DE3221991A1

DE3221991A1 - Zusammengesetzter oelring

Info

Publication number: DE3221991A1
Application number: DE19823221991
Authority: DE
Inventors: Naito Urawa Saitama Yoshio
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1981-06-12
Filing date: 1982-06-11
Publication date: 1982-12-30
Also published as: JPS57206752A; DE3221991C2; JPS6238547B2; US4407515A

Description

Zusammengesetzter Olring
Beschreibung

Die Erfindung bezieht- sich auf einen in einer Brennkraftmaschine zu verwendenden Olring und insbesondere auf einen Seitenleisten oder -xfangen aus Stahl sowie einen Abstands- und Spreizring aus Stahl aufweisenden zusammengesetzten Olring.

Die einzige Figur zeigt in einem Querschnitt einen Ölring, auf den sich die Erfindung bezieht»

Der Olring, der den Erfindungsgegenstand bildet, hat zwei Seitenleisten oder -wangen 1, die in ihrer axialen sowie radialen Richtung von einem Abstands- und Spreizglied oder -ring 3 abgestützt sind. Die Außenumfangsfläche 11 der Leisten 1 ist in Gleitanlage an einer Innenumfangsflache 51 eines Zylinders, die Innenumfangsfläche 13 der Seitenleisten 1 ist mit einer Auskragung

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31 des Abstands-Spreizgliedes 3 in Berührung.

Ein Ölring dieser Art wird durch Verwendung von Seitcnleisten mit einer Breite von 1,0 mm oder weniger in seiner Breite vermindert und hat deshalb in radialer Richtung eine gute Flexibilität. Damit wird für den Ölring eine Verbesserung in seinen Nachführ- oder Nachfolgeeigen schaften mit Bezug zur Zylinder-Innenumfangsflache erreicht, und der Ring zeigt eine ausgezeichnete Abdicht-■"•0 wirkung. Um eine solche Verminderung in der Breite des Ölringes zu erlangen, ist die Verwendung von Stahlbändern oder -streifen unumgänglich notwendig.

Der Einsatz von solchen Stahlbändern oder -streifen bei

Kolbenringen ist jedoch wegen ihrer mechanischen Eigenschaften Anlaß für das Auftreten von verschiedenen Problemen, die zu überwinden man bestrebt war. Das ernsteste Problem beruht darin, daß Stahlwerkstoffe unter Bedingungen hoher Teraperatttr, wie z.B. in einem Dissel-Motor, der

Erscheinung der sog. thermischen Verformung unterliegen und ihre Eigenspannung verlieren. Ein anderes ernsthaftes Problem liegt darin, daß unter hohen Lastbecüngungen, wie in einem Diesel-Motor, der Abstands-Spreizring und die Seitenleisten beträchtlich abgenutzt werden, weshalb es

notwendig ist, ihre Verschleißfestigkeit zu steigern.

Um die oben erwähnten Probleme zu überwinden und insbesondere die Verschleißfestigkeit zu steigern, wurden gewöhnlich Oberflächenauflagen oder -überzüge, für die eine 30

Hartverchromung beispielhaft ist, und Wärmebeh'andking, für die eine Gas-Nitrierbehandlimg bei niedriger Temperatur beispielhaft ist, angewendet, wie die japanische Patent-Veröffentlichung Nr. l6 5O2/6O, die japanische Gebrauchsmuster-Veröffentlichung Nr. 241/69 und die USA-Patentschrift 2 39O 417 beispielsweise zeigen.

Mit derartigen Oberflächenbehandlungen können jedoch nicht immer zufriedenstellende Ergebnisse erhalten werden, und es ist insbesondere notwendig, die Oberflächenbehandlung in Abhängigkeit von der Aufgabe und Arbeitsweise des Ölringes zu wählen. Obwohl für die Außenumfangsflache der Seitenleisten des Ölringes meistens eine gute Verschleißfestigkeit gefordert wird, da diese Flächen mit der Zylinder-Innenumfangsflache in Gleitberührung oder -anlage sind, wird, wenn die- Außenumfangsf lache aus einem Material gefertigt wird, das eine große Menge an Karbid hoher Härte enthält, der Abstands-Spreizring durch die Umfangsflache der Seitenleiste verschlissen. Besteht andererseits der Abstands-Spreizring aus einem Material hoher Härte, dann wird ein Preßformen dieses Ringes schwierig. Für den Fall der oben erwähnten Verchromung verhält es sich so, daß bei Verwendung eines verchromten Ölringes zusammen mit einem verchromten Zylinder diese durch die zwischen ihnen vorhandene Berührung abgenutzt werden, wobei darüber hinaus in Diesel- und Hochoktan-Benzintnotoren

^O Korrosionsverschleiß auftritt. Insofern ist der Einsatz von verchromten Teilen beschränkt.

