WO2011018252A1 - Gleitelement, insbesondere kolbenring, mit einer beschichtung - Google Patents

Gleitelement, insbesondere kolbenring, mit einer beschichtung Download PDF

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Michael Zinnabold
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F5/00—Piston rings, e.g. associated with piston crown

Definitions

  • the invention relates to a sliding element, in particular a piston ring with a coating on at least one
  • Sliding elements e.g. Piston rings, pistons or
  • Cylinder liners in internal combustion engines must work over a long service life both with the lowest possible friction and with low wear. Although the friction, which in internal combustion engines directly with the
  • PVD coatings based on hard material which usually have chromium nitride.
  • DE 10 2008 016 864 relates to a sliding element with a coating which has an adhesive layer, a metal-containing DLC layer and a metal-free DLC layer from the inside to the outside.
  • DE 197 35 962 A1 discloses a guide bush and a method for forming a hard carbon film on the inner surface of the guide bush, in which on the inner surface of a hard carbon film of hydrogenated amorphous carbon by a plasma CVD method
  • WO 2006/125683 Al shows a piston ring, which from the inside to the outside a layer with an element of
  • Groups IVB, VB or VIB an intermediate layer having a diamond-like nanocomposite composition and a DLC layer.
  • the object of the invention is to provide a sliding element which is further improved with regard to the combination of friction coefficients and wear properties.
  • this has on at least one tread on a coating, which from the inside to the outside an adhesive layer, a metal, in particular tungsten-containing DLC layer and a metal-free DLC layer, wherein the thickness ratio between the metal-free and the
  • the adhesive layer is preferably a chromium adhesive layer.
  • the metal-containing DLC layer comprises amorphous carbon and may be referred to as a-C: H: Me and as the preferred tungsten-containing DLC layer as a-C: H: W.
  • the outermost or top layer also has amorphous carbon and can be given as a-C: H. In the described values, particularly good properties with regard to friction and wear were found. This tribological
  • middle and the top layer have a nearly identical thickness, so that here a thickness ratio of about 1.0, in particular 0.9 to 1.1 or a thickness ratio of the top to the total layer of about 0.5, in particular 0.45 to 0 , 55 is preferred.
  • a thickness ratio of about 1.0, in particular 0.9 to 1.1 or a thickness ratio of the top to the total layer of about 0.5, in particular 0.45 to 0 , 55 is preferred.
  • Coatings within the ranges mentioned friction values are determined, which meet the requirements placed in an internal combustion engine well and in particular are largely constant. In contrast, high friction peaks and an inconstant friction pattern were detected outside of these areas after only a short time.
  • the metal-free DLC layer initially very high residual stresses in the overall system, so the coating brings a total, at a layer thickness of the metal-containing DLC layer, the similar to the thickness of the outermost layer, can be compensated so that the coating in terms of the combination between strength and
  • Toughness is optimally designed.
  • a sliding element coated therewith in particular a piston ring, has good wear resistance.
  • the slider has a too short life, since the outermost metal-free DLC layer, although a high wear resistance, but one has low layer thickness.
  • a layer thickness ratio between the metal-free and the metal-containing DLC layer of> 1.5 and / or between top to total layer of> 0.6 the thickness of the metal-containing DLC layer is insufficient to compensate for the residual stresses. This results in premature wear of the DLC layer as a whole despite the large thickness of the outermost layer or flaking of the DLC layer due to excessive stresses during operation.
  • the coating is formed on at least one running surface of the sliding element, at least partially, it may extend over the entire running surface and in particular may also be wholly or partly formed on surfaces which adjoin the running surfaces, e.g. the flanks of a
  • Piston ring and / or at the transition from the tread to the adjacent surfaces.
  • Piston ring is currently preferred cast iron or steel. For these materials were particularly good properties
  • 1700 HVO.02 to 2900 HVO .02 for the metal-free (aC: H, Top) DLC layer and / or 800 to 1600 HVO.02 for the metal-containing (aC: H: Me) DLC layer is preferred, since these values have achieved a good fulfillment of the requirements.
  • Both the metal-containing and the metal-free DLC layer can contain hydrogen, which has proved favorable in experiments.
  • the tungsten-containing DLC layer prefferably contains nanocrystalline tungsten carbide precipitates, which further has favorable effects on the properties.
  • the thickness of the adhesive layer in particular a
  • Chromhafthafttik is, is a value of a maximum of 1 micron
  • a total thickness of the coating of 5 microns to 40 microns is preferred.
  • the adhesive layer is presently preferred for the adhesive layer to be
  • a favorable production of the coating according to the invention is further ensured with regard to the metal-containing and / or metal-free DLC layer, if these are formed by means of a PA-CVD method.
  • Fig. 1 shows schematically the structure of the invention
  • FIG. 2 is a representation of the relative wear in two examples of the invention and a
  • Fig. 3 is a representation of the relative
  • the coating according to the invention has, from the inside to the outside, an adhesive layer 10, a middle layer 12 and a top layer 14, whose thicknesses and thickness ratios in the above
  • Ratio middle layer / top layer 0, 71 2, 40 1, 08
  • Examples 1 and 3 are examples according to the invention and example 2 is a comparative example.
  • the tests were carried out for the system "piston ring / casted gray cast iron cylinder liner lubricated".
  • Fig. 2 the relative wear values of the piston rings are shown.
  • the examples according to the invention have significantly lower wear than the comparative example 2, in particular, only about 20% or less of
  • the friction coefficient in the comparative example over the entire course is higher and has very high peak values.
  • the coefficient of friction fluctuates extensively. Furthermore, failure of the coating according to this
  • Comparative example be spoken before the end of the trial period.

