DE102007027245B4

DE102007027245B4 - Kolbenring

Info

Publication number: DE102007027245B4
Application number: DE102007027245.8A
Authority: DE
Inventors: Steffen Hoppe; Dr. Fischer Manfred; Dr. Bauer Christiane; Ralf Lammers
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2007-06-13
Filing date: 2007-06-13
Publication date: 2018-08-30
Anticipated expiration: 2027-06-14
Also published as: JP2010529389A; DE102007027245A1; US8273469B2; WO2008152104A1; US20100171272A1

Abstract

Kolbenring mit einem Trägermaterial und mit einer Verschleißschutzbeschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzbeschichtung aus einem mittels eines reaktiven Lichtbogen-Verfahrens aufgebrachten Dreistoffsystem A-B-N mit N gleich Stickstoff besteht
- mit A und B jeweils ein Element aus der Gruppe Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W, Al, Si mit A ≠ B, oder
- mit A = V und B = Hf, Nb, Ta, Al, Si, C oder
- mit A = C mit B = Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W, Al, Si
und
dass die Dicke der Verschleißschutzbeschichtung ≥ 3 µm beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolbenring gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Kolbenringe werden mit Verschleißschutzschichten an der Lauffläche und/oder an den Ringflanschen versehen, um die geforderte Lebensdauer erfüllen zu können. Höhere Zylinderdrücke, Direkteinspritzungen, Abgasrückführung und andere Konstruktionsmerkmale neuer Motorenentwicklungen wie alternative Zylinderwerkstoffe aber auch die Minimierung des Ölverbrauchs belasten die Kolbenringe zunehmend.
Verschleißschutzschichten werden mittels thermischer Spritzverfahren, galvanischer Verfahren oder Dünnschichttechnologien aufgebracht und gegebenenfalls durch Wärmebehandlung und Diffusionsprozesse bearbeitet. Die Schichten werden in der Regel weitgehend homogen und somit unstrukturiert aufgebracht. Die Verschleißbeständigkeit wird durch entsprechende Härte des Materials eingestellt.
Alle Erscheinungsformen, die auf thermische Überbeanspruchung an der Kolbenringfläche hinweisen, werden typischerweise unter dem Begriff Brandspuren zusammengefasst.
Aus der DE 199 31 829 A1 ist eine galvanische Hartchromschicht bekannt, die Risse aufweist, in die Diamantpartikel mit einer Größe von 0,25 bis 0,5 µm eingelagert sind. Zusätzlich können noch weitere Hartstoffpartikel aus Wolframcarbid, Chromcarbid, Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Borcarbid oder Bornitrid in die Risse eingelagert sein.
Beim Auftreten hoher Temperaturen wandeln sich die Diamantpartikel in Graphit um, der dann Schmieraufgaben übernimmt und damit die Brandspurbildung verhindert. Somit besitzt diese Schicht auch noch sehr gute Notlaufeigenschaften, insbesondere aufgrund der Umwandlung von Diamant zu Graphit bei Temperaturen von ca. 700°C oder höher.
Um das Brandspurverhalten von Kolbenringen weiter zu verbessern, werden bisher typischerweise Schichten aus Materialien eingesetzt, die sehr hohe Schmelzpunkte haben und für deren thermische Überbeanspruchung folglich hohe Temperaturen erforderlich sind. Ein typisches Beispiel dafür ist mittels PVD-Verfahren aufgebrachtes Chromnitrid mit einer Zersetzungstemperatur von ca. 2000 K.
