DE69819995T2

DE69819995T2 - Kolbenring

Info

Publication number: DE69819995T2
Application number: DE69819995T
Authority: DE
Inventors: Takatsugu Iwashita; Nobuyuki Yamashita
Original assignee: Teikoku Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Teikoku Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1998-09-30
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2018-10-01
Also published as: EP0905419A2; JP3885375B2; EP0905419B1; US6139022A; JPH11172413A; DE69819995D1; EP0905419A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenring zur Verwendung in Verbrennungsmotoren.
In den letzten Jahren mußten Motoren erhöhte Anforderungen an eine höhere Ausgangsleistung, höhere Drehzahlen und eine längere Produktnutzungsdauer gerecht werden, und sie mußten auch immer strengeren Abgasemissionsvorschriften genügen. Der Kolbenring muß daher in einer rauheren Betriebsumgebung funktionieren. Zylinder bestehen bei solchen Motoren herkömmlicherweise aus Gußeisen, und der äußere Umfang des Kolbenrings weist eine Schicht mit einer verschleißfesten Oberflächenbehandlung auf.
Die Schicht mit der verschleißfesten Oberflächenbehandlung auf der äußeren Umfangsfläche des Kolbenrings aus dem Stand der Technik ist ein verchromter Film, eine nitrierte Schicht oder ein Ionen-plattierter Film, wie ein Chromnitridfilm (CrN-Film, Cr₂N-Film) oder ein Titannitridfilm (TiN-Film).
Im Anfangsstadium des Motorbetriebs ist das Einschleifen zwischen dem Zylinder und dem Kolbenring nicht ausreichend, so daß ein Abrieb zwischen dem Zylinder und dem Kolbenring, der mit der vorstehend erwähnten Schicht mit einer verschleißfesten Oberflächenbehandlung versehen ist, auftreten kann. Dementsprechend ist ein Verfahren zum Verbessern der anfänglichen Einschleifmerkmale dieser Schichten mit einer verschleißfesten Oberflächenbehandlung oder eine Schicht mit einer verschleißfesten Oberflächebehandlung, die sowohl eine Abriebfestigkeit als auch eine Verschleißfestigkeit aufweist, erforderlich.
Zum Lösen des vorstehenden Problems wurden die folgenden Techniken vorgeschlagen.
1. Offengelegtes japanisches Patent Nr. 8-184375
Ein Film aus 98,0 bis 99,5 Prozent Molybdän oder Chrom oder beidem und restlichem Stickstoff wurde durch physikalische Dampfabscheidung auf einer nitrierten Schicht oder einen durch physikalische Dampfabscheidung hergestellten Film gebildet, um die anfänglichen Einschleifmerkmale zu verbessern.
2. Japanische Patentveröffentlichung Nr. 5-54594
Ein TiN-Film wurde über einem Hartfilm aus CBN, TiC, Ti(C, N), SiC, Diamant oder Al₂O₃ gebildet, um die Abriebfestigkeit zu verbessern.
Andererseits wurde die folgende Technik vorgeschlagen, bei der ein künstliches Diamantmaterial aufgebracht wird.
3. Offengelegtes japanisches Patent Nr. 3-260362
Ein Dünnfilm aus künstlichem Diamantmaterial wurde auf dem Kolbenring und der oberen Fläche, der äußeren Umfangsfläche und der Ringrille des Kolbens gebildet, um die Haltbarkeit zu verbessern.
Weiterhin wurde die folgende Technik vorgeschlagen, bei der ein diamantartiger Kohlenstoffilm verwendet wird.
4. Offengelegtes japanisches Patent Nr. 5-179451
Zum Beschränken der Haftung von Ferritstrukturen wurde ein Film mit amorphem Kohlenstoff als Hauptbestandteil, in dem Wolfram und/oder Silicium dispergiert war, auf der Gleitfläche gebildet, die mit einer Gleitfläche gepaart ist, die aus einem Ferrit enthaltenden Eisenmaterial bestand. Diese Technologie wird beispielsweise bei Servolenkungsmechanismen in dem Hydraulikventil verwendet.
Unter rauhen Motorbetriebsbedingungen weist die beim vorstehenden ersten Verfahren vorgeschlagene Technologie jedoch den Nachteil auf, daß sich der Molybdän- oder Chromfilm schnell abnutzt. Die im vorstehenden zweiten Verfahren vorgeschlagene Technologie weist einen TiN-Film mit einer zu großen Härte auf, so daß die Abriebfestigkeit unzureichend ist. Die im vorstehenden dritten Verfahren vorgeschlagene Technologie enthält keinerlei Beschreibung hinsichtlich des Dünnfilms aus künstlichem Diamantmaterial. Die im vorstehenden vierten Verfahren vorgeschlagene Technologie beschreibt amorphen Kohlenstoff, in dem Wolfram oder Silicium dispergiert ist, sie weist jedoch keine Beschreibung von Wolframcarbiden oder Siliciumcarbiden auf.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Kolbenring bereitzustellen, der sowohl eine Abriebfestigkeit als auch eine Verschleißfestigkeit aufweist.
Bei einem Kolbenring gemäß der vorliegenden Erfindung, der auf der äußeren Umfangsfläche mit einem Hartfilm versehen ist, ist der Hartfilm dadurch gekennzeichnet, daß er einen diamantähnlichen Kohlenstoff aufweist, in dem Carbide von einem oder mehreren Elementen verteilt sind, die aus der aus Silicium, Titan, Wolfram, Chrom, Molybdän, Niob und Vanadium bestehenden Gruppe ausgewählt sind.
Der erfindungsgemäß einen Film bildende diamantähnliche Kohlenstoff ist aus einer der folgenden Strukturen hergestellt:

