DE69307823T2

DE69307823T2 - Stahldraht für einen Ölring und Verfahren zur seiner Herstellung

Info

Publication number: DE69307823T2
Application number: DE69307823T
Authority: DE
Inventors: Takao Nogi-Gun Shimane-Ken Karaoke; Iwao Yasugi-Shi Kashiwagi; Ken Yasugi-Shi Nakamura
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1992-10-23
Filing date: 1993-10-12
Publication date: 1997-09-11
Anticipated expiration: 2013-10-13
Also published as: KR960008694B1; DE69307823D1; EP0594042B1; US5411609A; EP0594042A1; KR940008773A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Profilstahldraht für Ölringe in Verbrennungsmotoren und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Der Begriff Profilstahldraht bezeichnet hierbei einen Stahldraht mit einem komplizierten Querschnitt, der beispielsweise H- oder X-förmig ist. Siehe beispielsweise GB-A-2 254 395, die den nächstkommenden Stand der Technik darstellt.
Die Stahlölringe für Verbrennungsmotoren lassen sich in einen herkömmlichen dreiteiligen Ölring, der aus zwei Ringen besteht, die jeweils einen rechteckigen Querschnitt und eine Feder aufweisen, sowie einen neuartigen zweiteiligen Ölring, der aus einem Profildrahtring mit einer Nut und einer Feder besteht, einteilen.
In den letzten Jahren ist der Wunsch aufgetreten, den dreiteiligen Ölring gegen den zweiteiligen Ölring auszutauschen, um die Kosten durch Verringern der Anzahl der Elemente zu reduzieren. Ein Profildrahtring mit einer Nut zur Bildung des zweiteiligen Ölrings hat einen komplizierten Querschnitt, der beispielsweise im wesentlichen H- oder X-förmig ist. Weiterhin ist das Verhältnis der Stärke eines die beiden lateralen Endflanschabschnitte verbindenden Stegabschnitts zur Gesamtstärke eines jeden der lateralen Endflanschabschnitte sehr klein, was zu einer erheblichen Verformung führt.
Weiterhin mußte das Material eines Kolbenrings stark legiert werden, um die Abnutzungsfestigkeit, die Abriebfestigkeit und die Sulfat-Korrosionsfestigkeit usw. zu verbessern.
Da ein Druckring unter den Kolbenringen einen einfachen rechteckförmigen Querschnitt hat, ist seine Herstellung nicht problematisch. Daher hat sich ein hohes Legieren zu martensitischen rostfreien Stählen vom 17Cr- und 20Cr-Typ durchgesetzt.
Eine Seitenschiene eines kombinierten dreiteiligen Ölrings wurde aus JIS SUS420J2 (vom 0,35C-13Cr-Typ) oder aus martensitischem rostfreiem Stahl vom 0,65C-13Cr-Typ hergestellt. Weiterhin weist die Seitenschiene vom vorhergehenden Typ einen einfachen rechteckförmigen Querschnitt auf. Daher kann eine Seitenschiene vom vorhergehenden Typ durch ein herkömmliches Kaltwalzverfahren oder ein kaltes Ziehen hergestellt werden. Die Schienen für den dreiteiligen Ölring wurden in JP-B2-61-54862 (vom 0,65C-13Cr-Typ) und in JP-A-61- 59066 (vom 0,55C-7Cr-Typ) offenbart.
Außerdem muß der Ölring aus einem hochlegierten Material hergestellt sein, wenn hohe Abnutzungs- und Korrosionsfestigkeit erwartet werden.
Es ist jedoch sehr schwierig, einen Profildrahtring mit einer Nut zur Verwendung als zweiteiligen Ölring aus martensitischem rostfreiem Stahl herzustellen, der einen höheren Anteil an Kohlenstoff enthält als das herkömmliche Material, beispielsweise mindestens 0,8 Gewichtsprozent an Kohlenstoff und mindestens 15 Gewichtsprozent an Chrom (Gewichtsprozent wird nachfolgend als "%" abgekürzt). Der Grund hierfür besteht darin, daß ein Ring des vorhergehenden Typs eine komplizierte Querschnittsform aufweist und sehr viel stärker geformt ist. Die Querschnittsform unterscheidet sich dabei erheblich von der runden oder rechteckigen Form, und es ist daher eine starke formende Reduktionsbearbeitung erforderlich, um die Querschnittsform zu bilden. Insbesondere können bei einer Anordnung, bei der der Stegbereich vertikal stark zusammengedrückt ist und bei der die Flanschabschnitte, die vertikal nicht zusammengedrückt sind, aneinander angrenzend angeordnet sind, die Grenzbereiche leicht brechen, was sich aus Experimenten ergeben hat, die vom Urheber der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurden. Weiterhin ist es bei Verwendung des Ölrings erforderlich, daß die Oberflächenrauhigkeit höchsten 35 beträgt. Weiterhin ist es erforderlich, daß die Oberfläche frei von Vertiefungen und von Abrieb ist. Beim herkömmlichen Kaltziehverfahren tritt infolge eines hohen Legierens eine Verschlechterung der Bearbeitbarkeit auf. Weiterhin treten infolge der sehr starken Deformation an den Grenzen zwischen dem Stegabschnitt und den Flanschabschnitten, wie vorhergehend beschrieben, leicht Risse auf. Um die vorhergehenden Probleme zu vermeiden, wird das Bearbeitungsausmaß an einer Station oder bei einem Ausglühvorgang stark eingeschränkt. Hierdurch wird die Anzahl der Stationen und der Ausglühvorgänge bis zum Erhalt des Endprodukts erhöht, was dazu führt, daß die Oberfläche während eines vorhergehenden Vorgangs oder beim Handhaben des Rings leicht beschädigt werden kann. Darüber hinaus ergibt sich das Problem eines hohen Kostenanstiegs. Daher wurde bisher kein aus martensitischem rostfreiem Stahl, der mehr als 0,8 % Kohlenstoff und mindestens 15 % Chrom enthält, bestehender zweiteiliger Ölring hergestellt.
Um die vorhergehend beschriebenen Probleme zu lösen, haben die Urheber der vorliegenden Erfindung einen Profildraht mit einer komplizierten Querschnittsform zur Herstellung eines Ölrings entwickelt, der die für den Ölring erforderlichen Eigenschaften, wie Korrosions- und Abnutzungsfestigkeit, aufweist. Weiterhin haben die Erfinder ein neues Verfahren zur Herstellung des Profildrahts für Stahlölringe entwickelt und in der japanischen Patentanmeldung Nr. 3-19302 (1991) offenbart, das durch einen Walzstempel für eine Warmbearbeitung gekennzeichnet ist. Das wie vorhergehend beschrieben offenbarte Material ist martensitischer rostfreier Stahl mit mindestens 0,8 % und höchstens 0,95 % Kohlenstoff und 15 % bis 20 % Chrom, der eine komplizierte laterale Querschnittsform aufweist, wobei der erwähnte martensitische rostfreie Stahl durch das vorhergehend offenbarte Verfahren hergestellt werden kann.
Der Profildraht für den zweiteiligen Ölring muß so geformt werden, daß er in jedem Schritt des Herstellungsprozesses eine vorgegebene Querschnittsform und mehrere in linearer Anordnung im Stegabschnitt gebildete Öldurchlaßöffnungen aufweist. Das Verfahren des Einstanzens der Löcher ist im Hinblick auf verringerte Bearbeitungskosten und erhöhte Bearbeitungswirksamkeit im wesentlichen auf ein Stanzverfahren beschränkt. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß es sehr schwierig ist, den vorhergehend erwähnten Profildraht zu stanzen, da das zu bearbeitende Material hochlegiert ist.
Wenngleich die Öldurchlaßöffnungen selbst dann in den vorhergehend erwähnten niedriglegierten Stahl eingestanzt werden können, falls das Material auf eine vorgegebene Härte zwischen HV 300 und 450 abgeschreckt (quenched) und nachgelassen (tempered) wurde, kann der wie vorhergehend beschrieben zusammengesetzte hochlegierte Stahl beim herkömmlichen Herstellungsverfahren selbst dann nicht in erheblichem Maße gestanzt werden, wenn er durch Erhitzen eine ähnliche Härte aufweist. Weiterhin kann das Stanzen, das ausgeführt werden kann, nachdem das herkömmliche niedriglegierte Material zu einer vorgegebenen Querschnittsform bearbeitet wurde, nicht für das vorhergehend erwähnte hochlegierte Material verwendet werden.
