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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenring gemäß Oberbegriff Patentanspruch
1.
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Ein
Aluminiumzylinder im Sinne der Erfindung ist beispielsweise ein
Motorzylinder, der aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist,
deren Hauptbestandteil Aluminium ist.
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Besonders
in den letzten Jahren wurden im Automobilbau erhebliche Anstrengungen
zur Reduzierung des Fahrzeuggewichtes unternommen, um so die dynamischen
Eigenschaften eines Automobils zu verbessern und gleichzeitig den
Treibstoffverbrauch auch zur Schonung der Treibstoff-Ressourcen
zu reduzieren. Aus diesen Gründen
werden zunehmend Aluminiumzylinder hergestellt aus einer Aluminiumlegierung
oder aber Zylindereinsätze
aus Aluminiumlegierung bei Kolben-Verbrennungsmaschinen oder Motoren verwendet. Ein
derartiger Aluminiumzylinder ist beispielsweise in der JP 9-19757
A beschrieben. Dieser bekannte Zylinder ist aus einer hypereutektischen
Aluminium-Silizium-Legierung
hergestellt, und zwar durch Formgießen. Weitere Verwendungen einer
hypereutektischen bzw. übereutektischen
Aluminium-Silizium-Legierung als Gleitwerkstoff in Brennkraftstoffmaschinen,
insbesondere als Herstellung einer Zylinderbuchse sind beispielsweise aus
der
DE 3725495 C2 und
der
DE 4437719 A1 bekannt.
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Weiterhin
wurden Kolbenringe zur Verwendung in Kombination mit Aluminiumzylindern
verbessert, und zwar u.a. auch hinsichtlich des verwendeten Materials,
des Überzugs
der Gleitfläche;
aber auch in anderen Aspekten, um so eine Anpassung an die Gleitfläche des
Aluminiumzylinders zu erreichen. Für die Herstellung eines typischen
Kolbenringes wird als Basis- oder Ausgangsmaterial ein korrosionsbeständiger Martensit-Stahl
verwendet, der 12 – 14%
Chrom aufweist, wobei die Gleitfläche durch Nitrierung bzw. Nitrierhärten gebildet
wird. Ein solcher Kolbenring besitzt jedoch erhebliche Nachteile,
wie dies nachstehend erläutert
wird.
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Der
vorstehend erwähnte
herkömmliche
Kolbenring mit einer Nitridschicht an der Gleitfläche besitzt eine
Härte (Vickers-Härte in N/mm2) von HV 100 – 1300 an dieser Nitridschicht
oder Gleitfläche.
Aus diesem Grunde ist zwar die Abriebfestigkeit des Kolbenringes
selbst gut, aber das andere Element bzw. das Gegenelement, d.h.
der Aluminiumzylinder unterliegt wegen des harten Kolbenrings einem
erhöhten
Abrieb bzw. einer erhöhten
Abnutzung, was dann zu einer relativ kurzen Lebensdauer führt.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 198 36 360 A1 ist ein Kolbenringmaterial
mit einem im warmen oder kalten Zustand verbesserten Ziehvermögen sowie
einer verbesserten Walzbearbeitbarkeit bekannt, dass beispielsweise
0,45 Gewichtsprozent Kohlenstoff und 8,8 Gewichtsprozent Chrom aufweist.
Ferner weist der aus diesem Kolbenringmaterial nach dem Nitrieren
hergestellte Kolbenring eine Oberflächenhärte von 983 HV auf.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, das oben genannte Problem zu lösen, d.h.
