DE3212214C2

DE3212214C2 - Kolbenring und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE3212214C2
Application number: DE19823212214
Authority: DE
Inventors: Takeshi Ageo Saitama Hiraoka; Shigeru Omiya Saitama Urano; Kiyoshi Ichikawa Chiba Yamamoto
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1981-04-02
Filing date: 1982-04-01
Publication date: 1987-02-12
Also published as: JPS6325183B2; JPS57163140A; DE3212214A1

Abstract

Ein Kolbenring ist mit einer Weißgußeisenschicht in seiner äußeren Umfangsoberfläche sowie mit einer thermisch behandelten Schicht versehen, wobei letztere als Unterlage für die Weißgußeisenschicht dient. Dieser Kolbenring ist hinsichtlich seiner Beständigkeit gegen Fressen mit den besten bekannten Kolbenringen vergleichbar, aber besitzt eine wenigstens zweimal so große Korrosionsbeständigkeit als die besten bekannten Kolbenringe.

Description

gekennzeichnet, daß der F.andbereich eines im Kolbenring (1) ausgebildeten Ringspaltes {6) von der weißerstanten Oberflächenschicht ausgenommen worden 1st.

4. Verfahren zum Herstellen des Kolbenrings nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenring Im Bereich seiner äußeren Umfangsoberfläche durch Beaufschlagen mit einer Strahlung Ring mit vorherbestimmten Abmessungen im Bereich

Die Erfindung betrifft einen Kolbenring aus Gußeisen als einzigem Material mit in seiner äußeren Umfangsoberfläche ausgebildeter harter Oberflächenschicht. Ein solcher Kolbenring, Insbesondere ölabstreifring für

Rotationskolben ist bereits bekannt aus der JP-OS 35 _seiner äußeren Umfangsoberfläche durch Beaufschlagen 51 17 966. mit einer Strahlung hoher Energiedichte auf seine

Der aus der genannten Offenlegungsschrlft bekannte Schmelztemperatur erwärmt und sodann abgekühlt Kolbenring enthält 15 bis 25% Chrom und ist nach wird.

einer Aufstickung einer Abschreckungsbehandlung Die Beaufschlagung mit der energiereichen Strahlung

unterworfen worden, um eine oberflächennahe 40 führt dem Gußelsenwerkstoff eine hohe Energiedichte Härtungsschicht auszubilden. zu, aber diese Energiedichte führt nicht zu der hohen

Diese bekannten hoch chromhaltigen Kolbenringe sind jedoch nicht für erschwerte Betriebsbedingungen geeignet, da diese bekannten Ringe eine zu hohe Brüchigkeit aufweisen.

Aus der DE-AS 20 08 753 Ist ein Kolbenring für Brennkraftmaschinen bekannt, bei welchem eine äußere Oberflächenschicht aus einem porösen und verschleißfestem Werkstoff, wie Molebdan als Elnlaufschlcht und

darunter eine Zwischenschicht aus einer porösen, hitze- 50 Zwischenschicht ein besonders günstiges Verhältnis beständigen Metallcarbld-Leglerung vorgesehen sind. von Festigkeit und Duktllität verleiht. Das Grundmetall dieses bekannten Kolbenringes
besteht aus einem Elsenwerkstoff und die beiden
genannten Schichten sind nacheinander im Metallspritzverfahren aufgetragen worden.

Außerdem ist aus der DE-PS 8 90 130 ein Kolbenring bekannt, der aus zwei oder mehr verschiedenen Metallen mit gesinterter Laufflächenschicht besteht, wobei die verschiedenen Metalle schichtenweise zusammengefügt sind, so daß die Schicht des einen Metalls den Rückenteil des Kolbenringes und die andere Schicht des nächsten Metalles den Lauffiächentell des Kolbenringes bildet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen

Kolbenring der eingangs genannten Gattung so zu f>5 besitzt der Kolbenring eine thermisch beaufschlagte verbessern, daß eine gute Beständigkeit gegen Fressen Zwischenschicht 4, welche zwischen der weißerstarrten sowie eine überragende Beständigkeit gegenüber Korro- Oberflächenschicht 3 und dem Gußeisengrundmetall 5 slon und thermischer Beanspruchung bei schweren des Kolbenringes ausgebildet 1st. Flg. 2 zeigt einen

thermischen Beanspruchung, wie sie bei herkömmlichen Erhitzungsvorgängen benutzt werden. Die äußere, direkt von der energiereichen Strahlung beaufschlagte Oberflächenschicht Hegt nach Ihrem Abkühlen als weißerstarrtes Gußelsen (Zementit + Grundmetall) vor, wohingegen die dieser weißerstanten Außenschicht benachbarte Schicht als Folge der Wärmeeinwirkung eine Gefügeveränderung erfahren hat, die dieser

Die Erfindung wird Im folgenden anhand zweier Ausführungsbelsplele und unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigt Flg. 1 einen Teilquerschnitt durch einen Kolbenring,

Fig. 2 eine mit Flg. 1 vergleichbare Darstellung eines zweiten Ausführungsbelsplels und

Flg. 3 eine Tell-Stirnanslcht des In Fig. 2 dargestellten Kolbenringes.