Weiterhin haben die Erfinder herausgefunden, daß durch Formen eines Drahtmaterials, das einen hohen Kohlenstoff- und Chromanteil aufweist und im wesentlichen dieselbe chemische Zusammensetzung (Cr: 15,0 bis 20,0) aufweist wie das in der japanischen Patentanmeldung Nr. 3-19302 offenbarte Material, und durch fortlaufendes Ausglühen dieses Materials unter Spannung es möglich wird, ein Drahtmaterial für einen Ölring mit einem geformten Querschnitt zu erhalten, das eine ausgezeichnete Geradheit erreicht. Weiterhin ermöglicht die Reduzierung des erhaltenen Materials auf vorgegebene Abmessungen, die Öldurchlaßöffnungen durch Stanzen zu bilden. Die vorhergehend beschriebene Technik ist in JP-A-4-333545 (1992) offenbart. Die vorhergehend erwähnte Reduzierung hinsichtlich der Abmessung begrenzt manchmal die Breite b (s. Fig. 1) der eingestanzten Ölöffnung, also die Querschnittsfläche der Ölöffnung, und damit die Ölschmierleistung. Es wurden die Verwendung von minderwertigem Kraftstoff, das Einführen von Verbrennungsgas in den Motor zum Reinigen der Abgasregelung, die Verwendung von Alkoholkraftstoff und die Verwendung von Erdgas-Kraftstoff zusätzlich zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Maschinen untersucht, was dazu führt, daß ein Teil der vorhergehenden Techniken wirklichen Funktionstests unterzogen worden ist. Man ist bestrebt, für die vorhergehend erwähnten Verbrennungsmotoren einen Ölring zu entwickeln, der eine ausgezeichnete Blockier- und Korrosionsfestigkeit aufweist, die den bei herkömmlichen Materialien angetroffenen überlegen sind, da sich, aufgrund der Tatsache, daß der Bedarf an Öl bei hoher Motorgeschwindigkeit und der Anteil von Wasser nach erfolgter Verbrennung erhöht sind, und durch Schwefeloxide sowie infolge des Vorhandenseins von Karbonsäure leicht Korrosion auftritt, das Öl schneller verschlechtert und sich die Schmierfähigkeit verringert. Seit kurzem besteht die Neigung, den zweiteiligen Ölring in einem kleinen Verbrennungsmotor zu verwenden. Eine weitere Tendenz besteht darin, daß die Querschnittsfläche des Ölrings zur Verwendung in einem großen Motors verringert wird, um das Gewicht des Motors und des Kolbenrings zu verringern. Eine weitere Technik hinsichtlich der Querschnittsform des Ölrings besteht darin, den Abstand zwischen den Flanschen, die mit der Innenfläche des Zylinders in Kontakt gebracht werden, zu verkürzen.
Da die vorhergehend erwähnten Einschränkungen hinsichtlich der Abmessungen, die bei der vorhergehend erwähnten Offenbarung verwendet werden, zu einer Verringerung der Stärke des Lochstanzers bezüglich der Breitenabmessung des vertieften Bereichs des Drahts für den Ring führt, kann der Lochstanzer leicht brechen, und die Ölabgabefähigkeit kann sich leicht verschlechtern.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Profilstahldraht für Ölringe, der durch Verbessern des in der japanischen Patentanmeldung Nr. 3-19302 offenbarten Profildrahts erhalten wird, und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, wobei eine größere Menge an Chrom und weiterer Legierungselemente aufgenommen wird, um die Blockierfestigkeit und die Korrosionsfestigkeit gegenüber Schwefeloxiden und Karbonsäure zu verbessern, und wobei der Profilstahldraht eine verbesserte Ölschmierfähigkeit aufweist und im Vergleich zu dem in JP-A-4-333545 (1992) offenbarten eine geringe Querschnittsfläche hat.
Die Urheber der vorliegenden Erfindung haben eine Kombination eines Warmziehens von Drähten und eines Kaltwalzens und eine Kombination eines Warmziehens und eines Warmwalzens untersucht, um eine Legierungszusammensetzung und ein zugehöriges Herstellungsverfahren zu verwirklichen, bei denen die Erzeugung von Mikrohohlräumen und Oberflächenfehlern während des Ziehens oder Walzens verhindert werden kann. Hierbei wurde herausgefunden, daß die Verwendung eines Warmwalzstempels gemäß dem in der japanischen Patentanmeldung Nr. 3-19302 (1991) offenbarten Herstellungsverfahren einen Draht ermöglicht, der eine komplizierte Querschnittsform aufweist, und es ermöglicht, bei Verwendung von rostfreiem Stahl, der einen 20 % überschreitenden hohen Chromanteil aufweist, eine hohe Genauigkeit zu erreichen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Profilstahldraht für Ölringe in Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1 angegeben.
Beim erwähnten Profilstahldraht weist der Stegabschnitt eine Vielzahl von Öldurchlaßöffnungen auf, die in einer linearen Reihe in Längsrichtung gestanzt sind, wobei mindestens eine der einander gegenüberstehenden Oberflächen des Stegabschnitts im wesentlichen eben ist und wobei die folgenden Bedingungen gelten:
W - b ≥ 0,4 t,
C ≥t,
wobei bedeutet:
W = festgelegte Breite der im wesentlichen ebenen Oberfläche des Stegabschnitts,
b = Breite einer Öldurchlaßöffnung,
t = Höhe der Wandbegrenzung einer Öldurchlaßöffnung im Durchschnitt der Breite nach und
C = Abstand zwischen benachbarten Öldurchlaßöffnungen.
Hierbei gleicht die angegebene Breite (W) dem Abstand zwischen zwei Kreuzungspunkten von Umrißlinien des ebenen Stegabschnitts und den jeweiligen Innenflächen der Flanschabschnitte.
Der Profilstahldraht hat vorzugsweise eine Breite von höchstens 3,0 mm, wobei die Breitenschwankung nach einer Beendigung des Formgebungsvorgangs, aber vor einem Schleifvorgang, höchstens 0,015 mm beträgt.
Gemäß einer zweiten Erscheinungsform der vorliegenden Erfindung wird der Draht für Ölringe auf der Grundlage von Kenntnissen gebildet, die es ermöglichen, die Einschränkungen hinsichtlich der Abmessungen und des Materials, die für durch Stanzen gebildete Öldurchlaßöffnungen vorhanden sind und in JP-A-4-333545 offenbart sind, abzuschwächen, indem die Ergebnisse von abgesicherten Untersuchungen und ein neues Herstellungsverfahren herangezogen werden, wobei der neue festgelegte Bereich folgendermaßen bestimmt ist:
Der vorhergehend erwähnte Profilstahldraht hat eine chemische Zusammensetzung von im wesentlichen folgenden Gewichtsprozenten:
mehr als 0,80 % und weniger als 0,95 % Kohlenstoff, höchstens 1,0 % Si, höchstens 1,5 % Mn, mindestens 15,0 % und höchstens 20,0 % Cr und enthält wahlweise
mindestens eine aus drei Gruppen ausgewählte Gruppe, die mindestens eines der Elemente Mo und W enthält und insgesamt mindestens 0,5 % und höchstens 3 % "Mo + W/2" enthält, eine weitere Gruppe mit mindestens einem der Elemente V und Nb mit insgesamt mindestens 0,05 % und höchstens 2 % "V + Nb/2" sowie eine weitere Gruppe mit mindestens einem Element, das aus höchstens 12 % Co, höchstens 5 % Ni und höchstens 5 % Cu ausgewählt ist,
Rest Fe und unvermeidliche Verunreinigungen, wobei die folgenden Bedingungen gelten:
1,4 t > W - b ≥ 0,4 t,
C ≥ t.
Der Profilstahldraht hat vorzugsweise eine Breite von höchstens 3,0 mm, wobei die Breitenschwankung nach Beendigung des Formgebungsvorgangs, aber vor dem Schleifvorgang, höchstens 0,015 mm beträgt.
Gemäß einer dritten Erscheinungsform der vorliegenden Erfindung wird der folgende Draht vorgesehen:
ein Profilstahldraht für Ölringe in Verbrennungsmotoren mit einer oberflächenbehandelten Schicht auf mindestens einer Gleitfläche, die mit der inneren Oberfläche eines Zylinders des Verbrennungsmotors Gleitkontakt herstellt und eine chemische Zusammensetzung von im wesentlichen folgenden Gewichtsprozenten aufweist:
0,6 bis 1,5 % Kohlenstoff, höchstens 1,5 % Si, höchstens 1,5 % Mn, mindestens 20 % und höchstens 25 % Cr und wahlweise enthaltend
mindestens eine aus drei Gruppen ausgewählte Gruppe, die mindestens eines der Elemente Mo und W enthält und insgesamt höchstens 3 % "Mo + W/2" enthält, eine weitere Gruppe mit mindestens einem der Elemente V und Nb mit insgesamt höchstens 3 % "V + Nb/2" sowie eine weitere Gruppe mit mindestens einem Element, das aus höchstens 12 % Co, höchstens 5 % Ni und höchstens 5 % Cu ausgewählt ist,
