EP0985739A1 - Verfahren zum Härten von Kolbenkronen und Kolbenkrone - Google Patents

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    • F05C2201/0448—Steel

Definitions

  • the invention relates to a method for hardening at least a portion of the surface of steel piston crowns and a steel piston crown, in particular for Large diesel engines.
  • Piston systems are essential components of large diesel engines, such as those used be used in the type of ship and in the power plant industry. Because of that too Large engines are constantly stricter exhaust emissions limits the piston system of paramount importance, since here with regard to temperature stress, force and wear extreme conditions prevail. Pistons of modern high-performance diesel engines therefore mainly consist of several components around the to take different requirements into account.
  • the piston crown, the top one, the Combustion chamber represents opposite element and the whole Passes through the combustion process, forms the most vulnerable part in such System.
  • Piston crowns are made of a special steel and are usually exchangeable after reaching the wear limit.
  • the object of the invention is therefore a method for hardening at least one Partial area of the surface of piston crowns made of steel, in particular the piston ring grooves, to provide, which the previously used procedures with regard to Wear resistance is superior.
  • Nitriding as such is a well known technical process to remove metals from the surface to harden and thereby improve wear behavior.
  • Process according to the invention all previous processes both in technical and in is clearly superior in terms of cost.
  • Nitriding does not only result in one increased wear resistance in the groove area, but also causes a higher resistance against hot corrosion and pitting (hole formation due to micro movements).
  • the following A comparison shows that nitriding has brought about decisive improvements are not limited to the groove area, but at the same time have a higher resistance have brought in both the mechanical and chemical sectors.
  • nitriding is carried out in a nitrogen atmosphere.
  • a pore hem is preferably used from the outside inwards Connection zone and a diffusion zone formed.
  • the pore hem preferably has a hardness of 58 to 60 Rockwell.
  • the connection zone has preferably a hardness of 78 to 82 Rockwell, and the diffusion zone preferably one Hardness from 60 to 65 Rockwell.
  • mating surfaces of the piston crown are used for the fixed connection serve other parts of the piston system, ground after nitriding.
  • the pore hem zone is removed during grinding.
  • the groove inner surfaces from piston ring receiving grooves not be ground after nitriding.
  • the invention also relates to a piston crown made of steel, in particular for Large diesel engines, which according to the invention are characterized in that at least one Part of the surface of the piston crown is hardened by nitriding.
  • the surface is preferably hardened in a nitrogen atmosphere. It can be provided that the hardened surface, from the outside in, a pore hem, a Connection zone and a diffusion zone.
  • the pore hem can have a hardness of 58 to 60 Rockwell, the connection zone a hardness of 78 to 82 Rockwell and the diffusion zone have a hardness of 60 to 65 Rockwell.
  • mating surfaces that are used for the fixed connection with other Piston parts serve, after nitriding are ground. It is preferably provided that the pore hem is worn.
  • Groove inner surfaces of piston ring receiving grooves are preferably not after hardening ground.
  • Fig. 1 shows in a highly schematic manner in half section one designated overall by 1 Piston, whose area facing the combustion chamber is formed by a piston crown 2 which is shown with solid lines.
  • the piston crown 2 is on its outer surface interacting with the cylinder running surface provided with a row (in the present example three) piston ring grooves 3, which in known Way to accommodate piston rings.
  • the piston rings to be used show both in relation to the respective groove base (i.e. in the radial direction) as well a certain amount of play in relation to the groove side surfaces (i.e. in the axial direction).
  • Level mating surfaces 4 serve to connect the Piston crown 2 with the remaining part of the piston 1 and in particular for transferring the considerable axial forces during the combustion phase. Because of the Large diesel engines are used in high compression ratios mentioned mating surfaces next to the piston ring grooves the most mechanical Surfaces of the piston crown 2 exposed to wear.
  • Fig. 2 shows a 6.5 times enlarged representation of the nitrided according to the invention Structure in the area of the piston ring grooves.
  • the free cross section of the groove and the outside of the Piston crown lying area (top in Fig. 2) are shown in black during the Material of the piston crown in the hardened edge areas a three-layer structure reveals.
  • the diffusion zone 7 closes, in Fig. 2, just as a line running around the outermost edge of the material recognizable, an edge zone 8, the structure of which will be explained in detail.
  • FIG. 3 shows a further metallographic structural representation of a device according to the invention hardened edge area of a piston crown in a hundredfold magnification, i.e. across from Fig. 2 enlarged about 15 times, the relatively light core structure 6, the relatively dark Diffusion zone 7 and the bright edge zone 8 are now clearly recognizable.
