DE102009046281B3 - Gleitelement, insbesondere Kolbenring, und Kombination eines Gleitelements mit einem Laufpartner - Google Patents

Gleitelement, insbesondere Kolbenring, und Kombination eines Gleitelements mit einem Laufpartner Download PDF

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Abstract

Ein Gleitelement, insbesondere ein Kolbenring, bevorzugt aus Gusseisen oder Stahl, weist eine Beschichtung auf, die von innen nach außen eine CrN-, eine Me(CN)- und eine DLC-Schicht aufweist, wobei die DLC-Schicht entweder metallfrei ist oder aus einem metallhaltigen Unterbau und einer metallfreien DLC-Topschicht besteht. Ferner wird eine Kombination eines derartigen Gleitelements mit einem eisenbasierten Laufpartner beschrieben.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Gleitelement, insbesondere einen Kolbenring, mit einer Beschichtung sowie eine Kombination eines Gleitelements mit einem Laufpartner.
  • In zahlreichen technischen Anwendungsfällen stehen Gleitelemente in gleitendem Kontakt mit Laufpartnern. Als typischer Anwendungsfall kann die Kombination eines Kolbenringes mit einer Zylinderlaufbuchse gesehen werden. Solange die Zylinder oder Zylinderlaufbuchsen beispielsweise aus Aluminium-Silizium Legierungen ausgeführt sind, was insbesondere bei Otto-Motoren der Fall ist, haben sich DLC (diamond like carbon)-Beschichtungssysteme im Hinblick auf Verschleiß und Reibleistung bewährt. Die bekannten DLC-Schichtsysteme sind jedoch im Hinblick auf die Lebensdauer sowie auf ihre Anwendbarkeit bei Diesel- oder hoch aufgeladenen Otto-Motoren mit üblicherweise eisenbasierten Zylinderlaufbuchsen verbesserungswürdig. Wegen der deutlich höheren Zylinderdrücke und insbesondere in Kombination mit Direkteinspritzung tritt ein erhöhter Anteil an Mischreibung auf. Als maßgeblicher Grund für die mangelhafte Eignung der DLC-Beschichtungssysteme für derartige Situationen wird die üblicherweise geringe Schichtdicke, von weniger als 5 μm, gesehen.
  • Stand der Technik
  • Aus der DE 10 2005 063 123 B3 geht eine DLC-Beschichtung mit einer Einlaufschicht hervor. Im Hinblick auf höhere Schichtdicken sind ferner PVD-Beschichtungen, insbesondere auf der Basis von CrN bekannt, die Schichtdicken im Bereich von 10–30 μm aufweisen. Hierdurch ergibt sich zwar eine verbesserte Lebensdauer, jedoch verschlechtert sich die Reibleistung und der Verschleißwiderstand, insbesondere bei Mangelschmierung, sowie die Brandspursicherheit. Dem gegenüber bieten DLC-Schichtsysteme aufgrund ihrer amorphen Struktur den Vorteil, dass sie eine weitgehend die chemische Inaktivität mit metallischen Oberflächen und damit eine äußerst geringe adhäsive Neigung gegenüber dem Laufpartner aufweisen.
  • Die DE 296 05 666 U1 betrifft ein Bauteil im Bereich eines Verbrennungsmotors, das mit einer metallfreien, amorphen Kohlenstoffschicht beschichtet ist, deren Härteverlauf über die Schichtdicke graduiert ist.
  • Aus der DE 10 2008 016 864 B3 geht ein Kolbenring hervor, der von innen nach außen eine Haftschicht, eine metallhaltige, amorphe Kohlenstoffschicht und eine metallfreie, amorphe Kohlenstoffschicht aufweist.
  • Die WO 2009/106201 A1 betrifft ein Bauteil eines Verbrennungsmotors, bei dem auf einem Substrat eine DLC-Haftvermittlerschicht, eine DLC-Funktionsschicht und eine DLC-Einlaufschicht vorhanden sind.
  • Schließlich zeigt die WO 2006/125683 A1 einen Kolbenring, der von innen nach außen eine Schicht mit einem Element der Gruppen IVB, VB oder VIB, eine Zwischenschicht mit einer diamantartigen Nanokomposit-Zusammensetzung und eine DLC-Schicht aufweist.
  • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleitelement, insbesondere einen Kolbenring, zu schaffen, der insbesondere beim Einsatz in Diesel- oder hoch aufgeladenen Otto-Motoren mit beispielsweise eisenbasierten Laufpartnern die Anforderungen im Hinblick auf die Lebensdauer und die Reibleistung erfüllt. Ferner soll eine geeignete Kombination eines Gleitelements mit einem Laufpartner angegeben werden.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das in Anspruch 1 beschriebene Gleitelement.
  • Dieses zeichnet sich zum Einen durch eine Kombination einer CrN-Schicht und einer DLC-Schicht an der Außenseite aus. Die DLC-Schicht ist entweder metallfrei oder weist einen metallhaltigen Unterbau und eine metallfreie DLC-Topschicht auf. Mit anderen Worten ist die DLC-Schicht zumindest teilweise metallfrei und weist insbesondere an der äußeren Oberfläche eine metallfreie DLC-Schicht auf. Ferner haben umfangreiche Versuche ergeben, dass sich ein besonders gutes Verhalten der beschriebenen Beschichtung dann einstellt, wenn zwischen der CrN- und der DLC-Schicht eine Zwischenschicht als Me(CxNy)-Schicht vorgesehen ist. Für diesen Schichtaufbau wurde in Versuchen festgestellt, dass sich das Verschleißverhalten an dem Gleitelement, insbesondere einem Kolbenring, gegenüber dem bekannten Aufbau aus einer Cr-Haftschicht und einer DLC-Topschicht verbessert. Somit kann die Lebensdauer erheblich verbessert werden. Ferner stellt sich bei Versuchen heraus, dass auch der relative Reibwert erheblich reduziert werden kann. Insgesamt kann somit durch den beschriebenen Schichtaufbau ein verbessertes Gleitelement bereitgestellt werden. Es sei betont, dass die CrN-Schicht bevorzugt ohne Haftschicht an dem Kolbengrundwerkstoff, beispielsweise durch metallisches Aufdampfen oder Sputtern aufgebracht ist. Jedoch kann die CrN-Schicht in besonderen Anwendungsfällen mittels einer Haftschicht an dem Grundwerkstoff des Gleitelements angebracht sein.
