EP0733720A1 - Oberflächenbehandelte Kolbenstange - Google Patents

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EP0733720A1
EP0733720A1 EP95118670A EP95118670A EP0733720A1 EP 0733720 A1 EP0733720 A1 EP 0733720A1 EP 95118670 A EP95118670 A EP 95118670A EP 95118670 A EP95118670 A EP 95118670A EP 0733720 A1 EP0733720 A1 EP 0733720A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston rod
layer
treated
subjected
piston
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP95118670A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rolf Dr.-Ing. Angermann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp Bilstein GmbH
Original Assignee
August Bilstein GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by August Bilstein GmbH filed Critical August Bilstein GmbH
Publication of EP0733720A1 publication Critical patent/EP0733720A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • C23C28/044—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material coatings specially adapted for cutting tools or wear applications
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/34—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases more than one element being applied in more than one step

Definitions

  • the invention relates to a surface-treated piston rod for a hydraulic vibration damper with a piston which is axially displaceably guided in a damping cylinder and connected to a piston rod, the piston having pressure-dependent damping valves for an exchange of damping fluid in the tension and compression stages and the damping cylinder in two working spaces divided.
  • piston rods for hydraulic vibration dampers are exposed to strong abrasive and corrosive stresses and must also be able to withstand mechanical loads in the form of bends and surface pressures without damage throughout their service life - especially in the case of strut designs.
  • the piston rods are usually subjected to a surface treatment, which makes it possible to machine the surfaces of the high-strength and tough core material for absorbing the mechanical loads in such a way that, on the one hand, there is sufficient hardness available which enables problem-free sliding in metallic guides without mutual interference abrasive wear allows, and on the other hand ensures that there is corrosion protection that resists aggressive media such as water and salt.
  • the surface of the piston rod must have such a low roughness that a perfect seal with rubber-elastic sealing lips against the interior of the vibration damper is possible even under high pressures.
  • the areas of the piston rod near the surface starting from the core material, initially have a diffusion layer containing the precipitates of the alloy elements, a connection layer adjoining the diffusion layer and pointing towards the surface being provided with an increased nitrogen content, and the areas of the connection layer facing the surface are provided with an oxide layer, and the surface of the oxide layer has a roughness Rz of at most 0.8 ⁇ m.
  • Nitrite needles are characterized by their particular hardness and their already relatively good corrosion resistance, which, however, is improved so much by the applied oxide layer that, for example, a value of up to 240 hours of service life is achieved in a comparative salt spray test according to DIN 50021.
  • both the residual compressive stresses in the diffusion layer and the hardness in the connecting layer are influenced particularly advantageously if the connecting layer provided with an increased nitrogen content essentially has Fe 2-3 N and / or Fe 4 N compounds as iron-nitrogen compounds. This depends on the type and partial pressure of the gases used in the nitriding chamber (for example H 2 N 2 CH 4 ) and on the chemical analysis of the base or core material used.
  • a particularly effective oxide layer which is particularly resistant to corrosive media is achieved if the oxide layer consists essentially of Fe 3 O 4 coated with an excess of oxygen.
  • the oxide layer produced in this way has a particularly homogeneous appearance and, due to its uniform structure, leaves no space for shell formation or flaking even during a long period of operation.
  • a further advantageous embodiment of the surface-treated piston rod results if the connecting layer at most extends into the piston rod material to a depth of 25 ⁇ m measured from the surface and the diffusion layer at most to a depth of 1.5 mm measured from the surface.
  • the areas of the piston rod near the surface have a basic hardness of 50-70 HRC.
  • connection and diffusion layer be reduced to a low level and thus the entire nitriding process can be reduced over time, but it is also possible to interpose grinding processes, which take place before all Surface treatments preset the roughness of the surface to low values.
  • a method according to the invention which is particularly suitable for treating the surface of the piston rod according to the invention, consists in that the untreated piston rod is first hardened and then ground, and then the surface of the piston rod is subjected to a nitriding process, which involves a hardened outer connecting layer and creates an underlying diffusion layer, and that ultimately the nitrided surface of the piston rod is subjected to an oxidation.
