DE3812656A1

DE3812656A1 - Kolbenring mit einer verschleissfesten harten schicht und einer darauf gebildeten plattierten verbund-nickelschicht

Info

Publication number: DE3812656A1
Application number: DE19883812656
Authority: DE
Inventors: Motonobu Onoda
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1987-04-17
Filing date: 1988-04-15
Publication date: 1989-01-05
Anticipated expiration: 2008-04-16
Also published as: JPH0643570Y2; DE3812656C2; JPS63164661U

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolbenring für die Verwendung in einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einen Kompressions-Kolbenring, der in einer ringförmigen Kolben ringnut, die in einem Kolben gebildet ist, angeordnet ist.

Kolbenringe für die Verwendung in einer Verbrennungskraft maschine, insbesondere Kompressionsringe, sind dem Ver brennungsgas unmittelbar ausgesetzt, und es sind diese Ringe schweren Arbeitsbedingungen unterworfen, und zwar aufgrund der bestehenden Forderungen nach hoher Ausgangs leistung und erhöhter Maschinendrehzahl.

Verschiedene Verbesserungen sind vorgenommen worden, um es dem Kolbenring zu ermöglichen, eine ausreichende Dich tungsfähigkeit für lange Zeit auch unter der schweren Arbeitsbedingung des Kolbenringes aufrechtzuerhalten. Zu diesem Zweck wird eine feste Schicht oder eine Schicht mit hoher Härte mit hohem Verschleißwiderstand über einer äußeren Umfangsfläche des Kolbenringes gebildet, welche Fläche in Gleitkontakt mit einer inneren Umfangsfläche eines Zylinders oder einer Zylinderlaufbuchse steht. Die Schicht mit hoher Härte wird gebildet durch eine Nitrier härtungsschicht, die durch ein Gasnitrierverfahren, ein Salzbad-Nitrierverfahren oder ein Sauerstoff-Nitrierver fahren geschaffen wird, oder die aus einer plattierten Chromschicht mit einer Vickers-Härte von 800 bis 1300 gebildet wird. Mit einer solchen Anordnung erhält der Kolbenring eine Gasdichtigkeit für eine verlängerte Lebensdauer.

Bei einer Anfangs-Startperiode der Maschine scheint aber eine solche Schicht mit hoher Härte in Kontakt mit der Zylinderfläche keine ausreichende Anfangs-Einlaufeigen schaft in Bezug auf das zugehörige Element zu schaffen. Da die Verschleißwiderstandsfähigkeit des Kolbenringes gegeben ist durch die Schicht mit hoher Härte dauert es verhältnismäßig lange Zeit, um eine Anfangs-Einlaufeigen schaft zu erhalten. Wenn ferner ein solcher Ring in einer mit einem Turbolader versehenen Maschine verwendet wird, oder wenn er in einer Maschine mit Verdichtungszündung verwendet wird, in welchen Maschinen extrem schwierige Arbeitsbedingungen auftreten, kann ein starker Abrieb oder ein Festfressen aufgrund der unzureichenden Anfangs-Ein laufeigenschaft auftreten. Deshalb kann Schmieröl im Über schuß verbraucht werden, und es kann eine größere Menge an Durchblas-Gas durch einen Spalt zwischen dem Ring und dem Zylinder hindurchtreten.

Es sind also verschiedene Vorschläge gemacht worden, um die Anfangs-Einlaufeigenschaft zu verbessern. Beispiels weise offenbart die japanische Patentveröffentlichung Nr. 35-8 304/1960 eine Verbesserung eines mechanischen Gleitelements, wie eines Kolbenringes, bei welchem eine äußere Umfangsfläche eines Ringkörpers zuerst mit einer Chromplattierung versehen wird und dann auf die Chrom schicht ein weiches Metall aufgalvanisiert wird. Das weiche Metall besteht beispielsweise aus Zinn, Blei oder Kupfer oder aus deren Legierungen (Sn-Pb, Cu-Pb, Cu-Sn). Das weiche Metall dient dazu, die Anfangs-Einlaufeigen schaft zu schaffen. Bei der erforderlichen Widerstands fähigkeit gegen hohe Arbeitsbedingungen, sind solche zweifachen Plattierungen noch unzureichend, um das Ab riebproblem während der Anfangs-Startperiode der Maschine zu überwinden.

