DE102016201566A1

DE102016201566A1 - Kolbenring für einen Kolben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102016201566A1
Application number: DE102016201566.4A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Issler; Daniel Lopez
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2016-02-02
Filing date: 2016-02-02
Publication date: 2017-08-03

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolbenring (1) für einen Kolben einer Brennkraftmaschine, mit einem Ringkörper (2) aus einem Ringkörper-Material, auf welchem wenigstens bereichsweise eine Nitrierzone (12) aus einem metallischen Nitrid angeordnet ist, wobei der Ringkörper (2) wenigstens einen Oberflächenabschnitt (7) mit einer von der Oberfläche (11) des Ringkörpers (2) gemessenen, vorbestimmten Abschnittstiefe (T) aufweist, in welchem die Materialhärte des nitrierten Ringkörper-Materials gegenüber dem nitrierten Ringkörper-Material des Ringkörpers (2) reduziert ist, welches nicht in dem wenigstens einen Oberflächenabschnitts (7) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolbenring für einen Kolben einer Brennkraftmaschine. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Kolben einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem solchen Kolbenring.
Kolbenringe für Kolben von Brennkraftmaschinen werden zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit in Oberflächenzonen erhöhter mechanischer Belastung oftmals nitriert, d. h. das ursprüngliche Material des Kolbenrings wird durch Einbringen von Stickstoff vergütet. Dieser vergütete Bereich des Kolbenrings wird vorliegend als ”Nitrierzone” bezeichnet. Oftmals erweisen sich jedoch insbesondere die äußere Oberkante und die äußere Unterkante des Kolbenrings als anfällig für die Bildung von Rissen im Material des Kolbenrings und für ein unerwünschtes „Abplatzen” der Nitrierzone bei der Montage oder im Betrieb der Brennkraftmaschine.
Aus dem Stand der Technik ist es seit langem bekannt, diesem Problem durch ein Anfasen der Ober- bzw. Unterkante des Kolbenrings entgegenzuwirken. Diese Maßnahme wirkt sich allerdings ungünstig auf den Verbrauch an Schmieröl durch die Brennkraftmaschine aus. Ein anderer Ansatz ist daher in der WO 2012/083 930 A1 beschrieben. Demnach wird an der Unterkante des Kolbenringes vor der Nitrierung eine Art Wulst geformt und anschließend nitriert. Das überstehende Material wird im Nachgang plan zu den anliegenden Flächen abgetragen. Somit wird die Unterkante vom Ringgrundmaterial, typischerweise einem Stahl gebildet; dennoch sind die nebenstehenden Flächen nitriert. Die spezielle Formgebung des Grundmaterials sowie die anschließende Nachbearbeitung machen das in der WO 2012/083 930 A1 beschriebene Verfahren jedoch technisch aufwändig und somit teuer.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der Entwicklung von Kolbenringen, insbesondere in Bezug auf eine verbesserte Verschleißresistenz und Bruchsicherheit, neue Wege aufzuzeigen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Grundgedanke der Erfindung ist demnach, die Nitrierzone eines Kolbenrings lokal – ein solcher lokaler Bereich wird im Folgenden als „wenigstens ein Oberflächenabschnitt” bezeichnet – mit einer erhöhten Duktilität zu versehen. Besagte lokale Erhöhung der Duktilität, also eine lokale Reduzierung der Materialhärte und Materialsprödigkeit der Nitrierzone, kann mittels einer lokalen Wärmebehandlung, ausgeübt auf die Oberfläche der Nitrierzone, erzeugt werden. Diese Maßnahme wirkt besagten unerwünschten Verschleißeffekten und insbesondere der Bildung von Ausbrüchen oder Rissen im Kolbenring-Material entgegen. Im Idealfall lassen sich diese Effekte sogar vollständig unterdrücken.
Im Ergebnis führt dies zu einer verbesserten Verschleißresistenz und somit zu einer erhöhten Lebensdauer des Kolbenrings.