einen verbesserten Kolbenring aufzuzeigen, der insbesondere für einen
Aluminiumzylinder geeignet ist und nicht nur eine gute Abriebfestigkeit
aufweist, sondern auch optimal an einem Aluminiumzylinder angepaßt ist,
d.h. eine gute Kompatibilität mit
einem Aluminiumzylinder aufweist, und zwar in der Weise, daß der Abrieb
bzw. der Verschleiß des
Aluminiumzylinders niedrig sind.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist ein Kolbenring entsprechend dem Patentanspruch
1 ausgebildet.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist eine Nitridschicht vorgesehen, und zwar zumindest
an der Gleitfläche
des Kolbenringes, wobei diese Nitridschicht eine Härte (Vickers-Härte in N/mm2) von HV 900 – 1090 aufweist. Bei einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist eine Verbindungsschicht, die sich an der Oberfläche der
Nitridschicht gebildet hat, entfernt.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
graphische Darstellung, die die Härte eines mit einer Nitridschicht
versehenen Kolbenringes entsprechend der Erfindung im Vergleich
zu einem herkömmlichen
Kolbenring wiedergibt;
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2 eine
schematische Darstellung einer Testanordnung oder Rig-Testmaschine,
die zur Prüfung der
Abriebfestigkeit verwendet wird;
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3 eine
graphische Darstellung, die den Abrieb bzw. Verschleiß eines
ersten Musters eines Kolbenringes entsprechend der Erfindung und
eines Aluminiumzylinders oder -rings als weiteres Element zeigen, und
zwar im Vergleich zu Elementen des Standes der Technik; und
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4 eine
graphische Darstellung, die den Abrieb bzw. Verschleiß eines
zweiten Musters des Kolbenringes entsprechend der Erfindung in der
gleichen Weise wie die 3 zeigt, und zwar wiederum verglichen mit
Elementen nach dem Stand der Technik.
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Nachstehend
werden bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung zusammen mit Beispielen oder Mustern des Kolbenringes
gemäß der Erfindung
erläutert.
Der Kolbenring der vorliegenden Erfindung ist aus einem Eisen enthaltenen
Material hergestellt, und zwar in der gleichen Weise wie übliche Kolbenringe
und zwar vorzugsweise aus einem Drahtmaterial. Eine Nitridschicht
ist wenigstens an der Gleitfläche
des Kolbenringes vorgesehen. Das Eisen enthaltene Material schließt auch
Gußeisen
und Stahl mit ein.
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Im
Detail ist der erfindungsgemäße Kolbenring
so ausgeführt,
daß er
für die
Verwendung in Kombination mit einem Aluminiumzylinder geeignet ist,
der unter Verwendung eines Ausgangsmaterials gefertigt ist, welches
16 – 18%
Si, 0,45 – 2,0%
Mg, 3,0 – 5,0%
Cu, geringe Anteile an anderen Materialien, einschließlich Fe,
Mn, Ni, Zn, und Rest Aluminium enthält. Der erfindungsgemäße Kolbenring
so ausgeführt,
daß eine
hohe Verträglichkeit
mit der Innenwandung des Aluminiumzylinder erreicht ist.
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Der
Kolbenring ist hierfür
aus einem Grundmaterial hergestellt, welches es erleichtert, für die Härte der Nitridschicht,
die an der Gleitfläche
gebildet ist, einen geeigneten Wert zu erreichen, der an das andere,
aus der Aluminiumlegierung hergestellte Element angepaßt ist.
Das Ausgangsmaterial ist ein spezieller Stahl, der Kohlenstoff und
Chrom in einem niedrigeren Prozentanteil enthält, als dies bei einem herkömmlichen
Kolbenring der Fall ist, und zwar zur Reduzierung der Bildung von
Chromkarbid.
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Mit
anderen Worten, das Ausgangsmaterial des Kolbenringes gemäß der Erfindung
ist ein Spezialstahl, der 0,4 – 0,75
Gewichtsprozent Kohlenstoff und 7,0 – 11,0 Gewichtsprozent Chrom
enthält.
