Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft verschleißbeständige Beschichtungen für Kolbenringe, insbesondere Kolbenringe für Motoren mit großem Kolbendurchmesser, sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Ringe. Stand der Technik

Großvolumige Verbrennungsmotoren kommen meist stationär oder als Schiffsmotoren zum Einsatz. Aufgrund der damit verbundenen langen Betriebszeiten werden an die Verschleißbeständigkeit der darin eingesetzten Komponenten besonders hohe Anforderungen gestellt. Dies trifft insbesondere auf die Kolbenringe zu, die im Betrieb hohen Belastungen durch reibenden Verschleiß unterliegen und deren Austausch wegen der notwendigen Stillstandzeit aufwendig und kostspielig ist.

Der reibende Verschleiß der Kolbenringe erfolgt einerseits an der Ringlauffläche, die in Kontakt mit der Zylinderwand steht, und andererseits an den Ringflanken, die mit den Wänden der Ringnut des Kolbens in Berührung kommen. Bekanntermaßen liegt im Falle eines Kompressionsrings beim Arbeitstakt die untere Ringflanke, d.h. die vom Brennraum abgewandte Flanke, an der unteren Nutwand an, wobei Verbrennungsgase durch den Spalt zwischen oberer Ringflanke und oberer Nutwand hinter den Kolbenring in den Raum zwischen Nutboden und Ringinnenseite strömen. Dadurch wird ein Druck auf den Ring erzeugt, der zu einer nach außen gerichteten Kraft auf den Ring führt, welche die Dichtwirkung zwischen Ringlauffläche und Zylinderwand verstärkt. Ein Verschleiß der Ringflanke führt dazu, dass Verbrennungsgase zwischen unterer Ringflanke und Ringnutwand hindurch auf die brennraumabgewandte Seite des Kolbenrings gelangen können, womit auch der Druck auf den Ring verringert wird und somit zusätzlich die Dichtwirkung zwischen Ringlauffläche und Zylinderwand beeinträchtigt wird. Um eine hohe Dichtwirkung über einen langen Betriebszeitraum zu gewährleisten ist es also nicht nur notwendig die Ringlauffläche des Kolbenrings verschleißbeständig zu gestalten, sondern auch die Ringflanken müssen eine hohe Verschleißbeständigkeit aufweisen. Hierzu ist aus dem Stand der Technik ein Härten oder ein Verchromen der Ringflanken bekannt.

Aufgrund immer strengerer Umweltauflagen und dem Wunsch eines möglichst niedrigen Treibstoffverbrauchs ergibt sich die Aufgabe die tribologischen Eigenschaften, d.h. Verschleiß, Reibung und Korrosion, von Kolbenringen für insbesondere Großkolbenmotoren weiter zu verbessern.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird das Problem gelöst durch einen Kolbenring, der einen Ringkörper aus Grauguss umfasst, wobei der Ringkörper an mindestens einer Ringflanke einen Bereich aus Ledeburit-Gefüge aufweist, der sich bis zur Ringlaufflächenkante und bis in die Ringlauffläche hinein erstreckt, und wobei eine Verschleißschutzschicht auf die Ringlauffläche bzw Lauffläche aufgebracht ist, die auch den Bereich aus Ledeburit-Gefüge abdeckt. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Ringkörper an der Ringlauffläche einen Bereich aus Ledeburit-Gefüge aufweisen, der sich über die gesamte Ringlauffläche erstreckt.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Verschleißschutzschicht in Form einer thermischen Spritzschicht, einer mittels Laser aufgetragenen Hartstoffbeschichtung, einer Chromdispersionsschicht, einer PVD-Schicht oder einer DLC-Schicht vorliegen.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann sich die Verschleißschutzschicht durchgehend (entlang des Umfangs) über die Kante zwischen Ringlauffläche und der mindestens einen Ringflanke hinweg erstrecken. Gemäß einem weiteren Aspekt kann die dem Brennraum abgewandte Ringflanke mit einem Bereich aus Ledeburit-Gefüge versehen sein, wobei bevorzugt beide Ringflanken mit Bereichen aus Ledeburit-Gefüge versehen sind. Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Tiefe bzw Dicke des Ledeburit-Gefüges zwischen 0,05 mm und 1,5 mm, bevorzugt zwischen 0,15 mm und 1,0 mm, weiter bevorzugt zwischen 0,3 mm und 0,7 mm, betragen.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Dicke des Ledeburit-Gefüges in radialer Richtung variieren, oder wobei bevorzugt die Tiefe radial nach außen zunimmt.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Tiefe bzw Dicke des Ledeburit-Gefüges in Umfangrichtung variieren, wobei bevorzugt die Tiefe an den Stoßenden zunimmt. Gemäß einem weiteren Aspekt sich der Bereich aus Ledeburit-Gefüge über die gesamte mindestens eine Ringflanke erstreckt.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann ein radial innerer Bereich der mindestens einen Ringflanke kein Ledeburit-Gefüge aufweisen, wobei sich der radial innere Bereich bevorzugt über 1/3, weiter bevorzugt über 2/3, einer radialen Dicke des Ringkörpers erstreckt.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Kante zwischen Ringlauffläche und der mindestens einen Ringflanke eine Fase aufweisen. Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Kante zwischen Ringlauffläche und der mindestens einen Ringflanke abgerundet sein, wobei die Abrundung bevorzugt einen Radius von 1 mm bis 3 mm aufweist.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Abmessung der Fase bzw. der Abrundung in Umfangrichtung variieren. Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Rmglauffläche eine ballige oder ballig schiefe Form aufweisen.

