Herstellung desselben

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Gleitelement , insbesondere einen Kolbenring, welches sowohl eine insgesamt gute Verschleißbeständigkeit als auch günstige tribologische Eigenschaften im Bereich der Lauffläche aufweist sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben.

Stand der Technik

Bei der Reduzierung der Kohlendioxidemissionen von Verbrennungsmotoren spielt der Kraftstoffverbrauch eine maßgebliche Rolle. Dieser wird unter anderem auch von den Reibungsverlusten der Gleitelemente im Motor, insbesondere im Bereich der Kolben, beeinflusst. Die Gleitelemente, beispielsweise Kolbenringe, weisen dabei Laufflächen auf, an denen sie mit einem Reibpartner in gleitendem Kontakt sind. Dieses tribologische System ist komplex und wird maßgeblich durch die Materialpaarung der Reibpartner bestimmt.

Es besteht daher ein Bedarf nach Gleitelementen in Verbrennungsmotoren, die über die gesamte Lebensdauer ein möglichst günstiges Reibungsverhalten aufweisen. Allerdings treten insbesondere bei modernen Motoren hohe thermische und mechanische Belastungen an den Gleitelementen auf.

Die Gleitelemente, wie z.B. Kolbenringe, Kolben oder Zylinderlaufbuchsen in Verbrennungsmotoren sollen daher über eine lange Lebensdauer sowohl niedrige Reibungskoeffizienten als auch eine hohe Verschleißbeständigkeit besitzen.

Aus dem Stand der Technik sind Kolbenringe bekannt, deren Flanken teilweise oder ganz nitriert sind und deren Laufflächen zumindest partiell eine anderweitige Beschichtung aufweisen.

So offenbart die DE 102 21 800 AI einen Stahlkolbenring mit einer Lauffläche, einer Innenfläche sowie dazwischen vorgesehenen oberen und unteren Flanken, wobei die Lauffläche zumindest partiell mit einer thermischen Spritzschicht als Laufflächenbeschichtung versehen ist und zumindest auf den Flanken eine durch Plasmanitrieren erzeugte Nitrierschicht vorgesehen ist.

Die US 6 508 473 Bl beschreibt einen Kolbenring mit einer Nitrierschicht auf den oberen und unteren Flanken oder auf den oberen und unteren Flanken und der inneren Umfangsfläche, sowie eine durch Ionenplattieren gebildete Hartschicht auf der äußeren Umfangsfläche .

Aus der DE 10 2005 023 627 AI geht ein Stahlkolbenring mit einer einseitig gekammerten Lauffläche vor, wobei die Lauffläche mit einer Mikrorisse aufweisenden

Verschleissschutzschicht auf Basis von Chromkeramik überzogen ist und zumindest die Flanken mit einer Verschleiß reduzierenden Nitrierschicht versehen sind.

Die DE 10 2005 011 438 B3 offenbart ein Verfahren zur Erzeugung von Verschleissschutzschichten an einem aus Stahl oder Gusseisen bestehenden Kolbenringgrundkörper, wobei zunächst der Laufflächenbereich zumindest partiell mit einer mindestens einlagigen thermischen Spritzschicht auf Basis Stickstoffäffiner metallischer Elemente versehen wird und anschließend zumindest die Flanken und die Lauffläche samt darauf aufgebrachter Spritzschicht einem Nitrierprozess unterzogen werden.

Derartige Gleitelemente weisen zwar Schichten mit zufriedenstellender Verschleißbeständigkeit auf, zeigen jedoch entweder keine Laufflächen mit besonders niedrigen Reibkoeffizienten oder keine ausreichende Haftung zwischen Substrat und Verschleissschutzschicht .

Des Weiteren sind aus dem Stand der Technik DLC- Beschichtungen auf Kolbenringlaufflächen bekannt.

Diamantähnliche Kohlenstoffschichten (DLC) stellen eine metastabile Form von amorphem Kohlenstoff mit einem signifikanten Anteil an sp ³ -hybridisiertem Kohlenstoff dar, die besonders günstige tribologische Eigenschaften zeigen. Eine Zusammenfassung der möglichen DLC Schichtsysteme findet sich in der VDI Richtlinie 2840 Kohlenstoffschichten.

DE 10 2011 003 254 AI offenbart ein Gleitelement, wobei zumindest eine Lauffläche von innen nach außen eine Beschichtung mit einer metallhaltigen Haftschicht und einer DLC-Schicht des Typs ta-C mit einer Dicke von mindestens 10 μm aufweist. Das Grundmaterial des Gleitelementes kann hierbei nitriert oder nicht nitriert sein.

Derartige Gleitelemente weisen einen niedrigen Reibkoeffizienten auf der Lauffläche auf, sind jedoch nicht ausreichend verschleißbeständig.

