DE112007000435B4

DE112007000435B4 - Kolbenring

Info

Publication number: DE112007000435B4
Application number: DE112007000435.5T
Authority: DE
Inventors: Tomotaka Kariya; Hideshi Hitosugi; Makoto Tsuruta
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd; STT Inc
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd; STT Inc
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2017-08-10
Anticipated expiration: 2027-02-28
Also published as: JPWO2007099968A1; US20090058014A1; JP5113737B2; CN101384841A; WO2007099968A1; DE112007000435T5; CN101384841B; US8240676B2

Abstract

Kolbenring (1, 60) mit einem Kolbenringhauptkörper (61) und einer filmartigen Oberflächenbeschichtung (62) entweder auf einer oberen oder einer unteren Oberfläche des Kolbenringhauptkörpers, oder sowohl auf der oberen als auch der unteren Oberfläche des Kolbenrings, wobei die filmartige Oberflächenbeschichtung ein hitzebeständiges Harz (63) mit einem kupferbasierten Pulver aufweist und wobei der Masseanteil des kupferbasierten Pulvers (64) in der gesamten filmartigen Oberflächenbeschichtung zwischen 20% und 80% beträgt, wobei das kupferbasierte Pulver aus reinem Kupfer, Kupferoxid oder einer Kupferlegierung besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das kupferbasierte Pulver eine plättchenartige Form und Partikel mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser zwischen 8 μm und 12 μm aufweist, wobei zwischen der Oberfläche des Kolbenringhauptkörpers und der filmartigen Oberflächenbeschichtung ein durch Phosphatisation der Oberfläche des Hauptkörpers hergestellter Haftvermittler vorhanden ist, und wobei das hitzebeständige Harz ein festes Schmiermittel enthält, welches aus der Gruppe bestehend aus Molybdändisulfid, Wolframdisulfid und Graphit gewählt ist, und wobei der Masseanteil des Schmiermittels in der gesamten filmartigen Oberflächenbeschichtung zwischen 2% und 10% beträgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenring zur Anwendung in einem Verbrennungsmotor und insbesondere einen Kolbenring, bei dem Aluminiumanhaftungen (Ablagerungen) wirksam verhindert werden können.
Technischer Hintergrund
Im Allgemeinen sind an einem Kolben, der eine sich wiederholende Bewegung ausführt, ein Verdichtungsring und ein Ölring als Satz von Kolbenringen angeordnet. Der Verdichtungsring soll dabei verhindern, dass unter hohem Druck stehende Abgase aus der Verbrennungsraumseite in die Kurbelraumseite strömen (Blow-By). Andererseits soll der Ölring hauptsächlich Phänomene unterdrücken, bei denen überschüssiges Schmiermittel an der inneren Wand des Zylinders von der Kurbelraumseite in die Verbrennungsraumseite gelangt (Oil-Up). Darüber hinaus sind Kombinationen bekannt, bei denen Kolbenringe derart kombiniert werden, dass eine Kombination von drei Ringen aus zwei Verdichtungsringen, mit einem oberen Ring und einem unteren Ring, sowie einem Ölring verwendet wird.
In jüngster Zeit, in Verbindung mit Gewichtseinsparung und großem Leistungsaufkommen von Verbrennungsmotoren, wurde die Qualität von Kolbenringen verbessert. Üblicherweise wird zur Verbesserung der Haltbarkeit von Kolbenringen für Verbrennungsmotoren eine Abriebsfestigkeitsoberflächenbehandlung, wie Nitrieren, Ionenplattieren oder eine Hartverchromung, der Gleitoberflächen durchgeführt.
Bei diesen Oberflächenbehandlungen kommt dem Nitrieren besondere Bedeutung zu, da Nitrieren insbesondere exzellente Abriebsfestigkeitseigenschaften ergibt. Deshalb ist diese Oberflächenbehandlung für einen Kolbenring, der unter rauen Betriebsbedingungen verwendet wird, weit verbreitet.
Obwohl ein Kolbenring, auf dem eine Nitrierlage ausgebildet wurde, gute Abnutzungseigenschaften aufweist, hat dieser, wenn er auf einem Kolben aus einer Aluminiumlegierung sitzt, die Tendenz, die Abnutzung der Ringnut des Kolbens zu verstärken. Darüber hinaus bilden sich aufgrund der Abnutzung der Ringnut des Kolbens, wie in 1(a) bis (c) gezeigt, Aluminiumanhaftungen. Dabei lagert sich Aluminium der unteren Oberfläche der Nut 11 eines Kolbens aus einer Aluminiumlegierung 10 auf der unteren Oberfläche 3 eines Kolbenrings 1 (1(c)) ab.
2(a) bis (c) sind Tabellen über die Veränderung der Oberflächenrauheit einer oberen Oberfläche 2 und einer unteren Oberfläche 3 einer Ringnut eines Kolbens, die mit einer Ablaufverfolgungs-Oberflächenrauheits-Testmaschine ermittelt wurden. In 2 sind die Oberflächeneigenschaften der oberen Oberfläche 2 und der unteren Oberfläche 3 der Ringnut des Kolbens gezeigt, die sich von einem normalen Zustand (2(a)) zu einem aufgerauten Kolbenabnutzungsstand (2(b)) bis zu einem Aluminiumanhaftungszustand (2(c)) ändern.
