DE102012005174A1

DE102012005174A1 - Piston ring e.g. pressure ring, for use in groove of piston of e.g. diesel engine, has bonding layer made of pure chromium material and arranged between lower and exterior layers of outer peripheral front side of main annular metallic base

Info

Publication number: DE102012005174A1
Application number: DE201210005174
Authority: DE
Inventors: Rodrigo Favaron
Original assignee: Mahle Metal Leve SA; Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle Metal Leve SA; Mahle International GmbH
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2012-10-04
Also published as: BRPI1101057A2

Abstract

The ring has a main annular metallic base (10) including an outer peripheral front side that consists of a lower layer (1) made of coated hard chromium and an exterior layer (3) made up of chromium nitride. Thickness of the lower layer is 100 micrometer, and thickness of the exterior layer is about 5 to 30 micrometer. A bonding layer is arranged between the lower layer and the exterior layer and is made of pure chromium material. The lower layer includes abrasive particles arranged between thin layers of coated hard chromium.

Description

Die gegenwärtige Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenring, insbesondere gedacht für den Einsatz in den Rillen des Kolbens eines Verbrennungsmotors und/oder Verdichters, versehen mit einer metallischen Unterlage, auf welche mehrere Beschichtungen auf Chrombasis aufgebracht sind.The present invention relates to a piston ring, in particular intended for use in the grooves of the piston of an internal combustion engine and / or compressor, provided with a metallic base, on which a plurality of coatings based on chromium are applied.

Beschreibung des Standes der TechnikDescription of the Prior Art

In den mit einem oder mehreren Kolben versehenen Verbrennungsmotoren, die sich in deren entsprechenden Zylindern bewegen enthält jeder Kolben einen der mehrere Ringe welche, während der Motor in Betrieb ist, erheblichen Kräften unterworfen werden.In the one or more piston internal combustion engines moving in their respective cylinders, each piston contains one of several rings which, while the engine is in operation, are subjected to considerable forces.

Eine der Formen um den Abnutzungswiderstand eines Ringes sicherzustellen damit er eine lange/ausreichende Lebensdauer für die Parameter der Lebensdauer des Motors aufweist, wird erreicht mit der Aufbringung einer oder mehrerer Beschichtungen auf das Grundmetall aus dem er besteht. Die speziell für den Widerstand gegen Abnutzung und Abrieb entwickelte Beschichtung bewahrt die Leistungseigenschaften des Ringes selbst nach Millionen von Hüben des Kolbens im Innern des Zylinders.One of the ways to ensure the wear resistance of a ring to have a long / sufficient life for engine life parameters is achieved by applying one or more coatings to the parent metal of which it is made. Designed specifically for resistance to wear and abrasion, the coating maintains the performance characteristics of the ring even after millions of strokes of the piston inside the cylinder.

In diesem Sinn gibt es zahllose Techniken der verschiedensten Beschichtungszusammensetzungen und unzählige Aufbringungsverfahren, von denen jede versucht die Leistungseigenschaften und die Dauerhaftigkeit der unterschiedlichen Typen und Konfigurationen von Ringen zu optimieren.In this sense, there are countless techniques of various coating compositions and myriad application methods, each of which seeks to optimize the performance and durability of the different types and configurations of rings.

Im Sinne des Ringes welcher Gegenstand der gegenwärtigen Erfindung ist, versehen mit einer metallischen Unterlage auf welche Beschichtungen auf Chrombasis aufgebracht sind, ist eine repräsentative vorherige Technik das nordamerikanische Patent US 6,161,837 , welche sich auf einen Kolbenring bezieht, versehen mit einer Basis aus Gusseisen auf welche zwei Beschichtungen der Gleitfläche aufgebracht sind. Insbesondere besitzt die erste oder die untere Beschichtung eine Dicke von 100 bis 300 Mikrometer (μ), direkt auf die Metallbasis aufgebracht, deren Oberfläche durch Lappen (lapping) verursachte Mikroabrasionen aufweist, wobei diese erste Schicht aus aufgalvanisiertem (electroplated) Chrom besteht. Dieses Dokument offenbart, dass eine zweite Beschichtung auf die Mikroabrasionen der ersten Schicht aufgebracht wird und diese zweite Schicht durch die Aufbringung von Chromnitrid durch das Verfahren der körperlichen Dampfaufbringung (PVD – physical vapor deposition) erzeugt wird.In the sense of the ring which is the subject of the present invention provided with a metallic backing on which chromium-based coatings are applied, a representative prior art is the North American patent US 6,161,837 , which relates to a piston ring, provided with a base of cast iron on which two coatings of the sliding surface are applied. In particular, the first or the lower coating has a thickness of 100 to 300 microns (μ) applied directly to the metal base, the surface of which has lapping (lapping) caused micro abrasions, this first layer being electroplated chromium. This document discloses that a second coating is applied to the microabrasions of the first layer and this second layer is created by the deposition of chromium nitride by the method of physical vapor deposition (PVD).

Die in diesem Dokument genannten Mikroabrasionen können aus 1 ersehen werden und ihre Funktion ist die Verbesserung der Haftung der zweiten Chromnitridschicht auf der ersten aufgalvanisierten Chromschicht.The microabrasions mentioned in this document can be made from 1 Their function is to improve the adhesion of the second chromium nitride layer to the first electroplated chromium layer.

