EP4107413A1 - Sliding element, in particular piston ring, and method for producing same - Google Patents

Sliding element, in particular piston ring, and method for producing same

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EP4107413A1
EP4107413A1 EP21706927.7A EP21706927A EP4107413A1 EP 4107413 A1 EP4107413 A1 EP 4107413A1 EP 21706927 A EP21706927 A EP 21706927A EP 4107413 A1 EP4107413 A1 EP 4107413A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sliding element
nitriding
layer
base material
element according
Prior art date
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Pending
Application number
EP21706927.7A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Johannes Esser
Steffen Hoppe
Christiane Bauer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Federal Mogul Burscheid GmbH
Original Assignee
Federal Mogul Burscheid GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Federal Mogul Burscheid GmbH filed Critical Federal Mogul Burscheid GmbH
Publication of EP4107413A1 publication Critical patent/EP4107413A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • F16J15/34—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member
    • F16J15/3496—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member use of special materials
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    • C21D8/105—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of tubular bodies of ferrous alloys
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • C21D2221/00—Treating localised areas of an article
    • C21D2221/10—Differential treatment of inner with respect to outer regions, e.g. core and periphery, respectively

Definitions

  • the invention relates to a sliding element, in particular a piston ring, which has both good overall wear resistance and improved fatigue strength, and a method for producing the same.
  • sliding elements such as piston rings are subject to increasing demands on fatigue strength, among other things driven by increased load conditions, for example by increased cylinder peak pressures and by reduced piston ring dimensions (especially axial ring height).
  • thermal and mechanical loads also occur, especially in modern engines Sliding elements such as piston rings, pistons or cylinder liners in internal combustion engines, which require high wear resistance over a long service life.
  • sliding elements such as piston rings can be provided with a wear protection layer, for example on the outer flank surface of a piston ring.
  • Piston rings are known from the prior art, the flanks of which are partially or completely nitrided and the running surfaces of which at least partially have a different coating.
  • DE 10221 800 A1 discloses a steel piston ring with a running surface, an inner surface and upper and lower flanks provided in between, the running surface being at least partially provided with a thermal spray layer as a running surface coating and a nitriding layer produced by plasma nitriding at least on the flanks.
  • No. 6,508,473 B1 describes a piston ring with a nitriding layer on the upper and lower flanks or on the upper and lower flanks and the inner circumferential surface, as well as a hard layer formed by ion plating on the outer circumferential surface.
  • DE 102005 023 627 A1 describes a steel piston ring with a running surface chambered on one side, the running surface being coated with a wear protection layer based on chrome ceramic and having microcracks and at least the flanks are provided with a wear-reducing nitrided layer.
  • DE 10 2005 011 438 B3 discloses a method for producing wear protection layers on a piston ring base body made of steel or cast iron, the running surface area first being at least partially provided with an at least one-layer thermal spray coating based on nitrogen-affine metallic elements and then at least the flanks and the running surface including the spray coating applied to it are subjected to a nitriding process.
  • Such sliding elements have layers with satisfactory wear resistance, but these show a reduced fatigue strength under the above-mentioned load conditions.
  • the invention is based on the object of providing a sliding element, preferably a piston ring, which has both good overall wear resistance and improved fatigue strength, and a method for producing the same.
  • the wear resistance is basically ensured by providing a nitriding layer in a base material made of martensitic or austenitic stainless steel with a chromium content of at least 6.0 percent by mass. Chromium contents of at least 11.0 percent by mass or at least 17.0 percent by mass advantageously increase the wear resistance of the sliding element.
  • the fatigue strength of surface-treated components depends to a large extent on the brittleness of the surface zone of the component under consideration.
  • the nitriding of sliding elements is to be regarded as such a surface layer treatment.
  • Various series of tests have shown that the desired reduction in brittleness can be achieved by lowering the hardness of the nitrided layer. In particular, this can be achieved by a special procedure during nitriding.
  • the nitriding of piston rings made of steels with a high chromium content be carried out in such a way that the brittleness of the nitrided layer is reduced.
  • the reduction in brittleness is achieved by lowering the hardness of the nitrided layer. It has been shown here that a surface hardness of up to 900 HVl, measured orthogonally to the nitrided layer, leads to a significant improvement in fatigue strength.
  • a sliding element namely comprising a base material made of martensitic or austenitic stainless steel with a chromium content of at least 6.0 mass percent and a nitrided layer with a surface hardness of up to 950 HVl therefore ensures the desired wear protection with high fatigue strength at the same time.
  • the ammonia When a mixture of ammonia and ammonia cracked gas is supplied at elevated temperatures, the ammonia is split up on the metallic sliding element surface to for the absorption of atomic nitrogen. This absorbed nitrogen then diffuses into the metallic piston ring surface as a result of a drop in nitrogen concentration and thus forms a nitrided layer.
  • the formation of the nitrided layer is determined by the solubility of the high-chromium piston ring steel material.
  • the nitriding process conditions are now selected according to the invention so that the nitrogen solubility of the base material is exceeded, so that iron and chromium nitride precipitates are already formed during the nitriding and can grow further in the further course. Due to the increasing growth of iron and chromium nitride precipitations, the metallurgical stresses in the iron lattice are influenced in such a way that the increase in the lattice stresses is limited. This reduced lattice tension is directly related to the brittleness and hardness of the nitrided layer.
