DE60122164T2 - PISTON RING WITH EXCELLENT RESISTANCE TO FRICTION, CRACKING AND TEMPERING AND MANUFACTURING METHOD AND COMBINATION OF PISTON RING AND CYLINDER BLOCK - Google Patents
PISTON RING WITH EXCELLENT RESISTANCE TO FRICTION, CRACKING AND TEMPERING AND MANUFACTURING METHOD AND COMBINATION OF PISTON RING AND CYLINDER BLOCK Download PDFInfo
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Description
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIKGENERAL STATE OF THE ART
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenring, der in einem Verbrennungsmotor benutzt wird, insbesondere einen Kolbenring, der aus rostfreiem, martensitischen, chromreichen Stahl mit Nitrierung besteht und verbesserte Abriebbeständigkeit (Fressverschleißbeständigkeit), Reißbeständigkeit (Defektbeständigkeit) und Ermüdungsbeständigkeit aufweist. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Herstellungsverfahren für den Kolbenring.The The present invention relates to a piston ring used in an internal combustion engine is used, in particular a piston ring made of stainless, martensitic, chromium-rich steel with nitriding exists and improved abrasion resistance (Galling resistance), tear resistance (Defect resistance) and fatigue resistance having. The present invention also relates to a method of manufacturing the piston ring.
Technik des Stands der TechnikTechnique of State of the art
Einhergehend mit den jüngsten Erfordernissen nach niedrigem Brennstoffverbrauch, Gewichtsverringerung und hoher Leistung von Verbrennungsmotoren werden die Kolbenringe dünner hergestellt, um Gewicht zu verringern und der hohen Drehzahl des Motors zu folgen. Materialeigenschaften der Kolbenringe wie Verschleißbeständigkeit, Abriebbeständigkeit und Ermüdungsbeständigkeit und dergleichen müssen verbessert sein, um die dünnere Herstellung des Kolbenrings zu ermöglichen. Die herkömmlichen Gusskolbenringe wurden daher durch Stahlkolbenringe ersetzt, insbesondere vom Standpunkt der Ermüdungsbeständigkeit und der Wärmebeständigkeit her. Da die Abriebbeständigkeit des Stahlkolbenrings jedoch geringerwertig als die des Gusskolbenrings ist, wird gewöhnlich jegliche Oberflächenbehandlung auf die Gleitoberfläche des Stahlkolbenrings angewendet. Kolbenringstahle sind grob in Kohlenstoffstahl, Silizium-Chrom-Stahl und rostfreien martensitischen Stahl unterteilt. Diese Unterteilungen entsprechen den verschiedenen Arten der Oberflächenbehandlung, die auf die jeweiligen Stahle angewendet ist. Hauptsächlich wird die Verchromung auf Kohlenstoffstähle und Silizium-Chrom-Stähle angewendet. Gasnitrierung wird auf rostfreie martensitische Stähle angewendet. Die Verchromung war früher die häufigste Oberflächenbehandlung des Stahlkolbenrings, wird heute jedoch zumeist durch die Nitrierung ersetzt, da die Abriebbeständigkeit der Verchromung unter hoher Belastung dürftig ist und ferner der flüssige Abfall der Verchromung behandelt werden muss, damit keine Umweltprobleme verursacht werden.accompanying with the youngest Requirements for low fuel consumption, weight reduction and high performance of internal combustion engines become the piston rings thinner manufactured to reduce weight and high speed of the Motors to follow. Material properties of the piston rings such as wear resistance, abrasion resistance and fatigue resistance and the like must be improved to the thinner ones To allow production of the piston ring. The conventional ones Cast iron rings were therefore replaced by steel piston rings, in particular from the standpoint of fatigue resistance and the heat resistance ago. Because the abrasion resistance the steel piston ring but lower than that of the cast piston ring is, becomes common any surface treatment on the sliding surface applied to the steel piston ring. Piston ring steels are coarse in carbon steel, Silicon-chromium steel and martensitic stainless steel divided. These subdivisions correspond to the different types of surface treatment, which is applied to the respective steels. Mainly becomes the chrome plating applied to carbon steels and silicon-chromium steels. Gas nitriding is applied to stainless martensitic steels. The chrome plating was earlier the most frequent surface treatment of the steel piston ring, but today is mostly due to nitriding replaced because the abrasion resistance the chrome plating under high load is poor and also the liquid waste The chrome plating must be treated so that no environmental problems caused.
Rostfreier, martensitischer, chromreicher Stahl, der gegenwärtig für den Kolbenring mit Nitrierung größtenteils benutzt ist, ist JIS SUS440B, äquivalente Zusammensetzung von C: 0,80 bis 0,95 %; Cr: 17,0 bis 18,0 %; Si 0,25 bis 0,50 %; Mn: 0,25 bis 0,40 %; Mo: 0,70 bis 1,25 %; V: 0,07 bis 0,15 % und Fe im Ausgleich. Wenn der Stahl mit dieser Zusammensetzung einer Nitrierung unterzogen wird, dringen Stickstoffatome ein und diffundieren von der Oberfläche in den Stahl ein und bilden eine Nitrierschicht aus. Die Nitride sind hauptsächlich Verbindungen von Cr, V und Mo, die den gelösten Stoff Fe enthalten können. Chrom, das die Hauptkomponente dieses Stahls ist, ist in der Eisenmatrix gelöst und außerdem in Form von Cr-Carbiden vorhanden.Stainless, martensitic, chromium-rich steel, presently mostly for the nitrided piston ring is JIS SUS440B, equivalent Composition of C: 0.80 to 0.95%; Cr: 17.0 to 18.0%; Si 0.25 to 0.50%; Mn: 0.25 to 0.40%; Mo: 0.70 to 1.25%; V: 0.07 up to 0.15% and Fe in compensation. If the steel with this composition is subjected to nitration, nitrogen atoms penetrate and diffuse from the surface into the steel and form a nitriding layer. The nitrides are mainly Compounds of Cr, V and Mo, which may contain the solute Fe. Chrome, which is the main component of this steel is in the iron matrix solved and also in the form of Cr carbides.
Da die Affinität von Cr zu Stickstoff höher als die zu Kohlenstoff ist, kommt es, wenn Stickstoff von der Oberfläche durch das Nitrieren eindiffundiert, zur Reaktion zwischen dem Stickstoff und Cr-Carbiden, um die Cr-Nitride auszubilden. Da der CR-Gehalt von SUS 440B-äquivalentem Material 17,0 bis 18,0 % beträgt, werden harte Cr-Nitride in der Nitrierschicht in einem angemessenen Flächenprozentsatz dispergiert. Die Nitrierschicht ist daher relativ hart und verbessert die Verschleiß- und Abriebbeständigkeit.There the affinity from Cr to nitrogen higher when it is too carbon, it comes when nitrogen from the surface through nitriding diffuses in to the reaction between the nitrogen and Cr carbides to form the Cr nitrides. Because the CR content from SUS 440B equivalent Material is 17.0 to 18.0%, Hard cr-nitrides in the nitriding layer become adequate Area percentage dispersed. The nitriding layer is therefore relatively hard and improved the wear and abrasion resistance.
Die kürzlich ungeprüft veröffentlichte Patentveröffentlichung Nr. 11(1999)-80907 schlägt rostfreies martensitisches Stahl mit Nitrierung mit verbesserter Abriebbeständigkeit vor, das Si: 0,25 % oder weniger, Mn: 0,30 % oder weniger, eines oder mehrere von Mo, W, V und Nb: 0,3 bis 2,5 % oder Cu: 4,0 % oder weniger, Ni: 2,0 % oder weniger und Al: 1,5 % oder weniger enthält.The recently unchecked published Patent publication No. 11 (1999) -80907 stainless martensitic steel with nitration with improved abrasion resistance before, the Si: 0.25% or less, Mn: 0.30% or less, one or more of Mo, W, V and Nb: 0.3 to 2.5% or Cu: 4.0% or less, Ni: 2.0% or less and Al: 1.5% or less.
Die ungeprüft veröffentlichte Japanische Patentveröffentlichung 11(1999)-106874 offenbart, dass, wenn die Menge von M1C3-Carbid in der Mikrostruktur auf 4,0 % oder weniger in Flächenprozent unterdrückt ist, nicht nur die Abriebbeständigkeit, sondern auch die Verarbeitbarkeit des Kolbenringstahlmaterials verbessert ist.Japanese Unexamined Patent Publication 11 (1999) -106874 discloses that when the amount of M 1 C 3 carbide in the microstructure is suppressed to 4.0% or less in area percent, not only the abrasion resistance but also the processability of the Piston ring steel material is improved.
