DE102011089284A1

DE102011089284A1 - Kolbenring für einen Verbrennungsmotor und Herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE102011089284A1
Application number: DE102011089284A
Authority: DE
Inventors: Jeong Uk An
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2013-03-28
Also published as: CN103016200A; KR20130033580A; US20130075977A1

Abstract

Es werden ein Kolbenring für einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zur Herstellung des Kolbenrings offenbart. Der Kolbenring enthält mindestens eine Cr-(Chrom)Beschichtung, die auf der Oberfläche eines Basismaterials aufgebracht wird, und eine Si-DLC-(Silicon doped Diamond Like Carbon; siliziumdotierter diamantartiger Kohlenstoff)Beschichtung, die auf einer äußersten Schicht über der Cr-Schicht und dem Basismaterial aufgebracht wird. Genauer gesagt, enthält die Si-DLC-Schicht ca. 3 bis 10 Gew.-% Si.

Description

HINTERGRUND
(a) Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Kolbenring für einen Verbrennungsmotor, wobei der Außenumfang des Kolbenrings mit reibungsarmem Si-DLC (Silicon Doped Diamond Like Carbon; siliziumdotierter diamantartiger Kohlenstoff) behandelt wird, um Reibungsverluste in einem Motorzylinder zu verringern und die Kraftstoffeffizienz zu verbessern, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kolbenrings.
(b) Hintergrundtechnik
Ein Kolbenring ist nach Definition ein Paar Ringe, die in Nuten am Außenumfang eines Kolbens eingepasst werden, um ein gewisses Maß an Luftdichtigkeit zwischen dem Kolben und der Innenwand eines Zylinders aufrechtzuerhalten und ein Schmiermittel von der Zylinderwand abzustreifen, um so zu verhindern, dass das Schmiermittel in den Brennraum fließt.
1 zeigt den Beschichtungszustand eines herkömmlichen Kolbenrings für einen Verbrennungsmotor. Bei einem derartigen Kolbenring bestehen die Probleme der ausreichenden Dauerhaftigkeit sowie des zu niedrigen Reibungskoeffizienten. Aus diesem Grund wird der Außenumfang eines Kolbenrings 10 im Allgemeinen mit Cr (Chrom) oder Nitrid (Gasnitrieren) beschichtet. In den letzten Jahren sind bedingt durch die hohen Ölpreise und die CO₂-Beschränkungen verschiedene Oberflächenbehandlungstechnologien, bei denen CrN (Chromnitrid) oder dgl. verwendet wird, vorgeschlagen worden, um die Reibungsverluste zu verringern und die Dauerhaftigkeit zu verbessern.
Im Rahmen der Oberflächenbehandlungsverfahren wird DLC (Diamond Like Carbon; diamantartiger Kohlenstoff) verwendet, wobei es sich um eine Zwischenphase zwischen Diamant und Graphit handelt, so dass DLC den niedrigen Reibungskoeffizienten des Graphits, einen hohen Härtegrad des Diamanten und eine hervorragende chemische Beständigkeit aufweist. Wenn DLC auf den Außenumfang des Kolbenrings aufgebracht wird, kann deshalb der Reibungsverlust des Motors weiter verringert werden, was in einer Verbesserung der Kraftstoffeffizienz eines Fahrzeugs resultiert.
DLC ist insofern problembehaftet, als die Reibungsarmut und Dauerhaftigkeit beeinträchtigt werden, wenn DLC über längere Zeit einer hohen Temperatur ausgesetzt ist, so dass die Eigenspannung der Beschichtung zunimmt. Bei zunehmender Spannung in der Beschichtung kann die Dicke der Beschichtung außerdem in bestimmten Abschnitten zunehmen. Wenn dies eintritt, muss die Beschichtung aufgrund der höheren Reibung abgelöst werden.
