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Die Erfindung betrifft einen aus Stahl oder Stahlguss bestehenden Kolbenring gemäß gattungsbildendem Teil des ersten Patentanspruchs.
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An Kolbenringen kann durch einen Wärmebehandlungsprozess unter Stickstoffatmosphäre eine verschleißfeste Nitrierschicht erzeugt werden, die verfahrensbedingt an allen freien Flächen des Kolbenrings auftritt. Nitrierte Oberflächen und insbesondere nitrierte Kanten sind ausbruchsempfindlicher als das nicht nitrierte Grundmaterial des Kolbenrings. Die Gefahr von Ausbrüchen ist insbesondere an solchen Kanten besonders hoch, an denen beide an die Ecke angrenzenden Flächen nitriert sind.
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Darüber hinaus verändert eine Nitrierschicht auch den Eigenspannungszustand des Werkstoffs.
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An dünnwandigen Kolbenringen kann eine lokal unterschiedliche Nitrierschichtausbildung zu einem unerwünschten Verzug des Rings führen, wobei unterschiedliche Nitrierschichtdicken auf der Lauffläche und der Innenseite dabei zu einem veränderten Druckverhalten des Rings am Stoß, insbesondere im motorischen Betrieb, führen.
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Schließlich verringert eine Nitrierschicht die Dauerfestigkeit des Kolbenrings.
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Der
WO 03/098079 A1 ist ein Stahlkolbenring, beinhaltend eine Lauffläche, eine Innenfläche sowie dazwischen vorgesehen obere und untere Flanken, zu entnehmen. Die Lauffläche ist zumindest partiell mit einer Laufflächenbeschichtung versehen, wobei zumindest auf den Flanken eine, mittels Plasmanitrieren erzeugte, Nitrierschicht vorgesehen ist. Bei weitestgehender Schichtfreiheit auf der Innenseite soll die Nitrierschicht ausschließlich auf den Flanken vorgesehen sein.
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Der
DE 35 06 746 A1 ist ein Kolbenring zu entnehmen, der aus Stahl oder Gusseisen gebildet ist und über seine gesamten Oberflächen eine nitrierte Schicht aufweist, welche sich aus einer Diffusionsschicht und einer über dieser liegenden Verbundschicht zusammensetzt, wobei an der äußeren Umfangsfläche des Ringkörpers wenigstens die Verbundschicht entfernt ist und wobei auf der äußeren Umfangsfläche des Ringkörpers eine plattierte oder aufgespritzte Schicht gebildet ist.
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Durch die
DE 33 18 325 A1 ist ein Kolbenring für einen in einer Zylinderbohrung einer Brennkraftmaschine vorgesehenen Kolben bekannt geworden, mit einem Ringelement, das mit einer Ringnut versehen ist, die entlang der äußeren Umfangsfläche des Ringelementes angeordnet ist und mit einer in die Ringnut eingespritzten Schicht aus geschmolzenem Metall, die von der Außenfläche konvex vorsteht, wobei die Außenfläche und eine Oberfläche der Schicht eine Gleitfläche bilden, die mit der Zylinderbohrung im Gleitkontakt steht. Einer der Ränder der Gleitfläche ist über seinen Umfang abgeschrägt, wobei sich der abgeschrägte Abschnitt von dem einen Rand bis über einen Teil der Schicht des Kolbenrings erstreckt.
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Die
WO 2014/106175 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings, beinhaltend die Erzeugung eines Grundkörpers aus metallischem Material, sowie Aufbringen einer inneren Schicht auf dem Grundmaterial sowie Anbringen einer äußeren Schicht auf der inneren Schicht. Die beiden Schichten können hierbei aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen bestehen.
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In der
DE 10 2011 014 483 B3 wird ein Verfahren zur Herstellung eines mit einer verschleißfesten Schicht versehenen gekammerten Stahlkolbenrings beschrieben, indem ein laufflächenseitig mit einer Kammerung versehener Grundkörper erzeugt wird, der Übergangsbereich einer Flanke des Grundkörpers in die Lauffläche dergestalt bearbeitet wird, das eine Fase entsteht, die Lauffläche sowie zumindest Teile der Fase mit einer verschleißfesten Schicht versehen wird, die nicht mit der verschleißfesten Schicht versehene Umfangs- und Flankenbereiche des Grundkörpers dergestalt nitriert werden, dass im fasenseitigen Bereich der Flanke ein Abschnitt definierter Breite bleibt, der keine Nitrierschicht aufweist und abschließend zumindest die verschleißfeste Schicht soweit abgetragen wird, dass eine im Wesentlichen scharfe, jedoch nicht nitrierte Funktionskante im Übergangsbereich der Flanke in die Lauffläche entsteht.
