DE19510302A1

DE19510302A1 - Oberflächenbehandelte Kolbenstange

Info

Publication number: DE19510302A1
Application number: DE1995110302
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr Angermann
Original assignee: August Bilstein GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Bilstein GmbH
Priority date: 1995-03-22
Filing date: 1995-03-22
Publication date: 1996-09-26
Anticipated expiration: 2015-03-23
Also published as: DE19510302C2; GR960300067T1; ES2091734T1; EP0733720A1

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 druckabhängi ge Dämpfungsventile für einen Austausch von Dämpfungsflüssig keit in der Zug- und in der Druckstufe aufweist und den Dämp fungszylinder in zwei Arbeitsräume unterteilt.

Die Oberflächen von Kolbenstangen für hydraulische Schwingungs dampfer sind starken abrasiven und korrosiven Beanspruchungen ausgesetzt und müssen zudem - insbesondere bei Federbeinkon struktionen - 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 Oberflä chenbehandlung zugeführt, die es ermöglicht, die Oberflächen des zur Aufnahme der mechanischen Belastungen hochfesten und zähen Kernwerkstoffes so zu bearbeiten, daß zum einen eine ge nügende Härte zur Verfügung steht, die ein problemloses Gleiten in metallischen Führungen ohne gegenseitigen abrasiven Ver schleiß ermöglicht, und die auf der anderen Seite gewährlei stet, daß ein Korrosionsschutz vorhanden ist, der aggressiven Medien wie zum Beispiel Wasser und Salz widersteht. Zusätzlich muß die Oberfläche der Kolbenstange eine solch geringe Rauhig keit aufweisen, daß eine einwandfreie Abdichtung mit gummiela stischen Dichtlippen gegenüber dem Innenraum des Schwingungs dämpfers auch unter hohen Drücken möglich ist.

In aller Regel wird dies heute dadurch erreicht, daß die Kol benstangen entweder mit einer kombinierten Härtung und Ver chromung oberflächenbehandelt werden, oder aber lediglich ver chromt werden und die Härte der dann etwas verdickten Chrom schicht zur Verbesserung der Gleitreibungseigenschaften ausge nutzt 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 weiterverarbei tet werden müssen. Auch entstehende Dämpfe in Chrombädern sind gefährlich und erfordern eine besondere Abschirmung des gesam ten Verchromungsprozesses.

Es bestand also für die Erfindung die Aufgabe, eine oberflä chenbehandelte Kolbenstange vorzuschlagen, welche sich in ihren Eigenschaften bezogen auf den Widerstand gegen abrasiven Ver schleiß 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 ent halten.

Gleichermaßen wird ein Verfahren bereitgestellt, welches in be sonders vorteilhafter Weise zur Herstellung der erfindungsge mäßen Kolbenstangen geeignet ist.

Hierbei weisen die oberflächennahen Bereiche der Kolbenstange ausgehend vom Kernwerkstoff zunächst eine die Ausscheidungen der Legierungselemente beinhaltende Diffusionsschicht auf, wo bei 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 Be reichen ergibt sich zunächst in der Ausscheidungs- oder Diffu sionsschicht eine hohe Festigkeit und Warmfestigkeit, welche durch Druckeigenspannungen entsteht, die wiederum durch Nitrit ausscheidungen der Legierungselemente verursacht werden. Die sich anschließende Verbindungsschicht mit ihren im Gefüge vor handenen Nitritnadeln zeichnet sich durch besondere Härte und durch eine bereits relativ gute Korrosionsbeständigkeit aus, die jedoch durch die aufgelegte Oxidschicht noch so weit ver bessert wird, daß zum Beispiel in einem vergleichenden Salz sprühtest nach DIN 50021 ein Wert von bis zu 240 Stunden Stand zeit erreicht wird.

Besonders vorteilhaft werden sowohl die Druckeigenspannungen in der Diffusionsschicht als auch die Härte in der Verbindungs schicht beeinflußt, wenn die mit einem erhöhten Stickstoffan teil versehene Verbindungsschicht als Eisen-Stickstoff-Verbin dungen im wesentlichen Fe_2-3N und/oder Fe₄N Verbindungen auf weist. 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 Oxid schicht im wesentlichen aus mit Sauerstoffüberschuß belegtem Fe₃O₄ besteht.

