EP2122210A1 - Kolbenring - Google Patents

Kolbenring

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EP2122210A1
EP2122210A1 EP07856126A EP07856126A EP2122210A1 EP 2122210 A1 EP2122210 A1 EP 2122210A1 EP 07856126 A EP07856126 A EP 07856126A EP 07856126 A EP07856126 A EP 07856126A EP 2122210 A1 EP2122210 A1 EP 2122210A1
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EP
European Patent Office
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piston ring
pvd
cover layer
layer
ring according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07856126A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes Esser
Frank Münchow
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Federal Mogul Burscheid GmbH
Original Assignee
Federal Mogul Burscheid GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16JPISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J9/00Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
    • F16J9/26Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction characterised by the use of particular materials
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/02Pretreatment of the material to be coated
    • C23C14/024Deposition of sublayers, e.g. to promote adhesion of the coating
    • C23C14/025Metallic sublayers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0641Nitrides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0676Oxynitrides

Definitions

  • the invention relates to a piston ring, comprising a base body having a tread provided with a chamber, an upper and a lower flank surface and an inner peripheral surface.
  • EP-A 1 482 075 describes a piston ring coating which is formed by tungsten disulfide.
  • a well-known way to produce relatively sharp running edges on coated rings is the use of full or one-sided chambered rings. Disadvantage of these rings is that a certain part of the tread is inherently not provided with a protective coating and it comes in this area, in which then comes the grandmother material into contact with the cylinder, often to so-called scorching.
  • the invention has for its object to further develop a piston ring to the effect that the said disadvantages are no longer given to optimize the oil balance using a provided with at least one chamber tread.
  • a piston ring having a base body which has a running surface provided with a chambering, an upper and a lower flank surface and an inner circumferential surface, wherein at least the chambering is provided with at least one wear protection layer and at least partially a PVD on the running surface Cover layer is applied, such that the base body in its finished state only edge region side, d. H. outside the chamber, the PVD cover layer has.
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • one-sided or fully chambered piston rings made of cast iron or steel materials can be provided with a galvanically or thermally applied wear protection layer.
  • the respective edge region ie outside the chamber, should be provided with the PVD cover layer. This can be achieved by either only the edge areas are provided with the PVD cover layer, or the entire tread including Kamm réelle coated with a PVD cover layer and then the PVD cover layer in the chamber, z. B. by grinding, is removed.
  • the PVD layer can be formed on the basis of nitrides of the elements of group IV b to VI b of the periodic table.
  • the following elements may be added singly or in combination: Al, Si, C, O.
  • PVD DLC diamond-like-carbon
  • Figure 1 piston ring in cross-section, which is provided on the tread side with a chamber on which a PVD cover layer is deposited;
  • FIG. 2 piston ring according to FIG. 1 with the cover layer partially removed;
  • FIG. 1 shows a piston ring 1 which has a basic body of rectangular cross section, including a running surface 2, an upper 3 and a lower flank surface 4 and an inner circumferential surface 5.
  • the running surface 2 is provided with a chamber 6 into which a wear protection layer 7, for example, chromium, is introduced.
  • a wear protection layer 7, for example, chromium is introduced.
  • a PVD covering layer 8 made of CrN is deposited, which in this example should have a thickness of 8 ⁇ m.
  • Alternative materials, such as CrON are also conceivable as a PVD cover layer.
  • FIG. 2 shows the finished state of the piston ring 1. It can be seen that the chamber 6, or the wear protection layer 7 given there, is freed from the PVD covering layer 8 according to FIG. This was achieved by partial grinding of the PVD covering layer 8 in the area of the chambering 6. Thus, only the edge areas 9, 10 remain covered with the PVD covering layer 8. Since these edge regions 9, 10 protrude radially with respect to the wear protection layer 7, an oil reservoir is initially formed, which is advantageous for the running-in behavior of the piston ring 1.
  • FIG 3 shows an alternative to Figure 1.
  • the piston ring 1 'shown here also includes a chamber 6', in which a wear protection layer T is introduced.
  • a wear protection layer T is introduced.
  • only the edge regions 9 ', 10' are provided outside the chamber 6 'with a PVD cover layer 8'.

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Abstract

Kolbenring, mit einem Grundkörper, der eine mit einer Kammerung (6,6') versehene Lauffläche (2), eine obere (3) und eine untere (4) Flankenfläche sowie eine innere Umfangsf lache (5) aufweist, wobei zumindest die Kammerung mit mindestens einer Verschleißschutzschicht (7,7') versehen ist und auf der Lauffläche zumindest partiell eine PVD-Deckschicht (8,8') aufgebracht ist, dergestalt, dass der Grundkörper in seinem fertigen Zustand lediglich randbereichsseitig (9, 10, 9', 10' ), d. h. außerhalb der Kammerung, die PVD-Deckschicht aufweist.

