DE4112892A1

DE4112892A1 - Kolbenring mit einer nitrierungsschicht und einer ni-b-verbundstoff-plattierungsschicht

Info

Publication number: DE4112892A1
Application number: DE4112892A
Authority: DE
Inventors: Motonobu Onoda; Takeji Tsuchiya
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1990-04-23
Filing date: 1991-04-19
Publication date: 1991-10-24
Anticipated expiration: 2011-04-20
Also published as: US5104132A; JPH044361A; JP2891745B2; DE4112892C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenring zur Verwendung in einer Brennkraftmaschine mit innerer Ver brennung und insbesondere auf einen solchen Kolbenring, der sich durch verbesserte Gleiteigenschaften in der Anfangs-Betriebsphase bzw. in der Start-Betriebsphase der Brennkraftmaschine auszeichnet.

Unter Berücksichtigung der jüngeren Anforderungen an Brennkraftmaschinen hinsichtlich einer Reduzierung des Gewichts bei gleichzeitiger Anhebung der Ausgangslei stung wird beim Kolbenring eine hohe Qualität verlangt. In diesem Zusammenhang wird herkömmlicherweise eine Gleitoberfläche des Kolbenrings verschiedenen Behand lungen unterzogen, um dem Kolbenring eine verbesserte Verschleiß- bzw. Abriebfestigkeit zu verleihen und da durch dessen Lebensdauer und Wartungsintervalle zu ver längern. So wird beispielsweise im Bereich der Gleit oberfläche des Kolbenrings mit einer Plattierungs schicht oder einer aufgesprühten Schicht aus Chrom mit hoher Härte gearbeitet. Alternativ dazu wird die Gleit oberfläche einer Nitrierungsbehandlung unterzogen.

Von diesen Behandlungen führt die Nitrierungsbehandlung zu einer überlegenen Verschleiß- bzw. Abriebfestigkeit, was dazu führt, daß Kolbenringe mit einer Nitrierungs schicht häufig eingesetzt werden, wenn die Brennkraft maschine unter harten Arbeits- oder Betriebsbedingungen betrieben wird.

Wenngleich jedoch die Nitrierungsschicht eine ex zellente Verschleiß- bzw. Abriebfestigkeit aufweist, so zeigen sich doch Unzulänglichkeiten dieser Schicht in bezug auf die Widerstandsfähigkeit gegen sogenanntes "Thermo-Fressen" oder "Abrieb-Fressen" bzw. gegen Rauh abnutzung, insbesondere im Vergleich zu Chrom-Plattier oder -Sprüh-Schichten großer Härte. Im Hinblick auf den unter schweren Arbeitsbedingungen der Brennkraftma schine aufgetretenen übermäßigen Verschleiß bzw. die dabei festgestellte Tendenz zum Fressen, macht bei Kol benringen mit einer Nitrierschicht weitere Verbesserun gen erforderlich.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Kolbenring zu schaffen, der sowohl eine ausreichende Verschleiß- bzw. Abriebs-Widerstandsfähig keit als auch eine ausreichende Widerstandsfähigkeit gegen Thermo-Fressen oder Rauhabnutzung bzw. mechani sches Festfressen aufweist und der in der Lage ist, diese Widerstandsfähigkeiten auch dann aufrechtzuerhal ten, wenn er unter schweren Betriebsbedingungen einge setzt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kolben ring für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbren nung gelöst, der einen Basiskörper mit einem Außenum fangs-Oberflächenabschnitt, einer am Außenumfangs-Ober flächenabschnitt ausgebildeten Nitrierschicht und einer über der Nitrierschicht ausgebildeten Ni-B-Verbund stoff-Diffusions-Plattierungsschicht aufweist, die eine Dicke im Bereich zwischen 0.5 und 20 µm hat.

