DE102007038188B4 - Wear-resistant coated piston ring and method for its production - Google Patents

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Abstract

Verschleißfest beschichteter Kolbenring, mit einer Oberfläche, umfassendeine auf die Oberfläche aufgebrachte strukturierte Hartchromschicht,erhältlich nach einem Verfahren, bei dem Chrom aus einem Elektrolyten auf einem Kolbenring abgeschieden wird, wobei der Elektrolyt(a) eine Cr(VI)-Verbindung in einer Menge, die 50 g/l bis 600 g/l Chromsäureanhydrid entspricht,(b) 0,5 g/l bis 10 g/l Schwefelsäure, und(c) 1 g/l bis 20 g/l aliphatische Sulfonsäure mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen enthält und wobei mit einer kathodischen Stromausbeute von 12% oder weniger gearbeitet wird,eine auf der strukturierten Hartchromschicht aufgebrachte Chrom-Feststoffpartikel-Schicht und eine darauf aufgebrachte PVD- oder CVD-Schicht.A wear resistant coated piston ring having a surface comprising a structured hard chrome layer applied to the surface obtainable by a method of depositing chromium from an electrolyte on a piston ring, the electrolyte comprising (a) a Cr (VI) compound in an amount, corresponding to 50 g / l to 600 g / l of chromic anhydride, (b) 0.5 g / l to 10 g / l of sulfuric acid, and (c) 1 g / l to 20 g / l of aliphatic sulfonic acid having 1 to 6 carbon atoms and operating with a cathodic current efficiency of 12% or less, a chromium solid particle layer deposited on the patterned hard chromium layer and a PVD or CVD layer deposited thereon.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenring, auf dessen Oberfläche eine strukturierte Hartchromschicht, eine Chrom-Feststoffpartikel-Schicht und darüber eine PVD- oder CVD-Schicht aufgebracht ist und ein Verfahren zu dessen Herstellung.The invention relates to a piston ring, on the surface of which a structured hard chrome layer, a chromium solid particle layer and above a PVD or CVD layer is applied and a method for its production.

Kolbenringe, die mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, müssen hoch verschleißbeständige Oberflächen aufweisen. Zur Erzielung einer hohen Verschleißbeständigkeit können Kolbenringe, insbesondere deren Laufflächen, mit Verschleißschutzschichten in Form von elektrolytisch abgeschiedenen Hartchromschichten überzogen werden, da sich solche Hartchromschichten durch eine hohe Härte und damit eine hohe Verschleißbeständigkeit auszeichnen.Piston rings that are exposed to mechanical stress must have highly wear-resistant surfaces. To achieve a high level of wear resistance, piston rings, in particular their running surfaces, can be coated with wear protection layers in the form of electrodeposited hard chrome layers, since such hard chrome layers are characterized by high hardness and thus high wear resistance.

Im Stand der Technik bekannte Ausgestaltungen einer Hartchromschicht zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften sind in der WO 2004/ 050 960 A1 sowie der DE 10 2004 019 370 A1 beschrieben, wobei durch die Zusammensetzung des bei der Herstellung verwendeten Elektrolyten und die geringe Stromausbeute unterhalb von 12% als besondere Verfahrensmaßnahme eine hoch verschleißbeständige Hartchromschicht erhältlich ist, deren Struktur näpfchenförmig und/oder labyrinthartig und/oder säulenförmig ist.Known in the prior art embodiments of a hard chrome layer to improve the physical properties are described in WO 2004/050 960 A1 and the DE 10 2004 019 370 A1 As a special process measure, the composition of the electrolyte used in the production and the low current efficiency of less than 12% make it possible to obtain a highly wear-resistant hard chromium layer whose structure is cup-shaped and / or labyrinth-like and / or columnar.

Zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften von elektrolytisch abgeschiedenen Hartchromschichten ist es ferner bekannt, Feststoffpartikel in die Hartchromschichten einzulagern.To improve the physical properties of electrodeposited hard chrome layers, it is also known to store solid particles in the hard chrome layers.

In der EP 0 217 126 B1 sind galvanische Hartchromschichten beschrieben, die ein durch die Schichtdicke sich erstreckendes Rissnetzwerk aufweisen und in deren Risse Feststoffpartikel eingelagert sind.In the EP 0 217 126 B1 galvanic hard chrome layers are described, which have a crack network extending through the layer thickness and in whose cracks solid particles are embedded.

Besonders vorteilhafte physikalische Eigenschaften lassen sich durch in die Risse einer elektrolytisch abgeschiedenen Hartchromschicht eingelagerte Diamantpartikel mit einer Größe im Bereich von 0,25 bis 0,4 µm erreichen, wie in der WO 0 104 386 A1 und der EP 1 114 209 B1 beschrieben.Particularly advantageous physical properties can be achieved by diamond particles embedded in the cracks of an electrodeposited hard chrome layer and having a size in the range from 0.25 to 0.4 μm, as in US Pat WO 0 104 386 A1 and the EP 1 114 209 B1 described.

Bei Maschinenteilen, die neben einem Verschleiß durch Reibung auch hohen Temperaturen ausgesetzt sind, beispielsweise Kolbenringen oder Zylindern von Verbrennungsmotoren, ist neben der hohen Verschleißbeständigkeit auch eine hohe Brandspurfestigkeit wünschenswert. Die im oben genannten Stand der Technik beschriebenen Chrom-Feststoffpartikel-Schichten, Chrom-Diamant-Schichten und strukturierten Hartchromschichten weisen hohe Verschleißbeständigkeiten auf, die Brandspurfestigkeit dieser Beschichtungen ist jedoch noch verbesserungsbedürftig.For machine parts which are exposed to high temperatures as well as wear due to friction, for example piston rings or cylinders of internal combustion engines, a high resistance to burn marks is desirable in addition to high wear resistance. The chromium solid particle layers, chromium-diamond layers and structured hard chrome layers described in the abovementioned prior art have high wear resistance, but the fire-barrier strength of these coatings still needs to be improved.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolbenring mit einer hoch verschleißbeständigen und hoch brandspurfesten Beschichtung und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen.The present invention is therefore based on the object to provide a piston ring with a highly wear-resistant and highly fire-resistant coating and a method for its preparation.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen verschleißfest beschichteten Kolbenring, mit einer Oberfläche, umfassend
eine auf die Oberfläche aufgebrachte strukturierte Hartchromschicht,
erhältlich nach einem Verfahren, bei dem Chrom aus einem Elektrolyten auf einen Kolbenring abgeschieden wird, wobei der Elektrolyt

  • (a) eine Cr(VI)-Verbindung in einer Menge, die 50 g/l bis 600 g/l Chromsäureanhydrid entspricht,
  • (b) 0,5 g/l bis 10 g/l Schwefelsäure, und
  • (c) 1 g/l bis 20 g/l aliphatische Sulfonsäure mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen enthält und wobei mit einer kathodischen Stromausbeute von 12% oder weniger gearbeitet wird,
eine auf der strukturierten Hartchromschicht aufgebrachte Chrom-Feststoffpartikel-Schicht und eine darauf aufgebrachte PVD- oder CVD-Schicht.According to the invention, this object is achieved by a wear-resistant coated piston ring, comprising a surface
a structured hard chrome layer applied to the surface,
obtainable by a process in which chromium is deposited from an electrolyte onto a piston ring, wherein the electrolyte
  • (a) a Cr (VI) compound in an amount corresponding to 50 g / l to 600 g / l of chromic anhydride,
  • (b) 0.5 g / l to 10 g / l sulfuric acid, and
  • (c) containing 1 g / l to 20 g / l of aliphatic sulfonic acid having 1 to 6 carbon atoms and operating with a cathodic current efficiency of 12% or less,
a chromium solid particle layer applied to the structured hard chromium layer and a PVD or CVD layer applied thereto.