In 2(a) bis (c) entspricht jeweils die horizontale Achse der Kolbenposition und die vertikale Achse dem Aufquellen der Kolbenringnut. In den Figuren steht (F) für die Vorwärtsrichtung, (AT) für die Antischubrichtung, (R) steht für die Rückrichtung und (T) für die Schubrichtung.
Zudem zeigen die 3(a) bis (c) den Aluminiumanhaftungsvorgang. Die untere Oberfläche 3 des Kolbenrings 1 und die untere Oberfläche der Nut 11 des Kolbens aus einer Aluminiumlegierung 10 berühren einander über Oxidfilme 8 (0,2 μm oder weniger). Diese werden jeweils auf der Oberfläche ausgebildet (3(a)), wobei die Belastung des Oxidfilms 8 an sich berührenden Teilen sehr hoch wird und die Oxidfilme 8 stellenweise zerstört werden, wodurch sich Fe der unteren Oberfläche 3 des Kolbenrings 1 und Al der unteren Oberfläche der Ringnut 11 des Kolbens aus einer Aluminiumlegierung 10 (3(b)) vereinen und die Aluminiumlegierung 20 sich auf der unteren Oberfläche 3 des Kolbenrings 1 ablagert. Die vergrößerte Ansicht des Aluminiumablagerungsteils ist in 4 gezeigt. In 4 zeigt das Bezugszeichen 20 sich anhaftendes Aluminium, und das Bezugszeichen 21 zeigt die Vermengung aus Al und Fe.
Wie oben beschrieben, können, wenn eine teilweise Abnutzung (ebenso bekannt als aufgeraute Kolbennut) aufgrund von Ablagerungserscheinungen auf einem bestimmten Teil der Nut eines Kolbens mit der Auf- und Abbewegung des Kolbenrings auftritt, sich die Verdichtungseigenschaften eines Verbrennungsmotors durch vorbeiströmende Leckgase verschlechtern, was zur Absenkung der Leistung führt. Diese Erscheinung tritt innerhalb einer kurzen Zeitspanne an der unteren Seite der Ringnut eines Kolbens auf und beeinflusst die Haltbarkeit des Verbrennungsmotors stark. Daher wurden in herkömmlicher Weise viele Gegenmaßnahmen vorgeschlagen, um die Abnutzung der Kolbennut zu verhindern.
Als Gegenmaßnahme, um den direkten Kontakt zwischen Kolben und Kolbenring zu vermeiden und um die Abnutzung der Kolbennut zu verhindern, wurden zum Beispiel anodische Oxidbeschichtungsverfahren, Beschichtungsverfahren oder Matrixhärteverfahren (innerhalb des Kolbens) auf den Kolben angewandt, während Phosphatbeschichtungsbehandlungen oder Beschichtungsbehandlungen auf den Kolbenring angewandt wurden. Oder es wurde, wie in 5(a) und (b) gezeigt, ein Harzbeschichtungsverfahren 8 auf der Oberfläche des Kolbens 10 sowie eines Kolbenrings 1 ausgeführt (z. B. Defric (hergestellt von Kawamura Research Laboratories)).
Darüber hinaus wurde, um das oben genannte Problem zu beheben, ein Kolbenring entwickelt, der auf der unteren und oberen Oberfläche, oder der unteren Oberfläche, eine abnutzungsbeständige Behandlungsschicht, wie eine Nitritschicht oder eine Chromplatinierungsschicht, aufweist, und es wurde auf diese abnutzungsbeständige Behandlungsschicht ein Polybenzimidazolharzfilm, der ein festes Schmiermittel enthält (Siehe Patentreferenz 1), aufgebracht.
Darüber hinaus wurde von anderen als dem Anmelder der vorliegenden Anmeldung ein Kolbenring entwickelt, dessen Oberfläche mit einem hitzebeständigen Harz beschichtet wurde, welches feste Schmierstoffe enthält (z. B. Siehe Patentreferenz 2 und 3).

Patentreferenz 1: Veröffentlichte ungeprüfte japanische Patentanmeldung Nr. 07-063266
Patentreferenz 2: Veröffentlichte ungeprüfte japanische Patentanmeldung Nr. 10-246149
Patentreferenz 3: Veröffentlichte ungeprüfte japanische Patentanmeldung Nr. 11-246823

Offenbarung der Erfindung
Problemstellungen
Obwohl die oben beschriebenen, üblichen Gegenmaßnahmen im Anfangsstadium der Kolbenringnutzung die Wirkung haben, die Anhaftungen von Aluminium zu verhindern, wurden die mittelfristige und die langfristige Anwendung nicht genügend berücksichtigt. Daher ist eine Verbesserung der Haltbarkeit gewünscht.
Etwas spezifischer wurde bislang, beispielsweise in der Patentreferenz 1, die Oberflächenbeschichtung durch die Verwendung eines Polybenzimidazolharzes und eines festen Schmiermittels (C oder MoS₂) offenbart. Jedoch oxidiert Polybenzimidazolharz leicht, wenn es zur Bildung eines Films in flüssiger Harzform verwendet wird, und verschlechtert sich zudem im Laufe der Zeit. Deshalb muss es sehr vorsichtig angewendet werden. Darüber hinaus ist es in einigen Fällen schwierig, die Qualität über einen langen Zeitraum stabil zu halten.
