Technisches Gebiet

Die Erfindung betri f ft ein Gleitelement , insbesondere einen

Kolbenring, mit einer Beschichtung .

Gleitelemente , wie zum Beispiel Kolbenringe , weisen Lauf flächen auf , an denen sie mit einem Reibpartner in gleitenden Kontakt sind . Das tribologische System ist komplex und wird maßgeblich durch die Materialpaarung der Reibpartner und die Umgebungsbedingungen wie zum Beispiel Druck, Temperatur und umgebende Medien bestimmt . Gerade bei modernen Motoren treten besonders hohe Belastungen an den Kolbenringen auf . Um die Funktions fähigkeit und Lebensdauer der Bauteile zu gewährleisten und zu verlängern, können die Lauf flächeneigenschaften der Gleitelemente gezielt optimiert werden .

Stand der Technik

Solche Optimierungen umfassen oft das Aufbringen mehr oder weniger komplexer Schichtsysteme mittels zum Beispiel thermischer Spritzverfahren, galvanischer Verfahren oder Verfahren der Dünnschichttechnologie . Das primäre Ziel solcher Schichten ist der Verschleißschutz , dabei wird zunächst meist auf eine hohe Härte der Schichten abgezielt . Als besonders harte und haltbare Schichten haben sich diamantähnliche Kohlenstof f schichten ( diamond-like carbon, DLG ) erwiesen . Diese können in viel fältiger Weise , zum Beispiel durch die Veränderung ihres C-C Bindungscharakters , der verschiedenen Bindungsanteile des Kohlenstof fs und durch die An- oder Abwesenheit von Wasserstof f und Metallen in ihren Eigenschaften variiert werden . Oft werden unter diesen Verschleißschutzschichten Haf tschichten aufgebracht , die eine besonders haltbare und feste Verbindung der hochbelasteten Verschleißschutzschicht mit dem Grundwerkstof f des Gleitelements sicherstellen sollen .

Die ausschließliche Verwendung sehr harter DLG-Schichten bringt j edoch einige technologische Probleme mit sich . Zum einen müssen die Oberflächen dieser Schichten sehr glatt sein, damit es bei hoher Flächenpressung nicht zu Zerrüttungen auf der Oberfläche und damit zum Versagen des Schichtsystems kommt . Es kann ferner gezeigt werden, dass zum Beispiel der Ring- und Linerverschleiß signi fikant mit der Rauheit der Verschleißschutzschichten ansteigen . Daher ist es erforderlich, die Oberflächen der Verschleißschutzschichten vor deren Einsatz weitestgehend zu glätten, dies ist aber mit hohem technischem Aufwand verbunden sowie sehr kostenintensiv . Zum Beispiel beschreibt die EP 1 829 986 Bl ein Verfahren wie solch harte Kohlenstof f-basierte Schichten mittels borsten- oder plattenförmiger Elemente bearbeitet werden können . Ferner weisen sehr harte Verschleißschutzschichten ein ungünstiges Einlaufverhalten auf . Auf Grund ihrer hohen Härte erfolgt der Einlauf auf Kosten des Reibpartners , der in der Einlaufphase erhöhten Verschleiß erfährt , zudem kann es zur Riefenbildung und/oder zu Brandspuren kommen .

In Hinblick auf das Einlaufverhalten kann es sinnvoll sein, Einlaufschichten auf den Verschleißschutzschichten vorzusehen . Das Ziel dieser Schichten ist es , eine Art tribologisches „Gleichgewicht" zu erzeugen, indem sich die Einlaufschicht im Erstkontakt mit dem Reibpartner abträgt und sich dabei eine gegenseitige Anpassung der Reibpartner voll zieht . Nach der Einlaufphase verlangsamt und stabilisiert sich der Reibverschleiß und die harte Verschleißschutzschicht gewährleistet dann andauernd günstige Reibeigenschaften und die Lebensdauerbeständigkeit .

Die DE 10 2005 063 123 B3 beschreibt ein Schichtsystem auf einem Gleitelement von innen nach außen bestehend aus einer Verschleißschutzschicht , einer Haftschicht und einer Einlaufschicht des Typs Me-C : H in der ferner Hartstof fpartikeln zum Beispiel WC enthalten sind .

