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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenring für Verbrennungsmotoren, wobei zumindest die Basis des Kolbenrings mit einer mehrschichtigen Beschichtung, die sich aus Nitriden zusammensetzt, versehen ist, wobei die Beschichtung durch ein Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung aufgetragen wird und aufgrund der starken Haftung der Beschichtung an der Basis, geringeren inneren Spannungen, höherer Härte und geringerer Porosität eine hervorragende Verschleißbeständigkeit bietet.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Verbrennungsmotoren bestehen im Grunde genommen aus zwei Hauptteilen: Einem Motorblock (der mit einem oder mehreren Zylindern versehen ist) und einer gekröpften Wellenanordnung oder einer Kurbelwellenanordnung, der ein oder mehrere Köpfe zugeordnet sind. Die gekröpfte Wellenanordnung umfasst Kolben, Pleuelstangen und die Kurbelwelle, wobei diese Anordnung für die Verschiebung der Kolben innerhalb der Zylinder des Motorblocks verantwortlich ist. Der Kolben ist ein zylindrisches Teil, das in der Regel aus einer Metallbasis aufgebaut ist, und umfasst einen oder mehrere Ringe, die zum Bereitstellen einer Gleitdichtung zwischen dem Außenrand des Kolbens und der Innenwand des Zylinders verantwortlich sind.
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In der Regel verwenden modernere Viertaktmotoren drei Ringe an jedem Kolben, wobei es sich bei zweien um Verdichtungsringe handelt und bei einem um einen Ölring. Die beiden Ringe, die sich am nächsten am Kolbenkopf befinden, werden als Verdichtungsringe bezeichnet und dienen dazu, ein Entweichen des Gasgemischs in das Innere des Kurbelgehäuses zu dem Zeitpunkt, zu dem der Kolben die Verdichtungsbewegung ausführt, zu verhindern. Der dritte Ring des Kolbens wird als Ölring bezeichnet und dient dazu, das überschüssige Öl von der Zylinderwand abzustreifen, wodurch die Dicke des Ölfilms gesteuert wird.
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Im Allgemeinen werden Kolbenringe durch eine Metallaußenbasis gebildet, auf die mindestens eine Schicht einer Beschichtung, die für den Kontakt mit der Zylinderwand geeignet ist, aufgetragen ist. Die Funktion der Beschichtung ist sehr wichtig, da sie dem Ring Eigenschaften einer geringen Gleitreibung, hohen Verschleißbeständigkeit, Härte und Zähigkeit verleihen soll.
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In der Regel erfolgt das Auftragen der Schichten einer Beschichtung durch Ionenbeschichtungsverfahren, insbesondere physikalische Gasphasenabscheidung (PVD – Physical Vapor Deposition), chemische Gasphasenabscheidung (CVD – Chemical Vapor Deposition) oder durch ein elektrolytisches Beschichtungsverfahren.
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Unter den zur Beschichtung von Kolbenringen verwendeten Verfahren bietet das Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) interessante Vorteile, wie z. B. die Möglichkeit, dass das Verfahren bei sehr geringen Arbeitsdrücken läuft, dass das Sintern von hochreinen Materialien machbar ist, der Verbesserung der Haftung der Beschichtung an der Basis durch die Möglichkeit des „Säuberns“ an der Oberfläche der Basis durch Ionenbeschuss; einer gleichmäßigen Beschichtungsdicke, der Steuerung der kristallinen Struktur der Beschichtung, dass keine Abwässer oder Schadstoffe verwendet werden, da bei den meisten Fällen keine toxischen Produkte oder Lösungen beteiligt sind und die Abscheidungstemperaturen relativ gering sind.
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Die grundlegenden Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) sind als Verdampfen und Sputtern bekannt. Der kathodische Lichtbogen (die kathodische Lichtbogenverdampfung) erzeugt ein oberflächliches Mikroschmelzen der Zielkathode, wodurch Flüssigkeitströpfchen oder Makropartikel (Flüssigkeitspartikel oder feste Trümmerteilchen, die während des kathodischen Lichtbogenverfahrens erzeugt wurden) gesputtert werden. Diese Makropartikel können bezüglich der Größe bis zu ungefähr 100 Nanometern variieren, wobei der durchschnittliche Durchmesser dieser Makropartikel zwischen 5 und 30 Nanometern liegt, und sie können viele Eigenschaften der Beschichtungen beeinflussen, wie z. B. Reibung, Abnutzung, Korrosionsbeständigkeit, Widerstandsfähigkeit und Reflexionsvermögen.
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Die Korrosionsbeständigkeit wird beispielsweise beeinträchtigt, wenn ein Makropartikel in die Beschichtung eingebunden wird, wobei es möglich ist, dies als Unstetigkeit bei einer dichten und durchgängigen Beschichtung zu betrachten. In der Regel ist die Verwendung von Filtern eine mögliche Vorgehensweise, jedoch reduzieren diese Filter die Abscheidungsrate und erhöhen die Komplexität und Kosten der Ausrüstung.
