-
Die Erfindung betrifft einen aus Stahl oder Stahlguss bestehenden Kolbenring.
-
An Kolbenringen kann durch einen Wärmebehandlungsprozess unter Stickstoffatmosphäre eine verschleißfeste Nitrierschicht erzeugt werden, die verfahrensbedingt an allen freien Flächen des Kolbenrings auftritt. Nitrierte Oberflächen und insbesondere nitrierte Kanten sind ausbruchsempfindlicher als das nicht nitrierte Grundmaterial des Kolbenrings. Die Gefahr von Ausbrüchen ist insbesondere an solchen Kanten besonders hoch, an denen beide an die Ecke angrenzenden Flächen nitriert sind.
-
Darüber hinaus verändert eine Nitrierschicht auch den Eigenspannungszustand des Werkstoffs.
-
An dünnwandigen Kolbenringen kann eine lokal unterschiedliche Nitrierschichtausbildung zu einem unerwünschten Verzug des Rings führen, wobei unterschiedliche Nitrierschichtdicken auf der Lauffläche und der Innenseite dabei zu einem veränderten Druckverhalten des Rings am Stoß, insbesondere im motorischen Betrieb, führen.
-
Schließlich verringert eine Nitrierschicht die Dauerfestigkeit des Kolbenrings.
-
Der
WO 03/098079 A1 ist ein Stahlkolbenring, beinhaltend eine Lauffläche, eine Innenfläche sowie dazwischen vorgesehen obere und untere Flanken, zu entnehmen. Die Lauffläche ist zumindest partiell mit einer Laufflächenbeschichtung versehen, wobei zumindest auf den Flanken eine, mittels Plasmanitrieren erzeugte, Nitrierschicht vorgesehen ist. Bei weitestgehender Schichtfreiheit auf der Innenseite soll die Nitrierschicht ausschließlich auf den Flanken vorgesehen sein.
-
Der
DE 35 06 746 A1 ist ein Kolbenring zu entnehmen, der aus Stahl oder Gusseisen gebildet ist und über seine gesamten Oberflächen eine nitrierte Schicht aufweist, welche sich aus einer Diffusionsschicht und einer über dieser liegenden Verbundschicht zusammensetzt, wobei an der äußeren Umfangsfläche des Ringkörpers wenigstens die Verbundschicht entfernt ist und wobei auf der äußeren Umfangsfläche des Ringkörpers eine plattierte oder aufgespritzte Schicht gebildet ist.
-
Die
DE 10 2005 023 627 B4 offenbart einen Stahlkolbenring 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.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Kolbenringdesign bereitzustellen, wobei an einem Kolbenring aus Stahl oder Stahlguss die Gefahr von Ausbrüchen, insbesondere in Kantenbereichen, minimiert werden soll, des Weiteren der Eigenspannungszustand des Kolbenrings, bei gleichzeitiger Erhöhung der Dauerfestigkeit, verbessert werden soll und die Anfälligkeit der Oberflanke gegen chemischen Angriff verringert werden soll.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen aus Stahl oder Stahlguss bestehenden Kolbenring, beinhaltend eine Lauffläche, die zumindest partiell mit einer verschleißfesten Beschichtung versehen ist, eine innere Umfangsfläche sowie zwischen Lauffläche und innerer Umfangsfläche sich erstreckende obere und untere Flanken, wobei ausschließlich die untere Flanke mit einer Nitrierschicht und die Lauffläche mit einer PVD-, respektive einer CVD-Schicht vorgebbarer Schichtdicke versehen ist.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
-
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Kolbenringdesigns ist, dass durch die fehlende Nitrierschicht auf der Ringinnenseite und der Lauffläche keine den Radialdruck negativ beeinflussende Spannungen vorhanden sind. Die ausschließlich auf der unteren Flanke zu findende Nitrierschicht vorgebbarer Schichtdicke bewirkt dort eine hohe Verschleißfestigkeit. Gleichzeitig wird durch die auf der unteren Flanke vorgesehene Nitrierschicht das Ölabstreifverhalten des Kolbenrings verbessert.
-
Das bei vorhandener Kammerung freistehende Grundgefüge des Kolbenrings, oberhalb und unterhalb der verschleißfesten Schicht, insbesondere der PVD- oder CVD-Schicht, bewirkt darüber hinaus eine verbesserte Dauerfestigkeit des Kolbenrings.
-
Der zumindest teilweise nicht nitrierte Übergangsbereich an der unteren Flanke, respektive dem Übergangsabschnitt, sowie die nicht nitrierte obere Flanke erhöhen darüber hinaus die Dauerfestigkeit und verringern die Ausbruchgefahr an den Kanten des Kolbenrings.