Üblicherweise wird auf einem Haupt-Ringkörper aus Gußeisen eine plattierte Schicht Ni-P gebildet. Die Plattierungs dicke der Verbundschicht liegt im Bereich von etwa 100 µm bis etwa 120 µm, um eine verbesserte Verschleißwiderstands fähigkeit zu erhalten, und es besitzt die Verbundschicht eine Vickers-Härte von HV 700 bis HV 950, wobei diese Härte durch Wärmebehandlung erreicht wird. Deshalb wird ein Bruch oder ein Riß aufgrund der dicken Plattierung erzeugt, und es tritt aufgrund der Wärmebehandlung des dicken Plattierungselements eine volumentrische Konzentration oder eine Änderung der Abmessung auf. Diese Faktoren be wirken einen Bruch des Kolbenringes insbesondere bei Ver wendung in einem Hochleistungs-Benzinmotor, einer Hoch leistungs-Kompressionszündungs-Maschine oder einer Turbo lader-Maschine. Die japanische Patentveröffentlichung 56-18 080/1981 offenbart ein Verbund-Plattierungsmaterial, in welchem in das Nickel Phosphor zugesetzt ist, um die Härte des Plattierungsmaterials zu erhöhen.

Die japanische Patentveröffentlichung 60-45 717 offenbart einen Kolbenring, in welchem eine Verbund-Nickelschicht un mittelbar auf eine Gleitfläche des Kolbenringes aufplattiert ist. Die plattierte Nickelschicht enthält 2 bis 10 Gewichts prozent Phosphor, und es sind in der Verbund-Nickelschicht Siliziumnitrid-Partikel verteilt. Die plattierte Verbund schicht ist unmittelbar auf dem Kolbenringkörper gebildet, und es ist deshalb eine große Dicke der plattierten Schicht erforderlich, um so eine Freilegung der Gleitfläche des Kolbenringkörpers durch das zugehörige Gleitelement zu verzögern. Mit anderen Worten, die plattierte Schicht sollte selbst eine gleitende Funktion während der gesamten Lebens dauer des Kolbenringes aufweisen, da die äußere Oberfläche des Kolbenringkörpers aufgrund der fehlenden Verschleiß festigkeit für einen Gleitkontakt nicht geeignet ist.

Die dicke Plattierungsschicht kann aber bei Auftreten einer hohen Spannung leicht von dem Ringkörper abblättern, da die plattierte Schicht dispergierende Metalle enthält. Es können also die dispergierenden Metallpulver einen Bruch bzw. einen Riß in der Plattierungsschicht erzeugen, so daß die Schicht von dem Haupt-Ringkörper abblättern kann, und, was noch schlimmer ist, der Ring brechen kann.

Ziel der Erfindung ist die Überwindung der oben genannten Nachteile und die Schaffung eines verbesserten Kolbenringes.

Durch die Erfindung soll ein Kolbenring geschaffen werden, welcher einen starken Abrieb bzw. ein Festfressen bei einem gewünschten Gleitkontakt zwischen dem Kolbenring und dem zugehörigen Element ausschaltet.

Ferner soll durch die Erfindung ein verbesserter Kolbenring geschaffen werden, der eine ausreichende Anfangs-Einlauf eigenschaft aufweist, und zwar aufgrund einer Verbundschicht, die eine ausreichende Verschleißfestigkeit aufweist, und die ferner eine Schicht hoher Härte besitzt, die nach Ab nutzung der plattierten Verbundschicht freigelegt wird.

