DE19548931C2 - Nitridplattierter Kolbenring für Verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen nitridplattierten Kolbenring für Verbrennungskraft­ maschinen dargelegt im einteiligen Patentanspruch 1.

In der DE 694 21 614 T2 ist ein Gleitkörper bzw. Gleitelemente, insbesondere ein Kolbenring mit einer Beschichtung auf der Basis von Chromnitrid beschrieben. Das Chromnitrid der Beschichtung weist CrN, Cr₂N oder eine Mischung daraus auf. Hierdurch wird eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb und Einbrennen zur Verwendung in einer Verbrennungskraftmaschine geschaffen.

Aus der DE 41 12 422 C2 ist ein abrieb- bzw. verschleißfester Überzug, der sich auf einer Gleitfläche eines Bauteils befindet sowie ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung des Überzugs bekannt. Der Überzug enthält Chrom und minde­ stens Chromnitrid und weist einen seiner äußeren Oberfläche benachbarten Be­ reich auf, der im wesentlichen eine Mischung aus Cr₂N und CrN enthält sowie einen dem Trägermaterial, auf welches der Überzug aufgebracht ist, benachbarten Bereich, der Chrom enthält.

Neuerdings wird, da Verbrennungskraftmaschinen eine höhere Leistungsfähigkeit haben sollen, eine längere Lebensdauer derartiger Verbrennungskraftmaschinen auch für jedes funktionelle Bauteil gefordert, das zunehmenden schwierigen Bedingungen ausgesetzt ist. Kolbenringe werden öfter als bislang ernsthaften Bedingungen wie beispielsweise hoher Motordrehzahl, hoher Temperatur und hohem Lagerdruck aus­ gesetzt, so dass für derartige Kolbenringe eine höhere Haltbarkeit gefordert wird.

Weiterhin besteht die Forderung nach höherer Maschinenleistung und geringerer Maschinengröße, die verursacht, dass verschiedene Kombinationen von Kolbenrin­ gen in Diesel- und Otto-Motoren verwendet werden müssen, wie beispielsweise eine Kombination von drei Kompressionsringen und zwei Ölringen, eine Kombination von drei Kompressionsringen und einem Ölring, eine Kombination von zwei Kom­ pressionsringen und einem Ölring und eine Kombination von einem Kompressions­ ring und einem Ölring, wobei Kompressionsringe und Ölringe entsprechende Aus­ gestaltungen eines Kolbenringes sind. Als Mittel zum Verbessern der Haltbarkeit von Kolbenringen werden Abriebbeständigkeitsbehandlungen an den Gleitflächen der Kolbenringe vorgenommen, die eine Hartverchromung bzw. Hartchromplattie­ rung und ein Nitrieren umfassen.

Daher ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Kolbenring vorzusehen, der sowohl eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit aufweist und resistenter gegen Abnutzungser­ scheinungen ist, als auch die Ionen-Plattier-Schichten mit einer verbesserten Zähig­ keit zu versehen, um gleichzeitig Schäden wie Abblättern, Abplatzen und Zerbre­ chen der Schicht vorzubeugen. Die Aufgabe wird durch ein Kolbenring mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.

Von diesen beiden Behandlungsarten wird, weil eine Abriebbeständigkeit von Kol­ benringen mit einer herkömmlichen chromplattierten Schicht für die Betriebsbedin­ gungen nicht ausreichend ist und eine Nitrierbehandlung eine ausgezeichnete Ab­ riebbeständigkeit schafft, letztere als Oberflächenbehandlung für den ersten Kom­ pressionsring (oberen Ring) in Betracht gezogen, der unter schwierigen Betriebsbe­ dingungen einzusetzen ist und dieses Verfahren wird neuerdings häufig eingesetzt.

Jedoch ist eine solche Nitrierbehandlung, wie sie bei herkömmlichen Kolbenringen angewandt wird, aus dem Gesichtspunkt der Abriebbeständigkeit, Fressbeständigkeit und Beständigkeit gegen durch korrosiven Verschleiß verursachte Aggressivität (die Fähigkeit, gegenüber dem Gegenstück des Kolbenringes, d. h. demas benachbarten Zylinderwandmaterial nicht aggressiv zu sein) noch nicht ausreichend.

