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Dokumentenidentifikation DE69206546T2 15.05.1996
EP-Veröffentlichungsnummer 0533128
Titel Kolbenring aus Titan-Legierung und Verfahren zur Herstellung.
Anmelder Hitachi Metals, Ltd., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Takuwa, Minoru, Matsue-shi, JP;
Tokuda, Kenji, Yasugi-shi, JP
Vertreter Beetz und Kollegen, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69206546
Vertragsstaaten DE, GB
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 16.09.1992
EP-Aktenzeichen 921158283
EP-Offenlegungsdatum 24.03.1993
EP date of grant 06.12.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.05.1996
IPC-Hauptklasse C23C 8/10
IPC-Nebenklasse C23C 8/12   C23C 8/16   B23P 15/06   F16J 9/00   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG Technischer Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen in Verbrennungsmotoren verwendeten Kolbenring.

Beschreibung verwandter Techniken

Als Kolbenringe für Verbrennungsmotoren wurden bisher Kolbenringe verwendet, die hergestellt wurden, indem die Oberfläche eines Rings aus Gußeisen hartverchromt wurde. Es traten jedoch die folgenden Probleme auf. Ein in seiner Axialrichtung dünner Kolbenring ist schwer herzustellen, und nur ein schwerer Kolbenring mit einem verhältnismäßig großen Querschnittsbereich kann hergestellt werden. Die Verwendung eines derartigen Kolbenrings verursacht ein hohes Trägheitsmoment, so daß die Tendenz des Auftretens eines Flatterphänomens besteht. In jüngster Zeit wurden, entsprechend dem Bedarf an Verbrennungsmotoren mit hoher Leistung, hoher Drehzahl und gesteuerten Abgas, Kolbenringe aus Stahl, die durch Schmelzen von Stahl, Herstellen eines Drahts aus dem geschmolzenen Stahl durch Warm- und Kaltverformung und anschließendes Biegen des Drahts in Ringform nach einer thermischen Läuterung hergestellt wurden, zu den führenden Kolbenringen. Die Materialien für derartige Stahlringe schließen Si-Cr- Stahle, rostfreie Stahle des 13Cr-Typs und des 17Cr-Typs, etc. ein. Es werden Kolbenringe verwendet, die hergestellt werden, indem die Oberfläche der Stahlringe einer Oberflächenbehandlung, wie einer Hartverchromung oder- einer Nitrierbehandlung unterzoggen wird.

Wie oben beschrieben, haben die Kolbenringe aus Stahl beispielsweise die folgenden Vorteile, die herkömmliche Kolbenringe aus Gußeisen nicht aufweisen können. Die Breite der Kolbenringe aus Stahl kann in deren Axialrichtung verringert werden, so daß ihr Kontaktbereich mit einer Zylinderwand verringert wird, was zu einem verringerten Reibungsverlust führt. Überdies kann das Gewicht der stählernen Kolbenringe selbst verringert werden.

Aufgrund des in jüngster Zeit wachsenden Bedarfs an einer höheren Leistung wurde ein Material für Kolbenringe erforderlich, das für höhere Drehzahlen geeignet ist. Kür die Verwendung eines Kolbenrings bei einer hohen Drehzahl ist eine weitere Verringerung des Gewichts des Kolbenrings erforderlich. Herkömmliche Kolbenringe aus Stahl sind dadurch nachteilig, daß ihre Festigkeit unzureichend wird, wenn sie noch dünner gefertigt werden, so daß die wesentliche Funktion eines Verbrennungsmotors, für den sie verwendet werden, beeinträchtigt wird.

Die Kolbenringe aus Stahl weisen normalerweise eine hartverchromte Schicht auf. Die japanische Patentanmeldung Kokai Nr. 2-129467 schlug zur Verbesserung der Wärmebeständigkeit und der Abriebfestigkeit eine Beschichtung mit einem Titannitridfilm vor. Die japanische Patentanmeldung Kokai Nr. 2-129467 offenbart einen Kolbenring, der einen Hauptkörper des Kolbenrings aus Stahl, eine am Umfang des Hauptkörpers haftende Schicht aus Titan oder einer Titanlegierung und eine zumindest am Umfang ausgebildete Titannitridschicht umfaßt. Hierbei kann jedoch lediglich eine geringe gewichtsverringernde Wirkung erzielt werden, da zur Gewährleistung der Federeigenschaften Werkzeugstahl oder rostfreier Martensitstahl für den Hauptkörper des oben aufgeführten Kolbenrings verwendet wird. Die Hauptfunktion der als Mantel auf dem Hauptkörper aus Stahl ausgebildeten Schicht aus Titan oder einer Titanlegierung ist die Erzeugung der verhältnismäßig dicken Titannitridschicht mit einer Dicke von 50 um oder mehr mit ausreichender Haftung auf dem Umfang des Hauptkörpers. Dies bedeuted, daß es sich bei diesem Stand der Technik lediglich um einen Kolbenring aus Stahl handelt.

Zudem offenbar die japanische Patentanmeldung Kokai Nr. 1-119682 ein Motorventil und einen Verbindungsstab als Elemente, die durch Erwärmen einer Oberflächenschicht aus reinem Titan oder einer Titanlegierung auf eine höhere Temperatur als den Schmelzpunkt (der bei ca. 1.700ºC oder niehr liegt) erzeugt werden, was dem geschmolzenen Abschnitt die Absorption von Sauerstoff zum Bilden einer Festlösung ermöglicht, wodurch ein Mantel gebildet wird, der eine geschmolzene, mit Sauerstoff angereicherte Schicht ist. Wird jedoch die Oberflächenschicht des dünnen, ringförmigen Umfangs, beispielsweise des Kolbenrings, den die Erfindung betrifft, auf eine Temperatur über dem hohen Schmelzpunkt von ca. 1.700ºC erwärmt, treten die folgenden Nachteile auf. Der Kolbenring wird durch den thermischen Einfluß bzw. die Kontraktion bei der Erstarrung verformt, und seine Zähigkeit wird durch die Bildung eines erneut erstarrten Gefüges verschlechtert. Daher kann die in der japanischen Patentanmeldung Nr. 1-119682 offenbarte Einrichtung nicht verwendet werden.

Andererseits offenbart die EP-A-0388710 eine Oberflächenbehandlung von Titan oder einer Titanlegierung durch Erwärmung bei 700 bis 1.050ºC in einer oxidierenden Atmosphäre, wodurch die Abriebfestigkeit und die Verbrennungsbeständigkeit verbessert werden.

