DE19911962A1 - Kolbenring und eine Kombination von Verdichtungsringen - Google Patents

Abstract

Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung ist ein Kolbenring zur Verwendung in Verbrennungsmotoren vorgesehen, welcher aus einem auf Martensit basierenden rostfreien Stahlwerkstoff hergestellt ist, welcher nicht weniger als 0,4 und nicht mehr als 0,8 Gew.-% C, nicht weniger als 0,16 und nicht mehr als 0,4 Gew.-% Si, nicht weniger als 0,1 und nicht mehr als 0,4 Gew.-% Mn und nicht weniger als 2,0 und nicht mehr als 11,0 Gew.-% Cr enthält, wobei der Stahlwerkstoff des Kolbenrings hauptsächlich Chromcarbid präzipitiert in dessen Basistextur aufweist. Der Stahlwerkstoff des ersten Verdichtungsrings weist eine darauf gebildete Nitrierschicht auf. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Kombination von Verdichtungsringen zur Verwendung in Verbrennungsmotoren vorgesehen, welche einen ersten Verdichtungsring und einen zweiten Verdichtungsring umfaßt. Der erste Verdichtungsring ist aus einem auf Martensit basierenden rostfreiem Stahl hergestellt, welcher nicht weniger als 0,16 und nicht mehr als 1,4 Gew.-% C und nicht weniger als 12 und nicht mehr als 23,0 Gew.-% Cr enthält, wobei der Stahlwerkstoff des ersten Verdichtungsrings hauptsächlich Chromcarbid präzipitiert in dessen Basistextur aufweist. Der Stahlwerkstoff des ersten Verdichtungsrings weist eine Nitrierschicht einer Härte von nicht weniger als Hv1050 auf, welche darauf gebildet ist. Der zweite Verdichtungsring ist aus dem gleichen Stahlwerkstoff wie der oben zuerst beschriebene Kolbenring, ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Kolbenringe zur Verwendung in Verbren­ nungsmotoren und insbesondere Kolbenringe, welche Verdichtungsringe und Seitenschienen des kombinierten Typs von Ölabstreifringen umfassen, welche aus Stahl hergestellt sind, welche geeignet für Benzinmotoren und Dieselmotoren sind und eine Kombination von ersten und zweiten Verdichtungsringen, welche aus einem Stahl hergestellt sind, welcher für große Dieselmotoren geeignet ist.

Konventionelle Kolbenringe, welche Verdichtungsringe und Seitenschienen des kombinierten Typs von Ölabstreifringen umfassen, von Benzin- und Dieselmoto­ ren sind aus einem auf Martensit basierenden rostfreiem Stahl, wobei auf deren Oberfläche eine Nitrierbehandlung angewendet wurde, um den Abriebwiderstand zu verbessern. Bezüglich konventioneller erster Verdichtungsringe großer Die­ selmotoren, wurden Ringe verwendet, welche aus gegossenem Eisen hergestellt sind, auf deren Außenumfang ein Chromüberzug aufgebracht wurde. Wenn das EGR-(exhaust gas recycling, Abgas-Recycling)-System in Übereinstimmung mit den Abgas-Verordnungen verwendet wird, kommt es jedoch bei dem mit einem Chromüberzug versehenen gegossenen Eisen zu einem Mangel ausreichenden Abriebwiderstands, wobei die Anforderung an die ersten Verdichtungsringe ist, daß deren Abriebwiderstand durch Herstellen der Ringe aus einem auf Martensit basierenden rostfreiem Stahl verbessert wird, wobei deren Außenumfänge einer Nitrierbehandlung unterzogen werden.

Bezüglich der zweiten Verdichtungsringe großer Dieselmotoren ist deren Be­ triebsumgebung in Zylindern von Motoren nicht so extrem, wie die der ersten Verdichtungsringe. Jedoch tritt ein Problem unzureichenden Abriebwiderstandes im Falle der konventionellen Ringe auf, wobei gegossenes Eisen mit einem Chromüberzug verwendet wird, wenn das EGR-System eingesetzt wird. Wenn axial dünnere zweite Verdichtungsringe eingesetzt werden, um den Brennstoff­ verbrauch des Motors zu verbessern, läuft es außerdem darauf hinaus, daß die Ringe aus gegossenem Eisen einen Mangel an ausreichender Festigkeit aufweisen. Die zweiten Verdichtungsringe sollten darum wünschenswerterweise aus Stahl hergestellt sein.

Verdichtungsringe, welche aus Stahl hergestellt sind, sind in den japanischen Pa­ tentveröffentlichungen Nr. 58-25863 (1983) und Nr. 61-54103 (1986) offenbart, in welchen die ersten und zweiten Verdichtungsringe beide aus einem identischen Stahl hergestellt sein sollten.

Bei der Herstellung eines Kolbenrings, welcher Verdichtungsringe und Seiten­ schienen des kombinierten Typs von Ölabstreifringen zur Verwendung in Ver­ brennungsmotoren einschließlich Benzin- und Dieselmotoren umfaßt, welche aus Stahlwerkstoff hergestellt sind, besteht das Problem darin, daß das Biegen wäh­ rend des Ring-Formungsprozesses nicht leicht ist und gelegentlich einen zerbro­ chenen Ring hervorruft.

