Verfahren zur Beschichtung einer Schraubendruckfeder

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schraubendruckfeder, die als Bestandteil eines zweiteiligen Ölabstreifrings in einem

Kolben eines Verbrennungsmotors dafür vorgesehen ist, den zweiten Bestandteil eines derartigen Ölabstreifrings , nämlich den in Gleitkontakt mit einem Zylinder oder einer

Zylinderlaufbuchse stehenden sogenannten Grundkörper gegen die Zylinderwand zu drücken. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Beschichtung einer derartigen Schraubendruckfeder .

Wie erwähnt, befindet sich bei dem beschriebenen zweiteiligen Ölabstreifring die Schraubendruckfeder an der Innenseite der Anordnung, mit anderen Worten zwischen dem in Gleitkontakt mit der Zylinderwand stehenden Grundkörper des Kolbenrings und dem Boden der Kolbenringnut. Hier kommt es durch die dynamische Beanspruchung während des Betriebs des Motors zu Relativbewegungen zwischen dem Grundkörper und der

Schraubendruckfeder. Diese Bewegung kann zu sogenanntem

Sekundärverschleiß führen, der sich im Grundkörper in Form von Nuteingrabungen, und an der Feder in Form von

Materialabtrag zeigen kann. In den Nuteingrabungen kann sich die Feder verhaken, was die Abstreitwirkung des Ölringes beeinträchtigt. Ferner kann es zu einem Nachlassen der zur Erfüllung der Funktion erforderlichen Tangentialkraft kommen. Stand der Technik

Aus der DE 10 2005 019 500 B4 geht eine Schraubendruckfeder hervor, die mit Wasserstofffreien iC-Graphitschichten beschichtet ist.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

Schraubendruckfeder und ein Verfahren zu dessen Beschichtung zu schaffen, mit denen das Reib- und/oder Verschleiß- und/oder Einlaufverhalten zumindest einer Komponente eines zweiteiligen Ölabstreifrings verbessert wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch die im Anspruch 1 beschriebene Schraubendruckfeder. Die daran vorgesehene Beschichtung zeichnet sich durch zumindest eine a-C : H : Me-Schicht oder mehrere alternierende Lagen von CrN- und a-C : H : Me-Schichten aus. Bei ersten Versuchen hat sich herausgestellt, dass durch einen derartigen Schichtaufbau sowohl die Lebensdauer als auch der relative Reibwert verbessert werden kann. Die Lebensdauer wird insbesondere durch eine Verbesserung der Schichtstabilität verlängert. Ferner konnte bei ersten Versuchen ein verbessertes

Einlaufverhalten zwischen der Feder und dem Kolbenring festgestellt werden.

Der guten Ordnung halber sei erwähnt, dass Me für Metall steht und hierfür beispielsweise Wolfram, Chrom, Titan, Germanium oder Silizium verwendet werden können. Sowohl die a-C:H:Me als auch die nachfolgend erwähnte a-C : H-Schicht sind DLC-Schicht en und sorgen für einen vergleichsweisen geringen Verschleiß und gute Reibungseigenschaften. Insbesondere wird davon ausgegangen, dass, verursacht durch unterschiedliche radiale Anpressdrücke und dadurch erzeugte unterschiedliche Verschleißraten, beispielsweise über den Umfang einer Schraubendruckfeder, dennoch auf der Oberfläche immer

zumindest teilweise DLC vorhanden ist, so dass die guten Reibeigenschaften, insbesondere auch unter

Mangelschmierbedingungen, erhalten bleiben. Dies wird in vorteilhafter Weise kombiniert mit Vorteilen, welche die CrN- Schicht im Hinblick auf den Verschleiß bietet. Der gegenüber DLC üblicherweise höhere Verschleißwiderstand der CrN-Schicht kann in vorteilhafter Weise von Anfang an, bzw. wenn die äußerste DLC-Schicht verschlissen ist, wirksam werden. Die beschriebene, mehrlagige Beschichtung bietet darüber hinaus den Vorteil, dass deutlich höhere Gesamtschichtdicken als bei herkömmlichen DLC-Schichtsystemen realisiert werden können. Dies beruht im Wesentlichen darauf, dass die bei DLC

gegenüber CrN höheren Eigenspannungen durch die CrN-Lagen innerhalb der Beschichtung insgesamt ausgeglichen werden können .

