DE10214062A1

DE10214062A1 - Kolbenring und kombinierte Struktur eines Kolbenrings und einer Ringnut eines Kolbens

Info

Publication number: DE10214062A1
Application number: DE10214062A
Authority: DE
Inventors: Minako Chinou; Katsuaki Ogawa; Takahiro Okazaki
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2002-10-24
Also published as: US20020175476A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft einen Kolbenring und eine kombinierte Struktur eines Kolbenrings und einer Ringnut eines Kolbens, welche einen harten Kohlenstoffilm mit ausgezeichneter Verschleißfestigkeit, Abriebfestigkeit, Kohäsionsfestigkeit gegenüber dem Kolbenmaterial und Abblätterungsfestigkeit aufweist. Die oben erwähnte Aufgabe der Erfindung wird durch kontinuierliches Ausbilden eines harten Kohlenstoffilms 2, welcher ein oder mehrere Elemente enthält, welche aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus Si, W oder Ni besteht, auf sämtlichen Flächen der Außenumfangsfläche 4, der Innenumfangsfläche 5, der oberen Fläche 6 und der unteren Fläche 7 des Kolbenrings 1 gelöst. Der harte Kohlenstoffilm enthält Si und weist einen Si.haltigen Film auf, welcher als Grundfilm für den harten Kohlenstoffilm dient. Vorzugsweise sollte ein Cr-Film als Grundfilm für den harten Kohlenstoffilm ausgebildet werden. Es ist wünschenswert, daß ein Ionenbeschichtungsfilm als Grundfilm auf der Außenumfangsfläche des Kolbenrings ausgebildet wird. Die kombinierte Struktur des Kolbenrings und der Ringnut der Erfindung umfaßt den zuvor erwähnten Kolbenring und eine Ringnut, welche aus Stahl bzw. einer Aluminiumlegierung hergestellt ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenring und eine kombinierte Struktur eines Kolbenrings und einer Ringnut eines Kolbens. Genauer betrifft die Erfindung einen Kolbenring und eine kombinierte Struktur eines Kolbenrings und einer Ringnut eines Kolbens, wobei ein harter Kohlenstoffilm mit ausgezeichneter Verschleißfestigkeit, Abriebfestigkeit, Kohä sionsfestigkeit und Abblätterungsfestigkeit auf einem Kolben material ausgebildet ist.

2. Stand der Technik

Entsprechend der seit kurzem bestehenden Tendenz zu Verbrennungsmotoren mit leichterem Gewicht und höherer Aus gangsleistung ist es erforderlich, daß Kolbenringe bessere Gleiteigenschaften (beispielsweise Verschleißfestigkeit, Ab riebfestigkeit und Angriffsfestigkeit bezüglich zusammenwir kender Elemente) aufweisen.

Um die Verschleißfestigkeit und die Abriebfestigkeit unter diesen Umständen zu verbessern, wird ein Cr-Beschichtungsfilm bzw. eine Nitridschicht auf der Außenumfangsfläche, der oberen oder der unteren Fläche eines Kolbenrings ausgebildet. In jün gerer Zeit ist es die übliche Praxis, einen harten Film aus CrN (Chromnitrid) bzw. TiN (Titannitrid) zu verwenden, welcher durch das PVD-Verfahren (physikalische Bedampfung) anstelle eines Cr-Beschichtungsfilms bzw. einer nitrierten Schicht zu dem Zweck hergestellt wird, die zuvor erwähnten Gleiteigen schaften weiter zu verbessern.

Wenn eine Kolbenringnut (im folgenden einfach als "Ring nut" bezeichnet) jedoch aus einer Al-Legierung besteht, wie bei einem Benzinmotor, bei welchem die obere und die untere Fläche wiederholt bei hohen Temperaturen mit der Innenfläche der Ringnut zusammenstoßen, so greifen ein Cr- Beschichtungsfilm, eine nitrierte Schicht bzw. ein harter Film, welcher durch das PVD-Verfahren an der oberen und der unteren Fläche des Kolbenrings ausgebildet wird, die aus einer Al-Legierung hergestellte Ringnut an. Dies führt dazu, daß bei dem Kolbenring, auf welchem der harte Film ausgebildet ist, eine Schwierigkeit auftritt, welche als "Al-Kohäsion" bekannt ist, wobei die Al-Legierung an der Ober- und der Unterseite des Kolbenrings koaguliert, und dies kann eine Steigerung des Verschleißes der Ringnut bewirken.

Wenn ein Stahlkolben verwendet wird, wie bei einem Hoch last-Dieselmotor mit hoher Ausgangsleistung, können bei dem zuvor erwähnten Kolbenring, auf welchem ein harter Film ausge bildet ist, Stahlkohäsionsphänomene, welche durch eine große Wärmebelastung verursacht werden, auftreten.

Zum Lösen dieser Probleme wird in den japanischen unge prüften Patentanmeldungsveröffentlichungen Nr. 11-166625 und 12-120869 eine Hemmung des Al-Koagulationsphänomens, welches an einer aus einer Al-Legierung hergestellten Ringnut ausge löst wird, mittels eines Kolbenrings, auf welchem harte Koh lenstoffilme (auch bekannt als "diamantartige Kohlenstoffilme) auf der oberen und der unteren Fläche ausgebildet sind, offen bart. In der europäischen Patentveröffentlichung EPO759519 ist eine Hemmung des Al-Kohäsionsphänomens bei einer Ringnut, wel che aus einer Al-Legierung hergestellt ist, mit einem Kolben ring, auf welchem harte Kohlenstoffilme ausgebildet sind, wel che keine Metallkomponente (a-c : H-Struktur) enthalten, offen bart.

Die Kolbenringe, welche die harten Kohlenstoffilme auf der oberen und der unteren Fläche oder auf der Außenumfangsfläche aufweisen, wie in den oben erwähnten japanischen ungeprüften Patentanmeldungsveröffentlichungen Nr. 11-166625 und 12-120869 und dem europäischen Patent EPO759519 offenbart, weisen jedoch eine unzureichende Abblätterungsfestigkeit und Haftung des harten Kohlenstoffilms beim Gleiten auf und weisen das Problem auf, daß in Betrieb Risse und/oder Brüche und sogar Abblätte rungen des harten Kohlenstoffilms auftreten.

Insbesondere ist der Kolbenring, welcher in dem europäi schen Patent EPO759519 offenbart ist, mit Problemen einer gro ßen inneren Spannung und einer schlechten Haftung des harten Kohlenstoffilms verbunden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zum Lösen der zuvor erwähnten Probleme zu schaffen, das bedeutet, einen Kolbenring und eine kombinierte Struktur eines Kolbenrings und einer Ringnut eines Kolbens zu schaffen, worauf ein harter Kohlenstoffilm mit gegenüber dem Kolbenmaterial ausgezeichneter Verschleißfestigkeit, Abrieb festigkeit, Kohäsionsfestigkeit und Abblätterungsfestigkeit ausgebildet ist.

Um die zuvor erwähnten Probleme zu lösen, wird bei dem Kolbenring der vorliegenden Erfindung ein harter Kohlenstoff film, welcher ein oder mehrere Elemente enthält, welche aus der Gruppe ausgewählt sind, welche Si, W und Ni enthält, di rekt und kontinuierlich über einen Grundfilm auf sämtlichen Flächen eines Kolbenrings ausgebildet, wobei dies eine Außen umfangsfläche, eine Innenumfangsfläche, eine obere Fläche und eine untere Fläche davon umfaßt.

Erfindungsgemäß wird der oben erwähnte harte Kohlenstof film auf sämtlichen Flächen des Kolbenrings kontinuierlich ausgebildet. Daher gibt es weniger Ausgangspunkte für das Auf treten von Rissen und/oder Brüchen des harten Kohlenstoffilms in Betrieb, wodurch es ermöglicht wird, die Abblätterungsfes tigkeit des ausgebildeten harten Kohlenstoffilms sehr zu verbessern. Dies führt dazu, daß es sogar für Langzeitverwen dungen möglich ist, einen Kolbenring mit ausgezeichneter Ver schleißfestigkeit, Abriebfestigkeit und Kohäsionsfestigkeit zu schaffen. Der Kolbenring der vorliegenden Erfindung ist bei einer Ringnut, welche aus einer Al-Legierung hergestellt ist, bzw. einer Stahlringnut geeignet anwendbar und ist daher bei einem Hochlast-Dieselmotor mit hoher Ausgangsleistung geeignet anwendbar.