Gemäß einem weiteren Aspekt können die Stoßflächen einen Bereich aus Ledeburit-Gefüge aufweisen, der sich bevorzugt bis zur radial äußeren Kante erstreckt.

Gemäß einem weiteren Aspekt können die Stoßflächen zumindest teilweise mit einer Verschleißschutzschicht versehen sein, die sich bevorzugt bis zur radial äußeren Kante erstreckt.

Erfindungsgemäß gelöst wird das Problem weiter durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings mit ledeburitisch umgeschmolzenem Graugussgefüge bzw. Ledeburit-Gefüge. Das Verfahren umfasst ein Herstellen eines Ringkörpers aus Grauguss und ein Umschmelzen eines Bereichs mindestens einer Ringflanke des Ringkörpers, um an der mindestens einen Flanke ein ledeburitisch umgeschmolzenes Graugussgefüge zu erzeugen. Das Verfahren umfasst weiter ein Abtragen von Material an einer Ringlauffläche des Ringkörpers, bis ledeburitisch umgeschmolzenes Graugussgefüge an der Rmglauffläche freiliegt. Schließlich wird eine Verschleißschutzschicht auf eine Ringlauffläche aufgebracht. Das Aufbringen der Verschleißschutzschicht erzeugt im Bereich der Ringlauffläche einen Überlappungsbereich, in dem die Verschleißschutzschicht auf das vorher an der Rmglauffläche freigelegte Ledeburit-Gefüge aufgebracht ist.

Bei einer Ausführungsform des Verfahrens kann dieses weiter ein Spannungsarmglühen des Ringkörpers nach dem Umschmelzen des Bereichs der mindestens einen Ringflanke, und vor dem Aufbringen der Verschleißschutzschicht umfassen. Bei dem Umschmelzen wird eine Wärmeinflusszone unter dem ledeburitischen Gefüge erzeugt, in dem hohe Spannungen in dem Ringkörper vorliegen können. Durch ein Spanungsarmglühen kann diese Wärmeeinflusszone beseitigt werden. Das Umschmelzen und das Spannungsarmglühen werden bevorzugt an einem geschlossenen Ringkörper durchgeführt, bevor der Ring zum Erhalten eines Stoßes aufgeschnitten wird. Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Temperatur beim Spannungsarmglühen 450 °C bis 600 °C, bevorzugt 500 °C bis 540°C, weiter bevorzugt 510 °C bis 530°C, betragen und für eine Zeitdauer von 1 h bis 4 h, bevorzugt 1,5 h bis 3 h, weiter bevorzugt 1,8 h bis 2,3 h, gehalten werden.