Da in großen Dieselmotoren verwendete Verdichtungsringe, die Verdichungsrin­ ge, insbesondere die ersten Verdichtungsringe, einen signifikant hohen Abriebwi­ derstand erfordern, werden die Ringe aus einem relativ teuren Stahlwerkstoff mit hohem Cr-Anteil hergestellt. Daher bestand ein weiteres Problem darin, daß, wenn die zweiten Verdichtungsringe aus demselben Stahlwerkstoff hergestellt werden wie die ersten Verdichtungsringe, dies zur Folge hat, daß die Gesamther­ stellungskosten von Verdichtungsringen teuer werden.

Darüber hinaus bestand ein weiteres Problem darin, daß dann, wenn die ersten und zweiten Verdichtungsringe aus einem identischen Stahlwerkstoff hergestellt sind und mit einem Chromüberzug identischer Härte versehen werden, der Unter­ schied zwischen den ersten und zweiten Verdichtungsringen in deren Ansatzspalt nach einem langzeitigen Einsatz unnormal groß wird, was darin resultiert, daß die Abdichtfähigkeit der Verdichtungsringe verringert wird und bewirkt, daß das durchströmende Gasvolumen zunimmt.

Weiterhin bestand ein großes Problem darin, daß die Ringe eine schlechte Kalt- Verarbeitbarkeit während des Ring-Formungsprozesses entfalten, da in großen Dieselmotoren die verwendeten Verdichtungsringe einen größeren Querschnittbe­ reich aufweisen als die in Benzinmotoren.

Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen. Darum ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, Kolbenringe vorzuse­ hen, welche Verdichtungsringe und Seitenschienen des kombinierten Typs von Ölabstreifringen für Verbrennungsmotoren, welche Benzin- und Dieselinotoren einschließen, umfassen, welche aus einem Stahlwerkstoff derart hergestellt sind, daß bei der Herstellung der Ringe die Biegeverarbeitung während des Ring- Formungsprozesses erleichtert wird, wobei gleichzeitig ein Zerbrechen der Ringe verhindert wird.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kombination von er­ sten und zweiten Verdichtungsringen für große Dieselmotoren vorzusehen, wobei die Materialbeschaffenheit und die Oberflächenbehandlung der zweiten Verdich­ tungsringe herabgesetzt wird, unter Berücksichtigung unterschiedlichen der Härte der Betriebsbedingungen der ersten und zweiten Verdichtungsringe, so daß die Gesamtherstellungskosten einer Kombination von ersten und zweiten Verdich­ tungsringen reduziert werden, und ihre Abdichtfähigkeit für eine lange Zeit auf­ recht erhalten wird, während ebenfalls ein ausgezeichneter Abriebwiderstand bei­ behalten wird.

Ein zusätzlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, zweite Verdichtungs­ ringe für große Dieselmotoren vorzusehen, welche eine ausgezeichnete Kalt- Verarbeitbarkeit während des Ring-Formungsprozesses entfalten.

Um die oben beschriebenen Ziele zu erreichen, werden Kolbenringe, welche Ver­ dichtungsringe und Seitenschienen des kombinierten Typs von Ölabstreifringen zur Verwendung in Verbrennungsmotoren, welche Benzin- und Dieselmotoren umfassen, gemäß einem Aspekt der Erfindung vorgesehen, wobei der Kolbenring aus einem Stahlwerkstoff hergestellt ist, welcher vorteilhafterweise nicht mehr als 0,4 und nicht weniger als 0,8 Gew.-% C, nicht weniger als 0,16 und nicht mehr als 0,4 Gew.-% Si, nicht weniger als 0,1 und nicht mehr als 0,4 Gew.-% Mn und nicht weniger als 2,0 und nicht mehr als 11,0 Gew.-% Cr enthält. Vorteilhafter­ weise weist der Stahlwerkstoff hauptsächlich Chromcarbid, welches in dessen Basistextur präzipitiert ist, auf, und weist eine gehärtete Schicht auf, welche dar­ auf mittels einer Oberflächenbehandlung gebildet wurde.

Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung ist eine Kombination eines ersten Verdichtungsrings und eines zweiten Verdichtungsrings zur Verwen­ dung in Verbrennungsmotoren einschließlich großer Dieselmotoren vorgesehen, wobei der erste Verdichtungsring vorteilhafterweise aus einem Stahlwerkstoff hergestellt ist, welcher nicht weniger als 0,16 und nicht mehr als 1,4 Gew.-% C und nicht weniger als 12 und nicht mehr als 23,0 Gew.-% Cr enthält. Vorteilhaf­ terweise weist der Stahlwerkstoff des ersten Verdichtungsrings hauptsächlich in dessen Basistextur präzipitiertes Chromcarbid auf, und weist eine gehärtete Schicht mit einer Härte von nicht weniger als Hv1050 auf, welche darauf mittels einer Oberflächenbehandlung gebildet ist.