Bei dem Kolbenring der Erfindung sollte (a) der zuvor er wähnte harte Kohlenstoffilm vorzugsweise Si enthalten, und ein Si-haltiger Film sollte vorzugsweise als Grundfilm des harten Kohlenstoffilms ausgebildet werden; und (b) sollte der oben erwähnte harte Kohlenstoffilm vorzugsweise W bzw. W-Ni enthal ten, und ein Cr-Film sollte vorzugsweise als Grundfilm des harten Kohlenstoffilms ausgebildet werden.

Bei der vorliegenden Erfindung wird der harte Kohlenstof film über den Grundfilm bzw. direkt auf dem Kolbenring ausge bildet. Anwendbare Grundfilme umfassen: (1) einen Si-haltigen Film bzw. einen Cr-Film, welcher als Grundschicht des harten Kohlenstoffilms vorgesehen ist, um die Haftung des harten Koh lenstoffilms zu verbessern; (2) einen harten Film, welcher mindestens auf einer Außenumfangsfläche des Kolbenringmateri als vorgesehen ist, um die Verschleißfestigkeit der Gleitflä che des Kolbenrings zu verbessern (Filmausbildung durch das Ionenbeschichtungsverfahren bzw. das Zerstäubungsverfahren aus Cr-N, TiN, Cr-O-N bzw. CR-B-N). Der harte Kohlenstoffilm wird über den Grundfilm oder direkt ausgebildet, und das Kolbenma terial wird mit einer Vielzahl derartiger Filme beschichtet.

Wie oben beschrieben, ist es möglich, die Haftung des har ten Kohlenstoffilms durch Ausbilden eines Si-haltigen Films bzw. eines Cr-Films als Grundfilm des harten Kohlenstoffilms zu verbessern. Dies hat zur Folge, daß es möglich ist, einen Kolbenring mit ausgezeichneter Abblätterungsfestigkeit herzu stellen und die Gleiteigenschaften (Verschleißfestigkeit, Ab riebfestigkeit und Hemmung des Koagulationsphänomens) des Kol benrings weiter zu verbessern.

Bei dem Kolbenring der Erfindung ist es wünschenswert, ei nen harten Ionenbeschichtungsfilm zusätzlich zu dem Si haltigen Film bzw. dem Cr-Film mindestens auf der Außenum fangsfläche auszubilden bzw. diesen anstelle des Si-haltigen Films bzw. des Cr-Films als Grundfilm auszubilden. Wenn der harte Film anstelle des Si-haltigen bzw. des Cr-Films ausge bildet wird, so werden harte Ionenbeschichtungsfilme auf dem Kolbenringbasismaterial aufgetragen, der Si-haltige Film bzw. der Cr-Film wird darauf aufgetragen, und der harte Kohlenstof film wird darauf aufgetragen.

Erfindungsgemäß ist es, da ein harter und zäher Ionenbe schichtungsfilm als Grundfilm ausgebildet wird, möglich, die Verschleißfestigkeit mindestens der Außenumfangsfläche des Kolbenrings, welche als Gleitfläche dient, zu verbessern.

Die kombinierte Struktur eines Kolbenrings und einer Ring nut eines Kolbens der Erfindung umfaßt einen Kolbenring, auf welchem ein harter Kohlenstoffilm, welcher ein oder mehrere Elemente enthält, welche aus der Gruppe ausgewählt sind, wel che aus Si, W und Ni besteht, über einen Grundfilm auf sämtli chen Flächen eines Kolbenrings direkt und kontinuierlich ausgebildet wird, wobei dies eine Außenumfangsfläche, eine In nenumfangsfläche, eine obere Fläche und eine untere Fläche da von umfaßt, sowie eine Ringnut, welche aus Stahl bzw. einer Aluminiumlegierung hergestellt ist.

Erfindungsgemäß verbessert der Kolbenring, auf welchem der oben erwähnte harte Kohlenstoffilm kontinuierlich auf sämtli chen Flächen davon ausgebildet ist, die Abblätterungsfestig keit des harten Kohlenstoffilms außerordentlich. Die kombi nierte Struktur erschwert das Auftreten eines Kohäsionsphäno mens selbst nach einer langen Verwendungszeit. Dies hat zur Folge, daß die Erfindung nicht nur bei einem Benzinmotor, son dern auch bei einem Hochlast-Dieselmotor mit hoher Ausgangs leistung geeignet anwendbar ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist eine Schnittansicht, welche einen typischen Kolbenring der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 2 ist eine Schnittansicht, welche ein weiteres Bei spiel des Kolbenrings der Erfindung darstellt;

Fig. 3 ist eine Schnittansicht, welche ein Beispiel des Kolbenrings der Erfindung mit einem darauf ausgebildeten Grundfilm 9 darstellt;

Fig. 4 ist eine Schnittansicht, welche ein Beispiel des Kolbenrings der Erfindung mit einem darauf ausgebildeten Grundfilm (einem Grundfilm 9 und einem Grundfilm 3) darstellt;

Fig. 5 stellt ein Ausführungsbeispiel dar, bei welchem der Si-Gehalt des harten Kohlenstoffilms ungleichmäßig ist;

Fig. 6 zeigt (a) eine Draufsicht des Kolbenringbasismate rials, welches an einer Befestigungsspannvorrichtung befestigt ist; und (b) eine Schnittansicht eines speziellen Abschnitts des Kolbenrings der Erfindung;

Fig. 7 ist eine Schnittansicht, welche die kombinierte Struktur des Kolbenrings und der Ringnut der Erfindung dar stellt;

Fig. 8 stellt ein verbessertes Prüfgerät des Stoßprüfge räts des NPR-Typs dar; und

Fig. 9 stellt ein Prüfgerät für den Ventilsitzverschleiß bei hoher Temperatur dar.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Der Kolbenring und die kombinierte Struktur eines Kolben rings und einer Ringnut der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben.

(1) Kolbenring

Auf dem Kolbenring 1 der Erfindung ist, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, ein harter Kohlenstoffilm 2 kontinuier lich auf sämtlichen Flächen ausgebildet, wobei dies eine Au ßenumfangsfläche 4, eine Innenumfangsfläche 5, eine obere Flä che 6 und eine untere Fläche 7 umfaßt. Wie in Fig. 7 darge stellt, ist der Kolbenring 1 ein Gleitelement, welches an ei ner Ringnut 11 eines Kolbens befestigt ist, welches sich in Gleitkontakt mit der Innenumfangsfläche einer Zylinderlauf buchse 12 unter der Wirkung einer vertikalen Bewegung (gleich einer hin und her gehenden Bewegung) des Kolbens befindet und eine vertikale Bewegung ausführt, wobei ein Drehvortrieb davon durch die obere und die untere Fläche (Seitenfläche) 13 der Ringnut 11 erfolgt.

Der Kolbenring 1 der Erfindung kann ein oberer Ring, ein zweiter Ring oder ein Ölring bzw. all dies sein. Dieser ist bei dem oberen Ring besonders geeignet anwendbar.

Das Material für den Kolbenring 1, auf welchem der harte Kohlenstoffilm ausgebildet wird, kann ein herkömmlich verwen detes sein und unterliegt keiner besonderen Beschränkung. Die Erfindung ist daher bei einem Kolbenring 1, welcher aus belie bigen Materialien hergestellt ist, wie etwa Edelstahl, Guß, Stahlguß und Stahl, welche allgemein herkömmlich verwendet werden, anwendbar.

Von diesen Materialien ist Stahl besser als Guß anwendbar. Ein Stahl ist wünschenswert, da, wenn ein harter Kohlenstof film 2 durch das CVD-Verfahren auf einem Guß ausgebildet wird, Gase, welche in Blasenlöchern erzeugt werden, die Atmosphäre verschlechtern und eine nachteilige Wirkung auf die Ausbildung des harten Kohlenstoffilms ausüben. Anwendbare Stahlmateria lien umfassen Martensitedelstahl (SUS410 und SUS440 gemäß JIS- Norm), Austenitedelstahl (SUS304) und Si-Cr-Stahl.

Aufgrund der Tatsache, daß der harte Kohlenstoffilm 2 auf dem gesamten Umfang ausgebildet wird, enthält der Kolbenring der Erfindung lediglich wenige Ausgangspunkte zum Auftreten von Rissen und/oder Brüchen, so daß eine erhebliche Verbesse rung der Abblätterungsfestigkeit des harten Kohlenstoffilms 2 ermöglicht wird. Der harte Kohlenstoffilm 2 erfüllt ferner die Funktion, Al-Kohäsionsphänomene und Stahlkohäsionsphänomene unter hoher Belastung zu hemmen, sowie die Funktion, die Ver schleißfestigkeit und die Abriebfestigkeit zu verbessern. Durch Verwenden des Kolbenrings der Erfindung ist es daher möglich, eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und Abrieb festigkeit und Hemmung von Al-Kohäsionsphänomenen und Stahlko häsionsphänomenen unter hoher Belastung für eine lange Zeit zu erreichen.

