DE3812656C2 - Kolbenring für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer verschleissfesten Schicht hoher Härte auf seiner Umfangsfläche und mit einer äusseren Umfangsschicht als Einlaufschicht - Google Patents
Kolbenring für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer verschleissfesten Schicht hoher Härte auf seiner Umfangsfläche und mit einer äusseren Umfangsschicht als EinlaufschichtInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Kolbenring für einen Kolben einer
Verbrennungskraftmaschine mit einem Haupt-Ringkörper mit einer
verschleißfesten Schicht hoher Härte auf seiner Umfangsfläche und
mit einer äußeren Umfangsschicht als Einlaufschicht mit einer
Dicke von 5 µm bis 10 µm.
Kolbenringe für die Verwendung in einer Verbrennungskraft
maschine, insbesondere Kompressionsringe, sind dem Ver
brennungsgas unmittelbar ausgesetzt, und es sind diese
Ringe schweren Arbeitsbedingungen unterworfen, und zwar
aufgrund der bestehenden Forderungen nach hoher Ausgangs
leistung und erhöhter Maschinendrehzahl.
Verschiedene Verbesserungen sind vorgenommen worden, um
es dem Kolbenring zu ermöglichen, eine ausreichende Dich
tungsfähigkeit für lange Zeit auch unter der schweren
Arbeitsbedingung des Kolbenringes aufrechtzuerhalten. Zu
diesem Zweck wird eine feste Schicht oder eine Schicht
mit hoher Härte mit hohem Verschleißwiderstand über einer
äußeren Umfangsfläche des Kolbenringes gebildet, welche
Fläche in Gleitkontakt mit einer inneren Umfangsfläche
eines Zylinders oder einer Zylinderlaufbuchse steht. Die
Schicht mit hoher Härte wird gebildet durch eine Nitrier
härtungsschicht, die durch ein Gasnitrierverfahren, ein
Salzbad-Nitrierverfahren oder ein Sauerstoff-Nitrierver
fahren geschaffen wird, oder die aus einer plattierten
Chromschicht mit einer Vickers-Härte von 800 bis 1300
gebildet wird. Mit einer solchen Anordnung erhält der
Kolbenring eine Gasdichtigkeit für eine verlängerte
Lebensdauer.
Bei einer Anfangs-Startperiode der Maschine scheint aber
eine solche Schicht mit hoher Härte in Kontakt mit der
Zylinderfläche keine ausreichende Anfangs-Einlaufeigen
schaft in bezug auf das zugehörige Element zu schaffen.
Da die Verschleißwiderstandsfähigkeit des Kolbenringes
gegeben ist durch die Schicht mit hoher Härte dauert es
verhältnismäßig lange Zeit, um eine Anfangs-Einlaufeigen
schaft zu erhalten. Wenn ferner ein solcher Ring in einer
mit einem Turbolader versehenen Maschine verwendet wird,
oder wenn er in einer Maschine mit Verdichtungszündung
verwendet wird, in welchen Maschinen extrem schwierige
Arbeitsbedingungen auftreten, kann ein starker Abrieb oder
ein Festfressen aufgrund der unzureichenden Anfangs-Ein
laufeigenschaft auftreten. Deshalb kann Schmieröl im Über
schuß verbraucht werden, und es kann eine größere Menge
an Durchblas-Gas durch einen Spalt zwischen dem Ring und
dem Zylinder hindurchtreten.
Es sind also verschiedene Vorschläge gemacht worden, um
die Anfangs-Einlaufeigenschaft zu verbessern. Beispiels
weise offenbart die japanische Auslegeschrift
JP-AS 35-8 304/1960 eine Verbesserung eines mechanischen
Gleitelements, wie eines Kolbenringes, bei welchem eine
äußere Umfangsfläche eines Ringkörpers zuerst mit einer
Chromplattierung versehen wird und dann auf die Chrom
schicht ein weiches Metall aufgalvanisiert wird. Das
weiche Metall besteht beispielsweise aus Zinn, Blei oder
Kupfer oder aus deren Legierungen (Sn-Pb, Cu-Pb, Cu-Sn).