Rest Fe und unvermeidliche Verunreinigungen, wobei:
der Profilstahldraht mittels einer abschreckenden Wärmebehandlung und einer darauffolgenden nachlassenden Wärmebehandlung auf eine Vickers-Härte zwischen HV 300 und HV 450 gehärtet ist und dessen Querschnitt im wesentlichen eine H- oder X-Form mit einem Stegabschnitt und Flanschabschnitten aufweist, der durch Bearbeiten eines Stahldrahtrohlings mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt erzeugt wird, indem an zwei sich gegenüberliegenden Seiten des rechteckigen Stahldrahtrohlings der Länge nach Vertiefungen eingearbeitet werden, wobei das Verhältnis der Stärke des die Flanschabschnitte verbindenden Stegabschnitts zur Gesamtstärke (T) der Flanschabschnitte höchstens 0,3 beträgt, wobei in den Stegabschnitt in einer linearen Reihe in Längsrichtung eine Vielzahl von Öldurchlaßöffnungen gestanzt ist, wobei mindestens eine der einander gegenüberliegenden Oberflächen des Stegabschnitts im wesentlichen eben ist und wobei die folgenden Bedingungen gelten:
W - b ≥ 0,4 t,
C > t,
darin bedeutet:
W = festgelegte Breite der im wesentlichen ebenen Oberfläche des Stegabschnitts,
b = Breite einer Öldurchlaßöffnung,
t = Höhe der Wandbegrenzung einer Öldurchlaßöffnung im Durchschnitt der Breite nach und
C = Abstand zwischen benachbarten Öldurchlaßöffnungen.
Gemäß einer vierten Erscheinungsform der vorliegenden Erfindung wird der folgende Draht vorgesehen:
ein Profilstahldraht für Ölringe in Verbrennungsmotoren mit einer oberflächenbehandelten Schicht auf mindestens einer Gleitfläche, die mit der inneren Oberfläche eines Zylinders des Verbrennungsmotors Gleitkontakt herstellt und die eine chemische Zusammensetzung von im wesentlichen folgenden Gewichtsprozenten aufweist:
mehr als 0,80 % und weniger als 0,95 % Kohlenstoff, höchstens 1,0 % Si, höchstens 1,0 % Mn, mindestens 15,0 % und höchstens 20,0 % Cr und wahlweise enthält
mindestens eine aus drei Gruppen ausgewählte Gruppe, die mindestens eines der Elemente Mo und W enthält und insgesamt mindestens 0,05 % und höchstens 3 % "Mo + W/2" enthält, eine weitere Gruppe mit mindestens einem der Elemente V und Nb mit insgesamt mindestens 0,05 % und höchstens 2,0 % "V + Nb/2" sowie eine weitere Gruppe mit mindestens einem Element, das aus höchstens 12 % Co, höchstens 5 % Ni und höchstens 5 % Cu ausgewählt ist,
Rest Fe und unvermeidliche Verunreinigungen, wobei:
der Profilstahldraht mittels einer abschreckenden Wärmebehandlung und einer darauffolgenden nachlassenden Wärmebehandlung auf eine Vickers-Härte zwischen HV 300 und HV 450 gehärtet ist, und dessen Querschnitt im wesentlichen eine H- oder U-Form mit einem Stegabschnitt und Flanschabschnitten aufweist, der durch Bearbeiten eines Stahldrahtrohlings mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt erzeugt wird, in dem an zwei sich gegenüberliegenden Seiten des rechteckigen Stahldrahtrohlings der Länge nach Vertiefungen eingearbeitet werden, wobei das Verhältnis der Stärke des die Flanschabschnitte verbindenden Stegabschnitts zur Gesamtstärke (T) der Flanschabschnitte höchstens 0,3 beträgt, wobei in den Stegabschnitt in einer linearen Reihe in Längsrichtung eine Vielzahl von Öldurchlaßöffnungen gestanzt ist, wobei mindestens eine der einander gegenüberliegenden Oberflächen des Stegabschnitts im wesentlichen eben ist und wobei die folgenden Bedingungen gelten:
W - b ≥ 0,4 t,
C ≥ t,
darin bedeutet:
W = festgelegte Breite der im wesentlichen ebenen Oberfläche des Stegabschnitts,
b = Breite einer Öldurchlaßöffnung,
t = Höhe der Wandbegrenzung einer Öldurchlaßöffnung im Durchschnitt der Breite nach und
C = Abstand zwischen benachbarten Öldurchlaßöffnungen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Profilstahldrahts nach Anspruch 1 mit einer Vielzahl von Öldurchlaßöffnungen zur Verwendung als zweiteiliger Ölring in Verbrennungsmotoren, vorgesehen, wobei der Profilstahldraht einen im wesentlichen H- oder X-förmigen Querschnitt aufweist und einen Stegabschnitt sowie Flanschabschnitte besitzt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Formen eines Stahldrahtrohlings mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt zu einem Profilstahldraht ohne Öldurchlaßöffnungen;
Einstanzen von Öldurchlaßöffnungen in den geformten Profilstahldraht und
Hindurchführen des Profilstahldrahts nach dem Stanzen durch eine Bearbeitungsstation mit mindestens einem Walzenpaar, um ihn der Breite nach auf ein genaues Maß zu pressen.
Dem Profilstahldraht des Ölrings gemäß der vorliegenden Erfindung wird mittels eines Walzstempels für eine Warmbearbeitung seine Querschnittsform aufgeprägt. Die Verwendung der Walzstempel erlaubt, auf ein starkes Schmiermittel in der Art einer Metallseife zu verzichten, das bei einem aus einem einzigen Hauptstück bestehenden Stempel notwendig war. Dieses Schmiermittel kann nach Beendigung des Ziehvorgangs nur schwer entfernt werden, und das unvollständige Entfernen führt zu einer rauhen Oberfläche während eines eingeschobenen Ausglühvorgangs. Da das starke Schmiermittel in der vorliegenden Erfindung fortgelassen werden kann, kann die Oberflächenform mit einer gewünschten Genauigkeit beibehalten werden. Weiterhin wird das Material, das infolge des starken Ausglühens, wodurch die Formungsfähigkeit verschlechtert wird, leicht zerbrechlich ist, durch einen Warmbearbeitungsvorgang vor Rißbildung geschützt, so daß ein vorgegebener stark geformter Querschnitt leicht gebildet werden kann, während ein Ansammeln von Spannungen durch das Bearbeiten verhindert wird, wodurch das eingeschobene Ausglühen überflüssig wird und die Qualität der Oberfläche erhalten bleibt. Weiterhin ermöglicht das Warmbearbeitungsverfahren unter Verwendung des Walzstempels ein Strecken des Materials in den Walzen, die einen Durchlaß bilden, so daß scharfe Längskanten erhalten werden können.
Es ist vorteilhaft, die Temperatur für die Warmbearbeitung so weit zu erhöhen, daß ein abschreckendes Härten nicht auftritt, um die Wirkung des Warmbearbeitens in zufriedenstellendem Maße zu erreichen (Verzicht auf das eingeschobene Ausglühen und Verringern der erforderlichen Anzahl an Durchläufen). Es ist weiterhin vorteilhaft, ein Hochfrequenz- Induktionsheizverfahren zu verwenden, da das Risiko einer Funkenbildung bei einem direkten elektrischen Heizen beseitigt werden kann und da die durch ein Oxidieren auftretende Verschlechterung der Oberflächenform durch ein schnelles Heizen verhindert wird.
Der dem Warmbearbeitungsverfahren unter Verwendung des Walzstempels und dem Kaltbearbeitungsverfahren unterzogene Profilstahldraht wird unter Spannung ausgeglüht, und die öldurchlaßöffnungen werden daraufhin durch Einstanzen im Stegabschnitt gebildet. Daraufhin wird das Strecken, falls erforderlich, unter Verwendung von Walzen mit einem Durchlaß geändert, und daraufhin wird darauf vorhandenes Öl entfernt, bevor er in einer Vorrichtung für eine Wärmebehandlung, in die eine Schutzatmosphäre eingelassen worden ist, unter fortwährendem Abschrecken und Nachlassen mittels Wärmebehandlung auf eine vorgegebene Härte zwischen HV 300 und 450 gehärtet wird. Der Profildraht wird in diesem Zustand zu einem Kolbenhersteller gesendet.
Ein im Ofen für eine fortwährende Wärmebehandlung der Wärmebehandlung unterzogenes Material weist eine ausgezeichnete Gleichmäßigkeit in Längsrichtung auf. Es führt dazu, daß die während des spiralförmigen Biegens auftretende Rückfederungsschwankung vermieden werden kann. Hierdurch können gleichmäßig gebogene Formen erreicht werden.
Andere und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung besser erkenntlich.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