  • FIGS Micrographs shown in 500x magnification. Because of the strong The core structure is missing in FIGS. 4 and 5, while the diffusion zone 7 (respectively below) and the bright edge zone 8 above it can be clearly seen.
  • the edge zone 8 has a two-layer structure, namely initially adjacent to the diffusion zone 7, a so-called connection zone 8a and one a slightly darker outermost zone lying above, which is referred to as pore hem 8b. Pore border 8b and connection zone 8a are also shown in FIG. 4 by an intermediate one running dark line visibly demarcated from each other.
  • the brittle pore hem 8b which is up to 20 ⁇ m thick, has a hardness of approximately 58 to 60 Rockwell on.
  • the connecting zone 8a with a thickness of approximately 6 to 10 ⁇ m has a hardness of approximately 78 to 82 Rockwell.
  • the underlying diffusion zone which is a much greater thickness than has the two aforementioned zones, has a hardness of about 60 to 65 Rockwell.
  • the Diffusion zone hardness increases with increasing thickness or distance from the surface from, since the effect of nitriding due to the diffusion processes that control it the depth decreases.
  • the core hardness of the piston crown material is in this example 290 HV 10.
  • the mating surfaces 4 must be in order to produce the required fit tolerances Hardness be ground.

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Abstract

Verfahren zum Härten zumindest eine Teilbereichs der Oberfläche von Kolbenkronen aus Stahl, und entsprechend hergestellte Kolbenkrone aus Stahl, insbesondere für Großdieselmotoren, wobei das Härten durch Nitrieren erfolgt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten zumindest eines Teilbereichs der Oberfläche von Kolbenkronen aus Stahl sowie eine Kolbenkrone aus Stahl, insbesondere für Großdieselmotoren.
Kolbensysteme sind wesentliche Bestandteile von Großdieselmotoren, wie sie beispielsweise in der Schiffart und der Kraftwerksindustrie eingesetzt werden. Aufgrund der auch für Großmotoren ständig schärfer werdenden Abgasgrenzwerte kommt dem Kolbensystem eine überragende Bedeutung zu, da hier hinsichtlich Temperaturbeanspruchung, Krafteinwirkung und Verschleiß extreme Verhältnisse herrschen. Kolben moderner Hochleistungs-Dieselmotoren bestehen daher überwiegend aus mehreren Komponenten, um den unterschiedlichen Anforderungen Rechnung zu tragen. Die Kolbenkrone, die das oberste, dem Verbrennungsraum gegenüberliegende Element darstellt und den gesamten Verbrennungsablauf durchläuft, bildet das am meisten gefährdete Teil in einem solchen System. Kolbenkronen werden aus einem besonderen Stahl gefertigt und sind in der Regel nach Erreichen der Verschleißgrenze auswechselbar.
Eine besondere Rolle spielt hier die Abdichtung gegen den von oben auf die Kolbenkrone einwirkenden Verbrennungsdruck. Dies geschieht durch Kolbenringe, die im seitlichen Teil eines Kolbens in Kolbenringnuten sitzen und den Brennraum nach unten gegen das Kurbelgehäuse abdichten. Ein großes Problem in diesem Bereich ist die Lebensdauer der Kolbenringnuten. Diese bestimmt sehr stark die Wartungsintervalle und damit Betriebskosten und Betriebssicherheit des Systems.
Erschwerend kommt hinzu, daß Großdieselmotoren überwiegend mit Schweröl betrieben werden, was die bereits recht hohe Belastung der Motorenteile und insbesondere des Kolbensystems weiter erhöht. Außerdem ist in den letzten Jahren aufgrund der verfeinerten Raffinerietechniken die Qualität des Schweröls ständig gesunken, was wiederum den Verschleiß weiter beschleunigt.
Zur Verlängerung der Betriebslebensdauer werden Kolbenkronen und insbesondere deren Kolbenringnuten gehärtet, und zwar entweder induktiv oder durch Verchromen. Die induktive Härtung ergibt ein mittleres Verschleißverhalten, während eine Verchromung ein recht gutes Verschleißverhalten ergibt. Obwohl das Verchromen inzwischen weithin angewendet wird, wenn auch aus Kostengründen nicht überall, bleiben dennoch einige prinzipbedingte Nachteile hinsichtlich Fertigung und Dauerhaftigkeit einer Verchromung (beispielsweise können Chromschichten zum Abplatzen neigen).
