WO2005121609A1 - Verfahren zur herstellung verschleissfester flanken für einen trapezring für verbrennungsmotoren - Google Patents

Verfahren zur herstellung verschleissfester flanken für einen trapezring für verbrennungsmotoren Download PDF

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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C14/024—Deposition of sublayers, e.g. to promote adhesion of the coating

Definitions

  • the invention relates to a method for producing wear-resistant flanks for a trapezoidal ring for internal combustion engines, in which a rectangular ring with an inner and an outer circumferential surface and an upper and lower flank is first formed from a steel strip with a rectangular cross-section as the base material, which is then by means of a nitriding process Nitrided on all sides and subsequently brought into its final shape and geometry by machining the surfaces, whereby the machining reveals the base material on the flanks
  • Piston rings with a trapezoidal cross-section - ring height larger on the outer circumferential surface than on the inner circumferential surface - are preferably used as a top ring in diesel engines, the associated piston ring groove also being trapezoidal in shape.
  • Diesel motors tend to deposit hard carbon-containing residues in the first-uppermost- piston ring groove, which The trapezoidal design of the piston rings and the piston ring groove generally prevent the piston rings from seizing and thus ensure the sealing function.
  • the manufacturing method according to the invention creates wear-resistant ring flanks which have significantly less frictional wear in engine operation compared to the prior art Generating a nitride layer on the ring flanks with a uniform nitriding depth also producing uniformly high hardness values so that no damage to the ring function affecting the ring function occurs along the circumference of the ring flanks. Micro-welding between the piston ring and piston is also effectively prevented
  • FIG. 1 shows a method for producing trapezoidal rings according to the prior art
  • FIG. 2 shows a manufacturing method for trapezoidal rings according to the invention
  • FIG. 3 shows the location-dependent ring flank wear according to the prior art and the method according to the invention
  • a piston ring with an inner circumferential surface 5a and an outer circumferential surface 5b and an upper ring flank 3a / b and lower ring flank 4a / b is first formed from a non-nitrided martensitic steel strip 1 with a rectangular cross-section using known devices, as shown in FIG.
  • the nitride layer consists of a diffusion layer and a connecting layer, whereby the nitriding hardness depth in the diffusion layer can be up to 200 ⁇ m.
  • the connecting layer has a hard HVO 05 of 700 with a layer thickness of approx. 20 ⁇ m.
  • the steel strip 1 has a chromium content of between 12% and 17% for the formation of hard chromium nitrides the nitrided piston ring is subjected to another slight grinding or lapping process without flank machining, optionally to further improve the wear properties by a PVD process (physical vapor deposition) known per se, chromium or chromium nitride layer can be applied to the preferably lower nitrided ring flank, since in particular at the trapezoidal rings produced according to the prior art according to FIG. 1 has shown the greatest frictional wear there
  • PVD process physical vapor deposition
  • a chromium nitride or manganese phosphate layer between 1-3 ⁇ m with a hardness between 1200-1400 HVO, 05 is subsequently reduced by a deposition on the ring flanks by means of the PVD process to further reduce the Frictional wear is applied, and the chrome layer can also be deposited galvanically
  • the piston rings in particular the nitrided ring flanks, are finished by grinding a maximum of a quarter of the total it- ⁇ d layer, whereby the connecting layer (white layer) formed during nitriding is removed
  • the method according to the invention brings about a significant reduction in fretting on the ring flanks compared to the prior art

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung verschleißfester Ringflanken für einen Trapezring für Verbrennungsmotoren, bei dem das Entstehen von Ringflan­kenschädigungen im Motorbetrieb weitgehend dadurch verhindert werden soll, dass zunächst aus einem Stahlband mit rechteckigem Querschnitt als Basismaterial ein mit einer inneren und einer äußeren Umfangsfläche sowie einer oberen und unteren Flanke versehener Rechteckring geformt wird, der durch folgende Herstellungs­schritte charakterisiert ist: Parallelschleifen der Ringflanken und Schleifen der äußeren Unfangsfläche in ihr vorgesehenes Profil und Bürsten der innerer Umfangsfläche; Schleifen der oberen und unteren Ringflanke (3a, 4a) zur Formung zum Trapez­ring derart, dass der Kolbenring im Bereich seiner äußeren Umfangsfläche noch parallele Flanken (3b, 4b) als Stapelfläche aufweist; Vollständiges Nitrieren der Kolbenringoberfläche mittels Gas-Nitrierprozess (GNS) zur Bildung einer Nitridschicht; Profilgebung des nitrierten Kolbenrings durch Schleifen und Läppen ohne Bear­beiten der nitrierten Flanken des Kolbenrings; Stapeln der Kolbenringe über ihre parallele Flanken unter axialer Vorspannung zu einem Paket und Beschichten der äußeren Umfangsfläche der Kolbenringe mit einer Verschleißschicht mittels PVD-erfahren; Schleifen der Nitrierschicht der Flanken im entstapelten Zustand derart, dass maximal ein Viertel der Gesamtschichtdicke der Nitrierschicht entfernt wird.

