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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitelement, wie beispielsweise einen Kolbenring für Verbrennungsmotoren, mit einer Beschichtung aus hartem amorphen Kohlenstoff mit einem Rauheitsprofil, der in der Lage ist, den Abrieb auf der Gleitfläche sowie den Verschleiß zu verringern.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Verbrennungsmotoren mit Dieselzyklus, Ottozyklus, Zweitakt- oder Dreitaktmotoren enthalten mindestens ein Gleitelement, wie beispielsweise einen Kolbenring.
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Dementsprechend arbeitet der Kolbenring innerhalb des Raums zwischen der Zylinderbuchse und dem Kolben, wobei er die Verbrennungskammer von den anderen internen Motorkomponenten abdichtet. Der Kolbenring ist radial auf dem Kolbenboden angeordnet und verhindert, dass die Verbrennungsgase aus der Verbrennungskammer zu dem Kurbelgehäuse entweichen und dass das Motoröl in die Verbrennungskammer eindringt.
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Einige Verbrennungsmotoren, insbesondere Verbrennungsmotoren mit Dieselzyklus, arbeiten mit hohen Belastungen. Weitere Beispiele finden sich in den Hochleistungsbenzinmotoren. Unabhängig von den Beispielen, die angegeben werden können, gibt es eine Tendenz, dass die Motoren mit einer hohen Geschwindigkeit, einer hohen Leistung und mit geringem Spiel arbeiten und daher einem strengen tribologischen Verhalten unterliegen. Solche Bedingungen stellen höhere Ansprüche an ihre mechanischen Komponenten. In diesem Sinne erfordern die in diesen Hochleistungsmotoren verwendeten Ringe einen geringen Abrieb, höhe Härte und eine hohe Verschleißfestigkeit.
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Zum Anderen ist erwähnenswert, dass die Umweltauswirkungen der Verbrennungsmotoren in Verbindung mit der Notwendigkeit von Hochleistung und Lebensdauer in der Regel zu der Notwendigkeit, mit engeren Toleranzen zu arbeiten, führen, was bedeutet, dass natürlich immer dünnere Schichten von Schmiermitteln verwendet werden. Wie nachstehend dargestellt wird, ist die vorliegende Erfindung speziell dazu entwickelt, eine Lösung anzubieten, deren hervorragende Leistung sich aus der Verwendung von Ölen mit einer überwiegend geringeren Viskosität ergibt.
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Die im Stand der Technik vorgestellten Kolbenringe umfassen in der Regel Beschichtungen mit hartem amorphen Kohlenstoff, die auch als DLC (Diamond Like Carbon) oder als mit wasserstofffreiem DLC hydrierte Nanostruktur bekannt sind, und dienen als Lösung, um einen geringen Abrieb und eine hohe Verschleißfestigkeit zu erzielen.
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In der Regel greifen die Lösungen des Stands der Technik auf eine DLC-Beschichtung in einer Zusammensetzung, die sp3- und sp2-Bindungen enthält, zurück. Es sollte jedoch beachtet werden, dass ihre Härte aufgrund der hohen Dimensionsstabilität der sp3-Bindungen höher ist, als die in den sp2-Bindungen. Aus diesem Grund verwenden verschiedene Lösungen des Stands der Technik eine sp3-gebundene DLC-Schicht (Diamant), die mit einer dünnen sp2-gebundenen Schicht (Graphit) beschichtet ist.
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Für ein besseres Verständnis ermöglicht die sp2-Schicht aufgrund ihrer extrem weichen Oberfläche und ihrer Schmiermittel die Aufnahme des Rings in der Zylinderlaufbuchse und verhindert, dass die sp3-Schicht in direkten Kontakt mit der Zylinderlaufbuchse tritt. Eine solche Sorge ist berechtigt, da die sp3-Schicht die Zylinderlaufbuchse verkratzen kann; die Konzentration der in der sp3-Schicht vorhandenen Spannungen ist sehr hoch, sodass sie sowohl für die Zylinderlaufbuchse durch Zerkratzen als auch für die Beschichtung durch Risse katastrophale Folgen haben kann, was folglich zu einer verringerten Lebensdauer des Motors führt.
