EP0759519B1 - Kolbenring für Verbrennungsmotoren - Google Patents

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EP0759519B1
EP0759519B1 EP96112522A EP96112522A EP0759519B1 EP 0759519 B1 EP0759519 B1 EP 0759519B1 EP 96112522 A EP96112522 A EP 96112522A EP 96112522 A EP96112522 A EP 96112522A EP 0759519 B1 EP0759519 B1 EP 0759519B1
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EP
European Patent Office
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piston
piston ring
ring
piston according
carbon layer
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EP96112522A
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EP0759519A3 (de
EP0759519A2 (de
Inventor
Roland Linz
Edgar Martin
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Federal Mogul Nuernberg GmbH
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Federal Mogul Nuernberg GmbH
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent

Definitions

  • the present invention relates to a piston for Internal combustion engines.
  • piston rings which the task between the piston head and cylinder wall to seal the existing gap from the combustion chamber.
  • piston rings which the task between the piston head and cylinder wall to seal the existing gap from the combustion chamber.
  • the piston ring slides as the piston moves up and down on the one hand with its outer peripheral surface in constant resilient system against the cylinder wall, on the other hand slides the piston ring oscillates in its piston ring groove by the tilting movements of the piston, its flanks, i.e. the top and bottom of the piston ring, alternately the upper or lower flank of the piston ring groove issue.
  • From DE-OS 21 56 127 is also an electrolytic Application of sliding layers on a piston ring and one Known cylinder wall, these sliding layers, e.g. Nickel, due to hard suspended particles in their Abrasion resistance can be increased.
  • the particulate Inclusions can be made of silicon carbide or diamond consist.
  • Ring carriers solve the problem of Groove wear in a satisfactory manner and therefore also applied on a large scale.
  • Ring bearers also have a significant disadvantage because of the piston weight is increased and both when casting the Piston as well as in its mechanical processing elaborate manufacturing technology is what overall caused considerable additional costs.
  • Piston ring carrier also occupy a space in the piston head that the Arrangement of cooling channels restricted and not there allows where they would be most wanted, namely in as close as possible to the top ring groove.
  • Ring carrier castings are, for example, reinforcements of the top ring groove by cladding or welding alloys of the groove flanks as well as Flame sprayed applied surface layers. however These processes also prepare large-scale manufacturing Problems and very high costs so that none provide a satisfactory solution.
  • the piston according to the invention is made of a heat-resistant Made of aluminum alloy and has at least one Ring groove with at least one piston ring.
  • the piston ring is at least perpendicular to it Flanks of the main axis with a plasma CVD method applied hard carbon layer coated.
  • the ring groove in which the piston ring is inserted is unbegert.
  • the hard carbon layer provided according to the invention serves primarily as a running layer opposite the groove flanks the piston ring grooves and not necessarily as Running layer compared to that usually made of gray cast iron existing cylinder liner. It can Hard carbon layer also on the outer peripheral surface of the Piston ring are applied, since it does not interfere there, however, there are none in gray cast iron liners significant additional benefits.
  • the reinforcement of the piston ring according to the invention on its Top and its bottom, i.e. on the surfaces with fully touch the flanks of the piston ring groove significant benefits.
  • the hard carbon layer protects namely in the pairing of Piston ring and piston ring groove both the piston ring flanks as the flanks of the grooves in the piston material are also too high Wear, even when used in highly loaded diesel engines.
  • the Piston rings produced according to the invention possible on a Reinforcement of the piston ring grooves, what the Manufacturing costs of the pistons significantly reduced.
  • On a ring carrier insert for the top piston ring groove are therefore waived, which makes it possible for the first time the cooling channel in the piston head in the under thermal Considered proximity to the top ring groove bring. As a result, the operating temperature in the range top ring groove lowered, and thus also effective for Operational safety of the top ring groove contributed.
  • the one provided according to the invention Hard carbon layer also extremely good Dry-running properties.
  • the coating of the piston ring in the plasma CVD process takes place with a doped hard carbon layer, which has the formula a-C: H, where a is an amorphous material designated and C and H carbon and hydrogen as Identify material components.
