DE102011084052B4

DE102011084052B4 - Coated piston ring with sharp oil scraper edge

Info

Publication number: DE102011084052B4
Application number: DE102011084052.4A
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: 2024-05-29
Anticipated expiration: 2031-10-06
Also published as: DE102011084052A1

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) mit einer elektrochemisch aufgebrachten, zusammenhängenden metallischen Verschleißschutzschicht (10) versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Umfangsfläche (8) des beschichteten Kolbenrings (1) und zumindest eine der Flankenflächen (6, 7) des beschichteten Kolbenrings (1) eine umlaufende scharfe Außenkante (12) mit einem Grat ≤ 0,02 mm oder einer Abtragung ≤ 0,05 mm ausbilden, die metallische Verschleißschutzschicht (10) eine Hartchromschicht ist, in die Feststoffpartikel eingelagert sind, 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 und das Verhältnis zwischen axialer Höhe des Grundkörpers an der Innenseite des Kolbenrings (HG, I) und axialer Höhe des Grundkörpers an der Außenseite des Kolbenrings (HG, A) 1,005 - 1,15 beträgt.Coated piston ring with a metallic base body (9) which has an inner circumferential surface (2), a first flank surface (3), a second flank surface (4) and an outer circumferential surface (5), wherein the outer circumferential surface (5) and the first flank surface (3) and/or the second flank surface (4) are provided with an electrochemically applied, continuous metallic wear protection layer (10), characterized in that the outer circumferential surface (8) of the coated piston ring (1) and at least one of the flank surfaces (6, 7) of the coated piston ring (1) form a circumferential sharp outer edge (12) with a burr ≤ 0.02 mm or a removal ≤ 0.05 mm, the metallic wear protection layer (10) is a hard chrome layer in which solid particles are embedded, the thickness of the metallic wear protection layer (10) on the first flank surface (3) and/or the second Flank area (4) increases in the radial direction (R1) from the inside to the outside and the axial height of the base body decreases in the radial direction (R1) from the inside to the outside and the ratio between the axial height of the base body on the inside of the piston ring (HG, I) and the axial height of the base body on the outside of the piston ring (HG, A) is 1.005 - 1.15.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen beschichteten Kolbenring dessen äußere Umfangsfläche und erste Flankenfläche und/oder die zweite Flankenfläche mit einer elektrochemisch aufgebrachten, zusammenhängenden metallischen Verschleißschutzschicht versehen sind und die äußere Umfangsfläche des Kolbenrings und zumindest eine der Flankenflächen eine umlaufende scharfe Ölabstreifkante mit einer Abtragung ≤ 0,05 mm ausbilden.The invention relates to a coated piston ring whose outer peripheral surface and first flank surface and/or the second flank surface are provided with an electrochemically applied, continuous metallic wear protection layer and the outer peripheral surface of the piston ring and at least one of the flank surfaces form a circumferential sharp oil scraping edge with a removal of ≤ 0.05 mm.

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.In internal combustion engines that work on the principle of a piston-operated machine, the combustion power is transmitted by an arrangement in which a piston with a connecting rod in a cylinder tube transfers the force of combustion in the combustion chamber to the crankshaft by means of an up and down movement. The sliding movement of the piston and the piston rings located in the piston grooves, which have the task of sealing the system in such a way that the combustion gases do not get past the piston into the crankcase, leads to wear of the friction partners involved. These are mainly the cylinder and the piston rings sliding on it.

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.The piston rings, especially the first piston ring closest to the combustion chamber, are exposed to extremely high thermal loads and combustion pressures. The first piston ring is subjected to the fact that it has to run under the worst possible lubrication conditions. In order to meet these extreme requirements, wear protection coatings, such as hard chrome, can be applied to the outer peripheral surface of the piston ring, which acts as the running surface. In addition, the flank surfaces can be hardened for increased wear resistance.

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.After such a coating, the running surface and flank surfaces are usually mechanically processed with the aim of creating the required surface geometry. This processing is carried out in grinding or lapping processes. In the area of the coated surface, these mechanical processing processes can usually be carried out without any problems. However, in the areas between the material of the base body and the coating, i.e. in the transitions between the running surface and flank surface, undesirable breakouts in the coatings often occur.

