DE3501823C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolbenring nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein gattungsgemäßer Kolbenring ist beispielsweise aus der JP-Offenlegungsschrift 57-2 03 848 bekannt. Dieser Kolbenring für eine Brennkraftmaschine weist einen im wesentlichen aus Stahl bestehenden ringförmigen Körper mit einer im wesentlichen aus nitriergehärteten Stahl bestehenden äußeren Schicht auf. Die nitriergehärtete Schicht weist eine Tiefe von 5 µm bis 50 µm bei einer Härte von HV 900 bis HV 1500 auf.

Der bekannte Kolbenring ist jedoch insofern nachteilig, als er insbesondere bei Verwendung als oberster, der Verbrennungskammer am nächsten angeordneter Kompressions-Kolbenring und bei Verwendung von stark verbleitem Kraftstoff trotz der äußeren nitriergehärteten Schicht einem relativ starken Verschleiß unterworfen ist, und insbesondere nicht übermäßig widerstandsfähig gegen Fressen ist. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, daß die Änderung in der Härte der nitrierten Schicht abrupt ist, so daß zwar im obersten Oberflächenbereich eine gewisse Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung und Fressen besteht, jedoch die nitriergehärtete Schicht brüchig ist und daher in ihrem Widerstandsverhalten gegenüber einem Fressen des Kolbenrings keine befriedigenden Eigenschaften aufweist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Kolbenring der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, welcher an seinen Oberflächen nitriergehärtete Schichten von beträchtlicher Härte und hoher Verschleißbeständigkeit aufweist, wobei die Widerstandsfähigkeit gegen Fressen erhöht werden soll, ohne daß dadurch die Nitrierschicht brüchig wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruches 1.

Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Kolbenring die Härtegrade in ihrer maximalen Höhe bewußt beschränkt werden, werden bei dem speziell für Kolbenringe geeigneten Stahl größere Schichttiefen bei gleichzeitiger Vermeidung von Oberflächenbrüchigkeit möglich.

Aus der Druckschrift von Benninghoff, Hanns: Wärmebehandlung der Bau- und Werkzeugstähle, 3. Auflage, Sigma, Fachbuchreihe zur Fertigungstechnik, BAZ Buchverlag Basel, 1978, Seite 342 bis 345 sind zwar vergleichbare Härtegrade bei ähnlichen Schichtdicken in Abhängigkeit von unterschiedlichen Nitrierverfahren bei einem Stahl bekannt, dessen Verwendung für Kolbenringe aber in keiner Weise belegt ist und der sich auch wesentlich von dem beim Anmeldungsgegenstand verwendeten Stahl unterscheidet.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Teil-Schnittansicht eines in eine Ringnut eines Kolbens eingesetzten Kolbenrings,

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Härtegrades in verschiedenen Tiefen bei nitriergehärteten Stahlkolbenringen verschiedener Ausführung,

Fig. 3 eine grafische Darstellung der Ergebnisse von Versuchen zur Ermittlung der Widerstandsfähigkeit gegen Rauhabnutzung und

Fig. 4 eine grafische Darstellung der Ergebnisse von Verschleißuntersuchungen.

In Fig. 1 erkennt man einen Zylinder 1 und einen Kolbenring 2, welcher als Kompressionskolbenring in die oberste Ringnut eines Kolbens 4 eingesetzt ist. Der Kolbenring 2 hat wenigstens an seiner in Gleitberührung mit der Wand des Zylinders 1 befindlichen äußeren Wandfläche eine nitriergehärtete Schicht 3. Der in Fig. 1 dargestellte Kolbenring 2 hat eine solche nitriergehärtete Schicht zwar nur an seiner äußeren Wandfläche, je nach den zu erwartenden Betriebsbedingungen kann ein solcher Kolbenring jedoch auch an seinen oberen und unteren Stirnflächen oder gar an allen Oberflächen derartige nitriergehärtete Schichten aufweisen. Um einen hohen Wirkungsgrad bzw. eine hohe Leistung einer Brennkraftmaschine zu gewährleisten, werden an die Eigenschaften eines solchen Kolbenrings, insbesondere im Hinblick auf seine Dichtungsfähigkeit, Verschleißbeständigkeit, Widerstandsfähigkeit gegen Rauhabnutzung sowie Bruchfestigkeit, sehr hohe Anforderungen gestellt.

Der erfindungsgemäße Stahlkolbenring ist aus einem martensitischen nicht rostendem Stahl gefertigt, welcher wenigstens 0,25 bis 1,20 Gew.-% C und 11,0 bis 19,0 Gew.-% Cr enthält. Ist der Kohlenstoffgehalt höher als vorstehend angegeben, dann erhöht sich die Sprödigkeit, so daß es unmöglich ist, einen Kolbenring aus dem Material zu fertigen. Wenn gleichwohl ein Kolbenring aus einem solchen Werkstoff gefertigt wird, hat er eine so geringe Schlagfestigkeit, daß er sehr leicht bricht. Deshalb sollte der Kohlenstoffgehalt innerhalb der vorstehend genannten Grenzen liegen. Der Chromzusatz dient dazu, die Hitzebeständigkeit sowie die Festigkeit des Ausgangsmaterials zu verbessern und die Bildung von Karbiden herbeizuführen. Im Hinblick auf die Sprödigkeit des Materials sowie auf die Bearbeitbarkeit und Bruchfestigkeit liegt der Chromgehalt vorzugsweise innerhalb des vorstehend angegebenen Bereichs.

