WO2006097265A1 - Kolben für eine hubkolbenbrennkraftmaschine mit gehärteten kolbenringnuten - Google Patents

Kolben für eine hubkolbenbrennkraftmaschine mit gehärteten kolbenringnuten Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a piston for a reciprocating internal combustion engine made of a nitride-forming base alloy with a piston upper part, which is designed with several circumferential piston ring grooves and a top land and at least. Has its uppermost combustion chamber near annular groove against wear, hardened groove flanks.
  • the piston top which is the uppermost element opposite the combustion chamber and traverses the entire combustion process, forms the most vulnerable part of a generic piston.
  • plasma nitriding or plasma nitrocarburizing is understood to mean hardening of the surface layers of steels, with nitrogen or carbon atoms diffusing in and thereby reacting with iron in a thin surface layer to form nitrides or carbonitrides, the bonding layer.
  • the nitrogen is only partially precipitated as a nitride during cooling and then causes the increase in hardness.
  • the hardness itself depends on the type of nitrides.
  • the nitriding time and layer differ.
  • the surface layer consists of an outer nitride layer or carbonitride layer (compound). layer) and a subsequent layer of nitrogen enriched mixed crystals and precipitated nitrides (diffusion layer).
  • the nitriding times can be shortened (plasma nitriding at 45O 0 C to 550 0 C).
  • nitrocarburizing in which the treating agent in addition to nitrogen and carbon containing donating ingredients may be in powder, salt bath, gas or plasma is just nitrocarburized (plasma nitrocarburizing at 500 0 C to 59 ° C 0 sawn vorzugt at about 520 ° C).
  • the invention is therefore an object of the invention to optimize a generic piston with already hardened by means of a boundary layer Ringnutflanken and from a quenched and nitride-forming alloyed steel to the effect that the piston upper part, but in particular its uppermost piston ring grooves have a further extended service life, i. that in particular the annular groove wear on the piston upper part is further reduced.
  • Figure 1 shows a longitudinal section through an inventively designed upper piston part
  • FIG. 2 shows a detailed view from FIG. 1 with regard to the three upper annular grooves hardened on the flanks according to the invention and additionally provided with a nitriding layer.
  • FIG. 1 shows a piston upper part (1) of a piston of a reciprocating internal combustion engine with a combustion bowl (2), a top land (3) and four annular grooves (4a, b, c, d) each with parallel annular groove flanks (5a, b).
  • This upper piston part (1) consists of a quenched and nitride-forming alloyed steel.
  • the three upper annular grooves (4a, b, c) are respectively hardened in the region of their upper and lower flanks (5a, b) such that continuous curing zones in the form of an edge layer (6) extend over the supporting region of the flank width. result.
  • the hardening process itself has been made here inductively in a known manner.
  • At least the outer parts of the upper piston part (1), which comprise the ring grooves (4a, b, c) protected against wear and the top land (3), have a further wear and corrosion protection layer (7) are provided in the form of a nitriding layer, wherein the wear and corrosion protection layer (7) by reacting the nitride-forming base alloy by plasma nitriding or Plasmanitrocarbur Schl is generated in a nitrogen or nitrogen-carbon atmosphere, so that the hardened groove flanks (5a, b) are additionally protected by means of a nitriding layer (7).
  • edge layer (6) protected against wear annular grooves (4a, b, c) are provided with a further Nitrier Anlagen, combustion chamber trough (2) and / or top land (3) do not have be nitrated.
  • the entire outer surface of the piston upper part (1) is provided with the nitriding layer (7) according to the present embodiment, while the inner surface of the piston upper part (1) remains uncoated.
  • the nitriding layer (7) is known to form a two-layered structure, namely, at least adjacent to the component surface, a diffusion layer and a connecting layer constructed thereon. It should be pointed out as characteristic of the present invention that the nitriding layer (7) including the hardened surface layer has a thickness (nitriding hardening depth) of 0.2 mm to 1.0 mm at the hardened groove flanks (5a, b) having a connecting layer formed thereon having a thickness of 2 microns to 15 microns, and has a surface hardness greater than 550 HV (Vickers) offers.
  • the hardness of the diffusion zone decreases with increasing thickness or distance from the surface, since the effect of nitriding decreases as a result of the diffusion processes controlling them with the depth.
  • a nitriding layer (7) for the outer surface of a piston piston part (1) of a piston of a reciprocating internal combustion engine which is exposed to exhaust gas not only leads to increased wear resistance in the annular groove region, in particular the upper annular grooves and more particularly first, the combustion chamber (2) closest annular groove (4a), but also causes a higher resistance to corrosion.
  • the groove flanks protected against wear are inductively hardened in the first pass.