Da erfindungsgemäß die Nitrierungsschicht zumindest auf der Gleitoberfläche des Kolbenrings durch eine Nitrie rungsbehandlung ausgebildet wird, kann aufgrund der ho hen Abrieb-Widerstandsfähigkeit der Nitrierungsschicht eine große Lebensdauer des Kolbenrings bereitgestellt werden. Da ferner über der Nitrierungsschicht die Ni-B- Dispersions-Plattierungsschicht ausgebildet ist, wird in einer Anfangs- bzw. Start-Betriebsphase der Brenn kraftmaschine eine durch Festfressen bedingte über mäßige Abnutzung verhindert, weil die Verbundstoff- Plattierungsschicht eine hohe Widerstandsfähigkeit ge gen mechanisches Festfressen bzw. gegen Rauhabnutzung oder Thermo-Fressen besitzt.

Nachstehend wird anhand schematischer Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in vergrößertem Maßstab einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Kolben ring;

Fig. 2 eine graphische Darstellung zur Ver deutlichung der Beziehung zwischen der Wärmebehandlungstemperatur und der Härte einer Verbundstoff-Disper sions-Plattierungsschicht;

Fig. 3 eine Graphik, in der die Maximal- Grenzdrücke wiedergegeben sind, bei denen für verschiedenen Proben Fres sen aufgetreten ist; und

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung der Be ziehung zwischen der Testdauer und der Abriebmenge bzw. des Abriebmaßes bei verschiedenen Proben.

In Fig. 1 ist ein Kolbenring gemäß einer Ausführungs form der Erfindung dargestellt. Der Kolbenring 1 hat einen Basiskörper la, einen verschleißfeste Nitrie rungsschicht 2, die auf einer Außenumfangsoberfläche des Basisköpers la ausgebildet ist, und eine über der Nitrierungsschicht 2 ausgebildete Verbundstoff-Ni-B Diffusions-Plattierungsschicht 3. Der Basiskörper 1a wird von einem Stahl solcher Beschaffenheit gebildet, daß er einer Nitrierungsbehandlung unterzogen werden kann, mit der eine Nitrierungsschicht ausreichender Verschleißfestigkeit bzw. Verschleiß-Widerstandsfähig keit erzielbar ist. Bevorzugt könnte beispielsweise ein Chrom-Stahl-Material mit 0.16 bis 1.3 Gew.-% Kohlen stoff und 12 bis 19 Gew.-% Chrom Anwendung finden. Al ternativ dazu könnte auch ein Stahl bevorzugt werden, der darüber hinaus Molybdän und/oder Vanadium enthält. Ferner ist es auch möglich, mit einem anderen Chrom- Stahl zu arbeiten, in dem 1.0 bis 1.4 Gew.-% Kohlen stoff, 13 bis 16 Gew.-% Chrom und 0.2 bis 1.0 Gew.-% eines weiteren Werkstoffs enthalten sind, der aus der Gruppe von Molybdän und Vanadium ausgewählt ist.

Diese Stahl-Materialien sind geeignet, eine Nitrie rungsschicht 2 mit ausreichender Verschleiß- bzw. Ab rieb-Widerstandsfähigkeit auszubilden. Durch Ausbildung der Nitrierungsschicht 2 an der Gleitoberfläche des Stahl-Basiskörpers la kann dementsprechend eine ausge zeichnete Abrieb-Widerstandsfähigkeit des Kolbenrings erzielt werden, was auf die inhärente Charakteristik bzw. Eigenschaft der Nitrierungsschicht 2 zurückzufüh ren ist.

