DE102010042413A1 - Piston ring comprises metal casting material comprising spherical gas bubbles occupying metal casting material - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenring mit eingelagerten Gasblasen, welcher eine geringere Masse hat als herkömmliche Kolbenringe mit identischen Abmessungen. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung erfindungsgemäßer Kolbenringe.The present invention relates to a piston ring with embedded gas bubbles, which has a lower mass than conventional piston rings with identical dimensions. Furthermore, the present invention relates to a method for producing inventive piston rings.
Stand der TechnikState of the art
Kolbenringe dichten in einem Verbrennungskraftmotor den zwischen Kolbenkopf und Zylinderwand vorhandenen Spalt gegenüber dem Brennraum ab. Bei der Auf- und Abbewegung des Kolbens gleitet der Kolbenring einerseits mit seiner äußeren Umfangsfläche in ständiger federnder Anlage gegen die Zylinderwand, andererseits gleitet der Kolbenring, bedingt durch die Kippbewegungen des Kolbens, oszillierend in seiner Kolbenringnut, wobei seine Flanken wechselnd an der oberen oder unteren Nutenflanke der Kolbenringnut anliegen. Bei den jeweils gegeneinander laufenden Gleitpartnern tritt in Abhängigkeit des Materials ein mehr oder weniger starker Verschleiß auf, der bei einem Trockenlauf zu so genannten Fressern, Riefenbildung und schließlich zu einer Zerstörung des Motors führen kann. Um das Gleit- und Verschleißverhalten von Kolbenringen gegenüber der Zylinderwand zu verbessern, wurden diese an deren Umfangsfläche mit Beschichtungen aus unterschiedlichen Materialien versehen.In an internal combustion engine, piston rings seal the gap between the piston head and the cylinder wall with respect to the combustion chamber. In the up and down movement of the piston piston ring slides on the one hand with its outer peripheral surface in constant resilient engagement against the cylinder wall, on the other hand slides the piston ring, due to the tilting movements of the piston, oscillating in its Kolbenringnut, with its edges alternately at the top or bottom Abut groove flank of the piston ring groove. In each case sliding against each other occurs depending on the material, a more or less severe wear, which can lead to so-called scuffing, scoring and finally to a destruction of the engine in a dry run. In order to improve the sliding and wear behavior of piston rings against the cylinder wall, they were provided on the peripheral surface with coatings of different materials.
Im dynamischen Motorbetrieb sind Kolbenringe aufgrund von Gas-, Reibungs- und Massenkräften einer axialen Bewegung in der Kolbennut ausgesetzt. Hierbei kann speziell bei Ringen der ersten Kolbennut ausgelöst durch die auftretenden Massenkräfte ein ungewolltes Flattern der Kolbenringe auftreten. Diese flatternde Bewegung der Kolbenringe führt zu einem unerwünschten Bewegungsverhalten mit direktem Einfluss auf die Emissionswerte des Motors. Insbesondere hat eine solche flatternde Bewegung einen erhöhten Ölverbrauch und Reversed Blow-by zur Folge. Die Optimierung der Massenkräfte durch Reduzierung des Gewichtes des Kolbenrings hat daher einen erheblichen Einfluss auf die Bewegung des Kolbenrings unter hohen Motordrehzahlen und ausgeglichenen Druckverhältnissen unterhalb und oberhalb des Kolbenrings.In dynamic engine operation, piston rings are subject to axial movement in the piston groove due to gas, friction and mass forces. In this case, especially in rings of the first piston groove triggered by the mass forces occurring an unwanted flutter of the piston rings occur. This flapping motion of the piston rings results in undesirable movement with a direct impact on engine emissions. In particular, such a fluttering movement results in increased oil consumption and reversed blow-by. The optimization of the mass forces by reducing the weight of the piston ring therefore has a significant influence on the movement of the piston ring under high engine speeds and balanced pressure ratios below and above the piston ring.
