Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Gleitelement in einem Verbrennungsmotor, insbesondere einen Kolbenring.

Bei der Reduzierung der Kohlendioxidemissionen von Verbrennungsmotoren spielt der Kraftstoffverbrauch eine maßgebliche Rolle. Dieser wird von den Reibungsverlusten im Motor, insbesondere im Bereich der Kolben, beispielsweise an den Kolbenringen, maßgeblich beeinflusst. Es besteht deshalb die Forderung nach Gleitelementen in Verbrennungsmotoren, insbesondere Kolbenringen, die über die gesamte Lebensdauer ein möglichst günstiges Reibungsverhalten aufweisen. Im Hinblick auf die gesamte Lebensdauer ist insbesondere das Einlaufverhalten, eine mögliche Mangelschroierung und eine eventuelle Brandspurbildung zu berücksichtigen, die jeweils zu veränderten tribologischen Eigenschaften führen.

Stand der Technik

Auf dem vorgenannten Gebiet sind PVD-Beschichtungen auf Hartstoffbasis bekannt, die eine gute Verschleißbeständigkeit aufweisen, jedoch im Hinblick auf die Reibkoeffizienten verbesserungswürdig sind.

Aus der DE 10 2005 063 123 B3 geht ein Schichtaufbau hervor, der, von außen nach innen, eine EinlaufSchicht , eine Haftschicht und eine Verschleißschutzschicht aufweist. Das Verhalten der Reibeigenschaften über die Lebensdauer hat sich jedoch als weiter verbesserbar herausgestellt.

Die US 6,528,115 betrifft ein Gleitelement mit einer Kohlenstoffbeschichtung mit veränderlichem sp ² /sp ³ - Verhaltnis, das insbesondere von dem Substrat ausgehend abnehmen und zur Außenseite der Beschichtung hin wieder zunehmen kann.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleitelement eines Verbrennungsmotors, insbesondere einen Kolbenring zu schaffen, das/der eine Beschichtung aufweist, die zuverlässig, über einen möglichst langen Zeitraum, gunstige Reibeigenschaften besitzt.

Die Losung der Aufgabe erfolgt durch das im Anspruch 1 beschriebene Gleitelement .

Indem zufolge weist dieses eine DLC-Beschichtung des Typs ta- C auf, die über ihre Dicke veränderliche Eigenspannungen besitzt. Mit anderen Worten ist über die Dicke der Beschichtung zumindest ein Eigenspannungsgradlent ausgebildet. Mit „DLC" wird bekanntermaßen diamond-like carbon beschrieben. Der Typ ta-C zeichnet sich durch einen tetraedrischen Aufbau auf, ist Wasserstofffrei und beispielsweise in der VDI Richtlinie 2840 definiert. Eine derartige Schicht sorgt zum einen für ein gutes Reibungsverhalten und weist darüber hinaus aus folgenden Gründen eine besonders hohe Lebensdauer auf.

Zum einen gestattet die Variation der Eigenspannungen über die Dicke der Schicht die Erzeugung großer Schichtdicken, von beispielsweise großer als 10 μm, ohne dass Probleme im Hinblick auf die Haftung oder Sprodigkeit der Schicht auftreten. Es konnte nämlich festgestellt werden, dass beispielsweise Zonen niedriger Schichteigenspannungen den gesamten Schichtverbund, d.h. die insbesondere mehrschichtig vorgesehene Beschichtung, lokal relaxieren oder entspannen. Hierdurch wird bei hohen Schublastspannungen, wie sie beim Einsatz in einem Verbrennungsmotor auftreten, die Fließgrenze der DLC-Beschichtung nicht überschritten. Der Verschleiß der Beschichtung kann demnach erfolgreich eingegrenzt werden.

Für einen mittleren, d.h. nicht ganz außen und nicht ganz innen liegender Bereich der Beschichtung hat sich ein negativer Eigenspannungsgradient bewährt, der bevorzugt geringer ist als der negative Eigenspannungsgradient im inneren, d.h. zu dem Grundwerkstoff gelegenen Bereich der Beschichtung. Hierdurch liegt die Eigenspannung mit dem höchsten Niveau vergleichsweise weit außen an der Beschichtung, was ein günstiges Verhalten erwarten lässt. In diesem Zusammenhang weist der mittlere Bereich eine größere, bevorzugt deutlich größere, etwa dreimal so große, Schichtdicke auf wie der innen liegende Bereich.

