DE19654893C2

DE19654893C2 - Piston rings of internal combustion engines made of a cast iron alloy

Info

Publication number: DE19654893C2
Application number: DE19654893A
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Veutgen; Wilfried Dipl Ing Langner
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 1996-07-25
Filing date: 1996-07-25
Publication date: 1999-06-10
Anticipated expiration: 2016-07-26
Also published as: JPH1068042A; DE19654893A1; CN1176315A; BR9704066A; EP0821073A1

Description

Die Erfindung betrifft Kolbenringe für Verbrennungskraftmaschinen mit hoher Temperaturbelastung aus einer Gußeisenlegierung.The invention relates to piston rings for internal combustion engines with high Temperature load from a cast iron alloy.

Kolbenringe für Verbrennungskraftmaschinen bestehen überwiegend aus grauen Gußeisenlegierungen mit Anteilen an kugelförmigen bis lamellaren Graphitausscheidungen. Insbesondere die in der obersten, dem Verbrennungsraum benachbarten Kolbennut angeordneten Kolbenringe sind hohen Temperaturen ausgesetzt, so daß von ihnen mechanische Festigkeitswerte mit hoher Temperaturbeständigkeit verlangt werden. Nach beispielsweise der DE OS 36 28 157 verwendet man eine kugelgraphitische Gußeisenlegierung mit martensitischem Grundgefüge für auf hohe Temperaturen belastete Kolbenringe, welche 1 bis 15 Gewichtsprozent im Grundgefüge in Kugel- bis Tröpfchenform ausgeschiedenes Kupfer enthält, das auf Grund seiner hohen Wäremeleitfähigkeit für eine schnelle Wärmeableitung und damit für eine verminderte Temperaturbelastung des Kolbenringwerkstoffes sorgt.Piston rings for internal combustion engines mainly consist of gray ones Cast iron alloys with proportions of spherical to lamellar Graphite precipitates. Especially the one in the top, the combustion chamber adjacent piston grooves are exposed to high temperatures, so that mechanical strength values of them with high temperature resistance be requested. According to, for example, DE OS 36 28 157, one is used spheroidal graphite cast iron alloy with martensitic basic structure for high Piston rings exposed to temperatures, which have 1 to 15 percent by weight in the basic structure Contains copper excreted in spherical to droplet form high thermal conductivity for quick heat dissipation and thus for a reduced temperature load on the piston ring material.

Nach der DE OS 39 29 804 sind Gußeisenlegierungen mit ferritischem bis perlitischem Grundgefüge und kugelgraphitischen Ausscheidungen aus 3,0-3,6 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 1,5-3,0 Gewichtsprozent Silizium, 0,6-1,3 Gewichtsprozent Mangan, 0,6 -1,0 Gewichtsprozent Kupfer, 0,4-0,8 Gewichtsprozent Chrom, 0,1-0,3 Gewichtsprozent Aluminium, 0,03-0,1 Gewichtsprozent Mangan und Eisen als Rest bekannt, die für verschleißbeanspruchte Maschinenteile wie offenen Verzahnungen in Mahlanlagen oder spanenden Werkzeugen eingesetzt werden. Diese Gußeisenlegierungen sind jedoch nicht für Verschleißteile in thermisch hochbelasteten Verbrennungskraftmaschinen vorgesehen. Insbesondere in modernen Verbrennungskraftmaschinen werden zur Verbesserung des Fahr-, Lauf und Geräuschkomforts bei gleichzeitig deutlicher Leistungssteigerung Kurz-huber mit Leichtbau-Kastenkolben eingesetzt, bei denen zur Erzielung eines vibrationsarmen Laufs die Kolbenringbestückungen extrem nach oben verlegt sind. Insbesondere der oberste Kolbenring und zum Teil auch der zweite sogenannte Abstreifring werden dadurch höheren Temperaturen ausgesetzt, so daß von ihrem Werkstoff mechanische Festigkeitswerte mit verbesserter Temperaturbeständigkeit verlangt werden. Die Warmfestigkeit der aus der DE OS 36 28 157 bekannten martensitischen Gußeisenlegierungen reicht für derartig hohe Beanspruchungen nicht aus.According to DE OS 39 29 804 are cast iron alloys with ferritic to pearlitic Basic structure and spheroidal graphite deposits from 3.0-3.6 percent by weight Carbon, 1.5-3.0 weight percent silicon, 0.6-1.3 weight percent manganese, 0.6 -1.0 weight percent copper, 0.4-0.8 weight percent chromium, 0.1-0.3 Weight percent aluminum, 0.03-0.1 weight percent manganese and iron as the balance known for machine parts subject to wear and tear such as open gears in Grinding plants or cutting tools are used. This Cast iron alloys, however, are not for wear parts in high thermal loads Internal combustion engines provided. Especially in modern ones Internal combustion engines are used to improve driving, running and Noise comfort with a significant increase in performance Lightweight box pistons used to achieve a low-vibration run the piston ring assemblies are placed extremely upwards. Especially the top one Piston ring and partly also the second so-called scraper ring are thereby exposed to higher temperatures, so that their material is mechanical Strength values with improved temperature resistance are required. The Heat resistance of the martensitic known from DE OS 36 28 157 Cast iron alloys are not sufficient for such high demands.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für hohen Temperaturen ausgesetzte Kolbenringe von Verbrennungskraftmaschinen aus einer Gußeisenlegierung herzustellen, die bei hohen Temperaturen beständige Festigkeitswerte aufweisen.The present invention is therefore based on the object for high temperatures exposed piston rings of internal combustion engines made of a cast iron alloy to produce, which have stable strength values at high temperatures.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Gußeisenlegierung mit perlitischer Grundstruktur und kugelförmigen oder vermikularförmigen Graphitausscheidungen gelöst, welche aus
According to the invention, this object is achieved by a cast iron alloy with a pearlitic basic structure and spherical or vermicular graphite precipitates which consist of

