DE3502144A1 - Verfahren zum herstellen eines verschleissbestaendigen kompressionskolbenrings aus stahl - Google Patents

Description

• Beschreibung
• Die Erfindung bezieht sich auf Kompressionskolbenringe für die Verwendung in Brennkraftmaschinen.
• Im Rahmen der allgemeinen Bestrebungen, Energie möglichst wirtschaftlich zu nutzen, besteht ein beträchtliches Interesse daran, das Gewicht einer Brennkraftmaschine zu verringern. Mit dem Ziel einer solchen Gewichtsverringerung wurden Untersuchungen angestellt, wie weit sich das Gewicht der einzelnen Teile einer Brennkraftmaschine verringern läßt.
• Dabei ergab sich auch die Forderung nach einer Verringerung des Gewichts der Kompressionskolbenringe, auf welche auch die vorliegende Erfindung abzielt. Ein Verfahren für die Gewichtsverringerung eines Kompressionskolbenrings besteht darin, die Breite, d.h. also die axiale Abmessung B des Kolbenrings zu verringern, was dann auch eine Verringerung der Abmessungen des Kolbens und damit eine kompaktere Bauweise der Brennkraftmaschine insgesamt ermöglicht. Dieses Verfahren wird vielfach angewandt, da es eine Verringerung nicht nur des Gewichts der Kolbenringe sondern auch des Gewichts der Brennkraftmaschine insgesamt ermöglicht.
• Eine solche Verringerung der Breite führt bei einem gebräuchlichen Kompressionskolbenring aus Gußeisen jedoch zu einer beträchtlichen Verringerung der mechanischen Festigkeit. Dieser Nachteil ließ sich jedoch durch die Verwendung von aus Stahl geformten Kompressionskolbenringen vermeiden.
• Um jedoch einen Stahl-Kompressionskolbenring so auszugestalten, daß er unter den in einer modernen Brennkraftmaschine herrschenden schweren Betriebsbedingungen sicher arbeitet, sind noch gewisse Probleme zu lösen.
• Ein derartiges Problem besteht in einer geeigneten Ober- flächenbehandlung wenigstens der äußeren Wandfläche eines solchen Stahlkolbenrings, welche sich in Gleitberührung mit der inneren Wandfläche des Zylinders befindet. Die Verwendung eines aus Stahl geformten und nicht weiter behandelten Kolbenrings aus Stahl ist nicht zweckmäßig, da ein solcher nur eine geringe Verschleißfestigkeit hat.
• Es ist daher unerläßlich, wenigstens die äußere Wandfläche eines solchen Kolbenrings einer Oberflächenbehandlung zu unterwerfen. Für eine solche Oberflächenbehandlung wurden bereits die verschiedensten Verfahren angewandt, einschließlich des bei Kolbenringen aus Gußeisen erfolgreich angewendeten Verchromens. Dabei wurde festgestellt, daß eine hervorragende Verschleißfestigkeit durch Nitrieren der Oberflächen eines Stahlkolbenrings erzielbar ist. Um die Verschleißfestigkeit eines solchen nitriergehärteten Stahlkolbenrings möglichst lange unverändert aufrechtzuerhalten, müssen die nitrierten Schichten bis zu einer beträchtlichen Tiefe geformt werden. Dabei ergibt sich jedoch wiederum der Nachteil, daß das Ausgangsmaterial des Stahlkolbenrings durch das Nitrieren sehr spröde wird, so daß der Kolbenring beim Aufschieben auf den Kolben oder im Betrieb brechen kann.
• Wie allgemein bekannt, sitzen die Kolbenringe in Ringnuten des Kolbens und müssen zum Aufschieben auf den Kolben um ein Stück aufgespreizt werden. Der Kolbenring sollte also, ohne dabei zu brechen, soweit aufgespreizt werden können, daß die Öffnung des Schlitzes dann etwa gleich der achtfachen Breite des Kolbenrings in radialer Richtung ist.