In Patentreferenz 2 wird weiterhin die Oberflächenbeschichtung mit Polyamid-Imid-Harz oder Polyimid-Harz und einem festen Schmiermittel (Graphit, MoS₂, WS₂ oder Polytetrafluorethylen) offenbart. Diese Oberflächenbeschichtung kann jedoch die Aluminiumablagerungen nicht in befriedigender Weise verhindern, wobei zudem die hohen Kosten für die Beschichtungen ein Problem sind.
Auch in Patentreferenz 3 ist eine Oberflächenbeschichtung mit Polyamid-Imid-Harz oder Polyimid-Harz und MoS₂ als festem Schmiermittel mit Antimonoxid offenbart. Die Oberflächenbeschichtung mit dieser Kombination ist ebenso wenig zufrieden stellend, um die Aluminiumablagerung zu verhindern. Auch von der Verwendung von Antimonoxid ist abzusehen, da dies belastend für die Umwelt ist.
Aus der EP 0294 931 A1 ist ein Kolbenring mit einer selbstschmierenden, filmartigen Oberflächenbeschichtung bekannt.
Aus der WO 2004/113 749 A1 ist ein Gleitlager mit einer Metallpulverbeschichtung bekannt.
Aus der DE 39 03 722 A1 ist ein Kolbenring mit einer haftvermittelnden Oberflächenbeschichtung aus Harz bekannt.
Aus der JP S63-125 821 A ist ein Gleitelement mit einer hitzebeständigen Harzbeschichtung bekannt, wobei die Harzbeschichtung ein kupferbasiertes Pulver enthält.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht dieser Bedingungen gemacht und zielt darauf ab, einen Kolbenring zur Verfügung zu stellen, der die Ablagerung von Aluminium am Kolbenring wirksam verhindern kann.
Mittel, um das Problem zu lösen
Um die oben genannten Probleme zu lösen, zeigt die vorliegende Erfindung einen Kolbenring, der einen Kolbenringhauptkörper mit einer filmartigen Oberflächenbeschichtung entweder auf einer oberen oder einer unteren Oberfläche des Kolbenringhauptkörpers, oder sowohl auf der oberen als auch auf der unteren Oberfläche des Kolbenrings umfasst, wobei die filmartige Oberflächenbeschichtung ein hitzebeständiges Harz mit einem kupferbasierten Pulver aufweist und wobei der Massenanteil des kupferbasierten Pulvers in der gesamten filmartigen Oberflächenbeschichtung zwischen 20 und 80% beträgt.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei dem Kolbenring das kupferbasierte Pulver aus reinem Kupfer, Kupferoxid oder einer Kupferlegierung bestehen.
Auch ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei dem Kolbenring das kupferbasierte Pulver plättchenartig ausgebildet, und seine Partikel weisen einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser zwischen 8 und 12 μm auf.
Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei dem Kolbenring auf der Oberfläche des Kolbenringhauptkörpers, auf welcher die filmartige Oberflächenbeschichtung gebildet ist, ein chemisches Umwandlungsverfahren ausgeführt werden.
Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei dem Kolbenring das hitzebeständige Harz ein festes Schmiermittel enthalten, welches aus der Gruppe bestehend aus Molybdändisulfid, Wolframdisulfid und Graphit gewählt ist, wobei der Masseanteil des Schmiermittels in der gesamten filmartigen Oberflächenbeschichtung zwischen 2 und 10% betragen kann.
Ferner kann bei dem Kolbenring das kupferbasierte Pulver eine spezifische Oberfläche zwischen 0,6 und 0,9 mm²/g aufweisen.
Ferner kann bei dem Kolbenring der Anteil der Fläche der filmartigen Oberflächenbeschichtung, der von dem kupferbasierten Pulver bedeckt ist, zwischen 6 und 74% der Gesamtfläche liegen.
Ferner kann bei dem Kolbenring das hitzebeständige Harz ein Polyamid-Imid-Harz sein.
Wirkung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, zu vermeiden, dass sich an einem Teil der Ringnut Anhaftungen der Aluminiumlegierung des Kolbens bilden, die sich von diesem ablösen und an dem Kolbenring ablagern, da an entweder der oberen oder der unteren Oberfläche eines Kolbenrings oder auf beiden dieser Oberflächen ein Oberflächenbeschichtungsfilm aus hitzebeständigem Harz mit kupferbasiertem Pulver ausgebildet ist.
Bei den oben genannten Maßnahmen für die Abnutzungsbeständigkeit einer Kolbenringnut bzw. zur Vermeidung von Aluminiumanhaftungen (siehe Beschreibung des Stands der Technik) wird ein Oberflächenbeschichtungsfilm, welcher ein festes Schmiermittel enthält, auf der Oberfläche des Kolbenringhauptkörpers ausgebildet, um die Schmierfähigkeit zu erhalten. Für die vorliegende Erfindung ist jedoch charakteristisch, dass ein Oberflächenbeschichtungsfilm gebildet wird, der ein kupferbasiertes Pulver anstatt eines festen Schmiermittels enthält.