Die obigen Ausführungen sollen nur zu einem besseren Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung dienen.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Erfindung ist in dem Bestreben erarbeitet worden, die oben beschriebenen Probleme im Stand der Technik zu lösen. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolbenring für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, der so konfiguriert ist, dass der Außenumfang des Kolbenrings mit reibungsarmem Si-DLC beschichtet ist, um Reibungsverluste in einem Motorzylinder zu verringern und die Kraftstoffeffizienz zu verbessern, so dass gleichzeitig geringe Reibung und hohe Dauerhaftigkeit erzielt werden, und ein Verfahren zur Herstellung des Kolbenrings.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt einen Kolbenring für einen Verbrennungsmotor bereit, der eine Chrom-(Cr)-Beschichtung aufweist, die auf der Oberfläche des Basismaterials aufgebracht wird; und eine Schicht aus silizium-dotiertem diamantartigem Kohlenstoff (Si-DLC), die auf der äußersten Schicht auf der Cr-Schicht und dem Basismaterial aufgebracht wird, und ca. 3 bis 10 Gew.-% Si enthält. Vorzugsweise kann der Kolbenring ferner eine Chromnitrid-(CrN)-Beschichtung enthalten, die zwischen der Cr-Beschichtung und der Si-DLC-Beschichtung aufgebracht wird.
Bei manchen Ausführungsformen kann die Si-DLC-Beschichtung eine Dicke von ca. 0,1 to 10 μm haben und das Si kann in der Si-DLC-Beschichtung gleichmäßig verteilt sein. Der Si-Anteil der Si-DLC-Beschichtung kann in Richtung vom inneren zum äußeren Abschnitt der Beschichtung zunehmen.
Die Si-DLC-Beschichtung kann durch eine chemische Reaktion zwischen einem Aufkohlungsgas (C_xH_y) und TMS-(Tetramethylsilan; Si(CH₃)₄)-Gas oder zwischen dem Aufkohlungsgas und HMDSO-(Hexamethyldisiloxan; O(Si(CH₃)₃)₂)-Gas ausgebildet werden.
Die Cr-Beschichtung und die Si-DLC-Beschichtung können nur auf dem Außenumfang des Basismaterials ausgebildet sein und mit der Innenwand eines Zylinders in Kontakt stehen.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung steht ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbenrings für einen Verbrennungsmotor bereit, das aufweist:

a) Aufbringen einer Cr-Beschichtung auf einem Basismaterial; und
b) Aufbringen einer Si-DLC-Beschichtung durch eine chemische Reaktion zwischen einem Aufkohlungsgas (C_xH_y) und TMS-Gas oder zwischen einem Aufkohlungsgas und HMDSO-Gas.

Vorzugsweise kann das Verfahren ferner das Aufbringen einer CrN-Beschichtung durch eine chemische Reaktion zwischen N₂-Gas und gesputterten Cr-Ionen enthalten, wobei eine Cr-Beschichtung auf dem Basismaterial aufgebracht wird. Außerdem kann beim Aufbringen der Si-DLC-Beschichtung die Einspitzmenge des TMS- oder des HMDSO-Gases eingeregelt werden, so dass der Si-Anteil der Si-DLC-Beschichtung von einem inneren Abschnitt zu einem äußern Abschnitt der Beschichtung ansteigt. Genauer gesagt, kann die Si-DLC-Beschichtung 3 bis 10 Gew.-% Si enthalten.
Wie die obige Beschreibung deutlich macht, stellt die vorliegende Erfindung einen Kolbenring für einen Verbrennungsmotor und ein Herstellungsverfahren für diesen bereit, wobei der Reibungskoeffizient des Si-DLC um mindestens 23% kleiner ist als der der Cr-Plattierung und des Nitrierens und um mindestens 11% kleiner ist als der des CrN, so dass der Reibungsverlust des Kolbenrings verringert und die Kraftstoffeffizienz um mindestens 0,2 bis 0,5% verbessert wird.