Überraschenderweise weist diese mindestens dreilagige Beschichtung sowohl hervorragende Verschleißeigenschaften als auch eine hervorragende Brandspurfestigkeit auf.Surprisingly, this at least three-ply coating has both excellent wear properties and excellent fire crack resistance.

Die auf den Kolbenring aufgebrachte strukturierte Hartchromschicht und das Verfahren zu deren Herstellung sind in der EP 1 565 596 B1 und der DE 10 2004 019 370 A1 beschrieben. The structured hard chromium layer applied to the piston ring and the method for the production thereof are disclosed in US Pat EP 1 565 596 B1 and the DE 10 2004 019 370 A1 described.

Die auf die Oberfläche des erfindungsgemäßen Kolbenrings aufgebrachte strukturierte Hartchromschicht hat durch die Abscheidebedingungen, nämlich die Zusammensetzung des Elektrolyten und die kathodische Stromausbeute von 12 % oder weniger, eine näpfchenförmige und/oder labyrinthartige und/oder säulenförmige Struktur und weist unter anderem hervorragende Verschleiß- und Gleiteigenschaften auf. Die PVD- oder CVD-Schicht wird erfindungsgemäß in einer Schichtdicke aufgebracht, so daß sie nach einer gewissen Nutzungszeit, insbesondere nach der Einlaufphase, so weit abgetragen ist, daß die darunter liegende strukturierte Schicht zum Vorschein kommt. Auf diese Weise verbleibt nach der Abtragung der oberen PVD- oder CVD-Schicht das in den Tälern der darunter liegenden strukturierten Schicht befindliche PVD- oder CVD-Material, so daß die Oberfläche dann von den Erhebungen der strukturierten Hartchromschicht und dem in den Tälern verbleibenden Material der aufgebrachten PVD- oder CVD-Schicht gebildet wird. Dabei sorgt die Hartchromschicht vornehmlich für die Verschleißbeständigkeit und das in den Tälern befindliche Material vor allem für die Brandspurfestigkeit. The structured hard chromium layer applied to the surface of the piston ring according to the invention has a cup-shaped and / or labyrinth-like and / or columnar structure due to the deposition conditions, namely the composition of the electrolyte and the cathodic current efficiency of 12% or less, and has, inter alia, excellent wear and sliding properties on. According to the invention, the PVD or CVD layer is applied in a layer thickness, so that after a certain period of use, in particular after the running-in phase, it has worn away so far that the underlying structured layer is revealed. In this way, after the removal of the upper PVD or CVD layer, the PVD or CVD material located in the valleys of the underlying structured layer remains, so that the surface then remains from the raised hard chrome layer and the remaining material in the valleys the applied PVD or CVD layer is formed. The hard chrome layer mainly ensures wear resistance and the material in the valleys, especially for the fire resistance.

Die vorteilhaften Eigenschaften der strukturierten Hartchromschicht, insbesondere deren hohe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit bleiben auf diese Weise überraschenderweise erhalten und durch das in den Vertiefungen befindliche Material der aufgebrachten Schicht wird zusätzlich die Brandspurfestigkeit verbessert. Das in den Vertiefungen verbleibende Material der PVD- oder CVD-Schicht wirkt dann wie ein Schmiermittel, das jedoch im Gegensatz zu herkömmlichen Schmiermitteln in der strukturierten Hartchromschicht verbleibt und so für eine dauerhafte Verbesserung der Brandspurfestigkeit bei gleichzeitigem Erhalt der Verschleißbeständigkeit sorgt. Ferner werden so auch die Notlaufeigenschaften des beschichteten Kolbenrings verbessert. Diese verbesserten physikalischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen mehrlagigen Beschichtung sind insbesondere für Verbrennungsmotoren vorteilhaft, die sehr hohe Laufleistungen realisieren müssen, beispielsweise in Fahrzeugen von Transportunternehmen wie Taxiunternehmen oder auch in Lkw-Motoren, bei denen Laufleistungen von bis zu zwei Millionen Meilen wünschenswert sind.The advantageous properties of the structured hard chromium layer, in particular its high resistance to wear and corrosion, are surprisingly retained in this way, and the material of the applied layer located in the depressions additionally improves the resistance to burn marks. The remaining in the wells material of the PVD or CVD layer then acts as a lubricant, which, however, unlike conventional lubricants in the structured hard chrome layer remains, thus providing a lasting improvement in the fire resistance while maintaining the wear resistance. Furthermore, as well as the emergency running properties of the coated piston ring are improved. These improved physical properties of the multilayer coating according to the invention are particularly advantageous for internal combustion engines, which must realize very high mileage, for example in vehicles of transport companies such as taxi companies or in truck engines, in which mileages of up to two million miles are desirable.

Die erfindungsgemäße verschleißfest beschichteten Kolbenringe werden eingesetzt, um einem mechanischen Verschleiß, insbesondere einem Reibverschleiß, entgegenzuwirken.The wear-resistant coated piston rings according to the invention are used to counteract mechanical wear, in particular frictional wear.

Die strukturierte Hartchromschicht wird durch elektrolytische Abscheidung aus dem oben angegebenen, die Komponenten (a) bis (c) umfassenden Elektrolyten auf der Oberfläche des Kolbenrings gebildet. Unter dem Ausdruck „Elektrolyt“ im Sinne der vorliegenden Erfindung werden wäßrige Lösungen verstanden, deren elektrische Leitfähigkeit durch elektrolytische Dissoziation in Ionen zustande kommt. Demzufolge weist der Elektrolyt neben den Komponenten (a) bis (c) und gegebenenfalls weiter vorliegende Zusatzstoffen als Rest Wasser auf.The structured hard chrome layer is formed by electrolytic deposition from the above-mentioned electrolyte comprising components (a) to (c) on the surface of the piston ring. For the purposes of the present invention, the term "electrolyte" is understood as meaning aqueous solutions whose electrical conductivity is brought about by electrolytic dissociation into ions. Accordingly, the electrolyte in addition to the components (a) to (c) and optionally further present additives as the remainder of water.

Die vorstehend angegebenen Mengen der Komponenten (a) bis (c) beziehen sich auf den Elektrolyten. Als Komponente (a) wird vorzugsweise CrO3 eingesetzt, das sich für die elektrolytische Abscheidung von Chrom als besonders günstig erwiesen hat. Die als Komponente (c) vorzugsweise eingesetzte aliphatische Sulfonsäure ist Methansulfonsäure, Ethansulfonsäure, Methandisulfonsäure und/oder Ethandisulfonsäure. Besonders bevorzugt ist Methansulfonsäure.The amounts of components (a) to (c) given above are based on the electrolyte. As component (a) preferably CrO 3 is used, which has proven to be particularly favorable for the electrolytic deposition of chromium. The aliphatic sulfonic acid preferably used as component (c) is methanesulfonic acid, ethanesulfonic acid, methanedisulfonic acid and / or ethanedisulfonic acid. Particularly preferred is methanesulfonic acid.

Der Elektrolyt ist in einer bevorzugten Ausführungsform im wesentlichen frei von Fluoriden. Dabei werden als Fluoride sowohl einfache als auch komplexe Fluoride verstanden. Der Ausdruck „im wesentlichen keine Fluoride“ bedeutet, daß so viel Fluorid im Elektrolyten tolerabel ist, daß die Ausbildung der strukturierten Hartchromschicht nicht beeinflußt wird. Die Menge der Fluoride, die tolerabel sind, können vom Fachmann leicht ermittelt werden. Als günstig hat es sich erwiesen, wenn nicht mehr als 0,1 g/l Fluorid im Elektrolyt vorliegt.The electrolyte is substantially free of fluorides in a preferred embodiment. Here are understood as fluorides both simple and complex fluorides. The term "substantially no fluorides" means that so much fluoride is tolerable in the electrolyte that the formation of the patterned hard chromium layer is unaffected. The amount of fluorides that are tolerable can be readily determined by those skilled in the art. It has proved to be favorable if not more than 0.1 g / l fluoride is present in the electrolyte.