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Das PVD-Sputterverfahren ist eine nicht thermale Verdampfung, die das Ausstoßen von Atomen oder Molekülen aus einer Quelle beinhaltet. Eine Entwicklung dieser Technik, wie z. B. das HiPIMS(High Power Impulse Magnetron Sputtering)-Verfahren ermöglicht das Erhalten von Beschichtungen, bei denen keine dichten Makropartikel vorliegen, wodurch ihre Anwendung bei Kolbenringen möglich wird.
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Zum gegenwärtigen Zeitpunkt sind Kolbenringe nach dem Stand der Technik mit einer äußeren Basis oder Gleitbasis versehen, die mit einer Einzelschichtbeschichtung aus Chromnitrid (CrN) versehen ist, wodurch eine hohe Verschleißbeständigkeit bereitgestellt wird. Diese Beschichtung wird durch ein kathodisches Lichtbogen-PVD-Verfahren erhalten.
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Bei Verwendung bei Motoren mit einer hohen Last und einem hohen Verbrennungsdruck verhält sich diese Beschichtung fragil, was zum Auftreten von Mikrobrüchen in der Basis der Kolbenringe aufgrund der hohen inneren Spannungen führt. Diese Mikrobrüche breiten sich aus, was zum Lösen kleiner Teile der Beschichtung führt, wodurch Lücken in der Basis erzeugt werden, und können sogar die Oberfläche der Zylinderlaufbuchse riefen.
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Darüber hinaus besteht die Möglichkeit der Bildung von Makropartikeln, was, wie oben beschrieben wird, möglicherweise zum Verlust der Haftung der Beschichtungsschicht an der Basis führt, zusätzlich dazu, dass eine raue Oberfläche erzeugt wird und es zu einer Verringerung der Porosität der Gleitbasis kommt, wobei es sich um Wirkungen handelt, die für eine Kolbenringbeschichtung unerwünscht sind.
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Die Dokumente PI 1102335-0 und PI 1102336-8 des Stands der Technik mit demselben Anmelder wie die vorliegende Erfindung offenbaren die Verwendung eines HiPIMS(High Power Impulse Magnetron Sputtering)-Verfahrens zum Erhalten einer Einzelschichtbeschichtung auf mit Gleitflächen versehenen Elementen zur Verwendung bei Verbrennungsmotoren. Solch ein Abscheidungsverfahren verleiht neben geringen inneren Spannungen eine hohe Verschleißbeständigkeit.
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Es versteht sich, dass die Beschichtungen des Stands der Technik vom Einzelschichttyp sind, was bedeutet, dass es lediglich eine abgeschiedene Schicht gibt. Je nach dem Abscheidungsverfahren bietet die Einzelschichtbeschichtung eine höhere oder geringere Verschleißbeständigkeit, jedoch ohne eine Festigkeit zu bieten, die zur Verwendung bei Kolbenringen von Hochlastmotoren ausreichend und ideal ist.
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Somit wird das Erhalten eines Kolbenrings notwendig, wobei zumindest die Basis des Kolbenrings mit einer aus Nitriden zusammengesetzten Mehrschichtbeschichtung versehen ist, wobei die Beschichtung eine hervorragende Verschleißbeständigkeit durch hohe Haftung der Beschichtung an der Basis, geringe innere Spannungen, hohe Härte und geringe Porosität bietet.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Kolbenrings, der eine Basis umfasst, die mit einer Mehrschichtbeschichtung versehen ist, die eine hervorragende Verschleißbeständigkeit durch hohe Haftung der Beschichtung an der Basis, geringe innere Spannungen, hohe Härte und geringe Porosität sicherstellt.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Kolbenrings, der eine Basis umfasst, die mit einer aus Metallnitriden zusammengesetzten Beschichtung versehen ist, die durch ein Verfahren der kathodischen Lichtbogenabscheidung oder durch ein Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD), durch ein HiPIMS(High Power Impulse Magnetron Sputtering)-Verfahren aufgetragen werden kann.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch einen Kolbenring für Verbrennungsmotoren gelöst, der mit einer im Wesentlichen ringförmigen Basis aus einer Eisenlegierung versehen ist, auf die eine Beschichtung aufgetragen ist, die eine erste Verbindungsschicht und mindestens eine erste oder eine zweite äußere Schicht, die auf der ersten Verbindungsschicht bis zu einer maximalen Dicke von 100 Mikrometern aus mehreren aufeinanderfolgend abgeschiedenen ersten und zweiten äußeren Schichten abgeschieden ist, umfasst, wobei die erste äußere Schicht aus einem Nitrid eines dotierten metallischen chemischen Elements (x) zusammengesetzt ist, wobei es sich bei dem Dotierelement um Aluminium (Al) handelt, wobei die zweite äußere Schicht aus einem Nitrid des metallischen chemischen Elements (x) zusammengesetzt ist, wobei die erste äußere Schicht mit einer Dicke versehen ist, die mehr als mindestens die Dicke der zweiten äußeren Schicht und weniger als das Zehnfache der Dicke der zweiten äußeren Schicht beträgt.