  • a pre-setting of the roughness is achieved by the hardening carried out first and the subsequent fine grinding, which leads to the fact that the subsequent nitriding process, which as a rule increases the roughness again, can be carried out without problems.
  • This also enables a presetting of the piston rod diameter which takes into account the fact that a slight increase in the diameter of the piston rod can take place due to the nitriding layer applied and projecting beyond the original surface.
  • the subsequently applied oxide layer does little to change the surface roughness, so that in conjunction with the presetting through the fine sanding, a safe procedure for achieving a roughness Rz is provided which is below 0.8 ⁇ m, as a rule even below 0.4 ⁇ m.
  • the piston rod is ground in such a way that the final roughness is not yet taken into account, but the increase in diameter and the prevention of breakouts in the nitrite layer are prevented by presetting the basic roughness.
  • the subsequent nitriding of the surface then causes the above-described construction of the connection layer and diffusion layer.
  • the piston rod is hardened by induction hardening, in which the piston rod is simply passed through a coil and then cooled in a water bath applied with spray nozzles.
  • induction hardening in which the piston rod is simply passed through a coil and then cooled in a water bath applied with spray nozzles.
  • the oxidation is advantageously carried out by exposing the piston rod to an overheated steam atmosphere. Due to the temperature and the high oxygen content present in the water vapor, the desired Fe 3 O 4 oxide layer covered with an excess of oxygen is easily achieved.
  • the oxidized surface is advantageously finally subjected to an embossing / polishing process.
  • embossing polishing With such an embossing polishing, the "peaks" of the surface that are still present on the roughness scale are rolled in in a simple manner.
  • the nitrided surface of the piston rod is generated by a plasma nitriding process, which is made possible by a controlled and pulsed glow discharge on the surface of the piston rod.
  • the treatment gas for example H 2 N 2 CH 4
  • the treatment gas is usually located in the interior of the nitriding chamber and can flow through the feed opening into the nitriding chamber vacuumed through the discharge opening.
  • a pulsed voltage is applied between the piston rod as the cathode and the nitriding chamber walls as the anode, which leads to a glow discharge on the surface of the piston rod.
  • the nitriding chamber is grounded via an earth connection. Due to the pulsed charge via a specially regulated voltage source, local material overheating or arc discharges are avoided.
  • the nitrides Due to the glow discharge that forms on the surface and the ionization process that takes place there, the nitrides are embedded in the areas near the surface.
  • FIG. 1 shows an enlarged section from the area near the surface of a piston rod constructed according to the invention, in which one can see the diffusion or precipitation layer 2, the connecting layer 3 and the oxide layer 4 starting from the core material or base material 1 in the direction of the surface.
  • the nitrogen or nitrite concentration is plotted, which finally builds up from the normal content of the base material 1 'through a continuous increase in the diffusion layer 2' to the desired concentration 3 'in the connection zone.
  • the edge hardness 8 resulting from the nitriding which slowly drops in the direction of the base material and sinks to about 9 in the center of the connecting layer is.
  • the basic or core hardness of the piston rod material is represented by the curve part 10.
  • FIG. 3 clearly shows the increase in surface roughness 11 resulting from the nitriding compared to the basic roughness 12 present before nitriding.
  • the ordinate 13 here shows the roughness values which were averaged from a number 14 of test samples.
  • the method according to the invention achieves a surface which provides extremely good usage properties both with regard to the corrosion attack and with a view to the reliable sealing and the properties with regard to metallic sliding guidance and storage.