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Abstract

Ein Gleitelement, wie z.B. ein Kolbenring, weist eine Beschichtung auf zumindest einer Lauffläche auf, die von innen nach außen eine Haftschicht (10), eine metall-, vorzugsweise wolframhaltige DLC-Schicht (12) und eine metallfreie DLC-Schicht (14) aufweist, und zeichnet sich dadurch aus, dass die Dicke der metallfreien DLC-Schicht zur Dicke der metallhaltigen DLC-Schicht ein Verhältnis von 0,7 bis 1,5 und/oder zur Gesamtdicke der Beschichtung ein Verhältnis von 0,4 bis 0,6 aufweist.

Description

Gleitelement, insbesondere Kolbenring, mit einer Beschichtunq
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Gleitelement, insbesondere einen Kolbenring mit einer Beschichtung auf zumindest einer
Lauffläche .
Gleitelemente, wie z.B. Kolbenringe, Kolben oder
Zylinderlaufbuchsen in Verbrennungsmotoren müssen über eine lange Lebensdauer sowohl bei möglichst geringer Reibung als auch mit geringem Verschleiß arbeiten. Zwar kann die Reibung, die bei Verbrennungsmotoren unmittelbar mit dem
Kraftstoffverbrauch einhergeht, durch Beschichtungen aus DLC (diamond-like carbon) gering gehalten werden. Ferner können grundsätzlich Schichtdicken bis 40 μm erreicht werden. Jedoch ergibt sich bei Schichtdicken von mehr als 5 μm das Problem, dass sich die Schichteigenschaften, beispielsweise im
Hinblick auf den Aufbau und die Zusammensetzung der Schicht, verändern, so dass die geforderte Lebensdauer nicht erreicht wird. Dies gilt in gleicher Weise für Schichtdicken von weniger als 5 μm.
Stand der Technik
Bekannt sind in diesem Zusammenhang ferner PVD-Beschichtungen auf Hartstoffbasis, die zumeist Chromnitrid aufweisen.
Derartige Schichten haben zwar die erforderliche
Verschleißbeständigkeit , nicht jedoch die notwendigen
niedrigen Reibkoeffizienten. Aus der DE 10 2005 063 123 B3 ist ein Gleitelement mit einer DLC-Beεchichtung mit gutem Einlaufverhalten bekannt.
Insgesamt ist jedoch die Dauerhaftigkeit eines niedrigen Reibungskoeffizienten weiter verbesserungsfähig.
Die DE 10 2008 016 864 betrifft ein Gleitelement mit einer Beschichtung, die von innen nach außen eine Haftschicht, eine metallhaltige DLC-Schicht und eine metallfreie DLC-Schicht aufweist.
Aus der DE 197 35 962 Al geht eine Führungsbuchse und ein Verfahren zur Ausbildung eines harten Kohlenstofffilms auf der Innenfläche der Führungsbuchse hervor, bei dem auf der Innenfläche ein harter Kohlenstofffilm aus hydriertem, amorphen Kohlenstoff durch ein Plasma~CVD-Verfahren
ausgebildet wird.
Schließlich zeigt die WO 2006/125683 Al einen Kolbenring, der von innen nach außen eine Schicht mit einem Element der
Gruppen IVB, VB oder VIB, eine Zwischenschicht mit einer diamantartigen Nanokomposit-Zusammensetzung und eine DLC- Schicht aufweist.
Darstellung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Gleitelement zur Verfügung zu stellen, das im Hinblick auf die Kombination aus Reibungskoeffizienten und Verschleißeigenschaften weiter verbessert ist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das im Anspruch 1 beschriebene Gleitelement.
Demzufolge weist dieses auf zumindest einer Lauffläche eine Beschichtung auf, die von innen nach außen eine Haftschicht, eine metall-, insbesondere wolframhaltige DLC-Schicht und eine metallfreie DLC-Schicht aufweist, wobei das Dickenverhältnis zwischen der metallfreien und der
