RU2574563C2 - Method for wear-resistant coating deposition on piston seal surface - Google Patents

Method for wear-resistant coating deposition on piston seal surface Download PDF

Info

Publication number
RU2574563C2
RU2574563C2 RU2012142814/02A RU2012142814A RU2574563C2 RU 2574563 C2 RU2574563 C2 RU 2574563C2 RU 2012142814/02 A RU2012142814/02 A RU 2012142814/02A RU 2012142814 A RU2012142814 A RU 2012142814A RU 2574563 C2 RU2574563 C2 RU 2574563C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
metal
chromium
titanium
thickness
Prior art date
Application number
RU2012142814/02A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012142814A (en
Inventor
Дирк БЕРЕНРОЙТЕР
Маркус КЕННЕДИ
Маркус КЕЛЛЬНЕР
Ральф ЛАММЕРС
Original Assignee
Федерал-Могул Буршайд Гмбх
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102010002687.5A external-priority patent/DE102010002687C5/en
Application filed by Федерал-Могул Буршайд Гмбх filed Critical Федерал-Могул Буршайд Гмбх
Publication of RU2012142814A publication Critical patent/RU2012142814A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2574563C2 publication Critical patent/RU2574563C2/en

Links

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: method for wear-resistant coating deposition on the surface of a cast iron or steel piston seal, at least partially, at least on its internal surface, where an intermediate layer a-C:H:X, where X is silicon, germanium, fluorine, boron, oxygen and/or nitrogen, is deposited, and there are also provided a layer (PVD-layer) containing chromium, aluminium and/or tungsten nitrides and/or carbides, applied by vapour deposition, and/or DLC-layer consisting of one or all the following layers: an adhesive layer 1.0 mcm thick or less of chromium and/or titanium, at least one metal intermediate layer a-C:H:Me, where Me is tungsten, titanium and/or chromium, or a-C:H:X, where X is silicone, germanium, fluorine, boron, oxygen and/or nitrogen, having a thickness of 0.1 mcm to 5 mcm, and a metal-free upper layer a-C:H 0.1 mcm to 5 mcm thick.
EFFECT: improving frictional properties and/or wear behaviours of at least one component of two-part oil piston seal.
4 cl

Description

Изобретение относится к способу нанесения покрытия, по меньшей мере, на внутреннюю поверхность поршневого кольца.The invention relates to a method for coating at least the inner surface of a piston ring.

Поршневое кольцо, покрываемое способом согласно изобретению, типично предназначается как компонент состоящего из двух частей маслосъемного кольца в поршне двигателя внутреннего сгорания. При этом собственно поршневое кольцо, которое находится в скользящем контакте с цилиндром или гильзой цилиндра, давит внутренней винтовой нажимной пружиной на стенки цилиндра. Поэтому при работе двигателя на внутренней поверхности поршневого кольца из-за динамической нагрузки возникает относительное движение между поршневым кольцом и винтовой нажимной пружиной. Это движение может привести к так называемому вторичному износу, который может проявиться на поршневом кольце в форме углублений в виде канавок, а на пружине в форме съема материала. Пружина может зацепляться за эти углубления, что может ухудшить маслосъемный эффект поршневого кольца. Кроме того, может происходить ослабление тангенциального усилия, необходимого для выполнения функции.A piston ring coated by the method of the invention is typically intended as a two-part component of an oil scraper ring in a piston of an internal combustion engine. In this case, the piston ring itself, which is in sliding contact with the cylinder or cylinder liner, presses with an internal helical pressure spring on the cylinder walls. Therefore, when the engine is running on the inner surface of the piston ring due to dynamic loading, a relative movement occurs between the piston ring and the helical pressure spring. This movement can lead to the so-called secondary wear, which can occur on the piston ring in the form of grooves in the form of grooves, and on the spring in the form of material removal. The spring may engage in these recesses, which may impair the oil scraper effect of the piston ring. In addition, the weakening of the tangential force necessary to perform the function may occur.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND

Документ DE 19651112 А1 относится к маслосъемному поршневому кольцу, полностью снабженному покрытием на штоке поршня двигателя.DE 19651112 A1 relates to an oil scraper piston ring that is fully coated with an engine piston rod.