Landscapes

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Abstract

Oberflächenbehandelte Kolbenstange für einen hydraulischen Schwingungsdämpfer mit einem in einem Dämpfungszylinder axial verschieblich geführten und mit einer Kolbenstange verbundenen Kolben, wobei der Kolben druckabhängige Dämpfungsventile für einen Austausch von Dämpfungsflüssigkeit in der Zug- und in der Druckstufe aufweist und den Dämpfungszylinder in zwei Arbeitsräume unterteilt, wobei die oberflächennahen Bereiche der Kolbenstange ausgehend vom Kernwerkstoff zunächst eine Diffusionsschicht aufweisen, wobei eine sich an die Diffusionsschicht anschließende und zur Oberfläche hinweisende, mit erhöhtem Stickstoffanteil versehene Verbindungsschicht vorhanden ist, und bei der die zur Oberfläche weisenden Bereiche der Verbindungsschicht mit einer Oxidschicht versehen sind, und die Oberfläche der Oxidschicht eine Rauhigkeit Rz von höchstens 0,8 µm aufweist. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft eine oberflächenbehandelte Kolbenstange für einen hydraulischen Schwingungsdämpfer mit einem in einem Dämpfungszylinder axial verschieblich geführten und mit einer Kolbenstange verbundenen Kolben, wobei der Kolben druckabhängige Dämpfungsventile für einen Austausch von Dämpfungsflüssigkeit in der Zug- und in der Druckstufe aufweist und den Dämpfungszylinder in zwei Arbeitsräume unterteilt.
  • Die Oberflächen von Kolbenstangen für hydraulische Schwingungsdämpfer sind starken abrasiven und korrosiven Beanspruchungen ausgesetzt und müssen zudem - insbesondere bei Federbeinkonstruktionen - in der Lage sein, auch mechanische Belastungen in Form von Biegungen und Flächenpressungen schadlos während der gesamten Lebensdauer zu ertragen.
  • Hierzu werden die Kolbenstangen in aller Regel einer Oberflächenbehandlung zugeführt, die es ermöglicht, die Oberflächen des zur Aufnahme der mechanischen Belastungen hochfesten und zähen Kernwerkstoffes so zu bearbeiten, daß zum einen eine genügende Härte zur Verfügung steht, die ein problemloses Gleiten in metallischen Führungen ohne gegenseitigen abrasiven Verschleiß ermöglicht, und die auf der anderen Seite gewährleistet, daß ein Korrosionsschutz vorhanden ist, der aggressiven Medien wie zum Beispiel Wasser und Salz widersteht. Zusätzlich muß die Oberfläche der Kolbenstange eine solch geringe Rauhigkeit aufweisen, daß eine einwandfreie Abdichtung mit gummielastischen Dichtlippen gegenüber dem Innenraum des Schwingungsdämpfers auch unter hohen Drücken möglich ist.
  • In aller Regel wird dies heute dadurch erreicht, daß die Kolbenstangen entweder mit einer kombinierten Härtung und Verchromung oberflächenbehandelt werden, oder aber lediglich verchromt werden und die Härte der dann etwas verdickten Chromschicht zur Verbesserung der Gleitreibungseigenschaften ausgenutzt wird. Durch die Verchromung ergibt sich gleichermaßen auch der Korrosionsschutz gegenüber aggressiven Medien.
  • Nachteilig bei den bisherigen Behandlungsweisen ist es jedoch, daß zum einen die Härtung und die Verchromung umfangreiche Vor- und Nachbearbeitungen wie Schleifen, Feinschleifen, Vorhärten, Polieren etc. erfordern, und daß zum anderen die Verchromung Rückstände in Form von galvanischen Schlämmen oder Chromresten erzeugt, die auf aufwendige Weise entsorgt oder weiterverarbeitet werden müssen. Auch entstehende Dämpfe in Chrombädern sind gefährlich und erfordern eine besondere Abschirmung des gesamten Verchromungsprozesses.
  • Es bestand also für die Erfindung die Aufgabe, eine oberflächenbehandelte Kolbenstange vorzuschlagen, welche sich in ihren Eigenschaften bezogen auf den Widerstand gegen abrasiven Verschleiß und gegen Korrosion den bisherigen im Stand der Technik vorhandenen Kolbenstangen mindestens ebenbürtig ist und welche die Vielzahl an Bearbeitungsprozessen während der Herstellung erniedrigt und gleichzeitig so aufgebaut ist, daß das gesamte Herstellungsverfahren keine umweltschädlichen Einflüsse oder Rückstände erzeugt.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruches. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
  • Gleichermaßen wird ein Verfahren bereitgestellt, welches in besonders vorteilhafter Weise zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kolbenstangen geeignet ist.
