Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Beschichtung auf der äußeren Umfangsfiäche eines Kolbenring-Grundkörpers.

Durch die DE-C 41 12 422 ist ein abriebfester Überzug der Chrom und mindestens ein Chromnitrid enthält bekannt geworden, der auf einem Trägermaterial gebildet ist. Die Stickstoffkonzentration des Überzuges nimmt von der Grenzfläche zwischen dem Trägermaterial und dem Überzug in Richtung auf die äußere Oberfläche des Überzuges kontinuierlich zu. Der Überzug hat einen der äußeren Oberfläche benachbarten Bereich, der im wesentlichen eine Mischung aus Cr2N und CrN enthält. Der Überzug kann alternativ Chrom enthalten. Der abriebfeste Überzug kann beispielsweise auf gleitender Reibung unterliegenden Bauteilen, wie einem Kolbenring oder dergleichen, aufgebracht werden.

In der US-A 5,851,659 wird ein Gleitkörper und ein Verfahren zur Erzeugung eines derartigen Gleitkörpers abgehandelt, wobei der Gleitkörper mit einer Schicht auf Basis von Cr2ISf versehen ist, die eine Porosität zwischen 1,5 und 20 % aufweist. Die Kristalle der Chromnitride sind hierbei parallel zur Oberfläche der Beschichtung ausgerichtet, wobei die Chromnitride der Beschichtung CrN, Cr2N oder eine Mischung aus beiden Phasen beinhalten können.

In dem DE-Gbm 296 95 666 wird ein Bauteil im Bereich von Verbrennungsräumen abgehandelt, mit einer in einem Vakuumprozess zumindest auf einer seiner Flächen abgeschiedenen Beschichtung, die aus einer metallfreien amorphen Kohlenstoffschicht besteht, deren Härteverlauf über die Schichtdicke graduiert ist. Die Beschichtung soll hierbei in einem CVD-Prozeß aufgebracht werden, wobei die Graduierung durch Prozeßparameter einstellbar ist. Kolbenringe, insbesondere einsetzbar in der ersten Nut eines Kolbens, werden unter anderem mit Verschleißschutzschichten, wie sie dem vorab beschriebenen Stand der Technik zu entnehmen sind, versehen, um die geforderte Lebensdauer erfüllen zu können. Höhere Zylinderdrücke, Direkteinspritzung, Abgasrückführung und andere Konstruktionsmerkmale neuerer Motorenentwicklungen, jedoch auch die Minimierung des Ölverbrauchs, belasten die Kolbenringe dermaßen, dass mit den herkömmlichen Kolbenringbeschichtungen die geforderten Lebensdauererwartungen nicht mehr garantiert werden können.