Ein erfindungsgemäßer Kolbenring für einen Kolben einer Brennkraftmaschine umfasst einen Ringkörper, auf welchem wenigstens bereichsweise eine Nitrierzone angeordnet ist, in welcher das Material des Ringkörpers nitriert ist. Der Ringkörper weist dabei wenigstens einen Oberflächenabschnitt mit einer von der Oberfläche des Ringkörpers gemessenen, vorbestimmten Abschnittstiefe auf, in welchem die Materialhärte der Nitrierzone gegenüber dem zu diesem Oberflächenabschnitt komplementären Abschnitt der Nitrierzone reduziert ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Reduzierung der Vickers-Materialhärte der Nitrierzone im wenigstens einen Oberflächenabschnitt wenigstens 50 HV, vorzugsweise zwischen 50 HV und 100 HV. Auf diese Weise kann die für den verschleißarmen Langzeit-Betrieb in einer Brennkraftmaschine erforderliche Duktilität des Ringkörpers gewährleistet werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Ringkörper eine obere und eine untere Stirnseite sowie eine Außenumfangsseite. Zwischen der oberen Stirnseite und der Außenumfangsseite ist eine Oberkante ausgebildet, und zwischen der unteren Stirnseite und der Außenumfangsseite ist eine Unterkante ausgebildet. Bei dieser Variante umfasst der wenigstens eine Oberflächenabschnitt wenigstens einen Teilabschnitt der Oberkante und/oder der Unterkante. Bei dieser Variante sind die für das „Ausbrechen” der Nitridschicht besonders anfällligen Kanten des Ringkörpers von der erfindungswesentlichen Reduzierung der Materialhärte wenigstens abschnittsweise, bevorzugt vollständig, umfasst.
Anfällig für die eingangs beschriebenen Verschleißeffekte, insbesondere für die Bildung von Rissen ist ein dem Ringstoß gegenüberliegender Bereich des Ringkörpers. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt daher der wenigstens eine Oberflächenabschnitt mit reduzierter Materialhärte in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Achse des Ringkörpers dem Ringstoß gegenüber.
Besonders anfällig für die Ausbildung unerwünschter Risse ist in vorangehend definiertem Querschnitt ein dem Ringstoß gegenüberliegender lateraler Winkelbereich von 100°, vorzugsweise von 60°. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung erstreckt sich der wenigstens eine Oberflächenabschnitt mit reduzierter Materialhärte daher entlang der Umfangsrichtung des Ringkörpers über einen lateralen Winkelbereich von 100°, vorzugsweise von 60°.
Besonders bevorzugt erstreckt sich der erfindungswesentliche wenigstens eine Oberflächenabschnitt in dem lateralen Winkelbereich axial über die die gesamte Außenumfangsseite und/oder axial über die gesamte Innenumfangsseite hinweg. Alternativ oder zusätzlich erstreckt sich der wenigstens eine Oberflächenabschnitt in dem lateralen Winkelbereich radial über die gesamte obere Stirnseite hinweg und/oder radial über die gesamte untere Stirnseite hinweg. Die genannten Maßnahmen, für sich genommen oder in Kombination, bewirken eine weitere Verbesserung der Verschleißresistenz des Ringkörpers.
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst der wenigstens eine Oberflächenabschnitt in dem lateralen Winkelbereich die Oberkante und die Unterkante. Auf diese Weise können die für besagtes „Ausbrechen” der Nitrierzone besonders anfälligen Außenkanten des Ringkörpers besonders gut geschützt werden.
Besonders zweckmäßig weist der wenigstens eine Oberflächenabschnitt eine von der Oberfläche gemessene Abschnittstiefe von bis zu 1 mm auf. Experimentelle Untersuchungen haben ergeben, dass mittels dieser Maßnahme in dem wenigstens einen Oberflächenabschnitt die gewünschte Duktilität bei gleichzeitig ausreichend hoher Resthärte erreicht werden kann.
Besonders bevorzugt kann zusätzlich zur Nitrierzone eine durch einen PVD-Prozess aufgetragene Laufschicht vorgesehen sein. Die Verwendung eines PVD-Prozesses vereinfacht die Herstellung der Laufschicht auf dem Ringkörper und führt somit zu Kostenvorteilen bei der Herstellung des Kolbenrings.
Besonders zweckmäßig umfasst die Laufschicht Chromnitrid (CrN) oder besteht aus Chromnitrid (CrN). Da das Material des Ringkörpers typischerweise ebenfalls Chrom enthält, können mittels dieser Maßnahme thermomechanische Spannungen an der Schnittstelle zwischen dem Ringkörper und der Nitrierzone weitgehend oder sogar vollständig vermieden werden.