Demzufolge ist ein Gegenstand der Erfindung ein Kolbenring für Verbrennungs­ kraftmaschinen, der eine ausgezeichnete Abriebbeständigkeit und Beständigkeit ge­ gen Fressen aufweist und dessen Aggressivität soweit wie möglich herabgesetzt ist (d. h. dass er eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen durch korrosiven Verschleiß verursachte Aggressivität aufweist).

Zum Erreichen dieses Zieles wird erfindungsgemäß ein Kolbenring geschaffen, der entweder als Kompressionsring oder Ölring konzipiert ist und eine Ionplattier- Auflageschicht bzw. eine durch Ionen-plattierung geschaffene Auflageschicht auf­ weist, die auf dessen äußerer Umfangsgleitfläche ausgebildet ist. Die Auflageschicht besteht aus einem Gemisch eines ersten Chromnitrids vom Typ CrN und einem zweiten Chromnitrid vom Typ Cr₂N, wobei die Mischverhältnisse in diesem Ge­ misch mehr als 45,0 und weniger als 98,0 Gewichts-% für das erste Chromnitrid, mehr als 0,5 und nicht mehr als 15,0 Gew.-% für das metallische Chrom betragen, und der Rest das zweite Chromnitrid ist, und bei welcher verursacht wird, dass sich das metallische Chrom in den interkristalline Korngrenze des CrN und Cr₂N befindet.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Ionen-Plattier- Auflageschicht, die auf der äußeren Umfangsgleitfläche des Kolbenringes ausgebil­ det ist und aus dem obigen Gemisch besteht, so ausgebildet, dass sie eine Porosität von mehr als 0,5 und nicht mehr als 20,0% aufweist.

Somit wird erfindungsgemäß ein Kolbenring für Verbrennungskraftmaschinen ge­ schaffen, der vorteilhaft ausgezeichnete Abrieb- und Fressbeständigkeit, Beständig­ keit gegen Aggressivität und Beständigkeit gegen Abblättern bzw. Abplatzen auf­ weist, so dass den Anforderungen an Verbrennungskraftmaschinen höherer Leistung Genüge getan wird.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 einen Teilschnitt durch Kolbenringe gemäß einer Ausführungsform, wobei die Anordnung gezeigt ist, wie die Kolbenringe mit einem Kolben und ei­ nem Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine in Eingriff sind;

Fig. 2 ein Diagramm der Abriebwerte für Kompressionsringe und Ölringe, zu­ sammen mit Abriebwerten für entsprechende Gegenzylinder, die den Kompressionsringen und Ölringen zugewandt sind, wobei alle Werte in einem Versuch an einem tatsächlichen Motor gemessen wurden;

Fig. 3 ein Diagramm der Abriebbeständigkeit für Versuchsproben mit verschie­ denen angewandten Oberflächenbehandlungen und der Abriebbeständig­ keit der Gegenstücke;

Fig. 4 ein Diagramm der Fressbeständigkeit für Versuchsproben mit verschiede­ nen angewandten Oberflächenbehandlungen und der Fressbeständigkeit für Gegenstücke;

Fig. 5 ein Diagramm für Schichthaftvermögen für Versuchsproben mit verschie­ denen angewandten Oberflächenbehandlungen;

Fig. 6 schematisch ein Versuchsapparat für Haftvermögen-Versuche.

Unten ist eine Tabelle vorhanden, in der verschiedene Eigenschaften von CrN und Cr₂N wiedergegeben sind, aus welcher es ersichtlich ist, dass CrN und Cr₂N hart und spröde sind, wenn sie einzeln verwendet werden.

Wenn eine einzige Ionen-Plattier-Auflageschicht aus entweder Cr₂N oder CrN, ge­ formt mit einem PVD-Verfahren, einzeln verwendet wird, tritt ein Brechen und Ab­ blättern der Schicht wegen schlechter Bearbeitbarkeit während des Schleif und Po­ lierverfahrens häufig auf, so dass die Defekte beträchtlich erhöht werden. Zusätzlich, wenn fertig- bearbeitete Kolbenringe, die eine solche Schicht aufweisen, in Verbren­ nungskraftmaschinen verwendet werden, sind diese Ringe bei dynamischern und thermischer Beaufschlagung, wie sie im Betrieb auftreten, extrem brüchig und nei­ gen zu Bruch, so dass die ausgezeichnete voll einzusetzende Abriebbeständigkeit und Fressbeständigkeit unwirksam gemacht werden.