Wie eingangs bereits beschrieben wurde, kann die Ni trierungsschicht jedoch ein unzureichendes Verhalten bezüglich der Widerstandsfähigkeit gegen Thermo-Fressen oder mechanisches Fressen bzw. gegen Rauhabnutzung auf weisen. Im einzelnen kann für den Fall, daß der Kolben ring nur mit der Nitrierungsschicht 2 ausgestattet ist, beim Kaltstart bzw. beim Anlaufen der Brennkraftma schine mit innerer Verbrennung ein übermäßig hoher Ver schleiß bzw. eine abnormale Abnutzung am Kolbenring auftreten. Aus diesem Grunde wird beim erfindungsge mäßen Kolbenring über der Außenumfangsoberfläche der Nitrierungsschicht 2 ferner eine Verbundstoff-Ni-B-Dif fusions-Plattierungsschicht 3 vorgesehen, um diesen in härenten Mangel der Nitrierungsschicht 2 zu kompensie ren. Diese Plattierungsschicht 3 hat eine geringe Dicke im Bereich zwischen etwa 0.5 und 20 µm. Die Plattie rungsschicht 3 verbessert das Anfangs-Einlauf- bzw. "brak-in"-Verhalten des Kolbenrings in der Anfangs-An lauf- bzw. Kaltstart-Betriebsperiode der Brennkraftma schine.

Nachfolgend werden Einzelheiten der Verbundstoff-Ni-B- Diffusions-Plattierungsschicht 3 beschrieben. Die Plat tierungsschicht 3 hat eine Basismatrix, die von einer Nickellegierung mit 0.1 bis 10 Gew.-% Bor, und einem Diffusionsmaterial gebildet ist, das in die Basis-Le gierungsmatrix eindiffundiert ist. Das Diffusionsmate rial wird von hochharten Partikeln, beispielweise aus Metallnitrid, Metallcarbid und Metalloxid, gebildet. Dieser Plattierungsschicht-Typ weist eine bestimmte Ab rieb- bzw. Verschleiß-Widerstandsfähigkeit und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Thermo-Fressen oder me chanisches Fressen auf, wobei die zuletzt genannte Wi derstandsfähigkeit weit über derjenigen der Nitrie rungsschicht oder einer herkömmlichen hochharten Chrom- Plattierungsschicht liegt.

Wenn die Verbundstoff-Diffusions-Plattierungsschicht 3 in der Dicke zu klein gehalten ist, kann der Fall auf treten, daß die Schicht 3 verschwindet bzw. abgenutzt wird, bevor ihre Anfangs- bzw. Kaltstart-Einlauf- bzw. "break-in"-Eigenschaft zum Tragen kommt. Deshalb soll die Dicke der Schicht 3 nicht kleiner sein als 0.5 µm. Wenn auf der anderen Seite die Dicke zu groß wird, steigen die Herstellungskosten an und die Plattierungs schicht kann zu leicht von der innenliegenden Nitrie rungsschicht 2 abgeschält werden. Ferner ergibt sich bei großer Dicke eine große Abriebmenge der Gleitober fläche (Plattierungsschicht 3), und zwar so lange, bis die innenliegende Nitrierungsschicht der Gleitoberflä che ausgesetzt wird, um ihre inhärente Funktion bezüg lich der Anhebung der Abrieb-Widerstandsfähigkeit zum Tragen zu bringen. Bedingt durch den übermäßigen Ver schleiß kann der Spaltabstand an einem Lippenabschnitt des Kolbenrings zu einem frühen Zeitpunkt des Betriebs angehoben werden, was dazu führt, daß die Fluid-Dich tigkeits-Charakteristik des Kolbenrings in einer An fangs-Betriebsphase herabgesetzt ist. Dementsprechend ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel die Dicke der Verbundstoff-Diffusions-Plattierungsschicht so festge legt, daß sie zumindest 20 µm und vorzugsweise 10 µm nicht überschreitet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann sicherge stellt werden, daß die Verbundstoff-Diffusions-Plattie rungsschicht 3 eine Abriebfestigkeit hat, die im we sentlichen derjenigen der Nitrierungsschicht 2 ent spricht. Dies ist dann der Fall, wenn in der Nickelle; gierungs-Matrix, die 0.1 bis 10 Gew.-% Bor enthält, 5 bis 30 Vo1.-% hochharte Partikel 4 mit einer Partikel größe zwischen 0.1 und 10 µm enthalten sind, wobei die hochharten Partikel zumindest aus einem Metallnitrid, einem Metallcarbid und/oder einem Metalloxid bestehen. Mit dieser Anordnung kann das Abnutzungsmaß zu Beginn der Benutzung des Kolbenrings auf einem sehr niedrigen Niveau gehalten werden.

