DE4224561C2 - Kolbenring und Verfahren zur Herstellung derartiger Kolbenringe - Google Patents
Kolbenring und Verfahren zur Herstellung derartiger KolbenringeInfo
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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.
Im folgenden werden Experimente beschrieben, die von den Anmeldern
der vorliegenden Erfindung ausgeführt worden sind.
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.
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 |
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die steife und spröde poröse Schicht auf der Oberfläche eines jeden der
Prüfmaterialien wurde abgetragen.
- 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.
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.
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 (8)
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,
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:
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:
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.
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