Zur Herstellung von Kolbenringen werden meist Gusseisenwerkstoffe bzw. Gusseisenlegierungen verwendet. Kolbenringe, insbesondere Kompressionsringe, unterliegen in hochbeanspruchten Motoren einer zunehmenden Belastung, unter anderem Kompressionsspitzendruck, Verbrennungstemperatur, EGR und Schmierfilmreduzierung, die deren Funktionseigenschaften, wie Verschleiß, Brandspurbeständigkeit, Microwelding und Korrosionsbeständigkeit, maßgeblich beeinflussen. Gusseisenwerkstoffe gemäß dem Stand der Technik weisen jedoch ein hohes Bruchrisiko auf, so dass es bei der Verwendung bisheriger Werkstoffe häufig zu Ringbrüchen kommt. Gestiegene mechanisch-dynamische Belastungen führen zu kürzeren Lebensdauern von Kolbenringen. Ebenso kommt es zu starker Verschleiß und Korrosion an Lauffläche und Flanke. Aufgrund der höheren mechanischen und dynamischen Beanspruchungen von Kolbenringen fordern immer mehr Motorenhersteller Kolbenringe und Zylinderlaufbuchsen aus hochwertigem Stahl. Hierbei bezeichnet man Eisenwerkstoffe mit weniger als 2,08 Gew.-% Kohlenstoff als Stahl. Liegt der Kohlenstoffgehalt höher, so redet man von Gusseisen. Stahlwerkstoffe besitzen gegenüber Gusseisen bessere Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften, da keine Störung durch freien Graphit im Grundgefüge vorhanden ist.For the production of piston rings usually cast iron materials or cast iron alloys are used. Piston rings, particularly compression rings, are subject to increasing loads in highly stressed engines, including compression peak pressure, combustion temperature, EGR, and lubricating film reduction, which significantly affect their performance characteristics, such as wear, fire resistance, microwelding, and corrosion resistance. However, cast iron materials according to the prior art have a high risk of breakage, so that it often comes to ring breaking when using existing materials. Increased mechanical-dynamic loads lead to shorter lifetimes of piston rings. Likewise, there is heavy wear and corrosion on the tread and flank. Due to the higher mechanical and dynamic stresses of piston rings, more and more engine manufacturers are demanding piston rings and cylinder liners made of high-grade steel. This refers to ferrous materials with less than 2.08 wt .-% carbon as steel. If the carbon content is higher, this is referred to as cast iron. Steel materials have better strength and toughness properties compared with cast iron, since there is no disturbance due to free graphite in the basic structure.
Heutige Kolbenringwerkstoffe auf Basis von Gusseisen oder Stahl stellen einen homogenen Werkstoff dar. Die Beeinflussung der Kolbenringmasse ist nur durch Veränderung des Querschnitts des Kolbenrings möglich. Durch die bereits extrem kleinen axialen Höhen und stark reduzierten Wanddicken moderner Kolbenringe sind die Möglichkeiten einer weiteren Massenreduzierung stark limitiert, da höhere Zünddrücke sowie die Kraftstoff-Direkteinspritzung steigende Belastungen für Kolbenringe bedeuten. Bisher untersuchte Maßnahmen zur weiteren Massenreduzierung führen zu ungewollten Nebeneffekten wie beispielsweise einer Erhöhung der Reibung zwischen Kolbenring und Zylinderlaufbuchse, einem erhöhten Flankenverschleiß, sowie dem Zerbrechen von Kolbenringen.Today's piston ring materials based on cast iron or steel are a homogeneous material. Influencing the piston ring mass is only possible by changing the cross section of the piston ring. Due to the already extremely small axial heights and greatly reduced wall thicknesses of modern piston rings, the possibilities of further mass reduction are severely limited, since higher ignition pressures and fuel direct injection mean increasing loads on piston rings. Previously investigated measures for further mass reduction lead to unwanted side effects such as an increase in the friction between the piston ring and cylinder liner, increased flank wear, and the breaking of piston rings.
Es ist bekannt, dass die Dichte von metallischen Werkstoffen durch Einlagerung von Gasblasen verringert werden kann. Dies wird beispielsweise in Metallschäumen, genutzt, porösen Schäumen aus metallischen Werkstoffen. Metallschäume besitzen eine durch Poren und Hohlräume bedingte geringe Dichte, weisen aber eine hohe spezifische Steifigkeit und Festigkeit auf. Meist werden Aluminium oder Aluminiumlegierungen geschäumt, da die Ausgangsmaterialien bereits eine sehr geringe Dichte besitzen. Unter Verwendung geeigneter Treibmittel ist es jedoch ebenfalls möglich Schäume aus anderen Metallen herzustellen. Die Herstellung von Metallschäumen geschieht häufig mittels Metallpulver und einem Metallhydrid. Beide Pulver werden miteinander vermischt und zu einem Vormaterial. verdichtet. Das Vormaterial wird dann auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Metalls erhitzt. Dabei setzt das Hydrid gasförmigen Wasserstoff frei und schäumt das Gemenge auf.It is known that the density of metallic materials can be reduced by incorporation of gas bubbles. This is used, for example, in metal foams, porous foams made of metallic materials. Metal foams have a low density due to pores and voids, but have a high specific rigidity and strength. Most aluminum or aluminum alloys are foamed, since the starting materials already have a very low density. However, using suitable blowing agents, it is also possible to make foams from other metals. The production of metal foams is often done by metal powder and a metal hydride. Both powders are mixed together and become a starting material. compacted. The starting material is then heated to a temperature above heated to the melting point of the metal. The hydride releases gaseous hydrogen and foams the mixture.