  • Der guten Ordnung halber sei erwähnt, dass Me für Metall steht und hierfür beispielsweise Wolfram, Chrom, Titan oder Silizium verwenden werden können. Ferner können in der beschriebenen Schicht Kohlenstoff und Stickstoff in nahezu beliebigem Anteil vorhanden sein, d. h. sowohl x als auch y können sich von 0–99 Atomprozent erstrecken. Ferner kann die Beschichtung insbesondere zumindest bereichsweise auf zumindest einer Lauffläche vorgesehen sein. Ferner kann sich die Beschichtung in den Übergang zu Flächen und auf Flächen erstrecken, die an die Laufflächen benachbart sind. Dies betrifft beispielsweise die Laufflanken eines Kolbenringes.
  • Bevorzugte Weiterbildungen sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
  • Für die Härte der CrN-Schicht oder des -Unterbaus haben sich Werte von 1100–1900 HV 0,002 bewährt. Diese Ausbildung kann mit einer Härte der metallfreien DLC-Schicht von 1700– 2900 HV 0,002 und/oder einer Härte der metallhaltigen DLC-Schicht von 800–1600 HV 0,002 kombiniert werden.
  • Es wird ferner erwartet, dass sich besonders gute Eigenschaften der DLC-Schicht, insbesondere der metallhaltigen und/oder der metallfreien DLC-Schicht einstellen, wenn diese Wasserstoff enthält.
  • Die metallhaltige DLC-Schicht kann ferner in vorteilhafter Weise nanokristalline Metallkarbidausscheidungen, wie z. B. WC, CrC, SiC, GeC oder TiC enthalten.
  • Vorteilhafte Eigenschaften konnten ferner für CrN-Schichten mit einer Dicke von 1–30 μm, Me(CxNy)-Schichten mit einer Dicke von maximal 2 μm sowie einer Gesamtschichtdicke von 5–40 μm festgestellt werden.
  • Im Hinblick auf die Rauhigkeit ist zur weiteren Verbesserung der Eigenschaften bevorzugt, dass die die Oberfläche bildende Topschicht eine Rauhigkeit Rz von < 5 μm und/oder Rpk von < 0,8 μm aufweist.
  • In bewährter Weise kann die metallhaltige und/oder metallfreie DLC-Schicht durch PA-CVD-Verfahren hergestellt sein.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Kombination zumindest eines vorangehend beschriebenen Gleitelements mit einem Laufpartner, insbesondere einem Zylinder oder einer Zylinderlaufbuchse eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Diesel- oder hoch aufgeladenen Otto-Motors, wobei der Laufpartner eisenbasiert ist.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen erfindungsgemäßen Schichtaufbau;
  • 2 den relativen Verschleiß eines Kolbenrings und einer Zylinderlaufbuchse; und
  • 3 den relativen Reibwert verschiedener Schichtsysteme.
  • Ausführliche Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
  • Wie aus 1 hervorgeht, ist auf dem Grundwerkstoff 10 des Gleitelements eine CrN-Schicht 12 aufgebracht. Die in 1 gezeigte Haftschicht 14 muss nicht notwendigerweise vorgesehen sein. Insbesondere wird bevorzugt, diese wegzulassen. Mittels einer Me(CxNy)-Zwischenschicht 16 ist an der Außenseite eine DLC-Schicht 18 vorgesehen, die an der Außenseite eine metallfreie DLC-Schicht aufweist.
  • Mit einem derartigen Aufbau, ohne die Haftschicht 14, wurden Versuche mit Vergleichsbeispielen durchgeführt. Die Tabelle zeigt die verwendeten Schichtsysteme.
    Schichtaufbau Schichtdicke gesamt
    Substrat Lauffläche
    Haftschicht Unterbau Zwischenschicht Topschicht [μm]
    DLC-Serie Cr DLC 3,5
    CNDLC01 - CrN – 01 Me(CN)x DLC 8,8
    CNDLC02 Cr CrON – 02 Cr DLC 14,5
    CNDLC03 Cr CrN – 03 Cr DLC 14,6
    CNDLC04 Cr CrON – 04 Cr DLC 14,3
  • Hierbei handelt es sich bei dem System „Serie-DLC” um ein serienmäßiges DLC-Schichtsystem ohne CrN. Diese Schichtsysteme wurden auf einen Kolbenring aufgebracht, und es wurde das tribologische Verhalten in Kombination mit einer gehonten Grauguss-Zylinderlaufbuchse in geschmiertem Zustand untersucht. In 2 sind die relativen Verschleißwerte für den Kolbenring einerseits (nach oben) und für die Zylinderlaufbuchse („Liner”) dargestellt. Die dargestellten Prozentwerte geben an, wie viel Prozent der ursprünglichen DLC-Schicht nach Beendigung des Versuchs noch vorhanden sind. Wenn dieser Wert größer als 100 Prozent ist, ist neben der DLC-Schicht auch die CrN- bzw. CrON-Schicht zumindest teilweise verschlissen. Für den relativen Verschleiß der Zylinderlaufbuchse wird der höchste Verschleißwert als Bezugsgröße verwendet und damit zu 100 Prozent definiert.
  • Wie sich aus 2 ergibt, weist die erfindungsgemäße Beschichtung mit einer Me(CxNy)-Zwischenschicht den geringsten relativen Verschleiß auf. Beim Verschleiß der Zylinderlaufbuchse führt lediglich die bekannte DLC-Beschichtung zu einem geringeren Wert. Jedoch ist auch für das erfindungsgemäße Beispiel der Verschließ der Zylinderlaufbuchse in einem akzeptablen Bereich.
  • Ferner wurden Reibbeiwertuntersuchungen durchgeführt, deren Ergebnisse in 3 dargestellt sind. Hier weist das erfindungsgemäße Beispiel den niedrigsten relativen Reibbeiwert auf. Somit ist auch diese Anforderung, neben einem vergleichsweise geringen Verschleiß und damit einer langen Lebensdauer, erfüllt.