  • Such a doped, super hard carbon layer is also under the trade name Dynamant (registered trademark) offered and is from the contribution of Dr. Knut Enke "With modified super hard carbon against wear, Corrosion and Friction "known in the yearbook trolleyntechnik Band 45, 1989, from the metal publishing house has appeared. Ion bombardment creates one Carbon modification that is neither pure graphite nor pure Diamond is, but rather between these two Materials.
  • the piston according to the invention is made of a heat-resistant Aluminum alloy is produced, which in claim 1 has specified composition.
  • a heat-resistant Aluminum alloy is produced, which in claim 1 has specified composition.
  • Such an alloy is known from DE 43 26 978 A1.
  • a piston from such Aluminum alloy, which according to the invention with a Combined hard carbon layer coated piston ring will bring decisive advantages.
  • the invention proposed, heat-resistant aluminum alloy for the Piston material is not only in terms of Frictional wear advantageous, but especially in With regard to the striking stress of the Ring groove flanks under the influence of the in the groove oscillating with the motor piston movement in the Ring groove up and down moving piston ring.
  • Other preferred, heat-resistant aluminum alloys are Al-Si-Mg alloys with relatively high levels of heavy metals such as Ni, Cu, Mn and Fe.
  • the Pistons according to the invention are modified so that the Coating the outer peripheral surface with a special Running layer is omitted, but the piston ring on all sides is coated with the hard carbon layer.
  • Such an embodiment is particularly suitable for Pairing with a light metal cylinder liner, i.e. at Cylinder running surfaces made of aluminum alloys, for example. While the usual gray cast iron cylinder liners Piston rings coated with a front running layer should be, the pairing leads one way hard carbon coated piston ring, no other Coating of running layer on the outer peripheral surface also with a light alloy cylinder liner the face of the ring to a satisfactory Glide.
  • nitrided steel rings can be used without any previous end face allocation can be provided.
  • an additional galvanic Chrome coating of the end face can be provided.
  • the Piston ring Preferably takes place before coating with the Hard carbon layer a fine machining, through which the Piston ring is provided with a roughness of ⁇ 1 ⁇ m.
  • a fine machining through which the Piston ring is provided with a roughness of ⁇ 1 ⁇ m.
  • the piston ring is advantageously in this state ready for installation.
  • the layer thickness of the coating of the piston ring with the hard carbon layer has a thickness of at least 2.5 ⁇ m, and preferably 3 ⁇ 0.5 ⁇ m, as particularly favorable proved.
  • Gray cast iron is preferred, especially in tests with steel good results have been achieved.
  • the surface of the piston ring is also preferably below the coating is nitrided.
  • the coating of the outer Circumferential surface of the piston ring can preferably be known Way with chrome, molybdenum, nickel, diamond or similar Materials are made to wear the peripheral tread of the piston ring.
  • the piston according to the invention is preferably also nearby its uppermost ring groove with a cooling channel in the piston head Mistake.
  • a cooling channel in the piston head Mistake.
  • the narrowest Distance between the cooling channel and the bottom of the groove top ring groove is not more than 3 mm.
  • Piston ring blank To manufacture the piston ring, first a Piston ring blank according to known steel processes manufactured and nitrided in its surface.
  • the piston provided according to the invention is made from a cast heat-resistant aluminum alloy as claimed in claim 9 claimed and described in DE 43 26 978 A1. With regard to the alloy composition, this is Publication also on the subject of the disclosure of this Registration made.
  • the Piston rings according to the invention are made in a conventional manner inserted in the piston ring grooves of the piston.
  • Piston rings have been used for pairing above unreinforced grooves in an aluminum piston alloy described, and the claims relate to this Combination of features.
  • the Piston rings in an advantageous manner for pairings in grooves in Iron materials can be used, e.g. with built pistons with a light metal base and a steel top or cast iron.
  • Those produced according to the invention can also be used Piston rings in pairs with grooves in the known Ring carriers are used. You can also go here Extreme loads Extends the service life of the sliding surfaces cause.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für Verbrennungsmotoren.
