DE102010002687B4

DE102010002687B4 - Verfahren zur Beschichtung zumindest der Innenfläche eines Kolbenrings sowie Kolbenring

Info

Publication number: DE102010002687B4
Application number: DE102010002687A
Authority: DE
Inventors: Dirk Bärenreuter; Dr. Kennedy Marcus; Markus Kellner; Ralf Lammers
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2010-03-09
Filing date: 2010-03-09
Publication date: 2012-02-16
Anticipated expiration: 2030-03-10
Also published as: EP2545195A2; WO2011110411A2; BR112012022013A2; RU2012142814A; KR20130005282A; DE102010002687A1; BR112012022013B1; CN103620085B; JP5855026B2; KR101781618B1; WO2011110411A3; JP2013529249A; CN103620085A; DE102010002687C5; US20130136861A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Beschichtung zumindest der Innenfläche eines Kolbenrings zumindest bereichsweise, der bevorzugt aus Gusseisen oder Stahl ausgeführt ist, wird mittels zumindest eines der Verfahren PA-CVD, Glimmentladung und/oder HIPIMS eine PVD- und/oder DLC-Schicht aufgebracht. Ein Kolbenring weist eine Beschichtung auf, die zumindest bereichsweise an der Innenfläche ausgebildet ist und zumindest eine PVD- und/oder DLC-Schicht aufweist, die bevorzugt mittels PA-CVD, Glimmentladung und/oder HIPIMS aufgebracht wurde.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung zumindest der Innenfläche eines Kolbenrings sowie einen Kolbenring.
Der erfindungsgemäß zu beschichtende Kolbenring ist typischerweise als Bestandteil eines zweiteiligen Ölabstreifrings in einem Kolben eines Verbrennungsmotors vorgesehen. Hierbei wird der eigentliche Kolbenring, der in Gleitkontakt mit einem Zylinder oder einer Zylinderlaufbuchse steht, durch eine innenliegende Schraubendruckfeder gegen die Zylinderwand gedrückt. An der Innenfläche des Kolbenrings kommt es somit durch die dynamische Beanspruchung während des Betriebs des Motors zu Relativbewegungen zwischen dem Kolbenring und der Schraubendruckfeder. Diese Bewegung kann zu sogenanntem Sekundärverschleiß führen, der sich an dem Kolbenring in Form von Nuteingrabungen und an der Feder in Form von Materialabtrag zeigen kann. In den Nuteingrabungen kann sich die Feder verhaken, was die Abstreifwirkung des Kolbenrings beeinträchtigt. Ferner kann es zu einem Nachlassen der zur Erfüllung der Funktion erforderlichen Tangentialkraft kommen.
Stand der Technik
Die DE 196 51 112 A1 betrifft einen vollständig mit einer Beschichtung versehenen Ölabstreifring an einer Motorkolbenstange.
Aus der JP2006349019 (A) geht ein Kolbenring mit einer amorphen Hartkohlenstoffbeschichtung hervor.
Die DE 10 2006 046 917 B3 betrifft einen Kolbenring mit einem periodisch aufgebauten Viellagenschichtsystem, das mittels eines PVD-, eines CVD- oder Lichtbogenverfahrens aufgebracht werden kann.
Aus „Hochbelastbare kohlenstoffbasierte Mehrschichtsysteme für die Umformtechnik” von M. Weberetal., veröffentlicht in Vakuum in Forschung und Praxis 18 (2006) Nr. 3, Seite 17 bis 23 geht hervor, dass DLC-Schichten durch PVD- und CVD-Verfahren aufgebracht werden können.
Die DE 10 2005 033 769 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Mehrkatoden-PVD-Beschichtung.
Die DE 698 28 704 T2 offenbart Kohlenstoffbeschichtungen, beispielsweise von Kolbenringen.
Schließlich betrifft die US 5718437 A einen beschichteten Kolbenring.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Beschichtung eines Kolbenrings und einen beschichteten Kolbenring zu schaffen, mit denen das Reib- und/oder Verschleißverhalten zumindest einer Komponente eines zweiteiligen Ölabstreifrings verbessert wird.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch das im Anspruch 1 beschriebene Verfahren.
Demzufolge wird auf einen bevorzugt aus Gusseisen oder Stahl ausgeführten Kolbenring mittels zumindest eines der Verfahren PA-CVD (plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung), Glimmentladung oder Hochionisations-Verfahren, wie z. B. HIPIMS, eine PVD- und/oder DLC-Schicht aufgebracht. Für die beschriebenen Verfahren wurde festgestellt, dass damit in überraschender und neuartiger Weise die Beschichtung der Innenfläche eines Kolbenrings in guter Qualität und prozesstechnisch machbar ausgebildet werden kann. Somit kann erstmalig an der Innenfläche eines Kolbenrings ein wirksamer Verschleißschutz zu der Schraubendruck- oder Schlauchfeder ausgebildet werden. Es sei erwähnt, dass der Kolbenring an seiner Innenseite eine Nut zur Aufnahme der Schlauchfeder aufweisen kann. Unter ”Beschichtung zumindest an der Innenseite” wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass der Kolbenring an seiner zylinderförmigen Innenfläche und bevorzugt zumindest in denjenigen Bereichen, beispielsweise im Bereich einer Schlauchfedernut, beschichtet ist, die sich in Berührung mit der Schlauchfeder befinden. Es können jedoch weitere Flächen, wie die Flanken und/oder die Lauffläche, mit der hierin beschriebenen Beschichtung versehen sein.
