DE4224561C2

DE4224561C2 - Kolbenring und Verfahren zur Herstellung derartiger Kolbenringe

Info

Publication number: DE4224561C2
Application number: DE4224561A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Tsuchiya; Shuji Sameshima; Yoshio Onodera; Satoshi Kawashima
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1991-07-24
Filing date: 1992-07-24
Publication date: 1994-12-22
Anticipated expiration: 2012-07-25
Also published as: DE4224561A1; US5292381A; GB9215394D0; GB2258031B; GB2258031A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft in Verbrennungsmotoren verwendete Kolbenringe und insbesondere Stahl-Verdichtungsringe und ein Verfah ren zur Herstellung derartiger Kolbenringe.

In den letzten Jahren sind aufgrund einer entsprechenden Nachfrage Verbrennungsmotoren mit erhöhter Leistung entwickelt worden; hier bei wird die erhöhte Leistung beispielsweise entweder durch hohe Drehzahlen oder - eventuell unter Verwendung von Vorverdichtern - durch hohe Verdichtungsverhältnisse erzielt. Daher müssen Kolben ringe, die in solchen Verbrennungsmotoren verwendet werden, ent sprechend der Entwicklung dieser Verbrennungsmotoren ebenfalls ver bessert werden.

Ferner werden im Hinblick auf eine Verringerung der Umweltver schmutzung bleifreie Kraftstoffe verwendet, andererseits kommen in verschiedenen Ländern noch immer bleihaltige Kraftstoffe zum Einsatz. In den Zylindern von bleihaltigen Kraftstoff verwendenden Verbren nungsmotoren wird in beachtlichem Ausmaß eine korrodierende Atmo sphäre wie etwa HCl und H₂SO₄ erzeugt, so daß bei mit chromplattier ten Kolbenringen, die bisher in großem Umfang verwendet worden sind, ein starker Abrieb dieser Chrom-Plattierungsschicht auf der Gleitoberfläche hervorgerufen wird. Zur Lösung dieses Problems wer den derartige Kolbenringe einer Bearbeitung zur Erzeugung einer Chrom-Plattierung mit großer Dicke unterworfen, das Ergebnis ist je doch im Hinblick auf die Herstellungskosten und die Produktivität bei derartigen Kolbenringen nicht immer zufriedenstellend.

Es ist ferner ein Kolbenring entwickelt worden, dessen Gleitoberfläche einer Nitrierhärtung unterworfen wird, um den Abrieb der Gleitober fläche einzudämmen. Da an Verbesserungen des Abriebwiderstandes und des Korrosionswiderstandes wie erwähnt neuerdings mehr als frü her ein starkes Interesse besteht, ist die zunehmende Verbreitung von Kolbenringen dieses Typs zu erwarten. Zusätzlich zu Verbesserungen des Abriebwiderstandes und des Korrosionswiderstandes sollte auch der Bruchwiderstand verbessert werden, weil Kolbenringe brechen könnten, wenn sie in Verbrennungsmotoren mit hoher Drehzahl und hoher Ausgangsleistung zum Einsatz kommen.

In Fig. 16 ist ein Teil eines herkömmlichen Verdichtungsrings 1 ge zeigt, bei dem auf der Oberfläche eines Stahlkörpers 2 mittels einer Nitrierhärtung eine Nitrierschicht 3 ausgebildet worden ist. Bei der Nitrierhärtung wird auf der äußeren Oberfläche der Nitrierschicht eine poröse Schicht mit hoher Steifigkeit und Sprödigkeit (die im allgemei nen als "weiße Schicht" bezeichnet wird) ausgebildet. Diese steife und spröde poröse Schicht wird beseitigt, indem die Gleitschicht 4 einer Nachbearbeitung unterworfen wird, wonach der Kolbenring in den Handel gebracht werden kann.

Ein Beispiel für die Zusammensetzung des Stahlkörpers lautet (in Ge wichts-%) folgendermaßen: C: 0,60-0,70, Si: nicht mehr als 0,35, Mn: 0,20-0,50, Cr: 13,00-14,00, Mo: 0,20-0,40, Fe: restlicher Anteil, und eine unvermeidbare Verunreinigung.

Ein weiteres Beispiel für die Zusammensetzung des Stahlkörpers lautet (in Gewichts-%) folgendermaßen: C: 0,80 (0,85)-0,95, Si: 0,35-0,50, Mn: 0,25-0,40, Cr: 17,00-18,00, Mo: 1,00-1,25, V: 0,08-0,15, Fe: restlicher Anteil, und eine unvermeidbare Verunreinigung.

Ein weiteres Beispiel für die Zusammensetzung des Stahlkörpers lautet (in Gewichts-%) folgendermaßen: C: 0,87-0,93, Si: 0,20-0,40, Mn: 0,20-0,40, Cr: 21,00-22,00, Mo: 0,20-0,40, Mi: 0,90-1,10, Fe: restlicher Anteil, und eine unvermeidbare Verunreinigung.

Wenn der Verdichtungsring 1 in eine Kolbennut des Kolbens für einen der obenerwähnten Verbrennungsmotoren eingesetzt ist und der Motor in Betrieb ist, treten wiederholt eine Ausdehnungs- und Schrumpfbe wegung des Rings in radialer Richtung und eine Kollisionsbewegung des Rings mit den Wandungen der Kolbennut auf, so daß während des Betriebs in der Nitrierschicht 3 Risse erzeugt werden können, die zu Rissen 5, 7 in der Gleitoberfläche 4 und der Seitenfläche 6 führen. Eine Zunahme dieser Risse verursacht nachteilige Phänomene wie etwa ein vollständiges oder teilweises Ablösen der Nitrierschicht, wodurch an der Gleitoberfläche 4 abgeblätterte Bereiche 8 entstehen. Im äußersten Fall kann dieses Phänomen einen Oberflächenverschleiß oder einen an omalen Abrieb des Verdichtungsrings 1 oder sogar einen Bruch des Verdichtungsrings 1 verursachen. Ferner stößt der Verdichtungsring aufgrund seiner Ausdehnungs- und Schrumpfbewegungen in radialer Richtung und aufgrund von vertikalen Bewegungen in der axialen Richtung des Kolbens wiederholt auf die Wandungen der Kolbennut. Wenn daher auf den Eckbereichen C oder in der Umgebung dieser Be reiche die poröse weiße Schicht mit hoher Steifigkeit und Sprödigkeit verbleibt, können in diesen Bereichen leicht Risse entstehen. Diese Risse breiten sich über diese Bereiche hinaus aus, so daß der Verdich tungsring schließlich in vielen Fällen ausbricht.

Mit der vorliegenden Erfindung sollen die obenerwähnten Probleme gelöst werden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einerseits einen Kolbenring zu schaffen, bei dem in der Nitrierschicht keine Risse auf treten und dessen Abriebwiderstand und Dauerfestigkeit verbessert sind, und andererseits ein Verfahren zur Herstellung derartiger Kol benringe zu schaffen.

Diese Aufgabe wird für einen Kolbenring der gattungsgemäßen Art er findungsgemäß gelöst durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1.

Diese Aufgabe wird für ein Verfahren der gattungsgemäßen Art erfin dungsgemäß gelöst durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruches 4.

Die weiße Schicht der Nitrierschicht, die zunächst auf sämtlichen Eck bereichen, einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche des Stahlkörpers verbleibt, besitzt eine große Dicke von beispielsweise 20 µm. Wenn daher auf die weiße Schicht ein Schlag oder ein Stoß ausge übt wird, können leicht Risse verursacht werden, so daß der Kolben ring zu einem Abbrechen neigt. Wenn jedoch gemäß der Erfindung die Dicke der weißen Schicht verringert wird, so daß sie nicht mehr als 5 µm beträgt, wird die Festigkeit dieser dünnen weißen Schicht verbes sert, so daß der Bruchwiderstand des Kolbenrings erhöht werden kann. Selbst wenn ein Riß auftritt, sind die Tiefe dieses Risses gering und die Größe des Risses klein, so daß die Kerbwirkung verringert und die Dauerfestigkeit erhöht werden können. Weil darüber hinaus gemäß der Erfindung die Nitrierhärtung in zwei kontinuierlichen Stufen einer Nie dertemperatur-Nitrierhärtung und einer Hochtemperatur-Nitrierhärtung in dieser Reihenfolge oder in zwei ununterbrochenen Stufen einer Hochtemperatur-Nitrierhärtung und einer Niedertemperatur-Nitrierhär tung in dieser Reihenfolge ausgeführt wird, weist die sich ergebende Nitrierschicht eine Zweischichtstruktur aus einer bei niedriger Tempe ratur nitriergehärteten Schicht und einer bei hoher Temperatur nitrier gehärteten Schicht auf, so daß bei der Nitrierschicht keine Risse auftre ten. Infolgedessen weist der erfindungsgemäße Kolbenring einen erhöh ten Abriebwiderstand und eine erhöhte Dauerfestigkeit auf.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den Neben- und Unteransprüchen, die sich auf bevorzugte Ausführungs formen der vorliegenden Erfindung beziehen, angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungs formen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt eines Verdichtungsrings vor der Nitrierhär tungsbearbeitung;

