DE4430027A1

DE4430027A1 - Kolbenring

Info

Publication number: DE4430027A1
Application number: DE4430027A
Authority: DE
Inventors: Motonobu Onoda; Takeshi Tsuchiya; Etsuo Tamegai; Katsuaki Ogawa; Makoto Murata
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1993-08-25
Filing date: 1994-08-24
Publication date: 1995-03-02
Also published as: JPH0763266A; US5531195A

Description

Die Erfindung betrifft allgemein einen Kolbenring, wie er in einem Verbrennungsmotor verwendet wird, sie betrifft insbesondere einen Kolbenring, mit dessen Hilfe ein Alumi niumanhaftungs- bzw. -ablagerungsphänomen auf dem Kolben ring wirksam verhindert werden kann.

Ein Druckring und ein Ölring werden als Kolbenringe in einen Hubkolben eingebaut. Der Druckring hat die Funktion, zu verhindern, daß das unter hohem Druck stehende Verbren nungsgas aus dem Verbrennungsraum in das Kurbelgehäuse strömt (Durchblas-Phänomen), und zu verhindern, daß überschüssiges Schmieröl auf einer Zylinderinnenwand in den Verbrennungsraum fließt. Andererseits hat der Ölring die Funktion, zu verhindern, daß überschüssiges Schmieröl auf der Zylinderinnenwand aus dem Kurbelgehäuse in den Verbrennungsraum gelangt und dort verbraucht wird (Ölverbrauchs-Phänomen). Eine Standard-Kombination von Kolbenringen ist eine Kombination aus drei Ringen, d. h. aus zwei Druckringen, die aus einem oberen Ring und einem zweiten Ring bestehen, und einem Ölring.

Die Qualitätsanforderungen, die an Kolbenringe gestellt werden, werden um so höher, je leichter der Verbrennungs motor wird und je höher seine Leistung ist. Eine Auflage fläche eines Kolbenringes für einen Verbrennungsmotor wird daher einer Oberflächenbehandlung gegen Abrieb (Abnutzung), z. B. einer Hartchrom-Plattierungsbehandlung, einer Schmelzspritzbehandlung und einer Nitrierbehandlung, unterzogen als Methode zur Verbesserung der Dauer- bzw. Ermüdungsfestigkeit oder Haltbarkeit desselben.

Unter diesen Oberflächenbehandlungen ergibt insbesondere die Nitrierbehandlung ausgezeichnete Antiabriebseigen schaften, so daß sie als Oberflächenbehandlung für einen Kolbenring angewendet wird, der unter strengen Betriebsbe dingungen verwendet wird.

Obgleich der Kolbenring, auf den eine Nitrierbehand lungsschicht aufgebracht worden ist, ausgezeichnete Anti abriebseigenschaften hat, besteht nach der Kenntnis und den Forschungsergebnissen der Erfinder der vorliegenden Erfindung dennoch die Gefahr, daß der Abrieb (die Abnut zung) in der Ringnut des Kolbens zunimmt, wenn er in einen Kolben aus einer Aluminiumlegierung eingebaut wird. Außer dem treten als Folge des Abriebs (der Abnutzung) in der Ringnut des Kolbens, wie in Fig. 3A bis 3C dargestellt, eine Aluminiumablagerung oder Aluminiumanhaftung auf, so daß Aluminium auf der unteren Nutoberfläche 11 eines Kol bens 10 aus einer Aluminiumlegierung an der unteren Ober fläche 3a eines Kolbenrings 1 haftet (Fig. 3C).

Die Fig. 4A bis 4C zeigen Diagramme, die mittels einer Oberflächenfaltenbildungs-Testvorrichtung vom Kontaktson den-Typ erhalten wurden, welche die Änderungen des Oberflächenzustands der oberen Oberfläche 12 und der unte ren Oberfläche 11 der Kolbenringnut des Kolbens zeigen. Die Abszissen-Achse gibt die Position in der Umfangsrich tung der Kolbenringnut des Kolbenringes an und die Ordina tenachse gibt die Faltenbildung und Wellenhöhe der Kolben ringnut des Kolbenringes an. Wie in den Fig. 4A bis 4C dargestellt, ist der Oberflächenzustand der oberen Ober fläche 12 und der unteren Oberfläche 11 der Kolbenringnut des Kolbens gegenüber dem Normalzustand (Fig. 4A) verän dert in einen Kolbenringnut-Faltenbildungs-Zustand (Fig. 4B) und weiter in einen Aluminiumablagerungs-Zustand (Fig. 4C).