Aus der DE 10 2008 042 747 Al geht ein Gleitelement mit einer Beschichtung hervor, die von innen nach außen eine Haftschicht , eine PVD-Schicht , optional eine Kohlenstof fbasierte Schicht des Typs a-C : H : W, eine Kohlenstof f-basierte Schicht des Typs a-C : H und eine weitere Kohlenstof f-basierte Schicht des Typs a-C : H aufweist . Dabei ist vorgesehen, dass die äußere Kohlenstof f schicht weicher ist als die darunter liegende Kohlenstof f schicht .

Die 10 2013 200 846 Al beschreibt ein Gleitelement mit einer Beschichtung aufweist , die von innen nach außen eine erste Haftschicht , eine harte Wasserstof f freie DLG-Schicht , eine zweite Haftschicht , eine weiche wasserstof fhaltige , metall- und/oder metallkarbidhaltige DLG-Schicht und eine harte wasserstof fhaltige DLG-Schicht aufweist , wobei die weiche wasserstof fhaltige DLG-Schicht weicher ist als die harte Wasserstof f freie DLG-Schicht , und die harte wasserstof fhaltige DLG-Schicht härter ist als die weiche wasserstof fhaltige DLG-Schicht .

Darstellung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde , ein Gleitelement , insbesondere einen Kolbenring für Verbrennungsmotoren, mit optimalen mechanischen sowie tribologischen Eigenschaften zu schaf fen . Insbesondere besteht die Aufgabe darin, ein solches Gleitelement bereitzustellen, dessen Oberfläche ein günstiges Einlaufverhalten, d . h . verkürzte Einlauf zeiten, verringerten Gegenkörperverschleiß und einen geringeren Kraftstof f- und Ölverbrauch während des Einlaufs aufweist .

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das im Patentanspruch 1 beschriebene Gleitelement .

Demzufolge weist dieses eine Beschichtung auf , die von innen nach außen folgende Schichten aufweist : eine Haftschicht , eine kohlenstof fhaltige Funktionsschicht und eine äußere amorphe DLG Schicht , wobei die Schichtdicke der kohlenstof fhaltigen Funktionsschicht mindestens 70% der Gesamtschichtdicke der Beschichtung beträgt und das E- Modulverhältnis von kohlenstof fhaltiger Funktionsschicht zu äußerer amorpher DLG Schicht 1 , 2 oder mehr beträgt .

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis , dass einerseits eine verbesserte thermische Beständigkeit der kohlenstof fhaltigen Funktionsschicht durch Anhebung des E-Moduls (bzw . des sp ³ - Gehalts in einer DLG-Schicht ) erreicht werden kann, andererseits aber die Glättung von Schichten mit erhöhtem E- Modul deutlich erschwert und damit unwirtschaftlich wird . Dieses Dilemma wird erfindungsgemäß dadurch gelöst , dass zum einen eine kohlenstof fhaltige Funktionsschicht bereitgestellt wird, die einen, relativ zur äußeren DLG Schicht , hohen E- Modul aufweist und den größten Anteil an der Beschichtung trägt , namentlich mindestens 70% der Gesamtdicke . Somit trägt die genannte kohlenstof fhaltige Funktionsschicht maßgeblich zur verbesserten thermischen Beständigkeit bei . Zum anderen sorgt die äußere amorphe DLG Schicht , die relativ zur kohlenstof fhaltigen Funktionsschicht dünner ist und einen substantiell geringeren E-Modul aufweist , für eine niedrige Rauheit . Letztere Schicht sorgt damit auch für ein verbessertes Einlaufverhalten . Gemäß einer vorteilhaften Aus führungs form liegt der E-Modul der äußeren amorphen DLC Schicht um mindestens 50 GPa , bevorzugt mindestens 70 GPa niedriger als der E-Modul der kohlenstof fhaltigen Funktionsschicht . Bevorzugt besteht die Beschichtung des Gleitelements ausschließlich aus den vorgenannten Teilschichten .

Die erfindungsgemäße Haftschicht besteht vorzugsweise aus mehreren Schichtlagen .