Das weiche Metall dient dazu, die Anfangs-Einlaufeigen
schaft zu schaffen. Bei der erforderlichen Widerstands
fähigkeit gegen hohe Arbeitsbedingungen, sind solche
zweifachen Plattierungen noch unzureichend, um das Ab
riebproblem während der Anfangs-Startperiode der Maschine
zu überwinden.
Es ist ein Kolbenring für eine Brennkraftmaschine bekannt
(DE-GM 18 48 781), der innerhalb des Motors geschliffen wird,
wobei der Ring eine vorzugsweise aus Chrom bestehende,
verschleißfeste Laufflächenschicht aufweist. Dabei wird auf die
Lauffläche des verchromten Ringes ein im Metall, z. B. Blei, Zinn,
Kupfer oder Kunstharz, eingebettetes Schleifmittel feiner Körnung
in erheblichem Umfang aufgetragen, wobei die Trägerschicht aus
Metall oder Kunststoff und das Schleifmittel zusammen eine
Schichtstärke bis 0,03 mm aufweisen. Dieser bekannte Kolbenring
ist aber für schwere Arbeitsbedingungen nicht geeignet.
Es ist auch eine plattierte Verbundnickelschicht bekannt
(JP-AS 56-18 080=US 39 81 781), die zur Erhöhung der
Verschleißfestigkeit, der Wärmefestigkeit und der Härte verwendet
wird. Diese Verbundnickelschicht wird nicht als Einlaufschicht für
einen Kolbenring verwendet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolbenring der
genannten Art so auszubilden, daß er auch für extrem schwere
Arbeitsbedingungen, wie sie beispielsweise bei Dieselmotoren mit
Turboladern auftreten, geeignet ist.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die auf der
verschleißfesten Schicht gebildete äußere Umfangsschicht eine
Verbundnickelschicht ist, die 12.2 bis 15.0 Gew.-% Phosphor enthält
und unter Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 200 bis
450°C gebildet ist.
Weitere Abwandlungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung
näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Kolbenring nach
einer Ausführung der Erfindung,
Fig. 2 einen Querschnitt eines wesentlichen Teiles
des in Fig. 1 gezeigten Kolbenringes nach
Fig. 1, und zwar in seinem Zustand vor der
Verwendung,
Fig. 3 einen Querschnitt in vergrößertem Maßstab,
welcher einen mit Fig. 2 übereinstimmenden
wesentlichen Teil darstellt, jedoch in seinem
Zustand nach der Verwendung,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Testein
richtung für einen Abriebtest,
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Ergebnisse
des Abriebtestes,
Fig. 6 eine graphische Darstellung, welche die Be
ziehung zwischen einer Plattierungsdicke und
deren Abblätterungsgrad zeigt, und
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Schlag
testes zur Untersuchung der Haftfestigkeit
eines plattierten Elements in bezug auf ein
Basiselement.
Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt ein Kolbenring 1 nach der
vorliegenden Erfindung allgemein einen Haupt-Ringkörper 1A,
eine verschleißfeste Schicht 2 hoher Härte, die zumindest
am äußeren Umfangsteil des Haupt-Ringkörpers 1A gebildet ist,
und eine plattierte Verbund-Nickelschicht als Umfangsschicht 3, die auf die
äußere Umfangsfläche der Schicht 2 mit hoher Härte aufplattiert
ist. In der Ausführung nach Fig. 1 besitzt der Haupt-Ringkörper
1A eine äußere Umfangsfläche 11, eine innere Umfangsfläche
12, eine obere planare Fläche 13 und eine untere planare
Fläche 14, und es ist die Schicht 2 mit hoher Härte entlang
allen Flächen 11, 12, 13 und 14 des Haupt-Ringkörpers 1A gebildet.
