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Die gegenwärtige Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenring, insbesondere gedacht für den Einsatz in den Rillen des Kolbens eines Verbrennungsmotors und/oder Verdichters, versehen mit einer metallischen Unterlage, auf welche mehrere Beschichtungen auf Chrombasis aufgebracht sind.
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Beschreibung des Standes der Technik
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In den mit einem oder mehreren Kolben versehenen Verbrennungsmotoren, die sich in deren entsprechenden Zylindern bewegen enthält jeder Kolben einen der mehrere Ringe welche, während der Motor in Betrieb ist, erheblichen Kräften unterworfen werden.
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Eine der Formen um den Abnutzungswiderstand eines Ringes sicherzustellen damit er eine lange/ausreichende Lebensdauer für die Parameter der Lebensdauer des Motors aufweist, wird erreicht mit der Aufbringung einer oder mehrerer Beschichtungen auf das Grundmetall aus dem er besteht. Die speziell für den Widerstand gegen Abnutzung und Abrieb entwickelte Beschichtung bewahrt die Leistungseigenschaften des Ringes selbst nach Millionen von Hüben des Kolbens im Innern des Zylinders.
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In diesem Sinn gibt es zahllose Techniken der verschiedensten Beschichtungszusammensetzungen und unzählige Aufbringungsverfahren, von denen jede versucht die Leistungseigenschaften und die Dauerhaftigkeit der unterschiedlichen Typen und Konfigurationen von Ringen zu optimieren.
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Im Sinne des Ringes welcher Gegenstand der gegenwärtigen Erfindung ist, versehen mit einer metallischen Unterlage auf welche Beschichtungen auf Chrombasis aufgebracht sind, ist eine repräsentative vorherige Technik das nordamerikanische Patent
US 6,161,837 , welche sich auf einen Kolbenring bezieht, versehen mit einer Basis aus Gusseisen auf welche zwei Beschichtungen der Gleitfläche aufgebracht sind. Insbesondere besitzt die erste oder die untere Beschichtung eine Dicke von 100 bis 300 Mikrometer (μ), direkt auf die Metallbasis aufgebracht, deren Oberfläche durch Lappen (lapping) verursachte Mikroabrasionen aufweist, wobei diese erste Schicht aus aufgalvanisiertem (electroplated) Chrom besteht. Dieses Dokument offenbart, dass eine zweite Beschichtung auf die Mikroabrasionen der ersten Schicht aufgebracht wird und diese zweite Schicht durch die Aufbringung von Chromnitrid durch das Verfahren der körperlichen Dampfaufbringung (PVD – physical vapor deposition) erzeugt wird.
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Die in diesem Dokument genannten Mikroabrasionen können aus 1 ersehen werden und ihre Funktion ist die Verbesserung der Haftung der zweiten Chromnitridschicht auf der ersten aufgalvanisierten Chromschicht.
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Eine zweite repräsentative vorherige Technik ist das nordamerikanische Patent
US 5,605,741 , welches sich auf einen Kolbenring bezieht, versehen mit einer Basis aus Gusseisen und einer unteren Schicht aus aufgalvanisiertem oder gasnitriertem Chrom welche auf ihrer äußeren Umfangsfläche gebildet wird. Diese untere Schicht erfährt eine Oberflächenbehandlung durch Teilchenstrahlen um ihre Oberfläche aufzurauhen und wird danach unter Öl geläppt um die Rauheiten zu beseitigen. Die resultierende Oberfläche hat ein sanftes Plateau und verschiedene willkürlich ausgerichtete Reservatorien auf welche später eine metallische Nitridbeschichtung aufgebracht wird.
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Laut diesem nordamerikanischen Dokument bieten die Reservatorien eine zusätzliche Oberfläche deren Zweck es ist, die Haftung zwischen dem Metallnitrid und der unteren Schicht herzustellen. Jedoch eliminiert die metallische Nitridbeschichtung nicht die Reservatorien, welche die zusätzliche Funktion der Lagerung des Schmieröls haben um infolgedessen die Reibung und Abnutzung beim Betrieb des Kolbenrings zu vermindern (siehe 2). Das Dokument offenbart weiterhin, dass die Härte der unteren Schicht zwischen 800 und 950 Vickers schwankt und eine Mindestdicke von 100 Mikrometer aufweist.
