DE102011084051B4

DE102011084051B4 - Beschichteter Kolbenring mit radial zunehmender Schichtdicke und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102011084051B4
Application number: DE102011084051.6A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Linde; Stefan Dürdoth
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2011-10-05
Filing date: 2011-10-05
Publication date: 2020-03-12
Anticipated expiration: 2031-10-06
Also published as: DE102011084051A1

Abstract

Beschichteter Kolbenring mit einem metallischen Grundkörper (9), der eine innere Umfangsfläche (2), eine erste Flankenfläche (3), eine zweite Flankenfläche (4) und eine äußere Umfangsfläche (5) aufweist, wobei die äußere Umfangsfläche (5) und die erste Flankenfläche (3) und/oder die zweite Flankenfläche (4) jeweils zumindest teilweise mit einer elektrochemisch aufgebrachten, metallischen Verschleißschutzschicht (10) versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der metallischen Verschleißschutzschicht (10) auf der ersten Flankenfläche (3) und/oder der zweiten Flankenfläche (4) in radialer Richtung (R1) von innen nach außen zunimmt und die axiale Höhe des Grundkörpers in radialer Richtung (R1) von innen nach außen abnimmt, wobei das Verhältnis zwischen axialer Höhe des Grundkörpers an der Innenseite des Kolbenrings (H_G,I) und axialer Höhe des Grundkörpers an der Außenseite des Kolbenrings (H_G,A) 1,005 - 1,15 beträgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen beschichteten Kolbenring, dessen äußere Umfangsfläche sowie erste Flankenfläche und/oder zweite Flankenfläche zumindest teilweise mit einer elektrochemisch aufgebrachten metallischen Verschleißschutzschicht versehen sind, wobei die Dicke der metallischen Verschleißschutzschicht auf der ersten und/oder der zweiten Flankenfläche in radialer Richtung von innen nach außen zunimmt. Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zur Herstellung dieses beschichteten Kolbenrings.
In Verbrennungsmotoren die nach dem Prinzip der Kolbenhubmaschine arbeiten, liegt zur Übertragung der Verbrennungsleistung eine Anordnung vor, bei welcher ein Kolben mit einer Pleuelstange in einem Zylinderrohr mittels einer Auf- und Abbewegung die Kraft der Verbrennung im Brennraum in eine drehende Bewegung auf die Kurbelwelle überträgt. Die Gleitbewegung des Kolbens und der sich in den Kolbennuten befindlichen Kolbenringe, welche die Aufgabe der Abdichtung des Systems in der Form sicherstellen, daß die Brenngase nicht am Kolben vorbei in das Kurbelgehäuse gelangen, führt zu Verschleiß der beteiligten Reibpartner. Diese sind hauptsächlich der Zylinder und die darauf gleitenden Kolbenringe.
Die Kolbenringe, insbesondere der dem Verbrennungsraum am nächsten gelegene, erste Kolbenring ist extrem hohen thermischen Belastungen und Verbrennungsdrücken ausgesetzt. Für den ersten Kolbenring kommt erschwerend hinzu, daß dieser Ring unter den schlechtesten Schmierbedingungen laufen muß. Um diese extremen Anforderungen zu erfüllen, können auf der äußeren Umfangsfläche von Kolbenringen, die als Lauffläche fungiert, Verschleißschutzbeschichtungen aufgebracht werden, beispielsweise aus Hartchrom. Zudem können die Flankenflächen für eine erhöhte Verschleißfestigkeit gehärtet werden.
In der DE 10 2005 023 627 B4 ist ein Stahlkolbenring beschrieben mit einer einseitig gekammerten Lauffläche, oberen und unteren Flanken sowie einer inneren Umfangsfläche, wobei die Lauffläche mit einer Mikrorisse aufweisenden Verschleißschutzschicht auf Basis von Chromkeramik überzogen ist und sowohl die Flanken als auch die Verschleißschutzschicht mit einer Verschleiß reduzierenden Nitrierschicht versehen sind, dergestalt, daß der Übergangsbereich der unteren Flanke in die Chromkeramikschutzschicht annähernd scharfkantig ausgebildet ist.
Die DE 40 05 200 A1 beschreibt Kolbenringe mit verchromter Lauffläche, wobei die untere Ringflanke bis zu einem Abstand von 20 % minimal und 50 % maximal der gesamten Ringbreite, von der Lauffläche aus gerechnet, verchromt ist.
In der DE 10 2007 007 963 A1 ist ein Kolbenring beschrieben, mit einem Grundkörper, der eine Lauffläche, eine obere und eine untere Flankenfläche sowie eine innere Umfangsfläche aufweist, wobei zumindest eine der Flankenflächen zumindest mit einer PVD-Deckschicht versehen ist, dergestalt, dass sich die Schichtdicke der PVD-Schicht radial von außen nach innen verjüngt.