Der harte Kohlenstoffilm 2 wird durch das PVD-Verfahren ausgebildet, wie etwa das reaktive Ionenbeschichtungsverfahren bzw. das reaktive Zerstäubungsverfahren. Dieser kann durch das CVD-Verfahren, wie etwa das Plasma-CVD-Verfahren ausgebildet werden.

Bei der Ausbildung des harten Kohlenstoffilms 2 wird der harte Kohlenstoffilm auf der oberen, der unteren und der In nenumfangsfläche tatsächlich ausgebildet. Zu diesem Zweck wer den Kolbenringmaterialstücke in bestimmten Abständen an einer Spannvorrichtung befestigt, und dann wird der harte Koh lenstoffilm 2 ausgebildet. Atome, welche durch Spalten zwi schen den Kolbenringmaterialstücken dringen, werden daher auf der oberen, der unteren und der Innenumfangsfläche abgelagert. Daher können Unterschiede der Dicke zwischen verschiedenen Flächen entstehen, abhängig von den Spalten. Besonders, wenn ein Film während einer Befestigung an der Spannvorrichtung in einer Kammer beispielsweise einer reaktiven Ionenbeschich tungsvorrichtung bzw. einer reaktiven Zerstäubungsvorrichtung ausgebildet wird, wie in dem Fall des Kolbenrings 1 der Erfin dung, besteht die Neigung, daß der harte Kohlenstoffilm, wel cher auf der Außenumfangsfläche des Kolbenrings ausgebildet wird, der dickste ist, gefolgt von dem der oberen Fläche 6 und der unteren Fläche 7, sowie die Neigung, daß der der Innenum fangsfläche 5 am dünnsten ist. Dieser Dickeunterschied kann durch Einstellen des Spalts der angrenzenden Kolbenringe 1 nach dem Befestigen des Kolbenrings 1 an der Spannvorrichtung gesteuert werden. Beispielsweise kann der Dickeunterschied zwischen den Flächen durch Vergrößern des Spalts vermindert und durch Verkleinern des Spalts erhöht werden. Die Vorteile des Kolbenrings der Erfindung können durch Auswählen eines Spalts von etwa 10 mm zwischen den Kolbenringen und Einstellen der Dicke der einzelnen Flächen durch eine Änderung der Spalt größe erreicht werden.

Der harte Kohlenstoffilm 2 enthält ein oder mehrere Ele mente, welche aus der Gruppe ausgewählt sind, welche aus Si, W und Ni besteht. Der resultierende harte Kohlenstoffilm 2 kann derartige Elemente, wie Si, W und Ni enthalten, kann Karbide, wie etwa SiC und WC enthalten, oder kann diese beiden Elemente enthalten, wie etwa Si, W und Ni und Karbide, wie etwa SiC und WC. Durch Ausbilden eines derartigen harten Kohlenstoffilms ist es möglich, einen Kolbenring 1 mit ausgezeichneter Ver schleißfestigkeit und Abriebfestigkeit herzustellen. Da der harte Kohlenstoffilm 2 die Funktion erfüllt, Kohäsionsphänome ne zu hemmen, weist der Kolbenring der Erfindung eine ausge zeichnete Eigenschaft auf, welche das Auftreten einer Al- Kohäsion bzw. Stahlkohäsion erschwert, selbst wenn die obere und die untere Fläche 6 und 7 und die Innenumfangsfläche 5 des Kolbenrings 1 der vorliegenden Erfindung in Kontakt mit der oberen und der unteren Fläche (Seitenflächen) 13 der Ringnut 11, welche aus einer Al-Legierung bzw. Stahl hergestellt ist, gelangen.

Es ist bekannt, daß die Basisstruktur des harten Koh lenstoffilms eine amorphe Struktur ist, welche die gleiche Kohlenstoff-sp3-Bindung wie bei Naturdiamant, die gleiche sp2- Bindung wie.bei Graphit und eine Wasserstoffbindung umfaßt. Ebenso weist der harte Kohlenstoffilm der Erfindung eine der artige Basisstruktur auf.

Die Zusammensetzung des harten Kohlenstoffilms 2 unter liegt keiner besonderen Beschränkung. In dem Fall eines harten Kohlenstoffilms 2 auf W-Ni-Basis sollte die Zusammensetzung beispielsweise vorzugsweise von 55 bis 85 Gewichtsprozent, o der besser von 60 bis 80 Gewichtsprozent W, von 3 bis 10 Ge wichtsprozent, oder besser von 5 bis 8 Gewichtsprozent Ni und als Rest C und zufällige Unreinheiten enthalten. In dem Fall eines harten Kohlenstoffilms 2 auf Si-Basis sollte die Zusam mensetzung vorzugsweise von 50 bis 70 Gewichtsprozent, oder besser von 55 bis 65 Gewichtsprozent Si und als Rest C und zu fällige Unreinheiten enthalten. In dem Fall eines harten Koh lenstoffilms 2 auf W-Basis sollte die Zusammensetzung vorzugs weise von 50 bis 85 Gewichtsprozent, oder besser von 60 bis 80 Gewichtsprozent W und als Rest C und zufällige Unreinheiten enthalten.

Der Si-Gehalt in dem harten Kohlenstoffilm verbessert die Ausbildungsfähigkeit des Films und erleichtert eine Steigerung der Filmdicke. Der W-Gehalt in dem harten Kohlenstoffilm min dert die Spannung beim Ausbilden des Films und erleichtert das Ausbilden des Films. Ni, welches manchmal in dem W-Target zum Ausbilden des harten Kohlenstoffilms enthalten ist, ist ein Element, welches in dem harten Kohlenstoffilm 2 enthalten zu sein neigt. Ein Ni-haltiges Target ist im Hinblick auf Kosten senkungen vorteilhaft.

Fig. 5 stellt ein Ausführungsbeispiel dar, bei welchem der Si-Gehalt in einem harten Kohlenstoffilm auf Si-Basis zu einer größeren Dicke hin ausgerichtet ist. Wie in Fig. 5 darge stellt, kann der Si-Gehalt in einer Kurvengestalt bzw. gerad linig derart geändert werden, daß dieser von der Oberflächen seite zu der Seite des Basismaterials 8 hin ansteigt. Es ist ferner möglich, eine Zusammensetzung zu erreichen, bei welcher der Si-Gehalt lediglich auf der Seite des Basismaterials höher ist und in den anderen Bereichen konstant ist. Eine derartige Änderung wird durch Steuern des Gasdrucks während der Filmaus bildung erreicht. Genauer kann der Si-Gehalt durch Ändern des Mischverhältnisses von Silangas zu Azetylengas, so daß das Verhältnis von Silangas erhöht wird, gesteigert werden. Demge genüber kann der Si-Gehalt durch Ändern des Mischverhältnis ses, so daß das Verhältnis von Azetylengas erhöht wird, ver mindert werden. Wie später beschrieben, kann die Haftung des harten Kohlenstoffilms auf Si-Basis durch Ausbilden eines Si- haltigen Films als Grundfilm 9 des harten Kohlenstoffilms er heblich verbessert werden.

Der Si-haltige Film wird derart ausgebildet, daß sich der Si-Gehalt in einem Bereich von etwa 70 bis 100 Gewichtsprozent befindet. Der darauf ausgebildete harte Kohlenstoffilm auf Si- Basis sollte auf der Grundfilmseite vorzugsweise einen Si- Gehalt in einem Bereich von etwa 70 bis 100 Gewichtsprozent aufweisen, wodurch eine erhebliche Verbesserung der Haftung ermöglicht wird. In diesem Fall wird der Si-Gehalt des harten Kohlenstoffilms auf Si-Basis auf der Seite der äußersten Ober fläche auf einen Wert in einem Bereich von etwa 0 bis 70 Ge wichtsprozent vermindert.

Die Dicke des harten Kohlenstoffilms 2, welcher auf der Innenumfangsfläche 5 des Kolbenrings 1 ausgebildet wird, soll te vorzugsweise mindestens 0,01 µm betragen. Der Kolbenring 1 mit einem harten Kohlenstoffilm, welcher dicker als 0,01 µm ist, welcher auf der Innenumfangsfläche 5 ausgebildet ist, be wirkt eine erhebliche Verbesserung der Abblätterungsfestigkeit des harten Kohlenstoffilms 2, wodurch es ermöglicht wird, die vorgesehene Aufgabe der vorliegenden Erfindung zu lösen.

Da die Dicke des harten Kohlenstoffilms 2, welcher auf der Innenumfangsfläche 5 ausgebildet wird, durch Vergrößern des Spalts erhöht werden kann, wie oben beschrieben, ist es mög lich, den Dickeunterschied zwischen der Außenumfangsfläche 4 und der Ober- und der Unterfläche 6 und 7 geeignet einzustel len. Es ist möglich, eine obere Grenze von etwa 30 µm für die Dicke auf der Innenumfangsfläche vorzusehen.

