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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenring, der insbesondere zur Verwendung in Verbrennungsmotoren konzipiert ist, der auf martensitischem rostfreiem Stahl basiert, mit einer nitrierten Ober-, Unter- und Innenseite und einer nicht nitrierten mit der Wand des Zylinders/der Laufbuchse in Kontakt kommenden Außenseite, die mit mindestens einer durch das Ionenplattierungsverfahren aufgebrachten Überzugsschicht versehen ist.
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Durch diesen neuen und verbesserten Überzug aus Chromnitrid, wird eine Verlängerung der Betriebslebensdauer des Kolbenrings in Dieselmotoren mit einem hohen Verbrennungsdruck und einer hohen Drehzahl (im Handel als HSD-Motoren (hochdrehende Dieselmotoren / HSD – high-speed diesel) bekannt) erreicht, insbesondere im Vergleich zu den Kolbenringen, die derzeit in dieser Art von Motor verwendet werden, die in ihrer Gesamtheit nitriert sind und nach dem Nitrieren auf der Außenseite und den oberen und unteren Abfasungen davon eine durch das PVD-Verfahren (PVD – physical vapour deposition/physikalische Gasphasenabscheidung) aufgebrachte Überzugsschicht erhalten. Diese Vorteile werden ohne irgendwelche entsprechende begleitende technische Nachteile erzielt, während die Herstellungskosten wettbewerbsfähig gehalten werden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner das Verfahren zur Herstellung des Rings.
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BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
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In Hubkolbenmotoren werden die Ringe im Allgemeinen auf einer Metallbasis hergestellt, auf der mindestens eine Überzugsschicht aufgebracht wird, die mit der Wand des Zylinders in Kontakt kommt. Als Beispiel lässt sich eine Basis aus Gusseisen oder aus rostfreiem Stahl nennen, die aufgrund der Kosten und/oder der Belastungsart, mit der der Ring beaufschlagt wird, verwendet wird.
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Die Rolle der Überzugsschicht ist von großer Bedeutung, da sie danach strebt, dem Ring Eigenschaften von geringer Gleitreibung und hohem Widerstand gegen Absplitterung, großer Härte und Zähigkeit zu verleihen. Nichtsdestotrotz muss darauf hingewiesen werden, dass einige dieser Eigenschaften miteinander in Widerspruch stehen und ihre Verbesserung einen Leistungsverlust einer anderen bedeutet, weshalb die zu verwendende Art des Überzugs als Funktion des Betriebsprofils des Motors und der Belastungen, denen die Ringe während ihrer Betriebslebensdauer ausgesetzt sind, ausgewählt werden.
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Bei einem Verbrennungsmotor ist der Kompressionsring oder der erste Nutenring der Ring, der aufgrund dessen, dass er mit den überhitzten Gasen des verbrennenden verdichteten Luftgemisches in direktem Kontakt steht, den höchsten Belastungen ausgesetzt ist. Folglich sind sie aufgrund ihrer Einbaustelle ständig hohen Temperaturen und aggressiven Nebenprodukten der Verbrennung ausgesetzt.
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Vom Fachmann ist eine Reihe von Überzügen vorgeschlagen worden, die jeweils danach streben, die gewünschten Eigenschaften zu verbessern und dabei die Festigkeit der Kolbenringe zu erhöhen. Mehrere Schriften des Stands der Technik beziehen sich auf keramische Überzüge aus Chromnitrid in Form von CrN und/oder Cr2N, die sehr effizient und technisch von Interesse sind, da sie auf äußerst kompetente Weise den Eigenschaften der Aufnahme von inneren Spannungen, großer Härte und geringer Dicke Rechnung tragen, während das Auftreten von Absplitterungen stark reduziert wird. Bei dem Großteil der Anwendungen wird der keramische Überzug aus Chromnitrid durch das PVD-Verfahren aufgebracht, gemäß dem das als Überzug abzuscheidende Material von einer festen Quelle in Form von Atomen oder Molekülen mittels Niederdruckgasen (oder Plasma) in Richtung des Kolbenrings verdampft wird, auf dem es kondensiert. Die Bildung des Überzugs auf dem Substrat hängt von den verdampften Materialien und von dem Material des Substrats, von den Zuständen der Oberfläche, von der zur Verfügung stehenden Energie (Temperatur und Ionenbeschuss) und von der Atmosphäre (chemische Reaktionen, reaktive Beschichtung usw.) ab.
