DE102007027245A1

DE102007027245A1 - Kolbenring

Info

Publication number: DE102007027245A1
Application number: DE102007027245A
Authority: DE
Inventors: Steffen Hoppe; Manfred Dr. Fischer; Christiane Dr. Bauer; Ralf Lammers
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2007-06-13
Filing date: 2007-06-13
Publication date: 2008-12-18
Anticipated expiration: 2027-06-14
Also published as: JP2010529389A; DE102007027245B4; US8273469B2; US20100171272A1; WO2008152104A1

Abstract

Es wird ein Kolbenring mit einem Trägermaterial und einer Verschleißschutzbeschichtung beschrieben. Die Verschleißschutzbeschichtung besteht aus einem mittels PVD-Verfahren aufgebrachten Dreistoffsystem A-B-N, wobei A und B jeweils ein Element aus der Gruppe Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, Si und C mit A <> B und N gleich Stickstoff ist. Die Dicke der Verschleißschutzbeschichtung beträgt >= 3 µm.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolbenring gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Kolbenringe werden mit Verschleißschutzschichten an der Lauffläche und/oder an den Ringflanschen versehen, um die geforderte Lebensdauer erfüllen zu können. Höhere Zylinderdrücke, Direkteinspritzungen, Abgasrückführung und andere Konstruktionsmerkmale neuer Motorenentwicklungen wie alternative Zylinderwerkstoffe aber auch die Minimierung des Ölverbrauchs belasten die Kolbenringe zunehmend.
Verschleißschutzschichten werden mittels thermischer Spritzverfahren, galvanischer Verfahren oder Dünnschichttechnologien aufgebracht und gegebenenfalls durch Wärmebehandlung und Diffusionsprozesse bearbeitet. Die Schichten werden in der Regel weitgehend homogen und somit unstrukturiert aufgebracht. Die Verschleißbeständigkeit wird durch entsprechende Härte des Materials eingestellt.
Alle Erscheinungsformen, die auf thermische Überbeanspruchung an der Kolbenringfläche hinweisen, werden typischerweise unter dem Begriff Brandspuren zusammengefasst.
Aus der DE 199 31 829 A1 ist eine galvanische Hartchromschicht bekannt, die Risse aufweist, in die Diamantpartikel mit einer Größe von 0,25 bis 0,5 μm eingelagert sind. Zusätzlich können noch weitere Hartstoffpartikel aus Wolframcarbid, Chromcarbid, Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Borcarbid oder Bornitrid in die Risse eingelagert sein.
Beim Auftreten hoher Temperaturen wandeln sich die Diamantpartikel in Graphit um, der dann Schmieraufgaben übernimmt und damit die Brandspurbildung verhindert. Somit besitzt diese Schicht auch noch sehr gute Notlaufeigenschaften, insbesondere aufgrund der Umwandlung von Diamant zu Graphit bei Temperaturen von ca. 700°C oder höher.
Um das Brandspurverhalten von Kolbenringen weiter zu verbessern, werden bisher typischerweise Schichten aus Materialien eingesetzt, die sehr hohe Schmelzpunkte haben und für deren thermische Überbeanspruchung folglich hohe Temperaturen erforderlich sind. Ein typisches Beispiel dafür ist mittels PVD-Verfahren aufgebrachtes Chromnitrid mit einer Zersetzungstemperatur von ca. 2000 K.