3,78 Gewichtsprozent Kohlenstoff
2,98 Gewichtsprozent Silizium
0,86 Gewichtsprozent Mangan
0,09 Gewichtsprozent Phosphor
0,007 Gewichtsprozent Schwefel
2,04 Gewichtsprozent Chrom
0,01 Gewichtsprozent Vanadium
0,02 Gewichtsprozent Molybdän
0,05 Gewichtsprozent Nickel
2,38 Gewichtsprozent Kupfer
0,01 Gewichtsprozent Magnesium
0,01 Gewichtsprozent Titan
0,03 Gewichtsprozent Wolfram
0,02 Gewichtsprozent Niob
3.78 weight percent carbon
2.98 percent by weight silicon
0.86 weight percent manganese
0.09 weight percent phosphorus
0.007 weight percent sulfur
2.04 weight percent chromium
0.01 weight percent vanadium
0.02 weight percent molybdenum
0.05 weight percent nickel
2.38 percent by weight copper
0.01 weight percent magnesium
0.01 weight percent titanium
0.03 weight percent tungsten
0.02 weight percent niobium

und Eisen als Rest besteht, und deren aus der Legierung gegossenen Kolbenringe ganzflächig oder an den Laufflächen und/oder den Flankenflächen nach einem der üblichen Verfahren einer Nitrierbehandlung unterzogen sind. Mit den erfindungsgemäßen Gußeisenlegierungen werden probeweise an den Laufflächen nitrierte Kolbenringe hergestellt, die zur Ermittlung über Warmfestigkeit Temperaturen zwischen 500-700°C durch Glühbehandlungen während 30 Minuten ausgesetzt wurden. Es wurde ein normaler Abfall der Härtewerte festgestellt, ohne daß die perlitische Grundstruktur der Gußeisenlegierung wesentlich verändert wurde. Die Festigkeitswerte wurden durch diese Temperaturbelastung nicht wesentlich verändert, so daß der Werkstoff die geforderte hohe Warmfestigkeit besitzt.and iron is the rest, and their piston rings cast from the alloy over the entire surface or on the Treads and / or the flank surfaces according to one of the usual methods Are subjected to nitriding treatment. With the cast iron alloys according to the invention nitrated piston rings are produced on the treads as a test Determination via heat resistance temperatures between 500-700 ° C Annealing treatments were exposed for 30 minutes. It became a normal one Decrease in hardness values determined without the pearlitic basic structure of the Cast iron alloy has been changed significantly. The strength values were determined by this Temperature load does not change significantly, so that the material meets the required has high heat resistance.