  • Hierbei weisen die oberflächennahen Bereiche der Kolbenstange ausgehend vom Kernwerkstoff zunächst eine die Ausscheidungen der Legierungselemente beinhaltende Diffusionsschicht auf, wobei eine sich an die Diffusionsschicht anschließende und zur Oberfläche hinweisende, mit erhöhtem Stickstoffanteil versehene Verbindungsschicht vorhanden ist, und wobei die zur Oberfläche weisenden Bereiche der Verbindungsschicht mit einer Oxidschicht versehen sind, und wobei die Oberfläche der Oxidschicht eine Rauhigkeit Rz von höchstens 0,8 µm aufweist.
  • Durch einen solchen Schichtaufbau in den oberflächennahen Bereichen ergibt sich zunächst in der Ausscheidungs- oder Diffusionsschicht eine hohe Festigkeit und Warmfestigkeit, welche durch Druckeigenspannungen entsteht, die wiederum durch Nitritausscheidungen der Legierungselemente verursacht werden. Die sich anschließende Verbindungsschicht mit ihren im Gefüge vorhandenen Nitritnadeln zeichnet sich durch besondere Härte und durch eine bereits relativ gute Korrosionsbeständigkeit aus, die jedoch durch die aufgelegte Oxidschicht noch so weit verbessert wird, daß zum Beispiel in einem vergleichenden Salzsprühtest nach DIN 50021 ein Wert von bis zu 240 Stunden Standzeit erreicht wird.
  • Besonders vorteilhaft werden sowohl die Druckeigenspannungen in der Diffusionsschicht als auch die Härte in der Verbindungsschicht beeinflußt, wenn die mit einem erhöhten Stickstoffanteil versehene Verbindungsschicht als Eisen-Stickstoff-Verbindungen im wesentlichen Fe2-3N und/oder Fe4N Verbindungen aufweist. Dies ist abhängig von Art und Partialdruck der in der Nitrierkammer genutzten Gase (zum Beispiel H2N2CH4) und von der chemischen Analyse des verwendeten Grund- oder Kernwerkstoffes.
  • Eine besonders wirkungsvolle und gegenüber korrosiven Medien besonders beständige Oxidschicht erreicht man, wenn die Oxidschicht im wesentlichen aus mit Sauerstoffüberschuß belegtem Fe3O4 besteht.
  • Die so erzeugte Oxidschicht weist ein besonders homogenes Erscheinungsbild auf und läßt aufgrund ihrer gleichmäßigen Struktur keinen Raum für Schalenbildung oder Abplatzungen auch während einer langen Betriebsdauer.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der oberflächenbehandelten Kolbenstange ergibt sich, wenn die Verbindungsschicht höchstens bis in eine von der Oberfläche gemessene Tiefe von 25 µm und die Diffusionsschicht höchstens bis in eine von der Oberfläche gemessene Tiefe von 1,5 mm in den Kolbenstangenwerkstoff hineinreicht.
  • Bei einer solchen Begrenzung der jeweiligen Einwirkungstiefen vermeidet man ein Abfallen der Härte in der Verbindungsschicht.
  • Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die oberflächennahen Bereiche der Kolbenstange eine Grundhärte von 50 - 70 HRC besitzen.