Der Elektrolyt kann weiterhin übliche Katalysatoren enthalten, die die Chromabscheidung unterstützen, beispielsweise Sulfationen (SO4 2-) und/oder Chloridionen (Cl-). Diese können in üblichen Mengen im Elektrolyten vorliegen.The electrolyte may further contain conventional catalysts which aid in the deposition of chromium, for example sulfate ions (SO 4 2- ) and / or chloride ions (Cl - ). These may be present in conventional amounts in the electrolyte.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Elektrolyt als zusätzliche Komponente 10 g/l bis 200 g/l mindestens einer einen dichten Kathodenfilm ausbildenden Verbindung, ausgewählt unter Ammoniummolybdat, Alkalimolybdat, Erdalkalimolybdat, Ammoniumvanadat, Alkalivanadat, Erdalkalivanadat, Ammoniumzirkonat, Alkalizirkonat und Erdalkalizirkonat enthalten. Als Alkaliionen können Li+, Na+ und K+ eingesetzt werden. Beispiele für Erdalkaliionen sind Mg2+ und Ca2+. Die genannte Komponente bildet bei der elektrolytischen Abscheidung einen dichten Kathodenfilm aus, wie in der EP 1 565 596 B1 beschrieben. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Komponente (NH4)6Mo7O24· 4 H2O, das besonders günstig für die Ausbildung der strukturierten Hartchromschicht ist.In a further preferred embodiment, the electrolyte may contain as additional component 10 g / l to 200 g / l of at least one dense cathode film forming compound selected from ammonium molybdate, alkali molybdate, alkaline earth molybdate, ammonium vanadate, alkali metal vanadate, alkaline earth metal alkane, ammonium zirconate, alkali zirconate and alkaline earth zirconate. As alkali ions Li + , Na + and K + can be used. Examples of alkaline earth ions are Mg 2+ and Ca 2+ . The said component forms a dense cathode film during electrolytic deposition, as in US Pat EP 1 565 596 B1 described. In a particularly preferred embodiment, the component (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 .4H 2 O, which is particularly favorable for the formation of the patterned hard chrome layer.

Weiter ist es bevorzugt, daß die Cr(VI)-Verbindung CrO3 ist. Die aliphatische Sulfonsäure ist bevorzugt Methansulfonsäure. Further, it is preferable that the Cr (VI) compound is CrO 3 . The aliphatic sulfonic acid is preferably methanesulfonic acid.

Zur Ausbildung der strukturierten Hartchromschicht auf dem Kolbenring wird dieser kathodisch geschaltet und in den Elektrolyten eingetaucht. An den Kolbenring wird ein Gleichstrom, beispielsweise ein pulsierender Gleichstrom mit einer Frequenz bis 1000 Hz, angelegt. Die Temperatur für die Abscheidung des Chroms kann 45°C bis 95°C, insbesondere etwa 50-60°C betragen. Die Zeitdauer der Abscheidung wird in Abhängigkeit von der gewünschten Dicke der strukturierten Hartchromschicht gewählt, wobei die Schicht umso dicker wird, je länger die Abscheidung erfolgt. Die strukturierte Hartchromschicht hat bevorzugt eine Schichtdicke von 30 - 70 µm. Die durchschnittliche Höhe der Erhebungen in der Oberfläche der strukturierten Hartchromschicht ist bevorzugt 5-40 µm, besonders bevorzugt 10 - 30 µm.To form the structured hard chrome layer on the piston ring, it is switched cathodically and immersed in the electrolyte. To the piston ring, a direct current, for example, a pulsating direct current with a frequency up to 1000 Hz, applied. The temperature for the deposition of the chromium may be 45 ° C to 95 ° C, especially about 50-60 ° C. The duration of the deposition is chosen as a function of the desired thickness of the structured hard chromium layer, the layer becoming thicker the longer the deposition takes place. The structured hard chrome layer preferably has a layer thickness of 30-70 μm. The average height of the elevations in the surface of the structured hard chrome layer is preferably 5-40 μm, more preferably 10-30 μm.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird mit einer Stromdichte von 20 A/dm2 bis 200 A/dm2 gearbeitet. Dadurch werden besonders günstige Strukturen der Hartchromschicht erhalten. Je höher die Stromdichte gewählt wird, desto dichter werden die hervorstehenden Bereiche der strukturierten Hartchromschicht.In a preferred embodiment, a current density of 20 A / dm 2 to 200 A / dm 2 is used. As a result, particularly favorable structures of the hard chrome layer are obtained. The higher the current density is chosen, the denser the protruding areas of the patterned hard chrome layer.

Bei einer elektrolytischen Abscheidung geht regelmäßig nur ein Teil der eingesetzten Strommenge in die Metallabscheidung, der Rest der Strommenge führt zu Verlusten, wobei vornehmlich Wasserstoff erzeugt wird. Unter der kathodischen Stromausbeute, auch als Wirkungsgrad bezeichnet, wird das Verhältnis der zur Metallabscheidung führenden Strommenge zur eingesetzten Strommenge verstanden. Werden beispielsweise 100 Ah eingesetzt, von denen 25 Ah zur Metallabscheidung führen und 75 Ah Verluste vorliegen, beträgt die kathodische Stromausbeute 25%. Die kathodische Stromausbeute bei der Herstellung der strukturierten Hartchromschicht gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt bei 12% oder weniger. Ist die Stromausbeute höher, wird die gewünschte Strukturierung der Hartchromschicht nicht erhalten.In an electrolytic deposition regularly only a portion of the amount of electricity used in the metal deposition, the rest of the amount of electricity leads to losses, primarily hydrogen is generated. The cathodic current efficiency, also referred to as efficiency, is the ratio of the amount of current that leads to the deposition of metal to the amount of electricity used. If, for example, 100 Ah are used, of which 25 Ah lead to metal deposition and 75 Ah losses are present, the cathodic current efficiency is 25%. The cathodic current efficiency in the production of the structured hard chromium layer according to the method of the invention is 12% or less. If the current efficiency is higher, the desired structuring of the hard chrome layer is not obtained.

Die mit dem oben beschriebenen Verfahren erhältliche strukturierte Hartchromschicht ist - im Gegensatz zu sonst üblichen Hartchromschichten, die eine sphärische Oberflächenstruktur aufweisen - näpfchenförmig und/oder labyrinthartig und/oder säulenförmig ausgebildet und hat sich als besonders verschleiß- und korrosionsbeständig erwiesen.The structured hard chrome layer obtainable by the method described above is - in contrast to conventional hard chrome layers, which have a spherical surface structure - cup-shaped and / or labyrinth-like and / or columnar and has proven to be particularly resistant to wear and corrosion.

Unter einer „auf“ einer Oberfläche oder einer Schicht aufgebrachten Schicht wird im Sinne der Erfindung sowohl eine unmittelbar auf die Oberfläche oder die Schicht aufgebrachte Schicht als auch eine auf eine Zwischenschicht aufgebracht Schicht verstanden. Eine „auf“ eine Schicht A aufgebrachte Schicht C liegt somit sowohl bei einem Schichtaufbau A, C vor als auch bei einem Schichtaufbau A, B, C, wobei B die Zwischenschicht ist.In the context of the invention, a layer applied to a surface or a layer is understood as meaning both a layer applied directly to the surface or the layer and a layer applied to an intermediate layer. A layer C applied to a layer A is thus present both in a layer structure A, C and in a layer structure A, B, C, where B is the intermediate layer.