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Abstract

Um einen Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine aus einer nitridbildenden Basislegierung mit einem Kolbenoberteil (1) , der mit mehreren umlaufenden Kolbenringnuten (4) und einem Feuersteg ausgeführt ist und mindestens dessen oberste brennraumnahe Ringnut (4a) gegen Verschleiß geschützte, gehärtete Nutflanken (5a, b) aufweist, dahingehend zu optimieren, dass das Kolbenoberteil, insbesondere aber dessen oberste Kolbenringnuten eine weiterhin verlängerte Betriebslebensdauer aufweist, ist vorgesehen, dass zumindest die Außenflächen des Kolbenoberteils, die die gegen Verschleiß gehärteten Nutflanken und den Feuersteg umfassen, mit einer weiteren Verschleiß- und Korrosionsschutzschicht (7) in Form einer Nitrierschicht versehen sind, wobei die Korrosionsschutzschicht durch Umsetzung der nitridbildenden Basislegierung durch Plasmanitrieren oder Plasmanitrocarburieren in einer Stickstoff- bzw. Stickstoff -Kohlenstoff-Atmosphäre erzeugt ist, so dass die gehärteten Nutflanken zusätzlich mittels einer Nitrierschicht (7) geschützt sind.

Description

Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit gehärteten Kolbenringnuten
Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine aus einer nitridbildenden Basislegierung mit einem Kolbenoberteil, der mit mehreren umlaufenden Kolbenringnuten und einem Feuersteg ausgeführt ist und mind. dessen oberste brennraumnahe Ringnut gegen Verschleiß geschützte, gehärtete Nutflanken aufweist.
Das Kolbenoberteil, das das oberste, dem Verbrennungsraum gegenüberliegende Element darstellt und den gesamten Verbrennungsablauf durchläuft, bildet das am meisten gefährdete Teil eines gattungsbildenden Kolbens.
Eine besondere Rolle spielt hier die Abdichtung gegen den von oben auf das Kolbenoberteil einwirkenden Verbrennungsdruck. Dies geschieht durch sog. Kolbenringe, die im seitlichen Teil des Kolbens in Kolbenringnuten sitzen und den Brennraum nach unten gegen das Kurbelgehäuse abdichten. Ein großes Problem in diesem Bereich ist die Lebensdauer der Kolbenringnuten. Diese bestimmt sehr stark die Wartungsintervalle und damit Betriebskosten und Betriebssicherheit des gesamten Kolbens.
Bekanntlich werden zur Verlängerung der Betriebslebensdauer solche Kolbenoberteile und insbesondere deren Kolbenringnuten gehärtet, und zwar entweder induktiv und/oder durch Verchromen. Die induktive Härtung ergibt ein mittleres Verschleißverhalten. Z. B. zeigt bereits die DE 198 33 825 C1 einen oben beschriebenen Kolben, insbesondere für einen Großmotor, bei dem die Kolbenringnuten gegen Verschleiß geschützte Flanken aufweisen. Das Kolbenoberteil besteht hier aus vergütetem und legiertem Stahl, der im Bereich der oberen und unteren Flanken der Kolbenringnuten so gehärtet ist, dass sich über den tragenden Bereich der Flankenbreite durchgehende Härtungszonen ergeben. Der Härtungsvorgang kann zweckmäßig auf induktivem Wege erfolgen, was die erforderliche Temperaturführung zur Bewerkstelligung der gewünschten Gefügeumsetzung auf einfache Weise ermöglicht.
Diese Maßnahme reicht jedoch ab einer bestimmten Höhe des Zünddrucks nicht mehr aus. Die Flankenbelastung nimmt nämlich mit steigendem Zünddruck über- proportional zu. Ungünstig sind in diesem Zusammenhang auch die heute erwünschten niedrigen Schmierraten. Es kommt daher zu einem schnellen Verschleiß der gehärteten Flanken. Dies gilt insbesondere für die erste, dem Brennraum am nächsten liegenden Kolbenringnut, wo erfahrungsgemäß die Belastung am größten ist.
Bekannt ist andererseits auch bereits, dass bei nitrierten oder nitrocarburierten Stählen der Verschleißwiderstand deutlich erhöht ist.
Allgemein versteht man unter Plasmanitrieren oder Plasmanitrocarburieren ein Härten der Oberflächenschichten von Stählen, wobei Stickstoff- bzw. Kohlenstoffatome eindiffundieren und dabei in einer dünnen Oberflächenschicht mit Eisen zu Nitriden bzw. Carbonitriden reagieren, der Verbindungsschicht. In der sich daran anschließenden Diffusionsschicht wird der Stickstoff erst beim Abkühlen teilweise als Nitrid ausgeschieden und bewirkt dann die Härtesteigerung. Die Härte selbst hängt von der Art der Nitride ab. Je nachdem, wie der Stickstoff mit dem Stahl zur Reaktion gebracht wird, unterscheiden sich Nitrierzeit und -Schicht.
Mit anderen Worten, es erfolgt eine Diffusionssättigung der Randschicht eines Werkstoffes mit Stickstoff, um Härte, Verschleißwiderstand, Dauerfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen. Die Randschicht besteht nach dem Nitrieren / Nitrocarburieren aus einer äußeren Nitridschicht bzw. Carbonitridschicht (Verbin- dungsschicht) und einer anschließenden Schicht aus Stickstoff angereichterten Mischkristallen und ausgeschiedenen Nitriden (Diffusionsschicht).
Durch Ionisation des Stickstoffs durch Glimmentladung, dem sog. Plasmanitrieren, können die Nitrierzeiten verkürzt werden (Plasmanitrieren bei 45O0C bis 5500C).