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Das Patentdokument
WO 2010133633 offenbart einen Kolbenring mit einer DLC-Beschichtung vom Typ ta-C mit einer Dicke von über 10 Mikrometern und mindestens einem Restspannungsgradienten, um Lebensdauer und einen geringen Abrieb mit der Komponente zu gewährleisten. Es ist zu beachten, dass die hohen inneren Spannungen, die sich aus der Ablagerung einer DLC-Beschichtung ergeben, zu der Notwendigkeit führen, Lösungen wie die in diesem Dokument zu finden. Auch durch die Verringerung der Restspannung löst diese Lösung nicht vollständig das Problem, da die Kontaktfläche des Rings mit der Buchse weiterhin durch ein Profil erfolgt, das beispielsweise nicht gewährleistet, dass die Zylinderlaufbuchse nicht dem typischen Verschleiß der Lösungen des Stands der Technik unterliegt.
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Das Dokument
US 2013/0140776 beschreibt einen Kolbenring mit einer DLC-Beschichtung vom Typ ta-C auch mit einer Dicke von über 10 Mikrometern, wobei die Beschichtung über eine Deckschicht mit einer Dicke von 1 bis 3 Mikrometern verfügt, bei der die Menge an sp3 auf Werte sinkt, die kleiner als 40% sind, um sicherzustellen, dass eine größere Menge an sp2 in dieser zweiten Schicht vorhanden ist, um den Kolbenring im Zylinder aufzunehmen.
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Obwohl die Lösungen des Stands der Technik einen geringen Abrieb und eine hohe Lebensdauer gewährleisten möchten, erfordern alle gefundene Lösungen eine Grenzfläche oder ein Vorliegen von Elementen, die die Aufnahme fördern, sowie eine weichere Schicht im Gleitbereich des Rings oder die Zugabe von Metallen, die solche Wirkungen fördern. Es gibt auch Alternativen des Stands der Technik, um die funktionelle Integrität der Beschichtung aufgrund der hohen Spannung durch die Verringerung der internen Spannungen beizubehalten, denen die Beschichtung natürlich aufgrund der hohen internen Spannungen und der hohen Härte unterliegt.
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Unabhängig von den in den Dokumenten des früheren Stands der Technik dargestellten Bemühungen wurde noch keine Lösung gefunden, die ausgezeichnete Ergebnisse im Endprodukt erzeugt, das heißt, ein Kolbenring, der nicht in der Zylinderlaufbuchse aufgenommen werden muss und der gleichzeitig mit einem sehr engen Spiel arbeitet.
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Daher ist es notwendig, ein Gleitelement zu finden, wie beispielsweise einen Kolbenring, mit einer Beschichtung aus hartem amorphen Kohlenstoff vom Typ a-C mit einem Rauheitsprofil, der in der Lage ist, den Abrieb auf der Gleitfläche sowie den Verschleiß zu verringern.
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Ziele der Erfindung
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gleitelement bereitzustellen, wie beispielsweise einen Kolbenring für Verbrennungsmotoren, insbesondere für Motoren, die bei hoher Last und/oder Leistung betrieben werden, wobei der Kolbenring eine Beschichtung aus hartem amorphen Kohlenstoff mit einem Rauheitsprofil umfasst, der in der Lage ist, den Abrieb auf seiner Gleitfläche sowie den Verschleiß der Zylinderlaufbuchse durch eine Reduzierung der Spitzen und eine Maximierung der Täler zu verringern.
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Ebenfalls ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Kolbenring mit einer Beschichtung bereitzustellen, der mit einem sehr engen Spiel und einem sehr dünnen Ölfilm mit hoher Lebensdauer arbeiten kann.
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Ebenfalls ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Kolbenring bereitzustellen, der mit einem sehr engen Spiel und einem Ölfilm arbeiten kann.