Ähnlich offenbart die EP-A-0244253 eine Oberflächenbehandlung von Elementen aus Titan oder einer Titanlegierung durch Erwärmung auf eine Temperatur unter 800C, insbesondere 500 bis 800ºC, in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, wodurch die Abnutzungsbeständigkeit der äußeren Oberfläche der Elemente verbessert wird.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuartigen Kolbenring, der ein geringeres Gewicht als die herkömmlichen Kolbenringe aus Stahl und eine zur Bewältigung einer höheren Leistung und einer höheren Drehzahl hinreichende Festigkeit aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbenrings zu schaffen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Da der Verringerung des Gewichts herkömmlicher Kolbenringe aus Stahl Grenzen gesetzt sind, führten die Erfinder Titan oder eine Titanlegierung an, die ein spezifisches Gewicht von 60 % des spezifischen Gewichts von Stahl aufweisen. Die Erfinder untersuchten die Verwendung von Titan bzw. der Titanlegierung für den Hauptkörper eines Kolbenrings.

Dies bedeutet, daß der erfindungsgemäße Kolbenring dadurch gekennzeichnet ist, daß er im wesentlichen lediglich aus einer Titanlegierung ohne jeglichen Stahl besteht.

Bei Kolbenringen aus Titan oder einer Titanlegierung treten als Faktoren, die ihre praktische Anwendung verhindern, Probleme bei den für die Kolbenringe selbst erforderlichen Eigenschaften und Probleme bei der Herstellung auf, die Hindernisse für die Herstellung der Kolbenringe sind.

Hinsichtlich der für die Kolbenringe erforderlichen Eigenschaften sind Titan bzw. Titanlegierungen dadurch nachteilig, daß

(1) sie eine geringe Festigkeit und eine unzureichende Beständigkeit hinsichtlich der Warmfestigkeit sowie eine unzureichende Abriebbeständigkeit aufweisen und

(2) die Tendenz zu einem Festfressen zwischen ihnen und einem Metall besteht, auf dem sie gleiten.

Als Verfahren zur Herstellung des Kolbenrings gibt es beispielsweise (a) das Schaben eines Stabs, (b) das Schneiden eines Rohrs in runde Scheiben und (c) das Stanzen eines Plattenmaterials oder das Schneiden eines Drahts. Es wurde jedoch folgendes festgestellt. Die Verfahren (a) und (c) verringern den Nutzungsgrad erheblich. Zudem ergeben die Verfahren (a) und (b) ein Fasergefüge in der Axialrichtung des Rings, während das Verfahren (c) in bezug auf die Oberfläche des Rings ein Fasergefüge in einer bestimmten Richtung ergibt. Dementsprechend werden die Festigkeit und Zähigkeit der Titanlegierung weiter verringert.

Bezüglich der oben aufgeführten Probleme hinsichtlich der Eigenschaften und der Herstellung wurden weitere Untersuchungen durchgeführt. Als Ergebnis wurde folgendes festgestellt. Hinsichtlich des Problems bezüglich der Eigenschaften können, wenn das Material für den Hauptkörper eines Kolbenrings aufgrund der unzureichenden Festigkeit und Beständigkeit hinsichtlich der Warmfestigkeit reinen Titans auf eine Titanlegierung beschränkt ist, eine bestimmte hohe Festigkeit und gleichmäßige Federeigenschaften durch Herstellung eines Kolbenrings durch Verarbeitung der Titanlegierung zu eineyn Draht und Biegen des Drahts in eine Ringform erzielt werden, wobei dadurch veranlaßt wird, daß die Richtung des Fasergefüges mit der Umfangsrichtung des Rings übereinstimmt.

Das in der vorliegenden Beschreibung definierte "Fasergefüge" wird im folgenden erläutert.

Der in der vorliegenden Beschreibung verwendete Begriff "Fasergefüge" wird allgemein und häufig als Fachbegriff verwendet und bezeichnet anders ausgedrückt den "Metallfluß".

Das als Fasergefüge bzw. Metallfluß bezeichnete Gefüge ist ein durch eine plastische Verformung in einer bestimmten Richtung gebildetes faserartiges Gefüge und wird besonders durch eine plastische Bearbeitung, wie Walzen, ausgeprägt erzeugt. Als Mikrostruktur ist das Fasergefüge durch die Verformung von Carbiden, Ausscheidungen, Einschlüssen, ausgeschiedenen Phasen etc. in Längsrichtung des Fasergefüges und ihre bevorzugte Anordnung bzw. Ausrichtung in dieser Richtung gekennzeichnet.

Die oben aufgeführten Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings sind für die Lösung des Problems bei der Herstellung ungeeignet. Daher wurde ein Verfahren untersucht, daß die Verarbeitung zu einem Draht und das Biegen des Drahts in Ringform umfaßt. Bei diesem Verfahren treten jedoch die folgenden Probleme bei der Herstellung auf, die kennzeichnend für Titanlegierungen sind.

(i) Es besteht die Tendenz zu einem Festfressen zwischen den Titanlegierungen und einer Ziehmatrize beim Kaltziehen, und die Querschnittsveringerung pro Durchgang ist gering, so daß die Anzahl der Ziehvorgänge gesteigert wird.

(ii) Beim Glühen zur Beseitigung einer Verwindung bildet eine geringe Menge an Sauerstoff in einem Vakuum oder einem inerten Gas zusammen mit einem Ausgangsmaterial eine Festlösung, wodurch eine harte und spröde, mit Sauerstoff angereicherte Schicht auf einem Oberflächenabschnitt des Ausgangsmaterials entsteht, so daß ein Kaltziehen oder Kaltbiegen als anschließender Schritt sehr schwierig werden.

(iii) Die Titanlegierungen tendieren zu einer Absorption von Wasserstoff, und die Zähigkeit wird insbesondere dann verschlechtert, wenn die Dekapierbedingungen nicht ordnungsgemäß sind.

Die vorliegende Erfindung löst beide oben aufgeführten Probleme hinsichtlich der für die Kolbenringe selbst erforderlichen Eigenschaften und hinsichtlich der Herstellung.

Im Detail betrifft der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung einen Kolbenring aus einer Titanlegierung gemäß Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen des Kolbenrings sind in den Ansprüchen 2 und 3 definiert. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings aus einer Titanlegierung gemäß Anspruch 4. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 5 und 6 definiert.