Demgegenüber ist in einer Ionen-Plattier-Auflageschicht, bestehend aus einem Ni­ tridgemisch innerhalb eines gemäß einer Ausführungsform spezifizierten Mischbereiches, CrN, welches eine geringere Härte und einen geringeren Elastizitätsmodul von den beiden obenerwähnten Nitridtypen hat, mit nicht weniger als 45 Gew.-% enthalten, wobei der verbleibende Anteil Cr₂N zugeordnet wird. Deshalb und eben­ falls unterstützt durch die Tatsache, dass Cr₂N hexagonalen Systems und CrN kubi­ schen Systems in ihren Kristallstrukturen bzw. Kristallsystemen unterschiedlich sind, Kristalle dieser beiden Nitridtypen komplex miteinander verknüpft, um die Ionen- Plattier-Auflageschicht zu bilden. Demzufolge kann ein ausgezeichnetes Gleitteil erhalten werden, welches eine Schlagfestigkeit und eine Zähigkeit aufweist, die bei­ de verbessert sind, ohne die Eigenschaften der Ionen-Plattier-Auflageschicht zu be­ einflussen, die aus einem einzigen Nitridtyp von CrN hergestellt ist, das die beste Abriebbeständigkeit und Fressbeständigkeit aufweist, so dass ein ausgezeichnetes Gleitteil erhalten wird, bei dem die Mängel bzw. Defekte wie beispielsweise Abplat­ zen, Splittern, Abblättern und Brechen eliminiert sind.

Da jedoch die Abriebbeständigkeit der Ionen-Plattier-Auflageschicht, bestehend aus einem einzigen Nitridtyp Cr₂N, im Vergleich mit derjenigen der Ionen-Plattier- Auflageschicht geringer ist, die aus einem einzelnen Nitridtyp CrN hergestellt ist, ist bei einer Ionen-Plattier-Auflageschicht, bestehend aus einem Gemisch beider Ni­ tridtypen, wobei der Anteil an CrN nicht mehr als 45 Gew.-% beträgt, die Abriebbe­ ständigkeit abrupt herabgesetzt, und das Haftvermögen der Schicht ist extrem gering. Umgekehrt kann, selbst wenn das Mischverhältnis von CrN auf 98,0 Gew.-% oder mehr erhöht wird, eine abrupte Zunahme weder der Abriebbeständigkeit noch des Schicht-Haftvermögens erwartet werden.

Weiterhin wird gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung dadurch, dass Cr mehr als 0,5 und weniger als 15,0 Gew.-% in der Ionen-Plattier-Auflageschicht enthalten ist, die aus dem Gemisch der beiden Nitridtypen gebildet ist, d. h. durch Verursachen, dass das metallische Chrom interkristalline Korngrenze der Keramik vorhanden ist, die interkristalline Haftfestigkeit verstärkt, so dass die Zähigkeit der Ionen-Plattier-Auflageschicht verbessert wird. Wegen dieser Effekte wird ein Ausschalten von Mängeln wie beispielsweise Abblättern, Abplatzen und Zerbrechen der Schicht weiterhin gefördert.

Bei einem Chromgehalt von nicht mehr als 0,5 Gew.-% tritt indessen ein solcher Effekt nicht ein. Wenn Cr mit mehr als 15 Gew.-% enthalten ist, wird umgekehrt verursacht, dass die Fressbeständigkeit reduziert wird.

Die Zähigkeit einer Ionen-Plattier-Auflageschicht wird weiterhin stark beeinflusst durch die Porosität der Schicht. Durch Schaffen einer Porosität der Ionen-Plattier- Auflageschicht von mehr als 0,5 und nicht mehr als 20,0% kann weiterhin effektiv ein Abplatzen, Abblättern und Brechen der Schicht eliminiert werden.

