DE102007007961C5

DE102007007961C5 - Kolbenring

Info

Publication number: DE102007007961C5
Application number: DE102007007961.5A
Authority: DE
Inventors: Johannes Esser; Frank Münchow
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2007-02-17
Filing date: 2007-02-17
Publication date: 2015-08-13
Anticipated expiration: 2027-02-18
Also published as: EP2118533A1; US20100019458A1; WO2008098547A1; DE102007007961A1; JP2010518341A; DE102007007961B4

Abstract

Kolbenring, mit einem Grundkörper, der eine im Wesentlichen umlaufende Lauffläche (2, 2'), eine obere (3, 3') und eine untere Flankenfläche (4, 4') sowie eine innere Umfangsfläche (5, 5') aufweist, wobei der Übergangsbereich (8, 8') von der Lauffläche (2, 2') zumindest in die untere Flankenfläche (4, 4') mit einer nach Art einer Fase ausgebildeten Kante versehen ist, dergestalt, dass die Fase laufflächenseitig und flankenseitig maximal 0,1 mm beträgt und die Lauffläche (2, 2') zumindest mit mindestens einer auf Basis von CrN oder CrON ausgebildeten PVD-Deckschicht (7, 7') 0,5–≤10 μm versehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolbenring, mit einem Grundkörper, der eine im Wesentlichen umlaufende Lauffläche, eine obere und eine untere Flankenfläche sowie eine innere Umfangsfläche aufweist.
Der DE 102 07 148 A1 ist ein Kolbenring zu entnehmen, beinhaltend ein Grundmaterial aus rostfreiem Stahl, wobei das Grundmaterial eine obere und eine untere Flankenfläche, eine Lauffläche und eine innere Umfangsfläche aufweist. Jede dieser Oberflächen beinhaltet eine darauf ausgebildete Nitridschicht, wobei jede Nitridschicht zunächst so ausgebildet ist, dass sie eine Verbindungsschicht und eine Diffusionsschicht hat, dann die Diffusionsschicht der Lauffläche durch Entfernen der Verbindungsschicht freigelegt wird und anschließend auf der freigelegten Diffusionsschicht eine Iron-Plating-Abscheidungsschicht aus Hartkeramik ausgebildet wird.
Die Ausbildung der unteren Laufkante eines Kolbenringes ist für den Ölhaushalt einer Brennkraftmaschine von großer Bedeutung. Es ist eine Herausforderung für die Fertigung von Kolbenringen eine möglichst kleine Kante zu erzeugen, um im Motorbetrieb eine gute Abstreifwirkung herbeizuführen. Derart kleine und scharfe Kanten lassen sich relativ einfach an unbeschichteten Ringen darstellen. Allerdings sind heute in der ersten Nut von Brennkraftmaschinen grundsätzlich beschichtete Ringe notwendig. Hier stellt sich nun ein Zielkonflikt zwischen der gewünschten kleinen Funktionskante und einer ausbruch- und rissfreien beschichteten Kante ein. Alle bislang eingesetzten Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzschicht erfordern bei ausreichender Dicke der zur erzeugenden Verschleißschutzschicht eine Kantengröße von mindestens 0,15 mm im Grundwerkstoff zur Vermeidung von Schichtausbrüchen oder Rissen in diesem Bereich.
Ein bekannter Weg zum Herstellen kleiner Laufkanten ist der Einsatz von voll oder einseitig gekammerten Ringen, die jedoch den Nachteil mit sich bringen, dass ein gewisser Teil der Lauffläche nicht mit einer Verschleißschutzschicht versehen ist und es in diesem Bereich immer wieder zu so genannter Brandspurbildung kommt.
In der DE 103 59 802 B3 wird ein Kolbenring beschrieben, beinhaltend eine mit einem Laufflächenprofil versehene Lauffläche sowie eine obere und eine untere Flankenfläche, wobei zumindest die Lauffläche mit einer Aufdampfschicht versehen ist, dergestalt, dass ein Teilbereich der Lauffläche eine entfernbare Abdeckung aufweist, so dass nach Erzeugung der Aufdampfschicht und Entfernung der Abdeckung eine im Wesentlichen scharfkantige Laufkante zwischen der Lauffläche und zumindest einer der Flankenflächen gegeben ist.