Das Element Bor trägt wirksam zur Anhebung der Härte der Basismatrix der Plattierungsschicht bei, um auf diese Weise die Verschleiß-Widerstandsfunktion zu un terstützen. Um diese Funktion zu erfüllen, soll der Borgehalt vorzugsweise nicht unter 0.1 Gew.-% liegen. Wenn andererseits dieser Gehalt 10 Gew.-% übersteigt, wird die Basismatrix spröde. Deshalb liegt der Borge halt vorzugsweise zwischen 0.1 und 10 Gew.-%.

Als Materialien für die hochharten Partikel 4 stehen Si₃N₄, SiC, WC, Al₂O₃, ZrO₂ und Cr₂O₃ zur Verfügung. Die Diffusionsrate und die Partikelgröße kann von der resultierenden Dicke der Plattierungsschicht 3 abhän gen. Die Partikelgröße der hochharten Partikel liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0.1 und 10 µm, wobei der Volumenprozentsatz dieser Partikel zwischen 5 und 30 liegt. Wenn die Partikelgröße nicht über 0.1 µm liegt und der Volumenprozentsatz 5 Vol.-% nicht über steigt, kann eine ausreichende Abrieb-Widerstandsfähig keit der sich ergebenden Plattierungsschicht nicht er halten werden. Wenn andererseits die Partikelgröße 10 µm übersteigt und der Volumenprozentsatz über dem Wert 30 liegt, kann die Bindungsfestigkeit der Partikel an die Legierungsmatrix sinken und es kann der Fall auf treten, daß die sich ergebende Plattierungsschicht ein Gegen-Gleitelement angreift, mit der Folge, daß am Ge genelement ein übermäßiger Verschleiß auftritt. Die Partikelgröße und der Volumenprozentsatz müssen deshalb innerhalb der oben angegebenen Bereiche liegen.

Zur Bestimmung der Verschleiß- bzw. Abrieb-Widerstands fähigkeit und der Widerstandsfähigkeit gegen Fressen des Kolbenrings wurden Vergleichsversuche durchgeführt.

1) Kolbenring-Basiskörper: SUS 440B-Stahl (definiert durch JIS, mit 0.75 bis 0.95 Gew.-% C, nicht über 1.0 Gew.-% Si, nicht über 1.0 Gew.-% Mn, nicht über 0.04 Gew.-% P, nicht über 0.6 Gew.-% Ni, 16.0 bis 18.0 Gew.-% Cr, nicht mehr als 0.75 Gew.-% Mo, und im Rest Fe).
2) Probe A: Auf dem Kolbenring-Basiskörper wurde eine hochharte Chrom-Plattierungsschicht mit einer Dicke von 100 µm ausgebildet.
3) Probe B: Der Kolbenringkörper wurde einer Nitrie rungsbehandlung unterzogen, so daß eine Nitrierungs schicht mit einer Dicke von 100 µm erhalten wurde.
4) Probe C (Erfindung): Der Kolbenringkörper wurde ei ner Nitrierungsbehandlung unterzogen, um eine Nitrie rungsschicht mit einer Dicke von 100 µm zu erhalten; ferner wurde über der Nitrierungsschicht eine Verbund stoff-Diffusions-Plattierungsschicht mit einer Dicke von 10 µm ausgebildet. In der Plattierungsschicht wur den 10 Vol.-% Siliciumnitrid (Si₃N₄) mit einer Parti kelgröße von 0.3 µm in der Nickel-Matrix mit 5 Gew.-% Bor dispergiert. Bezüglich dieser Probe C wurde unter verschiedenen Wärmebehandlungsbedingungen die Härte- Veränderung getestet. Das Testergebnis ist in Fig. 2 dargestellt. Diese Probe C wurde unbeschädigt bzw. in takt gehalten, um als Bezugsprobe C-1 zu dienen. Die Probe C wurde ferner einer Wärmebehandlung von 1 Stunde bei einer Temperatur von 300°C unterzogen, um die Probe C-2 zu bilden. Fig. 2 läßt erkennen, daß für den Fall einer Ni-B-Verbundstoff-Diffusions-Plattierungsschicht, die bei einer Temperatur von 300°C einer Wärmebehand lung unterzogen worden ist, ein hoher Härtegrad er reicht werden konnte.

