WO2008098547A1 - Kolbenring - Google Patents

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Johannes Esser
Frank Münchow
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Federal-Mogul Burscheid Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
    • F16J9/26—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction characterised by the use of particular materials

Definitions

  • the invention relates to a piston ring, having a base body which has a substantially circumferential tread, an upper and a lower flank surface and an inner peripheral surface.
  • DE 102 07 148 A1 discloses a piston ring comprising a base material made of stainless steel, the base material having an upper and a lower flank surface, a running surface and an inner peripheral surface. Each of these surfaces includes a nitride layer formed thereon, wherein each nitride layer is first formed to have a junction layer and a diffusion layer, then exposing the diffusion layer of the tread by removing the compound layer, and then exposing the exposed diffusion layer to an iron plating deposition layer Hard ceramic is formed.
  • a known way of producing small running edges is the use of full or one-sided atnerten rings, however, bring the disadvantage that a certain part of the tread is not provided with a wear protection layer and it comes in this area again and again to so-called scorching.
  • the aim of the subject invention is to develop a piston ring to the effect that when optimizing the used wear protective layer, especially in the area of the vulnerable lower running edge, eruptions of the wear protection layer are largely avoided.
  • a piston ring having a base body which has a substantially circumferential tread, an upper and a lower flank surface, and an inner circumferential surface, wherein the transition region of the tread at least in the lower flank surface with an edge ⁇ 0, 1 mm provided and the tread is at least provided with at least one PVD cover layer ⁇ 10 microns.
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • the deposited coating material is present as an ionized particle stream.
  • the PVD cover layer is based on nitrides of the elements IV b to VI b of the periodic table.
  • the elements Al and / or Si and / or C and / or O may be added.
  • the edge can advantageously be produced by mechanical processing. Especially with steel rings made of drawn steel profiles always rounded edges are given, which are subjected to a mechanical processing only in retrospect, to bring about the desired effect in the transition region of the tread into the respective flank surface.
  • PVD cover layers are formed on the basis of CrN and / or CrON.
  • DLC cover layers diamond like carbon
  • piston rings made of cast or steel materials, in particular with a lower edge ⁇ 0, 1 mm provided with a relatively thin wear protection layer.
  • this wear protection layer can be an all-round nitriding treatment of the piston ring, although other known methods (galvanic or thermal coating) are also conceivable.
  • the actual PVD cover layer can be applied in a thickness ⁇ 10 microns.
  • PVD multilayer coatings in contrast to the prior art, in the case of a specifically generated transition region from the tread, at least into the lower flank surface, in conjunction with at least the PVD cover layer, a break-free and crack-free coated edge can be produced. By this measure, in analogy to an uncoated ring, the oil balance of the internal combustion engine can be positively influenced.
  • Figure 1 piston ring in cross-section, with an all-round wear protection layer and a PVD cover layer in the tread area;
  • Figure 2 piston ring in cross-section, with a PVD cover layer in the tread area;
  • FIG. 3 shows the lower edge region according to FIG. 2.
  • FIG. 1 shows a piston ring 1 in cross section.
  • the one main body made of steel, steel or gray cast iron having piston ring 1 includes a tread 2, an upper 3 and a lower flank surface 4 and an inner peripheral surface 5.
  • the piston ring 1 in the region of its surfaces 2,3,4,5 be provided with a wear protection layer 6 produced by nitriding.
  • This wear protection layer 6 should have a thickness of 10 microns in this example.
  • a PVD covering layer 7 formed on the basis of CrN is deposited on this wear protection layer 6, which has a layer thickness of 8 ⁇ m in this example.
  • wear protection layer 6 can also thermally or galvanically produced layers are used, wherein thermal layers are advantageously applied only to the tread 2, while galvanic layers on the tread 2, but also on the flank surface 3 and 4, can be gebacht.
  • the PVD cover layer 7 may also consist of alternative materials, such as CrON. Depending on the application, the person skilled in the art will specify the suitable material combination as well as the necessary layer thicknesses.
  • the transition region 8 of the tread 2 in the lower edge surface 4 is formed almost sharp-edged.