Üblicherweise wird zur weitestgehenden Reduzierung der Abnutzung der Kolbenringnut darauf abgezielt, die Schmierfähigkeit auf der Oberfläche des Kolbenrings zu verbessern. Denn wenn die Schmierfähigkeit auf der Oberfläche des Kolbenrings verbessert wird, wird die schädliche Wirkung des Kolbenrings bezüglich der Kolbenringnut beträchtlich reduziert und dadurch die Abnutzung der Kolbenringnut verhindert.
Diese Methode ist zwar unproblematisch, solange im Anfangstadium ein ausreichender Oberflächenbeschichtungsfilm, der zur Schmierfähigkeit beiträgt, vorhanden ist, wobei jedoch nach längerer Zeitdauer der Oberflächenbeschichtungsfilm sich mit hoher Wahrscheinlichkeit selbst ablöst und nach der Abnutzung oder Ablösung keine Schmierfähigkeit bleibt, was zur Abnutzung der Kolbenringnut durch den freiliegenden Kolbenring selbst führt.
Der Anmelder der vorliegenden Anmeldung richtete sein Augenmark auf diesen Punkt, und, um dieses Problem zu lösen, kam der Anmelder zu dem Schluss, die Schmierfähigkeit mit einem hitzebeständigen Harz zu gewährleisten, welches Bestandteil eines Oberflächenbeschichtungsfilms ist und gleichzeitig dazu dient, die Schmierfähigkeit für einen längeren Zeitraum zu erhalten, indem ein kupferbasiertes Pulver dispersiv in den Oberflächenbeschichtungsfilm eingemischt wird, so dass dem Oberflächenbeschichtungsfilm durch das kupferbasierte Pulver bessere Abnutzungsbeständigkeitseigenschaften verliehen werden. Mit anderen Worten unterscheidet sich die Idee der vorliegenden Erfindung von den herkömmlichen Verfahren. Die Hauptrolle des kupferbasierten Pulvers in der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Hitzebeständigkeitseigenschaften und die Abnutzungsbeständigkeitseigenschaften zu verbessern, um den Oberflächenbeschichtungsfilm zu schützen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird, wie oben beschrieben, die Schmierfähigkeit auf der Oberfläche des Kolbenrings erhöht, indem ein hitzebeständiges Harz als Bestandteil des Oberflächenbeschichtungsfilms aufgebracht wird, während die Abnutzungsbeständigkeitseigenschaften durch ein kupferbasiertes Pulver als Bestandteil des Oberflächenbeschichtungsfilms, der auf der Oberfläche des Kolbenrings gebildet wird, verbessert werden, wobei es ermöglicht wird, die Schmierfähigkeit, die durch das hitzebeständige Harz gewährleistet ist, für einen längeren Zeitraum zu erhalten.
Kurzbeschreibung der Figuren
1(a) bis (c) sind erläuternde Ansichten von Aluminiumanhaftungen, wobei (a) eine perspektivische Ansicht eines Kolbens ist, (b) eine vergrößerte perspektivische Ansicht der Ringnut eines Kolbens und eines Kolbenrings ist und (c) eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer Aluminiumanhaftung an dem Kolbenring ist.
2(a) bis (c) zeigen den sich ändernden Zustand der oberen und unteren Oberfläche einer Ringnut eines Kolbens.
3(a) bis (c) sind Querschnittsansichten, die den Mechanismus der Aluminiumanhaftung zeigen.
4 ist eine vergrößerte Darstellung eines Teils, an dem Aluminiumanhaftung stattfindet.
5 ist eine Querschnittsansicht, die eine herkömmliche Harzbeschichtungsbehandlung zeigt.
6 ist eine Querschnittsansicht eines Kolbenrings der vorliegenden Erfindung.
7(a) ist eine vergrößerte Schnittansicht des Nahbereichs der oberen Oberfläche des Kolbenrings aus 6, und 7(b) ist eine vergrößerte Darstellung des Kolbenrings, wie er in 6 gezeigt ist.
8 ist ein vergrößertes Bild der Querschnittsfläche eines Kolbenrings nach der Ausführung von Muster 24.
9 ist ein vergrößertes Bild einer Oberfläche eines Kolbenrings nach der Ausführung von Muster 6.
10 ist eine Ansicht, die eine Hochtemperatur-Ventilsitzabnutzungs-Testmaschine zeigt.
Bezugszeichenliste

1, 60: Kolbenring
2: Obere Oberfläche einer Kolbennut
3: Untere Oberfläche einer Kolbennut
10: Kolben
61: Kolbenringhauptkörper
62: Filmartige Oberflächenbeschichtung
63: Hitzebeständiges Harz
64: Kupferbasiertes Pulver

Vorteilhafte Ausführung der vorliegenden Erfindung
Im Folgenden wird eine detaillierte Beschreibung von einem Kolbenring der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen gegeben.
6 ist eine Schnittansicht eines Kolbenrings der vorliegenden Erfindung.