In der DE 10 2007 007 961 A1 ist ein Kolbenring mit einem Grundkörper beschrieben, der eine im Wesentlichen umlaufende Lauffläche, eine obere und eine untere Flankenfläche sowie eine innere Umfangsfläche aufweist, wobei der Übergangsbereich zur Lauffläche zumindest in die untere Flankenfläche mit einer Kante ≤ 0,1 mm versehen und die Lauffläche zumindest mit mindestens einer PVD-Deckschicht ≤ 10 µm versehen ist.
In der US 2 511 874 A ist ein Kolbenring beschrieben aus Gusseisen mit einer axial geneigten äußeren Umfangsfläche, die in einer scharfen, leicht abgerundeten Zylinderwandkontaktkante endet und eine radiale Oberfläche aufweist, die auf diese Kante trifft und in einem spitzen Winkel zu der Umfangsfläche angeordnet ist.In the EN 10 2007 007 961 A1 a piston ring is described with a base body which has a substantially circumferential running surface, an upper and a lower flank surface and an inner circumferential surface, wherein the transition region to the running surface is provided with an edge ≤ 0.1 mm at least in the lower flank surface and the running surface is provided with at least one PVD cover layer ≤ 10 µm.
In the US 2 511 874 A A piston ring is described made of cast iron with an axially inclined outer peripheral surface terminating in a sharp, slightly rounded cylinder wall contact edge and having a radial surface meeting this edge and arranged at an acute angle to the peripheral surface.

In der US 4 214 762 A ist ein Walzstahlölkolbenring für Verbrennungsmotoren beschrieben mit im allgemeinen U-förmigem Querschnitt mit einem Paar gegenüberliegender starrer Seitenwände, die von einer zentralen Umfangswand des Rings nach innen ragen.In the US 4 214 762 A describes a rolled steel oil piston ring for internal combustion engines having a generally U-shaped cross-section with a pair of opposed rigid sidewalls projecting inwardly from a central peripheral wall of the ring.

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.In the EN 10 2005 023 627 B4 a steel piston ring is described with a one-sided chambered running surface, upper and lower flanks and an inner circumferential surface, wherein the running surface is coated with a micro-cracked wear protection layer based on chromium ceramic and both the flanks and the wear protection layer are provided with a wear-reducing nitriding layer in such a way that the transition region of the lower flank into the chromium ceramic protective layer is formed with almost sharp edges.

Zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit können zudem 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 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.To increase wear resistance, the flank surfaces can also be coated. To do this, the running surface is coated in a first step by stacking the piston rings on top of each other. The piston rings are then separated from one another and, in a second step, individually clamped radially in a special coating tool and coated on the flank surfaces. This two-pass coating is very complex and, on the other hand, there is the problem that the transition area from the running surface layer to the flank layer is particularly critical in terms of its strength. This is because the running surface layer is rounded in the edge area by separating the piston rings after the running surface coating and preparing for the flank surface coating. In addition, in the transition area from the running surface to the flank surface there are unfavorable current conditions in the coating tools for coating the flank surface, so that almost no layer is applied here.

Bei Kolbenringen ist es ferner oftmals wünschenswert, dass sie eine möglichst scharfe Ölabstreifkante aufweisen, um im Betrieb des Kolbenrings den Ölverbrauch des Verbrennungsmotors zu reduzieren. Die oben beschriebenen, beschichteten Kolbenringe weisen jedoch den Nachteil auf, dass sich nur unscharfe Kantengeometrien realisieren lassen, weil der Kantenbereich für die Herstellung einer scharfen Kante nicht hinreichend ausbruchssicher ist.In the case of piston rings, it is often desirable that they have an oil scraper edge that is as sharp as possible in order to reduce the oil consumption of the combustion engine when the piston ring is in operation. However, the coated piston rings described above have the disadvantage that only blurred edge geometries can be realized because the edge area is not sufficiently break-proof to produce a sharp edge.

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, insbesondere im Übergang zwischen Lauffläche und Flankenfläche ausbruchssicher und hoch verschleißbeständig ist.The present invention is therefore based on the object of overcoming the above-mentioned disadvantages of the prior art and providing a coated piston ring which is break-proof and highly wear-resistant in the area of the running surface and the flank surfaces, in particular in the transition between the running surface and the flank surface.

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 mit einer elektrochemisch aufgebrachten, zusammenhängenden metallischen Verschleißschutzschicht versehen sind und die äußere Umfangsfläche des beschichteten Kolbenrings und zumindest eine der Flankenflächen des beschichteten Kolbenrings eine umlaufende scharfe Außenkante mit einem Grat ≤ 0,02 mm oder einer Abtragung ≤ 0,05 mm ausbilden, die metallische Verschleißschutzschicht (10) eine Hartchromschicht ist, in die Feststoffpartikel eingelagert sind, 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 und 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.According to the invention, this object is achieved by a coated piston ring with a metallic base body which has an inner circumferential surface, a first flank surface, a second flank surface and an outer circumferential surface, wherein the outer circumferential surface and the first flank surface and/or the second flank surface are provided with an electrochemically applied, continuous metallic wear protection layer and the outer circumferential surface of the coated piston ring and at least one of the flank surfaces of the coated piston ring form a circumferential sharp outer edge with a burr ≤ 0.02 mm or abrasion ≤ 0.05 mm, the metallic wear protection layer (10) is a hard chrome layer in which solid particles are embedded, the thickness of the metallic wear protection layer (10) on the first flank surface (3) and/or the second flank surface (4) increases in the radial direction (R1) from the inside to the outside and the axial height of the base body in the radial direction (R1) from the inside to the outside decreases and the ratio between the axial height of the base body on the inside of the piston ring (H _{G, I} ) and the axial height of the base body on the outside of the piston ring (H _{G, A} ) is 1.005 - 1.15.