Durch die DE 10 2004 053 454 B4 ist ein Kolbenring, insbesondere ein Ölabstreifring, bekannt geworden, mit einem eine Hinterschneidung aufweisenden, in eine Nasenkante auslaufenden Laufflächenbereich, einer inneren eine Schlauchfeder aufnehmenden Umfangsfläche, dazwischen verlaufenden oberen und unteren Flanken sowie einem durch einen Schlitz gebildeten Stoß. Die Hohe der Nasenkante ist, ausgehend von der unteren Flanke, oberhalb der radialen Wirkungslinie der Schlauchfeder vorgesehen.
Der DE 100 11 917 A1 ist ein Kolbenring mit einer, zumindest im Bereich der Lauffläche vorgesehenen, Verschleißschutzschicht zu entnehmen, die im Wesentlichen aus den Elementen Titan, Bor und Stickstoff zusammengesezt und nach dem PVD- oder CVD-Verfahren aufgebracht ist, wobei die Schichtdicke maximal 100 μm, insbesondere 5 bis 50 μm, beträgt.
Schließlich zeigt die JP 2006-152981 A ein Verfahren zur Beschichtung eines Kolbenringes. Der Kolbenring ist im Bereich einer der Flankenflächen laufflächenseitig mit einer Aussparung versehen, die eine radiale Tiefe von mindestens 0,05 mm und eine axiale Höhe ≤ 0,3 mm aufweist. Die Lauffläche wird anschließend mit einer thermisch aufgebrachten Spritzschicht versehen, wobei Kornkrößen < 10 μm zum Einsatz gelangen. Die Schichtdicke wird mit 0,03 bis 0,2 mm angegeben.
Ziel des Erfindungsgegenstandes ist es, einen Kolbenring dahingehend weiterzubilden, dass bei Optimierung der zum Einsatz gelangenden Verschleißschutzschicht, insbesondere im Bereich der gefährdeten unteren Laufkante, Ausbrüche an der Verschleißschutzschicht weitestgehend vermieden werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kolbenring, mit einem Grundkörper, der eine im Wesentlichen umlaufende Lauffläche, eine obere und eine untere Flankenfläche sowie eine innere Umfangsfläche aufweist, wobei der Übergangsbereich von der Lauffläche zumindest in die untere Flankenfläche mit einer nach Art einer Fase ausgebildeten Kante versehen ist, dergestalt, dass die Fase laufflächenseitig und flankenseitig maximal 0,1 mm beträgt und die Lauffläche zumindest mit mindestens einer auf Basis von CrN oder CrON ausgebildeten PVD-Deckschicht 0,5–≤10 μm versehen ist.
Diese Aufgabe wird auch gelöst durch einen Kolbenring, mit einem Grundkörper, der eine im Wesentlichen umlaufende Lauffläche, eine obere und eine untere Flankenfläche sowie eine innere Umfangsfläche aufweist, wobei der Übergangsbereich von der Lauffläche zumindest in die untere Flankenfläche mit einer nach Art einer Fase ausgebildeten Kante versehen ist, dergestalt, dass die Fase laufflächenseitig und flankenseitig maximal 0,1 mm beträgt und die Lauffläche zumindest mit mindestens einer auf Basis von Nitriden der Elemente der Gruppe IV b bis VI b des Periodensystems mit bzw. ohne Zusatz von Al und/oder Si und/oder C und/oder O bestehenden PVD-Deckschicht 0,5–≤10 μm versehen ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Bei der PVD-Beschichtung (Physical Vapour Deposition) handelt es sich um ein Verfahren, bei dem die Beschichtung der Lauffläche des Kolbenringes durch Abscheidung aus der Dampfphase erfolgt. Das abzuscheidende Beschichtungsmaterial liegt dabei als ionisierter Teilchenstrom vor.
Von besonderem Vorteil ist, dass die PVD-Deckschicht auf Basis von Nitriden der Elemente IV b bis VI b des Periodensystems besteht. Wahlweise können die Elemente Al und/oder Si und/oder C und/oder O zugesetzt werden.
Besteht der Grundkörper aus Grauguss oder Stahlguss kann die Kante vorteilhafterweise durch mechanische Bearbeitung erzeugt werden. Insbesondere bei Stahlringen aus gezogenen Stahlprofilen sind stets gerundete Kanten gegeben, die erst im Nachhinein einer mechanischen Bearbeitung unterzogen werden, um den gewünschten Effekt im Übergangsbereich der Lauffläche in die jeweilige Flankenfläche herbeizuführen.
Gleiches gilt im Wesentlichen auch für Gussringe. Bevorzugte PVD-Deckschichten werden auf Basis von CrN und/oder CrON ausgebildet. Von besonderem Vorteil sind so genannte DLC-Deckschichten (diamond like carbon), die ebenfalls nach dem PVD-Verfahren aufgebracht werden.