  • Mit einer solchen Grundhärte bzw. voreingestellten Härte des oberflächennahen Kernwerkstoffes lassen sich nicht nur die Verbindungs- und Diffusionsschicht auf ein niedriges Maß und damit das gesamte Nitrierverfahren in seinem zeitlichen Verlauf reduzieren, sondern es wird auch das Zwischenschalten von Schleifvorgängen ermöglicht, welche bereits vor Beginn aller Oberflächenbehandlungen die Rauhigkeit der Oberfläche zu niedrigen Werten voreinstellen.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren, welches in besonderer Weise geeignet ist, die Oberfläche der erfindungsgemäßen Kolbenstange zu behandeln, besteht darin, daß die unbehandelte Kolbenstange zunächst gehärtet und nachfolgend feingeschliffen wird, daß danach die Oberfläche der Kolbenstange einem Nitrierprozeß unterworfen wird, welcher eine gehärtete äußere Verbindungsschicht und eine darunterliegende Diffusionsschicht erzeugt, und daß letztlich die nitriergehärtete Oberfläche der Kolbenstange einer Oxidierung unterzogen wird.
  • Bei einer solchen Verfahrensweise wird durch die zunächst durchgeführte Härtung und den anschließenden Feinschliff eine Voreinstellung der Rauhigkeit erreicht, die dazu führt, daß das nachfolgende Nitrierverfahren, welches in aller Regel wieder die Rauhigkeit erhöht, problemlos durchzuführen ist. Auch wird hierdurch eine Voreinstellung des Kolbenstangendurchmessers ermöglicht, die der Tatsache Rechnung trägt, daß durch die aufgebrachte und über die Ursprungsoberfläche hinausstehende Nitrierschicht eine leichte Vergrößerung des Durchmessers der Kolbenstange stattfinden kann. Die anschließend aufgebrachte Oxidschicht trägt wenig zur Änderung der Oberflächenrauhigkeit bei, so daß im Zusammenspiel mit der Voreinstellung durch den Feinschliff hier eine sichere Verfahrensweise für das Erreichen einer Rauhigkeit Rz bereitgestellt wird, welche unterhalb von 0,8 µm, im Regelfall sogar unter 0,4 µm liegt.
  • Ein gleichermaßen vorteilhaftes Verfahren ergibt sich, wenn die unbehandelte Kolbenstange zunächst gehärtet und nachfolgend geschliffen wird, und danach die Oberfläche der Kolbenstange einem Nitrierprozeß unterworfen wird, welcher eine gehärtete äußere Verbindungsschicht und eine darunterliegende Diffusionsschicht erzeugt, und daß letztlich die nitriergehärtete Oberfläche der Kolbenstange zunächst einem weiteren Feinschliff und anschließend einer Oxidierung unterzogen wird.
  • Trotz der im Stand der Technik bestehenden Sicht, daß nämlich nitrierte Flächen nicht mehr geschliffen werden sollen, weil es aufgrund der hohen Härte zu ausgebrochenen Stellen und mikroskopisch feinen Aufreißungen kommen kann, läßt das hier offenbarte Verfahren einen Feinschliff der Nitrierschicht bzw. der Verbindungsschicht zu, ohne daß es zu den gefürchteten Erhöhungen der Rauhigkeit kommt.
  • Nach der zunächst erfolgenden Härtung wird die Kolbenstange demnach in einer Weise geschliffen, daß noch nicht der endgültigen Rauhigkeit Rechnung getragen wird, jedoch schon die Durchmesservergrößerung und das Verhindern von Ausbrüchen in der Nitritschicht durch eine Voreinstellung der Grundrauhigkeit verhindert wird. Die danach erfolgende Nitrierung der Oberfläche bewirkt dann den bereits geschilderten Aufbau von Verbindungsschicht und Diffusionsschicht.
  • Mit dem vorbereitenden Schliff der Oberfläche ergibt sich nun die Möglichkeit eines Feinschliffes der nitrierten Verbindungsschicht, ohne daß Ausbrüche aufgrund der hohen Härte entstehen können. Verhindert wird dies durch die voreingestellte Grundrauhigkeit in der Weise, daß die relativ niedrigen "Spitzen und Täler" des im Rauhigkeitsmaßstab dargestellten Oberflächenprofiles durch die Feinschliffkräfte in ihrem jeweiligen Grundprofil nicht über ihre Festigkeitsgrenzen beansprucht werden.
