DE112014005584T5

DE112014005584T5 - Piston ring and heat treatment process

Info

Publication number: DE112014005584T5
Application number: DE112014005584.0T
Authority: DE
Inventors: Rafael Antonio Bruno
Original assignee: Mahle Metal Leve SA; Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle Metal Leve SA; Mahle International GmbH
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2014-11-24
Publication date: 2016-08-18
Also published as: BR102013031391A2; WO2015082246A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenring, insbesondere einen Kompressionsring mit einer Basis (2) aus Kohlenstoffstahl, dessen Querschnitt eine äußere laterale Oberfläche (3) definiert, die verschiebbar mit der Wand (D) eines Zylinders verknüpft werden kann, eine obere Oberfläche (4), die mit der Nut (C) eines Kolbens (P) verknüpft werden kann, die zur Kolbenkrone weist, und eine untere Oberfläche (5), die mit der Nut (C) eines Kolbens (P) verknüpft werden kann, die zum Kolbenschaft (S) weist, wobei mindestens ein Abschnitt der unteren Oberfläche (5) eine carbonitrierte Schicht (7) umfasst, die eine Dicke zwischen 100 µm und 300 µm aufweist und eine Härte zwischen 700HV und 1000HV.The present invention relates to a piston ring, in particular a compression ring with a base (2) made of carbon steel, whose cross section defines an outer lateral surface (3) which can be slidably linked to the wall (D) of a cylinder, a top surface (4). which can be linked to the groove (C) of a piston (P) facing the piston crown and a lower surface (5) which can be linked to the groove (C) of a piston (P) facing the piston skirt ( S), wherein at least a portion of the lower surface (5) comprises a carbonitrided layer (7) having a thickness between 100 μm and 300 μm and a hardness between 700HV and 1000HV.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenring, der insbesondere eine erster Nutring ist, der die Leistungsanforderungen ohne jegliche Art von Beschichtung auf seiner unteren Oberfläche erfüllt. Der Ring basiert auf Kohlenstoffstahl und seine untere Oberfläche wird durch ein Zementier- oder Laser-Carbonitrierverfahren ausgehärtet.The present invention relates to a piston ring which is, in particular, a first grooved ring which meets the performance requirements without any kind of coating on its lower surface. The ring is based on carbon steel and its bottom surface is cured by a cementing or laser carbonitriding process.

Beschreibung des Standes der TechnikDescription of the Prior Art

Der erste Nutring, der auch als Kompressionsring bekannt ist, ist derjenige, der den größten Kräften und Spannungen ausgesetzt ist, wenn der Motor in Betrieb ist. Der Ring bewegt sich, wenn er in der ersten Nut des Kolbens montiert ist, leicht in axiale Richtung, wodurch er an seinen oberen und unteren Oberflächen abnutzt und nicht nur an der Oberfläche des äußeren Durchmessers abnutzt, der zur Zylinderwand weist.The first grooved ring, also known as a compression ring, is the one which is subjected to the greatest forces and stresses when the engine is in operation. The ring, when mounted in the first groove of the piston, moves slightly in the axial direction, thereby wearing on its upper and lower surfaces and not only on the surface of the outer diameter facing the cylinder wall.

Eine der kritischsten Abnutzungssituationen tritt in dem Moment auf, in dem sich der Kolben zum oberen Totpunkt (TDC) bewegt, der eine Interferenz der unteren Oberfläche des Rings mit der Zylindernut erzeugt, was die Abnutzung in diesem Bereich potenziert. Eine weitere kritische Situation tritt zu Anfang des Expansisonstaktes (PCP) auf, d. h., wenn sich der Kolben zum unteren Totpunkt (BDC) bewegt und ebenfalls eine Interferenz an der unteren Oberfläche erzeugt.One of the most critical wear situations occurs the moment the piston moves to top dead center (TDC), which creates interference of the bottom surface of the ring with the cylinder groove, which increases wear in that area. Another critical situation occurs at the beginning of the expansion clock (PCP), i. h., when the piston moves to bottom dead center (BDC) and also creates interference at the bottom surface.

Eine Art zum Reduzieren dieser Abnutzung besteht in dem Aufbringen von Beschichtungen auf den Ring. Allgemein besitzen diese Beschichtungen vorteilhafte Eigenschaften bezüglich der Härte, was eine gute Leistung des Rings in Bezug seine Abnutzung ermöglicht; die geringe Duktilität dieser harten Beschichtungen führt jedoch zu unerwünschten Brüchen, oft mit einhergehendem Ablösen, was die Nutzungsdauer des Kolbenrings reduziert.One way to reduce this wear is to apply coatings to the ring. In general, these coatings have advantageous properties in terms of hardness, which allows a good performance of the ring in terms of its wear; however, the low ductility of these hard coatings results in undesirable fractures, often with concomitant peeling, which reduces the useful life of the piston ring.

