WO2005121403A1 - Structural gliding component - Google Patents

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Abstract

The invention relates to a structural gliding component that is coated with chromium nitride and metallic chromium. The inventive structural gliding component is characterized in that the coating is composed of a plurality of individual layers, said individual layers consisting alternately of chromium and chromium nitride. The inventive structural gliding component has improved antifrictional properties, especially in terms of its wear resistance. It can most preferably be used in the form of piston rings, for example as compression rings or lubrication rings, for internal combustion engines.

Description

Gleitbauteil sliding
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitbauteil mit einer Beschichtung aus Chromnitrid und metallischem ChromThe present invention relates to a sliding component with a coating of chrome nitride and metallic chrome
Gleitelemente werden dort eingesetzt, wo Bauteile gegeneinander reiben, insbesondere in Maschinen und Motoren aller Art, beispielsweise in Kraftfahrzeugmotoren Die Reib- oder Laufflachen müssen somit gute Gleiteigenschaften aufweisen Derartige Gleitelemente werden daher in der Regel einer Oberflachenbehandlung unterzogen, so dass eine Beschichtung mit den gewünschten Gleiteigenschaften gebildetSliding elements are used where components rub against each other, especially in machines and motors of all kinds, for example in motor vehicle engines. The friction or running surfaces must therefore have good sliding properties. Such sliding elements are therefore usually subjected to a surface treatment, so that a coating with the desired sliding properties educated
Gattungsgemaße Gleitelemente mit Chrom und Stickstoff enthaltenden Beschichtungen sind bekannt Die DE 196 30 149 A1 offenbart einen Chromnitπdfilm, in welchem die Hauptphasen oder Zusammensetzungen CrN und Cr2N sind, wobei eine metallische Chromstruktur in diesem Film verteilt ist Der Chromnitπdfilm wird mittels Reaktions-Ionenplattieren hergestellt, wobei die Gasphase aus einer Mischung aus Chrom und Stickstoff besteht Die aus Tropfchen mit einer Große von 0,2 bis 5 μm gebildete metallische Chromstruktur verleiht dem Film eine größere ZähigkeitGeneric sliding elements with coatings containing chromium and nitrogen are known. DE 196 30 149 A1 discloses a chromium nitride film in which the main phases or compositions are CrN and Cr 2 N, a metallic chromium structure being distributed in this film. The chromium nitride film is produced by means of reaction ion plating , where the gas phase consists of a mixture of chromium and nitrogen. The metallic chrome structure formed from droplets with a size of 0.2 to 5 μm gives the film greater toughness
Die EP 0 927 839 A2 offenbart einen Olring mit einer Beschichtung aus einer Mischung von CrN und Cr2N oder CrN, Cr2N und Chrom Diese Beschichtung wird mittels lonenplattierung hergestellt und zeichnet sich durch eine große Vickers-Harte aus Die JP 62 120 471 A beschreibt einen Kolbenring mit einer Beschichtung aus metallischem Chrom und Chromnitrid, die ebenfalls mittels Reaktions-Ionenplattierung hergestellt wirdEP 0 927 839 A2 discloses an oil ring with a coating of a mixture of CrN and Cr 2 N or CrN, Cr 2 N and chromium. This coating is produced by means of ion plating and is characterized by a high Vickers hardness JP 62 120 471 A describes a piston ring with a coating of metallic chromium and chromium nitride, which is also produced by means of reaction ion plating