In der US 3,583,713 A ist ein Kolbenring eines Verbrennungsmotors beschrieben, aus einer Aluminiumlegierung mit hoher Wärmeleitfähigkeit, der auf allen externen radialen und axialen Oberflächen mit einer Hartchromschicht versehen ist.
Die DE 198 33 825 C1 beschreibt einen Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere einen Großmotor, mit wenigstens einer einem Kolbenring zugeordneten Kolbenringnut mit gegen Verschleiß geschützten Flanken, wobei sich dadurch eine hohe Standzeit erreichen läßt, daß die Oberfläche wenigstens einer Flanke einen durch gehärtetes Material gebildeten, umfangsseitigen Randbereich und einem diesen benachbarten, im wesentlichen aus Chrom bestehenden Innenbereich aufweist.
Nach einer solchen Beschichtung erfolgt in der Regel eine mechanische Bearbeitung der Lauffläche und der Flankenflächen mit dem Ziel, die erforderliche Oberflächengeometrie zu erzeugen. Diese Bearbeitung wird in Schleif- oder Läppprozessen durchgeführt. Im Bereich der beschichteten Fläche lassen sich diese mechanischen Bearbeitungsprozesse in der Regel problemlos durchführen. In den Bereichen zwischen dem Werkstoff des Grundkörpers und der Beschichtung, d.h. in den Übergängen zwischen Lauffläche und Flankenfläche entstehen jedoch häufig unerwünschte Ausbrüche in den Beschichtungen, sowohl bei der mechanischen Bearbeitung als auch im späteren Betrieb.
Zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit können auch die Flankenflächen beschichtet werden. Dazu wird in einem ersten Schritt die Lauffläche beschichtet, indem die Kolbenringe aufeinander gestapelt werden. Anschließend werden die Kolbenringe voneinander getrennt und in einem zweiten Schritt einzeln in einem speziellen Beschichtungswerkzeug radial verspannt und auf den Flankenflächen beschichtet. Dieses zweizügige Beschichten ist jedoch zum einen sehr aufwendig und zum anderen besteht das Problem, daß der Übergangsbereich von Laufflächenschicht zu Flankenschicht besonders kritisch im Hinblick auf dessen Festigkeit ist. Dies begründet sich dadurch, daß die Laufflächenschicht im Kantenbereich durch das Trennen der Kolbenringe nach der Laufflächenbeschichtung und die Vorbereitung für die Flankenflächenbeschichtung verrundet und zudem im Übergangsbereich von Lauffläche zu Flankenfläche ungünstige Stromverhältnisse in den Beschichtungswerkzeugen zur Beschichtung der Flankenfläche vorliegen, so daß hier nahezu kein Schichtauftrag stattfindet. Auch bei solchen zweizügig beschichteten Kolbenringen ist daher die Festigkeit und Verschleißbeständigkeit des Übergangsbereichs zwischen Lauffläche und Flankenfläche für die mechanische Nachbearbeitung und den späteren Betrieb im Verbrennungsmotor noch verbesserungsbedürftig.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und einen beschichteten Kolbenring bereitzustellen, der im Bereich der Lauffläche und der Flankenflächen ausbruchssicher und hoch verschleißbeständig ist und zudem einfach und wirtschaftlich hergestellt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen beschichteten Kolbenring mit einem metallischen Grundkörper, der eine innere Umfangsfläche, eine erste Flankenfläche, eine zweite Flankenfläche und eine äußere Umfangsfläche aufweist, wobei die äußere Umfangsfläche und die erste Flankenfläche und/oder die zweite Flankenfläche zumindest teilweise mit einer elektrochemisch aufgebrachten, metallischen Verschleißschutzschicht versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der metallischen Verschleißschutzschicht auf der ersten Flankenfläche und/oder der zweiten Flankenfläche in radialer Richtung von innen nach außen zunimmt und die axiale Höhe des Grundkörpers in radialer Richtung (R1) von innen nach außen abnimmt, wobei das Verhältnis zwischen axialer Höhe des Grundkörpers an der Innenseite des Kolbenrings (H_G,I ) und axialer Höhe des Grundkörpers an der Außenseite des Kolbenrings (H_G,A ) 1,005 - 1,15 beträgt.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Kolbenrings, umfassend die Schritte, daß (a) ein metallischer Grundkörper eines Kolbenrings, der eine innere Umfangsfläche, eine erste Flankenfläche, eine zweite Flankenfläche und eine äußere Umfangsfläche aufweist, in einen wäßrigen Elektrolyt eingebracht wird, der ein Metall in Ionenform enthält (b) eine Elektrode im Elektrolyt in radialer Richtung außerhalb des Grundkörpers plaziert wird, anschließend der Grundkörper als Anode geschaltet und die Oberfläche des Grundkörpers elektrochemisch geätzt wird, und (c) der Grundkörper als Kathode geschaltet wird und zumindest teilweise auf die äußere Umfangsfläche, die erste Flankenfläche und/oder die zweite Flankenfläche gleichzeitig eine metallische Verschleißschutzschicht elektrolytisch abgeschieden wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich die Flankenflächen und die äußere Umfangfläche in einem Schritt beschichten, d.h. es ist kein neues Einspannen der Kolbenringe in eine zweite Apparatur zur Beschichtung der Flankenflächen erforderlich, wie es bei einer zweizügigen Beschichtung notwendig ist.