  • the inventors have now surprisingly found that the nitriding of the base material at a temperature between at least 600 ° and at most 700 ° C, the aforementioned effects can be achieved without the undesired so-called Braunite phase occurring in the diffusion zone of the nitriding layer. These advantageous effects are particularly pronounced at temperatures of at least 630 ° C or at most 650 ° C. The above-mentioned upper temperature limits ensure that the risk of brownite formation is avoided.
  • the nitriding is preferably carried out for a period of 15 to 60 minutes.
  • the sliding element additionally has a wear protection layer, preferably selected from a PVD layer or electroplated layer, particularly preferably a DLC layer, as the outermost layer on at least part of the surface of the sliding element.
  • a wear protection layer further increases the wear protection of the sliding element.
  • the sliding element is advantageously a piston ring and the wear protection layer is applied to the outer circumferential surface and / or the flank of the piston ring.
  • the named areas of a piston ring benefit particularly strongly from the wear protection provided by the wear protection layer.
  • the nitrided layer represents the outermost layer on at least part of the surface of the sliding element, preferably on the outer circumferential surface and / or the flank of a piston ring.
  • a sliding element is particularly easy to manufacture, but nevertheless has satisfactory properties in terms of wear resistance and fatigue strength.
  • the nitriding layer preferably has a nitriding hardness depth Nht 700 HV0.1, measured according to IS06621-2, Section 4.2.15, between 20 and 100 ⁇ m. The specified depth of nitriding hardness ensures the desired wear resistance and fatigue strength.
  • the thickness of the wear protection layer is advantageously at least 3 ⁇ m, preferably at least 10 ⁇ m. In this range of values, a particularly high wear resistance of the wear protection layer can be achieved.
  • the nitriding layer preferably consists exclusively of a single-zone nitriding layer with a continuous decrease in hardness from the outer surface to the base material which is free of nitriding layers.
  • the nitrided layer does not have a multilevel, discontinuous nitrided layer formation.
  • This embodiment is characterized by excellent wear resistance and fatigue strength.
  • the base material of the sliding element advantageously has a uniform, fine-grain tempered structure without carbide accumulations with a maximum carbide grain size of 50 ⁇ m. This advantageously increases the fatigue strength of the sliding element.
  • the base material is subjected to a cleaning treatment before nitriding. This allows surface contamination to be removed.
  • the base material Before nitriding, the base material is preferably heated to a pretreatment temperature between 450 ° C and 550 ° C in a gas nitriding plant with the addition of nitrogen gas.
  • the base material is advantageously subjected to a single or multi-stage etching treatment before nitriding, with ammonia and etchant in solid or liquid form can be added. This leads to the removal of the passive oxide layer, formed by the elements chromium and oxygen. Furthermore, the first nucleation of nitrides takes place on the piston ring surface.
  • the nitriding is carried out with the addition of ammonia and optionally nitrogen and / or hydrogen.
  • At least one holding phase is preferably provided, in which the base material is kept at a temperature which is below the nitriding temperature.
  • variable 1 shows a comparison of the surface hardness of a conventionally nitrided piston ring (variant 1) and a piston ring nitrided according to the invention (variant 2), measured according to HV1 and HV0.5; and
  • FIGS. 1 and 2 The expected relationship between the surface hardness of the nitrided layer and the fatigue strength of appropriately nitrided piston rings is demonstrated by the results shown in FIGS. 1 and 2:
  • the method according to the invention leads to significantly reduced surface hardness of the nitrided layer (see FIG. 1).
  • This reduced surface hardness in turn leads to a significantly increased fatigue strength, as shown by FIG.
  • the piston ring-specific fatigue strength was derived in the measurement method on which FIG. 2 is based, determining the mean stress and the stress amplitude for typical fatigue strength load changes 10 7 .
  • the growth of the iron and chromium nitride precipitates preferred according to the invention is also expressed in an increased etchability of the nitriding layer with 1% alcoholic nitric acid solution in the metallographic cross-section, as shown in FIG.
  • the following additional exemplary embodiment again illustrates the effect of nitriding according to the invention on hardness:
  • the surface hardness according to Table 1 was measured on the nitriding layer of a sliding element that was nitrided according to standard methods.
  • the surface hardnesses according to Table 2 were measured on the nitrided layer of a sliding element which was nitrided according to the method according to the invention.
  • Table 1 Table 1:

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Abstract

The present application relates to a sliding element, in particular a piston ring, and to a method for producing same, wherein the sliding element comprises a base material made of martensitic or austenitic stainless steel having a chromium content of at least 6.0 mass percent and a nitriding layer having a surface hardness of up to 950 HV1.

Description

Gleitelement, insbesondere Kolbenring, und Verfahren zur Sliding element, in particular piston ring, and method for
Herstellung desselben Manufacture of the same
Technisches Gebiet Technical area
Die Erfindung betrifft ein Gleitelement, insbesondere einen Kolbenring, welches sowohl eine insgesamt gute Verschleißbeständigkeit als auch eine verbesserte Dauerfestigkeit aufweist sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben . The invention relates to a sliding element, in particular a piston ring, which has both good overall wear resistance and improved fatigue strength, and a method for producing the same.