Im Kopf von Kolben für Verbrennungsmotoren sind in Kolbenringnuten üblicherweise Kolbenringe eingesetzt, welche die Aufgabe haben, den zwischen Kolbenkopf und Zylinderwand vorhandenen Spalt gegenüber dem Brennraum abzudichten. Bei der Auf- und Abbewegung des Kolbens gleitet der Kolbenring einerseits mit seiner äußeren Umfangsfläche in ständiger federnder Anlage gegen die Zylinderwand, andererseits gleitet der Kolbenring oszillierend in seiner Kolbenringnut, bedingt durch die Kippbewegungen des Kolbens, wobei seine Flanken, d.h. die Ober- und Unterseite des Kolbenringes, wechselnd an der oberen oder unteren Nutenflanke der Kolbenringnut anliegen.
Abhängig von den Materialeigenschaften der jeweils gegeneinander laufenden Gleitpartner tritt bei dem einen oder dem anderen der Gleitpartner mehr oder weniger starker Verschleiß auf, der bei einem Trockenlauf zu sogenannten Fressern, zu Riefenbildung und letztlich zu einer Motorzerstörung führen kann (vgl. hierzu auch Nüral Kolben-Handbuch der Alcan Aluminiumwerk Nürnberg GmbH, 1983, Seiten 146 bis 151).
Um das Gleitverhalten gegenüber der Zylinderwand zu verbessern, die in der Regel aus Grauguß besteht, sind im Stand der Technik zahlreiche Oberflächenbeschichtungen für die Umfangsfläche der Kolbenringe entwickelt worden. So ist in der DE-AS 17 51 573 ein chrombeschichteter Kolbenring beschrieben, der an seiner Umfangsfläche teilweise zusätzlich mit Molybdän beschichtet ist. In dem Kolbenring-Handbuch der Goetzewerke Friedrich Goetze AG, 3. Auflage 1977, Seite 28 ff. sind darüber hinaus verschleißmindernde Schichten als Laufflächenbewehrungen vorgesehen, die aus Chrom, Molybdän, Keramik, aus Bronzeeinlagen oder auch aus zusammengesetzten Schichten verschiedener Werkstoffe bestehen können.
Aus der DE-OS 21 56 127 ist ferner ein elektrolytisches Aufbringen von Gleitschichten auf einen Kolbenring und eine Zylinderwandung bekannt, wobei diese Gleitschichten, z.B. Nickel, durch harte suspendierte Partikel in ihrer Abriebsfestigkeit erhöht werden. Die partikelförmigen Einlagerungen können hierbei aus Siliciumcarbid oder Diamant bestehen.
In der US 4,974,498 ist ein Kolben mit einem Kolbenring offenbart, der mit synthetischem Diamant beschichtet sein kann.
Jüngere Entwicklungen bei Kolbenringen nützen die Möglichkeit der Abscheidung dünner Schichten aus Plasma (Plasma-PVD oder -CVD-Verfahren) (vgl. JP-A-62 58050). In dieser Druckschrift wird das Aufbringen von superharten Beschichtungen aus CBN, TiC, SiC, Al2O3 oder Diamant auf den Außenumfang von Kolbenringen beschrieben. Die Dicke dieser Superhart-Schichten ist relativ groß und beträgt 15 µm. Darüber hinaus ist auf der Superhart-Werkstoffbeschichtung als oberste Beschichtung eine äußere Schicht aus TiN mit einer geringeren Dicke von 3 µm aufgebracht.
In der DE 36 23 360 A2 ist eine Kombination eines Kolbens mit einem Kolbenring offenbart, der mit molekularen Kohlenstoffionen platiert sein kann. In dem Fachbuch "Plasma-Beschichtungsverfahren und Hartstoffschichten" von Dr. B. Rother und Dr. J. Vetter, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1992, sind hierbei anwendbare Plasmabeschichtungsverfahren beschrieben. Die JP 4000064 beschreibt die Beschichtung eines Kolbenrings durch eine Mischung aus Chrom, Kohlenstoff und Stickstoff mittels eines Plasmabeschichtungsverfahrens. Schließlich ist ein Kolben aus einer warmfesten Aluminiumlegierung mit einem in eine unbewehrte Ringnut eingesetzten Kolbenring aus der DE 43 26 978 A1 bekannt.