Der In Flg. 1 dargestellte Kolbenring besteht In seiner Gesamtheit lediglich aus Gußelsen und besitzt eine harte Oberflächenschicht 3 aus welßerstarrtem Gußelsen, welche rings um die gesamte äußere Umfangsfläche 2 des Kolbenringes verlauft. Ferner

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anderen Kolbenring, bei dem eine weißerstarrte Gußeisenschicht 3 lediglich im Zentralabschnitt der äußeren Umfangsfläche 2 vorgesehen ist. Auch bei dem in Fig. 2 gezeigten Kolbenring ist zwischen der weißerstarrten Oberflächenschicht 3 und dem Grundmetall 5 eine thermisch beaufschlagte Zwischenschicht 4 ausgebildet.

Da die weißerstarrte Schicht 3 freien Zementit enthält, behält sie selbst bei erhöhten Temperaturen eine sehr hohe Härte. Die weißerstarrte Schicht dient ■" als Gleitwerkstoff für den Kolbenring. Ein Fressen zwischen dem Kolbenring und der vom Kolbenring' beaufschlagten Zylinderoberfläche erfolgt Im Betrieb nicht, well Zementit selbst bei Temperaturen, bei welchen sonst häufig ein Fressen zwischen Metallwerkstoffen auftritt, keine Schmelzerscheinungen zeigt. Die weißerstarrte Schicht 3 ist so hart, daß sie von feinen Teilchen der von ihr beaufschlagten Zylinderoberfläche praktisch nicht angegriffen wird.

Die thermisch beaufschlagte Zwischenschicht 4 1st hinreichend*- fest und dient zum Abstützen der weißerstarrten Schicht 3, welche zwar äußerst hart, aber vergleichsweise brüchig ist. Schlagbeanspruchungen sowie zyklische Spannungen, welche auf die äußere Umfangsfläche des Kolbenringes einwirken, werden von der thermisch beaufschlagten Zwischenschicht 4 absorbiert, welche zwischen dem relativ elastischen Grundmetall 5 und der brüchigen weißerstarrten Schicht 3 ausgebildet ist, was zur Folge hat, daß diese Schicht 3 nicht reißt. Es 1st folglich möglich, daß Bilden bzw. Ausbreiten von Rissen in dieser Oberflächenschicht zu verhindern und auch zu vermeiden, daß sich Feinteilchen, welche einen Verschleiß der äußeren Umfangsfläche des Kolbenringes fördern könnten, aus dieser Schicht lösen. Dieses ist eine Folge der Bindungsfestigkeit zwischen der weißerstarrten Schicht 3 und der thermisch beaufschlagten Schicht 4, welche bei weitem größer ist als die Bindungskräfte zwischen einem Compound-Werkstoff und durch Nitrierung erzeugten Diffusionsschichten. 4U

Die Verhinderung des Wachstums bzw. des Ausbreitens von Feinrissen in der äußeren Umfangsoberfläche des Kolbenrings trägt gleichfalls bei zur Steigerung der Wärmebeanspruchbarkelt des Kolbenringes. Wird der Kolbenring mit offenem Spalt wieder erwärmt und abgekühlt, so ist es möglich, ihn vor einer Glühung auf erhöhter Temperatur zu bewahren, welche eine Herabsetzung seiner Zugfestigkeit zur Folge hätte. Der Kolbenring bricht nicht und splittert nicht, da er zu seinem größeren Anteil, wie Im Schnitt dargestellt, aus dem Grundmetall 5 besteht, welches Gußelsen mit vorgegebener Festigkeit enthält.

Die weißerstarrte Gußelsenschicht besitz' ein netzartiges Gefüge, In welchem eine große Menge freien Zementiis dicht und gleichförmig dlsperglert Ist, wodurch der Kolbenring gegen Verschleiß durch Korrosion geschützt ist, well der freie Zementit äußerst korrosionsbeständig ist. Die weißerstarrte Schicht sollte eine Vickers-Härte von wenigstens 600 aufweisen. Die weißerstarrte Schicht sollte ferner eine Dicke von wenigstens 50 μΐη aufweisen, da sie andernfalls eine unzureichende Festigkeit besitzt und zum Reißen und Ablösen neigt. Di·: thermisch beaufschlagte Schicht 4 "eilte eine Dicke ^von wenigstens 30 μΐη haben, um die weißerstarrte Schl-'ht hinreichend abstützen zu können. ^h5 Die weißerstarrte Schicht und die thermisch beaufschlagte Schicht, >Ίε in Ihrer Kombination einen synerelstischen Effekt herbeiführen, sollen zusammen eine Gesamtdicke von wenigstens 100 μπι aufweisen, um eine ausreichende Festigkeit zu gewährleisten.

