| WO/2005/066384 | WEAR-RESISTANT LAYER AND COMPONENT COMPRISING A WEAR-RESISTANT LAYER |
| JPS6473085 | STAINLESS STEEL SHEET |
| WO/1988/008356 | SOLDER-REPELLENT COATING FOR TOOLS |
FISCHER MANFRED (DE)
KENNEDY MARCUS (DE)
HOPPE STEFFEN (DE)
FISCHER MANFRED (DE)
KENNEDY MARCUS (DE)
| WO2006125683A1 | 2006-11-30 |
CHANG Y-Y ET AL: "Characterization of nitrogen-doped a-C:H films deposited by cathodic-arc activated deposition process", DIAMOND AND RELATED MATERIALS, ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS, AMSTERDAM, NL, vol. 12, no. 10-11, 1 October 2003 (2003-10-01), pages 2077 - 2082, XP004479912, ISSN: 0925-9635
PAL S K ET AL: "Effects of N-doping on the microstructure, mechanical and tribological behavior of Cr-DLC films", SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 201, no. 18, 25 June 2007 (2007-06-25), pages 7917 - 7923, XP025317810, ISSN: 0257-8972, [retrieved on 20070525]
VOEVODIN A A ET AL: "Tribological performance and tribochemistry of nanocrystalline WC/amorphous diamond-like carbon composites", THIN SOLID FILMS, ELSEVIER-SEQUOIA S.A. LAUSANNE, CH, vol. 342, no. 1-2, 26 March 1999 (1999-03-26), pages 194 - 200, XP004168094, ISSN: 0040-6090
VOEVODIN A A ET AL: "Nanocrystalline WC and WC/a-C composite coatings produced from intersected plasma fluxes at low deposition temperatures", JOURNAL OF VACUUM SCIENCE AND TECHNOLOGY: PART A, AVS /AIP, MELVILLE, NY., US, vol. 17, no. 3, 1 May 1999 (1999-05-01), pages 986 - 992, XP012004493, ISSN: 0734-2101
RINCÓN C. ET AL: "Tungsten Carbide / Diamond-like Carbon Multilyer Coatings on Steel for Tribological Applications", SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY, vol. 148, 2001, pages 277 - 283, XP002565889
VOEVODIN A A ET AL: "Nanocrystalline carbide/amorphous carbon composites", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS. NEW YORK, US, vol. 82, no. 2, 15 July 1997 (1997-07-15), pages 855, XP012043112, ISSN: 0021-8979
| Patentansprüche 1. Verfahren zur Beschichtung eines Gleitelements, insbesondere eines Kolbenringes oder einer Zylinderlaufbuchse eines Verbrennungsmotors, bei dem während der Abscheidung einer HartstoffSchicht DLC- Phasen in die Hartstoffschicht eingelagert werden. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Hartstoffschicht mit einer Dicke von > 10 μm abgeschieden wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Hartstoffschicht Nitride von Elementen der 4. und/oder 5. und/oder 6. Nebengruppe des Periodensystems enthält. 4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Hartstoffschicht ferner zusätzliche Elemente, wie z.B. Bor, Kohlenstoff, Sauerstoff und/oder Silizium, enthält . 5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Einlagerungen gleichmäßig verteilt werden. 6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die DLC-Phasen einen Phasenanteil von 0,1 bis 99,9 % aufweisen . 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die DLC-Phasen einen lokalen Phasenanteil von bis zu 100 % aufweisen. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 6 und 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Phasenanteil der DLC-Phasen über die Schichtdicke variiert wird. 9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Phasenanteil der DLC-Phasen an der Oberfläche und/oder in den obersten 1 bis 2 μm der Hartstoffschicht gegenüber der restlichen Schicht erhöht wird. 10. Gleitelement, wie z.B. Kolbenring oder Zylinderlaufbuchse eines Verbrennungsmotors, mit einer Hartstoffschicht , die eingelagerte DLC-Phasen aufweist. 