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Die
Gründe
für diese
Grenzen sind Folgende: Kohlenstoff ist ein wichtiges Element zur
Erhöhung
der Härte
und Festigkeit. Kohlstoff verbessert weiterhin die Abriebfestigkeit
durch Bildung von feinem harten Chromkarbid. Für einen Kolbenring sind wenigstens
0,4 Gewichtsprozent Kohlenstoff notwendig, um eine zufriedenstellende
Funktion zu erreichen. Ein Anteil an Kohlenstoff von mehr als 0,75
Gewichtsprozent führt
aber zur Ablagerung von primärem
Karbid, insbesondere blatt- oder schuppenartigem primärem Karbid,
was aber zu einer Beschädigung
der Innenfläche
des Aluminiumzylinders, der das andere Element dargestellt, führen kann
und hierdurch zu einem erhöhten
Abrieb oder Verschleiß.
Aus diesem Grunde ist es erforderlich, daß der Anteil an Kohlenstoff
in dem Ausgangs- bzw. Grundmaterial des Kolbenringes unter 0,75
Gewichtsprozent liegt.
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Darüber hinaus
ist Chrom ein Element, welches die Hitzebeständigkeit und Korrosionsfestigkeit
verbessert, und zwar dann, wenn es in dem Basismaterial enthalten
ist. Zusätzlich
bildet Chrom aber auch partiell Karbid und verbessert dadurch die
Eigenschaften gegen ein Blockieren oder „Fressen" des Kolbens sowie die Abriebfestigkeit.
Für einen
Kolbenring sind wenigstens 7,0 Gewichtsprozent Chrom für eine zufriedenstellende Arbeitsweise
erforderlich. Ein Anteil von mehr als 11,0 Gewichtsprozent Chrom
erhöht
aber die Ablagerung von Karbid, was wiederum die Beschädigung oder
Abnutzung der Innenfläche
des Aluminiumzylinders, der das andere Element darstellt, erhöht und zu
einer Erhöhung
des Abriebs bzw. des Verschleißes
führt.
Darüber
hinaus beeinträchtigt
ein zu hoher Anteil an Chrom die Verarbeitbarkeit des Materials
bei der Herstellung des Kolbenringes. Aus diesem Grunde muß der Anteil
an Chrom im Basismaterial des Kolbenringes unter 11,0 Gewichtsprozent
liegen.
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Der
Kolbenring besitzt auch eine Nitridschicht, die wenigstens an derjenigen
Außenfläche gebildet
ist, die die Gleitfläche
darstellt. Das Verfahren für
die Nitrierung bzw. das Nitrierhärten
kann ein solches der Gas-Nitrierung, der Eisennitrierung, der Nitrierung
mit einer Salzlösung,
eine Schwefelerosionsnitrierung usw. sein. Das Verfahren der Gas-Nitrierung
wird aber bevorzugt. Hierbei wird eine Amoniakgas-Atmosphäre oder aber
eine Mischgasatmosphäre
aus Amoniakgas und Stickstoffgas verwendet. Falls es notwendig ist,
kann auch die gesamte Oberfläche
des Kolbenringes aus dem Nitrierungsverfahren unterworfen werden.
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Das
Basismaterial des Kolbenringes gemäß der Erfindung enthält also
Kohlenstoff und Chrom, deren Anteile in geeigneter Weise reduziert
sind, um die Bildung von Chromkarbid zu steuern, wie dies vorstehend erwähnt wurde.
Aus diesem Grunde ist die Härte
der Nitridschicht, die an der Gleitfläche des Kolbenringes erzeugt
ist, auf einen geeigneten Wert reduziert, der kompatibel bzw. passend
für den
Aluminiumzylinder ist. Die Härte
der Nitridschicht ist so eingestellt, daß sie vorzugsweise HV 900 – 1090 beträgt. Falls
sie Härte
kleiner als 900 ist, unterliegt der Kolbenring selbst einem erhöhten Abrieb.