Der Kolbenring 1 hat einen Spalt 6, um welchen keine Weißgußeisenschicht 3 ausgebildet ist, wie in F i g. 3 dargestellt 1st, weil die weißerstarrte Schicht 3 so hart 1st, daß sie anderenfalls die Ausbildung bzw. Bearbeitung des Spaltes beeinträchtigen könnte.

Die Schicht 3 aus weißerstarrtem Gußelsen wird üblicherweise durch Wiedererwärmen des äußeren Umfanges 2 des Kolbenring-Werkstoffes auf dessen Schmelztemperatur ausgebildet, und zwar mit Hilfe einer Wärmestrahlung mit hoher Energiedichte, wie durch eine Elektronenstrahlbehandlung, eine Laser-Behandlung usw., worauf das Material abgekühlt wird. Während der Erwärmungsbehandlung wird der Kolbenring um seine eigene Achse gedreht, während der beispielsweise verwendete Elektronenstrahl in Axlalrlchtung oszilliert. Die Drehzahl des Kolbenringes und die Oszillationsgeschwindigkeit des Elektronenstrahles werden in geeigneter Welse gesteuert, um jegliche Ungleichmäßigkeit auf der wiedererwärmten Ringoberfläche auf ein Minimum herabzusetzen. Die thermisch beaufschlagte Schicht 4 wird gleichzeitig mit der weißerstarrten Schicht 3 erzeugt. Jegliche ungleichmäßige bzw. unebene Abschnitte sowie Oxide werden von der Ringoberfläche entfernt, woran sich eine gewöhnliche Oberflächenbearbeitung anschließt. Wird die weißerstarrte Schicht 3 lediglich Im Zentralabschnlit der äußeren Umfangsfläche 2 ausgebildet, wie In Fig. 2 dargestellt, so Ist es möglich, auf leichte Welse ein Erweichen des wiedererwärmten Materials zu verhindern und einen Kolbenring mit gutem Sitz zu erzeugen.

Es wurden Verschleißprüfungen an erfindungsgemäßen Kolbenringen durchgeführt, die aus Kugelgraphit-Gußelsen mit der folgenden Zusammensetzung (Gew.-%) bestanden:

C	Si	Mn	P	S	Cu	Fc
3,66	2,41	0,50	0,09	0,03	0,60	Rest

Für die Untersuchungen wurden Zylinder-Auskleidungen aus Flockengraphlt-Gußelsen mit der folgenden Zusammensetzung (Gew.-%) verwendet:

C Si Mn P S Cu F

3,23 2,02 0,79 0,29 0,08 0,07 Rest

Jeder Kolbenring wurde mit einer weißerstarrten Schicht mit einer Dicke von 600 μνη und einer Vickers-Oberflächenhärte von 1000 sowie einer thermisch beaufschlagten Schicht mit einer Dicke von 200 μπι bei einer Tiefe von 0,65 mm unterhalb der Ringoberfläche und einer Vickers-Härte von 550 versehen.

Zu Verglelchszwecken wurden aus dem gleichen Werkstoff Kolbenringe im Gußzustand (Vergleichsversuch 1), Kolbenringe mit einer harten chromplattlerten Schicht mit einer Dicke von 75 μπι und einer Vickers-Härte von 880 (Vergleichsversuch 2) sowie Kolbenringe mit einer gehärteten Oberflächenschicht mit einer Stärke von 900 μm und einer Vickers-Härte von 510 (Vergleichsversuch 3) hergestellt.

Versuch 1 - Beständigkeit gegen Fressen
Durchführung:

Jeder ortsfest gehaltene Probekörper aus dem Kolbenringwerkstoff mit einer Abmessung von 12 χ 18 mm

wurde In Kontakt gebracht mit einer rotierenden

Scheibe eines Zylinder-Auskleidungswerkstoffs mit Hierzu 1 Blatt Zeichnung

135 mm Durchmesser. Eine Zusatzlast von 5 kg wurde

in Abständen von 10 min aufgebracht und diejenige Last, bei welcher Fressen auftrat, wurde bestimmt.