Durch die in radialer Richtung außerhalb des Grundkörpers des Kolbenrings plazierte Elektrode nimmt die Dicke der Verschleißschutzschicht auf der ersten und/oder der zweiten Flankenfläche in radialer Richtung von innen nach außen zu. Die Dicke der Verschleißschutzschicht ist somit genau dort am größten, wo im Betrieb des Kolbenrings die höchsten Belastungen und der höchste Verschleiß auftreten. Die Beschichtung wird so gezielt nur in den benötigten Bereichen aufgebracht. Durch die nach innen radial abnehmende Dicke der Verschleißschutzschicht wird zudem überraschenderweise eine besonders hohe Stabilität der Verschleißschutzschicht erreicht, weil keine Kanten oder sonstige Unregelmäßigkeiten im Material auftreten, die die Festigkeit der Verschleißschutzschicht negativ beeinflussen könnten.
Für einige Anwendungen in Verbrennungsmotoren ist es wünschenswert, daß insbesondere der erste Kolbenring nicht zu stark trapezförmig ist, um den Verschleiß an den Flankenflächen zu reduzieren. Für den Grundkörper wird daher bevorzugt ein im wesentlichen rechteckiger Querschnitt gewählt oder die axiale Höhe des Grundkörpers wird in radialer Richtung nach außen geringfügig kleiner, um den Verlauf der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht zumindest teilweise auszugleichen.
Die Abnahme der axialen Höhe des Grundkörpers in radialer Richtung nach außen kann durch eine vorangehende mechanische Bearbeitung erfolgen, z.B. ein Schleif-, Läpp- oder Hohnverfahren. Besonders einfach und wirtschaftlich kann dies aber mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht werden, indem der Grundkörper als Anode geschaltet wird und zumindest ein Teil der Oberfläche des Grundkörpers elektrochemisch geätzt wird. Die Oberfläche des Grundkörpers wird durch die innere Umfangsfläche, die erste Flankenfläche, die zweite Flankenfläche und die äußere Umfangsfläche gebildet.
Elektrochemische Ätzen (ECM, Electrochemical Machining) ist im Stand der Technik bekannt. Dabei wird der Grundkörper des Kolbenrings in einem Elektrolyt als Anode geschaltet und so geätzt, d. h. teilweise aufgelöst. Durch die Anordnung von Kathode und dem als Anode geschalteten Grundkörper des Kolbenrings im erfindungsgemäßen Verfahren wird ein stärkerer Abtrag des Materials des Grundkörpers an der äußeren Umfangsfläche und in den Außenbereichen der Flankenflächen erreicht, d.h. genau dort wo später mehr Material der Verschleißschutzschicht aufgebracht wird. Auf diese Weise kann nach der Beschichtung wieder ein annähernd rechteckiger Querschnitt erreicht werden, d.h. die axiale Höhe des beschichteten Kolbenrings variiert in radialer Richtung nur minimal.
Das Verhältnis der maximalen axialen Höhe des beschichteten Kolbenrings zur minimalen axialen Höhe des beschichteten Kolbenrings beträgt bevorzugt 1,0 - 1,08, insbesondere 1,0 - 1,05, besonders bevorzugt sind 1,0 - 1,03. Dabei kann die axiale Höhe des beschichteten Kolbenrings an der Außenseite H_K,A größer, gleich oder kleiner als die axiale Höhe des Kolbenrings an der Innenseite H_K,I sein. Das Verhältnis H_K,A: H_K,I ist bevorzugt 0,92 - 1,08, insbesondere 0,95 - 1,05, besonders bevorzugt sind 0,97 - 1,03.
Wie oben beschrieben verjüngt sich der Grundkörper des Kolbenrings in einer bevorzugten Ausführungsform radial nach außen trapezförmig, so daß der Kolbenring nach der Beschichtung im Querschnitt wieder annähernd rechteckig werden kann. Das Verhältnis zwischen axialer Höhe des Grundkörpers an der Innenseite des Kolbenrings H_G,I und axialer Höhe des Grundkörpers an der Außenseite des Kolbenrings H_G,A beträgt 1,005 - 1,15, bevorzugt 1,01 - 1,06, insbesondere 1,02 - 1,05. Unter axialer Höhe des Grundkörpers an der Außenseite des Kolbenrings wird die axiale Höhe des Grundkörpers auf Höhe der äußeren Umfangsfläche des Grundkörpers und unter axialer Höhe des Grundkörpers an der Innenseite des Kolbenrings wird die axiale Höhe des Grundkörpers auf Höhe der inneren Umfangsfläche des Grundkörpers verstanden.