7(a) ist eine vergrößerte Schnittansicht des Nahbereichs der oberen Oberfläche des Kolbenrings aus 6, und 7(b) ist eine vergrößerte Darstellung des Kolbenrings, wie er in 6 gezeigt ist.
Wie in 6 gezeigt, umfasst ein Kolbenring 60 der vorliegenden Erfindung einen Kolbenringhauptkörper 61 und einen Oberflächenbeschichtungsfilm 62, welcher auf entweder der oberen oder der unteren Oberfläche oder auf beiden Oberflächen (in 6 auf beiden Oberflächen) des Kolbenringhauptkörpers 61 ausgeformt ist.
Als Material für den Kolbenringhauptkörper 61 der vorliegenden Erfindung kann jedes Material ohne jegliche Einschränkung verwendet werden. Als Beispiel für ein Material kann vorzugsweise Stahl genutzt werden und unter den korrosionsbeständigen Stählen, SUS 440, SUS 410, SUS 304 oder dergleichen, oder 8 Cr Stahl, 10 Cr Stahl, SWOSC-V, SWRH oder dergleichen. Darüber hinaus können als Kolbenringhauptkörper 61 verschiedene Arten von Kolbenringen, wie der Topring, der als so genannter Kompressionsring dient, und ein zweiter Ring, der ebenfalls als Kompressionsring eingesetzt wird und als Ölring verwendet werden kann, zum Einsatz kommen.
Wie in den 6 und 7 gezeigt, ist auf der Oberfläche des Kolbenrings 61 der vorliegenden Erfindung ein Oberflächenbeschichtungsfilm, der ein hitzebeständiges Harz 63 und ein in diesem enthaltenes kupferbasiertes Pulver 64 beinhaltet, ausgebildet.
Das hitzebeständige Harz 63 zielt hauptsächlich darauf ab, die Schmierfähigkeit an der Oberfläche des Kolbenrings zu gewährleisten, während das kupferbasierte Pulver 64 die Abnutzungsbeständigkeitseigenschaften des Oberflächenbeschichtungsfilms 62, in welchem das kupferbasierte Pulver 64 eingebracht ist, verbessert, wobei darauf abgezielt wird, die Schmierfähigkeit, die von dem hitzebeständigen Harz zur Verfügung gestellt wird, über einen längeren Zeitraum zu erhalten.
Als hitzebeständiges Harz 63, welches Bestandteil des Oberflächenbeschichtungsfilms 62 der vorliegenden Erfindung ist, kann jedes Harz verwendet werden, welches diese Umgebung (Temperatur), in welcher der Kolbenring verwendet wird, aushält, schmierfähig ist und, wie später beschrieben, das kupferbasierte Pulver aufnehmen und halten kann. Insbesondere können spezifische Polyamid-Imid-(PAI)-Harze oder Polyimid-(PI)-Harze verwendet werden.
Als kupferbasiertes Pulver 64, welches Bestandteil des Oberflächenbeschichtungsfilms 62 der vorliegenden Erfindung ist, können neben reinem Kupferpulver verschiedene Arten von kupferbasiertem Pulver, wie Kupferoxid-Pulver oder Kupferlegierungen (z. B. Messinglegierungen), verwendet werden. Jedoch sollte in der vorliegenden Erfindung die Härte des kupferbasierten Pulvers nicht zu hoch sein, da das kupferbasierte Pulver die Abnutzung des hitzebeständigen Harzes verhindern soll, während vermieden werden soll, dass davon die Kolbenringnut angegriffen wird, die aus einem anderen Material besteht. Aus dieser Sicht sind als Materialien für das kupferbasierte Pulver reines Kupfer und Kupferoxid zu bevorzugen.
Die Form des kupferbasierten Pulvers 64 ist grundsätzlich beliebig, wobei es in der vorliegenden Erfindung insbesondere geformt, vieleckig oder amorph ist. Wie in der Materialbeschreibung für das kupferbasierte Pulver erwähnt, muss jedoch verhindert werden, dass dieses die Kolbenringnut, die aus einem anderen Material besteht, angreift. Unter diesem Gesichtpunkt ist eine polygone Form nicht zu bevorzugen, sondern es ist, wie in 7 gezeigt, eine plättchenartige Form zu bevorzugen. Die plättchenartige Ausgestaltung von dem kupferbasierten Pulver 64 und die Anordnung desselben in Richtung der Dicke des Oberflächenbeschichtungsfilms, wie in 7 gezeigt, ermöglicht es, zu verhindern, dass die Kolbenringnut beschädigt wird.
Falls die Form des kupferbasierten Pulvers 64 als plättchenartig festgelegt wird, ist die Größe nicht in einem bestimmten Maße beschränkt. Es ist jedoch zu bevorzugen, dass der durchschnittliche Durchmesser zwischen 8 und 12 μm liegt. Wenn der durchschnittliche Durchmesser weniger als 8 μm beträgt, steigen die Kosten für die Miniaturisierung des kupferbasierten Pulvers, während, wenn es größer als 12 μm ist, die Möglichkeit besteht, dass die Kolbenringnut aus dem anderen Material angegriffen wird. Der Durchmesser des plättchenartigen, kupferbasierten Pulvers ist die mit dem Bezugszeichen r in 7(b) bezeichnete Länge und beschreibt die Länge der Längsachse eines Plattchens.
