EP1920175A1 - Verfahren zur herstellung eines kolbenrings für verbrennungsmotoren sowie einen derartigen kolbenring - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines kolbenrings für verbrennungsmotoren sowie einen derartigen kolbenring

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EP1920175A1
EP1920175A1 EP06791337A EP06791337A EP1920175A1 EP 1920175 A1 EP1920175 A1 EP 1920175A1 EP 06791337 A EP06791337 A EP 06791337A EP 06791337 A EP06791337 A EP 06791337A EP 1920175 A1 EP1920175 A1 EP 1920175A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston ring
layer
ring
piston
chromium
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06791337A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kurt Maier
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Mahle International GmbH
Original Assignee
Mahle International GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1920175A1 publication Critical patent/EP1920175A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • 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
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • 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
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/80—After-treatment
    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49229—Prime mover or fluid pump making
    • Y10T29/49274—Piston ring or piston packing making

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a piston ring for internal combustion engines and such a piston ring.
  • Piston rings of trapezoidal cross-section in which the ring height is greater on the outer peripheral surface than on the inner peripheral surface, are also referred to as trapezoidal rings.
  • a piston ring in which a ring flank is formed parallel to the inner and outer peripheral surfaces while the other ring flank extends at an angle thereto is referred to as a (simple) trapezoidal ring.
  • a piston ring, in which both ring flanks extend at an angle to the peripheral surfaces, is called a double trapezoidal ring.
  • Such piston rings are preferably used in diesel engines as the top piston ring (top ring), wherein the associated piston ring groove is also formed trapezoidal.
  • diesel engines tend to deposit hard carbonaceous residues in the uppermost Kolbenringnut, which can lead to a festging of the piston rings and thus to functional failures. Due to the trapezoidal design of the uppermost piston ring and its kingpin groove, the festival is usually prevented and thus ensures the sealing function of the piston ring.
  • European published patent application EP 0 605 223 A1 describes a piston ring whose surface has been hardened by gas nitriding. On the later running surface, a metal nitride layer is applied over the gas nitriding layer as a tribological layer.
  • German Offenlegungsschrift DE 102 07 148 A1 also describes a piston ring with a nitriding layer composed of a diffusion layer and a connecting layer, a deposit layer of hard ceramic being provided on the later running surface after removal of the diffusion layer.
  • the trapezoidal rings or double trapezoidal rings produced in this way exhibit increased fretting damage (so-called “fretting") on the ring flanks, with additional coking being detectable, in particular at high ignition pressures of 200 bar to 220 bar with the running time of the piston rings and eventually lead to their failure. It has also been found that these damages can be location-dependent, that is, that they can vary greatly along the circumference of the ring flanks. Especially at those points where the nitriding layer was removed, these damages occur frequently.
  • the present invention is therefore based on the object to provide a method for producing a piston ring and such a piston ring, with which the occurrence of ring flank damage to trapezoidal rings or double trapezoidal rings during engine operation is largely prevented.
  • the piston ring according to the invention whose surface forms an inner and an outer peripheral surface and an upper and a lower annular edge, is characterized in that the surface is provided with a uniformly thick hardened layer.
  • Trapezoidal rings or double trapezoidal rings with wear-resistant ring flanks are provided by the method according to the invention, which have significantly reduced fretting damage during engine operation (so-called “fretting") the hardening pro- Z ⁇ SS, it is possible to produce a uniform hardened layer with uniform depth on the ring flanks of the trapezoidal ring or double trapezoidal ring. This uniformly high hardness values are obtained so that along the circumference of the ring edges substantially no Reibverschl employ2020 impairing the piston ring function impairing occur. Likewise, micro welds between piston ring and piston are effectively prevented.
  • a steel strip with a rectangular cross-section is used as a base material for the piston ring according to the invention.
  • This steel strip is preferably made of martensitic steel with a content of 12 to 17 wt .-% chromium. If a nitriding process is chosen to cure the surfaces, a nitriding zone is formed in which hard chromium nitrides are additionally embedded.
  • the metal strip is, for example, converted by cutting or non-cutting machining into a trapezoidal cross-section, preferably by grinding, for example.
  • the machined surface or the machined surfaces should later form the ring flank or ring flanks of the piston ring to be produced. It is advantageous if, in addition to the beveled surface (s), regions which continue to run parallel to each other are also retained.