Bei modernen Verbrennungsmotoren sind die Anforderungen an die Laufeigenschaften jedoch standig gestiegen Hierzu zahlen beispielsweise die Brandspurfestigkeit, die Verschleißbestandigkeit, eine erhöhte thermische Belastbarkeit und eine reduzierte Rissneigung Ferner soll der Verschleiß am Gegenelement weiter reduziert werden Dies gilt insbesondere für die Laufflachen von Kolbenringen bzw von Zylindern als deren GegenelementIn modern internal combustion engines, however, the demands on the running properties are constantly increasing.These include, for example, the fire resistance, the wear resistance, an increased thermal load capacity and a reduced tendency to crack.Furthermore, the wear on the counter element should be further reduced.This applies in particular to the running surfaces of piston rings or cylinders as their counter element
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Gleitbauteil der oben genannten Art bereit zu stellen, welches verbesserte Laufeigenschaften zeigtThe object of the present invention is therefore to provide a sliding component of the type mentioned above, which shows improved running properties
Die Losung besteht in einem Gleitbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 Erfindungsgemaß ist vorgesehen, dass die Beschichtung aus mehreren Einzellagen besteht, wobei die Einzellagen abwechselnd aus Chrom bzw Chromnitrid bestehen Das erfindungsgemaße Gleitbauteil weist also eine Cr/CrN-Multilayer-Beschichtung aufThe solution consists of a sliding component with the features of claim 1. According to the invention, it is provided that the coating consists of several individual layers, the individual layers alternatingly consisting of chromium or chromium nitride. The sliding component according to the invention thus has a Cr / CrN multilayer coating
Das erfindungsgemaße Gleitbauteil zeichnet sich durch verbesserte Laufeigenschaften gegenüber dem Stand der Technik aus Dies betrifft insbesondere eine verringerte Verschleißneigung, sowohl am Gleitelement, als auch am Gegenelement Die thermische Belastbarkeit ist hoher und die Rissneigung geringer als bei bisher bekannten GleitbauteilenThe sliding component according to the invention is distinguished by improved running properties compared to the prior art. This relates in particular to a reduced tendency to wear, both on the sliding element and on the counter element. The thermal load capacity is higher and the tendency to crack is lower than in previously known sliding components
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den UnteranspruchenAdvantageous further developments result from the subclaims
Vorzugsweise ist die erste auf das Gleitbauteil aufgebrachte Einzellage eine Chromschicht Dadurch wird die Haftung der Beschichtung auf dem Gleitbauteil verbessert Als oberste Schicht wird vorzugsweise eine Chromnitπd-Einzellage gewählt Die Chromnitrid-Schichten können aus CrN, Cr2N oder Mischungen hieraus bestehen Da der Stickstoffgehalt der Schicht über den Partialdruck in der PVD-Beschich- tungskammer steuerbar ist, wird zur Vermeidung schroffer Übergänge in den Mate- πaleigenschaften an den Grenzflachen zwischen einer Chrom-Einzellage und Chrom- nitπd-Einzellage der Stickstoffpartialdruck nur allmählich geändert Dadurch erhalten die Chromnitid-Einzellagen jeweils beiderseits einen Saum aus Cr2N und einen Kern aus CrN Auf diese Weise können die Laufeigenschaften der einzelnen Schichten, insbesondere Harte und Zähigkeit, variiert werdenThe first individual layer applied to the sliding component is preferably a chrome layer. This improves the adhesion of the coating to the sliding component. A chromium nitride individual layer is preferably selected as the top layer The chromium nitride layers can consist of CrN, Cr 2 N or mixtures of these. Since the nitrogen content of the layer can be controlled via the partial pressure in the PVD coating chamber, to avoid abrupt transitions in the material properties at the interfaces between a chrome Single layer and chromium-nitπd single layer, the nitrogen partial pressure only changed gradually. As a result, the chromium-nitride individual layers each have a seam made of Cr 2 N and a core made of CrN on both sides. In this way, the running properties of the individual layers, in particular hardness and toughness, can be varied