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Das PVD-Verfahren bietet einige interessante Vorteile für die Herstellung von tribologischen Überzügen, wie zum Beispiel (i) die Möglichkeit des Betriebs bei sehr geringen Arbeitsdrücken, wodurch die Synthese von Materialien mit hoher Reinheit ermöglicht wird; (ii) Verbesserung der Adhäsion des Überzugs am Substrat aufgrund der Möglichkeit der "Reinigung" der Oberfläche der Substrate mittels des Ionenbeschusses; (iii) einheitliche Dicke des Überzugs; (iv) Kontrolle über die kristalline Struktur des Überzugs; und (v) relativ geringe Abscheidungstemperaturen. Als zusätzliche Vorteile fördert Ionenbeschuss Epitaxialwachstum und verbessert die atomare Beweglichkeit, und normalerweise entstehen aufgrund dessen, dass im Großteil der Fälle keine toxischen Produkte oder Lösungen involviert sind, keine Abwässer oder Verunreinigungen.
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Im speziellen Fall von Motoren der hochdrehenden Dieselmotorart werden die Ringe aufgrund der hohen Verbrennungsdrücke und der hohen Drehzahlen, die sie erreichen, stark belastet, insbesondere die Kompressionsringe. Aus diesem Grunde werden Kompressionsringe im Allgemeinen mit einer Basis, die aus rostfreiem Stahl besteht, angegeben, die vollständig nitriert ist und die einen verschleißfesten Überzug aufweist, der nachträglich durch das PVD-Verfahren auf die Außenseite aufgebracht wird.
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Diese Art von Ring ist für ihre hohe mechanische Festigkeit und aufgrund ihres hohen Preises bekannt, aber nichtsdestotrotz schaffen selbst sie es in einigen Anwendungen nicht, das Auftreten und Ausbreiten von Rissen, nicht nur im Überzug, sondern im gesamten Ring, zu verhindern, was zu einem katastrophalen Versagen, das den Ausbau des Motors mit sich bringt, führen kann.
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In diesen Situationen werden Risse an den oberen und unteren Abfasungen, die die Kanten sind, die die laterale Seite mit der Oberseite bzw. der Unterseite verbindet, eingeleitet. In einigen Fällen enden die Risse durch Ausbreiten im gesamten Querschnitt des Rings, wodurch das Teil gebrochen wird und der vollständige Ausbau des Motors erforderlich wird.
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Mit der Aufgabe, diese Schwierigkeit zu überwinden, offenbart das US-Patent
US 6 508 473 einen Kolbenring, der auf rostfreiem Stahl basiert, der auf seiner Ober- und Unterseite nitriert ist. Die nitrierten Seiten weisen eine Härte von 700 HV auf. Der Ring umfasst ferner einen Film aus hartem Überzug auf seiner Außenseite, die mit der Wand der Laufbuchse/des Zylinders in einem Abstand von 0,0001 mm bis 0,3 mm von der Ober- und Unterseite in Kontakt kommt. Gemäß dem Patent verhindert dieser Abstand, obgleich er minimal ist, das Ausbreiten von Rissen bis zu einer annehmbaren Einsatzgrenze, jedoch gewährleistet diese Technik im Bereich von Einsätzen mit hoher Belastung nicht die Festigkeit des Rings.
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Bisher ist noch kein Kolbenring, insbesondere Kompressions- oder erster Nutenring, entwickelt worden, der die bei anspruchsvollen Anwendungen erforderlichen Langlebigkeitsstandards, wie zum Beispiel jene von Dieselmotoren, die mit hohen Förderdrücken und bei hohen Drehzahlen betrieben werden, geforderten, erreicht.
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AUFGABEN DER ERFINDUNG
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Deshalb besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in einem Kolbenring, insbesondere einem Kompressions- oder ersten Nutenring, zur Verwendung in Verbrennungsmotoren, die kein Potenzial für das Auftreten von katastrophalen Rissen besitzen, selbst wenn sie unter den kritischen Betriebsbedingungen von Dieselmotoren, die mit hohen Förderdrücken und bei hohen Drehzahlen betrieben werden, funktionieren.
