DE2934027A1 - Verschleissfestes gleitstueck fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

• Beschreibung
• Die Erfindung bezieht sich auf ein verschleißfestes Gleitstück für Brennkraftmaschinen.
• Relativ zueinander verschiebliche Bauteile von Brennkraftmaschinen werden im Betrieb schweren Beanspruchungen unterworfen, wie für die typische Relativbewegung zwischen Kolbenring und Zylinderwandung bekannt. Untersuchungen sind durchgeführt worden, um verschiebliche Bauteile zu schaffen, die derart hohen Beanspruchungen gewachsen sind. Weiterverbreitet sind Gleitteile oder Schiebeteile zwischen einem Spezial-Gußeisenteil und einem mit einer Chrombeschichtung versehenen Gußeisenteil oder zwischen einem Spezial-Gußeisenteil und einem Teil aus einer gesinterten Ferrolegierung. Derartige Kombinationen haben gewisse Vorteile.
• In jüngster Zeit sind Stahlteile weitverbreitet für die beweglichen Teile von Brennkraftmaschinen in Gebrauch genommen worden, um die Herstellungskosten zu senken. Bekanntlich haben Stahlteile keine besonders günstigen Selbstschmierungseigenschaften, so daß es fast unmöglich ist, aus Stahl bestehende Gleitstücke zu verwenden. Die jüngeren Tendenzen erfordern jedoch aus Stahl bestehende Verschiebeteile und demzufolge besteht ein Bedarf an verschieblichen Stahlteilen.
• Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, Gleitstücke mit ausgezeichneten Gleiteigenschaften zu schaffen, um dem oben erwähnten Bedürfnis nachzukommen. Erfindungsgemäß weisen verschleißfeste Gleitstücke eine Kombination auf aus einem Gußeisenteil, welches bei niedriger Temperatur einem Carbonitrierungsvorgang unterzogen wurde, sowie einem Stahl-Bauteil, dessen hauptsächliches Matrix-Carbid aus einem speziellen Chromcarbid besteht.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung noch näher erläutert. In dieser zeigt: Fig. 1 einen Querschnitt durch ein wesentliches Teil nach der Erfindung, wobei ein Kolbenring und eine Zylinderwandung als Beispiel für die Erfindung dargestellt sind, Fig. 2 ein grafisches Schaubild, welches den Verschleiß von Versuchskörpern darstellt, und Fig. 3 ein grafisches Schaubild, welches die obere Belastungsgrenze wiedergibt, innerhalb welcher die Versuchskörper keine Verschleißerscheinungen zeigten.
• Wie in Fig. 1 dargestellt, ist ein Zylinder 1 vorgesehen, der aus Gußeisen besteht. Seine Gleitoberfläche 11 ist der sog. "low temperature gas carbonitriding treatment-Behandlung" (Gefüge der badnitrierten und (der) in Ammoniakatmosphäre mit Kohlenwasserstoffzusatz hergestellten Schichten) behandelt worden, um eine nitrierte Schicht 2 zu erzeugen, die aus einer Verbindungsschicht 21 und einer Diffusionsschicht 22 besteht und über eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit verfügt. Die Dicke der nitrierten Schicht 2 (Dicke der Verbindungsschicht 21 + Diffusionsschicht 22) sollte 3 m oder mehr betragen, da andernfalls keine ausgezeichnet verschleißfeste Schicht mit langer Lebensdauer erzielbar ist. Außerdem sollte die Nitrierungsdichte bis zu einer Tiefe von 3Xum der Schicht 2 wenigstens 2,5 % betragen, da andernfalls nicht die erforderliche Härte und Verschleißfestigkeit erreicht werden können. Die Gleitoberfläche soll eine Härte von wenigstens 400 XV (Vickers-Harte) aufweisen, da andernfalls keine ausreichend hohe Verschleißfestigkeit entsteht und der bei niedriger Temperatur durchgeführte Gas-Carbonitrierungsvorgang (low temperature gas carbonitriding) nicht in angestrebter Weise wirkungsvoll ist.