  • FIG. 2 shows a piston ring 1 'which, in analogy to FIG. 1, has a running surface 2', an upper flank surface 3 ', a lower flank surface 4' and an inner circumferential surface 5 '.
  • a PVD covering layer T based on CrON which has a thickness of 10 ⁇ m in this example, is deposited directly on the tread 2 '.
  • the piston ring 1 ' consists in this example of steel, wherein the transition region 8' of the tread 2 'in the lower flank surface 4' is provided with an edge of at most 0, 1 mm.
  • alternative materials can also be used to generate the PVD cover layer 7 '.
  • FIG. 3 shows a detail of FIG. 2.
  • the edge produced here should be - as indicated - on the tread side and flank side maximum 0, 1 mm.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

Kolbenring, mit einem Grundkörper, der eine im Wesentlichen umlaufende Lauffläche, eine obere und eine untere Flankenfläche sowie eine innere Umfangsfläche aufweist, wobei der Übergangsbereich der Lauffläche zumindest in die untere Flankenfläche mit einer Kante ≤ 0,1 mm versehen und die Lauffläche zumindest mit mindestens einer PVD-Deckschicht ≤ 10 μm versehen ist.

Description

Kolbenring
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Kolbenring, mit einem Grundkörper, der eine im Wesentlichen umlaufende Lauffläche, eine obere und eine untere Flankenfläche sowie eine innere Umfangsfläche aufweist.
Der DE 102 07 148 Al ist ein Kolbenring zu entnehmen, beinhaltend ein Grundmaterial aus rostfreiem Stahl, wobei das Grundmaterial eine obere und eine untere Flankenfläche, eine Lauffläche und eine innere Umfangsfläche aufweist. Jede dieser Oberflächen beinhaltet eine darauf ausgebildete Nitridschicht, wobei jede Nitridschicht zunächst so ausgebildet ist, dass sie eine Verbindungsschicht und eine Diffusionsschicht hat, dann die Diffusionsschicht der Lauffläche durch Entfernen der Verbindungsschicht freigelegt wird und anschließend auf der freigelegten Diffusionsschicht eine Iron- Plating-Abscheidungsschicht aus Hartkeramik ausgebildet wird.
Die Ausbildung der unteren Laufkante eines Kolbenringes ist für den Ölhaushalt einer Brennkraftmaschine von großer Bedeutung. Es ist eine Herausforderung für die Fertigung von Kolbenringen eine möglichst kleine Kante zu erzeugen, um im Motorbetrieb eine gute Abstreifwirkung herbeizuführen. Derart kleine und scharfe Kanten lassen sich relativ einfach an unbeschichteten Ringen darstellen. Allerdings sind heute in der ersten Nut von Brennkraftmaschinen grundsätzlich beschichtete Ringe notwendig. Hier stellt sich nun ein Zielkonflikt zwischen der gewünschten kleinen Funktionskante und einer ausbruch- und rissfreien beschichteten Kante ein. Alle bislang eingesetzten Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzschicht erfordern bei ausreichender Dicke der zur erzeugenden Verschleißschutzschicht eine Kantengröße von mindestens 0,15 mm im Grundwerkstoff zur Vermeidung von Schichtausbrüchen oder Rissen in diesem Bereich.
Ein bekannter Weg zum Herstellen kleiner Laufkanten ist der Einsatz von voll oder einseitig gekatnmerten Ringen, die jedoch den Nachteil mit sich bringen, dass ein gewisser Teil der Lauffläche nicht mit einer Verschleißschutzschicht versehen ist und es in diesem Bereich immer wieder zu so genannter Brandspurbildung kommt.