Eine zweite repräsentative vorherige Technik ist das nordamerikanische Patent US 5,605,741 , welches sich auf einen Kolbenring bezieht, versehen mit einer Basis aus Gusseisen und einer unteren Schicht aus aufgalvanisiertem oder gasnitriertem Chrom welche auf ihrer äußeren Umfangsfläche gebildet wird. Diese untere Schicht erfährt eine Oberflächenbehandlung durch Teilchenstrahlen um ihre Oberfläche aufzurauhen und wird danach unter Öl geläppt um die Rauheiten zu beseitigen. Die resultierende Oberfläche hat ein sanftes Plateau und verschiedene willkürlich ausgerichtete Reservatorien auf welche später eine metallische Nitridbeschichtung aufgebracht wird.A second representative prior art is the North American patent US 5,605,741 which relates to a piston ring provided with a base of cast iron and a bottom layer of galvanized or gas nitrided chrome formed on its outer peripheral surface. This lower layer undergoes particle beam surface treatment to roughen its surface and is then lapped under oil to remove the roughness. The resulting surface has a gentle plateau and various arbitrarily aligned reservoirs to which a metallic nitride coating is later applied.

Laut diesem nordamerikanischen Dokument bieten die Reservatorien eine zusätzliche Oberfläche deren Zweck es ist, die Haftung zwischen dem Metallnitrid und der unteren Schicht herzustellen. Jedoch eliminiert die metallische Nitridbeschichtung nicht die Reservatorien, welche die zusätzliche Funktion der Lagerung des Schmieröls haben um infolgedessen die Reibung und Abnutzung beim Betrieb des Kolbenrings zu vermindern (siehe 2). Das Dokument offenbart weiterhin, dass die Härte der unteren Schicht zwischen 800 und 950 Vickers schwankt und eine Mindestdicke von 100 Mikrometer aufweist.According to this North American document, the Reservations provide an additional surface whose purpose is to provide adhesion between the metal nitride and the lower layer. However, the metallic nitride coating does not eliminate the reservoirs, which have the additional function of storing the lubricating oil to consequently reduce the friction and wear during operation of the piston ring (see 2 ). The document further discloses that the hardness of the lower layer varies between 800 and 950 Vickers and has a minimum thickness of 100 microns.

Wie aus den vorgelegten Unterlagen des Standes der Technik ersichtlich ist, ist eine Abrasion der unteren Beschichtung erforderlich um eine Verbesserung der Haftung der äußeren Schicht zu bewirken, wobei diese Eigenschaft diejenige ist, die gegenwärtig Stand der Technik ist, die Lösung für die Haftung zwischen den beiden Schichten zu bieten (aufgalvanisiertes Chrom und Schicht von metallischem Nitrid, zum Beispiel Chrom).As can be seen from the prior art documents presented, abrasion of the lower coating is required to effect an improvement in the adhesion of the outer layer, which property is the one currently known in the art, the solution for adhesion between the two to provide both layers (electroplated chromium and layer of metallic nitride, for example chromium).

Zusätzlich erweist sich als klar, dass die Lösungen beider Dokumente untere Schichten mit Dicken von über 100 Mikrometern erfordern. Es ist jedoch bekannt, dass die Erhöhung der Dicke der Chromschichten zu einer Verminderung des Ermüdungswiderstandes und Erhöhung der Restspannung der Beschichtung führt, was die Spezifikation und den Einsatz von Schichten solcher Dicke riskant macht, angesichts der beträchtlichen Zunahme der Restspannung und, als Nebenerscheinung, des Risikos des unerwünschten Auftretens von Rissen und Brüchen.In addition, it is clear that the solutions of both documents require lower layers with thicknesses in excess of 100 microns. However, it is known that increasing the thickness of the chromium layers leads to a reduction in fatigue resistance and increase in the residual stress of the coating, which makes the specification and use of layers of such thickness risky, in view of the considerable increase in residual stress and, as a by-product, the Risk of undesired occurrence of cracks and fractures.

Parallel dazu ist auch bekannt, dass mit aufgalvanisierten Chrombeschichtungen auf der Gleitfläche versehene Kolbenringe, noch dazu mit großer Dicke, Mikrorisse in den Beschichtungen aufweisen. Diese Realität ist wohlbekannt und kann leicht auf einer Werkbank nachvollzogen werden. Ein Beispiel ist aus beiliegender 5 ersichtlich, welche das Ergebnis eines Motortests an einem Kolbenring des gegenwärtigen Kenntnisstandes vorstellt, versehen mit einer unteren Schicht von aufgalvanisiertem Chrom und einer äußeren Schicht aus Chromnitrid.At the same time, it is also known that piston rings provided with electroplated chromium coatings on the sliding surface have microcracks in the coatings, in addition to having a large thickness. This reality is well known and can easily occur a workbench. An example is from enclosed 5 which shows the result of an engine test on a piston ring of the present state of knowledge provided with a bottom layer of electroplated chromium and an outer layer of chromium nitride.