Als weiteren Aspekt gibt es Beschichtungen, die gute Duktilitätswerte aufweisen und dementsprechend einer Ablösung recht gut widerstehen, jedoch nicht die gewünschte Leistung in Bezug auf die Abnutzungsbeständigkeit zeigen.As a further aspect, there are coatings that have good ductility values and, thus, resist quite well, but do not exhibit the desired performance in terms of wear resistance.

Verschiedene Lösungen für die Kolbenringbeschichtung wurden von Experten auf diesem Gebiet vorgeschlagen, von denen einige unten beschrieben sind.Various solutions for piston ring coating have been proposed by those skilled in the art, some of which are described below.

Das japanische Patent JP 4452641 betrifft einen Kolbenring, der ein eisenhaltiges Metall oder eine Aluminiumbasis, eine nitrierte Schicht und eine Beschichtung in Form eines Films einer Cr-B-Ti-N-Legierung umfasst, die per PVD-Verfahren (physikalische Dampfabscheidung) aufgebracht wird. Diese Beschichtung wurde ausgestaltet, um gute Eigenschaften wie Härte und Duktilität zu bieten, aber ihr Aufbringen erzeugt eine Erhöhung der Herstellungskosten des Rings, der in einigen Anwendungen ggf. wirtschaftlich nicht tragfähig ist.The Japanese patent JP 4452641 relates to a piston ring comprising an iron-containing metal or an aluminum base, a nitrided layer and a coating in the form of a film of a Cr-B-Ti-N alloy deposited by PVD (Physical Vapor Deposition) method. This coating has been designed to provide good properties such as hardness and ductility, but its application creates an increase in the manufacturing cost of the ring, which may not be economically viable in some applications.

Das japanische Patent JP 3239610 betrifft einen Kolbenring zur Verwendung in der Nut eines Kolbens, die aus einer Aluminiumlegierung (Metallmatrixverbundstoff – MMC) hergestellt ist. Der Ring umfasst eine nitrierte Deckschicht oder eine Beschichtung, die nur auf der äußeren lateralen Oberfläche ausgebildet ist. Die Härte der oberen und unteren Oberflächen des Rings beträgt zwischen 400HV und 600HV, die durch das Zementations- oder Härtungsverfahren erhalten werden.The Japanese patent JP 3239610 relates to a piston ring for use in the groove of a piston made of an aluminum alloy (metal matrix composite - MMC). The ring includes a nitrided capping layer or coating formed only on the outer lateral surface. The hardness of the upper and lower surfaces of the ring is between 400HV and 600HV obtained by the cementation or hardening method.

Das US-Patent 4.531.985 betrifft einen Kolbenring, dessen äußere Oberflächen in einer Kammer mit einem Gasgemisch eines Gases mit Kohlenstoff und eines Gases mit Stickstoff behandelt werden, bei einer Temperatur zwischen 450 ºC und 650 ºC. Die Anteile der Gase besitzen Werte zwischen 25:75 und 75:25 und dieses Gasgemisch stellt die Carbonitrierung der Oberflächen des Rings bereit. Die Oberflächen des Rings werden vor der Behandlung mechanisch abgeschlossen.The U.S. Patent 4,531,985 relates to a piston ring whose outer surfaces are treated in a chamber with a gas mixture of a gas with carbon and a gas with nitrogen, at a temperature between 450 ° C and 650 ° C. The proportions of the gases have values between 25:75 and 75:25 and this gas mixture provides carbonitriding of the surfaces of the ring. The surfaces of the ring are mechanically closed before treatment.

Ein Kolbenring basierend auf Kohlenstoffstahl, dessen untere laterale Oberfläche eine zementierte oder carbonitrierte Schicht mit einer Dicke zwischen 100 µm und 300 µm und einer Härte zwischen 700HV und 1000HV aufweist, wurde bislang noch nicht entwickelt und beschrieben.A piston ring based on carbon steel, the lower lateral surface of which has a cemented or carbonitrided layer with a thickness of between 100 μm and 300 μm and a hardness between 700 HV and 1000 HV, has not yet been developed and described.