  • the width of the mutually parallel regions is preferably at most a quarter of the total width of the steel strip.
  • the parallel areas can serve as stacking surfaces for packaging the trapezoidal rings or double trapezoidal rings in the later processing of the piston ring.
  • both an endless metal strip and a blank can be used and processed to obtain the at least one beveled surface.
  • the machining can be done in a continuous process.
  • trapezoidal in cross-section metal band becomes a Molded piston ring, optionally separated to the required length, if an endless metal strip is used, and then the further processing, in particular a mechanical processing, for example, the surfaces and / or a heat treatment subjected.
  • a wear protection layer preferably a chromium layer or a chromium nitride layer, can additionally be applied to the lower ring flanks of the piston ring, since experience has shown that the lower ring flanks are subjected to particularly high stress.
  • an additional wear protection layer or tribological layer may be applied to the outer circumferential surface or tread of the piston ring to increase the life of the trapezoidal rings or double trapezoidal rings.
  • the trapezoidal rings or double trapezoidal rings are preferably stacked under axial bias to form a package. This avoids that the ring flanks are coated with the wear protection layer, if this is not desired.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the manufacturing process for a double trapezoidal ring according to the prior art
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a double trapezoidal ring produced by the method according to the invention
  • FIG. 3 is a schematic representation of the manufacturing process for a double trapezoidal ring according to the invention
  • Fig. 4 is an illustration of the location-dependent Reibverschl composeJden on the ring flanks of a double trapezoidal ring according to the prior art on the one hand and according to the invention on the other.
  • Fig. 1 shows again the production of a piston ring 30 of a trapezoidal ring according to the prior art.
  • a piston ring 30 is formed in a conventional manner.
  • surface hardening typically nitriding
  • a hardened layer 21 in this case a nitriding layer of a diffusion layer and a connecting layer, forms along the surface of the piston ring 30.
  • the outer peripheral surface is provided with a wear-resistant layer 32 (not shown).
  • the piston rings 30 are preferably stacked under axial bias to form a package. This avoids that the ring flanks are coated with the wear protection layer, as this is not usually desired.
  • the piston ring 30 is machined to give it the desired shape of a trapezoidal ring or double trapezoidal ring.
  • the ring flanks are at least partially ground at a shallow angle, so that beveled upper and lower annular edges 35, 36 are formed, followed by the parallel upper and lower portions 33, 34.
  • the outer peripheral surface 32 and the inner peripheral surface 31 of the piston ring 30 remain.
  • the hardened layer 21 is at least partially removed along the upper and lower ring flanks.
  • Fig. 2 shows schematically a double trapezoidal ring 10, which is produced by the method according to the invention, as shown schematically in Figure 3. Again, the following explanations apply equally to a trapezoidal ring.
  • the starting material is, for example, as shown in FIG.
  • Tensitic steel strip 20 (chromium content 12 to 17 wt .-%) with a rectangular cross-section.
  • This steel strip 20, which may be an endless steel strip or a blank, is converted in a first operation into a trapezoidal cross-section.
  • a suitable method is the grinding of the upper and lower broad sides of the steel strip 20.
  • the steel strip can also be formed by cold rolling the broad sides into a trapezoidal cross-section.
  • beveled surfaces 15, 16 and a higher narrow side 12 and a lower narrow side 11 are formed with mutually parallel surfaces 13, 14 are maintained, which adjoin the beveled surfaces 15, 16 and the higher narrow side 12.
  • the mutually parallel surfaces 13, 14 are used in the exemplary embodiment, the stackability of the piston rings, which is advantageous in some of the subsequent processing steps to ensure.
  • Their width is, for example, up to a quarter, preferably less than a quarter of the width of the steel strip 20th
  • the steel strip 20 thus processed is formed in a conventional manner by suitable devices to a piston ring 10 and possibly cut off, the higher narrow side of the steel strip 20 in the outer peripheral surface 12 and the lower narrow side of the steel strip 20 in the inner peripheral surface 11 of Piston ring 10 is transferred.
  • the surfaces 13, 15 form the upper annular edge and the surfaces 14, 16, the lower annular edge of the piston ring 10th
  • the piston ring 10 thus has a trapezoidal cross-section already after this production step.
  • the piston ring 10 is subjected to a hardening process.
