DE102013206729A1

DE102013206729A1 - Kolbenring und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102013206729A1
Application number: DE201310206729
Authority: DE
Inventors: Steffen Hoppe; Markus Kellner
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2013-04-16
Filing date: 2013-04-16
Publication date: 2014-10-16
Anticipated expiration: 2033-04-17
Also published as: WO2014170034A3; DE102013206729B4; WO2014170034A2

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings bereitgestellt, umfassend Bereitstellen eines Grundkörpers aus einer Eisenbasislegierung, Abscheiden einer Beschichtung auf der Laufflächenseite des Grundkörpers, und Erzeugen einer Strukturierung in der Beschichtung, wobei die Strukturierung mindestens eine erste Reihe von Vertiefungen, die in einem periodischen Muster in Umfangsrichtung verteilt sind, und mindestens eine zweite Reihe von Vertiefungen umfasst, die in einem periodischen Muster in Umfangsrichtung verteilt sind, wobei das Muster der zweiten Vertiefungen dem Muster der ersten Vertiefungen, verschoben um eine Länge zwischen 0,25 und 0,75 Perioden, entspricht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenring mit einer verbesserten Fähigkeit, Mangelschmierbedingungen in modernen Verbrennungsmotoren zu bestehen, der ebenso durch Stabilisierung der hydrodynamischen Bedingungen die Anteile von Mischreibung zu minimieren vermag, um somit Reibungsverluste zu reduzieren sowie die Lebensdauer von Kolbenringen zu erhöhen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung dieses Kolbenrings.
Bekannt sind Kolbenringe aus Eisenbasiswerkstoffen mit verschiedenen Beschichtungen zur Verschleiß- und Reibungsminderung, wobei die Fähigkeit des Verschleiß- und Reibverhaltens unter Mangelschmierbedingungen in erster Linie durch das Benetzungsverhalten und die chemische Beständigkeit der jeweiligen Kolbenringbeschichtung sowie die Balligkeit der Laufflächengeometrie gesteuert wird. Hierbei haben sich PVD- und DLC-Beschichtungen als gute Lösung erwiesen.
Keine der bekannten Lösungen ist jedoch in der Lage, die Ausbildung des Ölfilms gezielt zu verändern, insbesondere dann, wenn am oberen und unteren Totpunkt des Kolbens infolge der auf Null zurückgehenden Gleitgeschwindigkeit des Kolbenringes über die Zylinderlaufbahn nur ein sehr geringer Anteil an hydrodynamischer Reibung vorhanden ist.
Bisher bekannte Möglichkeiten der Strukturierung von Oberflächen, unter anderem von Zylinderlautbahnen, ergeben nur extrem dünne bzw. oberflächennahe Strukturen, so dass eine längere Beeinflussung der Ölfilmausbildung bei typischen Verschleißraten auf der Lauffläche von Kolbenringen nicht gegeben ist. Andere Methoden zur Erzeugung von strukturierten Oberflächen auf Kolbenringen sind an die Bildung von chrombasierten Schichten gebunden, ebenso besteht eine starke Einschränkung im Design der Strukturierung.
Aufrauhungen oder Anätzungen der Chromschichtoberfläche besitzen beispielsweise nur eine geringe Tiefe, so dass schon durch den Einlauf im Betrieb die Chromschicht glattgeschliffen wird und dann wie eine unbehandelte Schicht mit schlechter Ölbenetzbarkeit wirkt. Sowohl die Aufrauh- bzw. Anätzverfahren schädigen außerdem das Gefüge der Chromschichten. Chromschichtteile können ausbrechen und als harte abrasive Teilchen Verschleißschäden am Kolbenring und der Zylinderwand hervorrufen.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings bereitgestellt, umfassend:
Bereitstellen eines Grundkörpers aus einer Eisenbasislegierung;
Abscheiden einer Beschichtung auf der Laufflächenseite des Grundkörpers; und
Erzeugen einer Strukturierung in der Beschichtung, wobei die Strukturierung umfasst:
mindestens eine erste Reihe von Vertiefungen, die in einem periodischen Muster in Umfangsrichtung verteilt sind; und
mindestens eine zweite Reihe von Vertiefungen, die in einem periodischen Muster in Umfangsrichtung verteilt sind, wobei das Muster der zweiten Vertiefungen dem Muster der ersten Vertiefungen, verschoben um eine Länge zwischen 0,25 und 0,75 Perioden, entspricht.