Weiter ist es erfindungsgemäß bevorzugt, daß jeweils mindestens 30%, insbesondere mindestens 50% der Oberfläche der ersten Flankenfläche und/oder der zweiten Flankenfläche mit der Verschleißschutzschicht versehen sind. Bei einer nur teilweisen Beschichtung der Flankenflächen soll sich die Verschleißschutzschicht auf den Flankenflächen in radialer Richtung außen befinden. Es können beispielsweise 30-90% der ersten und/oder der zweiten Flankenfläche mit der Verschleißschutzschicht versehen sein. Die teilweise Beschichtung der Flankenflächen kann entweder dadurch erreicht werden, daß bei der Beschichtung Teile des Kolbenrings abgedeckt sind, z.B. indem sie bei der Beschichtung in einer Nut eines Zylinders eingespannt werden, oder durch einen nachfolgenden mechanischen Bearbeitungsschritt, z.B. indem Teile der Beschichtung wieder heruntergeschliffen werden. Eine Beschichtung der äußeren Umfangsfläche und nur einer der Flankenflächen kann beispielsweise erreicht werden, indem jeweils zwei Kolbenringe paarweise aufeinander gestapelt beschichtet werden. Unabhängig davon ist es bevorzugt, daß die äußere Umfangsfläche vollständig mit der Verschleißschutzschicht versehen ist. Ferner ist es bevorzugt, daß die Verschleißschutzschicht jeweils zumindest teilweise auf der ersten Flankenfläche und der zweiten Flankenfläche und vollständig auf der äußeren Umfangsfläche aufgebracht ist. Ein Beispiel ist in 3 gezeigt. Besonders bevorzugt sind auch die erste und zweite Flankenfläche vollständig mit einer metallischen Verschleißschutzschicht versehen. Zusätzlich kann auch die innere Umfangsfläche mit einer Verschleißschutzschicht versehen werden. Ein Beispiel ist in 2 gezeigt. Besonders bevorzugt ist der Kolbenring vollständig mit einer Verschleißschutzschicht versehen.
Die Dicke der metallischen Verschleißschutzschicht auf der ersten und/oder zweiten Flankenfläche auf Höhe der äußeren Umfangsfläche (D_F,A ) ist bevorzugt 5 bis 100 µm, besonders bevorzugt 10 bis 60 µm. Die Dicke der metallischen Verschleißschutzschicht auf der ersten und/oder zweiten Flankenfläche auf Höhe der inneren Umfangsfläche (D_F,I ) ist bevorzugt 0 bis 10 µm, besonders bevorzugt 0 bis 8 µm, insbesondere 1 bis 5 µm. Die Dicke der Verschleißschutzschicht auf der ersten und/oder zweiten Flankenfläche in der Mitte zwischen innerer und äußerer Umfangsfläche (D_F,M ) ist bevorzugt 0 bis 30 µm, besonders bevorzugt 1 bis 20 µm, insbesondere 1 bis 8 µm. Die Dicke der metallischen Verschleißschutzschicht auf der äußeren Umfangsfläche D_U,A ist bevorzugt 5 - 100 µm, insbesondere 10 - 60 µm.
Bei einer zweizügigen Beschichtung, d.h. einer Beschichtung von äußerer Umfangsfläche und Flankenflächen eines Kolbenrings in separaten Schritten ist unter anderem nachteilig, daß sich eine innere Grenzfläche im Beschichtungsmaterial, z.B. in einer Hartchromschicht, ausbildet. Diese innere Grenzfläche ist der Übergangsbereich zwischen der Beschichtung aus einem ersten Schritt und der Beschichtung aus einem zweiten Schritt, d.h. der Übergangsbereich zwischen der Beschichtung auf der äußeren Umfangsfläche und der Beschichtung auf den Flankenflächen. Diese innere Grenzfläche führt zu einer verringerten Stabilität in diesem Bereich, wodurch es bei der mechanischen Bearbeitung nach dem Beschichten und im späteren Betrieb des Kolbenrings vermehrt zu Kantenausbrüchen kommen kann.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es hingegen möglich, elektrochemisch eine Verschleißschutzschicht zu erzeugen, die solche inneren Grenzflächen nicht aufweist, wodurch eine erhöhte Festigkeit und eine erhöhte Verschleißbeständigkeit in den kritischen Übergangsbereichen zwischen äußerer Umfangsfläche und den Flankenflächen erreicht wird. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Verschleißschutzschichten daher ohne innere Grenzfläche im Metall ausgebildet.
Mit der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht kann im Bereich des Übergangs zwischen Flankenfläche und äußerer Umfangsfläche besonders vorteilhaft eine scharfe umlaufende Abstreifkante erzeugt werden, beispielsweise durch einen sich anschließenden mechanischen Bearbeitungsschritt. Diese scharfe Abstreifkante ist als Ölabstreifkante bei Kolbenringen wünschenswert, um den Ölverbrauch des Verbrennungsmotors zu reduzieren. Bevorzugt bilden daher die äußere Umfangsfläche des beschichteten Kolbenrings und zumindest eine der Flankenflächen des beschichteten Kolbenrings eine umlaufende scharfe Kante aus. Es können auch beide Flankenflächen mit der äußeren Umlauffläche eine scharfe Kante ausbilden.