Die als plattierte Verbund-Nickelschicht ausgebildete Umfangsschicht 3 enthält Nickel als
Hauptbestandteil und sehr kleine metallische oder nicht
metallische Partikel als Dispersionsmittel, wie Silizium
nitrid, Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Eisen (II)-Oxid,
Siliziumkarbid, Wolframkarbid, Titankarbid, Borkarbid,
Chromkarbid, Diamant, Keramik oder Zirkonoxid. Solche
Partikel haben eine hohe Härte, und sie sind in dem
Nickel gleichförmig verteilt.
Wenn also der Kolbenring 1 auf dem zugehörigen Element,
wie einer nicht-gezeigten Zylinder-Laufbüchse, gleitend
bewegt wird, bewirkt die plattierte Verbund-Nickelschicht
3 eine ausreichende Anfangs-Einlaufeigenschaft, da das
Basis-Nickelmaterial eine verhältnismäßig geringe Härte
besitzt. Da ferner in derUmfangsschicht 3 gleich
förmig verteilte Teilchen enthalten sind, die eine Härte
bewirken, die höher als diejenige von Nickel ist, werden
kleine Oberflächenunregelmäßigkeiten an der Reibungs
gleitfläche der Umfangsschicht 3 erzeugt, wenn das
Nickel abgenutzt wird. Durch die Bildung der Oberflächen
unebenheit, kann Schmieröl in den kleinen Ausnehmungen zu
rückgehalten werden, so daß eine ausgezeichnete Gleiteigen
schaft erreichbar ist, die einen Abrieb ausschaltet.
Nach der vorliegenden Erfindung ist eine erwünschte An
fangs-Einlaufeigenschaft des Kolbenringes 1 in einer
Anfangs-Startperiode einer Maschine erreichbar, während
gleichzeitig ein Abrieb beseitigt werden kann. Wenn die
Anfangs-Einlaufeigenschaft einmal erreicht ist, wird
die als plattierte Verbund-Nickelschicht ausgebildete Umfangsschicht 3 allmählich abge
nutzt, und es wird die darunter liegende Zone oder Schicht
2 hoher Härte gegenüber dem Gleitflächenteil freigelegt.
Da in diesem Fall der Kolbenring 1 bereits eine wünschens
werte Anfangs-Einlaufeigenschaft besitzt, wird die Schicht
2 hoher Härte allmählich und gleichmäßig einer Gleitreibung
in bezug auf den Zylinder ausgesetzt, um eine innewohnende
Verschleißwiderstandsfunktion der Schicht 2 hoher Härte
zu erzeugen. Es sei darauf hingewiesen, daß, wenn die plat
tierte Umfangsschicht 3 nicht an der äußeren Oberfläche
der Schicht hoher Härte vorgesehen wird, sondern die letztere
sich in unmittelbarem Kontakt mit dem zugehörigen Element
befindet, aufgrund der rohen Oberfläche der Schicht hoher
Härte ein Abrieb auftritt. (Der Ausdruck "roh" soll nicht
eine rauhe Oberfläche der Schicht hoher Härte bedeuten.
Selbst wenn die Oberfläche vor dem Einbau in einen Kolben
einer Bearbeitung unterworfen wird, ist eine solche bear
beitete Fläche noch schlechter als die einem gewissen Rei
bungsgleitkontakt in bezug auf das zugehörige Element unter
worfene Fläche, und zwar in bezug auf die Oberflächenrau
heit der Gleitfläche).
Ferner ist bei der vorliegenden Erfindung die Dicke der als
plattierten Verbund-Nickelschicht ausgebildeten Umfangsschicht 3 in einem extrem schma
len Bereich genau definiert im Vergleich mit der üblichen
Dicke einer Verbundschicht. D. h., die Dicke der plattierten
Verbund-Nickelschicht liegt im Bereich von 5 bis 10 µm.
Wenn die plattierte Verbund-Nickelschicht eine große Dic
ke besitzt, kann, wie oben beschrieben, ein Riß oder ein
Bruch auftreten. Um diesen Nachteil zu vermeiden, darf die
Dicke der Schicht 3 nicht größer als 10 µm sein.
Jedoch darf die Dicke der Umfangsschicht 3 nicht kleiner als 5 µm
sein. Wenn die Dicke geringer ist als 5 µm, wird die Ver
bundschicht leicht abgenutzt, so daß die innere Schicht
2 hoher Härte leicht dem zugehörigen Element ausgesetzt ist.