Jede Einzellage ist mindestens 0,01 μm dick ist Die maximale Dicke betragt vorzugsweise 10 μm Die Chrom-Einzellagen sollten dabei dunner als die Chromnitπd- Einzellagen ausgebildet sein, da andernfalls die Brandspursicherheit des gesamten Schichtsystems beeinträchtigt werden wurde Die Gesamtdicke der Beschichtung sollte etwa 5 bis 100 μm, vorzugsweise etwa 20 bis 40 μm betragen Die Laufeigenschaften zu dunner Schichten können sich durch Verschleiß verschlechtern, wahrend zu dicke Schichten dazu neigen, vom Gleitbauteil abzusplitternEach individual layer is at least 0.01 μm thick. The maximum thickness is preferably 10 μm. The individual chromium layers should be made thinner than the individual chromium-nitride layers, since otherwise the fire resistance of the entire layer system would be impaired. The total thickness of the coating should be about 5 to 100 μm, preferably about 20 to 40 μm, the running properties of thin layers can deteriorate due to wear, while layers that are too thick tend to chip off the sliding component
Die Beschichtung eines erfindungsgemaßen Gleitbauteils besteht vorzugsweise aus mindestens 4 Einzellagen und kann bis zu 400 Einzellagen umfassen Mit mindestens 4 Einzellagen können die Laufeigenschaften der Beschichtung schon sehr gut optimiert werden, wahrend mit zunehmender Zahl der Einzellagen die Laufeigenschaften in immer geringerem Maße beeinflusst werden Zudem kann eine sehr große Zahl von Einzellagen die Schichtdicke soweit erhohen, dass die Beschichtung vom Gleitbauteil absplittern kann Optimal ist ein Bereich zwischen 50 und 200 EinzellagenThe coating of a sliding component according to the invention preferably consists of at least 4 individual layers and can comprise up to 400 individual layers. The running properties of the coating can be optimized very well with at least 4 individual layers, while the running properties can be influenced to an ever smaller extent with an increasing number of individual layers very large number of individual layers increase the layer thickness to such an extent that the coating can chip off the sliding component. A range between 50 and 200 individual layers is optimal
Die Beschichtung ist mittels PVD-Verfahren, vorzugsweise mittels Reaktions- Ionenplattierung, aufgebracht PVD-Verfahren sind im Stand der Technik schon lange bekannt und beispielsweise in der DE 196 30 149 A1 ausführlich beschrieben Das erfindungsgemaße Gleitbauteil besteht vorzugsweise aus Gusseisen oder Stahl und kann beispielsweise ein Zylinder oder ein Kolbenring, beispielsweise ein Ver- dichtungsπng oder ein Olring, für einen Verbrennungsmotor sein Besteht das Gleitbauteil aus einem nitriertem Stahl, kann dieser auch in der oberflachennahen Randzone nitriert sein Das dadurch entstandene ε-Eisennitπd muss durch Schleifen entfernt werden, bevor die erste Chrom-Einzellage auf das Gleitbauteil aufgebracht wird, da andernfalls Haftfestigkeitsprobleme auftretenThe coating is applied by means of PVD processes, preferably by means of reaction ion plating. PVD processes have long been known in the prior art and are described in detail, for example, in DE 196 30 149 A1 The sliding component according to the invention preferably consists of cast iron or steel and can be, for example, a cylinder or a piston ring, for example a compression ring or an oil ring, for an internal combustion engine. If the sliding component consists of a nitrided steel, this can also be nitrided in the edge zone near the surface The resulting ε-iron must be removed by grinding before the first chromium single layer is applied to the sliding component, since otherwise problems with adhesive strength arise