  • the piston ring 10 by means of a per se known Gasnitrierpro- nitrided over its entire surface, so that a circumferential nitriding layer 21 results, which consists in the embodiment of a diffusion layer and a connecting layer, wherein the Nitrierhärtiefe can be up to 200 microns in the diffusion layer.
  • the bonding layer has , for example, a Vickers hardness 700 HVO, 05 at a layer thickness of about 5 to 10 ⁇ m. If the steel strip 20 contains chromium, hard chromium nitrides are formed during nitriding.
  • the bonding layer is separated from the surface of the piston ring 10, i. From the outer peripheral surface and from the annular edges of the piston ring 10, for example. Removed by grinding.
  • the desired piston ring 10 is present, in the embodiment in the form of a double trapezoidal ring.
  • a chromium or chromium nitride preferably be applied to the lower ring flank with the surfaces 14, 16, as there especially in the trapezoidal rings produced according to the prior art there Reibverschl devisden have shown.
  • a wear protection layer or tribological layer is applied on the outer peripheral surface 12, which corresponds to the later running surface of the piston ring 10, if necessary.
  • a wear protection layer or tribological layer is applied on the outer peripheral surface 12, which corresponds to the later running surface of the piston ring 10, if necessary.
  • a wear protection layer or tribological layer is applied on the outer peripheral surface 12, which corresponds to the later running surface of the piston ring 10, if necessary.
  • a wear protection layer or tribological layer is applied on the outer peripheral surface 12, which corresponds to the later running surface of the piston ring 10.
  • a wear protection layer or tribological layer is applied on the outer peripheral surface 12, which corresponds to the later running surface of the piston ring 10.
  • a wear protection layer or tribological layer is applied on the outer peripheral surface 12, which corresponds to the later running surface of the piston ring 10.
  • a wear protection layer or tribological layer is applied on the outer peripheral surface 12, which corresponds to the later running surface of the piston ring
  • a galvanic hard chrome layer or a thermal spray layer or a manganese phosphate layer may also be applied to the outer peripheral surface 12.
  • the coating of the outer circumferential surface 12 and later running surface of the piston ring 10 is expediently carried out in the stacked and axially braced state of a plurality of piston rings 10. In particular, this ensures that the surfaces 13, 14, 15, 16 of the annular edges during the coating process not with the applied wear protection layer or be coated tribological layer.
  • FIG. 4 shows a representation of the local peripheral frictional wear damage for a 6-cylinder diesel engine with a running time of 100 hours under full load, on the one hand for a piston ring according to the prior art, on the one hand for a piston ring 10 produced according to the invention in the form of a double trapezoidal ring. It can be seen from the graph that the piston ring 10 produced according to the invention shows significantly less fretting damage on the ring flanks compared with the prior art.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings (10) für Verbrennungsmotoren, mit folgenden Verfahrensschritten: - Bearbeiten eines Metallbandes (20), so dass es mindestens eine abgeschrägte Fläche (15, 16) erhält, die mindestens einen Teil einer Ringflanke des herzustel lenden Kolbenrings (10) darstellt, - Bilden eines Kolbenrings (10) aus dem so bearbeiteten Metallband (20), dessen Oberfläche eine innere und eine äußere Umfangsf lache (11, 12) sowie eine obere und eine untere Ringflanke bildet, - Härten der Oberfläche des Kolbenrings (10). Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Kolbenring (10) für Verbrennungsmotoren, dessen Oberfläche eine innere und eine äußere Umfangsf lache (11, 12) sowie eine obere und eine untere Ringflanke bildet, wobei die Oberfläche mit einer gleichmäßig dicken gehärteten Schicht (21) versehen ist.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings für Verbrennungsmotoren sowie einen derartigen Kolbenring
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings für Verbrennungsmotoren sowie einen derartigen Kolbenring.
Kolbenringe mit trapezförmigem Querschnitt, bei denen die Ringhöhe an der äußeren Umfangsfläche größer als an der inneren Umfangsfläche ist, werden auch als Trapezringe bezeichnet. Ein Kolbenring, bei dem eine Ringflanke parallel zur inneren und äußeren Umfangsfläche ausgebildet ist, während die andere Ringflanke in einem Winkel dazu verläuft, wird als (einfacher) Trapezring bezeichnet. Ein Kolbenring, bei dem beide Ringflanken in einem Winkel zu den Umfangsflächen verlaufen, wird Doppeltrapezring benannt. Derartige Kolbenringe werden bevorzugt in Dieselmotoren als oberster Kolbenring (Topring) eingesetzt, wobei die zugehörige Kolbenringnut ebenfalls trapezförmig ausgebildet ist. Dieselmotoren neigen nämlich zur Ablagerung von harten kohlenstoffhaltigen Rückständen in der obersten Kolbenringnut, welche zu einem Festgehen der Kolbenringe und damit zu Funktionsausfällen führen können. Durch die trapezförmige Gestaltung des obersten Kolbenrings und seiner KoI- benringnut wird das Festgehen im Regelfall unterbunden und somit die Abdichtfunktion des Kolbenrings gewährleistet.