Metallische Schäume zeigen ein gutes Energieabsorptionsvermögen und Aluminiumschäume werden beispielsweise als Crashschutzelemente im Automobilbau eingesetzt. Allerdings sind diese Materialien aufgrund ihrer inhomogenen Struktur nicht belastbar genug um daraus Kolbenringe herzustellen. Auch ihre raue Oberfläche macht sie für diese Anwendung ungeeignet.Metallic foams show good energy absorption capacity and aluminum foams are used, for example, as crash protection elements in the automotive industry. However, due to their inhomogeneous structure these materials are not strong enough to produce piston rings. Their rough surface also makes them unsuitable for this application.
Der Einfluss von Hohlräumen im Gefüge von Kolbenringen wurde im Zusammenhang mit dem Effekt der Lunkerbildung untersucht. Als Lunker wird der bei der Erstarrung einer Schmelze entstehende Schwindungshohlraum bezeichnet. Beim Übergang eines Metallgusswerkstoffs vom flüssigen in den festen Zustand entsteht eine Volumenkontraktion. Das Volumendefizit verursacht die Bildung von Lunkern, insbesondere in den zuletzt erstarrenden Bereichen. Im Gegensatz zu Gasblasen sind Lunkerporen im Gefüge rauhwandig und führen zu einer Verschlechterung der physikalischen Eigenschaften des Kolbenrings. Gießtechnisch wird deshalb darauf geachtet, dass die Lunkerung nicht im Kolbenring auftritt, sondern in Bereiche außerhalb des Kolbenrings verlagert wird.The influence of cavities in the structure of piston rings was investigated in connection with the effect of voids formation. The shrinkage cavity used is the shrinkage cavity created during the solidification of a melt. The transition of a metal casting material from the liquid to the solid state results in a volume contraction. The volume deficit causes the formation of voids, especially in the last solidifying areas. In contrast to gas bubbles, voids in the microstructure are rough-walled and lead to a deterioration of the physical properties of the piston ring. Therefore, care is taken to ensure that the fouling does not occur in the piston ring but is displaced into areas outside the piston ring.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolbenring bereitzustellen, welcher eine geringere Masse hat als herkömmliche Kolbenringe mit identischen Abmessungen. Hierbei sollen die Nachteile vermieden werden, welche bei der Verwendung solcher Werkstoffe als Kolbenringmaterial bekannt sind, die Hohlräume enthalten.It is an object of the present invention to provide a piston ring which has a lower mass than conventional piston rings of identical dimensions. In this case, the disadvantages are to be avoided, which are known in the use of such materials as piston ring material containing cavities.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kolbenring gelöst, der einen Metallgusswerkstoff umfasst, welcher im Wesentlichen kugelförmige Gasblasen enthält. Diese Gasblasen nehmen 5–10 Vol.-% des Metallgusswerkstoffes ein. Unter „im Wesentlichen kugelförmig” werden im Sinne dieser Erfindung Gasblasen verstanden, deren Oberfläche ausschließlich aus Bereichen mit synklastischer Oberflächenkrümmung besteht und deren maximaler Durchmesser höchstens um 10% größer ist, als ihr minimaler Durchmesser.This object is achieved by a piston ring comprising a metal casting material which contains substantially spherical gas bubbles. These gas bubbles occupy 5-10% by volume of the metal casting material. For the purposes of this invention, "essentially spherical" is understood to mean gas bubbles whose surface consists exclusively of regions with a synclastic surface curvature and whose maximum diameter is at most 10% greater than their minimum diameter.
Vorzugsweise nehmen die Gasblasen 6–10 Vol.-% des Metallgusswerkstoffes ein. Mehr bevorzugt 7–10 Vol.-%, 8–10 Vol.-%, 9–10 Vol.-% und am meisten bevorzugt 9,5–10 Vol.-%.Preferably, the gas bubbles occupy 6-10 vol .-% of the metal casting material. More preferably 7-10 vol.%, 8-10 vol.%, 9-10 vol.% And most preferably 9.5-10 vol.%.
