DE102004032342A1

DE102004032342A1 - Verfahren zur Herstellung einer Kolbenringbeschichtung sowie Kolbenring

Info

Publication number: DE102004032342A1
Application number: DE200410032342
Authority: DE
Inventors: Christian Herbst-Dederichs; Manfred Dr. Fischer
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2004-07-03
Filing date: 2004-07-03
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2024-07-04
Also published as: DE102004032342B4

Abstract

Verfahren zur Erzeugung einer Beschichtung auf der äußeren Umfangsfläche eines Kolbenring-Grundkörpers, indem mindestens zwei unterschiedliche Schichten lagenweise dergestalt übereinander auf der Umfangsfläche aufgebaut werden, dass zunächst mindestens eine Unterschicht durch thermisches Spritzen auf der Umfangsfläche aufgebracht und anschließend mindestens eine durch Aufdampfen abgeschiedene Verschleißschutzschicht auf die thermische Spritzschicht aufgebracht wird, wobei der Übergangsbereich zwischen der Unterschicht und der darauf aufgebrachten Verschleißschutzschicht mit einer geringen Rauheit vorgesehen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Beschichtung auf der äußeren Umfangsfläche eines Kolbenring-Grundkörpers.

Der EP-B 0 759 519 ist ein Kolbenring für Verbrennungsmotoren zu entnehmen, der zumindest im Bereich einer seiner Flanken mit einer im Plasma-CVD-Verfahren aufgebrachten dotierten Hartkohlenstoffschicht beschichtet ist. Vorteilhafterweise ist der gesamte Kolbenring mit der Hartkohlenstoffschicht beschichtet, wobei die Oberfläche des Kolbenringes unterhalb der Beschichtung nitriert sein kann.

Durch die JP-A 62058050 ist ein Kolbenring bekannt geworden, der mit einer mehrlagigen Beschichtung versehen ist, wobei die dem Grundkörper zugewandte Schicht als superharte Schicht auf Basis von Ti(C,N), TiC, SiC oder Al₂O₃ mit einer Schichtdicke zwischen 5 und 15μm ausgebildet ist. Diese superharte Schicht soll durch das Plasma-CVD-Verfahren aufgebracht werden. Auf selbiger Schicht wird mit relativ geringer Schichtdicke (1 bis 5 μm) TiN abgeschieden.

Laufflächen von Kolbenringen unterliegen einem starken Verschleiß. Thermisch gespritzte Laufflächen auf Basis von Carbiden und anderen Hartstoffen stellen derzeit zwar eine gute aber für zukünftige Motorgenerationen eine nicht mehr ausreichende Verschleiß- und Brandspurfestigkeit dar. Die Brandspurgefährdung ist insbesondere im Einlaufbereich des Motors als hoch anzusehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Erzeugung einer Beschichtung auf der äußeren Umfangsfläche eines Kolbenring-Grundkörpers bereit zu stellen, durch welches eine Hybridbeschichtung gegeben ist, die für einen definierten Laufzeitraum besonders vorteilhafte Laufeigenschaften, wie insbesondere geringe Reibung, höchstmögliche Brandspurfestigkeit und geringst möglichen Verschleiß mit sich bringt. Insbesondere lange nach der Einlaufzeit des Motors soll eine sehr verschleißbeständige Beschichtung für eine lange Standzeit des Kolbenringes sorgen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Erzeugung einer Beschichtung auf der äußeren Umfangsfläche eines Kolbenring-Grundkörpers, indem mindestens zwei unterschiedliche Schichten lagenweise dergestalt übereinander auf der Umfangsfläche aufgebaut werden, dass zunächst mindestens eine Unterschicht durch thermisches Spritzen auf der Umfangsfläche aufgebracht und anschließend mindestens eine durch Aufdampfen abgeschiedene Verschleißschutzschicht auf die thermische Spritzschicht aufgebracht wird, wobei der Übergangsbereich zwischen der Unterschicht und der darauf aufgebrachten Verschleißschutzschicht mit einer geringen Rauheit vorgesehen wird.

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

Die Aufgabe wird auch gelöst durch einen Kolbenring, bestehend aus einem Grundkörper, auf dessen äußerer Umfangsfläche mindestens zwei unterschiedliche Schichten lagenweise übereinander aufgebaut sind, wobei die der äußeren Umfangsfläche zugewandte Unterschicht durch mindestens eine thermische Spritzschicht und die darauf aufgebrachte Schicht durch mindestens eine Aufdampfschicht gebildet ist, und wobei der Übergangsbereich zwischen der thermischen Spritzschicht und der Verschleißschutzschicht eine geringe Rauheit aufweist.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbenringes sind den zugehörigen gegenständlichen Unteransprüchen zu entnehmen.

Als Aufdampfverfahren können alle bekannten Verfahren zur Anwendung kommen, insbesondere sind dies die PVD- und CVD-Verfahren.