Durch den Stand der Technik sind Kolbenringbeschichtungen auf Basis von Chromnitrid nach der Dünnschichttechnologie teilweise mit Zusätzen an Sauerstoff und/oder Kohlenstoff bekannt geworden. Solche Schichten verfügen über gute Festigkeits- und Brandspureigenschaften. Um bei den vorliegenden Verschleißwerten die Forderungen an die Lebensdauer, insbesondere hoch beanspruchter Dieselmotoren, zu erreichen, müssen große Schichtdicken, die für die Dünnschichttechnologie untypisch sind, erzeugt werden. Diese werden durch mit der Schichtdicke ansteigende Einspannungen in der Schicht begrenzt, wodurch es zur Rissbildung in der Beschichtung und/oder zu Abplatzern kommen kann. Insbesondere bei der in der DE-C 41 12 422 dargelegten Beschichtung kann eine Kontiunität des Verschleißverhaltens über die Zeit gesehen nicht sichergestellt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung einer Beschichtung auf der äußeren Umfangsfläche eines Kolbenring-Grundkörpers bereit zu stellen, durch welches Kolbenrmgbeschichtungen erzeugt werden können, die trotz der angegebenen Motorbelastungen ihre Funktion während der gesamten Lebensdauer des Motors zufriedenstellend erfüllen. Unter Einsatz der Dünnschichttechnologie soll darüber hinaus eine Schicht erzeugt werden, die die angesprochenen Nachteile nicht aufweist und die Abscheidung von Schichtdicken ermöglicht, die für hoch beanspruchte Motoren ein ausreichendes Funktionsverhalten, über die gesamte Lebensdauer des Motors gesehen, sicherstellt. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Erzeugung einer Beschichtung auf der äußeren Umfangsfläche eines Kolbenring-Grundköφers, indem mehrere Schichten lagenweise dergestalt auf der Umfangsfläche aufgebracht werden, dass im PVD- Verfahren zunächst mindestens eine metallische Haftschicht auf Basis von Cr ohne Zugabe von Stickstoff zum Prozeßgas auf der Umfangsfläche aufgebracht wird, anschließend dem Prozeßgas unter Erhöhung des Stickstoffpartialdruckes zur Bildung einer CrN-Gradientenschicht auf der Haftschicht zugegeben wird, und abschließend mindestens eine Deckschicht konstanter Zusammensetzung auf Basis von CrN, Cr2N oder einem Gemisch aus beiden Phasen auf der Gradientenschicht aufgebracht wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den verfahrensgemäßen Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch einen Kolbenring, bestehend aus einem Grundkörper, auf dessen äußerer Umfangsfläche mehrere Schichten lagenweise übereinander aufgebracht sind, wobei die der äußeren Umfangsfläche zugewandte Haftschicht eine PVD-Haftschicht auf Basis von Cr ist, auf der Haftschicht eine PVD- CrN-Gradientenschicht mit einer Schichtzusammensetzung von Cr über Cr - Cr2N - Gemischen, Cr2N, Cr2N - CrN-Gemischen bis hin zum CrN aufgebracht und auf der CrN-Gradientenschicht mindestens eine Deckschicht konstanter Zusammensetzung auf Basis von CrN, Cr2N oder einem Gemisch aus beiden Phasen aufgebracht ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbenringes sind den zugehörigen gegenständlichen Unteransprüchen zu entnehmen.

Vorgeschlagen wird somit eine im PVD- Verfahren aufgebrachte Schicht auf Basis von CrN mit partiell gradiertem Schichtaufbau. Aus der Vielzahl von im PVD- Verfahren abscheidbaren Hartstoff-Schichtsystemen zeichnet sich das System Cr-N durch relativ geringe Eigenspannungen aus. Während andere Schichten nur mit wenigen μm Schichtdicke erzeugt werden können, bevor die entstehenden Eigenspannungen zu Schichtschäden fuhren, lassen sich CrN-Schichten in deutlich größeren Schichtdicken auftragen. Bei den für die Lebensdauer, insbesondre von derzeit notwendigen Schichtdicken von 30 bis 50 μm, können bei herkömmlichen Beschichtungen die entstehenden Eigenspannungen aber doch zu Schichtabplatzern oder zur Rissbildung im Kolbenring-Grundwerkstoff fuhren.

Erfindungsgemäß werden die Eigenspannungen im System Cr-N bei höheren Schichtdicken dadurch reduziert, dass der Stickstoffgehalt innerhalb der Gradientenschicht in einer Rampenfunktion erhöht wird. Die erfindungsgemäße Schicht baut sich ausgehend vom Grundwerkstoff des Kolbenringes wie folgt auf

Grundwerkstoff— Cr-Haftschicht - CrN-Grandientenschicht — CrN-Deckschicht

Im Schichtsystem Cr-N existieren neben dem metallischen Cr mit Cr2N (33 Atom-% N) und CrN (50 Atom-% N) zwei Nitride. Je nach eingestelltem Stickstofϊpartialdruck im PVD-Prozess bilden sich die unterschiedlichen Phasen oder deren Phasengemische.

Im Beschichtungsprozess wird zunächst ohne Stickstoffzugabe zum Prozessgas eine metallische Cr-Schicht mit einer Schichtdicke < 1 μm abgeschieden. Anschließend wird dem Prozessgas Stickstoff zugegeben, wobei der Stickstoffpartialdruck kontinuierlich erhöht wird. Die Schichtzusammensetzung innerhalb der Gradientenschicht wird dabei von Cr über Cr - Cr2N-Gemischeh, Cr2N, Cr2N - CrN-Gemischen bis hin zum CrN variiert. Im Anschluss wird eine Deckschicht konstanter Zusammensetzung abgeschieden. Es kann sich dabei um CrN, Cr2N oder einem Gemisch aus beiden Phasen handeln.