Kurz gesagt, wird nach der Erfindung ein äußerer Umfangs teil eines Kolbenringkörpers mit einer verschleißfesten Schicht hoher Härte versehen, und es wird eine plattierte Verbund-Nickelschicht auf einer äußeren Umfangsfläche der Schicht mit hoher Härte gebildet. Die plattierte Verbund- Nickelschicht hat eine radiale Dicke von 5 bis 10 µm. Vorzugsweise enthält die plattierte Verbund-Nickelschicht 12,2 bis 15,0 Gewichtsprozent Phosphor.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Kolbenring nach einer Ausführung der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt eines wesentlichen Teiles des in Fig. 1 gezeigten Kolbenringes nach Fig. 1, und zwar in seinem Zustand vor der Verwendung,

Fig. 3 einen Querschnitt in vergrößertem Maßstab, welcher einen mit Fig. 2 übereinstimmenden wesentlichen Teil darstellt, jedoch in seinem Zustand nach der Verwendung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Testein richtung für einen Abriebtest,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Ergebnisse des Abriebtestes,

Fig. 6 eine graphische Darstellung, welche die Be ziehung zwischen einer Plattierungsdicke und deren Abblätterungsgrad zeigt, und

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Schlag testes zur Untersuchung der Haftfestigkeit eines plattierten Elements in Bezug auf ein Basiselement.

Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt ein Kolbenring 1 nach der vorliegenden Erfindung allgemein einen Hauptkörper 1 A, eine verschleißfeste Zone 2 hoher Härte, die zumindest am äußeren Umfangsteil des Hauptkörpers 1 A gebildet ist, und eine plattierte Verbund-Nickelschicht 3, die auf die äußere Umfangsfläche der Zone 2 mit hoher Härte aufplattiert ist. In der Ausführung nach Fig. 1 besitzt der Hauptkörper 1 A eine äußere Umfangsfläche 11, eine innere Umfangsfläche 12, eine obere planare Fläche 13 und eine untere planare Fläche 14, und es ist die Zone 2 mit hoher Härte entlang allen Flächen 11, 12, 13 und 14 des Hauptkörpers 1 A gebildet.

Die plattierte Verbund-Nickelschicht 3 enthält Nickel als Hauptbestandteil und sehr kleine metallische oder nicht metallische Partikel als Dispersionsmittel, wie Silizium nitrid, Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Eisen (II)-Oxid, Siliziumkarbid, Wolframkarbid, Titankarbid, Borkarbid, Chromkarbid, Diamant, Keramik oder Zirkonoxid. Solche Partikel haben eine hohe Härte, und sie sind in dem Nickel gleichförmig verteilt.

Wenn also der Kolbenring 1 auf dem zugehörigen Element, wie einer nicht-gezeigten Zylinder-Laufbüchse, gleitend bewegt wird, bewirkt die plattierte Verbund-Nickelschicht 3 eine ausreichende Anfangs-Einlaufeigenschaft, da das Basis-Nickelmaterial eine verhältnismäßig geringe Härte besitzt. Da ferner in der plattierten Schicht 3 gleich förmig verteilte Teilchen enthalten sind, die eine Härte bewirken, die höher als diejenige von Nickel ist, werden kleine Oberflächenunregelmäßigkeiten an der Reibungs gleitfläche der plattierten Schicht 3 erzeugt, wenn das Nickel abgenutzt wird. Durch die Bildung der Oberflächen unebenheit, kann Schmieröl in den kleinen Ausnehmungen zu rückgehalten werden, so daß eine ausgezeichnete Gleiteigen schaft erreichbar ist, die einen Abrieb ausschaltet.

Nach der vorliegenden Erfindung ist eine erwünschte An fangs-Einlaufeigenschaft des Kolbenringes 1 in einer Anfangs-Startperiode einer Maschine erreichbar, während gleichzeitig ein Abrieb beseitigt werden kann. Wenn die Anfangs-Einlaufeigenschaft einmal erreicht ist, wird die plattierte Verbund-Nickelschicht 3 allmählich abge nutzt, und es wird die darunter liegende Zone oder Schicht 2 hoher Härte gegenüber dem Gleitflächenteil freigelegt. Da in diesem Fall der Kolbenring 1 bereits eine wünschens werte Anfangs-Einlaufeigenschaft besitzt, wird die Schicht 2 hoher Härte allmählich und gleichmäßig einer Gleitreibung in Bezug auf den Zylinder ausgesetzt, um eine innewohnende Verschleißwiderstandsfunktion der Schicht 2 hoher Härte zu erzeugen. Es sei darauf hingewiesen, daß, wenn die plat tierte Verbundschicht 3 nicht an der äußeren Oberfläche der Schicht hoher Härte vorgesehen wird, sondern die letztere sich in unmittelbarem Kontakt mit dem zugehörigen Element befindet, aufgrund der rohen Oberfläche der Schicht hoher Härte ein Abrieb auftritt. (Der Ausdruck "roh" soll nicht eine rauhe Oberfläche der Schicht hoher Härte bedeuten. Selbst wenn die Oberfläche vor dem Einbau in einen Kolben einer Bearbeitung unterworfen wird, ist eine solche bear beitete Fläche noch schlechter als die einem gewissen Rei bungsgleitkontakt in Bezug auf das zugehörige Element unter worfene Fläche, und zwar in Bezug auf die Oberflächenrau heit der Gleitfläche).