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 einer 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.In the context of the invention, a sharp edge, a sharp outer edge or a sharp scraping edge is understood to mean a sharp-edged outer edge according to DIN ISO 13715, with an approved burr ≤ 0.02 mm (0 to 0.02 mm) or an approved removal ≤ 0.05 mm (0 to 0.05 mm). According to DIN ISO 13715, a burr is a material overhang of the coating outside the ideal geometric shape of an outer edge and removal is a deviation within the ideal geometric shape of the outer edge. The sharp edge preferably has a burr ≤ 0.01 mm or removal ≤ 0.05 mm. An example of a sharp edge with removal is shown in 3 shown. The sharp edge particularly preferably has a removal of ≤ 0.05 mm and no burr (burr = 0). The removal can be, for example, a rounding or a chamfer.

Die Verschleißschutzschicht ist so ausgebildet, dass sie in einem elektrochemischen Beschichtungsschritt aufgebracht ist. Dies hat den Vorteil, dass sich im Material der Verschleißschutzschicht keine Übergänge in Form einer inneren Grenzfläche ausbilden, die die Festigkeit und Ausbruchsicherheit vermindern können. Eine innere Grenzfläche in diesem Sinne ist der Übergangsbereich zwischen einer Beschichtung aus einem ersten Schritt und einer Beschichtung aus einem zweiten Schritt, d.h. der Übergangsbereich zwischen der Beschichtung auf der äußeren Umfangsfläche und der Beschichtung auf den Flankenflächen.The wear protection layer is designed in such a way that it is applied in an electrochemical coating step. This has the advantage that no transitions in the form of an internal interface are formed in the material of the wear protection layer, which could reduce the strength and resistance to breakouts. An internal interface in this sense is the transition area between a coating from a first step and a coating from a second step, i.e. the transition area between the coating on the outer peripheral surface and the coating on the flank surfaces.

Die Verschleißschutzschicht kann daher ohne innere Grenzfläche im Metall ausgebildet sein. Dadurch wird eine erhöhte Festigkeit und eine erhöhte Verschleißbeständigkeit erreicht, insbesondere in den kritischen Übergangsbereichen zwischen äußerer Umfangsfläche und den Flankenflächen.The wear protection layer can therefore be formed in the metal without an internal interface. This results in increased strength and increased wear resistance, especially in the critical transition areas between the outer peripheral surface and the flank surfaces.

Der erfindungsgemäße Kolbenring kann eine oder zwei scharfe Außenkanten aufweisen. Erfindungsgemäß bevorzugt ist ein beschichteter 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 mit einer elektrochemisch aufgebrachten, zusammenhängenden metallischen Verschleißschutzschicht versehen sind, wobei die äußere Umfangsfläche des beschichteten Kolbenrings und die erste Flankenfläche des beschichteten Kolbenrings eine umlaufende scharfe Außenkante mit einem Grat ≤ 0,02 mm oder einer Abtragung ≤ 0,05 mm ausbilden.The piston ring according to the invention can have one or two sharp outer edges. According to the invention, a coated piston ring with a metallic base body is preferred, which has an inner peripheral surface, a first flank surface, a second flank surface and an outer peripheral surface, wherein the outer peripheral surface and the first flank surface are provided with an electrochemically applied, continuous metallic wear protection layer, wherein the outer peripheral surface of the coated piston ring and the first flank surface of the coated piston ring form a circumferential sharp outer edge with a burr ≤ 0.02 mm or a removal ≤ 0.05 mm.

Erfindungsgemäß weiter bevorzugt ist ein beschichteter Kolbenring mit einem metallischen Grundkörper, der eine innere Umfangsfläche, eine erste Flankenfläche, eine zweite Flankenfläche und eine äußere Umfangsfläche aufweist, wobei die äußere Umfangsfläche, die erste Flankenfläche und die zweite Flankenfläche mit einer elektrochemisch aufgebrachten, zusammenhängenden metallischen Verschleißschutzschicht versehen sind, wobei die äußere Umfangsfläche des beschichteten Kolbenrings und die erste Flankenfläche des beschichteten Kolbenrings sowie die äußere Umfangsfläche des beschichteten Kolbenrings und die zweite Flankenfläche des beschichteten Kolbenrings eine umlaufende scharfe Außenkante mit einem Grat ≤ 0,02 mm oder einer Abtragung ≤ 0,05 mm ausbilden.According to the invention, further preferred is a coated piston ring with a metallic base body which has an inner peripheral surface, a first flank surface, a second flank surface and an outer peripheral surface, wherein the outer peripheral surface, the first flank surface and the second flank surface are provided with an electrochemically applied, continuous metallic wear protection layer, wherein the outer peripheral surface of the coated piston ring and the first flank surface of the coated piston ring as well as the outer peripheral surface of the coated piston ring and the second flank surface of the coated piston ring form a circumferential sharp outer edge with a burr ≤ 0.02 mm or a removal ≤ 0.05 mm.

