DE10011918A1

DE10011918A1 - Kolbenring mit Verschleissschutzschicht

Info

Publication number: DE10011918A1
Application number: DE2000111918
Authority: DE
Inventors: Ulrich Buran; Frank Muenchow; Manfred Fischer; Jochen Brand
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2000-03-11
Filing date: 2000-03-11
Publication date: 2001-09-27
Anticipated expiration: 2020-03-12
Also published as: DE10011918B4

Abstract

Kolbenring mit einer, zumindest im Bereich der Lauffläche vorgesehenen Verschleißschutzschicht, die im wesentlichen aus den Elementen Chrom, Kohlenstoff und Wasserstoff zusammengesetzt und nach den PVD- oder CVD-Verfahren aufgebracht ist, wobei die Schichtdicke max. 100 mum, insbesondere 5 bis 50 mum, beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolbenring für Brennkraftmaschinen mit einer, zumindest im Bereich der Lauffläche vorgesehenen Verschleißschutzschicht, die nach den PVD- oder CVD-Verfahren aufgebracht ist.

Zur Verlängerung der Lebensdauer von Brennkraftmaschinen ist es allgemein bekannt, die Laufpartner Kolbenring/Zylinderlauffläche mit besonders verschleißfesten Schichten zu versehen.

Es ist bekannt, Kolbenringlaufflächen mit Verschleißschutzschichten zu versehen, die nach dem Plasmaspritzverfahren, nach galvanischen Verfahren, durch Nitrieren oder Verfahren der Dünnschichttechnologie aufgebracht sind.

Es ist bekannt, Dampfabscheideprozesse einzusetzen, mit denen dann die Laufflächen oder die gesamte äußere Umfangsfläche der Kolbenringe mit verschleißfesten Schichten versehen werden. Allgemein bekannt sind hier Verfahren der physikalischen bzw. chemischen Dampfabscheidung (PVD-/CVD-Verfahren). Zu den PVD-Verfahren gehören neben der Dampfabscheidung auch die Kathodenzerstäubung bzw. Vakuumbedampfung sowie die Ionenplattierung.

Der DE-A 43 25 520 ist unter anderem ein Kolbenring zu entnehmen, der laufflächenseitig eine Beschichtung aus einem reaktionsträgen, antiadhäsiven Metall (vorzugsweise Niob oder Zirkon) aufweist. Die Beschichtung soll im PVD-Arc- Verfahren aufgebracht werden.

Der DE-A 195 48 931 ist ein Kolbenring für Verbrennungskraftmaschinen zu entnehmen, wobei der Kolbenring eine durch Ionenplattierung erzeugte Auflageschicht aufweist und diese Schicht aus einem Gemisch eines ersten Chromnitrids vom Typ CrN und eines zweiten Chromnitrids vom Typ Cr₂N hergestellt ist. Das Mischungsverhältnis dieses Gemisches soll zwischen 45,5 und 89,0 Gew.-% für das erste Chromnitrid betragen, während der Rest durch das zweite Chromnitrid gebildet ist.

Durch die US-A 5,449,547 ist ein hartes Beschichtungsmaterial sowie ein damit versehener Gleitkörper, wie ein Kolbenring, bekannt geworden. Die Hartschicht, für den aus Stahl, Gußeisen, Titan oder einer Titanlegierung bestehenden Gleitkörper beinhaltet entweder 3 bis 20 Gew.-% Sauerstoff oder 2 bis 11 Gew.-% Kohlenstoff, wobei der Sauerstoff bzw. der Kohlenstoff in einer CrN-Kristallstruktur enthalten ist und wobei Härten HV im Bereich zwischen 1600 und 2200 erreicht werden. Die Hartschicht wird vorzugsweise durch Ionenplattierung auf den Gleitkörper aufgebracht. Da beim PVD- Prozeß Sauerstoffgas an der Oberfläche des Kolbenringwerkstoffes oxidiert, ist die Gefahr gegeben, daß die verschleißfeste Schicht auf der Kolbenringoberfläche nicht optimal haftet und so abblättern kann.

