WO2012045295A1 - Verfahren zur herstellung eines kolbenrings - Google Patents

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    • Y10T29/49284—Piston ring or piston packing making including machining or angular cutting

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a piston ring.
  • Piston rings are often made of cast iron, cast steel or steel wire. Currently, u.a. Piston rings with so-called self-sharpening scraping edges in the form of chambered rings with chrome layers used.
  • DE 10 2007 007 961 A1 discloses 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, wherein the transition region of the tread at least into the lower flank surface with an edge ⁇ 0, 1 mm provided and the tread is at least provided with a PVD cover layer ⁇ 10 mm.
  • the piston ring includes a tread provided with a tread and an upper and a lower flank surface, wherein at least the tread is provided with a vapor deposition layer, such that a portion of the tread is provided with a removable cover, so that after generation of the vapor deposition layer and Removal of the cover a substantially
  • the invention has for its object to provide an alternative method for producing provided with a PVD layer piston rings, wherein the piston ring over the prior art has an improved wiping effect.
  • This object is achieved by a method for producing a piston ring, by a metallic base body, at least including a radially outer
  • Running surface, a radially inner peripheral surface and extending therebetween upper and lower flank surfaces in the region of an approximately cylindrically shaped tread is provided with a defined conicity, at least the tread is provided with at least one wear-resistant layer and that, forming a scraping edge region of the at least one wear layer, substantially cylindrical, forming a web of predetermined width, at least partially removed.
  • Wiper edge proposed, which is prepared by the method according to the invention.
  • an improvement of the wiping action of the piston ring, in particular of the compression piston ring can be achieved such that a self-sharpening wiping edge (functional edge) is formed, which is not outbreak risk.
  • the conicity of the annular raceway is advantageously introduced mechanically into the tread.
  • the bar width exposed after cylindrical machining is, according to another idea of the invention, between 0.05 and 0.45 mm.
  • the suitably produced tread conicits, for example between 30 and 120 minutes, are introduced into the tread to be produced before the coating, the procedure being independent of the ring material.
  • the wiper edge of cast iron piston rings can be rounded sharp-edged (90 °) or, depending on requirements, up to a radius of 0.1 mm.
  • the area of the scraping edge can be nitrided or unnitrated.
  • the scraping edge can be made sharp-edged (90 °).
  • the scraping edge includes a radial feed ⁇ 0.1 mm
  • the steel bar and the running surface are nitrided, with no nitriding layer below the PVD top layer.
  • the wiper edge is provided with a chamfer ⁇ 0.15 mm, the steel web and the running surface are nitrided, in which case a nitriding layer remains underneath the PVD cover layer.
  • piston rings in particular compression piston rings, can thus be produced which are provided with at least one wear-resistant layer, preferably a PVD layer.
  • the PVD layer is already to be regarded as a cover layer, the same is approximately cylindrically removed in the area of the wiper edge except for the base material, so that a web of predefinable width is produced. If several wear layers are present, then the PVD cover layer can be ground down to the base material of the tread, or only so far that at least one wear-resistant layer (for example a nitriding layer) remains below the PVD cover layer.
  • a web is formed with a defined width in the region of the sharp-edged, rounded or provided with a bevel edge.
  • Figure 1 pictorial representation for the preparation of a piston ring
  • FIG. 2 shows different embodiments of one, after
  • Figure 3 representation of an at least partially nitrided and provided with a PVD cover layer piston ring.
  • Figure 1 contains three pictures.
  • the upper picture shows an enlarged view of a piston ring main body 1, which, as indicated, initially had a rectangular shape.
  • This cross-sectional profile reveals the following piston ring areas: a lower one
  • Tread taper 5 ' (for example, 100 minutes) mechanically introduced.
  • the main body 1 can be seen, but this time provided with a PVD cover layer 7, which, according to the predetermined tread pattern 5 ', is deposited on the tread 5.
  • the lower image of Figure 1 shows that to produce a web 8 with a predetermined width h ', the PVD cover layer 7 except for the base material of
  • Tread 5 is sanded. This type of processing will be the
  • sharp-edged scraper edge 6 is formed, which, by the defined distance h 'to the PVD cover layer 7, is not prone to breakout and sharpens itself in the operating state.
  • FIG. 1 shows that the PVD layer 7 as the sole wear-resistant layer simultaneously forms the cover layer.
  • FIG. 2 likewise shows three images, wherein the upper image represents the finished piston ring according to the lower image of FIG.