Die Fig. 5A bis 5C zeigen den Mechanismus der Aluminiumab lagerung. Wie in diesen Figuren dargestellt, kommen zuerst die untere Oberfläche 3a des Kolbenrings 1 und die untere Oberfläche 11 der Kolbenringnut des Kolbens 10 aus einer Aluminiumlegierung über einen Oxidfilm 8 (dessen Dicke nicht mehr als 0,2 µm beträgt), der auf jeder Oberfläche vorliegt (Fig. 5A), miteinander in Kontakt. Danach wird der Oxidfilm 8 zerstört, weil die Belastung des Oxidfilms 8 an dem Kontaktpunkt lokal hoch wird, so daß das Fe in der unteren Oberfläche 3a des Kolbenrings 1 und das Al in der unteren Oberfläche 11 der Kolbenringnut des Kolbens 10 aus einer Aluminiumlegierung sich miteinander verbinden (Fig. 5B). Dann haftet Aluminium 20 auf der unteren Ober fläche 3a des Kolbenrings 1 (Fig. 5C).

Die Fig. 6 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Abschnitts mit abgelagertem und haftendem Aluminium. In der Fig. 6 gibt die Bezugsziffer 20 das abgelagerte Aluminium an und die Bezugsziffer 21 gibt den Verbindungsabschnitt zwischen Al und Fe an.

Begleitend zu der nach oben und nach unten gerichteten Hubkolbenbewegung steigt dann, wenn ein partieller Abrieb an einem bestimmten Abschnitt der Kolbenringnut des Kol bens auftritt als Folge des Haftungsphänomens durch die obengenannten Vorgänge, die Menge des verbrauchten Öls in dem Verbrennungsmotor an wegen des Durchblas-Gasstroms, so daß die abgegebene Leistung (Output-Leistung) des Motors schlechter wird. Dieses Phänomen tritt auf der Unterseite der Kolbenringnut des Kolbens innerhalb eines ver hältnismäßig kurzen Zeitraums auf und hat einen großen Einfluß auf die Ermüdungsbeständigkeit (Dauerfestigkeit) oder die Lebensdauer des Verbrennungsmotors. Daher sind Vorschläge für ein Gegenmittel gegen die Abnutzung (den Abrieb) der Kolbenringnut erwünscht.

So kann beispielsweise als ein Gegenmittel gegen den Ab rieb (die Abnutzung) der Kolbenringnut eine anodische Oxi dations-Beschichtungsbehandlung, eine Plattierungsbehand lung, eine Matrixverstärkungsbehandlung (innerhalb des Kolbens) im Hinblick auf die Kolbenseite angewendet wer den, um zu verhindern, daß der Kolben und der Kolbenring direkt miteinander in Kontakt kommen. Als Gegenmittel auf der Kolbenringseite kann eine Phosphat-Beschichtungsbe handlung, eine Plattierungsbehandlung oder eine Harz- Beschichtungsbehandlung zum Aufbringen des Harzes 8 (z. B. eine Defric (hergestellt von der Firma Kawamura Research Laboratories)-Beschichtungsbehandlung) auf den Oberflächen des Kolbens 10 und des Kolbenrings 11 angewendet werden, wie in den Fig. 7A und 7B dargestellt.

Der Anmelder der vorliegenden Erfindung hat nun die fol gende Abhilfemaßnahme gegen den Abrieb (die Abnutzung) der Kolbenringnut vorgeschlagen. Es wird nämlich ein Anti abriebs-Harz, beispielsweise ein Epoxyharz, ein Fluor ent haltendes Harz und ein Polyamidimidharz, mit Molybdändi sulfid, Graphit, Kohlenstoff, Bornitrid und dgl. als fe sten Schmiermitteln gemischt. Es können Kohlenstoffasern (Carbonfasern), Glasfasern und dgl., je nach Bedarf, als Füllstoff zugegeben und damit gemischt werden. Dann wird die Mischung in Form eines Überzugs auf die obere und un tere Oberfläche des Kolbenringes aufgebracht durch Auf sprühen, Eintauchen, elektrostatisches Beschichten und odgl., und gebrannt unter Bildung eines Überzugsfilms (offengelegtes japanisches Patent Hei 1-307 568).

Obgleich die vorstehend erläuterten Gegenmaßnahmen gegen den Abrieb (die Abnutzung) der Kolbenringnut eine gewisse Wirkung haben in bezug auf die Verhinderung der Aluminium ablagerung in der Anfangsstufe bei der Verwendung des Kol bens, haben sie dennoch keinen ausreichenden Effekt bei der Mittelzeit- und Langzeit-Verwendung, so daß weitere Verbesserungen erwünscht sind.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Kol benring zu schaffen, bei dem wirksam verhindert werden kann, daß das Phänomen auftritt, bei dem Aluminium auf dem Kolbenring abgelagert wird und daran haftet.

