DE2058882C3 - Verfahren zur Nitrierung der Oberflächen von Bauteilen einer Kreiskolbenmaschine aus Eisen oder Stahl - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nitrierung der Oberfläche von Bauteilen aus Stahl oder Eisen in einer stickstoffhaltigen Gasatmosphäre unter Einwirkung einer elektrischen Glimmentladung, die ein Ionenbombardement auf die Oberflächen der Bauteile verursacht, das dieselben erhitzt, atomaren Stickstoff in der Gasatmosphäre erzeugt, der auf die Oberflächen der Bauteile einwirkt und einen Stoffaustausch an den Oberflächen der Bauteile bewirkt

Ein derartiges Nitrierverfahren ist aus der US-PS 31 90 772 bekannt

. Beim Betrieb der Kreiskolbenmaschinen ist die maximal erzielbare Betriebsdauer im wesentlichen durch die reibungsbeanspruchten Bauteile bestimmt. Diese Bauteile weisen ausgedehnte ebene Flächenbereiche auf, über die der rotierende Kolben mit seinen Dichtleisten gleitet, so daß eine relativ hohe Reibungsbeanspruchung auftritt Da die auf diesen Flächenbereichen schleifenden Dichtleisten einen gasdichten Abschluß darsteilen müssen, ist nur geringster Verschleiß dieser Bereiche zulässig. Dementsprechend ist man seit längerer Zeit bestrebt, diese Bauteile, zumindest die ^reibungsbeanspruchten Oberflächenbereiche derselben, "möglichst verschleißfest zu machen. Diese Aufgabe ist aber deshalb schwierig zu lösen, weil es sich um komplizierte Bauteile handelt; insbesondere die doppelwandigen Seitenteile bzw. Mittelteile sind mit einer großen Anzahl von Bohrungen und Anschlußstutzen versehen. Solche aus Eisen bestehenden doppelwandig gen Bauteile mit ausgedehnten reibungsbeanspruchten Gleitbereichen können aber mit den bisher üblichen Verfahren zur Oberflächenhärtung nur unter großen Schwierigkeiten oder überhaupt nicht behandelt werden.

Man hat bisher mit wechselndem Ergebnis für die Härtung der Gleitbereiche solcher Bauteile bekannte tvJetall-Aufspritzverfahren angewendet, die aber eine sehr teure und außerdem wegen der möglichen GesundheitssehJdigiing gefahrliche Behandlung darstellen, Abgesehen davon, daß die verwendeten Rohmaterialien, wie z. B. Molybdän, für die Behandlung von großen Stückzahlen solcher Bauteile oft nur schv/ierig in den benötigten Mengen zu beschaffen sind, müssen auch die mit einer solchen Schicht versehenen Gleättereiche nachträglich überschliffen werden, was zu einer weiteren Verteuerung führt, Eine Überholung

ίο solcher beschichteten Bereiche nach einer gewissen Betriebszeit der Kreiskolbenmaschinen ist bisher noch nicht möglich.

Auch die sogenannte Induktionshärtung solcher ' Gleitbereiche ist zwar möglich, aber bei den im Betrieb der Kreiskolbenmaschinen auftretenden hohen Beanspruchungen sind derart gehärtete Gleitbereiche nicht verschleißfest genug, um eine genügende Betriebsdauer zu gewährleisten. Die Verziehungen bei einer solchen Behandlung sind darüber hinaus noch so stark, daß sie

ein Nachschleifen erfordern und trotzdem kaum ausgeglichen werden können.

Versuche mit der Salzbadnitrierung und auch mit der thermischen Gasnitrierung brachten kein brauchbares Ergebnis, weil dabei der Härtungsvorgang nicht auf die

eigentlichen Gleitbereiche beschränkt wird, sondern die betreffenden Bauteile als Ganzes einer Nitrierbehandlung unterzogen werden müssen.Dies führt aber bei den komplizierten doppelwandigen Bauteilen mit ihren unregelmäßigen Bohrungen erfahrungsgemäß zum Verziehen, so daß die geforderte hohe Präzision der ebenen Gleitbereiche nicht mehr gewährleistet ist. Außerdem bewirkt die Aufnahme gewisser Mengen von Stickstoff in das Grundmaterial eine Maßänderung, was zu erheblichen Schwierigkeiten bezüglich Einhaltung der erforderlichen Maßgenauigkeiten führt. Darüber hinaus ergeben sich insbesondere bei der Salzbadnitrierung in den komplizierten hohlen Bauteilen leicht Rückstände aus dem Nitrierbad, die praktisch nicht mehr zu beseitigen sind.

