DE2934027C2

DE2934027C2 - Verschleißfeste Gleitstücke für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2934027C2
Application number: DE19792934027
Authority: DE
Inventors: Shigeru Omiya Saitama Urano
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1978-08-23
Filing date: 1979-08-22
Publication date: 1982-04-15
Also published as: JPS562152B2; DE2934027A1; JPS5528379A

Description

Die Erfindung betrifft verschleißfeste Gleitstücke für Brennkraftmaschinen aus Gußeisen mit einer durch ein Gasnitrierungsverfahren aufgebrachten verschleißfesten Gleitoberfläche, wobei diese Gleitoberfläche eine Dicke von wenigstens 3 μΐη aufweist, eine Nitrierungsdichte von wenigstens 2,5% besitzt und aus einer äußeren Verbindungsschicht und einer inneren Diffusionsschicht besteht, wobei die Härte dieser Nitrierungsschicht wenigstens 400 HV beträgt.

Gleitstücke dieser Art sind bereits bekannt aus der DE-OS 25 05 118.

Bei diesen bekannten Gleitstücken handelt es sich um Kolbenringe, deren Laufflächen bzw. Flanken der Gasnitrierung unterzogen worden sind, um eine Verdichtung der Laufflächen herbeizuführen. Es gehört zum allgemeinen Fachwissen, daß bei zwei miteinander in Reibverbindung stehenden Bauteilen die Reibschicht des leichter ersetztbaren Bauteils einen geringeren Härtewert erhält als die des schwerer ersetzbaren Bauteils.

Aus der DE-OS 22 58 280 ist es bekannt, einen aus Gußeisen bestehenden Körper mit einer dünnen schwefelhaltigen Oberflächenschicht zu versehen, wobei diese dünne Schicht zur Verdichtung der beschichteten Oberfläche dient.

Ferner ist aus der DE-OS 26 15 664 ein Kolbenring aus einer Sinterlegierung auf Eisenbasis bekannt, der etwa 1 bis 15% Graphitphase je Flächeneinheit und etwa 1,5 bis 25% Carbidphase je Flächeneinheit enthält. Die genannte Graphitphase dient dazu, die guten Festschmierstoffeigenschaften, d. h. das Eigenschmierungsvermögen des Graphits, auszunutzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleitstück, insbesondere eine darauf durch das Gasnitrieren ausgebildete Gleitoberfläche noch zu verbessern und außerdem einen Werkstoff anzugeben, der im Zusammenwirken mit einer derart verbesserten Gleitschicht besonders günstige Eigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einem Gleitstück der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Gattung dadurch gelöst, daß diese Gleitoberfläche durch Anwendung des Niedrigtemperatur-Gascarbonitrierverfahren hervorgebracht ist und daß den mit dieser Gleitoberfläche versehenen Gleitstücken jeweils ein zweites Gleitstück mit einer Oberflächenhärte von mehr als 200 HV zugeordnet ist, welches aus einer Stahllegierung mit einer vorherrschend aus (FeOr)₇Cs und/oder (FeCr^Cb bestehenden Matrix hergestellt ist.

ίο Der mit der Erfindung erzielbare technische Fortschritt ergibt sich in erster Linie daraus, daß durch das Niedrigtemperatur-Gascarbonitrierungsverfahren eine besonders dichte und folglich besonders verschleißfeste Gleitoberfläche geschaffen wird und daß dieser

η Gleitoberfläche ein zweites Gleitstück zugeordnet ist, welches aus einer Stahllegierung besteht, die sich durch ein vorherrschend aus komplexen Eisen-Chrom-Carbiden bestehendes Gefüge auszeichnet. Die getroffene Ausbildung der Gleitflächen und Auswahl der zusammenwirkenden Werkstoffe führt zu hervorragender Verschleißfestigkeit und äußerst geringer Anfreßneigung.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das zweite Gleitstück auf seiner Gleitoberfläche eine Nitrierungsschicht aufweist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung noch näher erläutert. In dieser zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch einen Kolbenring und eine Zylinderwandung als Beispiel für zwei in Reibvei bindung stehende Bauteile,

F i g. 2 ein grafisches Schaubild, welches den Verschleiß von Versuchskörpern darstellt und

F i g. 3 ein grafisches Schaubild, welches die obere Belastungsgrenze wiedergibt, innerhalb welcher die Versuchskörper keine Verschleißerscheinungen zeigten.