Zweckmäßig kann der wenigstens eine Oberflächenabschnitt mit reduziertem Wert der Materialhärte mittels einer auf den Ringkörper wirkenden Wärmebehandlung erzeugt sein. Eine solche Wärmebehandlung ist mit einfachen technischen Mitteln, beispielsweise mittels eines herkömmlichen Hochtemperaturofens durchführbar, so dass die Fertigungskosten zur Erzeugung des erfindungswesentlichen Oberflächenabschnitts mit reduzierter Materialhärte gering gehalten werden können. Die Wärmebehandlung kann auch durch Bestrahlung, Laserbehandlung, Induktion, Konduktion oder ein anderes geeignetes Energieeinbringungsverfahren erfolgen. Besonders bevorzugt ist eine Temperaturbeaufschlagung des Ringkörper-Materials in dem wenigstens einen Oberflächenabschnitt mit einer Temperatur von wenigstens 550°C, in jedem Fall aber höher als die beim Nitrieren angewandte Temperatur.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt der Wärmeeintrag mittels eines Lasers. Dies hat den Vorteil, dass der zu behandelnde Oberflächenabschnitt besonders genau gewählt werden kann. Zudem kann durch die Variation der Laserleistung die einzubringende Energie und somit die sich einstellende Temperatur exakt gesteuert werden.
In einer anderen besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt der Wärmeeintrag über eine Induktionsspule. Auch mittels dieser Variante kann die einzubringende Energie und somit die sich einstellende Temperatur exakt gesteuert werden.
Als besonders bevorzugt, insbesondere für Kolbenringe der obersten Ringnut, ist eine Ausführungsform zu erachten, bei welcher die Außenumfangsseite des Ringkörpers in einem Längsschnitt entlang der axialen Achse zwischen der oberen und der unteren Stirnseite eine gekrümmte, insbesondere eine symmetrisch ballige oder eine asymmetrisch ballige Kontur aufweist. Bei einer dazu alternativen Ausführungsform weist die Außenumfangsseite eine geradlinige Kontur auf; diese Ausführungsform wird bevorzugt für den zweiten Kolbenring eines Kolbens in Verbindung mit einer leichten Minutenschräge eingesetzt.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Ringkörper einen Chrom(Cr)-Anteil von wenigstens 17%, vorzugsweise von wenigstens 10% auf. Die Grundwerkstoffhärte hängt vom Cr-Gehalt ab.
Die Erfindung betrifft ferner einen Kolben einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einer auf einer Außenumfangsseite des Kolbens vorgesehenen Umfangsnut. In der wenigstens einen Umfangsnut ist ein voranstehend vorgestellter Kolbenring aufgenommen. Die oben erläuterten Vorteile des Kolbenrings übertragen sich daher auch auf den erfindungsgemäßen Kolben.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch:
1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Kolbenrings in einem Querschnitt senkrecht zu dessen axialer Achse A,
2 der Kolbenring der 1 in einem Längsschnitt entlang der axialen Achse A,
3 eine erste Variante des Kolbenrings der 2 mit symmetrisch balliger Außenumfangseite,
4 eine zweite Variante des Kolbenrings der 2 mit asymmetrisch balliger Außenumfangseite,
5 eine dritte Variante des Kolbenrings der 2 mit schräg zur axialen Achse des Kolbenrings verlaufender Außenumfangseite.
Die 1 illustriert ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Kolbenrings 1 in einem Querschnitt senkrecht zu dessen axialer Achse A, die 2 in einem Längsschnitt entlang der axialen Achse A.
Wie die 1 und 2 erkennen lassen, umfasst der Kolbenring 1 einen Ringkörper 2 aus einem Ringkörper-Material, der eine obere und eine untere Stirnseite 3a, 3b sowie eine Außenumfangsseite 4 aufweist. Zwischen der oberen Stirnseite 3a und der Außenumfangsseite 4 ist eine Oberkante 5 des Ringkörpers 2 ausgebildet. Zwischen der unteren Stirnseite 3b und der Außenumfangsseite 4 ist eine Unterkante 6 des Ringkörpers 2 ausgebildet. Der Ringkörper 2 kann einen Chrom(Cr)-Anteil von wenigstens 10%, vorzugsweise von 17%, aufweisen. Auf der gesamten Oberfläche 11 des Ringkörpers 2 ist eine Nitrierzone 12, in welcher das Material des Ringkörpers zum Zwecke der Vergütung nitriert ist, ausgebildet. In einer Variante kann eine solche Nitrierzone 12 auch nur bereichsweise ausgebildet sein.
