DE3245689C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nitrocarburierung von Metallringen von rechteckigem Querschnitt, die zum Ge­ brauch als Kolbenringe oder Dichtungsringe bestimmt sind, bei dem ein Stapel von Ringen der Nitrocarburierung unterzogen wird sowie eine Anwendung des Verfahrens.

Kolbenringe und Dichtungsringe werden aus Stahl oder Gußeisen hergestellt und weisen im allgemeinen einen rechteckigen Querschnitt auf. Der Ring ist in eine Ringnut eingesetzt, über welche er mit seiner Radial-Außenfläche übersteht und Kontakt mit einer Gegen-Wirkungsfläche hat, beispielsweise einem Gußeisen-Zylinder. Zwei sich radial erstreckende Ober­ flächen (im folgenden "Seiten" genannt) wirken mit den Wandungen der Ringnut während der Gleitbewegung zusammen. Daher sind sowohl die Radial-Außenflächen als auch die Seiten dem Verschleiß ausgesetzt.

Es sind verschiedene Techniken zur Herabsetzung dieses Ver­ schleißes bekannt, um die Lebensdauer der Ringe zu verlängern, wobei man insbesondere der Aufgabe Aufmerksamkeit geschenkt hat, den Verschleiß der Radial-Außenflächen und der damit zusammenwirkenden Zylinderflächen zu verringern. Die Anforderungen an die Maschinen-Lebensdauer erfordern in aller Regel nicht nur die Verringerung des Verschleißes der Radial-Außenflächen, sondern auch die Verringerung des Ver­ schleißes des Seiten und der mit diesen zusammenwirkenden Nutenwandungen.

Ein bekanntes Verfahren zur Verringerung des Verschleißes der Radial-Außenflächen besteht im Eintauchen der Ringe in eine Natrium- und Kaliumsalze enthaltende Stickstoff-Kohlen­ stoff-Salzbadlösung von einer Temperatur um 400°C. Bei einer derartigen Nitrocarburierung werden bei Ringen aus Stahl und allen Gußeisensorten, z. B. Graugußsorten mit karbidischem, martensitischen, bainitischen und kugelgraphitischen (sphärolithisches Gußeisen) Bestandteilen, Stickstoff und Kohlenstoff gleichzeitig innerhalb der Oberflächen verteilt und bilden eine gehärtete Oberflächenschicht.

Die britische Patentschrift 15 76 143 offenbart ein Verfahren zur Salzbad-Nitrocarburierung der Oberflächen von Kolbenringen oder Dichtungsringen aus Sintermetall. Die ringe werden dabei in einem Stapel (oder Bündel) in der Weise in das Salzbad eingesetzt, daß die Seiten der Ringe unter dem Druck einer Gewichtsbelastung untereinander in Kontakt stehen. Dies ist notwendig, weil sich die Ringe verwerfen und ihre Ebenheit verlieren, wenn die Ringe voneinander getrennt behandelt werden, was im Ergebnis zeitaufwendig und kostspielig ist. Daher werden bei dem bekannten Verfahren nur die Radial-Außenflächen der Ringe der Nitrocarburierung ausgesetzt, weil die Ringe in einem geschlossenen Stapel stecken. Außerdem ist das bekannte Salzbadverfahren zeit­ raubend und unsauber.

Ein alternatives Verfahren besteht in einer Chrom-Auflage, bei dem die Ringe wiederum in einem geschlossenen Stapel mit ihren Seitenflächen in Kontakt stehen und die Radial-Außen­ flächen mittels bekannter Verfahrensweisen mit Chrom plattiert werden. Um zu vermeiden, daß beim Chrom-Auflagever­ fahren die Ringe durch Brückenbildung verbunden werden, müssen die Kanten zwischen den Seiten- und den Radial-Außen­ flächen mit einer Fase versehen werden. Die ist in Fig. 1 gezeigt, die ein Mikro-Foto eines Querschnitt-Teils eines Kolbenrings des Eckbereichs zwischen der Radial-Außenfläche und der Ringseitenfläche des Ringes darstellt.

