DE102004028486A1

DE102004028486A1 - Gleitbauteil

Info

Publication number: DE102004028486A1
Application number: DE200410028486
Authority: DE
Inventors: Kurt Dr. Maier
Original assignee: Mahle GmbH
Current assignee: Mahle GmbH
Priority date: 2004-06-11
Filing date: 2004-06-11
Publication date: 2005-12-29
Also published as: WO2005121403A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitbauteil mit einer Beschichtung aus Chromnitrid und metallischem Chrom, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus mehreren Einzellagen besteht, wobei die Einzellagen abwechselnd aus Chrom bzw. Chromnitrid bestehen. Das erfindungsgemäße Gleitbauteil zeichnet sich durch verbesserte Laufeigenschaften, insbesondere bezüglich Verschleißbeständigkeit, aus. Das erfindungsgemäße Gleitbauteil kann daher besonders bevorzugt in Form von Kolbenringen, beispielsweise als Verdichtungsringe oder Ölringe, für Verbrennungsmotoren verwirklicht werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitbauteil mit einer Beschichtung aus Chromnitrid und metallischem Chrom.

Gleitelemente werden dort eingesetzt, wo Bauteile gegeneinander reiben, insbesondere in Maschinen und Motoren aller Art, beispielsweise in Kraftfahrzeugmotoren. Die Reib- oder Laufflächen müssen somit gute Gleiteigenschaften aufweisen. Derartige Gleitelemente werden daher in der Regel einer Oberflächenbehandlung unterzogen, so dass eine Beschichtung mit den gewünschten Gleiteigenschaften gebildet wird.

Gattungsgemäße Gleitelemente mit Chrom und Stickstoff enthaltenden Beschichtungen sind bekannt. Die DE 196 30 149 A1 offenbart einen Chromnitridfilm, in welchem die Hauptphasen oder Zusammensetzungen CrN und Cr₂N sind, wobei eine metallische Chromstruktur in diesem Film verteilt ist. Der Chromnitridfilm wird mittels Reaktions-Ionenplattieren hergestellt, wobei die Gasphase aus einer Mischung aus Chrom und Stickstoff besteht. Die aus Tröpfchen mit einer Größe von 0,2 bis 5 um gebildete metallische Chromstruktur verleiht dem Film eine größere Zähigkeit.

Die EP 0 927 839 A2 offenbart einen Ölring mit einer Beschichtung aus einer Mischung von CrN und Cr₂N oder CrN, Cr₂N und Chrom. Diese Beschichtung wird mittels Ionenplattierung hergestellt und zeichnet sich durch eine große Vickers-Härte aus.

Die JP 62 120 471 A beschreibt einen Kolbenring mit einer Beschichtung aus metallischem Chrom und Chromnitrid, die ebenfalls mittels Reaktions-Ionenplattierung hergestellt wird.

Bei modernen Verbrennungsmotoren sind die Anforderungen an die Laufeigenschaften jedoch ständig gestiegen. Hierzu zählen beispielsweise die Brandspurfestigkeit, die Verschleißbeständigkeit, eine erhöhte thermische Belastbarkeit und eine reduzierte Rissneigung. Ferner soll der Verschleiß am Gegenelement weiter reduziert werden. Dies gilt insbesondere für die Laufflächen von Kolbenringen bzw. von Zylindern als deren Gegenelement.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Gleitbauteil der oben genannten Art bereit zu stellen, welches verbesserte Laufeigenschaften zeigt.

Die Lösung besteht in einem Gleitbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Beschichtung aus mehreren Einzellagen besteht, wobei die Einzellagen abwechselnd aus Chrom bzw. Chromnitrid bestehen. Das erfindungsgemäße Gleitbauteil weist also eine Cr/CrN-Multilayer-Beschichtung auf.

Das erfindungsgemäße Gleitbauteil zeichnet sich durch verbesserte Laufeigenschaften gegenüber dem Stand der Technik aus. Dies betrifft insbesondere eine verringerte Verschleißneigung, sowohl am Gleitelement, als auch am Gegenelement. Die thermische Belastbarkeit ist höher und die Rissneigung geringer als bei bisher bekannten Gleitbauteilen.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Vorzugsweise ist die erste auf das Gleitbauteil aufgebrachte Einzellage eine Chromschicht. Dadurch wird die Haftung der Beschichtung auf dem Gleitbauteil verbessert. Als oberste Schicht wird vorzugsweise eine Chromnitrid-Einzellage gewählt.