Unter einer PVD-Schicht wird im Sinne der Erfindung eine durch PVD (Physical Vapor Deposition) abgeschiedene Schicht auf einem Kolbenring verstanden. PVD-Verfahren sind dem Fachmann an sich bekannt. Dabei wird das Schichtausgangsmaterial durch Laser-, Ionen- oder Elektronenstrahlen oder durch Lichtbogenentladung, meist unter vermindertem Druck bei etwa 1-1000 Pa, verdampft und die PVD-Schicht durch Kondensation des Materialdampfes auf dem Substrat ausgebildet. Bei Bedarf kann auch ein geeignetes Prozeßgas zugeführt werden.In the context of the invention, a PVD layer is understood to mean a layer deposited on a piston ring by PVD (Physical Vapor Deposition). PVD processes are known per se to the person skilled in the art. The layer starting material is vaporized by laser, ion or electron beams or by arc discharge, usually under reduced pressure at about 1-1000 Pa, and the PVD layer formed by condensation of the material vapor on the substrate. If necessary, a suitable process gas can be supplied.

Unter einer CVD-Schicht wird im Sinne der Erfindung eine durch CVD (Chemical Vapor Deposition) auf einem Kolbenring abgeschiedene Schicht verstanden. CVD-Verfahren sind dem Fachmann an sich bekannt. Bei einem CVD-Verfahren wird ein Feststoff aus der Gasphase an der erhitzten Oberfläche eines Substrats durch eine chemische Reaktion abgeschieden. In der Regel werden auch CVD-Verfahren unter vermindertem Druck bei etwa 1-1000 Pa durchgeführt.For the purposes of the invention, a CVD layer is understood as meaning a layer deposited on a piston ring by CVD (Chemical Vapor Deposition). CVD methods are known per se to the person skilled in the art. In a CVD process, a gaseous phase solid is deposited on the heated surface of a substrate by a chemical reaction. In general, CVD processes are also carried out under reduced pressure at about 1-1000 Pa.

Als PVD- oder CVD-Schichten eignen sich erfindungsgemäß alle durch PVD- oder CVD-Verfahren erhältlichen Beschichtungen. Bevorzugt umfassen die PVD- oder CVD-Schichten Titannitridverbindungen oder Chromnitridverbindungen, insbesondere Titannitride der Formel TiNx, Titannitridverbindungen der Formel TiNxAy, Chromnitride der Formel CrNx und Chromnitridverbindungen der Formel CrNxAy, worin A für Kohlenstoff (C), Bor (B), Sauerstoff (O) und/oder Hartstoffe bildende Elemente wie beispielsweise Silicium (Si), Vanadium (V), Niob (Nb), Wolfram (W), Aluminium (Al), Tantal (Ta), Zirkonium (Zr) etc. steht und x und y unabhängig voneinander 0,1 bis 1,5 betragen. Bevorzugt sind x und y unabhängig voneinander 0,3-1,2, besonders bevorzugt 0,5 bis 1. Beispielsweise lassen sich Titannitrid (TiNx), Titancarbonitrid (TiCyNx), Titanoxidnitrid (TiOyNx), Titanaluminiumnitrid (TiAlyNx), Chromnitrid (CrNx), Chromcarbonitrid (CrCyNx), Chromoxidnitrid (CrOyNx), Chromaluminiumnitrid (CrAlyNx) oder auch mehrelementige Verbindungen wie beispielsweise Chromaluminiumsiliciumnitride, Chromaluminiumzirkoniumnitride oder Chromaluminiumsiliciumzirkoniumnitride einsetzen, insbesondere solche der Formeln CrAlaSibNx, CrAlaZrbNx oder CrAlaSibZrcNx, worin a, b, c und x unabhängig voneinander 0,1 bis 1,5, bevorzugt 0,1-1,2, besonders bevorzugt 0,2-1 betragen. Besonders bevorzugt werden in der erfindungsgemäßen Mehrschichtenanordnung als PVD- oder CVD-Schicht Chromnitridverbindungen eingesetzt, die die oben angegebenen weiteren Elemente enthalten können. Besonders bevorzugt besteht die PVD- oder CVD-Schicht aus den oben genannten Verbindungen.As PVD or CVD layers, all coatings obtainable by PVD or CVD processes are suitable according to the invention. The PVD or CVD layers preferably comprise titanium nitride compounds or chromium nitride compounds, in particular titanium nitrides of the formula TiN x , titanium nitride compounds of the formula TiN x A y , chromium nitrides of the formula CrN x and chromium nitride compounds of the formula CrN x A y , where A is carbon (C), Boron (B), oxygen (O) and / or hard-forming elements such as silicon (Si), vanadium (V), niobium (Nb), tungsten (W), aluminum (Al), tantalum (Ta), zirconium (Zr ), etc., and x and y are independently from 0.1 to 1.5. X and y are independently of each other 0.3-1.2, particularly preferably 0.5 to 1. For example, titanium nitride (TiN x ), titanium carbonitride (TiC y N x ), titanium oxide nitride (TiO y N x ), titanium aluminum nitride ( TiAl y N x), chromium nitride (CrN x), chromium carbonitride (CrC y N x), chromium oxide nitride (CrO y N x), Chromaluminiumnitrid (CrAl y N x) or multi-element compounds such as Chromaluminiumsiliciumnitride, Chromaluminiumzirkoniumnitride or Chromaluminiumsiliciumzirkoniumnitride use, in particular those of the formulas CrAl a Si b N x , CrAl a Zr b N x or CrAl a Si b Zr c N x , where a, b, c and x are each independently from 0.1 to 1.5, preferably 0.1- 1.2, more preferably 0.2-1. Particularly preferred in the multilayer arrangement according to the invention as the PVD or CVD layer chromium nitride compounds are used, which may contain the other elements specified above. Particularly preferably, the PVD or CVD layer consists of the abovementioned compounds.

Die Schichtdicke der PVD- oder CVD-Schicht beträgt bevorzugt 5-80 µm, besonders bevorzugt 5-60 µm, noch weiter bevorzugt 5-40 µm und am meisten bevorzugt 10-30 µm. Da die PVD- oder CVD-Schicht auf eine strukturierte Schicht aufgebracht ist, wird im Sinne der Erfindung unter einer PVD- oder CVD-Schicht auch ein abgeschiedenes PVD- oder CVD-Material verstanden, das die Vertiefungen der darunter liegenden strukturierten Schicht ganz oder teilweise füllt und dabei die darüberliegende strukturierte Schicht vollständig bedeckt oder nur teilweise bedeckt oder lediglich die Vertiefungen der darunterliegenden strukturierten Schicht ganz oder teilweise füllt, ohne eine durchgängige Schicht im Sinne einer vollständigen Bedeckung zu bilden. Die Schichtdicke ist im zuletzt genannten Fall der Mittelwert aus der Höhe der Füllung der Vertiefungen.The layer thickness of the PVD or CVD layer is preferably 5-80 μm, more preferably 5-60 μm, even more preferably 5-40 μm, and most preferably 10-30 μm. As the PVD or CVD layer is applied to a structured layer, for the purposes of the invention a PVD or CVD layer is also understood to mean a deposited PVD or CVD material which completely or partially covers the depressions of the underlying structured layer thereby completely covering or only partially covering the overlying structured layer or merely filling all or part of the recesses of the underlying structured layer without forming a continuous layer in the sense of complete coverage. The layer thickness in the latter case is the mean value of the height of the filling of the recesses.

Zwischen der strukturierten Hartchromschicht und der PVD- oder CVD-Schicht befindet sich eine Chrom-Feststoffpartikel-Schicht.Between the patterned hard chrome layer and the PVD or CVD layer is a chromium solid particle layer.

In solchen mindestens dreilagigen Beschichtungen nimmt die Chrom-Feststoffpartikel-Schicht, die eine besonders hohe Verschleißbeständigkeit aufweist, die näpfchenförmige und/oder labyrinthartige und/oder säulenförmige Struktur der darunter liegenden, d. h. dem Kolbenring zugewandten strukturierten Hartchromschicht zumindest teilweise an und die PVD- oder CVD-Schicht verhält sich wie oben beschrieben. Dies bedeutet, daß nach einer gewissen Nutzungszeit eines entsprechend beschichteten Kolbenrings die Oberfläche im wesentlichen von den Erhebungen der Chrom-Feststoffpartikel-Schicht und dem in den Vertiefungen verbleibenden Material der PVD- oder CVD-Schicht gebildet wird.In such at least three-layer coatings, the chromium solid particle layer, which has a particularly high resistance to wear, takes on the cup-shaped and / or labyrinth-like and / or columnar structure of the underlying, d. H. The patterned hard chrome layer facing the piston ring at least partially and the PVD or CVD layer behaves as described above. This means that after a certain useful life of a correspondingly coated piston ring, the surface is essentially formed by the elevations of the chromium solid particle layer and the material of the PVD or CVD layer remaining in the depressions.