Das erfindungsgemaße Gleitbauteil kann komplett mit der Beschichtung versehen sein Es genügt unter Umstanden aber, wenn nur die Reib- oder Laufflache mit der Beschichtung versehen istThe sliding component according to the invention can be completely provided with the coating. However, it may be sufficient if only the friction or running surface is provided with the coating
Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden naher erläutertAn exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below
Vor der Beschichtung wird das Gleitbauteil intensiv gereinigt, z B in einer an sich bekannten mehrstufigen Reinigungsanlage unter Verwendung wassπger Reiniger, deren Reinigungskontrolle nach der DE 102 09 466 A1 erfolgt Der Reinigung schließt sich ein Spulen mit vollentsalztem Wasser und ein vollständiges Trocknen an Die sich unmittelbar anschließende Beschichtung des Gleitbauteils erfolgt nach dem bereits benannten PVD-Verfahren beginnend mit einer Chrom-Einzellage als erste Schicht auf dem Gleitbauteil Im Ausfuhrungsbeispiel ist eine Schicht, bestehend aus 90 Einzellagen bei einer Gesamtschichtdicke von bevorzugt ca 30 μm realisiert Die Schichtdicke der Chrom-Einzellage betragt dabei jeweils 0,1 μm, die Dicke der Chromnitπd-Einzellagen jeweils 0,6 μm, wobei jede Chromnitπd-Einzellage aus einem 0,5 μm dickem Kern aus CrN und beidseitig einem 0,05 μm dicken Saum aus Cr2N besteht Zur Herstellung der 90 Einzellagen wurden folgende Parameter verwendetBefore coating, the sliding component is cleaned intensively, for example in a multi-stage cleaning system known per se, using water-based cleaners, the cleaning of which is carried out according to DE 102 09 466 A1. The cleaning is followed by rinsing with deionized water and complete drying Subsequent coating of the sliding component is carried out using the PVD method already mentioned, starting with a single chrome layer as the first layer on the sliding component. In the exemplary embodiment, a layer consisting of 90 individual layers with a total layer thickness of preferably approx. 30 μm is realized. The layer thickness of the single chrome layer is 0.1 μm each, the thickness of the individual chromium nitride layers 0.6 μm, each chromium nitride individual layer consisting of a 0.5 μm thick core made of CrN and a 0.05 μm thick hem made of Cr 2 N on both sides The following parameters were used for the 90 individual layers
Chrom-Einzellaqen Stickstoff-Partialdruck 0 Argon-Partialdruck 0,012 mbar Targets Cr, 3 Stück Target-Strom 3* 180 A Substrattemperatur 425 °C Beschichtungszeit 1 : 45 minChromium single layers Nitrogen partial pressure 0 Argon partial pressure 0.012 mbar Targets Cr, 3 pieces target current 3 * 180 A substrate temperature 425 ° C coating time 1: 45 min
Chromnitrid-Einzellaqen:Chromium nitride Einzellaqen:
Stickstoff-Partialdruck 0,08 mbarPartial nitrogen pressure 0.08 mbar
Argon-Partialdruck 0Argon partial pressure 0
Targests Cr, 3 StückTargests Cr, 3 pieces
Target-Strom 3*200 ATarget current 3 * 200 A.
Substrattemperatur 425 °CSubstrate temperature 425 ° C
Beschichtungszeit 5 : 30 minCoating time 5: 30 min
□ Verschleiß Ring H Verschleiß Zylinder□ Wear ring H wear cylinder
Figure imgf000006_0001
Cr/CrN Multilayer CrN Monolayer
Figure imgf000006_0001
Cr / CrN multilayer CrN monolayer
Zur Ermittlung des Gleitverschleißes des derart beschichteten Gleitbauteils wurde ein reversierender Verschleißtest durchgeführt.A reversing wear test was carried out to determine the sliding wear of the sliding component coated in this way.