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Schließlich ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Kolbenring mit einer Härte von 2000 bis 4000 HV (Vickershärte) zu liefern, der die Zylinderlaufbuchse nicht zerkratzt, deren Härte wesentlich geringer ist, in der Regel unter 700 HV (Vickershärte) oder sogar 250 bis 300 HV.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Die Ziele der vorliegenden Erfindung werden durch ein Gleitelement, insbesondere einen Kolbenring für Verbrennungsmotoren mit einer Gleitfläche, auf die von innen nach außen eine Klebeschicht und eine Beschichtung aus hartem amorphen Kohlenstoff mit einer Rauheit, die durch die Parameter Rpk und Rz beschreiben wird, wobei Rpk ≤ 0,15 µm und 0,7 ≤ Rz ≤ 1,5 µm aufgebracht wird, erreicht.
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Die Ziele der vorliegenden Erfindung werden ebenfalls durch einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Kolbenring, wie oben definiert, erreicht.
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Kurzbeschreibung der Abbildungen
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend im Detail anhand eines in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben. Die Abbildungen zeigen:
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– Übersichtsdarstellung eines Kolbenrings in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors;
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– Querschnitt des Kolbenrings, der die Struktur der Beschichtung der vorliegenden Erfindung zeigt;
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– Darstellung der Berührungspunkte einer Zylinderlaufbuchse und der Spitzen eines beschichteten Kolbenrings des Stands der Technik;
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– Darstellung der Berührungspunkte einer Zylinderlaufbuchse und der Spitzen eines beschichten Kolbenrings der vorliegenden Erfindung;
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– Beispielgrafik der Ergebnisse einer Oberfläche mit Spitzen und Tälern der gleichen Größenordnung.
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– Beispielgrafik der Ergebnisse einer Oberfläche mit niedrigen Spitzen und tiefen Tälern.
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– Grafik der Ergebnisse des DLC-Abriebs gemäß den Rpk- und Rz-Werten zwischen dem Stand der Technik und der vorliegenden Erfindung;
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– Grafik des Verschleißes der DLC-Ringe und der Zylinderlaufbuchse für die vorliegende Erfindung und den Stand der Technik.
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Detaillierte Beschreibung der Abbildungen
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitelement, insbesondere einen Kolbenring 10 für Verbrennungsmotoren mit einer Beschichtung 15 aus hartem amorphen Kohlenstoff vom Typ a-C und einem Rauheitsprofil in dem Rpk ≤ 0,15 µm und 0,7 ≤ Rz ≤ 1,5 µm.
- a. Wie nachstehend zu sehen ist, erzeugt das Rauheitsprofil, das den oben beschriebenen Rpk- und Rz-Werten entspricht, ein überlegenes Verhalten gegenüber den Gleitelementen des Stands der Technik, wenn es in Verbindung mit einer Beschichtung aus amorphem Kohlenstoff, wie der der vorliegenden Erfindung, verwendet wird.
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Zunächst sei darauf hingewiesen, dass das Gleitelement der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ein Kolbenring 10 für Verbrennungsmotoren, die mit hoher Last und/oder Leistung arbeiten, ist. Normalerweise arbeiten diese Kolbenringe 10 mit einem sehr engen Spiel und einem dünnen Ölfilm, um eine hervorragende Leistung und niedrige CO2-Emissionen zu gewährleisten.
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Der Kolbenring 10 der vorliegenden Erfindung hat als Hauptmerkmale den niedrigen Abrieb bei einer Beschichtung 15, die aus einer Kohlenstoffstruktur mit einer hohen Lebensdauer besteht, dessen Ergebnis aus einer speziell entwickelten Topographie in der Beschichtungsoberfläche abgeleitet wird.
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Der Ring 10 der vorliegenden Erfindung umfasst einen Metallboden mit einer Gleitfläche 11 aus vorzugsweise Gusseisen, Stahl, Edelstahl mit 10% bis 17% Chrom oder Kohlenstoffstahl. Die Gleitfläche 11 ist die, die dem Kontaktbereich mit einer Zylinderlaufbuchse 20 zugewandt ist, und die Beschichtung 15 ist auf die Gleitfläche 15 aufgebracht worden. In einer bevorzugten Ausführungsform erhält die Gleitfläche 11 von innen nach außen eine Klebeschicht 14 und eine Beschichtung 15 aus hartem amorphen Kohlenstoff vom Typ a-C (siehe und 2).