Der zweite Verdichtungsring ist vorteilhafterweise aus einem Stahlwerkstoff her­ gestellt, welcher nicht weniger als 0,4 und nicht mehr als 0,8 Gew.-% C, nicht weniger als 0,16 und nicht mehr als 0,4 Gew.-% Si, nicht weniger als 0,1 und nicht mehr als 0,4 Gew.-% Mn und nicht weniger als 2,0 und nicht mehr als 11,0 Gew.-% Cr enthält. Vorteilhafterweise weist der Stahlwerkstoff des zweiten Ver­ dichtungsrings hauptsächlich Chromcarbid präzipitiert in dessen Basistextur auf, und weist eine gehärtete Schicht mit einer Härte von weniger als Hv1050 auf, welche darauf mittels einer Oberflächenbehandlung gebildet ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die oben be­ schriebene Oberflächenbehandlung vorteilhafterweise eine Nitrierbehandlung sein, insbesondere eine aus der Gruppe ausgewählte Nitrierbehandlung, welche Gas-Nitrierbehandlung, Gas-Weich-Nitrierbehandlung, Säure-Nitrierbehandlung, Salzbad-Nitrierbehandlung und Io-Nitrierbehandlung umfaßt.

Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die oben beschriebene Oberflächenbehandlung vorteilhafterweise eine Kombination einer ersten Behandlung einer Nitrierbehandlung und einer zweiten Behandlung entwe­ der einer PVD-Beschichtungsbehandlung oder einer Composit-Beschichtungs­ behandlung sein, welche auf die Oberfläche, welche durch die erste Behandlung gehärtet wurde, des Kolbenrings für Benzin- und Dieselmotoren, wie oben be­ schrieben, und die Kombination der ersten und zweiten Verdichtungsringe für große Dieselmotoren, angewendet wird.

Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Chrom­ überzug als Oberflächenbehandlung für den Kolbenring aus Stahlwerkstoff für Benzin- und Dieselmotoren vorgesehen werden, um einen ausgezeichneten Ab­ riebwiderstand zu erlangen.

Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der erste Verdichtungsring der Kombination von Verdichtungsringen vorzugsweise in des­ sen Stahlwerkstoff eines oder mehrere Elemente enthalten, die dessen Abriebwi­ derstand verbessern, insbesondere eines oder mehrere Elemente, die aus einer Gruppe bestehend aus Mo, Ni und V ausgewählt sind.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird somit ein Kolbenring zur Verwendung in Verbrennungsmotoren, einschließlich Benzin- und Dieselmotoren, geschaffen, welcher einen Vorteil darin aufweist, daß er eine ausgezeichnete Biege- Verarbeitbarkeit aufweist, wodurch verhindert wird, daß Ringe während des Ring- Formungsprozesses zerbrechen und auch eine Kombination von ersten und zwei­ ten Verdichtungsringen zur Verwendung in Verbrennungsmotoren, einschließlich großer Dieselmotoren geschaffen, welche einen Vorteil darin aufweist, daß die Gesamt-Herstellungskosten der Kombination der Verdichtungsringe reduziert werden, wobei der Abriebwiderstand beibehalten wird, wodurch den Anforderun­ gen an extreme Betriebsbedingungen der Verbrennungsmotoren entsprochen wird.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der beige­ fügten Zeichnungen näher erläutert, in welchen:

Fig. 1 eine Querschnittansicht eines Hauptabschnitts eines Dieselmotors ist, wel­ cher mit einer Kombination erster und zweiter Verdichtungsringe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist;

Fig. 2 eine vergrößerte Querschnittansicht eines ersten Verdichtungsrings ist, wel­ cher in Fig. 1 dargestellt ist;

Fig. 3 eine vergrößerte Querschnittansicht eines zweiten Verdichtungsrings ist, welcher in Fig. 1 dargestellt ist; und

Fig. 4 eine graphische Darstellung ist, welche Testergebnisse bezüglich des Ab­ riebwiderstands zeigt.

Kolbenringe gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie im beigefügten Anspruch 1 definiert sind, welche Verdichtungsringe und Seitenschienen eines kombinierten Typs von Ölabstreifringen umfassen, sind aus einem Stahlwerkstoff hergestellt, genauer aus einem auf Martensit basierenden rostfreiem Stahl, welcher nicht we­ niger als 0,4 und nicht mehr als 0,8 Gew.-% C, nicht weniger als 0,16 und nicht mehr als 0,4 Gew.-% Si, nicht weniger als 0,1 und nicht mehr als 0,4 Gew.-% Mn und nicht weniger als 2,0 und nicht mehr als 11,0 Gew.-% Cr enthält, welcher hauptsächlich Chromcarbid in dessen Basistextur präzipitiert aufweist, und dann eine gehärtete Schicht, welche darauf mittels einer Oberflächenbehandlung gebil­ det wird, aufweist. Der Grund, weshalb bestimmte Begrenzungen der in dem Stahlwerkstoff des wie oben beschriebenen Kolbenrings enthaltenen Elementan­ teile gesetzt werden, wird hiernach beschrieben.