11. Gleitelement nach Anspruch 10, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Hartstoffschicht eine Dicke von > 10 μm aufweist. 12. Gleitelement nach Anspruch 10 oder 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Hartstoffschicht Nitride von Elementen der 4. und/oder 5. und/oder 6. Nebengruppe des Periodensystems enthält. 13. Gleitelement nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Hartstoffschicht ferner zusätzliche Elemente, wie z.B. Bor, Kohlenstoff, Sauerstoff und/oder Silizium, enthält . 14. Gleitelement nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Einlagerungen gleichmäßig verteilt sind. 15. Gleitelement nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die DLC-Phasen einen Phasenanteil von 0,1 bis 99,9 % aufweisen. 16. Gleitelement nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die DLC-Phasen einen lokalen Phasenanteil von bis zu 100 % aufweisen. 17. Gleitelement nach einem der Ansprüche 10 bis 13, 15 und 16, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Phasenanteil der DLC-Phasen über die Schichtdicke variiert . 18. Gleitelement nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Phasenanteil der DLC-Phasen an der Oberfläche und/oder in den obersten 1 bis 2 μm der HartstoffSchicht gegenüber der restlichen Schicht erhöht ist. |
Gleitelement, insbesondere Kolbenring oder
Zylinderlaufbuch.se eines, Verbrennungsmotors
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Gleitelements, insbesondere eines Kolbenringes oder einer Zylinderlaufbuchse eines Verbrennungsmotors, sowie ein Gleitelement .
Kolbenringe werden in Verbrennungsmotoren eingesetzt, um zwischen dem sich auf und ab bewegenden Kolben und der Zylinderwand eine möglichst perfekte Abdichtung zu schaffen. Ferner dienen Kolbenringe dazu, das an der Zylinderwand befindliche Öl abzustreifen und die Nutzbarkeit dieses Öls für die Schmierung zu erhalten. Die wesentlichen Anforderungen an Kolbenringe bestehen in einer möglichst geringen Reibung sowie einer möglichst langen Lebensdauer unter den teilweise extremen Anforderungen beim Betrieb eines Verbrennungsmotors. Dies impliziert ein Verschleißverhalten, bei dem der Kolbenring seinen Anforderungen möglichst lange gerecht wird. Dies gilt in gleicher Weise für das Verschleißverhalten von Zylinderlaufbuchsen, mit denen sich die Kolbenringe in Gleitkontakt befinden. Stand der Technik
Die WO 2007/020139 Al beschreibt ein Substrat, bei dem es sich um einen Kolbenring handeln kann, mit einer Haftschicht, einer Zwischenschicht aus tetraedischem Kohlenstoff, und einer äußeren Schicht aus amorphem Kohlenstoff.
Aus der DE 10 2005 063 123 B3 der Anmelderin geht ein Gleitelement, beispielsweise ein Kolbenring hervor, der eine Verschleißschicht und eine EinlaufSchicht aufweist.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Beschichtung eines Gleitelements, insbesondere eines Kolbenringes oder einer Zylinderlaufbuchse eines Verbrennungsmotors zu schaffen, durch das die Anforderungen im Hinblick auf die Reibungswerte und die Lebensdauer gleichermaßen berücksichtigt werden. Ferner soll ein Gleitelement geschaffen werden, bei dem die Reibungswerte und eine lange Lebensdauer in günstiger Weise kombiniert sind.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch das in Anspruch 1 beschriebene Verfahren.