Der in der vorliegenden Beschreibung verwendete Begriff "Kolbenring mit nicht rundem Querschnitte ist eine allgemeine Bezeichnung für Kolbenringe, deren Querschnitt eine andere als eine runde Form aufweist. Ein typisches Beispiel für einen derartigen Querschnitt ist eine rechteckige Form oder eine durch Zuspitzen einer der Seiten einer rechteckigen Form erhaltene Form. Der Kolbenring mit einer derartigen modifizierten Form des Querschnitts schließt Ölringe ein, die als I-förmige Ölringe bezeichnet werden, da ihre Form der des Buchstaben I ähnelt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1A zeigt das MetallgefüGEe in einem Längsschnitt eines geglühten Gefüges, der das Fasergefüge eines Drahts (2,0 mm 3,5 mm) aus einer Ti-6Al-4V-Legierung zeigt; und

Fig. 1B zeigt das Metallgefüge in einem Längsschnitt eines lösungsglühbehandelten und angelassenen Gefüges, das das oben genannte Fasergefüge aufweist.

BEVORZUGTE AUS FÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG

Als erfindungsgemäß für den Hauptkörper des Kolbenrings verwendete Titanlegierung kann jede Legierung des (α-Typs, des α+β-Typs und des β-Typs verwendet werden, solange sie eine Legierung auf Titanbasis, außer reinem Titan, das eine geringe Festigkeit aufweist, ist. Unter diesen Legierungen können die Legierungen des α+β-Typs und des β-Typs durch die Kombination einer Lösungsbehandlung mit einer Anlaßbehandlung verfestigt werden, obwohl sie auch lediglich nach der Verarbeitung zu einem Draht oder nach einem Anlassen verwendet werden können.

Der erfindungsgemäße Kolbenring aus einer Titanlegierung ist auf einen Kolbenring mit einem Metallfluß, d.h. einem Fasergefüge, in der Umfangsrichtung des Rings, nämlich auf einen nach der Verarbeitung zu einem Draht durch Biegen erhaltenen Kolbenring, beschränkt. Als Beispiele sind in den Figuren 1A und 1B die Metallgefüge von Drähten aus einer Ti-6Al-4V-Legierung in Längsschnitten gezeigt. Es ist festzustellen, daß der Draht, unabhängig davon, ob in einem angelassenen oder einem lösungsglühbehandelten und gealterten Zustand ist, ein Fasergefüge in Längsrichtung aufweist. Daher kann der erfindungsgemäße Kolbenring aus einer Titanlegierung eine hinreichende Festigkeit und Zähigkeit gegen eine externe Biegebelastung gewährleisten, da sein Fasergefüge per se eine Ringform aufweist und mit der Form des Rings übereinstimmt. Wie oben beschrieben, kann das Fasergefüge eines aus einem Stab, einem Rohr oder einem Plattenmaterial erhaltenen Rings nach dem Stand der Technik, anders als die vorliegende Erfindung, keine hohe Festigkeit und Zähigkeit ergeben.

Da zwischen dem Kolbenring aus einer erfindungsgemäßen Titanlegierung und einem Metall, auf dem der Kolbenring gleitet, die Tendenz zu einem Festfressen besteht, ist es absolut erforderlich, einen gehärteten Mantel auf zumindest einer Gleitfläche des Rings zu erzeugen, die auf einem Zylinder gleitet. Der gehärtete Mantel ermöglicht dem Kolbenring durch direktes Gleiten auf dem Zylinder das Erfüllen seiner Funktion. Daher kann, trotz der hohen Abriebbeständigkeit des Kolbenrings, die Luftdichtigkeit nicht aufrechterhalten werden, wenn der Zylinder als Partner anomal abgenutzt wird. Dementsprechend ist ein gehärteter Mantel erforderlich, der nicht nur eine hohe Härte, sondern auch niedrige Festfreßmerkmale mit dem Metall aufweist, auf dem der Kolbenring gleitet. Als Oberflächenbehandlung(en) für die Erzeugung des gehärteten Mantels können verschiedene Oberflächenbehandlungen, wie eine Hartverchromung, eine poröse Verchromung, ein Verbundüberzug, eine Besprühung mit Cr, eine Beschichtung mit CrN durch ein physikalisches Dampfabscheidungsverfahren (PVD-Verfahren), eine Besprühung mit Mo, eine Nitrierung, etc., geeigneterweise einzeln oder in einer Kombination von zwei oder mehr derselben verwendet werden.

Es ist ebenso eines der zusätzlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung, daß neben dem oben genannten gehärteten Mantel ein aus einer nicht geschmolzenen, mit Sauerstoff angereicherten Schicht, wie als solche aus der EP-A-0388710 und der EP-A-0244253 bekannt, bestehender gehärteter Mantel erzeugt werden kann. Zur Erzeugung dieses gehärteten Mantels wird ein Draht in Ringform gebogen und anschließend bei einer Erwärmung auf eine Temperatur von 550 bis 1.050ºC in einer sauerstoffhaltige Atmosphäre gehalten. Lediglich durch diese Behandlung kann die nicht geschmolzene, mit Sauerstoff angereicherte Schicht auf einem Oberflächenabschnitt des Rings erzeugt werden. Diese Schicht verbessert die Abriebfestigkeit und die Beständigkeit gegen ein Festfressen des Gleitabschnitts merklich. Überdies ist die auf anderen Oberflächenabschnitten als dem Gleitabschnitt gebildete, mit Sauerstoff angereicherte Schicht ebenso zur Verfestigung des Hauptkörpers des Kolbenrings wirkungsvoll.

Die erfindungsgemäße, nicht geschmolzene, mit Sauerstoff angereicherte Schicht ist eine mit Sauerstoff angereicherte Schicht (die ebenso als α-Mantel bezeichnet wird), die lediglich durch Halten des Drahts in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Erwärmung auf eine Temperatur, die weit unter dem Schmelzpunkt liegt, erzeugt wird. Sie unterscheidet sich daher grundlegend von dem oben aufgeführten gehärteten Mantel nach der japanischen Patentanmeldung Kokai Nr. 1-119682, der durch Erwärmen der Oberflächenschicht auf eine Temperatur erzeugt wird, die über dem Schmelzpunkt liegt, und dadurch dem geschmolzenen Abschnitt die Absorption von Sauerstoff zur Bildung einer Festlösung ermöglicht.