Ziele der ErfindungObjectives of the invention

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Kolbenring Kohlenstoffstahlbasis, dessen untere Oberfläche durch ein Zementations- oder Laser-Carbonitrierverfahren ausgehärtet wird.An object of the present invention is a carbon steel base piston ring whose lower surface is cured by a cementation or laser carbonitriding process.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Kolbenring auf Kohlenstoffstahlbasis, dessen untere Oberfläche durch ein Zementations- der Laser-Carbonitrierverfahren ausgehärtet wird, um eine zementierte oder carbonitrierte Schicht mit einer Dicke zwischen 100 µm und 300 µm und einer Härte zwischen 700HV und 1000HV zu ergeben.Another object of the present invention is a carbon steel-based piston ring whose lower surface is hardened by a cementation laser carbonitriding method to give a cemented or carbonitrided layer having a thickness between 100 μm and 300 μm and a hardness between 700HV and 1000HV ,

Kurzbeschreibung der ErfindungBrief description of the invention

Die Ziele der vorliegenden Erfindung werden mit einem Kolbenring, insbesondere einem Kompressionsring, der mit einer Kohlenstoffstahlbasis bereitgestellt wird, dessen Querschnitt eine äußere laterale Oberfläche definiert, die verschiebbar mit der Wand eines Zylinders verknüpft werden kann, einer oberen Oberfläche, die mit der Nut eines Kolbens verknüpft werden kann, die zur Kolbenkrone weist, und einer unteren lateralen Oberfläche, die mit der Nut eines Kolbens verknüpft werden kann, die zum Kolbenschaft weist, wobei mindestens ein Abschnitt der unteren Oberfläche eine carbonitrierte Schicht umfasst, die eine Dicke zwischen 100 µm und 300 µm aufweist und eine Härte zwischen 700HV und 1000HV.The objects of the present invention are provided with a piston ring, in particular a compression ring provided with a carbon steel base, the cross-section of which defines an outer lateral surface which can be slidably associated with the wall of a cylinder, an upper surface which coincides with the groove of a piston can be linked, which points to the piston crown, and a lower lateral surface that can be linked to the groove of a piston facing the piston skirt, wherein at least a portion of the lower surface comprises a carbonitrided layer having a thickness between 100 μm and 300 μm and a hardness between 700HV and 1000HV.

Die Ziele der vorliegenden Erfindung werden auch durch mindestens ein Wärmebehandlungsverfahren zum Behandeln mindestens eines Abschnitts der unteren Oberfläche des Kolbenrings erreicht, der oben definiert wurde, das die folgenden Schritte umfasst:The objects of the present invention are also achieved by at least one heat treatment process for treating at least a portion of the lower surface of the piston ring defined above comprising the following steps:

Schritt (i): Abdecken mindestens eines Abschnitts der unteren Oberfläche des Rings mit einem Rußbelag oder einer anderen kohlenstoffbasierten Verbindung; undStep (i): covering at least a portion of the lower surface of the ring with a soot deposit or other carbon based compound; and

Schritt (ii): Anwendung eines Laserstrahls an den Rußbelag, der mit einer präzisen Orts- und Tiefensteuerung angewendet wird.Step (ii): Applying a laser beam to the soot deposit, which is applied with precise location and depth control.

Der Laserstrahl wird angewendet und erwärmt den Punkt, bis die Austenitisierungstemperatur erreicht wird, wodurch die Diffusion der Kohlenstoffatome, die im Rußbelag vorkommen, von der Oberfläche zum Inneren der Basis gefördert wird.The laser beam is applied and heats the spot until the austenitizing temperature is reached, thereby promoting diffusion of the carbon atoms present in the soot scale from the surface to the interior of the base.

Schritt (ii) umfasst das schnelle Abkühlen des Bereichs, in dem der Laserstrahl zum Bilden von Martensit angewendet wird.Step (ii) involves rapidly cooling the area where the laser beam is applied to form martensite.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die vorliegende Erfindung wird basierend auf einem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel ausführlicher beschrieben. Es zeigen:The present invention will be described in more detail based on an embodiment shown in the drawings. Show it:

1 – eine schematische Teilansicht eines Kompressionsrings, der an einem Motorkolben montiert ist, der sich zum TDC bewegt, wobei eine kritische Situation der Abnutzung seiner unteren Oberfläche dargestellt ist; 1 A schematic partial view of a compression ring mounted on an engine piston moving to the TDC, showing a critical situation of wear of its lower surface;

2 – eine vergrößerte Fotografie eines Abschnitts des Kolbenrings gemäß der vorliegenden Erfindung, auf seiner unteren Oberfläche; 2 An enlarged photograph of a portion of the piston ring according to the present invention, on its lower surface;

3 – eine schematische Ansicht einer Ausrüstung für Laser-Carbonitrierverfahren, das für den Kolbenring gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet wird; 3 A schematic view of a laser carbonitriding process equipment used for the piston ring according to the present invention;

4 – eine schematische Vergleichsansicht der unteren Oberfläche des Kolbenrings vor und nach dem Laser-Carbonitrierverfahren; 4 A schematic comparative view of the lower surface of the piston ring before and after the laser carbonitriding process;