Falls die kohlenstof fhaltige Funktionsschicht aus mehreren Teilschichten besteht , bezieht sich im Rahmen dieser Of fenbarung der Wert für den E-Modul auf die äußerste Teilschicht der kohlenstof fhaltigen Funktionsschicht .

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gleitelements sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben .

Bevorzugt weist das Gleitelement eine Gesamtschichtdicke von mindestens 5 pm, bevorzugt zwischen 5 und 40 pm auf .

Mit Vorteil beträgt das Härteverhältnis von kohlenstof fhaltiger Funktionsschicht zu äußerer amorpher DLC Schicht 1 , 2 oder mehr, bevorzugt liegt das Härteverhältnis in dem Bereich von 1 , 2 bis 6 .

Es hat sich ferner herausgestellt , dass der E-Modul der kohlenstof fhaltigen Funktionsschicht vorteilhafterweise mindestens 200 GPa, bevorzugt mindestens 350 GPa beträgt , besonders bevorzugt in dem Bereich von 250 bis 600 GPa liegt .

Ebenso beträgt der E-Modul der äußeren amorphen DLC Schicht gemäß einer bevorzugten Aus führungs form maximal 500 GPa, bevorzugt maximal 350 GPa, bevorzugt liegt der E-Modul in dem Bereich von 100 bis 350 GPa . Bevorzugt beträgt die Härte der äußeren amorphen DLC Schicht maximal 5000 HV 0.02, besonders bevorzugt liegt die Härte in dem Bereich von 1000 bis 3500 HV 0.02.

Mit Vorteil beträgt der Kohlenstoff gehalt der äußeren amorphen DLC Schicht mindestens 90 At.-%, bevorzugt mindestens 97 At.-%.

Bevorzugt weist die kohlenstoffhaltige Funktionsschicht und/oder die äußere amorphe DLC Schicht einen Wasserstoff gehalt auf, der weniger als 3 At.-%, bevorzugt weniger als 0,5 At.-% beträgt. Insbesondere Wasserstoff freie DLC Schichten (Wasserstoff frei entspricht in dem Kontext einem Wasserstoff gehalt von weniger als 3 At.-%) besitzen ein großes Potential hinsichtlich Reib- und Verschleißminimierung in hochbelasteten Tribosystemen, auch unter Mangelschmierungsbedingungen .

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die kohlenstoffhaltige Funktionsschicht, bevorzugt von innen nach außen, folgende Schichten auf: eine AxCy Schicht, wobei C für Kohlenstoff sowie A für ein Metall steht, und x sowie y jeweils Werte von 1-99 umfasst, und/oder eine kristallinhaltige Kohlenstoff schicht aus einer inneren metallhaltigen Kohlenstoff teilschicht und einer äußeren kristallinhaltigen Kohlenstoff teilschicht , und/oder mindestens eine amorphe Kohlenstoff schicht , die ein höheres E-Modul aufweist als die äußere amorphe DLC Schicht. Ein derartiges Schichtsystem zeichnet sich durch besonders vorteilhafte tribologische Eigenschaften aus.

Mit Vorteil ist die Haftschicht metallhaltig und das Metall A in der AxCy Schicht entspricht einem Metall in der metallhaltigen Haftschicht, wobei das Metall A bevorzugt aus Wolfram, Titan, Chrom oder einem weiteren Übergangsmetall ausgewählt ist. Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung des Gleitelements sieht vor, dass die kohlenstoffhaltige Funktionsschicht mehrere amorphe Kohlenstoff schichten aufweist und der E-Modul der amorphen Kohlenstoff schichten von innen nach außen sinkt. Alternativ oder zusätzlich kann die kohlenstoffhaltige Funktionsschicht mindestens eine amorphe Kohlenstoff schicht aufweisen, die von innen nach außen ein gradiert sinkendes E- Modul aufweist.

Bevorzugt weist das Gleitelement zwischen der AxCy Schicht und der kristallinhaltigen Kohlenstoff schicht eine Übergangsschicht auf, die sich aus einer Mischphase der AxCy Schicht und der kristallinhaltigen Kohlenstoff schicht konstituiert, und die bevorzugt eine Dicke von 1 bis 25 nm aufweist .