In Fig. 1 ist ein Beispiel der Querschnittsform eines zweiteiligen Ölrings für einen Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt;
Fig. 2 ist ein schematisches Systemdiagramm zur Darstellung einer Bearbeitungsvorrichtung mit einem warmen Walzstempel (ein Walzstempel für eine Warmbearbeitung) zur Herstellung des Ölrings gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ist eine Querschnittsdarstellung einer Hochdruck- Abnutzungstestvorrichtung;
Fig. 4 ist eine Querschnittsdarstellung entlang einer Linie A-A aus Fig. 3;
in Fig. 5 ist ein Beispiel der Querschnittsform einer Stanzvorrichtung zum Einstanzen von Öldurchlaßöffnungen im Stegabschnitt eines Drahtes mit einer Querschnittsform einschließlich von zur Erklärung der Abmessungen dienenden Symbolen dargestellt;
in Fig. 6 ist ein Beispiel einer einfachen Form des Materials nach dem Stanzvorgang dargestellt, in dem ebenfalls Symbole zur Erklärung der Abmessungen angegeben sind; und
in Fig. 7 sind Verformungen dargestellt, die infolge des Einstanzens der Öldurchlaßöffnungen auftreten, wenn der Draht mit der komplizierten Querschnittsform dem Stanzvorgang unterzogen wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Das Verhältnis der Stärke des Stegabschnitts zur Gesamtstärke des Profildrahts gemäß der vorliegenden Erfindung ist auf einen Wert von höchstens 0,3 begrenzt, weil die vorhergehend erwähnte Bedingung eine optimale Wirkung durch Warmbearbeiten ermöglicht. Das Warmbearbeitungsverfahren ermöglicht nämlich das Verhindern des Auftretens von Rissen ünd das Erhalten einer gewünschten Oberflächenform. Weiterhin kann der vorhergehend erwähnte Wert durch das Warmbearbeitungsverfahren erreicht werden.
Nun wird erklärt, warum der Härtebereich zwischen HV 300 und 450 liegt. Falls die Härte HV 450 überschreitet, wird die Rückfederung bei einem Vorgang eines spiralförmigen Biegens zu groß, was zu dem Problem führt, daß die durch den Vorgang des spiralförmigen Biegens gebildete Form nicht in einem vorgegebenen Bereich aufrechterhalten werden kann. Noch schlimmer ist, daß das Material während des spiralförmigen Biegens leicht zerbrochen werden kann. Die vorhergehend erwähnte Einschränkung ist ein wesentlicher Umstand beim Herstellen des Ölrings mit dem geformten Querschnitt. Falls die Härte geringer ist als HV 300, verschlechtert sich die Abnutzungsfestigkeit, was für das Erreichen des Ziels der Verwendung eines hochlegierten Materials unerwünscht ist. In diesem Fall kann eine vorgegebene Lebensdauer für den Ring nicht erreicht werden. Eine bevorzugte Härte liegt zwischen HV 360 und HV 430.
Der Profildraht gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch Biegen in eine vorgegebene Form gebracht und einer Oberflächenbehandlung, wie einem Nitrieren, unterzogen. Daraufhin werden die in Kontakt mit einer Innenfläche eines Zylinders gebrachte Fläche und die Kantenflächen, also die in Kontakt mit der im Kolben gebildeten Ringnut stehenden Flächen, durch leichtes Schleifen endbearbeitet. Daraufhin wird die Innenfläche des durch Biegen gebildeten Rings in direkten Kontakt mit der Feder gebracht und muß eine Oberflächenrauhigkeit von mindestens 35 über die gesamte Fläche aufweisen. Es ist vorzuziehen, daß die erwähnte Oberflächenbehandlung zur Verbesserung der Abnutzungsfestigkeit ein Nitrierprozeß ist.
Nun wird der Grund beschrieben, aus dem die Bauteile in der ersten und der dritten Erscheinungsform der vorliegenden Erfindung eingeschränkt sind.
> Kohlenstoff wird mit Zusatzelementen, wie Mo, W, V und Nb, kombiniert, um Karbide zu bilden, um die Abnutzungs- und die Blockierfestigkeit zu verbessern. Weiterhin löst sich ein Teil des Kohlenstoffs in die Prägeform und stärkt diese. Um die vorhergehenden Wirkungen zu erzielen, müssen mindestens 0,6 % Kohlenstoff hinzugefügt werden. Da der Ölring gemäß der vorliegenden Erfindung einen geformten Querschnitt aufweist, bewirkt das Hinzufügen von mindestens 1,5 % Kohlenstoff, daß sich die Leichtigkeit des Herstellens und die Formbarkeit des Rings selbst dann verschlechtern, wenn das Warmbearbeitungsverfahren verwendet wird. Falls mehr als 1,5 % Kohlenstoff hinzugefügt wird, werden Karbide im Übermaß erzeugt, und es verschlechtert sich daher die Sulfat-Korrosionsfestigkeit. Es wurden daher 0,6 bis 1,5 % und vorzugsweise 0,8 bis 1,2 % Kohlenstoff hinzugefügt.
Silicium, das ein zum Verbessern der Sulfat- Korrosionsfestigkeit, der Abschreckbarkeit und der Stärke wirksames Element ist, wird während des Frischens des Stahls zur Reduktion hinzugefügt. Falls mehr als 1,5 % Silicium hinzugefügt werden, verschlechtert sich die Warmbearbeitungsfähigkeit. Weiterhin werden höchstens 1,5 % und vorzugsweise 1,0 % oder weniger an Silicium hinzugefügt.
Mangan wird zur Entschwefelung während des Frischens des Stahls hinzugefügt. Falls mehr als 1,5 % Mangan hinzugefügt werden, verschlechtert sich die Heißbearbeitbarkeit während des Herstellens des Elementdrahts. Die Menge ist daher auf 1,5 % und vorzugsweise höchstens 1,0 % beschränkt.
Chrom wird, wie vorhergehend beschrieben, zur Bildung von Karbiden (Karbide vom Typ M&sub2;&sub3;C&sub6; oder M&sub7;C&sub3;) mit Kohlenstoff kombiniert, um die Abnutzungs- und die Blockierfestigkeit zu verbessern. Chrom ist daher ein unerläßliches Element für den Ölring gemäß der vorliegenden Erfindung. Weiterhin löst sich ein Teil des Chroms in die Prägeform, so daß die Oxidations- und die Blockierfestigkeit verbessert werden. Weiterhin erzeugt das Nitrieren eine harte nitrierte Schicht, so daß die Oxidations- und die Blockierfestigkeit erheblich verbessert werden. Um den beschriebenen deutlichen Effekt zu erzielen, müssen mehr als 20,0 % Chrom hinzugefügt werden. Der Urheber der vorliegenden Erfindung hat Experimente vorgenommen, die zu der Erkenntnis führten, daß die Karbidmenge nicht zufriedenstellend ist, falls höchstens 20 % Chrom verwendet werden, und sich der Korrosionsverlust in Schwefelsäure daher erhöht.
Falls mehr als 25,0 % Chrom verwendet werden, erhöht sich die Karbidmenge übermäßig, und falls ein Nitrieren vorgenommen wird, vergrößert sich die Chromnitridmenge übermäßig. Die Sulfat-Korrosionsfestigkeit verschlechtert sich daher. Die Chrommenge wird daher auf einen Bereich zwischen mindestens 20,0 % und höchstens 25,0 % eingeschränkt.
Molybdän und Wolfram stehen in der Beziehung, daß Mo dieselbe Wirkung erzielt wie W/2. Die genannten Elemente werden zur Bildung von Karbiden mit Kohlenstoff kombiniert und in Chromkarbide aufgelöst, um die Chromkarbide zu festigen und die Widerstandsfähigkeit gegenüber einem Erweichen während des Nachlassens zu verbessern. Daher kann das Verringern der Härte infolge des Erhitzens während des Bildens des Kolbenrings und während des Nitrierens verhindert werden. Weiterhin tragen die vorhergehend erwähnten Elemente dazu bei, die nitrierte Schicht zu bilden, falls ein Nitrieren stattfindet, so daß die Abnutzungs- und Blockierfestigkeit verbessert sind. Weiterhin verbessert Molybdän die Sulfat-Korrosionsfestigkeit. Falls die Menge von "M + W/2" 3,0 % überschreitet, erhöht sich die Menge der harten Karbide, was zu einer Verringerung der Dauerfestigkeit führt. Weiterhin sind Molybdän und Wolfram teure Elemente. Daher ist der Anteil von Mo und/oder W/2 auf höchstens 3,0 % begrenzt. Durch Molybdän und Wolfram kann die Widerstandsfähigkeit gegenüber einem Erweichen selbst bei Hinzufügen einer geringen Menge verbessert werden, so daß durch Hinzufügen von etwa 0,2 % "Mo + W/2" eine Wirkung erreicht werden kann. Ein bevorzugter Wert des Hinzufügens von "Mo + W/2" liegt zwischen 0,3 und 2,0 %.
Hinsichtlich der erreichten Wirkung ist Vanadium Nb/2 gleichwertig. Durch die beiden Elemente können Kristallkörner veredelt werden, um die Festigkeit des Kolbenrings zu verbessern. Weiterhin bilden die beiden Elemente ihre Karbide ähnlich wie Molybdän bzw. Wolfram, und sie lösen sich eben falls in Chromkarbide.
Infolgedessen werden die Abnutzungs- und die Blockierfestigkeit durch Hinzufügen der vorhergehend erwähnten Elemente zufriedenstellend verbessert. Durch die beiden Elemente können weiterhin die Sulfat-Korrosionsfestigkeit und die Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Korrosion durch Karbonsäure verbessert werden. Um die vorhergehend erwähnten Wirkungen zu erzielen, müssen Vanadium und/oder Niob im Verhältnis "V + Nb/2" hinzugefügt werden. Falls die Elemente in überhöhtem Maße hinzugefügt werden, werden Karbide vom MC-Typ in überhöhtem Maße erzeugt, und die Festigkeit verringert sich daher. Daher werden weniger als 3,0 % und vorzugsweise 0,2 bis 2,0 % "V + Nb/2" hinzugefügt.