Andere Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend erläutert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nunmehr ausführlich anhand bestimmter Ausführungsbeispiele, die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, beschrieben, wobei diese nur der Verdeutlichung dienen und die vorliegende Erfindung nicht einschränken; es zeigen:
1 eine Ansicht des beschichteten Zustands eines herkömmlichen Kolbenrings für einen Verbrennungsmotor;
2 eine Ansicht eines Kolbenrings für einen Verbrennungsmotor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine Schnittansicht einer Beschichtung des Kolbenrings von 2 für einen Motor;
4 eine Ansicht einer Vorrichtung zum Herstellen des Kolbenrings von 2 für den Motor; und
5 bis 7 Graphen, die einen Vergleich zwischen den Eigenschaften der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und einem Vergleichsbeispiel zeigen.
Es sei darauf hingewiesen, dass die beigefügten Zeichnungen nicht unbedingt maßstäblich sind, da sie eine etwas vereinfachte Darstellung der verschiedenen bevorzugten Merkmale zeigen, die für die Grundlagen der Erfindung beispielhaft sind. Die hierin offenbarten spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung die z. B. bestimmte Abmessungen, Ausrichtungen, Orte und Formen umfassen, werden zum Teil durch die besondere vorgesehene Anwendung und die Umgebungsbedingungen am Einsatzort bestimmt.
In den Figuren kennzeichnen identische Bezugszeichen gleiche oder äquivalente Teile der vorliegenden Erfindung in den verschiedenen Figuren der Zeichnung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich erläutert, von denen Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind und nachstehend beschrieben werden. Obwohl die Erfindung in Zusammenhang mit Ausführungsbeispielen beschrieben wird, versteht es sich, dass die vorliegende Beschreibung die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränken soll. Die Erfindung soll im Gegenteil nicht nur die Ausführungsbeispiele, sondern auch verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und andere Ausführungsbeispiele abdecken, die von Geist und Gültigkeitsbereich der Erfindung, die in den beigefügten Ansprüchen definiert sind, erfasst werden.
Es versteht sich, dass der Begriff ”Fahrzeug” oder ”fahrzeugtechnisch” oder andere ähnliche hierin verwendete Begriffe allgemein Kraftfahrzeuge betreffen, wie Personenkraftwagen, einschließlich Komfort-Geländewagen (sports utility vehicle; SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wassermotorfahrzeuge einschließlich verschiedene Boote und Schiffe, Luftfahrzeuge und dgl. und auch Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (an der Steckdose aufladbar), Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb und andere Fahrzeuge für alternative Kraftstoffe (z. B. Kraftstoffe, die aus anderen Ressourcen als Erdöl gewonnen werden) umfasst. Wie hierin verwendet ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug mit zwei oder mehr Antriebsquellen, z. B. Fahrzeuge sowohl mit Benzin- als auch Elektroantrieb.
Ein Kolbenring für einen Verbrennungsmotor und ein Herstellungsverfahren dafür gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
2 zeigt einen Kolbenring für einen Verbrennungsmotor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 3 ist eine Schnittansicht, die eine Beschichtung des Kolbenrings von 2 für einen Motor darstellt.
Der Kolbenring für einen Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung enthält eine Cr-Beschichtung 200, die auf der Oberfläche des Basismaterials 100 aufgebracht ist, und eine Si-DLC-(Diamond Like Carbon; diamantartiger Kohlenstoff) Beschichtung 600, die auf der äußersten Schicht des Basismaterials 100 aufgebracht ist und ca. 3 bis 10 Gew.-% Si enthält. Bei manchen Ausführungsformen kann ferner eine CrN-Beschichtung 400 zwischen der Cr-Beschichtung 200 und der Si-DLC-Beschichtung 600 vorgesehen sein.