Ein mit einem derartigen Verfahren hergestellter Kolbenring weist ein verbessertes Verschleiß- und Reibungsverhalten durch optimale Ölfilmausbildung auf, insbesondere unter Mangelschmierbedingungen. Das Verfahren zur Herstellung ist einfach, kostengünstig und schnell ausführbar. Die beiden Muster sind vorzugsweise so gegeneinander verschoben, dass die Vertiefungen der einen Reihe axial mittig über bzw. unter den Lücken zwischen den Vertiefungen der anderen Reihe angeordnet sind, d. h. um eine Länge von 0,5 Perioden verschoben.
Durch die versetzte Anordnung können zwei Vorteile erreicht werden:

1) Durch den Versatz wird gewährleistet, dass jede Vertiefung ausreichend freie Strecke zum An- und Ablaufen (vor und nach der Vertiefung) des Fluids (= Schmierstoff) hat, was wiederum für stabile Strömungsbedingung sorgt.
2) Durch den Versatz der Vertiefungen wird ein Gasseneffekt verringert, bei dem Bereiche entstehen, in denen Schmierstoff ohne Effekteinfluss den Ring passieren kann.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Tiefe der Vertiefungen kleiner als die Dicke der Beschichtung, so dass die Laufflächenseite des Grundkörpers an den Vertiefungen nicht freiliegt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Tiefe mindestens einiger der Vertiefungen gleich der Dicke der Beschichtung ist, so dass die Laufflächenseite des Grundkörpers an diesen Vertiefungen freiliegt.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Abscheiden der Beschichtung auf der Lauffläche des Grundkörpers ausgeführt mit einem von:
Nitrieren;
Galvanisieren;
Verchromen;
Thermisches Spritzen;
Physikalische Gasphasenabscheidung;
Chemische Gasphasenabscheidung;
Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung.
Die Laufflächenbeschichtung kann beispielsweise eine Nitrierschicht, eine galvanisch erzeugte Chromschicht mit oder ohne Hartstoffeinlagerungen, eine thermische Spritzschicht oder eine mittels PVD oder PACVD hergestellte Beschichtung sein.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Erzeugen einer Strukturierung in der Beschichtung durch Bestrahlung mit einem Ultra-Kurzpuls-Laser. Beispielweise ist ein Ultra-Kurzpuls-Laser im IR-Bereich (1030 nm oder 1064 nm) mit hoher Pulsenergie geeignet, z. B. 300–600 μJ. Der Laser kann beispielhaft die folgenden Laserparameter aufweisen:

– Pulsdauer: 6–10 ps
– Frequenz: 100–300 kHz
– Leistung 60–100 W
– Leistung pro Teilstrahl: ca. 0,6·maximale Leistung/Anzahl Strahlen = 180~300 mW

Der Laserstrahl kann mittels eines diffraktiven optischen Elements (DOE) auf mehrere Einzelstrahlen aufgeteilt werden, wodurch entsprechend mehrere Vertiefungen gleichzeitig eingebracht werden können. Die Laserleistung pro Einzelstrahl kann dabei < 1 W sein.
Zur Herstellung von erfindungsgemäß mit Laufflächenlöchern versehenen Kolbenringen können einer oder mehrere Kolbenringe zu einem zylindrischen Paket gespannt werden. Unter Rotation des Paketes wird der Laserstrahl über die Lauffläche geführt. Durch Steuerung der Laserstrahlimpulse, der Laserstrahlintensität und die Bündelung des Laserstrahles werden Vertiefungen mit den gewünschten Abmessungen in die Kolbenringlauffläche eingebrannt.
Gemäß einer Ausführungsform weisen die Vertiefungen einen Durchmesser im Bereich von 10–70 μm, bevorzugt 20–35 μm und eine Tiefe im Bereich von 4–20 μm, bevorzugt 8–10 μm auf.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Strukturierung weiter mindestens eine weitere Reihe von Vertiefungen, die in einer periodischen Muster in Umfangsrichtung verteilt sind, wobei die Muster der weiteren Vertiefungen der Muster der jeweils benachbarten Vertiefungen, verschoben um eine Länge zwischen 0,25 und 0,75 Perioden, entspricht.
