DE102008017583C5

DE102008017583C5 - Kolbenring

Info

Publication number: DE102008017583C5
Application number: DE102008017583.8A
Authority: DE
Inventors: Dr. Fischer Manfred; Dr. Bauer Christiane; Ralf Lammers
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2008-04-07
Filing date: 2008-04-07
Publication date: 2016-01-21
Anticipated expiration: 2028-04-08
Also published as: DE102008017583B4; DE102008017583B9; DE102008017583A1

Abstract

Kolbenring mit einem Trägermaterial (1) und mit einer Verschleißschutzschicht (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (4) aus einem Material besteht, das einen reduzierten Elastizitätsmodul E' ≥ 350 GPa aufweist, wobeiund Eo der Elastizitätsmodul in [Pa] und v die Querkontraktionszahl bezeichnet und dass die Verschleißschutzschicht (4) aus Vanadiumnitrid oder Cr-V-N besteht und dass mindestens die Verschleißschutzschicht (4) mittels eines PVD-Verfahrens oder eines CVD-Verfahrens aufgebracht ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolbenring aus einem Trägermaterial, insbesondere aus Stahl oder einem Gußwerkstoff, mit einer Verschleißschutzschicht.
Die Verschleißschutzschicht befindet sich auf der Lauffläche und/oder der Flanke des Kolbenrings.
Die Laufflächen und die Ringflanken von Kolbenringen in Verbrennungskraftmaschinen unterliegen während ihres Einsatzes einem Verschleiß. Um den Verschleiß zu minimieren und die geforderte Lebensdauer erfüllen zu können, werden die Laufflächen bzw. die Ringflanken der Kolbenringe mit einer Verschleißschutzschicht versehen.
Höhere Zylinderdrücke, Direkteinspritzungen, Abgasrückführung und andere Konstruktionsmerkmale neuer Motorentwicklungen, zu denen auch alternative Zylinderwerkstoffe und die Minimierung des Ölverbrauchs gehören, belasten die Kolbenringe in zunehmendem Maße. Im Sinne des Umweltschutzes und der zukünftigen Rohstoffsituation wird die Einsparung von Kraftstoffen immer wichtiger. Eine wichtige Maßnahme zur Treibstoffreduzierung besteht in der Minimierung der Reibung im Motor.
Im Rahmen der immer strengeren gesetzlichen Abgasbestimmungen wird insbesondere bei hoch belasteten LKW-Motoren die Abgasrückführungsrate zunehmend erhöht. Durch die Abgasrückführung werden Verbrennungsgase mit Partikeln dem Gemisch zur Verbrennung zugeführt. Damit steigt der Anteil an Partikeln im Zylinder. Diese Partikel erhöhen den Abrasivverschleiß insbesondere an der Lauffläche der Kolbenringe.
Kolbenringe werden bereits seit vielen Jahren mit Verschleißschutzschichten versehen, die mittels thermischen Spritzverfahren, galvanischen Verfahren oder Dünnschichttechnologie aufgebracht oder durch Wärmebehandlung und Diffusionsprozesse gebildet werden.
Insbesondere werden verschleißfeste Schichten durch PVD-Verfahren aufgebracht. Aus der DE 196 30 149 C2 ist es bekannt, die Verschleißschutzschicht aus metallischem Chrom oder Chromnitrid herzustellen. Das metallische Chrom ist in der Verschleißschutzschicht verteilt und weist eine Größe von 0,2 bis 5 μm auf. Der Anteil des metallischen Chroms am Gesamtmaterial beträgt 1 bis 20%.
Die DE 199 27 997 C2 offenbart ein Gleitelement mit einer Verschleißschutzschicht, die durch physikalische Dampfabscheidung aufgebracht ist. Es wird ein Cr-V-B-N-Legierungsfilm beschrieben, der 0,1 bis 30 Gew.-% Vanadium und 0,05 bis 20 Gew.-% Bor enthält. Außerdem enthält der Legierungsfilm 49,9 bis 77,4 Gew.-% Chrom und 13,4 bis 20,8 Gew.-% Stickstoff.
Die DE 100 11 917 C2 beschreibt einen Kolbenring mit einer Verschleißschutzschicht, die nach den PVD- oder CVD-Verfahren aufgebracht ist und die die Elemente Titan und Stickstoff enthält. Die Verschleißschutzschicht ist im Wesentlichen aus den Elementen Titan, Bor und Stickstoff zusammengesetzt, wobei die Schichtdicke maximal 100 μm insbesondere 5 bis 50 μm beträgt. Der Titangehalt liegt zwischen 50 und 60 At-%, der Stickstoffgehalt zwischen 20 und 50 At-% und der Borgehalt zwischen 1 und 30 At-%.
