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GEBIET DER TECHNIK
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein einen Kolbenring für einen Kolben eines Hubkolbenmotors und insbesondere eine Beschichtung für einen Kolbenring.
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HINTERGRUND
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Ein Kolbenring ist ein Ring mit offenen Enden, der in eine Ringnut passt, die in einem Außenumfang eines Kolbens eines Hubkolbenmotors, beispielsweise eines Verbrennungsmotors, ausgebildet ist. Ein typischer Kolben ist mit mehreren Kolbenringen ausgestattet, einschließlich eines oberen Kompressionsrings, eines Ölabstreifrings und eines Abstreifrings. Viele Kolbenringe sind so konstruiert, dass sie einen größeren entspannten Durchmesser haben, als der Zylinder, in dem sie angeordnet werden. Wenn sie in einem Zylinder des Motors angeordnet sind, werden die Kolbenringe aufgrund ihrer Eigenfederkraft um den Kolben herum zusammengedrückt, wodurch ein ausreichender radialer Kontakt zwischen den Ringen und einer Innenwand des Zylinders sichergestellt wird. Während des Motorbetriebs bewegt sich der Kolben innerhalb des Zylinders auf und ab, und der von den Kolbenringen auf die Zylinderwand ausgeübte Radialdruck sorgt für eine Abdichtung um den Kolben, die den Brennraum von dem Kurbelgehäuse isoliert. Der Gasdruck aus dem Brennraum kann die Dichtfähigkeit der Kolbenringe erhöhen, indem die Ringe nach außen gedrückt werden und der radiale Anpressdruck zwischen den Kolbenringen und der Zylinderwand erhöht wird.
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Eine wirksame gasdichte Abdichtung zwischen dem Kolben und der Zylinderinnenwand ist für einen effizienten Motorbetrieb erforderlich und ist die wesentliche Aufgabe von Kompressionskolbenringen. Kompressionsringe sind am nächsten zur Brennkammer angeordnet und tragen dazu bei, ein als „Blow-by“ bekanntes Phänomen zu verhindern, bei dem Verbrennungsgase aus dem Brennraum an den Kolbenringen vorbei in das Kurbelgehäuse entweichen. Darüber hinaus tragen Kompressionsringe auch dazu bei, den Ölverbrauch zu kontrollieren, indem sie verhindern, dass überschüssiges Öl, das nicht für die Schmierung benötigt wird, in entgegengesetzter Richtung aus dem Kurbelgehäuse in die Brennkammer gelangt. Um eine wirksame Abdichtung zwischen dem Brennraum und dem Kurbelgehäuse zu erzielen, müssen Kompressionsringe die Zylinderinnenwand permanent und vollständig kontaktieren. Aufgrund von Fertigungstoleranzen und der thermischen und mechanischen Belastungen des Motors stimmt die Form der Ringe jedoch möglicherweise nicht immer mit derjenigen des Zylinders, in dem sie angeordnet sind, überein.
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Nach der Erstmontage eines neuen, „grünen“ Motors sind die Kolbenringe eventuell nicht perfekt an die Form des Zylinders, in dem sie angeordnet sind, angepasst. In einem solchen Fall müssen die Kolbenringe eine Einfahr- oder Einlaufphase durchlaufen, in der die Ringe an die Zylinderwand angepasst werden, indem sie physisch an der Zylinderwand abgenutzt werden, bis eine wirksame gasdichte Abdichtung dazwischen hergestellt ist. Durch Spalte oder lokale Schwankungen des Anpressdrucks zwischen den Kolbenringen und der Zylinderwand kann es während dieser anfänglichen Einlaufphase zu durchgeblasenem Verbrennungsgas und übermäßigem Ölverbrauch des Motors kommen. Demzufolge ist es wünschenswert, die Dauer der anfänglichen Einlaufphase zu verkürzen, damit der Motor so schnell wie möglich seinen optimalen Betriebswirkungsgrad erreicht.
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Einige Verfahren zur Verbesserung der Motorleistung während der Einlaufphase umfassten das Aufbringen von Opfer- oder Einlaufbeschichtungen auf die Pass- oder Kontaktflächen von Gleitbauteilen. Diese Opferbeschichtungen sind so konzipiert, dass sie nötigenfalls während des anfänglichen Betriebs des Motors leicht abgenutzt werden können, sodass sich die Kontaktprofile der Gleitbauteile schnell aneinander anpassen und wenig oder gar kein Spiel zwischen ihnen verbleibt. Um ein gewünschtes Maß an Abreibbarkeit zu erreichen, sind derartige Beschichtungen oft aus Polymermaterialien und/oder Trockenschmierstoffen hergestellt, die leicht abgetragen und/oder von einer Kontaktfläche auf eine andere übertragen werden können. Der Abrieb dieser Polymermaterialien und/oder Trockenschmierstoffe kann jedoch die Betriebsumgebung des Motors verunreinigen und/oder die Kontaktflächen der Gleitbauteile schädigen. Daher besteht im Stand der Technik weiterhin ein Bedarf an einem verbesserten Verfahren zur Verbesserung der Motorleistung während der Einlaufphase.