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Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung können auch durch einen Kolbenring gelöst werden, der das metallische chemische Element (x) umfasst, das unter Chrom (Cr) oder Titan (Ti) oder Niob (Nb) ausgewählt ist, wobei die erste und die zweite äußere Schicht mit einer Dicke zwischen 1 und 200 Nanometern versehen sind, wobei die Beschichtung eine zweite Verbindungsschicht umfasst, die auf der ersten Verbindungsschicht abgeschieden ist, wobei die erste Verbindungsschicht aus Chrom (Cr) oder Chrom/Aluminium (CrAl) zusammengesetzt ist und die zweite Verbindungsschicht aus einem dotierten Chromnitrid zusammengesetzt ist, wobei es sich bei dem Dotierelement um Aluminium (CrAlN) oder ein Chromnitrid (CrN) handelt, wobei die aus der ersten und zweiten Verbindungsschicht und der ersten und zweiten äußeren Schicht zusammengesetzte Beschichtung eine Härte zwischen 1800 und 2500 HV (Vickershärte), eine Porosität von 3 % bis 6 % und eine innere Spannung zwischen 200 und 700 MPa (Megapascal) aufweist.
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Die Aufgaben der Erfindung werden darüber hinaus durch ein Verfahren zum Erhalten eines Kolbenrings für Verbrennungsmotoren gelöst, wobei die Beschichtung eine erste Verbindungsschicht, eine zweite Verbindungsschicht, eine erste äußere Schicht und eine zweite äußere Schicht umfasst, wobei die Beschichtung durch ein Verfahren der kathodischen Lichtbogenabscheidung oder durch ein Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD), durch ein HiPIMS(High Power Impulse Magnetron Sputtering)-Verfahren abgeschieden wird.
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Des Weiteren werden die Aufgaben der vorliegenden Erfindung durch einen Verbrennungsmotor gelöst, der mindestens einen, wie oben definierten, Kolbenring umfasst.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird basierend auf einer beispielhaften Ausführungsform, die in den Zeichnungen dargestellt wird, detaillierter beschrieben. In den Figuren zeigen:
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1 eine Draufsicht eines Kolbenrings der vorliegenden Erfindung und der Bestandteile davon;
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2 eine Darstellung der auf den Kolbenring der vorliegenden Erfindung aufgetragenen Beschichtung;
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3 eine Konstruktionsdarstellung des Verfahrens zum Abschalten der Beschichtung der vorliegenden Erfindung;
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4 ein Flussdiagramm der Phasen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung;
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5 eine grafische Darstellung eines Vergleichstests zur Beurteilung des Verschleißes zwischen den Kolbenringen des Stands der Technik und den Kolbenringen der vorliegenden Erfindung;
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6 eine grafische Darstellung eines Vergleichstests zur Beurteilung des Verschleißes, der zwischen den Kolbenringen des Stands der Technik und den Kolbenringen der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenring 1 für Verbrennungsmotoren, der mit einer im Wesentlichen ringförmigen Basis 2 aus einer Eisenlegierung versehen ist, auf die eine Mehrschichtbeschichtung 4 aufgetragen ist, die eine erste Verbindungsschicht 10 und mindestens eine erste äußere Schicht 11 oder eine zweite äußere Schicht 12, die auf der ersten Verbindungsschicht 10 bis zu einer maximalen Dicke von 100 Mikrometern aus mehreren aufeinanderfolgend abgeschiedenen ersten und zweiten äußeren Schichten 11, 12 abgeschieden ist, umfasst, um dem Kolbenring 1 eine hervorragende Verschleißbeständigkeit durch die hohe Haftung der Beschichtung an der Basis, geringere innere Spannungen, hohe Härte und geringe Porosität zu verleihen.
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Zum vollkommenen Verständnis der vorliegenden Erfindung wird eine Klarstellung bezüglich der Verwendung der Kolbenringe 1 für Verbrennungsmotoren und bezüglich der zum Auftragen einer Beschichtung 4 auf die Kolbenringe 1 verwendeten Verfahren notwendig.
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Im Allgemeinen ist der Kolbenring 1 ein selbst ausdehnendes Element, das heißt ein elastisches Element mit einer hohen Ausdehnungskraft, das den Zweck hat, die Gase einer Brennkammer von Verbrennungsmotoren abzudichten, und auch den Schmierölfilm an der Wand eines Zylinders zu steuern und als ein Element zur Wärmeübertragung vom Kolben auf den Zylinder zu dienen.