Bei der Herstellung von Rechteckringen für Kolben von Verbrennungsmotoren ist es bekannt, auf die gesamte Oberfläche der Kolbenringe mittels eines Nitrierprozesses eine Nitrierschicht aufzubringen, um die Oberfläche zu härten und somit eine bessere Verschleißfestigkeit zu erhalten. Die Verschleißfestigkeit der Lauffläche der Kolbenringe kann durch das Aufbringen zusätzlicher Beschichtungen weiter erhöht werden. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 35 06 746 C2 ist bspw. ein KoI- benring mit rechteckigem Querschnitt bekannt, dessen Ringkörper über seine gesamte Oberfläche mit einer Nitrierschicht versehen ist, welche sich aus einer Diffusionsschicht und einer darüber liegenden Verbindungsschicht zusammensetzt. An der späteren Lauffläche ist die Verbindungsschicht entfernt und eine tribologische Beschichtung aufgebracht.
Die europäische Offenlegungsschrift EP 0 605 223 A1 beschreibt einen Kolbenring, dessen Oberfläche durch Gasnitrierung gehärtet ist. Auf der späteren Lauffläche ist über der Gasnitrierschicht noch eine Metallnitridschicht als tribologische Schicht aufgebracht. Auch die deutsche Offenlegungsschrift DE 102 07 148 A1 beschreibt einen Kolbenring mit einer aus einer Diffusionsschicht und einer Verbindungsschicht zusammengesetzten Nitrierschicht, wobei auf der späteren Lauffläche nach Entfernen der Diffusionsschicht eine Abscheidungsschicht aus Hartkeramik vorgesehen ist.
Bei der Herstellung von Trapezringen und Doppeltrapezringen aus Stahl wird konventionell von einem Stahlband mit rechteckigem Querschnitt ausgegangen, aus dem ein Ring mit rechteckigem Querschnitt geformt wird. Dieser wird mechanisch bearbeitet und einem Härtungsprozess, insbesondere einem Nitrierprozess, unterworfen. Nach dem Entfernen der bei dem Nitrierprozess neben der Diffusionsschicht entstandenen Verbindungsschicht und einer weiteren mechanischen Feinbearbeitung wird in der Regel auf die äußere Umfangsfläche eine tribologische Schicht aufgebracht. Im letzten Schritt werden die Ringflanken unter einem Winkel geschliffen und so ein trapezförmiger Querschnitt des Rings erzeugt. Dabei wird die gehärtete Schicht, bspw. die Nitrierschicht, abhängig vom Trapezwinkel, teilweise oder vollständig wieder von den Ringflanken entfernt.
Die derart hergestellten Trapezringe bzw. Doppeltrapezringe weisen jedoch im Motorbetrieb an den Ringflanken vermehrte Reibverschleißschäden (sog. „Fretting") auf. Dabei ist eine zusätzliche Verkokung feststellbar. Dies ist insbesondere bei hohen Zünddrücken von 200 bar bis 220 bar zu beobachten. Diese Schäden nehmen mit der Laufdauer der Kolbenringe zu und führen schließlich zu deren Ausfall. Es hat sich außerdem gezeigt, dass diese Schäden ortsabhängig sein, d.h. entlang des Umfangs der Ringflanken verschieden stark auftreten können. Insbesondere an denjenigen Stellen, an denen die Nitrierschicht entfernt worden war, treten diese Schäden gehäuft auf.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings sowie einen derartigen Kolbenring bereit zu stellen, mit welchen das Entstehen von Ringflankenschäden an Trapezringen bzw. Doppeltrapezringen im Motorbetrieb weitgehend verhindert wird.
