DE10121887C1

DE10121887C1 - Verfahren zur Behandlung von Kolbenringflanken

Info

Publication number: DE10121887C1
Application number: DE2001121887
Authority: DE
Inventors: Christian Herbst-Dederichs
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2001-05-05
Filing date: 2001-05-05
Publication date: 2002-10-24
Anticipated expiration: 2021-05-06

Abstract

Verfahren zur Behandlung von durch Reibung beanspruchten Flächen, wobei die Flächen zuerst mechanisch bearbeitet und anschließend einer, mit oder ohne Einsatz einer chemisch wirkenden Atmosphäre, gepulsten Laserstrahlglättung unterworfen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen Kolbenringflanken (4, 4') sind, auf die vor der Laserglättung ein selbstschmierendes Element oder selbstschmierende Verbindungen (9, 9') aufgetragen werden, wobei diese in einem organischen Bindemittel (8) enthalten sind und dass die Elemente oder Verbindungen (9, 9') mittels Laserstrahlung mit der Oberfläche der Kolbenringflanke (4, 4') verbunden werden, so dass die Elemente und Verbindungen (9, 9') partiell in den Werkstoff der Kolbenringflanke (4, 4') dispergiert sind.

Description

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Behandlung von durch Reibung beanspruchten Flächen, wobei die Flächen zuerst mechanisch bearbeitet und anschließend einer, mit oder ohne Einsatz einer chemisch wirkenden Atmosphäre, gepulsten Laserstrahlglättung unterworfen werden.

Heutige Verbrennungskraftmaschinen werden, zur Leistungssteigerung mit immer größeren Verdichtungsverhältnissen betrieben. Den höheren Anforderungen während der Expansionsphase der Brennstoffgemische müssen auch die am Verbrennungsprozess aktiv beteiligten Systemelemente folgen. Hierbei kommt dem Kolben und dem Kolbenring eine wesentliche Bedeutung zu. Insbesondere die Dynamik des Kolbenrings in der Kolbenringnut ist für den Verschleiß zwischen Kolbenringflanke und Nutflanke verantwortlich. Üblicherweise werden die Kolbenringflanken lediglich geschliffen, das hat zur Folge, dass das Oberflächenprofil der Kolbenringflanken Rauigkeitsspitzen aufweist. Während der Expansionsphase wird der Kolbenring axial in Richtung des Kolbens stark beschleunigt und trifft auf die Kolbenringnut. Bei diesem Auftreffen kommt es zum Kaltverschweißen an den Rauigkeitsspitzen der Kolbenringflanken mit dem meist weicheren Werkstoff der Kolbenringnut. Teile des Werkstoffs der Kolbenringnut werden herausgelöst und lagern sich um die Rauigkeitsspitzen an. Diese Teile des Werkstoffs bilden die Keime für weitere Anschweißvorgänge, es kommt zu einem kontinuierlichen Wachstum auf der Kolbenringflanke. Durch diese Art des Verschleißes wird die Lebensdauer des Kolbenrings herabgesetzt und auch die Abdichtung im Betrieb verschlechtert. Um diesem Problem entgegenzutreten wird in der DE 30 34 519 C2 ein Metallkolbenring vorgeschlagen, der auf den Kolbenringflanken in örtlich begrenzten Bereichen gehärtet ist. Ziel dieser Erfindung ist es, mit relativ einfachen technischen Maßnahmen den Verschleiß zu minimieren und eine Abdichtung des Brennraums zu gewährleisten. Hierzu wird der Kolbenring an der Stirnseite und in Teilbereichen an den Flanken bis zu einer Tiefe von ca. 0,2 mm mittels eines Lasers gehärtet. Nachteilig ist dabei, dass es in den ungehärteten Bereichen der Kolbenringflanken weiterhin zu einem Verschleiß kommt.

Ein weiterer Ansatz zur Reduzierung des Verschleißes zwischen der Kolbenringflanke und der Kolbenringnut wird in der DE 39 32 328 A1 offenbart. Die in dieser Schrift aufgezeigte Lösung erhöht den Traganteil der Oberfläche der Kolbenringflanke durch eine Glättung der Rauigkeitspitzen mittels eines pulsierend arbeitenden Lasers. Im Gegensatz zur DE 30 29 215 A1 wird die Aufgabe der Erfindung darin gesehen, den Laser nicht zur martensitischen bzw. ledeburitischen Umschmelzhärtung der Kolbenringflanken zu verwenden, sondern zum Abtragen der herausragenden Rauigkeitsspitzen, lose anhaftender Partikel aus der mechanischen Bearbeitung und zur Freilegung des eventuell vorhandenen Graphits. Durch die daraus resultierende Erhöhung des Traganteils wird der Einlaufverschleiß wesentlich verringert und somit die Einlaufphase verkürzt. Der in der Einlaufphase übliche hohe Ölverbrauch wird gesenkt, was wiederum die Lebensdauer des Katalysators wesentlich erhöht. In der Beschreibung wird ein Hinweis darauf gegeben, das durch ein Auflegieren aus der Gasphase zusätzlich eine erhöhte Verschleißbeständigkeit der Oberfläche erzielt werden kann. Ein Hinweis auf ein gezieltes Einlegieren von Schmierstoffen wird nicht gegeben.