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Die Kolbenringe 1 werden unter Arbeitsbedingungen den ungünstigsten Bedingungen ausgesetzt, wodurch sie vorzeitigen Verschleiß erleiden können. Zu den Hauptursachen für diesen Verschleiß gehören unter anderem eine nicht ausreichende Schmierung, Arbeiten von Motoren bei hohen Lasten, neben vielen anderen Faktoren, die die Oberflächen der Kolbenringe schwerwiegenden Verschleißprozessen durch Abreibung oder Scheuern aussetzen.
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Zur Reduzierung des Verschleißes auf ein Minimum und zur Verlängerung der Lebensdauer der Kolbenringe 1 werden auf den äußeren Arbeitsflächen im Allgemeinen Abdeckungen oder Beschichtungen verwendet, die Materialien umfassen, die härter und resistenter als das Material der Ringe 1 sind.
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Diese Beschichtungen werden in der Regel durch Ionen Beschichtungsverfahren abgeschieden. Von diesen Verfahren wird das Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) weithin genutzt.
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Das PVD-Verfahren ist eine atomare Abscheidung, wobei das Abscheidungsmaterial aus festen Quellen in die Form von Atomen oder Molekülen verdampft wird, durch Gase bei Niederdruck (Plasma) in Richtung der äußeren Kontaktbasis des Kolbenrings 1 geführt wird, auf deren Oberfläche die Gase kondensieren. Die Bildung der Beschichtung der Basis hängt von den verdampften Materialien und dem Material der Basis, den Bedingungen der Basis, der zur Verfügung stehenden Energie (Temperatur und Ionenbeschuss) und der Atmosphäre (chemische Reaktionen, reaktive Abscheidung usw.) ab.
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Im Hinblick darauf offenbart die vorliegende Erfindung einen Kolbenring 1, der eine Beschichtung 4 umfasst, die als wesentliches Merkmal eine Mehrschichtkonfiguration aufweist, d.h. mehrere aufeinanderfolgend abgeschiedene Schichten bis zu solch einer Dicke, die eine hervorragende Verschleißbeständigkeit verleiht. Diese Beschichtung 4 wird vorzugsweise, jedoch nicht obligatorisch, durch ein Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) durch ein HiPIMS(High Power Impulse Magnetron Sputtering)-Verfahren aufgetragen und kann des Weiteren durch ein Verfahren der kathodischen Lichtbogenabscheidung aufgetragen werden.
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Der Kolbenring 1 der vorliegenden Erfindung gestattet eine erste bevorzugte, jedoch nicht obligatorische, Konfiguration, wobei der Ring 1 mit einer im Wesentlichen ringförmigen Basis 2 aus einer Eisenlegierung versehen ist, auf die eine Beschichtung 4 aufgetragen ist, die eine erste Verbindungsschicht 10 und mindestens eine erste äußere Schicht 11 oder eine zweite äußere Schicht 12, die auf der ersten Verbindungsschicht 10 bis zu einer maximalen Dicke von 100 Mikrometern aus mehreren aufeinanderfolgend abgeschiedenen ersten und zweiten äußeren Schichten 11, 12 abgeschieden ist, umfasst (siehe 1 und 2).
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Die erste äußere Schicht 11 ist aus einem Nitrid eines dotierten metallischen chemischen Elements (x) zusammengesetzt, wobei es sich bei dem Dotierelement um Aluminium (Al) handelt, und die zweite äußere Schicht 12 ist aus einem Nitrid des metallischen chemischen Elements (x) zusammengesetzt.
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Das metallische chemische Element (x) wird aus Chrom (Cr) oder Titan (Te) oder Niob (Nb) ausgewählt. Entsprechend ist die erste äußere Schicht 11 aus dotiertem Chromnitrid (CrAlN) zusammengesetzt und die zweite äußere Schicht 12 ist aus Chromnitrid (CrN) zusammengesetzt. Gleichermaßen ist die erste äußere Schicht 11 bei Verwendung von Titan aus dotiertem Titannitrid (TiAlN) zusammengesetzt und die zweite äußere Schicht 12 ist aus Titannitrid (TiN) zusammengesetzt. Sollte Niob verwendet werden, ist die erste äußere Schicht 11 aus dotiertem Niobnitrid (NbAlN) zusammengesetzt und die zweite äußere Schicht 12 ist aus Niobnitrid (NbN) zusammengesetzt.
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Die Beschichtung 4 des Kolbenrings 1 der vorliegenden Erfindung umfasst des Weiteren das Abscheiden einer zweiten Verbindungsschicht 20, die auf die erste Verbindungsschicht 10 abgeschieden wird. Die erste Verbindungsschicht 10 ist aus Chrom (Cr) oder Chrom/Aluminium (CrAl) zusammengesetzt und die zweite Verbindungsschicht 20 ist aus einem dotierten Chromnitrid, wobei es sich bei dem Dotierelement um Aluminium (CrAlN) handelt, oder aus einem Chromnitrid (CrN) zusammengesetzt.