Die Lösung besteht in einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Erfindungsgemäß sind folgende Verfahrensschritte vorgesehen:
- Bearbeiten eines Metallbandes, so dass es mindestens eine abgeschrägte Fläche erhält, die mindestens einen Teil einer Ringflanke des herzustellenden Kolbenrings darstellt,
- Bilden eines Kolbenrings aus dem so bearbeiteten Metallband, dessen Oberfläche eine innere und eine äußere Umfangsfläche sowie eine obere und eine untere Ringflanke bildet,
- Härten der Oberfläche des Kolbenrings.
Der erfindungsgemäße Kolbenring, dessen Oberfläche eine innere und eine äußere Umfangsfläche sowie eine obere und eine untere Ringflanke bildet, zeichnet sich dadurch aus, dass die Oberfläche mit einer gleichmäßig dicken gehärteten Schicht versehen ist.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden Trapezringe bzw. Doppeltrapezringe mit verschleißfesten Ringflanken geschaffen, die im Motorbetrieb gegenüber dem Stand der Technik wesentlich verminderte Reibverschleißschäden (sog. „Fretting") aufweisen. Durch das Herstellen eines trapezförmigen Querschnittes des Metallbandes vor der Herstellung des Kolbenringes, insbesondere vor dem Härtungspro- ZΘSS, ist es möglich, eine gleichmäßige gehärtete Schicht mit gleichmäßiger Tiefe auf den Ringflanken des Trapezrings oder Doppeltrapezrings zu erzeugen. Damit werden gleichmäßig hohe Härtewerte erhalten, so dass entlang des Umfangs der Ringflanken im Wesentlichen keine die Kolbenringfunktion beeinträchtigenden Reibverschleißschäden mehr auftreten. Ebenso werden Mikroverschweißungen zwischen Kolbenring und Kolben wirksam verhindert.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Als Basismaterial für den erfindungsgemäßen Kolbenring wird bspw. ein Stahlband mit rechteckigem Querschnitt verwendet. Dieses Stahlband besteht vorzugsweise aus martensi- tischem Stahl mit einem Gehalt von 12 bis 17 Gew.-% Chrom. Wenn zum Härten der Oberflächen ein Nitrierprozess gewählt wird, entsteht eine Nitrierzone, in die zusätzlich harte Chromnitride eingelagert sind.
Entsprechend der Erfindung wird das Metallband bspw. durch spanende oder spanlose Bearbeitung in einen trapezförmigen Querschnitt überführt, vorzugsweise durch Schleifen, bspw. der oberen und/oder unteren Breitseitenflanke eines Metallbandes mit rechteckigem Querschnitt zu abgeschrägten Flächen. Die so bearbeitete Fläche bzw. die bearbeiteten Flächen sollen später die Ringflanke bzw. Ringflanken des herzustellenden Kolbenrings bilden. Dabei ist es von Vorteil, wenn neben der/den abge- schrägte(n) F)äche(n) weiterhin parallel zueinander verlaufende Bereiche erhalten bleiben. Die Breite der parallel zueinander verlaufenden Bereiche beträgt vorzugsweise maximal ein Viertel der Gesamtbreite des Stahlbandes. Die parallel verlaufenden Bereiche können bei der späteren Bearbeitung der Kolbenring als Stapelflächen zur Paketierung der Trapezringe bzw. Doppeltrapezringe dienen.
Für das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl ein Endlos-Metallband als auch ein Zuschnitt verwendet und bearbeitet werden, um die mindestens eine abgeschrägte Fläche zu erhalten. Bei Verwendung eines Endlos-Metallbandes kann die Bearbeitung in einem kontinuierlichen Prozess erfolgen. In weiteren an sich bekannten Arbeitsgängen wird das nun im Querschnitt trapezförmige Metallband zu einem Kolbenring geformt, ggf. auf die erforderliche Länge abgetrennt, falls ein Endlos- Metallband verwendet wird, und dann der weiteren Bearbeitung, insbesondere einer mechanischen Bearbeitung bspw. der Oberflächen und/oder einer Wärmebehandlung, unterworfen.
Zum Härten der Oberfläche des Kolbenrings werden vorzugsweise an sich bekannte Nitrier- oder Chromnitrierverfahren eingesetzt. Anschließend kann auf den unteren Ringflanken des Kolbenrings zusätzlich eine Verschleißschutzschicht, vorzugsweise eine Chromschicht oder eine Chromnitridschicht, aufgebracht werden, da die Erfahrung gezeigt hat, dass die unteren Ringflanken besonders stark beansprucht werden.