Das obengenannte Ziel kann erfindungsgemäß erreicht werden mit einem Kolbenring 1, der versehen ist mit:
einem Kolbenring-Hauptkörper 1a mit einer ringförmigen Ge stalt; einer Antiabriebs-Oberflächenbehandlungsschicht 6 (verschleiß- und abriebsbeständige Oberflächenbehandlungs schicht), die auf die untere Oberfläche 3a des Kolbenring- Hauptkörpers 1a aufgebracht ist; und einem Polybenzimida zolharz-Überzugsfilm 7, der feste Schmiermittel enthält, der auf eine Oberfläche 6a der Antiabriebs-Oberflächenbe handlungsschicht aufgebracht ist.

Außerdem ist es bevorzugt, die gleiche Behandlung sowohl auf die obere Oberfläche 2a als auch auf die untere Ober fläche 3a des Kolbenring-Hauptkörpers 1a anzuwenden. Es ist auch bevorzugt, die Antiabriebs-Oberflächenbehand lungsschicht 6 auf die äußere Umfangsoberfläche 4a des Kolbenringes aufzubringen, wenn dies erforderlich ist.

Als bevorzugte Antiabriebs-Oberflächenbehandlungsschicht 6 kann beispielsweise verwendet werden eine Nitrierschicht, eine Chromplattierungsschicht, eine Metallspritz behandlungsschicht. Im Falle der Nitrierschicht ist ein bevorzugtes Beispiel insbesondere eine Nitrierdif fusionsschicht, aus der die Verbindungsschicht entfernt ist.

Da der Polybenzimidazolharz-Überzugsfilm 7, der feste Schmiermittel enthält, auf die Antiabriebs-Oberflächenbe handlungsschicht 6 sowohl auf die obere Oberfläche als auch auf die untere Oberfläche des Kolbenrings erfin dungsgemäß aufgebracht wird, wird kein Teil der Kolben ringnut des Kolbens aus Aluminium abgelöst, um an dem Kol benring zu haften.

Da die Antiabriebs-Oberflächenbehandlungsschicht 6 auf die äußere Umfangsoberfläche 4a des Kolbenrings aufgebracht ist, die an die innere Umfangsoberfläche des Zylinders an stößt, kann der erfindungsgemäße Kolbenring bei Bedarf un ter strengen Gebrauchsbedingungen verwendet werden.

Die Art, die Nützlichkeit und weitere Merkmale der vor liegenden Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung anhand bevorzugter Ausführungsformen der Er findung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, die nachstehend kurz erläutert werden, hervor. Es zeigen:

Fig. 1, die aus den Fig. 1A bis 1D besteht, jeweils eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Kolbenrings;

Fig. 2, die aus den Fig. 2A und 2B besteht, Darstellungen einer Hochtemperatur-Ventilsitz-Abriebstestvorrichtung, wobei die Fig. 2A eine teilweise weggebrochene perspekti vische Ansicht der Testvorrichtung ist und Fig. 2B eine partielle perspektivische Ansicht der Testvorrichtung dar stellt;

Fig. 3, die aus den Fig. 3A bis 3C besteht, Darstellungen, die das Aluminiumabscheidungsphänomen erläutern, wobei die Fig. 3A eine perspektivische Ansicht eines Kolbens zeigt, die Fig. 3B eine vergrößerte perspektivische Ansicht der Kolbenringnut und des Kolbenringes zeigt und Fig. 3C eine vergrößerte perspektivische Ansicht des auf dem Kolbenring abgeschiedenen und daran haftenden Aluminiums darstellt;

Fig. 4, die aus den Fig. 4A bis 4C besteht, Diagramme, welche die Änderung des Oberflächenzustands der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche der Kolbenringnut zeigen, wobei die Fig. 4A den Normalzustand zeigt, die Fig. 4B einen zerfurchten (Faltenbildungs-) Ringnutzustand zeigt und Fig. 4C einen Zustand mit abgeschiedenem Alumi nium zeigt;

Fig. 5, die aus den Fig. 5A bis 5C besteht, aufeinander folgende Querschnittsansichten, die den Mechanismus der Aluminiumabscheidung zeigen;

Fig. 6 eine vergrößerte Querschnittsansicht des Abschnitts mit abgeschiedenem Aluminium; und

Fig. 7, die aus den Fig. 7A und 7B besteht, Darstellungen, welche die Harzbeschichtungsbehandlung gemäß dem verwand ten Stand der Technik erläutert, wobei die Fig. 7A ein Diagramm darstellt, das den Zustand vor der Behandlung zeigt, und die Fig. 7B ein Diagramm darstellt, das den Zu stand nach der Behandlung zeigt.

Unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen wird eine Ausführungsform der Erfindung nachstehend näher er läutert.

Wie in den Fig. 1A bis 1D dargestellt, wird eine Anti abriebs-Oberflächenbehandlungsschicht 6, bei der es sich um eine Nitrierschicht oder eine Chromplattierungsschicht und dgl. handelt, auf mindestens eine untere Oberfläche 3 der Oberflächen eines Kolbenring-Hauptkörpers 1a (Oberfläche 2a, 3a, 4a, 5a) bei den erfindungsgemäßen Ausführungsformen aufgebracht.

Bei der Nitrierbehandlung handelt es sich hier um eine Be handlung zur Erzeugung einer harten Nitrierschicht durch Diffusion von Stickstoffin eine Oberfläche eines Stahl produkts. Als Verfahren zur Erzeugung der Nitrierschicht gibt es ein Gas-Nitrierverfahren, bei dem die Nitrierbe handlung durchgeführt wird, indem man das Stahlprodukt un ter Erhitzen 2 bis 50 h lang in einem Ammoniumgasstrom von 475 bis 580°C hält, ein Ionen-Nitrierverfahren, bei dem die Nitrierbehandlung durchgeführt wird durch Anwendung einer Glimmentladung in einer Nitrid-Atmosphäre unter ver mindertem Druck, ein Salzbad-Nitrierverfahren, bei dem die Nitrierbehandlung durchgeführt wird durch Eintauchen des Stahlprodukts in ein geschmolzenes Salzbad, das CNO^- als Hauptkomponente enthält, ein Gas-Carburierungsnitrierver fahren, bei dem die Nitrierbehandlung durchgeführt wird durch Einführung von Ammoniumgas in einer geeigneten Menge in die carburierende Gasatmosphäre und dgl.

Die Nitrierschicht ist vorzugsweise eine Nitrierdiffusi onsschicht, aus der eine Verbindungsschicht entfernt ist.

Die Chromplattierungsschicht wird hauptsächlich als Ober flächenbehandlungsschicht eines Kolbenringes für einen Dieselmotor vergewendet und sie wird erzeugt durch eine Hartchromplattierungsbehandlung, ein Chrommetallspritzverfahren und dgl.

Der Grund dafür, warum die Antiabriebs-Oberflächenbehand lungsschicht 6, beispielsweise eine Nitrierschicht oder eine Chromplattierungsschicht, auf die obere Oberfläche 2a und die untere Oberfläche 3a oder auf die untere Oberfläche 3a des Kolbenringes aufgebracht wird, ist der, daß auf diesen Oberflächen ein Abscheidungs(Anhaftungs)-Phänomen auftritt. Das Abscheidungsphänomen tritt besonders leicht auf auf der Unterseite 11 der Kolbenringnut.

Die Zusammensetzung des Stahlmaterials, die Gestalt und dgl. des Kolbenringes unterliegen hier keinen speziellen Beschränkungen.

Bei dem Kolbenring gemäß der Ausführungsform der Erfindung ist ein Polybenzimidazolharz-Überzugsfilm 7, der feste Schmiermittel enthält, außerdem auf die Oberfläche 6a der Antiabriebs-Oberflächenbehandlungsschicht 6 aufgebracht, die auf die obere Oberfläche 2a und die untere Oberfläche 3a oder auf die untere Oberfläche 3a des Kolbenring-Haupt körpers 1a (d. h. auf die Oberfläche 6a der Antiabriebs- Oberflächenbehandlungsschicht 6, die sich auf der oberen Oberfläche 2a und der unteren Oberfläche 3a oder auf der unteren Oberfläche 3a des Kolbenring-Hauptkörpers 1a be findet) aufgebracht ist.

Hier kann als Polybenzimidazol (PBI) beispielsweise Poly- 2,2′-(m-phenylen)-5,5′-bibenzimidazol, dargestellt durch die folgende Formel (1), verwendet werden:

PBI-Harz ist ein neues Material, das durch die Zusammenar beit von NASA (National Aeronautics and Space Administra tion), AFML (Air Force Material Laboratory) und Hoechst Celanese Corporation entwickelt worden ist.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform liegt die Intrinsic-Viskosität (Strukturviskosität) des hier zu ver wendenden PBI, gemessen bei einer Temperatur von 25°C in einer 0,5 gew.-%igen PBI-Lösung in Dimethylsulfoxid, vor zugsweise in dem Bereich von 0,2 bis 1,1 im Hinblick auf die Wirksamkeit der Bildung eines Films und im Hinblick auf die Eigenschaften des gebildeten Films.