metallhaltigen DLC-Schicht zwischen 0,7 und 1,5 und/oder das Verhältnis der Dicken zwischen der metallfreien DLC-Schicht und der Beschichtung insgesamt zwischen 0,4 und 0,6 liegt. Die Haftschicht ist bevorzugt eine Chrom-Haftschicht. Die metallhaltige DLC-Schicht weist amorphen Kohlenstoff auf und kann mit a-C:H:Me und als die bevorzugte wolframhaltige DLC- Schicht als a-C:H:W bezeichnet werden. Die äußerste oder Topschicht weist ebenfalls amorphen Kohlenstoff auf und kann mit a-C:H angegeben werden. Bei den beschriebenen Werten wurden besonders gute Eigenschaften im Hinblick auf Reibung und Verschleiß festgestellt. Diese tribologischen
Eigenschaften können durch eine dickere Topschicht in
Richtung einer längeren Lebensdauer beeinflusst werden. Wenn diese jeάoch im Vergleich zur mittleren Schicht zu dick wird, verschlechtern sich die Verschleißwerte. Besonders gute
VerschleiSwerte konnten festgestellt werden, wenn die
mittlere und die Topschicht eine nahezu identische Dicke aufweisen, so dass hier ein Dickenverhältnis von etwa 1,0, insbesondere 0,9 bis 1,1 bzw. ein Dickenverhältnis der Top- zur Gesamtschicht von etwa 0,5, insbesondere 0,45 bis 0,55 bevorzugt wird. Im Hinblick auf die Reibung konnten für
Beschichtungen innerhalb der genannten Bereiche Reibwerte festgestellt werden, welche die in einem Verbrennungsmotor gestellten Anforderungen gut erfüllen und insbesondere weitgehend konstant sind. Im Gegensatz dazu wurden außerhalb dieser Bereiche bereits nach kurzer Zeit hohe Reibwertspitzen und ein inkonstanter Reibverlauf festgestellt.
Als Erklärung für dieses Verhalten, worauf die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, wird derzeit angesehen, dass die metallfreie DLC-Schicht zunächst sehr hohe Eigenspannungen in das Gesamtsystem, also die Beschichtung insgesamt einbringt, die bei einer Schichtdicke der metallhaltigen DLC-Schicht, die ähnlich zu der Dicke der äußersten Schicht ist, derart ausgeglichen werden können, dass die Beschichtung hinsichtlich der Kombination zwischen Festigkeit und
Zähigkeit optimal ausgebildet ist. Somit besitzt ein damit beschichtetes Gleitelement, insbesondere ein Kolbenring, einen guten Verschleißwiderstand. Bei
Schichtdickenverhältnissen zwischen der metallfreien und der metallhaltigen DLC-Ξchicht von < 0,7 und/oder von Top™ zu Gesamtschicht von < 0,4 besitzt das Gleitelement eine zu geringe Lebensdauer, da die äußerste metallfreie DLC-Schicht zwar einen hohen Verschleißwiderstand jedoch eine zu geringe Schichtdicke aufweist. Im Gegensatz hierzu reicht bei einem Schichtdickenverhältnis zwischen der metallfreien und der metallhaltigen DLC-Schicht von > 1,5 und/oder zwischen Top- zu Gesamtschicht von > 0,6 die Dicke der metallhaltigen DLC- Schicht nicht aus, um die Eigenspannungen auszugleichen. Dies führt zu einem frühzeitigen Verschleiß der DLC-Schicht insgesamt trotz der großen Dicke der äußersten Schicht oder zu einem Abplatzen der DLC-Schicht durch zu hohe Belastungen während des Betriebs .
Während die Beschichtung auf zumindest einer Lauffläche des Gleitelements, zumindest teilweise, ausgebildet ist, kann sie sich über die gesamte Lauffläche erstrecken und insbesondere auch auf Flächen ganz oder teilweise ausgebildet sein, die an die Laufflächen angrenzen, wie z.B. die Flanken eines
Kolbenrings und/oder an dem Übergang von der Lauffläche zu den daran angrenzenden Flächen.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen
Gleitelements sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Als Grundwerkstoff des Gleitelements, insbesondere des