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Das Ziel der Klebeschicht 14 ist es, die Aufnahme der Spannungen zwischen der Metallstruktur des Rings 10 und der Beschichtung 15 aus amorphem Kohlenstoff zu fördern, deren innere Spannungen sehr hoch sind, wodurch eine ausgezeichnete Haftung zwischen der funktionellen Beschichtung 15 und dem Metallboden gewährleistet wird. In vorteilhafter, aber nicht erforderlicker, Weise, wird die Klebeschicht 14 durch eine kubische raumzentrierte, polykristalline (bcc) Säulenstruktur aus Chrom gebildet, deren Dicke im Bereich von 0,5 und 1 Mikrometer liegt. In einer alternativen, bevorzugten Ausführungsform kann die Klebeschicht aus Nickel oder Kobalt bestehen. In jedem Fall wird die Klebeschicht 14 mittels eines Dampfbeschichtungsverfahrens über eine Metallquelle aufgebracht.
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Ihrerseits besteht die in der als Beschichtung 15, die nachstehend so bezeichnet wird, dargestellte reibungsverhinderde Schicht aus vollständig freiem amorphen Kohlenstoff oder aus im Wesentlichen wasserstofffreiem Kohlenstoff (DLC) mit einer überwiegenden Menge an sp2. Was die Abwesenheit von Wasserstoff betrifft, ist es wichtig zu erwähnen, dass seine Gewichtsmenge unter 2% liegt.
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In Bezug auf das Verhältnis zwischen sp3 und sp2 ist hervorzuheben, dass in einer bevorzugten Ausführungsform das Verhältnis zwischen SP3 und SP2 über sp3-Bindungen verfügt, die zwischen 25% und 40% liegen, was die Beschichtung 15 von a-C kennzeichnet. Mit anderen Worten liegt das Verhältnis zwischen SP3 und SP2 in dieser alternativen, bevorzugten Ausführungsform zwischen 0,25 und 0,45, wobei in einer zweiten alternativen, bevorzugten Ausführungsform dieses Verhältnis zwischen 0,35 und 0,85 liegt. Außerdem liegt die Gesamtdicke des Films der vorliegenden Erfindung in einem Bereich zwischen 8 und 15 Mikrometern. In einer alternativen, bevorzugten Ausführungsform liegt die Dicke der Beschichtung 15 zwischen 5000 und 30000 Nanometern.
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Die Härte der Beschichtung 15 aus im Wesentlichen wasserstofffreiem amorphen Kohlenstoff liegt zwischen 20 und 40 GPa.
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Es sollte auch angemerkt werden, dass das Verfahren zum Aufbringen der Beschichtung 15 mittels eines plasmaunterstützten chemischen Dampfbeschichtungsverfahrens (PACVD) durchgeführt wird.
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Anders als die Automobillösungen des Stands der Technik greift die vorliegende Erfindung auf eine speziell entwickelte Topographie auf der Kontaktfläche der Beschichtung 15 zurück, die der Kontaktfläche 21 der Zylinderlaufbuchse 20 angepasst werden kann. Die Entwicklung der vorliegenden Erfindung ließ erkennen, dass die Beschichtungen mit einer hohen Rauheit in vielen tribologischen Gleit- und Abriebkontaktsituationen niedrigere Ergebnisse liefern.
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Somit ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Kolbenring 10 mit einer Beschichtung 15 mit einer Härte von 2000 bis 4000 HV (Vickershärte) zu liefern, der aber einen hohen Verschleiß der Zylinderlaufbuchse 20 verhindert, deren Härte wesentlich geringer ist, in der Regel unter 700 HV (Vickershärte) oder sogar 250 bis 300 HV.
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Um die Ziele der vorliegenden Erfindung zu erreichen, umfasst die Beschichtung 15 des Kolbenrings 10 eine Oberfläche mit einer kontrollierten Menge an Tälern, um die Zufuhr von Öl während des Motorstarts zu maximieren, wobei gleichzeitig der Ölfilm erhöht und die festen Kontaktpunkte verringert werden, was zu einem geringeren Reibungskoeffizienten im tribologischen System (Kolbenring/Zylinderlaufbuchse) führt.