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

Für den Übergang von der Beschichtung zu dem Grundwerkstoff des Gleitelements hat sich in diesem, d.h. einem inneren Bereich der Beschichtung ein, von außen nach innen betrachtet, negativer Eigenspannungsgradient als vorteilhaft erwiesen. Mit anderen Worten sinken die Eigenspannungen zu dem Grundwerkstoff hin auf einen niedrigen Wert, um einen günstigen Spannungsübergang zum Grundwerkstoff und eine gute Haftung der Schicht zu erreichen.

Für einen außen liegenden Bereich hat sich ein, von außen nach innen betrachtet, positiver Eigenspannungsgradient als vorteilhaft erwiesen. Mit anderen Worten liegt die Eigenspannung an der äußeren Oberfläche der Beschichtung auf einem vergleichsweise niedrigen Niveau, was sich für ein günstiges Einlaufverhalten als vorteilhaft erwiesen hat. Hiervon ausgehend steigen die Eigenspannungen jedoch bevorzugt nach innen hin stark an, so dass sich die oben beschriebenen Wirkungen erzielen lassen.

Insbesondere bei Gleitelementen, für die eine extrem hohe Flächenpressung zu erwarten ist, ist ein konstanter, niedriger Eigenspannungsverlauf in einem innersten Bereich, d.h. unmittelbar an den Grundwerkstoff angrenzend, günstig.

Ferner kann durch einen ebenfalls konstanten, vergleichsweise niedrigen, jedoch bevorzugt auf höherem Niveau als im innersten Bereich liegenden Eigenspannungsverlauf, der an der Außenseite der Beschichtung vorgesehen ist, das Einlaufverhalten weiter verbessert werden.

Für die Vermeidung der Ausbreitung von Rissen in der Beschichtung haben sich bei einer alternativen, hierin ebenfalls beschriebenen Ausführungsform, in einem mittleren Bereich umfangreich alternierende Eigenspannungen als vorteilhaft herausgestellt. Das Haß der Zonen niedriger Eigenspannungen kann in diesem Zusammenhang kleiner, gleich oder größer als das Maß der Zonen mit hoher Eigenspannung sein .

Für die Periodizität , d.h. die Dicke zwischen dem Beginn eines Bereichs niedriger Eigenspannung, über einen Bereich hoher Eigenspannung bis zu dem Beginn des nächsten Bereichs mit niedriger Eigenspannung, sind Werte von 0,01 bis 1 μm denkbar.

Insgesamt lassen sich durch die beschriebenen Maßnahmen Beschichtungen mit einer Dicke von 10 μm oder größer erzeugen, was zum einen ein günstiges Einlaufverhalten bewirkt jedoch gleichzeitig eine ausreichende Schichtdicke darstellt, um nach unvermeidbaren Verschleiß eine lange Lebensdauer mit gunstigen Reibeigenschaften der Beschichtung sicherzustellen.

Für die Erzeugung der unterschiedlichen Eigenspannungen ist beispielsweise eine Veränderung des Verhältnisses zwischen sp2- und sp3-hybridisierten Kohlenstoffatomen vorteilhaft. Insbesondere können die Druckeigenspannungen durch Erhöhung des sp3-Anteils erhöht werden, was insgesamt die Ausbildung eines Eigenspannungsgradienten ermöglicht.

Dies gilt in ahnlicher Weise bei zunehmender Dichte, so dass für eine Änderung der Dichte der Schicht über deren Dicke die Möglichkeit erwartet wird, die Eigenspannungen in vorteilhafter Weise über die Dicke der Schicht zu verandern.

Schließlich ist ms Auge gefasst, die Harte der Schicht über deren Dicke zu verandern, da eine höhere Harte größere Druckeigenspannungen zur Folge hat, so dass sich hierdurch ebenfalls die gewünschten Eigenspannungsgradienten einstellen lassen .