Obwohl die Verscheißbeständigkeit und Abriebbeständigkeit durch die oben beschriebenen Vorschläge verbessert sind, besteht die Gefahr, dass ein Abreiben vorkommt, wenn die Kolbenringen in modernen Verbrennungsmotoren benutzt werden, die unter hohen Umdrehungszahlen- und hohen Leistungsbedingungen arbeiten.Even though the resistance to fouling and abrasion resistance are improved by the proposals described above exists the risk of abrasion when the piston rings are in modern internal combustion engines are used, which are under high RPM and high performance conditions.
Hierzu wurden Buchsen in den Zylinderblock von Dieselmotoren gezwungen. Diese Motoren wurden zu Gusseisenmonoblöcken mit engem Bohrungsabstand ohne Buchsen abgeändert, um Gewichtsverringerung und Kosteneinsparungen zu erzielen. Es besteht eine Neigung, dass der Verbrennungsdruck vom Gesichtspunkt der Abgasreinigung und Leistungssteigerung her erhöht wird. Bei der Mikrostruktur des Gusseisenmonoblocks ist von der relativ großen Kühlungsratendifferenz die Graphitdispersion nicht einheitlich und die weiche Ferritphase als Abreibungsursache ungleichmäßig verteilt.For this Bushes were forced into the cylinder block of diesel engines. These engines became cast iron monoblocks with close bore spacing modified without sockets, to achieve weight reduction and cost savings. It exists a tendency that the combustion pressure from the point of view of exhaust gas purification and increased performance ago becomes. In the microstructure of the cast iron monoblock is from the relative huge Cooling rate difference the graphite dispersion is not uniform and the soft ferrite phase unevenly distributed as an attrition cause.
Wenn die Zylinderoberfläche mit der oben genannten Mikrostruktur mit dem rostfreien martensitischen Stahlkolbenring mit Nitrierung kombiniert ist, besteht die Gefahr, dass aus folgenden Gründen ein Abreiben im anfänglichen Betriebszeitraum vorkommt.If the cylinder surface with the above-mentioned microstructure with the martensitic stainless steel piston ring combined with nitration, there is a risk that from the following establish a rubdown in the initial Operating period occurs.
Wenn die Zylinderfläche durch Honen fertig gestellt ist, bewirken die Schleifmittel eine Verstopfung aufgrund der Ferritphase, und es besteht die Gefahr, dass die Zylinderoberfläche nach dem Honen aufgeraut ist. Das Graphit wird durch das plastisch geströmte Ferrit bedeckt. Infolgedessen sind Schmierungs- und Ölreservierungswirkungen des Graphits herabgesetzt, da der Flächenprozentsatz des Graphits abnimmt. Im Falle hohen Verbrennungsdrucks wird der auf den Kolbenring einwirkende Gegendruck hoch. Abreiben ist häufig die Folge von Rissen auf der Außenumfangsfläche eines Kolbenrings, die sich in einer senkrecht zur Gleitrichtung stehenden Richtung erstrecken. Bei Untersuchung der Nitrierschicht werden Risse entlang der Lamellenverbindungen festgestellt. Die Verbindungen sind relativ grob und in Korngrenzen entlang der Eisenmatrix vorhanden, was als Möwenphase im Gebiet der japanischen Kolbenringindustrie bezeichnet wird. Die Verbindungslamellen sind parallel zur Oberfläche des Kolbenrings verteilt.If the cylindrical surface finished by honing, the abrasives cause a Constipation due to the ferrite phase, and there is a risk that the cylinder surface roughened after honing. The graphite is made by the plastic brimmed Covered with ferrite. As a result, lubrication and oil reservation effects are of graphite, since the area percentage of graphite decreases. In case of high combustion pressure, the pressure on the piston ring high counterpressure. Rubbing is often the result of cracks the outer peripheral surface of a Piston ring, which are in a direction perpendicular to the sliding direction Extend direction. When examining the nitriding layer Cracks detected along the lamellar joints. The connections are relatively coarse and present in grain boundaries along the iron matrix, what as seagull phase in the Japanese piston ring industry. The Connecting lamellae are distributed parallel to the surface of the piston ring.
Um die Probleme der Kolbenringe zu lösen, wird die Ausbildung von TiN, CrN und dergleichen mittels Ionenplattierung ausgeführt. Die Ionenplattierung kann die Verschleißbeständigkeit und die Abriebbeständigkeit verbessern, aber die Produktionskosten sind hoch. Die Ionenplattierung genießt gegenwärtig bei den Benutzern im Hinblick auf die Kosten keinen guten Ruf.Around To solve the problems of piston rings, the training of TiN, CrN and the like are carried out by ion plating. The Ion plating can reduce the wear resistance and the abrasion resistance improve, but the production costs are high. The ion plating enjoy currently not a good reputation among users in terms of cost.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolbenring aus rostfreiem, martensitischen, chromreichen Stahl mit Nitrierung und sein Herstellungsverfahren bereitzustellen, wobei der Kolbenring preiswert ist und sich weder Verschleiß, Abrieb, Reißen noch Ermüdungsbrüche zuzieht, selbst wenn er in einem Dieselmotor benutzt ist, der mit hoher Drehzahl und hohem Verbrennungsdruck betrieben ist, insbesondere einem Gusseisenmonoblock-Dieselmotor, dessen zunehmende Benutzung in der Zukunft wegen Gewichtsreduzierung zu erwarten ist.It It is therefore an object of the present invention to provide a piston ring Made of stainless, martensitic, chromium-rich steel with nitration and to provide its manufacturing method, wherein the piston ring inexpensive is and is neither wear, Abrasion, tearing still fatigue fractures, even if it is used in a diesel engine running at high speed and high combustion pressure, in particular a cast iron monoblock diesel engine, its increasing use in the future due to weight reduction is to be expected.
Kurzdarstellung der ErfindungSummary the invention
Gemäß der Erläuterung „Automotive Piston Ring", herausgegeben von Editing Committee of Automotive Piston Ring, Sankaido Publisher, Seite 188, 1997, steigt die Temperatur, wenn eine Belastung auf die konvexen Formen (besonders von weichen Phasen) von mikroskopischen Unebenheiten auf einer Gleitfläche konzentriert sind, aufgrund der Reibungshitze, und abnormales Erweichen und Schmelzen tritt auf. Diese Erscheinung führt zum Abreiben des Kolbenrings.According to the explanation "Automotive Piston Ring ", edited by Editing Committee of Automotive Piston Ring, Sankaido Publisher, Page 188, 1997, the temperature rises when a load on the convex shapes (especially of soft phases) of microscopic Bumps on a sliding surface are concentrated, due to the friction heat, and abnormal softening and melting occurs. This phenomenon leads to abrasion of the piston ring.
Bei dem rostfreien, martensitischen, chromreichen Stahl mit Nitrierung zeigt die Mikrostruktur der Nitrierschicht im Allgemeinen zumeist harte Nitride, die in der angelassenen Martensitmatrix dispergiert sind. Der Abriebmechanismus hängt stark von der mikroskopischen Unebenheit der Gleitfläche ab. In der Nitrierschicht dispergieren harte Partikel in der relativ weichen Matrix. Die mikroskopische Unebenheit ist daher durch die Größe und den Dispersionszustand der harten Partikel definiert. Wenn man den Querschnitt der Oberflächenschicht mit einer derartigen Struktur betrachtet, ist folgendes offensichtlich. Die konvexen, harten Partikel werden mit einer gegenüberliegenden Gleitfläche in Kontakt gebracht, während die relativ weiche Matrix relativ konkav ist. Das Schmieröl, das in den konkaven Abschnitten zurück gehalten ist, ist beim Gleiten Druck unterworfen. Die Häufigkeit des gesamten direkten Kontakts des Stahls mit Nitrierung und dem gegenüberliegenden Glied ist niedrig, da der Stahl mit Nitrierung die oben beschriebene Mikrostruktur aufweist. Infolgedessen ist der Kontaktdruck zwischen beiden Gleitgliedern herabgesetzt. Zudem wird das Öl den oben genannten konvexen Abschnitten zugeführt. Das Abreiben kann daher verhindert sein.at stainless, martensitic, chromium-rich steel with nitration generally shows the microstructure of the nitriding layer in general hard nitrides dispersed in the tempered martensite matrix are. The abrasion mechanism hangs strongly from the microscopic unevenness of the sliding surface. In the nitriding layer, hard particles disperse in the relative soft matrix. The microscopic unevenness is therefore due to the size and the Defined dispersion state of the hard particles. If you have the cross section the surface layer With such a structure, the following is apparent. The convex, hard particles are opposite sliding surface while in contact the relatively soft matrix is relatively concave. The lubricating oil, which in the concave sections back is held, is subjected to sliding pressure. The frequency the entire direct contact of the steel with nitration and the opposite member is low because the nitrided steel is the microstructure described above having. As a result, the contact pressure between both sliding members reduced. In addition, the oil supplied to the above-mentioned convex portions. The abrasion can therefore be prevented.
