DE3501822C2

DE3501822C2 -

Info

Publication number: DE3501822C2
Application number: DE19853501822
Authority: DE
Inventors: Koji Konosu Saitama Jp Umezawa; Hirotaka Saitama Jp Teradaira
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1984-01-23
Filing date: 1985-01-21
Publication date: 1989-05-03
Also published as: JPS60155056A; GB2153965B; DE3501822A1; GB2153965A; GB8501652D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen ei nes Kompressions-Kolbenringes aus Stahl für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbe griff des Anspruchs 1.

Ein dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekanntes Verfahren ist beispielsweise aus dem JP-Abstract 57-2 03 848 be kannt. Mit diesem Verfahren wird ein Kompressions-Kol benring aus Stahl für einen Verbrennungsmotor gefertigt, bei welchem ein Kolbenring körper aus einem im wesentlichen aus Stahl bestehenden Ausgangsmaterial geformt wird. Der Kolbenringkörper weist eine radial innere Wandfläche, eine radial äußere Wandfläche und eine obere und untere Stirnfläche auf, wobei wenigstens an der radial inneren und der radial äußeren Wandfläche des Ringkörpers eine nitriergehärtete Schicht ausgebildet wird. Bei dem bekannten Verfahren wird diese nitriergehärtete Schicht bis zu einer Tiefe von 5 µm bis 50 µm auf eine Härte von HV 900 bis HV 1500 oberflächenbehandelt.

Der Nachteil des gattungsgemäßen Verfahrens ist vor al lem darin zu sehen, daß die Ausbildung der nitriergehär teten Schicht bis in größere Tiefe dazu führt, daß der aus Stahl geformte Kolbenring sehr spröde wird, so daß er schon beim Aufschieben auf den Kolben oder nach kur zer Betriebszeit brechen kann.

Hierbei ist zu berücksichtigen, daß der Kolbenring beim Einsetzen in die Kolbenringnut beträchtlich aufgespreizt werden muß, wobei die Weite seiner Schlitzöffnung bis zum Achtfachen der Breite des Kolbens in Radialrichtung betragen kann.

Bei dem gemäß dem Verfahren zuvor genannter japanischer Veröffentlichung geformten Kolbenring ist die Verwend barkeit dadurch in Frage gestellt, daß er von der beim Aufspreizen des Kolbenrings erzeugten beträchtlichen Zugspannungen unterworfenen inneren Wandfläche her auf reißt und bricht.

Aus der DE-OS 32 45 689 ist ein Verfahren zur Stickstoff-Aufkohlung von Metallringen von rechteckigem Querschnitt bekannt, bei welchem ein Behandlungsgas die Radial-Außenflächen der gestapelten Ringe bestreicht und dabei zwischen die einzelnen Ringe eindringt, so daß sämtliche Flächen des Ringes der Oberflächenbehandlung unterzogen werden. Mit diesem bekannten Verfahren soll es zwar möglich sein, wie auch mit dem gattungsgemäßen Verfahren die Widerstandsfähigkeit des Kolbenringes zu verbessern, jedoch weist auch dieses Verfahren den Nach teil auf, daß die Gefahr einer übermäßigen Versprödung des Kolbenringes besteht, was zu den Nachteilen führt, die zuvor bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung des gattungsgemäßen Verfahrens erläutert wurden.

Aus der DE-OS 30 45 772 ist ein Verfahren zu Herstel lung eines Kolbenringes bekannt, der eine oberflächenbe handelte Gleitfläche aufweist. Hierbei besteht das Grundmaterial des Kolbenringes aus Stahl einer besonde ren Zusammensetzung und als oberflächenbehandelte Schicht werden Hart-Cr-Plattierungen, poröse Cr-Plattierungen bzw. sog. "compound"-Plattierungen und Schichten verwendet, die durch Cr-Sprühen bzw. Mo-Sprühen hergestellt werden können. Das aus dieser Druckschrift bekannte Verfahren beschreibt jedoch eben falls keine Möglichkeiten zur Verbesserung der Wider standsfähigkeit eines Kolbenringes gegen Aufreißen und Brechen, wenn er beträchtlichen Zugspannungen unterwor fen wird.