Kolbenrings wird derzeit Gusseisen oder Stahl bevorzugt. Für diese Werkstoffe konnten besonders gute Eigenschaften
festgestellt werden.
Im Hinblick auf die Härte der Schicht werden Werte von
1700 HVO.02 bis 2900 HVO .02 für die metallfreie (a-C:H-, Top-) DLC-Schicht und/oder 800 bis 1600 HVO.02 für die metallhaltige (a-C:H:Me-) DLC-Schicht bevorzugt, da bei diesen Werten eine gute Erfüllung der Anforderungen erreicht wurde .
Sowohl die metallhaltige als auch die metallfreie DLC-Schicht kann Wasserstoff enthalten, was sich bei Versuchen als günstig erwiesen hat.
Ferner wird für die wolframhaltige DLC-Schicht bevorzugt, dass sie nanokristalline Wolframcarbidausscheidungen enthält, was sich auf die Eigenschaften weiter günstig auswirkt.
Für die Dicke der Haftschicht, die insbesondere eine
Chromhaftschicht ist, wird ein Wert von maximal 1 μm
bevorzugt .
Um die beschriebene Balance zwischen Reibbeiwert und
Verschleißeigenschaften besonders gut zu lösen, wird eine Gesamtdicke der Beschichtung von 5 μm bis 40 μm bevorzugt.
Im Hinblick auf eine effiziente Ausbildung der Beschichtung wird für die Haftschicht derzeit bevorzugt, dass sie
metallisch aufgedampft ist.
Eine günstige Herstellung der erfindungsgemäßen Beschichtung wird ferner im Hinblick auf die metallhaltige und/oder metallfreie DLC-Schicht gewährleistet, wenn diese mittels eines PA-CVD-Verfahrens ausgebildet sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der
Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch den Aufbau der erfindungsgemäßen
Beschichtung ; Fig. 2 eine Darstellung des relativen Verschleißes bei zwei erfindungsgemäßen Beispielen und einem
Vergleichsbeispiel; und
Fig. 3 eine Darstellung des relativen
Reibungskoeffizienten bei zwei erfindungsgemäßen Beispielen und einem Vergleichsbeispiel .
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführunqsformen der Erfindung
Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, weist die erfindungsgemäße Beschichtung, von innen nach außen, eine Haftschicht 10, eine Mittelschicht 12 und eine Topschicht 14 auf, deren Dicken und Dickenverhältnisse in dem oben
angegebenen Bereich liegen.
Beispiele
Anhand zweier Beispiele und eines Vergleichsbeispiels wurden die Eigenschaften der erfindungsgemaßen Beschichtung überprüft. Versuche wurden mit folgenden Beschichtungen durchgeführt :
Beispiel 1 2 3
Verhältnis Mittelschicht/Topschicht 0 ,71 2 ,40 1 ,08
Anteil Topschicht an GesamtSchicht 0 ,42 0 ,71 0 ,52
Hierbei handelt es sich bei den Beispielen 1 und 3 um erfindungsgemäße Beispiele und bei dem Beispiel 2 um ein Vergleichsbeispiel. Die Untersuchungen wurden für das System "Kolbenring/gehonte Grauguss-Zylinderlaufbuchse geschmiert" durchgeführt. In Fig. 2 sind die relativen Verschleißwerte der Kolbenringe gezeigt. Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, weisen die erfindungsgemäßen Beispiele einen deutlich geringeren Verschleiß als das Vergleichsbeispiel 2, insbesondere etwa lediglich 20% oder weniger des bei
Vergleichsbeispiel 2 auftretenden Verschleißes, auf.
Wie Fig. 3 zeigt, ist der Reibkoeffizient bei den
erfindungsgemäßen Beispielen darüber hinaus über die Zeit weitgehend konstant, während der Reibkoeffizient bei dem Vergleichsbeispiel über den gesamten Verlauf zum einen höher liegt und sehr hohe Spitzenwerte aufweist. Zum anderen schwankt der Reibkoeffizient umfangreich. Ferner kann von einem Versagen der Beschichtung gemäß diesem
Vergleichsbeispiel vor Beendigung der Versuchszeit gesprochen werden .

