DE3502143C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolbenring nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Die Kolbenringe einer Brennkraftmaschine sind entweder als Gasdichtungs- oder Kompressionskolbenringe oder als Ölabstreifringe ausgebildet. Gewöhnlich sind an einem Kolben jeweils wenigstens zwei Kompressionsringe und ein Ölabstreifring vorgesehen. Von diesen Kolbenringen ist insbesondere der oberste Kompressionskolbenring von den Verbrennungsgasen beaufschlagt, da er unmittelbar unter­ halb des Kolbenbodens angeordnet ist. Dieser Kompres­ sionskolbenring wird nicht nur durch seine eigene Span­ nung in feste Anlage an der Zylinderwand gepreßt, son­ dern auch durch den seine obere Stirnfläche sowie seine innere Wandfläche beaufschlagenden Gasdruck, so daß hier eine starke Reibung entsteht. Da dem obersten Kolbenring darüber hinaus nur äußerst geringe Schmierstoffmengen zugeführt werden, kann es zu einem übermäßigen Ver­ schleiß des Kolbenringes kommen, welcher auch als Rauh­ abnutzung bezeichnet wird. Kolbenringe der genannten Art bestehen gewöhnlich aus Gußeisen, und ihre äußere Wand­ fläche ist zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit ver­ chromt. Bei Verwendung eines solchen Kolbenringes unter erschwerten Bedingungen, z. B. sehr hohen Temperaturen, hohen Belastungen und stark korrosiven Einflüssen, etwa in einem Dieselmotor oder einem mit stark verbleitem Kraftstoff arbeitenden Motor, kann die Verchromung von der äußeren Wandfläche abblättern, korrodieren oder stark abgenützt werden. Darüber hinaus besteht die Ge­ fahr, daß der Kolbenring im Laufe der Zeit weichgeglüht wird.

Ein Kolbenring der im Oberbegriff des Anspruchs 1 ange­ gebenen Art ist beispielsweise aus der DE-OS 29 34 027 bekannt. Dieser Kolbenring weist einen Ringkörper mit einer nitriergehärteten Schicht auf, wodurch eine gewis­ se Steigerung der Festigkeit erzielt wird. Jedoch ist der bekannte Kolbenring insbesondere bei der Verwendung unter erschwerten Bedingungen, wie sehr hohen Temperatu­ ren, hohen Belastungen und stark korrosiven Einflüssen etwa in einem Dieselmotor oder einem mit stark verblei­ tem Kraftstoff arbeitenden Ottomotor verbesserungswür­ dig, da es zu einem Abblättern der äußeren Wandfläche, einem Korrodieren oder einer starken Abnützung kommen kann.

Dies trifft ebenso auf einen weiteren aus der DE-OS 30 45 772 bekannten Kolbenring zu, dessen Ringkörper ei­ ne Verchromung aufweist, die ebenfalls unter erschwerten Bedingungen von der äußeren Wandfläche abblättern, kor­ rodieren und stark abgenützt werden kann.

Schließlich ist es aus der DD-PS 1 19 822 bekannt, insbe­ sondere auf Zerspanungswerkzeugen aus Schnellarbeits­ stählen eine Deckschicht aus Fe₃O₄ aufzubringen, die je­ doch zur Verbesserung des Aussehens und zur Verbesserung der Aufnahme von Schmiermitteln dient, wohingegen eine derartige Schicht weniger verschleißbeständig ist.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolbenring der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebe­ nen Art zu schaffen, welcher auch unter erschwerten Be­ dingungen, wie hohen Temperaturen, hohen Belastungen und stark korrosiven Einflüssen eine hohe Verschleißfestig­ keit aufweist und bei welchem zu Beginn des Betriebs kaum eine Rauhabnutzung stattfindet.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruches 1.

Dadurch wird erreicht, daß der erfindungsgemäße Kolben­ ring, dessen Ausgangsmaterial nicht rostender Stahl ist und der nitriergehärtet wurde, eine hohe Beständigkeit gegenüber Weichglühen, Korrosion und Verschleiß erhält. Darüber hinaus tritt bei dem erfindungsgemäßen Kolben­ ring kaum eine anfängliche Rauhabnutzung auf, was auf die auf den Oberflächen des Kolbens ausgebildeten Oxid­ schichten zurückzuführen ist.

Zwar sind aus der DE-AS 10 69 980 ebenfalls zwei unter­ schiedliche Verfahren für die Verbesserung der Gleit­ eigenschaften eines Kolbenringes bekannt. Die Verfahren sind jedoch insofern unterschiedlich, als in einem Fall durch anodisches Beizen die äußerste Zone einer Nitrier­ schicht abgetragen wird. Im anderen Falle jedoch wird die äußerste Schicht durch eine Kaltphosphatierung um­ gewandelt, wodurch eine Schicht mit guten Gleiteigen­ schaften erzeugt werden soll. Die Rückbeziehung des An­ spruches 3 dieser Druckschrift auf den Anspruch 1 kann hierbei mit Rücksicht auf die Textpassage in Spalte 3, Zeilen 1 bis 4 nur so verstanden werden, daß Anspruch 3 letztlich ein nebengeordneter Anspruch ist, da eine Um­ wandlung einer Schicht nur möglich ist, wenn diese noch vorhanden ist und insofern das "Entfernen" der Schicht gemäß Anspruch 1 nur als Umwandlung und nicht als Abtra­ gen verstanden werden kann. Somit hat durch diese Druck­ schrift die erfindungsgemäße Ausbildung des Kolbenringes nicht nahegelegen.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Kolbenrings gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, zusammen mit Teilen eines Kolbens und eines Zylinders, und

Fig. 2 eine stark vergrößerte Schnittdarstellung einer nitrierten Oberflächenschicht des Kolbenrings.