Fig. 2 einen Querschnitt eines Verdichtungsrings mit einer Nitrier schicht, die dadurch gebildet worden ist, daß die Oberfläche des in Fig. 1 gezeigten Verdichtungsrings einer Nitrierhär tungsbearbeitung unterworfen worden ist;

Fig. 3 einen Querschnitt eines Verdichtungsrings, welcher dadurch erhalten worden ist, daß in einem mechanischen Prozeß die weiße Schicht auf der Gleitoberfläche des in Fig. 2 gezeigten Verdichtungsrings abgetragen worden ist und die weiße Schicht an jedem der Eckbereiche, der Oberseite und der Unterseite des Verdichtungsrings durch einen mechanischen Prozeß derart abgetragen worden ist, daß hier die Dicke der weißen Schicht nicht größer als 5 µm ist;

Fig. 4 einen Querschnitt eines Verdichtungsrings, der dadurch er halten worden ist, daß die weiße Schicht der Nitrierschicht des in Fig. 3 gezeigten Verdichtungsrings, die an jedem der Eckbereiche, an der Oberseite und an der Unterseite verblie ben ist, vollständig abgetragen worden ist;

Fig. 5 einen Graphen zur Darstellung der Ergebnisse des Experi mentes F;

Fig. 6 einen Graphen zur Darstellung der Ergebnisse des Experi mentes H;

Fig. 7 einen Graphen zur Darstellung der Ergebnisse des Experi mentes I;

Fig. 8 eine schematische Ansicht zur Erläuterung eines Prüfverfah rens im Experiment O, das auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bezogen ist;

Fig. 9 einen Graphen zur Erläuterung der Beziehung zwischen einer Last und einer Verschiebung im Experiment O;

Fig. 10 einen Graphen zur Darstellung der Ergebnisse des Experi mentes O;

Fig. 11 eine mikrophotographische Ansicht, die den Querschnitt eines Verdichtungsrings zeigt, der durch das erfindungsgemäße Nitrierhärtungsverfahren erhalten worden ist;

Fig. 12 eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Teils von Fig. 11;

Fig. 13 eine mikrophotographische Ansicht, die den Querschnitt eines Verdichtungsrings zeigt, der durch ein herkömmliches Ni trierhärtungsverfahren erhalten worden ist;

Fig. 14 eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Teils von Fig. 13;

Fig. 15 einen Graphen zur Darstellung der Ergebnisse hinsichtlich der N-Konzentration, die durch eine EPMA-Linien-Analyse erhalten wurden; und

Fig. 16 eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Verdich tungsrings.

Fig. 1 ist ein Querschnitt eines ein Beispiel für einen Kolbenring dar stellenden Stahl-Verdichtungsrings 10, wobei dieser Stahl-Verdich tungsring in einem Zustand vor der Nitrierhärtungsbearbeitung gezeigt ist. Ein Stahlkörper 11, der beispielsweise aus rostfreiem Stahl wie et wa SUS420J₂ hergestellt ist, besitzt eine Gleitoberfläche 12, die sich an der äußeren Umfangsfläche des Rings befindet und mit einer Zylinder wandung in gleitendem Kontakt ist, eine Oberseite 14 (eine erste Flä che), die mit der Gleitoberfläche 12 über einen Eckbereich 13 verbun den ist, eine Unterseite 16 (eine zweite Fläche), die mit der Gleitober fläche 12 über einen Eckbereich 15 verbunden ist, und eine innere Um fangsfläche 17, die sich an der inneren Umfangsseite des Rings befin det. Wenn die Oberfläche des in Fig. 1 gezeigten Stahlköpers 11 der später beschriebenen Nitrierhärtungsbearbeitung unterworfen wird, wird auf sämtlichen Oberflächen des Stahlkörpers 11 eine aus zwei Dif fusionsschichten 19a und 19b bestehende Nitrierschicht 19 gebildet, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Die Betrachtung mit einem optischen Mikro skop bestätigt, daß auf der Oberfläche der Nitrierschicht 19 eine Schicht mit weißer Farbe, d. h. eine weiße Schicht 20 (Verbundschicht) erzeugt wird; diese weiße Schicht 20 ist eine äußerst steife und spröde Schicht im porösen Zustand. In der Nitrierschicht 19 ist auf der Seite des Stahlkörpers 11 eine mit der weißen Schicht 20 verbundene Diffu sionsschicht 21 ausgebildet. In der weißen Schicht und der Diffusions schicht ist eine Verbindung aus Eisen, Chrom usw. mit Stickstoff vor handen. Der Stickstoff diffundiert von der Oberfläche der Schicht zu deren Innenseite, so daß die Konzentration des Stickstoffs von der Oberfläche zur Innenseite dieser Schicht allmählich abnimmt. Wie in Fig. 3 gezeigt, wird im betrachteten Beispiel die weiße Schicht 20 der auf der Gleitoberfläche 12 ausgebildeten Nitrierschicht 19 durch einen nachfolgenden mechanischen Prozeß abgetragen, so daß die Diffusions schicht, deren Steifigkeit einen bestimmten Wert besitzt, freigelegt wird. Die weiße Schicht 20 auf der Oberseite 14 und der Unterseite 16 und auf den Eckbereichen 13 und 15 wird durch einen mechanischen Prozeß so weit abgetragen, daß ihre Dicke 5 µm nicht übersteigt (und 0 µm betragen kann). Im herkömmlichen Fall besitzt die weiße Schicht 20 des in Fig. 3 gezeigten Verdichtungsrings 10 eine Dicke von unge fähr 20 µm. Wenn daher die weiße Schicht durch eine Ausdehnungs- und Schrumpfungsbewegung in radialer Richtung und durch eine verti kale Bewegung in axialer Richtung des Kolbens wiederholt mit der Kolbennut zusammenstößt, können durch diese Stöße in der verblei benden weißen Schicht 20 Risse auftreten. Wenn die weiße Schicht 20 abfällt, wird ein Abriebpulver erzeugt, so daß in verschiedenen Teilen, die andere Materialien enthalten, leicht ein anomaler Abrieb hervorge rufen werden kann. Wenn jedoch die Dicke der weißen Schicht nicht mehr als 5 µm beträgt, besteht nicht die Gefahr, daß ein derartiges Problem auftritt. Wie in Fig. 5 gezeigt, kann die auf den Eckbereichen 13 und 15, auf der Oberseite 14 und der Unterseite 16 des in Fig. 3 ge zeigten Verdichtungsrings 10 verbleibende weiße Schicht 20 vollständig abgetragen werden. Zum Abtragen der weißen Schicht kann eine schwach konzentrierte, wäßrige Lösung von Säuren wie etwa H₂SO₄ und HCl verwendet werden, alternativ kann auch ein mechanischer Prozeß ausgeführt werden, bei dem eine mit einem Schleifstein ausge rüstete Schleifeinrichtung verwendet wird.

Die weiße Schicht auf der Oberseite 14, auf der Unterseite 16 und auf den Eckbereichen 13 und 15 kann vollständig abgetragen werden, so daß eine Dicke von im wesentlichen 0 µm erzielt wird; die Kosten die ses Prozesses sind jedoch hoch, außerdem besitzt der daraus sich erge bende Verdichtungsring eine unnötig hohe Qualität. Das bedeutet, daß es zum Erreichen einer Steigerung der Dauerfestigkeit bei gleichzeiti ger Vereinfachung des Prozesses mit dem Ziel der Kostensenkung aus reicht, daß die Dicke der weißen Schicht nicht größer als 5 µm ist, wie oben beschrieben worden ist. Das heißt, daß bei dieser Mindestqualität insgesamt die größten Wirkungen erzielt werden können.

Die Nitrierhärtung wird dadurch ausgeführt, daß eine Oberfläche des Verdichtungsring-Stahlkörpers 11 einer Niedertemperatur-Nitrierhär tung und anschließend einer Hochtemperatur-Nitrierhärtung unterwor fen wird. Danach wird die weiße Schicht 20 wenigstens auf der Gleit oberfläche 12 abgetragen, so daß die Diffusionsschicht freiliegt.