Auf diese Weise wird die besonders vorteilhafte näpfchenförmige und/oder labyrinthartige und/oder säulenförmige Struktur der strukturierten Hartchromschicht auf die verglichen mit der strukturierten Hartchromschicht noch verschleißbeständigere Chrom-Feststoffpartikel-Schicht übertragen, d. h. sozusagen durch die Chrom-Feststoffpartikel-Schicht fortgeführt, und so die sehr hohe Verschleißbeständigkeit der Chrom-Feststoffpartikel-Schicht mit der vorteilhaften Struktur der strukturierten Hartchromschicht kombiniert. Darüber hinaus wird gleichzeitig die Brandspurfestigkeit durch die PVD- oder CVD-Schicht dauerhaft verbessert. Das in den Vertiefungen verbleibende PVD- oder CVD-Material erhöht ferner die Gleiteigenschaften, da es wie ein Schmiermittel wirkt.In this way, the particularly advantageous cup-shaped and / or labyrinth-like and / or columnar structure of the structured hard chromium layer is transferred to the chromium solid-particle layer, which is even more resistant to wear compared to the structured hard chromium layer. H. continued so to speak through the chrome solid particle layer, and so the very high wear resistance of the chromium solid particle layer combined with the advantageous structure of the structured hard chrome layer. In addition, at the same time the fire resistance is permanently improved by the PVD or CVD layer. The remaining in the wells PVD or CVD material also increases the sliding properties, since it acts as a lubricant.

Die gemäß dieser erfindungsgemäßen mehrlagigen Beschichtung zwischen der strukturierten Hartchromschicht und der PVD- oder CVD-Schicht angeordnete Chrom-Feststoffpartikel-Schicht ist beispielsweise in der EP 0 217 126 B1 und der EP 1 114 209 B1 beschrieben.The chromium solid particle layer arranged according to this multilayer coating according to the invention between the structured hard chromium layer and the PVD or CVD layer is, for example, in US Pat EP 0 217 126 B1 and the EP 1 114 209 B1 described.

Die Chrom-Feststoffpartikel-Schicht der erfindungsgemäßen Beschichtung umfaßt ein Rissnetzwerk, in das Feststoffpartikel eingelagert sind. Die Spaltbreite der Risse sollte größer als die Partikelgröße sein und liegt bevorzugt über 0,3 µm, insbesondere über 0,5 µm. Bevorzugt werden als Feststoffpartikel Hartstoffpartikel aus Wolframkarbid, Chromkarbid, Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Borkarbid und/oder Diamant eingesetzt. Die Korngröße der Feststoffpartikel liegt bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 5 µm. Besonders bevorzugt sind als Feststoffpartikel Diamanten und unter diesem wiederum sind solche mit einer Größe im Bereich von 0,25-0,4 µm bevorzugt. Ferner sind Aluminiumoxid-Partikel mit einer Partikelgröße im Bereich von etwa 0,1-5 µm bevorzugt. Eingelagerte Diamantpartikel können aus mono- und/oder polykristallinem Diamant gebildet sein. Mit polykristallinem Diamant werden häufig die besseren Ergebnisse erzielt, da ein polykristalliner Diamant aufgrund der vielen verschiedenen Kristalle viele Gleitebenen aufweist. Die Feststoffpartikel oder Hartstoffpartikel können auch eine Mischung von Feststoffpartikeln verschiedener Stoffarten in Kombination sein.The chromium solid particle layer of the coating according to the invention comprises a crack network in which solid particles are embedded. The gap width of the cracks should be greater than the particle size and is preferably above 0.3 μm, in particular above 0.5 μm. Hard particles of tungsten carbide, chromium carbide, aluminum oxide, silicon carbide, silicon nitride, boron carbide and / or diamond are preferably used as solid particles. The grain size of the solid particles is preferably in the range of 0.1 to 5 microns. Diamonds are particularly preferred as solid particles, and below this, in turn, those having a size in the range of 0.25-0.4 μm are preferred. Further, alumina particles having a particle size in the range of about 0.1-5 microns are preferred. Embedded diamond particles can be formed from mono- and / or polycrystalline diamond. With polycrystalline diamond, the better results are often achieved because a polycrystalline diamond has many slip planes due to the many different crystals. The solid particles or hard material particles can also be a mixture of solid particles of different types of substances in combination.

Vorteilhafterweise können in der Chrom-Feststoffpartikel-Schicht in den Rissen weiterhin Festschmierstoffpartikel, Feststoffpartikel zur Erhöhung der Duktilität und/oder der Korrosionsfestigkeit enthalten sein. Durch die Einlagerung weiterer Partikel neben den Hartstoffpartikeln kann die Schicht für die jeweilige Anwendung noch angepaßt werden. So können als Festschmierstoffteilchen beispielsweise hexagonales Bornitrid, Graphit und/oder Polymerteilchen, insbesondere aus Polyethylen und/oder Polytetrafluorethylen, zusätzlich in die Risse eingebracht werden. Zur Erhöhung der Duktilität können duktile Metalle oder Metalllegierungen aus Zinn, Titan oder Aluminium eingelagert sein.Advantageously, solid lubricant particles, solid particles for increasing the ductility and / or the corrosion resistance may be contained in the cracks in the chromium solid particle layer. By incorporating additional particles in addition to the hard material particles, the layer can still be adapted for the respective application. For example, as solid lubricant particles, hexagonal boron nitride, graphite and / or polymer particles, in particular of polyethylene and / or polytetrafluoroethylene, can additionally be introduced into the cracks. To increase the ductility, ductile metals or metal alloys of tin, titanium or aluminum may be incorporated.

Zur Herstellung der Chrom-Feststoffpartikel-Schicht werden an sich bekannte Verchromungsbäder mit darin dispergierten Fettstoffteilchen verwendet, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Während des Verchromens wird der zu verchromende Kolbenring zunächst kathodisch geschaltet, so daß sich eine mikrorissige Hartchromschicht bildet, danach wird der Kolbenring anodisch geschaltet, so daß sich die Mikrorisse auf die gewünschte Spaltbreite aufweiten und die Risse sich mit den Feststoffpartikeln füllen. For the preparation of the chromium solid particle layer, known chromium plating baths with dispersed fatty particles are used, as known from the prior art. During chrome plating, the piston ring to be chromed is first cathodically connected to form a microcracked hard chrome layer, then the piston ring is anodically connected so that the microcracks expand to the desired gap width and the cracks fill with the solid particles.