1. Eine amorphe Kohlenstoffstruktur
2. Eine amorphe Kohlenstoffstruktur, die teilweise eine Diamantstruktur aufweist.
3. Eine amorphe Kohlenstoffstruktur, die teilweise eine Graphitstruktur aufweist.

In dem Hartfilm der vorliegenden Erfindung können winzige Mengen nicht carbonisierten Metalls verteilt sein, vorausgesetzt, daß die erfindungsgemäße Wirkung nicht verlorengeht.
Die Abriebfestigkeit des diamantähnlichen Kohlenstoffilms ist schon an sich hoch, es kann jedoch ein Film erhalten werden, der sowohl eine Abriebfestigkeit als auch eine Verschleißfestigkeit aufweist, indem Carbide von einem oder mehreren Elementen aufgenommen werden, die aus der aus Silicium, Titan, Wolfram, Chrom, Molybdän, Niob und Vanadium bestehenden Gruppe ausgewählt sind. Dieser Film weist auch überlegene anfängliche Einlauf- bzw. Einschleifmerkmale auf.
Der Silicium-, Titan-, Wolfram-, Chrom-, Molybdän-, Niob- und Vanadiumgehalt kann mit einem Elektronensonden-Mikroanalysator gemessen werden. Das Gesamt-Atomverhältnis der vorstehenden Elemente beträgt vorzugsweise 5 bis 40 Prozent, und der Hartfilm hat vorzugsweise eine Vickers-Härte in einem Bereich von 700 bis 2000. Wenn das Gesamt-Atomverhältnis unterhalb von 5 Prozent liegt, nehmen die Härte, die Abriebfestigkeit und die Verschleißfestigkeit ab. Wenn das Gesamt-Atomverhältnis oberhalb von 40 Prozent liegt, tritt ein Abfall der Abriebfestigkeit und der Haftung auf. Wenn die Vickers-Härte des Hartfilms unterhalb von 700 liegt, nimmt die Verschleißfestigkeit ab. Wenn die Vickers-Härte oberhalb von 2000 liegt, treten leicht ein Abfall der Abriebfestigkeit und Risse an dem Film auf. Bevorzugter beträgt das Gesamt-Atomverhältnis 10 bis 30 Prozent und liegt die Vickers-Härte für den Hartfilm innerhalb eines Bereichs von 900 bis 1200.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun lediglich beispielhaft mit Bezug auf die anliegende Zeichnung beschrieben.
1(a), 1(b) und 1(c) zeigen jeweils Längs-Schnittansichten eines Abschnitts der Kolbenringe sind, in denen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt sind, wobei die 1(a) und 1(b) Proben zeigen, bei denen ein Hartfilm auf einer Schicht mit einer verschleißfesten Oberflächenbehandlung eines anderen Typs ausgebildet ist und 1(c) eine Probe zeigt, bei der ein Hartfilm aufgebracht ist, ohne daß eine Schicht mit einer verschleißfesten Oberflächenbehandlung eines anderen Typs gebildet ist.
2 zeigt eine Konfiguration der sich hin- und herbewegenden Reibungstestmaschine.
3 zeigt einen Graphen, in dem Testergebnisse von den Verschleißtests dargestellt sind.
4(a) und 4(b) zeigen die Struktur der Stift-auf-Zylinder-Reibungstestmaschine, wobei 4(a) eine teilweise als Schnitt ausgeführte Vorderansicht ist und 4(b) eine Seitenansicht ist.
5 zeigt eine Tabelle, in der Testergebnisse von den Abriebtests dargestellt sind.
6 zeigt ein Röntgenbeugungsmuster des Films aus der Ausführungsform 4.
Nachstehend werden die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die 1(a) bis 1(c) beschrieben.
In 1(a) ist eine Gas-nitrierte Schicht 2 mit einer Dicke von 5 bis 15 Mikrometern auf der gesamten Oberfläche eines Kolbenrings 1 ausgebildet. Ein Hartfilm 3 mit einer Dicke von 0,5 bis 10 Mikrometern ist über der Gasnitrierten Schicht 2 an der äußeren Umfangsfläche ausgebildet. Der Hartfilm 3 weist diamantähnlichen Kohlenstoff auf, in dem Carbide von einem oder mehreren Elementen dispergiert sind, die aus der aus Silicium, Titan, Wolfram, Chrom, Molybdän, Niob und Vanadium bestehenden Gruppe ausgewählt sind. Das Gesamt-Atomverhältnis von einem oder mehreren aus der aus Silicium, Titan, Wolfram, Chrom, Molybdän, Niob und Vanadium bestehenden Gruppe ausgewählten Elementen beträgt 5 bis 40 Prozent, und der Hartfilm 3 hat eine Vickers-Härte innerhalb eines Bereichs von 700 bis 2000.