Um dieses Problem zu lösen, ist es durch die US-A 5,582,414 bekannt, auf der Kolbenringoberfläche zunächst eine Zwischenschicht abzuscheiden, auf welche dann die Hartschicht durch Ionenplattierung abgeschieden wird. Die Zwischenschicht setzt sich zusammen aus wenigstens einem der Elemente oder Verbindungen aus der Gruppe Cr₂N, CrN, Cr bzw. Cr₂N und CrN. Die Hartschicht soll 3 bis 20 Gew.-% Sauerstoff in einer CrN-Kristallstruktur beinhalten und dann eine Härte HV zwischen 1600 und 2200 aufweisen.

Durch die US-A 5,820,131 ist ein Kolbenring mit einer Verschleißschutzschicht bekannt geworden, die auf Basis von Cr₂N bzw. einer Mischung aus Cr₂N und Cr durch Ionenplattierung auf der Lauffläche des Kolbenringes abgeschieden wird. Der Stickstoffgehalt dieser Verschleißschutzschicht soll zwischen 11 und 17 Gew.-% liegen, wobei Härten HV dieser Schicht zwischen 1300 und 2000 erreicht werden sollen. Nachteilig ist hier festzustellen, daß sich je nach Stickstoffanteil das Verschleißverhalten der Schicht ändert. Bei einem Anteil von 11 Gew.-% N ist das Verschleißverhalten gegenüber einem Anteil von 17 Gew.-% N schlechter, wobei jedoch das Verhalten des Kolbenringes im Hinblick auf den Ölverbrauch wiederum verbessert wird.

Die nach den bekannten PVD-/CVD-Verfahren abgeschiedenen, zitierten Verschleißschutzschichten verfügen zwar über gute Festigkeits- und Brandspureigenschaften, wobei jedoch die Verschleißfestigkeit dieser Schichten nicht ausreichend hoch ist. Da sich diese Schichten auch nur in begrenzten Dicken ausführen lassen, werden die Forderungen an die Lebensdauer nicht erreicht, so daß sie, insbesondere für Motoren mit hoher Leistung, hohen Zylinderdrücken, Direkteinspritzung, Abgasrückführung und anderen Konstruktionsmerkmalen neuerer Motorentwicklungen, aber auch die Minimierung des Ölverbrauches, nicht optimal anwendbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolbenring mit einer 4 Verschleißschutzschicht zu versehen, die im Hinblick auf die Brandspursicherheit die tribologischen Eigenschaften des Kolbenringes verbessert.

Diese Aufgabe wird durch einen Kolbenring gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbenringes sind in den Unteransprüchen dokumentiert.

Die Verschleißschutzschicht zeichnet sich durch eine hohe Verschleißfestigkeit mit guten Reibeigenschaften aus, sie besitzt eine hohe innere Festigkeit und läßt sich bei entsprechender Vorbehandlung mit ausgezeichneter Haftung auf die Kolbenringbasiswerkstoffe, wie Stahl und Gußeisen aufbringen. Sie verfügt darüber hinaus über eine hohe Brandspursicherheit sowie ein sehr gutes Eigenverschleißverhalten und greift den Gegenpartner, nämlich die Zylinderlaufbuchse, nicht an. Die Verschleißschutzschicht ist korrosionsfest gegenüber den im Verbrennungsraum auftretenden Medien und besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit, um den Wärmetransport vom Verbrennungsraum über Kolben und Kolbenringe an die Zylinderlauffläche gut ausführen zu können.

Die erfindungsgemäße Schichtkombination aus Cr, C, H vermindert gegenüber anderen, durch bekannte PVD- bzw. CVD-Verfahren, abgeschiedene Schichten für Kolbenringe die Eigenspannung in der Schicht, so daß Schichtdicken bis zu 100 µm erzeugt werden können. Bevorzugte Schichtdicken laufflächenseitig sind 5 bis 50 µm.

Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Kompressionskolbenring mit laufflächenseitiger Verschleißschutzschicht;

Fig. 2 Ölabstreifkolbenring mit Verschleißschutzschicht.