Femer kann auf der äußeren Umfangsfläche oder Lauffläche des Kolbenrings eine zusätzliche Verschleißschutzschicht oder tribologische Schicht, vorzugsweise eine Chromnitrid-Schicht oder eine Manganphosphat-Schicht, aufgebracht werden, um die Lebensdauer der Trapezringe oder Doppeltrapezringe zu erhöhen. Zum Aufbringen der Verschleißschutzschicht oder tribologischen Schicht werden die Trapezringe oder Doppeltrapezringe vorzugsweise unter axialer Vorspannung zu einem Paket gestapelt. Damit wird vermieden, dass auch die Ringflanken mit der Verschleißschutzschicht beschichtet werden, wenn dies nicht gewünscht wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Herstellungsverfahrens für einen Doppeltrapezring gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Doppeltrapezrings;
Fig. 3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für einen Doppeltrapezring; Fig. 4 eine Darstellung der ortsabhängigen Reibverschleißschäden an den Ringflanken eines Doppeltrapezrings nach dem Stand der Technik einerseits und gemäß der Erfindung andererseits.
Fig. 1 zeigt nochmals die Herstellung eines Kolbenrings 30 eines Trapezrings gemäß dem Stand der Technik. Die folgenden Ausführungen gelten in entsprechender Weise selbstverständlich auch für Trapezringe. Aus einem Stahlband 20 wird in an sich bekannter Weise ein Kolbenring 30 geformt. Nach einer ersten mechanischen Bearbeitung, die ein Parallelschleifen der Ringflanken einschließt, erfolgt das Oberflächenhärten, typischerweise ein Nitrieren. Dabei bildet sich entlang der Oberfläche des Kolbenrings 30 eine gehärtete Schicht 21 , in diesem Fall eine Nitrierschicht aus einer Diffusionsschicht und einer Verbindungsschicht, aus. Nach einer weiteren mechanischen Bearbeitung, die insbesondere zum Entfernen s der Verbindungsschicht dient, wird die äußere Umfangsfläche 32 mit einer Verschleißschutzschicht versehen (nicht dargestellt). Zum Aufbringen der Verschleißschutzschicht werden die Kolbenringe 30 vorzugsweise unter axialer Vorspannung zu einem Paket gestapelt. Damit wird vermieden, dass auch die Ringflanken mit der Verschleißschutzschicht beschichtet werden, da dies in der Regel nicht gewünscht wird. Zum Schluss wird der Kolbenring 30 bearbeitet, um ihm die gewünschte Form eines Trapezrings oder Doppeltrapezrings zu geben. Dazu werden die Ringflanken zumindest teilweise unter einem flachen Winkel abgeschliffen, so dass abgeschrägte obere und untere Ringflanken 35, 36 entstehen, an die sich parallele obere und untere Bereiche 33, 34 anschließen. Die äußere Umfangsfläche 32 und die innere Umfangsfläche 31 des Kolbenrings 30 bleiben bestehen. Durch diese Art der Formgebung wird die gehärtete Schicht 21 entlang der oberen und unteren Ringflanken zumindest teilweise abgetragen.
Fig. 2 zeigt schematisch einen Doppeltrapezring 10, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, wie es in Figur 3 schematisch dargestellt ist. Auch hier gilt, dass die folgenden Erläuterungen in entsprechender Weise auch für einen Trapezring gelten. Das Ausgangsmaterial ist bspw. wie in Figur 1 dargestellt, ein mar- tensitisches Stahlband 20 (Chromgehalt 12 bis 17 Gew.-%) mit rechteckigem Querschnitt. Dieses Stahlband 20, das ein Endlos-Stahlband oder ein Zuschnitt sein kann, wird in einem ersten Arbeitsgang in einen trapezförmigen Querschnitt überführt. Ein geeignetes Verfahren ist das Schleifen der oberen und unteren Breitseiten des Stahlbandes 20. Alternativ zum Schleifen kann das Stahlband auch durch Kaltwalzen der Breitseiten in einen trapezförmigen Querschnitt umgeformt werden. Im Ausführungsbeispiel entstehen abgeschrägte Flächen 15, 16 sowie eine höhere Schmalseite 12 und eine niedrigere Schmalseite 11 wobei parallel zueinander verlaufende Flächen 13, 14 erhalten bleiben, die sich an die abgeschrägten Flächen 15, 16 und die höhere Schmalseite 12 anschließen. Die parallel zueinander verlaufenden Flächen 13, 14 dienen im Ausführungsbeispiel dazu, die Stapelbarkeit der Kolbenringe, die bei einigen der nachfolgenden Bearbeitungsschritte vorteilhaft ist, sicher zu stellen. Ihre Breite beträgt bspw. bis zu einem Viertel, vorzugsweise weniger als ein Vierteil der Breite des Stahlbandes 20.