  • Die nachfolgende Oxidierung ergibt dann in Kombination mit dem gesamten vorbereitenden Behandlungsverfahren eine sehr geringe Rauhigkeit und gleichzeitig eine ausgezeichnete Härte und Korrosionsfestigkeit.
  • In einer vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens erfolgt die Härtung der Kolbenstange durch eine Induktionshärtung, bei der in einfacher Weise die Kolbenstange durch eine Spule geführt und danach in einem mit Sprühdüsen aufgebrachten Wasserbad abgekühlt wird. Hierdurch läßt sich eine relativ schnelle Härtung durchführen, und der apparative Aufwand ist von den Kosten und vom Raumbedarf her in sehr engen Grenzen zu halten.
  • Die Oxidation erfolgt vorteilhafterweise dadurch, daß man die Kolbenstange einer überhitzten Wasserdampfatmosphäre aussetzt. Durch die Temperatur und die im Wasserdampf vorhandenen hohen Sauerstoffanteile erreicht man auf einfache Weise die gewünschte mit Sauerstoffüberschuß belegte Fe3O4-Oxidschicht.
  • In den Fällen, in denen außergewöhnliche Anforderungen an die Oberflächenstruktur gestellt werden, d.h. falls besonders geringe Rauhigkeitswerte erreicht werden sollen, wird die oxidierte Oberfläche vorteilhafterweise abschließend einem Prägepolierverfahren unterzogen. Durch ein solches Prägepolieren werden auf einfache Weise die im Rauhigkeitsmaßstab noch vorhandenen "Spitzen" der Oberfläche eingewalzt.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausprägung wird die nitriergehärtete Oberfläche der Kolbenstange durch einen Plasma-Nitrierprozeß erzeugt, welcher durch eine kontrollierte und gepulste Glimmentladung auf der Kolbenstangenoberfläche ermöglicht wird.
  • Hierdurch läßt sich eine besonders gleichmäßige und einen kontrollierten Nitriteintrag aufweisende Verbindungsschicht aufbauen.
  • Beim Plasma-Nitrieren befindet sich üblicherweise im Inneren der Nitrierkammer das Behandlungsgas (zum Beispiel H2N2CH4), welches durch die Zufuhröffnung in die durch die Abfuhröffnung vakuumisierte Nitrierkammer einströmen kann.
  • Mit Hilfe von Anschlußleitungen wird zwischen der Kolbenstange als Kathode und den Nitrierkammerwandungen als Anode eine impulsförmige Spannung angelegt, die zu einer Glimmentladung auf der Oberfläche der Kolbenstange führt. Die Nitrierkammer ist über einen Erdungsanschluß geerdet. Durch die pulsförmige Ladung über eine besonders geregelte Spannungsquelle werden lokale Werkstoffüberhitzungen oder Bogenentladungen vermieden.
  • Durch die sich auf der Oberfläche ausbildende Glimmentladung und dort stattfindenden Ionisationsprozeß werden die Nitride in den oberflächennahen Bereichen eingelagert.
  • Anhand eines Ausführungsbeispieles wird die Erfindung näher erläutert.
  • Es zeigen
    • Fig. 1
    eine Prinzipskizze des Oberflächenaufbaus einer erfindungsgemäßen oberflächenbehandelten Kolbenstange
    Fig. 2
    das Diagramm eines Härteverlaufes über die oberflächennahen Bereiche einer erfindungsgemäß behandelten Kolbenstange
    Fig. 3
    die durch das Nitrieren entstandene Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit
    Fig. 4
    die durch das erfindungsgemäße Verfahren erreichte Oberflächenrauhigkeit.
  • In der Fig. 1 ist ein vergrößerter Ausschnitt aus dem oberflächennahen Bereich einer erfindungsgemäß aufgebauten Kolbenstange gezeigt, in welchem man ausgehend vom Kernwerkstoff bzw. Grundwerkstoff 1 in Richtung auf die Oberfläche die Diffusions- oder Ausscheidungsschicht 2, die Verbindungsschicht 3 und die Oxidschicht 4 erkennt.