Die harten konvexen Partikel können die oben beschriebenen Wirkungen erzielen, vorausgesetzt sie weisen eine Größe von submikroskopisch bis zu wenigen Mikron auf und sind in einem Betrag von 5 Flächenprozent oder mehr dispergiert. Falls die harten Partikel extrem klein sind und falls sie in kleiner Menge vorhanden sind, kann der oben genannte Mechanismus gemäß Funktion und Wirkung der konvexen harten Partikel nicht erwartet werden.The hard convex particles can Achieve the effects described above, provided they show a size of submicroscopic up to a few microns and are in an amount of 5 area percent or more dispersed. If the hard particles are extremely small and if present in a small amount, the above Mechanism according to function and effect of the convex hard particles can not be expected.
Indessen werden die Wirkungen durch die Umstände der Gleitfläche des gegenüberliegenden Glieds beeinflusst. Insbesondere im Falle des oben beschriebenen Gusseisenzylindermonoblocks mit uneinheitlicher Struktur besteht die Gefahr des Aufrauens durch Schleifen. Häufig strömt die Ferritphase plastisch und bedeckt das Graphit.however the effects are due to the circumstances of the sliding surface of the opposite Affected. Especially in the case of the above-described Cast iron cylinder monobloc with patchy structure exists the risk of grinding through grinding. Frequently, the ferrite phase flows plastically and covers the graphite.
Die Gleitfläche auch von derartigem Gusseisen wird durch geeignetes Gleiten modifiziert, das von Fachleuten als Einlaufen oder Kompatibilität bezeichnet wird. Das heißt, es tritt folgende Erscheinung auf. Wenn die raue Innenfläche eines Zylinders beim Gleiten geglättet wird, wird das Ferrit beseitigt und das bedeckte Graphit bloßgelegt. Bis das Einlaufen durchgeführt ist, besteht die Gefahr, dass ein Ölfilm auf der Gleitfläche fehlt. Wenn der Ölfilm fehlt, ist die Reibungskraft verstärkt, die auf die äußere Umfangsfläche eines Kolbenrings ausgeübt ist. Die große Reibungskraft wird wiederholt auf die äußere Umfangsfläche eines Kolbenrings ausgeübt. Die Nitrierschicht ist daher wiederholt großer Beanspruchung ausgesetzt, die zur Einleitung und Vergrößerung von Rissen in einer Richtung führt, die senkrecht zur Gleitrichtung verläuft. Zusammen mit dem Fortschritt der Anpassungserscheinung auf der Innenfläche eines Zylinders wird die ausgeübte Beanspruchung verringert, während sich die Risse im Verlauf der Zeit verbreiten. Infolgedessen kann sich die Nitrierschicht stellenweise abschälen, und die Innenfläche eines Zylinders kann beschädigt werden. Es besteht daher die Gefahr, dass das Abreiben in der anfänglichen Gleitperiode auftritt. Da die Korngrenzenverbindungen in der Nitrierschicht sehr spröde sind, fördert ihr Vorhandensein die Einleitung und Verbreitung von Rissen.The sliding surface also of such cast iron is modified by suitable sliding, as called in-service or compatibility by professionals becomes. That is, it is the following phenomenon occurs. If the rough inner surface of a Smoothed cylinder when sliding the ferrite is removed and the covered graphite is exposed. Until the run-in performed there is a risk that an oil film on the sliding surface is missing. When the oil film lacking, the frictional force is amplified on the outer peripheral surface of a Piston ring exercised is. The size Frictional force is repeated on the outer peripheral surface of a Piston ring exercised. The nitriding layer is therefore repeatedly exposed to high stress, those for the initiation and expansion of Tears in one direction, which is perpendicular to the sliding direction. Along with the progress the adaptation phenomenon on the inner surface of a cylinder becomes the practiced Stress decreases while the cracks spread over time. As a result, can the nitriding layer peel off in places, and the inner surface of a Cylinder can be damaged become. There is therefore a risk that rubbing in the initial Sliding period occurs. Because the grain boundary compounds in the nitriding layer very brittle are, promotes their presence the initiation and spread of cracks.
Die Erfinder fanden folgende wesentliche Dinge heraus. Eine große Anzahl harter Partikel, hauptsächlich Cr-Nitride, in angemessener Größe in der Nitrierschicht sollten einheitlich in der Matrix dispergiert sein, um die Wahrscheinlichkeit von Kontakten zwischen Matrix und Zylinder zu mindern und das Abreiben der Anfangsstufe zu verhindern. Insbesondere die beim Nitrieren ausgebildeten Korngrenzenverbindungen sollten fein sein, um die Einleitung von Rissen in Zusammenhang mit diesen Verbindungen zu unterdrücken. Selbst wenn Risse aufzutreten beginnen, kann ihre Entwicklung bei dieser feinen Mikrostruktur unterdrückt werden.The Inventors found the following essentials. A big number hard particles, mainly Cr nitrides, in appropriate Size in the Nitriding layer should be uniformly dispersed in the matrix, the probability of contacts between matrix and cylinder to mitigate and prevent abrading the initial stage. Especially the grain boundary compounds formed during nitriding should be fine about the initiation of cracks related to these Suppress connections. Even if cracks start to appear, their development can this fine microstructure can be suppressed.
Wenn sich die Schmelze von rostfreiem, martensitischen, chromreichen Stahl verfestigt, kristallisiert das eutektische Cr-Carbid (η-Phase: (Cr, Fe)-(C3) in den Korngrenzen von primärem Austenit (γ-Phase). Cr-Carbide, die 20 μm im größten Durchmesser überschreiten, sind in dem rostfreien, martensitischen, chromreichen Stahl vorhanden, der wie oben verfestigt wird, und dann warmgewalzt, weichgeglüht und schließlich abgeschreckt und angelassen wird. Bezüglich des Frischens der groben primären, eutektischen Cr-Carbide zeigen Tetsu und Hagane (Journal of Japan Institute of Iron and Steel), Vol. 82, Nr.4, S. 309 bis 314 (1996) die Veredelung von Carbiden durch Zugabe von 0,25 % oder mehr N an. Diesem Bericht entsprechend verschwindet das eutektische Cr-Carbid in den primären γ-Grenzen, und stattdessen präzipitiert sich lamelliertes M23C6 und M2N (M: Cr, Fe) um die primären γ-Korngrenzen. Diese lamellierten Präzipitate werden beim Warmwalzen fein geteilt. Beim folgenden Weichglühen präzipitiert feines M23C6 erneut an aderen Stellen wie das M2N. Die Cr-Carbide als Gesamtes werden somit fein.As the melt of stainless martensitic chromium-rich steel solidifies, the eutectic Cr carbide (η-phase: (Cr, Fe) - (C 3 ) crystallizes in the grain boundaries of primary austenite (γ phase).) Cr carbides, which are larger than 20 μm in diameter, are present in the stainless martensitic chromium-rich steel which is solidified as above and then hot rolled, annealed, and finally quenched and tempered.For refining the coarse primary eutectic Cr carbides, Tetsu and Hagane (Journal of Japanese Institute of Iron & Steel), Vol. 82, No. 4, pp. 309-31 (1996), refine carbides by adding 0.25% or more N. According to this report, this disappears eutectic Cr carbide in the primary γ boundaries and instead lamellated M 23 C 6 and M 2 N (M: Cr, Fe) precipitate around the primary γ grain boundaries These lamellar precipitates are finely divided during hot rolling Soft annealing again precipitates fine M 23 C 6 at sites other than M 2 N. The Cr carbides as a whole thus become fine.
Netsushori Vol. 36, Nr. 4, S. 234 bis 238 (1996) zeigt die mechanischen Eigenschaften von 16,5 % Cr–0,65 % C rostfreiem, martensitischen Stahl mit dem Zusatz von 0,25 % N an. D.h. die Abschrecktemperatur, bei der die größte Härte erzielt ist, wird mit dem Anstieg des N-Gehalts auf niedrigere Temperatur herabgesetzt. Die Längung nimmt mit dem Anstieg des N-Gehalts außerdem zu. Es wird erläutert, dass der Lösungsbetrag von N in der Austenit-Phase ansteigt und die Austenit-Phase mit der Erhöhung der Abschrecktemperatur stabilisiert wird.Netsushori Vol. 36, No. 4, pp. 234 to 238 (1996) shows the mechanical properties of 16.5% Cr-0.65 % C stainless martensitic steel with the addition of 0.25% N on. That the quenching temperature at which the greatest hardness is achieved is, with the increase of the N content to lower temperature reduced. The elongation As the N-content increases, it also increases. It explains that the amount of the solution of N increases in the austenite phase and the austenite phase with the increase the quenching temperature is stabilized.