Kobalt, Nickel und Kupfer sind wichtige Elemente für die vorliegende Erfindung, durch die die Sulfat-Korrosionsfestigkeit der nitrierten Schicht verbessert wird. Die vorhergehend erwähnten drei Elemente bilden keine Karbide, werden in die Prägeform gelöst und verbessern die Sulfat-Korrosionsfestigkeit, während sie das Merkmal aufweisen, daß ihre Wirkungen in der nitrierten Schicht erhalten bleiben, da sie keine Nitride bilden. Daher kann eine zufriedenstellende Wirkung erzielt werden, falls sie verwendet werden, um den Kolbenring gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen, der dem Nitriervorgang ausgesetzt ist. Falls der Co-Anteil 12 % überschreitet, verschlechtern sich die Heiß- und die Kaltbearbeitbarkeit. Falls der Nickel-Anteil 5 % überschreitet, kann die vorgegebene Härte nach der Wärmebehandlung nicht erzielt werden. Es ist daher vorteilhaft, höchstens 12 % (vorzugsweise 1,0 bis 10,0 %) Co und höchstens 5,0 % und vorzugsweise 0,2 bis 3,0 % Ni hinzuzufügen.
Da die Blockierfestigkeit und die Korrosionsfestigkeit gegenüber Karbonsäure durch Kupfer verbessert werden, ist es für die vorliegende Erfindung sehr vorteilhaft, Kupfer hinzuzufügen. Durch Kupfer enthaltenden Stahl wird ermöglicht, einen Kolbenring herzustellen, der im Vergleich zum herkömmlichen Material eine überlegene Korrosionsfestigkeit gegenüber einer korrosiven Atmosphäre, beispielsweise eines Verbrennungsgases, beispielsweise von Alkoholkraftstoff, aufweist. Um die vorhergehend erwähnten Wirkungen zufriedenstellend zu erreichen, ist es vorteilhaft, Kupfer hinzuzufügen. Falls der Kupferanteil 5,0 % übersteigt, verschlechtert sich die Heißbearbeitbarkeit. Es werden daher höchstens 5,0 % Kupfer und vorzugsweise 0,5 bis 3,0 % Kupfer hinzugefügt.
Phosphor, Schwefel, Sauerstoff und Stickstoff können in geringen Mengen als Verunreinigungen enthalten sein.
Nun werden die Einschränkungen hinsichtlich der Abmessungen der Öldurchlaßöffnungen gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Nun wird das Konzept der Einschränkungen hinsichtlich der Abmessungen der in JP-A-4-333545 offenbarten Öldurchlaßöffnungen beschrieben. Fig. 5 ist eine Querschnittsdarstellung, in der ein Beispiel einer Lochstanzvorrichtung für den Fall, daß die Öldurchlaßöffnungen eingestanzt werden, dargestellt ist. Fig. 6 ist eine Draufsicht zur Darstellung eines Beispiels eines einer Stanzbearbeitung unterzogenen Materials. Ein geformter Draht 11 wird als zu stanzendes Material durch Stempel 25, seitliche Führungen 21 und eine Stanzführung 20 geführt und gehalten, wobei die Stanzführung auch derart als obere Führung dient, daß der geformte Draht 11 schrittweise in axialer Richtung bewegt werden kann, während ein kleiner Zwischenraum aufrechterhalten wird. Da der Lochstanzer 24 ein durch a/b 5 bis 3 ausgedrücktes hohes Kompressionsverhältnis hat, wie in Fig. 6 dargestellt ist, in der jede Abmessung mit Symbolen bezeichnet ist, ist "W - b" die Breite eines Abschnitts, der die Stanzkraft aushalten muß. Andererseits ist zu berücksichtigen, daß die Stanzkraft im Verhältnis zur Höhe t der Seitenfläche der eingestanzten Ölöffnung steht, wodurch die Fläche der Innenwand der eingestanzten Ölöffnung typischerweise gegeben ist. Nach den Ergebnissen eines vor der Offenbarung der vorliegenden Erfindung durch den Erfinder gemachten Experimentes ist es erforderlich, W - b ≥ 1,4 t zu erfüllen, um die Stärke des Stempels zum Ausführen einer problemlosen Stanzbearbeitung aufrechtzuerhalten. Eine andere durch C ≥ t ausgedrückte Beziehung muß erfüllt sein. Die letztgenannte Bedingung ist zur Verhinderung des Ausbreitens von Rissen während des Bildens des Rings durch Biegen anstatt zum Ausführen der Stanzbearbeitung wichtig, wobei die Bearbeitung des Ringformens nach Ausführung der Stanzbearbeitung durchgeführt wird. D. h., daß das Eindringen von Rissen in den Abschnitt mit der Abmessung c leicht stattfindet, wenn C < t ist.
Wenngleich JP-A-4-333545 in Übereinstimmung mit dem vorhergehend beschriebenen Konzept offenbart wurde, führten die sich ergebenden Verbesserungen hinsichtlich der Genauigkeit des Stanzwerkzeugs (des Lochstanzers und des Stempels) und hinsichtlich der Art des Handhabens des zu stanzenden Materials zu der Erkenntnis, daß die Einschränkung auf etwa W - b ≥ 0,8 t verringert werden kann. Das Vorhergehende wurde durch den Urheber der vorliegenden Erfindung als japanische Patentanmeldung offenbart.
Weiterhin ist kürzlich das Bestreben aufgetreten, die Querschnittsfläche so zu verringern, daß die Breite des H- förmigen Querschnitts auf höchstens 3,0 mm verringert wird, und den Abstand zwischen den Flanschen, die in Kontakt mit der Innenfläche des Zylinders gebracht werden, zu verringern. Die Breite W des ebenen Abschnitts der eingekerbten Nut wurde gewöhnlich verringert. Die Abmessung b (die Stärke des Lochstanzers gleicht der Breite der eingestanzten Ölöffnung) wird daher im Verhältnis zur Breite W verringert, was dazu führt, daß sich die Ölabgabeleistung verschlechtert. Daher bricht der Lochstanzer, und die Stanzbearbeitung kann nicht vorgenommen werden.
Ein Ergebnis der Experimente hinsichtlich der Stanzbearbeitung ist, daß die Stanzbearbeitung problemlos ausgeführt werden kann, wenn die Abmessung in etwa 0,5 mm beträgt oder höher ist.
Wie in Fig. 7 etwas übertrieben durch eine unterbrochene Linie dargestellt ist, wurde herausgefunden, daß die beiden Flanschabschnitte 1b so geformt werden, daß sie nicht parallel verlaufen und voneinander getrennt werden (B' > B), falls die Stanzbearbeitung in einem Zustand durchgeführt wird, wo die Breite W zu klein ist und die Abmessung W - b die vorhergehend erwähnte Bedingung nicht erfüllt. Weiterhin wurde herausgefunden, daß das Formen ausreichend genau korrigiert werden kann, indem eine Bearbeitungsstation verwendet wird, in der die Flanschabschnitte nach dem Ausführen der Stanzbearbeitung unter Verwendung einer aus einem Walzenpaar bestehenden Öffnungsform von den beiden Seitenabschnitten aus gepreßt werden, und die Einschränkung hinsichtlich JP-A-4- 333545 kann dementsprechend verringert werden. Dies ist in JP-A-4-291234 offenbart.
Die vorhergehende Abänderung kann in gewisser Weise selbst dann vorgenommen werden, wenn ein System verwendet wird, das aus einem Paar von Walzen (Zweiwegewalzen), die das Material in Breitenrichtung pressen, sowie Führungseinheiten, die vor bzw. hinter den Walzen angeordnet sind, besteht. Falls die Einrichtung jedoch unvollständig vorgenommen wird (wenn zu stark gepreßte oder unzureichende Führungseinheiten verwendet werden), tritt leicht eine teilweise Verringerung der Abmessung in Breitenrichtung auf, weshalb genau aufgepaßt werden muß.
Es ist daher vorteilhaft, zusätzlich zum vorhergehend erwähnten aus den Führungseinheiten und dem Walzenpaar bestehenden System einen Walzensatz zu verwenden, der eine Vierwege-Walzeneinheit aufweist, die aus einem Paar von Walzen mit Vorsprüngen besteht, die in Kontakt mit den rechten und linken Innenwandflächen der vertikal gebildeten nutförmigen Einkerbungen kommt, wobei die Bodenflächen vorzugsweise ausgenommen sind. Falls die Abänderung wie vorhergehend beschrieben ausgeführt wird, kann der Kontaktdruck des zu bearbeitenden Materials erhöht werden, und es kann daher eine Ausübung eines übermäßigen Drucks verhindert werden. Falls die Führungseinheiten weiterhin nicht zufriedenstellend eingerichtet sind, kann das Verringern der Abmessung in Breitenrichtung zufriedenstellend verhindert werden. Die vorhergehend erwähnten abgeänderten Walzen können die Walzen sein, die dafür eingerichtet sind, den Endbearbeitungsvorgang des Bildens der Querschnittsform des Drahtmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung auszuführen. Es hat sich herausgestellt, daß durch ein leichtes ebenes Herunterdrücken beim vorhergehend erwähnten Abänderungsvorgang eine weitere vorteilhafte Abänderung erzielt werden kann.
Als Ergebnis der sicherstellenden Verbesserungen wurde herausgefunden, daß ein zufriedenstellend geformter Draht für einen Ölring erhalten werden kann, indem in ähnlicher Weise, wie beim geformten Draht mit einer geringen Querschnittsfläche, die vorhergehende Abänderung nach dem Vorgang des Lochstanzens ausgeführt wird, falls W - b ≥ 0,46 ist. Falls (W - b)/t zu klein ist, muß der Stanzstempel eine erheblich höhere Last aushalten, was zu einem Auftreten eines Übermaßes an Rissen und einer übermäßigen Abnutzung führt. Es ist daher vorteilhaft, daß der vorhergehend erwähnte Wert mindestens 0,8 beträgt.