Aus der DE 10 2011 014 483 B3 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Stahlkolbenrings bekannt, bei dem ein laufflächenseitig mit einer Kammerung versehener Grundkörper erzeugt wird, die Lauffläche unmittelbar mit einer verschleißfesten Schicht versehen wird und die nicht mit der verschleißfesten Schicht versehenen Umfangs- und Plankenbereiche des Grundkörpers nitriert werden. Die verschleißfeste Schicht kann unter anderem aus einer DLC- Schicht oder einer Chromschicht bestehen, auf der DLC-Schicht kann auch eine Chromschicht aufgebracht werden.

Aufgrund der unmittelbaren Applikation der DLC-Schicht auf dem Substrat der Lauffläche wird jedoch die Verschleißbeständigkeit des Gleitelementes durch die ungenügende Haftung der DLC-Schicht auf der Lauffläche limitiert .

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleitelement, bevorzugt einen Kolbenring, und ein Verfahren zur Herstellung desselben zur Verfügung zu stellen, welches sowohl eine insgesamt gute Verschleißbeständigkeit als auch günstige tribologische Eigenschaften im Bereich der Lauffläche aufweist .

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das im Anspruch 1 beschriebene Gleitelement sowie das Verfahren zur Herstellung des Gleitelementes nach Anspruch 7.

Die Oberflächenhärtung der Flächen, die nicht die Lauffläche darstellen, gewährleistet dabei die Verschleißbeständigkeit derselben. Als äußerste Schicht der Lauffläche ist dagegen eine DLC-Schicht oder metallbasierte Nitridschicht vorgesehen, die zu besonders vorteilhaften tribologischen Eigenschaften und Verschleißverhalten der Lauffläche beiträgt .

In diversen Versuchsreihen hat sich überraschenderweise gezeigt, dass mit einer DLC-Schicht oder metallbasierten Nitridschicht versehene Substrate ohne Nitrierschicht eine deutlich höhere Beständigkeit gegenüber einer der klopfenden Verbrennung nachgestellten zyklischen Belastung aufweisen als Substrate, die unter der DLC-Schicht oder metallbasierten Nitridschicht eine Nitrierschicht aufweisen.

Aufgrund der Belastung erfolgt eine plastische Verformung des Substrats, die Sprödigkeit der Nitrierschicht führt dabei jedoch zur Rissinitiierung in dem nitrierten Bereich und der DLC-Schicht. Bei einem Substrat ohne Nitrierschicht können dagegen deutlich höhere Spannungen durch plastische Verformung abgebaut werden, bevor Rissbildung in dem Material initiiert wird. Die DLC-Schicht oder metallbasierte Nitridschicht wird dabei aufgrund ihrer, im Vergleich zum Substrat, geringen Schichtdicke elastisch verformt.

Durch die Applikation einer metallhaltigen Zwischenschicht, bevorzugt einer Metallschicht, besonders bevorzugt einer Chromschicht, zwischen Substrat und DLC-Schicht oder metallbasierter Nitridschicht kann die Haftung zwischen Substrat und DLC-Schicht oder metallbasierter Nitridschicht darüber hinaus signifikant verbessert werden.

Der Aufbau der Beschichtung auf der Lauffläche gemäß Anspruch 1, namentlich eine nicht nitrierte

Substratoberfläche auf der zumindest eine metallhaltige Zwischenschicht sowie als äußerste Schicht eine DLC-Schicht oder metallbasierte Nitridschicht vorgesehen sind, gewährleistet dabei den Laufflächenverschleißschutz bei geringen Reibkoeffizienten, während die

Verschleißbeständigkeit der Flächen, die nicht die Lauffläche darstellen, durch die Oberflächenhärtung sichergestellt wird.

Die Lauffläche entspricht bevorzugt der äußeren Umfangsflache eines Rings mit polygonaler Querschnittsfläche, bevorzugt eines Hohlzylinders oder eines Hohlkegelstumpfs, ohne Kammerung.

Das Auftragen der DLC-Schicht oder metallbasierten Nitridschicht erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Gleitelementes zwangsläufig nach dem Auftragen der Zwischenschicht, die Oberflächenhärtung mindestens einer Fläche, die nicht die Lauffläche darstellt, kann dagegen vor dem Auftragen der Zwischenschicht, nach dem Auftragen der Zwischenschicht aber vor dem Auftragen der DLC- Schicht oder metallbasierten Nitridschicht und/oder nach dem Auftragen der DLC-Schicht oder metallbasierten Nitridschicht erfolgen .