Versuchsbedingungen:

Gleitgeschwindigkeit: 5 m/sec

Schmiermittel: SAE # 30 + Kerosin (1 : 1)

Die Versuchsergebnisse sind In der folgenden Tafel 1 zusammengestellt.

Tafel 1

Probekörper Freßdruck (kg/cm²)

nach der Erfindung 81,0

Vergleichsversuch 1 48.6

Vergleichsversuch 2 88,0

Vergleichsversuch 3 51,0

Versuch 2 - Korrosionsbeständigkeit

Durchführung:

Ein säulenförmiger Probekörper aus jedem Kolbenring-Werkstoff mit 5 mm Durchmesser wurde 4 Stunden lang in eine korrosive Flüssigkeit eingetaucht, während diese Flüssigkeit durch Anwendung von Ultraschall umgerührt wurde. Der Gewichtsverlust eines jeden Probekörpers wurde ermittelt. Die beiden folgenden Flüssigkelten wurden verwendet:

Korrosive Flüssigkeit Nr. 1:

Schmiermittel mit 0,3% H₂SO₄ und Korrosive Flüssigkeit. Nr. 2:

qualitätsmäßig herabgesetztes Schmieröl, welches mit Benzin benutzt worden war, das 4 g Blei je US-Gallone enthielt.

Die Versuchsergebnisse sind in der folgenden Tafel 2 zusammengestellt.

Tafel 2

Probekörper Relativer Gewichtsverlust in bezug

auf den Probekörper nach der Erfindung
Flüssigkeit! Flüssigkeit 2

nach der Erfindung 100 100

Vergleichsversuch 1 150 190

Vergleichsversuch 2 650 500

Vergleichsversuch 3 230 200

Aus den in den Tafeln 1 und 2 zusammengestellten Versuchsergebnissen geht deutlich hervor, daß der erfindungsgemäße Kolbenring hinsichtlich seiner Beständigkeit gegen Fressen mit dem chromplattierten Kolbenring vergleichbar 1st, der bisher als über die beste Beständigkeit gegen Fressen verfügend angesehen wurde, wobei der Kolbenring nach der Erfindung eine wenigstens zweimal so große Korrosionsbeständigkeit aufweist als jeder herkömmliche Kolbenring.

Claims

Patentansprüche:

1. Kolbenring aus Gußeisen als einzigem Material mit in seiner äußeren Umfangsoberfläche ausgebildeter harter Oberflächenschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die harte Oberflächenschicht (3) aus welßerstarrtem Gußelsen besteht und daß zwischen der weißerstarrten Gußelsenschicht und dem Guß-

Betriebsbedingungen gewährleistet wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Kolbenring der Im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung durch die im Kennzelchentel! des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Der mit Hilfe der Erfindung erzielbare technische Fortschritt ergibt sich In erster Linie daraus, daß der Kolbenring als Folge seines speziellen schichtenweisen Aufbaus aus Gußeisen unterschiedlicher Natur sehr

elsengrundmetall (5) eine Zwischenschicht (4) aus io hoch belastbar Ist. Die thermisch beaufschlagte thermisch beaufschlagtem Gußeisen ausgebildet Ist. Zwischenschicht zwischen der äußeren weißerstarrten

2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die weißerstarrte Oberflächen-Gußelsenschicht und dem Gußelsen-Grundwerkstoff führt zu einer Milderung der Schlagbeanspruchungen und wiederkehrenden Spannungen, die die äußere

äußeren Umfangsoberfläche erstreckt. 15 weißerstarrte Gußeisenschicht beaufschlagen. Mithin

3. Kolbenring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch stellt diese Zwischenschicht eine Art Unterbau für die

äußere verschleißfeste Schicht dar. Der erfindungsgemäße Schichtenaufbau aus ein und demselben Werkstoff, nämlich Gußeisen, führt Im Bereich der Schichtgrenzen nicht zu Schwächungsstellen Im Materialaufbau, wie dies stets der Fall ist, wenn unterschiedliche Werkstoffe schichtenweise zu einem Körper miteinander verbunden werden. Wie bereits erwähnt, erteilt die äußere weißerstarrte Gußelsenschicht dem Kolbenring

hoher Energiedichte auf seine Schmelztemperatur 25 seine hohe Abriebfestigkeit und Korroslonsbeständigerwärmt und sodann abgekühlt wird. kelt, während die durch thermische Beanspruchung aus

dem Grundwerkstoff gebildete Zwischenschicht verhält-

nismäßlg, elastisch ist und dadurch befähigt ist, die

äußere harte Schicht nachgiebig abzustützen. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Der Kolbenring nach der Erfindung wird in der Weise hergestellt, daß ein aus Gußeisen bestehender

schicht (3) lediglich über einen Zentralbereich der