Bei einer weiteren Ausführung des Verfahrens umfasst das Umschmelzen einen Radialbereich von 20% bis 30% einer radialen Dicke des Ringkörpers. Dabei besteht ein Abstand zwischen der Außenkante des Ringkörpers, wobei dieser Abstand sicherstellt, dass die Kante beim Umschmelzen nicht beeinträchtigt wird, der Abstand beträgt dabei etwa 1mm. Die 20 bis 30% werden hierbei von einer Außenkante des Ringkörpers aus gemessen.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Umschmelzen durch Bestrahlen mit hochenergetischer Strahlung erfolgen, ausgewählt aus Laserstrahl, Elektronenstrahl, Lichtbogenschweißen, Plasmaschweißen, Wolfram-Inertgas-Schweißen.

Als zusätzlicher Schritt kann der Kolbenring bzw. der Ringkörper bei der Herstellung aufgeschnitten werden. Dabei wurde der Ringkörper als geschlossener Ring gegossen. Das Aufschneiden geschieht bevorzugt nach dem Schritt des Umschmelzens und vor dem Schritt des Abtragens der Ringlauffläche. Falls ein Spannungsarmglühen durchgeführt wird, erfolgt das Aufschneiden bevorzugt nach dem Spannungsarmglühens und vor dem Abtragen der Ringlauffläche.

Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die Ringlauffläche mittels Lasercladding oder Highspeed-Flammspritzen oder mittels PVD oder CVD oder Galvanisch mit der Verschleißschutzschicht beschichtet.

Es ist bei einer zusätzlichen Ausführungsform des Verfahrens möglich den Ringkörper spanend zu bearbeiten, um den Querschnitt zu verändern. So kann beispielsweise ein anfänglich rechteckiger Ringquerschnitt zu einem im Wesentlichen trapezförmigen Ringquerschnitt gefräst oder geschliffen werden. Eine weitere Ausführung des Verfahrens zur Herstellung eines Kolbenrings umfasst ein Umschmelzen mindestens eines Teils der Stoßflächen, um ein ledeburitisch umgeschmolzene Graugussgefüge an den Stoßflächen zu erzeugen. Das ledeburitisch umgeschmolzene Graugussgefüge weist eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegenüber Brenngasen auf, weshalb die ledeburitisch umgeschmolzenen Stoßflächen besser gegen chemische Korrosion geschützt sind. Auch hier kann es vorteilhaft sein, wenn die Stoßflächen nicht vollständig umgeschmolzen werden, sondern nur eine Fläche die in etwa einen Millimeter vor dem Rand der Stoßfläche endet, um zu verhindern, dass die Kanten der Stoßflächen geschmolzen werden und dort eine ungewünschte Verrundung oder ein Wegfließen des Materials auftritt.

Bei einer weiteren Ausführung des Verfahrens umfasst dieses einen zusätzlichen Schritt des Vorwärmens des Ringkörpers vor dem Umschmelzen. Damit können insbesondere die Umschmelztiefe die Größe der Wärmeeinflusszone und das Erstarrungsverhalten insbesondere die Erstarrungsgeschwindigkeit beim Umschmelzen eingestellt werden.

Eine weitere Ausführungsform umfasst ein Umschmelzen der Ringlauffläche, um dort Ledeburit-Gefüge zu erzeugen. Bei einer weiteren Ausführung des Verfahrens umfasst dieses ein Schleifen der mindestens einen Ringflanke, bevorzugt beider Ringflanken, auf eine Rauheit von Ra 0,5 - 1,0 μηι nach dem Schritt des Umschmelzens. Weiter kann das Verfahren ein Phosphatieren des Ringkörpers umfassen. Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird weiter ein Kolbenring bereitgestellt, der nach einem der vorstehend beschriebenen Verfahren gefertigt wurde.

Kurze Beschreibung der Zeichnung Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die Figuren genauer beschrieben. Figur 1 zeigt eine axiale Querschnittsansicht der Struktur eines erfindungsgemäßen Kolbenrings. Figur 2 stellt eine Fotografie eines Schnitts eines erfindungsgemäß hergestellten Kolbenrings dar.

Figuren 3A bis 3G zeigen Schritte einer beispielhaften Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines möglichen erfindungsgemäßen des Kolbenrings.