Mit der Porosität von 0,5% oder geringer wird jedoch die Schicht beeinträchtigt, indem sie eine hohe Dichte aufweist und brüchig bzw. spröde ist, welche ihrerseits dazu neigt, das ein Abblättern und Abplatzen der Schicht zu verursachen. Umge­ kehrt weist in dem Fall, dass die Porosität mehr als 20,0% beträgt, die Ionen-Plattier- Auflageschicht selbst eine herabgesetzte Festigkeit auf und wird etwas kurzlebig, so dass die Abriebbeständigkeit reduziert wird.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 6 sind verschiedene Kolbenringe für Verbren­ nungskraftmaschinen gezeigt.

In Fig. 1 sind Kolbenringe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt, die mit einem Kolben und einem Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine in Eingriff stehen. Der Kolben 1 weist drei ringförmige Nuten 1a, 1b und 1c auf, in denen drei Kolbenringe entsprechend in der Ordnung von nah zu fern von der Verbrennungs­ kammer (nicht gezeigt) des Motors angeordnet sind, wobei ein erster Kompressions­ ring 2, (d. h. der obere Ring), ein zweiter Kompressionsring 3 und ein Ölring 4 entsprechend eingesetzt sind. Der Ölring ist ein Kombinationsring, der zwei Seiten­ schienen 4a und einen Distanzhalter 4b umfasst.

Das Grundmaterial der Kompressionsringe 2 und 3 ist nichtrostender Stahl (17-Cr nichtrostender Stahl) und das Grundmaterial für die Seitenschienen 4a der Ölringe ist ebenfalls nichtrostender Stahl (13-Cr nichtrostender Stahl). Entsprechende äußere Umfangsflächen der Ringe 2, 3 und 4 berühren gleitbar einen Zylinder, insbesondere eine Zylinderbuchse 5. Über den entsprechenden äußeren Flächen des ersten Kom­ pressionsringes 2 und des Ölringes 4 sind Ionen-Plattier-Auflageschichten 2A und 4A geformt. Die Ionen-Plattier-Auflageschicht 2A über der äußeren Umfangsfläche des ersten Kompressionsringes 2 ist zum Zwecke des Verbesserns der Abriebbestän­ digkeit, der Fressbeständigkeit und der Beständigkeit gegen Aggressivität ausgebil­ det, weil der erste Kompressionsring 2 dem höchsten Abrieb unter den Ringen un­ terliegt bzw. erfährt.

Im Fall des Ölrings 4, wenn der Ring abgerieben ist, ist seine Ölabstreifwirkung verloren, so dass der Ölverbrauch erhöht wird, woraus sich ein erhöhter Schmieröl­ verbrauch ergibt. Der Verlust seines Ölabstreifeffekts verursacht ebenfalls, dass Schmieröl in die Verbrennungskammer fließt, um somit nachteilig den Verbren­ nungsvorgang zu beeinflussen. Somit ist eine Ionen-Plattier-Auflageschicht 4A eben­ falls auf der äußeren Umfangsfläche des Ölringes 4 ausgebildet, insbesondere der Seitenschienen 4a des Ölringes 4.

Die Ionen-Plattier-Auflageschichten 2A und 4A gemäß der erfindungsgemäßen Aus­ führungsform, wie oben beschrieben ist, werden unter Verwendung eines bekannten reaktiven Ionen-Plattier-Verfahrens geformt. Dieses Verfahren ist ein Oberflächen­ behandlungsverfahren, welches ein Verdampfen von Cr zu einem reaktiven Gas wie beispielsweise Stickstoff, sein Ionisieren in einer gasförmigen Phase und ein Bilden eines Reaktionsproduktes aus dem reaktiven Gas und dem verdampften Substanzion auf einem an ein negatives Potential angelegten Grundmaterial umfasst, d. h. entwe­ der einem Gemisch von CrN und Cr₂N oder einem Gemisch von CrN, Cr₂N und Cr, wie dies der Fall sein kann.

Nachfolgend wird das Untersuchen der Abriebbeständigkeit und der Aggressivität eines Kolbenringes gegenüber der Zylinderbuchse für Verbrennungskraftmaschinen gemäß Erfindung erläutert. Kompressionsringproben und Ölringproben, beide in einer für einen Motor geeigneten Größe, werden bei der Betrachtung herangezogen, wobei die Anzahl an Kompressionsringen und Ölringen pro Zylinder je eins beträgt und die Zylinderbuchse aus Gusseisen, insbesondere einem Material besteht, das äquivalent zu FC25 (Japanese Industrial Standards) ist.