Nun wird das so bearbeitete Stahlband 20 in an sich bekannter Weise durch geeignete Vorrichtungen zu einem Kolbenring 10 geformt und ggf. abgeschnitten, wobei die höhere Schmalseite des Stahlbandes 20 in die äußere Umfangsfläche 12 und die niedrigere Schmalseite des Stahlbandes 20 in die innere Umfangsfläche 11 des Kolbenrings 10 überführt wird. Die Flächen 13, 15 bilden die obere Ringflanke und die Flächen 14, 16 die untere Ringflanke des Kolbenrings 10.
Der Kolbenring 10 hat also bereits nach diesem Fertigungsschritt einen trapezförmigen Querschnitt.
Die durch die Kaltverformung entstandenen inneren Spannungen im Material des Kolbenrings 10 werden anschließend in einer thermischen Behandlung abgebaut. Die weitere Bearbeitung und Oberflächenbehandlung des Kolbenrings 10 erfolgt in an sich bekannter Weise. Nach einer ersten mechanischen Bearbeitung (Schleifen, Bürsten, Reinigen, etc.) wird der Kolbenring 10 einem Härtungsprozess unterzogen. Vorzugsweise wird der Kolbenring 10 mittels eines an sich bekannten Gasnitrierpro- zesses über seine gesamte Oberfläche nitriert, so dass eine umlaufende Nitrierschicht 21 resultiert, welche im Ausführungsbeispiel aus einer Diffusionsschicht und einer Verbindungsschicht besteht, wobei die Nitrierhärtetiefe in der Diffusionsschicht bis zu 200 μm betragen kann. Die Verbindungsschicht besitzt' bspw. eine Vickers- Härte 700 HVO, 05 bei einer Schichtdicke von ca. 5 bis 10 μm. Wenn das Stahlband 20 Chrom enthält, werden bei der Nitrierung harte Chromnitride gebildet.
Nach dem Nitrieren wird die Verbindungsschicht von der Oberfläche des Kolbenrings 10, d.h. von der äußeren Umfangsfläche und von den Ringflanken des Kolbenrings 10, bspw. durch Schleifen entfernt. Nun liegt im Prinzip der gewünschte Kolbenring 10 vor, im Ausführungsbeispiel in Form eines Doppeltrapezrings.
Wahlweise kann zur weiteren Verbesserung der Verschleißeigenschaften durch ein an sich bekanntes PVD-Verfahren (physikalische Dampfabscheidung) eine Chromoder Chromnitridschicht bevorzugt auf die untere Ringflanke mit den Flächen 14, 16 aufgebracht werden, da sich insbesondere bei den gemäß Stand der Technik hergestellten Trapezringen dort die größten Reibverschleißschäden gezeigt haben.
Auf die äußere Umfangsfläche 12, die der späteren Lauffläche des Kolbenrings 10 entspricht, wird ggf. eine Verschleißschutzschicht bzw. tribologische Schicht aufgebracht. Bspw. wird mittels des PVD-Verfahrens, unter Vermeidung einer Abscheidung auf die Flächen 13, 14, 15, 16 der Ringflanken, in an sich bekannter Weise eine Chromnitridschicht aufgedampft. Im Ausführungsbeispiel ist eine Chromnitridschicht zwischen 10 und 40 μm dick und weist eine Vickers-Härte zwischen 1200 HV0,05 und 1800 HV0,05 auf.
Alternativ dazu kann auf die äußere Umfangsfläche 12 auch eine galvanische Hartchromschicht oder eine thermische Spritzschicht oder eine Manganphosphatschicht aufgetragen werden. Die Beschichtung der äußeren Umfangsfläche 12 und späteren Lauffläche des Kolbenrings 10 erfolgt zweckmäßigerweise im gestapelten und axial verspannten Zustand mehrerer Kolbenringe 10. Insbesondere dadurch wird gewährleistet, dass die Flächen 13, 14, 15, 16 der Ringflanken während des Beschichtungsvorgangs nicht mit der aufzubringenden Verschleißschutzschicht bzw. tribologischen Schicht beschichtet werden.
