• 专利附录
  • 专利说明
  • 权利要求
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  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung verschleißfester Ringflanken für einen Trapezring für Verbrennungsmotoren, bei dem das Entstehen von Ringflankenschädigungen im Motorbetrieb weitgehend dadurch verhindert werden soll, dass zunächst aus einem Stahlband mit rechteckigem Querschnitt als Basismaterial ein mit einer inneren und einer äußeren Umfangsfläche sowie einer oberen und unteren Flanke versehener Rechteckring geformt wird, der durch folgende Herstellungsschritte charakterisiert ist: DOLLAR A - Parallelschleifen der Ringflanken und Schleifen der äußeren Umfangsfläche in ihr vorgesehenes Profil und Bürsten der inneren Umfangsfläche; DOLLAR A - 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; DOLLAR A - vollständiges Nitrieren der Kolbenringoberfläche mittels Gas-Nitrierprozess (GNS) zur Bildung einer Nitridschicht; DOLLAR A - Profilgebung des nitrierten Kolbenrings durch Schleifen und Läppen ohne Bearbeiten der nitrierten Flanken des Kolbenrings; DOLLAR A - Stapeln der Kolbenringe über ihre parallelen Flanken unter axialer Vorspannung zu einem Paket und Beschichten der äußeren Umfangsfläche der Kolbenringe mit einer Verschleißschicht mittels PVD-Verfahren; DOLLAR A - Schleifen der Nitrierschicht der Flanken im entstapelten Zustand, derart, dass maximal ein Viertel der Gesamtschichtdicke der Nitrierschicht entfernt wird.
    公开号:DE102004028487A1
    申请号:DE200410028487
    申请日:2004-06-11
    公开日:2006-01-12
    发明作者:Nuno Machado；Kurt Dr. Maier；Jose Manoel Martins
    申请人:Mahle GmbH；
    IPC主号:B23P15-06
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung verschleißfesterFlanken füreinen Trapezring fürVerbrennungsmotoren, bei dem zunächstaus einem Stahlband mit rechteckigem Querschnitt als Basismaterialein mit einer inneren und einer äußeren Umfangsfläche sowieeiner oberen und unteren Flanke bestehender Rechteckring geformtwird, der anschließendmittels eines Nitrierprozesses allseitig nitriert und nachfolgenddurch Bearbeitung der Oberflächenin seine endgültigeForm und Geometrie gebracht wird, wobei durch die Bearbeitung dasBasismaterial an den Flanken freigelegt wird.
    [0002] Kolbenringemit trapezförmigenQuerschnitt- Ringhöhean der äußeren Umfangsfläche größer als ander inneren Umfangsfläche-werden bevorzugt in Dieselmotoren als Topring eingesetzt, wobeidie dazugehörigeKolbenringnut ebenfalls trapezförmig ausgebildetist. Dieselmotoren neigen zur Ablagerung von harten kohlenstoffhaltigenRückständen in derersten -obersten- Kolbenringnut, welche zu einem Festgehen der Kolbenringeund damit zu Funktionsausfällenführenkönnen.Durch die trapezförmigeGestaltung der Kolbenringe und der Kolbenringnut wird das Festgehenim Regelfall unterbunden und somit die Abdichtfunktion gewährleistet.Bei der Herstellung von Rechteckringen für Kolben von Verbrennungsmotorenist es bekannt, auf die gesamte Oberfläche der Ringe mittels einesGasnitrierprozesses eine Nitridschicht aufzubringen, um die Oberfläche zu härten undsomit eine bessere Verschleißfestigkeitzu erhalten. Derartige Kolbenringe sind in der DE 35 06 746 C2 , der EP 0 605 223 A1 oderin der JP 05050241A beschrieben, wobei insbesondere die Verschleißfestigkeitder Laufflächeder Kolbenringe durch das Aufbringen zusätz licher Beschichtungen, wieaus den vorgenannten Schriften und der DE 102 07 148 A1 bekannt,weiter erhöhtwird.
    [0003] Esist bei der Herstellung von Trapez- bzw.- Doppeltrapezringen, dieaus Rechteckringen geformt werden, ebenso bekannt, die gesamte Oberfläche derRinge einem Nitrierprozess zu unterwerfen. Zur Formung bzw. Profilgebungeines derartigen Kolbenringes zu einem Trapezring ist es erforderlich,die Flanken entsprechend zu schleifen, wobei die Nitridschicht vollständig oderteilweise von den Flanken, je nach geometrischen Erfordernissen,wieder entfernt wird. Mittels weiterer Bearbeitungsschritte derRingoberflächenerfolgt die Endprofilgebung mit anschließender Verschleißschutzbeschichtungder Laufflächesowie der Endbearbeitung. Dieser Herstellungsablauf ist entsprechendoptimiert hinsichtlich der Stapelbarkeit der Ringe, also der gleichzeitigenMehrfachbearbeitung im Packet.