Als feste Schmiermittel können Molybdändisulfid, Graphit, Kohlenstoff, Bornitrid und dgl. verwendet werden. Diese fe sten Schmiermittel können allein verwendet werden, sie können aber auch nach dem Mischen von zwei oder mehr der selben verwendet werden.

Bei Bedarf kann ein Füllstoff, wie z. B. Kohlenstoffasern (carbonfasern), Glasfasern und dgl. diesem PBI-Harz, das die festen Schmiermittel enthält, zugesetzt und damit ge mischt werden.

Als Verfahren zur Erzeugung des PBI-Harz-Überzugsfilms der die festen Schmiermittel enthält, kann ein Sprühverfahren, ein Tauchverfahren, ein elektrostatisches Beschichtungs verfahren und dgl. angewendet werden.

Der PBI-Harz-Überzugsfilm wird geeigneten Nachbehandlun gen, beispielsweise einem Brennverfahren, unterzogen.

Die Erfindung wird in den folgenden Versuchsbeispielen nä her erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.

Versuchsbeispiel 1

Es wird ein Aluminium-Abscheidungstest durchgeführt unter Verwendung einer Hochtemperatur-Ventilsitz-Abriebs-Test vorrichtung 30, wie sie in der Fig. 2 dargestellt ist.

Als Kolbenelement 10m wird Aluminium (JIS AC8A) verwendet. Als Kolbenring-Element 1m wird das nach dem folgenden Ver fahren hergestellte Kolbenelement verwendet. Als Ba sismaterial wird rostfreier Stahl aus getempertem Marten sit verwendet und eine Nitrierschicht wird unter Anwendung der Gas-Nitrierbehandlung gebildet. Die 15 gew.-%-ige Lö sung von Poly-2,2′-(m-phenylen)-5,5′-bibenzimidazol in N,N-Dimethylacetamid als Lösungsmittel, der 15 g Graphit (Kohlenstoff C) als festes Schmiermittel auf 1 l Lösung zugemischt worden sind, wird mittels einer Auftrags- Spritzpistole auf die Nitrierschicht aufgesprüht. Dann wird sie 40 min lang bei einer Temperatur von 200°C ge brannt und es wird ein 7 µm dicker Harzüberzugsfilm gebil det, so daß schließlich das Kolbenringelement 1m erhalten wird.

Die Testbedingungen sind folgende: die Temperatur des Kol benelements 10m (Aluminium) wird mittels einer Heizein richtung 31 auf 240 bis 340°C eingestellt. Bei diesen bei den Temperaturbedingungen wird die Anzahl der Wiederho lungen des Kolbenringelements 1m auf 500 pro min einge stellt, die Drehzahl des Kolbenring-Elements 1m wird auf 3,0 UpM eingestellt und die Test-Zeitdauer wird auf 5 h eingestellt.

Die Ergebnisse des Aluminium-Ablagerungstests sind in der Tabelle I angegeben.

Versuchsbeispiel 2

Der Test wird auf die gleiche Weise wie in dem Ver suchsbeispiel 1 durchgeführt, jedoch mit der Ausnahme, daß 8 g Molybdändisulfid (MoS₂) und 7 g Graphit als feste Schmiermittel zugemischt werden. Das Ergebnis des Tests ist in der Tabelle I angegeben.

Vergleichsbeispiel 1

Der Test wird auf die gleiche Weise wie das Versuchsbei spiel 1 durchgeführt, jedoch mit der Ausnahme, daß die fe sten Schmierstoffe nicht zugemischt werden. Das Ergebnis des Tests ist in der Tabelle I angegeben.

Vergleichsbeispiel 2

Der Test wird auf die gleiche Weise wie das Versuchsbei spiel 1 durchgeführt, jedoch mit der Ausnahme, daß der Harzüberzugsfilm gebildet wird unter Verwendung eines Po lamidimidharzes (Defric, hergestellt von der Firma Kawa mura Research Laboratories) anstelle von PBI. Das Ergebnis des Tests ist in der Tabelle I angegeben.

Vergleichsbeispiel 3

Der Test wird auf die gleiche Weise wie das Versuchsbei spiel 1 durchgeführt, jedoch mit der Ausnahme, daß kein Harzüberzugsfilm gebildet wird. Das Ergebnis des Tests ist in der Tabelle I angegeben.