Bei dem bekannten Verfahren werden nur die Radial-Außen­ flächen mit einer Chromschicht versehen, wie aus Fig. 1 er­ sichtlich ist. Um die Seiten mit Chrom zu plattieren, bedarf es eines nachgeschalteten Verfahrens, was relativ kostspielig ist. Die abgefasten Kanten der Ringe verstärken das Durch­ sickern von Öl entlang den Radial-Außenflächen und erhöhen den Ölverbrauch, was die Verringerung der Dichtungswirkung zwischen Ring und Zylinder und ein stärkeres Durchblasen zur Folge hat. Deshalb sind derartige Kanten-Abfasungen nicht wünschenswert. Außerdem erweichen derartige Chrom-Auflagen zunehmend bei Temperature über 250°C bis 300°C, was nach­ teilig ist. Schließlich erfordert die Chrom-Auflage noch die Durchführung einer Fertigbearbeitung, zumindest einen Läpp-Vorgang, was zusätzlich die Kosten erhöht.

Ausgehend von dem Verfahren der eingangs angegebenen Art zur Nitrocarburierung von Metallringen und rechteckigem Quer­ schnitt, die zum Gebrauch als Kolbenringe oder Dichtungsringe bestimmt sind, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren dahingehend zu verbessern, daß sowohl die radialen Außenflächen als auch die Seiten der Ringe der Nitrocarburie­ rung unterzogen werden und daß weiterhin die Verschleiß­ festigkeit der Metallringe nach der Nitrocarburierung ver­ bessert wird.

Als technische Lösung wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß der Stapel von Ringen in eine Kammer eingesetzt wird, die evakuiert und dann mit einer gasförmigen Mischung eines kohlenstoffhaltigen Gases und eines stickstoffhaltigen Gases im Verhältnis von 25 : 75 bis 75 : 25 (Volumen-%) gefüllt wird, wobei mit einer Temperatur zwischen 450°C und 650°C die Nitrocarburierung der radialen Außenflächen und der Seiten der Ringe durchgeführt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß die Nitrocarburierung in Form einer Gasbehandlung nicht nur auf die radialen Außenflächen der Ringe einwirkt, sondern auch auf die sich im Stapel berührenden Seitenflächen der Ringe. Dadurch wird eine auf diese drei Oberflächen wirkende Härte­ behandlung geschaffen, durch die darüber hinaus die Ver­ schleißfestigkeit dieser Oberflächen erheblich erhöht wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung zur Herstellung von Kolbenringen für einen Motor oder Kompressor oder Dichtungsring für einen Schock-Absorber angewendet werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden sind Verfahrensbeispiele der Erfindung im einzelnen beschrieben und an Hand der Fig. 2 näher erläutert, die ein Mikro-Foto eines Querschnitt-Teils eines Kolbenringes des Eckbereichs zwischen der Radial-Außenfläche des Ringes und der Seitenfläche des Ringes darstellt.

Ein Kolbenring ist vorbereitet und maschinell fertigbear­ beitet von rechteckigem Querschnitt und er weist eine Lücke auf, so daß der Ring zwei freie Enden besitzt. Wenn der Kol­ benring in Funktion ist, steht die Radial-Außenfläche in Gleitkontakt mit der Zylinderwandung der Maschine und die beiden Seitenflächen befinden sich in Kontakt mit den Wan­ dungen der Ringnut des Kolbens, in die der Ring eingesetzt ist. Der Kolbenring kann auch als "Schienen"- oder Pro­ fil-Ring zur Verwendung als Ölabstreifring oder auch als Kopfring (z. B. als Abschlußring des Aufsatzes bei einem zusammengesetzten Kolben), insbesondere als oberer Kompressionsring ausgebildet sein.

Der Ring kann auch aus einem geeigneten Eisenwerkstoff be­ stehen, der sich befriedigend durch Nitrocarburierung behandeln läßt und seine Härte beibehält, und der außerdem seine Feder- und Widerstandskraft behält, wenn er in die Maschine eingesetzt und in Betrieb ist. Zwei derartige geeignete Werkstoffe sind hochkarbidhaltiges Gußeisen und Stahl. Zum Beispiel enthält ein geeigneter Stahl 0,47% Kohlenstoff, 0,25% Silizium, 0,75% Mangan, 0,55% Nickel, 1,0% Chrom, 1,0% Molybdän, 0,1% Vanadium, Rest Eisen (alles in Gewichts-%), der durch Härten und Anlassen eine Härte von 450-500 HV erhält.