• Wird ein Stahlkolbenring, dessen sämtliche Oberflächen bis zu einer gewissen Tiefe nitriergehärtet sind, in der beschriebenen Weise aufgespreizt, so ergeben sich insbesondere an seiner inneren Wandfläche beträchtliche Spannungen, so daß der Kolbenring von der inneren Wandfläche her aufreißt und schließlich bricht.
• Angesichts des Vorstehenden ist ein Ziel der Erfindung die Schaffung eines Verfahrens zum Herstellen eines Kompressionskolbenrings aus Stahl, bei dessen Anwendung der Stahl-Kolbenring ungeachtet einer tiefreichenden Nitrierhärtung seiner Oberflächen eine hohe Bruchfestigkeit aufweist.
• Im folgenden sidn Ausführungsbeispiele eines Verfahrens zum Herstellen eines Kompressionskolbenrings aus Stahl gemäß der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eineSchnittansicht eines Stahlkolbenrings, dessen innere Wandfläche einer eine Nitrierung verhindernden Behandlung unterworfen wurde, Fig. 2 und 3 eine Vorder- bzw. Seitenansicht von zum Zweck einer Nitrierbehandlung auf einer Vorrichtung angeordneten Kolbenringen, Fig. 4 eine Schnittansicht eines unter Verwendung der Anordnung nach Fig. 2 und 3 nitriergehärteten Kolben rings, Fig. 5 und 5 eine Vorder- bzw. Seitenansicht vom zum Zweck einer Nitrierbehandlung auf einer Vorrichtung angeordneten Kolbenringen in einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 7 eine Schnittansicht eines unter Verwendung der Anordnung nach Fig. 5 und 6 nitriergehärteten Kolbenrings und Fig. 8 und 9 Schnittansichten von weiteren unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Kolbenringen.
• Zur Durchführung des Verfahrens wird zunächst die innere Wandfläche 2 eines Stahlkolbenrings 1 einer eine Nitrierung verhindernden Behandlung unterworfen, wie in Fig. 1 unter dem Bezugszeichen 3 angedeutet. Diese Behandlung kann darin bestehen, daß man die innere Wandfläche mit einem eine Nitrierung verhindernden Mittel beschichtet, wie z.B. in der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung 45439/76 beschrieben, oder die Wandfläche mit einem metallischen Überzug etwa aus Kupfer, Chrom, Nickel oder Zinn versieht, welcher die Ausbildung einer nitriergehärteten Schicht verhindert. Die Behandlung kann auch auf mechanischem Wege erfolgen, z.B. durch die Verwendung einer Vorrichtung, in welche der Kolbenring so eingespannt wird, daß die innere Wandfläche nicht nitriert werden kann. Anschließend wird der Kolbenring dann einer Nitrierbehandlung unterworfen. Dazu kann ein Salzbad-Nitrierverfahren, ein Gasnitrierverfahren, ein ftonen-Nitrierverfahren oder ein anderes geeignetes Verfahren angewendet werden.
• Je nach den Bedingungen, unter denen ein Stahlkolbenring zu arbeiten hat kann es notwendig sein, nitrierte Schichten an der äußeren Wandfläche sowie auch an den oberen und unteren Stirnflächen zu erzeugen. In diesem Falle werden die Kolbenringe für die Nitrierbehandlung in gegenseitigem Abstand an einer Vorrichtung 4 aufgehängt, wie in Fig. 2 und 3 dargestellt. Dabei werden dann nitrierte Schichten 5 sowohl an der äußeren Wandfläche 6 als auch an den oberen jund unteren Stirnflächen 7 und 8 des Kolbenrings gebildet.