Außerdem ist es bekannt, Verschleißschutzschichten aus keramischen Schichten wie Al₂O₃ herzustellen. Eine solche Schicht ist beispielsweise aus der DE 10014515 A1 bekannt.
Die WO 2007/020139 A1 beschreibt ein Substrat, das mindestens teilweise mit einem Schichtsystem beschichtet ist, welches aus einer tetraedrischen Kunststoffzwischenschicht mit einem Young-Modul > 200 GPa und einer außenliegenden amorphen Kohlenstoffschicht mit einem Young-Modul < 200 GPa besteht.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kolbenring mit einem hohen Verschleißwiderstand, insbesondere gegen abrasiven Verschleiß, bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mit einem Kolbenring gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Verschleißschutzschicht aus einem Material besteht, das einen reduzierten Elastizitätsmodul E' ≥ 350 GPa aufweist, wobei
und E_o der Elastizitätsmodul [Pa] und v die Querkontraktionszahl bezeichnen und dass die Verschleißschutzschicht aus Vanadiumnitrid oder Cr-V-N besteht.
Es hat sich gezeigt, dass der Verschleiß der Verschleißschutzschicht umso geringer ist, je größer der Elastizitätsmodul E_o ist.
Der Elastizitätsmodul ist in Verbindung mit der Querkontraktion maßgeblich für die Ausbildung der Hertzschen Flächenpressung in tribologischen Kontakten von Reibpartnern. Die elastische Kontaktdeformation des Kontaktes ε_el ist gekennzeichnet durch die Spannung σ₀ im Werkstoff durch Krafteinwirkung und den Elastizitätsmodul E₀ nach folgender Formel
(Czichos, Horst; Habig, Karl-Heinz: Tribologie-Handbuch). Je größer der Elastizitätsmodul E_o ist, umso kleiner ist die Kontaktdeformation.
Es hat sich herausgestellt, dass als Kenngröße der reduzierte Elastizitätsmodul E' gut geeignet ist, das Material der Verschleißschutzschicht zu charakterisieren.
Es wurde gefunden, dass bei Werten von E' ≥ 350 GPa der Verschleiß deutlich abnimmt.
Als bevorzugtes Material für die Verschleißschutzschicht hat sich Vanadiumnitrid herausgestellt.
Vorzugsweise besteht die Vanadiumnitridschicht aus 49–78 At-% V, bevorzugt 49–60 At-% V, Rest Stickstoff und Verunreinigungen wie z. B. Sauerstoff.
Eine bevorzugte Zusammensetzung der Vanadiumnitridschicht besteht aus:
55,6 At-% Vanadium
43,6 At-% Stickstoff
weniger als 1,5 At-% Sauerstoff.
Vorzugsweise liegt das Vanadiumnitrid in der kubischen Phase vor. Die kubische Phase hat den Vorteil, dass sie höhere chemische Beständigkeit gegenüber Säuren aufweist, die z. B. während der motorischen Verbrennung bei der thermischen Zersetzung von Kraftstoff und Ölen entstehen. Durch die Säuren werden die Oberflächen insbesondere der im Brennraum befindlichen Bauteile geschädigt. Der chemische Angriff schwächt die Werkstoffe im Sinne einer Vorschädigung und erhöht die Verschleißanfälligkeit.
Als weiteres Material für die Verschleißschutzschicht ist Cr-V-N zu nennen. Vorzugsweise besteht die Schicht aus 8–50 At-% Cr, 10–50 At-% V, Rest Stickstoff und Verunreinigungen wie z. B. Sauerstoff mit < 1,5 At-%.
Bevorzugte Zusammensetzungen sind:
Cr 41 At-%, V 14,2 At-%, N 42,8 At-%, Rest Verunreinigungen, und
Cr 8,7 At-%, V 44,7 At-%, N 45,6 At-%, Rest Verunreinigungen.
Vorzugsweise ist unter der Verschleißschutzschicht eine Schicht mit gradiertem Stickstoffgehalt von Vanadium zu Vanadiumnitrid angeordnet, wobei die Seite der Schicht mit dem hohen Vanadiumanteil dem Trägermaterial benachbart ist.
Eine solche zusätzliche Schicht unter der eigentlichen Verschleißschutzschicht hat den Vorteil, dass die Eigenspannungen der Verschleißschutzschicht ausgeglichen werden und so die Haftung der Schicht und die daraus resultierende Belastbarkeit verbessert wird.