Stand der Technik State of the art
Bei der Reduzierung der Kohlendioxidemissionen von Verbrennungsmotoren spielt der Kraftstoffverbrauch eine maßgebliche Rolle. Dieser wird unter anderem auch von den Reibungsverlusten der Gleitelemente im Motor, insbesondere im Bereich der Kolben, beeinflusst. Die Gleitelemente, beispielsweise Kolbenringe, weisen dabei Laufflächen auf, an denen sie mit einem Reibpartner in gleitendem Kontakt sind. Dieses tribologische System ist komplex und wird maßgeblich durch die Materialpaarung der Reibpartner bestimmt. When it comes to reducing carbon dioxide emissions from internal combustion engines, fuel consumption plays a key role. This is influenced, among other things, by the friction losses of the sliding elements in the engine, especially in the area of the pistons. The sliding elements, for example piston rings, have running surfaces on which they are in sliding contact with a friction partner. This tribological system is complex and is largely determined by the material pairing of the friction partners.
Gleitelemente wie Kolbenringe unterliegen dabei einerseits in zunehmenden Maßen erhöhten Anforderungen an Dauerfestigkeit, unter anderem getrieben durch erhöhte Belastungsbedingungen, beispielsweise durch erhöhte Zylinderspitzendrücke sowie durch reduzierte Kolbenringabmessungen (insbesondere axiale Ringhöhe) . Andererseits treten insbesondere bei modernen Motoren auch thermische und mechanische Belastungen an den Gleitelementen wie z.B. Kolbenringen, Kolben oder Zylinderlaufbuchsen in Verbrennungsmotoren auf, die eine hohe Verschleißbeständigkeit über eine lange Lebensdauer nötig machen. Um diese Lebensdauerfähigkeit sicherzustellen, können Gleitelemente wie Kolbenringe mit einer Verschleissschutzschicht , beispielsweise auf der äußeren Flankenfläche eines Kolbenrings, versehen werden. On the one hand, sliding elements such as piston rings are subject to increasing demands on fatigue strength, among other things driven by increased load conditions, for example by increased cylinder peak pressures and by reduced piston ring dimensions (especially axial ring height). On the other hand, thermal and mechanical loads also occur, especially in modern engines Sliding elements such as piston rings, pistons or cylinder liners in internal combustion engines, which require high wear resistance over a long service life. To ensure this durability, sliding elements such as piston rings can be provided with a wear protection layer, for example on the outer flank surface of a piston ring.
Zusammenfassend besteht daher ein Bedarf nach Gleitelementen in Verbrennungsmotoren, die über die gesamte Lebensdauer ein möglichst günstiges Reibungsverhalten aufweisen und dennoch sowohl eine deutlich erhöhte Dauerfestigkeit als auch den erforderlichen Verschleißschutz sicherstellen. In summary, there is therefore a need for sliding elements in internal combustion engines that have the most favorable friction behavior possible over their entire service life and yet ensure both a significantly increased fatigue strength and the necessary wear protection.
Aus dem Stand der Technik sind Kolbenringe bekannt, deren Flanken teilweise oder ganz nitriert sind und deren Laufflächen zumindest partiell eine anderweitige Beschichtung aufweisen . Piston rings are known from the prior art, the flanks of which are partially or completely nitrided and the running surfaces of which at least partially have a different coating.
So offenbart die DE 10221 800 Al einen Stahlkolbenring mit einer Lauffläche, einer Innenfläche sowie dazwischen vorgesehenen oberen und unteren Flanken, wobei die Lauffläche zumindest partiell mit einer thermischen Spritzschicht als Laufflächenbeschichtung versehen ist und zumindest auf den Flanken eine durch Plasmanitrieren erzeugte Nitrierschicht vorgesehen ist. DE 10221 800 A1 discloses a steel piston ring with a running surface, an inner surface and upper and lower flanks provided in between, the running surface being at least partially provided with a thermal spray layer as a running surface coating and a nitriding layer produced by plasma nitriding at least on the flanks.
Die US 6 508 473 Bl beschreibt einen Kolbenring mit einer Nitrierschicht auf den oberen und unteren Flanken oder auf den oberen und unteren Flanken und der inneren Umfangsfläche, sowie eine durch Ionenplattieren gebildete Hartschicht auf der äußeren Umfangsfläche. No. 6,508,473 B1 describes a piston ring with a nitriding layer on the upper and lower flanks or on the upper and lower flanks and the inner circumferential surface, as well as a hard layer formed by ion plating on the outer circumferential surface.
Aus der DE 102005 023 627 Al geht ein Stahlkolbenring mit einer einseitig gekammerten Lauffläche vor, wobei die Lauffläche mit einer Mikrorisse aufweisenden Verschleissschutzschicht auf Basis von Chromkeramik überzogen ist und zumindest die Flanken mit einer Verschleiß reduzierenden Nitrierschicht versehen sind. DE 102005 023 627 A1 describes a steel piston ring with a running surface chambered on one side, the running surface being coated with a wear protection layer based on chrome ceramic and having microcracks and at least the flanks are provided with a wear-reducing nitrided layer.
Die DE 10 2005 011 438 B3 offenbart ein Verfahren zur Erzeugung von Verschleissschutzschichten an einem aus Stahl oder Gusseisen bestehenden Kolbenringgrundkörper, wobei zunächst der Laufflächenbereich zumindest partiell mit einer mindestens einlagigen thermischen Spritzschicht auf Basis stickstoffaffiner metallischer Elemente versehen wird und anschließend zumindest die Flanken und die Lauffläche samt darauf aufgebrachter Spritzschicht einem Nitrierprozess unterzogen werden. DE 10 2005 011 438 B3 discloses a method for producing wear protection layers on a piston ring base body made of steel or cast iron, the running surface area first being at least partially provided with an at least one-layer thermal spray coating based on nitrogen-affine metallic elements and then at least the flanks and the running surface including the spray coating applied to it are subjected to a nitriding process.