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KURZDARSTELLUNG
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Es wird ein Kolbenring bereitgestellt, der einen Körper mit einer Außenumfangsfläche umfasst. Auf der Außenumfangsfläche des Körpers ist eine tribologische Beschichtung ausgebildet. Die tribologische Beschichtung umfasst eine Grundschicht und eine über der Grundschicht liegende Deckschicht. Die Deckschicht kann ein Material auf der Basis von Übergangsmetallnitrid umfassen, wobei das Übergangsmetall ausgewählt sein kann aus der Gruppe bestehend aus Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Vanadium (V), Niob (Nb), Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Wolfram (W) und Kombinationen aus diesen. Die Deckschicht kann eine relativ hohe Porosität und eine relativ niedrige Vickershärte im Vergleich zu der Porosität und Vickershärte der Grundschicht aufweisen.
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In einer Ausführungsform kann die Grundschicht der tribologischen Beschichtung ein Material auf der Basis von Übergangsmetallnitrid umfassen, und das Übergangsmetall kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Vanadium (V), Niob (Nb), Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Wolfram (W) und Kombinationen aus diesen. In einer weiteren Ausführungsform kann die Grundschicht ein Material auf der Basis von Kohlenstoff mit diamantartiger Struktur („diamond-like-carbon“, DLC) umfassen.
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Die Deckschicht der tribologischen Beschichtung kann eine Zylinderwand-Anlagefläche des Kolbenrings definieren und eine Kontur mit mehreren Tälern und Kämmen aufweisen.
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An einer Außenfläche des Körpers kann eine nitridierte Schicht ausgebildet sein und zwischen der nitridierten Schicht und der tribologischen Beschichtung kann auf der Außenfläche des Körpers eine Zwischenbeschichtung abgeschieden sein.
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Die tribologische Beschichtung kann durch einen physikalischen Gasphasenabscheidungsprozess (PVD, „physical vapor deposition“) auf der Außenumfangsfläche des Kolbenrings abgeschieden werden. Mindestens ein Prozessparameter des physikalischen Gasphasenabscheidungsprozesses kann während des Abscheideprozesses so modifiziert werden, dass die Deckschicht der tribologischen Beschichtung im Vergleich zu der darunter liegenden Grundschicht eine relativ hohe Porosität und eine relativ niedrige Vickershärte aufweist.
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Wie oben beschrieben, kann der Kolbenring in Kombination mit einem Kolben verwendet werden und innerhalb eines Zylinders eines Hubkolben-Verbrennungsmotors angeordnet sein, um zwischen dem Brennraum und dem Kurbelgehäuse eine Abdichtung um den Kolben herum zu bilden.
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Figurenliste
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- Die 1 ist eine schematische Seitenansicht einer Kolben-Pleuel-Anordnung für einen Hubkolben-Verbrennungsmotor;
- die 2 ist eine schematische Perspektivansicht eines Kolbenrings;
- die 3 ist eine schematische Querschnittsansicht des Kolbenrings aus der 2 entlang der Linie 3-3; und
- die 4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Kontaktfläche eines Kolbenrings.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die vorliegend offenbarte tribologische Beschichtung kann auf einer Kontaktfläche eines Gleitbauteils, wie eines Kolbenrings für einen Kolben eines Hubkolben-Verbrennungsmotors ausgebildet werden. Wenn die tribologische Beschichtung auf einer Außenumfangsfläche eines Kolbenrings, beispielsweise eines oberen Kompressionsrings, ausgebildet ist, kann die tribologische Beschichtung dem Kolbenring im Vergleich zu Kolbenringen des Standes der Technik eine bessere Kurzzeit- und Langzeitleistung verleihen. Beispielsweise kann die vorliegend offenbarte tribologische Beschichtung ermöglichen, dass innerhalb einer relativ kurzen Zeitspanne eine wirksame gasdichte Abdichtung um einen Kolben gebildet wird, was dazu beitragen kann, die Motorleistung durch Reduzierung des durchgeblasenen Verbrennungsgases und des übermäßigen Ölverbrauchs zu stabilisieren. Zudem kann die tribologische Beschichtung den Kolbenring über seine gesamte Lebensdauer mit hervorragender Hochtemperaturverschleißfestigkeit, Härte und geringem Reibungswiderstand versehen.
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In der 1 ist eine Kolben-Pleuel-Anordnung 10 zur Verwendung in einem Zylinder 12 eines (nicht gezeigten) Hubkolbenverbrennungsmotors dargestellt. Die Anordnung 10 weist eine zentrale Längsachse A auf und umfasst einen Kolben 14 und eine Pleuelstange 16. Wenn sie in dem Zylinder 12 angeordnet ist, befindet sich üblicherweise unmittelbar oberhalb einer oberseitigen Fläche des Kolbens 14 ein Brennraum (nicht gezeigt), und unterhalb einer unterseitigen Fläche des Kolbens 14 befindet sich üblicherweise ein schmierölhaltiges Kurbelgehäuse (nicht dargestellt).