• Gemäß Fig. 1 ist ein Kolbenring 3 in einer in einem Kolben 4 ausgebildeten Nut 5 aufgenommen und steht der Kolbenring 3 in Gleitkontakt mit der Gleitoberfläche 11 des Zylinders 1. Der Kolbenring 3 besteht aus einem Stahlwerkstoff. Komplexe Carbide (FeCr)7C3 und/oder (FeCr)23C6 sind hauptsächlich in der Matrix des Kolbenringes verteilt. Außerdem besitzt die Gleitoberfläche 12 des Ringes 3 eine Vickers-Harte HV von wenigstens 200.
• Ist die Vickers-Härte der Gleitoberfläche 12 des Kolbenringes 3 kleiner als 200, so wird der Ferritanteil erhöht, was zur Folge hat, daß sich die angestrebte Verschleißfestigkeit nicht einstellt. Die komplexen Eisen-Chrom-Carbide lassen sich durch den Kohlenstoffgehalt und den Chromgehalt bestimmen. Das oben erwahnte komplexe Carbid wird als äußerst wirkungsvoll im Hinblick auf das Erzielen der angestrebten hohen Verschleißfestigkeit angesehen. Die Gleitoberfläche 12 des Kolbenringes 3 ist vorzugsweise mit einer nitrierten Schicht versehen, um auf diese Weise eine noch gesteigerte Verschleißfestigkeit herbeizuführen.
• Wie bereits erwähnt, werden mit Hilfe der Erfindung besonders günstige Gleiteigenschaften im Hinblick auf Verschleiß und Abrieb an Gleitstücke erzielt, von denen das eine aus Gußeisen besteht, welches einer Niedrigtemperatur-Gascarbonisierungsbehandlung unterzogen wurde, während das damit zusammenwirkende andere Gleitstück aus einem Stahl besteht, in welchem spezifische komplexe Carbide enthalten sind. Die Löslichkeit und der Schmelzpunkt der Materialien bestimmt die Höhe der erzielbaren Verschleiß-und Abriebfestigkeiten. Die angestrebten Löslichkeitsverhältnisse und der angestrebte Schmelzpunkt liegen so, daß nitrierte Schichten mit hoher harte an einem der relativ zueinander verschieblichen Teile erzielt wird. Das andere Verschiebeteil enthält in seiner Matrix ein spezifisches Carbid, welches iiber einen hohen Schmelzpunkt und eine hohe Härte verfügt, wodurch ein ausgezeichnetes Gleitverhalten der beiden Teile aneinander gewährleistet ist.
• Die Vorteile und überragenden Gebrauchseigenschaften des Gegenstandes der Erfindung gehen aus den Verschleiß- und Fressuntersuchungen hervor, die in den Fig. 2 und 3 grafisch dargestellt sind.
• Zunächst wurden eine Probe 1 nach der Erfindung und eine Probe 2 (Vergleichsprobe) hergestellt. Diese Probekörper wurden jeweils fest an Rotations-Verschleißprüfgeräten befestigt, so daß diese Probekörper als ortsfeste Proben angesehen werden konnten. Sodann wurden die Probekörper druckausübend jeweils an scheibenartigen Teilen befestigt.
• Die scheibenartigen Versuchsstücke wurden in Umdrehung versetzt, um eine relative Gleitbewegung zwischen dem Versuchsstück und der Probe 1 und zwischen dem Versuchsstück und der Probe 2 hervorzurufen, während welcher ein staubhaltiges Schmieröl kontinuierlich den Gleitoberflächen zugeführt wurde. Die folgenden Verschleißwerte wurden gemessen.
• Probe 1 Größe e : 18mm X 12mm X 5mm Material : Stahl mit 0,35 % C und 12,5 % Cr, in welchem (Fe-Cr),C, Carbide vorlagen Oberflächen- : 400 Härte (HV) Probe 2 Größe : 18mm X 12mm X 5mm Material : Stahl mit 0,75 % C Oberflächen- 400 Härte (HV) Scheibenartiges Teil (die Außenoberfläche wurde der Niedrigtemperatur-Gascarbonisierungsbehandlung (low temperature gas carbonitriding treatment) unterzogen) Innendurchmesser : 105 mm Außendurchmesser : 136 mm Dicke : 7,0 mm Material : Gußeisen bestehend aus Gesamtkohlenstoff 3,48 Gew.-% Si 2,12 " Mn 0,67 P 0,28 S 0,04 B 0,08 Fe Rest Dicke der Nitrierungsschicht : 4,um Oberflächenhärte (HV) : 520 1, Verschleißprüfung Prüfb edingungen Schmierölmenge : 1,0 l/Minute Schmieröl : SAE 30 Art und Menge des im Schmieröl enthaltenen Staubes : Alu03; 0,5 g/l Öltemperatur : 50 G Umfangsgeschwindigkeit : 5 m/sec.