Der gehärtete Mantel aus der nicht geschmolzenen, mit Sauerstoff angereicherten Schicht kann die Abriebbeständigkeit des Kolbenrings selbst verbessern und ein Fest fressen zwischen dem Kolbenring und dem Metall, aus dem der Zylinder besteht, in hohem Naße unterdrücken. Eine größere Wirkung kann im Bedarfsfall durch die Erzeugung eines Verbundmantels durch eine geeignete Kombination verschiedener Oberflächenbehandlungen, wie einer Hartverchromung, einer porösen Verchromung, einem Verbundüberzug, einer Besprühung mit Cr, einer Beschichtung mit CrN durch ein physikalisches Dampfabscheidungsverfahren (PVD-Verfahren) einer Besprühung mit Mo, einer Nitrierung, etc., erzielt werden. Da die oben genannten Oberflächenbehandlungen zum Ausgleich des Festigkeitsdefizits der Titanlegierung, d.h. des Ausgangsmaterials für den Kolbenring, wirkungsvoll sind, kann der oben genannte gehärtete Mantel bei Bedarf nicht lediglich auf einer Gleitfläche erzeugt werden, die auf einer Zylinderwand gleitet, sondern auch auf weiteren Oberflächenabschnitten.

Um nach dem erfindungsgemäßen Verfahren einen Draht aus der Titanlegierung herzustellen, werden Oberflächendefekte und Zunder durch Abschaben einer Spule aus heißgewalztem Draht durch Schälen bzw. Abschälen entfernt. Anschließend erfolgt ein Strangziehen bei einer kurzzeitigen Erwärmung auf einen Temperaturbereich von 400 - 750ºC vor der Ziehmatrize. Dieser Schritt ist ein wesentlicher Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens und ermöglicht eine Steigerung der Querschnittsveringerung pro Durchgang bis ca. 30%. Überdies ist während des Ziehens kein Glühen erforderlich, oder die Anzahl der Glühvorgänge kann erheblich verringert werden. Zudem kann die Anzahl der Dekapiervorgänge, die normalerweise bei jedem Glühen zum Entfernen eines Schmiermittels und zum Entzundern ausgeführt werden, erheblich verringert werden. Dadurch kann die Verunreinigung des Drahts mit Wasserstoff aufgrund einer Wasserstoffabsorption verhindert werden. Als geeignetes Mittel für die Erwärmung kann eine indirekte Erwärmung mit einem Brenner, eine Induktionserwärmung, eine Widerstandserwärmung, etc. gewählt werden. Die Atmosphäre für die Erwärmung kann Luft sein, da sämtliche oben aufgeführten Erwärmungseinrichtungen die Erwärmung in einer kurzen Zeitspanne erzielen können. Bei höheren Temperaturen erfolgt jedoch die Erwärmung vorzugsweise in einer Stickstoffgasatmosphäre oder in einer inerten Gasatmosphäre.

Ist die Erwärmungstemperatur geringer als 400ºC, ist die Dehnbarkeit gering und der Widerstand gegen eine Verformung hoch. Daher kann die Querschnittsveringerung pro Durchgang nicht gesteigert werden, und überdies wird eine Verwindung in dem Draht akkumuliert, was zu einer gesteigerten Anzahl an Glühvorgängen führt. Andererseits wird bei einer Erwärmungstemperatur über 750ºC selbst bei einer kurzzeitigen Erwärmung eine mit Sauerstoff angereicherte Schicht an einem Oberflächenabschnitt erzeugt und verringert die Bearbeitbarkeit nach der Erwärmung erheblich. Dementsprechend ist der Bereich einer Erwärmungstemperatur bei der Warmverformung auf 400 bis 750ºC begrenzt. Bei der Erwärmung in Luft liegt der Temperaturbereich vorzugsweise bei 500 - 650ºC. Das Warmziehen in dem oben aufgeführten Temperaturbereich wird normalerweise mehrmals wiederholt, bis die zum Warmwalzen als anschließendem Schritt erforderlichen Abmessungen erreicht sind.

Der durch das Warmziehen dünner gewordene Draht wird gewalzt, um ihm eine modifizierte Form, d.h. eine nicht runde Querschnittsform, zu verleihen. Hierbei kann die Querschnittsverringerung pro Durchgang durch Ausführen eines Warmwalzens unter den gleichen Erwärmungsbedingungen (400 - 750ºC) wie bei dem oben dargelegten Warmziehen gesteigert werden. Überdies ist beim Warmwalzen kein Glühen erforderlich, oder die Anzahl der Glühvorgänge kann verringert werden. Es ist zum Unterdrücken bzw. Verhindern der Bildung einer mit Sauerstoff angereicherten Schicht an einem Oberflächenabschnitt der Titanlegierung wesentlich, den oben genannten Temperaturbereich für das Warmziehen und das Warmwalzen zu verwenden. Der warmgewalzte Draht mit der rechteckigen Querschnittsform kann im Bedarfsfall zur Steigerung der Genauigkeit der Abmessungen einem abschließenden Kaltwalzen unterzogen werden.

Eines der Merkmale des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist die Kombination des Warmziehens bei 400 - 750ºC und des Warmwalzens. Dieses Verfahren ermöglicht erstmalig die Herstellung eines Kolbenrings aus einer Titanlegierung mit einem nicht runden Querschnitt.

Aus dem dadurch erhaltenen Draht werden durch Kaltbiegen Kolbenringe erzeugt. Da die Titanlegierung eine sehr hohe Rückfederung und eine geringe Verarbeitbarkeit beim Biegen aufweist, ist es vorzuziehen, den Draht bei einer Erwärmung warmzubiegen. Die Erwärmungstemperatur ist hierbei vorzugsweise geeignet hoch. Sie liegt im Hinblick auf das Verhindern der Verunreinigung der Oberfläche der Titanlegierung aufgrund einer hohen Temperatur vorzugsweise bei 200 - 400ºC.

Bei den Titanlegierungen kann die Festigkeit von Legierungen des α+β-Typs oder des β-Typs durch Ausführen einer Wärmebehandlung als Anlaßbehandlung nach einer Lösungsglühbehandlung gesteigert werden. Der erfindungsgemäße Kolbenring kann der oben aufgeführten Wärmebehandlung unterzogen werden, und die Wärmebehandlung wird vorzugsweise nach dem Biegen ausgeführt. Die Oberflächenhärtungsbehandlung erfolgt nach dem Biegen oder der oben aufgeführten Wärmebehandlung als Anlaßbehandlung.

Zur Erzeugung des gehärteten Mantels aus einer nicht geschmolzenen, mit Sauerstoff angereicherten Schicht wird durch Ausführen einer Warmverformung oder einer Kombination einer Warmverformung und einer Kaltverformung nach der Warmverformung und das anschließende Biegen zu einer Ringform ein Draht mit einem nicht runden Querschnitt erzeugt.

Der derart erzeugte Ring wird bei einer Erwärmung auf eine Temperatur von 550 - 1.05000 in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre gehalten, um eine mit Sauerstoff angereicherte Schicht auf einem Oberflächenabschnitt der Titanlegierung zu erzeugen.