Es wurden ferner Versuche zur Bestimmung der Wider standsfähigkeit gegen Fressen bzw. Rauhabnutzung durch geführt, wobei eine Gleit-Abrieb-Testmaschine des Dreh scheiben-Typs mit Flächenkontakt Anwendung fand. Im einzelnen wurden folgende Testbedingungen eingehalten:

Schmieröl:
Mischung aus SAE #30 (50%) und weißem Kerosin (50%)
Öltemperatur:	50°C
Schmieröl-Zuführmenge:	0/02 Liter/min
Umfangsgeschwindigkeit:	3,75 m/sec (300 U/min)
Flächendruck:	25 kg/cm²
Gegen(lauf)element:	FC 25 (H_RB98, definiert durch JIS)

Unter diesen Bedingungen wurde für eine Zeitspanne von 20 Minuten ein Leerlaufbetrieb durchgeführt. Anschlie ßend wurde die Schmieröl-Versorgung unterbrochen. Dann wurde anfangs ein Druck von 30 kg/cm² auf die Proben aufgebracht und im Anschluß daran wurde alle 2 Minuten der Druck um jeweils 10 kg/cm² angehoben, bis Fressen auftrat. Der Druck bzw. die Druchbeanspruchung, bei dem bzw. bei der das Fressen auftrat, wurde als maximaler Grenzdruck bezüglich des Auftretens von Fressen defi niert. Die Meßergebnisse sind in Fig. 3 dargestellt.

Fig. 3 läßt erkennen, daß der maximale Grenzdruck be züglich Fressen für die Proben C-1 und C-2 weit über denjenigen Werten der Proben A und B liegt, bei denen eine herkömmliche hochharte Chrom-Plattierungsschicht oder lediglich eine Nitrierungsschicht ausgebildet war.

Anschließend wurden Verschleiß- bzw. Abrieb-Widerstand stests unter Verwendung einer sogenannten "Amsler"-Ver schleiß-Testmaschine durchgeführt. Die Testbedingungen wurden wie folgt gewählt:

Schmieröl:
SAE #10W30
Öltemperatur:	Raumtemperatur
Umfangsgeschwindigkeit:	0,89 m/sec (500 U/min)
Belastung:	60 kg
Gleitperiode bzw. Zeitspanne:	3 Stunden, 5 Stunden, 10 Stunden, 15 Stunden, 20 Stunden
Gegen(lauf)element:	FC 25 (H_RB98)

Bei diesen Verschleiß- bzw. Abrieb-Widerstandstests war das Gegenlaufelement in eine Drehteil-Formgebung ge bracht, wobei ein Halbabschnitt davon in Schmieröl ein getaucht worden war. Jede der Proben wurde stationär gehalten und gegen das sich drehende Gegenstück ange drückt. Die Abriebmenge wurde durch ein Oberflächen- Rauhigkeits-Testgerät gemessen, wobei das sich durch Reibungsverschleiß ergebende Stufenprofil als Abnut zungsgröße (in µm) ausgewertet wurde.

Das Testergebnis ist in Fig. 4 dargestellt. Entspre chend einer Kurve gemäß Fig. 4 zeigte sich bei der Probe A, dessen Gleitoberfläche mit der hochharten Chrom-Plattierungsschicht ausgestattet war, ein großes Ausmaß an Reibungsabrieb bzw. -abnutzung. Demgegenüber zeigten die Proben C-1 und C-2 Reibungs-Abriebs- bzw.