Die Strukturierung kann auch noch eine oder mehrere weitere Reihen von Vertiefungen aufweisen, die axial oberhalb und/oder unterhalb der ersten bzw. zweiten Reihe angeordnet sind. Die jeweiligen Muster der zusätzlichen Reihen sind entsprechend gegenüber dem Muster der jeweils benachbarten Reihe verschoben.
Gemäß einer Ausführungsform liegt das Verhältnis der Tiefe der Vertiefungen zur Dicke der Beschichtung im Bereich von 30 bis 90%.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt der Flächenanteil der Strukturierung an der Gesamtfläche 5–40%, bevorzugt 10–20%.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt der axiale Abstand b der Reihen 25–200 μm, bevorzugt 50–100 μm.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Vertiefungen in den Reihen regelmäßig im Abstand a angeordnet, wobei a 50–400 μm, bevorzugt 100–200 μm beträgt.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Kolbenring bereitgestellt, hergestellt nach einem Verfahren wie vorstehend beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt eine dreidimensionale Querschnittsansicht eines Kolbenrings gemäß einer ersten Ausführungsform;
2a und 2b zeigen zwei Querschnitte durch den Kolbenring von 1;
3a und 3b zeigen zwei Querschnitte eines Kolbenrings einer weiteren Ausführungsform; und
4 zeigt eine Aufsicht auf ein Muster der Strukturierung gemäß einer Ausführungsform.
Detaillierte Beschreibung
1 zeigt einen Kolbenring gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Kolbenring weist einen Grundkörper 1 auf, der einem offenen Ring mit einem Ringstoß entspricht (nicht gezeigt). Auf der radial äußeren Seite des Grundkörpers 1 ist eine Laufflächenbeschichtung 2 aufgebracht. Die Laufflächenbeschichtung 2 kann beispielsweise eine Nitrierschicht, eine galvanisch erzeugte Chromschicht mit oder ohne Hartstoffeinlagerungen, eine thermische Spritzschicht oder eine mittels PVD oder PACVD hergestellte Beschichtung sein.
In die Laufflächenbeschichtung 2 sind mehrere Vertiefungen 3 eingebracht. Diese Vertiefungen 3 sind in Reihen angeordnet, und in jeder Reihe in einem periodischen Muster verteilt. Bei der gezeigten Ausführungsform sind drei Reihen vorhanden, möglich sind aber auch lediglich zwei oder mehr als drei Reihen.
Bei der Verteilung in einer Reihe kann es sich wie hier gezeigt um ein regelmäßiges Muster handeln, also etwa eine Verteilung mit gleichmäßigem Abstand a zwischen den Vertiefungen, d. h. die Periodenlänge beträgt hier a. Genauso sind aber auch andere Muster möglich, solange diese eine feste Periode aufweisen.
Die Vertiefungen jeder Reihe sind gegenüber den Vertiefungen in der jeweils benachbarten Reihe versetzt. In der hier gezeigten Ausführungsform sind die Vertiefungen jeweils mittig zwischen den Vertiefungen einer benachbarten Reihe angeordnet. Möglich sind aber auch andere Versatzwerte, bevorzugt zwischen 0,25 und 0,75 einer Periodenlänge.
In den 2a und 2b sind Querschnitte des Kolbenrings gemäß 1 an den Stellen A-A bzw. B-B gezeigt. 2a zeigt einen Schnitt durch eine Stelle A-A, der durch Vertiefungen 3 der äußeren Reihen verläuft. 2b zeigt einen Schnitt durch eine Stelle B-B, der durch eine Vertiefung 3 der mittleren Reihe verläuft.
Wie aus den 2a und 2b zu ersehen ist, ist die Tiefe der Vertiefungen 3 in dieser Ausführungsform kleiner als die Dicke der Laufflächenbeschichtung 2. Die Vertiefungen 3 erstrecken sich nicht bis in den Grundkörper 1 des Kolbenrings.
Eine zu der Ausführungsform von 2a alternative Ausführungsform zeigt die 3a. Hier ist die Tiefe der Vertiefungen 3 gleich der Dicke der Beschichtung 2. Das bedeutet, dass an diesen Vertiefungen 3 die Laufflächenseite des Grundkörpers 1 freiliegt.