Um die Brandspurfestigkeit und die Verschleißbeständigkeit zu verbessern, wird in der DE 10 2004 028 486 A1 eine Beschichtung aus mehreren Einzellagen vorgeschlagen, die abwechselnd aus Chrom und Chromnitrid bestehen. Die Chromnitridschichten können aus CrN, Cr2N oder Mischungen hieraus bestehen. Zur Vermeidung schroffer Übergänge wird das Beschichtungsverfahren so gesteuert, dass die Chromnitrid-Einzellagen jeweils beiderseits einen Saum aus Cr2N und einem Kern aus CrN aufweisen. Jede Einzellage ist mindestens 0,01 μm dick. Die maximale Dicke beträgt 10 μm. Die Gesamtdicke der Beschichtung wird mit 5 bis 100 μm angegeben.
Die US 5,549,086 offenbart Kolbenringbeschichtungen aus TiN und CrN.
Die DE 10 2004 032 403 B3 beschreibt Kolbenringe, die auf einer Chromhaftschicht eine CrN-Gradientenschicht mit einem nach außen hin zunehmenden Stickstoffgehalt aufweisen.
Aus der JP 2005-060810 A sind Kolbenringe für Verbrennungskraftmaschinen bekannt, die mit einem Viellagenschichtsystem versehen sind, deren Einzellagen dieselbe metallische Komponente aufweisen und sich lediglich im Stickstoffgehalt unterscheiden. Die Schichtdicken der Einzellagen werden mit < 1 μm angegeben. Die Schichten werden mittels eines PVD-Verfahrens, insbesondere eines Lichtbogenverfahrens, aufgebracht.
Die Brandspurfestigkeit der bekannten Schichten ist jedoch nicht zufrieden stellend.
Lamni et al. J. VrC. Technol. A23 (4), 2005 Seite 593 ff beschreibt die Mikrostrukturen und die Nanohärte von Schichten aus den Dreistoffsystemen Zr-Al-N und Zr-Cr-N. Die Schichten werden mittels Magnetron-Sputtern aufgebracht und weisen eine Dicke von 1 μm auf. Für das Dreistoffsystem Zr_1-xCr_xN wurde im Bereich 0 ≤ x ≤ 0,48 keine Veränderung der Nanohärte festgestellt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Kolbenring mit einer Verschleißschutzbeschichtung anzugeben, der eine große Verschleißbeständigkeit aufweist.
Die Aufgabe wird mit einem Kolbenring gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Verschleißschutzbeschichtung aus einem mittels PVD-Verfahren aufgebrachten Dreistoffsystem A-B-N besteht mit
A und B jeweils ein Element aus der Gruppe Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, Si und C mit A ≠ B und N gleich Stickstoff und
dass die Dicke der Verschleißschutzbeschichtung ≥ 3 μm beträgt.
Es hat sich gezeigt, dass gegenüber Zweistoffsystemen A-N, wie z. B. CrN, durch die Anwesenheit eines weiteren Elementes aus der Gruppe B die Härte in einem weiten Bereich auf einfache Weise eingestellt werden kann. Es wird dadurch möglich, für die jeweils gewünschte Anwendung im Motor die erforderliche Härte optimal einzustellen.
Zur Gruppe der PVD-Verfahren zählen die unten aufgeführten Technologien sowie reaktive Varianten dieser Prozesse:

– Verdampfungsverfahren • Thermisches Verdampfen (auch Bedampfen genannt) • Elektronenstrahlverdampfen (electron beam evaporation) • Laserstrahlverdampfen (Pulsed Laser Deposition, Pulsed laser ablation): Atome und Ionen werden durch einen kurzen intensiven Laserpuls verdampft. • Lichtbogenverdampfen (Arc-PVD, arc evaporation): Atome und Ionen werden durch einen starken Strom, der bei einer elektrischen Entladung zwischen zwei Elektroden fließt, aus dem Ausgangsmaterial herausgelöst und in die Gasphase überführt. • Molekularstrahlepitaxie (molecular beam epitaxy)
– Sputtern (Sputterdeposition, Kathodenzerstäubung): Das Ausgangsmaterial wird durch Ionenbeschuß zerstäubt und in die Gasphase überführt.
– Ionenplattieren

Vorzugsweise besteht die Verschleißschutzbeschichtung aus einem Dreistoffsystem auf der Basis CrN.
Bevorzugt ist eine Verschleißschutzbeschichtung aus Zr_1-xCr_xN_y mit x = 0,1 bis 0,85 und y 0,5 bis 1, insbesondere mit x = 0,22 bis 0,82 und y = 0,94 bis 0,98. Besonders bevorzugt ist der Bereich mit x = 0,44 bis 0,85 und mit y = 0,8 bis 1.
Weitere bevorzugte Dreistoffsysteme sind V_1-xCr_xN_y und Ti_1-xCr_xN_y.
Vorzugsweise besteht die Verschleißschutzbeschichtung aus V_1-xCr_xN mit x = 0,85 bis 0,10 und y = 0,5 bis 1, insbesondere mit x = 0,3 bis 0,8 und y = 0,5 bis 1.
Weiterhin ist das System Ti_1-xCr_xN_y mit x = 0,10 bis 0,85 und y = 0,5 bis 1 bevorzugt, insbesondere mit x = 0,6 bis 1 und y = 0,5 bis 1.
Vorzugsweise liegt die Dicke der Verschleißschutzbeschichtung bei 5 bis 60 μm, insbesondere bei 5 bis 15 μm und 25 bis 35 μm.
Vorzugsweise beträgt die Dicke der Verschleißschutzbeschichtung 3 bis 4 μm, insbesondere 3,2 bis 3,7 μm bzw. 5 bis 7 μm, insbesondere bei 5,7 bis 6,5 μm sowie 10 bis 14 μm, insbesondere 11 bis 13 μm.
Die Verschleißschutzbeschichtung ist vorzugsweise mittels eines reaktiven Lichtbogenverfahrens (Arc-PVD) aufgebracht. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass im Gegensatz zu den Sputterverfahren eine größere Grundhärte eingestellt werden kann. Dies ist auf die unterschiedliche Gefügestruktur der aufgebrachten Verschleißschutzbeschichtung zurückzuführen.
Wenn von Dreistoffsystemen die Rede ist, ist zu berücksichtigen, dass eventuell noch geringfügige Mengen Sauerstoff sowie weitere Verunreinigungen in dem Dreistoffsystem enthalten sind. Die Größenordnung des Sauerstoffanteils liegt bei bis zu 5 at%.
Beispiele:
Auf Kolbenringen wurden zum Verschleißschutz in einem reaktiven Lichtbogenverfahren Viellagenschichten (mit einer Haftschicht aus Chrom) abgeschieden. Es handelte sich um nitrierte Kolbenringen aus einem hochlegierten Stahl. Die Verschleißschutzschichten bestanden aus unterschiedlichen Zusammensetzungen der Systeme Cr-V-N, Cr-Zr-N und Cr-Ti-N. Es wurden jeweils drei unterschiedliche Zusammensetzungen untersucht.

In den folgenden Tabellen sind die Schichtdicken und die Schichthärten aufgelistet. Zur Überprüfung der Verschleißbeständigkeit wurden mit diesen bearbeiteten Kolbenringen Modellversuche mit geschmierter, reversierender Gleitbeanspruchung durchgeführt. Der Gegenkörper bestand jeweils aus einem Zylinderlaufbahnsegment aus Guss (GOE 300, Werkstoff der Anmelderin). Als Schmierstoff wurde zur Zeitraffung ein synthetischer Ester ohne Additive eingesetzt. Die Modelltests A und B unterscheiden sich in der Hublänge. Modelltest A wurde mit einem längeren Hub durchgeführt.

Schicht Härte	HV 0,1	Cr-(V-)N 2135	Cr-V-N 2122	(Cr-)V-N 2394
V-Gehalt Cr-Gehalt N-Gehalt	at% at% at%	14,2 41 42,8	31 23,3 44,5	44,7 8,7 45,6
Modelltest A Ring Gegenkörper	Verschleiß μm μm	1 67,5	0 76	1 55,5
Schichtdicken	μm	5,7	5,7	6,5

Schicht Härte	HV 0,1	Cr-(Zr-)N 1855	Cr-Zr-N 2025	(Cr-)Zr-N 2392
Zr-Gehalt Cr-Gehalt N-Gehalt	at% at% at%	12 41 48	27 24 47	40 11 47
Modelltest A Ring Gegenkörper	Verschleiß μm μm	2,5 75	3,5 53,5	3 60
Schichtdicken	μm	3,2	3,2	3,7

