DE19621721A1

DE19621721A1 - Kolbenring und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE19621721A1
Application number: DE19621721A
Authority: DE
Inventors: Russell E Hite; Michael A Kestner; Ihor R Maksymiak
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 1995-06-02
Filing date: 1996-05-30
Publication date: 1996-12-05
Also published as: BR9601241A; US5605741A; JPH09144883A; FR2734881B1; AR002048A1; IN192627B; FR2734881A1

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Kolbenring sowie mit einer Herstellung desselben. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Kolbenring, welcher eine Unterschicht hat, welche auf einer äußeren Umfangsfläche des Rings aufgebracht ist, und der eine diskontinuierliche Oberfläche aufweist, welche auf der Unterschicht ausgebildet ist und mit einer metallischen, nitri dierten Oberflächenbeschichtung versehen ist, welche auf der diskontinuierlichen Oberfläche aufgebracht ist.

Es ist bekannt, auf einem Kolbenring als einer Basis eine mit tels Gas nitridierte Schicht zur Bildung einer metallischen, nitridierten Oberflächenbeschichtung aufzubringen. Die Oberflä chenbeschichtungen ergänzen die harte mittels Gas nitridierte Schicht, wodurch man vorteilhafte Eigenschaften erhält, welche eine mittels Gas nitridierte Schicht nicht besitzt, wie zum Beispiel eine große Abriebfestigkeit und eine extrem große Här te.

Dennoch bringen die erwünschten Eigenschaften, welche durch metallische, nitridierte Oberflächenbeschichtungen geboten wer den, unerwünschte Nebeneffekte. Die Beschichtungen neigen ins besondere zum Absplittern und können keine geeignete Überzugs dicke erreichen, wenn ausreichend starke Bindungen mit einem darunterliegenden Substrat fehlen. Selbst wenn ein geeignetes Substrat vorhanden ist, sind häufig unzulängliche Oberflächenbe reiche zwischen dem Überzug und dem Substrat vorhanden, um die erforderlichen Bindungen zu verwirklichen.

Das Fehlen einer Porosität und die sehr hohe Festigkeit führen zu einer erhöhten Reibung zwischen der Oberflächenbeschichtung und einem hierzu passenden mechanischen Element, wie einer Zy linderwand. Metallische, nitridierte Oberflächenbeschichtungen haben nicht das Vermögen einer Ölretention. Daher können Sie keine kritische Schmiermittelquelle während Perioden bereitstel len, wenn eine Grenzschichtschmierung erforderlich ist, und sie können die Abriebfestigkeit während des Kolbenring-Einlaufs nicht verbessern.

Ein Grundkörper eines Kolbenrings nach der Erfindung hat eine Unterschicht, welche wenigstens auf einer äußeren Umfangsfläche des Grundkörpers ausgebildet ist. Die Unterschicht wird vorzugs weise von elektroplattiertem Chrom gebildet, oder wird durch Gas-Nitridieren gebildet. Die Unterschicht hat eine Härte zwi schen 800 und 950 Vickers-Härtezahl ("HVN"), und eine minimale Dicke von 0,101 mm (0,004 inches). Eine Plateauspeicherfläche ist auf der Unterschicht ausgebildet. Zuerst wird die Unter schicht an der Oberfläche geläppt, um einen gleichmäßigeren Linienkontakt an einer dazu passenden zylinderwand herzustellen, und um wahlweise ein konvexes Oberflächenprofil auszubilden. Dann wird die Unterschicht mittels Sandstrahlen aufgerauht, um zufällig verteilte und ausgerichtete Oberflächen-Unregelmäßig keiten zu erzeugen, welche eine Reihe von Spalten umfassen, welche schließlich als Speicherräume oder Vorratsräume für Schmiermittel dienen. Schließlich wird die Unterschicht mittels Öl geläppt und gegebenenfalls poliert, um Oberflächen-Unebenhei ten zu entfernen, die sich während des Aufrauhvorganges gebildet haben, so daß ein Plateau gebildet wird.