Description

Verfahren zur Herstellung verschleißfester Flanken für einen Trapezring für Verbrennungsmotoren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung verschleißfester Flanken für einen Trapezring für Verbrennungsmotoren, bei dem zunächst aus einem Stahlband mit rechteckigem Querschnitt als Basismatenal ein mit einer inneren und einer äußeren Umfangsflache sowie einer oberen und unteren Flanke bestehender Rechteckring geformt wird, der anschließend mittels eines Nitrierprozesses allseitig nitriert und nachfolgend durch Bearbeitung der Oberflachen in seine endgültige Form und Geometrie gebracht wird, wobei durch die Bearbeitung das Basismatenal an den Flanken freigelegt wird
Kolbenringe mit trapezförmigen Querschnitt- Ringhohe an der äußeren Umfangsflache großer als an der inneren Umfangsflache- werden bevorzugt in Dieselmotoren als Topring eingesetzt, wobei die dazugehörige Kolbenringnut ebenfalls trapezförmig ausgebildet ist Dieselmotoren neigen zur Ablagerung von harten kohlenstoffhaltigen Ruckstanden in der ersten -obersten- Kolbenringnut, welche zu einem Festgehen der Kolbenringe und damit zu Funktionsausfallen fuhren können Durch die trapezförmige Gestaltung der Kolbenringe und der Kolbenringnut wird das Festgehen im Regelfall unterbunden und somit die Abdichtfunktion gewährleistet Bei der Herstellung von Rechteckringen für Kolben von Verbrennungsmotoren ist es bekannt, auf die gesamte Oberflache der Ringe mittels eines Gasnitrierprozesses eine Nitndschicht aufzubringen, um die Oberflache zu harten und somit eine bessere Ver- schleißfestigkeit zu erhalten Derartige Kolbenringe sind in der DE 35 06 746 C2, der EP 0 605 223 A1 oder in der JP 05050241 A beschrieben, wobei insbesondere die Verschleißfestigkeit der Laufflache der Kolbenringe durch das Aufbringen zusatz- cher Beschichtungen, wie aus den vorgenannten Schriften und der DE 102 07 148 A1 bekannt, weiter erhöht wird
Es ist bei der Herstellung von Trapez- bzw - Doppeltrapezringen, die aus Rechteckringen geformt werden, ebenso bekannt, die gesamte Oberflache der Ringe einem Nitπerprozess zu unterwerfen Zur Formung bzw Profilgebung eines derartigen Kolbenringes zu einem Trapezring ist es erforderlich, die Flanken entsprechend zu schleifen, wobei die Nitndschicht vollständig oder teilweise von den Flanken, je nach geometrischen Erfordernissen, wieder entfernt wird Mittels weiterer Bearbeitungsschritte der Ringoberflachen erfolgt die Endprofilgebung mit anschließender Ver- schleißschutzbeschichtung der Laufflache sowie der Endbearbeitung Dieser Herstellungsablauf ist entsprechend optimiert hinsichtlich der Stapelbarkeit der Ringe, also der gleichzeitigen Mehrfachbearbeitung im Packet
Im Motorbetrieb zeigen jedoch die derart hergestellten und in Stahlkolben eingesetzte Trapezringe, insbesondere durch die hohen Zunddrucke von 200 bar bis 220 bar, dass die Ringflanken vermehrt Reibverschleißschaden (fretting) aufweisen, wobei eine zusatzlich Verkokung feststellbar ist Diese Schaden nehmen mit der Verlängerung der Laufdauer der Kolbenringe zu und fuhren schließlich zum Ausfall Es hat sich außerdem gezeigt, dass diese Schaden ortsabhangig, d h entlang des Umfangs an den Ringflanken verschieden stark auftreten
Es ist Aufgabe der Erfindung, das Entstehen von Flankenschadigungen an Trapezbzw Doppeltrapezringen im Motorbetrieb weitgehend zu verhindern
Erfmdungsgemaß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelost
Durch das erfindungsgemaße Herstellungsverfahren werden verschleißfeste Ringflanken geschaffen, die im Motorbetrieb einen gegenüber dem Stand der Technik wesentlich verminderten Reibverschleiß aufweisen Das Verfahren sichert durch das Erzeugen einer Nitndschicht auf den Ringflanken mit gleichmaßiger Nitriertiefe auch die Erzeugung gleichmäßig hohe Hartewerte, sodass entlang des Umfanges der Ringflanken keine die Ringfunktion beeinträchtigenden Schädigungen mehr an dessen Flanken auftreten Ebenso werden Mikroverschweißungen zwischen dem Kolbenring und Kolben wirksam verhindert