Infolgedessen ist eine ausreichende Anfangs-Einlaufeigenschaft
nicht erreichbar. Wenn dagegen die Dicke der Verbundschicht
geringer ist als 5 µm werden eine große Anzahl von Poren
gebildet, die bis in die innere Schicht 2 hoher Härte rei
chen, was für den praktischen Gebrauch aufgrund der fehlenden
mechanischen Festigkeit der Schicht 3 nicht brauchbar wäre.
Es wird also eine optimale Funktion innerhalb des Dickenbe
reiches von 5 bis 10 µm erreicht.
Wenn ferner die Maschine bei extrem schweren Arbeitsbe
dingungen arbeitet, ist die oben beschriebene Anfangs-
Einlaufeigenschaft noch erreichbar durch Erhöhung der
Härte der Umfangsschicht 3 auf eine Mikro-Vickers-
Härte von nicht weniger als 800. Eine solche Härte wird
erreicht durch Zusatz von 12,2 bis 15,0 Gewichtsprozent
Phosphor zum Nickel und durch Warmbehandlung der Zusam
mensetzungen bei einer Temperatur von 200 bis 450°C. Eine
so erhaltene Umfangsschicht 3 ist speziell geeignet
für eine Kompressionszündungs-Maschine mit Turbolader.
Wenn die Menge an Phosphor geringer ist als 12,2 Gewichts
prozent, ist eine ausreichende Härte nicht erreichbar, und
wenn die Menge größer ist als 15 Gewichtsprozent, wird die
gegenseitige Haftfestigkeit zwischen den Zusammensetzungen
in der Umfangsschicht 3 erniedrigt, was zu einem Abblättern
der Schicht und zu einer Zerstörung der Beschichtungsfestig
keit führt, so daß dadurch ein Teil der Schicht 3 von der
übrigen Schicht abblättert oder in der Schicht 3 eine Riß
bildung gefördert wird. Ein solcher Nachteil ist für den
praktischen Gebrauch eines Kolbenringes nicht geeignet. Im
Hinblick auf die obigen Ausführungen ist die Phosphormenge
festgelegt im Bereich von 12,2 bis 15,0 Gewichtsprozent.
Insbesondere wird, wenn die Menge an Phosphor 15,0 Gewichts
prozent übersteigt und die Dicke der plattierten Verbund-
Nickelschicht 10 µm übersteigt, und wenn das plattierte
Verbund-NiP-Material einer Wärmebehandlung bei normaler
Temperatur von 200 bis 450°C unterworfen wird, die sich
ergebende Vickers-Härte von HV 600 auf HV 900 Kp/mm² erhöht. Wenn
eine solche plattierte Verbund-Nickelschicht verwendet wird,
wird die Rißbildung in der Schicht übermäßig erhöht, so
daß die Kerbbildung begünstigt wird und die mechanische
Festigkeit des Haupt-Ringkörpers verringert wird, was
schließlich zu einem Bruch des Kolbenringes führt.
Es wird darauf hingewiesen, daß die Menge an Phosphor nach
der vorliegenden Erfindung analytisch erhalten worden ist.
Da die als plattierte Verbund-Nickelschicht ausgebildete Umfangsschicht 3 eine extrem ge
ringe Dicke von 5 bis 10 µm aufweist, um einen Bruch in
erster Linie zu verhindern, würde es nahezu unmöglich sein,
die plattierte Schicht von dem Haupt-Kolbenringkörper zu ent
fernen. Deshalb werden zur Messung der Phosphormenge die außer
der Verbundschicht verbleibenden Teile chemisch aufgelöst,
um nur die Umfangsschicht (nicht aufgelöster Teil) zu erhal
ten.
Die Zone oder Schicht 2 hoher Härte wird durch Nitrierbehand
lung erzeugt, wobei Stickstoff in den Haupt-Ringkörper 1A
diffundiert wird. Wahlweise wird eine mit Chrom plattierte
Schicht an der äußeren Umfangsfläche des Haupt-Ringkörpers
1A als verschleißwiderstandsfähige Schicht 2 hoher Härte
erzeugt.