Somit zeigen die Lösungen des gegenwärtigen Kenntnisstandes zwei große Mängel, für welche es bis zum gegenwärtigen Augenblick noch keine Lösung gibt. Einerseits sind Lapp- oder ähnliche Verfahren für die aufgalvanisierte Chromschicht erforderlich, damit eine bessere Haftung der metallischen Nitridschicht erzielt wird. Andererseits, vielleicht sogar wegen der zwangsläufigen Notwendigkeit des Eingriffs in die aufgalvanisierte Chromschicht im Moment der Bildung der Mikroabrasionen, weisen die Chromschichten höhene Dicken als erforderlich auf, was aufgrund der angesammelten Spannungen und des möglichen Auftretens von Rissen offensichtlich zu einer Verminderung der Lebensdauer des Kolbenringes führt.Thus, the solutions of the present state of knowledge show two major deficiencies for which there is still no solution to the present moment. On the one hand, Lapp or similar processes are required for the plated chromium layer to provide better adhesion of the metallic nitride layer. On the other hand, perhaps even because of the inevitable need for interference with the plated chromium layer at the moment of formation of the microabrasions, the chromium layers have high thicknesses as required, which obviously leads to a reduction in the life of the piston ring due to the accumulated stresses and possible occurrence of cracks ,

Andererseits, und ohne auf die Bildung von Mikroabrasionen und die sich daraus ergebenden Maßnahmen zurückzugreifen welche die Fertigungskosten des Kolbenringes belasten (d. h. mit einem erfinderischen Schritt), stellt der Antragsteller ein absolut neues und originelles Erzeugnis vor, welches nicht den Schritt des Lappens der aufgalvanisierten Chromschicht erfordert und stellt eine Beschichtung mit einer erheblich geringeren Dicke vor, womit lobenswerterweise alle Anforderungen an Leistung und Dauerhaftigkeit unter Beibehaltung von wettbewerbsfähigen Fertigungskosten erfüllt werden.On the other hand, and without resorting to the formation of microabrasions and the consequent measures which burden the manufacturing cost of the piston ring (ie, with an inventive step), the applicant presents an absolutely new and original product which does not involve the lapping of the electroplated chrome layer requires and presents a coating of significantly reduced thickness, which, in a praiseworthy manner, meets all performance and durability requirements while maintaining competitive manufacturing costs.

Gegenstand der ErfindungSubject of the invention

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kolbenring, gedacht für den Einsatz in Verbrennungsmotoren oder Verdichtern, versehen mit einer unteren Schicht aus aufgalvanisiertem Chrom, angeordnet auf der Gleitfläche des Ringes und einer äußeren Schicht aus Chromnitrid, wobei die Verbindung der genannten Schichten aus einer Haftschicht aus reinem Chrom bewerkstelligt wird.The present invention is a piston ring intended for use in internal combustion engines or compressors, provided with a bottom layer of electroplated chromium disposed on the sliding surface of the ring and an outer layer of chromium nitride, wherein the compound of said layers of an adhesive layer of pure Chromium is accomplished.

Die gegenwärtige Erfindung hat zum Gegenstand auch einen Kolbenring welcher eine geringe Schichtdicke des aufgalvanisierten Chroms besitzt, so dass die Bildungswerte von möglicherweise zerstörerischen Mikrorissen verringert werden.The present invention also has as its object a piston ring which has a small layer thickness of the electroplated chromium, so that the formation values of potentially destructive microcracks are reduced.

Kurzbeschreibung der ErfindungBrief description of the invention

Die Gegenstände der gegenwärtigen Erfindung werden erreicht durch einen Kolbenring, insbesondere für den Einsatz in der Rille eines Kolbens eines Verbrennungsmotors oder Verdichters, bestehend aus einer im Wesentlichen ringförmigen Basis, wobei der Kolbenring eine äußere Umfangsfläche aufweist welche mit einer unteren aufgalvanisierten Chromschicht und einer äußeren Chromnitridschicht versehen ist. Die untere Schicht besitzt eine Höchstdicke von 100 Mikrometer, die äußere Schicht besitzt eine Dicke von im Wesentlichen zwischen 5 Mikrometer und 30 Mikrometer und ist versehen mit einer Haftschicht aus reinem Chrom zwischen der unteren und der äußeren Schicht.The articles of the present invention are achieved by a piston ring, in particular for use in the groove of a piston of an internal combustion engine or compressor, consisting of a substantially annular base, the piston ring having an outer peripheral surface having a lower plated chromium layer and an outer chromium nitride layer is provided. The lower layer has a maximum thickness of 100 microns, the outer layer has a thickness of substantially between 5 microns and 30 microns, and is provided with an adherent layer of pure chromium between the lower and outer layers.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die gegenwärtige Zeichnung wird nachstehend mit mehr Einzelheiten beschrieben, gegründet auf ein auf den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel. Die Figuren zeigen:The present drawing will be described below in more detail based on an embodiment shown in the drawings. The figures show:

1 – ist ein Foto der willkürlich durch den Lapp-/Schleifvorgang an einem Kolbenring nach dem gegenwärtigen Stand der Technik gebildeten Mikroabrasionen; 1 Figure 9 is a photograph of the microabrasions arbitrarily formed by the lapping / grinding operation on a prior art piston ring;

2 – ist eine Abbildung der Oberfläche von Plateaux und Reservatorien, gebildet durch den Lapp- und Strahlvorgang eines Kolbenringes nach dem gegenwärtigen Stand der Technik; 2 Figure 12 is an illustration of the surface of plateaux and reservoirs formed by the lapping and blasting process of a prior art piston ring;

3 – ist ein Foto der Arbeitsfläche, Umfangsfläche eines Kolbenrings nach dem gegenwärtigen Stand der Technik, wo die Axialrisse sichtbar sind, die nach dem Test an einen Dieselmotor mit einer Dauer von 500 Stunden aufgetreten sind. 3 Is a photograph of the working surface, peripheral surface of a piston ring according to the current state of the art, where the axial cracks are visible, which have occurred after the test to a diesel engine with a duration of 500 hours.