Ein weiteres Beispiel ist in 1(b) dargestellt. Ein verchromter Film oder ein Ionen-plattierter Film 4, wie bspw. ein Chromnitridfilm (CrN-, Cr₂N-Films) oder ein Titannitridfilms (TiN-Films), ist auf der äußeren Umfangsfläche des Kolbenrings 1 ausgebildet. Der Hartfilm 3 ist in einer Dicke von 0,5 bis 10 Mikrometern über dem Film 4 ausgebildet. Wenn der verchromte Film verwendet wird, beträgt seine Dicke 5 bis 150 Mikrometer, und wenn der Ionen-plattierte Film verwendet wird, beträgt seine Dicke 1 bis 150 Mikrometer.
1(c) zeigt ein Beispiel des direkt mit einer Dicke von 10 bis 30 Mikrometern auf der äußeren Umfangsfläche des Kolbenrings 1 gebildeten Hartfilms 3, ohne daß eine Schicht mit einer verschleißfesten Oberflächenbehandlung (Gasnitrierte Schicht 2 oder verchromter Film oder Ionenplattierter Film 4) gebildet ist, deren Typ von demjenigen des Hartfilms 3 verschieden ist. Wenn die Filmdicke geringer als 10 Mikrometer ist, ist die Verschleißfestigkeit unzureichend, und wenn sie größer als 30 Mikrometer ist, nimmt die Haftung ab, und es treten in dem Film leicht Risse auf.
Der Hartfilm 3 kann unter Verwendung des reaktiven Ionenplattierungsverfahrens oder des reaktiven Sputter-Verfahrens beschichtet werden. Beispielsweise wird der Hartfilm 3 durch das reaktive Ionenplattierungsverfahren auf das Substrat aufgebracht, wie nachstehend beschrieben wird. Dabei wird ein Inertgas in eine Vakuumkammer eingeleitet, während das Substrat gedreht wird. Nach dem Reinigen der Substratoberfläche durch Ionenbeschuß wird ein Kohlenwasserstoffgas, wie Methan, das eine Kohlenstoffquelle ist, in die Kammer eingeleitet, und während die Umgebung des Substrats in einem Plasmazustand gehalten wird, werden ein oder mehrere aus der aus Silicium, Titan, Wolfram, Chrom, Molybdän, Niob und Vanadium bestehenden Gruppe ausgewählte Elemente verdampft. In diesen Fällen können die einen oder mehreren aus der aus Silicium, Titan, Wolfram, Chrom, Molybdän, Niob und Vanadium bestehenden Gruppe ausgewählten Atome durch Einstellen des Partialdrucks des Kohlenwasserstoffgases in dem reaktiven Gas als ein Carbid abgeschieden werden. Das Verhältnis zwischen den jeweiligen Anteilen der aus der aus Silicium, Titan, Wolfram, Chrom, Molybdän, Niob und Vanadium bestehenden Gruppe ausgewählten Elemente kann durch Einstellen des Drucks des reaktiven Gases sowie der Verdampfungsgeschwindigkeit dieser Elemente gesteuert werden.
Nachstehend werden die überlegene Abriebfestigkeit und Verschleißfestigkeit des Kolbenrings gemäß der vorliegenden Erfindung demonstriert, indem die Ergebnisse von Verschleißmessungen durch die sich hin- und herbewegende Reibungstestmaschine und die Ergebnisse von Messungen der Abriebbelastung durch die Stift-auf-Zylinder-Reibungstestmaschine dargestellt werden.
1. Verschleißtest
(1) Sich hin- und herbewegende Reibungstestmaschine
Der Aufbau der bei dem Test verwendeten sich hin- und herbewegenden Reibungstestmaschine ist in 2 dargestellt. Ein stiftförmiges oberes Teststück 10 wird von einem feststehenden Block 11 getragen und durch eine abwärtsgerichtete Last, die durch einen Hydraulikzylinder 12 ausgeübt wird, gegen ein unteres Teststück 13 gedrückt. Das flache untere Teststück 13 wird andererseits von einem beweglichen Block 14 getragen und durch einen Kurbelmechanismus 15 vor- und zurückbewegt. Eine Lastzelle ist mit der Bezugszahl 16 bezeichnet.
(2) Testbedingungen