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Des Weiteren besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in einem Kolbenring, insbesondere einem Kompressions- oder ersten Nutenring zur Verwendung in Verbrennungsmotoren, der auf martensitischem rostfreiem Stahl basiert, mit der nitrierten Ober-, Unter- und Innenseite und der nicht nitrierten mit der Wand des Zylinders/der Laufbuchse in Kontakt kommenden Außenseite, die mit mindestens einer durch das Ionenplattierungsverfahren aufgebrachten Überzugsschicht versehen ist.
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Ferner besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in einem Kolbenring, insbesondere einem Kompressions- oder ersten Nutenring zur Verwendung in Verbrennungsmotoren, zur Verwendung in Dieselmotoren, die mit hohen Förderdrücken und bei hohen Drehzahlen betrieben werden, wodurch die Design- und Langlebigkeitsziele erfüllt werden und wettbewerbsfähige Herstellungskosten im Vergleich zu den derzeit verwendeten Ringen bewahrt werden.
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Schließlich besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in einem Herstellungsverfahren, das in den drei vorstehenden Abschnitten dargelegt wurde.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch einen Kolbenring zur Verwendung in der Kolbennut eines Kolbens eines Verbrennungsmotors erreicht, der mit einem Körper versehen ist, der aus einem Eisenwerkstoff besteht und einen zum Kolbenkopf weisenden oberen Teil, einen gegenüberliegenden, zum Kolbenhemd weisenden unteren Teil, einen zur Kolbennut weisenden inneren Teil und einen gegenüberliegenden äußeren Teil zum Gleiten an der Zylinderwand oder der Zylinderlaufbuchse definiert, wobei der obere und der äußere Teil im Wesentlichen orthogonal zueinander verlaufen und eine obere Abfasung definieren, und der untere und der äußere Teil im Wesentlichen orthogonal zueinander verlaufen und eine untere Abfasung definieren, wobei (i) der obere, der untere und der innere Teil nitriert sind und (ii) der innere Teil und die obere und die untere Abfasung nicht nitriert sind und von mindestens einer durch das Ionenplattierungsverfahren aufgebrachten Überzugsschicht überzogen sind.
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Darüber hinaus werden die Aufgaben der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings wie im obigen Abschnitt definiert gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:
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Schritt (i): Nitrieren des oberen, des unteren und des inneren Teils und
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Schritt (ii): Aufbringen mindestens einer Überzugsschicht auf den inneren Teil und die obere und die untere Abfasung durch das Ionenplattierungsverfahren.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung soll unten basierend auf einem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel ausführlicher beschrieben werden. Die Figuren zeigen:
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1 eine perspektivische schematische Ansicht eines Kompressionsrings.
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2 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Kompressionsrings des Stands der Technik nach einer Ruptur/einem Bruch in seinem Querschnitt.
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3 eine mikroskopische Querschnittsansicht eines Kompressionsrings des Stands der Technik im Bereich seiner oberen Abfasung.
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4 eine mikroskopische Querschnittsansicht eines Kompressionsrings des Stands der Technik im Bereich seiner unteren Abfasung.
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5 eine schematische Draufsicht einer nicht einschränkenden Ausführungsform des den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildenden Kolbenrings.
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5A eine schematische Ansicht des Querschnitts A-A des in 5 dargestellten Kolbenrings.
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5B eine vergrößerte schematische Ansicht des Querschnitts A-A des in den 5 und 5A dargestellten Kolbenrings.
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6 eine mikroskopische Querschnittsansicht einer nicht einschränkenden Ausführungsform des den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildenden Kolbenrings im Bereich seiner oberen Abfasung.
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7 eine Ansicht einer Prüfeinrichtung mit den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildenden sechs Ringen für einen Ermüdungstest.
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8 eine schematische Ansicht der Belastungen, mit denen die Ringe in der in 7 dargestellten Einrichtung beaufschlagt werden.
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9 ein Diagramm, das die von einem Ring während der Zyklen des Ermüdungstests durch die in 7 dargestellte Einrichtung realisierte erfahrene Belastung darstellt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 stellt in schematischer Form einen beliebigen Kolbenring zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor dar. Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenring zur Verwendung in der Kolbennut des Kolbens eines Verbrennungsmotors. Die bevorzugte Ausführungsform des den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildenden Rings 1 ist der Kompressionsring eines Motors, der gemäß dem hochdrehenden Dieselzyklus betrieben wird, wobei ein hoher Verbrennungsdruck besteht (hochdrehende Dieselmotorart), es ist jedoch ersichtlich, dass er eine beliebige andere erforderliche oder wünschenswerte Ausführungsform, wie zum Beispiel einen zweiten Nutenring, einen Ölring oder selbst irgendeine andere Ausführungsform, annehmen kann.