Ein Stahlkolbenring aus dem vorstehend beschriebenen Werkstoff ist innerhalb gewisser Grenzen mit Erfolg verwendbar. Er eignet sich jedoch nicht für eine hoch belastete Brennkraftmaschine. Demgemäß besteht ein wesentliches Merkmal der Erfindung darin, daß die Verwendbarkeit eines solchen Kolbenrings durch eine Nitrierhärtung erweitert ist.

Die Bildung von nitriergehärteten Schichten an den Oberflächen des Kolbenrings, insbesondere an der dem stärksten Verschleiß unterworfenen Gleitfläche, verleiht dem Kolbenring eine erhöhte Oberflächenhärte und führt zu einem verringerten Verschleiß an den nitriergehärteten Oberflächen. Außerdem kann die Ausbildung von nitriergehärteten Schichten an den am stärksten für Ermüdungserscheinungen anfälligen äußeren Oberflächen des Kolbenrings die Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdung erhöhen.

Beispiele für Verfahren für die Bildung der nitriergehärteten Schichten sind das Salzbad-Nitrierverfahren, bei welchem ein Kolbenring in einem Salzbad behandelt wird, das Gas-Nitrierverfahren, bei welchem ein Kolbenring in einer nitrierenden Atmosphäre behandelt wird, und das Ionen- Nitrierverfahren, bei welchem mit elektrischer Entladung gearbeitet wird.

Ein Kolbenring, bei welchem die nitriergehärtete Schicht einen Härtegrad von höchsten HV 950 [kp/mm²] bei einer Tiefe von höchstens 50 µm hat, weist keine ausreichende Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß und Rauhabnutzung auf. Ein derartiger Kolbenring ist in einer modernen Brennkraftmaschine unter den darin herrschenden erschwerten Betriebsbedingungen nicht verwendbar. Dementsprechend weisen die nitriergehärteten Schichten vorzugsweise einen Härtegrund von mehr als HV 950 und eine Tiefe von mehr als 50 µm auf.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht somit darin, daß der Härtegrad der nitriergehärteten Schicht beträchtlich erhöht wird. Dies ist dadurch erreicht, daß die nitriergehärteten Schichten in einem Rohling aus martensitischen nicht rostendem Stahl ausgebildet werden.

Eine in einem Werkstück aus einem niedrig legierten Stahl ausgebildete nitriergehärtete Schicht hat eine übermäßig große Tiefe, während ihre Tiefe in einem Werkstück aus einem hoch legierten Stahl sehr gering bleibt. Gemäß der Erfindung werden nitriergehärtete Schichten in einem Werkstück ausgebildet, welches aus einem im wesentlichen C und Cr enthaltenden nicht rostendem Stahl besteht. Da der Stahl selbst ein martensitisches Gefüge hat, weist er bereits einen hohen Härtegrad auf, so daß in den nitriergehärteten Schichten Härtegrade bis zu etwa HV 1 300 [kp/mm²] erzielbar sind. Darüber hinaus liegt die obere Grenze für die Tiefe der nitriergehärteten Schicht im Bereich von etwa 200 µm, unter Berücksichtigung der für einen Kolbenring zu fordernden Betriebseigenschaften.

Fig. 2 zeigt, bezogen auf verschiedene Tiefen, die jeweilige Härte von aus getempertem martensitischem nicht rostendem Stahl mit einem Gehalt von wenigstens 0,65 Gew.-% C und 12,0 Gew.-% Cr gefertigten und nitriergehärteten Kompressions-Kolbenringen. Insbesondere zeigt Fig. 2 in grafischer Darstellung die Tiefe der Kompressionskolbenringe in Querschnittsrichtung und die gemittelten Härtewerte in radialer und vertikaler Richtung. Dabei zeigt die Kurve A die entsprechenden Werte für einen während 3 h im Salzbad nitriergehärteten Kolbenring, die Kurve B die Werte für einen während 5 h im Salzbad nitriergehärteten Kolbenring, die Kurve C die Werte für einen während 5 h nach dem Gas-Nitrierverfahren behandelten Kolbenring, die Kurve D die Werte für einen während 8 h nach dem Ionen-Nitrierverfahren behandelten Kolbenring und die Kurve E die entsprechenden Werte für einen während 10 h nach dem Gas-Nitrierverfahren behandelten Kolbenring.