Ein spezielles Beispiel eines Kolbenringes nach der Erfin
dung wird in bezug auf Fig. 1 beschrieben. Ein Haupt-Ring
körper 1A wird aus einem getemperten Martensitstahl mit
einer Rockwell-Härte von HRC 38 bis HRC 44 geformt. Der Stahl be
steht aus 0,8 bis 0,95 Gewichtsprozent C; 0,35 bis 0,50
Gewichtsprozent Si; 0,25 bis 0,40 Gewichtsprozent Mn;
17,00 bis 18,50 Gewichtsprozent Cr; 1,00 bis 1,25 Gewichts
prozent Mo; 0,08 bis 0,15 Gewichtsprozent V; nicht mehr
als 0,04 Gewichtsprozent P; nicht mehr als 0,04 Gewichts
prozent S und Rest Fe.
Die verschleißfeste Schicht 2 hoher Härte wird gebildet durch
Nitrierbehandlung des Haupt-Ringkörpers 1A an allen seinen
Umfangsteilen (äußere und innere Umfangsflächen 11 und 12
sowie obere und untere planare Flächenteile 13 und 14). Mit
der Behandlung wird Stickstoff in die Umfangsteile diffun
diert, die als verschleißfeste Schicht 2 hoher Härte wirkt.
Die Schicht hat eine Dicke von etwa 90 µm.
Ferner ist die als plattierte Verbund-Nickelschicht ausgebildete Umfangsschicht 3 an der
äußeren Umfangsfläche 11 der Nitrier-Schicht 2 gebildet.
Die Umfangsschicht 3 enthält 15 bis 20 Volumenprozent
Silziumnitrid.
Die Umfangsschicht 3 hat eine Dicke von 8 µm.
Fig. 2 zeigt in einem vergrößerten Querschnitt eines wesent
lichen Teiles eines Kolbenringes bevor dem Betrieb. An einer
äußeren Umfangsfläche 11 des Kolbenringes 1 ist eine Nitrierschicht
2 vorgesehen, auf die eine Verbund-Nickelschicht als
Umfangsschicht 3 aufplattiert ist. In der Umfangsschicht 3 sind Partikel
31 hoher Härte, wie Siliziumnitrid-Partikel gleichmäßig ver
teilt.
Fig. 3 zeigt den Teil gemäß Fig. 2, wobei jedoch die Gleit
fläche eine Anfangs-Einlaufeigenschaft bei einer Reibungs-
Gleitbewegung in bezug auf das zugehörige Element erzeugt.
Da die Umfangsschicht 3 sich in Gleitkontakt mit
dem zugehörigen Element befindet, wird eine anfängliche Ein
laufeigenschaft wegen der geringen Härte von Nickel in der
Anfangs-Startperiode der Maschine leicht erreicht. Ferner
wird infolge des Unterschiedes des Verschleißwiderstandes
zwischen Nickel und den Siliziumnitrid-Partikeln 31 Nickel zuerst abge
nutzt, während die Siliziumnitrid-Partikel 31 auf der Gleitfläche
verbleiben. Deshalb werden kleine Oberflächenunregelmäßig
keiten an der Gleitfläche erzeugt (die Differenz in der
Härte erzeugt eine Abnutzungsmenge durch Tiefendifferenz l,
wie es in Fig. 3 gezeigt ist). Infolgedessen wird Schmieröl
in den ausgenommenen Teilen zurückgehalten, wodurch die
Gleitbewegung des Kolbenringes weiter verbessert wird und
so ein Abrieb weitgehend verhindert wird. Während der Zeit,
während welcher die Maschine in ihre normale Arbeitsweise
gebracht wird, wird die plattierte Umfangsschicht
3 abgenutzt, und es wird die abriebfeste Schicht 2 hoher
Härte in Gleitkontakt mit dem zugehörigen Element gebracht,
so daß der Kolbenring ausgezeichnete Verschleißfestigkeit
aufgrund der innewohnenden Funktion der Schicht 2 erreicht.
