DE102012022268B4

DE102012022268B4 - Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings sowie danach hergestellter Kolbenring

Info

Publication number: DE102012022268B4
Application number: DE201210022268
Authority: DE
Inventors: Klaus Meyer; Jörn Pröpper
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2012-11-14
Filing date: 2012-11-14
Publication date: 2014-07-17
Anticipated expiration: 2032-11-15
Also published as: DE102012022268A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines, eine Lauffläche (2), eine innere Umfangsfläche (3) sowie dazwischen sich erstreckende Flankenflächen (4, 5) aufweisenden, Kolbenrings (1), indem ein metallischer Grundkörper zumindest im Bereich seiner Lauffläche (2) mit mindestens einer Hartstoffschicht (6), insbesondere einer PVD-, CVD- oder DLC-Schicht, versehen wird und in diese Hartstoffschicht (6), in Umfangsrichtung gesehen, zumindest partiell kanalartig sich zwischen den Flankenflächen (4, 5) erstreckende Unterbrechungen (7, 8) eingebracht werden, wobei die eine vorgebbare Tiefe und Breite aufweisenden Unterbrechungen (7, 8) laufflächenseitig bis in den Bereich der jeweiligen Flankenfläche (4, 5) einlaufen, die Unterbrechungen (7, 8) mit einer Breite von maximal 50 μm, insbesondere < 30 μm, erzeugt werden und die Hartstoffschicht (6) zumindest bis 80% ihrer Schichtdicke durchtrennt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines, eine Lauffläche, eine innere Umfangsfläche sowie dazwischen sich erstreckende Flankenflächen aufweisenden, Kolbenrings.
Infolge steigender Leistungsdichte sowohl im Otto- als auch im Dieselmotor steigt in gleichem Maße die Belastung der Kolbenringe im Hinblick auf Verschleiß- und Temperaturbeständigkeit. Um diesem Anspruch gerecht zu werden, kommen zunehmend neben den etablierten Laufflächenbeschichtungen, wie Chrom und Nitrieren, auch sehr harte Schichtsysteme, wie PVD oder DLC, zum Einsatz. Der Härtegrad bringt gleichzeitig hohe Eigenspannungen mit sich, welche sowohl bei der Fertigung als auch im motorischen Einsatz eine unerwünschte Veränderung der Ringform und der Radialdruckverteilung erzeugen. Zudem kommt es besonders durch den im Verhältnis zum Ringgrundmaterial wesentlich geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten sowie dem höheren Elastizitätsmodul zum so genannten Bimetalleffekt, der dafür sorgt, dass es unter den vorliegenden Betriebstemperaturen zu einem erhöhten Druck, insbesondere im Bereich des Stoßes, kommt, wodurch wiederum ein erhöhter Laufflächenverschleiß in dieser Zone gegeben ist.
Eine mögliche Gegenmaßnahme wäre eine angepasste Auslegung der Kolbenringgeometrie (beispielsweise negative Ovalität), welche den Radialdruck, insbesondere im Stoßbereich, im Extremfall bis hin zur Lichtspaltbildung herabsetzen könnte. Diese Vorgehensweise ist jedoch nur in engen Grenzen anwendbar, da bei zu starker Lichtspaltbildung die für den Motorstart erforderliche Kompression nicht mehr erreicht würde.
Die WO 03/091474 A1 offenbart ein Werkstück mit zumindest einer Funktionsfläche und einem wenigstens auf einem Teil der Funktionsfläche abgelegten Schichtsystem sowie einem Strukturmuster, das zumindest einen Teil des Schichtsystems umfasst und aus wenigstens einer dreidimensionalen Mikrostruktur, mit vorgebbarer Strukturtiefe besteht. Die dreidimensionale Mikrostruktur erstreckt sich von der Oberfläche des Schichtsystems bis in das Werkstück hinein, so dass dieses in einem unteren Bereich der Mikrostruktur unbeschichtet vorliegt. Bevorzugt kommen punktförmige Vertiefungen als Mikrostrukturen zum Einsatz, die kreisförmig, elliptisch, linienförmig, in Form von Vielecken oder als hexagonale bzw. kubische Punktmuster angeordnet sind. Das Ablegen des Schichtsystems kann mittels eines PVD-, eines CVD-, bevorzugt aber mittels eines kombinierten PVD-CVD-Verfahrens erfolgen. Das Werkstück kann ein Gleitlager, eine Gleitdichtung, ein Dichtungsring, ein Kolbenring, ein Tassenstößel, ein Kipphebel oder eine Kurbelwelle sein.
In der DE 10 2010 038 868 A1 wird ein Kolbenring beschrieben, der auf seiner Innenseite mit einer Innenbeschichtung versehen ist, die einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material des Kolbenrings.