4 – ist ein Foto der Arbeitsfläche, Umfangsfläche eines Kolbenrings der gegenwärtigen Erfindung ohne Risse nach dem Test an einen Dieselmotor mit einer Dauer von 500 Stunden. 4 - is a photograph of the working surface, peripheral surface of a piston ring of the present invention without cracks after the test on a diesel engine with a duration of 500 hours.

5 – ist ein Foto, welches die Risse der Arbeitsfläche, Umfangsfläche einer aufgalvanisierten Hartchromschicht eines Kolbenrings nach dem gegenwärtigen Stand der Technik nach einem Motortest darstellt; 5 FIG. 10 is a photograph illustrating the cracks of the working surface, peripheral surface of a plated-on hard chromium layer of a prior art piston ring after an engine test; FIG.

6 – ist eine schematische Querschnittsansicht des Kolbenrings welcher Gegenstand der gegenwärtigen Erfindung ist; 6 FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of the piston ring which is the subject of the present invention; FIG.

7 – ist eine Abbildung des Testgrundsatzes der Messung der Schallabstrahlung welcher die Kolbenringe unterzogen werden um die Eigenschaftgen ihrer Beschichtung zu bemessen; und 7 - is an illustration of the test principle of the measurement of the sound radiation to which the piston rings are subjected to measure the characteristics of their coating; and

8 – ist eine Abbildung welche die Ergebnisse der Messungen der Schallausstrahlung zeigt, die unterschiedlichen Schichtdicken vergleichen. 8th - is an illustration showing the results of the measurements of the sound emission, which compare different layer thicknesses.

Einzelbeschreibung der Zeichnungen Detailed description of the drawings

Die gegenwärtige Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenring 100, insbesondere für den Einsatz in der Rille eines Kolbens eines Verbrennungsmotors oder Verdichters, wobei dieser Ring vorzugsweise als Druckring ausgebildet ist, obwohl er ohne weiteres als Ölabstreifring oder irgendein anderer ausgebildet sein kann.The present invention relates to a piston ring 100 in particular for use in the groove of a piston of an internal combustion engine or compressor, which ring is preferably formed as a pressure ring, although it may be readily formed as an oil control ring or any other.

Vor Beginn der Beschreibung des Rings welcher Gegenstand der gegenwärtigen Erfindung an sich ist, muss wiederholt werden, dass die Erhöhung der Dicke der Chrombeschichtungen zu einer entsprechenden Minderung des Ermüdungswiderstandes und Zunahme der Restspannung der Beschichtung führt. Diese Kenntnis gründet sich nicht nur auf Theorie, sondern insbesondere auf vom Antragssteller erzielte Versuchsergebnisse und welche nachstehend besprochen werden.Before beginning the description of the ring which is the subject of the present invention per se, it must be reiterated that increasing the thickness of the chromium coatings results in a corresponding reduction in fatigue resistance and increase in the residual stress of the coating. This knowledge is based not only on theory, but in particular on test results obtained by the applicant and which are discussed below.

Gegründet auf die im vorstehenden Absatz aufgezeigte unumgehbare Realität entwickelte der Antragsteller einen Kolbenring 100, versehen mit Beschichtungen von verminderter Dicke sowie einer Lösung für die Haftung zwischen denselben welche befähigt ist die Anforderungen an Leistung und Dauerhaftigkeit in ausreichend höherem Maß sicherzustellen als bei denjenigen der bisher entwickelten Ringe.Based on the inescapable reality indicated in the preceding paragraph, the applicant developed a piston ring 100 provided with coatings of reduced thickness and a solution for the adhesion between them which is capable of ensuring the requirements of performance and durability sufficiently higher than those of the previously developed rings.

6 zeigt einen Querschnitt des Kolbenringes 100 der gegenwärtigen Erfindung welche die vorzugsweise Verwirklichung einer metallischen Grundlage 10 besitzt, vorzugsweise aus Gussstahl oder Eisen; diese kann jedoch aus irgendwelchem anderen metallischen Werkstoff sein, wie zum Beispiel Aluminium. 6 shows a cross section of the piston ring 100 of the present invention which preferably provides a metallic base 10 has, preferably of cast steel or iron; however, this may be of any other metallic material, such as aluminum.

Die äußere oder Umfangsfläche des Rings 100 (die auf die Zylinderwand gerichtete) erhält eine erste Beschichtung, bestehend aus einer unteren Schicht 1 aus elektrisch abgelagertem/aufgalvanisiertem Hartchrom. Die aufgalvanisierte untere Schicht 1 aus Hartchrom hat vorzugsweise eine Dicke von 60 Mikrometer und kann einen Höchstwert von 100 Mikrometer erreichen. Werte über 100 Mikrometer sind unerwünscht, um die Ansammlung von Spannungen und die sich daraus ergebende Möglichkeit der Rissbildung zu vermeiden.The outer or peripheral surface of the ring 100 (which directed to the cylinder wall) receives a first coating, consisting of a lower layer 1 of electrically deposited / galvanized hard chrome. The galvanized lower layer 1 hard chrome preferably has a thickness of 60 microns and can reach a maximum of 100 microns. Values over 100 microns are undesirable to avoid the accumulation of stress and the consequent possibility of cracking.