Claims (8)

  1. Gleitelement, insbesondere Kolbenring, bevorzugt aus Gusseisen oder Stahl, mit einer Beschichtung, die von innen nach außen eine CrN-, eine Me(CxNy)- und eine DLC-Schicht aufweist, wobei die DLC-Schicht entweder metallfrei ist oder aus einem metallhaltigen Unterbau und einer metallfreien DLC-Topschicht besteht.
  2. Gleitelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte der CrN-Schicht bei 1100–1900 HV 0,002 und/oder die Härte der metallfreien DLC-Schicht bei 1700–2900 HV 0,002 und/oder die Härte der metallhaltigen DLC-Schicht bei 800–1600 HV 0,002 liegt.
  3. Gleitelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallhaltige und/oder die metallfreie DLC-Schicht Wasserstoff enthält.
  4. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallhaltige DLC-Schicht nanokristalline Metallkarbidausscheidungen, wie z. B. WC, CrC, SiC, GeC oder TiC, enthält.
  5. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die CrN-Schicht eine Dicke von 1–30 µm, und/oder die Me(CxNy)-Schicht eine Dicke von maximal 2 µm und/oder die Gesamtschicht eine Dicke von 5–40 µm aufweist.
  6. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die DLC-Schicht an der Außenseite eine Rauheit Rz von < 5 μm und/oder Rpk von < 0,8 μm aufweist.
  7. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die CrN-Schicht metallisch aufgedampft und/oder die metallhaltige und/oder die metallfreie DLC-Schicht mittels PA-CVD-Verfahren hergestellt ist.
  8. Kombination eines Gleitelements nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem eisenbasierten Laufpartner, insbesondere einem Zylinder oder einer Zylinderlaufbuchse eines Verbrennungsmotors.
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