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend werden Ausfuhrungsformen der Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen naher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung des Eigenspannungsverlaufs über die Dicke einer DLC-Beschichtung in einer ersten Ausfuhrungsform; und

Fig. 2 eine Darstellung des Eigenspannungsverlaufs über die Dicke einer DLC-Beschichtung in einer zweiten, nicht erfindungsgemaßen Ausfuhrungsform.

Ausfuhrliche Beschreibung der Zeichnungen In den Figuren sind die Eigenspannungen der DLC-Beschichtung jeweils über die Dicke der Beschichtung angetragen, wobei ein äußerster Bereich der Beschichtung in den Diagrammen links, und ein innerster Bereich der Beschichtung rechts liegt. Mit anderen Worten schließt sich rechts an die Beschichtung mit den dargestellten Eigenspannungen der Grundwerkstoff, beispielsweise Stahl oder Grauguss, an.

Bei der Ausfuhrungsform von Fig. 1 ist von dem inneren Bereich, oder dem "Boden" der Beschichtung ausgehend (Zone III) ein {von außen nach innen) negativer

Eigenspannungsgradient ausgebildet. Mit anderen Worten sind die Eigenspannungen an dem Übergang zu dem Grundwerkstoff besonders niedrig, um einen guten Spannungsübergang und eine gute Haftung der Beschichtung zu erzielen. In einem mittleren Bereich (Zone II) erhöht sich die Eigenspannung weiter, jedoch mit niedrigerem Gradienten, auf das höchste Niveau. An der Außenseite (Zone I) sinken die Eigenspannungen stark ab, mit anderen Worten ist von außen nach innen ein hoher positiver Eigenspannungsgradient ausgebildet, was zu einem gunstigen Einlaufverhalten fuhrt. Hierbei ist der mittlere Bereich II deutlich großer als der innere III und/oder der äußere Bereich I. Bevorzugt ist der mittlere Bereich II großer als beide genannten anderen Bereiche ϊ und III. Diese beiden Bereiche I, III können in etwa gleich dick sein. Der mittlere Bereich II ist bevorzugt deutlich dicker als die beiden anderen Bereiche, und insbesondere etwa dreimal so dick wie jeder der anderen Bereiche I, III.

Bei der Äusführungsform von Fig. 2 sind in einer äußersten Zone I die Eigenspannungen zunächst auf niedrigem Niveau konstant und steigen dann (Zone 1.2) stark an. Dies sorgt für einen beanspruchungsgerechten Übergang zwischen der Zone I und einer Zone II, in der die Eigenspannungen umfangreich alternieren. Insbesondere bei Schubspannungsbelastung hat sich nämlich ein konstant hoher Eigenspannungszustand als rissgefahrdet erwiesen. Die alternierenden Eigenspannungen in der Zone II unterbinden die Rissausbreitung. In diesem Bereich kann die Periodizitat α beispielsweise zwischen 0,1 und 1 μm liegen. Ähnlich wie bei der Ausführungsform von Fig. 1 schließt sich zu dem Grundwerkstoff hin (in der Figur rechts) eine Zone III.1 mit einem stark negativen Eigenspannungsgradienten an, und unmittelbar an den Grundwerkstoff angrenzend ist eine Zone III.2 mit einem konstant niedrigen Eigenspannungsverlauf vorgesehen, um einen guten Spannungsubergang zum Grundwerkstoff und eine gute Haftung zu erreichen. Das Eigenspannungsniveau in der Zone III.2 kann insbesondere niedriger sein, als das in der äußersten Zone 1.1, und in der Zone II können die Eigenspannungen zwischen absoluten Maximalwerten und einem Niveau ein wenig oberhalb des Niveaus der Zone I variieren.

Es sei ergänzt, dass die Bereiche I, die von dem Punkt D zu dem Punkt C reichen, beider Figuren in etwa einander entsprechen. Dies gilt in gleicher Weise für den mittleren Bereich II, d.h. zwischen den Punkten C und B, und den jeweiligen Bereich III, mit anderen Worten zwischen den Punkten B und A. Insbesondere gelten die oben genannten Dickenverhaltnisse auch für die Fig. 2. Es sei schließlich erwähnt, dass die einzelnen Merkmale der genannten Ausfuhrungsformen miteinander kombiniert werden können, soweit sie einander nicht widersprechen.