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Die
DE 10 2005 023 627 B4 offenbart einen Stahlkolbenring mit einer einseitig gekammerten Lauffläche, oberen und unteren Flanken sowie einer inneren Umfangsfläche, wobei die Lauffläche mit einer Mikrorisse aufweisenden Verschleißschutzschicht auf Basis von Chromkeramik überzogen ist und sowohl die Flanken als auch die Verschleißschutzschicht mit einer Verschleiß reduzierenden Nitrierschicht versehen sind, dergestalt, dass der Übergangsbereich der unteren Flanke in die Chromkeramikschutzschicht annähernd scharfkantig ausgebildet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges i Kolbenringdesign bereitzustellen, wobei bei einem Kolbenring aus Stahl oder Stahlguss die Gefahr von Ausbrüchen, insbesondere in Kantenbereichen, minimiert werden soll und wobei gleichzeitig auch der Eigenspannungszustand des Kolbenrings, bei gleichzeitiger Erhöhung der Dauerfestigkeit, verbessert werden soll.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ausschließlich die Flanken mit einer Nitrierschicht versehen sind, dass zumindest die Übergangsbereiche von der Lauffläche in die zugehörige Flanke nitrierschichtfrei ausgebildet sind, dass Übergangsabschnitte von der inneren Umfangsfläche in die zugehörige Flanke nitrierschichtfrei ausgebildet sind, wobei die Übergangsabschnitte, durch den Werkstoff des Kolbenrings gebildet sind, dass die Übergangsbereiche, und/oder die Übergangsabschnitte, in gerundeter Form vorgesehen sind, dass die Schichtdicke der jeweiligen Nitrierschicht ≤ 30 µm beträgt und dass die gerundeten Übergangsbereiche und/oder die gerundeten Übergangsabschnitte mit einer Verrundung zwischen > 30 und 70 µm gebildet sind.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Kolbenringdesigns ist, dass durch die fehlende Nitrierschicht auf der Ringinnenseite und der Lauffläche keine den Radialdruck negativ beeinflussende Spannungen vorhanden sind. Die ausschließlich auf den Flanken zu findende Nitrierschicht vorgebbarer Schichtdicke bewirkt dort eine hohe Verschleißfestigkeit. Gleichzeitig wird durch die auf der unteren Flanke vorgesehene Nitrierschicht das Ölabstreifverhalten des Kolbenrings verbessert.
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Das freistehende Grundgefüge des Kolbenrings, oberhalb und unterhalb der verschleißfesten Schicht, insbesondere der Chrom-, respektive PVD- oder CVD-Schicht, bewirkt darüber hinaus eine verbesserte Dauerfestigkeit des Kolbenrings. Die zumindest teilweise nicht nitrierten Übergangsbereiche, respektive Übergangsabschnitte, erhöhen darüber hinaus die Dauerfestigkeit und verringern die Ausbruchgefahr an den Kanten des Kolbenrings.
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Schließlich kann durch die reduzierte Bruchgefahr auf der Innenseite auch eine erhöhte Bruchsicherheit bei der Montage des Kolbenrings herbeigeführt werden.
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Einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß, beträgt die Schichtdicke der jeweiligen, auf der oberen sowie der unteren Flanke vorgesehenen, Nitrierschicht ≤ 30 µm.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, die gerundeten Übergangsbereiche und/oder die gerundeten Übergangsabschnitte mit einem Verrundungsradius zwischen > 30 und 70 µm auszubilden. Der Verrundungsradius ist somit größer als die Nitrierschichtdicke. Hierdurch ist der jeweilige Übergangsbereich, respektive der jeweilige Übergangsabschnitt, zumindest bereichsweise, nitrierschichtfrei, wodurch die Dauerfestigkeit verbessert und die Ausbruchneigung an den Kanten vermindert wird.
