EP0733720A1 - Surface treated piston - 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
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- treated
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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
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- 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.
Abstract
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.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.
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.The surfaces of 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.
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.For this purpose, 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. In addition 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.
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.As a rule, this is achieved today by either treating the piston rods with a combined hardening and chromium plating, or simply chroming them and using the hardness of the then somewhat thickened chromium layer to improve the sliding friction properties. The chrome plating also provides corrosion protection against aggressive media.
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.However, it is disadvantageous with the previous treatment methods that, on the one hand, the hardening and chrome plating require extensive preparatory and post-processing such as grinding, fine grinding, pre-hardening, polishing etc. that have to be disposed of or processed in a complex manner. Vapors generated in chrome baths are also dangerous and require special screening of the entire chrome plating process.
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.It was therefore an object of the invention to propose a surface-treated piston rod which, in terms of its properties in terms of resistance to abrasive wear and corrosion, is at least on a par with the previous piston rods available in the prior art and which has the large number of machining processes during manufacture is reduced and at the same time is constructed in such a way that the entire manufacturing process produces no environmentally harmful influences or residues.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruches. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten.The task is solved by the features of the main claim. Advantageous further developments are contained in the subclaims.
Gleichermaßen wird ein Verfahren bereitgestellt, welches in besonders vorteilhafter Weise zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kolbenstangen geeignet ist.At the same time, a method is provided which is particularly advantageously suitable for producing the piston rods according to the invention.
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.Here, 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 μm.
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.Such a layer structure in the areas near the surface initially results in a high strength and heat resistance in the precipitation or diffusion layer, which arises from residual compressive stresses, which in turn are caused by nitrite deposits in the alloying elements. The subsequent connection layer with its existing structure 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.
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.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.
Eine besonders wirkungsvolle und gegenüber korrosiven Medien besonders beständige Oxidschicht erreicht man, wenn die Oxidschicht im wesentlichen aus mit Sauerstoffüberschuß belegtem Fe3O4 besteht.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.
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.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.
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.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 μm measured from the surface and the diffusion layer at most to a depth of 1.5 mm measured from the surface.
Bei einer solchen Begrenzung der jeweiligen Einwirkungstiefen vermeidet man ein Abfallen der Härte in der Verbindungsschicht.With such a limitation of the respective exposure depths, a decrease in the hardness in the connecting layer is avoided.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die oberflächennahen Bereiche der Kolbenstange eine Grundhärte von 50 - 70 HRC besitzen.It is also advantageous if the areas of the piston rod near the surface have a basic hardness of 50-70 HRC.
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.With such a basic hardness or preset hardness of the near-surface core material, not only can the 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.
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.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.
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.In such a procedure, 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 μm, as a rule even below 0.4 µm.
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.An equally advantageous method results if 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 produces a hardened outer connecting layer and an underlying diffusion layer, and that ultimately the nitrided surface of the piston rod is initially one further fine-tuning and then subjected to an oxidation.
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.Despite the view existing in the prior art that nitrided surfaces should no longer be ground, because broken areas and microscopic tears can occur due to the high hardness, this is what is disclosed here Process a fine sanding of the nitride layer or the connecting layer without causing the feared increases in roughness.
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.After the initial hardening, 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.
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.With the preparatory sanding of the surface, there is now the possibility of a fine sanding of the nitrided connecting layer without chipping due to the high hardness. This is prevented by the preset basic roughness in such a way that the relatively low "peaks and valleys" of the surface profile shown on the roughness scale are not stressed beyond their strength limits by the fine grinding forces in their respective basic profile.
Die nachfolgende Oxidierung ergibt dann in Kombination mit dem gesamten vorbereitenden Behandlungsverfahren eine sehr geringe Rauhigkeit und gleichzeitig eine ausgezeichnete Härte und Korrosionsfestigkeit.The subsequent oxidation in combination with the entire preparatory treatment process then results in very low roughness and at the same time excellent hardness and corrosion resistance.
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.In an advantageous embodiment of the method, 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. As a result, a relatively quick hardening can be carried out, and the cost of the equipment and the space required are kept within very narrow limits.
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.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.
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 cases where there are exceptional requirements for the surface structure, i.e. if particularly low roughness values are to be achieved, the oxidized surface is advantageously finally subjected to an embossing / polishing process. 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.
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.In a particularly advantageous embodiment, 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.
Hierdurch läßt sich eine besonders gleichmäßige und einen kontrollierten Nitriteintrag aufweisende Verbindungsschicht aufbauen.In this way, a particularly uniform connecting layer with a controlled nitrite input can be built up.
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.In the case of plasma nitriding, the treatment gas (for example H 2 N 2 CH 4 ) 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.
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.With the help of connecting lines, 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.
Durch die sich auf der Oberfläche ausbildende Glimmentladung und dort stattfindenden Ionisationsprozeß werden die Nitride in den oberflächennahen Bereichen eingelagert.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.
Anhand eines Ausführungsbeispieles wird die Erfindung näher erläutert.The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment.
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.
- Fig. 1
- a schematic diagram of the surface structure of a surface-treated piston rod according to the invention
- Fig. 2
- the diagram of a hardness curve over the near-surface areas of a piston rod treated according to the invention
- Fig. 3
- the increase in surface roughness caused by nitriding
- Fig. 4
- the surface roughness achieved by the method according to the invention.
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.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
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.In addition to the cutout and the scale of the layer structure, 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.
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.2 shows the hardness curve associated with such a layer structure on the basis of the
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.One can see 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
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.FIG. 3 clearly shows the increase in
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.4 now shows the treatment of the piston rod surface according to the invention, in which a
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.It can clearly be seen here that 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.