-
Die nicht nitrierte obere Flanke verbessert des Weiteren die Widerstandsfähigkeit gegen chemischen Angriff, wie er vielfach bei alternativen Kraftstoffen nötig wird.
-
Schließlich kann durch die reduzierte Bruchgefahr auf der Innenseite auch eine erhöhte Bruchsicherheit bei der Montage des Kolbenrings herbeigeführt werden.
-
Einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß, beträgt die Schichtdicke der auf der unteren Flanke vorgesehenen Nitrierschicht ≤ 30 µm.
-
Des Weiteren wird vorgeschlagen, den gerundeten Übergangsbereich und/oder den gerundeten Übergangsabschnitt mit einem Verrundungsradius R zwischen > 30 und 70 µm auszubilden. Der Verrundungsradius R ist somit größer als die Nitrierschichtdicke. Hierdurch ist der Übergangsbereich, respektive der Übergangsabschnitt, zumindest bereichsweise, nitrierschichtfrei, wodurch die Dauerfestigkeit verbessert und die Ausbruchneigung an den Kanten vermindert werden.
-
Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen:
-
1 Ringdesign eines erfindungsgemäßen Kolbenrings;
-
2 Ringdesign eines alternativen erfindungsgemäßen Kolbenrings.
-
1 zeigt einen aus Stahl bestehenden Kolbenring 1, beinhaltend eine Lauffläche 2, eine innere Umfangsfläche 3, eine obere Flanke 4 sowie eine untere Flanke 5. Im Bereich der Lauffläche 2 ist in diesem Beispiel keine Kammerung vorgesehen, vielmehr ist die Lauffläche 2 in diesem Beispiel mit einer PVD-Schicht 2‘ überzogen. Erfindungsgemäß wird ausschließlich die untere Flanke 5 mit einer Nitrierschicht 6 versehen. Die Schichtdicke a der Nitrierschicht 6 soll in diesem Beispiel 20 µm betragen. Zur Vermeidung von Ausbrüchen, insbesondere an der unteren Kante des Kolbenrings 1, wird ein Übergangsbereich 7 gebildet, der weitestgehend nitrierschichtfrei ausgebildet ist.
-
Der im Bereich der ebenfalls nitrierschichtfreien inneren Umfangsfläche 3 gebildete Übergangsabschnitt 8, der von der inneren Umfangsfläche 3 in die untere Flanke 5 einläuft, ist ebenfalls weitestgehend nitrierschichtfrei ausgebildet. Der Übergangsbereich 7, respektive der Übergangsabschnitt 8, soll in gerundeter Form vorgesehen werden. Dies kann beispielsweise durch Bürsten der Kanten herbeigeführt werden. In der Teilansicht des Übergangsabschnitts 8 ist die nitrierschichtfreie innere Umfangsfläche 3 sowie die untere Flanke 5 zu erkennen, die mit der Nitrierschicht 6 versehen ist. Der Übergangsabschnitt 8, der von der inneren Umfangsfläche 3 in die Flanke 5 einläuft, ist verrundet ausgebildet, wobei hier ein Verrundungsradius R von 50 µm gegeben sein soll. Bedingt durch die geringere Schichtdicke a der Nitrierschicht 6 sowie der größer ausgebildeten Verrundung R des Übergangsabschnitts 8 ist die Kante zumindest teilweise nitrierschichtfrei, wodurch die Dauerfestigkeit verbessert und die Ausbruchneigung an der inneren und äußeren Kante vermindert wird.
-
2 ist eine Alternative zu dem in 1 angesprochenen Kolbenringdesign. Gleiche Bauteile sind jedoch mit gleichen Bezugszeichen versehen.
-
Der Kolbenring 1‘ ist, mit Ausnahme einer Querschnittsstörung 9, gebildet durch eine Fase zwischen der oberen Flanke 4 und der inneren Umfangsfläche 3, entsprechend dem in 1 dargestellten Kolbenring 1 ausgebildet.
-
Mit Ausnahme der im Bereich der unteren Flanke 5 gegebenen Nitrierschicht 6 sind die verbleibenden Flächenbereiche des Kolbenrings 1‘ nitrierschichtfrei ausgebildet.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kolbenring
- 1‘
- Kolbenring
- 2
- Lauffläche
- 2‘
- PVD-Schicht (Beschichtung)
- 3
- innere Umfangsfläche
- 4
- obere Flanke
- 5
- untere Flanke
- 6
- Nitrierschicht
- 7
- Übergangsbereich
- 8
- Übergangsabschnitt
- 9
- Querschnittsstörung
- a
- Schichtdicke
- R
- Verrundung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- WO 03/098079 A1 [0006]
- DE 3506746 A1 [0007]
- DE 102005023627 B4 [0008]