Die ungeprüft veröffentlichten, japanischen Patentveröffentlichungen Nr. 9-289053 und 9-287058 offenbaren das Walzenlager, bei dem das Frischen von Cr-Carbiden aufgrund der Zugabe von N genutzt ist.The unchecked published Japanese Patent Publications Nos. 9-289053 and 9-287058 disclose the roller bearing in which the Fresh from Cr carbides due to the addition of N is used.
Die Erfinder haben den oben genannten Abriebmechanismus und den Einfluss relativ großer lamellierter Korngrenzenverbindungen auf das Reißen der Gleitfläche von Kolbenringen untersucht und die Frischtechnologie von Cr-Carbid unter Benutzung der Zugabe von N angewendet. Als Ergebnis wurde herausgefunden, dass es erwünscht ist, dass eine große Anzahl von Nitriden einheitlich in der Nitrierschicht dispergiert ist und insbesondere Korngrenzenverbindungen von feiner Größe sind. Diese feine Mikrostruktur stellt einen Kolbenring aus rostfreiem, martensitischen, chromreichen Stahl mit Nitrierung mit verbesserter Abrieb-, Reiß- und Ermüdungsbeständigkeit bereit, selbst wenn er in Verbrennungsmotoren benutzt ist, die unter hohen Drehzahl- und hohen Leistungsbedingungen betrieben sind, insbesondere moderne gewichtsreduzierte Gusseisenmonoblock-Dieselmotoren usw.The Inventors have the abovementioned abrasion mechanism and influence relatively large Laminated grain boundary compounds on the tearing of the sliding surface of Piston rings examined and the Cr-Carbid fresh technology using the addition of N. As a result became found out that wanted is that a big one Number of nitrides uniformly dispersed in the nitriding layer and in particular grain boundary compounds are of fine size. This fine microstructure represents a piston ring made of stainless, martensitic, chromium-rich steel with nitration with improved Abrasion, tear and fatigue resistance even if it is used in internal combustion engines, the below operated at high speed and high performance conditions, in particular modern weight-reduced cast iron monobloc diesel engines, etc.
Der Kolbenring aus rostfreiem, martensitischen, chromreichen Stahl mit Nitrierung gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass er das rostfreie, martensitische, chromreiche Stahl umfasst, welches in Gewichtsprozent aus C: 0,3 bis 1,0 %, Cr: 14,0 bis 21,0 %, N: 0,05 bis 0,50 %, zumindest eines von Mo, V, W und Nb: 0,03 bis 3,0 % insgesamt, Si: 0,1 bis 1,0 %, Mn: 0,1 bis 1,0 %, P: 0,05 % oder weniger, S: 0,05 % oder weniger besteht, wobei Fe und unvermeidbare Unreinheiten der Ausgleich ist; und dass der rostfreie, martensitische, chromreiche Stahl eine Gleitnitrierschicht aufweist, die harte Partikel umfasst, die aus Carbid, Nitrid und Carbonitrid, hauptsächlich Nitrid, besteht, und sich die harten Partikel in der Oberfläche der Nitrierschicht in einem Bereich von 0,5 bis 2,0 μm im durchschnittlichen Durchmesser, wobei 7 μm oder weniger der größte Durchmesser ist, und von 5 bis 30 % in Flächenprozent befinden. Die Korngrenzenverbindungen, die im Längsschnitt der Nitrierschicht vermerkt sind, weisen eine Größe (Länge) von 20 μm oder weniger auf. Die Nitrierflächenschicht mit dem oben genannten Mikrostrukturmerkmal weist eine Härte im Bereich von Hv 900 bis 1400 und eine genügende Tiefe von der Oberfläche auf.The stainless steel martensitic chromium-rich nitrided nitriding ring of the present invention is characterized in that it surrounds the stainless martensitic chromium-rich steel which is in weight percent of C: 0.3 to 1.0%, Cr: 14.0 to 21.0%, N: 0.05 to 0.50%, at least one of Mo, V, W and Nb: 0.03 to 3.0% in total, Si: 0.1 to 1.0%, Mn: 0.1 to 1.0%, P: 0.05% or less, S: 0.05% or less where Fe and unavoidable impurities are the balance; and that the stainless martensitic chromium-rich steel has a sliding nitriding layer comprising hard particles consisting of carbide, nitride and carbonitride, mainly nitride, and the hard particles in the surface of the nitriding layer are in a range of 0.5 to 2 , 0 μm in average diameter, where 7 μm or less is the largest diameter, and from 5 to 30% in area percent. The grain boundary compounds noted in the longitudinal section of the nitriding layer have a size (length) of 20 μm or less. The nitriding surface layer having the above-mentioned microstructural feature has a hardness in the range of Hv 900 to 1400 and a sufficient depth from the surface.
Das Herstellungsverfahren des Kolbenrings aus rostfreiem, martensitischen, chromreichen Stahl mit Nitrierung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: Schmelzen des Stahls mit der obigen Zusammensetzung, gefolgt vom Zusetzen von Stickstoff; Gießen des geschmolzenen Stahls in einen Block; Warmwalzen; Glühen; Drahtkaltziehen; Kaltwalzen zum Ausbilden einer ungefähren Querschnittsform des Kolbenrings; Abschrecken; Anlassen zum Bereitstellen des Drahtmaterials; Biegen des Drahtmaterials in die Form des Kolbenrings; Zugentlastungsglühen; Vorschleifen der Seitenflächen; Nitrieren; Entfernen der Oberflächenverbindungsschicht; Schleifen der Endstücke; Polieren der Seitenflächen; und Feinschleifen der äußeren Umfangsflächen. Vor dem Biegen in die Kolbenringform wird ein Abschrecken mit einer Temperatur von 850 º bis 1000 º durchgeführt, die relativ niedrig als Abschrecktemperatur des rostfreien, martensitischen, chromreichen Stahls ist. Als Ergebnis ist die Mikrostruktur fein und enthält eine größtmögliche Menge der dispergierten Carbide. Das Nitrieren kann Gasnitrieren, Ionennitrieren oder Radikalnitrieren sein. Das Nitrieren wird in einem Bereich von 450 º bis 600 ºC für 1 bis 20 Stunden ausgeführt.The Manufacturing process of the piston ring of stainless, martensitic, Chromium-rich steel with nitration according to the present invention comprising: melting the steel with the above composition followed from adding nitrogen; Pouring the molten steel in a block; Hot rolling; Glow; Wire cold drawing; Cold rolling to form an approximate cross-sectional shape the piston ring; Scare off; Starting to provide the wire material; Bending the wire material into the shape of the piston ring; Zugentlastungsglühen; roughing the side surfaces; nitriding; Removing the surface compound layer; Grinding the end pieces; Polishing the side surfaces; and fine grinding the outer peripheral surfaces. In front the bending in the piston ring shape is a quenching with a Temperature of 850 º to 1000 º performed, the relatively low as the quenching temperature of the stainless, martensitic, chromium-rich steel is. As a result, the microstructure is fine and contains a maximum amount the dispersed carbides. Nitriding can be gas nitriding, ion nitriding or radical nitriding. The nitriding becomes in one area from 450 º to 600 ºC for 1 to 20 hours running.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden detailliert beschrieben.The The present invention will be described in detail below.
Es werden die Komponenten des rostfreien, martensitischen, chromreichen Stahls gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.It become the components of the stainless, martensitic, chromium-rich Steel according to the present Invention described.
C ist ein interstitielles gelöstes Element in Fe und erhöht die Matrixhärte. C ist leicht mit Cr, Mo, V, W und Nb kombinierbar und bildet Carbide. Die Carbide werden beim Nitrieren hauptsächlich in Nitride umgewandelt. Anders gesagt fördern die Nitride die Verschleißbeständigkeit und die Abriebbeständigkeit der Gleitfläche eines Kolbenrings. Wenn der C-Gehalt weniger als 0,3 % beträgt, ist die Härtung und Bildung von Carbiden nicht genügend. Wenn andererseits der C-Gehalt über 1 % liegt, kristallisiert grobes, eutektisches Cr-Carbid (η-Phase: M7C3 Carbid) in großer Menge während der Verfestigung des geschmolzenen Stahls. Dieses Carbid beeinträchtigt drastisch die Verarbeitbarkeit des Materials bei den anschließenden Herstellungsprozessen von Drähten. Der Kohlenstoffgehalt befindet sich daher in einem Bereich von 0,3 bis 1,0 %, vorzugsweise in einem Bereich von 0,4 bis 0,9 %.C is an interstitial solved element in Fe and increases the matrix hardness. C is easily combinable with Cr, Mo, V, W and Nb to form carbides. The carbides are mainly converted into nitrides during nitriding. In other words, the nitrides promote wear resistance and abrasion resistance of the sliding surface of a piston ring. When the C content is less than 0.3%, the hardening and formation of carbides is insufficient. On the other hand, when the C content is over 1%, coarse eutectic Cr carbide (η phase: M 7 C 3 carbide) crystallizes in a large amount during the solidification of the molten steel. This carbide drastically affects the processability of the material in the subsequent manufacturing processes of wires. The carbon content is therefore in a range of 0.3 to 1.0%, preferably in a range of 0.4 to 0.9%.