  • Neben dem Ausschnitt und im Maßstab des Schichtaufbaus ist die Stickstoff- bzw. Nitritkonzentration aufgetragen, die sich von dem normalen Gehalt des Grundwerkstoffes 1' über eine kontinuierliche Zunahme in der Diffusionsschicht 2' schließlich bis in die gewünschte Konzentration 3' in der Verbindungszone aufbaut.
  • Die Fig. 2 zeigt den zu einem derartigen Schichtaufbau gehörigen Härteverlauf anhand der Härtekurve 5, welche in einem Diagramm aufgetragen ist, das als Ordinate die Härte 6 und als Abszisse den Randabstand 7 beinhaltet. Die Nullage der Abbisse 7 stellt dabei die Oberfläche der Kolbenstange dar.
  • Man erkennt die durch die Nitrierung entstehende Randhärte 8, die in Richtung auf den Grundwerkstoff langsam abfällt und im Zentrum der Verbindungsschicht etwa auf den Wert 9 abgesunken ist. Die Grund- oder Kernhärte des Kolbenstangenwerkstoffes wird durch den Kurventeil 10 dargestellt.
  • Die Fig. 3 zeigt in anschaulicher Weise die durch das Nitrieren entstehende Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit 11 im Vergleich zur vor der Nitrierung vorhandenen Grundrauhigkeit 12. Die Ordinate 13 zeigt hier die Rauhigkeitswerte, welche aus einer Anzahl 14 von Versuchsmustern gemittelt wurden.
  • Die Fig. 4 zeigt nun die erfindungsgemäße Behandlung der Kolbenstangenoberfläche, bei der eine Anzahl 14' von Versuchsmustern geprüft wurde. Die Kurve 15 stellt hierbei die gemittelten Werte nach Abschluß der Oberflächenbehandlung dar, während die Kurve 16 den Zustand vor der Nitrierung beschreibt. Auf der Ordinate 13 ist wiederum die Oberflächenrauhigkeit aufgetragen.
  • Man erkennt hier deutlich, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Oberfläche erreicht wird, die sowohl in Bezug auf den Korrosionsangriff als auch mit Blick auf die sichere Abdichtung und die Eigenschaften in Bezug auf metallisch gleitende Führung und Lagerung ausgesprochen gute Verwendungseigenschaften bereitstellt.
    • Oberflächenbehandelte Kolbenstange Bezugszeichenliste
    • 1
    Kernwerkstoff der Kolbenstange
    1'
    Relative Nitritkonzentration des Grundwerkstoffes
    2
    Diffusionsschicht
    2'
    Relative Nitritkonzentration der Diffusionsschicht
    3
    Verbindungsschicht
    3'
    Relative Nitritkonzentration der Verbindungsschicht
    4
    Oxidschicht
    5
    Härtekurve, Härteverlauf abhängig vom Abstand zur Oberfläche
    6
    Härte (Ordinate)
    7
    Randabstand
    8
    Randhärte
    9
    Härte der Verbindungsschicht
    10
    Kernhärte
    11
    Oberflächenrauhigkeit
    12
    Grundrauhigkeit
    13
    Rauhigkeit (Ordinate)
    14
    Anzahl der Versuchsmuster
    15,16
    Rauhigkeitskurven

Claims (11)

  1. Oberflächenbehandelte Kolbenstange für einen hydraulischen Schwingungsdämpfer mit einem in einem Dämpfungszylinder axial verschieblich geführten und mit einer Kolbenstange verbundenen Kolben, wobei der Kolben Ventile für einen Austausch von Dämpfungsflüssigkeit in der Zug- und in der Druckstufe aufweist und den Dämpfungszylinder in zwei Arbeitsräume unterteilt,
    dadurch gekennzeichnet ,
    daß die oberflächennahen Bereiche der Kolbenstange ausgehend vom Kernwerkstoff (1) zunächst eine Diffusionsschicht (2) aufweisen, wobei eine sich an die Diffusionsschicht anschließende und zur Oberfläche hinweisende, mit erhöhtem Stickstoffanteil versehene Verbindungsschicht (3) vorhanden ist, und bei der die zur Oberfläche weisenden Bereiche der Verbindungsschicht mit einer Oxidschicht (4) versehen sind, und die Oberfläche der Oxidschicht eine Rauhigkeit Rz von höchstens 0,8 µm aufweist.