5 – eine schematische Schnittansicht des Kolbenrings gemäß der vorliegenden Erfindung vor dem Laser-Carbonitrierverfahren; 5 A schematic sectional view of the piston ring according to the present invention prior to the laser carbonitriding process;

6 – eine schematische Schnittansicht des Kolbenrings gemäß der vorliegenden Erfindung nach dem Laser-Carbonitrierverfahren; 6 A schematic sectional view of the piston ring according to the present invention after the laser carbonitriding process;

7 – ein Abnutzungsschaubild des Kolbenrings gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu anderen Kolbenringen aus dem Stand der Technik. 7 - A wear diagram of the piston ring according to the present invention in comparison with other piston rings of the prior art.

Ausführliche Beschreibung der FigurenDetailed description of the figures

Der Kolbenring gemäß der vorliegenden Erfindung wurde nach langen Studien mit dem Ziel des Bereitstellens einer langen Einsatzdauer und Herstellungskosten entwickelt, die ihn für die wirtschaftliche Anwendung bei Motoren tragfähig machen.The piston ring according to the present invention has been developed after long studies with the aim of providing a long service life and manufacturing costs that make it viable for economical use in engines.

Kolbenringe nutzen nicht nur auf der äußeren Oberfläche ab, die zur Zylinderwand weist. Die konstante Reibung des Rings an der Kolbennut führt zur Abnutzung an den oberen Oberflächen (die zur Kolbenoberseite oder -krone weisen) und der unteren Oberflächen (die zum Kolbenschaft weisen).Piston rings not only use on the outer surface facing the cylinder wall. The constant friction of the ring on the piston groove results in wear on the upper surfaces (facing the piston top or crown) and the lower surfaces (facing the piston skirt).

Der erste Nutring, der auch als Kompressionsring bekannt ist, ist derjenige, der den größten Kräften und Spannungen ausgesetzt ist, wenn der Motor in Betrieb ist. Wenn der Motor läuft, bewegt sich der Kompressionsring, der in der (ersten) Kolbennut montiert ist, leicht in axiale Richtung, was zu einer Abnutzung seiner oberen und unteren Oberflächen führt. Eine der kritischsten Abnutzungssituationen erfolgt in dem Moment, in dem sich der Kolben zum oberen Totpunkt (TDC) bewegt, der eine Interferenz der unteren Oberfläche es Rings mit der Kolbennut erzeugt, was die Abnutzung in diesem Bereich potenziert. Diese Situation tritt mehrere tausende Male pro Minute im Normalbetrieb eines Motors auf und ist schematisch in 1 dargestellt.The first grooved ring, also known as a compression ring, is the one which is subjected to the greatest forces and stresses when the engine is in operation. When the engine is running, the compression ring mounted in the (first) piston groove slightly moves in the axial direction, resulting in wear of its upper and lower surfaces. One of the most critical wear situations occurs at the moment the piston moves to top dead center (TDC), which creates interference of the lower surface of the ring with the piston groove, which increases wear in this area. This situation occurs several thousands of times per minute during normal operation of an engine and is schematically in 1 shown.

Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, ist der Kolbenring 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ein Kompressionsring, aber es ist offensichtlich, dass er andere Konfigurationen annehmen kann, wie z. B. die eines zweiten Nutrings oder eines Ölabstreifrings, ohne dass die resultierende Erfindung den Schutzbereich der angehängten Ansprüche dadurch verlässt.Preferably, but not necessarily, is the piston ring 1 according to the present invention, a compression ring, but it is obvious that it can take other configurations, such. A second grooved ring or an oil scraper ring, without the resulting invention leaving the scope of the appended claims.

Ungeachtet des spezifischen Aufbaus erfüllt der Ring 1 gemäß der vorliegenden Erfindung die Leistungsanforderungen ohne jegliche Art von Beschichtung oder Nitrierung auf seiner unteren Oberfläche, durchläuft jedoch eine Aushärtung an mindestens einem Abschnitt dieser Oberfläche durch ein Zementations- oder Laser-Carbonitrierverfahren. Ein weiteres zwingendes Merkmal für die Effektivität des Carbonitrierverfahrens ist, dass das Grundmaterial, aus dem der Ring 1 besteht, Kohlenstoffstahl ist, in jeder erforderlichen oder gewünschten Zusammensetzung.Regardless of the specific structure, the ring will satisfy 1 However, according to the present invention, the performance requirements are without any kind of coating or nitriding on its bottom surface, but undergoes curing on at least a portion of that surface by a cementation or laser carbonitriding process. One Another compelling feature of the effectiveness of the carbonitriding process is that the base material from which the ring 1 carbon steel, in any required or desired composition.