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Wie aus den vorgelegten Unterlagen des Standes der Technik ersichtlich ist, ist eine Abrasion der unteren Beschichtung erforderlich um eine Verbesserung der Haftung der äußeren Schicht zu bewirken, wobei diese Eigenschaft diejenige ist, die gegenwärtig Stand der Technik ist, die Lösung für die Haftung zwischen den beiden Schichten zu bieten (aufgalvanisiertes Chrom und Schicht von metallischem Nitrid, zum Beispiel Chrom).
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Zusätzlich erweist sich als klar, dass die Lösungen beider Dokumente untere Schichten mit Dicken von über 100 Mikrometern erfordern. Es ist jedoch bekannt, dass die Erhöhung der Dicke der Chromschichten zu einer Verminderung des Ermüdungswiderstandes und Erhöhung der Restspannung der Beschichtung führt, was die Spezifikation und den Einsatz von Schichten solcher Dicke riskant macht, angesichts der beträchtlichen Zunahme der Restspannung und, als Nebenerscheinung, des Risikos des unerwünschten Auftretens von Rissen und Brüchen.
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Parallel dazu ist auch bekannt, dass mit aufgalvanisierten Chrombeschichtungen auf der Gleitfläche versehene Kolbenringe, noch dazu mit großer Dicke, Mikrorisse in den Beschichtungen aufweisen. Diese Realität ist wohlbekannt und kann leicht auf einer Werkbank nachvollzogen werden. Ein Beispiel ist aus beiliegender 5 ersichtlich, welche das Ergebnis eines Motortests an einem Kolbenring des gegenwärtigen Kenntnisstandes vorstellt, versehen mit einer unteren Schicht von aufgalvanisiertem Chrom und einer äußeren Schicht aus Chromnitrid.
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Somit zeigen die Lösungen des gegenwärtigen Kenntnisstandes zwei große Mängel, für welche es bis zum gegenwärtigen Augenblick noch keine Lösung gibt. Einerseits sind Lapp- oder ähnliche Verfahren für die aufgalvanisierte Chromschicht erforderlich, damit eine bessere Haftung der metallischen Nitridschicht erzielt wird. Andererseits, vielleicht sogar wegen der zwangsläufigen Notwendigkeit des Eingriffs in die aufgalvanisierte Chromschicht im Moment der Bildung der Mikroabrasionen, weisen die Chromschichten höhene Dicken als erforderlich auf, was aufgrund der angesammelten Spannungen und des möglichen Auftretens von Rissen offensichtlich zu einer Verminderung der Lebensdauer des Kolbenringes führt.
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Andererseits, und ohne auf die Bildung von Mikroabrasionen und die sich daraus ergebenden Maßnahmen zurückzugreifen welche die Fertigungskosten des Kolbenringes belasten (d. h. mit einem erfinderischen Schritt), stellt der Antragsteller ein absolut neues und originelles Erzeugnis vor, welches nicht den Schritt des Lappens der aufgalvanisierten Chromschicht erfordert und stellt eine Beschichtung mit einer erheblich geringeren Dicke vor, womit lobenswerterweise alle Anforderungen an Leistung und Dauerhaftigkeit unter Beibehaltung von wettbewerbsfähigen Fertigungskosten erfüllt werden.
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Gegenstand der Erfindung
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kolbenring, gedacht für den Einsatz in Verbrennungsmotoren oder Verdichtern, versehen mit einer unteren Schicht aus aufgalvanisiertem Chrom, angeordnet auf der Gleitfläche des Ringes und einer äußeren Schicht aus Chromnitrid, wobei die Verbindung der genannten Schichten aus einer Haftschicht aus reinem Chrom bewerkstelligt wird.