Eine solche Konfiguration kann den Reibungsverlust des Kolbenrings verringern und die Kraftstoffeffizienz um mindestens 0,2 bis 0,5% verbessern, weil der Reibungskoeffizient des Si-DLC um mindestens 23% kleiner ist als der der Cr-Plattierung und Nitrierung und um mindestens 11% kleiner als der von CrN. Ferner ist der Verschleißwiderstand des Si-DLC um mindestens 50% höher als der der Cr-Plattierung und des Nitrierens und um mindestens 30% oder mehr höher als der von CrN, wodurch die Zerstörung des Ölfilms verhindert und die Dauerhaftigkeit des Kolbenrings verbessert wird.
Ferner ist DLC mit Si dotiert, um die Reibungarmut und die Abriebfestigkeit bei hohen Temperaturen zu verbessern. Selbst wenn Si-DLC abgenutzt ist, bildet deshalb eine mehrlagige Struktur aus Cr und CrN eine untere Schicht und verbessert so die Dauerhaftigkeit des Kolbenrings.
Beim Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Si-DLC-Beschichtung 600 eine Dicke von 0,1 bis 10 μm haben. Ferner kann das Si gleichmäßig in der Si-DLC-Beschichtung 600 verteilt sein. Die Si-DLC-Beschichtung 600 kann auch so ausgebildet werden, dass der Si-Anteil von einem inneren Abschnitt zu einem äußeren Abschnitt der Beschichtung 600 zunimmt. Wenn der Si-Anteil stufen- oder schichtweise variiert, kann die Si-DLC-Beschichtung 600 Reibungsarmut und hohe Dauerhaftigkeit selbst bei hohen Temperaturen wirksamer aufrechterhalten.
Bei der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Si-DLC-Beschichtung 600 durch eine chemische Reaktion zwischen einem Aufkohlungsgas (C_xH_y) und TMS-Gas oder zwischen dem Aufkohlungsgas und HMDSO-Gas ausgebildet. Es ist jedoch jedes Verfahren zum Ausbilden der Si-DLC-Schicht 600 akzeptabel. Ferner ist es wünschenswert, dass die Cr-Beschichtung 200 und die Si-DLC-Beschichtung 600 nur auf dem Außenumfang des Basismaterials 100, der in Kontakt mit der Innenwand eines Zylinders steht, aufgebracht werden.
Somit ist Si-DLC gemäß der vorliegenden Erfindung ein Beschichtungsmaterial mit einem niedrigeren Reibungskoeffizienten und höherer Härte als CrN und deshalb sehr wirksam zur Verringerung der Reibung und zur Verbesserung der Abriebfestigkeit und des Verschleißwiderstands des Kolbenrings. Da Si-DLC ferner ausgebildet wird, indem Si gleichmäßig oder variable dotiert wird, kann im Gegensatz zur herkömmlichen DLC-Beschichtung eine geringe Reibung und eine hohe Dauerhaftigkeit selbst bei hohen Temperaturen aufrechterhalten werden.
4 ist eine Ansicht einer Vorrichtung zum Herstellen des Kolbenrings von 2 für einen Verbrennungsmotor. Ein Verfahren zum Herstellen des Kolbenrings für einen Motor gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem diese Vorrichtung verwendet wird, wird nachstehend beschrieben.
Das Verfahren zum Herstellen des Kolbenrings für einen Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung enthält das Aufbringen einer Cr-Beschichtung 200 auf dem Basismaterial und das Ausbilden einer Si-DLC-Beschichtung 600 durch eine chemische Reaktion zwischen dem Aufkohlungsgas (C_xH_y) und TMS-Gas oder zwischen dem Aufkohlungsgas und HMDSO-Gas auf der Cr-Schicht 200.
Außerdem kann das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung das Ausbilden einer CrN-Beschichtung 400 durch eine chemische Reaktion zwischen N₂-Gas und gesputterten Cr-Ionen zwischen der Cr-Schicht und der Si-DLC-Schicht des Kolbenrings enthalten.