Im Wesentlichen beschrieben, wird der Ring 1 gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Basis 2 aus Kohlenstoffstahl bereitgestellt, dessen Querschnitt die unterschiedlichsten Konfigurationen annehmen kann, vorausgesetzt, dass diese eine äußere laterale Oberfläche 3 definieren, die mit der Wand D eines Zylinders verknüpft werden kann, eine obere Oberfläche 4, die mit der Nut C des Kolbens P verknüpft werden kann und die zur Kolbenkrone weist, und eine untere Oberfläche 5, die mit der Nut C eines Kolbens P verknüpft werden kann, die zum Schaft S des Kolbens weist.Essentially described, the ring becomes 1 according to the present invention having a base 2 made of carbon steel, the cross-section of which can take a variety of configurations, provided that they have an outer lateral surface 3 define that can be linked to the wall D of a cylinder, an upper surface 4 , which can be linked to the groove C of the piston P and facing the piston crown, and a lower surface 5 , which can be linked to the groove C of a piston P facing the shaft S of the piston.

Dies ist die Grundgeometrie des Kompressionsrings zum Durchführen seiner erforderlichen Funktion. Eine nicht einschränkende Konfiguration des Querschnitts des Rings 1 ist in 6 dargestellt.This is the basic geometry of the compression ring to perform its required function. A non-limiting configuration of the cross section of the ring 1 is in 6 shown.

Es ist genau ein Abschnitt oder die gesamte untere Oberfläche 5, die das Laser-Carbonitrierverfahren durchläuft, das unten beschrieben ist, und das die Oberflächenhärte in dem Bereich erhöht, wodurch die Abnutzung des Rings in konstanter Reibung mit der Kolbennut stark reduziert wird.It's just a section or the entire bottom surface 5 which undergoes the laser carbonitriding process described below, and which increases the surface hardness in the region, thereby greatly reducing the wear of the ring in constant friction with the piston groove.

Bei der Zementation oder Carbonitrierung handelt es sich um eine thermochemische Behandlung, die im Einleiten von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in die Oberfläche einer Kohlenstoffstahl-Komponente mit dem Ziel der Erhöhung der Oberflächenhärte besteht. Die Kohlenstoff- und/oder Stickstoffatome, die von einem Quellmaterial zugeführt werden, werden auf Grundlage des Erwärmens des Bereichs eingeleitet, der die Zementation durchlaufen soll, wie unten beschrieben. Dann wird die Oberfläche schnell abgekühlt und der höhere Kohlenstoffgehalt in den Oberflächenschichten führt zu einer Erhöhung der Oberflächenhärte, Erhöhung der Abnutzungsbeständigkeit und Erhöhung der Zugdauerfestigkeit. Ein weiteres charakteristisches Merkmal, das aus diesem Verfahren resultiert, ist eine Veränderung (normalerweise Zunahme) der Korngröße.Cementation or carbonitriding is a thermochemical treatment that involves introducing carbon and / or nitrogen into the surface of a carbon steel component for the purpose of increasing surface hardness. The carbon and / or nitrogen atoms supplied from a source material are introduced based on the heating of the region which is to undergo the cementation, as described below. Then, the surface is rapidly cooled and the higher carbon content in the surface layers leads to an increase in surface hardness, increase in wear resistance and increase in tensile fatigue strength. Another characteristic feature that results from this process is a change (usually increase) in grain size.

Der schnelle Temperaturabfall und der höhere Kohlenstoffgehalt in Nähe der Oberfläche führen zur Transformation von Austenit zu Martensit, während der Bereich, der noch nicht zementiert ist, eine Ferrit- und/oder Perlitmikrostruktur aufweist, die in dem Kohlenstoffstahl vorherrscht, mit der höheren Duktilität.The rapid drop in temperature and the higher carbon content in the vicinity of the surface lead to the transformation of austenite to martensite, while the area that is not yet cemented, has a ferrite and / or pearlite microstructure, which prevails in the carbon steel, with the higher ductility.

Spezifischer durchläuft der Kolbenring 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ein Zementations- oder Laser-Carbonitrierverfahren. Hierzu umfasst die eingesetzte Ausrüstung zur Ausführung des Verfahrens eine Quelle, die Laserstrahlen ausstrahlt, die als Wärmequelle hoher Leistung und Präzision dienen, wodurch der Transfer von Kohlenstoff und/oder Stickstoff aus einem Quellmaterial aktiviert wird.More specifically, the piston ring passes through 1 according to the present invention, a cementation or laser carbonitriding process. To this end, the equipment used to carry out the process comprises a source which emits laser beams which serve as a heat source of high power and precision, thereby activating the transfer of carbon and / or nitrogen from a source material.