Liegt die Härte
aber über
HV 1090, so stellt auch dies keine optimale Kombination bzw. Anpassung
mit dem bzw. an den Aluminiumzylinder dar, da Beschädigungen
an der Innenfläche
des Aluminiumzylinders sehr schwerwiegend werden. Die Einstellung
der Härte
der Nitridschicht kann, obwohl diese Härte auch von der Zusammensetzung
des Basismaterials abhängt,
in einem gewissen Ausmaß durch
Steuerung der Bedienungen bei der Nitrierhärtebehandlung erfolgen. So
kann beispielsweise bei dem Gasnitrierverfahren die Härte der
Nitrierschicht durch Steuerung der Zusammensetzung der Gasatmosphäre, der
Prozeßzeit,
der Prozeßtemperatur
oder anderer Faktoren eingestellt bzw. beeinflußt werden.
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In
der 1 ist eine Grafik wiedergegeben, die die Beziehung
zwischen der Tiefe der Nitridschicht gemessen von der Oberfläche und
der Härte
wiedergibt. Bei diesem Muster wurde die Nitridschicht durch ein Gas-Nitrier-Verfahren
erzeugt, und zwar in einer Amoniakgasatmosphäre bei 550° C mit einer Behandlungsdauer
von 5 Stunden. Die Härte
der Nitridschicht des Kolbenringes der vorliegenden Erfindung liegt
im wesentlichen zwischen den Werten des 8Cr-Stahls und 13Cr-Stahls,
wie dies aus den in der 1 wiedergegebenen Meßdaten des
Härtetests
ersichtlich ist.
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Eine
sogenannte weiße
Schicht, welche eine dünne
Schicht einer Verbindung darstellt, die auf der Oberfläche der
Nitridschicht gebildet ist und eine hohe Konzentration an Stickstoff
enthält.
Diese Verbindungsschicht ist hart und spröde, so daß sie beim Gleiten des Kolbenringes
leicht bricht und zu einem zusätzlichen Abrieb
der Gleitfläche
führt.
Aus diesem Grunde ist es wünschenswert,
die Verbindungsschicht zu entfernen, und zwar beispielsweise durch
einen materialabtragenden Prozeß,
wie beispielsweise Läppen
oder Polieren.
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Weiterhin
sind die Ergebnisse eines Ringtests wiedergegeben, um die Abriebfestigkeit
eines Musters entsprechend der vorliegenden Erfindung zu evaluieren
oder darzustellen. Die 2 zeigt schematisch eine Test-
oder Prüfmaschine.
In einem Öltank
ist ein Element 2, beispielsweise ein mit einer Bohrung
versehenes Element (Ring- oder Zylinder-Element) aus Aluminium eingetaucht
und auf einer horizontalen Achse drehbar gelagert. Ein Muster eines
Kolbenrings 3 ist in Kontakt mit der Oberseite der Umfangsfläche des
Elementes 2 und ein Gewicht W ist zur Erzeugung einer vertikalen
Andrückkraft
auf dem Kolbenring angeordnet.
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Zwei
Muster (1) und (2) eines Ring- oder Zylinder-Element aus
Aluminium wurden bei diesem Test verwendet. Die Zusammensetzungen
(Gewichtsprozente) dieser Muster sind in der Tabelle 1 angegeben.
Geringe Anteile an Fe, Mn, Ni und Zn waren zwar ebenfalls in jedem
Muster enthalten, obwohl die Tabelle 1 diese Anteile aufweist. Die Zusammensetzung
(Gewichtsprozente) des Kolbenringes gemäß der Erfindung ist in der
Tabelle 2 wiedergegeben. Die Gleitfläche des Kolbenringes, die gegen
das Ring- oder Zylinder-Element 2 anliegt, besitzt
eine Nitridschicht mit einer Härte
von HV 1000.