Ferner ist bei der vorliegenden Erfindung die Dicke der plattierten Verbund-Nickelschicht 3 in einem extrem schma len Bereich genau definiert im Vergleich mit der üblichen Dicke einer Verbundschicht. D. h., die Dicke der plattierten Verbund-Nickelschicht liegt im Bereich von 5 bis 10 µm. Wenn die plattierte Verbund-Nickelschicht 3 eine große Dik ke besitzt, kann, wie oben beschrieben, ein Riß oder ein Bruch auftreten. Um diesen Nachteil zu vermeiden, darf die Dicke der Schicht 3 nicht größer als 10 µm sein.

Jedoch darf die Dicke der Schicht 3 nicht kleiner als 5 µm sein. Wenn die Dicke geringer ist als 5 µm, wird die Ver bundschicht leicht abgenutzt, so daß die innere Schicht 2 hoher Härte leicht dem zugehörigen Element ausgesetzt ist. Infolgedessen ist eine ausreichende Anfangs-Einlaufeigenschaft nicht erreichbar. Wenn dagegen die Dicke der Verbundschicht geringer ist als 5 µm werden eine große Anzahl von Poren gebildet, die bis in die innere Schicht 2 hoher Härte rei chen, was für den praktischen Gebrauch aufgrund der fehlenden mechanischen Festigkeit der Schicht 3 nicht brauchbar wäre. Es wird also eine optimale Funktion innerhalb des Dickenbe reiches von 5 bis 10 µm erreicht.

Wenn ferner die Maschine bei extrem schweren Arbeitsbe dingungen arbeitet, ist die oben beschriebene Anfangs- Einlaufeigenschaft noch erreichbar durch Erhöhung der Härte der Verbund-Nickelschicht 3 auf eine Mikro-Vickers- Härte von nicht weniger als 800. Eine solche Härte wird erreicht durch Zusatz von 12,2 bis 15,0 Gewichtsprozent Phosphor zum Nickel und durch Warmbehandlung der Zusam mensetzungen bei einer Temperatur von 200 bis 450°C. Eine so erhaltene Verbund-Nickelschicht 3 ist speziell geeignet für eine Kompressionszündungs-Maschine mit Turbolader. Wenn die Menge an Phosphor geringer ist als 12,2 Gewichts prozent, ist eine ausreichende Härte nicht erreichbar, und wenn die Menge größer ist als 15 Gewichtsprozent, wird die gegenseitige Haftfestigkeit zwischen den Zusammensetzungen in der Verbundschicht 3 erniedrigt, was zu einem Abblättern der Schicht und zu einer Zerstörung der Beschichtungsfestig keit führt, so daß dadurch ein Teil der Schicht 3 von der übrigen Schicht abblättert oder in der Schicht 3 eine Riß bildung gefördert wird. Ein solcher Nachteil ist für den praktischen Gebrauch eines Kolbenringes nicht geeignet. Im Hinblick auf die obigen Ausführungen ist die Phosphormenge festgelegt im Bereich von 12,2 bis 15,0 Gewichtsprozent.