Wie in F i g. 1 dargestellt, ist ein Zylinder 1 vorgesehen, der aus Gußeisen besteht. Seine Gleitoberfläche 11 ist der sog. »Niedrigtemperatur-Gascarbonitrierung« (Nitrieren in Ammoniakatmosphäre mit Kohlenwasserstoffzusatz) unterzogen worden, um eine nitrierte Schicht 2 zu erzeugen, die aus einer Verbindungsschicht 21 und einer Diffusionsschicht 22 besteht und über eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit verfügt. Die Dicke der nitrierten Schicht 2 (Dicke der Verbindungsschicht 21 + Diffusionsschicht 22) sollte 3 μπι oder mehr betragen, da andernfalls keine ausgezeichnet verschleißfeste Schicht mit langer Lebensdauer erzielbar ist. Außerdem sollte die Nitrierungsdichte bis zu einer Tiefe von 3 μίτι der Schicht 2 wenigstens 2,5% betragen, da andernfalls nicht die erforderliche Härte und Verschleißfestigkeit erreicht werden können. Die Gleitoberfläche soll eine Härte von wenigstens 400 HV (Vickers-Härte) aufweisen, da andernfalls keine ausreichend hohe Verschleißfestigkeit entsteht und der bei niedriger Temperatur durchgeführte Gas-Carbonitrierungsvorgang nicht in angestrebter Weise wirkungsvoll ist.
Gemäß Fig. 1 ist ein Kolbenring 3 in einer in einem Kolben 4 ausgebildeten Nut 5 aufgenommen und steht der Kolbenring 3 in Reibverbindung mit der Gleitoberfläche 11 des Zylinders 1. Der Kolbenring 3 besteht aus einem Stahlwerkstoff. Komplexe Carbide (FeCr)₇C₃ und/oder (FeCr)23C6 sind hauptsächlich in der Matrix des Kolbenringes verteilt. Außerdem besitzt die Gleitoberfläche 12 des Ringes 3 eine Vickers-Härte HV von wenigstens 200. Ist die Vickers-Härte der Gleitoberfläche 12 des Kolbenringes 3 kleiner als 200, so

wird der Ferritanteil erhöht, was zur Folge hat, daß sich die angestrebte Verschleißfestigkeit nicht einstellt Die komplexen Eisen-Chrom-Carbide lassen sich durch den Kohlenstoffgehalt und den Chromgehalt bestimmen. Das oben erwähnte komplexe Carbid wird als äußerst wirkungsvoll im Hinblick auf das Erzielen der angestrebten hohen Verschleißfestigkeit angesehen. Die Gleitoberfläche 12 des Kolbenringes 3 ist mit einer nitrierten Schicht versehen, um auf diese Weise eine noch gesteigerte Verschleißfestigkeit herbei7uführen.

Wie bereits erwähnt, werden besonders günstige Gleiteigenschaften im Hinblick auf Verschleiß und Abrieb an Gleitstücken erzielt, von denen das eine aus Gußeisen besteht, welches einer Niedrigtemperatur-Gascarbonisierungsbehandlung unterzogen wurde, während das damit zusammenwirkende andere Gleitstück aus einem Stahl besteht, in welchem spezifische komplexe Carbide enthalten sind. Die Löslichkeit und der Schmelzpunkt der Materialien bestimmt die Höhe der erzielbaren Verschleiß- und Abriebfes'^;gkeiten. Die angestrebten Löslichkeitsverhältnisse und der angestrebte Schmelzpunkt liegen so, daß nitrierte Schichten mit hoher Härte an einem der relativ zueinander verschieblichen Teile erzielt werden. Das andere Gleitstück enthält in seiner Matrix ein spezifisches Carbid, welches über einen hohen Schmelzpunkt und eine hohe Härte verfügt, wodurch ein ausgezeichnetes Gleitverhalten der beiden Teile aneinander gewährleistet ist.

Die überragenden Gebrauchseigenschaften gehen aus den Verschleiß- und Freßuntersuchungen hervor, die in den F i g. 2 und 3 grafisch dargestellt sind.

Zunächst wurden eine Probe 1 des beanspruchten Gleitstückes und eine Probe 2 (Vergleichsprobe) hergestellt. Diese Probekörper wurden jeweils fest an Rotations-Verschleißprüfgeräten befestigt, so daß diese Probekörper als ortsfeste Proben angesehen werden konnten. Sodann wurden die Probekörper druckausübend jeweils an scheibenartigen Teilen befestigt. Die scheibenartigen Versuchsstücke wurden in Umdrehung versetzt, um eine relative Gleitbewegung zwischen dem Versuchsstück und der Probe 1 und zwischen dem Versuchsstück und der Probe 2 hervorzurufen, während welcher ein staubhaltiges Schmieröl kontinuierlich den Gleitoberflächen zugeführt wurde. Die folgenden Verschleißwerte wurden gemessen.