Ferner kann der Si-Anteil von einem inneren zu einem äußeren Abschnitt der Si-DLC-Beschichtung 600 erhöht werden, indem die Einspritzmenge des TMS- oder HMDSO-Gases gesteuert wird. Im Schritt der Si-DLC-Beschichtung kann eine resultierende Beschichtung mit 3 bis 10 Gew.-% Si erzielt werden.
Genauer gesagt, bildet der Si-DLC-Beschichtungsprozess der vorliegenden Erfindung Cr (durch PVD (Physical Vapor Deposition) physikalisches Aufdampfen) + CrN (durch ein PVD-Verfahren) + Si-DLC (durch PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition; plasmagestützte chemische Abscheidung aus der Gasphase) auf dem Außenumfang des Kolbenrings in einer mehrlagigen Struktur wie in 3 dargestellt. Die äußerste Si-DLC-Schicht wird so ausgebildet, dass ca. 3 bis 10 Gew.-% Si gleichmäßig durch monolithisches Beschichten verteilt werden, oder der Si-Anteil des DLC vom inneren Abschnitt mit ca. 3 Gew.-% zum äußeren Abschnitt mit ca. 10 Gew.-% durch variables Beschichten allmählich erhöht wird.
Wie in 4 dargestellt wird der Kolbenring der vorliegenden Erfindung z. B. in einer Vakuum-Beschichtungsanlage beschichtet, wobei ein Cr-Target und ein Prozessgas, das Argon (Ar), Stickstoffgas (N₂) und ein Aufkohlungsgas (C_xH_y), TMS- oder HMDSO-Gas aufweist, verwendet werden.
Beim Verfahrensbeispiel zur Herstellung der obigen Erfindung wird zuerst ein Plasmazustand hergestellt, wobei Ar-Gas unter Vakuumbedingungen verwendet wird, eine Beschichtungskammer wird auf 80°C erwärmt, um die Oberfläche des Kolbenrings zu aktivieren, und eine Vorspannung wird angelegt, damit die Ar-Ionen auf die Oberfläche des Kolbenrings prallen und dabei die Oberfläche des Kolbenrings reinigen (Brennen und Reinigen). Um den innigen Kontakt zwischen der Beschichtung und dem Basismaterial zu verstärken, wird die Cr-Schicht anschließend nur unter Verwendung des Cr-Target (Dicke 0,1 bis 1,0 μm) aufgebracht.
Ferner wird das Prozessgas N₂ zugeführt, um eine chemische Reaktion mit den gesputterten Cr-Ionen im Cr-Target herbeizuführen, wodurch die CrN-Schicht aufgebracht wird (Dicke ca. 0,1 bis 10 μm). Wenn eine chemische Reaktion ohne Verwendung des Cr-Target, sondern stattdessen des Aufkohlungsgases und des TMS- oder HMDSO-Gases erfolgt, verbinden sich dann C und Si, um die Si-DLC-Schicht zu bilden (Dicke 0,1 bis 10 μm).
Wenn dabei Si enthaltendes Gas (TMS oder HMDSO) mit einer konstanten Rate zugeführt wird, kann der Si-Anteil von DLC ca. 3 bis 10 Gew.-% betragen. Wenn eine kleine Menge Si enthaltendes Gas in einem Anfangsstadium zugeführt und allmählich erhöht wird, kann der Si-Anteil von DLC von ca. 3 Gew.-% im inneren Abschnitt bis auf ca. 10 Gew.-% im äußeren Abschnitt ansteigen.
Die 5 bis 7 sind Graphen, die einen Vergleich zwischen den Eigenschaften der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und einem Vergleichsbeispiel zeigen. 5 zeigt den Vergleich der Reibungskoeffizienten. Ein Reibverschleiß-Kolbentestgerät misst den Reibungskoeffizienten zwischen dem Kolbenring und der Zylinderbüchse. Der Test wird bei einer Last von 150 N, einer Temperatur von 150°C, einer Oszillationsfrequenz von 5 Hz und mit Öl ausgeführt. Das Testergebnis zeigt Si-DLC < DLC < CrN < Nitrierung, wie in 5 dargestellt ist. Das heißt, Nitrieren ergibt den höchsten und Si-DLC den niedrigsten Reibungskoeffizienten. Des Weiteren wird der Reibungskoeffizient des Si-DLC weiter verringert, während sich der Si-Anteil beim Dotieren ändert.