Ein einer Wärmebehandlung, wie einer Gas-Nitrierbehandlung bei niedriger Temperatur, unterworfener Ölring weist den Nachteil auf, daß das Grund- oder Ausgangsmaterial zugleich mit dem Härten der Olring-Oberfläche erweicht wird, weshalb solche Wärmebehandlungen nicht immer die Verschleißfestigkeit auf einen zufriedenstellenden Pegel erhöhen können, obwohl sie eine thermische Ermüdung ver-

hindern. Deshalb werden, selbst wenn die Seitenleisten und der Abstands-Spreizring einer Gas—Nitrierbehandlung unterworfen werden, entweder die Seitenleisten oder der Abstands-Spreizring abnormal abgenutzt, was von der Art

des für den Abstands-Spreizring sowie die Seitenleisten 35

verwendeten Material abhängt; insofern ist es äußerst schwierig, die optimale Kombination zu erhalten.

Die Scitenleisten und der Abstands-Spreizring sind relativ zueinander verschioblich. Die Seitenleiste muß vor allem für die spezifische Verschleißfestigkeit sorgen, während der Abstands-Spreizring eine ausreichende rnachanische Kraft liefern muß, die in der Lage ist, einer plastischen sowie einer pressenden Verformung zu seiner Formgebung standzuhalten. Es dürfte deshalb ziemlich schwierig sein, die optimale Kombination hierzwischen zur Herstellung eines zusammengesetzten Ölringes zu bestimmen oder vorzusehen.

Bei dem in der USA-Patentschrift 2 390 4l7 beschriebenen Kolbenring kann, da der Ring einen niedrigen Kohlenstoff- und Chromgehalt hat (C: 0,2 bis 0,27), die mit Chromkarbid verbundene Wirkung nicht erhalten werden, weshalb auch eine ausreichende Verschleißfestigkeit nicht erlangt v/erden kann.

Gußeisen hat, wie in der· japanischen Patent-Veröffentlichung Nr. 17 966/1978 beschrieben ist, einen hohen Kohlenstoff- Lind Chroragehalt. Im Gußeisen ist Graphit vorhanden, um Oberflächen-Schmiereigenschaften zu bieten. Jedoch liefert Graphit keine ausreichende mechanische Festigkeit, weshalb dieses nicht für den zusammengesetzten ° Olring verwendet v/erden kann.

Ziel der Ez-findung ist es, einen zusammengesetzten Ölring zu schaffen, der einen Abstands-Spreizring bzw. ein Abstands-Spreizglied und Seitenleisten oder -wangen auf-

v/eist, die bezüglich ihrer Verschleißfestigkeit und ihres Widerstands gegen thermische Ermüdung - auch unter hohen Temperatur- und Belastungsbedingungen - stark gesteigerte sowie verbesserte Werte zeigen.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich deshalb mit einem zusammengesetzten Olring, der aus einem Abstands-Spreizglied und Seitenwangen gebildet ist, die alle aus Stahl

gefertigt sind und spezifische, durch Anwendung einer Gas-Nitrierbehandlung bei niedriger Temperatur erzeugte Gefüge haben.

Der Erfindungsgegenstand wirdnachfolgend im einzelnen beschrieben.

Der zusammengesetzte Ölring weist einen Abstands-Spreizring mit einem Gefüge A sowie Seitenleisten mit einem Gefüge B auf.

Gefüge A

Das Grundgefüge des Ausgangsmaterials ist Austenit. In der Oberfläche ist eine Nitridschicht ausgebildet, die eine Stärke von wenigstens 2 jui. und eine Gesamthärte nach Vickers von 800 bis 1000 hat.

Gefüge B

Das Grtmdgefüge des Ausgangsmaterials ist Martensit, in dem feine, granulierte Karbide mit einer Korngröße von 10 >U oder weniger und einer Vickers-Härte von 1200 bis I5OO in einem Flächenverhältnis von 3 bis 7 % angeordnet sind. In der Oberfläche ist eine Nitridschicht ausgebildet, die eine Gesanthärte nach Vickers von 9OO bis I5OO und ° eine Stärke von wenigstens 2,JlA. hat sowie 0,6 bis 1,k % Kohlenstoff (C) und 12,0 bis 19,0 % Chrom (Cr) enthält. Zusätzlich wird unter der Nitridschicht eine Diffusions— schicht mit einer Stärke von wenigstens 20^u. ausgebildet.