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteranspruche Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben Es zeigen
Fig 1 ein Verfahren zur Herstellung von Trapezringen nach dem Stand der Technik, Fig 2 ein erfindungsgemaßes Herstellungsverfahren für Trapezringe, Fig 3 eine Darstellung des ortsabhangigen Ringflankenverschleißes gemäß dem Stand der Technik und dem erfindungsge aßen Verfahren
Aus einem nicht nitrierten martensitischen Stahlband 1 mit rechteckigem Querschnitt wird mittels bekannter Vorrichtungen zunächst ein Kolbenring mit einer inneren Umfangsflache 5a und einer äußeren Umfangsflache 5b sowie einer oberer Ringflanke 3a/b und unteren Ringflanke 4a/b geformt, wie in Fig 1 dargestellt Der Kolbenring wird anschließend thermisch entspannt Nach einer Schleifbearbeitung der Ringstoßseiten und der äußeren Umfangsflache 5b sowie einer Burstung der inneren Umfangsflache 5a erfolgt anschließend ein Parallelschleifen der oberen 3a und unteren Ringflanken 4a, so dass zueinander parallele obere und untere Ringflanken entstehen Gemäß Fig 2 entsteht durch das Schleifen der oberen und unteren Ringflanken die vorgegebene geometrische Form zu einem Trapezring 10 mit schrägen Flanken 3b, 4b oder Doppeltrapezring (nicht dargestellt) Im Bereich seiner äußeren Umfangsflache bleiben die parallelen Flanken, über welche die Kolbenringe stapelbar sind, in einer Breite bestehen, die weniger als ein Viertel der Kolbenringbreite betragt Nach einer Reinigung werden anschließend mittels eines bekannten Gas- nitπerprozesses (GNS) die Kolbenringe oberflachenmaßig nitriert Die Nitndschicht besteht aus einer Diffusionsschicht und einer Verbindungsschicht, wobei die Nitrier- hartetiefe in der Diffusionsschicht bis 200 μm betragen kann Die Verbindungsschicht besitzt erfindungsgemaß eine Harte HVO 05 von 700 bei einer Schichtdicke von ca 20 μm Das Stahlband 1 weist zur Bildung von harten Chromnitriden ein Chromgehalt zwischen 12% bis 17 % auf Nach einer Endformgebung, bei der der nitrierte Kolbenring einem erneuten geringfügigen Schleif- bzw Lappvorgang ohne Flankenbearbeitung unterworfen ist, kann wahlweise zur weiteren Verbesserung der Verschleißeigenschaft durch ein an sich bekanntes PVD-Verfahren (physikalische Dampfabscheidung) Chrom oder Chromnitridschicht auf die bevorzugt untere nitrierte Ringflanke aufgebracht werden, da sich insbesondere bei den gemäß Stand der Technik nach Fig 1 hergestellten Trapezringen dort der größte Reibverschleiß gezeigt hat
Auf die äußere Umfangsflache, die der Laufflache des Kolbenrings entspricht, wird unter Vermeidung einer Abscheidung auf die Ringflanken anschließend mittels des PVD-Verfahrens eine Chromnitrid- oder Manganphosphatschicht zwischen 1-3 μm bei einer Harte zwischen 1200-1400 HVO, 05 zur weiteren Verringerung des Reibver- schleißes aufgebracht, wobei das Abscheiden der Chromschicht auch galvanisch erfolgen kann
Die Nitrierung der Kolbenringe erfolgt im waagerecht gestapelten, jedoch axial unverspannten Zustand, hingegen die PVD-Beschichtung der Laufflache im axialen verspannten und gestapelten Zustand Dadurch wird gewährleistet, dass einerseits eine gute Flankennitnerung erreicht wird und andererseits die Flanken wahrend der Laufflachenbeschichtung nicht mit der aufzubringenden Verschleißschutzschicht beschichtet wird
Nach der Beschichtung werden die Kolbenringe endbearbeitet, insbesondere die nitrierten Ringflanken, durch Abschleifen von maximal einem Viertel der Gesamt it- πdschicht, wodurch die beim Nitrieren entstehende Verbindungsschicht (white layer) entfernt wird Wie aus der Darstellung des örtlichen umfangseitigen Reibverschleißes gemäß Fig 3 für einen 6-Zylιnder-Dιeselmotor mit einer Laufzeit von 100 h unter Volllast ersichtlich ist, bewirkt dass erfindungsgemaße Verfahren gegenüber dem Stand der Technik eine deutliche Senkung des Reibverschleißes an den Ringflanken
Bezuqszeichen
10 Trapezring
1 Stahlband, Basismatenal
2 Nitndschicht
3a obere Ringflanke
3b obere parallele Ringflanken a untere Ringflanke b untere parallele Ringflanke
5a innere Umfangsflache,
5b äußere Umfangsflache, Laufflache