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zum Härten zumindest eines Teilbereichs der Oberfläche von Kolbenkronen aus Stahl, insbesondere der Kolbenringnuten, bereitzustellen, das den bisher angewendeten Verfahren hinsichtlich der Verschleißbeständigkeit überlegen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Härten durch Nitrieren erfolgt. Nitrieren als solches ist ein bekanntes technisches Verfahren, um Metalle an der Oberfläche zu härten und dadurch das Verschleißverhalten zu verbessern. Überraschenderweise wurde herausgefunden, daß sich gerade der durch Nitrieren erzielbare Materialaufbau innerhalb der gehärteten Oberflächenschicht in geradezu optimaler Weise für die unterschiedlichen Beanspruchungsarten an Kolbenkronen eignet. Versuche haben gezeigt, daß das erfindungsgemäße Verfahren allen bisherigen Verfahren sowohl in technischer als auch in kostenmäßiger Hinsicht deutlich überlegen ist. Die Nitrierung führt nicht nur zu einer erhöhten Verschleißfestigkeit im Nutbereich, sondern bewirkt auch einen höheren Widerstand gegen Heißkorrosion und Pitting (Lochbildung durch Mikrobewegungen). Die folgende Gegenüberstellung zeigt, daß das Nitrieren entscheidende Verbesserungen erbracht hat, die sich nicht nur aufden Nutenbereich beschränken, sondern gleichzeitig eine höhere Resistenz sowohl auf dem mechanischen wie auf dem chemischen Sektor gebracht haben.
Lebensdauer und Verschleiß unterschiedlich behandelter Kronentypen
Kolbenkrone Verschleiß Nuten Oberfläche Heißkorrosion Widerstand gegen chemische Korrosion Paßflächen; Widerstand gegen Reibungskorrosion
Krone # 1 Keine besondere Behandlung Hoch Starker Verschleiß u. Lochbildung Niedrig Niedrig
Krone # 2 Nutenbereich induktiv gehärtet Relativ hoch, nur bedingt im Schweröl-Betrieb einsetzbar Dto. Niedrig Niedrig
Krone # 3 Nutenbereich verchromt Niedrig, Kosten relativ hoch, Gefahr des Abplatzens der Chromschicht Dto. Niedrig Niedrig
Krone # 4 Nitriert Sehr niedrig, ca. 50% des Verschleißes einer verchromten Nut Erhöhter Widerstand gegen Heißkorrosion Gut Hoch wegen größerer Härte der Flächen
Erfindungsgemäß ist bevorzugt vorgesehen, daß in einer Stickstoffatmosphäre nitriert wird.
Vorzugsweise werden beim Härten, von außen nach innen, ein Porensaum, eine Verbindungszone und eine Diffusionszone gebildet.
Bevorzugt hat der Porensaum eine Härte von 58 bis 60 Rockwell. Die Verbindungszone hat vorzugsweise eine Härte von 78 bis 82 Rockwell, und die Diffusionszone bevorzugt eine Härte von 60 bis 65 Rockwell.
Zweckmäßigerweise werden Paßflächen der Kolbenkrone, die zur festen Verbindung mit weiteren Teilen des Kolbensystems dienen, nach dem Nitrieren geschliffen. Vorzugsweise wird beim Schleifen die Porensaumzone abgetragen.
Bevorzugt ist vorgesehen, daß die Nutinnenflächen von Kolbenring-Aufnahmenuten nach dem Nitrieren nicht geschliffen werden.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Kolbenkrone aus Stahl, insbesondere für Großdieselmotren, die sich erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teilbereich der Oberfläche der Kolbenkrone durch Nitrieren gehärtet ist.
Bevorzugt ist hierbei die Oberfläche in einer Stickstoffatmosphäre gehärtet. Es kann vorgesehen sein, daß die gehärtete Oberfläche, von außen nach innen, einen Porensaum, eine Verbindungszone und eine Diffusionszone aufweist.
Der Porensaum kann eine Härte von 58 bis 60 Rockwell, die Verbindungszone eine Härte von 78 bis 82 Rockwell und die Diffusionszone eine Härte von 60 bis 65 Rockwell haben.
Bevorzugt ist vorgesehen, daß Paßflächen, die zur festen Verbindung mit weiteren Kolbenteilen dienen, nach dem Nitrieren geschliffen sind. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, daß der Porensaum abgetragen ist.