Es wurde festgestellt, dass Kolbenringe aus einem solchen Metallgusswerkstoff, leichter sind, als herkömmliche Kolbenringe mit identischen Abmessungen, ohne dabei die schlechten mechanischen Eigenschaften aufzuweisen, die sich bei der Verwendung von Metallschaum oder Werkstoffen mit Innenlunkern als Kolbenringmaterial ergeben.It has been discovered that piston rings of such a metal casting material are lighter in weight than conventional piston rings of identical dimensions, without exhibiting the poor mechanical properties resulting from the use of metal foam or materials with internal voids as the piston ring material.
Bevorzugt sind mindestens 90% aller Gasblasen in einem Volumenbereich enthalten, der maximal 90% des Volumens des Metallgusswerkstoffs entspricht und der von der Flanke des Kolbenrings an jedem Punkt um mindestens 3% der Kolbenringdicke entfernt ist. Wenn die Gasblasen auf diese Weise hauptsächlich in der Mitte des Querschnitts des Kolbenrings eingelagert sind, wird die Belastbarkeit der Kolbenringflanken durch die Anwesenheit der Gasblasen nicht beeinflusst.
Mehr bevorzugt sind mindestens 98% aller Gasblasen in einem Volumenbereich enthalten, der maximal 90% des Volumens des Metallgusswerkstoffs entspricht und der von der Flanke des Kolbenrings an jedem Punkt um mindestens 5% der Kolbenringdicke entfernt ist, mehr bevorzugt sind mindestens 99% aller Gasblasen in einem Volumenbereich enthalten, der maximal 90% des Volumens des Metallgusswerkstoffs entspricht und der von der Flanke des Kolbenrings an jedem Punkt um mindestens 5% der Kolbenringdicke entfernt ist. Am meisten bevorzugt sind mindestens 99,8% aller Gasblasen in einem Volumenbereich enthalten, der maximal 90% des Volumens des Metallgusswerkstoffs entspricht und der von der Flanke des Kolbenrings an jedem Punkt um mindestens 5% der Kolbenringdicke entfernt ist.More preferably, at least 98% of all gas bubbles are contained in a volume area corresponding to at most 90% of the volume of the metal casting material and at least 5% of the piston ring thickness away from the flank of the piston ring at each point, more preferably at least 99% of all gas bubbles in a volume range which corresponds to a maximum of 90% of the volume of the metal casting material and which is removed from the flank of the piston ring at any point by at least 5% of the piston ring thickness. Most preferably, at least 99.8% of all gas bubbles are contained in a volume range that corresponds to a maximum of 90% of the volume of the metal casting material and that is at least 5% of the piston ring thickness away from the flank of the piston ring at each point.
Bei den Gasblasen handelt es sich bevorzugt um Stickstoffblasen. Wenn es sich bei dem Metallgusswerkstoff um Gusseisen oder einen Stahlgusswerkstoff handelt, beträgt der Stickstoffgehalt des Metallgusswerkstoffs bevorzugt mindestens 120 ppm, da Stickstoff im Allgemeinen erst ab diesem Gehalt die Löslichkeitsgrenze in diesen Werkstoffen überschreitet und sich als Gas ausscheiden kann. Im Allgemeinen muss mehr Stickstoff in der Schmelze sein als der Werkstoff in festem Zustand lösen kann.The gas bubbles are preferably nitrogen bubbles. If the metal casting material is cast iron or a cast steel material, the nitrogen content of the metal casting material is preferably at least 120 ppm, since nitrogen is generally only available from this content Exceeds the solubility limit in these materials and can precipitate out as gas. In general, more nitrogen must be in the melt than the material can dissolve in the solid state.
Alternativ ist der Einsatz weiterer Inertgase anstelle von Stickstoff möglich. Als Inertgase sind hierbei Gase zu verstehen, die nicht mit den Bestandteilen der Schmelze reagieren. Beispielsweise können Edelgase verwendet werden.Alternatively, the use of further inert gases instead of nitrogen is possible. Inert gases are gases which do not react with the constituents of the melt. For example, noble gases can be used.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Metallgusswerkstoff um einen Stahlgusswerkstoff. Dieser Stahlgusswerkstoff enthält bevorzugt die folgenden Elemente im angegebenen Anteil bezogen auf 100 Gew.-% der Stahlwerkstoffzusammensetzung:
Besonders bevorzugt enthält der Stahlgusswerkstoff die folgenden Elemente im angegebenen Anteil bezogen auf 100 Gew.-% der Stahlwerkstoffzusammensetzung:
Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Kolbenrings kann nach einem Verfahren erfolgen, welches die folgenden Schritte umfasst:
- a. Herstellen einer Schmelze der Ausgangsmaterialien,
- b. Abgießen der Schmelze in eine vorgefertigte Form, und
- c. Einlagern von im Wesentlichen kugelförmigen Gasblasen in den Kolbenring während dieser abgekühlt wird.