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2 veranschaulicht einen Ring des Stands der Technik, der in einem Motor der hochdrehenden Dieselmotorart verwendet wird. Es ist dabei eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Kompressionsrings des Stands der Technik nach der Ruptur/dem Bruch seines Querschnitts zu sehen. Die Figur macht ersichtlich, dass der Beginn des Risses an der unteren Abfasung begann und er sich im Laufe der Zeit über den Querschnitt des Rings bis zu dem katastrophischen Versagen, das den vollständigen Ausbau des Motors mit sich bringt, ausbreitete.
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Die Anmelderin hat umfangreiche Tests mit dieser Art von Ring des Stands der Technik, einem Kompressionsring mit einer aus rostfreiem Stahl gebildeten Basis, der in seiner Gesamtheit nitriert ist, mit einem nachträglich durch das PVD-Verfahren auf die Außenseite aufgebrachten verschleißfesten Überzug durchgeführt.
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Angesichts der Untersuchung ist die Anmelderin zu folgendem Schluss gekommen:
- (i) Die Art von katastrophischem Versagen steht damit in Verbindung, dass die Überzugsschicht durch PVD auf eine nitrierte Fläche aufgebracht wird → wenn die Schicht direkt auf das eisenhaltige Basismaterial aufgebracht werden würde, wäre die Rissfestigkeit größer, obgleich es Bedenken hinsichtlich des Verschleißes durch Reibung geben würde;
- (ii) Der Riss/Sprung beginnt ungefähr 180° vom Bereich der Öffnung des Rings und an der unteren Abfasung.
- (iii) Das Auftreten von Rissen/Sprüngen wurde mit zunehmender Dicke der nitrierten Schicht im Bereich der Abfasung stärker.
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Die 3 und 4 stellen mikroskopische Querschnittsansichten eines Kompressionsrings des Stands der Technik im Bereich der oberen bzw. unteren Abfasung davon dar. In diesen beiden Figuren ist die größere Dicke der nitrierten Schicht 11 an den Abfasungen, auf die die Überzugsschicht 12 durch PVD aufgebracht wird, klar ersichtlich.
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Diese Forschung und Entwicklung als Basis nehmend, hat die Anmelderin den vorliegenden Kolbenring 1 entwickelt, der die technischen Anforderungen der hochdrehenden Dieselmotoren bravourös meistert.
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Geometrisch ist der Ring 1, der Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet, wie jeder beliebige Ring, das heißt, ein Kolbenring zur Verwendung in der Nut eines Kolbens eines Verbrennungsmotors, der mit einem aus Eisenmaterial bestehenden Körper 6 versehen ist, der einen zum Kolbenkopf weisenden oberen Teil 2, einen gegenüberliegenden, zum Kolbenhemd weisenden unteren Teil 3, einen zur Nut des Kolbens weisenden inneren Teil 4 und einen gegenüberliegenden äußeren Teil 5 zum Gleiten an der Zylinderwand oder Zylinderlaufbuchse (wobei letztere nicht dargestellt ist) definiert.
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Der obere und der äußere Teil 2, 5 verlaufen im Wesentlichen orthogonal zueinander und definieren eine obere Abfasung Cs, während der untere und der äußere Teil 3, 5 auch im Wesentlichen orthogonal verlaufen und eine untere Abfasung Ci definieren.
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Vorzugsweise besteht der Körper
6 aus rostfreiem Stahl, der im Wesentlichen 13 bis 18% Chrom enthält, wobei dieses Material für die Belastungen der hochdrehenden Dieselmotoren am geeignetsten ist; es ist jedoch ersichtlich, dass es, falls erforderlich oder wünschenswert, auch variiert werden kann. Auf besonders bevorzugte, aber nicht zwingend erforderliche Weise, weist der verwendete rostfreie Stahl die in folgender Tabelle gezeigte Zusammensetzung auf.
| Chemisches Element | Prozentanteil |
| Kohlenstoff (C) | 0,80–0,95 |
| Silizium (Si) | 0,35–0,50 |
| Mangan (Mn) | 0,25–0,40 |
| Phosphor (P) | 0,040 Maximum |
| Schwefel (S) | 0,040 Maximum |
| Chrom (Cr) | 17,0–18,0 |
| Molybdän (Mo) | 1,00–1,25 |
| Vanadium (V) | 0,08–0,15 |
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Die große Erneuerung des den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildenden Rings 1 besteht darin, dass der obere, der untere und der innere Teil 2, 3, 4 nitriert werden (siehe die in den 5B und 6 sichtbare CN-Schicht), während gleichzeitig der innere Teil 5 und die obere und die untere Abfasung Cs, Ci nicht nitriert werden und mit mindestens einer durch das Ionenplattierungsverfahren aufgebrachten Überzugsschicht 7 beschichtet werden.