Eine metallische, nitridierte Oberflächenbeschichtung wird auf die Plateau-Speicherfläche aufgebracht, wobei die Oberflächenbe schichtung ein konvexes Oberflächenprofil hat. Die metallische, nitridierte Oberflächenbeschichtung hat eine Härte von 2.000 bis 3.000 HVN und eine Dicke von 1 bis 50 µm. Vorzugsweise hat die Oberflächenbeschichtung eine Dicke von etwa 4 bis 10 µm und eine Härte von etwa 2.600 HVN. Bevorzugte metallische Nitride umfas sen Chrom- oder Titannitrid. Die glatte Plateaufläche arbeitet mit den zusätzlichen Oberflächenbereichen, die von den Speicher bereichen zur Verfügung stehen, zusammen, um ein optimales Sub strat für die Bindung des metallischen Nitrids mit der Unter schicht zu bilden. Die zusätzlich vorgesehene Oberflächenbe schichtung eliminiert die vorhandenen Speicherräume jedoch nicht. Die Speicherräume haben das bedeutende, zusätzliche Ver mögen, Schmieröl während des Brennkraftmaschinenbetriebs auf zunehmen und zu speichern. Die Speicherräume arbeiten in Kom bination mit dem konvexen Oberflächenprofil derart, daß eine dünne Schmiermittelschicht gebildet wird, welche einen uner wünschten Verschleiß zwischen dem Kolbenring und einer zugeord neten Zylinderwand während den Zeiträumen der Grenzschichtschmierung verhindert.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung erge ben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Darin zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Kolbenrings mit der erfindungsgemäßen Auslegung;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht des Kolbenrings nach Fig. 1 in Richtung der Pfeile 2-2;

Fig. 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils des Kolbenrings, welcher den mit 3 eingekreisten Bereich in Fig. 2 umfaßt: und

Fig. 4 eine vergrößerte Aufnahme einer Unterschicht, welche nach der Erfindung ausgebildet ist.

Ein in Fig. 1 gezeigter Kolbenring 20 hat eine äußere Fläche 22, welche eine äußere Umfangsfläche 24, eine obere axiale Flä che 26 und eine untere axiale Fläche 28 umfaßt. Im Gebrauchs zustand kontaktiert die äußere Umfangsfläche 24 eine innere Wand des Zylinders (nicht gezeigt).

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, umfaßt der Kolbenring 20 einen Grundkörper 30, welcher aus Gußeisen, duktilem Eisen oder einer Stahllegierung ausgebildet sein kann. Eine bevorzugte Stahlle gierung ist ein martensitischer rostfreier Stahl, welcher zwi schen 10 und 20 Gew.-% Chrom und zwischen 0,20 und 0,90 Gew.-% Kohlenstoff hat. Eine Unterschicht 32 wird auf der äußeren Flä che 22 ausgebildet und wenigstens auf der äußeren Umfangsfläche 24. Die Unterschicht 32 hat eine bevorzugte Härte von 800 bis 950 Vickers-Härtezahl ("HVN") und eine minimal bevorzugte Ein satzhärtungstiefe oder Dicke von 0,101 mm (0,004 inches). In bevorzugter Weise weist die Unterschicht 32 elektroplattiertes Chrom auf, und das Aufbringen erfolgt auf die dem Fachmann be kannte Weise. Alternativ kann eine mittels Gas nitridierte Un terschicht aufgebracht werden. Ein bevorzugtes Verfahren zur Ausbildung der Unterschicht 32 nutzt ein Gas-Nitridieren, bei dem der Körper 30 in einen Ofen mit Ammoniak-Stickstoff-Atmo sphäre gebracht wird und zwischen 499 und 566°C (930 und 1050°F) betrieben wird.