Der harte Kohlenstoffilm 2, welcher auf der oberen Fläche 6 und der unteren Fläche 7 des Kolbenrings 1 ausgebildet wird, sollte vorzugsweise eine Dicke in einem Bereich von 1 bis 30 µm aufweisen. Der Dickebereich von 1 bis 30 µm für den harten Kohlenstoffilm 2 wird im Hinblick auf die Al- Kohäsionsfestigkeit bzw. Stahlkohäsionsfestigkeit gegenüber der Ringnut 11, die Verschleißfestigkeit und die Abriebfestig keit und aus Herstellungsgesichtspunkten gewählt. Genauer er laubt bei einer Dicke des harten Kohlenstoffilms 2, welcher auf der oberen Fläche 6 und der unteren Fläche 7 ausgebildet wird, von unter 1 µm die geringe Dicke des Films manchmal kei ne Verbesserung der Verschleißfestigkeit zwischen der oberen und der unteren Fläche (Seitenflächen) 13 der Ringnut 11. Eine Dicke des harten Kohlenstoffilms 2, welcher auf der oberen und der unteren Fläche ausgebildet wird, von unter 30 µm kann be wirken, daß ein Abblättern des ausgebildeten harten Koh lenstoffilms 2 erfolgt.

Bei der vorliegenden Erfindung sollte, wenn die obere Flä che und die untere Fläche eine Dicke in dem oben erwähnten Be reich aufweisen, welche auf 100 gesetzt wird (Vergleichswert), die Außenumfangsfläche 4 vorzugsweise eine Dicke in einem Be reich von 100 bis 500 (Vergleichswert), oder besser von 120 bis 300 (Vergleichswert) aufweisen. Die Innenumfangsfläche sollte vorzugsweise eine Dicke in einem Bereich von 1 bis 99 (Vergleichswert), oder besser von 30 bis 90 (Vergleichswert) aufweisen. Es ist daher möglich, die Außenumfangsfläche mit einer Dicke in einem Bereich von 1 bis 50 µm, oder besser von 1, 2 bis 90 µm auszubilden.

Durch kontinuierliches Ausbilden dieses harten Kohlenstof films 2 auf dem gesamten Umfang des Kolbenrings, selbst wenn der Kolbenring 1 an dem Kolben befestigt ist, wird die Anzahl von Ausgangspunkten zum Auftreten von Rissen und/oder Brüchen vermindert, und die Abblätterungsfestigkeit des harten Koh lenstoffilms 2 kann verbessert werden. Dies hat zur Folge, daß es möglich ist, einen Kolbenring zu schaffen, welcher eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und Abriebfestigkeit auf weist und eine Hemmung des Al-Kohäsionsphänomens bzw. Stahlko häsionsphänomens sogar bei langer Verwendungszeit ermöglicht.

Bei dem Kolbenring 1 der vorliegenden Erfindung besteht der Vorteil der Lösung des Problems der Rußablagerung, welche durch Ölverbrennung beim Gleiten des Kolbenrings 1 verursacht wird. Gemäß der herkömmlichen Technik lagert bzw. scheidet sich Ruß, welcher durch Ölverbrennung erzeugt wird, welche zwischen dem Kolbenring 1 und der Ringnut 11 bewirkt wird, auf der unteren Fläche 7 des Kolbenrings bzw. der Innenumfangsflä che 5 davon ab, und dies kann den Kolbenring manchmal behin dern. Dies ist in dem Fall eines rechteckigen Kolbenrings, bei welchem sich in dem Raum zwischen dem Kolbenring und der Ring nut leicht Ruß sammelt, von ernstlicher Bedeutung.

Dies ist auch bei einem Halbtrapezring bzw. einem Volltra pezring der Fall, welcher in einem Dieselmotor geeignet ver wendet wird. Im Hinblick auf diese problematische Ablagerung erschwert es der Kolbenring 1 der Erfindung mit dem harten Kohlenstoffilm 2, welcher auf der unteren Fläche 7 und der In nenumfangsfläche 5 ausgebildet ist, wobei die Neigung besteht, daß das Rußproblem auf dem gesamten Umfang auftritt, daß Ruß anhaftet, und abgelagerter Ruß, falls vorhanden, kann einfach zerkleinert werden, so daß ein Ausschluß von Ruß ermöglicht wird. Dies hat zur Folge, daß erhebliche Vorteile im Hinblick darauf bestehen, daß es möglich ist, eine Rußablagerung zu verhindern, eine Behinderung des Kolbenrings zu verhindern und einen anomalen Anstieg des Gegendrucks zu verhindern.

Wie in Fig. 3 dargestellt, ist es wünschenswert, daß ein Si-haltiger Film bzw. ein Cr-Film als Grundfilm 9 des harten Kohlenstoffilms 2 ausgebildet wird.

Vorzugsweise sollte der Si-haltige Film auf dem Stahl, welcher als Kolbenringbasismaterial dient, derart ausgebildet werden, daß sich der Si-Gehalt in einem Bereich von 70 bis 100 Gewichtsprozent befindet, wie oben beschrieben. Durch Ausbil den eines harten Kohlenstoffilms auf Si-Basis darauf ist es möglich, die Haftung des harten Kohlenstoffilms erheblich zu verbessern. Bei dem Cr-Film ist es wünschenswert, einen Cr- Film bzw. einen Film, welcher im wesentlichen Cr umfaßt, auf dem Stahl, welcher als Kolbenringbasismaterial dient, auszu bilden. Durch Ausbilden eines harten Kohlenstoffilms auf W- Basis bzw. W-Ni-Basis darauf kann die Haftung des harten Koh lenstoffilms erheblich verbessert werden. Der Si-haltige Film kann SiC, eine Mischung aus Si und C oder eine Mischung dieser drei Materialien umfassen. Der Film, welcher im wesentlichen C umfaßt, kann zufällige Unreinheiten enthalten.

Unter der Wirkung dieses Si-haltigen Films bzw. des Cr- Films ist es möglich, die Haftung zwischen dem Grund- Kolbenringbasismaterial 8 und dem harten Kohlenstoffilm 2 zu verbessern, wodurch die Abblätterungsfestigkeit verbessert wird. Dies hat zur Folge, daß es möglich ist, die Verschleiß festigkeit und die Abriebfestigkeit des Kolbenrings weiter zu verbessern und die Wirkung des Kohäsionsphänomens zu hemmen.

Der Si-haltige Film bzw. der Cr-Film, welcher als Grund film 9 dient, sollte vorzugsweise durch das Zerstäubungsver fahren, das Ionenbeschichtungsverfahren oder das Beschich tungsverfahren in Abhängigkeit von der Art des Films ausgebil det werden. Die Dicke des Grundfilms 9 sollte sich vorzugswei se in einem Bereich von 0,1 bis 5 µm befinden.

Es ist wünschenswert, mindestens auf der Außenumfangsflä che 4 des Kolbenrings 1 einen Grundfilm auszubilden, welcher einen harten Film (im folgenden als "harter Film 3" bezeich net) umfaßt, wie in den Fig. 2 und 4 dargestellt.

Der Grundfilm 3 sollte vorzugsweise ein Film sein, welcher durch das Ionenbeschichtungsverfahren ausgebildet wird (dies wird in der vorliegenden Erfindung als "Ionenbeschichtungs film" bezeichnet), insbesondere ist ein harter Cr-N-, TiN-, CrO-N- oder Cr-B-N-Film zu bevorzugen. Ein derartiger Ionenbe schichtungsfilm, welcher hart und zäh ist, kann die Ver schleißfestigkeit und die Abriebfestigkeit der Außenumfangs fläche 4 des Kolbenrings 1, welche als Gleitfläche dient, verbessern. Der harte Film 3 kann durch ein Dünnfilmausbil dungsverfahren, wie etwa das reaktive Zerstäubungsverfahren, anstelle des Ionenbeschichtungsverfahrens ausgebildet werden. Dieser harte Film 3 sollte vorzugsweise eine Dicke in einem Bereich von 5 bis 50 µm aufweisen.

Ein Verfahren zum Herstellen des Kolbenrings der Erfindung wird im folgenden beschrieben.

Der harte Kohlenstoffilm 2, welcher über den Grundfilm auf dem gesamten Umfang des Kolbenrings, das bedeutet, auf der Au ßenumfangsfläche 4, der Innenumfangsfläche 5, der oberen Flä che 6 und der unteren Fläche 7 direkt und kontinuierlich aus gebildet wird, wird durch ein PVD-Verfahren, wie etwa das re aktive Ionenbeschichtungsverfahren oder das reaktive Zerstäu bungsverfahren, oder ein CVD-Verfahren ausgebildet.