  • the width of the web 8 is given here with 0.05 to 0.45 mm.
  • the middle picture shows a piston ring 1 'with a maximum radius of 0.1 mm in the region of the wiping edge 6.
  • a chamfer / chamfer is recognizable, which enters at an angle in the lower flank surface 2.
  • the web width is reduced by a maximum of 0.15 mm.
  • the wiping edge 6 can be made nitrided or unnitrated, whereby the wiping edge 6 is advantageously made sharp-edged (90 °) in a non-nitrided embodiment, as shown in the upper picture of FIG.
  • FIG. 3 likewise contains three images which correspond in contour to those of FIG. Different from FIG. 2, the web 8 and the running surface 5 are nitrided before the PVD covering layer 7 is applied. In this case, the

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings (1'), indem ein metallischer Grundkörper (1), zumindest beinhaltend eine radial äußere Lauffläche (5), eine radial innere Umfangsfläche (4) sowie dazwischen verlaufenden oberen und unteren Flankenflächen (2, 3) im Bereich einer etwa zylindrisch ausgebildeten Lauffläche (5) mit einer definierten Konizität (5') versehen wird, zumindest die Lauffläche (5) mit mindestens einer verschleißfesten Schicht (7) versehen wird und derjenige, eine Abstreifkante (6) bildende Bereich der mindestens einen Verschleißschicht (7) im Wesentlichen zylindrisch, einen Steg (8) vorgebbarer Breite (h') bildend, zumindest partiell abgetragen wird.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings.
Kolbenringe werden vielfach aus Gusseisen, Stahlguss oder Stahldraht hergestellt. Derzeit werden u.a. Kolbenringe mit so genannten selbstschärfenden Abstreifkanten in Form von gekammerten Ringen mit Chromschichten eingesetzt.
Die DE 10 2007 007 961 AI offenbart 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 einer PVD-Deckschicht < 10 mm versehen ist.
In der DE 103 59 802 B3 wird ein Kolbenring sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben beschrieben. Der Kolbenring beinhaltet eine, mit einem Laufflächenprofil versehene Lauffläche sowie eine obere und eine untere Flankenfläche, wobei zumindest die Lauffläche mit einer Aufdampfschicht versehen ist, dergestalt, dass ein Teilbereich der Lauffläche mit einer entfernbaren Abdeckung versehen ist, so dass nach Erzeugung der Aufdampf schicht und Entfernung der Abdeckung eine im Wesentlichen
scharfkantige Laufkante zwischen der Lauffläche und zumindest einer der
Flankenflächen gegeben ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Verfahren zur Erzeugung von mit einer PVD-Schicht versehenen Kolbenringen bereitzustellen, bei welchem der Kolbenring gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte Abstreifwirkung hat.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings, indem ein metallischer Grundkörper, zumindest beinhaltend eine radial äußere
Lauffläche, eine radial innere Umfangsfläche sowie dazwischen verlaufenden oberen und unteren Flankenflächen im Bereich einer etwa zylindrisch ausgebildeten Lauffläche mit einer definierten Konizität versehen wird, zumindest die Lauffläche mit mindestens einer verschleißfesten Schicht versehen wird und derjenige, eine Abstreifkante bildende Bereich der mindestens einen Verschleißschicht, im Wesentlichen zylindrisch, einen Steg vorgebbarer Breite bildend, zumindest partiell abgetragen wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den zugehörigen Verfahrens gemäßen Unteransprüchen zu entnehmen.
Darüber hinaus wird ein Kompressionskolbenring mit einer selbstschärfenden
Abstreifkante vorgeschlagen, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Mit dem erfindungs gemäßen Verfahren, nämlich der Erzeugung einer definierten Konizität im Bereich der Lauffläche in Wirkverbindung mit der mindestens einen verschleißfesten Schicht, kann eine Verbesserung der Abstreifwirkung des Kolbenrings, insbesondere des Kompressionskolbenrings, dergestalt erreicht werden, dass eine sich selbst schärfende Abstreifkante (Funktionskante) gebildet wird, welche nicht ausbruchgefährdet ist.
Je nach Einsatzbereich des Kolbenrings kann es sinnvoll sein, die Lauffläche mit einem so genannten Viellagenschichtsystem zu versehen. Derartige Systeme sind
beispielsweise in der DE 10 2006 046 915 B3 beschrieben,
Die Konizität der Ringlauffläche wird vorteilhafterweise mechanisch in die Lauffläche eingebracht.