Die Nitrierhärtung kann auch so ausgeführt werden, daß die Oberfläche des Verdichtungsring-Stahlkörpers 11 zuerst einer Hochtemperatur-Ni trierhärtung und dann einer Niedertemperatur-Nitrierhärtung unterwor fen wird. Danach wird auch in diesem Fall die weiße Schicht 20 we nigstens auf der Gleitoberfläche 12 abgetragen, so daß die Diffusions schicht freiliegt.

Durch irgendeinen dieser Prozesse umfaßt die Nitrierschicht 19 eine durch die Niedertemperatur-Nitrierhärtung gebildete Niedertemperatur- Nitrierschicht und eine durch die Hochtemperatur-Nitrierhärtung gebil dete Hochtemperatur-Nitrierschicht. Dies hat zur Folge, daß an der Außenseite eine erste Diffusionsschicht 19a und an der Innenseite die ser ersten Diffusionsschicht 19a eine zweite Diffusionsschicht 19b aus gebildet werden, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist.

Die Temperatur der Niedertemperatur-Nitrierhärtung liegt vorzugs weise im Bereich zwischen 500°C±5°C und 550°C±5°C. Die Ni trierhärtungsbearbeitung ist bei einer Temperatur möglich, die niedri ger als 500°C±5°C ist, hierbei dauert es jedoch sehr lange, bis die Nitrierschicht mit einer vorgegebenen Tiefe erhalten wird, was sich hinsichtlich der Produktivität und der Kosten nachteilig auswirkt. Wenn andererseits die Temperatur bei der Niedertemperatur-Nitrierhärtung 550°C±5°C übersteigt, muß die nachfolgende Hochtemperatur-Ni trierhärtung durch Festlegen einer größeren Differenz zwischen der Temperatur der Hochtemperatur-Nitrierhärtung und der Temperatur der Niedertemperatur-Nitrierhärtung ausgeführt werden, wobei in die sem Fall eine vorgegebene Steifigkeit der Nitrierschicht kaum erzielt werden kann. Wenn die Temperatur bei der Niedertemperatur-Nitrier härtung 550°C ± 5°C übersteigt, wird außerdem in einigen Fällen für die sich ergebende Nitrierschicht keine ausreichende Steifigkeit erzielt, so daß der Abriebwiderstand unzureichend wird. Angesichts dieses Sachverhaltes wird der obenerwähnte Temperaturbereich bevorzugt.

Die Temperatur für die Hochtemperatur-Nitrierhärtung liegt vorzugs weise im Bereich zwischen 560°C ± 5°C und 600°C ± 5°C. Aufgrund der Forderung, daß die Differenz zwischen der Temperatur bei der Niedertemperatur-Nitrierhärtung und der Temperatur bei der Hoch temperatur-Nitrierhärtung nicht kleiner als 1°C sein soll, liegt die unte re Temperaturgrenze bei der Hochtemperatur-Nitrierhärtung vorzugs weise zwischen 556°C und 565°C anstatt 560°C ± 5°C. Wenn die Temperatur bei der Hochtemperatur-Nitrierhärtung oberhalb der obe ren Grenze des obenerwähnten Bereichs liegt, kann eine vorgegebene Steifigkeit der Nitrierschicht nicht erhalten werden, so daß in diesem Fall der Abriebwiderstand nicht verbessert werden könnte. Folglich wird der obenerwähnte Temperaturbereich bevorzugt.

Die Toleranz (±5°C) der Temperaturen bei der Niedertemperatur-Ni trierhärtung und bei der Hochtemperatur-Nitrierhärtung bezieht sich auf eine Streuung des Temperaturprofils im Nitrierofen.

Experimente

Im folgenden werden Experimente beschrieben, die von den Anmeldern der vorliegenden Erfindung ausgeführt worden sind.

Experiment A (A-1)

In den Experimenten A bis E wurde die weiße Schicht unter Verwen dung von sauren Chemikalien mit schwacher Konzentration abgetragen, bis sie eine Dicke mit dem obenerwähnten Wert (nicht mehr als 5 µm, einschließlich 0 µm) hatte. D.h., daß der in Fig. 2 gezeigte Verdich tungsring 10 in die sauren Chemikalien eingetaucht wurde, um die weiße Schicht abzutragen. Die Bedingungen für die Abtragung der weißen Schicht umfassen die Konzentration der verwendeten Chemika lien, die Bearbeitungstemperatur und die Bearbeitungsdauer. Diese Bedingungen werden im Hinblick auf die Bearbeitbarkeit, die Zuver lässigkeit und die Kosten bestimmt, so daß die Dicke der verbleibenden weißen Schicht nicht mehr als 5 µm beträgt.

Im Experiment A wurden an den Prüfmaterialien (d. h. an einem durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Kolbenring und an ei nem durch ein herkömmliches Verfahren hergestellten Kolbenring) in der folgenden Dauerfestigkeits-Prüfung Messungen ausgeführt, welche miteinander verglichen wurden.

1) Prüfeinrichtung: Dauerprüfmaschine für Kolbenringe.
2) Prüfbedingungen:
Beanspruchung: Wiederholung mit Werten zwischen 0 kg/mm² und 50 kg/mm².
Milieu: Wäßrige Lösung von H₂SO₄ (pH 3,5).

Das Prüfmaterial wurde so lange wiederholt beansprucht, bis es brach, wobei die Auswertung anhand der Wiederholungsanzahl erfolgte.

3) Prüfmaterial:
Herkömmlicher Kolbenring: Ein Stahlkörper mit der weiter unten an gegebenen Zusammensetzung wurde einer Nitrierhärtungsbearbeitung mit konstanter Temperatur unterworfen (550°C während 15 Stunden). Bei dieser herkömmlichen Nitrierhärtungsbearbeitung wurde die steife und spröde weiße Schicht nur auf der Gleitoberfläche abgetragen, wäh rend auf den Eckbereichen eine weiße Schicht mit einer Dicke von un gefähr 20 µm zurückblieb.
Zusammensetzung (in Gewichts-%): C: 0,87, Si: 0,42, Mn: 0,30, Cr: 17,50, Mo: 1,03, V: 0,10, Fe: restlicher Anteil, und unvermeidbare Verunreinigung.

Kolbenring der Erfindung: Ein Stahlkörper mit derselben Zusammen setzung wie der herkömmliche Stahlkörper wurde einer Niedertempera tur-Nitrierhärtung und anschließend einer Hochtemperatur-Nitrierhär tung unterworfen. Das heißt, daß der Stahlkörper einer zweistufigen Ni trierhärtungsbearbeitung unterworfen wurde, die eine Niedertempera tur-Nitrierhärtung (500°C während 12 Stunden) und anschließend einer Hochtemperatur-Nitrierhärtung (580°C während 7 Stunden) (wie im Experiment G) umfaßt, anschließend wurde der Stahlkörper in eine saure, wäßrige Lösung mit schwacher Konzentration eingetaucht, um die äußerst steife und spröde weiße Schicht auf der Oberfläche abzutra gen. Die Bedingungen für die Abtragung der weißen Schicht und der Restdicke auf der weißen Schicht sind die folgenden:

Bedingungen für die Abtragung der weißen Schicht

(a) Bearbeitungsflüssigkeit: Wäßrige Lösung von Schwefelsäure (H₂SO₄)
(b) Konzentration der Bearbeitungsflüssigkeit: 1,2%
(c) Bearbeitungstemperatur: 35°C
(d) Bearbeitungsdauer: 13 Minuten
(e) Restdicke der weißen Schicht (im Endprodukt):

Gleitoberfläche:|0 µm

Oberseite: 0 µm

Unterseite: 0 µm

Innere Umfangsfläche: 2 µm

Eckbereiche: 2 µm
4) Ergebnis:
Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, besitzt der Kolbenring gemäß der vorliegenden Erfindung eine Dauer festigkeit, die ungefähr zehnmal so hoch wie diejenige des herkömmli chen Kolbenrings ist.

Tabelle 1

(A-2)

Das obige Verfahren (A-1) wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß die Restdicke der weißen Schicht (im Endprodukt) durch Veränderung der Bedingungen zum Abtragen der weißen Schicht auf die im folgen den erwähnten Dicken variiert wurde, anschließend wurden Dauerfe stigkeitsprüfungen ausgeführt.

(e) Restdicke der weißen Schicht (im Endprodukt):

Gleitoberfläche:\|0 µm
Oberseite:	0 µm
Unterseite:	0 µm
Innere Umfangsfläche:	0 µm
Eckbereiche:	0 µm

Ergebnis

Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. Wie aus Tabelle 2 ersichtlich, besitzt der Kolbenring gemäß der vorliegenden Erfindung eine Dauer festigkeit, die ungefähr zehnmal so hoch wie diejenige des herkömmli chen Kolbenrings ist.