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Herstellung verschleißfester Flanken für einen Trapezπng für Verbrennungsmotoren, bei dem zunächst aus einem Stahlband mit rechteckigem Querschnitt als Basismatenal ein mit einer inneren (5a) und einer äußeren (5b) Umfangsflache sowie einer oberen und unteren Flanke bestehender Rechteckring geformt wird, der anschließend mittels eines Nitrierprozesses allseitig nitriert und nachfolgend durch Bearbeitung der Oberflachen in seine endgültige Form und Geometrie gebracht wird, wobei durch die Bearbeitung das Basismatenal an den Ringflanken (3a, 3b) freigelegt wird dadurch gekennzeichnet, dass der Formung zu einem Kolbenring mit rechteckigem Querschnitt folgende Verfahrenschritte nachfolgen
- Parallelschleifen der Ringflanken und Schleifen der äußeren Unfangsflache in ihr vorgesehenes Profil und Bürsten der innerer Umfangsflache,
- Schleifen der oberen und unteren Ringflanke (3a, 4a) zur Formung zum Trapezring derart, dass der Kolbenring im Bereich seiner äußeren Umfangsflache noch parallele Flanken (3b, 4b) als Stapelflache aufweist,
- Vollständiges Nitrieren der Kolbennngoberflache mittels Gas-Nitnerprozess (GNS) zur Bildung einer Nitndschicht,
- Profilgebung des nitrierten Kolbenrings durch Schleifen und Lappen ohne Bearbeiten der nitrierten Flanken des Kolbenrings,
- Stapeln der Kolbenringe über ihre parallele Flanken unter axialer Vorspannung zu einem Paket und Beschichten der äußeren Umfangsflache der Kolbenringe mit einer Verschleißschicht mittels PVD-Verfahren,
- Schleifen der Nitrierschicht der Flanken im entstapelten Zustand derart, dass maximal ein Viertel der Gesamtschichtdicke der Nitrierschicht entfernt wird
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Basismatenal aus einem Stahl besteht, der 12 bis 17% Chrom enthalt Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass auf der Nitπer- schicht der unteren Flanke des Trapezringes eine Chromschicht mittels PVD- Verfahren oder galvanischem Verfahren aufgebracht wird
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass auf die Laufflache eine Chromnitrid- Schicht oder Manganphosphat- Schicht als Verschleißschicht aufgebracht wird
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelflache weniger als ein Viertel der Trapezringbreite einnimmt
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Basismatenal aus einem martensitisch unnitπerten Stahlband besteht
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