Insbesondere wird, wenn die Menge an Phosphor 15,0 Gewichts prozent übersteigt und die Dicke der plattierten Verbund- Nickelschicht 310 µm übersteigt, und wenn das plattierte Verbund-NiP-Material einer Wärmebehandlung bei normaler Temperatur von 200 bis 450°C unterworfen wird, die sich ergebende Vickers-Härte von HV 600 HV 900 erhöht. Wenn eine solche plattierte Verbund-Nickelschicht verwendet wird, wird die Rißbildung in der Schicht übermäßig erhöht, so daß die Kerbbildung begünstigt wird und die mechanische Festigkeit des Haupt-Ringkörpers verringert wird, was schließlich zu einem Bruch des Kolbenringes führt.

Es wird darauf hingewiesen, daß die Menge an Phosphor nach der vorliegenden Erfindung analytisch erhalten worden ist. Da die plattierte Verbund-Nickelschicht 3 eine extrem ge ringe Dicke von 5 bis 10 µm aufweist, um einen Bruch in erster Linie zu verhindern, würde es nahezu unmöglich sein, die plattierte Schicht von dem Haupt-Kolbenringkörper zu ent fernen. Deshalb werden zur Messung der Phosphormenge die außer der Verbundschicht verbleibenden Teile chemisch aufgelöst, um nur die Verbundschicht (nicht aufgelöster Teil) zu erhal ten.

Die Zone oder Schicht 2 hoher Härte wird durch Nitrierbehand lung erzeugt, wobei Stickstoff in den Haupt-Ringkörper 1 A diffundiert wird. Wahlweise wird eine mit Chrom plattierte Schicht an der äußeren Umfangsfläche des Haupt-Ringkörpers 1 A als verschleißwiderstandsfähige Schicht 2 hoher Härte erzeugt.

Ein spezielles Beispiel eines Kolbenringes nach der Erfin dung wird in Bezug auf Fig. 1 beschrieben. Ein Haupt-Ring körper 1 A wird aus einem getemperten Martensitstahl mit einer Rockwell-Härte von HRC 38 bis HRC 44 geformt. Der Stahl be steht aus 0,8 bis 0,95 Gewichtsprozent C; 0,35 bis 0,50 Gewichtsprozent Si; 0,25 bis 0,40 Gewichtsprozent Mn; 17,00 bis 18,50 Gewichtsprozent Cr; 1,00 bis 1,25 Gewichts prozent Mo; 0,08 bis 0,15 Gewichtsprozent V; nicht mehr als 0,04 Gewichtsprozent P; nicht mehr als 0,04 Gewichts prozent S und Rest Fe.

Die verschleißfeste Zone 2 hoher Härte wird gebildet durch Nitrierbehandlung des Haupt-Ringkörpers 1 A an allen seinen Umfangsteilen (äußere und innere Umfangsflächen 11 und 12 sowie obere und untere planare Flächenteile 13 und 14). Mit der Behandlung wird Stickstoff in die Umfangsteile diffun diert, die als verschleißfeste Schicht 2 hoher Härte wirkt. Die Schicht hat eine Dicke von etwa 90 µm.

Ferner ist die plattierte Verbund-Nickelschicht 3 an der äußeren Umfangsfläche 11 der Nitrier-Schicht 2 gebildet. Die Verbundschicht 3 enthält 15 bis 20 Volumenprozent Silziumnitrid.

Die Verbundschicht 3 hat eine Dicke von 8 µm.

Fig. 2 zeigt in einem vergrößerten Querschnitt eines wesent lichen Teiles eines Kolbenringes bevor dem Betrieb. An einem äußeren Umfangsteil 11 des Ringes 1 ist eine Nitrierschicht oder Zone 2 vorgesehen, auf die eine Verbund-Nickelschicht 3 aufplattiert ist. In der Verbundschicht 3 sind Partikel 31 hoher Härte, wie Siliziumnitrid-Partikel gleichmäßig ver teilt.