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.For some applications in combustion engines, it is desirable that the first piston ring in particular is not too trapezoidal, to reduce wear on the flank surfaces. A substantially rectangular cross-section is therefore preferred for the base body.

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.The ratio of the maximum axial height of the coated piston ring to the minimum axial height of the coated piston ring is preferably 1.0 - 1.08, in particular 1.0 - 1.05, particularly preferred is 1.0 - 1.03. The axial height of the coated piston ring on the outside H _{K, A} can be greater than, equal to or less than the axial height of the piston ring on the inside H _{K, I.} The ratio H _{K, A} : H _{K, I} is preferably 0.92 - 1.08, in particular 0.95 - 1.05, particularly preferred is 0.97 - 1.03.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbenrings ist ein Verfahren geeignet, 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, wobei die äußere Umfangsfläche und die erste und zweite Flankenfläche mit dem Elektrolyt in Kontakt sind (b) der Grundkörper als Kathode geschaltet wird und auf zumindest die erste Flankenfläche, die zweite Flankenfläche und die äußere Umfangsfläche gleichzeitig eine metallische Verschleißschutzschicht elektrolytisch abgeschieden wird und anschließend (c) ein mechanischer Bearbeitungsschritt der äußeren Umfangsfläche und/oder der Flankenflächen durchgeführt wird, insbesondere ein Schleif- oder Läppverfahren.A method is suitable for producing the piston ring according to the invention, comprising the steps of (a) introducing a metallic base body of a piston ring, which has an inner peripheral surface, a first flank surface, a second flank surface and an outer peripheral surface, into an aqueous electrolyte which contains a metal in ionic form, wherein the outer peripheral surface and the first and second flank surfaces are in contact with the electrolyte (b) the base body is connected as a cathode and a metallic wear protection layer is simultaneously electrolytically deposited on at least the first flank surface, the second flank surface and the outer peripheral surface and then (c) a mechanical processing step of the outer peripheral surface and/or the flank surfaces is carried out, in particular a grinding or lapping process.

Mit diesem 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. Ferner wird erreicht, dass die auf den Flankenflächen und der äußeren Umfangsfläche des Kolbenringgrundkörpers aufgebrachte Verschleißschutzschicht zusammenhängend ist und so bei dem nachfolgenden mechanischen Bearbeitungsschritt, der die Schärfe der umlaufenden Kante weiter herausbildet, Kantenausbrüche vermieden werden. Auf diese Weise kann eine scharfe umlaufende Kante erhalten werden, die im späteren Betrieb als Ölabstreifkante fungiert.This process allows the flank surfaces and the outer peripheral surface to be coated in one step, i.e. the piston rings do not need to be clamped again in a second device to coat the flank surfaces, as is necessary with a two-stage coating process. Furthermore, the wear protection layer applied to the flank surfaces and the outer peripheral surface of the piston ring base body is continuous, thus preventing edge breakage during the subsequent mechanical processing step, which further develops the sharpness of the peripheral edge. In this way, a sharp peripheral edge can be obtained, which acts as an oil scraper edge during later operation.

Über die Geometrie der Gegenelektrode (Anode) im Elektrolyt kann zudem der Schichtdickenverlauf der Verschleißschutzschicht gesteuert werden. Um eine im wesentlichen einheitliche Schichtdicke der Verschleißschutzschicht auf den Flankenflächen und der äußeren Umfangsfläche zu erzielen, kann die Anode beispielsweise U-förmig ausgestaltet sein und über die Flankenflächen des Kolbenrings ragen. Wenn die Anode im Elektrolyt hingegen in radialer Richtung außerhalb des Grundkörpers plaziert wird, nimmt die Stromdichte von der äußeren Umfangsfläche und den äußeren Bereichen der Flankenflächen radial nach innen ab, so dass die Dicke der Verschleißschutzschicht auf der ersten und/oder der zweiten Flankenfläche in radialer Richtung von innen nach außen zunimmt. Die Dicke der Verschleißschutzschicht ist so dort am größten, wo im Betrieb des Kolbenrings die höchsten Belastungen und der höchste Verschleiß auftreten. Es ist erfindungsgemäß, dass die Dicke der metallischen Verschleißschutzschicht auf der ersten Flankenfläche und/oder der zweiten Flankenfläche in radialer Richtung von innen nach außen zunimmt.The geometry of the counter electrode (anode) in the electrolyte can also be used to control the layer thickness of the wear protection layer. In order to achieve an essentially uniform layer thickness of the wear protection layer on the flank surfaces and the outer peripheral surface, the anode can, for example, be U-shaped and protrude over the flank surfaces of the piston ring. If, on the other hand, the anode in the electrolyte is placed in the radial direction outside the base body, the current density decreases radially inwards from the outer peripheral surface and the outer areas of the flank surfaces, so that the thickness of the wear protection layer on the first and/or the second flank surface increases in the radial direction from the inside to the outside. The thickness of the wear protection layer is thus greatest where the highest loads and the highest wear occur during operation of the piston ring. According to the invention, the thickness of the metallic wear protection layer on the first flank surface and/or the second flank surface increases in the radial direction from the inside to the outside.