Die untere Schicht 1 aus aufgalvanisiertem Hartchrom wird vorzugsweise, aber nicht zwangsmäßig über ein saures Chrommedium enthaltend dispergierte feste Mikropartikel hergestellt. Es ist zu bemerken, dass während des Verchromungsvorgangs das Substrat bzw. die Basis an eine Kathode angeschlossen ist um so die Bildung der ersten Mikrometer der Dicke der unteren Schicht 1 aus Hartchrom auf der exponierten Oberfläche der Basis 10 einzuleiten. Nach diesem Schritt wird der elektrische Strom umgekehrt, so dass das Substrat/die Basis 10 zur Anode wird und auf diese Weise wird das Chrom teilweise von der Basis 10 entfernt und verursacht das Auftreten von Mikrorissen. Anschließend wird der elektrische Strom erneut auf den anfänglichen Zustand umgekehrt, so dass das Substrat erneut als Kathode wirkt und unter diesen Voraussetzungen erneut die Bildung von Hartchrom auf der exponierten Oberfläche erzeugt. So ist es möglich, dass die im Mittel dispergierten Teilchen zwischen den Mikrorissen eingekapselt werden.The lower layer 1 hard chromium plating is preferably, but not necessarily, made via an acidic chromium medium containing dispersed solid microparticles. It should be noted that during the chrome plating process the substrate or base is connected to a cathode so as to form the first microns of the thickness of the lower layer 1 Made of hard chrome on the exposed surface of the base 10 initiate. After this step, the electric current is reversed, leaving the substrate / base 10 becomes the anode and in this way the chromium gets partially off the base 10 removes and causes the occurrence of microcracks. Subsequently, the electric current is again reversed to the initial state, so that the substrate again acts as a cathode and again generates the formation of hard chrome on the exposed surface under these conditions. Thus, it is possible that the particles dispersed in the middle are encapsulated between the microcracks.

Es muss hier noch bemerkt werden, dass der oben beschriebene Prozess der galvanischen Metallabscheidung während der Bildung der Hartchrom-1-Unterschicht mehrmals wiederholt wird, mit dem Ergebnis, dass dadurch eine Verkleidung von Mikropartikeln mit zwischen den Rissen auf der gesamten Ausdehnung der Hartchromschicht entsteht.It should be noted here that the above-described process of electrodeposition during the formation of the hard chromium-1 underlayer is repeated several times, with the result that this results in a cladding of microparticles with between the cracks over the entire extent of the hard chrome layer.

Je nach den angestrebten Eigenschaften, kann die Hartchrom-1-Unterschicht aus mehrfachen dünnen Schichten bestehen (multilayers) welche Abriebpartikel enthalten können oder nicht zwischen den mehrfachen dünnen Schichten, mit dem Ergebnis von Unterschichten 1 mit Härten zwischen 400 und 1200 Vickers (HV).Depending on the desired properties, the hard chromium-1 underlayer may consist of multiple thin layers (multilayers) which may or may not contain abrasive particles between the multiple thin layers, resulting in underlays 1 with hardnesses between 400 and 1200 Vickers (HV).

Später, noch während dem Fertigungsprozess des Ringes wird auf die Unterschicht 1 ein zweiter Überzug aufgetragen, wodurch eine äußere Schicht 3 gebildet wird, welche aus Chromnitrid besteht, beim vorherrschenden Aufbau von CrN oder Cr₂N oder auch einer Mischung ohne dass dabei eine Vorherrschung keiner der Phasen vorkommt.Later, even during the manufacturing process of the ring is on the lower layer 1 a second coating is applied, creating an outer layer 3 is formed, which consists of chromium nitride, the predominant structure of CrN or Cr ₂ N or a mixture without there being a prevalence of any of the phases occurs.

Diese äußere Schicht 3 wird vornehmlich jedoch nicht obligatorisch durch eine physikalische Absetzung von Dampf (PVD) gebildet und besitzt eine Stärke die zwischen 5 und 30 Mikrometern o variiert, vorrangig 20 Mikrometern. Analog zu dem was zur Unterschicht 1 gesagt wurde, sind Schichten mit Dicken über 30 Mikrometern unerwünscht um auf diese Weise eine Anhäufung von Spannungen, und folglich die Steigerung der möglichen Risse zu verhindern.This outer layer 3 however, is not necessarily formed by physical vapor deposition (PVD) and has a thickness varying between 5 and 30 micrometers o, preferably 20 micrometers. Analogous to what the lower class 1 have been said, layers with thicknesses above 30 microns are undesirable in order to prevent in this way an accumulation of stresses, and consequently the increase of the possible cracks.