Cr ist ein gelöstes substitionelles Element in Fe. Cr verbessert nicht nur die Korrosionsbeständigkeit, sondern induziert außerdem die Lösungsstärkung und damit die Verbesserung der thermischen Einstellungsbeständigkeit. Hier ist die thermische Einstellung eine Erscheinung, bei der die Abdichtungseigenschaft durch Spannungsabfall aufgrund von Schlupf beim Betrieb eines Kolbenrings bei hoher Temperatur verschlechtert ist. Cr reagiert mit C in Stahl und bildet Cr-Carbide. Diese Cr-Carbide reagieren leicht mit N, das beim Nitrieren von der Oberfläche eindringt, und werden in Cr-Nitride umgewandelt. Die Cr-Nitride werden in der Nitrierschicht als harte Partikel dispergiert. Die harten Partikel in der Nitrierschicht fördern die Verschleißbeständigkeit und die Abriebbeständigkeit der Gleitfläche eines Kolbenrings in hohem Maße. Wenn der Cr-Gehalt geringer als 14 % ist, ist die Bildung von Cr-Carbiden nicht genügend. Wenn der Cr-Gehalt andererseits über 21 % liegt, wird das δ-Ferrit gebildet und die Zähigkeit somit herabgesetzt. Zudem wird die Cr-Konzentration in der Matrix so hoch, dass die Ms (die Starttemperatur der martensitischen Umwandlung) derart verringert ist, dass keine zufrieden stellende Abschrecktemperatur erzielt wird. Der Cr-Gehalt liegt daher in einem Bereich von 14 bis 21 %, vorzugsweise in einem Bereich von 16 bis 19 %.Cr is a solved one Substituting element in Fe. Cr not only improves corrosion resistance, but induces as well the solution strengthening and thus improving the thermal setting resistance. Here, the thermal setting is a phenomenon in which the Sealing property due to voltage drop due to slip deteriorated during operation of a piston ring at high temperature. Cr reacts with C in steel and forms Cr carbides. These Cr carbides react easily with N, which penetrates from the surface during nitriding, and are converted to Cr nitrides. The Cr nitrides are used in the Nitriding layer dispersed as hard particles. The hard particles promote in the nitriding layer the wear resistance and the abrasion resistance the sliding surface a piston ring to a high degree. When the Cr content is less than 14%, the formation of Cr carbides is not enough. On the other hand, when the Cr content exceeds 21%, the δ-ferrite becomes formed and the toughness thus reduced. In addition, the Cr concentration in the matrix so high that the Ms (the starting temperature of the martensitic transformation) is reduced such that no satisfactory quenching temperature is achieved. The Cr content is therefore in a range of 14 to 21%, preferably in a range of 16 to 19%.
N ist wie C ein interstitielles Element in Fe. Ternäres Fe – Cr – C Phasendiagramm kann durch ein pseudobinäres Phasendiagramm durch Schneiden an beispielsweise der 17%-Cr-Linie ausgedrückt sein. Eine eutektische Reaktion findet zwischen Fe und C statt, deren Konzentration durch das linke Ende der eutektischen Linie gegeben ist. Indessen verbleibt geschmolzener Stahl vor der Verfestigung um die Korngrenzen primärer Kristalle. Wenn die Temperatur weiter fällt, unterzieht sich der geschmolzene Stahl der eutektischen Reaktion. Wenn Stickstoff gemäß der vorliegenden Erfindung zugesetzt wird, ist die C-Konzentration auf der oben genannten linken Seite höher als die des geschmolzenen Stahls ohne Stickstoff. Daher wird die eutektische Reaktion und somit die Bildung von η-Carbid unterdrückt. Wenn die Temperatur unter die eutektische Temperatur fällt, präzipitiert das übersättigte C und N um die primären γ-Körner in Form von lamellierten M23C6- und M2N-Ausscheidungen. Wenn der N-Gehalt weniger als 0,05 % beträgt, kristallisiert die η-Phase. Wenn der N-Gehalt andererseits über 0,05 % liegt, präzipitiert die Menge von M2N in Stangenform, sodass die Zähigkeit herabgesetzt ist. Der N-Gehalt liegt daher im Bereich von 0,05 bis 0,50 %, vorzugsweise in einem Bereich von 0,10 bis 0,30 %. Das gelöste N in der Matrix verhindert die Diffusion von C und trägt außerdem zum Frischen der Korngrenzenverbindungen bei. Dies ist zunächst Fe3C nach dem Gießen und wird schließlich zu Fe3N nach der Nitrierbehandlung umgewandelt. Stickstoff bis zu 0,2 % kann unter Normaldruck zugegeben werden. Ein Stickstoffgehalt von über 0,2 % benötigt Schmelzen unter N2-Gasdruckatmosphäre. Der Stickstoffgehalt in einem Bereich von 0,05 bis 0,20 % ist daher vom Gesichtspunkt der N-Zugabe bevorzugt.N is like C an interstitial element in Fe. Ternary Fe-Cr-C phase diagram may be expressed by a pseudo-binary phase diagram by cutting on, for example, the 17% Cr line. A eutectic reaction takes place between Fe and C, the concentration of which is given by the left end of the eutectic line. Meanwhile, molten steel remains around the grain boundaries of primary crystals before solidification. As the temperature continues to drop, the molten steel undergoes the eutectic reaction. When nitrogen is added according to the present invention, the C concentration on the above-mentioned left side is higher than that of the molten steel without nitrogen. Therefore, the eutectic Reaction and thus the formation of η-carbide suppressed. When the temperature falls below the eutectic temperature, the supersaturated C and N precipitate around the primary γ grains in the form of laminated M 23 C 6 and M 2 N precipitates. When the N content is less than 0.05%, the η phase crystallizes. On the other hand, when the content of N is more than 0.05%, the amount of M 2 N precipitates in a rod shape, so that the toughness is lowered. The N content is therefore in the range of 0.05 to 0.50%, preferably in a range of 0.10 to 0.30%. The dissolved N in the matrix prevents the diffusion of C and also contributes to the refining of the grain boundary compounds. This is first Fe 3 C after casting and is finally converted to Fe 3 N after the nitriding treatment. Nitrogen up to 0.2% can be added under normal pressure. A nitrogen content above 0.2% requires melting under N 2 gas pressure atmosphere. The nitrogen content in a range of 0.05 to 0.20% is therefore preferred from the viewpoint of N addition.
Jegliches von Mo, V, W und Nb ist ein Carbidbilder und fördert Verschleiß- und Abriebbeständigkeit. Zudem verhindert Mo eine Enthärtung während der Anlass- und Nitrierbehandlungen und spielt eine wichtige Rolle beim Erzielen der Dimensionsstabilität eines Kolbenrings. V fördert das Nitrieren, und daher ist die Härte einer Nitrierschicht hoch, die V enthält. Jegliches dieser Elemente ist zum Steigern der Eigenschaften eines Kolbenrings wirksam. Wenn der Gesamtgehalt von zumindest einem von Mo, V, W und Nb weniger als 0,03 % beträgt, sind ihre Wirkungen so gut wie unerheblich. Wenn andererseits der Gesamtgehalt dieser Elemente/dieses Elements über 3 % beträgt, ist die Verarbeitbarkeit ernsthaft beeinträchtigt und die Zähigkeit herabgesetzt. Der Gesamtgehalt von Mo, V, W und Nb beträgt daher von 0,03 bis 3,00 %.any Mo, V, W and Nb is a carbide image and promotes wear and abrasion resistance. moreover Mo prevents softening while tempering and nitriding treatments and plays an important role in achieving the dimensional stability of a piston ring. V promotes that Nitriding, and therefore the hardness of a Nitriding layer high, containing V. Any of these elements is for enhancing the properties of a piston ring effective. When the total content of at least one of Mo, V, W and Nb is less than 0.03%, their effects are virtually negligible. On the other hand, if the Total content of these elements / this element is over 3%, is the processability seriously impaired and the toughness reduced. The total content of Mo, V, W and Nb is therefore from 0.03 to 3.00%.