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 bevorzugt eine annähernd zylindrische Form auf, wobei diese zylindrische Form aus mehreren Einzelelektroden gebildet werden kann.For the purposes of the invention, an electrode placed in a radial direction outside the base body of the piston ring is understood to mean that the electrode is positioned in the radial direction R1 (cf. 2 ) in the area outside the outer peripheral surface of the piston ring, ie outside the cylindrical area above and below the piston ring. The electrode can be located in the plane of the piston ring or above or below the plane of the piston ring, it being preferred that the electrode is located in the plane of the piston ring and extends upwards and downwards. The electrode preferably has an approximately cylindrical shape, and this cylindrical shape can be formed from several individual electrodes.

Um einen in radialer Richtung von innen nach außen zunehmenden Schichtdickenverlauf dahingehend auszugleichen, dass ein im wesentlichen rechteckiger beschichteter Kolbenring resultiert, ist es ferner bevorzugt, dass die axiale Höhe des Grundkörpers in radialer Richtung nach außen abnimmt.In order to compensate for a layer thickness progression that increases in the radial direction from the inside to the outside, resulting in a substantially rectangular coated piston ring, it is further preferred that the axial height of the base body decreases in the radial direction towards the outside.

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 einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht werden, indem zwischen Schritt (a) und (b) in einem weiteren Schritt (a') 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.The reduction in the axial height of the base body in the radial outward direction can be carried out by prior mechanical processing, e.g. a grinding, lapping or honing process. However, this can be achieved particularly simply and economically with an embodiment of the method according to the invention by connecting the base body as an anode in a further step (a') between steps (a) and (b) and electrochemically etching at least part of the surface of the base body. The surface of the base body is formed by the inner peripheral surface, the first flank surface, the second flank surface and the outer peripheral surface.

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 eine Anordnung von Kathode und dem als Anode geschalteten Grundkörper des Kolbenrings in dem Ätzschritt, bei der die Elektrode in radialer Richtung außerhalb des Grundkörpers des Kolbenrings plaziert wird, kann bevorzugt ein stärkerer Abtrag des Materials des Grundkörpers an der äußeren Umfangsfläche und in den Außenbereichen der Flankenflächen erreicht werden. 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.Electrochemical etching (ECM, Electrochemical Machining) is well known in the art. The base body of the piston ring is an electrolyte as an anode and thus etched, ie partially dissolved. By arranging the cathode and the base body of the piston ring as an anode in the etching step, in which the electrode is placed in the radial direction outside the base body of the piston ring, a greater removal of the material of the base body on the outer peripheral surface and in the outer areas of the flank surfaces can preferably be achieved. In this way, an approximately rectangular cross-section can be achieved again after coating, ie the axial height of the coated piston ring varies only minimally in the radial direction.

Wie oben beschrieben ist der Grundkörper des zu beschichtenden Kolbenrings in einer bevorzugten Ausführungsform im wesentlichen rechteckig oder verjüngt sich radial nach außen trapezförmig, d.h. die axiale Höhe des Grundkörpers nimmt radial von innen nach außen ab. In der Erfindung ist 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, 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.As described above, in a preferred embodiment the base body of the piston ring to be coated is essentially rectangular or tapers radially outwards in a trapezoidal shape, i.e. the axial height of the base body decreases radially from the inside to the outside. In the invention the ratio between the axial height of the base body on the inside of the piston ring H _{G, I} and the axial height of the base body on the outside of the piston ring H _{G, A} is 1.005 - 1.15, preferably 1.01 - 1.06, in particular 1.02 - 1.05. The axial height of the base body on the outside of the piston ring is understood to mean the axial height of the base body at the level of the outer peripheral surface of the base body and the axial height of the base body on the inside of the piston ring is understood to mean the axial height of the base body at the level of the inner peripheral surface of the base body.