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Der Kolben 14 weist einen Körper mit einer oberseitigen Krone 18 und einem unterseitigen Mantel 20 auf. Um einen Außenumfang der Krone 18 des Kolbens 14 herum sind mehrere Ringnuten 22 ausgebildet, die zur Aufnahme von Kolbenringen, z.B. einem oberen Kompressionsring 24, einem unteren Kompressionsring 26 und einem Ölabstreifring 28, dimensioniert sind. Jeder der Kolbenringe 24, 26, 28 weist an seinem Außenumfang eine Zylinderwand-Anlagefläche oder Kontaktfläche auf, die dazu ausgelegt ist, eine Innenwand des Zylinders 12 zu kontaktieren und entlang dieser zu gleiten. Im Mantel 20 des Kolbens 14 ist eine Bolzenbohrung 30 ausgebildet, die zur Aufnahme eines Kolbenbolzens 32 zur Verbindung des Kolbens 14 mit einem Pleuelkopf der Pleuelstange 16 bemessen ist.
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Die 2 und 3 veranschaulichen einen Kolbenring 110 für einen Kolben eines Hubkolben-Verbrennungsmotors, wie beispielsweise den in der 1 dargestellten Kolben 14. Der Kolbenring 110 umfasst einen geteilten Ringkörper 112 mit einer Außenfläche, die eine oberseitige Fläche 114, eine unterseitige Fläche 116, eine Innenumfangsfläche 118 und eine Außenumfangsfläche 120, die sich zwischen der oberen Fläche 114 und der unteren Fläche 116 erstrecken, umfasst. Im Querschnitt hat der in den 2 und 3 dargestellte Kolbenring 110 die Form eines Schlusssteins mit der oberseitigen Fläche 114 und der unterseitigen Fläche 116, die konisch zulaufend ausgebildet sind. Der Kolbenring 110 kann jedoch verschiedene andere Querschnittsformen , z.B. eine rechteckige, aufweisen. Darüber hinaus kann das Querschnittsprofil der Außenumfangsfläche 120 des Kolbenrings 110 im Wesentlichen gerade sein, wie in den 2 und 3 dargestellt, oder es kann zwischen der oberseitigen und der unterseitigen Fläche 114, 116 einem abgewinkelten oder bogenförmigen Verlauf folgen. Der Ringkörper 112 kann aus Gusseisen (z.B. Grau- oder Sphäroguss), Stahl (z.B. Edelstahl), oder einem anderen geeigneten Eisenmetall oder einer geeigneten Eisenlegierung bestehen. Das Material des Ringkörpers 112 kann basierend auf der Anwendung und den gewünschten Leistungsmerkmalen des Kolbenrings 110 und/oder der Zusammensetzung etwaiger darüber liegender Beschichtungen ausgewählt werden.
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An der Außenfläche des Ringkörpers 112 kann eine durch Diffusion nitridierte Schicht 122 ausgebildet sein, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist. Die nitridierte Schicht 122 kann durch jeden bekannten Nitridierungsprozess ausgebildet werden. Die nitridierte Schicht 122 kann beispielsweise ausgebildet werden, indem der Ringkörper 112 auf eine geeignete Temperatur erwärmt und der Ringkörper 112 einem stickstoffhaltigen Gas, z.B. Ammoniak (NH3), ausgesetzt wird. Die nitridierte Schicht 122 kann sich von der Außenfläche des Ringkörpers 112 des Kolbenrings 110 bis in eine Tiefe im Bereich von 10 bis 170 µm erstrecken. Die tatsächliche Tiefe der nitridierten Schicht 122 an der Außenfläche des Körpers 112 kann in Abhängigkeit von der Größe des Kolbenrings 110 ausgewählt werden und kann außerdem ausgewählt werden, um dem Kolbenring 110 bestimmte wünschenswerte mechanische und/oder physikalische Eigenschaften, einschließlich hoher Härte, Verschleißfestigkeit, Abriebfestigkeit und verbesserter Ermüdungslebensdauer, zu verleihen. Alternativ kann die Außenfläche des Ringkörpers 112 einem andersartigen thermochemischen Oberflächenbehandlungsprozess unterzogen werden, um eine andere Art von Diffusionsschicht an der Außenfläche des Ringkörpers 112 zu erzeugen. Zusätzlich oder alternativ können andere Wärmebehandlungsprozesse durchgeführt werden, um die Härte ausgewählter Oberflächenabschnitte des Ringkörpers 112 zu erhöhen, einschließlich Durchhärtung, Härten mittels isothermischer Abschreckung und/oder induktiven Oberflächenhärtens. In Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Ringkörpers 112 dürfen in einigen Fällen keine zusätzlichen Oberflächenbehandlungs- oder Härtungsprozesse durchgeführt werden.
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Nachfolgend auf die 3 Bezug nehmend sind in einer Ausführungsform auf der Außenfläche des Ringkörpers 112 über der optionalen nitridierten Schicht 122 eine Zwischenschicht oder Zwischenbeschichtung 124 und eine tribologische Beschichtung 126 ausgebildet. Die tribologische Beschichtung 126 kann auf der Außenfläche des Ringkörpers 112 über der Zwischenbeschichtung 124 und/oder über einer oder mehreren anderen bereits auf der Außenfläche des Ringkörpers 112 vorhandenen Beschichtungsschichten ausgebildet sein. Die tribologische Beschichtung 126 kann auch direkt auf der Außenfläche des Ringkörpers 112 ausgebildet sein. In diesem Fall wird die Zwischenbeschichtung 124 weggelassen. Das Ausbilden der tribologischen Beschichtung 126 direkt auf der Außenfläche des Ringkörpers 112 kann das Ausbilden der tribologischen Beschichtung 126 über der nitridierten Schicht 122 oder einer anderen Art von Diffusionsschicht umfassen, oder auch nicht. Dies hängt davon ab, ob der Ringkörper 112 vor dem Aufbringen der tribologischen Beschichtung 126 einem Nitridierungsprozess oder einem thermochemischen Oberflächenbehandlungs- oder Wärmebehandlungsprozess anderer Art unterzogen wurde, oder nicht.