Obwohl auf dem Gebiet der Kolbenringe vielfache Anstrengungen unternommen wurden, den Verschleiß der Nutenflanken bei Verwendung von Aluminiumkolben zu reduzieren, konnte dies durch die obenbeschriebenen Entwicklungen nicht erreicht werden. Es hat sich im Gegenteil herausgestellt, daß gerade sogenannte Superhart-Schichten zwar den Kolbenring selbst vor einem Verschleiß schützen, daß derartige Verschleißschutzschichten jedoch aufgrund ihrer Härte bei Aluminiumlegierungen als Gleitpartner einen stärkeren Verschleiß bewirken. Insbesondere hat das vielfach verwendete TiN nur unzureichende Trockenlaufeigenschaften, so daß derartige Beschichtungen bei einem Schmierölmangel in kürzester Zeit erhebliche Laufflächenschäden erzeugen.
Aufgrund der obenbeschriebenen Probleme werden im Stand der Technik, insbesondere bei hochbeanspruchten Dieselkolben, die dem Brennraum am nächsten liegenden Nuten, die folglich den höchsten thermischen und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, durch einen eingegossenen Kolbenringträger armiert, der in der Regel aus austenitischem Grauguß besteht (vgl. hierzu Nüral Kolben-Handbuch, Ausgabe 1983, Seiten 128 bis 131, insbesondere Bild 166).
Derartige Ringträger lösen zwar das Problem des Nutenverschleißes auf befriedigende Weise und werden deshalb auch in großem Umfang angewendet. Jedoch ist mit derartigen Ringträgern auch ein erheblicher Nachteil verbunden, da durch sie das Kolbengewicht erhöht wird und sowohl beim Gießen des Kolbens als auch bei dessen mechanischer Bearbeitung eine aufwendige Fertigungstechnologie erforderlich ist, was insgesamt erhebliche Mehrkosten verursacht. Kolbenringträger nehmen darüber hinaus im Kolbenkopf einen Raum ein, der die Anordnung von Kühlkanälen einschränkt und gerade dort nicht zuläßt, wo diese am meisten gewünscht wären, nämlich in möglichst großer Nähe zur obersten Ringnut. Aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannte Alternativen zu Ringträgereingußteilen sind beispielsweise Armierungen der obersten Ringnut durch Auftragsschweißen oder schweißtechnische Auflegierungen der Nutenflanken sowie durch Flammspritzen aufgetragene Oberflächenschichten. Jedoch bereiten auch diese Verfahren große fertigungstechnische Probleme und sehr hohe Kosten, so daß diese keine befriedigende Lösung bieten.
Es ist das der Erfindung zugrundeliegende Problem (Aufgabe), einen Kolben zu schaffen, der kostengünstig hergestellt werden kann und einen Kolbenring aufweist, der selber verschleißbeständig ist und insbesondere in der obersten Nut eines hochbelasteten Leichtmetall-Kolbens eingesetzt werden kann, ohne daß die Flanken der Nut einer besonderen Armierung bedürfen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch einen Kolben, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Der erfindungsgemäße Kolben ist aus einer warmfesten Aluminiumlegierung hergestellt und weist mindestens eine Ringnut mit mindestens einem Kolbenring auf. Erfindungsgemäß ist der Kolbenring mindestens auf seinen senkrecht zu seiner Hauptachse liegenden Flanken mit einer im Plasma-CVD-Verfahren aufgebrachten Hartkohlenstoffschicht beschichtet. Die Ringnut, in die der Kolbenring eingesetzt ist, ist unbewehrt.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Hartkohlenstoffschicht dient in erster Linie als Laufschicht gegenüber den Nutenflanken der Kolbenringnuten und nicht notwendigerweise als Laufschicht gegenüber der üblicherweise aus Grauguß bestehenden Zylinderbüchse. Zwar kann die Hartkohlenstoffschicht auch auf die äußere Umfangsfläche des Kolbenringes aufgebracht werden, da sie dort nicht stört, jedoch bringt sie dort bei Laufbüchsen aus Grauguß keine wesentlichen zusätzlichen Vorteile. Andererseits bringt die erfindungsgemäße Bewehrung des Kolbenringes an seiner Oberseite und seiner Unterseite, d.h. an den Flächen, die mit den Nutenflanken der Kolbenringnut in Berührung treten, ganz erhebliche Vorteile.