Als sauerstoffhaltige Atmosphäre können nicht nur Luft, sondern auch gemischte Gase aus Sauerstoff und Stickstoff, etc. und ein Vakuum mit auf ca. 1,33 10&supmin;³ mbar (10&supmin;³ Torr) verringertem Druck verwendet werden, das eine sehr geringe Sauerstoffmenge enthält.

Wenn die Erwärmungstemperatur geringer als 550ºC ist, kann kein Sauerstoff als Festlösung aufgenommen und in die Matrix der Titanlegierung dispergiert werden. Ist die Erwärmungstemperatur höher als 1.050ºC, werden Körner des Hauptkörpers aus der Titanlegierung vergröbert, so daß die Zähigkeit verschlechtert wird. Überdies wird übermäßig Sauerstoff als Fest lösung aufgenommen, so daß eine spröde, mit Sauerstoff angereicherte Schicht gebildet wird. Bei der Verwendung weist ein Kolbenring mit einer spröden, mit Sauerstoff angereicherten Schicht die Tendenz zum Splittern oder Brechen auf. Daher ist der Temperaturbereich für die Erwärmung in der sauerstoffhaltigen Atmosphäre auf 550 bis 1.050ºC begrenzt.

Wird beispielsweise ein Draht aus Ti-6al-4V-Legierung, einer typischen Titanlegierung, zu einer Ringform gebogen und anschließend eine Stunde lang in Luft erwärmt, kann bei 800ºC bzw. 900ºC jeweils eine Tiefe der mit Sauerstoff angereicherten Schicht von 20 um oder mehr bzw. 40 um oder mehr erzielt werden. Ein durch Entfernen der am äußersten Oberflächenabschnitt gebildeten Oxidbeschichtung erhaltenes Erzeugnis kann als Kolbenring verwendet werden.

Zudem sind Titanlegierungen des α+β-Typs und des β-Typs wirkungsvoller, wenn der Hauptkörper des Kolbenrings durch eine Lösungsglühbehandlung und ein Anlassen verfestigt und der Kolbenring nach der Bildung einer mit Sauerstoff angereicherten Schicht an einem Oberflächenabschnitt des Rings verwentet wird. Wenn die mit Sauerstoff angereicherte Schicht durch Ausführen der Lösungsglühbehandlung durch Erwärmen und rasches Abkühlen in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre nach dem Biegen zu einem Ring erzeugt wird, erübrigt sich hierbei eine Behandlung zur Erzeugung einer mit Sauerstoff angereicherten Schicht nach der Lösungsglühbehandlung.

Der erfindungsgemäße, aus einer Titanlegierung gefertigte Kolbenring weist ein Fasergefüge in der Umfangsrichtung des Kolbenrings und damit eine hinreichende Festigkeit und Zähigkeit gegen eine in der Richtung quer zu dem Ring einwirkende externe Belastung auf.

Da die Titanlegierung eine mäßige Abriebfestigkeit und Beständigkeit gegen ein Festfressen aufweist, ist es andererseits wesentlich, zumindest an einer Gleitfläche des Rings, die an einer Zylinderwand gleitet, einen gehärteten Mantel zu erzeugen.

Ein gehärteter Mantel, dessen Oberflächenabschnitt mit Sauerstoff angereichert wurde, ist zur Verbesserung der Abriebbeständigkeit und der Beständigkeit gegen ein Festfressen wirkungsvoll.

Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren kann die Verarbeitung zu einem dünnen Draht bei einer Minimierung der Oberflächenverunreinigung erfolgen, da die Warmverformung in einem festgelegten Temperaturbereich ausgeführt wird. Überdies kann wirkungsvoll ein Kolbenring mit einer hohen Genauigkeit der Abmessung hergestellt werden. Zudem kann bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren die durch die nach dem Biegen in eine Ringform wahlweise ausgeführte Lösungsglühbehandlung erzeugte, mit Sauerstoff angereicherte Schicht unverändert verwendet werden, wodurch der Wirkungsgrad der Herstellung gesteigert werden kann.

Der im Vorhergehenden dargelegte Kolbenring aus einer Titanlegierung weist ein Gewicht von ca. 60 % des Gewichts eines Kolbenrings aus einem rostfreien Stahl des 17Cr-Typs, einem herkömmlichen Material, auf und kann daher die Steigerung der Leistung und der Drehzahl von Verbrennungsmotoren bewältigen.

Im folgenden werden Beispiele, für die die vorliegende Erfindung angewendet wurde, genau beschrieben.

Beispiel 1

Eine Spule eines auf einen Drahtdurchmesser von 6,0 mm heißgewalzten Drahts aus 6Al-4V-Ti-Legierung wurde unter Verwendung einer Schälmaschine durch ein Schneidwerkzeug über ihren Umfang und ihre Länge spanabhebend bearbeitet, um einen Drahtdurchmesser von 5,7 mm zu erhalten. Die Spule derart behandelten Drahts wurde bei 550ºC in einem Vakuumglühofen des Schubtyps angelassen. Anschließend wurde ein Schmiermittel für das Ziehen auf die Oberfläche der Drahtspule aufgebracht, worauf ein Warmziehen durch eine Ziehmatrize ausgeführt wurde, um einen dünnen Draht mit einem Durchmesser von 1,7 mm zu erhalten. Hierbei wurde bei einer Drahterwärmungstemperatur von 600ºC eine Widerstandserwärmung ausgeführt, und Argongas wurde in einen Heizofen eingeleitet, um die Oxidation der Drahtobertläche und die Bildung einer mit Sauerstoff angereicherten Schicht zu verhindern. Das Ausmaß des Warmziehens durch die Ziehmatrize pro Durchgang wurde auf ca. 30 % oder weniger eingestellt, und das Ziehen wurde wiederholt, bis der Drahtdurchmesser 1,7 mm betrug.

Von der durch Warmziehen durch die Ziehmatrize erhaltenen Drahtspule mit einem Durchmesser von 1,7 mm wurde das Schmiermittel durch Entzundern in einem Salzbad und mit Salpeter- Fluorwasserstoffsäure entfernt.

Die von dem Schmiermittel befreite Spule aus Draht mit einem Durchmesser von 1,7 mm wurde in einer Argongasatmosphäre durch einen Widerstandserwärmungsofen mit 610ºC geführt und durch einen Durchgang unter Verwendung eines Paars von Antriebswalzen, d.h. einer oberen Walze und einer unteren Walze, zu einem flachen Draht von 0,85 mm 2,3 mm verarbeitet.