6 zeigt den Vergleich der Verschleißwiderstandswerte. Das Reibverschleiß-Kolbentestgerät misst die Verschleiß erzeugende Last zwischen dem Kolbenring und der Zylinderbüchse, um den Widerstand gegen die Zerstörung des Ölfilms zu vergleichen. Die Testbedingungen sehen eine Lasterhöhung auf bis zu 440 N um 20 N in Intervallen von 20 Minuten, eine Temperatur von 150°C, eine Oszillationsfrequenz von 5 Hz und das Vorhandensein von Öl vor. Das Testergebnis zeigt Nitrierung < CrN < DLC = Si-DLC wie in 6 dargestellt. Beim Nitrieren ergibt sich der rascheste Verschleiß, während DLC und Si-DLC die höchste Verschleiß erzeugende Last aufweisen.
7 zeigt den Vergleich der Hochtemperatur-Abriebfestigkeitswerte. Das Reibverschleiß-Kolbentestgerät misst den Abriebverlust des Kolbenrings zwischen dem Kolbenring und der Zylinderbüchse. Die Testdauer ist eine Stunde und die Bedingungen sehen eine Last von 150 N, Temperaturen von 25°C und 200°C, eine Oszillationsfrequenz von 5 Hz und das Vorhandensein von Öl vor. Das Testergebnis ist in 7 dargestellt. Das heißt, der Abriebverlust von DLC nimmt bei hohen Temperaturen erheblich zu, während er bei Si-DLC nicht wesentlich ansteigt. Ferner verbessert sich die Abriebfestigkeit von Si-DLC im Fall des Dotierens nach dem Einstellen des Si-Anteils bei hohen Temperaturen noch weiter.
Das heißt, der wie oben beschrieben aufgebaute Kolbenring für einen Verbrennungsmotor und das Herstellungsverfahren dafür liefern das folgende Ergebnis: der Reibungskoeffizient von Si-DLC ist um mindestens 23% kleiner als der der Cr-Plattierung und des Nitrierens und um mindestens 11% kleiner als der von CrN, so dass der Reibungsverlust des Kolbenring verringert und die Kraftstoffeffizienz um mindestens 0,2 bis 0,5% verbessert wird.
Ferner ist der Verschleißwiderstand von Si-DLC um mindestens 50% höher als der der Cr-Plattierung und des Nitrierens und um mindestens 30% oder mehr höher als der von CrN, wodurch die Zerstörung des Ölfilms verhindert und die Dauerhaftigkeit des Kolbenrings verbessert wird. Ferner wird DLC mit Si dotiert, wodurch die Reibungsarmut und die Abriebfestigkeit bei hohen Temperaturen von DLC verbessert werden. Selbst bei Verschleiß von Si-DLC weist die untere/innere Schicht eine mehrlagige Struktur mit Cr und CrN auf, wodurch die Dauerhaftigkeit des Kolbenrings verbessert wird.
Die vorliegende Erfindung ist vorteilhaft, da der Verschleißwiderstand von Si-DLC um mindestens 50% höher als der der Cr-Plattierung und des Nitrierens und um mindestens 30% oder mehr höher als der von CrN, wodurch die Zerstörung des Ölfilms verhindert und die Dauerhaftigkeit des Kolbenrings verbessert wird. Ferner ist die vorliegende Erfindung vorteilhaft, weil DLC mit Si dotiert wird, wodurch die Reibungsarmut und die Abriebfestigkeit bei hohen Temperaturen von DLC verbessert werden. Ferner ist die vorliegende Erfindung vorteilhaft, weil selbst bei Verschleiß von Si-DLC die untere/innere Schicht eine mehrlagige Struktur mit Cr und CrN aufweist, wodurch die Dauerhaftigkeit des Kolbenrings verbessert wird.