Das Element C spielt eine wichtige Rolle im Vorsehen der notwendigen Härte und Festigkeit des Ringwerkstoffes und trägt auch zur Verbesserung des Abriebwider­ standes durch Bilden feiner Strukturen von hartem Chromcarbid bei. Um einen solchen Effekt zu erhalten, müssen mindestens oder nicht weniger als 0,4 Gew.-% C in dem Stahlwerkstoff des Kolbenrings enthalten sein. Wenn jedoch mehr als 0,8 Gew.-% C enthalten sind, führt dies zu einer Herabsetzung der Festigkeit und Verarbeitbarkeit des Werkstoffes während des Ring-Formungsprozesses. Somit sind vorteilhafterweise die untere und obere Grenze der Gewichtsprozente des C jeweils auf 0,4 bzw. 0,8% gesetzt.

Das Element Si wird dem Stahlwerkstoff des Kolbenrings als ein Di- Oxidationsmittel zugesetzt und darum ist es zu diesem Zweck erforderlich, we­ nigstens oder nicht weniger als 0,16 Gew.-% Si dem Stahlwerkstoff des Kolben­ rings zuzusetzen. Wenn jedoch mehr als 0,4 Gew.-% Si zugesetzt werden, führt dies dazu, die Kalt-Verarbeitbarkeit des Werkstoffes während des Ring- Formungsprozesses herabzusetzen und bewirkt, daß die Festigkeit des Werkstof­ fes abnimmt. Vorteilhafterweise wird jedoch die untere und obere Grenze der Gewichtsprozente des Si jeweils auf 0,16 bzw. 0,4% gesetzt.

Ähnlich zum Si wird das Element Mn dem Stahlwerkstoff des Kolbenringes als ein Di-Oxidationsmittel zugesetzt und es ist deshalb erforderlich, mindestens oder nicht weniger als 0,1 Gew.-% Mn dem Werkstoff des Kolbenringes zuzusetzen. Wenn jedoch mehr als 0,4 Gew.-% Mn zugesetzt werden, führt dies dazu, daß die Kalt-Verarbeitbarkeit des Werkstoffes während des Ring-Formungsprozesses her­ abgesetzt wird und bewirkt, daß die Festigkeit des Werkstoffes abnimmt. Vorteil­ hafterweise wird daher die untere und obere Grenze der Gewichtsprozente des Mn jeweils auf 0,1 bzw. 0,4% gesetzt.

Ein weiteres wichtiges Element, das Element Cr, welches in dem Stahlwerkstoff des Kolbenringes im Zustand einer festen Lösung enthalten ist, bietet den Wär­ mewiderstand und den Widerstand gegen thermischen Ermüdungsbruch (thermi­ scher Ermüdungswiderstand) und verbessert auch den Korrosionswiderstand. Ein Teil des Cr bildet Carbid und schafft die Beständigkeit gegen Festsitzen und den Abriebwiderstand. Um einen solchen Effekt zu entfalten, muß unter Berücksichti­ gung des Ausgleichs mit C wenigstens oder nicht weniger als 2,0 Gew.-% Cr in dem Stahlwerkstoff des Kolbenrings enthalten sein. Wenn jedoch mehr als 11,0 Gew.-% Cr enthalten sind, führt dies dazu, daß die Verarbeitbarkeit des Werkstof­ fes während des Ring-Formungsprozesses herabgesetzt wird. Vorteilhafterweise sind somit die obere und untere Grenze der Gewichtsprozente des Cr jeweils auf 2,0 bzw. 11,0% gesetzt.

Auf den Kolbenring, welcher aus dem oben beschriebenen Stahlwerkstoff gebildet ist, kann eine einzelne Nitrierbehandlung als Oberflächenbehandlung angewendet werden, welche aus der Gruppe bestehend aus Gas-Nitrier-, Gas-Weich-Nitrier-, Säure-Nitrier-, Salzbad-Nitrier- und Io-Nitrier-Behandlung ausgewählt ist, um eine Nitrier-gehärtete Schicht auf der Oberfläche des Kolbenrings zu bilden. Die Nitrier-gehärtete Schicht ermöglicht, daß der Kolbenring einen ausgezeichneten Abriebwiderstand entfaltet.

Darüber hinaus kann der Abriebwiderstand des Kolbenrings durch Aufbringen von entweder einem PVD-Überzug oder einer Composit-Überzug-Behandlung als eine zweite oder zusätzliche Behandlung auf dessen Oberfläche, welche mit der ersten Behandlung des Nitrierens gehärtet wurde, als Oberflächenbehandlung weiter verbessert werden. Alternativ kann der Stahlwerkstoff des Kolbenrings gemäß der Erfindung mit einem Chromüberzug auf dessen Oberfläche versehen werden, um einen ausgezeichneten Abriebwiderstand aufzuweisen.

Eine Kombination von Verdichtungsringen gemäß der vorliegenden Erfindung wie im beigefügten Anspruch 6 definiert ist, umfaßt einen ersten und einen zwei­ ten Verdichtungsring, wobei sowohl der erste als auch der zweite Verdichtungs­ ring aus dem gleichen Stahlwerkstoff hergestellt sein können, genauer ein auf Martensit basierender rostfreier Stahl, welcher C und Cr enthält, welcher haupt­ sächlich in dessen Basistextur präzipitieres Chromcarbid aufweist und eine mittels einer Oberflächenbehandlung gehärtete Schicht darauf aufweist.