Beim Nitrocarburieren, bei dem das Behandlungsmittel außer Stickstoff auch Kohlenstoff abgebende Bestandteile enthält, kann in Pulver, Salzbad, Gas oder Plasma eben nitrocarburiert werden (Plasmanitrocarburieren bei 5000C bis 59O0C, be- vorzugt bei ca. 520°C).
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Kolben mit bereits mittels einer Randschicht gehärteten Ringnutflanken und aus einem vergüteten und nitridbildenden legierten Stahl dahingehend zu optimieren, dass das Kolbenoberteil, insbesondere aber dessen oberste Kolbenringnuten eine weiterhin verlängerte Betriebslebensdauer aufweisen, d.h. dass insbesondere der Ringnutverschleiß am Kolbenoberteil weiter verringert ist.
Dadurch, dass zumindest die Außenflächen des Kolbenoberteils, die die gegen ) Verschleiß gehärteten Nutflanken umfassen, mit einer weiteren Verschleiß- und Korrosionsschutzschicht in Form einer Nitrierschicht versehen sind, wobei die Verschleiß- und Korrosionsschutzschicht durch Umsetzung der nitridbildenden Basislegierung durch Plasmanitrieren oder Plasmanitrocarburieren in einer Stickstoff- bzw. Stickstoff-Kohlenstoff-Atmosphäre erzeugt ist, so dass die gehärteten Nutflanken zusätzlich mittels einer Nitrierschicht geschützt sind, wird ein deutlich verbesserter Verschleiß- und Korrosionsschutz und natürlich längere Wartungsintervalle / Bauteillebensdauer erreicht. Insbesondere in der am stärksten beanspruchten ersten Ringnut, die dem Verbrennungsraum am nächsten liegt, kann deren Verschleiß hierdurch stark minimiert werden. Der erfindungsgemäße Kolben ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird im weiteren näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Kolbenoberteil und
Figur 2 eine Detailansicht aus der Figur 1 hinsichtlich der erfindungsge- maß an den Flanken gehärteten und zusätzlich mit einer Nitrierschicht versehenen drei oberen Ringnuten.
Figur 1 zeigt ein Kolbenoberteil (1 ) eines Kolbens einer Hubkolbenbrennkraftma- schine mit einer Brennraummulde (2), einem Feuersteg (3) und vier Ringnuten (4a,b,c,d) mit jeweils parallelen Ringnutflanken (5a, b).
Dieses Kolbenoberteil (1) besteht aus einem vergüteten und nitridbildenden legierten Stahl. Gemäß der Figur 2 sind die drei oberen Ringnuten (4a, b,c) jeweils im Bereich ihrer oberen und unteren Flanken (5a, b) so gehärtet, dass sich jeweils über den tragenden Bereich der Flankenbreite durchgehende Härtungszonen in Form einer Randschicht (6) ergeben. Der Härtevorgang selbst ist hier in bekannter Weise induktiv vorgenommen worden.
Desweiteren ist gemäß der Figur 1 und der Figur 2 vorgesehen, dass zumindest die Außenteile des Kolbenoberteils (1 ), die die gegen Verschleiß geschützten Ringnuten (4a,b,c) und den Feuersteg (3) umfassen, mit einer weiteren Verschleiß- und Korrosionsschutzschicht (7) in Form einer Nitrierschicht versehen sind, wobei die Verschleiß- und Korrosionsschutzschicht (7) durch Umsetzung der nitridbildenden Basislegierung durch Plasmanitrieren oder Plasmanitrocarburieren in einer Stickstoff- bzw. Stickstoff-Kohlenstoff-Atmosphäre erzeugt ist, so dass die gehärteten Nutflanken (5a,b) zusätzlich mittels einer Nitrierschicht (7) geschützt sind.
Dabei ist im Sinne der vorliegenden Erfindung wichtig, dass eben zumindest die mittels der Randschicht (6) gegen Verschleiß geschützten Ringnuten (4a, b, c) mit einer weiteren Nitrierschicht versehen sind, Brennraummulde (2) und/oder Feuersteg (3) müssen nicht nitriert sein.
Insbesondere gemäß der Figur 1 ist nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die komplette Außenfläche des Kolbenoberteils (1 ) mit der Nitrierschicht (7) versehen, während die Innenfläche des Kolbenoberteils (1 ) unbeschichtet bleibt.
Die Nitrierschicht (7) bildet bekanntlich einen zweischichtigen Aufbau aus, nämlich zumindest an der Bauteiloberfläche angrenzend eine Diffusionsschicht und eine darauf aufgebaute Verbindungsschicht. Es ist als für die vorliegende Erfindung charakterisierend herauszustellen, dass die Nitrierschicht (7) inklusive der gehärteten Randschicht eine Dicke (Nitrierhärtetiefe) von 0,2 mm bis 1 ,0 mm an den gehärteten Nutflanken (5a, b), die eine darauf aufgebaute Verbindungsschicht mit einer Dicke von 2 μm bis 15 μm aufweist, hat und eine Oberflächenhärte größer als 550 HV (Vickers) bietet.
Die Härte der Diffusionszone nimmt mit zunehmender Dicke bzw. Entfernung von der Oberfläche ab, da die Wirkung der Nitrierhärtung aufgrund der diese steuern- den Diffusionsvorgänge mit der Tiefe abnimmt.
Die erfindungsgemäße Verwendung einer Nitrierschicht (7) für die mit Abgas beaufschlagte Außenoberfläche eines Kolbenoberteils (1 ) eines Kolbens einer Hub- kolbenbrennkraftmaschine führt nicht nur zu einer erhöhten Verschleißfestigkeit im Ringnutenbereich, insbesondere der oberen Ringnuten und ganz besonders der ersten, den Brennraum (2) am nächsten liegenden Ringnut (4a), sondern bewirkt auch einen höheren Widerstand gegen Korrosion.
Es sei abschließend noch erwähnt, dass in bevorzugter Weise die gegen Ver- schleiß geschützten Nutflanken im ersten Durchgang induktiv gehärtet sind.