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Die gegenwärtige Erfindung hat zum Gegenstand auch einen Kolbenring welcher eine geringe Schichtdicke des aufgalvanisierten Chroms besitzt, so dass die Bildungswerte von möglicherweise zerstörerischen Mikrorissen verringert werden.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Die Gegenstände der gegenwärtigen Erfindung werden erreicht durch einen Kolbenring, insbesondere für den Einsatz in der Rille eines Kolbens eines Verbrennungsmotors oder Verdichters, bestehend aus einer im Wesentlichen ringförmigen Basis, wobei der Kolbenring eine äußere Umfangsfläche aufweist welche mit einer unteren aufgalvanisierten Chromschicht und einer äußeren Chromnitridschicht versehen ist. Die untere Schicht besitzt eine Höchstdicke von 100 Mikrometer, die äußere Schicht besitzt eine Dicke von im Wesentlichen zwischen 5 Mikrometer und 30 Mikrometer und ist versehen mit einer Haftschicht aus reinem Chrom zwischen der unteren und der äußeren Schicht.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die gegenwärtige Zeichnung wird nachstehend mit mehr Einzelheiten beschrieben, gegründet auf ein auf den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel. Die Figuren zeigen:
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1 – ist ein Foto der willkürlich durch den Lapp-/Schleifvorgang an einem Kolbenring nach dem gegenwärtigen Stand der Technik gebildeten Mikroabrasionen;
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2 – ist eine Abbildung der Oberfläche von Plateaux und Reservatorien, gebildet durch den Lapp- und Strahlvorgang eines Kolbenringes nach dem gegenwärtigen Stand der Technik;
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3 – ist ein Foto der Arbeitsfläche, Umfangsfläche eines Kolbenrings nach dem gegenwärtigen Stand der Technik, wo die Axialrisse sichtbar sind, die nach dem Test an einen Dieselmotor mit einer Dauer von 500 Stunden aufgetreten sind.
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4 – ist ein Foto der Arbeitsfläche, Umfangsfläche eines Kolbenrings der gegenwärtigen Erfindung ohne Risse nach dem Test an einen Dieselmotor mit einer Dauer von 500 Stunden.
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5 – ist ein Foto, welches die Risse der Arbeitsfläche, Umfangsfläche einer aufgalvanisierten Hartchromschicht eines Kolbenrings nach dem gegenwärtigen Stand der Technik nach einem Motortest darstellt;
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6 – ist eine schematische Querschnittsansicht des Kolbenrings welcher Gegenstand der gegenwärtigen Erfindung ist;
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7 – ist eine Abbildung des Testgrundsatzes der Messung der Schallabstrahlung welcher die Kolbenringe unterzogen werden um die Eigenschaftgen ihrer Beschichtung zu bemessen; und
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8 – ist eine Abbildung welche die Ergebnisse der Messungen der Schallausstrahlung zeigt, die unterschiedlichen Schichtdicken vergleichen.
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Einzelbeschreibung der Zeichnungen
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Die gegenwärtige Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenring 100, insbesondere für den Einsatz in der Rille eines Kolbens eines Verbrennungsmotors oder Verdichters, wobei dieser Ring vorzugsweise als Druckring ausgebildet ist, obwohl er ohne weiteres als Ölabstreifring oder irgendein anderer ausgebildet sein kann.
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Vor Beginn der Beschreibung des Rings welcher Gegenstand der gegenwärtigen Erfindung an sich ist, muss wiederholt werden, dass die Erhöhung der Dicke der Chrombeschichtungen zu einer entsprechenden Minderung des Ermüdungswiderstandes und Zunahme der Restspannung der Beschichtung führt. Diese Kenntnis gründet sich nicht nur auf Theorie, sondern insbesondere auf vom Antragssteller erzielte Versuchsergebnisse und welche nachstehend besprochen werden.
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Gegründet auf die im vorstehenden Absatz aufgezeigte unumgehbare Realität entwickelte der Antragsteller einen Kolbenring 100, versehen mit Beschichtungen von verminderter Dicke sowie einer Lösung für die Haftung zwischen denselben welche befähigt ist die Anforderungen an Leistung und Dauerhaftigkeit in ausreichend höherem Maß sicherzustellen als bei denjenigen der bisher entwickelten Ringe.
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6 zeigt einen Querschnitt des Kolbenringes 100 der gegenwärtigen Erfindung welche die vorzugsweise Verwirklichung einer metallischen Grundlage 10 besitzt, vorzugsweise aus Gussstahl oder Eisen; diese kann jedoch aus irgendwelchem anderen metallischen Werkstoff sein, wie zum Beispiel Aluminium.