Danach wurde der flache Draht duch Kaltwalzen auf jeder Seite zu einem Material für Kolbenringe von 0,82 mm 2,25 mm fertiggestellt.

Die Spule aus durch das Fertigwalzen erhaltenem Draht wurde in einer Argongasatmosphäre durch einen auf 700ºC eingestellten Durchlaufglühofen geführt, um Verwindungen aufgrund der Kaltverformung zu entfernen.

Die dadurch erhaltene Drahtspule für Kolbenringe aus 6al-4V-Ti-Legierung wurde durch einen auf 350ºC eingestellten Heizofen geführt und durch Drei-Punkt-Biegen durchgehend zu Ringen mit einem Außendurchmesser von 50 mm geformt. Anschließend wurden die Ringe abgeschnitten, um 150 Ringe zu erhalten. Fünfzig dieser Kolbenringe wurden einer Gasnitrierbehandlung bei 850ºC unterzogen, und die Oberflächenhärte der nitrierten Kolbenringe wurde gemessen. Sie betrug HV1.000 - 1.200.

Die verbleibenden 100 Kolbenringe wurden einer Lösungsglühbehandlung (einer Wasserkühlung nach einer Erwärmung auf 950ºC in einem Vakuumofen für 30 Minuten) und einer Anlaßbehandlung (einem Stehen zum Auskühlen nach einer Erwärmung auf 538ºC für 4 Stunden) unterzogen. Anschließend wurden fünfzig von ihnen hartverchromt. Auf den restlichen 50 Kolbenringen wurde durch ein PVD-Verfahren ein gehärteter CrN-Mantel erzeugt.

Zur Überprüfung der Festigkeit des Hauptkörpers des auf die oben beschriebene Weise hergestellten Kolbenrings aus 6al-4V-Ti wurden sechs Stäbe mit einer Länge von 150 mm aus dem warmgezogenen Draht mit einem Durchmesser von 5 mm hergestellt. Drei von ihnen wurden bei 700ºC eine Stunde lang angelassen, und die verbleibenden drei Stäbe wurden einer Lösungsglühbehandlung (einer Wasserkühlung nach einer Erwärmung auf 950ºC für 30 Minuten) und einer Anlaßbehandlung (einer Luftkühlung nach einer Erwärmung auf 538ºC für 4 Stunden) unterzogen. Daraufhin wurden die sechs Stäbe einzeln einer Zugfestigkeitsprüfung unterzogen. Zum Vergleich wurden drei Stäbe mit einer Länge von 150 mm aus einem gezogenen Material aus rostfreiem Stahl des 13cr-Typs (0,64 C -0,28 Si - 0,75 Mn - 13,05 Cr - Rest Fe), einem der herkömmlichen Materialien, mit einem Durchmesser von 5 mm hergestellt. Sie wurden abgeschreckt und anschließend getempert, um die Härte auf HRC41 einzustellen, und dann der Zugfestigkeitsprüfung unterzogen.

Als Ergebnis der Zugfestigkeitsprüfung wurde festgestellt, daß die durchschnittliche Zugfestigkeit der angelassenen Erzeugnisse aus 6al-4V-Ti-Legierung bei 106,3 kgf/mm² (1 kgf/mm² -9,81 N/mm²), die der lösungsglühbehandelten und angelassenen Erzeugnisse aus dieser Legierung bei 127,1 kgf/mm und die der abgeschreckten und getemperten Erzeugnisse aus dem rostfreien Stahl des 13cr-Typs bei 125,6 kgf/mm² lag.

Beispiel 2

Eine Spule aus zum Erhalten eines Drahtdurchmessers von 6,0 mm warmgewalztem Draht aus 8Al-1Mo-1V-Ti-Legierung wurde unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 einem Warmziehen durch eine Warmziehmatrize, einem Warmwalzen und einem Kaltwalzen zur Fertigstellung unterzogen und anschließend bei Raumtemperatur gebogen. Die dadurch erhaltenen Ringe wurden nach dem Glühen mit Molybdan besprüht, um Kolbenringe zu erzeugen. Als man die Richtung der Fasern der Kolbenringe im Hinblick auf ihre Mikrostruktur untersuchte, wurde bestätigt, daß die Richtung der Fasern mit der Umfangsrichtung der Kolbenringe übereinstimmte. Drei Stäbe mit einer Länge von 150 mm wurden aus dem warmgezogenen Draht mit einem Durchmesser von 5 mm hergestellt und eine Stunde lang bei 700ºC angelassen und danach einer Zugfestigkeitsprüfung unterzogen.

Der Durchschnittswert der Testergebnisse lag bei 107,1 kgf/mm² (1 kgf/mm² = 9,81 N/mm²)

Wie oben beschrieben, kann ein Kolbenring mit sehr genauen Abmessungen wirkungsvoll erzeugt werden, indem ein heißgewalzter Draht aus einer Titanlegierung einem Warmziehen, einem Warmwalzen und einem abschließenden Kaltwalzen unterzogen, der derart behandelte Draht in eine Ringform gebogen und danach einer Oberflächenhärtungsbehandlung unterzogen wird, wie in Beispiel 1 und 2, und überdies können Merkmale erzielt werden, die denen der Kolbenringe aus dem rostfreien Stahl des 13Cr-Typs ähneln oder mit diesen übereinstimmen.

Beispiel 3

Ti-5Al-2,5Sn-Legierung, eine Titanlegierung des α-Typs, wurde zu einem rechteckigen Draht mit Querschnittsabmessungen von 2,0 mm 3,5 mm verarbeitet. Danach wurde der Draht durch Drei-Punkt-Biegen durchgehend zu Ringen mit einem Außendurchmesser von 50 mm verarbeitet, so daß die kürzeren Seiten des Rechtecks jeweils die Außen- und Innenseiten der Ringe bilden konnten. Anschließend wurde der Draht geschnitten, um 60 Ringe zu erhalten. Zwanzig dieser Ringe wurden eine Stunde lang in Luft auf 780ºC erwärmt, und die verbleibenden 40 Ringe wurden eine Stunde lang in Luft auf 840ºC erwärmt. Von zwanzig dieser 40 Ringe wurde die Oxidbeschichtung am Umfangsabschnitt durch Schleifen dünn entfernt, und die derart behandelten Ringe wurden bei 580ºC 6 Stunden lang in einer Ammonolysegasatmosphäre einer Gasnitrokarburierungsbehandlung unterzogen.