Tabelle I

Ergebnis des Tests

Wie aus der Tabelle I hervorgeht, tritt für den Fall, daß keine festen Schmiermittel zugemischt werden (d. h. in den Vergleichsbeispielen 1 und 3) eine Aluminiumablagerung auf. Es ist daher klar, daß es erforderlich ist, dem Harz überzugsfilm die festen Schmiermittel zuzumischen.

Versuchsbeispiel 3

Zur Untersuchung des Einflusses der Konzentration von Gra phit als festem Schmiermittel auf die Aluminium-Ablagerung wurde der Aluminiumablagerungstest durchgeführt unter Ver wendung der in Fig. 2 dargestellten Hochtemperatur-Ventil sitz-Abriebstestvorrichtung 30.

Als Kolbenelement 10m wird Aluminium (JIS AC8A) verwendet.

Als Kolbenringelement 1m werden fünf Arten von Kolbenring element-Proben, die wie nachstehend angegeben hergestellt wurden, verwendet. Als Basismaterial wird rostfreier Stahl aus getempertem Martensit verwendet. Die Nitrierschicht wird gebildet unter Anwendung der Gas-Nitrierbehandlung. Die 15 gew.%ige Lösung von Poly-2,2′-(m-phenylen)-5,5′-bi benzimidazol in N,N-Dimethylacetamid als Lösungsmittel, der 10 g, 20 g, 30 g, 40 g oder 50 g Graphit (Kohlenstoff C) als feste Schmiermittel auf jeweils 1 l Lösung zuge setzt werden, wird jeweils mittels einer Auftrags-Spritz pistole auf die Nitrierschicht aufgesprüht. Dann wird sie 40 min lang bei einer Temperatur von 200°C gebrannt und es wird ein Harzüberzugsfilm mit einer Dicke von 7 µm gebil det, wobei man fünf Arten von Proben des Kolbenring-Ele ments 1m erhält.

Die Testbedingungen sind so, daß die Temperatur des Kol benelements 10m (Aluminium) 340°C beträgt, die Anzahl der Wiederholungen 500 pro min beträgt, die Umdrehungszahl 3,0 UpM beträgt und die Testdauer 5 h beträgt. Das Ergebnis des Tests ist in der Tabelle II angegeben.

Versuchsbeispiel 4

Der Test wird auf die gleiche Weise wie das Versuchsbei spiel 3 durchgeführt, jedoch mit der Ausnahme, daß fünf Arten von Proben verwendet werden, die hergestellt werden mit einem Harzüberzugsfilm, dem als festes Schmiermittel 8 g Molybdändisulfid (MoS₂) sowie jeweils 10 g, 20 g, 30 g, 40 g oder 50 g Graphit zugemischt werden. Das Ergebnis des Tests ist in der Tabelle II angegeben.

Tabelle II

Ergebnis des Tests

Wie aus der Tabelle II hervorgeht, hat die Graphit-Konzen tration als festes Schmiermittel einen Einfluß auf die Aluminiumablagerung. Wenn nämlich die Graphit-Konzentra tion als festes Schmiermittel zu gering ist, tritt eine Aluminiumablagerung auf.

Versuchbeispiel 5

Um den Einfluß der Konzentration von Graphit als festem Schmiermittel auf die Langzeit-Dauerfestigkeit (Ermüdungsbeständigkeit) zu untersuchen, wird der Alumini um-Ablagerungstest durchgeführt unter Anwendung der in Fig. 2 dargestellten Hochtemperatur-Ventilsitz- Abriebstestvorrichtung 30.

Der Aluminium-Ablagerungstest wird auf die gleiche Weise wie in dem Versuchsbeispiel 3 durchgeführt, jedoch mit der Ausnahme, daß drei Arten von Proben verwendet werden, bei denen jeweils der Harzüberzugsfilm gebildet worden ist un ter Verwendung von festen Schmiermitteln, denen jeweils 30 g, 40 g oder 50 g Graphit zugemischt worden sind, und wo bei die Testdauer 20 h beträgt. Das Ergebnis des Tests ist in der Tabelle III angegeben.

Versuchsbeispiel 6

Der Test wird auf die gleiche Weise wie das Versuchsbei spiel 5 durchgeführt, jedoch mit der Ausnahme, daß drei Arten von Proben verwendet werden, bei denen jeweils der Harzüberzugsfilm gebildet wird unter Verwendung von festen Schmiermitteln, bei denen 8 g Molybdändisulfid (MoS₂) je weils zusätzlich zu dem Graphit zugemischt werden. Das Er gebnis des Tests ist in der Tabelle III angegeben.