Schließlich ist aus der DE-AS 10 69 980 ein Verfahren zur Verbesserung der Gleiteigenschaften von im Salzbad nitrierten gußeisernen Teile wie insbesondere Kolbenrin gen bekannt, bei welchem die oberste Schicht der ni trierten Teile durch anodisches Beizen im sauren Medium entfernt wird. Bei diesem bekannten Verfahren wird je doch lediglich die oberste Schicht der Nitrierschicht abgetragen, wobei ein anodisches Beizen im sauren Medium deshalb verwendet wird, da vor allem bei mechanischen Verfahren die Gefahr besteht, daß auch die unter der äu ßersten Zone liegende hochwertige Nitrierschicht beim Entfernen in Mitleidenschaft gezogen wird, was wiederum den Verschleiß mindernden Effekt der Nitrierschicht be einträchtigt. So zeigt das bekannte Verfahren zwar eine gewisse Nachbehandlung nach dem Nitrieren, diese führt jedoch ebenfalls nicht zu einer genügenden Vermeidung der Gefahr von Versprödungen, da bei dem bekannten Ver fahren lediglich die äußerste dünne unregelmäßig unter brochene und aus harten kleinen festhaftenden Körnern bestehende Schicht mit schlechten Laufeigenschaften ent fernt wird.

Es ist demgemäß Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, das die Herstellung von Kolbenringen ermöglicht, die aus Stahl geformt sind und an ihren Oberflächen nitriergehärtete Schichten von beträcht licher Tiefe aufweisen, die jedoch eine hohe Bruch festigkeit haben und dementsprechend problemlos in die Ringnut eines Kolbens eingesetzt werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruches 1.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht eines aus Stahl geformten Ringkörpers eines Kolbenringes,

Fig. 2 und 3 eine Vorder- bzw. eine Seitenansicht einer Anordnung für ein herkömmliches Nitrier verfahren,

Fig. 4 eine Schnittansicht eines mittels der Verfah rensanordnung nach Fig. 2 und 3 gefertigten Kolbenrings aus Stahl,

Fig. 5 und 6 eine Vorder- bzw. eine Seitenansicht einer Anordnung für ein anderes herkömmliches Nitrierverfahren,

Fig. 7 eine Schnittansicht eines mittels der Verfah rensanordnung nach Fig. 5 und 6 gefertigten Kolbenrings aus Stahl, und

Fig. 8 und 9 Schnittansichten von Ausführungsbeispie len von aus Stahl gefertigten Kolbenringen ge mäß der Erfindung.

Bevor auf die Erläuterungen der Ausführungsbeispiele eingegangen wird, sei angemerkt, daß des sich bei den im folgenden genannten Werten, die mit den Buchstaben HV abgekürzt werden, um die Vickers-Härte in der Dimension kp/mm² handelt.

In einem ersten Verfahrensschritt werden an den Oberflä chen eines aus Stahl geformten Ringkörpers der in Fig. 1 gezeigten Art nitriergehärtete Schichten unter Anwendung eines bekannten Nitrierverfahrens ausgebildet, z. B. nach dem Salzbadverfahren, einem Gas-Nitrierverfahren, einem Ionen-Nitrierverfahren oder dergleichen.

Um die Verschleißbeständigkeit eines Kolbenrings zu ver bessern, kommt es insbesondere darauf an, an der in Gleit berührung mit der Zylinderwand befindlichen äußeren Wand fläche, gegebenenfalls auch an den in Anlage an den Wänden der Ringnut des Kolbens in Anlage kommenden oberen und unteren Stirnflächen jeweils eine nitriergehärtete Schicht zu bilden.

Zur Ausbildung einer nitriergehärteten Schicht allein an der äußeren Wandfläche 4 wird eine Anzahl von Ringkörpern 1 derart in einer Vorrichtung 2 eingespannt, daß die Stirnflächen der Ringkörper aneinanderliegen, wie in Fig. 2 und 3 dargestellt. Dabei entsteht dann eine nitrier gehärtete Schicht 3 nicht nur an der äußeren Wandfläche 4, sondern auch an der radial inneren Wandfläche 5, wie in Fig. 4 zu erkennen.

Soll eine nitriergehärtete Schicht 3 dagegen nicht nur an der äußeren Wandfläche 4, sondern auch an der oberen und der unteren Stirnfläche 6 bzw. 7 gebildet werden, so werden die Ringkörper 1, wie in Fig. 5 und 6 dargestellt, in gegenseitigem Abstand in der Vorrichtung 2 angeordnet. Bei der anschließenden Nitrierbehandlung entsteht dann jeweils eine nitriergehärtete Schicht 3 an der inneren und der äußeren Wandfläche 5 bzw. 4 sowie an der oberen und der unteren Stirnfläche 6 bzw. 7, d. h. also an allen Ober flächen des Ringkörpers 1, wie in Fig. 7 dargestellt.