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Die erste Verbindungsschicht 10 und die zweite Verbindungsschicht 20 stellen, wie ihre Bezeichnung andeutet, die Verbindung zwischen der Basis 2, die aus einem weichen Eisenmaterial zusammengesetzt ist, und der Beschichtung 4, die aus einem harten Material zusammengesetzt ist, bereit, wobei der Übergang von dem weichen Material zu dem harten Material geschaffen wird, wobei die Haftung der Beschichtung 4 an der Basis 2 sichergestellt wird. Es ist anzumerken, dass die Abscheidung der zweiten Verbindungsschicht 20 optional ist. In diesem Fall umfasst die Beschichtung 4 lediglich die erste Verbindungsschicht 10.
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Die Beschichtung 4 umfasst eine Dicke zwischen 10 und 100 Mikrometern, so dass die erste äußere Schicht 11 und die zweite äußere Schicht 12 mit einer Dicke in der Größenordnung von Nanometern bereitgestellt werden, wobei es sich um eine Dicke von 1 Nanometer, gegebenenfalls 2 Nanometern, gegebenenfalls 3 Nanometern, gegebenenfalls 10 Nanometern, gegebenenfalls jeglicher Größenvariation bis zu 200 Nanometern handelt.
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Die erste äußere Schicht 11 ist mit einer Dicke versehen, die mehr als die Dicke der zweiten äußeren Schicht 12 und maximal das Zehnfache dieser beträgt, woraus die folgende Gleichung für die Dicken resultiert: 1 < XAlN/XN < 10, was bedeutet, dass das Verhältnis zwischen der Dicke der ersten äußeren Schicht 11 (XAIN) und der zweiten äußeren Schicht 12 (XN) größer als 1 und kleiner als 10 sein soll.
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Es versteht sich durch die beschriebene Gleichung, dass die erste äußere Schicht 11 eine Dicke aufweisen soll, die über die Dicke der zweiten äußeren Schicht 12 hinausgeht. Dies beruht darauf, dass die erste äußere Schicht 11 das Dotierelement Aluminium (Al) umfasst, das eine geringe oder gar keine Oxidation und eine hohe Duktilität bietet. Solche Eigenschaften verleihen dem Aluminium (Al) eine stärkere Fähigkeit zur elastischen Verformung, wodurch es zum Absorbieren von Spannungen in der Lage ist und die Verschleißbeständigkeit erhöht wird. Auf diese Weise verleiht die Beschichtung 4, die in der Form äußerer Beschichtungen 11, 12 vorliegt, eine hohe Verschleißbeständigkeit und geringe innere Spannungen dadurch, dass die dickere erste äußere Schicht 11 der Beschichtung 4 aus Aluminium (Al) zusammengesetzt ist.
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Darüber hinaus umfasst die Beschichtung 4 die erste äußere Schicht 11 und die zweite äußere Schicht 12, die aufeinanderfolgend abgeschieden sind, mit einer Periodizität, die bis zu tausenden von Schichten reichen kann, umfassend von zwei abgeschiedenen Schichten, wobei es sich um eine erste äußere Schicht 11 und eine zweite äußere Schicht 12 handelt, drei abgeschiedene Schichten, vier abgeschiedene Schichten, fünf abgeschiedene Schichten, sechs abgeschiedene Schichten, 100 abgeschiedene Schichten, 500 abgeschiedene Schichten, 1000 abgeschiedene Schichten usw. Bei der letzten abgeschiedenen Schicht der Beschichtung 4 handelt es sich um eine erste äußere Schicht 11 oder eine zweite äußere Schicht 12.
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Die hauptsächliche technische Wirkung, die durch die vorliegende Erfindung erzielt wird, basiert darauf, dass diese Schichten als Grenzflächen oder Barrieren fungieren, die gegen die Ausbreitung von Rissen in der Beschichtung 4 wirken, wodurch die Widerstandsfähigkeit der Beschichtung 4 im Bezug auf das Lösen von der Basis 2 erhöht wird.
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Bei einer bevorzugten Konfiguration wurde das PVD-Beschichtungsverfahren der vorliegenden Erfindung in einem Vakuumreaktor durchgeführt, der Kathoden oder Materialquellen von unbalanciertem Magnetronsputtern (UMB – Unbalanced Magnetron Sputtering) und HiPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering) umfasst, wobei die UMB- und HiPIMS-Kathoden gleichzeitig für die Beschichtungsmaterialversorgung arbeiten.
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Das HiPIMS-Abscheidungsverfahren nutzt ein Phänomen, das darin besteht, wesentlich die Energie zu erhöhen (höhere Geschwindigkeit), mit der die Ionen die Metallbasis 2 erreichen, auf der das Aufwachsen der Beschichtung 4 erfolgt, wobei eine beträchtliche Modifikation der Struktur und Morphologie der Beschichtung 4 beobachtet wird.