Bei einem Ausführungsbeispiel einer Ausbildung eines har ten Kohlenstoffilms durch Zerstäuben umfaßt das Verfahren die Schritte, zunächst ein Kolbenringbasismaterial 8 an einer Be festigungsspannvorrichtung in einer Kammer einer reaktiven Zerstäubungsvorrichtung anzubringen, die Kammer zu evakuieren, dann ein inertes Gas, wie etwa Argon, einzuleiten, während die Befestigungsspannvorrichtung gedreht wird, und die Oberfläche des Kolbenringbasismaterials durch Ionenbeschuß zu reinigen. Die nachfolgenden Schritte umfassen das Zerstäuben eines Cr- Targets mit ionisiertem Argon oder ähnlichem, wodurch eine Ab lagerung verdampfter Cr-Atome in der Kammer auf dem Kolben ringbasismaterial 8 bewirkt wird, dann das Einleiten eines Ga ses auf Kohlenwasserstoffbasis, wie etwa Methan, welches als Kohlenstoffquelle dient, in die Kammer, Zerstäuben eines Me talltargets, welches ein oder mehrere Elemente enthält, welche aus Si, W und Ni ausgewählt sind, mittels ionisierten Argons oder ähnlichem, und Ausbilden eines harten Kohlenstoffilms 2 auf dem Kolbenringbasismaterial 8, in welchem Cr-Atome durch Bindung von Kohlenstoffatomen und verdampfter Metallatome in der Kammer abgelagert wurden. Der Gehalt eines oder mehrerer Elemente, welche aus Si, W und Ni ausgewählt sind, wird durch Einstellen der Verdampfungsgeschwindigkeit dieser Elemente und des Drucks des reaktiven Gases gesteuert.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ausbildung eines harten Kohlenstoffilms durch das CVD-Verfahren umfaßt die Schritte, zunächst ein Kolbenringbasismaterial 8 an einer Be festigungsspannvorrichtung in einer Kammer einer Plasma-CVD- Vorrichtung anzubringen, die Kammer zu evakuieren, dann ein inertes Gas, wie etwa Argon, einzuleiten, während die Befesti gungsspannvorrichtung gedreht wird, die Oberfläche des Kolben ringbasismaterials 8 durch Ionenbeschuß zu reinigen, nachfol gend ein Kohlenwasserstoffgas, wie etwa Azetylengas, welches als Kohlenstoffquelle dient, in die Kammer einzuleiten, diese mit Plasma durch Einleiten von Si-haltigem Silangas oder ähn lichem zu aktivieren und eine Ablagerung einer Kombination von Kohlenstoffatomen und verdampften Metallatomen in der Kammer in der Gestalt eines Films, welcher mindestens Si enthält, auf dem Kolbenringbasismaterial 8 zu bewirken, wodurch ein harter Kohlenstoffilm 2 ausgebildet wird. Der Si-Gehalt wird durch Einstellen des Drucks des reaktiven Gases, welches das Element Si enthält, gesteuert.

Fig. 6 stellt eine Draufsicht (a) eines Kolbenringbasisma terials, welches an einer Befestigungsspannvorrichtung ange bracht ist, und eine Schnittansicht (b) eines speziellen Ab schnitts des Kolbenrings der vorliegenden Erfindung dar. Wie oben beschrieben, befindet sich das Kolbenringbasismaterial 8 an der Befestigungsspannvorrichtung in der Kammer. Wie aus diesen schematischen Ansichten zu ersehen, kann das Kolben ringbasismaterial 8 durch ein Innenfutter des Kolbenringbasis materials 8 mittels der Befestigungsspannvorrichtung 31 gehal ten werden. Das so gehaltene Kolbenringbasismaterial 8 wird durch Halten davon in einem Zustand, welcher geringfügig grö ßer als der Freianschlagspalt (was einen Spalt des Anschlagab schnitts in einem freien Zustand bedeutet) ist, eingerichtet. Bei manchen Gestaltungen der Befestigungsspannvorrichtung 31 kann diese in Kontakt mit der Innenumfangsfläche 5 des Kolben ringbasismaterials 8 gelangen, wie in Fig. 6(a) dargestellt. Wenn ein harter Film 3, ein Grundfilm 9 und der harte Koh lenstoffilm 2 auf dem Kolbenringbasismaterial 8, welches in einem derartigen Kontaktzustand eingerichtet ist, ausgebildet werden, so werden diese Filme in manchen Fällen aufgrund von Problemen bei der Herstellung auf der Innenumfangsfläche 5 des Kolbenrings in Kontakt mit der Befestigungsspannvorrichtung 31 (siehe Fig. 6(b)) nicht ausgebildet. Die Gestalt der Befesti gungsspannvorrichtung ist nicht auf eine, wie in Fig. 6(b) dargestellt, beschränkt, sondern kann in geeigneter Weise durch Berücksichtigung von Herstellungskosten und Lebensdauer etc. geändert werden.

Der Kolbenring der vorliegenden Erfindung weist jedoch, selbst wenn dieser einen Abschnitt ohne Grundfilm 9 bzw. har ten Kohlenstoffilm 2 auf einem Abschnitt der Innenumfangsflä che 5 aufweist (im folgenden als "spezieller Abschnitt 32" be zeichnet), einen harten Kohlenstoffilm 2 auf, welcher kontinu ierlich auf dem gesamten Ring ausgebildet ist. Dies hat zur Folge, daß, da der harte Kohlenstoffilm 2 auf dem gesamten Um fang des Kolbenrings außer dem speziellen Abschnitt ausgebil det ist, dieser Kolbenring, welcher einen derartigen speziel len Abschnitt aufweist, Vorteile der Erfindung erbringen kann und daher in dem technischen Umfang der Erfindung enthalten ist und die Abblätterungsfestigkeit des harten Kohlenstoffilms 2 verbessern kann.

Zu diesem Zeitpunkt wird, wie in Fig. 6(b) dargestellt, der harte Kohlenstoffilm 2 derart ausgebildet, daß dieser in der Mittelrichtung der Innenumfangsfläche von einer Kante 33 auf der Innenumfangsfläche bei diesem speziellen Abschnitt 32 (dem Abschnitt, welcher keinen Kohlenstoffilm 2, welcher auf der gesamten Innenumfangsfläche 5 durch die Befestigungsspann vorrichtung ausgebildet wird, aufweist) ausgehend umläuft. Das Umlaufverhältnis von jeder Kante 33 aus in der Mittelrichtung der Innenumfangsfläche 5 sollte vorzugsweise derart sein, daß das Verhältnis (t1/t) der Dicke t des Kolbenrings 1 zu der Länge t1 des Umlaufens von einer oberen oder unteren Kante aus in der Mittelrichtung mindestens 1/10 beträgt. Das bedeutet, daß t1 vorzugsweise mindestens 10% der Dicke t des gesamten Kolbenrings 1 betragen sollte. Der harte Kohlenstoffilm 2, welcher in der oben beschriebenen Weise ausgebildet wird, kann selbst unter Stößen beim Gleiten schwerlich zum Ausgangspunkt eines Abblätterns werden, da sich die Grenzlinie 34 der Aus bildung des harten Kohlenstoffilms 2 näher bei der Mitte der Innenumfangsfläche 5 als die Kante 33 befindet. Dies hat zur Folge, daß ein Kolbenring, welcher wenige derartiger 32 (bei spielsweise zwei oder drei) aufweist, eine hohe Abblätterungs festigkeit aufweist. Es bedarf keiner Erwähnung, daß der wün schenswerteste der ist, welcher keinen speziellen Abschnitt enthält und einen harten Kohlenstoffilm aufweist, welcher die gesamte Oberfläche bedeckt.

Ein Kolbenring 1, welcher einen Ionenbeschichtungsfilm, einen harten Film 3, welcher als Grundfilm 3 auf der Außenum fangsfläche 4 dient, aufweist, wird durch vorheriges Ausbilden eines harten Films 3, welcher eine Verbindung, wie etwa Cr-N, TiN, Cr-O-N oder Cr-B-N umfaßt, durch eine Ionenbeschichtungs vorrichtung und anschließendes Ausbilden eines harten Koh lenstoffilms durch Behandeln davon durch die oben erwähnte re aktive Zerstäubungsvorrichtung hergestellt. Nach dem Ausbilden des harten Films 3 ist es wünschenswert, einen Si-haltigen Film bzw. einen Cr-Film als Grundfilm 9 auf dem harten Film 3 auszubilden und ferner einen harten Kohlenstoffilm 2 auf die sem Grundfilm 9 auszubilden (siehe Fig. 4).