Zudem ist es bevorzugt, dass, wenn das kupferbasierte Pulver 64 eine plättchenartige Form aufweist, die spezifische Oberfläche des kupferbasierten Pulvers zwischen 0,6 und 0,9 mm²/g liegt. Liegt die spezifische Oberfläche unterhalb von 0,6 mm²/g, wird die Haftfähigkeit zwischen dem hitzebeständigen Harz 63 und dem kupferbasierten Pulver 64 schlecht (mit anderen Worten, es kann vorkommen, dass das kupferbasierte Pulver nicht in dem hitzebeständigen Harz fixiert wird). Ist die spezifische Oberfläche hingegen größer als 0,9 mm²/g, wird das kupferbasierte Pulver zu groß, wobei die Möglichkeit besteht, dass die Kolbenringnut, die aus einem anderen Material ist, angegriffen wird. Die spezifische Oberfläche bedeutet in der vorliegenden Erfindung eine Oberflächenfläche pro 1 Gramm von kupferbasiertem Pulver und ist ein Maß, welches mit der Luftpermeabilitätsmethode gemessen wird.
Obwohl der Inhaltsanteil des kupferbasierten Pulvers 64 in dem hitzebeständigen Harz 63 des Oberflächenbeschichtungsfilms 62, der Bestandteil des Kolbenrings der vorliegenden Erfindung ist, als ungefähr ausgeglichenes Verhältnis zwischen dem hitzebeständigen Harz 63, welches ausreichende Schmierfähigkeit aufweist, und dem kupferbasierten Pulver 64, welches ausreichende Abnutzungsbeständigkeitseigenschaften zeigt, festgelegt werden kann, ist es insbesondere von Vorteil, dass das Anteilsverhältnis des kupferbasierten Pulvers 64 in dem gesamten die Oberfläche beschichtenden Film 62 zwischen 20 und 80% Massenanteil liegt. Insbesondere ist vorzugsweise ein 50% Massenanteil festzulegen. Falls der Anteil des kupferbasierten Pulvers bei weniger als 20% Massenanteil liegt, kann die Abnahme und Zerstörung des Oberflächenbeschichtungsfilms durch Reibung nicht mehr wirksam verhindert werden, und auch die Aluminiumanlagerung kann nicht ausreichend verhindert werden. Auf der anderen Seite ist, falls der Anteil des kupferbasierten Pulvers über 80% Massenanteil liegt, die Flexibilität des Oberflächenbeschichtungsfilms insgesamt verringert, und gleichzeitig wird es schwierig, das kupferbasierte Pulver in dem hitzebeständigen Harz zu fixieren, was zu einem Verschwinden des kupferbasierten Pulvers führen kann.
Bevorzugt ist das feste Schmiermittel, welches in dem hitzebeständigen Harz 63 enthalten ist, aus der Gruppe bestehend aus Molybdändisulfid, Wolframdisulfid und Graphit zu wählen. Schon bei der Zugabe einer kleinen Menge von festem Schmiermittel ist es möglich, das hitzebeständige Harz in einer frühen Phase der Anwendung an die Aluminiumanhaftungen anzupassen. Insbesondere ist es bevorzugt, dass der Anteil an festem Schmiermittel in dem ganzen Oberflächenbeschichtungsfilm 62 zwischen 1 und 10% Massenanteil festgelegt wird (in diesem Fall, wenn der Inhalt des kupferbasierten Pulvers 64 zwischen 20 und 80% Massenanteil liegt, entfällt der Rest auf das hitzebeständige Harz). Indem der Oberflächenbeschichtungsfilm, umfassend feste Schmiermittel wie auch kupferbasiertes Pulver, an der oberen und unteren Oberfläche des Kolbenrings gebildet wird, wird der Oberflächenbeschichtungsfilm besser an das Material des Kolbens aus Aluminium angepasst, wodurch in einer frühen Phase der Anwendung die Abnutzungsbeständigkeitseigenschaften des Films verbessert werden und im Ergebnis die Aluminiumanhaftungen verhindert werden und ein Kolbenring mit einer wesentlich erhöhten Haltbarkeit bereitgestellt wird. Obwohl in 7 nicht gezeigt, ist es bevorzugt, das feste Schmiermittel gleichmäßig in dem hitzebeständigen Harz 63 zu verteilen.
Es ist bevorzugt, dass der Flächenanteil der Oberfläche des Oberflächenbeschichtungsfilms 62, der aus dem kupferbasierten Pulver 64 besteht und welcher Bestandteil des Kolbenrings der vorliegenden Erfindung ist (Bezug nehmend auf 7(b)), zwischen 6 und 74% liegt.
Indem der Flächenanteil auf diesen Bereich eingeschränkt wird, besteht ein sehr guter Ausgleich zwischen dem hitzebeständigen Harz 63 und dem kupferbasierten Pulver 64, wobei die Auswirkungen von beiden in befriedigender Weise realisiert werden können.