В JP2006349019 (А) раскрыто поршневое кольцо с твердым углеродным покрытием.JP2006349019 (A) discloses a piston ring with a hard carbon coating.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDESCRIPTION OF THE INVENTION

В основе изобретения стоит задача разработать способ покрытия поршневого кольца и предоставить покрытое поршневое кольцо, которое улучшает фрикционные свойства и/или характеристики износа по меньшей мере одного компонента состоящего из двух частей маслосъемного поршневого кольца.The basis of the invention is the task to develop a method for coating a piston ring and provide a coated piston ring that improves frictional properties and / or wear characteristics of at least one component of a two-part oil scraper piston ring.

Решение этой задачи достигается способом, описанным в пункте 1 формулы изобретения.The solution to this problem is achieved by the method described in paragraph 1 of the claims.

Предлагается способ нанесения износостойкого покрытия на поверхность поршневого кольца, которое выполнено из чугуна или стали, по меньшей мере, частично, по меньшей мере, на его внутреннюю поверхность, в котором наносят по меньшей мере один промежуточный слой а-С:Н:Х, где X - кремний, германий, фтор, бор, кислород и/или азот, и наносят слой осаждением из газовой фазы (PVD-слой), содержащий нитриды и/или карбиды хрома, титана, алюминия и/или вольфрама, осажденные по очереди или одновременно, и/или слой алмазоподобного углерода (DLC-слой), состоящий из по меньшей мере одного или всех следующих слоев: адгезионного слоя из хрома и/или титана толщиной 1,0 мкм или меньше, по меньшей мере одного металлсодержащего промежуточного слоя а-С:Н:Ме, где Me - вольфрам, титан и/или хром, или а-С:Н:Х, где X - кремний, германий, фтор, бор, кислород и/или азот, толщиной от 0,1 мкм до 5 мкм, и не содержащего металлов верхнего слоя а-С:Н толщиной от 0,1 мкм до 5 мкм.A method for applying a wear-resistant coating to the surface of a piston ring, which is made of cast iron or steel, at least partially, at least at least on its inner surface, in which at least one intermediate layer aC: H: X is applied, where X is silicon, germanium, fluorine, boron, oxygen and / or nitrogen, and a layer is deposited by vapor deposition (PVD layer) containing nitrides and / or carbides of chromium, titanium, aluminum and / or tungsten, deposited in turn or simultaneously and / or a diamond-like carbon layer (DLC layer) consisting of at least one or all of the following layers: an adhesive layer of chromium and / or titanium with a thickness of 1.0 μm or less than at least one metal-containing intermediate layer aC: H: Me, where Me is tungsten, titanium and / or chromium or a-C: H: X, where X is silicon, germanium, fluorine, boron, oxygen and / or nitrogen, with a thickness of 0.1 μm to 5 μm, and a metal-free top layer aC: H with a thickness of 0.1 μm to 5 μm.

Предпочтительно, если PVD-слой и/или DLC-слой наносят путем плазмохимического осаждения из газовой фазы (PA-CVD), осаждения в тлеющем разряде и/или магнетронного распыления импульсами высокой мощности (HIPIMS).Preferably, the PVD layer and / or DLC layer is applied by plasma-chemical vapor deposition (PA-CVD), glow-discharge deposition, and / or high power pulsed magnetron sputtering (HIPIMS).

Также целесообразно, если покрытие наносят толщиной от 0,1 мкм до 10 мкм.It is also advisable if the coating is applied with a thickness of 0.1 μm to 10 μm.