Die Schraubendruckfeder ist bevorzugt aus Stahl, insbesondere CrSi- oder CrNi-Stahl, im Wesentlichen spiralförmig gewickelt und weist dementsprechend zwei Federenden auf, die sich aufgrund der weitgehend kreisrunden Anordnung der Feder im Einbau- bzw. Betriebszustand ohne einen Zwischenraum treffen. Diese Stelle ist bevorzugt radial dem Stoß des Kolbenrings gegenüberliegend. Es sei erwähnt, dass die erfindungsgemäße Beschichtung beispielsweise auf die in der

DE 10 2005 019 500 B4 beschriebene Schraubendruckfeder anstelle der dort beschriebenen Wasserstofffreien

iC-Graphitschichten aufgebracht werden kann. Insbesondere werden sämtliche Einzelmerkmale der dort beschriebenen

Schraubendruckfeder durch die hierin erfolgte Bezugnahme zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht. Wie in dem in Bezug genommenen Dokument beschrieben, kann der

Ölabstreif kolbenring umfänglich nicht geschlossen ausgeführt sein, sondern einen sogenannten Stoß, mit anderen Worten eine Lücke in Umfangsrichtung aufweisen. Die Schraubendruckfeder ist in diesem Bereich fortlaufend ausgebildet und ist

bevorzugt im Bereich des Stoßes und symmetrisch zu diesem mit einem Umfangswinkel von 5° bis 60° beschichtet. In der in Bezug genommenen Veröffentlichung ist der vorangehend

beschriebene Winkel um den Stoß des Kolbenrings mit cx bezeichnet. An der Innenseite weist der Kolbenring eine bevorzugt im Querschnitt etwa halbkreisförmig geformte Nut zur Aufnahme der Schraubendruckfeder auf. In Achsrichtung der Schraubendruckfeder betrachtet ist diese bevorzugt auf der dem Kolbenring zugewandten Seite mit einem Winkel (ß gemäß dem in Bezug genommenen Dokument) von 5° bis 180°, bevorzugt symmetrisch zur Mittelebene, beschichtet. Es sei ferner erwähnt, dass von der Anmelderin am gleichen Tag eine

Anmeldung mit dem Titel "Gleitelement, insbesondere

Kolbenring, und Verfahren zur Beschichtung eines

Gleitelements" eingereicht wurde, in der eine ähnliche

Beschichtung wie hierin beschrieben für ein Gleitelement, insbesondere einen Kolbenring angegeben ist. Sämtliche

Merkmale der dort angegebenen Beschichtung sind auch auf die hierin beschriebene Beschichtung anwendbar. Ferner ist der dort beschriebene Kolbenring in einer der angegebenen

Ausführungsformen in vorteilhafter Weise mit der hierin beschriebenen Schraubendruckfeder kombinierbar, und diese Kombination ist als Gegenstand der vorliegenden Anmeldung anzusehen. Ferner ist auf den Kolbenring diejenige

Beschichtung, insbesondere an der Innenfläche, anwendbar, die in der von der Anmelderin ebenfalls am gleichen Tag

eingereichten Anmeldung "Verfahren zur Beschichtung zumindest der Innenfläche eines Kolbenrings sowie Kolbenring"

beschrieben ist.

Bevorzugte Weiterbildungen sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben .

Für die Haftung der CrN-Schicht auf dem Substrat, also der Schraubendruckfeder, vorzugsweise aus Stahl, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, eine Haftschicht aus Chrom auszubilden. Diese kann insbesondere aufgedampft sein und weist bevorzugt eine Schichtdicke von weniger als 0,5 μm auf. Als minimale Schichtdicke der Haftschicht wird derzeit 0,01 μm bevorzugt.

