WO2010133384A1 - Gleitelement - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a sliding element in an internal combustion engine, in particular a piston ring.
  • DE 10 2005 063 123 B3 discloses a layer structure which, from outside to inside, has an inlet layer, an adhesive layer and a wear protection layer. The Behavior of the friction properties over the life has been found to be further improved.
  • the invention has for its object to provide a sliding element of an internal combustion engine, in particular a piston ring, which / has a coating which has reliable, over as long a period as possible, favorable friction properties.
  • the type Ta ⁇ C has variable residual stresses throughout its thickness.
  • at least one residual stress gradient is formed over the thickness of the coating.
  • DLC ⁇ diamond-like carbon described.
  • the type ta-C is characterized by a tetrahedral structure, is hydrogen-free and, for example, defined in the VDI guideline 2840. On the one hand, such a layer ensures good frictional behavior and moreover has a particularly long service life for the following reasons.
  • the variation of the residual stresses across the thickness of the layer allows the generation of large layer thicknesses of, for example, greater than 10 ⁇ m, without problems with regard to the adhesion or brittleness of the layer.
  • zones of low layer stress levels locally relax or relax the entire layer composite, ie the coating provided in particular in a multi-layered manner.
  • the yield point DLC coating not exceeded. The wear of the coating can therefore be successfully limited.
  • a negative internal stress gradient which is preferably lower than the negative internal stress gradient in the interior, ie.
  • the internal stress with the highest level is comparatively far outward on the coating, which leads one to expect a favorable behavior.
  • the extent of the zones of low residual stresses can be less than or equal to the size of the zones of high residual stress.
  • a change in the ratio between sp 2 and sp 3-hybridized carbon atoms is advantageous for generating the different residual stresses.
  • the residual compressive stresses can be increased by increasing the proportion of sp3, which overall allows the formation of an internal stress gradient. This applies in a similar manner with increasing density, so that for a change in the density of the layer over its thickness, the possibility is expected of the residual stresses m to change advantageously over the thickness of the layer.
  • FIG. 2 shows a representation of the residual stress profile over the thickness of a DLC coating m in a second embodiment.
  • the residual stresses of the DLC coating are plotted across the thickness of the coating, with an outermost portion of the coating in the diagrams on the left, and an innermost portion of the coating on the right.
  • the base material for example steel or gray cast iron, adjoins the coating with the illustrated residual stresses on the right.
  • the Eigenspannu ⁇ gen at the transition to ⁇ em base material are particularly low in order to achieve a good stress transition and exre good adhesion of the coating.
  • the residual stress increased, but with a lower gradient, to the highest level.
  • the residual stresses drop sharply, in other words, a high positive internal stress gradient is generated from the outside in, which leads to a favorable run-in behavior.
  • a zone IV with a strongly negative Eiger voltage gradient adjoins the base material (on the right), and a zone V with a constant low residual stress profile is provided immediately adjacent to the component good stress transition to the base material and good adhesion? u.
  • the residual stress level m of the zone V may be lower than that in the outermost zone I, and m of the zope III may vary the residual stresses between absolute maximum values and a level slightly above the level of the zone I.

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Abstract

Ein Gleitelement eines Verbrennungsmotors, insbesondere ein Kolbenring, weist eine DLC-Beschichtung des Typs ta-C auf, die zumindest einen Eigenspannungsgradienten aufweist.