(2) Kombinierte Struktur eines Kolbenrings und einer Ringnut eines Kolbens

Fig. 7 ist eine Gestaltungs-Schnittansicht, welche ein Beispiel der kombinierten Struktur eines Kolbenrings und einer Ringnut eines Kolbens darstellt.

Die kombinierte Struktur eines Kolbenrings 1 und einer Ringnut 11 eines Kolbens umfaßt den oben erwähnten Kolbenring der Erfindung und eine Ringnut 11, welche aus Stahl bzw. einer Aluminiumlegierung hergestellt ist. Die charakteristische Ges taltung und die Vorteile des Kolbenrings 1 sind die gleichen wie bei dem oben erwähnten Kolbenring der Erfindung. In Fig. 7 bezeichnet die Bezugsziffer 12 eine Zylinderlaufbuchse.

Der oben erwähnte Kolbenring 1 der Erfindung ist auf einen Al-Legierungs- bzw. einen Stahlkolben geeignet anwendbar. Der Kolbenring 1 der Erfindung kann selbstverständlich bei einem Al-Legierungs-Kolben eines Gußeisenkolbens, welcher mit einem Kolbendrücker verbunden ist, welcher für resistent gegen Kohä sionsphänomene gehalten wird, angewandt werden.

Der Al-Legierungs-Kolben sollte vorzugsweise eine Al-Si- Ni-Cu-Mg-Legierung (beispielsweise AC8A, AC8B oder AC8C in JIS-Norm-Symbolen). Dieser Kolben ist der am meisten verwende te und wird durch Standgießen hergestellt.

Der Stahlkolben sollte vorzugsweise einen Warmpreßstahl umfassen, welcher als Warmwerkzeugstahl verwendet wird, wobei SKD6 (JIS-Norm) ein typisches Beispiel ist. Diese Stahlmateri alien liefern die Vorteile einer Erweichungsbeständigkeit und einer Nachhärtung. Dieser Kolben wird bei einem Hochlast- Dieselmotor verwendet.

Durch Befestigen des Kolbenrings 1 der Erfindung an der Ringnut 11, welche an dem zuvor erwähnten Kolben ausgebildet ist, ist es möglich, Kohäsionsphänomene zwischen der Ringnut und dem Kolbenring 1 sehr wirksam zu hemmen.

Beispiele

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von Beispielen und Vergleichsbeispielen genauer erläutert.

Beispiel 1

Es wurde ein Kolbenringbasismaterial 8 aus 17Cr-Edelstahl hergestellt. Dann wurde ein harter Kohlenstoffilm 2 auf Si- Basis mittels einer CVD-Vorrichtung auf dem gesamten Umfang des Kolbenringbasismaterials 8 ausgebildet, das bedeutet, auf einer Außenumfangsfläche 4, einer Innenumfangsfläche 5, einer oberen Fläche und einer unteren Fläche. Derart wurde ein Kol benring von Beispiel 1 hergestellt.

Der harte Kohlenstoffilm 2 auf Si-Basis wies eine Zusam mensetzung mit 69,4 Gewichtsprozent Si und als Rest C und zu fällige Unreinheiten auf, was durch Steuern der Reaktionsbe dingungen, wie etwa des Silangasdrucks, erreicht wurde. Die Dicke für die einzelnen Flächen betrug: Außenumfangsfläche 4: 9,9 µm; Innenumfangsfläche 5: 6,5 µm; obere Fläche 6: 7,5 µm; und untere Fläche 7: 6,1 µm.

Beispiel 2

In der gleichen Weise wie bei Beispiel 1 wurde ein harter Film 3 (Cr-N-Film) mit einer Dicke von 30 µm durch eine Ionen beschichtungsvorrichtung auf der Außenumfangsfläche 4 eines Kolbenringbasismaterials vor dem Ausbilden eines harten Koh lenstoffilms 2 auf Si-Basis ausgebildet. Außer dem oben er wähnten wurde ein Kolbenring von Beispiel 2 in der gleichen Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt.

Ein CrN-Film, welcher als Ionenbeschichtungsfilm diente, mit einer Hauptausrichtung von {200} wurde mittels einer Io nenbeschichtungsvorrichtung ausgebildet. Danach wurde die Oberfläche des Ionenbeschichtungsfilms durch Verwenden eines Schleifpapiers poliert, während eine Einstellung vorgenommen wurde, um eine Rauheit von 1 µm Rz zu erreichen. Der Film wies eine endgültige Dicke von 20 µm auf. Der derart ausgebildete Ionenbeschichtungsfilm wies eine Vickershärte von Hv 1500 auf.

Beispiel 3

Ein Kolbenring von Beispiel 3 wurde in der gleichen Weise wie bei Beispiel 2 hergestellt, außer, daß nach dem Ausbilden eines harten Films 3 (Cr-N-Film) ein Si-haltiger Film (Si: 72 Gewichtsprozent) mit einer Dicke von 1 µm, welcher als Grund film 9 diente, mittels einer CVD-Vorrichtung auf dem gesamten Umfang eines Kolbenringbasismaterials 8 vor dem Ausbilden ei nes harten Kohlenstoffilms 2 auf Si-Basis ausgebildet wurde.

Beispiel 4

Ein Kolbenring von Beispiel 4 wurde in der gleichen Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt, außer, daß anstelle des Aus bildens eines harten Kohlenstoffilms 2 auf Si-Basis auf dem gesamten Umfang mittels einer CVD-Vorrichtung ein harter Koh lenstoffilm 2 auf W-Basis durch Verwendung eines reaktiven Zerstäubungsverfahrens auf dem gesamten Umfang ausgebildet wurde.

Der harte Kohlenstoffilm 2 auf W-Basis wurde durch Steuern der Reaktionsbedingungen, wie etwa des W-Targets und des Drucks des kohlenstoffhaltigen Gases, derart ausgebildet, daß dieser eine Zusammensetzung von 75 Gewichtsprozent C und als Rest C und zufällige Unreinheiten aufwies. Die einzelnen Flä chen wiesen die folgende Dicke auf: Außenumfangsfläche 4: 2,1 µm; Innenumfangsfläche 5: 0,4 µm; obere Fläche 6: 1,1 µm; un tere Fläche 7: 0,7 µm.

Beispiel 5

Ein Kolbenring von Beispiel 5 wurde in der gleichen Weise wie bei Beispiel 4 hergestellt, außer, daß ein harter Film 3 (Cr-N-Film) mit einer Dicke von 30 µm mittels einer Ionenbe schichtungsvorrichtung auf einer Außenumfangsfläche 4 eines Kolbenringbasismaterials 8 vor dem Ausbilden eines harten Koh lenstoffilms 2 auf W-Basis ausgebildet wurde.

Die Einzelheiten des Ionenbeschichtungsfilms waren die gleichen wie bei Beispiel 2.

Beispiel 6

Ein Kolbenring von Beispiel 6 wurde in der gleichen Weise wie bei Beispiel 5 hergestellt, außer, daß nach dem Ausbilden eines harten Films 3 (Cr-N-Film) ein Cr-Film (Cr) mit einer Dicke von 0,4 µm, welcher als Grundfilm 9 diente, mittels ei ner Ionenbeschichtungsvorrichtung auf dem gesamten Umfang ei nes Kolbenringbasismaterials 8 vor dem Ausbilden eines harten Kohlenstoffilms 2 auf W-Basis ausgebildet wurde.

Beispiel 7

Ein Kolbenring von Beispiel 7 wurde in der gleichen Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt, außer, daß anstelle des Aus bildens eines harten Kohlenstoffilms 2 auf Si-Basis mittels einer CVD-Vorrichtung auf dem gesamten Umfang ein harter Koh lenstoffilm 2 auf W-Ni-Basis durch Verwendung einer reaktiven Zerstäubungsvorrichtung ausgebildet wurde.

Der harte Kohlenstoffilm 2 auf W-Ni-Basis wurde durch Steuern der Reaktionsbedingungen, wie etwa des W-Ni-Targets und des Drucks des kohlenstoffhaltigen Gases, derart ausgebil det, daß dieser eine Zusammensetzung von 75 Gewichtsprozent W, 8 Gewichtsprozent Ni und als Rest C und zufällige Unreinheiten aufwies. Die einzelnen Flächen wiesen die folgende Dicke auf: Außenumfangsfläche 4: 2,1 µm; Innenumfangsfläche 5: 0,4 µm; obere Fläche 6: 1,1 µm; und untere Fläche: 0,7 µm.