Beispiele

Die vorliegende Erfindung wird nun zusammen mit Beispielen detailliert beschrieben.

Beispiel 1:

In Tabelle 1 sind die chemischen Zusammensetzungen der vorhergehend beurteilten Ölringe gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die mit den Probennummern 1 bis 23 versehenen Profildrähte gehören zu Ölringen gemäß der vorliegenden Erfindung. Die mit den Probennummern 26 bis 28 versehenen Profildrähte gehören zu herkömmlichen Ölringen. Die Probe Nr. 26 besteht aus SKD61 Stahl, während die Proben mit den Nummern 27 bzw. 28 aus Material vom l3Cr-Typ bzw. vom 17Cr-Typ bestehen, das am häufigsten für die Ölringe für gegenwärtige Fahrzeuge mit einem Benzinmotor verwendet wird.
Ein jedes der wie in Tabelle 1 dargestellt zusammengesetzten Spulenmaterialien mit einem Durchmesser von etwa 6 mm wurde nach dem Warmwalzen und dem darauffolgenden Ausglühen nachgeschnitten, um Oberflächenfehler zu entfernen. Daraufhin wurde eine Warm-Richtmaschine verwendet, wodurch Drähte, die jeweils einen Durchmesser von 4,0 mm aufwiesen, gebildet wurden, und es wurden daraufhin Vierwege-Antriebswalzen (vertikale und horizontale Antriebswalzen) verwendet, so daß ebene Drähte mit einem rechteckigen Querschnitt und runden Ecken erhalten wurden.
Durch Verwenden einer Serienbearbeitungsvorrichtung mit einem Abroller 2, einem Rollenkorrigierer 3, einer Hochfrequenz-Heizeinheit 4, einer Temperaturmeßeinheit 5, Antriebswalzen mit einer Öffnung zum Bilden einer Nut, einem Trockner 8, einer Kühleinheit (vom Wasserkühltyp) 7, einer Einheit zum Messen von Abmessungen 9 und einem Aufroller 10 wurden die so erhaltenen Drähte 1 bei einer Temperatur von etwa 800 ºC einer Walzformbearbeitung mit einem Warm-Walzstempel unterworfen, während sie durch mehrere Stationen von Walzstempeln vorbewegt wurden.
Weiterhin wurde eine Vorrichtung, die abgesehen davon, daß die vorhergehend erwähnte Heizeinheit und die vorhergehend erwähnte Temperaturmeßeinheit fortgelassen wurden, ähnlich aufgebaut war, wie die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung, verwendet, um eine kalte Endbearbeitung vorzunehmen, so daß geformte Drähte erhalten wurden, die jeweils Nuten aufwiesen, wobei die erhaltenen geformten Drähte eine in Fig. 1 schematisch gezeigte Querschnittsform aufwiesen, wobei das Verhältnis (t/T) der Stärke des Stegs tw zur Gesamtstärke T etwa 0,2 beträgt. Die detaillierten Querschnittsabmessungen waren die folgenden: Die Dicke B betrug 3,1 mm, die Gesamtstärke T betrug 2,9 mm, W betrug 1,0 mm, und die Stärke des Stegs t (die Höhe der Wandfläche in Breitenrichtung der Ölöffnung) betrug 0,6.
Die so hergestellten Drähte wurden fortlaufend ausgeglüht, und Risse wurden daraufhin durch ein Wirbelstromverfahren erfaßt. Es wurden hierbei keine Risse in irgendeiner Oberfläche einschließlich der Grenzbereiche zwischen dem Steg und den Flanschen erfaßt. Daraufhin wurden Ölöffnungen (Breite b = 0,5 mm und 0,65 mm, Öffnungsabstand C = 3,0, W - b = 1,0 - 0,5 = 0,83 t, w - b = 1,0 - 0,65 = 0,35 = 0,58 t) durch Stanzen gebildet, und die Drähte wurden daraufhin einer Wärmebehandlung unterzogen, um in einem permanenten Ofen abgeschreckt und nachgelassen zu werden. Die Oberflächenrauhigkeit wurde nach der Wärmebehandlung durch ein Abtastverfahren untersucht, was dazu führte, daß jedes Material eine Oberflächenrauhigkeit von 0,6 bis 1,4 µm Rax aufwies, wodurch die Vorschrift von 35 oder eine geringere erfüllt wird. Weiterhin wurde die Abmessungstoleranz für jeden Abschnitt (die engste Toleranz war 0,06 mm) erfüllt.
Die Proben mit den Nummern 1 bis 28 wurden zu ringförmigen Formen mit einem vorgegebenen Durchmesser gedreht, und die Verbindungsstücke wurden vor dem Nitrieren verbunden.
Beim Behandeln einer jeden der vorhergehend erwähnten Proben trat kein Problem auf.
Die in der Tabelle 1 dargestellten Merkmale der Materialien wurden experimentell bestimmt. In Tabelle 2 sind die Ergebnisse eines Blockiertests, eines Abnutzungstests und des Werts der Volumenverringerung, die durch eine 10%ige Schwefelsäure und Karbonsäure (5%ige Essigsäure + 5%ige Ameisensäure), denen die in Fig. 2 dargestellten Proben ausgesetzt waren, auftrat, dargestellt. Die vorhergehenden Tests wurden unter Verwendung einer Hochdruck-Abnutzungsfestigkeits-Testmaschine ausgeführt. Die Form des Teststücks ist in den Figuren 3 und 4 schematisch dargestellt. Der Blockiertest wurde unter Verwendung der vorhergehend erwähnten Testmaschine unter Verwendung der folgenden Bedingungen durchgeführt:
Abnutzungsgeschwindigkeit: 8 m/s
Druck auf die Reibungsfläche: Anfangsdruck 20 kgf/cm², der Druck wurde um 10 bar/3 min erhöht
Schmieröl: Motoröl # 30, Temperatur 80 ºC, das Schmieröl wurde vom Zentrum eines Statorhalters mit einer Geschwindigkeit von 400 ml/min angeliefert
Erfassung eines Blockierens: Es wurden eine Lastzelle und ein dynamischer Verzerrungsmesser verwendet, um das Blockieren zu erfassen (z. Z. des Auftretens des Blockierens wurde eine abnorme Reibungskraft erfaßt)
Zu verbindendes Material: JIS-Grauguß vom Typ 4 (FC25) Der Abnutzungstest wurde unter den folgenden Bedingungen zur Messung des Maßes der Abnutzung des Teststücks ausgeführt.
Reibungsgeschwindigkeit: 3 m/s
Druck auf die Reibungsfläche: 80 bar
Schmieröl: Temperatur 80 ºC, das Schmieröl wurde vom Zentrum eines Statorhalters mit einer Geschwindigkeit von 400 ml/min angeliefert
Abnutzungstestlänge: 50 km
Zu verbindendes Material: JIS-Grauguß vom Typ 4 (FC25)
Die durch Korrosion auftretende Volumenverringerung wurde in den folgenden beiden Fällen gemessen, in denen Proben (die Proben, deren äußerste Fläche entfernt war), die jeweils einen Durchmesser von 10 mm und eine Länge L von 20 mm hatten und mit Gas nitriert waren, für 40 Stunden bei 40 ºC in 10%ige Schwefelsäure eingetaucht wurden, und in denen die Proben für 40 Stunden (60 ºC) in 5%ige Essigsäure, 5%ige Ameisensäure sowie Wasser eingetaucht wurden.
Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, weist der Kolbenring gemäß der vorliegenden Erfindung, verglichen mit den herkömmlichen Materialien, eine erheblich verbesserte Blockierfestigkeit und eine erhebliche Verringerung der Abnutzung auf. Dies liegt daran, daß der Anteil von Chrom im Vergleich zu den herkömmlichen Materialien erhöht ist und daß das Hinzufügen von Mo, W, V und Nb und weiterer Materialien und das Hinzufügen von Mo, W, V und Nb die vorhergehende Wirkung weiter erhöhen. Das Untersuchen der Korrosionsfestigkeit durch Eintauchen der Proben in 10%ige Schwefelsäure führte zu der Erkenntnis, daß durch Hinzufügen von Co und Mo eine erhebliche Wirkung erreicht werden kann. Das Untersuchen der Korrosionsfestigkeit durch Eintauchen der Proben in 10%ige Karbonsäure führte zu der Erkenntnis, daß durch Hinzufügen von Co, Ni und Cu eine erhebliche Wirkung erzielt werden kann, wodurch die Korrosionsfestigkeit im Vergleich zum aus dem herkömmlichen Material hergestellten Ölring erheblich verbessert war. Da der Kolbenring gemäß der vorliegenden Erfindung mindestens 20 % Chrom enthält, kann wegen des Brechens von Karbiden im gezogenen Draht und der Erzeugung von Mikrohohlräumen durch den gewöhnlichen Kaltziehvorgang keine zufriedenstellende Korrosionsfestigkeit erzielt werden. Bei der vorliegenden Erfindung wird jedoch der Warm-Walzstempel verwendet, so daß der Draht so gezogen werden kann, daß er eine recht komplizierte laterale Querschnittsform aufweist, während die Erzeugung der inneren Fehler vermieden wird. Bei den Proben Nr. 1 bis Nr. 4, die C-Si-Mn-Cr enthaltende Eisenlegierungs-Ölringe gemäß der vorliegenden Erfindung waren, konnten die Eigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Ölringen erheblich verbessert werden. Durch geeignetes Hinzufügen einer bestimmten Menge Mo, W, V, Nb, Co, Ni und Cu wurden die vorhergehenden Wirkungen weiter verbessert.