Last: 10 Kilogramm
Geschwindigkeit: 600 cpm
Zeit: 60 Minuten
Schmieröl: 10 W-Maschinenöl

(3) Teststück

Oberes Teststück:	Stahl für den Kolbenring Der Film ist so ausgebildet, wie in Tabelle 1 und Tabelle 2 dargestellt ist.
Unteres Teststück:	Schuppengraphit-Gußeisen für den Zylindermantel 17× 17 × 70 (mm)

(4) Verfahren zur Herstellung des Hartfilms
Der Hartfilm wurde durch das reaktive Ionenplattierungsverfahren gebildet, wie vorstehend erwähnt wurde. Die Temperatur des Substrats lag in einem Bereich zwischen 200 und 500°C.
(5) Testergebnisse
Die Testergebnisse sind in 3 dargestellt. Der Verschleißbetrag eines Vergleichsbeispiels 2 ist auf 1 gelegt. Der Verschleißbetrag des Hartfilms gemäß der vorliegenden Erfindung entspricht dem Verschleißbetrag von TiN- und CrN-Ionen-plattierten Filmen aus dem Stand der Technik oder ist kleiner als dieser, wobei von diesen bekannt ist, daß sie eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit aufweisen. Ein spezielles Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der Verschleißbetrag des Paarungsmaterials (Gußeisen) klein ist. Weiterhin wies der aus diamantähnlichem Kohlenstoff bestehende Hartfilm infolge eines in spezifischen Anteilen vorhandenen Wolframcarbid- oder Siliciumcarbidgehalts eine verbesserte Verschleißfestigkeit auf.
2. Abriebtest
(1) Stift-auf-Zylinder-Reibungstestmaschine
Der Aufbau der beim Abriebtest verwendeten Stift-auf-Zylinder-Reibungstestmaschine ist in den 4(a) und 4(b) dargestellt. Ein Teststück 20, wie der Kolbenring, ist an dem oberen Ende der äußeren Umfangsfläche 22 eines Rotors 21, der um die horizontale Achse gedreht wird, angebracht. Eine Last P wird auf das Teststück 20 in Gestalt des Kolbenrings ausgeübt, wobei der Kolbenring gegen die äußere Umfangsfläche des Rotors 21 drückt. Der Rotor 21 wird in diesem Zustand gedreht, während dem Kontaktabschnitt zwischen dem Rotor 21 und dem Teststück 20 in Gestalt des Kolbenrings Schmieröl zugeführt wird. Das Teststück wurde auf das Vorhandensein oder Nichtvor handensein eines Abriebs an der Gleitfläche beobachtet, nachdem die Testmaschine für spezifizierte Zeiten bei verschiedenen Lasttypen betätigt wurde.
(2) Testbedingungen

Drehgeschwindigkeit: 1000 U/min
Last: 6–16 Kilogramm
Zeit: Die Testmaschine wurde 60 Sekunden lang bei der spezifizierten Last betätigt, und die Gleitfläche wurde auf das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Abriebs überwacht. Der Abriebtest wurde mit erhöhten Lasten wiederholt.
Schmieröl: Tröpfchen von 10 W-Schmieröl