Der große Vorteil dieses Verfahrens in Bezug auf die bestehenden Technologien und neben den diesen innewohnenden Nachteilen/Merkmalen einer Beschichtung, die brechen oder abplatzen kann, liegt in der Möglichkeit der sorgfältigen Steuerung der Variablen dieses Verfahrens, um die gewünschten tribologischen Merkmale in dem behandelten Bereich zu erhalten. Spezifischer macht die Fähigkeit der Manipulation der Quelle der Laserstrahlen zum Behandeln sehr kleiner Bereiche mit großer Präzision, der angemessenen Wärmesteuerung, der Tiefe, mit der die Diffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff gewünscht wird, und der Weg des Laserstrahls kombiniert mit einer hohen Kapazität zur Automatisierung dieses Verfahrens seine Verwendung extrem vorteilhaft.The great advantage of this method with respect to the existing technologies and the inherent disadvantages / features of a coating which may break or flake off is the ability to carefully control the variables of this process to achieve the desired tribological features in the area being treated receive. More specifically, the ability to manipulate the source of laser beams to treat very small areas with great precision, adequate thermal control, the depth at which diffusion of carbon and / or nitrogen is desired, and the path of the laser beam combine with high capacity Automation of this method makes its use extremely beneficial.

In diesem Zusammenhang hat der Anmelder in umfassenden Untersuchungen an den Variablen gearbeitet, bis diese die idealen Festigkeitseigenschaften der behandelten unteren Oberfläche 5 erreichten.In this context, the Applicant has worked extensively on the variables until they have the ideal strength properties of the treated lower surface 5 reached.

3 zeigt schematisch die Ausrüstung 10 zum Ausführen des Verfahrens der Carbonitrierung mit dem Laserstrahl 13. Sie umfasst eine Quelle, die Laserstrahlen 11 ausgibt, wahlweise einen Spiegel 12 zum Leiten dieses Strahls und eine oder mehrere Sammellinsen 14 zum Sammeln des gesamten Spektrums des Laserstrahls 13 in einem relativ kleinen Bereich oder Punkt, wodurch sowohl die hohe Heizleistung als auch die präzise Steuerung des zu behandelnden Bereichs sichergestellt werden. 3 shows schematically the equipment 10 for carrying out the method of carbonitriding with the laser beam 13 , It includes a source, the laser beams 11 outputs, optionally a mirror 12 for directing this beam and one or more converging lenses 14 for collecting the entire spectrum of the laser beam 13 in a relatively small area or point, ensuring both the high heating power and the precise control of the area to be treated.

Vorzugsweise wird die zu behandelnde Oberfläche 5 in einer Umgebung in Gegenwart eines Gases auf Stickstoffbasis aufgebracht, um die Diffusion dieses Elements zu ermöglichen.Preferably, the surface to be treated becomes 5 in an environment in the presence of a nitrogen-based gas to facilitate diffusion of that element.

Im Wesentlichen ist das Wärmebehandlungsverfahren zum Behandeln mindestens eines Abschnitts der unteren Oberfläche 5 des Kolbenrings gemäß der vorliegenden Erfindung eine Erfindung, die in den Schutzbereich der angehängten Ansprüche fällt, und umfasst Schritt (i) des Abdeckens mindestens eines Abschnitts der unteren Oberfläche 5 des Rings mit einer Rußbelag 6 oder einer anderen kohlenstoffbasierten Verbindung; und Schritt (ii) der Anwendung eines Laserstrahls 13 auf den Rußbelag 6, der mit präziser Ort- und Tiefensteuerung angewendet wird.In essence, the heat treatment process is for treating at least a portion of the lower surface 5 of the piston ring according to the present invention, an invention falling within the scope of the appended claims, and comprising step (i) of covering at least a portion of the lower surface 5 of the ring with a soot lining 6 or another carbon-based compound; and step (ii) of applying a laser beam 13 on the soot surface 6 which is applied with precise local and depth control.

In Schritt (ii) wird der Laserstrahl 13 angewendet und erwärmt die Oberfläche 5, bis die Austenitisierungstemperatur erreicht wird, wodurch die Diffusion der Kohlenstoffatome, die im Rußbelag (6) vorhanden sind, und der Stickstoffatome, die in der gasförmigen Atmosphäre der Oberfläche 5 vorhanden sind, zum Inneren der Basis hin gefördert wird. Schritt (ii) umfasst ferner das schnelle Abkühlen des Bereichs, in dem der Laserstrahl zum Bilden von Martensit angewendet wird. Die Bildung der carbonitrierten Schicht 7 ist schematisch in 4 dargestellt.In step (ii), the laser beam becomes 13 applied and warms the surface 5 until the austenitizing temperature is reached, whereby the diffusion of the carbon atoms present in the soot deposit ( 6 ), and the nitrogen atoms in the gaseous atmosphere of the surface 5 are present, is conveyed to the interior of the base. Step (ii) further comprises rapidly cooling the region where the laser beam is applied to form martensite. The formation of the carbonitrided layer 7 is schematic in 4 shown.