Um die Brandspurfestigkeit und die Verschleißbeständigkeit zu verbessern, wird in der DE 10 2004 028 486 A1 eine Beschichtung aus mehreren Einzellagen vorgeschlagen, die abwechselnd aus Chrom und Chromnitrid bestehen. Die Chromnitridschichten können aus CrN, Cr2N oder Mischungen hieraus bestehen. Zur Vermeidung schroffer Übergänge wird das Beschichtungsverfahren so gesteuert, dass die Chromnitrid-Einzellagen jeweils beiderseits einen Saum aus Cr2N und einem Kern aus CrN aufweisen. Jede Einzellage ist mindestens 0,01 µm dick. Die maximale Dicke beträgt 10 µm. Die Gesamtdicke der Beschichtung wird mit 5 bis 100 µm angegeben.
Die US 5,549,086 A offenbart Kolbenringbeschichtungen aus TiN und CrN.
Die DE 10 2004 032 403 B3 beschreibt Kolbenringe, die auf einer Chromhaftschicht eine CrN-Gradientenschicht mit einem nach außen hin zunehmenden Stickstoffgehalt aufweisen.
Aus der JP 2005-060810 A sind Kolbenringe für Verbrennungskraftmaschinen bekannt, die mit einem Viellagenschichtsystem versehen sind, deren Einzellagen dieselbe metallische Komponente aufweisen und sich lediglich im Stickstoffgehalt unterscheiden. Die Schichtdicken der Einzellagen werden mit < 1 µm angegeben. Die Schichten werden mittels eines PVD-Verfahrens, insbesondere eines Lichtbogenverfahrens, aufgebracht.
Die Brandspurfestigkeit der bekannten Schichten ist jedoch nicht zufriedenstellend.
Lamni et al. J. VrC. Technol. A23 (4), 2005 Seite 593 ff beschreibt die Mikrostrukturen und die Nanohärte von Schichten aus den Dreistoffsystemen Zr-Al-N und Zr-Cr-N. Die Schichten werden mittels Magnetron-Sputtern aufgebracht und weisen eine Dicke von 1µm auf. Für das Dreistoffsystem Zr_1-xCr_xN wurde im Bereich 0 ≤ x ≤ 0,48 keine Veränderung der Nanohärte festgestellt.
Die JP H08-184375 A offenbart einen Kolbenring, der mit einer CrMoN-Beschichtung der Dicke 1-15 µm versehen ist, die mittels eines PVD-Verfahrens aufgebracht wird.
Die US 5,601,293 A offenbart ähnliche CrMoN-Schichten auf Kolbenringen mit einer Dicke von 5-80 µm.
In der GB 2257771 A werden Beschichtungen aus TiCN und CrCN beschrieben, die mittels eines PVD-Verfahrens auf Kolbenringen aufgebracht werden.
Die WO 2003/070999 A1 offenbart einen Kolbenring für eine Verbrennungskraftmaschine aus einem Eisenbasiswerkstoff, mit einer zumindest im Bereich der Lauffläche vorgesehenen Verschleißschutzschicht, die nach dem PVD-Verfahren aufgebracht ist und die im Wesentlichen aus Chrom-Nitrid gebildet ist, wobei in die Verschleißschutzschicht Nitride eingelagert sind, die aus den Elementen Aluminium und/oder Silizium und/oder Zirkonium gebildet sind, und wobei die Schichtdicke max. 70 µm, insbesondere 5-50 µm, beträgt.
Die JP 2002-256967 A beschreibt V-M-N-Schichten auf Kolbenringen, wobei M aus den Elementen der Gruppe Ti, Cr, Zr, Mo und W besteht.
Die JP H06-330348 A offenbart Cr-M-N-Schichten auf Gleitelementen, wobei M ein Element aus der Gruppe Ti, V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W und Al ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Kolbenring mit einer Verschleißschutzbeschichtung anzugeben, der eine große Verschleißbeständigkeit aufweist.
Die Aufgabe wird mit einem Kolbenring gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Verschleißschutzbeschichtung aus einem mittels eines reaktiven LichtbogenVerfahrens aufgebrachten Dreistoffsystem A-B-N mit N gleich Stickstoff besteht mit A und B jeweils ein Element aus der Gruppe Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W, Al, Si mit A ≠ B, oder
mit A = V und B = Hf, Nb, Ta, Al, Si, C oder
mit A = C mit B = Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W, Al, Si
und
dass die Dicke der Verschleißschutzbeschichtung ≥ 3 µm beträgt.