Beispiel 8

Ein Kolbenring von Beispiel 8 wurde in der gleichen Weise wie bei Beispiel 7 hergestellt, außer, daß ein harter Film 3 (Cr-Ni-Film) mit einer Dicke von 30 µm durch Verwendung einer Ionenbeschichtungsvorrichtung auf der Außenumfangsfläche 4 ei nes Kolbenringbasismaterials 8 vor dem Ausbilden eines harten Kohlenstoffilms 2 auf W-Ni-Basis ausgebildet wurde.

Beispiel 9

Ein Kolbenring von Beispiel 9 wurde in der gleichen Weise wie bei Beispiel 8 hergestellt, außer, daß nach dem Ausbilden eines harten Films 3 (Cr-N-Film) ein Cr-Film (Cr) mit einer Dicke von 0,4 µm, welcher als Grundfilm 9 diente, durch Ver wendung einer Ionenbeschichtungsvorrichtung auf dem gesamten Umfang eines Kolbenringbasismaterials 8 vor dem Ausbilden ei nes harten Kohlenstoffilms 2 auf W-Basis ausgebildet wurde.

Vergleichsbeispiel 1

Ein Kolbenringbasismaterial 8 wurde aus 17Cr-Edelstahl hergestellt. Danach wurde ein harter Kohlenstoffilm 2 auf Si- Basis mit einer Dicke von 6,5 µm mittels einer CVD-Vorrichtung lediglich auf der oberen Fläche 6 und der unteren Fläche 7 ausgebildet. Der harte Kohlenstoffilm 2 auf Si-Basis wurde durch Steuern der Reaktionsbedingungen, wie etwa des Silan gasdrucks, derart ausgebildet, daß dieser eine Zusammensetzung mit 69,4 Gewichtsprozent Si und als Rest C und zufällige Un reinheiten aufwies.

Vergleichsbeispiel 2

Ein Kolbenringbasismaterial 8 wurde aus 17Cr-Edelstahl hergestellt. Danach wurde eine Gasnitrierschicht mit einer Tiefe von 100 µm durch eine Gasnitrierbehandlung auf dem ge samten Umfang des Kolbenringbasismaterials 8 ausgebildet. Nachfolgend wurde ein harter Film 3 (Cr-N-Film) durch Verwen dung einer Ionenbeschichtungsvorrichtung auf der Außenumfangs fläche 4 ausgebildet, wodurch ein Kolbenring von Vergleichs beispiel 2 hergestellt wurde.

Die Gasnitrierbehandlung umfaßte die Schritte, den Gegens tand in einer Ammoniakzersetzungsatmosphäre für sechs Stunden auf 590°C zu halten und diesen dann für zwei Stunden auf 540°C zu halten, wodurch die Gasnitrierschicht mit der oben erwähn ten Tiefe ausgebildet wurde. Danach wurde die Oberfläche der Nitrierschicht durch Verwendung eines Schleifpapiers poliert, während eine Einstellung vorgenommen wurde, um eine Rauheit von 1 µm Rz zu erreichen. Die Nitrierschicht wies eine endgül tige Tiefe von 70 µm auf. Die derart ausgebildete Gasnitrier schicht wies eine Vickershärte von Hv 1100 auf.

Tabelle 1

Gestaltungen der Beispiele 1 bis 9 und der Ver gleichsbeispiele 1 und 2

Ein Verschleißtest wurde durch Verwenden eines Amsler- Verschleißprüfgeräts ausgeführt, wobei etwa ein halbes Prüf stück in ein Öl getaucht wird, ein Gegenstück in Kontakt damit gebracht wird und eine Last angelegt wird. Es wurden Amsler- Prüfstücke verwendet, welche den gleichen Behandlungen wie die Kolbenringe der Beispiele 1 bis 9 und des Vergleichsbeispiels 2 unterzogen wurden. Die Verschleißprüfung wurde an jedem Prüfstück durchgeführt, um die Verschleißfestigkeit zu bewer ten. Der Test wurde mit Borgußeisen als Gegenstück unter Prüf bedingungen ausgeführt, wobei dies ein Cricef-H8-Schmieröl (entsprechend Spindelöl Nr. 1), eine Öltemperatur von 80°C, eine Umfangsgeschwindigkeit von 1 m/Sekunde (478 Upm), eine Last von 150 kp und eine Prüfzeit von 7 Stunden umfaßt. Das Gegenstück, welches Borgußeisen umfaßt, wurde zu einer vorge schriebenen Gestalt geschliffen und dessen Oberfläche schritt weise poliert, während die Feinheit einer Polierschleifscheibe durch Vornehmen einer Einstellung geeignet geändert wurde, um zuletzt 2 µm Rz zu erreichen. Die Festigkeit wurde im Hinblick auf den Verschleißbetrag (µm) ausgewertet, gemessen gemäß ei nem Stufenprofil durch Verwendung eines Rauheitsmessers.

Das relative Verhältnis des Verschleißbetrags für jedes Prüfstück gemäß jedem der Beispiele 1 bis 9 zu dem Verschleiß betrag des Prüfstücks gemäß dem Vergleichsbeispiel 2 wurde als Verschleiß-Vergleichswert zum Auswerten der Verschleißfestig keit verwendet. Ein Verschleiß-Vergleichswert jedes Prüfstücks von weniger als 100 bedeutet daher einen kleineren Verschleiß betrag. Die Prüfstücke gemäß den Beispielen 1 bis 9 wiesen Verschleißvergleichswerte in einem Bereich von 105 bis 108 auf, welche sich fast auf dem gleichen Niveau befanden wie das Ergebnis für das Prüfstück gemäß Vergleichsbeispiel 2, welches kein ernstes Problem verursachte. Das Ergebnis ist in Tabelle 2 dargestellt.

Abriebprüfung

Durch ein Amsler-Verschleißprüfgerät wurde eine Abriebprü fung durchgeführt, wobei ein Schmieröl auf dem Prüfstück auf gebracht wurde und eine Last angelegt wurde, bis Abrieb auf trat. Es wurden Amsler-Prüfstücke, welche den gleichen Behand lungen wie die Kolbenringe der Beispiele 1 und 9 und des Ver gleichsbeispiels 2 unterzogen wurden, verwendet. Die Abrieb prüfung wurde durch Verwendung dieser Prüfstücke durchgeführt, um die Abriebfestigkeit auszuwerten. Die Prüfung wurde mit Borgußeisen als Gegenstück unter Prüfbedingungen durchgeführt, wobei dies ein Cricef-H8-Schmieröl (entsprechend Spindelöl Nr. 1) und eine Umfangsgeschwindigkeit von 1 m/Sekunde (478 Upm) umfaßte. Durch das zuvor erwähnte Verfahren erfolgte eine Ein stellung für Borgußeisen, um zuletzt 2 µm Rz zu erreichen.

Das relative Verhältnis der Abriebbelastung der einzelnen Prüfstücke gemäß den Beispielen 1 bis 9 zu dem von 100 für das Prüfstück gemäß dem Vergleichsbeispiel 2 wurde als Abrieb festigkeits-Vergleichswert verwendet, um die Abriebfestigkeit auszuwerten. Ein Abriebfestigkeits-Vergleichswert jedes der Prüfstücke gemäß den Beispielen 1 bis 9 von mehr als 100 be deutet daher eine größere Abriebbelastung, was auf eine besse re Abriebfestigkeit als die des Prüfstücks gemäß dem Ver gleichsbeispiel 2 hinweist. Die Abriebvergleichswerte der Prüfstücke gemäß den Beispielen 1 bis 9 befinden sich in einem Bereich von 110 bis 200, wobei dies eine erheblich bessere Ab riebfestigkeit als die des Prüfstücks gemäß dem Vergleichsbei spiel 2 bedeutet. Das Ergebnis ist in Tabelle 2 dargestellt.

Abblätterungsfestigkeitsprüfung

Die Abblätterungsfestigkeit wurde durch eine Abblätte rungsfestigkeitsprüfung ausgewertet, welche durch Verwendung eines Stoßprüfgeräts, welches in Fig. 8 (in Fig. 8 bedeutet 21 einen Kolbenring; 22 eine Druckvorrichtung; 23 ein Band) dar gestellt ist, durch Anwenden einer Stoßenergie von 43,1 mJ (4,4 kp.mm) pro Lauf, im Hinblick auf die Anzahl der Läufe vor dem Auftreten eines Abblätterns, auf die Oberfläche ausgeführt wurde. Die Kolbenringe der oben erwähnten Beispiele 1 bis 9 und des Vergleichsbeispiels 1 wurden als Prüfstücke verwendet. Die Abblätterungsfestigkeit wurde durch Verwendung dieser Prüfstücke ausgeführt, um die Abblätterungsfestigkeit auszu werten. Das Auftreten eines Abblätterns wurde beobachtet und durch 15-faches Vergrößern der Oberfläche ausgewertet.