Genauer bewirkt der Laserstrahl das schnelle Schmelzen des Materials, da er aber nur für eine kurze Zeit und nur auf der Oberfläche angewendet wird, verbleibt das übrige Material bei seiner Anfangstemperatur, die im Folgenden als Kalttemperatur bezeichnet wird, und dient als Wärmegrenze. Daher herrscht ein großer Temperaturgradient im Übergangsbereich zwischen dem geschmolzenen Material und dem restlichen Material, das bei Kalttemperatur verblieben ist. Das Ergebnis ist eine schnelle Verfestigung, sobald die Anwendung des Laserstrahls endet.More specifically, the laser beam causes the material to melt quickly, but since it is applied only for a short time and only on the surface, the remaining material remains at its initial temperature, which will be referred to as cold temperature, and serves as a heat limit. Therefore, there is a large temperature gradient in the transition region between the molten material and the remainder of the material remaining at cold temperature. The result is rapid solidification as soon as the application of the laser beam ends.

Für alle Quellen, die Laserstrahlen ausgeben, besitzt die Expositionszeit (oder Impuls) eine beträchtliche Auswirkung auf die Tiefe des Materials, das geschmolzen wird. Selbstverständlich stellen lange Expositionszeiten eine tiefere Fusion bereit. Da ein zu einer größeren Tiefe geschmolzenes Material offensichtlich bedeutet, dass es längere Zeit im geschmolzenen Zustand verbleibt, steht mehr Zeit zur Diffusion des einen oder der mehreren Legierungselemente (wie Kohlenstoff und Stickstoff) zur Verfügung. Daher kann das zu einer größeren Tiefe und für längere Zeit geschmolzene Material zur Bildung von mehr verdünnten Legierungen führen und umgekehrt.For all sources emitting laser beams, the exposure time (or momentum) has a significant effect on the depth of the material being melted. Of course, long exposure times provide a deeper fusion. Since a material melted to a greater depth obviously means that it remains in the molten state for an extended period of time, more time is available to diffuse the one or more alloying elements (such as carbon and nitrogen). Therefore, the material melted to a greater depth and for a longer time can lead to the formation of more diluted alloys and vice versa.

Andere Variablen im Verfahren sind die Leistung des Laserstrahls, die Dicke des Rußbelags und die Natur der gasförmigen Atmosphäre, in der das Verfahren stattfindet.Other variables in the process are the power of the laser beam, the thickness of the soot deposit and the nature of the gaseous atmosphere in which the process takes place.

Ungeachtet der spezifischen Konfiguration weist der resultierende Ring 1 schließlich eine untere Oberfläche 5 auf, in welcher der behandelte Abschnitt eine carbonitrierte Schicht 7 umfasst, die eine Dicke zwischen 100 µm und 300 µm und eine Härte zwischen 700HV und 1000HV aufweist. Mehr bevorzugt, weist die carbonitrierte Schicht 7 eine Dicke von im Wesentlichen 100 µm und auch eine Übergangsschicht 5' mit einer Dicke von im Wesentlichen 200 µm auf, die bei einer Tiefe von 100 µm startet und eine Tiefe von 300 µm gemessen von der äußeren Oberfläche erreicht.Regardless of the specific configuration, the resulting ring indicates 1 finally a lower surface 5 in which the treated section is a carbonitrided layer 7 comprising a thickness between 100 microns and 300 microns and a hardness between 700HV and 1000HV. More preferably, the carbonitrided layer 7 a thickness of substantially 100 microns and also a transition layer 5 ' having a thickness of substantially 200 μm, which starts at a depth of 100 μm and reaches a depth of 300 μm measured from the outer surface.

Die Verwendung der Laser-Carbonitriertechnik ist recht vorteilhaft, weil sie Vorteile gegenüber den Beschichtungsverfahren besitzt, wenn gewünscht wird, dass spezifischen Oberflächen des Kolbenrings Festigkeit verliehen wird. Zusammengefasst ergeben sich die folgenden Vorteile:

– Erhöhung der Zähigkeit auf der behandelten Oberfläche durch Diffusion von Kohlenstoff gegenüber dem Stand der Technik;
– Erhöhung der Nutzungsdauer des Kolbenrings (und demzufolge des Motors als Ganzes) durch die Erhöhung der Abnutzungsbeständigkeit an der behandelten Stelle;
– Möglichkeit der erweiterten Verwendung von Kolbenringen aus Kohlenstoffstahl für Anwendungen mit höheren Anforderungen (Motoren, bei denen die Ringe exakter vorgegebene Leistungsanforderungen erfüllen müssen); und
– Möglichkeit der lokalen Behandlung, Minimierung der unerwünschten Auswirkung von Temperatur auf andere Bereiche der Komponente.