Description

Gleitelement
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 Gieitelementen in Verbrennungsmotoren, insbesondere Kolbenringen, die über die gesamte Lebensdauer ein möglichst günstiges Reibungsverhalten aufweisen. Im Hinblick auf die gesamte Lebensdauer ist insbesondere das Einlaufverhaiten, eine mögliche Mangelschmierung 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.
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, günstige Reibeigenschaften besitzt.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch das im Anspruch 1 beschriebene Gleiteleraent .
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 Eigenspannungsgradient 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 größer als 10 um, ohne dass Probleme im Hinblick auf die Haftung oder Sprödigkeit 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.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemaßen 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. Mxt anderen Worten sinken die Eigenspannungen zu dein 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 Oberflache 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 bescnriebenen Wirkungen erzielen lassen.
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.
Insbesondere bei Gleitelementen, für die eine extrem hohe Flächenpressung zu erwarten ist, ist ein konstanter, niedriger Eigenspannungsverlauf in einem innerster Bereich, d.h. unmittelbar an den Grundwerkstoff angrenzend, gunstig.
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 Liniaufverhalten weiter verbessert werden.
Für die Vermeidung der Ausbreitung von Rissen m der Beschichtung haben sich in einem mittleren Bereich umfangreich alternierende Eigenspannungen als vorteilhaft herausgestellt. Das Maß der Zonen niedriger Eigenspannungen kann in diesen Zusammenhang kleiner, gleich oαer großer als das Maß der Zonen irit hoher Eigenspannung sein.
Für die Periodizitat, 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 0,1 bis 1 μm denkbar .
Insgesamt lassen sich durch die beschriebenen Maßnahmen Beschichtungen mit einer Dicke von 10 μm oder großer erzeugen, was zum einen ein gunstxges Einlaufverhalten oewirKt jedoch gleichzeitig eine ausreichende Schichtdicke darstellt, um nach unvermeidbaren Verschleiß eine lange Lebensdauer mit günstigen Reibeigenschaften der Beschichtung sicherzustellen .
Für die Erzeugung der unterschiedlichen Eigenspannungen ist beispielsweise eine Veränderung des Verhältnisses zwischen sp2- und sp3-hybπdisierten 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 m vorteilhafter Weise über die Dicke der Schicht zu verandern.
Schließlich ist ins 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 Ausfuhrungsforrαen 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 m einer zweiten Ausfuhrungsform.
Ausfuhrliche Beschreibung der Zeichnungen
En 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 Eigenspannuπgen an dem Übergang zu αem Grundwerkstoff besonders niedrig, um einen guten Spannungsubergang und exre gute Haftung der Beschichtung zu erzielen. In einem mittleren Bereich (Zone II) erhobt sich die Eigenspannung weiter, ]edoch mit niedrigerem Gradienten, auf das nochste Niveau. An der Außenseite (Zone I) sinken die Eigenspannungen stark ab, mit anderen Worten ist von außen nach innen ein hoher positiver Eigenspannungsgradient ausgeoildet, was zu einem gunstigen Einlaufverhalten fuhrt.
Dies gilt m glexcher Weise für d^e Ausfuhrungsform von FJ g . 2, bei der in einer äußersten Zone I die Eigenspannungen zunächst auf niedrigem Niveau konstant sind, und dann (Zone II) stark ansteigen. Dies sorgt für einen beanspruchungsgerechten Übergang zwischen der Zone I und einer Zone III, in der a±e Eigenspannungen umfangreich alternieren. Insbesondere bei Schubspannungsbelastung nat sich nämlich ein konstant hoher Ei genspannungszustand als πssgefahrdet erwiesen. Die alternierenden Eigenspannungen in der Zone III unterbinden die Rissausbreitung. In diesem Beieich kann die Peπodizitat α beispielsweise zwischen 0,1 und 1 μm liegen. Ahnlich wie bei der Ausfunrungsform von Fig. 1 schließt sich zu dem Grundwerkstoff hin (in αer Eigur rechts) eine Zone IV mit einem stark negativen Eigerspannungsgradienten an, und unmittelbar an den Gcunαwerκstoff angrenzend ist eine Zone V mit einem konstant niedrigen Eigenspannungsverlauf vorgesehen, um einen guten Spannungsubergang zum Grundwerkstoff und eine gute Haftung ?u erreichen. Das Eigenspannungsniveau m der Zone V kann insbesondere niedriger sein, als das in der äußersten Zone I, und m der Zope III können die Eigenspannungen zwiscnen absoluten Maximalwerten und eineir Niveau ein wenig oberhalb des Niveaus der Zone I variieren.

Claims

Patentansprüche
1. Gleitelement eines Verbrennungsmotors, insbesondere Kolbenring, mit einer DLC-Beschichtung des Typs ta-C, die über ihre Dicke veränderliche Eigenspannungen und somit zumindest einen Eigenspannungsgradienten aufweist.
2. Gleitelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zu dem Grundwerkstoff gelegenen Bereich {III, IV) ein, von außen nach innen betrachtet, negativer Ξigenspannungsgradient ausgebildet ist.
3. Gleitelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem außen liegenden Bereich
(I, II) ein, von außen nach innen betrachtet, positiver Eigenspannungsgradient ausgebildet ist.
4. Gleiteleπient nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem mittleren Bereich
{II) der Beschichtung ein, von außen nach innen betrachtet, negativer Eigenspannungsgradient ausgebildet ist, der bevorzugt kleiner ist, als in einem innen liegenden Bereich.
5. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem innersten (V) und/oder äußersten Bereich (I) der Beschichtung die Eigenspannungen weirgehend konstant sind.
6. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem innersten Bereich die Eigenspannungen niedriger sind als in einem äußersten Bereich der Beschichtung.
7. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem mittleren 3ereich (III) der Beschichtung umfangreich alternierende Eigenspannungen ausgebildet sind.
8. Gleitelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , dass die Periodizität (α) des Alternierens 0,1 bis 1 μm beträgt .
9. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung 10 μm oder dicker ist.
10. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Bereich mit einem Eigenspannungsgradienten ein sich veränderndes Verhältnis zwischen sp2- und sp3~hybridisierten Kohlenstoffatomen vorliegt.
11. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Bereich mit einem Eigenspannungsgradienten eine sich verändernde Dichte der Schicht vorliegt.
12. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Bereich mit einem Eigenspannungsgradienten eine sich verändernde Härte der Schicht vorliegt.
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