Fig. 1 zeigt einen Kompressionskolbenring, welcher in einen Kolben 2 eingesetzt ist. Der Kolbenring weist einen Ringkörper 1 aus nicht rostendem Stahl auf, welche eine hohe Korrosionsbeständigkeit hat und nicht zur Erweichung unter hohen Temperaturen neigt. Die Oberflächen des Kolbenrings sind auf verschiedene Weise behandelt, wie nachstehend erläutert.

Zunächst wird an den Oberflächen des Kolbenrings, wenig­ stens jedoch an der in Gleitberührung mit der Wand eines Zylinders 3 befindlichen äußeren Wandfläche 6, eine nitrier­ gehärtete Schicht 4 gebildet, welche die Verschleißfestig­ keit des Kolbenrings erhöht. Dadurch ist es möglich, den aus Stahl geformten Kompressionskolbenring anstelle eines herkömmlichen Kolbenrings aus Gußeisen zu verwenden. Die nitriergehärtete Schicht 4 kann unter Anwendung eines bekannten Nitrierverfahrens gebildet werden, z. b. nach dem Gasnitrierverfahren, dem Salzbadnitrierverfahren oder dem Ionen-Nitrierverfahren.

Von den auf diese Weise gebildeten nitriergehärteten Schich­ ten wird wenigstens die auf der äußeren Wandfläche des Kolbenrings gebildete einer chemischen Umwandungsbehand­ lung unterworfen, um eine Oxidschicht 5 darauf oder darin auszubilden. Diese Behandlung ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung. Beispiele für derartige Oxidschichten sind Phosphatschichten, z. B. eine Mangan-Phosphatschicht oder eine Zink-Phosphatschicht, oder eine Tri-Eisen-Tetraoxid­ schicht. Diese Oxidschichten sind so weich, daß sie sich der Zylinderwand zu Beginn des Betriebs gut anzupassen ver­ mögen, um damit die sonst anfänglich auftretende Rauhab­ nutzung zu unterbinden und so eines der Ziele der Erfindung zu erreichen. Darüber hinaus weisen die Oxidschichten eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit auf.

Vor der Bildung der Oxidschicht 5 kann eine den äußersten Bereich der nitriergehärteten Schicht 4 darstellende Ver­ bundschicht entfernt werden. Fig. 2 zeigt eine um den Faktor 600 vergrößerte Schnittdarstellung der nitrier­ gehärteten Oberflächenschicht. Wie man in dieser Figur erkennt, besteht die nitriergehärtete Schicht 4 aus einer Diffusionsschicht B, welche eine größere Härte aufweist als das Ausgangsmaterial A, da in dieser Schicht Stickstoff diffundiert und verteilt ist, und einer Verbundschicht C, welche hier weiß erscheint und deren Härte noch größer ist als die der Diffusionsschicht B, da sich in diesem Bereich Eisennitrid gebildet hat. In Fällen, in denen die nitrier­ gehärtete Schicht 4 eine übermäßig große Härte aufweist, kann die Verbundschicht C entfernt werden, um die Diffu­ sionsschicht B freizulegen, bevor auf dieser die Oxidschicht gebildet wird, um auf diese Weise das Auftreten von Rauh­ abnutzung zu vermeiden.

Claims (5)

1. Kolbenring für die Verwendung in einem Zylinder (3) einer Brennkraftmaschine, wobei der Kolbenring einen Ringkörper (1) mit einer in Gleitberührung mit der Wand des Zylinders (3) bringbaren äußeren vergüteten Wand­ fläche (6) aufweist, mit einer in der äußeren Wandfläche (6) ausgebildeten aus einer Verbundschicht (C) und einer Diffusionsschicht (B) bestehenden nitriergehärteten Schicht (4), dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (1) aus nicht rostendem Stahl besteht, und daß eine über der nitriergehärteten Schicht (4) ausgebildete Oxid­ schicht (5) vorgesehen ist, wobei die Verbundschicht (C) entfernt ist und die Oxidschicht (5) direkt auf die Dif­ fusionsschicht (B) aufgebracht ist.

2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidschicht (5) eine Phosphatschicht ist.

3. Kolbenring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phosphatschicht aus Manganphosphat besteht.

4. Kolbenring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phosphatschicht aus Zinkphosphat besteht.

5. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidschicht (5) aus Tri-Eisen-Tetraoxid (Fe₃O₄) besteht.