    [0004] ImMotorbetrieb zeigen jedoch die derart hergestellten und in Stahlkolbeneingesetzte Trapezringe, insbesondere durch die hohen Zünddrücke von 200bar bis 220 bar, dass die Ringflanken vermehrt Reibverschleißschäden (fretting)aufweisen, wobei eine zusätzlichVerkokung feststellbar ist. Diese Schäden nehmen mit der Verlängerungder Laufdauer der Kolbenringe zu und führen schließlich zum Ausfall. Es hat sichaußerdemgezeigt, dass diese Schädenortsabhängig,d. h. entlang des Umfangs an den Ringflanken verschieden stark auftreten.
    [0005] Esist Aufgabe der Erfindung, das Entstehen von Flankenschädigungenan Trapez- bzw.Doppeltrapezringen im Motorbetrieb weitgehend zu verhindern.
    [0006] Erfindungsgemäß wird dieAufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
    [0007] Durchdas erfindungsgemäße Herstellungsverfahrenwerden verschleißfesteRingflanken geschaffen, die im Motorbetrieb einen gegenüber dem Standder Technik wesentlich verminderten Reibverschleiß aufweisen.Das Verfahren sichert durch das Erzeugen einer Nitridschicht aufden Ringflanken mit gleichmäßiger Nitriertiefeauch die Erzeugung gleichmäßig hoheHärtewerte,sodass entlang des Umfanges der Ringflanken keine die RingfunktionbeeinträchtigendenSchädigungenmehr an dessen Flanken auftreten. Ebenso werden Mikroverschweißungen zwischendem Kolbenring und Kolben wirksam verhindert.
    [0008] Zweckmäßige Ausgestaltungender Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
    [0009] EinAusführungsbeispielder Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Eszeigen
    [0010] 1 einVerfahren zur Herstellung von Trapezringen nach dem Stand der Technik;
    [0011] 2 einerfindungsgemäßes Herstellungsverfahrenfür Trapezringe;
    [0012] 3 eineDarstellung des ortsabhängigen Ringflankenverschleißes gemäß dem Standder Technik und dem erfindungsgemäßen Verfahren.
    [0013] Auseinem nicht nitrierten martensitischen Stahlband 1 mitrechteckigem Querschnitt wird mittels bekannter Vorrichtungen zunächst einKolbenring mit einer inneren Umfangsfläche 5a und einer äußeren Umfangsfläche 5b sowieeiner oberer Ringflanke 3a/b und unteren Ringflanke 4a/bgeformt, wie in 1 dargestellt. Der Kolbenringwird anschließend thermisch entspannt. Nach einer Schleifbearbeitungder Ringstoßseitenund der äußeren Umfangsfläche 5b sowieeiner Bürstungder inneren Umfangsfläche 5a erfolgtanschließendein Parallelschleifen der oberen 3a und unteren Ringflanken 4a, sodass zueinander parallele obere und untere Ringflanken entstehen.Gemäß 2 entstehtdurch das Schleifen der oberen und unteren Ringflanken die vorgegebenegeometrische Form zu einem Trapezring 10 mit schrägen Flanken 3b, 4b oderDoppeltrapezring (nicht dargestellt). Im Bereich seiner äußeren Umfangsfläche bleibendie parallelen Flanken, über welchedie Kolbenringe stapelbar sind, in einer Breite bestehen, die wenigerals ein Viertel der Kolbenringbreite beträgt. Nach einer Reinigung werdenanschließendmittels eines bekannten Gasnitrierprozesses (GNS) die Kolbenringeoberflächenmäßig nitriert.Die Nitridschicht besteht aus einer Diffusionsschicht und einerVerbindungsschicht, wobei die Nitrier härtetiefe in der Diffusionsschichtbis 200 μmbetragen kann. Die Verbindungsschicht besitzt erfindungsgemäß eine Härte HV0.05von 700 bei einer Schichtdicke von ca. 20 μm. Das Stahlband 1 weist zurBildung von harten Chromnitriden ein Chromgehalt zwischen 12% bis17 % auf. Nach einer Endformgebung, bei der der nitrierte Kolbenringeinem erneuten geringfügigenSchleif- bzw. Läppvorgangohne Flankenbearbeitung unterworfen ist, kann wahlweise zur weiterenVerbesserung der Verschleißeigenschaftdurch ein an sich bekanntes PVD-Verfahren (physikalische Dampfabscheidung)Chrom oder Chromnitridschicht auf die bevorzugt untere nitrierte Ringflankeaufgebracht werden, da sich insbesondere bei den gemäß Standder Technik nach 1 hergestellten Trapezringendort der größte Reibverschleiß gezeigthat.