Die Chromnitrid-Schichten können aus CrN, Cr₂N oder Mischungen hieraus bestehen. Da der Stickstoffgehalt der Schicht über den Partialdruck in der PVD-Beschichtungskammer steuerbar ist, wird zur Vermeidung schroffer Übergänge in den Materialeigenschaften an den Grenzflächen zwischen einer Chrom-Einzellage und Chromnitrid-Einzellage der Stickstoffpartialdruck nur allmählich geändert. Dadurch erhalten die Chromnitid-Einzellagen jeweils beiderseits einen Saum aus Cr₂N und einen Kern aus CrN. Auf diese Weise können die Laufeigenschaften der einzelnen Schichten, insbesondere Härte und Zähigkeit, variiert werden.

Jede Einzellage ist mindestens 0,01 μm dick ist. Die maximale Dicke beträgt vorzugsweise 10 μm. Die Chrom-Einzellagen sollten dabei dünner als die Chromnitrid-Einzellagen ausgebildet sein, da andernfalls die Brandspursicherheit des gesamten Schichtsystems beeinträchtigt werden würde. Die Gesamtdicke der Beschichtung sollte etwa 5 bis 100 μm, vorzugsweise etwa 20 bis 40 μm betragen. Die Laufeigenschaften zu dünner Schichten können sich durch Verschleiß verschlechtern, während zu dicke Schichten dazu neigen, vom Gleitbauteil abzusplittern.

Die Beschichtung eines erfindungsgemäßen Gleitbauteils besteht vorzugsweise aus mindestens 4 Einzellagen und kann bis zu 400 Einzellagen umfassen. Mit mindestens 4 Einzellagen können die Laufeigenschaften der Beschichtung schon sehr gut optimiert werden, während mit zunehmender Zahl der Einzellagen die Laufeigenschaften in immer geringerem Maße beeinflusst werden. Zudem kann eine sehr große Zahl von Einzellagen die Schichtdicke soweit erhöhen, dass die Beschichtung vom Gleitbauteil absplittern kann. Optimal ist ein Bereich zwischen 50 und 200 Einzellagen.

Die Beschichtung ist mittels PVD-Verfahren, vorzugsweise mittels ReaktionsIonenplattierung, aufgebracht. PVD-Verfahren sind im Stand der Technik schon lange bekannt und beispielsweise in der DE 196 30 149 A1 ausführlich beschrieben.

Das erfindungsgemäße Gleitbauteil besteht vorzugsweise aus Gusseisen oder Stahl und kann beispielsweise ein Zylinder oder ein Kolbenring, beispielsweise ein Verdichtungsring oder ein Ölring, für einen Verbrennungsmotor sein. Besteht das Gleitbauteil aus einem nitriertem Stahl, kann dieser auch in der oberflächennahen Randzone nitriert sein. Das dadurch entstandene ε-Eisennitrid muss durch Schleifen entfernt werden, bevor die erste Chrom-Einzellage auf das Gleitbauteil aufgebracht wird, da andernfalls Haftfestigkeitsprobleme auftreten.

Das erfindungsgemäße Gleitbauteil kann komplett mit der Beschichtung versehen sein. Es genügt unter Umständen aber, wenn nur die Reib- oder Lauffläche mit der Beschichtung versehen ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden näher erläutert.
Vor der Beschichtung wird das Gleitbauteil intensiv gereinigt, z.B. in einer an sich bekannten mehrstufigen Reinigungsanlage unter Verwendung wässriger Reiniger, deren Reinigungskontrolle nach der DE 102 09 466 A1 erfolgt. Der Reinigung schließt sich ein Spülen mit vollentsalztem Wasser und ein vollständiges Trocknen an. Die sich unmittelbar anschließende Beschichtung des Gleitbauteils erfolgt nach dem bereits benannten PVD-Verfahren beginnend mit einer Chrom-Einzellage als erste Schicht auf dem Gleitbauteil. Im Ausführungsbeispiel ist eine Schicht, bestehend aus 90 Einzellagen bei einer Gesamtschichtdicke von bevorzugt ca. 30 μm realisiert. Die Schichtdicke der Chrom-Einzellage beträgt dabei jeweils 0,1 μm, die Dicke der Chromnitrid-Einzellagen jeweils 0,6 μm, wobei jede Chromnitrid-Einzellage aus einem 0,5 μm dickem Kern aus CrN und beidseitig einem 0,05 μm dicken Saum aus Cr₂N besteht. Zur Herstellung der 90 Einzellagen wurden folgende Parameter verwendet: Chrom-Einzellagen:

Stickstoff-Partialdruck 0

Argon-Partialdruck 0,012 mbar

Targets Cr, 3 Stück

Target-Strom 3·180 A

Substrattemperatur 425°C

Beschichtungszeit 1 : 45 min

Chromnitrid-Einzellagen:

Stickstoff-Partialdruck 0,08 mbar

Argon-Partialdruck 0

Targests Cr, 3 Stück

Target-Strom 3·200 A

Substrattemperatur 425°C

Beschichtungszeit 5 : 30 min
Zur Ermittlung des Gleitverschleißes des derart beschichteten Gleitbauteils wurde ein reversierender Verschleißtest durchgeführt.
Verschleißtest
Es wurde ein reversierender Gleitverschleißtest durchgeführt. Dabei wird ein Segment aus einem Kolbenring, beschichtet auf der äußeren Umfangsfläche, gegen ein Segment aus einem Graugußzylinder gleichen Durchmessers gedrückt und dann in Axialrichtung oszillierend hin- und herbewegt. Es wird die Bewegung eines Kolbenrings in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors nachgestellt.
Die Testparameter waren:
Nenndurchmesser von Zylinder und Kolbenring: 130 mm

Hub: 4 mm

max. Gleitgeschwindigkeit: 1,3 m/min

Frequenz: 5 Hz

Flächenpressung: 60 N/mm²

Temperatur: Raumtemperatur

Schmierung: 1 Tropfen Motoröl / 2 h

Testdauer: 12 h
Die Auswertung erfolgte durch Bestimmung der Verschleißtiefe. Als Vergleichsbeispiel diente ein Kolbenring mit Monolayer-CrN-Beschichtung nach dem Stand der Technik. Es wurden mehrere Tests gefahren und die Einzelergebnisse zu Mittelwerten zusammengefaßt:
Die mitgemessenen Reibungskoeffizienten lagen in beiden Fällen bei 0,11 bis 0,13.
Das erfindungsgemäße Gleitbauteil, insbesondere Kolbenring für Verbrennungsmotoren, welches zumindest auf seiner Reib- oder Lauffläche mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung versehen ist, zeichnet sich durch eine gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbesserte Verschleißbeständigkeit aus.

Claims

Gleitbauteil mit einer Beschichtung aus Chromnitrid und metallischem Chrom, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus mehreren Einzellagen besteht, wobei die Einzellagen abwechselnd aus Chrom bzw. Chromnitrid bestehen,
Gleitbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste auf das Gleitbauteil aufgebrachte Schicht eine Chromschicht ist.
Gleitbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Chromnitrid-Schichten aus CrN, Cr₂N oder Mischungen hieraus bestehen.
Gleitbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einzellage mindestens 0,01 μm dick ist.
Gleitbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einzellage bis zu 10 μm dick ist.
Gleitbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus mindestens vier Einzellagen besteht.
Gleitbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus bis zu 400 Einzellagen besteht.
Gleitbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Beschichtung 5 bis 100 μm, vorzugsweise 20 bis 40 μm, beträgt.
Gleitbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mittels PVD-Verfahren, vorzugsweise mittels Reaktions-Ionenplattierung, aufgebracht ist.
Gleitbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Reibfläche mit der Beschichtung versehen ist.
Gleitbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es aus Gusseisen oder Stahl ist.
Gleitbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Zylinder oder ein Kolbenring, beispielsweise ein Verdichtungsring oder ein Ölring, für einen Verbrennungsmotor ist.