DE3502143A1

DE3502143A1 - Stahlkolbenring

Info

Publication number: DE3502143A1
Application number: DE19853502143
Authority: DE
Inventors: Takeo Tokio/Tokyo Kooroki
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1984-01-23
Filing date: 1985-01-23
Publication date: 1985-08-01
Also published as: US4579355A; GB8501649D0; JPS60153455A; JPH0457863B2; DE3502143C2

Description

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Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenring für eine Brennkraftmaschine, insbesondere auf einen Gasdichtungs- oder Kompressionskolbenring, welcher unter unter erschwerten Bedingungen, z.B. hohen Temperaturen, hohen Belastungen und stark korrosiven Einflüssen zur Verwendung in einem Dieselmotor oder in einem mit hoch verbleitem Kraftstoff betriebenen Ottomotor bestimtm ist.

Die Kolbenringe einer Brennkraftmaschine sind entweder als Gasdichtungs- oder Kompressionskolbenringe oder als Ö1-abstreifringe ausgebildet. Gewöhnlich sind an einem Kolben jeweils wenigstens zwei Kompressionsringe und ein Ölabstreif-

ring vorgesehen. Von diesen Kolbenringen ist insbesondere der oberste Kompressionskolbenring von den Verbrennungsgasen beaufschlagt, da er unmittelbar unterhalb des Kolbenbodens angeordnet ist. Dieser Kompressionskolbenring wird nicht

nur durch seine eigene Spannung in feste Anlage an der i*

L

Zylinderwand gepreßt, sondern auch durch den seine obere ^₁

Stirnfläche sowie seine innere Wandfläche beaufschlagenden Gasdruck, so daß hier eine starke Reibung entsteht. Da der oberste Kolbenring darüber hinaus nur äußerst geringe Schmierstoffmengen zugeführt erhält, kann es zu einem übermäßigen Verschleiß des Kolbenrings kommen, welcher auch als Rauhabnutzung bezeichnet wird. Kolbenringe der genannten Art sind gewöhnlich aus Gußeisen, und ihre äußere Wandfläche ist zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit verchromt. Bei Verwendung eines solchen Kolbenrings unter

^υ erschwerten Bedingungen, z.B. sehr hohen Temperaturen, hohen Belastungen und stark korrosiven Einflüssen, etwa in einem Dieselmotor oder einem mit stark verbleitem Kraftstoff arbeitenden Ottomotor, kann die Verchromung von der äußeren Wandfläche abblättern, korrodieren oder stark abgenützt werden.

^ooDarüber hinaus besteht die Gefahr, daß der Kolbenring im Laufe der Zeit weichgeglüht wird.

Die veröffentliche japanische Patentanmeldung 203848/82 der ♦

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Anmelderin beschreibt einen aus Stahl geformten Gasdichtungs oder Kompressionskolbenring, welcher an seiner Oberfläche eine weiche nitrierte Schicht aufweist und für den Gebrauch unter solchen erschwerten Bedingugnen geeignet ist. Der beschriebene Stahlkolbenring bietet verschiedene Vorteile; so ist er sehr wiederstandsfähig gegen Weichglühen, hat eine hohe Korrosionsbeständigkeit und ist sehr verschleißfest. Andererseits hat der beschriebene Kolbenring jedoch den Nachteil, daß er eine sehr große Oberflächenrauhigkeit aufweist, so daß er sich zu Beginn des Betriebs nur schlecht der Zylinderwandung anzupassen vermag, was zu verstärktem Auftreten der Rauhabnutzung führen kann.

Angesichts des Vorstehenden ist ein Ziel der Erfindung die Schaffung eine Gasdichtungs- oder Kompressionskolbenrings, welcher unter erscherten Bedingungen wie hohen Temperaturen, hohen Belastungen und stark korrosiven Einflüssen eine hohe Verschleißfestigkeit aufweist und bei welchem zu Beginn des Betriebs kaum eine Rauhabnutzung stattfindet.

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i, Bei einem aus Stahl geformten Kompressions-Kolbenring der

genannten Art ist dieses Ziel gemäß der Erfindung dadurch ereicht, daß das Ausgangsmaterial für den Kolbenring rostfreier Stahl ist, daß die Oberflächen des Kolbenrings,

25wenigstens jedoch die zylindrische äußere Wandfläche, durch eine Nitrierbehandlung mit einer nitriergehärteten Schicht versehen sind und daß wenigstens die an der zylindrischen äußeren Wandfläche gebildete nitriergehärtete Schicht mit einer Oxidschicht, z.B. einer Phosphatschicht oder einer

30Schicht aus Tri-Eisen-Tetraoxid, überzogen ist.

Im folgednen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

35Fig. 1 eine Schnittansicht eines Kolbenrings in einer Ausführungsform der Erfindung, zusammen mit Teilen eines Kolbens und eines Zylinders, und

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lFig. 2 eine stark vergrößerte Schnittdarstellung einer nitrierten Oberflächenschicht des Kolbenrings.