Si ist ein Deoxidationsadditiv. Si ist außerdem in Fe gelöst und fördert die Enthärtungsbeständigkeit beim Anlassen. Die so genannte thermische Einstellungsbeständigkeit kann daher verbessert sein. Wenn der Si-Gehalt weniger als 0,1 % beträgt, ist seine Wirkung schwach. Wenn der Si-Gehalt andererseits mehr als 1,00 % beträgt, ist die Zähigkeit beeinträchtigt. Der Si-Gehalt liegt daher in einem Bereich von 0,1 bis 1,0 %.Si is a deoxidation additive. Si is also dissolved in Fe and promotes the Softening resistance during Tempering. The so-called thermal setting resistance can therefore be improved. If the Si content is less than 0.1% is, its effect is weak. On the other hand, if the Si content is more is 1.00%, is the tenacity impaired. The Si content is therefore in a range of 0.1 to 1.0%.
Mn ist ebenfalls ein Deoxidationsadditiv. Wenn der Mn-Gehalt weniger als 0,1 % beträgt, ist seine Wirkung schwach. Wenn der Mn-Gehalt andererseits mehr als 1,0 % beträgt, ist die Verarbeitbarkeit beeinträchtigt. Der Mn-Gehalt beträgt daher von 0,1 bis 1,0 %.Mn is also a deoxidation additive. If the Mn content less than 0.1%, its effect is weak. On the other hand, if the Mn content is more is 1.0%, the processability is impaired. The Mn content is therefore from 0.1 to 1.0%.
P bildet Einschlüsse mit Mn und dergleichen und setzt die Ermüdungsfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit herab. P ist eine Stahlunreinheit. Je weniger P, desto besser. Der P-Gehalt beträgt von einem praktischen Gesichtspunkt her somit 0,05 % oder weniger. Vorzugsweise beträgt P 0,03 % oder weniger.P forms inclusions with Mn and the like, and sets the fatigue strength and corrosion resistance down. P is a steel impurity. The less P, the better. Of the P content is from a practical point of view thus 0.05% or less. Preferably P is 0.03% or less.
S setzt wie P die Ermüdungsfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit herab. S ist eine Stahlunreinheit. Je weniger S, desto besser. Der S-Gehalt beträgt von einem praktischen Gesichtpunkt her somit 0,05 % oder weniger. Vorzugsweise beträgt S 0,03 % oder weniger.S sets like P the fatigue strength and corrosion resistance down. S is a steel impurity. The less S, the better. Of the S content is From a practical point of view thus 0.05% or less. Preferably S is 0.03% or less.
Der Stahl, der aus den oben beschriebenen Zusammensetzungsbereichen besteht, wird einer Ausbildung einer Mikrostruktur mit verbesserter Abriebbeständigkeit unterzogen, d.h., eine Anzahl feine Nitridpartikel sind in der Nitrierschicht vorhanden. Insbesondere sollten die harten Partikel, die aus Nitriden bestehen, d.h. zumeist Cr-Nitrid, Carbiden und Carbonitriden, die in der Oberfläche der Nitrierschicht vorhanden sind: einen Durchschnittsdurchmesser in einem Bereich von 0,2 bis 2 μm, wobei der größte Durchmesser 7 μm oder weniger beträgt, und einen Flächenprozentsatz in einem Bereich von 5 bis 30 % aufweisen. Wenn der Durchschnittspartikeldurchmesser weniger als 0,2 μm beträgt, sind die konvexen Formen der harten Partikel zum Verhindern eines Abreibens nicht wirksam. Wenn andererseits der Durchschnittspartikeldurchmesser mehr als 2 μm beträgt, besteht die Gefahr, dass ein Abreiben auftritt, wenn die Belastung hoch ist. Wenn der größte Durchmesser mehr als 7 μm beträgt, wird die Mikrostruktur der Nitrierschicht uneinheitlich, sodass die Gefahr besteht, dass Abreiben unter hoher Belastung auftritt. Wenn der Flächenprozentsatz weniger als 5 % beträgt, besteht die Gefahr, dass das Abreiben auftritt. Wenn andererseits der Nitridflächenprozentsatz mehr als 30 % beträgt, wird das Drahtziehen und das Biegen in Kolbenringform nach dem Schmelzen schwierig. Ein bevorzugter Flächenprozentsatz beträgt 10 bis 25 %.Of the Steel made from the composition ranges described above is a training of a microstructure with improved abrasion resistance That is, a number of fine nitride particles are in the nitriding layer available. In particular, the hard particles should be made of nitrides exist, i. mostly Cr-nitride, carbides and carbonitrides, the in the surface the nitriding layer are present: an average diameter in a range of 0.2 to 2 μm, being the largest diameter 7 μm or less, and an area percentage in a range of 5 to 30%. If the average particle diameter less than 0.2 μm is, are the convex shapes of the hard particles to prevent one Rubbing off not effective. On the other hand, if the average particle diameter more than 2 μm is, There is a risk that rubbing occurs when the strain is high. When the biggest diameter more than 7 μm is, the microstructure of the nitriding layer becomes uneven, so that There is a risk that abrasion occurs under high load. If the area percentage less than 5% the danger that rubbing will occur. On the other hand, if the nitride area percentage is more than 30%, will wire drawing and bending in piston ring shape after melting difficult. A preferred area percentage is 10 to 25%.
Die Mikrostruktur der Nitrierschicht mit verbesserter Reißbeständigkeit ist derart, dass die Korngrenzenverbindungen, die im Längsschnitt des Kolbenrings vermerkt sind, 20 μm oder weniger in der Größe (Länge) betragen. Wenn die längste Länge mehr als 20 μm beträgt, entsteht das Problem, dass die Gefahr besteht, dass das Reißen unter hoher Belastung auftritt.The Microstructure of the nitriding layer with improved tear resistance is such that the grain boundary compounds, in longitudinal section of the piston ring are 20 μm or less in size (length). If the longest Length more than 20 μm is, arises the problem that there is a risk that the tearing under high load occurs.
Die Mikrostruktur der Nitrierschicht wie oben beschrieben gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Mikrostruktur von rostfreiem Stahl zuordenbar. Zunächst ist kein grobes eutektisches Carbid (η-Phase: (Cr, Fe)-C3 Carbid) in dem Stahl vorhanden, das anschließend warmgewalzt, weichgeglüht, drahtgezogen, abgeschreckt und angelassen wurde. Dies ist durch den Stickstoffzusatz erzielt.The microstructure of the nitriding layer as described above according to the present invention is attributable to the microstructure of stainless steel. First, no coarse eutectic carbide (η-phase: (Cr, Fe) -C 3 carbide) is present in the steel, which is then hot rolled, annealed, wire drawn, deburred was scared and tempered. This is achieved by the addition of nitrogen.
Zweitens präzipitiert eine Anzahl des feinen sekundären Carbids (ε Phase, (Cr, Fe)23C6 Carbid), wenn es bei der Abschrecktemperatur vor dem Nitrieren hält. Das Fe – Cr – C Phasendiagramm zeigt, dass mehr und feineres Carbid präzipitiert, da die Abschrecktemperatur im (γ + ε) Bereich niedriger ist. Wenn das Abschrecken von einer möglichst niedrigen Temperatur im (γ + ε) Bereich ausgeführt wird, können γ Carbide in größtmöglicher Menge präzipitieren. Zudem ist das Wachsen von γ Kristallkörner unterdrückt, sodass der abgeschreckte Stahl eine feine Kornstruktur aufweist. Wenn dieser Stahl dem Nitrieren unterzogen wird, werden die Korngrenzenverbindungen ebenfalls fein. Eine bevorzugte Abschrecktemperatur liegt daher von den oben beschriebenen Gesichtspunkten her im Bereich von 850 bis 1000 ºC. wenn die Abschrecktemperatur weniger als 850 ºC beträgt, erfolgt kein Härten und die gewünschte Härte wird wegen Präzipitation der α-Phase nicht erzielt. Wenn die Abschrecktemperatur über 1000 ºC liegt, wachsen die Carbide im Halteschritt auf der Abschrecktemperatur zusammen, und die γ-Kristallkörner werden grob. Infolgedessen werden die groben Carbide zu groben Nitriden umgewandelt. Die Korngrenzenverbindungen, die entlang der grob gewordenen γ-Kristallkörner bei der anschließenden Nitrierbehandlung ausgebildet werden, werden grob.Second, a number of the fine secondary carbide (ε phase, (Cr, Fe) 23 C 6 carbide) precipitates when it keeps at quenching temperature prior to nitriding. The Fe - Cr - C phase diagram shows that more and finer carbide precipitates as the quenching temperature is lower in the (γ + ε) region. When quenching is carried out from as low a temperature as possible in the (γ + ε) region, γ carbides can precipitate in the largest possible amount. In addition, the growth of γ crystal grains is suppressed, so that the quenched steel has a fine grain structure. When this steel is subjected to nitriding, the grain boundary compounds also become fine. A preferred quenching temperature is therefore in the range of 850 to 1000 ° C from the viewpoint described above. if the quenching temperature is less than 850 ° C, no curing takes place and the desired hardness is not achieved due to α phase precipitation. When the quenching temperature is over 1000 ° C, the carbides in the holding step grow together at the quenching temperature, and the γ crystal grains become coarse. As a result, the coarse carbides are converted to coarse nitrides. The grain boundary compounds formed along the coarsened γ crystal grains in the subsequent nitriding treatment become coarse.