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Die äußere oder Umfangsfläche des Rings 100 (die auf die Zylinderwand gerichtete) erhält eine erste Beschichtung, bestehend aus einer unteren Schicht 1 aus elektrisch abgelagertem/aufgalvanisiertem Hartchrom. Die aufgalvanisierte untere Schicht 1 aus Hartchrom hat vorzugsweise eine Dicke von 60 Mikrometer und kann einen Höchstwert von 100 Mikrometer erreichen. Werte über 100 Mikrometer sind unerwünscht, um die Ansammlung von Spannungen und die sich daraus ergebende Möglichkeit der Rissbildung zu vermeiden.
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Die untere Schicht 1 aus aufgalvanisiertem Hartchrom wird vorzugsweise, aber nicht zwangsmäßig über ein saures Chrommedium enthaltend dispergierte feste Mikropartikel hergestellt. Es ist zu bemerken, dass während des Verchromungsvorgangs das Substrat bzw. die Basis an eine Kathode angeschlossen ist um so die Bildung der ersten Mikrometer der Dicke der unteren Schicht 1 aus Hartchrom auf der exponierten Oberfläche der Basis 10 einzuleiten. Nach diesem Schritt wird der elektrische Strom umgekehrt, so dass das Substrat/die Basis 10 zur Anode wird und auf diese Weise wird das Chrom teilweise von der Basis 10 entfernt und verursacht das Auftreten von Mikrorissen. Anschließend wird der elektrische Strom erneut auf den anfänglichen Zustand umgekehrt, so dass das Substrat erneut als Kathode wirkt und unter diesen Voraussetzungen erneut die Bildung von Hartchrom auf der exponierten Oberfläche erzeugt. So ist es möglich, dass die im Mittel dispergierten Teilchen zwischen den Mikrorissen eingekapselt werden.
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Es muss hier noch bemerkt werden, dass der oben beschriebene Prozess der galvanischen Metallabscheidung während der Bildung der Hartchrom-1-Unterschicht mehrmals wiederholt wird, mit dem Ergebnis, dass dadurch eine Verkleidung von Mikropartikeln mit zwischen den Rissen auf der gesamten Ausdehnung der Hartchromschicht entsteht.
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Je nach den angestrebten Eigenschaften, kann die Hartchrom-1-Unterschicht aus mehrfachen dünnen Schichten bestehen (multilayers) welche Abriebpartikel enthalten können oder nicht zwischen den mehrfachen dünnen Schichten, mit dem Ergebnis von Unterschichten 1 mit Härten zwischen 400 und 1200 Vickers (HV).
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Später, noch während dem Fertigungsprozess des Ringes wird auf die Unterschicht 1 ein zweiter Überzug aufgetragen, wodurch eine äußere Schicht 3 gebildet wird, welche aus Chromnitrid besteht, beim vorherrschenden Aufbau von CrN oder Cr2N oder auch einer Mischung ohne dass dabei eine Vorherrschung keiner der Phasen vorkommt.
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Diese äußere Schicht 3 wird vornehmlich jedoch nicht obligatorisch durch eine physikalische Absetzung von Dampf (PVD) gebildet und besitzt eine Stärke die zwischen 5 und 30 Mikrometern o variiert, vorrangig 20 Mikrometern. Analog zu dem was zur Unterschicht 1 gesagt wurde, sind Schichten mit Dicken über 30 Mikrometern unerwünscht um auf diese Weise eine Anhäufung von Spannungen, und folglich die Steigerung der möglichen Risse zu verhindern.
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Dazu muss noch bemerkt werden, dass zwischen der Unterschicht 1 mit galvanischer Chromnitridbeschichtung und der äußeren Chromnitridschicht 3 welche nachträglich aufgetragen wurde, eine Bindeschicht 2 existiert bestehend aus abgelagertem Reinchrom, ebenfalls durch PVD. Man muss bemerken, dass diese Schicht eine ganz geringe Dicke besitzt, wesentlich dünner als 5 Mikrometer, wobei ihre grundlegende Funktion darin besteht, eine gute Bindung zwischen der Unterschicht 1 und der äußeren Schicht 3 herzustellen.