Vorzugsweise sind Nutinnenflächen von Kolbenring-Aufnahmenuten nach dem Härten nicht geschliffen.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, wobei auf eine Zeichnung Bezug genommen ist, in der
  • Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht einer in erfindungsgemäßer Weise gehärteten Kolbenkrone zeigt,
  • Fig. 2 eine metallographische Gefügeaufnahme im Bereich der Kolbenring-Aufnahmenuten in 6,5 facher Vergrößerung zeigt,
  • Fig. 3 eine Querschnittsansicht einer gehärteten Oberflächenzone in hundertfacher Vergrößerung zeigt,
  • Fig. 4 und 5 jeweils eine entsprechende Gefügeansicht der Härtezone in 500-facher Vergrößerung zeigen.
    • Fig. 1 zeigt in stark schematisierter Weise im Halbschnitt einen im ganzen mit 1 bezeichneten Kolben, dessen der Brennkammer zugekehrter Bereich durch eine Kolbenkrone 2 gebildet wird, die mit ausgezogenen Linien dargestellt ist.
    Die Kolbenkrone 2 ist an ihrer mit der Zylinderlauffläche zusammenwirkenden Außenfläche mit einer Reihe (im vorliegenden Beispiel drei) Kolbenringnuten 3 versehen, die in bekannter Weise zur Aufnahme von Kolbenringen dienen. Die einzusetzenden Kolbenringe weisen hierbei sowohl gegenüber dem jeweiligen Nutgrund (d.h. in radialer Richtung) als auch gegenüber den Nutseitenflächen (d.h. in axialer Richtung) ein gewisses Spiel auf.
    Ebene Paßflächen 4, von denen in Fig. 1 zwei dargestellt sind, dienen zur Verbindung der Kolbenkrone 2 mit dem übrigen Teil des Kolbens 1 und insbesondere zur Übertragung der erheblichen Axialkräfte während der Verbrennungsphase. Aufgrund der bei Großdieselmotoren verbreitet eingesetzten hohen Verdichtungsverhältnisse stellen die genannten Paßflächen neben den Kolbenringnuten die am stärksten einem mechanischen Verschleißangriff ausgesetzten Flächen der Kolbenkrone 2 dar.
    Fig. 2 zeigt eine 6,5-fach vergrößerte Darstellung des erfindungsgemäß nitriergehärteten Gefüges im Bereich der Kolbenringnuten. Der freie Nutquerschnitt sowie der außerhalb der Kolbenkrone liegende Bereich (in Fig. 2 oben) sind schwarz dargestellt, während der Werkstoff der Kolbenkrone in den gehärteten Randbereichen einen dreischichtigen Aufbau erkennen läßt. Anschließend an das Kerngefüge 6, welches den überwiegenden Teil der in Fig. 2 dargestellten Materialquerschnittsfläche einnimmt, ist eine entlang des Randes verlaufende, deutlich dunkel abgesetzte Diffusionszone 7 erkennbar. An die Diffusionszone 7 schließt sich, in Fig. 2 als auf dem äußersten Rand des Materials umlaufende Linie soeben erkennbar, eine Randzone 8 an, deren Aufbau noch im einzelnen erläutert wird.
    Fig. 3 zeigt eine weitere metallographische Gefügedarstellung eines erfindungsgemäß gehärteten Randbereichs einer Kolbenkrone in hundertfacher Vergrößerung, d.h. gegenüber Fig. 2 ca. 15-fach vergrößert, wobei das relativ helle Kerngefüge 6, die relativ dunkle Diffusionszone 7 und die helle Randzone 8 nunmehr deutlich erkennbar sind.
    Um den zweischichtigen Aufbau der Randzone 8 erkennbar zu machen, sind in Fig. 4 und 5 Gefügeaufnahmen in 500-facher Vergrößerung dargestellt. Aufgrund der starken Vergrößerung fehlt in Fig. 4 und 5 das Kerngefüge, während die Diffusionszone 7 (jeweils unten) und die darüberliegende helle Randzone 8 deutlich zu erkennen sind. Wie die Darstellungen weiter zeigen, weist die Randzone 8 einen zweischichtigen Aufbau auf, nämlich zunächst angrenzend an die Diffusionszone 7 eine sog. Verbindungszone 8a und eine darüberliegende, etwas dunklere äußerste Zone, die als Porensaum 8b bezeichnet wird. Porensaum 8b und Verbindungszone 8a sind überdies in Fig. 4 durch eine dazwischen verlaufende dunkle Linie sichtbar voneinander abgegrenzt.