Probe 1

Material

Gußeisen bestehend aus Gesamt-

Große
Material

Oberflächen-Härte
(HV)

Probe 2

Größe
Material

. Oberflächen-Härte
(HV)

18 mm χ 12 mm χ 5 mm Stahl mit 0,35% C und
12,5% Cr, in welchem
(Fe · Cr)₇C₃-Carbide
vorlagen

400

18 mm χ 12 mm χ 5 mm Stahl mit 0,75% C

400

Scheibenartiges Teil

(die Außenoberfläche war der Niedrigtemperatur-Gascarbonisierungsbehandlung unterzogen worden)

Innendurchmesser 105 mm

Außendurchmesser Π6 mm

Dicke 7,0 mm

	kohlen	Prüfbedingungen	3,48	g/i	Gew.-%
	stoff	Schmierölmenge	2,12		Gew.-%
	Si	Schmieröl	0,67		Gew.-%
	Mn	Art und Menge des im	0,28		Gew.-%
	P	Schmieröl enthaltenen	0,04		Gew.-%
	S	Staubes	0,08		Gew.-%
	B	Öltemperatur	Rest
	Fe	Umfangsgeschwindigkeit
Dicke der		Oberflächendruck
Nitrierungsschicht	4 μίτι	Prüfstrecke
Oberflächenhärte
(HV)	520
1. Verschleißprüfung
1,0 l/Minute
SAE 30


Al₂Os; 0,5
50° C
5 m/sec
25 kg/cm-'
100 km

Die Versuchsergebrisse sind in F i g. 2 veranschaulicht. Entsprechend den Versuchsergebnissen ist zu erkennen, daß die Probe 1 einen Verschleiß zeigt, der lediglich '/5 oder noch weniger des Verschleißes der Vergleichsprobe ausmacht, woraus hervorgeht, daß die beanspruchte Kombination von einander zugeordneten Verschleißgliedern einer entsprechenden Kombination jedoch herkömmlicher Glieder sehr hoch überlegen ist.

2. Freßprüfung

Es wurden die gleichen Probekörper und die gleichen scheibenartigen Teile verwendet, wie bei der Verschleißprüfung. Außerdem wurde das gleiche rotierende Prüfgerät, welches bei der Verschleißprüfung benutzt worden war, über eine vorbestimmte Zeitdauer betätigt. Die Preßkraft des scheibenartigen Teiles auf die Probekörper wurde allmählich gesteigert, sofern die

Probekörper keine Freßerscheinungen zeigten.
Versuchsbedingungen

Schmiermittelmenge

Öltemperatur
Umfangsgeschwindigkeit
des scheibenartigen
Teils

0,2 I/Minute
SAE 30: weißes
Kerosin = 1:1
50° C

5 m/sec

Der Versuch wurde mit einer Flächenpressung von 10 kg/cm² begonnen und alle fünf Minuten wurde der Druck um 5 kg/cm² erhöht, bis starke Wärmephänomene auftraten. Die Versuchsergebnisse sind in Fig. 3 veranschaulicht, und wie aus den Versuchsergebnissen hervorgeht, trat bei der Probe 1 ein Fressen erst bei Fliichenpressungen von 80 kg/cm² auf, wohingegen die Vergleichsprobe bereits Freßerscheinungen bei Oberflachdrücken oder Flächenpressungen von 45 kg/cm² zeigte. Daraus geht hervor, daß die beanspruchte Kombination von aneinander gleitenden Teilen eine ausgezeichnete·Beständigkeit gegen Fressen aufweist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verschleißfeste Gleitstücke für Brennkraftmaschinen aus Gußeisen mit einer durch ein Gasnitrierungsverfahren aufgebrachten verschleißfesten Gleitoberfläche, wobei diese Gleitoberfläche eine Dicke von wenigstens 3 μίτι aufweist, eine Nitrierungsdichte von wenigstens 2,5% besitzt und aus einer äußeren Verbindungsschicht und einer inneren Diffusionsschicht besteht, wobei die Härte dieser Nitrierungsschicht wenigstens 400 HV beträgt, d a durch gekennzeichnet, daß diese Gleitoberfläche (11) durch Anwendung des Niedrigtemperatur-Gascarbonitrierverfahrens hervorgebracht ist und daß den mit dieser Gleitoberfläche versehenen Gleitstücken jeweils ein zweites Gleitstück (3) mit einer Oberflächenhärte von mehr als 2OCi HV zugeordnet ist, welches aus einer Stahllegierung mit einer vorherrschend aus (FeCr)₇Cs und/oder (FeCr^C₆ bestehenden Matrix hergesteüt ist.

2. Gleitstücke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Gleitstück (3) auf seiner Gleitoberfläche (12) eine Nitrierungsschicht aufweist.