Demzufolge wird ein Gleitelement, insbesondere ein Gleitelement eines Verbrennungsmotors, wie z.B. ein Kolbenring oder eine Zylinderlaufbuchse durch Abscheidung einer HartstoffSchicht beschichtet. Erfindungsgemäß werden während, mit anderen Worten parallel zu dieser Abscheidung DLC-Phasen in die HartstoffSchicht eingelagert. Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich somit von bislang bekannten Verfahren, indem die DLC-Beschichtung nicht "auf" der HartstoffSchicht und/oder in einem separaten Beschichtungsprozess erfolgt, sondern parallel und bevorzugt gleichzeitig mit der Abscheidung der Hartstoffschicht, so dass die beschriebenen Einlagerungen ausgebildet werden. Die Einlagerung der DLC-Phasen kann auch als " in-situ-Einbau" bezeichnet werden. Bei Versuchen konnte festgestellt werden, dass durch das parallele Vorliegen der Hartstoffphasen einerseits und der DLC-Phasen andererseits ein günstiges Reibungsverhalten erzielt wird. Ferner konnte ein günstiges Verschleißverhalten festgestellt werden. Mit anderen Worten befindet sich der Verschleiß in einem Bereich, der eine den Anforderungen entsprechende Lebensdauer sicherstellt. Die Einlagerung der DLC-Phasen bietet darüber hinaus die Möglichkeit, die HartstoffSchicht in vorteilhafter Weise entlang ihrer Dicke mit unterschiedlichen Eigenschaften zu versehen. So kann beispielsweise das Verschleißverhalten an der Oberfläche und/oder den obersten Schichten der Hartstoffschicht derart eingestellt werden, dass ein günstiges Einlaufverhalten erreicht wird, während tiefer liegende Bereiche der Hartstoffschicht durch geeignete Einlagerung der DLC-Phasen so ausgebildet werden, dass ein dauerhaft günstiges Verschleißverhalten erreicht wird.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Für die Hartstoffbeschichtung wird eine Dicke von mindestens 10 μm bevorzugt. Hierdurch können die DLC-Einlagerungen in dem für die Eigenschaften günstigen Umfang vorgesehen werden. Gleichzeitig weist eine Schicht mit der genannten Dicke die Möglichkeit auf, eine Einlaufschicht an der Oberseite und weitere Schichten mit speziellen Eigenschaften in tieferen Lagen vorzusehen.
Für die Hartstoffbeschichtung wird ferner bevorzugt, dass sie Nitride von Elementen der 4. und/oder 5. und/oder 6. Nebengruppe des Periodensystems enthält, oder sogar vollständig aus diesen besteht. Mit den genannten Elementen konnten besonders günstige Eigenschaften festgestellt werden. Besonders bevorzugt wird eine Hartstoffbeschichtung aus Chromnitrid (CrN) . Dies gilt in ähnlicher Weise im Hinblick auf die thermische Beständigkeit und/oder Brandspurbeständigkeit, die bei der erfindungsgemäßen Hartstoffbeschichtung dadurch verbessert werden kann, dass diese weitere Elemente, wie z.B. Bor, Kohlenstoff, Sauerstoff und/oder Silizium aufweist.
Die eingelagerten DLC-Phasen können zum einen gleichmäßig verteilt werden. Insbesondere kann im Verhältnis zu der Hartstoffphase ein Phasenanteil von 0,1 bis 99,9 % vorliegen.
Alternativ und/oder bereichsweise ergänzend können die DLC- Einlagerungen örtlich lokalisiert sein, so dass sie einen lokalen Phasenanteil von 100 % aufweisen und insbesondere eine Schicht aus 100 % DLC-Einlagerungen ausmachen können. In Abhängigkeit von den Anforderungen konnten für beide oben genannten Ausführungsformen gute Eigenschaften festgestellt werden .
Wie erwähnt, kann der Phasenanteil der DLC-Phasen über die Schichtdicke der HartstoffSchicht, bevorzugt über einen oder mehrere Gradienten variiert werden. Hierdurch können die Eigenschaften der Beschichtung insgesamt entlang der Dicke variiert und besonders gut an die jeweils gestellten Anforderungen angepasst werden.
Als besonders günstig hat sich erwiesen, den Phasenanteil der DLC-Phase an der Oberfläche und/oder in den obersten 1 bis 2 μm der HartstoffSchicht verglichen mit der restlichen Beschichtung zu erhöhen. Dies verbessert in vorteilhafter Weise das Einlaufverhalten .
Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt ferner durch das im Anspruch 10 beschriebene Gleitelement. Die bevorzugten Ausführungsformen und die dadurch erreichbaren Vorteile entsprechen denjenigen, die vorangehend unter Bezugnahme auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben wurden.