Um die Überlegenheit der Erfindung zu demonstrieren, wurden
folgende Vergleichs-experimente durchgeführt:
Es wurden stationäre Teststücke 6 (18 mm×12mm×6 mm)
vorbereitet, deren Einzelheiten der Gleitteile unten ange
geben sind. Jedes der Teststücke 6 besaß einen Basiskörper
aus nicht-rostendem Stahl (SUS 440B, bestimmt nach JIS,
Japanese Industrial Standard). Wie in Fig. 4 gezeigt, be
fand sich jedes der stationären Teststücke 6 in unter
Druck gleitendem Kontakt mit einem zugehörigen drehenden
Scheibenelement 5 aus grauem Gußeisen (FC25, bestimmt in
JIS) mit einem äußeren Durchmesser von 139 mm, einem
inneren Durchmesser von 105 mm und einer Dicke von 7 mm.
Es wurde Schmieröl dem Gleitteil zwischen dem stationären
Teststück 6 und dem drehbaren Scheibenelement 5 zugeführt.
Es wurde eine Nitrierschicht
mit einer Dick von 90 µm durch das Gas-Nitrierverfahren
an einer Gleitfläche des Basiskörpers
gebildet;
Es wurde eine Chrom-Plattierung
mit einer Dicke von 120 µm an der Gleitfläche
des Basiskörpers gebildet;
Eine Nitrierschicht mit
einer Dicke von 90 µm wurde durch das Gas-Nitrier-
Verfahren an einer Gleitfläche des Basiskörpers
gebildet, und es wurde über der Nitrierschicht
eine plattierte Verbund-Nickelschicht mit einer
Dicke von 8 µm gebildet. Die plattierte Verbund-
Nickelschicht enthielt 15 bis 20 Volumenprozent
Siliziumnitrid (Si₃N₄) mit einem Teilchendurchmesser
von 0,7 µm. Ferner enthielt die Verbundschicht
keinen Phosphor.
Es wurde an einer Gleitfläche
des Basiskörpers eine Nitrierschicht mit
einer Dicke von 90 µm durch das Gas-Nitrierverfahren
gebildet, und es wurde über der Nitrierschicht
eine plattierte Verbund-Nickelschicht
mit einer Dicke von 8 µm gebildet. Die plattierte
Verbund-Nickelschicht enthielt 15 bis 20
Volumenprozent Siliziumnitrid (Si₃N₄) mit einem
Teilchendurchmesser von 0,7 µm. Ferner war in der
Verbundschicht 5 Gewichtsprozent Phosphor enthalten.
Das gleiche wie Beispiel
4, ausgenommen der Phosphorgehalt. In diesem Beispiel
war in der Verbundschicht 10 Gewichtsprozent
Phosphor enthalten.
Das gleiche wie Beispiel
4, ausgenommen der Phosphorgehalt. In diesem
Beispiel war in der Verbundschicht 1 2,2 Gewichtsprozent
Phosphor enthalten.
Das gleiche wie in Beispiel 4,
ausgenommen der Phosphorgehalt. In diesem
Beispiel war in der Verbundschicht 13,5 Gewichtsprozent
Phosphor enthalten.
Das gleiche wie in Beispiel
4, ausgenommen der Phosphorgehalt. In diesem
Beispiel war in der Verbundschicht 15 Gewichtsprozent
Phosphor enthalten.
Das gleiche wie in Beispiel
4, ausgenommen der Phosphorgehalt. In diesem
Beispiel war in der Verbundschicht 17 Gewichtsprozent
Phosphor enthalten.
Schmieröl 50% SAE #30 und 50% Kerosin
Öltemperatur 50°C
Ölzuführungsgeschwindigkeit 0,02 l/min
Umfangsgeschwindigkeit des rotierenden Scheibenelements 3,75 m/sek. (300 U/min).
Öltemperatur 50°C
Ölzuführungsgeschwindigkeit 0,02 l/min
Umfangsgeschwindigkeit des rotierenden Scheibenelements 3,75 m/sek. (300 U/min).