Angesichts des Versagens der üblichen Nitrierverfahren einerseits und der Notwendigkeit zur Härtung der Gleitbereiche andererseits war die Aufgabe gestellt worden, durch Behandlung mit dem bekannten lonitrierverfahren die geforderten Eigenschaften zu erzielen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das bekannte Verfahren auf die Gehäuseteile einer Kreiskolbenmaschine, insbesondere auf deren doppelwandige Seiten- bzw. trochoidalen Mittelteile angewen- det wird, die vor der lonitrierung an den Oberflächen außerhalb der Gleitbereiche mit einer die elektrische Glimmentladung hemmenden Abdeckung versehen werden, dann nach dem Einbringen in das Behandlungsgefäß während mindestens fünf Stunden bei einem Gasdruck im Bereich vor. 0,! bis 5 mm Hg und einer Betriebsspannung von über 500 V an den Oberflächen der Gleitbereiche ionitriert werden, und durch Abstäubung von Metallpartikeln von der Oberfläche der Gleitbereiche die entstehende Nitrierschicht bis unter halb von 10 Mikron abgebaut wird.

Die Benützung von Abdeckungen aus Metallplatten oder elektrisch leitenden Belägen zur Unterdrückung einer elektrischen Glimmentladung an Teilen der Oberfläche von Bauteilen ist an sich bereits bekannt Jedoch war überraschend, daß bei der erfindungsgemäßen Behandlung jede Deformierung der Werkstücke und Maßänderungen der ionitrierten Gleitflächen vermieden werden kann, so daß sich ierfe Nacharbeit

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erübrigt,

•ι Die Erfindung wird im folgenden an Hand der

Zeichnung näher erläutert, Es zeigt

'■■ Fig. J ein doppelwandiges Seitenteil,

F; g. 2 ein trochoidal Mittelteil eines Kreiskolbenmotors,

Fig,3 ein doppelwandiges Mittelteil, teilweise im Schnitt, und

Fig,4 ein Diagramm über verschiedene Verschleißfestigkeiten von nitrierten Gleitflächen,

Bei den in den Fi g, 1 bis 3 schematisch dargestellten Bauteilen für ein-, zwei- und mehrkammerige Kreiskolbenmotoren handelt es sich um doppelv/andige Hohlkörper aus Eisen oder Stahl, vorzugsweise Gußeisen. Bei den dargestellten Bauteilen sind die Gleitbereiche durch die Bezugszahlen 5 und 6 dargestellt. Auf diesen Gleitbereichen streift beim Betrieb der rotierende Kolben mit seinen Dichtleisten, so daß der ganze Gleitbereich reäbungsbeansprucbt ist. An den Stellen 7, 8, 9 und 10 sind einige der vielen Durchbrüche und Anschlüsse angedeutet, die zur Zu- und Ableitung von Kühlwasser, Arbeitsmittel, Abgasen usw. erforderlich sind. Bei derartigen Bauteilen eines Kreiskolbenmotors müssen natürlich die Gleitflächen vollkommen eben und bei den Doppelseiten des Mittelteils gemäß Fig.3 auf der vorderen bzw. rückwärtigen Flachseite absolut planparallel sein; jedes Verziehen der komplizierten Hohlkörper bei dem Härtungsprozeß würde die Gleitbereiche bzw. das ganze Bauteil unbrauchbar machen. _J0