Vorteilhafterweise betragen die in dem Stahlwerkstoff des ersten Verdichtungs­ rings enthaltenen Elementanteile nicht weniger als 0,16 und nicht mehr als 1,4 Gew.-% an C und nicht weniger als 12,0 und nicht mehr als 23,0 Gew.-% an Cr. Der Grund für das Festsetzen bestimmter Begrenzungen der im Stahlwerkstoff enthaltenen Elementanteile eines wie oben beschriebenen, ersten Verdichtungs­ rings wird hiernach beschrieben.

Wenn der enthaltene Anteil an C weniger als 0,16 Gew.-% beträgt, wird Carbid, welches zu dem Abriebwiderstand beiträgt, nicht in ausreichendem Volumen ge­ bildet, um einen ausgezeichneten Abriebwiderstand zu entfalten. Wenn der ent­ haltene Anteil an C 1,4 Gew.-% übersteigt, wird andererseits das Carbid grobkör­ nig, wodurch die für einen Ring erforderliche Festigkeit abnimmt, was einen spröden Ring zur Folge hat. Somit sind vorteilhafterweise die obere und untere Grenze der Gewichtsprozente des C jeweils auf 0,16 bzw. 1,4% gesetzt.

Wenn der enthaltene Anteil bezüglich des Cr weniger als 12,0 Gew.-% beträgt, dann wird Carbid, welches mit einer großen Härte in Abhängigkeit des prozen­ tualen Anteils von C zu einem ausgezeichneten Abriebwiderstand beiträgt, nicht in ausreichender Menge gebildet und der Widerstand gegen Korrosion nimmt ebenfalls ab. Wenn der enthaltene Anteil an Cr 23,0 Gew.-% übersteigt, dann er­ höht sich andererseits, wiederum in Abhängigkeit des prozentualen Anteils an C, das Volumen an Carbid in einem Zustand einer festen Lösung im Ausgangsmate­ rial, wodurch die Festigkeit des Stahlwerkstoffes, insbesondere die Härte, ab­ nimmt. Vorteilhafterweise werden somit die untere und die obere Grenze der Ge­ wichtsprozente des Cr jeweils auf 12,0 bzw. 23,0% gesetzt.

Weiterhin kann der Abriebwiderstand des ersten Verdichtungsrings vorteilhafter­ weise weiter durch das Zusetzen eines oder mehrerer Elemente als zusätzliche Bestandteile des Stahlwerkstoffes des ersten Verdichtungsrings verbessert wer­ den, welche aus der Gruppe ausgewählt sind, welche Mo, Ni und V umfaßt. Solch ein Zusatz verbessert auch den Widerstand gegen Korrosion und den Wärmewi­ derstand des Ringes.

Der erste aus dem oben beschriebenen Stahlwerkstoff gebildete Verdichtungsring, kann Oberflächenbehandlung mit einer einzelnen Nitrierbehandlung ausgewählt aus der Gruppe, die aus Gas-Nitrier-, Gas-Weich-Nitrier-, Säure-Nitrier-, Salzbad- Nitrier- und Io-Nitrier-Behandlung besteht, versehen werden, um eine Nitrier­ schicht mit einer Härte, die nicht weniger als Hv1050 beträgt auf der Oberfläche des ersten Verdichtungsringes zu bilden. Mit dieser Nitrierschicht wird ermög­ licht, daß der erste Verdichtungsring einen ausgezeichneten Abriebwiderstand, sogar unter den extremen Betriebsbedingungen eines Dieselmotors unter Einsatz des EGR-Systems entfaltet.

Obwohl es natürlich möglich ist, den ersten, gemäß der vorliegenden Erfindung gebildeten Verdichtungsring als einen zweiten Verdichtungsring des selben Mo­ tors zu verwenden, da zweite Verdichtungsringe wärme- und abriebtechnischen Betriebsbedingnngen unterliegen, die weniger extrem als die der ersten Verdich­ tungsringe sind, kann ein zweiter Verdichtungsring vorteilhafterweise aus einem Stahlwerkstoff gebildet werden, in dem Cr, welches relativ teuer ist, zu einem geringeren gewichtsprozentualen Anteil als der des Stahlwerkstoffes des ersten oben beschriebenen Verdichtungsringes enthalten ist, um die Gesamtherstellungs­ kosten einer Kombination von ersten und zweiten Verdichtungsringen zu senken.

Somit ist der zweite Verdichtungsring gemäß der vorliegenden Erfindung vorteil­ hafterweise nicht aus dem gleichen Stahlwerkstoff hergestellt, wie der des ersten Verdichtungsringes, sondern aus einem Stahlwerkstoff hergestellt, welcher die gleichen enthaltenen Elementanteile wie die Kolbenringe aufweist, die im beige­ fügten Anspruch 1 definiert und oben im Detail beschrieben sind, z. B. C von nicht weniger als 0,4 und nicht mehr als 0,8 Gew.-%, Si von nicht weniger als 0,16 und nicht mehr als 0,4 Gew.-%, Mn nicht weniger als 0,1 und nicht mehr als 0,4 Gew.-% und Cr von nicht weniger als 2,0 und nicht mehr als 11,0 Gew.-% enthaltend, wobei die Gewichtsprozente an Cr derart festgesetzt sind, daß sie ge­ ringer sind, als die des Stahlwerkstoffes des ersten Verdichtungsringes. Zusätzlich weist der Stahlwerkstoff des zweiten Verdichtungsrings hauptsächlich Chromcar­ bid präzipitiert in dessen Basistextur auf.