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Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen:
- 1 Ringdesign eines erfindungsgemäßen Kolbenrings;
- 2 Ringdesign eines, alternativen erfindungsgemäßen Kolbenrings.
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1 zeigt einen aus Stahl bestehenden Kolbenring 1, beinhaltend eine Lauffläche 2, eine innere Umfangsfläche 3, eine obere Flanke 4 sowie eine untere Flanke 5. Im Bereich der Lauffläche 2 ist in diesem Beispiel eine einfache Kammerung 6 vorgesehen, die ebenfalls in diesem Beispiel mit einer Laufflächenbeschichtung 7 in Form einer Chromschicht gefüllt ist. Erfindungsgemäß werden ausschließlich die Flanken 4 und 5 mit einer Nitrierschicht 8,9 versehen. Die Schichtdicke a der Nitrierschicht 8,9 soll in diesem Beispiel 20 µm betragen. Zur Vermeidung von Ausbrüchen, insbesondere in den Kantenbereichen des Kolbenrings 1, werden so genannte Übergangsbereiche 10,11 gebildet, die nitrierschichtfrei ausgebildet sind. Gleichermaßen nitrierschichtfrei sind die axial außerhalb der Kammerung 6 vorgesehenen Laufflächenabschnitte 12,13.
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Die im Bereich der ebenfalls nitrierschichtfreien inneren Umfangsfläche 3 gebildeten Übergangsabschnitte 14,15, die von der inneren Umfangsfläche 3 in die jeweilige Flanke 4,5 einlaufen, sind ebenfalls nitrierschichtfrei ausgebildet. Die Übergangsbereiche 10,11, respektive die Übergangsabschnitte 14,15, sollen in gerundeter Form vorgesehen werden. Dies kann beispielsweise durch Bürsten der Kanten herbeigeführt werden. In der Teilansicht einer der Übergangsabschnitte 15 ist die nitrierschichtfreie innere Umfangsfläche 3 sowie die untere Flanke 5 zu erkennen, die mit der Nitrierschicht 9 versehen ist. Der Übergangsabschnitt 15, der von der inneren Umfangsfläche 3 in die Flanke 5 einläuft, ist verrundet ausgebildet, wobei hier ein Verrundungsradius R von 50 µm gegeben sein soll. Bedingt durch die geringere Schichtdicke a der Nitrierschicht 9 sowie der größer ausgebildeten Verrundung R des Übergangsabschnitts 15 ist die Kante zumindest teilweise nitrierschichtfrei, wodurch die Dauerfestigkeit verbessert und die Ausbruchneigung an den Kanten vermindert wird. Die laufflächenseitig angedeuteten rechteckigen Kästen stellen Schliffbilder des Kolbenrings 1 dar, wobei zu erkennen ist, dass die jeweilige Flanke 4,5 mit der Nitrierschicht 8,9 versehen ist, während die Laufflächenbereiche 12,13 aus dem Werkstoff des Kolbenrings 1' bestehen.
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2 ist eine Alternative zu dem in 1 angesprochenen Kolbenringdesign. Gleiche Bauteile sind jedoch mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der Kolbenring 1' ist, mit Ausnahme einer Querschnittsstörung 16, gebildet durch eine Fase zwischen der oberen Flanke 4 und der inneren Umfangsfläche 3, entsprechend dem in 1 dargestellten Kolbenring 1 ausgebildet. Die Nitrierschicht 8 endet somit bereits vor dem Beginn der Querschnittsstörung 16. In Analogie zu 1 ist im Bereich der Querschnittsstörung 16, d.h. im Übergangsbereich von der Flanke 4 in die Querschnittsstörung 16, ein verrundeter Abschnitt 17 gegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kolbenring
- 1'
- Kolbenring
- 2
- Lauffläche
- 3
- innere Umfangsfläche
- 4
- obere Flanke
- 5
- untere Flanke
- 6
- Kammerung
- 7
- Laufflächenbeschichtung
- 8
- Nitrierschicht
- 9
- Nitrierschicht
- 10
- Übergangsbereich
- 11
- Übergangsbereich
- 12
- Laufflächenabschnitt
- 13
- Laufflächenabschnitt
- 14
- Übergangsabschnitt
- 15
- Übergangsabschnitt
- 16
- Querschnittsstörung
- 17
- verrundeter Bereich
- a
- Schichtdicke
- R
- Verrundung