Auch wenn die gewählten Begriffe dem Fachmann bekannt sind, so werden sie im Folgen kurz wiedergegeben:

– PVD – Physical Vapour Deposition
– CVD – Chemical Vapour Deposition
– DLC – Diamond Like Carbon
– HVOF – High Velocity Oxygen Fuel

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine Laufflächenbeschichtung bereitgestellt, die eine hervorragende Brandspurfestigkeit, insbesondere in der Einlaufphase der Verbrennungskraftmaschine, aufweist und darüber hinaus sich durch eine eine hohe Langlebigkeit, auch unter stark abrasiven Bedingungen, auszeichnet.

Aus der Gruppe der thermischen Spritzschichten kommen bevorzugt solche nach dem HVOF-Verfahren erzeugten Schichten, mit oder ohne Haftschicht, beinhaltend Oxide, Carbide und/oder Boride, zum Einsatz.

Die Verschleißschutzschicht kann aus einem der Systeme TiNx oder CrNx bestehen, wobei x sowohl Metalloide wie zum Beispiel C, B oder O, als auch Hartstoffe bildende Elemente, wie z. B. Si, V, Nb, W, Al, Ta, usw., sein können. Die Verschleißschutzschicht kann bedarfsweise eine sogenannte DLC-Schicht sein und ebenfalls bedarfsweise selbsschmierende Elemente, wie zum Beispiel MoS₂, enthalten.

Besonders vorteilhaft wird ein Kolbenring mit einer vorwiegend aus Carbiden gebildeten HVOF-Schicht mit einer Schichtstärke zwischen 30 und 150 μm und einer darauf abgeschiedenen Verschleißschutzschicht aus dem System CrN mit einer Schichtstärke von 0,5 bis 10 μm angesehen, wobei die Rauheit des Übergangsbereiches zwischen den beiden Schichten Ra 0,1 μm, Rz 1 μm und R-max. 8 μm nicht übersteigen soll.

Der Kolbenringwerkstoff kann Gußeisen oder Stahl sein. Mit der gewählten Hybridbeschichtung sind besonders vorteilhaft Gußwerkstoffe verwendbar und Ringdesigns mit scharfer Kante möglich, indem die HVOF-Spritzschicht teilweise oder ganz in entsprechende, in der äußeren Umfangsfläche des Kolbenring-Grundkörpers vorgesehene Ausnehmungen eingelegt wird.

Die Verschleißschutzschicht kann durch alle vorteilhaften Schichtvarianten dargestellt werden, zum Beispiel DLC (sehr reibungsarm, lässt sich jedoch nicht über 5 μm abscheiden), TiN (sehr verschleißbeständig, lässt sich aber nicht über 10 μm Dicke abscheiden), CrN und so weiter. Dies ist möglich, da lange nach der Einlaufphase des Kolbenringes eine sehr verschleißbeständige HVOF-Carbidschicht die Last im Betriebszustand übernimmt.

Wie bereits angesprochen sind kombinierte Aufdampf-HVOF-Hybridbeschichtungen vorteilhaft auf Gußwerkstoffen erzeugbar. Zusammen mit der geringen notwendigen Schichtdicke für die Verschleißschutzschicht ergibt sich ein Kostenvorteil gegenüber einer herkömmlichen 50 μm dicken PVD-Schicht auf nitrierten Stahlwerkstoffen.

Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben:
Die einzige Figur zeigt einen Kolbenring-Grundkörper 1, der in diesem Beispiel aus Gußeisen bestehen soll. Der Kolbenring-Grundkörper 1 beinhaltet Flanken 2, 3, eine die Lauffläche bildende äußere Umfangsfläche 4 sowie eine innere Umfangsfläche 5. Im Bereich der äußeren Umfangsfläche 4 sind in diesem Beispiel zwei unterschiedliche Schichten 6, 7 lagenweise übereinander aufgebaut. Die Unterschicht 6 wird gebildet durch eine thermische Spritzschicht, die in diesem Beispiel eine nach dem HVOF-Verfahren aufgebrachte Schicht mit überwiegendem Anteil an Carbiden ist, deren Schichtstärke 80 μm beträgt.
Auf diese HVOF-Spritzschicht 6 wird eine nach dem PVD-Verfahren aufgebrachte Verschleißschutzschicht 7 aufgebracht, die in diesem Beispiel aus dem System CrN stammt und eine Schichtdicke von 10 μm aufweist.
Mit dem Bezugszeichen 8 ist der Übergangsbereich zwischen der thermischen Spritzschicht 6 und der Verschleißschutzschicht 7 gemeint, die eine sehr geringe Rauheit, in diesem Beispiel Ra < 0,1 μm, Rz < 1 μm und R max. < 8 μm, aufweist.
Dieses Beispiel stellt eine von vielen möglichen unter den Schutzbereich fallenden Varianten dar, wobei es ebenfalls möglich ist, den Kolbenring-Grundkörper 1 aus Stahl herzustellen. Ebenfalls denkbar ist, in die äußere Umfangsfläche 4 Ausnehmungen einzuarbeiten und die thermische Spritzschicht 6 darin teilweise oder ganz einzulegen. Als Alternative für die PVD-Schicht 7 kann ebenfalls eine CVD-Schicht auf der thermischen Spritzschicht 6 vorgesehen werden.