Gleitkontaktdruck: Zuerst wurde ein Einlaufen während
20 Minuten bei dem Gleitkontaktdruck P von 25 km/cm² vorge
nommen, während kontinuierlich Schmieröl zugeführt wurde.
Dann wurde die Ölzufuhr unterbrochen, und es wurde der
Kontaktdruck auf 30 kg/cm² erhöht und es wurde das Dreh
gleiten während 2 Minuten durchgeführt. Der Gleitkontakt
druck wurde bei jeder 2-Minuten-Operation um 10 kg/cm²
erhöht. Der Druckwert, bei dem ein Abrieb bzw. Festfressen
auftrat, wurde als maximaler Grenzdruck bestimmt, welcher
in der Ordinate einer graphischen Darstellung in Fig. 5
dargestellt wurde.
Wie sich aus der graphischen Darstellung ergibt, wiesen
die Muster 3 bis 9 (nach der vorliegenden Erfindung) einen
Abriebwiderstand auf, der über dem der Muster 1 und 2
lag, bei denen nur die Gas-Nitrierschicht oder die plat
tierte Chromschicht auf der Gleitfläche gebildet war.
Insbesondere war ein ausreichender Abriebwiderstand er
reichbar, wenn der Phosphorgehalt 12,2 Gewichtsprozent
überschritt (s. Beispiele 6 bis 9 in der graphischen
Darstellung).
Allgemein wurde die Haftfestigkeit des plattierten Elements
in bezug auf das Basiselement quantitativ gemessen, und
zwar durch eine Testvorrichtung, wie sie in der japanischen
Auslegeschrift JP-AS 36-19 046 (1961) beschrieben ist.
Gemäß dieser Testvorrichtung, wie sie in Fig. 7 kurz ge
zeigt ist, ist ein Testmuster 21 durch einen Halter 20
stationär gehalten, und ein Schlagspitzenelement 22
mit einer Rockwell-Härte von nicht weniger als RA88
ist an einer Stange 23 befestigt. Durch die vertikale
Bewegung der Stange 23 übt das Spitzenelement 22 eine
Schlagkraft auf das Muster 21 aus.
Zwei Arten von Mustern wurden vorbereitet, von denen
jedes eine verschleißfeste Schicht hoher Härte besitzt,
die an der Oberfläche eines Basiselementes gebildet ist,
und wobei eine plattierte Verbund-Nickelschicht auf einer
Oberfläche der Schicht hoher Härte gebildet ist. Das Basis
element bestand aus nicht-rostendem Stahl (SUS 440B). Bei
der ersten Art von Mustern wurde eine Nitrierschicht mit
einer Dicke von 90 µm über dem Basiselement gebildet durch
ein Gas-Nitrierverfahren, und es wurde eine plattierte
Verbund-Nickelschicht über der Nitrierschicht gebildet.
Die Verbundschicht bestand aus 15 bis 20 Volumenprozent
Siliziumnitrid (Si₃N₄) mit einem Partikeldurchmesser von
0,7 µm und aus 12,2 Gewichtsprozent Phosphor, das in der
Verbundschicht enthalten war. Bei dem ersten Typ wurde die
Dicke der plattierten Verbund-Nickelschicht geändert, um
so die optimale Dicke zu untersuchen, bei welcher ein Ab
blättern der plattierten Schicht von der benachbarten
Schicht bei wiederholten Schlagaufbringungen auf die
Muster bzw. Proben sehr klein gehalten werden kann. Das
gleiche ist der Fall in bezug auf den zweiten Typ der Muster
bzw. Proben. Die letzteren Proben bzw. Muster besaßen die
verschleißfeste Schicht mit großer Härte und die plattier
te Verbund-Nickelschicht wie die Proben des ersten Typs,
ausgenommen, daß in der zweiten Probe 15,5 Gewichtsprozent
Phosphor in der Verbund-Nickelschicht enthalten war. Die
Dicke der plattierten Verbund-Nickelschicht war geändert,
um die optimale Dicke ähnlich wie bei der ersten Proben
art zu untersuchen.