Claims

Patentansprüche
1. Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine aus einer nitridbildenden Basislegierung mit einem Kolbenoberteil (1 ), der mehrere umlaufende Kolbenringnuten (4) aufweist, und mind. dessen oberste brennraumnahe Ringnut (4a) mittels einer Randschicht (6) gegen Verschleiß geschützte, gehärtete Nutflanken (5a, b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Außenflächen des Kolbenoberteils (1 ), die die gegen Verschleiß geschützten Ringnuten (4a,b,c) umfassen, mit einer weiteren Verschleiß- und Korrosionsschutzschicht (7) in Form einer Nitrierschicht versehen sind, wobei die Verschleiß- und Kor- rosionsschutzschicht (7) durch Umsetzung der nitridbildenden Basislegierung durch Plasmanitrieren oder Plasmanitrocarburieren in einer Stickstoff- bzw. Stickstoff-Kohlenstoff-Atmosphäre erzeugt ist, so dass die gehärteten Nutflanken (5a, b) zusätzlich mittels einer Nitrierschicht (7) geschützt sind.
2. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die komplette Außen- fläche des Kolbenoberteils (1 ) mit der Nitrierschicht (7) versehen ist, während die Innenfläche des Kolbenoberteils (1 ) unbeschichtet bleibt.
3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nitrierschicht (7) inklusive der gehärteten Randschicht (6) eine Dicke (Nitrierhärtetiefe) von 0,2 mm bis 1 ,0 mm an den gehärteten Nutflanken (5a,b), die eine dar- auf aufgebaute Verbindungsschicht mit einer Dicke von 2 μm bis 15 μm aufweist, hat und eine Oberflächen härte größer als 550 HV (Vickers) bietet.
4. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Auftrag der Nitrierschicht (7) die gegen Verschleiß geschützten Nutflanken (5a, b) induktiv gehärtet sind.
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