Bei den komplizierten Körpern der in F i g. 1,2 und 3 dargestellten Art ist eine Härtung der Gieitbereiche mittels Badnitrierung schon wegen der unvermeidlichen und kaum zu beseitigenden Rückstände im Innern des hohlen Körpers praktisch ausgeschlossen; zudem würde sich wegen der unsymmetrisch angeordneten öffnungen ein starkes Verziehen bei der Nitrierbehandlung nicht vermeiden lasse^. Auch bei der thermischen Gasnitrierung wurden die öffnungen 7, 8, 9, 10 ein Verziehen des ganzen Bauteiles bewirken. Außerdem würden die beiden genannten Nitrierverfahren zur Folge haben, daß der Abstand zwischen den planparallelen Gleitbereichen durch Aufnahme von Stickstoff in das Grundmaterial eine Vergrößerung erfahren würde, so daß zusätzliche Nachbearbeitungen dieser Gleitflächen notwendig wären. Dagegen besteht bei der Ionitrierung von Bauteilen der in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Art die Möglichkeit, alle jene Oberf'ächen, die außerhalb der eigentlichen Gieitbereiche gelegen sind, mit geeigneten Abdeckungen zu versehen, welche das Entstehen einer elektrischen Glimmentladung an diesen Stellen und damit das Eindringen von Stickstoff in diese Teile der Oberflächen verhindern. Als Abdeckung können beispielsweise mechanische Beläge oder auch ein Belag aus einer aufstreichbaren Masse verwendet werden, die den genannten Zweck erfüllen. Die betreffenden Beläge können auch nur auf die unmittelbare Umgebung der öffnungen und Durchbrüche beschränkt werden, da nur diese beim Nitrieren ein Verziehen des Bauteiles verursachen würden; dies trifft besonders bei Einsatzscheiben zu, die möglicherweise im Bereich der Verschleißseiten in die Körper gemäß F i g. 1 und 3 eingefügt werden können.

Nach der Abdeckung der nicht zu ionitrierendep Bereiche der Oberfläche werden die genannten Bauteile eines Kreiskolbenmotors oder Teile davon einzeln oder auch mit anderen entsprechenden Bauteilen zusammen in das für eine Ionitrierung übliche Behandlungsgefäß gebracht und derart angeordnet, daß sich an den zu ionitrierenden Glcitbereichen ungehir<dert eine elektrische Glimmentladung ausbilden kann.

Bei der Ionitrierung asr Gleitbereiche rcjbungsbeanspruchter Bauteile von Kreiskolbenmescblnen ist es aber, um die hohe Anforderung in be«jg auf die Verschleißfestigkeit der Gleilbereicne zu erfüllen, von großer Bedeutung, daß die Behandlung während mindestens fünf Stunden bei einem Gasdruck im Bereich von 0,1 bis 5 mm Hg und einer Betriebsspannung von über 500 V, vorzugsweise von 600 bis 1000 V, durchgeführt wird, Hierbei müssen die Betriebsspannung und der Gasdruck derartig eingeregelt werden, daß eine genügend starke Abstäubung von Metallpartikeln von der Oberfläche der Gleitbereiche stattfindet und die dort durch die Ionitrierung entstehende Nitrierschicht teilweise wieder abbaut. Trotz der relativ langen Behandlungszeit soll die Nitrierschicht durch die gleichzeitige Abstäubung an den Gleitber«ichen geringer als 10 Mikron gehalten werden. Werden also Bauteile, wie sie in den F i g. 1,2 und 3 angedeutet sind, auf die vorgenannte Weise ionitriert, so beschränkt sich die ionitriergehärtete Oberfläche im wesentlichen auf die Gleitbereiche, die eine Nitrierschicht von weniger als 10 Mikron aufweisen und eine Oberflächenrauhigkeit von höchstens 7?« = 0,8 Mikron besitzen. Die Vickers-Härte HV 0,2 der ionitrierten Oberflächenteile beträgt mehr als 450 kp/mm². Ferner besitzen die derart ionitrierten Gleitbereiche eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit gegen die Verbrennungsrückstände der üblichen Brennstoffe. Die Warmfestigkeit der Gleitbereiche bzw. der Bauteile erstreckt sich langfristig bis auf etwa 500⁰C, aber kurzfristig bis zu 800⁰C und höher. Gegenüber dem Grundmaterial weisen die Gieitbereiche trotz der großen Härte eine um nicht mehr als etwa 10% verringerte Duktilität auf.