Ein weiterer Ansatz zur Minimierung der Kaltverschweißung zwischen der Oberfläche der Kolbenringflanke und der Ringnut in der Einlaufphase wird in der US 5,713,324 offenbart. Hierzu wird eine aus Polytetrafluorethylen und Molybdändisulfid zusammengesetzte Schicht auf die Kolbenringflanke aufgebracht und in einem Ofen bei ca. 232°C ausgehärtet. Nach der Einlaufphase des Motors ist die zusammengesetzte Schicht abgenutzt und spielt keine weitere Rolle. Hierbei ist problematisch, dass nach Abtrag dieser Schicht die üblichen Rauigkeitsspitzen der metallischen Kolbenringflanke zum Einsatz kommen und letztendlich nur eine Verzögerung des Adhäsionsverschleißes erreicht wird. Ein Hinweis auf einen Einfluss des Molybdändisulfids, bezogen auf die tribologischen Eigenschaften, kann der Schrift nicht entnommen werden.

Aus der US 4,899,702 ist eine Kolben-Kolbenring-Anordnung bekannt, bei der die Kolbennut einer Anodisierungsbehandlung unterworfen wurde. Auf Grund der Anodisierung wird die Oberfläche der Nut extrem rau. Im Motorbetrieb erzeugt eine große Rauigkeit ein vermehrtes Durchblasen von Gas. Um dieses zu vermeiden ist die korrespondierende Kolbenringflanke mit einem Harz überzogen. Das Harz klebt an der Kolbenringflanke und soll im Motorbetrieb an die Rauigkeitsspitzen der Nut ankleben, um so eine Glättung zu erzeugen. Da das Harz nur auf der Flanke anhaftet und nicht in die Oberfläche des Ringes eindringt, ist nach einer längeren Betriebszeit ein Ablösen der kompletten Harzschicht zu erwarten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den beschriebenen Stand der Technik zu erweitern und ein Verfahren zu entwickeln, bei dem die Oberfläche der Kolbenringflanke mit verschleißmindernden, selbstschmierenden und somit adhäsionshemmenden Elementen ausgestattet wird, deren Funktionsfähigkeit über die Einlaufphase hinaus wirksam bleibt.

Der erfindungsgemäße Gedanke löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass auf die Oberfläche der Kolbenringflanken vor der Laserglättung ein selbstschmierendes Element oder selbstschmierende Verbindungen aufgetragen werden, wobei diese in einem organischen Bindemittel enthalten sind und dass die Elemente oder Verbindungen mittels Laserstrahlung mit der Oberfläche der Kolbenringflanke verbunden werden, so dass die Elemente und Verbindungen partiell in den Werkstoff der Kolbenringflanke dispergiert sind, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen dokumentiert.

Es hat sich gezeigt, dass durch das Einbringen der selbstschmierenden und somit adhäsionsmindernden Elemente bzw. Verbindungen in die Oberfläche der Kolbenringflanke, das Kaltverschweißen fast vollständig verhindert werden kann. Dies ist, wie in den Versuchen ermittelt, insbesondere den schmierenden Effekten der der zum Teil in die Oberfläche dispergierten Elemente zuzuschreiben, die durch den Laserstrahl erfolgte Glättung kann nur in der kurzen Einlaufphase die Kaltverschweißung reduzieren, die Laserstrahlglättung ist somit zwar nützlich aber nicht der wesentliche Bestandteil der Erfindung, es wäre auch die Glättung mittels eines Elektronenstrahls denkbar.

Die selbstschmierenden Elemente und Verbindungen werden während der kurzen Einwirkphase des Lasers aufgeschmolzen, das Bindemittel verdampft dabei nahezu vollständig. Das Aufschmelzen bewirkt eine partielle Dispersion in den Werkstoff des Kolbenrings der selbstschmierenden Elemente und Verbindungen. Da die Energieeinbringung aber zu gering ist, um die gesamte aufgetragene Schicht im Kolbenringwerkstoff zu dispergieren, kommt es lediglich in den oberflächennahen Bereichen zu einer Legierungsbildung. In den oberflächenfernen Bereichen haften die aufgeschmolzenen, selbstschmierenden Elemente bzw. Verbindungen aneinander, wobei es lokal auch zu einem Verschmelzen der Elemente bzw. Verbindungen kommen kann. Nach der Behandlung durch den Laser liegt somit eine Schicht vor, die eine Mischung aus im Kolbenringwerkstoff dispergierten und miteinander verschmolzenen Bereichen enthält.