Fig. 1 zeigt einen aus Gußeisen bestehenden Kompressionskolbenring 1, der im Bereich seiner Lauffläche 2 mit einer Verschleißschutzschicht 3 versehen ist. Die Verschleißschutzschicht besteht im wesentlichen aus Chrom, Kohlenstoff und Wasserstoff, wobei der Metallgehalt zwischen 0,1 und 49,9 at.-% und der Kohlenstoffgehalt zwischen 50,1 und 99,9 at.-% liegt; der Rest ist Wasserstoff. Das Aufbringen der Verschleißschutzschicht 3 kann einerseits mit PVD-Verfahren (Physikalische Abscheidung aus der Dampfphase) und andererseits mit CVD- Verfahren (Chemische Abscheidung aus der Dampfphase) auf der Lauffläche 2 des Kompressionskolbenringes 1 mit einer Schichtdicke von 50 µm erfolgen.

Der Vorteil der PVD-Verfahren gegenüber den CVD-Verfahren liegt in einer meist deutlich geringeren Beschichtungstemperatur. Die Auswahl des Abscheidungsverfahrens ist jedoch vom Anwendungsfall abhängig und wird vom zuständigen Fachmann ausgewählt. Die Verschleißschutzschicht 3 soll in diesem Beispiel nach dem PVD-Verfahren ausschließlich auf der Lauffläche 2 des Kompressionskolbenringes 1 abgeschieden sein.

Fig. 2 zeigt einen aus Stahlband gebogenen Ölabstreifkolbenring 4, der zwei Laufstege 5, 6 aufweist, die definierte Laufsteghöhen h haben. In diesem Beispiel sind sämtliche dem Verschleiß ausgesetzten Bereiche (Laufflächen 5', 6' sowie die Stirnflächen 7, 8) mit einer Verschleißschutzschicht 9 mit der oben genannten Zusammensetzung versehen.

Auch hier wurde die Verschleißschutzschicht 9 nach den bekannten PVD-Verfahren auf den genannten Flächen 5', 6', 7, 8 abgeschieden und soll eine Schichtdicke von 40 µm beinhalten.

Derartig abgeschiedene Cr-C:H-Verschleißschutzschichten 3, 9 weisen gegenüber dem bekannten Stand der Technik eine hohe innere Festigkeit auf und lassen sich bei entsprechender Vorbehandlung des Kolbenringes 1, 4 mit ausgezeichneter Haftung auf Kolbenringbasiswerkstoffe, wie Stahl oder Gußeisen, aufbringen. Die Verschleißschutzschichten 3, 9 verfügen über eine hohe Brandspursicherheit, optimale Eigenverschleißeigenschaften und sind korrosionsfest gegenüber den, im Verbrennungsraum auftretenden Medien.

Claims

1. Kolbenring für Brennkraftmaschinen mit einer, zumindest im Bereich der Lauffläche (2, 5', 6') vorgesehenen Verschleißschutzschicht (3, 9) die nach den PVD- oder CVD-Verfahren aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschutzschicht (3, 9) im wesentlichen aus den Elementen Chrom, Kohlenstoff und Wasserstoff zusammengesetzt ist, wobei die Schichtdicke max. 100 µm, insbesondere 5 bis 50 µm beträgt, und die Verschleißschutzschicht (3, 9) 50,1 bis 99,9 Atom% Kohlenstoff und 0,1 bis 49,9 Atom% Chrom, Rest Wasserstoff, enthält.

2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschutzschicht neben Chrom noch weitere Metallanteile aufweist, vorzugsweise Titan, Niob, Wolfram, Tantal, mit einem Anteil < 30 Atom% in der Schicht.

3. Kolbenring nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschutzschicht neben Kohlenstoff noch weitere Nichtmetalle enthält, vorzugsweise Sauerstoff oder Stickstoff, mit einem Anteil < 30 Atom% in der Schicht.

4. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschutzschicht (3, 9) eine Härte HV von 1000 bis 2200 aufweist.

5. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschutzschicht (3, 9) mit einer Dicke von 5 bis 20 µm auf die Lauffläche (2, 5', 6') des Kolbenringes (1, 4) aufgebracht ist.

6. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lauffläche des Kolbenringes eine gehärtete Oberfläche aufweist, auf die die Verschleißschutzschicht (3, 9) aufgebracht ist.

7. Kolbenring nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche nitriert, verchromt oder durch thermisches Spritzen gehärtet ist.

8. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschutzschicht (3, 9) auf allen dem mittel- oder unmittelbaren Verschleiß ausgesetzten Flächenbereichen (2, 5', 6', 7, 8) des Kolbenringes (1, 4) aufgebracht ist.