Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines aus Gusseisen oder Stahlguss bestehenden Kolbenrings gemäß gattungsbildendem Teil des ersten Patentanspruchs.

Allgemein bekannt ist, Kolbenringe mit verschleißfesten Schichten zu versehen. Hier werden vielfach sehr harte PVD-Schichten auf der Lauffläche abgeschieden. Aus Motorläufen ist bekannt, dass Kolbenringe, insbesondere der ersten Nut, am Stoß einen höheren Verschleiß als im Ringrücken aufweisen. Gleichzeitig beeinträchtigt die PVD-Schicht die Radialdruckverteilung des Rings im motorischen Betrieb. Aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungen der Beschichtungen und des Grundwerkstoffs (Bimetalleffekt) erhöht sich der Druck am Stoß und begünstigt so einen noch höheren Verschleiß in diesem Bereich. Dies führt ebenfalls zu einer höheren Belastung des Gegenkörpers und damit auch zu höherem Verschleiß desselben.

Der JP 2001 -295699 A ist ein laufflächenbeschichteter Kolbenring zu entnehmen. Die Lauffläche dieses Kolbenrings ist mit einer harten PVD-Schicht versehen. Auf selbiger wird eine weitere Schicht abgeschieden, die bessere Einlaufeigenschaften als die harte PVD-Schicht hat. Durch diese Maßnahme soll eine optimierte Druckverteilung in Umfangrichtung des Kolbenrings gesehen gegeben sein, da die Einlaufschicht im stoßnahen Bereich des Kolbenrings relativ schnell abgetragen wird.

Die EP 1 359 351 B1 betrifft ein gattungsbildendes Verfahren. Ein mit einem Stoß versehener Grundkörper wird in Rotation versetzt und um eine Verdampfungsquelle herum gedreht. Durch unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeiten werden, über den Umfang des Grundkörpers gesehen, unterschiedliche Schichtdicken erzeugt. Die Schichtdicke im Stoßbereich soll hierbei größer sein als im übrigen Umfangsbereich. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kolbenringgrundwerkstoffs und der PVD-Schicht ändert sich die Radialdruckverteilung im Motorbetrieb ab ca. 150 °C Ringtemperatur dahingehend, dass sich ein erhöhter Radialdruck im Stoßbereich ausbildet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lebensdauer eines PVD- beschichteten Kolbenrings zu erhöhen, wobei gleichzeitig der Gegenkörper keinem erhöhten Verschleiß, bzw. keiner erhöhten Belastung, ausgesetzt werden soll.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Kolbenringgrundkörper so bearbeitet wird, dass er im nicht motorischen kalten Betriebszustand eine Radialdruckverteilung aufweist, bei welcher die Stoßenden über einen definierten Umfangswinkel nahezu keinen Radialdruck aufweisen und die variable Schichtdicke der PVD-Schicht so eingestellt wird, dass bei einer Kolbenringtemperatur oberhalb von 150°C eine nahezu gleichmäßige Radialdruckverteilung über den gesamten Ringumfang des Kolbenrings, gegeben ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen des anmeldungsgemäßen Verfahrens sind den zugehörigen verfahrensgemäßen Unteransprüchen zu entnehmen.

Diese Aufgabe wird auch gelöst durch einen Kolbenring, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Kolbenrings sind den zugehörigen gegenständlichen Unteransprüchen zu entnehmen.

Der mit einem Stoß versehene Kolbenring beinhaltet einen Grundkörper aus Stahlguss oder Gusseisen, auf dessen äußeren Umfangsfläche zumindest eine verschleißfeste PVD-Schicht aufgebracht ist, wobei die PVD-Schicht im stoßnahen Bereich des Kolbenringgrundkörpers, über einen definierten Umfangsbereich gesehen, von ihrer Materialstärke her dicker als im verbleibenden Umfangsbereich ausgebildet ist.

Einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß wird auf einem aus einem Stahlguss-Werkstoff, respektive Gusseisen, bestehenden Kolbenringgrundkörper mit einem Ausdehnungskoeffizienten < 15 x 10 ^"6 /K im Temperaturbereich zwischen 100 und 200°C eine PVD-Schicht mit einem Ausdehnungskoeffizienten < 4 x 10 ^'6 /K aufgebracht.

Vorteilhafterweise wird die Schichtdicke der PVD-Schicht im stoßnahen Bereich zwischen 20 und 40 % stärker als im verbleibenden Umfangsbereich ausgebildet.

Einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß beträgt die Schichtdicke der PVD- Schicht im stoßnahen Bereich zwischen > 40 und 100 μιη, und die Schichtdicke der PVD-Schicht im verbleibenden Umfangsbereich zwischen 5 und 60 μιη.

Ist die PVD-Schicht als Viellagenschicht (z.B. AITiN/CrN) oder als homogene Schicht, wie z.B. CrN, CrN(O) oder CrN mit einem Sauerstoffgehalt bis zu 15 Gew.-% ausgebildet, hat sie vorteilhafterweise im Temperaturbereich zwischen 100 und 200°C einen Wärmeausdehnungskoeffizienten < 4 x 10 ^"6 /K, wobei die Schichtdicke der PVD-Schicht im Bereich des Kolbenringrückens zwischen 5 und < 40 μητι und im stoßnahen Bereich zwischen 40 und < 100 μιη beträgt.