Fig. 3 zeigt den Teil gemäß Fig. 2, wobei jedoch die Gleit fläche eine Anfangs-Einlaufeigenschaft bei einer Reibungs- Gleitbewegung in Bezug auf das zugehörige Element erzeugt. Da die Verbund-Nickelschicht 3 sich in Gleitkontakt mit dem zugehörigen Element befindet, wird eine anfängliche Ein laufeigenschaft wegen der geringen Härte von Nickel in der Anfangs-Startperiode der Maschine leicht erreicht. Ferner wird infolge des Unterschiedes des Verschleißwiderstandes zwischen Nickel und Siliziumnitrid 31 Nickel zuerst abge nutzt, während das Siliziumnitrid 31 auf der Gleitfläche verbleibt. Deshalb werden kleine Oberflächenunregelmäßig keiten an der Gleitfläche erzeugt (die Differenz in der Härte erzeugt eine Abnutzungsmenge durch Tiefendifferenz, wie es in Fig. 3 gezeigt ist). Infolgedessen wird Schmieröl in den ausgenommenen Teilen zurückgehalten, wodurch die Gleitbewegung des Kolbenringes weiter verbessert wird und so ein Abrieb weitgehend verhindert wird. Während der Zeit, während welcher die Maschine in ihre normale Arbeitsweise gebracht wird, wird die plattierte Verbund-Nickelschicht 3 abgenutzt, und es wird die abriebfeste Schicht 2 hoher Härte in Gleitkontakt mit dem zugehörigen Element gebracht, so daß der Kolbenring ausgezeichnete Verschleißfestigkeit aufgrund der innewohnenden Funktion der Schicht 2 erreicht.

Um die Überlegenheit der Erfindung zu demonstrieren, wurden folgende Vergleichs-experimente durchgeführt:

(1) Abriebwiderstandstest

Es wurden stationäre Teststücke 6 (18 mm×12mm×6 mm) vorbereitet, deren Einzelheiten der Gleitteile unten ange geben sind. Jedes der Teststücke 6 besaß einen Basiskörper aus nicht-rostendem Stahl (SUS 440B, bestimmt nach JIS, Japanese Industrial Standard). Wie in Fig. 4 gezeigt, be fand sich jedes der stationären Teststücke 6 in unter Druck gleitendem Kontakt mit einem zugehörigen drehenden Scheibenelement 5 aus grauem Gußeisen (FC25, bestimmt in JIS) mit einem äußeren Durchmesser von 139 mm, einem inneren Durchmesser von 105 mm und einer Dicke von 7 mm. Es wurde Schmieröl dem Gleitteil zwischen dem stationären Teststück 6 und dem drehbaren Scheibenelement 5 zugeführt.

(A) Einzelheiten der Oberflächenbehandlung der stationären Teststücke Beispiel 1 (Übliche Behandlung)

Es wurde eine Nitrierschicht mit einer Dick von 90 µm durch das Gas-Nitrierverfahren an einer Gleitfläche des Basiskörpers gebildet;

Beispiel 2 (Übliche Behandlung)

Es wurde eine Chrom-Plattierung mit einer Dicke von 120 µm an der Gleitfläche des Basiskörpers gebildet;

Beispiel 3 (vorliegende Erfindung)

Eine Nitrierschicht mit einer Dicke von 90 µm wurde durch das Gas-Nitrier- Verfahren an einer Gleitfläche des Basiskörpers gebildet, und es wurde über der Nitrierschicht eine plattierte Verbund-Nickelschicht mit einer Dicke von 8 µm gebildet. Die plattierte Verbund- Nickelschicht enthielt 15 bis 20 Volumenprozent Siliziumnitrid (Si₃N₄) mit einem Teilchendurchmesser von 0,7 µm. Ferner enthielt die Verbundschicht keinen Phosphor.

Beispiel 4 (vorliegende Erfindung)

Es wurde an einer Gleitfläche des Basiskörpers eine Nitrierschicht mit einer Dicke von 90 µm durch das Gas-Nitrierverfahren gebildet, und es wurde über der Nitrierschicht eine plattierte Verbund-Nickelschicht mit einer Dicke von 8 µm gebildet. Die plattierte Verbund-Nickelschicht enthielt 15 bis 20 Volumenprozent Siliziumnitrid (Si₃N₄) mit einem Teilchendurchmesser von 0,7 µm. Ferner war in der Verbundschicht 5 Gewichtsprozent Phosphor enthalten.

Beispiel 5 (vorliegende Erfindung)

Das gleiche wie Beispiel 4, ausgenommen der Phosphorgehalt. In diesem Beispiel war in der Verbundschicht 10 Gewichtsprozent Phosphor enthalten.