  2. Oberflächenbehandelte Kolbenstange nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet ,
    daß die mit einem erhöhten Stickstoffanteil versehene Verbindungsschicht (3) als Eisen-Stickstoff-Verbindungen im wesentlichen Fe2-3N und/oder Fe4N Verbindungen aufweist.
  3. Oberflächenbehandelte Kolbenstange nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet ,
    daß die Oxidschicht (4) im wesentlichen aus mit Sauerstoffüberschuß belegtem Fe3O4 besteht.
  4. Oberflächenbehandelte Kolbenstange nach Anspruch 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet ,
    daß die Verbindungsschicht (3) höchstens bis in eine von der Oberfläche gemessene Tiefe von 25 µm und die Diffusionsschicht (2) höchstens bis in eine von der Oberfläche gemessene Tiefe von 1,5 mm in den Kolbenstangenwerkstoff hineinreicht.
  5. Oberflächenbehandelte Kolbenstange nach Anspruch 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet ,
    daß die oberflächennahen Bereiche der Kolbenstange eine Grundhärte von 50 - 70 HRC besitzen.
  6. Verfahren zur Herstellung einer oberflächenbehandelten Kolbenstange für einen hydraulischen Schwingungsdämpfer mit einem in einem Dämpfungszylinder axial verschieblich geführten und mit einer Kolbenstange verbundenen Kolben nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet ,
    daß die unbehandelte Kolbenstange zunächst gehärtet und nachfolgend feingeschliffen wird, daß danach die Oberfläche der Kolbenstange einem Nitrierprozeß unterworfen wird, welcher eine gehärtete äußere Verbindungsschicht (3) und eine darunterliegende Diffusionsschicht (2) erzeugt, und daß letztlich die nitriergehärtete Oberfläche der Kolbenstange einer Oxidierung unterzogen wird.
  7. Verfahren zur Herstellung einer oberflächenbehandelten Kolbenstange für einen hydraulischen Schwingungsdämpfer mit einem in einem Dämpfungszylinder axial verschieblich geführten und mit einer Kolbenstange verbundenen Kolben nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet ,
    daß die unbehandelte Kolbenstange zunächst gehärtet und nachfolgend geschliffen wird, daß danach die Oberfläche der Kolbenstange einem Nitrierprozeß unterworfen wird, welcher eine gehärtete äußere Verbindungsschicht (3) und eine darunterliegende Diffusionsschicht (2) erzeugt, und daß letztlich die nitriergehärtete Oberfläche der Kolbenstange zunächst einem weiteren Feinschliff und anschließend einer Oxidierung unterzogen wird.
  8. Verfahren zur Herstellung einer oberflächenbehandelten Kolbenstange gemäß Anspruch 6 oder 7,
    dadurch gekennzeichnet ,
    daß die unbehandelten Kolbenstangen zunächst einer Induktionshärtung unterzogen werden.
  9. Verfahren zur Herstellung einer oberflächenbehandelten Kolbenstange nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet ,
    daß die Oxidierung dadurch erfolgt, daß die Kolbenstangenoberfläche überhitztem Wasserdampf ausgesetzt wird.
  10. Verfahren zur Herstellung einer oberflächenbehandelten Kolbenstange nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet ,
    daß im Anschluß an die Oxidierung die Kolbenstangenoberfläche einem Prägepolieren unterzogen wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 6 oder 10,
    dadurch gekennzeichnet ,
    daß die nitriergehärtete Oberfläche der Kolbenstange durch einen Plasma-Nitrierprozeß erzeugt wird, welcher durch eine kontrollierte und gepulste Glimmentladung auf der Kolbenstangenoberfläche erfolgt.
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