Nach der oben dargelegten Oberflächenhärtungsbehandlung wurde die Härte der Abschnitte gemessen. Hierbei lag die Oberflächenhärte der auf 780ºC erwärmten Erzeugnisse, im Gegensatz zu der Härte des Ausgangsmaterials für die behandelten Produkte mit HV318 - 330, im Durchschnitt bei HV527, und die Tiefe ihres gehärteten Mantelabschnitts mit einer Oberflächenhärte von HV450 oder mehr lag bei ca. 25 um. Die Oberflächenhärte der auf 840ºC erwärmten Erzeugnisse lag im Durchschnitt bei HV519, und die Tiefe ihres gehärteten Mantelabschnitts mit einer Oberflächenhärte von HV450 oder mehr lag bei ca. 30 um oder mehr.

Die durchschnittliche Oberflächenhärte der durch die Behandlung zur Anreicherung mit Sauerstoff, der die Nitrokarburisierungsbehandlung folgte, erhaltenen Erzeugnisse lag bei HV1250.

Beispiel 4

Ti-6al-4V-Legierung, eine Titanlegierung des (α+β-Typs, wurde zu einem rechteckigen Draht mit Querschnittsabmessungen von 2,0 mm 3,5 mm verarbeitet. Dieser Draht wurde durchgehend durch spiralförmiges und dichtes Wickeln desselben um eine Säule aus einem wärmebeständigen Stahl derart geformt, daß die kürzeren Rechteckseiten jeweils die äußeren und inneren Seiten des entstandenen Rings bildeten und der Außendurchmesser 50 mm betrug. Danach wurde der durch die enge Wicklung um die Säule aus wärmebeständigem Stahl gehaltene Draht in einen auf 920ºC eingestellten Ofen zur Vakuum-Wärmebehandlung angeordnet, wobei die Behandlung auf eine Stunde eingestellt wurde. Anschließend erfolgten ein Abbruch und eine unverzügliche Wasserkühlung. Auf diese Weise wurde eine Lösungsglühbehandlung ausgeführt. Der Grad des Vakuums in dem Ofen zur Vakuum-Wärmebehandlung war während der Behandlung des Drahts durch die Erwärmung auf 1,33 10&supmin;² mbar (10&supmin;² Torr) eingestellt.

Nach der Lösungsglühbehandlung wurde der spiralförmig gewickelte Draht in der Axialrichtung geschnitten, um in einzelne Ringe geteilt zu werden. Daraufhin wurden die einzelnen Ringe nebeneinander auf einer flachen Stahlplatte angeordnet, und eine ebensolche flache Stahlplatte wurde darauf angeordnet. Die dadurch erhaltene Anordnung wurde in einem Heizofen mit 538ºC angeordnet und vier Stunden lang angelassen.

Nach der Lösungsglühbehandlung und der Anlaßbehandlung wurden Abschnitte einiger der Ringe mit einer Lösung aus 0,5 cc Fluorwasserstoffsäure in 100 cc Wasser korrodiert. Anschließend wurden die Proben unter einem optischen Mikroskop untersucht. Dabei wurde eine weiße, mit Sauerstoff angereicherte Schicht an dem Oberflächenabschnitt festgestellt, deren Tiefe 65 um betrug. Als Ergebnis einer Messung der Härte wurde festgestellt, daß die Härte des Ausgangsmaterials bei HV397 lag und die Oberflächenhärte durchschnittlich HV532 betrug.

Beispiel 5

Eine nicht geschmolzene, mit Sauerstoff angereicherte Schicht, die eines der zusätzlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung ist, wurde an einem Oberflächenabschnitt einer Titanlegierung erzeugt, und der im folgenden beschriebene Fabry- Perét-Versuch wurde ausgeführt, um zu bestätigen, daß die Schicht zum Verhindern eines Festfressens zwischen der Titanlegierung und einem Metall, auf dem die Legierung glitt, wirksam war. Bei dem Fabry-Perét-Versuch wurde eine Probe mit einem Durchmesser von 6,5 mm und einer Länge von 40 mm mit 300 Umdrehungen pro Minute gedreht, wobei die gedrehte Probe zwischen zwei Blöcken aus dem oben beschriebenen Metall gehalten, eine allmählich gesteigerte Last als Haltedruck angelegt, ein Festfressen anhand der Änderung des Drehmoments eines am oberen Teil der Probe vorgesehenen Stifts erfaßt und eine Last, bei der das Festfressen erfaßt wurde, gemessen wurde. Bei diesem Versuch wurde, als das im Vorhergehenden aufgeführte Metall, FC25 verwendet, das in JIS definierte Gußeisen, das ein Material für den Zylinder eines Verbrennungsmotors ist. Es wurde ein Naßverfahren verwendet, bei dem während des Versuchs ein Schmieröl aufgetropft wurde. Die Last wurde mit einer Steigerungsrate von 78,5 N/s (8 kgf/s) angelegt. Es wurde durch Erfahrung bestätigt, daß der oben dargelegte Versuchsverfahren eine zuverlässige Simulation des Grads des Festfressens bei einem Versuch ermöglicht, bei dem tatsächliche Kolbenringe verwendet werden.

Ti-13V-11cr-3Al-Legierung, eine Titanlegierung des β-Typs, wurde zu Stangen mit einem Durchmesser von 8 mm warmverformt. Die Stangen wurden in zwei Gruppen aufgeteilt, und die erste Gruppe wurde unverändert und die zweite nach einem Aufrauhen zu einer vorbestimmten Form einer Lösungsglühbehandlung und einem Anlassen in Luft unterzogen.

Anschließend wurden die Stangen der ersten Gruppe auf einen Durchmesser von 6,5 mm geschnitten, um die bei der oben angegebenen Wärmebehandlung auf dem Oberflächenbereich gebildete, mit Sauerstoff angereicherte Schicht vollständig zu entfernen, und die derart behandelten Stangen wurden als Referenzstangen verwendet. Bei der zweiten Gruppe wurde lediglich die bei der oben aufgeführten Wärmebehandlung auf der äußersten Oberfläche erzeugte Oxidbeschichtung durch Schleifen von den Stangen entfernt, und die derart behandelten Stangen wurden als erfindungsgemäße Stangen verwendet.