Im Folgenden werden sowohl in der Beschreibung als auch in der Zeichnung gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Elemente oder Komponenten verwendet. Es ist zudem eine Bezugszeichenliste angegeben, die für alle Figuren gültig ist. Die in den Figuren dargestellten Ausführungen sind lediglich schematisch und stellen nicht die tatsächlichen Größenverhältnisse dar.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die Gefügeausbildung eines Eisengusswerkstoffs wird, außer durch die Legierungsbestandteile, wesentlich durch die Abkühlungsbedingungen beim Erstarren des Materials bestimmt. Das resultierende Gefüge, d.h. die auftretenden Phasen und deren Verteilung, bestimmt bei Gebrauchstemperatur die mechanischen Eigenschaften eines aus einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung bestehenden Werkstücks maßgeblich. Erstarrt Gusseisen langsam im thermodynamischen Gleichgewicht entsteht hauptsächlich ein Gefüge aus Eisen (Fe) und Graphit (C), dieses wird als Grauguss bezeichnet, wobei man, je nachdem in welcher Gestalt der Graphit vorliegt, zwischen lamellaren Gusseisen, vermikularen Gusseisen und Gusseisen mit Kugelgraphit unterscheidet. Bei schnellerem Erstarren entsteht ein metastabiles, sogenanntes ledeburitisches Gefüge (Ledeburit-Gefüge), das aus Eisen und Eisencarbid (Fe ₃ C, Zementit) besteht, sogenannter Weißguss. Das ledeburitische Gefüge weist eine höhere Härte auf als Grauguss und unterliegt entsprechend geringerem Verschleiß, während Grauguss über eine höhere Zähigkeit verfügt und entsprechend weniger anfällig für Bruch bzw. Rissausbreitung ist.

Um einen langlebigen Kolbenring gemäß der vorliegenden Erfindung zu erhalten wird das Graugussgefüge eines Ringkörpers zumindest teilweise an einer Ringflanke in ein Ledeburit- Gefüge umgeschmolzen und an der Ringlauffläche zusätzlich mit einer Verschleißschutzschicht überzogen, die auch an der Ringlauffläche freiliegendes Ledeburit- Gefüge bedeckt. Das Ledeburit-Gefüge wird erzeugt indem die Oberfläche des Ringkörpers zunächst an den entsprechenden Stellen erhitzt wird, um es teilweise aufzuschmelzen, und nachfolgend gewartet wird bis der Werkstoff wieder abkühlt. Da der Ringkörper nur an der Oberfläche aufgeschmolzen wird, im Inneren jedoch noch kühl und fest ist, findet eine „Selbstabschreckung" statt, bei der der geschmolzene Bereich relativ schnell abkühlt und so ein Bereich aus Ledeburit-Gefüge an der Oberfläche entsteht.

In Figur 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines solchen Kolbenrings dargestellt; gezeigt ist ein axialer Schnitt, d.h. die Ringachse liegt in der Schnittebene. Der Ringkörper besteht größtenteils aus Graugussgefüge 2. Eine der Ringflanken 8 weist einen Bereich aus Ledeburit-Gefüge 4 auf, der sich bis zur Kante zwischen einer Ringflanke 8 und einer Ringlauffläche 10 erstreckt und der durch Umschmelzen des ursprünglichen Graugussgefüges hergestellt ist. Auf der Ringlauffläche 10 befindet sich eine Verschleißschutzschicht 6. Dabei bedeckt die Verschleißschutzschicht 6 in einem Überlappungsbereich 42 von Verschleißschutzschicht 6 und Ledeburit-Gefüge 4 das Ledeburit-Gefüge 4. In Figur 1 bedeckt ein Großteil der Verschleißschutzschicht 6 eine radiale Außenfläche des Ringköpers 2 in dem das ursprüngliche Gusseisengefüge vorliegt. In Figur 1 ist das Ledeburit-Gefüge nur an der unteren, kurbelwellenseitigen bzw. brennraumabgewandten Ringflanke 8 des Kolbenrings bzw. Ringkörpers 2 aufgebracht, da diese Fläche im Betrieb einer stärkeren Belastungen ausgesetzt ist.

Der Bereich aus Ledeburit-Gefüge 4 kann sich über die gesamte Ringflanke erstrecken. Alternativ ist vorgesehen, dass ein radial innerer Bereich der Ringflanke kein Ledeburit- Gefüge aufweist, wobei sich dieser radial innere Bereich bevorzugt über 1/3, weiter bevorzugt über 2/3, einer radialen Dicke des Ringkörpers erstreckt. Es wird also bevorzugt der äußere, besonders stark beanspruchte Ringflankenbereich mit einer Schicht aus Ledeburit versehen. Einen ähnlichen Effekt hat eine Variation einer Tiefe des Ledeburit-Gefüges in radialer Richtung, wobei hier entsprechend bevorzugt ist, dass die Tiefe radial nach außen zunimmt.