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. 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.Furthermore, it is preferred according to the invention that at least 30%, in particular at least 50% of the surface of the first flank surface and/or the second flank surface is provided with the wear protection layer. If the flank surfaces are only partially coated, the wear protection layer should be located on the flank surfaces in the radial direction on the outside. For example, 30-90% of the first and/or the second flank surface can be provided with the wear protection layer. The partial coating of the flank surfaces can be achieved either by covering parts of the piston ring during the coating, e.g. by clamping them in a groove of a cylinder during the coating, or by a subsequent mechanical processing step, e.g. by grinding parts of the coating down again. A coating of the outer peripheral surface and only one of the flank surfaces can be achieved, for example, by coating two piston rings stacked on top of each other in pairs. Irrespective of this, it is preferred that the outer peripheral surface is completely provided with the wear protection layer. The first and second flank surfaces are also particularly preferably completely provided with a metallic wear protection layer. In addition, the inner circumferential surface can also be provided with a wear protection layer. An example is in 2 shown. Particularly preferably, the piston ring is completely provided with a wear protection layer.

Die Dicke der metallischen Verschleißschutzschicht auf der äußeren Umfangsfläche D_U,A ist bevorzugt 5 - 100 µm, besonders bevorzugt 10 bis 60 µm. 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.The thickness of the metallic wear protection layer on the outer circumferential surface D _U,A is preferably 5 - 100 µm, particularly preferably 10 to 60 µm. The thickness of the metallic wear protection layer on the first and/or second flank surface at the level of the outer circumferential surface (D _F,A ) is preferably 5 to 100 µm, particularly preferably 10 to 60 µm. The thickness of the metallic wear protection layer on the first and/or second flank surface at the level of the inner circumferential surface (D _F,I ) is preferably 0 to 10 µm, particularly preferably 0 to 8 µm, in particular 1 to 5 µm. The thickness of the wear protection layer on the first and/or second flank surface in the middle between the inner and outer peripheral surface (D _{F, M} ) is preferably 0 to 30 µm, particularly preferably 1 to 20 µm, in particular 1 to 8 µm.

Der Grundkörper des Kolbenrings ist aus Metall, insbesondere Gußeisen oder Stahl. Die metallische Verschleißschutzschicht ist bevorzugt eine Chrom-, Nickel- oder Kobaltschicht, insbesondere eine Hartchromschicht. Eine Hartchromschicht ist besonders vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen scharfen Kante, weil die Scharfkantigkeit zu einer grundsätzlich verminderten Stabilität der Kante führt und mit einer zusammenhängenden Hartchromschicht zwischen Flankenfläche und äußerer Umlauffläche eine hervorragende Kantenstabilität erreicht wird.The base body of the piston ring is made of metal, in particular cast iron or steel. The metallic wear protection layer is preferably a chromium, nickel or cobalt layer, in particular a hard chromium layer. A hard chromium layer is particularly advantageous for the sharp edge according to the invention because the sharp edges lead to a fundamentally reduced stability of the edge and with a continuous hard chromium layer between the flank surface and the outer circumferential surface, excellent edge stability is achieved.

In die Hartchromschicht sind Feststoffpartikel eingelagert, 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.Solid particles are embedded in the hard chrome layer, for example as in the DE 3531410 A1 and the EP 0 217 126 A1 in which the hard chrome layer has a crack network and in whose cracks solid particles are embedded. Particularly advantageous properties can be achieved by diamond particles embedded in the cracks of such an electrolytically deposited hard chrome layer, especially with a size in the range of 0.25 - 0.4 µm, as in the WO 2001/004386 A1 and the EP1114209B1 described.

Ferner kann die elektrolytisch aufgebrachte Hartchromschicht vorteilhafterweise eine Mikrostrukturierung aufweisen, wie beispielsweise in der DE 10255853 A1 , der WO 2004/050960 A1 , der DE 10 2004 019 370 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.Furthermore, the electrolytically applied hard chrome layer can advantageously have a microstructure, as for example in the DE 10255853 A1 , the WO 2004/050960 A1 , the EN 10 2004 019 370 B3 and the WO 2005/108648 A2 Preferably, a structured chromium solid particle layer is applied to the base body of the piston ring, as described in the WO 2009/121443 A1 described.

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 .A running-in layer can be applied to the metallic wear protection layer to facilitate the running-in of the piston ring. Preferred running-in layers are PVD (Physical Vapor Deposition) and CVD (Chemical Vapor Deposition) layers, for example PVD or CVD layers containing titanium nitride or chromium nitride compounds, as well as DLC layers (Diamond Like Carbon layers). These coatings and the processes for producing them are known, e.g. from EN 101 20 405 A1 and the DE 102 03 543 A1 .

Die elektrochemische Abscheidung der metallischen Verschleißschutzschicht kann 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.The electrochemical deposition of the metallic wear protection layer can be carried out in a conventional manner known to those skilled in the art. To carry out the method according to the invention, the metallic base body of the piston ring is introduced into an electrolyte. An electrolyte in the sense of the present invention is understood to be an aqueous solution whose electrical conductivity is achieved by electrolytic dissociation of components of the electrolyte into ions. The electrolyte contains the metal of the wear protection layer to be deposited in ion form and, if necessary, other known additives and electrolysis aids, as well as water as the remainder.