Derartige Gleitelemente weisen zwar Schichten mit zufriedenstellender Verschleißbeständigkeit auf, diese zeigen jedoch eine reduzierte Dauerfestigkeit unter den vorstehend genannten Belastungsbedingungen. Such sliding elements have layers with satisfactory wear resistance, but these show a reduced fatigue strength under the above-mentioned load conditions.
Darstellung der Erfindung Presentation of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleitelement, bevorzugt einen Kolbenring, welches sowohl eine insgesamt gute Verschleißbeständigkeit als auch eine verbesserte Dauerfestigkeit aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben zur Verfügung zu stellen. The invention is based on the object of providing a sliding element, preferably a piston ring, which has both good overall wear resistance and improved fatigue strength, and a method for producing the same.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das im Anspruch 1 beschriebene Gleitelement sowie das Verfahren zur Herstellung des Gleitelementes nach Anspruch 7. This object is achieved by the sliding element described in claim 1 and the method for producing the sliding element according to claim 7.
Dabei wird die Verschleißbeständigkeit grundsätzlich durch das Bereitstellen einer Nitrierschicht in einem Grundmaterial aus martensitischem oder austenitischem Edelstahl mit einem Chromgehalt von mindestens 6,0 Massenprozent sichergestellt. Chromgehalte von mindestens 11,0 Massenprozent beziehungsweise mindestens 17,0 Massenprozent erhöhen mit Vorteil die Verschleißbeständigkeit des Gleitelements. Die Dauerf estigkeit von randschichtbehandelten Bauteilen hängt in starkem Maße von der Sprödigkeit der Randschichtzone des jeweilig betrachteten Bauteiles ab. Das Nitrieren von Gleitelementen ist als derartige Randschichtbehandlung zu betrachten. In diversen Versuchsreihen hat sich gezeigt, dass die gewünschte Reduzierung der Sprödigkeit durch eine Absenkung der Härte der Nitrierschicht erzielt werden kann. Insbesondere kann dies durch eine spezielle Verfahrensführung während des Nitrierens erreicht werden. The wear resistance is basically ensured by providing a nitriding layer in a base material made of martensitic or austenitic stainless steel with a chromium content of at least 6.0 percent by mass. Chromium contents of at least 11.0 percent by mass or at least 17.0 percent by mass advantageously increase the wear resistance of the sliding element. The fatigue strength of surface-treated components depends to a large extent on the brittleness of the surface zone of the component under consideration. The nitriding of sliding elements is to be regarded as such a surface layer treatment. Various series of tests have shown that the desired reduction in brittleness can be achieved by lowering the hardness of the nitrided layer. In particular, this can be achieved by a special procedure during nitriding.
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, die Nitrierung von Kolbenringen aus hochchromhaltigen Stählen so auszuführen, dass die Sprödigkeit der Nitrierschicht vermindert wird. Insbesondere wird erfindungsgemäß die Reduzierung der Sprödigkeit durch eine Absenkung der Härte der Nitrierschicht erzielt. Hierbei hat sich gezeigt, dass eine Oberflächenhärte von bis zu 900 HVl, gemessen orthogonal zur Nitrierschicht, zu einer signifikanten Verbesserung der Dauerfestigkeit führt. According to the invention, it is therefore proposed that the nitriding of piston rings made of steels with a high chromium content be carried out in such a way that the brittleness of the nitrided layer is reduced. In particular, according to the invention, the reduction in brittleness is achieved by lowering the hardness of the nitrided layer. It has been shown here that a surface hardness of up to 900 HVl, measured orthogonally to the nitrided layer, leads to a significant improvement in fatigue strength.
Der Aufbau eines Gleitelementes gemäß Anspruch 1, namentlich umfassend ein Grundmaterial aus martensitischem oder austenitischem Edelstahl mit einem Chromgehalt von mindestens 6,0 Massenprozent sowie eine Nitrierschicht mit einer Oberflächenhärte von bis zu 950 HVl gewährleistet daher den gewünschten Verschleißschutz bei gleichzeitig hoher Dauerfestigkeit . The structure of a sliding element according to claim 1, namely comprising a base material made of martensitic or austenitic stainless steel with a chromium content of at least 6.0 mass percent and a nitrided layer with a surface hardness of up to 950 HVl therefore ensures the desired wear protection with high fatigue strength at the same time.
Die gegenüber konventionellen Nitrierschichten in hochchromhaltigen Stählen signifikant geringere Härte wird dabei überraschenderweise durch eine deutlich höhere Temperatur während des Nitrierens erreicht: The significantly lower hardness compared to conventional nitriding layers in steels with a high chromium content is surprisingly achieved by a significantly higher temperature during nitriding:
Bei Zuführung einer Mischung von Ammoniak und Ammoniak- Spaltgas unter erhöhten Temperaturen erfolgt die Aufspaltung des Ammoniaks an der metallischen Gleitelementoberfläche bis zur Absorption von atomarem Stickstoff. Dieser absorbierte Stickstoff diffundiert anschließend infolge eines Stickstoffkonzentrationsgefalles in die metallischen Kolbenringoberfläche ein und bildet damit eine Nitrierschicht aus. Die Ausbildung der Nitrierschicht wird dabei durch die Löslichkeit des hochchromhaltigen Kolbenring-Stahlwerkstoffes bestimmt . When a mixture of ammonia and ammonia cracked gas is supplied at elevated temperatures, the ammonia is split up on the metallic sliding element surface to for the absorption of atomic nitrogen. This absorbed nitrogen then diffuses into the metallic piston ring surface as a result of a drop in nitrogen concentration and thus forms a nitrided layer. The formation of the nitrided layer is determined by the solubility of the high-chromium piston ring steel material.