Mit Vorteil weist die AxCy Schicht eine Dicke von 3 nm bis 10 nm, bevorzugt von 4 nm bis 8 nm auf.

Ebenso weist die kristallinhaltige Kohlenstoff schicht bevorzugt eine Dicke von nicht mehr als 50 nm auf.

Bevorzugt erfüllt die taktil gemessene Rauheit der Beschichtung die Bedingungen Rk < 1,4 pm und Rpk < 0,3 pm, besonders bevorzugt Rk < 0,9 pm und Rpk < 0,2 pm.

Ferner erfüllt die optisch gemessene Rauheit der Beschichtung bevorzugt die die Bedingungen Rk < 2,0 pm und Rpk < 0,5 pm, besonders bevorzugt Rk < 1,5 pm und Rpk < 0,4 pm.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird mindestens eine der Einzelschichten der Beschichtung über ein PVD-Verf ahren hergestellt.

Ausführungsbeispiel Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde der Einfluss des erfindungsgemäßen Schichtaufbaus gegenüber zwei Referenzbeispielen untersucht . Alle Beispiele weisen eine Beschichtung mit einer Gesamtschichtdicke von etwa 23 pm auf . Die beiden Vergleichsbeispiele weisen eine kohlenstof fhaltige Funktionsschicht an der äußersten Peripherie des Gleitelements auf , während das erfindungsgemäße Beispiel zusätzlich auf der kohlenstof fhaltigen Funktionsschicht eine äußere amorphe DLG Schicht mit einer Schichtdicke von etwa 4 pm aufweist . Das erste Vergleichsbeispiel und das zweite Vergleichsbeispiel unterscheiden sich vorrangig im E-Modul der kohlenstof fhaltigen Funktionsschicht : Während das erste Vergleichsbeispiel mit 200 bis 290 GPa diesbezüglich einen relativ geringen E-Modul aufweist , ist dieses mit 350 bis 450 im zweiten Vergleichsbeispiel deutlich höher . Das erfindungsgemäße Beispiel weist mit 350 bis 500 GPa ebenfalls einen relativ hohen E-Modul in der kohlenstof fhaltigen Funktionsschicht auf , der E-Modul in der äußeren amorphen DLG Schicht liegt mit 200 bis 350 GPa wiederum relativ niedrig . Das E-Modulverhältnis von kohlenstof fhaltiger Funktionsschicht zu äußerer Schicht beträgt für das erfindungsgemäße Beispiel >1 , 2 . In Abwesenheit einer dedi zierten zusätzlichen äußeren Schicht kann das E- Modulverhältnis in den Vergleichsbeispielen nicht bestimmt werden . Die Unterschiede zwischen den Beispielen lassen sich der nachfolgenden Tabelle entnehmen :

Tabelle 1 :

Im Anschluss an die Bearbeitung der resultierenden Beschichtungen wurden die Rauheiten Rk und Rpk gemessen . Die in Tabelle 1 wiedergegeben Werte bestätigen dabei , dass eine Beschichtung mit relativ niedrigem E-Modul in der äußersten Schicht (wie in Vergleichsbeispiel 1 und dem erfindungsgemäßen Beispiel ) gegenüber einer Beschichtung mit relativ hohem E-Modul in der äußersten Schicht (wie in Vergleichsbeispiel 2 ) nach der Bearbeitung eine deutlich verbesserte Rauheit aufweist . Untersuchungen zum Verschleißverhalten haben in diesem Zusammenhang gezeigt , dass die Rauheitskennwerte Rk und Rpk entscheidend für das Reib- und Verschleißverhalten in der Ring-Zylinderlaufbahn- Paarung sind . Werden die Rauheitskennwerte Rk = 1 , 5 pm und Rpk = 0 , 4 pm erreicht oder überschritten, so steigt der Zylinderlaufbahnverschleiß um mehr als 75 % gegenüber den bevorzugten maximalen Rauheitskennwerten Rk = 0 , 9 pm und Rpk = 0 , 2 pm (Werte j ewei ls optisch vor dem Schichtrobustheitstest bei 350 ° C gemessen) . Das Vergleichsbeispiel 2 weist somit eine unzulässig hohe Rauheit auf .