In der Nitrierzone 12 liegt ein Oberflächenabschnitt 7 vor, dessen Materialhärte niedriger ist als in dem zum Oberflächenabschnitt 7 komplementären Bereich der Nitrierzone 12. Besagte Reduzierung der Materialhärte in der Nitrierzone 12 beträgt dabei wenigstens 50 HV (Vickers-Härte), vorzugsweise zwischen 50 HV und 100 HV.
Wie die 1 erkennen lässt, weist der Ringkörper 2 in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Achse A einen Ringstoß 8 auf. Der Oberflächenabschnitt 7 mit reduzierter Materialhärte liegt dabei dem Ringstoß 8 gegenüber. Der Oberflächenabschnitt 7 erstreckt sich entlang einer Umfangsrichtung U des Ringkörpers 2 über einen Winkelbereich 10 von 100°, vorzugsweise von 60°. Der Oberflächenabschnitt 7 weist bevorzugt eine von der Oberfläche 11 des Ringkörpers 2 gemessene Abschnittstiefe T von bis zu 1 mm, vorzugsweise von maximal 0,15 mm, auf.
Der 2 entnimmt man, dass der Oberflächenabschnitt 7 sich im Winkelbereich 10 über die Außenumfangsseite 4, die gesamte Innenumfangsseite 9, die gesamte obere Stirnseite 3a und die gesamte untere Stirnseite 3b erstreckt. Der Oberflächenabschnitt 7 umfasst in dem lateralen Winkelbereich 10 die Oberkante 5 und die Unterkante 6.
Der Oberflächenabschnitt 7 mit reduziertem Wert der Materialhärte kann mittels einer lokal und kurzzeitig auf den Ringkörper 2 wirkenden Wärmebehandlung erzeugt werden. Denkbar ist es insbesondere, die Oberfläche 11 im Bereich des Oberflächenabschnitts 7 auf eine Temperatur oberhalb der Nitriertemperatur, also von beispielsweise wenigstens 550°C, vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 600°C und 700°C zu erhitzen. Dies kann vor oder nach Aufbringung einer zusätzlichen Laufschicht (in den Figuren der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt) auf der Außenumfangsseite 4 der Nitrierzone 12 erfolgen, in letztgenanntem Fall wird dann auch die Nitrierzone 12, falls in diesem Bereich vorhanden, auf eine solche Temperatur erhitzt. Dabei wird die Laufschicht üblicherweise mittels eines PVD-Prozesses auf die Nitrierzone aufgebracht.
In Varianten des Beispiels kann der Ringkörper 2 nicht nur einen einzigen Oberflächenabschnitt 7 mit reduzierter Materialhärte aufweisen, sondern zwei oder mehr solche Oberflächenabschnitte, die jeweils im Abstand zueinander auf der Oberfläche 11 des Ringkörpers 2 angeordnet sind.
Dem Beispielszenario der Figuren lässt sich weiter entnehmen, dass die Außenumfangsseite 4 des Ringkörpers 2 in dem in 2 gezeigten Längsschnitt entlang der axialen Achse A zwischen der oberen und der unteren Stirnseite 3a, 3b eine geradlinige Kontur 14 aufweisen kann.
Demgegenüber zeigt die 3 eine Variante des Beispiels der 2, bei welcher die Außenumfangsseite 4 des Ringkörpers 2 in dem in 2 gezeigten Längsschnitt entlang der axialen Achse A zwischen der oberen und der unteren Stirnseite 3a, 3b eine gekrümmte, und zwar symmetrisch ballige Kontur 13 auf.
In der Variante der 4 weist die Außenumfangsseite 4 des Ringkörpers 2 in dem in 4 gezeigten Längsschnitt entlang der axialen Achse A zwischen der oberen und der unteren Stirnseite 3a, 3b eine gekrümmte, und zwar asymmetrisch ballige Kontur 13 auf.