Obwohl eine ganze Reihe von Faktoren Reibung und Abrieb hervorrufen, so sind die Härte, das Vorhandensein sowie die Menge von harten Substanzen und deren Gefüge in der Il^iptsache dafür verantwortlich.

ι Der AbstancLs-Sproizring gemäß der Erfindung wird dadurch hergestellt, daß man einen rostfreien Stahl mit einem austenitischen Grundgefüge einer Nitirierbehandlung bei niedriger Temperatur, d.h. bei 550 bis 600 C, unterwirft, c Es wird ein Austenit-Stahl mit hohem Cr-Gehalt wegen seiner ausgezeichneten l/ärmebeständigkeit und plastischen Verformbarkeit verwendet. Die Anwendung einer Nitirerbebandlung bei niedriger Temperatur führt bei einem solchen austenitischen rostfreien Stahl ziir Bildung einer Nitridschicht

,λ in seiner Oberfläche, deren Gesamthärte zwischen 800 und 1000 Härtegraden nach Vickers liegt, was für eine gehärtete Schicht eines abriebfesten Materials relativ niedrig ist. Deshalb kann, wenn der Abstands-Spreizring der Erfindung in Kombination mit Seitenleisten verwendet wird, die an ihrer Innenumfangsflache mit Chrom beschichtet sind, keine Wirkung von Bedeutung erhalten werden, wie die noch zu beschreibenden experimentellen Ergebnisse zeigen.

Deshalb wird gemäß der Erfindung der Abstands-Spreizring zusammen mit Seitenleisten aus martensitischem rostfreien Stahl mit einem Gehalt an 0,6 bis 1,4 % C sowie 12,0 bis 19,0 % Cr, die einer Nitrierbehandlung bei niedriger Temperatur unterworfen worden sind, um die gewünschten V7irkungen zu erhalten, verwendet. Die Seitenleisten werden üblicherweise atis einem Martensit-Stahl mit einem hohen Karbidgehalt gefertigt, weil für ihre Außenumfangsflache eine hohe Abriebfestigkeit gefordert wird. Jedoch wird, wenn solche Martensit-Stähle einer Nitrierbehandlung bei niedriger Tempei-atur unterworfen werden, das Grundmaterial erweicht, imd deshalb beruht die Abriebfestigkeit des resultierenden Stahlwerkstoffs allein auf der Nitridschicht. Um eine Abriebfestigkeit über einen langen Zeitraum aufrechtzuerhalten, ist es insofern notwendig, die Dicke der Nitridschicht deutlich zu steigern oder den Karbidgehalt des Grundmaterials merklich zu erhöhen.

Eine Vergrößerung der Dicke der Nitridschicht kann jedoch bei solchen Stahlmaterialien zu einer Versprödung führen.

-¹ Ferner wird die endgültige Scitenleiste im Vergleich zu dem Abstands-Spreizglicd aus austenitischem rostfreien Stahl zu hart, was einen ernsthaften Abrieb des Abstands-

Spreizringes zur Folge hat.
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Die Seitenleisten des Erfindungsgegenstandes werden dadurch hergestellt, daß man ein martensitisches Stahlmaterial einer Nitrierbehandlung bei niedriger Temperatur unterwirft, wobei feine Karbide in einem Flächenverhältnis von 3 bis 7 % verteilt werden. Die Gleitfläche am Auß-enurnfang der Seitenleiste erhält einen Lagereffekt, der aus dem Vorhandensein von Karbiden rührt. Gle±hzeitig werden, wie erläutert werden wird, die Verschieißkennwerte der Innenumfangsfläche der Seitenleiste gegenüber dem Abstands —Spreizring vei"bcssert.

Der Abstands-Spreizring und die Seitenleisten befinden sich im Zustand einer Berührung, so daß durch wiederholtes Anschlagen an einem festen Punkt ein Abrieb eher be-

wirkt wird als diirch eine Gleitberührung, was die Figur erkennen läßt. Bei Motoren, in denen feine Partikel als Verbrennungsrückstände erzeugt werden, wie in einem Diesel- oder Hochoktan-Benzinrnotor, geht man davon clvls , daß diese feinen Rückstandspartikel aus der Verbrennung den

Abrieb der sich berührenden Flächen abrupt erhöhen. Der Abrieb ist in der Hauptsache der Entwicklung von feinen Rissen in den sich berührenden Flächen und dem im Anschluß an die Entwicklung der feinen Risse auftretenden Brechen

dieser Flächen zuzuschreiben. Man glaubt, daß der Abrieb 30

nicht nur durch die Härte des Materials, sondern auch durch dessen Festigkeit beeinflußt wird.

