DE102004032342B4 - Kolbenring mit mindestens zwei unterschiedlichen Schichten auf der Lauffläche - Google Patents
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Abstract
Kolbenring,
bestehend aus einem Grundkörper
(1), auf dessen äußerer Umfangsfläche (4) mindestens
zwei unterschiedliche Schichten (6,7) lagenweise übereinander
aufgebaut sind, wobei die der äußeren Umfangsfläche (4)
zugewandte Unterschicht (6) durch mindestens eine thermische Spritzschicht
und die darauf aufgebrachte Schicht (7) durch mindestens eine Aufdampfschicht
gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich (8) zwischen
der thermischen Spritzschicht (6) und der Verschleißschutzschicht
(7) eine Rauheit aufweist, die geringer als Ra 0,5 μm, Rz 3 μm und Rmax. < 10 μm ist und
die thermische Spritzschicht (6) eine HVOF-Schicht mit überwiegendem
Anteil an Carbiden ist, deren Schichtstärke zwischen 30 und 150 μm beträgt, und dass
die darauf abgeschiedene Verschleißschutzschicht (7) aus Chromnitriden
gebildet ist, deren Schichtdicke zwischen 0,5 und 20 μm beträgt.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Kolbenring, bestehend aus einem Grundkörper, auf dessen äußerer Umfangsfläche mindestens zwei unterschiedliche Schichten lagenweise übereinander aufgebaut sind, wobei die der äußeren Umfangsfläche zugewandte Unterschicht durch mindestens eine thermische Spritzschicht und die darauf aufgebrachte Schicht durch mindestens eine Aufdampfschicht gebildet ist.
- Der EP-B 0 759 519 ist ein Kolbenring für Verbrennungsmotoren zu entnehmen, der zumindest im Bereich einer seiner Flanken mit einer im Plasma-CVD-Verfahren aufgebrachten dotierten Hartkohlenstoffschicht beschichtet ist. Vorteilhafterweise ist der gesamte Kolbenring mit der Hartkohlenstoffschicht beschichtet, wobei die Oberfläche des Kolbenringes unterhalb der Beschichtung nitriert sein kann.
- Durch die JP-A 62058050 ist ein Kolbenring bekannt geworden, der mit einer mehrlagigen Beschichtung versehen ist, wobei die dem Grundkörper zugewandte Schicht als superharte Schicht auf Basis von Ti (C,N), TiC, SiC oder Al2O3 mit einer Schichtdicke zwischen 5 und 15μm ausgebildet ist. Diese superharte Schicht soll durch das Plasma-CVD-Verfahren aufgebracht werden. Auf selbiger Schicht wird mit relativ geringer Schichtdicke (1 bis 5 μm) TiN abgeschieden.
- Die
GB 2 257 771 A - Die
DE 195 11 628 C2 bezieht sich auf die Beschichtung von Kolbenstangen. Die Beschichtung ist so ausgebildet, dass eine besonders glatte Oberfläche durch Polieren erzielbar ist um so eine geringe Porosität zu erhalten. Für den Einsatz bei Kolbenringen ist eine solche Schicht nicht geeignet. - Die
DE 199 27 998 A1 offenbart eine Cr-B-N Legierung die durch ein PVD-Verfahren auf einen Kolbenring aufgebracht ist. Eine thermische Spritzschicht ist nicht vorgesehen. - Aus der JP 2004-116 707 A ist eine Lauffläche eines Kolbenringes bekannt bei der eine definierte Rauheit vorgegeben ist. Der Übergangsbereich zwischen einer thermischen Spritzschicht und einer PVD-Schicht wird nicht angesprochen.
