DE102004032342B4

DE102004032342B4 - Production of a coating on the outer peripheral surface of a base body of a piston ring used in combustion engines comprises applying a lower layer to the peripheral surface by thermal spraying and applying an upper wear protection layer

Info

Publication number: DE102004032342B4
Application number: DE200410032342
Authority: DE
Inventors: Christian Herbst-Dederichs; Manfred Dr. Fischer
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2004-07-03
Filing date: 2004-07-03
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2024-07-04
Also published as: DE102004032342A1

Abstract

Production of a coating on the outer peripheral surface (4) of a piston ring base body (1) comprises applying a lower layer (6) to the peripheral surface by thermal spraying and applying an upper wear protection layer (7) to the lower layer by vaporizing. The transition region between the lower layer and the wear protection layer has low roughness. - An INDEPENDENT CLAIM is also included for a piston ring having a base body with a coating on its outer peripheral surface.

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.The The invention relates to a piston ring, consisting of a base body on the outer peripheral surface at least two different layers are stacked in layers, wherein the outer peripheral surface facing lower layer by at least one thermal spray coating and the applied thereto Layer is formed by at least one vapor deposition layer.

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.Of the EP-B 0 759 519 discloses a piston ring for internal combustion engines, at least in the region of one of its flanks with a plasma CVD method coated doped hard carbon layer is coated. Advantageously, the entire piston ring with the hard carbon layer coated, the surface the piston ring can be nitrided below the coating.

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.From JP-A 62058050 a piston ring is known, which is provided with a multilayer coating, wherein the base body facing layer as a super hard layer based on Ti (C, N), TiC, SiC or Al ₂ O ₃ with a layer thickness is formed between 5 and 15 microns. This superhard layer is to be applied by the plasma CVD method. On this layer TiN is deposited with a relatively small layer thickness (1 to 5 microns).

Die GB 2 257 771 A offenbart einen Kolbenring, bei dem die Unterschicht aus einer Nitrierschicht und die äußere Schicht aus einer PVD-Schicht besteht. Eine thermische Spritzschicht ist nicht vorgesehen.The GB 2 257 771 A discloses a piston ring in which the underlayer consists of a nitriding layer and the outer layer consists of a PVD layer. A thermal spray coating is not provided.

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.The DE 195 11 628 C2 refers to the coating of piston rods. The coating is designed so that a particularly smooth surface can be achieved by polishing so as to obtain a low porosity. For use with piston rings such a layer is not suitable.

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.The DE 199 27 998 A1 discloses a Cr-BN alloy deposited on a piston ring by a PVD process. A thermal spray coating is not provided.

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.Out JP 2004-116 707 A, a tread of a piston ring is known in which a defined roughness is given. The transition area between a thermal spray layer and a PVD layer will not addressed.

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.The DE 100 11 918 A1 discloses a generic piston ring, an indication of the roughness of the transition region and the special composition of the spray layer can not be found in this document.

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.Treads of Piston rings are subject to heavy wear. Thermally sprayed treads on Basis of carbides and other hard materials currently present though a good but for future Engine generations no longer sufficient wear and fire resistance dar. The fire hazard is to be regarded as high especially in the inlet region of the engine.

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.Of the The invention is based on the object, a hybrid coating for a To create a piston ring for a defined running period particularly advantageous running characteristics, such as in particular low friction, maximum fire resistance and least possible Wear with it brings. Especially long after the running time of the engine should a very wear-resistant coating for one ensure a long service life of the piston ring.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruch 1 gelöst.The The object is achieved by the Characteristics of claim 1 solved.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbenringes sind den zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen.advantageous Further developments of the piston ring according to the invention are the associated claims remove.

Als Aufdampfverfahren können alle bekannten Verfahren zur Anwendung kommen, insbesondere sind dies die PVD-und CVD-Verfahren.When Vapor deposition can all known methods are used, in particular this the PVD and CVD procedures.

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

Even if the chosen terms are known to the person skilled in the art, they are briefly reproduced below:

- PVD - Physical Vapor Deposition
- CVD - Chemical Vapor 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.Out the group of thermal spray coatings are preferably those layers produced by the HVOF process, with or without an adhesive layer, containing oxides, carbides and / or borides, for use.

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.The wear protection layer may consist of CrNx, where x both metalloids such as C, B or O, as well as hard materials forming elements such. As Si, V, Nb, W, Al, Ta, etc., may be. The wear protection layer may, if necessary, be a so-called DLC layer and also, if necessary, self-lubricating elements, such as MoS ₂ included.

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.Especially advantageous is a piston ring with a predominantly carbides formed HVOF layer with a layer thickness between 30 and 150 microns and a deposited on wear protection layer viewed from the system CrN with a layer thickness of 0.5 to 10 μm, the roughness of the transition region between the two layers Ra 0.1 μm, Rz 1 μm and R-max. Do not exceed 8 μm should.