Das Verfahren zur Ausbildung des Oberflächenbeschichtungsfilms 62 der vorliegenden Erfindung ist in keiner besonderen Weise beschränkt. Zum Beispiel kann das kupferbasierte Pulver 64 in ein Polyamid-Imid-Harz eingebracht werden, um diese Mixtur auf die Oberfläche des Kolbenringhauptkörpers durch Sprühbeschichtung, Tauchbeschichtung, elektrostatische Beschichtung oder dergleichen aufzubringen. Es ist darüber hinaus je nach Bedarf möglich, den Oberflächenbeschichtungsfilm 62 einer Nachbehandlung wie Hitzebacken zu unterziehen.
Es ist bevorzugt, dass die Dicke des Oberflächenbeschichtungsfilms der vorliegenden Erfindung z. B. zwischen 3 und 20 μm liegt.
Es ist zudem vorgesehen, in der Phase vor der Ausbildung des Oberflächenbeschichtungsfilms 62 auf der Oberfläche des Kolbenringhauptkörpers 61, auf der der Oberflächenbeschichtungsfilm auszubilden ist, als Vorbehandlung ein chemisches Umwandlungsverfahren auszuführen. Als chemisches Umwandlungsverfahren kann zum Beispiel Phosphatisation, insbesondere eine Manganphosphatbehandlung, genannt werden. Durch Phosphatisation wird es ermöglicht, die Haftfähigkeit der Oberfläche des Kolbenringhauptkörpers 61 und des Oberflächenbeschichtungsfilms 62 zu erhöhen.
Beispiele
Anhand der Verwendung von Mustern kann ein Kolbenring der vorliegenden Erfindung noch spezieller beschrieben werden.
(Muster 1 bis 46, vergleichende Muster 1 bis 86)
Teile, die einem Kolbenringhauptkörper entsprechen, wurden präpariert mit den folgenden Materialarten.

• 10 Cr Material – C: 0,5% Massenanteil, Si: 0,2% Massenanteil, Mn: 0,3% Massenanteil, P: 0,02% Massenanteil, S: 0,01% Massenanteil, Cr: 10,2% Massenanteil; den Rest bilden Fe und unvermeidbare Verunreinigungen (Muster 1 bis 23, vergleichende Muster 1 bis 38).
• Material entsprechend JIS SWOSC-V – C: 0,55% Massenanteil, Si: 1,4% Massenanteil, Mn: 0,6% Massenanteil, P: 0,02% Massenanteil, S: 0,02% Massenanteil, Cr: 0,65% Massenanteil, Cu: 0,08% Massenanteil; den Rest bilden Fe und unvermeidbare Verunreinigungen (Muster 24 bis 46, vergleichende Muster 39 bis 86).

Auf sowohl der oberen als auch der unteren Oberfläche der Teile, die aus diesen beiden Materialien hergestellt wurden, wurde ein Oberflächenbeschichtungsfilm mit einer Dicke von bis zu 10 μm durch ein Sprühverfahren ausgebildet, wobei Polyamid-Imid-Harz als hitzebeständiges Harz und ein plättchenartig ausgebildetes Kupferpulver (Reinheit 99,5%) als kupferbasiertes Pulver verwendet werden können. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser des hier verwendeten plättchenartigen kupferbasierten Pulvers betrug 0,9 μm, und die zugegebene Menge des kupferbasiertem Pulvers in dem gesamten, die Oberfläche beschichtenden Film ist in den Tabellen 1 und 2 gezeigt. Darüber hinaus gibt es Beispiele, in welchen Molybdändisulfid, Wolframdisulfid oder Graphit als festes Schmiermittel verwendet wurden, und die zugegebene Menge ist in den Tabellen 1 und 2 gezeigt. Zudem ist in dem Fall, in dem ein zu JIS SWOSC-V äquivalentes Material als Bestandteil verwendet worden ist, auf der Oberfläche ein chemisches Umwandlungsverfahren durchgeführt worden, wobei der Oberflächenbeschichtungsfilm durch die Verwendung von Manganphosphat (siehe Tabelle 2) erzeugt wurde. Die so gebildeten Kolbenringmuster werden als Muster 1 bis 46 und als Vergleichsmuster 1 bis 76 bezeichnet (siehe Tabelle 1 und 2). Darüber hinaus wurde als Bestandteile der Vergleichsmuster 77 bis 86 ein zu JIS SWOSC-V äquivalentes Material verwendet, wobei sowohl auf der oberen als auch auf der unteren Oberfläche davon ein Oberflächenbeschichtungsfilm, der ein Polyamid-Imid-Harz, enthaltend MoS₂, WS₂ oder Graphit, umfasst, mit einer Dicke von 5 μm ausgebildet wurde. Hier liegt der durchschnittliche Teilchendurchmesser des festen Schmiermittels zwischen 1 und 7 μm.
Es wurden vergrößerte Photos der Schnittansicht und der Oberfläche eines Musters eines Kolbenrings von Beispiel 24 aufgenommen. Die Ergebnisse sind in 8 und 9 gezeigt.
In 8 ist eine Verbundharzschicht als Oberflächenbeschichtungsfilm 62, der in 6 und 7 gezeigt ist, dargestellt. In 8, bezeichnet PAI die hitzebeständige Harzschicht 63, die ein Polyamid-Imid-Harz beinhaltet, und in 8 verweist Cu auf ein kupferbasiertes Pulver 64.
