Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Gleitelements und ein Gleitelement , insbesondere einen Kolbenring. An Gleitelemente, wie zum Beispiel Kolbenringe, wird die Anforderung gestellt, dass sie dauerhaft geringe Reibungsverluste mit sich bringen. Beispielsweise wirkt sich bei Kolbenringen, die als Gleitelemente in Verbrennungsmotoren fungieren, eine Erhöhung der Reibung unmittelbar auf den Kraftstoffverbrauch aus . Ferner wird der Ölverbrauch durch den Zustand der Kolbenringe beeinflusst. Insbesondere ist hierzu die sogenannte Brandspurfestigkeit sowie Ausbruchsfestigkeit zu betrachten, die besonders hoch sein müssen, um dauerhaft die notwendigen Reibungswerte zu realisieren.

Stand der Technik

Als Vorbenutzungsgegenstände sind Kolbenringe bekannt, die mittels PVD-Verfahren auf Hartstoffbasis , insbesondere Chromnitrid, beschichtet sind. Ferner ist die elektrochemische Deposition von Chromschichten verbunden mit der Einlagerung von A12O3- oder Diamantpartikeln bekannt, deren Große im Mikrometerbereich liegt.

Aus der WO 2007/079834 Al geht ein DLC(diamond like carbon)- Schichtsystem hervor, das Wolframcarbidausscheidungen in nanokristalliner Form enthalten kann, die während des Abscheideprozesses entstehen und eine Größe von bis zu 10 nm aufweisen. Schließlich betrifft die DE 199 58 473 Al ein Verfahren zur Herstellung von Kompositschichten mit einer Plasmastrahlquelle, bei dem nanokristalline Partikel eingebettet werden können, und das mit bekannten, separat ansteuerbaren CVD- oder PVD-Verfahren kombiniert werden kann.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Beschichtung eines Gleitelements und ein entsprechendes Gleitelement zur Verfügung zu stellen, mit denen die geforderten Reibungs- und Verschleißeigenschaften über die notwendige Lebensdauer zu realisieren sind.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das im Anspruch 1 beschriebene Verfahren.

Demzufolge schlägt die Erfindung ein Verfahren zur zumindest einlagigen und an zumindest einer Außenfläche ausgebildeten Beschichtung eines Gleitelements, insbesondere eines Kolbenrings vor, bei dem Nanopartikel zunächst hergestellt und dann während des BeschichtungsVorganges in die Beschichtung eingebracht werden. Mit anderen Worten entstehen die Nanopartikel nicht in-situ, d. h. während des Beschichtungsvorganges, sondern sie werden separat, gewissermaßen ex-situ hergestellt und während des Beschichtungsvorganges in die Beschichtung eingebaut. Der Mechanismus, der sich hierdurch nutzen lässt und der zu verbesserten mechanischen Eigenschaften, wie zum Beispiel Ermüdungsfestigkeit, Brandspurfestigkeit,

Ausbruchsfestigkeit, Bruchfestigkeit und Bruchdehnung führen, funktioniert nach derzeitigem Kenntnisstand wie folgt. Es sei noch angemerkt, dass die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist. Die Einlagerung der beschriebenen Partikel oder Teilchen ruft lokale Kristallgitterverformungen hervor, die zu den genannten, verbesserten mechanischen Eigenschaften führen. Ferner wird eine Verbesserung des Verschleißverhaltens wegen der äußerst hohen Korngrenzendichte sowie eine erhöhte Elastizität und geringere Reibung erreicht.