• Je nach den Betriebbedingungen kann es auch möglich sein, daß die oberen und unteren Stirnseiten 7 und 8 nicht mit einer nitrierten Schicht versehen zu werden brauchen oder einer anderen Oberflächenbehandlung unterworfen werden sollen. In diesem Falle werden die Stahlkolbenringe vor der Nitrierbehandlung in gegenseitiger Anlage auf einer Vorrichtung 4 festgespannt, wie in Fig. 5 und 6 gezeigt. Bei diesem Verfahren wird eine nitrierte Schicht 5 dann allein an der äußeren Wandfläche 6 gebildet, wie in Fig. 7 dargestellt.
• Sofern die innere Wandfläche 2 des Stahlkolbenrings 1 mit dem vorstehend genannten, das Nitrieren verhindernden Mit- tel beschichtet wurde, ist dieses dann nach der Nitrierbehandlung wieder zu entfernen, wie in Fig. 8 und 9 gezeigt.
• Wird das Nitrieren der inneren Wandfläche jedoch durch einen metallischen Überzug aus Kupfer, Nickel, Chrom oder Zinn verhindert, so kann ein solcher Überug wahlweise belassen oder entfernt werden.
• Nach Beendigung der Behandlung weist der Stahlkolbenring an den dem Verschleiß unterworfenen Flächen, insbesondere an der äußeren Wandfläche, gegebenenfalls auch an den oberen und unteren Stirnflächen, eine nitriergehärtete Schicht auf, während an der inneren Wandfläche keine solche nitrierte Schicht vorhanden ist.
• Wie man aus vorstehender Beschreibung erkennt, hat der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Stahlkolbenring an seiner inneren Wandfläche keine nitriergehärtete Schicht.
• Daher wird der Kolbenring kaum von der Innenseite her aufreißen, selbst wenn er zum Aufschieben auf einen Kolben aufgespreizt wird, wobei an der Innenseite beträchtliche Spannungen auftreten. Dabei weist der Kolbenring jedoch eine hohe Verschleißfestigkeit auf. Demgemäß ermöglicht die Erfindung die Fertigung und Verwendung von Stahlkolbenringen mit eine beträchtliche Tiefe aufweisenden nitriergehärteten Schichten.
• Nun kann es zwar vorkommen, daß die die Nitrierung verhindernde Behandlung der inneren Wandfläche nur unvollständig ist, so daß auch dort eine nitriergehärtete Schicht gebildet wird. Solange die Oberflächenhärte dabei jedoch nicht größer ist als Hv 700, besteht kaum die Gefahr, daß der Kolbenring bricht. Ist die Oberflächenhärte an der inneren Wandfläche jedoch größer als Hv 700, so muß sie in geeigneter Weise bis unter diese Größe abgebaut werden.

Claims (6)

1. Verfahren zum Herstellen eines verschleißbeständigen Kompressionskolbenrings aus Stahl P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Verfahren zum Herstellen eines verschleiRbeständigen Kompressionskolbenrings aus Stahl, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß man die innere Wandfläche des aus Stahl geformten Kompressiosnkolbenrings mit einem das Nitriern dieser Fläche verhindernden Schutz versieht und daß man den aus Stahl geformten Kompressionskolbenring einer Nitrierbehandlung unterwirft.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Schutz darin besteht, daß man ein das Nitrieren verhinderndes Mittel auf die genannte Fläche aufträgt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Schutz darin besteht, daß man die genannte Fläche mit einem metallischen Überzug z.B. aus Kupfer, Nickel, Chrom oder Zinn versieht.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Schutz darin besteht, daß man die genannte Fläche auf mechanischem Wege, z.B. mittels einer Einspann- oder Abdeckvorrichtung schützt.
5. 5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Nitrierbehandlung derart ausgeführt wird, daß dabei nitrierte Schichten an der äußeren Wandfläche sowie an der oberen und der unteren Stirnfläche des aus Stahl geformten Kompressionskolbenrings gebildet werden.
6. 6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Nitrierbehandlung derart ausgeführt wird, daß dabei eine nitrierte Schicht allein an der äußeren Wandfläche des aus Stahl geformten Kompressionskolbenrings gebildet wird.