DE3221991A1 - Zusammengesetzter oelring - Google Patents
Zusammengesetzter oelringInfo
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Description
Zusammengesetzter Olring
Beschreibung
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
TELEFON (O 89) 32 3Θ 62
TELEX Ο5-29 J8O
ΜΟΝΑΡΑΤΛ
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.
5
5
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
■'%■
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.
10
10
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 (10)
- PatentansprücheÖlring, 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, dadurchgekennzeichnet, 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._ 2_
- 4. Ölring nach Anspruch 1, di\durchgekennzei chnet, daß die Seitenleisten fein granulierte Karbide, die in einem Flächenverhältnis von 3 bis 7 % verteilt sind, enthalten. 5
- 5· Ölring nach Anspruch 4, dadurchgekennzeichnet, 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.
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Title |
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DE- "Ate-Rückblende" über eine technische Tagung in Bad Nenndorf am 17./18 Sept. 1964, Teil 2: Kolbenringe * |
DE-Buch.: Kolbenring-Handbuch der Goetze AG, Burscheid, Juli 1962, S.29-34 * |
DE-Z.: Automobiltechnische Zeitschrift ATZ 68/9, 1966, S.313-319 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS57206752A (en) | 1982-12-18 |
DE3221991C2 (de) | 1985-12-05 |
JPS6238547B2 (de) | 1987-08-18 |
US4407515A (en) | 1983-10-04 |
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