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/I Chromsäureanhydrid entspricht. Bevorzugt ist es ferner, dass der Elektrolyt 1 - 8 g/I 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.An electrolyte suitable for forming a hard chrome layer contains chromium in the form of a Cr(VI) compound, for example CrO ₃ . A preferred electrolyte for depositing a hard chrome layer as a wear protection layer contains a Cr(VI) compound in an amount corresponding to 100 - 400 g/l chromic anhydride. It is also preferred that the electrolyte contains 1 - 8 g/l sulfuric acid. In addition, the electrolyte can contain an aliphatic sulfonic acid with 1 - 6 carbon atoms, preferably in an amount of 6 - 16 g/l. Aliphatic sulfonic acids with 1 - 4 carbon atoms are preferred and among these methanesulfonic acid, ethanesulfonic acid, methanedisulfonic acid and/or ethanedisulfonic acid are particularly preferred. Methanesulfonic acid is most preferred. In addition, the electrolyte can contain solid particles with a diameter of 0.01 to 10 µm.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird nach dem Schritt (c) in einem Schritt (d) 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.In a preferred embodiment of the method, after step (c), the direction of the current is reversed in a step (d) and step (c) is then repeated. In this polarity reversal step (d), the piston ring is thus switched anodically, which allows microcracks in the electrolytically deposited material to widen, which are then closed in the subsequent step (c). If solid particles are introduced into the electrolyte as described above, they can be embedded in the microcracks in the polarity reversal step (d) and are then fixed in the subsequent coating step (c). Steps (c) and (d) can be repeated alternately several times.

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 order to apply the wear protection layer as uniformly as possible over the circumference of the piston ring, it is preferred that the piston ring is rotated about its central axis in the coating step (c) and in the electrochemical etching step (b') if present and/or that the electrode is rotated about the central axis of the base body. In this way, any differences in the current density over the circumference of the base body to be coated are compensated.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des 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 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.In a preferred embodiment of the method, several base bodies are coated simultaneously by placing several base bodies, for example 10-30 base bodies, axially spaced from one another in the electrolyte. For this purpose, several piston rings can be clamped onto a cylinder. The cylinder can have axially spaced recesses for receiving the piston rings. Preferably, two piston rings can be stacked in pairs on top of one another in a recess, whereby the outer peripheral surface and only one of the flank surfaces are coated. The surface of the base body of the piston ring to be coated is thus completely or partially in contact with the electrolyte. If the cylinder is not closed and the piston rings are rotated on the cylinder during the electrolytic coating, the piston rings can also be coated on the inner peripheral surface.

Die Dicke der Verschleißschutzschicht auf der inneren Umfangsfläche des Grundkörpers ist bevorzugt geringer als die Dicke der Verschleißschutzschicht auf der äußeren Umfangsfläche.The thickness of the wear protection layer on the inner peripheral surface of the base body is preferably less than the thickness of the wear protection layer on the outer peripheral surface.

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.It is understood that the features mentioned above and those to be explained below can be used not only in the combinations specified, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.

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 Ausschnitt der umlaufenden scharfen Abstreifkante des erfindungsgemäßen Kolbenrings,
4 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbenrings und
5 zeigt eine schematische Anordnung für das Beschichtungsverfahren.

The invention is explained in more detail below by way of example with reference to the accompanying figures, which also disclose features essential to the invention.

1 shows an embodiment of the piston ring according to the invention,
2 shows a section through an embodiment of the piston ring according to the invention,
3 shows a section of the circumferential sharp scraper edge of the piston ring according to the invention,
4 shows a section through another embodiment of the piston ring according to the invention and
5 shows a schematic arrangement for the coating process.

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, 3 und 4.In 1 an embodiment of the coated piston ring 1 according to the invention is shown, with an inner circumferential surface 11, a first flank surface 6 and an outer circumferential surface 8. The radial direction R1 runs from the center of the piston ring in the direction of the outer circumferential surface. A and B show a section axis through the piston ring 1 for the following 2 , 3 and 4 .

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. 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. 2 shows a section through an embodiment of the coated piston ring 1 according to the invention in the direction of the section axis AB according to 1 . The piston ring 1 has a metallic base body 9 and a metallic wear protection layer 10, wherein the base body 9 has an inner peripheral surface 2, a first flank surface 3, a second flank surface 4 and an outer peripheral surface 5 and the coated piston ring 1 has an inner peripheral surface 11, a first flank surface 6, a second flank surface 7 and an outer peripheral surface 8. The outer peripheral surface 8 serves as the running surface of the piston ring 1. In the embodiment shown, the piston ring 1 is provided on all sides with a metallic wear protection layer 10. The radial direction R1 runs from the center of the piston ring in the direction of the outer peripheral surface and the axial direction R2 from the second flank surface 7 of the coated piston ring 1 to the first flank surface 6 of the coated piston ring 1, parallel to the inner peripheral surface 2 of the base body 9. The sharp edges are characterized by an approved burr ≤ 0.02 mm according to DIN ISO 13715 (+ 0.02) or an approved removal ≤ 0.05 mm (- 0.05).