Fig. 1 zeigt einen Kompressionskolbenring 1, welcher in 5einen Kolben 2 eingesetzt ist. Der Kolbenring 1 ist aus rostfreiem Stahl, welcher eine hohe Korrosionsbeständigkeit hat und nicht zu Erweichung unter hohen Temperaturen neigt. Die Oberflächen des Kolbenrings 1 sind auf verschiedene Weise behandelt, wie nachstehend erläutert.

Zunächst wird an den Oberflächen des Kolbenrings, wenigstens jedoch an der in Gleitberührung mit der Wand eines Zylinders 3 befindlichen äußeren Wandfläche 6, eine nitriergehärtete Schicht 4 gebildet, welche die Verschleißfestig-

15keit des Kolbenrings 1 erhöht. Dadurch ist es möglich, den aus Stahl geformten Kompressionskolbenring anstelle eines herkömmlichen Kolbenrings aus Gußeisen zu verwenden. Die nitriergehärtete Schicht ¹J kann unter Anwendung eines bekannten Nitrierverfahrens gebildet werden, z.B. nach dem S'

20Gasnitrierverfahren, dem Salzbadnitrierverfahren oder dem I

Ionen-Nitrierverfahren.

Von den auf diese Weise gebildeten nitriergehärteten Schichten wird wenigstens die auf der äußeren Wandfläche des

25Kolbenrings Gebildete einer chemischen Umwandlungsbehandlung unterworfen, um eine Oxidschicht 5 darauf oder darin auszubilden. Diese Behandlung ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung. Beispiele für derartige Oxidschichten sind Phosphatschichten, z.B. eine Mangan-Phosphatschicht oder

30eine Zink-Phosphatschicht, oder eine Tri-Eisen-Tetraoxidschicht. Diese Oxidschichten sind so weich, daß sie sich der Zylinderwand zu Beginn des Betriebs gut anzupassen vermögen, um damit die sonst anfänglich auftretende Rauhabnutzung zu unterbinden und so eines der Ziele der Erfindung

35ZU erreichen. Darüber hinaus weisen die Oxidschichten eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit auf.

Vor der Bildung der Oxidschicht 5 kann eine den äußersten

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Bereich der nitriergehärteten Schicht H darstellende Verbundschicht entfernt werden. Fig. 2 zeigt eine um den Faktor 600 vergrößerte Schnittdarstellung der nitriergehärteten Oberflächenschicht. Wie man in dieser Figur erkennt, besteht die nitriergehärtete Schicht 4 aus einer Diffusionsschicht B, welche eine größere Härte aufweist als das Ausgangsmaterial A, da in dieser Schicht Stickstoff diffundiert und verteilt ist, und einer Verbundschicht C, welche hier weiß erscheint und deren Härte noch größer ist

lOals die der Diffusionsschicht B, da sich in diesem Bereich Eisennitrid gebildet hat. In Fällen, in denen die nitriergehärtete Schicht 4 eine übermäßig große Härte aufweist, kann die Verbundschicht C entfernt werden, um die Diffusionsschicht B freizulegen, bevor auf dieser die Oxidschicht gebildet wird, um auf diese Weise das Auftreten von Rauhabnutzung zu vermeiden.

Die Oxidschicht kann jedoch auch gebildet werden, wenn die ;* Verbundschicht C noch vorhanden ist. Wenn von diesem Vor-

, 20 teil Gebrauch gemacht werden soll, wäre die Verbundschicht C " also nicht zu entfernen.

Wie man aus der vorstehenden Beschreibung erkennt, wird der aus rostfreiem Stahl als Ausgangsmaterial geformte Kolben-

25ring nitriergehärtet. Dadurch erhält der Kolbenring eine hohe Beständigkeit gegenüber Weichglühen, Korrosion und Verschleiß. Darüber hinaus tritt bei dem erfindungsgemäßen Kolbenrings eine anfängliche Rauhabnutzung kaum jemals auf, was den auf den Oberflächen des Kolbens gebildeten Oxid-

30schichten zu verdanken ist.

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Claims

Patentansprüche

Kolbenring für die Verwendung in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch einen Ringkörper (1) mit einer in Gleitberührung mit der Wand des Zylinders (3) bringbaren äußeren Wandfläche (6), durch eine in der äußeren Wandfläche ausgebildete nitriergehartete Schicht (4) und durch eine über der nitriergehärteten Schicht gebildete Oxidschicht (5).
2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidschicht (5) eine Phosphatschicht ist.
3- Kolbenring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phosphatschicht aus Manganphosphat ist.

BAD ORIGINAL

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4. Kolbenring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phosphatschicht (5) aus Zinkphosphat ist.
5. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidschicht (5) aus Tri-Eisen-Tetraoxid ist.
6. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ΊΟ zeichnet, daß der Ringkörper (1) aus rostfreiem Stahl ist.
7. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nitriergehärtete Schicht eine Diffusionsschicht, deren Härte größer ist als die des Materials des Ringkörpers (1), sowie eine äußere Verbundschicht aufweist, deren Härte größer ist als die der Diffusionsschicht.
8. Kolbenring nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbundschicht entfernt ist und daß die Oxidschicht (5) direkt auf die Diffusionsschicht aufgebracht ist.