Die so erzeugte Oxidschicht weist ein besonders homogenes Er scheinungsbild auf und läßt aufgrund ihrer gleichmäßigen Struk tur keinen Raum für Schalenbildung oder Abplatzungen auch wäh rend 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 hin einreicht.

Bei einer solchen Begrenzung der jeweiligen Einwirkungstiefen vermeidet man ein Abfallen der Härte in der Verbindungsschicht.

Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die oberflächennahen Berei che der Kolbenstange eine Grundhärte von 50-70 HRC besitzen.

Mit einer solchen Grundhärte bzw. voreingestellten Härte des oberflächennahen Kernwerkstoffes lassen sich nicht nur die Ver bindungs- und Diffusionsschicht auf ein niedriges Maß und damit das gesamte Nitrierverfahren in seinem zeitlichen Verlauf redu zieren, sondern es wird auch das Zwischenschalten von Schleif vorgängen ermöglicht, welche bereits vor Beginn aller Oberflä chenbehandlungen 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 da nach die Oberfläche der Kolbenstange einem Nitrierprozeß unter worfen wird, welcher eine gehärtete äußere Verbindungsschicht und eine darunterliegende Diffusionsschicht erzeugt, und daß letztlich die nitriergehärtete Oberfläche der Kolbenstange ei ner 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 er möglicht, die der Tatsache Rechnung trägt, daß durch die aufge brachte und über die Ursprungsoberfläche hinaus stehende Ni trierschicht 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 ge schliffen wird, und danach die Oberfläche der Kolbenstange ei nem Nitrierprozeß unterworfen wird, welcher eine gehärtete äu ßere Verbindungsschicht und eine darunterliegende Diffusions schicht erzeugt, und daß letztlich die nitriergehärtete Ober fläche 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 mikro skopisch feinen Aufreißungen kommen kann, läßt das hier offen barte Verfahren einen Feinschliff der Nitrierschicht bzw. der Verbindungsschicht zu, ohne daß es zu den gefürchteten Erhöhun gen der Rauhigkeit kommt.

Nach der zunächst erfolgenden Härtung wird die Kolbenstange demnach in einer Weise geschliffen, daß noch nicht der endgül tigen 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 Oberflä che bewirkt dann den bereits geschilderten Aufbau von Verbin dungsschicht und Diffusionsschicht.

Mit dem vorbereitenden Schliff der Oberfläche ergibt sich nun die Möglichkeit eines Feinschliffes der nitrierten Verbindungs schicht, ohne daß Ausbrüche aufgrund der hohen Härte entstehen können. Verhindert wird dies durch die voreingestellte Grund rauhigkeit in der Weise, daß die relativ niedrigen "Spitzen und Täler" des im Rauhigkeitsmaßstab dargestellten Oberflächenpro files durch die Feinschliffkräfte in ihrem jeweiligen Grundpro fil 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 Kor rosionsfestigkeit.

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 ab gekühlt 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 gewünsch te mit Sauerstoffüberschuß belegte Fe₃O₄-Oxidschicht.

In den Fällen, in denen außergewöhnliche Anforderungen an die Oberflächenstruktur gestellt werden, d. h. falls besonders ge ringe Rauhigkeitswerte erreicht werden sollen, wird die oxi dierte Oberfläche vorteilhafterweise abschließend einem Präge polierverfahren unterzogen. Durch ein solches Prägepolieren werden auf einfache Weise die im Rauhigkeitsmaßstab noch vor handenen "Spitzen" der Oberfläche eingewalzt.

In einer besonders vorteilhaften Ausprägung wird die nitrierge härtete Oberfläche der Kolbenstange durch einen Plasma- Nitrierprozeß erzeugt, welcher durch eine kontrollierte und ge pulste Glimmentladung auf der Kolbenstangenoberfläche ermög licht wird.