Bei dem Erfindungsgegenstand kann in der Seitenleiste, da feine Karbide mit einer Korngröße von lOyu oder weniger in deren Oberflächengrundwerkstoff gleichmäßig verteilt sind, die Bildung von ru:i<i um die Karbide siel·, on':-

wickelnden Hissen verhindert werden. Ferner kann durch Einstellen der Karbidmonge auf 7 % oder weniger im Flächenverhältnis eine Vorsprödung unterbunden werden. Auf der anderen Seite bietet die Nitridschicht eine ausreichende Abriebfestigkeit in einer Anfangsstufe des Betriebs eines unter strengen Abriebbedingungen laufenden Motors, da ihre Härte höher als diejenige des Karbids ist

Die Seitenleiste nach der Erfindung hat die nachstehend angegebenen Verschleißkennwerte.

Chrom wirkt als ein Karbidbildnerelement. Wenn der Cr-Gehalt geringer als 12 % ist, so ist die Menge an gebildetem Karbid klein und ferner ist die Menge an Karbidmis einkristall im Grundwerkstoff gering. Seitenleisten mit derart niedrigen Cr-Gehaltcn zeigen deshalb eine schwache Verschleißfestigkeit und geringe Härte. Andererseits wird bei Rrhöhung des Cr-Gchaltes auf mehr als 19 % der Anteil an Karbidmischkristall übernieißig gesteigert, wodurch die

Vorsprödung beschleunigt wird. Deshalb wird der Cr-Gehalt auf den Bereich von 12 bis 19 % eingestellt.

Kohlenstoff ist für die Karbidbildung Lind ebenfalls für die martensitische Transformation des Grundwerkstoffs wesentlich. Liegt der C-Gehalt unter 0,6o %, so werden Karbide in iinzulänglicher Weise gebildet, die Verschleißfestigkeit der endgültigen Seitenleiste ist gering. Wenn andererseits der C-Gehalt 1,4 % übersteigt, so wird die

Menge an gebildetem Karbid übermäßig erhöht, der Grund-30

werkstoff wird versprödet. Deshalb wird der C-Gehalt auf den Bereich von O,6o bis 1,4 % eingestellt.

Bei einer Seitenleiste nach der Erfindung bietet das Karbid, selbst nach Abnutzung der Nitiridschicht, eine rela-35

tiv hohe Verschleißfestigkeit. Deshalb weist die Seitenleiste nach der C rf induing bei einem Motor, der nach Abschluß eines Anfangsabriebs in einem gleichbleibendem

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J- Abnutzungsbcrcich betrieben wird, eine ausreichende Verschleißfestigkeit auf. Diese Wirkung wird vor allem an einer Außenumfangsfläche einer Seitenleiste, die harten Abriebbedingungen ausgesetzt ist, erhalten. Da der Abrieb an der Innenumfangsflache, wie vorher erwähnt wurde, in der Hauptsache der durch wiederholtes Anschlagen hervorgerufenen Ermüdung zuzuschreiben ist, ruft das Vorsehen einer Diffusionsschicht von relativ hoher Härte zwischen der Nitridschicht und dem Grundmaterial an der Innenumf angsf lache der Seitenleisten die V7irkung einer Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit hervor. Bezüglich der Härte der Nitridschicht ist zu sagen, daß die Seitenleiste bei einer Gesamthärte von mehr als 1500 Graden nach Vickers den Abstands-Spreizring ernstlich verschleißt, während bei einer Vickershärte unter 9OO die Außenurnf angsf lache der Seitenleiste ex~nsthaft abgenutzt wird. Doshalb wird die Vickershärte der Nitridschicht als im Bereich von 9OO bis I5OO liegend gewählt.

Bei der Herstellung der Seitenleisten ge;näß der Erfindung 1st es erwünscht, als ein erstes Stahlmaterial einen Martensit-Stahl mit einem Gehalt von 0,60 bis 1,20 Gcw.-?i an C, mit 1,0 Gew.-Jo oder weniger an Si, mit 1,0 Gew.-°o oder weniger an Mn und mit lo,0 bis 19,0 Gew.-% an Cr

zti verwenden, wobei der Ausgleich durch Frerndstoffe enthaltendes Eisen geschaffen wird, oder als ein zweites Stahlmaterial einen Stahl mit einem Gehalt von 0,60 bis 0,80 Gew.-?o an C, mit 12,0 bis 1^,0 Gew.-?o an Cr, mit 0,4 Gew.-Jo oder weniger an Si und mit 0,5 bis 1,0

Gew.-% an Mn zu verwenden, wobei Fe mit Fremdstoff gehalt den Ausgleich, bildet.