Darüber hinaus wurde für die Muster 1 bis 46 und die Vergleichsmuster 1 bis 86 ein Angriffsversuch mit Gleiten durchgeführt.
Dieser Test wurde durchgeführt unter Verwendung einer Hochtemperatur-Ventilsitzabnutzungs-Testvorrichtung 101, die in 10 gezeigt ist. Die Testbedingungen waren: Anschlag: 4 mm, Wiederholungsgeschwindigkeit: 500 mal/min, Kreisrotationsanzahl: 3 U/min, Testzeit: 7 Std., Kolbentemperatur: ca. 250°C, Kolbenmaterial: Aluminiumlegierung (AC8A).
Der Angriffsversuch mit Gleiten wurde durchgeführt, indem ein Kolbenmaterialmuster 103 nicht beweglich in Richtung des Rumpfes der Testvorrichtung 101 montiert wurde und konzentrisch ein Kolbenringmuster 102 auf das Kolbenmaterialmuster 103 montiert wurde, wobei ein gegossener Rundeisenstab 105, der an der inneren Oberfläche des Kolbenringmusters 102 vorgesehen war, sich wiederholend in Rumpfrichtung bewegte. Bei dieser Testmethode wurde das Kolbenringmuster 102 rotiert, während das Kolbenmaterialmuster 103 angegriffen wurde. Die Testvorrichtung 101 weist einen Heizer 104 auf, der den Testgegenstand aufheizen kann und die Bedingungen mit sehr hohen Temperaturen innerhalb eines Verbrennungsmotors erzeugen kann. Deshalb kann die Änderung in dem Kolbenmaterial simuliert werden.
Durch diesen Test wurde die Abnutzung seitens des Kolbens und seitens des Kolbenrings ermittelt. Die Abnutzung wurde durch die Berechnung der Unebenheit mittels eines Oberflächenrauigkeitsbestimmungsgeräts festgestellt, wobei der Grad der Abnutzung mit dem von einem vergleichenden Muster 5 bis 100 gleichgesetzt wurde.
Die Berechnungsergebnisse sind in Tabelle 1 und 2 gezeigt.
Wie aus dem Vergleich der Muster 1 bis 46 und den vergleichenden Mustern 77 bis 86, die konventionellen Mustern entsprechen, hervorgeht, wurden keine Aluminiumanhaftungen bei den Kolbenringmustern, der vorliegenden Erfindung gefunden. Zudem wurde durch den Vergleich der Muster 1 bis 10 und der Vergleichsmuster 1 bis 4 deutlich, dass, wenn die zugegebene Menge an kupferbasiertem Pulver bei 15% lag, Aluminiumanhaftungen auftraten. Darüber hinaus, wenn die zugegebene Menge an kupferbasiertem Pulver bei 90% lag, kam es zu keinen Aluminiumanhaftungen, dadurch, dass die Auswirkungen des kupferbasierten Pulvers groß wurden, war jedoch die Stärke der Abnutzung im Vergleich mit dem Vergleichsmuster 5 gemäß dem Stand der Technik nicht vorzuziehen. Anhand dieser Ergebnisse kann verstanden werden, dass die zugegebene Menge an kupferbasiertem Pulver zwischen 20 und 80% zu bevorzugen ist.

Claims

Kolbenring (1, 60) mit einem Kolbenringhauptkörper (61) und einer filmartigen Oberflächenbeschichtung (62) entweder auf einer oberen oder einer unteren Oberfläche des Kolbenringhauptkörpers, oder sowohl auf der oberen als auch der unteren Oberfläche des Kolbenrings, wobei die filmartige Oberflächenbeschichtung ein hitzebeständiges Harz (63) mit einem kupferbasierten Pulver aufweist und wobei der Masseanteil des kupferbasierten Pulvers (64) in der gesamten filmartigen Oberflächenbeschichtung zwischen 20% und 80% beträgt, wobei das kupferbasierte Pulver aus reinem Kupfer, Kupferoxid oder einer Kupferlegierung besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das kupferbasierte Pulver eine plättchenartige Form und Partikel mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser zwischen 8 μm und 12 μm aufweist, wobei zwischen der Oberfläche des Kolbenringhauptkörpers und der filmartigen Oberflächenbeschichtung ein durch Phosphatisation der Oberfläche des Hauptkörpers hergestellter Haftvermittler vorhanden ist, und wobei das hitzebeständige Harz ein festes Schmiermittel enthält, welches aus der Gruppe bestehend aus Molybdändisulfid, Wolframdisulfid und Graphit gewählt ist, und wobei der Masseanteil des Schmiermittels in der gesamten filmartigen Oberflächenbeschichtung zwischen 2% und 10% beträgt.
Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das kupferbasierte Pulver eine spezifische Oberfläche zwischen 0,6 mm²/g und 0,9 mm²/g aufweist.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Fläche der filmartigen Oberflächenbeschichtung, der von dem kupferbasierten Pulver bedeckt ist, zwischen 6% und 74% der Gesamtfläche beträgt.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das hitzebeständige Harz ein Polyamid-Imid-Harz ist.