Die vorbeschriebenen günstigen Eigenschaften der mittels Ionitrierung gehärteten Gleitbereiche lassen im Vergleich mit anderen Oberflächenhärturgsverfahren bereits eine größere Verschleißfestigkeit erwarten als die mit anderen Oberflächenhärtungsverfahren behandelten. Um die Erhöhung der Verschleißfestigkeit zu beweisen, wurden auf Abnutzungsmaschinen eine große Anzahl von Abnutzungsversuchen durchgeführt. In F i g. 4 sind die Ergebnisse in Form eines Diagramms wiedergegeben, wobei als Abszisse verschiedene Gußwerkstoffe A, B, C, D und als Ordinate der Gewichtsverlust V der Proben in mg aufgetragen ist. Hierbei bedeutet das gestreifte Feld gasnitriert, das freie Feld badnitriert und das schwarze Feld ionhriert.

Es wurde festgestellt, daß bei ionitrierten Gleitflächen gemäß der Erfindung nicht nur der mechanische Gleitverschleiß geringer ist, sondern auch jene Abnutzungen, die durch sogenannte tribochemische Anwendungen beim Reibvorgang entstehen. Hiermit hängt zusammen, daß de/artig ionitrierte Gleitbereiche auch eine wesentlich höhere Korrosionsbeständigkeit gegenüber Rückständen bei der Verbrennung von Treibstoff besitzen. V/ie bereits erwähnt, besitzen die nach dem vorliegenden Verfahren ionitrierten Gleitbereiche der Bauteile von Kreiskolbenmaschinen auch eine höhere Warmfestigkeit als Oberflächen, die mit anderen Verfahren gehärtet wurden. Beispielsweise liegt bei der Induktionshärtiing die Warmfestigkeit immer tiefer als 400⁰C, und beim Einsatzhärten übersteigt die Warmfestigkeit kaum 150⁰C. Dagegen zeigen die erfindungsgemäß behandelten Gleitflächen bei langfristiger Beanspruchung eine Warmfestigkeit von 400⁰C und bei

kurzfristiger Beanspruchung eine solche von über Weise behandelten Bauteile eine ;Stögerun£^ejr/

8G0"C und mehr. Betriebsdauersolcher Maschinen bzWiMötöreniim'deh

Mit den behandelten Bauteilen wurden schließlich ₂-bis3fachen"' ' ^ " ^! ^"-" "'" ^ix^ ^'^^"' Lebensdaueruntersuchungen an Kreiskolbenmotoren verbrauchter

der Einkammer- und Zweikammer-Bauart durchge- 5 bedeutenden führt. Es hat sich gezeigt, daß die in der beschriebenen

Hierau 2 Blatt Zeichnungen

le dieser Art mögl^

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Claims (1)

1. 20 58S82

   Patentanspruch;

   , Verfahren zur Nitrierung der Oberfläche von Bauteilen aus Stahl oder Eisen in einer stickstoffhaltigen Gasatmosphäre unter Einwirkung einer elektrischen Glimmentladung, die ein lonenbombar-' dement auf die Oberflächen der Bauteile verursacht, . das dieselben erhitzt, atomaren Stickstoff in der Gasatmosphäre erzeugt, der auf die Oberflächen der Bauteile einwirkt und einen Stoffaustausch an den Oberflächen der Bauteile bewirkt, gekennzeichnet durch die Anwendung auf Gehäuseteile einer Kreiskolbenmaschine, insbesondere auf deren doppelwandige Seiten- bzw. trochoidale Mittelteile, die vor der lonitrier'ing an den Oberflächen außerhalb der Gleitbereiche (5, 6) mit einer die elektrische Glimmentladung hemmenden Abdeckung versehen werden, dann nach dem Einbringen in das Behandlungsgefäß während mindestens fünf Stunden bei einem Gasdruck im Bereich von 0,1 bis 5 mm Hg und einer Betriebsspannung von über 500 V an den Oberflächen der Gleitbereiche ionitriert werden, und durch Abstäubung von Metallpartikeln von der Oberfläche der Gleitbereiche (5, 6) die entstehende Nitriei schicht bis unterhalb von 10 Mikron abgebaut wird.