Für die beschriebenen Schichten wurde festgestellt, dass sie sehr geringe Reibkoeffizienten aufweisen. Folglich ist in vorteilhafter Weise zusätzlich ein geringer Verschleiß an der Schlauchfeder zu erwarten. Schließlich sind die beschriebenen Schichten chemisch vergleichsweise äußerst resistent, so dass Ablagerungen verhindert werden, und in vorteilhafter Weise eine weitere Verbesserung der Beweglichkeit des gesamten Ölringsystems erreicht wird. Die DLC-Schicht kann als wasserstofffreie Schicht, insbesondere in der Form a-C oder ta-C vorliegen. Ferner ist eine wasserstoffhaltige, jedoch metallfreie Schicht, beispielsweise in der Form a-C:H oder ta-C:H denkbar. Schließlich ist zumindest eine Zwischenschicht des Typs a-C:H:X mit X = Silizium, Germanium, Fluor, Bor, Sauerstoff, und/oder Stickstoff vorgesehen.
Bevorzugte Weiterbildungen sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Für die Schichtdicke, die die gestellten Anforderungen vorteilhaft erfüllt, wurde ein Bereich von 0,5 μm bis 10 μm festgestellt.
Für die PVD-Schicht wurden bei ersten Versuchen besonders gute Ergebnisse für eine Ausbildung dieser Schicht aus Nitriden und/oder Karbiden, zumindest eines der Metalle Chrom, Titan, Aluminium und Wolfram festgestellt. Die Abscheidung der Nitride und Karbide kann dabei abwechselnd oder gleichzeitig erfolgen.
Besonders gute Ergebnisse wurden für PVD-Schichten mit einer Härte von 800 bis 4000 HV0.1 erreicht.
Für die amorphe Kohlenstoff- oder DLC-Schicht wird ein Aufbau bevorzugt, der zumindest eine der folgenden Schichten und zu dem Grundmaterial des Kolbenrings zunächst eine Haftschicht aus Chrom und/oder Titan mit einer Schichtdicke von 1,0 μm oder kleiner aufweist. Hieran schließt sich eine metall- oder halbleiterhaltige Zwischenschicht, d. h. eine a-C:H:Me mit Wolfram, Titan oder Chrom als Metall bzw. a-C:H:X mit X = Silizium und/oder Germanium als Halbleiter und/oder einem oder mehreren der Bestandteile Fluor, Bor, Sauerstoff und Stickstoff an. Die Dicke dieser Zwischenschicht beträgt bevorzugt 0,1 μm bis 5 μm. Der beschriebene Aufbau wird durch eine metallfreie Topschicht des Typs a-C:H mit einer Dicke von bevorzugt 0,1 μm bis 5 μm abgeschlossen.
Besonders gute Eigenschaften wurden für eine metallhaltige DLC-Zwischenschicht festgestellt, die nanokristalline Metall- oder Metallkarbidausscheidungen, wie z. B. WC, CrC, SiC, GeC oder TiC enthält.
Für die DLC-Schicht wurden vorteilhafte Eigenschaften bei einer Härte von 2000 bis 5000 HV0.002 festgestellt.
Ergänzend zu den eingangs beschriebenen Verfahren können für die DLC-Schicht auch Sputtern und insbesondere Hohlkathoden-Glimmentladungsverfahren angewendet werden.
Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt ferner durch den im Anspruch 8 beschriebenen Kolbenring. Bevorzugte Ausführungsformen desselben ergeben sich durch die Anwendung der vorangehend beschriebenen bevorzugten Verfahrensmerkmale.
Es sei ferner erwähnt, dass auf den hierin beschriebenen, zumindest an seiner Innenfläche beschichteten Kolbenring auch eine Ausführungsform derjenigen Beschichtung aufbringbar ist, die durch die Anmelderin in der am gleichen Tag eingereichten Anmeldung mit dem Titel ”Gleitelement, insbesondere Kolbenring, und Verfahren zur Beschichtung eines Gleitelements” beschrieben ist. Ferner kann der hierin beschriebene, insbesondere an der Innenfläche beschichtete Kolbenring in vorteilhafter Weise mit der in der am gleichen Tag eingereichten Anmeldung mit dem Titel ”Schraubendruckfeder für einen Ölabstreifring eines Kolbens in einem Verbrennungsmotor und Verfahren zur Beschichtung einer Schraubendruckfeder” beschriebenen Schraubdruckfeder in einer der dort angegebenen Ausführungsformen kombiniert werden.