Beispiel 6 (vorliegende Erfindung)

Das gleiche wie Beispiel 4, ausgenommen der Phosphorgehalt. In diesem Beispiel war in der Verbundschicht 2,2 Gewichtsprozent Phosphor enthalten.

Beispiel 7 (vorliegende Erfindung)

Das gleiche wie in Beispiel 4, ausgenommen der Phosphorgehalt. In diesem Beispiel war in der Verbundschicht 13,5 Gewichtsprozent Phosphor enthalten.

Beispiel 8 (vorliegende Erfindung)

Das gleiche wie in Beispiel 4, ausgenommen der Phosphorgehalt. In diesem Beispiel war in der Verbundschicht 15 Gewichtsprozent Phosphor enthalten.

Beispiel 9 (vorliegende Erfindung)

Das gleiche wie in Beispiel 4, ausgenommen der Phosphorgehalt. In diesem Beispiel war in der Verbundschicht 17 Gewichtsprozent Phosphor enthalten.

(b) Testbedingung

Schmieröl 50% SAE #30 und 50% Kerosin
Öltemperatur 50°C
Ölzuführungsgeschwindigkeit 0,02 l/min
Umfangsgeschwindigkeit des rotierenden Scheibenelements 3,75 m/sek. (300 U/min).

Gleitkontaktdruck: Zuerst wurde ein Einlaufen während 20 Minuten bei dem Gleitkontakt von 25 km/cm² vorge nommen, während kontinuierlich Schmieröl zugeführt wurde. Dann wurde die Ölzufuhr unterbrochen, und es wurde der Kontaktdruck auf 30 kg/cm² erhöht und es wurde das Dreh gleiten während 2 Minuten durchgeführt. Der Gleitkontakt druck wurde bei jeder 2-Minuten-Operation um 10 kg/cm² erhöht. Der Druckwert, bei dem ein Abrieb bzw. Festfressen auftrat, wurde als maximaler Grenzdruck bestimmt, welcher in der Ordinate einer graphischen Darstellung in Fig. 5 dargestellt wurde.

Wie sich aus der graphischen Darstellung ergibt, wiesen die Muster 3 bis 9 (nach der vorliegenden Erfindung) einen Abriebwiderstand auf, der über dem der Muster 1 und 2 lag, bei denen nur die Gas-Nitrierschicht oder die plat tierte Chromschicht auf der Gleitfläche gebildet war.

Insbesondere war ein ausreichender Abriebwiderstand er reichbar, wenn der Phosphorgehalt 12,2 Gewichtsprozent überschritt (s. Beispiele 6 bis 9 in der graphischen Darstellung).

(2) Plattierungsfestigkeitstest

Allgemein wurde die Haftfestigkeit des plattierten Elements in Bezug auf das Basiselement quantitativ gemessen, und zwar durch eine Testvorrichtung, wie sie in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 36-19 046 (1861) beschrieben ist. Gemäß dieser Testvorrichtung, wie sie in Fig. 7 kurz ge zeigt ist, ist ein Testmuster 21 durch einen Halter 20 stationär gehalten, und es wird ein Schlagspitzenelement 22 mit einer Rockwell-Härte von nicht weniger als RA88 ist an einer Stange 23 befestigt. Durch die vertikale Bewegung der Stange 23 übt das Spitzenelement 22 eine Schlagkraft auf das Muster 21 aus.