Bei der vorliegenden Erfindung ist eine große Härte von Hv900 bis 1400 bis zu einer zufrieden stellenden Tiefe von der Oberfläche durch die Nitrierbehandlung für einen relativ kurzen Zeitraum erzielt. Dieses Merkmal ist den relativ feinen γ-Kristallkörnern, die bei niedriger Abschrecktemperatur ausgebildet werden, und somit der Steigerung der Korngrenzen zuordenbar, die die hauptsächlichen Diffusionsdurchgänge von N während der Nitrierbehandlung sind.at The present invention has a high hardness of Hv900 to 1400 to to a satisfactory depth from the surface the nitriding treatment for achieved a relatively short period of time. This feature is the relative one fine γ-crystal grains, the be formed at low quenching temperature, and thus attributable to the increase in grain boundaries, which are the main ones Diffusion passages from N while of the nitriding treatment.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Nitrierbehandlung im Temperaturbereich von 450 bis 600 ºC ausgeführt. Im Stand der Technik wird die Behandlungstemperatur von ungefähr 590 ºC, bei der die Stickstofflöslichkeit im α-Fe Gitter am größten ist, als empfehlenswert betrachtet. Da die vorliegende Erfindung die N-Diffusion jedoch hauptsächlich über die Korngrenzen nutzt, ist die Behandlungstemperatur nicht auf ungefähr 590 ºC beschränkt. Die Behandlung auf niedrigerer Temperatur ist vom Gesichtspunkt der Dimensionsstabilität eines Kolbenrings empfehlenswerter. Von einem praktischen Gesichtspunkt her wird das Nitrieren jedoch bei 450 bis 600 ºC für 1 bis 20 Stunden durchgeführt.According to the present Invention will be the nitriding treatment in the temperature range of 450 up to 600 ºC executed. In the prior art, the treatment temperature is about 590 ° C at which the nitrogen solubility in the α-Fe Lattice is the largest, considered as recommended. Since the present invention, the N-diffusion but mainly about the Grain limits, the treatment temperature is not limited to about 590 ° C. The Treatment at a lower temperature is from the point of view of dimensional stability a piston ring is recommended. From a practical point of view however, nitriding is carried out at 450 to 600 ° C for 1 to 20 hours.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description the drawings
BESTE AUSFÜHRUNGSWEISE DER ERFINDUNGBEST MODE OF PERFORMANCE THE INVENTION
Beispiel 1–11 (J1–J11) und Vergleichsbeispiel 1–8 (H1–H18)Example 1-11 (J1-J11) and Comparative Example 1-8 (H1-H18)
Die rostfreien, martensitischen, chromreichen Stahle mit einer in Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzung wurden in einer Menge von 10 kg in einem Vakuuminduktionsschmelzofen geschmolzen. Es wurde dem Stahl jedoch weniger als 0,2 % N beim Schmelzen unter Normaldruck zugesetzt, während 0,2 % oder mehr N dem Stahl unter N2-Gasdruckatmosphäre zugesetzt wurde. Durch Warmformgebung wurde Drahtmaterial mit 12 mm Durchmesser erzielt. Nach der Säurebeizung wurde Weichglühen bei 750 ºC für 10 Stunden durchgeführt. Durch Arbeitsschritte wurde ein Draht mit einem rechteckigen Querschnitt von 3,5 mm × 5,0 mm erzeugt. Der Draht wurde durch einen Abschreckofen (Ar-Schutzatmosphäre) und einen Anlassofen (Ar-Schutzatmosphäre) geleitet. Die Luftabschreckung wurde von 930 ºC nach Halten von ungefähr 10 Minuten auf dieser Temperatur ausgeführt. Das Anlassen wurde bei 620 ºC für ungefähr 25 Minuten ausgeführt.The stainless martensitic chromium-rich steels having a composition shown in Table 1 were melted in an amount of 10 kg in a vacuum induction melting furnace. However, less than 0.2% N was added to the steel when melting under normal pressure, while 0.2% or more N was added to the steel under N 2 gas pressure atmosphere. By thermoforming wire material was obtained with 12 mm diameter. After acid pickling, soft annealing was performed at 750 ° C for 10 hours leads. By working a wire with a rectangular cross-section of 3.5 mm × 5.0 mm was produced. The wire was passed through a quench oven (Ar guard atmosphere) and a tempering furnace (Ar guard atmosphere). The air quench was carried out at 930 ° C after holding for about 10 minutes at this temperature. The tempering was carried out at 620 ° C for about 25 minutes.
Die Drähte wurden in ungefähr 50 mm lange Proben für die Nitrierbehandlung geschnitten. Das Gasnitrieren wurde bei 570 ºC für 4 Stunden ausgeführt. Die Abschrecktemperatur von Vergleichsbeispiel 1 (H1) betrug jedoch 1100 ºC, wie beim herkömmlichen Verfahren. Die anderen Bedingungen sind dieselben wie für die Beispiel und die anderen Vergleichsbeispiele.The wires were in about 50 mm long samples for cut the nitriding treatment. Gas nitriding was at 570 ° C for 4 hours executed. However, the quenching temperature of Comparative Example 1 (H1) was 1100 ° C, as with the conventional one Method. The other conditions are the same as for the example and the other comparative examples.
Tabelle 1 Gew.-% Table 1% by weight
Die
oben genannten Drahtproben wurden ferner in Längen von 10 mm zur Untersuchung
der mikroskopischen Struktur geschnitten. Die Proben wurden in Harz
eingebettet und hochglanzpoliert. Die Untersuchung und quantitative
Bewertung wurde unter Benutzung eines Schliffbildanalysators ausgeführt. Die
Rückstreuungselektronenabbildung
der Gleitnitrieroberfläche
wurde bezüglich
Beispiel 1 (J1) und Vergleichsbeispiel 1 (H1) durch ein Rasterelektronenmikroskop
untersucht. Die untersuchten Bilder für Beispiel 1 (J1) und Vergleichsbeispiel
1 (H1) sind in
- * Vergleichsbeispiele 2, 4 und 8 (H2, H4 und H8) konnten wegen dürftiger Verarbeitbarkeit nicht zu Drähten ausgebildet werden.
- ** Die Dimension nach dem Nitrieren war in Vergleichsbeispiel 7 (H7) unstabil. Der Ertrag ist daher niedrig.
- * Comparative Examples 2, 4 and 8 (H2, H4 and H8) could not be formed into wires because of poor workability.
- ** The dimension after nitriding was unstable in Comparative Example 7 (H7). The yield is therefore low.
Unter
Bezugnahme auf
Die
Gleitfläche
von Scheibe
Gleitgeschwindigkeit (Scheibe): 8 m/s
Druckbelastung:
Schrittweise Steigerung um 0,2 MPa von den anfänglichen 1,0 MPa bis zum Auftreten
von Abreiben
Schmieröl:
Motoröl
(Handelsname: Nisseki Motor Oil P Nr. 12)
Schmieröltemperatur:
80 ºC (in
der Nähe
des Auslasses)
Ölbadtemperatur:
100 °C
Schmierölzufuhrmenge:
40 ccm/minThe sliding surface of disc
Sliding speed (disc): 8 m / s
Compressive load: Gradual increase of 0.2 MPa from the initial 1.0 MPa to the occurrence of attrition
Lubricating oil: engine oil (trade name: Nisseki Motor Oil P No. 12)
Lubricating oil temperature: 80 ºC (near the outlet)
Oil bath temperature: 100 ° C
Lubricating oil supply amount: 40 cc / min
Der Abreibflächendruck wurde aus der Abreibbelastung und dem Verschleißbereich der Gleitfläche berechnet. Der erzielte Abreibflächendruck ist bezüglich Beispiel 1 bis 11 (J1 bis J11) und Vergleichsbeispiel 1 bis 8 (H1 bis H8).Of the Abreibflächendruck was calculated from the Abreibbelastung and the wear area of the sliding surface. The scoring surface pressure achieved is re Examples 1 to 11 (J1 to J11) and Comparative Examples 1 to 8 (H1 to H8).