Tabelle 2

Experiment B

Es wurden Prüfmaterialien, deren Stahlkörper gegenüber denjenigen der im Experiment A verwendeten Prüfmaterialien verschiedene Zu sammensetzungen besaßen, einer Dauerfestigkeitsprüfung unterworfen, wobei der Kolbenring gemäß der Erfindung und der herkömmliche Kolbenring im Hinblick auf ihre Dauerfestigkeit miteinander verglichen wurden.

1) Prüfeinrichtung: Wie im Experiment A.
2) Prüfbedingungen: Wie im Experiment A.
3) Prüfmaterial:
Herkömmlicher Kolbenring: Ein Stahlkörper mit der weiter unten an gegebenen Zusammensetzung wurde einer Nitrierhärtungsbearbeitung unterworfen. Da es sich bei dieser Nitrierhärtungsbearbeitung um eine herkömmliche Bearbeitung handelte, wurde nur die steife und spröde weiße Schicht auf der Gleitoberfläche abgetragen, während auf den Eckbereichen eine weiße Schicht mit einer Dicke von ungefähr 20 µm verblieb.
Zusammensetzung (in Gewichts-%): C: 0,91, Si: 0,30, Mn: 0,29, Cr: 21,63, Mo: 0,30, Ni: 0,99, Fe: restlicher Anteil, und unvermeidbare Verunreinigung.

Kolbenring der Erfindung: Ein Stahlkörper mit der gleichen Zusam mensetzung wie diejenige des herkömmlichen Stahlkörpers wurde einer zweistufigen Nitrierhärtungsbearbeitung (der gleichen wie im Experi ment A) unterworfen, anschließend wurde er in eine saure, wäßrige Lösung mit schwacher Konzentration eingetaucht, um die äußerst steife und spröde weiße Schicht auf der Oberfläche abzutragen. Die Bedin gungen für die Abtragung der weißen Schicht und der Restdicke der weißen Schicht sind die folgenden:

Bedingungen für die Abtragung der weißen Schicht: Wie im Experi ment A-1 in bezug auf die Bearbeitungsflüssigkeiten und die Bearbei tungsbedingungen.

(e) Restdicke der weißen Schicht (im Endprodukt):

Gleitoberfläche:\|0 µm
Oberseite:	0 µm
Unterseite:	0 µm
Innere Umfangsfläche:	3 µm
Eckbereiche:	3 µm

4) Ergebnis:
Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt. Wie aus Tabelle 3 ersichtlich ist, ist die Dauerfestigkeit der Kolbenringe gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu derjenigen herkömmlicher Kolbenringe äu ßerst hoch.

Tabelle 3

Experiment C

Es wurden Prüfmaterialien, deren Stahlkörper die gleichen Zusammen setzungen wie die im Experiment B verwendeten Prüfmaterialien besa ßen, einer Dauerfestigkeitsprüfung unterworfen, wobei die Prüfbedin gungen verändert wurden; anschließend wurden der Kolbenring gemäß der Erfindung und der herkömmliche Kolbenring im Hinblick auf ihre Dauerfestigkeit miteinander verglichen.

1) Prüfeinrichtung: Wie im Experiment A.
2) Prüfbedingungen: Die Prüfung wurde in Luft ausgeführt, die Dau erfestigkeit wurde anhand der SN-Kurve bestimmt.
3) Prüfmaterial:
Herkömmlicher Kolbenring: Wie im Experiment B.
Kolbenring der Erfindung: Wie im Experiment B.
4) Ergebnis:
Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt. Wie aus Tabelle 4 ersichtlich, ist die Dauerfestigkeit des erfindungsgemäßen Kolbenrings im Ver gleich zu derjenigen des herkömmlichen Kolbenrings äußerst hoch.

Tabelle 4

Experiment D

Unter Verwendung eines Stahlkörpers mit der gleichen Zusammenset zung wie diejenige des Stahlkörpers des Experimentes B wurden ein Prüfmaterial, bei dem die Dicke der weißen Schicht die Obergrenze des obenerwähnten Bereichs überschritt, und ein Prüfmaterial, bei dem die Dicke der weißen Schicht die Obergrenze des obenerwähnten Bereichs nicht überschritt, hergestellt. Diese Prüfmaterialien wurden unter den gleichen Prüfbedingungen wie im Experiment A geprüft.

1) Prüfeinrichtung: Wie im Experiment A.
2) Prüfbedingungen: Wie im Experiment A.

3) Prüfmaterial (mit der gleichen Zusammensetzung wie diejenige des Prüfmaterials im Experiment B):
Kolbenring, bei dem die Dicke der weißen Schicht mehr als 5 µm be tragen hat:

Gleitoberfläche:
0 µm (tatsächlicher Wert)
Oberseite:	6 µm (tatsächlicher Wert)
Unterseite:	6 µm (tatsächlicher Wert)
Innere Umfangsfläche:	8 µm (tatsächlicher Wert)
Eckbereiche:	10 µm (tatsächlicher Wert)

Kolbenring, bei dem die Dicke der weißen Schicht nicht mehr als 5 µm betragen hat:

Gleitoberfläche:
0 µm (tatsächlicher Wert)
Oberseite:	0 µm (tatsächlicher Wert)
Unterseite:	0 µm (tatsächlicher Wert)
Innere Umfangsfläche:	3 µm (tatsächlicher Wert)
Eckbereiche:	5 µm (tatsächlicher Wert)

4) Ergebnis:
Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 gezeigt. Durch die Werte der Tabelle 5 wird bestätigt, daß die Dauerfestigkeit abnimmt, wenn die Dicke der weißen Schicht 5 µm überschreitet.

Tabelle 5

Experiment E (E-1)

In dem folgenden Prüfmotor wurden Kolbenringe einer Dauerprüfung unterworfen; hierbei wurde das Auftreten eines Bruchs des Prüfmate rials betrachtet.

1) Prüfmotor: 2800 ccm, wassergekühlt, Reihen-Vierzylinder-Die selmotor.
2) Prüfbedingungen: Vom Leerlauf (ungefähr 420 min^-1) bis 4750 min^-1 (aufwärts und abwärts), 200 000 Zyklen.
3) Prüfmaterial:
Erster Zylinder: Kolbenring der Erfindung wie im Experiment A
Zweiter Zylinder: Herkömmlicher Kolbenring wie im Experiment A
Dritter Zylinder: Kolbenring der Erfindung wie im Experiment A
Vierter Zylinder: Herkömmlicher Kolbenring wie im Experiment A.
4) Ergebnis:
Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 gezeigt. Wie aus Tabelle 6 ersichtlich, sind die Kolbenringe im zweiten und im vierten Zylinder gebrochen, während bei den Kolbenringen im ersten und im dritten Zylinder keine Schwierigkeiten auftraten.

Tabelle 6

(E-2)

Das obige Verfahren von (E-1) wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß andere Prüfmaterialien für die Kolbenringe verwendet wurden, die in einem Prüfmotor einer Dauerprüfung unterworfen wurden; hierbei wurde das Auftreten von Brüchen betrachtet.

Prüfmaterial

Erster Zylinder: Kolbenring der Erfindung wie im Experiment B
Zweiter Zylinder: Herkömmlicher Kolbenring wie im Experiment B
Dritter Zylinder: Kolbenring der Erfindung wie im Experiment B
Vierter Zylinder: Herkömmlicher Kolbenring wie im Experiment B.

Ergebnis

Die Ergebnisse sind in Tabelle 7 gezeigt. Wie aus Tabelle ersichtlich, sind die Kolbenringe im zweiten und im vierten Zylinder gebrochen, während bei den Kolbenringen im ersten und im dritten Zylinder keine Schwierigkeiten auftraten.

Tabelle 7

Wie aus den in den Experimenten A bis E erhaltenen Ergebnissen er sichtlich ist, kann die Dauerfestigkeit erheblich gesteigert werden, wenn entsprechend der Erfindung eine Nitrierschicht mit einer Zwei schichtenstruktur ausgebildet wird, die eine Niedertemperatur-Nitrier schicht und eine Hochtemperatur-Nitrierschicht umfaßt, und die weiße Schicht entsprechend der Erfindung abgetragen wurde. Im Betrieb wurden keinerlei Brüche der Kolbenringe beobachtet.

Die Verwendung des erfindungsgemäßen Verdichtungsrings in Ver brennungsmotoren, insbesondere in Verbrennungsmotoren mit hoher Drehzahl und hoher Ausgangsleistung, ist daher äußerst effektiv.