Der Grund des Festsetzens von bestimmten Begrenzungen der enthaltenen Ele­ mentanteile in dem Stahlwerkstoff des zweiten Verdichtungsrings, ist, wie oben, ähnlich zu dem vorher beschriebenen Grund für die im beigefügten Anspruch 1 definierten Kolbenringe und wird deshalb im folgenden nicht beschrieben.

Der zweite, aus dem wie oben beschriebenen Stahlwerkstoff gebildete Verdich­ tungsring, wird mit einer Nitrierhärtung als Oberflächenbehandlung versehen, genauer mit einer einzelnen Nitrierbehandlung, ausgewählt aus der Gruppe, die Gas-Nitrier-, Gas-Weich-Nitrier-, Säure-Nitrier-, Salzbad-Nitrier- und Io-Nitrier- Behandlung umfaßt, um eine Nitrierschicht mit einer Härte geringer als Hv1050 auf der Oberfläche des zweiten Verdichtungsrings zu bilden.

Wie oben beschrieben weist der Stahlwerkstoff des zweiten Verdichtungsrings gemäß der vorliegenden Erfindung eine abgereicherte Zusammensetzung gegen­ über der des ersten Verdichtungsrings auf, indem die gewichtsprozentualen An­ teile an Cr gegenüber denen des ersten Verdichtungsrings gemäß der vorliegenden Erfindung erniedrigt sind und die auf der Oberfläche des zweiten Verdichtungs­ rings gemäß der Erfindung gebildete Nitrierschicht weist eine geringere Härte als die des ersten, gemäß der vorliegenden Erfindung gebildeten Verdichtungsrings, auf. Dennoch, da der zweite Verdichtungsring wärme- und abriebtechnisch weni­ ger extremen Betriebsbedingungen als der erste Verdichtungsring ausgesetzt ist, ist der zweite Verdichtungsring dann in der Lage, einen ausgezeichneten Abrieb­ widerstand sogar unter den Betriebsbedingungen eines großen Dieselmotors, wel­ cher das EGR-Systems einsetzt, zu entfalten und ermöglicht gleichzeitig die Ge­ samtherstellungskosten einer Kombination von ersten und zweiten Verdichtungs­ ringen im Vergleich zu konventionellen Kombinationen von ersten und zweiten Verdichtungsringen gleicher Zusammensetzung und gleicher Oberflächenbe­ handlung zu verringern. Das Verwenden einer Kombination von ersten und zwei­ ten Verdichtungsringen verschiedener Zusammensetzungen gemäß der vorliegen­ den Erfindung ermöglicht außerdem zu vermeiden, daß der Unterschied zwischen den ersten und zweiten Verdichtungsringen am Ansatzspalt nach langzeitiger Verwendung unnormal groß wird, was erfahrungsgemäß schon lange bei einer konventionellen Kombination von ersten und zweiten Verdichtungsringen identi­ scher Zusammensetzung und identischer Oberflächenbehandlung auftrat, wodurch ermöglicht wird, daß die Abdichteigenschaften der Verdichtungsringe beibehalten werden.

Bezüglich der Querschnittform des Rings ist es nicht erforderlich, daß der zweite Verdichtungsring die gleiche Querschnittform aufweist, wie die des ersten Ver­ dichtungsrings, aber er kann eine Form aufweisen, die zum Entfalten der für ihn erforderlichen Eigenschaften notwendig ist, wie beispielsweise abgeschrägt, ab ge­ schrägt unterschnitten und abgeschrägt innengeschnittene Formen.

Darüber hinaus kann der Abriebwiderstand der ersten und zweiten Verdichtungs­ ringe weiter verbessert werden, indem entweder eine PVD-Überzugs- oder eine Composit-Überzugsbehandlung auf deren mit der ersten Behandlung des Nitrie­ rens gehärteten Oberfläche angewendet wird.

Ein veranschaulichendes Ausführungsbeispiels einer Kombination von ersten und zweiten Verdichtungsringen gemäß der vorliegenden Erfindung wird im folgen­ den unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden. Fig. 1 ist eine Querschnittansicht eines Hauptabschnitts eines Dieselmotors, welcher mit einem konkreten Beispiel einer erfindungsgemäßen Kombination von Ver­ dichtungsringen als auch eines Ölabstreifrings gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist, wobei der Motor einen Kolben 5 aufweist, welcher mit einem er­ sten Verdichtungsring 1, einem zweiten Verdichtungsring 2 und einem Ölabstreif­ ring 3 eines kombinierten Typs ausgestattet ist, welcher mit einen Abstandser­ weiterer 4 und Seitenschienen (nicht explizit bezeichnet) ausgestattet ist. Diese Ringe 1, 2 und 3 passen jeweils in Kontakt mit ihren jeweiligen Oberflächen des Außenumfangs mit den Oberflächen des Innenumfangs der Zylinderlaufbüchse 9 des Motors in ihre jeweiligen Ringausnehmungen 6, 7 und 8.