- a. Producing a melt of the starting materials,
- b. Pouring the melt into a prefabricated mold, and
- c. Storing substantially spherical gas bubbles in the piston ring while it is being cooled.
Der Schmelzprozess erfolgt in einem Ofen. Anschließend wird ein Kolbenring unter Erstarrung der Schmelze hergestellt. Der Kolbenring kann dabei mit im Stand der Technik bekannte Methoden gegossen werden, wie beispielsweise Schleuderguss (eine bevorzugte Methode zur Herstellung von Zylinderlaufbuchsen), Strangguss, Stempel-Pressverfahren, Croning oder Grünsandformen.The melting process takes place in an oven. Subsequently, a piston ring is produced with solidification of the melt. The piston ring can be cast with methods known in the art, such as centrifugal casting (a preferred method for producing cylinder liners), continuous casting, stamp pressing, croning or green sand molding.
Nach Erkalten des Kolbenrings wird die Form ausgeleert und der erhaltene Rohling geputzt.After cooling of the piston ring, the mold is emptied and the blank obtained cleaned.
Wenn es sich bei den im Wesentlichen kugelförmigen Gasblasen um Stickstoffblasen handelt, wird beim Einlagern der Gasblasen in den Kolbenring der Effekt genutzt, dass während der Erstarrung der Schmelze der Stickstoffgehalt im Metallgusswerkstoff steigt. Die Einlagerung der Gasblasen erfolgt indem sich der nicht lösbare Stickstoff ausscheidet, und dann im Inneren des Kolbenrings Gasblasen bildet.When the substantially spherical gas bubbles are nitrogen bubbles, the effect of incorporating the gas bubbles into the piston ring is to increase the nitrogen content in the metal casting material during the solidification of the melt. The storage of the gas bubbles takes place by the insoluble nitrogen separates out, and then forms gas bubbles in the interior of the piston ring.
Die Abkühlung des Kolbenrings wird bevorzugt so beeinflusst, dass mindestens 90% aller Gasblasen in einem Volumenbereich enthalten sind, der maximal 90% des Volumens des Metallgusswerkstoffs entspricht und der von der Flanke des Kolbenrings an jedem Punkt um mindestens 3% der Kolbenringdicke entfernt ist. Diese kann dadurch erreicht werden, dass die verwendete Gussform lediglich das Gießen eines einzelnen Ringes zulässt. Durch das Einzelgussverfahren tritt beim Abkühlen der Ringe eine Verfestigung des Materials von Außen nach Innen statt. Es wurde hierbei gefunden, dass die Gasblasen in ausreichendem Abstand von der Oberfläche des Kolbenrings und lediglich in dessen Innern gebildet werden, so dass eine gleichmäßige Oberfläche erhalten werden kann. Ferner wird hierdurch eine gleichmäßige Verteilung der Gasblasen im Innern erzielt, wodurch das Material einen gleichmäßige Beanspruchbarkeit bzw. Belastbarkeit aufweist.The cooling of the piston ring is preferably influenced so that at least 90% of all gas bubbles are contained in a volume range corresponding to a maximum of 90% of the volume of the metal casting material and removed from the flank of the piston ring at any point by at least 3% of the piston ring thickness. This can be achieved in that the mold used only allows the casting of a single ring. As a result of the single casting process, hardening of the material from outside to inside occurs when the rings cool. It has been found here that the gas bubbles are formed at a sufficient distance from the surface of the piston ring and only in its interior, so that a uniform surface can be obtained. Furthermore, this results in a uniform distribution of the gas bubbles in the interior, whereby the material has a uniform load capacity.
Gegebenenfalls kann der Kolbenring anschließend vergütet werden. Dies erfolgt durch die folgenden Schritte:
- d. Austenitisieren des Kolbenrings oberhalb seiner Ac3-Temperatur,
- e. Abschrecken des Kolbenrings in einem geeigneten Abschreckmedium, und
- f. Anlassen des Kolbenrings bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 700°C in einem Schutzgasofen.
- d. Austenitizing the piston ring above its Ac3 temperature,
- e. Quenching the piston ring in a suitable quenching medium, and
- f. Starting the piston ring at a temperature in the range of 400 to 700 ° C in a protective gas furnace.
Als Abschreckmedium wird bevorzugt Öl verwendet.The quenching medium used is preferably oil.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
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