Unter einer strukturierten Hartchromschicht und einer Chrom-Feststoffpartikel-Schicht werden im Sinne der Erfindung nicht nur Schichten aus reinem Chrom und gegebenenfalls Feststoffpartikeln verstanden, sondern auch Schichten aus Chromlegierungen, insbesondere mit Molybdän, Vanadium und/oder Wolfram. Die Erfindung betrifft somit auch verschleißfest beschichtete Kolbenringe, die eine strukturierte Chromlegierungsschicht und zusätzlich eine Chromlegierungs-Feststoffpartikel-Schicht umfassen, wobei darüber eine PVD- oder CVD-Schicht aufgebracht ist. Soll die strukturierte Hartchromschicht und/oder Chrom-Feststoffpartikel-Schicht nicht aus reinem Chrom, sondern aus einer Legierung gebildet sein, werden die Legierungselemente in dem Verchromungselektrolyten als Salze gelöst und zusammen mit dem Chrom in Form einer Chromlegierung galvanisch abgeschieden. Dabei sind die Legierungselemente bevorzugt in Mengen von 0,1 bis 30 Gewichtsprozent in der Chromschicht vorhanden. Solche Schichten sind gegenüber reinen Chromschichten noch verschleißfester und duktiler.For the purposes of the invention, a structured hard chrome layer and a chromium solid particle layer not only mean layers of pure chromium and possibly solid particles, but also layers of chromium alloys, in particular molybdenum, vanadium and / or tungsten. The invention thus also relates to wear-resistant coated piston rings which comprise a structured chromium alloy layer and additionally a chromium alloy solid particle layer, with a PVD or CVD layer being applied over it. If the structured hard chromium layer and / or chromium solid particle layer is not formed of pure chromium but of an alloy, the alloying elements in the chromium plating electrolyte are dissolved as salts and galvanically deposited together with the chromium in the form of a chromium alloy. In this case, the alloying elements are preferably present in amounts of from 0.1 to 30 percent by weight in the chromium layer. Such layers are even more wear-resistant and ductile than pure chrome layers.

Die Dicke der galvanischen Chrom-Feststoffpartikel-Schicht soll vorzugsweise um ein Mehrfaches größer sein als die Korngröße der Partikel. Dies ist erwünscht, damit sich die Partikel vollständig in das in der Hartchromschicht gebildete Rissnetzwerk einlagern können und nicht nur einzelne Partikel nur teilweise in die Chromschicht eingelagert sind.The thickness of the electroplated chromium solid particle layer should preferably be several times greater than the particle size of the particles. This is desirable so that the particles can be completely incorporated into the crack network formed in the hard chrome layer and not only individual particles are only partially embedded in the chromium layer.

Die Schichtdicke der Chrom-Feststoffpartikel-Schicht wird ferner erfindungsgemäß so gewählt, daß sich die Struktur der darunter liegenden strukturierten Hartchromschicht in der Chrom-Feststoffpartikel-Schicht zumindest teilweise wiederfindet, d. h. die Chrom-Feststoffpartikel-Schicht eine zumindest teilweise näpfchenförmige und/oder labyrinthartige und/oder säulenförmige Struktur aufweist. Dabei hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Schichtdicke der Chrom-Feststoffpartikel-Schicht den fünffachen Wert der durchschnittlichen Tiefe der Vertiefungen in der strukturierten Hartchromschicht nicht überschreitet. Bevorzugt liegt die Schichtdicke der Chrom-Feststoffpartikel-Schicht im Bereich von 20-800 µm, besonders bevorzugt 30-500 µm und noch weiter bevorzugt 50-300 µm.The layer thickness of the chromium solid particle layer is further selected according to the invention so that the structure of the underlying structured hard chromium layer in the chromium solid particle layer is at least partially reflected, d. H. the chromium solid particle layer has an at least partially cup-shaped and / or labyrinth-like and / or columnar structure. It has proved to be advantageous if the layer thickness of the chromium solid particle layer does not exceed five times the average depth of the depressions in the structured hard chrome layer. The layer thickness of the chromium solid particle layer is preferably in the range of 20-800 μm, more preferably 30-500 μm and even more preferably 50-300 μm.

Die Chrom-Feststoffpartikel-Schicht selbst kann aus mehreren Schichten bestehen, die nacheinander aufgebracht werden. Wenn mehrere Schichten aufgebracht und die Partikel jeweils in die Risse der einzelnen Schichten eingebracht werden, so kann eine Beschichtung erreicht werden, die eine bessere Verteilung der Feststoffpartikel in der Beschichtung sowohl in deren gesamter Dicke, als auch über deren Fläche hinweg aufweist, da die Risse nicht immer an denselben Stellen gebildet werden.The chromium solid particle layer itself may consist of several layers which are applied one after the other. If several layers are applied and the particles are respectively introduced into the cracks of the individual layers, a coating can be achieved which has a better distribution of the solid particles in the coating both in their entire thickness and over their surface, since the cracks not always formed in the same places.

Besteht die Chrom-Feststoffpartikel-Schicht aus mindestens zwei Schichten, so können die einzelnen Schichten verschieden hohe oder völlig unterschiedliche Legierungsbestandteile aufweisen. Dies kann je nach Anforderung an die Schicht beziehungsweise an den zu beschichtenden Kolbenring geeignet gewählt werden.If the chromium solid particle layer consists of at least two layers, the individual layers may have different levels of high or completely different alloy constituents. This can be suitably selected depending on the requirements of the layer or on the piston ring to be coated.

Wird die Chrom-Feststoffpartikel-Schicht derart gebildet, daß die mindestens zwei Chromschichtlagen eine unterschiedliche Kristallstruktur aufweisen, so können die Festigkeitseigenschaften der Schicht noch weiter verbessert werden. Hierbei wird zur Herstellung mindestens einer Lage Hartchrom das Chrom aus dem Elektrolyten am kathodisch geschalteten Kolbenring mit pulsierendem Gleichstrom mit Stromdichten zwischen 5 und 250 A/dm2 abgeschieden, so daß in der Chromlage entsprechend der Stromdichte mehrere Lagen Hartchrom mit unterschiedlicher Kristallisationsform abgeschieden werden. Nach jeweils einer Abscheidungsphase einer Lage wird der Kolbenring anodisch geschaltet, so daß sich das Rissnetzwerk im Hartchrom aufweitet und mit den Feststoffpartikeln füllt. Hierbei werden die Schichten unterschiedlicher Kristallstruktur bevorzugt abwechselnd übereinander abgeschieden.If the chromium solid particle layer is formed such that the at least two chromium layer layers have a different crystal structure, the strength properties of the layer can be improved even further. In this case, to produce at least one hard chromium layer, the chromium is deposited from the electrolyte on the cathode-connected piston ring with pulsating direct current with current densities between 5 and 250 A / dm 2 , so that several layers of hard chromium with different crystallization form are deposited in the chromium layer according to the current density. After each deposition phase of a layer, the piston ring is anodically connected, so that the crack network expands in the hard chrome and fills with the solid particles. In this case, the layers of different crystal structure are preferably deposited one above the other alternately.

Der Anteil der Feststoffpartikel in der Chrom-Feststoffpartikel-Schicht beträgt bevorzugt 0,1 bis 10 Gew.-%, um eine hohe Verschleißbeständigkeit zu erreichen.The proportion of the solid particles in the chromium solid particle layer is preferably 0.1 to 10 wt .-% in order to achieve a high wear resistance.

Auf die Chrom-Feststoffpartikel-Schicht wird anschließend die oben beschriebene PVD- oder CVD-Schicht aufgebracht. Die geeigneten, bevorzugten und besonders bevorzugten Ausgestaltungen der oben beschriebenen PVD- und CVD-Schichten sind auch geeignet, bevorzugt und besonders bevorzugt, wenn sich zwischen der strukturierten Hartchromschicht und der mindestens einen PVD- oder CVD-Schicht eine Chrom-Feststoffpartikel-Schicht befindet.The above-described PVD or CVD layer is then applied to the chromium solid particle layer. The suitable, preferred and particularly preferred embodiments of the PVD and CVD layers described above are also suitable, preferred and particularly preferred when there is a chromium solid particle layer between the structured hard chrome layer and the at least one PVD or CVD layer.

Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung eines verschleißfest und brandspurbeständig beschichteten Kolbenrings, umfassend die Schritte, daß

  1. A) Chrom aus einem Elektrolyten auf einen Kolbenring abgeschieden wird, der
    • (a) eine Cr(VI)-Verbindung in einer Menge, die 50 g/l bis 600 g/l Chromsäureanhydrid entspricht,
    • (b) 0,5 g/l bis 10 g/l Schwefelsäure, und
    • (c) 1 g/l bis 20 g/l aliphatische Sulfonsäure mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, enthält, wobei mit einer kathodischen Stromausbeute von 12% oder weniger gearbeitet wird, anschließend
  2. B) eine Chrom-Feststoffpartikel-Schicht durch elektrolytische Chromabscheidung in Gegenwart von Feststoffpartikeln aufgebracht wird und anschließend
  3. C) mindestens eine CVD-Schicht durch chemische Gasphasenabscheidung und/oder eine PVD-Schicht durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht wird.
The invention further relates to a method for producing a wear-resistant and fire-resistant coated piston ring, comprising the steps of
  1. A) Chromium is deposited from an electrolyte on a piston ring, the
    • (a) a Cr (VI) compound in an amount corresponding to 50 g / l to 600 g / l of chromic anhydride,
    • (b) 0.5 g / l to 10 g / l sulfuric acid, and
    • (c) 1 g / l to 20 g / l of aliphatic sulfonic acid having 1 to 6 carbon atoms, followed by working with a cathodic current efficiency of 12% or less, subsequently
  2. B) a chromium solid particle layer by electrolytic chromium deposition in the presence of solid particles is applied and then
  3. C) at least one CVD layer by chemical vapor deposition and / or a PVD layer by physical vapor deposition is applied.

In diesem Verfahren sind die oben beschriebenen geeigneten, bevorzugten und besonders bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung ebenfalls geeignet, bevorzugt und besonders bevorzugt. Das erfindungsgemäße Verfahren weist die oben im Zusammenhang mit dem verschleißfest beschichteten Kolbenring beschriebenen Vorteile auf. Die auf den Kolbenring aufgebrachten Schichten können jeweils Einzelschichten umfassen, wozu die Schritte (A) (B) und (C) unter identischen oder veränderten Bedingungen entsprechend zu wiederholen sind.In this method, the above-described suitable, preferred and particularly preferred embodiments of the invention are also suitable, preferred and particularly preferred. The method according to the invention has the advantages described above in connection with the wear-resistant coated piston ring. The layers applied to the piston ring may each comprise individual layers, for which steps (A) (B) and (C) are to be repeated under identical or changed conditions.

Ferner bezieht sich die Erfindung auf einen verschleißfest beschichteten Kolbenring, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich ist.Furthermore, the invention relates to a wear-resistant coated piston ring, which is obtainable by the process according to the invention.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch erläuterten Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those explained below can be used not only in the specified combinations, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Erfindung.The following examples illustrate the invention.

Beispiel 1:Example 1:

Herstellung einer strukturierten HartchromschichtProduction of a structured hard chrome layer

Ein Chromelektrolyt folgender Zusammensetzung wird hergestellt: Chromsäureanhydrid CrO3 250 g/l Schwefelsäure H2SO4 2,5 g/l Methansulfonsäure 4 g/l. A chromium electrolyte of the following composition is prepared: Chromic anhydride CrO 3 250 g / l Sulfuric acid H 2 SO 4 2.5 g / l methane 4 g / l.

Ein Kolbenring wird nach üblicher Vorbehandlung in den Elektrolyten eingebracht und bei 55°C mit 40 A/dm2 für 30 min beschichtet.A piston ring is introduced into the electrolyte after conventional pretreatment and coated at 55 ° C with 40 A / dm 2 for 30 min.

Der Kolbenring weist nach der Behandlung eine strukturierte Chromschicht auf. Diese Chromschicht ist auf den hervorstehenden Oberflächenbereichen (Traganteil) glänzend und in den Vertiefungen der Struktur befindet sich braunfarbener Kathodenfilm.The piston ring has a textured chromium layer after treatment. This chrome layer is shiny on the protruding surface areas (supporting portion) and in the recesses of the structure is brown-colored cathode film.

Beschichtung mit einer Chrom-Diamant-SchichtCoating with a chrome-diamond layer

Anschließend wird der mit der strukturierten Hartchromschicht beschichtete Kolbenring in einen rissbildenden Elektrolyten eingetaucht, der folgende Bestandteile enthält:

  • 250 g/l CrO3 Chromsäure
  • 1,5 g/l H2SO4 Schwefelsäure
  • 10 g/l K2SiF6 Kaliumhexafluorosilikat
Subsequently, the piston ring coated with the structured hard chromium layer is immersed in a crack-forming electrolyte which contains the following constituents:
  • 250 g / l CrO 3 chromic acid
  • 1.5 g / l H 2 SO 4 sulfuric acid
  • 10 g / l K 2 SiF 6 potassium hexafluorosilicate

In ihm werden durch Rühren 50 g/l monokristalline Diamantpartikel mit einer durchschnittlichen Korngrösse von 0,3 bis 0,4 µm dispergiert und während des Verchromens in der Schwebe gehalten. Das Verchromen erfolgt bei einer Temperatur von 60°C. Dabei wird der zu verchromende Kolbenring zunächst in einer ersten Stufe kathodisch geschaltet und während 8 Minuten bei einer Stromdichte von 65 A/dm3 verchromt. In einer zweiten Stufe wird umgepolt und durch anodische Schaltung des Kolbenrings während einer Minute bei einer Stromdichte von 60 A/dm3 das Rissnetzwerk der vorher abgeschiedenen Chromschicht aufgeweitet und mit Diamantpartikeln gefüllt. Dieser Zyklus, nämlich 8 min lang kathodisches Verchromen und 1 min lang anodisches Ätzen, wird insgesamt fünfmal wiederholt, wodurch eine Schicht mit einer Schichtdicke von ca. 40 µm entsteht, die einen Diamantanteil von 4 Gew.-% der gesamten Schicht aufweist.In it 50 g / l monocrystalline diamond particles are dispersed by stirring with an average particle size of 0.3 to 0.4 microns and held in suspension during chromium plating. The Chrome plating takes place at a temperature of 60 ° C. In this case, the piston ring to be chromed is first connected cathodically in a first stage and chromed for 8 minutes at a current density of 65 A / dm 3 . In a second stage is reversed and anodic circuit of the piston ring for one minute at a current density of 60 A / dm 3, the crack network of the previously deposited chromium layer expanded and filled with diamond particles. This cycle, namely cathodic chrome plating for 8 minutes and anodic etching for 1 minute, is repeated a total of five times, resulting in a layer with a layer thickness of about 40 μm, which has a diamond content of 4% by weight of the entire layer.

Beschichtung mit einer PVD-CrN -SchichtCoating with a PVD-CrN layer

Im PVD-Verfahren wird eine CrN-Schicht mit einer Schichtdicke von etwa 30 µm aufgebracht.In the PVD process, a CrN layer with a layer thickness of about 30 μm is applied.

Beispiel 2:Example 2:

Nach obiger Vorschrift wurde auf einen Kolbenring eine strukturierte Hartchromschicht aufgebracht und anschließend auf die strukturierte Hartchromschicht unmittelbar eine PVD-CrN-Schicht aufgebracht.According to the above specification, a structured hard chrome layer was applied to a piston ring and then a PVD-CrN layer was applied directly to the structured hard chrome layer.

Beispiel 3:Example 3:

Es wurde nach obiger Vorschrift ein Kolbenring mit einer strukturierten Hartchromschicht versehen und anschließend ebenfalls nach obiger Vorschrift auf diese strukturierte Hartchromschicht eine Chrom-Diamantpartikel-Schicht aufgebracht.It was provided according to the above rule, a piston ring with a structured hard chrome layer and then also applied according to the above rule on this structured hard chrome layer, a chromium diamond particle layer.

Beispiel 4:Example 4:

Ein Kolbenring wurde nach obiger Vorschrift mit einer strukturierten Hartchromschicht versehen.A piston ring was provided according to the above rule with a structured hard chrome layer.