Description

Beschreibung
Kolbenring
Die Erfindung betrifft einen Kolbenring, mit einem Grundkörper, der eine mit einer Kammerung versehene Lauffläche, eine obere und eine untere Flankenfläche sowie eine innere Umfangsfläche aufweist.
In der EP-A 1 482 075 wird eine Kolbenringbeschichtung beschrieben, die durch Wolfram-Disulfϊd gebildet wird.
Die Ausbildung der unteren Laufkante eines Kolbenringes ist für den Ölhaushalt einer Brennkraftmaschine von großer Bedeutung. Es ist eine Herausforderung für die Fertigung der Kolbenringe, eine möglichst kleine Kante zu erzeugen, um im Motorbetrieb eine möglichst gute Abstreifwirkung zu erzielen. Derart kleine und scharfe Kanten lassen sich relativ einfach an unbeschichteten Ringen darstellen. Allerdings sind heute in der ersten Nut von Brennkraftmaschinen grundsätzlich beschichtete Ringe notwendig. Hierbei stellt sich ein Zielkonflikt zwischen der erwünschten kleinen Funktionskante und einer ausbrach- und rissfreien beschichteten Kante ein.
Ein bekannter Weg zum Herstellen relativ scharfer Laufkanten an beschichteten Ringen ist der Einsatz von voll oder einseitig gekammerten Ringen. Nachteil dieser Ringe ist, dass ein gewisser Teil der Lauffläche prinzipbedingt nicht mit einer schützenden Beschichtung versehen ist und es in diesem Bereich, in denen dann der Grandwerkstoff mit dem Zylinder in Kontakt kommt, häufig zu so genannter Brandspurbildung kommt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolbenring dahingehend weiter zu bilden, dass zur Optimierung des Ölhaushalts unter Einsatz einer mit mindestens einer Kammerung versehenen Lauffläche die genannten Nachteile nicht mehr gegeben sind.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Kolbenring, mit einem Grundkörper, der eine mit einer Kammerung versehenen Lauffläche, eine obere und eine untere Flankenfläche sowie eine innere Umfangsfläche aufweist, wobei zumindest die Kammerung mit mindestens einer Verschleißschutzschicht versehen ist und auf der Lauffläche zumindest partiell eine PVD-Deckschicht aufgebracht ist, dergestalt, dass der Grundkörper in seinem fertigen Zustand lediglich randbereichsseitig, d. h. außerhalb der Kammerung, die PVD-Deckschicht aufweist.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Bei der PVD-Beschichtung (Physical Vapour Deposition) handelt es sich um ein Verfahren, bei dem die Beschichtung der Lauffläche des Kolbenringes durch Abscheidung aus der Dampfphase erfolgt. Das abzuscheidende Beschichtungsmaterial liegt dabei als ionisierter Teilchenstrom vor.
Durch den Erfindungsgegenstand ist es nun möglich, bei Erlangung einer erwünscht gering dimensionierten Funktionskante die Laufflächenbeschichtung ausbruch- und rissfrei im Bereich der Kante zu erzeugen.
Von besonderem Vorteil ist, dass einseitig oder voll gekammerte Kolbenringe aus Gussoder Stahlwerkstoffen mit einer galvanisch oder thermisch aufgebrachten Verschleißschutzschicht versehen werden können. Erfindungsgemäß soll im fertigen Zustand des Kolbenringes lediglich der jeweilige Randbereich, d. h. außerhalb der Kammerung, mit der PVD-Deckschicht versehen sein. Dies kann dadurch erreicht werden, dass entweder nur die Randbereiche mit der PVD- Deckschicht versehen werden, oder aber die gesamte Lauffläche samt Kammerung mit einer PVD-Deckschicht überzogen und anschließend die PVD-Deckschicht im Bereich der Kammerung, z. B. durch Schleifen, entfernt wird.
Einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß kann die PVD-Shicht auf Basis von Nitriden der Elemente der Gruppe IV b bis VI b des Periodensystems ausgebildet werden. Wahlweise können folgende Elemente einzeln oder in Kombination zugesetzt werden: Al, Si, C, O.
Von besonderem Vorteil sind so genannte PVD-DLC (diamond-like-carbon)- Beschichtungen, die auf die Lauffläche von Kolbenringen aufgebracht werden. Sie bilden besonders verschleißfeste Oberflächen mit niedrigem Reibungskoeffizienten und widerstehen auch höheren Temperaturen. DLC-Schichten weisen darüber hinaus eine gute Haftung auf dem Grundkörper und eine hohe Bruchfestigkeit auf.
Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausfuhrungsbeispieles in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 Kolbenring im Querschnitt, der laufflächenseitig mit einer Kammerung versehen ist, aufweicher eine PVD-Deckschicht abgeschieden ist;
Figur 2 Kolbenring gemäß Figur 1 mit partiell entfernter Deckschicht;
Figur 3 alternative Ausführungsform eines Kolbenringes. Figur 1 zeigt einen Kolbenring 1, der einen im Querschnitt rechteckigen Grundkörper aufweist, beinhaltend eine Lauffläche 2, eine obere 3 und eine untere Flankenfläche 4 sowie eine innere Umfangsfläche 5. Die Lauffläche 2 ist mit einer Kammerung 6 versehen, in welche eine Verschleißschutzschicht 7, beispielsweise aus Chrom, eingebracht ist. Auf der gesamten Lauffläche 2, inklusive der Kammerung 6, ist eine PVD-Deckschicht 8 aus CrN abgeschieden, die in diesem Beispiel eine Dicke von 8μm aufweisen soll. Alternative Werkstoffe, wie beispielsweise CrON, sind als PVD- Deckschicht ebenfalls denkbar.
Figur 2 zeigt den fertigen Zustand des Kolbenringes 1. Erkennbar ist, dass die Kammerung 6, respektive die dort gegebene Verschleißschutzschicht 7, von der PVD- Deckschicht 8 gemäß Figur 1 befreit ist. Dies wurde erreicht, durch partielles Abschleifen der PVD-Deckschicht 8 im Bereich der Kammerung 6. Somit bleiben lediglich die Randbereiche 9,10 mit der PVD-Deckschicht 8 bedeckt. Da diese Randbereiche 9,10 gegenüber der Verschleißschutzschicht 7 radial vorstehen, wird zunächst ein Ölreservoir gebildet, das vorteilhaft für das Einlaufverhalten des Kolbenringes 1 ist.
Figur 3 zeigt eine Alternative zu Figur 1. Der hier dargestellte Kolbenring 1 ' beinhaltet ebenfalls eine Kammerung 6', in welcher eine Verschleißschutzschicht T eingebracht ist. In diesem Beispiel werden ausschließlich die Randbereiche 9',10' außerhalb der Kammerung 6' mit einer PVD-Deckschicht 8' versehen.