Unter einer scharfen Kante, einer scharfen Außenkante oder einer scharfen Abstreifkante wird im Rahmen der Erfindung eine scharfkantige Außenkante gemäß DIN ISO 13715 verstanden, mit einem zugelassenen Grat ≤ 0,02 mm (0 bis 0,02 mm) oder einer zugelassenen Abtragung ≤ 0,05 mm (0 bis 0,05 mm). Gemäß DIN ISO 13715 ist dabei ein Grat ein Materialüberhang der Beschichtung außerhalb der ideal-geometrischen Form einer Außenkante und eine Abtragung eine innerhalb der ideal-geometrischen Form der Außenkante liegende Abweichung. Bevorzugt weist die scharfe Kante einen Grat ≤ 0,01 mm oder eine Abtragung ≤ 0,05 mm auf. Ein Beispiel einer scharfen Kante mit Abtragung ist in 3 gezeigt. Besonders bevorzugt weist die scharfe Kante eine Abtragung ≤ 0,05 mm und keinen Grat auf (Grat = 0). Die Abtragung kann beispielsweise eine Verrundung oder eine Fase sein.
Der Grundkörper des Kolbenrings ist aus Metall, insbesondere Gußeisen oder Stahl. Die metallische Verschleißschutzschicht ist bevorzugt eine Chrom-, Nickel- oder Kobaltschicht, insbesondere eine Hartchromschicht.
Die Hartchromschicht kann eine herkömmliche Hartchromschicht sein oder es können Feststoffpartikel in die Hartchromschicht eingelagert werden, beispielsweise wie in der DE 3531410 A1 und der EP 0 217 126 A1 beschrieben, in denen die Hartchromschicht ein Rißnetzwerk aufweist und in deren Risse Feststoffpartikel eingelagert sind. Besonders vorteilhafte Eigenschaften lassen sich durch in die Risse einer solchen elektrolytisch abgeschiedenen Hartchromschicht eingelagerte Diamantpartikel, insbesondere mit einer Größe im Bereich von 0,25 - 0,4 µm erreichen, wie in der WO 2001/004386 A1 und der EP 1114209 B1 beschrieben.
Ferner kann die elektrolytisch aufgebrachte Hartchromschicht vorteilhafterweise eine Mikrostrukturierung aufweisen, wie beispielsweise in der DE 10255853 A1 , der WO 2004/050960 A1 , der DE 102004019370 B3 und der WO 2005/108648 A2 beschrieben. Bevorzugt wird eine strukturierte Chrom-Feststoffpartikel-Schicht auf den Grundkörper des Kolbenrings aufgebracht, wie in der WO 2009/121443 A1 beschrieben.
Auf die metallische Verschleißschutzschicht kann eine Einlaufschicht aufgebracht werden, die das Einlaufen des Kolbenrings erleichtert. Bevorzugte Einlaufschichten sind PVD (Physical Vapor Deposition)- und CVD (Chemical Vapor Deposition)-Schichten, beispielsweise PVD- oder CVD-Schichten, die Titannitrid- oder Chromnitridverbindungen enthalten, sowie DLC -Schichten (Diamond Like Carbon-Schichten). Diese Beschichtungen und die Verfahren zur Herstellung sind bekannt, z. B. aus der DE 101 20 405 A1 und der DE 102 03 543 A1 .
Abgesehen von der besonderen Anordnung der Elektrode im Elektrolyt in radialer Richtung außerhalb des Grundkörpers kann die elektrochemische Abscheidung der metallischen Verschleißschutzschicht auf herkömmliche, dem Fachmann bekannte Weise erfolgen.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der metallische Grundkörper des Kolbenrings in einen Elektrolyt eingebracht. Unter einem Elektrolyt im Sinne der vorliegenden Erfindung wird eine wäßrige Lösung verstanden, deren elektrische Leitfähigkeit durch elektrolytische Dissoziation von Bestandteilen des Elektrolyten in Ionen zustande kommt. Der Elektrolyt enthält das abzuscheidende Metall der Verschleißschutzschicht in Ionenform und gegebenenfalls weitere bekannte Zusatzstoffe und Elektrolysehilfsmittel sowie als Rest Wasser.