Die nach dem zylindrischen Bearbeiten freigelegte Stegbreite liegt, einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß, zwischen 0,05 und 0,45 mm. Die zweckmäßigerweise erzeugten Laufflächenkonizitäten, beispielsweise zwischen 30 und 120 Minuten, werden vor der Beschichtung in die zu erzeugende Lauffläche eingebracht, wobei die Vorgehensweise unabhängig vom Ringmaterial ist.
Die Abstreifkante bei Gusseisenkolbenringen kann scharfkantig (90°) oder, je nach Anforderung, bis zu einem Radius von 0,1 mm abgerundet werden.
Bei Stahlringen kann der Bereich der Abstreifkante nitriert oder unnitriert ausgeführt werden. Bei nicht-nitrierter Ausführung kann die Abstreifkante scharfkantig (90°) ausgeführt werden.
Bei nitrierter Stahlringausführung kann es bedarfsweise folgende Ringausführungen geben: die Abstreifkante beinhaltet einen radialen Einzug < 0,1 mm, der Stahlsteg und die Lauffläche sind nitriert, wobei keine Nitrierschicht unterhalb der PVD- Deckschicht gegeben ist. die Abstreifkante wird mit einer Abschrägung < 0, 15 mm versehen, der Stahlsteg und die Lauffläche sind nitriert, wobei in diesem Fall eine Nitrierschicht unterhalb der PVD-Deckschicht verbleibt.
Je nach Werkstoff und Anwendungsfall können somit Kolbenringe, insbesondere Kompressionskolbenringe, erzeugt werden, die mit mindestens einer verschleißfesten Schicht, vorzugsweise einer PVD-Schicht versehen sind.
Ist die PVD-Schicht bereits als Deckschicht anzusehen, wird selbige im Bereich der Abstreifkante bis auf das Grundmaterial etwa zylindrisch abgetragen, so dass ein Steg vorgebbarer Breite erzeugt wird. Sind mehrere Verschleißschichten gegeben, so kann die PVD-Deckschicht entweder bis auf das Grundmaterial der Lauffläche abgeschliffen werden, oder aber lediglich so weit, dass mindestens eine verschleißfeste Schicht (beispielsweise eine Nitrierschicht) unterhalb der PVD-Deckschicht verbleibt.
Beiden Ausführungsformen gemein ist, dass in jedem Fall ein Steg mit definierter Breite im Bereich der scharfkantigen, gerundet oder mit einer Abschrägung versehenen Abstreifkante gebildet wird.
Der Erfindungs gegenständ ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 Bildliche Darstellung zur Herstellung eines Kolbenrings;
Figur 2 Darstellung unterschiedlicher Ausführungsformen eines, nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kolbenrings;
Figur 3 Darstellung eines zumindest partiell nitrierten und mit einer PVD- Deckschicht versehenen Kolbenrings.
Figur 1 enthält drei Bilder. Das obere Bild zeigt in vergrößerter Darstellung einen Kolbenringgrundkörper 1, der, wie angedeutet, zunächst eine rechteckige Form hatte. Dieses Querschnittsprofil offenbart folgende Kolbenringbereiche: eine untere
Flankenfläche 2, eine obere Flankenfläche 3, eine innere Umfangsfläche 4 sowie eine Lauffläche 5. Zur Erzeugung einer scharfkantigen Abstreifkante 6 (Funktionskante) wird in die Lauffläche 5 über eine vorgebbare Höhe h derselben eine
Laufflächenkonizität 5' (beispielsweise 100 Minuten) mechanisch eingebracht. Im nachfolgenden Bild ist der Grundkörper 1 erkennbar, diesmal jedoch mit einer PVD- Deckschicht 7 versehen, die, entsprechend dem vorgegebenen Laufflächenprofil 5', auf der Lauffläche 5 abgeschieden wird. Das untere Bild der Figur 1 zeigt, dass zur Erzeugung eines Steges 8 mit einer vorgegebenen Breite h' die PVD-Deckschicht 7 bis auf das Grundmaterial der
Lauffläche 5 abgeschliffen wird. Durch diese Art der Bearbeitung wird die
scharfkantige Abstreifkante 6 gebildet, die, durch den definierten Abstand h' zur PVD- Deckschicht 7, nicht ausbruchgefährdet ist und sich im Betriebszustand selbst schärft.
In Figur 1 ist dargestellt, dass die PVD-Schicht 7 als einzige verschleißfeste Schicht gleichzeitig die Deckschicht bildet.