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Das HiPIMS-Abscheidungsverfahren gestattet des Weiteren die Ionisierung des Materials, im Allgemeinen Metall (Cr, Ti, Mo, Nb, Al usw.), vor der Umwandlung in Nitrid. Die hohe Energiebeschleunigung der Metallionen gegen die Oberfläche der Beschichtung 4 gestattet wiederum die Entspannung der Beschichtung 4 während ihres Aufwachsens ohne den Verlust ihrer Härte.
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Als eine selbstverständliche Folge der hohen Energie der die Beschichtung 4 bildenden Ionen, insbesondere des HiPIMS-Verfahrens, tritt eine wesentliche Verdichtung der Beschichtung 4 auf, was zu einer Reduzierung der Porosität und einer hervorragenden Haftung der Ionen an der Basis 2 führt.
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Des Weiteren gestattet dieses Verfahren einen weiteren Vorteil, der das Aufwachsen der Beschichtung 4 ohne Tröpfchen (Mikropartikel) möglich macht. Somit gestattet das HiPIMS-Verfahren zur Abscheidung von Beschichtungen 4 die Erzielung hervorragender tribologischer Eigenschaften, wie z. B. Verschleißbeständigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Lösen.
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Aus 3 ist ersichtlich, dass das PVD-Beschichtungsverfahren der vorliegenden Erfindung mindestens zwei Kathoden, d.h. eine UMB-Kathode, die Chrom-Aluminium (CrAl) abscheidet, und eine HiPIMS-Kathode, die die Abscheidung von Chrommetall (Cr) umfasst, umfasst, die den bei der Abscheidung der äußeren Schichten 11, 12 der Beschichtung 4 erforderlichen Wechsel konfigurieren.
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Bei einer weiteren möglichen Konfiguration umfasst das PVD-Verfahren der vorliegenden Erfindung drei Kathoden, d.h. zwei UMB-Kathoden, die Chrom-Aluminium (CrAl) Abscheiden und eine HiPIMS-Kathode, die die Abscheidung von Chrommetall (Cr) durchführt.
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Das PVD-Verfahren gestattet des Weiteren eine dritte mögliche Konfiguration, die vier Kathoden umfasst, d.h. zwei UMB-Kathoden, eine HiPIMS-Kathode, die Chrom-Aluminium (CrAl) abscheidet, und eine zweite HiPIMS-Kathode, die die Abscheidung von Chrommetall (Cr) durchführt.
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Es ist anzumerken, dass der Vakuumreaktor eine gerade oder ungerade Anzahl von Kathoden enthält, wobei die Wahl in Abhängigkeit von jedem Projekt und jeder Anforderung zwischen eins, zwei, drei, vier, fünf, sechs usw. Kathoden liegt.
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Auf diese Weise gestattet das Beschichtungsverfahren der vorliegenden Erfindung die Abscheidung der äußeren Schichten 11, 12 im nanometrischen Maßstab alternierender Materialien, wodurch die oxidationshemmenden Eigenschaften verbessert werden, während die Einstellungen der Parameter des Verfahrens zu geringeren inneren Spannungen führen, wodurch die Widerstandsfähigkeit gegenüber Fragmentierung und Lösen der Beschichtung verbessert wird.
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Vorzugsweise umfasst das PVD-Beschichtungsverfahren der vorliegenden Erfindung einen Vakuumreaktor, der mit vier Kathoden versehen ist, wobei mindestens eine eine HiPIMS-Kathode ist, und fünf Phasen des Aufbringens der Beschichtung 4 (siehe 4). Dabei handelt es sich um:
Phase 1. Chemische Reinigung und Befestigung der Kolbenringe 1 im Vakuumreaktor. Vor der Befestigung der Kolbenringe 1 im Reaktor wird die Reinigung durch chemische Lösungen durchgeführt, die die Öligkeit von der Oberfläche der Basis 2 der Ringe 1 komplett entfernen.
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Phase 2. Beschuss und Erhitzen des Reaktors. Die Kolbenringe 1 müssen entgast werden, um jegliche Kontaminierung zu verhindern. Phase 2 umfasst eine Temperatur von bis zu 400 °C bei einem Druck von unter 0,00007 mbar (Millibar) bei einer Dauer von 90 Minuten.
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Phase 3. Ionisches Beizen der Kolbenringe 1, bereitgestellt durch eine HiPIMS-Kathode zum Reinigen der Oberfläche der Basis 2. Das Vorspannungspotenzial zwischen dem Beschichtungsplasma und der Oberfläche der Basis 2 stellt den Beschuss von Chrom (Cr+) auf die zu beschichtende Oberfläche bereit, wobei solch ein Verfahren durch das Sputtern der Oberfläche bereitgestellt wird. Phase 3 erfolgt in einer reinen Argonatmosphäre und bei einer konstanten Geschwindigkeit von 5 U/min (Umdrehungen pro Minute), einer Temperatur von bis zu 400 °C, einem Druck von 0,001 mbar (Millibar), einer Pulsationsfrequenz von Chrom von 5,5 kW (Kilowatt) und 100 Hz (Hertz), einem Vorspannungspotenzial von –1,0 V (Volt) und einer Dauer von 30 Minuten.