Ein zur Ausbildung einer Hartchromschicht geeigneter Elektrolyt enthält Chrom in Form einer Cr(VI)-Verbindung, beispielsweise CrO₃. Ein bevorzugter Elektrolyt zur Abscheidung einer Hartchromschicht als Verschleißschutzschicht enthält eine Cr(VI)-Verbindung in einer Menge, die 100 - 400 g/l Chromsäureanhydrid entspricht. Bevorzugt ist es ferner, daß der Elektrolyt 1 - 8 g/l Schwefelsäure enthält. Zusätzlich kann der Elektrolyt eine aliphatische Sulfonsäure mit 1 - 6 Kohlenstoffatomen enthalten, bevorzugt in einer Menge von 6 - 16 g/l. Bevorzugt sind aliphatische Sulfonsäuren mit 1 - 4 Kohlenstoffatomen und unter diesen sind Methansulfonsäure, Ethansulfonsäure, Methandisulfonsäure und/oder Ethandisulfonsäure besonders bevorzugt. Am meisten bevorzugt ist Methansulfonsäure. Zusätzlich kann der Elektrolyt Feststoffpartikel mit einem Durchmesser von 0,01 bis 10 µm enthalten.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der zu beschichtende Grundkörper des Kolbenrings mit der äußeren Umfangsfläche und einem Teil einer der Flankenflächen oder einer gesamten Flankenfläche, mit der äußeren Umfangsfläche und einem Teil beider Flankenflächen oder beiden gesamten Flankenflächen oder allseitig mit dem Elektrolyt in Kontakt sein, um die Beschichtung an diesen Flächen aufzubringen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach dem Schritt (c) die Stromrichtung umgekehrt und der Schritt (c) anschließend wiederholt. In diesem Umpolungsschritt (d) wird der Kolbenring somit anodisch geschaltet, wodurch sich Mikrorisse in dem elektrolytisch abgeschiedenen Material aufweiten können, die in dem sich wieder anschließenden Schritt (c) geschlossen werden. Sofern in den Elektrolyten wie oben beschrieben Feststoffpartikel eingebracht werden, können sich diese im Umpolungsschritt (d) in die Mikrorisse einlagern und werden dann im nachfolgenden Beschichtungsschritt (c) fixiert. Die Schritte (c) und (d) können dabei abwechselnd mehrfach wiederholt werden.
Unter einer in radialer Richtung außerhalb des Grundkörpers des Kolbenrings plazierten Elektrode wird im Sinne der Erfindung verstanden, daß sich die Elektrode in radialer Richtung R1 (vgl. 2) in dem Bereich außerhalb der äußeren Umfangsfläche des Kolbenrings befindet, d.h. außerhalb des zylindrischen Bereichs ober- und unterhalb des Kolbenrings. Die Elektrode kann sich in der Ebene des Kolbenrings oder ober- oder unterhalb der Ebene des Kolbenrings befinden, wobei es bevorzugt ist, daß sich die Elektrode in der Ebene des Kolbenrings befindet und sich nach oben und nach unten erstreckt. Die Elektrode weist besonders bevorzugt eine annähernd zylindrische Form auf, wobei diese zylindrische Form aus mehreren Einzelelektroden gebildet werden kann.
Um die Verschleißschutzschicht über den Kreisumfang des Kolbenrings möglichst einheitlich aufzubringen, ist es bevorzugt, daß der Kolbenring im Beschichtungsschritt (c) und im gegebenenfalls vorhandenen elektrochemischen Ätzschritt (b') um seine Mittelachse gedreht wird und/oder die Elektrode um die Mittelachse des Grundkörpers gedreht wird. So werden eventuell vorhandene Unterschiede in der Stromdichte über den Kreisumfang des zu beschichtenden Grundkörpers ausgeglichen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mehrere Grundkörper gleichzeitig beschichtet, indem mehrere Grundkörper, beispielsweise 10-30 Grundkörper, axial voneinander beabstandet in den Elektrolyt eingebracht werden. Dazu können mehrere Kolbenringe auf einem Zylinder gespannt werden. Der Zylinder kann dabei axial voneinander beabstandete Ausnehmungen zur Aufnahme der Kolbenringe aufweisen. Bevorzugt können in eine Ausnehmung zwei Kolbenringe paarweise aufeinander gestapelt werden, wodurch die äußere Umfangsfläche und nur eine der Flankenflächen beschichtet werden. Die Oberfläche des zu beschichtenden Grundkörpers des Kolbenrings ist somit vollständig oder teilweise mit dem Elektrolyt in Kontakt. Wenn der Zylinder nicht geschlossen ist und die Kolbenringe während der elektrolytischen Beschichtung auf dem Zylinder gedreht werden, können die Kolbenringe auch auf der inneren Umfangsfläche beschichtet werden. Die Dicke der Verschleißschutzschicht auf der inneren Umfangsfläche des Grundkörpers ist bevorzugt geringer als die Dicke der Verschleißschutzschicht auf der äußeren Umfangsfläche.
An die elektrochemische Metallabscheidung kann sich eine mechanische Bearbeitung der äußeren Umfangsfläche und/oder der Flankenflächen anschließen, insbesondere ein Schleif- oder Läppverfahren, z.B. um die oben beschriebene scharfe Abstreifkante zu erzeugen.