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In der 3 sind die Zwischenbeschichtung 124 und die tribologische Beschichtung 126 auf der Außenumfangsfläche 120 des Ringkörpers 112 ausgebildet. Insbesondere sind die Zwischenbeschichtung 124 und die tribologische Beschichtung 126 auf der Außenumfangsfläche 120 des Ringkörpers 112 derart ausgebildet, dass sich sowohl die Zwischenbeschichtung 124 als auch die tribologische Beschichtung 126 von der oberseitigen Fläche 114 bis zur unterseitigen Fläche 116 des Ringkörpers 112 erstreckt. In anderen Ausführungsformen kann die Zwischenbeschichtung 124 und/oder die tribologische Beschichtung 126 zusätzlich oder alternativ über einer oder mehreren anderen Außenflächen des Ringkörpers 112, einschließlich der oberseitigen Fläche 114, der unterseitigen Fläche 116 und/oder der Innenumfangsfläche 118 des Körpers 112 ausgebildet sein. Ferner ist in der 3 die Zwischenbeschichtung 124 zwischen der nitridierten Schicht 122 und der tribologischen Beschichtung 126 auf der Außenumfangsfläche 120 des Ringkörpers 112 angeordnet. In anderen Ausführungsformen kann die Zwischenbeschichtung 124 jedoch weggelassen werden und die tribologische Beschichtung 126 kann direkt auf der Außenumfangsfläche 120 des Ringkörpers 112 ausgebildet werden.
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Die Zwischenschicht 124 kann dazu beitragen, die Haftung der tribologischen Beschichtung 126 auf der Außenfläche des Ringkörpers 112 zu verbessern und kann mindestens eines von Chrom (Cr), Nickel (Ni), Kobalt (Co), Titan (Ti) und Vanadium (V) umfassen. In einer Ausführungsform kann die Zwischenbeschichtung 124 im Wesentlichen aus elementarem Chrom (Cr) bestehen. Die Zwischenbeschichtung 124 kann durch einen thermischen Spritzprozess (z.B. einen Flammspritzprozess, einen Hochgeschwindigkeitsflammspritzprozess (HVOF, „high velocity oxy-fuel“) oder einen Plasmaspritzprozess), einen physikalischen Gasphasenabscheidungsprozess (PVD, „physical vapor deposition“), oder durch einen anderen geeigneten Prozess auf der Außenfläche des Ringkörpers 112 ausgebildet werden. Eine geeignete Dicke für die Zwischenbeschichtung 124 kann in radialer Richtung des Kolbenrings 110 gemessen im Bereich von 1 bis 10 µm liegen. In anderen Ausführungsformen kann jedoch die Dicke der Zwischenbeschichtung 124 abhängig von dem Aufbringungsverfahren, das zum Ausbilden der Zwischenbeschichtung 124 auf der Außenfläche des Ringkörpers 112 verwendet wird, dieses Maß auch überschreiten oder unterschreiten.
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Die tribologische Beschichtung 126 kann einen zweischichtigen Aufbau aufweisen und eine relativ harte Grundschicht 128 und eine relativ poröse Deckschicht 130 umfassen. Die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der Deckschicht 130 und der Grundschicht 128 können so ausgelegt sein, dass sie dem Kolbenring 110 eine Kombination aus ausgezeichneter Kurzzeitleistung und Langzeitleistung verleihen. Beispielsweise können die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der Deckschicht 130 so ausgelegt sein, dass sie dem Kolbenring 110 während der anfänglichen Einlaufphase des Kolbenrings 110 eine hervorragende Leistung verleihen, und die Grundschicht 128 kann dazu ausgelegt sein, die Verschleißfestigkeit bei hoher Temperatur und den geringen Reibungswiderstand des Kolbenrings 110 über einen längeren Zeitraum aufrechtzuerhalten. Insbesondere wurde festgestellt dass durch Verringern der Härte und Erhöhen der Porosität (bzw. Verringern der Dichte) der Deckschicht 130 der tribologischen Beschichtung 126 relativ zur Härte und Porosität (bzw. Dichte) der Grundschicht 128 eine ausgezeichnete Kurzzeit- und Langzeitleistung des Kolbenrings 110 erreicht werden kann. Durch Erhöhen der Porosität und Verringern der Härte der Deckschicht 130 kann wiederum die Eigenspannung der Deckschicht 130 im Verhältnis zur Eigenspannung der Grundschicht 128 verringert werden.