Das Verfahrensbedingungen des Nitrierens werden nun erfindungsgemäß so gewählt, dass die Stickstofflöslichkeit des Grundmaterials überschritten wird, so dass sich bereits während des Nitrierens Eisen- und Chromnitridausscheidungen bilden, die im weiteren Verlauf weiter wachsen können. Durch die verstärkt wachsenden Eisen- und Chromnitridausscheidungen werden die metallkundlichen Verspannungen im Eisengitter derart beeinflusst, dass die Erhöhung der Gitterverspannungen begrenzt wird. Diese verminderten Gitterverspannungen stehen in direktem Zusammenhang zur Sprödigkeit und Härte der Nitrierschicht. Die Erfinder haben nun überraschenderweise festgestellt, dass das Nitrieren des Grundmaterials bei einer Temperatur zwischen mindestens 600° und höchstens 700°C die vorstehend genannten Effekte erreicht werden können, ohne dass in der Diffusionszone der Nitrierschicht die unerwünschte sogenannte Braunitphase entsteht. Besonders ausgeprägt treten diese vorteilhaften Effekte bei Temperaturen von mindestens 630°C beziehungsweise höchstens 650°C auf. Die vorstehend genannten oberen Temperaturgrenzen stellen dabei sicher, dass das Risiko einer Braunitbildung vermieden wird. The nitriding process conditions are now selected according to the invention so that the nitrogen solubility of the base material is exceeded, so that iron and chromium nitride precipitates are already formed during the nitriding and can grow further in the further course. Due to the increasing growth of iron and chromium nitride precipitations, the metallurgical stresses in the iron lattice are influenced in such a way that the increase in the lattice stresses is limited. This reduced lattice tension is directly related to the brittleness and hardness of the nitrided layer. The inventors have now surprisingly found that the nitriding of the base material at a temperature between at least 600 ° and at most 700 ° C, the aforementioned effects can be achieved without the undesired so-called Braunite phase occurring in the diffusion zone of the nitriding layer. These advantageous effects are particularly pronounced at temperatures of at least 630 ° C or at most 650 ° C. The above-mentioned upper temperature limits ensure that the risk of brownite formation is avoided.
Das Nitrieren wird bevorzugt für eine Dauer von 15 bis 60 Minuten durchgeführt. The nitriding is preferably carried out for a period of 15 to 60 minutes.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gleitelementes und des korrespondierenden erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben. Oberflächenhärten von bevorzugt mindestens 700 HVl und/oder bis zu 900 HVl führen zu einer nochmals verbesserten Dauerfestigkeit . Ebenso erhöhen Chromgehalte von mindestens 11,0 Massenprozent Chrom, beziehungsweise mindestens 17,0 Massenprozent Chrom mit Vorteil die Verschleißbeständigkeit. Preferred developments of the sliding element according to the invention and the corresponding method according to the invention are described in the further claims. Surface hardnesses of preferably at least 700 HVl and / or up to 900 HVl lead to a further improved fatigue strength. Chromium contents of at least 11.0 percent by mass of chromium or at least 17.0 percent by mass of chromium also advantageously increase the wear resistance.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung weist das Gleitelement zusätzlich eine Verschleissschut zschicht, bevorzugt ausgewählt aus einer PVD-Schicht oder Galvanikschicht, besonders bevorzugt eine DLC-Schicht, als äußerste Schicht auf zumindest einem Teil der Oberfläche des Gleitelements auf. Eine derartige Verschleissschutzschicht erhöht nochmals den Verschleißschutz des Gleitelements. Ferner wird bei Kombination der erfindungsgemäßen Nitrierschicht mit einer Verschleissschut zschicht in synergistischer Art und Weise die Rissgefahr in der Nitrierschicht bei hoher Pressung, hervorgerufen durch sehr hohe dynamische Gasdrücke infolge von Vorentflammungsprozessen oder auch sogenanntem Klopfen im Motor, reduziert. According to an embodiment according to the invention, the sliding element additionally has a wear protection layer, preferably selected from a PVD layer or electroplated layer, particularly preferably a DLC layer, as the outermost layer on at least part of the surface of the sliding element. Such a wear protection layer further increases the wear protection of the sliding element. Furthermore, when the nitrided layer according to the invention is combined with a wear protection layer, the risk of cracking in the nitrided layer at high pressure, caused by very high dynamic gas pressures as a result of pre-ignition processes or so-called knocking in the engine, is reduced in a synergistic manner.