Experiment F

Im Experiment F wurde als Mittel für die Abtragung der auf den Eck bereichen 13 und 15, auf der Oberseite 14 und auf der Unterseite 16 des Verdichtungsrings 10 verbliebenen weißen Schicht ein Schleifvor gang ausgeführt, wodurch die Dicke der weißen Schicht nicht mehr als 5 µm betrug. Für den Schleifvorgang wurde ein Schleifstein, ein Span werkzeug oder dergleichen verwendet, wobei die weiße Schicht bis zu einer Dicke von nicht mehr als 5 µm abgetragen wurde.

Im Experiment F wurden die Prüfmaterialien der weiter unten erläuter ten Dauerprüfung unterworfen, anschließend wurden der in einem her kömmlichen Verfahren hergestellte Kolbenring und der im erfindungs gemäßen Verfahren hergestellte Kolbenring hinsichtlich ihrer Dauer festigkeit miteinander verglichen.

1) Prüfeinrichtung: Wie im Experiment A.
2) Prüfbedingungen: Wie im Experiment A.
3) Prüfmaterial:
Herkömmlicher Kolbenring: Wie der herkömmliche Kolbenring im Ex periment B.

Kolbenring der Erfindung: Der gleiche Stahlkörper wie im Experiment B wurde der gleichen Nitrierhärtungsbearbeitung wie im Experiment A unterworfen, anschließend wurde die weiße Schicht auf den Eckberei chen, auf der Oberseite und auf der Unterseite in einem Schleifprozeß unter Verwendung eines Schleifsteins unter Naßschleif-Bedingungen abgetragen. Die Restdicken der weißen Schicht waren die folgenden:

Restdicken der weißen Schicht (im Endprodukt):

Gleitoberfläche:\|0 µm
Oberseite:	0 µm
Unterseite:	0 µm
Innere Umfangsfläche:	15 µm
Eckbereiche:	0 µm

4) Ergebnis:
Die Ergebnisse sind in Tabelle 8 gezeigt. Wie aus Tabelle 8 ersichtlich, wurde die Dauerfestigkeit des erfindungsgemäßen Kolbenrings im Vergleich zu derjenigen des herkömmlichen Kolbenrings erheblich ge steigert (ungefähr auf das Zweifache der Festigkeit des herkömmlichen Kolbenrings).

Tabelle 8

Wie aus den Ergebnissen des Experiments F ersichtlich ist, wird die Dauerfestigkeit durch die Erfindung verbessert. In diesem Fall wurde an der inneren Umfangsfläche kein Schleifprozeß ausgeführt, so daß die weiße Schicht auf dieser inneren Umfangsfläche verblieben ist. Diese weiße Schicht hatte jedoch auf die Dauerfestigkeit des Verdich tungsrings keinen Einfluß. Im Hinblick auf die Produktivität ist es aus reichend, daß die Dicke der weißen Schicht nicht mehr als 5 µm be trägt, wobei eine beachtliche Wirkung erhalten werden kann, wie durch das erfindungsgemäße Beispiel gezeigt wird.

Experiment G

In dem folgenden Prüfmotor wurde für den Kolbenring eine Dauerprü fung ausgeführt, um den Abriebverschleiß der Verdichtungsringe zu vergleichen und Risse in den Verdichtungsringen zu beobachten.

1) Prüfmotor: 2800 ccm, wassergekühlt, Reihen-Vierzylinder-Die selmotor.
2) Prüfbedingungen: 4200 min^-1 (unter allen Lastbedingungen) wäh rend 1000 Stunden (Dauer).
3) Prüfmaterial (Verdichtungsring):
Herkömmlicher Kolbenring: Ein Stahlkörper mit der gleichen Zusam mensetzung wie der Stahlkörper im Experiment A wurde der gleichen Nitrierhärtungsbearbeitung wie im Experiment A unterworfen. Da es sich bei dieser Nitrierhärtungsbearbeitung um eine herkömmliche Be arbeitung handelte, wurde die steife und spröde weiße Schicht nur auf der Gleitoberfläche abgetragen, wobei auf den Eckbereichen die weiße Schicht mit einer Dicke von ungefähr 20 µm zurückblieb.

Kolbenring der Erfindung: Ein Stahlkörper mit der gleichen Zusam mensetzung wie der Stahlkörper im Experiment A wurde einer zwei stufigen Nitrierhärtungsbearbeitung (wie im Experiment A) unterwo rfen. Die weiße Schicht wurde auf die gleiche Weise wie im Experi ment A-1 abgetragen.

4) Ergebnis:
Die Ergebnisse sind in Fig. 5 gezeigt. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, sind die Abriebverluste des herkömmlichen Kolbenrings und des erfin dungsgemäßen Kolbenrings im wesentlichen einander gleich. Der her kömmliche Kolbenring wies jedoch in der Nitrierschicht Risse auf, während der erfindungsgemäße Kolbenring in der Nitrierschicht keiner lei Risse aufwies.

Experiment H

Bei einem Wechsel des Prüfmotors wurde das Auftreten von Rissen in der Nitrierschicht beobachtet.

1) Prüfmotor: 11 000 ccm, wassergekühlt, V8-Zylinder-Dieselmotor.
2) Prüfbedingungen: 2300 min^-1 (unter allen Lastbedingungen) wäh rend 50 Stunden.
3) Prüfmaterial: Wie im Experiment G.
4) Ergebnis:
Der herkömmliche Kolbenring wies in der Nitrierschicht Risse auf, während der erfindungsgemäße Kolbenring keine Risse aufwies.

Experiment I

An Prüfstücken wurde eine Basis-Abriebprüfung ausgeführt.

1) Prüfeinrichtung: Abriebprüfeinrichtung vom Amsler-Typ.
2) Last: 785 N.
3) Umfangsgeschwindigkeit: 1 m/s (bei der Drehzahl von 478 min^-1).
4) Zeit: 7 Stunden (entspricht einer Fahrstrecke von 25 km).
5) Schmieröl: R30-Motoröl (SAE # 30).
6) Öltemperatur: 75°C ± 2,5°C.
7) Prüfmaterial:
Sowohl für den herkömmlichen Kolbenring als auch für den erfin dungsgemäßen Kolbenring wurden auf die gleiche Weise wie im Expe riment A Prüfstücke für den Verdichtungsring hergestellt. Als gegen überliegendes Material wurde ein Material verwendet, das zu JIS FC25 äquivalent ist.
8) Ergebnis:
Die Ergebnisse sind in Fig. 6 gezeigt. Der Abriebverschleiß des her kömmlichen Kolbenrings ist im wesentlichen gleich dem Abriebver schleiß des erfindungsgemäßen Kolbenrings.

Experiment J

An Prüfstücken wurde eine Oberflächenverschleißprüfung ausgeführt.

1) Prüfeinrichtung: Dieselbe Basis-Abriebprüfeinrichtung wie im Ex periment H wurde während einer bestimmten Zeitdauer betrieben, wobei der Oberflächendruck des Prüfstückes allmählich auf einen kritischen Oberflächendruck, bei dem ein Festfressen auftrat, er höht wurde.
2) Umfangsgeschwindigkeit: 1 m/s (bei der Drehzahl von 478 min^-1).
3) Schmieröl: R30-Motoröl (SAE #30) "weißes Kerosin" (1 : 1).
4) Öltemperatur: 75°C ± 2,5°C.
5) Oberflächendruck: Der Oberflächendruck wurde am Anfang auf 98 N/cm² gesetzt und dann nach jeweils fünf Minuten um 49 N/cm² erhöht, bis ein Festfressen auftrat.
6) Prüfmaterial:
Die Prüfstücke und das gegenüberliegende Material waren gleich wie im Experiment I.
7) Ergebnis:
Die Ergebnisse sind in Fig. 7 gezeigt. Die Oberflächenverschleißwi derstände des herkömmlichen Kolbenrings bzw. des erfindungsgemä ßen Kolbenrings waren annähernd einander gleich.

Die Ergebnisse der Experimente G bis J bestätigen, daß der gegenüber herkömmlichen Kolbenringen unterschiedliche Aufbau des erfindungs gemäßen Kolbenrings auf den Abriebwiderstand und den Oberflächen verschleißwiderstand keinen nachteiligen Einfluß ausübt; andererseits traten beim erfindungsgemäßen Kolbenring weder Risse auf, noch fiel die Nitrierschicht während des Betriebs teilweise oder vollständig ab. Auch in der Nitrierschicht traten keine Risse auf. Wenn daher ein Verdichtungsring der Erfindung verwendet wird, kann eine Leckströ mung des Verdichtungsgases und/oder des Verbrennungsgases aus der Verbrennungskammer des Verbrennungsmotors auf den kleinstmögli chen Wert begrenzt werden.