Verschleißtestwear test
Es wurde ein reversierender Gleitverschleißtest durchgeführt. Dabei wird ein Segment aus einem Kolbenring, beschichtet auf der äußeren Umfangsfläche, gegen ein Segment aus einem Graugußzylinder gleichen Durchmessers gedrückt und dann in Axialrichtung oszillierend hm- und herbewegt Es wird die Bewegung eines Kolbenrings in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors nachgestelltA reversing sliding wear test was carried out. A segment from a piston ring, coated on the outer circumferential surface, is pressed against a segment from a cast iron cylinder of the same diameter and then in Axial direction oscillating back and forth The movement of a piston ring in a cylinder of an internal combustion engine is simulated
Die Testparameter warenThe test parameters were
Nenndurchmesser von Zylinder und Kolbenring 130 mm Hub 4 mm ax Gleitgeschwindigkeit 1 ,3 m/min Frequenz 5 Hz Flachenpressung 60 N/mm2 Temperatur Raumtemperatur Schmierung 1 Tropfen Motorol / 2 h Testdauer 12 hNominal diameter of cylinder and piston ring 130 mm stroke 4 mm ax sliding speed 1.3 m / min frequency 5 Hz surface pressure 60 N / mm 2 temperature room temperature lubrication 1 drop motor oil / 2 h test duration 12 h
Die Auswertung erfolgte durch Bestimmung der Verschleißtiefe Als Vergleichsbei- spiel diente ein Kolbenring mit Monolayer-CrN-Beschichtung nach dem Stand der Technik Es wurden mehrere Tests gefahren und die Einzelergebnisse zu Mittelwerten zusammengefaßtThe evaluation was carried out by determining the depth of wear. A piston ring with a monolayer CrN coating according to the prior art was used as a comparative example. Several tests were carried out and the individual results were combined to mean values
Figure imgf000007_0001
Figure imgf000007_0001
Die mitgemessenen Reibungskoeffizienten lagen in beiden Fallen bei 0,1 1 bis 0,13The friction coefficients measured in both cases were 0.1 1 to 0.13
Das erfindungsgemaße Gleitbauteil, insbesondere Kolbenring für Verbrennungsmotoren, welches zumindest auf seiner Reib- oder Laufflache mit einer erfindungs- gemaßen Beschichtung versehen ist, zeichnet sich durch eine gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbesserte Verschleißbestandigkeit aus The sliding component according to the invention, in particular piston ring for internal combustion engines, which is provided with a coating according to the invention at least on its friction or running surface, is distinguished by a wear resistance which is significantly improved compared to the prior art

Claims

Patentansprüche claims
Gleitbauteil mit einer Beschichtung aus Chromnitrid und metallischem Chrom, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus mehreren Einzellagen besteht, wobei die Einzellagen abwechselnd aus Chrom bzw Chromnitrid bestehenSliding component with a coating of chrome nitride and metallic chrome, characterized in that the coating consists of several individual layers, the individual layers alternatingly consisting of chromium or chromium nitride
Gleitbauteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste auf das Gleitbauteil aufgebrachte Schicht eine Chromschicht istSliding component according to claim 1, characterized in that the first layer applied to the sliding component is a chrome layer
Gleitbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Chromnitrid-Schichten aus CrN, Cr2N oder Mischungen hieraus bestehenSliding component according to one of the preceding claims, characterized in that the chromium nitride layers consist of CrN, Cr 2 N or mixtures thereof
Gleitbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einzellage mindestens 0,01 μm dick istSliding component according to one of the preceding claims, characterized in that each individual layer is at least 0.01 μm thick
Gleitbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einzellage bis zu 10 μm dick istSliding component according to one of the preceding claims, characterized in that each individual layer is up to 10 microns thick
Gleitbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus mindestens vier Einzellagen bestehtSliding component according to one of the preceding claims, characterized in that the coating consists of at least four individual layers
Gleitbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus bis zu 400 Einzellagen bestehtSliding component according to one of the preceding claims, characterized in that the coating consists of up to 400 individual layers
Gleitbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Beschichtung 5 bis 100 μm, vorzugsweise 20 bis 40 μm, betragt Gleitbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mittels PVD-Verfahren, vorzugsweise mittels Reaktions-Ionenplattierung, aufgebracht istSliding component according to one of the preceding claims, characterized in that the thickness of the coating is 5 to 100 microns, preferably 20 to 40 microns Sliding component according to one of the preceding claims, characterized in that the coating is applied by means of a PVD method, preferably by means of reaction ion plating
Gleitbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Reibfläche mit der Beschichtung versehen istSliding component according to one of the preceding claims, characterized in that only the friction surface is provided with the coating
Gleitbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es aus Gusseisen oder Stahl istSliding component according to one of the preceding claims, characterized in that it is made of cast iron or steel
Gleitbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Zylinder oder ein Kolbenring, beispielsweise ein Verdich- tungsπng oder ein Olring, für einen Verbrennungsmotor ist Sliding component according to one of the preceding claims, characterized in that it is a cylinder or a piston ring, for example a compression ring or an oil ring, for an internal combustion engine
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