Die Vorteile der eingebrachten Nanopartikel lassen sich auch bei der durchzuführenden Dispersions- oder Ausscheidungshärtung nutzen. Die bei der Beanspruchung entstehenden oder bereits vorhandenen Versetzungen können sich nämlich nicht durch die Partikel oder die Ausscheidungen hindurcharbeiten oder "--schneiden", sondern wölben sich gewissermaßen zwischen den Partikeln aus. Hierdurch bilden sich Versetzungsringe, die von den Versetzungen umgangen werden müssen. Bei diesem Umgehen ist eine höhere Energie notwendig, als wenn sich diese durch die Partikel oder Ausscheidungen "hindurch schneiden" . Somit wird die Belastbarkeit erhöht. Die Erfindung nutzt ferner in vorteilhafter Weise den Effekt, dass die Fließspannung für das Wandern der Versetzungen mit abnehmendem Teilchenabstand und abnehmender Teilchengröße zunimmt. Hierdurch steigt die Materialfestigkeit. Dieser Effekt ist besonders gut mit Nanopartikeln zu erhalten. Ferner hat sich im Rahmen der Erfindung herausgestellt, dass diese aufgrund ihrer hohen Fehlstellendichte an der Oberfläche nahezu unabhängig von dem zu verstärkenden Material während des Beschichtungsprozesses eingebracht und eingebaut werden können. Hierdurch können in vorteilhafter Weise die gewünschten Ausscheidungen gebildet werden, die inkohärent, teilkohärent oder kohärent sein können und die oben beschriebenen Effekte im Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften aufweisen. Die Herstellung der Nanopartikel ex-situ gewährleistet ferner in vorteilhafter Weise, dass der chemische und kristallographische Aufbau der Nanopartikel kontrolliert werden kann. Ferner kann durch diese Kontrolle bei der Herstellung der Nanopartikel gewährleistet werden, dass diese in der gewünschten Art und Weise während des Beschichtungsprozesses in die hierdurch wachsende Schicht eingebracht werden können. Die Beschichtung als solche erfolgt in vorteilhafter Weise mittels bewährter PVD (physical vapor deposition} und/oder CVD (chemical vapor deposition) -Beschichtungsprozesse .

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Für das Basismaterial oder die Matrix der Beschichtung hat sich ein Material als besonders günstig erwiesen, das Nitride, insbesondere Metall (oxi) nitride und insbesondere Cr(O)N, AlN oder TiN enthält.

Bei ersten Versuchen hat sich herausgestellt, dass ein Volumenanteil der Nanopartikel von 20 % oder weniger zu guten Eigenschaften führt.

Ferner konnten gute Erfahrungen mit Nanopartikeln gemacht werden, die eine Partikelgröße { -durchmesser) von 1 bis 100 nm bevorzugt 5 bis 75 und insbesondere 5 bis 50 nm aufweisen.

Für die Nanopartikel werden Verbindungen aus der Gruppe der Oxide, Carbide und/oder Suizide mit der Zusammensetzung Me _x O _y , Me _x C ₇ oder Me _x Si ₇ bevorzugt. Hierbei kann es sich bei dem Metall um Chrom, Titan, Tantal, Silizium, Indium, Zinn, Aluminium, Wolfram, Vanadium oder Molybdän handeln, und/oder x kann von 1 bis 3 und/oder y kann von 1 bis 3 sein.

Im Hinblick auf die Schichtdicke haben sich besonders gute Eigenschaften bei einer Dicke der Beschichtung von maximal 100 μm, und bevorzugt im Bereich von 5 bis 50 μm feststellen lassen.

Wenngleich die erfindungsgemäße Beschichtung vielseitig einsetzbar ist, wird aufgrund der bewährten Eigenschaften derzeit bevorzugt, dass das Grundmaterial, also das beschichtende Material des erfindungsgemäß zu beschichtenden Gleitelements Gusseisen oder Stahl aufweist. Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt ferner durch das im Anspruch 9 beschriebene Gleitelement, bei dem es sich insbesondere um einen Kolbenring handelt. Die bevorzugten Ausführungs formen des erfindungsgemäßen Gleitelements entsprechen denjenigen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu dessen Herstellung. Dies gilt in gleicher Weise für die auftretenden Vorteile, die insbesondere in einem dauerhaften, und dauerhaft die geforderten Reibungswerte und Verschleißeigenschaften aufweisenden Gleitelement liegen.

Für den bevorzugten Fall eines Kolbenrings sei erwähnt, dass als Gleitflächen eine oder mehrere Flanken, d. h. die Ober- und/oder Unterseite und/oder die Lauffläche, d. h. die äußere Zylinderfläche des Kolbenrings beschichtet sein können. Die Lauffläche kann dicker mit der erfindungsgemäßen Beschichtung mit eingelagerten, separat hergestellten Nanopartikeln beschichtet sein, als zumindest eine der Flanken. Der Übergang zwischen Lauffläche und zumindest einer Flanke kann an der Beschichtung gerundet sein, ebenso wie dieser Übergang an dem Grundmaterial des Kolbenrings gerundet sein kann. Die Beschichtung beider Flanken kann gleich dick sein. In besonderen Anwendungsfällen kann auch nur die Lauffläche beschichtet sein.