Eine Anzahl von maschinell fertigbearbeiteten Ringen wird mittels einer Einspannvorrichtung zum einem Stapel (unter Druck) so zusammengefaßt, daß die Seiten der Ringe unter­ einander in Kontakt und die Lücken geöffnet sind. Dadurch ist sichergestellt, daß die Ringe während der nachfolgenden Operationen eben und unverzerrt aneinander anliegen.

Darauf wird der Stapel von Ringen in eine Kammer eingesetzt, aus der die Luft evakuiert wird. Darauf wird Stickstoffgas, insbesondere Ammoniakgas, und ein Kohlenstoffgas, insbe­ sondere ein exothermisches Kohlenwasserstoffgas, bei einer Temperatur zwischen 450°C und 650°C in die Kammer geleitet. Das Volumenverhältnis der beiden Gase, Stickstoffgas und Kohlenstoffgas kann sich zwischen 25 : 75 bis 75 : 25 bewegen; Versuche mit Ammoniakgas und exothermischem Kohlenwasser­ stoffgas haben gezeigt, daß ein Volumenverhältnis von 50 : 50 oder 60 : 40 zu den besten Resultaten führt.

Das Behandlungsgas bestreicht die Radial-Außenflächen der gestapelten Ringe und dringt zwischen die einzelnen Ringe ein, so daß es auch die Seiten der Ringe erreicht. Der Kohlenstoff und der Stickstoff diffundieren von den Oberflächen in das Ringmaterial und bewirken eine "ε"-Schicht zwischen zwei und zehn Mikrometer Dicke, in welcher sich die Gas-Infusion ausbreitet. Für ein bestimmtes Material hängt die Gesamttiefe des Eindringens von der Zeitdauer ab, während welcher die Gase einwirken, und diese kann entsprechend be­ messen werden; zum Beispiel ergibt sich für eine reine Schichtdicke von 5 Mikrometer eine totale Eindringtiefe von 0,1 mm bis 0,3 mm. Dadurch ist eine Oberflächenhärte von 700 bis 800 HV erzielbar, welche zur Härte des Grundmaterials hin progressiv abnimmt. Diese Härte bleibt dauernd erhalten, wenn die Ringe darauf Temperaturen bis 600°C ausgesetzt werden.

Nach der Behandlung wird der Stapel aus der Kammer genommen und die Ringe werden voneinander getrennt. Dies ist ohne Schwierigkeiten möglich, und die Ringe sind danach ohne jede weitere Behandlung bereit zum Einbau. Die Kolbenringe werden ebenso hergestellt wie die Kompressionsringe oder die Ölab­ streifringe. Die Behandlungsweise ist schnell und sauber und sie besteht in einer einmaligen Behandlung prof Ring, der zugleich an drei Oberflächen gehärtet wird.

Ein Teil-Querschnitt eines fertigen Ringes ist aus Fig. 2 ersichtlich. Es ist zu erkennen, daß die nitrocarburierte Oberfläche sich über die Radial-Außenfläche 10 und die Seitenfläche 11 erstreckt. Ferner ist erkennbar, daß die Kante zwischen diesen beiden Flächen einen scharfen rechten Winkel bildet.

Im folgenden sind zwei Verfahrensbeispiele zur weiteren Erläuterung beschrieben:

Beispiel 1

Ein Kolbenring aus einem hochkarbidhaltigen Stahl wurde mittels des beschriebenen Verfahrens bei einer Temperatur von 550°C nitrocarburiert. Bei einem Versuch wurde der Kolben­ ring der Nitrocarburierung nach der Erfindung während eines Zeitraumes ausgesetzt, so daß eine totale Eindringtiefe von 0,10 mm und ein Verbund mit der reinen Härte-Oberflächen­ schicht "e" von 0,005 mm erreicht wurde. Die Oberflächen­ schicht hatte eine Härte von 700 bis 700 HVM.

Eine typische Härte-Eindringtiefen-Kurve für einen derartigen Kolbenring zeigt den in Fig. 3 dargestellten Verlauf.

In einem Versuch wurden Kolbenringe, die nach der Erfindung behandelt wurden, als obere Kompressionsringe in eine Zwei-Liter-Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs eingebaut. Nach Ausbau zeigten die Ringe keine Abnutzung und hatten ein zufriedenstellendes Aussehen. Im Gegensatz hierzu waren die chrombeschichteten Kolbenringe, die wie oben beschrieben und in Fig. 1 dargestellt behandelt waren, abgenutzt und unbrauchbar. Deshalb war man schon früher dazu übergegangen, flammgehärtete molybdän-aufgespritzte Ringe zu verwenden, die kostspielig und schwierig herzustellen sind.