Bei den auf diese Weise gefertigten, in Fig. 4 und 7 dargestellten Kolbenringen handelt es sich um bekannte Ausführungen, welche eine nitriergehärtete Schicht auch an der inneren Wandfläche aufweisen. Bei diesen Kolbenringen besteht daher, sofern die nitriergehärtete Schicht eine gewisse Tiefe aufweist, erhöhte Bruchgefahr.

Bei den in Fig. 8 und 9 gezeigten erfindungsgemäßen Stahl kolbenringen 8 und die wie vorstehend an der inneren Wand fläche 5 gebildete nitriergehärtete Schicht 3 durch Fräsen oder Abschleifen so weit entfernt, daß die Oberflächen härte auf einen Wert von Hv 700 oder weniger reduziert ist.

Bei dem in Fig. 8 dargestellten Kolbenring 8 ist die wie in Fig. 4 dargestellt an der inneren Wandfläche 5 ausge bildete nitriergehärtete Schicht 3 im wesentlichen voll ständig entfernt, so daß die Oberflächenhärte im wesent lichen gleich der Härte des Ausgangsmaterials ist.

Bei dem in Fig. 9 gezeigten Stahlkolbenring 8 ist die wie in Fig. 7 dargestellt an der inneren und der äußeren Wand fläche 5 bzw. 4 sowie an der oberen und der unteren Stirn fläche 6 bzw. 7 ausgebildete nitriergehärtete Schicht 3 an der inneren Wandfläche 5 zu etwa zwei Dritteln abgetragen, so daß diese Wandfläche einen Härtegrad von ca. Hv 650 aufweist.

Wird die an der inneren Wandfläche gebildete nitrierge härtete Schicht soweit abgetragen, daß die Oberflächen härte dann nur noch Hv 700 oder weniger beträgt, dann ist der Rißbildung in der inneren Wandfläche auch unter beträchtlichen Zugspannungen beim Aufschieben des Kolben rings auf einen Kolben vorgebeugt, d. h. die Bruchfestig keit des Kolbenrings ist beträchtlich verbessert. Aus diesem Grund wird also die nitriergehärtete Schicht an der inneren Wandfläche wenigstens soweit entfernt, daß diese eine Oberflächenhärte von Hv 700 oder weniger aufweist.

Wie man aus vorstehender Beschreibung erkennt, werden bei dem erfindungsgemäßen Kompressionskolbenring aus Stahl nitriergehärtete Schichten von einer gewissen Tiefe an der äußeren Wandfläche sowie gegebenenfalls an der oberen und der unteren Stirnfläche gebildet, um diesen Oberflächen eine erhöhte Verschleißbeständigkeit zu verleihen, während eine an der innere Wandfläche gebildete nitriergehärtete Schicht teilweise oder vollständig entfernt wird, so daß diese Wandfläche eine Oberflächenhärte von Hv 700 oder weniger aufweist. Dementsprechend ist der Gefahr des Auf reißens des Kolbenrings aufgrund der beim Aufspreizen des Kolbenrings zum Aufschieben desselben auf einen Kolben an der inneren Wandfläche auftretenden hohen Zugspannungen weitgehend vorgebeugt, d. h. der Kolbenring weist eine sehr hohe Bruchfestigkeit auf. Auf diese Weise ermöglicht die Erfindung die praktische und sinnvolle Verwendung von aus Stahl geformten Kompressionskolbenringen mit darin ausgebildeten nitriergehärteten Schichten von beträchtlicher Tiefe.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Kompressions-Kolben rings aus Stahl für eine Brennkraftmaschine, desen Kolbenringkörper aus einem im wesentlichen aus Stahl bestehenden Ausgangsmaterial ge formt wird, welcher eine radial innere Wandfläche, eine radial äußere Wandfläche und eine obere und eine untere Stirnfläche aufweist, wobei wenigstens an der radial in neren und der radial äußeren Wandfläche des Ringkörpers eine nitriergehärtete Schicht ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die nitriergehärtete Schicht an der radial inneren Wandfläche des Kolbenringkörpers so weit entfernt wird, daß der Kolbenring an der inneren Wand fläche einen Härtegrad von HV 700 oder weniger aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nitriergehärtete Schicht durch Abschleifen der radial inneren Wandfläche zumindest teilweise entfernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nitriergehärtete Schicht durch Fräsen der radial inneren Wandfläche zumindest teilweise entfernt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radial innere Wandfläche des Kolbenrings nach Entfernen zumindest eines Teils der nitriergehärteten Schicht etwa den gleichen Härtegrad aufweist wie das Ausgangsmaterial.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nitriergehärtete Schicht allein an der radial inneren Wandfläche und an der radial äußeren Wandfläche gebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nitriergehärtete Schicht an allen Oberflächen des Kolbenringkörpers gebildet wird.