Anschließend wurde in einem Test die thermische Beständigkeit der Beschichtungen untersucht . Die Bewertung der thermischen Beständigkeit erfolgte durch die Auslagerung der Schicht für 24 Stunden bei 350 ° C unter Atmosphäre und der anschließenden vergleichenden optischen Rauheitsvermessung gegenüber dem Ausgangs zustand . Wird dabei ein Rauheitsanstieg des Rk- bzw . Rpk-Kennwerts von über 30 % gegenüber dem Ausgangs zustand verzeichnet , so gilt die sogenannte 30 %-Regel als nicht erfüllt . In anderen Worten verschlechtert sich unter thermischer Belastung dann die Rauheit in unzulässigem Maße . Dies gilt in der vorliegenden Untersuchung für das Vergleichsbeispiel 1 , siehe Tabelle 1 .

Die anschließende außermotorische tribologische Untersuchung der Schichten erfolgte an realen Ringsegmenten, welche in einem os zillierend arbeitenden Tribometer unter Vollschmierungsbedingungen gegen ein reales Zylinderlaufbahnsegment bewegt und mit einer Normalkraft beaufschlagt wurden . Die untersuchten Schichten wurden, wie vorstehend dargelegt , zuvor für 24 Stunden bei 350 ° C unter Atmosphäre ausgelagert. Im Anschluss an die außermotorischen tribologischen Versuche erfolgte die optische Vermessung des Ring- und Zylinderlaufbahnverschleißes. Die in Tabelle 1 aufgeführten Ergebnisse zeigen, dass die Vergleichsbeispiele 1 und 2 einen unzulässig hohen Linerverschleiß aufweisen und dass Vergleichsbeispiel 1 zusätzlich einen unzulässig hohen Ringverschleiß aufweist.

Die vorstehend diskutierten Untersuchungen zeigen, dass das erfindungsgemäße Bereitstellen einer äußeren amorphen DLC Schicht überraschenderweise zu einer ausgezeichneten Verschleißbeständigkeit auch bei hohen Temperaturen führt.

Die Messung der im Rahmen dieser Offenbarung genannten Parameter erfolgt wie folgt: Für die Messung des E-Moduls hat ein Anschliff der Schicht von der Oberfläche ausgehend bis in den zu messenden Tiefenbereich der Schicht zu erfolgen. Die Messung des E-Moduls erfolgt mittels eines Nanoindentors . Als Härteprüfverfahren ist die Mikrohärteprüfung mittels Eindringmethode anzuwenden. Die Messpunkte sind so auszuwählen, dass sie auf dem Plateau liegen, keine Vertiefungen berühren und der Abstand die dreifache Breite der Diagonale (Berkovich-Prüf körper ) des Eindrucks zu einander beträgt. Die Eindringtiefe des Prüfkörpers nach dem Anschliff darf 10 % der Dicke des zu messenden Schichtbereiches nicht überschreiten. Die Berechnung ist nach der Methode von Oliver und Pharr definiert (s. Oliver, W.C., Pharr, G.M., "An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments", J. Mat. Res., 7 (6) , June 1992, 1564-1583) .

Für die taktile Messung der Rauheit wird ein handelsübliches Oberflächenmessgerät der Fa . Mahr, Hommel o. ä. verwendet. Dabei werden die folgenden Parameter angewandt: Tabelle 2 :

* Es werden ein Tastspitzenradius von 10 pm und eine reduzierte Messkraft vorgegeben, da die Schicht sehr hart ist . Die empfohlene Tastspitzengeometrie stellt sicher, dass eine praxisnahe Standzeit der Tastspitze gewährleistet ist . Die Tastspitze ist regelmäßig mit einem Tastspitzen Prüfnormal z . B . Halle KNT 4050 : 01 zu prüfen .

* * Die Unterschiede der Kenngrößen zwischen den empfohlenen

Filtern sind im einstelligen nm Bereich .

Für die optische Messung der Rauheit wird ein konfokales Weißlichtmikroskop, Nanofocus psurf verwendet . Dabei werden die folgenden Parameter angewandt :

Tabelle 3 :

Die Rauheitswerte sind die Mittelwerte der ausgewerteten Messspuren innerhalb des Mess fleckes .