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Während dem Fertigungsprozess, nach dem Auftragen der Unterschicht 1, beginnt das Auftragen von Metallchrom durch PVD und in demselben Vorgang (ohne diesen zum Stehen zu bringen), sobald die Dicke um ca. 5 Mikrometer erreicht wird, wird dann Stickstoff eingeführt in einer Weise, dass das Chromnitrid abgesetzt werden kann. Das verfügbare Volumen an Stickstoff wird die Zusammensetzung der äußeren Schicht bestimmen, wenn diese vorrangig aus Chromnitrid in der Phase CrN, Cr2N oder auch einer Mischung ohne Phasenvorherrschen besteht.
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Es muss daher bemerkt werden, dass die vorliegende Erfindung sich vollständig von dem Konzept für Kolbenringe auf der Basis von Chrom distanziert, wobei es nicht mehr notwendig ist, eine Oberflächenbehandlung vorzunehmen (Schleifen oder ähnlichem) an der Unterschicht 1 zur Schaffung von Mikroabrieben, auch keiner gelegentlichen nachfolgenden Vorgehensweisen. Auf diese Weise gelingt es der vorliegenden Erfindung, eine Beschichtung der Kolbenringe 100 auf der Basis von Chrom ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Vorgehensweisen zu erreichen und welche notgedrungen das Endprodukt verteuern und dabei mit einer deutlich niedrigeren Beschichtungsstärke, welche die kumulierte innere Spannung und folglich das Vorkommen von Rissen reduziert.
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Ein Beleg dieser beträchtlichen konzeptuellen Veränderung und der beträchtlichen Reduzierung der Schichtstärken liegt in der Tatsache, dass bei den zur Zeit bekannten Ringen die Dicke der Unterschicht 1 einen notwendigen Mindestwert von 100 Mikrometern besitzt, und dies wegen des nachträglichen Abschleifens der Oberfläche, während beim vorliegenden Ring die Stärke der Unterschicht 1 der Beschichtung maximal 100 Mikrometer erreicht, und auf diese Weise sämtliche oben genannter Vorteile der Haltbarkeit erbringt.
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Dazu kommt noch die große Unterschiedlichkeit des Kolbenringes 100 der vorliegenden Erfindung, denn dieser weist nunmehr eine glatte, frei von Reservoirs des Standes der Technik (aufgrund des Nichtschleifens der Unterschicht 1). Zudem besitzt die vorliegende Erfindung jetzt eine Zwischenschicht, die sogenannte Bindeschicht 2 aufgrund des Reinchromes welche im Stand der Technik nicht vorgesehen ist, wodurch eine höhere Leichtigkeit und eine höhere Qualität bei der Bindung zwischen der galvanisierten Chromschicht und der Chromnitridschicht zur Folge hat, ohne dadurch irgendwelche Unannehmlichkeiten oder Nachteile bringen, da sie in derselben Weise aufgetragen wird wie die Beschichtung mit Chromnitrid, so wies oben bereits erwähnt wurde.
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Im Allgemeinen hat der Kolbenring 100 der vorliegenden Erfindung als Ergebnis eine Haltbarkeit (Widerstandsfähigkeit) gegen Ermüdung und im Gegensatz zum Stand der Technik ist dieser imstande die Probleme der Risse in den Unterschichten 1 mit Chromabscheidung zu lösen. Und da der Patentbeantrager sich nicht nur aus Theorien gestützt hat, schaffte er es, bei der vorliegenden Erfindung die hervorragenden Ergebnisse zu erzielen, erwiesenerweise aufgrund experimenteller Tests mit dem Ergebnis laut den Fotos der 3 und 4.
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Betrachtet man die beiden Figuren, so ist der Unterschied zwischen den Oberflächen der Unterschichten 1 offenkundig. Die Darstellung 3 zeigt ein Foto des Querschnittes eines Kolbenringes gemäß dem Stand der Technik bei welchem man die axialen Risse in mit Chrombeschichteten Schicht Unterschicht 1 zu sehen bekommt nach einem Motorentest. Es muss daran erinnert werden, dass die mit Chrom beschichtete Unterschicht 1 des Ringes 100 des Standes der Technik eine Dicke mit ungefähr 180 Mikrometer hat, wobei die äußere Schicht 3 Chromnitid und eine dicke von 18 Mikrometer besitzt.
