DE102004028487B4 - Verfahren zur Herstellung verschleissfester Flanken für einen Trapezring für Verbrennungsmotoren - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung verschleißfester Flanken für einen Trapezring für Verbrennungsmotoren, bei dem zunächst aus einem Stahlband mit rechteckigem Querschnitt als Basismaterial ein mit einer inneren (5a) und einer äußeren (5b) Umfangsfläche sowie einer oberen und unteren Flanke bestehender Rechteckring geformt wird, der anschließend mittels eines Nitrierprozesses allseitig nitriert und nachfolgend durch Bearbeitung der Oberflächen in seine endgültige Form und Geometrie gebracht wird, wobei durch die Bearbeitung das Basismaterial 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 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-Verfahren;- Schleifen der Nitrierschicht der Flanken im entstapelten Zustand derart, dass maximal ein Viertel der Gesamtschichtdicke der Nitrierschicht entfernt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung verschleißfester Flanken für einen Trapezring für Verbrennungsmotoren, bei dem zunächst aus einem Stahlband mit rechteckigem Querschnitt als Basismaterial ein mit einer inneren und einer äußeren Umfangsfläche sowie einer oberen und unteren Flanke bestehender Rechteckring geformt wird, der anschließend mittels eines Nitrierprozesses allseitig nitriert und nachfolgend durch Bearbeitung der Oberflächen in seine endgültige Form und Geometrie gebracht wird, wobei durch die Bearbeitung das Basismaterial an den Flanken freigelegt wird.
• Kolbenringe mit trapezförmigen Querschnitt- Ringhöhe an der äußeren Umfangsfläche größer als an der inneren Umfangsfläche- werden bevorzugt in Dieselmotoren als Topring eingesetzt, wobei die dazugehörige Kolbenringnut ebenfalls trapezförmig ausgebildet ist. Dieselmotoren neigen zur Ablagerung von harten kohlenstoffhaltigen Rückständen in der ersten -obersten- Kolbenringnut, welche zu einem Festgehen der Kolbenringe und damit zu Funktionsausfällen führen 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 Oberfläche der Ringe mittels eines Gasnitrierprozesses eine Nitridschicht aufzubringen, um die Oberfläche zu härten und somit eine bessere Verschleißfestigkeit 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 Lauffläche der Kolbenringe durch das Aufbringen zusätzlicher 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 Oberfläche der Ringe einem Nitrierprozess zu unterwerfen. Zur Formung bzw. Profilgebung eines derartigen Kolbenringes zu einem Trapezring ist es erforderlich, die Flanken entsprechend zu schleifen, wobei die Nitridschicht vollständig oder teilweise von den Flanken, je nach geometrischen Erfordernissen, wieder entfernt wird. Mittels weiterer Bearbeitungsschritte der Ringoberflächen erfolgt die Endprofilgebung mit anschließender Verschleißschutzbeschichtung der Lauffläche 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 Zünddrücke von 200 bar bis 220 bar, dass die Ringflanken vermehrt Reibverschleißschäden (fretting) aufweisen, wobei eine zusätzlich Verkokung feststellbar ist. Diese Schäden nehmen mit der Verlängerung der Laufdauer der Kolbenringe zu und führen schließlich zum Ausfall. Es hat sich außerdem gezeigt, dass diese Schäden ortsabhängig, d. h. entlang des Umfangs an den Ringflanken verschieden stark auftreten.
• Es ist Aufgabe der Erfindung, das Entstehen von Flankenschädigungen an Trapez- bzw. Doppeltrapezringen im Motorbetrieb weitgehend zu verhindern.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
• Durch das erfindungsgemäße 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 Nitridschicht auf den Ringflanken mit gleichmäßiger Nitriertiefe auch die Erzeugung gleichmäßig hohe Härtewerte, 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 Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
• 1 ein Verfahren zur Herstellung von Trapezringen nach dem Stand der Technik;
• 2 ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren für Trapezringe;
• 3 eine Darstellung des ortsabhängigen Ringflankenverschleißes gemäß dem Stand der Technik und dem erfindungsgemäßen Verfahren.
• Aus einem nicht nitrierten martensitischen Stahlband 1 mit rechteckigem Querschnitt wird mittels bekannter Vorrichtungen zunächst ein Kolbenring mit einer inneren Umfangsfläche 5a und einer äußeren Umfangsfläche 5b sowie einer oberer Ringflanke 3a/b und unteren Ringflanke 4a/b geformt, wie in 1 dargestellt. Der Kolbenring wird anschließend thermisch entspannt. Nach einer Schleifbearbeitung der Ringstoßseiten und der äußeren Umfangsfläche 5b sowie einer Bürstung der inneren Umfangsfläche 5a erfolgt anschließend ein Parallelschleifen der oberen 3a und unteren Ringflanken 4a, so dass zueinander parallele obere und untere Ringflanken entstehen. Gemäß 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 Umfangsfläche bleiben die parallelen Flanken, über welche die Kolbenringe stapelbar sind, in einer Breite bestehen, die weniger als ein Viertel der Kolbenringbreite beträgt. Nach einer Reinigung werden anschließend mittels eines bekannten Gasnitrierprozesses (GNS) die Kolbenringe oberflächenmäßig nitriert. Die Nitridschicht besteht aus einer Diffusionsschicht und einer Verbindungsschicht, wobei die Nitrierhärtetiefe in der Diffusionsschicht bis 200 µm betragen kann. Die Verbindungsschicht besitzt erfindungsgemäß eine Härte HV0.05 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. Läppvorgang 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 1 hergestellten Trapezringen dort der größte Reibverschleiß gezeigt hat.
• Auf die äußere Umfangsfläche, die der Lauffläche 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 Härte zwischen 1200-1400 HV0,05 zur weiteren Verringerung des Reibverschleißes 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 Lauffläche im axialen verspannten und gestapelten Zustand. Dadurch wird gewährleistet, dass einerseits eine gute Flankennitrierung erreicht wird und andererseits die Flanken während der Laufflächenbeschichtung 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 Gesamtnitridschicht, wodurch die beim Nitrieren entstehende Verbindungsschicht (white layer) entfernt wird.
• Wie aus der Darstellung des örtlichen umfangseitigen Reibverschleißes gemäß 3 für einen 6-Zylinder-Dieselmotor mit einer Laufzeit von 100 h unter Volllast ersichtlich ist, bewirkt dass erfindungsgemäße Verfahren gegenüber dem Stand der Technik eine deutliche Senkung des Reibverschleißes an den Ringflanken.
• Bezugszeichenliste