- Die
DE 100 11 918 A1 offenbart einen gattungsgemäßen Kolbenring, ein Hinweis zur Rauhigkeit des Übergangsbereiches sowie zur besonderen Zusammensetzung der Spritzschicht kann dieser Schrift nicht entnommen werden. - Laufflächen von Kolbenringen unterliegen einem starken Verschleiß. Thermisch gespritzte Laufflächen auf Basis von Carbiden und anderen Hartstoffen stellen derzeit zwar eine gute aber für zukünftige Motorgenerationen eine nicht mehr ausreichende Verschleiß- und Brandspurfestigkeit dar. Die Brandspurgefährdung ist insbesondere im Einlaufbereich des Motors als hoch anzusehen.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Hybridbeschichtung für einen Kolbenring zu schaffen, die für einen definierten Laufzeitraum besonders vorteilhafte Laufeigenschaften, wie insbesondere geringe Reibung, höchstmögliche Brandspurfestigkeit und geringst möglichen Verschleiß mit sich bringt. Insbesondere lange nach der Einlaufzeit des Motors soll eine sehr verschleißbeständige Beschichtung für eine lange Standzeit des Kolbenringes sorgen.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruch 1 gelöst.
- Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbenringes sind den zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen.
- Als Aufdampfverfahren können alle bekannten Verfahren zur Anwendung kommen, insbesondere sind dies die PVD-und CVD-Verfahren.
- Auch wenn die gewählten Begriffe dem Fachmann bekannt sind, so werden sie im Folgenden kurz wiedergegeben:
- – PVD – Physical Vapour Deposition
- – CVD – Chemical Vapour Deposition
- – DLC – Diamond Like Carbon
- – HVOF – High Velocity Oxygen Fuel
- Aus der Gruppe der thermischen Spritzschichten kommen bevorzugt solche nach dem HVOF-Verfahren erzeugten Schichten, mit oder ohne Haftschicht, beinhaltend Oxide, Carbide und/oder Boride, zum Einsatz.
- Die Verschleißschutzschicht kann aus CrNx bestehen, wobei x sowohl Metalloide wie zum Beispiel C, B oder O, als auch Hartstoffe bildende Elemente, wie z. B. Si, V, Nb, W, Al, Ta, usw., sein können. Die Verschleißschutzschicht kann bedarfsweise eine sogenannte DLC-Schicht sein und ebenfalls bedarfsweise selbstschmierende Elemente, wie zum Beispiel MoS2, enthalten.
- Besonders vorteilhaft wird ein Kolbenring mit einer vorwiegend aus Carbiden gebildeten HVOF-Schicht mit einer Schichtstärke zwischen 30 und 150 μm und einer darauf abgeschiedenen Verschleißschutzschicht aus dem System CrN mit einer Schichtstärke von 0,5 bis 10 μm angesehen, wobei die Rauheit des Übergangsbereiches zwischen den beiden Schichten Ra 0,1 μm, Rz 1 μm und R-max. 8 μm nicht übersteigen soll.
- Der Kolbenringwerkstoffkann Gußeisen oder Stahl sein. Mit der gewählten Hybridbeschichtung sind besonders vorteilhaft Gußwerkstoffe verwendbar und Ringdesigns mit scharfer Kante möglich, indem die HVOF-Spritzschicht teilweise oder ganz in entsprechende, in der äußeren Umfangsfläche des Kolbenring-Grundkörpers vorgesehene Ausnehmungen eingelegt wird.
- Die Verschleißschutzschicht kann durch alle vorteilhaften Schichtvarianten dargestellt werden, zum Beispiel DLC (sehr reibungsarm, lässt sich jedoch nicht über 5 μm abscheiden) CrN und so weiter. Dies ist möglich, da lange nach der Einlaufphase des Kolbenringes eine sehr verschleißbeständige HVOF-Carbidschicht die Last im Betriebszustand übernimmt.
- Wie bereits angesprochen sind kombinierte Aufdampf-HVOF-Hybridbeschichtungen vorteilhaft auf Gußwerkstoffen erzeugbar. Zusammen mit der geringen notwendigen Schichtdicke für die Verschleißschutzschicht ergibt sich ein Kostenvorteil gegenüber einer herkömmlichen 50 μm dicken PVD-Schicht auf nitrierten Stahlwerkstoffen.
- Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben: Die einzige Figur zeigt einen Kolbenring-Grundkörper
1 , der in diesem Beispiel aus Gußeisen bestehen soll. Der Kolbenring-Grundkörper1 beinhaltet Flanken2 ,3 , eine die Lauffläche bildende äußere Umfangsfläche4 sowie eine innere Umfangsfläche5 . Im Bereich der äußeren Umfangsfläche4 sind in diesem Beispiel zwei unterschiedliche Schichten6 ,7 lagenweise übereinander aufgebaut. Die Unterschicht6 wird gebildet durch eine thermische Spritzschicht, die in diesem Beispiel eine nach dem HVOF-Verfahren aufgebrachte Schicht mit überwiegendem Anteil an Carbiden ist, deren Schichtstärke 80 μm beträgt. - Auf diese HVOF-Spritzschicht
6 wird eine nach dem PVD-Verfahren aufgebrachte Verschleißschutzschicht7 aufgebracht, die in diesem Beispiel aus dem System CrN stammt und eine Schichtdicke von 10 μm aufweist. - Mit dem Bezugszeichen
8 ist der Übergangsbereich zwischen der thermischen Spritzschicht6 und der Verschleißschutzschicht7 gemeint, die eine sehr geringe Rauheit, in diesem Beispiel Ra<0,1 μm, Rz<1 μm und R max. < 8 μm, aufweist. - Dieses Beispiel stellt eine von vielen möglichen unter den Schutzbereich fallenden Varianten dar, wobei es ebenfalls möglich ist, den Kolbenring-Grundkörper
1 aus Stahl herzustellen. Ebenfalls denkbar ist, in die äußere Umfangsfläche4 Ausnehmungen einzuarbeiten und die thermische Spritzschicht6 darin teilweise oder ganz einzulegen. Als Alternative für die PVD-Schicht7 kann ebenfalls eine CVD-Schicht auf der thermischen Spritzschicht6 vorgesehen werden.
Claims (5)
- Kolbenring, bestehend aus einem Grundkörper (
1 ), auf dessen äußerer Umfangsfläche (4 ) mindestens zwei unterschiedliche Schichten (6 ,7 ) lagenweise übereinander aufgebaut sind, wobei die der äußeren Umfangsfläche (4 ) zugewandte Unterschicht (6 ) durch mindestens eine thermische Spritzschicht und die darauf aufgebrachte Schicht (7 ) durch mindestens eine Aufdampfschicht gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich (8 ) zwischen der thermischen Spritzschicht (6 ) und der Verschleißschutzschicht (7 ) eine Rauheit aufweist, die geringer als Ra 0,5 μm, Rz 3 μm und Rmax. < 10 μm ist und die thermische Spritzschicht (6 ) eine HVOF-Schicht mit überwiegendem Anteil an Carbiden ist, deren Schichtstärke zwischen 30 und 150 μm beträgt, und dass die darauf abgeschiedene Verschleißschutzschicht (7 ) aus Chromnitriden gebildet ist, deren Schichtdicke zwischen 0,5 und 20 μm beträgt. - Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (
7 ) durch eine DLC-Schicht gebildet ist. - Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (
7 ) selbstschmierende Elemente, indbesondere MoS2, enthält. - Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Kolbenring-Grundkörpers (
1 ) Gußeisen oder Stahl ist. - Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Spritzschicht (
6 ) in mindestens einer in der äußeren Umfangsfläche (4 ) des Kolbenring-Grundkörpers (1 ) vorgesehenen Ausnehmung zumindest teilweise eingelegt ist, wobei die Verschleißschutzschicht (7 ) an den Kolbenringstegen unmittelbar auf dem Material des Kolbenring-Grundkörpers (1 ) aufliegt.
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