Verschleißmengen, die nahezu denjenigen ähnlich sind, wie sie bei der Probe B erhalten wurden, bei der die Gleitoberfläche von einer Nitrierungsschicht gebildet wurde; darüber hinaus war das Verschleißverhalten der Proben C-1 und C-2 über der Zeit ähnlich demjenigen der Probe B. Die Proben C-1 und C-2 zeigten dementsprechend eine ausreichende Abrieb- bzw. Verschleiß-Widerstands fähigkeit.

Aus dem vorstehenden ergibt sich, daß beim erfindungs gemäßen Kolbenring zur Verwendung in einer Brennkraft maschine mit innerer Verbrennung die dünne Verbund stoff-Diffusions-Plattierungsschicht, die sowohl eine ausreichende Widerstandsfähigkeit gegen Fressen als auch eine ausreichende Abriebfestigkeit aufweist, über der abrieb- bzw. verschleißfesten Nitrierungsschicht ausgebildet ist, was in besonderem Maße zur Sicherstel lung eines ausreichenden Anfangs-"brak-in" bzw. -Ein lauf-Verhaltens bzw. einer ausreichenden Einlauf-Stand festigkeit beiträgt. Deshalb kann dem mechanischen Fressen oder dem Thermo-Festfressen, das in der An fangs- bzw. Kaltstart-Betriebsphase der Brennkraftma schine auftreten kann, wirksam entgegengewirkt werden, was zu einer Verlängerung der Lebensdauer oder zu einer Verlängerung der Wartungsperioden des Kolbenrings führt.

Wenn gleich die Erfindung im einzelnen unter Bezug auf eine spezielle Ausführungsform beschrieben worden ist, so ist doch hervorzuheben, daß der Durchschnittsfach mann selbstverständlich verschiedene Abwandlungen und Modifikationen des Ausführungsbeispiels vornehmen kann, ohne den Grundgedanken und den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Kolbenring zur Verwendung in einer Brennkraftma schine mit innerer Verbrennung, gekennzeichnet durch:
einen Basiskörper (1a) mit einem Außenumfangs-Ober flächenabschnitt;
einer am Außenumfangs-Oberflächenabschnitt ausgebil deten Nitrierungsschicht (2); und
einer über der Nitrierungsschicht (2) ausgebildeten Verbundstoff-Ni-B-Diffusions-Plattierungsschicht (3) mit einer Dicke im Bereich zwischen 0.5 und 20 µm.

2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Verbundstoff-Ni-B-Diffusions-Plattierungs schicht (3) im wesentlichen aus einer Nickel-Legie rungsmatrix besteht, die 0.1 bis 10 Gew.-% Bor und 5 bis 30 Vol.-% hochharter Partikel enthält, die in der Nickel-Legierungsmatrix dispergiert sind, wobei die hochharten Partikel eine Partikelgröße im Bereich zwi schen 0.1 bis 10 µm haben.

3. Kolbenring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß die hochharten Partikel aus zumindest einem der Materialien bestehen, die aus der Gruppe der Me tallcarbide, Metallnitride und Metalloxide ausgewählt sind.

4. Kolbenring nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die Verbundstoff-Ni-B-Diffusions-Plattierungs schicht (3) eine Dicke im Bereich zwischen 0.5 und 10 µm hat.

5. Kolbenring nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß der Basiskörper (1a) einen Chrom-Stahl auf weist.

6. Kolbenring nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß der Chrom-Stahl im wesentlichen aus 0.16 bis 1.30 Gew.-% Kohlenstoff, 12 bis 19 Gew.-% Chrom und im Rest aus Eisen besteht.

7. Kolbenring nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß der Chrom-Stahl im wesentlichen aus 1.0 bis 1.4 Gew.-% Kohlenstoff, 13 bis 16 Gew.-% Chrom, 0.2 bis 1.0 Gew.-% zumindest eines Werkstoffs, der aus der Gruppe bestehend aus Molybdän und Vanadium ausgewählt ist, und im Rest aus Eisen besteht.