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Die Oberfläche der Beschichtung 15 der vorliegenden Erfindung trägt in großem Maßstab zu den hervorragenden Ergebnissen der vorliegenden Erfindung bei und umfasst eine Topographie, deren Kontakt mit der Kontaktfläche 21 der Zylinderlaufbuchse 20 vor allem durch Plateaus 18 erfolgt.
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Die Norm ISO4287 definiert die Rauheitsparameter Rpk und Rz, die die durchschnittliche Höhe der Spitzen und den durchschnittlichen Abstand der höchsten Spitzen zu den tiefsten Tälern darstellen. Für ein besseres Verständnis erkennt man beispielsweise anhand eines Vergleichs der und 5 mit den und 6, dass, bei einer bestimmten Topographie mit Spitzen und Tälern der gleichen Größenordnung 16 (siehe und 5), die Hohlräume für die Ölzufuhr verringert werden, wodurch das Vorhandensein von Öl auf der Greenzfläche des Kolbenrings und auf der Zylinderlaufbuchse behindert wird. Das heißt, die Bildung eines Schmierfilms wird behindert.
- a. Wiederum sind die Hohlräume bei einer Topographie mit niedrigen Spitzen und tiefen Tälern größer und das Öl hat die Möglichkeit, in diese Hohlräume einzudringen, wodurch die Bildung des Schmierfilms erleichtert wird. Die Bildung dieses Films vermeidet den Kontakt zwischen dem Kolbenring und der Buchse. Mit anderen Worten stellen die Grafiken der und den Oberflächenzustand, der in dieser Erfindung vorliegt, dar. Bei dieser Art von Oberfläche ist der prozentuale Anteil von Öl zwischen den Oberflächen größer, wodurch günstige Bedingungen für die Schmierung geschaffen werden, die den Kontakt zwischen dem Gleitelement und der Buchse vermeiden und sowohl Abrieb als auch Verschleiß verringern. Somit erleichtern die und 6 das Verständnis des Unterschieds zwischen einer Oberfläche mit wenigen Ölreservoirs und einer Oberfläche mit mehreren Ölreservoirs. Die vorliegende Erfindung greift auf eine sehr ähnliche Kontaktfläche wie die in der zurück, das heißt, eine Oberfläche, die im Wesentlichen aus kleinen Spitzen und großen Tälern 18 besteht, was eine gute Tragkraft auf der Kontaktfläche zwischen dem Kolbenring 10 und der Zylinderlaufbuchse 20 gewährleistet und die Bildung des Schmiermittelfilms erleichtert.
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Somit sind die Rpk- und Rz-Werte von großer Bedeutung, um die reduzierten Spitzen 18 und das Vorhandensein von tiefen Tälern der vorliegenden Erfindung charakterisieren zu können, da solche Werte es erlauben, die spezifische Topographie zu verstehen, die eine Lösung mit geringem Abrieb, hoher Lebensdauer und verringertem Verschleiß gewährleistet.
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Bei den Kolbenringen des Stands der Technik verursacht die Schwierigkeit, den Schmierfilm 16 zu bilden, aufgrund des hohen Kontaktdrucks das Verkratzen und den kritischen Verschleiß an der Wand der Zylinderlaufbuchse 20. Außerdem erschwert diese hohe lokale Druck die Bildung und die Aufrechterhaltung des Schmierölfilms, wenn wenig Öl zwischen der Beschichtung aus wasserstofffreiem amorphen Kohlenstoff (DLC) und der Buchse vorhanden ist.
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Die Lösung der vorliegenden Erfindung kann ähnlich der in dargestellten Lösung beschrieben werden. Somit wurde, um die Probleme des Stands der Technik zu lösen, eine Oberfläche entwickelt, deren Ziel ist es, eine gute Tragkraft beim Kontakt zwischen dem Kolbenring 10 und der Zylinderlaufbuchse 20 aufgrund der Bildung des Schmierfilms zu gewährleisten. Für eine gleiche Last erzeugt diese Oberfläche wenig Kontakt im Vergleich zu einer Topographie mit wenigen Ölreservoirs. Somit ist die Fertigung des Kolbenrings 10 für die Kontaktdurchführung zwischen dem Kolbenring 10 und der Buchse 20 von enormer Bedeutung, um einen guten Motorbetrieb zu erleichtern. Die gute Kompatibilität zwischen dem Kolbenring 10 und der Zylinderlaufbuchse 20 wird durch ein Entfernungsverfahren der Spitzen 16 der Beschichtung 15 erreicht, wobei dieses Verfahren nach der Aufbringung der Beschichtung 15, ohne die Täler vollständig zu entfernen, durchgeführt wird.