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Tabelle
1 Zusammensetzung (Gewichtsprozent) des Aluminiumringes oder Rohrstückes
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Tabelle
2 Zusammensetzung (Gewichtsprozent) des Kolbenrings
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Unter
Verwendung der oben erwähnten
Testmaschine wurden auch Dauerversuche durchgeführt, und zwar über sieben
Stunden unter Bedingungen, bei denen die Umfangsgeschwindigkeit
des Ring- oder Zylinder-Elementes 1 Meter pro Sekunde,
das Gewicht W 8,0 Kg und die Temperatur des Öls im Tank 80°C betrugen,
um so die Abriebfestigkeit zu evaluieren. Unter den gleichen Bedingungen
wurden zwei Muster von herkömmlichen
Kolbenringen getestet. Hierbei wurden die in den 3 und 4 dargestellten
Ergebnisse ermittelt. Das Muster (1) des herkömmlichen
Kolbenrings ist ein standardisierter Kolbenring mit einer Chrom-Platierung
oder -Schicht auf der Gleitfläche,
während
das herkömmliche
Muster (2) ein solches ist, welches 13 Gewichtsprozent
Chrom enthält
und eine Härte
HV 1220 aufweist.
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Wie
in der 3 dargestellt ist, ist bei dem herkömmlichen
Muster (1) die Abnutzung des Ringkörpers oder des mit der Bohrung
versehenen Elementes gering, jedoch die Abnutzung oder der Abrieb
des Kolbenringes groß,
während
bei dem herkömmlichen
Muster (2) die Abnutzung bzw. der Abrieb des Kolbenringes
gering, jedoch die Abnutzung bzw. der Abrieb des Ring- oder Zylinderelementes
groß waren.
Im Gegensatz hierzu sind bei dem Mustern (1) gemäß der Erfindung
der Abrieb bzw. die Abnutzung des Kolbenringes geringfügig größer als
bei dem herkömmlichen
Muster (2) und der Abrieb bzw. die Abnutzung des Zylinder-
oder Ringelementes geringer als bei dem herkömmlichen Muster (2).
Die Balance zwischen der Abnutzung bzw. dem Abrieb des Ring- oder
Zylinderelementes und des Kolbens ist somit bei dem Muster (1)
gemäß der Erfindung
besonders optimal.
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Die 4 zeigt
die Ergebnisse des Musters (2) gemäß der Erfindung, wobei die
Darstellung ähnlich der
der 3 ist. Bei dem herkömmlichen Muster (1)
sind Abrieb- und Verschleiß des
Zylinder- oder Ringelementes nicht sehr groß, wohl aber der Abrieb und
Verschleiß des
Kolbenringes, während
bei dem herkömmlichen
Muster (2) der Abrieb und Verschleiß des Kolbenringes nicht sehr
groß sind,
wohl aber der Abrieb und Verschließ des Zylinder- oder Ringkörpers. Im
Gegensatz dazu sind bei dem Muster (2) gemäß der Erfindung der
Abrieb und Verschleiß des
Kolbenringes und auch des Zylinder- oder Ringelementes kleiner als
bei den konventionellen Mustern. Die Balance zwischen dem Abrieb
bzw. Verschleiß des
Kolbenringes und dem anderen Element, d.h. dem Ring- oder Zylinderelement
ist somit auch bei dem Muster (2) gemäß der Erfindung besonders vorteilhaft.
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Es
versteht sich aus der 2, daß bei der Test-Maschine die
Abnutzung des Zylinder- oder Ringelementes durch Abrieb durch die
Abnahme des Radius dieses Elementes definiert ist, während die
Abnutzung bzw. der Abrieb des Kolbenringes definiert sind durch
eine Abnahme der Dicke des Ringes am Berührungsabschnitt, da der Kolbenring
das Zylinder- oder Ringelement an einer konstanten Position berührt. Aus
diesem Grunde beträgt
bei den in den 3 und 4 wiedergegebenen
Testergebnissen die Abnutzung des Kolbenringes durch Abrieb ungefähr das 10-fache
der Abnutzung des Zylinder- oder Ringelementes. Die relative Abnutzung
des Kolbenringes zu dem Zylinderkörper ist aber dann geringer
als bei den Testergebnissen, wenn der Kolbenring so bewegt wird,
daß er
an der Innenwand des Zylinderkörpers
in Richtung der Achse gleitet, wie dies bei einer echten Maschine
der Fall ist. Die Abnutzung des Kolbenringes beträgt dann
im wesentlichen nur 1/10 oder weniger. Aus diesem Grunde wurde auch
der Maßstab
für den
Abrieb bzw. für
die Abnutzung des Kolbenringes gegenüber dem Maßstab für den Abrieb bzw. die Abnutzung
des Ring- oder Zylinderelementes in den 3 und 4 10-fach
vergrößert gewählt, so
daß die
Balance im Abrieb bzw. in der Abnutzung des Zylinder- oder Ringelementes
und des Kolbenringes leichter erkennbar ist.