- 11
- Kernwerkstoff der KolbenstangeCore material of the piston rod
- 1'1'
- Relative Nitritkonzentration des GrundwerkstoffesRelative nitrite concentration of the base material
- 22nd
- DiffusionsschichtDiffusion layer
- 2'2 '
- Relative Nitritkonzentration der DiffusionsschichtRelative nitrite concentration of the diffusion layer
- 33rd
- VerbindungsschichtLink layer
- 3'3 '
- Relative Nitritkonzentration der VerbindungsschichtRelative nitrite concentration of the compound layer
- 44th
- OxidschichtOxide layer
- 55
- Härtekurve, Härteverlauf abhängig vom Abstand zur OberflächeHardness curve, hardness curve depending on the distance to the surface
- 66
- Härte (Ordinate)Hardness (ordinate)
- 77
- RandabstandEdge distance
- 88th
- RandhärteHardness
- 99
- Härte der VerbindungsschichtHardness of the connection layer
- 1010th
- KernhärteCore hardness
- 1111
- OberflächenrauhigkeitSurface roughness
- 1212th
- GrundrauhigkeitBasic roughness
- 1313
- Rauhigkeit (Ordinate)Roughness (ordinate)
- 1414
- Anzahl der VersuchsmusterNumber of test samples
- 15,1615.16
- RauhigkeitskurvenRoughness curves
Claims (11)
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.Surface-treated piston rod for a hydraulic vibration damper with a piston axially displaceably guided in a damping cylinder and connected to a piston rod, the piston having valves for an exchange of damping fluid in the rebound and in the compression stage and dividing the damping cylinder into two working spaces,
characterized ,
that the areas of the piston rod near the surface, starting from the core material (1), initially have a diffusion layer (2), a connecting layer (3) which adjoins the diffusion layer and points to the surface and which has an increased nitrogen content, and in which the layer facing the surface is present Regions of the connecting layer are provided with an oxide layer (4), and the surface of the oxide layer has a roughness Rz of at most 0.8 μm.
dadurch gekennzeichnet ,
daß die mit einem erhöhten Stickstoffanteil versehene Verbindungsschicht (3) als Eisen-Stickstoff-Verbindungen im wesentlichen Fe2-3N und/oder Fe4N Verbindungen aufweist.Surface-treated piston rod according to claim 1,
characterized ,
that the compound layer (3) provided with an increased nitrogen content essentially has Fe 2-3 N and / or Fe 4 N compounds as iron-nitrogen compounds.
dadurch gekennzeichnet ,
daß die Oxidschicht (4) im wesentlichen aus mit Sauerstoffüberschuß belegtem Fe3O4 besteht.Surface-treated piston rod according to claim 1 or 2,
characterized ,
that the oxide layer (4) consists essentially of Fe 3 O 4 coated with an excess of oxygen.
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.Surface-treated piston rod according to claims 1 to 3,
characterized ,
that the connecting layer (3) extends into the piston rod material at most to a depth of 25 .mu.m measured from the surface and the diffusion layer (2) at most to a depth of 1.5 mm measured from the surface.
dadurch gekennzeichnet ,
daß die oberflächennahen Bereiche der Kolbenstange eine Grundhärte von 50 - 70 HRC besitzen.Surface-treated piston rod according to claims 1 to 4,
characterized ,
that the near-surface areas of the piston rod have a basic hardness of 50 - 70 HRC.
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.Method for producing a surface-treated piston rod for a hydraulic vibration damper with a piston according to claim 1, which is axially displaceably guided in a damping cylinder and connected to a piston rod,
characterized ,
that the untreated piston rod is first hardened and then finely ground, that the surface of the piston rod is then subjected to a nitriding process, which produces a hardened outer connecting layer (3) and an underlying diffusion layer (2), and that the nitrided surface of the piston rod is ultimately subjected to oxidation becomes.
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.Method for producing a surface-treated piston rod for a hydraulic vibration damper with a piston according to claim 1, which is axially displaceably guided in a damping cylinder and connected to a piston rod,
characterized ,
that the untreated piston rod is first hardened and then ground, that the surface of the piston rod is then subjected to a nitriding process, which produces a hardened outer connecting layer (3) and an underlying diffusion layer (2), and that ultimately the nitrided surface of the piston rod is first another Fine grinding and then subjected to an oxidation.
dadurch gekennzeichnet ,
daß die unbehandelten Kolbenstangen zunächst einer Induktionshärtung unterzogen werden.A method of manufacturing a surface-treated piston rod according to claim 6 or 7,
characterized ,
that the untreated piston rods are first subjected to induction hardening.
dadurch gekennzeichnet ,
daß die Oxidierung dadurch erfolgt, daß die Kolbenstangenoberfläche überhitztem Wasserdampf ausgesetzt wird.Method for producing a surface-treated piston rod according to one of claims 6 to 8,
characterized ,
that the oxidation occurs by exposing the piston rod surface to superheated steam.
dadurch gekennzeichnet ,
daß im Anschluß an die Oxidierung die Kolbenstangenoberfläche einem Prägepolieren unterzogen wird.Method for producing a surface-treated piston rod according to one of claims 6 to 9,
characterized ,
that after the oxidation, the piston rod surface is subjected to an embossing polishing.
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.A method according to claim 6 or 10,
characterized ,
that the nitrided surface of the piston rod is generated by a plasma nitriding process, which takes place through a controlled and pulsed glow discharge on the piston rod surface.
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