Mit Vorteil ist das Gleitelement ein Kolbenring und die Verschleissschutzschicht auf der äußeren Umfangsfläche und/oder der Flanke des Kolbenrings aufgebracht. Die genannten Bereiche eines Kolbenrings profitieren in besonders stark von dem durch die Verschleissschut zschicht bereitgestellten Verschleißschutz. The sliding element is advantageously a piston ring and the wear protection layer is applied to the outer circumferential surface and / or the flank of the piston ring. The named areas of a piston ring benefit particularly strongly from the wear protection provided by the wear protection layer.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung stellt die Nitrierschicht die äußerste Schicht auf zumindest einem Teil der Oberfläche des Gleitelements dar, bevorzugt auf der äußeren Umfangsfläche und/oder der Flanke eines Kolbenrings. Ein derartiges Gleitelement lässt sich besonders einfach hersteilen, weist aber dennoch zufriedenstellende Eigenschaften hinsichtlich Verschleißbeständigkeit und Dauerfestigkeit auf. Bevorzugt weist die Nitrierschicht eine Nitrierhärtetiefe Nht 700 HV0,1, gemessen nach IS06621-2, Abschnitt 4.2.15, zwischen 20 und 100 gm auf. Die genannte Nitrierhärtetiefe stellt die angestrebte Verschleißbeständigkeit und Dauerfestigkeit sicher. According to an advantageous embodiment, the nitrided layer represents the outermost layer on at least part of the surface of the sliding element, preferably on the outer circumferential surface and / or the flank of a piston ring. Such a sliding element is particularly easy to manufacture, but nevertheless has satisfactory properties in terms of wear resistance and fatigue strength. The nitriding layer preferably has a nitriding hardness depth Nht 700 HV0.1, measured according to IS06621-2, Section 4.2.15, between 20 and 100 μm. The specified depth of nitriding hardness ensures the desired wear resistance and fatigue strength.
Mit Vorteil beträgt die Dicke der Verschleissschutzschicht mindestens 3 gm, bevorzugt mindestens 10 gm. In diesem Wertebereich kann eine besonders hohe Verschleißbeständigkeit der Verschleissschutzschicht erreicht werden. The thickness of the wear protection layer is advantageously at least 3 μm, preferably at least 10 μm. In this range of values, a particularly high wear resistance of the wear protection layer can be achieved.
Bevorzugt besteht die Nitrierschicht ausschließlich aus einer einzonigen Nitrierschicht mit kontinuierlichem Härteabfall von der Außenoberfläche bis in das nitrierschichtfreie Grundmaterial. In anderen Worten weist die Nitrierschicht keine mehrstufige, unstetige Nitrierschichtausbildung auf. Diese Aus führungsform zeichnet sich durch hervorragende Verschleißbeständigkeit und Dauerfestigkeit aus. The nitriding layer preferably consists exclusively of a single-zone nitriding layer with a continuous decrease in hardness from the outer surface to the base material which is free of nitriding layers. In other words, the nitrided layer does not have a multilevel, discontinuous nitrided layer formation. This embodiment is characterized by excellent wear resistance and fatigue strength.
Mit Vorteil weist das Grundmaterial des Gleitelements ein gleichmäßiges, feinkörniges Vergütungsgefüge ohne Karbidanhäufungen bei einer maximalen Karbidkorngröße von 50 gm auf. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise die Dauerfestigkeit des Gleitelements erhöht. The base material of the sliding element advantageously has a uniform, fine-grain tempered structure without carbide accumulations with a maximum carbide grain size of 50 μm. This advantageously increases the fatigue strength of the sliding element.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Grundmaterial vor dem Nitrieren einer Reinigungsbehandlung unterzogen. Hierdurch können Oberflächenverunreinigungen entfernt werden. According to an advantageous embodiment, the base material is subjected to a cleaning treatment before nitriding. This allows surface contamination to be removed.
Bevorzugt wird das Grundmaterial vor dem Nitrieren unter Zugabe von Stickstoffgas in einer Gasnitrieranlage auf eine Vorbehandlungstemperatur zwischen 450°C und 550°C erwärmt. Before nitriding, the base material is preferably heated to a pretreatment temperature between 450 ° C and 550 ° C in a gas nitriding plant with the addition of nitrogen gas.
Mit Vorteil wird das Grundmaterial vor dem Nitrieren einer ein- oder mehrstufigen Ätzbehandlung unterzogen, wobei Ammoniak sowie Ätzmittel in fester oder flüssiger Form hinzugegeben werden. Dies führt zur Entfernung der Passivoxidschicht, gebildet durch die Elemente Chrom und Sauerstoff. Des Weiteren erfolgt eine erste Ankeimung von Nitriden an der Kolbenringoberfläche. The base material is advantageously subjected to a single or multi-stage etching treatment before nitriding, with ammonia and etchant in solid or liquid form can be added. This leads to the removal of the passive oxide layer, formed by the elements chromium and oxygen. Furthermore, the first nucleation of nitrides takes place on the piston ring surface.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Nitrieren unter Zuführung von Ammoniak und optional Stickstoff und/oder Wasserstoff durchgeführt. According to an advantageous embodiment, the nitriding is carried out with the addition of ammonia and optionally nitrogen and / or hydrogen.