Um die Bindung zum Substrat, d. h. dem Trägermaterial, das insbesondere aus Stahl oder einem Gußwerkstoff besteht, zu verbessern, ist zwischen der gradierten Schicht und dem Trägermaterial mindestens eine Haftschicht angeordnet.
Diese Haftschicht besteht vorzugsweise aus metallischem Chrom oder metallischem Vanadium.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können auch zwei Haftschichten vorgesehen sein, wobei die dem Substrat benachbarte Haftschicht vorteilhafterweise aus Chrom und die zweite Haftschicht aus Vanadium besteht.
Vorzugsweise weist die Verschleißschutzschicht eine Dicke von 5 bis 60 μm, insbesondere von 5 bis 20 μm und von 20 bis 40 μm auf. Die Lebensdauer der Schichten wird u. a. von den Schichtdicken bestimmt.
Die jeweils erforderliche Schicht ist vom Motortyp und den Betriebsbedingungen abhängig.
Die Verschleißschutzschicht ist vorzugsweise auf der Lauffläche und/oder der Flanke des Kolbenrings aufgebracht, wobei vorzugsweise Schichtdicken von 20 bis 40 μm auf der Laufschicht und Schichtdicken von 5 bis 20 μm auf der Flanke vorgesehen sind.
Die Verschleißschutzschicht wird vorteilhafterweise mittels eines PVD-Verfahrens aufgebracht.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiden Figuren erläutert.
Es zeigen:
1 den Schichtaufbau eines Kolbenringes gemäß einer ersten Ausführungsform und
2 den Schichtaufbau eines Kolbenringes gemäß einer zweiten Ausführungsform.
In der 1 ist schematisch und in Form eines Ausschnitts der Schichtaufbau eines Kolbenrings dargestellt. Das Trägermaterial 1, das den Kolbenring bildet, besteht aus Stahl oder einem Gußmaterial. Darauf aufgebracht ist eine Haftschicht 2, die aus Chrom oder Vanadium bestehen kann.
Die Schicht 3 ist eine gradierte Schicht, die nach oben einen zunehmenden Stickstoffanteil aufweist. Der Vanadiumnitridanteil beginnt unten bei Null und steigt bis auf 100% an. Auf der Schicht 3 befindet sich die Verschleißschutzschicht 4, die vollständig aus Vanadiumnitrid in der kubischen Phase besteht.
In der 2 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, die sich von der ersten Ausführungsform gemäß 1 dadurch unterscheidet, dass zwei Haftschichten 2a und 2b vorgesehen sind. Die Haftschicht 2a besteht aus Chrom und die Haftschicht 2b aus Vanadium.
Der beschriebene Schichtaufbau wird für die Laufschicht und für die Ringflanken verwendet.
Beispiel:
In einem Mikrohärtemessgerät wurden anhand der Lasteindringkurve die Härte und der reduzierte Elastizitätsmodul von PVD-Schichten ermittelt. Der reduzierte Elastizitätsmodul E' ist eine Materialkonstante, in der die Querkontraktion v der Verschleißschutzschicht und der Elastizitätsmodul E enthalten sind. Typische Werte der Querkontraktion v für PVD-Schichten liegen zwischen 0,18 und 0,25 (siehe z. B. Jehn, Hermann: Charakterisierung dünner Schichten, Herausgeber DIN, Deutsches Institut für Normung e. V.).
Der reduzierte Elastizitätsmodul E' wurde jeweils für eine ca. 10 μm dicke Chromnitridschicht entsprechend der DE 10 2004 032 403 und für eine 8 μm dicke Vanadiumnitridschicht sowie für eine 9 μm dicke Cr-V-N-Schicht ermittelt.
Diese Schichten wurden jeweils auf Flachproben zur Modulmessung und auf Kolbenringen abgeschieden. Die Schichten auf Kolbenringen wurden in einem Modelltest zum Abrasivverschleiß bewertet. Es handelt sich um einen Test, bei dem die Ringe mit einem sehr feinen Läppkorn (Si 1000) und einer definierten Zeit (30 min bei 30 Hüben/min) an der Lauffläche geläppt werden. Die Kontur der Kolbenringe wurde vor und nach dem Abrasivtest gemessen und ausgewertet, der Verschleiß wird als Verschleißtiefe angegeben.
Die Vanadiumnitridschicht besteht laut EPMA-Messungen (EPMA bedeutet Electron Probe Micro Analyser, Elektronenstrahlmikroanalyse) aus 55,6 At-% Vanadium, 43,6 At-% Stickstoff und weniger als 1,5 At-% Sauerstoff. Das Vanadiumnitrid liegt als kubische Phase vor.