Experiment K (K-1)

An tatsächlich verwendeten Kolbenringen wurde eine Abriebprüfung ausgeführt, wobei die Auswertung anhand des Riß-Widerstandes der Kolbenringe erfolgte.

1) Prüfeinrichtung: Abrieb-Prüfeinrichtung vom Realbedingungstyp.
2) Umfangsgeschwindigkeit: 3,3 m/s (800 min^-1).
3) Schmieröl: 7,5W30.
4) Ölmenge: 1 ccm/min.
5) Gegenüberliegendes Material: Material, das zu JIS FC25 äquiva lent ist.
6) Prüfmaterial (Kolbenring):
Kolbenring A der Erfindung: Ein Stahlkörper mit der gleichen Zusam mensetzung wie der Stahlkörper des Experimentes A-1 wurde einer Niedertemperatur-Nitrierhärtung (500°C während 12 Stunden) und an schließend einer Hochtemperatur-Nitrierhärtung (580°C während 7 Stunden) unterworfen. Die weiße Schicht wurde auf die gleiche Weise wie im Experiment A-1 beschrieben abgetragen.
Kolbenring B der Erfindung: Ein Stahlkörper mit der gleichen Zusam mensetzung wie der Stahlkörper des obigen Kolbenrings A wurde einer Hochtemperatur-Nitrierhärtung (580°C während 7 Stunden) und an schließend einer Niedertemperatur-Nitrierhärtung (entweder 510°C während 7 Stunden (Kolbenring B-1 der Erfindung) oder 530°C wäh rend 5 Stunden (Kolbenring B-2 der Erfindung) oder 550°C während 4 Stunden (Kolbenring B-3 der Erfindung)) unterworfen. Die weiße Schicht wurde auf die gleiche Weise wie im Experiment A-1 beschrie ben abgetragen.
7) Ergebnis:
Die Ergebnisse sind in Tabelle 9 gezeigt. Wie aus Tabelle 9 ersichtlich ist, war beim erfindungsgemäßen Kolbenring bis zum Auftreten von Rissen eine höhere Last als beim herkömmlichen Kolbenring erforder lich, wodurch bestätigt wird, daß der erfindungsgemäße Kolbenring ei nen erhöhten Riß-Widerstand besitzt.

Tabelle 9

(K-2)

Das Verfahren des obigen Experimentes (K-1) wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß die Prüfmaterialien durch die folgenden Prüfmate rialien ersetzt wurden, um den Riß-Widerstand auszuwerten.

1) Prüfmaterial (Kolbenring):
Kolbenring A der Erfindung: Ein Stahlkörper mit der gleichen Zusam mensetzung wie diejenige des Stahlkörpers des Experimentes B wurde einer Niedertemperatur-Nitrierhärtung (500°C während 15 Stunden) und anschließend einer Hochtemperatur-Nitrierhärtung (580°C wäh rend 10 Stunden) unterworfen. Die weiße Schicht wurde auf die gleiche Weise wie im Experiment A-1 beschrieben abgetragen.
Kolbenring B der Erfindung: Ein Stahlkörper mit der gleichen Zusam mensetzung wie diejenige des herkömmlichen Stahlkörpers des obigen Kolbenrings A wurde einer Hochtemperatur-Nitrierhärtung (580°C während 8 Stunden) und anschließend einer Niedertemperatur-Nitrier härtung (entweder 510°C während 7 Stunden (Kolbenring B-1 der Er findung oder 530°C während 5 Stunden (Kolbenring B-2 der Erfin dung) oder 550°C während 4 Stunden (Kolbenring B-3 der Erfindung)) unterworfen. Die weiße Schicht wurde auf die gleiche Weise wie im Experiment A-1 beschrieben abgetragen.
2) Ergebnis:
Die Ergebnisse sind in Tabelle 10 gezeigt. Wie aus Tabelle 10 ersicht lich ist, war beim erfindungsgemäßen Kolbenring bis zum Auftreten von Rissen im Vergleich zum herkömmlichen Kolbenring eine höhere Last erforderlich, wodurch bestätigt wird, daß der erfindungsgemäße Kolbenring hinsichtlich seines Riß-Widerstandes verbessert worden ist.

Tabelle 10

Experiment L

Das Verfahren des obigen Experimentes (K-1) wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß das Verhältnis der Hochtemperatur-Nitrierhär tungsdauer zur Gesamtnitrierhärtungsdauer variiert wurde, um die Prüfmaterialien hinsichtlich des Riß-Widerstandes zu bewerten.

1) Prüfeinrichtung: Abrieb-Prüfeinrichtung vom Realbedingungstyp.
2) Umfangsgeschwindigkeit: 3,3 m/s (800 min^-1).
3) Schmieröl: 7,5W30.
4) Ölmenge: 1 ccm/min.
5) Gegenüberliegendes Material: Material, das zu JIS FC25 äquiva lent ist.
6) Prüfmaterial (Kolbenring):
- a) ein Stahlkörper mit der gleichen Zusammensetzung wie diejenige des im Experiment (K-1) verwendeten Stahlkörpers (mit der im folgen den beschriebenen Zusammensetzung) wurde einer Hochtemperatur- Nitrierhärtung (580°C während 4 Stunden) und anschließend einer Niedertemperatur-Nitrierhärtung (550°C während 6 Stunden) unterwo rfen. In diesem Fall betrug das Verhältnis der Hochtemperatur-Nitrier härtungsdauer zur Gesamtnitrierhärtungsdauer 40%.
- Zusammensetzung (in Gewichts-%): C: 0,87, Si: 0,42, Mn: 0,30, Cr: 17,50, Mo: 1,03, V: 0,10, Fe: restlicher Anteil, und unvermeidbare Verunreinigung.
- b) Ein Stahlkörper mit der gleichen Zusammensetzung wie diejenige des im Experiment (K-2) verwendeten Stahlkörpers (mit der im folgen den beschriebenen Zusammensetzung) wurde einer Hochtemperatur- Nitrierhärtung (580°C während 5 Stunden) und anschließend einer Niedertemperatur-Nitrierhärtung (550°C während 6 Stunden) unterwo rfen. In diesem Fall betrug das Verhältnis der Hochtemperatur-Nitrier härtungsdauer zur Gesamt-Nitrierhärtungsdauer 45,5 %. Die starre und spröde poröse Schicht auf der Oberfläche des Prüfmaterials wurde ab getragen.
- Zusammensetzung (in Gewichts-%): C: 0,91, Si: 0,30, Mn: 0,29, Cr: 21,63, Mo: 0,30, Ni: 0,99, Fe: restlicher Anteil, und unvermeidbare Verunreinigung.
7) Ergebnis:
Die Ergebnisse sind in den Tabellen 11 und 12 gezeigt. Wie aus den Tabellen 11 und 12 ersichtlich ist, ist der Riß-Widerstand der erfin dungsgemäßen Kolbenringe zu demjenigen des erfindungsgemäßen Kolbenrings A des obenerwähnten Experimentes K-1, der einer Nieder temperatur-Nitrierhärtung und anschließend einer Hochtemperatur-Ni trierhärtung unterworfen worden war, äquivalent, wenn das Verhältnis der Hochtemperatur-Nitrierhärtungsdauer zur Gesamtnitrierhärtungs dauer 40% (Prüfmaterial (a)) bzw. 45,5% (Prüfmaterial (b)) beträgt. Durch diese Ergebnisse und die im Experiment K erhaltenen Ergeb nisse wird bestätigt, daß der Rißwiderstand der erfindungsgemäßen Kolbenringe weiter verbessert wird, wenn das Verhältnis der Hoch temperatur-Nitrierhärtungsdauer zur Gesamtnitrierhärtungsdauer nicht kleiner als 50% ist.

Tabelle 11

Tabelle 12

Experiment M

In dem folgenden Prüfmotor wurde an einem Kolbenring eine Dauer prüfung ausgeführt, wobei das Auftreten von Rissen beobachtet wurde.