В предпочтительном варианте, металлсодержащий DLC-слой содержит нанокристаллические включения указанного металла или карбида металла, например WC, CrC, SiC, GeC и/или TiC.In a preferred embodiment, the metal-containing DLC layer contains nanocrystalline inclusions of said metal or metal carbide, for example WC, CrC, SiC, GeC and / or TiC.

В соответствии с настоящим изобретением, на поршневое кольцо, выполненное предпочтительно из чугуна или стали, посредством по меньшей мере одного из способов: PA-CVD (плазмохимическое осаждение из газовой фазы), тлеющий разряд или способ высокой ионизации, как, например, HIPIMS, наносится PVD и/или DLC-слой. Для описанного способа было установлено, что с его помощью можно неожиданным и оригинальным способом образовать покрытие на внутренней поверхности поршневого кольца, имеющее хорошее качество и технологически осуществимое. Таким образом, впервые на внутренней поверхности поршневого кольца можно создать эффективную защиту от истирания винтовой нажимной пружиной или кольцевой пружиной. Следует упомянуть, что поршневое кольцо на своей внутренней стороне может иметь канавку для вмещения кольцевой пружины. Под "покрытием по меньшей мере на внутренней стороне" в этой связи понимается, что поршневое кольцо имеет покрытие на своей цилиндрической внутренней поверхности, предпочтительно по меньшей мере в тех зонах, например в зоне паза для кольцевой пружины, которые соприкасаются с кольцевой пружиной. Однако описанным здесь покрытием можно снабдить и другие поверхности, такие как фланцы и/или рабочую поверхность.In accordance with the present invention, on a piston ring, preferably made of cast iron or steel, by at least one of the following methods: PA-CVD (plasma chemical vapor deposition), a glow discharge or a high ionization method, such as, for example, HIPIMS, is applied PVD and / or DLC layer. For the described method, it was found that it can be used in an unexpected and original way to form a coating on the inner surface of the piston ring, which is of good quality and technologically feasible. Thus, for the first time on the inner surface of a piston ring, it is possible to create effective protection against abrasion by a helical compression spring or an annular spring. It should be mentioned that the piston ring on its inner side may have a groove for receiving the annular spring. By “coating at least on the inside” is meant in this connection that the piston ring is coated on its cylindrical inner surface, preferably in at least those areas, for example, in the area of the groove for the annular spring, which are in contact with the annular spring. However, other surfaces, such as flanges and / or a work surface, can be provided with the coating described herein.

Для описанных слоев было установлено, что они имеют очень низкий коэффициент трения. Таким образом, следует ожидать, кроме того, низкий износ у кольцевой пружины, что выгодно. Наконец, описанные слои являются химически сравнительно очень стойкими, так что предотвращаются отложения, и выгодным образом достигается дальнейшее улучшение маневренности всей системы маслосъемного кольца. DLC-слой может иметь вид не содержащего водород слоя, в частности находиться в форме а-С или ta-C. Кроме того, допустим содержащий водород, но не содержащий металла слой, например, в форме а-С:Н или ta-C:H.For the described layers, it was found that they have a very low coefficient of friction. Thus, one should expect, in addition, low wear at the annular spring, which is advantageous. Finally, the described layers are chemically comparatively very resistant, so that deposits are prevented, and further improvement in the maneuverability of the entire oil scraper ring system is advantageously achieved. The DLC layer may be in the form of a hydrogen-free layer, in particular in the form of aC or ta-C. In addition, a hydrogen-containing but not metal-containing layer, for example in the form of a-C: H or ta-C: H, is permissible.

Предпочтительные усовершенствования описаны в зависимых пунктах.Preferred improvements are described in the dependent clauses.

Для толщины слоя, которая с выгодой удовлетворяет поставленным требованиям, был установлен диапазон от 0,5 мкм до 10 мкм.For a layer thickness that advantageously satisfies the set requirements, a range of 0.5 μm to 10 μm has been set.