Mit dem Erfindungsgegenstand werden Kolbenringe aus Guss- oder Stahlwerkstoffen, insbesondere mit einer unteren Kante < 0,1 mm mit einer verhältnismäßig dünnen Verschleißschutzschicht versehen. Vorzugsweise kann es sich bei dieser Verschleißschutzschicht um eine allseitige Nitrierbehandlung des Kolbenringes handeln, wobei jedoch auch andere bekannte Verfahren (galvanische oder thermische Beschichtung) denkbar sind.
Über dieser Verschleißschutzschicht kann dann die eigentliche PVD-Deckschicht in einer Dicke 0,5–≤10 μm aufgebracht werden. Ebenfalls denkbar sind PVD-Mehrlagen-Schichten.
Im Gegensatz zum Stand der Technik kann bei einem konkret erzeugten Übergangsbereich von der Lauffläche, zumindest in die untere Flankenfläche, in Verbindung zumindest mit der PVD-Deckschicht eine ausbruch- und rissfreie beschichtete Kante erzeugt werden. Durch diese Maßnahme kann in Analogie zu einem unbeschichteten Ring der Ölhaushalt der Brennkraftmaschine positiv beeinflusst werden.
Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
1 Kolbenring im Querschnitt, mit einer allseitigen Verschleißschutzschicht und einer PVD-Deckschicht im Bereich der Lauffläche;
2 Kolbenring im Querschnitt, mit einer PVD-Deckschicht im Bereich der Lauffläche;
3 Darstellung des unteren Kantenbereiches gemäß 2.
1 zeigt einen Kolbenring 1 im Querschnitt. Der einen Grundkörper aus Stahl, Stahl- oder Grauguss aufweisende Kolbenring 1 beinhaltet eine Lauffläche 2, eine obere 3 und eine untere Flankenfläche 4 sowie eine innere Umfangsfläche 5. In diesem Beispiel soll der Kolbenring 1 im Bereich seiner Flächen 2, 3, 4, 5 mit einer durch Nitrieren erzeugten Verschleißschutzschicht 6 versehen sein. Diese Verschleißschutzschicht 6 soll in diesem Beispiel eine Dicke von 10 μm aufweisen. Im Bereich der Lauffläche 2 ist auf diese Verschleißschutzschicht 6 eine auf Basis von CrN ausgebildete PVD-Deckschicht 7 abgeschieden, die in diesem Beispiel eine Schichtdicke von 8 μm aufweist. Als alternative Verschleißschutzschicht 6 können auch thermisch oder galvanisch erzeugte Schichten eingesetzt werden, wobei thermische Schichten vorteilhaft nur auf die Lauffläche 2 aufgebracht werden, während galvanische Schichten auf die Lauffläche 2, aber auch auf die Flankenfläche 3 und 4, aufgebacht sein können. Die PVD-Deckschicht 7 kann ebenfalls aus alternativen Werkstoffen, wie CrON, bestehen. Der Fachmann wird anwendungsabhängig die geeignete Werkstoffpaarung sowie die notwendigen Schichtdicken vorgeben. Der Übergangsbereich 8 von der Lauffläche 2 in die untere Flankenfläche 4 ist nahezu scharfkantig ausgebildet.
2 zeigt einen Kolbenring 1', der in Analogie zu 1 eine Lauffläche 2', eine obere Flankenfläche 3', eine untere Flankenfläche 4' und eine innere Umfangsfläche 5' aufweist. In diesem Beispiel ist auf der Lauffläche 2' unmittelbar eine PVD-Deckschicht 7' auf Basis von CrON abgeschieden, die in diesem Beispiel eine Dicke von 10 μm aufweist. Der Kolbenring 1' besteht in diesem Beispiel aus Stahl, wobei der Übergangsbereich 8' von der Lauffläche 2' in die untere Flankenfläche 4' mit einer Kante von maximal 0,1 mm versehen ist. Wie zuvor beschrieben können auch alternative Werkstoffe zur Generierung der PVD-Deckschicht 7' eingesetzt werden.
3 zeigt einen Ausschnitt aus 2. Erkennbar ist die Lauffläche 2', die untere Flankenfläche 4' sowie der Übergangsbereich 8'. Die hier erzeugte Kante soll – wie angedeutet – laufflächenseitig und flankenseitig maximal 0,1 mm betragen. Durch die gewählte Kantenform im Übergangsbereich 8' in Verbindung zumindest mit der PVD-Deckschicht 7' (2) kann bei Optimierung des Ölhaushalts einer Brennkraftmaschine in diesem Übergangsbereich 8' eine weitestgehende Riss- und Ausbruchfreiheit der PVD-Deckschicht 7' realisiert werden.