Bevorzugt ist während des Erwärmens auf die Nitriertemperatur mindestens eine Haltephase vorgesehen, bei der das Grundmaterial auf einer Temperatur, die unter der Nitriertemperatur liegt, gehalten wird. During the heating to the nitriding temperature, at least one holding phase is preferably provided, in which the base material is kept at a temperature which is below the nitriding temperature.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Nachfolgend wird der Grundgedanke der Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: The basic concept of the invention is explained in more detail below by way of example with reference to the drawings. Show it:
Fig. 1 eine Gegenüberstellung der Oberflächenhärten eines konventionell nitrierten Kolbenrings (Var. 1) und eines erfindungsgemäß nitrierten Kolbenrings (Var. 2), gemessen nach HV1 und HV0,5; und 1 shows a comparison of the surface hardness of a conventionally nitrided piston ring (variant 1) and a piston ring nitrided according to the invention (variant 2), measured according to HV1 and HV0.5; and
Fig. 2 eine Gegenüberstellung der kolbenringspezifischen Dauerfestigkeit des konventionell nitrierten Kolbenrings (Var. 1) und des erfindungsgemäß nitrierten Kolbenrings (Var. 2); und 2 shows a comparison of the piston ring-specific fatigue strength of the conventionally nitrided piston ring (variant 1) and the piston ring nitrided according to the invention (variant 2); and
Fig. 3 eine Gegenüberstellung der metallograf ischen Querschliffe des konventionell nitrierten Kolbenrings (Var. 1) und des erfindungsgemäß nitrierten Kolbenrings (Var. 2), wobei beide Kolbenringe zusätzlich mit einer PVD- Verschleissschutzschicht versehen wurden. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen 3 shows a comparison of the metallographic cross-sections of the conventionally nitrided piston ring (variant 1) and the piston ring nitrided according to the invention (variant 2), both piston rings being additionally provided with a PVD wear protection layer. Detailed description of the drawings
Der erwartete Zusammenhang zwischen der Oberflächenhärte der Nitrierschicht und der Dauerfestigkeit von entsprechend nitrierten Kolbenringen wird durch die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ergebnisse belegt: Einerseits führt das erfindungsgemäße Verfahren zu signifikant verringerten Oberflächenhärten der Nitrierschicht (vergl. Figur 1). Diese verringerte Oberflächenhärte führt wiederum zu einer deutlich erhöhten Dauerfestigkeit, wie durch Figur 2 gezeigt wird. Die kolbenringspezifische Dauerfestigkeit wurde dabei in dem der Figur 2 zugrunde liegenden Messverfahren unter Ermittlung der Mittelspannung und der Spannungsamplitude für dauerfestigkeitstypische Lastwechsel 107 abgeleitet. Das erfindungsgemäß bevorzugte Wachsen der Eisen- und Chromnitridausscheidungen äußert sich ferner in einer verstärkten Anätzbarkeit der Nitrierschicht mit l%iger alkoholischer Salpetersäurelösung im metallografischen Querschliff, wie in Figur 3 dargestellt. The expected relationship between the surface hardness of the nitrided layer and the fatigue strength of appropriately nitrided piston rings is demonstrated by the results shown in FIGS. 1 and 2: On the one hand, the method according to the invention leads to significantly reduced surface hardness of the nitrided layer (see FIG. 1). This reduced surface hardness in turn leads to a significantly increased fatigue strength, as shown by FIG. The piston ring-specific fatigue strength was derived in the measurement method on which FIG. 2 is based, determining the mean stress and the stress amplitude for typical fatigue strength load changes 10 7 . The growth of the iron and chromium nitride precipitates preferred according to the invention is also expressed in an increased etchability of the nitriding layer with 1% alcoholic nitric acid solution in the metallographic cross-section, as shown in FIG.
Das nachfolgende zusätzliche Ausführungsbeispiel verdeutlicht nochmals den Effekt des erfindungsgemäßen Nitrierens auf die Härte: Die Oberflächenhärten gemäß Tabelle 1 wurden an der Nitrierschicht eines Gleitelements, das nach Standardverfahren nitriert wurde, gemessen. Dagegen wurden die Oberflächenhärten gemäß Tabelle 2 an der Nitrierschicht eines Gleitelements gemessen, das gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren nitriert wurde. Wie eindeutig durch den Vergleich der beiden Tabellen ersichtlich wird, führt das erfindungsgemäße Verfahren zu deutlich verringerten Oberflächenhärten . Tabelle 1: The following additional exemplary embodiment again illustrates the effect of nitriding according to the invention on hardness: The surface hardness according to Table 1 was measured on the nitriding layer of a sliding element that was nitrided according to standard methods. In contrast, the surface hardnesses according to Table 2 were measured on the nitrided layer of a sliding element which was nitrided according to the method according to the invention. As can be clearly seen by comparing the two tables, the method according to the invention leads to significantly reduced surface hardness. Table 1:
Tabelle 2: Table 2:

Claims

Patentansprüche Claims
1. Gleitelement, insbesondere Kolbenring, umfassend ein Grundmaterial aus martensitischem oder austenitischem Edelstahl mit einem Chromgehalt von mindestens 6,0 Massenprozent, bevorzugt mindestens 11 Massenprozent, besonders bevorzugt mindestens 17 Massenprozent, sowie eine Nitrierschicht mit einer Oberflächenhärte von bis zu 950 HVl, bevorzugt mindestens 700 HVl und/oder bis zu 900 HVl. 1. Sliding element, in particular piston ring, comprising a base material made of martensitic or austenitic stainless steel with a chromium content of at least 6.0 percent by mass, preferably at least 11 percent by mass, particularly preferably at least 17 percent by mass, and a nitrided layer with a surface hardness of up to 950 HVl, preferably at least 700 HVl and / or up to 900 HVl.
2. Gleitelement gemäß Anspruch 1, wobei das Gleitelement zusätzlich eine Verschleissschutzschicht, bevorzugt ausgewählt aus einer PVD-Schicht oder Galvanikschicht, besonders bevorzugt eine DLC-Schicht, als äußerste Schicht auf zumindest einem Teil der Oberfläche des Gleitelements aufweist. 2. Sliding element according to claim 1, wherein the sliding element additionally has a wear protection layer, preferably selected from a PVD layer or electroplated layer, particularly preferably a DLC layer, as the outermost layer on at least part of the surface of the sliding element.