Zwei Arten von Mustern wurden vorbereitet, von denen jedes eine verschleißfeste Schicht hoher Härte besitzt, die an der Oberfläche eines Basiselementes gebildet ist, und wobei eine plattierte Verbund-Nickelschicht auf einer Oberfläche der Schicht hoher Härte gebildet ist. Das Basis element bestand aus nicht-rostendem Stahl (SUS 440B). Bei der ersten Art von Mustern wurde eine Nitrierschicht mit einer Dicke von 90 µm über dem Basiselement gebildet durch ein Gas-Nitrierverfahren, und es wurde eine plattierte Verbund-Nickelschicht über der Nitrierschicht gebildet. Die Verbundschicht bestand aus 15 bis 20 Volumenprozent Siliziumnitrid (Si₃N₄) mit einem Partikeldurchmesser von 0,7 µm und aus 12,2 Gewichtsprozent Phosphor, das in der Verbundschicht enthalten war. Bei dem ersten Typ wurde die Dicke der plattierten Verbund-Nickelschicht geändert, um so die optimale Dicke zu untersuchen, bei welcher ein Ab blättern der plattierten Schicht von der benachbarten Schicht bei wiederholten Schlagaufbringungen auf die Muster bzw. Proben sehr klein gehalten werden kann. Das gleiche ist der Fall in Bezug auf den zweiten Typ der Muster bzw. Proben. Die letzteren Proben bzw. Muster besaßen die verschleißfeste Schicht mit großer Härte und die plattier te Verbund-Nickelschicht wie die Proben des ersten Typs, ausgenommen, daß in der zweiten Probe 15,5 Gewichtsprozent Phosphor in der Verbund-Nickelschicht enthalten war. Die Dicke der plattierten Verbund-Nickelschicht war geändert, um die optimale Dicke ähnlich wie bei der ersten Proben art zu untersuchen.

In der in Fig. 6 gezeigten graphischen Darstellung sind Schlaganwendungszeiten auf der Ordinate aufgetragen, bei denen ein Abblättern der plattierten Schicht in Bezug auf die Dicke der Verbund-Nickelplattierung auftrat, wie es auf der Abszisse aufgetragen ist. Der erste Probentyp ist durch weiß-gelassene Markierungen gekennzeichnet, während der zweite Probentyp durch volle Markierungen dargestellt ist.

Die graphische Darstellung ergibt, daß, wenn die Plattierungsdicke im Bereich von 5 bis 10 µm liegt, eine ausgezeichnete Schlagfestigkeit erreichbar ist. Deshalb kann der Dicken bereich das Abblättern der plattierten Schicht von der benachbarten Schicht sehr klein halten.

Wie aus den vorstehenden Darlegungen hervorgeht, kann nach der Erfindung eine ausreichende Anfangs-Einlauf eigenschaft bei einer Anfangs-Startperiode des Kolben ringes erreicht werden, um einen Abrieb oder ein Fest fressen auszuschalten, und zwar selbst dann, wenn eine Schicht mit großer Härte in Gleitkontakt bei der folgenden normalen Gleitoperation kommt. Dabei ist eine ausreichende Abriebfestigkeit erreichbar durch die Schicht mit hoher Härte, wenn einmal die Anfangs-Einlaufeigenschaft erreicht ist. Deshalb hat der Kolben nach der vorliegenden Erfin dung eine ausgezeichnete Gleitfunktion, wobei ausreichende Abriebfestigkeit für eine lange Lebensdauer aufrechterhalten wird.

Claims

1. Kolbenring gekennzeichnet durch einen Haupt-Ringkörper (1 A) mit einem äußeren Umfangs flächenteil (11), durch eine verschleißfeste Schicht (2) hoher Härte auf zumindest dem äußeren Umfangsflächenteil (11) und durch eine auf der verschleißfesten Schicht (2) hoher Härte gebildete plattierte Nickelschicht (3) mit einer Dicke von 5 bis 10 µm.

2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die plattierte Verbund-Nickelschicht 12,2 bis 15,0 Gewichtsprozent Phosphor enthält.

3. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die verschleißfeste Schicht hoher Härte eine Nitrierhärtungsschicht enthält.

4. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die verschleißfeste Schicht hoher Härte eine plattierte Chromschicht enthält.

5. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die verschleißfeste Schicht hoher Härte ein in dem Haupt-Ringkörper verteiltes Nitrid enthält.

6. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die plattierte Verbund-Nickelschicht Nickel als Grundmaterial und in dem Nickel gleichmäßig verteil te Teilchen hoher Härte enthält, wobei diese Teilchen hoher Härte aus metallischem oder nicht-metallischem Ma terial, insbesondere aus zumindest einem der folgenden Materialien, Silizium Nitrid, Aluminiumoxid, Silizium oxid, Eisen (II)-Oxid, Siliziumkarbid, Wolframkarbid, Titankarbid, Borkarbid, Chromkarbid, Diamant, Keramik oder Zirkonoxid, enthält.