Figur 4 zeigt eine Darstellung der örtlichen umfangsseitigen Reibverschleißschäden für einen 6-Zylinder-Dieselmotor mit einer Laufzeit von 100 Stunden unter Volllast, einerseits für einen Kolbenring gemäß dem Stand der Technik, einerseits für einen erfindungsgemäß hergestellten Kolbenring 10 in Form eines Doppeltrapezrings. Aus der Grafik ist ersichtlich, dass der erfindungsgemäß hergestellte Kolbenring 10 gegenüber dem Stand der Technik deutlich weniger Reibverschleißschäden an den Ringflanken zeigt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings (10) für Verbrennungsmotoren, mit folgenden Verfahrensschritten:
- Bearbeiten eines Metallbandes (20), so dass es mindestens eine abgeschrägte Fläche (15, 16) erhält, die mindestens einen Teil einer Ringflanke des herzustellenden Kolbenrings (10) darstellt,
- Bilden eines Kolbenrings (10) aus dem so bearbeiteten Metallband (20), dessen Oberfläche eine innere und eine äußere Umfangsfläche (11 , 12) sowie eine obere und eine untere Ringflanke bildet,
- Härten der Oberfläche des Kolbenrings (10).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Metallband ein Stahlband (20) mit rechteckigem Querschnitt verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stahlband aus martensitischem Stahl mit einem Gehalt von 12 bis 17 Gew.-% Chrom verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine abgeschrägte Fläche durch spanende oder spanlose Bearbeitung erhalten wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei abgeschrägte Flächen gebildet werden, welche mindestens einen Teil der beiden Ringflanken des herzustellenden Kolbenrings darstellen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Endlos-Metallband oder ein Zuschnitt bearbeitet wird, um die mindestens eine abgeschrägte Fläche zu erhalten.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bilden des Kolbenrings das bearbeitete Metallband zu einem Kolbenring geformt, ggf. auf die erforderliche Länge abgetrennt sowie wärmebehandelt und/oder mechanisch bearbeitet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Härten der Oberfläche des Kolbenrings ein Nitrierverfahren oder Chromnitrierverfahren eingesetzt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf den unteren Ringflanken (14, 16) des Kolbenrings nach dem Härten eine Verschleißschutzschicht, vorzugsweise eine Chromschicht oder eine Chromnitrid-Schicht, aufgebracht wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der äußeren Umfangsfläche (12) oder Lauffläche des Kolbenrings eine Verschleißschutzschicht oder tribologische Schicht, vorzugsweise eine Chromnitrid-Schicht oder eine Manganphosphat-Schicht, aufgebracht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbringen der Verschleißschutzschicht oder tribologischen Schicht die Kolbenringe unter axialer Vorspannung zu einem Paket gestapelt werden.
12. Kolbenring (10) für Verbrennungsmotoren, dessen Oberfläche eine innere und eine äußere Umfangsfläche (11 , 12) sowie eine obere und eine untere Ringflanke bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche mit einer gleichmäßig dicken gehärteten Schicht (21) versehen ist.
13. Kolbenring nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die obere und untere Ringflanke je einen parallel zueinander verlaufenden Oberflächenbereich (13, 14) und je einen schräg verlaufenden Oberflächenbereich (15, 16) aufweisen.
14. Kolbenring nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der parallel zueinander Oberflächenbereiche (13, 14) maximal ein Viertel der Breite des Kolbenrings (10) beträgt.
15. Kolbenring nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Flächen (14, 16) der oberen und/oder unteren Ringflanken auf der gehärteten Schicht (21 ) eine Verschleißschutzschicht, vorzugsweise eine Chromschicht, aufgebracht ist.
16. Kolbenring nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf der äußeren und/oder inneren Umfangsf lache (12) des Kolbenrings (10) auf der gehärteten Schicht (21 ) eine Verschleißschutzschicht oder tribologische Schicht, vorzugsweise eine Chromnitrid-Schicht oder eine Manganphosphat- Schicht, aufgebracht ist.
17. Kolbenring (10) für Verbrennungsmotoren, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11.
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