    [0014] Aufdie äußere Umfangsfläche, dieder Laufflächedes Kolbenrings entspricht, wird unter Vermeidung einer Abscheidungauf die Ringflanken anschließendmittels des PVD-Verfahrens eine Chromnitrid- oder Manganphosphatschichtzwischen 1-3 μmbei einer Härtezwischen 1200-1400 HV0,05 zur weiteren Verringerung des Reibverschleißes aufgebracht,wobei das Abscheiden der Chromschicht auch galvanisch erfolgen kann.
    [0015] DieNitrierung der Kolbenringe erfolgt im waagerecht gestapelten, jedochaxial unverspannten Zustand, hingegen die PVD-Beschichtung der Lauffläche im axialenverspannten und gestapelten Zustand. Dadurch wird gewährleistet,dass einerseits eine gute Flankennitrierung erreicht wird und andererseitsdie Flanken währendder Laufflächenbeschichtungnicht mit der aufzubringenden Verschleißschutzschicht beschichtetwird.
    [0016] Nachder Beschichtung werden die Kolbenringe endbearbeitet, insbesonderedie nitrierten Ringflanken, durch Abschleifen von maximal einem Viertelder Gesamtnitridschicht, wodurch die beim Nitrieren entstehendeVerbindungsschicht (white layer) entfernt wird.
    [0017] Wieaus der Darstellung des örtlichenumfangseitigen Reibverschleißesgemäß 3 für einen6-Zylinder-Dieselmotor mit einer Laufzeit von 100 h unter Volllastersichtlich ist, bewirkt dass erfindungsgemäße Verfahren gegenüber demStand der Technik eine deutliche Senkung des Reibverschleißes an denRingflanken.
    10 Trapezring 1 Stahlband;Basismaterial 2 Nitridschicht 3a obereRingflanke 3b obereparallele Ringflanken 4a untereRingflanke 4b untereparallele Ringflanke 5a innereUmfangsfläche; 5b äußere Umfangsfläche, Lauffläche
    权利要求:
    Claims (6)
    [1] Verfahren zur Herstellung verschleißfester Flankenfür einenTrapezring fürVerbrennungsmotoren, bei dem zunächstaus einem Stahlband mit rechteckigem Querschnitt als Basismaterialein mit einer inneren (5a) und einer äußeren (5b) Umfangsfläche sowieeiner oberen und unteren Flanke bestehender Rechteckring geformtwird, der anschließend mittelseines Nitrierprozesses allseitig nitriert und nachfolgend durchBearbeitung der Oberflächenin seine endgültigeForm und Geometrie gebracht wird, wobei durch die Bearbeitung dasBasismaterial an den Ringflanken (3a, 3b) freigelegtwird. dadurch gekennzeichnet, dass der Formungzu einem Kolbenring mit rechteckigem Querschnitt folgende Verfahrenschrittenachfolgen: – Parallelschleifender Ringflanken und Schleifen der äußeren Unfangsfläche in ihrvorgesehenes Profil und Bürstender innerer Umfangsfläche; – Schleifender oberen und unteren Ringflanke (3a, 4a) zurFormung zum Trapezring derart, dass der Kolbenring im Bereich seiner äußeren Umfangsfläche nochparallele Flanken (3b, 4b) als Stapelfläche aufweist; – Vollständiges Nitrierender Kolbenringoberfläche mittelsGas-Nitrierprozess (GNS) zur Bildung einer Nitridschicht; – Profilgebungdes nitrierten Kolbenrings durch Schleifen und Läppen ohne Bearbeiten der nitrierten Flankendes Kolbenrings; – Stapelnder Kolbenringe überihre parallele Flanken unter axialer Vorspannung zu einem Paketund Beschichten der äußeren Umfangsfläche derKolbenringe mit einer Verschleißschichtmittels PVD-Verfahren; – Schleifender Nitrierschicht der Flanken im entstapelten Zustand derart, dassmaximal ein Viertel der Gesamtschichtdicke der Nitrierschicht entferntwird.
    [2] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass das Basismaterial aus einem Stahl besteht, der 12 bis 17% Chromenthält.
    [3] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass auf der Nitrierschicht der unteren Flanke des Trapezringeseine Chromschicht mittels PVD-Verfahrenoder galvanischem Verfahren aufgebracht wird.
    [4] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass auf die Laufflächeeine Chromnitrid- Schicht oder Manganphosphat- Schicht als Verschleißschichtaufgebracht wird.
    [5] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Stapelflächeweniger als ein Viertel der Trapezringbreite einnimmt.
    [6] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass das Basismaterial aus einem martensitisch unnitrierten Stahlbandbesteht.
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    优先权:
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