3 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). 3 shows a section of a sharp, circumferential scraper edge 12 of the piston ring 1 according to the invention using the example of abrasion. The scraper edge 12 is formed by the transition between the first flank surface 6 of the coated piston ring 1 and the outer circumferential surface 8 of the coated piston ring 1. The abrasion A is the deviation within the ideal geometric shape, ie the distance from the mathematical edge point 13. The scraper edge 12 is sharp-edged if the abrasion A in the radial direction R1 and in the axial direction R2 are each ≤ 0.05 mm (- 0.05).

4 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen, beschichteten Kolbenrings 1 in Richtung der Schnittachse A-B gemäß 1, bei der die Dicke der Verschleißschutzschicht 10 auf der ersten Flankenfläche 3 und der zweiten Flankenfläche 4 in radialer Richtung R1 von innen nach außen zunimmt und die axiale Höhe des Grundkörpers 9 von innen nach außen abnimmt. In der gezeigten Ausführungsform ist der Kolbenring 1 allseitig mit einer metallischen Verschleißschutzschicht 10 versehen. 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. 4 shows a section through a further embodiment of the coated piston ring 1 according to the invention in the direction of the section axis AB according to 1 , in which the thickness of the wear protection layer 10 on the first flank surface 3 and the second flank surface 4 increases from the inside to the outside in the radial direction R1 and the axial height of the base body 9 decreases from the inside to the outside. In the embodiment shown, the piston ring 1 is provided on all sides with a metallic wear protection layer 10. The coated piston ring 1 has a height H _K,I on the inside, i.e. on the inner peripheral surface 11, and a height H _K,A on the outside, i.e. on the outer peripheral surface 8. The base body 9 has a height H _G,I on the inside, i.e. on the inner peripheral surface 2, and a height H _G,A on the outside, i.e. on the outer peripheral surface 5. The thickness of the wear protection layer 10 on the first and/or second flank surface 3, 4 of the base body 9 at the level of the outer peripheral surface 5 is designated by D _{F, A} , the thickness of the wear protection layer 10 on the first and/or second flank surface 3, 4 of the base body 9 in the middle between the inner and outer peripheral surface (2, 5) is designated by D _{F, M} , the thickness of the wear protection layer 10 on the first and/or second flank surface 3, 4 of the base body 9 at the level of the inner peripheral surface 2 is designated by D _{F, I} and the thickness of the wear protection layer on the outer peripheral surface 5 of the base body is designated by D _{U, A.}

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. 5 shows a schematic arrangement for carrying out the method according to the invention. The arrangement comprises the electrolysis vessel 14 in which the electrolyte 15 is located, which forms the surface 16, and the base body 9 of the piston ring, which is rotated about its central axis 17, as well as the electrode 18, which is located outside the base body 9 in the radial direction R1.

Claims

Coated piston ring with a metallic base body (9) which has an inner circumferential surface (2), a first flank surface (3), a second flank surface (4) and an outer circumferential surface (5), wherein the outer circumferential surface (5) and the first flank surface (3) and/or the second flank surface (4) are provided with an electrochemically applied, continuous metallic wear protection layer (10), characterized in that the outer circumferential surface (8) of the coated piston ring (1) and at least one of the flank surfaces (6, 7) of the coated piston ring (1) form a circumferential sharp outer edge (12) with a burr ≤ 0.02 mm or a removal ≤ 0.05 mm, the metallic wear protection layer (10) is a hard chrome layer in which solid particles are embedded, the thickness of the metallic wear protection layer (10) is the first flank surface (3) and/or the second flank surface (4) increases in the radial direction (R1) from the inside to the outside and the axial height of the base body decreases in the radial direction (R1) from the inside to the outside and the ratio between the axial height of the base body on the inside of the piston ring (H _{G, I} ) and the axial height of the base body on the outside of the piston ring (H _{G, A} ) is 1.005 - 1.15.

Coated piston ring according to Claim 1 , characterized in that the circumferential sharp outer edge (12) has a removal rate of ≤ 0.05 mm and no burr.

Coated piston ring according to Claim 1 or 2 , characterized in that the first flank surface (3) and the second flank surface (4) are provided with the metallic wear protection layer (10).

Coated piston ring according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that additionally the inner peripheral surface (2) of the base body (9) is provided with the metallic wear protection layer (10).

Coated piston ring according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that the thickness (D _F,M ) of the wear protection layer (10) on the first and/or second flank surface (3, 4) in the middle between the inner and outer peripheral surface (2, 5) is 1 to 20 µm and the thickness (D _{F, A} ) of the wear protection layer (10) on the first and/or second flank surface (3, 4) at the level of the outer peripheral surface (5) is 5 to 100 µm.

Coated piston ring according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that a running-in layer is additionally applied to the metallic wear protection layer (10).