3. Gleitelement gemäß Anspruch 2, wobei das Gleitelement ein Kolbenring ist und die Verschleissschutzschicht auf der äußeren Umfangsfläche und/oder der Flanke des Kolbenrings aufgebracht ist. 3. Sliding element according to claim 2, wherein the sliding element is a piston ring and the wear protection layer is applied to the outer peripheral surface and / or the flank of the piston ring.
4. Gleitelement gemäß Anspruch 1, wobei die Nitrierschicht die äußerste Schicht auf zumindest einem Teil der Oberfläche des Gleitelements darstellt, und bevorzugt auf der äußeren Umfangsfläche und/oder der Flanke eines Kolbenrings aufgebracht ist. 4. Sliding element according to claim 1, wherein the nitriding layer is the outermost layer on at least part of the surface of the sliding element, and is preferably applied to the outer peripheral surface and / or the flank of a piston ring.
5. Gleitelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nitrierschicht eine Nitrierhärtetiefe Nht 700 HV0,1, gemessen nach IS06621-2, Abschnitt 4.2.15, zwischen 20 und 100 pm aufweist. 5. Sliding element according to one of the preceding claims, wherein the nitriding layer has a nitriding hardness depth Nht 700 HV0.1, measured according to IS06621-2, section 4.2.15, between 20 and 100 μm.
6. Gleitelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verschleissschutzschicht eine Dicke von mindestens 3 mpi, bevorzugt mindestens 10 mpiaufweist. 6. Sliding element according to one of the preceding claims, wherein the wear protection layer has a thickness of at least 3 mpi, preferably at least 10 mpi.
7. Gleitelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nitrierschicht ausschließlich aus einer einzonigen Nitrierschicht mit kontinuierlichem Härteabfall von der Außenoberfläche bis in das nitrierschichtfreie Grundmaterial besteht. 7. Sliding element according to one of the preceding claims, wherein the nitrided layer consists exclusively of a single-zone nitrided layer with a continuous drop in hardness from the outer surface to the base material free of nitrided layers.
8. Gleitelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Grundmaterial ein gleichmäßiges, feinkörniges Vergütungsgefüge ohne Karbidanhäufungen bei einer maximalen Karbidkorngröße von 50 gm aufweist. 8. Sliding element according to one of the preceding claims, wherein the base material has a uniform, fine-grain tempered structure without carbide accumulations with a maximum carbide grain size of 50 μm.
9. Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements, umfassend das Bereitstellen eines Grundmaterials aus martensitischem oder austenitischem Edelstahl mit einem Chromgehalt von mindestens 6,0 Massenprozent, bevorzugt mindestens 11 Massenprozent, besonders bevorzugt mindestens 17 Massenprozent, sowie das Nitrieren des Grundmaterials bei einer Temperatur zwischen mindestens 600°C, bevorzugt mindestens 630°C und höchstens 700°C, bevorzugt höchstens 650°C. 9. A method for producing a sliding element, comprising providing a base material made of martensitic or austenitic stainless steel with a chromium content of at least 6.0 percent by mass, preferably at least 11 percent by mass, particularly preferably at least 17 percent by mass, as well as nitriding the base material at a temperature between at least 600 ° C, preferably at least 630 ° C and at most 700 ° C, preferably at most 650 ° C.
10. Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements gemäß Anspruch 9, wobei das Grundmaterial vor dem Nitrieren einer Reinigungsbehandlung unterzogen wird. 10. A method for manufacturing a sliding member according to claim 9, wherein the base material is subjected to a cleaning treatment before nitriding.
11. Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei das Grundmaterial vor dem Nitrieren unter Zugabe von Stickstoffgas in einer Gasnitrieranlage auf eine Vorbehandlungstemperatur zwischen 450°C und 550°C erwärmt wird. 11. A method for producing a sliding element according to claim 9 or 10, wherein the base material is heated to a pretreatment temperature between 450 ° C and 550 ° C in a gas nitriding plant with the addition of nitrogen gas before nitriding.
12. Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Grundmaterial vor dem Nitrieren einer ein- oder mehrstufigen Ätzbehandlung unterzogen wird, wobei Ammoniak sowie Ätzmittel in fester oder flüssiger Form hinzugegeben werden. 12. A method for producing a sliding element according to any one of claims 9 to 11, wherein the base material is subjected to a single or multi-stage etching treatment before nitriding, with ammonia and etchant being added in solid or liquid form.
13. Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das Nitrieren unter Zuführung von Ammoniak und optional Stickstoff und/oder Wasserstoff durchgeführt wird. 13. A method for producing a sliding element according to one of claims 9 to 12, wherein the nitriding is carried out with the addition of ammonia and optionally nitrogen and / or hydrogen.
14. Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei während des Erwärmens auf die Nitriertemperatur mindestens eine Haltephase vorgesehen ist, bei der das Grundmaterial auf einer Temperatur, die unter der Nitriertemperatur liegt, gehalten wird. 14. A method for producing a sliding element according to one of claims 9 to 13, wherein at least one holding phase is provided during the heating to the nitriding temperature, in which the base material is kept at a temperature which is below the nitriding temperature.
15. Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements gemäß einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei während des Nitrierens die Löslichkeitsgrenze für Stickstoff in dem Grundmaterial überschritten wird. 15. A method for producing a sliding element according to any one of claims 9 to 14, wherein the solubility limit for nitrogen in the base material is exceeded during nitriding.
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