Stand der Technik
aufweisen.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht eine einfache und kostenwirksame
Herstellung von Kolbenringen für Verbrennungsmotoren, die
mit der Wärmeausdehnung von Aluminiumlegierungzylindern
ausreichend übereinstimmen und eine gute Dichteigenschaft
aufweisen, wodurch bemerkenswerte gewerbliche Effekte erreicht werden.
Ferner wird gemäß der vorliegenden Erfindung Blasen
durch Gas verringert und gute Verschleißbeständigkeit
erreicht.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Beschrieben
wird ein Stahlprodukt, das – bezogen auf die Masse – 0,01
bis 1,9% C, 0,01 bis 1,9% Si und 5,0 bis 24,0% Mn enthält,
wobei der Rest aus Fe und beiläufigen Verunreinigungen
besteht. Das Stahlprodukt kann ferner 18,0% oder weniger an Cr und/oder
12,0% oder weniger an Ni enthalten und ferner 1% oder weniger an
Al und/oder 0,3% oder weniger an N enthalten und ferner ein oder
mehrere Elemente, die aus der Gruppe von Nb, Ti, Zr, Mo und Cu ausgewählt
sind, in einer Gesamtmenge von 4,0% oder weniger enthalten. Das
Stahlprodukt ermöglicht die Herstellung von Kolbenringen,
die mit der Wärmeausdehnung von Aluminiumlegierungzylindern
ausreichend übereinstimmen und gute Dichteigenschaft aufweisen,
die für Kolbenringe, die an der inneren Oberfläche
von Aluminiumlegierungzylinderbohrungen eines Verbrennungsmotors
gleiten, geeignet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 63-64350 [0003]
- - JP 63-64350 U [0003, 0005, 0005]
- - JP 2000-145963 [0003]
- - JP 2005-345134 [0004]
- - JP 2005-345134 A [0004, 0005]
- - JP 2000-145963 A [0005, 0005]
- - JP 2003-221695 [0035]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - JIS SUS 304-Stahl [0003]
- - JIS B 0601 (1994) [0040]
- - DIN 4776 [0040]
- - JIS B 0601 (1994) [0041]
- - DIN 4776 [0041]