Nachdem die Unterschicht 32 ausgebildet ist, wird die Unter schicht vorzugsweise auf der Oberfläche geläppt, um einen gleichmäßigeren Linienkontakt mit einer dazu passenden Zylin derwand (nicht gezeigt) zu bilden, und um ein gegebenenfalls vorzusehendes konvexes Oberflächenprofil auszubilden, wie dies nachstehend noch näher erläutert wird. Das Oberflächenläppen ist ein Verfahren, bei dem ein metallisches Läppmittel eingesetzt wird, welches über die entsprechenden Flächen läuft. Das Ober flächenläppen führt jedoch in typischer Weise zu der Bildung von vertikalen Streifen oder Kanälen zwischen den Oberflächen 26 und 28, durch welche Öl von dem Kolbenring 20 entweichen kann.

Nachdem das Oberflächenläppen abgeschlossen ist, wird eine Pla teau-Speicherfläche 34 in der Unterschicht ausgebildet. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, weist die Plateau-Speicherfläche 34 ein im allgemeinen hartes oberes Plateau 36 und eine Reihe von zu fallsverteilten und zufallsorientierten Vertiefungen bzw. Spal ten 38 auf, welche, ausgehend von dem Plateau 36, sich in ver schiedene Tiefen in die Unterschicht 32 hinein erstrecken.

Eine bevorzugte Weise zur Ausbildung der Plateau-Speicherfläche 34 umfaßt das Aufrauhen der Unterschicht 32, um zufallsverteilte und zufallsausgerichtete Oberflächen-Unregelmäßigkeiten zu er zeugen, welche die Vorratsräume 38 umfassen. In typischer Weise wird die Unterschicht 32 mittels Sandstrahlen unter Einsatz von Aluminiumoxidkörnern in der Größe 80 bis 120 aufgerauht, um eine mit Taschen versehene oder genarbte Oberfläche zu bilden. Ein tatsächliches Beispiel einer derartigen Oberfläche ist in Fig. 4 dargestellt, welche die Unterschicht 32 mit einer 100fachen Vergrößerung nach der Strahlbehandlung zeigt. In Abweichung zu den vertikalen Streifen, die durch das Oberflächenläppen ent stehen, sind die Vorratsräume 38 geschlossen, um ein Austreten des Öls aus dem Kolbenring 20 zu verhindern und um das Öl ein zuschließen. Es besteht praktisch keine Möglichkeit, daß das Öl austritt. Das Sandstrahlen wird derart gesteuert, daß die Vor ratsräume 38 sich nicht durch die gesamte Einsatzhärtungstiefe oder Tiefe der Unterschicht 32 erstrecken. Ansonsten würde die Unterschicht in unzweckmäßiger Weise geschwächt, was zu einem unerwünschten Absplittern oder Ausbrechen führen könnte. Die Tiefe muß jedoch so ausreichend groß sein, daß vertikale Kanäle beseitigt werden, die während des Oberflächenläppens gebildet wurden. Ein derartiger Kanal 39 ist in Fig. 4 gezeigt. Die Tiefen der Vorratsräume belaufen sich etwa beispielsweise auf 2 bis 5 µm, und eine solche Größe hat sich als ausreichend erwie sen, um eine Grenzflächenschmierung aufrechtzuerhalten und die Abriebfestigkeit zu verbessern.

Nach dem Sandstrahlen wird die Unterschicht 32 mittels Öl ge läppt, um die Oberflächen-Unebenheiten zu entfernen, die während des Aufrauhens zur Ausbildung des Plateaus 36 sich gebildet haben. Um der Unterschicht 32 die Eigenschaften eines optimalen Substrats zu verleihen, muß das Plateau 36 äußerst glatt sein. Daher kann es gegebenenfalls erforderlich sein, zusätzlich noch ein Polieren vorzunehmen. Dennoch behält die Unterschicht 32 vorzugsweise ihre ursprüngliche Härte nach dem Aufrauhen und dem Läppen mittels Öl oder dem Polieren bei.