1) Prüfmotor: 2800 ccm, wassergekühlt, Reihen-Vierzylinder-Die selmotor.
2) Prüfbedingungen: 4200 min^-1 (unter allen Lastbedingungen) wäh rend 300 Stunden (Dauer).
3) Prüfmaterial:
Erster Zylinder: Kolbenring A der Erfindung im Experiment K-1.
Zweiter Zylinder: Kolbenring B der Erfindung im Experiment K-1. Dieser Kolbenring wurde einer Hochtemperatur- Nitrierhärtung (580°C während 7 Stunden) und an schließend einer Niedertemperatur-Nitrierhärtung (530°C während 5 Stunden) unterworfen (Kolbenring B-2 der Erfindung).
Dritter Zylinder: Kolbenring A der Erfindung im Experiment K-1.
Vierter Zylinder: Kolbenring B der Erfindung im Experiment K-1.
Dieser Kolbenring wurde einer Hochtemperatur- Nitrierhärtung (580°C während 7 Stunden) und an schließend einer Niedertemperatur-Nitrierhärtung (530°C während 5 Stunden) unterworfen (Kolbenring B-2 der Erfindung).

Die steife und spröde poröse Schicht auf der Oberfläche eines jeden der Prüfmaterialien wurde abgetragen.

4) Ergebnis:
Die Ergebnisse sind in Tabelle 13 gezeigt. Wie aus Tabelle 13 ersicht lich ist, wurden weder am Kolbenring A der Erfindung noch am Kol benring B der Erfindung Risse beobachtet.

Tabelle 13

Experiment N

Das Verfahren des obigen Experimentes N wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß die Prüfmaterialien durch die weiter unten angegebenen Prüfmaterialien ersetzt worden sind, um an einem tatsächlich eingesetz ten Kolbenring eine Dauerprüfung auszuführen, wobei das Auftreten von Rissen beobachtet wurde.

1) Prüfmaterial:
Erster Zylinder: Kolbenring A der Erfindung im Experiment K-2.
Zweiter Zylinder: Kolbenring B (B-2) der Erfindung im Experiment K-2. Dieser Kolben wurde einer Hochtemperatur- Nitrierhärtung (580°C während 8 Stunden) und an schließend einer Niedertemperatur-Nitrierhärtung (530°C während 5 Stunden) unterworfen.
Dritter Zylinder: Kolbenring A der Erfindung im Experiment K-2.
Vierter Zylinder: Kolbenring B (B-2) der Erfindung im Experiment K-2. Der Kolbenring wurde einer Hochtemperatur- Nitrierhärtung (580°C während 8 Stunden) und an schließend einer Niedertemperatur-Nitrierhärtung (530°C während 5 Stunden) unterworfen.

4) Ergebnis:
Die Ergebnisse sind in Tabelle 14 gezeigt. Wie aus Tabelle 14 ersicht lich ist, wurden weder beim Kolbenring A der Erfindung noch beim Kolbenring B der Erfindung Risse beobachtet.

Tabelle 14

Experiment O

Tatsächlich eingesetzte Kolbenringe wurden einer Biegeprüfung unter worfen, um die Festigkeit der Kolbenringe zu bewerten.

1) Prüfeinrichtung: Biege-Prüfeinrichtung vom Realbedingungstyp.
2) Prüfverfahren: Wie in Fig. 8 gezeigt, wird der Kolbenring 10 von Haltewerkzeugen 31 und 32 so gehalten, daß ein Teil des Kolben rings zwischen den Haltewerkzeugen hervorsteht, wobei auf den vorspringenden Bereich 10a des Kolbenrings von oben eine Last P angelegt wird. Die Absinkrate der Last P beträgt 0,5 mm/min.

In Fig. 9 ist die Beziehung zwischen der Last P und der Verschiebung bei dieser Prüfung gezeigt. Wenn im Kolbenring ein Riß auftritt, wird die Last (in dem in Fig. 9 durch X gekennzeichneten Bereich) etwas abgesenkt. Der Kolbenring der Erfindung und der herkömmliche Kol benring wurden in bezug auf die Last P₁ in diesem Zeitpunkt miteinan der verglichen.

3) Prüfmaterial:
Kolbenring A der Erfindung:
- (I) Kolbenring A der Erfindung im Experiment K-1
- (II) Kolbenring A der Erfindung im Experiment K-2.
Kolbenring B der Erfindung:
- (I) Kolbenring B (B-2) der Erfindung im Experiment K-1; dieser Kolbenring wurde einer Hochtemperatur-Nitrierhärtung (580°C während 8 Stunden) und anschließend einer Niedertemperatur- Nitrierhärtung (530°C während 5 Stunden) unter worfen.
- (II) Kolbenring B (B-2) der Erfindung im Experiment K-2; dieser Kolbenring wurde einer Hochtemperatur-Nitrierhärtung (580°C während 8 Stunden) und anschließend einer Nieder temperatur-Nitrierhärtung (530°C während 5 Stunden) unter worfen.

4) Ergebnis:
Die Ergebnisse sind in Fig. 10 gezeigt. Wie gezeigt, ist die Last, bei der ein Riß auftritt, im Falle des Kolbenrings B der Erfindung größer als diejenige im Falle des Kolbenrings A der Erfindung. Dadurch wird bestätigt, daß die beim Kolbenring B erhaltene Festigkeit im Vergleich zu derjenigen des Kolbenrings A stark erhöht werden konnte.

In jedem der obenerwähnten Beispiele der Erfindung wird vorzugs weise auf der Oberfläche der freiliegenden Diffusionsschicht entweder eine Plattierungsschicht oder eine Sprühschicht oder eine ionenplattierte Schicht ausgebildet, wodurch der Oberflächenverschleißwiderstand und der Abriebwiderstand des Kolbenrings sehr stark gesteigert werden können.

Nun werden mit Bezug auf die Fig. 11 bis 14 ein erfindungsgemäßes Beispiel und ein herkömmliches Beispiel beschrieben, wobei die Fig. 11 bis 14 jeweils eine mikrophotographische Ansicht zur Erläuterung der Metallstruktur zeigen. Die Fig. 11 und 13 sind jeweils Mikropho tographien mit 200facher Vergrößerung, während die Fig. 12 und 14 Mikrophotographien mit 400facher Vergrößerung sind. Die Fig. 11 und 12 zeigen jeweils die Metallstruktur eines Abschnittes eines erfin dungsgemäßen Verdichtungsrings. In den Fig. 11 und 12 stellt der oberste schwarze Bereich ein Harz dar, das für den Abrieb in der Ab riebprüfung verwendet wird, wobei der Verdichtungsring eine Mehr schicht-Struktur besitzt, die eine weiße Schicht b (poröse Schicht, weißgrauer Bereich), eine erste Diffusionsschicht c (grauer Bereich), eine zweite Diffusionsschicht d (grauschwarzer Bereich) und einen Stahlkörper e (weißer Bereich), die in dieser Reihenfolge von oben nach unten angeordnet sind, umfaßt. In den Fig. 13 und 14 ist die Me tallstruktur eines Abschnittes eines gemäß einem herkömmlichen Ni trierhärtungsprozeß (550°C während 6 Stunden) hergestellten Verdich tungsrings gezeigt. In den Fig. 13 und 14 ist der oberste schwarze Be reich durch das obenerwähnte Harz a gegeben; der Verdichtungsring weist eine Mehrschicht-Struktur auf, die aus einer weißen Schicht b (poröse Schicht, weißgrauer Bereich), eine Diffusionsschicht f (grauer Bereich) und einen Stahlkörper e (weißer Bereich), die in dieser Rei henfolge von oben nach unten angeordnet sind, umfaßt. Die Diffusions schicht f besitzt keine Zweischicht-Struktur.