Beispiel 2:

Drahtmaterialien, deren Zusammensetzung so war, wie in Fig. 3 dargestellt ist, wurden verwendet, um Stahldrähte, die jeweils für zweiteilige Ölringe geformte Querschnitte aufweisen, unter Verwendung der Vorrichtung und unter den Beispiel 1 ähnelnden Herstellungsbedingungen durch ein Warm- Walzstempel-Bearbeitungsverfahren herzustellen, wobei die so hergestellten Drähte derartige Querschnittsabmessungen aufwiesen, daß die Breite B 3,8 mm betrug, daß das in Fig. 5 ge zeigte W (der Ausrundungsradius und auch eine evtl. vorhandene Vertiefung wurden nicht beachtet) 2,0 mm betrug, daß die Gesamtstärke T 2,3 mm betrug und daß die Stegstärke t 0,65 mm (t/T = 0,283) betrug. Die Drähte wurden daraufhin in einem permanenten Glühofen unter Verwendung einer Spannung ausgeglüht. Ein Beispiel der Härte betrug HV 260, während eine Härtenschwankung von höchstens HV 25 auftrat, die ebene und die seitliche Biegung höchstens 1 mm/1000 mm betrugen, die Verdrillung höchstens 0,5º/1000 mm betrug und die Schwankung der Stärke des Stegbereichs höchstens 0,020 mm auf einer Länge von 200 mm betrug.
Die erwähnten geformten Drähte wurden daraufhin einer Stanzbearbeitung unterzogen, bei der Öldurchlaßöffnungen, deren Breite b jeweils 1,45 mm ist und deren Länge a jeweils 3,5 mm und bei der die Abstände C zwischen den eingestanzten Ölöffnungen 1 mm betrugen, durch 3000faches Stanzen gebildet wurden (W - b = 2 - 1,45 = 0,55 = 0,85 t, t = 0,65 mm).
Hierbei trat bei keinem Los ein Brechen des Lochstanzers und des Stempels auf, wenngleich an den Kanten des Lochstanzers und des Stempels eine Abnutzung von 0,020 mm beobachtet wurde. Weiterhin wurde die Schwankung der Teilung der durch Stanzen gebildeten Öldurchlässe zufriedenstellend auf höchstens ± 0,050 mm begrenzt. Weiterhin betrugen die Höhen der Grate infolge der Beobachtung der Ölöffnungen an den beiden Enden des Testmaterials höchstens 0,025 mm.
Daraufhin wurden die Drähte, die jeweils die geformten Querschnitte und die Ölöffnungen aufwiesen, auf etwa HV 400 abgeschreckt und nachgelassen und daraufhin einem fortgesetzten Biegen unterzogen, so daß sie einen Innendurchmesser von 90 mm aufwiesen. Ein vom z. Z. des Biegens gebildeten Grat ausgehendes Brechen und ein anderes Brechen traten nicht auf. Die Breitenschwankung nach dem Abschrecken und Nachlassen nahm einen ausgezeichneten Wert von 0,002 mm an.

Beispiel 3:

Drahtmaterialien, deren Zusammensetzung so war, wie in Fig. 3 dargestellt ist, wurden verwendet, um Stahldrähte herzustellen, die jeweils durch ein Warm-Walzstempel-Bearbeitungsverfahren für zweiteilige Ölringe geformte Querschnitte haben, wobei die so hergestellten Drähte derartige Querschnittsabmessungen aufwiesen, daß die Breite B 2,0 mm betrug, daß das in Fig. 5 gezeigte W 1,05 mm betrug, daß die Gesamtstärke T 1,8 mm betrug und daß die Stegstärke t 0,50 mm (t/T 0,278) betrug. Die Drähte wurden daraufhin in einem permanenten Glühofen ausgeglüht. Ein Beispiel der Härte betrug HV 260, während eine Härtenschwankung von höchstens HV 25 auftrat, die ebene und die seitliche Biegung höchstens 1 mm/1000 mm betrugen, die Verdrillung höchstens 0,5º/1000 mm betrug und die Schwankung der Stärke des Stegbereichs höchstens 0,020 mm auf einer Länge von 200 mm betrug.
In den vorhergehenden Materialien wurden durch 5000faches Wiederholen einer Anzahl von Lochstanzvorgängen (insgesamt 3 x 5000 = 15000 Lochstanzvorgänge) gleichzeitig in Abständen von C = 4,2 mm angeordnete Öldurchlaßöffnungen gebildet, die jeweils eine Breite b = 0,50 mm und eine Länge a = 2,8 mm aufwiesen (W - b = 1,05 - 0,5 - 0,55 = 1,1 t, t = 0,5 mm).
Hierbei trat bei keinem Los ein Brechen des Lochstanzers und des Stempels auf, wenngleich an den Kanten des Lochstanzers und des Stempels eine Abnutzung von 0,020 mm beobachtet wurde. Weiterhin wurde die Schwankung der Teilung der durch Stanzen gebildeten Öldurchlaßöffnungen zufriedenstellend auf höchstens ± 0,050 mm begrenzt. Weiterhin betrugen die Höhen der Grate infolge der Beobachtung der Ölöffnungen an den beiden Enden des Testmaterials höchstens 0,020 mm.
Daraufhin wurden antriebsfreie Vierwegewalzen (vertikale und horizontale Walzen) mit einem Durchlaß verwendet, um das Material einer Nachwalz-Modifikationsbearbeitung zum Zusammenpressen der Materialien ausschließlich in Breitenrichtung um etwa 0,040 mm sowie einer modifikationsbegrenzten Bearbeitung, bei der der Druck so ausgeübt wurde, daß eine Abmessungsänderung verhindert wurde, um die Breitenausdehnung zu messen (B' - B in Fig. 7), auszusetzen. Hierdurch wurde die Gesamtausdehnung von 0,040 bis 0,050 mm nach Beendigen der Stanzbearbeitung auf höchstens 0,007 mm verrinqert, nachdem der zuerst beschriebene Vorgang ausgeführt wurde, und auf höchstens 0,010 mm, nachdem der zuletzt beschriebene Vorgang ausgeführt wurde.
Schließlich wurden die Drähte, die jeweils die gebildeten Querschnittsformen und die eingestanzten Ölöffnungen aufwiesen, auf etwa HV 400 abgeschreckt und nachgelassen und wurden daraufhin einem fortgesetzten Biegen unterzogen, so daß sie einen Innendurchmesser von 60 mm aufwiesen. Ein vom z. Z. des Biegens gebildeten Grat ausgehendes Brechen und ein anderes Brechen traten nicht auf.
Die in der vorhergehenden Ausführungsform verwendeten Materialien mit der Ausdehnung von 0,040 mm bis 0,050 mm wurden unter einem vom rechten und linken Abschnitt unter Verwendung eines Paars von Rollen angelegten leichten Druck abgeändert. Infolgedessen verringerte sich die Ausdehnung eines jeden der Drähte auf höchstens 0,014 mm.