• Oberflächendruck : 25 kg/cm2 Prüfstrecke : 100 km Die Versuchsergebnisse sind in Fig. 2 veranschaulicht.
• Entsprechend des Versuchsergebnissen ist zu erkennen, daß die erfindungsgemäße Probe 1 einen Verschleiß zeigt, der lediglich 1/5 oder noch weniger des Verschleißes der Vergleichsprobe ausmacht, woraus hervorgeht, daß die erfindungsgemaße Kombination von einander zugeordneten Verschleißgliedern einer entsprechenden Kombination jedoch herkömmlicher Glieder sehr hoch überlegen ist.
• 2. Freßprüfung (Scuffing test) Es wurden die gleichen Probekörper und die gleichen scheibenartigen Teile verwendet, wie bei der Verschleißprüfung. Außerdem wurde das gleiche rotierende Prüfgerät, welches bei der Verschleißprüfung benutzt worden war, über eine vorbestimmte Zeitdauer betätigt. Die Preßkraft des scheibenartigen Teiles auf die Probekörper wurde allmählich gesteigert, sofern die Probekörper keine Freßerscheinungen zeigten.
• Versuchsbedingungen Schmiermittelmenge : 0,2 1/Minute SAE 30: weißes Kerosin =1:1 Öltemperatur : 50 0C Umfangsgeschwindigkeit des scheibenartigen Teils : 5 m/sec.
• Der Versuch wurde mit einer Flächenpressung von 10 kg/cm2 begonnen und alle fünf Minuten wurde der Druck um 5 kg/cm2 erhöht, bis starke Wärmephänomene auftraten. Die Versuchsergebnisse sind in Fig. 3 veranschaulicht, und wie aus den Versuchsergebnissen hervorgeht, trat bei der erfindungsgemäßen Probe 1 ein Fressen erst bei Flachenpressungen von 80 kg/cm2 auf, wohingegen die Vergleichsprobe bereits Freßerscheinungen bei Oberflächendrücken oder Flächenpressungen von 45 kg/cm2 zeigte. Daraus geht hervor, daß die erfindungsgemäße Kombination von aneinander gleitenden Teilen eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Fressen aufweist.
• Erfindungsgemäß besteht eines der beiden aneinander gleitenden Teile aus einem Stahlwerkstoff, wodurch dem eingangs erwähnten Bedürfnis Rechnung getragen ist und günstige Herstellungskosten erzielbar sind.
• Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, da diese lediglich zur Erläuterung des Erfindungsgedankens dienen.
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Claims (2)

1. Verschleißfestes Gleitstück für Brennkraftmaschinen Patentansprüche 1. Verschleißfeste Gleitteile für Brennkraftmaschinen, mit ersten und zweiten Gleitstücken, die aneinander relativ verschieblich sind, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß a) das erste Stück (1) aus Gußeisen besteht und einer Niedrigtemperatur-Gascarbonitrierungsbehandlung seiner Gleitfläche (11) unterworfen worden ist,um eine Nitrierungsschicht (2) auszubilden, die aus einer Verbindungsschicht (21) und einer Diffusionsschicht (22) besteht, wobei die Vickers-arte der Nitrierungsschicht wenigstens 400 und die Dicke dieser Schicht wenigstens 3 zum beträgt, und wobei die Nitrierungsdichte bis zu der Tiefe von 3,um von der Gleitobertlache wenigstens 2,5 % beträgt, und b) daß das zweite Stück (3) aus einem Stahlwerkstoft besteht und eine Oberflächen-Vickershärte von wenigstens 200 aufweist, wobei komplexe (FeCr)7C3-und/oder (FeCr)23C6-Carbide hauptsachlich in der Matrix des zweiten Teiles verteilt sind.
2. 2. Verschleißfeste Verschiebeteile nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß das zweite Teil (3) auf seiner Gleitoberfläche (12) eine Nitrierungsschicht aufweist.