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.Of the Piston ring material can cast iron or steel. With the chosen Hybrid coating are particularly advantageous casting materials used and Ring designs with sharp edges possible, partially or wholly corresponding to the HVOF sprayed coating, provided in the outer peripheral surface of the piston ring main body Recesses is inserted.

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.The Wear protection layer can be represented by all advantageous layer variants, for Example DLC (very low friction, but can not be deposited over 5 microns) CrN and so on. This is possible, since long after the running-in phase of the piston ring a very wear-resistant HVOF carbide layer takes over the load in the operating state.

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.As already mentioned are combined vapor deposition HVOF hybrid coatings advantageous to cast materials produced. Together with the low required layer thickness for the wear protection layer there is a cost advantage over a conventional one 50 μm thick PVD layer on nitrided steel materials.

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-Grundkörper 1 beinhaltet Flanken 2,3, eine die Lauffläche bildende äußere Umfangsfläche 4 sowie eine innere Umfangsfläche 5. Im Bereich der äußeren Umfangsfläche 4 sind in diesem Beispiel zwei unterschiedliche Schichten 6,7 lagenweise übereinander aufgebaut. Die Unterschicht 6 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.The subject invention is illustrated with reference to an embodiment in the drawing and is described as follows: The single figure shows a piston ring main body 1 which in this example is to consist of cast iron. The piston ring body 1 includes flanks 2 . 3 , an outer peripheral surface forming the tread 4 and an inner peripheral surface 5 , In the area of the outer peripheral surface 4 are two different layers in this example 6 . 7 layer by layer on top of each other. The lower class 6 is formed by a thermal spray coating, which in this example is a layer applied by the HVOF process with a predominant proportion of carbides whose layer thickness is 80 microns.

Auf diese HVOF-Spritzschicht 6 wird eine nach dem PVD-Verfahren aufgebrachte Verschleißschutzschicht 7 aufgebracht, die in diesem Beispiel aus dem System CrN stammt und eine Schichtdicke von 10 μm aufweist.On this HVOF spray coat 6 becomes a wear protection layer applied by the PVD method 7 applied, which originates in this example from the system CrN and has a layer thickness of 10 microns.

Mit dem Bezugszeichen 8 ist der Übergangsbereich zwischen der thermischen Spritzschicht 6 und der Verschleißschutzschicht 7 gemeint, die eine sehr geringe Rauheit, in diesem Beispiel Ra<0,1 μm, Rz<1 μm und R max. < 8 μm, aufweist.With the reference number 8th is the transition area between the thermal sprayed layer 6 and the wear protection layer 7 meant, which has a very low roughness, in this example Ra <0.1 μm, Rz <1 μm and R max. <8 microns, has.

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 Umfangsfläche 4 Ausnehmungen einzuarbeiten und die thermische Spritzschicht 6 darin teilweise oder ganz einzulegen. Als Alternative für die PVD-Schicht 7 kann ebenfalls eine CVD-Schicht auf der thermischen Spritzschicht 6 vorgesehen werden.This example represents one of many possible variants covered by the scope, it being also possible to use the piston ring body 1 made of steel. It is also conceivable in the outer peripheral surface 4 Recesses incorporate and the thermal sprayed layer 6 partially or completely. As an alternative to the PVD layer 7 may also have a CVD layer on the thermal sprayed layer 6 be provided.

Claims

Piston ring, consisting of a basic body ( 1 ), on the outer peripheral surface ( 4 ) at least two different layers ( 6 . 7 ) are stacked in layers, wherein the outer peripheral surface ( 4 ) facing lower layer ( 6 ) by at least one thermal spray coating and the layer applied thereto ( 7 ) is formed by at least one vapor-deposited layer, characterized in that the transition region ( 8th ) between the thermal spray layer ( 6 ) and the wear protection layer ( 7 ) has a roughness less than Ra 0.5 μm, Rz 3 μm and Rmax. <10 microns and the thermal spray layer ( 6 ) is a HVOF layer with a predominant proportion of carbides whose layer thickness is between 30 and 150 μm, and in that the wear protection layer deposited thereon ( 7 ) is formed from chromium nitrides, whose layer thickness is between 0.5 and 20 microns.

Piston ring according to claim 1, characterized in that the wear protection layer ( 7 ) is formed by a DLC layer.

Piston ring according to one of claims 1 to 2, characterized in that the wear protection layer ( 7 ) self-lubricating elements, in particular MoS ₂ contains.

Piston ring according to one of claims 1 to 3, characterized in that the material of the piston ring main body ( 1 ) Cast iron or steel.

Piston ring according to one of claims 1 to 4, characterized in that the thermal spray coating ( 6 ) in at least one in the outer peripheral surface ( 4 ) of the piston ring main body ( 1 ) recess is at least partially inserted, wherein the wear protection layer ( 7 ) on the piston ring webs directly on the material of Piston ring basic body ( 1 ) rests.