Es hat sich gezeigt, dass gegenüber Zweistoffsystemen A-N, wie z. B. CrN, durch die Anwesenheit eines weiteren Elementes aus der Gruppe B die Härte in einem weiten Bereich auf einfache Weise eingestellt werden kann. Es wird dadurch möglich, für die jeweils gewünschte Anwendung im Motor die erforderliche Härte optimal einzustellen.
Beim Lichtbogenverdampfen (Arc-PVD, arc evaporation) werden Atome und Ionen durch einen starken Strom, der bei einer elektrischen Entladung zwischen zwei Elektroden fließt, aus dem Ausgangsmaterial herausgelöst und in die Gasphase überführt.
Vorzugsweise liegt die Dicke der Verschleißschutzbeschichtung bei 5 bis 60 µm, insbesondere bei 5 bis 15 µm und 25 bis 35 µm.
Vorzugsweise beträgt die Dicke der Verschleißschutzbeschichtung 3 bis 4 µm, insbesondere 3,2 bis 3,7 µm bzw. 5 bis 7 µm, insbesondere bei 5,7 bis 6,5 µm sowie 10 bis 14 µm, insbesondere 11 bis 13 µm.
Die Verschleißschutzbeschichtung ist mittels eines reaktiven Lichtbogenverfahrens (Arc-PVD) aufgebracht. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass im Gegensatz zu den Sputterverfahren eine größere Grundhärte eingestellt werden kann. Dies ist auf die unterschiedliche Gefügestruktur der aufgebrachten Verschleißschutzbeschichtung zurückzuführen.
Wenn von Dreistoffsystemen die Rede ist, ist zu berücksichtigen, dass eventuell noch geringfügige Mengen Sauerstoff sowie weitere Verunreinigungen in dem Dreistoffsystem enthalten sind. Die Größenordnung des Sauerstoffanteils liegt bei bis zu 5 at%.
Des Weiteren ist es möglich, anhand der Zusammensetzung der PVD-Schichten das Verschleißverhalten der PVD-Schicht und der Zylinderlauffläche in teilweise sehr weiten Bereichen einzustellen. Eine der wichtigsten Eigenschaften des Kolbenringes, die Verschleißbeständigkeit der Lauffläche, kann mit Hilfe dieser neuartigen Schichten optimiert und eingestellt werden. Es ist nun möglich, sogar in Nuancen den Verschleiß von Kolbenring und der Zylinderlauffläche entsprechend den Anforderungen einzustellen. Zum Beispiel wird im Bereich der Großkolbenringe ein geringerer Verschleiß der Zylinderlauffläche gefordert, so dass bei der Wartung nur der Ring auszutauschen ist anstatt der teuren und sehr aufwendig zu ersetzenden Zylinderlaufbuchse. Dagegen wird im Bereich der Pkw-Motoren erwartet, dass das Paar Kolbenring / Zylinderlauffläche insgesamt auch nach hohen Laufleistungen noch minimalen Verschleiß und damit gute Abgaskennwerte aufzeigt.

Claims

Kolbenring mit einem Trägermaterial und mit einer Verschleißschutzbeschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzbeschichtung aus einem mittels eines reaktiven Lichtbogen-Verfahrens aufgebrachten Dreistoffsystem A-B-N mit N gleich Stickstoff besteht - mit A und B jeweils ein Element aus der Gruppe Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W, Al, Si mit A ≠ B, oder - mit A = V und B = Hf, Nb, Ta, Al, Si, C oder - mit A = C mit B = Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W, Al, Si und dass die Dicke der Verschleißschutzbeschichtung ≥ 3 µm beträgt.
Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Verschleißschutzbeschichtung 5 bis 60 µm beträgt.
Kolbenring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Verschleißschutzbeschichtung 5 bis 15 µm beträgt.
Kolbenring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Verschleißschutzbeschichtung 25 bis 35 µm beträgt.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial aus Stahl oder einem Gusswerkstoff besteht.