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Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, dass die relativ geringe Härte der Deckschicht 130 das Einlaufverhalten des Kolbenrings 110 verbessern kann, indem sich die Form der Kontaktfläche des Kolbenrings 110 während des anfänglichen Betriebs des Motors leichter an die Form der Innenwand des Zylinders 12 anpassen kann, so dass der Kolbenring 110 in relativ kurzer Zeit an der Innenwand des Zylinders 12 anliegen kann. Gleichzeitig kann dem Kolbenring 110 durch die relativ hohe Härte der Grundschicht 128 eine ausgezeichnete Langzeitverschleißfestigkeit verliehen werden.
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Die im Verhältnis zur Porosität der Grundschicht 128 erhöhte Porosität (oder verringerte Dichte) der Deckschicht 130 der tribologischen Beschichtung 126 kann der Kontaktfläche des Kolbenrings 110 eine relativ raue Kontur verleihen.
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Insbesondere kann die Oberfläche der Deckschicht 130 der tribologischen Beschichtung 126 eine Kontur haben, die eine Vielzahl von Tälern und Kämmen oder Plateaus aufweist. Ohne Anerkennung theoretischer Verbindlichkeit wird angenommen, dass die entlang der Oberfläche der Deckschicht 130 ausgebildeten Täler es der Kontaktfläche des Kolbenrings 110 ermöglichen können, eine signifikante Menge an flüssigem Schmiermittel (z.B. Öl) zurückzuhalten, was dazu beitragen kann, eine Abdichtung zu bilden und die Reibung zwischen der Kontaktfläche des Rings 110 und der Innenwand des Zylinders 12 während des Motorbetriebs zu verringern. Darüber hinaus kann das auf der Kontaktfläche des Kolbenrings 110 zurückgehaltene Schmiermittel den Oberflächenverschleiß zwischen der Kontaktfläche des Kolbenrings 110 und der Innenwand des Zylinders 12 während des anfänglichen Motorbetriebs verringern, wodurch das Einlaufverhalten des Kolbenrings 110 weiter verbessert wird. Gleichzeitig kann die relativ hohe Dichte der Grundschicht 128 den Kolbenring 110 im Laufe der Zeit mit einer relativ glatten Kontaktfläche versehen, die dem Kolbenring 110 ein hervorragendes lang anhaltendes Reibungsverhalten verleihen kann.
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Das Verhältnis der Vickershärte der Deckschicht 130 zur Vickershärte der Grundschicht 128 kann im Bereich von 0,5:1 bis 0,7:1 liegen. Die Vickershärte oder Mikrohärte der Grundschicht 128 und der Deckschicht 130 kann gemäß ASTM E-384 unter Verwendung eines pyramidenförmigen Diamanteindringkörpers mit einem Eckenwinkel von 136° auf einem polierten Querschnitt des Kolbenrings 110 gemessen werden. In einer Ausführungsform kann die Vickershärte der Deckschicht 130 größer oder gleich 800 HV, 900 HV oder 950 HV sein; kleiner oder gleich 1200 HV, 1100 HV, oder 1050 HV; oder zwischen 800 und 1200 HV, 900 und 1100 HV, oder 950 und 1050 HV, und die Vickershärte der Grundschicht 128 kann größer oder gleich 1300 HV, 1400 HV, oder 1450 HV; kleiner oder gleich 2500 HV, 1700 HV, 1600 HV, oder 1550 HV; oder zwischen 1300 und 2500 HV, 1300 und 1700 HV, 1400 und 1600 HV, oder 1450 und 1550 HV sein. Die reduzierte Eigenspannung der Deckschicht 130 kann dazu beitragen, eine Rissbildung der tribologischen Beschichtung 126 zu vermindern oder zu beseitigen.
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In einer Form können die Grundschicht 128 und die Deckschicht 130 ein oder mehrere Übergangsmetallnitride der Gruppen 4, 5 und/oder 6 umfassen. Die Grundschicht 128 und die Deckschicht 130 können beispielsweise Nitride von Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Vanadium (V), Niob (Nb), Chrom (Cr), Molybdän (Mo) und/oder Wolfram (W) umfassen. In einem spezifischen Beispiel können sowohl die Grundschicht 128 als auch die Deckschicht 130 ein auf Chromnitrid (CrN) basierendes Material umfassen, da ein solches Material den Kolbenring 110 mit einer ausgezeichneten Verschleißfestigkeit und einem geringen Reibungswiderstand zwischen der Kontaktfläche 120 des Kolbenrings 110 und der Innenwand des Zylinders 12 versehen kann. Der Ausdruck „auf Chromnitrid basierendes Material“, wie er hier verwendet wird, umfasst allgemein jedes Material oder jede Legierung, bei der Chrom (Cr) und Stickstoff (N) bezogen auf das Gesamtgewicht des Materials die überwiegenden Bestandteile des Materials sind. Dies kann sowohl Materialien mit mehr als 50 Gew.-% Chromnitrid als auch solche mit weniger als 50 Gew.-% Chromnitrid umfassen, sofern Chrom (Cr) und Stickstoff (N) die beiden größten Bestandteile des Materials sind. In einer Ausführungsform kann die Gesamtzusammensetzung der tribologischen Beschichtung 126 40 bis 70 Atom-% Chrom (Cr) und 30 bis 60 Atom-% Stickstoff (N) enthalten. In einer Form kann das auf Chromnitrid basierende Material im Wesentlichen aus stöchiometrischen Verhältnissen von Chromnitrid (z.B. CrN und/oder Cr2N) bestehen und ein Gemisch aus CrN und Cr2N umfassen.