Beispiel 4:

Die in Tabelle 1 dargestellten Drahtmaterial-Testproben mit den Nummern 1, 5, 8 und 18 und die in Tabelle 3 dargestellten mit den Nummern 1, 3 und 5 wurden verwendet, um Stahldrähte herzustellen, die jeweils komplizierte Querschnittsformen für zweiteilige Ölringe durch ein Warm-Walzstempel-Bearbeitungsverfahren haben, wobei die so hergestellten Drähte derartige Querschnittsabmessungen aufwiesen, daß die Breite B 2,0 mm, T = 1,85 mm betrug, daß das in Fig. 5 gezeigte W 0,78 mm betrug und daß die Stegstärke t 0,55 mm (t/T = 0,55/0,85 = 0,297) betrug. Die Drähte wurden daraufhin in einem permanenten Glühofen ausgeglüht, und es wurden Ölöffnungen eingestanzt, die jeweils eine Breite b von 0,55 mm und eine Länge a von 2,5 mm aufwiesen und in Abständen von C = 2,5 mm angeordnet waren (W - b = 0,78 - 0,55 = 0,23 = 0,418 t, C/t = 4,5). Ähnlich wie im Beispiel 3 wurden die antriebsfreien Vierwegewalzen verwendet, um die Ausdehnung in der Breitenrichtung zu ändern. Hierbei war die Schwankung der Breitenabmessung höchstens 0,005 mm. Die so abgeänderten Materialien wurden fortlaufend abgeschreckt und nachgelassen und auf eine Vickers-Härte zwischen HV 360 und 400 gebracht (Schwankung in jedem Materiallos HV ≤ 30), und es wurde daraufhin geprüft, ob der Krümmungsdurchmesser 65 mm betrug. Hierdurch wurde bestätigt, daß keine Fehler, wie eine Polygonalform und Risse, auftraten.
Wie vorhergehend beschrieben wurde, wurde dafür gesorgt, daß der Profildraht für Ölringe gemäß der ersten Erscheinungsform der vorliegenden Erfindung und der Ölring gemäß der dritten Erscheinungsform der vorliegenden Erfindung größere Mengen an Chrom aufweisen, so daß der ein Blockieren bewirkende Oberflächendruck verringert werden kann und die Erzeugung von Abriebteilchen während des Betriebs im Vergleich zu den herkömmlichen Anordnungen erheblich verringert werden kann. Weiterhin wurde eine gegenüber den herkömmlichen Materialen überlegene Abnutzungsfestigkeit erhalten. Darüberhinaus war die Korrosionsfestigkeit gegenüber Schwefelsäure und Karbonsäure ausgezeichnet, und es wurde insbesondere eine erhebliche Korrosionsfestigkeit gegenüber Karbonsäure erreicht. Die Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung kann daher für Alkohol-Kraftstoff verwendet werden.
Der zweite und der vierte Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung haben es ermöglicht, die Einschränkung hinsichtlich der Abmessung der in den geformten Draht für Ölringe eingestanzten Öllöcher gemäß JP-A-4-333545 durch Verwenden des Verfahrens gemäß der fünften Erscheinungsform der vorliegenden Erfindung abzuschwächen, so daß der neugebildete Bereich geregelt wird. Gemäß der fünften Erscheinungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung des geformten Stahldrahts mit Öldurchlaßöffnungen für den Ölring vorgesehen, wobei wenigstens ein Walzenpaar verwendet wird, um das Material zu pressen und die während des Einstanzens der Öldurchlaßöffnungen auftretende Verformung einschließlich der Ausdehnung des Materials zu ändern, wobei die Walzen in Ausdehnungsrichtung angeordnet sind.
Infolge der vorhergehenden Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung können der Ölring und das Abschnittsmaterial des Ölrings so gefertigt werden, daß sie eine ausgezeichnete Abrieb-, Abnutzungs- und Korrosionsfestigkeit und eine ausgezeichnete Ölabschableistung aufweisen, während lediglich eine geringe Querschnittsfläche erforderlich ist. Daher wird die Anpassung an einen Verbrennungsmotor mit einer geringen Größe ermöglicht, und es kann eine Verringerung der Querschnittsfläche erreicht werden.
Wenngleich die Erfindung in ihrer bevorzugten Ausführungsform mit gewissen Einschränkungen beschrieben worden ist, ist zu verstehen, daß die vorliegende Offenbarung der bevorzugten Ausführungsform hinsichtlich der Einzelheiten des Aufbaus innerhalb des Schutzumfangs der nachfolgend beanspruchten Erfindung geändert werden kann.

Claims

1. Profilstahldraht für Ölringe in Verbrennungsmotoren, der als Legierungselemente des Stahls C, Si, Mn, Cr, wahlweise Mo, W, V, Nb, Co und Ni enthält, der mittels Wärmebehandlung auf eine Vickers Härte zwischen 300 und 450 gehärtet ist, und dessen Querschnitt im wesentlichen eine H- oder X-Form mit einem Stegabschnitt und Flanschabschnitten aufweist, der durch Bearbeitung eines Stahldrahtrohlings mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt erzeugt Wird, indem an zwei sich gegenüberliegenden Seiten des rechteckigen Stahldrahtrohlings der Länge nach vertiefungen eingearbeitet werden, wobei das Verhältnis der Stärke des die Flanschabschnitte verbindenden Stegabschnitts zur Gesamtstärke (T) der Flanschabschnitte höchstens 0,3 beträgt,

gekennzeichnet durch eine chemische Zusammensetzung von im wesentlichen folgenden Gewichtsprozenten:

0,6 bis 1,5 % Kohlenstoff, höchstens 1,5 % Si, höchstens 1,5 % Mn, mehr als 20 % und höchstens 25 % Cr,

wahlweise eine oder mehrere der folgenden drei Gruppen:

(1) Mo und/oder W, insgesamt höchstens 3 % von (Mo + (W/2),

(2) V und/oder Nb, insgesamt höchstens 3 % von (V + Nb/2) und

(3) höchstens 12 % Co, höchstens 5 % Ni und/oder höchstens 5 % Cu,

Rest Fe und unvermeidliche Verunreinigungen,

wobei der Profilstahldraht durch Abschrecken (Quenchen) gefolgt von Nachlassen (Tempern) wärmebehandelt ist.

2. Stahldraht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Stegabschnitt in einer linearen Reihe in Längsrichtung eine Vielzahl von Öldurchlaßöffnungen gestanzt sind, wobei mindestens eine der einander gegenüberliegenden Oberflächen des Stegabschnitts im wesentlichen eben ist und wobei die folgenden Bedingungen gelten:

W - b ≥ 0,4 t

C ≥ t,

darin bedeutet:

W = festgesetzte Breite der im wesentlichen ebenen Oberfläche des Stegabschnitts,

b = Breite einer Öldurchlaßöffnung,

t = Höhe der Wandbegrenzung einer Öldurchlaßöffnung im Durchschnitt der Breite nach und

C = Abstand zwischen benachbarten Öldurchlaßöffnungen.

3. Stahldraht nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine oberflächenbehandelte Schicht auf mindestens einer Gleitfläche, die mit der inneren Oberfläche eines Zylinders des Verbrennungsmotors Gleitkontakt herstellt.

4. Stahldraht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an C mehr als 0,80 % und weniger als 0,95 %, der Gehalt an Si höchstens 1,0 %, an Mn höchstens 1,0 %, an Cr mindestens 15,0 % und höchstens 20,0 % beträgt, und daß der Gehalt der Elemente der wahlweisen Gruppe (1) insgesamt mindestens 0,5 % von (Mo + W/2) und der der Gruppe (2) insgesamt mindestens 0,05 und höchstens 2 % von (V + Nb/2) beträgt.

5. Stahldraht nach einem der Ansprüche 2 bis 4 mit einer Breite von höchstens 3,0 mm, wobei die Breitenschwankung nach Beendigung des Formgebungsprozesses aber vor dem Schleifvorgang höchstens 0,015 mm beträgt.

6. Verfahren zur Herstellung eines Profilstahldrahts nach Anspruch 1 mit einer Vielzahl von Öldurchlaßöffnungen zur Verwendung als zweiteiliger Ölring in einem Verbrennungsmotor, dessen Querschnitt im wesentlichen eine H- oder X-Form aufweist, und der einen Stegabschnitt sowie Flanschabschnitte besitzt, mit den folgenden Schritten:

ein Stahldrahtrohling mit rechteckigem oder quadratischen Querschnitt wird zu einem Profilstahldraht ohne Öldurchlaßöffnungen geformt und

Öldurchlaßöffnungen werden in den geformten Profilstahldraht eingestanzt,

dadurch gekennzeichnet, daß

der Profilstahldraht nach dem Stanzen durch eine Bearbeitungsstation mit mindestens einem Rollenpaar geführt wird, um ihn der Breite nach auf ein genaues Maß zu pressen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungsstation konvex gekrümmte Bereiche aufweist, die auf der Seite des Stegabschnitts mit den inneren Oberflächen der Flanschabschnitte in Berührung gebracht werden.