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Phase 4. Auftragen der bereitgestellten Mehrschichtbeschichtung 4 auf die Basis 2 des Kolbenrings 1. Die Chrom-Aluminium(CrAl)- und Chrom(Cr)-Kathoden sind abwechselnd positioniert und scheiden ternäres Material (CrAIN), die erste äußere Schicht 11, und binäres Material (CrN), die zweite äußere Schicht 12, auf die Außenfläche der Basis 2 des Rings 1 ab. Es ist anzumerken, dass das Chrom (Cr+) für den Ionenbeschuss der Beschichtung 4, die auf die Oberfläche abgeschieden wird, verantwortlich ist, wodurch die Spannungen der Beschichtung 4 gemildert werden.
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Alternativ dazu ist es möglich, die Phase 4 lediglich mit einer zweiten Verbindungsschicht 20 (CrAIN), abgeschieden auf die erste Verbindungsschicht 10 (Cr) durchzuführen, wobei die zweite Verbindungsschicht 20 als eine Stützschicht zum Aufbringen der äußeren Schichten 11, 12 fungiert. Bei dieser Konfiguration wird die zweite Verbindungsschicht 20 durch Chromnitrid(CrN)-Kathoden gesputtert.
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Phase 4 erfolgt in einer Atmosphäre, die ein Gemisch aus 50 % Argon und Stickstoff umfasst, bei einer Temperatur zwischen 400 °C und 420 °C und einem Druck von 0,0022 mbar (Millibar). Die UBM-Kathoden scheiden Chrom-Aluminium (CrAl) mit einer Pulsationsfrequenz von 8,0 kW (Kilowatt) und 23,0 Hz (Hertz) ab, wobei eine erste HiPIMS-Kathode Chrom (Cr) mit einer Frequenz von 8,0 kW (Kilowatt) und 400 Hz (Hertz) abscheidet und eine zweite HiPIMS-Kathode Chrom-Aluminium (CrAl) mit einer Frequenz von 8,0 kW (Kilowatt) und 400 Hz (Hertz) abscheidet. Phase 4 erfolgt des Weiteren mit einem Vorspannungspotenzial von –65 V (Volt) und weist eine durchschnittliche Dauer von 600 Minuten auf, die gemäß der Enddicke der abgeschiedenen Beschichtung 4 variiert.
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Phase 5. Kühlen und Entladen der Kolbenringe 1. Nach Beendigung des Aufbringens der Beschichtung 4 bleiben die Kolbenringe 1 im Vakuumreaktor bis das System auf unter 100 °C abkühlt, wonach die Ringe 1 herausgenommen werden und das Beschichtungsverfahren mit neuen zu beschichtenden Ringen 1 wieder beginnt. Phase 5 wird bei einer Temperatur von 420 °C bis zum Erreichen der Umgebungstemperatur, bei einem Druck von 0,0022 mbar (Millibar) bis zu Atmosphärendruck, mit einer Dauer von 90 Minuten initiiert.
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Es sind Tests an Motoren durchgeführt wurden, um die Verschleißbeständigkeit des Kolbenrings 1 der vorliegenden Erfindung und die Haftung der Beschichtung 4 an der Basis 2 des Kolbenrings 1 zu beurteilen. Diese Tests wurden an drei Kolbenringen 1 der vorliegenden Erfindung, die in einem Hochlastdieselmotor eingebaut waren, und an zwei Kolbenringen 1 der vorliegenden Erfindung, die in einem Hochgeschwindigkeitsdieselmotor eingebaut waren, durchgeführt.
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Der erste Verschleißbeurteilungstest wurde bei einem Hochlastdieselmotor durchgeführt und die Ringe 1 wurden über 250 Stunden beschleunigten Hitzeschocktests auf Leistungsprüfständen unterzogen, wobei die Bedingungen der Wärmeverformung des Blocks und der Zylinderlaufbuchsen des Motors neben schwerwiegenden Bedingungen des Reißens des Ölfilms besonders auf den Arbeitsflächen des Rings 1 beobachtet wurden. Es ist des Weiteren anzumerken, dass die Zylinderlaufbuchsen und Kolbenringe 1 aus derselben Herstellungscharge stammten, um auftretende Variationen so weit wie möglich auf ein Minimum zu reduzieren.