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Die chemische Zusammensetzung der Grundschicht 128 kann dieselbe wie die der Deckschicht 130, oder unterschiedlich zu dieser sein. Beispielsweise kann in einer Ausführungsform die Deckschicht 130 ein auf Chromnitrid basierendes Material umfassen und die Grundschicht 128 kann ein auf amorphem Kohlenstoff oder diamantartigem Kohlenstoff (DLC) basierendes Material umfassen. In einem solchen Fall kann die Grundschicht 128 eine Vickershärte im Bereich von 1800 bis 2500 HV aufweisen, und das Verhältnis der Vickershärte der Deckschicht 130 zur Vickershärte der Grundschicht 128 kann im Bereich von 0,2:1 bis 0,6:1 liegen.
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Die Deckschicht 130 der tribologischen Beschichtung 126 ist unterscheidbar von früheren Opfer- oder Einlaufbeschichtungen, die üblicherweise aus Polymermaterialien und/oder Trockenschmiermitteln bestehen und so konzipiert sind, dass sie leicht abgetragen und leicht von einer Kontaktfläche auf eine andere übertragen werden können. Somit enthält die Deckschicht der tribologischen Beschichtung 126 vorzugsweise keine Polymermaterialien oder Trockenschmiermittel. Wie er hier verwendet wird, bezeichnet der Begriff „Polymermaterial“ jedes Material, das ein Polymer umfasst oder enthält und kann Verbundmaterialien einschließen, die eine Kombination aus einem Polymer und einem nichtpolymeren Material enthalten. Der Begriff „Polymer“ wird in seinem weiten Sinne verwendet, um sowohl Homopolymere als auch Heteropolymere zu bezeichnen. Homopolymere bestehen aus einer einzigen Art von Polymer, während Heteropolymere (auch bekannt als Copolymere) aus zwei (oder mehr) unterschiedlichen Arten von Monomeren bestehen. Einige Beispiele für Polymermaterialien, die vorzugsweise nicht in der tribologischen Beschichtung 126 enthalten sein sollten, umfassen: Acetale; Acrylate; Acrylnitril-Butadien-Styrol; Alkyde; Diallylphthalate; Epoxide; Fluorkohlenwasserstoffe; Melamin-Formaldehyd; Nitrilharze; Phenole; Polyamide; Polyamid-Imide; Poly(arylether); Polycarbonate; Polyester; Polyimide; Polymethylpentene; Polyolefine, einschließlich Polyethylen und Polypropylen; Polyphenylenoxid; Polyphenylensulfid; Polyurethane; Silikone; Styrolkunststoffe; Sulfone; Blockcopolymere; Harnstoff-Formaldehyd und Vinyle. Einige Beispiele für Trockenschmiermittel, die vorzugsweise nicht in der tribologischen Beschichtung 126 enthalten sein sollten, umfassen: Graphite, Molybdändisulfid (MoS2), Wolframdisulfid (WS2), Silikate, Fluoride, Tone, Titanoxide, Bornitrid und Talkum.
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Die tribologische Beschichtung 126 kann eine in radialer Richtung des Kolbenrings 110 gemessene Gesamtdicke im Bereich von etwa 5 bis 100 µm aufweisen. Beispielsweise kann die Gesamtdicke der tribologischen Beschichtung 126 größer oder gleich 20 µm, 30 µm oder 40 µm, kleiner oder gleich 100 µm, 80 µm oder 60 µm, oder zwischen 20 µm und 100 µm, zwischen 30 µm und 80 µm oder zwischen 40 µm und 60 µm sein. Die Gesamtdicke der tribologischen Beschichtung 126 kann diese Beträge je nach Anwendungsfall geringfügig überschreiten oder unterschreiten. Die Dicke der Deckschicht 130 kann geringer sein als die der Grundschicht 128 und kann etwa 5% bis 50% der Gesamtdicke der tribologischen Beschichtung 126 oder etwa 5% bis 30% der Gesamtdicke der tribologischen Beschichtung 126 ausmachen. Die Dicke der Deckschicht 130 kann größer oder gleich 5 µm, 8 µm oder 11 µm, kleiner oder gleich 25 µm, 20 µm oder 16 µm, oder zwischen 5 und 25 µm, zwischen 8 und 20 µm oder zwischen 11 und 16 µm sein, und die Dicke der Grundschicht 128 kann größer oder gleich 25 µm, 30 µm oder 32 µm, kleiner oder gleich 50 µm, 40 µm oder 35 µm, oder zwischen 25 und 50 µm, zwischen 30 und 40 µm oder zwischen 32 und 35 µm betragen. Das Verhältnis der Dicke der Deckschicht 130 zur Dicke der Grundschicht 128 kann in Abhängigkeit von der Anwendung des Kolbenrings 110 und den Betriebsparametern des Motors variieren.
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Die tribologische Beschichtung 126 kann durch eine beliebige geeignete Abscheidetechnik auf der Außenfläche des Ringkörpers 112 ausgebildet werden. Beispielsweise kann die tribologische Beschichtung 126 auf der Außenfläche des Ringkörpers 112 durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) (z.B. kathodischer Lichtbogen oder Sputtern) chemische Gasphasenabscheidung, Vakuumabscheidung oder Sputterabscheidung ausgebildet werden.