Claims

Verfahren zur Erzeugung einer Beschichtung auf der äußeren Umfangsfläche (4) eines Kolbenring-Grundkörpers (1), indem mindestens zwei unterschiedliche Schichten (6,7) lagenweise dergestalt übereinander auf der Umfangsfläche (4) aufgebaut werden, dass zunächst mindestens eine Unterschicht (6) durch thermisches Spritzen auf der Umfangsfläche (4) aufgebracht und anschließend mindestens eine durch Aufdampfen abgeschiedene Verschleißschutzschicht (7) auf die thermische Spritzschicht (6) aufgebracht wird, wobei der Übergangsbereich (8) zwischen der Unterschicht (6) und der darauf aufgebrachten Verschleißschutzschicht (7) mit einer geringen Rauheit vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Spritzschicht (6) durch den Einsatz der HVOF-Technik erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Spritzschicht (6) mit einer Schichtdicke zwischen 30 und 150 μm ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (7) durch das PVD-Verfahren erzeugt und mit einer Schichtdicke zwischen 0,5 und 20 μm ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauheit im Übergangsbereich (8) zwischen den beiden Schichten (6, 7) Ra < 0,5 μm, Rz < 2 μm ist und Rmax. 10 μm nicht übersteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauheit im Übergangsbereich (8) zwischen den beiden Schichten (6, 7) Ra < 0,1 μm, Rz < 1 μm ist und Rmax. 8 μm nicht übersteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenring-Grundkörper (1) aus Gußeisen oder Stahl hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Spritzschicht (6) zumindest teilweise in mindestens einer in der Umfangsfläche (4) vorgesehenen Ausnehmung eingelegt wird, wobei die Verschleißschutzschicht (7) auf den Kolbenringstegen unmittelbar auf dem Material des Kolbenring-Grundkörpers (1) aufgebracht wird.
Kolbenring, bestehend aus einem Grundkörper (1), auf dessen äußerer Umfangsfläche (4) mindestens zwei unterschiedliche Schichten (6, 7) lagenweise übereinander aufgebaut sind, wobei die der äußeren Umfangsfläche (4) zugewandte Unterschicht (6) durch mindestens eine thermische Spritzschicht und die darauf aufgebrachte Schicht (7) durch mindestens eine Aufdampfschicht gebildet ist, und wobei der Übergangsbereich (8) zwischen der thermischen Spritzschicht (6) und der Verschleißschutzschicht (7) eine geringe Rauheit aufweist.
Kolbenring nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Spritzschicht (6) als HVOF-Schicht, beinhaltend Oxide, Carbide, Nitride und/oder Boride, ausgebildet ist.
Kolbenring nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die HVOF-Schicht (6) mit einer Haftschicht versehen ist.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (7) eine PVD-Schicht ist und aus einem der Systeme TiNx oder CrNx besteht, wobei x Metalloide, insbesondere C, B oder O beinhaltet.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (7) eine PVD-Schicht ist und aus einem der Systeme TiNx oder CrNx besteht, wobei x hartstoffbildende Elemente, insbesondere Si, V, Nb, W, Al oder Ta beinhaltet.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (7) durch eine DLC-Schicht gebildet ist.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (7) selbstschmierende Elemente, indbesondere MoS₂, enthält.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Verschleißschutzschicht (7) < 25 μm ausgebildet ist.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Spritzschicht (6) eine HVOF-Schicht mit überwiegendem Anteil an Carbiden ist, deren Schichtstärke zwischen 30 und 150 μm beträgt, und dass die darauf abgeschiedene Verschleißschutzschicht (7) aus dem System CrN gebildet ist, deren Schichtdicke zwischen 0,5 und 20 μm beträgt.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauheit des Übergangsbereiches (8) geringer als Ra 0,5 μm, Rz 3 μm und Rmax. < 10 μm ist.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauheit des Übergangsbereiches (8) geringer als Ra 0,25 μm, Rz 1,5 μm und Rmax. < 8 μm ist.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Kolbenring-Grundkörpers (1) Gußeisen oder Stahl ist.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 9 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Spritzschicht (6) in mindestens einer in der äußeren Umfangsfläche (4) des Kolbenring-Grundkörpers (1) vorgesehenen Ausnehmung zumindest teilweise eingelegt ist, wobei die Verschleißschutzschicht (7) an den Kolbenringstegen unmittelbar auf dem Material des Kolbenring-Grundkörpers (1) aufliegt.