Außerdem wurde ein herkömmliches Material, 0,87 % C - 0,47 % Si - 0,43 % Mn - 17,12 % Cr - 1,20 % Mo - 0,30 % V - Fe - Stahl (17Cr-Stahl, der gegenwärtig ein Material mit der höchsten Beständigkeit gegen ein Fest fressen und der höchsten Abriebbeständigkeit für Stahlringe ist, die nach einer Nitrierung verwendet werden) zu einer vorbestimmten Form roh verarbeitet, durch Abschrecken und Tempern auf HRC40 getempert und danach einer Endverformung unterzogen. Anschließend wurde es bei 540ºC 20 Stunden lang einer Gasnitrierbehandlung unterzogen. Da durch die Gasnitrierbehandlung an der äußersten Oberfläche einer stickstoffdiffundierten Schicht ein sprödes Nitrid erzeugt wurde, wurde das Nitrid durch Schleifen entfernt.

Der Fabry-Perét-Versuch wurde auf die oben beschriebene Weise ausgeführt, und die einzelnen Meßergebnisse wurden in Form von Induzierungen ausgedrückt, wobei als 100 eine Last angenommen wurde, bei der sich die Probe festfraß, die erzeugt wurde, indem das herkömmliche Material der Nitrierbehandlung unterzogen wurde. Die Ergebnisse werden in Tabelle 1 als Beständigkeit gegen das Festfressen bewertet.

Nummer der Probe Legierung gehärteter Mantel Beständigkeit gegen ein Festfressen Bemerkungen Stahl mit Sauerstoff angereicherte Schicht nicht vorhan-den nitrierte Schicht erfindungsgemäße Probe Referenz-probe herkömmliche Probe

Aus Tabelle 1 kann ersehen werden, daß die erfindungsgemäße Probe, d.h. die Probe Nr. 1, die hergestellt wird, indem auf der Titanlegierung eine mit Sauerstoff angereicherte Schicht erzeugt wird, eine Bestängigkeit gegen ein Festfressen aufweist, die im wesentlichen mit der der herkömmlichen Probe, d.h. der durch eine Nitrierung von l7Cr-Stahl erzeugten Probe Nr. 3, übereinstimmt.

Andererseits ist zu erkennen, daß sich die Referenzprobe, d.h. die ohne eine Oberflächenhärtungsbehandlung hergestellte Probe Nr. 2, leicht festfrißt.

Beispiel 6

Aus einem angelassenen runden Stab aus 6Al-4V-Ti-Legierung mit einem Durchmesser von 65 mm wurden in der radialen Richtung winzige Zugproben hergestellt.

Andererseits wurde ein bei dem Warmziehen nach Beispiel 2 erzeugter Draht mit einem Durchmesser von 4,8 mm 2 Stunden lang bei 704ºC angelassen, und winzige Zugproben mit den gleichen Abmessungen wie denen der oben aufgeführten Proben wurden aus dem angelassenen Draht hergestellt.

Die zuerst genannten Zugproben wurden als Beispiele für durch eine spanabhebende Bearbeitung aus einem Stab erzeugte Kolbenringe verwendet, und die zuletzt genannten Zugproben wurden als Beispiele für Kolbenringe mit einem Fasergefüge in der Umfangsrichtung verwendet, die dem erfindungsgemäßen Kolbenring entsprechen. Die mechanischen Eigenschaften der beiden Arten von Zugproben wurden bewertet.

Bei Raumtemperatur wurde eine Zugfestigkeitsprüfung vorgenommen. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Zugfestigkeit Streckung Querschnitts-verkleinerung Referenz-probe erfingungs-gemäße Probe Radialrichtung des Rundstabs mit einem Durchmesser von 65 mm Längsrichtung eines Drahts mit einem Durchmesser von 4,8 mm

* 1 kgf/mm² = 9,81 N/mm²

Wie in Tabelle 2 dargestellt, waren bei einem Vergleich der Merkmale des Rundstabs in der Radialrichtung mit den Merkmalen des Drahts sowohl die Zugfestigkeit und die Streckung als auch die Querschnittsveringerung des zuerst genannten geringer als die des Drahts. Selbst wenn die beiden Materialien aus Titanlegierung mit der gleichen Zusammensetzung derart verglichen werden, kann daher erkannt werden, daß die Kolbenringe mit einem Fasergefüge in der Umfangsrichtung, d.h. die erfindungsgemäßen Kolbenringe, überlegen sind.


Anspruch[de]

1. Aus einer Titanlegierung hergestellter Kolbenring, der einen Hauptkörper des aus der Titanlegierung hergestellten Kolbenringes aufweist und einen Querschnitt, der nicht rund ist, ein Fasergefüge in der Umfangsrichtung des Kolbenringes, welches Fasergefüge durch Warmziehen eines Drahtes, Formen des gezogenen Drahtes zu dem genannten Kolbenringquerschnitt durch Warm- oder Warm- und Kaltwalzen und durch Biegen des gewalzten Drahtes erzeugt wurde, und einen gehärteten Mantel hat, der auf wenigstens einer Gleitoberfläche gebildet wurde, die auf einer Zylinderwand gleitet.

2. Aus einer Titanlegierung hergestellter Kolbenring nach Anspruch 1, bei dem der gehärtete Mantel der Gleitoberfläche aus einer nicht geschmolzenen, mit Sauerstoff angereicherten Schicht besteht.

3. Aus einer Titanlegierung hergestellter Kolbenring nach Anspruch 1, bei dem der gehärtete Mantel der Gleitoberfläche ein Verbundmantel mit einer nicht geschmolzenen, mit Sauerstoff angereicherten Schicht ist.

4. Verfahren zur Erzeugung eines in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3 beanspruchten Kolbenringes, das ein Schaben oder Abschälen eines warmgewalzten Drahtes, ein Ziehen des geschabten oder abgeschälten Drahtes mit Erhitzung auf 400 - 750 ºC in der Luft oder einer inerten Gasatmosphäre, Formen des gezogenen Drahtes zu einem Material für einen Kolbenring mit einem Querschnitt, der nicht rund ist, durch Warmwalzen allein oder durch Warmwalzen mit nachfolgendem Kaltendwalzen, ein Biegen dieses Materials und danach dessen Unterwerfen einer Mantelhärtungsbehandlung aufweist.

5. Verfahren zur Erzeugung eines in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3 beanspruchten Kolbenringes, das ein Biegen eines Titanlegierungs-Drahtmaterials zu einer Ringform und danach das Bilden einer mit Sauerstoff angereicherten Schicht in einem Oberflächenteil des Ringes durch Erhitzen des Ringes auf eine Temperatur von 550 - 1050 ºC in einer wenigstens Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das ringförmige Drahtmaterial durch Lösungsglühbehandlung und Anlassen gehärtet wird, welche Lösungsglühbehandlung zur gleichen Zeit wie die Bildung einer mit Sauerstoff angereicherten Schicht durchgeführt wird.







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