Dazu muss noch bemerkt werden, dass zwischen der Unterschicht 1 mit galvanischer Chromnitridbeschichtung und der äußeren Chromnitridschicht 3 welche nachträglich aufgetragen wurde, eine Bindeschicht 2 existiert bestehend aus abgelagertem Reinchrom, ebenfalls durch PVD. Man muss bemerken, dass diese Schicht eine ganz geringe Dicke besitzt, wesentlich dünner als 5 Mikrometer, wobei ihre grundlegende Funktion darin besteht, eine gute Bindung zwischen der Unterschicht 1 und der äußeren Schicht 3 herzustellen.It must be noted that between the lower class 1 with galvanic chromium nitride coating and the outer chromium nitride layer 3 which was subsequently applied, a tie layer 2 exists consisting of deposited pure chromium, also by PVD. It should be noted that this layer has a very small thickness, much thinner than 5 microns, its basic function being to provide a good bond between the underlayer 1 and the outer layer 3 manufacture.

Während dem Fertigungsprozess, nach dem Auftragen der Unterschicht 1, beginnt das Auftragen von Metallchrom durch PVD und in demselben Vorgang (ohne diesen zum Stehen zu bringen), sobald die Dicke um ca. 5 Mikrometer erreicht wird, wird dann Stickstoff eingeführt in einer Weise, dass das Chromnitrid abgesetzt werden kann. Das verfügbare Volumen an Stickstoff wird die Zusammensetzung der äußeren Schicht bestimmen, wenn diese vorrangig aus Chromnitrid in der Phase CrN, Cr₂N oder auch einer Mischung ohne Phasenvorherrschen besteht.During the manufacturing process, after applying the undercoat 1 , the application begins of metal chromium by PVD and in the same process (without stopping it), when the thickness is reached by about 5 microns, then nitrogen is introduced in such a way that the chromium nitride can be deposited. The available volume of nitrogen will determine the composition of the outer layer, if it consists primarily of chromium nitride in the phase CrN, Cr ₂ N or even a mixture without phase prevalence.

Es muss daher bemerkt werden, dass die vorliegende Erfindung sich vollständig von dem Konzept für Kolbenringe auf der Basis von Chrom distanziert, wobei es nicht mehr notwendig ist, eine Oberflächenbehandlung vorzunehmen (Schleifen oder ähnlichem) an der Unterschicht 1 zur Schaffung von Mikroabrieben, auch keiner gelegentlichen nachfolgenden Vorgehensweisen. Auf diese Weise gelingt es der vorliegenden Erfindung, eine Beschichtung der Kolbenringe 100 auf der Basis von Chrom ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Vorgehensweisen zu erreichen und welche notgedrungen das Endprodukt verteuern und dabei mit einer deutlich niedrigeren Beschichtungsstärke, welche die kumulierte innere Spannung und folglich das Vorkommen von Rissen reduziert.It must therefore be noted that the present invention completely dissociates itself from the concept of chrome-based piston rings, whereby it is no longer necessary to perform a surface treatment (grinding or the like) on the underlayer 1 for the creation of micro-rubbings, also no occasional subsequent procedures. In this way, the present invention achieves a coating of the piston rings 100 based on chromium without the need for additional procedures, and which will necessarily make the final product more expensive, with a significantly lower coating thickness which reduces the accumulated internal stress and hence the occurrence of cracks.

Ein Beleg dieser beträchtlichen konzeptuellen Veränderung und der beträchtlichen Reduzierung der Schichtstärken liegt in der Tatsache, dass bei den zur Zeit bekannten Ringen die Dicke der Unterschicht 1 einen notwendigen Mindestwert von 100 Mikrometern besitzt, und dies wegen des nachträglichen Abschleifens der Oberfläche, während beim vorliegenden Ring die Stärke der Unterschicht 1 der Beschichtung maximal 100 Mikrometer erreicht, und auf diese Weise sämtliche oben genannter Vorteile der Haltbarkeit erbringt.Evidence of this considerable conceptual change and the considerable reduction in layer thicknesses lies in the fact that in the currently known rings the thickness of the lower layer 1 has a minimum necessary value of 100 microns because of the subsequent abrading of the surface, while in the present ring the thickness of the underlayer 1 The coating reaches a maximum of 100 microns, and thus provides all the advantages of durability mentioned above.

Dazu kommt noch die große Unterschiedlichkeit des Kolbenringes 100 der vorliegenden Erfindung, denn dieser weist nunmehr eine glatte, frei von Reservoirs des Standes der Technik (aufgrund des Nichtschleifens der Unterschicht 1). Zudem besitzt die vorliegende Erfindung jetzt eine Zwischenschicht, die sogenannte Bindeschicht 2 aufgrund des Reinchromes welche im Stand der Technik nicht vorgesehen ist, wodurch eine höhere Leichtigkeit und eine höhere Qualität bei der Bindung zwischen der galvanisierten Chromschicht und der Chromnitridschicht zur Folge hat, ohne dadurch irgendwelche Unannehmlichkeiten oder Nachteile bringen, da sie in derselben Weise aufgetragen wird wie die Beschichtung mit Chromnitrid, so wies oben bereits erwähnt wurde.In addition there is the great diversity of the piston ring 100 of the present invention, because it now has a smooth, free from reservoirs of the prior art (due to the non-grinding of the lower layer 1 ). In addition, the present invention now has an intermediate layer, the so-called bonding layer 2 due to the pure chromium which is not provided in the prior art, resulting in a higher lightness and a higher quality of bonding between the galvanized chromium layer and the chromium nitride layer, without causing any inconvenience or inconvenience, since it is applied in the same way as the coating with chromium nitride, as already mentioned above.