Im Allgemeinen, abgesehen von Übergangsbereichen zu eventuellen Bereichen ohne Ledeburit, beträgt die Tiefe des Ledeburit-Gefüges zwischen 0,05 mm und 1,5 mm, bevorzugt zwischen 0,15 mm und 1,0 mm, weiter bevorzugt zwischen 0,3 mm und 0,7 mm. Diese Gestaltungsmöglichkeiten erlauben es, einen optimalen Kompromiss zwischen erwünschter Zähigkeit des Ringkörpergraugussgefüges und Verschleißfestigkeit des spröden Ledeburit-Gefüges zu erreichen. Um in Umfangrichtung unterschiedlichen Belastungen zu begegnen ist eine Variation der Tiefe des Ledeburit-Gefüges in Umfangrichtung denkbar, bevorzugt ist hier eine Tiefe, die an den, bzw. in Richtung der, Stoßenden zunimmt, um einem an den Stoßenden stärker auftretenden Verschleiß vorzubeugen.

In Fig. 1 ist lediglich eine Ringflanke mit einem Bereich aus Ledeburit-Gefüge versehen, bei welcher es sich bevorzugt um die vom Brennraum abgewandte Ringflanke handelt, da diese beim Betrieb stärker belastet wird. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, beide Ringflanken mit Bereichen aus Ledeburit-Gefüge zu versehen. Alternativ bzw. zusätzlich kann auch die Ringlauffläche mit einem Ledeburit-Gefüge versehen sein.

Da sich die Verschleißschutzschicht 6, bevorzugt durchgehend, über die Ringlauffläche 10 und den sich bis zur Ringkante erstreckenden Bereich aus Ledeburit-Gefüge 6 erstreckt, liegt an der Ringkante zwischen Ringlauffläche und Ringflanke kein außenliegendes Graugussgefüge vor, das gegebenenfalls anfällig für Verschleiß und Korrosion wäre. Der Aufbau mit einer unter der Verschleißschutzschicht liegenden Ledeburit-Gefüge-Schicht bietet den weiteren Vorteil, dass, wenn die äußere Verschleißschutzschicht an einer Stelle abgenutzt ist, die Schicht aus Ledeburit-Gefüge als Rückhalt dient, der einen von dieser Stelle aus fortschreitenden Verschleiß unterbindet. Die Verschleißschutzschicht liegt in Form einer thermischen Spritzschicht, einer Chromdispersionsschicht, oder auch einer anderen physikalischen Beschichtung, z.B. einer PVD- oder DLC-Schicht, vor; hier ist PVD: Physical Vapor Deposition, physikalische Gasphasenabscheidung, und DLC: Diamond-Like Carbon, diamantartiger Kohlenstoff. Es ist auch möglich, eine Hartstoffbeschichtung mittels Laser aufzutragen.

Die Kante zwischen Ringflanke 8 und Ringlauffläche 10 ist in Fig. 1 abgerundet gestaltet; durch eine solche Ausführung mit einem gleichmäßigen Übergang wird das Auftreten von Spannungsspitzen bzw. Kerbspannungen, welche die spröde Verschleißschutzschicht beschädigen könnten, vermieden, dies wird weiter durch eine bevorzugt ballige oder ballig schiefe Form der Ringlauffläche 10 unterstützt. Hier wäre auch das Anbringen einer Fase denkbar. Bei einer Ausführungsform, bei der beide Ringflanken mit einem Bereich aus Ledeburit-Gefüge versehen sind, kann die entsprechende andere Ringkante in gleicher Weise gestaltet sein.

Ein Radius der Abrundung liegt im Bereich von 1 mm bis 3 mm, wobei hier im Allgemeinen die Abrundung nicht einen konstanten Radius hat, sondern in der Mitte einen kleineren Radius haben wird und dann flacher wird und mit größerem Radius in die Ringlauffläche und die Ringflanke übergeht. Insbesondere kann die Abmessung von Fase bzw. Abrundung (d.h. hier der Radius) in Umfangrichtung variieren. Ist der Kolbenring mit einer Innenfase versehen, so kommt es aufgrund der Querschnittsstörung unter Spannung (im eingebauten Zustand) zu einem Twisten (Verdrehen) des Ringkörpers. Dieser Twist wirkt sich am Ringrücken stärker aus als an den Stoßenden, was zu Spannungsunterschieden in Umfangrichtung in der Verschleißschutzschicht führen kann, was eventuelle Beschädigungen begünstigt. Durch eine Variation der Abmessung der Fase bzw. Abrundung in Umfangrichtung kann dies ausgeglichen werden.