Tabelle 3 Table 3
Es ist offensichtlich, dass die Abriebbeständigkeit von Beispiel 1 bis 11 (J1 bis J11) gegenüber der der Vergleichsbeispiele 1, 3 5–7 (H1, H3, H5–H7) verbessert ist.It It is obvious that the abrasion resistance of Examples 1 to 11 (J1 to J11) opposite that of Comparative Examples 1, 3 5-7 (H1, H3, H5-H7) improved is.
Beispiel 12 bis 14 (J12 bis J14) und Vergleichsbeispiel 9 bis 11 (H9 bis H11)Example 12 to 14 (J12 to J14) and Comparative Examples 9 to 11 (H9 to H11)
Die Materialien mit der chemischen Zusammensetzung von Beispiel 1 wurden zu einem Draht gearbeitet und von der in Tabelle 4 gezeigten Temperatur luftabgeschreckt. Die Gasnitrierbehandlung mit demselben Verfahren wie in Beispiel 1 ausgeführt. Die Mikrostruktur der Nitrierschicht wurde quantitativ analysiert. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt. Tabelle 4
- * Die Härte der Nitrierschicht von Vergleichsbeispiel 9 (H9) lag unter Hv890.
- The hardness of the nitriding layer of Comparative Example 9 (H9) was below Hv890.
Beispiel 15 und Vergleichsbeispiel 12Example 15 and Comparative Example 12
Die Stahlmaterialien von Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 wurden Arbeitsschritten zum Ausbilden eines Verdichtungsrings mit einem rechteckigen Querschnitt unterzogen. Der Nenndurchmesser (d1) betrug 95,0 mm, die Stärke (a1) 3,35 mm und die Breite (h1) 2,3 mm. Das Abschrecken wurde mittels Durchlaufen des Abschreckofens bei 930 ºC für 10 Minuten und folgende Luftkühlung ausgeführt. Das Anlassen wurde mittels Anlassofen bei 620 ºC für ungefähr 25 Minuten ausgeführt. Das kontinuierliche Abschrecken und Anlassen wurde ausgeführt. Das Gasnitrieren wurde bei 570 ºC für 4 Stunden ausgeführt. Die Abschrecktemperatur von Vergleichsbeispiel 12 betrug jedoch 1100 ºC, wie beim herkömmlichen Verfahren. Die anderen Bedingungen sind dieselben wie für Vergleichsbeispiel 15.The steel materials of Example 1 and Comparative Example 1 were subjected to operations for forming a compacting ring having a rectangular cross section. The nominal diameter (d 1 ) was 95.0 mm, the thickness (a 1 ) 3.35 mm and the width (h 1 ) 2.3 mm. Quenching was carried out by passing the quench oven at 930 ° C for 10 minutes followed by air cooling. Annealing was carried out by annealing at 620 ° C for about 25 minutes. The continuous quenching and tempering was carried out. Gas nitriding was carried out at 570 ° C for 4 hours. However, the quenching temperature of Comparative Example 12 was 1100 ° C as in the conventional method. The other conditions are the same as for Comparative Example 15.
Der
erzeugte Kolbenverdichtungsring wurde in einem Ermüdungstester
getestet, dessen Bewegungsmechanismus in
Unter
Bezugnahme auf
Beispiel 16 bis 19 und Vergleichsbeispiel 13 bis 14Example 16 to 19 and Comparative Example 13 to 14
Die Stahlmaterialien von Beispiel 1 (Beispiel 16, 17), Beispiel 7 (Beispiel 18, 19) und Vergleichsbeispiel 1 (Vergleichsbeispiel 13, 14) wurden Arbeitsschritten zum Ausbilden eines Verdichtungsrings (Beispiel 16, 18 und Vergleichsbeispiel 13) und des Körpers eines zweiteiligen Ölrings (Beispiel 17, 19 und Vergleichsbeispiel 14) unterzogen. Der Verdichtungsring wies einen rechteckigen Querschnitt auf. Sein Nenndurchmesser (d1) betrug 99,2 mm, die Stärke (a1) 3,8 mm und die Breite (h1) 2,5 mm. Der Körper des Ölrings wies einen sattelförmigen Querschnitt auf. Sein Nenndurchmesser (d1) betrug 99,2 mm, die Stärke (a1) 2,5 mm und die Breite (h1) 3,0 mm.The steel materials of Example 1 (Example 16, 17), Example 7 (Example 18, 19) and Comparative Example 1 (Comparative Example 13, 14) were worked to form a compression ring (Example 16, 18 and Comparative Example 13) and the body of a two-piece oil ring (Example 17, 19 and Comparative Example 14). The compression ring had a rectangular cross-section. Its nominal diameter (d 1 ) was 99.2 mm, the thickness (a 1 ) 3.8 mm and the width (h 1 ) 2.5 mm. The body of the oil ring had a saddle-shaped cross-section. Its nominal diameter (d 1 ) was 99.2 mm, the thickness (a 1 ) 2.5 mm and the width (h 1 ) 3.0 mm.
Das Abschrecken, Anlassen und Gasnitrieren in Beispiel 16 bis 19 war dasselbe wie in Beispiel 15. Das Abschrecken, Anlassen und Gasnitrieren in Vergleichsbeispiel 13 bis 14 war dasselbe wie in Vergleichsbeispiel 12.The Quenching, tempering and gas nitriding in Example 16-19 the same as in Example 15. Quenching, tempering and gas nitriding in Comparative Examples 13 to 14 was the same as in Comparative Example 12th
Der
erzeugte Verdichtungsring und Ölring
wurden in einen 4-Zylinder-Dieselmotor mit 3200 ccm Hubraum montiert.
Die Ringe wurden auf einen Kolben montiert und mit einem Gussmonoblock
kombiniert und für 100
Stunden für
den Dauertest unter den folgenden Bedingungen betrieben.
Drehzahl:
3600 rpm
Leistung: 75 kW
Belastung: Vollbelastung
Wassertemperatur:
110 ºC
Öltemperatur:
130 ºCThe generated compression ring and oil ring were mounted in a 4 cylinder diesel engine with 3200 cc displacement. The rings were mounted on a flask and combined with a cast monoblock and run for 100 hours for the endurance test under the following conditions.
Speed: 3600 rpm
Power: 75 kW
Load: full load
Water temperature: 110 ºC
Oil temperature: 130 ºC
Abreiben
trat nach 2 Stunden 10 Minuten im Fall von Vergleichsbeispiel 13
und nach 7 Stunden 55 Minuten im Fall von Vergleichsbeispiel 14
auf. Es gab keine Störungen
während
des Tests im Fall von Beispiel 16 bis 19. Unter Bezugnahme auf
Industrielle Anwendbarkeitindustrial applicability
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine große Menge feiner Nitride in der Nitrierschicht des Kolbenrings vorhanden, der aus rostfreiem, martensitischen, chromreichen Stahl mit Nitrierung hergestellt ist. Die lamellierten Korngrenzenverbindungen sind außerdem gefrischt. Derartige Mikrostrukturen können durch den Zusatz von Stickstoff und Abschrecken auf niedriger Temperatur ausgebildet sein. Die Verschleißbeständigkeit, Abriebbeständigkeit, Reißbeständigkeit und Ermüdungsbeständigkeit ist infolge der Mikrostruktur verbessert. Der Kolbenring gemäß der Erfindung kann daher vorteilhaft in Verbrennungsmotoren unter hohen Dreh- und hohen Leistungsbedingungen benutzt sein, insbesondere dem modernen, leichtgewichtigen Monoblockdieselmotor. Der Kolbenring gemäß der vorliegenden Erfindung kann außerdem vorteilhaft als Kolbenring eines kleinen Lastkraftwagens benutzt sein, bei dem es wahrscheinlich ist, dass das Ermüdungsproblem beim Benutzen der Motorbremse auftritt. Der Kolbenring der vorliegenden Erfindung kann angemessen als Körper eines zweiteiligen Ölrings und Schiene eines dreiteiligen Ölrings ausgeführt sein.According to the present Invention is a big one Amount of fine nitrides in the nitriding layer of the piston ring, made of stainless, martensitic, chromium-rich steel with nitration is made. The laminated grain boundary compounds are also refined. Such microstructures can by the addition of nitrogen and quenching at low temperature be educated. The wear resistance, Abrasion resistance, tear resistance and fatigue resistance is improved due to the microstructure. The piston ring according to the invention can therefore be advantageous in internal combustion engines with high rotational and high performance conditions, in particular the modern, lightweight monobloc diesel engine. The piston ring according to the present Invention can also used advantageously as a piston ring of a small truck which is likely to be the fatigue problem when using the engine brake occurs. The piston ring of the present Invention may be appropriate as the body of a two-piece oil ring and rail of a three-piece oil ring accomplished be.
Claims (6)
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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