10

Trapezring

1

Stahlband; Basismaterial

2

Nitridschicht

3a

obere Ringflanke

3b

obere parallele Ringflanken

4a

untere Ringflanke

4b

untere parallele Ringflanke

5a

innere Umfangsfläche;

5b

äußere Umfangsfläche, Lauffläche

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung verschleißfester Flanken für einen Trapezring für Verbrennungsmotoren, bei dem zunächst aus einem Stahlband mit rechteckigem Querschnitt als Basismaterial ein mit einer inneren (5a) und einer äußeren (5b) Umfangsfläche sowie einer oberen und unteren Flanke bestehender Rechteckring geformt wird, der anschließend mittels eines Nitrierprozesses allseitig nitriert und nachfolgend durch Bearbeitung der Oberflächen in seine endgültige Form und Geometrie gebracht wird, wobei durch die Bearbeitung das Basismaterial 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 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-Verfahren; - Schleifen der Nitrierschicht der Flanken im entstapelten Zustand derart, dass maximal ein Viertel der Gesamtschichtdicke der Nitrierschicht entfernt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial aus einem Stahl besteht, der 12 bis 17% Chrom enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Nitrierschicht der unteren Flanke des Trapezringes eine Chromschicht mittels PVD-Verfahren oder galvanischem Verfahren aufgebracht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Lauffläche eine Chromnitrid- Schicht oder Manganphosphat- Schicht als Verschleißschicht aufgebracht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelfläche weniger als ein Viertel der Trapezringbreite einnimmt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial aus einem martensitisch unnitrierten Stahlband besteht.

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