Die Hartkohlenstoffschicht schützt nämlich in der Paarung von Kolbenring und Kolbenringnut sowohl die Kolbenringflanken als auch die Nutenflanken im Kolbenwerkstoff vor unzulässig hohem Verschleiß, und dies selbst bei einem Einsatz in hochbelasteten Dieselmotoren. Hierbei ist es mit den erfindungsgemäß hergestellten Kolbenringen möglich, auf eine Bewehrung der Kolbenringnuten zu verzichten, was die Herstellungskosten der Kolben entscheidend verringert. Auf einen Ringträgereinsatz für die oberste Kolbenringnut kann demnach verzichtet werden, wodurch es erstmals möglich wird, den Kühlkanal im Kolbenkopf in die unter thermischen Gesichtspunkten gewünschte Nähe zur obersten Ringnut zu bringen. Hierdurch wird die Betriebstemperatur im Bereich der obersten Ringnut gesenkt, und somit zusätzlich wirksam zur Betriebssicherheit der obersten Ringnut beigetragen. Schließlich besitzt die erfindungsgemäß vorgesehene Hartkohlenstoffschicht auch außerordentlich gute Trockenlaufeigenschaften.
Die Beschichtung des Kolbenringes im Plasma-CVD-Verfahren erfolgt mit einer dotierten Hartkohlenstoffschicht, welche die Formel a-C:H aufweist, wobei a ein amorphes Material bezeichnet und C und H Kohlenstoff und Wasserstoff als Materialbestandteile bezeichnen.
Eine derartige dotierte, superharte Kohlenstoffschicht wird auch unter dem Handelsnamen Dynamant (eingetragene Marke) angeboten und ist aus dem Beitrag von Dr. Knut Enke "Mit modifiziertem superhartem Kohlenstoff gegen Verschleiß, Korrosion und Reibung" bekannt, der im Jahrbuch Oberflächentechnik Band 45, 1989, des Metall-Verlages erschienen ist. Durch Ionenbeschuß entsteht hier eine Kohlenstoffmodifikation, die weder reiner Graphit noch reiner Diamant ist, sondern vielmehr zwischen diesen beiden Materialien liegt. Die allgemeine Formel a-C:H bedeutet, daß es sich um ein amorphes ("a") also nicht-kristallines Material handelt, das im wesentlichen aus Kohlenstoff besteht, der einen nicht näher angegebenen Anteil an Wasserstoff enthält.
Der erfindungsgemäße Kolben ist aus einer warmfesten Aluminiumlegierung hergestellt ist, welche die im Anspruch 1 angegebene Zusammensetzung aufweist. Eine derartige Legierung ist zwar aus der DE 43 26 978 A1 bekannt. Jedoch hat sich herausgestellt, daß ein Kolben aus einer derartigen Aluminiumlegierung, der erfindungsgemäß mit einem mit einer Hartkohlenstoffschicht beschichteten Kolbenring kombiniert wird, entscheidende Vorteile bringt. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene, warmfeste Aluminiumlegierung für den Kolbenwerkstoff ist nicht nur in Hinblick auf den Reibverschleiß vorteilhaft, sondern insbesondere auch in Hinblick auf die schlagende Beanspruchung der Ringnutenflanken unter der Einwirkung des sich in der Nut oszillierend mit der motorischen Kolbenbewegung in der Ringnut auf- und abbewegenden Kolbenringes. Andere bevorzugte, warmfeste Aluminiumlegierungen sind Al-Si-Mg-Legierungen mit relativ hohen Gehalten an Schwermetallen wie Ni, Cu, Mn und Fe. Bei derartigen Kolbenlegierungen kann bei der erfindungsgemäßen Verwendung der beschichteten Kolbenringe selbst die oberste Ringnut direkt in den Kolbenwerkstoff eingearbeitet werden. Somit bietet die erfindungsgemäße Kombination des hartkohlenstoffbeschichteten Kolbenringes mit einem Kolben aus einer warmfesten Aluminiumlegierung, der eine unbewehrte Ringnut aufweist, eine einfache, kostengünstige und in jeder Hinsicht vorteilhafte Lösung des eingangs genannten Problemes.
Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kolbens sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform kann der erfindungsgemäße Kolben so modifiziert werden, daß das Beschichten der äußeren Umfangsfläche mit einer speziellen Laufschicht weggelassen wird, jedoch der Kolbenring allseitig mit der Hartkohlenstoffschicht beschichtet ist.
Eine derartige Ausführungsform eignet sich insbesondere bei Paarung mit einer Leichtmetallzylinderlaufbüchse, d.h. bei Zylinderlaufflächen aus beispielsweise Aluminiumlegierungen. Während bei den üblichen Grauguß-Zylinderbüchsen die Kolbenringe mit einer stirnseitigen Laufschicht beschichtet sein sollten, führt die Paarung eines allseitig hartkohlenstoffbeschichteten Kolbenringes, der keine weitere Beschichtung aus Laufschicht auf der äußeren Umfangsfläche aufweist, mit einer Leichtmetallzylinderlaufbüchse auch auf der Stirnseite des Ringes zu einem zufriedenstellenden Gleitverhalten. Hierbei können nitrierte Stahlringe ohne jede vorhergehende Stirnflächenbelegung vorgesehen werden. In Einzelfällen kann zusätzlich eine galvanische Chrombeschichtung der Stirnfläche vorgesehen werden.
Vorzugsweise erfolgt vor der Beschichtung mit der Hartkohlenstoffschicht eine Feinstbearbeitung, durch die der Kolbenring mit einer Rauhigkeit von ≤ 1 µm versehen wird. In diesem Zustand ist der Kolbenring in vorteilhafter Weise einbaufertig.
Für die Schichtdicke der Beschichtung des Kolbenringes mit der Hartkohlenstoffschicht hat sich eine Dicke von mindestens 2,5 µm, und bevorzugt 3 ± 0,5 µm, als besonders günstig erwiesen.
Für das Material des erfindungsgemäßen Kolbenringes wird Grauguß bevorzugt, wobei bei Versuchen mit Stahl besonders gute Ergebnisse erzielt wurden.
Bevorzugt ist ferner die Oberfläche des Kolbenringes unter der Beschichtung nitriert. Die Beschichtung der äußeren Umfangsfläche des Kolbenringes kann bevorzugt in bekannter Weise mit Chrom, Molybdän, Nickel, Diamant oder ähnlichen Materialien erfolgen, um den Verschleiß der Umfangslauffläche des Kolbenringes zu verringern.
Bevorzugt ist der erfindungsgemäße Kolben ferner in der Nähe seiner obersten Ringnut mit einem Kühlkanal im Kolbenkopf versehen. Für diesen Kühlkanal wird bevorzugt, daß der engste Abstand zwischen dem Kühlkanal und dem Nutengrund der obersten Ringnut nicht mehr als 3 mm beträgt. Mit einer derartigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kolbens konnten besonders gute Eigenschaften erzielt werden.
Nachfolgend wird die Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbens rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform beschrieben.
Zur Herstellung des Kolbenringes wird zunächst ein Kolbenringrohling nach bekannten Verfahren aus Stahl hergestellt und in seiner Oberfläche nitriert.
In einem nachfolgenden Schritt wird die äußere Umfangsfläche des Kolbenringes mit einer Laufschicht gegenüber der Zylinderbüchse versehen, die beispielsweise aus galvanisch aufgebrachtem Chrom besteht. Hierauf wird der so erhaltene Kolbenring auf eine Rauhigkeit von Rz ≤ 1 µm einbaufertig feinstbearbeitet.
Um den so erhaltenen Kolbenring mit der erfindungsgemäßen Beschichtung zu versehen, wird dieser allseitig im Plasma-CVD-Verfahren mit einer dotierten Hartkohlenstoffschicht überzogen, die eine Dicke von 3 ± 0,5 µm aufweist. Diese Hartkohlenstoffschicht, die unter dem Handelsnamen Dynamant bekannt und durch die allgemeine Formel a-C:H definiert ist, macht die Oberflächen des Kolbenringes in besonderer Weise gleitfähig gegenüber den Nutenflanken der jeweiligen Kolbenringnut, mit der der Ring in Eingriff steht. Hierdurch werden sowohl die Kolbenringflanken wie auch die Nutenflanken vor unzulässig hohem Verschleiß geschützt.