Der erste Stahl bietet die auf der Festigkeit des Grund-

rnaterials und des Karbidanteils beruhenden Wirkungen 35

aufgrund der hohen C-und Cr-Gehalte. Bei Verwendung des ersten Stahls wird bevorzujtcrweije das Erweichen des Stahls, das mit der Anwendung der Nitrierbehandlung bei niedriger

Temperatur verbunden ist, durch Zugabe von 1,0 bis 1,3 Gew.-/o an Mo und von 0,07 bis 0,12 Gow.-'ό an V vorhindert

Im Fall des zweiten Stahls ermöglicht eine Verminderung in den Ö- und Cr-Gehaltcn eine leichte Durchführbarkeit

der Nitrierbehandlung bei niedriger Temperatur und ferner eine Steigerung in den Wirkungen der Behandlung. In jedem Fall wird die Vickershärte als im Bereich von 900 bis I5OO liegend gewählt.
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Sowohl für die Seitenschienen wie auch für das Abstands-Spreizglied ist es erforderlich, daß die Stärke der Nitridschicht wenigstens 2^W beträgt, da, wenn sie unter 2 JiA ist, die Nitridschicht im anfänglichen Abriebstadium verschlissen wird. Die die Nitridschicht tragende Diffusionsschicht kann ihre Wirkungen nur bieten, wenn ihre Stärke wenigstens 20 ^w beträgt, obwohl sich das in Abhängigkeit von der Stärke der Nitridschicht verändert.

Wenn andererseits die Stärke der Nitridschicht mehr als

etwa 5OyW beträgt, so taritt eine ernsthafte Versprödung ein, wenngleich deren Ausmaß von den Dicken der Seitenleisten und des Abstands-Spreizringes abhängt. Die Stärke der Nitridschicht wird deshalb vorzugsweise als unterhalb 50 AA. liegend gewählt.

Erfindungsgemäß kann ein zusammengesetzter Olring erhalten werden, der eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit aufweist, die sich aus den kombinierten Kennwerten der Seitenleisten und des Abstands-Spreizgliedes ergibt..

Claims

Patentansprüche

Ölring, gekennzeichnet durch ein Abstands -Spreizglied (3) aus Stahl mit einem Grundmaterial von austenitischera Grundgefüge sowie mit einer Nitridschicht in seiner Oberfläche und durch zwei Seitenleisten (1) aus Stahl mit einem Grundmaterial von martensitischem Grundgefüge sowie mit einer in ihrer Oberfläche ausgebildeten Nitridschicht.
2. Ölring nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß die Nitridschicht des Abstands-Spreizgliedes aus Stahl eine Stärke von wenigstens 2M hat.
3· Ölring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Abstands-Spreizgliedes eine Gesamthärte nach Vickers von 8OO bis 1000 hat.

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4. Ölring nach Anspruch 1, di\durch

gekennzei chnet, daß die Seitenleisten fein granulierte Karbide, die in einem Flächenverhältnis von 3 bis 7 % verteilt sind, enthalten. 5
5· Ölring nach Anspruch 4, dadurch

gekennzeichnet, daß die Karbide eine Korngröße von 10ju oder weniger und eine Härte nach Vickers von 1200 bis 1500 haben. 10
6. Ölring nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadxirch gekennzeichnet, daß die Stahl-Seitenleisten eine Dicke von wenigstens 2 ju haben und ihre Oberfläche eine Gesamthärte nach Vickers von 900 bis 1500 aufweist.
7. Ölring nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Diffusionsschicht unter der Nitridschicht der Stahl-Seitenleisten.
o. Ölring nach Anspruch 7) dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsschicht eine Stärke von wenigstens 20 u. hat.
9. Ölring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahl-Seitenleisten Kohlenstoff im Bereich von 0,6 bis 1,4 % und Chrom im Bereich von 12 bis 19 % enthalten.
10. Ölring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahl-Seitenleisten Molybdän im Bereich von 1,0 bis 1,3 % und Vanadin im Bereich von 0,07 bis 0,12 % enthalten.