Die erfindungsgemäß nitrocarburierten Kolbenringe, wie oben im Beispiel 1 beschrieben, wurden mit den chrombeschichteten Kolbenringen dadurch verglichen, daß die nitrocarburierten Ringe in die oberen Kolbenringnuten in den Zylindern 1 und 3 eines 4-Zylinder Benzin-Motors eingesetzt wurden, während die chrombeschichteten Ringe in die oberen Kolbenringnuten der Zylinder 2 und 4 eingesetzt waren.

Nach 85 000 km Fahrweg waren folgende Ergebnisse festzu­ stellen:

Der Kolbenring nach dem Beispiel 1 behält den Elastizitätsmo­ dul und die Härte des Grundmaterials unbeeinflußt von der Oberflächenbehandlung bei. Der Ermüdungswiderstand wird um ungefähr 10% verbessert. Obwohl der erfindungsgemäß entspre­ chend Beispiel 1 behandelte Kolbenring etwas spröder ist als ein unbehandelter Ring, behält er selbst bei starker Verdre­ hung oder Spreizung die erforderliche Mindest-Zug- und Biege­ festigkeit bei, wie dies bei einem unbehandelten Ring der Fall ist.

Beispiel 2

Ein Kolbenring aus Stahl mit folgender Zusammensetzung (Gewichts-%) wurde zur Behandlung vorbereitet:

Kohlenstoff0,74% Silizium0,25% Mangan0,75% Nickel0,55% Chrom1,0% Molybdän1,0% Vanadium0,1% Rest Eisen

Der Kolbenring wurde gehärtet und angelassen zu einem Härte­ grad von 450 bis 500 HV und dann nitrocarburiert wie be­ schrieben. Bei dem Beispiel war der Kolbenring den Stick­ stoff-Kohlenstoff-Gasen eine solche Zeitdauer ausgesetzt, daß eine totale Eindringtiefe von 0,015 bis 0,020 mm und ein Verbund mit der reinen Härte-Oberflächenschicht "ε" von 0,005 bis 0,008 erreicht wurde. Die Oberflächenschicht hatte eine Härte von 800 HVM.

Eine typische Härte-Eindringtiefen-Kurve für einen derartigen Kolbenring zeigt der in Fig. 4 dargestellte Verlauf.

Die nach der Erfindung behandelten Kolbenringe wurden als obere Kompressionsringe in eine Zwei-Liter-Verbrennungskraft­ maschine eines Kraftfahrzeugs eingebaut. Nach Ausbau zeigten die Ringe keine Abnutzung und hatten ein zufriedenstellendes Aussehen. Im Gegensatz hierzu waren die chrombeschichteten Kolbenringe, die oben beschrieben sind und wie in Fig. 1 dargestellt behandelt wurden, abgenutzt und unbrauchbar. Deshalb war man schon früher dazu übergegangen, flammgehärtete molybdän-aufgespritzte Ringe zu verwenden, die kostpielig und schwierig herzustellen sind.

Die erfindungsgemäß nitrocarburierten Kolbenringe, wie im Beispiel 2 beschrieben, wurden mit den chrombeschichteten Kolbenringen dadurch verglichen, daß die nitrocarburierten Ringe in die oberen Kolbenringnuten in den Zylindern 1 und 3 eines 4-Zylinder Benzin-Motors eingesetzt wurden, während die chrombeschichteten Ringe in die oberen Kolbenringnuten der Zylinder 2 und 4 eingesetzt waren.

Nach 180 Stunden (entsprechend etwa 25 000 km unter Hochge­ schwindigkeits-Testbedingungen) waren die folgenden Ergebnisse festzustellen:

Der Kolbenring nach dem Beispiel 2 behält seine Federung und Wandanpressung bei den Betriebstemperaturen im oberen Ring­ nutbereich. Der Verlust an Federung und Wandanpressung im Spalt nach Einschließen in eine Buchse mit einem dem Ring­ durchmesser entsprechenden Bohrungsdurchmesser und einer Erwärmung auf 350°C für die Dauer von 6 Stunden und Abkühlung in der Buchse betrug 5,5%. Der Vergleich mit Martensit enthaltenden sphärolithischen Grauguß-Ringen (nicht nitrocarburiert) zeigt einen Verlust von 7 bis 10%, und sogar 15% oder mehr bei Ringen aus einem mittel-phosphor­ haltigen Grauguß (nicht nitrocarburiert).