Wie bereits eingangs erwähnt, ist die Schmierung wenigstens des obersten Kompressions-Kolbenrings zumeist nur unzureichend, so daß an diesem Kolbenring häufig ein als Rauhabnutzung bezeichneter übermäßiger Verschleiß auftritt. Deshalb wurden die in Fig. 2 durch die Kurven B und C dargestellten Kolbenringe auf ihre Widerstandsfähigkeit gegen Rauhabnutzung untersucht. Die Untersuchung wurde unter den folgenden Bedingungen durchgeführt.
Drehzahl: 300 U/min
Belastung: Die Anfangsbelastung betrug 30 kg und wurde alle 5 min um 10 kg erhöht, bis Rauhabnutzung auftrat.
Schmierung: Das rotierende Teil wurde vor der Untersuchung mit Schmierstoff versorgt. Während der Untersuchung erfolgte keine Schmierung.
Partnermaterial: Gußeisen entsprechend FC 25 (drehendes Teil)
Prüflinge: Die durch die Kurven B und C dargestellten Kompressionskolbenringe.

Die Untersuchung der Widerstandsfähigkeit gegen Rauhabnutzung wurde unter den vorstehend angegebenen Bedingungen durchgeführt. Während der Untersuchung wurde die Flächendruckbelastung erhöht, und die Belastung, bei welcher die Rauhabnutzung auftrat, wurde als "Rauhabnutzungs-Grenzbelastung" bezeichnet.

Wie man aus Fig. 2 und 3 erkennt, nimmt die Härte der nitriergehärteten Schicht mit zunehmender Tiefe ab. Dies ist jedoch weitgehend unabhängig von den Verschiedenheiten der angewendeten Nitrierverfahren. Es wurde festgestellt, daß der Härtegrad und im Zusammenhang damit die Tiefe der nitriergehärteten Schicht wesentliche Faktoren im Hinblick auf die Widerstandsfähigkeit gegen Rauhabnutzung sind. Wie man in Fig. 3 erkennt, hat der der Kurve B entsprechende Kolbenring eine geringe Widerstandsfähigkeit gegen Rauhabnutzung und ist daher nicht verwendbar. Der der Kurve C entsprechende erfindungsgemäße Kolbenring hat dagegen eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Rauhabnutzung, so daß er zur Verwendung als Kompressionskolbenring hervorragend geeignet ist und bei Inbetriebnahme nur einen geringen durch Rauhabnutzung hervorgerufenen Verschleiß an der Innenwand des Zylinders verursacht.

Fig. 4 zeigt in grafischer Darstellung die Ergebnisse von Verschleißuntersuchungen, welche unter den folgenden Bedingungen durchgeführt wurden:
Art der Brennkraftmaschine: Viertakt-Ottomotor
Zylinderdurchmesser × Hub: 83 mm × 85 mm
Drehzahl: 5600 U/min (Vollast)
Schmierstoff: SAE #30
Kraftstoff: Stark verbleites Benzin
Der verwendete Zylinder war aus Gußeisen (entsp. FC 20).

In Fig. 4 bezeichnet der Meßwert 1 den Verschleiß an einem der Kurve B in Fig. 2 entsprechenden Stahlkolbenring, der Meßwert 2 bezeichnet den Verschleiß an einem der Kurve C in Fig. 2 entsprechenden, nitriergehärteten Stahlkolbenring gemäß der Erfindung, und der Meßwert 3 bezeichnnet den Verschleiß an einem in bekannter Weise mit einer Schichtdicke von 0,2 mm verchromten Stahlkolbenring. In den Untersuchungen wurden die Kolbenringe jeweils als oberste Kompressionskolbenringe verwendet. Nach Beendigung der Untersuchungen wurde der jeweiligen Verschleiß an der äußeren Wandfläche der Kolbenringe gemessen.

Aus Fig. 4 ist zu erkennen, daß der Verschleiß an dem gemäß der Erfindung nitriergehärteten Kolbenring weniger als ein Drittel des Verschleißes an dem herkömmlichen verchromten Kolbenring und nur etwa die Hälfte des Verschleißes an dem unzureichend nitriergehärteten Kolbenring beträgt. Der gemäß der Erfindung nitriergehärtete Kolbenring hat somit die höchste Verschleißfestigkeit.

Claims (3)

1. Kolbenring für eine Brennkraftmaschine, der einen aus Stahl bestehenden ringförmigen Körper mit einer äußeren nitriergehärteten Schicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl ein martensitischer nicht rostender Stahl ist, welcher zwischen 0,25 bis 1,20 Gew.-% C und 11,0 bis 19,0 Gew.-% Cr enthält, und daß die Schicht (3) zwischen einer Tiefe von mehr als 50 µm und bis zu etwa 200 µm eine Härte von wenigstens HV 950 [kp/mm²] aufweist.

2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schicht (3) eine Härte von weniger als etwa HV 1300 [Kp/mm²] aufweist.

3. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß allein der radial äußere Bereich des Kolbenrings (2) nitriergehärtet ist.