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Der
beschriebene Kolbenring, d.h. der Kolbenring gemäß der vorliegenden Erfindung
ist beispielsweise ein erster Druck- oder Kompressionsring (vorderer
Ring), ein zweiter Druck- oder Kompressionsring, ein Ölring oder Ölabstreifring,
eine Ringkombination, eine Seitenführung einer Ölringkombination
oder eines kombinierten Ölrings
(einschließlich
einer dreiteiligen oder zweiteiligen Ausführung). Aus diesem Grunde kann
die Erfindung bei jedem Kolbenring, d.h. insbesondere bei jedem
ersten und zweiten Druckring, bei jedem Ölring und bei jeder Seitenführung einer Ölringkombination
zur Anwendung kommen.
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Ein
gasdichter Abschluß ist
für den
ersten Kolbenring wichtig. Für
den zweiten Kolbenring sind ein gasdichter Abschluß sowie
Gleitmittel- bzw. Öl-Abstreif-Eigenschaften erforderlich.
Gleitmittel- oder Öl-Abstreif-Eigenschaften
sind auch für
den Ölring
sowie für
dessen Seitenführungen
erforderlich. Der erfindungsgemäße Kolbenring
kann auch angepaßt
an die unterschiedlichsten Aufgaben mit der jeweils optimalen Form
hergestellt werden.
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Wie
aus den Testergebnissen ersichtlich, besitzt der Kolbenring gemäß der Erfindung
eine ausreichende Abriebfestigkeit und weiterhin auch eine ausreichende
Kompatibilität
mit dem Aluminiumzylinder, da die Härte der Nitridschicht, die
auf der Gleitfläche
gebildet ist, reduziert ist, und zwar durch Steuerung der Bildung von
Chromkarbid durch geeignete Reduzierung des Anteils an Kohlenstoff
und Chrom im Basismaterial des Kolbenrings. Aus diesem Grunde ist
die Abnutzung durch Abrieb der Innenwand des Aluminiumzylinders
reduziert, so daß eine
gute Balance bzw. Abstimmung zwischen dem Abrieb des Kolbenringes
und dem des Aluminiumzylinders erreicht werden kann. Darüber hinaus
ist eine erhebliche Kostenreduzierung möglich, da der erfindungsgemäße Kolbenring
einen geringeren Anteil an teuerem Chrom erfordert als ein herkömmlicher
Kolbenring.
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Durch
die Steuerung der Härte
der Nitridschicht, die an der Gleitfläche des Kolbenrings vorgesehen ist,
auf Werte zwischen HV 900 – 1090
werden für
die Anpassung des Kolbenringes und des Aluminiumzylinders verbesserte
Werte erreicht.
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Durch
Entfernung der an der Oberfläche
der Nitridschicht gebildeten Verbindungsschicht zumindest an der
Gleitfläche
des Kolbenringes wird ebenfalls die Abnutzung bzw. der Abrieb an
der Gleitfläche
sowohl des Aluminiumzylinders, als auch an der Gleitfläche des
Kolbenringes reduziert, so daß die
Lebensdauer jedes Elementes verbessert wird.