Im Allgemeinen hat der Kolbenring 100 der vorliegenden Erfindung als Ergebnis eine Haltbarkeit (Widerstandsfähigkeit) gegen Ermüdung und im Gegensatz zum Stand der Technik ist dieser imstande die Probleme der Risse in den Unterschichten 1 mit Chromabscheidung zu lösen. Und da der Patentbeantrager sich nicht nur aus Theorien gestützt hat, schaffte er es, bei der vorliegenden Erfindung die hervorragenden Ergebnisse zu erzielen, erwiesenerweise aufgrund experimenteller Tests mit dem Ergebnis laut den Fotos der 3 und 4.In general, the piston ring has 100 As a result, the present invention has durability against fatigue, and unlike the prior art, it is capable of withstanding the problems of cracks in the backsheets 1 to dissolve with chromium deposition. And because the patent applicant did not rely solely on theories, he managed to achieve the excellent results in the present invention, as evidenced by experimental tests with the result according to the photos of the 3 and 4 ,

Betrachtet man die beiden Figuren, so ist der Unterschied zwischen den Oberflächen der Unterschichten 1 offenkundig. Die Darstellung 3 zeigt ein Foto des Querschnittes eines Kolbenringes gemäß dem Stand der Technik bei welchem man die axialen Risse in mit Chrombeschichteten Schicht Unterschicht 1 zu sehen bekommt nach einem Motorentest. Es muss daran erinnert werden, dass die mit Chrom beschichtete Unterschicht 1 des Ringes 100 des Standes der Technik eine Dicke mit ungefähr 180 Mikrometer hat, wobei die äußere Schicht 3 Chromnitid und eine dicke von 18 Mikrometer besitzt.Looking at the two figures, the difference between the surfaces of the lower layers is 1 obvious. The representation 3 shows a photograph of the cross section of a piston ring according to the prior art in which one of the axial cracks in chromium-plated layer underlayer 1 to see after a motor test. It must be remembered that the chromium-plated undercoat 1 of the ring 100 of the prior art has a thickness of about 180 microns, wherein the outer layer 3 Chromium nitride and has a thickness of 18 microns.

Mit einem unbedingt vorteilhaften Ergebnis, zeigt die 4 ein Foto eines Kolbenringes 100 der vorliegenden Erfindung im Testzustand wie dem in der 3 gezeigten, wobei die Unterschicht 1 mit Chrombeschichtung eine Dicke von wesentlichen 60 Mikrometern besitzt, und eine Unterschicht 1 ohne jegliche Risse nachdem sie demselben Test unterzogen wurde.With an absolutely beneficial result, the shows 4 a photo of a piston ring 100 of the present invention in the test state as in the 3 shown, the lower layer 1 with chromium coating has a thickness of substantially 60 microns, and an underlayer 1 without any cracks after being subjected to the same test.

Um die hervorragenden Ergebnisse aus der vorliegenden Erfindung zu konsolidieren, hat der Beantragende akustische Messtests an Kolbenringen des Standes der Technik vorgenommen, eine Tatsache die es ihm erlaubte, das Betragen der Schichten auf Chrombasis auf derer Widerstandsfähigkeit hin beim Auftreten von Rissen und derer Haftung zu begreifen.In order to consolidate the excellent results of the present invention, the Applicant has made acoustic measurement tests on prior art piston rings, a fact that allowed him to grasp the behavior of the chromium-based layers on their resistance to cracking and adhesion ,

7 veranschaulicht das Funktionsprinzip eines Testes zur akustischen Lärmmessung. Der Kolbenring 100, nachdem er den Überzug erhalten hat, wird in eine Vorrichtung gemäß 7 gelegt. Danach wird auf der Gleitoberfläche des Ringes 100 eine Last aufgebracht, wobei dann jegliches abgegebene Geräusch aus den am Ring 100 angewandten Spannungen und dessen jeweiligen Schichten von einer spezifischen Anlage zu diesem Effekt registriert wird. 7 illustrates the functional principle of a test for acoustic noise measurement. The piston ring 100 After receiving the coating, it is placed in a device according to 7 placed. After that, on the sliding surface of the ring 100 applied a load, in which case any noise emitted from the ring 100 applied stresses and their respective layers is registered by a specific attachment to this effect.

Mit dem Ergebnis, in dem Maße wie eine Verschiebung vorkommt, erreichen die Schichten ihre maximale Widerstandsfähigkeit, brechen zusammen und geben einen Ton (Schall) von sich der sich später in Form einer graphischen Darstellung niederschlägt, so wie in 8 dargestellt. So zeigt der Graph in der 8 auf der Achse xx die Verschiebung und auf der Achse yy die Wiederkehr des Signals der Anlage bezüglich der Ausstrahlung von Rissen welche im Graph durch das Kurzzeichen ASL dargestellt wird, und welches den Mittelwert des Signals (Average Signal Level) bedeutet und im Graph in Volt (V) dargestellt wird. Um einen Begriff zu haben wie dies geschieht, verwandelt ein Transduktor das Geräusch in dB in ein analoges Signal zwischen 0 und 10 V (Volt) wobei 1 dB 0,04 V entspricht.With the result, to the extent that a shift occurs, the layers reach their maximum resistance, collapse, and emit a sound that later appears in the form of a graphic representation, as in 8th shown. So the graph shows in the 8th on the axis xx the displacement and on the axis yy the return of the signal of the system with respect to the radiation of cracks which is represented in the graph by the symbol ASL, and the average value of the signal (Average Signal level) and is represented in the graph in volts (V). To get a sense of how this is done, a transductor converts the noise in dB into an analog signal between 0 and 10 V (volts), where 1 dB equals 0.04 V.

