DE112014005584T5 - Piston ring and heat treatment process - Google Patents
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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
Das japanische Patent
Das
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:
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
Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, ist der Kolbenring
Ungeachtet des spezifischen Aufbaus erfüllt der Ring
Im Wesentlichen beschrieben, wird der Ring
Dies ist die Grundgeometrie des Kompressionsrings zum Durchführen seiner erforderlichen Funktion. Eine nicht einschränkende Konfiguration des Querschnitts des Rings
Es ist genau ein Abschnitt oder die gesamte untere Oberfläche
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
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
Vorzugsweise wird die zu behandelnde Oberfläche
Im Wesentlichen ist das Wärmebehandlungsverfahren zum Behandeln mindestens eines Abschnitts der unteren Oberfläche
In Schritt (ii) wird der Laserstrahl
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
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.
- - 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
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 (11)
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