In der in Fig. 6 gezeigten graphischen Darstellung sind
Schlaganwendungszeiten auf der Ordinate aufgetragen, bei
denen ein Abblättern der plattierten Schicht in bezug auf
die Dicke der Verbund-Nickelplattierung auftrat, wie es
auf der Abszisse aufgetragen ist. Der erste Probentyp ist
durch weiß-gelassene Markierungen gekennzeichnet, während
der zweite Probentyp durch volle Markierungen dargestellt
ist.
Die graphische Darstellung ergibt, daß, wenn die Plattierungsdicke
im Bereich von 5 bis 10 µm liegt, eine ausgezeichnete
Schlagfestigkeit erreichbar ist. Deshalb kann der Dicken
bereich das Abblättern der plattierten Schicht von der
benachbarten Schicht sehr klein halten.
Wie aus den vorstehenden Darlegungen hervorgeht, kann
nach der Erfindung eine ausreichende Anfangs-Einlauf
eigenschaft bei einer Anfangs-Startperiode des Kolben
ringes erreicht werden, um einen Abrieb oder ein Fest
fressen auszuschalten, und zwar selbst dann, wenn eine
Schicht mit großer Härte in Gleitkontakt bei der folgenden
normalen Gleitoperation kommt. Dabei ist eine ausreichende
Abriebfestigkeit erreichbar durch die Schicht mit hoher
Härte, wenn einmal die Anfangs-Einlaufeigenschaft erreicht
ist. Deshalb hat der Kolben nach der vorliegenden Erfin
dung eine ausgezeichnete Gleitfunktion, wobei ausreichende
Abriebfestigkeit für eine lange Lebensdauer aufrechterhalten
wird.
Claims (5)
1. Kolbenring für einen Kolben einer Verbrennungskraftmaschine mit
einem Haupt-Ringkörper (1A) mit einer verschleißfesten Schicht (2)
hoher Härte auf seiner Umfangsfläche (11) und mit einer äußeren
Umfangsschicht (3) als Einlaufschicht mit einer Dicke von 5 µm
bis 10 µm, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der
verschleißfesten Schicht (2) gebildete äußere Umfangsschicht (3)
eine Verbundnickelschicht ist, die 12,2 bis 15,0 Gew.-% Phosphor
enthält und unter Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 200
bis 450°C gebildet ist.
2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die verschleißfeste Schicht (2) hoher Härte eine Nitrierhärtungsschicht
ist.
3. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
verschleißfeste Schicht (2) hoher Härte eine plattierte Chromschicht
ist.
4. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die verschleißfeste Schicht (2) hoher Härte ein in dem
Haupt-Ringkörper verteiltes Nitrid enthält.
5. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die als plattierte Verbundnickelschicht ausgebildete äußere Umfangsschicht (3) Nickel als Grundmaterial und
in dem Nickel gleichmäßig verteilte Teilchen hoher Härte enthält,
wobei diese Teilchen hoher Härte aus metallischem oder
nicht-metallischem Material, insbesondere aus zumindest einem der
folgenden Materialien, Silizium-Nitrid, Aluminiumoxid,
Siliziumoxid, Eisen (II)-Oxid, Siliziumkarbid, Wolframkarbid,
Titankarbid, Borkarbid, Chromkarbid, Diamant, Keramik oder
Zirkonoxid, enthält.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1987057397U JPH0643570Y2 (ja) | 1987-04-17 | 1987-04-17 | ピストンリング |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3812656A1 DE3812656A1 (de) | 1989-01-05 |
DE3812656C2 true DE3812656C2 (de) | 1994-04-28 |
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ID=13054498
Family Applications (1)
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---|---|---|---|
DE19883812656 Expired - Lifetime DE3812656C2 (de) | 1987-04-17 | 1988-04-15 | Kolbenring für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer verschleissfesten Schicht hoher Härte auf seiner Umfangsfläche und mit einer äusseren Umfangsschicht als Einlaufschicht |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0643570Y2 (de) |
DE (1) | DE3812656C2 (de) |
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