Eine zu der Ausführungsform von 2b alternative Ausführungsform zeigt die 3b. Hier ist die Tiefe der Vertiefung 3 größer als die Dicke der Beschichtung 2. Das bedeutet, dass sich diese Vertiefung 3 bis in den Grundkörper 1 des Kolbenrings hinein erstreckt.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist die Tiefe der Vertiefungen 3 pro Reihe konstant und die Tiefe von Vertiefungen verschiedener Reihen ist gleich. Alternativ kann die Tiefe von Vertiefungen aber auch je Reihe variieren. Reihen mit verschiedenen Tiefen können beliebig kombiniert werden, etwa eine mittlere Reihe entsprechend der 3b und äußere Reihen entsprechend der 3a. Erfindungsgemäß ist es aber auch möglich, Vertiefungen mit verschiedenen Tiefen pro Reihe vorzusehen.
4 stellt ein bevorzugtes Muster der Vertiefungen in einer Aufsicht dar. Hier ist zu ersehen, dass die Vertiefungen regelmäßig im Abstand a angeordnet sind bzw. das Muster die Periodenlänge a aufweist, und dass benachbarte Reihen von Vertiefungen jeweils um eine halbe Periodenlänge a/2 gegeneinander versetzt sind. Die Reihen von Vertiefungen sind axial um den Abstand b voneinander beabstandet. Beispielhaft können a = 100–200 μm und b = 50–100 μm betragen.
Mit dem erfindungsgemäßen Kolbenring wird ein verbessertes Verschleiß- und Reibungsverhalten durch optimale Ölfilmausbildung erreicht, insbesondere unter Mangelschmierbedingungen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings, umfassend: Bereitstellen eines Grundkörpers aus einer Eisenbasislegierung; Abscheiden einer Beschichtung auf der Laufflächenseite des Grundkörpers; und Erzeugen einer Strukturierung in der Beschichtung, wobei die Strukturierung umfasst: mindestens eine erste Reihe von Vertiefungen, die in einem periodischen Muster in Umfangsrichtung verteilt sind; und mindestens eine zweite Reihe von Vertiefungen, die in einem periodischen Muster in Umfangsrichtung verteilt sind, wobei das Muster der zweiten Vertiefungen dem Muster der ersten Vertiefungen, verschoben um eine Länge zwischen 0,25 und 0,75 Perioden, entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Tiefe der Vertiefungen kleiner als die Dicke der Beschichtung ist, so dass die Laufflächenseite des Grundkörpers an den Vertiefungen nicht freiliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Tiefe mindestens einiger der Vertiefungen gleich der Dicke der Beschichtung ist, so dass die Laufflächenseite des Grundkörpers an diesen Vertiefungen freiliegt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Abscheiden der Beschichtung auf der Lauffläche des Grundkörpers ausgeführt mit einem von: Nitrieren; Galvanisieren; Verchromen; Thermisches Spritzen; Physikalische Gasphasenabscheidung; Chemische Gasphasenabscheidung; Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Erzeugen einer Strukturierung in der Beschichtung durch Bestrahlung mit einem Ultra-Kurzpuls-Laser erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vertiefungen einen Durchmesser im Bereich von 10–70 μm, bevorzugt 20–35 μm und eine Tiefe im Bereich von 4–20 μm, bevorzugt 8–10 μm aufweisen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Strukturierung weiter umfasst: mindestens eine weitere Reihe von Vertiefungen, die in einer periodischen Muster in Umfangsrichtung verteilt sind, wobei die Muster der weiteren Vertiefungen der Muster der jeweils benachbarten Vertiefungen, verschoben um eine Länge zwischen 0,25 und 0,75 Perioden, entspricht.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verhältnis der Tiefe der Vertiefungen zur Dicke der Beschichtung im Bereich von 30 bis 90% liegt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Flächenanteil der Strukturierung an der Gesamtfläche 5–40%, bevorzugt 10–20% beträgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der axiale Abstand b der Reihen 25–200 μm, bevorzugt 50–100 μm beträgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vertiefungen in den Reihen regelmäßig im Abstand a angeordnet sind, wobei a 50–400 μm, bevorzugt 100–200 μm beträgt.
Kolbenring, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11.