Weiterhin können auch die Stoßflächen Bereiche aus Ledeburit-Gefüge aufweisen, die sich bis zur Kante Stoßfläche/Ringlauffläche erstrecken. Die entsprechenden Bereiche aus Ledeburit werden wieder mit einer Verschleißschutzschicht versehen. Ist auch die Ringlauffläche mit Ledeburit-Gefüge versehen, wird erreicht, dass auch an den radial außenliegenden Kanten der Stoßflächen kein Graugussgefüge freiliegt, womit ein von dort ausgehender Verschleiß verhindert werden kann. Hierbei können die gesamten Stoßflächen aus Ledeburit-Gefüge bestehen; wobei bevorzugt ist, dass ein radial äußerer Bereich der Stoßflächen, der sich über 2/3 der radialen Dicke des Ringkörpers erstreckt, aus Ledeburit- Gefüge besteht, weiter bevorzugt ist, dass ein radial äußerer Bereich der Stoßflächen, der sich über 1/3 der radialen Dicke des Ringkörpers erstreckt, aus Ledeburit-Gefüge besteht.

Um einen erfindungsgemäßen Kolbenring herzustellen wird zunächst ein Ringkörper aus Grauguss hergestellt, d.h. beim Gießen erfolgt das Erstarren der Eisen-Kohlenstoff- Legierung im thermodynamischen Gleichgewicht, so dass ein Graugus sgefüge entsteht. Nachfolgend wird an mindestens einer Ringflanke der Bereich an der Oberfläche, der mit einem Ledeburit-Gefüge versehen werden soll, erhitzt und aufgeschmolzen. Das Erhitzen kann durch Bestrahlen mit hochenergetischer Strahlung erfolgen, wobei zum Beispiel ein Laserstrahl, ein Elektronenstrahl, Lichtbogenschweißen, Plasmaschweißen oder Wolfram- Inertgas-Schweißen zum Einsatz kommt. Hierbei wird im Allgemeinen nicht der gesamte Bereich auf einmal erhitzt, da z.B. ein dafür verwendeter Laserstrahl einen Durchmesser von ca. 1 mm bis einige 10 mm hat, sondern es wird jeweils an einer Stelle erhitzt und der gesamte umzuschmelzende Bereich wird durch eine relative Bewegung von Ring und hochenergetischer Strahlung überstrichen. Dies kann dadurch geschehen, dass die Strahlungsquelle bewegt wird, z.B. mittels eines Roboterarms, oder dadurch, dass der Ring drehbar gelagert ist und gedreht wird, um einen kreisförmigen Bereich zu überstreichen, was auch eine einfache Variation der Tiefe des Umschmelzungsbereichs in Umfangrichtung ermöglicht. Die Tiefe des Umschmelzungsbereichs wird durch den Energieeintrag bestimmt.

Ein Abkühlen erfolgt durch Selbstabschreckung, es wird also kein Abschreckmedium verwendet. Dieses Abkühlen erfolgt relativ schnell, so dass ein Ledeburit-Gefüge entsteht und bei dem oben beschriebenen Vorgang eine Stelle des Kolbenrings bereits abgekühlt sein wird, während andere Stellen erst noch erhitzt werden.

Der mindestens eine Bereich der Ringflanke, der umgeschmolzen werden soll, ist so gewählt, dass er sich bis zur Kante zwischen Ringflanke und Ringlauffläche erstreckt. Neben den Ringflanken ist es auch möglich, die Ringlauffläche mit einem Ledeburit-Gefüge zu versehen, d.h. diese auch zu erhitzen.