Ziel des Erfindungsgegenstandes ist es, einen Kolbenring dahingehend weiterzubilden, dass bei Optimierung der zum Einsatz gelangenden Verschleißschutzschicht, insbesondere im Bereich der gefährdeten unteren Laufkante, Ausbrüche an der Verschleißschutzschicht weitestgehend vermieden werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kolbenring, mit einem Grundkörper, der eine im Wesentlichen umlaufende Lauffläche, eine obere und eine untere Flankenfläche, sowie eine innere Umfangsfläche aufweist, wobei der Übergangsbereich der Lauffläche zumindest in die untere Flankenfläche mit einer Kante < 0, 1 mm versehen und die Lauffläche zumindest mit mindestens einer PVD-Deckschicht < 10 μm versehen ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Bei der PVD-Beschichtung (Physical Vapour Deposition) handelt es sich um ein Verfahren, bei dem die Beschichtung der Lauffläche des Kolbenringes durch Abscheidung aus der Dampfphase erfolgt. Das abzuscheidende Beschichtungsmaterial liegt dabei als ionisierter Teilchenstrom vor. Von besonderem Vorteil ist, dass die PVD-Deckschicht auf Basis von Nitriden der Elemente IV b bis VI b des Periodensystems besteht. Wahlweise können die Elemente Al und/oder Si und/oder C und/oder O zugesetzt werden.
Besteht der Grundkörper aus Grauguss oder Stahlguss kann die Kante vorteilhafterweise durch mechanische Bearbeitung erzeugt werden. Insbesondere bei Stahlringen aus gezogenen Stahlprofilen sind stets gerundete Kanten gegeben, die erst im Nachhinein einer mechanischen Bearbeitung unterzogen werden, um den gewünschten Effekt im Übergangsbereich der Lauffläche in die jeweilige Flankenfläche herbeizuführen.
Gleiches gilt im Wesentlichen auch für Gussringe. Bevorzugte PVD-Deckschichten werden auf Basis von CrN und/oder CrON ausgebildet. Von besonderem Vorteil sind so genannte DLC-Deckschichten (diamond like carbon), die ebenfalls nach dem PVD- Verfahren aufgebracht werden.
Mit dem Erfindungsgegenstand werden Kolbenringe aus Guss- oder Stahlwerkstoffen, insbesondere mit einer unteren Kante < 0, 1 mm mit einer verhältnismäßig dünnen Verschleißschutzschicht versehen. Vorzugsweise kann es sich bei dieser Verschleißschutzschicht um eine allseitige Nitrierbehandlung des Kolbenringes handeln, wobei jedoch auch andere bekannte Verfahren (galvanische oder thermische Beschichtung) denkbar sind.
Über dieser Verschleißschutzschicht kann dann die eigentliche PVD-Deckschicht in einer Dicke < 10 μm aufgebracht werden. Ebenfalls denkbar sind PVD-Mehrlagen- Schichten. Im Gegensatz zum Stand der Technik kann bei einem konkret erzeugten Übergangsbereich von der Lauffläche, zumindest in die untere Flankenfläche, in Verbindung zumindest mit der PVD-Deckschicht eine ausbrach- und rissfreie beschichtete Kante erzeugt werden. Durch diese Maßnahme kann in Analogie zu einem unbeschichteten Ring der Ölhaushalt der Brennkraftmaschine positiv beeinflusst werden.
Der Erfϊndungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
Figur 1 Kolbenring im Querschnitt, mit einer allseitigen Verschleißschutzschicht und einer PVD-Deckschicht im Bereich der Lauffläche;
Figur 2 Kolbenring im Querschnitt, mit einer PVD-Deckschicht im Bereich der Lauffläche;
Figur 3 Darstellung des unteren Kantenbereiches gemäß Figur 2.