Schicht Härte	HV 0,05	Cr-(Ti-)-N 1502	Cr-Ti-N 1977	(Cr-)Ti-N 2246
Ti-Gehalt Cr-Gehalt N-Gehalt O-Gehalt	at% at% at% at%	12 43 43 2	23 32 40 5	40 13 43 4
Modelltest B Ring Gegenkörper	Verschleiß μm μm	1,25 9	1 7	1 4
Schichtdicken	μm	11	12	13

Die Anwesenheit eines weiteren Metalls in CrN-Schichten beeinflusst die Schichteigenschaften. Mit höherem Anteil des zugegebenen Metalls (Vanadium, Zirkonium oder Titan) kann die Härte erhöht werden. Diese neuartigen Schichten ermöglichen es, die erforderliche Härte für die entsprechende Anwendung im Motor optimal einzustellen.
Des Weiteren ist es möglich, anhand der Zusammensetzung der PVD-Schichten das Verschleißverhalten der PVD-Schicht und der Zylinderlauffläche in teilweise sehr weiten Bereichen einzustellen. Eine der wichtigsten Eigenschaften des Kolbenringes, die Verschleißbeständigkeit der Lauffläche, kann mit Hilfe dieser neuartigen Schichten optimiert und eingestellt werden. Es ist nun möglich, sogar in Nuancen den Verschleiß von Kolbenring und der Zylinderlauffläche entsprechend den Anforderungen einzustellen. Zum Beispiel wird im Bereich der Großkolbenringe ein geringerer Verschleiß der Zylinderlauffläche gefordert, so dass bei der Wartung nur der Ring auszutauschen ist anstatt der teuren und sehr aufwendig zu ersetzenden Zylinderlaufbuchse. Dagegen wird im Bereich der Pkw-Motoren erwartet, dass das Paar Kolbenring/Zylinderlauffläche insgesamt auch nach hohen Laufleistungen noch minimalen Verschleiß und damit gute Abgaskennwerte aufzeigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19931829 A1 [0005]
- DE 102004028486 A1 [0008]
- US 5549086 [0009]
- DE 102004032403 B3 [0010]
- JP 2005-060810 A [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Lamni et al. J. VrC. Technol. A23 (4), 2005 Seite 593 ff [0013]

Claims

Kolbenring mit einem Trägermaterial und mit einer Verschleißschutzbeschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzbeschichtung aus einem mittels PVD-Verfahren aufgebrachten Dreistoffsystem A-B-N besteht mit A und B jeweils ein Element aus der Gruppe Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, Si und C mit A ≠ B und N gleich Stickstoff, und dass die Dicke der Verschleißschutzbeschichtung ≥ 3 μm beträgt.
Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dreistoffsystem aus A-Cr-N besteht.
Kolbenring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzbeschichtung aus Zr_1-xCr_xN_y mit x = 0,1 bis 0,85 und y = 0,5 bis 1 besteht.
Kolbenring nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzbeschichtung aus Zr_1-xCr_xN_y mit x = 0,44 bis 0,85 und y = 0,8 bis 1 besteht.
Kolbenring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzbeschichtung aus V_1-xCr_xN_y mit x = 0,85 bis 0,1 und y = 0,5 bis 1 besteht.
Kolbenring nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzbeschichtung aus V_1-xCr_xN_y mit x = 0,3 bis 0,8 und y = 0,5 bis 1 besteht.
Kolbenring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzbeschichtung aus Ti_1-xCr_xN_y mit x = 0,1 bis 0,85 und y = 0,5 bis 1 besteht.
Kolbenring nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzbeschichtung aus Ti_1-xCr_xN_y mit x = 0,6 bis 0,1 und y = 0,5 bis 1 besteht.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Verschleißschutzbeschichtung 5 bis 60 μm beträgt.
Kolbenring nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Verschleißschutzbeschichtung 5 bis 15 μm beträgt.
Kolbenring nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Verschleißschutzbeschichtung 25 bis 35 μm beträgt.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzbeschichtung mittels eines reaktiven Lichtbogen-Verfahrens aufgebracht ist.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial aus Stahl oder einem Gusswerkstoff besteht.