Zur weiteren Perlitisierung kann die Gußeisenlegierung bis zu 0,4 Gewichtsprozent Antimon enthalten, das der Legierung während des Schmelzens oder über das Impfmittel zugegeben sein kann. Die Gußeisenlegierung kann zusätzlich bis zu maximal 300 ppm mittels Fülldraht-Injektion eingebrachten Stickstoff enthalten. Zur verbesserten Bearbeitbarkeit können die Kolbenringe einer Glühbehandlung bei bis zu 750°C unterzogen werden. Die Kolbenringe können zur Verbesserung ihrer Verschleißfestigkeit ganzflächig oder an den Laufflächen und/oder den Flankenflächen nach einem der üblichen Verfahren wie Badnitrieren, Gasnitrieren, Plasmanitrieren oder Pulsplasmanitrieren einer Nitrierbehandlung unterzogen werden. Durch die Erfindung sind somit Kolbenringe geschaffen, die für hohe Temperaturbelastungen in Verbrennungskraftmaschinen geeignet sind. Die Gußeisenwerkstoffe zeigen ein gutes Warmsetzverhalten und ihr Gefüge zeigt auch bei längeren hohen Temperaturbelastungen keine wesentlichen Veränderungen. Die Gußeisenlegierungen können zur Herstellung von Kolbenringen aller Durchmesser von bis zu 1 m sowohl im Standguß als auch im Schleunderguß gleichermaßen gut verwendet werden.For further pearlitization, the cast iron alloy can contain up to 0.4 percent by weight Antimony contained in the alloy during melting or via the inoculant may be admitted. The cast iron alloy can additionally up to a maximum of 300 ppm Contained nitrogen by cored wire injection. For improved The piston rings can be machined at an annealing treatment at up to 750 ° C be subjected. The piston rings can improve their wear resistance over the entire surface or on the running surfaces and / or the flank surfaces according to one of the usual processes such as bath nitriding, gas nitriding, plasma nitriding or Pulse plasma nitriding are subjected to a nitriding treatment. By the invention piston rings are thus created which are suitable for high temperature loads Internal combustion engines are suitable. The cast iron materials show a good one Warming behavior and its structure shows high even for longer periods Temperature changes no significant changes. The cast iron alloys can produce piston rings of all diameters up to 1 m both in Stand casting as well as in centrifugal casting can be used equally well.

Claims

1. Kolbenringe für Verbrennungskraftmaschinen mit hoher Temperaturbelastung aus einer Gußeisenlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußeisenlegierung eine perlitische Grundstruktur mit kugelförmigen oder vermikularförmigen Graphitausscheidungen besitzt, daß die aus der Legierung gegossenen Kolbenringe ganzflächig oder an den Laufflächen und/oder Flankenfächen einer Nitrierbehandlung nach einem der üblichen Verfahren unterzogen sind und, daß die Legierung aus
3,78 Gewichtsprozent Kohlenstoff
2,98 Gewichtsprozent Silizium
0,86 Gewichtsprozent Mangan
0,09 Gewichtsprozent Phosphor
0,007 Gewichtsprozent Schwefel
2,04 Gewichtsprozent Chrom
0,01 Gewichtsprozent Vanadium
0,02 Gewichtsprozent Molybdän
0,05 Gewichtsprozent Nickel
2,38 Gewichtsprozent Kupfer
0,01 Gewichtsprozent Magnesium
0,01 Gewichtsprozent Titan
0,03 Gewichtsprozent Wolfram
0,02 Gewichtsprozent Niobsowie Eisen als Rest besteht.1. Piston rings for internal combustion engines with high temperature loads made of a cast iron alloy, characterized in that the cast iron alloy has a pearlitic basic structure with spherical or vermicular graphite deposits, that the piston rings cast from the alloy over the entire surface or on the running surfaces and / or flank surfaces of a nitriding treatment according to one of the usual Processes are subject and that the alloy is made of
3.78 weight percent carbon
2.98 percent by weight silicon
0.86 weight percent manganese
0.09 weight percent phosphorus
0.007 weight percent sulfur
2.04 weight percent chromium
0.01 weight percent vanadium
0.02 weight percent molybdenum
0.05 weight percent nickel
2.38 percent by weight copper
0.01 weight percent magnesium
0.01 weight percent titanium
0.03 weight percent tungsten
0.02% by weight of niobium and iron as the balance

2. Kolbenring nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußeisenlegierung bis zu 0,4 Gewichtsprozent Antimon enthält. 2. Piston ring according to claim 1, characterized in that the Cast iron alloy contains up to 0.4% by weight of antimony.

3. Kolbenring nach mindestens einem der Patentansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußeisenlegierung mittels Fülldrahtinjektion in die Schmelze eingebrachten Stickstoff in einer Menge von maximal 300 ppm enthält.3. Piston ring according to at least one of claims 1 and 2, characterized characterized in that the cast iron alloy by means of cored wire injection into the Contains melt introduced nitrogen in an amount of maximum 300 ppm.

4. Kolbenring nach mindestens einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenringe einer Glühbehandlung von bis zu 750°C unterzogen sind.4. Piston ring according to at least one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the piston rings undergo an annealing treatment of up to 750 ° C are subjected.