In der Variante der 5 verläuft die Außenumfangsseite 4 des Ringkörpers 2 in dem in 5 gezeigten Längsschnitt entlang der axialen Achse A schräg zur axialen Achse A. Besonders bevorzugt bildet die Außenumfangsseite 4 mit der axialen Achse A in Verbindung mit einer Minutenschräge einen spitzen Winkel aus. Diese Variante wird bevorzugt für den zweiten Kolbenring eingesetzt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012/083930 A1 [0003]

Claims

Kolbenring (1) für einen Kolben einer Brennkraftmaschine, mit einem Ringkörper (2), auf welchem wenigstens bereichsweise eine Nitrierzone (12) angeordnet ist, in welcher das Material des Ringkörpers (2) nitriert ist, wobei die Nitrierzone (12) wenigstens einen Oberflächenabschnitt (7) mit einer von der Oberfläche (11) des Ringkörpers (2) gemessenen Abschnittstiefe (T) aufweist, in welchem die Materialhärte der Nitrierzone (12) gegenüber der übrigen Nitrierzone (12) reduziert ist, welche nicht in dem wenigstens einen Oberflächenabschnitt (7) angeordnet ist.
Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung der Vickers-Materialhärte der Nitrierzone (12) wenigstens 50 HV, vorzugsweise zwischen 50 HV und 100 HV, beträgt.
Kolbenring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkörper (2) eine obere und eine untere Stirnseite (3a, 3b) sowie eine Außenumfangsseite (4) umfasst, wobei zwischen der oberen Stirnseite (3a) und der Außenumfangsseite (4) eine Oberkante (5) ausgebildet ist und zwischen der unteren Stirnseite (3b) und der Außenumfangsseite (4) eine Unterkante (6) ausgebildet ist, wobei der wenigstens eine Oberflächenabschnitt (7) wenigstens einen Teilabschnitt der Oberkante (5) und/oder wenigstens einen Teilabschnitt der Unterkante (6) umfasst.
Kolbenring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkörper (2) in einem Querschnitt senkrecht zu seiner axialen Achse (A) einen Ringstoß (8) aufweist, – wobei der wenigstens eine Oberflächenabschnitt (7) in dem Querschnitt dem Ringstoß (8) gegenüber liegt.
Kolbenring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Oberflächenabschnitt (7) sich in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Achse (A) entlang einer Umfangsrichtung (U) des Ringkörpers (2) über einen lateralen Winkelbereich (10) von 10–150°, vorzugsweise von ungefähr 60°, erstreckt.
Kolbenring nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der wenigstens eine Oberflächenabschnitt (7) in dem lateralen Winkelbereich (10) axial über die die gesamte Außenumfangsseite (4) und/oder über axial die gesamte Innenumfangsseite (9) hinweg und/oder radial über die gesamte obere Stirnseite (3a) hinweg und/oder radial über die gesamte untere Stirnseite (3b) hinweg erstreckt.
Kolbenring nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Oberflächenabschnitt (7) in dem lateralen Winkelbereich (10) die Oberkante (5) und/oder die Unterkante (6) umfasst.
Kolbenring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Oberflächenabschnitte (7) mit reduzierter Materialhärte vorhanden sind, die im Abstand zueinander auf der Oberfläche (11) des Ringkörpers (2) angeordnet sind.
Kolbenring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Oberfläche (11) gemessene Abschnittstiefe (T) 1 mm oder weniger beträgt.
Kolbenring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Außenumfangsseite (4) eine durch einen galvanischen oder einen PVD-Prozess aufgebrachte Laufschicht vorgesehen ist.
Kolbenring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Oberflächenabschnitt (7) mit reduziertem Wert der Materialhärte mittels einer auf den Ringkörpers (2) wirkenden Wärmebehandlung erzeugt ist.
Kolbenring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung durch Bestrahlung, Laserbehandlung, Induktion, Konduktion oder durch ein anderes Energieeinbringungsverfahren erfolgt.
Kolbenring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenumfangsseite (4) des Ringkörpers (2) in einem Längsschnitt entlang der axialen Achse (A) des Ringkörpers (2) zwischen der oberen und der unteren Stirnseite (3a, 3b) eine gekrümmte, insbesondere eine symmetrisch ballige oder eine asymmetrisch ballige, Kontur (13), oder eine geradlinige Kontur (14) aufweist.
Kolbenring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringkörper-Material des Ringkörpers (2) einen Chrom(Cr)-Anteil von maximal 17% aufweist.
Kolben einer Brennkraftmaschine, – mit wenigstens einer auf einer Außenumfangsseite des Kolbens vorgesehenen Umfangsnut, – wobei in der wenigstens einen Umfangsnut ein Kolbenring (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufgenommen ist.