Das Grundmaterial für die Kompressionsringe ist ein nichtrostender Stahl, der 17% Cr enthält. Drei Arten von Proben werden genommen, wobei Probe I eine Ionen- Plattier-Auflageschicht von Cr₂N, 30 Mikrometer dick aufweist, die auf der äußeren Umfangsgleitfläche des Ringgrundmaterials ausgebildet ist; Probe II weist eine Io­ nen-Plattier-Auflageschicht aus einem Gemisch auf, das aus Cr₂N und CrN besteht, 30 Mikrometer dick, die auf der äußeren Umfangsgleitfläche des Ringgrundmateri­ als ausgebildet ist, wobei die Mischverhältnisse von Cr₂N und CrN 50 : 50 sind; Pro­ be III hat eine Ionen-Plattier-Auflageschicht aus CrN, 30 Mikrometer dick, die auf der äußeren Umfangsgleitfläche des Ringgrundmaterials ausgebildet ist.

Die obenbeschriebenen Proben wurden in einem 4-Takt-wassergekühlten-Zylinder, Ottomotor mit 1600 cm³ eingebaut und liefen während eines 200 Stunden- Dauertestes bei voller Last. Fig. 2 ist ein Diagramm, in dem die Daten für Abrieb­ größen für die Kompressionsringe und die Seitenschienen der Ölringe zusammen mit Daten für Abriebgrößen für die Zylinderbuchse als Gegenstück in einer Position nahe des oberen Totpunktes gezeigt sind. Aus Fig. 2 ist erkennbar, dass für Kom­ pressions- und Ölringe die Probe II, die eine Ionen-Plattier-Auflageschicht des Gemisches aus Cr₂N und CrN aufweist und die Probe III mit einer Ionen-Plattier- Auflageschicht aus dem einzigen CrN-Material besser hinsichtlich der Abriebbe­ ständigkeit als Probe I sind, deren Ionen-Plattier-Auflageschicht ein einfaches Cr₂N- Material ist.

Obwohl es nicht gezeigt ist, ist, wenn die Abriebgröße für einen herkömmlichen nitrierten Ring als Einheitswert 1 genommen wird, die Abriebgröße für eine ionen­ plattierte Auflageschicht aus CrN annähernd 1/5 des Einheitswertes, und die Abrieb­ größe für eine Ionen-plattierte Auflageschicht eines Gemisches aus Cr₂N und CrN annähernd 1/10 des Einheitswertes ist, d. h., dass die Abriebgröße bei Kompressions- und Ölringen mit einer Ionen-Plattier-Auflageschicht wesentlich geringer als dieje­ nige von den Ringen ist, die herkömmlich nitriert worden sind.

Bezüglich der Aggressivität gegenüber einem Zylinder wurden Abriebgrößen für Zylinder nach einem 200-Stundenlauf gemessen. Die Abriebgröße betrug 1,5 Mi­ krometer für einen Zylinder in Gleiteingriff mit Probe I, 1,0 Mikrometer für einen Zylinder in Gleiteingriff mit der Probe II und 1,0 Mikrometer für einen Zylinder in Gleiteingriff mit der Probe III. Insbesondere wurde festgestellt, dass ähnlich der Pro­ be III, die eine Ionen-Plattier-Auflageschicht von CrN aufweist, die Probe II mit einer Ionen-Plattier-Auflageschicht aus einem Gemisch aus Cr₂N und CrN eine aus­ gezeichnete Beständigkeit gegen Aggressivität aufweist.

Danach wurden zum Beweisen der exzellenten Eigenschaften eines Kolbenringes für Verbrennungskraftmaschinen gemäß Erfindung als Einzelring verschiedene Versu­ che mit Teststücken oder Proben 1 bis 9 durchgeführt, die verschiedenen Oberflä­ chenbehandlungsarten unterworfen worden sind. Das Grundmaterial für die Proben war nichtrostender Stahl. Bezüglich der Arten der Oberflächenbehandlung verwen­ deten Proben 1 bis 8 eine Ionen-Plattier-Auflageschicht, 50 Mikrometer dick aus einem Gemisch mit einer in Tabelle 1 unten wiedergegebenen Zusammensetzung.