Vergleichsbeispiel 4

Der Test wird auf die gleiche Weise wie das Versuchsbei spiel 5 durchgeführt, jedoch mit der Ausnahme, daß ein Po lyamidimidharz (Defric) zur Bildung des Harzüberzugsfilms anstelle von PBI verwendet wird. Das Ergebnis des Tests ist in der Tabelle III angegeben.

Tabelle III

Ergebnis des Tests

Wie aus der Tabelle III hervorgeht, hat die Graphit-Kon zentration als festes Schmiermittel einen Einfluß auf die Langzeit-Dauerfestigkeit (Ermüdungsbeständigkeit) in bezug auf die Aluminiumablagerung. Außerdem ist daraus zu erse hen, daß der Kolbenring gemäß der erfindungsgemäßen Aus führungsform (gemäß den Versuchsbeispielen 5 und 6) dem konventionellen Kolbenring (gemäß dem Vergleichsbeispiel 4) in bezug auf die Langzeit-Dauerfestigkeit (Ermüdungs beständigkeit), insbesondere vom Standpunkt der prak tischen Verwendung aus betrachtet, überlegen ist.

Versuchsbeispiel 7

In der Fig. ID wird ein nitrierter Kolbenring (Zylinder oberfläche) hergestellt, auf den die Nitrierschicht 6 auf gebracht wird jeweils auf die tragende Oberfläche 4a, die obere Oberfläche 2a, die untere Oberfläche 3a und die in nere Umfangsoberfläche 5a und welcher die Dimensionen hat Durchmesser D 92 mm×Breite B 2,0 mm×Dicke T 3,3 mm. Die 15 gew.-%ige Lösung von Poly-2,2′-(m-phenylen)-5,5′- bibenzimidazol in N,N-Dimethylacetamid als Lösungsmittel, der 20 g Molybdändisulfid (MoS₂) und Gaphit (Kohlenstoff C) als festes Schmiermittel jeweils auf 1 l Lösung zuge mischt werden, wird zusammen mit dem flüchtigen Träger mittels einer Auftrags-Spritzpistole auf die obere Oberfläche 6a und die untere Oberfläche 6a des Kolbenrin ges aufgesprüht. Dann wird sie 40 min lang bei 200°C ge brannt unter Bildung des Harzüberzugsfilms 7, der eine Dicke von 7 µm hat, wobei man das Kolbenring-Element 1m gemäß dem erfindungsgemäßen Beispiel erhält.

Das Basismaterial des Kolbenringes ist rostfreier Stahl aus getempertem Martensit, der die folgende Zusammenset zung hat: C 0,63 Gew.-%, Si 0,31 Gew.-%, Mn 0,28 Gew.-%, Cr 13,45 Gew.-%, Mo 0,34 Gew.-%, P 0,026 Gew.-%, S 0,005 Gew.-% und Fe Rest. Die Nitrierschicht 6, aufgebracht durch Anwendung der Gas-Nitrierbehandlung auf die obere Oberfläche 2 und die untere Oberfläche 3 ist eine Nitrier diffusionsschicht, die gebildet wird durch partielle Ent fernung der Verbindung aus der Oberfläche 6a derselben und in welcher die Verbindung dispergiert wird und deren Ober flächenhärte 950 HV beträgt.

Der Kolbenring, auf den die obengenannte Oberflächenbe handlung gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform ange wendet wird, wird als erster Ring des Motors mit den nach stehend angegebenen Daten installiert und es wird der fol gende Motortest durchgeführt.

Testmotor

Motortyp: 4-Zylinder-4-Takt-Motor (Kolben: aus Alumi nium)
Verdrängungsvolumen: 2000 cm³
Zylinderbohrung: 92 mm

Betriebsbedingungen und Testverfahren

Einlaufzeit: 20 min bei 4000 UpM unter 4/4-Belastung Hochgeschwindigkeits-Laufzeit: 10 min bei 7500 UpM unter 4/4 Belastung nach der Einlaufzeit.

Treibstoff

Benzin mit hoher Octan-Zahl mit einem Öl-Mischungs verhältnis 32 : 1 (spezifisches Gewicht 0,75)

Nach der Hochgeschwindigkeits-Laufzeit wird die Aluminium ablagerung auf der oberen Oberfläche 2 oder der unteren Oberfläche 3 des Kolbenrings 1 geprüft.

Vergleichsbeispiel 5

Der Test wird auf die gleiche Weise wie das Versuchsbei spiel 7 durchgeführt, jedoch mit der Ausnahme, daß kein Harzüberzugsfilm 7 gebildet wird, so daß ein nitrierter Kolbenring verwendet wird, auf den keine Oberflächenbe handlung angewendet worden ist und der die gleiche Größe und die gleiche Gestalt hat.