Для PVD-слоя первые опыты дали особенно хорошие результаты, когда этот слой был образован из нитридов и/или карбидов по меньшей мере одного из металлов, включающих хром, титан, алюминий и вольфрам. При этом осаждение нитридов и карбидов можно проводить по очереди или одновременно.For the PVD layer, the first experiments gave particularly good results when this layer was formed from nitrides and / or carbides of at least one of the metals, including chromium, titanium, aluminum and tungsten. In this case, the precipitation of nitrides and carbides can be carried out in turn or simultaneously.

Особенно хорошие результаты достигались для PVD-слоев с твердостью от 800 до 4000 HV0.1.Especially good results were achieved for PVD layers with hardness from 800 to 4000 HV0.1.

Для слоя аморфного углерода или DLC-слоя предпочтительна структура, которая содержит по меньшей мере один из следующих слоев и к основному материалу поршневого кольца сначала содержит адгезионный слой из хрома и/или титана толщиной слоя 1,0 мкм или меньше. С ним непосредственно граничит содержащий металл или полупроводник промежуточный слой, то есть а-С:Н:Ме с вольфрамом, титаном или хромом в качестве металла или а-С:Н:Х с X = кремний и/или германий в качестве полупроводника и/или с одним или несколькими из компонентов фтор, бор, кислород и азот. Толщина этого промежуточного слоя предпочтительно составляет от 0,1 мкм до 5 мкм. Описанная структура завершается не содержащим металла верхним слоем типа а-С:Н толщиной предпочтительно от 0,1 мкм до 5 мкм.For an amorphous carbon layer or a DLC layer, a structure is preferred that contains at least one of the following layers and first to the main material of the piston ring contains an adhesive layer of chromium and / or titanium with a layer thickness of 1.0 μm or less. An intermediate layer containing a metal or semiconductor is directly adjacent to it, i.e. a-C: H: Me with tungsten, titanium or chromium as metal or a-C: H: X with X = silicon and / or germanium as a semiconductor and / or with one or more of the components fluorine, boron, oxygen, and nitrogen. The thickness of this intermediate layer is preferably from 0.1 μm to 5 μm. The described structure is completed by a metal-free a-C: H type top layer, preferably from 0.1 μm to 5 μm thick.

Особенно хорошие свойства были установлены для металлсодержащего промежуточного DLC-слоя, который содержит нанокристаллические включения металла или карбида металла, как, например, WC, CrC, SiC, GeC или TiC.Particularly good properties have been established for a metal-containing intermediate DLC layer, which contains nanocrystalline metal or metal carbide inclusions, such as, for example, WC, CrC, SiC, GeC or TiC.

Для DLC-слоя выгодные свойства установлены при твердости от 2000 до 5000 HV0.002.For the DLC layer, advantageous properties are established at hardnesses from 2000 to 5000 HV0.002.

В дополнение к описанному вначале способу можно для DLC-слоя применять также напыление, и в частности способ тлеющего разряда с полым катодом.In addition to the method described initially, sputtering can also be applied to the DLC layer, and in particular a hollow cathode glow discharge method.

Следует, кроме того, упомянуть, что на описанное здесь поршневое кольцо, у которого по меньшей мере его внутренняя поверхность имеет покрытие, можно также нанести покрытие в форме конструктивного решения, которое описано настоящим Заявителем в поданной в тот же день заявке, озаглавленной "Скользящий элемент, в частности поршневое кольцо, и способ покрытия скользящего элемента". Кроме того, описанное здесь поршневое кольцо, в частности, с покрытием на внутренней поверхности, можно выгодным образом комбинировать с винтовой нажимной пружиной, описанной в поданной в тот же день заявке под названием "Винтовая нажимная пружина для маслосъемного поршневого кольца в двигателе внутреннего сгорания и способ покрытия винтовой нажимной пружины", в одной из указанных там форм осуществления.It should also be mentioned that the piston ring described here, which has at least its inner surface coated, can also be coated in the form of a structural solution, which is described by the present Applicant in the application filed on the same day, entitled "Sliding element , in particular a piston ring, and a method for coating a sliding element. " In addition, the piston ring described here, in particular with a coating on the inner surface, can be advantageously combined with a screw pressure spring described in the application filed on the same day under the name "Screw pressure spring for an oil scraper piston ring in an internal combustion engine and method helical compression spring coatings, in one of the embodiments indicated therein.