Ein herkömmliches Beispiel einer Probe 9 mit einer hartverchromten Schicht, 50 Mikrometer dick, die aufgetragen worden ist, wurde ebenfalls in den Versuch für Vergleichszwecke verwendet.

Jedes Zusammensetzungsverhältnis wurde mit Hilfe des Reflexionsverhältnisses eines Röntgenstrahl-Diffraktionsmusters einer jeden Komponente der Zusammen­ setzung bestimmt. Die Porosität wurde aus Bildverarbeitung der mikroskopischen Probenfläche berechnet, die in Querschnittsrichtung ausgeschnitten wurde.

Tabelle 1

Abriebbeständigkeitstest

Abriebsbeständigkeitsversuche wurden unter Verwendung der folgenden Testbedin­ gungen durchgeführt. Abriebbeständigkeit-Teste sind bekannt und demzufolge im einzelnen nicht näher beschrieben. Die Ergebnisse sind in Fig. 3 gezeigt, wobei die Abriebgröße für Probe 9 (herkömmliches Beispiel einer Hartverchromung) als Be­ zugsindex von 100 wiedergegeben ist.
Abrieb-Versuchsgerät: Abrieb-Testes vom Amslar-Typ.
Drehteil: Außendurchmesser: 40 mm; Innendurchmesser: 16 mm; Dicke: 10 mm; Material: Gusseisen für Zylinderbuchse (C: 3,2 Gew.-%; Si: 2,1 Gew.-%; Mn: 0,8 Gew.-%; P: 0,3 Gew.-%; Cu: 0,4 Gew.-%; Mo: 0,2 Gew.-%; B: 0,1 Gew.-%; Fe: Rest).
Stationäres Teil: 18 mm × 15 mm × 5 mm mit einer der verschiedenen Arten einer Auflageschicht, 50 Mikrometer dick, ausgebildet an der Oberfläche, welche das Drehstück berührt.
Umfangsgeschwindigkeit: 1 m/sec.
Schmieröl: 10W30.
Öltemperatur: 80°C.
Last: 150 kg.
Versuchsdauer 7 Stunden.

Wie deutlich aus Fig. 3 erkennbar ist, wenn die Abriebgröße für die herkömmliche Chromplattierschicht als Bezugsindex von 100 genommen wird, sind die Abriebin­ dexziffern für Proben 2 bis 5 und 7 gemäß der Ausführungsform der Erfindung 40, was eine exzellente Abriebbeständigkeit bedeutet, und die Abriebindexziffer für das entsprechende Gegenstück (Drehteil) ist so gering wie 50, dies bedeutet, dass die Proben 2 bis 5 und 7 beständig gegen Aggressivität sind. Für ein Vergleichsbeispiel (Probe 1) mit einem Mischverhältnis von 40% für CrN, das unterhalb des Bereiches für die Ausführungsform liegt, ist dessen Abriebindex 80, während der des Gegen­ stückes 95 ist. Für ein erfindungsgemäßes Beispiel (Probe 8) mit einem Mischver­ hältnis von 85% für CrN, das innerhalb des Bereiches für die Ausführungsform liegt, jedoch mit einer relativ hohen Porosität von 25%, ist der Abriebindex 70, während der des Gegenstückes 85 ist. Diese Indexziffern für Proben 1 und 8 zeigen, dass ihre Beständigkeit gegen Abrieb und Aggressivität auf Niveaus verbleiben, die etwas, jedoch nicht viel besser als die Hartverchromung- bzw. Chromplattier-Probe ist. Ein weiteres Vergleichsbeispiel (Probe 6) ist gezeigt, dessen Indexzahl 70 ist, während die des Gegenstückes 80 ist, dies bedeutet, dass eine kleine Verbesserung der Ab­ riebbeständigkeit vorlag.