Claims

Patentansprüche
1. Kolbenring, mit einem Grundkörper, der eine mit einer Kammerung (6,6') versehene Lauffläche (2), eine obere (3) und eine untere Flankenfläche (4) sowie eine innere Umfangsfläche (5) aufweist, wobei zumindest die Kammerung (6,6') mit mindestens einer Verschleißschutzschicht (7,7') versehen ist und auf der Lauffläche (2) zumindest partiell eine PVD-Deckschicht (8,8') aufgebracht ist, dergestalt, dass der Grundkörper in seinem fertigen Zustand lediglich randbereichsseitig (9,10,9', 10'), d. h. außerhalb der Kammerung (6,6'), die PVD- Deckschicht (8,8') aufweist.
2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD-Deckschicht (8,8') auf Basis von CrN und/oder CrON ausgebildet ist.
3. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD-Schicht (8,8') auf Basis von Nitriden der Elemente der Gruppe IV b bis VI b des Periodensystems mit oder ohne Zusatz von Al und/oder Si und/oder C und/oder O gebildet ist.
4. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD-Deckschicht (8,8') eine Dicke von 0,5 bis 10 μm aufweist.
5. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD-Deckschicht (8,8') als reibungs- und verschleißarme PVD-DLC-(diamond- like-carbon)-Schicht ausgebildet ist.
6. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD-Deckschicht (8,8') durch Beschichtung ausschließlich des jeweiligen Randbereiches (9', 10') des Grundkörpers aufgebracht ist.
7. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD-Deckschicht (8) ganzflächig auf die Lauffläche (2) aufgebracht ist, wobei die PVD-Deckschicht (8) im Bereich der Kammerung (6) entfernt ist.
8. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (7,7') galvanisch oder thermisch auf der Lauffläche (2) aufgebracht ist.
9. Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (7,7') eine Schichtdicke von 10 bis 100 μm aufweist.
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