Der erste Verdichtungsring 1 ist ein Ring, welcher einen faßförmigen Querschnitt aufweist und aus Stahlwerkstoff hergestellt ist, genauer aus einem auf Martensit basierenden rostfreiem Stahl, welcher nicht weniger als 0,16 und nicht mehr als 1,4 Gew.-% C und nicht weniger als 12,0 und nicht mehr als 23,0 Gew.-% Cr aufweist. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, ist der erste Verdichtungsring 1 mit einer Nitrierbehandlung versehen, so daß dessen Oberfläche mit einer Nitrierschicht 11, welche eine Härte von nicht weniger als Hv1050 aufweist, versehen ist.

Der zweite Verdichtungsring 2 der Fig. 2 ist ein Ring mit einem angeschrägten Querschnitt, hergestellt aus Stahlwerkstoff, genauer aus einem auf Martensit ba­ sierenden rostfreiem Stahl, welcher nicht weniger als 0,4 und nicht mehr als 0,8 Gew.-% C, nicht weniger als 0,16 und nicht mehr als 0,4 Gew.-% Si, nicht weni­ ger als 0,1 und nicht mehr als 0,4 Gew.-% Mn und nicht weniger als 2,0 und nicht mehr als 11,0 Gew.-% Cr enthält. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, ist der erste Ver­ dichtungsring 1 mit einer Nitrierbehandlung versehen, so daß dessen Oberfläche mit einer Nitrierschicht 22 bedeckt ist, welche eine Härte von weniger als Hv1050 aufweist.

Zum Zweck eines Vergleichs wurden jeweils ein erster und ein zweiter Verdich­ tungsring aus einem konventionellen Stahlwerkstoff für Verdichtungsringe als unmittelbar vergleichbare Proben hergestellt, damit sie die gleiche Form und Grö­ ße wie die ersten und zweiten Verdichtungsringe 1 und 2 aufweisen. Die Ver­ gleichsproben wurden mit einer Nitrierbehandlung versehen, um darauf eine Ni­ trierschicht der gleichen Härte wie die erfindungsgemäßen Proben aufzuweisen.

Sowohl die erfindungsgemäßen als auch die vergleichsweisen Proben wurden vollständig geprüft, wobei ein konkreter Dieselmotor verwendet wurde, um ihre jeweilige Abriebmenge zu messen. Das Testergebnis ist in Fig. 4 dargestellt.

Wie aus Fig. 4 erkennbar ist, entfalten die erfindungsgemäßen Proben, welche mit einer Nitrierbehandlung versehen sind, einen ausgezeichneten Abriebwiderstand gleich dem der vergleichsweisen, ähnlich mit einer Nitrierbehandlung versehenen Proben.

Bei weiteren Vergleichen der Kalt-Verarbeitbarkeit während des Ring- Formungsprozesses zwischen den zweiten Verdichtungsringen sowohl der erfin­ dungsgemäßen als auch der vergleichsweisen Proben, zeigte die erfindungsgemä­ ße Probe bessere Eigenschaften gegenüber der vergleichsweisen Probe, wobei die erfindungsgemäße Probe eine überragende Verarbeitbarkeit zeigte, insbesondere eine Dehnung ausgezeichneter Gleichförmigkeit ohne Bruchversagen und un­ gleichmäßige Krümmungen während des Biege-Verarbeitungsprozesses.

Wie oben beschrieben, ungleich der Kolbenringe aus konventionellem Stahlwerk­ stoff, weisen die Kolbenringe gemäß der vorliegenden Erfindung einen Vorteil darin auf, daß die Biegeverarbeitung leicht durchzuführen ist, wodurch ein Zer­ brechen des Rings während des Ring-Formungsprozesses verhindert wird.

Die ersten und zweiten Verdichtungsringe, welche aus verschiedenen, auf Marten­ sit basierenden rostfreien Cr-enthaltenden Stahlwerkstoffen hergestellt sind, wo­ bei der zweite Verdichtungsring einen abgereicherten Stahlwerkstoff und eine herabgesetzte Oberflächenhärte nach einer Oberflächenbehandlung aufweist, je­ weils herabgesetzt im Vergleich zum ersten Verdichtungsring gemäß der vorlie­ genden Erfindung, weisen einen Vorteil darin auf, daß die Gesamtherstellungsko­ sten einer solchen Kombination von Verdichtungsringen verglichen mit konven­ tionellen Kombinationen von ersten und zweiten Verdichtungsringen gesenkt werden, wobei beide einen identischen Stahlwerkstoff als auch eine identische konventionelle Zusammensetzung und eine identische Oberflächenhärte nach ei­ ner Oberflächenbehandlung, wie beispielsweise Nitrieren, verwenden, während der Abriebwiderstand der ersten und zweiten Verdichtungsringe gemäß der vor­ liegenden Erfindung genauso ausgezeichnet beibehalten wird, wie der der kon­ ventionellen ersten und zweiten Verdichtungsringe.

Ungleich der konventionellen zweiten Verdichtungsringe weisen weiterhin die zweiten Verdichtungsringe gemäß der vorliegenden Erfindung einen Vorteil im Entfalten einer ausgezeichneten Kalt-Verarbeitbarkeit während des Ring- Formungsprozesses auf.