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5 stellt grafisch das Ergebnis des oben beschriebenen vergleichenden Verschleißbeurteilungstests dar, wobei es sich beim Stand der Technik I um einen Kolbenring 1 handelt, der mit einer mehrschichtigen Beschichtung 4 versehen ist, die durch kathodischen Lichtbogen abgeschiedenes Chromnitrid (CrN) umfasst, wobei der Stand der Technik II eine Beschichtung 4 umfasst, die der vom Stand der Technik I ähnlich ist, jedoch durch HiPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering) abgeschieden wurde.
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Die grafische Darstellung von 5 stellt darüber hinaus einen Kolbenring 1 der vorliegenden Erfindung in einer Konfiguration I dar, der mit einer mehrschichtigen Beschichtung 4 versehen ist, die die aufeinanderfolgend abgeschiedenen äußeren Schichten 11, 12 aus durch kathodischen Lichtbogen abgeschiedenem mit Aluminium dotiertem Chromnitrid (CrAlN) und Chromnitrid (CrN) umfasst; und die Konfiguration II umfasst eine Beschichtung 4, die der von Konfiguration I ähnlich ist, jedoch durch HiPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering) abgeschieden wurde.
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Aus 5 ist deutlich ersichtlich, dass der Kolbenring 1 der vorliegenden Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik einen minimalen Verschleiß zeigt, und zwar auf der Basis dessen, dass die Kolbenringe 1 des Stands der Technik I und II einen Verschleiß von ungefähr 4,0 µm zeigen, wohingegen die Konfigurationen I und II der vorliegenden Erfindung 3,5 bzw. 2,3 µm Verschleiß zeigen. Auf diese Weise zeigt die Konfiguration II des Kolbenrings 1 der vorliegenden Erfindung einen Verschleiß, der bezüglich des Stands der Technik I und II ungefähr 50 % niedriger ist. Obgleich die Konfiguration I der vorliegenden Erfindung wiederum ganz klar keine so guten Ergebnisse wie die Konfiguration II der vorliegenden Erfindung erzielte, erzielte sie trotzdem zufriedenstellende Ergebnisse, die starke Vorteile bezüglich des Stands der Technik für Anwendungen bei Verbrennungsmotoren zeigen.
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Der zweite Test wurde über 500 Stunden bei einem Hochgeschwindigkeitsdieselmotor durchgeführt, wobei als Stand der Technik II ein Kolbenring 1, der mit einer Einzelschichtbeschichtung 4, die mit Aluminium dotiertes Titannitrid (TiAlN) umfasst, versehen ist, und der Kolbenring 1 der vorliegenden Erfindung in seiner Konfiguration II verwendet wurde.
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Wieder erzielte der Kolbenring 1 der vorliegenden Erfindung hervorragende Ergebnisse, aus denen sich ein Verschleiß von 2,3 µm ergab, während der Ring 1 des Stands der Technik III einen Verschleiß von 20,1 µm zeigte. Auf diese Weise zeigte der Ring 1 der vorliegenden Erfindung ungefähr 80 % weniger Verschleiß als der Ring 1 des Stands der Technik III (siehe 6).
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Des Weiteren zeigte sich bei den Kolbenringen des Stands der Technik I, II und III ein Lösen der Beschichtung 4 von der Basis 2, während die Kolbenringe 1 der vorliegenden Erfindung die Haftung der Beschichtung 4 an der Basis 2 sicherstellten.
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Es ist darüber hinaus anzumerken, dass die Beschichtung 4 des Kolbenrings 1 der vorliegenden Erfindung eine Porosität von weniger als 6 %, vorzugsweise eine Porosität von 3 %, bei einer Härte zwischen 1800 und 2500 HV (Vickershärte) und einer inneren Spannung zwischen 200 und 700 MPa (Megapascal), vorzugsweise eine innere Spannung zwischen 300 und 600 MPa (Megapascal) zeigte.
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Die spezifische Gestaltung des PVD-Verfahrens der vorliegenden Erfindung gestattet zusammen mit den Parametern des Verfahrens und der Auswahl der Materialien, dass Beschichtungen eine Dicke von bis zu 60 µm aufweisen können, ohne die Struktur der Beschichtung und die mechanische Festigkeit zu beeinflussen.
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Der Kolbenring 1 der vorliegenden Erfindung ist mit einer Beschichtung 4 versehen, die eine hohe Verschleißbeständigkeit, geringe innere Spannung aufweist und auf diese Weise die Bildung von Makropartikeln oder Unregelmäßigkeiten der Struktur verhindert, wodurch es zu einem hohen Widerstand gegenüber Fragmentierung und der Verhinderung des Lösens der Beschichtung 4 von der Basis 2 des Kolbenrings 1 kommt.
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Es versteht sich, dass der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung trotz der Beschreibung einer beispielhaften bevorzugten Ausführungsform andere mögliche Variationen abdeckt, und lediglich durch den Inhalt der anhängigen Ansprüche, einschließlich möglicher Äquivalente, beschränkt wird.