Claims (4)

1. Способ нанесения износостойкого покрытия на поверхность поршневого кольца, которое выполнено из чугуна или стали, по меньшей мере, частично, по меньшей мере, на его внутреннюю поверхность, в котором наносят по меньшей мере один промежуточный слой а-С:Н:Х, где X - кремний, германий, фтор, бор, кислород и/или азот, и наносят слой осаждением из газовой фазы (PVD-слой), содержащий нитриды и/или карбиды хрома, титана, алюминия и/или вольфрама, осажденные по очереди или одновременно, и/или слой алмазоподобного углерода (DLC-слой), состоящий из по меньшей мере одного или всех следующих слоев: адгезионного слоя из хрома и/или титана толщиной 1,0 мкм или меньше, по меньшей мере одного металлсодержащего промежуточного слоя а-С:Н:Ме, где Me - вольфрам, титан и/или хром, или а-С:Н:Х, где X - кремний, германий, фтор, бор, кислород и/или азот, толщиной от 0,1 мкм до 5 мкм и не содержащего металлов верхнего слоя а-С:Н толщиной от 0,1 мкм до 5 мкм.1. The method of applying a wear-resistant coating on the surface of the piston ring, which is made of cast iron or steel, at least partially, at least at least on its inner surface, in which at least one intermediate layer aC: H: X is applied, where X is silicon, germanium, fluorine, boron, oxygen and / or nitrogen, and a layer is deposited by vapor deposition (PVD layer) containing nitrides and / or carbides of chromium, titanium, aluminum and / or tungsten, deposited in turn or at the same time and / or a diamond-like carbon layer (DLC layer) consisting of at least m Here is one or all of the following layers: an adhesive layer of chromium and / or titanium with a thickness of 1.0 μm or less than at least one metal-containing intermediate layer aC: H: Me, where Me is tungsten, titanium and / or chromium, or a-C: H: X, where X is silicon, germanium, fluorine, boron, oxygen and / or nitrogen, with a thickness of 0.1 μm to 5 μm and a metal-free top layer a-C: H with a thickness of 0.1 microns to 5 microns. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что PVD-слой и/или DLC-слой наносят путем плазмохимического осаждения из газовой фазы (PA-CVD), осаждения в тлеющем разряде и/или магнетронного распыления импульсами высокой мощности (HIPIMS).2. The method according to p. 1, characterized in that the PVD layer and / or DLC layer is applied by plasma-chemical vapor deposition (PA-CVD), glow-discharge deposition and / or high power pulsed magnetron sputtering (HIPIMS). 3. Способ по любому из п. 1 или 2, отличающийся тем, что упомянутое покрытие наносят толщиной от 0,1 мкм до 10 мкм.3. The method according to any one of p. 1 or 2, characterized in that the said coating is applied with a thickness of from 0.1 μm to 10 μm. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что металлсодержащий DLC-слой содержит нанокристаллические включения указанного металла или карбида металла, например WC, CrC, SiC, GeC и/или TiC. 4. The method according to p. 1, characterized in that the metal-containing DLC layer contains nanocrystalline inclusions of the indicated metal or metal carbide, for example WC, CrC, SiC, GeC and / or TiC.
RU2012142814/02A 2010-03-09 2011-02-17 Method for wear-resistant coating deposition on piston seal surface RU2574563C2 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102010002687.5 2010-03-09
DE102010002687.5A DE102010002687C5 (en) 2010-03-09 2010-03-09 Process for coating at least the inner surface of a piston ring and piston ring
PCT/EP2011/052342 WO2011110411A2 (en) 2010-03-09 2011-02-17 Method for coating at least the inner face of a piston ring and piston ring