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Auf bevorzugte, aber nicht zwangsweise erforderliche Weise besteht die aufgebrachte Überzugsschicht aus Chromnitrid, von dem ein Großteil durch die CrN-Phase gebildet wird, es ist jedoch offensichtlich, dass auch andere Alternativen verwendet werden können, wie zum Beispiel, dass der Großteil des Chromnitrids eine Phase von Cr2N, einen Niobiumnitridüberzug, einen mehrschichtigen Überzug aus Chromnitrid oder Chromnitrid und Niobiumnitrid oder selbst irgendeine andere erforderliche oder wünschenswerte Schicht aufweist. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Überzugsschicht 7 eine Dicke von im Wesentlichen 20 Mikron auf.
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Eine weitere innovative Eigenschaft des den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildenden Rings 1 besteht darin, dass die nitrierten Teile (der obere, der untere und der innere Teil 2, 3 und 4) eine Behandlung erfahren, die eine nitrierte Schicht mit geringerer Härte, die eine reduzierte Härte von ca. 700 HV aufweist, erzeugt. Ein herkömmlicher Prozess des Gasnitrierens kann beschrieben werden, wobei es sich dabei um den Prozess handelt, der bei diesem Produkt verwendet wird. Es wird durch die Behandlungsparameter, die so eingestellt werden, dass eine maximale Härte in der nitrierten Schicht zur Verhinderung der Bildung von Rissen/Sprüngen und dadurch folgendem/folgender Bruch/Ruptur des Rings gewährleistet wird, gewährleistet, dass die Härte geringer ist.
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7 ist eine Ansicht einer Testvorrichtung mit sechs den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildenden Ringen für einen Ermüdungstest. Wie zu sehen ist, umfasst die Maschine zwei Köpfe mit Mitteln zum Umklammern/Befestigen von sechs Kolbenringen, so dass jeder Kopf den Ring neben der Öffnung davon fixiert. Während des Tests bewegt die Maschine offene Enden der Ringe näher zusammen und trennt sie, so dass die Ringe zwischen einer Stellung maximaler Öffnung Amax und minimaler Öffnung Amin gedrückt werden, wie in 8 zu sehen ist.
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9 zeigt wiederum ein Diagramm, das die von dem Ring während der Zyklen des Ermüdungstests durch die in 7 dargestellte Einrichtung realisierte erfahrene Belastung darstellt. Bei dem Ring des Stands der Technik trat der Bruch/die Ruptur des Teils nach einer bestimmten Anzahl von Zyklen auf, während der den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildende Ring 1 diesen Test ohne Bruch/Ruptur überstand.
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Das hier offenbarte Verfahren zur Herstellung des Kolbenrings ist auch eine neue Erfindung, das die folgenden Schritte umfasst:
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Schritt (i): Aufbringen mindestens einer Überzugsschicht 7 auf den äußeren Teil 5 und die obere und die untere Abfasung Cs, Ci durch das Ionenplattierungsverfahren.
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Schritt (ii): Nitrieren des oberen, unteren und inneren Teils 2, 3, 4.
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Wie oben erwähnt, ist die in Schritt (i) aufgebrachte Überzugsschicht 7 eine Schicht aus Chromnitrid, die vorzugsweise durch CrN gebildet wird und eine bevorzugte Dicke von im Wesentlichen 20 µm aufweist.
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Schließlich umfasst das Verfahren zusätzlich dazu einen Behandlungsschritt, der eine nitrierte Schicht mit einer geringeren Härte in den nitrierten Teilen aufweist.
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Nach erfolgter Beschreibung eines Beispiels für die bevorzugte Ausführungsform versteht sich, dass der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung andere mögliche Variationen mit umfasst, die allein durch den Inhalt der angehängten Ansprüche, einschließlich ihrer möglichen Äquivalente, beschränkt wird.