    Der bis zu 20 µm dicke, spröde Porensaum 8b weist eine Härte von etwa 58 bis 60 Rockwell auf. Die Verbindungszone 8a mit einer Dicke von ca. 6 bis 10 µm hat eine Härte von etwa 78 bis 82 Rockwell. Die darunterliegende Diffusionszone, die eine wesentlich größere Dicke als die beiden vorgenannten Zonen aufweist, hat eine Härte von ca. 60 bis 65 Rockwell. Die Härte der Diffusionszone nimmt mit zunehmender Dicke bzw. Entfernung von der Oberfläche ab, da die Wirkung der Nitrierhärtung aufgrund der diese steuernden Diffusionsvorgänge mit der Tiefe abnimmt. Beispielsweise wurde eine Nitrierhärtetiefe, ermittelt durch einen Härteverlauf nach DIN 50190 Teil 3, von 0,7 mm bei einer Grenzhärte von 370 HV 0,5 festgestellt (Nht 370 = 0,7 mm). Die Kernhärte des Kolbenkronenwerkstoffes beträgt in diesem Beispiel 290 HV 10.
    Versuche haben gezeigt, daß ein optimales Verschleißverhalten und damit eine größtmögliche Lebensdauer bei minimalem Fertigungsaufwand im Bereich der Kolbenringnuten dadurch erzielbar sind, daß die Nutinnenflächen (Nutflanken und Nutgrund) vor dem Nitrieren feinbearbeitet und danach nicht mehr bearbeitet werden, d.h. nicht geschliffen werden, so daß der Porensaum gewissermaßen als Einlaufzone zur Verfügung steht. Nach deren Abtragung wirken die Kolbenringe mit der sehr harten Verbindungszone zusammen, die einen erheblichen Verschleißwiderstand darstellt. Erst danach arbeitet der Kolbenring im Bereich der Diffusionszone, bis schließlich nach Abtrag von insgesamt beispielsweise ca. 0,3 mm (in jeder Nutflanke) die Verschleißgrenze der Kolbenkrone erreicht ist.
    Die Paßflächen 4 müssen zur Herstellung der erforderlichen Passungstoleranzen nach dem Härten geschliffen werden. Die übrigen Oberflächen der Kolbenkrone, insbesondere die dem Brennraum zugewandte Oberseite und die der Zylinderwand zugewandte Außenseite, werden nach dem Härten nicht mehr bearbeitet bzw. geschliffen, um die Widerstandsfähigkeit von Porensaum und Verbindungszone gegen jeglichen Verschleiß, auch chemischer Art, auszunutzen.
    Die in der vorangehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

    Claims (18)

    1. Verfahren zum Härten zumindest eines Teilbereichs der Oberfläche von Kolbenkronen (2) aus Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß das Härten durch Nitrieren erfolgt.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Stickstoffatmosphäre nitriert wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Härten, von außen nach innen, ein Porensaum (4), eine Verbindungszone (8a) und eine Diffusionszone (8b) gebildet werden.
    4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Porensaum (4) eine Härte von 58 bis 60 Rockwell hat.
    5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungszone (8a) eine Härte von 78 bis 82 Rockwell hat.
    6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionszone (8b) eine Härte von 60 bis 65 Rockwell hat.
    7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Paßflächen (4), die zur festen Verbindung mit weiteren Kolbenteilen dienen, nach dem Nitrieren geschliffen werden.
    8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schleifen der Porensaum (8b) abgetragen wird.
    9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Nutinnenflächen von Kolbenring-Aufnahmenuten (3) nach dem Härten nicht geschliffen werden.
    10. Kolbenkrone (2) aus Stahl, insbesondere für Großdieselmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teilbereich der Oberfläche der Kolbenkrone durch Nitrieren gehärtet ist.
    11. Kolbenkrone nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche in einer Stickstoffatmosphäre gehärtet ist.
    12. Kolbenkrone nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die gehärtete Oberfläche, von außen nach innen, einen Porensaum (8b), eine Verbindungszone (8a) und eine Diffusionszone (7) aufweist.
    13. Kolbenkrone nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Porensaum (8b) eine Härte von 58 bis 60 Rockwell hat.
    14. Kolbenkrone nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungszone (8a) eine Härte von 78 bis 82 Rockwell hat.
    15. Kolbenkrone nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionszone (7) eine Härte von 60 bis 65 Rockwell hat.
    16. Kolbenkrone nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß Paßflächen (4), die zur festen Verbindung mit weiteren Kolbenteilen dienen, nach dem Nitrieren geschliffen sind.
    17. Kolbenkrone nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Porensaum (8b) abgetragen ist.
    18. Kolbenkrone nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß Nutinnenflächen von Kolbenring-Aufnahmenuten (3) nach dem Härten nicht geschliffen sind.
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