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012142814A RU2012142814A (en) 2014-04-20
RU2574563C2 true RU2574563C2 (en) 2016-02-10

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2788796C2 (en) * 2018-06-18 2023-01-24 Идромеканик Э Фроттман Part provided with coating of hydrated amorphous carbon on sublayer containing chrome, carbon and silicon

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19825860A1 (en) * 1998-06-10 1999-12-16 Elgan Diamantwerkzeuge Gmbh & Piston ring for piston engine, with diamond-like coating
EP1154035B1 (en) * 2000-05-09 2006-01-04 Kabushiki Kaisha Riken Amorphous carbon film containing oxide
RU2288297C2 (en) * 2001-06-22 2006-11-27 Тиссенкрупп Илектрикел Стил Ебг Гмбх Electrical textured steel sheet with electrically insulating coating and process for producing electrical textured sheet steel with such coating
US7318847B2 (en) * 2002-04-25 2008-01-15 Oerlikon Trading Ag, Trubbach Structured coating system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19825860A1 (en) * 1998-06-10 1999-12-16 Elgan Diamantwerkzeuge Gmbh & Piston ring for piston engine, with diamond-like coating
EP1154035B1 (en) * 2000-05-09 2006-01-04 Kabushiki Kaisha Riken Amorphous carbon film containing oxide
RU2288297C2 (en) * 2001-06-22 2006-11-27 Тиссенкрупп Илектрикел Стил Ебг Гмбх Electrical textured steel sheet with electrically insulating coating and process for producing electrical textured sheet steel with such coating
US7318847B2 (en) * 2002-04-25 2008-01-15 Oerlikon Trading Ag, Trubbach Structured coating system

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2788796C2 (en) * 2018-06-18 2023-01-24 Идромеканик Э Фроттман Part provided with coating of hydrated amorphous carbon on sublayer containing chrome, carbon and silicon

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5855026B2 (en) Method for coating at least the inner surface of a piston ring
RU2520245C2 (en) Sliding element, particularly, coated piston ring, and method of its fabrication
RU2520858C2 (en) Sliding element, namely, piston ring with coating
RU2634811C2 (en) Sliding element, in particular, piston ring with resistant coating
US9488275B2 (en) Sliding element, in particular a piston ring, having a coating
JP2000120870A (en) Piston ring
JPH11172413A (en) Piston ring
US10697543B2 (en) Sliding element, in particular piston ring, and method for producing the same
JP2016516134A (en) Cylinder liner having adhesive metal layer and method for forming cylinder liner
US10294890B2 (en) Sliding combination for use in an internal combustion engine
RU2558705C2 (en) Helical compression steel spring for piston ring
US11413695B2 (en) Tap drill with enhanced performance
JP6523283B2 (en) Molybdenum nitride with excellent sliding properties and adequate hardness
RU2574563C2 (en) Method for wear-resistant coating deposition on piston seal surface
RU2727466C2 (en) Piston ring with protective layer having coating
EP2716790B1 (en) An element provided with at least one slide surface for use on an internal combustion engine or on a compressor
KR101797186B1 (en) Sliding element
WO2017218444A1 (en) Boron doped ta-c coating for engine components
KR102660356B1 (en) Improved performance tap drill
WO2022176113A1 (en) Sliding coating film and sliding member
US20230407464A1 (en) Multilayer system, component, and method for producing such a multilayer system or component
CN206655746U (en) Oil-scraping ring
FR2802610A1 (en) PROCESS FOR FORMING OIL TANKS ON COATED IRON
JP2013119633A (en) Sliding member