Bei einem sich anschließenden Schleif- oder Läppschritt ist es möglich, eine vollständige Beschichtung auf den Flankenflächen so weit runterzuschleifen, daß die Verschleißschutzschicht im Bereich der Innenkante des beschichteten Kolbenrings entfernt wird, so daß die Verschleißschutzschicht nur noch in den radial außen liegenden Bereichen der Flankenflächen vorhanden ist, wie beispielsweise in 3 gezeigt. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die äußere Umfangsfläche des Kolbenrings bevorzugt vollständig mit der Verschleißschutzschicht versehen. In einem sich anschließenden Schleif- oder Läppschritt ist es dann möglich, z. B. bei Kolbenringen, die im Mittelbereich der äußeren Umfangsfläche eine Vertiefung aufweisen (sogenannte gekammerte Kolbenringe), die Beschichtung auf der äußeren Umfangsfläche so weit runterzuschleifen, daß der Grundkörper an den Kanten der äußeren Umfangsfläche durchkommt. Auf diese Weise wird ein Kolbenring erhalten mit der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht auf der ersten Flankenfläche und/oder der zweiten Flankenfläche mit in radialer Richtung von innen nach außen zunehmender Dicke versehen ist und Verschleißschutz in der Kammer der äußeren Umfangsfläche aufweist. Bevorzugt ist die Beschichtung auf der äußeren Umfangsfläche und der ersten und/oder zweiten Flankenfläche des erfindungsgemäßen Kolbenrings zusammenhängend.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Figuren, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert.

1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbenrings,
2 zeigt einen Schnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbenrings,
3 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbenrings,
4 zeigt einen Ausschnitt der umlaufenden scharfen Abstreifkante des erfindungsgemäßen Kolbenrings und
5 zeigt eine schematische Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In 1 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen beschichteten Kolbenrings 1 dargestellt, mit einer inneren Umfangsfläche 11, einer ersten Flankenfläche 6 und einer äußeren Umfangsfläche 8. Die radiale Richtung R1 verläuft vom Mittelpunkt des Kolbenrings in Richtung äußerer Umfangsfläche. A und B zeigen eine Schnittachse durch den Kolbenring 1 für die nachfolgenden 2 und 3.
2 zeigt einen Schnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen, beschichteten Kolbenrings 1 in Richtung der Schnittachse A-B gemäß 1. Der Kolbenring 1 weist einen metallischen Grundkörper 9 und eine metallische Verschleißschutzschicht 10 auf, wobei der Grundkörper 9 eine innere Umfangsfläche 2, eine erste Flankenfläche 3, eine zweite Flankenfläche 4 und eine äußere Umfangsfläche 5 aufweist und der beschichtete Kolbenring 1 eine innere Umfangsfläche 11, eine erste Flankenfläche 6, eine zweite Flankenfläche 7 und eine äußere Umfangsfläche 8 aufweist. Die äußere Umfangsfläche 8 dient als Lauffläche des Kolbenrings 1. In der gezeigten Ausführungsform ist der Kolbenring 1 allseitig mit einer metallischen Verschleißschutzschicht 10 versehen. Die radiale Richtung R1 verläuft vom Mittelpunkt des Kolbenrings in Richtung äußerer Umfangsfläche und die axiale Richtung R2 von der zweiten Flankenfläche 7 des beschichteten Kolbenrings 1 zur ersten Flankenfläche 6 des beschichteten Kolbenrings 1, parallel zur inneren Umfangsfläche 2 des Grundkörpers 9.
Der beschichtete Kolbenring 1 weist auf der Innenseite, d.h. an der inneren Umfangfläche 11 eine Höhe H_K,I und an der Außenseite, d.h. an der äußeren Umfangsfläche 8 eine Höhe H_K,A auf. Der Grundkörper 9 weist auf der Innenseite, d.h. an der inneren Umfangfläche 2 eine Höhe H_G,I und an der Außenseite, d.h. an der äußeren Umfangsfläche 5 eine Höhe H_G,A auf. Die Dicke der Verschleißschutzschicht 10 auf der ersten und/oder zweiten Flankenfläche 3, 4 des Grundkörpers 9 auf Höhe der äußeren Umfangsfläche 5 ist mit D_F,A bezeichnet, die Dicke der Verschleißschutzschicht 10 auf der ersten und/oder zweiten Flankenfläche 3, 4 des Grundkörpers 9 in der Mitte zwischen innerer und äußerer Umfangsfläche (2, 5) ist mit D_F,M bezeichnet, die Dicke der Verschleißschutzschicht 10 auf der ersten und/oder zweiten Flankenfläche 3, 4 des Grundkörpers 9 auf Höhe der inneren Umfangsfläche 2 ist mit D_F,I bezeichnet und die Dicke der Verschleißschutzschicht auf der äußeren Umfangsfläche 5 des Grundkörpers mit D_U,A bezeichnet.
Die Scharfkantigkeit ist mit einem zugelassenen Grat ≤ 0,02 mm gemäß DIN ISO 13715 (+ 0,02) oder einer zugelassenen Abtragung ≤ 0,05 mm (- 0,05) gekennzeichnet.