Zum Abbau eventuell durch das Erhitzen und nachfolgende Abkühlen entstandener Spannungen im Ringkörper kann nach dem Abkühlen des Ringkörpers ein Spannungsarmglühen durchgeführt werden. Dies erfolgt bei einer Temperatur von 450 °C bis 600 °C, bevorzugt von 500 °C bis 540°C, weiter bevorzugt von 510 °C bis 530°C, über eine Zeitdauer von 1 Stunden bis 4 Stunden, bevorzugt von 1,5 Stunden bis 3 Stunden, weiter bevorzugt von 1,8 Stunden bis 2,3 Stunden, gefolgt von einem erneuten Abkühlenlassen. Ein Aufschneiden des Ringkörpers erfolgt bevorzugt nach dem Spannungsarmglühen.

An der Ringlauffläche 10 wird dann Material abgetragen bis ledeburitisch umgeschmolzenes Graugussgefüge an der Ringlauffläche freiliegt. Anschließend wird eine Verschleißschutzschicht auf die Ringlauffläche einschließlich der dort freiliegenden Ledeburit-Gefüge-Bereiche aufgetragen.

Weiterhin kann beim Schritt des Umschmelzens auch die Ringlauffläche 10 umgeschmolzen werden, so dass auch an dieser ein ledeburitisch umgeschmolzenes Graugussgefüge vorliegt. Da in diesem Fall bereits Ledeburit-Gefüge an der Ringlauffläche freiliegt, erfolgt hier das Abtragen von Material an der Ringlauffläche bis die gewünschte Form erreicht ist, bzw bis beim Umschmelzen auftretende Verformungen, insbesondere an den Kanten, beseitigt sind.

Alternativ kann ein Umschmelzen der Ringlauffläche in ein Ledeburit-Gefüge nach dem Abtragen von Material an der Ringlauffläche erfolgen (und vor dem Aufbringen der Verschleißschutzschicht). Hierbei wird an mindestens einer Kante zwischen Ringlauffläche 10 und Ringflanken ein schmaler Bereich nicht erhitzt, d.h. das bereits durch das Abtragen an der Ringlauffläche freigelegte Ledeburit (von dem umgeschmolzenen Bereich an den Ringflanken) wird nicht erneut geschmolzen. Gegebenenfalls kann nachfolgend ein Spannungsarmglühen erfolgen. Es ist auch hier möglich, nicht die gesamte Ringlauffläche mit ledeburitisch umgeschmolzenen Graugussgefüge zu versehen, sondern lediglich Teilbereiche, etwa bei einer balligen Ringlauffläche den umlaufenden Bereich, der radial am weitesten außen liegt, der also mit der Zylinderwand in Kontakt kommt.

Sollen Kanten mit Fasen oder Abrundungen versehen werden, so erfolgt dies nach dem Umschmelzen des Graugusses in ein Ledeburit-Gefüge.

Als möglicher weiterer Verfahrensschritt nach dem Umschmelzen des Bereichs der mindestens einen Ringflanke des Ringkörpers ist ein Abschleifen der Oberfläche der mindestens einen Ringflanke auf eine Rauheit von Ra 0,5 - 1,0 μηι vorgesehen. Dadurch wird der Verschleiß an Ringflanke und Nutwand weiter verringert. Bevorzugt werden beide Ringflanken abgeschliffen. Eine Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit wird durch den abschließenden Schritt eines Phosphatierens des Ringkörpers bzw Aufbringen einer Phosphatschicht erreicht. Fig. 2 zeigt eine Fotografie eines Schnitts durch einen von den Erfindern produzierten Kolbenring aus Grauguss 2, bei dem beide Ringflanken mit Ledeburit-Gefüge 4 versehen sind. In Figur 2 ist der Überlappungsbereich 42 an der oberen bzw. brennraumseitigen Ringlaufflächenkante gekennzeichnet. Figuren 3A bis 3G zeigen Schritte einer beispielhaften Ausfuhrungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines möglichen erfindungsgemäßen des Kolbenrings.

Figur 3A zeigt eine geschnittene Teilansicht eines Kolbenrings bzw. eines Kolbenringrohlings 16. Die Achse des geschlossenen Kolbenringrohlings 16 liegt rechts außerhalb des Blattes. Der Kolbenringrohling 16 bildet hier einen geschlossenen Ring. Die Ringflanke 6 bezeichnet hier die obere Ringflanke. Um die Figur nicht mit redundanten Elementen zu überfrachten wurde darauf verzichtet die Radiale Innenfläche und die untere Ringflanke mit einem gesonderten Bezugszeichen zu kennzeichnen. Die radiale Außenfläche des Kolbenringrohlings 16 ist mit dem Bezugszeichen 30 als Ringlauffläche gekennzeichnet.