Figur 1 zeigt einen Kolbenring 1 im Querschnitt. Der einen Grundkörper aus Stahl, Stahl- oder Grauguss aufweisende Kolbenring 1 beinhaltet eine Lauffläche 2, eine obere 3 und eine untere Flankenfläche 4 sowie eine innere Umfangsfläche 5. In diesem Beispiel soll der Kolbenring 1 im Bereich seiner Flächen 2,3,4,5 mit einer durch Nitrieren erzeugten Verschleißschutzschicht 6 versehen sein. Diese Verschleißschutzschicht 6 soll in diesem Beispiel eine Dicke von 10 μm aufweisen. Im Bereich der Lauffläche 2 ist auf diese Verschleißschutzschicht 6 eine auf Basis von CrN ausgebildete PVD-Deckschicht 7 abgeschieden, die in diesem Beispiel eine Schichtdicke von 8 μm aufweist. Als alternative Verschleißschutzschicht 6 können auch thermisch oder galvanisch erzeugte Schichten eingesetzt werden, wobei thermische Schichten vorteilhaft nur auf die Lauffläche 2 aufgebracht werden, während galvanische Schichten auf die Lauffläche 2, aber auch auf die Flankenfläche 3 und 4, aufgebacht sein können. Die PVD-Deckschicht 7 kann ebenfalls aus alternativen Werkstoffen, wie CrON, bestehen. Der Fachmann wird anwendungsabhängig die geeignete Werkstoffpaarung sowie die notwendigen Schichtdicken vorgeben. Der Übergangsbereich 8 von der Lauffläche 2 in die untere Flankenfläche 4 ist nahezu scharfkantig ausgebildet.
Figur 2 zeigt einen Kolbenring 1 ', der in Analogie zu Figur 1 eine Lauffläche 2', eine obere Flankenfläche 3', eine untere Flankenfläche 4' und eine innere Umfangsfläche 5' aufweist. In diesem Beispiel ist auf der Lauffläche 2' unmittelbar eine PVD- Deckschicht T auf Basis von CrON abgeschieden, die in diesem Beispiel eine Dicke von 10 μm aufweist. Der Kolbenring 1' besteht in diesem Beispiel aus Stahl, wobei der Übergangsbereich 8' von der Lauffläche 2' in die untere Flankenfläche 4' mit einer Kante von maximal 0, 1 mm versehen ist. Wie zuvor beschrieben können auch alternative Werkstoffe zur Generierung der PVD-Deckschicht 7' eingesetzt werden.
Figur 3 zeigt einen Ausschnitt aus Figur 2. Erkennbar ist die Lauffläche 2', die untere Flankenfläche 4' sowie der Übergangsbereich 8'. Die hier erzeugte Kante soll - wie angedeutet - laufflächenseitig und flankenseitig maximal 0, 1 mm betragen. Durch die gewählte Kantenform im Übergangsbereich 8' in Verbindung zumindest mit der PVD- Deckschicht T (Figur 2) kann bei Optimierung des Ölhaushalts einer Brennkraftmaschine in diesem Übergangsbereich 8' eine weitestgehende Riss- und Ausbruchfreiheit der PVD-Deckschicht T realisiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Kolbenring, mit einem Grundkörper, der eine im Wesentlichen umlaufende Lauffläche (2,2'), eine obere (3,3') und eine untere Flankenfläche (4,4') sowie eine innere Umfangsfläche (5,5') aufweist, wobei der Übergangsbereich (8,8') der Lauffläche (2,2') zumindest in die untere Flankenfläche (4,4') mit einer Kante < 0, 1 mm versehen und die Lauffläche (2,2') zumindest mit mindestens einer PVD- Deckschicht (7,7') < 10 μm versehen ist.
2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper aus gezogenem Stahl, Grau- oder Stahlguss besteht, und dass der Übergangsbereich (8,8') durch insbesondere mechanische Bearbeitung erzeugt ist.
3. Kolbenring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD- Deckschicht (7,7') auf Basis von CrN oder CrON, ausgebildet ist.
4. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD-Deckschicht (7,7') auf Basis von Nitriden der Elemente der Gruppe IV b bis VI b des Periodensystems mit bzw. ohne Zusatz von Al und/oder Si und/oder C und/oder O besteht.
5. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD-Deckschicht (7,7') als reibungs- und verschleißarme PVD-DLC (diamond-like- carbon)-Schicht ausgebildet ist.
6. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD-Deckschicht (7,7') eine Schichtdicke von 0,5 bis 8 μm aufweist.
7. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper mindestens eine Verschleiß Schutzschicht (6) aufweist, aufweicher die PVD-Deckschicht (7) abgeschieden ist.
8. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (6) galvanisch, thermisch oder durch Nitrieren auf dem Grundkörper (2) aufgebracht ist.
9. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (6) eine Dicke < 30 μm, insbesondere 10 bis 15 μm, aufweist.
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