Der erfindungsgemäß vorgesehene Kolben wird aus einer warmfesten Aluminiumlegierung gegossen, wie sie in Anspruch 9 beansprucht und in der DE 43 26 978 A1 beschrieben ist. Hinsichtlich der Legierungszusammensetzung wird diese Druckschrift ebenfalls zum Gegenstand der Offenbarung dieser Anmeldung gemacht. Nach dem Gießen des Kolbens werden im Zuge der üblichen mechanischen Bearbeitung die Kolbenringnuten direkt in den Werkstoff des Kolbens eingestochen, ohne daß eine besondere Flankenarmierung vorgesehen wird. Die erfindungsgemäßen Kolbenringe werden auf herkömmliche Weise in die Kolbenringnuten des Kolbens eingesetzt.
Die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Kolbenringe wurden zwar vorstehend für eine Paarung mit unbewehrten Nuten in einer Aluminiumkolbenlegierung beschrieben, und die Ansprüche beziehen sich auf diese Merkmalskombination. Es sei jedoch erwähnt, daß die Kolbenringe auf vorteilhafte Weise für Paarungen in Nuten in Eisenwerkstoffen einsetzbar sind, z.B. bei gebauten Kolben mit einem Leichtmetallunterteil und einem Oberteil aus Stahl oder Grauguß. Auch können die erfindungsgemäß hergestellten Kolbenringe in Paarungen mit Nuten in den bekannten Ringträgern eingesetzt werden. Auch hier können sie unter extremen Belastungen Standzeitverlängerungen der Gleitflächen bewirken.

Claims (10)

  1. Kolben, insbesondere für Dieselmotoren,
    bestehend aus einer warmfesten Aluminiumlegierung und
    mit mindestens einer unbewehrten Ringnut sowie
    mindestens einem Kolbenring, der in die Ringnut eingesetzt ist, und mindestens auf seinen senkrecht zu seiner Hauptachse liegenden Flanken mit einer im Plasma-CVD-Verfahren aufgebrachten dotierten Hartkohlenstoffschicht beschichtet ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß;
    die dotierte Hartkohlenstoffschicht folgende Zusammensetzung aufweist: a-C H,    wobei
    a:
    amorphes Material,
    C:
    Kohlenstoff und
    H:
    Wasserstoff bedeuten,
    und daß;
    die Aluminium legierung folgende Zusammensetzung aufweist:
    2 - 6 % Kupfer, 2 - 6 % Nickel, 11 - 16 % Silizium, 0,5 bis 2,0 % Magnesium, bis 0,7 % Eisen, bis 0,5 % Mangan, Rest Aluminium.
  2. Kolben nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Kolbenring mit der Hartkohlenstoffschicht allseitig beschichtet ist.
  3. Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Kolbenring vor dem Beschichten mit der Hartkohlenstoffschicht feinstbearbeitet ist, vorzugsweise auf eine Rauhigkeit ≤ 1 µm.
  4. Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Schichtdicke der Beschichtung des Kolbenrings mindestens 2,5 µm, vorzugsweise 3 ± 0,5 µm ist.
  5. Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Kolbenring aus Stahl besteht.
  6. Kolben nach zumindest einem der Ansprüche 1-4,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Kolbenring aus Grauguß besteht.
  7. Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Kolbenringes unter der Beschichtung nitriert ist.
  8. Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die äußere Umfangsfläche des Kolbenringes mit einem oder mehreren der folgenden Materialien beschichtet ist: Chrom, Molybdän, Keramik, Bronze, Nickel, SiC, TiC, Al2O3, oder Diamant.
  9. Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    dieser in der Nähe seiner obersten Ringnut einen Kühlkanal im Kolbenkopf aufweist.
  10. Kolben nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der engste Abstand zwischen Kühlkanalwand und dem Nutengrund der obersten Ringnut nicht mehr als 3 mm beträgt.
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