Die Abblätterungsfestigkeit wurde durch Vergleichen der Anzahl der Abblätterungsereignisse für die Prüfstücke der Bei spiele 1 bis 9 im Hinblick auf den Abblätterungsfestigkeits- Vergleichswert im Verhältnis zu dem Ergebnis für das Ver gleichsbeispiel 1 ausgewertet, wobei die Anzahl der Abblätte rungsereignisse für des Vergleichsbeispiel 1 auf 100 gesetzt wurde. Ein Abblätterungsfestigkeits-Vergleichswert für die Prüfstücke der Beispiele 1 bis 9, welcher größer als 100 ist, würde auf eine größere Anzahl von Abblätterungsereignissen als bei dem Prüfstück des Vergleichsbeispiels 1 hinweisen, welches eine bessere Abblätterungsfestigkeit aufweist. Die Abblätte rungsfestigkeits-Vergleichswerte für die Beispiele 1 bis 9 be finden sich in einem Bereich von 110 bis 120, was auf eine bessere Abblätterungsfestigkeit, verglichen mit dem Kolbenring des Vergleichsbeispiels 1, hinweist. Das Ergebnis ist in Ta belle 2 dargestellt.

Stippenbildungsprüfung

Eine Stippenbildungsprüfung wurde durch Verwendung eines Prüfgeräts 51 für den Ventilsitzverschleiß bei hoher Tempera tur, welches in Fig. 9 dargestellt ist, ausgeführt. Gleit-/Stippen bildungsprüfstücke, welche den gleichen Behandlungen wie bei den Beispielen 1 bis 9 und dem Vergleichsbeispiel 1 unterzogen wurden, wurden verwendet, um den Betrag des Stip penbildungsverschleißes auszuwerten. Die Prüfbedingungen um faßten einen Hub von 4 mm; eine Wiederholungsgeschwindigkeit von 500 Läufen/Minute; eine Prüfzeit von 10 Stunden; eine Kol benmaterialtemperatur von 340°C; und ein Kolbenmaterial aus einer Al-Legierung (ACBA) und einem Stahlmaterial (SKD6- Material). Das Auftreten von "Kohäsion" wurde beobachtet und durch 15-faches Vergrößern der Oberfläche ausgewertet.

Der Ausdruck "Gleit-/Stippenbildungsprüfung", wie in der vorliegenden Schrift verwendet, umfaßt die Schritte, das Kol benmaterial 53 in der Axialrichtung unbeweglich gegen das Prüfgerät 51 zu befestigen, das Kolbenringmaterial 52 konzen trisch an dem Kolbenmaterial 53 anzubringen und eine in hin und her gehende Axialbewegung einer runden Stange 55 zu bewir ken, welche aus Gußeisen hergestellt ist, welche der Zylinder laufbuchse entspricht, welche auf der Innenumfangsflächenseite des Kolbenringmaterials 52 vorgesehen ist. Ein Betriebsmodus des Drehvortriebs des Spindelmaterials 53 wird ausgeführt, während das Kolbenringmaterial 52 gedreht wird. Das Prüfgerät 51 weist eine Heizung 54 zum Erwärmen des Prüfgegenstands auf, was die Wiedergabe des Hochtemperaturzustands bei einer Ver brennung in einem Motor, ohne die Notwendigkeit, tatsächlich einen Kraftstoff zu verbrennen, ermöglicht, wodurch es ermög licht wird, eine Änderung des Zustands des Kolbenmaterials zu simulieren. Mittels dieser Prüfung wurden der Verschleiß auf der Kolbenseite (Verschleißbetrag des Kolbenmaterials) und der Verschleiß auf der Kolbenringseite (Verschleißbetrag des Kol benringmaterials) ausgewertet.

Das Ergebnis wurde durch Verschleißvergleichswerte für die obere und die untere Fläche des Kolbenrings dargestellt. Die Ergebnisse der einzelnen Prüfstücke der Beispiele 1 bis 9 als Vergleichswerte wurden mit dem Ergebnis des Vergleichsbei spiels 2 verglichen, wobei die Ergebnisse des Verschleißbe trags auf der Kolbenseite und des Verschleißbetrags auf der Kolbenringseite des Vergleichsbeispiels 1 auf 100 gesetzt wur den. Ein Verschleiß-Vergleichswert für die Beispiele 1 bis 9 von weniger als 100 würde daher auf einen kleineren Ver schleißbetrag und eine bessere Verschleißfestigkeit als bei dem Vergleichsbeispiel 2 hinweisen. Die Verschleiß- Vergleichswerte der Kolbenseite und die der Kolbenringseite für die Beispiele 1 bis 9, welche jeweils harte Kohlenstoffil me auf der oberen und der unteren Seite aufweisen, befinden sich in einem Bereich von 70 bis 90, was eine erheblich besse re Verschleißfestigkeit als die des Prüfstücks des Vergleichs beispiels 2 bedeutet. Das Ergebnis ist in Tabelle 2 darge stellt.

Tabelle 2

Auswertung

Bei jedem der Kolbenringe der Beispiele 1 bis 9 wurde, verglichen mit dem Kolbenring des Vergleichsbeispiels 2, kein Auftreten von Kohäsion auf der oberen Seite oder der unteren Seite beobachtet. Die Verschleißfestigkeit wurde für die obere und die untere Fläche erheblich verbessert. Infolge der Aus bildung des harten Kohlenstoffilms 2 wiesen die Verschleißfes tigkeit und die Abriebfestigkeit, insbesondere die Abriebfes tigkeit der Außenumfangsgleitfläche, eine erhebliche Verbesse rung auf. Die Ausbildung des harten Kohlenstoffilms 2 auf der gesamten Umfangsfläche erbrachte eine hervorragende Abblätte rungsfestigkeit.

Gemäß dem Kolbenring und der kombinierten Struktur eines Kolbenrings und einer Ringnut der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrieben, wird ein harter Kohlenstoffilm kontinuier lich auf sämtlichen Flächen des Kolbenrings ausgebildet. Es gibt daher lediglich wenige Ausgangspunkte für das Auftreten von Rissen und/oder Brüchen des harten Kohlenstoffilms bei Be trieb in dem harten Kohlenstoffilm, so daß eine Verbesserung der Abblätterungsfestigkeit des ausgebildeten harten Koh lenstoffilms ermöglicht wird. Unter der Wirkung des harten Kohlenstoffilms, welcher auf der oberen und der unteren Fläche ausgebildet wird, ist es ferner möglich, das Auftreten von Ko häsion in der Ringnut, welche aus einer Al-Legierung bzw. Stahl hergestellt wird, sehr zu erschweren. Dies hat zur Fol ge, daß es möglich ist, einen Kolbenring zu schaffen, welcher eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und Abriebfestigkeit aufweist und die Funktion, die Kohäsion zu hemmen, erfüllt. Der Kolbenring der Erfindung ist somit nicht nur bei Benzinmo toren anwendbar, sondern auch bei Hochlast-Dieselmotoren mit hoher Ausgangsleistung geeignet anwendbar.

Claims

1. Kolbenring, wobei ein harter Kohlenstoffilm, welcher ein oder mehrere Elemente enthält, welche aus der Gruppe ausge wählt sind, welche aus Si, W und Ni besteht, direkt und konti nuierlich über einen Grundfilm auf sämtlichen Flächen eines Kolbenrings ausgebildet wird, wobei dies eine Außenumfangsflä che, eine Innenumfangsfläche, eine obere Fläche und eine unte re Fläche davon umfaßt.

2. Kolbenring nach Anspruch 1, wobei der harte Kohlenstoffilm Si enthält und ein Si-haltiger Film als Grundfilm des harten Kohlenstoffilms ausgebildet wird.

3. Kolbenring nach Anspruch 1, wobei der harte Kohlenstoffilm W bzw. W-Ni enthält und ein Cr-Film als Grundfilm des harten Kohlenstoffilms ausgebildet wird.

4. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein harter Film auf der Basis des Ionenbeschichtungsverfahrens als Grundfilm mindestens auf der Außenumfangsfläche des Kolben rings ausgebildet wird.

5. Kombinierte Struktur eines Kolbenrings und einer Ringnut, umfassend einen Kolbenring, welcher einen harten Kohlenstof film, welcher ein oder mehrere Elemente enthält, welche aus der Gruppe ausgewählt sind, welche aus Si, W und Ni besteht, aufweist, welcher über einen Grundfilm auf sämtlichen Flächen eines Kolbenrings direkt und kontinuierlich ausgebildet wird, wobei dies eine Außenumfangsfläche, eine Innenumfangsfläche, eine obere Fläche und eine untere Fläche davon umfaßt, sowie eine Ringnut, welche aus Stahl bzw. einer Aluminiumlegierung hergestellt ist.