Claims

Verfahren zur Beschichtung zumindest der Innenfläche eines Kolbenrings zumindest bereichsweise, der bevorzugt aus Gusseisen oder Stahl ausgeführt ist, bei dem zumindest eine Zwischenschicht des Typs a-C:H:X mit X = Silizium, Germanium, Fluor, Bor, Sauerstoff, und/oder Stickstoff ausgebildet wird, und mittels zumindest eines der Verfahren PA-CVD, Glimmentladung und/oder HIPIMS eine PVD- und/oder DLC-Schicht aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mit einer Gesamtdicke von 0,1 μm bis 10 μm aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD-Schicht Nitride und/oder Karbide von Chrom, Titan, Aluminium und/oder Wolfram enthält, die abwechselnd oder gleichzeitig abgeschieden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD-Schicht eine Härte von 800 bis 4000 HV0.1 aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die DLC-Schicht zumindest eine, bevorzugt sämtliche der folgenden Schichten aufweist: eine Haftschicht aus Chrom und/oder Titan mit einer Schichtdicke von 1,0 μm oder weniger, zumindest eine metallhaltige Zwischenschicht des Typs a-C:H:Me mit Me = Wolfram, Titan und/oder Chrom, oder des Typs a-C:H:X mit X = Silizium, Germanium, Fluor, Bor, Sauerstoff und/oder Stickstoff mit einer Schichtdicke von 0,1 μm bis 5 μm und eine metallfreie Topschicht des Typs a-C:H mit einer Schichtdicke von 0,1 μm bis 5 μm.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die metallhaltige DLC-Schicht nanokristalline Metall- oder Metallkarbidausscheidungen, wie z. B. WC, CrC, SiC, GeC und/oder TiC enthält.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte der DLC-Schicht 2000 bis 5000 HV0.002 beträgt.
Kolbenring mit einer Beschichtung, die zumindest bereichsweise an der Innenfläche ausgebildet ist und da zumindest eine Zwischenschicht des Typs a-C:H:X mit X = Silizium, Germanium, Fluor, Bor, Sauerstoff, und/oder Stickstoff und zumindest eine PVD- und/oder DLC-Schicht aufweist, die bevorzugt mittels PA-CVD, Glimmentladung und/oder HIPIMS aufgebracht wurde.