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Mit einem unbedingt vorteilhaften Ergebnis, zeigt die 4 ein Foto eines Kolbenringes 100 der vorliegenden Erfindung im Testzustand wie dem in der 3 gezeigten, wobei die Unterschicht 1 mit Chrombeschichtung eine Dicke von wesentlichen 60 Mikrometern besitzt, und eine Unterschicht 1 ohne jegliche Risse nachdem sie demselben Test unterzogen wurde.
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Um die hervorragenden Ergebnisse aus der vorliegenden Erfindung zu konsolidieren, hat der Beantragende akustische Messtests an Kolbenringen des Standes der Technik vorgenommen, eine Tatsache die es ihm erlaubte, das Betragen der Schichten auf Chrombasis auf derer Widerstandsfähigkeit hin beim Auftreten von Rissen und derer Haftung zu begreifen.
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7 veranschaulicht das Funktionsprinzip eines Testes zur akustischen Lärmmessung. Der Kolbenring 100, nachdem er den Überzug erhalten hat, wird in eine Vorrichtung gemäß 7 gelegt. Danach wird auf der Gleitoberfläche des Ringes 100 eine Last aufgebracht, wobei dann jegliches abgegebene Geräusch aus den am Ring 100 angewandten Spannungen und dessen jeweiligen Schichten von einer spezifischen Anlage zu diesem Effekt registriert wird.
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Mit dem Ergebnis, in dem Maße wie eine Verschiebung vorkommt, erreichen die Schichten ihre maximale Widerstandsfähigkeit, brechen zusammen und geben einen Ton (Schall) von sich der sich später in Form einer graphischen Darstellung niederschlägt, so wie in 8 dargestellt. So zeigt der Graph in der 8 auf der Achse xx die Verschiebung und auf der Achse yy die Wiederkehr des Signals der Anlage bezüglich der Ausstrahlung von Rissen welche im Graph durch das Kurzzeichen ASL dargestellt wird, und welches den Mittelwert des Signals (Average Signal Level) bedeutet und im Graph in Volt (V) dargestellt wird. Um einen Begriff zu haben wie dies geschieht, verwandelt ein Transduktor das Geräusch in dB in ein analoges Signal zwischen 0 und 10 V (Volt) wobei 1 dB 0,04 V entspricht.
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Die erhaltenen und in der 8 registrierten Ergebnisse ergaben sich aus Beschichtungen bei denen Dicken von Unterschichten 1 mit über 100 Mikrometern aufgetragen wurden, also Konfigurationen welche Kolbenringen aus dem Stand der Technik stammen. Eine Analyse des Graphs zeigt, wenn es zu einer Verringerung der Stärke der chrombeschichteten Schicht sowie der Chromnitid-Schicht durch PVD kommt, so geschieht eine Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen Bruch des Ringes 100 (Muster 1, 2 und 3). Insbesonders wenn man die Ergebnisse der Muster 1, 2 und 3 vergleicht, so ist möglich zu beobachten, dass umso mehr man die Gesamtdicke der Beschichtungen auf Basis von Chrom verringert, umso grösser die Bruchwiderstandsfähigkeit des Ringes ist, wobei das beste Ergebnis von dem Muster 1 mit einer chrombeschichteten Schichtstärke von 110 Mikrometern und einer Chromnitridschicht durch PVD von 18 Mikrometern erreicht wurde, aus was man ableiten kann, dass der größere Einfluss in dem Widerstand gegen Bruch hauptsächlich aus der Verringerung der Unterschicht 1 herkommt.
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So ist also klar, dass der Kolbenring 100 der vorliegenden Erfindung eine Lösung zur Beschichtung mit wenigeren Fertigungsvorgängen darstellt, wobei er dazu fähig ist, ohne Risse sämtliche von einem Kolbenring 100 erwarteten Leistungs- und Haltbarkeitsanforderungen zu erreichen.
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Da ein bevorzugtes Beispiel zur Konkretisierung beschrieben wurde, so muss verstanden werden, dass die Absicht der vorliegenden Erfindung weitere mögliche Variationen umfasst, wobei sie lediglich durch den Inhalt der Beanspruchungen in der Anlage begrenzt werden, und dabei die möglichen Äquivalenten mit eingeschlossen sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6161837 [0005]
- US 5605741 [0007]