Mit Hilfe einer Simulations-Testmaschine (Brandspurtester der Firma Plint) wurde die Brandspurbeständigkeit der erfindungsgemäßen mehrlagigen Beschichtungen (Beispiele 1 und 2) mit einer strukturierten Hartchromschicht (Beispiel 5), einer zweilagigen Beschichtung aus einer strukturierten Hartchromschicht und einer Chrom-Diamantpartikel-Schicht (Beispiel 4) sowie einer Chrom-Diamantpartikel-Schicht und einer PVD-Schicht (Beispiel 3) verglichen. Dazu wurden die Brandspurbeständigkeiten der Kolbenringe der Beispiele 1 bis 5 nach der Einlaufphase der Kolbenringe (Einsatz unter motorischen Bedingungen auf einem Motorenprüfstand, 15 h in einem 6-Zylinder Turbodieselmotor unter Vollast) gemessen. Tabelle: Brandspurbeständigkeit beschichteter Kolbenringe Beschichtung Brandspurbeständigkeit strukturierte Hartchromschicht 100 % + Chrom-Diamantpartikel-Schicht (Beispiel 1) + PVD-Schicht strukturierte Hartchromschicht 60 % + PVD-Schicht (Beispiel 2) Chrom-Diamantpartikel-Schicht 50 % + PVD-Schicht (Beispiel 3) strukturierte Hartchromschicht 50 % + Chrom-Diamantpartikel-Schicht (Beispiel 4) strukturierte Hartchromschicht 30 % (Beispiel 5) With the aid of a simulation test machine (firestop tester from Plint), the fire-resistance of the multilayer coatings according to the invention (Examples 1 and 2) with a structured hard chrome layer (Example 5), a two-layer coating of a structured hard chromium layer and a chromium diamond particle layer (Example 4) as well as a chromium diamond particle layer and a PVD layer (Example 3). For this purpose, the fire resistance of the piston rings of Examples 1 to 5 were measured after the running-in phase of the piston rings (use under engine conditions on an engine test bench, 15 h in a 6-cylinder turbodiesel engine under full load). Table: Fire resistance of coated piston rings coating Scuff resistance structured hard chrome layer 100% + Chrome diamond particle layer (Example 1) + PVD layer structured hard chrome layer 60% + PVD layer (Example 2) Chromium diamond particle layer 50% + PVD layer (Example 3) structured hard chrome layer 50% + Chrome diamond particle layer (Example 4) structured hard chrome layer 30% (Example 5)

Wie den in der vorstehenden Tabelle angegebenen Brandspurbeständigkeiten entnommen werden kann, ist die Brandspurbeständigkeit der erfindungsgemäßen Beschichtungen, insbesondere der dreilagigen Beschichtung, bestehend aus einer strukturierten Hartchromschicht, einer Chrom-Feststoffpartikel-Schicht und einer PVD-Schicht gegenüber den Beschichtungen des Standes der Technik deutlich verbessert. Die Verschleißbeständigkeit der Schichten konnte dabei erhalten werden.As can be seen from the fire resistance given in the table above, the fire-resistance of the coatings according to the invention, in particular the three-layer coating consisting of a structured hard chromium layer, a chromium solid particle layer and a PVD layer compared to the coatings of the prior art is significantly improved , The wear resistance of the layers could be obtained.

Claims (8)

Verschleißfest beschichteter Kolbenring, mit einer Oberfläche, umfassend eine auf die Oberfläche aufgebrachte strukturierte Hartchromschicht, erhältlich nach einem Verfahren, bei dem Chrom aus einem Elektrolyten auf einem Kolbenring abgeschieden wird, wobei der Elektrolyt (a) eine Cr(VI)-Verbindung in einer Menge, die 50 g/l bis 600 g/l Chromsäureanhydrid entspricht, (b) 0,5 g/l bis 10 g/l Schwefelsäure, und (c) 1 g/l bis 20 g/l aliphatische Sulfonsäure mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen enthält und wobei mit einer kathodischen Stromausbeute von 12% oder weniger gearbeitet wird, eine auf der strukturierten Hartchromschicht aufgebrachte Chrom-Feststoffpartikel-Schicht und eine darauf aufgebrachte PVD- oder CVD-Schicht.Wear-resistant coated piston ring, with a surface comprising a structured hard chrome layer applied to the surface, obtainable by a method in which chromium is deposited from an electrolyte on a piston ring, wherein the electrolyte (a) a Cr (VI) compound in an amount corresponding to 50 g / l to 600 g / l of chromic anhydride, (b) 0.5 g / l to 10 g / l sulfuric acid, and (c) containing 1 g / l to 20 g / l of aliphatic sulfonic acid having 1 to 6 carbon atoms and operating with a cathodic current efficiency of 12% or less, a chromium solid particle layer applied to the structured hard chromium layer and a PVD or CVD layer applied thereto. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Cr(VI)-Verbindung CrO3 und/oder die aliphatische Sulfonsäure Methansulfonsäure ist.Piston ring after Claim 1 , characterized in that the Cr (VI) compound is CrO 3 and / or the aliphatic sulfonic acid is methanesulfonic acid. Kolbenring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD- oder CVD-Schicht eine Chromnitridverbindung umfaßt.Piston ring after Claim 1 or 2 , characterized in that the PVD or CVD layer comprises a chromium nitride compound. Kolbenring nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Chromnitridverbindung gewählt ist aus der Gruppe Chromnitrid, Chromoxidnitrid und Chromcarbonitrid.Piston ring after Claim 3 , characterized in that the chromium nitride compound is selected from the group chromium nitride, chromium oxide nitride and chromium carbonitride. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD- oder CVD-Schicht eine Schichtdicke von 5 bis 80 µm aufweist.Piston ring after one of Claims 1 to 4 , characterized in that the PVD or CVD layer has a layer thickness of 5 to 80 microns. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Chrom-Feststoffpartikel-Schicht eine galvanische Hartchromschicht ist, wobei sich in der Schicht Risse befinden und in die Risse Feststoffpartikel eingelagert sind.Piston ring after one of Claims 1 to 5 , characterized in that the chromium solid particle layer is a hard chrome plating layer, wherein there are cracks in the layer and embedded in the cracks solid particles. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Feststoffpartikel Hartstoffpartikel aus Wolframkarbid, Chromkarbid, Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Borkarbid und/oder Diamant sind.Piston ring after one of Claims 1 to 6 , characterized in that the solid particles are hard material particles of tungsten carbide, chromium carbide, alumina, silicon carbide, silicon nitride, boron carbide and / or diamond. Verfahren zur Herstellung eines verschleißfest beschichteten Kolbenrings, umfassend die Schritte, dass A) Chrom aus einem Elektrolyten auf einen Kolbenring abgeschieden wird, der (a) eine Cr(VI)-Verbindung in einer Menge, die 50 g/l bis 600 g/l Chromsäureanhydrid entspricht, (b) 0,5 g/l bis 10 g/l Schwefelsäure, und (c) 1 g/l bis 20 g/l aliphatische Sulfonsäure mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, enthält, wobei mit einer kathodischen Stromausbeute von 12% oder weniger gearbeitet wird, anschließend B) eine Chrom-Feststoffpartikel-Schicht durch elektrolytische Chromabscheidung in Gegenwart von Feststoffpartikeln aufgebracht wird und anschließend C) mindestens eine CVD-Schicht durch chemische Gasphasenabscheidung und/oder eine PVD-Schicht durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht wird.A method of making a wear resistant coated piston ring comprising the steps of A) Chromium is deposited from an electrolyte on a piston ring, the (a) a Cr (VI) compound in an amount corresponding to 50 g / l to 600 g / l of chromic anhydride, (b) 0.5 g / l to 10 g / l sulfuric acid, and (c) 1 g / l to 20 g / l of aliphatic sulfonic acid having 1 to 6 carbon atoms, followed by working with a cathodic current efficiency of 12% or less, subsequently B) a chromium solid particle layer by electrolytic chromium deposition in the presence of solid particles is applied and then C) at least one CVD layer by chemical vapor deposition and / or a PVD layer by physical vapor deposition is applied.
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