Hierdurch läßt sich eine besonders gleichmäßige und einen kon trollierten Nitriteintrag aufweisende Verbindungsschicht auf bauen.

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 im pulsförmige Spannung angelegt, die zu einer Glimmentladung auf der Oberfläche der Kolbenstange führt. Die Nitrierkammer ist über einen Erdungsanschluß geerdet. Durch die pulsförmige La dung über eine besonders geregelte Spannungsquelle werden loka le 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 er läutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Prinzipskizze des Oberflächen aufbaus einer erfindungsgemäßen ober flächenbehandelten Kolbenstange,

Fig. 2 das Diagramm eines Härteverlaufes über die oberflächennahen Bereiche einer erfindungsgemäß behandelten Kolben stange,

Fig. 3 die durch das Nitrieren entstandene Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit,

Fig. 4 die durch das erfindungsgemäße Ver fahren erreichte Oberflächenrauhig keit.

In der Fig. 1 ist ein vergrößerter Ausschnitt aus dem oberflä chennahen Bereich einer erfindungsgemäß aufgebauten Kolbenstan ge 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 kontinu ierliche 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 gehöri gen Härteverlauf anhand der Härtekurve 5, welche in einem Dia gramm aufgetragen ist, das als Ordinate die Härte 6 und als Ab szisse 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 Or dinate 13 zeigt hier die Rauhigkeitswerte, welche aus einer An zahl 14 von Versuchsmustern gemittelt wurden.

Die Fig. 4 zeigt nun die erfindungsgemäße Behandlung der Kol benstangenoberfläche, bei der eine Anzahl 14′ von Versuchsmu stern geprüft wurde. Die Kurve 15 stellt hierbei die gemittel ten 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 Ver fahren eine Oberfläche erreicht wird, die sowohl in Bezug auf den Korrosionsangriff als auch mit Blick auf die sichere Ab dichtung und die Eigenschaften in Bezug auf metallisch gleiten de Führung und Lagerung ausgesprochen gute Verwendungseigen schaften bereitstellt.

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

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 Dämp fungsflüssigkeit 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) auf weisen, 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 Verbin dungsschicht (3) als Eisen-Stickstoff-Verbindungen im wesentli chen Fe_2-3N und/oder Fe₄N Verbindungen aufweist.

3. Oberflächenbehandelte Kolbenstange nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Oxidschicht (4) im wesentlichen aus mit Sauerstoffüber schuß 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 Grund härte von 50-70 HRC besitzen.

6. Verfahren zur Herstellung einer oberflächenbehandelten Kolbenstange für einen hydraulischen Schwingungsdämpfer mit ei nem in einem Dämpfungszylinder axial verschieblich geführten und mit einer Kolbenstange verbundenen Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unbehandelte Kolbenstange zunächst gehärtet und nach folgend feingeschliffen wird, daß danach die Oberfläche der Kolbenstange einem Nitrierprozeß unterworfen wird, welcher eine gehärtete äußere Verbindungsschicht (3) und eine darunterlie gende Diffusionsschicht (2) erzeugt, und daß letztlich die ni triergehärtete Oberfläche der Kolbenstange einer Oxidierung un terzogen wird.

7. Verfahren zur Herstellung einer oberflächenbehandelten Kolbenstange für einen hydraulischen Schwingungsdämpfer mit ei nem in einem Dämpfungszylinder axial verschieblich geführten und mit einer Kolbenstange verbundenen Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unbehandelte Kolbenstange zunächst gehärtet und nach folgend geschliffen wird, daß danach die Oberfläche der Kolben stange einem Nitrierprozeß unterworfen wird, welcher eine ge härtete äußere Verbindungsschicht (3) und eine darunterliegende Diffusionsschicht (2) erzeugt, und daß letztlich die nitrierge härtete 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 Induktions härtung 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 Kolbenstangenober fläche 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 ei nen Plasma-Nitrierprozeß erzeugt wird, welcher durch eine kon trollierte und gepulste Glimmentladung auf der Kolbenstan genoberfläche erfolgt.