Claims

Kolbenring, mit einem Grundkörper, der eine im Wesentlichen umlaufende Lauffläche (2, 2'), eine obere (3, 3') und eine untere Flankenfläche (4, 4') sowie eine innere Umfangsfläche (5, 5') aufweist, wobei der Übergangsbereich (8, 8') von der Lauffläche (2, 2') zumindest in die untere Flankenfläche (4, 4') mit einer nach Art einer Fase ausgebildeten Kante versehen ist, dergestalt, dass die Fase laufflächenseitig und flankenseitig maximal 0,1 mm beträgt und die Lauffläche (2, 2') zumindest mit mindestens einer auf Basis von CrN oder CrON ausgebildeten PVD-Deckschicht (7, 7') 0,5–≤10 μm versehen ist.
Kolbenring, mit einem Grundkörper, der eine im Wesentlichen umlaufende Lauffläche (2, 2'), eine obere (3, 3') und eine untere Flankenfläche (4, 4') sowie eine innere Umfangsfläche (5, 5') aufweist, wobei der Übergangsbereich (8, 8') von der Lauffläche (2, 2') zumindest in die untere Flankenfläche (4, 4') mit einer nach Art einer Fase ausgebildeten Kante versehen ist, dergestalt, dass die Fase laufflächenseitig und flankenseitig maximal 0,1 mm beträgt und die Lauffläche (2, 2') zumindest mit mindestens einer auf Basis von Nitriden der Elemente der Gruppe IV b bis VI b des Periodensystems mit bzw. ohne Zusatz von Al und/oder Si und/oder C und/oder O bestehenden PVD-Deckschicht (7, 7') 0,5–≤10 μm versehen ist.
Kolbenring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper aus gezogenem Stahl, Grau- oder Stahlguss besteht, und dass der Übergangsbereich (8, 8') durch insbesondere mechansiche Bearbeitung erzeugt ist.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD-Deckschicht (7, 7') als reibungs- und verschleißarme PVD-DLC(diamond-like-carbon)-Schicht ausgebildet ist.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD-Deckschicht (7, 7') eine Schichtdicke von 0,5 bis 8 μm aufweist.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper mindestens eine Verschleißschutzschicht (6) aufweist, auf welcher die PVD-Deckschicht (7) abgeschieden ist.
Kolbenring nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (6) galvanisch, thermisch oder durch Nitrieren auf dem Grundkörper (2) aufgebracht ist.
Kolbenring nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (6) eine Dicke ≤ 30 μm, insbesondere 10 bis 15 μm, aufweist.