Claims

Patentansprüche
1. Gleitelement , wie z.B. Kolbenring, mit einer
BeSchichtung auf zumindest einer Lauffläche, die von innen nach außen eine Haftschicht (10), eine metall-, vorzugsweise wolframhaltige DLC-Schicht (12) und eine metallfreie DLC-Schicht (14) aufweist,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Dicke der metallfreien DLC-Schicht zur Dicke der metallhaltigen DLC-Schicht ein Verhältnis von 0,7 bis 1,5 und/oder zur Gesamtdicke der Beschichtung ein
Verhältnis von 0,4 bis 0,6 aufweist.
2. Gleitelement nach Anspruch 1,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
dieses als Grundwerkstoff Gusseisen oder Stahl aufweist
3. Gleitelement nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die metallfreie DLC-Schicht eine Härte von 1700 HVO.02 bis 2900 HVO.02 und/oder die metallhaltige DLC-Schicht eine Härte von 800 bis 1600 HVO.02 aufweist.
4. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die metallhaltige und/oder die metallfreie DLC-Schicht Wasserstoff enthalten.
5. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die wolframhaltige DLC-Schicht nanokristalline
Wolframcarbidausscheidungen enthält .
6. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Haftschicht, insbesondere eine Chrom-Haftschicht, eine Dicke von maximal 1 μm aufweist.
7. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Gesamtdicke der Beschichtung 5 μm bis 40 μm beträgt
8. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Haftschicht metallisch aufgedampft ist.
9. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die metallhaltige und/oder die metallfreie DLC-Schicht mittels PA-CVD-Verfahren ausgebildet sind.
PCT/EP2010/056439 2009-08-13 2010-05-11 Gleitelement, insbesondere kolbenring, mit einer beschichtung WO2011018252A1 (de)

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