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In einer Ausführungsform kann die tribologische Beschichtung 126 auf der Außenfläche des Ringkörpers 112 durch einen Prozess der physikalischen Gasphasenabscheidung durch kathodischen Lichtbogen ausgebildet werden, der Folgendes umfasst: (i) Positionieren des Ringkörpers 112 in einer Abscheidekammer, die eine Anode und mindestens ein festes Kathodenausgangsmaterial umfasst; (ii) Evakuieren der Abscheidekammer; (iii) Einleiten eines Prozessgases in die Abscheidekammer; (iv) Zünden und Aufrechterhalten eines Lichtbogens zwischen einer Oberfläche des Kathodenausgangsmaterials und der Anode, sodass Teile des Kathodenausgangsmaterials abgedampft werden; und (v) Abscheiden des abgedampften Kathodenausgangsmaterials auf der Außenfläche des Ringkörpers 112.
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Das feste Kathodenausgangsmaterial kann reines elementares Chrom (Cr) umfassen und das Prozessgas kann ein reaktives stickstoffhaltiges Gas umfassen. In diesem Fall kann das verdampfte Chrom in der Abscheidekammer mit Stickstoffgas unter Bildung von Chromnitridverbindungen reagieren, die auf der Außenfläche des Ringkörpers 112 unter Bildung der tribologischen Beschichtung 126 abgeschieden werden können. Der Betriebsdruck in der Abscheidekammer während des Abscheideprozesses kann im Bereich von 0 bis 0,1 mbar liegen und kann durch geeignete Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit eines Inertgases (z.B. Argon (Ar)) und/oder der Strömungsgeschwindigkeit von Stickstoffgas, das als Bestandteil des reaktiven stickstoffhaltigen Gases in die Abscheidekammer eingeleitet wird, gesteuert werden. Eine negative Spannung im Bereich von 0 Volt bis -150 Volt (als Vorspannung bezeichnet) kann während des Abscheideprozesses an den Ringkörper 112 angelegt werden, um die positiv geladenen Ionen aus dem festen Kathodenausgangsmaterial zur Außenfläche des Ringkörpers 112 zu beschleunigen. Die Dauer des Abscheideprozesses kann so gesteuert oder eingestellt werden, dass eine tribologische Beschichtung 126 mit einer gewünschten Dicke erhalten wird. In einer Ausführungsform kann der Abscheideprozess mit einer Abscheiderate von 2 bis 4 µm pro Stunde und für eine Dauer von 6 bis 24 Stunden durchgeführt werden.
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Um den zweischichtigen Aufbau der tribologischen Beschichtung 126 zu erreichen, können während des Abscheideprozesses verschiedene Prozessparameter variiert oder modifiziert werden. Beispielsweise kann die Grundschicht 128 während einer ersten Stufe des Abscheideprozesses ausgebildet werden. Nach dem Abscheiden der Grundschicht 128 können dann bestimmte Prozessparameter verändert werden, um eine zweite Stufe des Abscheideprozesses einzuleiten, in der die Deckschicht 130 direkt auf und über der Grundschicht 128 ausgebildet wird. Die Abscheidung der Deckschicht 130 und der Grundschicht 128 der tribologischen Beschichtung 126 kann durch Modifizieren bestimmter Prozessparameter während des Prozesses der physikalischen Gasphasenabscheidung durch einen kathodischen Lichtbogen durchgeführt werden, ohne dass zusätzliche Fertigungseinrichtungen angeschafft werden müssen und ohne dass die Dauer des gesamten Herstellungsprozesses des Kolbenrings 110 verlängert werden muss. In einer Ausführungsform kann die erste Stufe des Abscheideprozesses bei einem ersten Betriebsdruck durchgeführt werden und die zweite Stufe des Abscheideprozesses kann bei einem zweiten Betriebsdruck durchgeführt werden, der größer ist als der erste Betriebsdruck. Beispielsweise kann der Betriebsdruck des Stickstoffs während des Abscheideprozesses eingestellt und erhöht werden, um sowohl in der Grundschicht als auch in der Deckschicht 128, 130 eine gewünschte Eigenschaft zu erzielen. In einem spezifischen Beispiel beträgt der Betriebsdruck während der ersten Stufe des Abscheideprozesses etwa 0,03 mbar und der Betriebsdruck während der zweiten Stufe des Abscheideprozesses etwa 0,05 mbar. Durch das Erhöhen des Betriebsdrucks während der zweiten Stufe des Abscheideprozesses kann die Porosität des Chromnitridmaterials, das auf der Außenfläche des Ringkörpers 112 abgeschieden wird, erhöht und außerdem seine Härte verringert werden. Das Erhöhen des Betriebsdrucks während der zweiten Stufe des Abscheideprozesses kann zur Emission von relativ großen Tröpfchen aus dem Kathodenausgangsmaterial führen, die auf der Außenfläche des Ringkörpers 112 über der Grundschicht 128 abgeschieden werden können, und kann die Größe der in der Deckschicht 130 gebildeten Partikel oder Körner verändern, wodurch eine Eigenschaftskombination aus geringerer Härte und erhöhter Porosität entsteht.