Testergebnis

Als Ergebnis des obengenannten Motortests wird keine Alu miniumablagerung auf der oberen Oberfläche 2 und der unte ren Oberfläche 3 des Kolbenringes gemäß der erfindungsge mäßen Ausführungsform (d. h. gemäß dem Versuchsbeispiel 7) gefunden. Andererseits ist eine Aluminiumablagerung fest zustellen auf der oberen Oberfläche 2 und der unteren Oberfläche 3 des nitrierten Kolbenrings (d. h. gemäß dem Vergleichsbeispiel 5), auf den kein Harzüberzugsfilm 7 aufgebracht worden ist.

Wie aus dem obigen Versuchsbeispiel und dem Vergleichsbei spiel hervorgeht, haftet das Aluminium nicht an der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche des Kolbenrings bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform, da der Harz überzugsfilm, der auf der oberen Oberfläche und der unte ren Oberfläche des Kolbenringes vorhanden ist, verbesserte Selbstschmiereigenschaften besitzt und eine gute Wärmebe ständigkeit aufweist. Deshalb entstehen keine Probleme wie in den konventionellen Fällen in bezug auf eine Ablagerung und Haftung von Aluminium an der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche des Kolbenringes, eine Verschlechterung des Gasabdichtungsvermögens, eine Abnahme der Output-Lei stung entsprechend dieser Verschlechterung bei Zunahme des Durchblasens.

Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf spezifische bevorzugte Ausführungsformen näher erläutert, es ist jedoch für den Fachmann selbstverständlich, daß sie darauf keineswegs beschränkt ist, sondern daß diese in vielfacher Hinsicht abgeändert und modifiziert werden kön nen, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfin dung verlassen wird.

Claims

1. Kolbenring, gekennzeichnet durch einen Kolbenring-Hauptkörper (1a) mit einer ringförmigen Gestalt;
eine Antiabriebs-Oberflächenbehandlungsschicht (6), die auf die untere Oberfläche (3a) des Kolbenring-Hauptkörpers (1a) aufgebracht ist; und
einen Polybenzimidazolharz-Überzugsfilm (7), der feste Schmiermittel enthält, der auf die Oberfläche (6a) der Antiabriebs-Oberflächenbehandlungsschicht (6) aufgebracht ist.

2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antiabriebs-Oberflächenbehandlungsschicht (6) einen Vertreter darstellt, der ausgewählt wird aus der Gruppe, die besteht aus einer Nitrierschicht, einer Chrom plattierungsschicht und einer Metallspritzbehand lungsschicht.

3. Kolbenring nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Antiabriebs-Oberflächenbehandlungs schicht (6) eine Nitrierschicht umfaßt und daß die Ni trierschicht umfaßt eine Nitrierdiffusionsschicht, aus der eine Verbindungsschicht entfernt worden ist.

4. Kolbenring nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Polybenzimidazol in dem Polybenzimidazolharz-Überzugsfilm (7) Poly-2,2′-(m-phe nylen)-5,5′-bibenzimidazol ist.

5. Kolbenring nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Polybenzimidazol in dem Polybenzimidazolharz-Überzugsfilm (7) eine Inrinsic-Visko sität (Strukturviskosität) von 0,2 bis 1,1 hat, gemessen bei einer Temperatur von 25°C in einer 0,5 gew.-%igen Lö sung des Polybenzimidazols in Dimethylsulfoxid.

6. Kolbenring nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antiabriebs-Oberflä chenbehandlungsschicht (6) sowohl auf die obere Oberfläche des Kolbenring-Hauptkörpers (1a) als auch auf die untere Oberfläche (3a) desselben aufgebracht ist und daß der die festen Schmiermittel enthaltende Polybenzimidazolharz- Überzugsfilm (7) sowohl auf die obere Oberfläche (2) als auch die untere Oberfläche (3a) der Antiabriebs- Oberflächenbehandlungsschicht (6) aufgebracht ist.

7. Kolbenring nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antiabriebs-Oberflächenbehandlungsschicht (6) auf eine äußere Umfangsoberfläche (4a) des Kolbenring-Haupt körpers (1a) sowie auf die obere Oberfläche und die untere Oberfläche (3a) aufgebracht ist und der die festen Schmiermittel enthaltende Polybenzimidazolharz-Überzugs film (7) sowohl auf die obere Oberfläche (2a) als auch die untere Oberfläche (3a) der Antiabriebs-Oberflächenbehand lungsschicht (6) aufgebracht ist.