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen

Gleitelementes sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung weist die Lauffläche des Gleitelementes keine Oberflächenhärtung auf. Der Verzicht auf eine Oberflächenhärtung unter der Beschichtung der Lauffläche erhöht maßgeblich die Verschleißbeständigkeit, da die Rissinitiierung analog zum Wirkmechanismus bei der nitrierten Lauffläche deutlich vermindert werden kann.

Bevorzugt stellen die erfindungsgemäßen metallhaltigen Zwischenschichten Galvanik- und/oder PVD-Zwischenschichten dar, da diese die Haftung positiv beeinflussen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform grenzt eine metallhaltige Zwischenschicht, bevorzugt eine Galvanik- Zwischenschicht, unmittelbar an die Substratoberfläche, so dass die Haftung weiter verbessert wird.

Besonders vorteilhaft ist ein Schichtaufbau auf der Lauffläche, bei dem eine metallhaltige Zwischenschicht unmittelbar zwischen Substrat und DLC-Schicht oder metallbasierter Nitridschicht liegt. Ein derartiger Aufbau hat sich als besonders vorteilhaft für die Haftung der Beschichtung herausgestellt.

Mit Vorteil weist eine metallhaltige Zwischenschicht, bevorzugt eine Galvanik-Zwischenschicht, eine Schichtdicke von 1 μπι bis kleiner 5 μπι auf, da diese die Lebensdauer der Beschichtung positiv beeinflusst.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Gleitelementes sieht vor, dass eine metallhaltige Zwischenschicht über ein Galvanikverfahren aufgebracht wird. Hierdurch können mittels einfacher Verfahren kostengünstig metallhaltige

Zwischenschichten abgeschieden werden.

Mit Vorteil wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Gleitelementes eine metallhaltige Zwischenschicht und/oder eine metallbasierte Nitridschicht und/oder eine DLC~Schicht über ein PVD-Verfahren aufgebracht. Dadurch können zuverlässig Schichten definierter Schichtdicke und chemischer Zusammensetzung abgeschieden werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die oberflächengehärteten Oberflächen keine Beschichtung auf, wenngleich sie in besonderen Anwendungsfällen durchaus beschichtet sein können.

Als besonders vorteilhaft haben sich metallbasierte Nitridschichten mit Nitriden der folgenden Elemente erwiesen: Aluminium (AI) , Titan (Ti) , Zirkonium (Zr) , Hafnium (Hf) , Vanadium (V) , Niob (Nb) , Tantal (Ta) , Chrom (Cr) , Molybdän (Mo) und Wolfram (W) . Besonders bevorzugt sind die Zusammensetzungen CrN, CrN(O) , VN und AlN. Bevorzugt sind weiterhin DreistoffSysteme A-B-N wobei A und B jeweils ein Element aus der Gruppe Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, AI, Si und C ist und N Stickstoff entspricht. Besonders bevorzugt sind die Systeme Ti-Zr-N, Ti-Al-N, Cr-Si-N, Cr-Zr-N, Cr-Ti-N und Cr-V-N. Dabei kann es sich um stöchiometrische Phasen oder um nicht-stöchiometrische Phasen oder Mischungen daraus handeln. Die metallbasierten Nitridschichten können ferner beliebige Kombinationen der genannten Zusammensetzungen aufweisen, insbesondere können diese auch gradiert vorgesehen sein. Weiterhin können diese Droplets aufweisen und als Viellagenschichtsystem oder mit Übergitterstrukturen ausgebildet sein. Darüber hinaus sind die metallbasierten Nitridschichten der folgenden Dokumente als bevorzugte Varianten vorgesehen:

DE102012200378 AI

DE102008017583 AI

DE102007027245 AI

DE102007035502 AI

DE102006046915 B3

DE102006046917 B3

DE102004032403 B3

Bevorzugte Ausführunqsform

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Stahlkolbenring mit einer oberen und unteren Flanke sowie einer inneren und äußeren Umfangsflache vorgesehen. Die obere und untere Flanke sowie die innere Umfangsflache weisen jeweils eine Nitrierschicht auf, die zum Beispiel durch Plasmanitrieren, Badnitrieren oder Gasnitrieren in den Kolbenring eingebracht wird. Auf der äußeren Umfangsfläche, die die Lauffläche des Kolbenrings darstellt und nicht nitriert ist, ist eine Beschichtung aufgebracht, bestehend aus einer ersten Chromzwischenschicht, bevorzugt mit einer Schichtdicke zwischen 1 um und 5 um, einer zweiten Chromzwischenschicht und einer DLC-Schicht des Typs ta-C. Die erste Chromzwischenschicht wird dabei vorzugsweise durch galvanische Abscheidung auf der Lauffläche aufgebracht, die zweite Chromzwischenschicht und die DLC-Schicht werden bevorzugt mittels PVD-Verfahren abgeschieden.