The use of the laser carbonitriding technique is quite advantageous because it has advantages over the coating processes when it is desired to impart strength to specific surfaces of the piston ring. In summary, there are the following advantages:

- Increasing the toughness on the treated surface by diffusion of carbon over the prior art;
Increasing the service life of the piston ring (and consequently of the engine as a whole) by increasing the wear resistance at the treated site;
- Possibility of extended use of carbon steel piston rings for higher demanding applications (motors where the rings have to meet more precise performance requirements); and
- Possibility of local treatment, minimizing the undesirable effect of temperature on other areas of the component.

Das in 7 dargestellte Schaubild zeigt die Werte der Abnutzungsbeständigkeit des vorliegenden Rings 1 im Vergleich zu derzeit verwendeten Ringen. Tests haben bestätigt, dass der Ring 1 gemäß der vorliegenden Erfindung reduzierte Abnutzungswerte zeigt, die fast genauso gut sind, wie die von Ringen mit nitriertem Edelstahl (GNS) mit 60 µm und von Ringen aus grauem Gusseisen (GCI) und weit vorteilhafter als die von Ringen aus Sphäroguss (NCI) und von Ringen aus Cr-Si-Stahl.This in 7 The graph shown shows the values of wear resistance of the present ring 1 compared to currently used rings. Tests have confirmed that the ring 1 in accordance with the present invention exhibits reduced wear values almost as good as those of rings of nitrided stainless steel (GNS) of 60 microns and rings of gray cast iron (GCI) and far more advantageous than those of ductile iron rings (NCI) and of Rings made of Cr-Si steel.

Da eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, wird man verstehen, dass der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung andere mögliche Variationen umfasst und nur durch den Inhalt der angehängten Ansprüche eingeschränkt ist, die ihre möglichen Äquivalente einschließen.Having described a preferred embodiment, it will be understood that the scope of the present invention includes other possible variations and is limited only by the terms of the appended claims, which include their possible equivalents.

Claims

Piston ring with a base ( 2 carbon steel whose cross-section has an outer lateral surface ( 3 ), which can be slidably connected to the wall (D) of a cylinder, defines a top surface ( 4 ), which can be linked to the groove (C) of a piston (P) facing the piston crown, and a lower surface ( 5 ) which can be linked to the groove (C) of a piston (P) facing the piston shaft (S), characterized in that at least a portion of the lower surface ( 5 ) a carbonitrided layer ( 7 ) having a thickness of between 100 μm and 300 μm and a hardness of between 700HV and 1000HV.

Ring according to claim 1, characterized in that the carbonitrided layer ( 7 ) has a thickness of substantially 100 μm.

Ring according to claim 2, characterized in that it has a transition layer ( 5 ' ) having a thickness of substantially 200 microns.

Ring according to claim 3, characterized in that the transition layer ( 5 ' ) starts at a depth of 100 microns and reaches a depth of 300 microns calculated from the outer surface.

Ring according to claim 1 or 2, characterized in that the carbonitrided layer ( 7 ) consists of an austenite matrix with integrated martensite platelets.

Ring according to one of the preceding claims, characterized in that the carbonitrided layer ( 7 ) is obtained by the laser carbonitriding method.

Ring according to one of the preceding claims, characterized in that the outer surface ( 3 ) has a coating applied by the physical vapor deposition (PVD) process.

Heat treatment process for treating at least a portion of the lower surface ( 5 ) of the piston ring according to one of claims 1 to 7, characterized in that it comprises the following steps: step (i): covering at least a portion of the lower surface ( 5 ) of the ring with a soot deposit ( 6 ) or another carbon-based compound; and step (ii): applying a laser beam to the soot deposit ( 6 ), which is applied with precise local and depth control.

A method according to claim 8, characterized in that in step (ii) the laser beam is applied and heats the point until the austenitizing temperature is reached, whereby the diffusion of the carbon atoms present in the soot coating ( 6 ) are conveyed from the surface to the interior of the base.

A method according to claim 8 or 9, characterized in that step (ii) comprises rapidly cooling the region in which the laser beam is used to form martensite.

A method according to claim 8, 9 or 10, characterized in that in step (ii) the laser beam is applied in an environment in which a gas containing nitrogen predominates.