Wenn die Plateau-Speicherfläche 34 in der Unterschicht 32 ausge bildet ist, wird eine metallische, nitridierte Oberflächenbe schichtung 40 auf die Oberfläche 34 aufgebracht. Die Beschich tung 40 hat vorzugsweise eine Härte von 2.000 bis 3.000 HVN und insbesondere von etwa 2.600 HVN. Die Beschichtung 40 umfaßt auch eine Einsatztiefe oder eine Dicke von 1 bis 50 µm, und insbeson dere beläuft sich die Dicke etwa auf 4 bis 10 µm. Die Oberflä chenbeschichtung 40 hat nur eine geringfügige oder keine Porosi tät, einen niedrigen Reibungskoeffizienten, eine große Härte und eine hohe Abriebfestigkeit.

Während metallische, nitridierte Oberflächenbeschichtungen zahl reiche Vorteile mit sich bringen, haben sie dennoch die Neigung zum Absplittern. Die Unterschicht 32 wirkt als ein sehr hartes Substrat, um ein Absplittern der Beschichtung 40 zu verhindern. Ein glattes Plateau 36 in Kombination mit den zusätzlichen Ober flächenbereichen, die hier von den Vorratsräumen 38 vorhanden sind, bildet ein optimales Substrat für die zuverlässige Bindung der Oberflächenbeschichtung 40 an die Unterschicht 32, ohne daß das Arbeiten des Kolbenrings behindert würde.

Wie jedoch in Fig. 3 gezeigt ist, eliminiert die zusätzlich vorgesehene Oberflächenbeschichtung 40 die vorhandenen Vorrats räume 38 jedoch nicht. Die Vorratsräume 38 haben das bedeutende Vermögen, Schmieröl während des Brennkraftmaschinenbetriebs aufzunehmen und zu speichern. Die Vorratsräume bilden eine kri tische Quelle für Öl während den Perioden, wenn eine Grenz schichtschmierung erforderlich ist, und hierdurch wird die Ab riebfestigkeit insbesondere beim Einlaufen des Kolbenrings ver bessert.

Eine bevorzugte Oberflächenbeschichtung 40 weist entweder Titan nitrid oder Chromnitrid auf. Jedes dieser metallischen Nitride hat eine hohe Bindefestigkeit mit der Unterschicht 32, welche aus der Art und Weise der Bildung der Beschichtung resultiert, wie dies nachstehend noch näher beschrieben wird. Insbesondere hat eine Oberflächenbeschichtung aus Chromnitrid geringe Eigen spannungen, welche einen Widerstand gegen das Absplittern bilden und eine größere Beschichtungsdicke ermöglicht. Ferner hat Chromnitrid eine ausreichende Kompatibilität, wenn dies mit einer Unterschicht 32 verbunden wird, welche aus elektroplat tiertem Chrom ausgebildet ist.

Im allgemeinen wird das metallische Nitrid unter Nutzung einer metallischen Quelle, wie Chrom oder Titan, gebildet, wobei die ses Material zur Bildung eines Metalldampfes in einer Zone zwi schen der metallischen Quelle und der Unterschicht 32 aufge dampft wird. Dann wird ein Stickstoff enthaltendes Gas in die Zone eingeleitet. Das Gas reagiert mit dem Metalldampf zur Bil dung eines Metallnitrids mit metallurgisch festen Bindungen. Das metallische Nitrid wird dann auf der Plateau-Speicherfläche 34 aufgebracht, um die metallische, nitridierte Oberflächenbe schichtung 40 zu bilden. Die metallische, nitridierte Oberflä chenbeschichtung 40 hat keine Porosität, und es sind keine Zwi schenräume vorhanden, wenn man ein Plasma zur Aufbringung der Oberflächenbeschichtung einsetzt.