Für die äußerste Schicht der erfindungsgemäßen

Schraubendruckfeder, die sich zunächst in Berührung mit dem Kolbenring befindet, wird eine metallfreie DLC-Schicht, mit anderen Worten eine Schicht des Typs a-C:H bevorzugt. Eine derartige Schicht gewährleistet ein bestmögliches

Einlaufverhalten . Als Dicke dieser Schicht haben sich 0,1 bis 5,0 μm als vorteilhaft erwiesen. Die Mindestschichtdicke von 0,1 μm ist für ein gutes Einlaufverhalten vorteilhaft. Die maximale Schichtdicke ergibt sich aufgrund der

Mindesthaftfestigkeit, die bei dickeren Schichten geringer wird. Für die beschriebene äußerste oder Top-Schicht ist das Auftragen sowohl auf eine CrN - als auch eine a-C:H:Me- Schicht denkbar.

Für die Einzellagen der CrN- und a-C : H : Me-Schicht werden 30 nm bis 100 nm bevorzugt. Eine Dicke von mehr als 30 nm bietet den Vorteil, dass bei der Anwendung in der Serie die Prüffähigkeit des Schichtaufbaus gewährleistet wird.

Die Gesamtdicke der Beschichtung beträgt in vorteilhafter Weise, um mit einer guten Lebensdauer ein gutes Reibverhalten zu gewährleisten, 0,5 bis 10 μιη. In diesem Zusammenhang kann die Anzahl der Einzellagen beispielsweise zwischen 10 und 200 liegen .

Für die Härte der CrN-Schicht haben sich Werte von 800-1900 HV 0,002 bewährt. Diese Ausbildung kann mit einer Härte der metallfreien der DLC-Schicht von 1700-2900 HV 0,002 und/oder einer Härte der metallhaltigen DLC-Schicht von 800-1600 HV 0,002 kombiniert werden.

Es wird ferner erwartet, dass sich besonders gute

Eigenschaften der DLC-Schicht, insbesondere der metallhaltigen und/oder metallfreien DLC-Schicht einstellen, wenn diese Wasserstoff enthält.

Die metallhaltige DLC-Schicht kann ferner in vorteilhafter Weise nanokristalline Metall- oder

Metallkarbidausscheidungen, wie z. B. WC, CrC, SiC, GeC oder TiC enthalten.

Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt ferner durch das im Anspruch 8 beschriebene Verfahren.

In vorteilhafter Weise kann die beschriebene Beschichtung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens durch eine

Kombination aus PVD und PA-CVD-Verfahren hergestellt werden.

Es wird ferner eine Kombination zumindest einer vorangehend beschriebenen Schraubendruckfeder mit einem Kolbenring offenbart, der insbesondere die in der oben erwähnten parallel eingereichten Anmeldung beschriebene Beschichtung aufweisen kann. Ferner wird die Kombination des in dieser Weise entstehenden zweiteiligen Ölabstreifrings mit einem Laufpartner, insbesondere einem Zylinder oder einer

Zylinderlaufbuchse eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Diesel- oder hoch aufgeladenen Otto-Motors, wobei der Laufpartner eisen- oder aluminiumbasiert ist, offenbart.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher

erläutert .

Die Figur zeigt einen erfindungsgemäßen Schichtaufbau. Ausführliche Beschreibung eines bevorzugten

Ausführungsbeispiels der Erfindung

Wie aus der Figur hervorgeht, ist auf dem Grundwerkstoff 10 des Gleitelements zunächst eine Chrom-Haftschicht 12 aufgebracht. Darauf sind von innen nach außen alternierend mehrere a-C : H : Me-Schichten 14 und CrN-Schichten 16

aufgebracht. Die äußerste Schicht wird durch eine a-C:H- Schicht gebildet. Bei dem gezeigten Beispiel ist diese auf einer DLC-Schicht aufgebracht, sie kann jedoch ebenso auf einer a-C : H : Me-Schicht aufgetragen werden.

Die Herstellung erfolgt bevorzugt derart, dass die

CrN-Schichten mittels PVD, die a-C : H : Me-Schicht mittels PVD und PA-CVD, und die a-C : H-Schicht mittels PA-CVD hergestellt werden .