Überraschender Weise hat sich gezeigt, dass bei Gesamtschichtdicken zwischen 30 und 50 μm eine Gradientenschichtdicke von 3 bis 5 μm ausreicht, die Eigenspannungen soweit zu reduzieren, dass keine Schichtabplatzer oder Rissbildungen mehr auftreten.

Der Erfmdungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen Figur 1 Querschnitt durch einen Kolbenring-Grundkörper mit darauf aufgebrachter Laufflächenbeschichtung

Figur 2 Konzentrationsprofil Cr-N, der in Figur 1 dargestellten Laufflächenbeschichtung.

Figur 1 zeigt den Querschnitt eines Kolbenringes 1, beinhaltend einen Grundkörper 2, der mit einer eine Lauffläche bildenden äußeren Umfangsfläche 3 versehen ist. Auf der äußeren Umfangsfläche 3 sind in diesem Beispiel drei Schichten 4,5,6 nach dem PVD- Verfahren aufgebracht worden. In diesem Beispiel soll die Schicht 4 durch eine Haftschicht auf Basis von Cr gebildet sein und eine Schichtdicke von 0,5 μm aufweisen.

Auf die Haftschicht 4 wurde ebenfalls im PVD-Verfahren eine CrN-Gradientenschicht 5 mit einer Schichtdicke von 3 μm aufgebracht. Die Schichtzusammensetzung innerhalb der CrN-Gradientenschicht 5 wurde dergestalt durch Stickstoffzugabe zum Prozessgas variiert, dass Abscheidungen vom Cr über Cr - Cr2N-Gemischen, Cr2N, Cr2 - CrN- Gemischen bis hin zum CrN einstellbar waren.

Auf die CrN-Gradientenschicht 5 wurde ebenfalls im PVD-Verfahren eine Deckschicht 6 konstanter Zusammensetzung mit einer Schichtdicke von 30 μm aufgebracht, wobei es sich hierbei um CrN handelt. Cr2N oder aber ein Gemisch aus beiden Phasen ist ebenfalls denkbar.

In einem Versuch wurde eine CrN-Schicht von 30 μm Gesamtschichtdicke auf einem Kolbenring 1 abgeschieden. In einem Fall wurde zunächst eine Cr-Haftschicht von 0,5 μm aufgebracht, im anderen Fall ebenfalls eine Cr-Haftschicht gleicher Dicke und zusätzlich eine 3 μm dicke Gradientenschicht aufgetragen. Die Variante mit Gradientenschicht wies nur halb so hohe Druckeigenspannungen auf, wie die Schicht ohne Gradientenschicht. Figur 2 zeigt das Konzentrationsprofil der in Figur 1 beschriebenen Beschichtung. Erkennbar sind die Cr- und N-Gehalte in Atom-% sowie die Schichtdicken in μm. Im Beschichtungsprozess wird zunächst ohne Stickstoffzugabe zum Prozessgas eine metallische Cr-Schicht (Haftschicht 4) abgeschieden. Erfindungsgemäß werden die Eigenspannungen im System Cr-N bei höheren Schichtdicken dadurch reduziert, dass der Stickstoffgehalt der CrN-Gradientenschicht 5 in einer Rampenfunktion erhöht wird, dergestalt, dass Stickstoff dem Prozessgas zugegeben wird, wobei der Stickstofϊpartialdruck in diesem Beispiel kontinuierlich erhöht wird. Die Schichtzusammensetzung in der CrN-Gradientenschicht 5 wird dabei von Cr über Cr - Cr2N-Gemischen, Cr2N, Cr2N - CrN-Gemischen bis hin zum CrN variiert. Im Anschluss wird eine Deckschicht 6 konstanter Zusammensetzung abgeschieden, wobei es sich hier um CrN handelt.