Insbesondere kann die Oberflächenbeschichtung 40 unter Einsatz eines Elektroplattierverfahrens aufgebracht werden, welches als "physikalisches Lichtbogen-Aufdampfen" bezeichnet wird. Der Körper 30 mit der Unterschicht 32 und der Plateau-Speicherfläche 34 wird in einen Vakuumofen gebracht. Es wird eine Polarität zwischen einem Plattierungsmetall, wie Chrom oder Titan, und dem Basiskörper 30 aufgebaut. Der Basiskörper 30 wirkt als eine negativ geladene Kathode und das Plattierungsmetall als eine positiv geladene Anode. Das verdampfte Plattierungsmetall wirkt mit einem reagierenden Gas, welches Stickstoff enthält, zusam men, um ein metallisches Nitrid zu bilden, welches dann auf der Plateau-Speicherfläche 34 aufgebracht wird. Chrom und Titan haben sich als äußerst gute Plattierungsmetalle erwiesen, da ihr Einsatz zu der Bildung einer metallischen Nitridbeschichtung mit der gewünschten Dicke führt. In der Praxis lassen sich etwa 10 µm von der Oberflächenbeschichtung 36 pro Stunde aufbauen. Eine physikalische Aufbringung unter Einsatz dieses Vorschlags erfordert etwa 100 As mit einer Spannungsdifferenz von etwa 20 Volt. Die Temperatur des Basiskörpers 26 sollte 427°C (800°F) nicht überschreiten.

Wenn die Oberflächenbeschichtung 40 einmal auf die Plateau-Spei cherfläche 34 aufgebracht worden ist, hat eine erhaltene äußere Oberfläche 42 vorzugsweise ein konvexes Oberflächenprofil zwi schen 0,013 mm und 0,03 mm (0,0005 und 0.001 inches) gemessen zwischen einer Spitze 44 der Oberfläche und entweder einem unte ren oder oberen Übergangspunkt 46 zwischen der äußeren Fläche 42 und den zugeordneten axialen Flächen 26 und 28. Ein konvexes Oberflächenprofil unterstützt das Speicherungsvermögen für Schmieröl in den Vorratsräumen 38 und den selektiven Einsatz des Öls, um eine dünne Schmierschicht zwischen dem Ring 20 und einer zugeordneten Zylinderwand zu bilden. Die Schmierschicht verhin dert einen unerwünschten Verschleiß zwischen dem Ring 20 und der zugeordneten Zylinderwand während den Perioden der Grenzschicht schmierung und unterstützt die Kolbenring-Abriebfestigkeit.

Obgleich voranstehend bevorzugte Ausführungsformen an Hand der beigefügten Zeichnungen erläutert worden sind, sind selbstver ständlich zahlreiche Modifikationen und Änderungen möglich, die der Fachmann im Bedarfsfall treffen wird, ohne den Erfindungs gedanken zu verlassen.

Claims

1. Kolbenring mit einem im allgemeinen ringförmigen Grundkör per (30), welcher eine äußere Umfangsfläche (24), eine obere Fläche (26) und eine untere Fläche (28) hat, gekenn zeichnet durch:
eine Unterfläche (32), welche auf der Umfangsfläche (24) angebracht ist, und eine mit Oberflächenunebenheiten versehene Oberfläche mit zufallsverteilten und zufalls orientierten Vorratsräumen (38) hat, welche zwischen der oberen Fläche und der unteren Fläche geschlossen sind; und
eine metallische, nitridierte Oberflächenbeschichtung (40), welche auf die so mit Oberflächenunebenheiten ver sehene Oberfläche aufgebracht ist, wobei die äußere Um fangsfläche der metallischen Oberflächenbeschichtung (40) ein konvexes Oberflächenprofil hat.

2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Oberflächen-Unebenheiten versehene Oberfläche durch Blasstrahlen und anschließendes Ölläppen ausgebildet ist.

3. Kolbenring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Oberflächen-Unebenheiten versehene Oberfläche durch ein Oberflächenläppen vor dem Blasstrahlen ausgebildet ist.

4. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die mit Oberflächen-Unebenheiten versehe ne Oberfläche eine Tiefe von wenigstens 2 µm hat.

5. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß das Blasstrahlen mit einem Material mit einer Korngröße 80 bis 120 erfolgt.

6. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Unterschicht (32) eine Härte zwischen 800 und 950 HVN und eine minimale Dicke von 0,101 mm hat.

7. Kolbenring nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterschicht (32) ein elektroplattiertes Chrom oder ein mittels Gas aufgebrachtes Nitrid aufweist.

8. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die metallische, nitridierte Oberflächen beschichtung (40) eine Härte von 2.000 bis 3.000 HVN und eine Dicke von 1 bis 50 µm hat.

9. Kolbenring nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der metallischen, nitridierten Oberflächenbeschich tung (40) etwa 4 bis 10 µm beträgt.

10. Kolbenring nach einem der voran gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Oberflächenbeschichtung (40) von Chromnitrid oder Titannitrid gebildet wird.

11. Kolbenring nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische, nitridierte Oberflächenbeschichtung (40) durch physikalisches Aufdampfen aufgebracht ist.

12. Kolbenring, welcher folgendes aufweist:
einen im allgemeinen ringförmigen Grundkörper (30), welcher eine äußere Umfangsfläche (24) hat;
eine Unterschicht (32) aus elektroplattiertem Chrom oder mittels Gas nitridiertem Material, welches auf der Umfangsfläche (24) aufgebracht ist, wobei die Unterschicht (32) eine Plateau-Speicherfläche (34) hat, welche mittels Blasstrahl und anschließendem Ölläppen ausgebildet ist, wobei die Unterschicht (32) eine Härte von 800 bis 950 HVN und eine minimale Dicke von 0,101 mm hat; und
eine metallische, nitridierte Oberflächenbeschichtung (40) aus Chromnitrid oder Titannitrid, welche auf die Pla teau-Speicherfläche (34) aufgebracht ist, wobei eine äußere Umfangsfläche der metallischen Oberflächenbeschichtung (40) ein konvexes Oberflächenprofil mit 0,013 mm bis 0,03 mm hat, und wobei die metallische, nitridierte Oberflächenbe schichtung (40) eine Härte von 2.000 bis 3.000 HVN und eine Dicke von 1 bis 50 µm hat.

13. Kolbenring nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Plateau-Speicherfläche (34) zur Ausbildung ein Ober flächenläppen vor dem Blasstrahlen umfaßt.

14. Kolbenring nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeich net, daß die metallische, nitridierte Oberflächenbeschich tung (40) etwa eine Dicke von 4 bis 10 µm hat.

15. Kolbenring nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische, nitridierte Oberflä chenbeschichtung (40) etwa eine Härte von 2.600 HVN hat.

16. Kolbenring nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß für das Blasstrahlen Aluminiumoxid mit einer Korngröße zwischen 80 und 120 genommen wird.

17. Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Kolbenrings, welches die folgenden Schritte aufweist:

(A) Ausbilden eines metallischen Kolbenring-Basiskör pers (30) mit einer äußeren Umfangsfläche (24);
(B) Aufbringen einer Unterschicht (32) aus elektro plattiertem Chrom oder mittels Gasnitridieren auf der äuße ren Umfangsfläche (24);
(C) Strahlblasen der Unterschicht (32);
(D) Ölläppen oder Polieren der Unterschicht (32) nach dem Strahlblasen; und
(E) Aufbringen einer metallischen, nitridierten Ober flächenbeschichtung unter Verwendung eines Chromnitrids oder eines Titannitrids auf die Unterschicht (32).

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Unterschicht (32) vor dem Strahlblasen ge läppt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß auf der äußeren Umfangsfläche der Oberflächenbeschich tung (40) ein konvexes Oberflächenprofil ausgebildet wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch ge kennzeichnet, daß die Unterschicht (32) eine Härte von 800 bis 950 HVN und eine minimale Dicke von 0,101 mm hat.