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Dementsprechend, in der vorliegenden Erfindung, ist ein Merkmal der Topographie der Beschichtung 15 des Kolbenrings 10 dass sie einen Rpk-Wert ≤ 0,15 µm aufweist, und dass 0,7 ≤ Rz ≤ 1,5 µm. In einer alternativen, bevorzugten Ausführungsform ist der Rmr-Wert (0,3/0,5) größer gleich 65%.
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Die während der Entwicklung des Gleitelements der vorliegenden Erfindung erhaltenen Laborergebnisse zeigen deutlich dessen Vorteile. Dementsprechend zeigt die die Leistung sowohl für Kolbenringe im Stand der Technik als auch für Ringe der vorliegenden Erfindung in Bezug auf Abrieb und Verschleiß des Kolbenrings gemäß den Rpk- und Rz-Parametern. Es sollte beachtet werden, dass die Tests für die Erfindung mit Rpk- und Rz-Werten innerhalb der Spezifikation durchgeführt wurden.
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Die Ergebnisse der zeigen, dass die Beschichtungen aus im Wesentlichen wasserstofffreiem amorphem Kohlenstoff und die Chrom-Nitrid-Beschichtung unterschiedliche Rpk- und Rz-Niveaus aufweisen. Der Reibungskoeffizient der Kohlenstoff-Beschichtungen zeigt eine Abnahme im Vergleich zu den Rpk- und Rz-Werten des Stands der Technik. Demegenüber, zeigen die Werte auf der rechten Seite der Tabelle der , dass die DLC-Beschichtung der vorliegenden Erfindung und die CrN-Beschichtung im Wesentlichen die gleichen Rmr-Werte aufweisen. In jedem Fall weist die DLC-Beschichtung der vorliegenden Erfindung einen Reibungskoeffizienten, der im Wesentlichen 25% niedriger als der der CrN-Beschichtung ist.
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Die zeigt auch die Leistung in Bezug auf den Verschleiß der DLC-Beschichtung der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu dem einer DLC-Beschichtung des Stands der Technik. Die Ergebnisse zeigen den Vorteil der Lösung der vorliegenden Erfindung, da sie zeigen, dass das Vorhandensein von Ölreservoirs der vorliegenden Erfindung einen niedrigeren Verschleiß im Kolbenring 10 (Spalten über null) und einen niedrigeren Verschleiß in der Zylinderlaufbuchse 20 (Spalten unter null) gewährleistet. Mit anderen Worten ist der Verschleiß sowohl im Kolbenring 10 als auch in der Zylinderlaufbuchse 20 wesentlich niedriger für Beschichtungen aus amorphen Kohlenstoff, wenn die Rmr-Werte das topographische Profil der vorliegenden Erfindung erreichen.
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Somit besteht kein Zweifel, dass bei der vorliegenden Erfindung der Reibungskoeffizient stark vermindert ist und dass der Verschleiß sowohl im Kolbenring als auch im Zylinder ebenfalls reduziert ist, wodurch ein richtiges Verhalten in jeder Motorbetriebsphase und eine lange Lebensdauer der Motoren gewährleistet werden, die auf die Verwendung von Beschichtungen 15 aus im Wesentlichen wasserstofffreiem amorphen Kohlenstoff mit einer Topologie aus Ölreservoirs, die die Schmierfilmbildung erleichtert und den Kontakt mit dem Zylinder meidet, zurückzuführen sind.
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Obwohl ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, sollte verstanden werden, dass der Umfang der vorliegenden Erfindung weitere mögliche Variationen umfasst, der lediglich durch den Inhalt der beigefügten Ansprüche sowie durch die möglichen Äquivalente begrenzt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010133633 [0009]
- US 2013/0140776 [0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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