Die Erfindung ist unter Bezugsnahme auf bevorzugte Ausführungsformen ausführlich beschrieben worden. Der Fachmann erkennt jedoch, dass Änderungen dieser Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von den Grundlagen und dem Geist der Erfindung abzuweichen, deren Gültigkeitsbereich in den beigefügten Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert ist.

Claims

Kolbenring für einen Verbrennungsmotor, aufweisend: eine Cr-(Chrom)Beschichtung, die auf der Oberfläche eines Basismaterials aufgebracht wird; und eine Si-DLC-(Silicon doped Diamond Like Carbon; siliziumdotierter diamantartiger Kohlenstoff)Beschichtung, die auf der äußersten Schicht über der Cr-Beschichtung und dem Basismaterial aufgebracht wird, wobei die Si-DLC-Schicht ca. 3 bis 10 Gew.-% Si enthält.
Kolbenring nach Anspruch 1, ferner aufweisend: eine CrN-(Chromnitrid)Beschichtung, die zwischen der Cr-Beschichtung und der Si-DLC-Beschichtung aufgebracht wird.
Kolbenring nach Anspruch 1, wobei die Si-DLC-Beschichtung eine Dicke von 0,1 bis 10 μm hat.
Kolbenring nach Anspruch 1, wobei das Si gleichmäßig in der Si-DLC-Beschichtung verteilt ist.
Kolbenring nach Anspruch 1, wobei der Si-Anteil der Si-DLC-Beschichtung in Richtung von einem inneren Abschnitt zu einem äußeren Abschnitt der Si-DLC-Beschichtung zunimmt.
Kolbenring nach Anspruch 1, wobei die Si-DLC-Beschichtung durch eine chemische Reaktion zwischen einem Aufkohlungsgas (C_xH_y) und TMS-(Tetramethylsilan-(Si(CH₃)₄)-Gas ausgebildet wird.
Kolbenring nach Anspruch 1, wobei die Si-DLC-Beschichtung durch eine chemische Reaktion zwischen einem Aufkohlungsgas (C_xH_y) und TMS-(Tetramethylsilan; Si(CH₃)₄)-Gas oder zwischen dem Aufkohlungsgas und HMDSO-(Hexamethyldisiloxan; O(Si(CH₃)₃)₂)-Gas ausgebildet wird.
Kolbenring nach Anspruch 1, wobei die Cr-Beschichtung und die Si-DLC-Beschichtung nur auf dem Außenumfang des Basismaterials ausgebildet werden, der in Kontakt mit der Innenwand eines Zylinders steht.
Verfahren zum Herstellen eines Kolbenrings für einen Verbrennungsmotor, aufweisend: a) Aufbringen einer Cr-Beschichtung auf einem Basismaterial des Kolbenrings; und b) Aufbringen einer Si-DLC-Beschichtung durch eine chemische Reaktion zwischen einem Aufkohlungsgas (C_xH_y) und TMS-Gas oder zwischen einem Aufkohlungsgas und HMDSO-Gas auf der oder über der Cr-Beschichtung des Kolbenrings.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner aufweisend: Aufbringen einer Chromnitrid-(CrN)Beschichtung durch eine chemische Reaktion zwischen N₂-Gas und gesputterten Cr-Ionen in a), um die CrN-Beschichtung zwischen der Si-DLC-Beschichtung und der Cr-Beschichtung auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei in b) eine Einspritzmenge des TMS- oder des HMDSO-Gases so eingestellt wird, dass der Si-Anteil der Si-DLC-Beschichtung von einem inneren Abschnitt zu einem äußeren Abschnitt der Si-DLC-Beschichtung zunimmt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei in b) die Si-DLC-Beschichtung ca. 3 bis 10 Gew.-% Si enthält.