Figur 2 zeigt ebenfalls drei Bilder, wobei das obere Bild den fertigen Kolbenring gemäß dem unteren Bild der Figur 1 darstellt. Die Breite des Steges 8 wird hierbei mit 0,05 bis 0,45 mm angegeben.
Je nach Werkstoffauswahl des Kolbenrings 1 ' kann es sinnvoll sein, im Bereich der Abstreifkante 6 des Kolbenrings 1 ' Radien oder Fasen (Abschrägungen) vorzusehen. Das mittlere Bild zeigt einen Kolbenring 1 ' mit einem Radius von maximal 0,1 mm im Bereich der Abstreifkante 6.
Im unteren Bild der Figur 2 ist eine Fase/Abschrägung erkennbar, die unter einem Winkel in die untere Flankenfläche 2 einläuft. Die Stegbreite wird hierbei um maximal 0,15 mm reduziert.
Bei Stahlkolbenringen kann die Abstreifkante 6 nitriert oder unnitriert ausgeführt werden, wobei vorteilhafter bei nicht-nitrierter Ausführung die Abstreifkante 6 scharfkantig (90°) ausgeführt wird, wie dies im oberen Bild der Figur 2 dargestellt ist.
Figur 3 enthält ebenfalls drei Bilder, die von der Kontur her denjenigen der Figur 2 entsprechen. Unterschiedlich zu Figur 2 ist, dass der Steg 8 und die Lauffläche 5 nitriert werden, ehe die PVD-Deckschicht 7 aufgebracht wird. In diesem Fall soll der
Abschleifvorgang der PVD-Schicht 7 so durchgeführt werden, dass die Nitrier schi cht 9 stegseitig erhalten bleibt. Bei nitrierten Stahlringausfuhrungen können die in den weiteren Bildern der Figur 3 dargestellten Modifizierungen der Abstreifkante 6 vorgesehen werden. Dabei sind die Flankenflächen 2 und 3 sowie die Lauffläche 5 als auch die Umfangsfläche nitriert, ehe die PVD-Deckschicht 7 aufgebracht wird. Nach dem Abtragen der PVD-Deckschicht 7 im Bereich des Stegs 8 verbleibt keine Nitrierschicht unter der PVD-Deckschicht 7 (Bild 1 von Figur 3). Es ist aber auch denkbar, den Abtrag der PVD-Deckschicht 7 im Bereich des Stegs 8 so durchzuführen, dass eine gewünschte Nitrierung des Stegs 8 erhalten bleibt (Bild 2 und 3 von Figur 3).

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings (1 '), indem ein metallischer
Grundkörper (1), zumindest beinhaltend eine radial äußere Lauffläche (5), eine radial innere Umfangsfläche (4) sowie dazwischen verlaufenden oberen und unteren Flankenflächen (2,3) im Bereich einer etwa zylindrisch ausgebildeten Lauffläche (5) mit einer definierten Konizität (5') versehen wird, zumindest die Lauffläche (5) mit mindestens einer verschleißfesten Schicht (7) versehen wird und derjenige, eine Abstreifkante (6) bildende Bereich der mindestens einen Verschleißschicht (7) im Wesentlichen zylindrisch, einen Steg (8) vorgebbarer Breite (h1) bildend, zumindest partiell abgetragen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Konizität (5') mechanisch in die Lauffläche (5) eingebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lauffläche (5) mit einem Viellagenschichtsystem versehen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lauffläche (5) mit einer PVD-Deckschicht (7) versehen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei gegebener PVD-Deckschicht (7) selbige, zur Bildung des Stegs (8), bis auf das Grundmaterial der Lauffläche (5) abgetragen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Teilbereiche der konisch ausgebildeten Lauffläche (5) nitriert und anschließend die Lauffläche (5) mit einer PVD-Deckschicht (7) versehen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Abstreifkante (6) in nicht-nitrierter oder nitrierter Form vorgesehen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstreifkante (6) scharfkantig ausgebildet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstreifkante (6) mit einer, in die zugehörige Flanke (2) unter einem Radius von max. 0,2 mm einlaufenden Rundung, ausgebildet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstreifkante (6) mit einer, in die zugehörige Flanke (2) unter einem Winkel > 30° einlaufenden Abschrägung versehen wird.
1 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Grundkörper (1) aus Gusseisen, Stahlguss oder Stahldraht eingesetzt wird.
12. Kompressionskolbenring, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 1 1.
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