Obwohl die grundlegenden neuen Merkmale der Erfindung unter Bezug auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt und beschrieben wurden, ist es selbstverständlich, daß verschiedene Modifikationen und Änderungen an solchen Ausführungsbeispielen von Fachleuten vorgenommen werden können, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen.

Claims (11)

1. Kolbenring zur Verwendung in Verbrennungsmotoren, welcher aus einem Stahlwerkstoff hergestellt ist, welcher nicht weniger als 0,4 und nicht mehr als 0,8 Gew.-% C, nicht weniger als 0,16 und nicht mehr als 0,4 Gew.-% Si, nicht weniger als 0,1 und nicht mehr als 0,4 Gew.-% Mn und nicht weniger als 2,0 und nicht mehr als 11,0 Gew.-% Cr enthält, wobei der Stahlwerkstoff hauptsächlich Chromcarbid präzipitiert in dessen Basistextur enthält, wobei der Kolbenring eine gehärtete Schicht aufweist, welche mittels einer Oberflä­ chenbehandlung darauf gebildet ist.

2. Kolbenring nach Anspruch 1, bei welchem die Oberflächenbehandlung eine Nitrierbehandlung ist.

3. Kolbenring nach Anspruch 1, bei welchem die Oberflächenbehandlung eine Kombination einer ersten Behandlung einer Nitrierbehandlung und einer zweiten Behandlung entweder eines PVD-Überzugs oder eines Composit- Überzugs ist, welcher auf der mit der ersten Behandlung gehärteten Oberflä­ che vorgesehen ist.

4. Kolbenring nach Anspruch 2 oder 3, bei welchem die Nitrierbehandlung eine einzelne Nitrierbehandlung, ausgewählt aus der Gruppe, welche Gas- Nitrieren, Gas-Weich-Nitrieren, Säure-Nitrieren, Salzbad-Nitrieren und Io- Nitrieren umfaßt, ist.

5. Kolbenring nach Anspruch 1, bei welchem die Oberflächenbehandlung eine Chromüberzugsbehandlung ist.

6. Kombination von Verdichtungsringen, welche einen ersten Verdichtungsring und einen zweiten Verdichtungsring umfaßt, zur Verwendung in Verbren­ nungsmotoren, wobei der erste Verdichtungsring aus einem Stahlwerkstoff hergestellt ist, welcher nicht weniger als 0,16 und nicht mehr als 1,4 Gew.-% C und nicht weniger als 12 und nicht mehr als 23,0 Gew.-% Cr enthält, wobei der Stahlwerkstoff des ersten Verdichtungsrings hauptsächlich Chromcarbid präzipitiert in dessen Basistextur aufweist, wobei der Stahlwerkstoff des er­ sten Verdichtungsrings eine gehärtete Schicht einer Härte von nicht weniger als Hv1050 aufweist, welche mittels einer Oberflächenbehandlung darauf ge­ bildet ist, wobei der zweite Verdichtungsring aus einem Stahlwerkstoff her­ gestellt ist, welcher nicht weniger als 0,4 und nicht mehr als 0,8 Gew.-% C, nicht weniger als 0,16 und nicht mehr als 0,4 Gew.-% Si, nicht weniger als 0,1 und nicht mehr als 0,4 Gew.-% Mn und nicht weniger als 2,0 und nicht mehr als 11,0 Gew.-% Cr enthält, wobei der Stahlwerkstoff des zweiten Ver­ dichtungsrings hauptsächlich Chromcarbid präzipitiert in dessen Basistextur aufweist, wobei der Stahlwerkstoff des zweiten Verdichtungsrings eine ge­ härtete Schicht einer Härte von weniger als Hv1050 aufweist, welche mittels einer Oberflächenbehandlung darauf gebildet ist.

7. Kombination von Verdichtungsringen gemäß Anspruch 6, bei welcher die Oberflächenbehandlung eine Nitrierbehandlung ist.

8. Kombination von Verdichtungsringen gemäß Anspruch 6, bei welcher die Oberflächenbehandlung eine Kombination einer ersten Behandlung einer Ni­ trierbehandlung und einer zweiten Behandlung entweder eines PVD- Überzugs oder eines Composit-Überzugs ist, welche auf die mit der ersten Behandlung gehärtete Oberfläche angewendet wird.

9. Kombination von Verdichtungsringen gemäß Anspruch 7 oder 8, bei welcher die Nitrierbehandlung eine einzelne der Nitrierbehandlungen, ausgewählt aus der Gruppe, welche Gas-Nitrier-, Gas-Weich-Nitrier-, Säure-Nitrier-, Salz­ bad-Nitrier- und Io-Nitrier-Behandlung umfaßt, ist.

10. Kombination von Verdichtungsringen gemäß den Ansprüchen 6, 7, 8 oder 9, bei welcher der Stahlwerkstoff des ersten Verdichtungsrings eines oder meh­ rere Elemente enthält, welche dessen Abriebwiderstand verbessern.

11. Kombination von Verdichtungsringen gemäß Anspruch 10, bei welcher eines oder mehrere der den Abriebwiderstand verbessernden Elemente, welche in dem Stahlwerkstoff des ersten Verdichtungsrings enthalten sind, aus der Gruppe bestehend aus Mo, Ni und V ausgewählt sind.