Durch die DE 42 31 678 A1 ist ein Reibkörper in Form eines Verbundkörpers bekannt geworden. Angesprochen werden hier Bremsbänder, Kupplungsbelege oder dergleichen, bei welchen auf einem Metallträger eine Reibschicht aufgebracht ist. Die zumindest aus einer Schicht bestehende Reibschicht kann, zumindest weitgehend, mittels energiereichen Strahlen, wie Laserstrahlen, Elektronenstrahlen oder Wasserstrahlen, durchtrennt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings bereitzustellen, bei welchem der eingangs angeführte negative Bimetalleffekt im motorischen Betrieb nicht mehr gegeben ist.
Darüber hinaus soll ein Kolbenring, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, vorgestellt werden, bei welchem durch den Bimetalleffekt bedingte Formänderungen im motorischen Betrieb nicht mehr auftreten.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines, eine Lauffläche, eine innere Umfangsfläche sowie dazwischen sich erstreckende Flankenflächen aufweisenden, Kolbenrings, indem ein metallischer Grundkörper zumindest im Bereich seiner Lauffläche mit mindestens einer Hartstoffschicht, insbesondere einer PVD-, CVD- oder DLC-Schicht, versehen wird und in diese Hartstoffschicht, in Umfangsrichtung gesehen, zumindest partiell kanalartig sich zwischen den Flankenflächen erstreckende Unterbrechungen eingebracht werden, wobei die eine vorgebbare Tiefe und Breite aufweisenden Unterbrechungen laufflächenseitig bis in den Bereich der jeweiligen Flankenfläche einlaufen, die Unterbrechungen mit einer Breite von maximal 50 μm, insbesondere < 30 μm, erzeugt werden und die Hartstoffschicht zumindest bis 80% ihrer Schichtdicke durchtrennt wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den zugehörigen verfahrensgemäßen Unteransprüchen zu entnehmen.
Diese Aufgabe wird auch gelöst durch einen Kolbenring, der nach diesem Verfahren hergestellt ist.
Der erfindungsgemäße Kolbenring beinhaltet einen Grundkörper, auf welchem laufflächenseitig mindestens eine Hartstoffschicht aufgebracht ist, wobei die Hartstoffschicht kanalartige Unterbrechungen vorgebbarer Tiefe und Breite aufweist, die sich zwischen den Flankenflächen erstrecken, insbesondere in selbige einlaufen.
Diese als Dehnungsfugen fungierenden kanalartigen Unterbrechungen können entweder in Kurvenform vorliegen oder aber geradlinig, jedoch diagonal zwischen den Flankenflächen verlaufend, ausgebildet werden.
Diese Dehnungsfugen weisen bevorzugt eine Breite von maximal 50 μm, insbesondere < 30 μm, auf.
Die Tiefe der Kanäle sollte mindestens bei 80% der jeweiligen Schichtdicke der Hartstoffschicht liegen.
Je nach Grundmaterial kann es bedarfsweise zweckmäßig sein, dass die kanalartig ausgebildeten Unterbrechungen (Dehnungsfugen) sich bis in den Werkstoff des Grundmaterials hinein erstrecken.
Der Erfindungsgegenstand ermöglicht eine optimale Gegenmaßnahme, um den unerwünschten Bimetalleffekt zwischen dem Grundmaterial des Kolbenrings und der Hartstoffschicht weitestgehend zu kompensieren, da die Unterbrechungen, zumindest die Hartstoffschicht nahezu vollständig sowohl in radialer als auch in axialer Richtung unterbrechen. Die Hartstoffschicht liegt somit, in Umfangsrichtung gesehen, lediglich in Form von Segmenten vor. Die Dehnungsfugen bildenden Unterbrechungen wachsen bei Erwärmung des Kolbenrings im Betriebszustand und kompensieren somit zumindest teilweise das unterschiedliche Wachstum zwischen dem Grundmaterial des Kolbenrings und der Hartstoffbeschichtung.
Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens hängt hierbei vom Abstand der Unterbrechungen in Umfangsrichtung ab. Je geringer die Abstände, desto stärker wird der Bimetalleffekt kompensiert. Die Abstände können auch variabel auf dem Ringumfang verändert werden, wodurch der Bimetalleffekt auch gezielt zur Veränderung der Radialdruckverteilung unter verschiedenen Lastzuständen eingesetzt werden kann.
Da sich rechtwinklig geradlinig von der unteren zur oberen Laufkante des Kolbenrings ausgeführte Unterbrechungen möglicherweise negativ hinsichtlich einer unsteten Radialdruckverteilung auswirken können, sollten die Kanäle bevorzugt eine insbesondere symmetrische Kurvenform aufweisen. Hierdurch entsteht zudem ein Labyrintheffekt, der einen möglichen Anstieg des Blow-Bys reduziert.
Alternativ können die Kanäle auch geradlinig, jedoch diagonal ausgeführt werden, um unter Temperatureinfluss ein Vertwisten des Kolbenrings hervorzurufen.
Als bevorzugte Herstellungsmethode werden lasergestützte Mikrostrukturierverfahren oder chemisches Ätzen vorgeschlagen.
Für die Beeinflussung des Bimetalleffekts, respektive des Radialdrucks, kann es sinnvoll sein, die Unterbrechungen nur in bestimmten Bereichen des Umfangs vorzusehen. Hierzu wäre der Kolbenring in Quadranten 24 unterteilen. Die Unterbrechungen können vorteilhafterweise, über einen bestimmten Umfangsabschnitt gesehen, in mindestens einem der Quadranten in die Hartstoffschicht eingebracht werden.
Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen:
1 Querschnitt durch einen Kolbenring;
2 und 3 Unterschiedliche Laufflächengestaltungen des Kolbenrings gemäß 1.
1 zeigt einen Kolbenring 1, beinhaltend eine Lauffläche 2, eine innere Umfangsfläche 3 sowie dazwischen verlaufende obere und untere Flankenflächen 4, 5. Der Kolbenring 1 soll in diesem Beispiel aus einem metallischen Grundkörper bestehen. Die Lauffläche 2 ist mit einer verschleißfesten Hartstoffschicht, beispielsweise einer PVD- oder DLC-Schicht 6, versehen.
Die 2 und 3 zeigen unterschiedliche Laufflächengeometrien der Hartstoffschicht 6 gemäß 1.
2 offenbart, dass zwischen den Flankenflächen 4 und 5 des Kolbenrings 1 geradlinig, jedoch nicht rechtwinklig, sondern vielmehr diagonal verlaufende Unterbrechungen 7 gegeben sind, die in diesem Beispiel eine Breite von etwa 20 μm aufweisen sollen. In dieser Darstellung laufen die Unterbrechungen 7 bis in die jeweilige Flankenfläche 4, 5 ein. Dies ist nicht in jedem Fall zwingend notwendig, da die Unterbrechungen auch bereits vor dem Einlaufen in die jeweilige Flankenfläche 4, 5 enden können.
3 zeigt eine Alternative zu 2. Die dargestellten kanalförmigen Unterbrechungen 8 sind symmetrisch kurvenförmig ausgebildet, wobei auch hier die Kanäle 8 bis in die Flankenflächen 4, 5 einlaufen. Analog zu 2 gilt, dass dies nicht zwingend notwendig ist.
Die Unterbrechungen 7, 8 gemäß 2 und 3 ergeben nicht nur eine Dehnungsfuge, um unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten des Grundwerkstoffs des Kolbenrings 1 sowie der Hartstoffschicht 6 zu begegnen, darüber hinaus wird auch ein Labyrintheffekt erzielt, durch welchen ein möglicher Anstieg des Blow-By reduziert werden kann.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines, eine Lauffläche (2), eine innere Umfangsfläche (3) sowie dazwischen sich erstreckende Flankenflächen (4, 5) aufweisenden, Kolbenrings (1), indem ein metallischer Grundkörper zumindest im Bereich seiner Lauffläche (2) mit mindestens einer Hartstoffschicht (6), insbesondere einer PVD-, CVD- oder DLC-Schicht, versehen wird und in diese Hartstoffschicht (6), in Umfangsrichtung gesehen, zumindest partiell kanalartig sich zwischen den Flankenflächen (4, 5) erstreckende Unterbrechungen (7, 8) eingebracht werden, wobei die eine vorgebbare Tiefe und Breite aufweisenden Unterbrechungen (7, 8) laufflächenseitig bis in den Bereich der jeweiligen Flankenfläche (4, 5) einlaufen, die Unterbrechungen (7, 8) mit einer Breite von maximal 50 μm, insbesondere < 30 μm, erzeugt werden und die Hartstoffschicht (6) zumindest bis 80% ihrer Schichtdicke durchtrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffschicht (6) über ihre Schichtdicke hinaus bis in den Werkstoff des Grundkörpers hinein durchtrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechungen (7, 8) durch einen Laser in die Hartstoffschicht (6) eingebracht oder durch chemisches Ätzen erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechungen (8) in Form von zwischen den Flankenflächen (4, 5) verlaufenden Kurven erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechungen (7) in Form von geradlinig, jedoch diagonal zwischen den Flankenflächen (4, 5) verlaufenden Kanälen erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Umfang des Kolbenrings in Quadranten aufgeteilt wird, wobei die Unterbrechungen insbesondere im stoßnahen Bereich der Umfangsflächn eingebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Unterbrechungen über einen Winkelbereich zwischen 20 und 80° des mindestens einen Quadranten erstrecken.
Kolbenring, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
Kolbenring nach Anspruch 8, beinhaltend einen insbesondere metallischen Grundkörper, auf welchem laufflächenseitig mindestens eine Hartstoffschicht (6) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffschicht (6) kanalartige Unterbrechungen (7, 8) vorgebbarer Tiefe und Breite aufweist, die sich zwischen den Flankenflächen (4, 5) erstrecken.
Kolbenring nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechungen (7, 8) in die obere und untere Flankenfläche (4, 5) einlaufen.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechungen (8) in Kurvenform vorliegen.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechungen (7) geradlinig, jedoch diagonal zwischen den Flankenflächen (4, 5) verlaufen.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechungen (7, 8) eine Breite von maximal 50 μm, insbesondere < 30 μm, aufweisen, wobei deren Tiefe mindestens 80% der jeweiligen Schichtdicke der Hartstoffschicht (6) beträgt.