Wie sich aus den voranstehend beschrieben Versuchsbeispielen 1 und 2 ergibt, war der Verschleiß der Radial-Außenflächen der nitrocarburierten Ringe in etwa vergleichbar mit dem der chrombeschichteten Ringe, während der Verschleiß der Seiten­ flächen erheblich geringer war als bei den chrombeschichteten Ringen. Es ist daher zu beachten, daß diese erhöhte Ver­ schleißfestigkeit in einem einzigen Behandlungsschritt erreicht werden kann. Diese Verminderung des Verschleißes verbessert die Dichtwirkung der Ringe und verlängert deren Lebensdauer, weil die Verbesserung der Zugfestigkeit einhergeht mit der Verringerung des seitlichen Verschleißes und damit auch der Bruchneigung, wie ferner auch die Neigung zum Durchblasen vermindert wird.

Die Radial-Außenflächen der nitrocarburierten Ringe weisen einen höheren Verschleißwiderstand gegenüber den vergleich­ baren Flächen von chrombeschichteten Rngen auf. Dies ist auf eine höhere Warmfestigkeit der nitrocarburierten Oberflächen bei Temperaturen zwischen 250°C und 300°C und ferner darauf zurückzuführen, daß das Schmieröl die glatten Chromflächen weniger gut benetzt als die nitrocarburierten Oberflächen, welche eine durch die Graphitplättchen bedingte Porosität aufweisen, die als Schmierölspeicher wirken.

Es soll ferner hervorgehoben werden, daß das oben beschrie­ bene und aus Fig. 2 ersichtliche Nitrocarburierungsverfahren zum Härten der Ring-Oberflächen bei allen Formen von Kolben­ ringen angewendet werden kann, ob es sich um Ölabstreifringe, Zwischen-Kompressionsringe, jede Form von Dichtungsringen oder Dichtungsringen für Schock-Absorber handelt.

Wenn das erfindungsgemäße Verfahren der Nitrocarburierung auf Kolbenringe aus Stahl angewendet wird, so kann die Breite der Ringe auf etwa einen Millimeter - oder weniger - verringert werden, weil der verminderte Verschleiß der Seitenflächen auch die Bruchneigung erheblich reduziert. Bei Ringen vom Schienen-Typ bewirkt die Nitrocarburierung nach der Erfindung wegen der höheren Verschleißfestigkeit der Seitenflächen auch eine Verringerung des Verschleißes zwischen Ring und Expander bei Ölabstreifring-Kombinationen, und sie ergibt ferner eine Verminderung der Kantenkräfte innerhalb des Schienenprofils gegenüber dem Expander.

Claims (8)

1. Verfahren zur Nitrocarburierung von Metallringen von rechteckigem Querschnitt, die zum Gebrauch als Kolbenringe oder Dichtungsringe bestimmt sind, bei dem ein Stapel von Ringen der Nitrocarburierung unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel von Ringen in eine Kammer eingesetzt wird, die evakuiert und dann mit einer gasförmigen Mischung eines kohlenstoffhaltigen Gases und eines stickstoff­ haltigen Gases im Verhältnis von 25 : 75 bis 75 : 25 (Volumen-%) gefüllt wird, wobei mit einer Temperatur zwischen 450°C und 650°C die Nitrocarburierung der radialen Außenflächen und der Seiten der Ringe durchge­ führt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als stickstoffhaltiges Gas ein Ammoniakgas und als kohlen­ stoffhaltigen Gas ein exothermes Kohlenwasserstoffgas ein­ gesetzt werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verhältnis der Gasmischung auf 50 : 50 (Volumen-%) oder 80 : 40 (Volumen-%) eingestellt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe vor dem Stapeln maschinell fertigbearbeitet werden.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Kolbenringe mit geöffneten Lücken gestapelt werden.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer der Nitrocarbu­ rierung zur Erzielung einer Gesamt-Tiefe der Nitrocarbu­ rierung auf den Ringoberflächen zwischen 0,015 bis 0,3 mm bemessen wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Ring aus Gußeisen oder Stahl eingesetzt wird.

8. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7 zur Herstellung von Kolbenringen für einen Motor oder Kompressor oder Dichtungsring für einen Schock-Absorber.