Die erhaltenen und in der 8 registrierten Ergebnisse ergaben sich aus Beschichtungen bei denen Dicken von Unterschichten 1 mit über 100 Mikrometern aufgetragen wurden, also Konfigurationen welche Kolbenringen aus dem Stand der Technik stammen. Eine Analyse des Graphs zeigt, wenn es zu einer Verringerung der Stärke der chrombeschichteten Schicht sowie der Chromnitid-Schicht durch PVD kommt, so geschieht eine Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen Bruch des Ringes 100 (Muster 1, 2 und 3). Insbesonders wenn man die Ergebnisse der Muster 1, 2 und 3 vergleicht, so ist möglich zu beobachten, dass umso mehr man die Gesamtdicke der Beschichtungen auf Basis von Chrom verringert, umso grösser die Bruchwiderstandsfähigkeit des Ringes ist, wobei das beste Ergebnis von dem Muster 1 mit einer chrombeschichteten Schichtstärke von 110 Mikrometern und einer Chromnitridschicht durch PVD von 18 Mikrometern erreicht wurde, aus was man ableiten kann, dass der größere Einfluss in dem Widerstand gegen Bruch hauptsächlich aus der Verringerung der Unterschicht 1 herkommt.The preserved and in the 8th registered results were obtained from coatings with thicknesses of sublayers 1 were applied with over 100 microns, so configurations which piston rings come from the prior art. An analysis of the graph shows that if there is a reduction in the thickness of the chromium-plated layer as well as the chromium nitride layer by PVD, an improvement in the resistance to breakage of the ring occurs 100 (Template 1 . 2 and 3 ). Especially considering the results of the patterns 1 . 2 and 3 It is thus possible to observe that the more the overall thickness of the chromium-based coatings is reduced, the greater the breaking resistance of the ring, the best result being from the pattern 1 with a chromium-plated layer thickness of 110 microns and a chromium nitride layer by PVD of 18 microns, it can be deduced that the greater influence in the resistance to breakage is mainly due to the reduction of the underlayer 1 comes from.

So ist also klar, dass der Kolbenring 100 der vorliegenden Erfindung eine Lösung zur Beschichtung mit wenigeren Fertigungsvorgängen darstellt, wobei er dazu fähig ist, ohne Risse sämtliche von einem Kolbenring 100 erwarteten Leistungs- und Haltbarkeitsanforderungen zu erreichen.So it is clear that the piston ring 100 of the present invention is a solution for coating with fewer manufacturing operations, being able to tear all of a piston ring without cracking 100 expected performance and durability requirements.

Da ein bevorzugtes Beispiel zur Konkretisierung beschrieben wurde, so muss verstanden werden, dass die Absicht der vorliegenden Erfindung weitere mögliche Variationen umfasst, wobei sie lediglich durch den Inhalt der Beanspruchungen in der Anlage begrenzt werden, und dabei die möglichen Äquivalenten mit eingeschlossen sind.As a preferred example of concretization has been described, it is to be understood that the intent of the present invention encompasses other possible variations, being limited only by the content of the stresses in the plant, and the possible equivalents are included.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 6161837 [0005]
US 5605741 [0007]

Claims

Piston ring, in particular for use in the groove of a piston of an internal combustion engine or of a compressor, a mainly annular metallic base ( 10 ), the piston ring ( 100 ) from an outer peripheral front side equipped with a lower layer ( 1 ) of coated hard chrome and an outer layer ( 3 ) of chromium nitride, characterized in that the underlayer ( 1 ) has a maximum thickness of 100 microns, the outer layer ( 3 ) has a substantial thickness between 5 microns and 30 microns and with a bonding layer ( 2 ) of pure chromium between the lower layer ( 1 ) and the outer layer ( 3 ) Is provided.

Piston ring according to claim 1, characterized in that the binding layer ( 2 ) has a maximum thickness of 5 microns.

Piston ring according to claims 1 and 2, characterized in that the lower layer ( 1 ) consists of multiple thin layers of coated hard chrome.

Piston ring according to claim 3, characterized in that the lower layer ( 1 ) Has abrasion particles between the thin layers of coated hard chrome.

Piston ring according to claims 1 to 4, characterized in that the lower layer ( 1 ) has a hardness with a variation between 400 HV and 1200 HV.

Piston ring according to claims 1 to 5, characterized in that the outer layer ( 3 ) is coated by physical vapor deposition (PVD).

Piston ring according to claims 1 to 6, characterized in that the binding layer ( 2 ) by physical vapor deposition (PVD).

Piston ring according to claims 1 to 7, characterized in that the metallic base ( 10 ) consists of steel.

Piston ring according to claims 1 to 7, characterized in that the metallic base ( 10 ) consists of cast iron.