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Eine Vorspannung kann während der ersten Stufe des Abscheideprozesses an den Ringkörper 112 angelegt werden, jedoch während der zweiten Stufe des Abscheideprozesses nicht an den Ringkörper 112 angelegt werden. In einem spezifischen Beispiel kann während der ersten Stufe des Abscheideprozesses eine Vorspannung von etwa 50 Volt an den Ringkörper 112 angelegt werden. Das Anlegen einer Vorspannung an den Ringkörper 112 während der ersten Stufe des Abscheideprozesses (jedoch nicht während der zweiten Stufe) kann zur Bildung einer relativ harten Grundschicht 128 und einer relativ weichen Deckschicht 130 führen. In einem weiteren Beispiel kann sowohl während der ersten als auch während der zweiten Phase des Abscheideprozesses eine Vorspannung an den Ringkörper 112 angelegt werden. In diesem Fall kann die während der ersten Stufe des Abscheideprozesses an den Ringkörper 112 angelegte Vorspannung von der während der zweiten Phase des Abscheideprozesses an den Ringkörper 112 angelegten Vorspannung verschieden sein. Durch das Verändern der Vorspannung zwischen der ersten und der zweiten Stufe des Abscheideprozesses kann die Deckschicht 130 im Vergleich zu der Grundschicht 128 mit geringerer Härte und erhöhter Porosität ausgebildet werden.
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Zusätzlich zu Betriebsdruck und Vorspannung können während des Abscheideprozesses ein oder mehrere weitere Prozessparameter modifiziert oder verändert werden, um die chemischen und/oder mechanischen Eigenschaften der Deckschicht 130 und der Grundschicht 128 zu differenzieren und dadurch die Kurzzeit- und Langzeitleistung des Kolbenrings 110 zu verbessern. Einige Beispiele für zusätzliche Prozessparameter, die während der Abscheidung modifiziert werden können, können jeden beliebigen der verschiedenen Prozessparameter, einschließlich Lichtbogenstrom, Prozesstemperatur und Prozesszeit, umfassen.
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Insbesondere kann die Oberfläche der Deckschicht 130 der tribologischen Beschichtung 126 eine Kontur haben, die eine Vielzahl von Tälern und Spitzen aufweist. In diesem Fall kann die Außenumfangsfläche des Kolbenrings 110 überschliffen und geläppt werden, um die Spitzen in relativ flache Grate oder Plateaus umzuformen, was dazu beitragen kann, einen Oberflächenverschleiß der Innenwand des Zylinders 12 während der Einlaufphase zu verhindern.
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Die 4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnitts des Kolbenrings 110, welche die Morphologie der durch Diffusion nitridierten Schicht 122, der Zwischenbeschichtung 124 und der tribologischen Beschichtung 126, die auf und über der Außenumfangsfläche 120 des Ringkörpers 112 des Kolbenrings 110 ausgebildet sind, 500fach vergrößert darstellt. Die in der 4 dargestellte tribologische Beschichtung kann mit einem Prozess der physikalischen Gasphasenabscheidung durch kathodischen Lichtbogen erzeugt werden. Wie dargestellt, kann infolge einer schrittweisen Modifikation der Parameter des Abscheideprozesses während des Abscheideprozesses zwischen der Grundschicht 128 und der darüber liegenden Deckschicht 130 ein allmählicher Übergang in der Mikrostruktur der tribologischen Beschichtung 126 stattfinden.
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Bei dem Vorstehenden handelt es sich selbstverständlich um eine Beschreibung einer oder mehrerer bevorzugter exemplarischer Ausführungsformen der Erfindung. Die Erfindung ist nicht auf die hierin offenbarte(n) besondere(n) Ausführungsform(en) beschränkt, sondern ausschließlich durch die nachstehenden Ansprüche definiert. Die in der vorstehenden Beschreibung enthaltenen Aussagen beziehen sich ferner auf bestimmte Ausführungsformen und sind nicht als Einschränkung des Umfangs der Erfindung oder der Definition von in den Ansprüchen verwendeten Begriffen auszulegen, es sei denn, ein Begriff oder eine Formulierung wurde vorstehend ausdrücklich definiert. Für den Fachmann sind verschiedene weitere Ausführungsformen und verschiedene Änderungen und Abwandlungen der offenbarten Ausführungsform (en) offensichtlich. Alle derartigen weiteren Ausführungsformen, Abänderungen und Abwandlungen sollen in den Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche fallen.
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Wie sie in dieser Beschreibung und den Ansprüchen verwendet werden, sind die Begriffe „beispielsweise“, „z.B.“, „wie etwa“ und „wie“ und die Verben „umfassen“, „aufweisen“, „einschließen“ und deren andere Formen, wenn sie in Verbindung mit einer Auflistung einer oder mehrerer Komponenten oder anderer Elemente verwendet werden, jeweils als offen auszulegen, was bedeutet, dass die Auflistung nicht als andere, zusätzliche Komponenten oder Elemente ausschließend aufzufassen ist. Andere Begriffe sind mit ihrer weitesten vernünftigen Bedeutung auszulegen, es sei denn, sie werden in einem Kontext verwendet, der eine andere Auslegung erforderlich macht.