In Fig. 15 ist ein Graph gezeigt, der der Erläuterung der Ergebnisse ei ner EPMA-Linien-Analyse dient, welche in bezug auf eine Verände rung der N-Konzentration (Stickstoff-Konzentration) in der Nitrier schicht von der Oberflächenseite zur Innenseite nach der Nitrierhär tungsbearbeitung ausgeführt wurde. In Fig. 15 ist die Tiefe der Nitrier schicht, beginnend bei der Metalloberfläche, als Abszisse aufgetragen, während die die N-Konzentration (Stickstoff-Konzentration) anzeigende charakteristische Röntgenstrahlungsintensität als Ordinate aufgetragen ist. Die Kurve A gibt die Daten an, die bei einer Nitrierhärtung des Verdichtungsrings in einem herkömmlichen Nitrierhärtungsprozeß er halten wurden; d. h., daß die Kurve A die Ergebnisse für die in den Fig. 13 und 14 gezeigten Verdichtungsringe angibt. Wie in Fig. 15 ge zeigt, ist die N-Konzentration in der Umgebung der Oberfläche hoch, während sie in der Einwärtsrichtung nahe an der Oberfläche stark ab nimmt. Bei zunehmender Tiefe nimmt die N-Konzentration allmählich weiter ab. Ab einer Tiefe von ungefähr 9 µm wird die N-Konzentration plötzlich verändert und erreicht bei ungefähr 100 µm den Wert Null. Im Falle des herkömmlichen Nitrierhärtungsverfahrens wird in der Umgebung der Oberfläche eine Nitrierschicht mit einer besonders ho hen N-Konzentration ausgebildet. Andererseits gibt die Kurve B die Daten an, die bei einer Nitrierhärtung des Verdichtungsrings durch ein erfindungsgemäßes Nitrierhärtungsverfahren erhalten werden; d. h., daß sich die Kurve B auf die in den Fig. 11 und 12 gezeigten Verdich tungsringe bezieht. Die N-Konzentration in der Umgebung der Ober fläche ist geringer als im Falle des herkömmlichen Nitrierhärtungsver fahrens. Bei zunehmender Tiefe nimmt die N-Konzentration allmählich ab. Ab einer Tiefe von ungefähr 140 µm nimmt die N-Konzentration plötzlich stark ab und erreicht bei ungefähr 160 µm den Wert Null. Im erfindungsgemäßen Fall wird in der Umgebung der Oberfläche eine Nitrierschicht mit geringer N-Konzentration ausgebildet, die weder steif noch spröde ist. Wenn die N-Konzentration allmählich und lang sam variiert, werden selbst die tiefer liegenden Bereiche nitriergehär tet, so daß eine Nitrierschicht (Diffusionsschicht) gebildet wird, deren Dicke größer als die Dicke der herkömmlichen Schicht ist. Dies hat zur Folge, daß in der Nitrierschicht kaum Risse auftreten.

Bei dem erfindungsgemäßen Kolbenring bzw. in dem Verfahren zur Herstellung derartiger Kolbenringe wird die Nitrierhärtungsbearbeitung in zwei Stufen ausgeführt, die durch eine Niedertemperatur-Nitrierhär tung und durch eine Hochtemperatur-Nitrierhärtung gegeben sind. Fer ner wird die weiße Schicht auf der Gleitoberfläche abgetragen, wäh rend die weiße Schicht auf den Eckbereichen und auf den mit der Gleitoberfläche über die Eckbereiche verbundenen ersten und zweiten Oberflächen so weit abgetragen wird, daß ihre Dicke nicht mehr als 5 µm beträgt. Daher kann bei dem Kolbenring der Abriebwiderstand verbessert werden, ferner treten in der Nitrierschicht keine Risse auf, wodurch der Bruchwiderstand des Kolbenrings erhöht werden kann. Wenn auf der Oberfläche der Diffusionsschicht entweder eine Plattie rungsschicht, eine Sprühschicht oder eine ionenplattierte Schicht aus gebildet wird, können der Oberflächenverschleißwiderstand und der Abriebwiderstand des Kolbenrings stark verbessert werden.

Claims

1. Kolbenring (10) mit einer Nitrierschicht (19), die da durch ausgebildet wird, daß die Oberfläche des den Kolbenring (10) bildenden Stahlkörpers (11) einer Nitrier härtungsbearbeitung unterworfen wird, wobei der Stahlkörper (11) eine äußere, radiale Gleitoberfläche (12), die sich gegenüber einer inneren Umfangsfläche eines Zylinders befindet, und eine erste axiale Oberfläche (14) und eine zweite axiale Oberfläche (16), die beide mit der Gleitoberfläche (12) über Eckbereiche (13, 15) ver bunden sind, aufweist,
dadurch gekennzeichnet,

- daß die Nitrierschicht (19) eine Diffusionsschicht (21), die eine durch eine Niedertemperatur-Nitrierhärtung ausgebildete Niedertemperatur-Nitrierschicht und eine durch eine Hochtemperatur-Nitrierhärtung ausgebildete Hochtemperatur-Nitrierschicht umfaßt; und
- daß eine auf den Oberflächen (12, 14, 16) des Kol benringes (10) durch die Nitrierhärtung gebildete poröse, weiße Schicht, die eine hohe Steifigkeit und Sprödigkeit aufweist, auf der äußeren, radialen Gleitoberfläche (12) abgetragen ist und ferner auf der ersten axialen Oberfläche (14), der zweiten axialen Oberfläche (16) und den Eckbereichen (13, 15) so weit abgetragen ist, daß ihre Dicke nicht mehr als 5 µm beträgt.

2. Kolbenring gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Oberfläche der Diffusionsschicht (21) der Nitrierschicht (19) entweder eine Plattierungsschicht, eine Sprühschicht oder eine ionenplattierte Schicht aus gebildet ist.

3. Kolbenring gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Niedertemperatur-Nitrierhärtung in einem Temperaturbereich zwischen 500°C±5°C und 550°C±5°C ausgeführt wird und die Hochtemperatur-Nitrierhärtung in einem Temperaturbereich zwischen 560°C±5°C und 600°C±5°C ausgeführt wird und die Differenz zwischen der Temperatur der Niedertemperatur-Nitrierhärtung und der Temperatur der Hochtemperatur-Nitrierhärtung auf nicht weniger als 1°C festgesetzt ist.

4. Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings (10), das die Ausbildung einer Nitrierschicht (10) auf einem den Kolbenring bildenden Stahlkörper (11) umfaßt, wozu die Oberfläche des Stahlkörpers (11) einer Nitrierhärtungs bearbeitung unterworfen wird, wobei der Stahlkörper (11) eine äußere, radiale Gleitoberfläche (12), die sich gegenüber einer inneren Umfangsfläche eines Zylinders befindet, und eine erste axiale Oberfläche (14) und eine zweite axiale Oberfläche (16), die beide mit der Gleitoberfläche (12) über Eckbereiche (13, 15) verbunden sind, aufweist,
gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Ausführen einer Niedertemperatur-Nitrierhärtung und anschließend einer Hochtemperatur-Nitrierhärtung an der Oberfläche des Stahlkörpers (12);
- anschließend Abtragen einer durch die Nitrierhärtung gebildeten porösen, weißen Schicht (20), die eine hohe Steifigkeit und Sprödigkeit aufweist, wenigstens auf der äußeren, radialen Gleitoberfläche (12), damit eine Diffusionsschicht (21) freiliegt; und
- Abtragen der weißen Schicht (20) auf der ersten axialen Oberfläche (14) der zweiten axialen Oberfläche (16) und den Eckbereichen (13, 15), derart, daß ihre Dicke nicht mehr als 5 µm beträgt.

5. Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings gemäß An spruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend auf der Diffusionsschicht (21) entweder eine Plattierungs schicht, eine Sprühschicht oder eine ionenplattierte Schicht ausgebildet wird.

6. Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings (10), das die Ausbildung einer Nitrierschicht (19) auf einem den Kolbenring bildenden Stahlkörper (11) umfaßt, wozu die Oberfläche des Stahlkörpers (11) einer Nitrierhärtungs bearbeitung unterworfen wird, wobei der Stahlkörper (11) eine äußere, radiale Gleitoberfläche (12), die sich gegenüber einer inneren Umfangsfläche eines Zylinders befindet, und eine erste axiale Oberfläche (14) und eine zweite axiale Oberfläche (16), die beide mit der Gleit oberfläche (12) über Eckbereiche (13, 15) verbunden sind, aufweist,
gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Ausführen einer Hochtemperatur-Nitrierhärtung und anschließend einer Niedertemperatur-Nitrierhärtung an der Oberfläche des Stahlkörpers (11);
- anschließend Abtragen einer durch die Nitrierhärtung gebildeten porösen, weißen Schicht (20), die eine hohe Steifigkeit und Sprödigkeit aufweist, wenigstens auf der äußeren, radialen Gleitoberfläche (12), um eine Diffusionsschicht (21) freizulegen; und
- Abtragen der weißen Schicht (20) auf der ersten axialen Oberfläche (14), der zweiten axialen Oberfläche (16) und den Eckbereichen (13, 15), derart, daß ihre Dicke nicht mehr als 5 µm beträgt.

7. Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings (10) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend entweder eine Plattierungsschicht, eine Sprühschicht oder eine ionenplattierte Schicht auf der Diffusionsschicht (21) ausgebildet wird.

8. Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings (10) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Niedertemperatur-Nitrierhärtung in einem Temperaturbereich zwischen 500°C±5°C und 550°C±5°C ausgeführt wird, die Hochtemperatur-Nitrierhärtung in einem Temperaturbereich zwischen 560°C±5°C und 600°C±5°C ausgeführt wird und die Differenz zwischen der Temperatur der Niedertemperatur-Nitrierhärtung und der Temperatur der Hochtemperatur-Nitrierhärtung auf nicht weniger als 1°C festgesetzt wird.