(3) Teststück
Die in Tabelle 1 und Tabelle 2 dargestellten Filme wurden auf der äußeren Umfangsfläche des Kolbenrings gebildet.
(4) Rotor 21
Schuppengraphit-Gußeisen für den Zylindermantel ∅ 50 mm × 300 mm
(5) Testergebnisse
Wie in 5 dargestellt ist, wurde gezeigt, daß die Abrieb-Grenzlasten der Hartfilme gemäß der vorliegenden Erfindung höher lagen als die Abrieb-Grenzlasten der TiN- und CrN-Filme aus dem Stand der Technik, von denen bekannt ist, daß sie eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit aufweisen. Weiterhin wurde gezeigt, daß der aus diamant ähnlichem Kohlenstoff bestehende Hartfilm infolge eines in spezifischen Anteilen vorhandenen Wolframcarbid- oder Siliciumcarbidgehalts eine verbesserte Abriebfestigkeit aufwies.
Tabelle 1
Tabelle 2
Die Strukturen der Hartfilme aus den Ausführungsformen 1 bis 4 und den Vergleichsbeispielen 6 bis 8 wurden durch Röntgenbeugung jedes Teststücks analysiert. Die Röntgenröhre war ein Kupferrohr, und es wurde ein Monochromator verwendet. Die Röhrenspannung betrug 40 Kilovolt. Der Röhrenstrom betrug 30 Milliampere. Ein Röntgenbeugungsmuster der Ausführungsform 4 ist in 6 dargestellt.
6 zeigt die folgenden Dinge.

1. Ein Halo ist bei 2θ = 34° bis 42° vorhanden, was zeigt, daß der Film eine amorphe Struktur aufweist.
2. Die Beugungsspitze in der Umgebung von 2θ = 44,5°, 65° und 82° ist der Beugungsstrahl von dem verchromten Film der Unterschicht.
3. Die Beugungsspitze für das Wolframcarbid, das als W₂C oder W₆C_2,54 identifiziert werden kann, ist in der Umgebung von 2θ = 34,5° und 38° vorhanden.
4. Es gibt keine Beugungsspitze für metallisches Wolfram in der Umgebung von 2θ = 40°, 58° und 73°.

Es ist anhand der vorstehenden Punkte ersichtlich, daß der Film gemäß der Ausführungsform 4 eine Struktur aufweist, die aus amorphem Kohlenstoff und Wolframcarbid besteht.
Der Hartfilm bei diesem Test bestand aus diamantähnlichem Kohlenstoff als Hauptbestandteil und Wolframcarbid oder Siliciumcarbid, die gleiche Wirkung kann jedoch auch mit einem Hartfilm erreicht werden, der diamantähnlichen Kohlenstoff aufweist, in dem Carbide von einem oder mehreren Elementen dispergiert sind, die aus der aus Silicium, Titan, Wolfram, Chrom, Molybdän, Niob und Vanadium bestehenden Gruppe ausgewählt sind.
Wenngleich die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend erwähnten bevorzugten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern daß verschiedene Modifikationen erhalten werden können, ohne vom Schutzumfang der anliegenden Ansprüche abzuweichen.

Claims

Kolbenring (1) mit einem Hartfilm (3) an der äußeren Umfangsoberfläche des Kolbenrings, wobei der Hartfilm einen diamantähnlichen Kohlenstoff aufweist, in dem Karbide von einem oder mehreren Elementen verteilt sind, die ausgewählt sind aus einer Gruppe mit Silizium, Titan, Wolfram, Chrom, Molybden, Niob und Vanadium.
Kolbenring nach Anspruch 1, bei dem der Gehalt an dem einen oder den mehreren Elementen, die ausgewählt sind aus der Gruppe mit Silizium, Titan, Wolfram, Chrom, Molybden, Niob und Vanadium, 5 bis 40 Atomprozent ist und eine Vikkershärte des Hartfilms in einem Bereich von 700 bis 2.000 liegt.
Kolbenring nach Anspruch 2, bei dem der Hartfilm (3) eine Dicke von 0, 5 bis 10 Mikrometer hat und der Hartfilm auf einer Schicht (2) mit einer verschleißbeständigen Oberflächenbehandlung eines unterschiedlichen Typs gebildet ist.
Kolbenring nach Anspruch 3, bei dem die Schicht (2) mit einer verschleißbeständigen Oberflächenbehandlung eines unterschiedlichen Typs aus einem verchromten Film, einer nitrierten Schicht oder einem ionen-plattierten Film besteht.
Kolbenring nach Anspruch 2, bei dem der Hartfilm (3) eine Dicke von 10 bis 30 Mikrometern hat und der Hartfilm direkt auf der äußeren Umfangsoberfläche des Kolbenrings gebildet ist.