Freßbeständigkeit-Versuch

Versuche im Hinblick auf die Fressbeständigkeit wurden durchgeführt, wobei die folgenden Versuchsbedingungen eingehalten wurden. Die Ergebnisse sind in Fig. 4 wiedergegeben, wobei die Verschleißgröße infolge Fressens für Probe 9 (herkömm­ liches Beispiel einer Chromplattierung) als ein Referenzindexzahl von 100 verwen­ det wird.
Abrieb-Untersuchungsgerät: Abriebtester vom Typ Amslar.
Drehteil: Außendurchmesser: 40 mm; Innendurchmesser: 16 mm; Dicke: 10 mm.
Stationäres Teil: 18 mm × 15 mm × 5 mm, mit einer der verschiedenen Typen einer Auflageschicht, 50 Mikrometer dick, ausgebildet auf der das Drehteil berührenden Oberfläche.
Umfangsgeschwindigkeit: 5 m/sec.
Schmieröl: SAE 30 + Paraffin (white kerosine) (1 : 1).
Öltemperatur: 50°C.
Ölfluss: 0,2 l/min.
Last: Ansteigend bis zum Auftreten eines Fressens.

Bei den Fressbeständigkeitstests wurden Drehstücke des gleichen Materials und sta­ tionäre Stücke mit der gleichen Oberflächenschicht wie bei den Abriebversuchen, wie sie oben beschrieben sind, verwendet.

Anfänglich wurden zum Einbrechen der Gleitoberfläche der Proben oder Versuchs­ stücke die Drehstücke relativ in Kontakt mit den stationären Teilen unter einer Ober­ flächenlast oder einem Lagerdruck von 25 kg/cm² während 20 Minuten gedreht, wo­ bei Schmieröl zugeführt wurde. Danach wurden die Drehversuche während 2 Mi­ nuten wiederholt, wobei der Druck auf 30 kg/cm² erhöht wurde. Danach wurden die Versuche fortgesetzt mit einem Druck, der jede 2 Minuten um 5 kg/cm² erhöht wur­ de, bis ein Fressen auftrat, wobei die Last beim Auftreten eines Fressens als Grenz­ druck gemessen wurde.

Wie deutlich in Fig. 4 gezeigt ist, wenn der Druck bei Auftreten eines Fressens für die herkömmliche chromplattierte Schicht (Probe 9) als Bezugsindex 100 genom­ men ist, Fressindexziffern für die Proben 2 bis 5 und 7 gemäß dem Ausführungsbei­ spiel der Erfindung 300 betragen, was eine ausgezeichnete Fressbeständigkeit be­ deutet. Das Vergleichsbeispiel (Probe 1) mit einem Mischverhältnis von 40% für CrN, das unterhalb des Bereiches der Ausführungsform liegt, das Vergleichsbeispiel (Probe 6) mit Mischverhältnissen von 65% für CrN, 15% für Cr₂N und 20% für Cr, die oberhalb des Bereiches der Ausführungsform sind, und das erfindungsgemäße Beispiel (Probe 8) mit einem Mischverhältnis von 85% für CrN, das innerhalb des Bereiches für das Ausführungsbeispiel ist, jedoch mit einer relativ hohen Porosität von 25%, zeigten Fressbeständigkeitsindexwerte von 150, 135 bzw. 125, die unge­ fähr die Hälfte der Werte für die erfindungsgemäßen Beispiele der Proben 2 bis 5 und 7 sind.

Abschließend wurden Auswertungsversuche für das Haftvermögen einer Ionen­ plattierten Auflageschicht auf ihrem Grundmaterial durchgeführt. Für diesen Zweck wurden neun Kolbenringe mit einem Durchmesser von 90 mm hergestellt, und die gleichen Oberflächenschichten wie bei den Versuchen hinsichtlich der Abriebbe­ ständigkeit und Fressbeständigkeit wurden auf den entsprechenden äußeren Um­ fangsflächen vorgesehen. Die Dicke der Schichten lag jeweils bei 50 Mikrometer. Die Auswertversuche bezüglich des Haftungsvermögens wurden unter Verwendung eines Torsion-Abplatztesters durchgeführt, wie er in Fig. 6 gezeigt ist.