In Figur 3B wurden Teile der oberen und unteren Ringflanke 8 umgeschmolzen, wobei an den umgeschmolzenen Stellen ein Ledeburit-Gefüge 4 erzeugt wurde. Vor dem Umschmelzen kann der Kolbenringrohling 16 erwärmt werden, um den Umschmelzvorgang zu optimieren. Unterhalb und neben den umgeschmolzenen Bereichen mit Ledeburit-Gefüge 4 befindet sich eine Wärmeeinflusszone, in der sich Spannungen in dem Gusseisengefüge befinden.

Figur 3C stellt eine Situation nach einem Spannungsarmglühen dar, bei dem die Wärmeeinflusszonen 20 beseitigt wurden. In Figur 3D wurde der Kolbenringrohling 16 aufgeschnitten und wird nun weiter als Ringkörper 14 bezeichnet. Durch den vorhergehenden Schritt des Spannungsarmglühens verwindet sich der Ring nach dem Aufschneiden nicht. Der Stoß 28 ist an der Stoßfläche zu erkennen, die jedoch größtenteils von dem verbleibenden Kolbenring verdeckt ist. Figur 3E zeigt den Ringkörper nachdem er bevorzugt unrund aufgespannt wurde, und nachdem die Ringlauffläche durch spanendes Bearbeiten zurückgesetzt bzw. abgetragen wurde. Der abgetragene Ringlaufflächenbereich 24 ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Es wird dabei mindestens ein Millimeter Material abgetragen. Nach dem Abtragen der Ringlauffläche liegt Ledeburit-Gefüge 4 aus dem Umschmelzbereich an der Ringlauffläche frei. Es ist ebenfalls möglich den Ringköper 14 rund einzuspannen und rund oder unrund zu schleifen.

Figur 3F zeigt den Kolbenring nachdem eine Verschleißschutzschicht 6 auf die Ringlauffläche aufgebracht wurde. Dabei hat sich ein Überlappungsbereich 24 gebildet in dem die Verschleißschutzschicht 6 über dem Ledeburit-Gefüge 4 liegt. Die Verschleißschutzschicht überdeckt dabei nicht die Ringflanke 8 bzw. das Ledeburit-Gefüge 4 an der Ringflanke. Abweichungen können jedoch im Bereich von Nasen, Fasen oder Verrundungen (nicht dargestellt) im Bereich eines Übergangs zwischen der Ringflanken 8 und der Ringlauffläche entstehen.

Figur 3G stellt einen weiteren Arbeitsschritt dar, bei dem der vorher im Querschnitt rechteckige Kolbenring zu einem Trapezring abgeändert wird. Die obere und untere Kolbenringflanke 8 wird dabei entlang einer Kegelfläche abgetragen, wodurch die radiale Abmessung des Ledeburit-Gefüges 4 verringert wird. Zusätzlich nimmt die axiale Dicke des Ledeburit-Gefüges in Richtung eines Zentrums des Kolbenrings ab. Ein ähnlicher Effekt lässt sich erzielen wenn ein Invers-Trapezring (dessen axiale Dicke innen größer ist als an der Ringlauffläche) umgeschmolzen und dann zu einem Rechteckring durch Spanen umgewandelt wird. So lässt sich einfach eine Dickenveränderung der Ledeburit-Schicht in Axialrichtung erreichen. Das Umwandeln kann dabei ebenfalls vor oder nach dem Aufschneiden des Rings durchgeführt werden.

Bezugszeichenliste

2. Graugussgefüge

4 Ledeburit-Gefüge

6 Verschleißschutzschicht

8 Ringflanke

10 Ringlauffläche / Ringlauffläche

14 Ringkörper

16 Kolbenringrohling

20 Wärmeinflusszone

24 Abgetragener Ringlaufflächenbereich

26 an der Ringlauffläche freiliegendes Ledeburit-Gefüge

28 Stoß

30 Ringlauffläche bzw. radiale Außenfläche des Kolbenringrohlings 16 42 Überlappungsbereich von Verschleißschutzschicht und Ledeburit-Gefüge