Schicht Schichtdicke auf Kolbenring Reduzierter Elastizitätsmodul Verschleißtiefe im Abrasivtest

CrN 30 μm 307 GPa 7,4 μm

VN 8 μm 423 GPa 2,7 μm

Cr-V-N 9 μm 377 GPa 3,8 μm
Es hat sich gezeigt, dass das Vanadiumnitrid bei einer Schichtdicke von 8 μm einen reduzierten Elastizitätsmodul E' von 423 GPa aufweist und dass die Verschleißtiefe im Abrasivtest lediglich 2,7 μm und somit deutlich weniger als bei der Chromnitridschicht (7,4 μm) beträgt.
Auch die Cr-V-N-Schicht mit einem reduzierten Elastizitätsmodul E' von 377 GPa zeigte nur eine Verschleißtiefe von 3,8 μm.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: Haftschicht
2a, b: Haftschichten
3: Gradierte Vanadiumnitridschicht
4: Verschleißschutzschicht

Claims

Kolbenring mit einem Trägermaterial (1) und mit einer Verschleißschutzschicht (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (4) aus einem Material besteht, das einen reduzierten Elastizitätsmodul E' ≥ 350 GPa aufweist, wobei
und E_o der Elastizitätsmodul in [Pa] und v die Querkontraktionszahl bezeichnet und dass die Verschleißschutzschicht (4) aus Vanadiumnitrid oder Cr-V-N besteht und dass mindestens die Verschleißschutzschicht (4) mittels eines PVD-Verfahrens oder eines CVD-Verfahrens aufgebracht ist.
Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastizitätsmodul E' > 400 GPa beträgt.
Kolbenring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (4) aus 49 bis 78 At-% Vanadium, Rest Stickstoff und Verunreinigungen, wie Sauerstoff, besteht.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (4) aus 50 bis 60 At-% Vanadium, 40 bis 50 At-% Stickstoff und < 1,5 At-% Sauerstoff besteht.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Vanadiumnitrid in der kubischen Phase vorliegt.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass unter der Verschleißschutzschicht (4) eine Schicht (3) mit gradiertem Stickstoffgehalt von Vanadium zu Vanadiumnitrid angeordnet ist, wobei die Seite der Schicht (3) mit hohem Vanadiumnitridanteil der Verschleißschutzschicht (4) benachbart ist.
Kolbenring nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der gradierten Schicht (3) und dem Trägermaterial (1) mindestens eine Haftschicht (2) angeordnet ist.
Kolbenring nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (2) aus Chrom oder Vanadium besteht.
Kolbenring nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Haftschichten (2a, b) vorgesehen sind, wobei die dem Substrat (1) benachbarte Haftschicht (2a) aus Chrom und die zweite Haftschicht (2b) aus Vanadium besteht.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (4) eine Dicke von 5 bis 60 μm aufweist.
Kolbenring nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht eine Dicke von 20 bis 40 μm aufweist.
Kolbenring nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (4) eine Dicke von 5 bis 20 μm aufweist.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (4) auf der Lauffläche aufgebracht ist.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht auf der Flanke aufgebracht ist.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht mittels eines reaktiven Lichtbogenverfahrens aufgebracht wird.
Verwendung eines Kolbenrings mit Verschleißschutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 15 in Ottomotoren.
Verwendung eines Kolbenrings mit Verschleißschutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 15 in Dieselmotoren.