Insbesondere wurden diese Auswertversuche für das Haftungsvermögen mit Hilfe von Verwindungsversuchen unter Verwendung des Abplatztesters durchgeführt. Bei den Verwindungsversuchen wurde ein Verfahren angewandt, bei welchem einander gegenüberliegende Anschlagenden des Anschlages 21a eines Kolbenringes 2 mit Haltern 32a und 32b gehalten wurden, der Kolbenring 2 auf einen vorbestimmten Verwindungswinkel verdreht wurde, indem der Halter 32b um eine Achse durch einen Punkt 21b gedreht wurde, der an dem Ring 2 gegenüberliegend dem Anschlag 21a in einer Position liegt, die gestrichelt dargestellt ist, während der Halter 32a in seiner ursprünglichen Lage gehalten wurde. Nach dem Verwinden wurde der Kol­ benring 2 am Punkt 21b gegenüberliegend dem Anschlag 21a aufgeschnitten, und es wurde eine visuelle Beobachtung durchgeführt, um ein Abplatzen der Auflage­ schicht von dem Grundmaterial des Ringes an der Schneidebene (Bruch) festzustel­ len. Die Ergebnisse sind in Fig. 5 mit einem Winkel gezeigt, bei dem ein Abplatzen auftritt (Abplatzwinkel) für die Probe 9 (herkömmliches Beispiel eines Chromplat­ tierens) als Bezugsindex 100.

Wie deutlich aus Fig. 5 erkennbar ist, wenn der Abplatzwinkel für die herkömmliche Chromplattierschicht (Probe 9) als Bezugsindex von 100 genommen wird, sind Ab­ platzwinkel-Indexziffern (Abplatz-Beständigkeit oder Bruchbeständigkeit) für die Proben 2 bis 5, 7 und 8 gemäß der Ausführungsform der Erfindung 100 bis 130, wobei diese Ziffern entweder gleich oder besser als für Probe 9 (Chromplattierung) sind. Das Vergleichsbeispiel (Probe 1) hat eine Indexziffer von 80, was eine Min­ derwertigkeit gegenüber dem Chromplattieren zeigt. Das Vergleichsbeispiel (Probe 6) hat eine Indexziffer von 120, dies zeigt eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Abplatzen. Da die Probe 6 weder eine gute Abriebbeständigkeit noch eine ausge­ zeichnete Fressbeständigkeit aufweist, wie dies in Fig. 3 und 4 gezeigt ist, ist dieses Material nicht für die Verwendung bei solchen Kolbenringen geeignet.

Wie oben beschrieben ist, hat ein Kolbenring gemäß Erfindung auf Grund der Io­ nenplattier-Auflageschicht, die auf der äußeren Umfangsfläche ausgebildet ist, eine ausgezeichnete Abriebbeständigkeit, Fressbeständigkeit und Beständigkeit gegen Aggressivität. Zusätzlich wird ein bedeutend vorteilhafter Effekt dadurch erreicht, dass die Beständigkeit gegen Abplatzen ebenfalls beträchtlich auf Grund des syner­ getischen Effektes verbessert wurde.

Claims (2)

1. Kolbenring für Verbrennungskraftmaschinen für die Verwendung mit ei­ nem Kolben und einem Zylinder, welcher eine äußere Umfangsgleitfläche aufweist, welche an der Innenwand des Zylinders gleitbar ist, wobei der Kolbenring eine Ionenplattier-Auflageschicht aufweist, die auf seiner äu­ ßeren Umfangsgleitfläche ausgebildet ist, wobei diese Auflageschicht Po­ ren aufweist und aus einem Gemisch eines ersten Chromnitrids vom Typ CrN, eines zweiten Chromnitrids vom Typ Cr₂N und metallischem Chrom hergestellt ist, wobei die Mischverhältnisse dieses Gemisches mehr als 45,0 und weniger als 98,0 Gew.-% für das erste Chromnitrid, mehr als 0,5 und nicht mehr als 15,0 Gew.-% für das metallische Chrom betragen, und der Rest das zweite Chromnitrid ist, und bei welcher verursacht wird, dass sich das metallische Chrom in den interkristallinen Korngrenzen des CrN und Cr₂N befindet.

2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität in dieser Auflageschicht aus diesem Gemisch mehr als 0,5 und nicht mehr als 20,0% beträgt.