Ist die PVD-Schicht auf Basis von C ausgebildet, hat sie, einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß, im Temperaturbereich zwischen 100 und 200°C einen Wärmeausdehnungskoeffizienten < 2 x 10 ^"6 /K, wobei die Schichtdicke der PVD-Schicht im Bereich des Kolbenringrückens zwischen > 1 und 20 μιη und im stoßnahen Bereich max. 30 μιη beträgt.

Bedarfsweise kann die PVD-Schicht auch mit Nanopartikeln versehen werden. Der stoßnahe Bereich wird, einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß, ausgehend vom jeweiligen Stoßende in einem Winkelbereich von 10 bis 40° mit der dickeren PVD-Schicht versehen.

Durch geeignete Prozessführung während des Beschichtungsvorgangs wird über den Umfang des Kolbenringgrundkörpers eine variable Schichtdicke erzeugt. Wie bereits angesprochen, ist die PVD-Verschleißschutzschicht im stoßnahen Bereich deutlich dicker ausgeführt, um hier dem erhöhten Verschleiß zu begegnen und damit die Lebensdauer des so ausgeführten Kolbenrings signifikant zu erhöhen.

Über den Rest des Umfangs, insbesondere im Ringrücken, bleibt die ursprüngliche Schichtdicke erhalten. Dadurch wird die Bimetallwirkung der Schicht nicht verstärkt.

Die Ringform, insbesondere des heißen Kolbenrings, kann im Einsatzfall durch gezielten Schichtaufbau so gesteuert werden, dass die Stoßenden deutlich weniger Druck auf den Gegenkörper, bspw. eine Zylinderlaufbahn ausüben.

Da erfindungsgemäß die Stoßenden des kalten Kolbenrings nahezu keinen Radialdruck entfalten, stellt sich durch den nicht zu unterdrückenden Bimetalleffekt im idealen Anwendungsfall bei einer Kolbenringtemperatur ab 150°C eine gleichmäßige Radialdruckverteilung über den gesamten Ringumfang ein. Durch diese Maßnahme lässt sich auch die Kolbenringform günstig beeinflussen, womit der Druck am Stoß verringert und somit einem erhöhten Verschleiß insbesondere im stoßnahen Bereich entgegengewirkt wird.

Der erfindungsgemäße Kolbenring ist vielfach einsetzbar. So sind Anwendungen in Verbrennungsmotoren von Fahrzeugen (PKW, LKW, Bus), Industrieanwendungen (z.B. Stationärmotoren), Baufahrzeugen, Lokomotiven und Schiffen denkbar. Bevorzugt sind Anwendungen im Bereich von Dieselmotoren, insbesondere Zweitaktgroßdieselmotoren. Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 Prinzipskizze eines Kolbenringgrundkörpers mit angedeuteter

Radialdruckverteilung

Fig. 2 Prinzipskizze eines mit einer PVD-Schicht versehenen

Kolbenringgrundkörpers gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen Kolbenringgrundkörper 1 , der mit einem nur angedeuteten Stoß versehen ist. Die Radialdruckverteilung des Kolbenringgrundkörpers 1 in seinem kalten Zustand ist durch Pfeile angedeutet. Erkennbar ist, dass der Kolbenringgrundkörper 1 mit Ausnahme seiner stoßnahen Endbereiche 3, 4 mit etwa der gleichen Radialdruckverteilung, in Umfangsrichtung gesehen, ausgestattet ist. In Richtung der stoßnahen Endbereiche 3, 4, die sich vorzugsweise über einen Umfangswinkel zwischen 10 und 40° erstrecken, soll die Radialdruckverteilung in Bereiche bis nahezu 0 reduziert werden. Dies kann bspw. dadurch herbeigeführt werden, indem der Kolbenringgrundkörper 1 in seinen stoßnahen Endbereichen 3, 4 mit einer Negativkontur versehen wird.

Fig. 2 zeigt den Kolbenringgrundkörper 1 gemäß Fig. 1. Erkennbar ist der Stoß 2 sowie die stoßnahen Endbereiche 3, 4. Der Kolbenringgrundkörper 1 soll in diesem Beispiel aus Stahlguss bestehen und einen Ausdehnungskoeffizienten von 1 1 x 10 ^{" 6} /K haben. Auf der die Lauffläche bildenden äußeren Umfangsfläche wird eine PVD-Schicht 5 abgeschieden, die erfindungsgemäß im Bereich der stoßnahen Endbereiche 3, 4 des Kolbenringgrundkörpers 1 eine Schichtdickenerhöhung aufweist. Hierbei können PVD-Viellagenschichten, wie z.B. AITiN/CrN oder homogene Schichten, wie z.B. CrN mit einem Sauerstoffgehalt bis zu 15 Gew.-% zum Einsatz gelangen. Eine geeignete CrN-PVD-Verschleißschutzschicht hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 3 x 10 ^"6 /K. Für derartige CrN- basierte Schichten sind Schichthärten zwischen 800 und 2500 HV alternativ für C- basierte Schichten bis 4500 HV, bedarfsweise auch noch höher, z.B. 6000 HV, erzielbar.

In diesem Beispiel soll die Schichtdicke der PVD-Schicht 5 im Bereich der stoßnahen Endbereiche 3, 4 etwa 42 [im und im Bereich des Ringrückens 6 etwa 15 Mm betragen. Infolge des nicht zu unterdrückenden Bimetalleffekts wird der gemäß Fig. 1 vorbereitete Kolbenringgrundkörper 1 im idealen Anwendungsfall ab 150°C Kolbenringtemperatur eine im Wesentlichen gleichmäßige Radialdruckverteilung über den Ringumfang aufweisen.