3 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß 2, bei der im Unterschied zu 2 die innere Umfangsfläche 2 nicht beschichtet ist und die erste Flankenfläche 3 und die zweite Flankenfläche 4 nur teilweise beschichtet sind.
4 zeigt als Ausschnitt eine umlaufende scharfe Abstreifkante 12 des erfindungsgemäßen Kolbenrings 1 am Beispiel einer Abtragung. Die Abstreifkante 12 wird durch den Übergang zwischen der ersten Flankenfläche 6 des beschichteten Kolbenrings 1 und der äußeren Umfangsfläche 8 des beschichteten Kolbenrings 1 gebildet. Die Abtragung A ist die innerhalb der ideal-geometrischen Form liegende Abweichung, d.h. der Abstand vom mathematischen Kantenpunkt 13. Eine Scharfkantigkeit der Abstreifkante 12 ergibt sich, wenn die Abtragung A in radialer Richtung R1 und in axialer Richtung R2 jeweils ≤ 0,05 mm sind (- 0,05).
5 zeigt eine schematische Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Anordnung umfaßt das Elektrolysegefäß 14, in dem sich der Elektrolyt 15 befindet, der die Oberfläche 16 ausbildet, und den Grundkörper 9 des Kolbenrings, der um seine Mittelachse 17 gedreht wird sowie die Elektrode 18, die sich in radialer Richtung R1 außerhalb des Grundkörpers 9 befindet.

Claims

Beschichteter Kolbenring mit einem metallischen Grundkörper (9), der eine innere Umfangsfläche (2), eine erste Flankenfläche (3), eine zweite Flankenfläche (4) und eine äußere Umfangsfläche (5) aufweist, wobei die äußere Umfangsfläche (5) und die erste Flankenfläche (3) und/oder die zweite Flankenfläche (4) jeweils zumindest teilweise mit einer elektrochemisch aufgebrachten, metallischen Verschleißschutzschicht (10) versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der metallischen Verschleißschutzschicht (10) auf der ersten Flankenfläche (3) und/oder der zweiten Flankenfläche (4) in radialer Richtung (R1) von innen nach außen zunimmt und die axiale Höhe des Grundkörpers in radialer Richtung (R1) von innen nach außen abnimmt, wobei das Verhältnis zwischen axialer Höhe des Grundkörpers an der Innenseite des Kolbenrings (H_G,I) und axialer Höhe des Grundkörpers an der Außenseite des Kolbenrings (H_G,A) 1,005 - 1,15 beträgt.
Beschichteter Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (D_F,M) der Verschleißschutzschicht (10) auf der ersten und/oder zweiten Flankenfläche (3, 4) in der Mitte zwischen innerer und äußerer Umfangsfläche (2, 5) 1 bis 20 µm und die Dicke (D_F,A) der Verschleißschutzschicht (10) auf der ersten und/oder zweiten Flankenfläche (3, 4) auf Höhe der äußeren Umfangsfläche (5) 5 bis 100 µm beträgt.
Beschichteter Kolbenring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Flankenfläche (3) und die zweite Flankenfläche (4) jeweils zumindest teilweise mit der metallischen Verschleißschutzschicht (10) versehen sind.
Beschichteter Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Flankenfläche (3), die zweite Flankenfläche (4) und/oder äußere Umfangsfläche (5) des Grundkörpers (9) vollständig mit der Verschleißschutzschicht (10) versehen sind.
Beschichteter Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschutzschicht (10) eine Chrom-, Nickel- oder Kobaltschicht ist.
Beschichteter Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Umfangsfläche (8) und die erste Flankenfläche (6) des Kolbenrings (1) und/oder die äußere Umfangsfläche (8) und die zweite Flankenfläche (7) des Kolbenrings (1) eine umlaufende scharfe Außenkante (12) mit einem Grat s 0,02 mm oder einer Abtragung ≤ 0,05 mm ausbilden.
Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Kolbenrings nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend die Schritte, daß (a) ein metallischer Grundkörper (9) eines Kolbenrings, der eine innere Umfangsfläche (2), eine erste Flankenfläche (3), eine zweite Flankenfläche (4) und eine äußere Umfangsfläche (5) aufweist, in einen wäßrigen Elektrolyt eingebracht wird, der ein Metall in Ionenform enthält, (b) eine Elektrode (14) im Elektrolyt in radialer Richtung (R1) außerhalb des Grundkörpers (9) plaziert wird, anschließend der Grundkörper (9) als Anode geschaltet und die Oberfläche des Grundkörpers (9) elektrochemisch geätzt wird, und (c) der Grundkörper (9) als Kathode geschaltet wird und zumindest teilweise auf die äußere Umfangsfläche (5), die erste Flankenfläche (3) und/oder die zweite Flankenfläche (4) gleichzeitig eine metallische Verschleißschutzschicht (10) elektrolytisch abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Schritt (c) in einem Schritt (d) die Stromrichtung umgekehrt und der Schritt (c) anschließend wiederholt wird.