Für das erfindungsgemäße Aufbringen der selbstschmierenden Schicht auf die Kolbenringflankenoberfläche muß die Oberfläche lediglich geschliffen sein, so dass auf das für Kolbenringe sehr kostenintensive Honen verzichtet werden kann. Insbesondere durch die Einschränkung auf diese niedrigen Fertigungstoleranzen wird eine wirtschaftliche Produktion der erfindungsgemäßen Kolbenringe erst möglich.

Die erfindungsgemäße Behandlung der Kolbenringoberfläche wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels dargestellt und im weiteren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 den Querschnitt durch die Ringnut eines Kolbens mit einem Kolbenring

Fig. 2 den Teilausschnitt A der Kolbenringflankenoberfläche aus Fig. 1 im geschliffenen Zustand, mit einer aufgetragenen Schicht aus einem organischen Bindemittel und den selbstschmierenden Elementen bzw. Verbindungen

Fig. 3 den Teilausschnitt A der Kolbenringflankenoberfläche aus Fig. 1 nach der Wärmebehandlung

In Fig. 1 ist der Querschnitt durch die Ringnut 1 eines Kolbens 2 mit einem Kolbenring 3 dargestellt, wobei die dem Brennraum entgegengesetzt angeordnete Kolbenringflankenoberfläche 4 mit einer selbstschmierenden Schicht 5 versehen ist. Einen Teilausschnitt A der Kolbenringflankenoberfläche 4 aus Fig. 1 zeigt Fig. 2. Auf die geschliffene Oberfläche 6 des Kolbenrings 3' ist eine Schicht 7 aus einem organischen Bindemittel 8 und den selbstschmierenden Elementen bzw. Verbindungen 9 aufgetragen.

Das prinzipielle Aussehen einer Kolbenringflankenoberfläche 4' nach der Laserbehandlung ist in Fig. 3 wiedergegeben. Die laserbehandelte Schicht 10 auf dem Kolbenring 3" teilt sich grob in zwei Bereiche 11, 12. Die Teilung ist prinzipiell durch die gestrichelte Linie 13 kenntlich gemacht und erfolgt in den tiefliegenden Bereich 11, in dem es zu einer partiellen Legierungsbildung mit dem Werkstoff des Kolbenrings 3" gekommen ist und den oberflächennahen Bereich 12, in dem die selbstschmierenden Elemente bzw. Verbindungen 9' miteinander verschmolzen sind.

Claims

1. Verfahren zur Behandlung von durch Reibung beanspruchten Flächen, wobei die Flächen zuerst mechanisch bearbeitet und anschließend einer, mit oder ohne Einsatz einer chemisch wirkenden Atmosphäre, gepulsten Laserstrahlglättung unterworfen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen Kolbenringflanken (4, 4') sind auf die vor der Laserglättung ein selbstschmierendes Element oder selbstschmierende Verbindungen (9, 9') aufgetragen werden, wobei diese in einem organischen Bindemittel (8) enthalten sind und dass die Elemente oder Verbindungen (9, 9') mittels Laserstrahlung mit der Oberfläche der Kolbenringflanke (4, 4') verbunden werden, so dass die Elemente und Verbindungen (9, 9') partiell in den Werkstoff der Kolbenringflanke (4, 4') dispergiert sind.

2. Verfahren zur Behandlung von durch Reibung beanspruchten Flächen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die selbstschmierenden Elemente oder Verbindungen (9, 9') aus einem oder mehreren der Elemente aus Kohlenstoff, Bor, Stickstoff, Calcium, Fluor, Molybdän, Schwefel gebildet sind.

3. Verfahren zur Behandlung von durch Reibung beanspruchten Flächen nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Bindemittel (8) Harz ist.

4. Verfahren zur Behandlung von durch Reibung beanspruchten Flächen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das selbstschmierende Element (9, 9') Graphit ist.

5. Verfahren zur Behandlung von durch Reibung beanspruchten Flächen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die selbstschmierende Verbindung (9, 9') aus Bor und Stickstoff gebildet ist.

6. Verfahren zur Behandlung von durch Reibung beanspruchten Flächen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung aus Bor und Stickstoff hexagonales Bornitrid ist.

7. Verfahren zur Behandlung von durch Reibung beanspruchten Flächen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die selbstschmierende Verbindung (9, 9') aus Calcium und Fluor gebildet ist.

8. Verfahren zur Behandlung von durch Reibung beanspruchten Flächen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung aus Calcium und Fluor Calzciumdifluorid ist.

9. Verfahren zur Behandlung von durch Reibung beanspruchten Flächen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die selbstschmierende Verbindung (9, 9') aus Molybdän und Schwefel gebildet ist.

10. Verfahren zur Behandlung von durch Reibung beanspruchten Flächen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet dass, die Verbindung aus Molybdän und Schwefel Molybdändisulfid ist.

11. Kolbenring hergestellt nach dem Verfahren zur Behandlung von durch Reibung beanspruchten Flächen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die dem Brennraum abgewandte Seite der Ringflankenoberfläche (4, 4') mit selbstschmierenden Elementen (9, 9') ausgebildet ist.